JPH09236460A - カルマン渦式流量計 - Google Patents
カルマン渦式流量計Info
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Abstract
に及ぼす影響を抑制し安定したカルマン渦周波数を測定
できる渦流量計を提供する。 【解決手段】 ダクト1内にカルマン渦を発生させる渦
発生体2を設け、ダクト1に沿って検出通路5を併設
し、検出通路5の流出口4を渦発生体2の端面に、流入
口3を流出口4より上流側に配設し、カルマン渦の負圧
によって生じる流速変動を検出する検出部8を検出通路
5内に設置すると共に、検出部8と流入口3の間に、流
入口3に通じる検出通路の断面積及び検出部8が設置さ
れている検出通路の断面積より大きな通路断面積を有す
る空間部14を、また、検出部8と流出口4の間に、流
出口4に通じる検出通路の断面積及び検出部8が設置さ
れている検出通路の断面積より大きな通路断面積を有す
る空間部15を設けた。
Description
関に用いられ、流体の流速、流量を測定するためのカル
マン渦式流量計に関するもので、特に熱線等を用いてカ
ルマン渦を検出する方式に関するものである。
は、流体に生ずるカルマン渦を直接熱線によって検出す
るものや、交互に発生するカルマン渦によって生ずる副
流を検出するものがある。前者には例えば特開昭57−
86013号公報(図11参照)、後者には例えば特開
昭57−1786号公報(図12参照)や実開平5−8
4825号公報(図13参照)等がある。
に渦発生柱2が設置され、この渦発生柱2の下流側の渦
通過領域に左右対称に熱線9a,9bが配置されてい
る。この構成において、矢印10で示す流体の流れによ
り渦発生柱2の下流に交互に発生したカルマン渦7を、
熱線9a,9bに給電する加熱電流の増減として検出
し、カルマン渦の周期により流速または流量を計測す
る。
クト1内に設置された渦発生柱2の両側部を連通する貫
通孔5内に熱線9を架設し、カルマン渦7の発生に伴っ
て貫通孔5内に生じる流れを、熱線9の放熱量の変化を
利用して渦発生に同期した交流信号に変換して検出し、
この交流信号の周波数又は周期より流速又は流量を計測
する。
直に取付けられた渦発生柱2の左右の側面に圧力測定孔
11が形成され、この圧力測定孔11は検出通路12に
より結ばれている。また、検出通路12内にはサーマル
フローセンサー13が設置されている。このような構成
において、渦発生柱2の左右に交互に発生するカルマン
渦により圧力変動が生じ、この圧力変動による検出通路
12内の左右交互の流れをサーマルフローセンサ13の
温度変動による抵抗変化として検出し、流速または流量
を計測する。
量計は上記のように構成されているので、以下の問題点
が生じている。即ち、図11のように流体が通過するダ
クト内に直接熱線を設置すると流体にダストが含まれる
とき、長期間の使用により熱線にダストが堆積する。堆
積したダストは熱線の熱放散を阻害するため、熱線の電
気的出力が減少し、やがてカルマン渦が検出できなくな
るという問題点がある。また、図12又は図13のよう
に渦発生柱側面の二つの渦剥離点近傍に孔を設け、この
孔を結ぶように検出通路を設けると、検出通路を介して
交互に生じるカルマン渦が互いに干渉して、カルマン渦
の発生が時として不安定になるという問題点がある。更
に、内燃機関が吸入する流体(空気)の流れは、吸気バ
ルブやスロットルバルブ等の開閉により脈動を伴ってい
る。脈動の振幅が大きい流れの中で、カルマン渦の周期
を測定すると、脈動の影響により不安定状態となり誤計
測する可能性が高くなる問題点がある。
ためになされたもので、計測流体内のダストに影響され
ず、如何なる流量においてもカルマン渦が常に安定し、
かつ測定流体の流れが脈動を伴っていても流速検出部に
及ぼす脈動の影響を抑制し安定したカルマン渦周波数を
測定できる渦流量計を提供することを目的とする。
ルマン渦式流量計は、流体の流入するダクト1内にカル
マン渦を発生させる渦発生体2を設け、このダクト1内
の流体の流れに沿って検出通路5を併設し、この検出通
路5の流出口4を渦発生体2の端面に設け、流入口3を
流出口4より上流側に配設し、カルマン渦の負圧によっ
て生じる検出通路5内の流速変動を検出する検出部8を
設置すると共に、検出部8と流入口3の間に、流入口3
に通じる検出通路の断面積及び検出部8が設置されてい
る検出通路の断面積より大きな通路断面積を有する空間
部14を設け、また、検出部8と流出口4の間に、流出
口4に通じる検出通路の断面積及び検出部8が設置され
ている検出通路の断面積より大きな通路断面積を有する
空間部15を設けたものである。
入口3又は流出口4に通じる検出通路の間、又は空間部
14,15と検出部8に通じる検出通路の間を、滑らか
な断面積変化を成す形状にしたものである。
発生体2、検出通路5の流入口3及び流出口4、並びに
検出通路5と流出入口3,4の間の空間部14,15を一
体成形により構成したものである。
1内にカルマン渦を発生させる渦発生体2を設け、この
ダクト1内の流体の流れに沿って検出通路5を併設し、
この検出通路5の流出口4を渦発生体2の端面に設け、
流入口3を流出口4より上流側に配設し、カルマン渦の
負圧によって生じる検出通路5内の流速変動を検出する
検出部8を検出通路5内に設置すると共に、検出通路5
の流入口3をダクト壁面に設け、流入口上流側にダクト
壁面より突き出た突起部16を設けたものである。
なくともその下流側が円弧断面形状に形成されている突
起部16a,bを備える。
流側をダクト壁面と交わる円弧の接線としている突起部
16bを備える。
発生体2、検出通路5の流入口3及び流出口4、並びに
流入口上流側の突起部16を一体成形により構成したも
のである。
1内にカルマン渦を発生させる渦発生体2を設け、この
ダクト1内の流体の流れに沿って検出通路5を併設し、
この検出通路5の流出口4を渦発生体2の端面に設け、
流入口3を流出口4より上流側に配設し、カルマン渦の
負圧によって生じる検出通路5内の流速変動を検出する
検出部8を検出通路5内に設置すると共に、流出口4を
カルマン渦の剥離点近傍でありかつダクト壁面の境界層
より離した位置に設け、流出口開口部の面積を検出部8
の設置された検出通路断面積の2倍以下にしたものであ
る。
発生体2、並びに検出通路5の流入口3及び流出口4を
一体成形により構成したものである。
を検出する手段として熱線9を設置し、この熱線9の電
流変化により流速の変化を測定するものである。
ン渦式流量計の構造及び動作原理を図について説明す
る。図1は発明の基礎となる渦流量計の側面図を示した
ものであり、流体が流入するダクト1内に渦発生体2を
設け、ダクト1の流れ方向(矢印10)に沿わせて検出
通路5を設ける。この検出通路5は、ダクト1の天側壁
面に設けた流入口3と、渦発生体2の端面に設けた流出
口4を有する。また、検出通路5内の検出部8には熱線
9が設置されている。図2は上記渦流量計の平面図を示
したものであり、検出通路5として、流出口4a,4b
及び流入口3a及び流入口3bを有する二つの検出通路
5a,5bが設置されている。上記流出口4a,4bは
それぞれ渦発生体2の中心を通りかつダクト内の流れに
平行な中心線に対して左右両側に配置され、その上流側
にダクト1の天側壁面にのぞむ流入口3a及び流入口3
bが開口している。7a,bは渦発生体2により生じる
カルマン渦、6は検出通路5内の流体の流れ、10は流
体の流れ方向を示す。
計において、ダクト1内を流体が矢印10の方向に流入
すると、渦発生体2の後方にカルマン渦7が交互に生じ
る。今、流出口4a側にカルマン渦7aが生じたとする
と、流出口4a近傍は負圧になり、流出口4aより高圧
の流入口3aから流体を検出通路5aに引き込むことに
なる。すなわち検出通路5a内では流入口3aから流出
口4aへ流体の流れが生じ、この流体の流速を熱線9a
にて検出する。次に、流出口4b側にカルマン渦7bが
生ずると、同様にして検出通路5bに流体の流れが生じ
これを熱線9bにて検出する。
って流出口4a近傍の負圧が最大になったときの渦発生
体2の周りの等圧線図を示す。図において、A〜Hは負
圧のレベルを示し、Aの方が負圧が大きく、A→Hにか
けて順に小さくなっている。検出通路5a内の流速は流
入口3aの圧力(≒G)と流出口4aの圧力(≒B)と
の差により決まり、検出通路5b内の流速は流入口3b
の圧力(≒H)と流出口4bの圧力(≒G)との差によ
って決まる。ここでカルマン渦7の検出感度は熱線9a
と熱線9bの差である。よって、検出感度を圧力の式で
表すと[(G−B)−(H−G)]となる。
回路例を示すブロック図である。図において、渦検出回
路21a,bは、ブリッジ23a,bと定温度制御回路2
2a,bから構成されている。ブリッジ23a,bは検出
通路5に設置した熱線9a,9bと固定抵抗R1a〜R
3bより成り、定温度制御回路22a,bは上記ブリッ
ジ23a,bの不平衡電圧を検知して熱線9a,bの温度
(抵抗値)を一定に保つようにブリッジ23a,bへの
印加電流を自動調整するものである。また、渦検出回路
21a,bから出力される信号は差動増幅器24により
差動的に増幅され、直流成分を除去するフィルター25
を介して波形整形回路26に送られ、波形整形回路26
でカルマン渦の周期に応じた矩形波に変換する。
5a,bの流出口4a,bの位置を渦発生体2によるカル
マン渦の最大負圧発生点である剥離点近傍に設けること
により、検出通路の流入口、流出口間でより大きな圧力
差が得られ、カルマン渦による流れの変化がより正確に
とらえることができる。また、カルマン渦の剥離点の位
置は、ダクト,渦発生体の形状等を決定したうえで、実
験又はシミュレーションにより求めることができる。
実施の形態1によるカルマン渦式流量計の構成を示す一
部側面断面図である。本実施の形態1では、図1及び図
2の構成を基本として、検出通路5内の熱線9が設置さ
れた検出部8と流入口3及び流出口4の間にそれぞれ空
間14,15を設置する。当該空間14は、流入口3に
通じる通路断面積及び熱線9が設定された検出部8の通
路断面積より大きい通路断面積を有し、また、空間15
は、流出口4に通じる通路断面積及び熱線9が設定され
た検出部8の通路断面積より大きい通路断面積を有する
ように構成する。そして、流入口3側に設置された空間
14は、ダクト1より流入してくる流体の細かいゆらぎ
成分を吸収する働きをなし、流出口4側に設置された空
間15は、流出口4から入り込む流体の脈動成分を緩和
する役割を果す。また、空間14と流入口3の間、空間
15と流出口4の間、あるいは空間14,15と検出部
8の間には、テーパや曲面を形成して滑らかな断面積変
化を持たせ、検出通路5内の流れを整流するように構成
する。
ルマン渦式流量計に流体を流すと、前述したようにダク
ト1を通過する流体に応動して検出通路5内にも流体が
流れる。検出通路5の流出口4を渦発生体2のカルマン
渦剥離点付近に設置することにより、検出通路5内を通
過する流体はカルマン渦の生成に対応して規則的に流速
が変化し、この変化を検出通路5内に設置した検出部8
の熱線9により検出する。この時、検出通路5内に流入
してくる流体の流れには壁面での剥離等による細かい不
規則な乱れがあるが、流入口3と検出部8の間に設けた
空間14により上記乱れを吸収することができ、流出口
4と検出部8の間に設けた空間15により流出口4から
入り込む脈動成分を緩和することができる。更に、空間
14、15において通路断面積が大きくなることによ
り、検出通路5内の摩擦抵抗が減少し検出部8での流速
が速くなる。そのため、検出部8での流体の流速変化が
大きくなり、熱線9が検出する信号出力が増大する。す
なわち、熱線9の信号出力が増大することは、脈動等の
外乱を受けても乱されにくくなる効果がある。また、空
間14,15の出入口にテーパや曲面を形成して滑らか
な断面積形状とすることで、検出通路5を流れる流体を
整流する効果がある。
2による流量計の一部側面断面図を示したものであり、
ダクト1の壁面に設置された検出通路5の流入口3の上
流側直前に、ダクト壁面より突き出た突起部16(16
a,16b)を設けている。この突起部16はダクト1
内の流体を検出通路3に引き込みやすくする形状に形成
されており、好ましくは図6の突起部16aのように流
体の流れ方向に向って半円断面形状を成し、また、図7
の突起部16bのように流れの下流側を円弧状に形成
し、かつ上流側をダクト壁面と交わる上記円弧の接線に
なるように形成する。
出通路5の流入口3に向って流れてくる流体は、突起部
6の後方(下流側)の断面形状が例えば円弧状になって
いるため、ダクト壁面方向に働く力を受け流入口3側に
引き上げられるので、流入口3に入り込みやすくなる。
すなわち、流体が流入口3に流入する時の損失が低減さ
れ、それによりカルマン渦生成時も含め引き込まれる流
量が増大し、検出部8の流速変化が大きくなるため熱線
9で検出する信号出力が増大する。また、流体より質量
の大きいダストは、慣性が大きいため突起部16を越え
た後もほぼ直進し、流入口3に侵入しにくくなる。さら
に、図7に示すように突起部16bの上流側をダクト壁
面と交わる円弧の接線になるように形成することで、検
出通路3内に流体をスムースに導入することができダク
ト1内の流体の流れを乱すことがなくなる。また、突起
部16にダストが堆積しにくくなる効果がある。
と流体の脈動による影響の関係を示したグラフであり、
横軸に検出部8の通路断面積に対する流出口3の開口面
積の比率が、縦軸に流体の脈動による影響値が表わされ
ている。ここで、検出通路5の流出口4を、渦発生体2
の端面であってカルマン渦の剥離点近傍であり、かつ少
なくともダクト壁面の流体境界層から離れた位置に配設
し、流出口の測定流体流れと垂直方向の長さを変化させ
た場合、熱線9の信号出力が脈動により乱される度合い
は、流出口4の開口面積が小さいほど脈動の影響を受け
ないことが分かった。すなわち、カルマン渦式流量計の
下流側に測定流体に脈動を与える発生源があると、当該
下流側より脈動による影響を受けるが、図8に示すよう
に流出口4の開口面積を熱線9を設置した検出部8の断
面積の2倍以内にすることで、流出口4から侵入する脈
動成分を抑制することができた。なお、上記構成におい
て、流出口をカルマン渦の剥離点に設けることにより、
検出通路内において大きな圧力差が得られ、カルマン渦
の検出感度が大きくなる。また、ダクト壁面に沿った境
界層から流出口を離すことにより、ダクトの壁面に沿う
流れのよどみの影響を受けにくくなり、検出通路内のカ
ルマン渦による流れが阻害されなくなる効果がある。
カルマン渦式流量計の斜視図を示したものであり、渦発
生体2、ダクトの一部1A,1B、検出通路5、流入口
3、流出口4、空間部14,15、及び突起部16を一
体成形されたものが示されている。なお、図中、明瞭化
のために検出通路5は実線で示している。図において、
渦発生体2と、ダクト1の一部を構成する天側部1A及
び地側部1Bとは樹脂一体成形されており、ダクト天側
部1Aには流体流路にのぞむ流入口3と、流入口3に連
なる空間部14と、検出通路5と、流出口4に連なる空
間部15とが形成されている。ダクト天側部1Aに設置
されている検出通路5はその天側が開口している堀形状
になっており、検出通路5とその両端に設置された空間
部14,15とは曲面でつながれている。また、検出通
路5の流入側では流入口3が空間部14の真下に形成さ
れており、検出通路5の流出側は空間部15を介して渦
発生体2の端面に配設された流出口4につながれてい
る。突起部16は検出通路5の2つの流入口3の上流側
に一体に設置されている。また、ダクト天側部1Aの天
側には、熱線9等を設置した蓋部(図示せず)が取付け
られる。
部、検出通路5と流入口3及び流出口4との間の空間部
14及び15、検出通路5と空間部14及び15との間
の曲面、または流出口3上流側の突起部16を、ダクト
の一部1A,1B及び渦発生体2に樹脂等により一体成
形することにより、渦発生体2と検出通路5を構成する
各構成部分、及び突起部16の相対位置を精度良く製作
することができると共に、構成部品が削減でき、組み立
て及びメンテナンスが容易になる効果がある。
は、検出通路5の配置がほぼダクト流路に沿って平行に
配置した流量計に適用したものを示したが、図10に示
すように、検出通路5cを図2の流入口3aと流出口4
bの間に設け、検出通路5dを図2の流入口3bと流出
口4aの間に設けると共に、2本の検出通路5c,5d
が互いに交わらないように空間的に交差させた流量計に
適用しても良い。このような構成によれば、図3の圧力
分布状態にあるとき、検出通路5c内の流速は流入口3
aの圧力(≒G)と流出口4bの圧力(≒G)との差に
より決まり、検出通路5d内の流速は流入口3bの圧力
(≒H)と流出口4aの圧力(≒B)との差により決ま
る。従って、検出感度を圧力の式で表すと[(H−B)
−(G−G)]となり、実施の形態1に示す方式よりも
検出感度が高いことがわかる。
本設けたが、一本の検出通路のみでも同様の効果が期待
できる。即ち、図2における検出通路5a,5bのいず
れか一方、又は図10における検出通路5c,5dいず
れか一方を検出通路として選択すれば良い。
2は台形状断面の柱と三角形断面の柱を組合わせたもの
を使用したが、カルマン渦を発生するものならその形状
は問わない。また、検出通路内の流速を検出する手段と
して熱線9を使用したが、その他の流速を検知できるセ
ンサを用いても、同等の効果が得られる。
検出通路内に流入してくる流れには壁面での剥離等によ
る細かい不規則な乱れがあるが、検出通路内に所定の空
間部を設けることにより、検出通路の流入口に入り込む
流体の乱れや流出口から入り込む脈動成分を緩和するこ
とができる。また、空間部での通路断面積が大きくなる
ことにより、検出通路内の摩擦抵抗が減少し検出部での
流速が速くなる。そのため、検出部が検出する信号出力
が増大する効果がある。
間部に通じる検出通路の断面積変化を滑らかにすること
により、検出通路を流れる流体を整流することができ
る。
口の上流側に突起部を設けることにより、流入口の入り
口抵抗を低減することができ、その結果、検出部の流速
を増加させ、検出部の信号出力を増大させることができ
る。
とも下流側を円弧断面形状に形成することにより、ダク
トを流れる流体が流入口側に引上げられ、流入口に入り
込みやすくなる。
をダクト壁面と交わる上記円弧の接線とすることによ
り、流れがスムースになり突起部にダストが堆積しにく
くなる効果がある。
量計の下流側に測定流体に脈動を与える発生源がある
と、下流側より脈動の影響を受けるが、検出通路の流出
口の開口面積を検出部の設置された検出通路断面積の2
倍以下にすることにより、流出口から入り込む脈動成分
を抑制することができる。
ば、検出通路の一部、検出通路と流出入口との間の空間
部、検出通路と空間部との間の滑らかな断面積変化、ま
たは流出口上流側の突起部を、渦発生体及びダクトの一
部と一体成形することにより、渦発生体と検出通路を構
成する各部分又は突起部の位置を精度良く製作すること
ができるとともに、構成部品の削減、組み立て及びメン
テナンスの容易化が図れる。
を用いることにより、大きな電気信号を得ることができ
精度が向上する。
計を示す側面断面図である。
図である。
のブロック図である。
部側面断面図である。
部側面断面図である。
部側面断面図である。
る。
視図である。
計を示す平面図である。
る。
る。
る。
4(4a,b) 流出口、5(5a,b) 検出通路、6
検出通路内の流体の流れ、7(7a,b) カルマン
渦、8 検出部、9(9a,b) 熱線、10 流体の
流れ、14,15空間部、16 突起部。
Claims (10)
- 【請求項1】 流体の流入するダクトに渦発生体を設
け、この渦発生体から生じるカルマン渦の周期を検出し
て流体の流速または流量を計測するカルマン渦式流量計
において、 上記ダクト内の流体の流れに沿って併設され、流出口が
上記渦発生体の端面に、流入口が上記流出口の上流側に
配設された検出通路と、 上記検出通路に設置され、カルマン渦の負圧によって生
じる検出通路内の流速変動を検出する検出部を備え、 上記検出部と上記流入口の間に、上記流入口に通じる検
出通路の断面積及び上記検出部が設置されている検出通
路の断面積より大きな通路断面積を有する第1の空間部
を設けると共に、上記検出部と上記流出口の間に、上記
流出口に通じる検出通路の断面積及び上記検出部が設置
されている検出通路の断面積より大きな通路断面積を有
する第2の空間部を設けたことを特徴とするカルマン渦
式流量計。 - 【請求項2】 第1の空間部と上記流入口に通じる検出
通路の間、第1の空間部と上記検出部に通じる検出通路
の間、第2の空間部と上記流出口に通じる検出通路の
間、又は第2の空間部と上記検出部に通じる検出通路の
間を、滑らかな断面積変化を成す形状にしたことを特徴
とする請求項1記載のカルマン渦式流量計。 - 【請求項3】 上記検出通路の一部、上記渦発生体、上
記検出通路の流入口及び流出口、並びに上記検出通路と
上記流出入口の間の空間部を一体成形により構成したこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2記載のカルマン渦
式流量計。 - 【請求項4】 流体の流入するダクトに渦発生体を設
け、この渦発生体から生じるカルマン渦の周期を検出し
て流体の流速または流量を計測するカルマン渦式流量計
において、 上記ダクト内の流体の流れに沿って併設され、流出口が
上記渦発生体の端面に、流入口が上記流出口の上流側に
配設された検出通路と、 上記検出通路内に設置され、カルマン渦の負圧によって
生じる検出通路内の流速変動を検出する検出部を備え、 上記検出通路の流入口をダクト壁面に設け、流入口上流
側にダクト壁面より突き出た突起部を設けたことを特徴
とするカルマン渦式流量計。 - 【請求項5】 上記突起部は少なくともその下流側が円
弧断面形状に形成されていることを特徴とする請求項4
記載のカルマン渦式流量計。 - 【請求項6】 上記突起部の上流側をダクト壁面と交わ
る上記円弧の接線と成すことを特徴とする請求項4記載
のカルマン渦式流量計。 - 【請求項7】 上記検出通路の一部、上記渦発生体、上
記検出通路の流入口及び流出口、並びに上記流入口上流
側の突起部を一体成形により構成したことを特徴とする
請求項4から請求項6のいずれか1項に記載のカルマン
渦式流量計。 - 【請求項8】 流体の流入するダクトに渦発生体を設
け、この渦発生体から生じるカルマン渦の周期を検出し
て流体の流速または流量を計測するカルマン渦式流量計
において、 上記ダクト内の流体の流れに沿って併設され、流出口が
上記渦発生体の端面に、流入口が上記流出口の上流側に
配設された検出通路と、 上記検出通路内に設置され、カルマン渦の負圧によって
生じる検出通路内の流速変動を検出する検出部を備え、 上記流出口はカルマン渦の剥離点近傍でありかつダクト
壁面の境界層より離した位置に設け、上記流出口の開口
部面積を上記検出部の通路断面積の2倍以内にしたこと
を特徴とするカルマン渦式流量計。 - 【請求項9】 上記検出通路の一部、上記渦発生体、並
びに上記検出通路の流入口及び流出口を一体成形により
構成したことを特徴とする請求項8記載のカルマン渦式
流量計。 - 【請求項10】 上記検出通路内の流速を検出する手段
として熱線を設置し、この熱線の電流変化により流速の
変化を測定することを特徴とする請求項1から請求項9
のいずれか1項に記載のカルマン渦式流量計。
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