(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ（１）内の流体の流量を決定するための装置であって、該パイプ（１）内に配列されるべき異なる形状をもつ少なくとも２つの物体または形状が同じ場合異なる寸法をもつ少なくとも２つの物体（５，６；７，１２；１３，１４；１５，１６）と、それぞれの物体の背後で生じるカルマン渦列の渦周波数（ｆv1およびｆv2）を測定するための少なくとも２つのセンサ（７、８）と、
該渦周波数から流体の流量を決定する手段（１０）と、
流体の接近速度において起こり得る脈動周波数を決定するためのさらなるセンサ（９）とを有し、
前記少なくとも２つの物体の形状または寸法は、一方の物体の渦周波数が脈動周波数に依存する状態になった場合でも他方が依存しないように互いに異なっており、
前記流量を決定する手段（１０）は、前記脈動周波数に依存していない側の物体の渦周波数に基づいて流量を決定する
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記流量を決定する手段（１０）は、前記渦周波数を測定する少なくとも２つのセンサ（７、８）のうち、前記渦周波数と脈動周波数との比が間隔（０．４、２．５）の外側にあるセンサを選択し、該選択されたセンサが出力する渦周波数から流体の流量を決定することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
流れ方向に沿って、パイプの横断面が見える向きで見たとき、前記少なくとも２つの物体（５、６）のうち、一方が他方の背後に配列されてなることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも２つの物体（５、６）はそれぞれ流れを横切るように延びており、かつ、流れ方向に沿って、パイプの横断面が見える向きで見たとき、互いに交差していることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項５】
流れ方向に沿ってパイプの横断面が見える向きで見たとき、前記少なくとも２つの物体（１３、１４）が互いに隣接して設けられてなることを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項６】
前記互いに隣接して設けられた少なくとも２つの物体（１５、１６）が一体となって形成されてなる請求項５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はパイプ内の流量を測定する装置に関し、該パイプ内に設けられるべき物体と、該物体のまわりを流体が流れるときに該物体の背後で発生する渦周波数を決定するためのセンサと、この周波数から流量を決定するための手段とを備えている。
そのような装置は、ドイツ特許出願公開第ＤＥ−Ａ−３７  １４  ３４４号公報から知られている。
該文献において、渦流量部は２つの物体を備えているか、または、より好ましくは、異なる形状の２つの部分に分割された物体を１つ備えている。この物体（これらの物体）の目的は、唯一の渦周波数のために提供することである。当該物体の２つの部分は、実質的に等しい寸法を有している。当該文献において２以上の渦周波数の発生が記載されているが、その構成は、唯一の渦周波数成分が生ずるように物体の角を丸くすることによって高周波数成分を抑制することに向けられている。
【０００２】
流体の流れの中に物体を設けることによって、流体により該物体が取り囲まれたときに該物体の背後にいわゆるフォン・カルマン渦ストリート(Von Karman vortex street)が形成される。そのような渦ストリートは、たとえばミルトン・バン・ダイク(Milton van Dyke)の流体運動のアルバム（カリフォルニア州  スタンフォード大学  １９８２年）に示されている。当該物体の形状および寸法に依存して、流体中に渦がある周波数で発生する。一般に、この周波数ｆvは、つぎの関数によって表わすことができる。
【０００３】
ｆ＝（Ｓr／Ｄ）＊Ｕo
ここに、Ｓrは物体の形状によって決定されるストロハル数(Strouhal number)を形成し、Ｄは当該物体の寸法（diameter）、すなわち流体の流れが当該物体によって妨害される距離を表わし、Ｕoは物体に向かって流れる流体の接近速度を表わしている。既知の接近速度によって測定することによって、渦周波数、物体毎に関連するストロハル数が決定され得る。ある間隔内で、ストロハル数は実質的にレイノルズ数Ｒｅから独立し、一定の値を有することが見出された。このレイノルズ数は、前述の接近速度Ｕoとつぎの関係を有している。
【０００４】
Ｒｅ＝ρＵoｄ／η
ここに、ρは流体の密度を表わしており、ｄは流体が導かれるパイプの直径を表わしており、ηは流体の力学的粘性率を表わしている。前記間隔のあいだ、ストロハル数は流体の密度および流体の粘性率から独立しているので、叙上のように渦周波数ｆvと接近速度Ｕoとのあいだにリニアの関係がある。
【０００５】
しかしながら、接近速度が一定でないとき、このような流量測定装置に問題が起こるかもしれない。与えられた接近速度の変化により、脈動周波数が発生する。ここでいう問題とは、与えられた接近速度における脈動周波数ｆpと渦周波数ｆvとの比率に依存することである。エム・シー・エイ・エムのピータースらによってスウェーデン王国ルンドのＦＬＯＭＥＫＯ‘９８，１９９８年６月１５日〜１７日に提出された論文「流量計における脈動の衝撃」から、ｆv／ｆp＜０．４およびｆv／ｆp＞２．５のとき、渦周波数ｆvは、ほぼ平均の接近速度に関連する渦周波数に対応する値をとることが見出される。両方のばあいとも、渦周波数および接近速度のあいだには、特有のリニアの関係があり、後者の量は渦周波数の測定によって決定され得る。これに対して０．４＜ｆv／ｆp＜２．５の状態を保つと、いわゆるロックイン現象が起こる。「ロックイン」とは、規定された制限内で接近速度が変化しても、渦周波数が変わらないままであることを意味する。すなわち、これらの制限内で渦周波数によって強く支配される。前述の論文、とくに図１１および１２において、これらの渦周波数は、ｆv／ｆpが１／２、１、３／２および２における脈動周波数によって支配されることが分かる。接近速度の約５％の脈動周波数における振幅において測定された渦周波数の誤差が＋８％と−１８％とのあいだにあることが見出された。このような誤差は、決定されるべき接近速度における等しい誤差へと導く。したがって、０．４＜ｆv／ｆp＜２．５での脈動接近速度において、プレアンブルにおいて述べられたタイプの知られた接近速度測定装置は、高い信頼度がない。
【０００６】
本発明の目的は、ランダムの脈動にたいしても、該接近速度の正確な決定を可能にする、プレアンブルにおいて記載されたタイプの装置を提供することである。
【０００７】
この目的のために、本発明の装置は、前記プレアンブルにおいて記載されたような装置であって、形状および／または寸法が異なる少なくとも２つの物体が存在し、これによって決定される渦周波数の少なくとも１つが流体の接近速度において起こり得る脈動周波数から独立していることを特徴としている。
【０００８】
パイプ内に異なる形状および／または寸法の２つの物体を設けることによって、該２つの物体のＳr／Ｄ比が、非常に異なって選択され、与えられた脈動周波数に対して該２つの渦周波数の少なくとも１つが、ｆv／ｆp比が間隔（０．４、２．５）の外側になるような値をもつことができる。かかる渦周波数からのみ、正しい接近速度が決定され得る。これは、明らかに脈動周波数を決定するために、センサの存在を要求する。多くのばあい、複数の渦周波数のいずれに対しても、ｆv／ｆp比はこの間隔の外側にあるであろう。そのような状況において、２つの渦のストリートのおのおのにおける渦周波数の測定によって、該接近速度に対する同一の脈動周波数が得られるであろう。もちろん、２を超える物体がパイプ内に設けられてもよいが、これは基本的に不要であり、実際には物体は２つだけで充分である。
【０００９】
前述の２つの物体は、互いに一方が他方の後になるように配列でき、同時に該２つの物体の相互作用をできるだけ小さく維持するために、互いの距離を選択する。そのような相互作用は、パイプ内の物体を交差するように配列することによって最小にできる。該物体は互いに一方が他方の後になるように配列できるだけなく、互いに隣り合うように配列でき、該物体間の相互作用を最小に減少するために、相互の距離を充分大きくするとの要求を受ける。さらに、パイプの直径が物体の寸法に対して大きいとき、該物体を一体として設計することもできる。
【００１０】
渦周波数を決定するセンサを個々の物体内にまたは物体上に配列できるが、渦周波数の測定および脈動周波数の測定は、パイプの壁の適切な点または壁内に配列された圧力センサによってなされる。なぜなら、渦が測定され得る物体上に作用する力を誘起するからである。さらに、複数のセンサのうちの１つまたは両方に脈動周波数を決定するためにセンサを統合することができる。
【００１１】
添付図面を参照しつつ本発明を説明する。すなわち、
図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ従来技術によるパイプ中の流体の流量を測定するための装置の長手方向の断面と横断面とを概略示しており、
図２Ａおよび２Ｂは、それぞれ本発明による装置の第１の実施例の長手方向の断面と横断面とを概略示しており、
図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ本発明による装置の第２の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示しており、
図４Ａおよび４Ｂは、それぞれ本発明による装置の第３の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示しており、
図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ本発明による装置の第４の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示している。
【００１２】
図面の対応する部分は、同一の参照符号によって示した。
【００１３】
図１は、物体２が配列されたパイプ１を示している。物体２はパイプ１の直径分だけ延びており、寸法Ｄの三角形状の横断面を有している。矢印Ｐによって示された方向に接近速度Ｕoの流体がパイプ１を導かれ、いわゆるフォンカルマン渦ストリートが、物体２の背後である長さを超えて成長する。この渦ストリート内で渦が発生する周波数、すなわち渦周波数が、物体２の形状および寸法Ｄによって決定される。この周波数ｆvは、パイプ１の内側の壁上の圧力センサ４によって測定される。決定されるべき叙上の接近速度Ｕoは渦周波数ｆvに比例する。比例定数は、既知の接近速度との較正によって決定される。上で述べたように、もし接近速度が、０．４＜ｆv／ｆp＜２．５を満足する脈動周波数ｆpによって脈動するとき、この較正は問題につながる。このため、異なる形状および／または直径の２つの物体がパイプ内に配列される。
【００１４】
図２において、円形の横断面および直径Ｄ1の第１の物体５と、三角形状の横断面および寸法Ｄ2の第２の物体６とがパイプ１内に配列される。デバイスには、個々の物体の背後で起こるフォンカルマン渦ストリート中で渦周波数ｆv1およびｆv2を測定するためのセンサ７および８が設けられる。物体５および６の形状および寸法は異なっており、渦周波数が少なくともほぼ６の因数だけ異なっている程度にＳr1／Ｄ1比はＳr2／Ｄ2比と異なっている。Ｓr1とＳr2とは、それぞれ物体５および６のストロハル数である。渦周波数ｆv1およびｆv2が少なくともほぼ６の因数だけ異なっているので、比ｆv1／ｆp、ｆv2／ｆpの少なくとも１つは常に間隔（０．４、２．５）の外にあり、渦周波数の１つの正確な測定と、これに比例する接近速度の正確な測定とが常に可能である。正確な比を選択し得るために、圧力センサ９が存在して、流体の流れの脈動周波数ｆpの決定を可能にしている。さらに、たとえばマイクロプロセッサを備えた手段１０が存在して、圧力センサ７、８および９から送られる信号から接近速度を決定する。実際には、渦の１つまたは複数の周波数だけが接近速度のための測定として適しており、渦周波数と脈動周波数とのあいだの関係は間隔（０．４、２．５）の外側にある。物体５の背後のフォンカルマン渦ストリートが物体６によって妨害される２つの物体間の相互作用の発生を防止するために、物体間の距離Ｌが充分長くなるように選択される。この距離は、明らかに物体の形状および直径に依存する。
【００１５】
図３は本発明による装置の第２の実施例を示している。２つの物体１１および１２は互いに垂直に交差するようにパイプ１内で配列されている。物体１１は円形の横断面を有しており、物体１２は半円状の横断面を有しており、両方の物体はパイプ１の直径分だけ延びている。当該物体の互いに交差する配列によって、２つの物体間の距離が比較的小さくても、２つの物体間のいかなる相互作用は最小にされる。当該物体の形状および寸法は互いに異なっているので、第１の実施例のように、測定された渦周波数は少なくともほぼ６の因数だけ異なっている。
【００１６】
図４はパイプ内で互いに隣接して配列された２つの物体１３および１４を示している。当該物体は、それぞれ円形および三角形の横断面、異なる寸法を有し、パイプ内で互いに平行に延びている。相互の距離Ｌは長くなるように選択され、物体間の相互作用は最小にされる。また、２つの物体の形状および寸法は異なっているので、問題となる渦周波数は少なくともほぼ６の因数だけ異なっている。
【００１７】
すでに記載した実施例において、２つの物体の形状および寸法は異なっている。しかし、物体の形状だけ、または寸法だけが異なっている実施例も可能である。図５は、２つの物体が同じ形状を有しているが寸法は異なっている実施例の一例である。２つの物体１５および１６は、互いに隣接して配列され、互いに一体物１７を形成している。渦周波数を測定するための圧力センサは、互いに隣接して配列されている。物体１５および１６の寸法が異なっているので、少なくともほぼ６の因数だけ異なっている渦周波数が測定される。
【００１８】
本発明はここで述べた実施例に限定されず、添付された特許請求の範囲の保護範囲である限り、そのあらゆる種類の変形を含む。前述のとおり、渦周波数を決定するために、パイプ１の壁内または壁上に代えて当該物体内または物体上にセンサを配列することができる。また、前述のとおり、渦周波数を決定するためにセンサ内に脈動周波数を決定するためのセンサを一体化することもできる。さらに、測定された渦周波数が、これらの周波数の少なくとも１つが流体の接近速度内で生じる脈動周波数とは独立している量だけ異なる限り、ここで述べた以外のあらゆる形状および寸法も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ従来技術によるパイプ中の流体の流量を測定するための装置の長手方向の断面と横断面とを概略示している。
【図２】  図２Ａおよび２Ｂは、それぞれ本発明による装置の第１の実施例の長手方向の断面と横断面とを概略示している。
【図３】  図３Ａおよび３Ｂは、それぞれ本発明による装置の第２の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示している。
【図４】  図４Ａおよび４Ｂは、それぞれ本発明による装置の第３の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示している。
【図５】  図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ本発明による装置の第４の実施例の長手方向の断面および横断面とを概略示している。
【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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