JP2021117033A

JP2021117033A - 差圧式流量計

Info

Publication number: JP2021117033A
Application number: JP2020008929A
Authority: JP
Inventors: 興仁結城; Koji Yuki
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-08-10
Also published as: US20210231474A1; KR20210095568A; CN113155207A

Abstract

【課題】流量計測誤差を低減する。【解決手段】差圧式流量計は、配管１と、配管１内に配置された層流素子２と、層流素子２よりも上流側の流体の絶対圧Ｐ１と下流側の流体の絶対圧Ｐ２との差圧ΔＰを計測する差圧センサ３と、絶対圧Ｐ２を計測する絶対圧センサ４と、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰと絶対圧センサ４によって計測された絶対圧Ｐ２とに基づいて、流体の流量を算出する流量算出部８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、層流型流量計などの差圧式流量計に関するものである。

層流型流量計は、配管内を流体が層流状態で流れた場合に流体の移動に伴う圧力降下が体積流量に比例する現象を利用した流量計である（特許文献１、特許文献２参照）。層流素子を通過する流体と発生する差圧ΔＰとの関係は一般的に以下の式で表される。
Ｑｍ＝ΔＰ×π×ｄ⁴×ρ／（１２８×μ×Ｌ）・・・（１）

式（１）において、Ｑｍは質量流量、ｄは層流素子の流路径、Ｌは層流素子の流路長、μは流体の粘性係数、ρは流体の密度である。
層流型流量計では、図９に示すように、層流素子１００の上流および下流に絶対圧センサ１０１，１０２を配置し、流体が層流素子１００を通過する際の差圧ΔＰを、絶対圧センサ１０１によって計測される絶対圧Ｐ１と絶対圧センサ１０２によって計測される絶対圧Ｐ２との差分（Ｐ１−Ｐ２）により算出する。

層流素子としては、金属薄板を積層した方式が広く使用されている。この方式の層流素子は、エッチング加工などで流路用の開口部を形成した金属薄板の上下に別の金属薄板を積層することで矩形断面の流路を形成することができる。この層流素子においては、金属薄板の厚みに流路高さが依存するため、一般的な加工に比較して均一な高さの流路を作製し易い、という特徴がある。また、金属薄板で形成した流路の積層枚数を変更することで流量レンジの調整が容易である。

図９に示した層流型流量計では、２つの絶対圧センサ１０１，１０２を使用するために、個々の絶対圧センサ１０１，１０２の特性のばらつきにより流量計測誤差が発生するという問題点があった。即ち、絶対圧Ｐ１，Ｐ２の計測誤差をそれぞれｐ１，ｐ２とすると、差圧ΔＰの計測誤差ｐ３は以下のように二乗和で表され、絶対圧センサ１０１，１０２それぞれの計測誤差が流量計測精度に大きく影響を与えることが分かる。

以上の問題点は、層流型流量計に限らず、差圧生成機構としてオリフィス板、ピトー管などを用いる差圧式流量計において同様に発生する。

特許第４９８７９７７号公報特開２０１５−３４７６２号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、流量計測誤差を低減することができる差圧式流量計を提供することを目的とする。

本発明の差圧式流量計は、計測対象の流体を流通させる配管と、前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる差圧生成機構と、前記差圧生成機構よりも上流側の前記流体の第１の絶対圧と下流側の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、前記第２の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の差圧式流量計は、計測対象の流体を流通させる配管と、前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる層流素子と、前記層流素子内の入口付近の前記流体の第１の絶対圧と前記層流素子内の出口付近の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、前記第２の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、前記層流素子は、入口付近に設けられた前記第１の絶対圧の取り出しポートと、出口付近に設けられた前記第２の絶対圧の取り出しポートとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の差圧式流量計の１構成例において、前記層流素子は、第１の薄板と第２の薄板とを交互に、前記流体の流通方向と直交する方向に積層した構造からなり、複数枚の前記第１の薄板は、それぞれ前記流体の流路が形成され、複数枚の前記第２の薄板は、それぞれ前記流路の入口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第１の貫通孔と、前記流路の出口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第２の貫通孔とを備え、前記第１の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第１の貫通孔と連通するように設けられ、前記第２の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第２の貫通孔と連通するように設けられることを特徴とするものである。
また、本発明の差圧式流量計の１構成例において、前記流量算出部は、第２の絶対圧毎に予め用意された流量変換式のうち、前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧に対応する流量変換式を用いて、前記差圧センサによって計測された差圧から前記流体の流量を算出することを特徴とするものである。

また、本発明の差圧式流量計は、計測対象の流体を流通させる配管と、前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる差圧生成機構と、前記差圧生成機構よりも上流側の前記流体の第１の絶対圧と下流側の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、前記第１の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の差圧式流量計は、計測対象の流体を流通させる配管と、前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる層流素子と、前記層流素子内の入口付近の前記流体の第１の絶対圧と前記層流素子内の出口付近の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、前記第１の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、前記層流素子は、入口付近に設けられた前記第１の絶対圧の取り出しポートと、出口付近に設けられた前記第２の絶対圧の取り出しポートとを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の差圧式流量計の１構成例において、前記流量算出部は、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧との差分により前記第２の絶対圧を算出し、第２の絶対圧毎に予め用意された流量変換式のうち、前記算出した第２の絶対圧に対応する流量変換式を用いて、前記差圧センサによって計測された差圧から前記流体の流量を算出することを特徴とするものである。

本発明によれば、差圧生成機構よりも上流側の流体の第１の絶対圧と下流側の流体の第２の絶対圧との差圧を１つの差圧センサで計測することにより、流量計測誤差を低減することができる。また、本発明では、差圧センサに加えて、第２の絶対圧または第１の絶対圧を計測する絶対圧センサを用いることにより、流体の流量をより正確に算出することができる。

また、本発明では、差圧生成機構として、入口付近の第１の絶対圧の取り出しポートと出口付近の第２の絶対圧の取り出しポートとを備える層流素子を用いることにより、層流素子の入口圧損及び出口圧損の影響を受けずに、第１の絶対圧または第２の絶対圧と差圧とを計測することが可能となり、より正確な流量計測を行うことが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る層流型流量計の構成を示す図である。図２は、層流型流量計において下流側の流体の圧力を変化させたときの流体の流量と、上流側と下流側の流体の差圧との関係の１例を示す図である。図３は、本発明の第１の実施例に係る層流型流量計の層流素子の分解斜視図である。図４は、本発明の第１の実施例に係る層流型流量計の層流素子の斜視図である。図５は、本発明の第１の実施例に係る層流型流量計の別の構成を示す図である。図６は、本発明の第２の実施例に係る層流型流量計の構成を示す図である。図７は、本発明の第２の実施例に係る層流型流量計の別の構成を示す図である。図８は、本発明の第１、第２の実施例に係る層流型流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。図９は、従来の層流型流量計の構成を示す図である。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る層流型流量計（差圧式流量計）の構成を示す図である。層流型流量計は、計測対象の流体を流通させる配管１と、配管１内に設置され、上流側の流体と下流側の流体とに差圧を発生させる差圧生成機構である層流素子２と、層流素子２よりも上流側の流体の絶対圧Ｐ１と下流側の流体の絶対圧Ｐ２との差圧ΔＰを計測する差圧センサ３と、絶対圧Ｐ２を計測する絶対圧センサ４と、差圧センサ３に流体を導く導管５，６と、絶対圧センサ４に流体を導く導管７と、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰと絶対圧センサ４によって計測された絶対圧Ｐ２とに基づいて流体の流量を算出する流量算出部８とを備えている。
差圧センサ３と絶対圧センサ４としては、例えば半導体ピエゾ抵抗式の圧力センサや、静電容量式の圧力センサなどがある。

本実施例では、層流素子２で発生する流体の差圧ΔＰを１つの差圧センサ３で計測することにより、従来のように絶対圧センサを２個使用する場合と比較して流量計測誤差を低減することが可能である。
また、層流素子２よりも下流側の流体の圧力変化によって流体の粘性及び密度が変化するため、流量と差圧ΔＰとの関係は例えば図２のように変化する。そのため、下流側の流体の絶対圧Ｐ２を絶対圧センサ４で正確に計測することで流量と差圧ΔＰの関係を正確に算出することが可能となる。図２の２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７は、それぞれ絶対圧Ｐ２が１ｋＰａＡ、５ｋＰａＡ、１０ｋＰａＡ、２０ｋＰａＡ、４０ｋＰａＡ、６０ｋＰａＡ、８０ｋＰａＡ、１００ｋＰａＡのときの流量と差圧ΔＰとの関係を示している。

本実施例の流量算出部８には、差圧ΔＰを流量Ｑに変換するための流量変換式が、下流側の流体の絶対圧Ｐ２毎に予め登録されている。流量算出部８は、絶対圧センサ４によって計測された絶対圧Ｐ２に対応する流量変換式を用いて、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰから流体の流量Ｑの値を算出する。式（１）に示したとおり、差圧ΔＰから質量流量Ｑｍを算出することができるので、質量流量Ｑｍから流量Ｑ（体積流量）を求めることが可能である。絶対圧Ｐ２毎の流量変換式は、例えば式中に含まれる粘性係数および密度の値が、絶対圧Ｐ２に対応して個別に変更された式となる。
こうして、本実施例では、差圧ΔＰを１つの差圧センサ３で計測することにより、層流型流量計の流量計測誤差を低減することができる。

本実施例では、配管１を流れる流体を導管５〜７を介して差圧センサ３と絶対圧センサ４とに導く必要があるが、層流素子２の入口圧損及び出口圧損があるために、流量計測の精度が低下する可能性がある。
そこで、以下のような層流素子を用いることで、より正確な流量計測を行うようにしてもよい。

図３は層流素子２の分解斜視図である。ここでは、流体の流通方向をＸ方向、後述する金属薄板の積層方向をＺ方向、Ｘ方向およびＺ方向と直交する方向をＹ方向としている。図３において、２０，２１は例えばステンレス等からなる大きさが互いに等しい矩形の金属薄板である。金属薄板２０（第１の薄板）には、流路用の矩形の開口部２２が形成されている。金属薄板２１（第２の薄板）には、流体の流通方向（Ｘ方向）の両端部近傍に、裏面から表面まで金属薄板２１を貫く貫通孔２３，２４が形成されている。ただし、後述のように金属薄板２０，２１を交互に積層したときに最も下層になる金属薄板２１には貫通孔２３，２４を形成しない。

このような金属薄板２０，２１を複数枚、交互に重ね合わせて、隣接する金属薄板２０，２１同士を例えばろう付けによって固定する。そして、金属薄板２０，２１を積層した構造を、開口部２２の両端部よりやや内側の位置で切断する。図３の３０，３１は切断位置を示している。これにより、図４に示すような層流素子２の構造が完成する。上記の切断により、各金属薄板２０には、流体の流通方向（Ｘ方向）の両端が開口した矩形断面の空間が形成される。この空間が流路２５となる。すなわち、層流素子２には複数の流路２５が形成される。

また、最下層の金属薄板２１を除く各金属薄板２１に貫通孔２３を形成したことにより、貫通孔２３は、流路２５の入口付近の部分と連通するように配置されることになる。また、貫通孔２４は、流路２５の出口付近の部分と連通するように配置されることになる。
そして、積層方向の最外側（図４の例では最上層）にある金属薄板２１には、貫通孔２３と連通するように絶対圧Ｐ１の取り出しポート２６が取り付けられ、貫通孔２４と連通するように絶対圧Ｐ２の取り出しポート２７が取り付けられている。

図４の層流素子２を適用した場合の層流型流量計の構成を図５に示す。層流素子２の入口側の取り出しポート２６には導管５ａが接続され、出口側の取り出しポート２７には導管６ａが接続される。導管５ａは、層流素子２内の入口付近の流体を差圧センサ３に導く。導管６ａは、層流素子２内の出口付近の流体を差圧センサ３と絶対圧センサ４とに導く。

こうして、図４、図５に示した構成では、層流素子２内の入口付近の流体の圧力Ｐ１と、層流素子２内の出口付近の流体の圧力Ｐ２とを取り出すことが可能になるため、層流素子２の入口圧損及び出口圧損の影響を受けずに、差圧ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２と絶対圧Ｐ２とを計測することが可能となり、より正確な流量計測を行うことが可能となる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は本発明の第２の実施例に係る層流型流量計（差圧式流量計）の構成を示す図である。本実施例の層流型流量計は、配管１と、層流素子２と、差圧センサ３と、層流素子２よりも上流側の流体の絶対圧Ｐ１を計測する絶対圧センサ９と、導管５，６と、絶対圧センサ９に流体を導く導管１０と、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰと絶対圧センサ９によって計測された絶対圧Ｐ１とに基づいて流体の流量を算出する流量算出部８ａとを備えている。
絶対圧センサ４と同様に、絶対圧センサ９としては、例えば半導体ピエゾ抵抗式の圧力センサや、静電容量式の圧力センサなどがある。

本実施例の流量算出部８ａは、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰと絶対圧センサ９によって計測された絶対圧Ｐ１との差分により、層流素子２よりも下流側の流体の絶対圧Ｐ２を算出する。
Ｐ２＝ΔＰ−Ｐ１・・・（３）

第１の実施例と同様に、流量算出部８ａには、差圧ΔＰを流量Ｑに変換するための流量変換式が、下流側の流体の絶対圧Ｐ２毎に予め登録されている。流量算出部８ａは、算出した絶対圧Ｐ２に対応する流量変換式を用いて、差圧センサ３によって計測された差圧ΔＰから流体の流量Ｑの値を算出する。

こうして、本実施例では、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。ただし、絶対圧Ｐ１の計測誤差が発生するため、下流側の絶対圧Ｐ２を直接計測する第１の実施例の方が望ましい効果を得ることができる。

図４で説明した層流素子２を本実施例に適用した場合の層流型流量計の構成を図７に示す。層流素子２の入口側の取り出しポート２６には導管５ｂが接続され、出口側の取り出しポート２７には導管６ｂが接続される。導管５ｂは、層流素子２内の入口付近の流体を差圧センサ３と絶対圧センサ９とに導く。導管６ｂは、層流素子２内の出口付近の流体を差圧センサ３に導く。

こうして、図７に示した構成では、図４で説明した層流素子２を用いることにより、層流素子２の入口圧損及び出口圧損の影響を受けずに、差圧ΔＰと絶対圧Ｐ１とを計測することが可能となり、より正確な流量計測を行うことが可能となる。

第１、第２の実施例では、差圧生成機構として層流素子２を用いているが、オリフィス板、ピトー管などの他の差圧生成機構を用いてもよい。
ただし、図５、図７に示した構成では、図４で説明した層流素子２が必要になることは言うまでもない。

第１、第２の実施例で説明した流量算出部８，８ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図８に示す。コンピュータは、ＣＰＵ３００と、記憶装置３０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）３０２とを備えている。Ｉ／Ｆ３０２には、センサ３，４，９の回路等が接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量計測方法を実現させるためのプログラムは記憶装置３０１に格納される。ＣＰＵ３００は、記憶装置３０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、差圧式流量計に適用することができる。

１…配管、２…層流素子、３…差圧センサ、４，９…絶対圧センサ、５，５ａ，５ｂ，６，６ａ，６ｂ，７，１０…導管、８，８ａ…流量算出部、２０，２１…金属薄板、２３，２４…貫通孔、２５…流路、２６，２７…取り出しポート。

Claims

計測対象の流体を流通させる配管と、
前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる差圧生成機構と、
前記差圧生成機構よりも上流側の前記流体の第１の絶対圧と下流側の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、
前記第２の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、
前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とする差圧式流量計。
計測対象の流体を流通させる配管と、
前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる層流素子と、
前記層流素子内の入口付近の前記流体の第１の絶対圧と前記層流素子内の出口付近の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、
前記第２の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、
前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、
前記層流素子は、入口付近に設けられた前記第１の絶対圧の取り出しポートと、出口付近に設けられた前記第２の絶対圧の取り出しポートとを備えることを特徴とする差圧式流量計。
請求項２記載の差圧式流量計において、
前記層流素子は、
第１の薄板と第２の薄板とを交互に、前記流体の流通方向と直交する方向に積層した構造からなり、
複数枚の前記第１の薄板は、それぞれ前記流体の流路が形成され、
複数枚の前記第２の薄板は、それぞれ前記流路の入口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第１の貫通孔と、前記流路の出口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第２の貫通孔とを備え、
前記第１の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第１の貫通孔と連通するように設けられ、
前記第２の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第２の貫通孔と連通するように設けられることを特徴とする差圧式流量計。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の差圧式流量計において、
前記流量算出部は、第２の絶対圧毎に予め用意された流量変換式のうち、前記絶対圧センサによって計測された第２の絶対圧に対応する流量変換式を用いて、前記差圧センサによって計測された差圧から前記流体の流量を算出することを特徴とする差圧式流量計。
計測対象の流体を流通させる配管と、
前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる差圧生成機構と、
前記差圧生成機構よりも上流側の前記流体の第１の絶対圧と下流側の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、
前記第１の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、
前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とする差圧式流量計。
計測対象の流体を流通させる配管と、
前記配管内に設置され、上流側の前記流体と下流側の前記流体とに差圧を発生させる層流素子と、
前記層流素子内の入口付近の前記流体の第１の絶対圧と前記層流素子内の出口付近の前記流体の第２の絶対圧との差圧を計測するように構成された差圧センサと、
前記第１の絶対圧を計測するように構成された絶対圧センサと、
前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧とに基づいて、前記流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備え、
前記層流素子は、入口付近に設けられた前記第１の絶対圧の取り出しポートと、出口付近に設けられた前記第２の絶対圧の取り出しポートとを備えることを特徴とする差圧式流量計。
請求項６記載の差圧式流量計において、
前記層流素子は、
第１の薄板と第２の薄板とを交互に、前記流体の流通方向と直交する方向に積層した構造からなり、
複数枚の前記第１の薄板は、それぞれ前記流体の流路が形成され、
複数枚の前記第２の薄板は、それぞれ前記流路の入口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第１の貫通孔と、前記流路の出口付近の部分と連通する位置に裏面から表面まで第２の薄板を貫くように形成された第２の貫通孔とを備え、
前記第１の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第１の貫通孔と連通するように設けられ、
前記第２の絶対圧の取り出しポートは、積層方向の最外側にある前記第２の薄板の前記第２の貫通孔と連通するように設けられることを特徴とする差圧式流量計。
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の差圧式流量計において、
前記流量算出部は、前記差圧センサによって計測された差圧と前記絶対圧センサによって計測された第１の絶対圧との差分により前記第２の絶対圧を算出し、第２の絶対圧毎に予め用意された流量変換式のうち、前記算出した第２の絶対圧に対応する流量変換式を用いて、前記差圧センサによって計測された差圧から前記流体の流量を算出することを特徴とする差圧式流量計。