JP4089895B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

本発明は、渦発生体により発生したカルマン渦による交番的な圧力変化を機械的変位として検出する圧電素子を有する渦流量計に関する。

渦流量計は、周知のように、流管内に配設された渦発生体から単位時間当りに発生するカルマン渦の数が、所定レイノルズ数範囲で流速に比例することを利用した推測形の流量計である。このように、渦流量計は、渦発生体から発生するカルマン渦を検出するための渦検出センサを有している。渦検出センサには、渦発生体内に一体に組み込まれる一体形と、渦発生体とは異なる位置に配設された別体形とあるが、一体形の渦検出センサはコンパクトな渦流量計とすることができる点で有利である。

従来の別体形の渦検出センサを有する別体形の渦流量計を、図５及び図６を参照して説明する。図５は、別体形の渦流量計構成を例示する図であり、また、図６は、このような渦流量計における渦発生状況を説明する図である。図６に示すように、流体の流れに直角におかれた渦発生体（菱形柱）の下流には、流速に比例したカルマン渦が発生する。このカルマン渦を、渦発生体とは異なる位置に配設された圧電素子センサにより検出することにより、流量を計測することができる。

図７及び図８を参照して、一体形の渦流量計を説明する（特許文献１、２参照）。図７は、渦流量計センサの振動管を示す断面図である。渦流量計本体の流路に設けられた渦発生体には、渦流量計本体に一端を開口した計測室が軸方向に貫通している。計測室には、渦発生体を流れと直角方向に貫通しカルマン渦による変動圧を導入する導入孔が連通している。振動管は、計測室に僅かな隙間を有して渦流量計本体に、振動管取付フランジにより液密に片持支持される有底の空胴部を有する管状体により構成される。管状体の底部先端側には、流れ方向の面を持つ受圧板が導入孔を略閉止する位置に僅かの隙間を有して設けられている。管状体内部の空胴部の底部には、渦検出部の先端を係止する小径の係止穴が設けられている。

図８は、図７に示した振動管内に、渦検出センサ部を挿入して振動伝達可能に一体に固着したものである。振動管と渦検出センサ部との固着部分は、係止穴（図７）と、スリット板の外周のばね力による接触部分、および、振動管の頭部の上面と素子カバーフランジとのボルト締め（図示せず）による部分の２箇所である。

渦検出センサ部は、振動管の空胴部内に着脱自在に挿入され、振動管が受けるカルマン渦による圧力変動を忠実に受けて電気信号に変換して出力する部分であり、応力・歪を検出する検出素子（圧電素子）を貼着した弾性母材を有している。

素子カバーは、検出素子部を密封する円筒体で外周には素子カバーフランジが設けられており、弾性母材を振動管に取り付ける機能を有している。また、素子カバーの上端部は、リード線を気密に挿通するシースパイプの外周と接続され、下端部は、図示Ｑ部分で弾性母材に溶着される。

スリット板は、放射状のスリットを有する円板状のばね部で外径が係止穴の内径よりも僅かに大きく、弾性母材のスリット板取り付け部の先端に中心部で溶接等により固着される。

流路に紙面と直角方向に流体が流れ、紙面と平行な方向にカルマン渦が左右交互に発生すると、変動圧力が生じ受圧板を左右に振動させる。従って、振動管の可動管部は振動管取り付けフランジを支点とし振動し、この振動は、スリット板を介して弾性母材に伝えられる。弾性母材は、上端部で素子カバーに圧入され固着されているので、上端部を支点として片持状に左右振動し圧電素子板に交番応力を発生させ、渦に対応した電気信号を出力する。この場合、素子カバーの素子カバーフランジと弾性母材との溶着部分Ｑとの区間は弾性変形して弾性母材の振動を可能とする。

しかしながら、上述した圧電素子式渦流量計は、図５に示すような別体形であっても、或いは図７に示すような一体形であっても、カルマン渦を圧電素子センサを使用して検出しているため、配管振動等のノイズがセンサ各部品の固有振動と同じ場合に影響を受けることがある。

従来、配管振動等のノイズとセンサの固有振動数が同じ場合に、ノイズ影響を抑える対策として、配管工事などで振動を小さくするしかなかったが、製品出荷後に個別に調整することを要し、また、コストもかかる。
特許第３１５３７４８号公報 特開平７−２９４２９８号公報

本発明は、係る問題点を解決して、センサの固有振動数を変化させることにより、配管工事で特別の調整を必要とすることなく、ノイズ影響を抑え、かつ、コストダウンを図ることを目的としている。

本発明の渦流量計は、測定管と渦発生体を有する本体と、渦発生体により発生したカルマン渦による交番的な圧力変化を機械的変位として検出する圧電素子を有する渦検出センサ部と、該渦検出センサ部から発生する電荷変化を流量出力信号に変換する変換器を本体に機械的に結合する取付筒とを備えている。この取付筒の内部に渦検出センサ部と前記変換器を電気的に接続する配線のために、渦検出センサ部の部品として機械的に一体に結合されるシースパイプを備え、このシースパイプを取付筒に対して、該シースパイプの長さ方向の所定位置において前記取付筒の両側から固定する手段を備えたことを特徴としている。

また、シースパイプを固定する手段は、少なくとも流量方向とは直角の両側からシースパイプを固定するねじ穴を取付筒に加工し、シースパイプを止めねじにより固定する。

本発明によれば、センサシースパイプを固定することにより、固有振動数を変更させて、ノイズ影響を軽減させることが可能となる。また、配管工事で特別の調整を必要とすることなく、コストダウンを図ることができる。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する渦流量計を例示する図である。図示の渦流量計は、シースパイプを取付筒に対して固定する手段としてのねじを除いて、通常のものである。この渦流量計は、前記特許文献１に示されるように、センサのみを取り替え可能に構成したタイプのものであるが、本発明は、センサのみを取り外すことのできない固定タイプのものにも適用できる。また、本発明は、図示したようにセンサを渦発生体の内部に組み込んだ一体形だけでなく、渦発生体とセンサを異なる位置に配置した別体形のいずれにも適用可能である。

本体は、測定管と渦発生体（三角柱）によって通常に構成されている。計測流体が流れ、三角柱によりカルマン渦を発生させる。渦検出部は、カルマン渦による交番的な圧力変化を上部の圧電素子に機械的変位として伝達する振動管と、圧電素子が内蔵された渦検出センサ部により構成されている。渦検出センサ部は接液しないので、流れを止めること無く、取り外すことが可能となっている。

取付筒は、本体と変換器を機械的に接続するもので、センサの保護、放熱などの機能も兼ねている。これによって、高温の流体の熱から変換器を保護することが可能となる。この取付筒の内部では、渦検出センサと変換器を電気的に接続する配線のためのシースパイプが備えられている。配線を覆うシースパイプは、渦検出センサを構成する一部品として金属製パイプ（チューブ）により構成されて、渦検出センサ部品として機械的に一体に結合されている。即ち、シースパイプの一端側が素子カバーを介して振動管に機械的に固定されている。また、その他端側は、変換器に機械的に結合されて、これによって、配線を介して外部から伝達する振動を抑えている。

変換器は、センサから発生する電荷変化を流量出力信号に変換する。変換器内部に、入力ボード、アンプボード、アイソレーションボード、ＣＰＵボード、表示などが通常に備えられている。

以上の渦流量計の構成及び機能は通常のものであるが、これに加えて、図示の渦流量計は、金属製のシースパイプが取付筒に対して、ねじ等を用いて固定される。固定方向は、少なくとも、流量方向とは直角の両側からシースパイプを固定する。シースパイプの長さ方向の固定位置は、振動を抑えるための適宜の１カ所又は複数箇所において固定することができる。１カ所で固定する場合は、例えば、長さ方向の中央位置とすることができる。

渦検出センサ部は、複数の固有振動値を持っている。よって、圧電素子センサを使用して、渦の圧力変動に応動する渦信号を検出する場合には、固有振動の影響を受ける可能性がある。図示の渦流量計は、取付筒にねじ穴を加工し、センサのシースパイプを止めねじにより固定し、固有振動数を変化させている。

図２は、図１とは異なる方向で切断した渦流量計の別の例を示す断面図である。センサ固定用ねじを除いて、渦流量計自体は通常のものであるので、詳細な説明は省略する。図示したように、被測定流体の流れに対して少なくとも横方向両側から、センサ固定用ねじを用いて、センサ部品であるシースパイプは取付筒に対して固定される。

図３は、本発明の圧電素子式渦流量計の耐振性向上を示す試験結果を表す図である。図４は、比較のために示す従来構成の試験結果を表す図である。いずれも、流量停止時の配管振動及びセンサ出力を測定した。従来構成では、図４に示すように、電気的フィルタでも除去しきれないような大きな配管振動があった。このため、流量停止時にも関わらず出力が生じている。これに対して、本発明のように、ノイズ影響を受けている部品であるセンサシースパイプを固定することにより、図３に示すように、固有振動数を変更させ、ノイズの影響を軽減することができた。流量は停止しているので、出力は生じていない。

本発明を具体化する渦流量計を例示する図である。 図１とは異なる方向で切断した渦流量計の別の例を示す断面図である。 本発明の圧電素子式渦流量計の耐振性向上を示す試験結果を表す図である。 比較のために示す従来構成の試験結果を表す図である。 従来の別体形の渦流量計構成を例示する図である。 図５に示した渦流量計における渦発生状況を説明する図である。 従来の一体形の渦流量計を例示する図である。 図７に示した振動管内に、渦検出センサ部を挿入して振動伝達可能に一体に固着した渦流量計を示す図である。

Claims (2)

1. 測定管と渦発生体を有する本体と、渦発生体により発生したカルマン渦による交番的な圧力変化を機械的変位として検出する圧電素子を有する渦検出センサ部と、該渦検出センサ部から発生する電荷変化を流量出力信号に変換する変換器を前記本体に機械的に結合する取付筒とを備える渦流量計において、
   前記取付筒の内部に金属製シースパイプを備え、該金属製シースパイプは、一端側で前記渦検出センサ部の部品として機械的に一体に結合されると共に、他端側で前記変換器に機械的に結合されて、内部に前記変換器への電気的配線を導入し、
   該シースパイプを前記取付筒に対して、該シースパイプの長さ方向で、固有振動数を変化させるための適宜の１箇所又は複数箇所において前記取付筒の両側から固定する手段を備えたことから成る渦流量計。
2. 前記固定する手段は、流量方向とは直角の両側から前記シースパイプを固定するねじ穴を取付筒に加工し、前記シースパイプを止めねじにより固定することから成る請求項１に記載の渦流量計。

Images