JPS6047973B2 - 流量計 - Google Patents

流量計

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JPS6047973B2
JPS6047973B2 JP56009888A JP988881A JPS6047973B2 JP S6047973 B2 JPS6047973 B2 JP S6047973B2 JP 56009888 A JP56009888 A JP 56009888A JP 988881 A JP988881 A JP 988881A JP S6047973 B2 JPS6047973 B2 JP S6047973B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流量計の内部流路を流れる流体の振動を利用し
て流量を計測する流量計に関する。
かかる流量計は流路内に発生せしめた流体の振動現象が
流体の流速とほぼ比例関係にある性質を利用し、その振
動数を計測することによつて流速を知り、間接的に流量
を測定するものであつて、従来カルマン渦流量計、フル
イデイツク流量計、渦才差型流量計が知られている。こ
れら流体振動を利用する流量計は他の型式の流量計、例
えば絞り流量計や熱線式流量計に比較すると、測定誤差
が少い特長を有する。
即ち絞り流量計においては絞り部での圧力を検出するた
めに、圧力センサの出力と流量との関係が二次の関係と
なり、低流量域での検出誤差が大きい。また,熱線式流
量計は熱線を利用して流速に直接測定するのて時間的応
答性を重視すればセンサは細い小型のものとなり耐久性
が悪く、また直線化器等の電気的演算を必要とするなど
、計算表示処理が複雑になる。これに対して流体振動を
利用した流量計においては、圧力を検出する場合ても流
速を検出する場合でも、その時間的変動の周期を測定す
ればよいため、センサ自身の出力精度は要求されず、し
かも測定した時間的変動の周期は流速または流量にく一
次的に比例する関係にあるため、流量の演算は極めて簡
単であり、装置も安価に構成することができる。ところ
でカルマン渦流量計は、流路中に鈍頭物体をけ、その背
後に発生するカルマン渦の発生周期を計測する方式のも
のであるため、カルマン渦を安定して発生させるための
は鈍頭物体の形状、構造を流路や流体に合わせて設計ま
たは選択したり、場合によつては鈍頭物体内に流体通路
を設け、あるいは鈍頭物体と流路壁との関係を適切下す
るなど、理論的には極めて明快であつても、実際にカル
マン渦を安定して発生させるための構成に困難を伴なう
フルイデイツク流量計は主流体ノの流路の側壁に対称的
にフィードバックループの開口を設け、該フィードバッ
クループを通じて主流体の流路に噴出せしめる制御流に
よつて主流体を流路の左右側壁に振動的に付着するよう
に流し、その振動周期を検出する方式てあるため、流・
体振動は安定するが、左右側壁への付着流を安定して発
振させるためにはフィードバックループを通じて噴出す
る制御流が主流に対して十分な影響力をもつ必要がある
ため、主流路の径は比較的小径の小流量用の流量計には
適するが大流量用には・適さない。また渦才差型流量計
は、ベンチユリ内に旋回流を発生させる必要があること
から、人口部に旋回流発生用ガイドを設けるため、この
ガイドが流体の流れの抵抗となり、構造的にも複雑とな
る。本発明は上記流体振動を利用した流量計であつて、
構造が簡単で安定した流体振動を発生せしめ、大流量に
も小流量にも適し、圧力損失が少く、かつ流体振動を安
定的に持続せしめる流量計を提供することを目的とする
さらに本発明は流体振動の周期を検出し、これを表示す
る小型軽量の流量計を提供することを目的とするもので
ある。
本発明の流量計は、次の原理に基くものである。
即ち流路断面積を流体出口側において小さくした第1の
ベンチユリと、該第1のベンチユリの流路内にほぼ伺心
的に配置されてその中心軸方向のほぼ中央部に流路断面
積の最小部を有する第2のベンチユリとによりニ重ベン
チユリを構成し、これら2個のベンチユリの流路断面積
の最小部をフィードバックループにより連通せしめ前記
第2のベンチユリの流路面積最小部より下流側の広がり
の部分を流れる流れの剥離の大きさが大きい状態と、剥
離の大きさが小さい状態との二つの状態の間で不安定と
なるように設定する。このようにすると、第2のベンチ
ユリの流路断面積の最小部と第1のベンチユリの流路断
面積の最小部との間の圧力差によつて、フィードバック
ループを通じて第2のベンチユリの流路断面積の最小部
へフィードバック流が流出し、このため前記剥離を生じ
ている領域が拡大する。前記フィードバック流の流出と
剥離流の大きさの拡大とによつて第1および第2のベン
チユリの流路断面積の最小部間の圧力差が減少し、フィ
ードバック流が消失する。このフィードバック流の消失
により前記剥離を生じている領域が減少して再び第1お
よび第2ベンチユリの流路断面積の最小部間の圧力差が
形成される。このような圧力差の変化とフィードバック
流の発生、消失および剥離の生じている領域の拡大、減
少の周期的なパターン変化が発生する。そして上記二重
ベンチユリを流れる流体の流量または流速が大となると
、前記パターン変化の周期が短くなる。本発明の流量計
は、上記パターン変化の結果生ずる流体の流速または圧
力の振動の周期が流量に比例することを利用し、この周
期を測定することにより前記二重ベンチユリを通過する
流量を測定しようとするものである。
このため、かかる原理を利用した流量計は前記カルマン
渦流量計およびフルイデイスク流量計の特長を備えると
ともに、後述するような長所を有するものである。第1
図および第2図は本発明の流量計を模式的に示した断面
図てある。
図において符号1は流体入口2と流体出口3とを形成し
た第1の管であつて、該管1の流体入口2から流体出口
3に至る流路は第1の円筒状面牡截頭円錐面5、前記第
1の円筒状面4より小径の第2の円筒状面6がそれぞれ
同心的に順次接続されて形成されている。符号7は流体
入口8と流体出口9とを形成した第2の管であつて、該
管7の流体入口8から流体出口9に至る流路の壁は該管
7の中心軸を含む面内で弧状に彎曲した弧状壁10に形
成されており、該弧状壁10て囲まれた流路はその中心
軸に垂直な面内における断面積が、流体入口8と流体出
口9を結ぶ中心軸のほぼ中央部に位置せしめられている
。前記第2の管7は前記流路の最小断面積部の管壁に、
L字状に形成された支持バイブ11の一端を前記管7の
直径方向の孔12に嵌合せしめるとともに、前記支持バ
イブ11の他端を前記第1の管1に穿設せしめた孔13
に嵌合せしめ、前記第2の管7を前記第1の管1の流内
に同心的に位置せしめる。また前記管1に穿設せしめた
孔13は前記管1の截頭円錐面5と2の筒状面6と接続
部付近の円筒状面6に形成せしめた開口15に連通せし
められ、該開口15と前記開口14との間の支持バイブ
11および孔13の内腔に流体通路16を形成し、該流
体通路16により、前記第2の管7の最小断面積部と前
記第1の管1の流路の前記第2の流体出口部付近とを結
ぶ。前記第2の管7の流体出口9は開口15付近に位置
するように、管7を支持バイブ11により第1の管1に
支持せしめる。上記のように構成された流量計において
、第1の管1の流路内に流体が滑らかに流れた場合の流
線は第1図に示すようになり、第2の管7の流路を流れ
る流体はその流路の最小断面積部における流速が最大と
なり、流体出口9に至るに従い流路断面積は次第に拡大
され、流速は次第に減少する。
従つて前記最小断面積部の流体の静圧P、と流体出口9
における流体の静圧P。ならびに第1の管1の円筒壁9
における開口15付近の流体の静圧P。″とを考察する
と、の関係となることがわかる。
従つて管7の流路の最小面積部における圧力P,と開口
15付近の圧力PJとの差によつて、第2図に示すよう
に、流体通路16内に開口15から開口14に向う矢印
Aに示す流体の流れが形成さノれ、開口14より管7の
流路を横切る方向の流れが生する。
この開口14より噴出する流体流は管7の流路を流れる
流体を前記開口14に関し直径方向反対側の管壁に付着
するような偏向を与え、そのため開口14の下流に図示
のように弧状壁1−0からに剥離を伴う流れBを発生せ
しめる。管1の流内を流れる流体の流線が第2図図示の
状態となると、流体通路16を介して管7の最小面積部
に供給される流体のためフとなり、流体通路16内を矢
印A方向に流体を駆動する圧力差がなくなり、矢印A方
向の流体通路16内の流れはなくなり、剥離を伴う流れ
もBも消滅するため、管1の流路を流れる流体の流線は
第1図図示の形に戻る。
そうすると再び前記(1)式に示す圧力差が生ずること
なり、管7の流路内を流れる流体は第1図および第2図
に示す状態を交互に繰返し、管7の流路の最小面積部、
流体出口9付近および流体通路16内には流体圧力およ
び/または流体静圧の変化が周期的に繰返されることと
なる。このような周期的な流れ”の状態の周期的変動即
ち流体振動が第1の管1と第2の管7および流体通路1
6により発生せしめられるときは、この流速または圧力
の変動の周波数fと、管7の流路を流れる流体の流量G
とが一体的に比例する関係にあることは前記流体振動を
利用した流量計の原理から自明てあり、本発明はこの流
体振動の周波数fを検出して流量Gを求めようとする流
量計である。
第3図に本発明の一実施例を示す。
図において第1の管1は内管101および外管102の
二重構造に形成され、内管101は円筒状面牡截頭円錐
状面5、円頭状面4の内径より小なる内径を有する円筒
状面6を中心軸方向に流体入口2から流体出口3に至る
間に接続せしめて形成したアルミ合金のダイキャストに
より作製したもので、アルミ合金製外管102の内腔に
嵌装され、内径を前記円筒状面4の内径と等しくした環
体21の開口に整流格子22を支持せしめたアルミ合金
製の整流子23を当接せしめた状態で、前記外筒102
の両端部にキャップ103,104に螺装せしめること
により内外管101,102を一体化せしめてある。キ
ャップ103,104にはそれぞれ内管101に流入ま
たはこれより流出する流体に抵抗を与えないように開口
が設けられていることは勿論である。前記内管101の
截頭円錐面5の一部には中心軸に垂直な面内にある底壁
105を有する中心軸に平行な切欠き106が形成され
るとともに、該.切欠き106より中心軸方向に流体出
口3に近接した位置に、内管101の直径方向に該管1
01の管壁を切欠いた矩形状の孔107を穿設し、前記
切欠き106の底壁105に前記孔13を内管101の
中心軸に平行に孔107に連通するよう・に穿設すると
ともに、該孔107内には、一面に前記内管101の截
頭円錐面5および/または円筒状面6と同一面の流路面
108を形成し、反対面に内管101の外周面109を
形成し、かつ前記流路面108に開口15を形成し該開
口15と前記孔13とを連通させる通路110を形成し
た電気絶縁性の合成樹脂ダイキャストで作製した駒11
1を密に嵌合せしめる。
第2の管7は第1図と同一形状にアルミ合金により形成
し、支持バイブ11は前記切欠き106の底壁105と
同一形状のフランジ17を形成したアルミ合金製のもの
であつて、その開口14を有する一方端を管7の孔12
に嵌合し、かつ他方端を孔13に挿入嵌合せしめ、その
フランジ17を介して切欠き106の底壁107にビス
止めして固定されることにより、第2の管7は第1図と
同様に管1に支承される。
両開口14,15間には支持バイブ11の内腔、孔13
、通路110による流体通路16が形成される。前記駒
111には通路110内に露呈するように熱線30がこ
れに接続された電線により懸架され該電線は該駒111
の外周面109に立植せしめた接続ターミナル31,3
1に接続されている。
これら熱線30、電線および接続ターミナル31は前記
駒111のダイキャスト成形時に配設される。前記外管
102には接続ターミナル31,31と対向する位置に
孔112が穿設され、該孔112内において後述する検
出用電気回路のソケット32が前記接続ターミナル31
,31に接続され、同時に外管102に対する内管10
1の回り止めとして役立つ。検出用電気回路は前記ソケ
ット32を入力端とする整流用フィルタと比較パルス発
生器33、該発生器33により出力される矩形パルスを
計数するパルス●カウンタ34および該パルス●カウン
タ34を直接表示もしくは流量に演算して表示する表示
器35および適当な電源とから成る。
上記構成の実施例においては、被測定流体は整流子23
より第1の管1の流体入口2を経て前記管1の流路内に
導入され、流体出口3より流出する際に、第1図および
第2図でそれぞれ示した流れ状態を周期的に発生する。
そしてこの周期的な流体の速度変化により、流体通路1
6内に露呈せしめて懸架した熱線30は、流体通路16
内の流体流れの発生および解消の変化の周波数に等しい
出力を接続ターミナル31に発生する。比較パルス発生
器33はこの出力を整流して波形とした後これを矩形波
のパルスに変換し、パルス●カウン夕34は矩形波を計
数して表示器35に前記周波数または該周波数から演算
された流量を表示する。上記実施例によつて流量の知ら
れている流体により、流量G(Gr″ノSec)と、そ
の位置の流れにより熱線センサの検出した流れの周波数
f(Hz)とも対応せしめると、第4図に示すとおりほ
ぼ直線状の関係にあることが確認された。
測定値の幾つかを例示すると、Gが12grIsecの
ときfは235Hz..Gが20gr′Isecのとき
fは400Hz,,Gが36grIseCのときfは7
10Hzを示し周波数fと流量Gとは一次的に比例し、
周波数fから流量Gを演算表示することも極めて容易で
あることが確認された。また上記実施例において前記1
駒111の流路面108の円筒状面の前記開口15附近
に、または前記第2の管7の弧状面10の前記開口14
の付近上流部に、それぞれ圧力センサ41,または40
を、その受惑面が流路壁面とほぼ同一をなすように埋設
せしめた場合にも、前記周波数fのサイン波状出力を発
生することが確認され、この出力波を半波整流して比較
パルス発生器により矩形波とし、パルス・カウンタで計
数して流量表示をなし得ることが確認された。また前記
圧力センサ40,41の位置にマイクロホンをセンサと
して設けても同様の成果を得ることができる。なお第3
図中二点鎖線で示す把手115を外管102に固定し、
前記検出用電気回路および適当な電源を該把手115内
に装置すると手持ち用の流量計を構成することができる
第5図は本発明の他の実施例を示す。
図示のものにおいては前記第1の管1を3個のアルミニ
ウム合金よりなるダイキャスト成形品の部分201,2
02,203に分割し、これを組立てたものとして示さ
れている。第1の部分は流体入口2に円筒状面4および
截頭円錐面5のほぼ半分を有し、該截頭円錐面5のほぼ
中央部で管1の中心軸に垂直な面て他の部分202,2
03と分離されている。該部分201の截頭円錐面5の
一部には前記中心軸に平行な切欠き204が形成されて
いる。管1の残余の部分は円筒状面6のほぼ中央部で管
1の中心軸に垂直な面で分離され相互に螺合される部分
202,203に構成される。
部分202は截頭円錐面5のほぼ半分を内周に形成され
、前記部分201の切欠き204と対応する面205に
前記孔13を開口15に連通せしめて中心軸に平行に穿
設し、該孔13に第3図と同一構造の支持バイブ11の
一端部を挿入嵌合せしめ、そのフランジ17を前記面2
05に当接してビスを螺装することにより支持バイブ1
を固定する。部分201の流体入口2には第3図と同一
構成の整流子23を当接し、その外周にキャップ206
を被覆して該キャップを部分202に螺装する。部分2
02の円筒状面6の前記第2の管7の流体出口9の下流
側にかつ流体出口9に近接した位置に、超音波発生装置
50の超音波発信子51および受信器52を、その発信
面および受信面が円筒状面6とほぼ同一面内にあるよう
に、かつ両者が円筒状面6の一直径方向対向位置にある
ように埋設される。前記発信子51および該発信子51
の連結棒53、ならびに受信器52は直径方向に穿設さ
れた段付孔207,208内に挿置され、かつ部分20
2と音波伝導を遮断されるように装着される。部分20
2の外周には前記孔207,208と連通する環状溝2
09が刻設されており、該溝209内に配設した絶縁性
合成樹脂210内に超音波発生装置50とその動作用回
路54のためのターミナル55,55,とを結ぶ電線、
前記受信器51と接続ターミナル56,56を結ぶ電線
を埋設し、かつ前記接続ターミナル55,56を該樹脂
210表面に植立せしめる。検出用電気回路は受信機5
2の出力波形を検出してサイン波に変える検出器57、
該サイン波をノ半波整流して矩形波とする矩形パルス発
生器58、該矩形パルスを計数するパルス・カウンタ5
9および該カウンタ59の計数を周波数fまたは流量w
に変換して表示する表示器60とからなる。
これら電気回路および超音波発振装置50の・作動用回
路54は適当な電源と接続される。本実施例流量計にお
いては、第2の管7および支持バイブ1の構造は第3図
に示すものと同一であり、被測定流体は整流子23より
第1の管1の流体入口2を経て該管1の流路内に導入さ
れ、流フ体出口3より流出する際に第1図および第2図
にそれぞれ示した流れ周期的に発生し、特に第2図に示
す剥離を伴う流れBが発生する。即ち、流体通路15を
矢印Aに示す方向に流れる流体流れが生ずると、前記流
れBは第2の管7の弧状壁10から離れて渦となつて流
体出口3方向へ流れ去る。このとき管1に搭載した超音
波発振装置50の発信子51から発信される音波により
受信器52が発生する出力は流路を流れる流体中のの前
記流れBの管7から剥離に伴う渦の有無によつて、超音
波の刺波数の変調として得られるので、その周波数変調
を検出器57によつてサイン波として検出し、パルス発
生器58によつてこれを半波整流して矩形波に変換し、
パルス・カウンタ59によつて計数し、その変調の周波
数または該周波数を流量に演算して表示器60に表示せ
しめるものである。なお図中61,62はそれぞれ接続
ターミナル55,56と接続されるソケットを示す。ま
た管1の外周に第3図と同様の把手を付設することもで
きる。本発明においては、心軸方向両端部に流体入口お
よび流体出口を開口し、中心軸に垂直な面内における流
路断面積が少くとも流体出口側において小さくされた流
路を有する第1の管と、該第1の管の流路内にほぼ同心
的に配設され、その中心軸方向両端部に流体入口と流体
出口とを開口し、前記流体入口と流体出口との間に流路
断面積の最小部を有する流路を形成したベンチユリ管状
の第2の管と、前記第2の管の流路断面積の最小部付近
の流路壁に形成した開口と、前記第2の管の流体−出口
付近などの前記第1の管の流路壁の適当な位置に形成し
た開口とを連通せしめる流体通路と有し、前記第1の管
の流体入口から導入され流体出口に導かれる流体が前記
第2の管の流路の断面積の最小部とその流体出口とにお
ける静圧の変化に.より前記流体通路に流体が流れまた
は該流体流れか停止する現象が反覆して発生することを
利用し、その流体の状態の周期的変化を検出して出力す
るセンサを前記流体通路内、前記第1の管の流路壁また
は前記第2の管の流路壁に配設し、前記!変化の周波数
を検出する流量計に係るものであつて、流体の圧力、速
度等の流体状態を示す物理量を直接検出するものではな
く、その物理量の変化の周波数を検出するものであるか
ら、前記センサとして流体の状態を示す物理量を検出す
るものを使用しても検出やその出力の精度は重要でなく
、物理量の変化の周波数が検知できる程度の応答性があ
れば足りるので、センサとしては廉価なものが使用てき
、流体振動を発生せしめる構成としては、第1の管と第
2の管および第2の管の流路断面積の最小部流路壁の開
口と第2の管の流体出口付近などの第1の管の流路壁の
適当な位置に設けた開口とを連通せしめる流体通路とに
より、流体ノ流れの周期的変化を安定して発生させ、維
持させることができるとともに、流量の大小を問わず流
体流れの周期的変化を発生せしめ得られるので、その構
造は簡単で、第1および第2の管の流路面積比を適当に
選択することにより、任意の流量域に使用でき、かつ前
記流体振動は流体通路内に発生する流体流れを利用して
第2の流体出口における静圧を変化せしめて生じさせる
ので、流体流れ状態の変化を圧力変化として把えること
ができるとともに、流体通路中の流れの速度変化として
も把えることができるので、圧力センサ、速度センサ等
広範囲のセンサが利用できる。
そして本発明においては、上記のように安価で簡単な構
造のセンサが利用でき、かつ流体振動の周波数が流量と
一次的な関連をもつことにより、周波数から流量に演算
する電気回路も簡単であり、把手にこれら電気回路や適
当な電源を収容した手持ち式の流量計を提供することも
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の作用を示す模式図、第3
図は本発明の一実施例の断面図、第4図はその検出周波
数と流量の関係を示す線図、第5図は本発明の他の実施
例の断面図てある。 なお図中、1は第1の管、2はその流体入口、3はその
流体出口、7は第2の管、8はその流体入口、9はその
流体出口、11は支持バイブ、14,15は開口、16
は流体通路、30は熱線センサ、40,41は圧力セン
サ、50は超音波発振装置、51はそ発信子、52はそ
の受信器、をそれぞれ示すものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 中心軸方向両端に流体人口および流体出口を開口し
    、中心軸に垂直な面内における流路断面積が少くとも流
    体出口側において小さくされた流路を形成した第1の管
    と、前記第1の管の流路内にほぼ同心的に配置され、そ
    の中心軸方向両端部に流体人口および流体出口を開口し
    、中心軸方向ほぼ中央部に流路断面積の最小部を有する
    流路を形成したベンチユリ管状の第2の管と、前記第2
    の管の前記流路断面積の最小部付近の流路壁と、前記第
    1の流路壁とにそれぞれ開口せしめた開口とを連絡する
    流体通路と、前記流体通路内、前記第1の管の流路壁ま
    たは前記第2の管の流路壁に配設され、前記流体通路ま
    たは流路を流れる流体の状態の周期的変化を検出して出
    力するセンサとよりなることを特徴とする流量計。 2 前記第1の管の流路は、流体入口に接続する第1の
    円筒壁と、流体出口に接続され前記第1の円筒壁の内径
    より小なる内径を有する第2の円筒壁と、前記第1およ
    び第2の円筒壁に接続される截頭円錐状壁とにより成さ
    れている特許請求の範囲第1項に記載の流量計。 3 前記第1の管の流路壁に開口する前記流体通路の開
    口は、前第2の管の流体出口付近に開口せしめた特許請
    求の範囲第1項または第2項に記載の流量計。 4、前記第2の管の流体出口は、前記第1の管の流路の
    前記載頭円錐状壁と第2の円筒壁との接続部付近にある
    特許請求の範囲第2項に記載の流量計。 5 前記センサは、前記第2の管弐流路壁に、前記流体
    通路の開口よりも上流側の流路壁に埋設され、その受感
    面が前記流路壁と同一面をなすようにされた圧力検知セ
    ンサである特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
    流量計。 6 前記センサは、前記流体通路内に接触するように配
    設された熱線、または熱膜等の温度−電気センサである
    特許請求の範囲第1項または第2項に記載の流量計。 7 前記センサは、前記第1の管の流路壁に、前記流体
    通路の開口より下流側の流路壁の直径方向両端に対向し
    て配設された音響発生装置と音響受信装置とより成る音
    響センサである特許請求の範囲第1項または第2項に記
    載の流量計。 8 中心軸方向両端部に流体人口および流体出口を開口
    し、中心軸に垂直な面内における流路断面積が少くとも
    流体出口側において小さくされた流路を形成した第1の
    管と、前記第1の流路内にほぼ同心的に配置され、その
    中心軸方向両端部に流体人口および流体出口を開口し、
    中心軸方向ほぼ中央部に流路断面積の最小部を有する流
    路を形成したベンチユリ管状の第2の管と、前記第2の
    管の前記流路断面積の最小部付近の流路壁と、前記第1
    の管の流路壁の適当な位置とにそれぞれ開口せしめた開
    口を相互に連絡する流体通路と、前記流体通路内、前記
    第1の管の流路壁または前記第2の管の流路壁に配設さ
    れ、前記通路または流路を流れる流体の状態の周期的変
    化を出力するセンサと、前記センサの出力を検出する検
    出器、該検出器の出力を計数し表示するカウンタおよび
    該カウンタの計数を流量に変換して表示する表示器とか
    ら成ることを徴とする流量計。
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US4404859A (en) 1983-09-20

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