JPS6252811B2

JPS6252811B2 -

Info

Publication number: JPS6252811B2
Application number: JP55142278A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Yamazaki; Satoshi Pponda
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1980-10-09
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1987-11-06
Also published as: JPS5766313A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はフルイデイツク流量計の流体発振の検
出装置に関するもので、さらに詳しくは、フルイ
デイツク流量計のノズルの下流に柱状物体（ター
ゲツト）を設け、その回りに発生する循環流の方
向の変化や揚力変化等によつて生じる当該柱状物
体の変形や変位から流体発振を検出装置に係るも
のである。

流体の流量を検出する方法として、機械的可動
部がなく、体積流量に比例した振動周波数の出力
が得られ、その出力が流体の組成や温度、圧力等
の影響を受けにくいという特長をもつ噴流の流体
振動を利用したフルイデイツク流量計が最近注目
されている。

フルイデイツク流量計はコアンダ（coande）
効果を利用して流体発振器を構成し、その発振周
波数を主噴流の流量と比例するように設計して当
該発振周波数から流体の流量を計測するものであ
る。コアンダ効果とは、壁に囲まれた狭い空間に
噴流が吹出した場合に、噴流が周囲の流体をまき
込み、このまき込み現象を仲介にして生じた噴流
と壁との干渉により噴流が一方の壁に付着して安
定するという現象（噴流の壁付着現象）をいい、
流体発振器は、噴出ノズルからの噴流に対し、流
れの側面に設けた制御ノズルから主噴流のエネル
ギーより小さなエネルギーを持つ流体を吹出すこ
とにより主噴流の付着壁を変えることができると
いう一種のスイツチ素子による増幅作用と適当な
フイードバツク機構を組み合せることにより構成
される。これには、壁に付着した噴流の一部を制
御ノズルに帰還して発振させる帰還発振型と制御
ノズルを適当な管路で接続して発振させる弛張発
振型の２種あり帰還発振型フルイデイツク流量計
は既に実用化されている。この例を第１イ，ロ図
に示す。第１図において、ａはフルイデイツク流
量計、ｂは側壁、ｃは噴出ノズル、ｄは制御ノズ
ル、ｅは帰還径路、ｆは流れ検出器であつて、帰
還径路ｅ中の流れの変化を検知して発振周波数を
検出し流量に変換している。しかし、この構成で
は発振動作が不安定であるとともに、流量の測定
範囲が小範囲に限られるという問題があつた。

本発明はこのような点から、流量計の測定範囲
を拡大し、流量計内の流体の発振動作を安定に
し、および流体の発振周波数の検出を確実かつ容
易にすることを目的として研究開発されたもの
で、フルイデイツク流量計の噴出ノズル直後に柱
状物体（ターゲツト）を設けて安定な発振動作を
保証するとともに、この柱状物体を利用して容易
に発振周波数を検出することを可能にした。

以下、実施例に基づいて本実施例の構成を述べ
る。

第２図は帰還発振型フルイデイツク流量計１
の、第３図に弛張発振型フルイデイツク流量計２
の断面構成を示す。帰還発振型フルイデイツク流
量計１は、矩形断面の管路３内に側壁素子４，
４′，５，５′を設置して噴出ノズルを形成すると
ともに、側壁素子５，５′直後の側壁１４′から噴
出ノズル６のスロート部７直後の制御ノズル８，
８′に帰還径路９，９′を設け、かつ、噴流の一部
をこの帰還径路９，９′に導入するための側壁素
子１０，１０′を帰還径路９，９′の導入口１１，
１１′直後の管路の側壁１４′に備えて構成されて
いる。１２が本発明の柱状物体（ターゲツト）で
あつて、噴出ノズル６の側壁素子５，５′による
管路３の拡大部１３の中央部に位置しており、そ
の一部又は全部が弾性体で作られ管路壁１４に固
定されている。第４図は、柱状物体１２の一部が
弾性板１５で構成された例であつて、管路３の側
壁１４′と平行な両面に歪ゲージ１６，１６′が貼
付されている。第５図は、柱状物体１２の一部を
弾性板１５で構成して管路壁１４に固定するとと
もに変位計１７を併設した例である。第６図は、
柱状物体１２の一部を圧電性物質１８，１８′で
構成して管路壁１４に固定した例である。第７図
は、柱状物体１２の全体を弾性体で構成して管路
壁１４に固定し、管路３の側壁１４′と平行な両
面に歪ゲージ１９，１９′を貼付した例である。
第８図は、柱状物体１２の一部を強磁性体で構成
して管路壁１４に固定し、この強磁性体で構成し
た磁歪管２０の円周方向と軸方向にそれぞれコイ
ル２１，２１′を巻付けた例である。そして、こ
の帰還発振型フルイデイツク流量計１の流体発振
は、それぞれの例に示された歪ゲージ１６，１
６′，１９，１９′、変位計１７、圧電物質１８，
１８′、コイル２１，２１′等に生じる電気的変化
として検出される。

一方、弛張発振型フルイデイツク流量計２は、
同様の矩形断面の管路３内に側壁素子４，４′，
５，５′を設置して噴出ノズル６を形成し、噴出
ノズル６のスロート部７直後の制御ノズル８，
８′を接続管３１で連通して構成されている。１
２は前述と同様の柱状物体であつて、側壁素子
５，５′による管路３の拡大部１３の中央部の管
路壁１４に固定されている。柱状物体１２の構造
は前五例と同様であるので説明は省略する。

また、柱状物体１２の回りに発生する循環流の
方向変位を直接検出して流量の測定を行う方法
は、前例と同様の帰還発振型および弛張発振型の
フルイデイツク流量計１，２に設置された柱状物
体１２もしくは近傍の管路１４もしくは側壁素子
５，５′のいずれかにサーミスタ等を利用した熱
式流速計の検出部（センサー）３３を位置させる
構成で、当該検出部３３によつて循環流の方向変
化を検出し、この変化数を流体発振の周波数とし
て流量に換算して測定するものである（第１２
図）。

次に上記構成による本発明の作用効果を以下に
詳述する。

第９図イ，ロ，ハは本発明による帰還発振型フ
ルイデイツク流量計１の流体発振原理と柱状物体
１２を利用した流体発振の検出原理の説明図であ
る。まず、管路３から流体が流れてくると、側壁
素子４，４′によつて流路面積を狭められ噴出ノ
ズル６から増速された流体が噴出する。この時の
噴出ノズル６からの噴流は、中央に噴流がある状
態では不安定であり、前述のコアンダ効果によつ
て噴流と側壁素子５との間で巻込速度が増加して
圧力が下がり、さらに偏向が増し側壁素子５に付
着する（第９図イ）。そうすると柱状物体１２の
側壁素子５側のみに噴流が放出するため、当該柱
状物体１２の回りに時計回りの循環流２２ができ
る。この循環流２２により柱状物体１２の側壁素
子５側は静圧が低く（流速が大）、側壁素子５′側
は静圧が高く（流速が小）なるため柱状物体１２
には側壁素子５′側から側壁素子５側に揚力Ｌが
働く。一方、放出流２３の一部は導入口１１内へ
と分流して帰還流２４となり帰還径路９を経て制
御ノズル８へ帰還される。これは、放出流２３が
側壁素子５に巻込まれるため制御ノズル８部の静
圧が導入口１１の静圧に比して低いからである。
そして、この帰還流２４は噴出ノズル６からの噴
流を側壁素子５′側へ偏向させる作用をする。次
に噴流が偏向してその中心が柱状物体１２に当る
と、柱状物体１２の回りの帰還流２２は噴流によ
つて下流側に流出する（第９図ロ）。この時点で
は帰還流２４，２４′は両帰還径路９，９′に流れ
るが、まだ帰還径路９側を流れる流量の方が多い
ため噴流を側壁素子５′側に偏向させる力が継続
している。また、柱状物体１２に作用する揚力は
噴流が柱状物体１２の中央部にくると零となる。
噴流の中心が柱状物体１２の中心から側壁素子
５′の方に移行する過程は帰還流による作用力の
慣性及び噴流の慣性によるもので、そのため放出
流２３′は側壁素子５′に付着する（第９図ハ）。
この移行は柱状物体１２があることにより速やか
にかつ安定的に行なわれるため、当該柱状物体１
２がない場合に比して特性が著しく改善され、ま
たこれにより流量測定範囲も著しく広がる結果と
なつている。さて、放出流２３′が側壁素子５′に
付着すると柱状物体１２の回りには反時計方向の
循環流２２′が生成され、今度は側壁素子５から
側壁素子５′側に揚力L′が働く。また放出流２
３′の一部が帰還径路９′を経て制御ノズル８′に
至り、前述と同様の作用を放出流２３′に与える
ので、今度は噴流の中心は側壁素子５側に移行す
る。このような過程により流体振動は発生し継続
する。したがつて、柱状物体１２の回りには時計
回りと反時計回りで一周期の循環流２２，２２′
が発生し、そのため、柱状物体１２に作用する揚
力Ｌ，L′も側壁素子５′側→側壁素子５側、側壁
素子５側→側壁素子５′側へと周期に応じて変化
する。

揚力Ｌは循環Γによつて生じるが、この循環Γ
は噴流の壁付着の切替、すなわち流体発振と同期
して、同じ周波数で極性、強度を変化し、揚力Ｌ
は、理論的にはＬ∝（流速）×Γ∝（流速）^２∝（検出周波数）
^２と考えられるので、二次のローパスフイルタによ
り検出器の出力を一定振幅にすることができる。
それ故、第４図に示す如く柱状物体１２の一部で
ある支持部を弾性板１５で構成し、両面に貼付し
た歪ゲージ１６，１６′によつて揚力Ｌの変化か
ら流体発振の周波数を検出することができる。つ
まり、循環流２２により柱状物体１２に揚力が作
用し、弾性板１５は揚力の方向に応力を受ける。
そのため、表面の歪ゲージの一方（図では１
６′）は張力により電気抵抗が増加し、他方（図
では１６）は圧縮力により電気抵抗が減少する。
この変化は循環流２２が逆になればまつたく逆と
なる。従つて噴流の切替に同期して両面の電気抵
抗が逆の方向で変化し、この電気抵抗の変化をブ
リツジ回路２５で検出する。そして、ブリツジ回
路２５から増幅回路２６、パルス化回路２７を経
て積算流量計２８に、あるいは、前二者と周波
数／電圧変換回路２９を経て瞬間流量計３０へ入
力し、積算流量および瞬間流量を測定する（第１
１図）。

次に第１０図イ，ロ，ハを基に、弛張発振型フ
ルイデイツク流量計２の流体発振原理と柱状物体
１２を利用した流体発振の検出原理について述べ
るが、前述の帰還発振型フルイデイツク流量計１
に関して述べた原理と一部重複するので簡単に説
明する。流体が噴出ノズル６から噴出して、噴流
が中央にある状態では不安定であり、コアンダ効
果によつて噴流と側壁素子５との間で巻込速度が
増加して圧力が下がり、さらに偏向が増し側壁素
子５に付着する（第１０図イ）。そうすると柱状
物体１２の側壁素子５側のみに噴流が放出するた
め、当該柱状物体１２の回りに時計回りの循環流
２２ができる。この循環流２２により柱状物体１
２には側壁素子５′側から側壁素子５側に揚力Ｌ
が働く。また放出流２３が側壁素子５に付着する
ため制御ノズル８部の静圧は低下する。そのた
め、接続管３１を通じて制御ノズル８′部から制
御ノズル８部に向う流れ３２が生じ、制御ノズル
８から流体が吹出して噴出ノズル６からの噴流を
側壁素子５′側に偏向する作用を行う。偏向しな
がら噴流の中心が柱状物体１２に当ると柱状物体
１２の回りの循環流２２は噴流によつて下流側に
流出する（第１０図ロ）。この時点では、制御ノ
ズル８部に比し、制御ノズル８′部の圧力の方が
低いため、噴流を側壁素子５′側に偏向させる作
用力が継続している。また、柱状物体１２に作用
する揚力は噴流が柱状物体１２の中央部にくると
同様に零となる。噴流の中心が柱状物体１２の中
心から側壁素子５′側に移行する過程は、接続管
３１を通る流れ３２による作用力の慣性及び噴流
の慣性によるもので、そのため放出流２３′は側
壁素子５′にスムーズに付着する（第１０図ハ）。
そして、柱状物体１２の回りに反時計回りの循環
流２２′が生成され、当該柱状物体１２には前記
と反対に側壁素子５から側壁素子５′方向へ揚力
L′が働く。そして、順次この反対の作用が起り流
体発振は継続する。この場合も、柱状物体１２に
作用する揚力の変化を流体振動として電気的に取
り出し、流量に換算して流量測定を行う。

次に個々の実施例における発振周波数の検出原
理について述べる。

第４図に示した柱状物体１２の一部の弾性板１
５に歪ゲージ１６，１６′を貼付した例は既に詳
述したので省略する。第７図に示した弾性板で構
成した柱状物体１２の側面に歪ゲージ１９，１
９′を貼付して揚力変化を検出する場合もこれと
同様の原理によつて検出されるので説明は省略す
る。

第５図に示した実施例は、流体発振による柱状
物体１２の揚力を柱状物体１２の変位に変換し、
それを変位計１７によつて検出する。そして、変
化の方向変化をパルス化して流体発振の振動数と
してとらえ、流量の換算するものである。

第６図に示した実施例は、柱状物体１２の一部
を圧電性物質１８，１８′で構成し、揚力変化を
当該圧電性物質にかかる張力ｇ、圧縮力ｈの強度
や方向の変化としてパルス化して検出し、流体発
振に同期する変化の周波数から流量に換算するも
のである。

第８図に示した実施例は、柱状物体１２の一部
を強磁性体で構成し、当該柱状物体１２の回りの
循環流の変化を柱状物体１２に作用するトルクの
変動としてパルス化して検出するもので、具体的
には電歪あるいは磁歪を検出する方式があるが、
本実施例では磁歪を検出する装置を示す。これ
は、強磁性材料で構成された磁歪管２０を円周方
向の磁化コイル（コイル２１）に通電して磁化し
ておけば、トルクが加わつた場合には軸方向に磁
化が生じる現象を利用したもので、この磁化を軸
方向のコイル２１′によつて検出し、磁化の方向
（極性）の変化をパルス化して流体発振の振動数
としてとらえ、これから流量に換算する。また、
これと逆にコイル２１′によつて励磁し、コイル
２１によつて検出することも同様に可能である。

一方、直接循環流２２，２２′の方向変化を検
出する方法では、流れの中に検出部３３を位置さ
せるため、より確実に循環流２２，２２′の速度
変化と方向変化を測定できる効果がある。

以上の如く本発明によれば、柱状物体を設け、
その回りに安定した循環流を交互に生させること
によつて、直接循環流の方向変化を検出し、また
柱状物体に生じた変形や変位の強さおよびその方
向性の変化から間接的に循環流の方向変化を検出
して、それらの変化の周波数から流体振動の周波
数の確実かつ容易な検出を可能にした。

発明者の実験結果によると柱状物体を設けたこ
とにより流量0.058／sec〜17.4／sec（レイ
ノズル数で133〜4000）の広範囲にわたつて流体
発振の周波数と流量とが極めて良好な比例関係を
保つていることが確認され、そのため検出した流
体発振の周波数からすぐに対応する流量が求めら
れる。

したがつて本発明によれば、小口径小流量の測
定に適したフルイデイツク流量計において、第１
に流量の測定範囲が拡大され、発振動作が安定す
る。第２に流体発振に同期して生じる循環流の作
用により、柱状物体に加わる周期的変化を直接検
出することから、感度が高く安定した周波数の検
出が可能である。第３に、流量計として単純かつ
堅牢な構成が可能となり、全体として小型化がは
かれる。第４に、流量計として構造が簡単である
ため信頼性が高く、安価である。第５に、パルス
出力であるため積算計として最適である。第６
に、パルスレートが比較的大きいため瞬間流量と
して表示する場合にも速応答性がある。等々の効
果が認められる。

【図面の簡単な説明】

第１図イ，ロは従来の実施例を示す帰還発振型
フルイデイツク流量計の構成を示す説明図、第２
図は本発明を実施した帰還発振型フルイデイツク
流量計の断面図、第３図は同様の弛張発振型フル
イデイツク流量計の断面図、第４，５，６，７図
および第８図イは種々の検出装置を備えた柱状物
体の例を示す正面図、第８図ロは磁歪管の斜視
図、第９図イ，ロ，ハおよび第１０図イ，ロ，ハ
はそれぞれ帰還発振型フルイデイツク流量計およ
び弛張発振型フルイデイツク流量計の発振原理
と、柱状物体の変形、変位原理を示す説明図、第
１１図はセンサーとして歪ゲージを用いた場合の
流量測定の過程を示すブロツク図、第１２図は熱
式流速計を検出部として用いた本発明の実施例を
示す断面図である。１……帰還発振型フルイデイツク流量計、２…
…弛張発振型フルイデイツク流量計、３……管
路、４，４′，５，５′，１０，１０′……側壁素
子、６……噴出ノズル、８，８′……制御ノズ
ル、９，９′……帰還径路、１１，１１′……導入
口、１２……柱状物体（ターゲツト）、１３……
拡大部、１４……管路壁、１４′……側壁、１５
……弾性板、１６，１６′，１９，１９′……歪ゲ
ージ、２０……磁歪管、２１，２１′……コイ
ル、２２，２２′………循環流、２３，２３′……
放出流、２４，２４′……帰還流、２５……ブリ
ツジ回路、２６……増幅回路、２７……パルス化
回路、２８……積算流量計、２９……周波数／電
圧変換回路、３０……瞬間流量計、３１……接続
管、３３……熱式流速計の検出部。

Claims

【特許請求の範囲】１帰還発振型および弛張発振型のフルイデイツ
ク流量型において、噴出ノズル下流の管路の拡大
部の中央部に流体振動によつて変形、変位する柱
状物体（ターゲツト）を位置させるとともに、当
該流量計内の流体発振に応じて柱状物体に生じる
変形や変位を検出するための検出装置を当該柱状
物体の一部に設けてなるターゲツト検出型流体振
動検出装置。２柱状物体の全部又は一部を弾性体で構成する
とともに、歪ゲージを検出装置として当該柱状物
体の一部に設けてなる特許請求の範囲第１項記載
のターゲツト検出型流体振動検出装置。３柱状物体の一部を弾性板で構成するととも
に、変位計を検出装置として当該柱状物体の一部
に設けてなる特許請求の範囲第１項記載のターゲ
ツト検出型流体振動検出装置。４柱状物体の一部を圧電性物質で構成して検出
装置とした特許請求の範囲第１項記載のターゲツ
ト検出型流体振動検出装置。５柱状物体の一部の円周方向と軸方向にコイル
を螺設して検出装置とした特許請求の範囲第１項
記載のターゲツト検出型流体振動検出装置。