JP3200638U - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種ガスの圧力および流量測定を簡略化できる流量計測装置を提供する。【解決手段】流体が流れると共に、流体の静圧を測定するための静圧測定孔１１を壁面に有する導通路１０と、静圧測定孔よりも下流域を貫通すると共に、流体の流れに正対する向きとは逆向きの位置に流体の後流圧を測定する後流圧孔２１を有する後流圧検出管２０と、静圧測定孔および後流圧検出管によって計測される圧力を、流量係数および流体の種類ごとの参照データに基づいて流体の流量値を計測し、出力する流量計測部３０とを備える。ここで、流量係数は、導通路の断面積に対する後流圧検出管による開口断面積の比で定義される。【選択図】図１

Description

本考案は、流体の流量を簡易な方法によって測定する流量計測装置に関する。

流体の流量測定には、差圧式，超音波式，渦式およびフロート式等の多くの方式の流量計が実用化され用いられている。

流体の流れはレイノルズ数が２５００以下の安定した流れの層流領域と、レイノルズ数が１００００以上で渦が発生する乱流領域に分かれている。この層流と乱流に変化する境界付近では、流体の流れが不安定になる遷移領域が存在する。このため、差圧式流量計を用いる場合には、この領域を避けて測定することが重要である。

ところで、医療機関等では複数種類のガスが使用されている。例えば、病院内の医療ガスとしては、酸素ガス，亜酸化窒素ガス（笑気ガス），炭酸ガス，窒素ガスおよび空気あるいは吸引用の空気等が用いられている。これらのガスは供給設備から各病室，ＩＣＵおよび手術室等へ医療用ガス配管設備によって供給されている。医療用ガス配管の末端部では定期的に使用箇所における各ガスの圧力および流量の点検が行われ、これによって、ガスの供給が維持・管理されている。

しかしながら、各医療用ガスの圧力および流量の測定は、それぞれ用途別（種類別）の検査用流量計によって行われており、機材搬入量の多さおよび複数種類の流量計の用意等、医療ガス工事業者および病院側の負担が大きかった。

本考案はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、各種ガスの圧力および流量測定を簡略化することが可能な流量計測装置（流量計）を提供することにある。

本考案の流量計測装置は、流体が流れると共に、流体の静圧を測定するための静圧測定孔を壁面に有する導通路と、導通路の静圧測定孔よりも下流域を貫通すると共に、流体の流れに正対する向きとは逆向きの位置に流体の後流圧を測定する後流圧孔を有する後流圧検出管と、静圧測定孔および後流圧検出管によって計測される圧力を、流量係数および流体の種類ごとの参照データに基づいて流体の流量値を計測し、出力する流量計測部とを備えたものであり、流量係数は、導通路の断面積（第１の断面積）に対する導通路の断面積から後流圧検出管によって遮られる断面積（第２の断面積）の比（第２の断面積／第１の断面積）である。

上記流体の流量値は、例えば、下記式（１）によって算出される。
（数１）
Ｑ＝Ｋｐ・√｛２（Ｐ_０／Ｐｍ）・ΔＰ／ρ_０｝）・・・・・（１）

（Ｑ：流量値、Ｋｐ：流量係数、Ｐ_０：流体の静圧、Ｐｍ：測定中ライン圧、ΔＰ：流体の静圧と後流圧との差圧、ρ_０：静止時の流体密度）

後流圧検出管は、例えば、導通路の延在方向に対して垂直に、導通路の中心部に挿通されている。

また、流量計測部は、例えば、静圧および後流圧の差圧を検出する圧力センサと、流量係数および参照データが格納されたメモリ部と、圧力センサからの出力および参照データに基づいて流体の流量値を算出する流量値演算回路とを有する。

加えて、流量計測部は、例えば、流体の種類を指定する指定部を有する。

本考案の流量計測装置は、例えば、流体として医療用ガスの流量を計測する。

流体は、例えば、酸素ガス、空気、亜酸化窒素ガス、炭酸ガスおよび窒素ガスのうちの１種あるいは２種以上の混合気体である。

本考案の流量計測装置では、流体が流れる導通路の側壁に静圧測定孔を、静圧測定孔よりも下流域の導通路を貫通する後流圧検出管の、流体の流れに正対する向きとは逆向きの位置に流体の後流圧を測定する後流圧孔を設け、この静圧測定孔および後流圧孔において静圧および後流圧を測定することにより、差圧を正確に測定することが可能となる。また、流体の流量は、流量計測部において、導通路の断面積に対する導通路の断面積から後流圧検出管によって遮られる断面積の比である流量係数と、流体の種類ごとの参照データとを用いて演算することにより、複数種類の流体の流量が測定される。

本考案の流量計測装置によれば、導通路を流れる流体の後流圧を測定する後流圧検出管の貫通位置よりも上流の導通路の側壁に静圧測定孔を設けて差圧を測定し、その差圧と、流量係数および測定流体に対応する参照データとから流量値を算出するようにした。これにより、一台の流量計測装置によって複数種類の流体の流量を簡易に測定することが可能となる。

本考案の一実施の形態に係る流量計測装置の概略図である。 図１に示した導通路の開口率を説明する断面図である。 差圧と流量との関係を表す特性図である。 図１に示した流量計測装置のブロック図である。 図１に示した流量計測装置の外観図である。

以下、本考案の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（１．流量計測装置の基本構成）
図１は、本考案の一実施の形態に係る流量計測装置（流量計測装置１）の概略構成を表したものである。図２は、図１に示したＩ−Ｉ破線における導通路１０の断面構成を表したものである。この流用計測装置１は、配管（ここでは導通路１０）に絞り機構を設け、この絞り機構の前後の差圧（Differential Pressure；ΔＰ）を利用して配管を流れる流体の流量を測定する差圧式流量計である。流量計測装置１は、流体が流れる導通路１０と、上述した絞り機構に相当する、導通路１０を貫通する後流圧検出管２０と、流量計測部３０とから構成されている。本実施の形態では、導通路１０を貫通する後流圧検出管２０よりも上流域の側壁に設けられた静圧測定孔１１と、後流圧検出管２０に設けられた後流圧孔２１とにおいて流体の差圧（ΔＰ）を計測し、流量計測部３０にて導通路１０内を流れる流体の流量を算出する。

導通路１０は、流量測定時に測定流体が流れる流路である。導通路１０は、例えば、円筒形状を有し、例えば、アルミや真鍮、ステンレス等の金属類またはジュラコン等の樹脂類等によって構成されている。導通路１０の側壁には、上述したように静圧測定孔１１が設けられている。静圧測定孔１１は、後述する流量計測部３０内に設けられた圧力センサ３１（図４参照）に接続され、導通路１０内を流れる流体の静圧（Ｐ_１）が測定される。静圧測定孔１１の形状は特に限定されない。また、静圧測定孔１１の大きさは導通路１０内の静圧を正確に測定できる大きさであればよく、例えば、導通路１０の内径が１０φの場合には、２〜５φの孔径とすればよい。

後流圧検出管２０は、導通路１０に設けられた静圧測定孔１１よりも下流域に、導通路１０の中心部（Ｃ_１）を貫通するように導通路１０の側壁に設けられた嵌合孔１２を通って側壁の外側から内側へと垂直に挿通されている。静圧測定孔１１と、後流圧検出管２０との距離、即ち、静圧測定孔１１と嵌合孔１２との間隔は静圧測定値を正確に計測するために一定の距離があることが好ましく、その距離は例えば０．５〜２ｃｍあればよい。

後流圧検出管２０は、例えば、アルミ，真鍮およびステンレス等の金属類またはジュラコン等の樹脂類によって構成され、外形は円筒形状を有し、内部はシリンダ状の空洞をなしている。後流圧検出管２０の外径は、例えば導通路１０の内径が１０φの場合には、２〜６φとすることが好ましい。導通路１０を貫通する後流圧検出管２０は流体の流路を塞ぐこととなり、導通路１０の断面における流体の流れる部分は、図２に示したように、後流圧検出管２０によって塞がれた部分の両側にできる。導通路１０の断面において後流圧検出管２０によって塞がれる面積が大きく、即ち、流体の通過断面積（Ｓ_ｌ）が狭くなると差圧は増加する。

本実施の形態における後流圧検出管２０の導通路１０内に露出する円筒部分の中心部（Ｃ_２）には内部の空洞に連通する後流圧孔２１が設けられている。この後流圧孔２１は流体の流れに正対する向きとは逆向きに形成されている。後流圧孔２１は後流圧検出管２０の内部を介して、静圧測定孔１１と同様に、後述する流量計測部３０内に設けられた圧力センサ３１に接続され、導通路１０内を流れる流体の後流圧（Ｐ_２）が測定される。なお、後流圧孔２１は必ずしも中心部である必要はなく、中心部近傍に設けられていればよい。具体的には、導通路１０を流れる流体の上流から見て、交流圧検出管２０によって塞がれた部分の背面側の隠れた場所に位置しておればよい。また、複数の後流圧孔を形成するようにしてもよい。

なお、導通路１０内の流れが逆方向の流体を測定する場合には、後流圧孔２１において計測される圧力（Ｐ_２）の値が静圧測定孔１１において測定される圧力（Ｐ_１）よりも高くなる。この場合は、後述する圧力センサ３１として正負（＋および−）の両方の値を測定可能なセンサを用いることにより測定が可能となる。

流量計測部３０は、例えば、圧力センサ３１、メモリ部３２，指定部３３および流量値演算回路３４とから構成されている。

圧力センサ３１は、静圧測定孔１１から伝達されてきた静圧（Ｐ_１）および後流圧孔２１から伝達されてきた後流圧（Ｐ_２）に対応した電圧または電気信号を出力する。図４は、この圧力センサ３１からの差圧出力と流量値（真値Ｑ_０）との関係を表した特性図である。図４から流量値（Ｑ_０）に対応して差圧出力が二次関数的に変化している。このように、差圧出力と流量とは、明確な１対１対応の関数関係にある。

メモリ部３２は、各種流体の標準状態の密度（ρ_０）または分子量の値が格納されている。この静止時における流体の密度（ρ_０）は、次に説明する流量値演算回路から構成された流量値演算回路３４における流量値の算出時における参照データとして用いられる。本実施の形態では、メモリ部３２に、計測対象となる流体（例えば、酸素，亜酸化窒素等）の０℃，１atmにおける静止時密度（ρ_０；表１参照）を予め入力し、差圧計測時に指定部３３によって指示された流体の参照データを読み出すことにより複数種類の流体を測定することが可能となる。また、メモリ部３２には、流量係数（Ｋｐ）が入力されている。

（２．作用・効果）
流量値演算回路３４は、差圧（ΔＰ）に基づいて、下記式（１）を基に流量計測値（Ｑ）を算出する。但し、実際には導通路１０内の通過時における流体の密度は静止時の密度（ρ_０）とは異なる。下記式（２）は、導通路１０内の通過時における流体の密度（ρｍ）に補正を加えたものであり、この式を用いて流量計測値（Ｑ）を算出する。具体的には、圧力センサ３１からの出力に基づいて求められる静圧（Ｐ_１）と後流圧（Ｐ_２）との差圧（ΔＰ）（＝Ｐ_２−Ｐ_１）の値（絶対値）の２倍（２ΔＰ）を計測対象の流体の密度（ρ）で除算した値（２ΔＰ／ρ）の平方根√（２ΔＰ／ρ）を演算する。続いて、設計状態の流体の静圧（Ｐ_０）と測定中のライン圧（Ｐｍ）との比率（Ｐ_０／Ｐｍ）を静止時の流体密度の値（ρ_０）に乗算することにより、流体の密度を補正する。この補正された密度の値ρｍを、流量計測値（Ｑ）を算出するための演算に用いる。Ｋｐは流量係数である。測定中ライン圧は導通路１０の流体が流れてくる側における圧力である。

（数１）Ｑ＝（１／Ｋｐ）・√｛（Ｐ_０／Ｐ_１）・ΔＰ／ρ_０｝）・・・・・（１）

（数２）Ｑ＝Ｋｐ・√｛２（Ｐ_０／Ｐｍ）・ΔＰ／ρ_０｝）・・・・・（２）

なお、流量係数（Ｋｐ）は、後流圧の計測部、即ち、後流圧検出管２０が挿通された導通路１０の実質的開口率である。この流量係数（Ｋｐ）は、導通路１０の流路としての断面積（Ｓ_Ｄ）から後流圧検出管２０によって遮られる断面積（Ｓ_ｄ）を差し引いた実質的開口面積（Ｓ_Ｄ−Ｓ_ｄ）の値を断面積Ｓ_Ｄで除算すことによって得られる。表２は、それぞれ内径の異なる導通路１０および各外径の異なる後流圧検出管２０を組み合わせた場合の流量係数（Ｋｐ）の一例をまとめたものである。

このように、本実施の形態に係る流量計測装置では、静圧測定孔１１において計測された静圧（Ｐ_１）と、後流圧孔２１において計測された後流圧（Ｐ_２）との差圧（ΔＰ）を用いて流体の流量値を算出する。具体的には、図４に示したように、静圧測定孔１１および後流圧孔２１においてそれぞれ計測された静圧（Ｐ_１）および後流圧（Ｐ_２）が圧力センサ３１に伝達される。圧力センサ３１では差圧（ΔＰ）が計算されると共に、この差圧（ΔＰ）に基づいた出力が流量値演算回路３４に行われる。一方、指定部３３において指示された流体の参照データ（静止時における流体密度（ρ_０））がメモリ部３２から流量値演算回路３４へ出力される。流量値演算回路３４では差圧（ΔＰ）、流量係数（Ｋｐ）および参照データを基に導通路１０を流れる流体の流速値が演算され、表示部（図示せず）に演算結果が出力される。

以上のように本実施の形態では、導通路１０を流れる流体の差圧（ΔＰ）を導通路１０の側壁に設けられた静圧測定孔１１において計測された静圧（Ｐ_１）と、静圧測定孔１１よりも下流域を貫通する後流圧検出管２０の、流体の流れに正対する向きとは逆向きの位置に設けられた後流圧孔２１において計測された後流圧（Ｐ_２）とから算出するようにした。これにより、流体の差圧（ΔＰ）を正確に測定することが可能となる。また、流量計測部３０内のメモリ部３２に、導通路１０の内径と後流圧検出管２０の外径とによって決定される流量係数Ｋｐおよび各種流体の参照データ（静止時における密度（ρ_０））を格納し、測定流体を指定することによって対応する参照データを流量値演算回路３４に出力するようにした。これにより、一台の流量測定装置によって複数種類の流体の流量を正確且つ簡易に測定することが可能となる。

また、測定流体ごと（例えば、医療用ガス；酸素ガス，亜酸化窒素ガス（笑気ガス），炭酸ガス，窒素ガスおよび空気等）に流量測定装置を用意する必要がなくなり、流量点検時における機材の搬入量が削減されると共に、作業時間を短縮することが可能となる。

また、前述のように圧力センサ３１として正負（＋および−）の両方の値を測定可能なセンサ（±差圧センサ）を用いることにより、逆方向に流れる流体の流量も測定すること可能となる。具体的には上記医療用ガスとは逆方向に流れる吸引用の空気の流量も測定できる。

更に、本実施の形態では、導通路１０を流れる流体として単一流体を前提に説明したが、測定する混合流体のガス密度を計算してメモリ部３２に入力することによって各種ガスが混合された混合流体においてもその流量を測定することができる。これにより、従来の質量流量計で行っていた実ガス校正が不要となるため、検査時間の短縮およびコストを低減することが可能となる。

加えて、本実施の形態で用いられる流量係数Ｋｐは、後流圧検出管２０が挿通された位置における導通路１０の実質的な開口面積、即ち、導通路１０の内径および後流圧検出管２０の外径によって決まることがわかった。具体的には、流量係数（Ｋｐ）は、導通路１０の流路としての断面積（Ｓ_Ｄ）から後流圧検出管２０によって遮られる断面積（Ｓ_ｄ）を差し引いた実質的開口面積（Ｓ_Ｄ−Ｓ_ｄ）を上記の流体の通過断面積（Ｓ_ｌ）と定義した値を断面積Ｓ_Ｄで除算した値となる。よって、本実施の形態の流量計測装置１では、あらゆる大きさの導通路１０および後流圧検出管２０を用いた場合でも流体の流量を正確に測定することが可能となる。

（３．流量計測装置の外観）
図５は、流量計測装置１の外観を表したものである。この流量計測装置１には、筐体１００内に、図１に示した流量計測装置１を構成する導通路１０、後流圧検出管２０および流量計測部３０が収容されており、筐体１００の外側には、例えば、表示部１０１、操作部１０２および流体の流入部１０３および流出部１０４が設けられている。操作部１０２は、例えば、電源ボタン１０２Ａ、リセットボタン１０２Ｂおよび気体選択ボタン１０２Ｃがあり、例えば、気体選択ボタン１０２Ｃを押すごとに、測定気体の種類が選択され、対応する参照データが上記流量値演算回路３４に出力される。

以上、上記実施の形態を挙げて本考案を説明したが、本考案はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

１…流量計測装置、１０…導通路、１１…静圧測定孔、１２…嵌合孔、２０…後流圧検出管、２１…後流圧孔、３０…流量計測部、３１…圧力センサ、３２…メモリ部、３３…指定部、３４…流量値演算回路

Claims (7)

1. 流体が流れると共に、前記流体の静圧を測定するための静圧測定孔を壁面に有する導通路と、
   前記導通路の前記静圧測定孔よりも下流域を貫通すると共に、前記流体の流れに正対する向きとは逆向きの位置に前記流体の後流圧を測定する後流圧孔を有する後流圧検出管と、
   前記静圧測定孔および後流圧検出管によって計測される圧力を、流量係数および流体の種類ごとの参照データに基づいて前記流体の流量値を計測し、出力する流量計測部とを備え、
   前記流量係数は、前記導通路の断面積に対する前記導通路の断面積から前記後流圧検出管によって遮られる断面積の比である
   流量計測装置。
2. 前記流体の流量値は、下記式（１）によって算出される、請求項１に記載の流量計測装置。
   （数１）
   Ｑ＝Ｋｐ・√｛２（Ｐ_０／Ｐｍ）・ΔＰ／ρ_０｝）・・・・・（１）
   
   （Ｑ：流量値、Ｋｐ：前記流量係数、Ｐ_０：流体の静圧、Ｐｍ：測定中ライン圧、ΔＰ：流体の静圧と後流圧との差圧、ρ_０：静止時の流体密度）
   
3. 前記後流圧検出管は、前記導通路の延在方向に対して垂直に、前記導通路の中心部に挿通されている、請求項１に記載の流量計測装置。
4. 前記流量計測部は、前記静圧および後流圧の差圧を検出する圧力センサと、前記流量係数および前記参照データが格納されたメモリ部と、前記圧力センサからの出力および前記参照データに基づいて前記流体の流量値を算出する流量値演算回路とを有する、請求項１に記載の流量計測装置。
5. 前記流量計測部は、前記流体の種類を指定する指定部を有する、請求項１に記載の流量計測装置。
6. 前記流体として医療用ガスの流量を計測する、請求項１に記載の流量計測装置。
7. 前記流体は、酸素ガス、空気、亜酸化窒素ガス、炭酸ガスおよび窒素ガスのうちの１種あるいは２種以上の混合気体である、請求項１に記載の流量計測装置。
   
   

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