JP7373771B2

JP7373771B2 - 物理量計測装置

Info

Publication number: JP7373771B2
Application number: JP2020121785A
Authority: JP
Inventors: 真人佐藤; 基之名和; 麻子三好; 正誉松田; 裕治中林
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2023-11-06
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: JP2022018584A

Description

本発明は、流動する使用流体の一部をサンプリングして、流体に含まれる成分の濃度等の物理量を計測する物理量計測装置に関するものである。

従来、流体の成分を測定する計測装置として、超音波流量計の流量計測部を流れる流体をサンプリングする成分計測部を流量計測部に併設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された超音波流量計の計測流路の一部分の断面図を示したものである。

この流量計では、計測流路１００の主流路１０１は、仕切板１０２で多層に分割されて多層流路１０３を形成している。この多層流路１０３部に流体の成分を計測する副流路１０４を併設している。この副流路１０４に主流路１０１を流れる流体を流入させるため、多層流路１０３部の入口側に主流路１０１へ突出部１０５を配置して流路断面を部分的に絞り、エジェクタ効果により多層流路１０３ａの上流側の流出口１０６から誘引して流出させ、流入口（図示せず）から流体を流入させる副流路１０４を形成している。

そして、この副流路１０４において、赤外線によりガス成分を測定するものである。

国際公開第２０１８／１８５０３４号

しかしながら、前記従来の構成では、流体の成分を計測する副流路１０４に主流路１０１の流体を誘引する場合において、主流路１０１を流れる流体に微細な水滴などの液滴が含まれている場合、副流路１０４にこの液滴が侵入して成分計測に悪影響するという課題がある。また、エジェクタ効果を発揮させるためには主流路１０１の流れに影響を及ぼす圧力損失が発生し、この圧力損失を小さくすると副流路１０４に流入させる十分な吸引力が得られないという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流体に含まれる成分の濃度等の特性を計測する副流路への水滴などの液滴の侵入を大幅に抑制し、かつ、主流のもつ流れの乱れを小さくした状態で、副流路において、流体に含まれる成分の濃度計測を精度よく行う計測装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の物理量計測装置は、被計測流体が流れる主流路と、前記主流路の流路壁に設けた入口開口部および出口開口部と、前記入口開口部と前記出口開口部とを接続する副流路と、前記入口開口部に設けた流入方向規制部と、前記副流路に設けたチャンバー部と、前記チャンバー部に配置した一対の超音波送受波器と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて前記被計測流体の成分濃度を演算する信号処理部と、を備え、前記流入方向規制部は、前記主流路の流れ方向に対して所定の傾斜角を持つ
案内片を配置して構成し、前記所定の傾斜角は、前記主流路の流れ方向との関係において、９０°より大きい値とし、前記チャンバー部の断面積は、前記入口開口部の有効断面積よりも大きい断面積を有するように構成したことで、被計測流体に微細な水滴などの液滴が含まれている場合でも、水滴などの液滴の侵入を大幅に抑制して液滴を含まない流れを副流路に供給することにより、水滴等の影響を受けることなく流体に含まれる成分の濃度計測等の計測精度を向上できる。また、副流路に設けたチャンバー部において、流入流速の低減を図ることにより、主流のもつ流れの乱れを小さくすることができ、副流路部において、乱れの少ない状態での計測を可能にする。また、副流路へ流れを導くに際して、主流の断面積を絞ることのない構成となっているため、格別の圧力損失は、発生しないものである。

本発明の物理量計測装置は、入口開口部には主流路の流れ方向に対して所定の傾斜角を持つ案内片を配置した流入方向規制部を設け、この案内片の傾斜角は、主流路の流れ方向との関係において、９０°より大きい値となるように構成することで、水滴などの液滴の侵入を大幅に抑制して液滴を含まない流れを副流路に供給し、水滴等の影響を受けることなく流体に含まれる成分の濃度計測等の計測精度を向上できる。また、副流路に設けたチャンバー部において、流入流速の低減を図ることにより、主流のもつ流れの乱れを小さくすることができ、副流路において、乱れの少ない状態での計測を可能にする。また、副流路へ流れを導くに際して、主流の断面積を絞ることのない構成となっているため、格別の圧力損失は、発生しないものである。

本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図本発明の実施の形態１における図１のＡ－Ａ断面図本発明の実施の形態２における構成を示す外観斜視図本発明の実施の形態２における構成要素を示した分解組立図従来の成分計測部の構成を示す断面図

第１の発明は、被計測流体が流れる主流路と、前記主流路の流路壁に設けた入口開口部および出口開口部と、前記入口開口部と前記出口開口部とを接続する副流路と、前記入口開口部に設けた流入方向規制部と、前記副流路に設けたチャンバー部と、前記チャンバー部に配置した一対の超音波送受波器と、前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて前記被計測流体の成分濃度を演算する信号処理部と、を備え、前記流入方向規制部は、前記主流路の流れ方向に対して所定の傾斜角を持つ案内片を配置して構成し、前記所定の傾斜角は、前記主流路の流れ方向との関係において、９０°より大きい値とし、前記チャンバー部の断面積は、前記入口開口部の有効断面積よりも大きい断面積を有するように構成した物理量計測装置で、水滴などの液滴の侵入を大幅に抑制して液滴を含まない流れを副流路に供給し、水滴等の影響を受けることなく流体に含まれる成分の濃度計測等の計測精度を向上できる。また、副流路に設けたチャンバー部において、流入流速の低減を図ることにより、主流のもつ流れの乱れを小さくすることができ、乱れの少ない状態での計測を可能にする。また、副流路へ流れを導くに際して、主流の断面積を絞ることのない構成となっているため、格別の圧力損失は、発生しないものである。

第２の発明は、第１の発明において、前記主流路は、主流路筐体ブロックを貫通させて形成し、前記入口開口部と前記出口開口部とを接続する前記副流路は、副流路筐体ブロック内に副流路形成ブロックを収納して前記副流路を形成し、前記副流路形成ブロックには、前記流入方向規制部を一体に形成し、前記主流路筐体ブロックに前記副流路形成ブロッ
クを収納した前記副流路筐体ブロックを組付けて構成したことを特徴とすることで、副流路構成をより一層小型の形状に具現化でき、組込む工数を低減して生産性を向上できる。さらに、部品点数の削減によるコスト低減を向上できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１～図２を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における物理量計測装置の構成断面図であり、図２は、本発明の実施の形態１における図１のＡ－Ａ断面図である。

図１、図２において、被計測流体が流れる主流路１はその断面が直径Ｄの円形の流路であり、主流路１は入口２および出口３を備える。

主流路１の流路壁４には上流側に入口開口部５を設け、さらにこの入口開口部５の下流側には出口開口部６を設けている。この入口開口部５と出口開口部６とを接続する副流路７を主流路１に並列に配置している。副流路７は、入口開口部５に近い側のチャンバー部７ａと、その下流側の流路部７ｂにより形成されている。

被計測流体に超音波信号を発信・受信する一対の超音波送受波器８、９は、副流路７のチャンバー部７ａに配置し、流体の温度を検知する温度センサ１０は主流路１に配置している。

この一対の超音波送受波器８、９と温度センサ１０は信号処理部１１と電気的に接続され（図示せず）、この信号処理部１１は、この一対の超音波送受波器８、９からの信号と温度センサ１０からの信号を受けて被計測流体の成分濃度を演算する。

上記の副流路７の入口開口部５には、主流路１の流れ方向に対して所定の傾斜角θを持つ複数の板状あるいはルーバー状の案内片１２を複数配置した流入方向規制部１３を設け、この案内片１２の傾斜角θは、主流路１の流れ方向との関係において、図１に示すように９０°より大きい値となるように構成している。

副流路７に配置した一対の超音波送受波器８、９は、副流路７での流れＦｆに対してほぼ直交する方向に対向配置し、さらに副流路７上流寄りにあるチャンバー部７ａに設けている。

また、超音波送受波器８、９を配置した副流路７のチャンバー部７ａの断面積は、入口開口部５において、流体が流入する部分の実質的断面積（有効断面積）よりも大きい断面積を有している。

なお、流入方向規制部１３は、流路壁４から主流路１に突出しないように配置し、さらに副流路７では流体の流れが滑らかになるように、曲がり部の内壁面Ｂ，Ｃ等にはコーナＲ（丸み付け）を行っている。

次に、本発明の物理量計測装置の動作について説明する。

主流路１を流れる被計測流体は、入口２から図１の白抜き矢印Ｙで示すように流入し、主流路１の流れの大部分は流れＦｍとなり、最終的には、出口３から図１の黒抜き矢印Ｚのように流出する。

流入方向規制部１３が設けられた入口開口部５では、流入方向規制部１３を構成する複数の板状あるいはルーバー状の案内片１２が主流路１の流れ方向に対する角度θが９０°より大きい値として設定されているので、主流路１の被計測流体に水滴などの微細な液滴を含んでいても、水滴は、案内片１２に衝突して滴下したり、付着したりして、容易に副流路７に流入することはない。

このようにして主流路１から流入した副流路７の流れＦｆは曲がり部等にはコーナＲ（丸み付け）などにより滑らかな流れとなって出口開口部６から主流路１に流出する。

従って、副流路７での被計測流体の成分濃度の計測では、被計測流体中の水滴などの液滴が除去された状態で、副流路７のチャンバー部７ａに入る。更に、チャンバー部７ａは、入口開口部５の有効断面積よりも大きい断面積を有しているため、案内片１２を通過した流れは、チャンバー部７ａで流速が小さくなり、主流路１で有していた流れの乱れが減少される。

このように、被計測流体中の水滴などの液滴が除去され、流れの乱れが減少した状態は、超音波送受波器８，９間での超音波の送受における信号の乱れを少なくすることになり、一対の超音波送受波器８、９を用いて音速を安定して計測することができる。信号処理部１１は、このようにして得られた音速と、温度センサ１０で計測された流体の温度とを用いて、公知の方法により被計測流体に含まれる成分濃度を演算する。

また、一対の超音波送受波器８、９を、副流路７での流れに直交する方向に対向配置することで副流路７のコンパクト化がなされ、物理量計測装置の小型化が実現できる。

このようにして副流路７では、水滴などの液滴の侵入を大幅に抑制し、また、乱れの少ない状態が実現されるため、流体に含まれる成分の濃度計測等の計測精度を向上できる。また、主流路１の断面縮小を与えないので主流路１での格別の圧力損失を生じることがない。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図３～図４を用いて説明する。

図３は、本発明の実施の形態２における物理量計測装置の構成を示す外観斜視図であり、図４は、図３の物理量計測装置の構成要素を示した分解組立図である。

なお、実施の形態１と同じ機能のものは同一番号を付して説明は省略する。

主流路筐体ブロック１４は、内部を貫通して形成された主流路１と、主流路１の入口２を形成する入口接続部１４ａ、主流路１の出口３を形成する出口接続部１４ｂ、副流路筐体ブロック１５を取り付ける副流路取付部１４ｃおよび温度センサ１０を取り付ける温度センサ取付部１４ｄを有している。

一対の超音波送受波器８、９が気密シール部材（図示せず）を介して組込まれるととも
に副流路７が内部に形成される副流路筐体ブロック１５は、気密シール用のパッキン１６を介して主流路筐体ブロック１４の副流路取付部１４ｃに取付ける。この副流路筐体ブロック１５は、その内部に副流路形成ブロック１７を収納することで副流路７の流路形状を形成するもので、超音波送受波器８、９を組込む超音波送受波器組込部１５ａと、信号処理部１１を組込む信号処理部組込部１５ｂを設けている。この副流路形成ブロック１７には流入方向規制部１３を一体に形成している。

信号処理部１１は副流路筐体ブロック１５の信号処理部組込部１５ｂに設置し、信号処理部１１の上を保護ブロック１８で覆って副流路筐体ブロック１５に固定する。

温度センサ１０は、主流路筐体ブロック１４の温度センサ取付部１４ｄにＯリング等の気密シール部材（図示せず）を介して組付ける。

このように、主流路１を有する主流路筐体ブロック１４に、流入方向規制部１３を一体に形成している副流路形成ブロック１７を収納した副流路筐体ブロック１５を組付ける構成としたことで、コンパクトな副流路構成をより一層小型の形状に具現化でき、組込む工数を低減して生産性を向上できる。さらに部品点数の削減によるコスト低減を向上できる。

以上、本発明の実施例において、主流路１の断面形状は円形断面の流路で説明したが、矩形断面など円形以外の形状であっても良い。また、温度センサ１０は主流路１に配置した場合で説明したが、副流路７に配置しても良い。

また、流体の成分を計測する物理量計測装置として説明したが、主流路１の上流側あるいは下流側に流量計測部を直列に配置した流量計、あるいは副流路７を有する主流路１に流量計測部を並列配置した流量計として展開できるのは云うまでもない。

以上のように、本発明の物理量計測装置は、副流路への液滴の侵入を抑制するとともに乱れの少ない安定した流れを供給し、主流路での圧力損失が少ない構成の計測装置を提供できるもので、流体の成分の計測装置だけで無く、流量計測部を併設して計測精度および汎用性の高い流量計をも実現できる。

１主流路
４流路壁
５入口開口部
６出口開口部
７副流路
７ａチャンバー部
８、９超音波送受波器
１０温度センサ
１１信号処理部
１２案内片
１３流入方向規制部
１４主流路筐体ブロック
１５副流路筐体ブロック
１７副流路形成ブロック

Claims

被計測流体が流れる主流路と、
前記主流路の流路壁に設けた入口開口部および出口開口部と、
前記入口開口部と前記出口開口部とを接続する副流路と、
前記入口開口部に設けた流入方向規制部と、
前記副流路に設けたチャンバー部と、
前記チャンバー部に配置した一対の超音波送受波器と、
前記被計測流体の温度を検知する温度センサと、
前記一対の前記超音波送受波器からの信号と前記温度センサからの信号を受けて前記被計測流体の成分濃度を演算する信号処理部と、を備え、
前記流入方向規制部は、前記主流路の流れ方向に対して所定の傾斜角を持つ案内片を配置して構成し、前記所定の傾斜角は、前記主流路の流れ方向との関係において、９０°より大きい値とし、前記チャンバー部の断面積は、前記入口開口部の有効断面積よりも大きい断面積を有するように構成した物理量計測装置。
前記主流路は、主流路筐体ブロックを貫通させて形成し、前記入口開口部と前記出口開口部とを接続する前記副流路は、副流路筐体ブロック内に副流路形成ブロックを収納して前記副流路を形成し、前記副流路形成ブロックには、前記流入方向規制部を一体に形成し、前記主流路筐体ブロックに前記副流路形成ブロックを収納した前記副流路筐体ブロックを組付けて構成した請求項１記載の物理量計測装置。