JP2004020524A

JP2004020524A - 差圧発信器

Info

Publication number: JP2004020524A
Application number: JP2002179943A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Chimura; 千村　暢孝; Koichi Kondo; 近藤　浩市; Makoto Hirase; 平瀬　誠
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】差圧計算により差圧レンジを求めることなく流量を求めることができる差圧発信器を提供する。
【解決手段】本発明の差圧発信器は、絞り機構の前後の差圧を測定する差圧測定部２１と、流体の静圧を測定する静圧測定部２２と、流体の温度を測定する温度測定部２３と、流体情報格納部２４と、絞り機構情報格納部２５と、流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５に流体の情報と絞り機構の情報を設定する通信処理部２７と、差圧、静圧および温度を入力条件とし流体の情報と絞り機構の情報とによって定まる所定の演算式に基づいて流体の流量を算出する流量演算部２８と、流量演算部２８が算出した流量を所定の電気信号に変換して出力するアナログ出力部３０とを有する。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定して流量を算出する差圧発信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
管路の途中に管路の断面積を狭くする絞り機構を設けると、そこを被測定流体が流れるとき、絞り機構の前後に圧力差が生じる。この圧力差と流量との間にはある一定の関係があるので、差圧を導圧管によって差圧計に導いて電気信号に変換し演算することにより、その信号から管路内を流れる被測定流体の流量を算出することができる。この原理に基づいて管路内を定常流で流れる液体、気体、蒸気等の各種流体の流量を測定する計測器が差圧流量計である。差圧流量計は、通常ベンチュリー管、フローノズル、オリフィス等の絞り機構と、絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定し所定の演算を行って流量を算出し所定の電気信号に変換して出力する差圧発信器（差圧伝送器ともいう）とから構成されている。
【０００３】
従来の一般的な差圧発信器が測定した差圧を用いて行う演算の例を式（１）に示す。この場合、差圧発信器は、測定した差圧を式（１）のΔＰに当てはめて演算を行い、管路内を流れる流体の流量Ｑを算出している。ここで、Ｆはスケールファクター、Ｔ１は設計上の流体の温度、Ｐ１は設計上の高圧側圧力、ΔＰは発生差圧、ΔＰ_ＳＰＡＮは流量レンジに対応する差圧レンジである。
【０００４】
【数１】

【０００５】
このような差圧発信器は、被測定流体の温度が変化すると密度も変化するため、測定誤差が生じるという問題があった。このため、被測定流体が所定の温度であることを前提に式（１）で仮の流量を求め、この値を温度に基づいて補正することにより測定誤差を解消していた。これに対し、差圧のほかに被測定流体の静圧と温度を測定し、式（２）に示す演算を行い、密度変化による誤差を補正することのできる差圧発信器が提案されている。ここで、Ｑ’は補正後の流量、Ｔ１’は測定した流体の温度、Ｐ１’は測定した上流側圧力（静圧）である。なお、式（１）と同符号は式（１）と同じものを示す。
【０００６】
【数２】

【０００７】
このように、差圧のほかに被測定流体の静圧と温度を測定し、式（２）に示す演算を行うことにより、被測定流体の温度変化による測定誤差を抑制することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の差圧流量計は、流量値を示す電気信号が測定すべき流量値のときに最も測定精度が高くなるように、あらかじめ測定する流量の範囲（流量レンジ）が定められている。すなわち、測定する流体の種類と流量レンジに合わせて絞り機構の種類と口径や絞り径を選択し、これら選択された絞り機構に前記流量レンジに対応する流量が流れたときに生じる差圧の範囲（差圧レンジ）をあらかじめ算出しておき、式（１）や式（２）に示すΔＰ_ＳＰＡＮのように定数として与えておく必要がある。
【０００９】
しかしながら、差圧レンジΔＰ_ＳＰＡＮを求めるには差圧計算の知識を必要とし、複雑な繰り返し計算を行わなければ差圧レンジを決定することができないため、差圧発信器のレンジ設定はメーカの工場で出荷前に行われていた。このため、測定すべき流量値を変更する場合など、ユーザが流量レンジを変更しようとしてもすぐに変更することができず、変更したいレンジの情報などをメーカに知らせて差圧計算を依頼し、新しい流量レンジに対応した差圧レンジを通知してもらう必要があった。
【００１０】
よって、ユーザにとって待ち時間が生じるとともに、メーカにとってもレンジ変更の依頼ごとにその都度対応する必要があり、共に煩わしいという問題があった。特に、測定すべき流量値が未知で、およその流量しか分からない流体を計測しようとする場合、レンジ変更を繰り返し行うことになり、ユーザにとってもメーカにとっても使い勝手の悪い計測器となっていた。
【００１１】
本発明の主たる目的は、上述した問題を解決するためになされたものであり、絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定して流量を求める差圧発信器において、複雑な繰り返し計算を伴う差圧計算により差圧レンジを求めることなく流量を求めることができる差圧発信器を提供することである。また、測定すべき流体の流量レンジが不明であっても、ユーザの手を煩わすことなく最適な流量レンジの設定が可能な差圧発信器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定して流量を求める差圧発信器において、絞り機構の前後の差圧を測定する差圧測定手段と、流体の静圧を測定する圧力測定手段と、流体の温度を測定する温度測定手段と、流体の情報と絞り機構の情報とを設定するパラメータ設定手段と、差圧、静圧および温度を入力条件とし流体の情報と絞り機構の情報とによって定まる所定の演算式に基づいて流体の流量を算出する流量演算手段と、流量演算手段が算出した流量を所定の電気信号に変換して出力する出力手段とを有することによって特徴づけられる。この場合、出力手段には、算出した流量値を４−２０ｍＡのアナログ信号に変換して出力するものや、算出した流量値を数値化し、デジタル信号やパルス信号に変換して出力するものが含まれる。
【００１３】
この差圧発信器は、流量演算手段が演算式に含まれる係数を差圧と静圧と温度と流体の情報と絞り機構の情報とに基づいて求める。この場合、差圧発信器は、パラメータ設定手段により流体の情報と絞り機構の情報とを設定することにより、流量演算手段が流体の流量を算出する所定の差圧レンジΔＰ_ＳＰＡＮを含まない演算式で用いる複数の係数を、測定する流体と使用する絞り機構に適合した値とするとともに、測定した静圧と温度とに基づいて、これらに係わる係数ごとに補正した上で流量の演算を行い、差圧計算なしに流量を算出する。
【００１４】
この差圧発信器の一構成例は、流量演算手段が算出した実流量に基づいて出力手段が出力する電気信号における実流量の流量レンジを決定する流量レンジ設定手段をさらに有する。この場合、出力手段は、例えば流量値を４−２０ｍＡのアナログ信号に変換して出力するものであり、流量レンジ設定手段は、流量レンジを所定タイミングにおける実流量値に基づいて、この実流量値があらかじめ指定された条件に応じた比率で流量レンジの範囲内となるように流量レンジの最大値を決定する流量レンジ設定演算部と、この流量レンジ設定演算部が決定した流量レンジを格納する流量レンジ情報格納部とからなる。
【００１５】
このように構成したので、この差圧発信器によれば、例えば一定時間中に測定した実流量の最大値がフルスケールに対して所定の割合となるような流量レンジの最大流量値を算出し、流量レンジの最大値として設定することにより、４−２０ｍＡのアナログ信号出力に対応した最適な流量レンジが自動的に設定可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図を用いて発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明に係る差圧発信器を備えた差圧流量計の構成を示すブロック図であり、本発明の一実施の形態を示す。図１において、差圧発信器１は、差圧センサ１１、静圧センサ１２、温度センサ１３、Ａ／Ｄ変換回路１４、マイクロプロセッサ部１５、Ｄ／Ａ変換回路１６、デジタル入出力回路１７およびパルス出力回路１８を有し、管路２に挿入される絞り機構３と２つの導圧管４で接続され差圧流量計を構成している。
【００１７】
ここで、２つの導圧管４は、それぞれ一端が絞り機構３の上流側と下流側に接続されており、他端が差圧センサ１１に接続されている。さらに、上流側の導圧管４の他端側は静圧センサ１２にも接続されている。また、この差圧発信器１は、Ａ／Ｄ変換回路１４に接続された信号端子１９を備えており、例えば絞り機構３の下流側に接続された管路２に取り付けられた外部温度センサ５と接続され、管路２内を流れる流体の温度データをアナログ信号で取り込み可能に構成されている。
【００１８】
また、この差圧発信器１は、図示しない電源回路に直流電圧を供給するとともに、Ｄ／Ａ変換回路１６から出力される４−２０ｍＡのアナログ信号とデジタル入出力回路１７で送受信されるデジタル信号の伝送路となる１対の電線６と接続されるように構成されている。この１対の電線６には、直流電源（図示せず）と通信用抵抗（図示せず）が接続されるとともに、この差圧発信器１に後述する各種設定を行うコミュニケータ７が必要に応じて接続される。
【００１９】
このような構成において、差圧センサ１１は絞り機構２の前後に生じる流体の差圧を測定しており、静圧センサ１２は管路４を流れる流体の圧力を絶対圧で測定している。この場合、差圧センサ１１と静圧センサ１２は、共に半導体歪ゲージセンサで構成されており、圧力値を示すアナログ信号がそれぞれＡ／Ｄ変換回路１４に入力されている。
【００２０】
温度センサ１３は、差圧センサ１１に取り付けられてその温度を測定しており、差圧センサ１１の温度補償に用いられている。この温度センサ１３は、測定した差圧センサ１１の温度を示すアナログ信号がＡ／Ｄ変換回路１４にも入力されており、間接的に測定した流体温度を示す流体温度センサとして用いることが可能である。なお、図示しないが静圧センサ１２にも同様の温度補償用温度センサが取り付けられているので、こちらの温度センサを流体温度センサとして用いるようにしてもよい。
【００２１】
Ａ／Ｄ変換回路１４は、差圧センサ１１、静圧センサ１２、温度センサ１３および信号端子１９に接続された外部温度センサ５から入力されるアナログ信号をデジタルデータに変換し出力する。
【００２２】
マイクロプロセッサ部１５は、Ａ／Ｄ変換回路１４から出力されるデジタルデータ化された差圧データと静圧データと温度データを入力条件とし流体の情報と絞り機構の情報とによって定まる後述する所定の演算式に基づいて流体の流量を算出し、結果をパルス出力回路１８へ出力する。また、自身の内部に格納された流量レンジ情報に基づいて、算出した流量値を４−２０ｍＡのアナログ信号に対応したデジタルデータに変換し、Ｄ／Ａ変換回路１６へ出力する。また、マイクロプロセッサ部１５は、デジタル入出力回路１７が受信したコミュニケータ７からの命令やデータを読み取り処理するとともに、命令に応じて自身の内部に格納された情報をデジタル入出力回路１７へ出力する。
【００２３】
この場合、マイクロプロセッサ部１５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＥＰＲＯＭを有しており、ＲＯＭに前述した処理を実現するプログラムが格納されている。また、ＥＰＲＯＭに流体情報と絞り機構情報と流量レンジ情報が格納されている。ここで、ＣＰＵはＲＯＭに格納されたプログラムを実行する中央演算処理装置、ＲＡＭはＣＰＵによって使用される一時記憶装置、ＲＯＭは読み出し専用記憶装置、ＥＰＲＯＭは電気的にデータ消去可能な不揮発性記憶装置である。
【００２４】
Ｄ／Ａ変換回路１６は、マイクロプロセッサ部１５から出力されたデジタルデータを４−２０ｍＡのアナログ信号に変換し、信号伝送路の電線６へ出力する。パルス出力回路１８は、マイクロプロセッサ部１５から出力された流量値を示すデジタルデータを所定のパルス信号に変換し出力する。この場合、パルス信号は、一定時間内のパルス数で流量を示すように構成され、例えば１リットル当たり１０個のパルスを基準として流量を示すようにする。
【００２５】
デジタル入出力回路１７は、信号伝送路の電線６を介してコミュニケータ７から送信されたデジタル信号を受信するとともに、マイクロプロセッサ部１５から出力された情報を信号伝送路の電線６を介してコミュニケータ７へ送信する。
【００２６】
図２は、差圧発信器１の機能構成を示す機能ブロック図である。図２に示すように、この差圧発信器は、差圧測定部２１、静圧測定部２２、温度測定部２３、流体情報格納部２４、絞り機構情報格納部２５、流量レンジ情報格納部２６、通信処理部２７、流量演算部２８、パルス出力部２９およびアナログ出力部３０を有する。
【００２７】
差圧測定部２１は、差圧測定手段として作用し、絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定し流量演算部２８に入力する機能を有する。この場合、差圧測定部２１は、差圧センサ１１、Ａ／Ｄ変換回路１４、マイクロプロセッサ部１５およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された差圧データ生成プログラムから構成され、差圧センサ１１が測定した差圧を示すアナログ信号がＡ／Ｄ変換回路１４でデジタル信号に変換された後、ＣＰＵにより実行される差圧データ生成プログラムがこのデジタル信号をＰａを単位とする圧力の数値データに変換する。
【００２８】
静圧測定部２２は、静圧測定手段として作用し、絞り機構の上流側で測定した流体の静圧を流量演算部２８に入力する機能を有する。この場合、静圧測定部２２は、静圧センサ１２、Ａ／Ｄ変換回路１４、マイクロプロセッサ部１５およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された静圧データ生成プログラムから構成され、静圧センサ１２が測定した静圧を示すアナログ信号がＡ／Ｄ変換回路１４でデジタル信号に変換された後、ＣＰＵにより実行される静圧データ生成プログラムがこのデジタル信号をｋＰａを単位とする絶対圧の数値データに変換する。
【００２９】
温度測定部２３は、温度測定手段として作用し、流体の温度を測定し流量演算部２８に入力する機能を有する。この場合、温度測定部２３は、外部温度センサ５若しくは温度センサ１３、Ａ／Ｄ変換回路１４、マイクロプロセッサ部１５およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された温度データ生成プログラムから構成され、外部温度センサ５若しくは温度センサ１３が測定した温度を示すアナログ信号がＡ／Ｄ変換回路１４でデジタル信号に変換された後、ＣＰＵにより実行される温度データ生成プログラムがこのデジタル信号をＫを単位とする絶対温度の数値データに変換する。
【００３０】
流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５と流量レンジ情報格納部２６と通信処理部２７は、パラメータ設定手段を構成する。この場合、流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５と流量レンジ情報格納部２６は、マイクロプロセッサ部１５のＥＰＲＯＭの所定記憶領域に配置されている。流体情報格納部２４には、流体情報として、測定する流体の比重、比熱比、組成および粘度のデータと、測定する流体により決まる後述する所定の演算式で用いる定数とが格納される。絞り機構情報格納部２５には、絞り機構情報として、使用する絞りの種類と絞り径、上流側管径および使用する絞りにより決まる後述する所定の演算式で用いる定数が格納される。流量レンジ情報格納部２６には、流量レンジ情報として、４−２０ｍＡのアナログ信号で示される最大流量値が格納される。
【００３１】
通信処理部２７は、マイクロプロセッサ部１５とデジタル入出力回路１７とマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された通信処理プログラムから構成され、ＣＰＵにより実行される通信処理プログラムがデジタル入出力回路１７を制御し、コミュニケータ７との通信を行う。さらに、コミュニケータ７からデータ書き込み命令とともにデータを受信すると受信したデータをデータ書き込み命令で指定された情報格納部に書き込む。これにより、コミュニケータ７により後述する所定の演算式に代入する流体情報や絞り機構情報の各種パラメータを流体情報格納部２４や絞り機構情報格納部２５に書き込むことが可能となる。また、流量レンジ情報格納部２６に流量レンジのデータを設定したり、書き替えたりすることができる。
【００３２】
流量演算部２８は、流体の流量を算出する演算手段として作用する。この場合、流量演算部２８はマイクロプロセッサ部１５およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された流量演算プログラムから構成されており、ＣＰＵが流量演算プログラムを実行することにより、差圧測定部２１から入力される差圧データ、静圧測定部２２から入力される静圧データおよび温度測定部２３から入力される温度データと、流体情報格納部２４に格納された流体情報と、絞り機構情報格納部２５に格納された絞り機構情報とを用いた後述する所定の演算式の計算が行われ、流量が求められる。
【００３３】
パルス出力部２９とアナログ出力部３０は、流量演算部２８が算出した流量を所定の電気信号に変換して出力する出力手段として作用する。この場合、パルス出力部２９はパルス出力回路１８で構成され、流量値を示すデジタルデータを所定のパルス信号に変換し出力する。アナログ出力部３０は、マイクロプロセッサ部１５、Ｄ／Ａ変換回路１６およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納されたレンジング処理プログラムから構成され、ＣＰＵによって実行されるレンジング処理プログラムにより、流量演算部２８が算出した流量値を流量レンジ情報格納部２６に格納された最大流量値に基づいて４−２０ｍＡのアナログ信号に対応した流量レンジの比率に変換した後、Ｄ／Ａ変換回路１６が４−２０ｍＡのアナログ信号に変換し出力する。
【００３４】
次に、実施の形態１に係る差圧発信器の流量算出方法を説明する。この差圧発信器は、最初に流体情報と絞り機構情報と流量レンジ情報とを設定する「パラメータ設定」を行うことにより流量測定が可能となる。この「パラメータ設定」によって設定された情報は、マイクロプロセッサ部１５のＥＰＲＯＭに格納されるため電源が切れても保存されているので、一度設定すれば以後の「パラメータ設定」は流体や絞り機構に変更がない限り不要である。
【００３５】
「パラメータ設定」は、コミュニケータ７を用いて差圧発信器１に流体情報と絞り機構情報と流量レンジ情報とを設定することにより行う。この場合、コミュニケータ７に設定する情報を入力し書き込み操作を行うと、入力された情報が書き込み命令とともに伝送路の電線６を介して通信処理部２７に送信される。通信処理部２７は、コミュニケータ７から送信されたデータを受信して解析し、それが書き込み命令であれば書き込み命令に続くデータを書き込み命令で指定された格納先に書き込む。ここでは、流体情報が流体情報格納部２４へ、絞り機構情報が絞り機構情報格納部２５へ、流量レンジ情報が流量レンジ情報格納部２６へそれぞれ書き込まれる。
【００３６】
「パラメータ設定」が行われた差圧発信器は、測定開始時に流量演算部２８が流量計算に用いる計算式の係数を測定する流体と使用する絞り機構に適合した値とする「係数演算」を行うとともに、所定周期で測定した差圧と静圧と温度とに基づいて係数を補正した上で流量を算出する「流量演算」を行い、差圧レンジに関係なく直接流量を算出する。以下、気体の体積流量を測定する場合を例に説明する。式（３）は、流量演算部２８が気体の体積流量Ｑ_ｖを算出するときに用いる計算式である。
【００３７】
【数３】

【００３８】
式（３）においては、ｐは測定した静圧であり、Δｐは測定した差圧である。また、Ａ_ｑは流量表示の状態によって決まる係数であり、例えば、流量を標準状態（０℃、１０１．３２５ｋＰａ）で表す設定のときは「係数演算」において、Ａ_ｑ＝０．００５７７３となる。この場合、Ａ_ｑの値は流体情報格納部２４を参照することにより得られる。
【００３９】
式（３）で、Ｃ_０は限界レイノルズ数における流出係数であり、「係数演算」において、計算に用いる流出係数計算式を使用する絞りの種類に合わせて選択し、この計算式に絞り径、上流側管径および上流側管径に対応する限界レイノルズ数を代入して算出する。例として、絞りにフローノズルであるＩＳＡ　１９３２ノズルを用いたときの流出係数計算式を式（４）に示す。
【００４０】
【数４】

【００４１】
式（４）で、βは絞り径をｄ、上流側管径をＤで表したときに、β＝ｄ／Ｄで算出される定数であり、絞り径比を示す。Ｒ_ｅＤ（ｌｉｍ）は、上流側管径に対応する限界レイノルズ数である。この場合、ｄ、ＤおよびＲ_ｅＤ（ｌｉｍ）は、絞り機構情報格納部２５を参照することにより得られる。
【００４２】
式（３）で、Ｅは近寄り速度係数であり、「係数演算」において、近寄り速度係数計算式に絞り径ｄと上流側管径Ｄが代入されて算出される。近寄り速度係数計算式を式（５）に示す。この場合も、ｄとＤは絞り機構情報格納部２５を参照することにより得られる。
【００４３】
【数５】

【００４４】
式（３）で、ｄは絞り径であり、「係数演算」において、絞り機構情報格納部２５を参照して得た絞り径の２乗が算出される。
【００４５】
式（３）で、εは気体の膨張補正係数である。この係数は、使用する絞りの種類により係数を算出する計算式が異なるとともに、差圧と静圧により値が変化する。このため、「係数演算」において、計算に用いる膨張補正係数計算式を使用する絞りの種類に合わせて選択し、差圧と静圧以外の定数をこの計算式に設定しておき、「流量演算」で測定した差圧と静圧を計算式に代入し、気体の膨張補正係数εを算出する。例として、絞りにフローノズルであるＩＳＡ　１９３２ノズルを用いたときの気体の膨張補正係数計算式を式（６）に示す。
【００４６】
【数６】

【００４７】
式（６）で、κはアイゼントロピック指数であり、気体の組成から算出することができる。なお、ここではＣＰＵの計算量削減のため、あらかじめ算出しておいた近似値をデータテーブルとして持ち、気体の組成に応じて選択し設定する。βは、式（４）で説明した絞り径比であり、絞り径ｄと上流側管径Ｄから算出する。τは差圧をΔｐ、静圧をｐで表したときに、τ＝１−Δｐ／ｐで算出される定数であり、圧力比を示す。
【００４８】
式（３）で、Ｆ_Ｇは気体の比重補正係数であり、「係数演算」において、比重補正係数計算式に気体の比重Ｇを代入して算出する。比重補正係数計算式を式（７）に示す。この場合、Ｇは流体情報格納部２４を参照することにより得られる。
【００４９】
【数７】

【００５０】
式（３）で、Ｆ_Ｚは気体の圧縮係数による補正係数である。この係数は、気体の種類により計算式の定数が異なるとともに、静圧と温度により値が変化する。このため、「係数演算」において、計算に用いる圧縮係数による補正係数計算式の静圧と温度とを除いた定数を測定する気体の組成に合わせて設定しておき、「流量演算」で測定した静圧と温度を計算式に代入し、気体の圧縮係数による補正係数Ｆ_Ｚを算出する。圧縮係数による補正係数計算式を式（８）に示す。
【００５１】
【数８】

【００５２】
式（８）で、Ｚは流動状態の気体の圧縮係数であり、Ｚ_ｂは標準状態での気体の圧縮係数である。ここで、Ｚは公知の計算式に測定した静圧と温度を代入して算出した係数であり、Ｚ_ｂは気体組成から算出する標準状態での係数である。
【００５３】
式（３）で、Ｆ_ｔは気体の温度補正係数である。この係数は、温度のみに依存して値が変化するので、「流量演算」で測定した温度を温度補正係数計算式に代入し、温度補正係数Ｆ_ｔを算出する。温度補正係数計算式を式（９）に示す。
【００５４】
【数９】

【００５５】
式（３）で、Ｆ_Ｍは気体の湿度補正係数である。この係数は、気体中の水蒸気量（湿度）と気体の静圧により値が変化する。このため、「係数演算」において、計算に用いる湿度補正係数計算式の静圧以外の定数を流体情報格納部２４から読み出して設定しておき、「流量演算」で測定した静圧を計算式に代入し、湿度補正係数Ｆ_Ｍを算出する。湿度補正係数計算式を式（１０）に示す。
【００５６】
【数１０】

【００５７】
式（１０）で、ｐは静圧、ψは気体の相対湿度、ｐＤは気体の飽和水蒸気圧を示す。この場合、ψとｐＤは「係数演算」において設定する定数であり、ｐは「流量演算」で計算式に代入する測定値である。なお、気体が水蒸気を含まない場合は、Ｆ_Ｍ＝１として計算する。
【００５８】
式（３）で、Ｆ_ｒはレイノルズ数における補正係数である。この係数は、使用する絞りの種類により係数を算出する計算式が異なるとともに、流量により値が変化する。このため、流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤにおける流出係数をＣ、限界レイノルズ数Ｒ_ｅＤ（ｌｉｍ）における流出係数をＣ_０で表したときに、「流量演算」においてＣ／Ｃ_０が収束するまで繰り返し計算して求める。例として、絞りにフローノズルであるＩＳＡ　１９３２ノズルを用いたときの流出係数Ｃの計算式を式（１１）に示す。この場合、流出係数Ｃ_０は前述した式（４）で求めた定数である。
【００５９】
【数１１】

【００６０】
式（１１）で、βは前述した式（４）で説明した絞り径比であり、絞り径ｄと上流側管径Ｄから算出する。Ｒ_ｅＤは流動状態のレイノルズ数であり、式（１２）に示す計算式をＦ_ｒが収束するまで繰り返し計算を行って算出する。
【００６１】
【数１２】

【００６２】
式（１２）で、Ｇは気体の比重、Ｑ_ｖ’は体積流量の近似値、Ｄは上流側管径、μは流動状態の気体の粘度である。ここで、ＧとＤはそれぞれ流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５に格納された定数であり、「係数演算」においてそれぞれ流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５から読み出されて設定される。μは気体の圧力と温度により変化する値であり、「流量演算」において、測定した静圧と温度に基づいて流体情報格納部２４に格納された当該気体のそれぞれの圧力と温度における粘度が記録されたデータテーブルを検索して求める。
【００６３】
Ｑ_ｖ’はＲ_ｅＤの計算を行うたびに変化する変数である。１回目の計算において、Ｑ_ｖ’には式（３）において、Ｆ_ｒを１として計算した結果を代入する。２回目の計算においては、式（３）のＦ_ｒに１回目の計算結果に基づいて算出した値を代入して計算した流量値を代入する。以後、同様にＦ_ｒが収束するまで繰り返し計算を行う。
【００６４】
次に、図３を参照して流量演算部２８の計算手順を説明する。図３は流量演算部２８の計算手順を示すフローチャートである。測定を開始すると「係数演算」を実行し、流体情報格納部２４と絞り機構情報格納部２５から所定のデータを読み出し、Ａ_ｑ、Ｃ_０、Ｅ、ｄ^２、Ｆ_Ｇをそれぞれ算出する（ステップＳ０１）。次に、「流量演算」を実行し、差圧測定部２１、静圧測定部２２および温度測定部２３から、それぞれ差圧Δｐ、静圧ｐおよび温度ｔのデータを読み出し、ε、Ｆ_ｚ、Ｆ_ｔ、Ｆ_Ｍをそれぞれ算出する（ステップＳ０２）。次に、ステップＳ０１で算出した係数（Ａ_ｑ、Ｃ_０、Ｅ、ｄ^２、Ｆ_Ｇ）、ステップＳ０２で算出した係数（ε、Ｆ_ｚ、Ｆ_ｔ、Ｆ_Ｍ）、差圧Δｐおよび静圧ｐを用いて式（１３）に示す計算を実行し、流量の近似値Ｑ_ｖ’を算出する（ステップＳ０３）。
【００６５】
【数１３】

【００６６】
次に、前述した流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤを計算する式（１２）のＱ_ｖ’にステップＳ０３で算出した流量の近似値Ｑ_ｖ’のデータを代入し、流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤの近似値を算出する（ステップＳ０４）。次に、前述した流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤにおける流出係数Ｃを計算する式（１１）のＲ_ｅＤにステップＳ０４で算出した流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤの近似値を代入し、流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤにおける流出係数Ｃを算出する（ステップＳ０５）。
【００６７】
次に、ステップＳ０１で算出した限界レイノルズ数における流出係数Ｃ_０とステップＳ０５で算出した流動状態のレイノルズ数Ｒ_ｅＤにおける流出係数Ｃを用いてレイノルズ数における補正係数Ｆ_ｒの近似値を算出する計算（Ｆ_ｒ＝Ｃ／Ｃ_０）を行う（ステップＳ０６）。次に、ステップＳ０１で算出した係数（Ａ_ｑ、Ｃ_０、Ｅ、ｄ^２、Ｆ_Ｇ）、ステップＳ０２で算出した係数（ε、Ｆ_ｚ、Ｆ_ｔ、Ｆ_Ｍ）、ステップＳ０６で算出した係数（Ｆ_ｒ）、差圧Δｐおよび静圧ｐを用いて式（３）に示す計算を実行し、流量Ｑ_ｖを算出する（ステップＳ０７）。
【００６８】
次に、ステップＳ０３で算出した流量の近似値Ｑ_ｖ’とステップＳ０７で算出した流量Ｑ_ｖを比較し（ステップＳ０８）、その差が所定値以内であれば流量Ｑ_ｖを出力する（ステップＳ０９）。一方、その差が所定値を超えていたときは、流量Ｑ_ｖを流量の近似値Ｑ_ｖ’とし（ステップＳ１０）、Ｑ_ｖ’とＱ_ｖの差が所定値以内に収束するまでステップＳ０４からステップＳ０８を繰り返す。なお、あらかじめ収束するまでの計算回数が分かっているときは、ステップＳ０４からステップＳ０８を所定回数繰り返した後、ステップＳ０９を実行するようにしてもよい。
【００６９】
この差圧発信器は、最初に流体情報と絞り機構情報とを設定する「パラメータ設定」を行うことにより、流量演算式で用いる係数を測定する流体と使用する絞り機構に適合した値とするとともに、測定した差圧と静圧と温度とに基づいて係数を補正した上で流量の演算を行うので、差圧レンジに関係なく直接流量を求めることができる。これにより、流量レンジの変更を行う場合でも４−２０ｍＡのアナログ信号の最大流量値を変更するだけで対応することができるので、流量レンジを変更するのに複雑な計算を繰り返して差圧レンジを求める必要がある従来の差圧発信器のようにユーザがメーカの支援を受ける必要がなくなる。このため、短時間で素早く流量変更ができ、待ち時間が生じないため、流量変更に伴う煩わしさが解消される。
【００７０】
さらに、実流量が直接求められるので、およその流量しか分からない流体を計測しようとする場合であっても、１回の測定を行うだけで流量レンジを決定でき、所望の流量レンジに変更することができる。このため、ユーザの使い勝手が向上する。また、測定した静圧や温度のデータを用いてこれらが係わる係数ごとに補正を行うので、一括して静圧と温度の補正を行う従来の差圧発信器に比べてより正確な流量値が得られる。
【００７１】
実施の形態１では、気体の体積流量Ｑ_ｖを標準状態の流量で表示する計算式を例に説明したが、質量流量Ｑ_ｍを測定することも可能である。この場合、体積流量Ｑ_ｖを算出した後に、式（１４）に示す計算を行うことにより質量流量Ｑ_ｍを算出することができる。
【００７２】
【数１４】

【００７３】
式（１４）で、ρは流体の密度であり、ここではρを気体の比重Ｇと標準状態の空気密度ρ_ａの積（ρ＝ρ_ａ×Ｇ）から算出している。なお、使用する流体の密度が分かっているときは、直接ρの値を設定するようにしてもよい。また、実施の形態１では、流量の算出に式（３）に示す計算式を用いたが、計算式はこれに限られるものでなく、必要に応じて近似式を用いるようにしてもよい。また、各係数の計算式についても、必要に応じて近似式を用いるようにしてもよい。
【００７４】
［実施の形態２］
図４は、実施の形態２に係る差圧発信器の機能構成を示す機能ブロック図である。図４において、図２と同符号は図２と同様の機能ブロックを示す。実施の形態２の差圧発信器が実施の形態１と異なる点は、さらに流量レンジ設定演算部３１を備えたことと、通信処理部２７がコミュニケータ７から送信された流量レンジ設定命令と設定データを受信すると、流量レンジ設定演算部３１を起動するようにしたことである。
【００７５】
ここで、流量レンジ設定演算部３１は、流量レンジ設定手段として作用する。この場合、流量レンジ設定演算部３１は、マイクロプロセッサ部１５およびマイクロプロセッサ部１５のＲＯＭに格納された流量レンジ設定演算プログラムから構成されており、ＣＰＵが流量レンジ設定演算プログラムを実行することにより、流量演算部２８が算出した実流量に基づいて、アナログ出力部３０が出力する４−２０ｍＡのアナログ信号に対応した流量レンジの最大流量値を算出し、流量レンジを決定する。
【００７６】
以下、図５を参照して流量レンジ設定演算部３１の動作を説明する。図５は、流量レンジ設定演算部３１の動作を説明するフローチャートである。流量レンジ設定演算部３１は、起動すると所定時間の間、流量演算部２８が出力する流量値を監視し、所定時間中における流量の最大値を検出する（ステップＳ２１）。所定時間は、例えば２４時間のような固定値としてもよいし、コミュニケータ７の流量レンジ設定命令送信時にユーザが指定するようにしてもよい。
【００７７】
所定時間経過後、検出された流量の最大値が、フルスケールに対して所定の割合となるような流量レンジの最大流量値を算出し（ステップＳ２２）、流量レンジ情報として流量レンジ情報格納部２６に最大流量値を格納する（ステップＳ２３）。フルスケールに対する割合は、例えばフルスケールの８０％のような固定値としてもよいし、コミュニケータ７の流量レンジ設定命令送信時にユーザが指定するようにしてもよい。なお、設定された流量レンジは、コミュニケータ７を用いて流量レンジ情報格納部２６から読み出すことができるので、ユーザは出力される４−２０ｍＡのアナログ信号に対応する流量を知ることができる。
【００７８】
実施の形態２の差圧発信器によれば、自身が測定した実流量に基づいて４−２０ｍＡのアナログ信号出力に対応した流量レンジを自動的に設定することができるので、測定しようとする流体について、流量が全く分からない場合や、およその流量しか分からない場合であっても、ユーザが容易に流量レンジの設定を行うことができる。よって、この差圧発信器は、実施の形態１で説明した効果に加えて、ユーザの手を煩わすことなく最適な流量レンジの設定が可能となる効果を有する。
【００７９】
実施の形態２では、コミュニケータ７から流量レンジ設定命令と設定データを送信する例について説明したが、流量レンジ設定を差圧発信器に付加するローカル指示計で行うようにしてもよい。この場合、例えば、ローカル指示計に流量レンジ設定用のスイッチを設けて、このスイッチのＯＮをデジタル入出力回路１７で検出するようにすればよい。ここで、流量レンジ設定完了後にローカル指示計に流量レンジを表示するようにするとユーザの利便性をさらに高めることができる。なお、設定データは、コミュニケータ７から指示するか、あるいはメーカ設定の固定値としておくとよい。
【００８０】
また、実施の形態１および実施の形態２において、コミュニケータ７を４−２０ｍＡのアナログ信号の伝送路となる１対の電線６を介して通信処理部２７と命令やデータの送受信を行うものとして説明したが、コミュニケータ７と通信処理部２７の接続手段はこれに限られるものではない。例えば、周知のシリアル通信手段やパラレル通信手段などの有線通信手段を用いて接続してもよいし、電波、赤外線、光および電磁誘導などによる無線通信手段を用いて接続してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の差圧発信器は、絞り機構の前後の差圧を測定する差圧測定手段と、流体の静圧を測定する圧力測定手段と、流体の温度を測定する温度測定手段と、絞り機構の情報および流体の情報を設定するパラメータ設定手段と、差圧、静圧および温度を入力条件とし流体の情報と絞り機構の情報とによって定まる所定の演算式に基づいて流体の流量を算出する流量演算手段と、流量演算手段が算出した流量を所定の電気信号に変換して出力する出力手段とを有するので、流体情報と絞り機構情報を設定することにより、所定の演算式で用いる係数を測定する流体と使用する絞り機構に適合した値とするとともに、測定した静圧と温度とに基づいてこれらに係わる係数ごとに補正した上で流量の演算を行うので差圧レンジに関係する係数がなく、差圧計算なしに直接流量を求めることができる。
【００８２】
このため、一括して静圧と温度の補正を行う従来の差圧発信器に比べてより正確な流量値が得られる効果を有する。また、流量レンジの変更を行う場合、４−２０ｍＡのアナログ信号の最大流量値を変更するだけで対応することができるので、流量レンジを容易に変更することができる。よって、流量レンジを変更するのに複雑な計算を繰り返して差圧レンジを求める必要がある従来の差圧発信器のようにユーザがメーカの支援を受ける必要がなくなるので、短時間で素早く流量変更ができ、待ち時間が生じないため、流量変更に伴う煩わしさが解消される効果を有する。
【００８３】
また、実流量が直接求められるため、およその流量しか分からない流体を計測しようとする場合であっても１回の測定を行うだけで流量レンジを決定できるので、ユーザの使い勝手が向上する効果を有する。また、メーカにとっても、差圧レンジの計算や設定を行う手間がなくなるとともに、差圧発信器製造時に、差圧発信器に組み込まれるセンサのレンジによる校正のみを行えばよいので、従来行っていた流体条件と絞り機構の条件とから求める差圧レンジによる校正の手間が省け、製造工程の簡略化が図れる効果が得られる。
【００８４】
また、本発明の差圧発信器は、前述した手段に加えて、演算手段が算出した実流量に基づいて出力手段が出力する電気信号における実流量の流量レンジを決定する流量レンジ設定手段をさらに有するので、自身が測定した実流量に基づいて４−２０ｍＡのアナログ信号出力に対応した流量レンジを自動的に設定することが可能となる。このため、測定しようとする流体について、流量が全く分からない場合や、およその流量しか分からない場合であっても、ユーザが容易に流量レンジの設定を行うことができるので、ユーザの手を煩わすことなく最適な流量レンジの設定が可能となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る差圧発信器を備えた差圧流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の差圧発信器の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図２の流量演算部の計算手順を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態２に係る差圧発信器の機能構成を示す機能ブロック図である。
【図５】図４の流量レンジ設定演算部の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…差圧発信器、２…管路、３…絞り機構、４…導圧管、５…外部温度センサ、６…信号伝送路の電線、７…コミュニケータ、１１…差圧センサ、１２…静圧センサ、１３…温度センサ、１４…Ａ／Ｄ変換回路、１５…マイクロプロセッサ部、１６…Ｄ／Ａ変換回路、１７…デジタル入出力回路、１８…パルス出力回路、１９…信号端子、２１…差圧測定部、２２…静圧測定部、２３…温度測定部、２４…流体情報格納部、２５…絞り機構情報格納部、２６…流量レンジ情報格納部、２７…通信処理部、２８…流量演算部、２９…パルス出力部、３０…アナログ出力部、３１…流量レンジ設定演算部。

Claims

絞り機構の前後に生じる流体の差圧を測定して流量を求める差圧発信器において、
前記絞り機構の前後の差圧を測定する差圧測定手段と、
前記流体の静圧を測定する圧力測定手段と、
前記流体の温度を測定する温度測定手段と、
前記流体の情報と前記絞り機構の情報とを設定するパラメータ設定手段と、
前記差圧、前記静圧および前記温度を入力条件とし前記流体の情報と前記絞り機構の情報とによって定まる所定の演算式に基づいて前記流体の流量を算出する流量演算手段と、
前記流量演算手段が算出した流量を所定の電気信号に変換して出力する出力手段と
を有することを特徴とする差圧発信器。
請求項１記載の差圧発信器において、
前記流量演算手段は、
前記演算式に含まれる係数を前記差圧と前記静圧と前記温度と前記流体の情報と前記絞り機構の情報とに基づいて求める
ことを特徴とする差圧発信器。
請求項１記載の差圧発信器において、
前記流量演算手段が算出した実流量に基づいて前記出力手段が出力する電気信号における前記実流量の流量レンジを決定する流量レンジ設定手段
をさらに有することを特徴とする差圧発信器。
請求項３記載の差圧発信器において、
前記流量レンジ設定手段は、
前記流量レンジを所定タイミングにおける実流量値に基づいて、この実流量値があらかじめ指定された条件に応じた比率で流量レンジの範囲内となるように流量レンジの最大値を決定する流量レンジ設定演算部と、
この流量レンジ設定演算部が決定した流量レンジを格納する流量レンジ情報格納部と
からなることを特徴とする差圧発信器。