JPH06507981A - 流体振動子及びこのような振動子を備えた流量計 - Google Patents

流体振動子及びこのような振動子を備えた流量計

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JPH06507981A JP5518992A JP51899293A JPH06507981A JP H06507981 A JPH06507981 A JP H06507981A JP 5518992 A JP5518992 A JP 5518992A JP 51899293 A JP51899293 A JP 51899293A JP H06507981 A JPH06507981 A JP H06507981A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体振動子及びこのような振動子を備えた流量計本発明は流体振動子および流れ る液体またはガス状流体用流量計に関する。
現在の流量計または簡単な計器のほとんどは可動機械部品を有している。これは 特にスピナおよび膜流置針についても言える。
対照的に、流体振動子は経時的に摩耗する可動部品を何ら存しておらず、従って 、振動子を再較正する必要がない。
このような振動子は小さな寸法及び大変簡単な構造のものにすることができる。
かくして、それらの信頼性は非常に高い。しかも、これらの振動子はデジタル信 号に容易に変換することができる振動数信号を出力する。この特性は計器の遠隔 読取りのためには特に有利である。
このような流量計を開発する試みのほとんどは、一般に渦効果流量計およびコア ンダ効果流量計と呼ばれている渦式の流量計に向けられていた。
渦効果式流量計の作動原理は、流体が流れているダクト内に障害物が存在するこ とが周期的な渦の放出を引起こすという周知の事実に基づく。測定原理は所定の 形状寸法の障害物に対する、流量に比例する渦の離脱の振動数を検出することか らなる。
渦の振動数を種々の方法で測定して、平均放出速度、即ち、流量を測定すること かできる。渦効果式流量計は一般にノイズおよび上流の流体状態に非常に敏感で ある。実際、速度分布を一様にするのに整流器が使用される。この種類の流量計 は例えば米国特許第3.589.185号明細書に記載されている。
同じ呼称の流量計に使用されるコアンダ効果は、壁部の輪郭がジェットの吐出軸 線からそれている場合でも、ジェットをこの壁部の近くに吐出するときに、流体 ジェットが壁部の輪郭に従うという自然傾向にある。この種類の流体振動子は、 流体ジェットが先細ノズルを通って吐出される室を備えている。この室には、2 つの横壁部がジェットの吐出軸線を中心に対称的に位置決めされている。入力部 から振動子に流出するジェットは、それ自身自発的にコアンダ効果により横壁部 のうちの一方に当たる。次いで、流れの一部がジェットが当たる壁部の側チャン ネルによりそらされ、その結果、ジェットがこの壁部から離脱し、それ自身反対 の壁部に当たる。この現象が繰り返し、それにより入力流れの永久的な振動を生 じる。不運にも、この種類の装置では、流量測定の範囲が比較的制限され、校正 曲線の非直線性がむしろ大きい。しかも、この種類の装置は外部摂動を伴う成る 状態下では振動を停止してしまい、その結果、信号の損失が生じる。測定可能範 囲を拡大するために、オカダヤシ等は、一方が低流量で作動し、他方力塙流量で 作動する2つの流体振動子を組み合わせることを米国特許第4.610.162 号明細書で提案した。
渦効果式流量計およびコアンダ効果式流量計で生じる問題のため、基本的に異な る原理に従って作動する他の種類の流体振動子を開発する試みが行われてきた。
1つの適用例が米国特許第4,184.636号明細書および第4.843.8 89号明細書に記載の流量計に見られる。
例えば、米国特許第4.244.230号明細書は流体流路の一部から分岐する ダクトに位置決めされた流体振動子流量計を述べている。この振動子はノズルを 形式する問い合った壁部を備えて、並んで位置決めされた2つの部材を有してい る。障害物はノズルに面した前側キャビティを有している。
このキャビティは共通の入口および出口を有している。ノズルを流れるジェット はキャビティに入り、その底部に当たる。
キャビティ内のジェットの横振動により、ジェットの各側に1つずつの2つの渦 か形成される。各局は交互に強く及び弱くなり、各々は互いに位相を異にしてい る。ジェットは共通の出口を流れ、主流に差し向けられる。
圧力センサによりキャビティ内のジェットの振動数を測定することができ、その 振動数は流量に比例している。
この種類の流量計の性能は一般に在来の流体流量計で得られる性能より良好であ る。不幸にも、特に感度および測定範囲に関して、またこの範囲内で装置の直線 性に関する性能は必ずしも満足できるものではない。
本発明の目的はこれらの問題を解消することである。本発明は流体振動子と、従 来の流量計の性能を上回って改良された性能の振動子を備えた流量計とを提供す る。
従来、このような流体振動子の直線性はジェットの振動数fを流量。で割った比 に等しい係数にの相対変化により評価される。
一般に、流量が増大する順に、3つの流れ状態、すなわち、層流状態、移行状態 、乱流状態に区別される。
レイノルズ数REの関数としてのKの相対変りすなわち、Δに/Kを表す第1図 でわかるように、直線性についての問題は本質的に層流状態および移行状態で起 こる。(当業者に周知なレイノルズ数は、入口オリフィスの領域における流体の 速度にこのオリフィスの幅を掛け、これを流体の運動速度で割ったものに等しい ことがわかるであろう)。層流状態且つ低い流量では、係数にの相対変化が急激 に減少することがわかる。移行帯域ては、層流状態帯域の縁部で、曲線がピーク を育する。本発明は広範囲にわたって直線性である流体振動子に関する。係数に の相対変化が±1.5%より少ない場合にこのような振動子が直線性であると考 えられる。以下に示すように、本発明によれば、移行状態で係数にの相対変化の ピークを減少させることが可能であり、かくして直線作動範囲を対応して拡大す ることが可能である。
本発明による流体振動子は長さ方向対称平面を中心に対称である。この流体振動 子は、 両側に渦を伴い長さ方向対称平面に対して振動する二次元ジェットを生じる手段 を備えており、これらの渦は、位相を反対にした状態で、交互に強くおよび弱く 、そしてジェットの振動に関連しており、渦の半径方向延長をジェットの流れ状 態に依存させるようになっている手段を備えている。[半径方向延長」とは、渦 の中心からその周囲までの距離を意味している。
本発明の特定の実施例では、振動子は 輻dの入口オリフィスを有し振動する二次元流体ジェットとこのジェットの両側 の渦とを形成するようになっている流体入口と、流体入口オリフィスに連結され た振動チャンバと、振動チャンバに配置され、流体入口オリフィスに面した主キ ャビティが形成された前側部分を有する障害物と、 障害物の前側部分に形成された少なくとも2つの二次キャビティよりなり、渦の 半径方向延長をジェットの流れ状態に依存させるようになっている手段とを備え ており、これらの二次キャビティは主キャビティの両側に対称平面を中心に対称 に配置されている。
この実施例において、高い流量では、二次キャビティに二次渦が形成される。
主局は障害物の前側部分と振動チャンバの壁部との間に局在する。主局の半径方 向延長は二次渦の半径方向延長により制限される。その結果、係数にの増大があ る。反対に、移行状態且つ減少流量では、主局の半径方向延長は大きさがますま す増大し、二次キャビティ内に局在する二次渦の大きさを害する。これらの作動 状態の限度事態に達するのは、主局が大きい間にこれらの主局が二次キャビティ を完全に満たすときである。しかしながら、主局が大きい間、ジェットの振動現 象に関与する主局の半径方向延長が大きくなればなるほど、ジェットの振動の振 動数が減少する。その結果、係数におよびその相対変化は減少し、かくして、一 般には振動子の直線作動状態が増加する。
主キャビティは、2つのアームがキャビティの外側に向かって広がる実質的に7 字をなす傾斜壁部を存するのが有利である。
主キャビティの壁部は対称平面に対して00〜80°の範囲内の入口角度を有す るのがよい。
キャビテンは実質的に放物面状の底部を有するのが有利である。入口角度がO。
であるとき、主キャビティは矩形であるが、その壁部は対称平面に対して10゜ 〜45°の範囲内の入口角度を有するのが好ましい。入口オリフィスから主キャ ビティの底部を分ける距離は3d−156の範囲内にある。
ジェットの振動中に測定された振動数は、キャビティの底部から入口オリフィス までのこの距離に依存している。十分に高い振動数を測定するためには、この距 離は4d〜8dの範囲内にあるのが有利である。
主キャビティは2d〜10dの範囲内にある幅の入口を育するのが有利である。
特定の実施例では、障害物の前側部分は5d〜30dの範囲内の幅を有する。
障害物の前側部分は対称平面に対して実質的に直角である。この前部分は入口オ リフィスから1d〜lodの範囲内にある距離を隔てて配置されるのがよい。
二次キャビティを備えた障害物を備えた流体振動子の特定の実施例では、二次キ ャビティは実質的に、その入口を形成する開口面を有する四辺形内に収まる形状 を有しており、この形状は四辺形の三辺に接している。
もう1つの実施例では、各二次キャビティは実質的に、その入口を形成する開口 面を有する三角形内に収まる形状を有しており、この形状は三角形の二辺に接し ている。
特定の実施例では、各二次キャビティは段状の底部を有している。
特定の実施例では、各二次キャビティは1d−1adの範囲内にある幅の入口を 有している。
流体入口は、入口ダクトに連結されるようになっている六面体状の沈静室と、こ の沈静室の一側部に連結された先細部分とを備えており、この先細部分は振動チ ャンバに連結されるようになっている輻dの矩形入口オリフィスを有しているの が有利である。
また、流体入口は流体ジェットを調整する手段を備えているのが好ましい。
−変更例では、これらの調整手段は対称平面に沿って位置決めされたプレートに より構成されている。
もう1つの変更例では、これらの調整手段は対称平面に沿って位置決めされた成 形障害物により構成されている。
調整手段は入口オリフィスから0.5d〜4dの範囲内にある距離を隔てられた 端部を有するのが有利である。
本発明はこのような流体振動子を備えた流量計にも関連する。
本発明の特徴は添付図面を参照して後述する説明を読むことにより明らかになる であろう。
既に説明した第1図は従来技術の流体振動子における流量の関数としての係数に の相対変化を概略的に示している。
第2図は本発明による流体振動子を上方から概略的に示している。
第3図は本発明による流体振動子の概略斜視図である。
第4図は本発明による流体振動子の入口の変更形態の概略斜視図である。
第5図は障害物を備えた場合および備えていない場合の流体ジェットの速度分布 を概略的に示している。
第6図は本発明による流体振動子に設けられた障害物の上方からの概略部分図で ある。
第7図はこのような障害物の変更形態の上方からの概略部分図である。
第8図はこのような障害物の他の変更形態の上方からの概略部分図である。
第9図はこのような障害物の他の変更形態の上方からの概略部分図である。
第10図はこのような障害物の他の変更形態の上方からの概略部分図である。
第11図は変化状態において作動する本発明による流体振動子の上方からの概略 部分図である。
第12図は、異なる状況において第11図の流体振動子を概略的に示している。
第13図は本発明による振動子における流量の関数としての係数にの相対変化を 概略的に示している。
第2図は本発明による流体振動子の上方からの図である。流体は液体またはガス である。振動子は長手方向の対称平面Pを有している。
流体は入口Eを通って振動子に侵入し、この人口Eは第3図でわかるように流体 入口ダクト12に連結された沈静室lOと、矩形の入口オリフィス16で終わる 先細部分14とを備えている。
沈静室lOは六面体形状を有しており、(入口ダクトに連結されている)その前 面の面積は、(先細部分に連結されている)その後面の面積より大きい。その後 面は好ましくは側面が二次元ジェットの高さに等しい立方体である。それにより 入口ダクト12を流れる円筒形流体ジェットを実質的に矩形横断面を有するジェ ットに移行させる。先細部分14は、流体を加速すると同時に、振動する二次元 ジェットを形成し得る。このために、振動チャンバ8への入口オリフィス16は 、当業者に周知の二次元挙動の条件に応じた比の長さhおよび輻dを持つ矩形状 である。
一般的には、比h/dは6程度またはそれ以上であるへきである。輻dは下記説 明では基準単位として用いられる。
更に、入口Eは流体を調整する手段を備えている。これらの手段は対称平面Pに 沿って配置されたプレート20によって形成されるのがよい。第4図はこれらの 調整手段の変形例を概略的に示している。この変形例では、この手段は対称平面 Pに沿って位置決めされた成形障害物21により形成されている。
第5図でわかるように、調整は低い流量で当然放物線状であるジェットの速度分 布を実質的に平らにすることよりなり、この速度分布が高い流量で平らなままで あることがわかる。従って、速度分布はあらゆる流量で同一のままである。
入口オリフィス16に面したプレート20または障害物21の端は、最も有利な 状態下で所望の作用を得るために0.5d〜4dの範囲にある距離だけ上記入口 オリフィスから隔てられている。
例えば、この距離は1dに等しくてもよい。
第2図に戻ると、振動二次元ジェットか障害物22を備えた振動チャンバ18に 侵入するのかわかる。この室チャンバおよび障害物は長手方向対称平面Pに対し て対称である。障害物22は、長手方向対称平面Pと実質的に直角であり、Id 〜IOdの範囲にある入口オリフィス16から距離Doを隔てて位置決めされた 前側部分24を有する。例えば、この距離は3dに等しくてもよい。
障害物22の前側部分24は5d〜30dの範囲にある輻LOを有している。例 えば、この幅は12dに等しくてもよい。
振動チャンバ18は、障害物の前側部分が配置された部分で最大幅Lcを有し、 このLcは10d〜50dの範囲内にあるのがよい。例えば、Lcは20dに等 しくてもよい。障害物と室の壁部との間に配置された空間は流体の流れ用チャン ネルCLC2を構成しており、これらのチャンネルは流体の流れを出口オリフィ スに差し向ける。これらのチャンネルはLc−Loに実質的に等しい。障害物2 2には、主キャビティ26が入口オリフィス16に面して形成されている。この 主キャビティ26は2d〜20dの範囲内にある輻Leの入口を存している。例 えば、Leは5dに等しくてもよい。第2図に示す実施例では、主キャビティ2 6は実質的7字をなす傾斜壁部28.30を有しており、V字のアームはキャビ ティ26の外面に向かって開いている。
壁部28.30は対称平面Pに対して00〜80°の範囲にある入口角度a1を 有している。有利には、alは100〜45°の範囲にある。例えばatは45 °に等しくてもよい。
第2図に示す実施例では、主キャビティ26の横壁部28.30は実質的に放物 面状の底部32に収束している。主キャビティ26の底部はそこから距離Dfの ところにある入口オリフィス16に面しており、Dfは3d〜+56の範囲にあ る。例えばDfは6dに等しくてもよい。
振動チャンバ内の二次元ジェットの振動は、ジェットの両側に配置され、位相が 反対であって、この振動に応して交互に強くおよび弱くなる渦の形成を判う。
これらの渦は主として、障害物22の前側部分24と入口オリフィス16が形成 されているチャンバ18の壁部との間の空間に配置される。ジェットは、振動チ ャンバ18に侵入すると、交互するスィーブする動きて主キャビティ26の壁部 および底部に当たる。
本発明によれば、流体振動子は渦の半径方向延長をジェットの流れ状態に依存さ せるようになっている手段を備えている。
渦は円形横断面を有しておらず、むしろ、ジェットの振動中、変形する。その結 果、半径方向の延長はこの渦の中心とその周囲との間の距離を意味するものと考 えられる。
第2図の実施例では、渦の半径方向延長をジェットの流れ状態に依存させるよう になっている手段は、キャビティ26の両側で障害物22の前側部分24に対称 平面Pに対して対称的に形成された2つの二次キャビティ34.36により構成 されている。第6図においては、二次キャビティ34.36は入口を形成するよ うに一辺が開いた四辺形内に収められた形状を有している。かくして、キャビテ ィの形状は四辺形の三辺と接している。形状が四辺形により境界決めされた各二 次キャビティは、第1外側側壁38.40、第2内側側壁42.44および底4 6.48を有している。
対称平面Pと平行な平面に対する側壁部の傾きは、装置の作動を大きく変更する ことなしに大きい角度の値を採ることができる。第6図においては、二次キャビ ティの底部は対称平面Pと直角であるが、第7図でわかるように、この平面とで 入口角度を形成してもよく、この角度は+45°までの値を採り得る。
各二次キャビティへの入口はId −+5dの範囲にある幅Lsを有している。
二次キャビティの形状は四辺形自身(開放辺が入口を形成する)から、一点で四 辺形の辺各々と接触するだけの湾曲形状に移行するのがよい。
第8図に概略的に示す変更例では、キャビティの底部46.48を段状にするこ とができることがわかり、この例では、底部46.48はそれぞれ2つの段部4 6a、46bおよび48a、48bを有しているが、もっと多くの段部を有する ようにしてもよい。これらの段部は対称平面Pと直角であってもよく、或いは対 称平面Pとで90°以外の角度を適切に形成してもよい。
段部を分ける立上り部は対称平面と平行でもよいし、或いはθ°以外の入口角度 を同等に適切に形成してもよい。特に、立上り部は外側側壁38.40と平行で もよい。第9図においては、二次キャビティ34.36は入口を形成するように 一辺が開いた三角形内に収まる形状を有している。従って、二次キャビティの形 状は三角形の二辺に接している。また、二次キャビティの形状は入口を形成する 1つの開いた側を備えた三角形自身から、一点て三角形の辺各々と接触するだけ の湾曲形状に移行してもよい。
第10図では、二次キャビティの底部は段状になっている。更に、上記形状が同 等の形状寸法を採ることができ、種々の限界形状が同じ機能を果たすことは理解 されよう。
乱流状態では、主キヤビテイ26内の流体ジェットのいかなる衝撃箇所でも、二 次渦が各二次キャビティ34.36に形成される。これらの二次渦は、この流体 振動子が、二次キャビティを有していない振動子と、全体として、同じように機 能するのに十分に強い。以下の説明は移行状態下での装置の一般的な挙動に関し ており、第1t図および第12図を参照して説明を行う。
流体ジェットFの衝撃箇所は末端点11と12との間で主キヤビテイ26スイー ブする。振動に伴って障害物22の前側部分と入口オリフィスに隣接した振動チ ャンバの壁部との間に局在する生温TLT2が形成される。
第11図では、ジェットの衝撃が点11に達し、次いで、渦T1は集められ、強 く、一方、渦T2は弱い。流体ジェットは主としてチャンネルC2を経て逃げる 。
乱流状態下では、2つの二次キャビティ34.36は生温と位相が反対であって 交互に強く及び弱くなる二次渦Tsl、Ts2で満たされる。しかしながら、流 量が減少するにつれて、これらの二次渦の強度あるいは、集中は低減する。
その結果、強い生温は、第11図のT1で起こるとき、その半径方向の延長が増 大するので、流量が減少すると、渦は二次キャビティ34を漸次占めて、二次渦 Tslを害し、この二次渦Tslは最後にはすっかり消滅する。対照的に、流体 ジェットの逃げにより作られた二次渦Ts2は常に二次キャビティ36に存在す る。
第12図では、流体ジェットの衝撃箇所は12のところに配置され、次いで、増 大された半径方向の延長を有する渦T2になり、流れが十分に低いとき、渦Ts 2は完全に消滅する。生温は、集中されて強いときには、移行状態の場合には、 乱流状態の場合より大きい半径方向の延長を有する(というのは、乱流状態下で は、二次キャビティは両方とも二次渦で占められ、生温の展開に有効な空間が減 小されるからである)。振動の振動数は生温の半径方向の延長の増大に伴って減 少する。
本発明による装置についてのレイノルズ数の関数としての係数にの相対変化を概 略的に示している第13図かられかるように、渦の半径方向延長を流れの状態に 依存させることにより、乱流状懸下で振動の振動数を増大させ、移行状態で振動 の振動数を減小させて振動子の直線性を向上させることができる。
第2図の流体振動子によれば、この振動子を通る流量の流量を、主キャビティ2 6の内側の流体ジェットのスィーブの終了点に配置された2つの圧力タップ50 .52によって測定することができる。これらの圧力タップはジェットの振動の 振動数を測定することができる公知の装置に連結されている。この振動数は予備 測定により流量に結びつけられる。かくして、広い測定範囲にわたって線形であ る流量計か得られる。
障害物無し !書物本1ノ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.長手方向対称平面(P)に対して対称であり、両側に渦(T1、T2)を伴 い、対称平面(P)に対して横方向に振動する二次元ジェットを作る手段を備え ており、これらの渦が位相を反対にした状態でジェットの振動に応じて交互に強 くおよび弱くなる流体振動子において、渦の半径方向延長をジェットの流れ状態 に依存させるようになっている手段(34、36)を更に備えていること、を特 徴とする流体振動子。 2.振動する二次元流体ジェットを形成するようになっている幅dの入口オリフ ィス(16)を備える流体入口(E)と、流体入口オリフィス(16)に連結さ れた振動チャンバ(18)と、振動チャンバ(18)に配置され、流体入口オリ フィス(16)に面した主キャビティ(26)が形成された前側部分(24)を 有する障害物(22)とを備えた流体振動子において、渦の半径方向延長をジェ ットの流れ状態に依存させるようになっている手段が、障害物(22)の前側部 分(24)に形成された少なくとも2つの二次キャビティ(34、36)よりな ることを、特徴とする請求項1に記載の流体振動子。 3.前記主キャビティ(26)は2つのアームがキャビティの外側に向かって広 がっている実質的にV字をなす傾斜壁部(28、30)を有していること、を特 徴とする請求項2に記載の流体振動子。 4.前記主キャビティ(26)の壁部(28、30)は対称平面(P)に対して 0°〜80°の範囲内にある入口角度(a1)を有していること、を特徴とする 請求項3に記載の流体振動子。 5.前記主キャビティ(26)の壁部(28、30)は対称平面(P)に対して 10°〜45°の範囲内にある入口角度(a1)を有していること、を特徴とす る請求項4に記載の流体振動子。 6.前記主キャビティ(26)の底(32)が、3d〜15dの範囲内の入口オ リフィスから距離(Df)を隔てて入口オリフィス(16)と対向して配置され ていること、を特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 7.前記主キャビティ(26)の底(32)が、4d〜8dの範囲内の入口オリ フィスから距離(Df)を隔てて入口オリフィス(16)と対向して配置されて いること、を特徴とする請求項6に記載の流体振動子。 8.前記主キャビティ(26)が2d〜10dの範囲内にある幅の入口を有する こと、を特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 9.前記障害物(22)の前側部分(24)が、5d〜30dの範囲内にある幅 (Lo)を有すること、を特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 10.前記障害物(22)の前側部分(24)が、対称平面(P)に対して実質 的に直角であり、オリフィス(16)から1d〜10dの範囲内にある距離を隔 てて配置されていること、を特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 11.前記各二次キャビティ(34、36)が、実質的に、その入口を形成する 開口面を有する四辺形内に収まる形状を有しており、この形状は四辺形の三辺に 接していることを特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 12.前記各二次キャビティ(34、36)が、実質的に、その入口を形成する 開口面を有する三角形内に収まる形状を有しており、この形状は三角形の二辺に 接していること、を特徴とする請求項2に記載の流体振動子。 13.前記各二次キャビティ(34、36)が、段状の底を有すること、を特徴 とする請求項12または13に記載の流体振動子。 14.前記各二次キャビティ(34、36)が、1d〜10dの範囲内にある幅 (Ls)の入口を有すること、を特徴とする請求項12または13に記載の流体 振動子。 15.前記流体入口(E)が、入口ダクト(12)に連結されるようになってい る六面体状沈静室(10)と、該沈静室(10)の一側部に連結された先細部分 (14)を備えており、該先細部分は振動チャンバ(18)に連結されるように なっている幅dの矩形の入口オリフィスを有していること、を特徴とする請求項 2に記載の流体振動子。 16.流体入口(E)が流体ジェットを調整する手段(20:21)を備えてい ること、を特徴とする請求項15に記載の流体振動子。 17.前記調整手段は対称平面に沿って位置決めされたプレート(20)により 構成されていること、を特徴とする請求項16に記載の流体振動子。 18.前記調整手段は対称平面(P)に沿って位置決めされた成形障害物(21 )により構成されていること、を特徴とする請求項16に記載の流体振動子。 19.前記調整手段は入口オリフィスから0.5d〜4dの範囲内にある距離だ け隔てられた端部を有すること、を特徴とする請求項17または請求項18に記 載の流体振動子。 20.請求項1ないし19のうちのいずれかに記載の流体振動子を備えたこと、 を特徴とする流量計。
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