JPS6037406B2 - 渦流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はカルマン渦を利用した流量計の改良に関するも
のである。

流れの中に、この流れに対して直角に渦発生体を挿入し
、該渦発生体の下流に規則的に生じるカルマン週の周波
数を検出することにより流体の流速即ち流量を計測する
流量計はよく知られている。

しかしながら小口歪管路においては管路内に強い３次元
的な乱れが生じ易く、これが渦を破壊するため渦発生の
規則性がくずれるという問題がある。そこでこのような
問題に対処すべ〈渦を安定化させるために、渦発生体の
横断面形状を三角形にしたり矩形にしたりして渦を強く
する方法があるが、これらは圧力損失が大きくなるとい
う欠点がある。小口径管路においては圧力損失が極力少
なく且つ規則的に渦を形成することが特に重要であり、
上記のような欠点は流量計の性能に大きく影響を及ぼす
ことになる。この種の従来装置のうち圧力損失が少ない
ものとしては第４図ａ，ｂに示すような流量計がある。

ここで第４図ａは渦発生体の側面図であり、第４図ｂは
ａ図のＷｂ−Ｗｂ断面図である。この図から明らかにな
るように、円柱状の渦発生体１０１は剥離点近傍の側面
にあげられた導圧孔ＩＱ２ａ，１０２ｂを有しており又
内部には空洞が形成され、隔壁１０４によって二つの室
１０３ａ．１０３ｂに分けられている。隔壁１０４には
貫通孔１０５が設けられ導圧孔１０２ａと導圧孔１０２
ｂを上記空洞を介して連適している。また貫通孔１０４
を通る流体の移動量を検出するために熱線１０６が開ロ
ー０５を横切って張り渡してある。このような装置にお
いて、いま導圧孔１０２ａ側に渦１０７が生成され始め
ると（第４図ａ参照）渦の負圧により空洞１０３ａ，１
０３ｂ内において導圧孔１０２ｂから１０２ａに向かう
流れＳが生じる。

この流れＳは空洞内に二次的な渦Ｔを生じ、空洞内の圧
力を均一化するため、管状になった渦発生体の軸方向に
沿い導圧孔１０２ａ，１０２ｂにおいてそれぞれ吹き出
しと吸い込みを一斉に行うことになる。このため渦発生
体１０１の鼠方向に揃った強い渦１０７が形成され、三
次元的な外乱に影響を受けることなく規則的に渦が発生
するのである。しかしながらここに例示された装置では
小口径管路において流速が高い場合には次のような欠点
を有することが実験の結果明らかになった。

即ち管内の流速の増加に伴い渦の負圧、及び周波数が上
昇すると上記空洞１０３ａ，１０３ｂ内の流れも速くな
るので外部流体が導圧孔１０２ｂから空洞１０３ｂへ流
入する際強い乱れＣを発生し、熱線の出力中に信号に匹
敵する大きなノイズを混入せしめ、安定な渦周波数の検
出が困難となるのである。また急激な流量変化を精度良
く検出するには渦周波数を出釆るだけ高くする必要があ
るが、第４図に示されたような渦発生体では空洞１０３
ａ，１０３ｂが隔壁１０４の絞りにより分割されている
ので、この系においては空洞と絞りとによって定まる時
定数が大きく、渦の周波数が高くなると、この遅れ要素
の影響を受け、渦の規則性が不安定となる欠点をも有し
ている。本発明は上に述べた種々の問題を解決するため
に為されたものであり、その目的は４・口径管路の流量
計測に適した圧力損失の少ない流量計を提供することで
ある。

本発明を、添付の図面を参照して説明すると、第１図は
本発明の一実施例である流量計の構造を示す図であり、
ａは流量計全体を示す正面図であり、ｂ及びｃは流量計
の内部構造を示す断面図である。

また第２図は、この流量計の動作を説明するために拡大
した断面図である。これらの図面から明らかになるよう
に、渦発生体２は管路１の中において流れに対して垂直
向きに挿入され、固定されている。

渦発生体２の、流れに対してほぼ直角の方向にある互い
に相対向する側面には、鼠方向に沿ってあげられた第１
のスリット３ａ，３ｂが設けられ、また渦発生体の内部
に設けられた空洞６に蓬通しており、当該第１のスリッ
ト３ａ，３ｂの閉口部付近において渦が生成するのに伴
い渦発生体内部への流体の吸い込みと吹き出しとを行う
第１のスリット３ａ，３ｂの閉口部にある壁面４及び５
は抵抗要素を構成しており、流体の吸い込み量と吹き出
し量とを規制している。渦発生体２の内部には空洞６が
設けられ藤方向に伸びているため、渦発生体の鞄方向の
圧力は均一化され、流体の吸い込みと吹き出しとが軸方
向に沿って一斉に行われる。渦発生体２の側面には上記
第１のスリットの下流側において第２のスリットが形成
されており、関口部８ａから開○部８ｂに向けて渦発生
体のほぼ中心を通って流れに直角方向に当該渦発生体２
を貫通している。この第２のスリット７は渦発生体の外
周付近に発生し又充分発達した渦の負圧によって、その
中に流体の流れを生じさせることができる。また流入時
の二次的な渦の発生を防止するために関口部８ａ，８ｂ
から渦発生体内部へ進むにつれて第２のスリットの寸法
は除々に緒少して行き（第１図ａ及びｃ参照：垂直方向
寸法が除々に減少している）、中間部にのど部１０を形
成すると共に流れが剥離し難い構造になっている。第２
のスリット７の内部における流体の移動量を検出するた
めに、熱的検出素子９が該スリットののど部１０‘こ設
置されている。このような構成において、今第１のスリ
ット３ａ側において渦１１が形成され始めると（第２図
参照）、渦１１の負圧による圧力差が第１のスリット３
ａと３ｂとの間に生じる。

これら第１のスリット３ａ，３ｂはその壁面４及び５に
よって−定の抵抗値を持たせてあるので、まず空洞６内
の流体がスリット３ａから吹き出す一方、鍵方向に向け
ては空洞６内の圧力が均一化される。すると上記吹き出
し操作に呼応して第１のスリット３ｂから流体の吸い込
みが藤方向全体で一斉に行われ、その結果スリット３ｂ
からスリット３ａに向かう流れＳ′が生じ、これがスリ
ット３ａａから吹き出すので上記形成され始めた渦はそ
の勢いを増し鼠方向に揃った渦１１が形成される。この
ようにして形成された渦の安定化に対して最も重要な役
割を果す要素は第１のスＩＪット３ａ，３ｂの寸法であ
り、実験の結果、渦発生体２の直径をｄ、スリットの関
口幅をｂ、スリットの厚さを１（いずれも第２図参照）
とすると、旨＝。

‐・字＝。

‐６５が望ましいことがわかった。

この様にして第１のスＩＪット３ａ付近で渦１１が発生
するが、第１のスリット３ａ，３ｂを一つの空洞６によ
って連結するという構造をとっているため（第４図の従
来例では二つの空洞に分けられている）、それぞれのス
リットに対応した空洞を設けるよりも体積が少なくて済
むと同時に、隔壁等による絞り構造を設ける必要もない
からこの空洞内を横切る流体の移動に対する遅れの影響
を極めて小さくすることができる。

上記渦１１は管路１内の流体の流れに従って第１のスＩ
Ｊット３ａの下流側に設けられた第２のスリット７の関
口部８ａに達し、この関口部に上記渦の負圧が作用する
。

これにより開口部８ａ，８ｂ間に渦の負圧に対応する圧
力差が生じ、外部流体が閉口部８ｂからスリット７内に
流入して該スリット内で流れ１２を生じさせる。図から
明らかなように、第２のスリット７は第１のスリット３
ａとは異なり空洞のない連続した稀路であるから流路の
不連続部に生じる二次的な渦は発生しない。また流入口
から第２のスリット７内部に行くに従って除々に径が縮
小しているため流体は剥離せずに加速され乱れを生じる
ということがない。また、第２のスリットは流体の流れ
１２の方向に充分狭く関口しているため該スリットの端
面１３，１４において発生する流体の乱れは最短距離で
均一化される。即ち第２のスリット７ののど部１０では
流れ１２は非常に乱れの少ない状態となっているため、
この部分に挿入設置された熱線等の熱的検出素子９の出
力は非常にノイズが少なくなり、管内流速が高い場合で
も振幅の安定性を図ることができる。このようにして第
１のスリット３ａ側に生じた渦によって第２のスリット
７内に生じた流れの検出が行われる。以上述べて釆たよ
うな渦１１及びこれの作用によって生じる流れ１２の他
に、第１のスリット３ａに対向した他の第１スリット３
ｂの付近においても渦１５が生じる。

この渦１５は空洞６を横切って通る流体の流れを生じさ
せ（但し第２図中の流れＳ′とは反対向きに流れる）、
この流体流れの作用で渦発生体２の軸万向に揃った渦と
なる。そしてこの渦１５が管路１内の流れに従って移動
し第２のスリットの開ロ部８ｂに達することにより、そ
の倉圧でもつて第２のスリット内で流体流れ１６を生じ
させる。この流れ１６は上記流れ１２と同様、第２のス
リット７ののど部１川こ挿入配置された熱線等の熱的検
出素子９によって検出される。したがって熱的検出素子
９は第２のスリット内を通る流れ１２及び１６を交互に
検出することができ、これによって渦発生体により生成
される禍の周波数を検出する。既に説明して来た渦発生
体の構造及び図面からも明らかになる様に、第２のスリ
ット７内を通る流体の流れは第１のスリット３ａ，３ｂ
及び空洞６を通る流体の流れよりもノイズが少ない。

したがって本発明のような構成を持った流量計にあって
は、上記空洞内に検出素子を配置したもの（例えば第４
図に示された従来例）に比べて大きなＳＮ比を得ること
が出来る。そのため或る程度検出素子の感度が低い場合
でも充分に実用に供することが出来、流量計のコスト低
下に役立つ。なお、第２のスリット内に配置された熱的
検出素子の出力を安定させるためには、この第２のスリ
ット７の開□位置が比較的重要な役割を果たす。そして
この閉口位置は、渦発生体２の直径をｄとするとき、第
１のスリット３ａ，３ｂから約ｄ／４の位置にあること
が好ましく、これよりも近づき過ぎると渦が充分に生成
しないうちに検出が行われる恐れがあり、また遠去かり
過ぎるとノイズが多くなって好ましくない。また、のど
部１０の開□面積は、ここを通って流れる流体により渦
の安定性が損われないようにすべ〈充分に小さく寸法決
めされる必要がある。このように構成された本発明の流
量計を波管を使って試験１／た結果、レィノルズ数Ｒｅ
が２．４×１ぴ乃至７．３×１ぴ以上の範囲で±３％以
内の直線性、再現性が得られた。

また渦の周波数も約氷Ｈｚまでは完全に追随することが
でき且つ圧力損失も少ないなど、小口経管路の流量計に
大変有効であることが実験の経果判明した。第３図は本
発明の第２の実施例、即ち検出素子としてそ圧力感応素
子を使用した例を示している。このうち第３図ａは渦発
生体の一部を示す斜視図、第３図ｂはそのｍｂ−ｍｂ断
面図、第３図ｃはｂ内の線ｍｃ−囚ｃにおける断面図で
ある。この渦発生体は先に述べた第１の実施例と同様第
１のスリット３ａ，３ｂ及びこれらに蓮適する空洞６を
有する。またこの第２の実施例の渦発生体２′は渦の負
圧を偶発生体内部へ導入するため複数の導入孔２１ａ，
２１ｂを当該渦発生体の鞠方向に沿い且つ互いに渦発生
体のほぼ反対側に来るようにして設けている。第３図ｂ
を参照すると明らかな様に、これらの導入孔２１ａ，２
１ｂは渦発生体の内部に進むにつれてこの渦発生体内部
に左右対称に設けられた導管２２ａ，２２ｂに接続せし
められ、更に内部に進むにつれて導管２２ａ，２２ｂは
蓮通管２３へとつながる。こうして第１のスリット３ａ
，３ｂのやや下流側には渦発生体２′を軸に対して直角
の方向に貫通する導通管が形成される。運通管２３のほ
ぼ中央部地点には、例えば半導体ダイアフラムといった
差圧形の圧力検出素子２４が設けられている。この圧力
検出素子２４は蓮通管２３の内蓬全周にわたって取付け
られており蓮通管２３を完全に区分しているので導圧孔
２１ａ，２１ｂから渦発生体内部へ入り込んだ流体は圧
力検出素子２４によって遮断されるため渦発生体を横断
して流れるということはない。そのため上記導圧孔２１
ａ，２１ｂを渦発生体の軸万向に多数個設けることが可
能となり、局部的に渦の周波数を検出する場合とは異な
り発生した渦を平均的に検出することになるため検出素
子から得られた出力をより一層安定化させることができ
る。この実施例にあっては導圧孔２１ａ，２１ｂは可能
な限り禍の剥離点に近い方が望ましい。また既に述べた
ように複数の導圧孔２１ａ，２１ｂは導管２２ａ，２２
ｂによって運速されているため、一般に位相が異る流体
内の圧力の乱れによるノイズを打ち消すことができ、こ
れによって位相の揃った渦の信号成分のみが圧力検出素
子２４に加わる。こうして検出素子２４からはノイズの
少ない、即ちＳ／Ｎ比の高い出力が得られるのである。
以上述べて来た様に、本発明によれば、管路を流れる流
体の流れに対して直角方向の位置に当る渦発生体の側面
に明けられた一つの蓮通孔（即ちスリット及び空洞）内
の流れにより渦の生成を安定化すると共に、渦の周波数
を検出する方式を採用している従来の流量計とは異なり
、一つの渦発生体に、渦の生成を安定化するための第１
の蓮通孔と、これとは別個に設けられた第２の運通孔（
第２のスリット）と、を備えているため、第２の蓮通孔
を設計するに当っては渦を安定化するための様々な条件
を考慮する必要がなくなり、外乱を極力無くすような形
状にすることが可能となった。

そのため本発明の渦発生体を用いた流量計では渦の周波
数が安定して、しかも高精度に検出することができるよ
うになった。さらに渦発生体の相対向する脚部に設けた
渦の生成を安定させるための第１のスリットを、絞りの
形成されていない一つの空洞によって蓮通せしめている
ため、上記第１の蓮通孔内での流体の移動が容易に行わ
れ、かなり高い渦の周波数まで直線性が得られ且つ過渡
応答時の流量変化を精度よく検出できるようになつた。
なお、第１図の実施例においては渦検出素子として、熱
的検出素子９を使うことについて述べたが、圧力検出素
子を使用してもよく、また第３図の実施例においては渦
検出素子として、圧力検出素子２４を使うことについて
述べたが、熱的検出素子を使用してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すものであり、ａは渦
発生体の正面図、ｂはａにおける線ｌｂ−ｌｂでの断面
図、ｃはｂ内の線ｌｃ−ｌｃにおける断面図である。 第２図は、第１図に示された流量計の作動を示す拡大し
た断面図である。第３図は、本発明の他の実施例を示す
ものでａはこの実施例による流量計の一部を示す斜視図
であり、ｂはａの中での線ｍｂ−ｍｂにおける断面図、
ｃはｂの中での線ｍｃ−ｍｃにおける断面図である。第
４図は、流量計の従釆例を示すもので、ａはその側面図
、ｂはａの中の線Ｗｂ−Ｗｂにおける断面図である。符
号の説明 １：管路、２：渦発生体、３ａ，３ｂ：第１
のスリット、４，５：壁面、６：空洞、７：第２のスリ
ット、８ａ，８ｂ：関口部、９：熱的検出素子、１０‘
のど部、１１，１５：渦、１２，１６：流れ、１３，１
４：壁面。 第１図第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れの中に該流れに対して垂直に挿入される
   べき柱状の渦発生体を備え、この渦発生体には、カルマ
   ン渦の生成を制御するため流線の剥離点近傍において上
   記渦発生体を横断する第１の連通孔と、上記第１の連通
   孔の下流側において上記渦発生体を横断する第２の連通
   孔とを形成し、この第２の連通孔内に渦検出素子を設け
   たことを特徴とする渦流量計。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の渦流量計において、第
   １の連通孔は、渦発生体の流れに対してほぼ直角方向に
   ある両側面に軸線方向に沿い且つ互いに相対向して設け
   られた開口と、この一つの開口を接続している一つの空
   洞とによつて構成されていることを特徴とする渦流量計
   。 ３ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の渦流量
   計において、第２の連通孔は、渦発生体の流れに対して
   ほぼ直角方向にある両側面において当該渦発生体の軸線
   方向に沿つて細長く開口したスリツトを含み、この連通
   孔の軸線方向の内径寸法は、スリツト開口部から渦発生
   体の内部に向うに従つて対称的に除々に減少し、この内
   径の一番小さい部分に渦検出素子が設けられていること
   を特徴とする渦流量計。 ４ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の渦流量
   計において、上記第２の連通孔は、流れに対してほぼ直
   角方向にある渦発生体の両側面のそれぞれにおいて軸線
   方向に多数個互いに相対向した位置におけられた導圧孔
   と、各々対になつた導圧孔を連通する導圧管と、各導圧
   管を連通する連通管とより構成され、この連通管の内部
   に渦検出素子が設けられていることを特徴とする渦流量
   計。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項
   に記載の渦流量計において、渦検出素子は、渦の周波数
   を検出するための熱的検出素子であることを特徴とする
   渦流量計。 ６ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項
   に記載の渦流量計において、渦検出素子は、第２の連通
   孔内における流体の圧力変化により渦の周波数を検出す
   る圧力検出素子であり、第２の連通孔を正分しているこ
   とを特徴とする渦流量計。