JP2008116283A

JP2008116283A - 流量計

Info

Publication number: JP2008116283A
Application number: JP2006298839A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogura; 厚小倉; Toshiya Kobayashi; 敏也小林; Enro Yamamoto; 円朗山本
Original assignee: TOKYO MEETA KK
Current assignee: TOKYO MEETA KK
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】混合流体を構成する２種類の流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性良く計測できる流量計を提供すること。
【解決手段】流量計１は、絞り２２を有する第１の圧力損失発生手段２、および層流形成流路３１を有する第２の圧力損失発生手段３を備えている。これにより、２種類の流体成分からなる混合流体の流量を、絞り２２での圧力損失と、各流体成分の体積分率を含んで表される混合流体の密度とを用いた式により表すことができる。また、混合流体の流量を、層流形成流路３１での圧力損失と、各流体成分の体積分率を含んで表される混合流体の粘度とを用いた式により表すことができる。従って、演算手段６は、第１および第２の圧力損失検出手段４，５によって瞬時に検出される絞り２２および層流形成流路３１での圧力損失に基づいて、各流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性よく求めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量計に係り、詳しくは、混合流体を構成する２種類の流体成分の体積分率および混合流体の流量を計測する流量計に関する。

近年、熱機関における燃料気体と酸素とからなる燃焼ガスの利用や、化学プロセスにおける気体あるいは液体である２種類の流体成分からなる混合流体の利用など、様々な場面で２種類の流体成分からなる混合流体が利用されており、このような混合流体を計測する種々の流量計が開発されている（例えば、引用文献１）。引用文献１に記載の流量計は、熱伝導法を利用した流量計であり、流体が流れる管体内には、複数本の抵抗素子が設けられ、当該抵抗素子の放熱量から、混合流体の流量が求められるようになっている。

特開２００３−１９４６０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の流量計では、混合流体を構成する各流体成分の体積分率を計測することができないという問題がある。また、特許文献１に記載の流量計のような熱伝導法を利用した流量計では、流量の計測において、一般的に応答が非常に遅く、利用しづらいという問題がある。ここで、混合流体を構成する各流体成分の体積分率を計測する方法としては、赤外線吸収法や、超音波を用いた方法などがあるが、赤外線吸収法では応答が遅いという問題が、超音波を用いた方法では、応答性よく体積分率を計測することはできるが、体積分率の計測と同時には、混合流体の流量を計測することができないという問題がある。

本発明の目的は、混合流体を構成する２種類の流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性良く計測できる流量計を提供することにある。

本発明の流量計は、２種類の流体成分からなる混合流体の流路の途中に設けられた絞りにより、混合流体に圧力損失を生じさせる第１の圧力損失発生手段と、混合流体の流路の途中に設けられて混合流体の流れを層流状態に保つ少なくとも一つの層流形成流路により、混合流体に圧力損失を生じさせる第２の圧力損失発生手段と、前記第１の圧力損失発生手段によって生じた混合流体の圧力損失を検出する第１の圧力損失検出手段と、前記第２の圧力損失発生手段によって生じた混合流体の圧力損失を検出する第２の圧力損失検出手段と、前記第１の圧力損失検出手段によって検出された圧力損失、および前記第２の圧力損失検出手段によって検出された圧力損失に基づいて、混合流体を構成する各流体成分の体積分率および混合流体の流量を算出する演算手段とを備えていることを特徴とする。

この構成の流量計は、絞りを有する第１の圧力損失発生手段、および層流形成流路を有する第２の圧力損失発生手段を備えている。これにより、ベルヌーイの原理から、混合流体の流量を、絞りを通過することによって生じる混合流体の圧力損失と、絞りの形状によって定まる定数と、各流体の体積分率および物性値を用いて表せる密度とを用いて表すことができる。また、ハーゲンポアズイユの法則から、混合流体の流量を、層流形成流路を通過することによって生じる混合流体の圧力損失と、層流形成流路の形状によって定まる定数と、各流体の体積分率および物性値を用いて表せる粘度とを用いて表すことができる。また、第１および第２の圧力損失検出手段を備えているので、絞りおよび層流形成流路を通過することによって生じる圧力損失を検出できる。
従って、演算手段は、第１および第２の圧力損失検出手段によって検出された圧力損失に基づいて、混合流体を構成する各流体成分の体積分率を求めることができる。そして、求めた体積分率から混合流体の流量を求めることができる。
また、演算手段は、第１および第２の圧力損失発生手段で生じ、瞬時に検出される圧力損失に基づいて演算を行うので、混合流体を構成する各流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性良く求めることができる。
そして、本発明の流量計は、各流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性良く求めることができるので、混合流体の拡散の進行具合をリアルタイムで計測することができ、各流体成分の体積分率および混合流体の流量の制御を簡易に、かつ、精度良く行うことができる。
さらに、本発明の流量計は、混合流体を構成する各流体の物性値が異なれば、どのような混合流体でも測定することができる。

この時、混合流体の流量をＱ、密度をρ、粘度をμ、混合流体を構成する各流体成分の体積分率をｘ_１，ｘ_２、密度をρ_１，ρ_２、粘度をμ_１，μ_２、分子量をｍ_１，ｍ_２とし、前記第１の圧力損失発生手段の絞りの形状によって定まる定数をα_ｖ、前記第１の圧力損失発生手段によって生じ、前記第１の圧力損失検出手段により検出される混合流体の圧力損失をΔＰ_ｖとし、前記第２の圧力損失発生手段の層流形成流路の形状によって定まる定数をα_Ｌ、前記第２の圧力損失発生手段によって生じ、前記第２の圧力損失検出手段により検出される混合流体の圧力損失をΔＰ_Ｌとすると、前記演算手段は、前記第１の圧力損失発生手段を通過する混合流体の流量を表す

の式と、前記第２の圧力損失発生手段を通過する混合流体の流量を表す

の式と、混合流体の密度を表す

の式と、混合流体の粘度を表す

の式と、前記混合流体の粘度を表す式において用いたφを表す

の式と、混合流体を構成する各流体成分の体積分率の関係を表す

の式とを連立させることにより、混合流体を構成する各流体成分の体積分率および混合流体の流量を算出することが好ましい。

この構成の流量計では、演算手段は、上記の式（１）〜（６）を連立させて、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２を求めるので、各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２を適正に求めることができる。そして、求めた体積分率ｘ_１，ｘ_２から混合流体の流量Ｑを適正に求めることができる。従って、各流体成分の体積分率および混合流体の流量の制御を、より精度良く行うことができる。

本発明では、演算手段が、第１および第２の圧力損失発生手段で生じ、瞬時に検出される混合流体の圧力損失の入力だけから所定の演算を行うので、混合流体を構成する２種類の流体成分の体積分率および混合流体の流量を、共に応答性良く計測できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る流量計１の全体概略図である。
流量計１は、図１に示すように、第１の圧力損失発生手段としてのベンチュリ式流量計２と、ベンチュリ式流量計２の下流に設けられた第２の圧力損失発生手段としての層流型流量計３と、ベンチュリ式流量計２に接続された第１の圧力損失検出手段４と、層流型流量計３に接続された第２の圧力損失検出手段５と、第１および第２の圧力損失検出手段４，５で検出されたデータから所定の演算を行う演算手段６とを備えて構成され、混合流体を構成する気体あるいは液体である各流体成分の体積分率および混合流体の流量を同時に計測する。なお、混合流体を構成する各流体成分の種類、すなわち各流体成分の物性値は、既知であるものとする。

ベンチュリ式流量計２の流路２１の途中には、下流側に進むに従って直径が小さくなる絞り部２２と、絞り部２２の下流側端部に連続し、絞り部２２の下流側端部と同一の径に形成された喉部２３とが設けられている。なお、絞り部２２の上流側の流路２１の直径は、同一径に形成されている。絞り部２２の上流側の流路２１と、絞り部２２の下流側の流路２１、すなわち、喉部２３には、測定用の孔２４，２５が設けられている。

層流型流量計３は、層流形成流路としての複数の細管３１と、細管３１を内部に保持する円筒状の保持部材３２とを備えている。細管３１は、図１に示すように、断面円形のチューブ状部材が互いに平行に千鳥状に組み合わされている。そして、細管３１は、それぞれの隙間が埋め合わされて全体として円柱の外形形状に構成され、保持部材３２の内部流路３３の中心に配置されている。保持部材３２の上流側の流路３３は、接続管３６でベンチュリ式流量計２に接続されている。これにより、保持部材３２の上流側の流路３３に流入した混合流体は、漏れることなく細管３１に分散され、保持部材３２の下流側の流路３３において合流する。この細管３１の断面寸法および長さ寸法は、内部を測定対象の混合流体が層流状態で流れる寸法に設けられている。保持部材３２の細管３１の端部開口付近に当たる部分には、それぞれ測定用の孔３４，３５が設けられている。

第１の圧力損失検出手段４は、一端の圧力導入口が絞り部２２の上流側に設けられた測定用の孔２４に設けられ、他端の圧力導入口が絞り部２２の下流側（喉部２３）に設けられた測定用の孔２５に設けられている。また、第１の圧力損失検出手段４は、演算手段６に電気的に接続されている。これにより、第１の圧力損失検出手段４は、絞り部２２を通過することによって生じる混合流体の圧力損失を検出し、当該圧力損失信号を演算手段６に送信する。

第２の圧力損失検出手段５は、一端の圧力導入口が細管３１の上流側に設けられた測定用の孔３４に設けられ、他端の圧力導入口が細管３１の下流側に設けられた測定用の孔３５に設けられている。第２の圧力損失検出手段５も、演算手段６と電気的に接続されている。これにより、第２の圧力損失検出手段５は、細管３１を通過することによって生じる混合流体の圧力損失を検出し、当該圧力損失信号を演算手段６に送信する。なお、これらの圧力損失検出手段４，５としては、液中差式や、弾性式、沈鐘式、環状天秤式などの任意の測定原理を用いたものが採用できる。
演算手段６は、第１および第２の圧力損失検出手段４，５によって検出された圧力損失信号を受信し、後述する所定の演算を行うことで、混合流体を構成する２種類の各流体成分の体積分率および混合流体の流量を求めるものである。

以下に、演算手段６で行う演算について説明する。
ベンチュリ式流量計２では、ベルヌーイの原理から、絞り部２２を通過する混合流体の流量Ｑと、絞り部２２を通過することによって生じ、第１の圧力損失検出手段４によって検出される混合流体の圧力損失ΔＰ_ｖとの関係は、次式のように求められる。

図２は、ベンチュリ式流量計２および層流型流量計３の各部の寸法を示す図である。
この式（７）において、図２に示すように、ｄ_ｖは、絞り部２２の最小直径、Ｄ_ｖは、絞り部２２の最大直径、ρは、混合流体の密度である。ここで、式（７）において、圧力損失ΔＰ_ｖおよび密度ρ以外の項を、絞り部２２の形状により定まる定数α_ｖとしてまとめると、絞り部２２を通過する混合流体の流量Ｑと、絞り部２２を通過することによって生じる混合流体の圧力損失ΔＰ_ｖとの関係は、次式のように求められる。

層流型流量計３では、細管３１内を流れる混合流体は層流（ハーゲンポアズイユ流れ）となっており、ハーゲンポアズイユの法則から、細管３１を通過する混合流体の流量Ｑと、細管３１を通過することによって生じ、第２の圧力損失検出手段５によって検出される混合流体の圧力損失ΔＰ_Ｌとの関係は、次式のように求められる。

この式（８）において、ｎ_Ｌは、細管３１の本数、ｄ_Ｌは、細管３１の直径、ｌ_Ｌは、細管３１の長さ、μは、混合流体の粘度である。ここで、式（８）において、圧力損失ΔＰ_Ｌおよび粘度μ以外の項を、細管３１の形状（細管の本数ｎ_Ｌも含む）により定まる定数α_Ｌとしてまとめると、細管３１を通過する混合流体の流量Ｑと、細管３１を通過することによって生じる混合流体の圧力損失ΔＰ_Ｌとの関係は、次式のように求められる。

ここで、ｘ_１を混合流体を構成する一方の流体成分の体積分率、ｘ_２を混合流体を構成する他方の流体成分の体積分率、ρ_１を一方の流体成分の密度、ρ_２を他方の流体成分の密度とする。すると、式（１）（および式（７））において、絞り部２２を通過する混合流体の流量Ｑを表すのに用いた混合流体の密度ρを、次式のように、体積分率ｘ_１，ｘ_２を用いて表すことができる。

また、μ_１を混合流体を構成する一方の流体成分の粘度、μ_２を混合流体を構成する他方の流体成分の粘度とする。すると、式（２）（および式（８））において、細管３１を通過する混合流体の流量Ｑを表すのに用いた混合流体の粘度μを、次式のように、体積分率ｘ_１，ｘ_２および後述するφを用いて表すことができる。

ここで、φ_ｉｊは、ＷｉｌＫｅの半経験式により、次式のように表される。なお、ｍ（ｍ_ｉ，ｍ_ｊ）は、混合流体を構成する各流体成分の分子量である。

また、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２には、以下の関係がある。

従って、混合流体を構成する各流体成分の分子量ｍ_１，ｍ_２、密度ρ_１，ρ_２、および粘度μ_１，μ_２は既知であり、定数α_ｖは、絞り部２２の形状、定数α_Ｌは、細管３１の形状によって定まり、圧力損失ΔＰ_ｖ，ΔＰ_Ｌは、第１および第２の圧力損失検出手段５によって検出されるので、演算手段６は、式（１）〜（６）を連立させることにより、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２および混合流体の流量Ｑを、共に求めることができる。
また、本発明の流量計１において、演算手段６は、瞬時に検出される圧力損失信号（ΔＰ_ｖ，ΔＰ_Ｌ）の入力だけから所定の演算を行うので、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２および混合流体の流量Ｑを、瞬時に求めることができる。

なお、定数α_ｖ，α_Ｌは、絞り部２２および細管３１の各部の寸法値から求める以外にも、以下の方法によって定めた校正値を用いてもよい。すなわち、混合流体を構成する流体成分を、各流量計２，３に、流量あるいは圧力を変えながら流通させ、当該流体成分の圧力損失および流量を測定する。そして、測定された圧力損失および流量のデータから、最小２乗法によって定数α_ｖ，α_Ｌを定めてもよい。このようにして求めた定数α_ｖ，α_Ｌを用いれば、製造工程などで生じる各流量計２，３（絞り部２２および細管３１）の寸法誤差を除去することができる。

従って、本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
（１）本実施形態の流量計は、絞り部２２を有するベンチュリ式流量計２と、細管３１を有する層流型流量計３とを備えている。これにより、ベルヌーイの原理から、混合流体の流量Ｑを、絞り部２２を通過することによって生じる混合流体の圧力損失ΔＰ_ｖと、絞り部２２の形状によって定まる定数α_ｖと、各流体の体積分率ｘ_１，ｘ_２および物性値ρ_１，ρ_２を用いて表せる密度ρとを用いて表すことができる。また、ハーゲンポアズイユの法則から、混合流体の流量Ｑを、細管３１を通過することによって生じる混合流体の圧力損失ΔＰ_Ｌと、細管３１の形状によって定まる定数α_Ｌと、各流体の体積分率ｘ_１，ｘ_２および物性値μ_１，μ_２，ρ_１，ρ_２，ｍ_１，ｍ_２を用いて表せる粘度μとを用いて表すことができる。また、圧力損失ΔＰ_ｖ，ΔＰ_Ｌは、第１および第２の圧力損失検出手段４，５によって検出できる。
従って、定数α_ｖ，α_Ｌおよび物性値μ_１，μ_２，ρ_１，ρ_２，ｍ_１，ｍ_２は既知であるから、第１および第２の圧力損失検出手段４，５によって検出された圧力損失ΔＰ_ｖ，ΔＰ_Ｌの入力から演算手段６によって、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２を求めることができる。そして、求めた体積分率ｘ_１，ｘ_２から混合流体の流量Ｑを求めることができる。また、混合流体を構成する各流体成分の物性値が異なれば、どのような流体成分でも測定することができる。

（２）演算手段６は、瞬時に検出される圧力損失信号（ΔＰ_ｖ，ΔＰ_Ｌ）の入力だけから所定の演算を行うので、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２および混合流体の流量Ｑを瞬時に求めることができる。従って、混合流体の拡散の進行具合をリアルタイムで計測することができ、混合流体を構成する各流体成分の体積分率ｘ_１，ｘ_２および混合流体の流量Ｑの制御を簡易に、かつ、精度良く行うことができる。

（３）細管３１を用いたので、細管３１内部を流れる混合流体を、簡単にかつ確実に層流状態に保持することができる。また、混合流体を層流状態に保つことが容易なので、様々な２種類の流体からなる混合流体に適用可能となり、流量計の適用範囲が広くなる。
また、細管３１の断面形状が円形なので、細管３１内の混合流体をより確実に層流状態に保つことができる。

（４）絞り部２２を備えた流量計として、ベンチュリ式流量計２を用いたので、構造が簡易であり、流量計１を安価に製造できる。
（５）圧力損失の少ないベンチュリ式流量計２を層流型流量計３の上流に設置したので、少ない流量でも測定でき、利便性を向上できる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

すなわち、前記実施形態では、絞り部２２は、下流側に進むに従って直径が小さくなる構成であったが、絞りは、オリフィスなどでもよく、流路の断面積を小さくすることで、混合流体に圧力損失を生じさせるものであれば、構成は任意である。従って、ベンチュリ式流量計２の代わりに、オリフィス流量計や、面積流量計を用いることで、絞りを設けてもよい。

前記実施形態では、細管３１の断面形状は円形であったが、これに限らず例えば三角形、四角形、六角形などでも良く、あるいはこれらの組み合わせでもよい。つまり、細管３１の断面形状は、細管３１内を流れる混合流体が層流状態に保たれる断面形状であれば任意である。
また、前記実施形態では、細管３１は、複数個平行に設けられていたが、これに限らず、一本のみ設けられていてもよい。さらに、細管３１は、円形のチューブ状部材を組み合わせて形成されていたが、細管状に形成されていればよく、例えば、円柱状の部材に円形の孔を穿設することによって形成されていてもよい。

また、層流形成流路は、細管３１や細管状の構成に限らず、内部を流れる混合流体が層流状態に保たれる構成であれば、任意である。
前記実施形態では、第１の圧力損失発生手段は、ベンチュリ式流量計２であったが、絞りにより混合流体に圧力損失を生じさせれば、構成は任意であり、絞りそのものでもよい。
前記実施形態では、第２の圧力損失発生手段は、層流型流量計３であったが、層流形成流路により、混合流体の流れを層流状態に保ち、混合流体に圧力損失を生じさせれば、構成は任意であり、層流形成流路そのものでもよい。

圧力損失検出手段４，５は、絞り部２２や細管３１の両端の圧力の差を直接計測する差圧計が用いられていたが、これに限らず、例えば、絞り部２２や細管３１の両端に、それぞれに差圧計が設けられて構成されていてもよい。この場合、各差圧計から得た圧力を引き算することによって圧力の差（圧力損失）を求める。

本発明の一実施形態に係る流量計の全体概略図である。流量計の各部の寸法を示す図である。

符号の説明

１…流量計、２…ベンチュリ式流量計（第１の圧力損失発生手段）、３…層流型流量計（第２の圧力損失発生手段）、４…第１の圧力損失検出手段、５…第２の圧力損失検出手段、６…演算手段、２２…絞り部（絞り）、３１…細管（層流形成流路）。

Claims

２種類の流体成分からなる混合流体の流路の途中に設けられた絞りにより、混合流体に圧力損失を生じさせる第１の圧力損失発生手段と、
混合流体の流路の途中に設けられて混合流体の流れを層流状態に保つ少なくとも一つの層流形成流路により、混合流体に圧力損失を生じさせる第２の圧力損失発生手段と、
前記第１の圧力損失発生手段によって生じた混合流体の圧力損失を検出する第１の圧力損失検出手段と、
前記第２の圧力損失発生手段によって生じた混合流体の圧力損失を検出する第２の圧力損失検出手段と、
前記第１の圧力損失検出手段によって検出された圧力損失、および前記第２の圧力損失検出手段によって検出された圧力損失に基づいて、混合流体を構成する各流体成分の体積分率および混合流体の流量を算出する演算手段とを備えている
ことを特徴とする流量計。
請求項１に記載の流量計において、
混合流体の流量をＱ、密度をρ、粘度をμ、混合流体を構成する各流体成分の体積分率をｘ_１，ｘ_２、密度をρ_１，ρ_２、粘度をμ_１，μ_２、分子量をｍ_１，ｍ_２とし、
前記第１の圧力損失発生手段の絞りの形状によって定まる定数をα_ｖ、前記第１の圧力損失発生手段によって生じ、前記第１の圧力損失検出手段により検出される混合流体の圧力損失をΔＰ_ｖとし、
前記第２の圧力損失発生手段の層流形成流路の形状によって定まる定数をα_Ｌ、前記第２の圧力損失発生手段によって生じ、前記第２の圧力損失検出手段により検出される混合流体の圧力損失をΔＰ_Ｌとすると、
前記演算手段は、前記第１の圧力損失発生手段を通過する混合流体の流量を表す

の式と、
前記第２の圧力損失発生手段を通過する混合流体の流量を表す

の式と、
混合流体の密度を表す

の式と、
混合流体の粘度を表す

の式と、
前記混合流体の粘度を表す式において用いたφを表す

の式と、
混合流体を構成する各流体成分の体積分率の関係を表す

の式とを連立させることにより、混合流体を構成する各流体成分の体積分率および混合流体の流量を算出する
ことを特徴とする流量計。