JP2008224466A - 可変断面積オリフィスを備えた流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼排気ガスなど高温に達するガス流量を１：１５０以上の流量範囲で圧力損失を１kPa程度以下に制御して、精度良く短い管路長で測定することが課題である。
【解決手段】 管路の中に流れ軸に直角なオリフィス平面を設けてオリフィス流路の断面形状を三角形としその一辺を可動出来るようにして可変断面積オリフィスを構成し、オリフィス断面積とその前後圧力および流体密度、温度と流量係数から流量測定する
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は流量測定技術に関するもので、測定流量範囲が最小流量に比して最大流量が１：１００を越えるような広い範囲に亘りしかも温度も常温から４００℃以上に変化する条件で使用できる測定装置で燃焼排ガスを含む広い範囲の流体に関する技術分野である。

流量測定には多くの技術が用いられているが、その中に各種の絞り流量計がある。普通にはオリフィス、ベンチュリが基本的な装置として利用されるがオリフィスの一種として可変断面積オリフィスが従来から考案されてきた。
特開２００３−７５３０８ 特開平１０−０９００２７従来は円形の固定断面のオリフィスの中心同軸に断面積が軸方向に変化している可動コアーを軸方向に移動させて環状流路の断面積を可変にするもので、駆動軸やこれに連結する軸が管路壁を貫通する必要もある。このように環状流路で中心側断面積を可変にする技術は一応実用化されてきたが、断面積を小さくするときには流体の粘性影響が大きくなる。とくに空気や燃焼排ガスで間隙が狭くなり高温になると粘性が増してある程度の長さを持つ環状流路ではRe数が小さくなり粘性影響が大きくなって特性が変化し測定に難点を生じる。

流量測定にオリフィスを用いることは古典的な手法であるが、上流側の測定温度、圧力と下流の圧力（差圧）を測るだけの簡便な方法である。普通にはRe数が２０００以上で大きいことが望ましいが１０００以下でも校正により測定可能である。ただ、流量範囲が大きくなると測定差圧の範囲が流量比の自乗で大きくなるので圧力測定に困難を生じる。固定断面積のオリフィスでは精度良く圧力測定ができる範囲を１：５０とすると流量測定範囲は（５０）^1/2すなわち７に限られる。オリフィスの断面積比を１：２２にすることができれば流量測定範囲は１５０以上にできる。

流路の管径が１００mm程度の場合、オリフィス中心に円形断面のコアーを配置してその断面積を変化させて円環状流路の断面積を最大値の1/22以下にすると環状流路の幅は0.1mm以下となり、粘性の影響が大きくなり正確な測定が困難となる。一般的に表現すればRe数が流体力学的な等価直径の減少に応じて減少し、慣性よりも粘性の影響が大きくなる。オリフィスによる流量測定は慣性に基づく測定であり粘性の影響が無視できない範囲では実用困難になる。

オリフィスの断面積を可変にすることは、圧力測定範囲を同じにして流量測定範囲を拡大できるので極めて有用であるが、従来の中心コアーの断面積を変化させる方法では粘性影響などが一定な一定温度領域での使用に限定される。理想的には円形のオリフィスの外周をレンズ絞りと同様に絞って有効断面積を変化させる方法であるが、高温流体に適用するには容易ではない。高温雰囲気の中でオリフィス前後の可変機構として気密性を保ち羽根あるいは板を摺動させる構造と材質も課題である。簡単な構造で有効な可変の断面積比最大/最小を出来るだけ大きくすることが一つの課題である。

簡単な構成として三角形オリフィスにして一枚羽根により相似形を保ちながら絞って断面積を制御する構造にする。正三角形の場合一辺の長さａに対して等価直径ｄは４（断面積）/（周長）であるから、ｄ＝４ａ（０．４３３）/3＝０．５７７ａとなる。例えばａを最大９０mm最小１５mm程度にすれば、面積比として36倍以上になり、最小断面積における等価直径も８mm以上に保てる。このように相似形断面積形状を維持する方法では、例えば空気で温度と最小流速にもよるが、Re数をほぼ１５００以上にできるのでオリフィスによる測定にも粘性影響で大きな問題は生じない。流量比として測定圧力の最大/最小の比が５０とれるとすると、同じ温度条件では流速比は７で流量比は３５０にもできる。構造としては耐熱性があり、高温での剛性も高い材質が必要で例えばインコネルの薄板は４００℃以上でも強度や剛性が優れている点から代表的な例として選択した。構造は可能な限り流れ方向に薄くし、しかもガスの短絡や漏洩の無いような形状にする。

本発明による流量計ではオリフィスの絞り部の流路断面積が３６：１以上に大きく連続的に変化させることが出来るので、差圧測定範囲が５０：１すなわち流速比として７：１とすると流量測定範囲は２５０：１にも拡大できる。さらに、流れ方向に必要な管路長も大幅に短くすることが可能である。また高温度条件においても測定可能なように材質・構造を設計できるので、５００℃以上の高温領域にまで適用できる効果がある。
なおまた、差圧測定の精度や絞りによる圧力損失を考慮するときに最適差圧に制御して流量測定をすることが可能であり、測定精度や流路抵抗の面から極めて有利な測定手段となる。

本発明は管路に三角形の可変断面積オリフィスを挿入してその前と後の温度圧力を測定するときに、図１に例示するように圧力取り出し位置はオリフィス１から適当な距離を置く必要がある。図１において管路２の中を流体３が流れており、三角形の可変断面積オリフィス１を備えた流量計５０が挿入されて流量測定するが、流量演算に必要な入口圧力P_１は図には示していない絶対圧センサと差圧センサに圧力取り出し管４から導入する。温度は６の温度センサで測定し、下流側圧力P₂は圧力取り出し管５から図には示していない差圧センサの低圧側に導入する。オリフィス１のオリフィス流路７は正三角形１２の両辺とをもつオリフィス板１２と下辺を可動できる四角形のインコネルなどの薄板１１で構成されていて断面積はアクチュエータ２０で精密に薄板１１の位置制御をする位置パルス数から求められる。オリフィス１はオリフィス板として上流側に薄板１５、下流側に薄板１６を狭い間隔で配置し、それぞれに同位置同形状の最大断面積となる正三角形１２を窓状に構成して間に挟んだ薄板１１と共に正三角形のオリフィス流路７を形成する。薄板１１は薄板１５，１６の間をシール板８にも接して摺動して正三角形のオリフィス流路７の面積を変える。薄板１１は軸２２に結合されて軸シール１９で気密を確保され精密に位置検出されアクチュエータ２０により高い分解能で位置制御される。このときオリフィス１に連結したアーム９に固定された検出素子２３が軸２２の基準位置マーク２４を検出して可動できる薄板１１の基準点を決定する。アクチュエータ２０は内蔵しているエンコーダなどで薄板１１の基準点を基点としてパルス数などから駆動軸２１の移動距離を全ストロークに対して１/４０００程度の高分解能で位置決定する。

図３には本発明によるエンジン排気ガスの流量測定システムの実施例を示す。図３に示すシステム図においてエンジン３１の排気ガスは排気管３２からマフラー３３を経由してバッファー装置１０によって脈動を減衰されて三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計１に導かれる。オリフィスの入口側圧力は圧力導管４からセンサなど絶対圧と差圧センサの高圧側として変換器４１に導入され、出口圧力は圧力導管５から差圧の低圧側として変換器４１に入る。温度はセンサからの信号線６を介して変換器４１に導入される。変換器４１からの出力とオリフィス１の可動できる薄板１１の位置信号検出器２４からの信号によりで校正に基づく流量値を制御パネル４０で演算し、デジタル表示器４５で表示すると共に出力する。オリフィス１の位置信号３８と圧力信号出力からアクチュエータ２０を駆動制御するドライバー３７への入・出力も制御パネル４０から信号線３９を経由して行われる。アクチュエータ２０の制御モードの選択などは制御パネル４０の中の操作端４４で行うことができ、アナログ表示も画面４６に示すことが出来る。流量測定された排気ガスはテールパイプ３４から吸引ダクト３５により吸引され排出される。

本発明によると例えばエンジン排気ガスの流量測定において、小型ガソリンエンジンのようにアイドル排気ガス流量が０．１Nm³/min以下の小流量から大型ディーゼルエンジンの１０Nm³/min以上の大流量に至るまで広い範囲の流量を一つの装置で正確に、応答性良く正確に測定できる。とくに排気ガス温度のように４００℃以上の高温から常温範囲にわたって問題なく測定でき、測定による圧力損失も１ｋPa以下、必要に応じては０．１ｋPa以下でさえも可能である。

本発明による流量計は流れ方向の長さが管路径の５倍程度以下に短くすることができ装置として小型で装着に便利である。こうした特長から自動車排気ガスの流量測定だけでなく広い分野の流量測定に活用できる。

この発明の可変断面積オリフィスを備えた流量計を流れに脈動のある流路に適用するとき、脈動を大幅に減衰させて圧力測定系における応答性と瞬間流量変化速度の相違から生じるいわゆる自乗平均誤差を無くする測定系とするためにはオリフィスの上流にサージチューブ（特願２００３−２６９６８５）またはバルーン・バッファチューブ（特願２００６−２１６４３５）を挿入すると有効である。

オリフィスによる流量測定は気体液体を問わず利用可能であり、本発明による測定装置では流路範囲が広範であることから、ターン・ダウン比の大きなボイラーその他高温蒸気から低温の水素などに至るまであらゆる液体に適用できる。殆どの産業分野で流量測定は必要であり、広く利用される可能性が大きい。

なお、この発明の名称として「三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計」または「三角形の可変断面積オリフィス」の名称が用いられているが、ここにおける「三角形」の用語はオリフィスの断面の形状が三角形であることを示すものではなく、多くの多角形のオリフィスの断面の形状を、代表して表現する用語である。

は本発明による三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計の測定部を管路に取り付けた概要を示す状態図 は本発明による流量計を流れ方向から見た説明図。 は本発明による流量計をエンジンの排気ガス流量測定に適用したシステム図。

符号の説明

１ 三角形の可変断面積オリフィス
２ 管路
３ 流体
４ 入り口側圧力導管
５ 出口側圧力導管
６ 温度センサー・リード線
７ 三角形オリフィスの流路
８ シール板
９ アーム
１０ バッファー装置
１１ 薄板
１２ 最大正三角形
１５ 薄板
１６ 薄板
１９ 軸シール
２０ アクチュエータ
２１ 駆動軸
２２ 可動薄板軸
２３ 検出素子
２４ 位置マーク
３１ エンジン
３２ 排気管
３３ マフラー
３４ テールパイプ
３５ 吸引ダクト
３６ アクチュエータ・ケーブル
３７ アクチュエータ・ドライバー
３８ 可動オリフィス・位置信号線
３９ アクチュエータ・制御信号線
４０ 制御パネル
４１ 変換器
４３ 変換器出力
４４ 操作端
４５ デジタル表示器
４６ アナログ表示板
５０ 流量計

Claims (8)

1. 管路の中に流れ軸に垂直なオリフィス平面を設けてオリフィス流路の断面形状を三角形としその一辺を可動出来るようにして可変断面積オリフィスを構成し、オリフィス断面積とその前後圧力および流体密度、温度と流量係数から流量測定する三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計。
2. 請求項１の三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計において、三角形の底辺を一辺とするオリフィス板に接して摺動可能で流体の洩れを抑制できる四角な板を三角形の高さ方向に平行移動可能に構成し、オリフィスを形成する三角形の断面積をその高さにより変化設定できるようにし、四角な板に取り付けられた駆動軸の位置制御によって相似形に変化する三角形の断面積を設定するようにした三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計。
3. 請求項１または２の三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計において三角形の底辺を構成する四角な板の駆動軸を軸方向に平行に位置を既知量として変位させる装置として、パルス制御の電動アクチュエータを用いて５０μm以内の高い分解能の位置制御と全ストローク１秒以内の移動速度を可能にした三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計。
4. 請求項１，２または３の三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計において流量測定はオリフィスの前と後の差圧に基づいて行うが、三角形の底辺を構成する四角な板の位置制御を前後の差圧に応じて例えばある範囲の流量では一定差圧になるように制御する場合とオリフィス前のゲージ圧を一定値以内に制御する場合と、別に配置したオリフィス装置の下流側出口の静圧センサとオリフィス前の静圧センサとの差圧に基づいて位置制御する場合の何れかの制御を行うようにした三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計。
5. 請求項１，２，３または４の三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計を流れに脈動のある流路に適用するとき、脈動を大幅に減衰させて圧力測定における応答性と瞬間流量変化速度の相違から生じるいわゆる自乗平均誤差を無くする測定系とするためにオリフィスの上流において脈動減衰に極めて効果のあるサージチューブ（特開平２００３−２６９６８５）またはバルーン・バッファーチューブ（特願２００６−２１６４３５）を管路に挿入した三角形の可変断面積オリフィスを備えた流量計。
6. 管路の中に流れ軸に垂直なオリフィス平面を設けて、前記オリフィス平面におけるオリフィス流路の断面積が可変のオリフィスであって、
   前記オリフィスは協働して前記オリフィス流路の断面積を規定する固定位置にある固定オリフィス部材である固定側部材と可動な可動オリフィス部材である可動側部材とを有し、
   前記固定側部材は前記オリフィス平面に沿ったオリフィス用孔を有し前記オリフィス用孔を通して前記管路の前記オリフィス平面の上流側と下流側とを連通させるものであり、
   前記可動側部材は前記流れ軸に垂直な方向に変位可能で前記固定側部材の前記オリフィス用孔と重なって前記オリフィス用孔の全部または一部分を閉鎖することが可能な閉鎖部である薄板を有し前記流れ軸に垂直な方向に前記オリフィス用孔の縁に沿って可動でき、前記薄板が前記オリフィス用孔と重なる重なり量によって前記オリフィス流路の断面積を規定するものであることを特徴とする三角形の可変断面積オリフィス。
7. 前記オリフィス流路の断面形状は円及び三角形を含めた多角形であることを特徴とする請求項６記載の三角形の可変断面積オリフィス。
8. 前記オリフィス流路の断面形状は前記可動側部材の可動方向に関して左右対称形であり、
   前記固定側部材の前記オリフィス用孔は前記可動方向に関して対称の左右の辺を規定する縁を有し、前記可動側部材の閉鎖部である薄板は前記左右対称形の残りの辺を規定する縁を有していることを特徴とする請求項６記載の三角形の可変断面積オリフィス。

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