JP3335688B2 - 流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タービン型流量計を備
えた流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、管内流量を測定する方法の一つ
として、管内にオリフィス板を配置し、オリフィス板の
上流と下流とで生じる圧力の差から管内の流量を測定す
るいわゆる差圧流量計が知られている。また、これとは
別に、絞り部を有したベンチュリー管を備え、この絞り
部の前後に分流管を備え、この分流管内に例えば羽根車
流量計を配置したベンチュリー分流管式計測器が知られ
ている。

【０００３】後者は、ベンチュリー管を流れる流体を絞
り部で絞り、流体の一部を分流管内に導き、その流量を
羽根車流量計で計測し、この計測値に基づいてベンチュ
リー管を流れる流体の流量を算出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したベン
チュリー分流管式計測器では、例えば大流量から小流量
と異なるオーダの流量を測定する場合、発生する差圧の
範囲が異なるため、同一の絞り部を用いることができ
ず、流量に応じてベンチュリー管を変更する必要がある
が、その都度、ベンチュリー管を製造していたのでは、
その費用と時間に手間がかかるという問題点がある。

【０００５】即ち、一つのベンチュリー管で、大流量か
ら小流量に至る種々の流量の計測に容易に対応できない
という問題点がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、大流量から小流
量に至る広範囲に至る流量を容易に計測することができ
る流量計を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、主流路内に所定の内径を有する絞り部を
備えた開閉弁を備え、この開閉弁の前後を連通する副流
路を備え、この副流路内に当該副流路を流れる流体の流
量を計測するタービン型流量計を備え、開閉弁が開かれ
て主流路に流体が流れる場合には、所定の内径を有する
絞り部の前後の圧力差によりタービン型流量計に一部の
流体が流れ、開閉弁により主流路が閉鎖された場合に
は、主流路を流れるべき流体全部がタービン型流量計に
流入するように構成されていることを特徴とする。

【０００８】また、前記目的を達成するための他の発明
は、タービン型流量計の前後の副流路に夫々開閉弁を備
えたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明による流量計では、大流量を測定する場
合には、開閉弁を開いて絞り部前後を通過する主流路の
管内の差圧により、絞部を流れる流体の一部をタービン
型流量計に流し、管内を流れる流量を測定する。

【００１０】小流量を測定する場合には、開閉弁を閉め
て絞り部への流体の流通を止め、流体をタービン型流量
計に流し、管内を流れる流量を測定する。測定後の流体
は流出管を通って再び主流路に導入される。

【００１１】

【実施例】以下に、添付図面を参照して本発明の実施例
を詳細に説明する。

【００１２】まず、図１を参照して、本発明の参考例に
ついて説明する。

【００１３】図１に示すように、参考例による流量計１
は、オリフィス板（絞り板）３が配置された管５と、オ
リフィス板３の上流側及び下流側において、管５に接続
されるタービン型流量計７とから構成されている。

【００１４】管５は、両側に外ねじが形成されており、
主流路の流路管６ａ、６ｂが接続されて、矢印Ａで示す
ように、流体が上流から下流へ流れるようになってい
る。

【００１５】管５の内周壁には、略中央に係止部として
の段差９が形成されており、この段差９にオリフィス板
３が当接されるようになっている。即ち、上流側の内径
Ｄ1の方が下流側の内径Ｄ2よりも小さくなっており、略
中央に段差９を生じさせている。

【００１６】また、管５には、オリフィス板の上流側と
下流側にタービン型流量計の流入管１１及び流出管１３
が接続されている。尚、管５に形成されている孔１５は
温度センサ（図示せず）が取り付けられる孔である。

【００１７】このオリフィス板３のオリフィス口１６
は、本実施例では、丸形に形成しており、オリフィス板
３の外側にはＯリング２５を介在して管壁とのシールを
している。

【００１８】タービン型流量計７は、パルス分解能の高
い、ジェットインペラ型流量計であり、上述した流入管
１１及び流出管１３に接続された本体１７を備え、この
本体１７内にはインペラ１９が収納されており、インペ
ラ１９は流入管１１に近接配置されて流入管１１より流
入された流体により回転されるようになっている。更
に、本体１７にはインペラ１９の回転を光により検出す
るセンサ２１を埋め込んだキャップ２３が取り付けられ
ている。このセンサ２１には、コンピュータを介して表
示装置（図示せず）が接続されており、センサ２１から
の出力信号を演算した後、表示装置に演算した流量を表
示するようになっている。

【００１９】このように、センサ２１は光により回転を
検知するものであるから、インペラから離れた位置でも
インペラの回転が測定できるのみならず、流体には光し
か作用しないため、防爆環境でも流量計測することがで
きる。

【００２０】流入管１１と流出管１３とには、それぞれ
流体の流入出とその停止を制御するための制御弁（オン
／オフ弁）２５が配置されており、制御弁２５のオン
（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）制御ができるようになってい
る。このように、タービン型流量計７の流入管１１と流
出管１３とに制御弁２５を配置することにより、流量計
の本体１７にトラブルが生じた場合に、流入管１１及び
流出管の２５弁を閉鎖することによって、主流路の流体
の流れを止めることなく、流量計の本体１７に流入され
る流体を停止できるので、流量計本体１７のみを取り外
して修理等ができる。尚、管５に接続する流入出管１１
の口径ｓは、タービン式流量計の等価ノズル径ｄ2 の４
倍以上とすることが望ましい。このように設定すること
によって、オリフィス板３の差圧ΔＰとタービン式流量
計の差圧を等しくなるようにして、流量計の計測制度を
高めることができる。

【００２１】ここで、参考例における作用及び計測原理
について説明する。

【００２２】流量、例えば、大流量を測定する場合に
は、流路管６ａ、６ｂに流体を流し、制御弁２５を開く
と、流路管内における圧力差に応じてタービン型流量計
に流体が流れるので、その流量をセンサにより検出して
計測する。

【００２３】他の範囲の流量、例えば少流量を測定する
場合には、管５から流路管６ａを外して、管５の上流側
からオリフィス板を抜きとる。次に、適当な他の口径管
のオリフィス板３を用意し、管５の内周壁に突設された
係止部９に流体の上流側から他の口径のオリフィス板３
を挿入して、当接させて配置する。即ち、オリフィス板
の抜き取りと挿入とによって容易にオリフィス板の交換
ができ、種々の口径のオリフィス板と交換することによ
って、差圧測定器の交換をすることなく計測流量範囲の
変更を容易に変更できるができる。

【００２４】しかも、オリフィス板３と管５の内壁との
シールも必要としないのでオリフィス板３の交換が容易
である。

【００２５】ここで、測定原理について説明する。

【００２６】オリフィス板３の最小口径（計量ノズル
径）をＤmm、流量係数をΨ、そこを流れる流体の密度を
ρ（Ｋｇ／cm³）、オリフィス口の流量をＱo（ｌ／mi
n）とすると、オリフィス板前後の圧力差ΔＰ（Ｋｇ／c
m²）とは、次式（１）の関係にある。

【００２７】 Ｑo＝Ψ・（πＤ²／４）・（２ΔＰ／ρ）^1/2・・・・・・（１） また、上述のように、タービン式流量計に流れる流量Ｑ
t（ｌ／min）は、この流量計の計量部の等価ノズル直径
をｄ（mm）、ここで、直径ｄ1の口径のノズルが複数個
ｍある場合は、ｄ＝（ｍｄ1²）^1/2、流量係数をξとす
ると、オリフィス部の主流路とタービン式流量計の流入
出管１１、１３を接続する配管径ｓが十分大きい場合に
は、この間の差圧ΔＰ（Ｋｇ／cm²）に等しいため、下
記式（２）となる。

【００２８】 Ｑt＝ξ・（πｄ²／４）・（２ΔＰ／ρ）^1/2・・・・・・（２） 使用するタービン式流量計７では、流量をインペラ１９
の回転周波数Ｈ（Ｈz）で計測するので比例定数をａ
（ｌ／min／Ｈz）、バイアス流量をｂ（ｌ／min）とす
ると、Ｑt（ｌ／min）は、下記式（３）となる。

【００２９】Ｑt＝ａＨ＋ｂ・・・・・・・（３） 従って、全体の流量はＱm（ｌ／min）は、オリフィス部
流量とタービン式流量の和として表されるので、 Ｑm＝Ｑo＋Ｑt＝（Ｑo／Ｑt＋１）Ｑt・・・・・・（４） 上記式（４）に式（１）及び（２）より求められる（Ｑ
o／Ｑt）の比を代入して、Ｑtには式（３）を代入する
と、下記（５）式が得られる。

【００３０】 Ｑm＝｛（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝（ａＨ＋ｂ）・・・・（５） すなわち、定数である、オリフィス板の流量係数Ψと最
小口径Ｄ及びタービン式流量計の流量係数ξと等価最小
口径ノズル直径ｄが分かれば、タービン式流量計の流量
計測することにより、システム全体の流量Ｑm（ｌ／mi
n）を算出することができる。

【００３１】 Ｑm＝Ｃ（ａＨ＋ｂ）・・・・・・・（６） 但し、Ｃ＝｛（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝ タービン式流量計としては、流体をインペラに直角に衝
突させて、この衝突と直角方向に流体を導く構造として
いるため測定精度が高く、また、インペラの羽枚数（即
ち、１回転あたりの信号数）を自由に増加できるため、
パルス分解能（比例定数ａ）を高めることができる。

【００３２】即ち、Ψ＝ξと考えると、オリフィス／タ
ービン式流量計による測定分解能Ｃは、次式（７）のよ
うに、 Ｃ＝｛（Ｄ／ｄ）²＋１）｝・・・・・・・・・（７） となる。例えば、ｄ＝１mmとすると、Ｄ＝３０mmの場合
は、次式（８）のように、 Ｃ＝｛（３０／１）²＋１）｝＝９０１・・・・・・・・・（８） となり、本来のタービン式流量計のパルス分解能ａより
９０１倍もパルス分解能が大きくなる。

【００３３】このため、参考例の流量計においては、精
度良い計測をするには、タービン式流量計のパルス分解
能を大きく高めることが必要である。

【００３４】また、参考例の流量計（オリフィス／ター
ビン式流量計）のレンジアビリテイ（計測範囲）Ｒは、
最低パルス周波数Ｈminと最大パルス周波数Ｈmaxより、
次式（９）のように、 Ｒ＝（ａＨmax＋ｄ）／（ａＨmin＋ｂ） ＝（Ｈmax＋ｄ／ａ）／（Ｈmin＋ｂ／ａ）・・・・・・・（９） となる。ここで使用するジェットインペラ型タービン式
流量計はｂ／ａ≦４０，Ｈmin≧４０（Ｈz）、Ｈmax＝
３０００Ｈzの性能であり、Ｒ≧３７の広い計測範囲を
有することになる。

【００３５】次に、図２を参照して、本発明の一実施例
について説明する。ここで、参考例と同一の部分には同
一の符号を付することによって、その部分の詳細な説明
を省略する。

【００３６】本実施例による流量計４１は、絞部４３が
形成された絞管（開閉弁のハウジング）４５と、絞管４
５の上流側と下流側に主流路管６ａ、６ｂを接続するニ
ップル４７ａ、４７ｂと、これらのニップル４７ａ、４
７ｂに接続されたタービン型流量計７とから構成されて
いる。

【００３７】絞管４５は、その両端部に内ねじが形成さ
れており、ニップル４７ａ、４７ｂを介して、主流路管
６ａ、６ｂが接続されるようになっており、矢印Ａで示
すように、流体が上流から下流へ流れるようになってい
る。

【００３８】絞管４５の中央には、所定の内径Ｄを有す
る絞部４３が形成されており、主流路管６ａ、６ｂより
も流体が流れる口径を狭くして、絞部の前後で圧力差が
生じるようになっている。絞管４５には、更に、絞部４
３の中央に主流路の開閉を制御する開閉弁の弁体４９が
設けられており、主流路に流れる流体の流れを止めて、
副流路としてのタービン型流量計７の流入管１１及び流
出管１３に流体を流すようになっている。

【００３９】即ち、ニップル４７ａ、４７ｂには、それ
ぞれ、タービン型流量計７の流入管１１及び流出管１３
が接続されており、主流路に流体が流れている場合に
は、絞部４３前後の圧力差によりタービン型流量計７に
一部の流体が流れ、弁体４９により主流路を閉鎖した場
合には、主流路を流れるべき流体全部が副流路としての
タービン型流量計７に流入するようになっている。

【００４０】タービン型流量計７の構成は、第１実施例
と同様であるが、流入管１１におけるインペラ１９に向
けて流体を突出する突出部の口径ｄは、絞部の口径Ｄと
の関係において、Ｄ＝８．２ｄの関係になるように設定
されている。このような値に設定することによって、流
量計測範囲を広くすることができる。

【００４１】ここで、本実施例における作用及び計測原
理について説明する。

【００４２】測定すべき流量が大きい範囲にある場合に
は、弁体４９を開き、主流路管６ａ、６ｂに流体を流
す。この場合には、絞部４３により主流路を流れる流体
が絞られるので、絞部４３前後において流体の圧力差が
生じ、流体の一部が、流入管１１を介して副流路として
のタービン型流量計７へ流れた後、流出管１３を介して
主流路に戻される。

【００４３】そして、少流量を測定する場合には、弁体
４９を閉めて、主流路に流れる流体の流れを止めて、流
路管１１を介して流体をすべて副流路としてのタービン
型流量計７へ流して、直接タービン型流量計７に流れる
流量を測定する。

【００４４】本実施例において、弁体４９が開いている
場合には、この流量計システムを流れる流量Ｑm（＝Ｑo
＋Ｑt）は、前述の式（５）により、次式（１０）のよ
うに表される。

【００４５】 Ｑm＝｛（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝（ａＨ＋ｂ）・・・・（１０） なお、このシステムにおいては、主流路の内径に対して
若干小さな内径の弁体（ＯＮ／ＯＦＦ弁）４９を使用し
て、この弁体にオリフィス板の機能を持たせている。そ
して、微少量の計測する場合は、この弁体を閉じて、副
流路に設けたタービン式流量計のみで計測することにな
る。

【００４６】弁体４９を閉じた場合は、式（１０）の中
でＤ＝０であることから、次式（１１）のように、 Ｑm＝（ａＨ＋ｂ）・・・・（１１） 式（１０）及び式（８）において、連続して流量計測す
るには、式（１１）に示す最大流量と式（１０）に示す
最小流量とが等しくなるように流量計の設計をおこなう
必要がある。前述のように、使用するタービン式流量計
のパルス周波数の範囲は、Ｈ＝４０〜３０００Ｈzであ
るから式（１０）における最低計測流量Ｑminは、次式
（１２）のように、 Ｑmin＝｛（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝（４０Ｈ＋ｂ）・・・・（１２） また、式（１１）における最大流量Ｑmaxは、次式（１
３）のように、 Ｑmax＝（３０００Ｈ＋ｂ）・・・・・・・・・（１３） この式（１２）と式（１３）とを等しくするように設計
することにより、式（８）における最低流量（＝４０Ｈ
＋ｂ）から、式（１０）における最大流量［＝｛（Ψ・
Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝（３０００Ｈ＋ｂ）］まで計るこ
とを可能にしている。即ち、式（１２）と式（１３）を
等しい、ｄ／ａ＝４０と置いて、整理すると、次式（１
４）のように、 （Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＝６８・・・・・・・（１４） 上記式（１４）において、Ψ＝ξと考えてＤとｄのおお
よその関係をみると、次式（１５）のように、 Ｄ＝８．２ｄ・・・・・・・・（１５） の関係にあることが分かる。この結果、開閉弁４９を有
する場合には、式（１０）に、（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＝６
８、Ψ＝ξ、Ｈ＝３０００Ｈz、ｂ／ａ＝４０、を代入
してレンジアビリテイＲを求めると、 Ｒ＝｛（Ψ・Ｄ²／ξｄ²）＋１）｝（３０００ａ＋ｂ）／（４０ａ＋ｂ） ＝２６２２ となる。従って、従来不可能であった極めて広い流量計
測範囲を有する流量計を構成することができる。

【００４７】本発明は上述した実施例に限定されず、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、大流量を測定する場合
には、開閉弁を開いて主流路を流れる流体の一部をター
ビン型流量計に流し、小流量を測定する場合には、開閉
弁を閉めて、流体のすべてをタービン型流量計に流して
流量を測定する構成であるから、計測流量範囲を容易に
変更できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例による流量計の断面図である。

【図２】本発明の一実施例による流量計の断面図であ
る。

【符号の説明】 １ 参考例による流量計 ３ オリフィス板 ５ 管 ７ タービン型流量計 ９ 係止部 ４１ 本実施例による流量計 ４３ 絞部 ４５ 絞管（開閉弁のハウジング） ４９ 弁体

フロントページの続き (56)参考文献 実開 平２−21561（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭63−28244（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平３−25501（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭63−29209（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/ G01F 7/

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主流路内に所定の内径を有する絞り部を
   備えた開閉弁を備え、この開閉弁の前後を連通する副流
   路を備え、この副流路内に当該副流路を流れる流体の流
   量を計測するタービン型流量計を備え、開閉弁が開かれ
   て主流路に流体が流れる場合には、所定の内径を有する
   絞り部の前後の圧力差によりタービン型流量計に一部の
   流体が流れ、開閉弁により主流路が閉鎖された場合に
   は、主流路を流れるべき流体全部がタービン型流量計に
   流入するように構成されていることを特徴とする流量
   計。
2. 【請求項２】 タービン型流量計の前後の副流路に夫々
   開閉弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の流量
   計。