JP3494634B2 - サーボ形容積流量計 - Google Patents
サーボ形容積流量計Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サーボ形容積流量
計に関し、より詳細には、小流量域から大流量域まで、
器差が、ほとんどゼロに近い優れた特性をもつサーボ形
容積流量計に関する。 【０００２】 【従来の技術】一対の回転子を有する代表的な容積流量
計は、計量室と、計量室内で流体差圧により回転する一
対の回転子を有し、計量室と回転子とで形成される容積
を基準容積として計量室内に流入する被測定流体を回転
子の回転に応じて流出することにより、回転子の回転数
から流量を求める流量計である。すなわち、理想的に
は、基準容積に相当する体積の被測定流体が回転子の回
転に比例して排出される。 【０００３】しかし、実際の容積流量計においては、回
転子の回転を可能とするために回転子と計量室との間に
は、微小な隙間が設けられており、回転子は計量室と接
触することなく回転する。また、回転子が回転するため
には、機械的要素の負荷、例えば軸受摩擦や計数部の負
荷に打ち勝つ回転トルクが必要で、この回転トルクを被
測定流体が回転子に作用する流体差圧による回転モーメ
ントにより得ている。このため、被測定流体のエネルギ
ーで回転子を回転させた場合（自力式容積流量計）、こ
の隙間から、極わずかではあるが、入口側から出口側に
漏洩が発生する。 【０００４】図４は、自力式容積流量計の器差特性の一
例を示す図である。図４のように、この漏れの大きさ
は、流体差圧によるモーメントに対して、摩擦トルクの
割合が大きい小流量の範囲で大きく、器差がマイナスと
なり、その他の流量域において生ずる差圧の大きさによ
っても異なり、さらには、図４において３本の器差曲線
で示すように、被測定流体の粘度の影響を受け器差特性
が変化する。 【０００５】一方、容積流量計は、直接体積流量が測定
でき精度も高いことから、産業用、取り引き用の流量計
として広く使用されている。しかし、上述したように原
理的に計量室内で回転子が回転するために計量室と回転
子との間に存在する隙間による漏洩が、微少流量の測定
や、さらに高精度を追求する測定の場合には、無視でき
なくなる。また、この漏れ量は、容積流量計の流出入口
間の圧力損失に比例する。 【０００６】被測定流体の粘度や密度などの物性値に影
響されずに安定した高精度の流量の測定が可能なよう
に、流量計の流出入口間の圧力損失を正確に検出して、
この圧力損失が、常に、ゼロになるように回転子に外部
からサーボモータで駆動力を与えてやり、そのときの回
転子の動作回転数から流量を測定するようにした流量計
が、サーボ形容積流量計である。 【０００７】図５は、従来のサーボ形容積流量計の構成
の一実施例を示す図である。図５中、１は容積流量計、
２はケーシング、３は計量室、４は第１回転子軸、５は
第２回転子軸、６は第１回転子、７は第２回転子、８は
流入口、９は流出口、１０は流入側圧力検出口、１１は
流出側圧力検出口、１２は差圧計、１３はディストリビ
ュータＡ、１４は調節計、１５は目標設定器、１６はサ
ーボモータ駆動回路、１７はサーボモータ（Ｓ．Ｍ）、
１８はタコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）、１９は流量発信器
（Ｐ.Ｇ）である。 【０００８】容積流量計１は、流入口８と流出口９に連
通し、流路（ケーシング２）に形成された計量室３と、
この計量室３内に固着された第１回転子軸４及び第２回
転子軸５に各々軸支された第１回転子６及び第２回転子
７とからなっている。第１回転子６、及び第２回転子７
には本体外部、すなわち計量室３外部のそれぞれの回転
子に設けたパイロット歯車（図示せず）との噛合によ
り、互いに反対方向に、同期回転可能で、第１回転子６
側（本実施例では第１回転子６側となっているが、第２
回転子７側でもよい）のパイロット歯車には、サーボモ
ータ（Ｓ．Ｍ）１７の駆動軸が接合されている。 【０００９】容積流量計１の流入口８と流出口９には、
それぞれ流入側圧力検出口１０、流出側圧力検出口１１
が設けられ、流入口８及び流出口９の圧力は、両圧力検
出口１０，１１から導管により、差圧計１２に導かれ、
容積流量計１の流出入口間の圧力損失が測定される。サ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の駆動軸には、タコジェネレ
ータ（Ｔ．Ｇ）１８も直結されており、サーボモータ
（Ｓ．Ｍ）１７、タコジェネレータ（Ｔ．Ｇ）１８及び
第１回転子６側のパイロット歯車は互いに縦接続されて
いる。 【００１０】タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８は、サー
ボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転に比例した電圧値を発生
して、その出力は、サーボモータ駆動回路１６を介し、
サーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７にフィードバックされる。
流量発信器（Ｐ.Ｇ）１９は、第１回転子６（本実施例
では、第１回転子６となっているが、第２回転子７でも
よい）の回転数を計測する機構を有し、流量に比例する
パルスを発生する。 【００１１】差圧計１２からの差圧信号は、ディストリ
ビュータＡ１３を介して差圧に比例した電圧値Ｖｐに変
換されたのち、調節計１４に入力され、目標設定器１５
からの目標設定値と比較され、その出力Ｖ1は、サーボ
モータ駆動回路１６の一方の入力端子に接続されてい
る。サーボモータ駆動回路１６のもう一方の入力端子に
は、タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８の出力Ｖ2がフィー
ドバックされて接続されて、調節計１４からの容積流量
計１の流出入口間の圧力損失ΔＰに相当する差圧計１２
からの差圧信号Ｖｐと目標設定値との比較値Ｖ1と、サ
ーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転数に相当するタコジェ
ネレータ（Ｔ.Ｇ）１８の出力Ｖ2が等しくなるように、
サーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転を制御するサーボ機
構を形成している。 【００１２】被測定流体が、矢印方向に流れた状態で
は、差圧計１２の差圧信号は増加するが、サーボモータ
駆動回路１６とサーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７からなるサ
ーボ制御系を駆動することにより、流量計の入口と出口
間の差圧ΔＰを無差圧に制御する。このとき、調節計１
４の目標値を、差圧ゼロに設定し、サーボモータ１７で
回転子を強制的に回転させ、ΔＰをゼロになるよう制御
している。従来、サーボ形容積流量計は、上述のごと
く、流量の大小にかかわらず、流量計の入口側と出口側
の差圧ΔＰを、ΔＰ＝０になるように、回転子の回転を
サーボモータで強制駆動し制御していた。これは、容積
流量計の流出入口間の圧力損失がゼロになるように流量
を測定することができれば、漏れ量もゼロになるという
理論に基づいたものである。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サーボ形容積流量計で流量を実際に計測してみると、小
流量域においては、従来の自力式容積流量計における大
きなマイナス器差が改善されるものの、器差は全般にプ
ラスに転じ、しかも、流量、密度の上昇と共に増大する
特性を示すようになる。 【００１４】プラス器差の原因としては、容積流量計の
流出入口間の圧力損失を無差圧に制御するために、サー
ボモータで回転子を強制的に回転させた場合、容積流量
計の流出入口間の圧力損失ΔＰがゼロとなっても、計量
室内の回転子の回転方向前面側の圧力は、上昇し、背面
側は降下することになり、回転子の回転方向の前面と背
面側に、差圧ΔＰiが発生してしまい、ケーシングと回
転子間に存在する隙間から、この差圧ΔＰiにより、流
出側から流入側に被測定流体の漏洩が発生することにあ
る。 【００１５】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたものであり、従来、サーボ形容積流量計の流入側と
流出側の差圧ΔＰをゼロに制御せずに、後述する外部圧
力損失ΔＰeで制御することにより、ΔＰi＝０となり、
流出側から流入側への漏洩による器差特性の悪化を防ぐ
ことが可能なサーボ形容積流量計を提供することを目的
とする。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明のサーボ形容積流
量計は、流路内に設けられた計量室と、該計量室内で回
転し、該回転毎に一定体積の流体を流出する対をなす第
１及び第２回転子と、前記計量室の上流側と下流側の差
圧を検出する第１の差圧計と、前記流路に直列に設置さ
れ、流路を狭めるための絞り機構と、該絞り機構の上流
側と下流側の差圧を検出する第２の差圧計と、前記第１
の差圧計からの差圧信号を前記第２の差圧計からの差圧
信号で調節して目標値とし、該目標値に追従して前記第
１又は第２回転子の何れかを駆動するサーボ機構とを備
えることを特徴としたものである。 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【発明の実施の形態】一般に、容積流量計に流体を流し
たとき、回転子より充分離れた差圧検出位置において、
ΔＰの圧力損失が生じたとすると、 ΔＰ＝ΔＰi＋ΔＰe が成立する。ここで、ΔＰiは回転子を回転させるため
に費やされる圧力損失で、流量計内部の漏れに直接関与
するため内部圧力損失という。また、ΔＰeは流体が流
量計を流れるために費やされる圧力損失で、漏れには直
接関与しないため外部圧力損失という。 【００２０】一対の回転子を内蔵した容積流量計におい
て、流量計内部の漏れに関与する回転子前後の差圧ΔＰ
iに対し、単位時間当たりの流量計内部の漏洩量Δｑ
は、μを流体の粘度、Ｑを流量として、 Δｑ＝ｋa・（ΔＰi／μ）＋ｋb・Ｑ …（１） で表される。但し、ｋa，ｋbは回転子とケーシングの形
状により決まる定数である。したがって、単位時間当た
りの流量計内部の漏洩量は、回転子前後の差圧に比例す
る一方で流体の粘度に反比例する項と流量に比例する項
に分けられる。 【００２１】ここで、Ｉを校正される受験器の指示量、
Ｑを標準器の真実の値とすると、器差Ｅは、 Ｅ＝（（Ｉ−Ｑ）／Ｑ）×１００ （％） …（２） で表される。また、流量計内部の漏洩量Δｑとの関係よ
り Ｉ−Ｑ＝−Δｑ …（３） が成立する。したがって、（１），（２），（３）式よ
り、器差Ｅは、 Ｅ＝−（Δｑ／Ｑ）＝−（ｋa・（ΔＰi／（μ・Ｑ））＋ｋb）…（４） で表すことができる。ここで、器差Ｅをゼロにするため
には、（４）式第１項の回転子前後の差圧ΔＰiをゼロ
にすれば、流量計内部の漏洩量もゼロとなり、流量は回
転数に正確に比例することにより、器差もだいたいゼロ
付近に表れることになる。なお（４）式の第２項は、メ
ータファクタを変更することにより無視することができ
る。 【００２２】したがって、サーボ形容積流量計の器差を
ゼロにするためには、圧力損失ΔＰを検出する位置での
差圧を内部圧力損失ΔＰi＝０に制御すればよい。つま
り、制御目標差圧と外部圧力損失ΔＰeが同じになるよ
うに外部から駆動力を与えることにより、内部圧力損失
ΔＰiがゼロになるため、流量計内部のリークがなくな
り、必然的にノンリークつまり器差ゼロの流量計が具現
化できる。 【００２３】図１は、本発明のサーボ形容積流量計の原
理を説明するための図で、従来のサーボ形容積流量計の
流体圧分布の状態を示す模式図である。上述のごとく、
サーボ形容積流量計において流入側と流出側の差圧ΔＰ
をゼロに制御した場合には、回転子の回転方向の前面と
背面で差圧ΔＰiが発生する。この差圧ΔＰiにより、ケ
ーシングと回転子の隙間から、流出側から流入側に漏れ
る漏洩量は、被測定流体の密度ρ及び回転子の回転速度
Ｖと相関する圧力、流量の増加と共に増大し、器差がプ
ラスとなるのである。 【００２４】本出願人は、外部圧力損失ΔＰeを鑑み、
サーボ形容積流量計の流入側と流出側の差圧ΔＰをゼロ
に制御せずに、ΔＰ＝Ｐi＋ΔＰeにおいて、回転子の前
後の圧力損失ΔＰiすなわち内部圧力損失ΔＰi＝０に制
御するため、ΔＰ＝ΔＰe＝ｋ（ρ／２ｇ）Ｖ2＝Ｃ・ρ
・Ｑ2分だけ、流入側の圧力を高くするようにサーボ形
容積流量計を制御することにより、回転子の回転方向前
面側と背面側間の内部圧力損失ΔＰi＝０とし、ケーシ
ングと回転子間の隙間からの被測定流体の漏洩をなくす
ことが可能なサーボ形容積流量計を提案した。ここで、
ｋ及びＣは、流量計の内部形状・寸法，管摩擦係数等で
決まる定数で、例えばλ（Ｌ／Ｄ）を用いて表される
（λ：管摩擦係数、Ｌ：流量計内部の管軸長さ、Ｄ：流
量計内部の内径）。また、上述のごとく、Ｖを回転子の
回転速度としたが管内の流速、または流量Ｑを用いても
良い。 【００２５】本発明の一実施形態に係るサーボ形容積流
量計は、上述の差圧制御において、流量計とは別に設置
したベンチュリ管，オリフィスプレート，ノズルなどの
絞り機構（すなわち差圧発生機構）から外部圧力損失を
取り出し、ここで取り出した信号を制御目標差圧として
差圧ΔＰを制御することにより、内部圧力損失だけを補
完制御している。 【００２６】図２は、本発明の一実施形態に係るサーボ
形容積流量計の構成の一実施例を示す図で、図中、１は
容積流量計、２はケーシング、３は計量室、４は第１回
転子軸、５は第２回転子軸、６は第１回転子、７は第２
回転子、８は流入口、９は流出口、１０は流入側圧力検
出口、１１は流出側圧力検出口、１２は第１の差圧計で
あり、これらは、図５に示した従来のサーボ形容積流量
計の構成要素と共通し、基本的に同じ機能を有しており
（詳細な説明は省略する）、同一の符号を付している。
但し、本実施例に係るサーボ形容積流量計における第１
回転子６又は第２回転子７は、計量室３内でサーボモー
タ１７により回転させる。 【００２７】本実施例のサーボ形容積流量計において
は、図５における従来の装置の目標設定器１５の代わり
に、絞り機構３１及び第２の差圧計３２を設けている。
また、本実施例においては、第１差圧計１２からの差圧
信号及び第２の差圧計３２からの差圧信号を調節計１４
へ入力し、第１差圧計１２からの差圧信号及び第２の差
圧計３２からの差圧信号で調節して目標値とし、その目
標値に追従して第１回転子６又は第２回転子７をサーボ
機構で駆動させる。本実施例では、サーボ機構としてサ
ーボモータ駆動回路１６，サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１
７，タコジェネレータ（Ｔ．Ｇ）１８を備え、上述の目
標値（追従用目標値）をサーボモータ駆動回路１６に指
示し、サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７を駆動させ、回転子
６又は７を駆動させる。但し、本実施例において、目標
値は第２差圧計３２からの差圧信号を増幅器３３で増幅
させて調節するものとする。 【００２８】絞り機構（差圧発生機構）３１は、オリフ
ィスプレート，ノズル，ベンチュリ管等、流路の途中に
取り付けて流路を狭め、差圧を発生させる機構を指す。
本実施形態においては、絞り機構３１は流路に直列に設
置し、さらに計量室３と離れた位置に設置している。第
２差圧計３２においては、絞り機構３１の上流側と下流
側にそれぞれ設けた圧力検出口で差圧ΔＰe（Ｃｐ・ρx
・Ｑx2に相当する）を測定して差圧信号を取り出す。こ
こで、Ｃｐはオリフィス等の絞り機構における絞り比で
決まる定数、ρxは流体密度、Ｑxは流量である。 【００２９】第２差圧計３２からの差圧信号は、まず増
幅器３３に入力される。増幅器３３は、例えば差圧信号
（差圧ΔＰe＝Ｃｐ・ρx・Ｑx2に相当する）をｋ＝Ｃ0
／Ｃｐ倍に増幅する。なお、Ｃ0は、絞り機構の構造・
寸法等で決まる定数である。 【００３０】調節計１４のもう一方の端子には、図５に
おける従来の装置と同様、流量計の入口側と出口側の差
圧ΔＰに相当する信号Ｖｐ（プロセス値ＰＶに対応す
る）が入力され、調節計１４では、増幅器３３からの信
号Ｖｓ（基準値ＳＶに対応する）と比較され、（Ｖｐ−
Ｖｓ）に相当する信号Ｖ1（上述の目標値に相当する）
が、サーボモータ駆動回路１６の一方の入力端子に出力
される。 【００３１】サーボモータ駆動回路１６のもう一方の入
力端子には、タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８からのサ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の回転数に比例した電圧Ｖ2
がフィードバックされて接続されており、調節計１４か
らの信号Ｖ1と等しくなるようにサーボ機構が作動し、
サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の回転を制御する。この制
御により、回転子の回転方向前面側と背面側の差圧ΔＰ
iをゼロにする。 【００３２】したがって、オリフィスプレート等の絞り
機構を入れることで、流路の圧力損失は増すが予め流体
密度を計っておく必要が無く、また、流体密度の温度圧
力補正も不要で、リニアライザ，乗算器等も不要な簡略
化された制御システムが構築できる。この制御システム
により、従来のサーボ形容積流量計において、流入側と
流出側の差圧ΔＰをゼロに制御したことにより生ずる回
転子の前後面間の前記差圧ΔＰiとは逆方向の差圧を消
去することができ、それに伴うケーシングと回転子間の
隙間からの逆流による漏洩をより少なくすることができ
た。特に、流体の成分が変わり密度が安定しない場合等
は有効であり、図４で示したような被測定流体の粘度に
よる器差のシフトも考慮しなくてよくなる。 【００３３】 【００３４】 【００３５】 【００３６】 【００３７】 【００３８】図３は、本発明に係るサーボ形容積流量計
による器差特性の一例を示す図である。図３には計算で
得た外部圧力損失を設定して器差試験（３０.９℃，１.
１２ｍＰａ・ｓ）をおこなった結果を示しており、構成
した電気計器などの基本精度を含みながら、一般的な流
量範囲の数倍の区間で±０.１％以上の優れた器差精度
が実現できることがわかる。 【００３９】 【発明の効果】本発明によれば、絞り機構等の差圧発生
機構の前後で測定された差圧を増幅器で所望の値まで増
幅し、差圧制御目標値を得て、この差圧制御目標値とな
るように流量計の入口出口間の差圧を制御することによ
り、回転子の回転方向前面側と背面側の差圧がゼロとな
りケーシングと回転子間の隙間からのリークをなくすこ
とができるため、簡単なシステム構成で、広い流量範囲
にわたり高精度な流量計測が可能となる。また、流体の
成分が変わり密度が安定しない場合などには特に有効で
あり、被測定流体の粘度による器差も考慮しなくてよく
なる。
計に関し、より詳細には、小流量域から大流量域まで、
器差が、ほとんどゼロに近い優れた特性をもつサーボ形
容積流量計に関する。 【０００２】 【従来の技術】一対の回転子を有する代表的な容積流量
計は、計量室と、計量室内で流体差圧により回転する一
対の回転子を有し、計量室と回転子とで形成される容積
を基準容積として計量室内に流入する被測定流体を回転
子の回転に応じて流出することにより、回転子の回転数
から流量を求める流量計である。すなわち、理想的に
は、基準容積に相当する体積の被測定流体が回転子の回
転に比例して排出される。 【０００３】しかし、実際の容積流量計においては、回
転子の回転を可能とするために回転子と計量室との間に
は、微小な隙間が設けられており、回転子は計量室と接
触することなく回転する。また、回転子が回転するため
には、機械的要素の負荷、例えば軸受摩擦や計数部の負
荷に打ち勝つ回転トルクが必要で、この回転トルクを被
測定流体が回転子に作用する流体差圧による回転モーメ
ントにより得ている。このため、被測定流体のエネルギ
ーで回転子を回転させた場合（自力式容積流量計）、こ
の隙間から、極わずかではあるが、入口側から出口側に
漏洩が発生する。 【０００４】図４は、自力式容積流量計の器差特性の一
例を示す図である。図４のように、この漏れの大きさ
は、流体差圧によるモーメントに対して、摩擦トルクの
割合が大きい小流量の範囲で大きく、器差がマイナスと
なり、その他の流量域において生ずる差圧の大きさによ
っても異なり、さらには、図４において３本の器差曲線
で示すように、被測定流体の粘度の影響を受け器差特性
が変化する。 【０００５】一方、容積流量計は、直接体積流量が測定
でき精度も高いことから、産業用、取り引き用の流量計
として広く使用されている。しかし、上述したように原
理的に計量室内で回転子が回転するために計量室と回転
子との間に存在する隙間による漏洩が、微少流量の測定
や、さらに高精度を追求する測定の場合には、無視でき
なくなる。また、この漏れ量は、容積流量計の流出入口
間の圧力損失に比例する。 【０００６】被測定流体の粘度や密度などの物性値に影
響されずに安定した高精度の流量の測定が可能なよう
に、流量計の流出入口間の圧力損失を正確に検出して、
この圧力損失が、常に、ゼロになるように回転子に外部
からサーボモータで駆動力を与えてやり、そのときの回
転子の動作回転数から流量を測定するようにした流量計
が、サーボ形容積流量計である。 【０００７】図５は、従来のサーボ形容積流量計の構成
の一実施例を示す図である。図５中、１は容積流量計、
２はケーシング、３は計量室、４は第１回転子軸、５は
第２回転子軸、６は第１回転子、７は第２回転子、８は
流入口、９は流出口、１０は流入側圧力検出口、１１は
流出側圧力検出口、１２は差圧計、１３はディストリビ
ュータＡ、１４は調節計、１５は目標設定器、１６はサ
ーボモータ駆動回路、１７はサーボモータ（Ｓ．Ｍ）、
１８はタコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）、１９は流量発信器
（Ｐ.Ｇ）である。 【０００８】容積流量計１は、流入口８と流出口９に連
通し、流路（ケーシング２）に形成された計量室３と、
この計量室３内に固着された第１回転子軸４及び第２回
転子軸５に各々軸支された第１回転子６及び第２回転子
７とからなっている。第１回転子６、及び第２回転子７
には本体外部、すなわち計量室３外部のそれぞれの回転
子に設けたパイロット歯車（図示せず）との噛合によ
り、互いに反対方向に、同期回転可能で、第１回転子６
側（本実施例では第１回転子６側となっているが、第２
回転子７側でもよい）のパイロット歯車には、サーボモ
ータ（Ｓ．Ｍ）１７の駆動軸が接合されている。 【０００９】容積流量計１の流入口８と流出口９には、
それぞれ流入側圧力検出口１０、流出側圧力検出口１１
が設けられ、流入口８及び流出口９の圧力は、両圧力検
出口１０，１１から導管により、差圧計１２に導かれ、
容積流量計１の流出入口間の圧力損失が測定される。サ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の駆動軸には、タコジェネレ
ータ（Ｔ．Ｇ）１８も直結されており、サーボモータ
（Ｓ．Ｍ）１７、タコジェネレータ（Ｔ．Ｇ）１８及び
第１回転子６側のパイロット歯車は互いに縦接続されて
いる。 【００１０】タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８は、サー
ボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転に比例した電圧値を発生
して、その出力は、サーボモータ駆動回路１６を介し、
サーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７にフィードバックされる。
流量発信器（Ｐ.Ｇ）１９は、第１回転子６（本実施例
では、第１回転子６となっているが、第２回転子７でも
よい）の回転数を計測する機構を有し、流量に比例する
パルスを発生する。 【００１１】差圧計１２からの差圧信号は、ディストリ
ビュータＡ１３を介して差圧に比例した電圧値Ｖｐに変
換されたのち、調節計１４に入力され、目標設定器１５
からの目標設定値と比較され、その出力Ｖ1は、サーボ
モータ駆動回路１６の一方の入力端子に接続されてい
る。サーボモータ駆動回路１６のもう一方の入力端子に
は、タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８の出力Ｖ2がフィー
ドバックされて接続されて、調節計１４からの容積流量
計１の流出入口間の圧力損失ΔＰに相当する差圧計１２
からの差圧信号Ｖｐと目標設定値との比較値Ｖ1と、サ
ーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転数に相当するタコジェ
ネレータ（Ｔ.Ｇ）１８の出力Ｖ2が等しくなるように、
サーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７の回転を制御するサーボ機
構を形成している。 【００１２】被測定流体が、矢印方向に流れた状態で
は、差圧計１２の差圧信号は増加するが、サーボモータ
駆動回路１６とサーボモータ（Ｓ.Ｍ）１７からなるサ
ーボ制御系を駆動することにより、流量計の入口と出口
間の差圧ΔＰを無差圧に制御する。このとき、調節計１
４の目標値を、差圧ゼロに設定し、サーボモータ１７で
回転子を強制的に回転させ、ΔＰをゼロになるよう制御
している。従来、サーボ形容積流量計は、上述のごと
く、流量の大小にかかわらず、流量計の入口側と出口側
の差圧ΔＰを、ΔＰ＝０になるように、回転子の回転を
サーボモータで強制駆動し制御していた。これは、容積
流量計の流出入口間の圧力損失がゼロになるように流量
を測定することができれば、漏れ量もゼロになるという
理論に基づいたものである。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サーボ形容積流量計で流量を実際に計測してみると、小
流量域においては、従来の自力式容積流量計における大
きなマイナス器差が改善されるものの、器差は全般にプ
ラスに転じ、しかも、流量、密度の上昇と共に増大する
特性を示すようになる。 【００１４】プラス器差の原因としては、容積流量計の
流出入口間の圧力損失を無差圧に制御するために、サー
ボモータで回転子を強制的に回転させた場合、容積流量
計の流出入口間の圧力損失ΔＰがゼロとなっても、計量
室内の回転子の回転方向前面側の圧力は、上昇し、背面
側は降下することになり、回転子の回転方向の前面と背
面側に、差圧ΔＰiが発生してしまい、ケーシングと回
転子間に存在する隙間から、この差圧ΔＰiにより、流
出側から流入側に被測定流体の漏洩が発生することにあ
る。 【００１５】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたものであり、従来、サーボ形容積流量計の流入側と
流出側の差圧ΔＰをゼロに制御せずに、後述する外部圧
力損失ΔＰeで制御することにより、ΔＰi＝０となり、
流出側から流入側への漏洩による器差特性の悪化を防ぐ
ことが可能なサーボ形容積流量計を提供することを目的
とする。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明のサーボ形容積流
量計は、流路内に設けられた計量室と、該計量室内で回
転し、該回転毎に一定体積の流体を流出する対をなす第
１及び第２回転子と、前記計量室の上流側と下流側の差
圧を検出する第１の差圧計と、前記流路に直列に設置さ
れ、流路を狭めるための絞り機構と、該絞り機構の上流
側と下流側の差圧を検出する第２の差圧計と、前記第１
の差圧計からの差圧信号を前記第２の差圧計からの差圧
信号で調節して目標値とし、該目標値に追従して前記第
１又は第２回転子の何れかを駆動するサーボ機構とを備
えることを特徴としたものである。 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【発明の実施の形態】一般に、容積流量計に流体を流し
たとき、回転子より充分離れた差圧検出位置において、
ΔＰの圧力損失が生じたとすると、 ΔＰ＝ΔＰi＋ΔＰe が成立する。ここで、ΔＰiは回転子を回転させるため
に費やされる圧力損失で、流量計内部の漏れに直接関与
するため内部圧力損失という。また、ΔＰeは流体が流
量計を流れるために費やされる圧力損失で、漏れには直
接関与しないため外部圧力損失という。 【００２０】一対の回転子を内蔵した容積流量計におい
て、流量計内部の漏れに関与する回転子前後の差圧ΔＰ
iに対し、単位時間当たりの流量計内部の漏洩量Δｑ
は、μを流体の粘度、Ｑを流量として、 Δｑ＝ｋa・（ΔＰi／μ）＋ｋb・Ｑ …（１） で表される。但し、ｋa，ｋbは回転子とケーシングの形
状により決まる定数である。したがって、単位時間当た
りの流量計内部の漏洩量は、回転子前後の差圧に比例す
る一方で流体の粘度に反比例する項と流量に比例する項
に分けられる。 【００２１】ここで、Ｉを校正される受験器の指示量、
Ｑを標準器の真実の値とすると、器差Ｅは、 Ｅ＝（（Ｉ−Ｑ）／Ｑ）×１００ （％） …（２） で表される。また、流量計内部の漏洩量Δｑとの関係よ
り Ｉ−Ｑ＝−Δｑ …（３） が成立する。したがって、（１），（２），（３）式よ
り、器差Ｅは、 Ｅ＝−（Δｑ／Ｑ）＝−（ｋa・（ΔＰi／（μ・Ｑ））＋ｋb）…（４） で表すことができる。ここで、器差Ｅをゼロにするため
には、（４）式第１項の回転子前後の差圧ΔＰiをゼロ
にすれば、流量計内部の漏洩量もゼロとなり、流量は回
転数に正確に比例することにより、器差もだいたいゼロ
付近に表れることになる。なお（４）式の第２項は、メ
ータファクタを変更することにより無視することができ
る。 【００２２】したがって、サーボ形容積流量計の器差を
ゼロにするためには、圧力損失ΔＰを検出する位置での
差圧を内部圧力損失ΔＰi＝０に制御すればよい。つま
り、制御目標差圧と外部圧力損失ΔＰeが同じになるよ
うに外部から駆動力を与えることにより、内部圧力損失
ΔＰiがゼロになるため、流量計内部のリークがなくな
り、必然的にノンリークつまり器差ゼロの流量計が具現
化できる。 【００２３】図１は、本発明のサーボ形容積流量計の原
理を説明するための図で、従来のサーボ形容積流量計の
流体圧分布の状態を示す模式図である。上述のごとく、
サーボ形容積流量計において流入側と流出側の差圧ΔＰ
をゼロに制御した場合には、回転子の回転方向の前面と
背面で差圧ΔＰiが発生する。この差圧ΔＰiにより、ケ
ーシングと回転子の隙間から、流出側から流入側に漏れ
る漏洩量は、被測定流体の密度ρ及び回転子の回転速度
Ｖと相関する圧力、流量の増加と共に増大し、器差がプ
ラスとなるのである。 【００２４】本出願人は、外部圧力損失ΔＰeを鑑み、
サーボ形容積流量計の流入側と流出側の差圧ΔＰをゼロ
に制御せずに、ΔＰ＝Ｐi＋ΔＰeにおいて、回転子の前
後の圧力損失ΔＰiすなわち内部圧力損失ΔＰi＝０に制
御するため、ΔＰ＝ΔＰe＝ｋ（ρ／２ｇ）Ｖ2＝Ｃ・ρ
・Ｑ2分だけ、流入側の圧力を高くするようにサーボ形
容積流量計を制御することにより、回転子の回転方向前
面側と背面側間の内部圧力損失ΔＰi＝０とし、ケーシ
ングと回転子間の隙間からの被測定流体の漏洩をなくす
ことが可能なサーボ形容積流量計を提案した。ここで、
ｋ及びＣは、流量計の内部形状・寸法，管摩擦係数等で
決まる定数で、例えばλ（Ｌ／Ｄ）を用いて表される
（λ：管摩擦係数、Ｌ：流量計内部の管軸長さ、Ｄ：流
量計内部の内径）。また、上述のごとく、Ｖを回転子の
回転速度としたが管内の流速、または流量Ｑを用いても
良い。 【００２５】本発明の一実施形態に係るサーボ形容積流
量計は、上述の差圧制御において、流量計とは別に設置
したベンチュリ管，オリフィスプレート，ノズルなどの
絞り機構（すなわち差圧発生機構）から外部圧力損失を
取り出し、ここで取り出した信号を制御目標差圧として
差圧ΔＰを制御することにより、内部圧力損失だけを補
完制御している。 【００２６】図２は、本発明の一実施形態に係るサーボ
形容積流量計の構成の一実施例を示す図で、図中、１は
容積流量計、２はケーシング、３は計量室、４は第１回
転子軸、５は第２回転子軸、６は第１回転子、７は第２
回転子、８は流入口、９は流出口、１０は流入側圧力検
出口、１１は流出側圧力検出口、１２は第１の差圧計で
あり、これらは、図５に示した従来のサーボ形容積流量
計の構成要素と共通し、基本的に同じ機能を有しており
（詳細な説明は省略する）、同一の符号を付している。
但し、本実施例に係るサーボ形容積流量計における第１
回転子６又は第２回転子７は、計量室３内でサーボモー
タ１７により回転させる。 【００２７】本実施例のサーボ形容積流量計において
は、図５における従来の装置の目標設定器１５の代わり
に、絞り機構３１及び第２の差圧計３２を設けている。
また、本実施例においては、第１差圧計１２からの差圧
信号及び第２の差圧計３２からの差圧信号を調節計１４
へ入力し、第１差圧計１２からの差圧信号及び第２の差
圧計３２からの差圧信号で調節して目標値とし、その目
標値に追従して第１回転子６又は第２回転子７をサーボ
機構で駆動させる。本実施例では、サーボ機構としてサ
ーボモータ駆動回路１６，サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１
７，タコジェネレータ（Ｔ．Ｇ）１８を備え、上述の目
標値（追従用目標値）をサーボモータ駆動回路１６に指
示し、サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７を駆動させ、回転子
６又は７を駆動させる。但し、本実施例において、目標
値は第２差圧計３２からの差圧信号を増幅器３３で増幅
させて調節するものとする。 【００２８】絞り機構（差圧発生機構）３１は、オリフ
ィスプレート，ノズル，ベンチュリ管等、流路の途中に
取り付けて流路を狭め、差圧を発生させる機構を指す。
本実施形態においては、絞り機構３１は流路に直列に設
置し、さらに計量室３と離れた位置に設置している。第
２差圧計３２においては、絞り機構３１の上流側と下流
側にそれぞれ設けた圧力検出口で差圧ΔＰe（Ｃｐ・ρx
・Ｑx2に相当する）を測定して差圧信号を取り出す。こ
こで、Ｃｐはオリフィス等の絞り機構における絞り比で
決まる定数、ρxは流体密度、Ｑxは流量である。 【００２９】第２差圧計３２からの差圧信号は、まず増
幅器３３に入力される。増幅器３３は、例えば差圧信号
（差圧ΔＰe＝Ｃｐ・ρx・Ｑx2に相当する）をｋ＝Ｃ0
／Ｃｐ倍に増幅する。なお、Ｃ0は、絞り機構の構造・
寸法等で決まる定数である。 【００３０】調節計１４のもう一方の端子には、図５に
おける従来の装置と同様、流量計の入口側と出口側の差
圧ΔＰに相当する信号Ｖｐ（プロセス値ＰＶに対応す
る）が入力され、調節計１４では、増幅器３３からの信
号Ｖｓ（基準値ＳＶに対応する）と比較され、（Ｖｐ−
Ｖｓ）に相当する信号Ｖ1（上述の目標値に相当する）
が、サーボモータ駆動回路１６の一方の入力端子に出力
される。 【００３１】サーボモータ駆動回路１６のもう一方の入
力端子には、タコジェネレータ（Ｔ.Ｇ）１８からのサ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の回転数に比例した電圧Ｖ2
がフィードバックされて接続されており、調節計１４か
らの信号Ｖ1と等しくなるようにサーボ機構が作動し、
サーボモータ（Ｓ．Ｍ）１７の回転を制御する。この制
御により、回転子の回転方向前面側と背面側の差圧ΔＰ
iをゼロにする。 【００３２】したがって、オリフィスプレート等の絞り
機構を入れることで、流路の圧力損失は増すが予め流体
密度を計っておく必要が無く、また、流体密度の温度圧
力補正も不要で、リニアライザ，乗算器等も不要な簡略
化された制御システムが構築できる。この制御システム
により、従来のサーボ形容積流量計において、流入側と
流出側の差圧ΔＰをゼロに制御したことにより生ずる回
転子の前後面間の前記差圧ΔＰiとは逆方向の差圧を消
去することができ、それに伴うケーシングと回転子間の
隙間からの逆流による漏洩をより少なくすることができ
た。特に、流体の成分が変わり密度が安定しない場合等
は有効であり、図４で示したような被測定流体の粘度に
よる器差のシフトも考慮しなくてよくなる。 【００３３】 【００３４】 【００３５】 【００３６】 【００３７】 【００３８】図３は、本発明に係るサーボ形容積流量計
による器差特性の一例を示す図である。図３には計算で
得た外部圧力損失を設定して器差試験（３０.９℃，１.
１２ｍＰａ・ｓ）をおこなった結果を示しており、構成
した電気計器などの基本精度を含みながら、一般的な流
量範囲の数倍の区間で±０.１％以上の優れた器差精度
が実現できることがわかる。 【００３９】 【発明の効果】本発明によれば、絞り機構等の差圧発生
機構の前後で測定された差圧を増幅器で所望の値まで増
幅し、差圧制御目標値を得て、この差圧制御目標値とな
るように流量計の入口出口間の差圧を制御することによ
り、回転子の回転方向前面側と背面側の差圧がゼロとな
りケーシングと回転子間の隙間からのリークをなくすこ
とができるため、簡単なシステム構成で、広い流量範囲
にわたり高精度な流量計測が可能となる。また、流体の
成分が変わり密度が安定しない場合などには特に有効で
あり、被測定流体の粘度による器差も考慮しなくてよく
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のサーボ形容積流量計の原理を説明す
るための図で、従来のサーボ形容積流量計の流体圧分布
の状態を示す模式図である。 【図２】 本発明の一実施形態に係るサーボ形容積流量
計の構成の一実施例を示す図である。 【図３】 本発明に係るサーボ形容積流量計による器差
特性の一例を示す図である。 【図４】 自力式容積流量計の器差特性の一例を示す図
である。 【図５】 従来のサーボ形容積流量計の構成の一実施例
を示す図である。 【符号の説明】 １…容積流量計、２…ケーシング、３…計量室、４…第
１回転子軸、５…第２回転子軸、６…第１回転子、７…
第２回転子、８…流入口、９…流出口、１０…流入側圧
力検出口、１１…流出側圧力検出口、１２…第１差圧
計、１３…ディストリビュータＡ、１４…調節計、１５
…目標設定器、１６…サーボモータ駆動回路、１７…サ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）、１８…タコジェネレータ（Ｔ.
Ｇ）、１９…流量発信器（Ｐ.Ｇ）、３１…絞り機構、
３２…第２差圧計、３３…増幅器。
るための図で、従来のサーボ形容積流量計の流体圧分布
の状態を示す模式図である。 【図２】 本発明の一実施形態に係るサーボ形容積流量
計の構成の一実施例を示す図である。 【図３】 本発明に係るサーボ形容積流量計による器差
特性の一例を示す図である。 【図４】 自力式容積流量計の器差特性の一例を示す図
である。 【図５】 従来のサーボ形容積流量計の構成の一実施例
を示す図である。 【符号の説明】 １…容積流量計、２…ケーシング、３…計量室、４…第
１回転子軸、５…第２回転子軸、６…第１回転子、７…
第２回転子、８…流入口、９…流出口、１０…流入側圧
力検出口、１１…流出側圧力検出口、１２…第１差圧
計、１３…ディストリビュータＡ、１４…調節計、１５
…目標設定器、１６…サーボモータ駆動回路、１７…サ
ーボモータ（Ｓ．Ｍ）、１８…タコジェネレータ（Ｔ.
Ｇ）、１９…流量発信器（Ｐ.Ｇ）、３１…絞り機構、
３２…第２差圧計、３３…増幅器。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01F 3/06 - 3/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 流路内に設けられた計量室と、該計量室
内で回転し、該回転毎に一定体積の流体を流出する対を
なす第１及び第２回転子と、前記計量室の上流側と下流
側の差圧を検出する第１の差圧計と、前記流路に直列に
設置され、流路を狭めるための絞り機構と、該絞り機構
の上流側と下流側の差圧を検出する第２の差圧計と、前
記第１の差圧計からの差圧信号を前記第２の差圧計から
の差圧信号で調節して目標値とし、該目標値に追従して
前記第１又は第２回転子の何れかを駆動するサーボ機構
とを備えることを特徴とするサーボ形容積流量計。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001236785A JP3494634B2 (ja) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | サーボ形容積流量計 |
| KR10-2003-7013588A KR100536432B1 (ko) | 2001-05-21 | 2002-05-09 | 서보형 용적식 유량계 |
| EP02771699A EP1403626B1 (en) | 2001-05-21 | 2002-05-09 | Servo type volumetric flowmeter |
| CNB02810448XA CN100468012C (zh) | 2001-05-21 | 2002-05-09 | 伺服型容积式流量计 |
| PCT/JP2002/004539 WO2002095340A1 (fr) | 2001-05-21 | 2002-05-09 | Debitmetre volumetrique asservi |
| TW091109903A TW561247B (en) | 2001-05-21 | 2002-05-13 | Servo type volumetric flowmeter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001236785A JP3494634B2 (ja) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | サーボ形容積流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=19067993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001236785A Expired - Fee Related JP3494634B2 (ja) | 2001-05-21 | 2001-08-03 | サーボ形容積流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3494634B2 (ja) |
-
2001
- 2001-08-03 JP JP2001236785A patent/JP3494634B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003050146A (ja) | 2003-02-21 |
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