JP2004522159A - 渦周波数流量計 - Google Patents

Abstract

本発明は、管路を通る液状又はガス状媒体の流量を検出する渦周波数流量計であって、管路内に保持されるせき止め体を持ち、このせき止め体が、流れに対して実質的に平行に向けられて両方の流れ方向に渦剥離縁によって区画される側面を持ち、側面の少なくとも１つに、剥離縁から周期的に剥離する渦を検出する少なくとも１つのセンサが設けられているものに関する。本発明の課題は、両方の流れ方向における側定運転のみならず簡単な手段で流れ方向の検出も可能にする渦周波数流量計を使用可能にするように、このような渦周波数流量計を更に発展させることである。この課題は、少なくとも１つのセンサ（１６）が、流れ方向（２０，２１）を検出するため、流れ方向（２０，２１）に見て偏心して剥離縁（８，８．１；９，９．１）の間に設けられていることによって、解決される。

Description

【０００１】
本発明は、管路（１）を通る液状又はガス状媒体の流量を検出する請求項の上位概念に記載の渦周波数流量計に関する。
【０００２】
渦周波数流量計は、流体の流れ中に設けられる鈍いせき止め体における規則正しい渦剥離を利用している。その際せき止め体の流れが到来する面の互いに対向する側から交互に渦が剥離する、という減現象がある。それによりいわゆるカルマンの渦列が形成され、即ち渦が解消する前に、これらの渦が流れの中のせき止め体の後の全区間にわたってまだ残る。渦周波数流量計は、特定の輪郭のせき止め体に対して、流速の大きい範囲にわたって、渦剥離の周波数と流速との間に直線関係があり、換言すれば、この周波数の検出によって、流速従って管路を通る流体の流量を直接推論することができる、という知識を利用している。従ってせき止め体のほかに、渦剥離又はその結果生じる流体のパラメータ変化（例えば圧力、速度、温度）を検出するセンサ手段も、渦周波数流量計を持つ測定装置の構造に属している。
【０００３】
まず文献に記載されかつ商業的に使用される渦周波数流量計では、せき止め体は流れ断面において直径上に延びる棒輪郭部から成っている。このような流れ到来体を持つ渦周波数流量体の例は、英国特許第１４０１２７２号明細書、米国の特許第４２０６６４２号及び第４２８５２４７号明細書、ドイツ連邦共和国の特許第３７１４３４４号及び第４１０２９２０号明細書、米国特許第３９７９９５４号明細書、欧州特許第００７７７６４号明細書、米国の特許第４４３４６６８号、第４９２２７５９号、第５２１４９６５号及び第５３２１９９０号明細書、及び欧州特許第０６６６４６８号明細書に見出される。
【０００４】
それから後になって、環状せき止め体を持つ渦周波数流量形も更に加わった。これらは、棒状せき止め体に比較して、流れ断面の同じ完全阻止（圧力損失）において、一層小さい輪郭幅を持っている。その結果同じ流れ到来速度で一層高い渦周波数が生じ、即ち測定分解度は棒状せき止め体と比較して一層よい。環状せき止め体を持つ渦周波数流量計の例は、英国特許第１５０２２６０号明細書、国際公開第８８１０４４１０号明細書、ドイツ連邦共和国の特許第３２２０５３９号及び第２８０２００９号明細書、米国の特許第５１７０６７１号及び第５２８９７２６号明細書、日本の特開昭５６−２２９６３号、昭５９−１９８３１７号、平１−１４８９１２号、平１−１４８９１３号及び平１−１４８９１４号公報に見られる。環状せき止め体を持つ渦周波数流量計の組み換えは、実際には今まで行われなかった。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許第２８０２００９号明細書には、環状せき止め体を持つ渦周波数流量計が記載されている。１つの実施形態では、このせき止め体が長方形断面を持ち、即ちこれが流れに対して平行に向けられかつ両方の流れ方向において渦剥離縁により区画される側面を持ち、剥離縁の間におけるせき止め体の断面が、流れ方向及びこれに対して横向きに対称である。従ってこれは両方の方向における流れ測定に適している。放射状支柱は、せき止め体を管路内に同心的に保持する。せき止め体における渦剥離を検出するため、せき止め体自体又はその周囲例えば管壁に、圧力又は速度に感応する検出器が設けられている。この検出器の配置及び構成についての詳細な記載は、ドイツ連邦共和国特許第２８０２００９号明細書からはわからない。
【０００６】
英国特許第１４０１２７２号明細書は、同様に両方向における流量測定を可能にする渦周波数流量計を記載している。このせき止め体は、半径方向及び軸線方向の中心に貫通穴を持ち、この貫通穴がせき止め体の一方の側面から他方の側面へ延び、側面と同一面で終る膜により両端を閉鎖されている。貫通穴は油を満たされているので、膜は液圧的に互い結合されている。貫通穴には圧電センサが設けられて、渦剥離のため膜により、充填油を介して伝達される圧力パルスを検出する。
【０００７】
本発明の課題は、両方の流れ方向における側定運転のみならず簡単な手段で流れ方向の検出も可能にする渦周波数流量計を使用可能にすることである。
【０００８】
本発明によればこの課題は、請求項１の特徴による渦周波数流量計によって解決される。
【０００９】
いずれにせよ存在する必要な少なくとも１つのセンサが、流れ方向を検出するため、流れ方向に見て偏心して剥離縁の間に設けられていることのみによって、両方の流れ方向に測定することができるだけでなく、流れ方向も検出することができる。この効果は、渦剥離の結果生じるパラメータ例えば圧力、温度及び速度の変化、剥離縁の間の中間位置に対する少なくとも１つのセンサの軸線方向ずれのため、両方の流れ方向において相違することから生じるので、この相違のため、流れ方向を知ることができる。渦周波数流量計の構造的構成に関する超過費用は、この解決策では必要でない。しかしこの利点は、現在測定される周波数及び振幅が、所定の条件下で求められる周波数−振幅対と比較され、この対の組合わせが特定の流れ方向に一義的に対応していることによって、データ処理費用の増大を伴う。
【００１０】
本発明の別の構成において、少なくとも１つのセンサに、それに対して流れ方向にずれて同じ流線上にある第２のセンサが付属していることによって、信号処理費用を少なくすることができる。センサのこのような配置では、現在測定される振幅を直接互いに比較し、振幅の相違から流れ方向を得ることによって、記憶されている周波数−振幅対との比較なしに、流れ到来方向を求めることができる。場合によっては適当な状態において、流れ方向を求めるため、両方のセンサの信号のずれを利用することができる。
【００１１】
流れ方向における２つのセンサのずれの代わりに、棒状せき止め体の高さにわたって又は少なくとも部分環状せき止め体の周囲に分布しかつ流れ方向に互いにずれた少なくとも２つのセンサが設けられているようにすることもできる。この配置により、流れ方向を知ることの利点に、流れ対称性を検出することができるという利点も加わる。センサの数の増大が非対称性検出の精度を高めることは明らかである。
【００１２】
センサが、互いに逆の方向に、偏心して剥離縁の間に設けられており、即ちできるだけ大きい相互間隔をおいて設けられていると、有利である。なぜならば、その場合両方の流れ方向の信号の相違が最大だからである。
【００１３】
これに関して、本発明の構成において、微小センサが使用されると、有利である。これらの微小センサは、その小さい寸法のため、剥離縁へ非常に密に近づけることができるので、一方では軸線方向にずれたセンサの最適な大きさの間隔が得られ、他方では強い信号が得られる。
【００１４】
本発明の構成では、せき止め体の側面上で対向する測定個所において、これらの測定個所が貫通穴を介して互いに接続されていると、別の利点が生じる。それにより交互の圧力低下及び圧力上昇が加算されるので、このような接続なしの測定点の比較において、２倍の圧力振幅が生じ、その結果高い測定感度が得られる。従ってこの解決策は、特に差圧センサによって重要である。
【００１５】
貫通穴が、外側及び内側の表面側面と実質的に同一の面で終わる膜により両端を閉鎖されていると、更に有利である。貫通穴の閉塞及び渦形成を妨げる貫通穴の横流れは、それにより回避される。
【００１６】
実施例により本発明が以下に詳細に説明される。
【００１７】
図１は管路１を示し、渦周波数流量計２がこの管路１に組込まれている。渦周波数流量計２は、外側の締付け環３と内側のせき止め環４とから成り、せき止め環４は、１２０°の角度間隔で設けられる（図１には示してない）支柱により、締付け環３に固定的に結合されている。このような支柱５は図１２及び１３に示され、ここでは２つ又は４つの支柱５がせき止め環４の保持のために設けられている。締付け環３は、図示してない２つのフランジの間に締付けられることにより、渦周波数流量計２の組込みのために用いられる。締付け環３の内径は管路１の内径Ｒ_０に等しいので、その内壁６は締付け環３の内側により連続的に続けられ、ここには渦巻きは現れない。流れ到来面７（流れ方向は矢印２０により示されている）は、液体技術的に続く流れに対して横向きの面として設計され、この面は鋭い剥離縁８及び９により区画されている。これらの剥離縁８，９の所で、同じ周波数で交互に環状渦１０及び１１が剥離し、環状渦１０は剥離縁８の大きい直径に対応せしめられ、環状渦１１は剥離縁９の小さい直径に対応せしめられる。せき止め環４は支柱を介して管路１内に同心的に保持されているので、完全に形成される管流れの場合、図１に記入された乱流速度１２からわかるように、このせき止め環４は等速度線上にある。それにより渦剥離は非常に均等に行われるので、環状渦１０又は１１は、解消する前に、渦周波数流量計２の後にまだ比較的長くいわゆるカルマン渦列として残っている。
【００１８】
実施例において選ばれた棒状及び環状のせき止め体４では、その断面１３は長方形である。この様な断面１３は、流れ方向２０，２１及びこれに対して横向きに、その両方の主軸１９及び２２に対して対称なので、流れ方向２１（図１）とは逆の向きに渦周波数流量計２へ流れが到来する場合、同一の状態が現われ（その場合渦１０，１１は剥離縁８．１及び９．１から剥離する）、換言すれば、このような断面では、両方の流れ到来方向に対して特定の流れ到来速度が同じ周波数を生じる。両方向における容積流量測定が可能であるにもかかわらず、これにより信号処理費用は少ないままである。
【００１９】
図１４には、両方の流れ方向における測定を可能にするせき止め対の例えば別の断面１３が示されている。以下の説明において、例示的に長方形断面（図１４．２及び１４．３）に固執されるが、これらの説明は他の断面にも当てはまる。
【００２０】
せき止め環４へ組込まれるセンサは微小センサ１６（図１０及び１１）である。センサは、図２〜８及び１２及び１３では、小さい円により記号的にのみ示されている。既に説明したように、剥離縁８，９及び８．１，９．１で剥離する渦は、局部的な速度変動及び圧力変動を生じる。従ってこれらの量又はこれらの量に関係するパラメータの検出を可能にするすべての原理が適している。適したセンサの例は従って差圧センサ、絶対圧力センサ、流れ全抵抗センサ、流れ摩擦センサ、熱損失センサ及び熱分布センサである。これらのセンサ形式は当業者に一般に公知なので、微小技術へのこれらの構造原理の転換も可能であり、従ってこれらの公知のセンサ形式は微小化可能である。従って微小センサ１６は、図１０及び１１にはブラックボックスのように示されている。なぜならば、ここでは微小センサ１６で実現される測定原理が問題であるが、その正確な構造は問題でないからである。
【００２１】
選ばれた実施例では、差圧微小センサ１６が使用されるが、本発明はそれに限定されない。差圧微小センサ１６による測定の際、断面１３の側面１７，１８にある２つの測定点１６．１及び１６．２が存在する。測定点１６．１及び１６．２は貫通穴２３により互いに接続されている。測定点１６．１及び１６．２では、図１０及び１１に示すように、貫通穴２３の出口が問題となる。貫通穴２３を介して側面１７，１８上の圧力差が重畳される。交互の剥離のため、渦は一方の側１７，１８における圧力上昇に、他方の側１８，１７におけるほぼ同じ大きさの圧力低下を対立させるので、信号振幅が倍加され、即ち大きい信号増幅が行われ、それにより測定感度が著しく高められる。
【００２２】
流れ方向を検出するセンサの本発明による配置が、図２〜８により以下に詳細に説明される。これらの図は、管路１へ組込まれかつ棒状せき止め体４を持つ渦周波数流量計２を示している。乱流流れ断面１２が存在する。
【００２３】
流量及び流れ方向を検出するため、原理的にには１つのセンサ１６で充分である。この最も簡単な場合が図２に示されている。この図からわかるように、差圧微小センサ１６は管軸線の高さに設けられ、流れ方向２０とは逆の向きに、従って剥離縁８，９の方へずれている。この配置では、測定される圧力振幅は、同じ流速を前提として、方向２０からの流れ到来の場合、方向２１からの流れ到来の場合より大きい、この事態が図９の線図に示され、曲線Ａは流れ方向２０に対応し、曲線Ｂは流れ方向２１に対応している。しかし１つの振幅値に、２つの周波数即ち２つの速度を、流れ方向２０又は２１において対応させることができるので、振幅だけでは流れ方向２０，２１を推論できるためには充分でない。これに、所定の条件で求められる周波数−振幅対の特性曲線図を更に加えねばならず、現在測定される値がこれらの周波数−振幅対と比較される。従ってずれた１つだけのセンサ１６を持つ装置では、データ処理費用が増大する。
【００２４】
この費用は図３による装置によって回避される。ここでは２つの差圧微小センサ１６が設けられて、同じ高さ、この場合管軸線の高さに位置する。両方の差圧微小センサ１６は、断面１３の主軸１９に対して剥離縁８，８．１又は９，９，１の方へ同じようにずれている（図１１）。両方の流れ方向２０，２１とは逆向きへのセンサ１６のこのずれは、方向識別の確実性を高め、特にデータ処理費用を減少する。なぜならば、図２の装置におけるように記憶されている特性曲線図に頼る必要なしに、信号振幅の比較を直接行うことができるからである。この装置に対する別の利点は、測定冗長度が増大することである。
【００２５】
図２の装置に対する測定冗長度の増大は、図４のセンサ分布によっても得られる。ここでは２つの差圧微小センサ１６が、同じ方向即ち剥離縁８，９の方へ同じ行程長だけずらされ、管軸線に対するセンサ１６の間隔ｒ_Ｍは同じである。流量及び流れ方向の検出のほかに、この装置により、適当なデータ処理費用がかけられる場合、流れ対称性を検出することができる。流れ方向２０，２１を知ることに関して、図２のセンサ配置におけるのと同じ欠点がある。しかしこの欠点は、図３の解決策と同様に、図５に示すように、センサ１６を倍加することによって除くことができる。
【００２６】
しかしこの欠点は、図６に示す簡単な解決策によっても回避可能である。ここでは管軸線から同じ間隔ｒ_Ｍで設けられた２つの差圧微小センサ１６が、互いに逆の方向にずれて設けられている。これらの微小センサは、対称な流れ到来で、管軸線に対する同じ間隔のため、同じ局部的流れ速度即ち周波数を検出するので、この配置は、流れ方向２０，２１の検出に関して、図３のセンサ配置に相当するが、この配置に対して、流れの対称性を検出できるという利点を与える。
【００２７】
せき止め体４の高さにわたって分布されるセンサ１６の数を増大することによって、非対称検出の精度が高められる。図７は、図６に示す配置に対して第３の中間の測定個所が加わったセンサ装置を示す。この中間位置に対して比較位置は存在しないので、この比較位置は剥離縁８，９と８．１，９．１との間の中間に設けられている。特定の主流れ方向２０，２１においてこの測定個所の信号振幅を最大にするため、一方又は他方の流れ方向２０，２１へこの中間測定個所をずらすことも同様に考えられる。
【００２８】
図８には、対をなしてずらされる差圧微小センサ１６を持つせき止め体４が示され、１つの対の差圧微小センサ１６は、管軸線からそれぞれ同じ間隔ｒ_Ｍ１又はｒ_Ｍ２をとっている。この配置は、図５による配置のように、流れ方向２０，２１の検出に関して冗長度を生じる。
【００２９】
測定個所のずれの別の変形例として、すべての測定個所を管軸線より下で一方の方向へ、またすべての測定個所を管軸線より上で他の方向へずらすことも考えられる。
【００３０】
図１２及び１３は、図６又は８によるものと対比可能なセンサ配置を持つ渦周波数流量計を示す。従って棒状せき止め体４について述べたことが同じように当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】環状せき止め体及びその後に形成されるカルマン渦列を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図２】棒状せき止め体及び特定のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図３】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図４】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図５】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図６】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図７】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図８】棒状せき止め体及び別のセンサ配置を持ちかつ管路へ組込まれる渦周波数流量計の原理的断面図を示す。
【図９】両方の流れ方向の信号差を示すための原理的圧力−時間線図を示す。
【図１０】図２による断面Ａ−Ａを拡大尺度で示す。
【図１１】図３による断面Ｂ−Ｂを拡大尺度で示す。
【図１２】環状せき止め体及び特定のセンサ配置を持つ渦周波数流量計の斜視図を示す。
【図１３】環状せき止め体及び別のセンサ配置を持つ渦周波数流量計の斜視図を示す。
【図１４】せき止め体の種々の異なる断面を示す。

Claims (9)

1. 管路（１）を通る液状又はガス状媒体の流量を検出する渦周波数流量計であって、管路（１）内に保持されるせき止め体（４）を持ち、このせき止め体（４）が、流れに対して実質的に平行に向けられて両方の流れ方向（２０，２１）に渦剥離縁（８，８．１；９，９．１）によって区画される側面（１７，１８）を持ち、剥離縁（８，８．１；９，９．１）の間におけるせき止め体（４）の断面が、流れ方向（２０，２１）及びこれに対して横向きに、実質的に対称であり、側面（１７，１８）の少なくとも１つに、剥離縁（８，８．１；９，９．１）から周期的に剥離する渦（１０，１１）を検出する少なくとも１つのセンサ（１６）が設けられているものにおいて、少なくとも１つのセンサ（１６）が、流れ方向（２０，２１）を検出するため、流れ方向（２０，２１）に見て偏心して剥離縁（８，８．１；９，９．１）の間に設けられていることを特徴とする、渦周波数流量計。
2. せき止め体（４）が、棒状、環状または少なくとも部分環状であることを特徴とする、請求項１に記載の渦周波数流量計。
3. 少なくとも１つのセンサ（１６）に、それに対して流れ方向（２０，２１）にずれて同じ流線上にある第２のセンサ（１６）が付属していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の渦周波数流量計。
4. 棒状せき止め体（４）の高さにわたって又は少なくとも部分環状せき止め体（４）の周囲に分布しかつ流れ方向（２０，２１）に互いにずれた少なくとも２つのセンサ（１６）が設けられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の渦周波数流量計。
5. センサ（１６）が対をなしてずれており、１つの対のセンサ（１６）と管軸線との間隔が同じであることを特徴とする、請求項４に記載の渦周波数流量計。
6. センサ（１６）が、互いに逆の方向に、偏心して剥離縁（８，８．１；９，９．１）の間に設けられていることを特徴とする、請求項３〜５の１つに記載の渦周波数流量計。
7. せき止め体（４）の側面（１７，１８）上で対向する測定個所（１６．１，１６．２）において、これらの測定個所が貫通穴（２３）を介して互いに接続されていることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の渦周波数流量計。
8. 貫通穴（２２）が、側面（１７，１８）と実質的に同一の面で終わる膜により両端を閉鎖されていることを特徴とする、請求項７に記載の渦周波数流量計。
9. センサ（１６）が微小センサであることを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載の渦周波数流量計。