JP5336640B1

JP5336640B1 - 熱式流量計

Info

Publication number: JP5336640B1
Application number: JP2012203765A
Authority: JP
Inventors: 祐二高橋; 光楠金; 玉▲カン▼ 段
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: JP2014059191A; CN103674136B; CN103674136A

Abstract

【課題】直管長が十分に確保できずに、管路内の流れ場が安定しないような設置個所においても、計測誤差の少ない流量値を得ることができる。
【解決手段】１個の発熱感温部Ｍ０がセンサユニットの内周面の中心部に位置する。また、センサユニットの管路１３の中心部と管路１３の壁面の間に等角度θで５個の第１の素子の発熱感温部Ｍ５１〜５５が配置されている。管路の中心部に配設した発熱感温部Ｍ０の測定値のマイナスの誤差と、管路１３の中心部から０．７Ｒの円上に配設した複数の発熱感温部Ｍ５１〜５５の測定値の合計によるプラスとなる誤差を相殺させることで誤差の少ない測定値を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の流速検知素子を流管路内に配置した熱式流量計に関するものである。

特許文献１には、図２５に示すように流路管１内に４個の流速センサ２を配置した円筒形状のセンサユニット３を設置し、このセンサユニット３を通過する流体により持ち去られる熱量を測定して、流量を測定する熱式流量計が記載されている。このように複数の流速センサ２を用いることで、流速の平均値を算出し、正確な流量を求めることができる。

特許文献２には、図２６に示すように流路管１内の中央部に１個の流速センサ２を配設し、この流速センサ２によって得られた流路中央部の流速を流量演算部において流量に演算する熱式流量計が記載されている。

特許文献３には、流路管１内の断面円形上に４個の流速センサ２を配置した熱式流量計が記載されている。複数の流速センサ２を配置することで、各流速センサ２の出力を相互に比較することにより、特性が劣化した流速センサ２を容易に特定することができる。

特開平８−５４２６号公報特開平９−６８４４８号公報特開２００７−１９２７７５号公報

安定して流速を計測するためには、流体の速度分布が安定した状態が必要であり、そのためには熱式流量計の設置個所の少なくとも上流に十分な直管長が不可欠である。しかし、設置環境によっては直管長が十分に確保できない場所に設置せざるを得ない場合がある。

このような環境では、流体の速度分布は管路内の中心軸から非対称となり、不均一な流れ場を形成するので、特許文献１〜３に記載された熱式流量計を設置したとしても、流れ場が乱れているため計測した流量値に大きな誤差が生じ、真値が得られないという問題がある。

本発明の目的は、上述の課題を解決し、流体管路中の所定位置に複数個の流速検知素子を配置し、これらの出力を基に流量を求める熱式流量計を提供することにある。

上記課題点を解決するための本発明に係る熱式流量計は、管路内において複数個の流速検知素子を有する熱式流量計であって、前記管路の断面上に、１個の流速検知素子を前記管路の中心部に配置し、他の複数個の流速検知素子を前記中心部と前記管路の管壁との間に等角度に配置し、これらの流速検知素子による測定値の平均を求めて測定値とすることを特徴とする。

本願発明の熱式流量計を用いることで、直管長が十分に確保できずに、管路内の流れ場が安定しないような設置個所においても、計測誤差の少ない流量値を得ることができる。

本実施例の熱式流量計の構成図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置した配置図である。流路管内の流体の速度分布の説明図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に３個の発熱感温部を配置した配置図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に４個の発熱感温部を配置した配置図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に６個の発熱感温部を配置した配置図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に３個の発熱感温部を配置し、流量１０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に４個の発熱感温部を配置し、流量１０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量１０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に６個の発熱感温部を配置し、流量１０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に３個の発熱感温部を配置し、流量５０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に４個の発熱感温部を配置し、流量５０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量５０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に６個の発熱感温部を配置し、流量５０％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に３個の発熱感温部を配置し、流量１００％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に４個の発熱感温部を配置し、流量１００％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量１００％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。中心部に１個、０．７Ｒの円上に６個の発熱感温部を配置し、流量１００％のときの直管長及び計測値と流速値との誤差を示すグラフ図である。発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの誤差の平均値を流量１０％で纏めたグラフ図である。発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの誤差の平均値を流量５０％で纏めたグラフ図である。発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの誤差の平均値を流量１００％で纏めたグラフ図である。中心部に１個、０．３Ｒ、０．５Ｒ、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量１０％で纏めたグラフ図である。中心部に１個、０．３Ｒ、０．５Ｒ、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量５０％で纏めたグラフ図である。中心部に１個、０．３Ｒ、０．５Ｒ、０．７Ｒの円上に５個の発熱感温部を配置し、流量１００％で纏めたグラフ図である。従来例の流路管内に４個の流速センサを配置した構成図である。従来例の流路管中心に１個の流速センサを配置した構成図である。

本発明を図１〜図２４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は例えば実施例の気体流量測定用の熱式流量計の流体が流れる方向に沿った断面図である。流体は右から左の矢印方向に流れるようにされ、流路管１１の途中に円筒状のセンサユニット１２が挿入されており、センサユニット１２の管路１３の内径は、流路管１１の内径と同径とされている。

センサユニット１２は、気体の流れに対して上流側に加熱を行うと共に温度を計測する発熱感温部Ｍを先端に備えた第１の素子と、下流側に温度を計測する感温部ｍを先端に備えた第２の素子の一対から成る流速検知素子を複数組有している。第１の素子の発熱感温部Ｍ、第２の素子の感温部ｍは管路１３の中心部に向けて突出するように挿入されている。第１、第２の素子の挿入個所は図１に示すように同じ深さとされ、上流側に第１の素子を設置するが、上流側に第２の素子を配置し、下流側に第１の素子を配置するようにしてもよい。この場合、上流側の素子による流れの影響を受けないようにするために挿入個所に段差等を設けてもよい。

個々の流速検知素子は上流側及び下流側に配設された一対の感温部ｍ、発熱感温部Ｍによって検出される温度差を加熱により一定に保つために必要な電流を発熱感温部Ｍに流し、この電流量を基に流体の流速値を測定する。この測定値である流速値に管路１３の断面積を乗じて流量を求めることができる。

図２は流体が流れる方向に対し直交する方向、つまり管路１３の断面方向の発熱感温部Ｍから成る第１の素子の配置図であり、１個の発熱感温部Ｍ０がセンサユニット１２の内周面の中心部に位置している。また、管路１３の中心部と管路１３の壁面の間に等角度θで５個の第１の素子の発熱感温部Ｍ５１〜５５が配置されている。本実施例においては、このような複数の流量検出素子により得られた測定値を組み合わせて精度の良い流量値を求めることができる。

図３は流路管１１内の流体の速度分布の説明図である。線ａはレイノルズ数が約３０００とした乱流を示す速度分布であり、時間当りの流量が多い、つまり流路管１１の流速が速いときの速度分布である。

線ｂはレイノルズ数が約２０００とした層流を示す速度分布であり、時間当りの流量が少ない、つまり流路管１１の流速が遅いときの速度分布である。層流時には、流路管１１の中心軸が最も流速が速く、流路管１１の壁面に近付くにつれて流速が遅くなる。流路管１１内に流れる時間当りの流速が速くなるに応じて、線ｂの層流の速度分布から線ａの乱流の速度分布に変化する。

流路管１１内では流体が一律に同じ流量で流れるのではなく、時間と共に変化する流量を測定している。そして、時間当りの流量の変化に対し、最も影響を受けない個所は、線ａと線ｂの交点Ｐである。

線ａのような平均的な乱流の速度分布と線ｂのような平均的な層流の速度分布の交点Ｐは、流路管１１の中心部から半径Ｒの約０．７倍の位置となることが分かっている。この０．７Ｒの円上に発熱感温部Ｍ５１〜Ｍ５５を配置し、これらの平均から流速を測定すると流路管１１内が層流の流れ場から乱流の流れ場、乱流の流れ場から層流の流れ場へと変化していても、変化の影響の少ない測定値を算出することができる。

線ｃは直管長が十分に確保できない場所での推定される層流の速度分布であり、偏流となっている。管路が曲がりの直後の直管長の短い個所では、偏流が発生し易く、線ｂのような層流の中心対称となる速度分布が曲がりの方向等の影響により、線ｃのような中心から多少偏った速度分布の偏流となると推定される。この偏流により層流の速度分布の頂点がずれ、中心部の発熱感温部Ｍ０の測定値はマイナスの誤差が発生する。

流路管１１内の流体の速度分布が層流時において頂点がずれた場合に、通常の例えば中心部のみにセンサを配置した熱式流量計での測定値と実流速値の誤差は大きくなる。これに対し、流路管１１内の流体の速度分布が乱流時においては、速度分布は中心が移動して非対称になったとしても、速度分布の変化は層流に比べ少ないので、流速計測における誤差は少ない。

従って、流路管１１内が速度分布が線ｃのような偏流、層流又は乱流の何れの流れ場であっても誤差の少ない測定値を得るために、本実施例では管路１３の中心部に発熱感温部Ｍ０を配置し、この発熱感温部Ｍ０によって生ずるマイナスの誤差を補償するために、その周囲に複数の発熱感温部Ｍｎを中心部から０．７Ｒの円上に等角度で配置する。

この効果を実証するためにスーパーコンピュータによりＲＮＧｋ−ε方程式による層流、乱流の物理モデルを採用したＣＦＤシミュレータを用いてシミュレーションを行った。

即ち、中心部から０．７Ｒの円上に、等角度に管路１３内に３〜６個の発熱感温部Ｍｎを配置し、中心部に１個の発熱感温部Ｍ０を配置して、それぞれで得られた直管長に対するシミュレーション計測値と仮定の流速値との誤差を算出した。

図４は、中心部に１個の発熱感温部Ｍ０及び０．７Ｒの円上に等角度に３個の発熱感温部Ｍ３１〜Ｍ３３を配置した配置図であり、図５は、中心部に１個の発熱感温部Ｍ０及び０．７Ｒの円上に等角度に４個の発熱感温部Ｍ４１〜Ｍ４４を配置した配置図であり、図６は、中心部に１個の発熱感温部Ｍ０及び０．７Ｒの円上に等角度に６個の発熱感温部Ｍ６１〜Ｍ６６を配置した配置図である。なお、図２が０．７Ｒの円上に等角度に５個の発熱感温部Ｍ５１〜Ｍ５５を配置した配置図である。

図７〜図１０は、中心部の１個の発熱感温部Ｍ０及び中心部から０．７Ｒの円上に等角度に設置した３〜６個の発熱感温部Ｍｎとした場合の直管長に対するシミュレーション計測値と仮定の流速値との誤差の割合を示すグラフ図であり、それぞれ流量が時間当りの最大流量に対して１０％としたときのシミュレーション結果を示している。各グラフ図には、設置した発熱感温部Ｍ０、Ｍｎのシミュレーション計測値の誤差及びこれらの誤差の平均値を示す曲線が記載されている。

同様に、図１１〜図１４は、それぞれ中心部から０．７Ｒの円上の３個〜６個の発熱感温部Ｍｎの配置であり、流量が時間当りの最大流量に対して５０％としたときのシミュレーション結果を示すグラフ図である。

図１５〜図１８は、中心部から０．７Ｒの円上の３個〜６個の発熱感温部Ｍｎの配置であって、流量が時間当りの最大流量に対して１００％としたときのシミュレーション結果を示すグラフ図である。

図１９〜図２１は、発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの誤差の平均値のみを抽出し、流量が時間当りの最大流量に対して１０％、５０％、１００％で纏めたグラフ図である。

これらのグラフ図において、直管長が４０Ｄ（Ｄは管路１３の直径）以上となると、誤差が生じないことは共通しており、本実施例においては直管長が４０Ｄ以下の場合の誤差の処理に適用している。

図７〜図２１のグラフ図から、０．７Ｒの円上に等角度に設置した複数の発熱感温部Ｍｎのシミュレーション結果の誤差は、個々のシミュレーション結果のシミュレーション計測値ではその設置位置により、プラス、マイナスの誤差が生じているものの、合計値については何れも時間当りの最大流量に対する割合に関係なく、プラスになることが分かる。

このことから、管路１３の中心部に配設した発熱感温部Ｍ０のシミュレーション計測値のマイナスの誤差と、管路１３の中心部から０．７Ｒの円上に配設した複数の発熱感温部Ｍｎのシミュレーション計測値の合計ではプラスとなる誤差とを相殺させることで誤差の少ない計測値を得ることができる。

特に、図１９〜図２１のグラフ図から、図２に示した０．７Ｒの円上に等角度に５つの発熱感温部Ｍ５１〜Ｍ５５を配置したものが、最も誤差が少ない結果となった。

シミュレーション結果を検証するために、図２に示した配置の熱式流量計を作成し、直管長を５、１０、１５と変化させながら、流量を時間当りの最大流量に対して１０％、５０％、１００％の実流量を流した状態にして測定したところ、検証実験結果と前述のシミュレーション結果はほぼ一致した。

また、流れ場の変化の影響が最も小さいとされる交点Ｐは、流れ場が偏流、層流又は乱流の状況に応じて変化すると予想されるので、図２に示した発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの配置図において、０．７Ｒ以外にも、０．５Ｒ、０．３Ｒでも同様にシミュレーションを行った。図２２〜図２４は、０．３Ｒ、０．５Ｒ、０．７Ｒの配置で、それぞれ流量が時間当りの最大流量に対して１０％、５０％、１００％で纏めたグラフ図である。

図２２〜図２４のグラフから管路１３内の速度分布が線ｃのように変化したとしても、線ａ、線ｂの交点Ｐである０．７Ｒが最も信頼性が高くなることが分かる。

このように、中心部の感温部ｍとその周囲に複数の発熱感温部Ｍを配置し、これらの測定値の平均を求め、特に図２に示した発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの配置とすることで、直管長が十分に確保できずに、管路内の流れ場が安定しないような設置個所においても、計測誤差の少ない流速値及び流量値を得ることができる。

また、図４〜図６の発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの配置の構成であっても、発熱感温部Ｍ０又は発熱感温部Ｍｎの測定値に係数を乗じて計算を行うことにより、図２の発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの配置の構成同様に誤差を小さくすることもできる。この係数は既知の実流量を流して較正を行う過程で決定することもできる。

更に、図４〜図６の発熱感温部Ｍ０、Ｍｎの配置の構成において、中心部からの０．７Ｒを最適な半径長に調整することでも誤差を小さくすることができる。

１１流路管
１２センサユニット
１３管路

Claims

管路内において複数個の流速検知素子を有する熱式流量計であって、前記管路の断面上に、１個の流速検知素子を前記管路の中心部に配置し、他の複数個の流速検知素子を前記中心部と前記管路の管壁との間に等角度に配置し、これらの流速検知素子による測定値の平均を求めて測定値とすることを特徴とする熱式流量計。
前記等角度に配置した流速検知素子は、前記管路の中心部から管路の半径の約０．７倍の円上の位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
前記等角度に配置した流速検知素子の数は５としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱式流量計。
前記中心部の流速検知素子又は前記複数の等角度に配置した流速検知素子の測定値に係数を乗ずることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の熱式流量計。
前記係数は既知の実流量を流して較正を行う過程で決定することを特徴とする請求項４の請求項に記載の熱式流量計。