JPH1090027A - 可変断面積オリフィスを用いた流量測定制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】定められた流路の中に、他の機構の配置の関係
および流れの特性を変更することなく、とくに小さい圧
力損失でしかも早い応答特性をもって流量の測定・制御
を行うことができる流量測定制御装置を得ること。 【解決手段】圧力と流量の関係にある特性をもつ流路に
おいて、一定の最大径の固定オリフィス４をもつオリフ
ィス板３と中心軸５に沿って断面積が滑らかに変化しか
つ直線移動可能な可動コァ−８とで可変断面積オリフィ
ス１２を形成し、可動コァ−８を直線移動可能に支持す
る固定コァ−７に直線駆勤機構（リニァーアクチュエー
タ）２０を配置して可動コァ−８の移動位置が正確に制
御できるように構成し、可動コァ−８の移動の位置の関
数として可変断面積のオリフィスを構成し、流路の抵抗
を小さくして流量の測定および流量の制御が高速応答で
広い流量範囲にわたって正確に行える新しい機構の可変
断面積オリフィスを用いた流量測定制御装置を構築す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】本考案は、流量測定を必要と
する各種産業で使用するオリフィスを用いる流量計に係
わるが、とくに測定範囲が広くしかも圧力損失を問題と
して流量測定を行う必要のあるエンジンの吸入空気流量
や排気ガスの希釈サンプリング装置などにおける流量の
測定・制御に係わる。

【０００２】

【従来の技術】オリフィスを用いた流量計は広く用いら
れているが、縮流部が一定の断面積になっているものが
多い。こうした固定断面積のオリフィスでは入り口の温
度、圧力が一定としてもオリフィスによる圧力降下ΔＰ
は流量Ｑの二乗に比例するので、流量が大きく変化する
場合には圧力変化は極めて大きくなり、それに応じてオ
リフィスとしての圧力損失も大きくなる。従って、普通
には流量測定範囲はレイノルズ数や圧力測定精度から制
限される最小流量測定値の３〜５倍の範囲に限られる。
自動車排気ガスのように流量が急速に１０倍程度以上変
化するような条件では固定断面積のオリフィスは適用が
困難であった。また一部で用いられている可変断面積の
方式も外部から機械的に断面積を変える機構を用いてい
るので配置上に多くの制約があり、とくにオリフィスの
下流部に複雑な可変機構を設置しているので圧力回復に
障害となり、圧力損失の増大を招く恐れがあった。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】流量測定制御装置とし
て定められた流路の中に、配置の関係および流れの特性
を変更すること無く、しかも必要に応じて早い応答特性
をもって流量の測定・制御を行うことが課題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題に対応して、
本考案の可変断面積オリフィスを用いた流量測定・制御
装置は流路の内部に可変断面積の機構を収容し、流路系
の流れ特性の範囲内で流量制御を行うと同時に流量測定
を行える構成とした。すなわちパルスモータと機械的な
直線駆動機構を流路内に配置し、オリフィス板の部材と
ともに可変断面積の絞り部を形成させて早い応答で制御
できるようにした。

【０００５】具体的な手段としては流路の特性の制限内
で、圧力損失を小さくして流量測定と流量制御ができる
ようにオリフィスの絞り断面積を可変にするだけでな
く、オリフィスの下流側での圧力回復を妨げないよう
に、オリフィスの上流側にできるだけ流れの抵抗になら
ないように可変断面積の機構を滑らかな外形形状のコァ
ーとして配置した。そのコァーは固定コァーと可動コァ
ーとから成り、固定コァーにはリニァーアクチュエータ
を配置してケーブルを経由して外部から前記リニァーア
クチュエータに信号と電気的動力を供給し、制御された
回転を精密な直線運動に変換する直線駆動機構によって
前記可動コァーの移動位置が正確に制御できる構造とし
た。

【０００６】可動コァーの外側形状は滑らかでオリフィ
スの縮流部を構成する面は上流側から下流側に断面積が
小さくなるようにし、さらにその断面積の軸方向距離に
対する変化をある関数に従うように加工することによっ
て、流量計算や流量制御に便利にできる。

【０００７】流量測定値は通常のオリフィスと同様に上
流側の温度と絶対圧と差圧にオリイスの断面積および校
正から得られた係数で簡単な計算回路により求められ
る。この時オリフィス断面積はリニァーアクチュエータ
のモータの回転角度すなわちエンコーダの出力信号の関
数として計算回路に入力される。また外部からの流量指
示の制御信号に対応して、制御回路によってリニァーア
クチュエータの回転角度を制御してオリフィス断面積を
変化させることもできる。

【０００８】さらに設定した差圧の値に対応するように
制御回路を働かせて、流路の特性に応じた範囲で流量測
定や流量制御を行うことも可能である。

【０００９】

【考案の実施の形態】以下、本考案の可変断面積オリフ
ィスを用いた流量測定制御装置の実施例を図１の構成例
によって説明する。図１において、１は流量測定制御装
置であり、測定管２を有する。測定管２は測定対象の流
体を流す流路内に配置されている。測定管２内にはオリ
フィス板３が設置され、オリフィス板３には一定の最大
面積に対応する直径Ｄをもつ固定オリフィス４が設けら
れている。固定オリフィス４の中心軸５上にコァー部材
６が配置されている。

【００１０】コァー部材６は直線駆動機構（リニアーア
クチュエータ）２０を配置した固定コァ−７と可動コァ
−８とから成っている。固定コァ−７は複数の支柱１３
で測定管２の中心軸に固定され、可動コァ−８を固定オ
リフィス４の中心軸５上に移動可能な状態で支持してい
る。可動コァ−８は適当な回転曲面に設計された円錐状
の先端部１１を有し、この先端部１１と固定オリフィス
４とで可変断面積オリフィス１２を形成する。先端部１
１の曲面の設計形状によって可動コァーの移動距離と可
変断面積オリフィス１２の面積の関数関係が適切に構成
できる。固定コァ−７はケース１４の中にセツトボルト
１６によって位置の微調整可能に直線駆動機構２０を固
定配置する。

【００１１】可動コァ−８は直線駆動機構２０の直線駆
動軸１７に連結されている。直線駆動機構２０にはモー
タ部１５と回転直線駆動変換部２１のほかにエンコーダ
部２２が含まれていて、直線駆動軸１７の正確な位置が
信号として出力されるようになっている。直線駆動機構
２０の駆動はドライバー回路２３で位置信号とともにケ
ーブル２４を経由して行われる。

【００１２】オリフィス板３の前後にはコーナータップ
２６、２７が設けられ、それぞれのコーナータップ２
６、２７の圧力は導管２８、３１によって差圧力計３
２、絶対圧力計３３に導かれて圧力測定される。差圧力
計３２、絶対圧力計３３からの圧力信号は演算制御回路
２５に入力される。流体の温度はオリフィスの上流で温
度センサ３４で測定され、その測定値は変換器３５で変
換されて演算制御回路２５に入力される。

【００１３】このように構成された流量測定制御装置に
よる流量の測定と制御は次のようにしてなされる。測定
管２の入口側３６から入った流体はオリフィス板３の上
流部３７（よどみ点と考える）を経由して可変断面積オ
リフィス１２を通過してオリフィス板３の下流部３８か
ら圧力をある程度回復しながら流れの特性に応じて、測
定管２の出口側４１に流れる。このときオリフィスとし
ての差圧はオリフィス板３の直前の静圧と直後の静圧と
の差であり、オリフィス板３の直前の静圧をコーナータ
ップ２６から取り出し、オリフィス板３の直後の静圧を
コーナータップ２７から取り出す。

【００１４】これらの圧力は導管２８と導管３１によっ
て絶対圧力計３３、差圧力計３２に導かれ、測定され
る。流体の温度は温度センサ３４によって検出され、変
換器３５によって電気信号として、絶対圧力、差圧力の
信号とともに演算制御回路２５に入力される。

【００１５】直線駆動機構２０の駆動と制御はドライバ
ー回路２３で位置信号とともにケーブル２４を経由して
行われ、直線駆動軸１７が軸方向に正確に精密に移動し
て、可動コァ−８の先端部１１がオリフィス板３の固定
オリフィス４の中心軸に沿って直線移動し、その位置に
応じて可変断面積オリフィス１２の断面積を変化させ
る。この時の断面積は先端部１１の直径をｄとすると、
Ｄ−ｄが可変断面積オリフィス１２の等価直径となる。

【００１６】演算制御回路２５にはドライバー制御信号
とともに位置信号が入力され、可変断面積オリフィス１
２の断面積を求めることができる。そして絶対圧力、差
圧力、温度の信号と、流体の物性値などの設定値や流量
校正の補正係数の設定値などから、その瞬間の流量を高
速で計算する。さらに、流量指示信号４２との比較を行
って直線駆動機構２０の制御を行い流量制御をすること
もできる。また、必要に応じてはオリフィス板３の前後
の差圧をある範囲以内に設定することができる。

【００１７】

【考案の効果】この考案の流量測定制御装置では、オリ
フィスの断面積を信号によって変化させ、また制御する
ことができ、さらに容易に検出できるので、広い範囲の
流量測定が可能である。とくに流量測定と流量制御にお
いて圧力損失を小さくすることができる特徴を持ってい
る。この流量測定制御装置では流量あるいは流速に応じ
て変化させることができるので、オリフィスによる差
圧、オリフィスの断面積、流量の３要素を流路の特性の
範囲以内で自由に制御することができる。

【００１８】この考案の流量測定制御装置ではオリフイ
スの圧力降下をほぼ一定にするように、早い応答のサー
ボ機構を設けることによって急速に変化する流量の測定
においても、圧力損失を極めて低く抑制しながら広い流
量範囲にわたって正確なしかも高速応答の測定ができ
る。

【００１９】この考案の流量測定制御装置では外部から
の指示に基ずく流量制御において、極めて小さい圧力差
で広い範囲の流量レンジにわたって高速で正確な流量制
御を実現できる。

【００２０】この考案の流量測定制御装置では測定管を
流路の一部として設置することができる。そして測定管
内に配置した可動コァーの位置制御のためにケーブルに
よる信号と電力の供給が行われるだけで、機械的連結が
無いために機構の配置に制約が少なく、装置の構造を簡
単にした可変断面積オリフィスを用いた流量測定制御装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案による可変断面積オリフィスを用いた
流量測定制御装置の構成説明図

【符号の説明】

１流量測定制御装置 ２測定管 ３オリフィス板 ４固定オリフィス ５中心軸 ６コァー部材 ７固定コァー ８可動コァー １１先端部 １２可変断面積オリフィス １３支柱板 １４ケース １５モータ部 １６セットボルト １７直線駆動軸 ２０直線駆動機構（リニァーアクチュエータ） ２１回転直線駆動変換部 ２２エンコーダ部 ２３ドライバー回路 ２４ケーブル ２５演算制御回路 ２６、２７コーナータップ ２８、３１導管 ３２差圧力計 ３３絶対圧力計 ３４温度センサ ３５変換器 ３６入口側 ３７上流部 ３８下流部 ４１出口側 ４２流量指示信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプ、送風機その他の装置に連結して、
   圧力と流量の関係にある特性を持つ流路において、一定
   な最大径のオリフィス板を配置しその上流側から中心軸
   に沿って断面積が滑らかに変化しかつ前記オリフィス板
   と共に流れの縮流部を形成する可動コァーを軸に沿って
   直線移動可能に設置して、前記可動コァーを直線移動可
   能に支持する固定コァーにリニァーアクチュエータを配
   置して外部からの信号と電気的動力によって前記可動コ
   ァーの移動位置が制御できるように構成し、前記可動コ
   ァーの移動によってオリフィスの絞り断面積を可変にす
   るとともに、その断面積を可動コァーの位置の適切な関
   数とした縮流部をもつオリフィスを構成させ、オリフィ
   ス板の直前の温度と圧力および直後の差圧力を測定して
   流量演算をすると同時に、その差圧力をある必要な範囲
   内に制御し、さらにあるいは外部からの流量制御信号に
   基ずいて流路の特性に対応した流量制御を必要に応じて
   可能とする可変断面積オリフィスを用いた流量測定制御
   装置。