JPS6048692B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は測定される流体の流れに旋回を加える旋回発
生器と加えられた旋回を取去るトルク平衡用反作用発生
器とを持つ角運動量形の質量流量計に関する。

更に具体的に云えば、この発明は質量流量を表示する改
良された読出装置を持つこの様な流量計に関する。角運
動量形の質量流量計は流体の流れ、例えば機関に対する
燃料の流れに対して普通に使われる様になつた。

この流量計は、測定される流体の流れがケーシングの中
を通るようになつていて、ケーシングの中に旋回発生器
と反動タービンとが配置されている。旋回発生器が流れ
に角速度を加え、自由に回転しない様に拘束された反動
タービンによつてこの角速度が取去られる。反動タービ
ンに加えられる流体のトルクが、流れの質量流量と流れ
の角速度との積に比例する。米国特許第２７１４３■号
には、定速モータによつて駆動される旋回発生器又は回
転子と、螺旋形はねによつて拘束されたタービンとを用
いたこの様な計器の基本的な装置が記載されている。

タービンの角変位を直接可視的に、又はシンクロ装置に
よつて読出す。米国特許第３５３８７６７号及び同第３
５５９卯号には、旋回発生器が複数個の固定流路を持つ
ていて、反動タービンが電磁トルク・モータによつて拘
束され、速度タービンが旋回する流れによつて駆動され
る様にした改良された装置が記載されている。

速度タービンが回転すると、パルス繰返し速度が角速度
の関数となる様なパルス列が発生される。反動タービン
の角変位により、質量流量の関数である信号が発生され
る。２つの信号を掛合せてトルク・モータを付勢する。

米国特許第３１６４０１７号には前掲米国特許第２７１
４３■号に記載されている形式の計器が記載されている
。

旋回発生器がモータによつて駆動されるが、その周縁に
第１のナイフ・エッジ形磁石が固定されており、ハウジ
ング内に配置された感知コイルがこの磁石の通過を検出
する。第２のナイフ・エッジ形磁石がその周縁に固定さ
れ、第２の感知コイルが反動タービンに固定されたアー
ムに固定されていて、この第２の磁石の通過を検出する
。１サイクル毎にこうして発生される２つのパルスが、
クロック・パルスを計数器に通す様にし、こうして反動
タービンの変位の表示を発生する。

米国特許第３２３２１ｍ号には、固定の旋回発生器ｊと
フリー・ランニングの速度タービンと、角変位が拘束さ
れた反動タービンとを持つ質量流量計が記載されている
。

永久磁石が速度タービンに固定される。第１の惑知コイ
ルがハウジングに固定されていて速度タービンが１回転
する毎に、磁石のノ通過を感知する。第２の感知コイル
が反動タービンに固定され、速度タービンが回転する毎
に、磁石の通過を惑知する。この２回の惑知の間の時間
が反動タービンの変位の関数である米国特許第３１６４
０１７号及び同第３２３２１ｍ号に記載される機構は、
いづれも反動回転子に支持された可動の惑知コイルを必
要とし、可撓性の導線を流れの中に通すと共に水密ハウ
ジングに通さなければならないが、これはいづれも早期
に誤動作が起り易い場所である。

従つて、この発明の目的は、全ての惑知コイル並びにそ
の導体が流れの外部にあつて不動である様な流量計で回
転子の速度並びにタービンの変位を読出す装置を提供す
ることである。

この発明の特徴は、旋回する流体の流れを収容するハウ
ジングと、この流れによつて回転させられる回転子と流
れによつて変位させられるタービンと、回転子と共に回
転する、角度位置がきまつた第１の横方向磁束源手段と
ハウジングに装着されていて、第１の源手段及ひ当該第
１の検出手段が横方向に角度が整合した時に第１の出力
信号を発生する角度位置かきまつた第１の横方向磁束検
出手段と、前記第１の源であつてもよいが、角度位置が
きまつた第２の横方向磁束源手段と、タービンと一諸に
角変位する磁束導体と、ハウジング 【に装着されてい
て、第２の源手段及び導体が横方向に角度が整合した時
に第２の出力信号を発生する第２の磁束検出手段とて構
成される流量計を提供したことである。

この発明の上記並びにその他の目的、特徴及び ι利点
は、以下図面について説明する所ら明らかになろう。

第１図に例として示した流量計は、前掲米国特許第３５
３８７６７号に記載されるものと同様であつて、ハウジ
ングが非鉄材料で形成された入口端部１２及び出口端部
１４を持ち、これらが複数個の押えねじ１６によつて固
着されると共に、ｏリング１８によて密封される。

それらの縦軸線を２０に示す。軸線２０と同じ縦軸線を
持つ第１のコイル２２が導線２２ａ，２２ｂを持つてい
て、磁気遮蔽体２４の中に固定される。遮蔽体は内側の
円筒壁２６が開放していて、端部１４のフランジ３０に
締付けられたブラケット２８に固定されている。軸線２
０に対して垂直な縦軸線を持つ第２のコイル３２が導線
３２ａ，３２ｂを持ち、遮蔽体３４の中に固定される。
この遮蔽体は内壁３６が開放していて、殻体４２に固定
される。コイル３２がブラケット３８に固定される。

コイル２２からの２本の導線２２ａ，２２ｂ）及びコイ
ル３２からの２本の導線３２ａ，３２ｂがコネクタ４０
の夫々の接点に接続される。コネクタ４０が殻体４２に
固定され、殻体４２は２つのコイルを密閉して端部１２
に固定され、２つの０リング４４，４６によつてそれに
対して密封される。ハウジングの内部に内部装置が押え
リング５２によつて捕捉されており、２つのＯリング５
３，５４によつて中心合せされている。

この装置が後側支柱集成体及ひ前側支柱集成体を持ち、
後側支柱集成体は不動の環状円板５６で構成される。円
板５６か複数個の半径方向の支柱を持つていて中心円板
５８を支持し、これから軸６？が縦方向に伸びている。
前側支柱集成体が不動の環体６２でフ構成され、これが
初めの方の円錐形内面６４及びそれに続く円筒形内面６
６を有する。傾いた翼を持つ旋回発生器６８が複数個の
支柱７０によつて環体６２に固定されていて、その中孔
７２が軸６０の前端を受入れる。軸は植込みボルト７４
によ５つて中孔の中に締付けられる。縦方向に伸びる複
数個の翼７６が中心棒７８から伸ひている。中心棒７８
は皿孔を持ち、植込みボルト７４のナット８０により、
環体６２及び旋回発生器６８に締付けられる。フランジ
つきリング８２に、旋回発生０器を取巻く複数個のフィ
ンガはねを有する溝孔つき導管８４が固定され、リング
８２の第２のフランジつきリング８６にはめられ、環体
６２と翼７６との間に締付けられる。回転子８８が１対
の玉軸受９０，９２によつて、軸６０に軸支される。

タービン９４が１対の玉軸受９６，９８によつて軸６０
に軸支される。スラスト軸受１００，１０２，１０４が
回転子及びタービンを軸に沿つて隔てる。アーム１０６
がタービンの後面に結合される。軸１０８が不動円板５
８に固定される。。平たい帯状に螺旋形ばね１１０がア
ームと軸との間に固定される。回転子８８は内側ハブ１
１２と、外側環体１１４と、その間に環状の列をなして
密に詰込まれた複数個の管１１６とを含。

前側リング１１８が環体１１４に固定され、第１の棒形
永久磁石１２０を回転子の周縁に固定する。磁石はその
Ｎ，Ｓの磁気軸線か回転子の周縁の弦となる平面及び軸
線２０に対して横方向の平面上にある様に配置される。
後側リング１２２が環体１１４に固定され、第２の棒形
永久磁石を回転子の周縁に固定する。この磁石もそのＮ
，Ｓの磁気軸線が、回転子の周縁の弦となる平面並びに
軸線２０に対して横方向の平面上にある様に配置される
。タービン９４が、内側ハブ１２６と外側環体１２８と
、その間に環状の列をなして密に詰込まれた複数個の管
１３０とを有する。

前側リングが環体１２８に固定され、タービンの釣合い
をとる為にそれに錘を付け加えたり、或いは取外したり
することが出来る。縦方向の溝孔１３０がタ−ビンーの
周縁に設けられ、軟鉄棒１３２がその中に配置されてい
て、ねじ１３４によつて保持される。第１の棒磁石１２
０がある横平面は、半径方向の向きの感知コイル３２の
縦軸線とも交差する。磁石がコイルを通過する度に、そ
れが第３図に示−す様なパルス列を発生する。最初に一
方の磁極からの磁界が通過すると、第１の電圧パルスを
誘起し磁界の変化が通過すると、反対の極性の一層大き
な第２の電圧パルスを誘起し最後の他方の磁極からの磁
界が通過すると、第１の電圧パルスと同３様な第３の電
圧パルスを誘起する。第２のパルスの尖頭値と第１及び
第３のパルスの尖頭値との間の電圧の絶対値の差は、通
過磁界が一方の磁極からしか出ない様な半径方向の向き
に同様な磁石を配置した楊合に得られるパルスより、か
なり大き４【い。第２の棒磁石１２４がある横平面、及
び軟鉄棒１３２が配置された円筒は、いづれもそれを取
巻く感知コイル２２の長さ方向にある。

棒磁石１２４が軟鉄棒１３２を通過すると、この棒が棒
磁石の磁界に対して磁気導体として作用し、第３図に示
す様に、最初の磁界、磁界変化及び第２の磁界により、
夫々第１、第２及び第３の電圧パルスを，コイル２２に
誘起する。第１図に示す実施例では、第１及び第２の棒
磁石は回転子の周縁に沿つて１８０゜離して配置され、
軟鉄棒は、タービンが自由な状態、即ち流体の流量量が
ゼロの状態にある時、半径方向の惑知つコイルから１８
０゜離れた所に配置される。

この為、流量が無視し得る状態ては、第１及び第２の棒
磁石によつて夫々の惑知コイルに発生されるパルス列は
、同時に発生する。タービンが角変位すると、パルス列
は時間的に変位する。回転子が１ｉ回転する度に、各々
のコイルに一組のパルス列が得られる。この質量流量計
の動作は次の様に説明することが出来る。

流体の流れが入り込んで、翼を通越し、旋回発生器６８
を通ると、略一定の角速度か”与えられる。回転する流
体の流れが、管１１６によつて構成された回転子の通路
に入り、拘束されていない回転子を流れの平均速度で回
転させる。回転子の角速度は、流体の流れが回転子を出
て、管１３０によつて構成されたタービンの通路に入る
時の角速度を正確に表わす。タービンは定常状態の流れ
の状態ては不動であるが、流体の流れの角運動量によつ
てタービンが螺旋形ばね１１０の偏圧に逆らつて角変位
し、流体の流れから角運動量が完全に取去られる。

ニュートンの第２法則により、タービンに於ける角運動
量の変化の割合に比例する流体トルクＴＦが得られる。
Ｔｐ■Ｍ．ω （１） こゝでＴＦは流体の流れによつてタービンに発生された
トルク、Ｍは流体の流れの質量流量、ωは回転子を出て
タービンに入る流体の流れの回転速度である。

流体トルクＴＦの影響で、拘束作用を持つばね１１０か
らのトルクが流体トルクと相等しく且つ反対向きになる
まで、タービンが角変位する。

タービンは定常状態の流れの時に平衡する。Ｔｓｃ（Θ
（２） こゝでＴｓはばねに発生されるトルク、Θはばねのたわ
み角である。

定常状態の平衡状態では、式（１）及び（２）を等しい
とすることが出来る。

Ｍ・ω■Θ （３） 任意の時にＴＦ及びＴ．が等しくないと、トルクの差に
より、再びトルクが平衡するまで、タービンが動く。

感知／読出手段が、回転子上の基準点がタービンの変位
角Θにわたつて移動するのに要する時間を測定する。

Θ＝ω．Δｔ （４） こゝてωは式（１）と同じ回転子の角変度、Δｔは経過
時間てある。

式（３）及び（４）から Ｍ．ω■ω・ΔＴ Ｍｃ＝ーΔｔ （５） 第１図に示す感知／読出手段は、磁石１２０、その惑知
コイル３２、磁石１２４、軟鉄棒１３２及びその惑知コ
イル２２を含む。

コイルの代りに磁束を検出する他の機構を用いてもよい
。源及ひ、検出器の他の構成、並ひに源、導体及び検出
器の他の構成を用いてもよい。図示の２つの源１２０，
１２４の代りに、回転子に支持される１個の源を用いて
もよい。タービンの角度位置は軟鉄棒１３２を使うこと
によつて同定することが出来る。

タービン、従つて軟鉄棒のたわみ角がゼロである位置と
、感知コイル３２の角度位置とは既知の一定の関係を持
ち、従つて、磁石１２０がコイル３２を通過することに
よつて発生されるパルス列は、変位角Θの初めを表わす
。磁石１２４及び磁石１２０は既知の一定の関係を持ち
、従つてて、磁石１２４が軟鉄棒１３２を通過すること
によつて発生されるパルス列は、変位角Θの終りを表示
する。質量流量が増加すると、変位角Θが増加し、２つ
のパルス列の間の期間が長くなる。

この期間は、式（５）によつて示される様に、質量流量
に比例する。読出回路が第４図に示されている。

コイル３２からのパルス列は、事実上、計時サイクル開
始パルスであるが、第１の比較回路３０２の第１の入
つ力３００に印加される。この回路の第２の入力３０４
が基準電圧源ＶＲＥＦに結合される。コイル２２からの
パルス列は、事実上計時サイクル停止パルスであるが、
第２の比較回路３０８の第１の入力３０６に印加され、
その第２の入力３１０も基準電圧源ＶＲＥＦに結合され
る。各々の比較回路は５ｍｖのヒステリシスを持ち、Ｖ
ＲＥＦは１０ｍｖであつて、雑音による擬似出力信号を
防止すると共に、きれいな矩形波出力信号を発生する。
比較回路３０２の出力３１２が分圧及び整流回路３１６
の入力３１４に結合され、一方向矩形波を発生する。同
様に、比較回路３０８の出力３１８が分圧及び整流回路
３２２の入力３２０に結合されて一方矩形波を発生する
と共に、結合コンデンサ３２６の入力３２４に結合され
る。回路３１６の出力３２８がワンショット・マルチバ
イブレータ３３２の入力３３０に結合され、これが一様
に狭い幅のパルスを発生する。回路３２２の出力３３４
がワンショット・マルチバイブレータ３３８の入力３３
６に結合され、これが一様な狭い幅のパルスを発生する
。更に出力３３４はフリップフロップ３４２のクロック
入力３４０に結合される。マルチバイブレータ３３２の
出力３４４やセット・リセット形フリップフロップ３４
８のセット入力３４６に結合される。マルチバイブレー
タ３３８の出力３５０がフリップフロップ３４８のリセ
ット入力３５２と除数４の割算回路３５６の入力３５４
に結合される。フリップフロップ３４８の出力３５・８
がアンド・ゲート３６２の第１の入力３６０に結合され
、これは矩形波であつて、そのパルス幅はタービンの変
位角Θの関数である水晶制御発振器３６４の出力３６６
に４００ｋＨｚの信号が発生され、これが除数５の割算
回路３７０の入力３６８）に結合される。この割算回路
の出力３７２に８０ｋＨｚの信号が発生され、これがア
ンド・ゲート３６２の第２の入力３７４に結合される。
第３の入力３７６がフリップフロップ３４２の出力３７
８に結合される。フリップフロップ３４２はω比較回ｑ
路３７７の一部分である。この回路の作用は、予定の閾
値より低い流量の読出しを禁止することである。セット
・リセット形フリップフロップ３４８によつてゲートさ
れた発振器のパルスで構成される、ゲート３６２の出力
３８０が除数４の第２フの割算回路３８４の入力３８２
に結合される。この割算回路の出力３８６が川進数字５
個の計数及び表示回路３９０の入力３８８に結合される
。除数４の第１の割算回路３５６の出力３９２がワンシ
ョット・マルチバイブレータ３９６の入力３９４に結合
され、その出力３９８が表示回路３９０のシフト制御入
力４００に結合され、その計数器部分からの累積力カウ
ントをその表示部分へシフトさせる。出力３９８はワン
ショット・マルチバイブレータ４０４の入力４０２にも
結合され、その出力４０６が表示回路３９０のリセット
制御入力４０８に結合され、その計数器部分をゼロにリ
セットする。事実上、表示回路３９０は、相次ぐ４サイ
クルから成る１群の平均カウントを計数し、次に、次の
１群の相次ぐ４サイクルの平均カウントを計数する期間
の間、このカウントを表示する。ω比較回路３７７が結
合コンデンサ３２６を持ち、その出力４１０がダイオー
ド４１２によつて整流され、、トランジスタ４１６のベ
ース入力４１４に結合される。

このトランジスタのエミッタ出力４１８が弛緩発振器４
２２の入力４２０に結合される。発振器の出力４２４が
インバータ４２８の入力４２６に結合され、その出力４
３０がフリップフロップ３４２のリセット制御入力４３
２；Ｉに結合される。弛緩発振器は、タービンの極めて
小さい角変位、即ち表示回路３９０がゼロを表示ｊする
様な小さな質量流量に相当する最小の基準パルス繰返し
速度（Ｐｒｆ）を構成する。比較回路３０８からのター
ビン・パルスはフリップフロップ３４２をセットしよう
とし、弛緩発振器からパルスはこのフリップフロップ３
４２をリセットする。

タービンのパルス繰辺し速度が最小の基準パルス繰辺し
速度を越える場合にだけ、フリップフロップ３４２の出
力３７８がセットされ、こうしてアンド・ゲート３６２
を付能する。トランジスタ４１６を使つたのは、タービ
ン速度が基準速度に非常に近い時、結合コンデンサを部
分的に放電させて、２つのＰｒｆが等しい状態に近づい
た時、強制的に発振器をタービンのＰｒｆの範囲内に同
期させ、フリップフロップ３４２をリセット状態に保つ
ことにより、曖味さを防止する為である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施した質量流量計の縦断面図、第
２図は第１図の質量流量計の端面図、第３図は第１図の
流量計の感知手段の出力信号を示すグラフ、第４図は第
３図の流量計の電気的な読出回路のブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れを通すハウジング１２，１４，２６と、
   該流体の流れに略一定の角速度を与える旋回発生器６８
   を通過した回転する流体の流れの平均角速度で回転させ
   られる回転子８８を持つ第１の手段と、前記回転する流
   体の流れを受取り且つ該流れから略全ての角速度を取去
   る第２の手段であつて、自由に回転しない様に拘束され
   た反動タービン９４を有し、該反動タービンは前記回転
   する流体の流れの角速度を取り去ることにより加えられ
   たトルクに比例して角変位し、更に該反動タービンは前
   記回転する流体の流れの第１の角運動量に対して第１の
   角方位を持つていて、該第１の角方位から角変位する様
   になつており該角変位が第１の角運動量に対する流体の
   流れの角運動量の時間的な変化速度の関数であり、前記
   回転子に固定されていてそれと共に回転する第１の磁束
   源１２０と、前記ハウジングに第１の半径方向上に沿つ
   て固定されていて、前記第１の磁束源が前記半径方向の
   方位を通過したことを検出しこれに応答して第１の信号
   を発生する第１の磁束変化検出器３２と、第１，１２４
   及び第２，１３２の磁気要素を含む第の磁束源であつて
   、第１の磁気要素は前記回転子に固定されていてそれと
   共に回転し、前記第２の磁気要素は前記反動タービンに
   固定されていてそれと共に角変位し、この為前記第１及
   び第２の磁気要素が整合状態にある時に磁束変化が誘起
   され、前記ハウジングに固定されていて前記流体の流れ
   を受取る手段に対して或る環状方位を持ち、前記磁束変
   化を検出しこれに応答して第２の信号を発生する第２の
   磁束変化検出器２２と、前記第１の信号によつてオンに
   転じられると共に前記第２の信号によつてオフに転じら
   れる経過時計を有し、こうして前記回転子が前記反動タ
   ービンの角変位だけ回転するのに要する時間の関数であ
   り且つ流れの質量流量の関数である経過時間の表示を得
   る質量流量計。 ２ 特許請求の範囲１に記載した質量流量計に於て、前
   記回転子及び前記反動タービンが共通の縦軸線の周りに
   回転し、前記第１の磁束源が第１の棒磁石であつて、そ
   の磁極軸線が前記共通の縦軸線に垂直な平面内にあると
   共に、前記共通な縦軸線から出た半径に対して垂直な弦
   に沿つて配置されている質量流量計。 ３ 特許請求の範囲２に記載した質量流量計に於て、前
   記第１の磁束変化検出器が、前記共通の縦軸線を中心と
   する半径に沿つた第１のコイル軸線の周りに巻装された
   第１のコイルである質量流量計。 ４ 特許請求の範囲１に記載した質量流量計に於て、前
   記第１の磁気要素が別の棒磁石であつて、その磁極軸線
   が前記共通の縦軸線に対して垂直な平面にあると共に前
   記共通の縦軸線から出る半径に対して垂直な弦に沿つて
   いる質量流量計。 ５ 特許請求の範囲４に記載した質量流量計に於て、前
   記第２の磁気要素が、前記共通の縦軸線から前記別の棒
   磁石の磁極軸線と略同じ半径方向の距離の所に配置され
   た磁束導体であり、両者が前記共通の縦軸線に対して同
   じ角方位にある時、前記磁束導体が前記別の棒磁石から
   の磁束を通す様にした質量流量計。 ６ 特許請求の範囲５に記載した質量流量計於て、前記
   第２の磁束変化検出器が前記共通の縦軸線に沿つた第２
   のコイル軸線の周りに巻装された第２のコイルであり、
   こうして前記第２の磁気要素が磁気導体となつた時に前
   記第２の信号を発生する質量流量計。 ７ 特許請求の範囲１に記載した質量流量計に於て、前
   記回転子の各々の完全な１回転が１動作サイクルとなつ
   て一組の前記第１及び第２の信号を発生し、前記経過時
   間計が、予定数の相次ぐサイクルの平均値である。 １サイクルあたりの経過時間の表示を出す質量流量計。 ８ 特許請求の範囲１に記載した質量流量計に於て、前
   記経過時間計が、経過時間が予定の値より大きい時にだ
   け、経過時間の表示を出す様にした質量流量計。