LPAフィードバック発振流量センサの発振下限について
一関高専 0門間岳大，清水久記，工学院大学 廣木富士男，神奈川工大 山本圭治郎

TheOscillatingLimitoftheOscillatingLPAFlowSensor
OTakehiroMONMA，IchinosekiNationalCollegeofTbchnology
Hi＄akiSHIMIZU，IchinosekiNationalCollegeofTbchnology
FujioHIROKI，KogakuinUniversity
KeijlrOYA丸山uMOTO，KanagawaInstituteofTbchnology
ABSTRACT：The oscillating LPA now sensor utilizing Laminar ProportionalAmplifiers（LPA）isavailableforthemeasurementofthesmal1flowrates．TheoscillatingfrequencyoftheoscillatingLPA

flowsensorcloselyconnectedwiththegeometryandsizeoftheoscillatingLPAflowsensor．Westudied

tothe relationshipbetweenfiequencyandflowratewhichchangeddimension岳OftheoscillatingL
nowsensor．Astheresults，itwasprovedthateachdimensionsofoscillatingLPAflowsensorinnue

theosei11atinglimitandmeasuringnowrange．
Keyword：OSCillatinglimit，meaSuringflowrange，LPA，flowsensor，

1．はじめにでつないだ構造になっている．

医療等の分野への応用が期待されている．筆者等のこれまでの研究l）より，LPAフィードペック発振流量センサの発振周波数と流量特性には、センサを構

この流量センサは，主ノズルから出た噴流が粒子の乱れ等により左右どちらかに傾き，フィードバッ
ク流路を通りコントロール部で噴流の側面に作用して噴流を反対側に傾ける動作を左右交互に行うことで発振現象が誘起されることを利用している．流路に設けた圧力変換器で測定した発振周波数と流量には密接な関係があり，発振周波数から流量を算出することができる流量センサであり，また内部に稼動成する形状と密接な関係があることが分かった．

部を有さないため微小流量の測定が可能である．

層流域で作動する層流形比例素予（Lamhar
ProportionalAmplifiers以IJLPAと略す）を用いたLPAフィードバック発振流量センサは微小流量を測定することが可能な流量センサであり，化学，測定流量が微小であれば応用分野が更に拡大する

流量センサはワイヤカット放電加工機を用いて精ことになるので，本研究では，この流量センサを構密に加工し，上下より厚いカバープレートではさみ，成する各部の寸法を変えて形状と発振周波数，流量との関係を実験し，発振下限の流量と流量測定範囲センサとした，への影響を検討したので報告する．

2．LPAおよび流量センサの形状
LPAの形状と各部寸法をFig．1に示す．
ここで，各部の基本寸法は主ノズル幅bsを基準とVent Vane

して以￣Fの通りである．
bo／bs＝1．25

bL化s＝1．hbv化s＝3b i／bs＝2． t

Xr化s＝乳3Ⅹsp／bs＝ホbc／bs＝1bsp／bs＝0．5

LPA フィードバック発振流量セニサの形状を
Fig．2に示す．流量センサはLPAの出力部と入力部をLPAと同→平面ヒに設けたフィードバック流路

Fig．1GeometryofLPA

実験では，素子形状を構成する主要寸法と考えられる，1）主ノズル幅，2）入力部幅，3）出力部幅，4）スプリッタ距離，5）フィードバック幅，を変えた流量センサを多数作製し，各部寸法の変化が発振下限，流量測定範囲にどのように影響するかを検討した，
4．実験線果および考察

Fig．2 GeometryofOscillatingFlowSensor
3．実験装置および実験方法
実験装置図をFig．3に示す．コンプレッサで圧縮した空気をフローメータで任意の流量に調節し，流量センサに供給する．圧力変化を圧力センサで検出した後，電圧に変換し，DCアンプで増幅してストレージオシロスコープで波形を観測しながら周波数

4．1 主ノズル幅bsの変化
主ノズル幅bsの変化について検討する．
bsを変化させた場合の流量センサの発振周波数
一供給流量特性をFig．5に，Fig．5の発振下限付近を拡大した図をFig．6にそれぞれ示す．実験では，bsを0．25（mm）から0．5（m皿）まで段階的に変えている。

図の縦軸は発振周波数餌Hz），横軸は供給流量q8（cc／s）である．

を測定する．

1500

実験は発振が確認できる層流域から，波形が乱れる乱流域まで測定を行った．作動流体として空気を使用し，また圧力センサとしてコンデンサマイクロ

H 王1000
ヽ−500

フォンを用いた．

し10111・ぐrIぐr

0．0

10．0

5．0

20．0

15．O

q5（cc／5）

Drlmpb且er

Fig．5 fvsqs（changeofbs）

丸山ぐ1・叩11011￠』
i∴

弓【0Ⅲ絆ト■−此血岬（）丼 ▼山0せ即pe

LflAl一 lo＼l・鮎川闇Ir

hltll†imol＼1118†prFig．3 measurementsystemN 言 5（氾Fig．4に流量センサの主要部寸法を示す．ここで，boはセンサ出力部幅，bcはセンサ入力部幅，Ⅹ叩は主ノズルからスプリッタまでの足巨離，brはフィードバック流路幅である．

0．00．5

1．0

1．5

2．0

2．5

3．0qs（GC／6）

Fig．6 fvsq8（cbangeofbs）（2）図において最′ト流量が得られたのは，bsO．25（mm），hO．4（mm）と，bsO．38（mm），bO．4（mm）の寸法の流量センサの場合で，0．9（cc／s）あった．しかし，前者の流量測定範囲は約4．3倍と低い．また，bsO．25（mm），hO．2（mm）とbsO．3（mm），hO．2（mm）の寸法の流量センサでは発振現象が起きなかった．

供給圧力ー供給流量特性をFig．7に示す．ここで，Fig．4 皿ajordimensionsofLPAFlowSensol・

縦軸は供給圧力ps（Pa），横軸は流量qs（cc／s）である．

主ノズル断面積が大きいほど，同じ供給流量における供給圧力は低い．また，測定可能な最大流量も増加している．これは主ノズル断面積が大きい場合，流体抵抗が小さくなり測定可能な最大流量が増加していることが分かる．
主ノズル断面積が′トさければ流量も少なくなると4．3 入力部幅bcの変化
出力幅bcをそれぞれ変化させた場合について検討する．

bcを変化させた場合の流量センサの発振周波数
一供給流量特性をFig．9に示す．ここで，実験にはbsO．25（mm），bO．4（mm）の寸法の流量センサを用い考えられるが，粘性による流体抵抗が大となるため限度がある．そのため発振下限が最も低いのは主ノズル断面積が最も′トさい場合とは限らない．

た．bcの寸法は，基準の0．25（mm）と拡大した0．60（mm）の2種類とした．図の縦軸は発振周波数
氏Hz），横軸は供給流量qs（c（ニ／s）である．
図のように，bcを大きくしても発振下限にはほとんど変化がないが，流量測定範囲は基準寸法と比較して2倍程度広がっている．これは板厚を変えた場

35（XI
3000

合にも同様の傾向を示した．

25（氾このことより，bcを大きくすることで流量測定範′盲20∝11囲が広がることがわかった．

邑1500
tOOO
500

△ △ △ △
●00．0

2．0

4．0

6．0

8．0

1500

10．O

￣−−−こ．．・

qs（cc／s）

Fig，7 psvsq8（changeofbs）

ごニニューー￠一N 吉10（和ノて−500

4．2 出力部boの変化

次に，出力幅boをそれぞれ変化させた場合について検討する．

2．00．0

8．O

8．0

ヰ．0

10．O

qs（cc／8）

boを変化させた場合の流量センサの発振周波数

一供給流量特性をFig．8に示す．ここで，実験にはFig．9 fvsqs（c】1an酢Ofbc）

bsO．25（mm），hO．4（mm）の寸法の流量センサを用いた．bo の寸法は，基準の 0．31（mm）と拡大した0．64（mm）の2種類である．図の縦軸は発振周波数
氏Hz），横軸は供給流量qs（cc／s）である．

図より，boを大きくすると発振下限が低下し，こ4．3 スプリッタ距離Ⅹspの変化
主ノズルからスプリッタまでの距離Ⅹ叩を変化させた場合について検討を行う．流量センサの基礎となるI．PAでは8bsがⅩspの基準寸法であるが，このときの下限流量は0．85（cc／s）であった．これは板厚

こでは6bs〜10bsと5種類のセンサを作製し検討をを変化させた場合も同様の傾向を示した．出力部の行った．ここで，実験に用いた流量センサの寸法は幅を広げることは流体が流れやすくなることになり，bsO．3（mm）である．

boの幅は発振下限に影響を与えていると考えられ

Xspを変化させた場合の発振下限となる最小流量

る．

値をFig．10に示す．
2．5・㌔◆．・1．

2■ ￣ ＿ ◆■1◆◆■l●（）で1．5U、室

〆■

温1
0．5

00・01・0

2．0

3．0

4．O

5．0

qさ（cc／s）

Fig・8 fvsqs（changeofbo）

8．0

56789Xsp（メbs〉

Fig．10 qsmi。VSX叩

10II1

Ⅹspの増加に伴い発振下限となる流量の値は低下していることがわかる．最も発振下限が低いのは
Ⅹspが9bs．の時であり，下問流量はbsO．3（mm），bO．3（mm）の寸法の流量センサで0．65（∝ね）であった．
ここで，発振下限となる最小流量値は，実験デー
タより次式で算定される．

給流量q8（cc／s）である．

図より，bfを大きくすると，流量測定範囲は10％程度拡大していることがわかる．しかし，brを基準の1．5bfと2bfで比較すると，測定可能な流量範囲に変化が見られない．これは，板厚が変化した場合でも同様の傾向がみられる．このことから，流量測定範囲の拡大にはbrの拡大が有効であるが，範囲の拡

qs血＝C・Ⅹ軒D………

（1）

ここで，C，DはC＝1．1309・ガ・S542……… （2）D＝0．311ト入l・8303……… （3）大には限度があると考えられる．

また2bfの場合には，1brおよび1．5bfの場合と比較して，流量測定範囲の増加だけでなく発振下限も低下している．このときの下限流量は，bsO．3（mm），hO．3（mm）の寸法の流量センサで0．65（cc／s）であった．

これは，bfを大きくすることによってLPA出力部からフィードバック部への流路形状が緩やかに拡大し，入：主ノズル部アスペクト比である．よって，スプリッタ距離を変更させた場合の最小流量値は，九によって算定することができる流路の抵抗が少なくなり流体が流れやすくなることで発振が誘起されやすくなったためであると考えらことがわかった．

れる．

Xspを変化させた場合の発振周波数一供給流量特性をFig．11に示す．ここで，bsO．3（mm），板厚hO．3（mm）の寸法の流量センサを用いたものであり．

図の縦軸は発振周波数武Hz），横軸は供給流量qs（cc／s）である．

0．0

1．0

2．0

3．0

ヰ．0

5．0

8．O

q＄（c￠／s）

Fig．12 fvsq8（changeorbd700
0．0

1．0

2，03．0

4．0

5．O

8．0

850

qs（cc／s）

Fig．11fvsqs（chan酢OfXsp）

608′育 三550

Ⅹ叩が変化することで発振下限も変化しているが，流量測定範囲には大きな変化が見られなかった．これは板厚を変化させても同様の傾向を示した．そのため，Ⅹ叩の変化は発振下限に影響を与えているが，流量測定範囲には影響していないと考えられる．
4．4 フィードバック幅bfの変化
フィードバック幅brを変化させた場合について検討する．bfは1bf，1．5br，2bfと幅を3種類に変え

500
450
ヰ000，50．8

0．7

0．80．9

1．Oq8（￠C／s〉

Fig．13 fvsq8（changeofb∂（2）

フィードバック幅bfを変化させた場合の発振周
波数一供給流量特性をFig．12に，Fig．12の発振下限付近を拡大した図をFig．13に示す．ここで，次に，Ⅹspを8bs，9bs，bfを1br，2bfとそれぞれ変化させた場合の発振周波数一供給流量特性をFig．14に，Fig14の発振下限付近を拡大した図をFig．15にそれぞれ示す．ここで，使用した寸法は
b80．3（mm），bO．3（mm）であり，縦軸は発振周波数

bsO．3（mm），hO．3（mm）の寸法の流量センサを使用し武Hz），横軸は供給流量qs（cc／s）である．

たセンサを作製し実験を行った．

たものであり，縦軸は発振周波数餌Hz），横軸は供

bfが1bfの場合，発振下限はⅩspが9bsのほうが低く，流量測定範囲はⅩspが8t）Sのほうが広い．
しかしbfが2brとなると，流量測定範囲の傾向は同じであるが，下限流量はⅩspが8bsと9bsで同じ備になっている．このことから，brが発振下限および流量測定範囲に与える影響はⅩ叩のそれよりも大きいと考えられる．

また，bfを大きくすると流路の抵抗が少なくなることで発振が誘起されやすくなり，発振下限が低下する．最小流量は主ノズル幅
bsO．3（mm），板厚hO．3（mm），スプリッタ距離
Ⅹspが9bs，フィードバック部幅bfが2bfの寸法の流量センサの場合で，0．65（cc／s）を得られた．
6） スプリッタ距離Ⅹspの変化よりもフィードバ
ック幅bfの変化のほうが，発振下限に与える影台◆◆

凸ヽ0△0■△○▲■○■▲U∧︶▲■■△︵＝−△∩︳△○轟響が大きい．

∧J∨ハb．h−︶∧b．b

X山h∵M山西両頭西◆︳ム⁚ロ

参考文献

1） 清水，廣木，山本：LPAフィードバック発振
流量センサの形状と特性，計測自動制御学会第21回センシングフォーラムシンポジウム講演

X

0．0

1．0

2．0

3．0

4．0

5．0

6．0

7．O

qs（cc／s）

論文集17／20（2004）

2） 清水，千葉，廣木，山本：LPAフィードバッ

Fig．14 fvsqs（changeofXspandb∂

ク発振流量センサの特性比較（作動流体が異なる場合），計測自動制御学会第20回センシング
フォーラムシンポジウム講演論文集

700

△○600

△王550

105／108（2003）●U︳ヽ◆X印8b51b†■X岬9b■1bf
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OX叩9bも2bfム△650△ 駆■ ●00500

0450

ヰ00

0．5

0．8

0．70t！
qs（cc／s〉

1． …

Fig．15 fvsqs（changeofXspandbd（2）5．まとめ

流量センサを構成する主要部寸法を変え，発振下限となる流量値を実験した結果，次のことがわかった．

1） 供給ノズル幅bsを小さくすれば，発振下限となる流量値は低下するが，流体抵抗が大となるため限度がある．

2） 出力部幅boの変化は発振下限に影響を与える．boを大とすることで発振下限が低下する．

3） 入力部幅bcの変化は流量測定範囲に影響を与える．bcを大とすることで，流量測定範囲は拡大する．

4） スプリッタ距離Ⅹspの変化は発振下限に影響を与える・発振下限が得られる最適寸法は，Ⅹspが9bsの時であった．

5） フィードバック幅brの変化は流量測定範囲に影響するが，測定範囲の拡大には限度がある．