JP4291338B2 - 副流量計を用いたサーボ型容積流量計 - Google Patents

Description

本発明は、計量室内に流入する被測定流体を一対の回転子の回転に応じて流出する容積流量計に関し、詳しくは、サーボモータで回転子に駆動力を与えるタイプのサーボ型容積流量計に関する。

容積流量計は、流路内に設けられる計量室と、この計量室内で回転毎に一定体積の被測定流体を流出する一対の回転子とを備えて構成されている。容積流量計は、回転子の回転から流量を計測するように構成されている。具体的には、計量室と回転子とで形成される容積を基準容積とし、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排出しつつ回転子の回転数から流量を求めることができるように構成されている。容積流量計は、直接、体積流量が測定できて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。

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となるように、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となるよう回転子に外部からサーボモータで駆動力を与えてやり、こ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構成される容積流量計としては、下記特許文献１に開示されるようなサーボ型容積流量計が知られている。このサーボ型容積流量計では、サーボモータの駆動制御を行うサーボ機構の構成に、流量計の流出入口間の圧力差を計測するための差圧計が含まれている。差圧計は、広く一般的に使用されるものが用いられている。

ところで、差圧計は、構造上、流量変動に対する応答性（追従性）が良くないという問題点を有している。この問題点を解消するためには、被測定流体（液体）と同じ比重のフリーピストンと、フリーピストンの移動を検知するための光学式センサとを含むサーボ機構を備えるようなサーボ型容積流量計（下記特許文献２参照）にすることが考えられる。
特許第３３３１２１２号公報 特開昭５４−１８７７５号公報

サーボ機構に差圧計を含む従来のサーボ型容積流量計は、上記の如く、流量変動に対する応答性が良好でないという問題点を有している。一方、サーボ機構にフリーピストン及び光学式センサを含む従来のサーボ型容積流量計においては、被測定流体が気体である場合に、構造上、計測に用いることができないという問題点を有している。また、被測定流体中に例えば不純物が存在して汚れている場合には、光学式センサの誤検知が発生してしまうという問題点を有している。さらに、光学式センサの光透過に不可欠なガラス窓を有するシリンダを必要とすることから、高温或いは高圧の被測定流体の測定に制限が生じてしまうという問題点を有している。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、気体はもとより高温或いは高圧の被測定流体の測定が可能であり、また、高速応答が可能であり、さらには、被測定流体に汚れがあったとしても高精度に計測をすることが可能な副流量計を用いたサーボ型容積流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の副流量計を用いたサーボ型容積流量計は、被測定流体を流す流路が形成され筒状に形成され該流路に連続するケーシングと、前記ケーシングの中間をケーシング軸直交方向に膨らませる略長円形状に形成して上方に第１計量室を下方に第２計量室を備える計量室と、前記第１計量室と前記第２計量室に所定の間隔をあけて並ぶように配置形成される第１回転子軸と第２回転子軸のそれぞれに回転自在に軸支し前記計量室内で回転毎に一定体積の被測定流体を流出する一対の第１回転子及び第２回転子とを備え、前記第１回転子及び第２回転子の回転から流量を計測する容積流量計であって，
前記第１回転子又は第２回転子のいずれかを駆動するサーボモータと、前記計量室の差圧に基づく制御目標差圧をゼロとするよう前記サーボモータを制御するサーボ機構とを備えるサーボ型容積流量計において，
前記第１回転子及び第２回転子を、それぞれ４つの凸部と凹部とを有し、ヘリカル歯車となるように形成され、１つの凸部と凹部が噛み合った状態で互いに反対方向に同期回転するように形成し，
前記第１回転子と第２回転子を跨り前記ケーシングの第１回転子と第２回転子の前記上流側流路と前記下流側流路間を連通して繋ぎ、前記流路の径に比べて十分に小さな径のバイパス管を形成し，
前記サーボ機構を、前記副流量計と、制御回路と、サーボパックと、サーボモータと、減速器とを備えて構成してなり，
前記副流量計は、前記バイパス管の中間に設置し該バイパス管内の被測定流体の流れ及びこの流れの方向を検出するもので、熱式流量計、超音波式流量計、容積式流量計のいずれかからなり，
前記制御回路は、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧の流量信号を前記サーボモータに対するコントローラである前記サーボパックに出力して、該サーボパックを制御するもので，
前記第１回転子又は第２回転子のいずれかを駆動する前記サーボモータには、前記減速器が連結されており、前記サーボパックによって該サーボモータを減速制御することにより前記第１回転子又は第２回転子の駆動速度を制御し、
前記サーボパックには、前記サーボモータの回転数に係る信号に基づいて、流量に比例したパルスを発生する流量発信器が接続されており，
前記副流量計によって前記第１回転子及び第２回転子の上流と下流との圧力差の有無を検出し、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧に基づいて前記制御回路において生成された流量信号によって前記サーボモータを駆動し、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧に基づいて前記制御目標差圧がゼロになるように前記流量発信器から出力される前記サーボモータの回転数に相当する信号に基づき前記サーボモータを制御して前記容積流量計を最適な状態で作動するようにしたことを特徴としている。

このような特徴を有する本発明によれば、第１回転子及び第２回転子の上流と下流とに圧力差があると、バイパス管内の被測定流体が上流から下流へ、或いは下流から上流側へ流れる。この時、バイパス管内の被測定流体の流れは、熱式、超音波式、又は容積式いずれかの流量計、すなわち本発明で言う副流量計により計測される。一般的に流量計は流量を計測するためのものであるが、本発明においての副流量計は、第１回転子及び第２回転子の上流と下流とに圧力差が生じているか否かを流れ及びこの流れの向きによって判別するために活用される。本発明によれば、サーボモータの駆動制御に関して、流量計の新たな活用が提案される。

尚、上記副流量計の他に、第１回転子及び第２回転子の上流と下流とに圧力差が生じているか否かを判別できるものとして、流速計が挙げられる。流速計を用いる場合には、この流速計により生成される流速信号がバイパス管内の流れ及び流れ方向の判別用の信号となる。

請求項１に記載された本発明によれば、バイパス管内を流れる被測定流体の流れ及び流れ方向を判別するための熱式、超音波式、又は容積式いずれかの副流量計をサーボ機構に含んでいることから、気体はもとより高温或いは高圧の被測定流体を測定することができる。また、流量変動に対する応答性を高速化することができる。さらに、被測定流体に汚れがあった場合でも高精度に計測をすることができる。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の副流量計を用いたサーボ型容積流量計の一実施の形態を示す模式的な構成図である。

図１において、本発明のサーボ型容積流量計１は、容積流量計２と、本発明の要旨となる副流量計３を含むサーボ機構４と、流量発信器５とを備えて構成されている。以下、本発明のサーボ型容積流量計１の各構成について説明する。

容積流量計２は、ケーシング６と、計量室７と、第１回転子８及び第２回転子９とを備えて構成されている。ケーシング６は、略筒状に形成されている。ケーシング６の中間には、計量室７が設けられている。ケーシング６は、図１の場合、左から右へ（矢印方向へ）被測定流体が流れるように形成されている。ケーシング６は、この左端が流入口１０、右端が流出口１１となっており、また、この内部が流路１２となっている。流路１２は、被測定流体がスムーズに流れるように形成されている。

計量室７は、ケーシング６の中間をケーシング軸直交方向に膨らませるような略長円形状に形成されている。計量室７は、この内部が流路１２と連通するように形成されている。ここで、上記ケーシング軸の上方を第１計量室１３、下方を第２計量室１４と定義すると、第１計量室１３には第１回転子軸１５が形成されている。また、第２計量室１４には、第２回転子軸１６が形成されている。第１回転子軸１５及び第２回転子軸１６は、所定の間隔をあけて並ぶように配置形成されている。このような第１回転子軸１５には、第１回転子８が回転自在に軸支されている。また、第２回転子軸１６には、第２回転子９が回転自在に軸支されている。

第１回転子８及び第２回転子９は、上記の如く、この中心が、対応する第１回転子軸１５及び第２回転子軸１６によって軸支されている。第１回転子８及び第２回転子９は、本形態において、歯数が４つのヘリカル歯車（一例であるものとする）となるように形成されており、第１回転子８及び第２回転子９が噛み合った状態で回転するようになっている。

第１回転子８及び第２回転子９において、計量室７の外部にパイロット歯車（図示省略）を有する場合には、第１回転子８及び第２回転子９は、パイロット歯車の噛合によって互いに反対方向に同期回転するように配置されている。

尚、図１では第１回転子８及び第２回転子９の各凸部先端と計量室７の壁内面との間の隙間が広く図示されている。しかしながら、実際には微小な隙間となるように設定されているものとする。図１では便宜上広く隙間が図示されているものとする。

ケーシング６には、第１回転子８及び第２回転子９の上流と下流とに跨るバイパス管１９が形成されている。バイパス管１９は、流路１２の径に比べて十分に小さな径で形成されている。本形態のバイパス管１９は、計量室７の上流及び下流において流路１２に連通するように接続されている（図１中の接続位置は一例であるものとする）。

サーボ機構４は、副流量計３と、制御回路２０と、サーボパック２１と、サーボモータ２２と、減速器２３とを備えて構成されている。このようなサーボ機構４の副流量計３は、バイパス管１９の中間に直接又は間接的に取り付けられている（間接的とは、例えば測定管を別途設ける等のことである。尚、取り付け方法は、流量計に対しての公知の方法が採用されるものとする）。

副流量計３は、信号線２４を介して制御回路２０に接続されている。制御回路２０は、信号線２５を介してサーボパック２１に接続されている。サーボパック２１には、信号線２６、２７を介してサーボモータ２２や流量発信器５が接続されている。サーボモータ２２には、減速器２３が連結されている。サーボモータ２２は、減速器２３を介在させて直接第１回転子８、或いは第２回転子９、又は上記図示しないパイロット歯車に連結されている。

副流量計３は、熱式、超音波式、又は容積式いずれかの公知の流量計であって、第１回転子及び第２回転子の上流と下流とに圧力差が生じているか否かを、バイパス管１９内の被測定流体の流れ及びこの流れの向きによって判別するために備えられている。副流量計３は、これにより生成される流量信号がバイパス管１９内の流れ及び流れ方向の判別用の信号となるように設定されている。副流量計３は、コスト面、応答性、利便性等を考慮しつつ総合的に考えると、熱式流量計が最も好ましいものと考えている（超音波式流量計等も十分に好ましい）。

制御回路２０は、副流量計３で生成された流量信号に基づいてサーボパック２１を制御するような構成を有している。サーボパック２１は、サーボモータ２２に対するコントローラであって、ここでは公知のものが用いられている。サーボモータ２２の回転数は、サーボパック２１を介して流量発信器５に入力されるようになっている。流量発信器５は、サーボモータ２２の回転数に係る信号に基づいて、流量に比例したパルスを発生するように構成されている。

上記構成において、第１回転子８及び第２回転子９の上流と下流とに圧力差があると、バイパス管１９内の被測定流体が上流から下流へ、或いは下流から上流側へ流れる。この時、バイパス管１９内の被測定流体の流れは、副流量計３によって計測される。副流量計３では、流れ及び流れ方向判別用となる流量信号が生成される。本発明のサーボ型容積流量計１は、この生成された流量信号に基づいてサーボモータ２２が駆動され、容積流量計２が最適な状態で作動する。

以上、図１を参照しながら説明してきたように、本発明によれば、バイパス管１９内を流れる被測定流体の流れ及び流れ方向を判別するための熱式、超音波式、又は容積式いずれかの副流量計３をサーボ機構４に含んでいることから、サーボ機構にフリーピストン及び光学式センサを含む従来のサーボ型容積流量計では測定することができなかった気体も測定することができる。また、本発明によれば、サーボ機構にフリーピストン及び光学式センサを含まないことから、高温或いは高圧の被測定流体を測定することや、被測定流体に汚れがあった場合でも高精度に計測をすることができる。さらに、本発明によれば、サーボ機構に差圧計を含まないことから、流量変動に対する応答性を高速化することができる。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

上述の説明では、熱式、超音波式、又は容積式いずれかの公知の流量計が副流量計３となっているが、このような副流量計３の他に、第１回転子８及び第２回転子９の上流と下流とに圧力差が生じているか否かを判別できるものとして、流速計もあることを挙げておくことにする。流速計を用いる場合、この流速計により生成される流速信号がバイパス管内の流れ及び流れ方向の判別用の信号となるものとする。尚、流速計を用いる場合、図１は副流量計３と流速計とが入れ替わるものとする。

流速計を用いる場合としては、「流路と、該流路に連続する計量室と、該計量室内で回転毎に一定体積の被測定流体を流出する一対の第１及び第２回転子とを備え、該第１及び第２回転子の回転から流量を計測する容積流量計であって、前記第１及び第２回転子の上流と下流とに跨るバイパス管と、前記第１又は第２回転子の何れかを駆動するサーボモータと、該サーボモータを制御するサーボ機構とを更に備えるサーボ型容積流量計において、前記サーボ機構は流速計を含んで構成され、該流速計は生成される流速信号が前記バイパス管内の流れ及び流れ方向の判別用の信号となる」ということが特徴になる。流速計を用いたサーボ型容積流量計になり、サーボモータの駆動制御に関して、流速計の新たな活用が提案される。

本発明の副流量計を用いたサーボ型容積流量計の一実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ サーボ型容積流量計
２ 容積流量計
３ 副流量計
４ サーボ機構
５ 流量発信器
６ ケーシング
７ 計量室
８ 第１回転子
９ 第２回転子
１０ 流入口
１１ 流出口
１２ 流路
１３ 第１計量室
１４ 第２計量室
１５ 第１回転子軸
１６ 第２回転子軸
１９ バイパス管
２０ 制御回路
２１ サーボパック
２２ サーボモータ
２３ 減速器
２４〜２７ 信号線

Claims (1)

1. 被測定流体を流す流路が形成され筒状に形成され該流路に連続するケーシングと、前記ケーシングの中間をケーシング軸直交方向に膨らませる略長円形状に形成して上方に第１計量室を下方に第２計量室を備える計量室と、前記第１計量室と前記第２計量室に所定の間隔をあけて並ぶように配置形成される第１回転子軸と第２回転子軸のそれぞれに回転自在に軸支し前記計量室内で回転毎に一定体積の被測定流体を流出する一対の第１回転子及び第２回転子とを備え、前記第１回転子及び第２回転子の回転から流量を計測する容積流量計であって，
   前記第１回転子又は第２回転子のいずれかを駆動するサーボモータと、前記計量室の差圧に基づく制御目標差圧をゼロとするよう前記サーボモータを制御するサーボ機構とを備えるサーボ型容積流量計において，
   前記第１回転子及び第２回転子を、それぞれ４つの凸部と凹部とを有し、ヘリカル歯車となるように形成され、１つの凸部と凹部が噛み合った状態で互いに反対方向に同期回転するように形成し，
   前記第１回転子と第２回転子を跨り前記ケーシングの第１回転子と第２回転子の前記上流側流路と前記下流側流路間を連通して繋ぎ、前記流路の径に比べて十分に小さな径のバイパス管を形成し，
   前記サーボ機構を、前記副流量計と、制御回路と、サーボパックと、サーボモータと、減速器とを備えて構成してなり，
   前記副流量計は、前記バイパス管の中間に設置し該バイパス管内の被測定流体の流れ及びこの流れの方向を検出するもので、熱式流量計、超音波式流量計、容積式流量計のいずれかからなり，
   前記制御回路は、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧の流量信号を前記サーボモータに対するコントローラである前記サーボパックに出力して、該サーボパックを制御するもので，
   前記第１回転子又は第２回転子のいずれかを駆動する前記サーボモータには、前記減速器が連結されており、前記サーボパックによって該サーボモータを減速制御することにより前記第１回転子又は第２回転子の駆動速度を制御し、
   前記サーボパックには、前記サーボモータの回転数に係る信号に基づいて、流量に比例したパルスを発生する流量発信器が接続されており，
   前記副流量計によって前記第１回転子及び第２回転子の上流と下流との圧力差の有無を検出し、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧に基づいて前記制御回路において生成された流量信号によって前記サーボモータを駆動し、前記副流量計によって検出される前記計量室の差圧に基づいて前記制御目標差圧がゼロになるように前記流量発信器から出力される前記サーボモータの回転数に相当する信号に基づき前記サーボモータを制御して前記容積流量計を最適な状態で作動するようにした
   ことを特徴とする副流量計を用いたサーボ型容積流量計。

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