JP2821650B2 - 流体振動形流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスメータを始め各種流体（気体、液体）
の流量を計測する流体振動形流量計に関し、さらに詳細
には、流路に直交するノズル噴出面を有するノズルを流
路内に配設し、このノズルの噴出側に前記ノズルの軸に
対して対称な拡大流路内壁面を有する流路拡大部を設け
るとともに、前記流路拡大部における流路中央部に前記
ノズルより噴出する噴流の直進を阻害するターゲットを
設け、さらに、前記流路拡大部の下流側に前記流路拡大
部より狭い流路幅を有する絞り流路部を設けた流体振動
形流量計に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の流体振動形流量計としては、第11図
（イ）に示すような構成のものが提案されている。この
流体振動形流量計の作動原理を簡単に説明すると、ノズ
ル噴出面（11）より噴出した噴流は、ターゲット（20）
の側部を迂回して絞り流路部から流出する噴流主流（L
1）と、この噴流主流（L1）から分岐し、流路拡大部に
おける後部側の部位もしくは前記絞り流路部を形成する
縮小断面部に衝突して、流路を逆流する帰還流（L2）と
から構成される。ここで、この型の流量計においては、
ノズルから流体が噴出されると、コアンダ効果によって
噴流は流れ方向に沿った一方の側壁部（50、51）に引き
寄せられて流れることとなる。即ち、噴流は直進するこ
となく、いずれかの側壁部（50、51）側に歪められるこ
ととなるのである。このとき、前述のような帰還流（L
2）を生むこととなり、この流れによりノズル噴出面近
傍において噴流の直進方向に対して、直行する方向に流
体エネルギーが付与され、引き続くステップで、噴流は
反対側の側壁部（50、51）に沿って流れるものとなるの
である。即ちこの帰還流（L2）は、ノズル噴出口付近に
おいて、噴流主流に対する制御流としての役割を果たす
こととなり、ノズルから噴出される噴流がターゲットの
両側面を交互に流れる現象が起こる（ターゲットの存在
は、低流量側における、振動を有効に誘起することとな
る。）。さらに、流路拡大部にターゲットのみを配置し
た構成の流量計においては、ターゲットより下流側に形
成される後流に形成される渦の状態もこの振動現象に影
響する。この振動周期は流量計に流れる流体流量に概し
て比例している。そこでこの現象を利用して、この流路
に流れる流体の流量を測定しようとするのである。

即ち、第11図（イ）に示す流路拡大部が、ほぼ箱型に
形成される流量計においては、ノズル噴出面の下流側近
傍で、噴流を挟む一対の計測位置（55、55）に圧力もし
くは流量を検出する機構を設けておき、前述の噴流がタ
ーゲットの両側面を交互に流れる現象により生じる圧
力、もしくは流量の変化を検出し、この振動数を計測す
ることにより流量を検出するのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、一般に例えばガスメータの場合について説明す
れば、許容される計測許容誤差（実際の流量と、計測器
が検出値として検出する値の誤差）は、流量０〜0.6m³/
hの範囲で±2.5％であり、流量0.6〜3m³/hの範囲で±1.
5％である（第11図（ロ）破線で示す。）。ここで、第1
1図（イ）に示す流路拡大部が、ほぼ箱型に形成される
流量計を使用して測定をおこなうと、誤差は第11図
（ロ）の実線に示すようになる。第11図（ロ）は、流量
を変化（０〜5m³/h）させた場合の、適正検出値からの
計測値の誤差（％）を示したもの（以後流量−器差特性
と呼ぶ。）であり、この測定においては微小流量域（0.
15〜0.3m³/h）における誤差が、測定許容基準をはるか
に越えて±4.4％の値を取るとともに、0.3から2.1m³/h
の範囲内でのみ測定許容基準内に収まる計測値しか得ら
れていない。図中ΔＥに示す数値は、特性曲線における
Emax（プラス側の極大値）−Emin（マイナス側最大値）
を示す値であり、測定の安定性を判断できる数値であ
る。（以下に示す実施例・実験例においては、全て流量
計の流量−器差特性の試験にあたって上記の例で示した
場合同様ガスとしては、空気を対象とし、5m³/hの流量
域まで試験を行う。この理由は、許容基準の上限流量値
である3m³/hに対し、メタン等の別種のガスを計測する
場合のレイノルズ数の変化を考慮したためである。） さて、許容基準によれば、この数値は、小流量域で５
％、大流量域で３％となっている。即ち、こういった従
来の構造を計測用の機器に採用することはできず、上記
従来技術には、計測精度に関して改良の余地があった。

そこで本発明の目的は、その測定対象となる流量範囲
が十分に広く、しかも全測定領域に渡って誤差の小さな
流体振動形流量計を得ることである。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するための本発明による流体振動形流
量計の特徴構成は、 拡大流路内壁面を、噴出面に接する主円弧部と、主円
弧部に滑らかに接続する拡大壁部と、さらに拡大壁部に
滑らかに接続し、下流側で絞り流路部に接続する副円弧
部とで構成し、 拡大壁部を、流路方向でターゲットの位置に相当する
位置まで下流側ほど流路を拡大させる構成としたことに
あり、その作用・効果は次の通りである。

〔作 用〕

つまり本願の流体振動形流量計においては、従来の箱
形の流量計と比較して、拡大流路内壁面がノズル噴出面
から下流側に向かって、主円弧部によって徐徐に拡大さ
れてゆき、さらにこの拡大傾向がターゲットの位置に相
当する位置まで続くこととなるのである。こういった振
動形流量計においては、帰還流の滑らかな制御位置（ノ
ズル噴出口付近）への帰還が問題になるのであるが、先
ず噴流主流から分岐する帰還流は、副円弧部において滑
らかな円弧状の流線を描いて帰還を始め、流路拡大部の
断面形状に依存した形で過度の減速を起こすことなくノ
ズル噴出面まで帰還することとなる。さらに主円弧部に
おける外壁部が円弧状を有していることが帰還流の滑ら
かな帰還を助けているのである。

〔発明の効果〕

したがって、振動形流量計の適応限界を規定すること
となる測定許容基準内にはいる流量域を拡げる（流量計
内における流体の流れが、無理無くスムーズな流れとし
て形成されることとなるため、測定対象となる流量の変
化に対して、流れのパターンを大きく変えることなく安
定した状態で流量変化を吸収することが可能となり、結
果流体振動の振動数変化も流量の変化に対してこれを良
く代表できることとなる。）ことが、可能となったので
ある。

よって、従来流量測定器として使用することが不可能
に近かった流路内にターゲットのみを備え、帰還流の形
成を管路外壁面の形状のみでおこなう流体振動形の流量
計を実用可能なものとすることができた。

またこの形の流量計の特徴として、従来実用に供され
てきた積極的に帰還流を形成する部材を備えた流体振動
形流量計に比べて構造がシンプルであり、製作が容易で
あり、コストの低減が図れることとなった。

〔実施例〕

本願の流体振動形流量計を組み込んだ流量測定装置
（１）について、第１、２図に基づいて説明する。第１
図には流量測定装置（１）の平面図が、第２図にはこの
流量測定装置（１）に組み込まれている流体振動形流量
計（２）の主要部の詳細が示されている。まず、この流
量測定装置（１）の概略構成について説明する。この装
置（１）においては、測定対象の流体（ｆ）が、その流
入方向（Ａ）が流出方向（Ｂ）に対して180度逆になる
ように構成されている。すなわち、装置流入口（３）か
ら流入するガス、水といった流体（ｆ）は、略Ｌ字形の
第一屈曲路（４）を通って遮断弁部（５）に送られる。
そしてこの遮断弁部（５）を通過した後、貯留部（６）
に流入する。そしてさらにこの貯留部（６）よりノズル
（10）に流入する。この流体（ｆ）は、流体振動形流量
計（２）のノズル噴出面（11）よりも下流側に設けられ
ている流路拡大部（12）、絞り流路部（13）を経て装置
流出口（24）から流出する構成とされているのである。

以下に、第２図に基づいて本願の主要部である流体振
動形流量計（２）の構成について説明する。この流体振
動形流量計（２）は、前述のノズル（10）、流路拡大部
（12）と、この流路拡大部（12）に滑らかに接続する絞
り流路部（13）を有して構成されている。ここで、ノズ
ル（10）はノズルの両内側壁部を流路（Ｆ）に対して並
行な直線流路として形成され、そのノズル噴出面（11）
を流路方向に対して直交する状態で有している。次に、
流路拡大部（12）について説明すると、この流路拡大部
（12）は流路方向に一致するノズルの軸に対して対称な
拡大流路内壁面（14）を備えており、この内壁面（14）
はノズル噴出面（11）に接する主円弧部（15）と、これ
に接続する直線壁部（16）と、さらにこの直線壁部（1
6）に接続する副円弧部（17）から構成されている。そ
して、この副円弧部（17）の後端部が前述の絞り流路部
（13）に同様に円弧状の排出円弧部（18）により接続さ
れているのである。さらにこの流路拡大部（12）におけ
る流路中央部には、噴出面より噴出する噴流の直進を阻
害するターゲット（20）が設けられている。このターゲ
ット（20）は、微小流量域において、噴流の流動方向の
切り換えを安定して起こさせる効果を有する。ここで、
ノズル（10）の幅をｗ、主円弧部（15）の半径をＲ、副
円弧部（17）の中心の噴出面からの流路方向離間距離を
Ｌ、副円弧部（17）の中心のノズル軸心からの流路横断
方向離間距離をｘ、副円弧部（17）の半径をｒ、ターゲ
ット（20）の幅をTw,ターゲット（20）の先端位置の噴
出面からの流路方向離間距離をT1、絞り流路部（13）の
幅をＰとすると、前記ｗ、Ｒ、Ｌ、ｘ、ｒ、Tw、T1、Ｐ
が、 R/w＝4.38、 L/R＝1.5、 x/R＝0.78、 r/R＝0.5、 Tw/w＝1.75 T1/R＝１、 P/R＝1.18 の関係にある。

また、前述の排出円弧部（18）の半径r1はほぼｒに等
しく、流路拡大部（12）の横断最大寸法（第11図（イ）
における箱形部の流路横断方向の幅に相当）は２（ｘ＋
ｒ）/R＝2.56、となり、さらにノズル噴出面（11）から
絞り流路部（13）までの距離（第11図（イ）における箱
形部の流路方向の距離に相当）は、（Ｌ＋ｒ＋r1）/R＝
2.5となっている。前述のノズル噴出面（11）から流体
振動形流量計（２）の後端部（19）の距離Ｚは、Ｚ＝2.
67R程度である。ここで、ｗの実際の寸法は3.2mmであ
り、Ｒのそれは14mmである。

ここで、流量計関連寸法R,L,x,r,T1,Pの無次元化にあ
たり、L,x,r,T1,Pに関してＰを基準に選定している理由
は、噴流主流の折れ曲がり部の角度（θ）と帰還流の主
帰還部の角度（θ′）がほぼ平行となるような構成とさ
れていることによる。

以下に、この流体振動形流量計（２）の計測結果につ
いて説明する。第３図（ロ）に流量−器差特性が示され
ている。この図からも判るように、0.6m³/h以上の大流
量で誤差±1.0％以下の高精度であり、0.1〜0.6の低流
量でも±1.5％以下の誤差で計測法で定められた許容公
差内（±2.5％以下）に十分収まっており、高精度で十
分に実用に耐えうる流体振動形流量計が得られている。
ここで、発信下限流量は、651/h程度であり、レイノル
ズ数で50程度まで測定可能となっており、極めて良好な
成績である。

〔実験例〕

以下に本願について発明者らが行った実験結果につい
て説明する。

実験例 １ 主円弧部の半径をＲ、 ノズル幅ｗその他のパラメータを実施例と同一とした
状態で、主円弧部の半径Ｒを変化させた場合の、流量−
器差特性の変化について、検討した結果を第３図
（イ）、（ロ）、（ハ）に示した。ここで、（イ）、
（ロ）、（ハ）について、それぞれＲは11、14、17mmと
した。以下に結果に付いて説明すると、主円弧部の半径
をＲが第３図（イ）に示すように小さいと、小流量域に
おける誤差のプラス側への変位が大きく、大流量域にお
ける測定値のプラス側への変位が大きくなっている。こ
の領域から主円弧部の半径Ｒを増加させるに従って、第
３図（ロ）に示すように小流量域から大流量域に至るま
で精度の良い良好な計測が可能な状態がが実現するよう
になる。さらに、第３図（ハ）に示すように、主円弧部
の半径Ｒを大きくすると、小流量域、大流量域ともに、
誤差がマイナス側に振ることとなっている。

実験例 ２ 副円弧部の半径をｒ、 ノズル幅ｗその他のパラメータを実施例と同一とした
状態で、副円弧部の半径ｒを変化させた場合の、流量−
器差特性の変化について、第４図（イ）、（ロ）、
（ハ）に示した。ここで、（イ）、（ロ）、（ハ）につ
いてそれぞれｒは5,7,9mmとした。以下に結果について
説明すると、副円弧部の半径をｒが第４図（イ）に示す
ように小さいと、小流量域における誤差についてはおお
きな問題を誘因することはないが、大流量域における測
定値のプラス側への変位傾向が大きくなっている。ただ
し、ΔＥは比較的小さい。この領域から副円弧部の半径
をｒを増加させるに従って、第４図（ロ）に示すように
小流量域から大流量域に至るまで許容誤差内に収まる低
誤差の良好な状態が実現するようになる。さらに、第４
図（ハ）に示すように、主円弧部の半径をｒを大きくす
ると、小流量域において、誤差がマイナス側に大きく振
るようになり、中流量域で一度マイナス側に振った後、
大流量域で誤差がプラス側に振ることとなっている。Δ
Ｅ値はかなり増加し、4.8となっている。

実験例 ３ 主円弧部と副円弧部の連結関係 上述までの例においては、主円弧部と副円弧部をそれ
ぞれの円弧部に外接する直線壁部で接続したが、これら
主円弧部および副円弧部を円弧状のまま第５図（イ）に
示すように突起部（30）により接続した場合の例を以下
に示す。

第５図（ロ）にこの例の場合の流量−器差特性が示さ
れている。ΔＥが3.5であり箱形のものと比較して大き
く改良されているが、第２図（ロ）に示す直線壁部を採
用したものに対しては、大流量部において誤差のプラス
側への変位が大きい。これは大流量になった場合に帰還
流の帰還が良好に行われていないことに起因するものと
考えられる。

実験例 ４ ターゲットの幅Tw ノズル幅ｗその他のパラメータを実施例と同一とした
状態で、ターゲットの幅Twを変化させた場合の、流量−
器差特性の変化について、第６図（イ）、（ロ）、
（ハ）に示した。ここで、第６図（イ）にTwが5.0及び
5.2mmのもの、第６図（ロ）にTwが5.6mmのもの、第６図
（ハ）にTwが5.8及び6.0mmのものの流量−器差特性を示
した。以下に、結果について説明する。ターゲットの幅
が第６図（イ）に示すように小さいと、小流量域におけ
る誤差がプラス側に振れ、大流量域における測定値のマ
イナス側への変移傾向が大きくなっている。ただし、Δ
Ｅはこの程度の変域に対しては、3.6以下となっており
比較的小さい。この領域からターゲットの幅Twを増加さ
せるに従って、第６図（ロ）に示すように小流量域から
大流量域に至るまで許容誤差内に収まり、誤差の小さな
状態が実現するようになる。さらに、第６図（ハ）に示
すように、ターゲットの幅Twを大きくすると、小流量域
において、誤差がプラス側に大きく振るようになり、中
流量域で一度マイナス側に振った後、大流量域で誤差が
さらにプラス側に振ることとなっている。ΔＥ値はター
ゲット幅Twの上昇に従って増加している。

実験例 ５ ターゲットの位置T1 ノズル幅ｗその他のパラメータを実施例と同一とした
状態で、ターゲットの先端位置の噴出面からの流路方向
離間距離をT1（ターゲット距離と呼ぶ）を変化させた場
合の、流量−器差特性の変化について、第７図（イ）、
（ロ）、（ハ）、第８図に示した。第８図は、横軸にタ
ーゲット距離（無次元化されている。）を、縦軸にΔＥ
値を示したものである。第８図における特定点（３点）
の流量−器差特性が第７図（イ）、（ロ）、（ハ）に示
されている。

第７図（イ）にT1が11.5mmのものを、第７図（ロ）に
T1が15mmのを、第７図（ハ）にT1が16mmのものの流量−
器差特性を示した。以下に、結果について説明する。タ
ーゲット距離が第７図（イ）に示すように小さいと、小
流量域における誤差がかなり大きくプラス側に振れ、大
流量域において測定値のマイナス側への変移傾向が大き
くなっている。さらに、ΔＥは6.4と非常に大きな値を
とっている。この領域からターゲット距離T1を増加させ
るに従って、第７図（ロ）に示すように小流量域から大
流量域に至るまで許容誤差内に収まる状態が実現するよ
うになる。さらに、第７図（ハ）に示すように、ターゲ
ット距離T1を大きくすると、小流量域において、誤差が
流量の増加に伴って、減少する傾向に示すようになり、
中流量域で次第に増加傾向に変化し、さらに大流量域で
誤差がさらに増加することとなる。この状態において
は、測定状態は著しく不安定でありΔＥ値は5.3％と、
悪い値を示している。

こういったターゲット距離T1を増加させた場合のΔＥ
の変化が、第８図に示されており、ΔＥが４以下となる
領域はT1/Rが、0.94〜1.1の領域である。

実験例 ６ 絞り流出路の幅Ｐ ノズル幅ｗその他のパラメータを実施例と同一とした
状態で、絞り流路部の幅Ｐを変化させた場合の、流量−
器差特性の変化について、第９図（イ）、（ロ）、
（ハ）、第10図に示した。第10図は、横軸に絞り流路部
の幅（無次元化されている。）を、縦軸にΔＥ値を示し
たものである。第10図における特定点（３点）の流量−
器差特性が第９図（イ）、（ロ）、（ハ）に示されてい
る。

ここで、第９図（イ）にＰが14mmのものを、第９図
（ロ）にＰが19mmのを、第９図（ハ）にＰが23mmのもの
の流量−器差特性を示した。

以下に、結果について説明する。絞り流路部の幅が第
９図（イ）に示すように小さいと、小流量域における下
限値の誤差がかなり大きくマイナス側に振れ、大流量域
においてはその測定値の変化は安定している。ここで、
ΔＥは5.6とかなり大きな値となっている。この領域か
ら絞り流路部の幅Ｐを増加させるに従って、第９図
（ロ）に示すように小流量域から大流量域に至るまで許
容誤差内に収まる状態が実現するようになる。さらに、
第９図（ハ）に示すように、絞り流路部の幅Ｐを大きく
すると、小流量域において、誤差が流量の増加に伴っ
て、減少する傾向を示すようになり、中流量域で次第に
増加傾向に遷移し、さらに大流量域で誤差はほぼ安定す
るものとなっている。ここで、ΔＥ値は4.7％と、悪い
値を示している。

こういった排出部の幅Ｐを増加させた場合のΔＥの変
化が、第10図に示されており、ΔＥが４以下となる領域
はP/Rが1.14〜1.52の領域である。

〔別実施例〕

前述の実施例においては、主円弧部（15）と副円弧部
（17）を直線状に形成された直線壁部（16）で接続した
が、これは流路方向でターゲット（20）のある位置に相
当する位置まで流路が拡大傾向にありさえすればよく、
いかなる形状曲線で接続することも可能である。

さらに副円弧部（17）の中心位置が、実施例のものと
比較してある程度変位したものであってもほぼ同様な結
果が得られる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする
為に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構
成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は従来及び本発明に係る流体振動形流量計の実施例
を示し、 第１図は本願の流体振動形流量計を組み込んだ流量測定
装置の平面図、 第２図は本願の流体振動形流量計の平面図、 第３図（イ）、（ロ）、（ハ）は、主円弧部の半径と流
量−器差特性の関係を示す図、 第４図（イ）、（ロ）、（ハ）は、副円弧部の半径と流
量−器差特性の関係を示す図、 第５図（イ）、（ロ）は、主円弧部、副円弧部を突起部
を介して接続した場合の流量計の平面図および流量−器
差特性の関係を示す図、 第６図（イ）、（ロ）、（ハ）は、ターゲット幅と流量
−器差特性の関係を示す図、 第７図（イ）、（ロ）、（ハ）は、ターゲット距離と流
量−器差特性の関係を示す図、 第８図は、ターゲット距離とΔＥの関係を示す図、 第９図（イ）、（ロ）、（ハ）は、絞り流路部の幅と流
量−器差特性の関係を示す図、 第10図は、ターゲット距離とΔＥの関係を示す図、 さらに、第11図（イ）、（ロ）は、従来構成の箱形の流
量計の平面図及びその流量−器差特性の関係を示す図で
ある。 （10）……ノズル、（11）……ノズル噴出面、（12）…
…流路拡大部、（13）……絞り流路部、（14）……拡大
流路内壁面、（15）……主円弧部、（16）……拡大壁
部、（17）……副円弧部、（20）……ターゲット。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流路に直交するノズル噴出面（11）を有す
   るノズル（10）を流路内に配設し、このノズル（10）の
   噴出側に前記ノズル（10）の軸に対して対称な拡大流路
   内壁面（14）を有する流路拡大部（12）を設けるととも
   に、前記流路拡大部（12）における流路中央部に前記ノ
   ズル（10）より噴出する噴流の直進を阻害するターゲッ
   ト（20）を設け、さらに、前記流路拡大部（12）の下流
   側に前記流路拡大部（12）の後端部より狭い流路幅を有
   する絞り流路部（13）を設けた流体振動形流量計であっ
   て、 前記拡大流路内壁面（14）を、 前記ノズル噴出面（11）に接する主円弧部（15）と、 前記主円弧部（15）に滑らかに接続する拡大壁部（16）
   と、 さらに前記拡大壁部（16）に滑らかに接続し、下流側で
   前記絞り流路部（13）に接続する副円弧部（17）とで構
   成し、 前記拡大壁部（16）を、流路方向で前記ターゲット（2
   0）の位置に相当する位置まで下流側ほど流路を拡大さ
   せる構成とした流体振動形流量計。
2. 【請求項２】前記拡大壁部（16）が、前記主円弧部（1
   5）と前記副円弧部（17）とに外接する直線状の直線壁
   部（16）により形成されている請求項１記載の流体振動
   形流量計。
3. 【請求項３】前記ノズル（10）の幅をｗ、前記主円弧部
   （15）の半径をＲ、前記副円弧部（17）の中心の前記ノ
   ズル噴出面（11）からの流路方向離間距離をＬ、前記副
   円弧部（17）の中心のノズル軸心からの流路横断方向離
   間距離をｘ、前記副円弧部（17）の半径をｒ、前記ター
   ゲット（20）の幅をTw,前記ターゲット（20）の先端位
   置の前記ノズル噴出面（11）からの流路方向離間距離を
   T1、前記絞り流路部（13）の幅をＰとすると、前記ｗ、
   Ｒ、Ｌ、ｘ、ｒ、Tw、T1、Ｐが、 R/w＝3.5〜5.3、 L/R＝1.5、 x/R＝0.78、 r/R＝0.35〜0.56、 Tw/w＝1.56〜1.81、 T1/R＝0.94〜1.1、 P/R＝1.14〜1.52 の関係にある請求項１記載の流体振動形流量計。