JP2001027556A - 可変開口型オリフィス流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円錐状プラグ位置の安定性を高めて、差圧と
測定流量のリニアな関係を有し、高いレンジャビリティ
を有する可変開口型オリフィス流量計を提供する。 【解決手段】 円錐状プラグ１２の軸部材１６に沿う方
向の運動を緩和するダンピング機構を設ける。ダンピン
グ機構は、軸部材に固定され円錐状プラグに面する側が
開放されたチャンバー２０と、チャンバーに挿入され円
錐状プラグと一体的に運動するシリンダー１９によっ
て、あるいは、円錐状プラグに固定され一端が開放した
チャンバーと、軸部材に固定されチャンバーの開放端に
挿入されたシリンダーによって構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オリフィス流量計
に関し、特に可変開口型のオリフィス流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】管内流量計測は、流量に応じた各種の物
理変化を計測することによって行われる。なかでもオリ
フィスによる流量計測は円形プレートの挿入によって発
生する圧力差を計測し流量を求める方法であり、構造が
簡単で安価であることから現在でも多用されている。し
かし、圧力差は流量のほぼ自乗となるため、非線形性が
強く必ずその補正が必要であるとともに、レンジャビリ
ティも、せいぜい１０：３程度と低いとの特性を有して
いる。そこで、スプリングによって弾性支持した円錐状
プラグを固定オリフィスと同軸に配置し、開口面積を圧
力差に応じて変化させることによって、オリフィス流量
計の問題点であったレンジャビリティを改善し、差圧と
測定流量のリニアな関係を達成することを目指した可変
開口型オリフィス流量計が開発された。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
可変開口型オリフィス流量計は、流量の変化あるいは流
れの微小な乱れによる局所的な流速の変化によって円錐
状プラグの位置が振動し、不安定になりやすい。この不
安定性の故に、可変開口型オリフィス流量計は、特に脈
動の強い管路の流量計測では実用上問題となる場合が多
い。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、円
錐状プラグ位置の安定性を高めて、差圧と測定流量のリ
ニアな関係を有し、高いレンジャビリティを有する可変
開口型オリフィス流量計を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明においては、円錐
状プラグにダンピング機構を付加し、円錐状プラグの振
動を抑制することで前記目的を達成する。ダンピング機
構は、例えば軸に固定されたチャンバー内に円錐状プラ
グと一体となって運動するシリンダーを設けることで実
現できる。円錐状プラグが流れ方向に軸上を運動する
と、チャンバーとシリンダーの間のわずかな隙間を通っ
て、流体がチャンバー内から外部に、あるいはチャンバ
ー外から内部に流れ、両者の隙間寸法、流れ方向の長さ
によって粘性抵抗が決まり、ダンピングの大きさが決定
される。この粘性抵抗を適切に決めることによって、流
量計の表示を安定化することができる。ダンピング機構
としては、次のような各種要素の組み合わせに基づく種
々の構造を採用することができる。

【０００５】スプリングが円錐状プラグに働く流体力
によって伸ばされる構造と、縮められる構造。 スプリングがダンピングチャンバー内にある構造と、
ダンピングチャンバーの外部にある構造。 ダンピングチャンバーが円錐状プラグと一体となって
流れ方向に運動する構造と、シリンダーが円錐状プラグ
と一体になって流れ方向に運動する構造。 ダンピングに関係する粘性流が、細管の中の流れであ
る構造と、細いドーナツ状の管路の流れである構造。

【０００６】すなわち、本発明による可変開口型オリフ
ィス流量計は、固定オリフィスと、固定オリフィスと同
軸に配置された軸部材と、軸部材にに沿って移動可能な
円錐状プラグと、円錐状プラグを軸部材あるいは該軸部
材に固定された部材に対して弾性支持するスプリングと
を備える可変開口型オリフィス流量計において、円錐状
プラグの軸部材に沿う方向の運動を緩和するダンピング
機構を設けたことを特徴とする。

【０００７】ダンピング機構は、軸部材に固定され円錐
状プラグに面する側が開放されたチャンバーと、チャン
バーに挿入され円錐状プラグと一体的に運動するシリン
ダーとによって構成することができる。ダンピング機構
は、また、円錐状プラグに固定され一端が開放したチャ
ンバーと、軸部材に固定されチャンバーの開放端に挿入
されたシリンダーとによって構成することができる。シ
リンダーには、表面に環状凹凸を設けてもよい。あるい
は、シリンダーには、チャンバーの内部に挿入された端
部とチャンバー外部とを連通する細い流路を設けてもよ
い。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による可変開口型
オリフィス流量計の一例を示す説明図である。この可変
開口型オリフィス流量計は、管体１０に固定された円形
の固定オリフィス１１と、固定オリフィス１１と同軸に
配置された円錐状プラグ１２とを備える。円錐状プラグ
１２は、前後の端部を前方支持部材１３と後方支持部材
１４にナット１５でネジ止めされて管体１０に固定され
た軸部材１６に対して摺動自在にはめ込まれている。円
錐状プラグ１２は、その上流側端部がスプリング１７に
よって前方支持部材１３に弾性支持されており、円錐状
プラグ１２の下流側端部には表面に環状凹凸１８が設け
られたシリンダー１９が取り付けられている。また、軸
部材１６には円錐状プラグ１２側が開放された容器（ダ
ンピングチャンバー）２０が固定され、円錐状プラグ１
２に取り付けられたシリンダー１９の一部がダンピング
チャンバー２０内に入り込んだ状態になっている。ま
た、固定オリフィス１１の上流側と下流側には、オリフ
ィス前後の差圧を測定するための圧力検出タップ２１，
２２が設けられている。

【０００９】ここで、可変開口型オリフィス流量計によ
る測定原理について簡単に説明する。オリフィス流量計
によって求められる流体の体積流量Ｑは、オリフィスの
開口面積をＡ、オリフィス前後の差圧をΔＰ、流体の密
度をρとすると、ベルヌーイの定理から、次の〔数１〕
のようになる。

【００１０】

【数１】

【００１１】ただし、αは流れの状態の相違を反映する
レイノルズ数に応じた流量係数、εは流体の圧縮係数で
ある。開口面積Ａが一定であるとき、流量は測定した差
圧ΔＰの平方根を計算しないと求められないことがわか
る。また小流量レンジでは流量の変化に対して圧力変化
が小さくなるため精度が得にくい。そこで、図１に示す
ように、差圧に応じて開口面積を変化させる円錐状プラ
グ１２を組み込む。プラグの形状はプラグとオリフィス
とによって形成される開口面積Ａが、プラグの変位ｘの
平方根に比例するように設計する。つまり、次の〔数
２〕が成立するように設計する。Ｋ_Aは比例定数であ
る。

【００１２】

【数２】

【００１３】また、定常状態ではオリフィスの前後の差
圧とスプリング力が釣り合うことから、セルの変位は差
圧に比例するため、次の〔数３〕が成立する。Ｋ_Sはス
プリングに関する比例定数である。

【００１４】

【数３】ｘ＝Ｋ_sΔＰ 上記〔数２〕を〔数３〕に代入すると、次の〔数４〕が
得られる。

【００１５】

【数４】

【００１６】この〔数４〕の関係を上記〔数１〕に代入
すると、次の〔数５〕の関係式が得られる。

【００１７】

【数５】

【００１８】上記〔数５〕に示すように、差圧ΔＰと流
量Ｑとが比例関係となる。これが可変開口型オリフィス
流量計の原理である。図１に戻って説明すると、図の左
方から流れてくる流体の流体力によって円錐状プラグ１
２は流れ方向（図の右方向）に変位し、この変位によっ
て変形を受けた（伸ばされた）スプリング１７に生じる
弾性応力と平衡して流れの中に静止する。この変位でオ
リフィス１１と円錐状プラグ１２の間の隙間面積、すな
わち流路の面積が変化する。そして、上流側の圧力検出
タップ２１と下流側の圧力検出タップ２２によりオリフ
ィス前後の差圧を差圧計で測定し、それを電圧に変換す
ることにより、差圧と直線関係にある流量を求めること
ができる。

【００１９】本発明の可変開口型オリフィス流量計を気
体の流量計測に適用する場合、例えばシリンダー１９表
面の環状凹凸１８を幅（軸方向の寸法）２ｍｍ程度、高
さ（軸に垂直方向の寸法）１ｍｍ程度、ダンピングチャ
ンバー２０とシリンダー１９の環状凹凸１８の凸部との
間のクリアランスを１０μｍ程度に設定すると、ダンピ
ングチャンバー２０に気体が出入りするときの流路抵抗
が大きくなり、ダンピングチャンバー２０とシリンダー
１９の部分はダンパーとして機能する。従って、空気、
都市ガス、スチーム等の気体流量計測において、流量の
変化あるいは流れの微小な乱れによる局所的な流速の変
化があったとしても円錐状プラグが振動を発生すること
なく、安定した流量計測が可能となる。

【００２０】図２に、図１に示した可変開口型オリフィ
ス流量計を用いて水の流量計測を行ったときの測定結果
の一例を示す。検定を受けたタンクからの流出量を流量
の基準とした。設計値通りの差圧ΔＰと流量Ｑの関係が
得られ、通常のオリフィス流量計ではなし得ない直線性
が実現されていることが分かる。また、そのときのフル
スケールに対する誤差を下図に示したが、１００：１の
広範囲で±１％の高精度が達成されていることがわか
る。

【００２１】図３は、図１に示した可変開口型オリフィ
ス流量計を用いて窒素ガスの流量計測を行ったときの測
定結果の一例を示す図である。基準としては窒素ガスの
流出重量をとり、温圧補正を行った流量計の積算値から
計算して誤差を算出した。ライン圧は、５００[ｋＰａ]
である。水の場合と同程度の精度が保たれていることが
わかる。比較のために、図１に示した可変開口型オリフ
ィス流量計からダンピング機構、すなわちダンピングチ
ャンバーとシリンダーを取り除いた以外は同じ構造を有
する可変開口型オリフィス流量計を作製した。図４はこ
の比較用の可変開口型オリフィス流量計の構造を示す略
図であり、図４において、図１と同じ部分には図１と同
じ符号を付して示した。

【００２２】図５は、２つの可変開口型オリフィス流量
計によって窒素ガスの流量計測を行ったときの流量指示
値の時間変化を比較して示した図である。図５（ａ）
は、図１に示したダンピング機構を有する可変開口型オ
リフィス流量計の流量指示値の時間変化を表し、図５
（ｂ）は、図４に示したダンピング機構を持たない可変
開口型オリフィス流量計の流量指示値の時間変化を表
す。窒素ガスの流量設定は１２リットル／分と、２つの
測定で同じにした。図から明らかなように、ダンピング
機構を持たない可変開口型オリフィス流量計の場合に
は、流量指示値に振動が発生して不安定になりやすく、
一旦不安定状態に陥るとそれがなかなか収まらず実用に
ならない。これに対して、本発明によるダンピング機構
を有する可変開口型オリフィス流量計は時間的に安定し
た流量指示を示し、ダンピング機構を設けたことによる
効果が一目瞭然である。

【００２３】以下に、ダンピング機構の構成を異にする
可変開口型オリフィス流量計の他の例について説明す
る。以下の図において、図１に示したのと同じ機能部分
には図１と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
図６は、本発明による可変開口型オリフィス流量計の他
の例を示す模式図である。この可変開口型オリフィス流
量計は、円錐状プラグ１２の下流側端部を後方支持部材
１４に弾性支持するスプリング１７、及び円錐状プラグ
１２の上流側端部に取り付けられた表面に環状凹凸１８
が設けられたシリンダー１９と軸部材１６に固定された
下流側が開放されたダンピングチャンバー２０によって
構成されるダンピング機構を備える。すなわち、図６に
示した可変開口型オリフィス流量計は、図１に示した可
変開口型オリフィス流量計に対して、スプリング１７と
ダンピング機構１９，２０の位置が流れ方向に対して逆
になっている例である。この例の場合、スプリング１７
は円錐状プラグ１２に働く流体力によって圧縮される。

【００２４】図７は、本発明による可変開口型オリフィ
ス流量計の他の例を示す模式図である。この可変開口型
オリフィス流量計は、スプリング１７がダンピングチャ
ンバー２０の中に配置され、スプリング１７とダンピン
グ機構が一体的に構成されている。スプリング１７は、
一端が軸部材１６又はダンピングチャンバー２０に固定
され、他端が円錐状プラグ１２の上流側端部に取り付け
られたシリンダー１９に固定されている。この例の場
合、スプリング１７は円錐状プラグ１２に働く流体力に
よって引き伸ばされる。

【００２５】図８は、本発明による可変開口型オリフィ
ス流量計の他の例を示す模式図である。この可変開口型
オリフィス流量計は、図７に類似した構造を有するが、
一体的に構成されたスプリング１７とダンピング機構１
９，２０が円錐状プラグ１２の下流側に位置する点で、
図７の構造と異なる。この例の場合、スプリング１７は
円錐状プラグ１２に働く流体力によって圧縮される。ま
た、図７に示した構造に比較すると、ダンピングチャン
バー２０の径を大きくとることができる。

【００２６】次に、図９から図１２を参照して、ダンピ
ング機構を、表面に環状凹凸が設けられたシリンダーと
ダンピングチャンバー以外の部材によって構成した可変
開口型オリフィス流量計の例を説明する。以下の例で説
明するシリンダーは、全て同様の構造を有する。図９
は、本発明による可変開口型オリフィス流量計の他の例
を示す模式図である。この可変開口型オリフィス流量計
は、円錐状プラグ１２の下流側端部に取り付けられ、流
れの下流側に開放したダンピングチャンバー３０と、ダ
ンピングチャンバー３０に一部はまり込むようにして軸
部材１６に固定されたシリンダー３１とを備える。シリ
ンダー３０は、クッション絞り３３を有する。このよう
な構造によっても、円錐状プラグ１２が運動するとき、
ダンピングチャンバー３０に流体が出入りするときの流
路抵抗が大きくなり、ダンピングチャンバー３０とシリ
ンダー３１の部分はダンパーとして機能する。

【００２７】図１０は、本発明による可変開口型オリフ
ィス流量計の他の例を示す模式図である。この可変開口
型オリフィス流量計は、円錐状プラグ１２の下流側端部
をスプリング１７によって後方支持部材１４に弾性支持
し、円錐状プラグ１２の上流側端部に取り付けられたダ
ンピングチャンバー３０及び細い流路３４を有し、軸部
剤１６に固定されたシリンダー３１によって構成された
ダンピング機構を備える。すなわち、図１０に示した可
変開口型オリフィス流量計は、図９に示した可変開口型
オリフィス流量計に対して、スプリング１７とダンピン
グ機構３０，３１の配置を流れ方向に対して逆にした例
である。この例の場合、スプリング１７は円錐状プラグ
１２に働く流体力によって圧縮される。

【００２８】図１１は、本発明による可変開口型オリフ
ィス流量計の他の例を示す模式図である。この可変開口
型オリフィス流量計は、図９に示した可変開口型オリフ
ィス流量計のスプリング１７をダンピングチャンバー３
０内に設置した場合に相当する。この例の場合、スプリ
ング１７は円錐状プラグ１２に働く流体力によって圧縮
される。図１２は、本発明による可変開口型オリフィス
流量計の他の例を示す模式図である。この可変開口型オ
リフィス流量計は、図１０に示した可変開口型オリフィ
ス流量計のスプリング１７をダンピングチャンバー３０
内に設置した場合に相当する。この例の場合、スプリン
グ１７は円錐状プラグ１２に働く流体力によって伸張さ
れる。

【００２９】なお、以上には円錐状プラグの上流側又は
下流側の一方のみにスプリングを設けた例を示したが、
スプリングは円錐状プラグ１２の上流側と下流側の両方
に設けてもよい。また、図１、図６〜図８にて説明した
可変開口型オリフィス流量計のシリンダーとして図９〜
図１２に示した細い流路３４を有するシリンダーを用い
てもよいし、図９〜図１２にて説明した可変開口型オリ
フィス流量計のシリンダーとして図１、図６〜図８に示
した表面に環状凹凸を有するシリンダーを用いてもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】本発明によると、差圧と測定流量のリニ
アな関係を有し、高いレンジャビリティを有する流量指
示値の安定な可変開口型オリフィス流量計が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による可変開口型オリフィス流量計の一
例を示す模式図。

【図２】本発明の可変開口型オリフィス流量計を用いて
水の流量計測を行った測定結果の一例を示す図。

【図３】本発明の可変開口型オリフィス流量計を用いて
窒素ガスの流量計測を行った測定結果の一例を示す図。

【図４】比較用の可変開口型オリフィス流量計の構造を
示す模式図。

【図５】２つの可変開口型オリフィス流量計によって窒
素ガスの流量計測を行ったときの流量指示値の時間変化
を比較して示した図。

【図６】本発明による可変開口型オリフィス流量計の他
の例を示す模式図。

【図７】本発明による可変開口型オリフィス流量計の他
の例を示す模式図。

【図８】本発明による可変開口型オリフィス流量計の他
の例を示す模式図。

【図９】本発明による可変開口型オリフィス流量計の他
の例を示す模式図。

【図１０】本発明による可変開口型オリフィス流量計の
他の例を示す模式図。

【図１１】本発明による可変開口型オリフィス流量計の
他の例を示す模式図。

【図１２】本発明による可変開口型オリフィス流量計の
他の例を示す模式図。

【符号の説明】

１０…管体、１１…固定オリフィス、１２…円錐状プラ
グ、１３…前方支持部材、１４…後方支持部材、１５…
ナット、１６…軸部材、１７…スプリング、１８…環状
凹凸、１９…シリンダー、２０…ダンピングチャンバ
ー、２１，２２…圧力検出タップ、３０…ダンピングチ
ャンバー、３１…シリンダー、３３…クッション絞り、
３４…細い流路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定オリフィスと、前記固定オリフィス
   と同軸に配置された軸部材と、前記軸部材にに沿って移
   動可能な円錐状プラグと、前記円錐状プラグを前記軸部
   材あるいは該軸部材に固定された部材に対して弾性支持
   するスプリングとを備える可変開口型オリフィス流量計
   において、 前記円錐状プラグの前記軸部材に沿う方向の運動を緩和
   するダンピング機構を設けたことを特徴とする可変開口
   型オリフィス流量計。
2. 【請求項２】 前記ダンピング機構は、前記軸部材に固
   定され前記円錐状プラグに面する側が開放されたチャン
   バーと、前記チャンバーに挿入され前記円錐状プラグと
   一体的に運動するシリンダーとを備えることを特徴とす
   る請求項１記載の可変開口型オリフィス流量計。
3. 【請求項３】 前記ダンピング機構は、前記円錐状プラ
   グに固定され一端が開放したチャンバーと、前記軸部材
   に固定され前記チャンバーの開放端に挿入されたシリン
   ダーとを備えることを特徴とする請求項１記載の可変開
   口型オリフィス流量計。
4. 【請求項４】 前記シリンダーは、表面に環状凹凸を有
   することを特徴とする請求項２又は３記載の可変開口型
   オリフィス流量計。
5. 【請求項５】 前記シリンダーは、前記チャンバーの内
   部に挿入された端部と前記チャンバー外部とを連通する
   細い流路を有することを特徴とする請求項２又は３記載
   の可変開口型オリフィス流量計。