JP3252187B2

JP3252187B2 - 流量計

Info

Publication number: JP3252187B2
Application number: JP20454693A
Authority: JP
Inventors: 一平鳥越
Original assignee: 一平鳥越
Priority date: 1993-07-27
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH0743183A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、管内を流れる流体の流
量を測定する装置、とくに脈動流などの非定常流の流量
を測定することが可能な、流量測定装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】管内流れの流量測定法は、多くの方式が
開発され、単相の定常流に対しては、特殊な条件の流れ
を除いて実用上ほとんど問題がない状況に近づいてい
る。しかしながら、脈動流のような非定常流の流量測定
には、レ−ザドップラ法などの実験室的な方法を除く
と、適当な方法が少ない状況である。

【０００３】工業的に広く使用されている流量計の一つ
である差圧式流量計も、原理的に、非定常流の流量測定
には適用できない。図４は差圧式流量計の構成の一例を
示す図である。図４において、４０は流体の流れる管で
あり、その断面積は場所によって変化している。３およ
び３’は管４０の中の静圧を差圧計４に導く導圧管であ
る。５は割算器であり、差圧計４の出力を、別途測定さ
れた密度の値で割り算して出力する。ここでの割算器５
は、流量測定における密度補正の役割を果している。６
は開平器であり、割算器５の出力信号の平方根を計算し
て、指示計器７に出力する。

【０００４】管４０の断面のうち、導圧管３が４０に接
続している点をその面内に含む断面をＣ、導圧管３’が
接続する点を含む断面をＤとする。管４０の断面の位置
を示すのに、断面Ｃを基準に、管軸に沿って流れの方向
に測った距離ｘを用いることにする。そして、管４０を
流れる流体の密度をρ、体積流量をＱ、管４０の各断面
における断面積をＳ（ｘ）、流速をＵ（ｘ）、圧力をｐ
（ｘ）、断面Ｃと断面Ｄの距離をＬとする。管４０内の
流れが定常な場合は、「ベルヌイの定理」により、断面
Ｃにおける静圧と断面Ｄにおける静圧との差は

【０００５】

【数１】

【０００６】である。従って、差圧計４の出力に密度補
正を施してから開平した信号は、管４０を流れる流量Ｑ
に比例し、指示計器７の指示を読むことにより流量を知
ることができる。

【０００７】ところが、流れが非定常である場合には、
「ベルヌイの定理」は成り立たず、断面Ｃと断面Ｄとの
静圧差を考えるには、圧力方程式

【０００８】

【数２】

【０００９】に基づかなくてはならない。数２を、質量
保存則である

【００１０】

【数３】

【００１１】を用いて変形すると、断面Ｃにおける静圧
と断面Ｄにおける静圧の差

【００１２】

【数４】

【００１３】が得られる。数４を定常流の場合の数１と
比較すると明らかなように、非定常流の場合の差圧に
は、定常流の場合と同じ圧力の他に、流量の時間微分−
流れの加速度−の成分が含まれる。脈動流も非定常流で
あるから、脈動流に差圧式流量計を適用すると、流量計
出力には、流量を表す本来の成分の他に、流れの加速度
成分が含まれ、二つの成分は一般には分離不可能であ
る。従って、通常の差圧式流量計は、そのままでは脈動
流の流量を測定することができない。以上の説明は、図
４に例示した構成に限らず、定常流に対する定理である
「ベルヌイの定理」に立脚した差圧式流量計一般に対し
て当てはまる。

【００１４】上述のように非定常流の流量測定法が少な
い状況で、脈動流の流量を測定しようとする場合に、従
来、次のような方法が用いられている。一つは、管路の
途中に大きな容積の容器を設置して、脈動を低減する方
法である。脈動流は非定常成分である脈動成分と定常流
が重畳した流れであるが、管路途中の容器で脈動成分を
小さくし、定常流に近づけておいてから、通常の定常流
用の流量計で流量を測定する方法である。他の一つは、
流量計の指示に補正を施す方法である。通常の定常流用
の流量計に脈動流を流した時の誤差をあらかじめ校正し
て求めておき、実際の測定の際に流量計の指示に補正を
施す方法である。差圧式流量計で脈動流の流量を測定し
ようとする場合も、上記二方法のうちいずれかの方法に
よっている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上に述べた従来の脈動
流量測定法には、次の様な問題点がある。脈動を低減す
る方法では、管路途中に容器を設置しなければならず、
その分だけ、管路の単純さや信頼性が損なわれる。ま
た、設置する容器の必要容積は、脈動成分の大きさや周
波数によって決まり、脈動条件によっては、非常に大き
な容器を設置しなくてはならない。他方、定常流用の流
量計に補正を施す方法では、容器などを設置する必要は
ないが、脈動条件が既知でなければならないという制約
がある。脈動の大きさ・周波数・波形が変化すれば、流
量計指示値に施す補正量もまた変化するから、この方法
が適用できるのは、脈動の条件がわかっていて、しかも
変化しない場合に限られる。

【００１６】以上の他に、従来の方法に共通する問題点
として、これらの方法では、脈動流の時間平均流量すな
わち脈動流の定常成分の大きさが測定できるに過ぎな
い、という事があげられる。脈動流の瞬時瞬時の流量が
知りたい場合には、前記の方法はいずれも適用不可能で
ある。

【００１７】本発明の目的は、定常流の流量だけでな
く、脈動流等の非定常流の時間平均流量および瞬時流量
を測定する事のできる差圧式流量計を実現する事であ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、管内の流れを分流路に分流し、それぞ
れの分流路内の流れの加速度が互いに等しくなる点で、
分流路間の静圧差を検出し、この静圧差から流量を測定
する。

【００１９】

【第一実施例】図１は、本発明の第一実施例である。図
１において、１は流体の流れる管、２は管１の内部に固
定された隔壁であり、管１に流入した流れは、隔壁２に
よって二つに分流される。１０１および１０２は、管１
の壁面と隔壁２によって形成された分流路である。３お
よび３’はそれぞれ、分流路１０１内および分流路１０
２内の静圧を差圧計４に導く導圧管である。５は割算器
であり、別途測定された密度で差圧計４の出力を割算し
て密度補正を行っている。６は開平器で、割算器５から
の信号の平方根を計算して、指示計器７に出力してい
る。

【００２０】以後の説明で管１および分流路の断面の位
置を示すために、管１の軸に沿って流れの方向にｘ軸を
とり、隔壁２の上流側の端が在る断面Ｏにおいてｘ＝０
と定める。隔壁２の長さをｂと書き表すと、隔壁２の下
流側の端を含む断面Ｂのｘ座標はｂである。また、導圧
管３および３’が管１に接続する断面Ａのｘ座標をａと
する。本実施例においては、隔壁２は真っ直ぐな平板で
ある。管１は、ｘ＜０およびｘ＞ｂの部分では断面形状
が一定の直管であり、その断面積をＳ₀で表すこととす
る。一方、０＜ｘ＜ｂの区間では、管１は、一旦ゆるや
かに絞られた後再びゆるやかに広げられており、分流路
１０１および１０２の断面積が次の四つの式を満たすよ
うに作製されている。

【００２１】

【数５】

【００２２】

【数６】

【００２３】

【数７】

【００２４】

【数８】

【００２５】ただし、Ｓ₁（ｘ）およびＳ₂（ｘ）はそ
れぞれ、座標ｘの断面における、分流路１０１および１
０２の断面積を表す。また、管１に流れる脈動流の脈動
周波数における流体中の波長が、分流路の長さｂに比べ
て十分に長くなるようにしてある。

【００２６】

【作用】図１に示す管１の中を密度ρの流体が流れ、そ
の体積流量がＱ（ｔ）であるとする。また、ｘ＜０の範
囲では流れは一様であり、ｘ＝０における流速をＵ
₀（ｔ）、圧力をｐ₀（ｔ）とする。流れは、隔壁２に
よって二つに分流され、それぞれ分流路１０１と分流路
１０２を流れて断面Ｂに達して合流する。分流路が数５
を満たすように作製されており、しかも断面Ｏと断面Ｂ
の断面積が等しく作られているので、それぞれの分流路
の入口における流速と出口における流速とは等しくな
る。

【００２７】

【数９】

【００２８】また、それぞれの分流路内の圧力方程式を
考え、数９を考慮すると

【００２９】

【数１０】

【００３０】

【数１１】

【００３１】となるが、分流路の断面積が数６を満たす
ように作製されているので、二つの分流路の出口におけ
る圧力は互いに等しくなる。結局、数５、数６を満たす
ように分流路が作製されていると、分流路入口（ｘ＝
０）で一様であった流れは、分流路１０１および１０２
の入口断面積比に等しい流量比で分流し、分流路出口
（ｘ＝ｂ）で合流して再び一様な流れとなる。もし、数
５、数６の条件が満たされていないと、分流路入口で流
れが一様であっても、出口の合流点で流速あるいは圧力
が一様でなくなる。この場合には、流れが一様流として
分流路入口に流入するという事自体が保証されなくな
る。すなわち、数５および数６は、流れが一定の流量比
で分流路に流れ込むための十分条件である。

【００３２】以上のような分流状態において、分流路１
０１および１０２の、断面Ａにおける静圧を考える。分
流路入口で流れが一様である事と質量保存則を考慮して
圧力方程式を考えると、それぞれの分流路について

【００３３】

【数１２】

【００３４】

【数１３】

【００３５】が成り立つことがわかる。数１２および数
１３は、それぞれの分流路の、入口の静圧と断面Ａにお
ける静圧の差が、流量の２乗に比例する項（右辺第１
項）と、流れの加速度の項（右辺第２項）を含む事を示
している。ところが、分流路１０１および１０２が数７
を満たすように作製されているから、数１２および数１
３の右辺第二項は互いに等しい。この時、断面Ａにおけ
る分流路間の静圧の差は

【００３６】

【数１４】

【００３７】となり、流れの加速度項が相殺されて、流
量の２乗（ρＱ²）に比例する項のみが残る。すなわ
ち、数７および数８は、断面Ａにおいて流れの加速度項
が相殺するための条件と、そのときρＱ²の項がゼロと
ならないための条件である。この流路において、断面Ａ
における分流路１０１および１０２の静圧を差圧計４に
導き、差圧計４の出力に割算器５で密度補正を施した
後、開平器６で開平すれば、流量Ｑ（ｔ）に比例した信
号が得られる。数１４は、流れの定常と非定常とに係わ
らず成り立つから、流れが定常でも非定常でも、７の指
示を読むことにより瞬時瞬時の流量Ｑ（ｔ）を知ること
ができる。

【００３８】本実施例では、瞬時流量を測定する構成を
とったが、もし、脈動流れの時間平均流量が知りたい場
合には、開平器の出力をすぐに指示計器に入力するので
はなく、平滑回路に通してから指示計器に入力すること
により、容易に時間平均流量を知ることができる。本実
施例では、流れの体積流量Ｑを測定する目的で、割算器
５による密度補正を施しているが、もし、流れの質量流
量ρＱを知るのが目的であれば、割算器５の代わりに掛
算器を使用し、差圧計４の出力と密度の掛け算を行った
後に開平すれば、質量流量を知ることができる。また、
管１の断面積を一定としたのは、説明を簡潔にするため
であって、管１の断面積が場所によって変化しても構わ
ない。特に、断面Ｏにおける断面積と断面Ｂにおける断
面積が異なっていても、数５、数６、数７、数８が成り
立っていれば、流れは一様な流速分布で分流路に流れ込
み、各流路の加速度項はやはり断面Ａにおいて相殺す
る。ただしこの場合には、数９、数１０、数１１は、上
の説明において示したものと異なる形をとる。要する
に、本発明の本質は、適切に作製された分流路に流れを
分流させ、分流路間で流れの加速度項を相殺させて差圧
を測定することにより、瞬時瞬時のρＱ²に比例する差
圧信号を得るところにあり、この信号を目的に応じてど
の様に処理するか、あるいは管１の具体的な形状をどの
ようにするかによって左右されるのではない。

【００３９】

【第二実施例】第一実施例においては、管内の流れを隔
壁によって分流したが、分流の方法はこれに限られるの
ではない。図２に示すのは本発明の第二実施例であり、
絞り機構と分岐管を用いて分流路を構成している。図２
において、２０は流体の流れる管であり、オリフィス板
２２が取り付けられている。２１は分岐管で、断面Ｏお
よび断面Ｂにおいて管２０と接続している。２０１は管
２０の中の分流路、２０２は分岐管２１の中の分流路で
ある。分流路２０１の形状は、断面Ｏにおいて管２０の
管壁に接する流管と一致する。３および３’は導圧管
で、それぞれ、管２０の断面Ａ₁における静圧と、分岐
管２１の断面Ａ₂における静圧を、差圧計４に導いてい
る。６は開平器で、差圧計４の出力の平方根を計算し
て、指示計器７に出力している。本実施例では、流体の
密度が一定である場合を考えて、密度補正を施すための
装置は省かれている。

【００４０】管２０の中の流れは、断面Ｏで分流路２０
１と分流路２０２に分流し、それぞれの流路を流れて断
面Ｂに達して合流する。管２０の断面積Ｓ₀は場所によ
らず一定に作られているが、オリフィス板２２が設置さ
れているので、２０内の流管すなわち分流路２０１は、
オリフィス板によって絞られてその断面積は場所により
変化する。一方、分岐管２１の断面積Ｓ₂は場所によら
ず一定につくられており、分流路２０２の形状は分岐管
２１に一致し、２０２の断面積は場所によらず一定で、
分流路２０２内の流速もまた場所によらず一様である。
分流路２０１中の場所を示すのに、断面Ｏから２０の管
軸に沿って測った距離ｘ₁を用い、断面Ｏから断面Ａ₁
までの距離をａ₁、断面Ｂまでの距離をｂ₁、そして分
流路２０１の断面積をＳ₁（ｘ₁）とする。分流路２０
２の中の場所も、断面Ｏから２１の管軸に沿って測った
距離ｘ₂で表し、断面Ｏから断面Ａ₂までの距離を
ａ₂、断面Ｂまでの距離をｂ₂とする。本実施例では、
分流路２０１の断面積と分流路２０２が、次の３つの条
件を満たすように作製されている。

【００４１】

【数１５】

【００４２】

【数１６】

【００４３】

【数１７】

【００４４】これらの３条件はそれぞれ、第一実施例に
おける条件、数５、数６、数７に対応するものである。
例えば数１６は、第一実施例における数６に対応し、流
路出口における加速度項の大きさに関する式である。本
実施例では、分岐管２１のなかの分流路２０２の断面積
が一定であるから、数６右辺の被積分関数に相当する量
が１になり、数１６の右辺は流路の長さｂ₂そのものに
なっている。第一実施例の場合と対応して、数１５およ
び数１６は、流れが一定の流量比で分流されるための条
件、数１７は、断面Ａ₁と断面Ａ₂において二つの流路
の流れの加速度項が相殺するための条件である。第一実
施例における４番目の条件である数８に相当する条件
は、本実施例の場合、分流路２０１がオリフィス板で絞
られているのに対して分流路２０２の断面積が一定であ
るから、自動的に満足されている。

【００４５】以上の条件を満たす流路の、断面Ａ₁およ
び断面Ａ₂における静圧を、圧力方程式に基づいて考え
ると

【００４６】

【数１８】

【００４７】

【数１９】

【００４８】となる。ただし、Ｑ（ｔ）は管２０を流れ
る体積流量、ρは流体の密度、ｐ₁およびｐ₂はそれぞ
れ分流路２０１および２０２の中の静圧、ｐ₀は断面Ｏ
における静圧を表す。ここで、数１７の条件が満たされ
ているから、管２０の断面Ａ₁における静圧と、分岐管
２１の断面Ａ₂における静圧との間で、流れの加速度の
項が等しくなり、差圧計４の出力は

【００４９】

【数２０】

【００５０】に比例する。数２０の関係は、流れが定常
でも非定常でも成り立つ。従って、開平器６の出力は、
瞬時瞬時の流量に比例した信号となる。

【００５１】本実施例では、流れを二つに分流している
が、流れが絞られているのは一方の流路だけであり、他
方の流路の断面積は一定である。本発明では、流れを分
流して分流路間の差圧を測定するが、必ずしもすべての
分流路の流れを絞る必要はない。断面積が一定の分流路
があってもよいし、流れを拡げる分流路を使ってもよ
い。また、本実施例では、一方の分流路の流れを絞る装
置としてオリフィス板を使用したが、ベンチュリ管など
の他の絞り機構を使用しても構わない。

【００５２】

【第三実施例】第一実施例および第二実施例において、
流れを二つに分流した例を示したが、分流路の数は必ず
しも二つである必要はない。図３は、本発明の第三実施
例で、流れを３つの分流路に分流する場合を示してい
る。図３において、３０は流体の流れる管であり、円断
面の直管である。３１は、管壁の肉厚が場所によって変
化している同軸管であり、やはり断面の形状は円であ
る。３１は、隔壁３２および３２’によって、管３０と
管軸が重なるように３０に固定されている。３０１は同
軸管３１の内側の分流路である。３０２および３０３
は、管３０の内壁と同軸管３１の外壁とに囲まれた分流
路で、３０２と３０３とは隔壁３２および３２’によっ
て隔てられている。３および３’は導圧管であり、それ
ぞれ、断面Ａにおける分流路３０１の静圧と分流路３０
２の静圧を、差圧計４に導いている。

【００５３】管３０を、密度ρの流体が、体積流量Ｑで
流れているとする。流れは、断面Ｏにおいて同軸管３１
と隔壁３２および３２’によって三つに分流され、分流
路３０１、３０２、３０３を流れ、断面Ｂに達して再び
合流する。流路内の位置を示すのに、断面Ｏを起点に管
軸に沿って測った距離ｘを座標とする。導圧管３および
３’が接続する断面Ａの座標をａ、断面Ｂの座標をｂと
する。また、分流路３０１、３０２、３０３の断面積
を、それぞれ、Ｓ₁（ｘ）、Ｓ₂（ｘ）、Ｓ₃（ｘ）で
表す。本実施例では、分流路断面積が次の条件を満たす
ように作られている。

【００５４】

【数２１】

【００５５】

【数２２】

【００５６】

【数２３】

【００５７】

【数２４】

【００５８】数２１および数２２は、流れが、それぞれ
の分流路の入口断面積に比例した流量比で分流するため
の十分条件である。一方、数２３および数２４は、それ
ぞれ、断面Ａにおいて分流路３０１と３０２の間で差圧
をとった時に、流れの加速度項が相殺するための条件
と、流量の２乗に比例する項が残るための条件である。
分流路の断面積がこれらの条件を満たしている時、差圧
計４の出力は、瞬時瞬時のρＱ²に比例した信号とな
る。従って、差圧計４の出力を処理することにより、流
量を知ることができる。

【００５９】本実施例では、管３０には直管を使用し、
同軸管の肉厚を変化させて、数２１〜数２４の条件が満
たされるようにしている。しかし、これまでの説明から
明らかなように、分流路の断面積が数２１〜数２４の条
件を満たしていれば、管３０の内径を変化させたり、同
軸管に肉厚一定の管を使用したりしても構わない。ま
た、本実施例においては、管３１を管３０に固定するの
に、一つの隔壁でなく二つの隔壁を用い、結果的に流れ
を三つに分流しているが、隔壁を一つにして二つの分流
路を設けるようにしたり、必要に応じて三つ以上の隔壁
を使用して、四つ以上の分流路を設けたりしても構わな
い。

【００６０】

【発明の効果】従来の差圧式流量計は、流れの加速度の
影響を受けて誤差を生じるので、そのままでは非定常流
の流量は測定できない。これに対して、本発明では、流
れを複数の流路に分流し、流れの加速度が互いに相殺す
る場所で、流路間の差圧を測定して流量を知る。本発明
の方法では、定常流・非定常流を問わず、瞬時流量の測
定が可能である。流れの加速度の影響を免れ、非定常流
の流量測定が可能となることは、本発明の特有の効果で
ある。

【００６１】本発明の流量計は、基本的には差圧式の流
量計であるので、差圧式流量計の持つ特長を共有してい
る。すなわち、機構的に単純であること、堅牢なこと、
安価なことなどである。本発明の方法によって、工業的
な用途にも適用可能な、堅牢で保守の容易な非定常流量
測定装置を安価に実現できる。非定常流量測定のための
実用的な装置の実現を可能にしたことも本発明の効果で
ある。

【００６２】さらに、本発明では、非定常流の瞬時流量
が測定できるから、電子的な処理などにより容易に時間
平均流量も知ることができる。従来、脈動を低減するた
めに大容積の容器を使用して平均流量を測定している所
で、本発明の方法を採用することにより、管路の単純化
による信頼性の向上、空間の有効利用などを図ることが
できる。これらも、本発明の効果の一つである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例である。

【図２】絞りと分岐管を用いた、本発明の第二実施例で
ある。

【図３】三流路に分流した、本発明の第三実施例であ
る。

【図４】従来の差圧式流量計の構成の例である。

【符号の説明】

１管２隔壁３，３’ 導圧管４差圧計５割算器６開平器７指示計器２０管２１分岐管２２オリフィス板３０管３１同軸管３２，３２’ 隔壁４０管１０１，１０２分流路２０１，２０２分流路３０１，３０２，３０３分流路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】管内の流れを一定の流量比で少なくとも
二つに分流する流路と、上記流路に分流された流れの加
速度成分が互いに等しくなる場所で少なくとも一組の流
路間の静圧差を測定するための装置とから成り、上記差
圧測定装置によって得られる流路間の静圧差から流量を
知ることを特徴とする流量計。