JP2001235357A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体の流速算出精度を低下させることなく流
体の流量を適正に測定できる流量測定装置を提供するこ
とである。 【解決手段】 電気発熱体６は制御装置１０からの指令
で加熱電源８により所定の発熱条件で加熱され、電気発
熱体６の下流に配置された温度計９により流体の温度が
計測される。演算装置４は、電気発熱体６の発熱条件か
ら解析的に求めた流体温度の温度応答関数と温度計９の
測定値とを比較し流体の流速を求め、その流速と流体の
流れている領域の体積情報から流量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の局所的な温
度が流体とともに伝播することを原理として流量を求め
る流量測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、流体の流量を正確に測定するこ
とは各種プラントなどの運転状態の把握や運転効率の向
上のために重要である。流体の流量の測定には、差圧流
量計、面積式流量計、超音波流量計、電磁流量計などの
各種流量計がが用いられているが、流体の温度ゆらぎの
伝播から流量を求める流量測定装置も開発されている。

【０００３】この流体温度の伝播を利用した流量測定装
置には、流体温度の定常ゆらぎが伝播することから流速
を求めて流量を求めるものや、温度変化を故意に与えて
流速を求め流量を求めるものがある。いずれの流量測定
装置も測定値同士の相関関数から流速を求め流量を求め
るものである。

【０００４】図１５は、温度変化を故意に与えて流速を
求め流量を求める流量測定装置の説明図である。ヒータ
１により故意に流体に温度変化を与え、その温度変化が
与えられた流体温度を上流側温度計２および下流側温度
計３で検出し演算装置４に入力する。演算装置４では、
ヒータ１を加熱する制御も行い、流量検出に当たっては
ヒータ電源５に加熱指令を出力する。そして、演算装置
４は、検出された上流側温度と下流側温度との相関係数
から流速を求め、その流速と流体の流れている領域の体
積情報から流量を求める。

【０００５】演算装置４での相関係数から流速を求める
方法については、例えば、（「原子炉の計測」川口千代
二、荒克之著、幸書房）に示されるように、二点の温度
測定結果から下記の式（１）のような相互相関関数を求
め、その相互相関関数が最大となるときの遅れ時間を二
点間の流体通過時間τｄとして求め、（２）式に示すよ
うに流体通過時間τｄおよび二点間の距離Ｌから流体の
流速ｖを求める。そして、その流速と流体の流れている
領域の体積情報から流量を求める。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、φ₁₂（i△τ)は相互相関関数、△
ｔはサンプリング時間間隔、Ｎは観測時間の分割数、△
τは遅れ時間の測定周期である。 ｖ＝Ｌ／τｄ …（２）

【０００８】すなわち、温度計が設置された二点間を流
体の温度ゆらぎが維持されて伝播するとすると、相互相
関係数が最も大きくなるのは、遅れ時間と流体の二点の
温度計間の通過時間が一致した場合である。このように
して求めた２点間を流体が通過する時間τｄと二点間の
距離Ｌとから流体の流速ｖを求める。

【０００９】このように、従来の流体温度の定常ゆらぎ
が伝播することから流速を求めて流量を求める流量測定
装置では、離れた位置にある二点の温度の測定値同士の
相関関係から流速ｖを求めるものであった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のこの
ような流量測定装置では、温度の微少なゆらぎを捉えて
流速ｖを求めるものであるため、温度ゆらぎの値が小さ
く測定が難しいという欠点があった。また、ヒータ１な
どで故意に温度変化を与える場合には、温度ゆらぎが小
さいという点は改善されるが、流速ｖの評価に用いるの
は二つの温度計の間を伝播する温度の測定値であるの
で、図１６に示すように、各々の温度計２、３の測定値
には、ノイズが含まれており精度低下の一因となってい
る。

【００１１】本発明は、流体の流速算出精度を低下させ
ることなく流体の流量を適正に測定できる流量測定装置
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる
流量測定装置は、流体中に配置され流体の温度変化を起
こすための電気発熱体と、流体の流れ方向に対して前記
電気発熱体の下流側に配置された温度計と、前記電気発
熱体を加熱する加熱電源に指令を出力し所定の発熱条件
で加熱制御する制御装置と、前記電気発熱体の発熱条件
から解析的に求めた流体温度の温度応答関数と前記温度
計の測定値とを比較し流体の流速を求めその流速と流体
の流れている領域の体積情報から流量を求める演算装置
とを備えたことを特徴とする。

【００１３】請求項１の発明に係わる流量測定装置にお
いては、電気発熱体は制御装置からの指令で加熱電源に
より所定の発熱条件で加熱され、電気発熱体の下流に配
置された温度計により流体の温度が計測される。演算装
置は、電気発熱体の発熱条件から解析的に求めた流体温
度の温度応答関数と温度計の測定値とを比較し流体の流
速を求め、その流速と流体の流れている領域の体積情報
から流量を求める。

【００１４】請求項２の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１の発明において、前記制御装置は、前記電気発
熱体の発熱条件として、前記加熱電源から前記電気発熱
体にステップ状の電圧を印加し、その印加電圧を前記電
気発熱体による流体の温度変化の値が一定となるよりも
長い時間に亘って一定に保持し、その後に前記電気発熱
体への印加電圧をステップ状に下げることを特徴とす
る。

【００１５】請求項２の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１の発明の作用に加え、制御装置からの
指令により、加熱電源は電気発熱体に対してステップ状
の電圧を印加し、その印加電圧を電気発熱体による流体
の温度変化の値が一定となるよりも長い時間に亘って一
定に保持し、その後に電気発熱体への印加電圧をステッ
プ状に下げる。

【００１６】請求項３の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１または２の発明において、前記演算装置は、前
記温度応答関数と前記温度計の測定値との相関係数を用
いて流速を求め、前記温度応答関数に含まれる流速パラ
メータと相関係数から求められる流速との差が所定値未
満となるように収束演算を行い、前記流速を求めること
特徴とする。

【００１７】請求項３の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１または２の発明の作用に加え、流体の
流速は、温度応答関数と温度計の測定値との相関係数を
用いて求めた流速と、温度応答関数に含まれる流速パラ
メータととの差が所定値未満となるように収束演算が行
われて求められる。

【００１８】請求項４の発明に係わる流量測定装置は、
請求項３の発明において、前記温度応答関数の温度変化
の絶対値に関するパラメータを前記温度計の測定値の温
度変化の絶対値に規格化して相関係数を求めることを特
徴とする。

【００１９】請求項４の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項３の発明の作用に加え、温度応答関数の
温度変化の絶対値に関するパラメータを温度計の測定値
の温度変化の絶対値に規格化して相関係数を求める。

【００２０】請求項５の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１または２の発明において、前記演算装置は、前
記電気発熱体の加熱開始時点から前記温度計位置での温
度上昇開始時点までの時間および前記電気発熱体の最下
流側と前記温度計との間の距離、または前記温度計位置
での温度上昇開始時点から温度上昇が飽和するまでの時
間および前記電気発熱体の長さに基づいて流速を算出す
ることを特徴とする。

【００２１】請求項５の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１または２の発明の作用に加え、温度計
の測定値を関数適合させることにより流速を算出する。

【００２２】請求項６の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、前記
制御装置は、前記電気発熱体を同一発熱条件で複数回繰
り返し発熱させ、前記演算装置は、複数回の発熱条件か
ら求められた流速により流量を算出することを特徴とす
る。

【００２３】請求項６の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１ないし５のいずれか１項の発明の作用
に加え、電気発熱体を同一発熱条件で複数回繰り返し発
熱させ、複数回の発熱条件から求められた流速により流
量を算出し精度を向上させる。

【００２４】請求項７の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、流体
の流れ方向に対する同一断面流路内で流速が一様とみな
せる小範囲内に複数個の温度計を近接して配置し、前記
演算装置は、温度応答関数と各々の温度計の測定値との
比較から流速を求めることを特徴とする。

【００２５】請求項７の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１ないし５のいずれか１項の発明の作用
に加え、流体の流れ方向に対する同一断面流路内で流速
が一様とみなせる小範囲内に複数個の温度計を近接して
配置する。そして、温度応答関数と各々の温度計の測定
値との比較から流速を求める。

【００２６】請求項８の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、流体
の流れ方向に対して複数の異なる断面流路にそれぞれ温
度計を配置し、前記演算装置は、温度応答関数と各々の
温度計の測定値との比較から流速を求めることを特徴と
する。

【００２７】請求項８の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１ないし５のいずれか１項の発明の作用
に加え、流体の流れ方向に対して複数の異なる断面流路
にそれぞれ温度計を配置する。そして、温度応答関数と
各々の温度計の測定値との比較から流速を求める。

【００２８】請求項９の発明に係わる流量測定装置は、
請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、流体
の流れ方向に対して同一断面流路内の異なる位置に複数
個の温度計を配置し、前記演算装置は、同一断面流路内
の位置の違いを考慮した温度応答関数を求め、それぞれ
対応する位置にある温度計の実測値と比較することによ
り流速を求めることを特徴とする。

【００２９】請求項９の発明に係わる流量測定装置にお
いては、請求項１ないし５のいずれか１項の発明の作用
に加え、流体の流れ方向に対して同一断面流路内の異な
る位置に複数個の温度計を配置する。そして、同一断面
流路内の位置の違いを考慮した温度応答関数を求め、そ
れぞれ対応する位置にある温度計の実測値と比較するこ
とにより流速を求める。

【００３０】請求項１０の発明に係わる流量測定装置
は、請求項１ないし９のいずれか１項の発明において、
前記電気発熱体と前記温度計とが配置されている流路の
流体の流れ方向に対する流路断面内の流速分布を一様と
する整流機構を設けたことを特徴とする。

【００３１】請求項１０の発明に係わる流量測定装置に
おいては、請求項１ないし９のいずれか１項の発明の作
用に加え、整流機構は、電気発熱体と温度計とが配置さ
れている流路の流体の流れ方向に対する流路断面内の流
速分布を一様とする。これにより、温度計の測定値の精
度を向上させる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の実施の形態に係わる流量計測装置
の構成図である。電気発熱体６は流体配管７の流体中に
配置され、加熱電源８により加熱され流体に温度変化を
起こさせる。電気発熱体６で温度変化を与えられた流体
は、流体の流れ方向に対して電気発熱体６の下流側に設
けられた温度計９により、その温度が測定される。温度
計９で測定された流体温度は演算装置４に入力される。

【００３３】制御装置１０は、電気発熱体６を加熱する
加熱電源８に指令を出力し、所定の発熱条件で電気発熱
体６を加熱制御する。また、演算手段４では、電気発熱
体６の発熱条件から流体温度の温度応答関数を解析的に
求め、温度計９の測定値とを比較し流体の流速を求め
る。そして、その流速と流体の流れている領域の体積情
報から流量を求めるようになっている。

【００３４】演算装置４では、従来の二点の温度測定値
の相関係数から流速を求めることに代えて、電気発熱体
６の発熱条件から解析的に求めた流体温度の時間変化を
示す温度応答関数と温度計９の温度測定値とを比較して
求めるものである。

【００３５】そのために、電気発熱体６の発熱条件を予
め定めている。発熱条件としては物理的にはさまざまな
関数型が考えられるが、方形波状の印加電圧条件とする
ことにより、温度応答関数が単純となるばかりでなく、
印加電圧をステップ状に変化させるため、例えばランプ
状に発熱させるよりも温度計９の測定値の温度変化の開
始がより明確になり流速算出精度の向上が可能となる。

【００３６】図２は、発熱条件として方形波状の印加電
圧を与えた場合の各プロセス量の特性図である。すなわ
ち、制御装置１０は、時点ｔ１でステップ状に電圧を印
加して電気発熱体６の加熱を開始する。そうすると、時
点ｔ２で電気発熱体６による温度変化が一定値となり、
印加電圧が保持されている限り、その一定値で電気発熱
体６の温度は保持される。そして、時点ｔ３で、ステッ
プ状に電気発熱体６の発熱を止める（印加電圧を零にす
る）と、時点ｔ４で加熱前の温度に戻るという発熱条件
とする。

【００３７】いま、電気発熱体６の上流側から流れてく
る流体温度を一定とする。電気発熱体６を発熱させた直
後から所定時間Δｔ（ｔ１〜ｔ２の間）は、電気発熱体
６の先端部（最下流部）の流体温度はほぼ直線的に上昇
する（図２のＡ部）。

【００３８】これは、電気発熱体６を発熱させた初期段
階では、電気発熱体６の先端部に流れて来るまでに流体
が電気発熱体６により加熱される量は、電気発熱体６が
発熱を開始したときに流体のあった位置により異なるか
らである。つまり、電気発熱体６が発熱を開始したとき
に電気発熱体６の最上流側にあった流体は、電気発熱体
６の全長に亘り加熱されるが、中間にあった流体はその
位置よりも下流側の電気発熱体６の発熱分しか熱を貰う
ことができないからである。

【００３９】このように、流体の流速が一定で、かつ電
気発熱体６の単位長さ当たりの発熱量が一定とすると、
電気発熱体６の最下流部の流体の電気発熱体６による温
度上昇は、図２のＡ部に示すように、時間とともに直線
的に増加する。

【００４０】ここで、温度が上昇する時間Δｔは電気発
熱体６が発熱を開始したときに電気発熱体６の最上流部
にあった流体が最下流部まで移動するまでの間である。
流体の流速をｖ［ｍ／ｓ］、電気発熱体６の長さをＬ
［ｍ］とすると、その時間は、△ｔ＝Ｌ／ｖとなる。

【００４１】その後は、電気発熱体６により加熱された
流体温度は一定値となる（図２のＢ部）。つまり、一定
発熱量で発熱する電気発熱体６を通過した直後の流体温
度は、電気発熱体６の発熱量に応じた一定値となる。そ
して、電気発熱体６の発熱を止めた場合の流体温度の温
度変化は、温度上昇の場合と逆になり、図２のＣ部のよ
うになる。

【００４２】ここで、このような電気発熱体６の発熱条
件から温度計９の測定値と比較する温度応答関数を解析
的に求めるためには、温度計９の応答時定数や演算装置
４に組込まれた測定用フィルタによる時間遅れを考慮し
た温度応答関数とする必要がある。それらの遅れ時間を
考慮して温度応答関数を求め、温度計９で測定された温
度測定値と比較することになる。

【００４３】そこで、温度計９の応答時定数や演算装置
４に組込まれた測定用フィルタによる時間遅れを考慮し
た温度応答関数を求めて、従来と同様に、その温度応答
関数と温度計９の測定値との相関関数により流速を求め
る。そして、温度応答関数で仮定した流速と相関関数か
ら求めた流速とが所定値以内になるように収束する流速
を求める。

【００４４】図３は、演算装置４で流速を求める場合の
動作を示すフローチャートである。まず、温度応答関数
と温度計９の測定値との相関関数により従来と同様に流
速ｖｃを求める（Ｓ１）。そして、温度応答関数で仮定
した流速ｖｉと相関係数から求められた流速ｖｃとの差
を流速ｖｉで割った値がある所定値δより小さいか否か
を判定する（Ｓ２）。この判定条件が満たされなかった
場合には、仮定した流速ｖｉと相関係数から求められた
流速ｖｃとの大小関係を判定し（Ｓ３）、仮定流速ｖｉ
が流速ｖｃより大きい場合には、仮定流速ｖｉをδｖだ
け小さくし（Ｓ４）、仮定流速ｖｉが流速ｖｃより小さ
い場合には、仮定流速ｖｉをδｖだけ大きくし（Ｓ
５）、ステップＳ１に戻り再度温度分布を解析的に求
め、相関係数により流速を求め判定条件にかけるという
ことを繰り返して流速を求める。一方、ステップＳ２の
判定でその判定条件を満たした場合には、そのｖｃを流
速ｖとして採用する（Ｓ６）。

【００４５】以上の説明では、仮定流速ｖｉと相関係数
から求められた流速ｖｃとの差を流速ｖｉで割った値が
ある所定値δより小さいか否かを判定条件としたが、相
関関数から求まる流速ｖｃと温度応答関数で仮定した流
速ｖｉとの相違が所定値以下となるという判定条件を用
いることも可能である。また、測定値の関数適合により
求めることにより、精度の高い流速算出が可能となる。

【００４６】次に、温度応答関数と温度計９の計測値と
の相関係数は、温度応答関数の温度変化の絶対値に関す
るパラメータを温度計９の測定値の温度変化の絶対値に
規格化して相関係数を求める。すなわち、図４に示すよ
うに、温度応答関数の温度変化の絶対値に関するパラメ
ータΔＴｉを温度計９の測定値の絶対値ΔＴに規格化す
ることとしたものである。

【００４７】解析的に温度応答関数を求める場合には流
体の比熱という物性値や流体が断熱されているというよ
うな仮定をしているために、実際の温度変化の絶対値ま
で精度良く求めるのは難しい。温度応答関数の立ち上が
り時間は流体の流速と電気発熱体の長さで決まるため、
温度応答関数の温度変化の絶対値が異なると、温度変化
の立ち上がりおよび立ち下がりの傾きが異なる。すなわ
ち、基準のものが既に誤差要因を含んだものとなる。

【００４８】そこで、実測値を温度応答関数に反映する
ことで誤差要因を低減させることを可能とし、流速算出
精度の向上を図るようにしている。

【００４９】次に、演算装置４において、予め電気発熱
体６の最下流側と温度計９との間の距離や電気発熱体６
の長さを記憶しておき、流速を求めることも可能であ
る。すなわち、電気発熱体６の最下流側と温度計９との
間の距離Ｄを演算装置４に予め記憶しておき、図５に示
すように、電気発熱体６の加熱開始時点ｔ１から温度計
９の位置での温度上昇開始時点ｔ２までの時間Ｔ１１を
測定し、Ｔ１１＝Ｄ／ｖの関係から流速ｖを求めること
が可能である。また、電気発熱体６の長さＬを予め演算
装置４に記憶しておき、温度計９の位置での温度上昇開
始時点ｔ２から温度上昇が飽和する時点ｔ３までの時間
Ｔ１２を測定し、Ｔ１２＝Ｌ／ｖの関係から流速ｖを求
めることが可能である。

【００５０】このように、電気発熱体６の発熱開始時間
を既知の値に設定すること、また、電気発熱体６の最下
流側と温度計９との距離Ｄも予めある決まった値に設定
しておくことにより、温度計９の位置での温度変化開始
時間は流速ｖに応じたものとなる。さらに、電気発熱体
６の長さＬも既知のものであるため、電気発熱体６によ
る温度上昇が飽和する時間も流速ｖに応じたものとな
る。

【００５１】すなわち、電気発熱体６と温度計９との距
離Ｄ［ｍ］、流速ｖ［ｍ／ｓ］、電気発熱体６の発熱部
長さＬ［ｍ］とすると、温度計９の位置での温度変化開
始時刻は発熱後Ｄ／ｖ［ｓ］後となり、また、温度上昇
が飽和するまでの時間はＬ／ｖ［ｓ］となる。

【００５２】これより、温度計９の測定値から温度変化
開始の時間および温度上昇が飽和するまでの時間を関数
適合により求めれば流速ｖを求めることができる。な
お、高精度が要求されない場合には、温度計９の温度変
化の開始時間（Ｄ／ｖ）のみを温度応答関数として単純
化し、流速を演算することも可能である。なお、図５に
示した温度変化は説明のため温度計などの応答時間は含
まない単純化したものとしている。

【００５３】以上のように、既知である電気発熱体６の
発熱開始時刻ｔ１および温度計９と電気発熱体６との距
離Ｄ、および電気発熱体の長さＬと物理情報から温度計
９の位置における温度変化開始時刻ｔ２と温度上昇が飽
和する時間ｔ３が解析的に求められるので、測定ノイズ
の影響を低減でき、流速測定精度を向上することが可能
となる。

【００５４】また、電気発熱体６の発熱は１回のみでな
く、図６に示すように、複数回繰り返すようにしても良
い。特に、繰り返す電気発熱体６の発熱条件は同一条件
とすることにより、解析的に求める温度変化は最初の発
熱で求めれば、後は同じものを用いることができる。そ
の場合には、計算し直す必要がなくなるという利点を有
する。

【００５５】このように、複数回の発熱を行った場合に
は、それぞれ求められる流速の平均値を流速として用い
流量を求められるので、１つの温度計９と電気発熱体６
の組み合わせという最低限の組合わせで平均化による測
定精度の向上を図ることができる。

【００５６】次に、温度計９については、図７に示すよ
うに、流体の流れ方向に対する同一断面流路内で流速が
一様とみなせる１つの小範囲内に複数個の温度計（熱電
対）９ａ〜９ｄを配置する。これにより、電気発熱体６
の一回の発熱で複数の測定結果を得られ、測定に要する
時間を長くすることなく平均化による算出精度の向上が
図れる。なお、図７には、それぞれの温度計９ａ〜９ｄ
が異なる場所に設置されているように示されているが、
複数個の温度計９ａ〜９ｄを一つにまとめた温度計アセ
ンブルとすることも可能である。

【００５７】また、図８に示すように、複数個の温度計
９Ａ〜９Ｎを流体の流れ方向に対して異なる断面流路に
配置する。これによれば、電気発熱体６の発熱一回に対
し複数の流速評価結果を得ることが可能である。

【００５８】さらに、流速の速さによって、たとえば、
流速が遅い場合には電気発熱体６に近い方の温度計９Ａ
を用いることにより、伝播時間が長くなることによる配
管７の外側への熱の逃げの影響を低減できる。また、流
速が速い場合には、逆に伝播時間が短くなるため、離れ
た温度計９Ｎの測定値を用いて流速を求めることによ
り、遅れ時間の小さいことによる測定精度の悪化をなく
すことができ、流速を精度良く求めることができる。こ
のように、広い流速範囲に対して精度良く流量を測定で
きる。

【００５９】また、図９に示すように、流体の流れ方向
に対して同一断面流路内の異なる位置に複数個の温度計
９Ａ、９Ｂ、９Ｃを配置し、各位置の温度計９Ａ、９
Ｂ、９Ｃで求められた流速と、演算装置４に記憶させて
おいた断面情報から流量を求めるようにしても良い。こ
れは、配管７内の流速は、配管７の表面近傍が遅く中心
部の流速がもっとも速いという流速分布を持っているの
で、この流速分布を考慮し、より高精度に流量を求める
ためである。

【００６０】この場合、演算装置４は同一断面流路内の
位置の違いを考慮した温度応答関数を求めて、それぞれ
対応する位置にある温度計９の実測値と比較することに
より流速を求める。従って、流量算出精度を向上させる
ことができる。

【００６１】前述したように、配管７内の流速は配管７
の中心部で速く、配管７の表面で遅いという流速分布を
持っており、流速から流量を求める場合には、流速分布
を仮定したり実際に測定する必要がある。実際に流速分
布を計測すれば、エルボ下流など流動状態が乱れている
場合にも、ある程度精度良く流量を評価することが可能
となるが、温度計が複数必要になってくる。

【００６２】そこで、図１０に示すように配管７内の流
速分布を平均化する機能を持つ整流機構１１を配管７内
に設置し、１点の流速評価結果からも精度良く流量を算
出するできるようにする。つまり、流量を評価する際に
配管７内の流速分布の影響を整流機構１１で低減させる
ので、温度計９の数を増やさずに流量を正確に求めるこ
とができる。

【００６３】また、図１１に示すように整流機構１１と
してＶコーン型のものを用い、Ｖコーン１２の支持構造
部材１３と電気発熱体６とを兼用させる。Ｖコーン１２
を用いた差圧式の流量計は既に知られているが、図１１
に示すものでは、Ｖコーン１２の支持構造部材１３に電
気発熱体６を内包することにより、電気発熱体６がＶコ
ーン１２の支持を兼用できるという特徴を有し、簡単な
構造で精度の良い流量測定装置とすることができる。な
お、整流機構１１が電気発熱体６を兼用する構造は、図
１１に示したものに限らず、図１０に示した電気発熱体
６のかわりに、整流機構７が発熱する機能を有するもの
としても良い。

【００６４】また、図１２に示すように、温度計９の近
傍に応答時間の校正用ヒータ１４を配置し、これによる
発熱で温度計９の応答時間を校正することも可能であ
る。温度変化の伝播により流速を求める場合には、例え
ば電気発熱体６と温度計９との距離を１０ｃｍとし、流
速を１ｍ／ｓとすると、流体の伝播時間は１００ｍｓと
なる。ところが、通常、温度計９としてよく用いられて
いる熱電対の応答時間は、直径φ１ｍｍのシース熱電対
で１００ｍｓのオーダであり、それぞれの熱電対がばら
つきを持っている。また、流体条件によってもわずかに
応答は異なるため精度良く流速を求める場合には、温度
計９の応答特性を正確に把握する必要がある。

【００６５】そこで、校正用ヒータ１４を温度計９の近
傍に設け、測定精度の向上および維持を図るようにす
る。なお、図１２には温度計９と校正用ヒータ１４とが
別々になっているようものを示しているが、電気発熱体
６と複数個の温度計９からなるアセンブリとしても良
い。

【００６６】次に、制御装置１０は、流体の流量に合わ
せて電気発熱体６の発熱条件を変更できるようになって
おり、例えば、電気発熱体６の発熱と温度計９の測定値
の温度変化とから発熱量が不足していると判定した場合
には発熱量を多くし、また、流速が遅くなり温度変化が
十分取れる場合には発熱量を低減させる。これにより、
低流量から高流量まで精度良く計測可能な流量測定装置
を提供できる。

【００６７】すなわち、流体の流量／流速が変われば温
度変化の大きさも変わってくる。流速が小さい場合には
同じ発熱でも温度差が大きくなり、変化の伝播が比較的
容易に判別できる。一方、流速が速くなると同じ発熱量
を与えても生じる温度差は小さくなり、ほとんど温度ゆ
らぎと同等の変化しか与えられなくなる。そこで、制御
装置１０は、流体の流量に合わせて電気発熱体６の発熱
条件を変更する。

【００６８】次に、図１３に示すように、電気発熱体６
に発熱量の校正用温度計１５を設けるようにしても良
い。すなわち、電気発熱体６の表面に高精度の校正用温
度計１５を一体化して取り付け、電気発熱体６の先端部
の温度を確認可能としている。

【００６９】電気発熱体６の発熱条件は配管７の内部流
体の流速条件や、電気発熱体６自体の経年変化等により
変化することが考えられる。このような場合を想定し、
定期的あるいは必要に応じて電気発熱体６の先端温度を
確認し発熱条件を最適化する。

【００７０】また、電気発熱体６の校正用温度計１５の
設置形態については、一体型ではなく、電気発熱体６内
部又は外表面にウェル形状の温度計挿入孔を設けて、温
度計１５自体は、電気発熱体６の温度確認時に配管７外
部から挿入する形態でも良い。

【００７１】また、電気発熱体６は配管７の内部に設け
る必要はなく、図１４に示すように、流体が流れる配管
７の周方向に少なくとも一周券回して設置するようにし
ても良い。すなわち、流体の流れる配管７の外部に電気
発熱体６を周方向に巻き付けるように設置し、配管７の
外部からの入熱を可能としている。

【００７２】配管７の外部から入熱する形態とすること
で、配管７の周方向からの一様な入熱を可能とし、配管
７の内部への侵襲物を削減し圧損を低減でき、また、電
気発熱体６の保守を容易に実施することが可能となる。
なお、配管７の内部の圧損低減のみを目的とする場合で
あれば、配管７の内面の周方向に電気発熱体６を設置す
るようにしても良い。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来のノイズを含んだ測定値同士の比較でなく、一方をノ
イズのない理想的なデータとすることができるので、流
体の伝播と関係のないわずかな温度ゆらぎを含むことに
よる流速評価誤差を低減することが可能となる。

【００７４】また、電気発熱体の発熱を制御することに
より、定常的な温度ゆらぎでなく、より大きな温度変化
を与えて流速を評価するためＳ／Ｎを向上させることが
可能となるため、高精度な流量測定装置を提供すること
ができる。また、流速分布を考慮した流量測定装置とす
ることや流速分布を一様とする機構と組合わせることに
より、流速分布が生じる場合でも精度良い流量測定装置
を提供することができる。

【００７５】さらにまた、温度変化を任意の大きさで生
じさせることができることから、広い測定範囲に対して
も精度良い流量測定装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の構
成図。

【図２】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の発
熱条件として方形波状の印加電圧を与えた場合の各プロ
セス量の特性図。

【図３】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の演
算装置で流速を求める場合の動作を示すフローチャー
ト。

【図４】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の演
算装置で温度応答関数の温度変化の絶対値に関するパラ
メータを温度計の測定値の絶対値に規格化する場合の説
明図。

【図５】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の演
算装置で関数適合により流速を求める場合の説明図。

【図６】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の制
御装置で電気発熱体を同一発熱条件を繰り返す場合の説
明図。

【図７】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の温
度計を同一位置に複数個配置すした場合の説明図。

【図８】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の温
度計を異なる位置に複数個配置する場合の説明図。

【図９】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の温
度計を流速分布を考慮して配置した一例を示す説明図。

【図１０】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置に
整流機構を配置した場合の説明図。

【図１１】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置に
Ｖコーンの支持構造部材と電気発熱体とを兼用する場合
の説明図。

【図１２】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の
温度計の応答時間を校正する校正用ヒータの説明図。

【図１３】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置に
校正用温度計を設けた場合の説明図。

【図１４】本発明の実施の形態に係わる流量計測装置の
電気発熱体を配管の外周上に配置した場合の説明図。

【図１５】従来の流量測定装置の説明図。

【図１６】従来の流量制御装置で使用する温度の特性
図。

【符号の説明】

１…ヒータ、２…上流側温度計、３…下流側温度計、４
…演算装置、５…ヒータ電源、６…電気発熱体、７…配
管、８…加熱電源、９…温度計、１０…制御装置、１１
…整流機構、１２…Ｖコーン、１３…支持構造部材、１
４…校正用ヒータ、１５…校正用温度計

フロントページの続き (72)発明者 上妻 由佳 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 2F035 EA05 EA09

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体中に配置され流体の温度変化を起こ
   すための電気発熱体と、流体の流れ方向に対して前記電
   気発熱体の下流側に配置された温度計と、前記電気発熱
   体を加熱する加熱電源に指令を出力し所定の発熱条件で
   加熱制御する制御装置と、前記電気発熱体の発熱条件か
   ら解析的に求めた流体温度の温度応答関数と前記温度計
   の測定値とを比較し流体の流速を求めその流速と流体の
   流れている領域の体積情報から流量を求める演算装置と
   を備えたことを特徴とする流量測定装置。
2. 【請求項２】 前記制御装置は、前記電気発熱体の発熱
   条件として、前記加熱電源から前記電気発熱体にステッ
   プ状の電圧を印加し、その印加電圧を前記電気発熱体に
   よる流体の温度変化の値が一定となるよりも長い時間に
   亘って一定に保持し、その後に前記電気発熱体への印加
   電圧をステップ状に下げることを特徴とする請求項１に
   記載の流量測定装置。
3. 【請求項３】 前記演算装置は、前記温度応答関数と前
   記温度計の測定値との相関係数を用いて流速を求め、前
   記温度応答関数に含まれる流速パラメータと相関係数か
   ら求められる流速との差が所定値未満となるように収束
   演算を行い、前記流速を求めること特徴とする請求項１
   または２に記載の流量測定装置。
4. 【請求項４】 前記温度応答関数の温度変化の絶対値に
   関するパラメータを前記温度計の測定値の温度変化の絶
   対値に規格化して相関係数を求めることを特徴とする請
   求項３に記載の流量測定装置。
5. 【請求項５】 前記演算装置は、前記電気発熱体の加熱
   開始時点から前記温度計位置での温度上昇開始時点まで
   の時間および前記電気発熱体の最下流側と前記温度計と
   の間の距離、または前記温度計位置での温度上昇開始時
   点から温度上昇が飽和するまでの時間および前記電気発
   熱体の長さに基づいて流速を算出することを特徴とする
   請求項１または２に記載の流量測定装置。
6. 【請求項６】 前記制御装置は、前記電気発熱体を同一
   発熱条件で複数回繰り返し発熱させ、前記演算装置は、
   複数回の発熱条件から求められた流速により流量を算出
   することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項
   に記載の流量測定装置。
7. 【請求項７】 流体の流れ方向に対する同一断面流路内
   で流速が一様とみなせる小範囲内に複数個の温度計を近
   接して配置し、前記演算装置は、温度応答関数と各々の
   温度計の測定値との比較から流速を求めることを特徴と
   する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流量計測
   装置。
8. 【請求項８】 流体の流れ方向に対して複数の異なる断
   面流路にそれぞれ温度計を配置し、前記演算装置は、温
   度応答関数と各々の温度計の測定値との比較から流速を
   求めることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
   項に記載の流量計測装置。
9. 【請求項９】 流体の流れ方向に対して同一断面流路内
   の異なる位置に複数個の温度計を配置し、前記演算装置
   は、同一断面流路内の位置の違いを考慮した温度応答関
   数を求め、それぞれ対応する位置にある温度計の実測値
   と比較することにより流速を求めることを特徴とする請
   求項１ないし５のいずれか１項に記載の流量測定装置。
10. 【請求項１０】 前記電気発熱体と前記温度計とが配置
    されている流路の流体の流れ方向に対する流路断面内の
    流速分布を一様とする整流機構を設けたことを特徴とす
    る請求項１ないし９のいずれか１項に記載の流量測定装
    置。