JPH0783708A - ホイッスル式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動部のない簡潔なホイッスル構造でかつ導
電性でない流体についても流量の計測が可能なコンパク
ト化しやすい流量計を提供すること。 【構成】 流体の流入口１ａと、流体が共鳴する共鳴空
間１ｃと、共鳴後の流体が流出する流出口１ｂとを有
し、流出口１ｂに流体の流入方向に逆らう向きにエッジ
１ｄが設けられたホイッスル構造の発音ユニット１と、
発音ユニット１の共鳴空間１ｃにおける流体の共鳴によ
り発音ユニット１から発生する音を集音するマイクロフ
ォン２のような集音手段と、この集音手段からの出力信
号の周波数成分のうち発音ユニット１の発生音の基本周
波数成分を通過させるハイカットフィルタ３のようなフ
ィルタ手段と、基本周波数成分の周波数を検出するカウ
ンタ／タイマ５のような周波数検出手段と、予め定めた
流量と周波数との関係式から基本周波数成分の周波数に
基づいて流体の流量を演算する演算手段６とにより流量
計を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホイッスル構造を利用し
て気体や液体などの流体の流量を計測するホイッスル式
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体や液体の流量を計測する流量
計は数多く知られており、原理や構造あるいは用途から
さまざまに分類することができる。たとえば容積流量計
は、回転子やピストンなどの可動部を内蔵しており、こ
の可動部とケースとにより形成される計量空間部から可
動部の１サイクルで一定容積の流体が吐出されるように
なっており、可動部のサイクル数をカウントすることに
より流量を知ることができる。タービン流量計はこのタ
イプに属する。一方、電磁流量計は導電性のある流体の
流れ方向に直角に磁界をかけると、流体の流れ方向と磁
界の双方に直交する位置に置かれた電極に流速と磁界の
強さに比例した起電力が発生するので、磁界の強さを一
定にしておけば流速に比例した起電力が得られ、この流
量が流量に比例することから、流量を計測することがで
きる。こういった流路内に可動部を持たないタイプの流
量計には音響式流量計（超音波流量計を含む）や熱流量
計あるいはオリフィスを用いた絞り流量計などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、容量流量計
は可動部を有するために、流体の流れ抵抗が生じ、コン
パクト化に限界があり、故障時の対応がやりにくい、な
どの問題があるため用途に限界がある。また電磁流量計
は導電性流体のみが測定対象になるので、計測できる流
体に限界がある。その他の流量計にも固有の長所短所が
ある。

【０００４】このように流量計は動作原理や構造がそれ
ぞれ異なるために一種類であらゆる要件を満足するわけ
にはいかず、用途に応じて適切な流量計を選択すること
が肝要である。

【０００５】そこで、本発明者らは電車の車掌や体育の
先生が使う笛に代表されるホイッスルに着目して実験を
試みたところ、次のような事実が判明した。

【０００６】この種の笛はある一定以上の風量で吹かな
ければ所望の音で鳴らないことが経験的に知られている
ので、この笛を通常の音で鳴らすために人が口から吹き
込む風量を調べてみると、今回調査した市販のホイッス
ルの場合には、それが毎時１２００〜１５００リットル
以上でなければならないことが確認できた。そこでそれ
以下の吹き込み風量の範囲内で風量を０から徐々に増加
させていったときの笛の発する音の周波数を調べてみる
と、吹き込み風量と発生する音の周波数との間には図５
に示すようなほぼ直線的な関係があることが判明した。

【０００７】本発明者らはこの事実に着目し、この特性
が流量計に利用できないかとの観点から、本発明は可動
部のない簡潔なホイッスル構造でかつ導電性でない流体
についても流量の計測が可能なコンパクト化し易い流量
計を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、流体の流入口と、該流体が共鳴する共鳴
空間と、共鳴後の流体が流出する流出口とを有し、該流
出口に流体の流入方向に逆らう向きにエッジが設けられ
たホイッスル構造の発音ユニットと、該発音ユニットの
共鳴空間における流体の共鳴により発音ユニットから発
生する音を集音する集音手段と、該集音手段からの出力
信号の周波数成分のうち前記発音ユニットの発生音の基
本周波数成分を通過させるフィルタ手段と、前記基本周
波数成分の周波数を検出する周波数検出手段と、予め定
めた流量と周波数との関係式から前記基本周波数成分の
周波数に基づいて流体の流量を演算する演算手段とによ
り流量計を構成した。

【０００９】

【作用】本発明は以上の構成によって、発音ユニットに
流体が流入すると共鳴空間における共鳴によって発音ユ
ニットから音が出るので、その音を集音手段により集音
しフィルタ手段を介してその基本周波数成分を検出す
る。そして予め用意してある発音ユニットに固有の流量
と周波数との関係式から、検出した周波数成分に基づい
て演算手段により流量を演算する。

【００１０】

【実施例】以下に本発明を図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施例としてガス流量計
測用のホイッスル式流量計を示す。

【００１２】ホイッスル式流量計は、ガス管路１０ａ、
１０ｂの途中にホイッスル構造の発音ユニット１を接続
し、ガスが流れている時にこの発音ユニット１が発する
音を集めるためのマイクロフォン２を一部に取り付け、
このマイクロフォン２から出力する信号に含まれる計測
対象範囲外の成分をハイカットフィルタ３を介して除去
し、その信号をヒステリシス（図１に示す波形（ｂ）中
に破線で示す）をかけたコンパレータ４により一定値と
比較して波形整形し、コンパレータ４から出力するパル
ス信号をカウンタ／タイマ５によりカウントして周波数
を得、この周波数に基づいて流量演算器６で所定の関係
式から流量を演算し、演算結果を表示器７に表示するも
のである。

【００１３】図２は発音ユニット１の斜視図、図３は発
音ユニット１の長手方向断面図である。

【００１４】ホイッスル式流量計の発音ユニット１は、
図１ないし図３からわかるように、管路１０ａから流入
するガスを受ける横長の流入口１ａと、管路１０ｂにガ
スを流出する流出口１ｂと、内部に共鳴空間１ｃとを有
する樹脂の一体成形体から成り、流入口１ａと共鳴空間
１ｃとは流路Ｐで連結されており、流出口１ｂにはガス
の流入方向に逆らう向きに傾斜してエッジ１ｄが形成さ
れている。流入口１ａを横長にするとエッジ１ｄでのガ
スの流速が大きくなって発音ユニット１から安定した音
がでるようになるとともに、共鳴空間１ｃ内でのガスの
回転運動が円滑になる。共鳴空間１ｃは図２および図３
からわかるようにほぼ円筒状の空間とするのが好まし
い。なお、図２に示したように、流路Ｐの終端部（共鳴
空間１ｃに開口する部分）の開口高さをＤとし、共鳴空
間１ｃを円筒状としたときの半径をＲとすると、Ｄ≧Ｒ
のときは共鳴空間１ｃ内でのガスの回転運動が生じにく
くなるので発音ユニット１からは音が出ず計測不能とな
る。

【００１５】発音ユニット１の共鳴空間１ｃを形成する
一方の側壁１ｅには円形の穴１ｆが開けられており、こ
の位置にマイクロフォン２が気密に取りつけられてい
る。穴１ｆを設けるのは発音ユニット１で発生する音を
効率よく集音するためである。マイクロフォン２は普通
の構造のものでよく、その周波数特性も前述した図５か
らわかるように５０〜３０００Ｈ_Z をカバーすればよい
ので、汎用品が利用できる。なお、同じガス流量に対し
て発音ユニット１から発する音の周波数は発音ユニット
１の共鳴空間１ｃの容積によって変化するので、使用す
るマイクロフォン２の周波数特性は発音ユニット１の設
計によって決めればよい。

【００１６】ハイカットフィルタ３は、雑音除去と、ガ
スの通過によって発音ユニット１から発生する音の周波
数成分のうち基本周波数成分のみを残し高調波成分は除
去する目的で設けられるものであり、その通過帯域の上
限値は計測しようとするガス流量の上限値によって決め
られる。

【００１７】図１にはマイクロフォン２の出力（ａ）、
ハイカットフィルタ３の出力（ｂ）、コンパレータ４の
出力（ｃ）を示してある。

【００１８】カウンタ／タイマ５はタイマで定められた
所定時間内にコンパレータ４から出力するパルス信号の
数をカウントし、単位時間あたりのカウント値に換算し
て発音ユニット１により発生する音の周波数ｆとして出
力する。

【００１９】流量演算器６は、図５に示した関係から予
め定められるガス流量Ｑと発音ユニット１が発する音の
周波数ｆとの関係式Ｑ＝ｋｆ（ｋは比例定数）に基づい
て、カウンタ／タイマ５から出力する周波数ｆを用いて
流量Ｑを演算する。流量演算器６は電子回路で構成して
もよいし、マイコンを用いて構成してもよい。表示器７
は流量演算器６で演算した流量Ｑをデジタル表示または
アナログ表示するもので、液晶ディスプレイや指針メー
タなどが用いられる。

【００２０】上記構成のホイッスル式流量計により管路
１０ａ，１０ｂを流れるガスの流量を連続的に計測する
ことができる。

【００２１】図４は本発明の他の実施例を示す。

【００２２】図中図１と同じ参照番号は同じ構成部分を
示しており、説明は省略する。

【００２３】この実施例においては図１の実施例と同じ
発音ユニット１および集音用マイクロフォン２を用いる
が、ハイカットフィルタ３の目的は図１の実施例におけ
るハイカットフィルタ３の目的とは多少異なり、雑音除
去のほかに、マイクロフォン２からの出力信号を後述す
るスペクトルアナライザ１１の分解能以下に設定するこ
とである。

【００２４】スペクトルアナライザ１１はハイカットフ
ィルタ３で分析可能な周波数以下に設定されたマイクロ
フォン２からの出力信号のレベルを周波数ごとに分析し
てデジタルデータとして出力する。次段のバンドパスフ
ィルタ１２は、入力するデジタルデータのうちから発音
ユニット１が発生する音の基本周波数成分がとりうる範
囲にあたる帯域のみを通過させその他の周波数成分は遮
断する機能を有する。

【００２５】図４にはマイクロフォン２の出力（ａ）、
ハイカットフィルタ３の出力（ｂ）、スペクトルアナラ
イザ１１の出力（ｃ）、バンドパスフィルタ１２の出力
（ｄ）を示してある。

【００２６】ピーク検出器１３はバンドパスフィルタ１
２を通過したデジタルデータについてピーク値を求め、
そのピーク値に対応する周波数Ｆ_peakを求めて出力す
る。

【００２７】流量演算器６はマイコンで構成されてお
り、図１に示した実施例の場合と同様に、ガス流量Ｑと
発音ユニット１が発する音の周波数ｆとの関係式Ｑ＝ｋ
ｆ（ｋは比例定数）に基づいて流量Ｑを演算する。この
演算には上記の関係式を予めテーブルにして内蔵のメモ
リに記憶しておいた値を用いてもよい。演算結果は表示
器７に表示される。

【００２８】この実施例ではスペクトルアナライザ１
１、バンドパスフィルタ１２、ピーク検出器１３を用い
ているために、流量が比較的大きい領域で基本周波数成
分の他に高調波成分が出ても確実に除去できるために流
量計測値の精度が高くなる。

【００２９】本発明で用いられるホイッスル構造の発音
ユニット１の材質や構造は実施例に示したものに限定さ
れるものではなく、たとえば金属や樹脂の張り合わせで
もよい。発音ユニット１の流入口１ａおよび流出口１ｂ
の形状や位置は計測対象となる流体の管路の形状や位置
などによって自由に変えることができるし、共鳴空間１
ｃの形状も円筒状（断面形状が円形）に限定されるもの
ではなく、内部でのガスの流れに乱れを生じさせないよ
うな形状であれば断面形状がだ円形や角の取れた長方形
でもよい。しかし流出口１ｂの形状は共鳴空間１ｃ内で
運動するガスなどの流体の運動を乱さないように配慮す
る必要がある。実施例の場合には、共鳴空間１ｃ内での
ガスの運動方向がガスの流入方向のみに限られているの
で、流速が一定であれば流出口１ｂの断面形状のみで発
する音の周波数が決まる。したがって、流出口１ｂの形
状は上から見て長方形または正方形でないと一様な周波
数の音を発生しなくなってしまうし、同様の理由で流路
Ｐの終端部（共鳴空間１ｃに吹き出す部分）の断面Ｓ
（図２参照）の形状も長方形でなければならない。共鳴
空間１ｃの外形も内部におけるガスの流れを妨げない形
状であればどのような形状でもよく、たとえばガスの流
れ方向と直角方向に延長部を有する形状でも構わない。

【００３０】また流路Ｐの終端部とエッジ１ｄのガスの
流入方向と直角方向の長さは必ずしも同じでなくてもよ
いが、いずれもガスの流入方向に対して直角になってい
なければならない。さらに、エッジ１ｄは、ガスが発振
現像を生ずる程度に鋭くなくてはならない。したがっ
て、発音ユニット成形体が厚い場合にはエッジ加工が必
須となるが、薄い場合には成形体の終端部の厚みを無加
工のまま利用できる場合もある。

【００３１】上記実施例では本発明の流量計をガスの流
量計測に適用したが、本発明は液体の流量計測にも適用
することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量計は
構造が簡潔なので小型化が可能になり、狭い場所に組み
込むことができ、微小流量の計測など広い範囲の流量計
測に用いることができる。また可動部がないので信頼性
が高く、故障時の対応も容易であり、流体圧力損失も少
ない。さらに動作原理からみて電磁流量計のように測定
流体に導電性が要求されることがないのであらゆる流体
が測定対象になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのホイッスル式流量計
のブロック線図である。

【図２】本発明によるホイッスル式流量計で用いる発音
ユニットの斜視図である。

【図３】図２に示した発音ユニットのＡ−Ａ断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例としてのホイッスル式流量
計のブロック線図である。

【図５】ホイッスルへの吹き込み風量とホイッスルから
発生する音の周波数との関係を示す。

【符号の説明】

１ 発音ユニット １ａ 流入口 １ｂ 流出口 １ｃ 共鳴空間 １ｄ エッジ ２ マイクロフォン ３ ハイカットフィルタ ４ コンパレータ ５ カウンタ／タイマ ６ 流量演算器 ７ 表示器 １０ａ、１０ｂ 管路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流入口と、該流体が共鳴する共鳴
   空間と、共鳴後の流体が流出する流出口とを有し、該流
   出口に流体の流入方向に逆らう向きにエッジが設けられ
   たホイッスル構造の発音ユニットと、 該発音ユニットの共鳴空間における流体の共鳴により発
   音ユニットから発生する音を集音する集音手段と、 該集音手段からの出力信号の周波数成分のうち前記発音
   ユニットの発生音の基本周波数成分を通過させるフィル
   タ手段と、 前記基本周波数成分の周波数を検出する周波数検出手段
   と、 予め定めた流量と周波数との関係式から前記基本周波数
   成分の周波数に基づいて流体の流量を演算する演算手段
   とを有することを特徴とするホイッスル式流量計。
2. 【請求項２】 前記集音手段が共鳴空間の近傍に取付け
   られた請求項１に記載のホイッスル式流量計。
3. 【請求項３】 前記周波数検出手段が所定時間内の集音
   手段からの出力信号をパルス化してカウントするカウン
   タ／タイマである請求項１に記載のホイッスル式流量
   計。
4. 【請求項４】 前記周波数検出手段がピーク検出器であ
   る請求項１に記載のホイッスル式流量計。