JPS6370119A - 流量測定装置 - 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、油圧機器等における高圧高速流体の流量を精
密に測定する流量測定装置に関する。

（従来技術） 従来、この種の流量測定装置としては、例えば電磁式、
超音波式、タービン式、ギア式、オーバル式、差圧式等
の各種の装置が知られている。

例えば高速応答性を有する最も一般的なものとして知ら
れたギア式流量測定装置を例にとると、流体流路に一対
のギアでなるギアポンプを介在させて通過流量に応じた
ギア回転を得るようにしており、ギア回転の検出はパル
スジェネレータによってギアの１歯が通過するごとに１
パルスを発生し、パルスジェネレータで得られたパルス
周波数を電圧信号に変換しでに変換して流量流量を指示
するようにしている。この周波数−電圧変換は、例えば
パルスジェネレータのパルス間隔を計測して電圧信号に
変換するもの、あるいは単位時間当りに得られるパルス
数を計数して電圧信号に変換するもの等が知られている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来のギア式流量測定装置に
あっては、ギア部におけるリーク防止のために高い加工
精度が要求されてコスト的に高価であり、更にパルス信
号の周期や数を計測してアナログ電圧に変換する回路を
必要とし、更にまた、低流量時には発生パルス間隔が広
くなるために、このパルス間隔内での流量変化を検出す
ることができず、低流量時の測定精度に限界があった。

このような問題は流体流路に回転部材を配置したタービ
ン式及びオーバル式についても同様であり、更に電磁式
及び超音波式はギア式等が大型化して実用困難な大流量
の測定を対象としてあり、油圧機器に使用する程度の流
量測定には向いていない。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、高圧高速流体であっても簡単な構成で精度良く流
量を測定できるようにしたコスト的にも安価な流量測定
装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、入口ポート
と出口ポートを結ぶ流路の途中に前後差圧を略一定に保
つように通過流量に応じた開度変位を生ずるポペット弁
等の弁部材を備えた流量検出は構を有し、この流量検出
機構における弁部材の前後差圧ΔＰと変位量（ストロー
ク）×に基づいて通過流量Ｑを演算して求めるようにし
たものである。

更に通過流量の演算については、弁部材の前後差圧ΔＰ
及び変位ｆｉｘから流量係数Ｃを演算し、この流量計数
Ｃの演算については演算過程で得られるレイノルズ数Ｒ
ｅが極大値に達するまではレイノルズ数Ｒｅに応じた流
量係数Ｃを演算し、レイノルズ数Ｒｅが所定の極大値に
達したときには、リミッタ回路により流量係数Ｃを定数
として流量演算を行なうようにしたものである。

更に、流体の温度下を検出し、流量係数Ｃの演算に用い
る動粘度νを補正し、また流体密度ρについても検出温
度Ｔによる温度補正を行なうようにしたものでおる。

（作用） このような本発明の構成によれば、圧力センサ、偏位セ
ンサ及び温度センサにより流量検出機構における弁部材
の前後差圧ΔＰ、変位５ｆｆｌ×及び流体温度Ｔが検出
され、流量Ｑを与える演算式、Ｑ＝Ｃ−πＤＳｉｎθ　
　Ａ　　／Ｉ）における流体密度ρを検出温度により補
正し、更に流量係数　Ｃ＝　Ｋ　、　Ｒｅ１／ｎ与える
レイノルズ１ａＲｅが　Ｒｅ＝Ａ・■／ν　となること
から、この動粘度νについても検出温度Ｔで補正するよ
うになり、流体温度に応じた正確な流量係数Ｃ及び流体
密度ρを演算パラメータとして使用することから、流体
に温度変動があっても常に正確な流量Ｑを測定すること
ができる。

（実施例） 第２図は本発明で用いる流量検出殿溝の一実施例を示し
た断面図である。

まず構成を説明すると、１は本体ボディであり、本体ボ
ディ１の左側に流体の流入を受ける入口ポ−ト２を形成
すると共に、側方下部に出口ボート３を形成しており、
入口ポート２と出口ボート３の間に弁機構の弁座を構成
するシート部材４を装着している。このシート部材４に
対しては本体ボディ１内に軸方向に摺動自在に設けたポ
ペット弁体６がスプリング７の抑圧を受けて当接されて
おり、ポペット弁体６の背後のスプリング７の収納部に
対しては連通孔８をもって出口ボート３の液圧を導入し
ている。スプリング７で支持されたポペット弁体６は通
過流ｍＱに対し入口ポート２と出口ポートとの間の前後
差圧ΔＰをスプリング力に見合う値とするように作動す
る。

一方、入口ボート２と出口ポート３の各液圧Ｐ１、Ｐ２
を検出するため、本体ボディ１に対し圧力センサ９，１
０が設けられており、圧力センサ９．１０で検出した圧
力Ｐ１．Ｐ２は後の説明で明らかにする流量演算部に与
えられて前後差圧△ＰがΔＰ＝Ｐ”１−Ｐ２として求め
られる。尚、圧力センサ９，１０の代わりに差圧センサ
を設けた場合には、差圧センサより直接前後差圧△Ｐが
出力される。

更に、ポペット弁体６の背後にはロッド１１の先端がネ
ジ込み固定され、ロッド１１の後部には差動変圧器を用
いた所謂ウェツト型の変位センサ１５が設けられる。即
ち、ウェツト型の変位センサ１５は、ロッド１１の後部
に磁性体１５ａを同軸に固着しており、磁性体１５ａを
摺動自在に備えたケース１５ｂの外側には差動変圧器を
構成する巻線１５ｃが設けられており、磁性体１５ａ、
即ちポペット弁体６の変位ｆｉｘに応じた信号電圧を出
力する。勿論、変位センサ１５としては、差動変圧器を
用いたウェツト型変位センサに限定されず、ロッド１１
により作動されるポテンショメータ等の所謂ドライ型の
変位センサを使用してもよい。

更にまた、本体ボディ１の流入ポート２の部分に対して
は流体温度Ｔを検出するための温度センサ１６が設置さ
れる。この温度センナ１６としては図示の別設置タイプ
の温度センｌすの仙に、圧力センサ９又は１０内に温度
センサの検出素子を一体に組込んだ構造のものを使用し
てもよい。即ら、圧力センサ９，１０は流体圧力を受け
るダイヤフラムの外側に歪センサ等を固着しており、歪
センサを外側に設けたダイヤフラムは直接流体に接して
いることから、ダイヤフラムに温度センサの検出素子を
取付けることで流体温度Ｔを正確に検出することができ
、圧力センサのもつ耐圧構造をそのまま利用して温度セ
ンサを組込むことができる。

第３図は第２図の実施例における温度センサ１６を取出
して示したもので、高圧流体の温度を検出することから
保護ケース’１６ａを有し、保護ケース１６ａの内部に
白金測温抵抗又はサーミスタ等の検出素子１６ｂを内蔵
し、且つ検出素子１６ｂの周囲に充填剤１６Ｇを入れて
隙間を埋め、保護ケース１６ａからの流体温度の熱伝導
をよくするようにしている。

再び第２図を参照するに、本体ボディ１の上部には後の
説明で明らかにする流量演算ユニツ１〜を内蔵した流量
表示器１８が設置され、この流量表示器１８に内蔵した
流量演算ユニットに対しては圧力センサ９，１０、変位
センサ１５及び温度センサ１６の検出出力が信号線接続
され、これらの検出信号に基づく流量演算で１ワられた
測定流量をディジタル数字表示するようにしており、更
に流量演算で用いられる演算パラメータとしての前後差
圧ΔＰ、検出温度Ｔ、動粘度ν、変位量Ｘ及び流体密度
ρ等を外部に出力するようにしている。

第１図は第２図に示した流量検出機構を用いた本発明の
流量測定装置の一実施例を示したブロック図でおる。

まず構成を説明すると、２０は流量演算ユニットであり
、第２図に示した流量表示′Ｓ１８に内蔵されている。

この流量演算ユニット２０に対しては圧力センサ９，１
０、変位センサ１５及び温度センサ１６の検出出力が与
えられている。

この流量演算ユニット２０における流ｆｆ１Ｑの演鋒原
理は次のようになる。

まず第２図に示した流量検出様溝からは入口ポート２及
び出口ボート３の圧力Ｐ１．Ｐ２、ポペット弁体６の変
位量（ストローク）Ｘ及び流体温度Ｔが検出されること
から、ポペット弁体６の前後差圧ΔＰをΔＰ＝Ｐ１−Ｐ
２とすると、通過流■Ｑは次式で与えられる。

Ｑ＝Ｃ−πＤｘｓｉｎＯＤ　　　＝・（１）但し、Ｃ：
流量係数 Ｄ：弁径［ｃｍ］ ΔＰ：差圧［Ｋｇｆ／ｃｍ２］ ρ：密度［ＫｇＳ２／Ｃｍ４］ この第（１）式における流体密度ρは流体温度Ｔにより
変化し、この流体密度ρの温度Ｔに対する変化は次式で
与えられる。

ρ＝ρ０（１＋ＡΔＴ−Ｂ△Ｔ”　） ここで、ＢΔＴ２＝Ｏとして無視すると、ρ＝ρＯ（１
＋ＡΔ丁）　　　　・・・（２）但し、Ａは油の種類に
よる定数 従って、本発明にあっては流体の検出温度■°に基づい
て前記第（２）式から検出温度Ｔにより補正された流体
密度ρを用いて前記第（１）式の流量計算を行なうよう
になる。

一方、前記第（１）式における流量係数Ｃはレイノルズ
数Ｒｅにより変化する値をもち、流量係数Ｃは次式で与
えられる。

Ｃ＝に−Ｒｅ”’　　　　−−−（３）更に、前記第（
３〉式で与えられるレイノルズ数Ｒｅは、 Ｒｅ＝Ａ−Ｖ／ν　　　・・・（４） 但し、Ａ：弁開度 Ｖ：流速 シ：勅粘度 となる。ここで、流速Ｖは、 ｖ＝ｙで で与えられ、動粘度νは、 １０ｇ１０１０ｇ１ｏ（ν十Ｃ１）　＝−ｎｌ０ｇ１０
Ｔ十Ｇ　２・・・（５） となり、この第（５）式から明らかなように、レイノル
ズ数Ｒｅの演算に用いる動粘度νは流体温度Ｔにより変
動する。そこで本発明にあっては、前記第（５）式を解
くことにより流体温度Ｔで補正した動粘度νから前記第
（４）式のレイノルズ数Ｒｅを求め、更に前記第（３）
式によって流量係数Ｃを求めるものとする。

次に、前記第（３）式で与えられる流量係数Ｃと前記第
（４）式で与えられるレイノルズ数Ｒｅとの間には第４
図のグラフに示す関係がある。

即ち、第４図に示すように、一般に流量係数Ｃはレイノ
ルズ数Ｒｅのある値までは前記第（３）式に応じて変化
するようになるが、その後はレイノルズ数Ｒｅが増加し
ても一定値を保つようになる。

そこで本発明にあっては、リミッタ回路を設け、イノル
ズ数Ｒｅがある極大値を持つまではレイノルズ数Ｒｅに
応じて流量係数Ｃを変化させるが、その後はリミッタ回
路により一定値となるようにしている。

第５図は流量係数Ｃを一定にしたときの基準流量に対す
る測定流量の関係を示したグラフ図であり、流口が低い
ときに実線で示すように直線性が低下しており、この直
線性の低下した領域がレイノルズ数Ｒｅによって流量係
数Ｃが変化する領域となる。

一般的な用途にあっては、このレイノルズ数Ｒｅによっ
て流量係数Ｃが変化する領域の直線性の低下は無視して
も差し支えないが、本発明にあっては非常に精密な流量
測定を行なうことから、しイノルズ数Ｒｅがある値に達
してその流量係数Ｃが一定になるまでは、レイノルズ数
Ｒｅに応じて流量係数Ｃを求め、点線で示す流量が低い
ときの直線性の低下を補償するようにしている。

そこで、上記の演算原理に基づいた流量演算を実行する
第２図の装置構成を説明すると、次のようになる。

まず圧力センサ９，１４の検出圧力は差動演算増幅部２
１においてその前後差圧ΔＰがΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２として
求められる。差動演算増幅部２１で演算された前後差圧
ΔＰは演算部２２に与えられ、演算部２２に対しては増
幅部２３より変位センサ１５で検出した変位量（ストロ
−・り）Ｘが与えられており、演算部２２で前記第（１
）式における演算パラメータ、 ＸＦ■Ｆ７万 を演算する。この演算部２２における演算で使用される
流体密度ρは、検出温度Ｔにより補正されだ補正密度ρ
を使用する。即ち、温度センサ１６の出力は温度検出部
２４に与えられて流体温度Ｔが検出され、この流体温度
Ｔを密度補正部２５に与え、密度補正部２５にあっては
前記第（２）式に基づいた流体温度による補正演算を実
行し、流体温度により補正された流体密度ρを演算部２
２に与える。尚、流体密度ρは必ずしも補正をしなくて
も良い場合がおり、この場合には、流体密度ρを定数と
して与える。

演算部２２の出力は演算部２６に与えられ、前記第（３
）、（４）式に基づいた流量係数Ｃの演算を行なう。こ
の演算部２６における流量係＠Ｃの演算に用いる動粘度
νは動粘度補正部２７において温度検出部２４からの流
体温度下に基づいて補正された動粘度νを使用する。即
ち、動粘度補正部２７は流体温度下に基づいて前記第（
５）式から温度補正された動粘度νを求めて演算部２６
に与えるようになる。

演算部２６で演算された流量係数Ｃはリミッタ回路２８
に与えられ、リミッタ回路２８は第４図のグラフに示し
たように、レイノルズ数Ｒｅがある値に達するまでは演
算部２６で演算された流量係数Ｃをそのまま出力してお
り、レイノルズ数Ｒｅがおる値を超えると流量係数Ｃを
一定値として出力するリミッタ機能を有する。

演算部２９はリミッタ回路２８を介して得られたレイノ
ルズ数Ｒｅに基づく流量係数Ｃと演算部２２で演算され
た演算パラメータ、 ＸＦ■７７万 とを掛は合わせ、更に演算部３０において定数設定部３
２から与えられる前記第（１）式における定数となるπ
、Ｄ、ｓｉｎθ、２に基づく定数にと掛は合わすことで
最終的に通過流ｆｆ１Ｑの演算出力を生ずる。このため
、演算部３０による通過流量Ｑの演算式は、 Ａ Ｑ　＝Ｋ（Ａ−Ｖ／ν）　　　　−ｙｒ［）ｘｓｉｎθ
Ｆ７τｖ７フ・　・　・　（６） を最終的に実行することとなる。

この第１図に示した本発明の流量演算によれば、演算部
２６で演算される流量係数Ｃがリミッタ回路２８に設定
しためる値に達するまではレイノルズ数Ｒｅの変化に応
じた流量係数Ｃを求めていることから、第５図に示した
流量特性において流量が低いときの実線で示す直線性の
低下した部分が正しい流量係数Ｃの演算によって点線で
示すように直線的な流量測定特性とすることができ、通
過流量全域について非常に精密な流量の測定結果を得る
ことができる。

また流量演算に用いる流体密度ρ及び動粘度νのそれぞ
れを流体温度１：Ｅｓづいて補正しているため、例えば
鉱物作動油では通常Ｏ°〜１００゜の使用温度において
約７％程度の密度変化を生ずるが、このような温度変化
に対し流量演算に用いる流体密度ρ及び動粘度νのそれ
ぞれが補正されることから、低温から高温までのいずれ
の流体温度においても極めて正確な通過流ｆｆ１Ｑの計
測結果を得ることができる。

ところで、流体の密度変化は動粘度の変化に比べればは
るかに小さく、従って使用場所によっては一定とみなす
ことができ、温度による密度補正は行なわなくとも良い
。

尚、本発明の流量計測装置に用いる流量検出機構の弁体
としては、第１図のポペット弁体に限定されず、適宜の
形状の弁体、例えばスプール弁体でおっても前記第（３
）式における流量係数Ｃを与える定数Ｋ及びｎの値を弁
形状に基づいて設定することでポペット弁体の場合と同
様、極めて精密な流量測定結果を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、流量演算に用
いる流量係数Ｃについては流体温度に基づいた動粘度ν
の補正と、リミッタ回路により流量係数Ｃを求めるレイ
ノルズ数Ｒｅが所定値を超えたときには流ω係数を一定
として流量演算を行なうようにしているため、流体温度
の変動及び基準流量に対する測定流量の直線性が低下す
る低流量領域においても測定誤差を生ずることなく非常
に精密な流量測定を行なうことかでき、更に流体温度に
基づいて流量演算に用いる流体密度ρも補正しているこ
とから、流体温度に基づく動粘度νの補正と相まって使
用流体の温度変化が激しい所であっても精密な流量測定
ができ、測定流量に基づく精密な閉ループ制御が実現で
きることは勿論のこと、流体回路の分析等についても極
めて正確な流量データを与えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示したブロック図、第２図
は本発明で用いる流量検出機構の一実施例を示した断面
説明図、第３図は第２図で用いる温度センサの一例を示
した説明図、第４図は本発明における流量係数とレイノ
ルズ数との関係を示したグラフ図、第５図は基準流量に
対する流量係数に依存した測定流量の関係を示した説明
図である。 １：本体ボディ ２：入口ポート ３：出口ボート ４：シート部材 ６：ポペット弁体 ７：スプリング ８：連通孔 ９、’ｔｏ：圧カセシカ センサロッド １２．１５：変位センサ １５ａ：磁性体 １５ｂ：ケース １５Ｃ：コイル １６：温度センサ １６ａ：保護ケース １６ｂ：検出素子 １６Ｃ：充１眞剤 １８二流■表示器 ２０：流量演算ユニット ２１：差動演算増幅部 ２３：増幅部 ２２．２６，２８，２９，３０：演算部２４：温度検出
部 ２５：密度補正部 ２７：動粘度補正部 ２８：リミッタ回路 ３２：定数設定部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入口ポートと出口ポートを結ぶ流路の途中に前後
   差圧を略一定に保つにように通過流量に応じた開度変位
   を生ずる弁部材を設けた流量検出機構と、該流量検出機
   構における前記弁部材の前後差圧を検出する圧力検出手
   段と、前記弁部材の変位量を検出する変位センサと、前
   記流量検出機構を流れる流体温度を検出する温度センサ
   と、該温度センサの検出温度に基づいて少なくとも流体
   の動粘度を補正する補正手段と、前記弁部材の前後差圧
   及び変位量、更に流体の補正動 粘度に基づいて前記流量検出機構の流量係数を演算する
   演算手段と、該演算手段における流量係数の演算過程で
   レイノルズ数が極大値に達したときに前記流量係数を該
   レイノルズ数の極大値で定まる定数に固定するリミッタ
   手段と、前記弁部材の前後差圧及び変位量、流体の補正
   密度、更に前記リミッタ手段からの流量係数に基づいて
   通過流量を演算する流量演算手段とを備えたことを特徴
   とする流量測定装置。
2. （２）前記補正手段は、流体の検出温度に基づいて流体
   の動粘度及び密度を補正する手段を備えたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の流量測定装置。