JP2006029966A

JP2006029966A - マルチ渦流量計

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Publication number: JP2006029966A
Application number: JP2004208965A
Authority: JP
Inventors: Naomoto Matsubara; 直基松原
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: JP4158980B2; EP1767908A4; DE602004030488D1; EP1767908A1; CN100453978C; US20080028849A1; EP1767908B1; CN1989394A; WO2006008837A1; US7614297B2

Abstract

【課題】微少流量から大流量まで精度よく計測することが可能なマルチ渦流量計を提供する。
【解決手段】流管９の流路に設けられて被測定流体を通過させる測定管１２と、被測定流体の流れに対向するように測定管１２に設けられる渦発生体１３と、渦発生体１３により生じるカルマン渦に基づく変化を検出する渦検出器１４とを有する渦式検出手段１５を備えるとともに、流路９に突出する感温センサ１６及び加熱感温センサ１７を有する熱式検出手段１８を備え、さらには、感温センサ１６と加熱感温センサ１７との温度差を一定にするための加熱側温度センサ１７の加熱に係る電力供給量制御を行い、その電力量から被測定流体の流量を算出及び渦検出器１４の検出値から被測定流体の流量を算出する流量変換器８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えたマルチ渦流量計に関する。

流管に流れる被測定流体の流量を計測するために、渦流量計や熱式流量計が用いられている。渦流量計は、周知のように、流体の流れの中に渦発生体を配設したとき、所定のレイノルズ数範囲では、渦発生体から単位時間内に発生するカルマン渦の数（渦周波数）が気体、液体に関係なく流量に比例することを利用したもので、この比例定数はストローハル数と呼ばれている。渦検出器としては、熱センサ、歪みセンサ、光センサ、圧力センサ、超音波センサ等が挙げられ、これらは渦による熱変化、揚力変化等を検出することが可能である。渦流量計は、被測定流体の物性に影響されずに流量を測定できる簡易な流量計であって、気体や流体の流量計測に広く使用されている（例えば特許文献１参照）。一方、熱式流量計は、流体温度検出センサと加熱側温度センサとを備えて構成されており、温度センサと加熱センサの機能を有する加熱側温度センサ（流速センサ（ヒータ））の温度が流体温度検出センサで計測される温度に対して一定の温度差になるように制御されている。これは、被測定流体を流した時にヒータから奪われる熱量が質量流量と相関があるからであって、ヒータに対する加熱電力量から質量流量が算出されるようになっている（例えば特許文献２参照）。
特許第２８６９０５４号公報（第３頁、第１図）特開２００４−１２２２０号公報（第６頁、第４図）

渦流量計は、微少流量計測や低流量計測が不向きであることが知られている。また、熱式流量計では、高流量計測が不向きであることが知られている。従って、微少流量から大流量まで幅広い範囲で流量が変化するような被測定流体を計測対象にする場合、いずれか一方の流量計のみを用いるだけでは計測範囲が不十分になってしまうという問題点を有している。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、微少流量から大流量まで精度よく計測することが可能なマルチ渦流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明のマルチ渦流量計は、流管の流路に設けられて被測定流体を通過させる測定管と、前記被測定流体の流れに対向するように前記測定管に設けられる渦発生体と、該渦発生体により生じるカルマン渦に基づく変化を検出する渦検出器とを有する渦式検出手段を備えるとともに、前記流路に突出する感温センサ及び加熱感温センサを有する熱式検出手段を備え、さらには、前記感温センサと前記加熱感温センサとの温度差を一定にするための前記加熱感温センサの加熱に係る電力供給量制御を行い、その電力量から前記被測定流体の流量を算出及び前記渦検出器の検出値から前記被測定流体の流量を算出する流量変換器を備えることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えた構成の流量計が提供される。微少流量域や低流量域では、熱式流量計の機能によって計測がなされ、高流量域では、渦流量計の機能によって計測がなされる。熱式流量計の機能における高流量域計測と、渦流量計の機能における低流量域計測とをある程度ラップさせて流量変換器で切り換えを行うようにすれば、微少流量から大流量まで精度よく計測することが可能になる。流量変換器では演算表示や出力等が行われる。

請求項２記載の本発明のマルチ渦流量計は、請求項１に記載のマルチ渦流量計において、前記感温センサ及び前記加熱感温センサを前記測定管の近傍に配置するとともに、該測定管には前記感温センサ及び前記加熱感温センサを保持する温度センサ保持部を設けることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、感温センサ及び加熱感温センサが測定管の温度センサ保持部で保持される。感温センサ及び加熱感温センサが保持されることにより、大流量時における感温センサ及び加熱感温センサに生じる応力集中が緩和される。

請求項３記載の本発明のマルチ渦流量計は、請求項２に記載のマルチ渦流量計において、前記測定管と前記温度センサ保持部とを一体化し一部品で形成することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、部品を新設せずに感温センサ及び加熱感温センサを保持することが可能になる。

請求項４記載の本発明のマルチ渦流量計は、請求項１ないし請求項３いずれか記載のマルチ渦流量計において、前記感温センサと前記加熱感温センサの各先端の配置を、前記流管の中央又は中央周辺部分にすることを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、感温センサ及び加熱感温センサの各感温部分が流管の壁から離れて配置される。外部から流管に伝わる熱は、感温センサ及び加熱感温センサの各感温部分に作用し難くなる。

請求項５記載の本発明のマルチ渦流量計は、請求項１ないし請求項４いずれか記載のマルチ渦流量計において、前記流管にあけた穴に対して前記渦式検出手段及び前記熱式検出手段を挿抜自在に形成することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、流量計を小さく構成することが可能になる。また、渦式検出手段及び熱式検出手段が挿抜自在であることから、取り付け及びメンテナンス等が容易に行えるようになる。

請求項１に記載された本発明によれば、微少流量から大流量まで精度よく被測定流体の流量を計測することができるという効果を奏する。本発明のマルチ渦流量計は、渦流量計と熱式流量計とを各々別個に設けるよりも、コスト、設置スペース等の面で効果的なものになる。

請求項２に記載された本発明によれば、感温センサ及び加熱感温センサの大流量時における応力集中を緩和することができるという効果を奏する。従って、感温センサ及び加熱感温センサの耐久性を向上させることができるという効果を奏する。

請求項３に記載された本発明によれば、部品点数の増大を抑えることができるという効果を奏する。安価な流量計を提供することができるという効果を奏する。

請求項４に記載された本発明によれば、より一層、計測精度を高めることができるという効果を奏する。

請求項５に記載された本発明によれば、構成を小さくして安価な流量計を提供することができるという効果を奏する。また、取り付け及びメンテナンス等を容易にすることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明のマルチ渦流量計の一実施の形態を示す断面図である。また、図２は図１の要部拡大図、図３〜図５は検出部の側面図、断面図、底面図である。

図１において、引用符号１は本発明のマルチ渦流量計を示している。そのマルチ渦流量計１は、渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えて構成されている。また、マルチ渦流量計１は、流管２に貫通形成した穴３に検出部４を差し込む挿入式の流量計として構成されている。本発明のマルチ渦流量計１は、検出部４、軸部５、及び固定部６を有するプローブ部７と、流量変換器８とを備えて構成されている。以下、図１ないし図５を参照しながら各構成部材について説明する。

流管２は、円筒形のものであって、本形態においては、水平方向に伸びるように配管されている（垂直方向に伸びるように配管してもよいものとする）。流管２の内部には、被測定流体が矢線Ｐ方向に流れる流路９が形成されている。流管２の上部には、円形の穴３が形成されている。穴３には、円筒形状のプローブ案内筒１０の一端が固着されている。プローブ案内筒１０には、検出部４や軸部５が差し込まれるようになっている。プローブ案内筒１０の他端には、円形のフランジ１１が固着されている。本形態においては、流管２とプローブ部７とがフランジ接合により接合されるようになっているが、この限りではないものとする。すなわち、ねじ込み継ぎ手やくい込み継ぎ手を用いるようにしてもよいものとする。

検出部４は、測定管１２と渦発生体１３と渦検出器１４とを有する渦式検出手段１５、及び、感温センサ１６と加熱感温センサ１７とを有する熱式検出手段１８の各流量検出部分を総称するものであって、このような検出部４は、図１に示されるように、例えば流路９の上部に配置されている。検出部４は、流管２の管断面の全体でなく、管断面の一部に存在するように構成されている。本発明のマルチ渦流量計１は、渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えているのにもかかわらず、検出部４が小型になるように形成されている。

測定管１２は、管断面が四角形状となる筒状に形成されている。測定管１２は、被測定流体が流れる矢線Ｐ方向に沿って伸びるように配置形成されている。測定管１２は、連結筒部１９を介して軸部５の底壁に連成されている。連結筒部１９は、測定管１２の上壁中央に連成されている。このような連結筒部１９には、渦発生体１３と温度センサ保持部２０とが形成されている（本形態では一体に形成されているが、この限りでないものとする）。

渦発生体１３は、測定管１２の内部に渦を発生させるための部分であって、被測定流体の流れに対向するように、その形状が形成されている。渦発生体１３は、本形態において、三角柱形状に形成されている（形状は一例であるものとする。特許文献１の特許第２８６９０５４号公報には幾つかの例が開示されている）。渦発生体１３は、測定管１２の被測定流体が流入する側の開口部分に形成されている。また、渦発生体１３は、その開口部分の中央に位置するように形成されている。さらに、渦発生体１３は、測定管１２の上記上壁及び下壁に一体となるように形成されている。

ここで、渦発生体１３により生じる渦について説明する。渦は、測定管１２の上記開口部分に流入する被測定流体が渦発生体１３に沿って流れる流れによって生じる運動量変化の大きい位置から剥離するもので、渦発生体１３の断面が本形態のように三角形状の場合は、三角形エッジ部が剥離点となる。渦発生体１３から剥離し流出する渦は、カルマンの安定渦条件に従って、千鳥状に交互に発生し、一定の渦間距離及び渦列間距離を保った渦列を形成しながら流出する。渦間距離は、単位時間当たりに発生する渦の数、すなわち、渦周波数と、所定時間内に、例えば、基準タンク等の基準容器に流入した流体から求めた流量に基づいて算出された単位時間当たりの流速とから求めることができる。

温度センサ保持部２０は、測定管１２の下壁から水平方向に、言い換えれば測定管１２の両側壁からそれぞれ突出するように形成されている。温度センサ保持部２０は、平面視の形状が三角形となるように形成されている。温度センサ保持部２０は、測定管１２に恰もヒレがあるような形状に形成されている。このような温度センサ保持部２０の三角形頂部近傍には、感温センサ１６、加熱感温センサ１７の各先端が差し込まれる穴（符号省略）が形成されている。温度センサ保持部２０は、渦検出器１４の両側に感温センサ１６と加熱感温センサ１７とが位置するように配置形成されている。

渦検出器１４は、渦検出のためのセンサであって、ここでは受圧センサが用いられている。渦検出器１４は、測定管１２内の渦発生体１３の下流側に配置される受圧板（センサ受圧板）２１を有している。渦検出器１４は、振動管２２内に圧電素子或いは歪みゲージを有する圧力検出素子板を備えている。渦検出器１４は、渦発生体１３により生じるカルマン渦に基づく変動圧力（交番圧力）を受圧板２１において検出するように構成されている。受圧板２１は、振動管２２の一端から伸びるように配置形成されている。振動管２２は、連結筒部１９に差し込まれ、受圧板２１のみが測定管１２内に突出するように取り付けられている。受圧板２１の配置は一例であるものとする。

振動管２２の他端には、鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、軸部５の内部に差し込まれた渦検出器１４を固定するために形成されている。鍔部２３と軸部５との間には、Ｏリング２４が挟まれている。Ｏリング２４は、軸部５の内部への被測定流体の浸入を防ぐために設けられている。渦検出器１４には、渦検出器１４からの信号を出力するための伝送線２５が設けられている。伝送線２５の一端は、モールド材でモールドされたモールド部２６によって渦検出器１４の端部に固定されるとともに保護されている。伝送線２５は、電力を得るため、及び流量変換器８側にセンサ出力を伝送するために設けられている。

軸部５の内部には、リング状の間座２７及びさらバネ２８と、筒状の間座２９とが設けられている。これらは、渦検出器１４を押さえ付けるために設けられており、軸部５の開口部に螺合する貫通タイプの止めネジ３０によって保持されている。軸部５には、周側壁を軸方向に貫通する貫通孔３１が二つ形成されている。尚、貫通孔３１については後述する。軸部５には、プローブ案内筒１０のフランジ１１に合わせて円形の固定部６が固着されている。固定部６は、本発明のマルチ渦流量計１を流管２に対して固定するための部分であって、プローブ案内筒１０のフランジ１１との間にパッキン３２を挟み込んだ状態でボルト３３により締め付けられるように形成されている。固定部６には、流量変換器８に対する取付筒部３４が形成されている。

渦式検出手段１５は、測定管１２と渦発生体１３と渦検出器１４の受圧板２１とを流管２に挿入して、流管２内を流動する被測定流体の流速又は流量を求めるために設けられている。流管２内を流動する被測定流体の流速又は流量は、測定管１２内を流れる被測定流体の流速又は流量を、流管２の部分流速又は部分流量として算出することにより求められている。これは、流管２の管断面の全体ではなく、その一部について測定しても、流れが均一ならば、その全体流量を推定することができることに基づいている。すなわち、直管を流れる整流された流体の流速分布は、レイノルズ数の関数として与えられるので、流管２の中心部から或る距離の位置での流速を流管２内の平均流速に換算することができる。

熱式検出手段１８を構成する感温センサ１６及び加熱感温センサ１７は、共に既知のものが用いられている。ここでは、具体的な構成について、その説明を省略する。本形態の感温センサ１６は、棒状の温度センサであり、同じく棒状の加熱感温センサ１７は、温度センサと加熱センサの機能を有する流速センサ（ヒータ）であるものとする。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７は、その先端側が感温部分３５、中間が固定部分３６として構成されている。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７は、軸部５の貫通孔３１にそれぞれ差し込まれて固定されている。

感温センサ１６及び加熱感温センサ１７の各感温部分３５は、流管２の流路９に突出しており、最先端部分は温度センサ保持部２０によって保持されている。各感温部分３５は、測定管１２の近傍に配置されている。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７は、渦検出器１４と共に横一列に並んで配置されている（配置は一例であるものとする。渦検出に影響を来さないように配置すれば他でもよいものとする）。尚、感温センサ１６及び加熱感温センサ１７の各感温部分３５を温度センサ保持部２０から更に突出するように長くしてもよいものとする（外部から流管２に伝わる熱の作用を避けるため）。

感温センサ１６及び加熱感温センサ１７の後端側は、固定部６における取付筒部３４の内側から突出して流量変換器８の内部に差し込まれている。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７は、貫通孔３１の開口縁部に取り付けたＯリング（符号省略）によってシールされている。引用符号３７はＯリング押さえを示している。Ｏリング押さえ３７は、ネジ止めによって取付筒部３４の内側に固定されている。Ｏリング押さえ３７には、特に符号を付さないが、感温センサ１６及び加熱感温センサ１７に対する貫通孔と、伝送線２５に対する引き出し用の貫通孔とが形成されている。

流量変換器８は、アダプタ３８を介して取付筒部３４の端部に取り付けられている。流量変換器８は、変換器ケース３９を有している。その変換器ケース３９の内部には、アンプボード４０が取り付けられている。アンプボード４０には、感温センサ１６及び加熱感温センサ１７の各リードと、渦検出器１４の伝送線２５とが接続されている。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７と伝送線２５は、変換器ケース３９を貫通して内部に引き込まれている。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７と伝送線２５は、Ｏリング（符号省略）によってシールされている。引用符号４１はネジ止めによって変換器ケース３９の内側に固定されるＯリング押さえを示している。感温センサ１６及び加熱感温センサ１７と渦検出器１４とアンプボード４０は、流量計測部及び流量演算部としての機能を有している。変換器ケース３９の開口部分には、スイッチボード４２やディスプレイボード４３を有する本体カバー４４がパッキン（符号省略）を挟んだ状態で取り付けられている。変換器ケース３９の一側壁には、伝送ケーブル４５が接続されている。

上記構成及び構造において、本発明のマルチ渦流量計１は、流管２の流路９を流れる被測定流体の流れの状況に応じて渦流量計の機能と熱式流量計の機能とが使い分けられるようになっている。すなわち、微少流量域や低流量域では、熱式流量計の機能によって計測がなされ、高流量域では、渦流量計の機能によって計測がなされるようになっている。尚、本発明のマルチ渦流量計１は、熱式流量計の機能における高流量域計測と、渦流量計の機能における低流量域計測とがある程度ラップするようになっており、流量変換器８で切り換えが行われるようになっている。

先ず、微少流量域や低流量域を計測する際の作用、すなわち、熱式流量計の機能によって計測を行う場合の作用を説明する。加熱感温センサ１７は、感温センサ１６で検出された温度に基づいて流量計測を行う。すなわち、本発明のマルチ渦流量計１の流量計測部及び流量演算部では、感温センサ１６と加熱感温センサ１７との温度差が一定（例えば＋３０℃）になるように、加熱感温センサ１７を加熱する（電流を流す）とともに、その加熱に係る電流値から質量流量を算出する。算出された質量流量は、所定の単位に換算された後に、本体カバー４４の上部に設けられた表示部に表示、又は伝送ケーブル４５で送信されて図示しない表示装置に表示される。

上記質量流量の算出について補足説明すると、被測定流体（図示省略）を矢線Ｐ方向に流したときに、加熱感温センサ１７は被測定流体によって冷やされる。感温センサ１６との温度差を一定に制御するためには、さらに加熱感温センサ１７に電流を流す必要がある。この時、加熱感温センサ１７に流れる電流は、質量流量に比例することが知られており、これを利用して質量流量が算出される。

次に、渦流量計の機能によって計測を行う場合の作用を説明する。渦発生体１３により生じるカルマン渦に基づく変動圧力（交番圧力）を受圧板２１において検出する。そして、渦検出器１４における検出値から測定管１２内を流れる被測定流体の流速又は流量を、流管２の部分流速又は部分流量として算出し、流管２内を流れる被測定流体の流速又は流量（容積流量）を算出するする。算出された流速又は流量は、所定の単位に換算された後に、本体カバー４４の上部に設けられた表示部に表示、又は伝送ケーブル４５で送信されて図示しない表示装置に表示される。

以上、図１ないし図５を参照しながら説明してきたように、本発明のマルチ渦流量計１は、ゼロや微少流量から大流量まで精度よく被測定流体の流量を計測することができる（流量レンジが１：５００程度まで拡大することが可能）。また、本発明のマルチ渦流量計１は、渦流量計と熱式流量計とを各々別個に設けるよりも、コスト、設置スペース等の面で効果的なものになる。さらに、本発明のマルチ渦流量計１は、挿入式の流量計であることから構成を小さくすることができる。さらにまた、本発明のマルチ渦流量計１は、挿入式の流量計であることから、既存配管への設置が容易となって設置コストの低減を図ることができる。さらにまた、本発明のマルチ渦流量計１は、挿入式の流量計であることから安価に提供することができる。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

本発明のマルチ渦流量計の一実施の形態を示す断面図である。図１の要部拡大図である。検出部の側面図である。検出部の断面図である。検出部の底面図である。

符号の説明

１マルチ渦流量計
２流管
３穴
４検出部
５軸部
６固定部
７プローブ部
８流量変換器
９流路
１０プローブ案内筒
１１フランジ
１２測定管
１３渦発生体
１４渦検出器
１５渦式検出手段
１６感温センサ
１７加熱感温センサ
１８熱式検出手段
１９連結筒部
２０温度センサ保持部
２１受圧板
２２振動管
２３鍔部
２４Ｏリング
２５伝送線
２６モールド部
２７、２９間座
２８さらバネ
３０止めネジ
３１貫通孔
３２パッキン
３３ボルト
３４取付筒部
３５感温部分
３６固定部分
３７、４１Ｏリング押さえ
３８アダプタ
３９変換器ケース
４０アンプボード
４２スイッチボード
４３ディスプレイボード
４４本体カバー
４５伝送ケーブル

Claims

流管の流路に設けられて被測定流体を通過させる測定管と、前記被測定流体の流れに対向するように前記測定管に設けられる渦発生体と、該渦発生体により生じるカルマン渦に基づく変化を検出する渦検出器とを有する渦式検出手段を備えるとともに、前記流路に突出する感温センサ及び加熱感温センサを有する熱式検出手段を備え、さらには、前記感温センサと前記加熱感温センサとの温度差を一定にするための前記加熱感温センサの加熱に係る電力供給量制御を行い、その電力量から前記被測定流体の流量を算出及び前記渦検出器の検出値から前記被測定流体の流量を算出する流量変換器を備える
ことを特徴とするマルチ渦流量計。
請求項１に記載のマルチ渦流量計において、
前記感温センサ及び前記加熱感温センサを前記測定管の近傍に配置するとともに、該測定管には前記感温センサ及び前記加熱感温センサを保持する温度センサ保持部を設ける
ことを特徴とするマルチ渦流量計。
請求項２に記載のマルチ渦流量計において、
前記測定管と前記温度センサ保持部とを一体化し一部品で形成する
ことを特徴とするマルチ渦流量計。
請求項１ないし請求項３いずれか記載のマルチ渦流量計において、
前記感温センサと前記加熱感温センサの各先端の配置を、前記流管の中央又は中央周辺部分にする
ことを特徴とするマルチ渦流量計。
請求項１ないし請求項４いずれか記載のマルチ渦流量計において、
前記流管にあけた穴に対して前記渦式検出手段及び前記熱式検出手段を挿抜自在に形成する
ことを特徴とするマルチ渦流量計。