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カルマン渦流量計 - 横河電機株式会社
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発明の名称 カルマン渦流量計
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−82987(P2001−82987A)
公開日 平成13年3月30日(2001.3.30)
出願番号 特願平11−262416
出願日 平成11年9月16日(1999.9.16)
代理人
発明者 和久井 秀一 / 松永 義則 / 吉野 昭男
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】測定流体が流れる測定管路に挿入された柱状の渦発生体を有しこの渦発生体により発生する渦周波数を検出して流量を測定するカルマン渦流量計において、前記渦発生体あるいはこの渦発生体の下流に設けられた受力体に発生する交番の応力に基づき渦周波数を検出する応力検出ユニットと、前記測定管路に設けられた超音波送受信器により前記渦発生体に基づき発生した渦周波数を検出する超音波検出ユニットと、この超音波検出ユニットの検出信号と前記応力検出ユニットの検出信号とを所定の検出条件により切り替えて採用する切り替えユニットとを具備した事を特徴とするカルマン渦流量計。
【請求項2】前記応力検出ユニットの検出素子として、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。
【請求項3】前記超音波検出ユニットの素子として、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。
【請求項4】前記圧電素子として、ニオブ酸リチウムが使用されたことを特徴とする請求項2又は請求項3記載のカルマン渦流量計。
【請求項5】前記切り替えユニットとして、前記測定流体が気泡流の場合に前記超音波検出ユニットの検出信号から前記応力検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計。
【請求項6】前記切り替えユニットとして、振動ノイズの影響が大きい場合に前記応力検出ユニットの検出信号から前記超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計。
【請求項7】前記切り替えユニットとして、測定流体の流速が所定流速以下の場合に前記応力検出ユニットの検出信号から前記超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計。
【請求項8】前記測定管路、前記渦発生体、前記受力体として、ステンレス材が使用されたことを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れかに記載のカルマン渦流量計。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来、且つ、利点を共有出来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4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に引さ出されている。
【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、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5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6から図9を用いて説明する。
【0010】測定流体FLo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。この振動により禍発生体12には、図6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6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6から図9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、■流体の流れと同じ方向の抗力方向、■流体の流れとは直角方向の揚力方向、■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7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8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】Q1=S1+N1−Q2=−S2−N2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9(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5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】Q1−Q2(N1/N2)=S1−S2(N1/N2
となり管路ノイズは除去される。
【0020】図10は、従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図で、例えば、特開平7−071987号(特願平6−004240号)に示されている。図11は、図10の側面図である。
【0021】図において、測定管路10内には、測定流体FLoが流れる。渦発生体12は、測定管路10に挿入取付けられている。超音波の送信器31と受信器32とは、測定管路10の外周部分に、測定管路10を挟んで、互いに対向して設けられている。
【0022】以上の構成において、測定管路10に測定流体FLoが流されると、渦発生体12によりカルマン渦が発生し、このカルマン渦により、送信器31より発せられた超音波Sは測定流体FLo中のカルマン渦により変調されて、受信器32により受信される。
【0023】
【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4従来例においては、測定流体FLo中に気泡が混在する気泡流の場合においても、気泡の影響を受け難いと言う利点が有る。しかし、振動ノイズの影響を受け易い。また、測定可能最低流速も大きい、即ち、低流速の測定には不向きと言う欠点がある。
【0024】一方、超音波検出方式の図10従来例においては、振動ノイズの影響を受け難い。また、測定可能最低流速も小さいと言う利点が有る。しかし、気泡の影響を受け易い。
【0025】本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来、且つ、利点を共有出来るカルマン渦流量計を提供することにある。
【0026】
【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、測定流体が流れる測定管路に挿入された柱状の渦発生体を有しこの渦発生体により発生する渦周波数を検出して流量を測定するカルマン渦流量計において、前記渦発生体あるいはこの渦発生体の下流に設けられた受力体に発生する交番の応力に基づき渦周波数を検出する応力検出ユニットと、前記測定管路に設けられた超音波送受信器により前記渦発生体に基づき発生した渦周波数を検出する超音波検出ユニットと、この超音波検出ユニットの検出信号と前記応力検出ユニットの検出信号とを所定の検出条件により切り替えて採用する切り替えユニットとを具備した事を特徴とする。
【0027】この結果、(1)応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来るカルマン渦流量計が得られる。
(2)応力検出方式と超音波検出方式の双方の利点を共有出来るカルマン渦流量計が得られる。
【0028】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、前記応力検出ユニットの検出素子として、圧電素子が使用されたことを特徴とする。
【0029】この結果、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。
【0030】本発明の請求項3においては、請求項1記載のカルマン渦流量計において、前記超音波検出ユニットの素子として、圧電素子が使用されたことを特徴とする。
【0031】この結果、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。
【0032】本発明の請求項4においては、請求項1又は請求項3記載のカルマン渦流量計において、前記圧電素子として、ニオブ酸リチウムが使用されたことを特徴とする。
【0033】この結果、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。
【0034】本発明の請求項5においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計において、前記切り替えユニットとして、前記測定流体が気泡流の場合に前記超音波検出ユニットの検出信号から前記応力検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする。
【0035】この結果、超音波検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0036】本発明の請求項6においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計において、前記切り替えユニットとして、振動ノイズの影響が大きい場合に前記応力検出ユニットの検出信号から前記超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする。
【0037】この結果、応力検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0038】本発明の請求項7においては、請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計において、前記切り替えユニットとして、測定流体の流速が所定流速以下の場合に前記応力検出ユニットの検出信号から前記超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされたことを特徴とする。
【0039】この結果、応力検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0040】本発明の請求項8においては、請求項1乃至請求項7の何れかに記載のカルマン渦流量計において、前記測定管路、前記渦発生体、前記受力体として、ステンレス材が使用されたことを特徴とする。
【0041】この結果、ステンレス材は、耐食性があるので、耐食性の良好なカルマン渦流量計が得られる。
【0042】
【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、図2は図1のC断面図、図3は図1の要部構成説明図である。
【0043】図1において、応力検出ユニット41は、渦発生体12に発生する交番の応力に基づき渦周波数を検出する。
【0044】この場合は、応力検出ユニット41としては、フランジ部14に設けられた凹部15に配置された、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、押圧棒22、リード線23,24、端子A,Bを有する。
【0045】また、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。
【0046】超音波検出ユニット42は、この場合は、図2に示す如く、測定管路10に設けられた超音波送受信器31,32により、渦発生体12に基づき発生した渦周波数を検出する。この場合は、超音波検出ユニット41の超音波送受信器31,32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。
【0047】切り替えユニット43は、図3に示す如く、この超音波検出ユニット42の検出信号と応力検出ユニット41の検出信号とを、所定の検出条件により切り替えて採用する。
【0048】この場合は、測定流体FLoが気泡流の場合には、切り替えユニット43は、超音波検出ユニット42の検出信号から応力検出ユニット41の検出信号に切り替えて採用するようにされている。
【0049】また、振動ノイズの影響が大きい場合には、切り替えユニット43は、応力検出ユニット41の検出信号から、超音波検出ユニット42の検出信号に切り替えて採用するようにされている。
【0050】また、測定流体FLoの流速が所定流速以下の場合には、切り替えユニット43は、応力検出ユニット41の検出信号から超音波検出ユニット42の検出信号に切り替えて採用するようにされている。
【0051】また、この場合は、測定管路10、渦発生体12として、ステンレス材が使用されている。
【0052】この結果、(1)応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来るカルマン渦流量計が得られる。
(2)応力検出方式と超音波検出方式の双方の利点を共有出来るカルマン渦流量計が得られる。
【0053】(3)応力検出ユニット41の検出素子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。
【0054】(4)超音波検出ユニット42の素子31,32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。
【0055】(5)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。
【0056】(6)測定流体FLoが気泡流の場合に、超音波検出ユニット42の検出信号から、応力検出ユニット41の検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニット43を具備した。
【0057】この結果、超音波検出ユニット42による測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0058】(7)振動ノイズの影響が大きい場合に、応力検出ユニット41の検出信号から、超音波検出ユニット42の検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニット43を具備した。
【0059】この結果、応力検出ユニット41による測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0060】(8)測定流体FLoの流速が所定流速以下の場合に、応力検出ユニット41の検出信号から、超音波検出ユニット42の検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニット43を具備した。
【0061】この結果、応力検出ユニット41による測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0062】(8)測定管路10、渦発生体12、受力体として、ステンレス材が使用されれば、ステンレス材は、耐食性があるので、耐食性の良好なカルマン渦流量計が得られる。
【0063】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。
【0064】
【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。測定流体が流れる測定管路に挿入された柱状の渦発生体を有しこの渦発生体により発生する渦周波数を検出して流量を測定するカルマン渦流量計において、前記渦発生体あるいはこの渦発生体の下流に設けられた受力体に発生する交番の応力に基づき渦周波数を検出する応力検出ユニットと、測定管路に設けられた超音波送受信器により前記渦発生体に基づき発生した渦周波数を検出する超音波検出ユニットと、この超音波検出ユニットの検出信号と前記応力検出ユニットの検出信号とを所定の検出条件により切り替えて採用する切り替えユニットとを具備した事を特徴とするカルマン渦流量計を構成した。
【0065】この結果、(1)応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来るカルマン渦流量計が得られる。
(2)応力検出方式と超音波検出方式の双方の利点を共有出来るカルマン渦流量計が得られる。
【0066】本発明の請求項2によれば、次のような効果がある。応力検出ユニットの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。
【0067】本発明の請求項3によれば、次のような効果がある。超音波検出ユニットの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。
【0068】本発明の請求項4によれば、次のような効果がある。圧電素子としてニオブ酸リチウムが使用されたことを特徴とする請求項2又は請求項3記載のカルマン渦流量計を構成した。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。
【0069】本発明の請求項5によれば、次のような効果がある。測定流体が気泡流の場合に、超音波検出ユニットの検出信号から、応力検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニットを具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計を構成した。
【0070】この結果、超音波検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0071】本発明の請求項6によれば、次のような効果がある。振動ノイズの影響が大きい場合に、応力検出ユニットの検出信号から、超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニットを具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計を構成した。
【0072】この結果、応力検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0073】本発明の請求項7によれば、次のような効果がある。測定流体の流速が所定流速以下の場合に、応力検出ユニットの検出信号から、超音波検出ユニットの検出信号に切り替えて採用するようにされた切り替えユニットを具備したことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のカルマン渦流量計を構成した。
【0074】この結果、応力検出ユニットによる測定の欠点を回避することが出来、測定精度が向上されたカルマン渦流量計が得られる。
【0075】本発明の請求項8によれば、次のような効果がある。測定管路、渦発生体、受力体として、ステンレス材が使用されたことを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れかに記載のカルマン渦流量計を構成した。
【0076】この結果、ステンレス材は、耐食性があるので、耐食性の良好なカルマン渦流量計が得られる。
【0077】従って、本発明によれば、応力検出方式と超音波検出方式の双方の欠点を相互に補完出来、且つ、利点を共有出来るカルマン渦流量計を実現することが出来る。




 

 


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