JPS62263415A - 壁圧測定による汎用流量測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ニュートン流体、非ニュー トン流体を問わず、或は気体、液体や固体の流動時のそ
れら流体の区別なく適用できる流量測定法に関するもの
である。従って、プロセス制御や医療機器分野、水道や
ガス関係などで、流速或は流量を測定する必要がある場
合に、本発明は利用できる。

従来の技術 流量測定は、工業的計測の中でも、最 も基本的なものの一つで、プロセス制御などには必須の
ものである。その流量測定には、容積式流量計のように
計器の内部を通過する流体の速度とは直接関係なく、流
量を求めるものもあるが、多くはなんらかの形で、管路
内の流速を求め、これから流量を知る方法が行われてい
る。後者の測定法としては、歴史も古く、現在最も多方
面にわたって使用されているものに、絞り機構による方
法があり、これはベルヌーイの法則を利用したものであ
る。即ち、管路内に絞りをおくと、その前後で差圧が発
生する。この差圧が絞りを通過する流量の二乗に比例す
るとして、その差圧を測って流量を求めている。この差
圧を発生させるためには、絞り機構として、オリフィス
、ノズル、ベンチュリ管などが用いられている。

発明が解決しようとする問題点 上述のように、絞り機構による流量測 定ではベルヌーイの法則を用いている。しかしながら、
後述のように流体の粘性抵抗が大きくなるとベルヌーイ
の法則そのものが成立しなくなるという根源的な問題が
ある。たとえ流体の粘性抵抗が無視し得て、ベルヌーイ
式が利用できたとしても、差圧測定のために流体に直接
通じる差圧測定孔を複数個設けねばならない。これが測
定機器の構造を複雑にし、又差圧を受けてこれを処理し
やすい信号に変換するのに差圧伝送器が使われるが、こ
の構造も複雑になっている。例えば電子式差圧伝送器で
は、差圧はダイアフラムで検知され、固定電極と移動電
極との空隙に存在するキャパシタンスを変化させる。こ
のキャパシタンス変化を電子式変換器により変換出力し
ている。

これらは構造が複雑なため、高価であり、計器保守が大
変で測定誤差も生じ易い。

問題点を解決するための手段 本発明は、これらの問題点を一気に解 決するものである。即ち、絞り前後の差圧を測定するの
でなく、絞り部分に作用する例えば流れ方向の力を検出
して流量の測定を行うものであるから、力測定にゲージ
式ロードセルなども用いれば、差圧変換に比べ、変換ス
テップがより少くなり累積誤差が少くなり精度良い流量
測定ができる。

以下、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、発明
者が発見した新しい原理に基づいて発明されたものであ
り、まずその原理を説明する。

自然現象はエネルギー保存則に従って起ると考えること
ができる。機械的に方向づけられた現象を表現する場合
、外力と物体の運動状態の関係を把握して行う。物体の
運動状態は、単なる移動或は回転と流動に分けられる。

外力による仕事が加えられても物体が変形しなければ、
その気体、液体及び固体は、全て固体と見■すことがで
き、回転や移動を起す。しかしその際に物体の形状が変
りつつある時は、上記の三体は流体となり流動する。こ
れらの現象は勿論エネルギー保存則に基づいて表現でき
る。

従来、流動現象を表現するのに粘度が用いられてきた。

しかしこの物性値は、決定するのが難しく、特に非ニュ
ートン流体に対しては著しく困難である。次に、ニュー
トン流体、非ニュートン流体に拘らず、流動現象を表現
する流動の原理式を説明する。

この新しい式は、塑性加工で用いられ、流線内に作用す
る剪断力によって起る変形抵抗の概念を導入することに
より可能となった。この変形抵抗は、粘性に比べ、より
直接的に物質の原子間力に関係した表現であり、より物
性値らしいものである。

降伏条件下では、全ての気体、液体及び固体は流体とな
り流動する。従ってそれらはその意味で流体である。流
体が外部から仕事を受けると、エネルギー保存則に従っ
て流動する。流動が起ると、エネルギーは流動抵抗によ
り消費される。この流動によるエネルギー消費は、流線
に着目することにより決定できる。もし流動体が拘束を
受けると、拘束なしの場合に比べ、同じ流れを得るのに
拘束仕事を要し、エネルギー消費が増大する。エネルギ
ー消費の計算は、流線間に相対■りのない一様流れの場
合は、そうでない場合より容易である。円錐壁を有する
絞りを通過する縮小流に於いて、その上流側で各流線が
、例えばブランジャーなどで同時に等しい距離の仕事を
受けると一様流れが得られる。従ってこの縮小流を一様
流れとすると、エネルギー保存則により、絞り部分通過
のために加えた流動仕事Ｅｐは、（１）理想変形仕事Ｅ
ｒ、（２）附加的剪断仕事Ｅａｓ、（３）拘束による摩
擦剪断仕事Ｅｆｓ、（４）絞り前後の外部エネルギーの
変化量、即ち運動エネルギー変化Δｋｅ、及び位置エネ
ルギー変化Δｐｅなどの総計に等しい。従って（１）式
となる。

Ｅｐ＝Ｅｒ＋Ｅａｓ＋Ｅｆｓ＋Δｋｅ＋Δｐｅ…（１）
従って、所要流動Ｐは、次の力で構成されるということ
ができる。■ｐｓ、１）、理想変形力Ｆｒ、２）、附加
的剪断力Ｆａｓ、３）、摩擦剪断力Ｆｆｓ、４）、運動
エネルギー変化のための力Ｆｋｅ、５）、位置エネルギ
ー変化のための力Ｆｐｅである。ここで上記のＦｆｓは
、絞り表面摩擦力Ｆｆの流れ方向成分Ｆｆａに等しい。

従って（２）式が成立する。

Ｐ＝Ｆｒ＋Ｆａｓ＋Ｆｆａ＋Ｆｋｅ＋Ｆｐｅ…（２）塑
性加工で変形抵抗といわれる流動抵抗（或は粘性抵抗）
は一般には流動が進行すると変化する。しかし、この流
動抵抗の変化は、ニュートン流体では無視できる。絞り
部での流動抵抗の変化は、理想変形或は単純引張りない
し圧縮の場合と同様である。

これは、理想変形及び附加的剪断変形の両者とも、流線
の同じ■り或は剪断場で起り変形態様を共有しているか
らである。このため流動抵抗に対する重畳効果は生じな
い。更に、摩擦剪断は流体表面の凹凸部に起り、本体の
流動抵抗の変化には、影響を及ぼさない。良く知られて
いるようにＦｒは変形エネルギーより計算されて、（３
）式で与えられる。

…（３） ここで、 Ａ０、Ａ１：それぞれ絞り前後の流体断面積　　　　Ｋ
：単純引張り或は圧縮での流動抵　　　　　　抗 　　　Ｋｍ：単純引張り或は圧縮での平均流　　　　　
　動抵抗 次にＦａｓを考える。この問題の取扱いを容易にするた
め、流体の流動態様を図、１のように考える。円錐絞り
入口で方向変化を受けた流体中の各部分は流れ中心軸上
の同一点に向って進むとする。この挙動は、一様流れで
は常に実現されるもので、良く知られている。図、１を
参照して、流線はｎから進行し、絞り入口ｍでＣに向っ
て方向変化を受ける。微小体積Ｖ＝（２πｒ・ｄｒ）・
Δａがこの際に受ける剪断仕事Ｅａｓｅは（４）式で与
えられる。（４）式中、■は降伏剪断応力で、ミーゼス
の理論によれば■＝Ｋｍ／■である。

…（４） 絞り出口でも同様に考え、両者を合計し（５）式を得る
。

…（５） 一方、Ｅａｓ＝Ｆａｓ・Δａであるので（６）式を得る
。

…（６） 更に、摩擦力Ｆｆａについてであるが、これは流動力に
対する反作用として、それと一対一に対応して生じるも
のであり、絞りの幾何学的形状が定まれば、計算するこ
とができる。従って、図、２を参照して、Ｆｆａは（７
）式のように求まる。

…（７） ここで α０：円錐絞りテーパー角 　Ｎ：垂直抗力 　μ：摩擦係数 　θ：摩擦角でμ＝ｔａｎθ 更にＦｋｅ、Ｆｐｅはそれぞれ次のように求まる。

…（８） Ｆｐｅ＝ｐＡ０（ｈ１−ｈ０）…（９）ここで、 　　　　ｐ：密度 　　　　ｇ：重力加速度 ■０、■１：各々、絞り前後の移動速度ｈ０、ｈ１：各
々、基準レベルからの、絞り　　　　　　入口、出口中
央の高さ 従って、（２）、（３）、（６）、（７）、（８）及び
（９）式から次の（１０）式が得られる。

…（１０） （１０）式によると、平均流動抵抗Ｋｍが大きくなると
、■やｐ（ｈ１−ｈ０）の項に対し、Ｐに対する影響が
無視できなくなる。このことがベルヌーイ式を流量測定
に適用できなくなる理由である。絞り機構の形状やその
設定位置関係が定まると、（１０）式より絞り部に必要
とされる流動力Ｐと流速■の関係が求まる。即ち（１１
）式を得る。

…（１１） ここでＣ１、Ｃ２は定数で、それぞれ（１２）、（１３
）式で与えられる。

…（１２） …（１３） …（１４） 実施例 第３図は本発明の実施例を示すが、配 管２の中を流体が矢印方向５に流れると、絞り部１に流
れ方向に力が作用し、流れ方向に移動可能な絞り部が、
配管２と一体的に固定された密封カバー４と該ノズル間
に介在するロードセル３を圧し、流動力Ｐが検出される
。このＰを出力して流量を求めることができる。

発明の効果 従来のやり方のように、絞り機構前後 での流体の差圧測定でなく、絞り機構に作用する力を直
接測定して流体の流量を決定するのが本発明の方法であ
るから、流量測定手続が簡素であり、累積誤差の少い精
度の良い測定ができる。しかも更に重要なことは、ニュ
ートン流体、非ニュートン流体に拘らず本発明が使える
ことである。差圧測定の根拠となるベルヌーイ式は流動
抵抗がニュートン流体に比べ大な非ニュートン流体に対
しては、実態を正確に反映したものにならず、従って原
理式としては、もはや使えない。このことは、発明の詳
細な説明のところで述べたことより明らかである。即ち
差圧と流量との理論的関係はなくなり、差圧測定による
非ニュートン流体の流量測定は厳密にはできない。しか
しながら本文で述べた理論式によれば、絞り部に作用す
る力を測定することにより、ニュートン流体、非ニュー
トン流体の双方に対して理論通りの精度の良い流量測定
ができる。

非ニュートン流体に対しても本発明は適用できることか
ら、しゅんせつ作業の際の揚泥量の測定に用いられる電
磁流量計などの高価で複雑な機器の代りにも本発明は用
いることができるし、鉄鋼業その他での塑性加工プロセ
スでのプロセス制御にも用いることができるのは勿論で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本文で述べた附加的剪断仕事 を計算するための説明図であり、第２図は摩擦力を計算
するための説明図であり、第３図は本発明の具体的な実
施例図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 流動中の流体に絞りを生じさせ、絞り 部分壁面にかかる力を測定して行う壁圧測 定による汎用流量測定法。