JP5968080B2 - 流量測定装置のための補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量測定装置、特に超音波流量測定装置のための補助装置であって、流量測定装置の下流及び／又は上流に相前後して配置された少なくとも２つの板状又はディスク状の流れに影響を与えるエレメントから成っており、該流れに影響を与えるエレメントには複数の切欠が設けられており、流れ方向で見通しがきかないように、前記切欠が流れに影響を与えるエレメントに形成されている、及び／又は流れに影響を与えるエレメントが配置されている形式のものに関する。

流量測定装置は、その他の測定機器と同様に、「良好に機能」すべきであり、即ち、できるだけ広い測定範囲と（流量測定装置が使用される環境の）できるだけ広い温度範囲にわたって「良好に機能」すべきである。しかしながら「良好に機能」するとはそれだけではなく、良好なゼロ点安定性と測定エラーが僅かであるということも意味する。

冒頭で、本発明は流量測定装置のための補助装置であると述べた。この流量測定装置は、例えば、磁気誘導流量測定装置であり得る。しかしながら本発明の対象である補助装置は、特に、超音波流量測定装置とともに使用するのが有利である。このような超音波流量測定装置は広範囲で公知である。例えばこれに関しては、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０３７１４号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７００４９３６号明細書、米国特許出願公開第２００４／０１１．１４１号明細書、米国特許第３５６４９１２号明細書、米国特許第５５４６８１２号明細書、米国特許第６５５０３４５号明細書、米国特許第６７３２５９５号明細書、ＷＯ９８／１９２９６、ＷＯ００／０３２０６を参照することができるが、とりわけドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７００４９３６号明細書を参照されたい。

上述した通り、本発明は種々様々な形式の流量測定装置のための補助装置に関するものであり、例えば、磁気誘導流量測定装置のための、しかしながらとりわけ、超音波流量測定装置のための補助装置に関する。常に本発明は、通流媒体を通す導管内に組み込まれており、この導管を通る通流媒体の流量を測定する流量測定装置に関する。この場合、通流媒体とは、液体、気体、固体及び／又は気体の成分を含む液体、又は固体及び／又は液体の成分を含む気体を意味する。

本発明は、既に述べたように、種々様々な形式の流量測定装置のための補助装置に関するものであるが、以下では、これに限定するものではないが、常に特定の流量測定装置、即ち、超音波流量測定装置について述べている。

流量測定装置の「良好な機能」のためには、流量測定装置内を流通する媒体の「流れの質」が重要である。「流れの質」に関しては、本発明の関係では、層流であるか又は乱流であるか、そして流量測定装置の直径若しくは横断面にわたる流れの速度の勾配がどのようであるかが重要である。

流量測定装置は通常、校正される、又は速度勾配に関して、即ち、流通通路の内側の速度分布に関して、標準的な条件に基づく計算法が使用される。しばしば用いられる、気体のための標準的な速度分布は、レイノルズ数が高い場合は、いわゆる「完全に発達した乱流」（英語では、fully developed turbulent flow）である。これは、平滑な内壁を有する長い直線的な管内で形成される安定的な均衡状態である。流量測定装置の形式に応じて、このためには、流れ通路の直径の１０〜４０倍に相当する流通経路の所定の長さが必要である。

しかしながら流量測定装置の「良好な機能」のためには、「流れの質」だけが重要であるのではなく、むしろ、望ましくない、流量測定装置の実際の運転にも必要ない通流媒体内で生じる音波又は圧力波が、流量測定装置の運転にネガティブな影響を与えるかどうかが重要である。このような音波又は圧力波は特に測定精度に影響を与える恐れがあり、即ち、「良好な機能」に必要な「少ない測定エラー」という基準にネガティブに影響を与える恐れがある。

対象としている形式の流量測定装置が組み込まれている導管にはしばしば、何らかの理由から常に、弁、フラップ、及び／又は絞りが組み込まれており、これらの構成部材を以下では、「外乱要素」と記載する。「外乱要素」とするのは、一方では、これらが「流れの質」にネガティブな影響を与えるからであり、他方では、超音波流量測定装置において測定のために用いる音波を妨害して、測定エラーという結果をもたらすような音波を発生させるからである。

冒頭で説明したように本発明は、流量測定装置のための補助装置に関する。このような補助装置は種々様々に形成することができる。１つの構成可能性は、補助装置を、それ自体取り扱い可能な装置として、流量測定装置も組み込まれる導管内に組み込むものである。別の構成可能性は、補助装置を、それ自体取り扱い可能な装置として構成するのではなく、補助装置を成す、流れに影響を与えるエレメントだけを、流量測定装置も組み込まれる導管内に組み込むものである。論理的には、本発明による補助装置を成す、流れに影響を与えるエレメントを流量測定装置自体に設けることも考えられる。しかしながらこのような構成では、比較的良好な「流れの質」のもとでのみ、また、例えば弁、フラップ、又は絞りによる外乱影響が比較的僅かである場合にだけ、良好な結果が得られる。

本発明による流量測定装置のための補助装置の主要な構成部分は、切欠が設けられた板状又はディスク状の流れに影響を与えるエレメントであり、この場合、流れ方向で「見通しがきかない」ように、流れに影響を与えるエレメントに切欠を形成する、及び／又は、流れに影響を与えるエレメントを配置する。「見通しがきかない」という意味は以下の通りである。

超音波は、光線と類似の形式で伝播する。流れ方向で「見通しがきかない」ように、流れに影響を与えるエレメントに切欠を形成する、及び／又は流れに影響を与えるエレメントを配置すると、超音波は光線と同様に、妨げられることなく伝播しない。即ち、超音波は「外乱要素」である弁、フラップ、及び／又は絞りに妨げられることなく、流量測定装置に達することができる。上記のように形成された及び／又は配置された流れに影響を与えるエレメントは、即ち、外乱要素から発せられる「外乱影響」に対して流量測定装置をいわば、「鈍感」にするものである。

冒頭で説明したように、流れに影響を与えるエレメントは、下流側及び／又は上流側に配置されている。上流側に、即ち流れ方向で見て流量測定装置の手前に、流れに影響を与えるエレメントを配置することの意義は明らかである。しかしながら、下流側に、即ち流れ方向で見て流量測定装置の後方に配置することもまた有意義である。何故ならば即ち、「外乱影響」は、通流媒体の速度に比較して極めて高い速度で伝播するからである。

本発明の起点である形式の流量測定装置のための補助装置は広く公知であり、例えば、Law's-Spearman、K-Lap、CPA、BTB、Zanker、Gallagher等である。このような形式の公知の補助装置では、流れに影響を与えるエレメントに切欠が円形に形成されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０３７１４号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７００４９３６号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１１．１４１号明細書 米国特許第３５６４９１２号明細書 米国特許第５５４６８１２号明細書 米国特許第６５５０３４５号明細書 米国特許第６７３２５９５号明細書 ＷＯ９８／１９２９６ ＷＯ００／０３２０６

本発明の起点である流量測定装置のための公知の補助装置は、流量測定装置の「良好な機能」のために貢献するという目的に関してまだ最良のものではない。従って本発明の課題は、冒頭で述べた形式の補助装置を改良して、一方では「流れの質」を改善することができ、他方では、特に流量測定装置が組み込まれる導管内の弁、フラップ、及び／又は絞りにより生じる「外乱影響」のネガティブな作用を減じる、大幅に減じる、又は可能であるならばなくすことができるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、流れに影響を与えるエレメントに設けられた切欠がスリットとして形成されているようにした。

有利には、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットのアスペクト比（幅に対する長さの比）は１よりも大きく、有利には１よりもはるかに大きい。

本発明による補助装置のために、流れに影響を与えるエレメントにスリットとして形成された切欠の方向付けも重要である。有利には、スリットの長手方向は、少なくともほぼ半径方向で、特に正確には半径方向で延びている。これにより、流れに影響を与えるエレメントのすぐ下流の流れのフィールドにおける半径方向の速度成分（乱流）は減じられ、これにより導管の軸線に対して垂直方向で音波を形成するためのエネルギが生じるのが回避される。このようなエネルギが存在したなら、著しい振幅をもった音波が生じる恐れがある。

流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットが半径方向で延びている場合、スリットの幅が半径方向で増大する構成、有利には、流れに影響を与えるエレメントの半径に相応して増大する構成が有利である。

流れに影響を与えるエレメントに形成されるスリットのジオメトリにより、「流れの質」は著しく影響を与えられる。従って、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットの半径方向の幅に関して、スリットの幅が半径方向で増大する構成とは別の構成を選択することができる。従って、流れに影響を与えるエレメントのスリットの幅が半径方向で、まずは増大し、有利には半径に比例して増大し、しかしその後、半径方向で再び減少する、有利には半径に比例して減少する構成を選択することができる。

流量測定装置が組み込まれる導管は、通常、円形の横断面を有している。円形の横断面は必須ではないが、以下では円形の横断面であることを前提とする。

流れに影響を与えるエレメントにスリットとして形成される切欠の数は、有利には、流量測定装置が組み込まれる導管の直径に依存しており、ひいては、流れに影響を与えるエレメントの直径に依存している。

通常、実質的に本発明による補助装置を成す流れに影響を与えるエレメントは回転対称的であり、流れに影響を与えるエレメントにスリットとして形成された切欠は回転対称的に構成されていると有利である。即ち有利には、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットが、１つの同心的な円に沿って、流れに影響を与えるエレメントの中心点に対して同心的に形成されている。

流量測定装置が組み込まれる導管が比較的小さな直径を有しているならば、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットは１つの同心的な円に沿って形成すれば十分である。導管の直径が大きい場合には、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットを、互いに同心的な複数の円に沿って形成するのが有利であり、それは２つ又は３つの同心円であって良く、導管の直径が特に大きい場合には、それよりもさらに多数の同心円に沿って、流れに影響を与えるエレメントに設けられたスリットが設けられていても良い。いずれにせよ、流れに影響を与えるエレメントに互いに同心的な円に沿って形成されるスリットの数は、内側から外側に向かって増大すると有利である。例えば内側には６つのスリット、真ん中の円に沿って１２のスリット、外側の円に沿って２４のスリットを形成することができる。

最後に、本発明による流量測定装置のための補助装置では、流れに影響を与える両エレメントの間にさらに、音緩衝材及び／又は音減衰材が設けられていると有利である。

次に図面につき本発明の実施の形態を詳しく説明する。

本発明による補助装置の第１の流れに影響を与えるエレメントの有利な構成を示した図である。 図１の流れに影響を与えるエレメントに対して付加的な、本発明による補助装置の第２の流れに影響を与えるエレメントの有利な構成を示した図である。 図１の流れに影響を与えるエレメントの部分図である。 図２の流れに影響を与えるエレメントの部分図である。 個々のスリット間の角度的な間隔を書き込んだ図３に相当する図である。

本発明は、流量測定装置のための補助装置、特に超音波流量測定装置のための補助装置に関する。この補助装置は、流量測定装置（図示せず）の下流側及び／又は上流側に互いに相前後して配置された少なくとも２つの板状又はディスク状の流れに影響を与えるエレメント１と２から成っていて、このエレメントには切欠が設けられている。図示した実施の形態では、流れに影響を与える２つのエレメント１，２が設けられている。流れ方向で、見通しがきかないように、流れに影響を与えるエレメント１，２に切欠を形成する、及び／又は流れに影響を与えるエレメントを配置することが重要である。

流量測定装置は、冒頭で詳しく説明したように「良好に機能」すべきである。流量測定装置の「良好な機能」のためには、やはり冒頭で説明したように、流量測定装置内を流れる媒体の「流れの質」が重要である。さらに、冒頭で説明した通り、流量測定装置の「良好な機能」のためには「流れの質」が重要であるだけでなく、むしろ、望ましくない、流量測定装置の実際の運転のために必要ない、通流媒体内で生じる音波又は圧力波が流量測定装置の運転にネガティブな影響を与えるかどうか、ということも重要である。

さらに冒頭で述べたように、本発明による補助装置は種々様々に構成することができ、即ち、第１の形式では、補助装置が、それ自体取り扱い可能な装置として、流量測定装置も組み込まれる導管内に組み込まれ、別の形式では、補助装置を成す、流れに影響を与えるエレメントが、流量測定装置も組み込まれる導管内に直接組み込まれる。また、論理的には、本発明による補助装置を成す、流れに影響を与えるエレメントが流量測定装置自体に設けられることも考えられる。第２の実施の形態、即ち、補助装置を成す、流れに影響を与えるエレメント１，２が、流量測定装置（図示せず）も組み込まれる導管（図示せず）内に組み込まれることを特徴とする構成が図示されて説明されている。

最後に冒頭では、流れ方向で「見通しがきかない」ように、切欠を流れに影響を与えるエレメントに形成する、及び／又は流れに影響を与えるエレメントを配置するとはどのような意味かが説明されている。即ちそれは、記載したように形成及び／又は配置された流れに影響を与えるエレメントが、流量測定装置を、「外乱要素」から発せられた「外乱影響」に対して、いわば「鈍感」にすることである。

図示した実施例では、流れに影響を与えるエレメント１，２が本発明による補助装置を形成している。この場合、流れに影響を与えるエレメント１，２は本発明による補助装置の第２の構成を成している。両構成ともで、流れに影響を与えるエレメント１，２は相前後して配置されていて、流れに影響を与えるエレメント１，２は、流量測定装置（図示せず）の下流側又は上流側又は下流側と上流側に設けることができる。

流量測定装置のための本発明による補助装置においてまず重要であるのは、流れに影響を与えるエレメント１，２に設けられた切欠がスリット３，４として形成されていることである。この場合、スリット３，４は、１より大きなアスペクト比（縦と横の比）を有していて、図示の実施例では、１よりずっと大きい。図示の実施例では、スリット３，４の長手方向が半径方向で延びていて、スリット３，４の幅が半径方向で増大している、即ち、まず、流れに影響を与えるエレメント１，２の半径に比例して増大している。部分的には、スリット３，４の幅はまず、流れに影響を与えるエレメント１，２の半径に比例して増大するが、次いで再び、半径に比例して減少する。

さらにこの実施例では、流れに影響を与えるエレメント１，２に設けられたスリット３，４が同心的な円に沿って形成されており、即ち、３つの円に沿って配置されている。この場合、互いに同心的な円に沿って流れに影響を与えるエレメント１，２に形成されているスリット３，４の数は、内側から外側に向かって増大している。即ちスリット３，４は内側では６、真ん中の円に沿って１２、外側の円に沿って２４形成されている。

図２の流れに影響を与えるエレメント２と図１の流れに影響を与えるエレメント１とを比較すると、若しくは図４の部分図と図３の部分図とを比較すると、スリット３，４の配置がずらされていることにより、流れ方向で「見通しがきかない」ことが明らかである。図３には、流れに影響を与えるエレメント１に形成されたスリット３が明瞭に示されている。これに対して、図４に部分的に示された流れに影響を与えるエレメント２に形成されたスリット４は図３では暗示されているだけである。逆に、図４では、流れに影響を与えるエレメント２に形成されたスリット４が明瞭に示されているが、図３に部分的に示された流れに影響を与えるエレメント１に形成されたスリット３は図４では暗示されているだけである。

補足すると、実施例では２つの流れに影響を与えるエレメント１，２しか設けられていないが、本発明による補助装置はこれに限定されるものではなく、３つ、４つ、５つ以上の流れに影響を与えるエレメントを設けることも簡単にできる。

最後に、本発明による流量測定装置のための補助装置では、流れに影響を与える両エレメントの間に音緩衝材及び／又は音減衰材を設けることができるが、これは図示されていない。

１，２ 流れに影響を与えるエレメント、 ３，４ スリット

Claims (8)

1. 流量測定装置のための補助装置であって、流量測定装置の下流及び／又は上流に相前後して配置された少なくとも２つの板状又はディスク状の流れに影響を与えるエレメントから成っており、該流れに影響を与えるエレメントには複数の切欠が設けられており、流れ方向で見通しがきかないように、前記切欠が流れに影響を与えるエレメントに形成されている、及び／又は流れに影響を与えるエレメントが配置されている形式のものにおいて、
   流れに影響を与えるエレメント（１，２）に設けられた切欠がスリット（３，４）として形成されており、スリット（３，４）が流れに影響を与えるエレメント（１，２）に、互いに同心的な複数の円に沿って設けられていることを特徴とする、流量測定装置のための補助装置。
2. 前記スリット（３，４）のアスペクト比（縦と横の比）が１よりも大きい、請求項１に記載の流量測定装置のための補助装置。
3. スリット（３，４）の長手方向が少なくともほぼ半径方向で延びている、請求項１又は２記載の流量測定装置のための補助装置。
4. スリット（３，４）の幅が半径方向で増大する、請求項３記載の流量測定装置のための補助装置。
5. スリット（３，４）の幅がまず最初に、該スリット（３，４）の半径方向内端から半径方向で増大し、次いで半径方向で減少する、請求項４記載の流量測定装置のための補助装置。
6. 流れに影響を与えるエレメント（１，２）に、互いに同心的な円に沿って設けられているスリット（３，４）の数が、内側から外側に向かって増えている、請求項１から５までのいずれか１項記載の流量測定装置のための補助装置。
7. 内側の円に沿って６つのスリット（３，４）が、真ん中の円に沿って１２のスリット（３，４）が、外側の円に沿って２４のスリット（３，４）が設けられている、請求項６記載の流量測定装置のための補助装置。
8. 流れに影響を与えるエレメント（１，２）の間に音緩衝材及び／又は音減衰材が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の流量測定装置のための補助装置。

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