(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体、液体および混相流を含む流体の管路の中にある翼形をもつ羽根車２組を組み合わせて配置し、当該羽根車のそれぞれの軸間を捩れ角と伝達トルクの関係が既知な軸で連結し、流体の流れに応じて２組の羽根車が回転できるようにして、当該羽根車の回転速度と当該軸の捩れ角を検出して、管路を流れる流体の質量流量を測定する方式の装置において、羽根車の翼形としてある半径の位置で、流量と角度変化と半径を考慮し、流れの運動量の変化によって生じる軸トルクがすべての半径の位置で等しくなるように、外周に近い程実際の流れの角度変化が小さくなり、かつ羽根車の面上において滑らかに角度変化をするような曲線をもつ翼形を有し、しかも１組の羽根車が流れに与える運動量の方向が他の１組の羽根車の与える運動量の方向と逆になっていて同軸で同一回転においても軸トルクを生じる２組の羽根車を備えた流速・運動量式質量測定装置。
【請求項２】
前項１の測定装置において、２組の羽根車のそれぞれまたは１方の羽根車の前およびあるいは後に、流れを整流するために固定した羽根列を配置して、測定前の流れの円周方向の成分を一定にするようにして、流れに乱れがある場合にも正確な測定ができるようにした流速・運動量式質量測定装置。
【請求項３】
前項１、２の測定装置において、２組の羽根車のそれぞれの外周近傍またはそれぞれの軸に光学的又は電磁気的なエンコーダ又は角度信号パルス発生装置を装着し、回転に対する抵抗力を無視できる程度に小さくして、非接触な手段で１回転に４００パルス以上の高い分解能と５０ＭＨｚ以上のクロックで、２つの羽根車の回転速度と回転角度を精密に測定し、２つの羽根車の回転速度と捩じれ角を６桁以上のデジタル信号として０．１秒以内の時間にサンプリングしてデータ処理し、流速および質量流量を算出するようにした流速・運動量式質量流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流量測定を必要とする全ての産業に関係するが、とくに不均質な可能性のある流体を取り扱う環境産業分野および自動車排気ガスなどの特殊条件における質量流量測定の技術分野に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
流量測定には絞り流量計を始め各種の無数に近い多様な方式がある。これらの中で、質量流量を測定する方式として熱式質量流量計や差圧式質量流量計が広く用いられてきた。コレオリの力を利用したものや角運動量の変化を利用した方式も研究されている。角運動量を測定する方式には羽根車を２組利用してその軸の間に働く捩りトルクを測定する装置があるが、これまでの装置では感度が小さく大流量または比重の大きい液体に限られ、応答速度も遅く、またその羽根車の翼形から流れに与える角運動量の変化が半径方向の距離について一定であり、軸卜ルクは平均値として測定されていた。こうした装置では均一な比重の流体では問題が表面化しなかったが、混相流には適用できなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
自動車排気ガスのように微粒子を含んで不均一な流体、超臨界流体のように気体と液体の境界領域にある流体、その他の混相流と気体を含めてその質量流量を１０ｇ／ｓ以下の小流量から１ｋｇ／ｓ以上の大流量まで測定できるような、角運動量式を用いた流速・質量流量測定を可能にすることが課題である。とくに気相の中に不均一にミストなどを含む排気ガスなどの質量流量を早い応答速度で正確に測定できることを課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
流体の流れの方向を変えてその運動量の変化から質量流量を測定するときに、羽根車を２組用いる方法は従来からあるが、羽根車で測定できるのは回転速度と軸トルクだけであり、軸トルクについてはーつの羽根車の全体のトルクである。不均一な流体で羽根車の半径方向に密度差がある場合、その運動量の変化を軸トルクとして等しく発生させる方法として、半径方向の距離に応じて与える角度運運動量を変え不均一な密度の流体にも適用できる手段を選択した。
【０００５】
具体的にはーつの羽根車について外周の半径ｒｏの位置においてΔθｏの角度変化を流れに与えるとき、内周の半径ｒｉの位置においてはこれより大きいｔａｎΔθｉ＝ｔａｎΔθｏ×（ｒｏ／ｒｉ）3 の角度変化を流れに与えるようにそれぞれの翼形を構成する。このように半径の位置に応じて翼形を変えて、ｒによる関係する体積流量、ｒによる周方向速度成分、ｒによる力と軸トルクの関係を同一にすることができる。この場合、もちろん入り口角は流速と羽根車の回転速度の関係から設計上適当に選択し、流れに与える角度変化も流体密度や軸トルクの測定面から選定する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例として気体中にミストを含む流体について、流速・質量流量を測定する装置の構成を示す図１と機能解説図である図２について説明する図１において検出部１には管路２の内部を流れる気体３とミスト状粒子４が混在して羽根車５と羽根車８とを流速に応じた回転速度で回転させながら上流側２１から下流側２２に流れている。羽根車５と８はそれぞれの軸１１と１５とを中心に回転する円筒回転ボデイ６と９に取り付けられた翼列である。このとき羽根車５では図２に示すように１枚の羽根５０の捩れ角が外周部から内周部にかけて半径ｒに応じて変化するように作られている。
【０００７】
外周部では流体の流速ｃｌと羽根の周速ｕ０とで形成する角度α１ｏの入り角口から流れに角運動量Δθｏを与える出口角β１ｏまでの滑らかな変化の捩れ角を持つ。内周部では半径ｒの減少に応じて大きな角運動量Δθｉを与える出口角β１ｉまで滑らかな変化の捩れ角を持つ羽根形とする。このように羽根５０の外周部から内周部にかけてその半径ｒに応じて与える周方向運動量が１／ｒ3 に比例して大きくなるように翼形を構成する。
羽根車８では羽根車５と同じ周速度で流れに羽根車５と反対方向の運動量を与えるように翼形を構成する。すなわち外周部ではα２ｏ＝β１ｏの入り口角とβ２ｏ＝α１ｏの出口角の翼形にし、内周部では入り口角α２１＝β１ｉから出口角β２１＝α１ｉまで変化するように捩り角を付ける。流れは羽根車５で曲げられた角度だけ羽根車８で方向を戻されてほぽ軸方向に近ずく。必要に応じて羽根車５の前に上流固定コァ−１２に取り付けられた整流羽根列１４と、羽根車８の後に下流固定コァ−１６に取り付けられた整流羽根列１８を設けて配置し、それぞれの固定コァーをこれらによって支持する。
【０００８】
羽根車５を取り付けた円筒回転ボデイ６と羽根車８を取り付けた円筒回転ボデイ９とはともに軸線２０−２０′を中心とした軸１１と軸１５を中心に回転できるが、その２つの軸はコイル状または棒状の捩りばね７で連結されていて、２つの羽根車の間のトルクに応じて位相角を生じながら同一回転する。円筒回転ボデイ６の軸１１は固定コァ−１２に設置されたエンコーダ１０と同一軸で同じ軸受けに支えられている。円筒回転ボデイ９も同様に固定コァ−１６に設置されたエンコーダ１４と同一軸で支えられて回転する。エンコーダ１０からの回転信号はパルス信号としてコード１３から外部に取り出してデータ処理される。エンコーダ１４からの回転信号も同様にコード１７によって外部に取り出されて、比較してデータ処理される。
エンコーダ１０とエンコーダ１４とは１回転４００パルス以上の信号を発生して回転速度を０．０００５ｒｅｖ／ｓ以下の分解能と、捩り位相角を１５秒以下の分解能で測定することができるように、５０ＭＨｚ程度以上のクロックと関係して用いる。データ処理としては回転速度が信号パルスの時間間隔の逆数として基本的には簡単に求められる。これは体積流量と比例する数値となる。捩り位相角は一方のエンコーダの一定角度位置の信号から他方のエンコーダの一定角度位置の信号までの角度を計算処理によって求める。測定時間間隔などにもよるが、信号の立上がり速度、応答速度に関係する等価回転慣性質量や機械的な制約から普通には羽根車の回転速度は測定する体積流量・流速によりほぽ２０ｒｐｍから３００ｒｐｍ程度になるように構成するのが適当である。
【０００９】
気体３とミスト４とは混在して管路２の入り口２１から同じ速度で流入し、固定コァ−１２を避けて必要に応じて設けられた羽根列１８で整流されて、一定な速度ｃで羽根車５に入る。このときミスト４が一様に分布しているとは限らない。羽根車５では流れは図２Ｂのように周方向に曲げられるが、外周部と内周部では曲げられる量すなわち運動量が大きく異なり、外周に近ずくほど小さくなる。しかしこの運動量の軸トルクに対する影響は同じ単位体積の質量に比例することになる。したがってミスト４が不均一に分布していても軸トルクとしては全体の質量流量に比例した量が発生する。こうして密度の異なる混相流についてもその運動量の変化を軸トルクとして測定することが可能となる。一方体積流量は羽根車５または羽根車８の回転速度に比例する。軸トルクすなわち２つの羽根車の捩れ角から質量流量を測定でき、回転速度から体積流量を測定できることになる。
【００１０】
【実施例】
図３は本発明の簡単な実施例を示すものである。図３において管路２の軸線２０−２０´を中心に固定コァ−１２と１６をそれぞれの複数の支柱２８、２９で管路２に固定し、ピボット軸受２６と２７を適当な間隔をおいてそれぞれの固定コァ−１２と１６に設置し、その間に捩れ棒軸２５を配置してこれに円筒回転ボデイ６と９とを装着する。羽根車５は円筒回転ボデイ６に取り付けられた翼列でその形状は流れに適当な周方向の運動量変化を与え質量流量に比例した軸トルクを生じるようにしてある。羽根車８は円筒回転ボデイ９に取り付けられた翼列でその形状は羽根車８で変えた流れの周方向成分を元に戻すようにしてある。
【００１１】
羽根車５の回転角度は羽根車５の外周近傍に取り付けた光学的または磁気的な信号発生装置３１とこれに近接して管路２に設置した検出器３２によってパルス信号としてエンコーダと同様に検出できる。羽根車８の回転角度は同様に羽根車８の外周近傍に取り付けた光学的または磁気的な信号発生装置３３とこれに近接して管路２に設置した検出器３４によってパルス信号としてエンコーダと同様に検出できる。パルス信号のデータ処理によって、体積流出を測定することができ、さらに２つのパルス信号のデータ処理によって羽根車５と羽根車８との間の捩れ角から軸トルクすなわち質量流量を測定することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、混相流を含むあらゆる流体の体積流量又は流速と質量流量とを測定することができる。とくに自動車排気ガスのように微粒子あるいはミストを不規則に含む場合にも、その質量流量を正確に測定できる。さらに超臨界流体のように、気体状態と液体状態が混在して区分ができないような条件においても、その質量流量と体積流量が測定でき、密度などの測定にも利用できる。また実施例のように回転部分を簡単な構造にして、回転慣性質量をできるだけ少なくし、しかも流速に対する回転速度を小さくするように設計すれば、早い応答速度で流速・質量流量の変化に対応することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】流速・運動量式質量流量測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】発明の装置における羽根車５の翼形と流れについての機能解説図である。
【図３】流速・運動量式質量流量測定装置の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１検出部
２管路
３気体
４ミスト状粒子
５羽根車
６円筒回転ボデイ
７捩りばね
８羽根車
９円筒回転ボディ
１０エンコーダ
１１軸
１２固定コァー
１３コード
１４エンコーダ
１５軸
１６固定コァー
１７コード
１８整流羽根列
１９整流羽根列
２０−２０′軸線
２１上流側
２２下流側
２５捩れ棒軸
２６ビボット軸受
２７ビボット軸受
２８支柱
２９支柱
３１信号発生装置
３２検出器
３３信号発生装置
３４検出器
５０羽根車５の１枚の羽根
５１羽根車５の１枚の羽根の外周部翼形
５２羽根車５の１枚の羽根の内周部翼形
８０羽根車８の１枚の羽根
８１羽根車８の１枚の羽根の外周部翼形
８２羽根車８の１枚の羽根の内周部翼形
【図１】
0003715049.tif 000002
【図２】
0003715049.tif 000003
【図３】
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