JPH0311406B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスの体積流量を測定および制御する
方法および装置、特に所定の測定された体積流量
でガスを送る方法および装置に関するものであ
る。

既知の一定の流量でガスを管路を介して送る必
要のある場合が多くある。種々の型式のクロマト
グラフイー装置の場合もその必要がある。

別の例としては、カナダ特許第954719号、仝
1083381号；カナダ特許出願第277388号；米国特
許第3777562号、仝4062236号、仝4125018号、お
よび仝4125123号に開示された方法および装置に
見られる。一般に、これらの方法および装置は、
燃料を断熱火炎温度を最高にする流量で燃焼系へ
送ることによつてガス燃料の発熱量を測定する。
周囲の条件における体積流量は、発熱量の測定に
おける一要素であるから、これらの方法および装
置で正確に測定しなければならない。体積流量の
測定は温度、圧力およびガス組成をそれぞれ独立
に測定しなければならない。ガス組成とは別に、
温度と圧力は、ガス組成は連続的に変化し測定を
行なう前には未知である場合に用いられるので、
そのような方法および装置では特に重要である。
従つて、いかなる種類の流量計の他の２、３のガ
ス流量測定の場合に可能であるように特定のガス
組成を検定することができない。また、流量測定
は千分の１以内の誤差で再現性がなければならな
い。

概説した上記の必要条件は一般に用いられてい
る流量測定または制御では満たされない。オリフ
イス・メーターおよび流量制限体間の圧力降下の
測定に依存する他の方法は、温度、圧力およびガ
ス組成の関数であるガスの密度に敏感である。熱
線流量計はガスの性質に敏感である。軸流タービ
ン用流量計はガス組成に比較的影響を受けない
が、摩耗する可動部品を含むため手入れが必要で
あり、摩耗が生じる度に必要な検定作業を行なわ
なければならない。

ピーターズら（Peters et al）による米国特許
第3125881号は、所定体積の液体をタンクに流入
さすのに必要な時間を測定して流量を決定する液
体用流量測定装置に開示している。そのような各
測定に続いて、その液体を流入時よりも迅速にタ
ンクから流出させて次の測定準備のためにタンク
を空にする。

ヘヤ（Haire）による米国特許第3500826号は、
高圧供給装置から低圧受けそうへのガスの供給を
制御し、低圧そうから、そう内の圧力を検知し、
検知した値を供給装置と受けそう間の弁の設定を
制御することによりガスを一様でない流量で取り
出すことを開示している。

シヨールズ（sholes）らの米国特許第3878376
号はソニツク・ノズルを使用した流量計を開示し
ている。該ノズルを介した流量はノズル上流側の
絶対温度および圧力の関数であつて、該両方のパ
ラメーターを測定しなければ流量を得ることがで
きるという利点がある。

バンダイク（Van Dyke et al）の米国特許第
3633416号およびウイルソンら（Wilson et al）
の米国特許第4096746号は圧力、流量またはその
両方を制御するためにダイアフラム作動装置を利
用した装置を開示している。

ジヨーンズら（Johens et al）の米国特許第
3970472号は上流側の調整器と連結したロートメ
ータ型の流量計を使用した流量測定装置を示す。

本発明により、圧力、温度またはガス組成の影
響を受けることなく管路を流れるガスの体積流量
を測定および制御する方法および装置が提供され
る。本法および本装置においては、管路を流れる
ガスは装置の上流側における管路の圧力が変化し
ても管路を通る下流側の流れを一定（または均
一）にする装置を流される。流れ均一化装置から
上流へ若干離れた管路内の点に、該点で管路内の
流れを周期的に絞る弁機構が設けられる。周期的
な絞りは完全であることが望ましい、即ち弁機構
を完全に閉鎖して弁機構を通る流れを中断するこ
とが望ましい。その絞りが不完全であると、後述
するように流量測定パラメータとして用いる圧力
低下率の検出がより困難になる。

流れを絞るまたは中断するため上流の弁機構の
操作に際して、下流側の流れは一定に保つが上流
の弁機構における流れが絞られるまたは中断され
るので、弁機構と流れ均一化装置間の管路内の圧
力が低下し始まる。管路の容積が一定で、ガスの
量が一定の割合で減少する結果、圧力が低下す
る。圧力の低下速度は流量に比例する、そして本
発明によれば増分時間の始めおよび終りにおける
圧力を検知しその圧力低下分を増分時間で割るこ
とにより測定される。同じ長さの時間増分を測定
毎に用いるか、或いは同じ大きさの圧力低下分を
１つの測定から次の測定に用いることができる。
後者の場合、時間増分の長さは流量に逆比例す
る。

圧力低下の測定により長い時間増分を用い、よ
り長いサイクルの流量測定を用いることができる
ように、上流の弁機構と下流の流れ均一化装置間
の管路に一定容積の測定室を挿入することが望ま
しい。

以上の説明から、本発明の態様は極めて簡潔で
あることがわかる。即ち、管路（必要ならば、測
定室を有した管路）、該管路内の下流に設けた１
つまたは複数の流れ（または流量）均一化装置、
流れを反復中断または絞る上流の弁機構、圧力低
下を検出および計時しその圧力低下を時間増分で
割つて流量に比例する比率信号を出す機構が提供
される。その比率信号は表示または記録される。
また、単独または他の装置と併用して単または複
数の下流側の流れ均一化装置のような装置を作
動、制御して流量を変えることもできる。圧力セ
ンサ（検出器）は電気的出力を発生する変換器で
あることが望ましい、そしてアナログまたはデイ
ジタル方式を含む電気的方法を用いて測定間隔を
計時し、圧力低下の割合を計算し、弁機構を反復
作動させ、制御および表示信号を発生さすことが
望ましい。

本発明の方法および装置は温度および圧力、ま
たは密度や組成のようなガスの性質に敏感でな
い。本装置は、タービン流量計の場合のように極
めて望ましくない可動部品を含まない。唯一の可
動部品である上流の中断用弁における摩耗は、そ
れが漏れが生じるまでは考えなくても良い。

操作条件またはガスの性質が、圧力低下率、お
よび流量の決定に流動ガスの超圧縮性を考慮する
必要がある場合には、本発明の基本的方法の改良
法を用いる。この方法では制御装置のプログラミ
ングは変えるけれども、ハードウエアの改変は全
くない。この改変によれば、１つの流れ中断また
は絞りの間に、圧力低下率が２つの別々の時間増
分において測定される。そしてその２つの圧力低
下率を比較し、それらが同一ならば超圧縮性の影
響は無視できる。それらが異なる場合は、その差
の大きさに比例した超圧縮性の補正係数を流量信
号に付加する。

以上の説明から、本発明の目的は、簡潔で信頼
性があり周囲の圧力および温度並びにガスの性質
に敏感でなく、かつ部品の摩耗に敏感でないとこ
ろの管路の流れるガスの体積流量を測定および制
御する方法および装置を提供することにあること
がわかる。

上記およびその他の目的を達成する方法は添付
図面と共に以下の詳細な説明から十分に理解でき
うるであろう。

第１図において、本発明の測定装置は一般に１
０で示す。本測定装置１０は、図示のようにガス
が左から右に送られるガス流れ管路１１との関連
において示されている。本測定装置は、望ましい
実施態様において圧力調整装置１２と毛細管１３
から成り、両者共管路１１内に配置され、前者が
後者の上流側に位置するところの流れ均一化装置
を含む。

圧力調整装置１２の上流に流量測定室１４があ
る。流量測定室１４の容積は一定であることが望
ましい、図面では管路１１の容積が局部的に拡げ
て示されている。圧力調整装置１２と上流弁機構
１５間の管路１１自体は流量測定室を限定するケ
ースと考えることができる。

管路１１内で流量測定室１４の上流点に上流弁
機構１５が配置される（前述のようにこれは管路
１１内の流れを完全に中断するよりむしろ絞るよ
うに配列することもできる。）。望ましい実施態様
における弁機構１５は、回転により開閉する回転
式弁のような形式の弁も使用可能であるが、ソレ
ノイド制御弁である。

圧力センサ１６は流量測定室１４内に取り付け
る。望ましい実施態様におけるセンサ１６は、必
要ならば別の形式の圧力変換器も使用可能である
が、電気的出力を有した歪計型のセンサ、即ち圧
力変換器である。

圧力変換器１６は制御装置１７へ接続される。
望ましい実施態様におけるこの制御装置１７は通
常の切換方式を利用して本発明の方法に従つた装
置を操作する電気的な装置である。必要ならば、
制御装置１７は普通のソリツドステートのマイク
ロプロセツサ方式を採用することができる。その
場合には、電子計時装置（または時計）、アナロ
グ−デイジタル変換装置、出力信号増幅器、制御
プログラム用記憶装置、時間信号を２つの圧力信
号の引き算から得られた信号へ分割する演算装
置、等のような品物を含むことになる。

制御装置１７からの出力信号は線路１８を介し
て所望の形式の表示および（または）記憶装置へ
送られる。線路１９は制御装置１７をソレノイド
弁１５へ接続して弁の開閉をさせる信号を導く。

以上説明した装置は本発明の流量測定装置から
成る。本測定装置で得られた情報に対応して流量
を変える意味において流量を制御する装置を使用
する必要がある場合には、制御装置１７は線路２
０により、例えば圧力調整装置１２の調整部品か
らなる流量変更機構に接続される。別の例とし
て、流量変更機構は管路１１の圧力調整装置１２
と毛細管１３の間に挿入されるモータ付き弁から
成る。

流れ均一化装置１２および１３の目的は、たと
えば測定室１４内の圧力が測定サイクル中に変化
しても測定サイクル中ずつと測定室１４からの均
一または一定流が与えられるように、測定室１４
の下流側の一組の圧力条件を作り出すことであ
る。望ましい実施態様に使用される一連の装置が
これを良く果たす。毛細管１３は、その入口にお
ける圧力が一定ならば本質的に一定になるように
流れ（または流量）を絞る。圧力調整装置１２が
この一定化をさせる。流れ均一化装置の使用によ
り得られる一定性（または均一性）は、絶対値に
おける一定性ではなく、絶対的な流速は時間と共
に変化するから測定サイクルの開始直前の流速が
どんな値であつても測定サイクル中の流速を一定
にすることを意図していることに留意されたい 望ましい実施態様は流量絞りとして毛細管１３
を使用するが、他の絞り装置も使用可能である。
さらに、該流れの絞りはガス分析装置や燃料ガス
の発熱量を測定する装置のような下流の装置は毛
細管の形や他の形にすることができる。

上記圧力調整装置１２の目的は流れ絞り装置の
上流側の圧力を一定にすることである。これが、
たとえ流量測定室１４の圧力がサイクルの過程で
変わつても、室１４からの一定流量を保証して、
最初流量を下げ次いで上げる。圧力調整装置とし
てはポエツター計器社（Poeter Instrument
Co.）製の8286型が望ましいが、他の普通の圧力
調整装置も使用可能である。

本発明による第１図に示す装置の操作および方
法の態様は第１図と共に第２図および第３図から
理解される。初期の状態は、弁１５が開いてい
て、装置１０の上流側の管路１１に存在する圧力
の影響下でガスは管路１１を左から右へ流れてい
る状態である。この初期条件は第２図において圧
力値“Ｘ”において時間“０”から“Ａ”に伸び
る水平線によつて表わされる。

時間“Ａ”において、制御装置１７が弁１５を
作動して閉鎖させる。ガスが室１４から圧力調整
装置１２と毛細管１３を介して均一に流れ続ける
ので、室１４内のガスの供給が低下し始まる。ガ
スの量が減少するので、その圧力が“Ｘ”以下に
減少する、この減少は第２図に圧力を表わす線の
下向き傾斜部によつて示される。

時間“Ｂ”において、制御装置１７は圧力変換
器１６により圧力の読みをとらせ、時間の読みを
装置１７内の時間にとらせて、それぞれP₁とT₁
を得る。時間Ｃにおいて、別組の圧力と時間の読
みP₂とT₂が得られる。次に制御装置１７はそれ
らの読み値の減算と割り算をする、その値がP₁
−P₂／T₂−T₁である。この値は、本発明によれ
ば定常状態の流量、即ち循環状態における時間
“０”と“Ａ”間の体積流量に実質的に比例する。

時間“Ｄ”において、制御装置１７は弁１５を
作動して再開始させる、そして室１４内の圧力が
再び“Ｘ”に上る。

第１図の装置は流量制御並びに流量測定に使用
される、そして前述のように測定された流量が所
望の流量でない場合には、制御装置１７は信号を
線路２０を介して圧力調整装置１２へ送りその設
定を所望の流量の得られる方向に変える。

周囲から測定室１４のガスに熱が良く伝達され
ることが大切である。流量に厳密に比例すべき
ΔP／ΔTの値に対して、ガスの温度は一定でな
ければならない。熱伝達が良くないと、室１４内
のガスの膨張および圧縮がサイクル中にガスの温
度を変えることになる。この熱伝達は主として測
定室１４の表面積／容積の比を大にすることによ
り達せられる。測定室１４は、必要ならば表面ひ
れを設けて納伝達を改善することができる。

本発明の変形した方法においては、第１図に示
す装置を用いて２つの独立した測定が第３図に示
すように行なわれる。最初の時間増分ΔT₁（“Ｆ”
と“Ｇ”の間の時間）の間の圧力変化ΔP₁を測定
する。次の第２の時間増分（時間“Ｈ”と“Ｊ”
の間）の間の圧力変化ΔP₂を測定する。２つの圧
力変化率（ΔP₁／ΔT₁およびΔP₂／ΔT₂）を観
察、比較する。それらが同一ならば、流量は
（ΔP₁／ΔT₁）に比例する。２つの圧力変化率が
異なる場合には、流量測定がガスの超圧縮性に対
して補正される。補正の大きさは圧力変化率にお
ける差に比例する。

本発明の強調に値する２、３の利点を有する。
第１の利点は流量測定が密度または粘度のような
ガスの性質に全く左右されないことである。これ
は他の流量測定法に比較して重要な利点である。
末知の方法においてガスの密度および（または）
粘度が変わる場合、本発明法は流量を正確に測定
することができるが、従来の流量測定装置は再検
定しなければならない。

本発明の第２の利点は極めて望ましくない摩耗
部品が全くないことである。粘度および密度に対
する感度が極小のタービン流量計は用いうるが、
連続的摩耗があるため屡々再検定をしなければな
らない。本発明において機械的に連続に動く部品
をもつた唯一の要素は測定室１４の入口弁１５で
ある。弁作動機構またはシールが摩耗しても、こ
れは入口弁１５を閉じたとき漏れが生じるまで測
定に全く影響を与えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による体積流量を測定および制
御する装置の構成説明図、第２図は第１図に示す
装置を操作した場合の圧力と時間との関係線図、
そして第３図は本発明による別な方式で操作した
場合の圧力と時間との関係線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管路内の下流点において該管路内を流れるガ
   スの流速を一時的に一定にし、 前記下流点から上流側へ所定の距離を有する上
   流点において前記管路内のガス流を一時的に絞
   り、そして 前記上流点においてガス流を絞る少なくとも部
   分的時間の間に前記管路内の上流点と下流点との
   間において、ガスの体積流量に実質的に比例する
   圧力低下率を測定することから成ることを特徴と
   する管路内を流れるガスの体積流量を測定する方
   法。 ２ 前記ガス流の絞り時間の間に前記圧力低下率
   の測定を２回行ない、 得られた２つの測定値を比較し、そして その比較した測定値が異なる場合にはガスの超
   圧縮性に対する前記体積流量測定値を補正するこ
   とをさらに含む特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３ 少なくても前記ガス流の絞り時間の間に前記
   上流点と下流点間の管路内のガスと周囲との間の
   熱伝達を前記管路内のガスの温度を一定に保つ方
   向に行なわせることをさらに含む特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の方法。 ４ 前記ガス流の一時的絞りが流れの完全絞りま
   たは中断であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の方法。 ５ 前記圧力低下率の測定が、圧力を１つの所定
   値から別の低い所定値に低下させるのに必要な時
   間を測定することによつて決定されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 前記圧力低下率の測定が、所定の時間間隔の
   始めと終りにおいて測定し、得られた大きな方の
   圧力から小さな圧力を引き、そしてその差を前記
   所定の時間間隔で割ることによつて決定されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ７ 前記管路内の下流点における流速の一時的一
   定化が、前記下流点において前記ガスの圧力を一
   定にさせ、それを前記下流点のさらに下流点へ送
   つて該点での流量絞りを介して行なわれることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８ 前記管路内の上流点におけるガス流の一時的
   絞りが、前記上流点の管路内の弁機構を所定時間
   閉鎖することにより行なわれることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ９ 前記測定されたガス流量と所望の流量とを比
   較して、前記一定化流速を該所望の流速と一致さ
   せることをさらに含む特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 １０ 前記ガスを前記上流点と下流点との間の管
   路内に挿入した一定容積の室へ流入および該室か
   ら流出さすことをさらに含む特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 １１ ガスを管路を介して使用点へ流がし； 前記管路内の絞り体を介して前記ガスを流が
   し、該絞り体へ導入されたガスに一時的に一定の
   圧力を確立、維持さすことによつて、前記管路内
   の所定の下流点における前記流れガスに一時的に
   一定の流速を与え、 前記所定の下流点から上流に位置する所定の点
   において、前記管路内のガス流を所定の時間間隔
   および所定の回数反復して一時的に中断させ、そ
   して 前記一時的中断の期間の少なくとも一部の間に
   前記上流点と下流点の間に位置する前記管路の部
   分における圧力の低下率を測定して、ガスの組
   成、粘度または密度の変化に影響されない周囲条
   件下で体積流量を測定することから成ることを特
   徴とする所定の測定された体積流量で管路を介し
   てガスを使用点へ送る方法。 １２ 前記ガスを前記上流点と下流点の間の一定
   容積の室へ流入および該室から流出さすことをさ
   らに含む特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３ 管路内の下流点において、該管路内を流れ
   るガスの流速を一時的に一定にする機構と、 前記下流点から上流側へ所定の距離を有する上
   流点における前記管路内のガス流を一時的に絞る
   上流弁機構と、 前記ガス流が前記上流弁機構によつて絞られる
   時間の少なくとも一部分の間に前記上流点と下流
   点の間の前記管路内の圧力低下率を測定する機構
   から構成されることを特徴とする管路内を流れる
   ガスの体積流量を測定する装置。 １４ 前記上流点と下流点の間の前記管路内に挿
   入された一定容積の測定室をさらに含む特許請求
   の範囲第１３項記載の装置。 １５ 前記管路および（または）測定室が、前記
   ガスとその周囲との間に良好な熱伝達をさせるよ
   うに構成および配列されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１３項または第１４項記載の装置。 １６ 前記測定機構が計時機構と圧力検出機構か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１３項
   記載の装置。 １７ 前記圧力検出機構が、第１の所定圧力で前
   記計時機構を作動させ、そして第２の所定の低圧
   力で前記計時機構の作動を停止して体積流量に逆
   比例する計時信号を発生するように配列されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１６項記載の装
   置。 １８ 前記計時機構が、前記ガス流の絞りに続く
   時間に２点において前記上流弁機構により前記圧
   力検出機構を作動さすように配列されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１６項記載の装置。 １９ 前記上流弁機構が前記ガス流を一時的に中
   断するように配列されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１３項記載の装置。 ２０ 前記流速を一時的に一定にする機構が前記
   管路内の流れ絞り体と、該流れ絞り体の上流に位
   置して該絞り体に流入するガスの圧力を一定に保
   つ圧力調整装置を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第１３項記載の装置。 ２１ 前記流れ絞り体が毛細管から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第２０項記載の装置。 ２２ 前記流れ絞り体が下流装置の一部から成る
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２０項記載の
   装置。 ２３ 前記圧力調整装置の圧力設定を変えて前記
   管路内の流量を変える機構をさらに含む特許請求
   の範囲第２０項記載の装置。 ２４ 前記測定機構に応答し、前記一時的な流速
   一定化機構の特性を変えて前記一定化流速を変え
   る機構をさらに含む特許請求の範囲第１３項記載
   の装置。