JP2984689B2 - 流体量計 - Google Patents

流体量計

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JP2984689B2 JP10115171A JP11517198A JP2984689B2 JP 2984689 B2 JP2984689 B2 JP 2984689B2 JP 10115171 A JP10115171 A JP 10115171A JP 11517198 A JP11517198 A JP 11517198A JP 2984689 B2 JP2984689 B2 JP 2984689B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、管内に管に平行
に設けられる平板で仕切られた流体が平板の後端を過ぎ
た処で再び相接する際に生ずる渦(以下、平板渦とい
う。)を計測して液体、気体、スチームなどの容量や流
速や密度、粘度や質量流量などを計測できる新規な流体
量計に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の流体量計に似たカルマン
渦流量計は、例えば図5に示す基本構成として知られて
いる。Xは所望の管路内に設けた柱体、Yはこの柱体X
の後流に左右に生成されるカルマン渦を示す。
【0003】すなわち、管内の流れに垂直に、円柱や三
角柱或いは平板などの柱体Xを置く時、流体がこれらの
後側端部から剥離を生じ渦を生成し、これを放出する。
この渦は二列に並ぶ渦列を形成し進行する。この渦列は
カルマン渦と呼ばれる。所謂、渦流量計はこのカルマン
渦の生成、放出の規則性と流速に対する比例性のあるこ
とを利用し放出される渦の数を計数して流量、流速を計
測するものである。その発生渦周波数と流速との関係は
次式で表される。
【0004】 f=St×v/d f:発振周波数、 ………… (1) St:ストローハル数(無次元) また、流体のレイノルズ数Reは次式で表される。
【0005】 Re=vd/ν d:代表的長さ(円柱径)、ν:動粘性数、v:流速 …… (2) このストローハル数はレイノルズ数がおよそ3×10
から2×10の間で略一定と見做されるので、このレ
イノルズ数範囲内において渦流量計として成り立つ。図
6にレイノルズ数とストローハル数の関係を示す。
【0006】管内に設けられる円柱、三角柱或いは平板
などの柱体Xに作用する抗力は大きい。これらの流体に
直交する断面積も大きく図6に示すようにその抗力係数
も高い値である。同図からストローハル数はこの抗力係
数に大きく関係して変化していることが明らかである。
特に上記レイノルズ数3×103 以下及び2×105
上において著しい変化を示している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
カルマン渦流量計では、カルマン渦列を生成するため流
れに垂直に置かれた円柱、三角柱或いは平板等の柱体X
は、流体に対して抵抗体となってカルマン渦列の規則
性、比例性に直接影響を与えているのが判る。すなわ
ち、渦流量計の実用可能範囲が、上記のレイノルズ数範
囲に限られること、またその範囲内においても流量計測
精度の高度化の限界があることなどの不都合があった。
要するに円柱、三角柱、平板等の柱体Xの存在の為に、
渦流量計は構造上絞り流量計の一種であると考えるべき
であり、従って流量計測精度を高くすることに限度があ
ると共に、円柱、三角柱、平板などの柱体Xの境界層流
が層流であることが上記の規則性、安定性の条件である
ことから境界層流が乱流となる高レイノルズ数域では流
量計として成り立たないので、このことも実用可能上限
を定める要素である。
【0008】このように、カルマン渦流量計は、その本
質的構造のために、渦流量計が温度、圧力、密度等の影
響を受けないと言う他の原理の各種流量計に優る優位性
を十分に活かすことが出来ないという問題があった。
【0009】この発明は叙上の点に着目してなされたも
ので、平板を管内中央に、管に平行に設けるという極め
て簡単な構造を用いただけで高精度な測定が可能な流体
量計を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、以下の構成
を備えることにより上記目的を達成できたものである。
【0011】(1)管内に管に平行に十分に薄い平板を
その中心位置に挿入固定しこの平板の境界層流が層流で
ある範囲において平板の後流に生じる小さい渦が成長し
流体振動更には渦列に発達することを利用検出して流
速、容積流量、密度、粘度の計測ができ、さらに得られ
た流量と密度とを演算して質量流量を計測できることを
特徴とする流体量計。
【0012】(2)前記(1)の構成に加え、請求項1
記載の平板の前流に整流手段を備えることを特徴とする
流体量計。
【0013】(3)前記(1)又は(2)の平板の後流
に渦を検出計測する計測手段を備えて成ることを特徴と
する流体量計。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
説明する。
【0015】図1(イ),(ロ)および図2に、基本構
成を示す。図において、1は円管或いは角管であり、透
明な硝子或いは透明樹脂管である。2は管に平行に設け
られた長さL,厚さhの薄い平板2で、この平板2は管
中心に位置し管に熔接或いは接着し固定され管断面を二
等分する。平板2には、振動片3の一端が固定される。
4は振動片の振動を検出する管1に設けた一対構成の透
過型光ファイバーで、この光ファイバー4と振動片3で
発振周波数検出センサーを構成する。
【0016】この透過型光ファイバーセンサー4はこの
流量計の流体振動を検出する一例であって他にサーミス
ター、超音波、歪みゲージ、圧電素子等がそれぞれの特
徴を活かして使用される。
【0017】叙上の構成に基づいて作用を説明する。
【0018】管1内で所望流体が流れ、この流体がこの
平板の後端から離れると、その流れは偏向流であり、や
がて流体振動を発生する(図2)。この流体振動は更に
成長して二列の渦列すなわち平板渦Zとなる。この平板
渦Zは円柱や三角柱等から剥離した流体から発生する所
謂カルマン渦列と等しい性質を備えているのである。
【0019】ところで、この薄い平板2の長さを代表寸
法とするレイノルズ数(Re)がある値以上になると、
この流体振動を発生する。その時のレイノルズ数を臨界
レイノルズ数(Rec)と称する。平板長さ(L)が定
められ、流体の動粘性係数(ν)が示されると、レイノ
ルズ数(Re)及び臨界レイノルズ数(Rec)は次式
で現される。
【0020】 Re=v×L/ν(L=代表的長さ) ………… (3) Rec=vC ×L/ν ………… (4) vC =臨界レイノルズに対応する流速。
【0021】平板渦Zの臨界レイノルズ数は約103
ある。この流体振動は平板2の境界層流が層流である時
に発生するが流速(v)が低くレイノルズ数が103
下となる時は流体振動は発生しない。レイノルズ数がお
よそ106 以上では平板境界層流が乱流となるので流体
振動は同じく発生しない。
【0022】図1に示されるように、この平板渦Zは管
と平板2の僅か二つの、極めて簡単な形状の部品によっ
て得られる。円柱や三角柱等からの流体の剥離によって
生じる所謂カルマン渦を利用した渦流量計に設けられた
円柱、三角柱のような抵抗体は存在せず、従って渦流量
計におけるストローハル数に直接影響をもたらす抗力係
数と言う因子を全く考える必要がないのが基本的特徴で
ある。
【0023】したがって、この流体量計の器差特性は剥
離型のカルマン渦流量計に比べ高精度であると共に臨界
レイノルズ数に近い流速から高い器差精度を得られる。
【0024】また、この流体量計においては、流体は平
板の後端から偏向流を生じ、流体振動化し更に渦列に成
長するのであるが、これが管内という限られた空間にお
ける現象であるので、管を流れる流体の全てが発振に関
係しており、渦列の発生に寄与しない流体が存在しない
ことは、容積式流量計における筐体と回転子との間の隙
間から漏洩のような無関係流体が無いに等しい。
【0025】なお、図3は、図1の構成に加え平板2の
上流に格子状の好みの整流機構12を付設した例を示し
ている。
【0026】つぎにこの発明に係る図4に示す他の実施
の形態について説明する。すなわち、同図は平板に振動
片7を付設し、光ファイバーを流体の振動を検出するセ
ンサーとして使用した時の流体量計の一般構造を示す。
管体5の材質に耐食鋼或いは塩ビのような不透明合成樹
脂を使用する。平板6の材質も同様にこれらを採用す
る。振動片7の振動は管体5に相対向に配設される透明
球8,8を介して外部に装置した光ファイバー9,9で
検出する。透明球8,8はシール材10,10に圧入さ
れ管体5とシール材10,10、透明球8,8とシール
材10,10の間の流体の外部への漏洩を防ぐ。二本の
光ファイバー9,9は別置した発光ダイオード及び受光
ダイオードを備える光電リレー11に接続され振動片7
による光線の開閉を電気信号のオンオフに変換し発振周
波数を電気信号で計数し流体量計を構成している。
【0027】なお、図3と同様に整流機構12を設けて
ある。
【0028】以上に述べる構成の流体量計も、前述の実
施例と同様の作用を呈し、平板渦の計測により容積ない
し質量流量を計測できる。
【0029】以上述べたのように流体量計の基本構造
は、円管、角管等の筐体と平板の僅か二点で構成されて
おり且つこの両者は固定され可動体ではない。従って、
流体振動の規則性安定性を乱す因子はこの流体量計自身
には何も存在しない。多くの流体機器に見られるキャビ
テーションもない。この流量計の計測精度、圧力損失、
流量範囲、計測可能流体種類、寿命、或いは挟雑物対応
性、製造コスト等において既存各種流量計に比して利
点、長所の多いのがこの発明の大きな特色である。
【0030】
【発明の効果】この発明によれば、以下に示す多くの特
徴を有する。
【0031】(1)液体、気体および水蒸気の全てに適
用出来る。
【0032】(2)流体に対して抵抗体が存在せず所謂
抵抗損失は無い。圧力損失は流体と管内壁及び平板表面
との摩擦によるもののみである。従って圧力損失は非常
に低い。
【0033】(3)流体振動の規則性安定性が高く圧力
損失が低いので流量範囲が広い。
【0034】(4)微小流量の計測にも有効である。
【0035】(5)出力信号はデジタルである。
【0036】(6)流体に含まれる挟雑物が滞留する空
間が少なく挟雑物による精度劣化或いは計測不能になる
恐れがない。
【0037】(7)回転部品が無いため流量計測寿命に
影響する摩擦、摩耗は存在しない。また騒音も無い。長
寿命である。
【0038】(8)キャビテーションは無い。
【0039】(9)その基本構造は管体と、管体中心位
置に管に平行に設置された薄い平板とによるのみでこれ
に発振周波数検出センサーが付設され流体量計が構成さ
れる。部品点数の最も少ない流体量計である。
【0040】(10)簡単な構造の為使用材料の選択幅
が広い。これによって実用温度範囲が広く、また高耐食
性の流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(イ),(ロ) この発明に係る流体量計の基
本構成を示す側面説明図と断面説明図
【図2】 図1の渦発生過程を示す上面説明図
【図3】(イ),(ロ) 図1の他例を示す側面説明図
と断面説明図
【図4】 この発明に係る他の流体量計の実施の形態を
示す側断面図
【図5】 従来のカルマン渦流量計の説明断面図
【図6】 レイノルズ数に対するストローハル数と抗力
係数との関係を示すグラフ
【符号の説明】
1 管 2 平板 3 振動片 4 発振周波数検出センサー(透過型光ファイバー) 12 整流機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−164115(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01F 1/32 G01N 11/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 管内に管に平行に十分に薄い平板をその
    中心位置に挿入固定しこの平板の境界層流が層流である
    範囲において平板の後流に生じる小さい渦が成長し流体
    振動更には渦列に発達することを利用検出して流速、容
    積流量、密度、粘度の計測ができ、さらに得られた流量
    と密度とを演算して質量流量を計測できることを特徴と
    する流体量計。
  2. 【請求項2】 請求項1の構成に加え、請求項1記載の
    平板の前流に整流手段を備えることを特徴とする流体量
    計。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2の平板の後流に渦
    を検出計測する計測手段を備えて成ることを特徴とする
    流体量計。
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