(57)【要約】 【課題】  ベンチュリ管として圧力回復を期待できる一方で、絞り比を小さい範囲に抑え、大流量域における圧力損失を少なくしてピトー管方式としての静圧と全圧からの流速測定を行い、かつ高い精度で流量測定が可能な静圧あるいは差圧の測定範囲を大きくする【解決手段】  滑らかな断面積変化をもつ絞り管路１１と滑らかで緩やかな断面積変化をもつ拡大管路１３の間に短い測定直管路１２を配置して、その測定直管路１２の部分において流体の全圧と静圧との差圧及び静圧の絶対圧とその差圧および温度を測定し、さらに流体密度をガス定数などから求めることによって測定直管路１２における流速と断面積から流量を測定する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
滑らかな断面積変化をもつ絞り管路と滑らかで緩やかな断面積変化をもつ拡大管路の間に短い測定直管路を配置して、その測定直管路の部分において流体の全圧と静圧との差圧及び静圧の絶対圧および温度を測定し、さらに流体密度をガス定数などから求めることによって測定直管路における流速と断面積から流量を測定する全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置。
【請求項２】
請求項１の流量測定装置において、静圧または差圧の測定範囲を圧力センサの測定レンジに対応して２段階以上に切り換えて、小さな静圧または差圧の測定レンジ範囲でも大きな静圧の測定レンジ範囲でも測定差圧の１％以内の精度で差圧が求められるようにした多段圧力測定系を備えた全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置。
【請求項３】
請求項１の流量測定装置において、静圧測定のために管路の周に１ｍｍ以上３ｍｍ以下のスリットまたは圧力取り出し孔を設け、管路の平均的な静圧を適切な長さや容積の圧力導管路を用い、１〜１０ｍｓ以内の高速な応答性のセンサを含む応答性をもって測定するようにし、静圧取り出し孔から管軸方向１０ｍｍ以内で管径のほぼ０．８以内の中心に近い管径の位置において１箇所以上の測定点で測定直管路の平均流速に近い位置での全圧を適切な測定管路と圧力導管で取り出して、流速に対応する全圧が１〜１０ｍｓ以内の高速な応答性で求められるように構成した全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置。
【請求項４】
請求項１、２、３の流量測定装置において、入り口管路の上流に流れの脈動を減衰させるサージ・チューブを配置することによって流れの脈動影響を小さくし、とくに逆方向の流れを無くして全圧を一方向だけ検出して流量測定を可能にした全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置。
【請求項５】
請求項１、２、３、４の流量測定装置において、入り口管路と出口管路との間の滑らかな絞り管路と測定直管路および緩やかで滑らかな拡大管路により、圧力損失を少なくするとともに拡大管路における圧力回復を効率的にし、さらに入り口管径よりも出口管径を同等以上に大きくして流量測定装置における全圧の損失を小さくできるようにした全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置。
【請求項６】
上流側管路と下流側管路との間に測定管路を設け、前記測定管路は下流側に行くほど径を減少させる絞り管路と前記絞り管路の下流端に連続していて径が一定の測定直管路と前記測定直管路の下流端に連続していて下流側に行くほど径を増加させる拡大管路とからなり、前記測定直管路において、流体の全圧と静圧との差圧、静圧の絶対圧及び温度を測定する測定装置を備えることを特徴とする流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気やガスなど流体の流量測定を行う広い産業分野に利用される。
【背景技術】
【０００２】
一般にピトー管などを利用して流速を測定し、流量を求める手法は広く用いられているが、測定管路は多くの場合一定断面積で管径の１０倍以上の長さを必要として流速分布の安定化などを図って全圧と静圧やその差圧などの圧力測定を行っている（特許文献１参照）。この場合、流速が大きくなると管路による抵抗が自乗的に増大する。この抵抗は多くの場合流体の管路における圧力損失となる。また通常のベンチュリ管による流量測定では、入り口管路とスロート部の静圧を測定するが（特許文献２参照）、絞り面積比１／β2 （入り口管路断面積／スロート断面積）が小さい場合流速による流量係数の変化が比較的大きくなり、概して流速の小さい領域の測定精度が悪くなる。絞り比を大きくすると、流速の大きい場合には抵抗損失が極端に大きくなるだけでなく、差圧が増大するので圧力センサの測定レンジとの関係で低速領域の測定精度が不十分になりやすい。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１７２６１
【特許文献２】特開２００１−２６９６０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の測定装置では、ベンチュリ管として圧力回復を期待できる一方で、絞り比を小さい範囲に抑え、大流量域における圧力損失を少なくしてピトー管方式としての静圧と全圧からの流速測定を行い、かつ高い精度で流量測定が可能な静圧あるいは差圧の測定範囲を大きくすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明のベンチュリ方式流量測定装置は滑らかな断面積変化をもつ絞り管路と滑らかで緩やかな断面積変化をもつ拡大管路の間に短い測定直管路を配置して、その測定直管路の部分において流体の全圧と静圧のそれぞれの絶対圧とその差圧および温度を測定し、さらに流体密度をガス定数などから求めることによって測定直管路における流速と断面積から流量を測定する構成をとる。
【０００６】
一般にベンチュリ管では入り口管径に対するベンチュリ・スロートの径の比βや面積比β2は流量係数に関係するが、β≧０．５では抵抗損失の割合は小さくなるが流量係数が １．０以上になることがあり、流れの近接速度の影響が大きくなる。ここでは圧力比、誤差限界などを考慮してβ≒０．６程度に設定し、圧力損失を少なくすることができる。流速測定の手段としてピトー管方式を選択し全圧と静圧を測定する方法にした。とくに変化範囲の大きい静圧測定には管路の全周の平均が測定できるように複数の静圧取り出し孔または環状のスリットから静圧を取り出して、圧力センサを２段以上に切り換えて利用する方法を採用することができる。全圧測定は１箇所以上で乱流における管路の平均流速に対応できる管径のほぼ０．８以内程度の中心寄りの位置に測定孔を流れに直角に配置し、流れを乱さないように適切な直管部を確保することができる。
【０００７】
圧縮性がほぼ無視できる状態においては流体の流速は管路の断面積に反比例して増減するので、流路を滑らかに縮小して流速を適切な範囲に増加させて、流体を直管路に導き、この部分において流体の温度、絶対圧力、および流速を測定すれば流量を求めることができる。流速を測定する簡単な装置として全圧と静圧を利用するピトー管方式が可能である。
【０００８】
この発明ではピトー管方式に準じて静圧と全圧を測定し、さらに温度を測定することにより既知のガス定数から密度を求め、断面積と平均流速から体積流量および質量流量を測定することができる。とくに各圧力および温度の測定を１〜１０ｍｓ以内の高速な応答性で測定することにより、急速に変化する流量にも対応して早い応答の流量測定が可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、絞りによる流量測定において生じる圧力損失をベンチュリ方式の管路構成によりかなり小さく抑制して、全圧・静圧の差圧が大きい範囲まで測定できる特徴がある。また普通には流量あるいは圧力の脈動によって測定誤差の大きくなる条件でも測定部入り口においてサージチューブを利用して脈動を減衰させることができ、きわめて高い精度で広い流量範囲に亘り測定できる。とくに比較的流量が小さい場合に高感度な圧力センサを利用することが可能で高い精度の測定が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の具体的実施例を図１のベンチュリ構造の測定部と図２のシステム構成図により説明する。図１に示すように、本発明の全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量計１の測定部２は入り口管３及び出口管４を介して流体を流す管路５、６に接続する。管路５は流体  発生源９に接続する管路であり、普通には入口管３と管路５との間にはサージチューブ７を挿入し、入り口気体の脈動流や脈動圧力波形を平滑化した流入流れ８として入り口管３から測定部２に流入するように構成する。サージチューブ７は管路系に装着されてゴム膜などの伸縮による容積変化によって管路系の脈動を抑制、緩和する装置であって、このようなサージチューブ７は実用新案登録第３０８５９６０号に示されている。測定部２は絞り管路１１と測定直管路１２と拡大管路１３とを連続させて備えている。絞り管路１１は流れの上流側にあって滑らかな断面積変化をもち、下流側に行くほど径が減少し、上流端で入口管３に接続する。測定直管路１２は径が一定の直管をなし上流端で絞り管路１１の下流端に接続する。拡大管路１３は流れの下流側にあって滑らかで緩やかな断面積変化をもち、下流側に行くほど径が増加し、上流端で測定直管路１２に接続し、下流端で出口管４に接続する。測定直管路３には細い温度センサ１４と、流れに平行に置かれた全圧測定管２１が適切な位置に配置され、さらに管壁には静圧取り出し孔もしくはスリット１８が設けられる。全圧測定管２１の圧力は全圧センサ２４に導かれる。全圧の測定は１〜１０ｍｓ以内の高速な応答性のセンサを含む応答性をもって測定するようにし、静圧取り出し孔もしくはスリット１８から管軸方向に約１０ｍｍ以内で管径のほぼ０．８以内の中心に近い管径の位置において１箇所以上の測定点で測定直管路１２の平均流速に近い位置での全圧を適切な全圧測定管２１と圧力導管１６で取り出して、流速に対応する全圧が１〜１０ｍｓ以内の高速な応答性で求められるようにする。静圧測定のためには管壁内面の周方向について単数或いは複数の静圧取り出し孔もしくはスリット１８を１ｍｍ以上３ｍｍ以下で設けて全周の静圧を平均化して静圧取り出し孔もしくはスリット１８から圧力導管路１５により静圧センサ２５に導く。
【００１１】
このような構成において、流入流れ８は測定部２の絞り管路１１の断面積の縮小に応じて流速を増してＶ1となる。測定においては、測定直管路断面積を既知のＡとし流速Ｖ1から流量を求める。このとき流体の温度測定値Ｔ1と静圧Ｐsと全圧Ｐtに加えて既知の定数 としてガス定数Ｒが用いられる。ガス定数Ｒに代えて、基準状態例えば２０℃、１０１３２５Ｐａにおける気体の密度ρo（ｋｇ／ｍ3）あるいは比重量γo（ｋｇｆ／ｍ3）を用いることができる。この種のベンチュリでは入り口絶対圧とスロート部静圧を流量演算の基礎にする一般のベンチュリとは異なり、ピトー管と同様に全圧Ｐtと静圧Ｐsから流速を求め、その時の静圧に対応する絶対圧Ｐsを基準に流量演算する。
【００１２】
通常、全圧は測定部から下流側の流路抵抗が主な要因で、ベンチュリの拡大部以降において絞りなどがなければ、大きな変動は少ない。静圧は流速の二乗に応じてかなり大きく変化する。測定直管路１２の直径Ｄ2と断面積Ａ、温度Ｔ1や基準状態の気体の密度ρoか ら平均流速Ｖ1が測定できれば流速Ｑsが求まる。ピトー管での流速測定は基本的に次式による。
【００１３】
Ｖ1＝〔｛２（Ｐｔ−Ｐｓ）／ρ｝〕１／２
ここで密度ρは温度と絶対圧から流体定数に応じて定まる。流速Ｖ1と断面積Ａとの積 から体積流量Ｑｖが求まり、密度ρを乗じて質量Ｑｍが求められる。勿論、密度ρは温度Ｔ1と絶対圧Ｐｓとの関数である。すなわち、Ｑｖ＝Ａ・Ｖ1，Ｑｍ＝ρ・Ｑｖである。実際には、校正などにより決定する流量係数を乗じた数式によって計算するが、圧力センサ、温度計からの信号を計算回路１７によって流量信号にして適切な時間間隔で出力する。
【００１４】
測定部２の流れは緩やかで滑らかな拡大管路１３において流速を減少し静圧をある程度回復する。実際には流量と管路の径Ｄ1，Ｄ2，Ｄ3に応じて静圧が変化するが、流量の大 きい場合に８０％程度圧力回復が可能で測定部２における全体的な圧力損失は少なくできる。拡大管路１３から出た流体は例えば排気ガス吸引ダクト２２（図２参照）から流出流れ２３となって系外に流出する。
【００１５】
図２には例として全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量計１を流体発生源である内燃エンジン２６の排気ガス流量の測定に適用したシステムの構成を示しているが、排気管である管路５の出口２７に接続してサージチューブ７が脈動の減衰のために装着され、その下流側に全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量計１の測定部２が接続される。この測定部には図１には示していないが、静圧測定の圧力センサが必要に応じて低いレンジと高いレンジの複数個が圧力導管路を分岐して装着されて、低流量において高精度な静圧測定をし、高流量域でも大きな全圧・静圧の差の測定が可能なようにしてある。そのために測定差圧の１％以内の精度で差圧が求められるようにした多段圧力測定系を備えさせてもよい。流量演算は計算回路１７に静圧Ｐｓ（絶対圧）、全圧Ｐtと温度Ｔ1を例えば１ｍｓごとに入力して計算をほぼリアルタイムに実行し、瞬間流量値を出力する。あるいは１０ｍｓ程度の時間間隔で演算して平均化するなどして出力する。圧力センサの耐圧性によっては高感度な静圧センサを保護するために電磁弁で大きな負圧がかからないようにするなどの措置を講じる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量測定装置の測定部を示す構造説明図。
【図２】内燃エンジンの排気系に連結した本測定装置のシステム構成例。
【符号の説明】
【００１７】
１    全圧・静圧測定ベンチュリ方式流量計
２    測定部
３    入口管
４    出口管
５    管路
６    管路
７    サージチューブ
８    流入流れ
９    流体発生源
１１  絞り管路
１２  測定直管路
１３  拡大管路
１４  温度センサ
１５  圧力導管路
１６  圧力導管
１７  計算回路
１８  静圧取り出し孔もしくはスリット
２１  全圧測定管
２２  排気ガス吸引ダクト
２３  流出流れ
２４  全圧センサ
２５  静圧センサ
２６  内燃エンジン
２７  出口
【図１】
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【図２】
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