JP2005537492A

JP2005537492A - 管内を流れる流体の質量流量測定方法

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Publication number: JP2005537492A
Application number: JP2004535192A
Authority: JP
Inventors: ライナー，ヘッカー; ママディー，ケイタ; オリバー，ポップ
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-12-08
Also published as: US20040244499A1; CN1692273A; US7007556B2; DE10240189A1; EP1537386A1; AU2003258679A1; CN100383493C; WO2004025227A1

Abstract

渦がブラッフボディを用いて流体の流れに形成され、渦が形成されることによる繰り返し周波数が測定されるという方法。この繰り返し周波数は、体積流量又は流速を表す流速測定値を求めるのに用いられる。さらに、流れ方向で互いに離れた２つの測定地点で流体の流れに作用する圧力ｐ_１及びｐ_２が登録される。この圧力のどちらか一方は少なくとも繰り返し周波数に応じて変化する。上記登録される圧力ｐ_１、ｐ_２は、流れ方向の少なくとも一部での時間平均で作用する平均動圧を表す圧力測定値を求めるのに用いられる。圧力測定値及び流速測定値は、流体の質量流量を求めるのに用いられる。

Description

本発明は、渦流量測定装置を用いて管内を流れる流体の質量流れ即ち質量流量を測定するための方法に関する。

渦流量測定装置は管内を流れる流体、特に高温及び／又は高圧のガス又は蒸気の流体の場合の流量を測定するためによく用いられる。このような渦流量測定装置の構成や使用の代表的な変形は特許文献１乃至１７に記載されている。

通常の渦流量測定装置の作用の方法は、カルマン渦列の周期的な圧力変動を用いることに基づいている。これは、周知のように、流体が流れの障害、例えばブラッフボディに対して流されるときに発生する。渦はこのブラッフボディから下流側に周期的に放たれ、これが上記渦列を形成する。渦が形成される繰り返し周波数は、広範囲のレイノルズ数域にわたって流体の流速に比例しており、このことは、体積流れ即ち体積流量が上記渦流量測定装置を用いて実質的に直接測定可能であることを意味する。

記載されている種類の渦流量測定装置は通常、内部に上記ブラッフボディがなるべくその直径に沿って配置された、あらかじめ選択した長さの測定管を含む。上記測定管の入口及び出口の先端は、測定される流体が入っている管と繋がっているため、上記渦流量測定装置の作動の間、流体は測定管を流れることが可能であるため、その結果、上記ブラッフボディに対して流される。

このような渦形成ブラッフボディの特徴は、少なくとも２つの可能な限り鋭い分離エッジを形成するよう、側面に急に途切れる基本的に平面の流れ衝突面を上流側で示すという点である。分離エッジで始まり、それからブラッフボディは下流側で狭くなる。これは、例えば連続して、又は例えば特許文献１２に示すように徐々にでさえ生じる可能性がある。

最終的に、少なくとも１つのセンサ要素は、ブラッフボディ内に据えられるか、又は、上記測定管の壁面内側、壁面外側、又は壁面内部でブラッフボディの下流側に配置される。上記渦に関連する圧力変動は、ブラッフボディ自体又はその下流に配置された例えば容量的に、誘導的に、又はピエゾ電気的に作用するセンサ要素を用いて電気的に処理可能な信号に登録及び変換される。なお、センサ要素は、超音波センサでもありうる。上記電気的に処理可能な信号は、上記測定管の体積流量に直接比例する周波数を有する。

上記センサ要素により作られた電気信号は、渦流量測定装置の対応する計算電子機器により処理され、例えば、記憶場所に表示され、及び／又は、より高い水準の計算部でさらに処理される。

上述のように、測定される流体の流速、及び／又はそこから得られる体積流量は、上記渦流量測定装置を用いて、実質的に直接測定可能である。測定される体積流量、及びこの体積流量と同時に登録される瞬間の流体密度を始めとして、又はそれに続いて瞬間の質量流量ですら、例えば特許文献５、８、１１、１８、及び１９にも記載されるように間接的に測定可能である。特許文献１、２、４、６、７、９、１１、１３、及び１５に示されるように、測定される体積流量、及び流れ方向の流体に作用する動圧を利用する渦流測定装置を用いて、質量流量を測定することもさらに可能である。

特に、特許文献１１、１５、及び１８に、渦列で局部的に登録されるような時間に対する圧力のプロットが一致し、渦の繰り返し周波数と共に変化する渦測定信号の振幅曲線、特に時間平均振幅曲線を用いる動圧の測定が提案されている。しかしながら、上記渦測定信号の振幅曲線又は平均振幅曲線もまた、実質上、定常流れの場合のみ動圧に比例すると研究により明らかにされた。これ以上に、流れが突き当たるブラッフボディの弾性変形の時間に対する振幅に基づいて動圧を測定する手法が、例えば特許文献１で提案されている。この手法と対照的に、特許文献９に記載されている渦流量測定装置は、質量流量の測定を目的とした流体の流れの主に渦自由域での動圧が登録されている。これは、ブラッフボディの上流の測定管の内部に配置される付加的な圧力センサが用いられているものである。
米国特許第４４４８０８１号明細書米国特許第４５２３４７７号明細書米国特許第４７１６７７０号明細書米国特許第４８０７４８１号明細書米国特許第４８７６８９７号明細書米国特許第４９７３０６２号明細書米国特許第５０６０５２２号明細書米国特許第５１２１６５８号明細書米国特許第５１５２１８１号明細書米国特許第５３２１９９０号明細書米国特許第５４２９００１号明細書米国特許第５５６９８５９号明細書米国特許第５８０４７４０号明細書米国特許第６００３３８４号明細書米国特許第６１７０３３８号明細書米国特許第６３５１９９９号明細書米国特許第６３５２０００号明細書国際公開第９５／１１４２５号パンフレット米国特許第４９４１３６１号明細書米国特許第号明細書米国特許第号明細書国際公開第９５／１６１８６号パンフレット

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、渦流量測定装置を用いる質量流量の測定を、非定常流体、特に乱流の場合であっても高い精度を示すように改善することである。
さらに、上記改善された測定は、従来の渦流量検出器類ですら実施することが可能にする。

以上に加えて、本発明の課題は、上記渦流量測定装置で作られる測定信号、特に渦測定信号を用いて流動性又は流量、特に流体の粘性を表すその他の測定要因を得ることである。

上記課題を達成するため、本発明は、管内を流れる流体の質量流量を測定する方法を備えており、この方法は、
少なくとも２つの分離エッジを有し、周囲を流体が流れるブラッフボディを用いて上記流体の流れに渦、具体的にはカルマン渦を形成し、上記渦が形成される繰り返し周波数を測定する工程と、上記測定された繰り返し周波数に基づいて、体積流量又は流速を表す流速測定値を求める工程と、上記ブラッフボディの２つの分離エッジ付近、又は上記分離エッジの少なくとも１つの下流で流れ方向に関連して設置された第１の測定地点で流体の流れに作用する第１の圧力の局部的な登録をする工程と、上記流れ方向で上記第１の測定地点から分離した第２の測定地点で流体の流れに作用する第２の圧力（上記生じた渦の作用により、上記登録された圧力の少なくとも一方は、繰り返し周波数によって少なくとも時には周期的に変化する）の局部的な登録をする工程と、上記登録された第１及び第２の圧力を用いて、流れ方向で作用する動圧の時間平均である平均動圧を表す圧力測定値を求める工程と、上記圧力測定値及び流速測定値に基づいて、質量流量を表す質量流量測定値を求める工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の方法の第１の更なる発展形態によれば、上記渦が形成される上記繰り返し周波数は、上記登録された圧力の少なくとも一方に基づいて測定される。
本発明の方法の第２の更なる発展形態によれば、上記測定地点の少なくとも一方は、上記ブラッフボディ又はその内部に配置される。

本発明の方法の第３の更なる発展形態によれば、上記圧力測定値を求めるために、上記２つの局部的に登録された圧力間の圧力差が測定される。
本発明の方法の第４の更なる発展形態によれば、上記圧力差を登録するために、差圧センサが特に上記ブラッフボディの内部に配置されて、上記第１及び第２の圧力に、特に同時に、さらされる。

本発明の方法の第５の更なる発展形態によれば、上記圧力差を表すため、圧力差信号が、上記局部的に登録された圧力から導き出される。
本発明の方法の第６の更なる発展形態によれば、上記圧力差信号は、上記圧力測定値を求めるため、ローパスフィルター処理される。

本発明の方法の第７の更なる発展形態によれば、上記圧力差信号は、上記圧力測定値を求めるため、デジタル化される。
本発明の方法の第８の更なる発展形態によれば、上記圧力測定値及び／又は流速測定値は、上記圧力差信号のスペクトル解析に基づいて測定される。

本発明の方法の第９の更なる発展形態によれば、上記局部的に登録された第１の圧力は、流れ方向に作用する全圧である。
本発明の方法の第１０の更なる発展形態によれば、上記局部的に登録された第２の圧力は、流体に作用する静圧である。

本発明の方法の第１１の更なる発展形態によれば、上記ブラッフボディの内部又は下流に配置された振動体の形態からなるセンサ要素が、上記圧力差を登録するために用いられる。

本発明の基本概念は、一方では、ブラッフボディで形成される渦の影響を受ける領域の少なくとも一部分に曲線が伸びる、測定管内の点ごとに登録された圧力曲線に基づく質量流量測定に必要となる動圧を測定することであり、他方では、できる限り付け加えた摂動からだけでなく、時間平均をとることで可変の圧力曲線の不変部分の測定をすることである。

本発明は特に、一方では、周期的な可変の圧力曲線の時間平均が質量流量測定に必要となる情報を伝え、他方では、上記圧力曲線は、流れ方向に互いに離れた測定点でのブラッフボディの分離エッジから流体の下流で、さもなければ選択可能に、実用的に、任意に、登録される２つの圧力に基づいて十分正確に有利には前々から予測可能という認識も備わっている。

これは特に、本発明の方法の要求に応じて登録される圧力のすべての測定地点が、ブラッフボディに直接配置可能という有利な点も有する。結果として、例えばブラッフボディの内部の圧力依存のセンサ要素ですら圧力の登録のために役立つことができる。さらに、体積流量測定のためにも必要となる渦繰り返し周波数は、例えばブラッフボディの内側又は外側に配置される既存のセンサ要素を用いて検出可能である。そのため、既存の渦流量測定検出器と比較して、ただわずかな構造の違いが本発明の方法を実現するために必要となる。

以下、本発明は、図に示す実施の形態に基づいてより詳細に説明する。図では、同一の部分には同様の関連する符号が与えられる。
図１及び図２は、本発明の方法に適した渦検出器１の構造を概略的に示す図である。

流体誘導管に関連するとき、作動中に測定される流体、例えばその中を流れる液体、気体又は蒸気を有する測定管１１を渦検出器１は含む。測定管１１は、例えば良質で凹凸のないステンレス、スチール、又は鋳鉄等の金属から通常製造される。しかしながら、測定管１１の材料には、例えば硬質プラスチックもまた適用可能である。

測定管１１は、長手方向軸、内面、入口先端１１^＋及び出口先端１１^♯を有する。測定管は、流体の流れ方向を定着させる。図２の説明として、長手方向軸及び流れ方向は、測定管１１によって形成される流路１２を貫いた図の平面に直角をなして延びる。

測定管１１は、さらに適した内部寸法及び肉厚を有する。これら２つの寸法の大きさは、完成した渦検出器での流体のほんのわずかな横方向の寸法、及び差し支えない圧力の機能である。測定管１１が円形の断面を有するとき、図１及び図２に示すように、内部寸法は測定管１１の管内の直径である。入口先端１１^＋は、管内の交線を形成する。これは、出口先端１１^♯が平坦で、長手方向軸に対して垂直な平面にあるため、たいてい円形である。

図１上に位置する測定管１１の傍らに、そこから測定管の内部に放射状穴１４が延びる平坦領域１３が形成される。平坦領域１３上に固定されるのは、渦流量計の電子測定変換回路を含む電子コンパートメント１６を測定管１１と反対側に支える管状のハウジングノズル１５である。

測定管１１の内部には、流路１２と反対に、流路１２の直径上に延びるブラッフボディ２０が配置され、図１及び図２に示すように、そのとき、このブラッフボディ２０は、第１の固定地帯７１と第２の固定地帯７２のそれぞれの端で測定管１１の壁の内面と機械的にしっかりと接続されている。この機械的なしっかりとした接続は、たいてい溶接による一般的な金属測定管で形成される。

ブラッフボディ２０は、流れ媒体に渦が発生するように形成される。
このため、ブラッフボディ２０は、この手の渦検出器では通常なように、角柱軸と、製造業者によって選ばれた幾何学形状を示し、角柱軸と直角になる断面積とを備えた直角柱のように形成される。図１及び図２で、この幾何学形状は基本的には二等辺三角形又は台形である。直角柱の代わりにブラッフボディに採用可能なものには、例えば完全又は不完全な円柱、又はＴ字型の断面の平坦な支柱がある。

ブラッフボディ２０は、衝突面７３としての機能を果たすベース面が、衝突面７３が第１及び第２の分離エッジ７４、７５によって側面に境をなす状態で、流体の流れに基本的に逆らった向きに合わせられるように、測定管１１の内部に配置される。

作動中で、測定される流体がブラッフボディ２０の衝突面７３に逆らって流されるとき、渦は２つの分離エッジ７４、７５によって繰り返し発生する。渦の時間ごとの周波数又は繰り返し周波数は、瞬時の体積流量を用いる瞬時のストローハル数として知られる周知の方法に関連性がある。ストローハル数はまた、レイノルズ数の広い範囲でほとんど一定である。渦は分離エッジで交互に分離し、流体の流れに乗せられるため、これが、一方の渦列の渦がもう一方の渦列の渦に関係して置き換えられる、カルマン渦列又は２つの平行な渦列のブラッフボディ２０の下流での形成を導く。

渦がブラッフボディ２０で形成されるため、圧力は、ブラッフボディ２０の辺りの流体で、基本的に近くの領域、時には上流でも、局部的に登録される。これらの圧力は、渦の繰り返し周波数とともに変化する。

流体の流れに作用する圧力の局部的な登録のため、特に一方では、ブラッフボディ２０の辺りで時間ごとに変化する第１及び第２の圧力の局部的な登録のため、渦検出器１は圧力感知センサ配列８を含む。望ましくは、センサ配列８は同様に渦によって流体内で局部的に生ずる圧力変動を登録し、適した方法で圧力変動を流れ方向に作用する動圧と一致する振幅信号、及び渦の繰り返し周波数と一致する周波数信号の両方を示す少なくとも１つの電子測定信号に変換する。

図１に示す実施の形態では、センサ配列８は、少なくとも一部がブラッフボディ２０の表面に配置される。センサ配列の受信部に対して、軸チャンバー２１はブラッフボディ２０に形成される。このチャンバーは、図１に示すブラッフボディ２０の上端からその長さの大部分に延びている。ブラッフボディ２０の内部では、チャンバー２１は基本的に穴１４と同軸上に延びるように据えられる。

チャンバー２１は、望ましくは円筒で、穴１４と同じ内径を有する。さらに、チャンバー２１は少なくとも一組の通路２２、２３を経由して、測定管１１の流路１２と繋がっている。

図１及び図２に示す形態では、第１の測定地点Ｍ_１が分離エッジ７４から下流の通路２２の管内面出口と定義されるように、通路２２はブラッフボディの中を通って流れ方向と交差した方向に向けられる。これに対して、第１の圧力ｐ_１は、圧力が少なくとも部分的に存在する静圧の作用である第１の測定地点Ｍ_１で作用する。

本発明のさらなる形態によれば、通路２３は、図４ａ又は５ａに概略的に示すように、通路２３の管内面出口と定義される第２の測定地点Ｍ_２が衝突面７３の範囲内に形成されるようにブラッフボディ２０に延びる。このように、第２の測定地点Ｍ_２では、測定地点Ｍ_２での実用的な目的で全圧又は総圧と一致する、そこに存在する静圧及び流れ方向に作用する動圧の両方の作用である第２の圧力ｐ_２が作用する。

本発明のさらなる別の形態によれば、図６ａに概略的に示すように、通路２３の管内面出口と定義される第２の測定地点Ｍ_２が分離エッジ７４から下流側に同様に形成され、事実上、第１の測定地点から流れ方向に追い出されるように、通路２３は延びる。

なお、通路２２、２３は略同様の高さ、例えばブラッフボディ２０の高さ中間位置ほど、であることが望ましい。必要に応じて、少なくとも２つの通路２２、２３はブラッフボディ２０に沿って測定される互いに関係する高さに関連して動かされることも可能である。さらに、２つの通路２２、２３のそばのブラッフボディ２０内に、例えば測定管１１の壁のすぐそばのブラッフボディの上端又はチャンバー２１の下端に、他の通路を設置可能である。

図１及び図２に示す実施の形態では、センサ配列は、場合によって、穴１４からチャンバー２１にかけて突き出る、たいてい隔壁２９のちょうど上に広がる圧力又は圧力変動感知センサ要素３０を含む。センサ要素３０は、ネジ３２を用いて平面領域に締め付けられるフランジ３１により支えられる。

図３ａ及び図３ｂはセンサ要素３０断面の詳細を示している。それは、基本的に２つの要素から構成される。第１の要素は、一端がフランジ３１に結合され、端壁３４によりもう一端が塞がれている管状のセンサシェル３３である。フランジ３１は、センサシェル３３と同軸で、センサシェル３３の内径と同じ径である中央開口部３５を有する。さらに、フランジ３１は、平面領域１３上に締め付けられるネジ３２を受けるために外周の辺りに割り当てられた複数個の穴３６を有する（図２）。センサシェル３３は、同じ材質、例えばスチールを材料とした、フランジ３１と上下に繋がっている端壁３４とともに形成可能である。

センサ要素３０の第２の要素は、フランジ３１の中央開口部からセンサシェル３３の内部にかけて突き出る電極ホルダー４０である。電極ホルダー４０は、第２のフランジ４２に連結され、望ましくは例えばスチールと同様なフランジ４２と上下に繋がって加工される管４１からつくられる。電極ホルダー４０が中央開口部３５から、端壁３４の近くまで延びるセンサシェル３３にかけて突き出るように、フランジ４２は、ネジ４３によりフランジ３１の上面に固定される。

電極ホルダー４０の管４１は、異なる外径の３つの部分を有する。フランジ３１の中央開口部３５に位置する第１部分４１ａは、電極ホルダーの頑丈な固定及び正確な位置決めを確保するように、中央開口部３５の径と等しい外径を有する。電極ホルダーの長さの大部分を形成する第２部分４１ｂの外径は、第２部分４１ｂとセンサシェル３３との間の周囲に幅の狭い、環状の隙間が存在するように、センサシェル３３の内径よりもやや小さくなっている。管４１の末端部分４１ｃは、内部に飛び出る段部４４において中間部分４１ｂと交わり、はっきりと小さい直径を有する。末端部分４１ｃは、中間部分４１ｂの外径よりもやや小さい外径を有する絶縁スリーブ４５を支える。絶縁スリーブ４５としては、例えばセラミックスが採用可能である。絶縁スリーブ４５上には、絶縁スリーブ４５の外周面及び下端面の大部分を覆う２つのキャパシタ電極４６、４７があるが、図３ｂの下面図のように、隙間４８、４９によって２つの正反対な位置で機械的及び電気的に互いに分離して存在する。キャパシタ電極４６、４７は、絶縁スリーブ上に塗布された金属又は粘着接合した金属箔により形成可能である。絶縁スリーブ４５及びキャパシタ電極４６、４７の厚さは、小さい幅の溝である環状溝５０が周辺に存在するように選択される。

それぞれのキャパシタ電極４６、４７は、誘電体が空気のキャパシタでセンサシェル３３の正反対に位置する部分（対極に作用する）を形成する。これらのそれぞれのキャパシタの静電容量は、キャパシタ電極の表面積に比例し、キャパシタ電極とセンサシェルとの間の溝の幅に反比例する。

絶縁スリーブ４５の下端面を覆うキャパシタ電極４６、４７の半田付けは、回路ハウジング１６に位置する渦流量計の電子計算回路にキャパシタ電極４６、４７を接続するため、電極ホルダー４０の中空内部と管状のハウジングノズル１５との中を通る、２つのシールドケーブル５１、５２の内部導体である。

図２に示すように、センサ要素３０のセンサシェル３３の外径は、センサシェル３３がチャンバー２１の壁からあらゆる面で間隔があくように、チャンバー２１の内径よりもやや小さい。このように、センサシェル３３の周囲のチャンバー２１には空き領域がある。この空き領域は、測定管１１の流路１２を通って流れる、流れ媒体の通路２２、２３を通って満たされる。測定管１１及びブラッフボディ２０の軸を含み、図３ｂのＸ−Ｘ断面図に示される軸中心平面にキャパシタ電極４６、４７が対称的に位置するように、センサ要素３０はブラッフボディ２０に設置される。

上記渦流量計１０の構造は以下のように作用する。
センサ要素３０の２つの要素のそれぞれ、すなわちセンサシェル３３及び電極ホルダー４０は、一端で保持され、自由端が図２又は図３ａに示す静止位置からの外力の作用により長手方向横に移動されうる細長い振動体に相当する。

流れ媒体が、ブラッフボディで測定管１１及び２つのカルマン渦列形状を通って流れるとき、圧力変動がブラッフボディの側面に生じる。互いに位相が不一致のこれらの周期変動は、通路２２、２３からチャンバー２１に伝わり、センサシェル３３に作用する。この渦圧力変動から生じる力の影響を受けて、センサシェル３３は、長手方向及び流れ方向に交差して相対する方向に交互に反響する。センサシェル３３は上端でしっかりと固定されているので、渦圧力変動の作用で曲げ振動を達成するように偏位はたわみとなる。これらの曲げ振動の周波数は、圧力変動の周波数に等しい。センサシェル３３の曲げ特性共振周波数は、センサシェル３３の曲げ振動が臨界前で発生し、圧力変動に周波数及び位相が正確に従うように、渦圧力変動の生じる最高周波数よりも非常に高くする。曲げ振動の振幅はとても小さく、センサ要素３０の要素は、センサシェル３３がチャンバー２１の壁に衝突せず、最大振動幅での電極ホルダー４０にも衝突しないような形状及び寸法となる。

上部の通路２４、２５及び下部の通路２６、２７は、ブラッフボディ２０内でチャンバー２１と流路１２との間の流れ媒体の自由な循環を可能にするため、流れ媒体はセンサシェル３３の曲げ振動に前後自由に従うことになる。下部の通路２６、２７間の隔壁２９は、センサシェルの下端周囲での直圧の均等化を防いでいる。

密閉されたセンサシェル３３の内部に配置された電極ホルダー４０は、流れ媒体に接触してないため、完全に流れ媒体の圧力変動から離れている。電極ホルダー４０は、その結果として、曲げ振動の発生を引き起こすのではなく、その代わりに静止し続ける。この状況により、センサシェル３３の自由端は、図３ａに示すように矢印Ｆ付近で、電極ホルダーの固定された自由端に関連する渦圧力変動の影響を受けて移動する。この相対運動の過程で、電極４６、４７とセンサシェル３３の相対する面との間の空隙５０の幅は、反対の意味に変化する。センサシェル３３と電極４６との間の分離が減少するとき、同時にセンサシェル３３と電極４７との間の分離は大きくなり、逆もまた同様である。キャパシタの静電容量値は、２つの電極４６、４７によって形成され、センサシェル３３は、渦圧力変動の振動と反対に変化する。

ここで注意すべきは、センサ配列は、ここで示されるセンサ要素３０の代わりに、２つの測定地点に通じている圧力測定セルをも含みうるということである。特に、上記圧力測定セルを用いるとき、測定地点は、しかしながら例えば管壁に配置可能で、すなわち、圧力測定セルは、互いに間隔のあいた測定管の外部に取り付け可能である。さらに、圧力及び／又は渦周波数の少なくとも１つを測定するため、上述のようにブラッフボディ２０の下流で、渦列の内部に当業者には周知の方法で配置可能な、例えばヘラ状の振動体も採用可能である。

図７ａ、７ｂに示す本発明のさらなる形態によれば、ブラッフボディ２０の流体下流に浸かる第２のセンサ要素４０は、第３の圧力ｐ_３と同様に第２の圧力ｐ_２を登録する用意が整えられている。センサ要素４０は、この型の流量計では通常のように、渦の繰り返し周波数を伴うカルマン渦によって振動が発生するヘラ状の振動体として形成される。

振動体の一方に便宜上位置する第２の測定地点Ｍ_２を有するブラッフボディ２０の下流に配置されたヘラ状の振動体を用いる場合、第３の測定地点は、第３の圧力ｐ_３が具体的には第２の測定地点Ｍ_２から離れた振動体のそばの、登録可能な２つの測定地点Ｍ_１、Ｍ_２に加えて上述したように設置される。少なくとも、両側を流体が流れる上記ヘラ状の振動体を有することで、２つの圧力ｐ_２、ｐ_３間の圧力差はすぐに登録可能である。この配置で注意すべきは、周囲を流体が流れる上記振動体を用いるとき、登録圧力ｐ_２又はｐ_３は、場合によっては、それぞれ適した面で平均化した平均圧力ｐ_２、ｐ_３であり、それゆえに登録圧力差は平均圧力差でもある。

図８ａ、８ｂに示す本発明の拡張したさらなる形態によれば、例えば特許文献２２にも記載されているように、測定管１１の長手方向軸に関して、側面の法線が長手方向軸角度で０°以上９０度未満の角度、例えば２０°から６０°の間の角度を形成するよう少なくとも１つの外側面が位置を合わせられるように、センサ要素４０は測定管１１の内部に配置される。本発明のさらなる形態の場合では、２つの登録圧力ｐ_２、ｐ_３は上述したように動圧要素及び静圧要素の両方を示す圧力に関係する。

一方では渦圧力変動の周波数、その結果として測定管１１の流速、及び／又は、他方では動圧又は時間による動圧の変化、の特性を示す電気的な、特に周期的に変化する測定信号を求めるため、電子ハウジング１６に格納された渦流量計電子測定変換回路は、測定容量Ｃ_Ｍ１、Ｃ_Ｍ２の容量変化を利用可能である。これに関しては、図４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃ、６ｂ、６ｃがある。

図９又は１０に示す実施の形態の電子測定変換回路は、渦センサの２つの測定容量Ｃ_Ｍ１、Ｃ_Ｍ２の差によって決まり、その結果として、測定地点２２、２３で登録される圧力ｐ_１、ｐ_２の差ｐ_１−ｐ_２を示す圧力差信号としての機能を果たすことが可能な、測定信号Ｕ_Ｄを作り出すようにそれぞれ構造化されている。これに関しては、図４ｄ、５ｄ、６ｄがある。さらなる処理のため、圧力差ｐ_１−ｐ_２の作用である、上述のように作り出された測定信号Ｕ_Ｄは、続いてローパス回路ＴＰを通って送り込まれる。

２つの容量は向かい合って変換するため、測定信号は、同様な大きさの基本容量が測定信号からなくなる間、容量変換の値の２倍に相当する。
これは、一方では容量変換の極めて精密かつ感度の良い検出を可能とし、他方では渦流量計の働きに影響を与えうる他の障害の影響の除去を可能にする。これは特に流体の温度に忠実である。

渦流量計は、非常に温度差のある状況下で適合可能であり、そして同様に、同じ使用範囲内で、流体の温度は広範囲に変化可能である。温度変化は、異なる要素を用いる材質の熱膨張率に起因して、渦センサの要素の寸法に影響を及ぼす。これらの要素が等しい熱膨張率を有するとき、２つの容量で変化が現れないようにこれらの要素は同率で変化する。異なる熱膨張率の要素の場合は、電極ホルダーのセンサシェルの異なる長さ変化は２つの容量で影響がない。これらの部分の異なる径変化は、正しく基礎静電容量の変化につながることが可能であるが、しかしながら、基礎静電容量が異なる信号の形成に欠けるため、信号計算の結果にはならない。登録のみされる静電容量の違いは、温度による変化に影響を受けない。

これに関しては、渦センサの上述の形態は、渦センサが管状形のため特に優れた圧縮強度を示し、結果として、高い操作上の圧力又は大きい動作圧の発生への適用に向いているということにも注意が必要である。

図９及び１０はそれぞれ、上記渦流量計の電子計算回路の入力段階に特に十分に適した静電容量測定回路を示す。この静電容量測定回路は、スイッチトキャパシタの周知の原理によって構成され、例えば特許文献３に記載された手法で操作されうる。静電容量が極めて小さいときでさえ、静電容量測定回路は静電容量変化の極めて感度が良く精密な測定を可能にする。さらに、図９又は１０の静電容量測定回路は、非常に単純な手法で動作中の遮蔽を可能にする構造である。

すでに触れたように、センサ配列８で作り出された電気信号は、計算電子機器によって処理され、通常の方法で配列及び／又は移動される。これは、例えば測定変換回路から送られるデジタル電気信号、及び電子ハウジング１６に位置するマイクロコンピュータμＰを用いたさらなる処理によって有利に成し得る。このために、ローパスフィルター処理された測定信号Ｕ_Ｄは、第１のアナログ・デジタル・コンバータＡＤ_１の入力で認識される。ここで、上述のローパス回路ＴＰは、アンチエイリアス処理フィルターとしての役目を果たすことも可能である。

流体の流れの質量流量の測定は、流体に作用し、上記流体の流れの体積流量又は流速の常態化である動圧の測定をすぐに始める。
本発明における質量流量の測定では、測定信号Ｕ_Ｄは、時間平均の流れ方向に作用する平均動圧を意味する圧力測定値Ｘ_ｐを形成するのに適している。これに関しては図１１ａもある。さらに、流速測定値Ｘ_Ｖは、当業者には周知の手法で、上述のストローハル数、測定された繰り返し周波数、及び対応する校正係数Ｋ_Ｖから測定される。有利には、繰り返し周波数は、同様に測定信号Ｕ_Ｄから直接導き出すことが可能である。実質的には登録される第１の圧力ｐ_１及び登録される第２の圧力ｐ_２に基づいて測定される圧力測定値Ｘ_ｐは、これによって割られる流速測定値Ｘ_Ｖに直ちに標準化される。従って、下記に当てはまる。

Ｘ_ｍ＝Ｋ_ｍ・Ｘ_Ｖ／Ｘ_ｐ（１）

Ｋ_ｍは、適切な校正測定によって測定される質量流量の計算のための校正係数である。

本発明の好適な実施の形態によれば、ローパス回路ＴＰの限界周波数は、圧力測定値Ｘ_ｐを作り出すために定められるので、最低期待値渦周波数と、場合によっては発生する障害信号周波数は、供給される測定信号から除去されることが可能で、結果として、圧力信号は特に時間平均測定信号曲線に付随するローパス回路ＴＰの出力に利用できる。

ここで注意すべきは、例えばデジタル測定信号に由来する測定値、又はアナログ圧力信号の特に抽出信号振幅等の信号振幅でさえ、圧力測定値Ｘ_ｐとしての機能を果たすことができる。類似の方法で、流速測定値Ｘ_Ｖは、例えば繰り返し周波数を変換する、あらかじめ形成された周波数測定信号から得られる測定値でもありうる。

類似の周波数測定信号を作り出すため、２つの測定静電容量Ｃ_Ｍ１、Ｃ_Ｍ２に相当する測定電圧Ｕ_Ｃ１、Ｕ_Ｃ２が作り出され、たいてい互いに関して位相シフトが起こるこれらの測定電圧Ｕ_Ｃ１、Ｕ_Ｃ２はそれぞれ図１０に示される適切なバンドパスフィルタＢＰ１及びＢＰ２を用いてフィルターにかけられるということを本発明の好適な実施の形態はさらに提供する。バンドパスフィルタＢＰ１、ＢＰ２は、同様にスイッチトキャパシタの原理によって例えばローパスフィルターと同様の手法で形成される。

フィルター処理された測定電圧は、２進法の直角電圧が繰り返し周波数に相当する信号周波数で作り出されるように、コンパレータＣＯＭＰの入力でセットされる。直角電圧は、順々にマイクロコンピュータμＰに入力され、繰り返し周波数を測定するため、さらに処理できる。

特に上述のマイクロコンピュータμＰを用いるとき、圧力測定値あるいは流速測定値も、例えばスペクトル解析で圧力測定値がゼロ周波数での振幅にその結果対応可能である周波数帯域での離散型フーリエ変換に基づく、圧力差信号のスペクトル解析に基づいても好都合に測定可能である。

本発明のさらなる形態によれば、測定信号Ｕ_Ｄ、特に測定信号Ｕ_Ｄから得られる圧力測定値Ｘ_ｐは、測定管１１内を流れる流体の粘性を示す粘性測定値Ｘ_ηを作り出すのに適している。

さらに、粘性測定値Ｘ_ηは、振動体として形成されるセンサ要素３０の振動運動の瞬時又は最大の変位を示す変位測定値Ｘ_３０に基づいて測定される。好都合には、振動運動と、その結果として変位測定値Ｘ_３０も、測定信号Ｕ_Ｄから同様に直接得ることができる。これに関しては図１１ｂがある。粘性測定値を求めるためには、本実施の形態の圧力測定値Ｘ_ｐは、該圧力測定値で上述のように割られる粘性測定値Ｘ_３０に標準化される。下記の事項を適用できる。

Ｘ_η＝Ｋ_ｎ・Ｘ_３０／Ｘ_ｐ（２）

Ｋ_ｎは、対応する校正測定で測定される粘性の計算のための校正係数である。

本発明の１つの実施の形態によれば、作動中に、繰り返し周波数に相当する信号周波数の信号部分が通過できるように選択される中間周波数が第３のローパス回路ＢＰ３に測定信号Ｕ_Ｄを送ることにより粘性測定値Ｘ_ηが求められる。そのように求められる交互信号のさらなるデジタル処理のため、交互信号は、アナログ・デジタル・コンバータＡＤ_２を用いてデジタル化され、結果として入れ替わりにマイクロコンピュータμＰに入力される。

実施の形態における渦検出器を示す部分断面透視図である。図１に示す渦検出器を有する渦流量測定装置を示す断面図である。図１に示す渦検出器のセンサ配列を概略的に示す２つの断面図である。図１に示す渦検出器のブラッフボディの形態（ａ）、図２に示す渦流量測定装置を用いて動作中に得られる時間に対する圧力のプロット（ｂ、ｃ）、及び（ｂ）及び（ｃ）に示す時間に対する圧力の曲線から図２に示す渦流量測定装置の動作中に得られる時間に対する測定信号のプロット（ｄ）である。図１に示す渦検出器のブラッフボディの形態（ａ）、図２に示す渦流量測定装置を用いて動作中に得られる時間に対する圧力のプロット（ｂ、ｃ）、及び（ｂ）及び（ｃ）に示す時間に対する圧力の曲線から図２に示す渦流量測定装置の動作中に得られる時間に対する測定信号のプロット（ｄ）である。図１に示す渦検出器のブラッフボディの形態（ａ）、図２に示す渦流量測定装置を用いて動作中に得られる時間に対する圧力のプロット（ｂ、ｃ）、及び（ｂ）及び（ｃ）に示す時間に対する圧力の曲線から図２に示す渦流量測定装置の動作中に得られる時間に対する測定信号のプロット（ｄ）である。図１に示す渦検出器をさらに発展させた形態２つの異なる図である。図１に示す渦検出器の拡大部分のさらなる形態の２つの異なる図である。図２に示す渦流量測定装置の電子測定変換回路の形態である。図２に示す渦流量測定装置の電気測定変換回路のさらなる形態である。図２に示す渦流量測定装置を用いて動作中に得られる時間に対する圧力のプロットである。

Claims

少なくとも２つの分離エッジを有し、周囲を流体が流れるブラッフボディを用いて前記流体の流れに渦、具体的にはカルマン渦を形成し、前記渦が形成される繰り返し周波数を測定する工程と、
前記測定された繰り返し周波数に基づいて、体積流量又は流速を表す流速測定値を求める工程と、
前記ブラッフボディの２つの分離エッジ付近、又は前記分離エッジの少なくとも１つの下流で流れ方向に関連して設置された第１の測定地点で流体の流れに作用する第１の圧力ｐ_１の局部的な登録をする工程と、
前記流れ方向で前記第１の測定地点から分離した第２の測定地点で流体の流れに作用する第２の圧力ｐ_２（前記生じた渦の作用により、前記登録された圧力ｐ_１、ｐ_２の少なくとも一方は、少なくとも繰り返し周波数によって周期的に変化する）の局部的な登録をする工程と、
前記登録された第１の圧力ｐ_１及び第２の圧力ｐ_２を用いて、流れ方向の少なくとも一部分で作用する動圧の時間平均である平均動圧を表す圧力測定値を求める工程と、
前記圧力測定値及び流速測定値を用いて、質量流量を表す質量流量測定値を求める工程と
を含むことを特徴とする管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記渦が形成される前記繰り返し周波数は、前記登録された圧力ｐ_１、ｐ_２の少なくとも一方に基づいて測定されることを特徴とする請求項１記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記測定地点の少なくとも一方は、前記ブラッフボディ又はその内部に配置されることを特徴とする請求項１記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記圧力測定値を求めるために、前記２つの局部的に登録された圧力間の圧力差が測定されることを特徴とする請求項１記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記圧力差を登録するために、差圧センサが特に前記ブラッフボディの内部に配置されて、前記第１及び第２の圧力ｐ_１、ｐ_２に、特に同時に、さらされることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記圧力差を表すため、圧力差信号が、前記局部的に登録された圧力ｐ_１、ｐ_２から導き出されることを特徴とする請求項４記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記圧力差信号は、前記圧力測定値を求めるためデジタル化されることを特徴とする請求項６記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記圧力測定値及び／又は流速測定値は、前記圧力差信号のスペクトル解析、特にデジタルスペクトル解析に基づいて測定されることを特徴とする請求項６記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記局部的に登録された圧力ｐ_１、ｐ_２の一方は、流れ方向に作用する全圧、及び／又は流体に作用する静圧であることを特徴とする請求項１記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。
前記ブラッフボディの内部又は下流に配置された振動体の形態からなるセンサ要素が、前記圧力差を測定するために用いられることを特徴とする請求項１記載の管内を流れる流体の質量流量測定方法。