(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を噴出するノズルの下流側に配設されてこのノズルに対向する凹面を有する誘振子と、前記ノズルから噴出された流体の一部を前記誘振子の下流側で反転させて帰還流体とする壁面とを備え、前記ノズルから噴出される流体と前記帰還流体とによるコアンダ効果によりフルイディック振動を発生させるフルイディック型流量検出素子であって、前記誘振子は、前記凹面の両側部が丸みを帯びるように形成され且つ前記ノズルの幅の中心線上に軸心を有する直径Ｄの円柱体に前記凹面が設けられたものであり、この誘振子を前記軸心に直交する平面における断面で見たとき、前記凹面は、前記ノズルの幅の中心線上に曲率中心を有し前記軸心に接する扇形に形成されたものであり、この凹面の前記両側部は、前記誘振子の輪郭に内接する半径Ｒの内接円に沿った形状に形成されたものであり、前記円柱体の直径Ｄと前記内接円の半径Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／６０という条件を満たすことを特徴とするフルイディック型流量検出素子。
【請求項２】
前記誘振子は、テーパ角度が３°未満の錐状であることを特徴とする請求項１に記載のフルイディック型流量検出素子。
【請求項３】
フルスケールを高流量領域と低流量領域とに分けて検出する複合型流量計であって、前記高流量領域については請求項１又は２に記載のフルイディック型流量検出素子の出力により検出し、前記低流量領域については他の方式で流量検出を行う流量検出手段で検出することを特徴とする複合型流量計。
【請求項４】
前記低流量領域の流量検出には、発熱抵抗とこの発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温素子と前記測温素子の一方から前記発熱抵抗を経て前記測温素子の他方へと抜ける流路とを備える熱式流量検出素子を用いることを特徴とする請求項３に記載の複合型流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス等の流体の流量検出に用いられるフルイディック型流量検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フルイディック型流量検出素子を用いた流量計としては、種々のものが考え出されている。一例として、特開平8-210886記載のフルイディック型流量検出素子が用いられた流量計を図８に示す。
【０００３】
フルイディック型流量検出素子１は、流体流入口２と流体流出口３とを結ぶ経路上に、上流側から順にセットリングスペース４、ノズル５、流路拡大部６が配設されて形成されている。流路拡大部６内には、ノズル５の中心線の延長線上に位置させて誘振子７が設けられ、誘振子７と流体流出口３との間に、誘振子７を囲むような形状のエンドブロック８が設けられている。
【０００４】
流体流入口２から流体流出口３までの流路幅は、流体流入口２からセットリングスペース４までで拡大され、セットリングスペース４からノズル５までで縮小され、ノズル５から流路拡大部６までで拡大され、流路拡大部６から流体流出口３までで縮小される。流体流入口２から流体流出口３までの流路において、流体流入口２の幅と流体流出口３の幅とは、略同じであり、ノズル５で最も幅が狭くなる。
【０００５】
誘振子７は、円柱体に、この円柱体の軸方向に直交する平面で円弧を描くように湾曲した凹面９を形成した形状とされている。凹面９は、ノズル５の噴出口１０に対向している。
【０００６】
流体流入口２から流入する流体は、セットリングスペース４で二次元的な流れに整流され、ノズル５を通って、流路拡大部６内へ噴出される。ノズル５から噴出される整流された流体の流れである噴流は、誘振子７に当たることにより、誘振子７を挟む二方向に分かれるが、ある流量を超えると、誘振子７の背後にできる渦の不安定性によって、前述の誘振子７を挟む二方向のどちらかへ偏って流れる。そのため、エンドブロック８にぶつかった流れは、エンドブロック８の前面形状および流路拡大部６の側壁１１の形状に沿って形成される帰還流路を流れる帰還流としてノズル５の噴出口１０に達し、噴流に略直行する方向からぶつかる。帰還流は、噴流にぶつかることによって、噴流の方向を最初の偏り方向の逆の方向へ偏らせる。
【０００７】
このような噴流の偏り方向の変化は、規則的に繰り返され（フルイディック振動）、交番圧力波を生じる。交番圧力波の振動数すなわち単位時間あたりに噴流の偏り方向が変化する回数は、流量の増加に対して直線的に増加する。すなわち、流量と振動数との間には直線的な関係（線形性）がある。
【０００８】
そして、ノズル５の噴出口１０の近傍に設けられた一対の圧力検出孔１２に生じる圧力変化を圧力検出機構により検出し、その変化の周期から、噴流の偏り方向の変化の振動数が求められ、この振動数に基づいて流量を算出する。
【０００９】
現在、フルイディック型流量検出素子は、低流量領域の流量測定に向かないため、熱式流量検出素子と組み合わせられて、複合型の流量計とされることが多い。複合型流量計では、流量が低流量領域にあるときは熱式流量検出素子の出力を参照して、流量が高流量領域にあるときはフルイディック型流量検出素子の出力を参照する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
フルイディック型流量検出素子には、最低振動検出流量（フルイディック振動が開始する流量）が低く、流量範囲が広い、というダイナミックレンジが望まれている。
【００１１】
もし、流量０からフルイディック型流量検出素子により流量測定することができれば、フルイディック型流量検出素子のみによる流量計が実現できる。
【００１２】
また、現状の複合型流量計では、例えば、フルスケール４０００Ｌ／Ｈの場合、２００Ｌ／Ｈ以上を高流量領域としてフルイディック型流量検出素子で測定し、それ以外の０〜２００Ｌ／Ｈを低流量領域として熱式流量検出素子で測定するように設計されている。つまり、熱式流量検出素子が受け持つ範囲が広く、低流量領域の精度が低くなりがちになっている。このため、熱式流量検出素子の性能に厳しい仕様が要求され、複雑な信号処理や流量補正演算が必要となっている。
【００１３】
したがって、フルイディック型流量検出素子の最低振動検出流量が０にまでならなかったとしても、最低振動検出流量を現状よりも１００Ｌ／Ｈ程度低減できて８０〜９０Ｌ／Ｈになるだけでも、熱式流量検出素子の受け持ち範囲を狭めることができるので、信号処理のし易さ信頼性や製造コストに与える影響は大きい。
【００１４】
本発明は、フルイディック型流量検出素子の最低振動検出流量を低くすることを目的とする。
【００１５】
本発明は、低い流量も検出可能なフルイディック型流量検出素子を得ることを目的とする。
【００１６】
本発明は、フルスケールを高流量領域と低流量領域とに分けて高流量領域の測定にフルイディック型流量検出素子を用いる複合型流量計における高流量領域と低流量領域との切り替わり近傍の測定精度を向上させることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、流体を噴出するノズルの下流側に配設されてこのノズルに対向する凹面を有する誘振子と、前記ノズルから噴出された流体の一部を前記誘振子の下流側で反転させて帰還流体とする壁面とを備え、前記ノズルから噴出される流体と前記帰還流体とによるコアンダ効果によりフルイディック振動を発生させるフルイディック型流量検出素子であって、前記誘振子は、前記凹面の両側部が丸みを帯びるように形成され且つ前記ノズルの幅の中心線上に軸心を有する直径Ｄの円柱体に前記凹面が設けられたものであり、この誘振子を前記軸心に直交する平面における断面で見たとき、前記凹面は、前記ノズルの幅の中心線上に曲率中心を有し前記軸心に接する扇形に形成されたものであり、この凹面の前記両側部は、前記誘振子の輪郭に内接する半径Ｒの内接円に沿った形状に形成されたものであり、前記円柱体の直径Ｄと前記内接円の半径Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／６０という条件を満たすことを特徴とするものである。
【００１８】
これにより、最低振動検出流量を低くするとともに、再現性よく、更に低い最低振動検出流量のフルイディック型流量検出素子を得ることができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフルイディック型流量検出素子であって、前記誘振子は、テーパ角度が３°未満の錐状であることを特徴とするものである。
【００２６】
ここで、テーパ角度は、一つの軸断面における円錐の二つの母線の間の角度を言う。上記の範囲であれば、樹脂成形など、抜き勾配（テーパー）がある工法で製造しても、流量測定の精度を損なわない。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、フルスケールを高流量領域と低流量領域とに分けて検出する複合型流量計であって、前記高流量領域については請求項１又は２に記載のフルイディック型流量検出素子の出力により検出し、前記低流量領域については他の方式で流量検出を行う流量検出手段で検出することを特徴とするものである。
【００２８】
これにより、低流量領域を狭くすることができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の複合型流量計であって、前記低流量領域の流量検出には、発熱抵抗とこの発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温素子と前記測温素子の一方から前記発熱抵抗を経て前記測温素子の他方へと抜ける流路とを備える熱式流量検出素子を用いることを特徴とするものである。
【００３０】
したがって、フルイディック型流量検出素子と熱式流量検出素子との測定範囲のオーバーラップが大きくなり、高流量領域と低流量領域との切り替わり近傍の流量補正がし易くなる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図７を用いて説明する。まず、図１の平面図を用いて、フルイディック型流量検出素子２１と熱式流量検出素子であるフローセンサ２２とを備える複合型流量計の構造を説明する。
【００３２】
フルイディック型流量検出素子２１は、流体流入口２３と流体流出口２４とを結ぶ経路上に、上流側から順に、第一〜第三整流網２５〜２７、整流器２８、流路縮小区間２９、ノズル３０、流路拡大部３１が配設されて形成されている。フローセンサ２２は、流路縮小区間２９におけるノズル３０の直前に配設されている。
【００３３】
流路拡大部３１内には、ノズル３０の中心線の延長線上に位置させて誘振子３２が設けられ、誘振子３２と流体流出口２４との間に、誘振子３２を囲むような形状のエンドブロック３３が設けられている。誘振子３２には、ノズル３０の噴出口３４に対向する凹面３５が形成されている。
【００３４】
フローセンサ２２とノズル３０とは、同一線上に配設されている。フローセンサ２２は壁面に配置する必要があるので、流路は円管にはされておらず、流路の断面形状は概ね矩形で形成されている。
【００３５】
流体流入口２３から流入する流体は、まず第一整流網２５によって緩衝され、第一整流網２５と第二整流網２６との間隙でミキシングされることにより、周期的な変動が緩和される。そしてこの流体は、第二整流網２６および第三整流網２７によってほぼ均一な流速分布にされた後、格子状の整流器２８によって２次元流にされ、非圧縮性の定常的で一様な流れができる。
【００３６】
ここで、この流れは、流路縮小区間２９が直線的に絞られていることにより、極めて二次元的な性質を持った流れとなって、フローセンサ２２によっては、安定したの出力信号が得られる。
【００３７】
噴出口３４付近では、噴流の両側は、一様な圧力を持った静止流体で占められているため、噴流の自由流線は、始めは角度を持っているが最終的には平行になる。自由流線上では圧力が一定であるので、流速もまた一定になる。この位置に誘振子３２を配置することによって、フルイディック振動が得られる。
【００３８】
本発明の発明者は、設計パラメーターを設定して、フルイディック振動が開始する流量と、この流量とフルイディック振動の振動数との関係の直線性に関して実験し、検討したところ、誘振子３２の形状が重要な制御因子であることをつきとめた。
【００３９】
すなわち、流体が一定巾のノズル３０から誘振子３２に向けて噴出された場合、周囲の流体よりも高速の流れとなるノズル３０から噴出される「噴流」と、流れの中に置かれた誘振子３２の下流側で見られる低速の流れである「後流」との関係が重要であって、２次元流れの場で考えると、誘振子３２の形状がフルイディック振動特性に極めて重要な役割を果たしている、ということである。
【００４０】
より詳細に説明する。「噴流」は、半無限の空間に噴出するのではなく、流路拡大部３１内という誘振子３２や壁面３６などの障害物がある空間に噴出するので、「噴流」がノズル３０から出た時の初速の方向を維持できなくなる。このため、２次元噴流は不安定になり、この不安定性によってフルイディック振動が始まるきっかけが生まれると考えられる。
【００４１】
一方、流れの中に配置した誘振子３２の下流には、カルマン渦が生成し、この渦列は蛇行する流れとなる。したがって、「後流」は振動流となり、安定ではあり得なくなると考えられる。
【００４２】
このように、「噴流」も「後流」も誘振子３２の形状や壁面３６によって影響を受けて不安定になるので、「噴流」と「後流」とを有効に制御できるように誘振子３２の形状を選定すれば、上記課題が改善されたフルイディック型流量検出素子２１が得られることになる。
【００４３】
実験からは、図２に示すように、誘振子３２の凹面３５を、円柱の軸中心に接しこの軸中心とノズル３０の幅の中心線とを結んだ線上に中心点を持った円弧状にすることで、噴流が誘振子３２に衝突する際の２次元噴流を制御できることと、誘振子３２の両側部３２ａを、誘振子３２の輪郭に内接する内接円によって丸めることで、後流を制御できることとがわかった。
【００４４】
図３では、誘振子３２の直径をＤとしたとき、曲率半径ｒ＝０．３５Ｄ、０．５Ｄ、Ｄの凹面３５を描いている。誘振子３２は、凹面３５の曲率半径ｒが大きくなるにつれて半月型に近づいていき、曲率半径ｒが小さくなるにつれて円柱に近づいていく。
【００４５】
ｒ／Ｄの許容される範囲を実験的に検討したところ、ｒ／Ｄ＝０．３５〜２．５好ましくはｒ／Ｄ＝０．５が良いことがわかっている。
【００４６】
また、別の実験によれば、誘振子３２は垂直な柱状である必要はなく、テーパ角度が３°未満の錐状であれば、フルイディック振動性能に悪影響を及ぼさないことがわかっている。テーパ角度は、一つの軸断面における円錐の二つの母線の間の角度を言う。つまり、誘振子３２が錐状であると仮定し、誘振子３２の軸心を含む平面で誘振子３２の断面をとったとき、この断面における誘振子３２の二本の母線の間の角度が３°未満であれば、誘振子３２が柱状でなくても、フルイディック振動性能に悪影響を及ぼさない。誘振子３２が上記の範囲を満たすのであれば、樹脂成形など、抜き勾配（テーパー）がある工法で製造しても、流量測定の精度を損なわない。
【００４７】
図４は、実験に使った誘振子３２の代表的な断面の形状である。Ｄ＝６（ｍｍ）とし、凹面３５の曲率半径ｒ＝０．５Ｄとした。そして、この図４の誘振子３２の両側部３２ａを、図５に示すように、半径Ｒ＝０．２、０．５、０．８（ｍｍ）の３種類の円で丸めて、それらの場合のそれぞれについて実験を行った。
【００４８】
図６は、図５の各誘振子３２を用いた複合型流量計のフルイディック振動数から求めた流量に対する４号ガスメーターの器差を示すグラフである。流体には可燃性ガスを用いた。図中、２点差線で表示してある領域は、計量法で定められた各流量に対する器差である。２００〜４００Ｌ／Ｈの流量の器差は、±３％以内、４００〜４０００Ｌ／Ｈの器差は、±１．５％以内と定められている。
【００４９】
この実験結果からは、Ｒ０．２、Ｒ０．５では問題にならないが、Ｒ０．８では規定の器差を満足しないことがわかった。また、Ｒ０．８としたときには１０００Ｌ／Ｈ以下の比較的低流量の場合と、３０００Ｌ／Ｈ以上の比較的大流量の場合との両方で、器差を満足しないことがわかった。この実験では、誘振子３２の両側部３２ａのＲが大きくなるにつれて、振動抜けが頻繁になることが判明した。この振動抜けの現象は、誘振子３２の直径Ｄ＝６（ｍｍ）時には、Ｒ０．５以下で殆ど起こらず、最低振動検出流量がもっとも小さく、かつ安定しているのは、Ｒ０．２以下であった。
【００５０】
図７は、誘振子３２の直径Ｄと両側部３２ａの曲率半径との比Ｒ／Ｄと、最低振動検出流量（Ｌ／Ｈ）との関係を示している。この実験の結果によれば、最低振動検出流量１５０Ｌ／Ｈを満足する比Ｒ／Ｄは１／１２であり、１／６０であれば１００Ｌ／Ｈを満足する。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明では、誘振子の凹面の両側部は丸みを帯びるように形成され、誘振子は、ノズルの幅の中心線上に軸心を有する直径Ｄの円柱体に凹面を設けた形状であって、この誘振子を軸心に直交する平面における断面で見たとき、凹面は、ノズルの幅の中心線上に曲率中心を有し軸心に接する扇形に形成されていて、この凹面の両側部は、誘振子の輪郭に内接する半径Ｒの内接円に沿った形状に形成されているので、最低振動検出流量を低くすることができる。しかも、円柱体の直径Ｄと内接円の半径Ｒとの関係が、Ｒ≦Ｄ／６０であるので、再現性よく、更に低い最低振動検出流量のフルイディック型流量検出素子を得ることができる。
【００５５】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、誘振子は、テーパ角度が３°未満の錐状であるので、樹脂成形など、抜き勾配（テーパー）がある工法で製造可能であるので、流量測定の精度を損なわずに製造コストを抑えることができる。
【００５６】
請求項３に記載の発明では、高流量領域については請求項１又は２に記載のフルイディック型流量検出素子の出力により検出し、低流量領域については他の方式で流量検出を行う流量検出手段で検出するので、低流量領域を狭くすることができるので、低流量領域の測定を受け持つ流量検出手段の測定精度を高くすることができる。
【００５７】
請求項４記載の発明では、請求項３に記載の発明において、低流量領域の流量検出には、発熱抵抗とこの発熱抵抗を挟んで配設される一対の測温素子と測温素子の一方から発熱抵抗を経て測温素子の他方へと抜ける流路とを備える熱式流量検出素子を用いるので、フルイディック型流量検出素子と熱式流量検出素子との測定範囲のオーバーラップが大きくなり、高流量領域と低流量領域との切り替わり近傍の流量補正がし易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態におけるフルイディック型流量検出素子の構造を概略的に示す平面図である。
【図２】誘振子の平面図である。
【図３】誘振子に形成された凹面の形状を示す平面図である。
【図４】両側端の形状を変化させる実験に用いられた誘振子の凹面の形状を示す平面図である。
【図５】両側端の形状を変化させる手法を示した誘振子の平面図である。
【図６】両側端の形状が異なる誘振子を備えたフルイディック型流量検出素子の各流量における器差を示すグラフである。
【図７】両側端の形状と最低振動検出流量との関係を示すグラフである。
【図８】従来のフルイディック型流量検出素子が用いられた流量計の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
２１      フルイディック型流量検出素子
２２      熱式流量検出素子
３０      ノズル
３２      誘振子
３２ａ    両端部
３５      凹面
３６      壁面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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