JP2004045290A

JP2004045290A - 流量計

Info

Publication number: JP2004045290A
Application number: JP2002204750A
Authority: JP
Inventors: Masanori Inoue; 井上　正規; Yasumasa Iwata; 岩田　泰昌; Hirokazu Kitaura; 北浦　宏和
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP4095362B2

Abstract

【課題】流体の温度変化範囲が大きい条件下であっても、流体流量を精度よくかつ安定して測定することのできる流量計を提供すること。
【解決手段】センサ部６が設けられるケース２内の温度と、冷却される前の流体Ｆが流れる管３の温度とに基づいて、前記管３に流入する流体Ｆの温度変化の状態を常にモニターし、このモニターによって得られる情報に基づいて前記管３を冷却する電子冷却装置７の温度を制御するようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱交換の原理に基づいて流体流量を測定する流量計の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小の流体流量を測定する手段として、熱交換の原理に基づいて流体流量を測定する流量計があり、このような流量計として例えば特公平８−１４６０５号公報に記載されるものが公知である。
【０００３】
図５は、前記流量計のセンサ部５０の構成を概略的に示すもので、この図において、５１は測定対象の流体Ｆが流れる管で、その一部５１ａが電子冷却装置５２によって冷却されるように構成されている。この管５１の電子冷却装置５２で冷却される部位（被冷却部）５１ａよりも上流側の電子冷却装置５２で冷却されない部位（非冷却部）５２ｂに第１温度検出素子５３を設け、電子冷却装置５２の管５１から離れた部位５２ａに第２温度検出素子５４を設け、前記被冷却部５１ａに第３温度検出素子５５を設けている。なお、図示は省略しているが、前記構成のセンサ部５０は、密閉されたケース内に設けられている。
【０００４】
そして、前記第１温度検出素子５３の検出温度と第２温度検出素子５４の検出温度との差が常に所定値になるように電子冷却装置５２を制御しつつ、第３温度検出素子５５の検出温度と第２温度検出素子５４の検出温度との差に基づいて前記管５１内を流れる流体Ｆの流量を測定するようにしている。
【０００５】
上記構成の流量計によれば、管内を流れる流体Ｆの流量を非接触で測定し、かつ微小流量の流体Ｆを測定することができることは勿論のこと、流体Ｆが流れる管５１を電子冷却装置５２で冷却するようにしているので、例えば微小流量の液体を測定する場合において、その液体中に気泡が発生せず、したがって、低沸点液体など気体を発生しやすい液体流量の測定が可能になる。そして、液体中にガスが溶存していてもその影響を受けず、しかも、液体の温度変化に応じて電子冷却装置５２の温度を変化させ、電子冷却装置５２によって冷却されない管の温度と、電子冷却装置５２の温度との差が常に所定の値になるようにしているので、取付け姿勢の影響を受けることがないこととあいまって、精度の高い測定を行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記熱交換の原理に基づく流量計によって流体Ｆの流量を測定する場合、センサ部５０に流れ込む流体Ｆの温度は、センサ感度に大きな影響を及ぼす。すなわち、センサ感度は、熱交換部分である電子冷却装置５２の温度と流体Ｆの温度の差が大きくなるほど大きくなる。そして、上記従来の流量計においては、管５１内に流れ込む流体Ｆの温度は、管５１の非冷却部５１ｂに設けられる第１温度検出素子５３が配置されているケース内の雰囲気温度と同じであるとし、電子冷却装置５２における温度設定を行うようにしていた。
【０００７】
しかしながら、実際に管５１内に流れ込む流体Ｆの温度は、前記雰囲気温度とと必ずしも一致しているわけではない。そのため、実際に使用環境において流体Ｆの温度に変化が生じたとしても、電子冷却装置５２の温度設定値は変化しない。その結果、流体Ｆの温度変化が感度変化となってしまい、流量計測の安定性が大きく損なわれることとなる。
【０００８】
ところで、上記流量計は、僅かな外部リークも許されない流体流路に設けられるため、流体に接触しこれの温度をダイレクトに測定することがきわめて困難である。そして、上述のように、上記流量計においては、流路（管）の外壁の温度を測定している。したがって、実際には、第１温度検出素子５３が設けられているケース内の雰囲気温度と流体温度の中間の温度を測定していることとなっている。そのため、前記センサ部５０の電子冷却装置５２の設定温度を流体温度に完全にリンクさせることができず、流体温度が大きく変化するような場合、流量の測定値に誤差が生ずることがあった。
【０００９】
そのため、従来の流量計の使用に際しては、流体の温度変化範囲ができるだけ小さくなるようにしていたが、流体の温度変化範囲が大きくなっても使用したいといった要望がユーザサイドから出されるようになり、この点、従来の流量計では必ずしも対応できるものとはいえなかった。
【００１０】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、流体の温度変化範囲が大きい条件下であっても、流体流量を精度よくかつ安定して測定することのできる流量計を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の流量計は、センサ部が設けられるケース内の温度と、冷却される前の流体が流れる管の温度とに基づいて、前記管に流入する流体の温度変化の状態を常にモニターし、このモニターによって得られる情報に基づいて前記管を冷却する電子冷却装置の温度を制御するようにしている（請求項１）。
【００１２】
より詳しくは、この発明では、流体が流れる管をケース内を挿通するように設け、前記ケース内に、前記管の一部が電子冷却装置によって冷却されるとともに、前記管の被冷却部位よりも上流側の非冷却部位に第１温度検出素子を設け、電子冷却装置の前記管から離れた部位に第２温度検出素子を設け、前記被冷却部位に第３温度検出素子を設けてなるセンサ部を形成し、第１温度検出素子の検出温度と第２温度検出素子の検出温度との差が常に所定値になるように電子冷却装置を制御しつつ、第３温度検出素子の検出温度と第２温度検出センサの検出温度との差に基づいて前記管内を流れる流体の流量を測定するようにした流量計において、前記ケース内の雰囲気温度を測定するための第４温度検出素子を設け、この第４温度検出素子の検出温度と前記第１温度検出素子の検出温度との差に基づいて前記電子冷却装置の温度を制御するようにしている（請求項２）。
【００１３】
上記構成の流量計においては、センサ部が設けられるケース内の温度と、冷却される前の流体が流れる管の温度とに基づいて、前記管に流入する流体の温度変化の状態を常にモニターし、このモニターによって得られる情報に基づいて前記管を冷却する電子冷却装置の温度を制御するようにしているので、電子冷却装置の設定温度を流体温度に完全にリンクさせることができ、流体温度が大きく変化するような場合であっても、管内を流れる流体の流量を精度よく安定して測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１〜図４は、この発明の一つの実施の形態を示すものである。図１〜図３において、１はこの発明の流量計で、２はその例えばステンレス鋼よりなる直方体形状のケース２には、その内部を挿通するように管３が設けられている。この管３は、例えば外径が０．８ｍｍ、内径が０．６ｍｍのステンレス鋼管よりなり、内部に液体またはガスなどの流体Ｆが流れる。４，５は継手部材である。
【００１５】
前記ケース２内には、次のように構成されたセンサ部６が設けられている。すなわち、７はケース内の管３の一部３ａを冷却する電子冷却装置で、サーモモジュール８とこれの上面側において熱的に緊密に結合されるプレート９と下面側において熱的に緊密に結合されるヒートシンク１０とからなる。そして、サーモモジュール８は、プリント基板１１に開設された開口１１ａ内に位置するように設けられている。また、プレート９は、熱伝導性に優れた素材（例えばステンレス鋼板または銅板）よりなり、その一部９ａが管３の被冷却部位３ａに密着して巻き付けられている。さらに、ヒートシンク１０は、ケース２の下部開口を閉塞するように設けられ、外部に複数の放熱用フィン１０ａを備えている。
【００１６】
前記プリント基板１１は、その上面に電気回路（図示していない）が形成されるとともに、後述する４つの温度検出素子に所定大きさの電流を供給するための定電流回路や、前記電子冷却装置７を制御するための定温度制御回路などが設けられている。また、このプリント基板１１には、外部回路、例えば流量計本体部（図示していない）と接続するための接続端子部（図示していない）１１ｂがケース２の外部に突出している（図１参照）。
【００１７】
そして、１２は管３の被冷却部位３ａよりも上流側の非冷却部位３ｂの温度を検出する第１温度検出素子で、適宜の素子ホルダ１３を介して管表面に設けられている。１４は電子冷却装置７の温度を検出する第２温度検出素子で、プレート９に取り付けられている。１５は電子冷却装置７によって冷却される管３の被冷却部分３ａの温度を検出する第３温度検出素子で、プレート９のホルダ部９ａに取り付けられている。
【００１８】
ここまでの構成は、前記図５に示した従来の流量計と変わるところはない。この発明では、ケース２内の雰囲気温度を測定するための第４温度検出素子１６を設け、この第４温度検出素子１６の検出温度と第１温度検出素子１２の検出温度との差に基づいて電子冷却装置７の温度を制御するようにしている。すなわち、この実施の形態においては、前記第４温度検出素子１６は、プリント基板１１の表面であって、第１温度検出素子１２に比較的近い部位に設けられている。なお、第４温度検出素子１６の設置位置は、ケース２内の雰囲気温度を測定できる部位であればどこでもよい。また、ケース２は、その内部が外部と遮断された気密状態となるように、ケース２の上部の開口は適宜の蓋部材（図示していない）によって閉塞されるとともに、管３の挿通部分やプリント基板１１の突出部分は、適宜のコンパウンドによって隙間が生じないように構成されている。また、上記構成のセンサ部６は、本体側（図示していない）の演算制御部によって制御されるように構成されている。
【００１９】
次に、上記流量計の作動について説明する。上記構成の流量計において、温度検出素子１２，１４，１５に対してそれぞれ定電流回路によって所定の大きさ（例えば１．０ｍＡ）の電流を流すとともに、第１温度検出素子１２の検出温度Ｔ_１と第２温度検出素子１４の検出温度Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が所定の値（例えば１０℃）となるように、定温度制御回路において例えばＰＩＤを用いて電子冷却装置７を制御する。
【００２０】
前記条件下において、管３内に流体Ｆが流れていないときは、電子冷却装置７のプレート９上は全て同一温度であるから、第３温度検出素子１５の検出温度Ｔ_３と第２温度検出素子１４の検出温度Ｔ_２とは等しく、すなわち、差（Ｔ_３−Ｔ_２）はゼロである。そして、管３内に流体Ｆが流れているときは、第３温度検出素子１５の検出温度Ｔ_３は、前記流体Ｆの流量に比例して上昇するので、第３温度検出素子１５の検出温度Ｔ_３と第２温度検出素子１４の検出温度Ｔ_２との間に差（Ｔ_３−Ｔ_２）が生ずる。したがって、前記差（Ｔ_１−Ｔ_２）が所定の値になるようにして、差（Ｔ_３−Ｔ_２）を得ることにより、管３内に流れる流体Ｆの流量を求めることができるのである。
【００２１】
ところで、管３内を流れる流体Ｆの流量に対応する流量信号は、流体Ｆの温度Ｔ_１と電子冷却装置７の温度Ｔ_２との差に比例し、この温度差が大きければ流量信号は大きくなる。したがって、温度Ｔ_１を正確に測定する必要がある。
【００２２】
そこで、電子冷却装置７の設定温度と流体Ｆの温度との温度差を常に一定の大きさに維持するため、前記温度検出素子１２，１４，１５が設けられているケース２内の雰囲気温度を第４温度検出素子１６によって検出し、この温度検出素子１６の検出温度Ｔ_４と第１温度検出素子１２の検出温度Ｔ_１との差（Ｔ_４−Ｔ_１）を、電子冷却装置７の温度制御値に加算して、流体Ｆの温度変化に追従するように、電子冷却装置７の温度を制御するのである。
【００２３】
例えば、今、第１温度検出素子１２の検出温度Ｔ_１と第２温度検出素子１４の検出温度Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）が１０℃）となるように、定温度制御回路において例えばＰＩＤを用いて電子冷却装置７を制御する場合、電子冷却装置７の温度Ｔ_７は、下記（１）式のように制御する。すなわち、
Ｔ_７＝１０℃＋α（Ｔ_４−Ｔ_１）　　　　　　　　　　　　……（１）
但し、α：補正係数
【００２４】
したがって、例えば、流体Ｆの温度がマイナス側にシフトした（低くなった）ときには、前記温度差（Ｔ_４−Ｔ_１）はプラスにシフトし、流量信号はマイナスにシフトする。この場合の補正は、電子冷却装置７の温度制御値（Ｔ_１−Ｔ_２）に温度差（Ｔ_４−Ｔ_１）を加える。このようにすることにより、電子冷却装置７の設定温度と流体Ｆの温度との差が大きくなり、流量信号はプラスにシフトし、流量信号の補正が行われることとなる。逆に、流体Ｆの温度がプラス側にシフトした（高くなった）ときにも、上記と同様にすることにより、流量信号の補正を行うことができる。
【００２５】
図４は、この種の流量計の流体Ｆの温度変化とセンサ出力との関係を概略的に示すもので、横軸は流体Ｆの温度変化（℃）、縦軸はセンサ出力（Ｖ）をそれぞれ示している。そして、図５に示す従来の流量計においては、必要な精度幅Ａ内で測定を行う場合、管３内を流れる流体Ｆの温度変化幅としては、図中の符号Ｂで示すように、０℃を中心に余り大きくとれなかったが、この発明の流量計によれば、図中の符号Ｃで示すように、従来に比べてかなり大きくとれりようになり、したがって、温度変化の大きな流体Ｆの流量をも精度よく安定して測定することができるようになった。
【００２６】
なお、上記温度検出素子１２，１４，１５，１６としては、リニアサーミスタ、白金温度計、抵抗温度素子、巻線、熱電対などを好適に用いることができる。そして、管３は、ステンレス鋼以外に、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属材料のほか、その肉厚を薄くした場合にはフッ化エチレン樹脂、ポリマー系などによって構成してもよい。また、この発明の流量計は、液体のみならず、空気やアルゴンあるいは腐食性ガスなどの気体の流量測定にも使用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の流量計においては、センサ部が設けられるケース内の温度と、冷却される前の流体が流れる管の温度とに基づいて、前記管に流入する流体の温度変化の状態を常にモニターし、このモニターによって得られる情報に基づいて前記管を冷却する電子冷却装置の温度を制御するようにしているので、電子冷却装置の設定温度を流体温度に完全にリンクさせることができ、流体温度が大きく変化するような場合であっても、管内を流れる流体の流量を精度よく安定して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の流量計の構成を概略的に示す平面図である。
【図２】前記流量計の縦断面図である。
【図３】前記流量計を透視して示す斜視図である。
【図４】熱交換の原理に基づいて流体流量を測定する流量計における流体の温度変化とセンサ出力との関係を概略的に示す図である。
【図５】従来の流量計のセンサ部の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
２…ケース、３…管、６…センサ部、７…電子冷却装置、Ｆ…流体。

Claims

センサ部が設けられるケース内の温度と、冷却される前の流体が流れる管の温度とに基づいて、前記管に流入する流体の温度変化の状態を常にモニターし、このモニターによって得られる情報に基づいて前記管を冷却する電子冷却装置の温度を制御するようにしたことを特徴とする流量計。
流体が流れる管をケース内を挿通するように設け、前記ケース内に、前記管の一部が電子冷却装置によって冷却されるとともに、前記管の被冷却部位よりも上流側の非冷却部位に第１温度検出素子を設け、電子冷却装置の前記管から離れた部位に第２温度検出素子を設け、前記被冷却部位に第３温度検出素子を設けてなるセンサ部を形成し、第１温度検出素子の検出温度と第２温度検出素子の検出温度との差が常に所定値になるように電子冷却装置を制御しつつ、第３温度検出素子の検出温度と第２温度検出センサの検出温度との差に基づいて前記管内を流れる流体の流量を測定するようにした流量計において、前記ケース内の雰囲気温度を測定するための第４温度検出素子を設け、この第４温度検出素子の検出温度と前記第１温度検出素子の検出温度との差に基づいて前記電子冷却装置の温度を制御するようにしたことを特徴とする流量計。