JPH01301117A - 渦流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、流れの中に置かれた物体の後方に周期的に
放出される渦の周波数検出を利用して、流体の流速及び
流量を測定する渦流量計に関する。

「従来の技術」 流れの中に置かれた流線形でない物体からは規則的に渦
が放出され、この渦が単位時間当りに放出される個数（
以下渦周波数という）は、はぼ流速に比例することが知
られている。この渦の周波数を検出することにより、正
確な流速測定が可能であることが１９５４年の米国国家
航空諮問委員会レボ−）（ＮＡＣＡ　　ＲＥＰＯＲＴ　
　１１９１）に報告されている。現在、この原理に基づ
く渦流量計が実用化され、広〈産業計測の分野で用いら
れているのは周知の事実である。さらに、上記レポート
には、柱状の渦発生体だけでなく、リング状の渦発生体
からも渦が周期的に放出されることが報告されている。

このリング状の渦発生体を利用した渦流量計は、例えば
、特許公報昭５５−１１２０５号に公告されている。上
記公報に示された従来の渦流量計は、図１に示すように
、リング状の渦発生体を管内の流速分布の平均流速に相
当する部分に設けることを特徴としている。リング状の
渦発生体は、柱状の渦発生体に比べて軸対称な管内の流
速分布の悪影響を受けにくいという利点がある。

「発明が解決しようとしている問題点」渦流量計は流量
と渦周波数が良好な直線関係にある流量範囲で使用され
る。この範囲は管径に基づくレイノルズ数（以下Ｒｅ数
と記す〉で表されることが一般的であり、日本電気計測
器工業会規格の渦流量計による流量測定方法（ＪＥＭＩ
Ｓ０２８　３９頁　昭和６０年制定）には、Ｒｅ数＝２
Ｘ１０’から２．８Ｘ１０’の範囲で、±１％の精度で
測定できる渦流量計が例示されている。この範囲は渦流
量計によっても多少異なるが、十分広く考えても管内の
流れが乱流であるＲｅ数１０３から１０６のオーダーで
ある。

円管内の流速分布の精密測定は既にＮ１ｋｕｒａｄｓｅ
等の実験によって行われており、日本機械学会の機械工
学便覧（改訂第５版　８−１３頁　昭和４３年発行）に
、それらの結果がまとめられている。

図２は上記便覧から援用した図で、管路内の流速Ｕの分
布なｕ／Ｕとｒ／Ｈの関係で示しである。

ここで、Ｒは管路の半径、　「は管路の中心軸からある
点までの半径方向の距離、Ｕはｒにおける流速、Ｕはｒ
＝ｏにおける最大流速、■は管路断面の平均流速である
。同図かられかるように、管内の流れの流速分布や平均
流速は、Ｒｅ数によって大きく変化する。しかしながら
、管内の流れが変わっても、平均流速に相当する部分の
位置はｒ＝０．７６　Ｒでほぼ一定である。

このことは、以下の計算からも導かれる。日本機械学会
の技術賃料く管路・ダクトの流体抵抗２５頁　昭和５４
年発行）によると、管内の流れが乱流であるとき流速分
布は （ｕ／Ｕ）ｎ＝（Ｒ−ｒ）／Ｒ（１） で表すことができる。ここで、ｎはＲｅが１０３から１
０’のオーダーの範囲で、はぼ６から１０の値をとる定
数である。　（１）式から、管路の断面を積分して平均
流速を求めると、 （ｖ／Ｕ）＝２ｎ２／（ｎ＋１）（２ｎ＋１）　　　　
　　（２）が得られる。　（２）式に、ｎの値を代入す
ると、ｖ／Ｕ＝０４９　　　（Ｒｅが　１０３のオーダ
゛−１ｎ　＝６）Ｖ／υ＝０．８７　　　（Ｒｅが　１
０’のオーダ゛−１ｎ　＝１０）となる、平均流速に相
当する部分の位置は、得られたｖ／Ｕの値をＵ＝Ｖとし
て（１）式に代入することによって求められ、 ｒ＝０．７５５Ｒ（Ｒｅが１０３のオーダー、ｎ＝６）
ｒ＝０．７８２Ｒ（Ｒｅが１０’のオーダ゛−１ｎ　＝
ＩＯ）となる、すなわち、管内の流れが変わフて流速分
布が変化しても、平均流速に相当する部分の位置はｒ＝
０．７６Ｒでほぼ一定である。

一方、リング状の渦発生体については、リングの内径と
外径の比が大きすぎても、また逆に、小さすぎても渦周
波数の周期安定性が大きく劣ることが知られている。具
体的には、リングの中心部の直径、すなわち、外径と内
径の平均直径をｄ。

リングの外径と内径の差を２Ｗとすると、渦流量計の渦
発生体として適切なリングはｄ／ｗの値がほぼ５から８
程度であることが実験により明らかにされている。

そこで、渦周波数の周期安定性に優れたこれらのリング
状渦発生体を、管路内での取り付は位置を変えて特性試
験を行った。ここで、リング状渦発生体の位置とは、常
識的にリングの平均直径の存在場所をいう０図３はリン
グ状渦発生体を「＝０．７６　Ｈに設置したときの渦検
出信号をスペクトル解析した結果で、スペクトルの顕著
なピークは観察されず、規則的な渦の放出は生じていな
い。

すなわち、上記公報に示された従来の渦流量計で指定さ
れている平均流速に相当する部分にリング状渦発生体を
設置した場合、実際には規則的な渦は放出は阻害されて
おり、したがって、この渦流量計での実質的な流量測定
は不可能であることが判明した。これは、渦発生体を平
均流速相当部分に設けることは、管内の流れを代表する
部分において渦を放出させることになり、その結果、良
好な渦周波数の直線性を１ＩＩＩ待できるという観点で
良い着想と言えるが、一方で、管路内での安定な渦放出
に重大な要因である管壁の影響が全く考慮されていない
からである。すなわち、この場合は管壁と放出される渦
の間隔が十分でないために、実際には管壁によって安定
な渦放出が阻害されるのである。なお、実験で確認はし
ていないが、渦発生体としては不適切なｄ／ｗの値をも
つこの他のリング状渦発生体についても、同様に管壁に
よる渦放出への影響があると推定される。参考のため、
図４には渦が規則的に放出されるｒ＝ｏ、７０Ｒの場合
の試験結果を同じ条件で示す、鋭いスペクトルのピーク
が観察され、放出される渦の周波数が規則的であること
がわかる。

ｒ問題点を解決するための手段」 上記問題点を解決するために、本発明の渦流量計では、
管路内を流れる流体の流速分布の平均流速に相当する部
分よりも、管の半径のほぼ４％から２０％程度内側の部
分にリング状の渦発生体を設ける手段を用いた。

「作用」 図５には、渦周波数の安定度とリング状渦発生体の設置
位置に間する実験結果を示す、管壁の存在は、ある条件
下では渦放出を安定化することが知られている。しかし
ながら、同図かられかるように、リング状渦発生体があ
る範囲を超えて管壁に近づいてくると、渦周波数の周期
安定性は急激に悪化してくる。特に、平均流速に相当す
る部分の位置では、渦周波数は全く不安定になり、その
バラツキの程度も測定できなくなる。しかし、リング状
渦発生体を平均流速に相当する部分よりも内側に設置す
ると、渦周波数はかなり安定化される。特に、リング状
の渦発生体をほぼ０．５６Ｒｂ）ら０．７２　Ｒ程度の
範囲、すなわち、上記従来の渦流量計よりも管の半径の
ほぼ４％から２０％程度内側に設けることによって、渦
周波数のバラツキは非常に小さくなり、上記従来の渦流
量計では実質的に不可能であった流量測定が、逆に、非
常に高い精度で可能になる０以上のことから、リング状
渦発生体と管壁との間隔は安定な渦放出の上ではきわめ
て１要なファクターでると言える。

「実施例」 図６は、本発明の一実施例を示す断面図であり、リング
状渦発生体の取り付は位置の具体的な寸法の例をを示す
、リング状渦発生体は管路の中心軸から０．７　ＯＲの
位置に取り付けである。この渦発生体から周期的に放出
される渦を、例えば超音波センサや圧力センサで検出し
流体の流速及び流量を測定することができる。安定に渦
が放出されるＲｅ数範囲であれば、相似的にこれらの寸
法を変えることによって、他の口径の渦流量計が可能で
あ　る。

「発明の効果」 上記公報に示された従来の渦流量計では、安定に渦が放
出されないため、実質的に流１ｉ　ｉｌ！定は不可能で
あった。しかし、上で述べたように渦発生体と管壁との
適切な間隔は渦放出の安定化に特別な効果があり、これ
を利用して渦を安定に放出させ、高い精度での流速及び
流量測定が可能となる。

なお、図７には、本発明の渦流量計についての試験結果
で、実際に測定された渦検出信号の波形をを示す。同図
から、本発明の渦流量計では渦が極めて安定な周波数で
放出されていることが確認でき　る。

【図面の簡単な説明】

図１は従来の渦流量計の構成図、図２は管路内の流れの
流速分布の、測定値のグラフ、図３．４は渦検出信号の
スペクトル解析結果のグラフ、図５は渦周波数のバラツ
キとリング状渦発生体の取り付は位置の関係を示すグラ
フ、図６は本発明の実施例における渦流量計の断面図、
図７は本発明の渦流量計の渦検出波形の例を示す図であ
る。 １・・・管路 ２・・・渦発生体 ３・・・支持棒 ４・・・センサ ５・・・管路の中心軸 図１ 皆（５ＬＳ￥弘お〕 図２ 図３ 渦検出信号のスペクトル解析結果 図４ 図５ 図６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、管路内を流れる流体の流速分布の平均流速に相当す
   る部分よりも、管の半径のほぼ４％から２０％程度内側
   の部分にリング状の渦発生体を設けたことを特徴とする
   渦流量計。