JP4352683B2

JP4352683B2 - 流量計

Info

Publication number: JP4352683B2
Application number: JP2002309332A
Authority: JP
Inventors: 基之名和; 茂岩永
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2004144593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開閉弁の開閉動作と連携して、開口部を通過する流速値を測定し、流量を計測する流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流量計としては特許文献１に記載されているものがある。以下、その構成について図１４により説明する。図１４において、１は流入口、２は流出口である。３ａは第１の開閉手段、４ａは第１の計測手段である。３ｂは第２の開閉手段、４ｂは第２の計測手段である。
【０００３】
この様な構成において、例えば流量が少ないときには第２の開閉手段３ｂを閉じ、第１の開閉手段３ａのみを開放し、第１の計測手段４ａで流量を計測する。流量が多いときには第１、第２の両開閉手段３ａ，３ｂを開放し、第１と第２の計測手段４ａ，４ｂで流量を計測する。全体の流量はこれらの流量の和で計算される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３２０５４５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように上記従来のものでは、流量に応じて別の流路を用いて計測する必要があるため、複数の開閉手段が必要とされていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の流量計は、弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座とを有し、前記弁体と前記弁座は円環状に形成された流れの入口部を形成し、前記弁座の中心には円形状の出口部を形成し、前記弁座の出口部の周囲に設けられ、前記弁体と前記弁座間の実質的に全域を計測する環状のフローセンサよりなる流速計測部と、前記弁体と前記弁座間の間隔を計測する距離計測部と、前記流速計測部からの信号と前記距離計測部からの信号より前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを備えている。
【０００７】
本発明によれば、弁体もしくは弁座に設けた環状のフローセンサよりなる流速計測部と弁体、弁座とを一体構成とし、弁体、弁坐間の距離計測部を設けることにより、ひとつの弁部のみで、コンパクトで流量範囲の広い流量計を構成することができる。また、流速計測にあたり、実質的に全域を計測する流速計測部を用いる構成とすることにより、精度の良い計測を行うことが出来るとともに、実質的に全域を計測する環状のフローセンサを用いてシンプルな構成で流量の計測が出来る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる流量計は、弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座とを有し、前記弁体と前記弁座は円環状に形成された流れの入口部を形成し、前記弁座の中心には円形状の出口部を形成し、前記弁座の出口部の周囲に設けられ、前記弁体と前記弁座間の実質的に全域を計測する環状のフローセンサよりなる流速計測部と、前記弁体と前記弁座間の間隔を計測する距離計測部と、前記流速計測部からの信号と前記距離計測部からの信号より前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを有する。そして、流速計測部と弁体、弁座とを一体構成とし、弁体、弁坐間の距離計測部を設けることにより、ひとつの弁部のみで、コンパクトで流量範囲の広い流量計を構成することができる。また、流速計測にあたり、実質的に全域を計測する環状のフローセンサよりなる流速計測部を用いる構成とすることにより、精度の良い計測を行うことが出来る。
【０００９】
本発明の請求項２にかかる流量計は、距離計測部に超音波振動子を用いた構成を有する。そして、超音波で弁体と弁座間の距離を計測することにより、精度の良い流量計測計測が可能となる。
【００１０】
本発明の請求項３にかかる流量計は、距離計測部に複数の超音波振動子を用いた構成を有する。そして、複数の超音波振動子で距離を計測することにより、さらに精度の高い良い流量計測計測が可能となる。
【００１１】
本発明の請求項４にかかる流量計は、距離計測部に環状の超音波振動子を用いた構成を有する。そして、環状の超音波振動子を用いることによりシンプルな構成で精度の高い流量計測計測が可能となる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における流量計の外装を含む外観図、図２は流量計の外装を含む断面図、図３は流量計における計測系の構成を示す図、図４は図３のA１−A２断面図、図５は同流量計の動作図、図６は流量計測動作のフローチャート、図７は流量計測範囲を示すグラフである。
【００１４】
図１において、５はケーシング、５ａは流入部、５ｂは流出部である。図２において、６ａは計測構成部、６ｂは駆動構成部である。図３において、７は外形が軸対称に形成された弁体、８は外形が軸対称に形成された弁座である。９は弁体７を駆動するための駆動部である。１０ａは駆動部９の駆動軸であり、１０ｂは弁体７に設けられたスリーブである。スリーブ１０ｂは、駆動軸１０ａの回転に際し、弁体７が上下方向にスライドするような構成となっている。１１は制御部であり、駆動部９に対して信号線１２を介して駆動信号が送られる。
【００１５】
また、１３は弁体７と弁座８の間隙にて円環状に形成された流れの入口部であり、１４は円形状の出口部である。１５は弁体７に設けられた円環状の平坦部であり、１６は円環状の平坦部１５に続く円環状の傾斜部である。また、１７は弁座８に設けられた円環状の平坦部であり、１８は円環状の平坦部１７に続く円環状の傾斜部である。２１は弁座８の円環状の傾斜部１８に設けられた第１の窪み部であり、２２は第１の窪み部２１に配置されたフローセンサである。２３は流速検出部である。フローセンサ２２、および流速検出部２３により流速計測部２４が形成されている。
【００１６】
なお、第１の窪み部１９、およびフローセンサ２２はすべて円環状に形成されている。これに伴い、流速検出部２３、および流速計測部２４も円環状領域となる。図４は図３におけるA１−A６断面を示したものである。この図では円環状に形成された第２の超音波振動子２２が示されている。
【００１７】
図３において、２５は信号処理部であり、信号線２７を介してフローセンサ２２からの信号が入力される。２８は超音波振動子であり、弁体７の円環状の平坦部１５に配置された反射面２９と共に距離計測部３０を形成している。３１は処理部であり信号線３２を介して超音波振動子２８の信号が入力される。３３は流速計測制御部であり、信号線３４を介して、信号処理部２５に接続されている。３６は演算部であり、３７は流速計測制御部３３と演算部３６とを接続する信号線、３８は処理部３１と演算部３６とを接続する信号線である。また、３９は演算部３６と制御部１１とを接続する信号線である。
【００１８】
図６において、４０は開始命令、４１は距離計測命令、４２は流速計測命令、４３は流速算出命令、４４は流量算出命令である。４５は切換流量域の判断命令、４６は弁体移動命令、４７はインターバル設定命令である。切換流量域の判断命令４５は流量算出命令４４における算出流量が切換流量域内であればＹＥＳの側に分岐され、切換流量域外であればＮｏの側に分岐される。
【００１９】
次に動作、作用について説明する。図１において、流入部５ａより流入した流れは、流出部５ｂより流出する。内部構造は図２に示されており、流入部５ａより流入した流れは計測構成部６ａを通過して、流出部５ｂより流出する。図３には、計測構成部６ａについての詳細が示されており、入口部１３より流入した流れは流速検知部２３を通過して出口部１４より流出する。
【００２０】
また、弁体７と弁座８の間を流れる流体の流速計測は、フローセンサ２２を利用した公知の方法で行われる。フローセンサ２２に対する指示信号は処理部２５とフローセンサ２２の間において、信号線２７を介して行われる。この場合、フローセンサ２２は円環状に構成されているため、弁体７と便座８間の実質的に全域を計測することができる。弁体７と弁座８の距離計測は、超音波振動子２８から発した超音波が弁体７の反射面２９に反射して帰ってくるまでの時間計測により行われる。超音波振動子２８に対する送受信指示は処理部３１との間で信号線３２を介して行われる。
【００２１】
このようにして得られた流速に関する処理結果と、距離に関する処理結果はいずれも信号線３７を介して、演算部３６に送られる。演算部３６ではこれらの信号を基に、下記の演算式に基づき流量を算出する。
【００２２】
ｎ
Ｑ＝ΣQｉ（１）
ｉ＝１
ここで、Ｑは全流量、Qｉは図４に例示したように、全円環状領域に対して、仮想的に分割した場合の各分割領域における部分流量である。また、ｎはその分割数である。
【００２３】
全円環状領域がｎ等分されている場合、部分流量Qｉは下式により算出される。
【００２４】
Ｑｉ＝（２πｒ）ｘ（１／ｎ）ｘ（ｄｉ）ｘ（Ｖｉ）（２）
ここで、ｒは図３に示すように、流速検出部２３中心部の弁体７の中心軸ｍからの距離、Ｖｉは分割領域ｉにおける流速、ｄｉは同領域における弁体７と弁座８間の距離である。
【００２５】
なお、この距離ｄｉは、同領域の距離計測部（この場合は３０）における距離ｄｉｉを用いて下記の式にて換算される。
【００２６】
ｄｉ＝（ｄｉｉ）ｃｏｓθ （３）
ここで、θは円環状の平坦部１５と円環状の傾斜部１６のなす角である。
【００２７】
次に図６により演算部３６の内容を説明する。いま、弁体７が所定位置のときに、流体が入口部１３より流入したとすると、演算部３６では図６のフローチャートに従って、プログラムが始動する。図６において開始命令４０によりプログラムが開始する。距離計測命令４１に基づいて、弁体７と弁座８間の距離ｄｉｉが計測される。
【００２８】
この実施例の場合、距離計測は１ヶ所で代表しているため、この値は下記のようになる。
【００２９】
ｄｉｉ＝ｄ１１＝ｄ２２＝・・・＝ｄｎｎ（４）
次に流速計測命令４２により、計測が行なわれる。この実施例の場合、流速は円環状のフローセンサ２２で行われるため、流測値としては円環状領域を平均化した値が得られる。この値は下記のようになる。
【００３０】
Vｉ＝（１／ｎ）ｘ（V１＋V２＋・・・＋Vｎ）（５）
いま、距離の平均値をｄａｖｅ，各分割領域における平均値からの誤差をΔｄｉとする。また、流速の平均値をVａｖｅ，各分割領域における平均値からの誤差をΔVｉとする。このとき、（３）式は次のようになる。
【００３１】
Ｑｉ＝（２πｒ）ｘ（１／ｎ）ｘ（ｄａｖｅ＋Δｄｉ）ｘ（Vａｖｅ＋ΔVｉ）
＝（２πｒ）ｘ（１／ｎ）ｘＦｉ（６）
ここで、Ｆｉは下式で定義する。
【００３２】
Ｆｉ＝（ｄａｖｅ＋Δｄｉ）ｘ（Vａｖｅ＋ΔVｉ）
＝（ｄａｖｅ）ｘ（Vａｖｅ）＋（ｄａｖｅ）ｘ（ΔVｉ）
＋（Vａｖｅ）ｘ（Δｄｉ）＋（Δｄｉ）ｘ（ΔVｉ）（７）
（６）、（７）式を（１）式に代入すると、次式となる。
【００３３】
Ｑ＝（２πｒ）ｘ（ｃｏｓθ）ｘ（（ｄａｖｅ）ｘ（Vａｖｅ）
ｎ＋Σ（ｄａｖｅ）ｘ（ΔVｉ）＋（Vａｖｅ）ｘ（Δｄｉ）
ｉ＝１
ｎ
＋Σ（Δｄｉ）ｘ（ΔVｉ））（８）
ｉ＝１
（８）式で、第２，３項は０となる。従って、第４項が無視できるとすれば（８）式は次のようになる。
【００３４】
Ｑ＝（２πｒ）ｘ（ｃｏｓθ）ｘ（ｄａｖｅ）ｘ（Vａｖｅ）（９）
よって、すでに求めた距離ｄｉｉをｄａｖｅとみなし、流速VｉをVａｖｅとすると、式（９）により流量Qが求められる。流量算出命令４４はこのような演算処理を行っている。
【００３５】
また、距離計測命令４１の実施により、弁体７と弁座８間の距離が特定されるが、これにより現在設定されている弁体７の位置が図７における抵抗曲線（ａ）もしくは（ｂ）（設定が２種類の場合）のいずれであるかが判定される。いま、設定が（ａ）（ｄ＝ｄα）にされているとする。また、これらの抵抗曲線（ａ）における計測流領域をＱ＞ｑa、抵抗曲線（ｂ）における計測流領域をＱ＜ｑｂとする。計測流量域判断命令４５では、この流量が、その抵抗曲線における計測流量域内かどうかが判定される。
【００３６】
いま、算出された流量が計測流量域内（この場合にはＱ＞ｑa）であれば、計測流量域判断命令４５はＹｅｓの側に分岐され、インターバル設定命令４７により指定された経過時間の後、再度距離計測命令４１以下のフローを継続する。
【００３７】
算出された流量が計測流量域外（この場合にはＱ＜ｑａ）であれば、計測流量域判断命令４５はＮｏの側に分岐され、弁体移動命令４６により、予め設定された量だけ、弁体７を下方に移動する。
【００３８】
図５はこのようにして弁体７が図３の状態から移動し、弁体７と弁座８間の距離ｄが小さくなった（ｄ＝ｄβ＜ｄα）状態を示している。この場合、図７における抵抗曲線は（ｂ）の側に移行する。その後、図６に示したフローに基づき、上に示したのと同様の流量計測動作が実施される。このとき計測流量域かどうかはＱ＝ｑｂを基準にして判定され、Ｑ＞ｑｂのとき計測流量域外、Ｑ＜ｑｂのとき計測流量域内と判定される。
【００３９】
次に、流量計測範囲と計測精度について説明する。いま、弁体７と弁座８間の距離が比較的小さい値で一定（例えばｄ＝ｄβ）であるとする。流量計に対して圧力損失が例えばＰｍａｘにて規制されているとき、最大計測流量はＱ２である。しかしながら、弁体７と弁座８間の距離を変化（例えばｄ＝ｄα）することにより、最大計測流量はＱ１（Ｑ２＜Ｑ１）に拡大することができる。
【００４０】
また、弁体７と弁座８間の距離が比較的大きい値で一定（例えばｄ＝ｄα）であるとすると、流量が小さくなった場合に計測部の流速が小さいため、流速計測の精度が悪くなる。しかしながら、弁体７と弁座８間の距離を変化（例えばｄ＝ｄβ）することにより、計測部の流速を大きくして計測精度を向上させることができる。なお、上記実施例において、距離測定のために反射面２９を用いたが、弁体７の円環状の平坦部１５を反射面としても良い。
【００４１】
本実施例ではフローセンサ２２を弁座８に取りつけた例を示したが、弁体７に取りつけても、弁体７もしくは弁座８の平坦部にとりつけても上記と同様の動作は可能である。
【００４２】
弁体もしくは弁座に設けた流速計測部と弁体、弁座とを一体構成とし、弁体、弁坐間の距離計測部を設けることにより、ひとつの弁部のみで、コンパクトで流量範囲の広い流量計を構成することができる。また、流速計測にあたり、実質的に全域を計測する流速計測部を用いる構成とすることにより、精度の良い計測を行うことが出来る。とりわけ、実質的に全域を計測する流速計測部として、環状フローセンサを用いる構成とすることによりシンプルな構成で流量の計測が出来る。
【００４３】
（実施例２）
図８は本発明の実施例２における流量計の構成図である。５４ａは超音波振動子であり、弁体７の円環状の平坦部１５に配置された反射面５５ａと共に距離計測部５６ａが形成されている。５４ｅは超音波振動子であり、弁体７の円環状の平坦部１５に配置された反射面５５ｅと共に距離計測部５６ｅが形成されている。
【００４４】
図９は図８におけるＢ１−Ｂ６断面を示したものである。この場合、超音波振動子５４ａ、５４ｂ、・・・、５４ｅ、・・・、５４ｈにより超音波振動子群５４が構成されている。また、図示していないが、これと対向するように配置された、反射面５５ａ、５５ｂ、・・・、５５ｅ、・・・、５５ｈにより反射面群５５が形成されている。
【００４５】
図８において、５７ａは信号処理部であり、信号線５８ａを介して超音波振動子５４ａからの信号が入出力される。５７ｅは信号処理部であり、信号線５８ｅを介して超音波振動子５４ｅからの信号が入出力される。
【００４６】
一部しか図示されていないが、この場合、信号処理部５７ａ、５７ｂ、・・・、５７ｅ、・・・、５７ｈにより信号処理部群５７が構成されており、信号線５８ａ、５８ｂ、・・・、５８ｅ、・・・、５８ｈにより信号線群５８が構成されている。５９は距離計測制御部であり、信号線６０を介して、信号処理部群５７に接続されている。６１は演算部であり、６２は距離計測制御部５９と演算部６１とを接続する信号線である。
【００４７】
図１０において、６３は開始命令、６４は距離計測切換命令、６５は距離算出命令、６６は流速計測命令、６７は流量算出命令である。６８は切換流量域の判断命令、６９は弁体移動命令、７０はインターバル設定命令である。流量算出命令における算出流量が切換流量域内であればＹＥＳの側に分岐され、切換流量域外であればＮｏの側に分岐される。なお、本実施例２において、上記以外の構成は実施例１と同様であるため、番号は実施例１と同じものを用い、説明は省略する。
【００４８】
次に動作、作用について説明する。いま、弁体７が所定位置のときに、流体が入口部１３より流入したとすると、演算部６１では図１０のフローチャートに従って、プログラムが始動する。図１０において開始命令６３によりプログラムが開始する。距離計測切換命令６４に基づいて、弁体７と弁座８間の距離ｄ１１、ｄ２２・・・ｄｎｎが同時に計測される。
【００４９】
このとき、弁体７と弁座８の距離計測は、超音波振動子群５４から発した超音波が弁体７の反射面群５５にて反射して帰ってくるまでの時間計測により行われる。超音波振動子群５４に対する送受信指示は処理部群５７との間で信号線群５８を介して行われる。
【００５０】
その後、距離算出命令６５に基づいて、距離ｄｉが算出される。この実施例の場合、距離計測は複数箇所で行われるため、その値は下記のようになる。
ｄａｖｅ=（１／ｎ）ｘ（ｄ１＋ｄ２＋・・・＋ｄｎ）（１０）
すなわち、このときは第１の実施例とは異なり、複数の計測値が用いられるため、距離としてはより精度の高い値が採用される。
【００５１】
次に流速計測命令６６により、計測が行なわれる。これらの値を基にして、式（９）に基づき、流量算出命令６７により流量が算出される。流量計測動作は実施例１で示したものと同様のプロセスにて実施される。
【００５２】
以上に示したように、複数の距離計測部群５６を用いる構成としたため、距離が均一でなくても精度の良い流量計を構成することができる。また、距離計測制御部が、複数の距離検知部群に連結された複数の処理部に対して同期して制御する構成を有し、複数の距離計測部の計測を同時に行なうため、測定精度を向上することができる。
【００５３】
なお、本実施例では距離計測を同時に行う構成としたが、距離計測制御部５９の構成次第では、シーケンシャルに行うこともできる。この場合には、計測回路間のノイズ等による干渉を少なくすることができる。
【００５４】
（実施例３）
図１１は本発明の実施例３における流量計の構成図である。７１は円環状に形成された距離計測用の超音波振動子である。図１２は図１１におけるC１−C６断面を示したものである。この図では円環状に形成された超音波振動子７１が示されている。図１３は演算部のフローチャートである。７２は円環状超音波振動子に対する距離計測命令である。なお、本実施例３において、上記以外の構成は実施例１と同様であるため、番号は実施例１と同じものを用い、説明は省略する。
【００５５】
次に動作、作用を説明する。図１３において開始命令６３によりプログラムが開始する。距離計測命令６４に基づいて、超音波振動子による距離計測が実行される。この場合、距離計測に用いられる超音波振動子７１は円環状に構成されているため、距離としては全周にわたり平均化した値が得られる。以降の計測動作は実施例１と同様であるため、説明は省略する。
【００５６】
以上に示したように、距離計測をひとつの環状の超音波振動子で行うことにより距離計測部をシンプルな構成にすることが出来る。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弁体もしくは弁座に設けた環状のフローセンサよりなる流速計測部と弁体、弁座とを一体構成とし、弁体、弁坐間の距離計測部を設けることにより、ひとつの弁部のみで、コンパクトで流量範囲の広い流量計を構成することができる。また、流速計測にあたり、実質的に全域を計測する環状のフローセンサよりなる流速計測部を用いる構成とすることにより、精度の良い計測を行うことが出来るとともに、シンプルな構成で流量の計測が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における流量計の外装を含む外観斜視図
【図２】同流量計の外装を含む断面図
【図３】同流量計の計測系を示す構成図
【図４】図４におけるＡ１−Ａ６線断面図
【図５】同流量計の動作を示す断面図
【図６】同流量計の演算部のフローチャート
【図７】同流量計の圧力と流量の関係を示す特性図
【図８】本発明の実施例２における流量計の構成図
【図９】図８におけるＢ１−Ｂ６線断面図
【図１０】同流量計の演算部のフローチャート
【図１１】本発明の実施例３における流量計の構成図
【図１２】図１１におけるＣ１−Ｃ６線断面図
【図１３】同流量計の演算部のフローチャート
【図１４】従来の流量計を示す構成図
【符号の説明】
７弁体
８弁座
９駆動部
１１制御部
２４流速計測部
３０距離計測部
３６演算部

Claims

弁体と、前記弁体の駆動部と、前記駆動部の制御部と、前記弁体に対向して配置された弁座とを有し、前記弁体と前記弁座は円環状に形成された流れの入口部を形成し、前記弁座の中心には円形状の出口部を形成し、前記弁座の出口部の周囲に設けられ、前記弁体と前記弁座間の実質的に全域を計測する環状のフローセンサよりなる流速計測部と、前記弁体と前記弁座間の間隔を計測する距離計測部と、前記流速計測部からの信号と前記距離計測部からの信号より前記弁体と前記弁座間の通過流量を算出する演算部とを備えた流量計。
距離計測部に超音波振動子を用いた請求項１記載の流量計。
距離計測部に複数の超音波振動子を用いた請求項１記載の流量計。
距離計測部が環状の超音波振動子で構成された請求項１記載の流量計。