(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の略中心に流路に直交する上流側プローブと下流側プローブとからなる中空プローブを各プローブ間に距離をあけて設け、上流側プローブに管体の略内径分に亘って上流側に開口する上流側スリットを設け、下流側プローブに管体の略内径分に亘って下流側に開口する下流側スリットを設け、各スリットを通じて前記各プローブ内に流入する流体の差圧を検出することにより前記管体の流路を流れる流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする差圧式流量計。
【請求項２】
前記各プローブの外端同志を多数の貫通孔が軸方向に貫通する筒体を内部に有するチャンバで接続し、このチャンバの内の前記貫通孔の入口側に位置する入口側チャンバを前記上流側スリットに連通するプローブの外端に接続し、前記貫通孔の出口側に位置する出口側チャンバを前記下流側スリットに連通するプローブの外端に接続し、入口側チャンバ及び出口側チャンバの流体の差圧を検出することにより流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする請求項１記載の差圧式流量計。
【請求項３】
管体の略中心に流路に直交する中空プローブを設け、この中空プローブの内部を管体の略中心で仕切体により仕切り、この仕切体で仕切った一方のプローブには、管体の略中心から管体の略半径分に亘って上流側に開口する上流側スリットを設け、仕切体で仕切った他方のプローブには、管体の略中心から管体の略半径分に亘って下流側に開口する下流側スリットを設け、各スリットを通じて前記各プローブ内に流入する流体の差圧を検出することにより前記管体の流路を流れる流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする差圧式流量計。
【請求項４】
前記上流側スリットに連通するプローブの外端を上流側連結管を介してプローブよりも下流側の流路に接続し、前記下流側スリットに連通するプローブの外端を下流側連結管を介してプローブよりも上流側の流路に接続し、上流側連結管及び下流側連結管の夫々に熱線式質量流量計を取り付けたことを特徴とする請求項３記載の差圧式流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体の差圧式流量計に係り、特に差圧式流量計の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、差圧式流量計としては、オリフィスやベンチュリー・ノズル等を利用した流量計、或いはピトー管を利用した差圧式流量計が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
オリフィスやベンチュリーノズル等を利用した流量計は流量圧損が大きいと共に、オリフィス等では異物滞留部分が大きいため、例えばガソリン液滴等が混在する空気流の流体計測には不向きであるという問題がある。また、オリフィス等では、エッジ加工精度に高い精度が要求されるので、加工コストが高くなると共に、管路径の大きい流路に適用することが困難になるという問題がある。
【０００４】
一方、ピトー管を利用した流量計は動圧計測原理に従うものであり、粘性係数の影響を受けず、上記の問題は解消されるが、管路内を流れる流体の流速分布計測が必要になるので、その分だけ計測精度が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、構造が簡単で、安価で、計測精度の高い差圧式流量計を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、管体の略中心に流路に直交する上流側プローブと下流側プローブとからなる中空プローブを各プローブ間に距離をあけて設け、上流側プローブに管体の略内径分に亘って上流側に開口する上流側スリットを設け、下流側プローブに管体の略内径分に亘って下流側に開口する下流側スリットを設け、各スリットを通じて前記各プローブ内に流入する流体の差圧を検出することにより前記管体の流路を流れる流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて前記各プローブの外端同志を多数の貫通孔が軸方向に貫通する筒体を内部に有するチャンバで接続し、このチャンバの内の前記貫通孔の入口側に位置する入口側チャンバを前記上流側スリットに連通するプローブの外端に接続し、前記貫通孔の出口側に位置する出口側チャンバを前記下流側スリットに連通するプローブの外端に接続し、入口側チャンバ及び出口側チャンバの流体の差圧を検出することにより流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、管体の略中心に流路に直交する中空プローブを設け、この中空プローブの内部を管体の略中心で仕切体により仕切り、この仕切体で仕切った一方のプローブには、管体の略中心から管体の略半径分に亘って上流側に開口する上流側スリットを設け、仕切体で仕切った他方のプローブには、管体の略中心から管体の略半径分に亘って下流側に開口する下流側スリットを設け、各スリットを通じて前記各プローブ内に流入する流体の差圧を検出することにより前記管体の流路を流れる流体の流量を計測可能にしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項３記載のものにおいて前記上流側スリットに連通するプローブの外端を上流側連結管を介してプローブよりも下流側の流路に接続し、前記下流側スリットに連通するプローブの外端を下流側連結管を介してプローブよりも上流側の流路に接続し、上流側連結管及び下流側連結管の夫々に熱線式質量流量計を取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による差圧式流量計の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１ａ、ｂにおいて、１は流体の流れる流路１ａを有する管体を示す。この管体１の両端にはおねじ２，２が形成され、この管体１は例えば管継手（図示せず）等を用いて管路内にインライン接続できる構成になっている。
【００１４】
管体１の略中心には流路１ａに直交する２本の中空プローブ３，５が設けられ、これらプローブ３，５は管体１に溶接４で固定されている。上流側に位置する上流側プローブ３には管体１の略内径分に亘って上流側に開口する幅狭の上流側スリット３ａが形成され、下流側に位置する下流側プローブ５には管体１の略内径分に亘って下流側に開口する幅狭の下流側スリット５ａが形成されている。２本の中空プローブ３，５の外端３ｂ，５ｂには各スリット３ａ，５ａを通じて各プローブ３，５内に流入する流体の差圧を検出する差圧センサ７が連結されている。この差圧センサ７は、例えば歪みゲージの貼られた圧力膜（図示せず）を内蔵し、この圧力膜の変位を歪みゲージで検出して差圧を検出する。
【００１５】
つぎに、この差圧式流量計の計測原理を説明する。
【００１６】
上流側をサフィックスＵ、下流側をサフィックスＤとした場合、各スリット３ａ，５ａでの全圧力Ｐｔは、静圧Ｐｓ、平均流速Ｖ、密度ρとして夫々次式で与えられる（ただし、２点間で平均流速、平均密度は同じとする。）。
【００１７】
上流側：ＰｔU ＝ ＰｓU ＋ ρＶ2 ／２    …（１）
下流側：ＰｔD ＝ ＰｓD − ρＶ2 ／２    …（２）
挿入するプローブ３，５の径が小さいことから、粘性や管内摩擦による圧力低下は小さいと考えられため、上記式において「ＰｓU＝ＰｓD」と考えられる。この結果、２点間の圧力差ΔＰは、式（１）と式（２）の差より、以下の式で与えられる。
【００１８】
ΔＰ＝ρＶ2 …（３）
流路１ａの断面積を「Ａ」とすると、流路１ａを流れる流量「Ｑ」は、以下の式に基づいて計測される。
【００１９】
Ｑ＝Ａ（ΔＰ／ρ）1/2        …（４）
すなわち、適用流路１ａの断面積Ａと、流体の密度ρが明らかならば、ΔＰを計測することにより、流量「Ｑ」が計算される。
【００２０】
従来の「ピトー管式流速計」が流れの一点の流速計測を行うのに対し、この実施形態による流量計は、「流体の流れに対向したスリット３ａを有するプローブ３」と、「流体の流れと同じ方向のスリット５ａを有するプローブ５」とにより、積分平均値（＝平均流速）を計測している点で異なる。
【００２１】
すなわち、この実施形態では、（１）平均流量を簡単に、しかも精度良く計測できること、（２）ＪＩＳやＤＩＮあるいは、丸型オリフィスに代表される絞り流量計のように、淀み部分がないこと、（３）流体の粘性に影響されず、圧力損失が少ないこと、等の優れた特徴を有している。
【００２２】
つぎに、図２ａ、ｂを参照して別の実施形態を説明する。
【００２３】
１１は流体の流れる流路１１ａを有する管体を示している。この管体１１の両端にはおねじ１２，１２が形成され、この管体１１は例えば管継手（図示せず）等を用いて管路内にインライン接続できる構成になっている。
【００２４】
管体１１の略中心には流路１１ａに直交する２本の中空プローブ１３，１５が設けられ、これらプローブ１３，１５は管体１１に溶接１４で固定されている。上流側に位置する上流側プローブ１３には管体１１の略内径分に亘って上流側に開口する幅狭の上流側スリット１３ａが形成され、下流側に位置する下流側プローブ１５には管体１１の略内径分に亘って下流側に開口する幅狭の下流側スリット１５ａが形成されている。２本の中空プローブ１３，１５の外端１３ｂ，１５ｂには各スリット１３ａ，１５ａを通じて各プローブ１３，１５内に流入する流体の流量を検出する層流式流量計１７が連結されている。プロブの一方には、絞り部２０が設けられている。この層流式流量計１７は、各プローブの外端１３ｂ，１５ｂ同志を連結するチャンバ１８を備え、このチャンバ１８内には間仕切り１６を介して筒体１９が設けられ、この筒体１９には軸方向に貫通する多数の貫通孔が穿孔されている。
【００２５】
そして、貫通孔の入口側に位置する入口側チャンバＡに対して、上流側スリット１３ａに連通するプローブ１３の外端１３ｂが接続され、貫通孔の出口側に位置する出口側チャンバＢに対して、下流側スリット１５ａに連通するプローブ１５の外端１５ｂが接続され、入口側チャンバＡに連通する圧力ポート１８ａと、出口側チャンバＢに連通する圧力ポート１８ｂとの間には、差圧センサ（図示せず）が接続されている。
【００２６】
つぎに、この差圧式流量計の計測原理を説明する。
【００２７】
管体１の流路１ａを主流路「Ｍ」とし、各プローブ１３，１５の外端に接続されたチャンバ１８を副流路「Ｂ」とした場合、それぞれの流路を流れる流量を主流路が「Ｑｍ（リットル／ｍｉｎ）」、副流路が「Ｑｂ（リットル／ｍｉｎ）」とすると、全体流量Ｑｔ（リットル／ｍｉｎ）は次式で与えられる。
【００２８】
0004015751.tif 000002
この時の各スリット１３ａ，１５ａにおける全圧を、それぞれＰin、Ｐoutとすると、それぞれの流路を流れる流量は、次式で与えられる。
【００２９】
ただし、式中の「Ｓｍ」、「Ｓｂ」は、それぞれ主流路「Ｍ」及び副流路「Ｂ」の流路最少断面積であり、「ξ」、「ζ」は、流量係数である。
【００３０】
Ｑｍ＝ξ・Ｓｍ・（Ｐout − Ｐin）1/2 …（６）
Ｑｂ＝ζ・Ｓｂ・（Ｐout − Ｐin）1/2 …（７）
式、（６）、（７）より、「Ｑｍ／Ｑｂ」を求めると、
Ｑｍ／Ｑｂ＝（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）    …（８）
「Ｑｂ」は層流式流量計１７で計測される。この層流式流量計１７では筒体１９によってチャンバ１８内の流れが層流となるので、層流素子前後の圧力差をΔＰと置いたとき、「Ｑｂ」は次式に基づいて求められる。ａは定数である。
【００３１】
Ｑｂ＝ａ・ΔＰ          …（９）
そこで、式（５）に式（８）（９）を代入して整理すると次式が求まる。
【００３２】
Ｑｔ＝ａ・｛１＋（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）｝ΔＰ  …（１０）
上記の式中において、ξ、Ｓｍ、ζ、Ｓｂは、全て、定数と考えて良いため、「ｂ＝（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）」となり、定数「ｂ」で与えられ、上記の式（１０）は、次式で表される。
【００３３】
Ｑｔ＝ａ・｛１＋ｂ｝ΔＰ      …（１１）
この計測原理に従えば、副流路「Ｂ」に小型の層流式流量計１７を配置することにより、計測差圧「ΔＰ」に比例する流量計が構成される。例えば、前記実施形態（図１）に従う流量計では、式（４）「Ｑ＝Ａ（ΔＰ／ρ）1/2」からも明らかなように、流量「Ｑ」を求めるに際し、演算式に「1/2」が入る。この「1/2」が入った演算を行う演算器は高価であるが、本実施形態では、式（１１）からも明らかなように、計測差圧「ΔＰ」に比例して、流量「Ｑｔ」が求められるので、低価格の演算器の使用が可能になる。
【００３４】
この実施形態では、（１）平均流量を簡単に、しかも精度良く計測できること、（２）ＪＩＳやＤＩＮあるいは、丸型オリフィスに代表される絞り流量計のように淀み部分が少ないこと、（３）上記副流路構造により差圧計測だけでリニアに流量を算出できること、等の優れた特徴を有している。
【００３５】
この計測原理は、例えば図３に示すように、管体２１にオリフィス２２を設けたものにも適用が可能である。
【００３６】
このオリフィス２２の前後の管体２１には流路２１ａに連通する一対の細管２３，２５が設けられ、この一対の細管２３，２５の外端２３ａ，２５ａ同志はチャンバ２６に連結されている。このチャンバ２６内には間仕切り２４によって支持された筒体２７が設けられ、この筒体２７には軸方向に貫通する多数の貫通孔が穿孔されている。そして、貫通孔の入口側に位置する入口側チャンバＡに対して、オリフィス２２の前に位置する一方の細管２３の外端２３ａが接続され、貫通孔の出口側に位置する出口側チャンバＢに対して、オリフィス２２の後に位置する他方の細管２５の外端２５ａが接続され、入口側チャンバＡに連通する圧力ポート２６ａと、出口側チャンバＢに連通する圧力ポート２６ｂとの間には差圧センサ（図示せず）が接続されている。この場合の計測原理は、図２に示したものと略同一である。
【００３７】
更に、別の実施形態を説明する。
【００３８】
図４に示すように、管体３１の略中心には流路３１ａに直交する１本の中空プローブ３２が設けられている。このプローブ３２の内部は管体３１の略中心で仕切体３３を介して仕切られ、この仕切体３３より上方に位置するプローブ３２には、管体３１の略中心から管体３１の略半径分に亘って上流側に開口する幅狭の上流側スリット３２ａが形成され、仕切体３３より下方に位置するプローブ３２には、管体３１の略中心から管体３１の略半径分に亘って下流側に開口する幅狭の下流側スリット３２ｂが形成されている。上流側スリット３２ａに連通するプローブ３２の外端３２ｃは、上流側連結管３４を介して、プローブ３２よりも下流側の流路３１ａに接続され、下流側スリット３２ｂに連通するプローブ３２の外端３２ｄは、下流側連結管３５を介して、プローブ３２よりも上流側の流路３１ａに接続されている。そして、上流側連結管３４及び下流側連結管３５の夫々には熱線式質量流量計３６，３７が取り付けられている。両プローブには、絞り部３８が設けられている。
【００３９】
つぎに、この差圧式流量計の計測原理を説明する。
【００４０】
管体３１の流路３１ａを主流路「Ｍ」とし、上流側連結管３４及び下流側連結管３５を副流路「Ｂ」とした場合、それぞれの流路を流れる流量を主流路が「Ｑｍ（リットル／ｍｉｎ）」、副流路が「Ｑｂ（リットル／ｍｉｎ）」とすると、全体流量Ｑｔ（リットル／ｍｉｎ）は次式で与えられる。
【００４１】
0004015751.tif 000003
この時の各スリット３２ａ，３２ｂにおける全圧を、それぞれＰin、Ｐoutとすると、それぞれの流路を流れる流量は、次式で与えられる。
【００４２】
ただし、式中の「Ｓｍ」、「Ｓｂ」は、それぞれ主流路「Ｍ」及び副流路「Ｂ」の流路最少断面積であり、「ξ」、「ζ」は、流量係数である。
【００４３】
Ｑｍ＝ξ・Ｓｍ・（Ｐout − Ｐin）1/2 …（１３）
Ｑｂ＝ζ・Ｓｂ・（Ｐout − Ｐin）1/2 …（１４）
式、（１３）、（１４）より、「Ｑｍ／Ｑｂ」を求めると、
Ｑｍ／Ｑｂ＝（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）    …（１５）
この関係を、式（１２）に代入して整理すると、
Ｑｔ＝｛１＋（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）｝Ｑｂ      …（１６）
「Ｑｂ」は熱線式質量流量計３６，３７で計測され、次式に基づいて求められる。ただし、Ｖ＝０〜５（Ｖ）のアナログ電圧出力、Ｈ＝０〜１０（ＫＨｚ）の電圧パルス出力である。
【００４４】
0004015751.tif 000004
そこで、式（１２）に、式（１６）と（１７）を代入して整理すると、次式が求められる。
【００４５】
0004015751.tif 000005
上記の式中において、ξ、Ｓｍ、ζ、Ｓｂは、全て、定数と考えて良いため、「ｃ＝（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｂ）」となり、定数「ｃ」で与えられ、上記の式（１８）（１９）は、次式で表される。
【００４６】
0004015751.tif 000006
このように副流路「Ｂ」に小型の「熱線式質量流量計」を配置することにより、安価に大型質量流量計を構成することが可能となる。
【００４７】
従来の「ピトー管式流速計」が流れの一点の流速計測を行うのに対し、この実施形態による流量計は、「プローブ３２の各スリット３２ａ，３２ｂ」により、積分平均値（＝平均流速）を計測している点で異なる。
【００４８】
すなわち、この実施形態では、（１）平均流量を簡単に、しかも精度良く計測できること、（２）ＪＩＳやＤＩＮあるいは、丸型オリフィスに代表される絞り流量計のように、淀み部分がないこと、（３）上記の副路構造により、リニアに質量流量を算出できること、等の優れた特徴を有している。
【００４９】
また、図４に示す実施形態では、順路、逆路共に同じ構成であるため、逆流を伴う質量流量計測が可能になる。
【００５０】
「順流」をサフィックス「ｎ」、「逆流」をサフィックス「ｂ」とした場合、流路３１ａ内の各位置における全圧は、以下の式で与えられる。
【００５１】
「順流」の場合
位置▲１▼−▲２▼（Ｂ部）：    ΔＰ＝（Ｐ1 −Ｐ2 ）≒０          …（２２）
位置▲２▼−▲１▼’（Ｎ部）：  ΔＰ＝（Ｐ2 −Ｐ1'）≒ρＶｎ2 ／２…（２３）
「逆流」の場合
位置▲１▼’−▲２▼（Ｎ部）：  ΔＰ＝（Ｐ1'−Ｐ2 ）≒０          …（２４）
位置▲２▼−▲１▼’（Ｂ部）：  ΔＰ＝（Ｐ1'−Ｐ2 ）≒ρＶｂ2 ／２…（２５）
「順流」の場合に流れる全体流量「Ｑｎｔ（リットル／ｍｉｎ）」は、主流路の流量「Ｑｍ（リットル／ｍｉｎ）」、「Ｎ部」の副流路流量「Ｑｎ（リットル／ｍｉｎ）」、「逆流」計測流路「Ｂ部」の流量「Ｑｂ（リットル／ｍｉｎ）」とすると、Ｑｎｔ（リットル／ｍｉｎ）は、次式で与えられる。
【００５２】
0004015751.tif 000007
ただし、式（２２）に示すように差圧が小さいことから、Ｑｂ＜＜Ｑｎであり、近似的にはＱｂ≒０と置くことができる。
【００５３】
従って、式（２６）は次式のようになる。
【００５４】
Ｑｎｔ＝Ｑｎ（１＋Ｑｍ／Ｑｎ）      …（２７）
このときの絞り部前後の圧力差をΔＰとすると、それぞれの流路を流れる流量は次式で与えられる。ただし、式中の「Ｓｍ」、「Ｓｎ」は、それぞれの流路の最少断面積であり、「ξ」、「ζ」は、流量係数である。
【００５５】
Ｑｍ＝ξ・Ｓｍ・ΔＰ1/2          …（２８）
Ｑｎ＝ζ・Ｓｎ・ΔＰ1/2          …（２９）
式（２８）、（２９）より「Ｑｍ／Ｑｎ」を求めると、
Ｑｍ／Ｑｎ＝（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｎ）      …（３０）
そこで、式（２７）に、式（３０）を代入すると次式が求まる。
【００５６】
Ｑｔ＝｛１＋（ξ・Ｓｍ）／（ζ・Ｓｎ）｝Ｑｎ    …（３１）
上記の式中において、ξ、Ｓｍ、ζ、Ｓｎは全て定数と考えて良いため、副流路の流量「Ｑｎ」を計測することにより「順流」の流量が計測される。
【００５７】
この関係は「逆流」の場合も同様である。このことから「Ｎ」部の熱線式質量流量計３６からの出力と、「Ｂ」部の熱線式質量流量計３７からの出力との差を計測することにより「順流」、「逆流」の同時計測が可能になる。
【００５８】
これによれば、例えば、自動車エンジンにおける吸気系の吹き返し現象の解明等に優れた計測効果が発揮される。
【００５９】
前記の各実施形態ではプローブにスリットを形成しているが、このスリットは平均流速を計測するため、管体の略中心を含む少なくとも管体の略半径分に亘って開口させることが重要である。
【００６０】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
【００６１】
図１において、管体１に設けられる中空プローブ３，５は二本に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、プローブ５１を１本で形成してもよい。この１本のプローブ５１の内部は管体１の略中心で仕切体５３を介して仕切られ、この仕切体５３より上方に位置するプローブ５１には、管体１の略中心から管体１の略半径分に亘って上流側に開口する幅狭の上流側スリット５１ａが形成され、仕切体５３より下方に位置するプローブ５１には、管体１の略中心から管体１の略半径分に亘って下流側に開口する幅狭の下流側スリット５１ｂが形成されている。下流側スリット５１ｂに連通するプローブ５１の外端５１ｃには、連結管５５が接続されている。この連結管５５は管体１の外部を延びて、この連結管５５の外端５５ａと上記プローブ５１の外端５１ｄとには、各スリット５１ａ，５１ａを通じてプローブ５１及び連結管５５内に流入する流体の差圧を検出する差圧センサ７が連結されている。この実施形態によっても、図１に示すものと同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、動圧計測原理に従う流量計であって、粘性係数の影響を受けず、管路内を流れる流体の流速分布計測が不要な、従って、その分だけ計測精度を向上させた、構造が簡単で安価な差圧式流量計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａは本発明による差圧式流量計の一実施形態を示す縦断面図、ｂは同じく横断面図である。
【図２】ａは別の一実施形態を示す縦断面図、ｂは同じく横断面図である。
【図３】別の一実施形態を示す縦断面図である。
【図４】別の一実施形態を示す縦断面図である。
【図５】別の一実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１  管体
１ａ，１１ａ，２１ａ，３１ａ  流路
３，５，１３，１５  中空プローブ
３ａ，５ａ，１３ａ，１５ａ  スリット
７  差圧センサ
１７  層流式流量計
３２，５１  中空プローブ
３２ａ、３２ｂ，５１ａ、５１ｂ  スリット
３６，３７  熱線式質量流量計
【図１】
0004015751.tif 000008
【図２】
0004015751.tif 000009
【図３】
0004015751.tif 000010
【図４】
0004015751.tif 000011
【図５】
0004015751.tif 000012