JP2006105847A - Thermal type flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は熱式流量計に関し、具体的には熱式流量計の一種である境界層流量計に関する。 The present invention relates to a thermal flow meter, and more specifically to a boundary layer flow meter which is a kind of a thermal flow meter.
熱式流量計の構造及び測定原理は次のとおりである。なお、以下文章中にある熱式流量計は、境界層流量計を示す。 The structure and measurement principle of the thermal flow meter are as follows. The thermal flow meter in the following text indicates a boundary layer flow meter.
図10には従来の熱式流量計の構成図を示す。同図に示すように熱式流量計は、内部を流体(例えば、水)が流れる配管1を加熱するヒータ2と、ヒータ2よりも上流側に位置する配管1の管壁部分(測定点1a)の温度を測定する測温抵抗体などの温度センサ3と、ヒータ2で加熱される配管1の管壁部分(測定点1b)の温度を測定する測温抵抗体などの温度センサ4とを有している。この場合、温度センサ3はヒータ2から十分離れた位置に配置され、温度センサ4は図示のようなヒータ2の直ぐ内側(直下又は直上など)もしくはヒータ2よりも下流側に配置される。このため、温度センサ3で測定される管壁温度T1はヒータ2の影響が小さく、図10に配管1の半径r方向の温度分布(流体温度及び管壁温度)のグラフを示すようにほぼ流体温度と等しくなることから、温度センサ3で測定される管壁温度T1と測温抵抗体4で測定される管壁温度T2との差は、ヒータ2の加熱量と流体の熱伝達率に依存する。従って、ヒータ2の加熱量が既知である場合、本体系により流体の熱伝達率を評価し、最終的にはこの熱伝達率への影響因子である流体の流速(流量)を求めることができる。
FIG. 10 shows a configuration diagram of a conventional thermal flow meter. As shown in the figure, the thermal flow meter includes a heater 2 that heats a
詳述すると、温度センサ3の測温点1aから温度センサ4の測温点1bまでの間で流体への入放熱量が十分小さければ、ヒータ加熱部における流体温度は温度センサ3で測定される上流側の管壁温度T1と同等とみなせる。従って、ヒータ加熱部の管壁温度(流体温度)T1と管壁温度T2及びヒータ2の発熱量の関係は以下のとおりとなる。
q=h×(T2−T1)
q=Q/A
ここで、q(W/m2)は熱流束、h(W/m2・k)は管壁/流体間の熱伝達率、Q(W)はヒータ発熱量、A(m2)はヒータ加熱面積である。熱伝達率hは、レイノルズ数Re、プラントル数をPrとすると、一般に
h∝Rem・Prn
の関係となることから、流体物性及び管径が既知であれば、流体の流速u(m/s)の関数となる。即ち、
h=f(u)
であることから、ヒータ発熱量Qとヒータ加熱面積Aから求められる熱流束q及び温度センサ3,4によって求められる管壁温度T1,T2より、流速uは下式で求められる。また、この流速uと配管1の流路断面積や流体の密度から流体の流量が求められる。
u=f-1(h)=f-1{q/(T2−T1)}
More specifically, if the amount of heat input to heat from the temperature measuring point 1a of the temperature sensor 3 to the temperature measuring point 1b of the temperature sensor 4 is sufficiently small, the fluid temperature in the heater heating unit is measured by the temperature sensor 3. It can be regarded as equivalent to the upstream pipe wall temperature T1. Therefore, the relationship between the tube wall temperature (fluid temperature) T1 of the heater heating portion, the tube wall temperature T2, and the heat generation amount of the heater 2 is as follows.
q = h × (T2-T1)
q = Q / A
Here, q (W / m 2 ) is the heat flux, h (W / m 2 · k) is the heat transfer coefficient between the tube wall / fluid, Q (W) is the heating value of the heater, and A (m 2 ) is the heater Heating area. The heat transfer coefficient h is generally expressed as h∝Re m · Pr n , where Reynolds number Re and Prandtl number are Pr.
Therefore, if the fluid physical properties and the pipe diameter are known, it is a function of the fluid flow velocity u (m / s). That is,
h = f (u)
Therefore, the flow velocity u is obtained by the following equation from the heat flux q obtained from the heater heat generation amount Q and the heater heating area A and the tube wall temperatures T1 and T2 obtained from the temperature sensors 3 and 4. Further, the flow rate of the fluid is obtained from the flow velocity u, the cross-sectional area of the
u = f −1 (h) = f −1 {q / (T2−T1)}
なお、熱式流量計が記載されている先行技術文献としては、例えば下記の特許文献1がある。
As a prior art document describing a thermal flow meter, for example, there is
上記の先行技術文献においては従来の熱式流量計に流体過熱防止用の冷却機構を設けたものであるが、これを含めた従来の熱式流量計では基本的に、流体の流量測定範囲が広い場合、流体の流況(流動状態)自体が流体の流速(流量)の増大とともに層流域から遷移域、最終的には乱流域へと移行するため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的では無くなってしまう。つまり、図11に流体流量(流況)と熱伝達率の関係を示すように流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行する場合には流体流量と熱伝達率の関係にリニアリティがない。このため、従来の熱式流量計(境界層流量計)では広い流量計測範囲において精度のよい流量計測を行うことが難しかった。 In the above prior art documents, a conventional thermal flow meter is provided with a cooling mechanism for preventing fluid overheating. However, a conventional thermal flow meter including this basically has a fluid flow measurement range. In a wide case, the fluid flow state (flow state) itself shifts from a laminar flow region to a transition region, and finally to a turbulent flow region as the fluid flow velocity (flow rate) increases, so the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (ie thermal The relationship with the output of the flowmeter is not unique. In other words, as shown in FIG. 11, the relationship between the fluid flow rate (flow state) and the heat transfer coefficient, when the flow state shifts to the laminar flow region, transition region, and turbulent flow region as the fluid flow rate increases, There is no linearity in the relationship. For this reason, it has been difficult for the conventional thermal flow meter (boundary layer flow meter) to perform accurate flow measurement in a wide flow measurement range.
従って本発明は上記の事情に鑑み、従来であれば流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行するような広い流量計測範囲においても、精度のよい流量計測を行うことができる熱式流量計(境界層流量計)を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention can accurately measure the flow rate even in a wide flow rate measurement range in which the flow state transitions to a laminar flow region, a transition region, and a turbulent flow region as the fluid flow rate increases. It is an object of the present invention to provide a thermal flow meter (boundary layer flow meter) capable of performing the above.
上記課題を解決する第1発明の熱式流量計は、配管を加熱する加熱手段と、前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、前記配管の前記加熱手段で加熱される部分の内部に乱流促進体を設け、この乱流促進体で前記配管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とするように構成したことを特徴とする。 The thermal flow meter of the first invention that solves the above problems includes a heating means for heating a pipe, and a temperature of a pipe wall portion of the pipe or a temperature of a fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means. A thermal flow meter having first temperature measuring means for measuring the temperature and second temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe heated by the heating means, A turbulent flow promoting body is provided inside the part heated by the heating means, and the turbulent flow promoting body disturbs the flow of the fluid flowing in the pipe so that the fluid flows over the entire predetermined flow rate measurement range of the fluid. It is characterized by having a turbulent state.
また、第2発明の熱式流量計は、第1発明の熱式流量計において、前記乱流促進体は、コイルであることを特徴とする。 The thermal flow meter of the second invention is the thermal flow meter of the first invention, wherein the turbulence promoting body is a coil.
また、第3発明の熱式流量計は、第1発明の熱式流量計において、前記乱流促進体は、前記流体の流れ方向に間隔をあけて配置した複数の円環であることを特徴とする。 The thermal flow meter of the third invention is the thermal flow meter of the first invention, wherein the turbulence promoting body is a plurality of rings arranged at intervals in the fluid flow direction. And
また、第4発明の熱式流量計は、第1発明の熱式流量計において、前記乱流促進体は、前記配管の内面に突設した突起物であることを特徴とする。 The thermal flow meter according to a fourth aspect of the present invention is the thermal flow meter according to the first aspect, wherein the turbulence promoting body is a protrusion projecting from the inner surface of the pipe.
また、第5発明の熱式流量計は、第1発明の熱式流量計において、前記乱流促進体は、ねじれテープであることを特徴とする。 The thermal flow meter of the fifth invention is the thermal flow meter of the first invention, wherein the turbulent flow promoting body is a twisted tape.
また、第6発明の熱式流量計は、配管を加熱する加熱手段と、前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、前記配管は、管径の異なる複数の配管部分を有する複数段の構造とすることにより、前記配管内を流れる流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とし、前記加熱手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置し、前記第1の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のうちの最も上流側に位置する配管部分に配置された加熱手段よりも上流側に配置し、前記第2の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置したことを特徴とする。 The thermal flow meter of the sixth aspect of the invention measures the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means and heating means for heating the pipe. A thermal flow meter having a first temperature measuring means and a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means, wherein the pipe has a pipe diameter By using a multi-stage structure having a plurality of different pipe portions, the fluid is turbulent in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid flowing in the pipe, and the heating means has a different pipe diameter. It arrange | positions at each of several piping parts, and a said 1st temperature measurement means is upstream from the heating means arrange | positioned at the piping part located in the most upstream among the several piping parts from which the said pipe diameter differs. The second temperature measuring means is disposed on the tube Characterized in that disposed in each of the different piping.
また、第7発明の熱式流量計は、配管を加熱する加熱手段と、前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、前記配管の少なくとも前記加熱手段で加熱される配管部分は螺旋管とすることにより、この螺旋管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とする。 A thermal flow meter according to a seventh aspect of the present invention measures a heating means for heating a pipe and a temperature of a pipe wall portion of the pipe or a temperature of a fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means. A thermal flow meter having first temperature measuring means and second temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe heated by the heating means, wherein at least the heating means of the pipe The pipe portion heated by the above is a spiral pipe, which disturbs the flow of the fluid flowing in the spiral pipe and makes the fluid turbulent in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid. To do.
また、第8発明の熱式流量計は、配管を加熱する加熱手段と、前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、前記配管の前記加熱手段で加熱される配管部分をベンド管とすることにより、このベンド管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とする。 The thermal flow meter according to the eighth aspect of the invention measures the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means and heating means for heating the pipe. A thermal flow meter having a first temperature measuring means and a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means, wherein the heating means of the pipe By making the pipe part to be heated into a bend pipe, the flow of the fluid flowing in the bend pipe is disturbed to make the fluid turbulent in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid. .
また、第9発明の熱式流量計は、配管内に配置して、前記配管内を流れる流体が衝突することにより、前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とする流体衝突部材と、前記流体衝突部材を加熱する加熱手段と、前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、前記加熱手段で加熱される前記流体衝突部材の温度を測定する第2の温度測定手段とを有することを特徴とする。 A thermal flow meter according to a ninth aspect of the invention is arranged in a pipe, and the fluid flowing in the pipe collides with the fluid in a turbulent state over the entire predetermined flow rate measurement range of the fluid. A fluid impinging member, a heating means for heating the fluid impinging member, and a temperature of a pipe wall portion of the pipe or a temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means. It has temperature measuring means and second temperature measuring means for measuring the temperature of the fluid collision member heated by the heating means.
第1、第2、第3、第4又は第5発明の熱式流量計によれば、コイル、円環、突起物又はねじれテープなどの乱流促進体を、配管の加熱手段で加熱される部分の内部に設け、この乱流促進体で配管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とするように構成したことを特徴とするため、前記所定の流量測定範囲、即ち、乱流促進体を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、前記所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができ、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
なお、乱流促進体としては、特にコイルを用いる場合が設置の容易さや入手の容易さなどから低コストであるため、最も望ましい。
According to the thermal flow meter of the first, second, third, fourth, or fifth invention, a turbulent flow promoting body such as a coil, a ring, a protrusion, or a twisted tape is heated by a heating means of the pipe. Provided inside the part, the turbulence promoting body is configured to disturb the flow of the fluid flowing in the pipe so that the fluid is in a turbulent state in the entire range of the predetermined flow rate measurement range of the fluid. Therefore, the predetermined flow rate measurement range, that is, a relatively wide flow rate measurement range in which the flow state transitions to a laminar flow region, a transition region, and a turbulent flow region as the fluid flow rate increases unless a turbulence promoter is provided. The fluid can be in a turbulent state in the entire range. Accordingly, the relationship between the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (heat transfer coefficient between the pipe wall / fluid) can be provided with linearity over the entire range of the predetermined flow rate measurement range, and the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (ie, heat transfer rate). The relationship with the output of the flow meter is unique. For this reason, the flow rate measurement range is wide and accurate flow rate measurement is possible.
As the turbulent flow promoter, the use of a coil is the most desirable because it is inexpensive because of its ease of installation and availability.
また、第6発明の熱式流量計によれば、前記配管は、管径の異なる複数の配管部分を有する複数段の構造とすることにより、前記配管内を流れる流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とし、前記加熱手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置し、前記第1の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のうちの最も上流側に位置する配管部分に配置された加熱手段よりも上流側に配置し、前記第2の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置したことを特徴とするため、前記所定の流量測定範囲、即ち、比較的管径の大きな配管部分だけでは流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができ、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。しかも、流体流量が大きくなった場合でも、加熱手段の加熱量の増大を要せず、管径の大きな配管部分では第2の温度測定手段で測定した管壁温度と第1の温度測定手段で測定した流体温度又は管壁温度との差が大きくなる。このため、コストアップを招くことなく、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。 Moreover, according to the thermal flow meter of the sixth invention, the pipe has a plurality of stages having a plurality of pipe portions having different pipe diameters, so that a predetermined flow rate measurement range of the fluid flowing in the pipe can be obtained. The fluid is in a turbulent state over the entire range, the heating means is disposed in each of the plurality of pipe parts having different pipe diameters, and the first temperature measurement means is provided for the plurality of pipe parts having different pipe diameters. The second temperature measuring means is arranged on each of the plurality of pipe parts having different pipe diameters, and arranged on the upstream side of the heating means arranged on the pipe part located on the most upstream side. Therefore, the predetermined flow rate measurement range, that is, a relatively wide flow rate in which only the pipe portion having a relatively large pipe diameter moves from a laminar flow region, a transition region, and a turbulent flow region as the fluid flow rate increases. Turbulent fluid flow over the entire measurement range It can be. Therefore, linearity can be given to the relationship between the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (heat transfer coefficient between the pipe wall / fluid) over the entire range of the predetermined flow rate measurement range. Relationship with the output of the flow meter). Moreover, even when the fluid flow rate is increased, the heating amount of the heating means is not required to be increased, and the pipe wall temperature measured by the second temperature measuring means and the first temperature measuring means are used in a pipe portion having a large pipe diameter. The difference from the measured fluid temperature or tube wall temperature increases. For this reason, the flow rate measurement range is wide and the flow rate can be accurately measured without increasing the cost.
また、第7発明の熱式流量計によれば、前記配管の少なくとも前記加熱手段で加熱される配管部分は螺旋管とすることにより、この螺旋管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管を螺旋管としなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができるため、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができ、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。 According to the thermal flow meter of the seventh aspect of the invention, at least the pipe portion heated by the heating means of the pipe is a spiral pipe, so that the flow of the fluid flowing in the spiral pipe is disturbed. Since the fluid is in a turbulent flow state in the entire range of the predetermined flow rate measurement range, the flow state is increased as the fluid flow rate is increased unless the flow rate measurement range of the fluid, that is, the pipe is a spiral tube. Since the fluid can be in a turbulent state over the entire range of a relatively wide flow rate measurement range that transitions to the laminar flow region, transition region, and turbulent flow region, the fluid flow rate and heat Linearity can be given to the relationship between the transfer rate (heat transfer rate between the tube wall / fluid), and the relationship between the fluid flow rate and the heat transfer rate (ie, the output of the thermal flow meter) is unique. For this reason, the flow rate measurement range is wide and accurate flow rate measurement is possible.
また、第8発明の熱式流量計によれば、前記配管の前記加熱手段で加熱される配管部分をベンド管とすることにより、このベンド管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管の加熱部をベンド管としなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。 According to the thermal flow meter of the eighth aspect of the invention, the pipe portion heated by the heating means of the pipe is a bend pipe, thereby disturbing the flow of the fluid flowing in the bend pipe, and Since the fluid is in a turbulent flow state over the entire flow rate measurement range, the fluid flow rate increases as the fluid flow rate increases unless the predetermined flow rate measurement range of the fluid, i.e., the heating part of the pipe, is a bend pipe. The fluid can be in a turbulent state over the entire range of a relatively wide flow rate measurement range in which the state shifts to a laminar flow region, a transition region, and a turbulent flow region. Since the relationship between the heat transfer coefficient (the heat transfer coefficient between the tube wall and the fluid) can be made linear, the relationship between the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (that is, the output of the thermal flow meter) is unique. . For this reason, the flow rate measurement range is wide and accurate flow rate measurement is possible.
また、第9発明の熱式流量計によれば、配管内に配置して、前記配管内を流れる流体が衝突することにより、前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とする流体衝突部材を有することを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管内に流体衝突部材を配置しなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。 According to the thermal flow meter of the ninth aspect of the present invention, when the fluid flowing in the piping collides with the fluid, the fluid is turbulently flown over the entire predetermined flow rate measurement range of the fluid. Since the fluid collision member is in a state, the predetermined flow rate measurement range of the fluid, that is, if the fluid collision member is not arranged in the pipe, the flow state is increased as the fluid flow rate increases, The fluid can be in a turbulent state over the entire range of a relatively wide flow rate measurement range that shifts to the turbulent flow region, and the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (tube wall / Since the linearity can be given to the relationship with the heat transfer coefficient between the fluids, the relationship between the fluid flow rate and the heat transfer coefficient (that is, the output of the thermal flow meter) is unique. For this reason, the flow rate measurement range is wide and accurate flow rate measurement is possible.
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づき、詳細に説明する。なお、本発明の熱式流量計は宇宙ステーションなどの各所に用いられる流量計として幅広く適用可能なものである。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The thermal flow meter of the present invention can be widely applied as a flow meter used in various places such as a space station.
<実施の形態例1>
図1〜図5は本発明の実施の形態例1に係る熱式流量計(境界層流量計)の構成図であり、これらの熱式流量計は何れも配管内に乱流促進体を設けたものである。
<
1 to 5 are configuration diagrams of a thermal flow meter (boundary layer flow meter) according to
図1に示す熱式流量計は、加熱手段としてのヒータ11と、第1の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ12と、第2の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ13と、乱流促進体としてのコイル14とを有するものであり、図1中に矢印Aで示すように配管15内を流れる水などの流体の流速(流量)を計測するためのものである。
The thermal flow meter shown in FIG. 1 includes a
ヒータ11は配管15の外周面15aに装着されており、配管15(管壁)を加熱する。ヒータ11は電気ヒータであり、図示しないヒータ電源に接続されている。従って、ヒータ11はヒータ電源からの供給電力により発熱して配管15を加熱する。なお、ヒータ15の加熱量は例えばヒータ電源からヒータ15へ供給される電力量を電力計で計測することなどによって適宜求めることができる。
The
温度センサ12はヒータ15の設置位置よりも流体の流れ方向の上流側(以下単に上流側という)において配管15の管壁に設置されており、当該管壁部分(測定点15c)の温度T1を測定する。この場合、温度センサ12によって流体の温度を直接測定することも考えられるが、そのためには温度センサ12を配管15内に挿入しなければならず、温度センサ12が流体の流れに対する抵抗となってしまうため、温度センサ12によって管壁温度T1を計測するほうが望ましい。温度センサ12はヒータ11から十分離れた位置に配置されているため、温度センサ12で測定される管壁温度T1はヒータ11の影響が小さく、配管15内を流れる流体の温度とほぼ等しくなる。換言すれば、温度センサ12は流体の流量が変化しても出力(管壁温度の測定値)が変化しないようにヒータ11から十分離れた位置に設置する。
The
温度センサ13はヒータ11で加熱される配管15の管壁部分(測定点15d)の温度T2を測定する。この場合、流体流量の変化に伴って変化する流体の熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)の変化が温度センサ13で測定される管壁温度T2に大きく反映されるよう、即ち温度センサ13の測定点15dを通過する熱流束が大きくなるように温度センサ13は、図示のようなヒータ11の直ぐ内側(直上又は直下など)に設置することが望ましい。
The
温度センサ12で測定した管壁温度T1(又は流体温度)と温度センサ13で測定した管壁温度T2は図示しない演算装置に入力される。演算装置では、背景技術の欄で述べたとおり、管壁温度T1(又は流体温度)及びヒータ加熱部の管壁温度T2と、ヒータ11の加熱量と、流体物性と、管径とに基づいて演算により流体の流速(流量)を求める。
The tube wall temperature T1 (or fluid temperature) measured by the
そして、コイル14は配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に配置されている。コイル14は接着などの適宜の固定手段によって配管15の内周面15bに固定されている。コイル14は中心軸の方向が流体の流れ方向(矢印A方向)に沿っている。なお、図示例ではコイル14として針金などの金属線を螺旋状に形成してなるワイヤーコイルを用いているが、必ずしもこれに限定するものではなく、コイル14を形成する(螺旋状とする)ための線状体の材質としては樹脂などの適宜のものを用いることができる。
And the
コイル14を配管15内に設けたことにより、配管15内を流れる流体がコイル14を設けなければ層流となるような低流量域(低レイノルズ域)のときにも、前記流体の流れをコイル14によって乱す(管壁付近の境界層流れを撹乱する)ことで前記流体を乱流状態とすることができる。つまり、コイル14を設けることによって比較的低流量域(低レイノルズ域)のときから流況を乱流とすることができる。このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、コイル14を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
Since the
また、コイル14に代えて、図2〜図5に示すような他の構造の乱流促進体を用いるようにしてもよい。なお、図2〜図5では乱流促進体と構造が異なるのみであり、その他の構成については図1と同様であるため、同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。
Moreover, it may replace with the
図2に示す熱式流量計では、乱流促進体としての複数の円環21が、配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に設けられている。複数の円環21は配管15内を流れる流体の流れ方向(矢印A方向)に一定の間隔で配置されており、配管15の内面15bに接着などの適宜の固定手段によって固定されている。このように複数の円環21を配管15内に設けたことにより、配管15内を流れる流体が円環21を設けなければ層流となるような低流量域(低レイノルズ域)のときにも、前記流体の流れを円環21によって乱す(管壁付近の境界層流れを撹乱する)ことで前記流体を乱流状態とすることができる。つまり、円環21を設けることによって比較的低流量域(低レイノルズ域)のときから流況を乱流とすることができる。このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、円環21を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
In the thermal flow meter shown in FIG. 2, a plurality of
図3に示す熱式流量計では、乱流促進体としての突起物31が、配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に設けられている。突起物31は配管15の内面に突設されており、螺旋状に形成された一体のものである。なお、突起物31の断面形状は図示例のような台形状の他、三角形状や矩形状などの適宜の形状とすることができる。このように突起物31を配管15内に設けたことにより、配管15内を流れる流体が突起物31を設けなければ層流となるような低流量域(低レイノルズ域)のときにも、前記流体の流れを突起物31によって乱す(管壁付近の境界層流れを撹乱する)ことで前記流体を乱流状態とすることができる。つまり、突起物31を設けることによって比較的低流量域(低レイノルズ域)のときから流況を乱流とすることができる。このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、突起物31を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
In the thermal flow meter shown in FIG. 3, a
図4に示す熱式流量計では、乱流促進体としての突起物41が、配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に設けられている。突起物41は配管15の内面に複数突設されている。なお、突起物31の断面形状は図示例のような円錐状の他、円錐台状、針状など適宜の形状とすることができる。このように突起物41を配管15内に設けたことにより、配管15内を流れる流体が突起物41を設けなければ層流となるような低流量域(低レイノルズ域)のときにも、前記流体の流れを突起物41によって乱す(管壁付近の境界層流れを撹乱する)ことで前記流体を乱流状態とすることができる。つまり、突起物41を設けることによって比較的低流量域(低レイノルズ域)のときから流況を乱流とすることができる。このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、突起物41を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
In the thermal flow meter shown in FIG. 4, a
図5に示す熱式流量計では、乱流促進体としてのねじれテープ51が、配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に設けられている。ねじれテープ51は接着などの適宜の固定手段によって配管15の内周面15bに固定されている。ねじれテープ51は金属板などの適宜の材質の板をねじった構造のものであり、中心軸の方向が流体の流れ方向(矢印A方向)に沿っている。このようにねじれテープ51を配管15内に設けたことにより、配管15内を流れる流体がねじれテープ51を設けなければ層流となるような低流量域(低レイノルズ域)のときにも、前記流体の流れをねじれテープ51によって乱す(主流を旋回させて主流と管壁近傍の流れとを入れ替える)ことで前記流体を乱流状態とすることができる。つまり、ねじれテープ51を設けることによって比較的低流量域(低レイノルズ域)のときから流況を乱流とすることができる。このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、ねじれテープ51を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
In the thermal flow meter shown in FIG. 5, a
以上のように本実施の形態例の熱式流量計によれば、コイル14、円環21、突起物31,41又はねじれテープ51などの乱流促進体を、配管15のヒータ11で加熱される部分の内部に設け、この乱流促進体で配管15内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とするように構成したことを特徴とするため、前記所定の流量測定範囲、即ち、乱流促進体を設けなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
なお、乱流促進体としては、特にコイル14を用いる場合が設置の容易さや入手の容易さなどから低コストであるため、最も望ましい。
As described above, according to the thermal flow meter of the present embodiment, the turbulence promoting body such as the
As the turbulent flow promoter, the use of the
<実施の形態例2>
配管の管径を小さくすれば低流量域でも流体を乱流状態にすることができる。しかし、単に管径を小さくした場合、当該小管径の配管において高流量の測定を行うときには、流体の流速が非常に大きくなって、流体の熱伝達率が非常に大きくなるため、ヒータ加熱部における管壁温度T2と流体温度(管壁温度T1)との差が小さくなって測定精度が低下してしまう。このため、測定精度を上げるには管壁温度T2と流体温度(管壁温度T1)との差を大きくしなければならないが、そのためにはヒータ加熱量を大きくしなければならず、コストアップを招いてしまう。
<Embodiment 2>
If the pipe diameter is reduced, the fluid can be in a turbulent state even in a low flow rate region. However, when the pipe diameter is simply reduced, the flow rate of the fluid becomes very large and the heat transfer coefficient of the fluid becomes very large when measuring a high flow rate in the small pipe diameter pipe. In this case, the difference between the tube wall temperature T2 and the fluid temperature (tube wall temperature T1) becomes small, and the measurement accuracy decreases. For this reason, in order to increase the measurement accuracy, the difference between the tube wall temperature T2 and the fluid temperature (tube wall temperature T1) must be increased. To this end, the heater heating amount must be increased, which increases the cost. I will invite you.
そこで、本実施の形態例2では、管径を小さくすることよって乱流を促進し、且つ、その場合に生じる上記のような問題点も解決するものである。図6には本発明の実施の形態例2に係る熱式流量計(境界層流量計)の構成図を示す。 Therefore, in the second embodiment, the turbulent flow is promoted by reducing the tube diameter, and the above-mentioned problems occurring in that case are also solved. FIG. 6 shows a configuration diagram of a thermal type flow meter (boundary layer flow meter) according to Embodiment 2 of the present invention.
図6に示す熱式流量計は、加熱手段としてのヒータ61,62,63と、第1の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ64と、第2の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ65,66,67とを有し、且つ、配管68の構造に工夫を施したものであり(詳細後述)、図6中に矢印Aで示すように配管68内を流れる水などの流体の流速(流量)を計測するためのものである。
The thermal flow meter shown in FIG. 6 includes
配管68は、管径の異なる3つの配管部分68A,68B,68Cを有する3段構造となっている。配管部分68A,68B,68Cは流体の流れ方向の上流側から下流側(以下単に上流側、下流側という)に向かって順に管径(内径)が小さくなっている。最も下流側に位置して最も管径の小さい配管部分68Cでは、他の配管部分68B,68Cでは層流となるような低流量域の流体でも、乱流となる。換言すれば、配管部分68Cの管径は流体流量が所定の低流量のときにも流体が乱流状態となるような値に設定されている。そして、流体流量の増大とともに配管部分68Bでも流体が乱流状態となり、更に配管部分68Aでも乱流状態となる。
The
このため、所定(所望)の流量測定範囲、即ち、配管部分68Aや配管部分68Bのような比較的管径の大きな配管部分だけでは流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができる。従って、所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。なお、段数(管径の異なる配管部分の数)は必ずしも3段(3つ)に限定するものではなく、必要に応じて2段(2つ)又は4段(4つ)以上であってもよい。
For this reason, in a predetermined (desired) flow rate measurement range, that is, only in a pipe part having a relatively large pipe diameter such as the
ヒータ61,62,63は、管径の異なる複数の配管部分68A,68B,68Cのそれぞれの外周面68A−1,68B−1,68C−1に装着されており、各配管部分68A,68B,68Cの管壁をそれぞれ加熱する。ヒータ61,62,63は電気ヒータであり、図示しないヒータ電源に接続されている。従って、ヒータ61,62,63はヒータ電源からの供給電力により発熱して配管部分68A,68B,68Cをそれぞれ加熱する。なお、各ヒータ61,62,63の加熱量は例えばヒータ電源から各ヒータ61,62,63へ供給される電力量を電力計で計測することなどによって適宜求めることができる。
The
温度センサ64は管径の異なる配管部分68A,68B,68Cのうちの最も上流側に位置する配管部分68Aに配置されたヒータ61の設置位置よりも上流側において配管部分68Aの管壁に設置されており、当該管壁部分(測定点68a)の温度T1を測定する。この場合、温度センサ64によって流体の温度を直接測定することも考えられるが、そのためには温度センサ64を配管68(配管部分68A)内に挿入しなければならず、温度センサ64が流体の流れに対する抵抗となってしまうため、温度センサ64によって管壁温度T1を計測するほうが望ましい。温度センサ64はヒータ61から十分離れた位置に配置されているため、温度センサ64で測定される管壁温度T1はヒータ61の影響が小さく、配管68内を流れる流体の温度とほぼ等しくなる。換言すれば、温度センサ64は流体の流量が変化しても出力(管壁温度の測定値)が変化しないようにヒータ61から十分離れた位置に設置する。この場合、当然、温度センサ64はヒータ62,63からも十分離れている。
The temperature sensor 64 is installed on the pipe wall of the
温度センサ65,66,67は管径の異なる配管部分68A,68B,68Cのそれぞれに配置され、各ヒータ61,62,63で加熱される各配管部分68A,68B,68Cの管壁部分(測定点68b,68c,68d)の温度T2−1,T2−2,T2−3のそれぞれを測定する。勿論、これらの配管加熱及び温度測定は同時に行うのではなく、温度センサ65で管壁温度T2−1を測定するときにはヒータ61によって配管部分61Aを加熱し、温度センサ66で管壁温度T2−2を測定するときにはヒータ62によって配管部分61Bを加熱し、温度センサ67で管壁温度T2−3を測定するときにはヒータ63によって配管部分61Aを加熱する。この場合、流体流量の変化に伴って変化する流体の熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)の変化が各温度センサ65,66,67で測定される管壁温度T2−1,T2−2,T2−3に大きく反映されるよう、即ち各温度センサ65,66,67の測定点68b,68c,68dを通過する熱流束が大きくなるように各温度センサ65,66,67は、図示のような各ヒータ61,62,63の直ぐ内側(直下又は直上など)に設置することが望ましい。
The
温度センサ64で測定した管壁温度T1(又は流体温度)と温度センサ65,66,67で測定した管壁温度T2−1,T2−2,T2−3は図示しない演算装置に入力される。演算装置では、背景技術の欄で述べたとおり、管壁温度T1(又は流体温度)及びヒータ加熱部の管壁温度T2−1,T2−2又はT2−3と、ヒータ61,62又は63の加熱量と、流体物性と、各段の配管部分68A,68B又は68Cの管径とに基づいて演算により流体の流速(流量)を求める。
The tube wall temperature T1 (or fluid temperature) measured by the temperature sensor 64 and the tube wall temperatures T2-1, T2-2, and T2-3 measured by the
以上のように本実施の形態例の熱式流量計によれば、配管68を管径の異なる複数の配管部分68A,68B,68Cを有する複数段の構造とすることにより、配管68内を流れる流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とし、ヒータ61,62,63を管径の異なる複数の配管部分68A,68B,68Cのそれぞれに配置し、温度センサ64を管径の異なる複数の配管部分68A,68B,68Cのうちの最も上流側に位置する配管部分68Aに配置されたヒータ61よりも上流側に配置し、温度センサ65,66,67を管径の異なる複数の配管部分68A,68B,68Cのそれぞれに配置したことを特徴とするため、前記所定の流量測定範囲、即ち、比較的管径の大きな配管部分だけでは流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定の流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。しかも、流体流量が大きくなった場合でも、ヒータ加熱量の増大を要せず、管径の大きな配管部分68A又は68Bでは温度センサ65又は66で測定した管壁温度T2−1又はT2−2と温度センサ64で測定した流体温度又は管壁温度T1との差が大きくなる。このため、コストアップを招くことなく、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
As described above, according to the thermal flow meter of the present embodiment, the
<実施の形態例3>
図7は本発明の実施の形態例3に係る熱式流量計(境界層流量計)の構成図である。図7に示す熱式流量計は、加熱手段としてのヒータ71と、第1の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ72と、第2の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ73とを有し、図7中に矢印Aで示すように配管74内を流れる水などの流体の流速(流量)を計測するためのものである。
<Embodiment 3>
FIG. 7 is a configuration diagram of a thermal type flow meter (boundary layer flow meter) according to Embodiment 3 of the present invention. The thermal flow meter shown in FIG. 7 includes a
ヒータ71は配管74の外周面に装着されており、配管74(管壁)を加熱する。ヒータ71は電気ヒータであり、図示しないヒータ電源に接続されている。従って、ヒータ71はヒータ電源からの供給電力により発熱して配管74を加熱する。なお、ヒータ71の加熱量は例えばヒータ電源からヒータ71へ供給される電力量を電力計で計測することなどによって適宜求めることができる。
The
温度センサ72はヒータ71の設置位置よりも流体の流れ方向の上流側(以下単に上流側という)において配管74の管壁に設置されており、当該管壁部分(測定点74a)の温度T1を測定する。この場合、温度センサ72によって流体の温度を直接測定することも考えられるが、そのためには温度センサ72を配管74内に挿入しなければならず、温度センサ72が流体の流れに対する抵抗となってしまうため、温度センサ72によって管壁温度T1を計測するほうが望ましい。温度センサ72はヒータ71から十分離れた位置に配置されているため、温度センサ72で測定される管壁温度T1はヒータ71の影響が小さく、配管74内を流れる流体の温度とほぼ等しくなる。換言すれば、温度センサ72は流体の流量が変化しても出力(管壁温度の測定値)が変化しないようにヒータ71から十分離れた位置に設置する。
The
温度センサ73はヒータ71で加熱される配管74の管壁部分(測定点74b)の温度T2を測定する。この場合、流体流量の変化に伴って変化する流体の熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)の変化が温度センサ73で測定される管壁温度T2に大きく反映されるよう、即ち温度センサ73の測定点74bを通過する熱流束が大きくなるように温度センサ73は、図示のようにヒータ71の直ぐ内側に設置することが望ましい。
The
温度センサ72で測定した管壁温度T1(又は流体温度)と温度センサ73で測定した管壁温度T2は図示しない演算装置に入力される。演算装置では、背景技術の欄で述べたとおり、管壁温度T1(又は流体温度)及びヒータ加熱部の管壁温度T2と、ヒータ71の加熱量と、流体物性と、配管(螺旋管)74の管径とに基づいて演算により流体の流速(流量)を求める。
The tube wall temperature T1 (or fluid temperature) measured by the
そして、配管74は螺旋管となっている。このため、螺旋管内を流れる流体は、その流れが乱されて(旋回流となって)、比較的低流量域のときから流況が乱流状態となる。従って、前記流体の所定(所望)の流量測定範囲、即ち、配管74を螺旋管としなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができるため、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。なお、この場合、配管74は少なくともヒータ71で加熱される配管部分(温度センサ73の温度測定部分)を螺旋管とすればよく、その他の配管部分(温度センサ72の温度測定部分など)は必ずしも乱流にする必要はないため、螺旋管にしなくても(例えば直管でも)よい。
The
以上のように本実施の形態例の熱式流量計によれば、配管74の少なくともヒータ71で加熱される配管部分は螺旋管とすることにより、この螺旋管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管74を螺旋管としなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができるため、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができ、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
As described above, according to the thermal type flow meter of the present embodiment, at least the pipe portion heated by the
<実施の形態例4>
図8は本発明の実施の形態例4に係る熱式流量計(境界層流量計)の構成図である。図8に示す熱式流量計は、加熱手段としてのヒータ81と、第1の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ82と、第2の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ83とを有し、図8中に矢印Aで示すように配管84内を流れる水などの流体の流速(流量)を計測するためのものである。
<Embodiment 4>
FIG. 8 is a configuration diagram of a thermal flow meter (boundary layer flow meter) according to Embodiment 4 of the present invention. The thermal flow meter shown in FIG. 8 includes a
ヒータ81は配管84の外周面84cに装着されており、配管84(管壁)を加熱する。ヒータ81は電気ヒータであり、図示しないヒータ電源に接続されている。従って、ヒータ81はヒータ電源からの供給電力により発熱して配管84を加熱する。なお、ヒータ81の加熱量は例えばヒータ電源からヒータ81へ供給される電力量を電力計で計測することなどによって適宜求めることができる。
The
温度センサ82はヒータ81の設置位置よりも流体の流れ方向の上流側(以下単に上流側という)において配管84の管壁に設置されており、当該管壁部分(測定点84a)の温度T1を測定する。この場合、温度センサ82によって流体の温度を直接測定することも考えられるが、そのためには温度センサ82を配管84内に挿入しなければならず、温度センサ82が流体の流れに対する抵抗となってしまうため、温度センサ82によって管壁温度T1を計測するほうが望ましい。温度センサ82はヒータ81から十分離れた位置に配置されているため、温度センサ82で測定される管壁温度T1はヒータ81の影響が小さく、配管84内を流れる流体の温度とほぼ等しくなる。換言すれば、温度センサ82は流体の流量が変化しても出力(管壁温度の測定値)が変化しないようにヒータ81から十分離れた位置に設置する。
The
温度センサ83はヒータ81で加熱される配管84の管壁部分(測定点84b)の温度T2を測定する。この場合、流体流量の変化に伴って変化する流体の熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)の変化が温度センサ83で測定される管壁温度T2に大きく反映されるよう、即ち温度センサ83の測定点84bを通過する熱流束が大きくなるように温度センサ83は、図示のようにヒータ81の直ぐ内側に設置することが望ましい。
The
温度センサ82で測定した管壁温度T1(又は流体温度)と温度センサ83で測定した管壁温度T2は図示しない演算装置に入力される。演算装置では、背景技術の欄で述べたとおり、管壁温度T1(又は流体温度)及びヒータ加熱部の管壁温度T2と、ヒータ81の加熱量と、流体物性と、ベンド管84Aの管径とに基づいて演算により流体の流速(流量)を求める。
The tube wall temperature T1 (or fluid temperature) measured by the
そして、配管84のヒータ81で加熱される配管部分はベンド管84Aとなっている。即ち、ヒータ81はベンド管84の外周面に設けられ、温度センサ83はベンド管84の管壁温度を測定するようになっている。矢印Aのように配管84内を流れる流体は、ヒータ81及び温度センサ83が設置されたベンド管84Aの内周面84A−1に衝突して流れが乱されるため、比較的低流量域のときから流況が乱流状態となる。このため、前記流体の所定(所望)の流量測定範囲、即ち、配管84のヒータ加熱部をベンド管84Aとしなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
A pipe portion heated by the
以上のように本実施の形態例の熱式流量計によれば、配管84のヒータ81で加熱される配管部分をベンド管とすることにより、このベンド管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管84のヒータ加熱部をベンド管84Aとしなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
As described above, according to the thermal type flow meter of the present embodiment, the pipe portion heated by the
<実施の形態例5>
図9は本発明の実施の形態例5に係る熱式流量計(境界層流量計)の構成図である。図9に示す熱式流量計は、加熱手段としてのヒータ91と、第1の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ92と、第2の温度測定手段としての測温抵抗体又は熱電対などの温度センサ93とを有し、図9中に矢印Aで示すように配管94内を流れる水などの流体の流速(流量)を計測するためのものである。
<Embodiment 5>
FIG. 9 is a configuration diagram of a thermal type flow meter (boundary layer flow meter) according to Embodiment 5 of the present invention. The thermal flow meter shown in FIG. 9 includes a
そして、配管94内には板状の流体衝突部材95が配置されている。流体衝突部材95は配管94の内周面94bに図示しない支持部材を介して固定されている。従って、矢印Aのように配管94内を流れる流体は、流体衝突部材95の一方の側面(衝突面)95aに衝突して流れが乱されるため、比較的低流量域のときから流況が乱流状態となる。このため、前記流体の所定(所望)の流量測定範囲、即ち、配管94内に流体衝突部材95を配置しなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができる。
A plate-like
ヒータ91は流体衝突部材95の他方の側面95cに装着されており、流体衝突部材95を加熱する。ヒータ91は電気ヒータであり、図示しないヒータ電源に接続されている。従って、ヒータ91はヒータ電源からの供給電力により発熱して流体衝突部材95を加熱する。なお、ヒータ91の加熱量は例えばヒータ電源からヒータ91へ供給される電力量を電力計で計測することなどによって適宜求めることができる。
The
温度センサ92はヒータ91の設置位置よりも流体の流れ方向の上流側(以下単に上流側という)において配管94の管壁に設置されており、当該管壁部分(測定点94a)の温度T1を測定する。この場合、温度センサ92によって流体の温度を直接測定することも考えられるが、そのためには温度センサ92を配管94内に挿入しなければならず、温度センサ92が流体の流れに対する抵抗となってしまうため、温度センサ92によって管壁温度T1を計測するほうが望ましい。温度センサ92はヒータ91から十分離れた位置に配置されているため、温度センサ92で測定される管壁温度T1はヒータ91の影響が小さく、配管94内を流れる流体の温度とほぼ等しくなる。換言すれば、温度センサ92は流体の流量が変化しても出力(管壁温度の測定値)が変化しないようにヒータ91から十分離れた位置に設置する。
The
温度センサ93は流体衝突部材95に取り付けられており、ヒータ91で加熱される流体衝突部材95の温度T2を測定する。この場合、流体流量の変化に伴って変化する流体の熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)の変化が温度センサ93で測定される管壁温度T2に大きく反映されるよう、即ち温度センサ93の測定点95bを通過する熱流束が大きくなるように温度センサ93は、図示のようにヒータ91の直ぐ内側に設置することが望ましい。
The
温度センサ92で測定した管壁温度T1(又は流体温度)と温度センサ93で測定した管壁温度T2は図示しない演算装置に入力される。演算装置では、背景技術の欄で述べたとおり、管壁温度T1(又は流体温度)及びヒータ加熱部の管壁温度T2と、ヒータ91の加熱量と、流体物性と、配管94の管径とに基づいて演算により流体の流速(流量)を求める。
The tube wall temperature T1 (or fluid temperature) measured by the
以上のように本実施の形態例の熱式流量計によれば、配管94内に配置して、配管94内を流れる流体が衝突することにより、前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とする流体衝突部材95を有することを特徴とするため、前記流体の所定の流量測定範囲、即ち、配管内に流体衝突部材を配置しなければ流体流量の増大とともに流況が層流域、遷移域、乱流域と移行していくような比較的広い流量測定範囲の全範囲で流体を乱流状態とすることができ、前記所定流量測定範囲の全範囲にわたって流体流量と熱伝達率(管壁/流体間の熱伝達率)との関係にリニアリティを持たせることができるため、流体流量と熱伝達率(即ち熱式流量計の出力)との関係が一意的となる。このため、流量測定範囲が広くて精度のよい流量測定が可能となる。
As described above, according to the thermal type flow meter of the present embodiment, the fluid flowing in the
本発明は熱式流量計(境界層流量計)に関するものであり、宇宙ステーションなどの各所において比較的広い流量測定範囲の流量測定を行う場合に適用して有用なものである。 The present invention relates to a thermal flow meter (boundary layer flow meter), and is useful when applied to flow measurement in a relatively wide flow measurement range in various places such as a space station.
11 ヒータ
12,13 温度センサ
14 コイル
15 配管
15a 外周面
15b 内周面
15c,15d 測定点
21 円環
31 突起物
41 突起物
51 ねじれテープ
61,62,63 ヒータ
64,65,66,67 温度センサ
68 配管
68A,68B,68C 配管部分
68a,68b,68c,68d 測定点
68A−1,68B−1,68C−1 外周面
71 ヒータ
72,73 温度センサ
74 配管(螺旋管)
74a,74b 測定点
81 ヒータ
82,83 温度センサ
84 配管
84A ベンド管
84a,84b 測定点
84c 外周面
84A−1 内周面
DESCRIPTION OF
74a,
Claims (9)
前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、
前記配管の前記加熱手段で加熱される部分の内部に乱流促進体を設け、この乱流促進体で前記配管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とするように構成したことを特徴とする熱式流量計。 Heating means for heating the piping;
First temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means;
A thermal flow meter having a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means,
A turbulence promoting body is provided inside the portion of the pipe heated by the heating means, and the turbulent flow promoting body disturbs the flow of the fluid flowing through the pipe so that the entire range of the predetermined flow rate measurement range of the fluid is reached. A thermal flow meter characterized in that the fluid is in a turbulent state.
前記乱流促進体は、コイルであることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1,
The thermal flow meter, wherein the turbulence promoting body is a coil.
前記乱流促進体は、前記流体の流れ方向に間隔をあけて配置した複数の円環であることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1,
The thermal flow meter according to claim 1, wherein the turbulent flow promoting body is a plurality of circular rings arranged at intervals in the fluid flow direction.
前記乱流促進体は、前記配管の内面に突設した突起物であることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1,
The thermal flow meter, wherein the turbulent flow promoting body is a protrusion projecting from the inner surface of the pipe.
前記乱流促進体は、ねじれテープであることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1,
The thermal flow meter, wherein the turbulence promoting body is a twisted tape.
前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、
前記配管は、管径の異なる複数の配管部分を有する複数段の構造とすることにより、前記配管内を流れる流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とし、
前記加熱手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置し、
前記第1の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のうちの最も上流側に位置する配管部分に配置された加熱手段よりも上流側に配置し、
前記第2の温度測定手段は、前記管径の異なる複数の配管部分のそれぞれに配置したことを特徴とする熱式流量計。 Heating means for heating the piping;
First temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means;
A thermal flow meter having a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means,
The pipe has a multi-stage structure having a plurality of pipe parts with different pipe diameters, thereby making the fluid turbulent in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid flowing in the pipe,
The heating means is disposed in each of a plurality of pipe portions having different pipe diameters,
The first temperature measuring means is arranged on the upstream side of the heating means arranged on the pipe part located on the most upstream side among the plurality of pipe parts having different pipe diameters,
The thermal flow meter, wherein the second temperature measuring means is disposed in each of a plurality of pipe portions having different pipe diameters.
前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、
前記配管の少なくとも前記加熱手段で加熱される配管部分は螺旋管とすることにより、この螺旋管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とする熱式流量計。 Heating means for heating the piping;
First temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means;
A thermal flow meter having a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means,
The pipe portion heated by at least the heating means of the pipe is a spiral pipe, thereby disturbing the flow of the fluid flowing in the spiral pipe and turbulently flowing the fluid in the entire range of the predetermined flow rate measurement range of the fluid. A thermal flow meter characterized by being in a state.
前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記加熱手段で加熱される前記配管の管壁部分の温度を測定する第2の温度測定手段とを有する熱式流量計であって、
前記配管の前記加熱手段で加熱される配管部分をベンド管とすることにより、このベンド管内を流れる流体の流れを乱して前記流体の所定の流量測定範囲の全範囲で前記流体を乱流状態とすることを特徴とする熱式流量計。 Heating means for heating the piping;
First temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means;
A thermal flow meter having a second temperature measuring means for measuring a temperature of a pipe wall portion of the pipe heated by the heating means,
By making a pipe part heated by the heating means of the pipe into a bend pipe, the flow of the fluid flowing in the bend pipe is disturbed, and the fluid is in a turbulent state in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid. A thermal flow meter characterized by:
前記流体衝突部材を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段よりも上流側の位置で前記配管の管壁部分の温度又は前記配管内を流れる流体の温度を測定する第1の温度測定手段と、
前記加熱手段で加熱される前記流体衝突部材の温度を測定する第2の温度測定手段とを有することを特徴とする熱式流量計。
A fluid collision member that is arranged in a pipe and causes the fluid to flow in a turbulent state in the entire range of a predetermined flow rate measurement range of the fluid by collision of the fluid flowing in the pipe; and
Heating means for heating the fluid collision member;
First temperature measuring means for measuring the temperature of the pipe wall portion of the pipe or the temperature of the fluid flowing in the pipe at a position upstream of the heating means;
And a second temperature measuring means for measuring the temperature of the fluid collision member heated by the heating means.
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DE102022103952A1 (en) | 2022-02-18 | 2023-08-24 | Innovative Sensor Technology Ist Ag | System and manipulation track for checking the flow profile at the inlet of a flow sensor |
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