JP2006510003A - 渦流センサー - Google Patents

Abstract

渦流センサーは、管壁を持つ流管を流れる流体の質量流量、体積流量または流速の測定のために設計され、この渦流センサーが温度センサーを腐食する流体と共に使用されることも可能なように配置された二つの温度センサーを持つ。流管の中の渦発生体は、渦を発生させ、それ故、圧力変動を引き起こす。それに反応する渦センサー装置が、渦発生体の下流にある流管の壁に備えられた穴に取り付けられる。この渦センサー装置は、流体に突き出たセンサー羽根を備えている。温度センサーは、センサー羽根のブラインドホール内に配置される。あるいは、温度センサーは、渦発生体のブラインドホール内に配置されてもよい。

Description

本発明は、流管を通る流体、すなわち、液体、蒸気または気体の体積流量、質量流量または流速を測定するための渦流センサーであって、流管の内部に配置されてカルマン渦を発生させる渦発生体を備える渦流センサーに関する。

体積流量と質量流量は、それぞれ、単位時間に流管の断面を通過する流体の体積と質量として定義される。そのような渦流センサーの動作の間、カルマン渦列は、周知のように、渦発生体の下流に形成され、この渦列の圧力変動は、渦センサー装置によって電気信号に変換され、その周波数はそれぞれ体積流量と流体流速に比例する。

米国特許第６００３３８４号明細書には、管壁を持つ流管を流れる流体の体積流量または流速の測定に、一般に現在使われている渦流センサーが記載されている。この渦流センサーは、
流管の直径に沿って配置され、カルマン渦を発生させ、互いに向かい合った第一および第二の固定位置に流管の管壁に内側から接続された、渦発生体と、
渦により引き起こされた圧力変動に反応し、渦発生体の下流にある、流管の管壁に形成された穴に取り付けられ、この穴をふさぎ、穴の中心と渦発生体の第一の固定位置の中心は流管の柱面の部分に置かれる、渦センサー装置とを備えており、
そしてこの渦流センサーは、上記穴を覆い、流体に面する第一の面と流体とは反対側を向く第二の面とを有するダイヤフラムと、このダイヤフラムの第一の面に装着され、流管の直径より短く、先端エッジと同様に流管の柱面の部分と軸合わせされた主面を有するくさび形のセンサー羽根と、第二の面に取り付けられた検出部とを含んでいる。

さらに流体の温度が測定される場合は、流体の更なる特性、特にその現在の熱力学特性が、体積流量を使い質量流量が測定できるように、流体の瞬間密度と必要ならば流体の瞬間圧力を考慮することにより決定される。これは、例えば、渦流センサーに接続されてその計測信号を処理する評価回路に設けられたマイクロプロセッサーを用いて行うことができる。

上記の事実は、異なる種類の渦センサー装置を持つ渦流センサーの温度測定に関連して、ずっと以前に記載された。例えば、米国特許第４０４８８５４号明細書と米国特許第４４０４８５８号明細書には、それぞれ、流れる流体が通過するように流管の内壁に置かれた、温度センサーが示されている。

特開２０００−２５６７号には、管壁を持つ流管を流れる流体の質量流量、体積流量または流速を測定する渦流センサーが記載されている。この渦流センサーは、
一端がベースプレートを用いて内側から管壁に固定され、カルマン渦の発生時に使用し、流管の直径より短く、温度センサーが配置された丸い前面と同様に流体の流れる方向に垂直な平行の主面を持つ羽根と、
カルマン渦により引き起こされた流体の圧力変動の検出のために固定位置の近くに固定された第一検出部と、
流れる流体により引き起こされた羽根のたわみの検出のために固定位置の近くに固定された第二の検出部とを備えている。

この温度センサーもまた、流れる流体が通過し、発明者が発見したように、動作中に現れる全ての流体に耐性があるわけではなく、すなわち、いくつかの流体は、このように配置された温度センサーを腐食する。

それ故、温度センサーを腐食するこれらの流体は、渦流センサーの製造者により、温度センサーといっしょに使用することから除外されなければならない。しかしながら、そのような除外は、これら渦流センサーの利用の範囲、すなわち、それらの利用の一般性を狭め、故に、市場におけるそれらの魅力を減少させる。

本発明の目的は、渦発生体と、流管の壁に固定された渦センサー装置と、温度センサーを腐食するであろう流体を利用するかもしれない各渦流センサーに配置された少なくとも二つの温度センサーとを有する渦流センサーを提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、パイプを流れる流体を測定するための渦流センサー、特に流体の流速、体積流量、および／または質量流量の測定のための渦流センサーを提供するものであり、この渦流センサーは、
流れる流体を導くためにパイプに接続されている流管と、
この流管の内部に配置され、カルマン渦を発生させる渦発生体と、
渦により引き起こされた圧力変動に反応する渦センサー装置であって、渦発生体の下流で上記流れる流体の中に突き出て、渦により特に繰り返し動かされるセンサー羽根および、機械的にセンサー羽根に接続されセンサー羽根の動きに反応する少なくとも一つの検出部を備える渦センサー装置と、
流れる流体の温度の検出のための第一の温度センサーと少なくとも第二の温度センサーとを備えている。

本発明の第一の変形例は、二つの温度センサーがセンサー羽根の中に、特に互いに離れて配置され、センサー羽根に、動作中、流れる流体により濡れないように取り付けられる。

本発明の第二の変形例は、二つの温度センサーが渦発生体の中に、特に互いに離れて配置され、渦発生体に、動作中、流れる流体により濡れないように取り付けられる。
本発明の第一の実施例は、センサー羽根または渦発生体は少なくとも二つの温度センサーの一つが取り付けられた、少なくとも一つのブラインドホールを持つ。

本発明の第二の実施例は、両方の温度センサーが少なくとも一つのブラインドホールに取り付けられている。
本発明の一つの利点は、流れる流体に接触することがなく、それ故、流体により腐食されないということである。しかしながら、温度センサーは、特に瞬時に、特に異なる測定点で、その温度が測定できるように、流体の近くに置かれる。それらは、流体から、渦センサー装置または渦発生体の薄い壁によってのみ隔てられ、これらの部品は、渦流センサーの他の部分と同様に、金属、例えば特殊鋼で作られ、それ故、高い熱伝導率を持つ。

本発明のもう一つの利点は、センサー羽根または渦発生体に配置された温度センサーは、流体温度の改良された測定を与えるということであり、例えば、F.P.Incropera and D.P.DeWitt, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, 4th Edition, 1996, ISBN 0-471-30460-3, page 114 to 119 and 407に記載されている。

本発明と更なる利点は、以下の添付図面と関連した本発明の実施例の説明によりさらに明らかになる。異なる図面の図の間で、同じ部品は、同じ参照番号で指定され、しかしながら、もし明確さを提供するならば、省略される。

全ての詳細を図ごとに表すことができないので、図１から図４を一緒に説明する。第一の変形例の実施例の透視図は、図１と図２で示され、全体図を与え、流体が流れる方向（図１）と流体の流れる方向と反対方向（図２）に見た、渦流センサー１の断面図を示し、これは、流管２の管壁２１に固定され、穴２２を通り突き出ている渦センサー装置３を備えている。

渦センサー装置は、米国特許第６００３３８４号明細書に記載されているような、容量性の検出部を持つ動的に補償された渦センサーであってもよく、その内容はここに参考までに盛り込んである。

流管２の内側にその直径に沿って、流管２に取り外せないように接続された、渦発生体４が配置され、描かれた第一の固定位置４１と隠れた第二の固定位置４１＊を形成している。穴２２の中心と固定位置４１の中心は流管２の柱面の部分に置かれる。

渦発生体４は、渦流センサーの動作中に流れる流体、例えば、液体、気体または蒸気、の測定のために流体に対するバッフル面４２を持つ。渦発生体４は、また、二つの側面を持ち、そのうち一つだけ、（前の）側面４３は、図１と図２で見ることができる。バッフル面４２と側面は二つの分離エッジを形成し、その内一つだけ、（前の）分離エッジ４４は、図１で十分に見え、もう一方の、（後の）分離エッジ４５は、示されているだけである。

図１と図２の渦発生体は、基本的に、まっすぐな三角形の柱、すなわち、三角形の断面の柱の形を持つ。本発明に他の従来の形の渦発生体を使用することもまた可能である。
流体がバッフル面４２に対して流れる時、渦は分離エッジから交互に作られ、流体の流れに沿って運ばれるという事実によって、カルマン渦列は渦発生体の下流に形成される。これらの渦は、流体に局所的圧力変動を引き起こし、単位時間あたりの境界層剥がれ（flow separation）の数、すなわち、渦周波数と呼ばれるものは、流体の流速および／または体積流量の尺度である。

圧力変動は渦センサー装置３により、通常の方法で流体の流速および／または体積流量を計算する評価回路（記載されていない）に送られる電気渦信号に変換される。
渦センサー装置３は、渦発生体４の下流にある流管２の管壁２１に形成された穴２２の中に取り付けられ、流管２の円周面に向かって穴２２をふさぎ、そのために管壁２１にねじで取り付けられる。この実施例の中で、４つのねじが使用され、それら、ねじ５、６、７は、図１と図２に見ることができ、対応する穴５０、６０、７０、８０は、図３に示されている。

渦センサー装置３における、管壁２１の穴２２を通り、流管２の内部に突き出ている、くさび形のセンサー羽根３１と、ハウジングキャップ３２は、図１と図２に見ることができる。ハウジングキャップ３２は、延長部３２２で終わり、これら二つの部分の間に、薄い壁の中間部３２３が設けられている（前記米国特許６００３３８４を参照）。

センサー羽根３２は主面を持ち、そのうち主面３１１だけは、図１と図２で見ることができる。主面は、流管２の前記柱面の部分に軸合わせされ、先端エッジ３１３を形成する。センサー羽根３１は、また、他の適切な三次元形状、例えば、二つの平行な先端エッジを形成する二つの平行な主面を持ってもよい。

センサー羽根３１は、流管２の直径よりも短い。それは、硬く、ブラインドホール３１４（図４のみで見ることができる）を持っている。ブラインドホール３１４が十分な直径を持つために、壁の一部が主面から突き出ている。これら壁の一部は、図３に部分３１５で示されている。ブラインドホール３１４は、先端エッジ３１３の近辺に達し、それは底部を持っている。

渦センサー装置３はさらに、穴２２を覆い、流体に面する第一の面３３１と流体の反対側を向く第二の面３３２を持ち、図３と図４に見える、ダイヤフラム３を含んでいる。センサー羽根３１は、面３３１に固定され、検出部は、面３３２に固定されている。センサー羽根３１、ダイヤフラム３３、ダイヤフラムの環状の縁３３３と、ダイヤフラム３３に取り付けられた検出部３６の部分３５１は、単一片からなる材料、例えば金属、特に特殊鋼、から形成される。検出部３６は、周波数が流体の体積流量に比例する、前記信号を生成する。

ブラインドホール３１４の底部の近くに固定されるのは、第一の温度センサー３４であり、流れる流体の温度により左右される温度信号を前記評価回路に与える。温度センサー３４の上方には、第二の温度センサー３５が、同様に流体の温度により左右される第二の温度信号の生成のために、ブラインドホール３１４に備えられる。温度センサー３４、３５の両方とも、Ｐｔ１００またはＰｔ１０００のようなプラチナ抵抗素子が使用される。しかし、例えば、熱電対、感温半導体を使用することも可能である。

センサー羽根３１と、特にその壁の部分３１５は、十分に薄く、金属で作られているので、ブラインドホール３１４の底部の近くに置かれた温度センサー３４は、センサー羽根３１を流れ過ぎる流体のほとんど瞬間温度である。組立部品の低熱容量により、この温度センサーは、十分に速く、ほとんど瞬時に、流体の温度の変化にとてもよく追随することができる。

できる限り流体の瞬間の流れ状態に左右されない温度を測定するために、ブラインドホール３１４の中の温度センサー３５は、ダイヤフラム３３の近くに置かれる。
それ故、温度センサー３４と３５からの温度信号と、例えば、流体からセンサー羽根３１への熱伝達またはセンサー羽根３１中の熱伝搬過程に関する、評価回路に備えられた、数学的モデルとを併用することで、例えば温度センサーを一つだけ用いるよりも、より正確に温度を測定可能である。

高精度に測定された流体温度と共に同様に測定された瞬間体積流量に基づき、流体の密度および／または質量流量を、高い精度で測定することができる。さらに、レイノルズ数とストローハル数は、このような方法で測定された流体温度に基づいて、極めて正確に決定でき、体積流量の必要ないくつかの補正を行うことが可能である。

二つ一組で温度センサー３４と３５に接続され、これを評価回路につなぐための、リード線３４１、３４２、３４３、３４４が、渦センサー装置３の中心を上方へ伸びている。もし温度センサー３４または３５のそれぞれの一端が、センサー羽根３１に電気的に接触されることで、グラウンド電位に接続されるならば、リード線のそれぞれの組、３４１、３４２または３４３、３４４の一つは、不要にすることができる。例えば、リード線３４１、３４３を共通のアース線に置き換えることができる。

二つの温度センサー３４、３５をブラインドホール３１４に固定するために、後者は、渦センサー装置３の製造中に、センサー３４、３５を位置決めした後、埋め込み用樹脂、特にセラミック系接着剤またはエポキシ系接着剤のような、高熱伝導率と高耐熱性の化合物で満たされる。

好都合にも、ブラインドホール３１４の上部は、ダイヤフラムに近く、特に突き出ている壁部分の領域の部分は、二つの温度センサー３４、３５とそれらのリード線３４１、３４２、３４３、３４４の取り付けと埋め込み用樹脂でブラインドホールを満たすのを容易にするために、わずかに底部の近くより広い。

図２に類似した図５は、本発明の第二の変形例に対応した、渦流センサー１’の透視断面図を示す。図２の部品に一致する図５の部品は再び説明しないが、図２のそれらの参照番号にプライム記号を付けて与えられる。

本発明の第二の変形例の実施例は、渦発生体４’が、流管２’の第二の穴２４と軸合わせされたブラインドホール４６を備えると共に、二つの温度センサー３４’、３５’を含み、また、くさび形のセンサー羽根３１’が二つの平坦な主面を持つという点で、第一の実施例と異なる。温度センサー３４’と３５’は、それぞれ、リード線３４１’、３４２’と３４３’３４４’に接続されている。

渦発生体４’のブラインドホール４６は、任意の深さにすることができ、その底部４６１は、温度センサー３４’が渦発生体４’の中央に位置するように配置される。第一の変形例と同じように、第二の温度センサー３５’は、管壁２１’のできるだけ近くに置かれる。

渦発生体４’はブラインドホール４６の領域で十分に薄く作ることが可能なので、図１から図４のセンサー羽根３１のように、金属、特に特殊鋼で作られ、温度センサー３４’もまた、ほとんど、渦発生体４’を流れ過ぎる流体の瞬間温度であり、組立部品の低熱容量により、十分に速く、ほとんど瞬時に、流体の温度の変化にとてもよく追随することができる。それ故、特に、流体から渦発生体４’への熱伝達または渦発生体４’の中の熱伝搬過程に関する数学的モデルの使用により、とても高い精度を持つ、温度センサー３４、３５により与えられる温度信号から、流体の温度は決定可能である。

流れる流体の流速および温度の両方の測定の高い精度によって、本発明による渦流センサーは、流れる蒸気または気体の測定に特に適応できる。さらに、渦流センサーは、また、例えば液体または蒸気などの流れる流体の密度および／またはその中に蓄積された熱量を決定するのに最も有用である。

本発明の第一の変形例に係る渦流センサーを流体の流れの方向に見た透視断面図である。 図１の渦流センサーを流体の流れとは反対方向に見た透視断面図である。 図１と図２の渦センサー装置の透視底面図である。 図３の渦センサー装置の透視縦断面図である。 本発明の第二の変形例に係る渦流センサーの、図２に類似した透視断面図である。

Claims (5)

1. パイプの中を流れる流体を測定するための渦流センサー、特に流体の流速、体積流量および／または質量流量を測定するための渦流センサーであって、
   流れる流体を導くために前記パイプに接続された流管と、
   該流管の内部に配置され、カルマン渦を発生させる渦発生体と、
   渦により引き起こされた圧力変動に反応する渦センサー装置とを備え、
   該渦センサー装置は、
   前記渦発生体の下流で前記流れる流体の中に突き出て、渦によって特に繰り返し動かされるセンサー羽根と、
   該センサー羽根に機械的に接続されて前記センサー羽根の動きに反応する少なくとも一つの検出部と、前記流れる流体の温度を検出するための第一の温度センサー及び少なくとも第二の温度センサーとを備え、
   該二つの温度センサーは、前記センサー羽根の中に、特に互いに離れて配置され、該センサー羽根に、動作中、前記流れる流体により濡れないように取り付けられている渦流センサー。
2. 前記センサー羽根は、前記二つの温度センサーのうちの少なくとも一つが取り付けられた少なくとも一つのブラインドホールを有する、請求項１に記載の渦流センサー。
3. パイプの中を流れる流体を測定するための渦流センサー、特に流体の流速、体積流量および／または質量流量を測定するための渦流センサーであって、
   流れる流体を導くために前記パイプに接続された流管と、
   該流管の内部に配置され、カルマン渦を発生させる渦発生体と、
   渦により引き起こされた圧力変動に反応する渦センサー装置とを備え、
   該渦センサー装置は、
   前記渦発生体の下流で前記流れる流体の中に突き出て、渦によって特に繰り返し動かされるセンサー羽根と、
   該センサー羽根に機械的に接続されて前記センサー羽根の動きに反応する少なくとも一つの検出部と、前記流れる流体の温度を検出するための第一の温度センサー及び少なくとも第二の温度センサーとを備え、
   該二つの温度センサーは、前記渦発生体の中に、特に互いに離れて配置され、該渦発生体に、動作中、前記流れる流体により濡れないように取り付けられている渦流センサー。
4. 前記渦発生体は、前記二つの温度センサーのうちの少なくとも一つが取り付けられた少なくとも一つのブラインドホールを有する、請求項３に記載の渦流センサー。
5. 前記両方の温度センサーが前記少なくとも一つのブラインドホール内にとりつけられた、請求項２または請求項４に記載の渦流センサー。

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