JPH0527046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流動体供給管を通る流動体の流れの
速度及び、又は体積の測定に適切な装置、以降フ
ローメータと呼ぶ、に関するものである。

フローメータは元来、病院あるいは同様の状況
で使用される酸素や他の気体の流動速度を測定す
るものとして開発され、本発明も参考例の便宜
上、そのように応用について説明する。しかしな
がら、フローメータは工業的応用を含む他の環境
でも使用されることができ、実際、本装置は低粘
性液体や蒸気など他の流動体の流動速度をモニタ
ーするのに使用できることは認められよう。

酸素や他の気体の流動速度をモニターするため
に病院で広範囲に使用されるフローメータは、気
体供給管に接続可能で、気体放出管を接続するこ
とのできる出口を有する器具に組込まれている。
フローメータは器具の入口および出口と連続して
配設され、先細の孔を有する垂直に延びる透明な
管を含んでおり、孔の径は管の高さと共に拡大
し、この管中の孔には小さなボール、またはボビ
ンが配置される。この器具に供給された気体は管
を上方に向つて流れ、この結果、ボール、または
ボビンを気体供給速度との比例した高さまで持上
げる。管はある一定の供給圧力下（通常、
400kPa）でボール、またはボビンの上昇高度に
従い目盛が決められ、流動速度の読出し（通常、
毎分リツトル）ができるようになている。

酸素網状システムで用いる場合には、フローメ
ータ管は通常、外側の（透明）な管状のエンベロ
ープの中に配置され、管内を上昇する気体は外側
エンベロープから管とエンベロープ間にある環を
通過し、器具の放出口に向う。更に、バルブ部材
がフローメータと放出口の間で器具を通過し、流
出する気体の流動速度を規制するように器具に組
入れられている。

上記に説明したフローメータは、少なくとも営
利的には大いに成功したのであるが、本発明の発
明者の判断によれば、その理由は主として適切な
代りの装置が開発されなかつたことにある。しか
し、このフローメータにはある本質的な欠陥があ
る。この装置は、正確な読出しを得るためには垂
直方向に設置されなければならず、上方に突出す
る管およびエンベロープは破損しやすい。更にフ
ローメータを遠くから読むことはできず、遠隔モ
ニター、または極端に流動速度が遅い時のための
アラームを設置できるように簡単に改良すること
はできない。

本発明者は、流動体流動速度に関連し、流動速
度表示装置を駆動するように使用し得る電気信号
を発生する流動体フローメータを開発することに
より、上記に述べた欠点の克服若しくは少なくと
も減少を追求した。更にこのフローメータに、装
置を通して流れる流動体の体積の測定ができるよ
うに改良することができる。これは流動速度の測
定に用いた電気信号を積分するだけで簡単に得ら
れる。

おおよその定義をすれば、本発明は流動体がそ
の中を流入、通過する室と、少なくとも一部分が
室内にあり、または室に隣接して配置されて室内
を通過する流動体が発生する音響エネルギーと接
触するよう配置された音響電気トランスデユーサ
と、トランスデユーサが音響エネルギーと接触し
た結果トランスデユーサが発する電気出力を表示
する手段とよりなる流動体フローメータを提供す
るものである。

本発明は、動的条件下で流動体が発生する音の
振幅は、流動体の流動速度の変化によつて異なる
という現象を利用したものである。従つて、トラ
ンスデユーサの出力は、トランスデユーサがその
音響と接触した流動体の流動速度に（直接的、あ
るいは間接的に）比例する。

流動体はフローメータに、放射エネルギーが渦
中周波、または可聴周波以下、または可聴周波以
上の周波数の範囲にあるような状態で流入し、こ
こで用いられる「音響エネルギー」とは、可聴ス
ペクトルの範囲内または外にある、周囲の音エネ
ルギーの意に解釈されるべきである。

フローメータの室に流入した流動体は、ノズ
ル、あるいはジエツトを介して室に導入されるの
が好ましく、ノズルまたはジエツトは流入する流
動体がトランスデユーサに突き当るように方向付
けられているのが好ましい。しかし、流動体がト
ランスデユーサに突き当ることは不可欠なことで
はなく、トランスデユーサが流動体の音響エネル
ギーと接触すだけで十分であることは理解されよ
う。ジエツトまたはノズルは単純な管状形態で
も、室内に流入する流動体の音エネルギーの度合
を上げるように流入流動体の乱流の高化を誘発す
るように形成されていても良い。更に、あるいは
その代りに、室自体が変形されて流動体の乱流を
誘発するようにしても良い。更に代替案として、
ジエツトまたはノズルが変位されて室に流入する
流動体が不揃いな雑音ではなく、ほぼ純粋音を発
生するようにすることができる。

フローメータには通常増幅器と、トランスデユ
ーサの出力が当てられる表示装置が組込まれてお
り、表示装置は流動体速度の直接な読出しを表わ
すようにするとよい。表示装置はアナログ表示用
でもデジタル表示用でも良い。

信号の処理および表示装置の駆動のためにフロ
ーメータにバツテリおよび、又は光電池を組込ん
でも良いが、代りにフローメータに主電源より供
給しても良い。

本発明は小型で、遠隔モニターをすることがで
き、流動体の流動速度が予め決められたレベルよ
り下がつたり越えたりした場合に警告信号を発す
る装置を組込むことのできるフローメータに実施
できる。遠隔モニターや警告機能はモニター曲と
有線、あるいは無線で連結して設けても良い。

音響−電気トランスデユーサは、付帯音響エネ
ルギーの存在に反応して、付帯エネルギーの音響
レベルに応じて異なる（即ち振幅および周波数の
異なる）電気信号を発生させるような、いかなる
型のトランスデユーサからなつても良い。トラン
スデユーサは、フローメータの室内で音響エネル
ギーと接触する振動板を有するマイクロフオン型
装置より構成されるものでも良い。

マイクロフオン型である場合には、トランスデ
ユーサはあらゆる特定のフローメータの応用例に
要求される感度および、または線形度に応じて、
ムービングコイル、マグネチツク、コンデンサ、
クリスタル、カーボン、リボン、または、他の型
のマイクロフオンからなつても良い。

フローメータに２個の電気音響トランスデユー
サ、即ち一方は室内音響エネルギーに触れ、他方
は周囲の音響エネルギーに触れるトランスデユー
サを組込んで良い。すると２個のトランスデユー
サの出力共通の増幅器に反位相に与えられてそれ
ぞれの出力の異質な雑音は相殺される。

本発明は、空気あるいは酸素などの気体の流動
速度の規制および測定に適切なフローメータ装置
の以下の説明により更に明らかとなろう。添付の
図面を参照して説明される。

図示のようにフローメータは２個の交互に連結
されて（上下）部分１０，１１よりなる。２個の
部分は相互依存しているが、上部１０は流動測定
装置、下部１１は流動制御装置とみなすことがで
きる。

下部１１は金属本体１２よりなり、これはねじ
継手１３を介して酸素圧縮供給源に接続可能で、
ねじ付放出接続部１４を通つて放出管（図示せ
ず）と接続可能である。酸素は矢印１５，１６で
示される方向に本体１２に導入され、放出され
る。

本体１２は凹部を有する突起部１７を含み、測
定装置１０の下方突出部１８はねじ状相互連結部
で突出部１７を取外し可能に結合している。酸素
は凹部を有する突起部に導入され、従つて、入口
１９ａと管状ノズル２０を通つて、測定装置の下
方突出部１８に位置決めされる室１９に導入され
る。ノズル２０は本体１２の一部分を形成してお
り、またねじ継手１３と連結している。

フローメータの操作中、酸素はノズル２０を通
つて室１９へ入り、次に出口２１と本体１２内の
バルブ孔２１ａを通つて放出口１４に流動され
る。先細のバルブ部材２２は本体１２内に配置さ
れ、フローメータから酸素の流動速度を規制する
ように孔２１ａに対して位置決めすることができ
る。

バルブ部材２２は回転可能な流動制御ノブ２３
によつて位置を選択することができる。

音響電気トランスデユーサとしてムービングコ
イルマイクロフオン２４が測定装置１０の下方突
出部１８内に位置し、従つて、マイクロフオンは
室１９を酸素が流入、流出する結果発生する音響
エネルギーに触れる。マイクロフオンはクツシヨ
ン２５に支持され、ノズル２０から流入する酸素
がマイクロフオンの振動板２６に衝突するように
向けられている。

図示されてはいないが、マイクロフオンの振動
板２６または後方ケース部２７には、通常、振動
板の反対面にかかる静圧の均一化を図るよう隙間
があけられている。

マイクロフオン２４から電気出力は測定装置１
０の一部をなすケース２８内の信号処理装置に送
られ、配線はマイクロフオンからケースへ、マイ
クロフオンの上にある密封した孔を通つて延びて
いる。

ケース２８には充電可能な、あるいは取替え可
能なバツテリ３０（あるいは交流の電源と接続可
能な電源）、増幅器３１、検波器３２、アナログ
−デジタル変換器、液晶または他のデジタル表示
装置３４より構成されている。

表示装置３４はデジタル電圧計、あるいはアナ
ログ電圧計のいずれを有しても良く、これらは本
装置の応用に応じて適切なように毎分リツトルま
たは他の単位で、気体流動速度の読出しを与える
ように目盛が決められている。あるいは、酸素の
流動速度が増すにつれて順次発光するように駆動
される発光ダイオード（LED）を配列してもよ
い。

電気回路には更に表示装置を切るスイツチ３５
を設け、従つて、読出しが不必要な場合にバツテ
リの寿命を延ばすことができる。このスイツチを
流動制御ノブ２３と組合わせ、ノブの回転により
操作される。更に、図示されていないが、光電池
をケースに備付け、設備全体の電源とするか（こ
の場合にはバツテリは不必要となる）、バツテリ
を充電させることができ、別の回路構成部分を加
えてマイクロフオンからの出力信号を線形化する
こともできる。

第４図はフローメータに組込まれ、フローメー
タを通過する酸素の量を測定し表示するための回
路を示したものである。従つて、第４図に表わさ
れた配置は、流動速度表示測定器に加えて積分回
路３６を含み、これは、時間経過と関連して検波
器３２の出力を積分し、それによつて体積を表わ
す出力信号を発生するように機能する。積分器３
６からの出力は、フローメータを通過する酸素の
体積の増加を表示するのに用いられる、適当に目
盛が設定されているメータ３７に送られる。

以下、フローメータの操作を第５図乃至第７図
を参照して面に詳細に説明する。

第５図はほぼ一定の圧力条件下で、フローメー
タを通過する酸素の流動速度を変化させた時のト
ランスデユーサ２４からの出力信号の理想化した
波形を示している。理想化した波形とは、これが
単一の周波数音およびなだらかな包絡線を示すこ
とを意味するが、実際には室１９に乱流があるた
め、信号の周波数は複雑で不揃いであり、包絡線
も完全になだからにはならないであろう。しか
し、第５図で注目すべき点は、酸素の流動速度の
増加と共に、トランスデユーサ出力のピーク電圧
がt₁とt₃の区域で上昇し、流動速度の低下と共に
電圧はt₂の区域で下降し、酸素の流動速度が一定
の場合には電圧も一定になることである。

従つて、（振幅変調ラジオ周波数信号の可聴成
分が検知されるのとほぼ同様の方法で）トランス
デユーサ信号の包絡線がダイオード検波器３２に
検波されると、酸素流動速度と比例する出力信号
が検波器により得られる。

第６図はトランスデユーサ２４からピーク出力
電圧と、フローメータを通過する酸素の測定速度
との関係をグラフで示している。電圧信号の増幅
および検波器、（マグネチツクマイクロフオン）
からの出力信号はミリボルトで記され、気体流動
速度は毎分リツトルで記録される。

第６図からわかるように、トランスデユーサの
ピーク電圧（包絡線）出力と気体流動速度の関係
は直線状ではなく、フローメータに理に叶つた精
度が要求されるのなら、検波器３２からの出力信
号は表示装置に送られる前に線形化されていなけ
ればならない。

信号の線形化は第３図および第４図に示された
アナログ−デジタル変換器３３の構成部分である
プログラム可能に読出し専用メモリ（PROM）
で行われる。あるいは、第７図に示すように回路
を配置し、信号の処理、線形化および測定を行う
ようにしても良い。

第７図で示された配置において、マイクロフオ
ン２４からの出力は増幅器３１（IC₁）に送られ、
更に増幅器IC₂で増幅、緩衝される。正のピーク
電圧検波器IC₃と、反転された負のピーク電圧検
波器IC₄は、信号の絶対ピークレヘル（即ち、包
絡線電圧）を表わす出力を出し、コンデンサC₁
と抵抗R₁は検波器３２のピーク保持および消滅
時間を供給する。作動増幅器IC₅はIC₂，IC₃およ
びIC₄への入力の電圧をオフセツト状態に調整す
る。

線形化のための回路網は16個の比較器IC₆から
IC₂₁、一連の分圧抵抗器R₂からR₁₇、トランジス
タQ₁，Q₂よりなる電源から、一定電流が供給さ
れる一連の連続接続したゲルマニウムダイオード
D₁からD₁₆とよりなる。検波器３２（IC₃および
IC₄）の出力は、比較器IC₆からIC₂₁の全ての非反
転入力に接続されている。

分圧抵抗列の上端には、ツエナー・ダイオード
Z₁によつて安定している電源電圧を供給され、抵
抗器R₂からR₁₆の値は、第６図に示した曲線が直
線化するのに適当な基準電圧段階をとるように選
択される。比較器IC₆からIC₂₁の出力は、ある特
定の比較器の入力において検波器３２からの出力
電圧が基準電圧より低い場合には「オン」状態に
なるオープン・コレクタ・トランジスタを通り、
出力信号が０となる全ての比較器が「オン」状態
になり、全てのダイオードD₁からD₁₅は短絡して
除外される。しかし、検波器かの出力電圧が上昇
すると、比較器は順次「オフ」になり、その結
果、ダイオード間を流れる電流は電圧低下を起こ
し、これはデジタル電圧計３４に、フローメータ
を通過する酸素の増大と流動速度の対応した度合
で表われる。

上記に説明した回路の代替型では、ダイオード
D₁からD₁₆を発光ダイオード（LED）に置きか
え、メータ３４を省略することができる。この場
合には、検波器３２からの入力電圧が上ると、
LED間を電流が流れるよう、比較器は順次「オ
フ」にされる。従つて、電圧が増加すると、棒状
の光線が縦に、あるいは横に延びて形成され、ト
ランスデユーサの出力が（線形化して）測定され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はフローメータの斜視図、第２図はフロ
ーメータの部分切断側面図、第３図はフローメー
タの上ケース部内の電気回路の構成部分を概略的
に表わし、第４図はフローメータを通過する酸素
の体積を測定し表示するよう配列した回路構成部
分を構成した第３図と同様の回路を表わし、第５
図はフローメータ内の酸素の流動速度を変化させ
た時のフローメータ・トランスデユーサの理想的
出力信号の波形を示し、第６図はフローメータ内
の酸素の流動速度とトランスデユーサのピーク電
圧（増幅後の）信号の関係を示すグラフ、第７図
は第３図に概略的に図示された一（典型的）形式
の回路の詳細な配列図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流動体供給管と連続して接続可能な流動体フ
   ローメータにおいて、本体部と、フローメータの
   使用時において流動体が通過する本体部に設けら
   れた室と、本体部に設けられた一端で流動体の供
   給源に接続可能で、他端で室と連結する第１導管
   と、一端で室内と連結し、他端で流動体放出管と
   接続可能な第２導管と、室内に配置され、室内を
   流れる流動体と流動体が第１導管から室へ通過す
   ることにより発生する音響エネルギーとに直接接
   触し、流動体により発生した音響エネルギーと接
   触した時に電気出力信号を発するマイクロフオン
   の形態を有し、その振動板またはケース部が穴を
   有し、振動板の反対面にかかる圧力の均一化が可
   能となる音響電気トランスデユーサと、トランス
   デユーサの電気出力を表示するトランスデユーサ
   を含む回路に設けられた表示装置とよりなる流動
   体フローメータ。 ２ 電圧線形化手段が回路の検波器と表示手段の
   間に配置され、表示手段はフローメータを流れる
   流動体の流動速度の増加に対応して直線的に増大
   する出力電圧レベルを表示することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の流動体フローメー
   タ。 ３ 回路で検波器と接続される積分回路手段と、
   積分回路と回路にあり、積分手段の出力信号を測
   定して流動体体積として表示する別の表示手段を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の流動体フローメータ。 ４ ノズルはトランスデユーサに向つて方向付け
   られ、よつてノズルより室内に流入する流動体は
   トランスデユーサに突き当ることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の流動体フローメータ。 ５ 第２導管に調節可能な流動制御弁が配置さ
   れ、フローメータ内の流動体流動速度を規制する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流
   動体フローメータ。 ６ 電気回路構成部分は増幅器、検波器および表
   示装置を含み、本体部に取外し可能に接続された
   ケース内に配置され、本体部内の室はケースを本
   体部に接続することにより閉じられ、トランスデ
   ユーサはケースに取付けられてケースが本体部に
   接続した時に室内に位置するように配設されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の流動
   体フローメータ。 ７ 音響電気トランスデユーサが導管を通過する
   流動体が発する音響エネルギーと接触し、トラン
   スデユーサの電気出力はトランスデユーサの電圧
   出力の増幅に伴つて電気信号を発生させるのに用
   いられ、電気信号は、電気信号の度合を視覚的に
   表示するように配置された表示装置に送られるこ
   とを特徴とする導管を流れる流動体の速度の測定
   方法。