JPH0791990A - ホイッスル式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡潔な構造で且つ導電性でない流体について
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。 【構成】 （ａ）流体の流入口１ａと、該流体が共鳴す
る共鳴空間１ｃと、該共鳴空間１ｃ内で流体とともに運
動可能な小球１ｄと、回転運動後の流体が流出する流出
口１ｂとを有し、該流出口１ｂに流体の流入方向と逆ら
う向きにエッジ１ｅが設けられたホイッスル構造の発音
ユニット１と、（ｂ）該発音ユニット１の共鳴空間１ｃ
における流体の共鳴および小球１ｄの運動により発音ユ
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、（ｃ）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による発生音の基本周波
数成分のレベル低下の周期を検出する周期検出手段と、
（ｄ）予め定めた流量と周期との関係式から基本周波数
成分のレベル低下の周期に基づいて流体の流量を演算す
る流量演算手段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
速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。このように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】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
が肝要であるそこで、本発明者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、人が口から吹き込む風量が毎時１２００〜
１５００リットル以下で吹き込み風量を毎時０リットル
から徐々に増加させていくと、吹き込み風量と発生する
音の周波数との間にはほぼ直線的な関係があることが判
明した。そこで本発明者はこの事実を利用すれば流量が
計測できることに着目し、平成５年９月１６日付けでこ
の風量（流量）領域で発生音の周波数から流量の計測を
行うホイッスル式流量計について特許出願をした。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが風量すなわち
流量がこの領域（毎時１２００〜１５００リットル）を
越えると、流量と発生音の周波数との間に直線関係がな
くなるために発生音の周波数からは流量の計測ができな
いという問題がある。

【０００６】そこで本発明者は上記笛の中に笛の音を和
らげるために小球が入っており笛を吹くとその小球が回
転し発生音が周期的に変化する点に着目し、本発明は安
定した音が出る風量（流量）領域において簡潔なホイッ
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、上記の目的を達成するために、（ａ）流体の流入口
と、該流体が共鳴する共鳴空間と、該共鳴空間内で流体
とともに運動可能な小球と、回転運動後の流体が流出す
る流出口とを有し、該流出口に流体の流入方向と逆らう
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、（ｂ）該発音ユニットの共鳴空間における流体の
共鳴および前記小球の運動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、（ｃ）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による発
生音の基本周波数成分のレベル低下の周期を検出する周
期検出手段と、（ｄ）予め定めた流量と周期との関係式
から前記基本周波数成分のレベル低下の周期に基づいて
流体の流量を演算する流量演算手段とにより流量計を構
成した。

【０００８】本発明の他の態様によれば、（ａ）流体の
流入口と、該流体が共鳴する共鳴空間と、該共鳴空間内
で流体とともに運動可能な小球と、回転運動後の流体が
流出する流出口とを有し、該流出口に流体の流入方向と
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、（ｂ）該発音ユニットの共鳴空間における
流体の共鳴および前記小球の運動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、（ｃ）該集音手段
からの出力信号の周波数成分のうち前記小球により発生
する音の周波数成分の周期を検出する周期検出手段と、
（ｄ）予め定めた流量と周期との関係式から、すでに検
出した周期に基づいて流体の流量を演算する流量演算手
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、流体が発音ユニ
ットに流入すると共鳴空間における流体の共鳴および小
球の回転運動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その基本周波数成分のレ
ベル低下の周期を検出するかまたは小球の運動により発
生する音の周波数成分の周期を検出し、予め実験により
用意した流量と周期との関係式から、すでに検出した周
期に基づいて流量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から発生
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から取り出される信号に含ま
れる雑音をローパスフィルタ３を介して除去するととも
に信号レベルをこのローパスフィルタ３により次のスペ
クトルアナライザ４の分解能以下に設定し、スペクトル
アナライザ４により信号レベルを周波数ごとに分析しデ
ジタルデータとする。次のカウンタ／タイマ５では、ス
ペクトルアナライザ４からのデジタル出力データのうち
発音ユニット１により発する音の基本周波数成分に着目
し、その基本周波数成分のレベルが所定のしきい値以下
となる回数をカウントし、そのカウント値が所定の値に
達するまでに要した時間を計測する。流量演算器６で
は、カウンタ／タイマ５からのデータに基づいて発音ユ
ニット１から発する音の変動周期を求め（この変動周期
が共鳴空間１ｃ内で小球１ｄが回転する周期Ｔに相当す
る）、予め用意されている周期Ｔと流量Ｑとの関係を表
すテーブルからこの周期Ｔを用いて流量Ｑを求め、その
結果を表示器７に表示するものである。

【００１３】流量演算器６はアナログ回路で構成しても
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。

【００１４】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。

【００１５】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、共鳴空間１ｃ内にはた
とえばコルク製の小球１ｄが自由に運動できる状態で収
納されている。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１ｅが形成されている。流入口
１ａを横長にしたのでエッジ１ｅでのガスの流速が大き
くなって発音ユニット１から安定した音が出るようにな
るとともに、共鳴空間１ｃ内でのガスおよび小球１ｄ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Ｓ（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内でのガスおよび小球１ｄ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。

【００１６】発音ユニット１の共鳴空間１ｃを形成する
一方の側壁１ｆには円形の穴１ｇが開けられており、こ
の位置にマイクロフォン２が気密に取り付けられてい
る。穴１ｇ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５０〜３０００
Ｈ_Z をカバーすればよいので、市販のもので十分間に合
う。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。

【００１７】図１には、ローパスフィルタ３の出力
（ａ）、スペクトルアナライザ４の出力（ｂ）、カウン
タ／タイマ５の出力（ｃ）を示してある。

【００１８】さて上記構成のホイッスル式流量計におい
て、管路１０ａから流入するガスは発音ユニット１の共
鳴空間１ｃで共鳴して発音するとともに、共鳴空間１ｃ
内の小球１ｄを共鳴空間１ｃの内面に沿って円運動させ
る。小球１ｄの半径をｒとすると、速度ｖで円運動する
小球１ｄに働く力ＦはＦ＝６πμ（Ｕ−ｖ）ｒ（μは空
気の粘性係数、Ｕは小球１ｄの移動速度）となり、小球
１ｄはガスの流速に応じた速度で円運動するので、流出
口１ｂを周期的に通過する際に発音ユニット１により発
生する音の周波数が変化する。図４はマイクロフォン２
から出力する信号の周波数の変化を小球１ｄの位置とと
もに示す。

【００１９】このような周波数変化をするマイクロフォ
ン２からの出力信号はローパスフィルタ３で次のスペク
トルアナライザ４の分解能以下に設定され、このスペク
トルアナライザ４により発音ユニット１から発生する音
の周波数成分ごとのレベルのデータに変換される。スペ
クトルアナライザ４の出力には発音ユニット１により発
生する音の基本周波数成分の他にその高調波が含まれて
いるので、基本周波数成分だけを出力するようにする。

【００２０】カウンタ／タイマ５はスペクトルアナライ
ザ４から出力する基本周波数成分の信号レベルが所定の
しきい値以下となる回数をカウントし、そのカウント値
が所定値ｎになったときまでに要した時間ｔを計測す
る。流量演算器６では、カウンタ／タイマ５から得られ
るｎとｔから、ｔ／ｎの演算により小球１ｄが流出口１
ｂを通過する周期Ｔを求めることができる。流量演算器
６には、図５に示すようなガス流量Ｑと周期Ｔとの関係
が予め実験で求められてテーブルとして記憶されている
ので、先に求めた周期Ｔからこのテーブルを用いてガス
流量Ｑを演算することができる。こうして上記構成のホ
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６は本発明の他の実施例としてのガス流
量計測用のホイッスル式流量計を示す。

【００２２】この実施例は発音ユニットの構造上小球１
ｄが共鳴空間１ｃに対して大きい場合に適用されるもの
である。小球１ｄを共鳴空間１ｃに対して大きく設計す
ると小さく設計したときに比べて流体から受ける力も遠
心力も大きくなり、吹込口、吹出口付近の通過が滑らか
になる。その反面、小球１ｄの大きさが無視できなくな
り、エッジ１ｅにより発生する音の基本周波数成分が小
球１ｄの位置や速度による影響を常に受けるようになる
ため、上記実施例の検出方法を用いることが困難にな
る。そこで、本実施例では、小球１ｄの回転により発生
する音も大きくなっている点に着目し、検出を可能にす
るものである。

【００２３】しかし、小球１ｄの回転により発生する音
の周波数成分のレベルよりもエッジ１ｅにより発生する
音の基本周波数成分のレベルが大きくなる上に、前者と
後者の周波数成分が比較的接近することもあるために、
後者の周期が検出しにくくなる。本実施例はこの点を解
決するものである。図中、図１の実施例と同じ構成要素
には同じ参照番号を付して示し、説明は省略する。

【００２４】マイクロフォン２から出力される信号はロ
ーパスフィルタ３で雑音が除去されるとともに、１段目
のスペクトルアナライザ４の分解能以下に設定された
後、１段目のスペクトルアナライザ４により発音ユニッ
ト１から発生する音の周波数ごとのレベルのデータに変
換される。スペクトルアナライザ４の出力には発音ユニ
ット１により発生する音の基本周波数成分の他に高調波
が含まれている。図６には、ローパスフィルタ３の出力
（ａ）、１段目のスペクトルアナライザ４の出力
（ｂ）、２段目のスペクトルアナライザ８の出力（ｃ）
を示してある。

【００２５】図７、図８、図９は、本発明者が、直径が
１５ｍｍの円筒状の共鳴空間１ｃと、直径が１０ｍｍの
小球１ｄとを有する発音ユニットを用い、流量をそれぞ
れ１２５０リットル／時間、１８７０リットル／時間、
２４９０リットル／時間と変えてガス流量を計測したと
きに得られたスペクトルを示す。横軸は発音ユニット１
により発生される音の周波数、縦軸は各周波数成分のレ
ベルを示す。

【００２６】このスペクトルからわかるように、エッジ
１ｅにより発生する音の基本周波数成分Ａの発生周波数
はガス流量が変化してもほぼ一定であるのに対して、小
球１ｄにより発生する音の周波数成分Ｂの発生周波数は
ガス流量が増加するにしたがって１．４００ｋＨ_z 、
１．５７５ｋＨ_z 、１．７２５ｋＨ_z と徐々に増加して
ゆく。また周波数成分Ｂは基本周波数成分Ａよりレベル
が小さいこともわかる。これらの理由から本発明で流量
計測に必要な小球１ｄによる音の周波数成分Ｂが求めに
くい。

【００２７】そこで１段目のスペクトルアナライザ４の
出力を２段目スペクトルアナライザ８に送ると、１段目
スペクトルアナライザ４の出力に含まれる周波数成分の
周期が取り出せる。図１０は、図８に示したスペクトル
（１段目スペクトルアナライザ４の出力）を２段目のス
ペクトルアナライザ８で処理して各周波数成分の周期を
求めたものであり、横軸は時間、縦軸はゲインを示す。
図１０からわかるように、エッジ１ｅにより発生する音
の基本周波数成分Ａと小球１ｄにより発生する音の周波
数成分Ｂが明瞭に分離される。

【００２８】そこで次のピーク検出器９によりこの２つ
の周波数成分ＡおよびＢを検出し、次のデジタル演算器
１０において周波数成分Ｂの周期Ｔのみを演算する。流
量演算器１１には、図５に示すような予め実験で求めた
ガス流量Ｑと周期Ｔとの関係がテーブルとして記憶され
ているので、先に求めた周期Ｔからこのテーブルを用い
てガス流量Ｑを演算することができる。

【００２９】本実施例のように、小球１ｄが共鳴空間１
ｃに対して大きい発音ユニットの場合でも小球１ｄの回
転周期が正確に求まるので流量の計測が確実にできる。

【００３０】本発明で用いられるホイッスル構造の発音
ユニットは上記実施例に示したものに限定されるもので
はない。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
生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Ｓ（共鳴空間１ｃに吹き出す部分）（図２
参照）の断面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。

【００３１】また流路Ｐの終端部Ｓとエッジ１ｅ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。

【００３２】小球１ｄの材料はコルクのほかに樹脂や発
泡スチロールなど計測するガスの種類や流速などを考慮
して決めるのがよい。また小球の形状は球形に限らず、
流体からの力を受けて共鳴空間内で滑らかに回転運動す
る形状であればよい。

【００３３】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。

【００３４】本発明の流量計は発音ユニット内部の小球
が定常状態で回転運動する程度の流量を有する流体を測
定対象とするものであるが、流体の流量がそれ以下で小
球が回転運動するに至らない程度の流量については、本
明細書の従来技術の欄で述べた流量計と同様に、小球は
静止したままで発音ユニットにより発生する音の基本周
波数成分が流量と直線関係になる領域における扱いとし
て処理回路で流量を計測することができるので、本発明
による流量計の処理回路を流量に応じて切り替えるなど
の工夫をすることによって広い流量範囲にわたって計測
が可能となる。

【００３５】

【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、特にある程度以上の流量の流量計測に
用いることができる。また可動部は極めて単純な構造な
ので信頼性が高く、故障時の対応も容易であり、流体圧
力損失も極めて少ない。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】小球の位置と発音ユニットから発生する音の周
波数の変化との関係を示す。

【図５】ガス流量Ｑと周期Ｔとの関係を示すグラフであ
る。

【図６】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７】ある流量に対して発音ユニットにより発生され
る音の各周波数成分のレベルを示す。

【図８】図７とは異なる流量に対する図７と同様な図で
ある。

【図９】図８とは異なる流量に対する図７と同様な図で
ある。

【図１０】図８に示した流量に対する各周波数成分の周
期を示す。

【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 小球 １ｅ エッジ ２ マイクロフォン ３ ローパスフィルタ ４、８ スペクトルアナライザ ５ カウンタ／タイマ ６、１１ 流量演算器 １０ 表示器 １０ａ、１０ｂ 管路

Claims (5)

【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、該共鳴空間内で流体とともに運動可能な小球
   と、回転運動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と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および前
   記小球の運動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
   ユニットによる発生音の基本周波数成分のレベル低下の
   周期を検出する周期検出手段と、 予め定めた流量と周期との関係式から前記基本周波数成
   分のレベル低下の周期に基づいて流体の流量を演算する
   流量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】 前記周期検出手段が、前記集音手段から
   の出力信号を周波数ごとのレベルとして分析するスペク
   トルアナライザと、前記発音ユニットによる発生音の基
   本周波数成分のレベルが所定回数だけ所定値以下に低下
   するのに要する時間を計測するカウンタ／タイマとから
   なるである請求項１に記載のホイッスル式流量計。
4. 【請求項４】 流体の流入口と、該流体が共鳴する共鳴
   空間と、該共鳴空間内で流体とともに運動可能な小球
   と、回転運動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と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および前
   記小球の運動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小球
   により発生する音の周波数成分の周期を検出する周期検
   出手段と、 予め定めた流量と周期との関係式から前記小球により発
   生する音の周波数成分の周期に基づいて流体の流量を演
   算する流量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。
5. 【請求項５】 前記周期検出手段が、前記集音手段から
   の出力信号を周波数ごとのレベルとして分析する第１の
   スペクトルアナライザと、該第１のスペクトルアナライ
   ザの出力から発音ユニットのエッジにより発生する音の
   基本周波数成分の周期と前記小球により発生する音の周
   波数成分の周期とを分析する第２のスペクトルアナライ
   ザと、該第２のスペクトルアナライザの出力から小球に
   より発生する音の周波数成分の周期を検出するデジタル
   演算器とを有する請求項４に記載のホイッスル式流量
   計。