JP2818083B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流路に設けた絞り部
の上・下流間に発生する圧力差に基づき流体の流量を測
定する流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】円管などのパイプ内を流れる流体の流量
を測定するには、例えばオリフィスメータやベンチュリ
管などが使用されている。これらの流量計は、円管の中
の流れを強制的に絞って絞り部を形成することにより、
絞り部の上・下流間に圧力差を発生させ、この圧力差Δ
Ｐと流体流量Ｑとの関係、すなわち圧力差ΔＰが流体流
量Ｑの二乗に比例するというベルヌーイの定理を利用
し、流量測定を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の流量計では、流量計測可能な範囲は、最大計測流
量の１／１０程度までとされている。これは、例えば大
口径のオリフィスメータによって小流量を測定しようと
すると、絞り部にて縮流が発生せず、よってこの場合に
はベルヌーイの定理が成立しなくなり、流量計測が不可
能になってしまうからである。

【０００４】このため、最大計測流量の１／１０を下回
る小流量域まで計測可能とした広い流量範囲を計測しよ
うとする場合には、径の異なる数個のオリフィスメータ
を並列に配置し、流量に応じて流路を切換えて計測を行
わねばならず、構成が複雑化し、取扱いも面倒になると
いう問題点がある。

【０００５】そこで、この発明は、計測流量に応じて流
路を複数設けることなく、広範囲の流量計測を可能とす
ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、流体の流路断面積を縮小させた絞り部
の上流側における流体圧力と同下流側における流体圧力
の差圧に基づき、流体の流量を測定する流量測定装置に
おいて、前記絞り部の上流側に流体が供給される流入空
間を形成するとともに、同下流側に絞り部から流出する
流体の流出空間を形成した測定器本体と、小流量域で層
流状態が発生して前記絞り部の内壁で発生する摩擦力に
よる圧力損失に基づいた流量算出を行い、かつ大流量域
で乱流状態が発生して前記絞り部により発生する縮流・
拡大流による圧力損失に基づいた流量算出を行う流量測
定回路とを有する構成としてある。

【０００７】

【作用】このような構成の流量測定装置によれば、小流
量域では流入空間に流入した流体は、絞り部を流れる際
に層流となり、絞り部の内壁による摩擦力（剪断応力）
を受ける。この摩擦力による圧力損失が、絞り部による
縮流・拡大流によって発生する圧力損失より支配的とな
り、摩擦による圧力損失により生じる絞り部上・下流間
の圧力差に基づいて、流量測定回路が流量算出を行う。
一方、大流量域では、流入空間に流入した流体は絞り部
で縮流となって乱流状態が発生し、流出空間で拡大流と
なって、縮流・拡大流による圧力損失が、絞り部内での
摩擦による圧力損失より支配的となり、縮流・拡大流に
よる圧力損失により生じる絞り部上・下流間の圧力差に
基づいて、流量測定回路が流量算出を行う。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【０００９】図１は、この発明の一実施例を示す流量測
定装置の断面図で、図３にその外観形状を、図４に流量
測定装置を含む全体のシステム構成をそれぞれ示す。こ
の流量測定装置は、被測定流体であるガスが流入するフ
ィーダ部１と、小流量域で層流状態が発生する所定長さ
を有する絞り部としての矩形流路３を備えた本体部５と
から構成され、これら両者はフランジ７及び９によりシ
ール用パッキン１１を介して接合されている。上記フィ
ーダ部１と本体部５とで測定器本体を構成している。

【００１０】フィーダ部１は、内部に所定の容積を有
し、ガスが供給される流入空間１３を形成する。この流
入空間１３の図１中で上下両側部にはガス供給孔１５，
１７が形成され、この供給孔１５，１７には導入パイプ
１９，２１が接続されている。二つのガス供給孔１５，
１７は、流入空間１３に対し互いに対向する位置にあ
り、二方から流入したガスの流速を低下させ圧力変動を
吸収するようになっている。ガス供給孔１５，１７に
は、図４に示すように、ガスボンベ２３またはコンプレ
ッサから所定の圧力のガスが、開閉弁２５を備えた主通
路２７から二方に分岐した分岐通路２９，３１を介して
送られる構成となっている。

【００１１】本体部５は、内部に凹部３３ａが形成され
た主体部３３と、主体部３３の開口部を覆うカバー３５
とから構成され、これら両者間にはシール用のパッキン
３７が介装されている。主体部３３のフィーダ部１と反
対側の端部にはガス流出孔３９が形成され、この流出孔
３９には、図示しない燃焼器側などに接続される流出パ
イプ４１が接続されている。

【００１２】主体部３３にカバー３５が装着された状態
で、凹部３３ａには直方体状の空間領域が形成される
が、この空間領域には、ガス流出孔３９側に所定の容積
を有する流出空間４３を形成するよう二つのノズル片４
５，４７が相互に対称に設置される。二つのノズル片４
５，４７は、相互に対向する面により溝を形成し、この
溝によって前述した絞り部としての矩形流路３が形成さ
れる。矩形流路３は、図２に示すように直方体状を呈
し、幅Ｗが１．２ｍｍ、高さＨが７．５ｍｍで、長さＬ
は５ｍｍ〜６０ｍｍである。

【００１３】矩形流路３の上流側端部においては、ノズ
ル片４５，４７の角部が半径１０ｍｍの円弧状に形成さ
れて入口部４９が形成されている。この入口部４９とフ
ィーダ部１の流入空間１３とは、縮小部５１により連通
している。縮小部５１は、フィーダ部１及び本体部５に
それぞれ形成された傾斜孔５３及び５５により、流入空
間１３から入口部４９にかけて流路面積が徐々に縮小し
入口部４９に連続するようになっている。

【００１４】フィーダ部１の上部及び本体部５のカバー
３５には、流入空間１３内におけるガスの静圧Ｐ1及び
流出空間４３内のガスの静圧Ｐ2をそれぞれ検出する圧
力導入口５７及び５９が設けられている。各圧力導入口
５７及び５９の圧力は、圧力差ΔＰを測定する機能を備
えた流量測定回路６１に入力され、測定した圧力差ΔＰ
と流量Ｑとの関係から実際のガス流量が算出される。

【００１５】このような構成の流量測定装置によれば、
ガスボンベ２３から送られるガスは、主通路２７及び分
岐通路２９，３１を経て二つのガス供給孔１５，１７か
らフィーダ部１の流入空間１３に流入する。二つのガス
供給孔１５，１７から流出したガスは、流入空間１３内
で互いに衝突し合うことで流速が減少して乱れが低下
し、さらに流入空間１３は所定の容積を有しているので
圧力変動も低下する。乱れが低下し圧力変動が小さくな
った流入空間１３内のガスは、通路面積が徐々に縮小す
る縮小部５１及び入口部４９を経て本体部５の矩形流路
３を流れ、流出空間４３に流出した後、流出パイプ４１
から燃焼器側に供給される。

【００１６】このような流れの過程において、ガスが矩
形流路３を流れる際に圧力損失を受けて、上流側の流入
空間１３に設けた圧力導入口５７を通して検出する静圧
Ｐ1と、下流側の流出空間４３に設けた圧力導入口５９
を通して検出する静圧Ｐ2との間に圧力差ΔＰを生じ、
この圧力差ΔＰに応じたガスの流量Ｑを流量測定回路６
１が算出する。流入空間１３内の静圧Ｐ1の検出の際に
は、内部のガスは乱れが低下し圧力変動も低下している
ので、検出精度が向上し、流量の測定精度も向上するこ
とになる。

【００１７】図５は、本測定装置を流れる流量Ｑと、矩
形流路３前後の圧力差ΔＰ（ｍｍＨ₂ Ｏ）との関係を両
対数紙上でプロットしたものであり、実線が矩形流路３
の長さＬがＬ＝６０ｍｍのもので、破線がＬ＝５ｍｍの
ものである。これによれば、流量Ｑは圧力差ΔＰによ
り、大流量域の直線Ａ，小流量域の直線Ｂ，中間領域の
直線Ｃの３本の直線で近似させることができる。この特
性図は、板谷松樹著「水力学」朝倉書店（昭和５２年３
月１５日発行 Ｐ．１２２〜１３２参照）により導くこ
とができる。

【００１８】長さＬが６０ｍｍの矩形流路３についてみ
ると、流量Ｑの変化は、大流量域では直線Ａに示すよう
に傾きＫが約１／２であり、オリフィスを利用した場合
と同様の機能を持ち、流れに関しては圧力損失（差圧Δ
Ｐ）が流量Ｑの二乗に比例するというベルヌーイの定理
が成立する流動状態にある。この場合には、流入空間１
３内の流体は矩形流路３で縮流となって乱流状態が発生
し、流出空間４３で拡大流となって、縮流・拡大流によ
る圧力損失が、矩形流路３内での摩擦による圧力損失よ
り支配的となり、縮流・拡大流による圧力損失により生
じる矩形流路３の上下流間の圧力差ΔＰに基づきガス流
量を算出する。

【００１９】一方、小流量域では直線Ｂに示すように傾
きＫが約０．８であり、傾きＫが１．０である層流管と
しての機能をほぼ有することがわかる。この場合には、
矩形流路３の内壁により摩擦力（剪断応力）を受けて、
矩形流路３による縮流・拡大流による圧力損失より矩形
流路３内での摩擦による圧力損失が支配的となり、この
摩擦による圧力損失により生じる矩形流路３の上下流間
の圧力差ΔＰに基づきガス流量を算出する。

【００２０】また、直線Ｃで示す中間領域では、大流量
域同様乱流状態にあり、差圧ΔＰと流量Ｑとの関係はほ
ぼ直線で近似でき、これは滑らかな円管内流動における
ブラジウス（Ｂｌａｓｉｕｓ）の式が成り立つ領域に対
応する。

【００２１】このように、流量Ｑは大流量域から小流量
域まで、差圧ΔＰにより近似される３本の直線Ａ，Ｂ，
Ｃに基づいて算出できる。特に、小流量域においては、
ベルヌーイの定理が成立しない領域であるにもかかわら
ず、矩形流路３が層流管として機能するため、流量測定
が可能となる。したがって流量計測範囲は、従来では最
大計測流量の１／１０程度までであったものが、上記実
施例により１／４００程度まで可能となり、計測流量に
応じて流路を複数設けることなく、広範囲の流量計測が
可能となる。

【００２２】図６は、小流量域において、矩形流路３の
長さＬを横軸にとり、この長さＬに対して傾きＫの変化
を示したものである。同図により、傾きＫは、長さＬが
大きくなるにつれて増加し、約３５〜４０ｍｍ程度でほ
ぼ一定（０．８）となる。したがって、小流量域におけ
る流量は、差圧の約０．８乗に比例する傾向を示し、傾
きＫが１．０である層流管としての機能を果たすために
は、長さＬは約４０ｍｍ程度あればよいことになる。

【００２３】図５において破線で示す矩形流路３の長さ
Ｌが５ｍｍの場合では、小流量域での傾きＫは０．６程
度であっても、ほぼ層流管と同様の機能を維持でき、小
流量域側の測定範囲は狭まるが、差圧ΔＰと流量Ｑとの
直線関係は維持されているので、適用可能である。逆に
言えば、矩形流路３の長さＬを適宜変えることで、小流
量域側の流量測定範囲を変化させることができる。矩形
流路３の長さＬは、ノズル片４５，４７を交換すること
で容易に変化させることができる。

【００２４】なお、上記実施例では、矩形流路３から流
出したガスの圧力を流出空間４３内の静圧として検出し
たが、流出空間４３より下流の流出パイプ４１内で検出
してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、絞り部の上流側に流体が供給される流入空間を形
成するとともに、同下流側に絞り部から流出する流体の
流出空間を形成した測定器本体と、小流量域で層流状態
が発生して前記絞り部の内壁で発生する摩擦力による圧
力損失に基づいた流量算出を行い、かつ大流量域で乱流
状態が発生して前記絞り部により発生する縮流・拡大流
による圧力損失に基づいた流量算出を行う流量測定回路
とを有する構成としたため、計測流量に応じて流路を複
数設けることなく、小流量域から大流量域まで広範囲の
流量計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す流量測定装置の断面
図である。

【図２】図１の流量測定装置における矩形流路の形状を
示す斜視図である。

【図３】図１の流量測定装置の外観形状を示す斜視図で
ある。

【図４】図１の流量測定装置を含むシステム全体の構成
図である。

【図５】図２の矩形流路の上・下流間の差圧と流量との
関係を示す特性図である。

【図６】図２の矩形流路の長さと図５の小流量域におけ
る直線の傾きとの関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ フィーダ部（測定器本体） ５ 本体部（測定器本体） ３ 矩形流路（絞り部） １３ 流入空間 ４３ 流出空間 ６１ 流量測定回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流路断面積を縮小させた絞り部の
   上流側における流体圧力と同下流側における流体圧力の
   差圧に基づき、流体の流量を測定する流量測定装置にお
   いて、前記絞り部の上流側に流体が供給される流入空間
   を形成するとともに、同下流側に絞り部から流出する流
   体の流出空間を形成した測定器本体と、小流量域で層流
   状態が発生して前記絞り部の内壁で発生する摩擦力によ
   る圧力損失に基づいた流量算出を行い、かつ大流量域で
   乱流状態が発生して前記絞り部により発生する縮流・拡
   大流による圧力損失に基づいた流量算出を行う流量測定
   回路とを有することを特徴とする流量測定装置。