JPS596378B2 - 密度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は鉛直直管内を流れる流体の、上流および下流
の２点間の静圧差により、管内流体の密度をお求める密
度計に関するものである。

鉛直直管の上・下流間の静圧差により流体密度を求める
場合には、流体の流動に伴なう管内圧力損失を考慮しな
ければならない。

このような圧力損失による補償を不要とするため、出願
人は、鉛直直管内に絞りや拡径部などの異径部を設ける
と共に、この異径部の圧力降下または圧力上昇と等しい
圧力損失を持つた側圧部を選定し、この側圧部と異径部
に設けた側圧部との静圧差により密度を測定するものを
すでに提案している（特願昭４８−８５６２９号、特公
昭５２−３０８６７号公報参照）。しかしこの既提案の
密度計は２側圧部間の管内摩擦による圧力損失のみに着
目して設計されていたので、例えばこの鉛直直管の流入
側直前に曲管（ベンド）を接続し、流体の流動方向を変
えた場合には、流体はこの曲管内で旋回流となるために
鉛直直管の管内壁にはこの旋回に伴なう遠心力による圧
力が作用し、これが静まるまで部分的な圧力上昇、すな
わち圧力変動を起こしていた。

この圧力変動は側圧部の静圧に影響を及ぼし、測定誤差
を生ぜしめる原因となるおそれがあつた。そこでこのよ
うな曲管を接続したことにより惹起される鉛直直管内の
圧力変動を消去するために、鉛直直管の上流側に長さｌ
の直管を介して曲管を接続することが考えられている。
第１図はこの接続状態を示す側面図である。符号１は鉛
直直管であり、鉛直に配置されると共に、この管内を流
体は矢印Ａ方向へ下方から上方へ向けて流動する。この
鉛直直管１の上流側の第１側圧部２には不図示の絞りが
形成されると共に側圧用開孔３が設けられ、この開孔３
には差圧計４に接続された圧力検出部５が固定されてい
る。鉛直直管１の前記第１測圧部２より距離Ｈだけ下流
の第２測圧部６には測圧用開孔７が設けられ、この開孔
７には差圧計４に接続された圧力検出部８が固定されて
いる。そして、前記差圧計４は、２個の圧力検出部５，
８の圧力差により、流体の密度を測定する。この鉛直直
管１の上流側には内径がｍで長さがｌの直管９が接続さ
れ、さらにこの直管９の流入側には曲管１０が接続され
、略水平に延在する流入管１１からの流体を鉛直直管１
に導いている。また鉛直直管１の下流側には曲管１２が
接続され、略水平に延在する流出管１３に流体を導いて
いる。第２図はこのように直管９を介して曲管１０を接
続した場合の効果を示すグラフであり、横軸に流速ｖを
、縦軸に上流側測圧部（前記第１測圧部２）における曲
管１０による圧力上昇ｈをそれぞれとつて示したもので
ある。ここで曲線イはｌ＝０１すなわち直管９を接続せ
ずに直接曲管１０を接続した場合を、曲線口はｌ＝５ｍ
、すなわち直管９の内径ｍの５倍の長さを持つ直管９を
介して曲管１０を接続し５た場合を、また曲線ハはｌ二
１０ｍの直管９を介して曲管１０を接続した場合を示す
。また、図中△ｈは、測圧部２において圧力検出部５の
円周上の取付位置を変化させた場合におけるｈの変化幅
を示す。このグラフからも明らかなように、曲管１０に
よる圧力上昇ｈは、流速ｖに対してほぼ幾何級数的に上
昇するが、曲管１０を２＝１０ｍ程度の長さの直管９を
介して接続することにより、ほとんど無視できる程度に
小さくすることができる。以上のように直管９を設ける
ことによつて、曲管１０の影響を消すことが可能である
が、特にトンネル内や屋内に設定する場合にはこのよう
に長い直管９を設けることは非常に困難であるばかり
５でなく、ポンプ出力圧が低い場合には長い直管を使え
ない等の不都合があつた。

この発明は以上のような問題点に鑑みなされたものであ
り、第１および第２測圧部における流体の流動による圧
力変化分が等しくなるように各測ｚ圧部の内径と両測圧
部間距離とを決めることによつて、鉛直直管の流入側に
直接接続された曲管部が各測圧部に加える圧力変動を消
去し、装置全体の高さを低くできると共に、ポンプ圧力
が低くても正確な測定が可能な密度計を提供することを
目的とするものである。

第３図はこの発明の原理を説明するための説明図であり
、この図において鉛直直管１内には流体が矢印方向に流
動している。

上流側の第１測圧部２には絞り１４が設けられている。
先ず浅い絞り１４ａを設けた場合には、第１測圧部２に
おけるこの絞り１４ａによる圧力降下は△Ｐａとなり、
深い絞り１４ｂを設けた場合には△Ｐｂとなる。そして
この第１測圧部２から第２測圧部６までの間の直管部１
ａにおける管内摩擦による圧力損失は、直線１５で示さ
れ、この圧力損失は第２測圧部６においてＬＯとなつて
いる。なお、前記浅い絞り１４ａおよび深い絞り１４ｂ
による影響は、第１測圧部２から離れるにつれて次第に
小さくなるが、完全にゼロになるものではなく、絞りに
伴なう永久圧力損失が残るからこれに前記の直線１５の
影響を重ねることによつて直管部１ａ内の圧力分布は曲
線ａおよびｂのように求めることができる。すなわち、
第２測圧部６における圧力損失は前記ＬＯよりも大きく
なつてＬａとなる。今、仮りにこのＬａが前記浅い絞り
１４ａによる圧力降下△Ｐａに等しいものとすれば、第
１および第２測圧部２，６間での管内摩擦による圧力損
失ＬＯの影響は完全に消去されたことになる。ここで絞
りを深絞り１４ｂにすると、第１測圧部２での圧力降下
△Ｐｂは第２測圧部６の圧力損失Ｌｂよりも大きくなる
。この発明はこの点に着目してなされたものである。す
なわち、後記するように曲管部を流入側に設けると、流
体の旋回に伴なう圧力上昇と同時に圧力損失とが発生す
るが、第１測圧部２付近においては圧力上昇の方が大き
いため、この圧力上昇分を前記した深い絞り１４ｂに伴
なう圧力降下分に均衡させ、結局曲管部を設けた場合に
おいても第１測圧部２における圧力降下（圧力変化）と
第２測圧部６における圧力損失とを等しくすることが可
能となるのである。次にこの発明を第４図に基いて説明
する。第４図はこの発明の１実施例の説明図であり、こ
の図において鉛直直管１の上流側の第１測圧部２には深
い絞り１４ｂが設けられ、またこの絞り１４ｂの上流側
には曲管部１６が接続されている。

曲管部１６で流体は旋回されるために、管内面に作用す
る遠心力のために、圧力ｈが第１測圧部２に加わる。こ
れを鉛直直管１の長さ方向に沿つて測定すれば第４図の
曲線１７のようになる。また、前記曲管部１６は圧力損
失を流体に与えるが、この圧力損失の第１測圧部２にお
ける大きさを△Ｐ２第２測圧部６における大きさをＬ２
とする。ここで、前記したように直管部１ａにおける管
内摩擦による圧力損失は第４図の直線１５のようになり
その第２測圧部６における大きさをＬ３とする。また、
深い絞り１４ｂによる第１測圧部２での圧力降下は△Ｐ
１、第２測圧部６における圧力降下は １Ｌ１とする。
これらを各測圧部２，６でそれぞれ合計すれば、第１測
圧部２における圧力変化は（△Ｐ１＋△Ｐ２−ｈ）、第
２側圧部６における圧力損失は（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）と
なる。そして前記したように第１測圧部２における絞り
を深い絞りとすることによつて各測圧部２，６における
圧力変化と圧力損失をバランスさせ第４図の曲線１８の
ような圧力分布を求めることができる。すなわち、第３
図のような鉛直直管１に曲管部１６を設けたために発生
する圧力上昇ｈ１および圧力損失△Ｐ２←およびＬ２は
、絞りを深い絞り１４ｂにすることによりうまく打ち消
すことが可能になるのである。換言すれば、曲線１８が
示す圧力分布は、深い絞り１４ｂによる圧力降下△Ｐ１
と圧力損失Ｌ１、曲管部１６による圧力上昇ｈと圧力損
失△Ｐ２と！および管内摩擦による圧力損失Ｌ３を全て
含めたこの密度計全体の構造から生ずる圧力分布であり
、この曲線１８に基いて、第１および第２測圧部２，６
における圧力変化および圧力損失が等しくなるように深
い絞り１４ｂの内径を決めればよい。なお、この時第１
および第２測圧部２，６間距離は差圧を検出するに十分
な距離とするよう任意に予め決定することが可能である
。次に、このようにして決めた第１および第２測圧部２
，６においては管内流体の流速ｖおよび比重量γに変動
があつても測定には影響が無いことを説明する。

前記したように第１および第２測圧部２，６における圧
力変化と圧力損失とが等しいから次式が成立する。ここ
に左辺におけるｈおよび△Ｐ１＋△Ｐ２は次式より求め
ることができる。

ｈ＝ｋピγ・２ 但しＳ：圧力検出部の位置や方向で決まる係数γ：比重
量〔１＜９／Ｍ３〕ｖ：流速〔ｍ／ｓ〕 Ｄ：管内径〔ｍ〕 Ｒ．曲管部の曲り中心半径〔ｍ〕 ９：重力加速度〔ｍ／Ｓ２〕 α：流量係数 β：絞りとＤの直径比 また第（１）式の右辺のＬ１＋Ｌ２，Ｌ３は次式より水
められる。

且し Ｋ３：曲管と絞りの圧力損失係数（Ｋ３く１．００） λ ：曲管と絞りを含まない管内壁の粗さによる摩擦損
失係数 ｌ ：管の長さ（第１および第２測圧部間隔） 第（２）〜（５）式を第（１）式に代入すればこの第（
６）式は流速ｖと比重量γとは無関係に成立することを
示している。

なお、Ｓ，α，λについてもレイノルズ数の小さい範囲
を除くと広い範囲で一定とみなして実用上問題ない。

そしてこの場合には流体密度ρはＰ２：第２測圧部での
検出圧力γ ：比体比重 により求めることができるのである。

すなわち曲管部１６を鉛直直管１に直接接続した場合で
も流体の流動に伴う誤差のない密度計を得ることができ
る。次に第５図に基いて他の実施例を説明する。

第５図は鉛直直管１の下流側の第２測圧部６に拡径部１
９を形成したものであり、この場合には、前記第４図の
実施例における絞り１４ｂによる圧力損失Ｌ１は考慮す
る必要が無い。曲管部１６による圧力上昇は第５図の曲
線２０で示されその第１測圧部２における値はｈとなる
。また管内摩擦による圧力損失Ｌ３は図中直線２１で示
される。今、拡径部１９が無いものとすれば鉛直直管１
内の第２測圧部６における圧力損失は曲管部１６による
圧力損失Ｌ２と前記Ｌ３とを加えたＬ２＋Ｌ３となるが
、この第２測圧部６には拡径部１９が形成されているの
で、この拡径部１９による圧力上昇△Ｐ，′が加わるの
みならず、曲管部１６による圧力上昇△Ｐ２′も加わる
。従つてこの実施例において、両測圧部２，６の圧力変
化または圧力損失を等しくするためには次式が成立しな
ければならない。ここで、ｈおよび△Ｐ／＋△ＰＪは前
記第（２），（３）式と同様に、またＬ２＋Ｌ３は前記
第（４），（５）式に準じて求められるので、第（８）
式はとなる。

この式は前記第（６）式と同様に流速および比重量γの
変化に無関係に成立するだけでなく、レイノズル数が小
さい範囲を除いて前記第（７）式が成立する。第６〜９
図はこの発明の他の実施例を示し、鉛３直直管１と曲管
部１６とを一体に形成したものである。

すなわち前記第（６），（９）式は、絞りと管内径Ｄと
の直径比β、曲管部の曲り中心半径Ｒおよび圧力検出部
の位置や方向で決まる係数Ｓ等が変化すると成立しなく
なるので、このように鉛直直管 ４，１と曲管部１６を
一体に形成することによりかかる不都合を避け、常に正
確な測定が可能となる。なお、第７図は第６図の要部縦
断面図であつて第１測圧部２に絞り１４を備えたものを
、第８図は第２測圧部６に拡径部１９を備えたものを、
また第９図は第１、第２測圧部２，６に絞り１４と拡径
部１９とを備えたものを、それぞれ示している。また第
６，７図に示された圧力検出部５，８には第１０図に拡
大して示す隔膜式圧力計２２が用いられている。

すなわちこの隔膜式圧力計２２は、測圧用開孔３，７に
臨むダイヤフラム２３と、このダイヤフラム２３を前記
開孔３，７に固定しこのダイヤフラム２３との間に圧力
伝送用液が充填される液室２４を形成する本体２５と、
この液室２４内の液圧を差圧計４に導くキヤピラリーチ
ユーブ２６とを備えている。このように圧力検出部５，
８に隔膜式圧力計２２を使用すれば、微細な乱流による
圧力変化をダイヤフラム面積内で平均化できると共に、
管内抵抗を少なくできる。従つて計測可能な流体の種類
の範囲が広くなる。この発明は以上のように、第１測圧
部の内径を第２測圧部の内径よりも小径に形成すると共
に、各測圧部における圧力変化または圧力損失が等しく
なるように各測圧部の内径および位置を決定したので、
鉛直直管の流入側に直接接続された曲管部が、各測圧部
に与える圧力変動を消去して正確な密度測定が可能とな
り、測定値の補正が不要になる。また鉛直直管の流入側
に曲管部を直接接続できるので、装置全体の高さが低く
なり、高さ方向が狭い設置場所にも設置が可能となる。
さらに高さが低くなるので、流体を圧送するポンプ圧力
が低くても正確な密度測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の全体図、第２図は直管の効果を示す
グラフ、第３図は原理説明図、第４図と第５図はそれぞ
れこの発明による実施例の説明図、第６〜９図は他の実
施例を示す側面図と縦断側面図、第１０図は隔膜式圧力
計の縦断面図である。 １・・・・・・鉛直直管、１ａ・・・・・・直管部、２
・・・・・・第１測圧部、３，７・・・・・・測圧用開
孔、４・・・・・・差圧計、５，８・・・・・・圧力検
出部、６・・・・・・第２測圧部、１４・・・・・・絞
り、１６・・・・・・曲管部、１９・・・・・・拡径部
、２２・・・・・・隔膜式圧力計、２３・・・・・・ダ
イヤフラム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉛直な管路を形成する鉛直直管と、この鉛直直管の
   上流側に設けられた曲管部と、前記鉛直直管の直管部上
   流側に設けられた第１測圧部と、前記直管部の下流側に
   設けられた第２測圧部とを備え、前記第１測圧部の内径
   を第２測圧部の内径よりも小径に形成すると共に、各測
   圧部における圧力変化または圧力損失が等しくなるよう
   各測圧部の内径および位置を決定することにより、前記
   曲管部が前記各測圧部に加える圧力変動を消去したこと
   を特徴とする密度計。 ２ 鉛直直管と曲管部とを一体に形成し、前記鉛直直管
   に設けた前記第１および第２測圧部にそれぞれ測圧用開
   孔を設けた特許請求の範囲第１項記載の密度計。 ３ 第１および第２測圧部の管壁には圧力伝送用液を封
   入した隔膜式圧力計のダイヤフラムを臨ませた特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の密度計。 ４ 第１測圧部に絞りを形成すると共に、第２測圧部に
   拡径部を形成した特許請求の範囲第１項または第２項ま
   たは第３項記載の密度計。