JP2779805B2

JP2779805B2 - 渦流量計

Info

Publication number: JP2779805B2
Application number: JP63018495A
Authority: JP
Inventors: デビッド・マーシュ
Original assignee: Asahi America Inc
Current assignee: Asahi America Inc
Priority date: 1987-01-28
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: DE3743972A1; JPS63222219A; US4735094A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は流量計、特に、流路内に渦発生体を有する型
式の渦流量計に関する。

〔従来の技術〕

この種の渦流量計は、今日よく知られており、流体の
流れの中に障害物を置くと多くの渦が発生し、下流側へ
流れるという原理に基づいている。その渦は、圧力や速
度のような識別可能なパラメータに応じて変動する。こ
の渦流量計の最も簡単なものは、流路と、この流路内に
配置された障害物と、この流路内のうち、渦によって直
接あるいは間接的に影響を受ける位置に配置されたセン
サとからなるものである。渦の有効な形態を作り出すた
めには、流体の流れを変化させたり、旋回させたりせず
に、障害物とセンサとの上流及び下流において直線的な
流れを作らねばならないことがよく知られている。一般
的に、その直線流はセンサや障害物の上流側において流
路の直径の数十倍の長さにわたり、センサの下流側にお
いては、流路の直径の数倍の長さにわたる。もちろん、
流路の径は直線流全体にわたって一定である。

この種の渦流量計としては、種々改良されたものが知
られているが、その改良点は、一般に「渦発生体」と呼
ばれている障害物の形状や、センサの位置と構造に関す
るものである。この技術分野において「円柱」と呼ばれ
る渦発生体は、細長い形状を有し、長手方向に直交する
方向においてほぼ一定の断面を有するものである。した
がって、「円柱」とは特に断面が円の柱をさすのではな
く、むしろ、例えば、断面形状が「角形」の柱をさすも
のである。

一般にこの渦発生体は、上流面と呼ばれる部分を有し
ている。この上流面は、流体がこの面に直角方向から流
れてくる時、その横方向の最外端縁で渦を発生するよう
に構成されている。さらに、この渦発生体は、前記上流
面の反対側に位置する下流面を有し、この下流面は、流
体が上流面に当たることによって発生した渦に対面して
いる。したがって、この下流面は、通常、センサ側に面
している。センサとしては、従来より知られている種々
の圧電式デバイスを使用することができる。

従来の渦流量計は、それなりに有用なものではあった
が、次のような欠点があった。つまり、従来の渦流量計
は構造が複雑で、破損しやすいものであった。さらに、
コストが高く、しかも、使用中に生ずる振動によって損
傷を受けやすい欠点があった。また、例えば、酸や腐食
性の流体、あるいは溶剤のような流体に対して抵抗性の
ない材料で作られていたので、この点にも問題があっ
た。

さらに、従来の渦流量計の多くは、流路を形成する管
部分の間にサンドイッチ状に挾持される比較的平坦なデ
ィスク状のウエハー式の装置である。そのディスクの径
は、通常、流路管の径よりも少し大径である。このよう
な構造上の制限により、従来の渦流量計は、少なくとも
数インチ、一般にはそれ以上の直径を有する流路管にし
か使用することができなかった。

加えて、従来の渦流量計は、他のタイプの単一方向式
の流量計と同様に、取り付けが適切に行われないという
問題があった。具体的には、経験不足の作業者によって
取り付けられた流量計のうち、約10％程度のものが、流
路に対して反対方向に取り付けられてしまう。このよう
なミスは、実際に流体を流しても流量計が作動しないこ
とによって始めて発見される。その結果、流量計が破損
したり、ミスを発見してそれを直すのに時間が浪費され
て、結局、コストが高くつく欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、従来の渦流量計の有する上述の欠点、ある
いはそれ以外の欠点を解消しようとするもので、どちら
の方向に取り付けても常に正しく作動する二方向性の渦
流量計の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明による渦流量計は、
ハウジング内に、第１開口部と第２開口部を備えた流路
を形成すると共に、前記第１開口部と第２開口部は流体
入口又は出口を形成し流体流管に連通可能になってい
て、前記流路内に単一の渦応答センサを配置している渦
流量計であって、前記渦応答センサは、片持ち部材と、この片持ち部材
中に同心状に埋め込まれ、この片持ち部材のほぼ長手方
向に延出している圧電式センサを備えると共に、前記渦
応答センサを前記ハウジングに取付ける手段が設けられ
ていて、前記第１開口部側に面し、かつ流れに応じて第１流れ
方向に流れる渦を発生する上流部分を有する第１渦発生
体が、前記第１開口部とセンサとの間の流路内に配置さ
れており、この第１渦発生体と前記渦応答センサとの距
離を、この渦応答センサによって第１流れ方向に流れる
渦を感知できる範囲内に設定するとともに、前記第２開
口部側に面し、かつ流れに応じて第２流れ方向に流れる
渦を発生する上流部分を有し、前記第１渦発生体とほぼ
同一の第２渦発生体が、前記第２開口部とセンサとの間
の流路内に配置されていて、この第２渦発生体と前記渦
応答センサとの距離を、この渦応答センサによって第２
流れ方向に流れる渦を感知できる範囲内に設定してある
ことを特徴とする。

〔作用および効果〕

このように、２つの渦発生体を有し、どちらの方向か
ら流体が流れてきても単一のセンサが常に正しく応答す
るので、この渦流量計をいかなる方向に取り付けようと
も、常に適切に作動する。したがって、従来のように破
損した流量計を取り替えたり、取り付け直す必要がな
く、全体として大幅にコストが減少するのである。

その他の具体的な構造や利点は実施例の記載から明ら
かとなるが、例えば、前記センサとして圧電式のものを
使用し、かつ、片持ち部材に取り付けて用いることがで
きる。特に有用なのは、前記ハウジングを、流路や開口
部を形成するハウジング本体と、このハウジング本体の
上部に固着された管状のハウジングチューブとから構成
することである。前記ハウジング本体には、流路内に配
置すべき渦発生体やセンサをねじ付けすることができ、
ハウジングチューブ内には、センサ流量表示装置や警報
装置のような外部制御手段に連結するための電気回路を
収容することができる。さらに、ハウジングチューブ内
に部分的にスライド可能なアダプタを収容することがで
き、このアダプタは、標準型のNPT電気接続を介して前
記電気回路と外部制御手段との連結を可能にする。この
アダプタは、ハウジングチューブに螺合可能なナットに
よってハウジングチューブに固定される。前記電気回路
は、好ましくは、ハウジングチューブ内のアルミニウム
製の無線周波シールド内に収容される。前記ハウジング
部は、例えばカイナ（Kynar）などの材料で形成しても
よいが、好ましくは、PVCプラスチックで形成される。
振動による損傷から保護するため、前記電気回路は、エ
ポキシ樹脂のような絶縁材内に置かれ、同様に、センサ
も片持ち部材内において絶縁材内に置かれる。前記ハウ
ジングチューブ内にも、同様な絶縁材が充填される。ま
た、前記渦発生体とセンサ取り付け用の片持ち部材と
は、それぞれ円柱状に形成するのが望ましい。

このような本発明による渦流量計は、従来のものと比
較して、いくつかの利点を有する。まず、PVCプラスチ
ックやカイナなどの耐腐食性の材料から構成されている
ので、酸や溶剤のような腐食性の流体が使用される環境
において特に有用である。また、両渦発生体とセンサ用
の片持ち部材とが円柱状であるため、他の形状に比べて
機械加工や製作が簡単でコストが安くなり、円柱の径が
小さい程、顕著である。さらに、円柱形状によって得ら
れる均一性と強度によって、従来よりもはるかに小さな
渦発生体と小径の流路を作ることが可能となる。それに
よって、従来の渦流量計によって測定可能な流量よりも
はるかに少ない流量の測定が可能になるとともに、小径
の流路を使用することが可能となり、例えば、直径１イ
ンチから0.25インチの流路を使用することができる。そ
の結果、従来の流量計に比べて約1/3程度のコストで済
む。

〔実施例〕

第１図と第２図を参照して、本発明による渦流量計
は、まず、互いに反対方向に位置する第１開口部（12）
と、第２開口部（14）、ならびに両開口部（12），（1
4）間に位置し、かつ流路（16）を形成する延長部とか
らなるハウジング（10）を有している。各開口部（1
2），（14）のそれぞれは、流路（16）の流体入口とし
て作用し、その場合、他方の各開口部（12），（14）
は、流路（16）の流体出口として作用する。

第２図を参照して、本発明の流量計は、さらに、流量
（16）内に位置する第１渦発生体（18）を有し、この渦
発生体（18）は、ねじ部（20）を介してハウジング（1
0）に連結されている。この第１渦発生体（18）の上部
には溝付きの頭部（22）が連設されていて、この渦発生
体（18）をドライバなどを用いてハウジング（10）に人
為的に取り付け得るように構成されている。この頭部
（22）は、また、渦発生体（18）の下端を流路（16）の
壁に圧接させることにより、渦発生体（18）が何らかの
原因で曲がることを防止する作用を有する。

本発明の流量計は、さらに、前記第１渦発生体（18）
から離れた位置で、前記流路（16）内に位置する第２の
渦発生体（24）を有する。この第２渦発生体（24）もね
じ部（26）を介してハウジング（10）に取り付けられ、
第１渦発生体（18）の頭部（22）と同じ作用を有する溝
付きの頭部（28）が設けられている。

両渦発生体（18），（24）の間、好ましくは、両渦発
生体（18），（24）の中央部の流路（16）内には、渦に
応答するセンサ（30）が配置されている。このセンサ
（30）は、ねじ部（34）によってハウジング（10）に取
り付けられる外側の本体（32）を有しているのが好まし
い。このセンサ（30）も、また、溝付き頭部（36）を有
しているが、この頭部（36）は、ねじなし部（35）を介
してねじ部（34）から離れて位置されている。このセン
サ（30）は、第２図中において点線で示された圧電式の
センサデバイス（38）を有し、これは外側本体（32）内
に埋入されて保持されている。

前記センサ（30）の頭部（36）の中央を同軸状に貫通
するケーブル（40）が、圧電式センサデバイス（38）
と、このセンサデバイス（38）を連結する連結具（42）
とを直列に接続している。

この連結具（42）は、少なくともその一部が、カップ
状のアルミニウムのハウジング（46）内に収容されてい
る。このハウジング（46）は、円筒状のスペーサ（48）
に形成された円環状の段部によって保持され、かつ、こ
のスペーサ（48）は、ハウジング（46）上部の円筒状の
くぼみ（50）内に保持されている。スペーサ（48）は、
好ましくは、ハウジング（10）に固着されている。この
スペーサ（48）の上端にはテーパ状の溝（54）が設けら
れ、その中にスナップリング（56）が保持されている。
このスナップリング（56）の張力は下方に作用して、ア
ルミニウムハウジング（46）をスペーサ（48）側へ押し
付ける。このスペーサ（48）内には、また、円筒状の流
路コネクタあるいはアダプタ（58）が位置され、かつ、
このアダプタ（58）は、内部にＯリング（62）を収容す
る円周溝（60）と、この円周溝（60）に近接して位置す
るフランジ（64）とを有している。前記Ｏリング（62）
は、スペーサ（48）の内面に当接してシール作用をし、
他方、フランジ（64）は、スペーサ（48）内へのアダプ
タ（58）の挿入距離を制限する。アダプタ（58）は、ス
ペーサ（48）と反対の側にねじ部（59）を有し、これは
例えばNPT導管用の孔を形成する。このアダプタ（58）
は、アダプタ（58）とスペーサ（48）とにわたって位置
された手動のナット（66）により、スペーサ（48）内に
位置され、フランジ（64）がスペーサ（48）とナット
（66）の間にはさみ込まれる。このナット（66）は、そ
の内面にねじ部（68）を有し、スペーサ（48）外面のね
じ部（70）に螺合するように構成されている。最も都合
のよいのは、前記Ｏリング（62）が弾性力のある合成材
料から形成され、他方、ハウジング（10）、渦発生体
（18），（24）、センサ本体（32）、スペーサ（48）、
アダプタ（58）、ならびにナット（66）の全てが、不活
性で比較的簡単に機械加工できる材料、最も好ましく
は、PVCプラスチックから形成されることである。

次に、電気連結具（42）について詳しく説明する。連
結具（42）を構成するアルミニウムハウジング（46）
は、アルミニウムのカップ（72）と、このカップ（72）
の上部に位置されたアルミニウムの蓋（74）とを有し、
このハウジング（72）内に収容される電気回路用の無線
周波のシールドとして作用する。前記スナップリング
（56）は、前述のようにカップ（72）の上端縁に当接す
る。前記ケーブル（40）はカップ（72）の底を貫通し、
従来のコネクタ（76）を介して、ハウジング（46）内に
収容されたセンサ用の回路ボード（78）に連結される。
この回路ボード（78）は、好ましくは、圧電式デバイス
（38）からの信号を線形化する電気回路を備え、現存す
る流量制御手段にとって有用なアナログ信号を提供する
ように構成されている。このことは、本発明による流量
計が現存する流体の流れ回路内に設置された場合に最も
都合がよい。前記回路ボード（78）に備えられた電気回
路は、測定流体の予想されるレイノルズ数に対する電気
回路調整のための電位差計（80）を有している。渦流量
計において、圧電式センサによって感知される振動周波
数は、良く知られているように、流体の粘性増加に伴っ
て増加し、そして、その変化を表示するメータ調整用の
電気回路をハウジング（10）内に設けるのが便利であ
る。前記連結具（42）は、回路ボード（78）に取り付け
られた従来のターミナルブロック（82）を有し、このブ
ロック（82）は、外部の制御手段に接続可能な一対のタ
ーミナルクリップ（84）を有している。この回路ボード
（78）とその関連部材、ならびに蓋（74）は、ボルト
（86）によってハウジング（46）のカップ（72）に連結
されている。

前記ハウジング（10）の上部は、好ましくは充填材、
さらに好ましくは電気絶縁材料で満たされている。この
充填材は、部分的に、ハウジング（10）に連結のスペー
サ（48）の内部とアルミニウムハウジング（46）の内部
をも満たしている。センサデバイス（38）は、センサ本
体（32）内に分離して収容されている。前記充填材は、
流路（16）内に通常収納されている流体から電気回路を
絶縁状態に維持し、漏れがあると、同時に連結具（42）
を保護し、流量測定中において流量計に通常作用する振
動から電気回路を保護する。この流量計は、もちろん、
ハウジンク（10）の両開口部（12），（14）に形成のね
じ部（87），（89）を介して流体の流れ回路に連結され
る。

次に、第２図と第３図にもとづいて、本発明による渦
流量計の作用について説明する。まず、第１渦発生体
（18）と第２渦発生体（24）のそれぞれは、センサ（3
0）の本体（32）と同様に、好ましくは、外形が円形の
円柱状に構成されている。流体が第１開口部（12）から
流路（16）に流入して第２開口部（14）から流出する
と、第１渦発生体（18）の半円状の上流面（88）は、流
路（16）の流れ方向に対面し、他方、下流面（90）はセ
ンサ（30）側に対面する。流体が渦発生体（18）を通過
する際、渦発生体（18）の横方向の最外端縁に沿って、
第１方向に流れる一連の渦（92）が発生する。センサ
（30）は、渦（92）の存在域に位置させるべく、渦発生
体（18）から距離（Ｓ）だけ離れた箇所に配置されてい
る。

逆に、流量計が反対向きに配置されると、第２開口部
（14）から流路（16）に流入した流れは、第２渦発生体
（24）の半円状の上流面（94）に当たる。その際、前記
上流面（94）と反対側の下流面（96）は、センサ（30）
側に対面する。流体が第２開口部（14）から第１開口部
（12）の方へと流れると、第２渦発生体（24）の横方向
最外端縁に沿って、第２方向に流れる一連の渦（98）が
発生する。センサ（30）は、また、第２方向の渦（98）
が存在域に位置されるべく、第２渦発生体（24）から距
離（Ｓ）だけ離れた箇所に配置されている。

したがって、どちらの開口部（12）あるいは（14）を
入口側とすべきか、また、どちらの開口部（14）あるい
は（12）を出口側にすべきかについて注意しなくとも、
センサ（30）は、常に、流路（16）内の一方の渦発生体
によって生じる渦存在域に位置される。これにより、流
量計の取り付け方向の間違いによって生ずる時間のロス
や費用的なロス、あるいは装置に与えるダメージの全て
が、確実に回避される。

本発明の渦流量計を実施するにあたっては、最も効果
的な寸法が存在する。つまり、Ｄを流路（16）の内径、
Ｈを渦発生体（18），（24）の有効径、Ｈ′をセンサ本
体（32）の有効径、Ｇをセンサ（30）の自由端（99）と
それに対向する流路（16）内面との間の距離、Ｓを各渦
発生体（18），（24）とセンサ（30）との間の距離とす
ると、H/Dが0.12〜0.46、S/Dが0.6〜1.5、Ｈ′/Hが0.0
〜1.7、G/Dが0.0〜1.0の比率になるように設定するのが
好ましい。

本発明による渦流量計は、従来のものに比較して種々
の利点がある。つまり、他の渦流量計に比べて製作費が
約1/3程度高くつくだけで、取り付け方向の間違いによ
って生ずる組み付け時の費用的ロスの発生を確実に回避
できる。円柱状の渦発生体と円柱状のセンサ本体を使用
することにより、流量計の寸法を従来のものより小さく
でき、かつ、実質的に少ない流体流れの確実な流量測定
を可能とする。例えば、流路径Ｄは0.25〜1.00インチの
範囲内が好ましい。これによって、レイノルズ数が600
程度の流体についても正確な流量測定ができ、12対１の
減衰比にわたっての測定が可能となる。したがって、例
えば、Ｄを１インチとすると、最大測定流量が１分間当
たり約50ガロン、最小が１分間当たり約4.2ガロンとな
る。Ｄが0.25インチの場合、最大測定流量が基本的に１
分間当たり５ガロン、他方、最小が１分間当たり約0.4
ガロンとなる。このような流れは、最大流量のプラス、
マイナス約１％の精度で、また、最大流量の約0.25％の
再現性で測定することができる。このような測定可能な
流量は、他の渦流量計で測定可能な最低流量よりもさら
に少ない。特に、両渦発生体が構造的に対称形で、セン
サ（30）に対して対称的に配置するのが効果的である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による渦流量計を示し、第１図は斜視図、
第２図は横断面図、第３図は第２図中の３−３線からの
上面図である。（12），（14）……開口部、（16）……流路、（18），
（24）……渦発生体、（30）……センサ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジング内に、第１開口部と第２開口部
を備えた流路を形成すると共に、前記第１開口部と第２
開口部は流体入口又は出口を形成し流体流管に連通可能
になっていて、前記流路内に単一の渦応答センサを配置
している渦流量計であって、前記渦応答センサは、片持ち部材と、この片持ち部材中
に同心状に埋め込まれ、この片持ち部材のほぼ長手方向
に延出している圧電式センサを備えると共に、前記渦応
答センサを前記ハウジングに取付ける手段が設けられて
いて、前記第１開口部側に面し、かつ流れに応じて第１流れ方
向に流れる渦を発生する上流部分を有する第１渦発生体
が、前記第１開口部とセンサとの間の流路内に配置され
ており、この第１渦発生体と前記渦応答センサとの距離
を、この渦応答センサによって第１流れ方向に流れる渦
を感知できる範囲内に設定するとともに、前記第２開口
部側に面し、かつ流れに応じて第２流れ方向に流れる渦
を発生する上流部分を有し、前記第１渦発生体とほぼ同
一の第２渦発生体が、前記第２開口部とセンサとの間の
流路内に配置されていて、この第２渦発生体と前記渦応
答センサとの距離を、この渦応答センサによって第２流
れ方向に流れる渦を感知できる範囲内に設定してある渦
流量計。
【請求項２】前記渦応答センサを取付ける手段が、前記
ハウジングを通り、かつ前記片持ち部材よりも大きい直
径を有するねじ孔と、前記センサの被螺合部からなる請
求項１記載の渦流量計。
【請求項３】前記渦応答センサが、溝付きの頭部を備え
る請求項２記載の渦流量計。
【請求項４】前記第１と第２の渦発生体を前記ハウジン
グに取付ける手段が設けられており、これが前記ハウジ
ングを通り、かつ前記第１と第２の渦発生体を挿通可能
に寸法形成された一対のねじ孔と、前記第１と第２の渦
発生体上の被螺合部からなる請求項１記載の渦流量計。
【請求項５】前記第１と第２の渦発生体が、溝付きの頭
部を備える請求項４記載の渦流量計。
【請求項６】前記渦応答センサと第１と第２の渦発生体
とが円柱形である請求項１記載の渦流量計。
【請求項７】前記渦応答センサと第１と第２の渦発生体
とが互いに平行に配置されている請求項６記載の渦流量
計。
【請求項８】前記第１と第２の渦発生体の直径が、約0.
03〜0.5インチである請求項６記載の渦流量計。
【請求項９】前記センサの直径が、約0.85インチたらず
である請求項６記載の渦流量計。
【請求項１０】前記流路を形成するハウジングと、流量
制御手段を含む流体流れ回路に連結するために前記ハウ
ジングに設けられた連結手段と、前記流量制御手段にセ
ンサを作動可能に連結するために前記ハウジング内に収
容された回路手段と、前記ハウジング内にあって、前記
流量計を前記流量制御手段に連動連結する回路手段を有
する請求項１記載の渦流量計。
【請求項１１】前記回路を囲む無線周波シールドと、こ
のシールドに近接して前記ハウジング内に形成された段
部と、この段部に前記シールドを当接させて、シールド
とハウジング内の回路とを保持するためのスナップリン
グとを有する請求項10記載の渦流量計。
【請求項１２】前記ハウジングと、前記片持ち部材と、
第１と第２の渦発生体とが、不活性かつ容易に機械加工
可能な材料からなる請求項１記載の渦流量計。
【請求項１３】前記材料が、PVCプラスチックである請
求項12記載の渦流量計。
【請求項１４】前記流体流管に連通可能な構成が、前記
ハウジング上にあって、前記第１開口部と第２開口部に
近接した同一のねじを介してなされる請求項１記載の渦
流量計。
【請求項１５】前記流路の直径が、約0.25〜１インチで
ある請求項１記載の渦流量計。