JPS6039967B2 - 流量の測定と調整装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 気体並びに液体の両方の流体の流量の調整と測定は従来
の技術に、特に極度に低い流量の場合に重大な問題を提
起している。

代表的なものとして、例えば毎時１塊から３００〆（１
００フィート）の低〜中流量について使用する従来の技
術によるシステムは比較的不正確であり又正確な測定シ
ステムにしようとするには非常に高価なものになるとい
うことがわかっている。この目的の公知の代表的な装置
としては差動圧力送出器に接続した、又は流量が大きい
場合にはタービンメータに接続した孔流量計又は毛管流
量計がある。本発明は比較的簡単で安価なシステムによ
って広範囲の流量にわたって高い精度をもって気体又は
液体の流量を容易に表示するための手段を提供する。

そしてこれは流量についてこの手段が得る測定値に応答
して流量の状態を調節するという所まで自動化すること
ができ、そして１又は流量が所望のレベル以上又は以下
になった時に適当な警報装贋又はこれに類するものを作
動させる。本システムは水晶管内にガラス又はセラミッ
クで被覆した鉄製の浮子を使っていて非常に腐食され易
い環境又は高温度下ででも使用することができる。又例
えば毎時５地から１０００ふという低い流量においても
流量を安価に測定できるということによって、米国特許
３６０５７４１に述べられたような静脈の血流の調整に
も使用できるという可能性を持っており、又同特許の大
部分はここに参考として組み入れられている。本発明に
よれば普通は球形又はこれと同様な形を成し又磁力に応
答する浮子が浮子をストップ要素に押圧する流体の運動
によって導管又は流管内に配置されたストップ要素に載
る。

ストップ要素の上流の位置には１つ以上の磁気手段が配
置してある。またこの磁気手段の磁力を調整しながら増
大させて上記の浮子をストップ要素から引き寄せこれを
流体の流れの方向に移動させるための手段が設けられて
いる。この手段は磁気反応性の浮子に及ぼされるその作
用が流体の流れる力及び重力に打ち勝つまで磁力を連続
して徐々に増大させる。上記の磁気手段の流体の流れる
力に打ち勝つのに必要な磁力の増大量は決定されて導管
内の流量と関係づけられ、これによってその値が示され
る。前記の磁気手段によって作用される磁力を増大させ
る手段の代表的なものは電流ランプ発電機又はステアケ
ース発電機（ディスクリートステツプにおける電流を増
大させる）などの電磁石への電流を徐々に増大するため
の手段である。

発電機は浮子がストップ要素から引き戻される時点まで
磁気手段の磁力を形成する。この時点は浮子要素の位置
の変化に応答するものならばどのような検出手段によっ
ても検出できる。本発明の好ましい面においては、検出
手段はストップ要素の部分において管又は導管とそれに
載っている浮子を経て通過する光線を発射する光学検出
器とすることもできる。

この実施例では、上言己の部分における導管は透明であ
りそして浮子はこの透明な管を通過する光線をおおし、
隠すように作用し、これによって光線が該管の反射側に
配置された光検出器にあたることを防いでいる。浮子が
ストップ要素へのその休止位置から離れると、上記の光
線が透明な管を通過でき光検出器にあたる。一方光検出
器は磁気手段又は浮子要素の前記の運動を起させるのに
必要とされた磁力を増大するためのその他の手段へ送ら
れた電流の測定を行つ。これとは別の検出器を使用する
こともできる。

例を示すと、２枚のコンデンサ板を浮子要素が通常載せ
られる地点のいずれかの側に置き、発振回路に接続すれ
ばよい。浮子要素が２枚のコンデンサ板間の位置から移
動すると、このコンデンサの容量が変化し、従って発振
回路が作動する周波数が変化して前記の磁気手段の磁力
の相関的増大について検出測定が行なわれ浮子はその休
止位置から移動する。また別の検出手段はストップ要素
に取付けたストレィンゲージ又は圧電センサ、あるいは
ストップ要素の上に設けた接点によって電流を浮子に流
すための手段、あるいはストップ要素の近くに設けた譲
導コイルを備えているがこれ等は全てストップ要素から
の浮子の分離に反応する。また浮子が移動する際にそれ
に関して磁気手段のィンダクタンス又は磁束の変化を検
出するための手段も備えられている。球形又は円筒形で
あることが好ましい浮子要素は一般的にはストップ要素
上に載る部分の導管の断面積のおよそ５０から９５％で
好ましくは７０から９０％の断面積を持つ。

浮子は本釆の位置から流体の流れる力に向ってこれを動
かす磁界に反応するものであればどのような材料から作
ってもよい。従って欧鉄の球体でもよく、鉄あるいは酸
化鉄粉などの磁気反応材を混ぜたプラスチック又はガラ
スでもよく、メッキを施した又はメッキを施さない磁性
ステンレス、クロムメッキを施した軟鉄又はこれに類す
るものでもよい。広範囲の流量にわたって層流及び乱流
条件のいずれをも形成するべく設計された浮子も考案さ
れている。

前記のストップ要素を収容する断面積をもつ導管は流体
を流す普通の導管かさもなくば流量の測定に用いられる
特別なものでもよい。

後者の導管を用いる場合には、通常は円筒形の管が適し
ているが特に次第に細くなっている管でもよい。そして
この管は垂直、水平又一定の角度をもってどのような位
置にでも設けることができる。光源検出器を用いる場合
は少くともストップ要素を囲む部分はプラスチック、ガ
ラス又は融解水晶などの透明な材料で作り、光源検出器
が作動して浮子の休止位置からストップ要素への運動を
検出できるようにする。ストップ要素は流体が導管シス
テムを流れることを実質的に妨げることなしに磁気反応
浮子がさらに流れることを停止するための働きをする手
段であればよい。

そしてこのストップ要素はプラスチック、ガラス、非磁
性金属、木などを材料として作ることができる。導管、
浮子要素及びストップ要素の相関直径導管内の流体の流
れを妨げることないこ浮子を正常位置のストップ要素に
載るようにしなければならない。ストップ要素、流量測
定の部分における管の、もしあればテーパ、磁石の磁極
片及び浮子又は球体の形状と重量の設計を適当に行えば
、後者は磁力が異常に増大したとき、例えば電流が異常
に増大して流体の流れる力に打ち勝ような場合にストッ
プ要素に対する位置を“スナップ動作”によってじん遠
に且はっきりと得ることができる。このことによってメ
ータは高精度で高感度となる。普通はストップ要素の上
流に配置された１対の固定磁石がこの固定磁石への電流
を増大させる手段とともに磁力を増大して浮子要素をそ
の休止位置から移動させるために使用される。

しかしこれとは別な方法でその他の手段によって上記の
磁気反応浮子に加えられる磁力を増大することも可能で
ある。１例として、磁気手段の相関する部分を変えるこ
と、例えばストップ要素により近い位置にして磁力を増
大することができる。

磁気手段が浮子要素をストップ要素から移動させるべく
働く位置はこれによれば導管を流れる流体の流量に相関
させることができる。またこれとは別のさほど望ましい
ものではない方法として、必要な磁力が得られる時点ま
で所定位置に運ばれる磁気要素の数を増大できる方法が
あるが、この場合の磁気要素の数の増大は流量に相関し
ている。

上述した流量測定システムによって示される流量の読取
値は勿論そのようにして得られた読取値に応答する流量
を変化させ、そして又あるいは警報システムを作動させ
必要な条件の変化を示すように作用する流量調整システ
ムを相互に関係させることができる。

本発明の流量調整システムは気体及び液体両方の測定に
使用できる。

このシステムの用途の代表的なものとしては次のものが
ある。圧力下の電話線又は電気コードに加えられる気体
の測定、分析装置における気体の測定を調節、静脈内給
送システムなどにおける液体の流量の測定、煙又は爆発
性ガス又は放射物又は汚染検出器などの装置への流量の
測定、１及び食品又は化粧品の製造の際のブレンドにお
ける流体の計量など。また本流体調整システムは低コス
トで遠隔表示（所望ならばデジタル表示）が行え広範囲
にわたって正確な流量の計量を行うシステム、そして又
あるいは可能なかぎり殺菌された使い捨ての流体接触要
素が必要とされる場合に特に長所を発揮する。本発明の
別の実施例では、この流量調整システムは流体の粘性を
測定するように働くべく修正することができる。

これについて詳しく説明すると、導管（少くとも磁石と
ストップ要素との間の部分において）を流れる流体を屑
流状態に縦持すべ〈磁気浮子要素を形成しそして流体の
速度を一定に保つことによって、浮子にかかる磁力は次
式で表わされる。磁力＝Ｋ一定（流体速度）・（液体粘
度）流体の速度が一定であれば、浮子をその所定位贋か
らストップ要素へ移動させるのに必要な磁力は流体の粘
度の測定を可能にさせ、そしてこのシステムはリニア粘
度計として機能する。

このようなりニア粘度計は発酵作用、重合、ペイント製
剤、ケチャップなどの食品製造準備材、石けんの製造、
化粧品の製造、調剤工程などの粘度の変化が反応状態の
重要な表れであり、操作条件を変化させるために必要な
ものであるような場合における反応を監視するのに特に
重要なものである。従ってこのとうにして得られるＩＪ
ニア粘度計は定められた粘性値が得られたときに例えば
温度変化、システムへのフィードリアクタントの変化、
混合条件などをモニ夕するこのシステムの反応条件の変
化を起させるように機能することもできる。本発明は米
国特許番号３６６２５９８に述べられたようなその他の
流量調整システムとは区別されるものである。上記の特
許のシステムはセンサと磁石との間の浮子の循間運動を
利用しており、この浮子要素の循環回数を流体の流量と
相関させている。このようなシステムにあってはｔ浮子
の移動時間は流体の速度に応じて変化する。これとは対
照的に、本発明はストップ要素を押圧する流体の流れる
力によって浮子を通常はその静止位置に載せるストップ
要素を用いている。そしてこの浮子要素をその正常な静
止位置から移動させるために流体の流れる力に打ち勝つ
のに必要とされる磁力、例えば電磁石へ送られる電流の
必要増大量は流体の流量に相関しており又この流量を測
定し調整するために使用され、又は流体の粘度を定める
ために使用される。本発明の様々な特徴は添付図面を参
照した以下の説明によってさらに明らかにされる。

第１図を参照すると本発明を示す簡略システムが図示さ
れている。

ここでは流体を導管内を矢印で示された方向に流れる。
流量を測定する導管の部分はフローチューブ１０として
示されている。代表的な例ではこのチューブは普通の導
管路内に接続した透明なプラスチック又はガラスなどの
一定の長さをもった透明な管とすることができる。この
透明な管は通常光源検出器を使用する機会と流量測定シ
ステムの操作を目で監視する機会との両方を与えること
ができるのが好ましい。フローチューブ１０の内にはス
トップ要素１２が設けられている。

ストップ要素１２は通常フローチューブの中心部に配置
した管状の付加物〜底部、スクリーン、ロッド又はワイ
ヤとすることができ浮子要素１１の正常な流動を停止さ
せこれをＰｉで示される位置に維持する。ストップ要素
は流体の透過を妨げるような大きさであってはならず又
システムの精度を劣化させる渦巻きなどを発生させない
ような形状でなければならない。図示した実施例では、
フローチュープー０１ま直径２肋のプラスチック製導管
であり、ストップ要素１２は直径２側のステンレス製の
管状要素である。そしてこれは管の不可欠の１部として
所定の位置に固定されているか又は管の壁に固定されて
いる。この実施例では球体である浮子１１は直径約１．
８風である。この浮子はフロ−チューブ１０‘こ多少ゆ
るみをもたせて鉄合されさらにストップ要素１２によっ
て流れに逆って固定されている。図示した特定の実施例
では浮子は磁性ステンレスの球体となっている。ストッ
プ要素１２の上流には１対のマグネットポール１３と１
４が配置されている。

通常このマグネットポールはフローチューブ１０及び浮
子要素の休止位置Ｐｉの両方に非常に近く設けられる。
何故ならば磁力が最終的には浮子要素１１をその休止位
置から流体の流れる力に逆ってＰｍの位置へ移動させな
ければならないからである。ここに図示した実施例では
マグネットポールはストップ要素１２の頂部から約５帆
隔てられ、フローチューブ１０の外壁から０．５肋以内
の所に配置されている。好ましい実施例では浮子要素１
１のその休止位置からの移動を示す検出器は光源１５と
検出器１６という形をとり光学検出システムとして勤作
する。

矢印で示された光源１５から発射された光線は不透明な
ステンレス製球体１１がその休止位鷹Ｐｉにあるときに
はこれによってさえぎられる。この光学検出システムを
流量の測定に用いる場合は「電流ランプ発電機１８によ
って電磁石１３と１４に送られる電流が増大される。測
定サイクルは論理回路１７が電流ランプ発電機をトレガ
レ電磁石への電流が直線的である必要はないが単調に増
大し始めると同時に開始する。論理回路１７それ自体は
オペレータによって又は流量測定システムの操作を開始
させるボタン又はスイッチを動かすタイマによって作動
する。発電機１８からの電流が増大すると球体にかかる
磁石１３と１４によって起される磁力も又増大する。こ
の磁力の増大は最終的には流れにそして恐らくは浮子要
素１１をストップ１２維持させている重力に打ち勝つ。
この磁力が打ち勝つ時点になると、浮子要素はストップ
位置を離れ流体の流れに逆って電磁石の磁極片の方向へ
Ｐｍの位燈へ移動する。図示した実施例では〜 この時
点で光線はもはや浮子１１によってさえぎられておらず
、光検出器１６がこのために作動する。

このことは又一方では論理回路によって検出され、この
時点をサンプルするのに必要な磁石電流又は電圧が発電
機１８から供給される。浮子１１をそのストップ位置か
ら引き出すのに必要な電流量は浮子又は流体の流量によ
る圧力低下に相関し、後者の低下量と見なすことができ
る。１例として１つ以上の校正曲線がシステムに添付さ
れていて（流量計に見られるように）、この曲線では電
流の量は所定粘度及び濃度範囲内の液体の流量に相関し
ているが、ユーザはこの他にユーザ自身でシステムの校
正を予め行ってもよい。

論理回路１７は概略図によって示してある。この回路は
球体がストップ要素を離れるときに光検出器によって作
動するのが一般的である。この回路は磁石電流に比例し
た信号が謙取装置１９へ送られるようにさせ流量の表示
を行なわせる。論理回路は次の浮子がストップ要素の所
に戻るまでの間電磁石の電流をゼロにさせる。これで測
定システムは次の測定を行える状態になる。第２図は欧
鉄、金属やすりくずなどから作られた磁気反応コァ２１
を持つプラスチック又はガラス球体２０の形をとる別の
形式の浮子１１を示す。第３図に示すように別の好まし
い実施例では、論理回路は以下に述べるように流体の流
量を決定するように動作する。

すなわち流体測定の始めに一統きの短形波を発生する発
振器５０がスイッチオンされて出力がデジタルカゥンタ
５１と積分器５２とへ送られる。

積分器の出力はゼロから段階的に直線的に上昇するが電
磁石５４へ送られる電流を調整するために（電流発生器
５３によって）使用され、又この鰭流も直線的な態様で
段階的に上昇する。電磁石の電流が浮子又は球体を流体
の流れる力に逆ってストップ要素から引き寄せる程度に
増大すると、光線がフローチューブを通過し光センサ５
５によって検出される。

この時点で発振器５０は論理要素５６によってオフにさ
れ、デジタルカウンタ５１の計数は球体をストップから
移動させるのに必要な電磁石の電流に直接比例し、従っ
て流体の流量に直接相関する。これとは別に論理要素５
６の制御の下では電磁石の電流はメータ６１に表示する
ことができる。従って非常に簡単でコストが低く高信頼
性のデジタル出力が得られ、メータを１つ以上のデジタ
ルディスプレー５７、デジタルコンピュータ又は流量調
整装置５９に交互に容易に接続することができる。

またこのメ−夕の出力を所望の出力装置が得た場合には
積分器及び電磁石の電流は浮子がストップ要素へ戻るま
での間ゼロにリセツトされ、そしてカウンタ５１がゼロ
に戻される（又はフローチューブが縦に設置されている
場合には可能ならば重力の影響を補償するように負の計
数にする）。

これでメー夕は次の流体の流量を測定できる状態になる
。上述の実施例を修正したものにおいては、第１の積分
器５２の出力は再度積分され、そして第２の積分器６０
の出力は電磁石の電流を調整するために使用される。

電磁石の電流はこれで発振器５０の発射するパルスの数
の２案値に比例する。流体の流れる力が乱硫の存在によ
って流速の２案値に比例するようになるとカウンタの出
力は流速によって直線的に変化し、そしてこれは実施例
のあるものにおいては流速の直読を可能にさせるという
点で最大の長所となる。第４図は本発明の別の実施例を
示し、ここでは本発明の基本的原理は流速を表示するた
めに用いられていて、特にこれまで述べてきたようなメ
ータ要素はリニャ粘度計として機能する。

第３図の各要素は第１図のそれと同じに標記されている
。

導管又はフローチューブ１１０は浮子要素１１１を含み
、そしてこの浮子要素は通常の位置としてはストップ要
素１１２に数層する。図示した実施例ではストップ要素
１１２は平坦なグリッド等の形をとっている。また図示
されてはいないが導管１１０内を矢印の方向に流れる流
体の流量を一定に保つための手段が設けられている。

１例としてギャポンプ、ピストンポンプ（定流速ピスト
ン付）などが流量を一定に維持しうるものとしてある。

浮子要素１１１は流体の流れが浮子の移動する場所にお
いては層流となることを確実にするように特別に成形さ
れている。典型としてはこれは図は示すようにａ，ｂ，
ｃの多翼を持つ細長い浮子要素を用いて行うが、本発明
はこのような流体の層流状態を起させるような例えば導
管の壁との間に狭い間隙を設けた円筒形に成形した浮子
要素を意図するものである。多翼磁性浮子として示され
た実施例はステンレス又はメッキを施した鉄によって作
ることができる。

また磁性手段は浮子の磁性部分の上流又は下流の非磁性
翼部に接続することができる。層流状態の下では浮子に
加わる磁力は次の式で表わされる。

磁力＝（一定係数）・（流速）・（流体の粘度）これに
よれば流送を一定に保てば流体の粘度は浮子要素１１１
をストップ要素１１２から移動させるのに必要な磁力に
比例し、そしてこの結果得られる磁力は流体の粘度を表
わすのに利用できる。

従って流量の測定に関して説明したのと同じ方法によっ
て、磁気手段１１３によって浮子要素１１１に及ぼされ
る磁力はこの浮子がストップ１１２から移動する時まで
増大される。

このことは又一方では光線１１５とセンサ１１６との組
合わせによって感知される。前に述べたように必要な磁
力は流量の測定及び粘度の測定について確認できる。校
正の定関数によって乗せられる必要電流又はその他の磁
力の表示によって粘度の表示が行なわれる。このシステ
ムの校正関数は一定流量にてシステムを公知の粘度をも
った流体を通過させること及び前述した式を解くことに
よって予め確認できた。従った上記のシステムはじん速
で正確な粘度の測定を行うことができる安価な粘度計と
して機能しうるものである。

本発明の各要素についての種々の変更は当業の熟練者に
とっては可能であり又これ等の変更は特許請求の範囲に
定めたシステムに含まれる。

本発明の実施態様は次のとおりである。１ 前記磁気手
段が電磁石であり「磁力を増大させための前記手段が前
記磁気手段への電流を増大してこれによりその磁界強度
を増すための手段から成っていて、前記浮子要素を前記
ストップ要素から移動させるのに必要な電流の増大量が
流体の流量に相関している装置。

２ 前記磁気手段への電流を増大させるための前記手段
が電流ランプ又はステアケース発電機である実施態様第
１項記載の装置。

３ 前記ストップ要素の部分に置かれたセソサ手段をさ
らに含み、前記浮子要素が前記ストップ要素に対するそ
の所定位置から移動する時該センサ手段が作動し、これ
によって該センサ手段が前記浮子要素をその休止位置か
ら移動させる磁力を増大するための前記手段の必要な議
取りをサンプルする装置。

４ 前記ストップ要素の部における導管が透明である実
施態様第３項記載の装置。

５ 前記センサ手段が光学センサである実施態様第４項
記載の装置。

６ 前記浮子手段が前記磁気手段の磁力に反応すべ〈磁
気反応材をその内に持った球体である装置。

７ 磁力を増大させるための前記手段が前記磁気手段の
位置を変えるための手段から成り、これによって前記浮
子要素に加えられる磁力を変化させる装置。

８ 流量を表示するための前記手段によって作動される
調整手段をさらに含み、流量が予め設定したレベルから
変化するときに該調整手段が流量を調節する装置。

９ 比較的短い管、磁気反応材を該管内において関連さ
せて持つ浮子手段、該管内に配蔭され流体が通過すると
きに該浮子手段を裁遣させるストップ要素から成り前記
磁気手段並びに該ストップ要素からの該浮子の移動を表
示するための手段に接触するように該導管内に挿入すべ
く用いられる装置内に使用すべく採用される取りはずし
自在な挿入物。

１０ 先細にした実施態様第９項記載の取りはずし自在
挿入物。

ｌｉｔａ｝ 導管、 ‘ｂ｝ 磁気反応材を該導管内において関連させて持ち
、その表面と導管の内部との間に流体の層流を生じさせ
るように成形された浮子要素〜 ‘ｃ｝ 該導管内に配設され該浮子要素の下流方向への
移動を制限するストップ要素、‘ｄ｝ 談導管内の流体
の流れを一定の流量にするための手段、｛ｅ｝ 談導管
の園りの上流の部分で該ストップ要素の前に配置された
磁気手段、【ｆ｝ 該浮子要素を該ストップ要素から移
動させ該流体の流れの方向に対応させるように該磁気手
段の磁力を増大させるための手段、略）ストップ要素か
らの浮子要素の移動を検出するための手段、及び仇）流
体の粘度を該浮子要素を該ストップ要素から移動させる
磁力の必要な増大量に相関させるための手段から成る流
体の粘度を表示するための装置。

１２ 該浮子要素が細長い多翼浮子である実施態様第１
１項記載の装置。

１３ ギャポンプが流体の流量を一定に保っために用い
られている実施態様第１１項記載の装置。

１４ 流体を前記導管に供給するためにモニ夕されるシ
ステム及び前記装置によって得られた流体の粘度値に応
じてモニタされている該システムへの変数を変えるため
の手段をさらに含む実施態様第１１項記載の装置。

【図面の簡単な説明】

第竃図は本発明を実施した好ましい流量調整システム。 第２図は鉄０を持ったプラスチック、セラミック又はガ
ラス製球体の形をとった代表的な浮子要素。第３図は流
量調整の好ましい操作方法の論理図。第４図は層流を生
じさせるように成形され従って流体の粘度決定する手段
として機熊する浮子。（１０・・・・・・導管（フロ−
チューブ）、１１……浮子要素、１２・・・・・・スト
ップ要素、１３，１４・・・…電磁石（マグネットポー
ル）、１６……検出器、１１３・・・・・・磁気手段）
。 Ｆノ６．〆 ‘ノＧ２ 〆〆段．３ 〆／Ｇ．イ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導管と磁気反応性材料を関連して持ち、該導管内に
   配置された浮子要素と、該導管内に配置され下流方向に
   おける該浮子要素の動きを制限するストツプ要素と、該
   ストツプ要素の手前に該導管の囲りの上流部分に配置さ
   れた磁気手段と、該磁気手段の磁力を増大させ該浮子要
   素を該ストツプ要素から離し、流体の流れる方向へ移動
   させる手段と、該浮子要素のストツプ要素から分離運動
   を検出する手段と、流体の流れを該ストツプ要素から該
   浮子要素を離れされるために必要な磁力の増大の度合に
   関係づける手段とからなり、該浮子要素が流れに逆つて
   該ストツプ要素から離れ、該磁気手段に引かれる運動に
   より測定することを特徴とする、流体の流量を表示する
   ための流量の測定と調整装置。