JPH049717A

JPH049717A - 流量計測装置

Info

Publication number: JPH049717A
Application number: JP11056490A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Mori; 武彦森
Original assignee: M & M Technol kk
Current assignee: M & M Technol kk
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1992-01-14

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、流量計測装置、特に流体機器内の流れを乱
流化し、この乱流を利用して、粒度良く計測可能とした
流量計測装置に関するものである。

（従来の技術）流体機器の流路内の流動状態は、特に流速分布の影響を
受けるものてあり、この場合、流路内の流動によって失
わわるエネルギとしての圧力損失を△ρ、流路内の平均
速度をｖ、ｋを定数とすると、次式て表わされる。

△ρ＝ｋｖ’・・・・・・・・・・・・・・・　・・・
・・・・・・・−（１）一方、流体機器において、流体
が流動する部分の断面をＡ、流体に接する内壁の周長を
Ｓ、流体の動粘性係数をシ、流体平均深さをｍ　−Ａ　
／　ｓとしたとき、次式（２）で示されるレイノルズ数
（以下Ｒｅ数という。）の値によって、前記の層流であ
るか、乱流であるかについての判別が行わわる。

ν Ｒｅ数か、およそ２３２０であるとき、これを臨界レイ
ノルズ数（以下Ｒｅｃという。）といい、このＲｅｃ以
上の領域の流れを乱流、以下の領域の流れを層流と呼ぶ
。（１）式中のｎの値は、Ｒｅ数がＲｅｃ以上の乱流域
と、Ｒｅｃ以下の層流域とでは異なることが知られてい
る。

また、流体が流体機器内を流動するとき、その内壁面で
はすべりがなく、流速はゼロである。内壁面に近い薄い
層内では流体は内壁面との摩擦および流体の粘性力の作
用を受は流速は小さい。すなわち、この内壁面に接する
流体の薄い層内では内壁面上の流速はゼロから逐次、外
側に向って流速が増加し、やがて薄層の外側にある主流
の流速に等しくなる。この薄い層を境界層と呼ぶ。この
境界層においてもＲｅ数により層流境界層、乱流境界層
が存在する。

さらに、流体機器の流動路断面形状が長方形であるとき
は、流路内に局部的な流れを生し、等速度線は歪んだも
のとなる。この現象は、円断面である場合に比べ著しい
相違がある。

そして、流体機器内を流体が流動するとき、流体機器内
の流速分布は、上述の主流と境界層流とによって構成さ
れるが、これは乱流域における構成であり、層流域にお
いては流体の粘性力の作用が全潰におよんでいる。

このように、流速分布のありさまは、流体機器内の流動
特性に大きさ影響を与えるものである。

流体機器内を流れる流体の流量計測にはオリフィス、タ
ービンメータなどのアナログ形流量計のほか、渦流量計
および流体論理素子流量計の流体振動式流量計などいろ
いろなものが用いられていた。

（発明か解決しようとする課題）しかしながら、流速分布のありさまは、流量計など流体
機器の特性に大きな影響を与えるものであって、特に良
い計測粒度が要求される流量計においては、この流速分
布のありさまは、最も重視されなければならないことか
らであるため、流量計を良い精度で使用できる領域とし
ては、たとえば、オリフィスに代表される絞り式流量計
では実用領域については、およそ、Ｒｅ数が１０４以上
、タービンメータてあっても完全に乱流化された領域で
用いることを前提としている。

なかでも、流体振動式流量計に属する渦流量計ては、実
用上Ｒｅ数が１０４以上、同じ流体振動式流量計に属す
る流体論理素子流量計では、Ｒｅ数が１０４程度で圧力
損失が実用上限に近づくなどのように、使用領域の制限
があるという問題かあった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たものであり、これらのいろいろな流量計測装置に与え
られる制約、すなわち、高いＲｅ数の領域でなければな
らないとする使用条件を満たさない低いＲｅ数の領域に
おいても、良い積度、安定度で測定できる流量計測装置
を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

このため、この発明の流量計測装置は、流体機器内を流
れる流体に、圧電素子などを振動子として用い、流体機
器の外部から、強制的に高い周波数の振動を与えること
により、低レイノルズ数域の流れでも、発振した周波数
を有し、十分に発達した乱流とすることができるように
構成した乱流化装置と、該乱流化装置により乱流とした
流体の流量をするための手段を備えたものである。

〔作　用〕

流体機器内の流れに、圧電素子の振動子などを用い、流
体機器の外部から強制的に高い周波数の振動を与える乱
流化装置により、低レイノルズ数の流れでも、十分に発
達した乱流の状態にできるように慟〈。

また、乱流化装置によって乱流とした流れを、」り定す
る手段により、低レイノルズ数の流れでも精度良く検出
できるように働く。

〔実施例〕

以下にこの発明の一実施例の流体計測装置について図に
基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例の流体計測装置を示す斜視
図、第２図は同断面図、第３図は強制振動が外部から与
えられる空間、第４図は特性を示すグラフの例、第５図
は流体論理素子流量計を示す平面図である。

ｉ形肢薯第４図において、Ｆは流体のエネルギで発振する発振器
である流体論理素子、Ｍはこの流体論理素子Ｆを用いた
流体論理素子流量計、１はこの流体論理素子流量計Ｍに
流体か流入する流入口、２はこの流入口１の下流側に設
けた主ノズル、３゜３ａはこの主ノズル２から噴出した
流体と接する壁、４．４ａは前記主ノズル２から噴流の
一部が流れるフィードバックループ、５，５ａはこのフ
ィードバックループ４，４ａを通った流体が噴流となっ
て流れるフィードバックノズル、フィードバックループ
４．４′とフィードバックノズル５．５ａとによってフ
ィードバック機構を形成している。

６は流体の流出路、７はこの流出路６の下流側に設けた
流出口、８は自然に発生した発振周波数を検出するため
の検出器である半導体圧力センサ、９は前記壁３．３８
により囲まれた空間である。

前記流体論理素子流量計Ｍは、後出のコアンダ効果によ
る噴流の壁付着現象に、フィードバック機構によるフィ
ードバック作用を組み合わせて用いたことにより、流体
のエネルギで、自然に発振する発振器である流体論理素
子Ｆと、この自然に発振した発振周波数を検出する検出
器８とで構成されている。

上記の構成において、流入口１から流入した流体は、主
ノズル２から噴出するか、この流体は壁３．３ａにより
囲まれた空間９によって、直進状態を保てないで不安定
であり、壁３または３ａの何れかにかたよる。

このかたよった流れは、コアンダ効果により、その流れ
の側の壁３または３ａに強く付着して安定するという現
象を生じるのであるが、その流れの一部は、フィードバ
ックループ４または４ａを通り、フィードバックノズル
５または５ａからの噴流となる。

この噴流の作用により、かたよった主流は、反対側へ切
り換わる。反対側でも同じ現象を生じるので、自然に発
振状態を呈することになる。そして、流体は、流出路６
を経て、流出ロアから外部へ流れる。

この発振の周波数ｆは、流体論理素子流量計Ｍ内を流れ
る流体の流ＮＱに比例するものであり、次式のように表
わされる。

ｆ＝Ｃ＋Ｑ＝ｃＡｖ………＋争・………（３）ここに、
■は断面積がＡである主ノズル２内を流れる流体の平均
流速、Ｃは定数である。

流体の流れによって自然に発振した発振周波数ｆは半導
体圧力センサ８やフィードバックルー１４．４ａ内に設
けられた図示されないサーミスタ温度計などにより検出
されるのであるが、小流量においては、当然平均流速が
小さくなる。したがって、Ｒｅ数も小さい値となる。低
レイノルズ数域において、たとえば、Ｒｅ数が１０２で
も発振は生じるが、（３）式は成立しなくなり、発振周
波数は著しく小さくなってしまう。

流体論理素子流量計の諸要素である、アスベット比、オ
フセット、スプリッタ、付着壁角などによって異なるが
、Ｒｅ数１０３以上においては、流量計器差精度はおよ
そ±０．５％以内になる。しかしながら、Ｒｅ数１０４
程度において、圧力損失かおよそ実用値の上限となるの
で、微小流量域では精度良く測定できる流量範囲が狭く
なるという傾向かある。

特に微小流量用のものては、主ノズル幅も小さく、主ノ
ズル２断面が長方形であるので、局部的な流れを生じ、
流速分布も乱れ易く、このため器差粒度に悪い影響を与
えるという難点がある。

第３図は、流体論理素子流量計の器差特性及び圧力損失
特性を示したグラフの例であり、グラフからも上記の器
差粒度が悪くなることがわかる。

二尖五刊このような特性をもつ流体論理素子流量計に対し、第１
図および第２図に示したように、主ノズル２の前後ある
いはその何れかに外部から高い周波数の振動を与えると
き、流動している主な流れは、−様化され、境界層の作
用の軽減化が行われ、流れに与える影響が弱まり低レイ
ノルズ数領域でも乱流状を呈することになる。

以下に、この発明の一実施例について、第１図および第
２図に基づいて詳細に説明する。前記背影技術の説明に
おけると、同一部分または相当部分は同一符号を用い、
説明の重複をさける。

１０はこの実施例の流体計測装置、１１はこの流体計測
装置１０に取り付けた強制振動を発振するための圧電素
子などの振動子１１ａを用いた乱流化装置、１２はこの
強制振動が、外部から与えられる空間、１３はこの空間
１２の外部の流量計の上蓋で、この上１ｉ１３などの適
当な場所に振動子１１ａを装着することにより乱流化装
置１１を付設するようになっている。この−実施例では
振動子１１ａを主ノズル２の下流側の上蓋１３に装着し
た場合について説明する。

１４は光ファイバ、１５はボール、１６は前記光ファイ
バ１４．ボール１５を用い前記乱流化装置１１の振動子
１１ａからの高い周波数の振動を流体に与えることによ
る強制振動により発振した周波数を検出する装置である
シャトル形の周波数検知器である。

１７は流量測定手段であり、この流量測定手段によって
、フィードバックループ４，４ａ間の差圧のため、管内
のボール１５の左君動を生じるシャトル形の検出器１６
を用いて、前記強制振動により発振状態になった流体の
振動の発振周波数ｆａを検出し、流量を測定するように
なっている。

流体論理素子の原理が二次元現象であることから、主ノ
ズル２の断面は長方形状となるため、偏角による局部的
流れも生しるのであるか、乱流化装置１１を、流入口１
の下流側から空間１２に至る部分の上蓋１３に付設し、
主ノズル２からの流体に、圧電素子１１ａを励磁するこ
とによって強制的に発振した高い周波数の振動を与える
ため、主ノズル２内の流速の均一性は改善され、流れの
粘性力が抑制され、低レイノルズ数域の流れであっても
、十分に発達した乱流とすることができる。

これにより、この乱流となった流れについては、前出（
３）式が低Ｒｅ数域においても当てはまることになり、
第３図において破線で示したように、計測精度がよい領
域が小流側に伸びる。このため、流量が１０１１７ｈ以
下の超微小流量計か実用化できることになり、また、計
測できる流量範囲も著しく拡大される。

なお、振動子１１ａの周波数は、数十ｋＨ２と、流量計
の発振周波数ｆ１か１〜数百Ｈ２の傾城であるのに比べ
、桁違いに高いため、発振周波数ｆ、に与える影響はな
い。このようなことから、この一実施例による手法を、
乱流化と呼び、これを実現させるための装置と称するこ
とにした。

これまで、渦流量計によって代表されただけであった流
体振動式流量計は、流量に比例した周波数出力が得られ
る、機械的な可動部がない、測定精度が良い、気体、液
体、スチームのすべての測定が可能である、流量範囲が
広くなどの長所かあり、他の流量計に比べて利点が多い
ものであるが、やや圧力損失が大きく、また低Ｒｅ数域
の測定に向かない、Ｒｅ数１０３以上、実用上はＲｅ数
１０４以上とされ、小流量計測に不適当である。

同じ流体振動式流量計に属する流体論理素子流量計は、
渦流量計とは相補関係にありＲｅ数１０４以下の低Ｒｅ
数域に向いているが、流路が長方形断面であることから
円断面の流路に比へて流速の均一性が失われ易く自ら低
Ｒｅ数域に制限かあるものであった。

この制限を乱流化装置を用いることにより解除すると、
流体論理素子流量計の流量範囲は低Ｒｅ数側に近接され
著しく拡大さると同時に、１０ＩＬ／ｈ以下の超微小流
量の計測も可能となる。

渦流量計とともに、流体論理素子流量計は、きわめてす
ぐれた特性を、超微小流量から大流量に至るまで、きわ
めて広い領域に適用されることが可能となる。

以上述へたように、この発明の一実施例においては、液
体機器である流体論理素子流量計Ｍの流体論理素子Ｆ内
を流わる流体に、圧電素子などを振動子１１ａとして用
い、流体論理素子流量計Ｍの外部から高い周波数の振動
を与えることにより、乱流化するための乱流化装置１１
を設けたことにより、低レイノルズ数域の流れでも、強
制的に発振した周波数ｆ、を有し、十分に発達した乱流
とすることができ、また、この乱流化した流体の流量測
定手段１７を備えたため、低レイノルズ数領域にわたっ
て、良い精度、安定度で流量の測定ができる。

なお、乱流化装置は、流体振動式流量計だけでなく、乱
流であることを前提としたいろいろな流量計について、
低Ｒｅ数域の特性が改善される。

さらには、流量計以外の流体機器にも適用されるので、
床用の範囲が広い。

〔発明の効果〕以上に、説明してきたように、この発明の流量計測装置
によれば、流体機器内を流れる流体に、圧電素子などを
振動子として用い、液体機器の外部から高い周波数の振
動を与えることにより乱流化するための乱流化装置を設
けたことにより、低レイノルズ数域の流れでも、十分に
発達した乱流とすることができ、また、この乱流化した
流体の流量測定手段を備えたので、低レイノルズ数領域
を含む広いレイノルズ数領域にわたって、良い精度と安
定度て、流量の測定を可能とした流量計測装置を提供で
きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に一実施例の流量計測装置を示す斜視
図、第２図は同断面図、第３図は強制振動が与えられる
空間、第４図は特性を示すグラフの例、第５図は流体論
理素子流量計を示す平面図である。１・・・・・・・・・流入口２・・・・・・・・・主ノズル７・・・・・・・・・流出口１０・・・・・・流体計測装置１１・・・・・・乱流化装置１１ａ＝・・・・振動子１７−・・・・・流量測定手段各図中、同一符号は同一部分または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

流体機器内を流れる流体に、圧電素子などを振動子とし
て用い、流体機器の外部から強制的に高い周波数の振動
を与えることにより、低レイノルズ数域の流れでも十分
に発達した乱流とすることができるように構成した乱流
化装置と、該乱流化装置により乱流とした流れの流量を
測定するための手段を備えたことを特徴とする流量計測
装置。