JP2860130B2

JP2860130B2 - 流量計

Info

Publication number: JP2860130B2
Application number: JP2023598A
Authority: JP
Inventors: マイケル・ラングレイ・サンダーソン; ジョン・ライマー・ヘリティジ
Original assignee: SEBAAN TORENTO UOOTAA Ltd
Current assignee: SEBAAN TORENTO UOOTAA Ltd
Priority date: 1989-02-01
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH02234022A; PT93035A; CA2009133A1; GB8902173D0; WO1992002785A1; AU622755B2; PT93035B; NO900448D0; NO173900C; NO900448L; HU9300223D0; CA2009133C; ES2043266T3; AU4890790A; NO173900B; US5063786A; DE69002249T2; DK0381344T3; EP0381344B1; DE69002249D1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は流体振動器の原理に基き作動する流体の流量
を測る流量計に関する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）周知のように流体振動器の振動周波数は（必ずしも線
形的ではないが）振動器の内部を通過する流体の流量に
相関を有する。このため流体が液体又は気体であるかを
問わず、流体振動器を流量測定の基礎とすることが行わ
れている。しかし特に広範な測定領域全てに亘って誤差
１〜２％の精度を求められる場合、及び、流体圧が実質
的に変動する場合にはその要求を満たすことは決して容
易なことではない。

過去に提案された振動検出の１方法は、圧力センサ又
は温度センサを用いることであった。圧力センサは電磁
的に、例えば流路中に設けられた係留球の振動や二流路
間に設けられたスロットの動きに対応して、作動する。

流量計を水道の流量計として用いる場合、200〜１の
広範なターンダウン比（turndown ratio:流量倍率）の
全領域に亘って測定精度を維持せねばならない要求が存
在する。そのような場合、流速が200〜１に対応する全
領域で変化すると、圧力変動は流量と同じ領域で発生
し、検出される圧力の変化は40000〜１の範囲に亙る。
単独の圧力センサを用いてそのような広範な圧力検出領
域全体で精度を維持することはほとんど不可能に近い。

従って振動の検出には、圧力変動に応答する手段では
なく、信号の振幅が流速に対応する手段であって、検知
信号の変動領域が流量の変動領域と同様の程度である手
段を用いることが望ましい。

従来技術の他の欠点は、少なくとも検知手段が電気的
なものである場合、一般的に外部からの電力供給が不可
欠なことである。

これと同時に、既存の機械的水流量計を変換したいと
いう強い要求が存在する。何故なら、それらは疲労部材
を有すると共に疲労同様に腐食作用も受け易い。また遠
隔測定の要求の高まりは、後処理に供す電気信号を発生
させるためにリードスイッチの様な電気的検出手段を別
途設置することを不可欠としている。該スイッチは外部
電源供給を伴い、更に、機械的流量計から分離し傍に並
置した電気装置の箱を伴う。

既存の機械的流量計の欠点の一つは、家庭用として用
いるとき生じやすいが、可動部分の慣性に起因して低流
量域において線形性が欠除することである。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明の目的は、最小の外部電源しか必要とせず、広
範なターンダウン領域を扱うことのできる改善された流
体振動型の流量計を提供することである。本発明の他の
目的は、複雑な修正回路や参照テーブルを必要とせずに
全領域で適切な線形性を得ることである。

本発明によれば、流体振動器型流量計内の振動は流れ
を横断して付加される磁場を適用することにより電磁気
的に、また、流体そのものより生ぜしめられる起電力
（e.m.f.）は適当に配置された一対の電極により検知さ
れる。被検知体たる流体は、当然のことながら、充分な
導電性を持たねばならないが、その程度はごく小さなも
のでよい。何故ならば検出されるのは単に電位差であっ
て、一定量の電流の発生までは要求されないからであ
る。

そのような条件を満す流体は通常の水であり、本発明
の家庭用供水流量計に適用すれば極めて有用なものであ
る。何故なら該流量計は広いターンダウン化を持つと共
に法律により測定精度を要求されているからである。本
発明の優れた利点は廉価で、保守の必要性がなく（流体
中に可動部材が無い）、最少の外部電力供給で済むとい
うことである。

起電力は電磁誘導により流れ中に発生するのであるか
ら、検出器自体には外部からの電力供給は不要であり、
結果必要となる電力は発生した信号を増幅し、後処理す
る手段で要求されるものだけとなる。

本発明の一つの形態として、少なくとも二対の電極が
設けられ、それらは信号を２倍とするためプッシュプル
状に結合される。また、それらは差動的に結合すること
により、例えば静圧変動に起因する電極上の電化学ポテ
ンシャルの変化に基づく誤差の発生を除去できる。電極
は主流路又はフィードバック流路又は両方に設置され
る。

本発明に用いられる流体振動器は基本的には周知の形
式でよいが、スプリッタとしてはナイフエッジではな
く、流れに垂直な壁の方が好ましい。何故なら、広範囲
の流量変化に対し後者の方が信頼性の高い振動を発生せ
しめるからである。

磁場は、永久磁石（外部電力の供給を要しない）で形
成されることが望ましい。また、該磁石は製造工程にお
いて、振動器のケーシングの中にモールドされることが
望ましい。磁石が樹脂結合フエライトのような電気的に
非伝導性の材料からなる場合は、磁石表面を流路壁面の
一部とすることができ、このことにより、磁石間の間隔
を最小のものとできる。

本発明の他の特徴によれば、上述の電磁的手段を用い
ない流量計にも適用可能であるが、特に低流量域におけ
る線形性が入口ノズルの断面形状を変形することにより
改善できる。断面形状は通常の矩形形状に代えて、頂部
又は底部又はその両者（ここで頂部、底部の語は振動器
を垂直方向対称面で考えた場合に定義されるものであ
る）を拡大される。該拡大はステップ状になされ、全体
の断面形状は後に詳述するがＴ字又はＩ字状となる。

（実施例）図示の実施例は、いずれも、本発明の流体振動型流量
計を家庭水道水供給管の流量計として適用したものであ
る。

第１図に示す流体振動器は基本的には周知の形態であ
り、ボディ１内には矩型端面の入口ジェット２が配され
る。入口ジェット２は、この例では流れ方向に横断的に
配された平板からなるスプリッタ５により分断される一
対の流路3,4へと連通する。

主流路から分岐したフィードバックループ6,7は、入
口ジェット１近傍の流路に対向して開口する。周知のよ
うに、流体の流れはコアンダ効果により一方の流路の壁
面に付着して流れようとするが、フィードバックループ
を戻る流体の作用によって、流れの他方の壁への切換え
が生ずる。この切換の周波数は流量に依存する。このよ
うな装置はフィードバック振動器として周知である。こ
の外の周知例として、弛張振動器（relaxation oscilla
ton）が存在する。この作動は電気的なフリーランフリ
ップフロップ又は弛張振動器と同様である。しかし弛張
振動器はフィードバック振動器と比べ安定性に欠けるの
で本発明は主としてフィードバック振動器に適用され
る。

振動器の寸法及び特性が、流量計を通過する水１ご
とに60サイクルを発生するものであるとすれば、典型例
の場合、毎分0.15lから30lの流量に対応して周波数は0.
15〜30Hzの領域で変動する。

本発明に従って計測を行うため、流路の壁面に永久磁
石を配置し、流水路を横切る磁場を形成させる。最も簡
単な実施例においては単一流路に単一の磁場を形成すれ
ば足りるが、実際には以下に述べる理由により１個以上
の磁場を形成する。

磁石8,9は各々、流路2,3の壁面の一部を形成する。磁
石8,9は両流路を横切って磁場を形成する。水流が一方
の流路から他方の流路へ切換る際、各流路内の水流の速
度が変化し、流れ及び磁場に垂直な方向に起電力が形成
される。この起電力は流路２においては一対の電極10に
より、また流路３においては一対の電極11により検知さ
れる。以上の構成配置は第３図に示される。

上記２対の電極間に発生する電圧は交流に変換するこ
とが望ましい。電極がプッシュプル回路に接続されれ
ば、倍振幅（double amplitudo）の信号が得られる。

図示の実施例においては、更に付加的な対の磁石12,1
3がフィードバックループ6,7を横切って磁場を形成する
ために設けられ、結果として得られる起電力は電極14,1
5によりピックアップされる。主流路並びにフィードバ
ックループの両者に磁石を設ける必要はなく、主流路の
代りにフィードバックループ単独でも充分であるが、両
者に磁石を設け、両者で検出される信号の大きさの比を
計測することにより少なくとも一次のオーダーまで、流
量に対応する流量計の非線形性を較正することが可能と
なる。

使用される磁石は例えば、サマリウム−コバルトのよ
うに一般的に流通しているものを用いれば良いが、焼結
磁石を用いる場合にはそれ自体が導電性を有するので生
成される起電力の短絡を防止するため磁石と流路内の水
とを絶縁することが必要となる。

流量計のボディ１が樹脂成型物である場合には、樹脂
を磁石を囲むちように成型できるので、絶縁自体には困
難性は無いが、磁石相互間の間隔が必要以上に広がるた
め磁場が弱くなる欠点がある。このため樹脂結合型フエ
ライトのような、絶縁磁性体を用い、磁石を直接水流に
さらし、流路間隔と磁石間隔を等しくすることが望まし
い。

間隔を置いて配置される個々の磁石では要求される強
い磁場が形成できない場合には、図示の磁石の位置に磁
片を配置したセミクローズ型磁力回路、例えば馬てい型
磁石や外部配置磁石、を用いることも可能である。ま
た、各主流路及びフィードバックループの間の領域全て
を磁石を形成してもよい。

フィードバックループの場合電極と接続する導線は流
路の中央部に位置するが、主流路の場合、第３図に示す
ように可能な限り壁面に接近させて設ける。

フィードバックループにはメインジェット部よりも強
力な磁場を配してあるが、流路の短かさのため、メイン
ジェットの流速はフィードバックループ中の流速に比べ
著しく大きくなるため、フィードバックループに発生す
る電圧は主流路に発生する電圧より小さくなる傾向にあ
る。メインジェット中の誘導信号をショート（Shortin
g）することは、メインジェット中に形成される起電力
の強度がフィードバックループ中のそれの典型的にはわ
ずか２倍にすぎないことを意味する。

図示例では、更に流出路に磁石17,18を設けて磁場を
形成すると共に電極16を配置している。中央の磁石18は
分割板の役割を果しておりこの点以降流れは二つの流路
に分割される。流出路に検出器を設けることは主流路又
は、フィードバックループへの検出器の一代換手段にす
ぎず、一般的には三箇所に検出器を同時に設けることは
必要ではない。事実、前にも述べたように、本発明を実
施するには一つの磁場と一対の電極が存在すれば充分で
ある。

第２図、第３図に示されるように、二つのフィードバ
ックループから検出された信号は差動増幅器の反転入力
及び非反転入力として供給され、プッシュプル作動がも
たらされる。また、主流路からの信号は、他の演算増幅
器に入力される。上記各増幅器からの出力は組合され
る。この組合せ方は任意であるが、最良の形態としては
両者の比をとることによって多くの外部ファクターから
独立した信号を得ることができる。

以降の信号処理は本質的なものではないので、ここで
細かな説明は割愛する。可能な限り大きな初期振幅の信
号を得（典型的には２〜400μＶのオーダー）、流量の
指標として該信号の周波数を計測し、又は一定期間内の
サイクル数を数えることにより、総流量を得ることがで
きる。

もし、要求される全流量的に亘って周波数と流量との
間に充分な線形性が得られない場合には、流量計は較正
される。この較正は、基本的には参照テーブルをプログ
ラムされた修正を回路により行われ、較正された後、流
量を示す最終数値として出力される。較正処理は流量計
のケーシングの中又は上に配置されるマイクロチップで
行うことが可能である。流量計はこのことにより全体と
して電気的にデータ記録の入力をも備えた自己充足的な
装置となる。

電極からの信号は、流れそのものにより生ぜしめられ
るので、信号を発生させるのに何らの外部電極をも必要
としない。必要となる唯一の電源は、信号処理のための
電源である。このためには流量計に電池を装備すること
で充分対応可能であり数年の寿命が確保できる。

較正回路の使用により正確な流量を得ることは可能で
あるが、できることならば較正回路を用いず固有の構成
のみで直接的に全領域に線形性を得ることが望ましい。

第６図は較正試験の結果を示すグラフであり、流量に
対応する１リットル（litre）当りのパルス又は周波数
がプロットされている。水平軸は対数表示がなされてお
り、毎秒0.001リットリから１リットルまでカバーされ
ている。プロットされた計測点が単一の水平線上に、存
在する状態が理想である。グラフから明らかなように、
3mm幅のジェットの場合、流量が少なくとも毎秒0.05リ
ットル以上の領域においては、リットル当りのパルス数
は、平均値である68.165の２％以内の値をとっている。
しかし、それ以下の流量領域では線形性は崩れ、流量が
毎秒0.0035リットル近くでは、１リットル当りのパルス
数は57近くとなる。

ここで強調されねばならないことは、流体振動型流量
計の周波数のみに着目しているのであり、周波数をいか
に検出するかの手法に関しては、前述の電磁的な手法以
外にも、他の周知の手法を用いてもよいということであ
る。

第５図に、特に低流量領域での線形性を改善しうる一
つの改善例を示す。

この例では、入口ジェットの断面形状として、平らな
矩形に代えて頂部底部の両端を膨出させたＩ字型を採用
している。膨出部はいずれか一端にのみ形成してもよ
い。同時に、入口ジェットの幅は狭められる。

第６図に、第５図の様に両端に横方向のスロットを設
けかつ、幅を2mmとしたジェットの場合の改善結果を示
す。これによれば、毎秒0.004リットル以上では平均値
から２％以内、0.003リットル近くでも５％以内という
ように線形性の改善がみられた。

何故、このような改善が見られるかと理由は完全には
明らかではないが、低流量領域においてジェットの上下
端の流路から、スイッチング作用をひきおこすフィード
バックループの流体に対し、付加的な供給が行われるた
めではないかと推測される。高流量域においてはジェッ
トの両端流路のインピーダンスが変動し、両端流路から
は該付加的に流れが供給されなくなる。このようなメカ
ニズムが、低流量領域におけるスイッチング数を増加さ
せているものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の流量計の主軸に沿った長手
方向断面図である。第２図は、第１図の線Ａ−Ａに沿った横断面図である。第３図は、第１図の線Ｂ−Ｂに沿った横断面図である。第４図は、第１図の線Ｃ−Ｃに沿った横断面図である。第５図は、第１図の線Ｄ−Ｄに沿った横断面図で変形例
を示している。第６図は、流量に対する振動器の周波数を示すグラフで
あり、較正試験の結果と第５図に示した変形例の有効性
を図示したものである。 1:ボディ、2:入口ジェット、3,4:流路、6,7:フィードバ
ックループ、8,9,12,13,17,18:磁石、10,11,14,15,16:
電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/56

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性液体の流量を計測し水供給計として
作動可能な流量計であって、入口ジエット（２）、入口
通路、入口通路からの流れを第１及び第２主流路（３、
４）へ分割するスプリッタ（５）、及び各第１及び第２
主流路（３、４）から入口通路の対向する各側部へ連通
するフィードバック流路を有し、それにより入口通路か
らの流れが流量に応じた振動数で第１主流路と第２主流
路の間で切り替わるフィードバック流体振動器を含み、
更に入口通路からの流れの切り替え速度に応じる周波数で流
量が変化する主流路及びフィードバック流路の少なくと
も１つに横断的に磁場を形成する手段（８、９、12、1
3、17、18）、流れ方向及び磁場方向に垂直な方向に液
体中に誘起される電位差を検出する第１の対電極（10、
11、14、15、16）、及び前記電位差の周波数を計測する
か又は流れの振動のサイクルを計数する手段、を備える
ことを特徴とする流量計。
【請求項２】第２の対電極（10、11又は14、15又は16）
が横断的に磁場が付加される第２の流路内の流量を測定
するために設けられ、２つの対電極からの信号が組合わ
されることを特徴とする請求項１の流量計。
【請求項３】前記磁場を形成する手段は、少なくとも１
つの永久磁石（８、９、12、13、17、18）から構成され
ることを特徴とする請求項１又は２の流量計。
【請求項４】前記永久磁石が流量計のケーシング壁に取
付けられ、流路と電気的に絶縁されることを特徴とする
請求項３の流量計。
【請求項５】前記永久磁石が電気的に非導電性の材質か
ら形成された流路壁面の一部を形成することを特徴とす
る請求項３の流量計。