JPH0643907B2

JPH0643907B2 - 流量計

Info

Publication number: JPH0643907B2
Application number: JP1292175A
Authority: JP
Inventors: 昭司上運天; 耕一落合; 滋青島; 高志津村; 隆稲葉
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-11-13
Publication date: 1994-06-08
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: ATE142329T1; US5014552A; DE3940931A1; DE68927091D1; JPH02263117A; EP0373930A2; EP0373930B1; EP0373930A3; ES2090044T3; DE68927091T2

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱式流速センサを用いた流量計に関するもの
である。

〔従来の技術〕

一般に、気体の流量測定には種々の方式のセンサが使用
されているが、その１つとして、熱式流速センサがあ
る。この熱式流速センサの代表的なものは、抵抗体に電
流を流して加熱し、気体の流れの中に置いたときに気体
の流れによつて冷却され抵抗が変化するのを利用して気
体の流量を測定するものである。

一方、この種の流速センサとしては、近年半導体製造技
術を用いて作られた各種タイプのものが知られており、
これは、通常マイクロフローセンサ（またはマイクロブ
リッジフローセンサ）とも呼ばれ、非常に応答が速く、
高感度，低い消費電力，しかも量産性が良いなど多くの
すぐれた特長をもつている。

ところで、従来、このマイクロフローセンサを用いた流
量計は、該フローセンサを円管や矩形管などの一定形状
の流路に配置して気体の流量を測定するのが普通であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、従来の流量計においては、円管や矩形管な
どの流路の中にマイクロフローセンサを取り付けるだけ
でも低流量の測定はできるが、流量が大きくなると上流
側の管内の段差や曲がりおよび壁面から乱れが発達する
ため、マイクロフローセンサのような応答速度の速いセ
ンサではその乱れをひろつてしまいセンサ出力が大きく
乱れる。このため、平均流量を測定するためには強力な
ローパスフイルタ等が必要であつた。また、使用できる
電力が非常に少ない場合はセンサを間欠駆動させなけれ
ばならないため、出力が乱れていると測定が非常に困難
であつた。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもの、その目的は、
マイクロフローセンサ等の熱式流速センサを用いて低流
量から高流量まで安定して測定できる流量計を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明の流量計は、
流路内に複数の金網またはハニカム等の整流素子を間隔
をあけて配置し、複数の金網またはハニカム等の整流素
子の後方の流路を流路が絞り込まれる絞り部となし、こ
の絞り部の直ぐ後にマイクロフローセンサなどの熱式流
速センサを配置するようにしたものである。

〔作用〕

本発明においては、熱式流速センサのところで気体の流
れの乱れが非常に少なくなり、高流量でも安定して測定
できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明による流量計の第１の実施例を示す断面
図である。同図において、１は気体の流量を測定するた
めの流路を形成する管路であり、この管路１は入口側の
円管部２の後方の流路を絞り部３にて絞つて中間の円管
部４となし、さらにこの中間の円管部４の後方の流路を
拡大部５で拡大して出口側の円管部６となしている。そ
して、入口側の円管部２内には、その径とほぼ円径を有
する整流用の金網７_１〜７_４が円筒状の各金網固定用ス
ペーサ８_１〜８_４でそれぞれはさみ込まれて外側からリ
ング状のスペーサ固定用ネジ体９_１にて押え付けられて
いる。これにより、４枚の整流用金網７_１〜７_４が各ス
ペーサ８_１〜８_４で所定の間隔をあけて配置されてい
る。このとき、各スペーサ８_１〜８_４およびネジ体９_１
の内径は、その円管部２内の流路に段差が生じないよう
に絞り部３の始め径と一致させてあり、これは入口側円
管部２内の流路径と等価である。また、出口側の円管部
６にも、前記入口側の円管部２と同様に整流用の金網７
_５がスペーサ８_５ではさみ込まれて外側からスペーサ固
定用ネジ体９_２にて押え付けることにより、その拡大部
５の直後に１枚の金網７_５が配置されている。

また、中間の円管部４の中央部分の外壁にはセンサ取付
用溝１０が形成されている。この溝１０内には、その円
管部４の内壁にあけられたセンサ取付穴（図示せず）
に、検出面を流路側に位置させてマイクロフローセンサ
１１がその円管部４内の絞り部３の直ぐ後に取付けられ
ている。なお、第１図中１２はガスケット、１３はセン
サ取付用蓋、１４は取付ネジ、２１および２２は管部１
の入口，出口側に設けられた配管接続用ネジ部であり、
記号Ｆは気体の流れ方向を示している。

ここで、本実施例ではマイクロフロセンサ１１を取付け
る円管部４の径（φ_２）を１０mmとしたが、この値は測
定範囲によつて決まる。すなわち、小さい径では流速が
速く出力信号レベルが大きいため低流量の測定には適し
ているが、高流量になるとマイクロフローセンサの出力
が飽和してしまい、また、圧力損失も大きくなるため、
高流量まで測定したい場合は径を大きくする。また、絞
り部３における絞りは流れの乱れを押さえると同時に流
速分布をフラツトにし、マイクロフローセンサ１１が取
付けてある壁付近の流速を大きく、すなわち出力信号レ
ベルを大きくする効果がある。さらに、入口側の複数の
整流用金網７_１〜７_４は比較的目が粗いもので良いの
で、流れ中のダストによる目づまりや圧力損失が小さ
く、しかも乱れ、偏流を押さえる効果がある。

このように上記実施例の流量計によると、入口側の円管
部２内に複数の整流用金網７_１〜７_４を所定の間隔をあ
けて配置するとともに、これら金網７_１〜７_４の後方の
流路を流路が絞り込まれた絞り部３となし、この絞り部
３の直ぐ後にマイクロフローセンサ１１を配置した構造
とすることより、該マイクロフローセンサ１１のところ
で流れの乱れが非常に少なくなり、低流量から高流量に
わたつて安定した測定が可能になる。

次に、上記実施例構成の絞り部３および入口，出口側の
整流用金網７_１〜７_５，マイクロフローセンサ１１の取
付け位置について具体的な数値列をあげて説明する。

まず絞り部３においては、第２図(a)に示すように、入
口側の円管部２の断面積をＳ_１、中間の円管部４の断面
積をＳ_２とすると、その絞り比（断面積比）Ｓ_１／Ｓ_２
はＳ_１／Ｓ_２≧1.8 ……(1) とした。また絞り角度θは、絞り内の最大角度を１５°≦θ≦５５° ……(2) の範囲とした。絞り部３の形状は、第２図(b)に示すよ
うに、絞り部３の長さをｌ、その間の中心線上における
各々のＸ，Ｙ方向の大きさをｘ，ｙ_０，ｙ，ｙ_１とする
と、により、余弦曲線とした。

例えば流量範囲が０〜6000／ｈのときは、入口側およ
び中間の円管部２，４の径φ_１，φ_２をそれぞれ２２m
m，１４mm、絞り部３の長さを１０mmとした。その結
果、かかる構造の絞り部３では、流速分布がフラツトに
近くなり、円管部４の内壁に取付けられたマイクロフロ
ーセンサ１１付近の速度勾配が大きくなり、そのセンサ
の出力が高くなる。また、絞り作用により流れの境界層
が打消され、そこからまた発達するので、マイクロフロ
ーセンサ１１を絞りの直ぐ後あるいは途中に取付ける
と、流量測定レンジの中で流れが層流から乱流に変わる
点があつても、その影響を受けない。しかも偏流や乱れ
を押える効果が高いという利点を有する。

次に、入口側の整流用金網７_１〜７_４について述べる。
ここで金網の整流効果の指標となる抵抗係数Ｋは、一般
に金網の開口面積比β〔＝1-d/）^３〕とレイノルズ数
R_e〔＝vd/（βν)〕によつて変わることが知られてお
り、円形断面の針金で正方形網目の金網に対して、次の
式がある。

Ｋ＝ΔＰ／（ρｖ^２／2)，または6(1-β）β^−２R_e ^-1/3 （ただし、60＜R_e＜600) ここに、ΔＰは金網による圧力損失、ρは流体の密度、
ｖは流速、νは動粘性係数、ｄは針金の直径、は針金
の間隔である。

この流量計に使用する整流用の金網の目安としては、網
目にして２０〜６０メッシュ、β≧0.5、0.8≦Ｋ≦2.4
（最大流量において）程度とし、ステンレス等のさびな
い材質で正方形網目の金網を３〜５枚組合せて用いた。
例えば、ｄ＝0.2mm，３０メッシュの金網で、そのβは
0.583であり、ｄ＝0.16mm，４０メッシュの金網でβ＝
0.56である。金網の間隔は大体網目の１０倍以上で、好
ましくは２０倍以上である。このとき、網目サイズの異
なる金網を用いる場合は、入口側から粗い順に並べた方
が同一サイズのものだけを並べるよりも整流効果は大き
いことが確認された。さらに、網目の向きは互に隣りの
金網とその針金の向きがほぼ45°になるように並べた方
が効果的であつた。ただし、最終金網と絞り部３の距離
は、各金網の間隔と同様にした。

このように入力側の円管部２において、網目サイズの異
なる３〜５枚の比較的目の粗い金網７_１〜７_４（この例
では４枚）を入力側から網目が粗い順に並べて配置する
ことにより、流れ中のダストによる目づまりや圧力損失
が小さくなり、しかも乱れ，偏流を押さえる効果が高く
なる。

また出口側の金網７_５は、必らずしも用いる必要はない
が、後ろからのゴミよけと流れをスムースに拡大させる
ために拡大部５の直ぐ後に設置した方が良い。この場
合、金網は、網目にして１０〜４０メッシュ位で、その
他は入口側と同じである。

一方、マイクロフローセンサ１１の取付け位置は、絞り
部３の終りまぎわか、あるいはその終りから円管部４の
直径以内に取付けた方が好適である（但し、出力の乱れ
をそれほど抑えなくても良いのであれば、これより後で
も構わない。）。このとき、絞り部３の終りからマイク
ロフローセンサ１１の取付け位置までの距離をｒ、円管
部４の直径をｄとすると、ｒ≦ｄの関係に設定する。例
えば、ｄ＝１４mmのとき、ｒは９mmとした。これは、絞
り部３から離れるにつれて管壁から乱れが発達するの
で、その前で測定するためである。従つて、かかるマイ
クロフローセンサ１１の取付け構造によると、流れの遷
移（層流乱流）の影響を受けずに広い流量範囲にわた
つて測定が可能になる。

第３図は本発明の第２の実施例を示す概略断面図であ
る。同図において、１５はデイフューザ、１６は拡大部
であり、第１図と同一部分または相当部分には同一符号
が付してある。この実施例では、φ２０の円管部２の入
口に３０メッシュの金網７_６を付け、デイフユーザ１５
で示すように径をφ３４に拡大して拡大部１６となし、
拡大部16に３０メッシュの金網７_７〜７_８を２枚入れ、
この拡大部１６の後方の流路を絞り部３に示すように絞
つてφ１０の円管部４となし、その円管部４にマイクロ
フローセンサ１１を取り付ける。拡大部１６を設けたの
は、流速を落として整流効果を上げるためである。この
場合デイフューザ１５の長さ（流れ方向）は短い方が特
性が良かつた。また、デイフユーザ１５の直ぐ後に整流
用の金網７_７，７_８を置くことが重要である。

第４図は、第３図の拡大部１６に整流用金網７_７，７_８
の代わりに細管（キヤピラリー）を束ねたハニカム等の
整流素子１７を入れた例である。この場合細管（キヤピ
ラリー）は長くするよりも内径を小さくした方が乱れが
小さくなり、効果的である。また、細管の肉厚を薄くす
る必要がある。

なお、第３図および第４図のマイクロフローセンサ１１
の取付け位置は第１図と同様に絞り部３に近ければ近い
ほどよい。絞り部３から遠ざかるにつれて乱れが発達し
ていくからである。また、絞り部３の形状は余弦曲線な
どがよい。

第５図および第６図は整流用金網の取付け方法を示す断
面図および説明図である。第５図は拡大部１６における
金網７_７，７_８の取付け方法を示し、第６図は円管部２
の入口における金網７_６の取付け方法を示す。第５図に
おいては金網７_７，７_８は溝に嵌め込まれ、第６図にお
いては金網７_６は金網取付用リング２０により円管部２
の入口に取り付けられる。なお、第５図においては、１
８はＯリング、１９はネジである。

第３図および第４図の入口の金網７_６は第７図に示すよ
うに少し中に入れた方がよい。第７図では、円管部２と
デイフユーザ１５の境界に設けられている。

第８図は第１図〜第４図に示す流量計の代表的な出力特
性を示し、横軸が流量、縦軸が出力である。

上記実施例では流路の管は円管としたが、矩形管も考え
られる。しかし、矩形管の場合はコーナから渦（＝乱
れ）が発達するので、円管の方が特性は良い。また、金
網に限定されるものではなく、他の材質の網でも構わな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、マイクロフローセ
ンサ等の熱式流速センサを用いた流量計において高流量
でも流れの乱れが非常に少なくなり安定するので、ロー
パスフイルタ無しでも、また間欠駆動でも、高流量から
低流量にわたる広い範囲で精度良い測定ができる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流量計の第１の実施例を示す断面
図、第２図は第１図の実施例を説明するための説明図、
第３図および第４図は本発明による流量計の第２，第３
の実施例を示す概略断面図、第５図および第６図は金網
の取付け方法を説明するための断面図および説明図、第
７図は入口の金網の取付け方法を説明するための断面
図、第８図は第１〜第３の実施例の特性を示すグラフで
ある。１……管路、２……入口側の円管部、３……絞り部、４
……中間の円管部、５……拡大部、６……出口側の円管
部、７_１〜７_８……整流用金網、８_１〜８_５……金網固
定用スペーサ、９_１〜９_２……スペーサ固定用ネジ体、
１０……センサ取付用溝、１１……マイクロフローセン
サ、１５……デユフユーザ、１６……拡大部、１７……
整流素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者津村高志神奈川県藤沢市川名１丁目12番２号山武ハネウエル株式会社藤沢工場内 (72)発明者稲葉隆神奈川県藤沢市川名１丁目12番２号山武ハネウエル株式会社藤沢工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流路内に複数の整流用金網を間隔をあけて
配置し、前記複数の整流用金網の後方の流路を流路が絞
り込まれる絞り部となし、この絞り部の直ぐ後に熱式流
速センサを配置したことを特徴とする流量計。
【請求項２】請求項１において、熱式流速センサは絞り
部の終りからその流路の直径以内に取付けたことを特徴
とする流量計。
【請求項３】請求項１または２において、絞り部の形状
は余弦曲線としたことを特徴とする流量計。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、複数の
整流用金網は入口側から網目が粗い順に並べて配置した
ことを特徴とする流量計。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、複数の
整流用金網は互いに隣りの金網とその針金の向きがほぼ
４５度になるように並べて配置したことを特徴とする流
量計。
【請求項６】請求項１において、複数の整流用金網に代
えてハニカム等の整流素子を備えたことを特徴とする流
量計。
【請求項７】請求項１において、入口側の流路が拡大さ
れた拡大部に整流用金網を配置したことを特徴とする流
量計。
【請求項８】請求項６において、入口側の流路が拡大さ
れた拡大部にハニカム等の整流素子を配置したことを特
徴とする流量計。