JP3100926B2 - 乱流格子を備えた渦流センサ - Google Patents
乱流格子を備えた渦流センサInfo
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
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- G01F1/3209—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow using swirl flowmeters using Karman vortices
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- G—PHYSICS
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は測定管内を１つの流
れ方向で流れる流体の流れ速度もしくは体積流れを測定
するための渦流センサであって、測定管内に配置された
せき体と、これの上流に配置された乱流格子とを備えて
いる形式のものに関する。
れ方向で流れる流体の流れ速度もしくは体積流れを測定
するための渦流センサであって、測定管内に配置された
せき体と、これの上流に配置された乱流格子とを備えて
いる形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の渦流センサの運転では周知のよ
うにせき体の下流にカルマンの渦列が生じ、その圧力変
動が渦検出子により、体積流れに比例する周波数を有す
る電気信号に変換される。
うにせき体の下流にカルマンの渦列が生じ、その圧力変
動が渦検出子により、体積流れに比例する周波数を有す
る電気信号に変換される。
【０００３】流れ方向でせき体の上流に配置された乱流
格子によって細かな渦が発生し、この細かな渦が流れの
かたちの一様化に貢献する。しかし、乱流格子は流体整
流器(Stoemungsgleichrichter)と混同されてはならな
い。この流体整流器は英語表現としては「flow conditi
oner」として記載されており（アメリカ合衆国特許第３
９６５７３０号明細書参照）、または「flow straightn
er」または「flow rectifier」として記載されている
（アメリカ合衆国特許第４２８０３６０号明細書＝フラ
ンス国特許公開第２４３４３７４号明細書またはアメリ
カ合衆国特許第５１９３３９９号明細書参照）。
格子によって細かな渦が発生し、この細かな渦が流れの
かたちの一様化に貢献する。しかし、乱流格子は流体整
流器(Stoemungsgleichrichter)と混同されてはならな
い。この流体整流器は英語表現としては「flow conditi
oner」として記載されており（アメリカ合衆国特許第３
９６５７３０号明細書参照）、または「flow straightn
er」または「flow rectifier」として記載されている
（アメリカ合衆国特許第４２８０３６０号明細書＝フラ
ンス国特許公開第２４３４３７４号明細書またはアメリ
カ合衆国特許第５１９３３９９号明細書参照）。
【０００４】流体整流器が流れの乱流を緩衝し、要する
に抑制してこれを層流化する一方で、乱流格子は明確に
限定された乱流を生ぜしめる。流体整流器は乱流格子の
上流または下流に配置されてこの乱流格子と共に測定精
度を向上せしめる。
に抑制してこれを層流化する一方で、乱流格子は明確に
限定された乱流を生ぜしめる。流体整流器は乱流格子の
上流または下流に配置されてこの乱流格子と共に測定精
度を向上せしめる。
【０００５】アメリカ合衆国特許第４３９７１９２号明
細書（ヨーロッパ特許公開第３８２５８号明細書）に
は、測定管内を１つの流れ方向に流れる流体の流れ速度
もしくは体積流量を測定するための渦流センサが記載さ
れており、この渦流センサは、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子と、 −同一の正方形横断面を有する開口を備えていて流れ方
向でせき体の手前に配置された乱流格子とを備えてい
る。
細書（ヨーロッパ特許公開第３８２５８号明細書）に
は、測定管内を１つの流れ方向に流れる流体の流れ速度
もしくは体積流量を測定するための渦流センサが記載さ
れており、この渦流センサは、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子と、 −同一の正方形横断面を有する開口を備えていて流れ方
向でせき体の手前に配置された乱流格子とを備えてい
る。
【０００６】この公知技術が示すように、従来でも乱流
格子の開口の規則的かつ同形の横断面により充分な測定
精度向上が得られることは明確である。
格子の開口の規則的かつ同形の横断面により充分な測定
精度向上が得られることは明確である。
【０００７】しかし、市場からは常により高い測定精度
が求められており、求められるこの測定精度は今日では
０．１％のオーダにも達しているが、しかし、上述の渦
流センサではこのような精度を得ることはできない。
が求められており、求められるこの測定精度は今日では
０．１％のオーダにも達しているが、しかし、上述の渦
流センサではこのような精度を得ることはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、測定精度をさらに改善することにある。
ころは、測定精度をさらに改善することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、測定管内を１方向に流れる流体の
流れ速度もしくは体積流量を測定するための渦流センサ
において、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子と、 −少なくとも部分的に互いに異なる横断面を有する開口
を備えていて流れ方向でせき体の手前に配置された乱流
格子とが設けられているようにした。
に本発明の構成では、測定管内を１方向に流れる流体の
流れ速度もしくは体積流量を測定するための渦流センサ
において、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子と、 −少なくとも部分的に互いに異なる横断面を有する開口
を備えていて流れ方向でせき体の手前に配置された乱流
格子とが設けられているようにした。
【００１０】本発明の第１の構成によれば、乱流格子が
円形に形成されていて半径方向ウエブと、互いに離隔し
た複数の同心的な円形ウエブとを備えている。
円形に形成されていて半径方向ウエブと、互いに離隔し
た複数の同心的な円形ウエブとを備えている。
【００１１】この構成の別の構成では、多数の半径方向
ウエブが均一に分配されて配置されており、かつ円形ウ
エブの相互間隔が外から内へ向かう方向で、特に指数関
数に応じて減少する。
ウエブが均一に分配されて配置されており、かつ円形ウ
エブの相互間隔が外から内へ向かう方向で、特に指数関
数に応じて減少する。
【００１２】本発明の第２の構成によれば、乱流格子は
同様に円形に形成されているが、しかし横断面の第１の
値を有する正方形の開口を備えた円形の内側の部分格子
と、この内側の部分格子に続いて設けられていて横断面
の第１の値に比して大きい第２の値を有する正方形の開
口を備えた少なくとも１つの外側のリング格子とから成
っている。
同様に円形に形成されているが、しかし横断面の第１の
値を有する正方形の開口を備えた円形の内側の部分格子
と、この内側の部分格子に続いて設けられていて横断面
の第１の値に比して大きい第２の値を有する正方形の開
口を備えた少なくとも１つの外側のリング格子とから成
っている。
【００１３】この構成の別の構成では複数のリング格子
が設けられており、これらのリング格子のそれぞれの正
方形の開口が、外から内へそれぞれ減少しているが、し
かし、各リング格子内では横断面の一定の値を有してい
る。
が設けられており、これらのリング格子のそれぞれの正
方形の開口が、外から内へそれぞれ減少しているが、し
かし、各リング格子内では横断面の一定の値を有してい
る。
【００１４】本発明の第３の構成では、乱流格子が流れ
方向に厚さＤ及びせき体に対する間隔ｘを有しており、
かつ、２０Ｄ＜ｘ＜４０Ｄを満たすように配置されてい
る。
方向に厚さＤ及びせき体に対する間隔ｘを有しており、
かつ、２０Ｄ＜ｘ＜４０Ｄを満たすように配置されてい
る。
【００１５】
【発明の効果】本発明の利点とするところは渦流センサ
を導管内に組込む際に、入口区間を全く必要としない
か、またはいずれにしろ短い入口区間しか必要としない
ことにある。
を導管内に組込む際に、入口区間を全く必要としない
か、またはいずれにしろ短い入口区間しか必要としない
ことにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】次に本発明を図示の実施例につき
詳しく説明する。
詳しく説明する。
【００１７】図１に示す実施例では渦流センサ１が略示
的に縦断面図で示されている。この渦流センサ１は測定
管２を備えており、この測定管２内には測定すべき流
体、例えば液体、ガスまたは蒸気、特に水蒸気が矢印３
で示すように所定の１つの流れ方向で流れている。
的に縦断面図で示されている。この渦流センサ１は測定
管２を備えており、この測定管２内には測定すべき流
体、例えば液体、ガスまたは蒸気、特に水蒸気が矢印３
で示すように所定の１つの流れ方向で流れている。
【００１８】測定管２内にはせき体４が、例えば測定管
２の内壁に溶接されることにより固定されている。せき
体４はカルマンの渦の発生のために働き、かつこれのた
めの一般的な形状を有している。要するにせき体４は例
えば三角形または菱形の横断面を備えている。このせき
体はさらに、特に垂直に流過されるせき止め面を備えて
いる。
２の内壁に溶接されることにより固定されている。せき
体４はカルマンの渦の発生のために働き、かつこれのた
めの一般的な形状を有している。要するにせき体４は例
えば三角形または菱形の横断面を備えている。このせき
体はさらに、特に垂直に流過されるせき止め面を備えて
いる。
【００１９】図１の実施例では、せき体４の下流に渦検
出子５が測定管２の壁に配置されている。この渦検出子
５は、渦によって流体内に生ぜしめられた圧力変動に応
動する。渦検出子５としては、渦流センサにおいてはこ
のために一般的に使用される、圧力に応動する形式の電
気機械的な変換器、例えば容量形、圧電形または誘導形
の特に電気力学的な変換器が役立てられる。
出子５が測定管２の壁に配置されている。この渦検出子
５は、渦によって流体内に生ぜしめられた圧力変動に応
動する。渦検出子５としては、渦流センサにおいてはこ
のために一般的に使用される、圧力に応動する形式の電
気機械的な変換器、例えば容量形、圧電形または誘導形
の特に電気力学的な変換器が役立てられる。
【００２０】渦検出子５をせき体４の下流に配置する代
わりに、せき体に設けた孔内に配置することもでき、そ
の場合には、せき体４に設けた少なくとも１つの別の孔
を介してこの種の渦検出子に圧力変動が伝達される。さ
らに、渦検出子はせき体の側面に密に挿入されていても
よく、その場合には渦検出子の電気導線が、せき体に設
けられていて流体に連通されていない孔内に案内され
る。
わりに、せき体に設けた孔内に配置することもでき、そ
の場合には、せき体４に設けた少なくとも１つの別の孔
を介してこの種の渦検出子に圧力変動が伝達される。さ
らに、渦検出子はせき体の側面に密に挿入されていても
よく、その場合には渦検出子の電気導線が、せき体に設
けられていて流体に連通されていない孔内に案内され
る。
【００２１】流れ方向でせき体４の手前、要するにせき
体４の上流には、測定管２内に乱流格子６が配置されて
いる。この乱流格子６は本実施例では測定管２の内部横
断面全体にわたって延びており、従って円形である。こ
の乱流格子６は少なくとも部分的に互いに異なる横断面
を有する開口を備えている。この乱流格子６は流れ方向
で厚さＤを有しており、かつせき体４に対して間隔ｘを
有している。有利には、Ｄ及びｘには、２０Ｄ＜ｘ＜４
０Ｄで表される関係が成り立つ。せき体４と乱流格子６
との間では、乱流格子６によって異方性の乱流から一様
な等方性の乱流が流体内に生ぜしめられる。
体４の上流には、測定管２内に乱流格子６が配置されて
いる。この乱流格子６は本実施例では測定管２の内部横
断面全体にわたって延びており、従って円形である。こ
の乱流格子６は少なくとも部分的に互いに異なる横断面
を有する開口を備えている。この乱流格子６は流れ方向
で厚さＤを有しており、かつせき体４に対して間隔ｘを
有している。有利には、Ｄ及びｘには、２０Ｄ＜ｘ＜４
０Ｄで表される関係が成り立つ。せき体４と乱流格子６
との間では、乱流格子６によって異方性の乱流から一様
な等方性の乱流が流体内に生ぜしめられる。
【００２２】図２（Ａ）は乱流格子６の第１実施例を示
す。この乱流格子６は円形であり、かつ長さＲを有する
半径方向ウエブ６１と、相互間隔Ａを有する同心的な円
形ウエブ６２とにより形成されている。従って図２
（Ａ）に示すこの乱流格子は半径方向ウエブ６１の起点
を成す中心を有している。長さＲは測定管２の内部横断
面の半径でもある。特に図２（Ａ）によれば、この場合
１６個の半径方向ウエブ６１が円周にわたり均一に分配
されて配置されている。円形ウエブ６２の相互間隔Ａは
外から内へ向かう方向で減少しており、有利には、渦流
センサの製作者により必要に応じて選択された定数をそ
れぞれｋ1，ｋ2，ｋ3 として、 Ａ＝ｋ1＋ｋ2Ｒ＋ｋ3Ｒ1.4 の式を充たす指数関数に依存して減少している。定数ｋ
1 は最も内側の円形面と中心との間隔であり、かつ図２
（Ｂ）の曲線と図表の縦軸との交点に相当する。図２
（Ｂ）には指数関数が定性的に、要するに数値なしにダ
イヤグラムとして示されている。
す。この乱流格子６は円形であり、かつ長さＲを有する
半径方向ウエブ６１と、相互間隔Ａを有する同心的な円
形ウエブ６２とにより形成されている。従って図２
（Ａ）に示すこの乱流格子は半径方向ウエブ６１の起点
を成す中心を有している。長さＲは測定管２の内部横断
面の半径でもある。特に図２（Ａ）によれば、この場合
１６個の半径方向ウエブ６１が円周にわたり均一に分配
されて配置されている。円形ウエブ６２の相互間隔Ａは
外から内へ向かう方向で減少しており、有利には、渦流
センサの製作者により必要に応じて選択された定数をそ
れぞれｋ1，ｋ2，ｋ3 として、 Ａ＝ｋ1＋ｋ2Ｒ＋ｋ3Ｒ1.4 の式を充たす指数関数に依存して減少している。定数ｋ
1 は最も内側の円形面と中心との間隔であり、かつ図２
（Ｂ）の曲線と図表の縦軸との交点に相当する。図２
（Ｂ）には指数関数が定性的に、要するに数値なしにダ
イヤグラムとして示されている。
【００２３】図２（Ａ）では２つの同心的な円形ウエブ
６２と、２つの隣り合う半径方向ウエブ６１とにより囲
まれたセクタ面はみな同じ面積を有している。しかし、
中心から外向きに２つの隣り合う半径方向ウエブ６１に
沿って順次に続くセクタ面の面積は同じでなく、それら
の面の大きさは中心へ向かって段階的に減少している。
６２と、２つの隣り合う半径方向ウエブ６１とにより囲
まれたセクタ面はみな同じ面積を有している。しかし、
中心から外向きに２つの隣り合う半径方向ウエブ６１に
沿って順次に続くセクタ面の面積は同じでなく、それら
の面の大きさは中心へ向かって段階的に減少している。
【００２４】セクタ面の大きさは円のジオメトリの公知
の式により容易に計算され、かつ渦流センサの製作者に
より必要に応じて選択される。
の式により容易に計算され、かつ渦流センサの製作者に
より必要に応じて選択される。
【００２５】図３は乱流格子６の第２実施例を平面図で
示す。この実施例の乱流格子は第１実施例とは異なり正
方形の開口を有している。それゆえ、これらの開口は第
１実施例の開口と異なり、式により表される関係を有し
ていない。
示す。この実施例の乱流格子は第１実施例とは異なり正
方形の開口を有している。それゆえ、これらの開口は第
１実施例の開口と異なり、式により表される関係を有し
ていない。
【００２６】図３の乱流格子は、図２（Ａ）の乱流格子
と同様に円形であるが、しかし、横断面の第１の値を有
する開口を備えた内側の円形の部分格子６３と、この部
分格子に続いて設けられていて横断面の第１の値に比し
て大きな第２の値を有する開口を備えた第１の外側のリ
ング格子６４と、この第１の外側のリング格子６４に続
いて設けられていて横断面の第３の値を有する開口を備
えた第２の外側のリング格子６５とから成っている。３
つの横断面積の値は渦流センサの製作者により必要に応
じて選択可能である。
と同様に円形であるが、しかし、横断面の第１の値を有
する開口を備えた内側の円形の部分格子６３と、この部
分格子に続いて設けられていて横断面の第１の値に比し
て大きな第２の値を有する開口を備えた第１の外側のリ
ング格子６４と、この第１の外側のリング格子６４に続
いて設けられていて横断面の第３の値を有する開口を備
えた第２の外側のリング格子６５とから成っている。３
つの横断面積の値は渦流センサの製作者により必要に応
じて選択可能である。
【００２７】部分格子６３の正方形の開口及びリング格
子６４，６５の正方形の開口は図３の実施例では同じ向
きに配置されている。従って、正方形の開口の縁は互い
に平行であり、かつ部分的に合致している。しかし、こ
のことは必ずしも強制されない。むしろ、部分格子６３
の正方形はリング格子６４または６５の正方形の向きと
は異なる向きで配置されていてもよい。
子６４，６５の正方形の開口は図３の実施例では同じ向
きに配置されている。従って、正方形の開口の縁は互い
に平行であり、かつ部分的に合致している。しかし、こ
のことは必ずしも強制されない。むしろ、部分格子６３
の正方形はリング格子６４または６５の正方形の向きと
は異なる向きで配置されていてもよい。
【００２８】図４には測定管２内に乱流格子を使用しな
い場合（曲線７）と、使用した場合（曲線８）の流れの
かたちの２つの定性的な、要するに数値なしの曲線７，
８が示されている。流れ速度が座標の縦軸で、かつ測定
管２の、図示された半径Ｒを有する内部横断面の直径
（破線を参照）が座標の横軸で示されている。曲線８の
流れのかたちは曲線７の流れのかたちに比してフラット
であり、従って横断面の大部分において事実上コンスタ
ントである。
い場合（曲線７）と、使用した場合（曲線８）の流れの
かたちの２つの定性的な、要するに数値なしの曲線７，
８が示されている。流れ速度が座標の縦軸で、かつ測定
管２の、図示された半径Ｒを有する内部横断面の直径
（破線を参照）が座標の横軸で示されている。曲線８の
流れのかたちは曲線７の流れのかたちに比してフラット
であり、従って横断面の大部分において事実上コンスタ
ントである。
【図１】乱流格子を備えた渦流センサを略示的に示す縦
断面図である。
断面図である。
【図２】図２（Ａ）は本発明の第１実施例の乱流格子を
略示的に示す横断面図であり、図２（Ｂ）は、図２
（Ａ）の乱流センサの機能ダイヤグラムを示す図であ
る。
略示的に示す横断面図であり、図２（Ｂ）は、図２
（Ａ）の乱流センサの機能ダイヤグラムを示す図であ
る。
【図３】本発明の第２実施例の乱流格子の横断面を略示
的に示す図である。
的に示す図である。
【図４】流れのかたちのダイヤグラムを示す図である。
１ 渦流センサ、 ２ 測定管、 ３ 矢印、 ４ せ
き体、 ５ 渦検出子、 ６ 乱流格子、 ７，８ 曲
線、 ６１ 半径方向ウエブ、 ６２ 円形ウエブ、
Ａ 相互間隔、 Ｄ 厚さ、 Ｒ 半径、 ｖ 流れ速
度、 ｘ せき体と乱流格子との間隔、 ６３ 部分格
子、 ６４，６５ リング格子
き体、 ５ 渦検出子、 ６ 乱流格子、 ７，８ 曲
線、 ６１ 半径方向ウエブ、 ６２ 円形ウエブ、
Ａ 相互間隔、 Ｄ 厚さ、 Ｒ 半径、 ｖ 流れ速
度、 ｘ せき体と乱流格子との間隔、 ６３ 部分格
子、 ６４，６５ リング格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/32
Claims (6)
- 【請求項１】 測定管（２）内を１つの流れ方向（３）
で流れる流体の流れ速度もしくは体積流れを測定するた
めの渦流センサ（１）において、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体（４）と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子（５）
と、 −少なくとも部分的に互いに異なる横断面を有する開口
を備えていて流れ方向でせき体の手前に配置された円形
の乱流格子（６）とが設けられていて、 −該円形の乱流格子（６）が、半径方向ウエブ（６１）
と、互いに相互間隔（Ａ）を有する同心的な円形ウエブ
（６２）とを有している ことを特徴とする、乱流格子を
備えた渦流センサ。 - 【請求項２】 多数の半径方向ウエブ（６１）が均一に
分配されて配置されており、かつ円形ウエブ（６２）の
相互間隔（Ａ）が外から内へ向かう方向で減少してい
る、請求項１記載の渦流センサ。 - 【請求項３】 円形ウエブ（６２）の相互間隔（Ａ）が
指数関数にもとづいて減少している、請求項２記載の渦
流センサ。 - 【請求項４】 測定管（２）内を１つの流れ方向（３）
で流れる流体の流れ速度もしくは体積流れを測定するた
めの渦流センサ（１）において、 −カルマンの渦を発生させるために形成されていて測定
管内に配置されたせき体（４）と、 −渦により発生した圧力変動に応動する渦検出子（５）
と、 −少なくとも部分的に互いに異なる横断面を有する開口
を備えていて流れ方向でせき体の手前に配置された円形
の乱流格子（６）とが設けられていて、 −該円形の乱流格子（６）が、横断面の第１の値を有す
る正方形の開口を備えた円形の内側の部分格子（６３）
と、この部分格子（６３）に続いて設けられていて横断
面の第１の値に比して大きい第２の値を有する開口を備
えた少なくとも１つの外側のリング格子とから成ること
を特徴とする、乱流格子を備えた渦流センサ。 - 【請求項５】 複数のリング格子（６４，６５）が設け
られており、これらのリング格子（６４，６５）のそれ
ぞれの正方形の開口が、外から内へ向かってそれぞれ減
少しているがそれぞれのリング格子内では横断面の一定
の値を有している、請求項４記載の渦流センサ。 - 【請求項６】 流れ方向で厚さＤとせき体までの間隔ｘ
とを有していて、２０Ｄ＜ｘ＜４０Ｄの式を満たすよう
に配置された乱流格子を備えている、請求項１記載の渦
流センサ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP96113384 | 1996-08-21 | ||
| DE97810525.2 | 1997-07-24 | ||
| EP19970810525 EP0831303B1 (de) | 1996-08-21 | 1997-07-24 | Wirbel-Strömungsaufnehmer mit einem Turbulenzgitter |
| DE96113384.0 | 1997-07-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10115537A JPH10115537A (ja) | 1998-05-06 |
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