JPS6332127B2 - - Google Patents

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JPS6332127B2
JPS6332127B2 JP57126732A JP12673282A JPS6332127B2 JP S6332127 B2 JPS6332127 B2 JP S6332127B2 JP 57126732 A JP57126732 A JP 57126732A JP 12673282 A JP12673282 A JP 12673282A JP S6332127 B2 JPS6332127 B2 JP S6332127B2
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vibration
vortex
vibration sensor
sensor
vortex generating
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Naomoto Matsubara
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OBARA KIKI KOGYO KK
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Priority to DE8383107079T priority patent/DE3371941D1/de
Priority to KR1019830003366A priority patent/KR870000458B1/ko
Priority to CA000432864A priority patent/CA1189349A/en
Publication of JPS5918422A publication Critical patent/JPS5918422A/ja
Publication of JPS6332127B2 publication Critical patent/JPS6332127B2/ja
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    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
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    • G01F1/3266—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl for detecting fluid pressure oscillations by sensing mechanical vibrations
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    • G01F1/325—Means for detecting quantities used as proxy variables for swirl
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/04—Piezoelectric

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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は渦流量計用の振動補償装置に関する。
被測定流体が流れる管路内に渦発生体を設け、
その下流にカルマン渦列が生じる際に引き起され
る上記渦発生体の振動数から流量を測定する渦流
量計は公知である。
然しながら、上記渦発生体の振動を検出するセ
ンサは、カルマン渦による振動のみならず、管路
を伝つてくる各種の振動ノイズ、例えばポンプの
振動、ダンパの開閉振動等も拾つてしまい、正確
な流量測定が困難であつた。かかる問題に対処す
るために、例えば実開昭57―19465号公報や実開
昭57―28370号公報においては、２個の振動検出
センサを設け、一方の出力でシユミツトトリガ回
路のトリガリングレベルを自動調整したり、或い
は両方の出力を合成処理することにより上記ノイ
ズを除去するようにした装置が提案されている。
然しながら、管路に対する２個の振動センサの取
り付け位置が異なつていてそのため両センサで採
取されるノイズ信号が同一波形でなかつたり、或
いは両振動センサの取り付け位置を極めて厳密に
調整する必要があるなどして、広範囲の流量に対
応し得るか否かという点からみると必ずしも充分
なものではなかつた。
本発明は叙上の観点に立つてなされたものであ
り、その目的とするところは、簡単且つ製造容易
な構造をもつて上記ノイズを略完全に除去し得る
渦流量計用振動補償装置を提供することにあり、
その要旨とするところは、被測定流体が流れる管
路の側壁を貫通して管路内側へ伸びる渦発生体に
管路外側へ伸びる振動補償部を設け、上記渦発生
体の管路内側に該当する部分には第１の振動セン
サを、また管路外側に該当する振動補償部には第
２の振動センサをそれぞれ埋設し、上記第２の振
動センサの出力信号により上記第１の振動センサ
の出力信号中のノイズ成分を消去して、上記渦発
生体のカルマン渦による振動数のみに対応した周
波数の信号を得るようにしたことにある。
以下、図面により本発明の構成の詳細を説明す
る。
第１図は本発明に係る振動補償装置を備えた渦
流量計の一実施例を示す断面図、第２図は第１図
に示した振動補償装置の回路構成の一実施例を示
すブロツク図、第３図は本発明に係る振動補償装
置の作動原理を示す模式図、第４図は本発明振動
補償装置に組み込まれる振動センサの他の一実施
例を示す断面図、第５図は第４図に示した振動セ
ンサを用いる場合の回路構成を示すブロツク図、
第６図及び第７図はそれぞれ振動センサの更に異
なつた実施例を示す斜視図、である。
而して、第１図中、１はその内部を被測定流体
が流れる管路、２は上記管路１の外部から内部へ
貫通するようネジ３，３によつて管路側壁に固定
して設けられた例えば三角柱等の棒状の渦発生
体、４はその一端に形成された第１の振動センサ
４Ａが管路の内側にまたもう一方の一端に形成さ
れた第２の振動センサ４Ｂが管路の外側に位置す
るよう上記渦発生体の内腔２ａ内に埋設された振
動センサ、５は内腔２ａの内部に上記振動センサ
４を固着せしめるガラス封着体、６は上記渦発生
体２の外端近くに装着され調整ネジ６ａによつて
所望の位置に調整固定されるバランスウエイトで
ある。
第１の振動センサ４Ａと第２の振動センサ４Ｂ
とを有する振動センサ４は、平板状の金属基板４
０と、その管路内側の一端の両側面に固着された
圧電素子４１，４２と、上記圧電素子４１，４２
の外面に蒸着又は金ペースト焼成等の手段により
それぞれ被着された金属電極４３，４４と、金属
基板４０の管路外側の一端の両側面に固着された
圧電素子４５，４６と、上記圧電素子４５，４６
の外面にそれぞれ被着された金属電極４７，４８
とから成つている。従つて、第１の振動センサ４
Ａ部分においては、金属基板４０と圧電素子４１
と電極４３とによつて１つの圧電センサ４ｐが形
成され、またこれに対向して、金属基板４０と圧
電素子４２と電極４４とによつてもう１つの圧電
センサ４ｑが形成されるようになつている。尚、
金属電極４３，４４および金属電極４７，４８
は、いずれも細長いベース電極で、渦発生体（渦
発生部材）２の中心軸に沿つて軸方向に配列され
ている。一方、第２の振動センサ４Ｂ部分におい
ても同様に、金属基板４０と圧電素子４５と電極
４７とによつて１つの圧電センサ４ｒが形成さ
れ、またこれに対向して、金属基板４０と圧電素
子４６と電極４８とによつてもう１つの圧電セン
サ４ｓが形成されるようになつている。
上記の如く構成された平板状の振動センサ４を
渦発生体２の内腔２ａ内に取り付けるときには、
電極４ｐと４ｑの対向方向及び電極４ｒと４ｓの
対向方向がいずれも、管路１内の流体の流れの方
向と直角になるように、即ち第１図に示す如く流
れの上流側若しくは下流側から見たときに電極４
ｐと４ｑが左右に、また電極４ｒと４ｓも左右に
対向するように配置する。
振動センサ４を渦発生体２の内腔２ａに固着さ
せるためにガラス封着体５を用いた理由は、振動
センサを周囲から完全に絶縁する目的のほか、振
動センサ４を渦発生体２と完全に一体化して振動
させるためであり、且つまた耐熱性の向上を目的
とするものである。従つて、前述の目的を達する
ものであれば、樹脂、セラミツク等のものであつ
てもよいことはいうまでもない。
第２図は上記の如く構成された第１及び第２の
振動センサからの出力信号を処理するための回路
のブロツク図であり、図中、４Ａは前記の圧電セ
ンサ４ｐ及び４ｑから成る第１の振動センサ、４
Ｂは前記の圧電センサ４ｒ及び４ｓから成る第２
の振動センサ、７はチヤージアンプ、８はローパ
スアクテイブフイルタ、９はシユミツトトリガ回
路である。
而して、以上の如く構成された本発明にかかる
振動補償装置は下記の如く作動する。
即ち、被測定流体の流れによつて、渦発生体２
の管路１内の部分（本明細書中において「渦発生
部」という。）の下流には左右交互にカルマン渦
列が発生し、そのとき渦発生部が流れると略直角
の方向即ち第１図中左右方向に振動する。この振
動は、渦発生体２の内腔２ａ中に固着された上記
第１の振動センサ４Ａの圧電センサ４ｐ及び４ｑ
によつて検出され、渦発生体２の振動数に応じた
出力信号が得られる。このとき、圧電センサ４ｐ
と４ｑは差動的に接続されているため、各電圧セ
ンサの２倍の出力が得られるものである。然しな
がら、この第１の振動センサ４Ａからの出力信号
には、上記カルマン渦列による振動のほかに、管
路１を伝播してくる外部振動に基づくノイズが混
入している。第１の振動センサの圧電センサ４ｐ
と４ｑは前記の如く流れの方向と直角方向に対向
しているため、流れの方向に沿つた振動は検知し
にくく、仮に検知したとしても両電極が差動的に
接続されているため互いに打ち消し合つて、ノイ
ズとなる虞れはないが、流れと渦発生体とに直角
な方向の管路の振動は、管路への渦発生体２の固
定部を伝つて渦発生部に伝播しカルマン渦列によ
る振動と共に検知されてしまうのである。
一方、第２の振動センサ４Ｂは管路１を伝播し
てくる外部振動のみを検知するようになつてい
る。即ち、カルマン渦列による渦発生体２の渦発
生部の振動は、上記渦発生体がネジ３，３によつ
て管路１にしつかり固定してあるため、この固定
部より外側（本明細書中において「振動補償部」
という。）へは伝達されず、そのため第２の振動
センサ４Ｂは管路１を伝播してくる外部振動のみ
を検知するものである。なお、外部振動のうち流
れと渦発生体とに直角な方向の振動のみを検知す
る点では、第１の振動センサと同様である。
ここで、第３図を用いて、管路から伝わる外部
振動に基づく渦発生体２の振動状態を説明する。
管路１から図中点線の矢符で示すような左方向へ
の振動が加わると渦発生体２の渦発生部と振動補
償部は固定点を支点としていずれも点線矢符で示
す如く図中右方向へ湾曲して一点鎖線２′で示す
如く変形し、また図中実線の矢符で示すような右
方向への振動が加わるといずれも実線矢符で示す
如く図中左方向へ湾曲して二点鎖線２″で示す如
く変形する。このため、外部振動は第１及び第２
の振動センサ４Ａ及び４Ｂにおいて同一の波形と
して検知される。但し、第２の振動センサによつ
て検知されるのは、上記の如き外部振動に基づく
振動とカルマン渦列に基づく振動とが合成された
振動である。
そこで、第１の振動センサ４Ａと第２の振動セ
ンサ４Ｂを差動的に接続すれば、第１の振動セン
サ４Ａの出力信号中に含まれるノイズ信号が、第
２の振動センサ４Ｂからの出力信号によつて相殺
され、カルマン渦列振動による信号のみが取り出
されるものである。振動センサ４Ａ及び４Ｂは高
インピーダンス素子であるため、この出力をチヤ
ージアンプ７により電圧変動に変換し、ローパス
アクテイブフイルタ８により渦発生体２の振動と
は無関係の高周波成分をカツトし、然るのちシユ
ミツトトリガ回路９により矩形波パルスに変換し
て、カルマン渦列による振動数のみを反映したパ
ルス信号を得るものである。この出力パルスをカ
ウントすることにより被測定流体の流量が知られ
る。
而して、本発明において、第１の振動センサ４
Ａと第２の振動センサ４Ｂを１本の渦発生体２の
内部に埋設したことにより効果は次の点にある。
即ち、両振動センサを１本の渦発生体中において
一方は管路１の内側に他方は外側に配置すること
により、両者には管路１から全く同一の外部振動
が伝えられることになり、従つて、管路１からの
ノイズ信号は両振動センサにおいて振動の方向等
に無関係に常に全く同一の波形で採取され、これ
によつて両振動センサの出力を合成したときにノ
イズ部分が完全に相殺されることである。被測定
流体が液体で、渦発生体２の渦発生部が上記液中
にあるのに対し振動補償部は大気中にあるために
生じる両者間の振動モードの相違、或いは渦発生
体２の渦発生部と振動補償部の質量や形状の相違
その他の外部要因に基づく両者間の振動モードの
相違は、バランスウエイト６を渦発生体２上で所
望の位置に移動させ固定することによつて取り除
くことができる。
第４図は、振動センサ４の第１図に示したもの
とは異なつた実施例を示している。第４図中、５
０は平板状の金属基板、５１，５２は金属基板５
０の両側面にそれぞれ固着された圧電素子、５
３，５４は上記圧電素子５１，５２の一端外面に
蒸着又は金ペースト焼成等の手段によりそれぞれ
被着された金属電極、５５，５６は圧電素子５
１，５２のもう一方の一端外面に被着された金属
電極である。金属基板５０と圧電素子５１と電極
５３とによつて１つの圧電センサ５ｐが形成さ
れ、これに対向して、金属基板５０と圧電素子５
２と電極５４とによつてもう１つの圧電センサ５
ｑが形成され、これら２つの圧電センサ５ｐ，５
ｑによつて、前記渦発生体の渦発生部内に配置さ
れる第１の振動センサ５Ａが構成される。また、
金属基板５０と圧電素子５１と電極５５とによつ
て１つの圧電センサ５ｒが形成され、これに対向
して、金属基板５０と圧電素子５２と電極５６と
によつてもう１つの圧電センサ５ｓが形成され、
これら２つの圧電センサ５ｒ，５ｓによつて、前
記渦発生体の振動補償部内に配置される第２の振
動センサ５Ｂが構成される。金属基板５０からは
端子５７が、電極５３と５４とからは両者の極性
を逆にして接続した端子５８が、電極５５と５６
とからは両者の極性を逆にして接続した端子５９
が、それぞれ引き出されている。
第５図は、第４図に示した振動センサからの出
力を処理するための回路構成を示している。第５
図中、５Ａは上記第１の振動センサ、５Ｂは上記
第２の振動センサ、７―１は第１の振動センサの
前記出力端子５７及び５８に接続されるチヤージ
アンプ、７―２は第２の振動センサの前記出力端
子５７及び５９に接続されるチヤージアンプ、１
０は加算又は減算回路、１１は出力可変の増幅
器、６はローパスアクテイブフイルタ、９はシユ
ミツトトリガ回路である。この回路は、第１の振
動センサ５Ａの出力レベルと第２の振動センサ５
Ｂの出力レベルが異なる場合に有効である。即
ち、第１の振動センサ５Ａの出力中に含まれるノ
イズの波形と第２の振動センサ５Ｂの出力波形と
は前記の如く基本的には同一波形であるが、渦発
生体２の渦発生部と振動補償部とで振動の振幅等
が異なり、そのため両者の出力レベルが相違する
場合がある。そこで、第５図に示す回路において
は、第２の振動センサ５Ｂの出力を出力可変の増
幅器１１で調節して、チヤージアンプ７―１を通
じて得られる第１の振動センサ５Ａの出力レベル
と同レベルにし、然るのち両者を加算回路又は減
算回路１０で合成してノイズ信号を除去するよう
にしたものである。ローパスアクテイブフイルタ
８及びシユミツトトリガ回路９の機能は第２図に
おいて説明したものと同様である。
第６図は、第１図または第４図に示したような
平板状のセンサではなく、円筒状にした振動セン
サの一実施例を示している。即ち、第６図に示さ
れた振動センサ４は、円筒状の金属管６０と、そ
の一端外周を囲繞して固着された圧電素子６１
と、もう一方の一端外周を囲繞して固着された圧
電素子６２と、圧電素子６１の外周に蒸着又は金
ペースト焼成等の手段により互いに対向して被着
された２枚の金属電極６３，６４と、圧電素子６
２の外周に互いに対向して被着された２枚の金属
電極６５，６６とにより構成されている。金属管
６０と圧電素子６１と電極６３とによつて１つの
圧電センサ６ｐが形成され、これに対向して、金
属管６０と圧電素子６１と電極６４とによつても
う１つの圧電センサ６ｑが形成され、これら２つ
の圧電センサ６ｐ，６ｑによつて、前記渦発生体
の渦発生部内に配置される第１の振動センサ６Ａ
が構成される。また、金属管６０と圧電素子６２
と電極６５とによつて１つの圧電センサ６ｒが形
成され、これに対向して、金属管６０と圧電素子
６２と電極６６とによつてもう１つの圧電センサ
６ｓが形成され、これら２つの圧電センサ６ｒ，
６ｓによつて、前記渦発生体の振動補償部内に配
置される第２の振動センサ６Ｂが構成される。こ
の振動センサ４を前記渦発生体２の内部に取り付
けるときには、電極６３と６４の対向方向及び電
極６５と６６の対向方向がいずれも、管路１内の
流体の流れの方向と直角になるように、即ち第１
図に示した場合と同様に、流れの上流側若しくは
下流側から見たときに電極６３と６４が左右に、
また電極６５と６６も左右に対向するように配置
する。
第７図は、円筒状の振動センサの更に異なつた
実施例を示しており、金属管７０の外周全面に圧
電素子７１を固着し、その一端外周に第１のセン
サを構成する金属電極７２，７３を被着せしめ、
他端外周に第２のセンサを構成する金属電極７
４，７５を被着せしめたものである。
第６図または第７図に示した円筒状振動センサ
からの出力信号を処理する回路としては、第２図
または第５図に示した回路をそのまま利用でき
る。
而して、第６図または第７図に示したような円
筒状振動センサを用いる場合の利点は、渦発生体
内に振動センサを固定する際の製造が容易になる
ことである。即ち、圧電素子等を用いた振動セン
サは前記の如く周囲との絶縁を完全にするためそ
の電極部分をガラス等で封着する必要があるが、
従来はこのガラス封着にあたり封着部分に粉末ガ
ラスを充填しこれを高温下で溶融させ固化させる
という方法、又はプリフオームガラスにて行う方
法をとつていた。然しながら、前者の方法は、溶
融固化後のガラスの体積は粉末時のそれよりも減
少するので、上記の作業を数回繰り返す必要があ
つた。更に、後者の方法では、プリフオームガラ
スが複雑な構造となり、高価となるという欠点が
ある。これに対して、第６図または第７図に示し
たような円筒形の振動センサを使用すれば、渦発
生体の内腔２ａの内壁と振動センサ４の外壁との
間に円筒状ガラス管又はプリフオームガラスを挿
入して溶融固化させることが可能であり、その場
合ガラス管又はプリフオームガラスは溶融固化に
よつて体積がそれ以上減少することはないので、
１回の作業でガラス封着が完了するものである。
尚、プリフオームガラスを作る場合も、円柱であ
り簡単な構造なので安価に作ることができる。
本発明は叙上の如く構成されるから、本発明に
よるときは、第１の振動センサと第２の振動セン
サを一本の渦発生体の内部に埋設し、且つ第１の
振動センサは管路の内側に、第２の振動センサは
管路の外側に配置するようにしたから、管路から
のノイズ信号は両振動センサにおいて振動の方向
等に無関係になり、従つて両振動センサの出力を
合成したときにノイズ成分が相殺され、しかも
Ｓ／Ｎ比の小さい渦流量計用振動補償装置が得ら
れるという効果がある。
なお、本発明の構成は叙上の実施例に限定され
るものでなく、例えば、渦発生体２の外部形状や
その固定方法、渦発生体内への振動センサの固定
方法、振動センサにおける圧電素子や金属電極の
形成状態、第１及び第２の振動センサの出力を合
成処理する回路構成、等々は必要に応じて本発明
の目的の範囲内で適宜設計変更することが可能で
あり、また第１及び第２の振動センサを必ずしも
１本の金属基板または金属管上に一体的に形成す
る必要はなく渦発生体内にそれぞれ別箇に切り離
して埋設することも可能であり、本発明はそれら
すべての変更実施例を包摂するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る振動補償装置を備えた渦
流量計の一実施例を示す断面図、第２図は第１図
に示した振動補償装置の回路構成の一実施例を示
すブロツク図、第３図は本発明に係る振動補償装
置の作動原理を示す模式図、第４図は本発明振動
補償装置に組み込まれる振動センサの他の一実施
例を示す断面図、第５図は第４図に示した振動セ
ンサを用いる場合の回路構成を示すブロツク図、
第６図及び第７図はそれぞれ振動センサの更に異
なつた実施例を示す斜視図、である。 １…管路、２…渦発生体、２ａ…内腔、４…振
動センサ、４Ａ…第１の振動センサ、４Ｂ…第２
の振動センサ、５…ガラス封着体、６…バランス
ウエイト、７…チヤージアンプ、８…ローパスア
クテイブフイルタ、９…シユミツトトリガ回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 管路内を流れる流体の流量を測定する渦流量
    計において発生する外部振動ノイズを除去するた
    めの振動補償装置であり、この振動補償装置は、
    前記管路の一部側壁を貫通して液密に取り付けら
    れた棒状の渦発生部材、該渦発生部材の前記管路
    内側に位置する部分は渦発生部を形成し、前記管
    路外側に位置する部分は振動補償部を形成し、渦
    発生部の下流に発生したカルマン渦列により生ず
    る渦発生部の振動成分を検出すると共に前記外部
    振動ノイズ成分も検出してこれらに対応した周波
    数成分を有する第１の出力信号を発生する前記渦
    発生部に設けられた第１の振動検出手段と、前記
    外部振動ノイズのみを検出してこれに対応した周
    波数を有する第２の出力信号を発生する前記振動
    補償部に設けられた第２の振動検出手段と、前記
    第１および第２の振動検出手段の各々はいずれも
    前記渦発生部材の中心軸に沿つて配列された軸方
    向に細長いベース電極手段と、該軸方向に細長い
    ベース電極手段の外側に配列された圧電部材と、
    該圧電部材の外側に配列された検出手段とからな
    ることを特徴とする渦流量計用振動補償装置。
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