TWI558989B - 溫度計測器，流量計及溫度計測方法 - Google Patents

Description

溫度計測器，流量計及溫度計測方法

本發明係對在管內流動的流體的溫度進行計測的溫度計測器、具備該溫度計測器的流量計及溫度計測方法。

作為習知的流量計，已知有將在管內流動的流體的實測流量換算成規定溫度、規定壓力下的流量的技術(例如，專利文獻1)。此種流量計係通過溫度感測器對管內的流體的溫度進行計測，並基於其計測結果進行流量的換算。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2007-187506號公報(段落[0003])

另一方面，在暴露於外部空氣的配管被導入到使用了空調的房間等的情況下，若在管內流動的流體和管的管壁之間產生溫度差，則在管的徑向上流體溫度會產生分佈。在這種情況下進行上述換算時，需要流體的平均溫度，但若為了在管內的多個部位計測溫度而設置多個溫度感測器，則會產生成本增加的問題。

本發明係鑒於上述情況而提出，其目的在於提供能夠廉價地計測流體的平均溫度的溫度計測器、具備該溫度計測器的流量計及溫度計測方法。

本申請的發明人著眼於在圓筒形的管內流動的流體與管的管壁之間存在溫度差時，該管內的流體的徑向的溫度相對於距管的中心軸的距離以二次曲線的方式變化的情況，獲得了管的內徑為2r時，距管的中心軸相隔r/的位置的流體的溫度與管內的流體的徑向上的平均溫度，即面平均溫度很一致的見解。因此，本申請的發明人完成了以下的發明。

即，本申請的第1發明之溫度計測器的特徵在於，具備有：計測管，其連接在於內部流動有流體之管的途中，且內側剖面形狀呈圓形；溫度感測器，其於將計測管的內徑當作為2r之時，將自上述計測管的中心軸而位於r/位置之上述流體的溫度加以計測而當作為上述流體的平均溫度。

第2發明之流量計的特徵在於，具備有第1發明的溫度計測器。

第3發明係在第2發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，具備有：壓力感測器，其計測計測管內之流體的壓力；換算處理部，其根據溫度感測器的計測結果與壓力感測器的計測結果，將實測流量換算成預先所設定的基準溫度、基準壓力下的流體的流量。

第4發明係在第3發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，具備有：外側套筒，其從外側包圍計測管，且在與計測管之間形成壓力計測室；及孔口，其設置在計測管的管壁上，且將計測管 內側之流體導入向壓力計測室；並且將壓力感測器以計測壓力計測室內之流體的壓力之方式加以配置。

第5發明係在第4發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，溫度感測器呈棒狀，且插通計測管的管壁上所貫通形成之感測器插通孔，並且將溫度感測器與感測器插通孔內側面之間的間隙當作為孔口。

第6發明係在第2發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，計測計測管中之較溫度感測器為上游側的流量。

第7發明係在第3發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，計測計測管中之較溫度感測器為上游側的流量。

第8發明係在第4發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，計測計測管中之較溫度感測器為上游側的流量。

第9發明係在第5發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，計測計測管中之較溫度感測器為上游側的流量。

第10發明的流量計係在第2至第9發明中任一項發明所記載之流量計的基礎上，其特徵在於，流量計為超音波流量計。

第11發明的溫度計測方法，其為計測流動於內側剖面形狀呈圓形之管內之流體的溫度者，其特徵在於，於將管的內徑當成為2r之時，將自計測管的中心軸而位於r/位置之流體的溫度加以計測而當作為流體的平均溫度。

[第1、11發明]

在第1發明的溫度計測器中，在與管連接的計測管的內徑為2r 時，對距計測管的中心軸相隔r/的位置的溫度進行計測。另外，在第11發明的溫度計測方法中，在管的內徑為2r時，對距管的中心軸相隔r/的位置的溫度進行計測。根據第1、11發明，僅通過一個溫度感測器就能夠對計測管內或管內的流體的平均溫度進行計測，由此，能夠廉價地對流體的平均溫度進行計測。

[第2、3、10發明]

在此，在如第2發明般將溫度計測器用作流量計的一部分時，可以使用溫度感測器的計測結果對流量計測部的計測結果進行修正或進行流量計測部的校正，也可以如第3發明般，採用如下的結構：上述流量計具備：對計測管內的上述流體的壓力進行計測的壓力感測器；以及基於溫度感測器的計測結果和上述壓力感測器的計測結果將流量計測部的計測結果換算成預先設定的基準溫度、基準壓力下的流體的流量的換算處理部。根據前者的結構，提高了流量計的計測精度，根據後者的結構(第3發明)，提高了流量換算的精度。再者，流量計既可以應用差壓式流量計、電磁流量計、渦流流量計、容積式流量計，也可以如第10發明般採用超音波流量計。

[第4發明]

在第4發明中，由於壓力感測器對導入計測管的外側的壓力計測室的流體的壓力進行計測，所以能夠抑制壓力計測受到動壓力的影響的情況。

[第5發明]

根據第5發明，利用將溫度感測器導入計測管內的感測器插通孔，能夠將計測管內的流體導入壓力計測室。

[第6至第9發明]

根據第6至第9發明，即使因溫度感測器而在計測管內引發亂流，也能夠防止該亂流的影響波及到流量計測。

10、10V‧‧‧流量計

11、11V、22、70‧‧‧計測管

11H、30H‧‧‧管壁

12‧‧‧計測流路

13‧‧‧感測器插通孔

14‧‧‧流量計測部

20‧‧‧溫度感測器

20A‧‧‧溫度檢測部

21‧‧‧溫度計測器

30‧‧‧外側套筒

31‧‧‧壓力計測室

32‧‧‧壓力感測器

33‧‧‧換算處理部

34‧‧‧顯示螢幕

80‧‧‧管

90‧‧‧輸送管

91‧‧‧恒溫槽

92‧‧‧閥

93‧‧‧第一溫度計

94‧‧‧第二溫度計

95‧‧‧隔熱材料

96‧‧‧記錄器

97‧‧‧電腦

r‧‧‧計測管半徑

圖1是表示本發明的第一實施形態的流量計的主要部分的結構的剖視圖。

圖2是流量計的方塊圖。

圖3是用於對溫度分佈的確認實驗進行說明的圖。

圖4是表示溫度分佈的確認實驗的結果的圖表。

圖5是相對於距計測管的中心軸的距離對在計測管內流動的空氣的溫度進行標繪的散佈圖。

圖6是表示根據實驗結果求出的平均溫度測定點的圖表。

圖7是表示變形例的溫度計測器的主要部分的結構的剖視圖。

以下，使用圖1至圖5對本發明的一個實施形態進行說明。圖1中圖示有本實施形態的流量計10。流量計10具備連接在供流體(例如，空氣或民用燃氣)流動的管80的途中的計測管11，該計測管11的內側作為用於使計測對象的流體流過的計測流路12。另外，計測管11呈圓筒狀，其內徑為2r。

在計測管11的中間部設有對在計測流路12中流動的流 體的流量進行計測的流量計測部14。流量計測部14既可以是對在計測流路12中流動的流體的速度(流速)進行計測的部件，也可以是對流量直接進行計測的部件。再者，在本實施形態中，流量計測部14的結構為，具備在與計測管11的中心軸傾斜的方向上對置而夾著計測流路12的一對超音波收發波器(未圖示)，通過在這一對超音波收發波器之間收發超音波來對流體的流速進行計測。

流量計10設有從外側包圍計測管11的外側套筒30，由計測管11和外側套筒30圍成的環狀空間作為壓力計測室31。另外，在計測管11的管壁11H上設有未圖示的孔口，經由該孔口將計測流路12內的流體導入壓力計測室31，由此計測流路12的壓力與壓力計測室31的壓力相同。並且，在外側套筒30上安裝有對壓力計測室31內的流體的壓力進行計測的壓力感測器32。

另外，在外側套筒30的管壁30H上安裝有本發明的溫度感測器20。該溫度感測器20的結構為，呈朝向計測管11側延伸的棒狀，且在前端具有溫度檢測部20A。並且，溫度感測器20穿過在計測管11的管壁11H上貫通形成的感測器插通孔13而突入到計測流路12內。再者，計測流路12內的流體還會通過感測器插通孔13而導入到壓力計測室31中。

在此，在本實施形態中，溫度感測器20貫通計測管11的感測器插通孔13，溫度感測器20的前端部配置在距計測管11的中心軸(圖1中由單點劃線表示的軸)相隔r/的位置。即，溫度感測器20對距計測管11的中心軸相隔r/位置的流體的溫度進行計測。

再者，感測器插通孔13形成在計測管11中的比流量計測部14靠下游側的管壁11H上，溫度感測器20配置在比流量計測部 14靠下游側的位置。由此，即使在因溫度感測器20而產生亂流的情況下，也能夠防止流量計測部14受到該亂流的影響。

如圖2所示，流量計10設有將流量計測部14計測出的流量(實測流量)換算成預先設定的基準溫度、基準壓力(例如，0度、1個大氣壓或27度、1個大氣壓)下的流量的流量換算部33。具體而言，換算處理部33根據流量計測部14、壓力感測器32及溫度感測器20的計測結果，基於波以耳-查理定律進行換算。換算處理部33的換算結果由顯示螢幕34顯示。再者，換算處理部33既可以與外側套筒30一體地設置，也可以與外側套筒30分體地設置。

以上為關於本實施形態的流量計10的結構的說明。再者，如上所述，本實施形態的流量計10採用的是通過溫度感測器20對計測管11內的流體的溫度進行計測的結構。即，在本實施形態中，通過溫度感測器20和計測管11構成本發明的「溫度計測器」，流量計10採用的是將「溫度計測器」作為一部分的結構。

接著，對溫度感測器20及流量計10的作用效果進行說明。本實施形態的溫度感測器20及流量計10對距計測管11的中心軸相隔r/的位置的流體的溫度進行計測。在此，如下述[管內溫度分佈的確認實驗]所示，在計測管11內的流體的溫度於徑向上存在分佈時，配置有溫度感測器20的位置的流體的面平均溫度與距計測管11的中心軸相隔r/的位置的溫度很一致。因此，根據溫度感測器20及流量計10，僅通過一個溫度感測器就能夠對計測管11內的流體的平均溫度進行計測，從而能夠廉價地對流體的平均溫度進行計測。

[溫度分佈的確認實驗]

如圖3所示，在本實驗中，在輸送作為流體的空氣的輸送管90的下游側連接有圓筒狀的試驗用計測管70。試驗用計測管70配置在氣溫保持在25度的試驗室內。另外，在試驗用計測管70的上游側設有固定在60度的環境的恒溫槽91，通過使輸送管90通到該恒溫槽91內而將輸送管90內的空氣的溫度調整到60度。輸送管90輸送的空氣的流量可由設置在恒溫槽91的上游側的閥92調整。

在試驗用計測管70的上游側，即試驗用計測管70與輸送管90之間的連接部分配置有第一溫度計93，該第一溫度計93對剛剛進入試驗用計測管70的空氣的溫度進行計測。再者，通過將配置在恒溫槽91與第一溫度計93之間的輸送管90及試驗用計測管70用隔熱材料95進行覆蓋，從而第一溫度計93能夠計測與穿過恒溫槽91的輸送管90內的流體的溫度大致相同的溫度。

另外，在從第一溫度計93向下游側離開800mm的位置配置有第二溫度計94，由第一溫度計93和第二溫度計94計測的溫度的資料保存在記錄器96中，並由電腦97進行處理。再者，試驗用計測管70的內徑為80mm，若將該內徑設為2r，則從第一溫度計93到第二溫度計94的距離為20r。

在本實驗中，通過第二溫度計94對試驗用計測管70內的溫度分佈進行測定。具體而言，將第二溫度計94的溫度檢測部距試驗用計測管70的中心軸的距離固定在0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、以及40mm，按各距離測定溫度，由此測定出溫度分佈。

[實驗結果]

在圖4中，將空氣的流量在5m³/h~90m³/h的範圍內變化時的第一溫度計93的測定結果(該圖的T1)和第二溫度計94的測定結果(該圖的T2)做成表格來表示。另外，圖5中顯示各流量下的試驗用計測管70內的溫度分佈。根據圖5可知，試驗用計測管70內的流體的溫度分佈無論在哪種流量下都以二次曲線的方式變化。

在此，在將距試驗用計測管70的中心軸的距離設為x，將係數設為A、B，將試驗用計測管70內的流體的溫度T用下述數式(1)近似表示時，試驗用計測管70的中心軸周圍的溫度的累計值Tv用下述數式(2)來表示。

[數式1]T=Ax²+B......(1)

在此，對於數式(2)來說，由於係數A和係數B未知，所以如果不在距試驗用計測管70的中心軸的距離不同的兩點計測溫度，則無法確定數式(2)。但是，如以下所示，即使不確定數式(2)，僅通過在一點測定溫度也能夠求出平均溫度。

即，若將溫度與試驗用計測管70內的平均溫度一致的位置(以下，稱為「平均溫度測定點」。)的距試驗用計測管70的中心軸的距離設為t，則下述數式(3)成立。

[數式3] T_V=πr²(At²+B)......(3)

並且，若解開數式(2)及數式(3)，則t=r/。在此，如上所述，由於試驗用計測管70的內徑2r=80mm，所以平均溫度測定點在距試驗用計測管70的中心軸約28.3mm的位置。

如此，若能夠由數式(1)近似表示試驗用計測管70內的流體的溫度，則僅通過在平均溫度點測定溫度就能夠求出流體的平均溫度。因此，對於基於數式(1)的近似而算出的平均溫度測定點，進行了與根據上述實驗結果而求出的平均溫度測定點的比較。

圖6係表示根據圖4所示的實驗結果在各流量下求出平均溫度測定點的結果。該平均溫度測定點通過以下的步驟求出。即，首先，在各流量下求出第二溫度計的測定結果(T2)的平均值，提取包含該平均值的區域(距試驗用計測管70的中心軸的距離為恒定的範圍的區域)。例如，若在流量為5m³/h的情況下，則平均值為41.7度，是在距管中心的距離為25mm時的溫度42.7度與距管中心的距離為30mm時的溫度39.8度之間的中間值，所以區域為25mm~30mm。

接著，在提取的區域中，將測定溫度相對於距試驗用計測管70的中心軸的距離進行一次近似，在該近似運算式的測定溫度中代入上述的第二溫度計的測定結果(T2)的平均值，從而求出平均溫度測定點。

如圖6所示，無論在哪種流量下，平均溫度測定點所存在的區域均為距試驗用計測管70的中心軸25mm~30mm。另外還可以確認：根據一次近似求出的平均溫度測定點在距試驗用計測管70的中心軸26.1mm~27.8mm的範圍內，與將試驗用計測管70內的溫度用二次式近似表示時的理論值r/很一致。

再者，在該確認實驗中，導入試驗用計測管70的空氣的溫度(60度)與設置試驗用計測管70的試驗室的溫度(25度)的溫度差比較大，但在溫度差小的情況下也推測溫度分佈可由二次式近似表示。另外，試驗用計測管70的內徑2r為80mm，但在內徑比80mm小的情況下也推測溫度分佈可由二次式近似表示。

[其他實施形態]

本發明並不限定於上述實施形態，例如，以下說明的實施形態也包含在本發明的技術範圍內，再有，即使下述情況以外，也可以在不脫離宗旨的範圍內進行各種變更來加以實施。

(1)在上述實施形態中，通過流量計10的一部分構成了本發明的「溫度計測器」，但也可以採用如下結構：如圖7所示，將溫度計測器21與流量計10V分體地設置，將上述溫度計測器21和流量計10V與管80連接，根據各自的計測結果，由換算處理部33(參照圖2)換算流量。具體而言，如圖7所示，流量計10V具有與管80連接的計測管11V，溫度計測器21具有與管80連接的計測管22，上述計測管11V及計測管22串聯連接。流量計10V通過流量計測器14對在計測管11V的內側形成的計測流路12中流動的流體的流量進行計測。溫度計測器21通過溫度感測器20對計測管22的內徑為2r時距計測管22的中心軸相隔r/的位置的溫度進行計測。

(2)在上述實施形態中，雖然表示了將本發明的溫度感測器20用於流量計10的例子，但，舉例而言，也可以用於對配管內的流體的溫度 進行監控的監視裝置。

(3)在上述實施形態中，流量計10採用了使用溫度感測器20的測定結果而將實測流量換算成規定壓力、規定溫度下的流量的結構，但例如在流量計10為差壓式流量計的情況下，也可以採用使用溫度感測器20的測定結果對流量計測部14的實測流量進行修正的結構。

(4)本發明的流體既可以為氣體，也可以為液體(例如水)。

(5)在上述實施形態及變形例(2)中，對與管80連接的計測管11、22內的流體的溫度進行了計測，但也可以對管80內的流體的溫度進行計測。具體而言，可以在管80的管壁上貫通形成孔，在該孔中插入溫度感測器20，對距管80的中心軸相隔r/的位置的溫度進行計測。

10‧‧‧流量計

11‧‧‧計測管

11H、30H‧‧‧管壁

12‧‧‧計測流路

13‧‧‧感測器插通孔

14‧‧‧流量計測部

20‧‧‧溫度感測器

20A‧‧‧溫度檢測部

30‧‧‧外側套筒

31‧‧‧壓力計測室

32‧‧‧壓力感測器

80‧‧‧管

Claims (11)

1. 一種溫度計測器，其特徵在於，具備有：計測管，其連接在於內部流動有流體之管的途中，且內側剖面形狀呈圓形；溫度感測器，其於將上述計測管的內徑當成為2r之時，將自上述計測管的中心軸而位於r/位置之上述流體的溫度加以計測而當作為上述流體的平均溫度。
2. 一種流量計，其特徵在於，具備有申請專利範圍第1項之上述溫度計測器。
3. 如申請專利範圍第2項之流量計，其中，具備有：壓力感測器，其計測上述計測管內之上述流體的壓力；換算處理部，其根據上述溫度感測器的計測結果與上述壓力感測器的計測結果，將實測流量換算成預先所設定的基準溫度、基準壓力下的上述流體的流量。
4. 如申請專利範圍第3項之流量計，其中，具備有：外側套筒，其從外側包圍上述計測管，且在與上述計測管之間形成壓力計測室；及孔口，其設置在上述計測管的管壁上，且將上述計測管內側之上述流體導入向上述壓力計測室；並且將上述壓力感測器以計測上述壓力計測室內之上述流體的壓力之方式加以配置。
5. 如申請專利範圍第4項之流量計，其中，上述溫度感測器係呈棒狀，且插通在上述計測管的管壁上所貫通形成之感測器插通孔， 並且將上述溫度感測器與上述感測器插通孔內側面之間的間隙當作為上述孔口。
6. 如申請專利範圍第2項之流量計，其中，上述流量計係計測上述計測管中之較上述溫度感測器為上游側的流量。
7. 如申請專利範圍第3項之流量計，其中，上述流量計係計測上述計測管中之較上述溫度感測器為上游側的流量。
8. 如申請專利範圍第4項之流量計，其中，上述流量計係計測上述計測管中之較上述溫度感測器為上游側的流量。
9. 如申請專利範圍第5項之流量計，其中，上述流量計係計測上述計測管中之較上述溫度感測器為上游側的流量。
10. 如申請專利範圍第2至9項中任一項之流量計，其中，上述流量計為超音波流量計。
11. 一種溫度計測方法，其為計測流動於內側剖面形狀呈圓形之管內之流體的溫度者，其特徵在於，於將上述管的內徑當作為2r之時，將自上述計測管的中心軸而位於r/位置之上述流體的溫度加以計測而當作為上述流體的平均溫度。