(57)【要約】　　　（修正有）【課題】渦発生体のバイパス流路内またはそのバイパス流路と連通する導圧路に配置した圧力センサの計測出力から誤差の少ない流体圧力を算出できるカルマン渦流量計を提供する。【解決手段】変換器１の演算処理装部１２において、流体流速算出手段１２Ａで、フローセンサ２０の検出出力から得られた渦発生周波数に基づき流路４Ａ内を流れる流体の流速を算出し、流体圧力算出手段１２Ｄで、予め実測した検出器２の流路４Ａ内の形状に固有の圧力損失係数ａ、流体流速算出手段１２Ａで求められた流体流速ｖ、および流体の流体密度ρから、渦発生体３のバイパス流路３Ａ付近で発生する損失圧力ΔＰを算出し、その損失圧力ΔＰに基づき圧力センサ２１で計測された計測圧力Ｐ’を補正することにより、流路４Ａ内を流れる流体の流体圧力Ｐを算出する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる流路内に配置された渦発生体により発生したカルマン渦の渦発生周波数成分を、前記渦発生体に形成されたバイパス流路内に配置したフローセンサで検出する検出器と、このフローセンサからの検出出力に基づき渦発生周波数を算出し、その渦発生周波数と前記バイパス流路内の流体圧力とに基づき所望の質量流量を算出する変換器とからなるカルマン渦流量計であって、
前記変換器に、
前記フローセンサから得られた渦発生周波数に基づき前記流路内を流れる流体の流速を算出する流体流速算出手段と、
予め実測した前記検出器の流路内の形状に固有の圧力損失係数、前記流体流速算出手段で求められた流体流速、および前記流体の流体密度とから、前記渦発生体のバイパス流路付近で発生する損失圧力を算出し、その損失圧力に基づき前記圧力センサで計測された計測圧力を補正することにより、前記質量流量の算出に用いる流体圧力を算出する流体圧力算出手段とを備えることを特徴とするカルマン渦流量計。
【請求項２】
請求項１記載のカルマン渦流量計において、
前記流体圧力算出手段は、前記圧力損失係数をａとし、前記流体流速をｖとし、前記流体密度をρとした場合、前記損失圧力ΔＰを、
ΔＰ＝ａ・ｖ２・ρ
により算出することを特徴とするカルマン渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルマン渦流量計に関し、特に流路内を流れる気体などの被計測流体の流体圧力を計測する圧力センサを有するカルマン渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のカルマン渦流量計は、流路内を流れる気体などの被計測流体にカルマン渦を発生させ、その渦発生周波数を計測することにより流体流量を計測している。この流体流量として質量流量を得る場合、被計測流体の流体圧力が必要となる。
このようなカルマン渦流量計において流体圧力を計測する場合、カルマン渦を発生させるために流路内に配置された渦発生体のバイパス流路内、またはそのバイパス流路と連通する導圧路に圧力センサを配置して計測する一体形の構成が考えられる。
【０００３】
図４はカルマン渦流量計の構成例を示す正面図および側面図である。このカルマン渦流量計は、渦発生周波数の成分を含む流速信号を検出する検出器２と、この検出器２で検出された流速信号から渦発生周波数を算出し、その渦発生周波数に基づき所望の質量流量を算出し流量信号１４として出力する変換器１とから構成されている。
検出器２は、ケース２Ａ、ステム２Ｂおよび管４から構成されている。ケース２Ａは変換器１と接続されており、その内部に圧力センサ２１が配置されている。ステム２Ｂは、棒形状をなし、上端側がケース２Ａと接続され、下端側には渦発生体３が形成されている。
【０００４】
渦発生体３は、例えば略三角柱の形状をなし、管４の上部外側から下方向に流路４Ａ内に挿入されて、その下流側にカルマン渦を発生させる。渦発生体３のうち流路４Ａのほぼ中央に位置する部分には、管４の管軸方向に対して直角な方向に、渦発生体３の左右を連通するバイパス流路３Ａが形成されており、そのほぼ中央にフローセンサ２０が配置されている。また渦発生体３およびステム２Ｂの内側には、バスパス流路３Ａ内の流体圧力を圧力センサ２１まで導くための導圧路２Ｃが形成されている。
【０００５】
管４へ流体を流した場合、渦発生体３により流体の流れが乱れ、その下流側に左右交互してカルマン渦が発生する。これにより、バイパス流路３Ａ内の流体は、カルマン渦の渦発生周波数に応じた周期で振動する。この流体の振動は、フローセンサ２０により流体の流れとして検出され、変換器１へ出力される。
一方、バイパス流路３Ａ内の気体圧力は、導圧路２Ｃを介して圧力センサ２１で計測され、変換器１へ出力される。
そして、変換器１では、フローセンサ２０の検出出力から算出した渦発生周波数に基づき流路４Ａを流れる流体の速度を算出し、その流体速度と圧力センサ２１で検出された圧力とから流体の質量流量を算出するものとなっていた。
【０００６】
なお、上述した従来技術は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。また、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】
特開平１１−３２５９８９号公報（第３−４頁、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなカルマン渦流量計では、渦発生体３のバイパス流路３Ａ内またはそのバイパス流路３Ａと連通する導圧路２Ｃに配置した圧力センサ２１で流体圧力を計測しているため、流路４Ａに流れる流体が高速になるにしたがって、流路４Ａ内の流体圧力と圧力センサ２１の計測出力との差が大きくなり、正確な質量流量を算出できないという問題点があった。
図５に示すように、流路４Ａに流体を流した場合、渦発生体３の下流側にカルマン渦３Ｂが発生するとともに、渦発生体３の側壁面で圧力が低下する。これにより、渦発生体３の影響を受けない上流側からバイパス流路３Ａの開口部までの間に圧力差が発生する。
【０００８】
このとき、バイパス流路３Ａ内さらには導圧路２Ｃ内の圧力はほぼ一様であることから、渦発生体３のバイパス流路３Ａ内またはそのバイパス流路３Ａと連通する導圧路２Ｃに配置した圧力センサ２１の計測出力Ｐ’とし、上流側の気体圧力Ｐとした場合、その圧力差は上流側からバイパス流路３Ａの開口部までの圧力損失ΔＰで表すことができる。この圧力損失ΔＰは、渦発生体３の形状、バイパス流路３Ａの位置、流体流速および流体密度に応じて発生するため、圧力センサ２１の計測出力Ｐ’からは、正確な質量流量を算出できない。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、渦発生体のバイパス流路内またはそのバイパス流路と連通する導圧路に配置した圧力センサの計測出力から誤差の少ない流体圧力を算出でき、正確な質量流量を算出できるカルマン渦流量計を提供することを目的としている。
【０００９】
【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、本発明にかかるカルマン渦流量計は、被計測流体が流れる流路内に配置された渦発生体により発生したカルマン渦の渦発生周波数成分を、渦発生体に形成されたバイパス流路内に配置したフローセンサで検出する検出器と、このフローセンサからの検出出力に基づき渦発生周波数を算出し、その渦発生周波数とバイパス流路内の流体圧力とに基づき所望の質量流量を算出する変換器とからなるカルマン渦流量計であって、変換器に、フローセンサから得られた渦発生周波数に基づき流路内を流れる流体の流速を算出する流体流速算出手段と、予め実測した検出器の流路内の形状に固有の圧力損失係数、流体流速算出手段で求められた流体流速、および流体の流体密度とから、渦発生体のバイパス流路付近で発生する損失圧力を算出し、その損失圧力に基づき圧力センサで計測された計測圧力を補正することにより、質量流量の算出に用いる流体圧力を算出する流体圧力算出手段とを備えるものである。
【００１０】
このとき、流体圧力算出手段では、圧力損失係数をａとし、流体流速をｖとし、流体密度をρとした場合、損失圧力ΔＰを、
ΔＰ＝ａ・ｖ２・ρ
により算出するようにしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかるカルマン渦流量計の制御系の構成を示すブロック図である。
このカルマン渦流量計は、流路内を流れる気体などの被計測流体にカルマン渦を発生させ、その渦発生周波数を計測することにより流体の質量流量を計測する流量計であり、渦発生周波数の成分を含む流速信号を検出する検出器２と、この検出器２で検出された流速信号から渦発生周波数を算出し、その渦発生周波数に基づき所望の質量流量を算出し流量信号１４として出力する変換器１とから構成されている。なお、機械系の構成については、前述した図４のカルマン渦流量計と同じであり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００１２】
検出器２には、フローセンサ２０および圧力センサ２１が設けられている。
圧力センサ２１は、ケース２Ａ内部に設けられ、バイパス流路３Ａから導圧路２Ｃにより導かれたバイパス流路３Ａ内の流体の計測圧力Ｐ’を検出する。この計測圧力Ｐ’には、前述した渦発生体３による損失圧力ΔＰが含まれており、本実施の形態では、変換器１で、この損失圧力ΔＰを推定し、その損失圧力ΔＰと計測圧力Ｐ’から、渦発生体３の影響がない上流側と同じ所望の流体圧力Ｐを算出する。
【００１３】
フローセンサ２０は、熱式フローセンサからなり、バイパス流路３Ａ内で振動する流体の流れの速度を検出する流速センサ２０Ａを実現している。
図２はフローセンサ２０の構成例であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
このフローセンサ２０は、シリコンチップなどの基材からなる基台５０の表面に、ヒータ６１、上流側温度センサ６２、下流側温度センサ６３、周囲温度センサ６４および電極６０を、白金などのパターンを用いて薄膜形成し、絶縁膜層５２で覆ったものである。
【００１４】
ヒータ６１は基台５０の中央に配置され、その気体流れ方向の上流側に上流側温度センサ６２が配置され、反対側の下流側に下流側温度センサ６３が配置されている。また、周囲温度センサ６４は、基台５０の上流側周辺部に配置されている。
基台５０の中央部は、異方性エッチングなどの工程により基材の一部が除去されてキャビティ（凹部空間）５４が形成されており、ヒータ６１、上流側温度センサ６２、下流側温度センサ６３は基台５０から熱的に遮断されたダイヤフラム５１上に形成されている。また、ダイヤフラム５１には、流体がキャビティ５４内にも流通するよう、その厚さ方向に貫通する通気孔５３が多数形成されている。
【００１５】
フローセンサ２０の動作原理は、周囲温度センサ６４で計測された流体温度より一定温度だけ高くなるようにヒータ６１で流体を熱し、その温度分布を上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で計測することにより、流体流量を計測するものである。
流体が静止している場合、上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で得られる温度分布は対称となるが、流体が流れている場合、その対称性が崩れ、上流側温度センサ６２に比べて下流側温度センサ６３で得られる温度が高くなる。この温度差をブリッジ回路で検出することにより、流体の熱伝導率などの物性値に基づき流体流速が得られる。
【００１６】
このようなフローセンサ２０によれば、センサ自体のサイズを小型化できるとともに、各温度センサと基台とがダイヤフラム構造により熱的に絶縁されるため、周囲温度に影響されずに高感度で高い応答性が得られ、また消費電力を低くできる。
また、周囲温度センサ６４、あるいは上流側温度センサ６２や下流側温度センサ６３を温度センサ２０Ｂとして用いることにより、流体温度を測定できる。なお、温度センサ２０Ｂについては、フローセンサ２０を利用せずに別途設けてもよい。
【００１７】
図１の変換器１には、センサインターフェース部（以下、センサＩ／Ｆ部という）１０、記憶部１１、演算処理部１２、および通信インターフェース部（以下、通信Ｉ／Ｆ部という）１３が設けられている。
センサＩ／Ｆ部１０は、検出器２側のフローセンサ２０や圧力センサ２１を制御して所望の検出出力を得る回路である。
記憶部１１は、各種データを記憶するメモリなどの記憶装置からなり、流路４Ａの流路面積Ｓなど検出器２の形状を示す形状データ１１Ａ、被計測流体の比重を示す流体比重データ１１Ｂ、さらには損失圧力ΔＰを推定するのに用いる圧力損失係数データ１１Ｃを予め記憶している。
【００１８】
本実施の形態では、圧力損失ΔＰが、渦発生体３の形状やバイパス流路３Ａの位置など、検出器２の形状に左右されることから、これら流路４Ａ内の形状を示す形状パラメータを網羅する当該検出器２に固有のデータとして圧力損失係数を予め計測しておき、圧力損失係数データ１１Ｃとして記憶部１１で記憶する。圧力損失係数の計測については、流体圧力、流体流速および流体密度が既知の流体を流した場合に圧力センサ２１で計測された計測圧力との差すなわち圧力損失から逆算すればよい。このような圧力損失係数ａを適用し、流体流速をｖ、流体密度をρとした場合、圧力損失ΔＰは、次の式（１）で求められる。
ΔＰ＝ａ・ｖ２・ρ　‥‥‥（１）
【００１９】
演算処理部１２は、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路から構成されており、所定のプログラムを読み込んで実行することにより、上記ハードウェア資源と協働させて各種機能手段を実現し、流路４Ａを流れる流体の質量流量を算出する。
通信Ｉ／Ｆ部１３は、演算処理部１２で求められた質量流量を流量信号１４として、コントローラなどの上位装置へ出力する。
【００２０】
演算処理部１２の機能手段としては、流速算出手段１２Ａ、流体温度算出手段１２Ｂ、計測圧力算出手段１２Ｃ、流体圧力算出手段１２Ｄ、および質量流量算出手段１２Ｅが設けられている。
流速算出手段１２Ａは、フローセンサ２０の流速センサ２０Ａからの検出出力をセンサＩ／Ｆ部１０で信号処理したものから渦発生周波数ｆを算出し、その渦発生周波数ｆから流体流速ｖを算出する。流体速度ｖは、渦発生周波数をｆ、渦発生体３の幅をＤ、ストローハル数をＳｔとした場合、次の式（２）で求められる。
ｖ＝ｆ・Ｄ／Ｓｔ　‥‥‥（２）
【００２１】
流体温度算出手段１２Ｂは、フローセンサ２０の温度センサ２０Ｂからの検出出力をＡ／Ｄ変換した値に基づき流体温度Ｔを算出する。流体温度Ｔは、温度センサ２０Ｂとして用いられる白金などの金属に固有のパラメータの２次方程式に基づき、温度センサ２０Ｂの抵抗値から求められる。
計測圧力算出手段１２Ｃは、検出器２の圧力センサ２１からの検出出力をＡ／Ｄ変換した値に基づき、渦発生体３による損失圧力ΔＰを含むバイパス流路３Ａ内の流体の圧力を示す計測圧力Ｐ’を算出する。
【００２２】
流体圧力算出手段１２Ｄは、前述の式（１）から損失圧力ΔＰを推定し、この損失圧力ΔＰで計測圧力算出手段１２Ｃで求められた計測圧力Ｐ’を補正することにより、次の式（３）により所望の流体圧力Ｐを算出する。
Ｐ＝Ｐ’＋ΔＰ　‥‥‥（３）
このとき、式（１）で用いる流体密度ρは、予め記憶部１１に流体比重データ１１Ｂとして記憶されている流体比重γ、流体温度算出手段１２Ｂで求められた流体温度Ｔ、計測圧力算出手段１２Ｃで求められた計測圧力Ｐ’、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、次の式（４）で求める。
ρ＝γ・（Ｔ０／Ｔ）・（Ｐ’／Ｐ０）　‥‥‥（４）
【００２３】
質量流量算出手段１２Ｅは、流体流速算出手段１２Ａで求められた流体流速ｖ、記憶部１１に形状データ１１Ａとして記憶されている流路面積Ｓ、流体温度算出手段１２Ｂで求められた流体温度Ｔ、計測圧力算出手段１２Ｃで求められた損失圧力ΔＰ補正後の流体圧力Ｐ、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、流路４Ａを流れる流体の質量流量Ｑを次の式（５）で求める。
Ｑ＝ｖ・Ｓ・（Ｔ０／Ｔ）・（Ｐ／Ｐ０）　‥‥‥（５）
【００２４】
次に、図３を参照して、本実施の形態にかかるカルマン渦流量計の動作を説明する。図３は変換器１の演算処理部１２の質量流量算出処理を示すフローチャートである。
演算処理部１２では、定期的に図３の質量流量算出処理を実行する。
まず、流体流速算出手段１２Ａで、フローセンサ２０の流速センサ２０Ａからの検出出力をセンサＩ／Ｆ部１０で信号処理したものから渦発生周波数ｆを算出し、その渦発生周波数ｆから前述した式（２）を用いて流体流速ｖを算出する（ステップ１００）。
【００２５】
また、流体温度算出手段１２Ｂで、フローセンサ２０の温度センサ２０Ｂからの検出出力をＡ／Ｄ変換した値に基づき流体温度Ｔを算出する（ステップ１０１）。
計測圧力算出手段１２Ｃで、検出器２の圧力センサ２１からの検出出力をＡ／Ｄ変換した値に基づき、渦発生体３による損失圧力ΔＰを含むバイパス流路３Ａ内の流体の圧力を示す計測圧力Ｐ’を算出する（ステップ１０２）。
これらステップ１００〜１０２について順序性はなく、処理順序を任意に入れ替えしてもよい。
【００２６】
その後、流体圧力算出手段１２Ｄで、予め記憶部１１に流体比重データ１１Ｂとして記憶されている流体比重γ、流体温度算出手段１２Ｂで求められた流体温度Ｔ、計測圧力算出手段１２Ｃで求められた計測圧力Ｐ’、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、式（４）により流体密度ρを算出する（ステップ１０３）。
そして、計測圧力算出手段１２Ｃで求められた計測圧力Ｐ’を用いて前述の式（１）から損失圧力ΔＰを推定し、前述の式（３）によりこの損失圧力ΔＰで計測圧力Ｐ’を補正して所望の流体圧力Ｐを算出する（ステップ１０４）。
【００２７】
このように、流路４Ａ内の形状を示す形状パラメータを網羅する圧力損失係数ａを定義して、渦発生体３の形状やバイパス流路３Ａの位置など、検出器２の形状に固有のデータとして予め計測しておき、この圧力損失係数ａと、流体流速ｖおよび流体密度ρとに基づき、渦発生体３の上流側からバイパス流路３Ａの開口部までの圧力損失ΔＰを求め、この圧力損失ΔＰで計測圧力Ｐ’を補正することにより所望の流体圧力を求めるようにしたので、バイパス流路３Ａのバイパス流路３Ａ内またはバイパス流路３Ａに連通する導圧路２Ｃに圧力センサ２１を配置した場合でも、誤差の少ない流体圧力Ｐを算出できる。また、流路内の流体圧力を直接測定するための圧力センサを流路内に別途配置する必要がなくなり、カルマン渦流量計を設置する際の作業負担を大幅に削減できる。
【００２８】
最後に、質量流量算出手段１２Ｅで、流体流速算出手段１２Ａで求められた流体流速ｖ、記憶部１１に形状データ１１Ａとして記憶されている流路面積Ｓ、流体温度算出手段１２Ｂで求められた流体温度Ｔ、計測圧力算出手段１２Ｃで求められた損失圧力ΔＰ補正後の流体圧力Ｐ、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、前述の式（５）から、流路４Ａを流れる流体の質量流量Ｑを求めて（ステップ１０５）、その質量流量Ｑを通信Ｉ／Ｆ部１３へ出力し、一連の質量流量算出処理を終了する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、フローセンサの検出出力から得られた渦発生周波数に基づき流路内を流れる流体の流速を算出し、予め実測した検出器の流路内の形状に固有の圧力損失係数、上記流体流速、および流体の流体密度から、渦発生体のバイパス流路付近で発生する損失圧力を算出し、その損失圧力に基づき圧力センサで計測された計測圧力を補正することにより、経路内を流れる流体の流体圧力を算出するようにしたので、バイパス流路のバイパス流路内の圧力を圧力センサで計測する場合でも、誤差の少ない流体圧力Ｐを算出でき、さらに正確な質量流量を算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるカルマン渦流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】フローセンサの構成例を示す説明図である。
【図３】演算処理部での質量流量算出処理を示すフローチャートである。
【図４】カルマン渦流量計の構成を示す説明図である。
【図５】損失圧力の発生を示す説明図である。
【符号の説明】
１…変換器、１０…センサＩ／Ｆ部、１１…記憶部、１１Ａ…形状データ、１１Ｂ…流体比重データ、１１Ｃ…圧力損失係数データ、１２…演算処理部、１２Ａ…流体流速算出手段、１２Ｂ…流体温度算出手段、１２Ｃ…計測圧力算出手段、１２Ｄ…流体圧力算出手段、１２Ｅ…質量流量算出手段、１３…通信Ｉ／Ｆ部、１４…流量信号、２…検出器、２Ａ…ケース、２Ｂ…ステム、２Ｃ…導圧路、２０…フローセンサ、２０Ａ…流速センサ、２０Ｂ…温度センサ、２１…圧力センサ、３…渦発生体、３Ａ…バイパス流路、４…管、４Ａ…流路、５０…基台、５１…ダイヤフラム、５２…絶縁膜層、５３…通気孔、５４…キャビティ、６０…電極、６１…ヒータ、６２…上流側温度センサ、６３…下流側温度センサ、６４…周囲温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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