JP3619511B2

JP3619511B2 - 流量センサ

Info

Publication number: JP3619511B2
Application number: JP2002335114A
Authority: JP
Inventors: 義史内山
Original assignee: Cosmo Instruments Co Ltd
Current assignee: Cosmo Instruments Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004170187A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は流体の特に空気の微少流量を測定することに適した流量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にベンチュリ流量計と呼ばれている流量計がある。図４にその代表的な構造を示す。図中１は管軸方向に対して内径が一定した第１流路、２は入口円錐管、３は絞り部、４は内径を漸次拡大し、流路の内径を第１流路１の内径Ｄに戻す拡がり管、ｄは絞り部３の内径を示す。
被測定流体は矢印Ｆで示す方向に流れ、入口円錐管２で漸次絞られ、絞り部３で流速が最大となり、拡がり管４で流速を徐々に元に戻す。第１流路１と絞り部３に圧力取出口ＡとＢが設けられ、この圧力取出口ＡとＢの間に発生する差圧Ｈ（水頭圧）を測定して被測定流体の流量Ｑを計測する。
【０００３】
流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃ・（π／４）・ｄ^２・√（（２ｇＨ）／（１−ｍ^２））［ｍ^３／ｓ］…（１）
で求められる。
ここでＣはレイノルズ数Ｒｅと絞り比ｍ＝ｄ／Ｄで決められる流量係数で大凡０．８０〜１．００の値となる。
ベンチュリ流量計に関しては以下の非特許文献１〜３に詳しく説明されている。
【０００４】
【非特許文献１】
「差圧伝送器の正しい使い方」社団法人日本電気計測器工業会編日本工業出版
【非特許文献２】
「計測工学ＩＩ」富沢豁著森北出版
【非特許文献３】
「改定工業測定便覧」精機学会、計測自動制御学会共著
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示したベンチュリ流量計は圧力損失が小さいことが特徴とされ、大量流量としてよく用いられている。然し乍ら、入り口円錐管２及び拡がり管４のテーパ面の角度等が細かく規定され、製造が面倒である欠点がある。
また、例えば毎分０．５リットル乃至は５リットル程度の微少流量を測定するベンチュリ流量計を設計しようとすると、第１流路１、入り口円錐管２、拡がり管４等の内径は、例えば数ｍｍφ程度、絞り部３の内径は１ｍｍφ以下の内径にしなければならないことから、製造が極めて難しく、図４に示す構造では実現は困難である。
【０００６】
微少流量の測定には、従来はオリフィス流量計が用いられているが、オリフィス流量計の場合、レイノルズ数が低い領域において特性が良くなく、また圧損（挿入損失）も大きい欠点がある。
この発明の目的はベンチュリ流量計の長所となる「挿入損失が少ない」とする特性を維持しつつ、製造を容易に行うことができる流量センサを提案しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１では、所定の直径を有する第１流路と、この第１流路の管軸方向に連結され、第１流路の直径より小さい直径を持つ絞り部と、この絞り部の直径を最小直径とし、この最小直径から漸次直径が太くされ、最終的に流路の直径を第１流路の直径に戻す拡がり管と、第１流路と絞り部を流れる流体の圧力を測定する差圧測定手段とを具備して構成される流量センサにおいて、
絞り部を所定の厚みを具備した金属板に形成した貫通孔で構成し、この貫通孔を拡がり管の最小直径部分に連通させる流量センサを提案する。
この発明の請求項２では、請求項１記載の流量センサにおいて、絞り部を構成する金属板は拡がり管を構成する金属ブロックの拡がり孔の最小直径部分が形成された面に圧接され、この圧接面に拡がり孔の最小直径部分の孔の軸心から放射方向に凹溝を形成し、この凹溝を通じて絞り部で測定すべき流体の圧力を取り出す構造とした流量センサを提案する。
【０００８】
作用
この発明による流量センサによれば絞り部を金属板に形成した孔で構成し、更に、絞り部の下流側に断面積が漸次大となる拡がり管を設けたから、絞り部の管軸方向の寸法を極めて短くできることと、拡がり管の存在によって流れに乱れが発生することを阻止することができる。この結果挿入損失が小さい流量センサを提供することができる。更に、流量の測定レンジの設定は金属板に形成する孔の直径によって変更できるから、どのような流量測定用の流量センサでも簡単に製造することができる利点が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３にこの発明による流量センサの一実施例を示す。図中１０はボディを示す。ボディ１０は両側に円筒部１０Ａ、１０Ｂを有し、この円筒部１０Ａと１０Ｂに第１流路１１を構成するジョイント１３と、拡がり管１２を構成するジョイント１４が挿入される。これらのジョイント１３と１４は外周にオーリング１５と１６が装着され、ボディ１０の内周面とジョイント１３及び１４の各外周面との間をシールし、第１流路１１と拡がり管１２を矢印Ｆの方向に流れる被測定流体（ここでは空気）が外部に漏れないようにしている。１７は流量センサから取り出した被測定流体の圧力の差を測定する差圧計（特に図示しない）を装着する基台を示す。基台１７からボルト１８がボディ１０とジョイント１３及び１４に螺子込まれ、ボディ１０とジョイント１３及び１４を一体化し、ジョイント１３と１４を抜け止めする。
【００１０】
ボディ１０の管軸方向のほぼ中央に管軸の軸心方向に突出したリング状突片１０Ｃが設けられる。ジョイント１３と１４はその先端が突片１０Ｃに対してわずかな間隙Ｇ１とＧ２を形成する位置で固定される。
リング状突片１０Ｃはジョイント１３と１４の管軸の中心部分に貫通孔１０Ｄを有し、この貫通孔１０Ｄが第１流路１１側が最大直径となり、拡がり管１２側が最小直径となるテーパ状に形成される。このテーパ状の貫通孔１０Ｄのテーパ面で被測定流体を絞り始める。貫通孔１０Ｄの終了位置に絞り部２０を構成する金属板２１を配置する。金属板２１は板圧が例えば０．１ｍｍ程度のステンレス板で構成され、流量測定のレンジに応じた直径の孔２２が形成される。金属板２１に形成する孔２２の直径の一例としては、
０〜０．５リットル／毎分を測定レンジとする場合は孔２２の直径は０．５ｍｍ程度、
０〜１．０リットル／毎分を測定レンジとする場合は孔２２の直径は０．８ｍｍ程度、
０〜５．０リットル／毎分を測定レンジとする場合は孔２２の直径は１．８ｍｍ程度に選定される。これらの孔２２は例えばエッチングによって形成することにより、正確に然も容易に製造することができる。
【００１１】
第１流路１１を流れる被測定流体の圧力は空隙Ｇ１（図１参照）からボディ１０のリング状突片１０Ｃに形成した圧力導出孔４０Ａ（図２参照）を通じて基台１７の上面に導出され、ここでは特に図示しないが基台１７に装着される差圧センサの一方の測定入力口に入力される。
一方、リング状突片１０Ｃの拡がり管１２と対向する側の面にオーリング３０を嵌め込み、このオーリング３０によって金属板２１をジョイント１４の端面に押し付け、金属板２１の表面とリング状突片１０Ｃの間をシールし、第１流路１１と、拡がり管１２の間を遮断する。
【００１２】
ジョイント１４の端面にはわずかな厚みを持つ円盤状の台形部分１４Ａ（図３参照）を形成する。台形部分１４Ａの直径と金属板２１の直径をほぼ等しい直径、例えば１０ｍｍ程度に形成する。台形部分１４Ａの中心位置に拡がり管１２の最小直径を持つ孔１２Ａを形成する。この孔１２Ａの直径は金属板２１に形成される絞り部２０となる孔２２の直径と等しい直径に選定する。
台形部分１４Ａには孔１２Ａの位置から放射方向に凹溝１４Ｂを形成する。図３に示す例では放射方向に４本の溝を形成した場合を示す。尚、凹溝１４Ｂは少なくとも１本有ればよく、必ずしも４本を必要とするものではない。
【００１３】
凹溝１４Ｂの深さは台形部分１４Ａの厚みと同等に選定し金属板２１に形成した孔２２を通過した被測定流体の圧力をこの凹溝１４Ｂを通じて空隙Ｇ２に伝達する。
空隙Ｇ２に伝達された流体圧はリング状突片１０Ｃに形成した圧力導出孔４０Ｂを通じて外部に取り出され、基台１７に装着される差圧センサの他方の測定入力口に入力され、これにより差圧センサでは第１流路１１を流れる被測定流体の圧力と、絞り部２０に発生する被測定流体の圧力の差を測定し、この圧力の差から流体の流速を知り、流体の流量を計測することができる。差圧の測定値から流量を求める演算式等は先に列記した非特許文献１〜３に詳細に説明されているから、ここではその説明は省略するが、現実には基準となる流量計を用いてこの発明による流量センサを校正し、この校正により実用に供することになる。拡がり管１２の最小直径の孔１２Ａを通過した被測定流体は拡がり管１２で徐々に流速が減速され、管１２Ｂの部分で第１流路１１の直径に戻されて流速も第１流路１１の流速に戻される。
【００１４】
この実施例では、拡がり管１３のテーパ面の広がり角度を５〜６°程度に選定する点にも特徴を有する。つまり、拡がり管１３のテーパ面の広がり角度を５〜６°程度に選定することにより挿入損失を最小値に抑制することができる利点が得られる。尚、この点に関しては上述した非特許文献１の第３章「管路内の流れ」図３．１５により公知である。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば形状が小さく、然も微少流量を測定するベンチュリ型の流量センサを提供することができる。特に、絞り部２０の圧力導出を金属板２１の板圧を通過した直後の圧力を凹溝１４Ｂと空隙Ｇ２と圧力導出孔４０Ｂを通じて取り出す構造とし、金属板２１の板厚をわずか、この例では０．１ｍｍとしたから実質的に圧力の導出位置は絞り部２０の位置に等価となる。この結果小型でありながら、正確なベンチュリ型の流量センサを構成することができる。
【００１６】
また、金属板２１に形成する孔２２の直径によって測定レンジを規定する絞り部２０を構成したから、各測定レンジ毎に流路のテーパ面の角度を決めなくて済むため、製造が容易である。また、絞り部２０の管軸方向の寸法を短くできることと、絞り部２０の下流に管の広がり角が５〜６°程度の拡がり管１２を設けたから絞り部２０の下流側で流れに乱れ（うず）等が発生することを阻止することができる。この結果、挿入損失の少ない流量センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による流量センサの一実施例を説明するための拡大断面図。
【図２】図１に示した実施例に用いたボディの構造を説明するための正面図。
【図３】図１に示した実施例に用いたジョイントの構造を説明するための正面図。
【図４】従来の技術を説明するための断面図。
【符号の説明】
１０ボディ１７基台
１０Ａ、１０Ｂ円筒部１８ボルト
１０Ｃリング状突片２０絞り部
１１第１流路２１金属板
１２拡がり管２２孔
１３、１４ジョイントＧ１、Ｇ２空隙
１５、１６オーリング

Claims

所定の直径を有する第１流路と、この第１流路と管軸方向に連結され、上記第１流路の直径より小さい直径を持つ絞り部と、この絞り部の直径を最小直径とし、この最小直径から漸次直径が太くされ、最終的に流路の直径を上記第１流路の直径に戻す拡がり管と、上記第１流路と絞り部を流れる流体の圧力を測定する差圧測定手段とを具備して構成される流量センサにおいて、
上記絞り部を所定の厚みを具備した金属板に形成した貫通孔で構成し、この貫通孔を拡がり管の最小直径部分に連通させることを特徴とする流量センサ。
請求項１記載の流量センサにおいて、上記絞り部を構成する金属板は拡がり管を構成する金属ブロックの拡がり孔の最小直径部分が形成された面に圧接され、この圧接面に上記拡がり孔の最小直径部分の孔の軸心から放射方向に凹溝を形成し、この凹溝を通じて上記絞り部で測定すべき流体の圧力を取り出す構造としたことを特徴とする流量センサ。