JP2002156257A - サーボ形容積式流量計 - Google Patents

サーボ形容積式流量計

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JP2002156257A JP2001150430A JP2001150430A JP2002156257A JP 2002156257 A JP2002156257 A JP 2002156257A JP 2001150430 A JP2001150430 A JP 2001150430A JP 2001150430 A JP2001150430 A JP 2001150430A JP 2002156257 A JP2002156257 A JP 2002156257A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 サーボ形容積式流量計の小流量域から大流量
域における器差特性を改善する。 【解決手段】 容積式流量計1は、ケーシング2に配設
された計量室3内で、流体差圧により回転し、流入した
一定体積の流体を流出する対をなす第1及び第2回転子
6,7を有し、該回転子の回転から流量を計測する。前
記第1回転子6にはサーボモータ17が連結されてい
る。容積式流量計1の流入口8と流出口9に設けた圧力
検出口10,11の圧力は、導管により差圧計12に導
かれ、差圧が求められ、サーボ機構が、該差圧信号をk
(γ/2g)V2(但し、γ:被測定流体の密度、V:
前記回転子の回転速度、g:重力加速度、k:流量計の
構造寸法、管摩擦係数で決まる定数)となるように前記
サーボモータ17を駆動する。そのときの回転子6の回
転を流量発信器19により流量信号として取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーボ形容積式流
量計に関し、より詳細には、小流量域から大流量域ま
で、器差が、ほとんどゼロに近い優れた特性をもつサー
ボ形容積式流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】一対の回転子を有する代表的な容積式流
量計は、計量室と、計量室内で回転する一対の回転子を
有し、計量室と回転子とで形成される容積を基準容積と
して計量室内に流入する被測定流体を回転子の回転に応
じて流出することにより、回転子の回転数から流量を求
める流量計である。すなわち、理想的には、基準容積に
相当する体積の被測定流体が回転子の回転に比例して排
出される。
【0003】しかし、実際の容積式流量計においては、
回転子の回転を可能とするために回転子と計量室との間
には、微小な隙間が設けられており、回転子は計量室と
接触することなく回転する。また、回転子が回転するた
めには、機械的要素の負荷、例えば軸受摩擦や計数部の
負荷に打ち勝つ回転トルクが必要で、この回転トルクを
被測定流体が回転子に作用する流体差圧による回転モー
メントにより得ている。このため、被測定流体のエネル
ギーで回転子を回転させた場合(自力式容積式流量
計)、この隙間から、極わずかではあるが、入口側から
出口側に漏洩が発生する。
【0004】図4は、自力式容積式流量計の器差特性の
一例を示す図である。図のように、この漏れの大きさ
は、流体差圧によるモーメントに対して、摩擦トルクの
割合が大きい小流量の範囲で大きく、器差がマイナスと
なり、その他の流量域において生ずる差圧の大きさによ
っても異なり、さらには、全流量域において被測定流体
の粘度に逆比例して大きく変化する。
【0005】一方、容積式流量計は、直接体積流量が測
定でき精度も高いことから、産業用、取り引き用の流量
計として広く使用されている。しかし、上述したように
原理的に計量室内で回転子が回転するために計量室と回
転子との間に存在する隙間による漏洩が、微少流量の測
定や、さらに高精度を追求する測定の場合には、無視で
きなくなる。また、この漏れ量は、容積式流量計の流出
入口間の圧力損失に比例する。
【0006】被測定流体の粘度や密度などの物性値に影
響されずに安定した高精度の流量の測定が可能なよう
に、流量計の流出入口間の圧力損失を正確に検出して、
この圧力損失が、常に、ゼロになるように回転子に外部
からサーボモータで駆動力を与えてやり、そのときの回
転子の動作回転数から流量を測定するようにした流量計
が、サーボ形容積式流量計である。
【0007】図5は、従来のサーボ形容積式流量計の一
実施例の構成を説明するための概念図である。図中、1
は容積式流量計、2はケーシング、3は計量室、4は第
1回転子軸、5は第2回転子軸、6は第1回転子、7は
第2回転子、8は流入口、9は流出口、10は流入側圧
力検出口、11は流出側圧力検出口、12は差圧計、1
3はディストリビュータA、14は調節計、15は目標
設定器、16はサーボモータ駆動回路、17はサーボモ
ータ(S.M)、18はタコジェネレータ(T.G)、
19は流量発信器(P.G)である。
【0008】容積式流量計1は、流入口8と流出口9に
連通し、流路(ケーシング2)に形成された計量室3
と、この計量室3内に固着された第1回転子軸4及び第
2回転子軸5に各々軸支された第1回転子6及び第2回
転子7とからなっている。第1回転子6、及び第2回転
子7には本体外部、すなわち計量室3外部のそれぞれの
回転子に設けたパイロット歯車(図示せず。)との噛合
により、互いに反対方向に、同期回転可能で、第1回転
子6側(本実施例では第1回転子6側となっているが、
第2回転子7側でもよい)のパイロット歯車には、サー
ボモータ(S.M)17の駆動軸が接合されている。
【0009】容積式流量計1の流入口8と流出口9に
は、それぞれ流入側圧力検出口10、流出側圧力検出口
11が設けられ、流入口8及び流出口9の圧力は、両圧
力検出口10,11から導管により、差圧計12に導か
れ、容積式流量計1の流出入口間の圧力損失が測定され
る。サーボモータ(S.M)17の駆動軸には、タコジ
ェネレータ(T.G)18も直結されており、サーボモ
ータ(S.M)17、タコジェネレータ(T.G)18
及び第1回転子6側のパイロット歯車は互いに縦接続さ
れている。
【0010】タコジェネレータ(T.G)18は、サー
ボモータ(S.M)17の回転に比例した電圧値を発生
して、その出力は、サーボモータ駆動回路16を介し、
サーボモータ(S.M)17にフィードバックされる。
流量発信器(P.G)19は、第1回転子6(本実施例
では、第1回転子6となっているが、第2回転子7でも
よい)の回転数を計測する機構を有し、流量に比例する
パルスを発生する。
【0011】差圧計12からの差圧信号は、ディストリ
ビュータA13を介して差圧に比例した電圧値Vpに変
換されたのち、調節計14に入力され、目標設定器15
からの目標設定値と比較され、その出力V1は、サーボ
モータ駆動回路16の一方の入力端子に接続されてい
る。サーボモータ駆動回路16のもう一方の入力端子に
は、タコジェネレータ(T.G)18の出力V2がフィー
ドバックされて接続されて、調節計14からの容積式流
量計1の流出入口間の圧力損失ΔPに相当する差圧計1
2からの差圧信号Vpと目標設定値との比較値V1と、
サーボモータ(S.M)17の回転数に相当するタコジ
ェネレータ(T.G)18の出力V2が等しくなるよう
に、サーボモータ(S.M)17の回転を制御するサー
ボ機構を形成している。
【0012】被測定流体が、矢印方向に流れた状態で
は、差圧計12の差圧信号は増加するが、サーボモータ
駆動回路16とサーボモータ(S.M)17からなるサ
ーボ制御系を駆動することにより、流量計の入口と出口
間の差圧ΔPを無差圧に制御する。このとき、調節計1
4の目標値を、差圧ゼロに設定し、サーボモータ17で
回転子を強制的に回転させ、ΔPをゼロになるよう制御
している。従来、サーボ形容積式流量計は、上記したよ
うに、流量の大小にかかわらず、流量計の入口側と出口
側の差圧ΔPを、ΔP=0になるように、回転子の回転
をサーボモータで強制駆動し制御していた。これは、容
積式流量計の流出入口間の圧力損失がゼロになるように
流量を測定することができれば、漏れ量もゼロになると
いう理論に基づいたものである。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サーボ形容積式流量計で流量を実際に計測してみると、
小流量域においては、従来の自力式容積式流量計におけ
る大きなマイナス器差が改善されるものの、器差は全般
にプラスに転じ、しかも、流量、密度の上昇と共に増大
する特性を示すようになる。
【0014】プラス器差の原因としては、容積式流量計
の流出入口間の圧力損失を無差圧に制御するために、サ
ーボモータで回転子を強制的に回転させた場合、容積式
流量計の流出入口間の圧力損失ΔPがゼロとなっても、
計量室内の回転子の回転方向前面側の圧力は、上昇し、
背面側は降下することになり、回転子の回転方向の前面
と背面側に、差圧ΔP0が発生してしまい、ケーシング
と回転子間に存在する隙間から、この差圧ΔP0によ
り、流出側から流入側に被測定流体の漏洩が発生するこ
とにある。
【0015】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたものであり、従来、サーボ形容積式流量計の流入側
と流出側の差圧ΔPをゼロに制御せずに、後述する外部
圧力損失ΔPeで制御することによりΔP0=0となり、
流出側から流入側への漏洩による器差特性の悪化を防ぐ
ことが可能なサーボ形容積式流量計を提供することを目
的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は、流路内に設け
られた計量室と、該計量室内で流体差圧により回転し、
該回転毎に一定体積の流体を流出する対をなす第1及び
第2回転子とを備え、該回転子の回転から流量を計測す
るサーボ形容積式流量計であって、前記第1又は第2回
転子の何れかと連結されたサーボモータと、前記計量室
の上流側と下流側の差圧を検出する差圧計と、該差圧計
の差圧信号を入力し、該差圧信号をk(γ/2g)V2
(但し、γ:被測定流体の密度、V:流体の流速、g:
重力加速度、k:流量計の各部分の構造寸法、管摩擦係
数で決まる定数)となるように前記サーボモータを駆動
するサーボ機構とを備えたことを特徴としたものであ
る。ここで、kは、流量計の入口、出口の形状・寸法及
び、内部形状・寸法、管摩擦係数等で決まる定数で、例
えばk=λ(L/D)で表わされ、各部分部分で計算し
た総和である(λ:管摩擦係数、L:流量計各部の管軸
長さ、D:流量計各部の内径)。また、Vは、管内の流
速または流量としても回転子の回転速度としても良い。
【0017】さらに、本発明は、前記サーボ形容積式流
量計において、前記γを前記圧力検出器の何れかから
得、そして、前記Vを、前記第1又は第2回転子の何れ
かと連結された流量発信器から得て、両者を乗算器で乗
算することにより前記k(γ/2g)V2を求めるよう
にした気体用サーボ形容積式流量計である。
【0018】さらに、本発明は、前記サーボ形容積式流
量計において、前記γを外部から入力し、そして、前記
Vを、前記第1又は第2回転子の何れかと連結された流
量発信器から得て、両者を乗算器で乗算することにより
前記k(γ/2g)V2を求めるようにした液体用サー
ボ形容積式流量計である。
【0019】さらに、本発明は、前記サーボ形容積式流
量計において、前記差圧信号をk(γ/2g)V2とな
るように前記サーボモータを駆動するサーボ機構を、マ
イクロコンピュータに組み込んだプログラムにより実現
するようにしたものである。
【0020】
【発明の実施の形態】一般に、容積式流量計に流体を流
したとき、回転子より充分離れた差圧検出位置におい
て、ΔPの圧力損失が生じたとすると、 ΔP=ΔPi+ΔPe が成立する。ここで、ΔPiは回転子を回転させるため
に費やされる圧力損失で、流量計内部の漏れに直接関与
するため内部圧力損失という。また、ΔPeは流体が流
量計を流れるために費やされる圧力損失で、漏れには直
接関与しないため外部圧力損失という。
【0021】一対の回転子を内蔵した容積式流量計にお
いて、流量計内部の漏れに関与する回転子前後の差圧Δ
iに対し、単位時間当たりの流量計内部の漏洩量Δq
は、μを流体の粘度、Qを流量として、 Δq=ka・(ΔPi/μ)+kb・Q …(1) で表される。ただし、ka,kbは回転子とケーシングの
形状により決まる定数である。したがって、単位時間当
たりの流量計内部の漏洩量は、回転子前後の差圧に比例
する一方で流体の粘度に反比例する項と流量に比例する
項に分けられる。
【0022】ここで、Iを校正される受験器の指示量、
Qを標準器の真実の値とすると、器差Eは、 E=((I−Q)/Q)×100 (%) …(2) で表される。また、流量計内部の漏洩量Δqとの関係よ
り I−Q=−Δq …(3) が成立する。したがって、(1),(2),(3)式よ
り、器差Eは、 E=−(Δq/Q)=−(ka・(ΔPi/(μ・Q))+kb)…(4) で表すことができる。ここで、器差Eをゼロにするため
には、(4)式第1項の回転子前後の差圧ΔPiをゼロ
にすれば、流量計内部の漏洩量もゼロとなり、流量は回
転数に正確に比例することにより、器差もだいたいゼロ
付近に表れることになる。なお(4)式の第2項は、メ
ータファクタを変更することにより調節可能であるか
ら、問題にはならない。
【0023】したがって、サーボ形容積式流量計の器差
をゼロにするためには、圧力損失ΔPを検出する位置で
の差圧を内部圧力損失ΔPi=0に制御すればよい。つ
まり、制御目標差圧と外部圧力損失ΔPeが同じになる
ように外部から駆動力を与えることにより、内部圧力損
失ΔPiがゼロになるため、流量計内部のリークがなく
なり、必然的にノンリークつまり器差ゼロの流量計が具
現化できる。
【0024】図1は、本発明のサーボ形容積式流量計の
原理を説明するための図で、従来のサーボ形容積式流量
計の流体圧分布の状態を示す模式図である。上述のごと
く、サーボ形容積式流量計において流入側と流出側の差
圧ΔPをゼロに制御した場合には、回転子の回転方向の
前面と背面で差圧ΔP0が発生する。この差圧ΔP0によ
り、ケーシングと回転子の隙間から、流出側から流入側
に漏れる漏洩量は、被測定流体の密度γ及び回転子の回
転速度Vと相関する圧力、流量の増加と共に増大し、器
差がプラスとなるのである。
【0025】本発明は、外部圧力損失ΔPeを鑑み、サ
ーボ形容積式流量計の流入側と流出側の差圧ΔPをゼロ
に制御せずに、ΔP=Pi+ΔPeにおいて、回転子の前
後の圧力損失ΔP0すなわち内部圧力損失ΔPi=0に制
御するため、ΔP=ΔPe=k1(γ/2g)V2分だ
け、流入側の圧力を高くするようにサーボ形容積式流量
計を制御することにより、回転子の回転方向前面側と背
面側間の内部圧力損失ΔPi=0とし、ケーシングと回
転子間の隙間からの被測定流体の漏洩をなくすようにし
たものである。ここで、k1は、流量計の内部形状・寸
法、管摩擦係数で決まる定数で、k1=λ(L/D)で
表される(λ:管摩擦係数、L:流量計内部の管軸長
さ、D:流量計内部の内径)。また、Vを回転子の回転
速度としたが管内の流速または流量としても良い。
【0026】本発明によるサーボ形容積式流量計の実施
形態を、図面に基づいて、以下に説明する。図2は、本
発明に係るサーボ形容積式流量計の構成の一実施例を示
す概念図である。図中、1は容積式流量計、2はケーシ
ング、3は計量室、4は第1回転子軸、5は第2回転子
軸、6は第1回転子、7は第2回転子、8は流入口、9
は流出口、10は流入側圧力検出口、11は流出側圧力
検出口、12は差圧計、13はディストリビュータA、
14は調節計、16はサーボモータ駆動回路、17はサ
ーボモータ(S.M)、18はタコジェネレータ(T.
G)、19は流量発信器(P.G)であり、これらは、
図5に示した従来のサーボ形容積式流量計の構成要素と
共通し、同じ機能を有しており(詳細な説明は省略す
る。)、同一の符号を付している。
【0027】本実施例のサーボ形容積式流量計において
は、図5における従来装置の目標設定器15の代わり
に、F/V変換器20、リニアライザ21、圧力計2
2、ディストリビュータB23、乗算器24を設けてい
る。F/V変換器20は、流量発信器(P.G)19か
らの流量を表すパルス信号を、その周波数に比例するア
ナログ電圧に変換するもので、回転子の回転速度Vに相
当する信号を出力する。リニアライザ21は、F/V変
換器20の出力を平方し、回転子の回転速度Vの2乗に
相当する信号V2を出力する。
【0028】圧力計22は、流入側圧力検出口10(あ
るいは、流出側圧力検出口11)の圧力を、流体圧力P
に相当する電圧信号に変換する。ディストリビュータB
23は、圧力計22からの流体圧力(P)に相当する電
圧信号を、被測定流体が気体の場合、流体圧力(P)と
比例する流体密度(γ)に相当する電圧信号に変換す
る。なお、液体の場合は、流体圧力(P)により流体密
度(γ)は変わらなく、液体の種類により決まるので、
圧力計22は不要であり、乗算器24に、直接、外部か
ら乗算器24に被測定液体に応じた値を設定入力する。
【0029】乗算器24は、リニアライザ21からの回
転子の回転速度(V)の2乗に相当する信号(V2
と、ディストリビュータB23からの密度(γ)に相当
する信号を乗算し、(k0・γ・V2)に相当する信号V
sを、調節計14の目標設定値として出力する。なお、
0は定数で、k0=k(1/2g)=λ(L/D)・
(1/2g)となる。調節計14のもう一方の端子に
は、従来の装置と同様、流量計の入口側と出口側の差圧
ΔPに相当する信号Vpが入力され、調節計14では、
乗算器24からの信号Vsと比較され、Vp−Vs=
(ΔP−k0・γ・V2)に相当する信号V 1が、サーボ
モータ駆動回路16の一方の入力端子に出力される。サ
ーボモータ駆動回路16のもう一方の入力端子には、タ
コジェネレータ(T.G)18からのサーボモータ(S.
M)17の回転数に比例した電圧V2がフィードバック
されて接続されており、調節計14からの信号V1と等
しくなるようにサーボ機構が作動し、サーボモータ
(S.M)17の回転を制御する。
【0030】被測定流体が、矢印方向に流れた状態で
は、従来のようにサーボ形容積式流量計の流入側と流出
側の差圧ΔPをゼロに制御せずに、回転子の回転速度
(V)に応じて流量計内部で発生する外部圧力損失ΔP
e=k1(γ/2g)V2分だけ、流入側の圧力を高くす
るようにサーボ形容積式流量計を制御することにより、
回転子の回転方向前面側と背面側の差圧ΔP0をゼロと
する。これにより、従来のサーボ形容積式流量計におい
て、流入側と流出側の差圧ΔPをゼロに制御したことに
より生ずる回転子の前後面間の前記差圧ΔP0とは逆方
向の差圧を消去することができ、それに伴うケーシング
と回転子間の隙間からの逆流による漏洩をより少なくす
ることができた。
【0031】図3は、本実施例のサーボ形容積式流量計
による器差特性の一例を示す図である。なお、図におい
て、P1,P2,P3は、それぞれ被測定流体の流体圧力
を示す。図のように、本発明によるサーボ形容積式流量
計の器差特性は、被測定流体の圧力の大きさに拘わら
ず、小流量域から大流量域まで、器差が、ほとんどゼロ
に近い直線的な優れた特性を示していることがわかる。
【0032】なお、回転子の回転速度Vは、回転子の先
端と、回転子の根本で、速度が異なるため平均速度で計
算した値で制御するか、ケーシングと回転子の先端との
隙間を考慮し、回転子の先端の速度で計算した値に近い
値の差圧に制御すると、より精度の向上が計られる。
【0033】以上は、ハード構成で、制御系を構成した
場合であるが、マイクロコンピュータで制御系を組む場
合には、上記と同様な動作処理をソフトウェア化して組
めばよいし、被測定流体の名称と密度の関係をテーブル
化しておけば、被測定流体の名称を選択するだけで、密
度設定ができる。
【0034】
【発明の効果】本発明は、回転子の回転速度に応じて発
生する差圧分だけ流入側の圧力を高くするようにサーボ
形容積式流量計を制御することにより、回転子の回転方
向前面側と背面側の差圧ΔP0=0となりケーシングと
回転子間の隙間からのリークをなくすことができるため
高精度の流量計測が可能となる。また、本発明のサーボ
形容積式流量計は、気体用、液体用の何れも適用可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のサーボ形容積式流量計の原理を説明
するための図で、従来のサーボ形容積式流量計の流体圧
分布の状態を示す模式図である。
【図2】 本発明に係るサーボ形容積式流量計の構成の
一実施例を示す概念図である。
【図3】 図2の実施例のサーボ形容積式流量計による
器差特性の一例を示す図である。
【図4】 自力式容積式流量計の器差特性の一例を示す
図である。
【図5】 従来のサーボ形容積式流量計の一実施例の構
成を説明するための概念図である。
【符号の説明】
1…容積式流量計、2…ケーシング、3…計量室、4…
第1回転子軸、5…第2回転子軸、6…第1回転子、7
…第2回転子、8…流入口、9…流出口、10…流入側
圧力検出口、11…流出側圧力検出口、12…差圧計、
13…ディストリビュータA、14…調節計、15…目
標設定器、16…サーボモータ駆動回路、17…サーボ
モータ(S.M)、18…タコジェネレータ(T.
G)、19…流量発信器(P.G)、20…F/V変換
器、21…リニアライザ、22…圧力計、23…ディス
トリビュータB、24…乗算器。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 流路内に設けられた計量室と、該計量室
    内で流体差圧により回転し、該回転毎に一定体積の流体
    を流出する対をなす第1及び第2回転子とを備え、該回
    転子の回転から流量を計測するサーボ形容積式流量計で
    あって、前記第1又は第2回転子の何れかと連結された
    サーボモータと、前記計量室の上流側と下流側の差圧を
    検出する差圧計と、該差圧計の差圧信号を入力し、該差
    圧信号をk(γ/2g)V2(但し、γ:被測定流体の
    密度、V:流体の流速、g:重力加速度、k:流量計の
    構造寸法、管摩擦係数等で決まる定数)となるように前
    記サーボモータを駆動するサーボ機構とを備えたことを
    特徴とするサーボ形容積式流量計。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のサーボ形容積式流量計
    において、前記γを前記圧力検出器の何れかから得、そ
    して、前記Vを、前記第1又は第2回転子の何れかと連
    結された流量発信器から得て、両者を乗算器で乗算する
    ことにより前記k(γ/2g)V2を求めるようにした
    ことを特徴とする気体用サーボ形容積式流量計。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のサーボ形容積式流量計
    において、前記γを外部から入力し、そして、前記V
    を、前記第1又は第2回転子の何れかと連結された流量
    発信器から得て、両者を乗算器で乗算することにより前
    記k(γ/2g)V2を求めるようにしたことを特徴と
    する液体用サーボ形容積式流量計。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の
    サーボ形容積式流量計において、前記差圧信号をk(γ
    /2g)V2となるように前記サーボモータを駆動する
    サーボ機構を、マイクロコンピュータに組み込んだプロ
    グラムにより実現するようにしたことを特徴とするサー
    ボ形容積式流量計。
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