JPS629222A - 流体の流速測定装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、流れ内に不動に配置されていて周期的に剥離
する渦流を形成させる円筒状の流れ対接面を有する棒状
の邪魔体と、流速に関連した渦流の剥離周波数を検出す
るセンサ装置とを備えた流体の流速測定装置に関する。

従来の技術 前記構成による装置はカルマンの渦流路の原理に基づい
ている。この現象はカルマンによって円筒形の棒材にお
いて確認されかつ流動技術的に探究された。これによれ
ば、円筒棒の背面で流れが乱れる場合、対向した両側で
渦流、が形成され、該渦流は一方の側と他方の側とで交
番に剥離されて下流側へ移動する。渦流の剥離周波数は
種々の形式のセンサ、例えば受圧器、ホットワイヤ式セ
ンサなどによって測定される。

前記剥離周波数は流体の流速の尺度であシ、シかもこの
効果はガス流においても液体流においても生じる。レイ
ノルズ数の成る範囲では剥離周波数は流過流量に比例す
るので、邪魔体をそれ相応に設計して流れ内に配置する
場合、トラブルのない正確な測定が可能である。

前記レイノルズ数の前記範囲外では渦流形成には流れに
基づ（動的妨害が重畳し、その結果この範囲で流過流量
と剥離周波との間にはもはや比例関係は存在しなくなる
。殊に大きなレイノルズ数の範囲においてもこの効果を
流量測定に活用しうるようにするために過去において測
定器では、比較的大きなレイノルズ数範囲にわたって剥
離周波数を少なくとも再現可能に流速に関連させうるよ
うにするために邪魔体の形状を最適化する試みがなされ
た。例えば邪魔体を、円筒状の流れ対接面を有する半円
筒体として設けること、あるいは扁平な流れ対接面を有
する上流側の直線状の縁から下流側に達する角柱状の邪
魔体を、設けることはドイツ連邦共和国特許出願公開第
２０３８５６９号明細書に基づいて公知である。このよ
うな邪魔体の増大した流動抵抗は、横方向に設置された
ディスクなどのような後置の組込み体によって低下され
ねばならない。また完全円筒形の邪魔体の代シに部分楕
円形の流れ対接面を有する邪魔体を設け、かつ該邪魔体
の後方に整合させて配置されて振動可能に支承されたセ
ンサによって剥離周波数を検出することは米国特許第３
１１６６３９号明細書に基づいて公知になっている。更
に又、流れ内に、流れ方向に対して直角に延びるプレー
ト状の堰止め面を配置し、該堰止め面に対称的に下流側
に達するガイド面を装着しておくことはドイツ連邦共和
国特許第１９２６７９８号明細書に基づいて公知になっ
ている。公知の装置はすべて、程度の差こそあれ、次の
ような重大な欠点を有している。

邪魔体の賦形によって著しい圧力損失が生じる。かてて
加えて邪魔体によって管の有効横断面が著しく制限され
る。流動発生器、ペンド管、弁などのような組込み体に
よって発生する流動脈動により測定が不都合な影響を受
ける。それというのは流動プロフィールが害われるから
であり、場合によっては渦流路内に短時間破壊効果が生
じることになるからである。ひいて測定誤差が生じる。

この測定誤差を成る程度避けるだめには、乱流におけて
均一な速度プロフィールを発生させるために整流器を有
する長い流入区域が設けられねばならない。測定技術上
の多くの仕事においてこのように長い流入区域を設ける
ことは不可能である。邪魔体の形状及び寸法によって壁
は不都合な影響を受け、ひいては測定結果に誤差が生じ
ることになる。以上の事情から、邪魔体の大きさを管径
に対して特定の比率で構成しようとする要求が派生し、
従って相当数の邪魔体は種々異なった管呼び寸法に使用
できるようにされねばならない。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、広いレイノルズ数範囲において流過流
量と剥離周波数との間知比例関係を有しかつ低い流動抵
抗の場合にも動的な流動事象の重畳に対して左右されな
いような邪魔体を提供することである。

問題点を解決するための手段 円筒状の流れ対接面を有する棒状の邪魔体を備えた冒頭
で述べた形式の装置における前記課題を解決する本発明
の構成手段は、邪魔体が、頂点を起点として下流側に両
側へ向づて対称的に屈曲されている点にある。

作用 本発明によって構成された邪魔体は、最も単純な例では
細い円筒形の棒材であシ、該棒材は頂点から両側へ流動
方向に屈曲されている。このような棒材がきわめて僅か
な流動抵抗を有しているのは勿論である。それというの
は該棒材は流れに対して、もっばら小さな直径の円筒面
で以て対向しているからである。実験の結果、このよう
な邪魔体では大きなレイノルズ数範囲にわたって申し分
のない渦流剥離が得られ、ひいては又、剥離周波数と流
速との間に正比例関連が得られることが判った。また、
渦流剥離が脈動の重畳によっても全熱又は無視できる程
度にしか影響を受けず、いずれにしても申し分のない測
定検出が可能であることが判った。このことは流速がほ
ぼ零になる静かな流動ゾーンの形成される邪魔体頂点の
後方範囲について特に当嵌まる。この範囲では実質的に
、流動方向に対して直角方向の振動しか生じない。従っ
て邪魔体頂点の後方範囲にセンサも配置するのが有利で
ある。

実施態様とその作用 本発明の実施態様では邪魔体の後方で、しかも該邪魔体
の平面内に誘導面が配置されており、該誘導面は最も単
純な例では薄板として構成することができる。該誘導面
は邪魔体の後方で流れを誘導して流れを鎮静させ、特に
、脈動の重畳時に発生することのある２つの渦流路の相
互影響が避けられる。また、このような邪魔体は、流入
区域及び整流器区域なしにも申し分のない測定結果を生
せしめることが判った。更に又、邪魔体は、送風機、ポ
ンプなどの流出範囲における動的流動過程を測定するた
めのゾンデとしても使用できる。まだ測定の質的成績は
、使用されるセンサ糸には全く無関係である。センサ系
としてはサーミスタ、ひずみデージ、受圧器、振動セン
サ又は（空気流用として）音響受信器が使用される。ま
た単数又は複数の測定検出器を相前後して接続すること
も、ある（ミは又、複数の邪魔体を順次相前後して配置
して、流動方向での流動経過を測定することも可能であ
る。

更に又、１つの流れの横断面にわたって複数の邪魔体を
配置して流動プロフィール内における速度ベクトルの分
布を検出することも可能である。

本発明の有利な実施態様では邪魔体はその頂点で小さな
曲率半径を有しており、従って流れに対して直角な方向
でも一種の円筒状の流れ対接面が生じ、該流れ対接面自
体は流動抵抗を減少させ、かつ申し分のない渦流剥離を
保証する。

この場合、曲率半径は、円筒状の流れ対接面の半径の６
〜１０倍である。

別の実施態様では邪魔体はその頂点に、流動方向に対し
て直角方向の直線部分を有し、該直線部分には、下流側
へ対称的に屈曲された部分が接続している。

邪魔体の下流側屈曲部分も直線状に延びているのが有利
であり、この場合流動方向に対する下流側屈曲部分の角
度は１０°〜８０°である。

このような邪魔体は円筒状の受は台をめぐって円筒形棒
材を屈曲することによって簡単に製作することができる
。

邪魔体を総体的に抛物線状に構成することも可能であシ
、これによって振動安定性を一層改善することができる
。

本発明の有利な実施態様では誘導面はその上流に位置す
る側で邪魔体の屈曲部分の端部と結合されている。従っ
て邪魔体と誘導面とは、困難な（管内に挿入されかつ単
に一時的な測定操作のだめの測定検出器としても組込む
ことのできる１つの構成ユニットを形成している。

誘導面は方形横断面を有する薄肉の板として構成されて
いるのが有利であり、しかも該誘導面は、邪魔体と結合
された縁部では、邪魔体の対応した横方向寸法と同じ長
さを有している。

前記誘導面を構成する板の厚さは邪魔体の流れ対接横断
面よりも小である。

前記実施態様によシ、センサを誘導面に直接に１あるい
は又、該誘導面の窓内に例°えば羽根片の形で配置する
ことも可能であシ、前記羽根片は誘導面と両側でひずみ
ｒ−ジを介して結合されている。従って１つの振動可能
なセンサが生じ、該センサの横振動はひずみゲージを介
して検出される。これによって邪魔体と誘導面とセンサ
とから成る完全な構成ユニットが得らへ該構成ユニット
は使用と組込みとを特に簡便にする。

特殊な測定問題のため、つまり逆流を検出するために邪
魔体の下流側に同じ邪魔体を逆向きに設けることも可能
であシ、シかも２つの邪魔体は誘導面によって互に結合
されているのが有利である。このようにすれば、ただ１
つの構成部材とただ１つのセンサとＫよって、その都度
組換え作業なしに２つの流動方向で流速の測定を行うこ
とも可能になる。

実施例 第１図には円筒形の管１の一部が示されており、肢管は
、流動する流体（ガス又は液体）をガイドするためのも
のである。流体の流動方向線方向矢印２で示され【いる
。

管１内には邪魔体３が定位置にかつ不動に組込まれてお
り、該邪魔体は図示の実施例では円筒横断面４を、ひい
ては又、部分円筒状の流れ対接面５（第２図）を有して
いる。邪魔体３は、流動軸線内に配置された頂点６を有
し、該頂点から両側へ下流側に向って屈曲されており、
しか゛も図示の実施例では、下流側屈曲部分７，８は直
線状に延びている。邪魔体３の頂点６及び下流側屈曲部
分７．　８は流れ平行な平面内に位置しかつ下流側屈曲
部分７，８は管１のほぼ全横断面を横切って延びている
。この邪魔体３は例えば１つの円筒状の受は台をめぐっ
て真中で屈曲された小径の円筒棒材から製作される。

邪魔体３の後方、特に該邪魔体の頂点６の後方ではゾー
ン９において、第２図にベクトルで示したように邪魔体
の両側で周期的に剥離する渦流が生じる。

２つの渦流路の相互影響を避けるために邪魔体３の後方
には小薄板１１の形の誘導面１０が配置されており、該
誘導面は２つの渦流路を互に分離しておシ、かつ図示の
実施例では邪魔体３の下体側屈曲部分７，８の自由端に
固定されている。

第１図及び第２図に示した実施例では剥離周波数を検出
するためのセンサとして振動可能な羽根片１２が設けら
れており、該羽根片は小薄板１１の窓１３の内部に配置
されておシ１．かつ前記羽根片の上流側縁部でフォイル
状の懸架部１４を介して振動可能に支承されている。羽
根片１２は、渦流によって交番に作用する圧力パルスに
追従し、しかも流動方向に対して直角に振動する。振動
周波数は羽根片１２に接着されたひずみデージ１５を介
して検出され、該ひずみデージは、振動によって発生さ
れたひずみを、電気的に測定可能な抵抗の変化に変換し
、該抵抗変化は電気的接続路１６を経て電子評価回路１
７を介してデジタルパルス列１８に変換される。

第３図及び第４図には第１図及び第２図による邪魔体３
が拡大して示されている。すでに述べたように邪魔体３
は、円筒横断面で比較的小さな直径の棒材から製作され
ている。図示の実施例では曲率半径γは棒材の円筒半径
のほぼ５倍である。図面では直線として示した後方へ屈
曲された下流側屈曲部分７，８は、頂点６と共に抛物線
状に構成されていてもよい。図示の実施例では下流側屈
曲部分７，８は流動方向２に対して垂直な平面に対して
角度α０＝β０を有し、この場合の角度は約４５°であ
る。下流側屈曲部分７，８の自由端に、誘導面として作
用する小薄板１１が固定されており、該小薄板は、特に
第４図から判るように、邪魔体３の直径よりも著しく小
さな厚さを有している。

第５図に示した実施例が第３図及び第４図の実施例と異
なっている点は、邪魔体３が頂点６の範囲に直線部分１
９を有し、該直、線部分に、下流側へ対称的に屈曲され
た部分２０．２１が接続していることである。前記直線
部分１９と部分２０，２１との間の曲率半径γ１とγ２
は等しい。また本実施例でも部分２０，２１の自由端に
は、誘導面を形成する小薄板１１が固定されている。第
６図及び第７図に示した実施例が第６図及び第４図の実
施例と異、なっている点は、邪魔体３に対向した方の側
で小薄板１１には、同一輪郭の邪魔体２２が逆向きに装
着されていることだけである。同様に第８図は、逆向き
の邪魔体２３を付加的に有、する、第５図の変化実施例
を示すものである。この場合両邪魔体３と２３は小薄板
１１を介して互に結合されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は邪魔体とセンサを組込んだ管部分の斜視図、第
２図は第１図に示した管の水平断面図、第３図は第１図
及び第２図に示した邪魔体の拡大平面図、第４図は第３
図に示した邪魔体を９０°ずらして示した図、第５図は
邪魔体の第２実施態様を第３図に相応して示した図、第
６図は邪魔体の第３実施態様を第３図に相応して示した
図、第７図は第６図に示した邪魔体を９０°ずらして示
した図、第８図は邪魔体の第４実施態様を第６図に相応
して示した図である。 １・・・管、２・・・方向矢印、３・・・邪魔体、４・
・・円筒横断面、５・・・流れ対接面、６・・・頂点、
７，８・・・下流側屈曲部分、９・・・ゾーン、１０・
・・誘導面、１１・・・小薄板、１２・・・羽根片、１
３・・・窓、１４・・・フォイル状の懸架部、１５・・
・ひずみｒ−ジ、１６・・・接続路、１Ｔ・・・電子評
価回路、１８・・・デジタルパルス列、γ、γ１．γ２
・・・曲率半径、１９・・・直線部分、２０．２１・・
・対称的に屈曲された部分、２２．２３・・・邪魔体 １・・・管 ＦＩＧ、　１ ５・・・流れ対接面 羽根片 ＦＩＧ、　３　　　　　　　　　　　ＦＩＧ、４ＦＩＧ
、　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流れ内に不動に配置されていて周期的に剥離する渦
   流を形成させる円筒状の流れ対接面を有する棒状の邪魔
   体と、流速に関連した渦流の剥離周波数を検出するセン
   サ装置とを備えた流体の流速測定装置において、邪魔体
   が、頂点を起点として下流側に両側へ向つて対称的に屈
   曲されていることを特徴とする、流体の流速測定装置。 ２、邪魔体の後方で、しかも該邪魔体の平面内に誘導面
   が配置されている、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、邪魔体がその頂点で小さな曲率半径を有している、
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 ４、曲率半径が、円筒状の流れ対接面の半径の３〜１０
   倍である、特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５、邪魔体がその頂点に、流動方向に対して直角方向の
   直線部分を有し、該直線部分に続いて下流側へ対称的に
   屈曲された部分が設けられている、特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載の装置。 ６、邪魔体の下流側屈曲部分が直線状に延びている、特
   許請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載
   の装置。 ７、流動方向に対する下流側屈曲部分の角度が１０°〜
   ８０°である、特許請求の範囲第１項から第６項までの
   いずれか１項記載の装置。 ８、邪魔体が総体的に抛物線状に構成されている、特許
   請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項記載の
   装置。 ９、誘導面がその上流に位置する側で邪魔体の屈曲部分
   の端部と結合されている、特許請求の範囲第１項から第
   ８項までのいずれか１項記載の装置。 １０、誘導面が薄肉の板として構成されており、該板の
   厚さが邪魔体の流れ対接横断面よりも小である、特許請
   求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項記載の装
   置。 １１、板が方形に構成されている、特許請求の範囲第１
   項から第１０項までのいずれか１項記載の装置。 １２、センサが邪魔体の頂点の直ぐ後方に配置されてい
   る、特許請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか
   １項記載の装置。 １３、センサが誘導面に配置されている、特許請求の範
   囲第１項から第１２項までのいずれか１項記載の装置。 １４、誘導面が邪魔体の頂点に整合して、振動可能な又
   は振動可能に懸架された羽根片を有し、かつ、該羽根片
   を前記誘導面と結合する少なくとも１つのひずみゲージ
   がセンサとして設けられている、特許請求の範囲第１３
   項記載の装置。 １５、羽根片が誘導面の窓内に配置されている、特許請
   求の範囲第１４項記載の装置。 １６、邪魔体の下流側に同じ邪魔体が逆向きに設けられ
   ている、特許請求の範囲第１項から第１５項までのいず
   れか１項記載の装置。 １７、２つの邪魔体が誘導面によつて互に結合されてい
   る、特許請求の範囲第１６項記載の装置。