JP2020197545A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能な流量計測装置及び流量計測方法を提供すること。【解決手段】 処理機は、既知の流量とこれに対する計測された差圧から下記式１の流量計算式における基準差圧を求め、基準差圧を境に流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成するパラメータ生成部と、計測対象の流体の計測された差圧と基準差圧とを比較して２組のパラメータセットのいずれかを選択する差圧判定部と、パラメータセット及び計測された差圧から流体の流量を算出する流量算出部とを有する。（式１）ΔＰ＝ｃ１×η×Ｑ＋ｃ２×ρ×Ｑ2＋ｃ３（Ｑ：流量、ΔＰ：差圧、η：動粘度係数、ρ：密度、ｃ１〜ｃ３：係数）【選択図】 図６

Description

本発明は、流量計測装置及び流量計測方法に関する。さらに詳しくは、流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測する計測器と、計測された差圧から前記流体の流量を算出する処理機とを備える流量計測装置及び流量計測方法に関する。

従来、上述の如き流量計測装置として、例えば、特許文献１に記載の如きものが知られている。この装置は、導通路に設けた静圧測定孔で測定された静圧と後流圧検出管で測定された後流圧の差圧を用いて流体の流量を計測する。流体の流れには、層流領域と乱流領域とその間に層流領域から乱流領域へ変化する遷移領域とが存在する。しかし、この差圧式流量計では、そのような流体の状況を考慮して流量を算出しておらず、更なる計測精度の向上が望まれていた。

実用新案登録第３２００６３８号公報

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能な流量計測装置及び流量計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る流量計測装置の特徴は、流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測する計測器と、計測された差圧から前記流体の流量を算出する処理機とを備える構成において、前記処理機は、複数の既知の流量と前記複数の既知の流量に対する計測された差圧から下記式１の流量計算式における基準差圧を求めると共に、前記基準差圧を境に前記流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成するパラメータ生成部と、計測対象の流体の計測された差圧と前記基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択する差圧判定部と、選択されたパラメータセット及び前記計測された差圧を前記流量計算式に代入して前記流体の流量を算出する流量算出部とを有することにある。
（式１）：ΔＰ＝ｃ１×η×Ｑ＋ｃ２×ρ×Ｑ²＋ｃ３
（Ｑ：流量、ΔＰ：差圧、η：動粘度係数、ρ：密度、ｃ１〜ｃ３：係数）

ところで、管体の内部を流れる流体には、滑らかで渦の無い安定した流れとなる粘性力が支配的な層流領域と、様々な渦が発生する慣性力が支配的な乱流領域と、層流領域と乱流領域との間において粘性力と慣性力とが共存する遷移領域とが存在する。この流体の差圧ΔＰは、上記式１の流量Ｑの二次関数で表される流量計算式で求まる。ここで、ｃ１×η×Ｑを粘性項、ｃ２×ρ×Ｑ²を慣性項と称する。層流領域と乱流領域とは流体の流れの状況が異なり、流量計算式における粘性項及び慣性項への依存は異なる。

上記構成によれば、複数の既知の流量と複数の既知の流量に対する計測された差圧から上記式１の流量計算式における基準差圧を求めると共に、基準差圧を境に上記流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成する。これにより、基準圧力を境に流量計算式を層流剥離がほとんど発生していない範囲（流量が小さい場合）と、層流剥離が発生している範囲（流量が大きい場合）とに相当する範囲に分け、各範囲において流量計算式の係数を生成するので、柱状部材の外周面近傍の流体の流れの状況に応じた係数であるパラメータセットを生成できる。そして、計測対象の流体の計測された差圧と基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択し、選択されたパラメータセット及び計測された差圧を流量計算式に代入して流体の流量を算出するので、測定対象の流体の状況に応じたパラメータに基づいて流量を算出でき、計算精度が向上する。しかも、基準差圧を境に異なるパラメータを生成するので、上述の遷移領域や層流領域が含まれる程度に流量が小さい領域での計算精度も向上する。よって、乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能となる。

上記構成において、前記管体は、その内部に前記流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材を備え、前記第一受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の上流側に設けた第一測定孔であり、前記第二受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の下流側に設けた第二測定孔であり、前記柱状部材は、前記管体の中心軸に直交し且つ前記柱状部材の前記流れ方向に沿う長さの中心を通る第一平面に対し線対称となる流線形状を呈し、前記第一測定孔と前記第二測定孔とは前記第一平面に対し対称に配置されているとよい。管体の内部に流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材が、流れ方向に沿う長さの中心を通る第一平面に対し線対称となる流線形状を呈するので、この流線形状に沿って流れる流体によって層流や乱流が生じる。そして、柱状部材には、流れ方向の上流側に第一受圧部として第一測定孔と下流側に第二受圧部として第二測定孔とが第一平面に対し線対称に配置されている。これにより、柱状部材は、流体の流れ方向に対して双方向性を有するので、流れ方向に対応してパラメータを設定しなおす必要がない。よって、流体の流れ方向が逆になった場合でも、柱状部材による流体の変化（速度や圧力変化等）の分布も同様に、第一平面に対して対称となるので、流体の流れ方向を問わず、同じパラメータセットを用いて流量を計測することができる。

前記柱状部材は、前記管体の中心軸を含み且つ前記柱状部材の延在方向に平行な第二平面に対し線対称であるとよい。これにより、柱状部材の流体から受ける圧力が第二平面に対し左右で略均一となるので、計測精度が向上すると共に柱状部材の耐久性も向上する。

前記柱状部材は、前記第一平面及び前記第二平面に直交する第三平面上に投影される形状が下記式２及び式３で定義される外周面を有するとよい。
（式２）Ｌ＝２（Ｋ＋ｒ）
（式３）ｄ＝２（Ｋ（１／ｃｏｓθ−ｔａｎθ）＋ｒ）
（Ｏ：原点、ｄ：柱状部材の幅、Ｌ：柱状部材の流れ方向の長さ、ｒ：原点Ｏから流れ方向に±Ｋ離れた点ａを中心とした円弧の半径、θ：円弧の中心角／２）

上記式２，３によれば、柱状部材の管径方向の幅ｄは、円弧の中心角に依存することとなる。柱状部材の流れ方向の長さと円弧の中心角とを調整することで、乱流の発生及び圧力損失を制御でき、測定精度が向上する形状とすることができる。

前記柱状部材の前記管体内部における延在方向の長さは、前記管体の直径よりも小であるとよい。これにより、柱状部材の延在方向の端部と管壁との間に流体が流下可能な隙間が形成され、流体の流れ方向に対する管断面の柱状部材の占める割合が低下する。従って、柱状部材による流体の圧力損失を抑制することができ且つ測定精度も確保できる。

前記第一測定孔及び前記第二測定孔は、前記管体の中心軸上に位置するとよい。これにより、管体を流れる流体による圧力が最も高い中心での差圧を計測するので、流量の計測精度が向上する。

前記柱状部材は中実であり、前記第一測定孔及び前記第二測定孔のそれぞれに計測器へと連通する管状の連通路が形成されていてもよい。中実とすることで、流体に対する強度（抵抗）を確保しつつ、測定精度も確保できる。

上記いずれかに記載の構成において、前記流体は、呼吸であるとよい。上述した如く、柱状部材が双方向性を有するので、本発明に係る流量測定装置は、例えば、呼吸測定装置として実施することができる。また、前記流体は、医療用ガスであってもよい。

前記流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材をさらに備え、前記第一受圧部は、前記管体の管壁に設けた第一開口であり、前記柱状部材は、前記第一開口よりも前記流れ方向の下流側に位置し、前記第二受圧部は、前記柱状部材の前記下流側に設けた第二開口であってもよい。

また、前記管体は、管壁に管路を縮小させるオリフィスを備え、前記第一受圧部は、前記オリフィスよりも前記流体の流れ方向の上流側の前記管壁に設けた第一開口であり、前記第二受圧部は、前記オリフィスよりも前記流体の流れ方向の下流側の前記管壁に設けた第二開口であってもよい。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る流量計測方法の特徴は、流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測し、計測した差圧から前記流体の流量を算出する方法において、既知の流量の流体を前記管体に流し、複数の既知の流量と前記複数の既知の流量に対する計測された差圧から下記式４の流量計算式における基準差圧を求めると共に、前記基準差圧を境に前記流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成し、計測対象の流体を前記管体に流し、前記測定対象の流体の計測された差圧と前記基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択し、選択されたパラメータセット及び前記計測された差圧を前記流量計算式に代入して前記流体の流量を算出することにある。
（式４）ΔＰ＝ｃ１×η×Ｑ＋ｃ２×ρ×Ｑ²＋ｃ３
（Ｑ：流量、ΔＰ：差圧、η：動粘度係数、ρ：密度、ｃ１〜ｃ３：係数）

上記本発明に係る流量計測装置及び流量計測方法の特徴によれば、乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能となった。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明に係る流量計測装置を示す斜視図である。 流量計測装置における管路を模式的に示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。 柱状部材と第一〜第三平面との対応関係を示す模式図である。 柱状部材と式２及び式３との対応関係を示す模式図である。 流量計測装置のブロック図である。 基準差圧ΔＰ、データ群Ａ１〜Ａ２、バラメータセットＢ１〜Ｂ２の関係を模式的に示すグラフである。 ２組のパラメータセット及び１組のパラメータセットでの計算値と実測値との一致率を比較する図である。 本発明の他の実施形態に係る図２相当図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る図２（ｂ）相当図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る図２（ｂ）相当図である。

次に、図１〜７を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明に係る流量計測装置１は、図１に示すように、大略、流体が流れる管体４における差圧ΔＰを計測する計測器２と、計測された差圧ΔＰから流体の流量Ｑを計算する処理機３とを備える。なお、本実施形態において、流体は人体の呼吸である。

計測器２は、図５に示すように、後述する第一受圧部５１ａにおける第一圧力と第二受圧部５１ｂにおける第二圧力を計測する圧力センサ２１と、圧力センサ２１で計測された信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２２と、Ａ／Ｄ変換器２２で変換したデジタルデータを処理機３の第二通信部３１に送信する第一通信部２３とを備える。なお、同図の例では、処理機３との通信はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信手段を用いているが、有線にてデータ通信を行っても構わない。

処理機３は、図５に示すように、第一通信部２３からのデジタルデータを受信する第二通信部３１と、受信したデジタルデータのデータ処理を行うデータ処理部３２と、データ処理されたデータ等を表示する表示部３３とを備える。なお、処理機３としては、タブレットやスマートフォン等の携帯端末やパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。

データ処理部３２は、図５に示すように、後述する基準差圧ΔＰ’を求めると共に基準差圧ΔＰ’を境に流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットＢを２組設定するパラメータ設定部３４と、計測対象の流体の計測された差圧ΔＰと基準差圧ΔＰ’とを比較して２組のパラメータセットのいずれかを選択する差圧判定部３５と、選択されたパラメータセット及び計測された差圧ΔＰを流量計算式に代入して流体の流量Ｑを算出する流量算出部３６とを有する。また、データ処理部３２は、受信したデジタルデータ、設定したパラメータや算出した流量Ｑ等を記憶する記憶部３７を備える。

管体４は、図１，２に示すように、筐体２０を貫通して取り付けられた円管である。この管体４は、その内部４０に流体の流れ方向Ｘに直交する方向Ｚに延在する柱状部材５を備える。本実施形態において、柱状部材５は、管壁４１を貫通すると共に先端５３を管内面４１ａに当接させて管体４に固定される。

本実施形態において、柱状部材５は、図２に示すように、この柱状部材５における流れ方向Ｘの上流側ＵＳに第一受圧部としての第一測定孔５１ａと、流れ方向Ｘの下流側ＤＳに第二受圧部としての第二測定孔５１ｂとが設けられている。これら第一、第二測定孔５１ａ，５１ｂは、管体４の中心軸４２上に位置させてある。円管内４０を流れる流体の圧力は、柱状部材５の上流側ＵＳの管軸４２付近が最も高くなる。また、下流側ＤＳの管軸４２付近では、乱流によって生じる微真空の影響を受けやすい。従って、第一測定孔５１ａ及び第二測定孔５１ｂを管体４の中心軸４２上に位置させることで、計測される差圧ΔＰが大きくなり、差圧ΔＰを用いて算出される流量Ｑの精度が向上する。

また、柱状部材５に差圧ΔＰを計測する第一、第二受圧部５１ａ，５１ｂを設けたので、例えば絞り機構（オリフィス）を備えた従来のオリフィス流量計や上記特許文献１に記載の後背圧型差圧式流量計の如く、静圧を計測する静圧孔を管体４の管壁４１に設ける必要がない。そのため、差圧ΔＰを測定する受圧部５１の前後に必要とされる直管領域を管体４の直径Ｄ程度とすることができる（オリフィス流量計では直径Ｄの１５倍程度、後背圧型差圧式流量計では直径Ｄの４倍程度）。従って、これまでの流量計測装置に比べ非常に小型化・軽量化が可能となり、本実施形態の例では管体４の全長を短くでき、計測器２をコンパクトとすることができる。

さらに、柱状部材５は、図２に示すように、本体部５０は中実であり、その内部に第一測定孔５１ａ及び第二測定孔５１ｂのそれぞれに連通する管状の第一、第二連通路５２ａ，５２ｂが形成されている。本体部５０を中実とすることで、測定精度を低下されることなく、流体の流れに対する強度を確保できる。また、細い管を製作する場合と比較し、製作も容易であり連通路５２自体の強度も確保できる。この第一、第二連通路５２ａ，５２ｂの他端には、圧力センサ２１が接続され、差圧ΔＰが計測される。

柱状部材５は、図２に示すように、管体４の中心軸４２に直交し且つ柱状部材５の流れ方向Ｘに沿う長さＬの中心Ｏを通る第一平面Ｓ１に対し線対称となる流線形状を呈する。また、第一測定孔５１ａ及び第二測定孔５１ｂは第一平面Ｓ１に対し線対称に配置されている。これにより、柱状部材５は、流体の流れ方向Ｘに対し双方向性を有することとなる。従って、本実施形態における流体としての呼吸は、呼気と吸気とで流れ方向Ｘが反対となるが、装置自体や後述するパラメータセットＢを変える必要はない。このように、流体の流れ方向Ｘを問わず差圧ΔＰを計測して流量Ｑを測定することができる。また、柱状部材５は、管体４の中心軸４２を含み柱状部材５の延在方向Ｚに平行な第二平面Ｓ２に対し線対称である。第二平面Ｓ２に対して線対称であるので、図３に示すように、柱状部材５及び柱状部材５と管壁４１との隙間Ｇ１が、流れ方向Ｘ視で左右対称となる。よって、柱状部材５にかかる流体による圧力は第二平面Ｓ２の両側で略均一となり、柱状部材５の耐久性が向上する。

また、本実施形態に係る流線形状を呈する柱状部材５は、第一平面Ｓ１及び第二平面Ｓ２に直交する第三平面Ｓ３上に投影される形状が上述の式２及び式３にて定義される外周面５０ａを有する。なお、原点Ｏは柱状部材５の中心とする。ここで、流線形状とは、第三平面Ｓ３上に投影される形状が、流れ方向Ｘに沿ってなだらかに連続する曲線であることを指す。本実施形態では、図４に示すように、柱状部材５の外周面５０ａの形状は、上流側ＵＳの端部と下流側ＤＳの端部が中心角θ及び半径ａで定義される円弧であり、この両端部（円弧部）が流れ方向Ｘに沿うようになめらかな曲線で接続されている形状である。なお、両端部を接続する曲線は、同図に示す如く、第一平面Ｓ１に向かうに従い外方へ膨出し、その第一平面Ｓ１との交点が最も膨出している。

ここで、上記式１の流量計算式において、ｃ１×η×Ｑの項を粘性項、ｃ２×ρ×Ｑ²の項を慣性項と称する。流体の温度及び圧力がほぼ一定の場合、動粘度係数η及び密度ρは流体において一定の値であるので、粘性力と慣性力の大きさは、ｃ１とｃ２の大きさの関係であるといえる。パラメータ生成部３４で生成されるパラメータセットＢは、この流量計算式の各項における係数ｃ１，ｃ２，ｃ３の組合せである。

流体は、差圧ΔＰの計測時に柱状部材５に衝突して流れを変更される。この時の柱状部材５の形状によって、粘性項及び慣性項のパラメータが変化する。具体的には、円形のように柱状部材５の幅ｄが大きくなると慣性力が大きくなる。一方、楕円形のように流下方向の柱状部材５の長さＬを長くするほど粘性力が大きくなるが、長さＬが長すぎると、乱流境界層へと遷移し、渦の過渡特性の影響を受ける。

式１に示す流量計算式の流量Ｑを変数とする一次の項である粘性項は、柱状部材５の流れ方向Ｘの長さＬに比例するので、流量計算式の傾きＮは、Ｎ＝２×ｃ２×ρ×Ｑ＋ｃ１’×η×Ｌとなる。従って、特に、流量Ｑが小さい（差圧ΔＰが小さい）場合は、Ｎ＝ｃ１’×η×Ｌと近似できるので、長さＬが流量計算式の傾きＮにおいて支配的となる。そのため、長さＬを増加させると傾きＮが大きくなり、差圧ΔＰが小さい場合の流量Ｑの計算精度が向上する。

また、流量計算式の二次の項である慣性項は、柱状部材５の流れ方向Ｘの断面積に比例するので、柱状部材５の幅ｄが減少すると、流量計算式の傾きＮにおいて、長さＬがより支配的となる。また、柱状部材の幅ｄを減少させると、流れ方向Ｘに直交する断面において、柱状部材５が占める面積が小さいため、圧力損失を軽減することができる。

ところで、柱状部材５の外周面５０ａ近傍には、流れ方向Ｘに沿って流体による境界層が形成される。この境界層は、流体の流量Ｑが小さい場合は、層流よりなる層流境界層となり、流量Ｑが大きい場合は、乱流よりなる乱流境界層となる。さらに、層流境界層では、図４に示すように、流量Ｑが小さい時は外周面５０ａに沿う流れＲとなるが、流量Ｑが大きくなると外周面５０ａから剥離する流れＲ’となる。すなわち、流量Ｑが大きくなるにつれて、剥離しない層流境界層（流れＲ）から、剥離する層流境界層（流れＲ’）、さらに遷移領域を経て、乱流境界層となる。ただし、境界層の状態が変化する流量Ｑは、柱状部材５の形状によっても異なり、幅ｄが大きいと層流境界層の流れＲが剥離した流れＲ’と変化しやすく、長さＬが長いと流れＲから剥離した流れＲ’に変化しにくい。また、層流境界層で剥離した流れＲ’が生じた場合、その地点から下流ＤＳの柱状部材５では圧力が低下する（負圧となる）。

次に、本実施形態の流量計測装置１を用いて流体の流量Ｑを計測する手順を説明する。
まず、既知の異なる流量Ｑを管体４に流し、流量Ｑに対応する差圧ΔＰを計測器３にて複数回計測し、流量Ｑに対する差圧ΔＰの全データ群Ａを取得する。

次に、例えば、仮基準流量Ｑ’’及びそれに対する仮基準差圧ΔＰ’’を決定し、全データ群Ａの内、基準流量Ｑ’及び基準差圧ΔＰ’より小さい範囲に位置するデータを小データ群Ａ１とし、これ以外のデータを大データ群Ａ２とする。そして、図６に示すように、小データ群Ａ１を用いてパラメータセットＢ１＝（ｃ１１，ｃ１２，ｃ１３）を生成し、大データ群Ａ２を用いてパラメータセットＢ２＝（ｃ２１，ｃ２２，ｃ２３）を生成する。さらに、各パラメータセットＢ１，Ｂ２により各データの流量を算出し、実際の流量と比較する。この仮基準流量Ｑ’’及び仮基準差圧ΔＰ’’を変化させて、実際の流量とパラメータセットＢ１，Ｂ２を用いて算出した流量との一致率が最も高くなる仮基準差圧ΔＰ’’を基準差圧ΔＰ’とする。

パラメータセットＢ１，Ｂ２を生成した後、実際の呼吸の測定に際して、被験者は、管体４の第一端部４ａから管体４の第二端部４ｂへ呼気を送り込む。その際、第一，二測定孔５１ａ，５１ｂで呼気の差圧ΔＰを圧力センサ２１が計測する。計測された差圧ΔＰは、第一通信部２３及び第二通信部３１で送受信され、データ処理部３２に入力される。そして、差圧判定部３５が、パラメータ生成部３４で生成された基準差圧ΔＰ’と計測された差圧ΔＰとの大小関係を比較する。差圧判定部３５は、差圧ΔＰが基準差圧ΔＰ’よりも小さい場合はパラメータセットＢ１を選択し、差圧ΔＰが基準差圧ΔＰ’よりも大きい場合はパラメータセットＢ２を選択する。

そして、流量算出部３５が、選択されたパラメータセットＢ及び計測された差圧ΔＰを流量計算式に代入して流量Ｑを算出する。算出された流量Ｑは記憶部３７に記憶されると共に、表示部３３にて表示される。ここで、流量計測装置１の柱状部材５は双方向性を有するので、呼気のみならず吸気も同様に測定できる。すなわち、１つの流量計測装置１で設定等を変更することなく、呼気及び吸気の双方を計測することができる。なお、表示部３３に表示される流量Ｑは、どのような形態で表示されてもよく、例えば、横軸を時間とし縦軸を流量Ｑとした時間遷移グラフや、測定開始時からの積算流量として表示されてもよい。

ここで、発明者らは、本願発明の有効性を確かめるべく、全データ群Ａを用いて１組のパラメータセットＢのみで差圧ΔＰを計算した場合と、二つのパラメータセットＢ１，Ｂ２を用いて差圧ΔＰを計算した場合を比較した。その結果を図７に示す。

図７に示すように、パラメータセットＢ（図中の記号×）では、特に、流量Ｑが小さい領域において、計測された差圧ΔＰと計算された差圧ΔＰとの一致率が非常に低いことがわかる。これは、流体が、管体４を流れる慣性力が支配的なポテンシャル流れとは異なり、柱状部材５の第一，二測定孔部５１ａ，５１ｂ近傍では、慣性力よりも粘性力が支配的な境界層であるためと考えられる。ここで、流量Ｑが小さい場合、流れＲはほぼ剥離しておらず、流量Ｑが大きくなるにつれて、剥離した流れＲ’が発生する。この剥離の有無によって、流量計算式において粘性力と慣性力との支配度が大きく変化すると考えられるので、１組のパラメータセットＢのみで流体の流れの各状況に応じて精度よく流量を算出するのは限界がある。

一方で、基準差圧ΔＰ’を境界として、流量計算式に適用するパラメータセットＢ１，Ｂ２を選択可能とした場合は、図７に示すように流量Ｑが小さい（パラメータＢ１を用いた結果を図中の記号△で示す）領域においても、計測された差圧ΔＰと計算された差圧ΔＰとの一致率が高いことがわかる。また、それよりも流量Ｑが大きい領域（パラメータＢ２を用いた結果を図中の記号□で示す）においても、計算された差圧ΔＰと計算された差圧ΔＰとの一致率が高いことがわかる。このように、基準差圧ΔＰ’により流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットＢを２組生成し、計測された差圧に応じてパラメータセットを選択可能にしたことで、乱流のみならず、流量Ｑが小さい層流領域や遷移領域においても精度良く差圧ΔＰから流量Ｑを算出することが可能である。

最後に、本発明の他の実施形態の可能性について言及する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記実施形態において、柱状部材５の先端５３が管内面４１ａに当接（管内面４１ａに接触または管内面４１ａに固着）するようにした。しかし、柱状部材５はこれに限られるものではなく、先端５３を管内面４１ａに当接させる必要はない。柱状部材５の管内部４０における延在方向Ｙの長さＬ２は、管体４の直径Ｄよりも小であってもよい。例えば、図８に示すように、管体４の直径Ｄの半分（半径）より若干長い程度の長さでもよい。先端５３’と管内面４１ａとの間に隙間Ｇ２を形成することで、柱状部材５’の流体から受ける圧力が減少するので、圧力損失を減少させることができ、耐久性も向上する。但し、係る場合、第一、二測定孔５１ａ，５１ｂの位置を管体４の軸中心近辺とすることが望ましい。これにより、計測精度の低下も回避できる

上記実施形態において、柱状部材５の上流側ＵＳに第一受圧部としての第一測定孔５１’ａを設けると共に下流側ＤＳに第二受圧部としての第二測定孔５１’ｂを設け、第一、第二測定孔５１’ａ，５１’ｂの差圧ΔＰを測定した。しかし、図９，１０に示す如き流量計においても、基準差圧を求めると共に基準差圧を境に上記式１の流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成し、計測対象の流体の計測された差圧と基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択し、流量を算出することも可能である。

図９に示す流量計の場合、流体の流れ方向Ｘに直交する方向Ｚに延在し、流路４０を塞がない柱状部材としてのピトー管６０を備える。第一受圧部としては、管体４の管壁４１に設けた第一開口６１ａである。ピトー管６０は、第一開口６１ａよりも流れ方向Ｘの下流側ＤＳに位置する。第二受圧部としては、ピトー管６０の下流側ＤＳに設けた第二開口６１ｂである。

また、図１０に示す流量計の場合、管体４は、管壁４１に管路を縮小させ、小開口７０ａを有するオリフィス７０を備える。第一受圧部としては、オリフィス７０よりも流体の流れ方向Ｘの上流側ＵＳの管壁４１に設けた第一開口７１ａである。第二受圧部としては、オリフィス７０よりも流体の流れ方向Ｘの下流側ＤＳの管壁４１に設けた第二開口７１ｂである。ただし、図９，１０の例では、ピトー管６０及びオリフィス７０の流れ方向Ｘの前後に必要となる直管部が長くなり、柱状部材５の前後の直管部を短くできる上記実施形態は計測装置の適用可能箇所（範囲）が広くなる点で優れている。

また、上記実施形態において、計測器２及び処理機３に通信部を設けて別体で構成したが、一体にしても構わない。例えば、計測器２自体にデータ処理部３２や表示部３３等を設けることも可能である。

上記実施形態において、流体として呼吸を例に説明した。しかし、流体は呼吸に限られるものではなく、例えば、病室の壁に備え付けの入院患者への酸素等の医療用ガスであってもよい。もちろん、医療用ガスに限らず、他の気体や液体にも適用可能である。さらに、既設の管に流れる流量を計測する場合、管に穴を開けて測定器に備わる柱状部材を挿入してもよく、既設の管を切断して柱状部材を備える管を接続してもよい。

本発明は、呼吸に伴う流量（肺活量）のみならず、種々のガスや、液体の流量を計測する流量計測装置及び流量計測方法として利用することができる。

１：流量測定装置、２：計測器、３：処理機、４：管体（円管）、４ａ：第一端部（導入部）、４ｂ：第二端部（開放部）、５：柱状部材、２０：筐体、２１：圧力センサ、２２：Ａ／Ｄ変換器、２３：第一通信部（送信部）、３１：第二通信部（受信部）、３２：データ処理部、３３：表示部、３４：パラメータ生成部、３５：差圧判定部、３６：流量算出部、３７：記憶部、４０：管内部（流路）、４１：管壁、４１ａ：管内面、４２：中心軸（管軸）、５０：本体部、５０ａ：外周面、５１：受圧部（測定孔）、５１ａ：第一受圧部（第一測定孔）、５１ｂ：第二受圧部（第二測定孔）、５２：連通路、５２ａ：第一連通路、５２ｂ：第二連通路、６０：ピトー管、６１ａ：第一開口、６１ｂ：第二開口、７０：オリフィス、７１ａ：第一開口、７１ｂ：第二開口、Ａ：全データ群、Ａ１：小データ群、Ａ２：大データ群、Ｂ：パラメータセット、ΔＰ：差圧、ΔＰ’：基準差圧、Ｒ：剥離しない流れ、Ｒ’：剥離した流れ、Ｘ：流れ方向（管軸方向）、Ｙ：直交方向（管径方向）、Ｚ：延在方向、ＵＳ：上流側、ＤＳ：下流側、Ｓ１〜Ｓ３：第一〜第三平面

本発明は、流量計測装置に関する。さらに詳しくは、流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測する計測器を備え、計測された差圧から前記流体の流量を算出する流量計測装置に関する。

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能な流量計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る流量計測装置の特徴は、流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測する計測器を備え、計測された差圧から前記流体の流量を算出する構成において、前記管体は、その内部に前記流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材を備え、前記第一受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の上流側に設けた第一測定孔であり、前記第二受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の下流側に設けた第二測定孔であり、前記柱状部材は、前記管体の中心軸に直交し且つ前記柱状部材の前記流れ方向に沿う長さの中心を通る第一平面に対し線対称となる流線形状を呈し、前記第一測定孔と前記第二測定孔とは前記第一平面に対し対称に配置されているとよい。管体の内部に流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材が、流れ方向に沿う長さの中心を通る第一平面に対し線対称となる流線形状を呈するので、この流線形状に沿って流れる流体によって層流や乱流が生じる。そして、柱状部材には、流れ方向の上流側に第一受圧部として第一測定孔と下流側に第二受圧部として第二測定孔とが第一平面に対し線対称に配置されている。これにより、柱状部材は、流体の流れ方向に対して双方向性を有するので、流れ方向に対応してパラメータを設定しなおす必要がない。よって、流体の流れ方向が逆になった場合でも、柱状部材による流体の変化（速度や圧力変化等）の分布も同様に、第一平面に対して対称となるので、流体の流れ方向を問わず、同じパラメータセットを用いて流量を計測することができる。

上記本発明に係る流量計測装置の特徴によれば、乱流領域のみならず層流領域から遷移領域においても精度良く流量を計測することが可能となった。

Claims (12)

1. 流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測する計測器と、計測された差圧から前記流体の流量を算出する処理機とを備える流量計測装置であって、
   前記処理機は、複数の既知の流量と前記複数の既知の流量に対する計測された差圧から下記式１の流量計算式における基準差圧を求めると共に、前記基準差圧を境に前記流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成するパラメータ生成部と、
   計測対象の流体の計測された差圧と前記基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択する差圧判定部と、
   選択されたパラメータセット及び前記計測された差圧を前記流量計算式に代入して前記流体の流量を算出する流量算出部とを有する流量計測装置。
   （式１）ΔＰ＝ｃ１×η×Ｑ＋ｃ２×ρ×Ｑ²＋ｃ３
   （Ｑ：流量、ΔＰ：差圧、η：動粘度係数、ρ：密度、ｃ１〜ｃ３：係数）
2. 前記管体は、その内部に前記流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材を備え、前記第一受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の上流側に設けた第一測定孔であり、前記第二受圧部は、前記柱状部材の前記流れ方向の下流側に設けた第二測定孔であり、前記柱状部材は、前記管体の中心軸に直交し且つ前記柱状部材の前記流れ方向に沿う長さの中心を通る第一平面に対し線対称となる流線形状を呈し、前記第一測定孔と前記第二測定孔とは、前記第一平面に対し線対称に配置されている請求項１記載の流量計測装置。
3. 前記柱状部材は、前記管体の中心軸を含み且つ前記柱状部材の延在方向に平行な第二平面に対し線対称である請求項１又は２記載の流量計測装置。
4. 前記柱状部材は、前記第一平面及び前記第二平面に直交する第三平面上に投影される形状が下記式２及び式３で定義される外周面を有する請求項３記載の流量計測装置。
   （式２）Ｌ＝２（Ｋ＋ｒ）
   （式３）ｄ＝２（Ｋ（１／ｃｏｓθ−ｔａｎθ）＋ｒ）
   （Ｏ：原点、ｄ：柱状部材の幅、Ｌ：柱状部材の流れ方向の長さ、ｒ：原点Ｏから流れ方向に±Ｋ離れた点ａを中心した円弧の半径、θ：円弧の中心角／２）
5. 前記柱状部材の前記管体内部における延在方向の長さは、前記管体の直径よりも小である請求項２〜４のいずれかに記載の流量計測装置。
6. 前記第一測定孔及び前記第二測定孔は、前記管体の中心軸上に位置する請求項２〜５のいずれかに記載の流量計測装置。
7. 前記柱状部材は中実であり、前記第一測定孔及び前記第二測定孔のそれぞれに連通する管状の連通路が形成されている請求項２〜６のいずれかに記載の流量計測装置。
8. 前記流体は、呼吸である請求項１〜７のいずれかに記載の流量計測装置。
9. 前記流体は、医療用ガスである請求項１〜７のいずれかに記載の流量計測装置。
10. 前記流体の流れ方向に直交する方向に延在する柱状部材をさらに備え、前記第一受圧部は、前記管体の管壁に設けた第一開口であり、前記柱状部材は、前記第一開口よりも前記流れ方向の下流側に位置し、前記第二受圧部は、前記柱状部材の前記下流側に設けた第二開口である請求項１記載の流量計測装置。
11. 前記管体は、管壁に管路を縮小させるオリフィスを備え、前記第一受圧部は、前記オリフィスよりも前記流体の流れ方向の上流側の前記管壁に設けた第一開口であり、前記第二受圧部は、前記オリフィスよりも前記流体の流れ方向の下流側の前記管壁に設けた第二開口である請求項１記載の流量計測装置。
12. 流体が流れる管体の第一受圧部における第一圧力と前記管体の第二受圧部における第二圧力との差圧を計測し、計測した差圧から前記流体の流量を算出する流量計測方法であって、
    既知の流量の流体を前記管体に流し、
    複数の既知の流量と前記複数の既知の流量に対する計測された差圧から下記式４の流量計算式における基準差圧を求めると共に、前記基準差圧を境に前記流量計算式の係数ｃ１〜ｃ３を含むパラメータセットを２組生成し、
    計測対象の流体を前記管体に流し、
    前記測定対象の流体の計測された差圧と前記基準差圧とを比較して生成された２組のパラメータセットのいずれかを選択し、
    選択されたパラメータセット及び前記計測された差圧を前記流量計算式に代入して前記流体の流量を算出する流量計測方法。
    （式４）ΔＰ＝ｃ１×η×Ｑ＋ｃ２×ρ×Ｑ²＋ｃ３
    （Ｑ：流量、ΔＰ：差圧、η：動粘度係数、ρ：密度、ｃ１〜ｃ３：係数）

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