JPH0242319A - 流体計測装置 - 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】 捉４分更 本発明は、流体計測装置、より詳細には、コリオリ質量
流量計と該コリオリ質量流量計の流入流出端の圧力損失
を計測して質量流量、密度、粘度を算出する流体計測装
置に関する。

丈米艮宜 ２点間で支持された流体が流通する導管の中央部を加振
した場合、支持点と加振部との間において流体の流れ方
向と振動の向きとのベクトル積に等しい方向に質量流量
に比例したコリオリの力が発生されることが知られてお
り、導管の両支持点と加振部との間では振動の向きが反
対であることから、コリオリの力を導管振動の基準線に
対する位相差として検出するコリオリ質量流量計が試み
られている。導管が直管の場合は検出する位相差が小さ
いので、Ｓ／Ｎ比が悪化し流量計測精度を向上すること
が困難とされていたが、これを解決するために特公昭６
０−３４６８３号公報において、導管を第２軸に軸対称
な湾曲導管とし、第２軸に直交する第１軸を支持点とし
て間口するコリオリ流量計が提示されている。この流量
計は導管の先端部において、第１軸まわりに固有振動数
で駆動することにより第２軸まわりにコリオリの力に比
例した捩りモーメントが作用し、該捩りモーメントを湾
曲導管の両腕部が湾曲導管の基準面を通過するときの時
間差として検出されている。この方式においては、導管
の第２軸まわりの捩り剛性が小さいことから高感度に測
定できる特徴をもっているが、更に第１軸まわりに固有
振動数で加振することから流体の密度も計測できる。即
ち、固有振動数は導管のばね定数と導管質量との比の平
方根に比例し、単管質量は、導管の単体質量と、該導管
内に収容される流体の質量との和であり、流体の質量は
予め知られている導管内容積と密度との積であられされ
るので固有振動数は密度の関数として求められる。尚、
導管を固有振動数で加振して質量流量と流体密度を算出
する方式は、前記特公昭６０−３４６８３号公報におい
て開示されているが、導管が直管の場合においても固有
振動での加振により質量流量と密度とは求められるもの
である。

従１断辺Ｕ仁 上述した振動形のコリオリ質量流量計においては、振動
周波数を流体を含む導管の固有振動数で加振することに
より質量流量と密度とが計測できることが示されたが、
流体の計測においては、流体の性状を知るために更に粘
度を計測することが要求さ・れることがあり、この場合
においては、別に粘度計を設置する必要があり、粘度計
の費用と設置箇所の確保等経済的に多額の負担を要した
。

口　占　゛のための 本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもの
で、コリオリ質量流量計において流体の流通する導管内
の粘性により生ずる圧力差を測定し、質量流量・密度に
加えて粘度を求めるもので、コリオリ質量流量計に圧力
計を付加する簡単な構成により安価な流体計測装置を提
供することを目的とするものである。即ち、本発明の流
体計測装置は、２点間で支持固定された等径の導管と、
該導管を導管中央部において支持点まわりに固有振動数
で駆動する駆動手段と、該迄区動手段および支持点の間
において、流体の流れにより生ずるコリオリの力を検出
する検出手段と、導管の所定区間における流体の差圧を
検出する差圧検出手段と、前記コリオリの力から流体の
質量流量を、前記固有振動数から流体密度を、前記所定
区間の導管寸法諸元、前記質量流量、流体密度および流
体差圧に基づいて、流体粘度を各々演算する演算手段と
から構成したものである。

去−」１−舅一 第１図は１本発明の流体計測装置における本体部の構成
および作動ブロック図を示す図で、（Ａ）図は平面図、
（Ｂ）図は（Ａ）図における矢視り一り断面図、（Ｃ）
図は作動ブロック図で、図中、１は基板で、該基板１に
は一端に直交した支持部材１１が一体的に配設されてお
り該支持部材１１はＵ字形の導管２を貫通固設している
。導管２は流入口２１並びに流出口２２である開口をも
ち。

該開口近傍で支持部材１１に第１軸Ｘ−Ｘ軸上で固設さ
れている。また、導管２は第１軸と直交する第２軸（ｙ
−ｙ）に軸対称であり、該第２軸上に導管２を駆動する
駆動手段３が装着されている。

駆動手段３は駆動コイル３２と、該駆動コイル３２内に
挿入されて電磁力を発生する永久磁石３３とで要部を構
成し磁石３３は支持板３１に固設され、支持板３１は導
管２の湾曲部に固着され、駆動コイル３２は取付台３４
に固設され基板１に配置される。検出器４１．４２は第
２軸に対し導管２の対称位置に配設されるもので電磁検
出器である。磁石４５は紙面に直交した方向に着磁され
取付バンド４６により導管２の両腕に固着されており、
コイル４４は磁石４５の磁束と叉交するように巻回され
て取付台４３を介して固設される。

また、導管２の流入、流出口２１．２２近傍には該流入
、流出口２１，２２に連通する導管２３が配設され差圧
検出器５に導びかれ、導管２内を流通する流体の圧力損
失を検出する。

以上、第１図（Ａ）、（Ｂ）に示した本体部の動作を（
Ｃ）のブロック図により説明する。尚、（Ｃ）図におけ
る検出器（ａ）、（ｂ）は第１図における検出器４１．
４２と対応し、駆動コイル（Ｃ）、差圧検出器（ｄ）は
各々駆動コイル３２、差圧検出器５と対応している。検
出器（ｂ）の信号は駆動回路（ｅ）で増幅され定振幅に
制御され駆動コイル（ｃ）を駆動することで閉ループが
構成される。従って、駆動周波数は固有振動数であり、
この固有振動数から演算回路（ｆ）により密度ρを算出
する。また、検出器（ａ）、（ｂ）からの信号は整形後
位相比較され位相差に相当する時間差からコリオリの力
を検出して質量流量ｇが求められる。また、ニュートン
流体においては粘性係数μは次の如くして求められる。

真直な円管において、各断面上での時間平均速度の分布
が変らないときは、流体摩擦による圧力損失ΔＰの割合
も一定となり、 但し　Ｐ□：流入側の圧力、ρ：流体密度、■＝流速、
Ｐ２：流出側の圧力、ｄ：導管径、Ｑ＝導管長さ、λ：
管摩擦係数である。

即ち、導管形状が一定であれば圧力損失は動圧ρｖ２／
２に比例し、比例定数は管摩擦係数λである。ここにお
いて、動圧ρｖ２／２は、質量流量（ｇ）および密度（
ρ）が計測されて既知であり、導管断面積も定められて
いることから算出される。しかるに管摩擦係数λはレイ
ノルズ数（以降Ｒｅと記す）の関数である。ここで、但
し、νは動粘性係数で −”　　　　　　・・・（３） ν　− ρ である。

導管内の流れが層流の場合は、管摩擦係数λは単純に粘
性係数μに逆比例し、比例定数も一定であるから（１）
、（２）式により、 μ■ΔＰ　　　　　　　　・・・（４）として粘性係数
μが求められ、層流限界は圧力損失ΔＰに対して流速Ｖ
が正確に２乗となる範囲から定められる。また、導管内
の流れが乱流の場合の管摩擦係数λは、導管内壁面の粗
さにも依存するが、該粗さは個々の流量計導管において
定められているので単純にＲｅの関数として与えられる
。

従って、各々の流量において圧力損失ΔＰを計測すれば
粘性係数μを演算することができる。また、予め圧力損
失ΔＰと質量流量ｇと粘性係数μとの関係が定められて
いれば、圧力損失ΔＰと質量流量ｇとから粘性係数μが
直ちに算出できる。導管が湾曲管である場合は湾曲部に
おける２次流れの影響を受け、圧力損失を伴なうが、こ
の場合においても導管の形状寸法が定められていれば前
述の直管の場合と同様にして粘性係数μを算出すること
ができる。

本出願人の実験によれば、導管が第１図に示したＵ字形
であるときの圧力損失ΔＰは。

ΔＰ　＝　　　（Ｋｇ／ｃｍ”）　　−（５）ρ であることが確められ、密度ρと圧力損失ΔＰを知れば
圧力損失係数Ｃが求められる。また、圧力損失係数Ｃと
質量流量ｇとの間には第２図に示した関係があり、この
関係は所定の流量計において粘性係数μをパラメータと
して実験的に求めたものである。従って（５）式によっ
て求めた圧力損失係数Ｃと、質量流量ｇとから粘性係数
μが算出できる。上述した関係は演算回路ｆに記憶され
、該記憶に基づいて演算される。尚、第２図における粘
性係数μｍ（Ｃ１〜１４）の折点Ｔａ（ｊ＝５〜１２）
は層流から乱流への遷移域をあられす。本出顕人が求め
たＵ字導管において実験的に求めた（５）式と第２図と
から粘性係数μを算出する方法によれば層流域と乱流域
においてＲｅ数の関数として示される管摩擦係数λとを
区別して演算することなしに粘性係数μを求めることが
できる。

第２図は、予め粘性係数μの知られた複数の流体に関し
ての質量流量ｇと圧力損失係数Ｃとの関係を示したもの
であり、上記において第２図の関係を予め記憶し、該記
憶値に基づいて粘性係数μを演算するものであるが、第
２図の関係が不明の場合は、該当する流体に関して複数
の質量流量の計測値に対応した圧力損失を検知して各々
の流体に関して粘性係数を校正して記憶し、該記憶値に
基づいて圧力損失および質量流量の計測値から粘性係数
を求めることもできる。

第２図の場合はニュートン流体についての関係であるが
、後者の場合は非ニユートン流体に関しても対応できる
。尚、すべての流体の粘性係数は温度の関係であり、上
記の関係は基準温度に補正された粘性係数として示され
ている。従って、当然のことながら、温度変化に対して
の粘度変化の関係は予め知られていることを前提として
いる。

第１図においては差圧検出器５を流入口２１゜流出口２
２の近傍において連通する圧力導入管２３に接設してい
るが、各々の圧力導入管２３部に圧力検出器を取付け、
この圧力検出器の出力信号をとってもよい。

第３図は、流出口２２側に装着した場合を示すもので、
（Ａ）図は平断面図、（Ｂ）図は（Ａ）図の２−２矢視
断面図である。導管２の流出口２２側面に取付座２４を
溶着し、該取付座２４を介して圧力検出器５１を螺合装
着する。同様に流入口２１側にも他の圧力検出器が装着
され相互の出力信号が演算回路（ｆ）において演算され
る。

以上は、２点間で支持された等径の単一導管について述
べたが、本発明は、同形等大の導管を同一支持部材に平
行して支持された場合にも適用されるものである。この
場合、平行して支持された導管には同一の流体が分流さ
れることから支持部材に対して実質的に等しい固有振動
数をもった振動体となるので支持部材を振動節部として
音叉状に駆動される。質量流量および密度は単一導管の
場合と同一の原理に基づいて検知され、差圧検知手段は
平行導管に流通する流体の層流の圧力損失が検知される
。

羞−一来 上述のように１本発明の流体計測装置によると、流体計
測対象となる物理量としての質量流量、密度および粘性
係数が測定され、しかも、粘性係数は単に導管に流通す
る圧力損失を差圧検出手段により検知するのみで、別に
高価な粘度計等を必要とせず、また、そのための設置場
所等を必要とせず安価に計測できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の流体計測装置の平面図で。 （Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＬ−Ｌ矢視断
面図、（Ｃ）図は本発明の詳細な説明するブロック図、
第２図は、流体粘度μをパラメータとした質量流量ｇと
圧力損失係数Ｃとの関係をしめず実験結果を示す図、第
３図は、圧力検出器５１の取付図で、（Ａ）図は側断面
図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＺ−Ｚ矢視断面図である。 １・・・基板、２・・・導管、３・・・暉動手段、４１
．４２・・・検出手段、５・・・差圧検出器。 特許出頭人　　オーバル機器工業株式会社」中１ 第 図 −ＩＱｇ、ｏ　Ｇ　（ｋｇ／ｒｎ　ｉ　ｎ　）第 図 （Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２点間で支持固定された等径の導管と、該導管を導
   管中央部において支持点まわりに固有振動数で駆動する
   駆動手段と、該駆動手段および支持点の間において、流
   体の流れにより生ずるコリオリの力を検出する検出手段
   と、導管の所定区間における流体の差圧を検出する差圧
   検出手段と、前記コリオリの力から流体の質量流量を、
   前記固有振動数から流体密度を、前記導管の寸法諸元、
   前記質量流量、流体密度および流体差圧から流体粘度を
   各々演算する演算手段とを有することを特徴とする流体
   計測装置。 ２、前記導管を同形等大として流体を等流量に分配する
   とともに該導管を２点間で平行して支持し、前記駆動手
   段は、前記導管を各々の導管の支持点まわりに共振周波
   数で逆位相に駆動することを特徴とする請求項第１項に
   記載の流体計測装置。 ３、前記導管をＵ字形状として開口近傍で軸対称に支持
   し、該開口近傍における圧力差を検出する差圧検出手段
   により前記導管内の圧力損失を計測し、該計測値におけ
   る圧力損失と密度とを乗算して圧力損失係数を算出し、
   該算出値及び質量流量を予め粘性係数をパラメータとし
   て検知された質量流量と圧力損失係数との関係を記憶し
   た記憶値と対比して該当する粘性係数を求めることを特
   徴とする請求項第１項又は第２項に記載の流体計測装置
   。 ４、所定範囲の粘性係数をもち、予め複数の異なつた粘
   性係数をもつ流体で、複数の異なる質量流量と該質量流
   量に対応する導管の所定区間における流体の差圧との関
   係から粘性係数を校正し、質量流量、密度および粘性係
   数を計測するようにしたことを特徴とする請求項第１項
   に記載の流体計測装置。