JP3968947B2 - Karman vortex flowmeter - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出された応力がカルマン渦により発生した応力（信号）なのか、配管振動等により発生した応力（ノイズ）なのか判別する事で、カルマン渦流量計の誤動作を防ぐ事を目的とする．また、詰まりの有無の判別による誤動作防止も実現するカルマン渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来より一般に使用されているカルマン渦流量計の要部構成説明図で、例えば、特開平３−０２０６１８号（特願平１−０３３２５６号）に示されている。
【０００３】
図において、管路１０は測定流体Ｆｌが流れる管路である。
ノズル１１は管路１０に直角に設けられ円筒状をなす。
渦発生体１２は、ノズル１１とは隙間を保って、管路１０に直角に挿入され、台形断面を有し、柱状をなす。
【０００４】
渦発生体１２の一端は、ネジ１３により管路１０に支待され、他端はフランジ部１４でノズルｌｌにネジ或いは溶接により固定されている。
凹部１５は、渦発生体１２のフランジ部１４側に設けられている。
【０００５】
この凹部１５の中には、その底部から順に、全属製の第１コモン電極１６、圧電素子１７、電極板１８、絶縁板１９、電極板２０、圧電素子２１が、サンドイッチ状に配列され、全属製の押圧棒２２により、これ等は押圧固定されている。
さらに、電極板１８からはリード線２３、電極板２０からはリード線２４が、それぞれ端子Ａ、Ｂに引き出されている。
【０００６】
圧電素子１７、２１は、各圧電素子１７、２１の紙面に向かって左側と右側とがそれぞれ逆方向に分極されており、同じ方向の応力に対して互いに上下の電極に逆極性の電荷を発生する。
【０００７】
圧電素子１７に発生した電荷は、電極板１８と接続された端子Ａと、第１コモン電極１６を介して接続された管路１０との間に得られる。
圧電素子２１に発生した電荷は、電極板２０と接続された端子Ｂと、押圧棒２０と接続された管路１０との間に得られる。
【０００８】
この２個の電極板１８、２０に発生した電荷は、図４に示すように電荷増幅器２５、２６に入力される。
電荷増幅器２５の出力と、電荷増幅器２６の出力をポリウム２７を介した出力とを、加算器２８で加算して流量信号を得る。
【０００９】
この流量信号は、例えば、電流出力に変換されて、２線を介して負荷に伝送される（図示せす）。
次に、以上のように構成された渦流量計の動作について、図５から図８を用いて説明する。
【００１０】
測定流体Ｆｌが管路１０の中に流れると、渦発生体１２に矢印Ｆで示した方向にカルマン渦による振動が発生する。
この振動により渦発生体１２には、図５に示すような応力分布と、この逆の応力分布の繰返しが生じる。
【００１１】
各圧電素子１７、２１には、図５に示す渦周渡数を持つ信号応力に対応した電荷十Ｑ、一Ｑの繰返しが生じる。
なお、図５から図８においては、説明の便宣のため、電極板１８或いは２１を紙面に対して左右に２つに分割し、かつ、上下の一方の電極は、第１コモン電極１６あるいは押圧棒２２に相当するものとしてある。
【００１２】
一方、管路１０には、ノイズとなる管路振動も生じる。
この管路振動は、▲１▼流体の流れと同じ方向の抗力方向、▲２▼流体の流れとは直角方向の揚力方向、▲３▼禍発生体の長手方向の３方向成分に分けられる。
【００１３】
このうち、抗力方向の振動に対する応力分布は、図６に示すようになり、ｌ個の電極内で正負の電荷は打ち消されて、ノイズ電荷は発生しない。
また、長手方向の振動に対しては、図７に示すように、電極内で打ち消されて、抗力方向と同様にノイズ電荷は発生しない。
【００１４】
しかし、揚力方向の振動は、信号応力と同一の応力分布となり、ノイズ電荷が生じる。
そこで、このノイズ電荷を消去するために、以下の演算を実行する。
【００１５】
圧電素子１７、２１の各電荷をＱ₁、Ｑ₂、信号成分をＳ₁、Ｓ₂、揚力方向のノィズ成分をＮ₁、Ｎ₂とし、圧電素子１７、２１で分極を逆とすると、Ｑ₁、Ｑ₂は次式で示される。
【００１６】

ただし、Ｓ₁とＳ₂、Ｎ₁とＮ₂のベクトル方向は同じである。
【００１７】
ここで、圧電素子１７，２１の信号成分とノイズ成分の開係は、図８（この図は揚力方向のノイズと、信号に対する渦発生体の曲げモーメントの開係を示す）に示すようになっている。
【００１８】
従って、図４に示すように、圧電素子１７側の電荷増幅器２５の出力を、加算器２８で加算する際に、ポリウム２７と共に、Ｎ₁／Ｎ₂倍して、圧電素子２１側の電荷増幅器２６の出力と加算すると、
【００１９】

となり管路ノイズは除去される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、応力検出方式の図３従来例においては、応力検出という原理上、配管振動等のノイズにより誤動作する場合がある。
また、渦発生体１２と管路１０との間に異物が詰まった時にも誤動作の恐れがある。
【００２１】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、検出された応力が渦により発生した応力（信号）なのか、配管振動等により発生した応力（ノイズ）なのか、異物の詰まりによるものかを判別する事で、カルマン渦流量計の誤動作を防ぐ事を目的とする．
【００２２】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明では、請求項１においては、
カルマン渦により発生する交番の応力を渦発生体あるいは受力体の軸方向に隣りあって配置された第１，第２の応力検出素子により検出するカルマン渦流量計において、前記第１と第２の応力検出素子の出力をそれぞれ個別にモニタする第１と第２のモニタ器と、この第１と第２のモニタ器の出力を割算しその出力比を算出する演算器と、前記算出された出力比の値から所定値の区分に基づき流量信号とノイズと詰まり信号の何れかであることを判別する判別器とを具備した事を特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項２においては、請求項1記載のカルマン渦流量計において、
前記応力検出素子として、圧電素子が使用されたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図である。
図において、図３と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図３と相違部分のみ説明する。
【００２６】
図１において、第1と第２のモニタ器３１，３２は、第1と第2の応力検出素子１７，２１の出力をそれぞれ個別にモニタする。
この場合は、第1と第２の電荷増幅器３３，３４により、それぞれ、第1と第2の応力検出素子１７，２１の出力は増幅されている
【００２７】
演算器３５は、この第1と第２のモニタ器３１，３２の出力比を演算する。
判別器３６は、この第1と第２のモニタ器３１，３２の出力比に基づき、流量信号とノイズと詰まり信号の何れかであることを判別する。
【００２８】
以上の構成において、第1と第２のモニタ器３１，３２により、第1と第2の応力検出素子１７，２１の出力をそれぞれ個別にモニタする。
演算器３５により、この第1と第２のモニタ器３１，３２の出力比を演算する。
判別器３６により、この第1と第２のモニタ器３１，３２の出力比に基づき、流量信号とノイズと詰まり信号の何れかであることを判別する。
【００２９】
ここで、渦発生体１２に生ずる流量信号SとノイズNと詰まり信号Qは、例えば、図2に示す如くなる。
即ち、渦発生体１２が何らかの外力を受けた場合、第1応力検出素子１７と第2応力検出素子２１に生じる電荷の比「λ」は、その外力の種類や渦発生体１２の状態で一定の値をとる。
【００３０】
図２に示す如く、以下にその一例を示す。
▲１▼測定流体による変動揚力を正常に受けた場合：５＜「λ」。
▲２▼ 渦発生体１２と管路１０との隙間に異物が堆積して詰まりが生じた状態で 流体による変動揚力を受けた場合：２＜「λ」＜５。
▲３▼ 配管振動のように流量計全体が一様な外力を受けた場合：「λ」＜２。
【００３１】
要するに、第１応力検出素子１７と第２応力検出素子２１に生じる電荷の比「λ」は、信号成分では一定の値以上となり、ノイズ成分では一定の値以下となり、詰まりが生じた状態では、詰まりの進行につれて、信号成分の値から徐々に低下し、遂にはノイズ成分の値にまで低下する。
【００３２】
つまり、信号とノイズと詰まりとでは「λ」の取り得る値が違う。よって、この「λ」をモニタする事で、渦信号なのか、ノイズ(配管振動等）なのか、詰まりなのか、判別する事が可能となる。
【００３３】
なお、この場合は、圧電素子１７，２１として、ニオブ酸リチウムよりなる圧電素子が使用されている。
【００３４】
この結果、
（１）配管振動等のノイズによるカルマン渦流量計の誤動作防止と詰まり等の異常検出ができるので、安定性・信頼性が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【００３５】
（２）応力検出素子１７，２１として、圧電素子が使用されたので、圧電素子は市場性が有り、容易に入手し易く安価である。
従って、安価なカルマン渦流量計が得られる。
【００３６】
（３）圧電素子１７，２１，３１，３２としてニオブ酸リチウムが使用された。ニオブ酸リチウムは、高温特性が良好なので、高温特性が良好なカルマン渦流量計が得られる。
【００３７】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
配管振動等のノイズによるカルマン渦流量計の誤動作防止と詰まり等の異常検出ができるので、安定性・信頼性が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【００３９】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
応力検出素子として圧電素子が使用されたことを特徴とする請求項1記載のカルマン渦流量計が構成されたので、圧電素子は市場性が有り、容易に入手し易く安価である。
従って、安価なカルマン渦流量計が得られる。
【００４１】
従って、本発明によれば、ノイズあるいは詰まりによる誤動作を防止出来るカルマン渦流量計を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】従来より一般に使用されているカルマン渦流量計の構成説明図である。
【図４】図３の電気回路図である。
【図５】図３の動作説明図である。
【図６】図３の動作説明図である。
【図７】図３の動作説明図である。
【図８】図３の動作説明図である。
【符号の説明】
１０ 管路
１１ ノズル
１２ 渦発生体
１３ ネジ
１４ フランジ部
１５ 凹部
１６ 第１コモン電極
１７ 圧電素子
１８ 電極板
１９ 絶縁板
２０ 電極板
２１ 圧電素子
２２ 押圧棒
２３ リード線
２４ リード線
２５ 電荷増幅器
２６ 電荷増幅器
２７ ポリウム
２８ 加算器
３１ 第1のモニタ器
３２ 第２のモニタ器
３３ 第1と第２の電荷増幅器
３４ 第1と第２の電荷増幅器
３５ 演算器
３６ 演算器
Ｆｌ 測定流体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
It is an object of the present invention to prevent malfunction of a Karman vortex flowmeter by determining whether the detected stress is stress (signal) generated by Karman vortex or stress (noise) generated by piping vibration or the like. Do it. In addition, the present invention relates to a Karman vortex flowmeter that also prevents malfunction by determining whether there is clogging.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is an explanatory view of the main part of a Karman vortex flowmeter that has been generally used conventionally, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-020618 (Japanese Patent Application No. 1-033256).
[0003]
In the figure, the pipe 10 is a pipe through which the measurement fluid Fl flows.
The nozzle 11 is provided at a right angle to the pipe line 10 and has a cylindrical shape.
The vortex generator 12 is inserted at a right angle into the conduit 10 while maintaining a gap with the nozzle 11, has a trapezoidal cross section, and has a columnar shape.
[0004]
One end of the vortex generator 12 is supported on the pipe line 10 by a screw 13, and the other end is fixed to the nozzle 11 by a flange portion 14 by screws or welding.
The concave portion 15 is provided on the flange portion 14 side of the vortex generator 12.
[0005]
In the recess 15, all the first common electrodes 16, the piezoelectric elements 17, the electrode plates 18, the insulating plates 19, the electrode plates 20, and the piezoelectric elements 21 made of all genera are arranged in a sandwich from the bottom. These are pressed and fixed by pressing rods 22 made from all genera.
Further, a lead wire 23 is drawn from the electrode plate 18 and a lead wire 24 is drawn from the electrode plate 20 to terminals A and B, respectively.
[0006]
The piezoelectric elements 17 and 21 are polarized in the opposite directions on the left and right sides of the piezoelectric elements 17 and 21 with respect to the paper surface, and generate charges having opposite polarities in the upper and lower electrodes with respect to the stress in the same direction. To do.
[0007]
The electric charge generated in the piezoelectric element 17 is obtained between the terminal A connected to the electrode plate 18 and the pipe line 10 connected via the first common electrode 16.
The electric charge generated in the piezoelectric element 21 is obtained between the terminal B connected to the electrode plate 20 and the pipe line 10 connected to the pressing rod 20.
[0008]
The charges generated in the two electrode plates 18 and 20 are input to the charge amplifiers 25 and 26 as shown in FIG.
The output of the charge amplifier 25 and the output of the charge amplifier 26 through the polyum 27 are added by an adder 28 to obtain a flow rate signal.
[0009]
This flow rate signal is converted into a current output, for example, and transmitted to a load via two wires (not shown).
Next, the operation of the vortex flowmeter configured as described above will be described with reference to FIGS.
[0010]
When the measurement fluid Fl flows into the pipe 10, the vortex generator 12 is vibrated by the Karman vortex in the direction indicated by the arrow F.
This vibration causes the vortex generator 12 to repeat the stress distribution as shown in FIG. 5 and the opposite stress distribution.
[0011]
In each of the piezoelectric elements 17 and 21, a charge of 10 Q and 1 Q corresponding to the signal stress having the vortex circumference shown in FIG.
5 to 8, for convenience of explanation, the electrode plate 18 or 21 is divided into two on the right and left with respect to the paper surface, and one of the upper and lower electrodes is the first common electrode 16 or This corresponds to the pressing rod 22.
[0012]
On the other hand, the pipe line 10 also generates pipe vibration that becomes noise.
This pipe vibration is divided into (1) a drag direction in the same direction as the fluid flow, (2) a lift direction perpendicular to the fluid flow, and (3) a longitudinal direction of the soot generator.
[0013]
Among these, the stress distribution with respect to the vibration in the drag direction is as shown in FIG. 6, and the positive and negative charges are canceled out within the l electrodes, and no noise charge is generated.
Further, as shown in FIG. 7, the vibration in the longitudinal direction is canceled within the electrode, and no noise charge is generated as in the drag direction.
[0014]
However, the vibration in the lift direction has the same stress distribution as the signal stress, and noise charges are generated.
Therefore, in order to eliminate this noise charge, the following calculation is executed.
[0015]
When the charges of the piezoelectric elements 17 and 21 are Q ₁ and Q ₂ , the signal components are S ₁ and S ₂ , the noise components in the lift direction are N ₁ and N _2, and the polarization is reversed in the piezoelectric elements 17 and 21, Q ₁ and Q ₂ are represented by the following equations.
[0016]

However, the vector directions of S ₁ and S ₂ and N ₁ and N ₂ are the same.
[0017]
Here, the relationship between the signal component and the noise component of the piezoelectric elements 17 and 21 is as shown in FIG. 8 (this diagram shows the relationship between the noise in the lift direction and the bending moment of the vortex generator with respect to the signal). ing.
[0018]
Therefore, as shown in FIG. 4, when the output of the charge amplifier 25 on the piezoelectric element 17 side is added by the adder 28, it is multiplied by N ₁ / N ₂ together with the polyum 27 to obtain the charge amplifier on the piezoelectric element 21 side. When added to the output of 26,
[0019]

Next, the pipe line noise is removed.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example of FIG. 3 of the stress detection method, malfunction may occur due to noise such as pipe vibration on the principle of stress detection.
Further, when foreign matter is clogged between the vortex generator 12 and the pipe line 10, there is a risk of malfunction.
[0021]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, whether the detected stress is a stress (signal) generated by a vortex, a stress (noise) generated by piping vibration or the like, or due to clogging of foreign matter The purpose is to prevent malfunction of Karman vortex flowmeter.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, in the present invention, in claim 1,
In the Karman vortex flowmeter for detecting the alternating stress generated by the Karman vortex by the first and second stress detecting elements arranged adjacent to each other in the axial direction of the vortex generator or force receiving body, the first and second The first and second monitors for individually monitoring the outputs of the stress detection elements, the calculator for dividing the outputs of the first and second monitors and calculating the output ratio thereof , and the calculated And a discriminator for discriminating between the flow rate signal, the noise, and the clogging signal based on the predetermined value classification from the output ratio value .
[0023]
In claim 2 of the present invention, in the Karman vortex flowmeter according to claim 1,
A piezoelectric element is used as the stress detection element.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view of the main part configuration of an embodiment of the present invention.
In the figure, configurations with the same symbols as in FIG. 3 represent the same functions.
Only the differences from FIG. 3 will be described below.
[0026]
In FIG. 1, first and second monitoring devices 31 and 32 individually monitor the outputs of the first and second stress detection elements 17 and 21, respectively.
In this case, the outputs of the first and second stress detection elements 17 and 21 are amplified by the first and second charge amplifiers 33 and 34, respectively.
The computing unit 35 computes the output ratio of the first and second monitoring devices 31 and 32.
The discriminator 36 discriminates one of the flow rate signal, the noise, and the clogging signal based on the output ratio of the first and second monitor units 31 and 32.
[0028]
In the above configuration, the first and second monitor devices 31 and 32 individually monitor the outputs of the first and second stress detection elements 17 and 21, respectively.
The calculator 35 calculates the output ratio of the first and second monitors 31 and 32.
Based on the output ratio of the first and second monitoring devices 31 and 32, the discriminator 36 discriminates whether the signal is a flow rate signal, noise or a clogging signal.
[0029]
Here, the flow rate signal S, noise N, and clogging signal Q generated in the vortex generator 12 are as shown in FIG.
That is, when the vortex generator 12 receives some external force, the ratio “λ” of charges generated in the first stress detection element 17 and the second stress detection element 21 is constant depending on the type of external force and the state of the vortex generator 12. Takes the value of
[0030]
As shown in FIG. 2, an example is shown below.
(1) When fluctuating lift due to the measured fluid is normally received: 5 <“λ”.
{Circle around (2)} When fluctuating lift due to fluid is applied in a state where foreign matter accumulates in the gap between the vortex generator 12 and the conduit 10 and clogging occurs: 2 <“λ” <5.
(3) When the entire flowmeter receives a uniform external force, such as piping vibration: “λ” <2.
[0031]
In short, the ratio “λ” of the charges generated in the first stress detection element 17 and the second stress detection element 21 is a certain value or more for the signal component, and a certain value or less for the noise component. As clogging progresses, it gradually decreases from the value of the signal component, and finally decreases to the value of the noise component.
[0032]
That is, the possible values of “λ” are different between the signal, noise, and clogging. Therefore, by monitoring “λ”, it is possible to determine whether the signal is a vortex signal, noise (pipe vibration, etc.), or clogging.
[0033]
In this case, as the piezoelectric elements 17 and 21, piezoelectric elements made of lithium niobate are used.
[0034]
As a result,
(1) Since the malfunction of the Karman vortex flowmeter due to noise such as piping vibration can be prevented and abnormalities such as clogging can be detected, a Karman vortex flowmeter with improved stability and reliability can be obtained.
[0035]
(2) Since the piezoelectric elements are used as the stress detection elements 17 and 21, the piezoelectric elements have marketability, are easily available, and are inexpensive.
Therefore, an inexpensive Karman vortex flowmeter can be obtained.
[0036]
(3) Lithium niobate was used as the piezoelectric elements 17, 21, 31, 32. Since lithium niobate has good high temperature characteristics, a Karman vortex flowmeter with good high temperature characteristics can be obtained.
[0037]
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the following effects can be obtained.
Since the Karman vortex flowmeter can be prevented from malfunctioning due to noise such as pipe vibrations and abnormalities such as clogging can be detected, a Karman vortex flowmeter with improved stability and reliability can be obtained.
[0039]
According to claim 2 of the present invention, there are the following effects.
2. The Karman vortex flowmeter according to claim 1, wherein a piezoelectric element is used as the stress detection element, so that the piezoelectric element has marketability, is easily available, and is inexpensive.
Therefore, an inexpensive Karman vortex flowmeter can be obtained.
[0041]
Therefore, according to the present invention, a Karman vortex flowmeter capable of preventing malfunction due to noise or clogging can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main part configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of FIG. 1;
FIG. 3 is a configuration explanatory diagram of a Karman vortex flowmeter that has been generally used conventionally.
4 is an electric circuit diagram of FIG. 3;
5 is an operation explanatory diagram of FIG. 3. FIG.
6 is an operation explanatory diagram of FIG. 3. FIG.
7 is an operation explanatory diagram of FIG. 3. FIG.
FIG. 8 is an operation explanatory diagram of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pipe line 11 Nozzle 12 Vortex generator 13 Screw 14 Flange part 15 Recess 16 First common electrode 17 Piezoelectric element 18 Electrode plate 19 Insulating plate 20 Electrode plate 21 Piezoelectric element 22 Press rod 23 Lead wire 24 Lead wire 25 Charge amplifier 26 Charge Amplifier 27 Volume 28 Adder 31 First monitor 32 Second monitor 33 First and second charge amplifier 34 First and second charge amplifier 35 Operation unit 36 Operation unit Fl Measurement fluid

Claims (2)

カルマン渦により発生する交番の応力を渦発生体あるいは受力体の軸方向に隣りあって配置された第１，第２の応力検出素子により検出するカルマン渦流量計において、
前記第１と第２の応力検出素子の出力をそれぞれ個別にモニタする第１と第２のモニタ器と、
この第１と第２のモニタ器の出力を割算しその出力比を算出する演算器と、
前記算出された出力比の値から所定値の区分に基づき流量信号とノイズと詰まり信号の何れかであることを判別する判別器と
を具備した事を特徴とするカルマン渦流量計。In the Karman vortex flowmeter for detecting the alternating stress generated by the Karman vortex by the first and second stress detection elements arranged adjacent to each other in the axial direction of the vortex generator or force receiver,
First and second monitors for individually monitoring outputs of the first and second stress detection elements, respectively
An arithmetic unit that divides the outputs of the first and second monitor units and calculates the output ratio;
A Karman vortex flowmeter characterized by comprising: a discriminator for discriminating between a flow rate signal, noise, and a clogging signal based on a predetermined value category from the calculated output ratio value . 前記応力検出素子として、圧電素子が使用されたこと
を特徴とする請求項１記載のカルマン渦流量計。The Karman vortex flowmeter according to claim 1, wherein a piezoelectric element is used as the stress detection element.

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