JPH11304556A

JPH11304556A - 流体量計

Info

Publication number: JPH11304556A
Application number: JP11517198A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Mori; 武彦森
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-11-05
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JP2984689B2

Abstract

(57)【要約】【課題】平板を管内中央に、管に平行に設置するとい
う極めて簡単な構造を用いただけで高精度な測定が可能
な流体量計の提供。【解決手段】管１内に管に平行に十分に薄い平板２を
その中心位置に挿入固定しこの平板２の境界層流が層流
である範囲において平板２の後流に生じる小さい渦が成
長し流体振動更には渦列に発達することを利用検出して
流速、容積流量、密度、粘度の計測ができ、さらに得ら
れた流量と密度とを演算して質量流量を計測できること
を特徴とする流体量計。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、管内に管に平行
に設けられる平板で仕切られた流体が平板の後端を過ぎ
た処で再び相接する際に生ずる渦（以下、平板渦とい
う。）を計測して液体、気体、スチームなどの容量や流
速や密度、粘度や質量流量などを計測できる新規な流体
量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の流体量計に似たカルマン
渦流量計は、例えば図５に示す基本構成として知られて
いる。Ｘは所望の管路内に設けた柱体、Ｙはこの柱体Ｘ
の後流に左右に生成されるカルマン渦を示す。

【０００３】すなわち、管内の流れに垂直に、円柱や三
角柱或いは平板などの柱体Ｘを置く時、流体がこれらの
後側端部から剥離を生じ渦を生成し、これを放出する。
この渦は二列に並ぶ渦列を形成し進行する。この渦列は
カルマン渦と呼ばれる。所謂、渦流量計はこのカルマン
渦の生成、放出の規則性と流速に対する比例性のあるこ
とを利用し放出される渦の数を計数して流量、流速を計
測するものである。その発生渦周波数と流速との関係は
次式で表される。

【０００４】ｆ＝Ｓｔ×ｖ／ｄｆ：発振周波数、 ………… （１）Ｓｔ：ストローハル数（無次元）また、流体のレイノルズ数Ｒｅは次式で表される。

【０００５】Ｒｅ＝ｖｄ／ν ｄ：代表的長さ（円柱径）、ν：動粘性計数、ｖ：流速 ………… （２）このストローハル数はレイノルズ数がおよそ３×１０³
から２×１０⁵ の間で略一定と見做されるので、このレ
イノルズ数範囲内において渦流量計として成り立つ。図
６にレイノルズ数とストローハル数の関係を示す。

【０００６】管内に設けられる円柱、三角柱或いは平板
などの柱体Ｘに作用する抗力は大きい。これらの流体に
直交する断面積も大きく図６に示すようにその抗力係数
も高い値である。同図からストローハル数はこの抗力係
数に大きく関係して変化していることが明らかである。
特に上記レイノルズ数３×１０³ 以下及び２×１０⁵以
上において著しい変化を示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
カルマン渦流量計では、カルマン渦列を生成するため流
れに垂直に置かれた円柱、三角柱或いは平板等の柱体Ｘ
は、流体に対して抵抗体となってカルマン渦列の規則
性、比例性に直接影響を与えているのが判る。すなわ
ち、渦流量計の実用可能範囲が、上記のレイノルズ数範
囲に限られること、またその範囲内においても流量計測
精度の高度化の限界があることなどの不都合があった。
要するに円柱、三角柱、平板等の柱体Ｘの存在の為に、
渦流量計は構造上絞り流量計の一種であると考えるべき
であり、従って流量計測精度を高くすることに限度があ
ると共に、円柱、三角柱、平板などの柱体Ｘの境界層流
が層流であることが上記の規則性、安定性の条件である
ことから境界層流が乱流となる高レイノルズ数域では流
量計として成り立たないので、このことも実用可能上限
を定める要素である。

【０００８】このように、カルマン渦流量計は、その本
質的構造のために、渦流量計が温度、圧力、密度等の影
響を受けないと言う他の原理の各種流量計に優る優位性
を十分に活かすことが出来ないという問題があった。

【０００９】この発明は叙上の点に着目してなされたも
ので、平板を管内中央に、管に平行に設けるという極め
て簡単な構造を用いただけで高精度な測定が可能な流体
量計を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、以下の構成
を備えることにより上記目的を達成できたものである。

【００１１】（１）管内に管に平行に十分に薄い平板を
その中心位置に挿入固定しこの平板の境界層流が層流で
ある範囲において平板の後流に生じる小さい渦が成長し
流体振動更には渦列に発達することを利用検出して流
速、容積流量、密度、粘度の計測ができ、さらに得られ
た流量と密度とを演算して質量流量を計測できることを
特徴とする流体量計。

【００１２】（２）前記（１）の構成に加え、請求項１
記載の平板の前流に整流手段を備えることを特徴とする
流体量計。

【００１３】（３）前記（１）又は（２）の平板の後流
に渦を検出計測する計測手段を備えて成ることを特徴と
する流体量計。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態を
説明する。

【００１５】図１（イ），（ロ）および図２に、基本構
成を示す。図において、１は円管或いは角管であり、透
明な硝子或いは透明樹脂管である。２は管に平行に設け
られた長さＬ，厚さｈの薄い平板２で、この平板２は管
中心に位置し管に熔接或いは接着し固定され管断面を二
等分する。平板２には、振動片３の一端が固定される。
４は振動片の振動を検出する管１に設けた一対構成の透
過型光ファイバーで、この光ファイバー４と振動片３で
発振周波数検出センサーを構成する。

【００１６】この透過型光ファイバーセンサー４はこの
流量計の流体振動を検出する一例であって他にサーミス
ター、超音波、歪みゲージ、圧電素子等がそれぞれの特
徴を活かして使用される。

【００１７】叙上の構成に基づいて作用を説明する。

【００１８】管１内で所望流体が流れ、この流体がこの
平板の後端から離れると、その流れは偏向流であり、や
がて流体振動を発生する（図２）。この流体振動は更に
成長して二列の渦列すなわち平板渦Ｚとなる。この平板
渦Ｚは円柱や三角柱等から剥離した流体から発生する所
謂カルマン渦列と等しい性質を備えているのである。

【００１９】ところで、この薄い平板２の長さを代表寸
法とするレイノルズ数（Ｒｅ）がある値以上になると、
この流体振動を発生する。その時のレイノルズ数を臨界
レイノルズ数（Ｒｅｃ）と称する。平板長さ（Ｌ）が定
められ、流体の動粘性係数（ν）が示されると、レイノ
ルズ数（Ｒｅ）及び臨界レイノルズ数（Ｒｅｃ）は次式
で現される。

【００２０】Ｒｅ＝ｖ×Ｌ／ν（Ｌ＝代表的長さ） ………… （３）Ｒｅｃ＝ｖ_C ×Ｌ／ν ………… （４）ｖ_C ＝臨界レイノルズに対応する流速。

【００２１】平板渦Ｚの臨界レイノルズ数は約１０³ で
ある。この流体振動は平板２の境界層流が層流である時
に発生するが流速（ｖ）が低くレイノルズ数が１０³ 以
下となる時は流体振動は発生しない。レイノルズ数がお
よそ１０⁶ 以上では平板境界層流が乱流となるので流体
振動は同じく発生しない。

【００２２】図１に示されるように、この平板渦Ｚは管
と平板２の僅か二つの、極めて簡単な形状の部品によっ
て得られる。円柱や三角柱等からの流体の剥離によって
生じる所謂カルマン渦を利用した渦流量計に設けられた
円柱、三角柱のような抵抗体は存在せず、従って渦流量
計におけるストローハル数に直接影響をもたらす抗力係
数と言う因子を全く考える必要がないのが基本的特徴で
ある。

【００２３】したがって、この流体量計の器差特性は剥
離型のカルマン渦流量計に比べ高精度であると共に臨界
レイノルズ数に近い流速から高い器差精度を得られる。

【００２４】また、この流体量計においては、流体は平
板の後端から偏向流を生じ、流体振動化し更に渦列に成
長するのであるが、これが管内という限られた空間にお
ける現象であるので、管を流れる流体の全てが発振に関
係しており、渦列の発生に寄与しない流体が存在しない
ことは、容積式流量計における筐体と回転子との間の隙
間から漏洩のような無関係流体が無いに等しい。

【００２５】なお、図３は、図１の構成に加え平板２の
上流に格子状の好みの整流機構１２を付設した例を示し
ている。

【００２６】つぎにこの発明に係る図４に示す他の実施
の形態について説明する。すなわち、同図は平板に振動
片７を付設し、光ファイバーを流体の振動を検出するセ
ンサーとして使用した時の流体量計の一般構造を示す。
管体５の材質に耐食鋼或いは塩ビのような不透明合成樹
脂を使用する。平板６の材質も同様にこれらを採用す
る。振動片７の振動は管体５に相対向に配設される透明
球８，８を介して外部に装置した光ファイバー９，９で
検出する。透明球８，８はシール材１０，１０に圧入さ
れ管体５とシール材１０，１０、透明球８，８とシール
材１０，１０の間の流体の外部への漏洩を防ぐ。二本の
光ファイバー９，９は別置した発光ダイオード及び受光
ダイオードを備える光電リレー１１に接続され振動片７
による光線の開閉を電気信号のオンオフに変換し発振周
波数を電気信号で計数し流体量計を構成している。

【００２７】なお、図３と同様に整流機構１２を設けて
ある。

【００２８】以上に述べる構成の流体量計も、前述の実
施例と同様の作用を呈し、平板渦の計測により容積ない
し質量流量を計測できる。

【００２９】以上述べたのように流体量計の基本構造
は、円管、角管等の筐体と平板の僅か二点で構成されて
おり且つこの両者は固定され可動体ではない。従って、
流体振動の規則性安定性を乱す因子はこの流体量計自身
には何も存在しない。多くの流体機器に見られるキャビ
テーションもない。この流量計の計測精度、圧力損失、
流量範囲、計測可能流体種類、寿命、或いは挟雑物対応
性、製造コスト等において既存各種流量計に比して利
点、長所の多いのがこの発明の大きな特色である。

【００３０】

【発明の効果】この発明によれば、以下に示す多くの特
徴を有する。

【００３１】（１）液体、気体および水蒸気の全てに適
用出来る。

【００３２】（２）流体に対して抵抗体が存在せず所謂
抵抗損失は無い。圧力損失は流体と管内壁及び平板表面
との摩擦によるもののみである。従って圧力損失は非常
に低い。

【００３３】（３）流体振動の規則性安定性が高く圧力
損失が低いので流量範囲が広い。

【００３４】（４）微小流量の計測にも有効である。

【００３５】（５）出力信号はデジタルである。

【００３６】（６）流体に含まれる挟雑物が滞留する空
間が少なく挟雑物による精度劣化或いは計測不能になる
恐れがない。

【００３７】（７）回転部品が無いため流量計測寿命に
影響する摩擦、摩耗は存在しない。また騒音も無い。長
寿命である。

【００３８】（８）キャビテーションは無い。

【００３９】（９）その基本構造は管体と、管体中心位
置に管に平行に設置された薄い平板とによるのみでこれ
に発振周波数検出センサーが付設され流体量計が構成さ
れる。部品点数の最も少ない流体量計である。

【００４０】（１０）簡単な構造の為使用材料の選択幅
が広い。これによって実用温度範囲が広く、また高耐食
性の流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ），（ロ）この発明に係る流体量計の基
本構成を示す側面説明図と断面説明図

【図２】図１の渦発生過程を示す上面説明図

【図３】（イ），（ロ）図１の他例を示す側面説明図
と断面説明図

【図４】この発明に係る他の流体量計の実施の形態を
示す側断面図

【図５】従来のカルマン渦流量計の説明断面図

【図６】レイノルズ数に対するストローハル数と抗力
係数との関係を示すグラフ

【符号の説明】

１管２平板３振動片４発振周波数検出センサー（透過型光ファイバー）１２整流機構

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１２月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】Ｒｅ＝ｖｄ／ν ｄ：代表的長さ（円柱径）、ν：動粘性係数、ｖ：流速 …… （２）このストローハル数はレイノルズ数がおよそ３×１０^３
から２×１０^５の間で略一定と見做されるので、このレ
イノルズ数範囲内において渦流量計として成り立つ。図
６にレイノルズ数とストローハル数の関係を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管内に管に平行に十分に薄い平板をその
中心位置に挿入固定しこの平板の境界層流が層流である
範囲において平板の後流に生じる小さい渦が成長し流体
振動更には渦列に発達することを利用検出して流速、容
積流量、密度、粘度の計測ができ、さらに得られた流量
と密度とを演算して質量流量を計測できることを特徴と
する流体量計。
【請求項２】請求項１の構成に加え、請求項１記載の
平板の前流に整流手段を備えることを特徴とする流体量
計。
【請求項３】請求項１又は請求項２の平板の後流に渦
を検出計測する計測手段を備えて成ることを特徴とする
流体量計。