JP2019128168A - 層流型流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】事前に流体の粘性係数を把握しておく必要をなくす。粘性係数が未知の流体であっても、また計測中に粘度が変動するような条件下でも、正確に流体の流量を計測できるようにする。【解決手段】層流発生機構２が設けられた主流路１に対して分流路３を設け、この分流路３内にＭＥＭＳコリオリセンサ４を設ける。ＭＥＭＳコリオリセンサ４によって計測された質量流量Ｑｍおよび密度ρから分流路３を流れる流体の体積流量Ｑｖ1を分流量として求め、この求めた分流量Ｑｖ1と層流発生機構２の上流側と下流側の流体の圧力の差（差圧）ΔＰとから流体の粘性係数μを算出する。算出した流体の粘性係数μと差圧ΔＰとから層流発生機構２を流れる流体の体積流量Ｑｖ2を主流量として求め、分流量Ｑｖ1と主流量Ｑｖ2との和を計測流量Ｑｖとする。【選択図】 図１

Description

本発明は、流路内に設けられた層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する層流型流量計に関する。

従来より、流路を流れる流体の流量を計測する流量計の１つとして、層流型流量計が存在する。この層流型流量計は、流路内に流体の流れを層流とする層流発生機構（例えば、細管の束）を備えており、この層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する（例えば、特許文献１参照）。

流路内を流体が層流状態で流れた場合、ハーゲンポアズイユの法則により、流体の移動に伴う圧力降下が体積流量に比例する。層流型流量計は、この現象を利用しており、その原理式は以下の通りである。

Ｑ＝ΔＰ×π×ｄ⁴×ｎ／（１２８×μ×Ｌ） ・・・・（１）
但し、ΔＰ：層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差（差圧）、ｄ：層流発生機構の細管の径、Ｌ：層流発生機構の細管の長さ、ｎ：層流発生機構の細管の数、μ：流体の粘性係数。

特開２００８−１１６２８３号公報

しかしながら、従来の層流型流量計では、その計測原理上、流体の粘性係数が既知でないと正確な流量を計測することができない。すなわち、粘性係数は物質ごとに固有の値を取るため、正確な流量を計測するためには、事前に流体の粘性係数を把握しておく必要がある。また、粘性係数が未知の流体の流量を計測することはできず、計測中に粘度が変動するような条件下での正確な流量の計測も難しい。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、事前に流体の粘性係数を把握しておく必要がなく、粘性係数が未知の流体であっても、また計測中に粘度が変動するような条件下でも、正確に流体の流量を計測することが可能な層流型流量計を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、主流路（１）内に設けられ、通過する流体の流れを層流とするように構成された層流発生機構（２）と、層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部（１１、１６）と、層流発生機構に流れ込もうとする流体を分流して層流発生機構の下流側に導く分流路（３）と、分流路内に設けられ、この分流路を流れる流体の質量流量および密度を計測するように構成された質量流量計測部（４）と、質量流量計測部によって計測された質量流量および密度から分流路を流れる流体の体積流量を分流量として求めるように構成された分流量算出部（１２）と、差圧取得部によって取得された差圧と分流量算出部によって求められた分流量とから流体の粘性係数を算出するように構成された粘性係数算出部（１３）と、差圧取得部によって取得された差圧と粘性係数算出部によって算出された粘性係数とから層流発生機構を流れる流体の体積流量を主流量として求めるように構成された主流量算出部（１４）と、分流量算出部によって算出された分流量と主流量算出部によって算出された主流量との和を計測流量として求めるように構成された計測流量算出部（１５）とを備えることを特徴とする。

この発明では、層流発生機構が設けられた主流路に対して、層流発生機構に流れ込もうとする流体を分流して層流発生機構の下流側に導く分流路を設け、この分流路内に質量流量計測部を設ける。質量流量計測部としては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）式のコリオリセンサを用いる。そして、質量流量計測部によって計測された質量流量（Ｑｍ）および密度（ρ）から分流路を流れる流体の体積流量（Ｑｖ₁）を分流量として求め、この求めた分流量（Ｑｖ₁）と層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差（差圧）（ΔＰ）とから流体の粘性係数（μ）を算出する。そして、この算出した流体の粘性係数（μ）と差圧（ΔＰ）とから層流発生機構を流れる流体の体積流量（Ｑｖ２）を主流量として求め、分流量（Ｑｖ₁）と主流量（Ｑｖ₂）との和を計測流量（Ｑｖ）として求める。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、層流発生機構が設けられた主流路に対して、層流発生機構に流れ込もうとする流体を分流して層流発生機構の下流側に導く分流路を設け、この分流路内に質量流量計測部を設けるようにし、この質量流量計測部によって計測された質量流量および密度から分流路を流れる流体の体積流量を分流量として求め、この求めた分流量と層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差とから流体の粘性係数を算出するようにしたので、事前に流体の粘性係数を把握しておく必要がなく、粘性係数が未知の流体であっても、また計測中に粘度が変動するような条件下でも、正確に流体の流量を計測することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る層流型流量計の要部の構成を示す図である。 図２は、分流路を導圧路から枝分かれさせた例を示す図である。 図３は、上流側圧力センサおよび下流側圧力センサに代えて差圧センサを設けるようにした例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る層流型流量計１００の要部の構成を示す図である。同図において、１は流体が流れる主流路であり、主流路１内には層流発生機構２が設けられている。層流発生機構２は細管２１の束とされている。

この層流型流量計１００では、層流発生機構２が設けられた主流路１に対して、層流発生機構２に流れ込もうとする流体を分流して層流発生機構２の下流側に導く分流路３を設け、この分流路３内に質量流量計測部としてＭＥＭＳ式のコリオリセンサ（以下、ＭＥＭＳコリオリセンサと呼ぶ。）４を設けている。

ＭＥＭＳコリオリセンサ４は、ＭＥＭＳ技術で作製されたコリオリの力を利用した質量流量計であって、下記の式(２)，（３）より、そこを通過する流体の質量流量Ｑｍと密度ρを求めることができる。
Ｑｍ＝Ｋｓ×θ／（４×ω×Ｌｍ×ｒ） ・・・・（２）
ρ＝１／Ｖ×［（Ｋｓ／４×π²×ｆ²）−ｍ］ ・・・・（３）
但し、Ｋｓ：バネ定数、θ：ねじれ角度、Ｌｍ：チューブ長さ、ｒ：チューブ幅、ω：角速度、Ｖ：チューブ体積、ｍ：チューブ質量。

また、この層流型流量計１００において、層流発生機構２の上流側には、この層流発生機構２の上流側の流体の圧力を引き出す導圧路５が設けられ、層流発生機構２の下流側には、この層流発生機構２の下流側の流体の圧力を引き出す導圧路６が設けられている。また、導圧路５の末端には、層流発生機構２の上流側の流体の圧力を上流側圧力Ｐ１として検出する上流側圧力センサ７が設けられ、導圧路６の末端には、層流発生機構２の下流側の流体の圧力を下流側圧力Ｐ２として検出する下流側圧力センサ８が設けられている。

また、この層流型流量計１００には、ＭＥＭＳコリオリセンサ４によって求められる分流路３を流れる流体の質量流量Ｑｍおよび密度ρと、上流側圧力センサ７が検出する層流発生機構２の上流側圧力Ｐ１と、下流側圧力センサ８が検出する層流発生機構２の下流側圧力Ｐ２とから、測定管路９を流れる流体の流量Ｑｖを演算する流量演算部１０が設けられている

流量演算部１０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、差圧測定部１１と分流量算出部１２と粘性係数算出部１３と主流量算出部１４と計測流量算出部１５とを備えている。以下、流量演算部１０における各部の機能について、その動作を交えながら説明する。

流量演算部１０において、差圧測定部１１は、上流側圧力センサ７からの層流発生機構２の上流側圧力Ｐ１と下流側圧力センサ８からの層流発生機構２の下流側圧力Ｐ２とを入力とし、この上流側圧力Ｐ１と下流側圧力Ｐ２との差を差圧ΔＰとして求める。

分流量算出部１２は、ＭＥＭＳコリオリセンサ４からの流体の質量流量Ｑｍおよび密度ρを入力とし、下記の式（４）を用いて、分流路３を流れる流体の体積流量Ｑｖ₁を分流量として求める。
Ｑｖ₁＝Ｑｍ／ρ ・・・・（４）

粘性係数算出部１３は、差圧測定部１１によって求められた差圧ΔＰと分流量算出部１２によって求められた分流量Ｑｖ１とを入力とし、下記のハーゲンポアズイユの式（５）より、下記の（６）式を用いて、分流路３を流れる流体（層流発生機構２を流れる流体）の粘性係数μを算出する。
Ｑｖ₁＝ΔＰ×π×ｄ₁ ⁴／（１２８×μ×Ｌ₁） ・・・・（５）
μ＝（ΔＰ／Ｑｖ₁×（π×ｄ₁ ⁴）／（１２８×Ｌ₁） ・・・・（６）
但し、ｄ₁：ＭＥＭＳコリオリセンサの流路径、Ｌ₁：ＭＥＭＳコリオリセンサの流路長さ。

主流量算出部１４は、差圧測定部１１からの差圧ΔＰと粘性係数算出部１３からの粘性係数μとを入力とし、下記のハーゲンポアズイユの式（７）より、層流発生機構２を流れる流体の体積流量Ｑｖ₂を主流量として算出する。
Ｑｖ₂＝ΔＰ×π×ｄ₂ ⁴×ｎ／（１２８×μ×Ｌ₂） ・・・・（７）
但し、ｄ₂：層流発生機構の細管径、Ｌ₂：層流発生機構の細管長さ、ｎ：層流発生機構の細管の数。

計測流量算出部１５は、分流量算出部１２によって算出された分流量Ｑｖ₁と主流量算出部１４によって算出された主流量Ｑｖ₂とを入力とし、この分流量Ｑｖ₁と主流量Ｑｖ₂との和を計測流量Ｑｖとして算出する。すなわち、主流路１と分流路３とに流れる流体の総量を層流型流量計１００の測定管路９を流れる流体の流量Ｑｖとして算出する。
Ｑｖ＝Ｑｖ₁＋Ｑｖ₂ ・・・・（８）

このように、本実施の形態の層流型流量計１００によれば、層流発生機構２が設けられた主流路１に対して、層流発生機構２に流れ込もうとする流体を分流して層流発生機構２の下流側に導く分流路３を設け、この分流路３内にＭＥＭＳコリオリセンサ４を設けるようにし、このＭＥＭＳコリオリセンサ４によって計測された質量流量Ｑｍおよび密度ρから分流路３を流れる流体の体積流量Ｑｖ₁を分流量として求め、この求めた分流量Ｑｖ₁と層流発生機構２の上流側と下流側の流体の圧力の差ΔＰとから流体の粘性係数μを算出するようにしているので、事前に流体の粘性係数μを把握しておく必要がなく、粘性係数μが未知の流体であっても、また計測中に粘度が変動するような条件下でも、正確に流体の流量を計測することができるようになる。

なお、ＭＥＭＳコリオリセンサは、上記の式（２）で示されるように、流体の粘性係数μに依存せずに質量流量Ｑｍを求めることができるため、原理的にはＭＥＭＳコリオリセンサのみで流路を流れる流体の流量を計測することは可能である。しかし、ＭＥＭＳコリオリセンサの構造的な課題として圧力損失が大きくなるため、ＭＥＭＳコリオリセンサを主流路に入れる場合には流体の圧力を高くしなければならない問題がある。これに対して、本実施の形態の層流型流量計１００では、主流路１と並列に分流路３を設け、この分流路３にＭＥＭＳコリオリセンサ４を設けているので、流量計全体の圧力損失を大きくすることがない。

また、上述した実施の形態では、分流路３を導圧路５，６とは別の独立した流路として設けるようにしているが、図２に示すように導圧路５，６からから枝分かれした流路として分流路３を設けるようにしてもよい。このようにすることにより、主流路１側に加工を施す必要がなくなり、既存の構成をそのまま使用することができるため、省コストとなる。

また、上述した実施の形態では、上流側圧力センサ７が検出する上流側圧力Ｐ１と下流側圧力センサ８が検出する下流側圧力Ｐ２との差を差圧測定部１１において差圧ΔＰとして求めるようにしたが、図３に示すように、層流発生機構２の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧ΔＰとして検出する差圧センサ１６を設け、この差圧センサ１６が検出する差圧ΔＰを粘性係数算出部１３および主流量算出部１４に送るようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…主流路、２…層流発生機構、３…分流路、４…ＭＥＭＳコリオリセンサ、５，６…導圧路、７…上流側圧力センサ、８…下流側圧力センサ、９…測定管路、１０…流量演算部、１１…差圧測定部、１２…分流量算出部、１３…粘性係数算出部、１４…主流量算出部、１５…計測流量算出部、１６…差圧センサ、２１…細管、１００…層流型流量計。

Claims (5)

1. 主流路内に設けられ、通過する流体の流れを層流とするように構成された層流発生機構と、
   前記層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
   前記層流発生機構に流れ込もうとする流体を分流して前記層流発生機構の下流側に導く分流路と、
   前記分流路内に設けられ、この分流路を流れる流体の質量流量および密度を計測するように構成された質量流量計測部と、
   前記質量流量計測部によって計測された質量流量および密度から前記分流路を流れる流体の体積流量を分流量として求めるように構成された分流量算出部と、
   前記差圧取得部によって取得された差圧と前記分流量算出部によって求められた分流量とから前記流体の粘性係数を算出するように構成された粘性係数算出部と、
   前記差圧取得部によって取得された差圧と前記粘性係数算出部によって算出された粘性係数とから前記層流発生機構を流れる流体の体積流量を主流量として求めるように構成された主流量算出部と、
   前記分流量算出部によって算出された分流量と前記主流量算出部によって算出された主流量との和を計測流量として求めるように構成された計測流量算出部と
   を備えることを特徴とする層流型流量計。
2. 請求項１に記載された層流型流量計において、
   前記層流発生機構の上流側の流体の圧力を引き出す第１の導圧路と、
   前記層流発生機構の下流側の流体の圧力を引き出す第２の導圧路とを備え、
   前記分流路は、
   前記第１の導圧路および前記第２の導圧路とは別の独立した流路として設けられている
   ことを特徴とする層流型流量計。
3. 請求項１に記載された層流型流量計において、
   前記層流発生機構の上流側の圧力を引き出す第１の導圧路と、
   前記層流発生機構の下流側の圧力を引き出す第２の導圧路とを備え、
   前記分流路は、
   前記第１の導圧路および前記第２の導圧路から枝分かれした流路として設けられている
   ことを特徴とする層流型流量計。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された層流型流量計において、
   前記差圧取得部は、
   前記層流発生機構の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧として検出する差圧センサである
   ことを特徴とする層流型流量計。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載された層流型流量計において、
   前記質量流量計測部は、
   ＭＥＭＳ式のコリオリセンサである
   ことを特徴とする層流型流量計。