JP2009236777A - 流速測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期に渡り信頼性の高い流速測定を可能にした流速測定装置を提供する。
【解決手段】流速測定装置１０は、気密室１５を形成するハウジング１６と、ハウジング１６内に収容されたＦＢＧ１７と、ＦＢＧ１７に応力を作用させる荷重伝達機構１８とを備える。荷重伝達機構１８は、上流側受圧板１９と、一端部２０ａが上流側受圧板１９側に固定された１本のシャフト２０とを有し、その変位によりＦＢＧ１７に応力を与えてＦＢＧ１７を変位させる。荷重伝達機構１８はシャフト２０が貫通し上流側受圧板１９に固定されたダイアフラムボス２１と、内周部がダイアフラムボス２１の外周に、外周部がハウジング１６側にそれぞれ固定されたダイアフラム２２とを有する。上流側受圧板１９とシャフト２０との間およびダイアフラムボス２１とシャフト２０との間にＯリングがそれぞれ設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管路内に設置され、管路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置に関する。

従来の流速測定装置として、光ファイバを使用して、例えば下水管の中を流れる流体の流速を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された測定装置は、外部から負荷された応力を検知するＦＢＧ（フィバブラッググレーティング）と、応力の負荷に連動してＦＢＧに応力を負荷する負荷機構と、応力が負荷される側にダイアフラムを備え、ＦＢＧおよび負荷機構を収容する気密室と、気密室外に配置されて、外部から負荷された応力を受けダイアフラムを介して負荷機構に外部からの応力を伝達する受圧部とを備える。
特開２００７―１７３３７号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来の測定装置では、受圧部（上流側受圧板）と、受圧部に作用する力をＦＢＧに伝える負荷機構のシャフトとの間に、気密性を保つためのゴムカバーが用いられている。そのため、このゴムカバーが経時変化により変形或いは劣化すると、ＦＢＧの変位量の基準位置となる零点がドリフトする。その結果、長期に渡り信頼性の高い流速測定を実現するのが難しい。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、長期に渡り信頼性の高い流速測定を可能にした流速測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明に係る流速測定装置は、管路内に設置され、管路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置であって、気密室を形成するハウジングと、前記ハウジング内に収容され、光ファイバを介して外部の光源から送られる光が入射し、応力に応じて変位或いは回動し、その変位量或いは回動量に応じた波長の光を出射する光フィルタと、前記ハウジング外の上流側にあって、前記流体の流速に応じた力を受ける上流側受圧板と、一端部が前記上流側受圧板側に固定されたシャフトを有し、前記上流側受圧板に作用する力に応じて前記シャフトが変位し、その変位により前記光フィルタを変位或いは回動させる荷重伝達機構と、を備え、前記荷重伝達機構は、前記シャフトが貫通し前記上流側受圧板に固定されたボス部と、内周部が前記ボス部の外周に固定され、外周部が前記ハウジング側に固定されたダイアフラムとを有し、前記上流側受圧板と前記シャフトとの間および前記ボス部と前記シャフトとの間にＯリングがそれぞれ設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、荷重伝達機構は、シャフトが貫通し上流側受圧板に固定されたボス部と、内周部がボス部の外周に固定され、外周部がハウジング側に固定されたダイアフラムとを有し、上流側受圧板とシャフトとの間およびボス部とシャフトとの間にＯリングをそれぞれ設けて、気密性を保つようにしている。つまり、この構成では、上記従来技術のようなゴムカバーを使用せずに、上流側受圧板とシャフトとの間およびボス部とシャフトとの間での気密性を保つようにしている。従って、光フィルタの変位量或いは回動量の基準位置となる零点がドリフトするのが長期に渡り防止される。これにより、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。

請求項２に記載の本発明に係る流速測定装置は、前記ハウジング外の下流側には、前記ハウジング外に突出した前記シャフトの他端部に固定され、前記上流側受圧板に作用する水圧を相殺する受圧面積を有する下流側受圧板が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、上流側受圧板に作用する水圧（静圧）と下流側受圧板に作用する水圧とが相殺されるので、流体の流速が零のとき、光フィルタは、その変位量或いは回動量が零である零点に常に維持することができる。

請求項３に記載の本発明に係る流速測定装置は、前記光フィルタは、光ファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。

この構成によれば、流体の流速に応じた力を上流側受圧板が受けてシャフトが変位することで、その流速に応じた力が光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に作用してＦＢＧに歪が生じる。これにより、ＦＢＧの回折格子の周期が変化してブラッグ波長がシフトし、シャフトの変位量、つまりＦＢＧに作用する力に応じた波長の光がＦＢＧから反射光として出射される。この出射光が光ファイバを介して外部へ送られ、光ファイバの途中に設けられた光サーキュレータを介して波長計へ送られる。この波長計で観測される波長から、流速を求め、求めた流速を流量に換算して、ポンプの制御に用いる。

請求項４に記載の本発明に係る流速測定装置は、一端面が前記ハウジングの上流側壁部の外面にＯリングを介して気密に固定された筒状のフランジと、該フランジの他端面にＯリングを介して気密に固定され、中央部に前記ボス部が挿通する孔が形成された取り付け板とにより形成された第２の気密室を更に備え、前記荷重伝達機構のダイアフラムの外周部は前記取り付け板に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、気密室を形成するハウジングの上流側に第２の気密室を設け、この第２の気密室を構成する取り付け板の中央部の孔に荷重伝達機構のボス部が挿通し、荷重伝達機構のダイアフラムの外周部を取り付け板に固定しているので、気密室の気密性がさらに向上する。このため、ＦＢＧなどの光フィルタの信頼性が長期に渡って確保されるので、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。

請求項５に記載の本発明に係る流速測定装置は、前記シャフトは１本のシャフトであり、該シャフトの一端部は前記上流側受圧板に、その他端部は前記下流側受圧板にそれぞれ固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、上記従来技術のように、シャフトが分割されている構造と比べて、組み立て性が向上する。

請求項６に記載の本発明に係る流速測定装置は、前記荷重伝達機構は、前記シャフトの他端部が貫通し前記下流側受圧板に固定された第２のボス部と、内周部が前記第２のボス部の外周に固定され、外周部が前記気密室側に固定された第２のダイアフラムとを有し、前記下流側受圧板と前記シャフトとの間および前記第２のボス部と前記シャフトとの間にＯリングがそれぞれ設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、下流側受圧板とシャフトとの間および第２のボス部とシャフトとの間にＯリングをそれぞれ設けて気密性を保つようにしているので、上記従来技術のように、下流側受圧板とシャフトとの間の気密性を保つためのゴムカバーが経時変化により劣化して、光フィルタの変位或いは回動の零点がドリフトするのが防止される。これにより、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。

請求項７に記載の本発明に係る流速測定装置は、前記第２のボス部は、前記シャフトが貫通し外周部に前記第２のダイアフラムが固定された第２のダイアフラムボスと、該ダイアフラムボスと前記下流側受圧板とにそれぞれＯリングを介して固定された第２の受圧板ボスとを有し、前記シャフトの他端部は、前記第２の受圧板ボスに固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、下流側受圧板とシャフトとの間および第２のダイアフラムボスとシャフトとの間を更に気密に保持することができる。

本発明によれば、上記従来技術のようなゴムカバーを使用せずに、上流側受圧板とシャフトとの間およびボス部とシャフトとの間での気密性を保つようにしているので、光フィルタの変位量或いは回動量の基準位置となる零点がドリフトするのが長期に渡り防止される。例えば、光フィルタとしての光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の変位量或いは光フィルタとしての誘電体多層膜フィルタの回動量の基準となる零点がドリフトするのが長期に渡り防止される。従って、長期に渡り信頼性の高い流速測定を実現することができる。

以下、本発明を具体化した流速測定装置の一実施形態を図１乃至図６に基づいて説明する。

図１は、一実施形態に係る流速測定装置１０の概略構成を示す縦断面図である。図１では、その下流側端部を拡大して示してある。図２は図１に示すカバー１１，１２を取り外した状態での流速測定装置１０の概略構成を示す縦断面図である。図３はカバー１１，１２が取り付けられた状態での流速測定装置１０を示す斜視図であり、図４はカバー１１，１２を取り外した状態での流速測定装置１０を示す斜視図である。図５（Ａ），（Ｂ）は流速測定装置１０が下水管内に設置された状態をそれぞれ示す断面図である。また、図６は流速測定装置１０内のＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と外部の光源等とが光ファイバで接続された光経路を示す模式図である。

図１に示す流速測定装置１０は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、管路としての下水管１３内に設定され、管路内を流れる流体１４の流速を測定する装置である。

この流速測定装置１０は、図１に示すように、気密室１５を形成するハウジング１６と、ハウジング１６内に収容され、光ファイバを介して外部の光源から送られる光が入射し、応力に応じて変位し、その変位量に応じた波長の光を出射する光フィルタとしてのＦＢＧ１７（ＦＢＧ（１））と、ＦＢＧ１７に応力を作用させる荷重伝達機構１８とを備えている。

荷重伝達機構１８は、ハウジング１６外の上流側にあって、流体１４の流速に応じた力を受ける上流側受圧板１９と、一端部２０ａが上流側受圧板１９側に固定された１本のシャフト２０とを有し、上流側受圧板１９に作用する力に応じてシャフト２０が変位し、その変位によりＦＢＧ１７に応力を与えてＦＢＧ１７を変位させるように構成されている。

また、荷重伝達機構１８は、図１および図２に示すように、シャフト２０が貫通し上流側受圧板１９に固定されたボス部としてのダイアフラムボス２１と、内周部がダイアフラムボス２１の外周に固定され、外周部がハウジング１６側に固定されたダイアフラム２２とを有する。

ダイアフラムボス２１は、図２に示すように、受圧板ボス２６を介して上流側受圧板１９の下流側表面に固定されている。受圧板ボス２６の一端面はＯリング２７，２７を介して上流側受圧板１９に固定され、受圧板ボス２６の他端面はＯリング２８，２８を介してダイアフラムボス２１の端面に固定されている。このようにして、上流側受圧板１９とシャフト２０との間およびダイアフラムボス２１とシャフト２０との間にＯリング２７およびＯリング２８がそれぞれ設けられている。

また、流速測定装置１０の荷重伝達機構１８には、図１および図２に示すように、ハウジング１６外の下流側に、ハウジング１６から下流側に突出したシャフト２０の他端部２０ｂに固定され、上流側受圧板１９に作用する水圧（静圧）を相殺する受圧面積を有する下流側受圧板２３が設けられている。上流側受圧板１９に作用する水圧と下流側受圧板２３に作用する水圧とが相殺されることで、流体１４の流速が零のとき、ＦＢＧ１７を、その変位量が零である零点に常に維持できるようになっている。

次に、流速測定装置１０のより具体的な構成を説明する。
流速測定装置１０は、図１および図２に示すように、第２の気密室２４を更に備えている。この第２の気密室２４は、一端面（右端面）がハウジング１６の上流側壁部１６ａの外面にＯリング３１を介して気密に固定された筒状のフランジ３０と、フランジ３０の他端面（左端面）にＯリング３２を介して気密に固定され、中央部にダイアフラムボス２１が挿通する孔３３ａが形成された取り付け板３３とにより形成されている。

荷重伝達機構１８のダイアフラム２２の外周部は、図２に示すように、取り付け板３２に溶接などにより固定されている。ダイアフラム２２の内周部は、ダイアフラムボス２１の外周に溶接などにより固定されている。この構成により、ダイアフラム２２により第２の気密室２４の内外を気密に封止した状態で、ダイアフラムボス２１が図２で水平方向に変位可能になっている。

図１および図２に示すように、シャフト２０は１本のシャフトであり、シャフト２０の一端部は上流側受圧板１９側に、その他端部は下流側受圧板２３側にそれぞれ固定されている。

また、荷重伝達機構１８は、シャフト２０の他端部が貫通し下流側受圧板２３に固定された第２のボス部としての第２のダイアフラムボス３４と、内周部がダイアフラムボス３４の外周に固定され、外周部が気密室１５側に固定された第２のダイアフラム３５とを有する。

第２のダイアフラムボス３４は、図２に示すように、第２の受圧板ボス３６を介して下流側受圧板２３の上流側表面に固定されている。第２の受圧板ボス３６の一端面はＯリング３７，３７を介して下流側受圧板２３に固定され、受圧板ボス３６の他端面はＯリング３８，３８を介して第２のダイアフラムボス３４の端面に固定されている。このようにして、下流側受圧板２３とシャフト２０との間および第２のダイアフラムボス３４とシャフト２０との間にＯリング３７およびＯリング３８がそれぞれ設けられている。そして、シャフト２０の他端部は、第２の受圧板ボス３６に固定されている。

また、流速測定装置１０は、図１および図２に示すように、第３の気密室２５を更に備えている。この第３の気密室２５は、一端面（左端面）がハウジング１６の下流側壁部１６ｂの外面にＯリング３９を介して気密に固定された筒状のフランジ４０と、フランジ４０の他端面（右端面）にＯリング４１を介して気密に固定され、中央部にダイアフラムボス３４が挿通する孔４２ａが形成された取り付け板４２とにより形成されている。

荷重伝達機構１８のダイアフラム２２の外周部は、図２に示すように、取り付け板３２に溶接などにより固定されている。ダイアフラム２２の内周部は、ダイアフラムボス２１の外周に溶接などにより固定されている。この構成により、ダイアフラム２２により第２の気密室２４の内外を気密に封止した状態で、ダイアフラムボス２１が図２で水平方向に変位可能になっている。

流速測定装置１０は、図３および図４に示すように、ハウジング１６の上流側に配置するカバー１１と、その下流側に配置するカバー１２とを備えている。また、流速測定装置１０は、図１に示すように、シャフト２０に取り付けられたバランスウエイト６０を備えている。このバランスウエイト６０は、平行リンク６１を介してシャフト２０に取り付けられている。流速測定装置１０の設置箇所が傾いているために、流速測定装置１０全体が例えば右下がりに傾くと、バランスウエイト６０が自重で右方へ移動することで、シャフト２０を左方へ移動させるようにする。また、流速測定装置１０全体が例えば右下がりに傾くと、バランスウエイト６０が自重で右方へ移動することで、シャフト２０を左方へ移動させるようにする。流速測定装置１０全体が例えば左下がりに傾くと、バランスウエイト６０が自重で左方へ移動することで、シャフト２０を右方へ移動させるようにする。これにより、ＦＢＧ１７の変位量が零である零点を常に維持できるようになっている。

このような構成を有する流速測定装置１０の気密室２４内には、ＦＢＧ１７（ＦＢＧ（１））の他に、温度補償用のＦＢＧ（ＦＢＧ（２））５０が設けられている。これら２つのＦＢＧ１７，５０は、図６に示すように、事務所内に設けた光源５１、波長計５２およびデータ処理装置５３と、光サーキュレータ５４を介して光ファイバで接続されている。光サーキュレータ５４とＦＢＧ１７は光ファイバ５５で接続され、ＦＢＧ１７，５０間は光ファイバ５６で接続されている。そして、ＦＢＧ５０に接続された光ファイバ５７の端部５８は無反射端になっている。なお、図１に示す板５９上には、光ファイバ５５の余った部分が収容されている。

以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○荷重伝達機構１８は、シャフト２０が貫通し上流側受圧板１９に固定されたダイアフラムボス２１と、内周部がダイアフラムボス２１の外周に固定され、外周部がハウジング１６側に固定されたダイアフラム２２とを有する。そして、上流側受圧板１９とシャフト２０との間およびダイアフラムボス２１とシャフト２０との間にＯリングをそれぞれ設けて、気密性を保つようにしている。つまり、この構成では、上記従来技術のようなゴムカバーを使用せずに、上流側受圧板１９とシャフト２０との間およびダイアフラムボス２１とシャフト２０との間での気密性を保つようにしている。このため、ＦＢＧ１７の変位量の基準位置となる零点がドリフトするのが長期に渡り防止される。これにより、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。

○上流側受圧板１９に作用する水圧（静圧）と下流側受圧板２３に作用する水圧とが相殺されるので、流体の流速が零のとき、ＦＢＧ１７の変位量が零である零点に常に維持することができる。

○流体の流速に応じた力を上流側受圧板１９が受けてシャフト２０が変位することで、その流速に応じた力がＦＢＧ１７に作用してＦＢＧ１７に歪が生じる。これにより、ＦＢＧ１７の回折格子の周期が変化してブラッグ波長がシフトし、シャフト２０の変位量、つまりＦＢＧ１７に作用する力に応じた波長の光がＦＢＧ１７から反射光として出射される。この出射光が光ファイバ５５および光サーキュレータ５４を介して波長計５２へ送られる。この波長計５２で観測される波長のデータがデータ処理装置５３へ送られる。データ処理装置５３は、波長計５２から送られるデータに基づき流速を求め、求めた流速を流量に換算して、ポンプの制御に用いる。

○気密室を１５形成するハウジング１６の上流側に第２の気密室２４を設け、この第２の気密室２４の一部を構成する取り付け板３３の中央部の孔３３ａに荷重伝達機構１８のダイアフラムボス２１が挿通し、荷重伝達機構１８のダイアフラム２２の外周部を取り付け板３３に固定しているので、気密室１５の気密性がさらに向上する。このため、ＦＢＧ１７の信頼性が長期に渡って確保されるので、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。

○シャフト２０は１本のシャフトであるため、上記従来技術のように、シャフトが分割されている構造と比べて、組み立て性が向上する。

○下流側受圧板２３とシャフト２０との間および第２のダイアフラムボス３４とシャフト２０との間にもＯリング３７およびＯリング３８をそれぞれ設けて気密性を保つようにしている。このため、上記従来技術のように、下流側受圧板とシャフトとの間の気密性を保つためのゴムカバーが経時変化により劣化して、ＦＢＧの変位の零点がドリフトするのが防止される。これにより、長期に渡り信頼性の高い流速測定が可能になる。
○シャフト２０の他端部は、第２の受圧板ボス３６に固定されているので、下流側受圧板２３とシャフト２０との間および第２のダイアフラムボス３４とシャフト２０との間を更に気密に保持することができる。

なお、上記一実施形態で説明した流速測定装置１０のように、第２の気密室２４、第３の気密室２５をそれぞれ形成するための筒状のフランジ３０、４０が無い構成の流速測定装置にも本発明は適用可能である。すなわち、筒状のフランジ３０、４０が無い流速測定装置では、気密室１５を形成するハウジング１６の上流側壁部にダイアフラムボスが挿通し、このダイアフラムボスの外周にダイアフラムの内周部が固定され、その外周部がハウジング１６の上流側壁部に固定される。

また、上記一実施形態で説明した流速測定装置１０では、ＦＢＧ１７を用いているが、ＦＢＧ１７に代えて、応力に応じて回動し、その回動量に応じた波長の光を透過する波長選択性を有する誘電体多層膜フィルタを用いた構成の流速測定装置にも本発明は適用可能である。
さらに、上記一実施形態で説明した流速測定装置１０において、ダイアフラムボス２１と受圧板ボス２６が一体に形成された構成の流速測定装置にも本発明は適用可能である。

一実施形態に係る流速測定装置の概略構成を示す縦断面図。 カバーを取り外した状態での流速測定装置の概略構成を示す縦断面図。 カバーが取り付けられた状態での流速測定装置を示す斜視図。 カバーを取り外した状態での流速測定装置を示す斜視図。 （Ａ），（Ｂ）は流速測定装置が下水管内に設置された状態をそれぞれ示す断面図。 流速測定装置内のＦＢＧと外部の光源等とが光ファイバで接続された光経路を示す模式図。

符号の説明

１０：流速測定装置
１３：下水管
１４：流体
１５：気密室
１６：ハウジング
１６ａ：上流側壁部
１７：ＦＢＧ
１８：荷重伝達機構
１９：上流側受圧板
２０：シャフト
２１：ダイアフラムボス
２２：ダイアフラム
２３：下流側受圧板
２４：第２の気密室
２５：第３の気密室
２６：受圧板ボス
２７，２８，３１，３２，３７，３８：Ｏリング
３０，４０：フランジ
３３：取り付け板
３３ａ：孔
３４：第２のダイアフラムボス
３６：第２の受圧板ボス

Claims (7)

1. 管路内に設置され、管路内を流れる流体の流速を測定する流速測定装置であって、
   気密室を形成するハウジングと、
   前記ハウジング内に収容され、光ファイバを介して外部の光源から送られる光が入射し、応力に応じて変位或いは回動し、その変位量或いは回動量に応じた波長の光を出射する光フィルタと、
   前記ハウジング外の上流側にあって、前記流体の流速に応じた力を受ける上流側受圧板と、
   一端部が前記上流側受圧板側に固定されたシャフトを有し、前記上流側受圧板に作用する力に応じて前記シャフトが変位し、その変位により前記光フィルタを変位或いは回動させる荷重伝達機構と、を備え、
   前記荷重伝達機構は、前記シャフトが貫通し前記上流側受圧板に固定されたボス部と、内周部が前記ボス部の外周に固定され、外周部が前記ハウジング側に固定されたダイアフラムとを有し、
   前記上流側受圧板と前記シャフトとの間および前記ボス部と前記シャフトとの間にＯリングがそれぞれ設けられていることを特徴とする流速測定装置。
2. 前記ハウジング外の下流側には、前記ハウジング外に突出した前記シャフトの他端部に固定され、前記上流側受圧板に作用する水圧を相殺する受圧面積を有する下流側受圧板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流速測定装置。
3. 前記光フィルタは、光ファイバブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流速測定装置。
4. 一端面が前記ハウジングの上流側壁部の外面にＯリングを介して気密に固定された筒状のフランジと、該フランジの他端面にＯリングを介して気密に固定され、中央部に前記ボス部が挿通する孔が形成された取り付け板とにより形成された第２の気密室を更に備え、
   前記荷重伝達機構のダイアフラムの外周部は前記取り付け板に固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の流速測定装置。
5. 前記シャフトは１本のシャフトであり、該シャフトの一端部は前記上流側受圧板に、その他端部は前記下流側受圧板にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一つに記載の流速測定装置。
6. 前記荷重伝達機構は、前記シャフトの他端部が貫通し前記下流側受圧板に固定された第２のボス部と、内周部が前記第２のボス部の外周に固定され、外周部が前記気密室側に固定された第２のダイアフラムとを有し、
   前記下流側受圧板と前記シャフトとの間および前記第２のボス部と前記シャフトとの間にＯリングがそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項５に記載の流速測定装置。
7. 前記第２のボス部は、前記シャフトが貫通し外周部に前記第２のダイアフラムが固定された第２のダイアフラムボスと、該ダイアフラムボスと前記下流側受圧板とにそれぞれＯリングを介して固定された第２の受圧板ボスとを有し、
   前記シャフトの他端部は、前記第２の受圧板ボスに固定されていることを特徴とする請求項６に記載の流速測定装置。

Images