JP2023037142A - カルマン渦型流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】カルマン渦型流量計の測定可能な流量範囲を拡大する。【解決手段】流路形成部材内１に形成された流路中に配置された渦発生体８の下流側に発生するカルマン渦を、渦検出体９によって検出することで流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、流路形成部材１内に設けられて流路を形成し、流路の延在方向７に移動可能なテーパー管２と、流路形成部材１の外部に配置され、テーパー管２を移動させる移動手段５、６とを備え、渦発生体８および渦検出体９は、延在方向７でテーパー管２が流路を形成する部分において、流路形成部材１に固定されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、カルマン渦型流量計の構成に関する。

カルマン渦型の流量計は、流路内に配置した渦発生体の下流側に発生するカルマン渦の周期を、渦発生体の下流側に渦検知手段を配置して検出するものである。

カルマン渦は、流体中に配置された物体の下流側に、流体のレイノルズ数等の物理的性質と流速で決まる周期で発生し、ある流速の範囲内では流速と渦の発生周期に比例関係が有ることが知られている。この渦の発生周期を計測し、渦の発生周期と既知である流路の断面積を用いて演算を行うことで流路内を流れる流体の流量を算出することが出来る。しかしながら、従来のカルマン渦型流量計では、カルマン渦と流速の間に比例関係が成り立つ範囲でしか計測を行えないという欠点があった。

それに対し、特許文献１においては、流路の横断面積を変更することで流体の流速を変更させる技術が開示されている。

特表昭５９－５０１５５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成であると、流路外から、機械的な手段により流路の断面積を変更しており、流路に機構部品を挿入する為の開口部を設けることが必要であり、流路内の流体が外部に流出することを防止するシール手段などが必要である。シール手段は、ゴムなどの弾性体で構成することが一般的であるが、耐久性に乏しく定期的な交換が必要であり、流量計の製造原価や維持費を押し上げる要因となる。

上記を鑑み、本発明に係るカルマン渦型流量計は、
流路形成部材内に形成された流路中に配置された渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を、渦検出体によって検出することで前記流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、
前記流路形成部材内に設けられて前記流路を形成し、前記流路の延在方向に移動可能なテーパー管と、
前記流路形成部材の外部に配置され、前記テーパー管を移動させる移動手段と
を備え、
前記渦発生体および前記渦検出体は、
前記延在方向で前記テーパー管が流路を形成する部分において、前記流路形成部材に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、流路に開口部を設ける必要がなく、従来のカルマン渦型流量計よりも計測範囲を広げることができる。

本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の断面図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の他の断面図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計の斜視断面図。 本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計のテーパー管の位置制御例を示す図。 本発明の他の実施例に係るカルマン渦型流量計の断面図。 本発明の他の実施例に係るカルマン渦型流量計の断面図。

（実施例１）
図１に、本発明の一実施例に係るカルマン渦型流量計における流路の延在方向７に沿った断面図を示す。流路形成部材１の内部に形成される流路内に、流路の延在方向７に移動可能な円筒状のテーパー管２が配置されている。なお、テーパー管２は、軽量であり流路形成部材１との摩擦が少なく流路を流れる物質と化学的に反応しにくい材料であることが望ましい。流路内におけるテーパー管２の円筒状の部分のさらに内側には、渦発生体８と渦検出体９が配置され、テーパー管２に設けられた穴１４内を貫通した状態で流路形成部材１に取り付けられるが、詳しくは後述する。

テーパー管２は、その内周面が流路の上流側から下流側に向かって流路の断面積が線形あるいは指数関数的に減少するようなテーパー形状に形成されており、テーパー管２の外周面は流路形成部材１の内周面と面一の形状であり、その一例として円筒状に形成されている。

テーパー管２の内部には磁性材３及び４が配置されており、流路形成部材１の外部に配置された電磁石５及び６により吸着可能になっており、電磁石５、６により吸引されて流路の延在方向７に移動する構造となっている。図２には、電磁石５に通電することによって磁性材３を吸着してテーパー管２が流路の上流側に移動した状態を示している。この時、移動したテーパー管２は突き当て部材１０に突き当たって停止する。流路形成部材１は非磁性材で形成されており、なおかつ流路を流れる流体の圧力に耐えうる最低限の厚みであると良い。他方、磁性材３、４は、テーパー管２における外周側に設けられていることが好ましい。なお、図２の状態から、電磁石６に通電することによって磁性材４を吸着してテーパー管２を流路の下流側に移動した状態が図１の状態である。この時、移動したテーパー管２は突き当て部材１１に突き当たって停止する。

一例として、流路を流れる流体が腐食性の強い材質、例えば硫酸である場合、流路形成部材１及びテーパー管２、突き当て部材１０、１１を耐薬品性が高く摺動性に優れた部材、例えばＰＴＦＥやＥＴＦＥなどのフッ素樹脂で構成すると良い。またテーパー管２の内部に配置する磁性材は、パーマロイ等の高透磁率の軟磁性材が望ましい。

図３に、図１及び図２に示した本発明によるカルマン渦型流量計の斜視断面図を示す。なお図３中では上流側の突き当て部材１０は図示していない。

上述した通り、テーパー管２は流路の延在方向７に沿って、移動可能に構成されているため、電磁石６が通電状態であり、かつ電磁石５が非通電状態であるとき、磁性材４が電磁石６に吸引され、テーパー管２は図１の位置に移動する。電磁石６の駆動電流を遮断し、電磁石５に通電すると磁性材３が電磁石５に吸引され、テーパー管２は図２の位置に移動する。

この時、渦発生体８及び渦検出体９は、流路形成部材１に固定されているので、テーパー管２が移動しても流路形成部材１に対する位置は変化しない。この為、同じ流量であっても図１に示すテーパー管２の位置と図２で示すテーパー管２の位置では、渦発生体８周囲の流体の流速が変化し、発生する渦の周期も変化する。

なお、図３に示すように、テーパー管２には、流路形成部材１に固定された渦発生体８及び渦検出体９を通す穴１４が設けられている。渦検出体９は流路の延在方向７で渦発生体８の直下（下流側で渦発生体８と延在方向７に重なる位置）に配置されており、渦発生体８が発生する渦を、テーパー管２から流路の中央部に向かって離れた位置で検出する事により、穴１４で発生する乱流の影響を低減する事が出来る。また、穴１４の縁部を曲線状にすることにより、乱流の発生を抑制してもよい。

このような構成において、図１に示すテーパー管２の位置で、流量が計測範囲の下限付近となった場合でも、テーパー管２の位置を図２の位置に移動させる事で渦発生体８の周囲の流体の流速が早くなり、計測範囲を拡大できる。

計測に際しては、テーパー管２の位置が上流側にある場合（図２）と下流側にある場合（図１）、それぞれにカルマン渦の発生周期と流量の関係を示すテーブルを、カルマン渦型流量計の制御装置内部に保持していると良い。

なお、テーパー管２の上流側と下流側には、テーパー管の位置を規制する突き当て部材１０及び１１が配置されており、テーパー管の位置を正確に決めることができる。図３にその一部を示すように、突き当て部材１１や不図示の突き当て部材１０は、流路形成部材１の周方向に一周連続した構造であっても良いし、周方向に複数に分割されて設けられていても良い。

また、図１及び図２では、テーパー管２の上流側で流路の径が大きくなる実施例を示したが、下流側で流路の径が大きくなるように構成しても良い。

さらに、図１及び図２に示す実施例では、テーパー管２内部に磁性材３及び４を配置する構造について説明したが、テーパー管２自体を磁性材で構成しても良いし、少なくともテーパー管２の一部が磁性材で構成されていれば良い。

次に、流路の延在方向７においてテーパー管２が配置される位置について述べる。カルマン渦型流量計では、流路を流れる流体が層流に近いことが望ましく、本実施例におけるカルマン渦型流量計においても、流路形成部材１の上流側に接続される他の配管内に整流板が配置される。この為、本発明において、テーパー管２は極力流路形成部材１の下流側に配置することが望ましい。

次に、テーパー管２の移動タイミングについて述べる。テーパー管の移動のタイミングは、カルマン渦型流量計の制御装置（不図示）によって、計測中の流体の流量を基に制御される。

具体的なテーパー管２の位置制御例を図４に示す。流量が少ない領域である流量ａ以下では、テーパー管２は図２に示す位置Ａにあるが、流量が閾値ｂを越えるとテーパー管２は、図１に示す位置Ｂに移動する。一旦テーパー管２が位置Ｂに移動した後は、流量が流量ｂよりも少ない流量ａを下回らない限り、位置Ａには移動しない様に制御される。この様な制御を行う場合、テーパー管の移動を判断する流量ａ及びｂは、設置状況によって、オペレーターが設定できるように構成される。

このような手順でテーパー管２の位置を制御すると、流量変動の激しい場合でも流量の変化が流量ａとｂの間で変化する間はテーパー管２は移動しない。この為、安定した計測が可能となると共にテーパー管２の寿命を延ばすことが出来る。

（実施例２）
図５に本発明の別の実施例を示す。別の実施例では、テーパー管２を位置決めする為の付勢手段としてのバネ１２を備えている。電磁石６に通電していない状態では、テーパー管２はバネ１２により、上流側の位置決め部材１０に押し当てられているが、電磁石６に通電するとテーパー管内の磁性材４が電磁石６により吸引され、下流側の位置決め部材１１側に移動し、不図示の突き当て部が位置決め部材１１に当接する。

この時、位置決め部材１１以外の突き当て部材を設けてテーパー管２の位置決めを行っても良い。このような構成とする事で、前述の図１及び図２の実施例よりも電磁石の個数を減らしつつ、同様の効果を得ることが可能である。

なお、図５においては、上流側に付勢力を発揮するバネ１２と下流側に吸引する電磁石６によって構成したが、流路の延在方向７に対し上流側と下流側の一方側に付勢力を発揮する付勢手段と、その付勢力に抗して他方側に吸引する電磁石によって構成すれば良い。

（実施例３）
図６に本発明の別の実施例を示す。この実施例では、テーパー管２は流路形成部材１の内壁に固定されており、渦発生体８及び渦検出体９は保持部材１３に固定されている。なお、テーパー管２は、流路形成部材１の内壁と一体に形成され、テーパー部として構成されていても良い。

保持部材１３は、その上流側が概略円環状に形成されており、その内部に磁性材３が配置されている。磁性材３が設けられた部分から下流側に向かって取付部１５が設けられており、渦発生体８と渦検出体９が固定されている。保持部材１３はバネ１６により付勢されており電磁石５に通電していない時には、保持部材１３の下流側にあるテーパー管２に突き当てられている。電磁石５に通電すると、保持部材１３内部の磁性材３は電磁石５に吸引され、上流側に移動する。このような構造とする事で、図３に示した実施例と同様の効果が得られる。

この時、渦検出体９からの信号は、バネ１６を金属で形成し、バネ１６を通じて流路外へ導出してもよい。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明はこれらに限られず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、上記実施例においては、テーパー管２を略円筒状のものとして説明したが、これに限られず、外周は流路形成部材１の形状に合わせ、内周は円筒状以外でも、断面が楕円形、多角形状でも良い。また、テーパー管２の周方向の一部が連続していなくても良く、周方向で複数に分割されていても良い。その場合には、複数に分割された各部分が磁性材を有し、それらに対応した電磁石で移動可能に構成することが好ましい。但し、すべての分割された部分が移動しなくともよく、移動の前後で渦発生体８と渦検出体９の周囲の流速が変化するようなテーパー管２の部分が移動すれば良い。なお、周方向に連続せずに途切れた部分において、渦発生体８と渦検出体９とが流路形成部材１に対して固定されていることが好ましく、その場合には、穴１４は設けなくても良い。

また、上記実施例においては、テーパー管２が上流側と下流側の位置にある時それぞれに、流量を算出するためのテーブルを有するものについて説明したが、一方の位置にあるときの流量算出用のテーブルのみを有し、それに対し他方の位置にあるときに渦検出体９の検出結果に対する補正値を用いて流量を算出するように構成するなど、他の方法によって流量を算出しても良い。

１ 流路形成部材
２ テーパー管
３、４ 磁性材
５、６ 電磁石
７ 延在方向
８ 渦発生体
９ 渦検出体
１０ 突き当て部材
１１ 突き当て部材
１２ バネ
１３ 保持部材
１４ 穴

Claims (6)

1. 流路形成部材内に形成された流路中に配置された渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を、渦検出体によって検出することで前記流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、
   前記流路形成部材内に設けられて前記流路を形成し、前記流路の延在方向に移動可能なテーパー管と、
   前記流路形成部材の外部に配置され、前記テーパー管を移動させる移動手段と
   を備え、
   前記渦発生体および前記渦検出体は、
   前記延在方向で前記テーパー管が流路を形成する部分において、前記流路形成部材に固定されていることを特徴とするカルマン渦型流量計。
2. 前記移動手段は電磁石であり、前記テーパー管の磁性材で形成された部分を吸着可能であることを特徴とする請求項１に記載のカルマン渦型流量計。
3. 前記テーパー管の上流側及び下流側には、前記テーパー管の移動を規制する突き当て部材が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のカルマン渦型流量計。
4. 前記テーパー管の外周側に前記磁性材で形成された部分が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のカルマン渦型流量計。
5. 前記テーパー管を前記延在方向の一方側に付勢する付勢手段を有し、
   前記移動手段は、前記付勢手段の付勢力に抗して前記テーパー管を移動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のカルマン渦型流量計。
6. 流路形成部材内に形成された流路中に配置された渦発生体の下流側に発生するカルマン渦を、渦検出体によって検出することで前記流路を流れる流体の流量を計測するカルマン渦型流量計であって、
   前記流路形成部材の内壁に設けられたテーパー部と、
   前記テーパー部の内部に配置された前記渦発生体と前記渦検出体とを保持する保持部材と、
   前記流路形成部材の外部に配置され、前記保持部材を前記流路の延在方向に移動させる移動手段と
   を備えることを特徴とするカルマン渦型流量計。
   
   

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