JPS5965721A - 境界層流量計 - 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】 本発明は境界層の熱伝達を利用した境界層流量計に関す
るもので、その目的とするところは、簡単な構成によっ
て層流から乱流域をカバーする広い範囲での流量を測定
することができる境界層流量計を提供することにある。

以下図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。

まず、実施例を説明する前に、本発明の理解を容易にす
るため、境界層流量計の原理について説明する。

この種の境界層流量計は周知の原理的構造および管内の
温度分布を示す説明図である第１図に示すように、断面
が円形のパイプＰの外側に巻かれた電気ヒータＨＴのコ
イルおよびこれを挾んで矢印にて示す流れの方向に上下
に上流側温度計Ｕ−ＴＭと下流側温度計Ｄ−ＴＭの２個
の抵抗温度計をパイプＰの外側に取付けである。そして
、電気ヒータＨＴから内部に供給される熱は、加熱線の
周囲の電気絶縁材料、パイプおよび境界層ＢＬを通して
内部の流体に伝達される。ここで、この境界層ＢＬと内
部流体との交換が起こらないから、境界層ＢＬ内の熱の
伝達は伝導のみで行なわれる。この、パイプ内部の温度
分布は第１図に示すようになる。実線は乱流の場合（レ
イノルズ数２１００以上）を示したものであり、点線は
層流（レイノルズ数２１００未満）を示しており、その
温度勾配は後者の方が緩やかである。なお、この第１図
において、矢印は流体の方向を示す。

そして、パイプＰの外部と内部の温度勾配は境界層ＢＬ
において生じ、他の部分の温度勾配は無視してさしつか
えない６．ここでは完全を期するために解析を進めるは
いに全部を考慮に入れる。。

管壁の部分の温度勾配と伝達熱量の関係はＱ＝にωＦ・
ΔＴω　　　　　　　　　＝ｌｌ）で示される。ここで
、Ｑは断面積Ｆを通って単位時間に流れる熱量、ｋωは
管の熱伝達率、ΔＴωは管の内外の温度差を表わす。

同様に境界層ＢＬＯ熱伝達は Ｑ＝ｈＦ・ΔＴｂ　　　　　　　　　　　・・・（２）
で表わ芒れる。ここで、ｈは境界層ＢＬの熱伝導率、Δ
Ｔｂは境界層内外の温度差を表わす。

したがって、全体の温度差は、管境界層の温度差の和に
なり、上記式（１）と式（２）から次のように表わされ
る。

この式（３）から、熱量Ｑは で表わづれる。この式（４）は温度差ΔＴが一定に保た
れ、管の伝導率にωが同じであれば、伝達きれる熱量Ｑ
はｈの関数であることを示している。

ここで、もし管がうずく、しかもその材料が高い熱伝達
率をもっていれば、上記式（４）は次のように簡単にな
る。

Ｑ＝Ｆ・ΔＴｈ　　　　　　　　　・・・（５）さて、
本発明は上述の原理に基づくもので、次のようにして実
施烙れる。

まず、本発明の特長の１つは、センサ本体が導電性物質
でもあり、また、電熱体としても役割をする電熱性測温
抵抗材料、例えば、導電性セラミックなどの焼結体、具
体的にはサーミスタ用材料として知られるＦｅ１ＩＱ４
とＭｇＣｒ２０ｚまだはＭｇＡｔ２０＋の固溶体やＮｉ
Ｏ，Ｍｎ２ＱａおよびＣｏ２Ｏ３を混合焼結したものな
どで形成されていることである。

この場合には本発明の説明図である第２図に示すように
、センサ材料の中にうめこ壕れだ測温電極ＥＤＩ、ＥＤ
２および発熱用端子（ヒート端子）ＨＴ・Ｔを設け、こ
れらの各素子はそれぞれパイプそのものが測温抵抗体で
あり、また、電熱抵抗体であるパイプＰに装着されてい
る。すなわち、被測定流体の流路の一部流域壁面を電熱
性測温抵抗材料で形成し、その流域壁の中流域に設けた
発熱用端子ＨＴ−Ｔを挾んでこの上下流域に測温端子で
ある電極ｇＤ１．ＥＤ２　　を設けている。

なお、第３図に示すように、パイプＰの外面に発熱用端
子ＨＴ−Ｔを挾んで電極ＥＤＩ、ＥＤ２をもつように構
成することもできる。

そして、微少流量測定に供する場合には、応答速度およ
び感度を上げるために絞りを用いることが望ましい。そ
の絞り部の構造の概略例を第４図および第５図に示し説
明すると、この第４図および第５図に示す実施例は電熱
性測温抵抗材からなる流域壁面の少なくとも発熱用端子
ＨＴ−Ｔの取付は部分を流路径より絞って構成した特に
微少流量測定用の境界層流量計の例を示すものである。

図において、矢印は流体の方向を示す。

前述したところから明らかなように、本発明は被測定流
体の流路の一部流域壁面を電熱性測温抵抗材料で形成し
、その流域壁の中流域に設けた発熱用端子ＨＴ−Ｔを挾
んでこの上下流域に測温端子である電極ＥＤＩ、ＥＤ２
を設けるように構成されている。

そして、境界層ＢＬＱ熱伝達は前述の原理説明より明ら
かなように、 で表わされる。ここで、Ｑは断面積Ｆを通って単位時間
に流れる熱量（Ｋｃａ７．／ｈ）、すなわち、うばわれ
る熱である。

第６図は本発明による境界層流量計の実施態様を示す構
造図で、説明に必要な部分のみを示す１゜この第６図に
おいて、ＨＴ−Ｔは電熱端子（発熱用端子）、ＢＬは境
界層を示し、ｔｌは流体温度、ｔ２は絞りの表面温度、
ｔ８は境界層ＢＬの表面温度を示す。

そして、この第６図に示す実施例においては、電熱性測
温抵抗材料からなる流域壁面の少なくとも発熱用端子取
付部分を流路径より絞って構成されている。

この第６図に示す実施態様例のとき、断面績Ｆは Ｆ−πｄ−１・・・（７） で表わされる。そして、管の内外の温度差ΔＴはΔＴ＝
ｔ２−ｔｌで表わされる。

また、流域壁面から境界層ＢＬへの熱量ＱはＱ＝にωＦ
ΔＴω＝にωＦ（ｔ２−ｔ８）　　　　・・・（８）で
表わされ、境界層ＢＬから流体への熱量ＱはＱ＝ｈＦΔ
Ｔｂ＝ｈＦ（ｔ３−ｔｌ　）　　　　　・・・（９）で
表わされる。そして、この式（８）および式（９）の両
方から前記式（６）が成立する。

そして、被測定流体が流れる管が金属管のようなもので
は にω）ｈで Ｑ＝ＦΔＴｈ ｋω　　管の熱伝達率　　　　ＫＣａ７！／ｒｒＩｈ℃
ｈ　、境界層の熱伝達率　　Ｋｃ　ａ／７ｍ”　ｈ　’
Ｃとなるが、この発明のように導電性セラミンクなどの
焼結体のようなものでは必ずしも成立しないものと考察
する。

しかし、境界層の熱伝達率りは流速に関連するが管の熱
伝達率にωは余り関連しないと考えられ、境界層流量計
の場合には上記管の熱伝達率にωは一定とみてよい。

そして、境界層の熱伝達率りは通常の乱流では量流量（
ρｖ’ｄジ）　に比例する。

これらの比例係数は流体の物理的性質、粘度。

比熱、熱伝導度および構造寸法により変るのみであり、
流量計として成立する。

そして・、熱量と流体とは比例しないが、これはマイク
ロコンピュータを用いて直線化することもできるし、層
流から乱流域をカバーする広い範囲での直線化もできる
。

つぎに、以上説明した境界層流量計の測定原理を第７図
に示す回路構成を参照して説明する。ただし、この第７
図は絞りと絞りの無い部分の温度差を一定に保ち、加熱
に要した電力から微少流量を測定するようにしたもので
あって、本発明はこれに限定されるものではない。

第７図において、１，２，３．４は測温電極ＥＤＩ。

ＥＤ２の端子（測温端子）、５，６は発熱用端子ＨＴ−
Ｔに相当する端子（ヒート端子）、Ｒ１は測温端子１，
２間の電気抵抗、Ｒ２は測温端子３゜４間の電気抵抗で
ある。

そして、Ｅｌ、Ｒ２は電源で、この電源Ｅｌ　には並列
に電気抵抗Ｒ１と可変抵抗器ＶＲおよび電気抵抗Ｒ８の
直列回路が接続されると共に、電気抵抗Ｒ２と電気抵抗
Ｒ４の直列回路が接続されている。

ＡＭＰは測温端子１，２側の電圧と測温端子３，４側の
電圧とを比較する増幅器で、その非反転入力端←）は可
変抵抗器ＶＲと電気抵抗Ｒ８の接続点に接続され、反転
入力端（→は測温端子４と電気抵抗Ｒ４の接続点に接続
されている１、なお、この電気抵抗Ｒ８と電気抵抗Ｒ４
の抵抗値Ｒ８＝Ｒ４となるように設定されている、。

Ｔｒはトランジスタで、そのコレクタはヒート端子６，
５を介して電源Ｅ２の正極側に接続きれ、エミフタは電
気抵抗ｒを介して電源Ｅ２の負極側に接続きれると共に
、接地芒れ、ベースは増幅器ＡＭＰの出力端に接続され
ている。−１そして、ＯＵＴはトランジスタＴｒのエミ
フタ側に接続きれた出力端子である。

つぎにこの第７図に示す実施例の動作を第６図を参照し
て説明する。

まず、第６図に示す絞りのない部分を流体が流である。

そして、第６図に示ず絞９のある部分は第７図に示すヒ
ート端子５．６間に加熱電流が流れ、第６図に示す表面
温度ｔ２に加熱され、しかも流体温度ｔ１　と表面温度
ｔ２の温度差は一定に保たれる。

Ｒ２−ｔｌ−コンスタント　　　　　・・・（１０）こ
のとき、第７図に示す測温端子３，４の電気抵抗はＲ２
である。

つぎに、絞りをつくって流体の流速ｉ　ｖ＋がらｖ２に
速めると、絞り表面から奪われる熱量は増加し、応答速
度を高め、微少流量測定の精度を高めることができる。

そして、絞りの表面から奪われる熱量（放熱量）ＥＡｉ
、１ ａλγＶ２（、Ｒ２−ｔｌ）＝ｇＡ　　　　　　　・−
Ｑｌ）で表わきれる。。

ここで、ａ、絞り表面積 λ：伝達係数 γ、原流体比重量 γｖ２−Ｊ（Ｅｈ　　　　　　　　　　　　　　・・・
（１２）λ Ｋ”ａ／１２−ｔｌ で表わきれる１、ここで、Ｋは定数であるから放熱量Ｅ
Ａが判れば、γｖ２がら重量流量が求まる。そして、こ
の放熱量ＥＡは加熱に要した消費電力を測定すれば知る
ことができる１゜ そして、第７図に示す電気抵抗Ｒ８，Ｒ４の抵抗値をＲ
８＝Ｒ４とすれば、 Ｒ２＝ｒｔｌ＋Ｒ５・・・（１３） Ｒ５：設定抵抗 のときには、増幅器ＡＭＰに電流が流れない。そして、
流体の流れが停止のときはＲ２＝Ｒ１となるので、この
設定抵抗Ｒ５をＲ５＞○にセントしておくと、上記式（
１３）は ％式％（１４） となり、増幅器ＡＭＰに電流が流れ、ヒート端子５゜６
間はヒータとなり、電気抵抗Ｒ２の抵抗値を高め、上記
式（１３）になると止まる１、このときの時間当りの消
費′成力をＥｏ　とする。

つぎに、流体が配管の中を流れると、流体に基、　　く
放熱により、 ｔ２＝ｔｌ　、ずなわち、Ｒ２＝Ｒ１ となるから、上記式（１４）の状態となり、再び加熱が
始する１、そして、流体が停止しないと、放熱・加熱の
繰り返しが続き、上記式（１３）と式（１４）の［相］
二〇の状態が繰り返される。このときの時間当りの消費
電力をＥとすれば、流体の流れで消費電力ＥＡは ＥＡ＝Ｅ−Ｅｏ　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（］、５）と表わきれ、この式（１５）および前述の
式（１２）から重量流量を知ることができる。

そして、流量が更に微少のときには、絞りを強め、流速
ｖ２を速めることで放熱量を増し、検出可言しにするこ
とができる。。

第８図（は本発明に用いる絞り部の構造の他の実施例を
示す概略構造図で、微少流量測定に適用する場合の一例
を示すものである。この第８図に示ずように測温電極Ｅ
ＤＩ、ＥＤ２　　によって測温するのと電熱端子（発熱
用端子）ＨＴ−Ｔにスイフチングで切換えるようにする
こともできる。なお、この第８図において、矢印は流体
の方向を示す。

以上説明したように、本発明によれば、複雑な手段を用
いることなく、境界層の熱伝達を利用し、センサ本体が
導電性物質でもあり、また、電熱体としても役割をする
材料でつくられているという簡単な構成によって、層流
から乱流域をカバーする広い範囲での境界層流量計を実
現することができるので、実用上の効果は極めて犬であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は境界層流量計の原理説明に供する説明図、第２
図および第３図は本発明に用いる測温電極とヒート端子
の配置を示す説明図、第４図および第５図は本発明にお
ける絞り部の構造の実施例を示す概略構成図、第６図は
本発明による境界層流量計の実施態様例を示す構造図、
第７図は本発明による境界層流量計の測定原理の説明に
供する回路図、第８図は本発明における絞り部の構造の
他の実施例を示す概略構造図である。 ＨＴＴ・　　・・発熱用端子（ヒート端子）、ＥＤＩ、
Ｅｌ）２　　・・・−測温電極、ＢＬ　　・　　　境界
層。 特許出願人　　山武ノ・ネウエル株式会社代理人　山川
数＆１（Ｑビ・１名） 第１図 第２図 第３図 第４図　　　　第５図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体の流路の一部流域壁面を電熱性測温抵
   抗材料で形成し、前記流域壁の中流域に設けた発熱用端
   子を挾んでこの上下流域に測温端子を設け、前記上下流
   域間の温度差が常時同じになるように前記発熱用端子間
   電圧を制御し、この出力を流量換算して指示ないし記録
   するようにしたことを特徴とする境界層流量計。
2. （２）電熱性測温抵抗材料からなる流域壁面の少くとも
   発熱用端子取付は部分を流路径より絞って構成したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の境界層流量計
   。