CN103674136A

CN103674136A - 热式流量计

Info

Publication number: CN103674136A
Application number: CN201310413856.7A
Authority: CN
Inventors: 高桥祐二; 金光楠; 段玉晗
Original assignee: TOKYO KEISO (BEIJING) TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT Co Ltd; Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: TOKYO KEISO (BEIJING) TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT Co Ltd; Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: JP2014059191A; JP5336640B1; CN103674136B

Abstract

本发明提供一种热式流量计，即使在无法充分确保直管长度且管路内的流场不稳定的设置位置，其也能够得到测定误差很小的流量值。在热式流量计中，一个发热感温部M0位于传感器组件的内周面的中心部。又，在传感器组件的管路13的中心部与管路13的壁面之间以等角度θ的方式设置5个第一元件的发热感温部M51～55。通过将设置于管路的中心部的发热感温部M0的测定值的负值误差与设置于距离管路13的中心部0.7R处的圆上位置的多个发热感温部M51～55的测定值的总和的正值误差相互抵消，从而能够得到误差很小的测定值。

Description

热式流量计

技术领域

本发明涉及一种将多个流速检测元件设置于流管路内的热式流量计。

背景技术

专利文献1中记载了一种热式流量计，如图25所示，其设有在流路管1内设置4个流速传感器2的圆筒状的传感器组件3，根据流过该传感器组件3的流体测定被带走的热量，从而测定流量。通过如此使用多个流速传感器2，能够算出流速的平均值，求出正确的流量。

专利文献2中记载了一种热式流量计，如图26所示，其在流路管1内的中央部设置一个流速传感器2，在流量演算部中，将由该流速传感器2得到的流路中央部的流速演算成流量。

专利文献3中记载了一种热式流量计，其在流路管1内的圆形截面上设置4个流速传感器2。通过设置多个流速传感器2，将各流速传感器2的输出相互比较，从而能够容易地锁定特性恶化的流速传感器2。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-5426号公报

专利文献2：日本特开平9-68448号公报

专利文献3：日本特开2007-192775号公报

发明内容

发明要解决的课题

为了能够稳定地测定流速，则需要流体的速度分布处于稳定的状态。为此，有必要至少在热式流量计的设置位置的上游具有充分的直管长度。但是，有可能根据设置环境，将热式流量计设于无法充分确保直管长度的位置。

在如此环境下，从管路内的中心轴来看，流体的速度分布并不对称，形成不均匀的流场，因此即使设置了专利文献1～3中记载的热式流量计，也会因流场混乱而导致测定出的流量值产生较大的误差，从而产生无法得到真实值的问题。

本发明的目的在于提供一种热式流量计，其解决上述课题，在流体管路中的特定位置上设置多个流速检测元件，并基于它们的输出而求出流量。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明涉及一种热式流量计，其在管路内具有多个流速检测元件，其特征在于，在上述管路的截面上，将一个流速检测元件设于上述管路的中心部，将其他多个流速检测元件以等角度的方式设于上述中心部与上述管路的管壁之间，并求出根据这些流速检测元件而得到的测定值的平均值，作为测定值。

发明的效果

通过使用本发明的热式流量计，即使在无法充分确保直管长度且管路内的流场不稳定的设置位置，也能够得到测定误差很小的流量值。

附图说明

图1为本实施例的热式流量计的结构图；

图2为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部的设置图；

图3为流路管内的流体的速度分布的说明图；

图4为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置3个发热感温部的设置图；

图5为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置4个发热感温部的设置图；

图6为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置6个发热感温部的设置图；

图7为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置3个发热感温部，显示流量为10%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图8为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置4个发热感温部，显示流量为10%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图9为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，显示流量为10%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图10为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置6个发热感温部，显示流量为10%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图11为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置3个发热感温部，显示流量为50%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图12为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置4个发热感温部，显示流量为50%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图13为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，显示流量为50%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图14为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置6个发热感温部，显示流量为50%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图15为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置3个发热感温部，显示流量为100%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图16为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置4个发热感温部，显示流量为100%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图17为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，显示流量为100%时的直管长度、以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图18为在中心部设置一个发热感温部、在0.7R处的圆上位置设置6个发热感温部，显示流量为100%时的直管长度以及测定值与流速值之间的误差的曲线图；

图19为将发热感温部M0、Mn的误差的平均值在流量10%的状态下归纳的曲线图；

图20为将发热感温部M0、Mn的误差的平均值在流量50%的状态下归纳的曲线图；

图21为将发热感温部M0、Mn的误差的平均值在流量100%的状态下归纳的曲线图；

图22为在中心部设置一个发热感温部、在0.3R、0.5R、0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，在流量10%的状态下归纳的曲线图；

图23为在中心部设置一个发热感温部、在0.3R、0.5R、0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，在流量50%的状态下归纳的曲线图；

图24为在中心部设置一个发热感温部、在0.3R、0.5R、0.7R处的圆上位置设置5个发热感温部，在流量100%的状态下归纳的曲线图；

图25为现有例的流路管内设置4个流速传感器的结构图；

图26为现有例的流路管中心设置一个流速传感器的结构图。

具体实施方式

基于图1～图24中图示的实施例对本发明进行详细的说明。

例如，图1为沿实施例的气体流量测定用热式流量计的流体流动方向的截面图。流体沿从右向左的箭头方向流动，在流路管11的中途插入圆筒状的传感器组件12，并且传感器12的管路13的内径与流路管11的内径相同。

传感器组件12具有多组流速检测元件，该流速检测元件由第一元件与第二元件这样一对元件组成，其中，上述第一元件在前端具有发热感温部M，该发热感温部M对气体的流动的上游侧进行加热，并检测温度；上述第二元件在前端具有感温部m，位于下游检测温度。第一元件的发热感温部M、第二元件的感温部m以向管路13的中心部突出的方式插入。第一、第二元件的插入位置为与如图1所示相同的深度，虽然在上游侧设置第一元件，但也可以在上游侧设置第二元件，在下游侧设置第一元件。在该场合下，为了不受到上游侧元件对流动产生的影响，也可以对插入位置设置高度差。

各个流速检测元件为了能够通过加热保持一定的温度差——该温度差由上游侧以及下游侧设置的一对的感温部m、发热感温部M测出——则将必要的电流流向发热感温部M，并基于该电流量测定流体的流速值。作为该测定值的流速值可乘以管路13的截面积，从而求出流量。

图2为相对于流体流动方向的垂直方向，也就是说由管路13的截面方向的发热感温部M组成的第一元件的设置图，一个发热感温部M0位于传感器组件12的内周面的中心部。又，管路13的中心部与管路13的壁面之间以等角度θ的方式设置5个第一元件的发热感温部M51～55。本实施例中，能够将由这样的多个流量检测元件得出的测定值组合，从而求出精度高的流量值。

图3为流路管11内的流体的速度分布的说明图。线a显示雷诺兹数约为3000的乱流的速度分布，每单位时间的流量很大，也就是说，其为流路管11的流速快的时候的速度分布。

线b为显示雷诺数约为2000的层流的速度分布，每单位时间的流量很小，也就是说，其为流路管11的流速慢的时候的速度分布。在层流时，流路管11的中心轴的流速最快，离流路管11的壁面越近，流速越慢。随着每单位时间的流路管11内流动的流速变快，由线b的层流的速度分布变化为线a的乱流的速度分布。

流路管11内的流体并不是一律以相同的流量流动的，测定的是随时间变化的流量。并且，相对于每单位时间的流量的变化，最不受到影响的位置为线a与线b的交点P。

可知如线a那样的平均乱流的速度分布与如线b那样的平均层流的速度分布的交点P为距离流路管11的中心部大约是半径R的0.7倍的位置。如果在该0.7R处的圆上位置设置发热感温部M51～M55，并由它们的平均值测定出流速的话，就算流路管11内从层流的流场变化为乱流的流场、从乱流的流场变化为层流的流场，也能够算出变化影响小的测定值。

线c为在无法充分确保直管长度的位置所推定的层流的速度分布，其为偏流。管路在弯曲后的直管长度短的位置容易发生偏流。根据如线b那样的层流的中心对称的速度分布受到弯曲的方向等的影响，推定其变为如线c那样的从中心多少有非中心对称的速度分布的偏流。由于该偏流而导致层流的速度分布的顶点发生偏移，中心部的发热感温部M0的测定值产生负值误差。

流路管11内的流体的速度分布为层流时，顶点发生偏移的场合，例如通常仅在中心部设置传感器的热式流量计的测定值与实际流速值的误差将变大。与此相对，流路管11内的流体的速度分布为乱流时，就算速度分布的中心发生移动而变为不对称的分布，因为速度分布的变化比层流的变化小，所以流速测定中的误差也很小。

因此，为了即使在流路管11内的速度分布为线c那样的偏流、层流或乱流的任何流场中也能得到误差小的测定值，在本实施例中将发热感温部M0设置于管路13的中心部。为了补偿由于该发热感温部M0而产生的负值误差，在其周围距离中心部0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置多个发热感温部Mn。

为了能够实证该效果，通过使用采用了基于超级计算机的RNGk-ε方程式的层流、乱流的物理模型的CFD模拟器进行了模拟。

即，通过在距离中心部0.7R处的圆上位置以等角度的方式在管路13内设置3～6个发热感温部Mn，在中心部设置一个发热感温部M0，从而算出针对各自得到的直管长度的模拟测定值与假定的流速值的误差。

图4为在中心部设置一个发热感温部M0以及在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置3个发热感温部M31～M33的设置图；图5为在中心部设置一个发热感温部M0以及在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置4个发热感温部M41～M44的设置图；图6为在中心部设置一个发热感温部M0以及在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置6个发热感温部M61～M66的设置图。另外，图2为在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置5个发热感温部M51～M55的设置图。

图7～图10为在中心部设置一个发热感温部M0以及距离中心部0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置3～6个发热感温部Mn的场合，显示针对直管长度的模拟测定值与假定的流速值之间的误差的比率的曲线图，并且显示各个流量相对于每单位时间的最大流量为10%时的模拟结果。各曲线图中记载了显示设置发热感温部M0、Mn的模拟测定值的误差、以及它们的误差的平均值的曲线。

同样的，图11～图14分别为距离中心部0.7R处的圆上位置的3个～6个的发热感温部Mn的设置，显示流量相对于每单位时间的最大流量为50%时的模拟结果的曲线图。

图15～图18为距离中心部0.7R处的圆上位置的3个～6个的发热感温部Mn的设置，显示流量相对于每单位时间的最大流量为100%时的模拟结果的曲线图。

图19～图21为仅抽出发热感温部M0、Mn的误差的平均值，在流量相对于每单位时间的最大流量为10%、50%、100%状态下归纳的曲线图。

这些曲线图中，如果直管长度为40D(D为管路13的直径)以上的话，则均不会产生误差，在本实施例中，适用于针对直管长度为40D以下的场合的误差处理。

由图7～图21的曲线图可知，虽然在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置多个发热感温部Mn的模拟结果的误差由于其设置位置而在各个模拟结果的模拟测定值中产生了正值、负值误差，但其总值均与相对于每单位时间的最大流量的比率没有任何关系，为正值。

由此，通过将设置于管路13的中心部的发热感温部M0的模拟测定值的负值误差与管路13的距离中心部0.7R处的圆上位置设置多个发热感温部Mn的模拟测定值的总和的正值误差相互抵消，从而能够得到误差很小的测定值。

特别是，由图19～图21的曲线图可知，图2中所示的在0.7R处的圆上位置以等角度的方式设置5个发热感温部M51～M55的误差最小。

为了验证模拟结果，做成图2所示设置的热式流量计，一边使直管长度变化为5、10、15，一边在以相对于每单位时间的最大流量为10%、50%、100%的实际流量进行流动的状态下测定流量，验证实验结果与上述的模拟结果基本一致。

又，在流场变化影响最小的交点P处，由于能预想到流场会根据偏流、层流或乱流的状况而变化，所以在图2所示的发热感温部M0、Mn的设置图中，除0.7R以外，也在0.5R、0.3R的位置进行了同样的模拟。图22～图24为以在0.3R、0.5R、0.7R位置设置的方式，在各个流量相对于每单位时间的最大流量为10%、50%、100%状态下归纳的曲线图。

由图22～图24的曲线可知，即使管路13内的速度分布如线c那样变化，作为线a、线b的交点P的0.7R位置也是最能提高可靠性的位置。

如此，设置中心部的感温部m和在其周围的多个发热感温部M，求出它们的测定值的平均值，特别是通过按照图2所示的方式设置发热感温部M0、Mn，就算是在无法充分确保直管长度、管路内的流场不稳定的设置位置，也能够得到测定误差很小的流速值以及流量值。

另外，即使是图4～图6的发热感温部M0、Mn的设置结构，通过发热感温部M0或发热感温部Mn的测定值乘以系数并进行计算，也能够与图2的发热感温部M0、Mn的设置结构同样地减小误差。该系数能够通过以已知的实际流量流动、并进行矫正的过程决定。

更进一步，图4～图6的发热感温部M0、Mn的设置结构中，即使将距离中心部0.7R调整为最合适的半径长度，也能够减小误差。

符号说明

11 流路管

12 传感器组件

13 管路

Claims

1.一种热式流量计，其在管路内具有多个流速检测元件，其特征在于，在上述管路的截面上，将一个流速检测元件设于上述管路的中心部，将其他多个流速检测元件以等角度的方式设于上述中心部与上述管路的管壁之间，并求出根据这些流速检测元件而得到的测定值的平均值，作为测定值。

2.根据权利要求1所述的热式流量计，其特征在于，上述等角度设置的流速检测元件设置于距离上述管路的中心部约为管路半径0.7倍处的圆上位置。

3.根据权利要求1或2所述的热式流量计，其特征在于，上述等角度设置的流速检测元件的数量为5。

4.根据权利要求1或2所述的热式流量计，其特征在于，上述中心部的流速检测元件或上述多个等角度设置的流速检测元件的测定值乘以系数。

5.根据权利要求4所述的热式流量计，其特征在于，上述系数通过以已知的实际流量流动并进行矫正的过程决定。