JPS62138723A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、カルマン渦を利用して測定流体の質量流量を
測定する質量流量計に関するものである。

（従来の技術） 流体中に物体を置くと、物体の雨後側面から交互にかつ
規則的に渦が発生し、下流に渦動となって流れることが
古くから仰られている。この渦動はカルマン渦列といわ
れ、単位時間当りの渦の生成数（生成周波数）が流体の
流速に比例している。

そこで、測定流体を導く管路内に渦発生体を配置し、渦
発生体によって流速に比例した渦を発生させ、渦の生成
による揚力変化を圧ｗＬ素子、ストレンゲージ、容量や
インダクタンス等のセンサで検出し、検出信号の周波数
のみを取り出して流体の流速や流量を測定する渦流量計
が実用化されている。ところで、一般に知りたい流量は
化学変化を行わせるプロセスではもちろんのこと、取引
においても質量流量であることが多い。また測定流体が
気体やスチームの場合には温度や圧力でその密度が大き
く変わり、液体の場合でも温度によりその密度がかなり
変化してしまう。このため渦流量計と並設して温度や圧
力を測定するか、密度計にて密度を測定し、質量流量を
測定している。しかし密度計と渦流量計とを用いると繁
雑高価であり、温度や圧力計と渦流量計との組合せでは
、繁雑高価であるばかりでなく、流体の温度の測定が難
しいことから精度や応答性も悪い。

ところで、第８図に示す如く、管路ＩＫ渦発生体２が配
置され、測定流体ｍが管路１に流された場合に、渦発生
体２に作用する平均抗力ＦＤ、変動揚力ＦＬや圧力損失
ΔＰは一般に次式で示される関係にある。

’　　２　　　　　　　　　　　　　（３）ΔＰ″ＯＰ
了ρ■ 但し ＣＤ；抗力係数 Ｃ１；変動揚力係数 ０、；圧力損失係数 ρ：密度 Ｖ；流速 （１）、　（２）についてはたとえば「流れ学　第５章
渦Ｐ、７９．　Ｐ、８７　２１クツタジユコフスキーの
定理゛　谷さて、平均抗力ＦＤ、変動揚力ＰＬ、圧力損
失ΔＰは、抗力係数ＯＤ、変動揚力係数ＯＬ、圧力損失
係数Ｏ１が定数であれば、ρｖ２に比例するので、渦層
波■ 数ｆ　＝、　Ｓ　ｔ　−−ＫＶ　（但し、ｓｔ　：　ス
トロハル数、ｄ：渦発生体２の直径、Ｋ＝７で定数）で
（１）、　（２）。

（３）式を割算すれば、ρＶが得られる。抗力係数ＣＤ
。

変動揚力係数Ｃ圧力損失係数Ｃ１の値については、たと
えば、抗力係数ＯＤについては第９図（航空宇宙工学便
覧　Ｐ、　２０５　日本航空宇宙学会編　丸善株式会社
　　発行）に示されるように、各種形状の渦発生体につ
いて求められている。

又、ρＶ検出器と■検出器とを割算することによりρ・
Ｖ　、’ｖ　＝＝ρＶなる質量流量を求めることについ
ても、流量計測ハンドブック　Ｐ、　３４４　　用田裕
部偏著　日刊工業新聞社発行に述べられているように、
従来から一般的に行われている技術である。

渦流量計において、この種の公知例としては、西独特許
　ＤＥ３０３２５７８０２　　ｒ測定流体を動的に密度
に非依存に決定する方法と装置（内容は渦流量計による
質量流量の測定）」があり、変動揚力を渦発生体に取付
けたストレインゲージの歪みとして検出したり、バネに
より渦発生体に発生するトルクを検出したり、渦発生体
の前面にピトー管を設置し抗力を検出し、渦周波数と割
算することにより質量流量を求めるものがある。

また、国内においては、実開昭５４−１７４３５９号「
カルマン渦を利用した測定装置」においても、渦発生体
の上下流側にダイアフラムによる容量検出部を設け、容
量変化の直流分より抗力ＦＤを、交流分から渦周波数を
検出し割算することにより質量流量を求めるものがある
。

また、特開昭５７−６１９１６号「カルマン渦を利用し
た測定装置」に変動揚力を検出し、渦部数で割算する例
が示されている。

以下、特開昭５７−６１９１６号について説明する。

第１０図はこの特開昭５７−６１９１６号の構成説明図
である。図において、１ａは測定流体が流れる管路、２
ａは管路１ａに垂直に挿入された柱状の渦発生体で、そ
の両端は管路１ａに固定されている。渦発生体２ａの本
体２１ａはステンレス等からなり、測定流体にカルマン
渦列を生ぜしめかつ揚力変化を安定強化するような例え
ば台形等の断面形状を有している。

渦発生体２ａの頂部２２ａはステンレス等からなり、凹
部２３ａを有し本体２１ａとは溶接等により一体に形成
されている。４１ａは圧Ｎ素子からなる素子本体で、渦
発生体２ａの凹部２３ａにガラス等の絶縁材３ａによっ
て封着され、渦発生体と一体に形成されている。また素
子本体４１ａは円板状をなし、その中心が渦発生体２ａ
の中立軸と一致するように配置されている。さらに素子
本体４１ａＫは、第１１図に示すようにその表と裏にそ
れぞれ左右に分割して対称的に電極４２ａ　、　　４３
ａ　、　　４４ａ　、　　４５ａが設けられ、１！極４
２ａと４３ａで挾まれた部分で第１の圧・電七ンサ４６
ａを形成し、電極４４ａと４５ａで挾まれた部分で第２
の圧電センサ４７ａを形成する。そして第１゜第２の圧
電センサ４６ａ　、　　４７ａに生ずる電荷が差動的に
なるように、電極４２ａと４５ａおよび電極４３ａと４
４ａが各々結線され、かつｉ　極４２ａと４４ａからそ
れぞれリード線４８ａ　、　　４９ａが絶縁材３ａを質
通して外部に取り出されている。８ａは検出信号処理回
路で、圧電センサ４６ａ　、　　４７ａで検出した交流
′電荷ｑを交流電圧ｅに変換する。９ａは比較器で、交
流電圧ｅを一定レベルのパルス信号Ｐに変換するための
ものである。１０ａはＦ／’Ｖコンバータで、比較器出
力のパルス信号Ｐをその周波数に比例した直流電圧Ｅ１
に変換する。ｌｌａは整流平滑回路で、交流電圧ｅを整
流平滑し、その振幅に比例した直流電圧Ｅ２に変換する
。１２ａは演算回路で、Ｗコンバータ１０ａと整流平滑
回路１１ａの出力Ｅ１１Ｅ２に所望の演算を施し、その
出力に流体の密度または質量流量に関連した信号を取出
すだめのものである。

このように構成した本発明において、管路１ａ内に測定
流体が流れると、渦発生体２ａはカルマン禍を発生させ
るとともに、渦の生成に基づく揚力変化を受ける。渦発
生体２ａは揚力変化を受けるとその内部に図示の如く中
立軸を挾んで逆方向の応力変化が発生する。この渦発生
体２ａに生ずる応力変化は絶縁材３ａで渦発生体２ａに
一体に取付られた素子本体４１ａに伝達される。したが
って第１．第２の圧電センサ４６ａ、　４７ａ　Ｋはそ
れぞれ揚力変化に対応して互いに逆位相の電荷量の変化
が生ずる。

そして圧電センサ４６ａ　、　４７ａに生ずる電荷量は
差動的に取り出され、リード線４８ａ　、　　４９ａ間
には交番電荷ｑが生ずる。交番電荷ｑは検出信号処理回
路８ａで交流電圧ｅに変換される。交流電圧ｅの周波数
を比較器９ａおよびφコンバータｌｏａを介して取り出
せば、（４）式の如く一般の渦流量計と同様渦周波数ｆ
すなわち流速Ｖに比例した電圧Ｅ１が得られる。

Ｅｌ＝ＫＩＶ　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
ただし、Ｋ１は比例定数 一方交流屯圧ｅの振幅を整流平滑回路１１ａを介して取
り出せば、整流平滑回路１１ａの出力Ｅ２は流体の密度
をρとすると次式で与えられる。

Ｅ２＝に２Ｐｖ２（５） その出力ｇｏは、 となる。管路１ａの断面積を３とすれば、質憬流量銅は
、 鍾＝ρＶ　Ｓ　　　　　　　　　　　　　　（７）で与
えられるので、Ｅｏは、 Ｅ’　＝　丁Ｑｍ　　　　　　　　　（ｇ）となり、質
量流量に比例した信号となる。

また演算回路１２ａで、Ｅｌを２乗した後ｇ２を割るよ
うにすれば、出力ｇｏは、 となり、流体の密度に比例した信号を得ることができる
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、今、カルマン渦による変動揚カ髪抗力Ｆ
Ｄ及び渦周波数出方（体積流量）Ｆ、はＦ■＝に１ｖａ
２ 但し ＦＬ；変動湯カ ＦＤ；抗力 Ｆｖ；渦周波数出力（体積流ｔ） ＯＬ；変動湯カ係数 ＯＤ；抗力係数 ρ；密度 Ｖ；流速 ｄ　；渦発生体の流れに対向する直径 Ｄ；管内直径 に１；定数 したがって、 （６）式におけるに３は となる。

ここにおいて、変動揚力ＦＬを検出する＄１．第２の圧
電センサ４６　ａ　＋　４７　ａは、絶縁材３ａで渦発
生体２ａに一体に取付けられている。したがって、周囲
温度の変化に伴って、絶縁材３ａと渦発生体２ａと第１
、第２の圧電センサ４６ａ、　４７ａとの熱膨張係数の
差及び曲げこわさの相違が生じ、圧電センサ４６ａ。

４７ａの感度が変動する。渦流量計においては、出力周
波数を対象とするので、圧電セ／す４６ａ、４７ａの温
度に対する感度変化は問題とされないが、質量流量計の
場合は、揚力の絶対値が必要となるので、圧電センサ４
６ａ、　４７ａの温度変化による感度変化はａ１１定値
に大きな影響を及はし大きな測定誤差を生ずることにな
る。

本発明は、この問題点を解決するものである。

本発明の目的は、温度特性の良好な質量流量計を提供す
るにある。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本願は、交番力として作用
するカルマン渦信号を利用して測定流体の質！流量を測
定する質量゛流量計において、測定流体の管路に直角に
挿入された柱状の受力体と、該受力体の軸方向に設けら
れた凹部と、該凹部の前記交番力による応力がほぼ零と
なる位置に配置された第１応力検出部と、該第１応力検
出部配置位置以外の前記凹部に配置された８ｇ２応力検
出部と、前記凹部に側面が接触しない隙間を保って挿入
され一端が前記応力検出センサを該凹部に押圧固定し他
端が前記凹部の開口部において固定された柱状の固定体
と、前記応力検出部を絶縁する絶縁体とを具備し、前記
凹部の軸方向の深さが温度の変化に伴い前記受力体と前
記応力検出部および前記絶縁体との間に生ずる熱膨張の
差を前記受力体と前記固定体との熱膨張の差により打消
されるような深さに設定すると共に、前記凹部によって
形成される受力体の外商部分と、前記応力検出部と前記
絶縁体と前記固定体とで構成される内筒部分との曲げこ
わさの温度変化が等しくなるように各構成部分の材料が
選択されて構成されたことを特徴とする質１ｔｆｆｌｆ
ｆｉ計を構成したものである。

（作用） 以上の構成において、　ｄｌ１１定流体が流れると、カ
ルマン渦が発生する。このカルマン渦により、受力体に
交番力が作用し、第１．第２応カ検出部において、交番
の応力が発生し、これが電気信号として検出される。こ
の値を差動的に処理し、振幅。

周波数を検出して演算処理を行えば、質量流話が測定で
きる。

以下、実施例について説明する。

（実施例） 第１図（Ａ）　（Ｂ）は、本発明の一実施例の構成説明
図で（４）は正面図、（Ｂ）は側面図、第２図は第１図
の検出器部を断面で示す構成説明図である。

図において、１０は渦流量計検出器、２ｏは渦流量計変
換器である。

渦流量計検出器１０において、１１は測定流体が流れる
管路、１２は管路１１に直角に設けられた円筒状のノズ
ル、１３はノズル１２を通して管路１１に直角に挿入さ
れた柱状の渦発生体で、ステンレス等からなりその上端
１３１はノズル１２にネジまたは溶接により固定され、
下端１３２はプラグにより管路１１に支持されている。

渦発生体１３の測定流体と接する接流体部分１３３は測
定流体にカルマン渦列を生ぜしめ、かつ揚力変化を安定
強化するように例えば台形等の断面形状を有し、また上
端１３１側にけ凹部１３４を有している。１３５は凹部
１３４によって渦Ｎによって渦発生体１３に生ずる応力
が零となる位置人の同−側又は両側に配置されている。

以下では、同一側に配置された場合について説明する。

ファの役目をし、凹部１３４の底面の加工上のあらさ、
管理の困雅さを補うものである。ステンレス等の第１の
スペーサ１４４とセラミック等の絶縁板の間隔を決める
とともに、両者の絶縁を行うためのものである。ステン
レス等の押し棒１４７はセンサ１４１．１４２を押圧し
た状態で渦発生体１３の上端１３１に溶接され、センサ
１４１．１４２を押圧固定するものである。なおセンサ
部１４は渦発生体１３に下敷子１４０からなり、その中
心が渦発生体１３の中立軸と一致するように配置されて
いる。さらに圧電素子１４０には第４図（４）斜視図に
示すようにその表と裏にそれぞれ測定流体の流れ方向（
図の矢印方向）に対して左右に分割して対称的に電極１
４０１．１４０２゜１４０３、１４０４が設けられ、か
つ第４図（Ｂ）に示す如く矢印方向（渦の揚力方向）の
力による曲げモーメントによって中立軸を挾んで互いに
逆方向に発生する応力（圧縮応力と引張応力）に対応し
て電極１４０１、１４０２間に生ずる電荷と、１！極１
４０３．１４０４間に生ずる電荷とが同極性になるよう
に反転分極されている。このため第４図（０に示すよう
に同方向に発生する応力に対しては両電極間に互いに逆
極性の電荷が発生する。また測定流体の流れ方向の応力
によって発生する電荷量は電極間でキャンセルされて出
てこす、また流れ方向の配管振動によ１４０１、１４０
２問および電極１４０３．１４０４間にそれぞれ生ずる
同極性の電荷の和を出力電荷ｑ１とし逆極性の電荷をキ
ャンセルするために、電極１４０１と１４０３とが押し
棒１４７を介して共通に渦発生体１３すなわち基準点に
接続され、電極１４０２と１４０４とがスペーおよび１
４０３．１４０４間にそれぞれ生ずる同極性の電荷の和
を出力電荷ｑ２とし逆極性の電荷をキャンセルして、か
つｑｌとは極性を反転させるために、電極ｘ４ｏｔ、＆
　１４０３が子ペーサ１４４を介して共通にリード線１
４８２に接続され、電極１４０２と１４０４とが下敷１
４３を介して共通に渦発生体１３すなわち基準点に接続
されている。リード線１４８１．１４８２はセンナ部］
４の各部品に設けられた貫通孔およびハーメシックシー
ル１４８を介して外部に取り出され、渦流量計変換器２
０に接続される。なお渦発生体１３の凹部１３４とセン
サ部１４で囲まれた部分には結露防止のために、露点の
低いガスが封入されており、押し棒１４７には封入ガス
用の連通孔１４９が設けられている。１５は渦発生体１
３と管路１１との交差部分に設けられたラビリンス流路
である。ラビリンス流路１５は、第５図に示す如く、渦
発生体１３に取付けられ管路１１とわずかな隙間を形成
するフィン１５１と、それに続く拡大室１５２が対とな
り少くとも一対以上で構成されている。

而して、凹部１３４の深さＬは、次式を満足するように
選ばれている。

ＬＬ７Ｐ＝ｔＫαに＋ｔｓαＳ　”　’Ｉ、αＬ＋ｔｑ
ｔｘｑα、：渦発生体１３の熱膨張係数 αえ；押し棒１４７の熱膨張係数 αＳ　；絶縁板１４５の熱膨張係数 αＬ；応力検出センサ１４１．１４２の熱膨張係数α、
；スペーサ１４４．１４６の熱膨張係数ｔＫ；押し棒１
４７の長さ ｔｓ；絶縁板１４５の厚さ ｔＬ；応力検出センサ１４１．１４２の厚さｔｑ；スペ
ーサ１４４．１４６の厚さ 即ち、渦発生体１３と応力検出センサ１４１．１４２°
と絶縁板１４５とスペーサ１４４．１４６との間に生ず
る熱膨張の差を、渦発生体１３と押し棒１４７との熱膨
張の差によって１丁度打消すことができるように凹部１
３４の深さＬが設定されている。

第６図は第２図の電気回路３０（第２図に図示せず）の
ブロック図である。

３１、３２はチャージコンバータで、応力検出センサ１
４１．　＋４２で検出した交流電荷Ｑ１．Ｑ２を交流電
圧Ｅ３０．Ｅ３゜に変換する。３３は加減算回路で、チ
ャージコンバータ３１．３２から出力を加算して交流電
圧Ｅ　とする。３４は第２増幅回路で、交流電圧Ｅ３３
を増幅し交流電圧Ｅ３４とする。３５は検波回路で、交
流電圧Ｅ３４を検波しＢ３５とする。３６は整流回路で
、交流電圧”３５のリップル分を除去する。３７はフィ
ルタ回路で、交流電圧Ｅ３３に含まれる低周波る。３９
はシェミットトリガー回路で、交流電圧Ｅ３８を一定レ
ベルのパルス信号Ｐ３９に変換する。

４１はＦ／’ｔ／コンバータで、パルス信号Ｐ３９をそ
の周波数に比例した直流電圧Ｅ４１に変換する。４２は
割算回路で、Ｆ／’Ｖコンバータ４１と整流回路３６の
出力Ｅ４１”’３６に所望の演算を施し、その出力に流
体の密度または質量流量に関連した信号Ｂ４□を取り出
す、、４３はゲート回路で、第１増幅回路３８からの交
流電圧Ｅ３８がシュミット回路３９の設定トリガレベル
にまで達しなくなった場合に、割算回路４２の出力を０
とする。而して、整流回路３６０時定数とＦ／Ｖコンバ
ータ４１の時定数をほぼ同じにし、がっ、渦信号のビー
ト周波数より犬なるように構成されている。

以上の構成において、変動揚力信号の絶対値を正確に検
出するため渦周波数の帯域内でフラットなｆ特性の信号
変換回路（チャージコンバータ３１゜３２と加減算回路
３３知物理肴を電気看に変換した後、同様に渦周波数の
帯域内でフラットなｆ特性金有する第２増幅回路３４で
増幅し、そのまま検波回路３５の入力とした。

一方、渦周波数検出は信号変換回路（チャージコンバー
タ３１．３２と加減算回路３３）を通った後、渦信号に
含まれている高周波及び低周波ノイズを低減させるため
、フィルタ回路３７と第１増幅回１：２Ｉ３８を通した
後、シュミット回路（コンパレータ）３９の入力とした
。

以上の結果、変動揚力信号検出回路と渦周波数検出回路
とを信号変換回路の直後から別々て分けることにより、
変動揚力信号の絶対値を正確に測定することと、確実に
渦周波数を検出することとを両立させることができた。

而して、渦発生体１３と応力検出センサ１４１．１４２
と絶縁板１４５　と、スペーサ１４４．１４６との間に
生ずる熱膨張の差を、渦発生体１３と押し棒１４７との
熱膨張の差によって、丁度打消すことができるように凹
部１３４の深さＬが設定されているので、周囲温度の変
化によって、応力検出センサ１４１．１４２に加わる圧
縮力が変化することがなく、押し棒１４７によって、最
初に加えられた初期圧縮状態のままが維持される。した
がって、測定流体に対して高温領域まで測定を行うこと
ができる。特に、絶対値的に影響が生ずる変動揚力の夕
Ｉｊ定に対して効果的である。

また、渦発生体１３と、応力検出センサ１４１．１４２
と絶縁板１４５とスペーサ１４４．１４６との熱膨張係
数をほぼ等しくしておけば、温度変化があっても、初期
押しつけ力が変化しないものが得られる。

また、初期押しつけ力は、厄力検出セ／す１４１゜１４
２の交番応力σ８に対する感度が充分飽和する大きさま
で与えておけば、わずかな押しつけ力の変化によって出
力誤差が大きく生じないものが得られる。具体例として
は、たとえば、３　ｋｇ　／　ｃｍ２以上の初期押しつ
け力を加えるようにすればよい。

但し ＯＬ；変動ｊ力係数 ρ；密度 Ｖ；流速 ｄ：渦発生体の流れに対向する僅 Ｄ；管内径 したがって、変動揚力ＦＬによる渦発生体１３の信号曲
げモーメントＭｓは ｔ；渦発生体の長手方向の長さ Ｘ；上部固定端からの距離 センサ部１４の曲げモーメントＭ′８は外商部１３５と
の曲げこわさの比となるから Ｉｏ；センサ部１４の断面二次モーメントｐｏ：、、　
　　のヤング率 ■ｌ；外葡部１３５の断面二次モーメントＥ１；〃　　
　のヤング率 よってセンサ部１４の応力は ｙ；中立軸からの距離 圧電素子からなる応力検出センサ１４１．１４２の発生
電荷量Ｑは Ｓ；圧電素子１４０の面積 ｄｌ、；圧電定数 さて、ヤング尤は温度により変化するが（ステンレスの
場合５〜６　％　／　２００℃）曲げモーメントＭ８′
は０１式より明らかなようにＥ１／Ｅｏとなっているか
らセンサ部１４のヤング率と外商部ｌ、３５のヤング率
の温度変化の割合いが等しければＭ８／は温度によらず
一定である。

すなわち、圧電素子１４０．絶縁板１４５に薄いものを
使用しセンサ部１４全体の大部分を占める押し俸１４７
．［極１４０１．１４ｏ２．１４０３．１４０４、スペ
ーサ１４４、１４６の金属材料を外商部１３５を構成す
る金属材料と同種のものを使用すればＥ１／Ｅｏは温度
変化しても一定値となる。

この結果一式で示される発生電荷量Ｑはヤング率の温度
変化によらないことになる。なお、断面二次モーメン）
Ｉ。、Ｉｏは形状１寸法で決まる定数である。

これは第２図実施例のいわゆる応力検出方式の利点で歪
み量や、変位量を測定する場合と異なり温度変化すなわ
ちヤング率の変化に対して感度は変らない。

ただし、応力検出方式においても第１０図に示すガラス
封着等の封着構造のものは、封着材のヤング率の温度変
化は外商部１３５の金属材料にくらべ１桁から２桁大き
く、温度変化に対してＥ１／Ｅｏを一定にすることは不
可能である。

次に、管路を伝帳してくる振動ノイズ、たとえば、ポン
プ、コンプレッサー、ダンパーの開閉等による振動ノイ
ズの影響により、管路全体が振れる。この１辰動によっ
て、渦発生体１３には前述交番力Ｆが作用する方向に渦
発生体１３の質量分布等に基づく交番の曲げモーメント
ＭＮが作用する。この交番の曲げモーメントＭＮにより
渦発生体１３に生ずる応力は応力検出センサ１４１．１
４２においてノイズとして検出される。

第３図は、この曲げモーメント栴を示したもので、Ｍ８
は渦発生によって生じた交番の曲げモーメント（測定対
象）である。

本願においては、曲げモーメントＭＮが零となる位置人
の片側にそれぞれ応力検出センサ１４１．１４２を配置
して、たとえば、ある瞬時において、外部振動ノイズに
よるプラスの応力を応力検出センサ１４１で検出し、易
の応力を応力検出センサ１４２で検出して、加減算回路
３３で加算して、積極で、第１入力処理回路のノイズ分
の大きさに、第２人力処理回路のノイズ分の大きさを調
節して容易に合わせることができる。したがって、加減
算回路３３で、ノイズ分を完全にキャンセルすることが
できる。この結果、応力検出センサ１４１と１４２を曲
げモーメントＭ−プラス量とｂ＝５七−１ｇとが相互に
等しくなるそれぞれの位置に、厳密に配置する必要がな
く、応力検出センサ１４１．１４２の凹部１３４への配
置が容易となり、装置の製作が安価にできる。

今、これを数式で表わすとすると、応力検出センサ１４
１．１４２に生ずる電荷ｑ１．ｑ□は渦発生体による信
号電荷に管路振動等によるノイズ電荷が重畳されたもの
となり、信号電荷の振幅をＳ、、　Ｓ２、イズ電荷の揖
幅をＮｔ、Ｎ２とすると次式で与えられる。

ｑ　　　Ｓ　ｓｉｎ　（ｄｔ　＋　Ｎ１５ｉｎωｔＯ′
ＪＱ２　＝　５２ｓｉｎ　（ＩＪｔ　＋　Ｎ２５ｉｎω
ｉ　　　　　　ｍただし、ω：倍信号角周波数 ω′：ノイズの角周波数 （至）−λ×（２）とすると ｑｏｕ１＝（８１−ｕＳ２）ｌｉｌｎωｔ　＋　（Ｎｔ
−λＮ２）ｓｉｎω’ｔ　（２１）Ｎ１＝　　λＮ２　
　なるようにして ｑ　　−（Ｓｌ−λ８２）ｓｉｎωｔ　　　　　　（２
２）ｕｔ となる。

而して、渦発生体１３の凹部１３４の周側面と応力検出
センサ１４１．１４２　＃絶縁板１４５および、スペー
サ１４４．１４６との間にはわずかの隙間を保つように
すれば、信号の曲げモーメントＭ８とノイズの曲げモー
メントＩＶ（Ｎの安定化がはかれる。

また、撮動ノイズは、第３図に示す如く、渦発生体の自
重によるものＮＡと、渦発生体１３の頂部に搭載された
搭載ケースによるものＮＢとのベクトル和で示されるの
で、応力検出センサ１４１．１４２の位置け Ｎ　＝λＮ２Ａ（２３） １人 Ｎ１８＝λＮ２Ｂ　　　　　　　　　　　　　（２４）
但し Ｎ　；応力検出センサ１４１で（寅出された、樋１人 発生体の自重による撮動ノイズ Ｎ２Ａ　’応力検出センサ１４２で検出された、ｄ・５
発生体の自重による振動ノイズ Ｎ　；応力検出センサ１４１で検出された、Ｂ 搭載ケースによる振動ノイズ Ｎ２Ｂ；応力検出センサ１４２で検出された、搭載ケー
スによる撮動ノイズ となるように決定されると、ノイズを容易に除去できる
。

而して、渦流量計では、出力が周波数であるので、応力
検出セ／す１４１．１４２に使用される圧電素絶対値が
必要となるので、チタン酸鉛、チタン酸鉛−ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）より
も圧電定数の温度係数の小さい圧電素子、たとえば、水
晶Ｘカットを選択することが望ましい。

また、実配管ラインでは設計のλと０．０５〜０．１は
ど変化する場合があるので、Δλ／λが±５チの変化に
対してΔｑ／　ｑが±１−以下にするには、λ＃１．Δ
λ＝±０．０５で（！５）式が±０．０１以下となる条
件はＳ工／Ｓ２≧６　　　　　　　　　（２６）（２６
）式と（２３）（２４）式をほぼ同時に満たす必要があ
るが、それほど難しいことではなく、応力検出センサ１
４１をまず渦信号モーメントＭ８が０となる点におき、
（２６）式を満たし、その後、応力検出センサ１４２を
（２３）、（２４）式を満たすように決定すればよい・
計算及び実験結果からセンサ部１４の変動揚力による信
号曲げモーメントＭ８、振動によるノイズ曲げモーメン
トＭＮは第３図のように示される。曲げモーメントＭＢ
はほぼフラットな直線であり、一方曲げモーメントＭＡ
は中央部に谷をもつ曲線で示されるのでＭ１Ａ／Ｍ２Ａ
＝ＭＩＢ／Ｍ２Ｂ＝２にする応力検出上／す１４２の位
置を求めることは容易である。

また、渦発生体１３と管路１１との交差部分にラビリン
ス流路１５が設けられているが、ラビリンス流路１５が
ない場合には、測定流体がスチーム等の場合には、スタ
ート直後に、管路１１から、管路１１と渦発生体１３０
頂部側との隙間に流入し、スチームが渦発生体１３の外
商部１３５に熱を与えてドレイン化し、ドレイン化する
と体積が著しく減少しく圧力が著しく減少し）、直ちに
新たなスチームが流入し、これのくり返しで、渦発生体
１３の外商部な温度差が生じ、渦発生体１３の外商部１
３５の熱膨張が大きくなり、応力検出センサ１４１．１
４２への面圧が低下して、応力検出センサ１４１．１４
２の感度が低下する。ラビリエンス流路１５がある場合
には、測定流体は各段で圧縮膨張をくり返すので、圧力
降下が減じられ、スチームの流入量をへらすことができ
るので、応力検出センサ１４１．１４２の感度の低下を
防止することができる。応力検出センサ１４１、１４２
の感度の低下は、渦周波数の検出においては、周波数を
測定すればよいので、致命的ではないが、揚力信号（ρ
ｖ２　）の検出においては、揚力信号の絶対値の低下と
なり、大きな誤差となる。

なお、スチーム以外の流体では、熱を与えても。

状態の変化はほとんど生じず、管路１１と渦発生体１３
の頂部側との隙間に滞留し、測定流体の流入はわずかで
あり、問題とならない。

なお、間隙以外からの流体の熱伝導は内筒部と外商部と
でほぼ同一温度スピードとなり前述した内筒部の温度膨
張と外商部の温度膨張とをほぼ等しくしておくことで面
圧の低下はない。

なお、前述の実施例においては、一端固定、一端支持し
た渦発生体の交番応力を検出する、いわゆる応力検出方
式を用いたものについて説明したが、一端固定、一端自
由にした渦発生体の交番応力を検出するものでもよい。

オた、変動揚力を検出する他の力検出方式、たとえば、
変位、ひずみ、トルク等においても、温度変化によるセ
ンサの機械的な定数（ヤング率。

なお、渦信号を処理する電気回路部分の構成は前述の実
施例に限ることはないことは勿論である。

（発明の効果） 以上説明したように、本願は、交番力として作用するカ
ルマン渦信号を利用して測定流体の質量流量を測定する
質を流量計において、測定流体の管路に直角に挿入され
た柱状の受力体と、受力体の軸方向に設けられた凹部と
、凹部の前記交番力による応力がほぼ零となる位置に配
置された第１応力検出部と、第１応力検出部配置位置以
外の凹部に配置された第２応力検出部と、凹部に側面が
接触しない隙間を保って挿入され一端が応力検出センサ
を凹部に押圧固定し他端が凹部の開口部において固定さ
れた柱状の固定体と、応力検出部を絶縁する絶縁体とを
具備し、凹部の軸方向の深さが温度の変化に伴い受力体
と応力検出部および絶縁体との間忙生ずる熱膨張の差を
受力体と固定体との熱膨張の差により打消されるような
深さに設定すると共に、凹部によって形成される受力体
の外商部分と、応力検出部と絶縁体と固定体とで構成さ
れる内筒部分との曲りこわさの温度変化が等しくなるよ
うに各構成部分の材料が選択されて構成されたことを特
徴とする質量流量計を構成したので、周囲温度の変化に
よって応力構出センサに加わる圧縮力が変化することな
く、したがって、４１１定流体に対して高温領域まで測
定することができる。また、温度変化があっても、初期
圧縮力が変化しないものが得られる。また、外商部分と
内筒部分との曲げこわさの温度変化が等しくなるように
各構成部分の材料が選択されて構成されているので、内
筒部分に発生する曲げ応力は温度変化にによって変化す
ることがなく、応力検出部に発生する電気信号は温度変
化の影響を受けないものが得られる。しだがって、絶対
値的に影響が生ずる変動揚力の測定について、特に、効
果的である。

したがって、本発明によれば、温度特性の良好な質敢流
量計を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成説明図で、（ト）は正
面図、（Ｂ）は側面図、第２図は第１図の検出器部を断
（８）で示す構成説明図、第３図は第２図の動作説明図
、第４図、第５図はそれぞれ第２図の要部説明図、第６
図は第１図の電気回路図、第７図は第２図の動作”説明
図、第８図は管路に渦発生体が配置された場合の揚力等
の説明図、第９図は抗力係数の説明図、第１０図は従来
より一般に使用されている従来例の構成説明図、第１１
図は第１０図の部品説明図。 ｌＯ・・・渦流量検出器、１１・・・管路、１２・・・
ノズル、１３・・・渦発生体、１３１・・・上端、１３
２・・・下端、１３３・・・液流体部分、１３４・・・
凹部、１３５・・・外商部、１４・・・センサ部、１４
０・・・圧電素子、　１４１・・・第２の応力検出セン
サ、１４２・・・第１の応力検出センサ、１４３・・・
下敷、１４４・・・第１のスペーサ、１４５・・・絶縁
板、１４６・・・第２のスペーサ、１４７・・・押し棒
、１４８・・・ハーメチククシール、１４８１．１４８
２・・・リード線、１４９・・・連通孔、１４０１、１
４０２　、１４０３．１４０４・・・電極、１５・・・
ラビリエンス流路、１５１・・・フィン、１５２・・・
拡大室、２０・・・渦流量計変換器、３０・・・電気回
路、３１．３２・・・チャージコンバータ、３３・・・
加減算回路、３４・・・第２増幅回路、３５・・・検波
回路、３６・・・整流回路、３７・・・フィルタ回路、
３８・・・第１増幅回路、３９・・・シュミットトリガ
回路、４１・・・Ｆ／Ｖコンバータ、４２・・・割算回
路、４３・・・ゲート回路。 第１図 （Ａ） 第２図 第４図 ＩＡ） ちカ 第５図 ！＝１ 第４図 １ｉ１Ｚ”４呼ｌｎｒシ麻更武仁ンザ 第７図 １１嘗発　　　１４１１とし先） 第ｆ３図 弔ｑ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交番力として作用するカルマン渦信号を利用して測定流
   体の質量流量を測定する質量流量計において、測定流体
   の管路に直角に挿入された柱状の受力体と、該受力体の
   軸方向に設けられた凹部と、該凹部の前記交番力による
   応力がほぼ零となる位置に配置された第１応力検出部と
   、該第１応力検出部配置位置以外の前記凹部に配置され
   た第２応力検出部と、前記凹部に側面が接触しない隙間
   を保って挿入され一端が前記応力検出センサを該凹部に
   押圧固定し他端が前記凹部の開口部において固定された
   柱状の固定体と、前記応力検出部を絶縁する絶縁体とを
   具備し、前記凹部の軸方向の深さが温度の変化に伴い前
   記受力体と前記応力検出部および前記絶縁体との間に生
   ずる熱膨張の差を前記受力体と前記固定体との熱膨張の
   差により打消されるような深さに設定すると共に、前記
   凹部によって形成される受力体の外商部分と、前記応力
   検出部と前記絶縁体と前記固定体とで構成される内筒部
   分との曲げこわさの温度変化が等しくなるように各構成
   部分の材料が選択されて構成されたことを特徴とする質
   量流量計。