JPS62276413A

JPS62276413A - 質量流量計

Info

Publication number: JPS62276413A
Application number: JP12045086A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Oki; 大木　真一; Ichizo Ito; 伊藤　一造
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1987-12-01
Anticipated expiration: 2009-02-16
Also published as: JPH0612281B2

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】３、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、下流に渦列となって流れることが
古くから知られている。この渦列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電素子、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３図に示す如く、管路１に渦発生体２が配
置され、測定流体が管路１に流された場合に、渦発生体
２に作用する平均抗力Ｆ２．変動揚力Ｆ、や圧力損失Δ
Ｐは一般に次式で示される関係にある。

Ｆし　０く二±Ｃ５ΣＰ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　（２）但しＣ２：　　抗力係数Ｃ１；　　変動揚力係数Ｃｐ：　　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、８７２＋クツタジユコフスキーの定理
　谷一部茗　合波書店」で述べられている。又（３）は
渦発生体からの境界層の剥離（カルマン渦の発生）によ
る損失から導かれるものである。

さて、平均抗力Ｆ。、変動揚力ＦＬ＋圧力損失ΔＰは、
抗力係数Ｃｏ、変動揚力係数ＣＬ＋圧力損失係数ｃｐが
定数であれば、ρ■２に比例するので、渦周波と渦発生体２の直径、Ｋ＝　　で定数）で（１）　、　（
２）　。

沈（３）式を割算すれば、ρ■が得られる。抗力係数Ｃｃ
、。

変動揚力係数Ｃい圧力損失係数Ｃｐの個については、午たとえば、抗力係数Ｃつにつ゛いては第Ｎ図（航空宇宙
工学便覧Ｐ、　２０５　　日本航空宇宙学会用　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、ρｖ２検出器と■検出器とを割算することによりρ
ｖ２／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　　用田裕部用著　
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、この稲の公知例としては、西独特許
　Ｄε３０３２５７８Ｃ２ｒ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
ｉ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Ｍｍ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Ｆｃｌを、交流会から渦周波数
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、渦周数で割算する例
が示されている。

以下、特開昭５７−６１９１６号について説明する。

第５図はこの特開昭５７−６１９１６号の構議説明図で
ある。図において、１ａは測定流体が流れる管路、２ａ
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
列を生ゼしぬ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は圧電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ＭＭ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４１ａには、第６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、　４３ａ、　
４４ａ、　４５ａ　　が設けられ、電極４２ａと４３ａ
で挾まれた部分で第１の圧電センサ４６ａ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４
７ａ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４
２ａと４５ａおよび電ｔ４４３ａと４４ａが各々結線さ
れ、かつ電極４２ａと４４ａからそれぞれリード線４８
ａ、　４９ａが絶縁材３ａを貫通して外部に取り出され
ているｍ　８ａは検出信号処理回路で、圧電センサ４６
ａ、　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。ｌｏａ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、Ｆ／Ｖ
コンバータｌｏａと整流平滑回路１１ａの出力Ｅ、、Ｅ
、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、を取出すためのものである。

このように構成した第５図従来例において、管路１ａ内
に測定流体が流れると、渦発生体２ａはカルマン渦を発
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に
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ＶＡ４８ａ、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ＴＩ！
１８ａ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Ｆ／ＶコンバータＩＯａ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Ｅ、が得られる。

Ｅｌ　−ＫＩＶ　　　　　　　　　　　　　　（４）た
だし、Ｋ１は比例定数一方交流電圧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。

Ｋ２−　Ｋ２ｐＶ’　　　　　　　　　　　　（５）た
だし、Ｋ２は比例定数その出力Ｅｏは、となる。管路１ａの断面積をＳとすれば、Ｍ量流量Ｑｍ
は、Ｑｍ＝　　ρＶｓ　　　　　　　　　　　　　（７）で
与えられるので、Ｅｏは、Ｅｏ・−！ｓＬ−α夙となり、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乗した獲Ｅ２を割るよ
うにすれば、出力Ｅｏ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力Ｆ５．抗
力ＦＤ及び渦周波数出力（体積流量）ＦＶはＦ−に、Ｖ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）但しＦＬ：　　変動揚力ＦＤ；　　抗力Ｆｖ；　　渦周波数出力（体積流量）ＣＬ；　　変動揚ツノ係数Ｃ，；　　抗力係数 ρ　；　密度 ■　；　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を検出する第１．第２の圧
電センサ４６ａ、　４７ａは、絶縁材３ａで渦発生体２
ａに、測定流体に近く一体に取付けられている。

したがって、測定流体の温度に直接影響を受ける。

このため、装置のず温度特性に問題を生じ、また、高温
の測定流体は測定することができない。また、腐食性測
定流体の影響を受けやすく、耐腐食性において問題があ
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、温度特性が良好で、高温の測定流体ま
で測定でき、耐腐食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、測定流体の流れる
管路と、該管路に直角に挿入されカルマン渦によるトル
クを受ける受力体と、該受力体と前記管路との間に設け
られたトルクチューブと、該トルクチューブに設けられ
前記トルクを検出するトルク検出器とを具備してなる質
量流量計を構成したものである。

（作用）以上の構成において、測定流体が流れると、カルマン渦
が発生する。このカルマン渦により、受力体にトルクが
作用する。このトルクはトルクチューブを介してトルク
検出器において、電気信号として検出される。この電気
信号を演算処理すれば、質量流量が測定できる。

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、（ト）は正面図、（Ｂ）は平面図である。

図において、１は測定流体の流れる管路、２はＩＱＱ１
０直角に挿入されカルマン渦によるトルクを受ける受力
体である。３は受力体２と管路ｌとの間に設けられたト
ルクチューブである。４はトルクチューブ３に、受力体
２をはさんで対向して配置されたストレインゲージであ
る。５はトルクチューブ３に取付けられた測温体である
。

第２図は第１図の電気回路６（第１図に図示せず）のブ
ロック図である。

６Ｉはひずみ検出回路で、ストレインゲージ４で検出し
たひずみを検出する回路である。６２は第１増幅回路で
、ひずみ検出回路６１からの信号を増幅する。６３は整
流検波回路で、第１増幅回路６２からの信号を整流検波
する。６４はフィルタ回路で、ひずみ検出回路６１の出
力に含まれる低周波あるいは高周波のノイズを除去する
。６５は第２増幅回路で、フィルタ回路６４からの出力
を増幅する。６６はシュミットトリガ−回路で、第２増
幅回路６５からの交流電圧を一定レベルのパルス信号に
変換する。６７はＦ／Ｖコンバータで、シュミットトリ
ガ−回路６６からのパルス信号をその周波数に比例した
直流電圧に変換する。６８は割算回路で、整流検波回路
６３とＦ／Ｖコンバータ６７の出力に所望の演算を施し
、その出力に流体の密度又は質量流量に関連した信号を
取り出す。７１は温度変換回路で、測温体５の検出信号
を電気信号に変換する回路である。７２は温度補正回路
で、温度変換回路７Ｉからの信号によって、割算回路６
８からの信号を温度補正し、出力信号ε０として出力す
る。

以上の構成において、トルクチューブ３に生ずる応力τ
は、 τ；トルクチューブに生ずる剪断カフ　　；　　　　　　　　　　ｔｔ　　　　　　　　　
　　　／／　　　　　　　）　　ル　りｚｔ；　　　　
ｔｔ　　　　のねじり断面係数ρ；流体の密度Ｖ：流体の流速Ｌ；受力体２に作用する揚力Ｄ；トルクチューブの外径ｄ；　　〃　　　　の内径トルクチューブ３上のストレインゲージ４で検出される
ひずみ出力は、（１）〜（３）式を用し）で、Ｒ；スト
レインゲージの抵抗に曾ニゲーシフアクタ− σ１　；トルクチューブに生ずる主応力（寓τｍａｘ）Ｅ；　〃　　　　〃のヤング率質量流量ρＶを第２図に示す回路演算処理によりρｖ２
÷Ｖにて求めるとすれば、出力Ｅｏ（ｗρＶ）は、Ｋ□；流体温度Ｔのときのにファクターｆｖ＋渦周波数したがって、出力ＥＯは、（５）式により求めることが
できる。

次に（５）式において、流体温度をｔ、流量係数をＫＭゲージファクターに９の
温度係数をα、トルクチューブ３のヤング率Ｅの温度係
数をβ、トルクチューブ３、管路１の線膨張係数をγと
すれば、出力Ｅｏは、となり、出力ＥＯの温度誤差ΔＥ
ｏは、温度係数（ａ−β−６ｒ）をもつことになる。

そこで、測温体５により、検出部の温度を測定し、第２
図に示す如く、回路演算処理により温度補正を行えば、
更に精度の良好な装置を得ることができる。

而して、トルクチューブ３により測定流体より距離を離
してトルクが測定できるので、測定流体のン島度の影響
を比較前嚢けず、温度特性が良好で、高温の測定流体ま
で測定でき、測定流体が腐食性の高い流体であっても、
その影響を受けないものが得られる。

この結果、７昌度特性が良好で、高温の測定流体まで測
定でき、耐腐食性の良好な質量流量計が得られる。

なお、前述の実施例においては、トルク検出器としてス
トレインゲージ４を用いたものについて説明したが、こ
れに限ることはなく、たとえば、圧電素子でもよく、要
するにトルクを測定できるものであればよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は、測定流体の流れる管路
と、該管路に直角に挿入されカルマン渦によるトルクを
受ける受力体と、該受力体と前記管路との間に設けられ
たトルクチューブと、該トルクチューブに設けられ前記
トルクを検出するトルク検出器とを具備してなる質量流
量計を構成したので、トルクチューブを利用して、測定
流体より距離が離れた位置でトルクが容易に測定できる
ので、測定流体の温度の影響を比較前嚢けず、温度特性
が良好で、高温の測定流体まで測定でき、測定流体が腐
食性の高い流体であっても、その影響を受けないものが
得られる。

したがって、本考案によれば、温度特性が良好で、高温
の測定流体まで測定でき、耐腐食性の良好な質量流量計
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）　（Ｂ）は、本発明の一実施例の構成説明
図で、（４）は正面図、（Ｂ）は平面図、第２図は第１
図の電気回路のブロック図、第３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４図は抗力係数の
説明図、第５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６図は第５図の部品説明図である。ｌ・・・管路、２・・・受力体、３・・・トルクチュー
ブ、４・・・ストレインゲージ、５・・・測温体、６・
・・電気回路、６１・・・歪検出回路、６２・・・＠　
１１Ｑｉ１幅器、６３・・・整流検波回路、６４・・・
フィルタ回路、６５・・・第２増幅回路、６６・・・シ
ュミット回路、６７・・・Ｆ／Ｖコンバータ、６８・・
・割算回路、７１・・・湿度変換回路、７２・・信昌度
補償回路。

Claims

【特許請求の範囲】

測定流体の流れる管路と、該管路に直角に挿入されカル
マン渦によるトルクを受ける受力体と、該受力体と前記
管路との間に設けられたトルクチューブと、該トルクチ
ューブに設けられ前記トルクを検出するトルク検出器と
を具備してなる質量流量計。