JP4648625B2 - Vortex flow meter - Google Patents

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Description

この発明は、渦流量計に関し、特に、圧電素子を用いるカルマン渦流量計に関するものである。   The present invention relates to a vortex flow meter, and more particularly to a Karman vortex flow meter using a piezoelectric element.

圧電素子を用いるカルマン渦流量計は、測定管内に設けられた渦発生体と、測定管より片持ち支持されて前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体（振動管）とを有し、渦検出体が鞘状になっていて渦検出体内に、バイモルフ型のＰＺＴ素子（圧電素子）が、エポキシ樹脂、プリホームガラス等の接着材、封止剤により埋め込み固定や、半田盛りにより固定されている（たとえば、特許文献１、２）。   A Karman vortex flowmeter using a piezoelectric element includes a vortex generator provided in a measurement tube, and a vortex detector (vibration tube) that cantilevered from the measurement tube and detects the alternating force of the vortex generated by the vortex generator. The vortex detector has a sheath shape, and a bimorph type PZT element (piezoelectric element) is embedded and fixed with an adhesive such as epoxy resin, preform glass, or sealant in the vortex detector, It is fixed by soldering (for example, Patent Documents 1 and 2).

しかし、このようなカルマン渦流量計では、振動管の弾性率や封止剤等の硬度により、バイモルフの変位量が拘束される。このために、圧電素子によるカルマン渦検知の出力信号は微弱な信号になり、良好なＳ／Ｎ比を得ることができず、特に低流量域では、感度よく高精度に流量計測を行うことが難しい。   However, in such a Karman vortex flowmeter, the displacement amount of the bimorph is constrained by the elastic modulus of the vibrating tube and the hardness of the sealant or the like. For this reason, the output signal of the Karman vortex detection by the piezoelectric element becomes a weak signal, a good S / N ratio cannot be obtained, and the flow rate can be measured with high sensitivity and high accuracy especially in a low flow rate region. difficult.

また、振動管内に圧入された弾性母材がばね板によって支えられ、弾性母材に圧電素子が振動管とは非接触で貼り付けられているカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献３）。   Further, there is a Karman vortex flowmeter in which an elastic base material press-fitted into a vibration tube is supported by a spring plate, and a piezoelectric element is attached to the elastic base material in a non-contact manner with the vibration tube (for example, Patent Document 3). .

しかし、このカルマン渦流量計では、振動管外部にカルマン渦による交番応力が加わっても、ばね板の弾性によって交番応力が吸収され、弾性母材及び圧電素子には交番応力が加わり難い。このため、十分な出力電荷が得られず、ノイズの影響を受け易い。しかも、圧電素子が測定管内部に設置されるため、高温流体の通過時には圧電素子に熱負荷が加わり易く、劣化が早まってしまう。   However, in this Karman vortex flowmeter, even if an alternating stress due to the Karman vortex is applied to the outside of the vibration tube, the alternating stress is absorbed by the elasticity of the spring plate, and it is difficult to apply the alternating stress to the elastic base material and the piezoelectric element. For this reason, sufficient output charge cannot be obtained, and it is easily affected by noise. In addition, since the piezoelectric element is installed inside the measuring tube, a thermal load is easily applied to the piezoelectric element when a high-temperature fluid passes, and deterioration is accelerated.

また、薄肉の圧力シール支点体によって測定管に一体構造で接続された渦検出体（受圧体）が測定管内に設けられ、測定管外において受圧体に接続されたフォースバーと測定管との間に圧電素子ベースを介して圧電素子が取り付けられているカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献４）。   In addition, a vortex detector (pressure receiving body) connected to the measurement tube by a thin pressure seal fulcrum is provided in the measurement tube, and between the force bar connected to the pressure receiving body and the measurement tube outside the measurement tube. There is a Karman vortex flowmeter to which a piezoelectric element is attached via a piezoelectric element base (for example, Patent Document 4).

しかし、このカルマン渦流量計は、受圧体が薄肉の圧力シール支点体によって測定管に接続された形態で、測定管と一体鋳造からの削り出しにより形成されるから、製造の容易性が損なわれ、圧力シール支点体の製造上の寸法ばらつきが、流量測定精度、感度に大きく影響し、安定した性能を得ることが難しい。   However, this Karman vortex flowmeter has a pressure receiving body connected to the measuring pipe by a thin pressure seal fulcrum, and is formed by cutting from the measuring pipe and integral casting. The dimensional variation in manufacturing the pressure seal fulcrum greatly affects the flow measurement accuracy and sensitivity, and it is difficult to obtain stable performance.

また、ダイヤフラムによって渦検出体が測定管に取り付けられ、渦検出体とダイヤフラムとが一体で、ダイヤフラムの変位を圧電素子によって検知する構造のカルマン渦流量計がある（たとえば、特許文献５）。   Further, there is a Karman vortex flowmeter having a structure in which a vortex detector is attached to a measurement tube by a diaphragm, the vortex detector and the diaphragm are integrated, and the displacement of the diaphragm is detected by a piezoelectric element (for example, Patent Document 5).

しかし、このカルマン渦流量計は、渦検出体が測定管内においてカルマン渦より受ける圧力変動による微小変位を、渦検出体取付支持を兼ねたダイヤフラムの変位に変換するため、ダイヤフラムの剛性が流量測定感度に大きく影響し、流量測定感度の向上と渦検出体支持の耐久性向上とを両立することが難しい。   However, this Karman vortex flowmeter converts the minute displacement due to the pressure fluctuation that the vortex detector receives from the Karman vortex in the measurement tube into the displacement of the diaphragm that also serves as a support for mounting the vortex detector. It is difficult to achieve both improvement in flow rate measurement sensitivity and improvement in durability of the vortex detector support.

カルマン渦流量計に用いられる計器用の電気回路としては、カルマン渦により作用する交番力を検出する圧電素子からの信号を差動で受ける２つのチャージアンプ回路と、この２つのチャージアンプ回路の出力の差分を取る差動回路とを有し、圧電素子に印加されるコモンモードノイズを差動回路によって相殺するものがある（たとえば、特許文献６、７）。   As an electrical circuit for an instrument used in the Karman vortex flowmeter, there are two charge amplifier circuits that receive a differential signal from a piezoelectric element that detects an alternating force acting by the Karman vortex, and outputs of the two charge amplifier circuits. There is a differential circuit that takes the difference between the common mode noise and the common circuit noise that is applied to the piezoelectric element is canceled by the differential circuit (for example, Patent Documents 6 and 7).

２つの圧電素子のに作用するコモンモードノイズは、渦検出器の構造上、つまり、振動管の中心に圧電素子が置かれることはなく、商用電源に結合する浮遊容量が異なるから、同じ大きさの信号とはならず、２つのチャージアンプ回路に入力される圧電素子に重畳されるコモンモードノイズの大きさが異なる。このため、２つのチャージアンプ回路のコモンモードノイズの差分を差分回路で増幅するため、商用電源のコモンモードノイズを取り去ることはできず、増幅率が大きいほど、顕著となる。
特開平７−１９９１９号公報 特開２００２−３３３３５２号公報 特開平７−２９４２９８号公報 特開平１０−１２２９２０号公報 特開平７−１２８１００号公報 特開平１１−２５８０１７号公報 特開２０００−１３１１０５号公報 The common mode noise acting on the two piezoelectric elements is the same because of the structure of the vortex detector, that is, the piezoelectric element is not placed at the center of the vibrating tube and the stray capacitance coupled to the commercial power supply differs. However, the magnitude of the common mode noise superimposed on the piezoelectric elements input to the two charge amplifier circuits is different. For this reason, since the difference between the common mode noises of the two charge amplifier circuits is amplified by the difference circuit, the common mode noise of the commercial power supply cannot be removed, and becomes more noticeable as the amplification factor increases.
JP 7-19919 A JP 2002-333352 A JP 7-294298 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-122920 JP-A-7-128100 Japanese Patent Laid-Open No. 11-258017 JP 2000-131105 A

この発明が解決しようとする課題は、製造の容易性、耐久性を損ねることなく低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うこと、さらには、商用電源のコモンモードノイズの影響を受けないようにすることである。   The problem to be solved by the present invention is to perform stable and highly accurate flow rate measurement for a long period of time even in a low flow rate range without impairing ease of manufacture and durability. It is to avoid the influence of noise.

この発明による渦流量計は、測定管内を流れる流体の流量を計測する渦流量計において、前記測定管内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体とを有し、前記渦検出体は、導電材料により棒状に構成され、前記測定管の一方の壁部を非拘束状態で気密に径方向に貫通し、前記測定管内に位置する部分と、前記測定管外に位置する部分とを有し、前記測定管外において片持ち支持され、前記渦検出体のうち、前記測定管外に位置する部分には２つの圧電素子が相対向して各々導電性接着剤によって外部露呈状態で貼り付けられており、前記２つの圧電素子の各々の外側表面には電極が設けられ、前記渦検出体が前記２つの圧電素子の中央電極を兼ねており、前記渦検出体の前記測定管の貫通孔を貫通する部分の外径が該貫通孔の内径より小さくなっており、前記渦検出体と前記測定管との間に、ゴム状弾性体製のＯリングが設けられ、当該Ｏリングによって、前記渦検出体が前記測定管に対して非拘束状態で、前記測定管内の気密を保持する。 A vortex flowmeter according to the present invention is a vortex flowmeter for measuring a flow rate of a fluid flowing in a measurement tube, and a vortex generator provided in the measurement tube and a vortex for detecting an alternating force generated by the vortex generator. The vortex detector is configured in a rod shape with a conductive material, and airtightly penetrates one wall of the measurement tube in a radial direction in an unconstrained state, and is located in the measurement tube; A portion located outside the measurement tube, and cantilevered outside the measurement tube, and two piezoelectric elements are opposed to the portion of the vortex detector located outside the measurement tube. Each is attached in an externally exposed state with a conductive adhesive, electrodes are provided on the outer surfaces of each of the two piezoelectric elements, and the vortex detector also serves as the central electrode of the two piezoelectric elements. Through the through hole of the measuring tube of the vortex detector The outer diameter of the portion which has become smaller than the inner diameter of the through hole, between the measuring pipe and the vortex detector, O-ring made of rubber-like elastic body is provided by the O-ring, said vortex detecting The body keeps the airtightness in the measurement tube in an unconstrained state with respect to the measurement tube.

この発明による渦流量計は、好ましくは、前記渦検出体は前記２つの圧電素子を貼り付けられる部分を板状に形成され、この板状部分の両面に前記２つの圧電素子が貼り付けられている。   In the vortex flowmeter according to the present invention, preferably, the vortex detector has a plate-like portion where the two piezoelectric elements are attached, and the two piezoelectric elements are attached to both surfaces of the plate-like portion. Yes.

また、この発明による渦流量計は、好ましくは、前記渦検出体は前記測定管外において径方向外方に延在し、その延出端を前記測定管に固定の櫓状の取付部材に固定装着され、前記取付部材に対する前記渦検出体の略中央部に前記２つの圧電素子が貼り付けられている。   In the vortex flowmeter according to the present invention, preferably, the vortex detector extends radially outwardly outside the measurement tube, and an extension end thereof is fixed to a hook-shaped attachment member fixed to the measurement tube. The two piezoelectric elements are attached to substantially the center of the vortex detector with respect to the mounting member.

また、この発明による渦流量計は、好ましくは、前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いている。   The vortex flowmeter according to the present invention preferably uses a lithium niobate single crystal as the piezoelectric element.

また、この発明による渦流量計は、前記中央電極が回路アースに接続されている。   In the vortex flowmeter according to the present invention, the center electrode is connected to a circuit ground.

また、この発明による渦流量計は、２つのチャージアンプ回路と、その２つのチャージアンプ回路の差分を取る差分回路とを有し、前記２つの圧電素子の各々の電極が各々前記２つのチャージアンプ回路の反転端子に個別に接続され、前記２つのチャージアンプ回路の非反転端子が回路アースに接続されている。   The vortex flowmeter according to the present invention includes two charge amplifier circuits and a differential circuit that obtains a difference between the two charge amplifier circuits, and each of the electrodes of the two piezoelectric elements includes the two charge amplifiers. The inverting terminals of the circuits are individually connected, and the non-inverting terminals of the two charge amplifier circuits are connected to circuit ground.

この発明による渦流量計では、渦検出体が測定管外に位置する部分に２つの圧電素子が導電性接着剤によって貼り付けられ、圧電素子が外部露呈状態で、変位量を拘束されることがなく、しかも渦検出体が２つの圧電素子の中央電極（共通電極）を兼ねているから、測定管内のカルマン渦による交番力が中央電極に直接作用する。   In the vortex flowmeter according to the present invention, two piezoelectric elements are attached to the portion where the vortex detector is located outside the measuring tube with a conductive adhesive, and the displacement amount is restricted when the piezoelectric elements are exposed to the outside. In addition, since the vortex detector serves as the central electrode (common electrode) of the two piezoelectric elements, the alternating force due to the Karman vortex in the measuring tube directly acts on the central electrode.

これらのことにより、構造や製造工程を複雑にすることなく、Ｓ／Ｎ比が大きくて低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うことができる。また、前記渦検出体の前記測定管の貫通孔を貫通する部分の外径が該貫通孔の内径より小さくなっており、カルマン渦の交番力を最大限に捉えることができる。 By these, without complicating the structure and manufacturing process, even in the low flow rate region with large S / N ratio, it is possible to perform high sensitivity and high accuracy flow rate measurement stably for a long period of time. In addition, the outer diameter of the portion of the vortex detector that penetrates the through hole of the measurement tube is smaller than the inner diameter of the through hole, so that the alternating force of Karman vortex can be captured to the maximum.

なお、前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いると、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛；Ｐｂ（Ｚｒx ，Ｔｉ1-x ）Ｏ3 ）セラミックスを圧電素子として用いる場合よりもキュリー点が高く、また、ＰＺＴセラミックスの信号よりも極めて大きな信号（４０倍程度）を得ることができるので、高耐熱性で感度のよい渦流量計を構成することができる。 When a lithium niobate single crystal is used as the piezoelectric element, the Curie point is higher than when a PZT (lead zirconate titanate; Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ) ceramic is used as the piezoelectric element. Moreover, since a signal (about 40 times) much larger than the signal of PZT ceramics can be obtained, a highly heat-resistant and sensitive vortex flowmeter can be configured.

また、中央電極が回路アースに接続されていることにより、商用電源のコモンモードノイズを低減でき、増幅率の大きい増幅器が使用されても、安定した流量特性を得ることができる。   Further, since the central electrode is connected to the circuit ground, common mode noise of the commercial power supply can be reduced, and a stable flow rate characteristic can be obtained even when an amplifier having a large amplification factor is used.

この発明による渦流量計の一つの実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。   One embodiment of a vortex flowmeter according to the present invention will be described with reference to FIGS.

渦流量計は測定管１１を有する。測定管１１は、内部に管流路１２を有し、図１、２、４で見て、左端に入口側接続フランジ１３を、右端に出口側接続フランジ１４を各々形成されている。   The vortex flowmeter has a measuring tube 11. The measurement pipe 11 has a pipe flow path 12 therein, and an inlet side connection flange 13 is formed at the left end and an outlet side connection flange 14 is formed at the right end as seen in FIGS.

測定管１１には管流路１２内に棒状の渦発生体１５が一体形成されている。渦発生体１５は管流路１２を垂直に横切って延在している。   A rod-like vortex generator 15 is integrally formed in the measurement tube 11 in the tube flow path 12. The vortex generator 15 extends vertically across the tube flow path 12.

測定管１１の外部（上部）の出口側接続フランジ１４側には、上壁部２４上に、ねじ１６、取付基部ブロック１７、ねじ１８によって高背丈門形、すなわち櫓状の取付部材１９が固定装着されている。取付部材１９は、測定管１１の径方向外方（渦発生体１５と平行な垂直方向）に延在している。   On the upper (outer) outlet side connection flange 14 side of the measuring tube 11, a high-height gate-shaped, that is, saddle-shaped attachment member 19 is fixed on the upper wall portion 24 by a screw 16, an attachment base block 17, and a screw 18. It is installed. The attachment member 19 extends outward in the radial direction of the measuring tube 11 (vertical direction parallel to the vortex generator 15).

取付部材１９の上梁２０にはねじ２１によって金属等の導電材料製の渦検出体３０の上端部（延出端）３１が固定されている。渦検出体３０は、取付部材１９の上梁２０より取付部材１９の開放空間部２２を垂直に垂下し、取付基部ブロック１７に形成された貫通孔２３と測定管１１の上壁部２４に形成された貫通孔２５を貫通し、渦検出体３０の下部３２は管流路１２内に位置している。   An upper end portion (extended end) 31 of a vortex detector 30 made of a conductive material such as metal is fixed to the upper beam 20 of the mounting member 19 by a screw 21. The vortex detector 30 hangs vertically from the upper beam 20 of the attachment member 19 in the open space 22 of the attachment member 19, and is formed in the through hole 23 formed in the attachment base block 17 and the upper wall portion 24 of the measurement tube 11. The lower portion 32 of the vortex detector 30 is positioned in the tube flow path 12 through the through hole 25 formed.

渦検出体３０の下部３２は、渦管流路１２を流れる流体の流れ（矢印Ａ）から見て渦発生体１５より下流側にあり、渦管流路１２を流れる流体流れ方向に沿って扁平な薄板状をなしている。渦検出体３０が取付基部ブロック１７の貫通孔２３と測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分（中間部）３３は、断面円形の丸棒状をなし、中間部３３の外径は貫通孔２３、２５の内径より小さく、この寸法差によってこれらに対して非拘束状態になっている。   The lower portion 32 of the vortex detector 30 is downstream of the vortex generator 15 as viewed from the flow of the fluid flowing through the vortex tube flow path 12 (arrow A), and is flat along the direction of fluid flow flowing through the vortex tube flow path 12. It has a thin plate shape. A portion (intermediate portion) 33 through which the vortex detector 30 passes through the through hole 23 of the mounting base block 17 and the through hole 25 of the measuring tube 11 has a round bar shape with a circular cross section, and the outer diameter of the intermediate portion 33 is the through hole 23. , 25, which is smaller than the inner diameter of 25 and is in an unconstrained state due to this dimensional difference.

すなわち、渦検出体３０は、導電材料により棒状に構成され、測定管１１の上壁部２４を非拘束状態で径方向に貫通し、測定管１１内に位置する部分（下部）３２と、測定管１１外に位置する部分とを有し、測定管１１外において径方向外方に延在し、その延出端（上端部）３１を測定管１１に固定の櫓状の取付部材１９に固定装着され、取付部材１９を介して測定管１１より片持ち支持されている。   That is, the vortex detector 30 is formed in a rod shape with a conductive material, penetrates the upper wall portion 24 of the measurement tube 11 in a non-constrained state in the radial direction, and a portion (lower portion) 32 positioned in the measurement tube 11 and the measurement A portion located outside the tube 11, extends radially outwardly outside the measurement tube 11, and an extension end (upper end portion) 31 is fixed to a bowl-shaped attachment member 19 fixed to the measurement tube 11. It is mounted and cantilevered from the measuring tube 11 via the mounting member 19.

渦検出体３０が測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分３３には、気密用のゴム状弾性体製のＯリング２６が設けられている。   A portion 33 where the vortex detector 30 penetrates the through hole 25 of the measurement tube 11 is provided with an O-ring 26 made of a rubber-like elastic material for airtightness.

渦検出体３０のうち、測定管１１外に位置する部分、すなわち、上端部３１と中間部３３との間において、取付部材１９の開放空間部２２内に位置する部分３４は、下部３２と同一方向の板状に形成されている。渦検出体３０の部分３４の両面には板状の圧電素子３５、３６が相対向して各々導電性接着剤３７によって外部露呈状態で貼り付けられている。この圧電素子３５、３６の貼付位置は、渦検出体３０の全体で見て取付部材１９に対する渦検出体３０の固定端（上端部３１）近傍である。   Of the vortex detector 30, a portion located outside the measurement tube 11, that is, a portion 34 located in the open space 22 of the mounting member 19 between the upper end portion 31 and the intermediate portion 33 is the same as the lower portion 32. It is formed in a directional plate shape. Plate-like piezoelectric elements 35 and 36 are attached to both surfaces of the portion 34 of the vortex detector 30 so as to oppose each other with a conductive adhesive 37 in an externally exposed state. The attachment positions of the piezoelectric elements 35 and 36 are in the vicinity of the fixed end (upper end portion 31) of the vortex detector 30 with respect to the attachment member 19 as viewed in the entirety of the vortex detector 30.

圧電素子３５、３６は、ニオブ酸リチウム単結晶のものを用いることができる。ニオブ酸リチウム単結晶の圧電素子３５、３６は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛；Ｐｂ（Ｚｒx ，Ｔｉ1-x ）Ｏ3 ）セラミックスによるものに比してキュリー点が高く、ＰＺＴセラミックスの信号よりも極めて大きな信号（４０倍程度）を得ることができるので、高耐熱性で、感度のよい渦流量計を構成することができる。 The piezoelectric elements 35 and 36 can be made of lithium niobate single crystal. The piezoelectric elements 35 and 36 of lithium niobate single crystal have a higher Curie point than those made of PZT (lead zirconate titanate; Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ) ceramics. Since an extremely large signal (about 40 times) can be obtained, a highly heat-resistant and sensitive vortex flowmeter can be configured.

圧電素子３５、３６が各々導電性接着剤３７によって渦検出体３０に貼り付けられていることにより、渦検出体３０は、この２つの圧電素子３５、３６の中央電極（共通電極）を兼ねる。これにより、渦検出体３０と導通関係にあるねじ２１に中央電極用リード線４０が接続されている。なお、導電性接着剤３７は、エポキシ樹脂（接着剤）に銅等による導電性フィラーを混入したものや、銀フィラー入り厚膜ペーストのようなものでよい。   Since the piezoelectric elements 35 and 36 are respectively attached to the vortex detector 30 by the conductive adhesive 37, the vortex detector 30 also serves as a central electrode (common electrode) of the two piezoelectric elements 35 and 36. As a result, the lead wire 40 for the central electrode is connected to the screw 21 that is in conduction with the vortex detector 30. The conductive adhesive 37 may be an epoxy resin (adhesive) mixed with a conductive filler such as copper or a thick film paste containing silver filler.

圧電素子３５、３６の各々の外側表面には、導電性接着剤による金属箔の貼り付け、スクリーン印刷、金属薄膜形成等によって電極板３８、３９が設けられている。電極板３８、３９には各々電極リード線４１、４２が個別に接続されている。   Electrode plates 38 and 39 are provided on the outer surface of each of the piezoelectric elements 35 and 36 by attaching a metal foil with a conductive adhesive, screen printing, forming a metal thin film, or the like. Electrode lead wires 41 and 42 are individually connected to the electrode plates 38 and 39, respectively.

上述の構成による渦流量計では、入口側接続フランジ１３側から出口側接続フランジ１４側へ流体が管流路１２を流れることにより、渦発生体１５より下流側にカルマン渦が発生する。このカルマン渦が渦検出体３０の下部３２に衝突することにより、中央電極を兼ねている渦検出体３０がカルマン渦の交番力を受ける。   In the vortex flowmeter having the above-described configuration, a Karman vortex is generated on the downstream side of the vortex generator 15 when the fluid flows through the pipe flow path 12 from the inlet side connection flange 13 side to the outlet side connection flange 14 side. When this Karman vortex collides with the lower part 32 of the vortex detector 30, the vortex detector 30 also serving as the central electrode receives the alternating force of the Karman vortex.

渦検出体３０は、Ｏリング２６によって測定管１１に気密に接続されているが、Ｏリング２６がゴム状弾性体製であること、渦検出体３０が取付基部ブロック１７の貫通孔２３と測定管１１の貫通孔２５を貫通する部分（中間部）３３の外径が貫通孔２３、２５の内径より小さく、この寸法差によって渦検出体３０がこれらに対して非拘束状態になっていることにより、渦検出体３０は、取付部材１９に対する固定端（上端部）を支点して中間部を実質的に拘束されることなくカルマン渦の交番力を最大限に捉えることができる。   The vortex detector 30 is hermetically connected to the measurement tube 11 by an O-ring 26, but the O-ring 26 is made of a rubber-like elastic body, and the vortex detector 30 is measured with the through hole 23 of the mounting base block 17. The outer diameter of the portion (intermediate portion) 33 that penetrates the through hole 25 of the tube 11 is smaller than the inner diameter of the through holes 23 and 25, and the vortex detector 30 is in an unconstrained state due to this dimensional difference. As a result, the vortex detector 30 can capture the Karman vortex alternating force to the maximum without substantially constraining the intermediate portion with the fixed end (upper end) of the mounting member 19 as a fulcrum.

これにより、２つの圧電素子３５、３６の中央電極（共通電極）を兼ねている渦検出体３０の圧電素子貼り付け部分３４に測定管１１内のカルマン渦による交番力が作用し、圧電素子３５、３６が、開放空間２２において外部露呈状態で、変位量を拘束されることがない状態にあること、さらには、この部分３４が、丸棒形状でなく、板状で、断面二次モーメントが大きくなる形状であることにより、カルマン渦による交番応力（荷重）が効率よく圧電素子３５、３６に伝えられる。これによりカルマン渦を高感度に検出することができる。   As a result, an alternating force due to the Karman vortex in the measuring tube 11 acts on the piezoelectric element attaching portion 34 of the vortex detector 30 that also serves as the central electrode (common electrode) of the two piezoelectric elements 35 and 36, and the piezoelectric element 35. , 36 is in an externally exposed state in the open space 22 and is in a state in which the amount of displacement is not constrained. Further, this portion 34 is not in the shape of a round bar but is in the form of a plate and the second moment of section is Due to the large shape, the alternating stress (load) due to Karman vortex is efficiently transmitted to the piezoelectric elements 35 and 36. Thereby, Karman vortices can be detected with high sensitivity.

この感度は、渦検出体３０の片持ち支持のスパンが長いほど、良好になるから、渦検出体３０の取付部材１９に対する固定端（上端部３１）が測定管１１より径方向外方にあるほど、測定感度が向上する。   This sensitivity becomes better as the span of the cantilever support of the vortex detector 30 becomes longer. Therefore, the fixed end (upper end portion 31) of the vortex detector 30 with respect to the mounting member 19 is radially outward from the measurement tube 11. As the result, the measurement sensitivity is improved.

また、上述の構造では、渦検出体３０による中央電極の表面積を、圧電素子３５、３６の表面積および電極板３８、３９の表面積に比して極めて大きくなる。   In the above-described structure, the surface area of the central electrode by the vortex detector 30 is extremely larger than the surface area of the piezoelectric elements 35 and 36 and the surface area of the electrode plates 38 and 39.

渦検出体３０の気密シールは、ゴム状弾性体製のＯリング２６により行われ、渦検出体３０の変形を拘束しないから、渦検出体３０が熱によって膨張しても測定感度が変動することがない。また、圧電素子３５、３６は、管流路１２外に設けられているから、高温流体の測定時でも、流体の熱の影響を直接受けることがなく、圧電素子３５、３６が熱劣化することがない。   The hermetic seal of the vortex detector 30 is performed by an O-ring 26 made of a rubber-like elastic body and does not restrain deformation of the vortex detector 30, so that the measurement sensitivity varies even if the vortex detector 30 expands due to heat. There is no. In addition, since the piezoelectric elements 35 and 36 are provided outside the pipe flow path 12, the piezoelectric elements 35 and 36 are thermally deteriorated without being directly affected by the heat of the fluid even when measuring a high-temperature fluid. There is no.

これらのことにより、製造の容易性、耐久性を損ねることなく低流量域でも、感度よく高精度な流量計測を長期間安定して行うことができる。   As a result, high-accuracy and high-precision flow rate measurement can be stably performed over a long period of time even in a low flow rate region without impairing the ease of manufacture and durability.

なお、参考例として、渦検出体３０の気密シールは、ダイヤフラムやベローズ等の可撓性気密シール部材により行うこともできる。 As a reference example, the vortex detector 30 can be hermetically sealed with a flexible hermetic seal member such as a diaphragm or a bellows.

図７はベローズ５０によって渦検出体３０の気密シールを行った参考例を示している。なお、図７において、図４に対応する部分は、図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。 FIG. 7 shows a reference example in which the vortex detector 30 is hermetically sealed by the bellows 50. 7, parts corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 4, and description thereof is omitted.

この参考例の渦流量計では、測定管１１の貫通孔２５を渦検出体３０の中間部３３の外径よりも十分大きく形成し、取付基部ブロック１７に代えて、測定管１１の上壁部２４の外周面から貫通孔２５を囲むように膨出形成された円筒状の取付部１１Ａと、この取付部１１Ａとほぼ同一外径のフランジ４４を外周面の軸方向中央部に有する円筒状のベローズホルダ４３とを用いている。 In the vortex flowmeter of this reference example , the through hole 25 of the measurement tube 11 is formed sufficiently larger than the outer diameter of the intermediate portion 33 of the vortex detector 30, and the upper wall portion of the measurement tube 11 is replaced with the mounting base block 17. A cylindrical mounting portion 11A bulging from the outer peripheral surface of 24 to surround the through-hole 25 and a flange 44 having an outer diameter substantially the same as that of the mounting portion 11A at the axially central portion of the outer peripheral surface A bellows holder 43 is used.

ベローズホルダ４３のフランジ４４よりも下側の部分は測定管１１の貫通孔２５に挿入嵌合されており、この状態で、フランジ４４と取付部１１Ａの端面との間は、これらの間に挟持された膨張黒鉛やフッ素樹脂等からなる円座型パッキン４６によって気密シールされている。   The part below the flange 44 of the bellows holder 43 is inserted and fitted into the through hole 25 of the measuring tube 11, and in this state, the flange 44 and the end face of the attachment portion 11A are sandwiched between them. It is hermetically sealed by a circular seat type packing 46 made of expanded graphite, fluorine resin or the like.

また、ベローズホルダ４３には、渦検出体３０の中間部３３の外径よりも若干大きい内径で、ベローズホルダ４３の軸方向を貫通する貫通孔４５が形成されており、この貫通孔４５を渦検出体３０の中間部３３が隙間を持って貫通して、渦検出体３０の下部３２が測定管１１内に位置している。   In addition, the bellows holder 43 is formed with a through hole 45 that has an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the intermediate portion 33 of the vortex detector 30 and penetrates the bellows holder 43 in the axial direction. The intermediate portion 33 of the detection body 30 penetrates with a gap, and the lower portion 32 of the vortex detection body 30 is located in the measurement tube 11.

図７に示す参考例では、渦検出体３０の下部３２が中間部３３よりも大きい外径で形成されていて、下部３２と中間部３３との境界部分には、下部３２の外径よりも若干大きく測定管１１の貫通孔２５の外径よりも若干小さいフランジ部３３Ａが形成されていて、このフランジ部３３Ａにベローズ５０の下端が気密に溶接され、ベローズ５０の上端はベローズホルダ４３の下端に気密に溶接されている。 In the reference example shown in FIG. 7, the lower portion 32 of the vortex detector 30 is formed with an outer diameter larger than that of the intermediate portion 33, and the boundary portion between the lower portion 32 and the intermediate portion 33 is larger than the outer diameter of the lower portion 32. A flange portion 33A that is slightly larger and slightly smaller than the outer diameter of the through hole 25 of the measurement tube 11 is formed, and the lower end of the bellows 50 is hermetically welded to the flange portion 33A. The upper end of the bellows 50 is the lower end of the bellows holder 43 Is airtightly welded.

ちなみに、図７中に示すように、取付部材１９の上梁２０に固定される渦検出体３０の上端部（延出端）３１は、中間部３３よりも大きく、かつ、ベローズホルダ４３の貫通孔４５よりも小さい外径で形成されていて、渦検出体３０の中間部３３を上端部（延出端）３１側から、ベローズホルダ４３の貫通孔４５に、フランジ４４よりも下側の部分側から挿入した状態で、ベローズ５０の上下端を、ベローズホルダ４３の下端や渦検出体３０のフランジ部３３Ａに溶接した後、ベローズ５０が十分に伸長可能な程度に収縮した状態で、上端部（延出端）３１が取付部材１９の上梁２０に固定される。   Incidentally, as shown in FIG. 7, the upper end portion (extending end) 31 of the vortex detector 30 fixed to the upper beam 20 of the mounting member 19 is larger than the intermediate portion 33 and penetrates the bellows holder 43. The intermediate portion 33 of the vortex detector 30 is formed from the upper end portion (extending end) 31 side to the through hole 45 of the bellows holder 43, and is a portion below the flange 44. After the upper and lower ends of the bellows 50 are welded to the lower end of the bellows holder 43 and the flange portion 33A of the vortex detector 30 while being inserted from the side, the upper end portion The (extending end) 31 is fixed to the upper beam 20 of the attachment member 19.

そして、先の実施形態による渦流量計では、図４に示すように取付基部ブロック１７を用いて測定管１１に固定装着していた取付部材１９を、この実施形態による渦流量計では、取付部１１Ａを用いて測定管１１に固定装着している。   In the vortex flowmeter according to the previous embodiment, as shown in FIG. 4, the attachment member 19 fixedly attached to the measuring tube 11 using the attachment base block 17 is replaced with the attachment portion in the vortex flowmeter according to this embodiment. 11A is fixedly attached to the measuring tube 11.

この発明による渦流量計は、上述したように、渦発生体１５の下流側に渦検出体３０が配置されている形式のものに限られることはなく、図８に示されているように、測定管１１の管流路１２内に配置される渦発生体６０が中空体として構成され、渦発生体６０の中空部６１内に渦検出体３０の下部３２が配置され、図９に示されているように、渦発生体６０に開口形成された圧力導入口６２より中空部６１内の渦検出体３０に圧力が及ぶよう構成された形式の渦流量計にも同様に適用することができる。   As described above, the vortex flowmeter according to the present invention is not limited to the type in which the vortex detector 30 is arranged on the downstream side of the vortex generator 15, and as shown in FIG. The vortex generator 60 disposed in the tube flow path 12 of the measurement tube 11 is configured as a hollow body, and the lower portion 32 of the vortex detector 30 is disposed in the hollow portion 61 of the vortex generator 60, as shown in FIG. As described above, the present invention can be similarly applied to a vortex flowmeter of a type configured such that pressure is applied to the vortex detector 30 in the hollow portion 61 from the pressure inlet 62 formed in the vortex generator 60. .

なお、図８、図９において、図１〜図６に対応する部分は、図１〜図６に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。   8 and 9, portions corresponding to those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 6, and description thereof is omitted.

つぎに、図１０は、図１〜図６に示されている実施形態と同等のものに、電気箱７０を取り付けられた渦流量計を示している。電気箱７０は、ねじ７１によって取付部材１９の上梁２０上に取り付けられた取付具７２に装着された下ケース７３と、下ケース７３上に嵌め込み装着された上ケース７４とにより構成され、内側に密閉室７５を画定している。   Next, FIG. 10 shows a vortex flowmeter in which an electric box 70 is attached to the same one as the embodiment shown in FIGS. The electrical box 70 includes a lower case 73 attached to a fixture 72 attached on the upper beam 20 of the attachment member 19 by screws 71, and an upper case 74 fitted and attached on the lower case 73, and the inner side. A sealed chamber 75 is defined in the interior.

密閉室７５には、ねじ７６によって下ケース７３に固定された支柱７７があり、支柱７７に計器用の回路基板７８が取り付けられている。図１１に示されているように、中央電極用リード線４０、電極リード線４１、４２は、各々、計器内の内部配線として配線され、中央電極用リード線４０は回路基板７８のアース端子８１（図１２参照）に、電極リード線４１、４２は各々回路基板７８の信号入力端子８２、８３（図１２参照）に導通接続されている。   The sealed chamber 75 has a column 77 fixed to the lower case 73 with a screw 76, and a circuit board 78 for an instrument is attached to the column 77. As shown in FIG. 11, the central electrode lead wire 40 and the electrode lead wires 41 and 42 are respectively wired as internal wiring in the instrument, and the central electrode lead wire 40 is connected to the ground terminal 81 of the circuit board 78. (See FIG. 12), the electrode lead wires 41 and 42 are electrically connected to signal input terminals 82 and 83 (see FIG. 12) of the circuit board 78, respectively.

つぎに、この発明による渦流量計の電気回路を、図１２に示されている電気回路図を参照して説明する。   Next, the electric circuit of the vortex flowmeter according to the present invention will be described with reference to the electric circuit diagram shown in FIG.

回路基板７８は、回路アースＧであるアース端子８１と、二つの信号入力端子８２、８３と、一つの信号出力端子８４を有している。アース端子８１には回路アース引出線をなす中央電極用リード線４０が、信号入力端子８２、８３には信号引出線をなす電極リード線４１、４２が各々導通接続されている。   The circuit board 78 has a ground terminal 81 that is a circuit ground G, two signal input terminals 82 and 83, and one signal output terminal 84. The ground terminal 81 is electrically connected to the center electrode lead wire 40 forming a circuit ground lead, and the signal input terminals 82 and 83 are electrically connected to electrode lead wires 41 and 42 forming a signal lead wire.

回路基板７８には、ＯＰアンプＯＰ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１によるチャージアンプ回路８５と、ＯＰアンプＯＰ２、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２によるもう一つのチャージアンプ回路８６と、ＯＰアンプＯＰ３、抵抗Ｒ３、Ｒ４による差動アンプ回路８７が構成されている。   The circuit board 78 includes a charge amplifier circuit 85 including an OP amplifier OP1, a capacitor C1, and a resistor R1, another charge amplifier circuit 86 including an OP amplifier OP2, a capacitor C2, and a resistor R2, and an OP amplifier OP3 and resistors R3 and R4. A differential amplifier circuit 87 is configured.

チャージアンプ回路８５のＯＰアンプＯＰ１とチャージアンプ回路８６のＯＰアンプＯＰ２の各々の非反転端子は、ともにアース端子８１に接続されている。ＯＰアンプＯＰ１の反転端子は信号入力端子８２に接続され、ＯＰアンプＯＰ２の反転端子はもう一つの信号入力端子８３に接続されている。   The non-inverting terminals of the OP amplifier OP 1 of the charge amplifier circuit 85 and the OP amplifier OP 2 of the charge amplifier circuit 86 are both connected to the ground terminal 81. The inverting terminal of the OP amplifier OP 1 is connected to the signal input terminal 82, and the inverting terminal of the OP amplifier OP 2 is connected to another signal input terminal 83.

ＯＰアンプＯＰ１の出力端子は抵抗Ｒ５を介して差動アンプ回路８７のＯＰアンプＯＰ３の反転端子に接続され、ＯＰアンプＯＰ２の出力端子は抵抗Ｒ６を介して差動アンプ回路８７のＯＰアンプＯＰ３の非反転端子に接続され、差動アンプ回路８７は、チャージアンプ回路８５と８６の出力の差分を取る。ＯＰアンプＯＰ３の出力端子は信号出力端子８４に接続されている。   The output terminal of the OP amplifier OP1 is connected to the inverting terminal of the OP amplifier OP3 of the differential amplifier circuit 87 via the resistor R5, and the output terminal of the OP amplifier OP2 is connected to the OP amplifier OP3 of the differential amplifier circuit 87 via the resistor R6. The differential amplifier circuit 87 connected to the non-inverting terminal takes a difference between the outputs of the charge amplifier circuits 85 and 86. The output terminal of the OP amplifier OP3 is connected to the signal output terminal 84.

上述の回路構成により、カルマン渦周波数に同期した信号は、チャージアンプ回路８５、８６の出力を通して差動アンプ回路８７に入力される。そして、中央電極が回路アースＧに接続されており、商用電源からのコモンモードノイズの結合浮遊容量をほぼゼロとしたことから、チャージアンプ回路８５、８６に入力されるカルマン渦に同期した信号は、商用電源からのコモンモードノイズの影響を受けることがない。   With the circuit configuration described above, a signal synchronized with the Karman vortex frequency is input to the differential amplifier circuit 87 through the outputs of the charge amplifier circuits 85 and 86. Since the central electrode is connected to the circuit ground G and the coupled stray capacitance of the common mode noise from the commercial power supply is set to almost zero, the signal synchronized with the Karman vortex input to the charge amplifier circuits 85 and 86 is Not affected by common mode noise from commercial power supply.

この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す正面図である。It is a front view which shows one Embodiment of the vortex flowmeter by this invention. この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one embodiment of the vortex flowmeter by this invention. この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す右側面図である。It is a right view which shows one Embodiment of the vortex flowmeter by this invention. この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows one Embodiment of the vortex flowmeter by this invention. 図１の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。It is sectional drawing along line VV of FIG. 一つの実施形態による渦流量計の圧電素子貼付部分の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the piezoelectric element pasting part of the vortex flowmeter by one embodiment. この発明による渦流量計の参考例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the reference example of the vortex flowmeter by this invention. この発明による渦流量計の他の実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows other embodiment of the vortex flowmeter by this invention. 図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。It is sectional drawing along line IX-IX of FIG. この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す全体正断面図である。1 is an overall front sectional view showing an embodiment of a vortex flowmeter according to the present invention. この発明による渦流量計の一つの実施形態を示す全体側断面図である。1 is an overall side sectional view showing one embodiment of a vortex flowmeter according to the present invention. この発明による渦流量計の電気回路の一つの実施形態を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows one Embodiment of the electric circuit of the vortex flowmeter by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 測定管
１２ 管流路
１５ 渦発生体
１９ 取付部材
２６ Ｏリング
３０ 渦検出体
３５、３６ 圧電素子
３８、３９ 電極板
５０ ベローズ
６０ 渦発生体
７８ 回路基板
８１ アース端子
８２、８３ 信号入力端子
８４ 信号出力端子
８５、８６ チャージアンプ回路
８７ 差動アンプ回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Measuring tube 12 Pipe flow path 15 Vortex generator 19 Mounting member 26 O-ring 30 Vortex detector 35, 36 Piezoelectric element 38, 39 Electrode plate 50 Bellows 60 Vortex generator 78 Circuit board 81 Ground terminal 82, 83 Signal input terminal 84 Signal output terminal 85, 86 Charge amplifier circuit 87 Differential amplifier circuit

Claims (6)

測定管内を流れる流体の流量を計測する渦流量計において、
前記測定管内に設けられた渦発生体と、前記渦発生体により発生する渦の交番力を検出する渦検出体とを有し、
前記渦検出体は、導電材料により棒状に構成され、前記測定管の一方の壁部を非拘束状態で気密に径方向に貫通し、前記測定管内に位置する部分と、前記測定管外に位置する部分とを有し、前記測定管外において片持ち支持され、
前記渦検出体のうち、前記測定管外に位置する部分には２つの圧電素子が相対向して各々導電性接着剤によって外部露呈状態で貼り付けられており、
前記２つの圧電素子の各々の外側表面には電極が設けられ、前記渦検出体が前記２つの圧電素子の中央電極を兼ねており、
前記渦検出体の前記測定管の貫通孔を貫通する部分の外径が該貫通孔の内径より小さくなっており、
前記渦検出体と前記測定管との間に、ゴム状弾性体製のＯリングが設けられ、当該Ｏリングによって、前記渦検出体が前記測定管に対して非拘束状態で、前記測定管内の気密を保持する
ことを特徴とする渦流量計。 In vortex flowmeters that measure the flow rate of fluid flowing in a measurement tube,
A vortex generator provided in the measurement tube, and a vortex detector for detecting an alternating force of a vortex generated by the vortex generator,
The vortex detector is configured in a rod shape with a conductive material, and penetrates one wall portion of the measurement tube in an airtight and airtight state in an unconstrained state, and is positioned outside the measurement tube. And cantilevered outside the measuring tube,
Of the vortex detector, two piezoelectric elements are attached to the portion located outside the measurement tube so as to oppose each other and are each exposed in an externally exposed state by a conductive adhesive,
An electrode is provided on the outer surface of each of the two piezoelectric elements, and the vortex detector serves also as a central electrode of the two piezoelectric elements,
The outer diameter of the portion that penetrates the through hole of the measurement tube of the vortex detector is smaller than the inner diameter of the through hole ,
A rubber-like elastic O-ring is provided between the vortex detector and the measurement tube, and the O-ring allows the vortex detector to be in an unconstrained state with respect to the measurement tube. A vortex flowmeter characterized by maintaining hermeticity . 前記渦検出体は前記２つの圧電素子を貼り付けられる部分を板状に形成され、この板状部分の両面に前記２つの圧電素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１記載の渦流量計。   2. The vortex detector is formed in a plate-like portion to which the two piezoelectric elements are attached, and the two piezoelectric elements are attached to both surfaces of the plate-like portion. Vortex flow meter. 前記渦検出体は前記測定管外において径方向外方に延在し、その延出端を前記測定管に固定の櫓状の取付部材に固定装着され、前記取付部材に対する前記渦検出体の略中央部に前記２つの圧電素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の渦流量計。 The vortex detector extends radially outwardly outside the measurement tube, and an extension end of the vortex detector is fixedly attached to a hook-like attachment member fixed to the measurement tube. The vortex flowmeter according to claim 1 or 2 , wherein the two piezoelectric elements are attached to a central portion. 前記圧電素子としてニオブ酸リチウム単結晶を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の渦流量計。 Vortex flowmeter according to any one of claims 1-3, characterized by using a lithium niobate single crystal as the piezoelectric element. 前記中央電極が回路アースに接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の渦流量計。 Vortex flowmeter according to any one of claims 1-4, wherein the central electrode is characterized in that it is connected to circuit ground. ２つのチャージアンプ回路と、その２つのチャージアンプ回路の差分を取る差分回路とを有し、前記２つの圧電素子の各々の電極が各々前記２つのチャージアンプ回路の反転端子に個別に接続され、前記２つのチャージアンプ回路の非反転端子が回路アースに接続されていることを特徴とする請求項５記載の渦流量計。 Two charge amplifier circuits and a differential circuit for taking a difference between the two charge amplifier circuits, and each electrode of the two piezoelectric elements is individually connected to an inverting terminal of each of the two charge amplifier circuits, 6. The vortex flowmeter according to claim 5, wherein the non-inverting terminals of the two charge amplifier circuits are connected to circuit ground.
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