JPH01180419A - 面積式流量計及び該流量計による流量測定方法 - 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、大気汚染測定器等において、試料ガスの流量
を一定に制御す□るためにこの流量を測定する面積式流
量計及びこの流量計による流を測定方法に関する。

（従来の技術） 従来この種の面積式流量計としては、第７図に示すもの
が知られている。同図において、１０は中空円錐状のガ
ラス等からなるテーパ管であり、その内部を下方から上
方に向けて、流量を測定するべき試料ガスが通過するよ
うになっている。

また、２０はテーパ管１０の内部に収容された遮光性の
フロート、３０はテーパ管１０を包囲する円筒状の外囲
体、４０は外囲体３０内面の軸方向中央位置に取付けら
れた発光ダイオード等の発光素子、　５０ａ。

５Ｑｂは発光素子４０からの光が均等に当るように外囲
体３０の内面に並設されたシリコンホトセルの如き受光
素子、６０は反転増幅器、７０は差動増幅器をそｉ≠ｉ
示している。

この流量計では、図示するようにフロート２０が発光素
子４０の正面にある場合、フロート２０によって遮られ
た光の一部が各受光素子５０ａ、　５０ｂの同一面積の
受光面に入射し、各受光素子５０ａ、　５０ｂの受光量
が等しくなるため、これらの出力電圧は互いに等しくな
る。また、例えばフロート２０が上段の受光素子５０ａ
の正面近傍にある場合には、下段の受光素子５０ｂの受
光量が上段の受光素子５０ａに比べて多く、逆にフロー
ト２０が下段の受光素子５０ｂの正面近傍にある場合に
は、上段の受光素子５０ａの受光量が下段の受光素子５
０ｂに比べて多くなる。

従って、差動増幅器７０によって受光素子５０ａ。

５０ｂの出力電圧のバランスを見ることにより、フロー
ト２０が中央位置から上下何れの方向に偏位しているか
を検出することができる。換言すれば。

外囲体３０を上下させてその軸方向中央位置に付した指
標をテーパ管１０に付された所望の流量目盛に合わせた
場合、その時のフロート２０の偏位から上述の如く検出
した流量の多少に応じて、試料ガスの流量制御弁（図示
せず）を開閉制御することにより、試料ガスの流量を一
定値に保つことができるものである。

（発明が解決しようとする課題） しかるに、この面積式流量計及び該流量計による流量測
定方法にあっては、２個の受光素子５０ａ　。

５０ｂを発光素子４０に対し対称的かつ互いに近接して
配置する必要があり、しかも１、これらの受光素子５０
ａ、　５０ｂは上記測定原理上、全く同一の特性を有し
ていることが要求されるため、受光素子５０ａ。

５０ｂとしては特注品を用いなくてはならず、コスト高
になるという欠点があった。

また、２個の受光素子５０ａ、　５０ｂをできるかぎり
近接させて配置しても、設計上の制約から各々の受光面
を隙間なく並設することができない、従って、比較的小
さなフロート２０が発光素子４０の正面にある場合には
、その位置を正確に検出不可能な不感帯が生じる恐れが
あり、正確な流量測定が行えないという問題があった。

更に、従来では受光素子５０ａ、　５０ｂの受光面積に
よってフロート２０の検出可能範囲が決定されて１まい
、また、ツーロート２０の位置としては１発光索子４０
の正面を中心として上方であるか、ま４たは下方である
かを検出できるに過ぎなかった。加えて、フロート２０
が発光素子４０の正面にある場合と、検出、範囲を外れ
て上方または下方にある場合の何れにも受光素子５０ａ
、５０ｂの受光量はそれぞれ権等であるから、差動増幅
器７０の出を電圧は同一となり。

フロート２０の位置を特定できないという不都合があっ
た。

また、受光素子５０ａ、　５０ｂの出力電圧のバランス
調整は、受光素子５０ａ、　５０Ｍ、−、均等に光が当
る状態にしてトリマ抵抗を操作するこ、とにより行って
いた、が、この作業が面倒であり、特に発光素子４０や
各受光素子５０ａ、　５０ｂの特性の経年変化がバラン
、ス調整作業を一層煩雑なものにしていた。

本発明は上記問題点を解消するために提案されたもので
、その目的とするところは、標準品の受光素子を使用可
能としてコストの低減を図り、不感帯の発生や検出範囲
の狭小化及びバランス調整の煩雑さを解消すると共に、
フロート位置の正確な検出を可能にして高精度の流ｆｆ
ｉ測定を行えるようにした面積式流量計及び該流量計に
よる流量測定方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、まず本発明にががる面積式流
量計は、フロートを内蔵したテーパ管の外部に発光素子
及び受光素子を対向配置した面積式流量計において、各
々個別に点灯される複数の発光素子をテーパ管の軸方向
に沿って配置し、各発光素子について、流量測定時の受
光素子出方信号とフロートを検出範囲がら除去した際の
受光素子出力信号との比をそれぞれ検出し、この比に基
づいてフロートの位置を検出して試料の流量を測定する
ことを特徴とする。

ここで、受光素子は単一であることが好ましく。

また、受光素子は等間隔に配置された複数の発光素子の
中央位置に対向する位置に配置することが望ましい。

更に本発明にかかる流量測定方法は、上記面積式流量計
を用い、複数の発光素子をこれらのほぼ中央位置におい
て二分し、かつ前記中央位置に対向する位置に受光素子
を配置し、これらの二分された発光素子群に属する個々
の発光素子を個別に点灯すると共に、各発光素子につい
て、流量測定時の受光素子出力信号とフロートを検出範
囲から除去した際の受光素子出方信号との比をそれぞれ
検出し、この比に起因する受光変数の総和を前記発光素
子群のそれぞれについて求め、前記受光変数の総和の大
小を比較して前記中央位置に対するフロートの位置の偏
位を検出することにより、試料の流量を測定することを
特徴とする。

なお、前記受光変数は、例えば流量測定時における受光
素子出力電圧とフロートを検出範囲力〒ら除去した状態
における受光素子出方電圧との比を１から減じた値が考
えられる０、。

（作用） 本発明にかかる面積式流量計によれば、複数の発光素子
が順次個別に点灯され、その出力光は最小限１個の受光
素子によって逐次受光される。その際、受光素子に対し
である発光素子からの光の全部または一部がフロートに
よって遮られていると、この発光素子については、流量
測定時の受光素子出力信号とフロートを除去した際の受
光素子出力信号との比が他の発光素子に比べて異なった
ものとなり、上述した比の相違はフロートの位置に対し
て一定の因果関係を持つことになる。

また、本発明にかかる流量測定方法によれば、二分され
た発光素子群のそれぞれについて求めた受光変数の総和
が比較される。ここで、総和が互いに等しい場合にはフ
ロートが中央位置の正面にあり、中央位置に対応する流
量目盛が所望の設定流量であるとすれば、現在の流量は
この設定流量に等しいこととなる。更に、受光変数の総
和の大小関係により、フロートが中央位置からどの程度
偏位しているかが検出され、換言すれば設定流量とのず
れが検出される。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

まず、第１図は本発明にかかる面積式流量計の一実施例
の要部構成を示すもので、同図において、１は図示され
ていない吸引ポンプの作用により試料ガスが下方から上
方へと通過する中空円錐状のガラス等からなるテーパ管
、２はその内部に収容された遮光性のフロート、３はテ
ーパ管１を包囲する円筒状の外囲体であり、この外囲体
３は上下方向に移動可能である。

外囲体３の内面には、上下方向に沿って複数（例えば７
個）の発光ダイオードの如き発光素子Ｉ□、Ｉ２．・・
・・・・ｅ　Ｉｎが等間隔で列設されており、また、こ
れらの発光素子１１〜１．の対向面には、発光素チエ、
〜Ｉｎの中央位置にある発光素チエ。

に向かいあうようにシリコンホトダイオードの如き単一
の受光素子Ｒが取付けられている。そして。

受光素子Ｒの出力側にはアンプＡが接続されている。な
お、アンプＡの出力側には図示されていないマイクロコ
ンピュータシステムが接続されている。

二二で９発光素子１１〜Ｉｎには一定の時間間隔をおい
て上から順にパルス状の電流が周期的に加えられるよう
になっており、その光出力波形と、フロート２が検出範
囲に存在しない状態における各発光素子Ｉ０〜Ｉｎから
の光出力による受光素子Ｒの出力電圧ｖ８〜ｖｎとの関
係は第２図に示すようになっている。なお、同図におい
て、受光素子Ｒの出力電圧Ｖ、〜Ｖｎが一定でないのは
、発光素チエ、〜Ｉｎの特性のバラツキや受光素子Ｒに
対する距離の相違による。

次に、この動作を第３図ないし第５図を参照しながら説
明する。

まず、試料ガスの吸引ポンプが停止していてフロート２
がテーパ管１の下方すなわち検出範囲外にある状態で発
光素子１１〜Ｉｎを順に点灯すると共に、第２図に示し
た受光素子Ｒの出力電圧ｖ１〜Ｖｎをそれぞれ測定し、
これらを基準値Ｖｒ１〜ｖｒｎとしてマイクロコンピュ
ータシステムのメモリに記憶しておく。

次いで吸引ポンプを運転し、試料ガスをテーパ管１内に
導入すると、フロート２がテーパ管１内を外囲体３の高
さまで上昇してくる。このとき、前記同様にして発光素
子１１〜Ｉｎを順に点灯し。

対応する受光索子Ｒの出力電圧ｖ１〜Ｖｎをそれぞれ測
定してこれらの値を測定値Ｖ醜、〜Ｖｍｎとおき。

メモリに記憶する。

そして、各発光素チエ、〜工ｎに対応する基準値Ｖｒ、
〜Ｖｒｎ及び測定値ｖＩｍ１〜Ｖｓ＋口について、両者
の比Ｖｍａｎ／Ｖｒｒ１を考え、かつ受光素子Ｒの受光
量に起因する受光変数として。

Ｘ（ｎ）＝１−Ｖａｎ／Ｖｒｎ　・・・・・・・・・・
・・・・・■（この実施例では、ｎ＝１〜７） を定義し、この受光変数Ｘ（ｎ）を計算すると、第３図
ないし第５図に示すようにフロート２の位置、つまり試
料ガスの流量によってＸ　（ｎ）の値が変化することに
なる。

更に、複数の発光索子１１〜１．のうち中央位置にある
発光素子（この実施例ではＩ４）を中心としてその上下
２組の発光素子群を考え、各発光素子群についての受光
変数Ｘ　（ｎ）の総和として、ＸＨ＝Ｘ（１）＋Ｘ（２
）＋Ｘ（３）　　−・・−・・・・・・・・■ＸＬ＝Ｘ
（５）＋Ｘ（６）＋Ｘ（７）　　・・・−・・・・・−
・■をそれぞれ計算する。

いま、第４図に示すようにフロート２が中央位置の正面
にある場合には、Ｘ）ｔ＝ＸＬとなり、第３図に示すよ
うにフロート２がこの位置よりも上方にある場合にはＸ
Ｈ＞ＸＬとなり、第５図に示すようにフロート２が下方
にある場合にはＸＨ＜ＸＬとなる。

すなわち、マイクロコンピュータシステムによりＸＨ及
びＸＬを算出してその大小関係を判断することにより、
フロート２が発光素子１１〜Ｉｎの中央位置の正面に対
して上下何れにあるかを検出することができる。

従って１例えばテーパ管１の外周面に流量目盛を付して
おき、外囲体３の中央部に付した指標を前記流量目盛に
合わせながら上記演算処理を行うことにより、現在の流
量の測定や流量を所望の値、に一致させるべく制御する
ことが可能になるものである。

なお、この種の面積式流量計においては試料ガスの吸引
ポンプが一定周期でその運転を停止し。

フロート２が自動的に検出範囲から除去される状態とな
るため、このときに一定のプログラムに従って受光素子
出力電圧の基準値ＶｒｙＩｔ＆測定し直して更新するこ
とにより、発光素チエ、〜Ｉｎの輝度や受光素子Ｒの感
度が経年変化した場合にも測定精度を常に高く維持する
ことができる。

また、上記実施例において、発光素子Ｉ□〜Ｉｎの点灯
順序は全くランダムであってもよい、更に。

二分された発光素子群について受光変数Ｘ　（ｎ）の総
和をそれぞれ算出してフロート２の位置を検出するので
はなく、単に各発光素チエ、〜Ｉｎについての受光変数
Ｘ　（ｎ）のパターン（第３図ないし第５図）から、フ
ロート２の位置が基準となる位置（例えば中央位置）か
らどの程度上方または下方にあるかを推定することも可
能であり、この場合には、受光素子Ｒの位置は発光素チ
エ、〜Ｉｎの中央位置の正面に限定されるものではない
。

次に、第６図は本発明にかかる面積式流量計の他の実施
例を示している。この実施例では、Ｒ１゜Ｒ，、Ｒ，の
ように受光素子が複数設けられ、これらに応じた多数の
発光素チエ、〜Ｉｎが対向配置されている。

この実施例においては１発光素子Ｉ工〜Ｉｎを順次点灯
した際の受光素子Ｒユ、　Ｒ，、Ｒ，出力電圧の和が上
記０式におけるｖｍｎ及びｖｒｎに相当し、先の実施例
と同一の原理によってフロート２の位置を正確に検出す
ることが可能である。特に、受光素子を複数設けること
により、フロート２の検出可能範囲ひいては流量測定範
囲を大幅に拡大することができる。また、受光素子の個
数が増加しても、シリコンホトダイオード等の標準品が
使用できるため、経済性の面で大きな障害となることも
ない。

なお１以上の各実施例では複数の発光素子１１〜Ｉｎを
等間隔に配置した場合について説明しであるが、この配
置は必ずしも等間隔である必要はなく、例えば中央位置
に近い部分の間隔を密にし、この部分から遠ざかるに従
って間隔を疎とするような、中央位置を中心とした対称
的な配置であってもよい、つまり、流量測定時とフロー
ト２を検出範囲から除去した時とで、各発光素子につい
てフロート２の位置に応じた受光素子出力電圧の相違が
明確に認識されるかぎり１発光素子１１〜Ｉ。

を種々の態様で配置することが許容されるものである。

また、本発明において１発光素子及び受光素子の種類や
発光素子の数は、上記実施例に何ら限定されるものでは
ない、更に、流量を測定するべき試料としては、気体ば
かりでなく液体であってもよい、加えて、前述した受光
変数としては、受光素子出力電圧の比であるｖＩＩＩｎ
／ｖｒｎを用いることも可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、最小限単一の受光素子に
よって流量測定が可能であり、標準品の受光素子を使用
できることによってコストを大幅に低減することができ
る。一方１発光素子は従来よりも数多く必要になるが、
かかる発光素子はホトダイオード等の比較的安価な製品
が多数提供されているため、全体として経済的な効果は
極めて大なるものがある。

更に１発光素子に、特性上のバラツキがあっても。

実際の測定時とフロートを除去した時とにおける受光素
子出力信号の比に基づく測定方法であるか□ら、上記特
性のバラツキや発光素子の経年変化があっても常に正確
な測定を行うことができるものである。

また、最小限１個の受光素子に対して複数の発光素子を
対向配置する構成であるから、フロートの位置を検出不
可能な不感帯が生じる恐れも皆無である。

更には、受光素子の受光面積に拘らず、光が届く範囲に
複数の発光素子を設け、あるいは必要に応じて受光素子
を増設することで検出範囲を飛躍的に拡大することがで
きると共に、各発光素子についての受光変数値のパター
ン等を参照することにより、フロートの位置を多段階に
わたって正確に特定できるという利点がある。

加えて、従来部したような人為的なバランス調整が不要
になり、各種経年変化に対してもマイクロコンピュータ
のプログラムにより自動的に対処可能であるため、労力
の軽減を図ることができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明にかかる面積式流量計の一
実施例を示すもので、第１図は要部の構成図、第２図は
発光素子及び受光素子の出力波形図、第３図ないし第５
図は動作説明図、第６図は本発明にかかる面積式流量計
の他の実施例を示す要部構成図、第７図は従来の面積式
流量計の要部構成図である。 １・・・テーパ管　　　　　　２・・・フロート３・・
・外囲体　　　　　　　Ｉユ〜１．・・・発光素子Ｒ，
Ｒ１〜Ｒ１・・・受光素子　　　　　Ａ・・・アンプ第
１図 第２図 第７図 處

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）流量を測定するべき試料が軸方向に通過する光透
   過性のテーパ管と、このテーパ管の内部に収容された遮
   光性のフロートと、前記テーパ管の外部にこのテーパ管
   を介して互いに対向するように配置された発光素子及び
   受光素子とを備え、前記試料の流量に応じて移動する前
   記フロートの位置を前記受光素子の受光量により検出し
   て前記試料の流量を測定する面積式流量計において、 各々個別に点灯される複数の発光素子を前記テーパ管の
   軸方向に沿って配置し、各発光素子について、流量測定
   時の前記受光素子出力信号と前記フロートを検出範囲か
   ら除去した際の前記受光素子出力信号との比をそれぞれ
   検出し、この比に基づいて前記フロートの位置を検出す
   ることを特徴とする面積式流量計。
2. （２）単一の受光素子が、ほぼ等間隔に配置された複数
   の発光素子のほぼ中央位置に対向するように配置された
   請求項（１）記載の面積式流量計。
3. （３）遮光性のフロートが内部に収容された光透過性の
   テーパ管内に試料を通過させ、前記テーパ管の外部にこ
   のテーパ管を介して発光素子と対向するように配置され
   た受光素子の受光量により、前記試料の流量に応じて移
   動する前記フロートの位置を検出して前記試料の流量を
   測定する、面積式流量計による流量測定方法において、 前記テーパ管の軸方向に沿って配置された複数の発光素
   子をこれらのほぼ中央位置において二分し、かつ前記中
   央位置に対向する位置に前記受光素子を配置し、前記二
   分された各発光素子群に属する個々の発光素子を個別に
   点灯すると共に、各発光素子について、流量測定時の前
   記受光素子出力信号と前記フロートを検出範囲から除去
   した際の前記受光素子出力信号との比をそれぞれ検出し
   、この比に起因する受光変数の総和を前記発光素子群の
   それぞれについて求め、前記受光変数の総和の大小を比
   較して前記中央位置に対する前記フロートの位置の偏位
   を検出することを特徴とする、面積式流量計による流量
   測定方法。