JP2015114191A

JP2015114191A - 質量流量計

Info

Publication number: JP2015114191A
Application number: JP2013255778A
Authority: JP
Inventors: 亮小阪; Akira Kosaka
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: JP6202327B2

Abstract

【課題】小型・軽量な質量流量計で、質量流量に加えて静圧の計測が可能な質量流量計を提供する。
【解決手段】内部を流体が流通する管路内の遠心力ないし向心力が作用する部分に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力が作用しない部分に静圧・温度補償用の歪ゲージを貼り付け、その出力差から質量流量を計測する質量流量計において、計測された質量流量から流量による静圧変化を算出し、算出した流量による静圧変化と前記歪ゲージの出力を元に管路内の静圧を計測することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、質量流量計に関し、特に、小型・軽量な流量計で圧力と流量計測が必要な分野、例えば、人工心臓などの医療用流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの圧力・流量計測計、あるいは、管路内のフィルタの目詰まりを検出するための管路内抵抗の計測等に使用するものである。

本出願人は、既に、小型・軽量な流量計として、硬質の曲がり管単体で流量を計測する質量流量計（特許文献１）、弾性の曲がり管で流量を計測する質量流量計（特許文献２）を出願しているが、いずれも圧力に関する記載は無い。
さらに、本出願人は、脈波伝搬速度より圧力計測を実施する質量流量計（特許文献３）も既に出願しているが、この場合には脈波伝搬速度を測定するための構成が必要となる。

特開２００７−２１８７７５号公報特開２００９−１５０６７１号公報特願２０１２−２３４８９１号

例えば、病院外使用の体内埋め込み人工心臓では、病態管理のため血圧と血流量の計測が重要であるが、埋め込みできる小型の血圧計と血流量計が実用化されていない。実用化されている産業用の圧力計としては、ダイヤフラム式の圧力センサや、流量計としては、渦流量計、抵抗流量計、フロート式流量計など様々な方式はあるが、超軽量でシンプルな計測方式の圧力計と流量計が求められている。本出願人が従来提案してきた曲がり管を用いた質量流量計（特許文献１、２等）では、計測方法はシンプルで小型化が可能だが、質量流量のみの計測を行い、表示機器に質量流量のみを表示していた。

上記問題点を解決するために、本発明の質量流量計では、内部を流体が流通する管路内の流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力が作用しない位置に静圧・温度補償用の歪ゲージを貼り付け、その出力差から質量流量を計測する質量流量計において、計測された質量流量と歪ゲージの出力から管路内の静圧を計測する質量流量計を提供する。
上記静圧の計測については、遠心力ないし向心力検出用歪ゲージの出力から計測した質量流量を元に算出した流量による歪ゲージの変化を補償することで、管路内の静圧の計測が可能であり、或いはまた、静圧・温度補償用の歪ゲージの出力から計測した質量流量を元に算出した流量による歪ゲージの変化を補償することで、管路内の静圧を計測することも可能である。
また、上記管路内の遠心力ないし向心力が作用する部分は、管路形状が曲がり管形状である。
また、計測された静圧と質量流量とから管路抵抗（＝静圧／質量流量）を計測することも出来る。

本発明の質量流量計においては、質量流量の計測に加えて、管路内の静圧の計測を可能とする。そのため、質量流量計とは別の圧力計を使用せずに、曲がり管の管路内の静圧を計測可能な質量流量計を実現することが出来、装置の小型が実現出来る。
また、静圧と流量の計測結果から、管路内抵抗を求めることが出来る。そのため、管路の詰まり具合や狭窄などの管路異常を検知することが出来る。

図１は、本発明の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計の実施例１の全体構成図であり、静圧計測は、遠心力計測用の歪ゲージを使用して実施している。図２は、本発明の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計の実施例２の全体構成図であり、静圧計測は、静圧・温度補償用の歪ゲージを使用して実施している。図３は、本発明の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計の実施例３の全体構成図であり、図１で示した実施例１においてさらに管路抵抗を測定出来るようにし、測定結果から管路内のフィルタの詰まりなどの異常検知機能を付与したものである。図４は、本発明の曲がり管を用いた実機を用いて市販流量計との流量の計測性能の比較試験を実施した測定結果を示す。図５は、本発明の曲がり管を用いた実機を用いて市販圧力計との静圧の計測性能の比較試験を実施した測定結果を示す。

本発明の遠心力ないし向心力の作用する管（例えば曲がり管）を用いた質量流量計において、質量流量と静圧は下記のように得られる。
まず、流量が０［Ｌ／ｍｉｎ］の時、管路に静圧Ｐ_sを加えると、遠心力ないし向心力の作用する部位（例えば、図１の遠心力計測用歪ゲージの貼り付け部位）の静圧と歪ε_sAの関係式と、遠心力ないし向心力の作用しない部位（例えば、図１の静圧・温度補償用歪ゲージの貼り付け部位）の静圧と歪ε_sBの関係式は、下記の式（１）（２）として得られる。
Ｐ_s＝α_sA×ε_sA＋β_sA （１）
Ｐ_s＝α_sB×ε_sB＋β_sB （２）
ここで、α_sA，β_sA，α_sB，β_sBは定数であり、事前の校正で得られる。
一方、流体が流れたとき、遠心力ないし向心力の作用する部位の圧力Ｐ_Aと流量による静圧変化Ｐ_DA、歪ε_Aの関係式と、遠心力ないし向心力の作用しない部位の圧力Ｐ_Bと流量による静圧変化Ｐ_DB、歪ε_Bの関係式は、下記の式（３）（４）として得られる。
Ｐ_A＝Ｐ_DA＋Ｐ_s＝α_A×ε_A＋β_A （３）
Ｐ_B＝Ｐ_DB＋Ｐ_s＝α_B×ε_B＋β_B （４）
ここで、α_A，β_A，α_B，β_Bは定数であり、事前の校正で得られる。なお、上記式（１）〜（４）において、「ε_sA，ε_A」は、例えば、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に貼り付けた遠心力ないし向心力検出用歪ゲージの出力として得られ、「ε_sB，ε_B」は、例えば、遠心力ないし向心力の作用しない位置に貼り付けた静圧・温度補償用歪ゲージの出力として得られる。
曲がり管内の質量流量と遠心力ないし向心力の関係を一次近似と仮定すると、曲がり管内の質量流量Flowと、遠心力ないし向心力の作用する部位と作用しない部位の差圧ΔＰは下記の式（５）として得られる。
Flow＝α×ΔＰ＋β＝α（Ｐ_A−Ｐ_B）＋β （５）
ここで、α，βは定数であり、事前の校正で得られる。
次に、遠心力ないし向心力の作用する部位に着目すると、流量による静圧変化Ｐ_DAと質量流量Flowの関係を一次近似と仮定すると、上記式（５）で計測された質量流量Flowを用いて、流量による静圧変化Ｐ_DAは、下記の式（６）で得られる。
Ｐ_DA＝α_DA×Flow＋β_DA （６）
ここで、α_DA，β_DAは定数であり、事前の校正で得られる。
そして、上記式（３）を変形して下記の式（７）が得られ、
Ｐ_s＝α_A×ε_A＋β_A−Ｐ_DA （７）
式（７）中のα_A，β_Aは事前の校正で得られている定数であるから、遠心力ないし向心力検出用歪ゲージの出力として得られる歪量ε_Aと式（６）で算出される流量による静圧変化Ｐ_DAを用いて、式（７）より静圧Ｐ_sを求めることが出来る。
なお、遠心力ないし向心力の作用しない部位に着目した場合には、上記遠心力ないし向心力の作用する部位に着目した場合と同様にして、流量による静圧変化Ｐ_DBと質量流量Flowの関係を一次近似と仮定すると、上記式（５）で計測された質量流量Flowより、流量による静圧変化Ｐ_DBは、下記の式（６’）で得られる。
Ｐ_DB＝α_DB×Flow＋β_DB （６’）
ここで、α_DB，β_DBは定数であり、事前の校正で得られる。
そして、上記式（４）を変形すると下記の式（７’）が得られ、
Ｐ_s＝α_B×ε_B＋β_B−Ｐ_DB （７’）
式（７’）中のα_B，β_Bは事前の校正で得られている定数であるから、静圧・温度補償用歪ゲージの出力として得られる歪量ε_Bと式（６’）で算出される流量による静圧変化Ｐ_DAを用いて、式（７’）より静圧Ｐ_sを求めることが出来る。

以上説明したとおり、本発明では、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分（図１の例では曲がり管の部分）に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージを貼り付け、遠心力ないし向心力が作用しない部分（図１の例では直管の部分）に静圧・温度補償用の歪ゲージを貼り付けることにより、これら二つの歪みゲージの出力差から式（５）を元に質量流量Flowを計測することが出来る（なお、式（５）のＰ_A−Ｐ_Bは、式（３）でＰ_Aを式（４）でＰ_Bを算出してその差から求まる）。そして、求めた質量流量Flowを用いて式（６）（或いは式（６’））から流量による静圧変化Ｐ_DA（或いはＰ_DB）を算出し、歪ゲージの出力ε_A（或いはε_B）と算出した流量による静圧変化Ｐ_DA（或いはＰ_DB）を用いて式（７）（或いは式（７’））を元に静圧Ｐ_sを算出するものである。なお、式（７）（或いは式（７’））において、右辺の最終項の「−Ｐ_DA」（或いは「−Ｐ_DB」）は、質量流量による歪ゲージの出力変化を補償する項ということも出来る。
したがって、本発明の質量流量計では、別の圧力計を用意することなくあるいは静圧計測のための別の歪みゲージ等を用意することなく静圧の計測が出来る。

（実施例１）
図１は、本発明の一実施例である曲がり管を用いた実施例１を示したものである。図１に示した実施例１では、曲がり管の曲がりの外側の遠心力が作用する部分に遠心力計測用歪ゲージを貼り付け（なお、向心力が作用する部分に歪みゲージを貼り付けるには曲がり管の曲がりの内側に貼り付ければよい）、遠心力（ないし向心力）検出用歪ゲージとは異なる位置、すなわち遠心力（ないし向心力）の作用しない部分である直管に静圧・温度補償用歪ゲージを貼り付ける。なお、図では歪ゲージ貼り付け部分の管壁は薄肉にして感度を上げている。
この実施例１では、それぞれの歪ゲージの検出信号はブリッジ回路アンプを介して出力され、両出力を用いて式（５）から質量流量Flowを算出するとともに、求めた質量流量Flowを元に式（６）から流量による静圧変化Ｐ_DAを算出し、歪みゲージの出力ε_Aと求めた流量による静圧変化Ｐ_DAを元に式（７）から静圧Ｐ_sを算出するものである。算出した質量流量と静圧とを出力装置で表示・印刷・記憶等する。

（実施例２）
図２は、本発明の一実施例である曲がり管を用いた実施例２を示したものである。実施例２では、上記実施例１と同様に、曲がり管の曲がりの外側の遠心力が作用する部分に遠心力計測用歪ゲージを貼り付け、遠心力検出用歪ゲージとは異なる位置として直管の部分に静圧・温度補償用歪ゲージを貼り付ける。そして、それぞれの歪ゲージの検出信号はブリッジ回路アンプを介して出力され、両出力を用いて式（５）から質量流量Flowを算出するとともに、求めた質量流量Flowを元に式（６’）から流量による静圧変化Ｐ_DBを算出し、歪みゲージの出力ε_Bと求めた流量による静圧変化Ｐ_DBを元に式（７’）から静圧Ｐ_sを算出するものである。算出した質量流量と静圧とを出力装置で表示・印刷・記憶等する。
この実施例２を上記実施例１と比較すると、流量による静圧変化の算出が上記実施例１では式（６）を用いているのに対して、実施例２では式（６’）を用いる点、及び、静圧の算出が上記実施例１では式（７）を用いているのに対して、実施例２では式（７’）を用いる点で異なるだけでその他の構成は同じである。

（実施例３）
図３は、本発明の一実施例である第３実施例を示したものであって、質量流量と静圧の他に、さらに管路抵抗を求め、管路内のフィルタの詰まりなどの異常検知機能を備えたものである。図３の実施例３では、上記図１に示した実施例１を基本構成としており、質量流量計算と静圧計算については図１で示した上記実施例１と同じである。実施例３が実施例１と異なるところは、求めた質量流量と静圧とから、さらに管路抵抗を計算し、この管路抵抗を用いて管路の詰まり具合や狭窄などの管路の異常を検知し出力装置で表示・音・光等の異常を出力するものである。なお、図３に示した実施例３では、図１の実施例１を基本構成としているが、図２の実施例２を基本構成としても同様に構成できることはもちろんである。
ここで、管路抵抗とは、質量流量と静圧から
管路抵抗＝静圧／質量流量
により算出して求めた量であり、電気系の抵抗（＝電圧／電流）と機械系のアナロジーからすれば、管路抵抗が過大であるときに管路の詰まりや狭窄あるいは管路内のフィルタの目詰まりなどの異常が発生していると判断することが出来る。

図４に、本発明の質量流量計の実機と、市販の流量計とを用いて流量の計測性能の比較試験を行った結果を示す。図４において、横軸は時間（単位［ｓ］）、縦軸は流量（単位［Ｌ／ｍｉｎ］）を表し、黒い実線が曲がり管を用いた本発明の実機による流量の測定結果であり、薄い灰色の実線が市販の流量計による流量の測定結果である。図４によれば、本発明の実機の測定結果は、市販の流量計の測定結果とほぼ一致しており、本発明の実機で流量が正確に測定されていることが確認できた。

図５に、本発明の質量流量計の実機と、市販の圧力計とを用いて静圧の計測性能の比較試験を行った結果を示す。図５において、横軸は時間（単位［ｓ］）、縦軸は静圧（単位［ｍｍＨｇ］）を表し、黒い実線が曲がり管を用いた本発明の実機による静圧の測定結果であり、薄い灰色の実線が市販の圧力計による圧力の測定結果である。図５によれば、本発明の実機による圧力の測定結果は、市販の圧力計の測定結果と一致しており、本発明の実機で圧力が正確に測定されていることが確認できた。

本発明は小型・軽量な流量計での圧力と流量計測が必要な分野に利用することが出来、例えば、人工心臓などの医療用流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの圧力・流量計測として利用でき、また、管路内のフィルタの目詰まりを検出するための管路内抵抗の計測に使用することも出来る。

Claims

内部を流体が流通する管路内の遠心力ないし向心力が作用する位置に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力が作用しない位置に静圧・温度補償用の歪ゲージを貼り付け、その出力差から質量流量を計測する質量流量計において、
計測された質量流量から流量による静圧変化を算出し、算出した流量による静圧変化と前記歪ゲージの出力を元に管路内の静圧を計測することを特徴とする質量流量計。
請求項１記載の質量流量計において、前記流量による静圧変化の算出は、前記遠心力ないし向心力が作用する位置での流量による静圧変化を算出し、
当該算出された流量による静圧変化と前記遠心力ないし向心力検出用歪ゲージの出力から管路内の静圧を計測することを特徴とする質量流量計。
請求項１に記載の質量流量計において、前記流量による静圧変化の算出は、前記遠心力ないし向心力が作用しない位置での流量による静圧変化を算出し、
当該算出された流量による静圧変化と前記静圧・温度補償用歪ゲージの出力から管路内の静圧を計測することを特徴とする質量流量計。
前記管路内の遠心力ないし向心力が作用する部分は、管路形状が曲がり管形状であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の質量流量計。
前記計測された質量流量及び静圧から、静圧を質量流量で除算することにより管路抵抗を計測することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の質量流量計。