JP4259522B2

JP4259522B2 - 流量測定装置

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Publication number: JP4259522B2
Application number: JP2005505186A
Authority: JP
Inventors: 敏光藤原; 悟史野添; 秀成栗林
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: CN1768250A; EP1612521A1; KR100742495B1; US20070017303A1; WO2004090476A1; US7302862B2; CA2519791A1; JPWO2004090476A1; CA2519791C; KR20050114703A; BRPI0409188A; EP1612521A4; BRPI0409188B1; CN100402988C

Description

本発明は、流路内を流れる流体の流量を測定する流量測定装置に関する。

従来の流量測定装置は、本体に形成された流路の壁面上部に流量センサが取り付けられ、該流量センサの上流側に整流用の複数の網がスペーサを介して一定間隔で配設されるとともに、流量センサの下流側にも網が配設されている。流量センサは、その検出面が流路を臨むように配設され、非測定流体の流速に対応する電圧に基づいて流量を演算して出力する。

流量測定装置の流路を流れる流体は、流路断面のいずれの位置においても流れの方向と大きさが同じである一様な流れ（定常流）であることが理想である。しかし、実際の流体は、必ずしも定常流ではなく、流路断面の各位置で流れの方向と大きさが異なり、偏りが生じたり、渦が内在している（非定常流）。これは、流量測定装置の上流側または下流側に接続される配管の曲がりや、ポンプの吐出状態による脈動及び速度分布の偏り、流体の粘度、密度等の様々な因子に起因する。

このような流体の乱れを減少するために、特公平６−４３９０７号公報では、整流用金網の後方の流路に絞り部を設けることが提案されている。このような絞り部を設けた流量測定装置を図２２の概略図に従って説明すると、流路１０１の上流側にはスペーサ１０２を介して複数の整流用の網１０３が配設され、該網１０３の後方には流量センサ１０４を設けた流路１０１に向かって絞り部１０５が形成され、流量センサ１０４の下流側は拡大部１０６が形成され、該拡大部１０６に網１０７が配設されている。

しかし、特許文献１の流量測定装置のように、流量センサ１０４の上流側に複数の整流用網１０３と絞り部１０５を設けたものでも、その機能が十分に果たされておらず、流れは完全に整流化されていない。例えば、この流量測定装置の上流側に接続される配管に矢印１０７で示すような曲がりがある等のために速度分布が乱れた流体が流入すると、この乱れが整流用金網１０３や絞り部１０４では抑制できずに下流側まで継続し、流量センサ１０４の位置で、流路の上方で流れが遅く、下方で速くなることがあった。この結果、流量センサ１０４は、平均流量より小さな流量を出力することがあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定を行える流量測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる流量測定装置は、被測定流体が流れる主流路と、該主流路の壁面に設けた流量センサと、該流量センサの下流側に配設された網形状の整流子と、前記流量センサの下流側でかつ前記整流子の下流側に配設され、前記主流路より断面が小さい流路（以下、極小断面流路という。）を有する部材とからなり、前記主流路より断面が小さい流路を有する部材は開口率が６．２５％以下、２．７８％以上である。

前記極小断面流路を有する部材は、極小断面流路として貫通した孔を有する有孔板とすることができる。

本発明によれば、被測定流体が流れる流路の壁面に流量センサを設け、該流量センサの下流側に極小断面流路を有する部材を設けたので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定が可能であるという効果を有している。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本発明の流量測定装置の分解斜視図、図２はその断面図である。ベース１は、樹脂または金属等からなる直方体で、両端面には六角ナット状の接続部２，３が一体に突設されている。ベース１の内部には長手方向に貫通する流路４が形成されている。流路４の断面は、本実施形態では円形であるが、これに限らず、矩形等の任意の形状を採用することができる。

前記ベース１の流路４は、中央に位置する主流路部５と、該主流路５の上流側に、主流路部５より径の大きい整流部６と、該整流部６よりさらに径の大きいかしめ部７と、該かしめ部７よりさらに径の大きい入口開口部８とが形成され、前記主流路５より下流側にも、主流路部５より径の大きい整流部９と、該整流部９よりさらに径の大きいかしめ部１０と、該かしめ部１０よりさらに径の大きい出口開口部１１とが形成されている。

上流側の整流部６には、網形状の整流子１２とリング状のスペーサ１３が順に４組格納されている。最も上流側に位置するスペーサ１３の端面は、整流部６とかしめ部７の境界の端面１４と面一であり、該端面１４を押圧することで、該端面１４の一部を変形させてスペーサ１３を固定するようになっている。下流側の整流部９には、網形状の整流子１２とリング状のスペーサ１３が格納されるとともに、当該スペーサ１３の下流側に主流路部５より断面の小さい極小断面流路を有する部材１５とリング状のスペーサ１３が格納されている。最も下流側に位置するスペーサ１３の端面は、上流側と同様に、整流部９とかしめ部１０の境界の端面１６と面一であり、該端面１６を押圧することで、該端面１６の一部を変形させてスペーサ１３を固定するようになっている。

前記極小断面流路を有する部材１５は、中心に主流路部５の径より極小さい径の円形の孔１７が形成された板からなっている（以下、この極小断面流路を有する部材を有孔板１５という。）。この有孔板１５は、本実施形態ではベース１と別体であるが、ベース１と一体であってもよい。スペーサ１３の固定は、かしめに限らず、接着剤による固定、別部材を使用してのネジ止め、その他任意の固定構造を採用することができる。各スペーサ１３の内径は、主流路部５と同径になっている。このため、ベース１の流路４は、上流側のかしめ部７から下流側のかしめ部１０まで、有孔板１５を除いて同一径となっている。

ベース１の外面には、凹部１８とその底に窓１９が形成され、該窓１９の周囲には円形の段部２０が形成されている。凹部１８には、段部２０に配設されたＯリング２１を介して流量センサ２２がネジ２３により取り付けられている。Ｏリング２１は主流路部５を流れる流体が流量センサ２２の外側に漏洩するのを防止している。流量センサ２２は、リード線２４を有するセンサチップ２５を支持板２６上に固定したもので、該センサチップ２５の検知面が窓１９を介して主流路部５を臨むようにされている。流量センサ２２の上方には、基板２７がネジ２８により取り付けられている。前記流量センサ２２のリード線２４は、基板２７を貫通して半だ付け等により基板２７上の回路と電気的に接続されている。基板２７にはコネクタ２９が取り付けられ、該コネクタ２９を介して外部に信号を出力できるようになっている。基板２７の上方には、カバー３０がベース１に取り付けられている。カバー３０には、前記コネクタ２９が露出する孔３１が形成されている。

次に、前記の構成からなる流量測定装置の動作について説明する。

図２のベース１の入口開口部８に流入した気体は、上流側の網形状の４つの整流子１２を通過して整流された後、主流路部５を流動し、下流側の網形状の整流子１２と有孔板１５を通過してベース１の出口開口部１１から流出する。主流路部５を流動する気体の流速は流量センサ２２で検出され、該流量センサ２２の検出信号は基板２７のコネクタ２９を介して外部に出力される。

ベース１の入口開口部８に流入する気体の流れが定常流であれば、主流路部５内の各位置での流速はほぼ均一であり、流量センサ２２が検出する流速はほぼ平均流速を示す。しかし、図３に示すように、流量測定装置に接続される配管に曲がり３２がある等の要因により、気体が非定常流の場合、この非定常流は４つの整流子１２を通過することで速度分布がある程度整流されるが、主流路５内に入っても偏流や乱れが生じている。しかし、主流路部５の下流側には極小流路断面の有孔板１５が存在するので、主流路部５の上流側の偏流や乱れのある流れは、有孔板１５の孔１７に向かって流れようとするので、その急激な圧力損失に抵抗するように、整流化が行なわれる。この結果、流量センサ２２が検出する流速はほぼ平均流速を示し、非定常流であっても高精度で信頼性のある流量を測定することができる。

本発明者は、本発明の効果を確認するために、種々の実験を行なった。実験装置として、前記構成の流量測定装置を配管中に接続し、定常流と非定常流の気体を通過させて、その流量を測定した。また、比較する従来例として、有孔板１５を取り外した前記構成の流量測定装置を、同様にして配管中に接続し、定常流と非定常流の気体を通過させて、その流量を測定した。流量測定装置は、主流路部５の径Ｄが４ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍの３種類を使用した。流量センサ２２の検出面の中心から有孔板１５の上流側の端面までの距離Ｌは、主流路部５の径Ｄが４ｍｍのものは２９．４５ｍｍ、主流路部５の径Ｄが６ｍｍのものは１５．４ｍｍ、主流路部５の径Ｄが１０ｍｍのものは１５．４ｍｍであった。また、有孔板１５は、アルミニウムからなり、板厚ｔが０．８ｍｍ、孔の径ｄが１ｍｍ、１．５ｍｍ，２．５ｍｍ、３．５ｍｍの４種類を使用した。流量は、０から２０Ｌ／ｍｉｎまで変化させた。

＜実験１（Ｄ＝４ｍｍ）＞
有孔板のない従来例では、図４ａに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、ｄ＝１．５ｍｍの有孔板１５を有する場合、図４ｂに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に近い値が測定された。また、ｄ＝１．０ｍｍの有孔板１５を有する場、図４ｃに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合とほぼ同じ値が測定された。

＜実験２（Ｄ＝６ｍｍ）＞
有孔板のない従来例では、図５ａに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、ｄ＝１．５ｍｍの有孔板１５を有する場合、図５ｂに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に非常に近い値が測定された。また、ｄ＝１．０ｍｍの有孔板１５を有する場、図５ｃに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合とほぼ同じ値が測定された。

＜実験３（Ｄ＝１０ｍｍ）＞
有孔板のない従来例では、図６ａに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合よりも低い値が測定された。本発明では、ｄ＝３．５ｍｍの有孔板１５を有する場合、図６ｂに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合にやや近い値が測定された。また、ｄ＝２．５ｍｍの有孔板１５を有する場、図６ｃに示すように、破線で示す非定常流の場合の流量センサの出力電圧は、実線で示す定常流の場合に非常に近い値が測定された。

以上の実験の結果を整理すると、表１に示すように、本発明の流量測定装置では、Ｌ／Ｄが同じである場合、有孔板１５の開口率ｓ／Ｓが小さいほど非定常流の測定結果が良好であることが分かった。また、有孔板１５の開口率（ｓ／Ｓ）が同じである場合、Ｌ／Ｄが大きいほど、非定常流の測定結果が良好であることが分かった。

実験結果

本発明者はさらに、上記実験と同じ実験装置を使用して同じ実験要領で、有孔板１５の位置Ｌ（流量センサ２２の検出面の中心から有孔板１５の上流側の端面までの距離）、孔１７の形状、板厚ｔをそれぞれ変化させたときの脈動流下における流量と出力電圧の関係を明らかにするための実験を行った。

＜実験４＞
まず、実験４では、板厚ｔが０．８ｍｍ、孔の径ｄが１ｍｍの有孔板１５を使用して、該有孔板１５の位置Ｌを５ｍｍから２７０ｍｍまで変化させた場合における流量と出力電圧を測定した。図７ａから図７ｄに示すように、有孔板１５の位置Ｌが５ｍｍでは、流量が１Ｌ／ｍｉｎ以下の領域で出力電圧の変動があるものの、有孔板１５の位置Ｌが１５０ｍｍまでは、流量センサ２２の出力電圧は破線で示す従来の有孔板１５のない場合よりも高く、実線で示す定常流に近い値が測定され、脈動の影響を低減する効果を示した。しかし、図７ｅに示すように、有孔板１５の位置Ｌが１５０ｍｍを越えると、ある流量域で流量センサ２２の出力電圧は破線で示す従来の有孔板１５のない場合よりも低くなり、実線で示す定常流から離れた値が測定され、脈動の影響を低減する効果が少なくなった。この実験４より、有孔板１５の流量センサ２２からの設置位置がＬ＝１０ｍｍから１５０ｍｍ、すなわちＬ／Ｄ＝２．８〜３７．５の広範囲にわたって脈動の影響を低減する効果がみられ、非定常流の測定結果が良好であるが、有孔板１５が流量センサ２２に近すぎると測定値に変動が生じ、遠すぎると脈動の影響を低減する効果が無くなることが分かった。

＜実験５＞
実験５では、流量センサ２２からＬ＝３０ｍｍの位置に、図８ａから図８ｃに示すように、板厚（ｔ＝０．８）および総断面積（径１ｍｍ相当）は同一であるが異なる形状の孔（径０．３５ｍｍの８個の丸孔、一辺０．８９ｍｍの四角孔および径１ｍｍの丸孔）を有する３種類の有孔板１５を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図９に示すように、３種類の有孔板１５を使用しても、流量センサ２２の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。この実験５により、有孔板１５の孔の総断面積が同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、孔の個数や形状に影響されないことが分かった。

＜実験６＞
実験６は、有孔板１５の孔の総断面積を変えた以外は、実験５と同様である。すなわち、流量センサ２２からＬ＝３０ｍｍの位置に、図１０ａから図１０ｃに示すように、板厚（ｔ＝０．８）および総断面積（径１．５ｍｍ相当）は同一であるが異なる形状の孔（径０．５３ｍｍの８個の丸孔、一辺１．３３ｍｍの四角孔および径１．５ｍｍの丸孔）を有する３種類の有孔板１５を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図１１に示すように、３種類の有孔板１５を使用しても、流量センサ２２の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。ただし、実験５よりは、脈動の影響を低減する効果が小さかった。実験５と実験６により、有孔板１５の孔の総断面積が同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、孔の個数や形状に影響されないが、総断面積が小さいほど脈動の影響を低減する効果が大きいことが分かった。

＜実験７＞
実験７では、流量センサ２２からＬ＝３０ｍｍの位置に、図１２ａおよび図１２ｂに示すように、孔の形状・大きさ（丸孔、径１ｍｍ）は同一であるが異なる板厚（０．２ｍｍ，０．８ｍｍ、２．０ｍｍ）を有する３種類の有孔板１５を設置した場合における流量と出力電圧を測定した。図１３に示すように、板厚の異なる３種類の有孔板１５を使用しても、流量センサ２２の出力電圧は全て同じ傾向であり、脈動の影響を低減する効果を示した。この実験７により、有孔板１５の孔の形状・大きさが同一であれば、脈動の影響を低減する効果は、板厚に影響されないことが分かった。

前記実施形態では、有孔板１５として、円形の１つの孔１７が中央に形成されたものを使用したが、図１４ａに示すように１つの円形孔を偏心させてもよいし、図１４ｂ，図１４ｃに示すように複数の円形孔を形成し、あるいは図１４ｄに示すように網状に配置した多数の孔を形成したものでもよい。また、有孔板１５の孔１７の形状としては、円形に限らず、図１５ａから図１５ｃに示すように、三角や四角、あるいは網状に配置した多数の六角形の孔を形成したものでもよい。また主流路の断面形状も、円形に限らず、図１６ａから図１６ｃに示すように四角形またはそれ以外の形状でもよい。

前記有孔板１５は、１枚に限らず、図１７ａに示すように２枚重ねたもの、あるいは図１７ｂに示すように２枚をスペーサにより一定間隔離したものでもよい。有孔板１５の孔１７の軸方向の断面形状も、ストレートのものに限らず、図１８ａに示すように流路の軸線に対して傾斜したもの、図１８ｂに示すように両側からエッチングにより形成されたもの、図１８ｃに示すように片側からエッチングにより形成されたもの、あるいは、図１８ｄに示すように両面または片面から面取り加工されたものを使用してもよい。有孔板１５の面形状は、平面に限らず、図１９ａに示すように上流側に突出する球面、図１９ｂに示すように下流側に突出する球面でもよい。また、有孔板１５は、剛性のあるプラスチックや金属に限らず、図１９ｃに示すように流れ方向に変形可能なゴム等の可撓性または弾力性のある材料を使用してもよい。

本発明の極小断面流路を有する部材は、前記実施形態のような有孔板１５に限らず、図２０に示すように、内部に非直線状に連続する多数の流路を有するスポンジ等の発泡体や焼結体を使用することができるし、図２１に示すような多数のパイプを結束したようなものも使用することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、被測定流体が流れる流路の壁面に流量センサを設け、該流量センサの下流側に極小断面流路を有する部材を設けたので、流路断面における流速の乱れを抑えて高精度で信頼性のある流量測定が可能であるという効果を有している。

本発明にかかる流量測定装置の斜視図である。図１の流量測定装置の断面図である。図２の流量測定装置の流路の概略図である。本発明の効果を確認するための第１実験の結果を示す流量に対する出力電圧の変化のグラフである。本発明の効果を確認するための第１実験の結果を示す流量に対する出力電圧の変化のグラフである。本発明の効果を確認するための第１実験の結果を示す流量に対する出力電圧の変化のグラフである。本発明の効果を確認するための第２実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第２実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。、本発明の効果を確認するための第２実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第３実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第３実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第３実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第４実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第４実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第４実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第４実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第４実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第５実験に使用する有効板の正面図である。本発明の効果を確認するための第５実験に使用する有効板の正面図である。本発明の効果を確認するための第５実験に使用する有効板の正面図である。第５実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。本発明の効果を確認するための第６実験に使用する有効板の正面図である。本発明の効果を確認するための第６実験に使用する有効板の正面図である。本発明の効果を確認するための第６実験に使用する有効板の正面図である。第６実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフ。本発明の効果を確認するための第７実験に使用する有効板の正面図である。本発明の効果を確認するための第７実験に使用する有効板の側面図である。第７実験の結果を示す流量に対する出力電圧のグラフである。有孔板の孔の配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の形状の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の形状の他の形態を示す斜視図である。有孔板の孔の形状の他の形態を示す斜視図である。有孔板の外形と孔の形状および配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の外形と孔の形状および配置の他の形態を示す斜視図である。有孔板の外形と孔の形状および配置の他の形態を示す斜視図である。２枚組みの有孔板を用いた他の形態を示す断面図である。２枚組みの有孔板を用いた他の形態を示す断面図である。有孔板の孔の軸方向断面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の孔の軸方向断面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の孔の軸方向断面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の孔の軸方向断面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の面形状の他の形態を示す断面図である。有孔板の面形状の他の形態を示す断面図である。極小断面流路を有する部材の他の形態を示す側面図である。極小断面流路を有する部材の他の形態を示す斜視図である。従来の流量測定装置の流路の概略図である。

符号の説明

４流路
１７極小断面流路１７
２２流量センサ

Claims

被測定流体が流れる主流路と、
該主流路の壁面に設けた流量センサと、
該流量センサの下流側に配設された網形状の整流子と、
前記流量センサの下流側でかつ前記整流子の下流側に配設され、前記主流路より断面が小さい流路を有する部材とからなり、
前記主流路より断面が小さい流路を有する部材は開口率が６．２５％以下、２．７８％以上であることを特徴とする流量測定装置。
前記部材は、極小断面流路として貫通した孔を有する有孔板であることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。
前記孔は前記主流路の中心に対して偏心していることを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。
前記孔は複数の孔からなることを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。
前記孔は網状に配置した多数の孔からなることを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。
前記有孔板は複数の板からなることを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。
前記複数の板は一定間隔離れていることを特徴とする請求項６に記載の流量測定装置。
前記孔の軸方向の断面形状は前記主流路の軸線に対して傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。
前記孔は、両側または片側からエッチングにより形成されたものである請求項２に記載の流量測定装置。
前記孔は、両面または片面から面取り加工されたものである請求項２に記載の流量測定装置。
前記有孔板は、平面である請求項２に記載の流量測定装置。
前記有孔板は、上流側または下流側に突出する球面である請求項２に記載の流量測定装置。
前記有孔板は、流れ方向に変形可能な可撓性または弾力性のある材料からなる請求項２に記載の流量測定装置。
前記部材は、内部に非直線状に連続する多数の流路を有する発泡体または焼結体からなる請求項１に記載の流量測定装置。
前記部材は、多数のパイプを結束してなることを特徴とする請求項１に記載の流量測定装置。