JP2004205519A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、流量センサのより経済的な製造、より単純な組立て及び広範囲の用途を可能にする改良された流量センサを提供することである。
【解決手段】本発明は、流れの中に突出する障害物８と、障害物８によって生成された渦を測定する少なくとも一つの測定プローブ１０とを有する流量センサであって、測定プローブ１０は、少なくとも一つの膜１２と、膜１２上に直接設けられた該膜の撓みを検知するための測定素子とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量センサに関する。

暖房システム等におけるパイプ導管内の通過流を判断するために様々なタイプの流量センサが知られている。例えば、特許文献１は渦流(vortex flow)測定装置として知られている。このセンサは、いずれの場合も、互いに対向する側面上に膜(membrane)を備えて流れの中に突出し、かつ流れと平行に伸びている障害物(obstruction)を備える。上記膜の間の上記障害物の内側には、差圧を検知するために、両膜の間の圧力差により撓む圧力測定体として圧電ロッドが配置されている。上記障害物の形状が分かっている場合、この差圧によって流速を決定することができる。

この公知の装置は、内方に存在する圧力測定体を有する上記障害物の構造が非常に高価であるという欠点を有する。すなわち、個々の膜を一つずつ挿入する必要があり、かつその後、上気圧電ロッドを上記膜の間に配置する必要がある。さらに、上記センサはあらゆる箇所に適用できない程に比較的大きな構造空間を要する。
米国特許第４４７５４０９号明細書 欧州特許出願公開第９７１０５３９６号明細書 独国特許出願公開第１９６１４４５８号明細書 欧州特許出願公開第０５３７７１０号明細書 独国特許出願公開第４２１６１５０号明細書 独国特許出願公開第３８１４４４４号明細書 欧州特許第０２００８３８６号明細書

本発明の目的は、上記センサのより経済的な製造、より単純な組立て及び広範囲の用途を可能にする改良された流量センサを提供することである。

請求項１に特定された特徴を有する流量センサは、この目的を実現する。

本発明に係る上記流量センサは、流れの中に突出している障害物(obstruction)と、該障害物によって生成された渦を測定する測定プローブとを備える。該生成された渦の特性から、該障害物の既知のサイズによって流れの流速を計算することができる。これにより圧差(pressure difference)および／または上記渦の周波数を検知することができる。測定プローブは、少なくとも一つの膜と、該膜の撓み(deflection)を検知するために該膜上に直接設けられた測定素子とを備える。この装置は、多数の個々の構成要素を組立てる必要がないので、上記流量センサの非常に簡単な構造を可能にする。上記膜の撓みを検知する測定素子は、該測定素子を有する上記膜が一つの構成要素として上記流量センサに組込むことができるように確実に該膜上に直接配置されている。また、このような構造によって、かなり小型化されたデザインの流量センサを形成することができ、これにより広範囲の用途に適用が可能となる。このような流量センサは、高感度を有し、そのためより正確な測定を可能にする。特許文献２または特許文献３に圧力または差圧センサとして記載されているように、例えば膜を、該膜上に直接配置された測定素子を有する膜として用いることができる。これらの特許出願、およびこれらの特許出願の特に図１において、および添付の説明は、該膜の厳密な構造に関して言及している。上記膜は、好ましくは、流向(flow direction)と平行に伸びているとよい。

上記障害物及び測定プローブは、好ましくは、パイプ導管部内に配置されているとよい。該パイプ導管部は、暖房装置のパイプ導管の一部であってもよく、あるいは、適当な位置において流速を検知するために、例えば、暖房装置に組み込むことができる測定部（経路）として特別に設計されたパイプ導管であってもよい。

上記パイプ導管部は、好ましくは、１０ｍｍ以上の直径Ｄを有する。好適な実施形態においては、該パイプの直径は、例えば、１０ｍｍ、１２ｍｍまたは１６ｍｍである。

上記障害物は、好ましくは、上記パイプ導管部の１つの構成としてデザインされるとよい。すなわち、この障害物は、例えば、該パイプ導管部を通って上記直径の方向に伸びるウェブ(web)としてデザインしてもよい。このようなウェブは、上記パイプ導管部、あるいは、例えば、プラスチックの射出成型のパイプ導管の１つの構成として製造してもよい。鋳造部材として製造する場合、上記障害物は、例えば、溶融炉内で形成してもよい。

上記膜は、好ましくは、絶対圧力値を計算するために圧力により一方の側面上に衝突してもよい。基準圧力は、該膜に衝突して、計算すべき該圧力値が測定される膜の他方の側にまさる。該基準圧力は、例えば、周囲の圧力、あるいは、閉塞された（密閉された）基準容積内の圧力であってもよい。該装置は、測定技術に関して、上記障害物により生成された渦を評価するために、該障害物の領域において、上記絶対圧力値の評価を可能にする。検知された圧力、パイプ径及び上記障害物の寸法等の所定の既知の変数は、上記流速に比例し、従って、上記流速または上記パイプ導管部を通る通過流量の評価を可能にする特徴のある変数である。

上記膜は、代替的に、差圧を計算するために、圧力によって、いずれの場合にも両側に衝突してもよい。これにより、上記障害物によって生成された渦内の差圧の直接的な評価が可能になり、上記基準圧力のために、該障害物及び上記パイプ導管の既知の寸法を用いて、該渦で生じる圧力差から、同様に、上記流速または通過流量を計算することができる。本発明による上記流量センサは、流れの中に直接薄い膜を配置することを要するのみであるという利点を有する。該膜は、上記膜の撓みを判断する上記測定素子が、該膜上に直接設けられているので、圧力によって直接両側に衝突してもよい。また、該膜のデザインは、好ましくは、特許文献２に開示されている膜のデザインに一致する。この膜の場合、該膜の表面上の縁部領域に、圧電感知抵抗が設けられており、また変形時には、それらの電気的抵抗が変化し、そのため該膜の撓みの評価が可能になる。一つの膜のみの配置は、流速、特に低速の流速のより正確な検知を可能にし、より急速かつより高感度の流量センサを形成することを可能にする。さらに、該配置は、本発明による上記流量センサを、流速を判断しなければならない全ての設置箇所に実際に組み込むことができる一つの膜のみを有するより小さな測定プローブからなる構造、すなわち、非常に小さな流量センサからなる構造を可能にする。

上記膜は、好ましくは、圧密(pressure tight)な方法で実装され、電気的絶縁層は該膜及びこの上に設けられた上記測定素子上に直接被覆され、該絶縁層は少なくとも液密である非晶質金属層で覆われている。この構造は、特許文献２に開示されている構造と一致する。上記電気的絶縁層は、上記非晶質金属層が導体及び該膜上に設けられた電子素子を短絡させないことを保障するという役目を単に有するに過ぎないので、極端に薄くしてもよい。一方、上記被覆により、該膜は上記非晶質金属層によって保護される。上記膜の撓み、すなわち、測定精度は上記絶縁層及び非晶質金属層からなる薄い構造によって顕著に抑制されることはない。該非晶質金属層は、上記膜及び該膜上に設けられた測定素子、さらには、場合により該膜上に設けられる電子素子の有効な保護を保障する。上記金属層は、結晶構造として存在していないが、金属ガラスとして説明されている非晶質構造として存在しているので、一方で耐食性があってもよく、かつ他方では、最も薄い膜厚により液密または気密であってもよい。このような非晶質金属層は、例えば、特許文献４、特許文献５及び特許文献６により知られている。上述の特許文献２は、上記膜の残りの構造に関して言及している。

上記測定プローブは、好ましくは、上記パイプ部分の開口部に挿入されるハウジング内に配置されるとよい。該開口部は、上記測定プローブを有するハウジングが、単に、上記開口部に挿入されて、そこで非ポジティブフィットおよび／またはポジティブフィットによって固定されることを必要とするに過ぎないように、規格化された収容部としての上記パイプ導管の１つの構成としてデザインされてもよい。また、上記パイプ導管部分に対して上記ハウジングをシールするために適切なシーリング体が設けられている。このようなハウジングは、例えば、特許文献７により知られており、そこではハウジング２２として示されている。この特許文献７の図８及び添付の説明は、これに関して言及している。上記ハウジングと実相及び配置の完全な構造は、好ましくは、特許文献７と一致する。

また、上記測定プローブ部は上記障害物に組み込まれ(integrate)てもよい。このようにすれば、測定装置を流れの中で追加的に上記障害物に対して配置する必要がないので、非常に小さな流量センサを形成することができるからである。さらに、このようにすることで該障害物及び上記測定プローブを構造ユニットとして同時に組立て、かつ損傷時に、必要な場合に交換することが可能になる。

上記測定プローブは、代替的に、流向において、上記障害物の後方に配置してもよい。該障害物は、例えば、上記パイプ導管が有する１構成のウェブとしてデザインされてもよく、開口部は、該パイプ導管内に上記測定プローブを挿入するために、流向に対して該ウェブの後方に設けてもよい。そして、該測定プローブは、この開口部内に単に挿入してもよい。同時に、該測定プローブは、様々な位置に適用することができる規格化された部材であってもよい。該測定プローブの場合、それは、例えば、特許文献７に開示されているように、圧力センサの場合でもよい。従って、どんな場合でも存在する圧力センサを、パイプ導管部分内の通過流の測定の場合と同様に使用することが可能になる。同時に、それは、絶対圧力センサとしてデザインされた圧力センサの場合であるので、この圧力センサを介して流れの中における絶対圧力を測定することができる。公知の圧力センサの流量センサにおけるこの使用法は、規格部材に頼ることができ、かつ上記流量センサをデザインするために、適切な障害物を流れの断面または流路内に配置することを必要とするのみであるので、該流量センサの非常に経済的な構造が可能になる。この障害物及び上記パイプ導管の適切な収容部内に配置されている公知の圧力センサを除いて、本発明に係る上記流量センサのデザインには、さらに別の構成部材は必要ない。該障害物には、代替的に、一つの構成部材として上記パイプ導管に適用される流量センサが形成されるように、一部品または１構成としての上記測定プローブのハウジングが設けられていてもよい。

好ましくは、上記障害物の前縁部は、流向において、上記測定プローブの中間部から距離Ｘだけ離れており、該障害物が配置されている上記パイプ導管部分は、直径Ｄを有し、比率Ｘ／Ｄは１から２の間にあるとよい。比率Ｘ／Ｄは、好ましくは、１．２５から１．５の間にあり、特に好ましくは、１．３である。

また、流向において、上記障害物の前縁部は上記測定プローブの中間部に対して距離Ｘだけ離れており、かつ該障害物は、該流向を横切る幅ｄを有することが好ましく、比率Ｘ／ｄは、２．４から１０の間にある。比率Ｘ／ｄは、特に好ましくは、３．９６から４．５５の間にある。

上記流向における障害物は、好ましくは、長さＬを有し、かつ該流向を横切って幅ｄを有し、比率Ｌ／ｄは、１から２の間にある。この比率は、特に好ましくは、１．５７または１．６７の値を有する。

上記流向における障害物は、好ましくは、長さＬを有し、かつ該障害物が配置される上記パイプ導管断面は、直径Ｄを有し、比率Ｌ／Ｄは、０．４から１０の間にある。該比率の値は、特に好ましくは、２．５から１０の間にある。

上記流向を横切る障害物は、好ましくは、幅ｄを有し、該障害物が配置される上記パイプ導管断面は、直径Ｄを有し、比率ｄ／Ｄは、０．２から０．４の間にある。この比率の値は、特に好ましくは、０．２８または０．３３である。

最適な測定結果を得るために、上記流向における障害物は、好ましくは、該障害物が配置されている上記パイプ導管部分の湾曲を越えた距離Ｌ_１に位置しており、Ｌ_１＝４×Ｄであり、Ｄは該パイプ導管断面の直径であるとよい。このように該障害物の該パイプ導管の最後の湾曲を越えた距離Ｌ_１をとることで、該パイプ導管の湾曲によって生成された渦が、該障害物の後方の渦における測定結果に干渉しないことが保障される。

以下、本発明を、添付図面による実施例により説明する。

断面斜視図の図１は、本発明に係る流量センサの好適な実施形態を示している。図１に係る実施形態における流量センサは、パイプ湾曲部２に配置されている。パイプ湾曲部２は、その端部４、６に、例えば、暖房設備における別のパイプに接続するための接続体を備えるパイプ導管部分を形成する。パイプ湾曲部２は、例えば、プラスチックまたは金属でデザインしてもよい。パイプ湾曲部２は、パイプ湾曲部２の中間周縁部において、流路内に規定の抵抗体として規定の形状からなる障害物８が配置されてＵ字状形態の形状を有している。該障害物８はウェブとして径方向にパイプ湾曲部２の内側を通って伸張している。すなわち、該障害物８は上記パイプ導管内で垂直に伸びるロッドを形成する。

測定プローブ１０は流向において障害物８の後方に配置されている。測定プローブ１０は、障害物８によって流れの中で生成された渦を測定するために機能する。同時に、測定プローブ１０は、該生成された渦内の示度(reading)を検出する。障害物８は規定の形状を有するので、測定技術に関する適切な評価によって、測定した圧力および／または変化の周波数からパイプ湾曲部２内における流速または通過流量を導き出すことができる。この手法による流速の検知は、いわゆる渦通過流センサ(vortex throughflow sensor)として知られている。

本発明による測定プローブ１０は、少なくとも一つの膜と、該膜の撓みを検知するために該膜上に直接設けられた測定素子とを備えた場合の測定プローブである。このような膜は、すでに、特許文献２に係る圧力センサまたは差圧センサに使用されている。この特許文献２は、特に図１及び関連する説明において、該膜の厳密な構造に関して言及している。該膜上に直接設けられた上記測定素子を有し、かつ電気的絶縁被覆及び外部に対してそれを被覆する非晶質金属層を有するこの膜は、該センサの高感度測定及び急速反応を可能にするといった特に薄い膜厚という利点を有する。この膜の高速反応能力は、渦及び特に該渦中に生じる圧力変動の周波数を渦通過流センサで測定する場合に、特に有利である。この膜構造は、上記流量センサのよりコンパクトなデザイン、および特に上記流速、特に低流速のより正確な検知を可能にする。

図示の実施形態における上記膜を有する測定プローブ１０は構造ユニットとしてのハウジング内に設けられており、これは特許文献７の説明に関連する部材と共に図２、３、８に開示されている。この特許文献７の開示は、このハウジング及び該ハウジング内の膜の配置の厳密なデザインに関して言及している。ハウジングは前端部に、膜１２が中に配置されていテーパの付いた指状延長部１１を備える。好ましくは、圧力によって両側に衝突してもよい一つの膜１２のみが設けられており、このようにすることで障害物８の後方の渦において差圧を非常に単純に計算することができる。膜１２は、同時に、該膜の表面が流向と平行に広がるように流れの中に配置されている。

測定プローブ１０は、延長部１１が流向Ｓから見て障害物８の後方領域においてパイプ湾曲部２の内部空間内を伸びるようにしてパイプ湾曲部２内の開口部１４に挿入される。開口部１４は、パイプ湾曲部２における１つの構成として、測定プローブ１０のための収容部としてデザインされている。開口部１４において、測定プローブ１０は固定ボウ(securing bow)１６によって固定されている。シーリング１８は測定プローブ１０のハウジング上に設けられており、このリングは挿入された測定プローブ１０によって開口部１４をシールする。測定プローブ１０の端部は、必要な電気的接続部を備え、あるいは、電気的接続線に接続されている。

図２は、図１における断面の正面図を示す。障害物８は、流向Ｓから見て前部にあたる障害物８の端部が上記パイプの直前の湾曲から距離Ｌ_１だけ離れるようにパイプ湾曲部２内、あるいは、上記パイプ導管上に配置されている。図２から確認できるように、測定プローブ１０の延長部１１は、断面１１全体を横切って、開口１４とは反対側にあるパイプ湾曲部２の他方側の適当な凹部２２内へ伸びている。

図３は、図２の線III−IIIに沿った断面図を示す。本発明に係る装置の好適な寸法は図３によって説明されている。上記パイプ導管部分、すなわち、障害物８及び測定プローブ１０が配置されているパイプ湾曲部２の部分は直径Ｄを有する。流向Ｓにおいて、三角形の断面を有する障害物８は長さＬを有する。流向Ｓを横切る方向においては、該障害物８は、その基部が、すなわち、流向Ｓに対して前部にあたる前端部２４が幅ｄを有する。流向Ｓにおける障害物８は、その前端部から先細りまたは三角形状に伸びている。障害物８は、図３に示すように、パイプ湾曲部２のパイプ導管を通る径の方向におけるその延長部全体にわたって一定の断面を有する。障害物８は、同時に、パイプ湾曲部２のパイプの内部において中心に配置されている。

障害物８の流向Ｓにおける前端部または前端部２４は、膜１２が配置されている測定プローブ１０の中間部から距離Ｘだけ離れている。

距離Ｌ、距離Ｌ_１（図２参照）、直径Ｄ、距離Ｘ及び幅ｄ及びそれらの互いの関係の好適な寸法を、次の表１に記載する。この場合、個々の変形例に対する好適な最小値及び最大値を記載してある。列Ａ、Ｂ、Ｃには、別の３つの特定の実施形態が示されており、上記流量センサの好適な実施形態のための各寸法が記載されている。

上記表の最後の２つの行には、各変形例に対する最小値または最大値が記載されている。このデザインの場合、２，５００から５０，０００のレイノルズ数を達成できる。

本発明に係る流量センサを有するパイプ導管部分の断面斜視図。 パイプ導管の長手方向における、図１によるパイプ導管部分の断面図。 図２の線III−IIIに沿った図２によるパイプ導管部分の断面図。

符号の説明

２ パイプ湾曲部
４ 端部
６ 端部
８ 障害物
１０ 測定プローブ
１１ 延長部
１２ 膜
１４ 開口部
１６ 安全ボウ
１８ シーリングリング
２０ 端部
２２ 凹部
２４ 前端部
Ｓ 流向

Claims (16)

1. 流れの中に突出している障害物（８）を有し、かつ、障害物（８）によって生成された渦を測定する少なくとも一つの測定プローブ（１０）を有する流量センサであって、測定プローブ（１０）が、少なくとも一つの膜（１２）と、該膜の偏向を検知するために膜（１２）上に直接設けられた測定素子と、を備えることを特徴とする流量センサ。
2. 障害物（８）及び測定プローブ（１０）がパイプ導管部（２）内に配置されている請求項１記載の流量センサ。
3. パイプ導管部（２）が１０ｍｍ以上の直径Ｄを有する請求項２記載の流量センサ。
4. 障害物（８）がパイプ導管部（２）の１つの構成としてデザインされている請求項２又は請求項３記載の流量センサ。
5. 上記膜が絶対圧力値を計算するために圧力によって一方の側に衝突してもよい請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の流量センサ。
6. 膜（１２）が差圧を計算するために圧力によっていずれの場合にも両側に衝突してもよい請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の流量センサ。
7. 膜（１２）は圧密な方法で実装され、電気的絶縁層が膜（１２）及びこの上に設けられた前記測定素子上に直接被覆され、該絶縁層は少なくとも液密である非晶質金属層で覆われている請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の流量センサ。
8. 測定プローブ（１０）がパイプ導管部分（２）の開口部（１４）内に挿入されるハウジング内に配置されている請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の流量センサ。
9. 測定プローブ（１０）が障害物（８）と一体化している請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の流量センサ。
10. 測定プローブ（１０）が流向（Ｓ）に対して障害物（８）の後方に配置されている請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の流量センサ。
11. 流向（Ｓ）において、障害物（８）の前端部（２４）が測定プローブ（１０）の中間部から距離Ｘだけ離れており、障害物（８）が内部に配置されているパイプ導管部分（２）が直径Ｄを有し、比率Ｘ／Ｄが１から２の間にある請求項１０記載の流量センサ。
12. 流向（Ｓ）において、障害物（８）の前端部（２４）が測定プローブ（１０）の中間部から距離Ｘだけ離れており、障害物（８）が該流向を横切って幅ｄを有し、比率Ｘ／ｄが２．５から１０の間にある請求項１０又は請求項１１記載の流量センサ。
13. 障害物（８）が流向（Ｓ）に対して長さＬを有し、かつ流向（Ｓ）を横切って幅ｄを有し、比率Ｌ／ｄが１から２の間にある請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の流量センサ。
14. 障害物（８）が流向（Ｓ）において長さＬを有し、障害物（８）が中に配置されているパイプ導管部分（２）が直径Ｄを有し、比Ｌ／Ｄが０．４から１０の間にある請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の流量センサ。
15. 障害物（８）が該流向を横切って幅ｄを有し、障害物（８）が中に配置されているパイプ導管部分（２）が直径Ｄを有し、比率ｄ／Ｄが０．２から０．４の間にある請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の流量センサ。
16. 流向（Ｓ）における障害物（８）が、障害物（８）が中に配置されている前記パイプ導管部分の湾曲を越えた少なくとも距離Ｌ_１に位置しており、Ｌ_１＝４×Ｄであり、Ｄが該パイプ導管断面の直径である請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載の流量センサ。

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