JP6418936B2 - 流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流量計に関し、特に、小型・軽量な圧流量計での圧力と流量計測が必要な分野、例えば、人工心臓などの医療用圧流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの流量計、あるいは管路内のフィルタの目詰まりを検出するための管路内抵抗の計測に使用するものに関する。

従来、産業用の流量計としては、渦流量計、抵抗流量計、フロート式流量計など様々な方式のものが知られているが、例えば、病院外使用の体内埋め込み人工心臓では、病態管理のため血圧と血流量の計測が重要であり、埋め込みできる小型の血流量計の実用化が望まれており、超軽量でシンプルな計測方式の流量計が求められている。
そこで、本発明者らは、曲がり管で流体に発生する遠心力・向心力を利用した流量計（特許文献１、２参照）に着目し、曲がり管を用いて小型化を図った流量計を開発し既に特許出願している（特許文献３〜６参照）。

特開平０４−２７６５１９号公報 特開平０９−７９８８１号公報 特開２００７−２１８７７５号公報 特開２００９−１５０６７１号公報 特願２０１２−２３４８９１号（国際出願PCT/JP2013/077423） 特願２０１３−２５５７７８号

本発明者らが既に提案した曲がり管を用いた流量計（特許文献３〜６参照）では、計測方法はシンプルで小型化もある程度可能だが、必ず曲がり管を用いる必要があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、曲がり管を用いずにシンプルで極めて小型化が可能な管路内の流量を計測する流量計を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の流量計では、内部を流体が流通する管路に肉厚の異なる薄肉部を設けて、それらの薄肉部での流量による歪み方の違いを利用して流量を算出する。
すなわち、本発明は、内部を流体が流通する管路と、前記管路の直管部の管壁に設けた少なくとも２つの肉厚の異なる薄肉部と、前記薄肉部に貼付けた歪ゲージと、前記歪ゲージの出力を処理する演算処理装置を備えた管路内の流量を計測する流量計であって、薄肉部の肉厚は静圧に加えて流量の影響が歪ゲージの出力に発現するまで薄くされており、前記演算処理装置には予め校正試験により求めた薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式が記憶されており、薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて流量を求めることを特徴とする。
また、本発明は前記流量計において、前記薄肉側の薄肉部と前記厚肉側の薄肉部は前記直管部の同一断面に設けたことを特徴とする。
また、本発明は前記流量計において、前記薄肉側の薄肉部と前記厚肉側の薄肉部以外に厚肉の薄肉部を設け、当該厚肉の薄肉部に貼付けた補償用の歪ゲージの出力により外乱の影響を補償することを特徴とする。
また、本発明は前記流量計において、前記校正式を用いて求めた流量と前記薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力から静圧を計測することを特徴とする。
また、本発明は前記流量計において、前記計測された静圧から、静圧を流量で除算することにより管路抵抗を計測することを特徴とする。
また、本発明は前記流量計において、前記校正式は、低流量域と高流量域で異なる近似式を用いて表したことを特徴とする。
また、本発明は、内部を流体が流通する管路の直管部の管壁に少なくとも２つの肉厚の異なる薄肉部を設けて当該薄肉部に歪ゲージを貼付け、薄肉部の肉厚は静圧に加えて流量の影響が歪ゲージの出力に発現するまで薄くするとともに、予め校正試験により薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式を求めておき、計測した薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて管路内の流量を求める流量計測方法である。

従来提案してきた特許文献３〜６の流量計では曲がり管を必要としていたが、本発明では曲がり管を用いずに直管のみで流量計測が可能となり、そのため、極めてコンパクトな流量計を実現することができる。
また、流量計測の結果と薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力から管路内部の静圧を計測することが可能である。
また、静圧と流量計の計測結果から、管路内抵抗（＝静圧／流量）を求めることが出来る。そのため、管路の詰まり具合や狭窄などの管路異常を検知することができる。
また、本発明では、曲がり管を用いずに直管のみで管路内の流量を計測可能なシンプルな流量計測方法を実現することができる。

図１は、直管を用いた本発明の流量計の実施例１であって、直管の同一断面上の２箇所に、肉厚の異なる薄肉部を設けて、流量による歪み方の違いを利用して流量を算出する。 図２は、直管を用いた本発明の流量計の実施例２であって、直管の上流と下流の２箇所に、肉厚の異なる薄肉部を設けて、流量による歪み方の違いを利用して流量を算出する。 図３は、直管を用いた本発明の流量計の実施例３であって、直管に３箇所の肉厚の異なる薄肉部を設けて，温度などの外乱の影響を補償しつつ、流量による歪み方の違いを利用して流量を算出する。 図４は、実測を行うために作製した直管を用いた本発明の流量計の主要部を説明した図である。 図５は、実測を行った直管を用いた本発明の流量計と、流体回路の全体外観図である。 図６は、実測した流量０［Ｌ／ｍｉｎ］での静圧計測試験結果を横軸：圧力［ｍｍＨＧ］、縦軸：歪ゲージ出力［μＳＴ］のグラフに、●で肉厚の薄い薄肉側の薄肉部（肉厚０.１１ｍｍ）の歪ゲージの出力をプロットし、▲で肉厚の厚い厚肉側の薄肉部（肉厚０.１８ｍｍ）の歪ゲージの出力をプロットしたものである。 図７は、流体を流した時の薄肉側の薄肉部の歪みゲージの出力を、式（２）を元に圧力換算した結果を示す。 図８は、流体を流した時の厚肉側の薄肉部の歪みゲージの出力を、式（３）を元に圧力換算した結果を示す。 図９は、差圧と流量の関係（校正式）を示したグラフである。

内部を流体が流通する管路において、管壁に薄肉部を設け当該薄肉部に歪ゲージを貼付けその出力を計測すると、薄肉部の肉厚を薄くした場合には内圧に加えて流量の影響が歪ゲージにより計測されることから、本発明では、管壁に設けた複数の肉厚の異なる薄肉部に歪ゲージを貼付け、その出力差から管路内の流量を計測する流量計を提供する。なお、出力差と流量の関係を表す校正式は予め校正により求めておく。

（実施例１）
図１に、流量による歪み方の違いを利用した本発明の流量計の実施例１を示す。
実施例１では、内部を流体が流通する直管の同一断面上の２箇所の管壁に肉厚の異なる薄肉部を設け、薄肉側に貼付けた歪ゲージと厚肉側に貼付けた歪ゲージの出力差から流量を算出するものである。

（実施例２）
図２に、流量による歪み方の違いを利用した本発明の流量計の実施例２を示す。
実施例２では、内部を流体が流通する直管の上流と下流の２箇所の管壁に肉厚の異なる薄肉部を設け、薄肉側に貼付けた歪ゲージと厚肉側に貼付けた歪ゲージの出力差から流量を算出するものである。上記実施例１との違いは、同一断面上の２箇所であるか、上流と下流の２箇所である点のみである。特徴として、実施例１では困難である同一軸上、例えば、管路上面のみに計測位置を設けることが可能である。

（実施例３）
図３に、流量による歪み方の違いを利用した本発明の流量計の実施例３を示す。
実施例３では、内部を流体が流通する直管の３箇所の管壁に肉厚の異なる薄肉部を設け、最も厚い肉厚の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力は温度などの外乱の補償用として用い、残りの２箇所の薄肉部の薄肉側に貼付けた歪ゲージと厚肉側に貼付けた歪ゲージの出力差から流量を算出するものである。
なお、図３では残りの２箇所の薄肉部を上記実施例１と同じく同一断面上の２箇所に設けているが、上記実施例２と同じく上流と下流の２箇所に設けてもよい。

（作製例）
図４に、作製した直管を用いた流量計を示す。直管は、内径１２ｍｍφ、肉厚１ｍｍで、長さ４０ｍｍである。直管の材質には、生体適合性に優れたチタン合金を使用している。歪計測部として両端から２０ｍｍの位置に局所的な歪が生じやすいよう、直径６ｍｍの薄肉加工を施し２箇所の薄肉部を設けた。歪計測部としての２箇所の薄肉部の薄い側の肉厚は０.１１ｍｍ、厚い側の肉厚は０.１８ｍｍである。歪計測部には、ゲージ長０.２ｍｍの歪ゲージが２枚、２アクティブゲージ法で貼付けられており、管路内の流体によって管に生じる管の周方向の歪を計測している。歪ゲージで計測された歪は、ホイートストンブリッジ回路と直流型歪増幅器（ＤＳＡ−１００Ａ、日章電機(株)製）で約２０,０００倍に増幅される。増幅された歪は、ＡＤカードによりディジタル化され、計測用パソコンに取り込まれる。なお、上記２箇所の薄肉部の配置は図１に示した実施例１の配置と同じである。
図５は、図４に示した直管を用いた流量計を組み込んで実測した流体回路全体を説明したものである。図５の閉鎖回路は、血液ポンプ、リザーバ、流路抵抗、直管から構成される体外循環系を模擬した閉回路である。閉回路内の圧力は直管の入り口と出口で、圧力計（ＡＰ６４１−Ｇ、日本光電(株)製）を用いて計測した。閉回路内の流量は血液ポンプ出口で、超音波流量計（Ｔ４０２，Transonic System inc.製）を用いて計測した。

上記チタン合金製の直管を用いて静圧計測試験を実施した。静圧計測試験では、まず回路を閉鎖し、ポンプの回転数を増加させることで、流量０［Ｌ／ｍｉｎ］を維持したまま、回路内の静圧を０から１５０［ｍｍＨｇ］まで、２５［ｍｍＨｇ］刻みで増加させた。静圧計測試験の結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、横軸が圧力計で計測した圧力［ｍｍＨＧ］、縦軸が歪ゲージ出力［μＳＴ］であり、●のプロットが肉厚の薄い方の薄肉部（薄肉側：肉厚０.１１ｍｍ）の歪ゲージの出力で、▲のプロットが肉厚の厚い方の薄肉部（厚肉側：肉厚０.１８ｍｍ）の歪ゲージの出力である。
歪ゲージから計測された歪と圧力計で計測された静圧の関係の２つの校正式を得る。
Ｐ_S＝α_A×ε_0.11S＋β_A （１Ａ）
Ｐ_S＝α_B×ε_0.18S＋β_B （１Ｂ）
ここで、Ｐ_Sは静圧を示しており、ε_0.11Sとε_0.18Sはそれぞれ静圧による薄肉側の薄肉部の歪と厚肉側の薄肉部の歪を示している。α_A、β_A、α_B、β_Bは、本静圧計測試験で決まる定数である。

次に、流体回路に流体を流し、流量を変えて計測試験を行う。
図７に、流体を流した時の薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力を、上記式（１Ａ）を元に圧力換算した結果を示す。図７において、横軸は圧力計で計測した圧力［ｍｍＨＧ］、縦軸は圧力換算値［ｍｍＨＧ］であり、各プロットは、■：１［Ｌ／ｍｉｎ］、◆：２［Ｌ／ｍｉｎ］、▲：３［Ｌ／ｍｉｎ］、×：４［Ｌ／ｍｉｎ］、＊：５［Ｌ／ｍｉｎ］を示しており、●は流量０［Ｌ／ｍｉｎ］の場合（横軸の圧力計で計測した圧力と縦軸の圧力換算値とが同じとなる）をＲｅｆｅｒｅｎｃｅとして…線で示してある。
図７より、流体が流れると、薄肉側の薄肉部の歪ゲージ出力から算出した圧力換算値は流量の増加に応じて増加することがわかった。そのため、流量により増加した薄肉部の圧力をＰ_Dとすると流量発生時の圧力Ｐ_Aは以下の式（２）のようになる。
Ｐ_A＝Ｐ_S＋Ｐ_D＝α_A×（ε_0.11S＋ε_0.11D）＋β_A （２）
ここで、ε_0.11Dは流量により増加した薄肉側の薄肉部の歪を示す。
図８に、流体を流した時の厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力を、上記式（１Ｂ）を元に圧力換算した結果を示す。図８において、横軸は圧力計で計測した圧力［ｍｍＨＧ］、縦軸は圧力換算値［ｍｍＨＧ］であり、各プロット印は図７と同様に流量の違いを区別して表したものであって、■：１［Ｌ／ｍｉｎ］、◆：２［Ｌ／ｍｉｎ］、▲：３［Ｌ／ｍｉｎ］、×：４［Ｌ／ｍｉｎ］、＊：５［Ｌ／ｍｉｎ］を示しており、●は流量０［Ｌ／ｍｉｎ］の場合（横軸の圧力計で計測した圧力と縦軸の圧力換算値が同じとなる）をＲｅｆｅｒｅｎｃｅとして…線で示してある。
図８より、流体が流れると、厚肉側の薄肉部の歪ゲージ出力から算出した圧力換算値は流量の増加に応じて減少することがわかった。そのため、流量により減少した薄肉部の圧力をＰ_DBとすると流量発生時の圧力Ｐ_Bは以下の式（３）のようになる。
Ｐ_B＝Ｐ_S−Ｐ_DB＝α_B×（ε_0.18S−ε_0.18D）＋β_B （３）
ここで、ε_0.18Dは流量により減少した厚肉側の薄肉部の歪を示す。
なお、図７及び図８に示すような流量の影響が発現するには、通常の圧力計のダイヤフラムに用いる肉厚（０.５ｍｍ程度）より薄肉部を薄くすることが望ましく、特に薄肉側の薄肉部の肉厚は極力薄くすることが好ましい。

そこで、流体を流した時の薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値から厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値を引き算した両者の差分である差圧ΔＰは、上記式（２）と式（３）から以下の式（４）となる。
Ｐ_A−Ｐ_B＝Ｐ_DA＋Ｐ_DB
＝α_A×(ε_0.11S＋ε_0.11D)−α_B×(ε_0.18S−ε_0.18D)＋Ｃ （４）
ここで、Ｃは定数である。さらに、薄肉側の薄肉部の歪ゲージと厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力をそれぞれε_0.11とε_0.18として整理すると上記式（４）は以下の式（５）のようになる。
ΔＰ＝Ｐ_A−Ｐ_B＝α_A×ε_0.11−α_B×ε_0.18＋Ｃ （５）
本式より２つの歪ゲージの差分を取ることで圧力補償が行われ、流量の項のみ残る。したがって、２つの歪ゲージの差分と流量の関係を予め校正して校正式（例えば、後述する図９に示すグラフ参照）として求めておけば、２つの歪ゲージの差分を計測して校正式に当てはめることにより流量を得ることができる。
図９には、この関係を利用して流量Ｆｌｏｗを得るため、回路抵抗を変えて管路内圧を２５［ｍｍＨｇ］から１５０［ｍｍＨｇ］に変化させ、ポンプで流量を変化させた時の測定結果を示す。図９において、縦軸は薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値から厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値を引き算した差分（ΔＰ）であり、横軸は市販の流量計で計測した流量［Ｌ／ｍｉｎ］であり、プロット印は管路内圧●：２５［ｍｍＨｇ］、■：５０［ｍｍＨｇ］、◆：７５［ｍｍＨｇ］、▲：１００［ｍｍＨｇ］、×：１２５［ｍｍＨｇ］、＊：１５０［ｍｍＨｇ］を示している。図９のグラフから、薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値から厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値を引き算した差分（ΔＰ）と流量とが回路抵抗の大小にかかわらず一対一に対応していることが確認でき、図９のグラフを予め校正試験を行うことで校正式として求めておけば、薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値から厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力の圧力換算値を引き算した差分の値を校正式に当てはめて流量を求めることができる。
図９のグラフを記憶手段等に記憶させておけばそのまま校正式として用いることもできるが、図９のグラフを近似式で表し、例えば、低流量域：Ｆｌｏｗ≦１.０［Ｌ／ｍｉｎ］と高流量域：１.０［Ｌ／ｍｉｎ］≦Ｆｌｏｗの場合に分けて直線の式（６Ａ）と二次曲線の式（６Ｂ）の近似式をそれぞれ校正式として用いて流量Ｆｌｏｗを算出することもできる。
Ｆｌｏｗ＝α₁×ΔＰ＋Ｃ₁，Ｆｌｏｗ≦１.０［Ｌ／ｍｉｎ］ （６Ａ）
ΔＰ＝α₂×Ｆｌｏｗ²＋β₂×Ｆｌｏｗ＋Ｃ₂，１.０［Ｌ／ｍｉｎ］≦Ｆｌｏｗ（６Ｂ）
ここで、α₁、Ｃ₁、α₂、β₂、Ｃ₂は定数であり、予め校正試験を行うことで得ることができる。

また、本発明の流量計では流量を計測するとともに、流量計測の結果と薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力を用いて管路内の静圧を計測することができる。つまり、式（６Ａ）、（６Ｂ）より流量を得ることができるため、得られた流量と歪ゲージの出力を用いて、図７あるいは図８より、流量による歪ゲージの出力変化分を差し引くことで、流量が流れていない場合の圧力である静圧を得ることができる。
さらに、流量と静圧から管路抵抗＝静圧／流量を算出して求めれば、電気系の抵抗（＝電圧／電流）と機械系のアナロジーから、管路抵抗（＝静圧／流量）が過大であるときに管路の詰まりや狭窄あるいは管路内のフィルタの目詰まりなどの異常が発生していると判断することができる。
また、上記実施例３（図３参照）のように、管壁に設けた肉厚の薄肉部に貼付けた補償用歪ゲージの出力を用いれば温度等の外乱を補償することができる。

本発明の流量計は、小型・軽量な圧流量計での圧力と流量計測が必要な分野に好適であり、例えば、人工心臓などの医療用圧流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの流量計測計に利用することができる。

Claims (7)

1. 内部を流体が流通する管路と、前記管路の直管部の管壁に設けた少なくとも２つの肉厚の異なる薄肉部と、前記薄肉部に貼付けた歪ゲージと、前記歪ゲージの出力を処理する演算処理装置を備えた管路内の流量を計測する流量計であって、
   薄肉部の肉厚は静圧に加えて流量の影響が歪ゲージの出力に発現するまで薄くされており、前記演算処理装置には予め校正試験により求めた薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式が記憶されており、
   薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて流量を求めることを特徴とする流量計。
2. 前記薄肉側の薄肉部と前記厚肉側の薄肉部は前記直管部の同一断面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
3. 前記薄肉側の薄肉部と前記厚肉側の薄肉部以外に厚肉の薄肉部を設け、当該厚肉の薄肉部に貼付けた補償用の歪ゲージの出力により外乱の影響を補償することを特徴とする請求項１または２に記載の流量計。
4. 前記校正式を用いて求めた流量と前記薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力から静圧を計測することを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の流量計。
5. 前記計測した静圧を流量で除算することにより管路抵抗を計測することを特徴とする請求項４に記載の流量計。
6. 前記校正式は、低流量域と高流量域で異なる近似式を用いて表したことを特徴とする請求項１〜５のうちの１つに記載の流量計。
7. 内部を流体が流通する管路の直管部の管壁に少なくとも２つの肉厚の異なる薄肉部を設けて当該薄肉部に歪ゲージを貼付け、薄肉部の肉厚は静圧に加えて流量の影響が歪ゲージの出力に発現するまで薄くするとともに、予め校正試験により薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式を求めておき、
   計測した薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて管路内の流量を求める流量計測方法。

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