JP3164632U

JP3164632U - 双方向の非定常な流体流の流量を決定する装置

Info

Publication number: JP3164632U
Application number: JP2010006407U
Authority: JP
Inventors: フランツ・グラーフ; クラウス−クリストフ・ハルムス
Original assignee: アー・ファウ・エル・リスト・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: AT10954U2; DE202010012837U1; CN201858993U; AT10954U3

Abstract

【課題】流れが急速に変動する場合でも、リアルタイムの流量測定を高精度で可能にする。【解決手段】流れが急速に変動する場合でも、リアルタイムの流量測定を高精度で可能にするために、全圧と静圧との差圧を求め、ベルヌーイ式に代入する。そのために、測定管（１）と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ１つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有する装置が提供され、評価ユニットは、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する。この装置は、全圧を検出するために両方の流れ方向で実質的に互いに逆平行に配置され、かつ流体の流れ方向に対して平行に配置された２つのゾンデ（２、３）を有し、そのうち一方のゾンデ（２）が全圧を、他方のゾンデ（３）が静圧を記録する。【選択図】図１

Description

本考案は、双方向の非定常な流体流の流量を決定する装置であって、測定管と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ１つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有し、評価ユニットが、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する、装置に関する。

特許文献１には、測定個所にある既存の狭窄部に基づいて、絞り原理を非定常ベルヌーイ式とともに使用する高速の作用圧法が開示されている。

欧州特許公開公報第１７１６３９３号

したがって本考案の課題は、急速に変動する流れに対して、リアルタイムの流量決定が高精度で可能な装置であった。

冒頭に述べた非定常な流体流の流量を決定する装置は、本考案によれば、実質的に互いに逆平行に、かつ流体の流れ方向に対して平行に配置された２つのゾンデが設けられており、そのうち一方のゾンデが全圧を、他方のゾンデが静圧を記録し、これらのゾンデ間の差圧を検出する機構が設けられていることを特徴とする。この種の装置を用いると、非定常な流体流であっても流量のリアルタイムで正確な決定が達成できるようになる。なぜなら動圧（Staudruck）を考慮することにより、流れ方向および流速を、測定可能な圧力に最も直接かつ正確に変換することが保証されるからである。この対称な配置により、流れ方向が変化する場合でも２つのゾンデがその機能を入れ替えることができる。

特に液体流を測定する場合に、重力の影響を式から除去するために、本考案のさらなる実施形態は、測定管とゾンデが実質的に水平に配置されていることを特徴とする。

本考案の装置の精度をさらに高めるために、本考案の装置は、非定常流れの流量測定のために、少なくとも一時的に別の機構が設けられており、評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする。

非定常流れを定常流れにするための鎮静区間、ならびに定常流れの流量測定のためのさらなる機構が設けられており、評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする実施形態も、流量測定の精度をさらに高めるために用いられる。

以下の説明で本願考案を、添付図面を参照して詳細に説明する。

非定常流れの流量を決定するための対称な双方向ピトー管を備える装置を概略的に示す図である。

流体流のための測定管１内には、互いに間隔をおき、互いに反対方向に整列された２つの圧力ゾンデ２、３が、好ましくは流れ方向に対して平行な向きに配置されており、流れ方向を指すゾンデ３は静圧を、流れとは反対の向きのゾンデ２は各圧力センサの入口における全圧をそれぞれ送信する。２つの圧力センサの出力端は評価ユニット（４）と接続されており、この評価ユニットでは第１の工程として、動圧に対応する、２つのセンサの値の間の差圧を求める。

体積流量の決定にも質量流量の決定にも、流れる流体の密度を知ることが必要である。ここで通例は、測定個所の間の密度は近似的に一定であると仮定する。密度が時間的に不変なことは、装置内で実施される式を導く際には前提とされないが、近似法のためには時間的不変性がもちろん同様に想定される。したがって、定義された時間間隔にわたる平均値を測定することにより、すなわち擬似定常的に、または特に密度に対して固定値を与えることにより（このことは特に液体の場合は有意義であり得る）、密度値を設定することができる。

評価ユニット内で実施された式は、渦のない一次元の流れに対するオイラーの式に基づいて得られる。

この式には外力に関する項がまだ含まれている。例えば重力が、次式（２）による重力ポテンシャルの勾配として含まれている。

ｖ．．．流速
ｐ．．．圧力
ρ．．．密度
ｓ．．．流れ方向での空間座標
ｚ．．．外力、例えば重力に平行な空間座標
ｔ．．．時間
Ｆ_ｓ．．．流れ方向における外力の成分
ｇ．．．重力場の強さ

しかし密度が局部的に一定であると仮定すると、そこから次式が得られる。

一方の圧力ゾンデ２または３の、他方の圧力ゾンデ３または２に対する位置を位置積分することにより、次式が得られる。

実質的に水平な管１、または実質的に同じ高さに配置されたゾンデ２、３を使用する場合、重力の影響を式から除去することができる。このことは特に液体の場合に有利であり、一方、気体の場合は、重力の影響はいずれにせよ無視することができる。

全圧用の圧力ゾンデ２の入口における流体流の速度についしては、値ゼロが仮定され、局部的に密度が一定であるとの仮定に基づき、２つの圧力ゾンデ２、３の位置の間の項ｄｖ／ｄｔも一定とみなされる。２つの圧力ゾンデ２、３間の圧力差ｐ_１−ｐ_２に対する符号をΔｐとし、その２つの開口の間の距離をΔｓとすると、流速ｖの瞬間値に対して式（５）が得られる。

加速度項ｄｖ／ｄｔ＝０である定常な場合には、公知の式（６）が成立する。

次に、非定常な質量流量に移り、非定常な体積流量の処理が同じように行われる。

質量流量に対してｑ＝Ａ・ρ・ｖとし、Ａを管断面積とすると、式（５）から次式が得られる。

実際の適用例では、双方向の流れを考慮して式（７）から次式が得られる。

ただし、Ｃ_１およびＣ_２は実験によって最適化可能な係数である。

瞬間的質量流量ｑ（ｔ）および平均質量流量を求めるためのこの微分方程式の積分は、それ自体公知の方法（数値的、アナログ計算機）によって行う。

式（８）の定常部分に関する係数Ｃ_２を最適化および較正するために、流れが定常である時点を考察する。非定常流れにも適した代替の測定方法、例えば超音波信号の伝搬時間に基づく流量測定によって流量値を求め、微分方程式の解からの値が基準システムを用いて直接測定した値に対応するように係数を適合させる。

第２の係数Ｃ_１も最適化または較正できるようにするために、例えば代替の高ダイナミックな測定方法を設けることができる。この測定方法では、他の係数を較正および最適化した後、微分方程式の解からの値を係数Ｃ_１の適合によって、直接測定した値と改めて一致させる。

別の実施形態では、非定常流れを定常流れに鎮静することができる。この場合、非定常ベルヌーイ式の係数の較正は、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する基準システムの測定値と比較することによって行うことができる。ここでも流量の決定は、非定常部分に関する微分方程式の項に対する係数Ｃ_１を較正するために、そのとき定常になっている流れに対する代替の測定方法によって行うことができる。

Claims

双方向の非定常な流体流の流量を決定する装置であって、測定管（１）と、流体の差圧および密度を検出するためのそれぞれ１つの機構と、流体の検出された圧力差および密度に基づいて流量を計算する評価ユニットとを有し、前記評価ユニットが、流速に関する通常の非線形微分方程式を、圧力差と流速に関する加速度項とを考慮してリアルタイムに解くための計算ユニットを有する、装置において、
実質的に互いに逆平行に配置され、流体の流れ方向に対して平行に配置された２つのゾンデ（２、３）が設けられており、そのうち一方のゾンデ（２）が全圧を、他方のゾンデ（３）が静圧を記録し、前記ゾンデ（２、３）間の差圧を検出する機構（４）が設けられていることを特徴とする装置。
測定管（１）とゾンデ（２、３）が、実質的に水平に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
非定常流れの流量測定のために少なくとも一時的に別の機構が設けられており、前記評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
非定常流れを定常流れにするための鎮静区間、ならびに定常流れの流量測定のためのさらなる機構が設けられており、前記評価ユニット内において、非定常ベルヌーイ式の係数を較正するためのアルゴリズムが、非定常流れに対する非定常ベルヌーイ式の解の平均値を、定常流れに対する解と比較することによって実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の装置。