JP2017181230A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多層分割流路構成を用いた流量計において、多層部後流における渦の発生を抑制すること。【解決手段】被計測流体が流れる矩形断面を有する流路２と、流路２を複数の分割流路６，７，８に分割する仕切り板３，４，５と、仕切り板３，４，５の出口部に開口５ａを設け、この開口５ａにより各仕切り板が隣接する分割流路を連通することで各分割流路で発達した境界層を解消することにより分割流路６，７，８から流出する流れの合流時に発生する渦の発生を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、流れを多層に分割して、流量を計測する流量計測装置に関するものであり、とりわけ、多層部後流における渦の発生を抑制する方法に関するものである。

従来、流れの中に置かれた管路の後流渦の発生状況を変化させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載されたものである。図６において、流れＦ１の中に置かれた管路１０１には、その下流側に貫通孔１０２が設けられている。管路１０１に向かう流れは、管路１０１の内側の内部流れＦ２と、外側の外部流れＦ３とに分割される。これらの流れは、管路１０１の境界面上で発達する境界層の影響によりＤに示すような流速分布を形成する。

貫通孔１０２がない場合には、管路１０１の中心軸に関して円形となる環状渦を生じるが、貫通孔１０２がある場合には、この環状渦は、Ｖにて示すように円形とならず、流れ方向に位置がずれた形状となる。この結果、この渦はさらに下流側においてＷにて示すような離散的な渦となって崩壊していく。すなわち貫通孔を設けない場合と比較して、離散的な渦が管路１０１の出口近傍を占領する割合が低下するため上流側への影響が及びにくいものであった。

特開平１１−２８７６８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、管路の壁面に発達する境界層をなくすという考えのものではないため、離散渦の発生自体を避けることはできないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、矩形断面流路を複数に分割する仕切り板の全域にわたり、上流側から発達してきた境界層の解消を図るような開口を設ける構成としたもので、これにより、矩形断面流路出口部での渦の発生を抑制することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の流量計測装置は、被計測流体が流れる矩形断面を有する流路と、前記流路を複数の分割流路に分割する仕切り板と、少なくとも一つの前記分割流路内の流速を検出するように配置した流速センサと、前記流速センサからの信号を計測する計測手段と、前記計測手段からの信号を処理して流量を算出する演算手段と、を備え、前記仕切り板は、隣接する前記分割流路間を連通する開口を有し、前記開口は、隣接する前記分割流路における境界層が前記開口により実質的に解消されるような高さと幅を有したことにより、多層部の後流にできる渦の発生を抑制することができ後流に配置される部分における流れの悪影響を避けることができる。

本発明の流量計測装置は、多層に分割された分割流路において、その流路を仕切る板に開口を設けることにより、発達した境界層を解消させることができるため、計測部より下流側における渦の発生を抑制することができる。これにより、多層部より下流側における流体部分に悪影響を及ぼすことがない。

本発明の実施の形態１における流量計測装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における図１のＡＡ’断面図 本発明の実施の形態１における仕切り板の斜視図 （ａ）開口が無い場合のＢＢ’断面の流速分布図、（ｂ）本発明の実施の形態１における開口がある場合のＢＢ’断面の流速分布図 図４（ｂ）におけるＱ部の拡大図 従来の環状渦生成を示す図

第１の発明は、被計測流体が流れる矩形断面を有する流路と、前記流路を複数の分割流路に分割する仕切り板と、少なくとも一つの前記分割流路内の流速を検出するように配置した流速センサと、前記流速センサからの信号を計測する計測手段と、前記計測手段からの信号を処理して流量を算出する演算手段と、を備え、前記仕切り板は、隣接する前記分割流路間を連通する開口を有し、前記開口は、隣接する前記分割流路における境界層が前記開口により実質的に解消されるような高さと幅を有したことにより、多層部の後流にできる渦の発生を抑制することができ後流に配置される部分における流れの悪影響を避けることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記開口は、前記仕切り板の出口部近傍に設ける構成としたことにより、境界層の再構成を生じることがないため、確実に渦の発生を抑制することができる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、前記流速センサは、一対の超音波送受波器による構成としたことにより、分割流路の流れ断面全域を計測するため、開口の存在が開口上流側の流れに多少影響を与えたとしても大きな誤差を生じることがない。

第４の発明は、特に第１または２の発明において、前記流速センサは、フローセンサによる構成としたことにより、流速センサを超音波を用いた流量センサとした場合に比べ、開口に近い第二の超音波送受波器よりもフローセンサを上流側に配置することができるため、超音波を用いた流量センサよりも、計測に及ばす影響がより少なくなるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図５を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における流量計測装置１の概略構成図を示すものである。矩形断面の筒状流路（流路）２は、第１の仕切り板３、第２の仕切り板４、第３の仕切り板５により、第１の分割流路６、第２の分割流路７、第３の分割流路８、第４の分割流路９に分割され、全体として多層流路３０を形成している。

第３の仕切り板５の下流側には、３つ矩形の開口５ａを有し、この開口５ａにより第３の分割流路８と第４の分割流路９とを連通している。

なお、図には示していないが、同様の開口が第１の仕切り板３、第２の仕切り板４にも、第３の仕切り板５と同じ位置、同じ形状で設けられており、それぞれ、第１の分割流路６と第２の分割流路７、第２の分割流路７と第３の分割流路８とが、これら開口を介して連通するように形成されており、第１の仕切り板３に設けた開口を３ａ、第２の仕切り板４に設けた開口を４ａとする。

流路２には、第３の分割流路８の上部に超音波送受波器保持部１０が取り付けられている。第３の分割流路８は流量計測を行う流路であり、以降、第３の分割流路８を計測流路８とし、計測流路８以外の分割流路は非計測流路と称する。

図２は、図１のＡＡ’断面を示す図であり、以下、図２を用いて超音波を用いた流量計測装置１の構成及び計測方法を説明する。

超音波送受波器保持部１０には上流側に配置された第１の超音波送受波器１１、および下流側に配置された第２の超音波送受波器１２の一対の超音波送受波器が、それぞれ、第１の保持部１３、第２の保持部１４にて保持されている。

第１の超音波送受波器１１、および第２の超音波送受波器１２により、流速センサ５０が構成されている。

計測流路８は上面１５、および下面１６を有している。上面１５は第１の超音波透過窓１７、および第２の超音波透過窓１８を有している。下面１６は超音波の反射面として作用するように構成されている。

Ｐ１，およびＰ２で示した矢印は超音波の伝搬経路であり、計測流路８を斜めに横切るように伝搬する。

第１の超音波送受波器１１、および第２の超音波送受波器１２からの信号は計測回路２０（計測手段）にて処理され、さらに演算回路２１（演算手段）で演算され流量が算出される。

第２の仕切り板４を含めた流路部分を多層部２２と称する。第１の超音波送受波器１１、第２の超音波送受波器１２、多層部２２、計測回路２０、および演算回路２１で流量計測装置１が形成される。

次に、超音波による流量計測に関して図２を用いて説明する。

計測流路８を流れる被計測流体の流速をＶ、被計測流体中の音速をＣ、被計測流体の流れる方向と超音波が下面１６で反射するまでの超音波伝搬方向とのなす角度をθとする。また、第１の超音波送受波器１１と第２の超音波送受波器１２との間で伝搬する超音波の伝搬経路の有効長さをＬとする。

このとき、第１の超音波送受波器１１から出た超音波が、もう一方の第２の超音波送受波器１２に到達するまでの伝搬時間ｔ１は、下式にて示される。

ｔ１ ＝ Ｌ ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
次に第２の超音波送受波器１２から出た超音波が、もう一方の第１の超音波送受波器１１に到達するまでの伝搬時間ｔ２は、下式にて示される。

ｔ２ ＝ Ｌ ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
式（１）と式（２）から被計測流体の音速Ｃを消去すると、下式が得られる。

Ｖ ＝（ Ｌ ／（２ｃｏｓθ））（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）） （３）
式（３）にて分るように、Ｌとθが既知なら、計測回路２０にて計測された伝搬時間ｔ１、およびｔ２を用いて、流速Ｖが求められる。

次に、下式に示すようにこの流速Ｖに流路２の断面積Ｓを乗じて、流路２全体の流量Ｑを算出する。

Ｑ ＝ Ｖ Ｘ Ｓ
しかし、一般的には、計測流路８の流速Ｖは流路２全体の平均流速Ｖａｖｅとは異なるため、実際の流量Ｑｔは下式に示すように、この流量Ｑに補正係数ｋを乗じて求める。

Ｑｔ ＝ ｋ Ｘ Ｑ
図３は、本発明の第３の仕切り板５の斜視図である。

第３の仕切り板５には、既に示したような３つの矩形の開口５ａが形成されている。開口５ａの幅Ｌａと高さＬｂとは、その上流側で発達した境界層が、ほぼ解消されるような値を有している。すなわち、Ｌａは、境界層が、流れ方向において、解消するような長さを有している。

また、Ｌｂは、この方向における全体の長さＷに対して、３Ｌｂの長さが例えば、９０％以上占めるような割合を有しており、開口５ａにて境界層の解消が、層高さ全域にわたるような範囲を占める値を取るように設定されている。

なお、開口５ａから下流側端部からの距離Ｌｃは、影響を及ぼすような境界層が発達しない長さに適宜設定される。

また、開口５ａ間の桟５ｂは開口５ａの変形等に対する強度を確保する為に設けたものであり、開口５ａの強度が確保できれば、桟５ｂを無くして開口を１つとすることが望ましい。

図４は、図１のＢＢ’断面における各分割層の流速分布を示したものであり、（ａ）は、開口のない場合、（ｂ）は、開口のある場合である。

図４（ａ）に示す開口がない場合、流路２が分割される入口部２３での流速分布は、それぞれ平坦な形状を示しているが、多層部２２を流れる間に境界層が発達し、多層部の出口部２４では放物線状の流速分布を示す。

この流速分布は、ある程度以上の大きさになると、多層部２２を出た後、それぞれの噴流が誘引されたり、離散したりするような流れパターンの変動を生じる。分かりやすくするために、流速分布の最大流速近傍の主流部分が流れる様子を表示すると、ある瞬間には、Ｓに示すような大きく蛇行する状態となり、この噴流間に渦を生じるような不安定な流れとなる。

そして、この流れは、計測部の下流側に配置される流体機器等に対して悪影響を及ぼす。とりわけ、下流側で圧力を測定する必要がある場合などは好ましくない状況を引き起こすことになる。

これに対し図４（ｂ）に示す開口がある場合には、開口３ａ、４ａ、５ａの存在により、発達した境界層はいったん解消されるため、多層部２２の出口部２４では、放物線状の流速分布ではなく、平坦部を有する流速分布となり、噴流のコア部分が近接した状態となる。

この場合の流速分布の最大流速近傍の主流部分が流れる様子を表示すると、Ｔに示すような状態となり、図４（ａ）に示すような不安定な状態を生じることがない。

図５は、図４（ｂ）におけるＱ部の拡大図であり、図に示すように、第２の仕切り板４、第３の仕切り板５の間を通過する流れは、開口４ａ、５ａの上流側では、図のＵに示すような境界層が発達した放物線状の流速分布を示す。しかしながら、開口４ａ、５ａを通過する際、壁がないことにより、発達した境界層は解消される。したがって、４ａ、５ａの下流側では、図のＶに示すような比較的フラットな流速分布となるものである。

本実施の形態では、下流側にのみ開口が設定された形態を示したが、流れに脈動が生じて、逆流が生じるような用途に対しては、逆流が生じたときの下流側、すわなち、順流における上流側に開口を設けることにより、順逆双方の流れに対して、渦の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では流路の上部に一対の超音波送受波器を設けて、超音波を対向する内壁に反射させる方式（所謂Ｖパス）の伝搬時間を利用して流速を計測する構成を示したが、一対の超音波送受波器を対向して設ける所謂Ｚパスであってもよい。

また、流速の計測はこれに限るものではなく、例えば、流速センサとしてフローセンサを設けて、流速を測定するものであってもよいことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる流量計測装置は、多層計測部の下流側に生じる渦の発生を抑制することができるため、計測部下流側に配置した部品等への影響を少なくすることができる。このため、計測部下流側に出口流路のあるガスメータや、配管系に配置する工業用流量計としての適用が可能である。

１ 流量計測装置
２ 筒状流路（流路）
３ 第１の仕切り板
４ 第２の仕切り板
５ 第３の仕切り板
３ａ、４ａ、５ａ 開口
６ 第１の分割流路
７ 第２の分割流路
８ 第３の分割流路（計測流路）
９ 第４の分割流路
１１ 第１の超音波送受波器
１２ 第２の超音波送受波器
２０ 計測回路（計測手段）
２１ 演算回路（演算手段）
２４ 出口部
５０ 流速センサ

Claims (4)

1. 被計測流体が流れる矩形断面を有する流路と、
   前記流路を複数の分割流路に分割する仕切り板と、
   少なくとも一つの前記分割流路内の流速を検出するように配置した流速センサと、
   前記流速センサからの信号を計測する計測手段と、
   前記計測手段からの信号を処理して流量を算出する演算手段と、を備え、
   前記仕切り板は、隣接する前記分割流路間を連通する開口を有し、
   前記開口は、隣接する前記分割流路における境界層が前記開口により実質的に解消されるような高さと幅を有した流量計測装置。
2. 前記開口は、前記仕切り板の出口部近傍に設ける構成とした請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記流速センサは、一対の超音波送受波器による構成とした請求項１または２に記載の流量計測装置。
4. 前記流速センサは、フローセンサによる構成とした請求項１または２に記載の流量計測装置。