JPH05264303A

JPH05264303A - 渦流量計

Info

Publication number: JPH05264303A
Application number: JP4064090A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Miyamoto; 慶一宮本
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は外部振動の影響を受けず且つ非接触
で流量計測できる渦流量計を提供することを目的とす
る。【構成】渦流量計１は管路内に渦発生体４を有し、渦
発生体４の下流側に発生するカルマン渦を検出する。カ
ルマン渦は流量に比例した周期で発生し、渦発生体４に
対し横方向の応力を付与する。渦発生体４に作用する力
は水晶振動子６，７の周波数変化の周期により検出さ
れ、流量値に換算される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は渦流量計に係り、特に流
体と非接触で正確な流量計測が行なえるよう構成した渦
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に渦流量計は配管流路内に渦発生体
を設け、この渦発生体の下流側に交番的に発生するカル
マン渦による圧力変化を、渦発生体の両側面より差圧導
入孔を介して流量検出部に導いて配管流路内の流量を計
測している。また、カルマン渦の発生に伴う差圧により
流量計測信号を出力する流量検出部を配管外周に直接固
定する構成とされていた。

【０００３】このように配管に取付けられて使用される
静電容量式の渦流量計では、流量検出部が、渦発生体の
両側面の差圧により変位する一対の金属ダイヤフラム
と、この金属ダイヤフラムに対向する固定電極とよりな
る一対のセンサ部とを有している。また、金属ダイヤフ
ラムと固定電極とを設けた一対のダイヤフラム室間は、
連通路を介して連通されると共に渦発生に伴う差圧を差
動的に検出し、また配管内の流体の圧力に耐えるために
封入液を封入する構成とされていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、配管に
は配管流路内の流体の移送に伴う振動が生じており、配
管に直接固定された流量検出部にも配管からの振動が伝
達されてしまい、流量検出部は配管からの振動を受けな
がら流量計測を行っていた。

【０００５】ところが、配管を伝わる振動として、配管
長手方向の振動は起りにくく、発生しても比較的小さく
て済むが、配管長手方向と直交する水平方向及び垂直方
向の振動成分は比較的大である。このため、従来の渦流
量計では、一対のセンサ部が配管長手方向と直交する水
平方向に設けてあるので、配管に水平方向の振動が生じ
ると、一対のセンサ部のダイヤフラム室及び連通路に充
填された封入液が水平方向に揺動する。したがって、従
来の渦流量計では配管の水平方向の振動が生じることに
より連通路の封入液が一対のセンサ部間において加速度
を受け、一対のセンサ部間の連通路の水平部分の封入液
の慣性により金属ダイヤフラムが変位してしまい、この
ような配管振動による金属ダイヤフラムの変位が静電容
量の変化として検知され、信号が出力されてしまうとい
った課題があった。

【０００６】また、金属ダイヤフラムの変位が小さい微
少流量を計測するとき、カルマン渦による差圧で金属ダ
イヤフラムが変位したのか、配管振動により金属ダイヤ
フラムが変位したものなのか判別できない。

【０００７】したがって、低流量の測定時には配管振動
に伴う金属ダイヤフラムの変位による静電容量の変化を
検出しない程度に電気回路の増幅感度を低下させる必要
がある。このため、従来の渦流量計ではカルマン渦の発
生に伴う金属ダイヤフラムの変位が小さい微少流量を計
測できず、流量計測範囲が狭くなるといった課題があっ
た。

【０００８】又、上記構成では渦発生体の内部に流路内
の流体を導き、カルマン渦発生に伴う圧力変化をセンサ
部に導入するため、常に渦発生体の圧力導入孔内に流体
が充填されたままとなり、且つセンサ部の金属ダイヤフ
ラムに接液しており、圧力導入孔の流体が汚れやすいと
いった課題もある。そこで、本発明は上記課題を解決し
た渦流量計を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、流路内に設け
られた渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を検出す
る渦流量計において、前記渦発生体内に水晶振動子を設
け、前記水晶振動子の周波数の変化よりカルマン渦の周
波数を検出する検出回路を備えてなることを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】カルマン渦の発生により渦発生体に応力が作用
すると、渦発生体内に設けられた水晶振動子の周波数が
変化するので、水晶振動子の周波数の変化の周期がカル
マン渦発生の周期と一致することになり、流量を非接触
で検出できるとともに配管振動の影響を受けずに流量計
測しうる。

【００１１】

【実施例】図１乃至図３に本発明になる渦流量計の第１
実施例を示す。

【００１２】各図中、渦流量計１は内部に管路２を有す
る流量計本体３内に渦発生体４を垂直方向に起立させて
なる。渦発生体４は図２に示すように横断面形状が台形
状に形成されており、その幅広の前面４ａに流体が衝突
するように設けられている。尚、渦発生体４の上、下端
部４ｂ，４ｃは流量計本体３の管路２に貫通する取付孔
２ａ，２ｂに挿通され、溶接により固着されている。管
路２内を流れる流体は渦発生体４の前面４ａに衝突する
と渦発生体４の側面４又は側面４ｅに沿って下流側へ流
れる。そのとき、流体中にはカルマン渦５が渦発生体４
の左、右側面４ｄ，４ｅの下流側に交互に発生する。

【００１３】このカルマン渦５は管路２内を流れる流量
に比例して周期で発生するため、渦流量計１ではカルマ
ン渦５の周期又は周波数を検出することにより流量が計
測される。

【００１４】６，７は第１，第２の水晶振動子で、カル
マン渦検出用センサとして機能する。

【００１５】水晶振動子６，７は薄板状に切り取られた
水晶よりなり、交流電圧を加えた状態で外部から力を加
えるとひずみの大きさに応じて共振周波数が変化する特
性を有する。水晶振動子６，７は水晶の切り方によって
特性が変わるが、本実施例では力が加えられると周波数
が変化しやすい形状となるように切り取られていること
が望ましい。しかし、水晶振動子６，７は一般に外力が
加えられると周波数変化する性質を持っているので、水
晶の切り方を制限せずに使用しても良い。しかも、水晶
振動体６，７は弾性特性が優れており、クリープがなく
安定した共振周波数と高いメカニカルＱ（Ｑｕａｌｉｔ
ｙｆａｃｔｅｒ：振動系の鋭さを表す量）とを有す
る。

【００１６】又、一対の水晶振動子６，７は後述するよ
うにカルマン渦５の発生に伴って渦発生体４に作用する
横方向の応力を検出しやすくするため、渦発生体４の軸
方向（上下方向）に延在し、且つ流体の流れと直交する
横方向つまり左右対称となる渦発生体４の左、右側面４
ｄ，４ｅ近傍に位置するように保持されている。そし
て、水晶振動子６，７は渦発生体４の長手方向で最も大
きく撓む中間位置に設けられている。

【００１７】渦発生体４は上記一対の水晶振動子６，７
を収納するため、上端部４ｂより軸方向に穿設されたセ
ンサ取付孔８，９と、下端部４ｃより軸方向に穿設され
一方のセンサ取付孔８の底部に連通する一対のリード線
挿通孔１０ａ，１０ｂと、他方のセンサ取付孔９の底部
に連通する一対のリード線挿通孔１１ａ，１１ｂとを有
する。又、センサ取付孔８，９の底部中央には水晶振動
子６，７の下端が嵌合する位置決め用の凹部８ａ，９ａ
が設けられている。

【００１８】１３，１４は水晶振動子６，７を保持する
保持部材で、センサ取付孔８，９にガタツキなく嵌合さ
れて水晶振動子６，７の上部を保持する。尚、保持部材
１３，１４の下端には水晶振動子６，７の上端が嵌合す
る位置決め用の凹部１３ａ，１４ａが設けられている。
従って、板状の水晶振動子６，７は上記凹部８ａ，９ａ
及び１３ａ，１４ａに嵌合することにより垂直状態に保
持される。

【００１９】渦発生体４の上端部４ｂの上方には蓋１５
が流量計本体３の上部取付部３ａに取付ボルト１６の締
め付けにより固定され、蓋１５の中央部に設けられたネ
ジ孔１５ａ，１５ｂには一対の押圧ボルト１７が螺入し
ている。従って、押圧ボルト１７を回わすことにより、
押圧ボルト１７は保持部材１３，１４を下方に押圧す
る。その際、水晶振動子６，７が所定の周波数ｆ_a，ｆ
_bで振動し、且つ周波数ｆ_a，ｆ_bの差Δｆ＝ｆ_a−ｆ
_bが一定の値となるように押圧ボルト１７の締付力を加
減する。

【００２０】よって、水晶振動子６，７は押圧ボルト１
７の押圧により渦発生体４内にガタツキなく保持され
る。又、押圧ボルト１７の頭部と蓋１５との間には、コ
イルバネ１８が圧縮された状態で介在しており、押圧ボ
ルト１７を上方に押圧してネジの遊びによるガタを無く
している。

【００２１】水晶振動子６，７の夫々の両面に設けられ
た電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂに接続されたリード線１
９ａ〜１９ｄは夫々渦発生体４の挿通孔１０ａ，１０
ｂ，１１ａ，１１ｂに挿通されて外部へ引き出されてい
る。

【００２２】図３に示す如く、流量検出回路２０は第
１，第２の発振回路２１，２２と、差周波検出回路２３
と、周波数検出回路２４とよりなる。一方の水晶振動子
６のリード線１９ａ，１９ｂは第１の発振回路２１の端
子２１ａ，２１ｂに接続され、他方の水晶振動子７のリ
ード線１９ｃ，１９ｄは第２発振回路２２の端子２２
ａ，２２ｂに接続されている。差周波数検出回路２３で
は一対の水晶振動子６，７から出力された周波数ｆ_aと
ｆ_bとの差を求め、周波数検出回路２４ではｆ_a−ｆ_b
＝Δｆ’の変動周波数、即ちカルマン渦の周波数ｆ_Vを
流量演算回路２７へ出力する。

【００２３】流量計測時、流体が流れると、渦発生体４
の下流側に流量に比例した周期でカルマン渦５が交番的
に発生する。

【００２４】カルマン渦５の発生により渦発生体４には
渦の力Ｐ₁，Ｐ₂が交互に作用する。この渦の力Ｐ₁，
Ｐ₂は流れ方向と直交する横方向（Ｘ方向）に作用する
ため、水晶振動子６，７が設けられた渦発生体４の中間
位置が最も大きく撓むことになる。

【００２５】従って、図４中力Ｐ₁が作用すると渦発生
体４の左側面４ｄ側には圧縮応力Ｆ _cが作用し、反対側
の右側面４ｅ側には引張応力Ｆ_Tが作用する。よって、
渦発生体４の内部に左右対称に配された第１の水晶振動
子６には上記圧縮応力Ｆ_cが加えられ、第２の水晶振動
子７には引張応力Ｆ_Tが加えられる。

【００２６】次にカルマン渦５の発生により力Ｐ₂が渦
発生体４に作用すると、上記とは逆に渦発生体４の左側
面４ｄ側に引張応力Ｆ_Tが作用し、右側面４ｅ側に圧縮
応力Ｆ_cが作用する。即ち、第１の水晶振動子６側に引
張応力Ｆ_Tが加えられるので水晶振動子６に対する押圧
力が低下するとともに第２の水晶振動子７側に圧縮応力
Ｆ_cが加えられるので水晶振動子７に対する押圧力が増
加することになる。

【００２７】従って、カルマン渦５が渦発生体４の左，
右下流側に交番的に発生するため、一対の水晶振動子
６，７には１８０度の位相差で押圧力に圧縮応力Ｆ_cと
引張応力Ｆ_Tの交番的押圧変化が交互に生ずるので振動
周波数もそれに伴って変化する。

【００２８】よって、図３に示す発振回路２１，２２は
水晶振動子６，７で各々構成されているので、水晶振動
子６，７は周波数ｆ_a，ｆ_bで発振する。又、圧縮応力
Ｆ_Cと引張応力Ｆ_Tが等しいときは図５（ａ）に示すよ
うに周波数ｆ_a，ｆ_bは一定周波数となる。

【００２９】そして、カルマン渦５の発生により水晶振
動子６，７に圧縮応力Ｆ_c、引張応力Ｆ_Tが交互に加え
られると、水晶振動子６，７から出力された周波数が図
５（ｂ）に示すように変動する。

【００３０】即ち、圧縮応力Ｆ_cにより第１の水晶振動
子６の周波数ｆ_aはｆ_a＝ｆ_a−Δｆとなり、引張応力
Ｆ_Tにより第２の水晶振動子７の周波数ｆ_bはｆ_b＝ｆ
_b＋Δｆとなる。従って、カルマン渦５の発生により水
晶振動子６，７の周波数が変動する。

【００３１】差周波数検出回路２３では一対の水晶振動
子６，７の周波数の差ｆ_a−ｆ_bを算出しており、最大
２倍（２Δｆ）の周波数変動が算出される。

【００３２】差周波数検出回路２３より出力された周波
数変動の周波数Δｆ’＝ｆ_a−ｆ_bの変動周期がカルマ
ン渦５の周期Ｔに等しいので、周波数検出回路２４では
図５（Ｃ）に示す如く周波数変動に基づくカルマン渦周
波数ｆ_Vを算出する。

【００３３】流量演算回路２７では信号ｆ_Vに基づいて
流量を算出する。つまり、カルマン渦発生系のストロー
ハル数をＳとし、平均流速をＶ、管路２の断面積をＡ、
渦発生体４の前面４ａの幅をｄ、カルマン渦周波数をｆ
_Vとすると、流量Ｑは次式で求まる。

【００３４】ｆ_V＝Ｓ×Ｖ／ｄ …（１）Ｑ＝ＶＡ …（２）であるから、Ｑ＝（ｄＡ／Ｓ）×ｆ_V …（３）このように、本実施例では水晶振動子６，７の周波数変
動によりカルマン渦周波数を検出できるので、従来金属
ダイヤフラムを使用した静電容量式のセンサのように配
管振動の影響を受けることなく、流量計測できるので配
管振動が生じやすい場所でも正確な流量計測が可能とな
る。

【００３５】しかも、水晶振動子６，７は高い周波数で
安定した出力が得られるので、微少流量域での流量計測
も正確に行なえるため、計測範囲をより広範囲に設定す
ることが可能となる。さらに、水晶振動子６，７は渦発
生体４の内部に収納されて接液しないため、流体を汚染
せずに済み、クリーンな流量計測が可能となる。

【００３６】尚、上記実施例では、水晶振動子６，７の
取付位置を渦発生体４の管路中央にしたが、管路中央か
ら外れた位置でも良いのは勿論である。

【００３７】又、上記渦発生体４を管路２に対し片側固
定つまり片持梁構造にして、固定端近傍に水晶振動子
６，７を取付ける構成としても良い。

【００３８】又、上記実施例では一対の水晶振動子６，
７が渦発生体４内に設けられたが、どちらか一方のみが
設けられた構成としても良いのは勿論である。この場合
にも、水晶振動子の周波数変化（いわゆるＦＭ成分）を
公知の方法で検出して流量を計測できる。

【００３９】図６及び図７に本発明の第２実施例を示
す。両図中、管路２の全表面及び渦発生体４の全表面に
は四ふっ化エチレン樹脂による被膜２５，２６がコーテ
ィングされている。従って、流体は被膜２５，２６に接
しながら流れる。

【００４０】この被膜２５，２６の材質は流体中に金属
イオンが流出しない特性を有するため、例えば流体が半
導体洗浄用の超純水のように不純物の混入を嫌う流体を
計測するのに適している。

【００４１】又、本発明の第３実施例として、図１及び
図２に示す流量計本体３及び渦発生体４全体をポリエー
テルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）により一体成形する構
成とする。このポリエーテルエーテルケトンは耐熱性だ
けでなく耐薬品性、耐衝撃性に優れた合成樹脂であるの
で、上記第２実施例と同様流体を汚染することがなく超
純水の流量を計測するのに適している。

【００４２】又、このように合成樹脂により渦発生体４
を形成することにより、カルマン渦発生による渦発生体
４の撓みが顕著となり、水晶振動子６，７による流量計
測がより一層高感度に行なえる。

【００４３】

【発明の効果】上述の如く、本発明になる渦流量計は、
カルマン渦の発生により渦発生体に応力が作用すると、
渦発生体内に設けられた水晶振動子の周波数が変化する
ため、水晶振動子の周波数変動の周期又は周波数を検出
することにより、流量を計測することができ、しかも配
管振動の影響を受けずに流量計測することができるので
計測場所が制限されることもなく、微少流量域でも正確
な流量計測が可能となるので計測範囲を広範囲に設定す
ることができる。又、流体に非接触で流量計測できるの
で、流量計測により流体が汚染されることを防止でき、
クリーンな流量計測が可能となる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる渦流量計の第１実施例の縦断面図
である。

【図２】図１中Ａ−Ａ線に沿う横断面図である。

【図３】流量検出回路のブロック図である。

【図４】カルマン渦発生に伴う力の作用を説明するため
の縦断面図である。

【図５】流量計測時の波形処理を示す波形図である。

【図６】本発明の第２実施例の縦断面図である。

【図７】本発明の第２実施例の横断面図である。

【符号の説明】

１渦流量計２管路３流量計本体４渦発生体５カルマン渦６，７水晶振動子８，９センサ取付孔１３，１４保持部材１５蓋１７押圧ボルト２０流量検出回路２１，２２発振回路２３差周波数検出回路２４周波数検出回路２７流量演算回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路内に設けられた渦発生体の下流側に
発生するカルマン渦を検出する渦流量計において、前記渦発生体内に水晶振動子を設け、前記水晶振動子の周波数の変化よりカルマン渦の周波数
を検出する検出回路を備えてなることを特徴とする渦流
量計。