WO2007145037A1 - 圧力計一体形マルチ渦流量計 - Google Patents

Abstract

マルチ渦流量計１は、流路１３に設けられて被測定流体を通過させる測定管４と、被測定流体の流れに対向するように測定管４に設けられる渦発生体５と、この渦発生体５により生じるカルマン渦に基づく変化を検出する渦検出器６とを有する渦式検出手段７を備える。また、流路１３に突出する感温センサ８及び加熱感温センサ９を有する熱式検出手段１０を備える。さらに、流量変換器１１を備えて、この流量変換器１１に、渦検出器６及び熱式検出手段１０と共に配線される配管内圧力測定用の圧力計３を一体に設ける。

Description

圧力計一体形マルチ渦流量計 技術分野

本発明は、 渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えて なるマルチ渦流量計に関し、 詳しくは、 圧力計が一体となるマルチ 渦流量計に関する。 背景技術

流管に流れる被測定流体の流量を計測するために、 渦流量計や 熱式流量計が用いられている。

渦流量計は、 周知のように、 流体の流れの中に渦発生体を配設 したとき、 所定のレイノルズ数範囲では、 渦発生体から単位時間内 に発生するカルマン渦の数 （渦周波数） が気体、 液体に関係なく流 量に比例することを利用したもので、 この比例定数はス ト口一ハル 数と呼ばれている。 渦検出器としては、 熱センサ、 歪みセンサ、 光 センサ、 圧力センサ、 超音波センサ等が挙げられ、 これらは渦によ る熱変化、 揚力変化等を検出することが可能なものになっている。 渦流量計は、 被測定流体の物性に影響されずに流量を測定できる簡 易な流量計であって、 気体や流体の流量計測に広く使用されている

(例えば特許第 2 8 6 9 0 5 4号公報参照） 。

熱式流量計は、 感温センサ （流体温度検出センサ） と加熱感温 センサ （加熱側温度センサ） とを備えて構成されており、 温度セン サと加熱センサの機能を有する加熱感温センサ （流速センサ （ヒー 夕） ） の温度が感温センサで計測される温度に対して一定の温度差 になるように制御されている。 これは、 被測定流体を流した時にヒ 一夕から奪われる熱量が質量流量と相関があるからであって、 ヒー 夕に対する加熱電力量から質量流量が算出されるようになつている (例えば特開 2 0 0 4 - 1 2 2 2 0号公報参照） 。

特開 2 0 0 6— 2 9 9 6 6号公報には、 渦流量計の機能と熱式 流量計の機能とを兼ね備えてなるマルチ渦流量計の技術が開示され ている。 マルチ渦流量計は、 微少流量から大流量まで精度よく計測 することができ、 この点が特に他の流量計よりも優れている。

マルチ渦流量計は、 流管の流路を流れる被測定流体の流れの状 況に応じて渦流量計の機能と熱式流量計の機能とが使い分けられる ようになつている。 すなわち、 微少流量域や低流量域では、 熱式流 量計の機能によって計測がなされ、 高流量域では、 渦流量計の機能 によって計測がなされるようになつている。

渦流量計は、 流量が低くなって渦差圧が小さくなると渦検出器 の感度が不足してしまうことから、 マルチ渦流量計では、 所定の下 限流量で熱式流量計へ機能を切り替えるような制御がなされている

発明の開示

本願発明者は、 流量が低くても流管内の圧力が上昇すると渦差 圧が高くなり、 これによつて流量計の機能を切り替える際の判断基 準となる下限流量を下げることが可能であることを見出し、 この見 出した結果をマルチ渦流量計に反映したいと考えている。 本願発明 者は、 渦流量計の利点を生かすために、 できるだけこの渦流量計の 機能を用いて流量を測定したいと考えている。 このため、 流管内の 圧力変動を把握する圧力計を備えることがマルチ渦流量計には必要 であると本願発明者は考えている。

本発明は、 上述した事情に鑑みてなされたもので、 より良いマ ルチ渦流量計となる圧力計一体形マルチ渦流量計を提供することを 課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項 1記載の本発明の圧 力計一体形マルチ渦流量計は、 流路に設けられて被測定流体を通過 させる測定管と、 前記被測定流体の流れに対向するように前記測定 管に設けられる渦発生体と、 該渦発生体により生じるカルマン渦に 基づく変化を検出する渦検出器とを有する渦式検出手段を備えると ともに、 前記流路に突出する感温センサ及び加熱感温センサを有す る熱式検出手段を備え、 更に流量変換器を備えるマルチ渦流量計に おいて、 前記流量変換器に、 前記渦検出器及び前記熱式検出手段と 共に配線される配管内圧力測定用の圧力計を一体に設けることを特 徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、 圧力計の測定値が流 量変換器に取り込まれることにより、 流量が低くても渦差圧が高い 場合を把握することができるようになり、 切り替えの際の判断基準 となる下限流量を下げることが可能になる。 流量変換器に対して一 体となる圧力計は、 マルチ渦流量計に対して圧力計別置の場合と比 ベると、 配線への外乱影響等を配慮しなくても良い等の利点を有す る。 これにより、 検出精度等を高めることが可能になる。 また、 流 量変換器に対して一体となる圧力計は、 マルチ渦流量計に対して圧 力計別置の場合と比べると、 セッ トアツプが容易になるという利点 や、 最適な位置での圧力の計測が可能になるという利点を有する。 請求項 2記載の本発明の圧力計一体形マルチ渦流量計は、 請求項 1に記載の圧力計一体形マルチ渦流量計において、 前記流路を形成 する測定用取付配管を備え、 該測定用取付配管に前記流路を流れる 前記被測定流体の一部を導入する圧力計測部を形成し、 該圧力計測 部に前記圧力計を収納することを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、 圧力計測部が形成さ れてここに圧力計が収納されることから、 カルマン渦に基づく変化 の検出に影響のでない状態での圧力計測が可能になる。

本発明によれば、 従来よりも格段により良くなるマルチ渦流量 計を提供することができるという効果を奏する。 また、 本発明によ れば、 できるだけ渦流量計の機能を用いて流量を測定することがで きるという効果を奏する 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の圧力計一体形マルチ渦流量計の一実施の形態 を示す正面図である。

図 2は、 図 1の A— A線断面図である。

図 3は、 流量変換器の断面図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照しながら説明する。 図 1は本発明の圧力計一 体形マルチ渦流量計の一実施の形態を示す正面図である。 また、 図 2は図 1の A— A線断面図、 図 3は流量変換器の断面図である。

図 1及び図 2において、 引用符号 1は本発明のマルチ渦流量計 (圧力計一体形マルチ渦流量計） を示している。 このマルチ渦流量 計 1は、 渦流量計の機能と熱式流量計の機能とを兼ね備えるように 構成されている。 また、 マルチ渦流量計 1は、 後述するが、 切り替 えの際の判断基準となる下限流量を下げることが可能な構造を有す るように構成されている。 マルチ渦流量計 1は、 測定用取付配管 2 、 圧力計 3、 測定管 4、 渦発生体 5、 及び渦検出器 6を有する渦式 検出手段 7と、 感温センサ 8及び加熱感温センサ 9を有する熱式検 出手段 1 0と、 渦式検出手段 7及び熱式検出手段 1 0からの出力信 号に基づいて被測定流体 （図示省略） の流速又は流量を算出する流 量変換器 1 1とを備えて構成されている。 以下、 図 1ないし図 3を 参照しながら各構成について説明する。

測定用取付配管 2は、 流管 1 2の中間に着脱自在に取り付けら れて （流管 1 2の中間に限らず、 端部に取り付けても可） 、 この内 部に流路 1 3を形成する例えば図示のような筒状の構造体として形 成されている。 測定用取付配管 2の両端には、 それそれ継ぎ手が形 成されている。 このような測定用取付配管 2の外部には、 流量変換 器 1 1が適宜手段で固定されている。 測定用取付配管 2に形成され る流路 1 3は、 断面円形状に形成されている。 この流路 1 3には、 被測定流体が矢印方向に流れるようになっている。

流路 1 3の中間には、 測定管 4や、 感温センサ 8及び加熱感温 センサ 9が設けられている。 また、 これら測定管 4等の上流側で且 つ測定管 4の近傍には、 圧力計測部 1 4が形成されている （配置は 一例であるものとする） 。 この圧力計測部 1 4には、 圧力計 3が収 納されるような状態で取り付けられている。 圧力計測部 1 4は、 圧 力計 3を収納する部分と、 流路 1 3を流れる被測定流体の一部を導 入する部分とを有している。 圧力計 3は、 流路 1 3を流れる被測定 流体の圧力を計測するためのものであって、 ここでは公知の圧力計 が用いられている （但し流量変換器 1 1に対応可能なものとする） 。 圧力計 3は、 流量変換器 1 1に対し一体化するように取り付けら れている。 圧力計 3は、 渦検出器 6ゃ感温センサ 8及び加熱感温セ ンサ 9に対して若干上流側に離れた位置で流量変換器 1 1に対し一 体化されている。

測定管 4は、 管断面が四角形状となる筒状に形成されている （ 形状は一例であるものとする） 。 測定管 4は、 被測定流体が流れる 矢印方向に沿って伸びるように形成されている。 測定管 4の被測定 流体が流れる部分には、 渦発生体 5 と、 この渦発生体 5の下流側に 位置する後述の受圧板 1 5 とが設けられている。 測定管 4の外部に は、 感温センサ 8及び加熱感温センサ 9の先端を保持する温度セン サ保持部 1 6が設けられている （本形態では一体であるが、 この限 りでないものとする） 。 測定管 4は、 連結筒部 1 7を介して渦検出 器 6に固定されている。 本形態において、 測定管 4を連結した渦検 出器 6は、 測定用取付配管 2に対して着脱自在となるように取り付 けられている。

渦発生体 5は、 測定管 4の内部に渦を発生させるための部分で あって、 被測定流体の流れに対向するように、 この形状が設定され ている。 渦発生体 5は、 本形態において、 三角柱形状に形成されて いる （形状は一例であるものとする。 特許文献 1の特許第 2 8 6 9 0 5 4号公報には幾つかの例が開示されている） 。 渦発生体 5は、 測定管 4の被測定流体が流入する側の開口部分に設けられている。 渦発生体 5は、 測定管 4の開口部分中央に位置するように設けられ ている。

ここで、 渦発生体 5により生じる渦について説明する。 渦は、 測定管 4の上記開口部分に流入する被測定流体が渦発生体 5に沿つ て流れる流れによって生じる運動量変化の大きい位置から剥離する もので、 渦発生体 5の断面が本形態のように Ξ角形状の場合は、 三 角形エッジ部が剥離点となる。 渦発生体 5から剥離し流出する渦は 、 カルマンの安定渦条件に従って、 千鳥状に交互に発生し、 一定の 渦間距離及び渦列間距離を保った渦列を形成しながら流出する。 渦 間距離は、 単位時間当たりに発生する渦の数、 すなわち、 渦周波数 と、 所定時間内に、 例えば、 基準タンク等の基準容器に流入した流 体から求めた流量に基づいて算出された単位時間当たりの流速とか ら求めることができる。

温度センサ保持部 1 6は、 測定管 4の下壁から水平方向に、 言 い換えれば測定管 4の両側壁からそれそれ突出するように形成され ている。 温度センサ保持部 1 6は、 特に限定するものではないが、 平面視の形状が≡角形となるように形成されている。 温度センサ保 持部 1 6は、 測定管 4に恰もヒレがあるような形状に形成されてい る。 このような温度センサ保持部 1 6の三角形頂部近傍には、 感温 センサ 8、 加熱感温センサ 9の各先端が真つ直ぐに差し込まれるよ うになつている。

渦検出器 6は、 渦検出のためのセンサであって、 ここでは受圧 センサが用いられている。 渦検出器 6は、 測定管 4内の渦発生体 5 の下流側に配置される受圧板 （センサ受圧板） 1 5と、 渦検出器 6 内部に設けられる圧力検出素子板とを有しており、 渦発生体 5によ り生じるカルマン渦に基づく変動圧力 （交番圧力） を受圧板 1 5を 介して圧力検出素子板により検出するように構成されている。 渦検 出器 6は、 本形態において、 流量変換器 1 1に対し一体化するよう に取り付けられている。

渦式検出手段 7は、 測定用取付配管 2内を流動する被測定流体 の流速又は流量を求めるために設けられている。 測定用取付配管 2 内を流動する被測定流体の流速又は流量は、 測定管 4内を流れる被 測定流体の流速又は流量を、 測定用取付配管 2の部分流速又は部分 流量として算出することにより求められるようになつている。 これ は、 測定用取付配管 2の管断面の全体ではなく、 この一部について 測定しても流れが均一ならば全体流量を推定することができること に基づくものである。 すなわち、 直管を流れる整流された流体の流 速分布は、 レイノルズ数の関数として与えられるので、 測定用取付 配管 2の中心部から或る距離の位置での流速を測定用取付配管 2内 の平均流速に換算することができるものである。

熱式検出手段 1 0を構成する感温センサ 8及び加熱感温センサ 9は、 共に公知のものが用いられている。 尚ここでは、 具体的な構 成についての説明を省略するものとする。 本形態の感温センサ 8は 、 棒状の温度センサであり、 同じく棒状の加熱感温センサ 9は、 温 度センサと加熱センサの機能を有する流速センサ （ヒー夕） である ものとする。 感温センサ 8及び加熱感温センサ 9は、 本形態におい て、 流量変換器 1 1に対し一体化するように取り付けられている。

感温センサ 8及び加熱感温センサ 9は、 測定用取付配管 2の流 路 1 3に突出しており、 最先端部分が温度センサ保持部 1 6によつ て保持されている。 感温センサ 8及び加熱感温センサ 9の各感温部 分は、 測定管 4の近傍に配置されている。 感温センサ 8及び加熱感 温センサ 9は、 渦検出器 6と共に横一列に並んで配置されている （ 配置は一例であるものとする。 渦検出に影響を来さないように配置 すれば他でもよいものとする） 。 尚、 感温センサ 8及び加熱感温セ ンサ 9の各感温部分を温度センサ保持部 1 6から更に流路 1 3の中 央に突出させるように長く してもよいものとするのとする （外部か ら測定用取付配管 2に伝わる熱の作用を避けるため） 。

流量変換器 1 1は、 変換器ケース 1 8を有している。 この変換 器ケース 1 8の内部には、 マイクロコンビュ一夕等の構成を有する アンプボ一ド 1 9が設けられている。 アンプボード 1 9には、 圧力 計 3の伝送線 2 0と、 感温センサ 8及び加熱感温センサ 9の各リー ドと、 渦検出器 6の伝送線 2 1とが接続されている （図 3中の感温 センサ 8及び加熱感温センサ 9の配置を便宜上変えて図示している 。 実際には 9 0 ° 回転した位置に配置される。 渦検出器 6の伝送線 2 1 と共に図 3の紙面直角方向に並ぶように配置される） 。

感温センサ 8及び加熱感温センサ 9と伝送線 2 0及び 2 1は、 変換器ケース 1 8の内部に引き込まれている。 感温センサ 8及び加 熱感温センサ 9 と伝送線 2 0及び 2 1は、 外部に露出することなく 変換器ケース 1 8の内部に引き込まれている。 感温センサ 8及び加 熱感温センサ 9と、 圧力計 3と、 渦検出器 6 と、 アンプボード 1 9 は、 流量計測部及び流量演算部としての機能を有している。

変換器ケ一ス 1 8の開口部分には、 スィ ツチボード 2 2やディ スプレイボード 2 3を有する変換器カバ一 2 4がパヅキン （符号省 略） を挟んだ状態で取り付けられている。 変換器ケース 1 8の一側 壁には、 伝送ケ一ブル 2 5が接続されている。

上記構成及び構造において、 本発明のマルチ渦流量計 1は、 測 定用取付配管 2の流路 1 3を流れる被測定流体の流れの状況に応じ て渦流量計の機能と熱式流量計の機能とが使い分けられるようにな つている。 すなわち、 微少流量域や低流量域では、 熱式流量計の機 能によって計測がなされ、 高流量域では、 渦流量計の機能によって 計測がなされるようになつている。 本発明のマルチ渦流量計 1は、 熱式流量計の機能における高流量域計測と、 渦流量計の機能におけ る低流量域計測とがある程度ラップするようになっており、 流量変 換器 1 1で切り換えが行われるようになつている。

先ず、 微少流量域や低流量域を計測する際の作用、 すなわち、 熱式流量計の機能によって計測を行う場合の作用を説明する。 加熱 感温センサ 9は、 感温センサ 8で検出された温度に基づいて流量計 測を行う。 すなわち、 流量変換器 1 1における流量計測部及び流量 演算部では、 感温センサ 8と加熱感温センサ 9との温度差が一定 （ 例えば + 3 0 °C ) になるように、 加熱感温センサ 9を加熱する （電 流を流す） とともに、 この加熱に係る電流値から質量流量を算出す る。 算出された質量流量は、 所定の単位に換算された後に、 変換器 カバ一 2 4の上部に設けられた表示部に表示、 又は伝送ケ一プル 2 5で送信されて図示しない表示装置に表示される。

上記質量流量の算出について補足説明すると、 被測定流体 （図 示省略） を矢印方向に流したときに、 加熱感温センサ 9は被測定流 体によって冷やされる。 感温センサ 8との温度差を一定に制御する ためには、 さらに加熱感温センサ 9に電流を流す必要がある。 この 時、 加熱感温センサ 9に流れる電流は、 質量流量に比例することが 知られており、 これを利用して質量流量が算出される。

次に、 渦流量計の機能によって計測を行う場合の作用を説明す る。 渦発生体 5により生じるカルマン渦に基づく変動圧力 （交番圧 力） を受圧板 1 5及び圧力検出素子板において検出する。 そして、 渦検出器 6における検出値から測定管 4内を流れる被測定流体の流 速又は流量を、 測定用取付配管 2の部分流速又は部分流量として算 出し、 測定用取付配管 2内を流れる被測定流体の流速又は流量 （容 積流量） を算出するする。 算出された流速又は流量は、 所定の単位 に換算された後に、 変換器カバ一 2 4の上部に設けられた表示部に 表示、 又は伝送ケ一ブル 2 5で送信されて図示しない表示装置に表 示される。

流量変換器 1 1において行われる流量計の機能に係る切り換え に関しては、 圧力計 3からの測定値が流量変換器 1 1に取り込まれ 、 この取り込まれた測定値を加味した上で、 熱式流量計の機能から 渦流量計の機能へ、 或いは渦流量計の機能から熱式流量計の機能へ の切り替えが行われるようになつている。 例えば、 流量が低くても 測定用取付配管 2内の圧力が上昇すると渦差圧が高くなることから 、 このことによって熱式流量計からの切り替え際の、 或いは熱式流 量計への切り替え際の判断基準となる下限流量を下げて、 この下げ た後の下限流量に基づいて切り替えが行われるようになつている。

以上、 図 1ないし図 3を参照しながら説明してきたように、 本 発明によれば、 従来よりも格段により良くなるマルチ渦流量計 1を 提供することができる。 マルチ渦流量計 1は、 ゼロや微少流量から 大流量まで精度よく、 被測定流体の流量を計測することができる。

本発明のマルチ渦流量計 1の効果に関し、 更に幾つか列挙する と、 圧力計 3を流量変換器 1 1に一体化するとともに、 この圧力計 3を感温センサ 8及び加熱感温センサ 9や渦検出器 6と一緒に流量 変換器 1 1へ配線することから、 マルチ渦流量計 1に対して圧力計 が別置となる場合と比べて、 配管及び配線構造を簡素化することが できる。 また、 図示の状態からも分かるように圧力計 3の伝送線 2 0を外部に露出させていないことから、 外乱に強く誤検出の起こり 難い流量計にすることができる。 さらに、 圧力計 3を流量変換器 1 1に一体化することにより、 前記の圧力計別置の場合と比べて、 セ ッ トアップを容易にすることや、 測定管 4の近傍で圧力を計測、 言 い換えれば最適な位置で圧力を計測することができる。

なお、 圧力計別置の場合では、 この別置の際の作業において、 動圧に影響を来すような加工を施してしまう恐れがある。 しかしな がら、 本発明では、 予め圧力計 3を測定用取付配管 2に一体化して いることから、 動圧に影響を来すような加工を施すことはないもの となる。

その他、 本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施 可能なことは勿論である。

Claims

請求の範囲

1 . 流路に設けられて被測定流体を通過させる測定管と、 前記被測 定流体の流れに対向するように前記測定管に設けられる渦発生体と 、 該渦発生体により生じるカルマン渦に基づく変化を検出する渦検 出器とを有する渦式検出手段を備えるとともに、 前記流路に突出す る感温センサ及び加熱感温センサを有する熱式検出手段を備え、 更 に流量変換器を備えるマルチ渦流量計において、

前記流量変換器に、 前記渦検出器及び前記熱式検出手段と共に配 線される配管内圧力測定用の圧力計を一体に設ける

ことを特徴とする圧力計一体形マルチ渦流量計。

2 . 請求項 1に記載の圧力計一体形マルチ渦流量計において、 前記流路を形成する測定用取付配管を備え、 該測定用取付配管に 前記流路を流れる前記被測定流体の一部を導入する圧力計測部を形 成し、 該圧力計測部に前記圧力計を収納する

ことを特徴とする圧力計一体形マルチ渦流量計。