JP2005502038A - 渦流ピックアップ - Google Patents

Abstract

渦流ピックアップ（１）は、チューブ壁（２１）を持つ測定チューブ（２）を流れる流体の質量流、体積流、あるいは、流速を測定することができ、渦流ピックアップが、温度センサを腐食するような流体とでも使用可能なように配置された温度センサ（３４）を有する。渦を作り、従って、圧力揺らぎを生成するブラフ体（４）は、測定チューブ内に配置される。これらの圧力揺らぎに応答する渦センサ（３）は、ブラフ体の下流であって測定チューブのチューブ壁（２１）の穴（２２）内に設けられる。渦センサ（３）は、穴（２２）を覆い、流体に突出するセンサ羽根（３１）が固定される隔壁（３３）を有する。温度センサ（３４）は、センサ羽根のブラインドホール（３１４）の下端に固定される。センサ羽根に対向して設けられる隔壁の側では、センサ素子（３５）が固定される。温度センサは、代わりに、ブラフ体の縦穴（２４）内に設けられてもよい。
【選択図】図４

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、体積流、質量流あるいは測定チューブを流れの方向に流れる流体の流速を測定する、測定チューブの直径に渡って配置されるカルマン渦を生成するためのブラフ体（bluff body）を有する渦流ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
体積流は、単位時間あたりに測定チューブの断面を通って流れる流体の体積として定義され、質量流は、単位時間あたりに測定チューブの断面を通って流れる流体の質量として定義される。
【０００３】
この種類の渦流ピックアップの動作中に、カルマン渦列がブラフ体の下流に生成され、その圧力揺らぎは、渦センサによって電気信号に変換され、その周波数は、体積流あるいは流速に比例していることが知られている。
【０００４】
ＵＳ−Ａ ６００３３８４においては、チューブ壁を有する測定チューブ内の流れの方向に流れる流体の体積流あるいは流速を測定する現在良く使われている渦流ピックアップが記載されている。渦流ピックアップは、
測定チューブの直径に沿って配置され、カルマン渦を生成し、互いに対応して存在する第１と第２の固定位置において、内部から測定チューブのチューブ壁に接続されたブラフ体と、
渦によって生成された圧力揺らぎに応答し、測定チューブのチューブ壁の穴内のブラフ体の下流に設けられ、この穴をふさぐ渦センサとを備え、
穴の中央がブラフ体の第１の固定位置の中央と共に測定チューブの母線（generatrix）上に存在し、
渦センサは、
流体に面する第１の面と流体にそっぽを向く第２の面をもつ、穴を覆う隔膜と、
隔膜の第１の面に取り付けられ、測定チューブの直径より短く、測定チューブの母線に直線状に配列された主面とフロントエッジを有する楔形状センサ羽板と、
第２の面に取り付けられたセンサ素子を備える。
【０００５】
流体の温度が温度センサによって測定される場合、質量流は、例えば、体積流、流体の種類と特徴と、任意の時間の温度からマイクロプロセッサによって計算するなどによって、決定される。
【０００６】
これは、渦センサの異なる種類の渦流ピックアップの場合には、いくらか前に既に記載されている。例えば、ＵＳ−Ａ ４０４８８５４及びＵＳ−Ａ ４４０４８５８は、それぞれ、内部から測定チューブのチューブ壁に流れる流体がかすめるように設けられた温度センサを示している。
【０００７】
ＪＰ−Ａ ２０００−２５６７では、チューブ壁を持つ測定チューブないの流れの方向に流れる流体の質量流、体積流あるいは流速を測定する渦流ピックアップが記載され、その渦流ピックアップは、
基板によって内部からチューブ壁の一面に固定され、動作中カルマン渦を生成し、測定チューブの直径よりも短く、流れの方向に垂直に配置された平行な主面と丸い形のフロント面を持ち、温度センサが設けられた、羽根と、
固定位置の近くに固定され、カルマン渦によって生成された流体の流れの圧力揺らぎのための第１のセンサ素子と、
固定位置の近くに固定され、流体の流れによって生成される羽根の変形のための第２のセンサ素子とを備える。
【０００８】
この温度センサは、また、流れる流体によってかすめ通られ、発明者が発見したように、動作中に出くわす全ての流体にとって結果的に耐性があるわけではない、すなわち、ある流体は、そのように配置された温度センサを腐食する。
【０００９】
これらの温度センサを腐食する流体は、後者の製造者による渦流ピックアップの使用を出来なくする。しかし、このような使用禁止は、これらの渦流ピックアップの使用を制限し、これは、これらの応用の汎用性であるから、結果的にマーケットにおける魅力を制限している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の１つの目的は、ブラフ体と測定チューブのチューブ壁に固定された渦センサと、各渦流ピックアップは、温度センサを腐食するそれらの流体と共に使用されるように配置された温度センサを有する渦流ピックアップを特定することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するため、本発明の第１の変形例は、チューブ壁を有する測定チューブ内の流れの方向に流れる流体の質量流、体積流あるいは流速を測定する渦流ピックアップからなり、渦流ピックアップは、
測定チューブの直径に沿って配置された、カルマン渦を生成する、互いに対向する第１と第２の固定位置において、内部から測定チューブのチューブ壁に接続されたブラフ体と、
渦によって生成される圧力揺らぎに応答し、測定チューブのチューブ壁の穴内に、ブラフ体の下流に設けられ、この穴を塞ぐ渦センサとを備え、
穴の中央は、ブラフ体の第１の固定位置の中央と共に測定チューブの母線上に設けられ、
渦センサは、
流体に面する第１の面と流体にそっぽを向く第２の面をもち、穴を塞ぐ隔壁と、
隔壁の第１の面に取り付けられ、測定チューブの直径より短く、測定チューブの母線と一列に並べられた主面と少なくとも１つのフロントエッジを有し、ブラインドホールを有し、その下端は、少なくとも１つのフロントエッジの近傍に配置されるセンサ羽根と、
ブラインドホールの下端に固定される温度センサと、
第２の面に固定されたセンサ素子とを備える。
【００１２】
前記目的を達成するため、本発明の第２の変形例は、チューブ壁を持つ測定チューブの中の流れの方向に流れる流体の、質量流、体積流、あるいは流速を測定する渦流ピックアップからなり、渦流ピックアップは、
測定チューブの直径に沿って配置され、カルマン渦を生成し、互いに対向する第１と第２の固定位置に、内部から測定チューブのチューブ壁に接続されるブラフ体と、
渦によって生成される圧力揺らぎに応答し、測定チューブのチューブ壁の第１の穴内でブラフ体の下流に設けられ、この穴を塞ぐ渦センサとを備え、
第１の穴の中央がブラフ体の第１の固定位置の中央と共に測定チューブの母線上に配置されており、
ブラフ体は、ブラインドホールを有し、ブラインドホールはチューブ壁内の第２の穴と一列に配列され、ブラインドホール内に温度センサが取り付けられており、
渦センサは、
第１の穴を塞ぎ、流体に面する第１の面と流体にそっぽを向く第２の面をもつ、隔壁と、
隔壁の第１の面に固定され、測定チューブの直径より短く、測定チューブの母線と一列に配列された主面と少なくとも１つのフロントエッジを有するセンサ羽根と、
第２の面に固定されたセンサ素子とを備える。
【００１３】
本発明の両変形例の好適実施形態によれば、センサ羽根の主面は、１つのフロントエッジを持つ楔を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の１つの利点は、温度センサは、流体と接することが無く、結果として、腐食されない。にもかかわらず、温度センサは、ほぼ遅延無くその温度を検出できるほど流体に近い位置に配置される。事実、これは、渦センサもしくはブラフ体の薄い壁によってのみ流体から分離され、そして、渦流ピックアップの残りのパーツと同様、これらのパーツは、金属、好ましくは、ステンレススチールで出来ており、従って良好な熱伝導体である。
【００１５】
本発明の更なる利点は、F. P. Incropera and D. P, DeWitt "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 4th edition, 1996, ISBN 0-471-30460-3, pages 114 to 119の本に対応するもので、センサ羽根あるいはブラフ体に設けられた温度センサは、測定チューブ、好ましくは、その外側に固定された第２の温度センサと共に動作することが出来、つまり、同様に、流体には接触しない。既知であるように、第２の温度センサが設けられれば、１つの温度センサよりもより正確な温度測定が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明と更なる利点は、図面に示された例示的実施形態を基に詳細に説明する。異なる図面の同じパーツは、同じ参照番号で示され、簡単のため、必要ならば省略する。
詳細を各図に全て示すことが出来ないので、以下に図１〜図４をいっしょに参照して説明する。最初に図１と図２に示され、全体を示す、第１の変形例の例示的実施形態の概観図は、渦流ピックアップ１を一部が切り開き、一方で流れの方向から（図１）、他方で流れと逆の方向から（図２）見た図となっており、測定チューブ２のチューブ壁２１に固定され、穴２２から突出している渦センサ３を有している。これは、好ましくは、ＵＳ−Ａ ６００３３８４に記載され、その内容が本出願の開示に属する容量性のセンサ素子を有した動的に補償された渦センサである。
【００１７】
測定チューブ２の内部にその直径に沿ってブラフ体４が配置され、これは測定チューブ２に硬く固定されており、これにより、表面に出た第１の固定位置４１と覆われている第２の固定位置４１＊を形成している。穴２２の中央と固定位置４１の中央は、測定チューブ２の母線上にある。
【００１８】
ブラフ体４は、動作中、測定されるべき流体、例えば、液体、気体、あるいは、蒸気の流れに対抗した、インパクト面４２を有している。ブラフ体４は、また、図1及び図２には、１つの（正面側の）横面４３のみが示されているが、２つの横面を有している。分離エッジは、インパクト面４２と横面によって形成される。図１では、これらの１つの（正面側の）分離エッジ４４のみが見え、１つの（裏面側の）分離エッジ４５は明示的に示されている。
【００１９】
図１及び図２のブラフ体４は、実質的に、まっすぐの三角形コラム形状、すなわち、三角形の断面を持つコラム（柱状体）を有している。しかし、他の従来のブラフ体の形状を本発明に使用することも可能である。
【００２０】
インパクト面４２に対抗する流体の流れは、ブラフ体４の下流に、渦は、交互に各分離エッジで分離され、流れる流体に沿って運ばれるという事実から、流体内にカルマン渦の列を生成する。これらの渦は、流体に局所的な圧力揺らぎを生成し、その時間的分離周波数、すなわち、渦周波数と呼ばれるもの、は、流体の流速及び／あるいは体積流の尺度である。
【００２１】
圧力揺らぎは、渦センサ３によって電気信号に変換され、これは、従来の方法で、流体の流速及び／あるいは体積流を計算する評価回路に送られる。
渦センサ３は、ブラフ体４の下流であって、測定チューブ２のチューブ壁２１の穴２２内にあわされ、測定チューブ２の周囲面から穴２２を覆い、渦センサ３は、チューブ壁２１にねじ込まれる。例えば、この目的に使用されるのは、４つのねじであり、ねじ５、６、７は、図１と図２に示されており、対応する穴５０、６０、７０、８０が図３に示されている。
【００２２】
渦センサ３については、チューブ壁２１の穴２２を通って、測定チューブ２の内部に突出する楔形状センサ羽根３１とハウジングキャップ３２が図１と図２に示されている。ハウジングキャップ３２は、例えば、ＵＳ−Ａ ６００３３８４に示される、薄い壁の中間部材３２３の挿入によって、延長部３２２内に伸びる。
【００２３】
センサ羽根３１は、主面を持っており、そのうち、図１と図２には、主面３１１のみが示されている。主面は、測定チューブ２の前述の母線と一列に配列されており、フロントエッジ３１３を形成する。センサ羽根３１は、他の好ましい三次元形状でもよく、例えば、２つの平行なフロントエッジを形成する、２つの平行な主面をもっても良い。
【００２４】
センサ羽根３１は、測定チューブ２の直径より短い。更に、これは、柔軟性がある程度に硬く、ブラインドホール３１４を持っている（図４にのみ図示）。ブラインドホール３１４が十分な直径を持つために、壁のパーツが主面から突出し、図２にこの壁のパーツ３１５が示されている。ブラインドホール３１４は、下端を有するフロントエッジ３１３の近傍に達する。
【００２５】
隔壁３３もまた、渦センサ３に属しており、これは、穴２２を覆い、流体と向き合う第１の面３３１と、流体からそっぽを向く第２の面３３２を有している。図３、図４参照。面３３１に固定されているのは、センサ羽根３１であり、面３３２に固定されているのは、センサ素子３５である。好ましいのは、センサ羽根３１、隔壁３３の円環リム３３３と、隔壁３３に固定されたセンサ素子３５のパーツ３５１は、例えば、金属、好ましくは、ステンレススチールの材質の一塊で出来ている。センサ素子３５は、上記信号を生成し、その周波数は、流れる流体の体積流に比例する。
【００２６】
ブラインドホール３１４の下端の近傍に固定されるのは、温度センサ３４である。温度センサ３４の供給線３４１、３４２は、中央を上方へ、渦センサ３を通って導かれる。
供給線３４１、３４２の一つは、温度センサ３４がセンサ羽根３１の一端と電気的に接触しており、結果的に、回路のゼロ点の電位になっているならば、必要ない。温度センサ３４は、好ましくは、プラチナ抵抗器である。
【００２７】
センサ羽根３１及び、特に、その壁のパーツ３１５は、十分に薄く作られ、また、金属で好ましくは作られるので、温度センサ３４は、ほぼ、センサ羽根３１を通過して流れる流体のその瞬間の温度に置かれ、この構成の低熱容量により、十分速く、ほぼ遅延無しに、流体の温度変化に追随することが出来る。従って、質量流は、温度センサ３４によって測定される流体の温度と、渦センサ３の信号から従来の方法で計算することができる。
【００２８】
図５において、本発明の第２の変形例に対応する渦流ピックアップ１’は、図２と同様に、概観図として、一部を切り開いて示されている。図２のパーツと同じ種類の図５のパーツは説明しないが、図２のそれらに用いられた参照番号にアポストロフィーをつけて用いる。
【００２９】
本発明の第２の変形例の例示的実施形態と第１の変形例の例示的実施形態の違いは、一方で、ブラフ体４’がチューブ壁２’内の第２の穴２４と一列に配置され、温度センサ３４’が設けられているブラインドホール４６を有し、他方で、楔形センサ羽根３１’は、２つの平板主面３１１’をもっている。温度センサ３４’は、供給線３４１’を有している。
【００３０】
ブラインドホール４６は、ブラフ体４’の任意の深さに設けることが出来、その下端４６１は、好ましくは、温度センサ３４’がブラフ体４’の中央に配置されるように設定される。
【００３１】
ブラフ体４’は、ブラインドホール４６の領域で、十分薄く造られるので、図１〜図４のセンサ羽根３１のように、好ましくは、同様に、金属、好ましくは、ステンレススチールで作られ、温度センサ３４’は、殆ど、ブラフ体４’を通って流れる流体のその瞬間の温度に置かれ、この構成の低熱容量により、十分速く、ほぼ遅延無しに流体の温度変化に追随することができる。結果として、質量流は、温度センサ３４’によって測定される、流体の温度と、渦センサ３’の信号から従来の方法で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の変形例に対応する渦流ピックアップを、流れの方向から見た概観図として、一部を切り開いて示す図である。
【図２】図１の渦流ピックアップを、流れとは逆方向から、一部を切り開いて概観する図である。
【図３】図１及び図２の渦センサを下からの概観図として示す図である。
【図４】図３の渦センサの概観的縦方向断面を示す図である。
【図５】本発明の第２の変形例に対応する渦流ピックアップを図２と同様に、概観図として、一部を切り開いて示す図である。

Claims (3)

1. チューブ壁（２１）を持つ測定チューブ（２）内の流れの方向に流れる流体の質量流、体積流、あるいは、流速を測定する渦流ピックアップ（１）であって、
   渦流ピックアップは、
   測定チューブ（２）の直径に沿って配置され、カルマン渦を生成し、互いに対向する第１と第２の固定位置（４１、４１＊）において、内部から測定チューブのチューブ壁に接続されるブラフ体（４）と、
   渦によって生成される圧力揺らぎに応答し、ブラフ体の下流であって測定チューブのチューブ壁（２１）の穴（２２）内に設けられ、この穴を塞ぐ渦センサ（３）とを備え、
   穴（２２）の中央はブラフ体（４）の第１の固定位置（４１）の中央と共に測定チューブ（２）の母線上にあり、
   渦センサ（３）は、
   穴（２２）を覆い、流体に面する第１の面（３３１）と、流体からそっぽを向く第２の面（３３２）を有する隔壁（３３）と、
   隔壁の第1の面に固定され、測定チューブ（２）の直径より短く、測定チューブの母線と一列に配列された主面（３１１）と少なくとも１つのフロントエッジ（３１３）を備え、下端が少なくとも１つのフロントエッジ（３１３）の近傍にあるブラインドホール（３１４）を備えるセンサ羽根（３１）と、
   ブラインドホール（３１４）の下端に固定された温度センサ（３４）と、
   第２の面（３３２）に固定されたセンサ素子（３５）と
   を備えることを特徴とする渦流ピックアップ。
2. チューブ壁（２１’）を持つ測定チューブ（２’）内の流れの方向に流れる流体の質量流、体積流、あるいは、流速を測定する渦流ピックアップ（１’）であって、
   渦流ピックアップは、
   測定チューブ（２’）の直径に沿って配置され、カルマン渦を生成し、互いに対向する第１と第２の固定位置（４１’）において、内部から測定チューブのチューブ壁に接続されるブラフ体（４’）と、
   渦によって生成される圧力揺らぎに応答し、ブラフ体の下流であって測定チューブのチューブ壁（２１’）の第１の穴（２２’）内に設けられ、この穴を塞ぐ渦センサ（３）とを備え、
   穴（２２）の中央はブラフ体（４）の第１の固定位置（４１）の中央と共に測定チューブ（２）の母線上にあり、
   ブラフ体（４’）は、ブラインドホール（４６）を有し、ブラインドホールはチューブ壁（２１’）内の第２の穴（２４）と一列に配列され、ブラインドホール内に温度センサ（３４’）が設けられ、
   渦センサ（３’）は、
   第１の穴（２２’）を覆い、流体に面する第１の面と、流体からそっぽを向く第２の面を有する隔壁と、
   隔壁の第1の面に固定され、測定チューブ（２’）の直径より短く、測定チューブの母線と一列に配列された主面（３１１’）と少なくとも１つのフロントエッジ（３１３’）を備えるセンサ羽根（３１’）と、
   第２の面に固定されたセンサ素子と
   を備えることを特徴とする渦流ピックアップ。
3. 前記センサ羽根の主面は、１つのフロントエッジ（３１３、３１３’）をもつ楔を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の渦流ピックアップ。