JP7373772B2 - 物理量計測装置 - Google Patents

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４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、前記副流路に配置した成分濃度計測部と、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°より大きい値とすると共に、前記案内片間の間隔ｈと前記主流路の高さＨとの関係が、Ｈ＞ｈとなるように構成することで、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、液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、ルーバー状の案内片による流れの分割により、主流のもつ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材を設け、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、液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、ルーバー状の案内片による流れの分割により、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１における図１のＡ－Ａ断面の他の形状を示す図 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、前記副流路に配置した成分濃度計測部と、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°より大きい値とすると共に、前記案内片間の間隔ｈと前記主流路の高さＨとの関係が、Ｈ＞ｈとな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、液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、ルーバー状の案内片による流れの分割により、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。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記成分濃度計測部は、前記副流路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、からなるものである。

第３の発明は、特に第１の発明において、前記成分濃度計測部は、前記副流路に配置した熱流センサと、前記熱流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、からなるものである。

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、その断面が長辺を幅Ｗ、短辺を高さＨで示す矩形断面の流路であり、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には、流れ方向に対向するように配置した一対の超音波送受波器８、９と流体の温度を検知する温度センサ１０を配置している。

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、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流体の成分濃度を演算する。

そして、本実施の形態において、成分濃度計測部は、一対の超音波送受波器８、９と温度センサ１０と信号処理部１１とで構成されている。

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。

また、案内片１２間の間隔ｈは、主流路１の高さＨとの関係がＨ＞ｈとなるように構成されている。ここでの案内片１２間の間隔ｈや、主流路高さＨは、レイノルズ数の代表長さに相当する値である。

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、液滴は、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。また、塵埃等の異物についても案内片１２への衝突による落下等、同様の効果が期待される。

また、案内片１２間の間隔ｈは、主流路１の高さＨとの関係がＨ＞ｈとなるように構成されているため、主流が有する流れの乱れについては、ルーバー状の案内片１２を通過するときに、主流が有する、大きなスケールの渦や乱れが、小さなスケールの渦や乱れとなり、副流路７における流れの乱れは、主流路１の乱れよりも小さくなる。

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。

このようにして、副流路７では、水滴などの液滴や異物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、被計測流体に含まれる微細な水滴などの液滴による影響を受けたり、被計測流体の流れの乱れによる影響を受ける計測方法を用いる場合でも、被計測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、このような構成は、主流路１の断面縮小を与えないので主流路での格別の圧力損失を生じることがない。

また、一対の超音波送受波器８、９を、副流路７での流れの方向に対向配置することで必要な計測精度に合わせて伝搬距離である副流路７の直線部の長さを延ばすことができ、さらに、伝搬時間逆数差法も用いた流量計測を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態において、副流路７の幅（図１の奥行き方向）は主流路１の幅Ｗ方向の全域で説明したが、図３に示すように、幅Ｗ方向の幅を全域では無く長辺の幅の一部である幅Ｗ１とした副流路７’であっても良い。

また、主流路１の断面形状は矩形断面の流路で説明したが、円形断面など矩形以外の形状であっても良い。円形断面の場合、直径をＤとすると、案内片１２間の間隔ｈと直径Ｄとの関係は、Ｄ＞ｈとなる。

また、温度センサ１０は副流路７に配置した場合で説明したが、主流路１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。

また、本実施の形態では、成分濃度計測部を、一対の超音波送受波器８、９と温度センサ１０と信号処理部１１とで構成して説明したが、超音波送受波器や温度センサの代わりに熱流センサを用いて構成しても良い。その他、特定のガスの濃度を計測可能な、例えば、水素センサなどを用いてもよい。

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
８、９ 超音波送受波器（成分濃度計測部）
１０ 温度センサ（成分濃度計測部）
１１ 信号処理部（成分濃度計測部）
１２ 案内片
１３ 流入方向規制部

Claims (3)

1. 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、
   前記副流路に配置した成分濃度計測部と、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°より大きい値とすると共に、前記案内片間の間隔ｈと前記主流路の高さＨとの関係が、Ｈ＞ｈとなるように構成した物理量計測装置。
2. 前記成分濃度計測部は、
   前記副流路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、からなる請求項１記載の物理量計測装置。
3. 前記成分濃度計測部は、
   前記副流路に配置した熱流センサと、
   前記熱流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、からなる請求項１記載の物理量計測装置。