JP3628308B2 - Flowmeter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量計に関し、より詳細には、被測定流体の臨界状態を検出することが可能な流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
流体の流量又は流速を測定する流量計としては様々な種類のものがあるが、特に流体を絞る機構をもつ流量計においては、高速に流動する気体はその絞り機構により臨界状態となる場合がある。気体を徐々に膨張させていくと、速度は増加し、温度は低下し、したがって局所音速も低下する。このため、局所マッハ数Mは、速度の増加よりも急激に増加し、M=1の状態に達する。この状態を臨界状態と呼ぶ。また、このときの圧力を臨界圧力と呼ぶ。なお、液体は例外なく非圧縮性(マッハ数が0.3未満)として取り扱えるものとしても差し支えない。臨界状態では、流管の内部で衝撃波が生じることがあり、被測定流体の流れを検出するセンサ(ピックアップ)信号が乱れ、正確な測定ができなくなる。衝撃波が生じなくても、測定管内の温度が一定に分布しているとはいえず、温度補正を行って流量を測定する流量計においては正確な測定値が得られない。
【0003】
流体を絞る機構をもった流量計は、ノズル,ベンチュリ管,オリフィス流量計が代表的な例であるが、コリオリ質量流量計においてもその流量検出能力を上げるため、多くの場合、薄肉の細い良く曲がる測定管を用いており、またコリオリ力を検出しやすい様に構造的に捩れ易い湾曲構造を選んでいる場合が多い。そのため、細管によって流れが絞られたり、曲がりによって流れが絞られたりする場合がある。センサが影響を受けない場所にこのような絞られた部分が在ればよいが、コリオリ質量流量計では測定管自体が絞られた箇所をもっており、上述のように測定管で衝撃波が生じた場合など、測定結果への影響が大きい。さらに、センサの上下流で流れが絞られていない場合でも、センサ自体の絞りがラインの臨界流量を決定する要素となることがある。
【0004】
従来のコリオリ流量計やその他の流量計においては、ガス計測での臨界状態を検出する手段が無く、実験から臨界流速を求めたり、使用条件下での温度,圧力から求めた音速から概算で使用条件下における臨界流速(流量)を求めたりしていた。しかしながら、使用者(ユーザ)が計測する流体の音速が不明であったり、予め臨界流速を求めても、ユーザから得た温度,圧力,流体の物性等の情報も正確でない場合が多く、実際に設置した際に臨界状態となってしまう可能性があった。
【0005】
流量計における計測時に臨界状態に達する際、その流量計が瞬時流量を計測するタイプの流量計であれば、流管(フローチューブ)内及びその近傍で生じる衝撃波による振動や温度勾配による異常出力によりその状態に気づき易いが、積算流量を計測するタイプの流量計の場合には見逃してしまうことが多かった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のごとき実状に鑑みてなされたものであり、臨界状態を検知することが可能な流量計を提供することをその目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の技術手段は、被測定流体の流量又は流速を測定する流量計において、被測定流体が流通する流管の絞り部の上流側と、下流側との温度差又は温度比を検出する温度差検出手段と、該温度差検出手段の出力に基づいて被測定流体の臨界状態を検出する臨界状態検出手段と、該臨界状態検出手段により検出された臨界状態を使用者に通知する通知手段とを備えることを特徴としたものである。
【0008】
第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記温度差検出手段は、前記上流側に設けた第1の温度センサと、前記下流側に設けた第2の温度センサと、前記第1の温度センサが検出した温度に対する前記第2の温度センサが検出した温度の差又は比を算出する手段とを有し、前記臨界状態検出手段は前記差又は比が所定の値より大きい場合に臨界状態として検出することを特徴としたものである。
【0009】
第3の技術手段は、測定流体の流量又は流速を測定する流量計において、被測定流体が流通する流管の絞り部の下流側近傍と、該下流側近傍より下流側との温度差又は温度比を検出する温度差検出手段と、該温度差検出手段の出力に基づいて被測定流体の臨界状態を検出する臨界状態検出手段と、該臨界状態検出手段により検出された臨界状態を使用者に通知する通知手段とを備えることを特徴としたものである。
【0010】
第4の技術手段は、第3の技術手段において、前記温度差検出手段は、前記下流側近傍に設けた第1の温度センサと、該下流側近傍より下流側に設けた第2の温度センサと、前記第1の温度センサが検出した温度に対する前記第2の温度センサが検出した温度の差又は比を算出する手段とを有し、前記臨界状態検出手段は前記差又は比が所定の値より大きい場合に臨界状態として検出することを特徴としたものである。
【0011】
第5の技術手段は、第1乃至4のいずれか1の技術手段において、前記絞り部は、流管の形状及び/又は動作状態に応じて閉塞状態となり得る位置であることを特徴としたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、ノズル,オリフィス,ベンチュリ管等の絞り機構を用いた流量計、コリオリ流量計、或いはその他の流量計において、臨界状態を検知する手段を備えたものである。以下、その実施形態としてコリオリ式質量流量計、ベンチュリ管、オリフィス流量計を例示して詳細を説明するが、それらの流量計の他の構成例でも、その他の流量計においても本発明は適用可能であり、少なくとも被測定流体を流通させることにより被測定流体が臨界状態になる可能性のある流管の位置の、上流側近傍と下流側近傍と(或いは下流側近傍とその下流側と)の温度差(又は温度比)を検出し、検出したデータを所定値と比較して、比較結果に基づいて臨界状態を検出し、ユーザに知らせるよう構成された流量計であればよい。
【0014】
図1は、本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、コリオリ式質量流量計の一実施例を説明するための斜視図である。図中、1は支持管、2,3はフランジ、4,5は支切板、6,7はU字形流管、8はコイル、9はコアー、10,12は磁石、11,13はコイル、14,15は支持板、21,22は温度センサである。
【0015】
コリオリ式質量流量計は、被測定流体の流通する流管の一端又は両端を支持し、流管内を流れる流体の流れ方向と垂直な方向に流管を支持点回りに振動させ、そのとき流管の加振部と両端支持部間にコリオリの力に比例する位相差が生じ、コリオリの力が質量流量に比例することから位相差を検出することにより質量流量を求める流量計である。流管(チューブ)は、チューブの本数により単一チューブ方式と複数チューブ方式(主として2本のチューブ)とに分類され、チューブ形状により直管形,ベンディング形,ループ形などに分類される。図1においては、2本のベンディング形チューブ(U字形等)を使用した流管6,7を測定管としたコリオリ式質量流量計を例示している。
【0016】
本実施例のコリオリ式質量流量計は、支持管1と、支持管1に開口する平行したU字形流管6,7と、コイル8とコアー9とからなる駆動手段と、磁石10とコイル11とからなるセンサ(磁石12とコイル13とからなるセンサ)と、支持体としての支持板(振動支点板)14,15とを備え、また被測定流体が流通する流管の絞り部の上流側と下流側と(或いは下流側近傍とその下流側と)の温度差又は温度比を検出する温度差検出手段として、2つの温度センサ21,22と、温度センサ21,22間の温度差又は温度比を算出する手段(図示せず)とを備え、さらに温度差又は温度比が所定の値以上であれば流量計の使用者にアラームや表示により知らせる通知手段(図示せず)とを備えるものとする。支持管1の両端にはフランジ2,3が取り付けられ内部には支切板4,5が支持管1の軸M−Mに各々傾斜して固着されている。U字形流管6,7は同形等寸の円管からなっており、各々は両端が支持管1内に開口して平行に固着されている。このときU字形流管6,7の各々の対称軸Oa−Oa及びOb−Obは支持管1の軸M−Mに対し直角になっている。U字形流管6,7の対称軸、例えばU字形流管6,7の先端には、U字形流管6,7を近接離間するように駆動するコイル8とコアー9とからなる駆動手段が配設されている。駆動手段は、U字形流管6,7に取り付けられた基台上に固定され、共振周波数で励磁されるコイル8と、コイル8内に挿通するコアー9とからなり、U字形流管6,7は駆動手段の電磁力により駆動される。センサは1つが磁石10とコイル11、もう1つが磁石12とコイル13とからなり、各々はU字形流管6,7の先端近傍で、軸Oa−Oa(Ob−Ob)の対称位置に配設されている。ここでは磁石10(12)はU字形流管6にコイル11(13)はU字形流管7に装着されている。
【0017】
以上のごとく構成されたコリオリ式質量流量計は、測定される流体が流れる流管(図示せず)に支持管1のフランジ2,3で介装される。流体は支持管1に流入して支切板5に遮ぎられてU字形流管6,7に等流量流れる。コイル8に加振のための共振周波数の交流電流が印加されると、コアー9を吸引反撥してU字形流管6,7を音叉状に加振する。磁石10とコイル11、磁石12とコイル13からなる位相差検出センサにより、流入側と流出側とでコリオリの力に比例する位相差を有する正弦波信号が出力される。この位相を検知して質量流量が求められる。
【0018】
図2は、本発明の一実施形態に係る流量計におけるデータ処理部の構成を示す図で、図1のコリオリ式質量流量計を補足して説明するための図である。
本実施形態に係る流量計は、そのデータ処理に関し、少なくとも所定の条件を満たす流管上の2箇所の温度差(又は温度比)を検出する温度差検出手段と、検出した温度差(又は温度比)を算出する手段と、算出した値を所定値と比較して臨界状態を検出する臨界状態検出手段とを備えるものとする。ここでの所定値は、流管上の2箇所の位置と、それらの間の形状・動作(どういった運動をする部分なのか等)などにより予め定められた値とする。さらに、臨界状態検出手段で検出された臨界状態をユーザに警報,表示などして通知する通知手段を備えるものとする。この通知手段としては、被測定流体の流量を減じるためにバルブを絞るための通知信号を発信する手段であってもよい。図1の実施例に関連させて説明すると、温度差検出手段としては、例えば温度センサ21,22と、温度センサ21,22の温度差又は温度比を算出する手段を備えればよく、臨界状態検出手段としては、算出した値を所定の値と比較して臨界状態を検出する臨界状態検出器23を備えればよい。温度差検出手段としては、直接2箇所の温度差(又は温度比)取り出し部から温度差(又は温度比)を検出する手段であってもよい。通知手段として、図2においては臨界状態検出器23で検出した臨界状態をユーザに検知させるインジケータ24を設けている。なお、位相差検出センサからの出力信号を増幅・フィルタリングなどの処理を施す変換器25や、変換器25からの出力信号により流量又は流速を演算するための流量演算器26、さらにはコイル8及びコアー9を駆動する電源、コイル11,13及び磁石10,12などからなる位相差検出センサの電源など、様々な機器が例えば支持管1を介して接続されているものとする。なお、図2においては、インジケータ24を、流量演算器26からの出力を臨界状態の通知とともに表示するものとして示している。
【0019】
図3及び図4は、本発明に係る流量計における温度センサの設置位置の原理を説明するための図で、図3(A),(B)は図1のコリオリ式質量流量計における温度センサの位置を示す図、図4はノズルのスロート部での流れが十分臨界に達している場合のノズルの内部流動の様子を示す図である。
【0020】
図3は図1のコリオリ式質量流量計における測定管のうち1本の流管(フローチューブ)6の断面の概要を示しているが、この流管6は領域R1,R2,R3,R4で曲がっており、領域R1から領域R4の手前の間で被測定流体が臨界状態となる可能性を秘めている。なお、流管6は支持管1での流れを狭めて流す管ともいえるので、断面積が減少する部分をノズル、増大する部分をディフューザ、ノズルからディフューザ又はディフューザからノズルに移る部分をスロートとすると、領域R1はノズルとなっており、領域R4はディフューザとなっている。以下に、臨界状態となる可能性について図4を参照して説明する。
【0021】
一般に亜音速(M<1)のときは、ノズルで気体は膨張・減温・増速し、ディフューザで気体は圧縮・増温・減速する。逆に超音速(M>1)のときは、ノズルで気体は圧縮・増温・減速し、ディフューザで気体は膨張・減温・増速する。亜音速から超音速に流れを増速するには、必ずスロートが必要であり、スロートではM=1となっている。逆に超音速から亜音速に流れを減速するときもスロートが必要であるが、減速の場合に限り不連続的な圧力上昇を伴う衝撃波が発生し、スロートなしに超音速から亜音速まで減速することもできる。垂直衝撃波によって、流れは必ず超音速から亜音速に減速される。なお、衝撃波が発生すると、もはや等エントロピ流れではない。理論的にはスロートでM=1に達したスロートに接続したディフューザでは、圧縮/膨張のいずれでも起こりうる。もし、圧縮が起これば流速は再び亜音速となって減少し、スロートより上流での流速値に近づいていく。逆に膨張が起これば流速はさらに増速し、流れは超音速のままである。実際には、ディフューザ以降の背圧により圧縮/膨張が決まる。図4はノズルにディフューザを取り付けたラバール管30に矢印方向の気流がある場合の模式図であり、図中、31はスロート部、32は亜音速域、33は音速面、34は超音速域、35は衝撃波面、36は亜音速域を示している。ノズルのスロート部31での流れが十分臨界に達している場合のノズルの内部流動として、亜音速域32の気流がスロート部31で超音速域34で超音速となり、ディフューザ部で衝撃波(波面35)が発生し、亜音速域36で亜音速となるといった様子を示している。
【0022】
一方、質量流量は、圧力比に対し、圧力比の増加とともに増加し、臨界状態で最大値に達し、さらなる圧力比の増加に伴い減少していくという関係をもっている。また、質量流量は被測定流体の温度に依存するので、流量計は通常、温度による補正を行っているが、臨界状態に達するか達しないかという状態の被測定流体に対してはこの温度補正を行っても、実際の正確な質量流量が測定値として出力されているとは言い切れず、裏を返せば被測定流体が臨界状態に達しているかいないかを判断することもできない。また、質量流量は上流側圧力を上げることで際限なく増加するので、臨界状態になっていることに気づかない。例えば、常に臨界状態で使用される音速ノズルでは、質量流量を増加させるために上流圧を上げることは日常的に行われている。臨界状態となっていると、質量流量は多くの誤差をもって出力される。質量流量,容積流量いずれの流量を求める場合でも、積算流量を測定する流量計の場合、特にこの判断が困難となる。本発明は、臨界状態前後で温度差が生ずる、すなわち被測定流体が亜音速から超音速になったとき超音速域での温度が亜音速域での温度より低くなることを利用して、この判断を流管上の所定の2箇所の温度差(又は温度比)により行うことを特徴としている。
【0023】
流れの絞り部(スロート部31)から衝撃波発生位置(波面35)までは気体の流れが加速されて熱エネルギが運動エネルギに変換される為、気体の温度及び圧力が下がる。参考までに衝撃波が生じないものとすると、流動する気体の状態は等エントロピ的に変化し、T0,p0を静止状態(よどみ点)での温度,圧力、T,pをその状態から等エントロピ的に変化した後の温度,圧力とすると、T/T0=(p/p0)^((κ−1)/κ)の関係が成立する。例えば25℃、1気圧の大気を吸い込む場合、絞り部で音速になればその点の温度と圧力は比熱比κ=1.4とすると約−25℃及び0.5気圧となる。一般に絞りの後が急拡大であれば運動エネルギが再び熱エネルギに変換され流体温度は流れが絞られる前の状態まで回復するが、コリオリ流量計のフローチューブの様に絞られた部分が長い場合、複数のチョーキング(閉塞)や、場合によっては上流側と下流側のチョーキング間で圧力回復することの無いいわゆる超音速風洞の様な状態になることもありうる。何れにしても、非圧縮流として扱えるM=0.3未満の流れでは見られない流れ方向に温度分布が生じる現象が生じる。本発明は、チョーキング位置の上流と下流に温度センサを設置し、測定された温度差により臨界状態を検知するものである。
【0024】
図3(A)を参照すると、本実施例のコリオリ式質量流量計においては、支切板5からU字形流管6,7に流入する領域R1では縮流となる。また、領域R1に加え、R2,R3で示す湾曲部には、垂直衝撃波又は擬似衝撃波を生ずる可能性があり、さらにa〜bで示す区間では速度境界層の発達により図示したように尖った速度分布となることがあり結果として擬似的なスロートが生ずる可能性がある。このように、いずれの場所でも超音速となり温度が低下する可能性がある。図3(A)では、a〜b区間の前に温度センサ21を、区間内に温度センサ22を設置した場合を例示しているが、これは流管6の振動により非圧縮流れから徐々に尖った速度分布(図示)をしてくることによる擬似スロート状態の発生をも前提とした設置位置である。なお、この場合、領域R1,R2,R3やその間の区間で超音速領域となる場合にも温度センサ22における温度T2と温度センサ21における温度T1との差が生じるので、温度センサ21,22の設置位置はそのままで問題ない。
【0025】
図3(B)ではa〜cの区間が超音速域となりうるときの、2つの温度センサの設置場所の例を示している。第1の温度センサ21は領域R1の後に、第2の温度センサ22′はR3の後に設置し、それらの温度差T1−T2′を求めるようにしている。ただし、領域R2手前で冷えていた被測定流体が、領域R5などでなじみ温度センサ21における温度と同程度になってしまわないような測定管、すなわち領域R1以降で臨界状態が発生するとcまでが超音速領域となるような構造をもつ測定管が必要である。
【0026】
また、図示しないが、領域R1内がスロート部となる流れも考えられるので、R1手前と、R1後にそれぞれ温度センサを設置してもよい。実際には図1における支持管1に1箇所と、流管6に1箇所温度センサを配設しておけばよい。勿論、2つの温度センサの差が臨界状態において明確に出る方が好ましいため、以上の記述では超音速領域の手前の亜音速領域と、超音速領域とに温度センサを設置した例を示したが、超音速領域内に2箇所設置してもよいし、超音速領域内とその超音速領域の後の亜音速領域内とに2箇所設置してもよい。実際には、流管6においてどこの絞りが臨界状態を決める要素となるかを見極めた上で温度センサ21,22の位置を決定した方がよい。なお、温度センサ21,22は複数チューブ方式の流量計の場合でも、少なくとも1組設置しておけば臨界状態の検出は可能であり、流管6のみに設置した例を示しているが、流管6,7両方に設置しておいてもよい。
【0027】
図5は、本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、円錐形ベンチュリ管を用いた差圧流量計の一実施例を説明するための断面図である。図中、40は円錐形ベンチュリ管、41は入口円筒部、42は入口円錐部、43はスロート部、44は出口円錐部、45は出口円筒部、46,47は差圧取り出し部、48,49は温度センサである。図5においては、入口円筒部41及び出口円筒部45の直径をD、スロート部43の直径をd(<D)とし、差圧取り出し部46を入口円錐部41にもう1つの差圧取り出し部47をスロート部43に設け、その差圧から流量又は流速を求めるものとしている。温度センサ48,49もそれぞれ差圧取り出し部46,47と同様の場所に設置している。その他、流量演算、温度センサ、及び臨界状態に関する説明は省略する。
【0028】
図6は、本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、オリフィスを用いた差圧流量計の一実施例を説明するための断面図である。図中、50はオリフィス流量計、51は測定管、52はオリフィスプレート、53は絞り孔、54,55は差圧取り出し部、56,57は温度センサである。差圧取り出し部54をオリフィスプレート52の手前に、もう1つの差圧取り出し部55をオリフィスプレート52の後に設け、その差圧から流量又は流速を求めるものとしている。温度センサ56,57もそれぞれ差圧取り出し部54,55と同様の場所に設置している。その他、流量演算、温度センサ、及び臨界状態に関する説明は省略する。
【0029】
また、温度センサのプローブは、速度境界層と温度境界層を考慮して設置するとよい。すなわち、絞りの上流側にプローブを設置する際には絞り部でのフローパタンに影響を与えず且つ温度境界層厚さ以上の高さが必要である。また絞りの下流側では例えば図5のベンチュリ管の場合では温度、速度の境界層が薄いので中心部までプローブを延ばして設置する必要がなく、プローブを管壁内側に付けてもよい。但し、図6のオリフィスの場合では絞り部からの噴流が直接プローブに当たる位置に設置するのが良い。
【0030】
なお、2つのうちの1つの温度センサの出力を利用して、或いは2つの温度センサの平均値を利用して、流量測定用センサの温度補正を行うようにしてもよい。コリオリ式質量流量計では、従来からフローチューブのバネ乗数の補正のために設置されている温度センサと、臨界状態検出に係わる温度センサとを併用してもよく、さらに臨界状態検出に係わる下流側温度センサとの平均値をバネ乗数の補正のために利用してもよい。なお、図6においてはこのことを意識して温度センサを流管の中心まで延ばして設置した例を示している。これは、以下のケースに有効となる。特に温度が変化している場合、熱容量の小さいガス計測で且つ、流速が低いと、温度境界層が厚いのでフローチューブの温度と流体温度が異なる時間が長く存在する。この場合、上流側の管壁にある温度センサだけでフローチューブの代表温度とするよりも下流側にある温度センサとの平均値を使用したり、複数の温度センサによる温度計測値に重みを付けた関数により算出した代表温度により温度補正を行った方がより正しい計測結果が得られる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、流量計において臨界状態を検知することが可能となる。本発明によれば、さらに、この検知により誤った測定結果を採用することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、コリオリ式質量流量計の一実施例を説明するための斜視図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る流量計におけるデータ処理部の構成を示す図で、図1のコリオリ式質量流量計を補足して説明するための図である。
【図3】本発明に係る流量計における温度センサの設置位置の原理を説明するための図で、図1のコリオリ式質量流量計における温度センサの位置を示す図である。
【図4】本発明に係る流量計における温度センサの設置位置の原理を説明するための図で、ノズルのスロート部での流れが十分臨界に達している場合のノズルの内部流動の様子を示す図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、円錐形ベンチュリ管を用いた差圧流量計の一実施例を説明するための断面図である。
【図6】本発明の一実施形態に係る流量計の構成を示す図で、オリフィスを用いた差圧流量計の一実施例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
1…支持管、2,3…フランジ、4,5…支切板、6,7…U字形流管、8…コイル、9…コアー、10,12…磁石、11,13…コイル、14,15…支持板、21,22,48,49,56,57…温度センサ、23…臨界状態検出器、24…インジケータ、25…変換器、26…流量演算器、31,43…スロート部、32…亜音速域、33…音速面、34…超音速域、35…衝撃波面、36…亜音速域、40…円錐形ベンチュリ管、41…入口円筒部、42…入口円錐部、44…出口円錐部、45…出口円筒部、46,47,54,55…差圧取り出し部、50…オリフィス流量計、51…測定管、52…オリフィスプレート、53…絞り孔。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow meter, and more particularly to a flow meter capable of detecting a critical state of a fluid to be measured.
[0002]
[Prior art]
There are various types of flowmeters that measure the flow rate or flow velocity of fluid, but especially in flowmeters that have a mechanism for constricting the fluid, the gas that flows at high speed may be in a critical state due to the throttling mechanism. . As the gas is gradually expanded, the velocity increases, the temperature decreases, and thus the local sound velocity also decreases. For this reason, the local Mach number M increases more rapidly than the increase in speed and reaches a state of M = 1. This state is called a critical state. Moreover, the pressure at this time is called a critical pressure. The liquid can be handled as incompressible (Mach number less than 0.3) without exception. In the critical state, a shock wave may be generated inside the flow tube, and the sensor (pickup) signal for detecting the flow of the fluid to be measured is disturbed, and accurate measurement cannot be performed. Even if a shock wave does not occur, it cannot be said that the temperature in the measurement tube is uniformly distributed, and an accurate measurement value cannot be obtained in a flow meter that measures the flow rate by performing temperature correction.
[0003]
Typical examples of flowmeters with a mechanism for constricting fluid are nozzles, venturi pipes, and orifice flowmeters. However, in order to increase the flow detection capability of Coriolis mass flowmeters, in many cases, thin and thin A curved measuring tube is used, and a curved structure that is structurally easy to twist is often selected so that Coriolis force can be easily detected. For this reason, the flow may be restricted by a narrow tube or the flow may be restricted by bending. It is sufficient if there is such a constricted part where the sensor is not affected, but the Coriolis mass flowmeter has a constricted part of the measuring tube itself, and if a shock wave is generated in the measuring tube as described above The effect on the measurement results is great. Furthermore, even if the flow is not restricted upstream and downstream of the sensor, the restriction of the sensor itself may be a factor that determines the critical flow rate of the line.
[0004]
In conventional Coriolis flowmeters and other flowmeters, there is no means to detect the critical state in gas measurement, and the critical flow velocity is obtained from experiments, or used roughly from the sound velocity obtained from temperature and pressure under the operating conditions. The critical flow velocity (flow rate) under the conditions was obtained. However, in many cases, the sound speed of the fluid measured by the user (user) is unknown, or even if the critical flow velocity is obtained in advance, the information obtained from the user such as temperature, pressure, and physical properties of the fluid is not accurate. There was a possibility that it would become critical when installed.
[0005]
If the flow meter reaches the critical state during measurement with a flow meter, and the flow meter is a type of flow meter that measures the instantaneous flow rate, it may be caused by vibration caused by shock waves generated in or near the flow tube (flow tube) or abnormal output due to temperature gradients. Although it is easy to notice the state, in the case of a type of flow meter that measures the integrated flow rate, it is often overlooked.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed in view of the above actual condition, and it aims at providing the flowmeter which can detect a critical state.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first technical means of the present invention, in the flowmeter for measuring the flow rate or flow velocity of the fluid to be measured, the temperature difference or the temperature ratio between the upstream side and the downstream side of the throttle part of the flow tube through which the fluid to be measured flows. a temperature difference detecting means for detecting, for notifying the user and the critical state detecting means for detecting a critical state of the fluid to be measured, the critical state detected by the critical state detecting means based on the output of the temperature difference detecting means And a notification means.
[0008]
The second technical means is the first technical means, wherein the temperature difference detecting means includes a first temperature sensor provided on the upstream side, a second temperature sensor provided on the downstream side, and the first temperature sensor. Means for calculating a difference or ratio of the temperature detected by the second temperature sensor with respect to the temperature detected by the temperature sensor, and the critical state detecting means is critical when the difference or ratio is greater than a predetermined value. It is characterized by detecting as a state.
[0009]
A third technical means is a flow meter for measuring the flow rate or flow speed of the test fluid, the temperature difference or temperature of the vicinity of the downstream side of the throttle portion of the flow tube fluid to be measured flows, a downstream side of the vicinity of the downstream side a temperature difference detecting means for detecting the ratio, the critical state detecting means for detecting a critical state of the fluid to be measured based on the output of the temperature difference detecting means, the user of the critical state detected by the critical state detecting means And a notification means for notifying.
[0010]
A fourth technical means is the third technical means, wherein the temperature difference detection means includes a first temperature sensor provided in the downstream vicinity of the second temperature sensor provided downstream of the downstream side near And a means for calculating the difference or ratio of the temperature detected by the second temperature sensor with respect to the temperature detected by the first temperature sensor, and the critical state detecting means has a predetermined value for the difference or ratio. When it is larger, it is detected as a critical state.
[0011]
A fifth technical means according to any one of the first to fourth technical means is characterized in that the throttle portion is a position that can be closed according to the shape and / or operating state of the flow tube. It is.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is provided with a means for detecting a critical state in a flow meter, a Coriolis flow meter, or other flow meter using a throttle mechanism such as a nozzle, an orifice, or a venturi tube. Hereinafter, Coriolis mass flowmeters, Venturi tubes, and orifice flowmeters will be described as examples of the embodiments, and the details will be described. However, the present invention can be applied to other configuration examples of these flowmeters and other flowmeters. And at least the position of the flow tube where the fluid to be measured may become critical by circulating the fluid to be measured, near the upstream side and the downstream side (or near the downstream side and its downstream side). Any flow meter configured to detect a temperature difference (or temperature ratio), compare the detected data with a predetermined value, detect a critical state based on the comparison result, and notify the user of the critical state.
[0014]
FIG. 1 is a perspective view for explaining an example of a Coriolis mass flow meter, showing a configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a support tube, 2 and 3 are flanges, 4 and 5 are support plates, 6 and 7 are U-shaped flow tubes, 8 is a coil, 9 is a core, 10 and 12 are magnets, and 11 and 13 are coils. 14, 15 are support plates, and 21, 22 are temperature sensors.
[0015]
A Coriolis mass flowmeter supports one or both ends of a flow tube through which a fluid to be measured flows, and vibrates the flow tube around a support point in a direction perpendicular to the flow direction of the fluid flowing in the flow tube. A phase difference proportional to the Coriolis force is generated between the excitation portion and the both end support portions, and the Coriolis force is proportional to the mass flow rate. Therefore, the mass flow rate is obtained by detecting the phase difference. The flow tubes (tubes) are classified into a single tube method and a multiple tube method (mainly two tubes) according to the number of tubes, and are classified into a straight tube shape, a bending shape, a loop shape, and the like according to the tube shape. In FIG. 1, the Coriolis type | mold mass flowmeter which used the
[0016]
The Coriolis type mass flow meter of the present embodiment includes a support tube 1, a drive unit composed of parallel
[0017]
The Coriolis mass flow meter configured as described above is interposed by the flanges 2 and 3 of the support tube 1 in a flow tube (not shown) through which the fluid to be measured flows. The fluid flows into the support tube 1, is blocked by the support plate 5, and flows through the
[0018]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a data processing unit in the flow meter according to the embodiment of the present invention, and is a diagram for supplementarily explaining the Coriolis mass flow meter of FIG. 1.
The flowmeter according to the present embodiment relates to the data processing, the temperature difference detecting means for detecting a temperature difference (or temperature ratio) at two locations on the flow tube satisfying at least a predetermined condition, and the detected temperature difference (or temperature). It is assumed that there is provided means for calculating (ratio) and critical state detecting means for detecting the critical state by comparing the calculated value with a predetermined value. Here, the predetermined value is a value determined in advance according to two positions on the flow tube and the shape / motion (what kind of motion part, etc.) between them. Furthermore, it is assumed that notification means is provided for notifying the user of the critical state detected by the critical state detection means by warning or display. This notification means may be a means for transmitting a notification signal for restricting the valve in order to reduce the flow rate of the fluid to be measured. Referring to the embodiment of FIG. 1, as the temperature difference detection means, for example,
[0019]
3 and 4 are diagrams for explaining the principle of the position of the temperature sensor in the flow meter according to the present invention. FIGS. 3A and 3B are temperature sensors in the Coriolis mass flow meter of FIG. FIG. 4 is a diagram showing the internal flow of the nozzle when the flow at the throat portion of the nozzle has reached a critical level.
[0020]
FIG. 3 shows an outline of a cross section of one flow tube (flow tube) 6 among the measurement tubes in the Coriolis mass flow meter of FIG. 1, and this
[0021]
In general, at subsonic speeds (M <1), the gas expands / decreases / accelerates at the nozzle, and the gas compresses / increases / decreases at the diffuser. On the other hand, at supersonic speed (M> 1), the gas is compressed, heated, and decelerated by the nozzle, and the gas is expanded, decreased, and accelerated by the diffuser. To increase the flow from subsonic speed to supersonic speed, a throat is always required, and M = 1 in the throat. Conversely, a throat is also required when decelerating the flow from supersonic to subsonic speed, but only in the case of deceleration, a shock wave with a discontinuous pressure rise occurs and decelerates from supersonic to subsonic speed without throat. You can also. A vertical shock wave always reduces the flow from supersonic to subsonic. When a shock wave is generated, it is no longer an isentropic flow. Theoretically, in a diffuser connected to a throat that reaches M = 1 at the throat, either compression / expansion can occur. If compression occurs, the flow velocity decreases again as a subsonic velocity and approaches the flow velocity value upstream of the throat. Conversely, if expansion occurs, the flow rate will increase further and the flow will remain supersonic. Actually, the compression / expansion is determined by the back pressure after the diffuser. FIG. 4 is a schematic diagram when a
[0022]
On the other hand, the mass flow rate has a relationship of increasing with increasing pressure ratio, reaching a maximum value in a critical state, and decreasing with further increasing pressure ratio with respect to the pressure ratio. In addition, since the mass flow rate depends on the temperature of the fluid to be measured, the flowmeter normally corrects by temperature, but this temperature correction is applied to the fluid to be measured in a state where the critical state is reached or not reached. However, it cannot be said that the actual accurate mass flow rate is output as a measurement value, and if it is reversed, it cannot be determined whether or not the fluid to be measured has reached a critical state. Further, since the mass flow rate increases without limit by increasing the upstream pressure, it is not noticed that it is in a critical state. For example, in a sonic nozzle that is always used in a critical state, it is routine to raise the upstream pressure in order to increase the mass flow rate. When in the critical state, the mass flow rate is output with many errors. Whether a mass flow rate or a volumetric flow rate is required, this determination is particularly difficult in the case of a flow meter that measures an integrated flow rate. The present invention makes use of the fact that a temperature difference occurs before and after the critical state, i.e., the temperature in the supersonic region is lower than the temperature in the subsonic region when the fluid to be measured changes from subsonic to supersonic. The determination is made based on a temperature difference (or temperature ratio) between two predetermined locations on the flow tube.
[0023]
Since the flow of gas is accelerated and thermal energy is converted into kinetic energy from the flow restricting portion (throat portion 31) to the shock wave generation position (wavefront 35), the temperature and pressure of the gas decrease. Assuming that no shock wave is generated for reference, the state of the flowing gas is isentropically changed, and T 0 and p 0 are set to the static state (stagnation point) of temperature, pressure, T and p from that state, etc. Assuming the temperature and pressure after entropy change, the relationship T / T 0 = (p / p 0 ) ^ ((κ−1) / κ) is established. For example, when air at 25 ° C. and 1 atm is sucked, the temperature and pressure at that point become about −25 ° C. and 0.5 atm when the specific heat ratio κ = 1.4. In general, if the expansion is rapid after the restriction, the kinetic energy is converted back into thermal energy and the fluid temperature recovers to the state before the flow is restricted, but the restricted part like the flow tube of the Coriolis flow meter is long. There may be a state like a so-called supersonic wind tunnel that does not recover pressure between a plurality of chokings (occlusions) and, in some cases, upstream and downstream chokings. In any case, a phenomenon occurs in which a temperature distribution occurs in the flow direction that cannot be seen in a flow of less than M = 0.3 that can be treated as an incompressible flow. In the present invention, temperature sensors are installed upstream and downstream of the choking position, and the critical state is detected based on the measured temperature difference.
[0024]
Referring to FIG. 3 (A), in the Coriolis mass flow meter of the present embodiment, the region R 1 flowing from the supporting plate 5 into the
[0025]
FIG. 3B shows an example of installation locations of two temperature sensors when the section from a to c can be in the supersonic range. After the
[0026]
Although not shown, it is considered even flow region R 1 is a throat portion, and the R 1 before, may be installed respectively temperature sensor after R 1. In practice, one temperature sensor may be provided in the support tube 1 and one flow sensor in the
[0027]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example of a differential pressure flow meter using a conical venturi tube. In the figure, 40 is a conical venturi, 41 is an inlet cylinder, 42 is an inlet cone, 43 is a throat, 44 is an outlet cone, 45 is an outlet cylinder, 46 and 47 are differential pressure extraction sections, 48,
[0028]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example of a differential pressure flow meter using an orifice. In the figure, 50 is an orifice flow meter, 51 is a measuring tube, 52 is an orifice plate, 53 is a throttle hole, 54 and 55 are differential pressure take-out portions, and 56 and 57 are temperature sensors. The differential pressure take-out
[0029]
Further, the temperature sensor probe may be installed in consideration of the velocity boundary layer and the temperature boundary layer. That is, when the probe is installed on the upstream side of the throttle, the flow pattern at the throttle is not affected and the height of the temperature boundary layer thickness or more is required. Further, on the downstream side of the throttle, for example, in the case of the Venturi tube of FIG. 5, the temperature / velocity boundary layer is thin, so that it is not necessary to extend the probe to the center, and the probe may be attached to the inside of the tube wall. However, in the case of the orifice of FIG. 6, it is preferable to install the orifice at a position where the jet from the throttle portion directly hits the probe.
[0030]
Note that the temperature correction of the flow rate measuring sensor may be performed using the output of one of the two temperature sensors or using the average value of the two temperature sensors. In the Coriolis type mass flow meter, a temperature sensor that has been conventionally installed to correct the spring multiplier of the flow tube may be used in combination with a temperature sensor that is related to the detection of the critical state. The average value with the temperature sensor may be used for correcting the spring multiplier. FIG. 6 shows an example in which the temperature sensor is installed extending to the center of the flow tube in consideration of this. This is effective in the following cases. In particular, when the temperature is changed, if the gas measurement with a small heat capacity is performed and the flow velocity is low, the temperature boundary layer is thick, and therefore there is a long time between the temperature of the flow tube and the fluid temperature. In this case, rather than using only the temperature sensor on the upstream pipe wall as the representative temperature of the flow tube, use the average value with the temperature sensor on the downstream side, or weight the temperature measurement values from multiple temperature sensors. A more accurate measurement result can be obtained by performing temperature correction with the representative temperature calculated by the function.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, a critical state can be detected in a flow meter. According to the present invention, an erroneous measurement result is not adopted by this detection.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a perspective view for explaining an example of a Coriolis type mass flow meter.
2 is a diagram showing a configuration of a data processing unit in a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a diagram for supplementarily explaining the Coriolis mass flow meter of FIG.
3 is a view for explaining the principle of the position of the temperature sensor in the flow meter according to the present invention, and is a view showing the position of the temperature sensor in the Coriolis mass flow meter of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the installation position of the temperature sensor in the flowmeter according to the present invention, and shows the state of internal flow of the nozzle when the flow at the throat portion of the nozzle has reached a sufficiently critical level. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example of a differential pressure flow meter using a conical venturi tube.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a flow meter according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view for explaining an example of a differential pressure flow meter using an orifice.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support tube, 2, 3 ... Flange, 4, 5 ... Supporting plate, 6, 7 ... U-shaped flow tube, 8 ... Coil, 9 ... Core, 10, 12 ... Magnet, 11, 13 ... Coil, 14, DESCRIPTION OF
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