JPS5845648B2 - 渦流型流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔開示の摘要〕 流れ管内に取付けた障害物組立体が流量の関数である煩
度でうすを発生する渦流型流量計。

この流量計は流れの方向に対して直角をなして流れ管を
横切るように固定されたブロックを具備し、このブロッ
クの横断面は実質的に四角形で入って来る流体に対して
平坦面が直面する。

このブロックの幅はその中間点が最大値で両端にむけて
次第に狭くしてあり端部でその最小値に達し、ブロック
の上面と下面とをふくらませて前面を両凸面にしである
。

その幅の最大値で有効な流れの流出作用をなし、ブロッ
クの幅の平均値は流量計によって生ずる圧力降下を実質
的に減少させるため最大値よりはるかに小さくしである
。

〔発明の背景〕

この発明は渦流型流量計、より詳細には流量計の作動効
率をそこなわずに流量計の圧力降下を最少限にする渦流
型流量計の形状体に関する。

ある種の環境にあっては、流れ管内に障害物があると周
期的なうすが発生する。

レイノルズ数が小さい場合には、下流側の伴流は層流を
呈するが、レイノルズ数が増加するにつれて、規則正し
い渦流パターンになる。

こうしたパターンをカルマンのうす列と呼んでいる。

うすがカルマンのうす列に放出される頻度は流量の関数
である。

米国特許第３，５８９，１８５号に開示されているこの
渦流型流量計では、流れ管内に取付けられている障害物
組立体は流体の流れの方向に対してその長手軸線が直角
をなすように流れ管を横切って配設されたブロックで構
成してあり、ブロックの後方にギャップが出来るように
ブロックから間隔をとってストリップが支持され、その
ギャップでカルマンのうずを捕え、うず列を強力にし安
定するようにしである。

このうす列を検出して流量に比例する周波数を持つ信号
を発生させている。

米国特許第３，８６７．８３９号に開示されている障害
物組立体は流れ管を横切るように取付けられたブロック
を利用するものであるが、このブロックの横断面が三角
形をなし、その頂点が入って来る流体の方に向けられて
いる。

円筒形を含む別の形の横断面の障害物は米国特許第３，
１１６．６３９号と、米国特許第３，５７２，１１７号
に開示されている。

円筒形のうず発生体の利益とする点は物理的に強く、機
械的に安定していて、数多くの感知装置を取付ける内部
スペースが広くとれることである。

ところがこうした利益は、円筒形うず発生体を使用する
ことの不都合な数多くの問題点以外に、円筒形であるが
故に不規則なうず発生作用を招き、定計器係数の作動範
囲か余り広くないという事実によって相殺されている。

平坦な板体がうず発生に頗る強力な作用を呈することは
周知である。

ところが、平板は物理的に弱く、感知装置を収容するた
めの光分な内部スペースがとれない。

たとえば、米国特許第３．９４６．６０８号の障害物体
はその横断面が不等辺四辺形であって、この形状ではこ
の物体の後方より片持ち支持されている振れることの出
来る部分の振動を障害物体の内部管路を貫通する棒で外
部結合部に機械的に伝達することができるようになって
いる。

ところがこれは障害物体が平板では行うことが困難であ
る。

従来周知の型式の障害物組立体に招かれる支障は比較的
小型の流量計に集中している。

したがって、流れ管の直径が５ｃｆ／Ｌで、平板障害物
を具備する渦流型流量計を製造できる製造業者は僅か一
社だけである。

しかし、この障害物の形状による感知装置に課せられる
制約とそれに付随する水力学上の諸問題とは、これら流
量計が作動する上できりぎりの限度と言えよう。

米国特許願第７５８，４８９号には・機械的に水力学的
に効果的であって、その内部容積が感知装置を収容する
余裕を十二分に備え、低レイノルズ数で効果的にうずを
発生することができ、±１％以上の計器直線性を呈する
小径渦流型流量計の障害物組立体を開示している。

前記特許出願に開示しである組立体は流体の流れの方向
に対して直角をなして流れ管を横切るように配設したブ
ロックと弾性ビームでブロックの背後に片持ち支持され
た感知板とを具備し、ブロックにより発生されたうすが
流体振動を生じ、板を流量に比例する振動数で振動する
ようにしである。

ブロックの平坦な前面が入ってくる流体に面し、ブロッ
クの後方の両端縁が斜めに切ってあって狭い面積の平坦
な後面を構成しである。

このようなブロックの形状によって障害物組立体のうず
発生特性を高め低レイノルズ数で実質的に直線性の流量
測定量を発生する。

前記出願に開示されている型式の流量計においては、そ
のうず発生特性は主にブロックの幅によってきめられて
おり、障害物の幅か広ければ広いほど、所定流量につい
てのうず発生頻度が少い。

流量計を満足ゆくように作動させるには、障害物の幅の
流れ管の内径に対する比を余り小さくしすぎてはならな
いということが長い間認められていた。

しかしこの関係は決定的なものではなく、前記特許出願
に指摘されているように、障害物として許容できる幅は
流れ管の内径の約０．１５ないし０．３５の範囲内とす
ることができる。

流れ管内に渦流型流量計を挿入すると、その障害物の幅
の２乗にほぼ等しい圧力降下を流れ管内に生ずる。

それゆえ、障害物の幅が広ければ広いほど圧力効果は大
きくなる。

したがってうず発生特性を良くするように幅を広くした
障害物は、通常、相当な圧力降下を招くものである。

圧力降下か大きいと実際上ある種の欠点かある。

すなわち、圧力降下を補うために、ポンプ動力を必要と
し、結局は装置の設備費と作動費とに影響を及ぼす。

さらに、系統圧力が低いと流量計は高流量時にキャビテ
ーションを生ずる− 従来周知の障害物の形状は、前記出願のものを含めて、
障害物の幅を狭くすることだけで流量計の圧力降下を減
することができたのであるが、この圧力降下の軽減は専
らそのうず発生特性を犠牲にして達成しているのである
。

それゆえ、従来は流量計の作動に悪い影響を及ぼさずに
圧力降下を実質的に軽減することは出来なかったのであ
る。

〔発明の要約〕

以上に述べたところからして、この発明の主目的は機械
的に水力学的に効果があり、しかも圧力降下か割合に少
い渦流型流量計の障害物組立体を提供することにある。

さらに詳しく述べれば、この発明の目的は低レイノルズ
数にて効果的にうすを発生することかでき計器直線性を
±１％以上とするようにした形状の障害物組立体を提供
することにある。

この発明の特徴は実に、前記米国特許出願に開示されて
いる型式の障害物組立体の利益をすべて兼備すると共に
、それによって招かれる圧力降下をその出願の発明に係
る組立体によって生ずるものより遥かに低いものとする
ことにある。

それゆえ、この発明による障害物組立体では、圧力降下
か最少限度に保たれ、圧力降下を補うためのポンプ動力
の必要性をなくシ、キャービテーション発生のおそれを
回避するものである。

簡単に説明すれば、以上の諸量的は所定の内径の流れ管
内に取付けられる障害物組立体を備えた渦流型流量計に
よって達成されるめであって、この組立体は流体の流れ
の方向に対して直角に流れ管を横切るように配設した一
般に長四角形の横断面のブロックから成っていて、その
ブロックの平坦な前面に入って来る流体が当るようにし
である。

弾性ビールによってブ七ンクの背後に感知板が片持ち支
持され、ブロックによって生じたうずが流体振動を生じ
て板を流量に比例する振動数で振動させる。

この板の振動は内部リンク装置によって外部センサに伝
えられる。

ブロックの幅はその中央部で最大値であって両端に向う
に従って徐々に減少し、両端部で最小値にしである。

したかつてブロックの上面と下面とは鐘状をなし、前面
は両凸面状をなしており、出来上ったブロックの形状は
代表的な流速プロフィルに適合している。

ブロックの幅の最大値は流れ管の内径の約０．２０ない
し０．３５倍とすることが好ましく、この関係によって
効果的なうず発生作用を行わせるのである０ブロツクの
幅の最大値はその最小値より約１．０５ないし２倍大き
いことが望ましい。

それゆえ、平均幅は最大幅よりも相当に小さい。

流量計によって伴なわれる圧力降下は平均幅の２乗の関
数であるから、最大幅から成る幅の変わらない障害物を
備えた流量計の圧力降下よりも相当に低い。

〔発明の説明〕

米国特許第３，８６７．８３９号に開示されている渦流
型流量計においては、その障害物組立体は頗る安定した
流体振動を発生し、その組立体の振れることができる部
分をその流体の振動数に該当する割合で振動させるのに
適している。

こうした機械的振動は振れることのできる部分内に増付
けた１個以上のひずみ計で感知されて、その周波数が流
体の流量に比例する信号を発生する。

第１図ないし第４図に示したこの発明の流量計では、障
害物組立体の振れることかできる部分の振動は流れ管の
外部の力センサで検出される。

ところがこの発明は、障害物組立体が感知装置について
適轟なスペースを提供するものであることを示すために
外部センサ装置として示しであるが、この発明は広い意
味では圧力降下を軽減するための障害物組立体の形状を
主体とするものであるから、この発明は渦流型流量計の
外部センサ装置には当然のこと内部センサ装置にも、ま
たサーミスタ、圧力センサなどのような他の感知装置を
備えた渦流型流量計にも適用することができるものであ
る。

第１図ないし第４図に示す流量計は水攻法装置の水管路
その他流れの状態が正しいか否かを知るために流量をし
はしば検査する必要かある環境にある水管路に挿着した
流れ管１０を具備する。

そのため、流れ管には水管路に結合するのに便宜なよう
に端部フランジを設けることができる。

流れ管１０内には障害物組立体１１が取付けられている
。

この組立体は振れることのできる部分を具備する。

この部分はカルマンのうず列に応答し、流量に比例する
振動数で振動する。

障害物組立体中に棒１２とプローブ１３とから成る振動
伝送器が組み込まれている。

円形横断面のものとして示しである流れ管１０は測定さ
れるべき流体が導入される入口１０Ａを備えている。

流れは障害物組立体１１につき当って、障害物のまわり
に流れを分け、カルマンのうす列の形の流体の乱れを生
じさせる。

障害物組立体は横方向に増付けたブロック状の前方部分
１４と可撓性ビーム１６の形式の片持ち支持部材で前方
部分の背後に増付けた後方部分１５とで構成されている
。

前方部分のブロック１４はその横断面が大体四角形で、
その軸線は流れ管の流れの軸線に対して垂直で、平坦面
ＦＦが入って来る流体に直面している。

前方部分のフロック１４の両端は流れ管の管壁に固定さ
れているので、このブロックは流れ管内に定着されてい
る。

ブロックの幅はその中央部で最大値であり、両端部に向
けて次第に減少してゆき、端部では最小値となり、した
がって上面ＵＦと下面ＬＦとはふくらんだ形で、前面Ｆ
Ｆは両凸状を呈する。

従って出来上ったブロックの形状は、流れ管中に入って
来る流体の流速か流れ管の中央で最大で管壁にむけて次
第に減少する代表的な流れのプロフィルのふくらんだ弾
丸状をなしている。

後方部分１５は長四角形の感知板で構成してあって、前
方部分に対してビーム１６で間隔がとっである。

感知板の平面は前方部分のブロック１４の前面に対して
垂直にしである。

この後方部分はうすの列を干渉するような形状のもので
、前方部分のブロックと後方部分の感知板との間に形成
された間隙はうすを捕え、それによって生じたうずの列
を強化し安定する。

後方部分１５は可撓性ビーム１６で片持ち支持されてい
るので、振れることができる。

ビームは彎曲することができるけれども、後方部分を僅
かに振れさせる程度の剛性を備えている。

流れ管内に生じた流体の振動によって、振れることので
きる後方部分１５は流体の振動の振動数に相当する割合
にて振動させられる。

振れることのできる後方部分の固有共振数は流量計の正
常周波数範囲とは遥かに異なるものであるので、機械的
共振のピークはなく、振動の振幅は流体の振動の振幅を
忠実に反映する。

組立体の下流側感知板は、伴流を干渉してそれを安定化
し、その検出度を増すだけでなく、その振動が出力信号
を生ずるので、この感知板は２つの機能を遂行する。

振れることのできる部分は比較的剛性であるから、後方
部分の全振幅は流体の振動か最大の振幅の時でも最微小
なものである。

それゆえ、振動作用の結果としての支持ビームの疲労は
最小限度にされ、長期間作動後にも故障を生じない。

流量の情報は振動数によって与えられるものであって、
振動の振幅によるものではないからして、振れの大きさ
は最も重要な事項ではない。

疲労寿命を好条件にするために振れの大きさを極めて小
さくしであるが、これは決してさまざまな周波数の出力
の読みとりを妨げるものではない。

障害物組立体の振れることのできる後方部分の極く僅か
な振動は流れ管１０の管内よりもむしろ管外で感知され
る。

そのために、振動は振動伝送器によって伝送される。

この伝送器は棒１２を含み、その後部はビーム１６の孔
１８内に嵌装されている。

また孔１８は振れることのできる部分１５に隣接する部
位にまで達している。

棒１２の前部は小径の孔１８と連通し前方部分１４中に
ずっと伸長している比較的直径の大きい長手方向に伸長
する孔１９内に自由にしである。

棒１２はカラー１２Ａで終っている。

このカラーはプローブ１３の端部を取り巻いて棒とプロ
ーブとのリンクとなっている。

プローブ１３は前方部分１４の長手通路を貫通し流れ管
１０の管壁の開口から突出している。

そして管壁の開口は可撓性ダイアフラム２０で被覆され
ており、プローブ１３はカップリング・ヘッド２１で終
っている。

カップリング・ヘッド２１のところの力に応答して該当
する電気信号を発生することができる力センサ２２を用
いて流量を示す信号を発生させる。

前述したように、簡単な四角形または長四角形横断面の
障害物体は機械的に有効な形状であり、振動を外部の感
知部位に伝送するための棒とプローブを収容するに当っ
て十二分の内部容積を備えている。

ところが単純な四角形の横断面の形のものほうず発生作
用が比較的貧弱である。

しかし、ブロックの形状を図面に示すように変えると、
うず発生特性が意義深く変わり、障害物体は大きな圧力
降下を伴うことなく優秀なうず発生部材となる。

このうず発生部材は小型の渦流型流量計（内径２．５４
ないし２０．３２ＣＩｒＬ）のものに特に利益かある。

その変更態様について説明する。

四角形の横断面の前方部分のブロックはその中間点で最
大幅Ａ１であり、両端部で最小幅Ａ２である。

最＃＝Ａ１と最小幅Ａ２の比率は約１．０５ないし２の
範囲内である。

したがってブロックの平均幅は最大幅よりも相当に小さ
い値である。

前面ＦＦは入って来る流体の流れに面し、後面ＲＦは前
面に対して平行しており、これら両面は流れの方向に対
して直角をなしている。

前面ＦＦと後面ＲＦの間の距離を記号Ｃで示すと、この
距離は幅Ａ１に殆んど等しい。

ブロック１４の後方の両端縁は斜めに切ってあり、上部
斜面ｂ１と下部斜面ｂ２とは距離Ｃの約１／３である後
方部位Ｂ′内にある。

それゆえ、上下両平坦面を占める前夫部位Ｂは距離Ｃの
２／３である。

斜面ｂ１とｂ２の角度は約４５ないし６０度の範囲内の
ものとすることかできる。

それゆえ、後面ＲＦゐ面積は前面ＦＦの面積に比較して
小さい。

流れ管の内径りについてのブロックの最大幅Ａ１の値は
厳格ではなく約０．２０ないし０．３５の範囲であるこ
とか好ましい。

ブロックの後面ＲＦと感知板１５の前端縁との間のビー
ム１６に沿う距離は約１−１／２Ｄで、感知板１５の長
さＦは約１／４波長である。

波長とはうず発生の頻度で割られた流速と定義する。

以上に説明した幾例学的関係を備えたうず発生装置によ
って、±１％以上のすぐれた計器直線性を７０００程度
の低いレイノルズ数で達成することかできる。

Ａ１対りの関係は厳格ではないから、計器として使用す
るのに幅広く用いられる。

最小値Ａ２に対する最大値Ａ１の値は代表的なふくらみ
付の流速プロフィルに合致する外形を備えたブロックを
構成するものであり、ブロックのうず発生特性は前記米
国特許出願に記載されている型式の、ブロックの幅かそ
の長手軸線全体に亘って最大値Ａ１ に該当する均一な
値Ａであるものと少くとも変わることかない。

この発明のブロックの形状はブロックの平均幅が最大値
Ａ１ よりも実質的に小さいことである。

圧力降下は平均値の二乗の関数であるから、ブロックの
均等な幅が値Ａに等しくしである障害物組立体で招かれ
る圧力降下より、圧力降下がはるかに小さいものである
。

これまで、この発明の渦流型流量計の障害物組立体の好
ましい実施態様について説明したが、この発明の精神に
もとることなく多くの変更を加えることかできる。

したがって、この発明は以上に示した形状の障害物組立
体に制約されるものではなく、流れ管を横切るように取
付けられたうず発生ブロックを包含するもので、そのブ
ロックの形状はその中間部にて最大値の幅を備え、両端
に向うに従ってその幅が減じ、端部で最小値にして、そ
の幅の平均値を最大値よりも相当に小さいものとするよ
うにするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による障害物組立体を具備する渦流型
流量計の縦断面図、第２図は第１図の線２−２で示した
面で流量計を切った断面図、第３図は流量計の前面図、
第４図は障害物組立体内に含まれるブロックをとり出し
た斜視図である。 図面における要部の符号は次の通りである。 １０・・・・・・流れ管、１１・・・・・・障害物組立
体、１２・・・・・・棒、１３・・・・・・プローブ、
１４・・・・・・前方部分のブロック、１５・・・・・
・後方部分の感知板、１６・・・・・・可撓性ビーム。 なお、記号の関係は次の通りである。ＡＩ／Ｄ二２．０
〜２．５．Ｃ二、Ａ、 、 Ｂ二２／３Ｃ。 Ｂ”＝１／３Ｃ、Ｅ＝３／４〜１−Ｄ、 Ｆ＝Ａ波長。 ４ ＦＦに対するｂｌとｂ２の角度は４５°〜６０°の範囲
内。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定すべき流体を内部に障害物組立体を具備する流
   管に導いて流量の関数である振動数の渦を発生させる渦
   流型流量計において、前記障害物組立体を、 ■ 流れに対して平坦な前面を呈する実質的に長四角形
   の横断面のブロックで、前記流管を横切って固定され、
   前記ブロックの幅が中央部で最大値とし、両端に向けて
   次第に縮小して端部において最小値になるようにし、前
   記最大値が最小値の１．０５倍ないし２倍の大きさとな
   るふくらみを持たせ、代表的流速プロフィルに合致した
   輪郭を有するブロックと、 ■ 前記ブロックに可撓性ビームにより片持支持された
   うず感知板と、 ■ 前記ブロック内を通り、前記感知板の振動を流量計
   外部に伝達する連結手段 とより構成したことを特徴とする渦流型流量計。 ２ ブロックの後方の上下両端縁を斜めに切って障害物
   組立体の流出特性を増す狭い幅の平坦面を形成するよう
   にした特許請求の範囲第１項に記載の流量計。 ３ ＠記最大値を流管の約０．２０ないし０．３５倍と
   する特許請求の範囲第１項に記載の流量計。 ４ 前記斜めに切った後端縁をブロックの後面と前面と
   の間の距離の約３分の１の領域内にある後方領域を占め
   るものとした特許請求の範囲第２項に記載の流量計。 ５ 前記斜面を約４５ないし６０度の範囲内の角度とし
   た特許請求の範囲第４項に記載の流量計。