WO2004090476A1

WO2004090476A1 - 流量測定装置

Info

Publication number: WO2004090476A1
Application number: PCT/JP2004/003825
Authority: WO
Inventors: Toshimitsu Fujiwara; Satoshi Nozoe; Hidenari Kuribayashi
Original assignee: Omron Corporation
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2004-10-21
Also published as: US20070017303A1; CA2519791A1; EP1612521A4; KR100742495B1; CN1768250A; EP1612521A1; JPWO2004090476A1; JP4259522B2; CA2519791C; CN100402988C; KR20050114703A; US7302862B2; BRPI0409188A; BRPI0409188B1

Description

明細書流量測定装置 . 技術分野

本発明は、流路内を流れる流体の流量を測定する流量測定装置に関する。背景技術

従来の流量測定装置は、本体に形成された流路の壁面上部に流量センサが取り付けられ、該流量センサの上流側に整流用の複数の網がスぺーサを介して一定間隔で配設されるとともに、流量センサの下流側にも網が配設されている。流量センサは、その検出面が流路を臨むように配設され、非測定流体の流速に対応する電圧に基づいて流量を演算して出力する。流量測定装置の流路を流れる流体は、流路断面のいずれの位置においても流れの方向と大きさが同じである一様な流れ（定常流）であることが理想である。しかし、実際の流体は、必ずしも定常流ではなく、流路断面の各位置で流れの方向と大きさが異なり、偏りが生じたり、渦が内在している（非定常流）。これは、流量測定装置の上流側または下流側に接続される配管の曲がりや、ボンプの吐出状態による脈動及び速度分布の偏り、流体の粘度、密度等の様々な因子に起因する。このような流体の乱れを減少するために、特公平 6— 4 3 9 0 7号公報では、整流用金網の後方の流路に絞り部を設けることが提案されている。このような絞り部を設けた流量測定装置を図 2 2の概略図に従って説明すると、流路 1 0 1の上流側にはスぺーサ 1 0 2を介して複数の整流用の網 1 0 3が配設され、該網 1◦ 3の後方には流量センサ 1 0 4を設けた流路 1 0 1に向かって絞り部 1 0 5が形成され、流量センサ 1 0 4の下流側は拡大部 1 0 6が形成され、該拡大部 1 0 6に網 1 0 7が配設されている。しかし、特許文献 1の流量測定装置のように、流量センサ 1 0 4の上流側に複数の整流用網 1 0 3と絞り部 1 0 5を設けたものでも、その機能が十分に果たされておらず、流れは完全に整流化されていない。例えば、この流量測定装置の上流側に接続される配管に矢印 1 0 7で示すような曲がりがある等のために速度分布が乱れた流体が流入すると、この乱れが整流用金網 1 0 3や絞り部 1 0 4では抑制できずに下流側まで継続し、流量センサ 1 0 4の位置で、流路の上方で流れが遅く、下方で速くなることがあった。この結果、流量センサ 1 0 4は、平均流量より小さな流量を出力することがあった。発明の開示

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定を行える流量測定装置を提供することを目的とするものである。本発明にかかる流量測定装置は、被測定流体が流れる流路と、該流路の壁面に設けた流量センサと、該流量センサの下流側に配設され、極小断面流路を有する部材とからなるものである。ここで、極小断面流路とは、流量センサが設けられた位置の流路の断面に比ベて極小な断面を有する流路をいう。例えば、極小断面流路を有する部材は、極小断面流路として貫通した孔を有する有孔板とすることができる。前記極小断面流路を有する部材の上流側に網を配設することができる。本発明によれば、被測定流体が流れる流路の壁面に流量センサを設け、該流量センサの下流側に極小断面流路を有する部材を設けたので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定が可能であるという効果を有している。図面の簡単な説明

図 1は、本発明にかかる流量測定装置の斜視図である。

図 2は、図 1の流量測定装置の断面図である。

図 3は、図 2の流量測定装置の流路の概略図である。

図 4 a、図 4 bおよび図 4 cは、本発明の効果を確認するための第 1実験の結果を示す流量に対する出力電圧の変化のグラフである。

図 5 a、図 5 bおよび図 5 cは、本発明の効果を確認するための第 2実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。

図 6 a、図 6 bおよび図 6 cは、本発明の効果を確認するための第 3実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。

図 7 a、図 7 b、図 7 c、図 7 dおよび図 7 eは、本発明の効果を確認するための第 4実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。

図 8 a、図 8 bおよび図 8 cは、本発明の効果を確認するための第 5実験に使用する有効板の正面図である。

図 9は、第 5実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。図 1 0 a、図 1 0 bおよび図 1 0 cは、本発明の効果を確認するための第 6 実験に使用する有効板の正面図である。

図 1 1は、第 6実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフ。

図 1 2 aおよび図 1 2 bは、本発明の効果を確認するための第 7実験に使用する有効板の正面図および側面図である。

図 1 3は、第 7実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。図 1 4 a、図 1 4 b、図 1 4 cおよび図 1 4 dは、有孔板の孔の配置の他の形態を示す斜視図である。

図 1 5 a、図 1 5 bおよび図 1 5 cは、有孔板の孔の形状の他の形態を示す斜視図である。

図 1 6 a、図 1 6 bおよび図 1 6 cは、有孔板の外形と孔の形状および配置の他の形態を示す斜視図である。

図 1 7 aおよび図 1 7 bは、 2枚組みの有孔板を用いた他の形態を示す断面図である。

図 1 8 a、図 1 8 b、図 1 8 cおよび図 1 8 dは、有孔板の孔の軸方向断面形状の他の形態を示す断面図である。

図 1 9 a、図 1 9 bおよび図 1 9 cは、有孔板の面形状の他の形態を示す断面図である。

図 2 0は、極小断面流路を有する部材の他の形態を示す側面図である。

図 2 1は、極小断面流路を有する部材の他の形態を示す斜視図である。

図 2 2は、従来の流量測定装置の流路の概略図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図 1は、本発明の流量測定装置の分解斜視図、図 2はその断面図である。ベ —ス 1は、樹脂または金属等からなる直方体で、両端面には六角ナット状の接続部 2， 3がー体に突設されている。ペース 1の内部には長手方向に貫通する流路 4が形成されている。流路 4の断面は、本実施形態では円形であるが、これに限らず、矩形等の任意の形状を採用することができる。前記べ一ス 1の流路 4は、中央に位置する主流路部 5と、該主流路 5の上流側に、主流路部 5より径の大きい整流部 6と、該整流部 6よりさらに径の大きいかしめ部 7と、該かしめ部 7よりさらに径の大きい入口開口部 8とが形成され、前記主流路 5より下流側にも、主流路部 5より径の大きい整流部 9と、該整流部 9よりさらに径の大きいかしめ部 1 0と、該かしめ部 1 0よりさらに径の大きい出口開口部 1 1とが形成されている。上流側の整流部 6には、網形状の整流子 1 2とリング状のスぺ一サ 1 3が順に 4組格納されている。最も上流側に位置するスぺ一サ 1 3の端面は、整流部 6とかしめ部 7の境界の端面 1 4と面一であり、該端面 1 4を押圧することで、該端面 1 4の一部を変形させてスぺ一サ 1 3を固定するようになっている。下流側の整流部 9には、網形状の整流子 1 2とリング状のスぺ一サ 1 3が格納されるとともに、当該スぺ一サ 1 3の下流側に主流路部 5より断面の小さい極小断面流路を有する部材 1 5とリング状のスぺーサ 1 3が格納されている。最も下流側に位置するスぺ一サ 1 3の端面は、上流側と同様に、整流部 9とかしめ部 1 0の境界の端面 1 6と面一であり、該端面 1 6を押圧することで、該端面 1 6の一部を変形させてスぺ一サ 1 3を固定するようになっている。前記極小断面流路を有する部材 1 5は、中心に主流路部 5の径より極小さい径の円形の孔 1 7が形成された板からなっている（以下、この極小断面流路を有する部材を有孔板 1 5という。）。この有孔板 1 5は、本実施形態ではべ一ス 1と別体であるが、ベース 1と一体であってもよい。スぺーサ 1 3の固定は、かしめに限らず、接着剤による固定、別部材を使用してのネジ止め、その他任意の固定構造を採用することができる。各スぺーサ 1 3の内径は、主流路部 5 と同径になっている。このため、ベース 1の流路 4は、上流側のかしめ部 7から下流側のかしめ部 1 0まで、有孔板 1 5を除いて同一径となっている。ベース 1の外面には、凹部 1 8とその底に窓 1 9が形成され、該窓 1 9の周囲には円形の段部 2 0が形成されている。凹部 1 8には、段部 2 0に配設された 0リング 2 1を介して流量センサ 2 2がネジ 2 3により取り付けられている。 0リング 2 1は主流路部 5を流れる流体'が流量センサ 2 2の外側に漏独するのを防止している。流量センサ 2 2は、リード線 2 4を有するセンサチヅプ 2 5 を支持板 2 6上に固定したもので、該センサチヅプ 2 5の検知面が窓 1 9を介して主流路部 5を臨むようにされている。流量センサ 2 2の上方には、基板 2 7がネジ 2 8により取り付けられている。前記流量センサ 2 2のリード線 2 4 は、基板 2 7を貫通して半だ付け等により基板 2 7上の回路と電気的に接続されている。謝反 2 7にはコネクタ 2 9が取り付けられ、該コネクタ 2 9を介して外部に信号を出力できるようになつている。基板 2 7の上方には、カバ一 3 0がベース 1に取り付けられている。カノ一3 0には、前記コネクタ 2 9が露出する孔 3 1が形成されている。次に、前記の構成からなる流量測定装置の動作について説明する。図 2のベース 1の入口開口部 8に流入した気体は、上流側の網形状の 4つの整流子 1 2を通過して整流された後、主流路部 5を流動し、下流側の網形状の整流子 1 2と有孔板 1 5を通過してベース 1の出口開口部 1 1から流出する。主流路部 5を流動する気体の流速は流量センサ 2 2で検出され、該流量センサ 2 2の検出信号は謝反 2 7のコネクタ 2 9を介して外部に出力される。ベース 1の入口開口部 8に流入する気体の流れが定常流であれば、主流路部

5内の各位置での流速はほぼ均一であり、流量センサ 2 2が検出する流速はほぼ平均流速を示す。しかし、図 3に示すように、流量測定装置に接続される配管に曲がり 3 2がある等の要因により、気体が非定常流の場合、この非定常流は 4つの整流子 1 2を通過することで速度分布がある程度整流されるが、主流路 5内に入っても偏流や乱れが生じている。しかし、主流路部 5の下流側には極小流路断面の有孔板 1 5が存在するので、主流路部 5の上流側の偏流や乱れのある流れは、有孔板 1 5の孔 1 7に向かって流れようとするので、その急激な圧力損失に抵抗するように、整流化が行なわれる。この結果、流量センサ 2 2が検出する流速はほぼ平均流速を示し、非定常流であっても高精度で信頼性のある流量を測定することができる。本発明者は、本発明の効果を確認するために、種々の実験を行なった。実験装置として、前記構成の流量測定装置を配管中に接続し、定常流と非定常流の気体を通過させて、その流量を測定した。また、比較する従来例として、有孔板 1 5を取り外した前記構成の流量測定装置を、同様にして配管中に接続し、定常流と非定常流の気体を通過させて、その流量を測定した。流量測定装置は、主流路部 5の径 Dが 4 mm、 6 mm、 1 0 mmの 3種類を使用した。流量センサ 2 2の検出面の中心から有孔板 1 5の上流側の端面までの距離 Lは、主流路部 5の径 Dが 4 mmのものは 2 9 . 4 5 mm、主流路部 5の径!)が 6 mmのものは 15. 4 mm, 主流路部 5の径 Dが 10 mmのものは 15. 4mmであつた。また、有孔板 15は、アルミニウムからなり、板厚 tが 0. 8mm、孔の径 dが lmm、 1. 5mm, 2. 5mm、 3. 5 mmの 4種類を使用した。流量は、 0から 2 OL/minまで変化させた。

<実験 1 (D = 4mm) >

有孔板のない従来例では、図 4 aに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、 d=l. 5 mmの有孔板 15を有する場合、図 4bに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に近い値が測定された。また、 d=l. Ommの有孔板 15を有する場、図 4cに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合とほぼ同じ値が測定された。 <実験 2 (D=6mm) >

有孔板のない従来例では、図 5 aに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、 d=l. 5 mmの有孔板 15を有する場合、図 5 bに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に非常に近い値が測定された。また、 d=l. Ommの有孔板 15を有する場、図 5 cに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合とほぼ同じ値が測定された。

<実験 3 (D= 1 Omm) >

有孔板のない従来例では、図 6 aに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、 d = 3. 5 mmの有孔板 15を有する場合、図 6 bに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合にやや近い値が測定された。また、 d = 2. 5 mmの有孔板 15を有する場、図 6 cに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に非常に近い値が測定された。以上の実験の結果を整理すると、表 1に示すように、本発明の流量測定装置では、 L/Dが同じである場合、有孔板 1 5の開口率 sZSが小さいほど非定常流の測定結果が良好であることが分かった。また、有孔板 1 5の開口率（s /S ) が同じである場合、 L/Dが大きいほど、非定常流の測定結果が良好であることが分かった。

本発明者はさらに、上記実験と同じ実験装置を使用して同じ実験要領で、有孔板 1 5の位置 L (流量センサ 2 2の検出面の中心から有孔板 1 5の上流側の端面までの距離）、孔 1 7の形状、板厚 tをそれぞれ変ィ匕させたときの脈動流下における流量と出力電圧の関係を明らかにするための実験を行った。

<実験 4 >

まず、実験 4では、板厚 tが 0 . 8 mm、孔の径 dが 1 mmの有孔板 1 5を使用して、該有孔板 15の位置 Lを 5mmから 270mmまで変化させた場合における流量と出力電圧を測定した。図 7 aから図 7 dに示すように、有孔板 15の位置 Lが 5 mmでは、流量が 1 L/m i n以下の領域で出力電圧の変動があるものの、有孔板 15の位置 Lが 150mmまでは、流量センサ 22の出力電圧は破線で示す従来の有孔板 15のない場合よりも高く、実線で示す定常流に近い値が測定され、脈動の影響を低減する効果を示した。しかし、図 7e に示すように、有孔板 15の位置 Lが 150mmを越えると、ある流量域で流量センサ 22の出力電圧は破線で示す従来の有孔板 15のない場合よりも低くなり、実線で示す定常流から離れた値が測定され、脈動の影響を低減する効果が少なくなつた。この実験 4より、有孔板 15の流量センサ 22からの設置位置が L= 10mmから 150mm、すなわち L/D = 2. 8-37. 5の広範囲にわたって脈動の影響を低減する効果がみられ、非定常流の測定結果が良好であるが、有孔板 15が流量センサ 22に近すぎると測定値に変動が生じ、遠すぎると脈動の影響を低減する効果が無くなることが分かつた。

<実験 5>

実験 5では、流量センサ 22から L = 30mmの位置に、図 8 aから図 8 c に示すように、板厚（t = 0. 8) および総断面積（径 lmm相当）は同一であるが異なる形状の孔（径 0. 35 mmの 8個の丸孔、一辺 0. 89mmの四角孔および径 1 mmの丸孔）を有する 3種類の有孔板 15を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図 9に示すように、 3種類の有孔板 15を使用しても、流量センサ 22の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。この実験 5により、有孔板 15の孔の総断面積が同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、孔の個数や形状に影響されないことが分かった。

<実験 6>

実験 6は、有孔板 15の孔の総断面積を変えた以外は、実験 5と闾様である。すなわち、流量センサ 22から L = 30mmの位置に、図 10 aから図 10c に示すように、板厚（t = 0. 8) および総断面積（径 1. 5 mm相当）は同一であるが異なる形状の孔（径 0. 53 mmの 8個の丸孔、一辺 1. 33mm の四角孔および径 1. 5 mmの丸孔）を有する 3種類の有孔板 15を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図 11に示すように、 3種類の有孔板 15を使用しても、流量センサ 22の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。ただし、実験 5よりは、脈動の影響を低減する効果が小さかった。実験 5と実験 6により、有孔板 15の孔の総断面積が同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、孔の個数や形状に影響されないが、総断面積が小さいほど脈動の影響を低減する効果が大きいことが分かった。

<実験 7>

実験 7では、流量センサ 22から L = 30mmの位置に、図 12 aおよび図 12bに示すように、孔の形状'大きさ（丸孔、径 lmm) は同一であるが異なる板厚（0. 2mm, 0. 8mm、 2. 0mm) を有する 3種類の有孔板 1 5を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図 13に示すように、板厚の異なる 3種類の有孔板 15を使用しても、流量センサ 22の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。この実験 7により、有孔板 15の孔の形状 '大きさが同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、板厚に影響されないことが分かった。前記実施形態では、有孔板 15として、円形の 1つの孔 17が中央に形成されたものを使用したが、図 14 aに示すように 1つの円形孔を偏心させてもよいし、図 14b, 図 14 cに示すように複数の円形孔を形成し、あるいは図 1 4 dに示すように網状に配置した多数の孔を形成したものでもよい。また、有孔板 15の孔 17の形状としては、円形に限らず、図 15 aから図 15 cに示すように、三角や四角、あるいは網状に配置した多数の六角形の孔を形成したものでもよい。また主流路の断面形状も、円形に限らず、図 16 aから図 16 cに示すように四角形またはそれ以外の形状でもよい。前記有孔板 1 5は、 1枚に限らず、図 1 7 aに示すように 2枚重ねたもの、あるいは図 1 7 bに示すように 2枚をスぺ一サにより一定間隔離したものでもよい。有孔板 1 5の孔 1 7の軸方向の断面形状も、ストレートのものに限らず、図 1 8 aに示すように流路の軸線に対して傾斜したもの、図 1 8 bに示すように両側からエッチングにより形成されたもの、図 1 8 cに示すように片側からエッチングにより形成されたもの、あるいは、図 1 8 dに示すように両面または片面から面取り加工されたものを使用してもよい。有孔板 1 5の面形状は、平面に限らず、図 1 9 aに示すように上流側に突出する球面、図 1 9 bに示すように下流側に突出する球面でもよい。また、有孔板 1 5は、剛性のあるブラスチックや金属に限らず、図 1 9 cに示すように流れ方向に変形可能なゴム等の可撓性または弾力性のある材料を使用してもよい。本発明の極小断面流路を有する部材は、前記実施形態のような有孔板 1 5に限らず、図 2 0に示すように、内部に非直線状に連続する多数の流路を有するスポンジ等の発泡体や焼結体を使用することができるし、図 2 1に示すような多数のパイプを結束したようなものも使用することができる。以上の説明から明らかなように、本発明によれば、被測定流体が流れる流路の壁面に流量センサを設け、該流量センサの下流側に極小断面流路を有する部材を設けたので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定が可能であるという効果を有している。

Claims

請求の範囲

1 . 被測定流体が流れる流路と、

該流路の壁面に設けた流量センサと、

該流量センサの下流側に配設され、極小断面流路を有する部材とからなることを特徴とする流量測定装置。

2 . 前記極小断面流路を有する部材は、極小断面流路として貫通した孔を有する有孔板であることを特徴とする請求項 1に記載の流量測定装置。

3 . 前記極小断面流路を有する部材の上流側に網を配設したことを特徴とする請求項 1に記載の流量測定装置。

4 . 前記孔は流路の中心に対して偏心していることを特徴とする請求項 2に

5 . 前記孔は複数の孔からなることを特徴とする請求項 2に記載の流量測定

6 . 前記孔は網状に配置した多数の孔からなることを特徴とする請求項 2に記載の流量測定装置。

7 . 前記有孔板は複数の板からなることを特徴とする請求項 2に記載の流量測定装置。

8 . 前記複数の板は一定間隔離れていることを特徴とする請求項 7に記載の

9 . 前記孔の軸方向の断面形状は流路の軸線に対して傾斜していることを特徴とする請求項 2に記載の流量測定装置。

1 0 . 前記子しは、両側または片側からエッチングにより形成されたものである請求項 2に記載の流量測定装置。

1 1 . 前記孔は、両面または片面から面取り加工されたものである請求項 2 に記載の流量測定装置。

1 2 . 前記有孔板は、平面である請求項 2に記載の流量測定装置。

1 3 . 前記有孔板は、上流側または下流側に突出する球面である請求項 2に

1 4 . 前記有孔板は、流れ方向に変形可能な可撓性または弾力性のある材料からなる請求項 2に記載の流量測定装置。

1 5 . 前記極小断面流路を有する部材は、内部に非直線状に連続する多数の流路を有する発泡体または焼結体からなる請求項 1に記載の流量測定装置。 '

1 6 . 前記極小断面流路を有する部材は、多数のパイプを結束してなることを特徴とする請求項 1に記載の流量測定装置。