JP2023164607A - 物理量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測流体中に水滴が含まれていても、流量や成分の濃度を計測できる物理量計測装置を提供すること。【解決手段】物理量計測装置２０は、被計測流体が流れる主流路１と、液滴が流れる副流路１１と、主流路１に流れる被計測流体における流量または被計測流体に含まれる成分の濃度を計測する計測器と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水分を含んだ流体から水滴の影響を除去して、流体の流量あるいは流体に含まれる成分の濃度を計測するための物理量計測装置に関するものである。

流体に含まれる水滴の影響を受けることなく、流体の流量および流体に含まれる成分の濃度計測を行うことが必要とされる用途がある。

従来、流体の流量を測定する計測装置として、測定流路を複数に分割し、流れの二次元性の向上により計測精度を向上したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された超音波流量計の断面図を示したものである。

この超音波流量計では、計測流路１０１は複数の仕切板１０２で多層に分割して多層流路１０３を形成し、この多層流路１０３の上流側と下流側にチャンバ部１０４を設けるとともに、このチャンバ部１０４を介して一対の超音波送受波器１０５を対向させて配置している。

この多層流路１０３において、超音波を伝搬させて流速を計測し、流量計測を行うものである。

特開平９－４３０１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、水滴が混入した流体では多層部に水滴がそのまま混入し、超音波の伝搬が阻害されて超音波による計測精度が保証できず、また、溜まった水滴を排出できず、装置が使用できなくなるという課題がある。また、計測流路の上流・下流に大きな空間容積を占めるチャンバ構成のため、計測装置が大きくなり小型コンパクト化ができないという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、気相の流体中に水滴が含まれていても、流体の流量や流体に含まれる成分の濃度を計測できる物理量計測装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の物理量計測装置は、被計測流体が流れる主流路と、液滴が流れる副流路と、前記主流路に流れる前記被計測流体における流量または前記被計測流体に含まれる成分の濃度を計測する計測器と、を備える。

本発明の物理量計測装置は、多層部で構成される主流路の外方に設けられた副流路を、この主流路に対して重力方向下側になる位置に配置し、また、超音波送受波器は多層部において流れの中に突出させて配置することで、超音波伝搬路への水滴の侵入抑制と超音波送受波器への水滴の付着抑制により、流入する被計測流体に水滴が含まれていても、流体流量や被計測流体に含まれる成分の濃度の計測をすることができる。

本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図 本発明の実施の形態１における図１のＡ－Ａ断面の平面図 本発明の実施の形態１における図１のＢ－Ｂ断面での流路部の横断面図 本発明の実施の形態１における副流路の入口側を示すＣ部拡大図 従来の超音波流量計の構成を示す断面図

第１の発明は、被計測流体が流れる矩形断面の主流路と、前記主流路を多層に分割する仕切板が配置された多層部と、前記多層部に配置した一対の超音波送受波器と、前記多層部の上流側に設けた上流開口部と、前記多層部の下流側に設けた下流開口部と、前記多層部の外方向に設けられ前記上流開口部と前記下流開口部とを接続する副流路と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて流体の流量と成分濃度を計測する信号処理部とを備え、前記副流路は、前記主流路に対して重力方向下側になる位置に配置し、前記上流開口部は前記多層部の上流端近傍に配置し、前記下流開口部は前記多層部の下流端近傍に配置するとともに、前記超音波送受波器は、前記多層部において流れの中に突出させて配置した物理量計測装置で、超音波が伝搬する多層部への水滴の侵入抑制と、超音波送受波器への水滴の付着抑制を図る。これにより超音波伝搬路における超音波の送受信特性の劣化を防止し、流入する流れに水滴が含まれていても、流体の流量や流体に含まれる成分の濃度を計測することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図４を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図であり、図２は図１のＡ－Ａ断面を示す平面図である。図３は、図１のＢ－Ｂ断面での流路部の横断面図であり、図４は、図１における副流路の入口側を示すＣ部拡大図である。なお、図１の断面図は、副流路の構造を分かりやすくするため、図３のＤ―Ｄ断面図となっている。

図１において、物理量計測装置２０は、被計測流体が流入する入口４および被計測流体が流出する出口５を備える。流量及び成分濃度の計測が行われる主流路１は、図３に示すように、その断面が長辺を幅Ｗ、短辺を高さＨで示す矩形断面の流路を、ほぼ水平方向に配置した複数の仕切板２により多層に分割して多層部３を形成する構成としている。なお、本実施の形態では、５つの仕切板２によって、６つの層に分割している。

これにより、各層の断面のアスペクト比を大きくし、二次元流れを実現する流路としている。図２に示すように、この多層部３には、多層の流れを斜めによぎる方向に一対の超音波送受波器６、７を、多層部３の積層方向のほぼ中央において、互いに対向させて配置し、超音波伝搬路を形成している。

また、上流側の超音波送受波器６および下流側の超音波送受波器７は多層部３内に流れの中に突出するように配置している。超音波送受波器６、７を流れに突出させるため、仕切板２には切欠き部８を設けて超音波送受波器６、７が当接しないようにしている。しかも、この切欠き部８において、超音波送受波器６、７の超音波の送受波部である先端と仕切板２との隙間Ｌは、被計測流体中の水滴が集積して表面張力によって張り付いた場合、超音波送受波器６、７の先端に滞留しないように、あるいは滴下するように寸法を設定している。

図１において、複数の仕切板２により形成した多層部３の上流端近傍の下側に上流開口部９を設け、多層部３の下流端近傍の下側に下流開口部１０を設けるとともに、この上流開口部９と下流開口部１０とを接続する副流路１１が主流路１に対して重力方向下側（図１での下方向）になるように配置している。

この副流路１１は、多層部３の幅Ｗ方向に延びる幅Ｗ、隙間Ｇのスリット状の上流開口部９（詳細を図４に示す）、と、斜め下方に延びる上流傾斜路１２と、底部に設けた水路１３と、斜め上方に延びる下流傾斜路１４と、上流側と同様、多層部３の幅Ｗ方向に延びる幅Ｗ、隙間Ｇ（図示せず）のスリット状の下流開口部１０と、を順次接続した流路で構成している。なお、上流傾斜路１２と下流開口部１０は、共に幅Ｗ、隙間Ｇで水路１３に至り、水路１３は、図３に示すように、幅Ｗ方向の両端に２つ配置され、共に幅Ｗ１，高さＦの矩形断面であり、流路高さＦは、想定される量の水が流入しても水が滞留することなく流動できる寸法に設定している。

このように主流路１の重力方向下側に副流路１１を併設している。また、使用状態において、主流路１および副流路１１は、下流側が下方になるように全体を僅かに傾斜させて設置している。

また、図２に示すように、主流路１の上流側および下流側には一対の温度センサ１５を設け、その位置は、計測を行う多層流路の流れに影響を及ぼさない位置としている。また、２つの温度センサ１５で計測された温度を平均化することにより超音波伝搬路の被計測流体の温度が算出できるようにその位置を設定している。更に、超音波伝搬路と同じ層の流体の圧力を計測するために、圧力センサ１６を多層部３の中央の複数の層にまたがるように設けている。

図１において、上記に示した一対の超音波送受波器６、７と、温度センサ１５と、圧力センサ１６は信号処理部１７と電気的に接続され（図示せず）、この信号処理部１７はこの一対の超音波送受波器６、７からの信号と温度センサ１５および圧力センサ１６からの信号を受けて被計測流体の流速や流量を計測し、さらに、被計測流体の成分濃度を計測する。この信号処理部１７で計測処理した結果などは表示部１８で表示する。

次に、本発明の物理量計測装置の動作について説明する。

図１において、主流路１を流れる水滴を含んだ気体である被計測流体は、入口４から白抜き矢印Ｅで示す方向で流入し、水滴の一部は、重力により下方に滴下する。次に、主流路１に設けた多層部３の仕切板２の上流端２ａに衝突した水滴の一部は、下方へ滴下する。重力により滴下した水滴および仕切板２の上流端２ａに衝突し滴下した水滴は、多層部３の上流端２ａ近傍に開口したスリット状の上流開口部９から副流路１１に流入する。

この上流開口部９から副流路１１に流入した水滴は、テーパ状に傾斜した上流傾斜路１２を経て底部に設けた水路１３に流入する。水路１３は、図３に示したように流路高さＦを適切な寸法に設定しているので、水滴の滞留防止とともに、流動性が高められている。水路１３内を流れる水滴は、下流開口部１０において斜め上方に延びる下流傾斜路１４を経て、スリット状の下流開口部１０より流出し、主流路１の流れに合流して出口５から流出する。

物理量計測装置２０は、主流路１及び副流路１１の水路１３が下流に向かって斜めに傾斜するように設置している。従って、この副流路１１内の流れは、副流路１１の水路１３が、下流に向かって下方に傾斜していることによる重力の作用と、多層部３より流出する流れの誘引作用とによって生じるものである。

このようにして、多層部３への水滴の侵入は抑制されるが、多層部３の仕切板２の上流端部で滴下しなかった水滴の一部が存在しうる。これら仕切板２に付着し、仕切板２の表面上を下流側へと流れ去り、超音波伝搬に直接悪影響を与えることは無い。

また、被計測流体中の微細な水滴が、多層部３の層内に流れ込むが、超音波送受波器６、７は、いずれも、流路内に突出しているため、この微細な水滴は、超音波送受波器６、７の側面に衝突付着するのみで、超音波の送受信に影響する超音波送受波器６，７の表面に付着することは無い。

このようにして、多層部３においては、大きな水滴を生じることがなく、また、微細な水滴の影響を受けることもなく超音波送受波器６，７間の超音波伝搬信号の送受信が保証されるものである。

その一方で、温度センサ１５は、主流路１の上流側および下流側で多層部３を避けた位置に一対設けているので、この２つの温度センサ１５で計測された温度を平均化することにより、超音波伝搬路における被計測流体の正確な温度を計測することができる。

また、圧力センサ１６は、超音波伝搬路と同じ層の被計測流体の圧力を計測するために、図１に示すように受圧面が多層部３の中央の複数の層にまたがるように設けているため、正確な圧力を計測することができる。

このようにして得られた、一対の超音波送受波器６、７による、送受信の伝搬時間を用いて、公知の伝搬時間逆数差法により、流速、流量が求められる。

また、送受信の伝搬時間を用いて得られる音速、および温度センサ１５の測定値を基に、公知の方法を用いて、被計測流体に含まれる成分の濃度を求めることができる。

圧力センサ１６により計測された圧力の値は、成分の濃度を求めるに際して、標準状態への換算が必要とされる場合の補正用に用いられる。

以上のように、本実施の形態によると、副流路１１により超音波が伝搬する多層部３への水滴の侵入を抑制することができ、また、超音波送受波器６、７を主流路内に突出して配置したことにより超音波送受波器６、７の送受波面への水滴の付着を抑制することができるので、物理量計測装置に流入する被計測流体に水滴が含まれていても、被計測流体の流量や被計測流体に含まれる成分の濃度の計測を行うことができる。

なお、本発明の実施の形態において、多層部３は仕切板２をほぼ水平に設置する場合を示したが、仕切板を垂直に設置しても良く、この場合、衝突により生じた水滴の一部に関して、仕切板を伝って滴下し易くすることができる。

また、上流側および下流側に一対の温度センサ１５を設ける場合を示したが、流体の温度勾配が少ない場合などでは１個の温度センサでも良く、その場合は、低コスト化が、可能となる。

また、圧力センサ１６は、その受圧面が多層部３の中央の複数の層に対して対向するように仕切板２に水平方向（即ち、図３の左右方向）に配置する場合を示したが、多層部３の最外層側で仕切板２に垂直方向（即ち、図３の上下方向）に配置しても良く、特に、信号処理部１７側（即ち、図３の上方向）に配置する場合には、信号処理部１７を構成する制御基板部への一体配置や接続配線の簡略化など構成のコンパクト化および低コスト化が可能となる。

また、成分の濃度計測に関しては、超音波以外のサーマルセンサ、水素センサによる成分の濃度計測も可能である。

また、被計測流体への水滴の混入を事例として説明したが、水滴のみならず、水以外の液滴についても同様の効果が期待されるものである。

以上のように、本発明の物理量計測装置は、副流路に流体中の水滴を流入させ、主流路での水滴を抑制する構成の計測装置を提供できるもので、流量計と成分計測の両方を有するだけでなく、流量計だけの装置でも、あるいは成分計測だけの装置でも適用が可能となり、汎用性の高い物理量計測装置を実現できる。

１ 主流路
２ 仕切板
３ 多層部
６、７ 超音波送受波器
９ 上流開口部
１０ 下流開口部
１１ 副流路
１５ 温度センサ
１７ 信号処理部
２０ 物理量計測装置

Claims (11)

1. 被計測流体が流れる主流路と、
   液滴が流れる副流路と、
   前記主流路に流れる前記被計測流体における流量または前記被計測流体に含まれる成分の濃度を計測する計測器と、を備える、
   物理量計測装置。
2. 前記副流路は、前記主流路に対して重力方向下側になるように配置されている、
   請求項１に記載の物理量計測装置。
3. 前記主流路を多層に分割する仕切板を更に備える、
   請求項２に記載の物理量計測装置。
4. 前記副流路の上流開口は、前記仕切板の上流端に衝突して滴下した液滴が流入できる位置にある、
   請求項３に記載の物理量計測装置。
5. 前記計測器は、
   前記被計測流体における超音波の伝搬時間を計測する一対の超音波送受波器である、
   請求項１に記載の物理量計測装置。
6. 前記副流路は、前記主流路に対して重力方向下側になるように配置されている、
   請求項５に記載の物理量計測装置。
7. 前記一対の超音波送受波器を、前記主流路内に突出させて配置した、
   請求項５または６に記載の物理量計測装置。
8. 前記主流路を多層に分割する仕切板を更に備える、
   請求項７に記載の物理量計測装置。
9. 前記仕切板は、前記一対の超音波送受波器との間に隙間を設けた切欠き部を有する、
   請求項８に記載の物理量計測装置。
10. 前記副流路の上流開口は、前記仕切板の上流端に衝突して滴下した水分が流入できる位置にある、
    請求項８に記載の物理量計測装置。
11. 前記主流路および前記副流路は、下流側が重力方向で下方になるよう傾斜して設置されている、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の物理量計測装置。