JPH0561570B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 流体を流通せしめて予め定められた方向に案
内する、一定内部形状を有する主導管２０と、 上記主導管内の略中心に支持部材１４，１４Ａ
によつて取り付けられ、周辺部とこの周辺部近傍
に存する上記主導管２０の内面部分２１とによつ
て画定される略環状の領域１７Ａを上記流体が通
るように上記流体を偏向せしめる、上記主導管２
０よりも小さい流体変位部材１０を備え、 上記流体変位部材１０は、互いに反対側に傾斜
した２つの壁部１８，１９を備え、上記２つの壁
部はそれぞれの大端部で互いに連結されて、上記
主導管２０を流れる流体を流れ方向に略直角に延
びる平面を画定する周辺縁部１７を上記大端部に
形成し、 上記壁部１８，１９は、上記流体の流れの上流
側に軸方向に延びる内側に傾斜した第１傾斜壁部
１８と、上記流体の流れの下流側に軸方向に延
び、その軸方向の延びが上記第１傾斜壁部のそれ
よりも小さい内側に傾斜した第２傾斜壁部１９を
含み、 上記第１傾斜壁部１８は、上記主導管２０を流
れる流体の予め定められた流量範囲にわたつて上
記領域１７Ａの流速分布を線形化するように、上
記周辺縁部１７によつて画定される平面に対する
傾斜角を有し、 上記周辺縁部１７はこの周辺縁部の下流側の流
れに渦を発生せしめ、 上記第２傾斜壁部１９は、上記流体変位部材１
０より下流側で流体が自由流れ状態に取り戻す際
に上記流体の戻り速度を最適化するように上記周
辺縁部１７によつて画定される平面に対する傾斜
角を有することを特徴とする流体流動装置。

２ 上記支持部材１４，１４Ａは、上記流体変位
部材１０に近接して設けられかつ上記流体変位部
材１０よりも小さい近位端部を有する支持アーム
１４，１４Ａからなり、上記支持アーム１４，１
４Ａは上記第１傾斜壁部より上流側に軸方向に延
び、また、上記支持アーム１４，１４Ａの上記近
位端部は、上記主導管２０と上記流体変位部材１
０と上記支持アーム１４，１４Ａの上記近位端部
の中心線が略同軸になるように上記流体変位部材
１０を上記主導管２０内に取り付ける請求項１記
載の装置。

３ 上記支持アーム１４，１４Ａは、上記流体変
位部材１０より上流側で上記主導管２０の壁部に
挿通されかつ固定される遠位端部を有すると共
に、曲げ部を介して上記近位端部に向かつて下流
方向に曲がつている請求項２記載の装置。

４ 上記支持アーム１４，１４Ａは中空であつ
て、上記流体変位部材１０と上記主導管２０の外
部とを連絡する請求項２又は３記載の装置。

５ 上記支持アーム１４は中空であつて、上記支
持アーム１４の上記近位端部は、上記主導管を通
過する流体の一部を、遠位端部２３が上記流体変
位部材１０の上流側に位置すると共に流体変位部
材１０近傍の近位端部が上記領域１７Ａの下流側
に位置する補助流体路に沿つて分流させるため
に、上記流体変位部材１０内に延在しており、ま
た、上記補助流体路に接続されてこの補助流体路
の流れを有効に測定する手段を備えた請求項２，
３，４のいずれか１つに記載の装置。

６ さらに、上記領域１７Ａの下流側にある上記
主導管２０内の流体と連通して、上記流体変位部
材１０の上記周辺縁部１７から発生した渦によつ
て起こる上記流体の圧力変動を感知するセンサー
手段２５と、 上記センサー手段２５に連結されて上記主導管
２０内の流体の流れを上記圧力変動の関数として
決定する処理手段２７とを備えた請求項１乃至３
のいずれか１つに記載の装置。

７ 流体を流通せしめて予め定められた方向に案
内する、一定内部形状を有する主導管２０と、 上記主導管内の略中心に支持部材１４，１４Ａ
によつて取り付けられ、周辺部とこの周辺部近傍
に存する上記主導管２０の内面部分２１とによつ
て画定される略環状の領域１７Ａを上記流体が通
るように上記流体を偏向せしめる、上記主導管２
０よりも小さい流体変位部材１０を備え、 上記流体変位部材１０は、互いに反対側に傾斜
した２つの壁部１８，１９を備え、上記２つの壁
部はそれぞれの大端部で互いに連結されて、上記
主導管２０を流れる流体を流れ方向に略直角に延
びる平面を画定する周辺縁部１７を上記大端部に
形成し、 上記壁部１８，１９は、上記流体の流れの上流
側に軸方向に延びる内画に傾斜した第１傾斜壁部
１８と、上記流体の流れの下流側に軸方向に延
び、その軸方向の延びが上記第１傾斜壁部のそれ
よりも小さい内側に傾斜した第２傾斜壁部１９を
含み、 上記第１傾斜壁部１８は、上記主導管２０を流
れる流体の予め定められた流量範囲にわたつて上
記領域１７Ａの流速分布を線形化するように、上
記周辺縁部１７によつて画定される平面に対する
傾斜角を有し、 上記周辺縁部１７はこの周辺縁部の下流側の流
れに渦を発生せしめ、 上記第２傾斜壁部１９は、上記流体変位部材１
０より下流側で流体が自由流れ状態を取り戻す際
に上記流体の戻り速度を最適化するように上記周
辺縁部１７によつて画定される平面に対する傾斜
角を有し、 さらに、上記主導管２０を通過する流体の一部
を、一端２３が上記流体変位部材１０の上流側に
位置すると共に他端が上記領域１７Ａの下流側に
位置する補助流体路に沿つて分流させる、上記主
導管２０よりも小さい第２の導管１４と、 上記補助流体路に接続されて上記補助流体路内
の流体の流れを測定する測定手段２４を備えたこ
とを特徴とする流量測定装置。

８ 上記第２の導管１４は上記流体変位部材１０
のための上記支持部材からなり、上記主導管２０
の中心線と上記第２の導管１４の下流側端部の中
心線と上記流体変位部材１０の対称軸が実質的に
同軸である請求項７記載の装置。

９ 上記測定手段２４は、上記補助流体路に配置
されて上記補助流体路を通る流体の総量を算定す
るトータル手段である請求項７または８記載の装
置。

１０ 上記測定手段２４は、上記補助流体路２２
に配置されて上記補助流体路を通る流体の流量を
算定する流量計手段である請求項７または８記載
の装置。

１１ 上記測定手段は上記領域前後の差圧を計測
する手段である請求項７または８記載の装置。

１２ 上記測定手段は、上記補助流体路２内に装
着されて上記補助流体路の上記両端部間の差圧を
計測する変換器である請求項７または８記載の装
置。

１３ 上記第１傾斜壁部１８は上記流体変位部材
１０の周辺縁部１７によつて画定される上記平面
に対して少なくとも約39゜の角度をなして、上記
平面より上流側に延びる請求項１乃至１２のいず
れか１つに記載の装置。

１４ 上記第２傾斜壁部１９は上記流体変位部材
１０の周辺縁部１７によつて画定される上記平面
に対して少なくとも約22°の角度をなして、上記
平面より下流側に延びる請求項１乃至１３のいず
れか１つに記載の装置。

（産業上の利用分野） この発明は流体流動装置および流体変位型式の
流量測定装置に関するものである。

（技術背景） 流量計の設計および実現に関連した、時に厄介
な問題はパイプ断面を流通する際の固有の流体速
度分布の非直線性に起因するものである。例え
ば、流体とパイプ壁間の相互作用により速度分布
が曲線状となり、該パイプ中心部の付近における
流体速度はパイプ壁付近の流体速度より大きなも
のとなつている。この問題の複雑性は流体流量変
化が流体速度分布の非直線的な変化をもたらすこ
とにある。

実際上、流動状態がどのようであろうとも、速
度分布の非直線性は当該流体の平均速度および関
連平均断面積に変換することができる。しかしな
がら、この方法は、流体流動状態の変動が平均速
度およびその関連横断面積を非直線的に変化させ
るから上記非直線性問題を解消するものではな
い。

これまで、上述した流体速度分布の非直線特性
は流量計の設計において不制御変動量として受け
入れられてきており、そのような非直線性は当該
流量計が許容誤差限界内で作動可能とされる流量
条件範囲を必然的に低下させるものと認識されて
きた。この範囲は流量計の線形測定能（linear
rangeability）と称せられ、本発明がなされるま
で概して極めて制限されたものであつた。たとえ
ば、代表的に公知のオリフイスプレートを用いた
流量計は約３：１のオーダーの線形測定能を示す
に過ぎない。

また、非線形性問題は渦計として知られる流量
計の他の型式のものにおいても生じる。簡単に言
えば、可動流体中に置かれた対象物がそれらの縁
部から渦を発生せしめ、渦発生率は幾分かは該対
象物の周囲の流体速度の関数であるとしてよく知
られている。そのような渦流量計の説明用具体例
として、米国特許第4404858号および第4416159号
がある。この種の渦計は、オリフイスプレートと
同様、上述のごとく検討したように流体速度分布
の非線形性のためにその線形測定能が著しく制限
されている。

上記従来技術の種々の欠点に関して、流体速度
分布の非線形性低減化機能を備えた流量計を提供
することは大いに望ましいことでありかつ有益で
ある。これに関して、そのような非線形性を低減
可能とするには広範囲の線形測定能を有する流量
計としなければならないであろう。非直線性は流
量条件の比較的広範囲にわたつてある程度まで低
減させることができ、もしそうであれば、そのよ
うな線形測定能を有する流量計は広汎に変化する
流動条件下および広汎な種々の工業的応用におけ
る流動測定に時に有用なものとなろう。

（発明の開示） 上述したように、本発明の目的は流体速度分布
と関連する非線形性の低減手段を組み合わせた流
体流動装置および流体変位型式の流体測定装置を
提供することにある。

本発明の他の目的は流体流動条件の比較的広汎
な範囲にわたり非線形性を低減せしめ、これによ
り当該測定装置の線形測定能を増大せしめるよう
にした流量測定装置を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は固体とか他の異物が
存在する流体環境において使用可能性を有する流
量測定装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は構成が簡単であり、比
較的安価に製造出来かつ上述した種々の望ましい
特徴を有する流量測定装置を提供することにあ
る。

簡単に言えは、本発明の上述した目的およびそ
の他の目的は流体を流通せしめるパイプすなわち
導管におけるほぼ中心部に配置される流体変位部
材によつて実現される。この流体変位部材は、流
体の流動方向と略直角を成すように装着されかつ
その直径がパイプの内径よりも小さくされ、該流
体が変位せしめられるとともに当該流体変位部材
の周辺部およびその周辺部の近傍のパイプ内面に
より画定される領域内を流通せしめられる。

上記流体変位部材は、互いに反対側に傾斜した
２つの傾斜壁部を有する。これらの傾斜壁部は、
それぞれの大端部で互いに連結されて、これらの
大端部に、主導管を流れる流体の流れ方向に対し
て略直角な平面を画定する周辺縁部を形成する。
上記傾斜壁部の第１のものは、内側に傾斜すると
共に、流体の流れ方向において上記周辺縁部から
上流側に軸方向に延びている。実験的および論理
的に検討した結果、このような傾斜壁部が流体と
相互に作用し合うことによつて、上記第１傾斜壁
部と上記主導管の内面との間の間の領域を流体が
通過するときに非常に高い線形性を有する流体速
度分布が得られ、しかもこの非常に高い線形性は
予想外に広い範囲の流量に対して得られるので、
予想外に高い線形測定能を持つた流量計となるこ
とが明らかになつた。

傾斜壁部が上記周辺縁部から上流側に延びる度
合い、即ち傾斜面は、実際面から制限される。一
般的に言えば、延長部を大きくすればする程、上
記領域における速度分布の線形化が高められる。
しかしながら、延長部を大きくすることによる欠
点は、該領域前後の差圧がその分低下し、その結
果精度に関して高信頼性をもつて測定を行うこと
が困難となることである。したがつて、入手でき
る装置の圧力測定能力には実用面で限界がある。
最終目的が該領域での流体速度分布の線形性を最
大にする一方、測定精度を確保すべく該領域前後
の差圧を十分に大きなものに維持することである
からである。

また、上記流体変位部材は、上記周辺縁部から
内側に傾斜すると共に下流側に軸方向に延びる第
２傾斜壁部を有して、この流体変位部材前後の管
路圧力降下を最小なものにするとともに主導管に
おける自由流状態を再び戻した際の該流体の戻り
速度を最適なものにする。

流体速度分布を略線形にできることから、複数
の流量測定装置のいずれか１つに、上述した流体
変位部材を組み込むことができる。そのような装
置の１つにおいて、一端を流体変位部材の上流側
に他端を上記領域の下流側でその直ぐ後方に有す
る補助つまり２次流体路に沿つて、主導管を流通
する流体の１部分を分流させる導管手段が設けら
れる。該領域前後の差圧は補助流体路の両端部間
の差圧を表す。この補助流体路の寸法を選定する
ことによつて、当該補助流体路に沿つて分流させ
られた流体と主導管つまりパイプを流通する残り
の流体との間に一定の比例関係が存在するように
するとともにこの関係が当該流量測定装置の全線
形範囲にわたつて成立するようにする。補助流体
路内にトータル手段を配置してそこを流通する全
流体容量を測定し、この測定値に予め定められた
一定係数を乗算してパイプつまり主導管を流通す
る流体の全容量を算定する。上記トータル手段
は、比較的小さなタービンの形態を取ることが出
来る。

上記流量測定装置の変形例において、上記トー
タル手段は補助流体路を流通する流体流量を測定
する流量計手段で置換しても良い。この流量計手
段は、従来の回転計の形をとることができる。こ
の測定方法では同様にして予め定められた一定係
数を乗算してパイプつまり主導管を流通する流体
流量を算定する。

上述した流量測定装置のもう１つの変形例で
は、補助流体路を横断して圧力変換器が配置され
る。この流量測定装置においては、流体は補助流
体路に沿つて流れないが、該補助流体路の両端部
に存在する異なる圧力により当該圧力変換器を横
断してある差圧が確立されよう。この差圧は、当
該領域を流通する流体速度分布の非直線性が低減
されてしまつているので、全容量若しくは流量の
いずれか一方または両方を精度の点で高信頼性を
もつて算定することを可能とする。

本発明の更に他の実施例において、流量測定装
置に複数の圧力変換器を該領域の下流側に配置し
て流体変位部材の周辺部から発生される渦巻に起
因する圧力変動を感知するようにしている。これ
らの圧力変換器は、上記圧力変動の周波数を全容
量もしくは流量のいずれか一方または両者に変換
するプロセツサと組み合わされる。

【図面の簡単な説明】

上述した本発明の目的、特徴およびその取り扱
い方法並びにその他の目的、特徴および取り扱い
方法が明らかにされ、本発明は添付図面を参照し
ながら以下の説明によりより良く理解されるであ
ろう。

第１図は本発明の好ましい１実施例において、
流体が左側から右側に流れている主導管つまりパ
イプの断面部に装着された流体変位部材の部分断
面図であり、第２図は第１図に示す流体変位部材
を適用した差圧型流量計の部分断面図であり、第
３図は第１図に示すものと同様の流体変位部材を
適用した渦計の部分断面図であり、第４図は第１
図に示す流体変位部材の１実施例の側面図であ
り、第５図は第４図の５−５線から見た流体変位
部材の正面図である。

（実施例） 添付図面において、特に第１図は本発明にした
がつて構成された本発明の好ましい実施例におけ
る流体変位部材１０を示す。詳述すると、流体変
位部材１０は、縦方向に貫通して延びる穴１２を
有するとともに後方端部つまり下流端部に開口１
３が形成されている略円形のデイスク１１から構
成される。穴１２は中空支持アーム１４の末端部
を受容する大きさとされ、該支持アーム１４の内
側延長部が一体形成肩部１５により限定されてい
る。可動固定部材、例えば図示するような固定ね
じ１６により支持アーム１４にデイスク１１が固
定される。

デイスク１１は支持アーム１４に主導管つまり
パイプ２０の断面図の長手軸と実質的に同軸状に
配置して装着される。該デイスク１１の縁部つま
り周辺縁部１７より画定される平面はパイプ２０
を貫通する流体流の方向に対し実質的に垂直とさ
れる。周辺縁部１７とパイプ２０の内面２１間
に、実質的に一定断面積を有する円環状空間つま
り領域１７Ａが画定され、流体は該円環状領域１
７Ａをパイプ２０に沿つて流動し、デイスク１１
によつて形成される障害物の回りを通過する。

流体が上述した領域１７Ａを通過する際の流体
速度分布を線形化する手段、即ち流体速度分布と
関連した非直線性を低減する手段は、周辺縁部１
７から外方に延びる傾斜壁部１８をデイスク１１
の上流側に面した側面に設けることにより構成さ
れる。また、該周辺縁部１７の反対側に傾斜壁部
１９が形成され、該傾斜壁部１９の外延部は傾斜
壁部１８の外延より小さくされる。

上述した流体変位部材は複数の流量測定系を形
成するのに用ることができる。そのような系の一
例は第２図を参照すれば完全に理解できよう。更
に詳しくは、第２図はパイプ２０を貫通して延び
る小形導管２２と流体連結された中空支持アーム
１４を有する流量測定装置を示している。上記小
型導管１０の入口２３は、流体変位部材１０の上
流側で流体流中に配置される。このようにして、
入口２３と該デイスク１１の後方端部の開口１３
間に補助流体路が形成される。入口２３と開口１
３間に存在する圧力差を利用して補助流体路中に
複数の公知の流量測定機器を配置してパイプ２０
を流通する流体流を測定することが出来る。この
種の機器は概略的かつ一般的に参照符号２４を付
して示される。

第２図に示される型式の流量測定装置はバイパ
ス流量計から構成され、そこにおいて参照符号２
４は補助流体路に沿つて入口２３から開口１３で
連絡する流体の全容量を測定するために該補助流
体路中に装着された小形タービンを示す。該補助
流体路を流通する流体は該パイプ２０を介して流
れる流体と一定の関係を有し、よつて当該バイパ
ス流量測定装置を流通する全流体量を定めること
が出来る。

上述した流量測定装置の変形例において、上記
タービンに代えて公知の回転計を用い、それによ
りパイプ２０を流通する流体の流量を定めること
が出来る。

他の変形例において、補助流体路に差圧変換器
を装着して直接的に入口２３と開口１３間の差圧
を感知するとともに測定することができる。該圧
力変換器の出力は図示しないマイクロプロセツサ
と接続され、全流体量または流量のいずれかまた
は両者に定められる。

第３図は、本発明のもう１つの応用例である、
渦計を製造するのに適用された実施例を示す。更
に詳しくは、好ましくは後方端部に開口を有しな
い中実体とされる点を除き、第１図および第２図
の流体変位部材１０と実質的に同様の流体変位部
材１０Ａが支持アーム１４Ａを介してパイプ２０
の断面部に実質的に同軸状に支持される。複数の
圧力センサー２５が流体変位部材１０Ａを下流部
に装着され、それらのセンサー２５は周辺部１７
から発生する渦動によつて起こる流体の圧力変動
を検出する。これらの圧力センサー２５は電気リ
ード２６を介してプロセツサ２７と接続され、該
プロセツサ２７は圧力変動周波数を測定しかつ該
周波数を全流体容量もしくは流量のいずれかまた
は両者に変換する。

本発明がパイプを流通する流体流と相互に作用
して該流体速度分布と関連する非直線性を低減せ
しめる正確なメカニズムは完全にはわかつていな
いが、流体変位部材がこの流体変位部材から下流
に延びるパイプ内に撹流領域を生成し、該領域が
流動状態変化に応じて拡大しまたは縮小するもの
と思われる。この結果、本発明を実施した流量計
は、著しくかつ予期しない広い範囲にわたる線形
測定能を呈する。

本発明は第４図および第５図を参照することに
よりより良く理解することが出来る。この図面は
パイプの所定断面内の線形測定能を確かめるため
に組み立てられかつ実験研究に付された特殊な実
施例を示す。図面中に示される寸法は角度以外は
インチで表される。

試験リグは、公称断面内径10.156インチ
（25.796cm）を有するパイプ延長断面内に第４図
および第５図に示す流体変位部材を装着して構成
した。複数のねじタツプが当該パイプに沿つて軸
方向に間隔をもつて設けられ、流体変位部材の上
流側、周囲および下流側の種々の位置で圧力測定
を行うために、流体流中に圧力プローブを挿入可
能にした。パイプに水を流すことにより、各タツ
プで種々の流量条件における圧力測定を行い、次
いでこれらの測定結果の相関を求め、各流動条件
に対してパイプの長さに沿つた圧力分布を求め
た。これらの圧力分布を検討したところ、流体の
自由流圧力が降伏し始める点は流量の関数となつ
ておりかつ流量が増大するにつれて該点が流体変
位部材よりさらに上流側に移行することが明らか
となつた。

また、圧力測定により各流量条件に対し流体変
位部材前後の圧力降下を算定し、圧力降下を一軸
上に、流体流量の２乗値を他軸上にプロツトした
グラフを得た。このブロツトデータは実質的に一
定傾斜の直線であり、当該試験リグは水約500〜
4500ガロン／分（1892〜17033リツトル／分）の
範囲内で顕著にかつ予想外に大きな線形測定能を
有することが示された。

上述したことから、この明細書に開示された本
発明は液体および気体の両流体の測定に有用であ
り、前述したような各目的に寄与するものである
ことが理解される。しかも、本発明は補助流体路
に沿つた流体測定のための機器を除いて可動部分
を有さず、構造が全く簡単であることに注目すべ
きである。このように、本発明は特に公知の流量
計を破損せしめるような固体を含有する流体環境
においても非常に有用なものである。

また、この発明の装置は２つの流体、例えば２
種類の液体もしくは気体又は液体と気体を効果的
に混合する装置として使用することが出来る。こ
の場合、一方の流体が主導管に供給されるととも
に他方の流体が小形導管に供給される。

本発明の種々の実施例を開示したが、請求の範
囲に詳述されるように本発明の要旨および範囲を
逸脱することなく種々に変更し、改良しかつ変形
し得るものと理解しなければならない。例えば、
第４図および第５図は特定の実施例における構成
部品に対する特定数値を示すものである。これら
の数値は単に本発明の特定実施例の数値例を示す
に過ぎないと考えなければならない。したがつ
て、この開示は限定的意図は含まれないとともに
本発明の種々の変形例もその要旨および範囲内の
ものであると理解しなければならない。