JPH0719920A

JPH0719920A - 渦流量計

Info

Publication number: JPH0719920A
Application number: JP5161701A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Mori; 武彦森
Original assignee: M & M Technol Kk
Current assignee: M & M Technol Kk
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-20
Also published as: US5471986A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、流量計測における諸条件に積極的
に対応でき、しかも、微小流量域に実用範囲を拡大でき
る渦流量計を提供することを目的としている。【構成】本発明の渦流量計は、矩形流路を持ち、渦発
生体４に至る流入側には、主流路を形成する基板１との
間に、上下左右に溝を形成する間座２を積層し、管壁と
流体との摩擦を減少し、流速分布を層流，乱流の領域で
も、平均流速に近づけ、レイノルズ数特性を改善し、微
小流量計測における渦振動数を検出できる高感度の光フ
ァイバーセンサーを用いて構成したことにより、前記の
目的を達成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、渦流量計、特に、流量
の計測に与える諸条件に対応し、さらに、渦流量計本来
の高精度を微小流量域にまで拡大した渦流量計に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流量測定に採用されてい
る原理には、測定の対象となる流体の物理的条件、ま
た、流れの状態によって最も適当するものが選択され、
いろいろな原理，構造の流量計が実用に供されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実用さ
れているもので、その原理を十分に活かしているとはい
えないものがあり、その具体的な事象例として、１）管内の流れは層流，乱流に大別され、前者は流量が
小さいときの、後者は流量が大きいときの流れの状態で
あるが、両者の間には流速の差が見られ、これが流量計
測に影響を与える。

【０００４】２）流体の粘性は、この流速分布に大きな
影響を持つ。この１），２）は下記のレイノルズ数によ
る考察に係わるものである。

【０００５】３）流量計の前後には他の流体機器，バル
ブ，配管等がかならず存在する。これによって生じた渦
などの流速分布に与える影響は非常に大きい、層流，乱
流のいずれにおいても流速分布の一様性は失われる。

【０００６】これらの対策として、積極的に整流装置を
設け、あるいは流量計の前後に適合した長さの直管部を
設けるなどしているが、流量計そのものに、その対策と
して適切なものがなされていないという問題があった。

【０００７】また、流量計の原理について、容積式流量
計など一部のものを除き、常に考慮しなければならない
のがレイノルズ数である。レイノズル数がおよそ２３２
０を境にして、それ以上が乱流域、以下が層流域とな
る。この両者の違いは流体の管壁との間及び流体間の摩
擦の影響が大きいのが層流域であり、その影響が小さい
のが乱流域といえる。

【０００８】渦流量計はじめ同じ流体振動式に属す流体
論理式、絞り式、翼車（タービン）式などは乱流域にて
実用に供されるが、もし、この二つの摩擦による流速分
布の影響に対策し平均流速に近く流速分布を改め得るな
らば、これらの流量計の実用域はもっと小流量域に広げ
ることが可能となる。また、乱流においても、より理想
的流速分布に近づき流量計測原理を正しく使用すること
となり、さらに優れた精度，性能を発揮することができ
るのであるが、これは課題とされてきた。

【０００９】そして、流量計の流入側にはいろいろなポ
ンプ，弁その他の流体機器が装置され管の曲がり等もあ
って流入流体中に渦が混じるなど前項の摩擦以外の要因
による流速分布の乱れが存在し易く、これを整流する必
要がある。積極的に整流装置を設けることが望ましい
が、それが不可能なときに、流量計の流入側に管径の１
０倍、流出側に同５倍程度の直管部を設けるのが普通で
ある。しかし、流量計設置場所によってはそれが不可能
の場合もあるという難点があった。

【００１０】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、主として渦流量計を対象として、
これらの流量計測に係わる諸条件を積極的に対応でき、
さらに、微小流量域に実用範囲を広げられる装置を提供
することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の渦流
量計は、二次元現象であるカルマン渦を、矩形流入路流
速分布を平均流速に近づけ、渦発生体の縦横寸法を適合
した長さに選択し、流出路断面寸法によって定められる
それぞれの要素を重合し低レイノルズ数における渦列の
計数に高感度センサーを設けることにより構成したもの
である。

【００１２】

【作用】レイノルズ数特性を改善し、渦流量計本来の高
感度特性を微小流量域にまで拡大でき、微小流量計測に
おける渦振動数検出を高感度センサーで行い、かつ、高
圧流体，危険液などの漏洩を防止し、しかも、耐薬品制
約を解除できる。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例について、図に基づいて説
明する。図１は本発明の一実施例の渦流量計を示す説明
図、図２は流れに沿った壁に溝がある場合における流れ
の状態を示す説明図、図３は本発明の一実施例の渦流量
計の流路を構成する基板，間座の詳細形状を示す模式
図、図４は同詳細断面図である。

【００１４】図において、カルマン渦流量計は、二次元
現象を利用したものであり、本発明の一実施例の渦流量
計は、その原理を完全に近く実現するために、後出の基
板などの原理要素直前の流入路に、流体と管壁との摩擦
を抹消する構成を内蔵している。

【００１５】すなわち、図２に示したように、流体は流
れに沿う壁に溝１８がある場合、流れの初期をやや過ぎ
ると、図２（ａ）から図２（ｂ）の状態に変化して不連
続面ができて、鋭い稜線を回る流れはなくなる。その完
全な変化の状態は、溝の幅と深さの比、また、稜線角度
が直角であるか、どうかによるので、適合した寸法を選
び、かつ、必要である精度の加工をすることにより決ま
るもので、流体と管壁との摩擦を減らすことが可能とな
り、これによって、渦発生前後の流れを理想の状態に近
づけるものである。

【００１６】図１は、これを渦流量計に適合した構造を
示したものである。そして、渦流量計は二次元現象を利
用したものであるので、流量計内部の流路の形状に、矩
形を採用している。

【００１７】図において、１は流路を構成する薄い基
板、２は溝幅をその厚さとした間座であり、図３は、そ
の詳細な形状を示した模式図で、図３Ａは流入路と流出
路を構成要素の縦断面図、図３Ｂは同横断面図、図３Ｃ
は同斜視図を示す模式図である。

【００１８】基板１の厚さａ₁ は間座２の厚さａ₂ に比
べ、相当に薄く、渦発生体４を備えており、厚さがａ₃
の渦発生基板３に至るまでの流入路は基板１と間座２と
を図１に示したように、交互に積層して構成し、流体は
基板１の矩形孔内を流れるようになっている。

【００１９】すなわち、流入路はその上下左右の全壁面
に溝を持つことになる。したがって、流入側流体は、こ
の間、基板１のみと摩擦し、間座２においては、流体間
摩擦のみとなることが理解される。渦発生基板３に一体
加工された渦発生体４の断面形状は三角形，矩形あるい
はホームベース形などとすることができる。基板５は流
出路を構成するようになっている。

【００２０】その場合、基板１と間座２との積層数は流
入側の整流効果を、また、流出路基板５の厚さａ₅ は流
出側の整流効果を満たす長さとする。この構造により、
比較的高い粘性液の管壁との摩擦が減少し、流体間の摩
擦が主となる。レイノルズ数は、動粘性係数に逆比例
し、温度の高いほど、動粘性係数が低い値となるので、
他の条件、たとえば、発振周波数の計測などのための高
温対策が可能な限り、流量計測の可能範囲を広げること
になる。この構造は、流量計の圧力損失を低減すること
になるものである。

【００２１】既存のカルマン渦流量計は、二次元現象を
三次元化し、流量計内流路は矩形断面ではなく、円断面
式を採用しているが、円断面内の流れはカルマン渦列を
不安定にすることが明らかにされていることを考慮して
矩形断面式を使用したものである。

【００２２】矩形断面においては、渦発生体、またその
両側の流路のアスペクト比（高さ／幅）の値を高くし、
低レイノルズ数領域（微小流量域）における渦発生の安
定化を可能とし、しかも、流出路矩形断面を流入路のそ
れに対して広くすることによって発生する渦列の安定化
も実現できる。Ｈ，Ｂはそれぞれ基板１の矩形孔の高
さ，幅、Ｈ₁ ，Ｂ₁ はそれぞれ渦発生基板３，渦発生体
４及び流出路基板５における矩形孔の高さ，幅、Ｈ₂ ，
Ｂ₂ はそれぞれ間座２の矩形孔の高さ，幅である。

【００２３】図１に示した積層形流入路の直後に設けた
渦発生体４は、そのアスペクト比を高くすることがで
き、かつ、前述のように、渦発生体４の断面形状は固定
されない。この渦流量計では、アスペクト比を１０以上
とすることが可能であり、低レイノルズ数域においても
渦発生の安定化が得られる。これは円断面形の既存の渦
流量計と著しく相違するところである。

【００２４】本来渦流量計においては、全流量が渦発生
体４の両側にある空間を通過しこれをバイパスする流量
は全く存在しない。全流量が殆ど等しく渦発生に係り合
う。すなわち、完全に漏洩のない流量計である。したが
って、渦発生の確実性，安定性を向上させればきわめて
高い精度が得られる。渦流量計同様流体振動式に属す流
体論理式流量計も同じく全流量が主ノズルを通るので、
その精度は良い。両流量計とも±０．１％以内の高精度
を得ることができる。

【００２５】カルマン渦流量計の発振周波数ｆはストロ
ハル数Ｓｔ，流速ｖ，渦発生体幅ｂｅとすると次式で与
えられる、ｆ＝Ｓｔ×ｖ÷ｂｅストロハル数ＳｔはＲｅが３×１０² から２×１０⁵ の
範囲でほぼ一定で、０．２と見做せる。しかし渦流量計
の実用流量範囲下限はＲｅがおよそ１０⁴ としている例
が多い。その理由は、ストロハル数がほぼ一定となるレ
イノズル数（Ｒｅ）領域においても必ずしも渦の安定が
得られないことによる。この渦流量計はこの不安定さを
改善し、その実用流量範囲を一層低レイノズル数の方向
にすなわち微小流量に広げ、かつ、その高精度を保証す
る。

【００２６】渦流量計の発振周波数は流量に比例する。
したがって発振周波数を検出すれば流量計が構成され
る。発振周波数の検出には、流れの変動周波数を検出す
るものと、渦発生体に作用する力の周波数を検出するも
のとがあるが、これらの総てが電気的なものである。上
記のように渦発振の安定化、低レイノズル数対策を施し
微小流量域迄計測範囲を拡大するのに対応し、発振周波
数検出に渦発生体に作用する力を利用する方法は、その
力が十分とはいえず、流れの変動周波数を検出する方が
有利である。しかし、この場合においても渦列の力は弱
く高感が要求される。普通、電気式が使用されるが、そ
の防爆対策、そのために生じるコスト対策など関連する
課題が大きい。また、きわめて高い感度が要求されるか
ら、われわれの渦流量計は光ファイバーセンサーを使用
し、これらを満たしている。

【００２７】図１に示すように、発生した渦列により直
接振動する振動片６は渦振動を受け、その他端７は流路
外に固定される。図４にわれわれの開発した光ファイバ
ーセンサーを示す。同図、８は圧力容器でもある流量計
筐体である。図５は一実施例の動作を示した説明図、図
５Ａは渦の計数のための動作Ｓ１〜Ｓ２、図５Ｂは同計
数の動作Ｓ１１〜Ｓ１５の説明図である。筐体８の振動
片６に対応する位置にあけられた孔９に円筒状シール１
０（Ｏ−リングに相当する）を填め込み、円筒状シール
１０に透明球１１を押し込む。透明球１１の外径は円筒
状シール１０の内径より大きく、そのために、円筒状シ
ール１０の内外はそれぞれ透明球１１および筐体８に圧
着し流体の漏洩を完全に防ぐ。透明球１１は流体圧を受
けるが、受け板１２，止め輪１３でその位置を固定され
る。透明球１１に密接する光ファイバー１４からの光線
が透明球１１を経て振動片６により反射するとき、反射
光は再び透明球１１を経て光ファイバーに返る。振動片
６の反射の有無によって受光側光ファイバーはオンオフ
する。このオンオフ光信号は光電リレー１５の入力とな
る。光電リレー１５の電気出力信号は、さらに、積算カ
ウンター１６へ伝送される。１７は高感度センサーであ
る光ファイバーセンサーの取り付け部である。

【００２８】この場合、光ファイバー１４はその先端を
センサーとして、また光ファイバー自身を信号伝送導線
として用いることとなる。このことは、センサーと信号
伝送導線とを別部品別材質にしなければならない電気式
に比べ光ファイバー式の著しい利点である。

【００２９】光ファイバーセンサーを流体に直接浸すこ
とは、その耐薬品性上避けるべきであるし、高圧流体ま
た公害上課題のある流体の漏れ防止を完全に施すために
は良い方法とはいえない。取扱上も課題を残すことにな
る。したがって、この三つの条件を満たす理想的方法が
透明球式である。

【００３０】本発明の一実施例の渦流量計においては、
矩形流路を持ち、渦発生体４に至る流入側には主流路を
形成する基板１との間に上下左右に溝を形成する間座２
を複数積層し、流入路において管壁と流体との摩擦を減
少し、流入路流速分布を層流，乱流いずれにおいても、
平均流速に近づけ、そのレイノルズ数特性を改善し、渦
流量計本来の高精度特性を微小流量域にまで拡大し、微
小流量計測における渦振動数検出を高感度光ファイバー
センサーの透明球１１を介して行い、その透明球により
高圧流体，危険液などの漏洩を防止し、かつ、高感度光
ファイバーセンサーの耐薬品性制約を解除し、これらを
総合して全構造が簡素となり、結果としてコストを大幅
に低下できるという効果を奏する。

【００３１】（他の実施例）透明球１１は、必ずしも球
に限定されず、図６Ａに示すように太鼓状回転体でも良
く、図６Ｂに示すようにその変形でも良い。円筒状シー
ル１０の材質はＯ−リングのそれに等しく、透明球１１
の材質は特殊硝子（セラミック）あるいはプラスチック
などが使用され強度および耐薬品性を保証する。また透
明球１１の光量損失は殆ど無く光ファイバーセンサーの
機能を損なわない。

【００３２】この光ファイバーセンサーは光電リレー１
５を非危険地域に設置することにより本質的に安全で防
爆に関する処置を全く必要とせず、また、光信号伝送式
であるため電磁ノイズ対策も完全に不要となる利点があ
る。このことは、また低コスト化を可能とするので、単
に渦流量計用に限定されず翼車（タービン）式、容積式
等の各種流量計、ポンプ等回転数すなわち流体中の固体
の移動検出に、また、液面センサーとして透明球に液体
が触れるときの光の屈折率の変化を検出することが可能
である。すなわち、タンクのオーバーフローの警報防止
や弁の開閉信号用など流体機器に広く応用し得る。さら
に高圧流体や危険物容器あるいは公害防止機器にも有効
である。図７Ａに翼車式流量計に、図７Ｂに液面センサ
ーに応用した例を示す。

【００３３】上述したように、主として一実施例につい
て説明したが、（イ）ないし（ト）に記載のとおりいろ
いろな他の実施態様がある。

【００３４】（イ）本発明の第２の実施例は、渦発生体
４に至るまでの流入路を形成する基板１の矩形断面寸法
に対して、その全周にわたって、より大きい矩形断面寸
法を持つ間座２を交互に積層した請求項１の渦流量計で
ある。

【００３５】（ロ）本発明の第３の実施例は、流入路に
設けられる基板１の厚さに対し間座２の厚さを厚くし、
流入路における流体の壁との摩擦を減少し流速分布を平
均流速に近づけた請求項１の渦流量計である。

【００３６】（ハ）第４の実施例は、矩形状渦発生基板
３の中央に、その両側を流体通路とする渦発生体４のア
スペクト比（長さ／幅）を大きく定めることのできる請
求項１の渦流量計である。

【００３７】（ニ）第５の実施例は、渦発生基板３にあ
る渦発生体４の断面形状三角形，矩形あるいはホームベ
ース状など任意の選定できる請求項１の渦流量計であ
る。

【００３８】（ホ）第６の実施例は、流出路基板５の矩
形断面流路寸法を、発生した渦列が安定するように渦発
生体４のそれよりも大きくした請求項１の渦流量計であ
る。

【００３９】（ヘ）第７の実施例は、重合された流出路
基板５，渦発生基板３，流入路の基板１および間座２が
流入口筐体８に密着固定され、全流量が渦発生体４を通
り、バイパスすなわち漏流がない請求項１の渦流量計で
ある。

【００４０】（ト）第８の実施例は、渦列の計数に適合
する高感度センサーとして、渦列周波数を透明球１１を
介して検出できる高感度ファイバーセンサー１９を設け
た請求項１の渦流量計である。

【００４１】この光ファイバーセンサーは光電リレー１
５を非危険地域に設置することにより本質的に安全で防
爆に関する処置を全く必要とせず、また、光信号伝送式
であるため電磁ノイズ対策も完全に不要となる利点があ
る。このことは、また低コスト化を可能とするので、単
に渦流量計用に限定されず翼車（タービン）式、容積式
等の各種流量計、ポンプ等回転数すなわち流体中の固体
の移動検出に、また、液面センサーとして透明球に液体
が触れるときの光の屈折率の変化を検出することが可能
である。すなわち、タンクのオーバーフローの警報防止
や弁の開閉信号用など流体機器に広く応用し得る。さら
に高圧流体や危険物容器あるいは公害防止機器にも有効
である。図７Ａに翼車式流量計に、図７Ｂに液面センサ
ーに応用した例を示す。

【００４２】

【発明の効果】本発明の渦流量計においては、上述した
ように、二次元現象であるカルマン渦を、矩形流入路の
流速分布を平均流速に近づけ、渦発生体の縦横寸法を適
合した長さに選択し、渦発生の安定化を増加し、渦列の
安定化を流出路断面寸法によって定める各要素を重合し
たことにより、流入路においても管壁と流体との摩擦を
減少し、矩形流入路流速分布を平均流速に近づけ、レイ
ノルズ数特性を改善し、渦流量計本来の高精度特性を微
小流量域にまで拡大し、微小流量計測における渦振動数
検出を高感度のセンサーで行い、高圧流体，危険液など
の漏洩を防止し、かつ、耐薬品制約を解除し、しかも、
構造が簡単で、コストが著しく低い渦流量計を提供でき
るという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の渦流量計を示す説明図

【図２】壁に溝がある場合における流れの状態の説明
図

【図３】本発明の一実施例の流路を構成する基板，間
座の詳細形状を示す模式図

【図４】本発明の一実施例の詳細断面図

【図５】本発明の動作を示す説明図

【図６】本発明の透明球の他の実施例を示す正面図

【図７】本発明の応用例を示す断面図

【符号の説明】

１基板２間座３渦発生基板４渦発生体５流出路基板１１透明球１９高感度光ファイバーセンサーＢ₁ 流出路断面の幅Ｈ₁ 流出路断面の高さｂｅ渦発生体の幅

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次元現象であるカルマン渦を、その矩
形流入路流速分布を平均流速に近づけ、渦発生体の縦横
寸法を適当に選択して渦発生の安定化を増加し、渦列の
安定化を流出路断面寸法によって定め得るそれぞれの要
素を重合し低レイノルズ数における流量計測特性を改善
し渦列の計数に適合する高感度センサーを設けた渦流量
計。