JPS58201025A - 渦流量計 - Google Patents

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】 本発明は、流動する流体中に置かれた渦発生体２ページ の後方に、左右交互に周期的に発生するカルマン渦を利
用して流体の流量を計測するカルマン渦流量計に関する
ものである。

カルマン渦流量計の動作原理は周知の如くあるレイノル
で数の範囲においては、渦の発生周波数、ｆが、流速　
に直線的に比例することを応用したものである。すなわ
ち ／　＝　５ｔ−−・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・曲・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｓｔ：マトロハール数（一定） ｄ　：渦発生体の巾 が成立する。一方渦発生体を含む導管断面積金Ａとする
と流量Ｑは Ｑ＝Ａ−ｖ・・・・・・・・・・曲曲曲・・・曲・・・
曲・・・・曲・（２）の関係にある。したがって、０）
式と（２）式からＱ−Ａ’　ｓｔ　”・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（３）然るにＡ・−＝Ｋ（一定）故 Ｓｔ Ｑ＝Ｋ　−ｆ・・・・・・・・曲・聞・曲・・曲曲曲曲
曲・（４）が成立する。すなわち、カルマン渦流量計は
、（３）３べ−１・ 式、または（４）式から明らかのように、渦発生体後流
に周期的に発生するカルマン渦の発生周波数を検知し計
数することにより体積流量を計るものである。

従来、この種の流量計は、１）レンジアビリティが広い
、２）圧損が他の流量計と比較して小さい、３）精度が
指示値の±１％とオリファス流量計と比べると高精度で
ある　４）機械的可動部がなく、構造が単純である　６
）出力がデジタル出力であり、コンピュータ入力に適し
た信号が得られる等の特徴を有している為に、主として
大流量（例えば空気の場合は６０ｍ８／／ｈ以上）の工
業用計測器として用いられてきた。

この種の流量計が工業用計測器として用いられている場
合の計測可能の下限値である最小流量は、気体液体いづ
れの場合も計測される流体の密度と圧力に関係し常温大
気圧下に於ける空気の場合を例にとると、５ｏｍｙｂ前
後がその下限値であり、又最大流量は、最小流量の１０
倍前後のものが一般的である。一方、圧力損失は上記最
小流量、最大流量に対応して、最小値は５Ｍ、Ｈ２０前
後、最大値は５００間、Ｈ２０前後が一般的である。ひ
るかえって、圧力損失ΔＰは Δｐ＝ｘγＪ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）Ｋ：
比例定数 γ：被測定流体の比重量 Ｖ：流速 の関係にある。

一方、最小流速の下限値はレイノルズ数とも関係があり
、実用上は渦検出手段の感度と許容精度によって決定さ
れる。又最大流速はカルマン渦放出の現則性や、安定性
がどの程度失われるか迄認めるか、すなわち許容精度と
、圧力損失及び、渦発生体に作用し、流速の二乗で増加
する圧力抗力と渦発生体の設計上の強度バランス等から
決定される。

工業計測に於ける圧力損失ΔＰの５０ＯＮＬＨ２０（○
、ｏ　５に４７ｃａｌ　）前後という値は、一般的に低
圧損として評価されており、実用−ヒ全く問題にならな
い。

６７・−１ 一方カルマン渦流量計を民生用機器、例えば、ガス給湯
機器等の燃焼機器分野に於ける空気又は、燃焼ガスのＲ
，量検知制御手段として用いるとき、最小流量時に於い
ては論外であるが、最大流量時に於いては、その圧損が
１０　ｗｎ　Ｈ２０前後でも問題になる場合がある。し
たがってカルマン渦流量計は、その為に、民生用機器等
のなお低圧損であることを要求される分野に於いてはそ
の使用を困難にしていた。

更に具体的には、例えば、上記のようなガス給湯機器の
場合を例にあげると、定格が３万Ｋｃａｌ外でその燃焼
出力を１／６迄可変できるような設計仕様の場合燃焼に
必要な空気量の調整範囲は、約７ｍＡ〜４２ｍ８／／ｈ
程度である。

したがって、流速の上限、下限を値に工業計測用の場合
と同一と考えた場合、とりわけ、流速の下限値は、計測
可能な最小流量が工業用の６ｏｍｙｋＸから民生用の７
　ｍ”／ｈになった場合でも、一定以上の流速を維持す
る必要がある為に導管の断面積をそれだけ減少せざるを
えない。

６７・−ジ しかし、計測流量が、小さくなったわりには（５）式か
ら明らかのように、流速Ｖの値が変化しないので圧力損
失ΔＰの値は、工業計測の場合とほぼ同一になる。換言
すればカルマン渦流量計の定格流量が大流量計測の場合
でもあるいは小流量計測の場合でも流速Ｖはほぼ同一レ
ベルに保つ必要があり、従って圧力損失ΔＰは、はぼ同
一の値になるのである。故に、流量が５０　Ｂ”／ｂ以
下の低流量で低圧損が要求される例えば、ガス給湯機器
等に於ける燃焼機器の空気量計測制御等への応用を困難
にし、同時にその解決策が望まれていたものである。

本発明は、上記従来の欠点を解消するもので、低流量領
域（５０φ以下）に於いても低圧損を可能にし、しかも
カルマン渦流量計としてのその他の特徴をもたせて、民
生機器等の流量計測を可能にすることを目的とするもの
である。

この目的を達成するために、本発明は、測定流体を流す
為の複数の導管と、この導管内のそれぞれに渦発生体を
具備し、これにより、発生するカ７ベ１．、ン ルマン渦を検出する渦検出手段を前記複数の導管内に設
けると共に、この複数の導管のうち少なくとも１つの導
管を除く残りの導管側の流路を開閉する為の流路開閉機
構を備え、前記それぞれの渦検出手段から発信される電
気信号を受けて全流量を演算する加算器と、この流路開
閉機構を開閉する為の電気制御部とから構成したもので
ある。

上記構成によって、基準流量以下の流量範囲に於いては
複数の導管のうち少なくとも一つの導管を除く残りの導
管を流路開閉機構で、閉状態にし流路開閉機構のない導
管側のみで流量を計量し、また、流量が基準流量以上の
流量範囲に於いては流路開閉機構を順次開状態にして、
複数の導管から同時に流れるように構成し計量するので
、流量が増加しても流速が増加せず、従って圧力損失が
増加しないことになる。

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図にもとづいて
説明する。

第１図は、本発明のカルマン渦流量計を、円柱状の渦発
生体を円柱上面から視る如く描いた概略図と電気制御信
号との関連を示した説明図である。

１及び２は渦発生体、３及び４は渦発生体１及　　゛び
２に内設された渦発生周波数を検知する。

渦検出手段、５及び６はそれぞれ渦発生体１，２を備え
た導管Ｉ及び導管■である。

７ＡとγＢは流路開閉機構、すなわち、７Ａは導管■６
を開閉する為のダンパ、７Ｂは導管■６の外側に配設さ
れ、ダンパ７Ａを作動する為のモータそして８ａ１及び
８ａ２は渦検出手段３及び４から発信される電気信号を
受けて動作する流量演算器、８ｂは複数の導管を流れる
全流量を演算する流量演算器８ａ１　＋　８ａ２の信号
を受けて動作する流量加算器である。又、８Ｃは、流量
加算器８ｂと、定格流量のはｉｉの流量に対応した信号
が記憶されている記憶部８ｅの両信号を比較部８ｄで比
較された後、この比較部８ｄの信号を受けてダンパ７Ａ
用モータ７Ｂを駆動する電気制御部である。

また、９は流体の乱れを緩和させ流量精度向上の為に設
けた整流格子、１ｏは渦発生体１及び２の後流に発生す
るカルマン渦である。

９ページ 第２図は本発明一実施例のカルマン渦流量計と従来の単
一導管（すなわち導管Ｉ６のみ）によるカルマン渦流量
計の場合の流量圧力損失特性の概略比較説明図であり、
横軸は流量Ｑを、縦軸は圧力損失ΔＰを表わしている。

ＯＡの曲線（実線（イ）の曲線及び破線（ハ）の曲線）
は従来の単一導管の場合の上記特性を、ＯＢの曲線（実
線（ロ）の曲線及び破線に）の曲線）は単一導管を二本
並べて同−流量流れた場合の上記特性である。そして、
（イ）と（ロ）の曲線は本発明一実施例の場合の特性を
示している。

更に、ｑは最大定格流量値を、ΔＰＡ及びΔＰＢは従来
及び本発明の最大定格流量ｑに於ける圧力損失値である
。

上記第４図の構成に於いで、渦発生体１及び２の後流に
発生する渦の周波数をそれぞれｆ４．ｆ２又、導管Ｉ６
及び導管■６を流れる流量をそれぞれＱｌ及びＱ２とす
ると、流量が定格ｑの７未満の場合には、導管Ｉ５のみ
から流れ、導管ｎ６は流れないので、流量演算器８＆１
及び８＆２で、１０ベー　コ５・ Ｑｌ−に１ｆ１．（ｋ１比例定数）Ｑ２−に２×０−○
（ｋ２比例定数）として処理されさらに、加算演算器８
ｂで、全流量Ｑは、Ｑ＝０１＋Ｑ２−Ｑｌとして処理さ
れ、同時にこのＱの値は記憶部８ｅの２９とその大小が
、比較部８ｄで比較される。この場合にはＱ　＜　２　
ｑだから、ダンパ７Ａを開くべく信号が８０の電気制御
部からモータ７Ｂへ出力されない、また、流量が定格の
７以上になるとすなわちＱ＝Ｑ１≧ヲｑの関係にあると
きは、ダンパ７Ａが開動作するように、電気制御部８ｃ
からモータ７Ｂへ信号が出力される。

そして、ダンパ７Ａがすみやかに開かれると並行して導
管■６からも被測定流体が流れはじめ、前述と同様に全
流量Ｑはに１ｆ１＋に２ｆ２＝Ｑ１＋Ｑ２−Ｑとして計
量されると同時にこのときの流量値Ｑは比較部８ｄで、
Ｔｑとその大小が常時比較されＱ≧２９であればタンパ
７Ａは開状態を維持し、Ｑ＜７ｑの条件になればダンパ
γＡは閉状態になる０ そしてこの時の流量圧力損失特性は、第２図か１１　／
’、□−・、・ ら明らかのように、流量が捧未満の範囲に於いては、Ｏ
Ａの特性カーブに沿って（イ）の実線の曲線の如く変化
し、壕だ流量Ａ以上になるとダンパ７Ａが開いて流路断
面積が２倍になり、したがって流速が棒になり、（５）
式から明らかのようにその圧力損失が、単一の導管■６
の従来の場合（（ハ）の点線の曲線）のほぼ阿に減少し
第２図に於ける（口）の実線曲線の如く変化するような
特性になる。

このように、流量が最大定格の棒を境界にして６の導管
Ｉのみを流れるようにするが、あるいは５の導管Ｉと６
の導管Ｈの両通路を流れるようにするかを、下流に配設
したダンパ７Ａで初盆るように構成したことにより、流
量計測の全領域にわたってきわめて低い圧力損失になる
。とりわけ、定格の７以上の流量範囲に於いては第２図
（ロ）の実線曲線の如〈従来より著しく低い圧力損失に
なる。

次に本発明の他の実施例を第３図、第４図にもとづいて
説明する。

第３図は本発明第一実施例に於ける構成に更に、渦発生
体２．渦検出手段４′ダンパ７Ａ’及びモータ７　Ｂ’
を配設した導管Ｉｌｌ　６／を増設する如く構成したも
のである。

そして基本的な動作は第一実施例に於ける場合と同一で
あり、低流量から最大定格流量値ｑまで流量の増減に従
がいダンパ７Ａ及び７Ａ’を二段切替えにする点が特徴
である。

上記第３図のように構成したことによって流量１　　　
　　　２　　　２ −ｑ≦Ｑ＜τｑ、τｑ≦Ｑ＜ｑ二連りの場合に対応して
、流量の増減にしたがい、ダンパ７Ａ及び７八′が順次
切替るので、第４図の流量圧力損失特性説明図のイ′９
ロ′、ノーの実線曲線に沿って特性が変化することにな
る。

したがって、この場合にはその圧力損失は、単一導管１
５の従来の場合（ＯＡの実線と破線の曲線）と比較して
例えば最大定格流量値ｑでは、はソ」に減少させること
ができ、更に低圧損化を可能にするものである。

以上の説明から明らかなように、本発明のカルマン渦流
量計によれば測定流体を流す為の導管を１３ベーン 複数の導管で構成し、小流量時、大流量時の流量範囲の
変化に対応して、流路導管の有効断面積を変化させるこ
とで、従来のような定格付近での圧力損失の増大の問題
がなく、広い流量範囲にわたって超低圧損になるという
効果を有するものである。

とりわけ、この種の流量計としては困難であった６０ｍ
７ｈ（常温、大気圧に於ける空気として）以下の流量範
囲に於いてもレンジやビリティが広く、高精度でかつ、
超低圧損を可能ならしめたことにより、ガス燃焼機器分
野における空燃比制御等が燃焼出力調整の広い範囲にわ
たって低圧損、高精度で実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるカルマン渦流量計の構
成図、第２図は同カルマン渦流量計の流量圧力損失特性
図、第３図は同地の実施例によるカルマン渦流量計の構
成図、第４図は同カルマン渦流量計の流量圧力損失特性
説明図である。 １．２．２′・・・・・・渦発生体、３　、４　、４’
・・・・・・渦検１４ページ 手段、５　、６　、６’・・・・・・導管、７Ａ　、　
７Ａ’、　７Ｂ−１−・・・流路開閉機構、８ｂ・・・
・・・加算器、８ｃ・・・・・・電気制御部。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 り 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体を流す複数の導管と、この導管内のそ
   れぞれに、前記流体の流れと直角に設けた渦発生体と、
   これにより発生するカルマン渦を検出する渦検出手段を
   、前記複数の導管内に設けると共に、前記複数の導管の
   うち少なくとも一つの導管を除く残りの導管側の流路を
   開閉する流路開閉機構を有し、前記それぞれの渦検出手
   段から発信される電気信号を受けて全流量を演算する加
   算器と、この加算器に於ける流量に対応する電気信号を
   あらかじめ定められた、基準値と比較して、前記流量開
   閉機構を開閉動作させる電気制御部を有する渦流量計。
2. （２）流量開閉機構の開動作と閉動作に偏差を設けた特
   許請求の範囲第１項記載の渦流量計。