JP6697906B2 - 流量測定方法 - Google Patents
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Description
しかし、熱線式の流量センサは、熱線自体の発熱によって流路内に対流が生じ、本来の流体流れに乱れを生じさせることがあるため、特に低速域の流量の計測が困難であった。
本発明者は、振動する圧電シートから検出される電圧値が管路を流れる流体の流速に比例して上昇することを見出した。このことを利用し、本構成では、こうして振動する圧電シートにより検出される電圧値に基づいて流体の流速(流量)を導出する。これにより、正確な流量測定が可能となった。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付けるだけの簡単な構成によって、圧電シートから流速を導出するため電圧値を検出することができる。
このことから、圧電シートの振動は、水平の状態からシート面の両側に均等に振動する単振動でなく、シート面の一定の方向にオフセットを有した定常波であると考えられる。そのため、圧電シートから出力される電圧の検出値は、中央値が正電圧の側および負電圧の側の一方に偏りがちになる。そこで、発生する起電力(電圧)そのものを計測するのではなく、本構成のように、所定のサンプリング時間内に複数回測定した電圧値の単位時間あたりの変化量の絶対値を平均して電圧値を算出する。この演算により、オフセットした検出値が除去されるため、流体の単位時間あたりの流量(流速)と演算後の電圧値との比例関係をより適正な線形に表すことができる。その結果、より正確な流量測定が可能となる。
本構成では、梁部材が流路制限部を通流する流体の流れを受けてカルマン渦を発生させる。流路制限部を通流する測定流体によって梁部材に取り付けられた圧電シートの周囲の流体の流量が増す。そうなると、カルマン渦流が大きくなるため、圧電シートを大きく振動させることができ、結果として圧電シートの振動による電圧値を大きくすることができる。
このように、流路制限部を設けることで、流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、圧電シートから適正な電圧値を得ることができるため、低速域においても正確な流量測定が可能となる。
また、流量センサが、梁部材と、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられる圧電シートと、梁部材の上流側に設けられる流路制限部とを備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。
本構成の如く、流路制限部が管路閉塞体に開口を設けて構成されると、開口によって圧電シートの面部を含む幅広な領域に測定流体を流したり、圧電シートの両面側を含む領域に測定流体を流したりすることができる。こうして、圧電シートの周囲に流路制限部を通流する測定流体が適正に供給されることで、圧電シートは振動し易くなる。また、流路制限部の開口によって、梁部材の上流側の流速を簡易に増大させることができる。
本構成によると、流路制限部に形成されたスリット状の開口は、長手部分が梁部材及び圧電シートの面に対して平行となる位置に設けられる。このように流路制限部の開口が配置されると、圧電シートの面部に沿う幅広な領域に測定流体を流し易くなる。これにより、圧電シートの面部が広く測定流体の流れを受けることになり、圧電シートは振動し易くなる。その結果、流量センサは適正な出力を得て正確な流量を計測することができる。
本構成の如く、流路制限部に形成されたスリット状の開口が、管路を横断する梁部材の方向に直交する長手部分を有すると、当該開口を、梁部材を挟んで圧電シートの両面から垂直方向に延出する位置に容易に形成することができる。開口が圧電シートの両面から垂直方向に延出すると、圧電シートの両面側に測定流体を確実に供給することができるため、圧電シートが流体圧を受けて振動し易くなる。
このように構成すると、流路制限部の開口を通流し圧電シートへ通流する測定流体の流量は、圧電シートの表面側と裏面側とで不均等になるため、圧電シートの両面側において圧力差が生じる。これにより、圧電シートは振動し易くなる。その結果、低速域においても、流量センサは適正な出力を得ることができ、正確な流速測定を行うことができる。なお、圧電シートの両面側の流量が不均等になる流量制限部は、開口が圧電シートの両面側に亘って連続して形成される一つの開口部であってもよいし、開口が圧電シートの面部を挟んで離間して形成される複数の開口部であってもよい。
本発明者は、振動する圧電シートから検出される電圧値が管路を流れる流体の流速に比例して上昇することを見出した。このことを利用し、本構成では、こうして振動する圧電シートにより検出される電圧値に基づいて流体の流速(流量)を導出する。これにより、正確な流量測定が可能となった。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付けるだけの簡単な構成によって、圧電シートから流速を導出するため電圧値を検出することができる。
このように、流路制限部を設けることで、流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、圧電シートから適正な電圧値を得ることができるため、低速域においても正確な流量測定が可能となる。
また、流量センサが、梁部材と、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられる圧電シートと、梁部材の上流側に設けられる流路制限部とを備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。
本構成の如く、流路制限部に形成されたスリット状の開口が、管路を横断する梁部材の方向に直交する長手部分を有すると、当該開口を、梁部材を挟んで圧電シートの両面から垂直方向に延出する位置に容易に形成することができる。開口が圧電シートの両面から垂直方向に延出すると、圧電シートの両面側に測定流体を確実に供給することができるため、圧電シートが流体圧を受けて振動し易くなる。
本発明者は、振動する圧電シートから検出される電圧値が管路を流れる流体の流速に比例して上昇することを見出した。このことを利用し、本構成では、こうして振動する圧電シートにより検出される電圧値に基づいて流体の流速(流量)を導出する。これにより、正確な流量測定が可能となった。
また、管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材に、圧電シートを、梁部材に片持ち姿勢で取り付けるだけの簡単な構成によって、圧電シートから流速を導出するため電圧値を検出することができる。
このように、流路制限部を設けることで、流速が低速域であっても圧電シートを十分に振動させることができる。これにより、圧電シートから適正な電圧値を得ることができるため、低速域においても正確な流量測定が可能となる。
また、流量センサが、梁部材と、梁部材に片持ち姿勢で取り付けられる圧電シートと、梁部材の上流側に設けられる流路制限部とを備えるだけの簡単な構成でありながら、正確な流量計測を行うことができる。
本構成の如く、流路制限部が管路閉塞体に開口を設けて構成されると、開口によって圧電シートの面部を含む幅広な領域に測定流体を流したり、圧電シートの両面側を含む領域に測定流体を流したりすることができる。こうして、圧電シートの周囲に流路制限部を通流する測定流体が適正に供給されることで、圧電シートは振動し易くなる。また、流路制限部の開口によって、梁部材の上流側の流速を簡易に増大させることができる。
このように構成すると、流路制限部の開口を通流し圧電シートへ通流する測定流体の流量は、圧電シートの表面側と裏面側とで不均等になるため、圧電シートの両面側において圧力差が生じる。これにより、圧電シートは振動し易くなる。その結果、低速域においても、流量センサは適正な出力を得ることができ、正確な流速測定を行うことができる。なお、圧電シートの両面側の流量が不均等になる流量制限部は、開口が圧電シートの両面側に亘って連続して形成される一つの開口部であってもよいし、開口が圧電シートの面部を挟んで離間して形成される複数の開口部であってもよい。
本構成によると、流路制限部に形成されたスリット状の開口は、長手部分が梁部材及び圧電シートの面に対して平行となる位置に設けられる。このように流路制限部の開口が配置されると、圧電シートの面部に沿う幅広な領域に測定流体を流し易くなる。これにより、圧電シートの面部が広く測定流体の流れを受けることになり、圧電シートは振動し易くなる。その結果、流量センサは適正な出力を得て正確な流量を計測することができる。
電圧検出手段9は流速導出手段10に接続され、流速導出手段10が電圧検出手段9からの出力に基づいて測定流体3の流速を導出する。
図3に示すように、流路制限部6の開口8は、管路2を横断する梁部材4の方向に直交する長手部分を有して形成されている。すなわち、開口8は梁部材4の長手方向に対して直交して形成されている。こうすると、スリット状の開口8は、梁部材4を挟んで圧電シート5の両面に対して垂直方向に延出する位置に形成することができる。開口8が圧電シート5の両面から垂直方向に延出すると、圧電シート5の両面側に測定流体3を確実に供給することができるため、圧電シート5が流体圧を受けて振動し易くなる。
上記の実施形態において、図4に示すように、圧電シート5の長手方向における一端部を梁部材4に固定するとともに、自由端としての他端部に、おもり部材5aを付設してもよい。図4に示す例では、圧電シート5の一方面側(上面側)におもり部材5aが設けられている。このようにすると、圧電シート5の振動特性をおもり部材5aの重さにより調整でき、結果として、適切な流量範囲で識別性の高い電圧出力を得られるように流量センサ1の感度を調整することができる。
図5に示すように、内径32mmのガス供給配管(管路2)を鉛直方向に配置し、管路2内に、厚さ40μm、短辺5mm、長辺70mmの短冊状の圧電シート5(株式会社クレハ製、ピエゾフィルム)を梁部材4に取付けて配置した。梁部材4は、2mm×2mm×40mmの直方体であって例えば樹脂で構成されている。圧電シート5の自由端(鉛直方向の下端)に50mgのおもり部材5aを敷設した。
図8のグラフには、電圧値が流量に対して線形の比例関係にあることが示されており、当該演算方法によって圧電シート5の振動による出力電圧に基づく流量計測方法が簡便かつ安定的なものであることが明らかになった。
カルマン渦流の発生周波数は次式で表される。
f(周波数)=St(ストローハル数)× V(流体の平均速度)/ d(構造物(梁部材4)の幅(径))・・・(1)
センサ応答感度を向上することを目的として、流路制限部6と梁部材4の配置およびおもり部材5aの効果を確認するために、図9に示す試験体1〜4を用い、実施例1と同じ試験装置による試験を行った。
(1)上記実施形態では、梁部材4の上流側に流路制限部6に有する流量センサ1を用いて流量を測定したが、流量センサ1は流路制限部6を有しない構成であってもよい。
2 :管路
3 :測定流体
4 :梁部材
5 :圧電シート
5a :おもり部材
6 :流路制限部
8 :開口
8A,8B:開口部
9 :電圧検出手段
10 :流速導出手段
11 :リード線
11a :端子
12 :ケーブル
Claims (9)
- 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定方法であって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、を備えた流量センサを用い、
前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動から検出される電圧値に基づいて前記測定流体の流量を導出し、
前記電圧値は、所定のサンプリング時間内に複数回測定した電圧値の単位時間あたりの変化量の絶対値を平均して算出される流量測定方法。 - 前記管路内において前記梁部材よりも上流側に設けられる流路制限部を用い、
当該流路制限部を通流する前記測定流体によって前記圧電シートに振動を発生させる請求項1に記載の流量測定方法。 - 前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してある請求項2に記載の流量測定方法。
- 前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に沿う長手部分を有する請求項3に記載の流量測定方法。
- 前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に直交する長手部分を有する請求項3に記載の流量測定方法。
- 前記流路制限部の前記開口は、前記圧電シートの両面側に前記測定流体を通流させるとともに、前記圧電シートの一方面側の流量と他方面側の流量とが不均等になるように設けてある請求項3〜5のいずれか一項に記載の流量測定方法。
- 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定方法であって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、を備えた流量センサを用い、
前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動から検出される電圧値に基づいて前記測定流体の流量を導出し、
前記管路内において前記梁部材よりも上流側に設けられる流路制限部を用い、
当該流路制限部を通流する前記測定流体によって前記圧電シートに振動を発生させ、
前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に直交する長手部分を有する流量測定方法。 - 管路内を通流する測定流体の流量を測定する流量測定方法であって、
前記管路内の測定流体の流れ方向を横断する方向に沿って設けられる梁部材と、前記梁部材に片持ち姿勢で取り付けられ、前記測定流体の流れにより振動する自己励起式の圧電シートと、を備えた流量センサを用い、
前記測定流体によって前記圧電シートに発生する振動から検出される電圧値に基づいて前記測定流体の流量を導出し、
前記管路内において前記梁部材よりも上流側に設けられる流路制限部を用い、
当該流路制限部を通流する前記測定流体によって前記圧電シートに振動を発生させ、
前記流路制限部は、前記管路を閉塞する管路閉塞体に開口を設けて構成してあり、
前記流路制限部の前記開口は、前記圧電シートの両面側に前記測定流体を通流させるとともに、前記圧電シートの一方面側の流量と他方面側の流量とが不均等になるように設けてある流量測定方法。 - 前記開口は、スリット状に形成されて前記管路を横断する前記梁部材の方向に沿う長手部分を有する請求項8に記載の流量測定方法。
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