JP2004093180A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】流量センサに加わる温度と流体の温度と温度差に拘わることなく精度の高い流量計測を行い得る簡易な構成の熱式流量計を提供する。
【解決手段】ヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出素子を備えた熱式流量センサと、この熱式流量センサが組み込まれた配管を通流する流体の温度を検出する第１の温度センサと、前記配管の温度を検出する第２の温度センサとを備える。そして上記第１および第２の温度センサにより検出される前記配管の温度と該配管を通流する流体の温度との温度差に従って温度差補正テーブルを参照して、前記熱式流量センサにより検出される前記流体の流量を補正する温度差補正手段を備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量センサが取り付けられた配管の温度の影響を受けることなく、上記配管を通流する流体の流量を高精度に計測することのできる熱式流量計に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
ガスメータ等の積算流量計は、例えば流量センサを用いて所定の流体通路（ガス引込管）を通流する流体（ガス）の瞬時流量を求め、この瞬時流量を積算することで、例えば１ヶ月毎の流体通流量（ガス使用量）を求めるものである。このような積算流量計（ガスメータ）にて求められる積算流量は、直接課金対象となるので、その計測精度が十分に高いことが要求される。
【０００３】
そこで最近では、専ら、計測精度の高い熱式流量センサが用いられている。この熱式流量センサは、基本的には図５に示すようにシリコン基台Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度検出素子Ｒｕ，Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化することを利用し、前記温度検出素子Ｒｕ，Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の質量流速（質量流量）を検出する如く構成される。
【０００４】
尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度検出素子であって、周囲温度（流体の温度）の計測に用いられる。そしてこの熱式流量センサは、上記温度検出素子Ｒｒによって検出される流体の温度よりも前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が一定温度だけ高くなるように駆動され、このときの前記温度検出素子Ｒｕ，Ｒｄの抵抗値変化をセンサ出力（計測値）として求めるものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した熱式流量センサは、例えば図６に示すように流体の通流路をなす配管１０の壁面に取り付けられて使用される。この際、流量センサを配管１０から熱的に絶縁するべく、専ら、そのセンサチップ１をコバール等の台座２に取り付け、更にこの台座２をガラス等の熱絶縁体３を介して配管１０に固定するようにしている。尚、図中４はヒータ駆動回路等を搭載したセンサ回路基板（センサブラケット）であり、５はセンサ回路基板４と配管１０との間をシールするＯリング、６はセンサ回路基板４の固定ねじである。
【０００６】
しかしながらこのような熱的対策を施しても、外気温度の影響を受けて台座２の温度が変化することが否めない。するとこれに伴ってセンサチップ１の温度が変化し、センサチップ１上に形成された前記温度検出素子Ｒｒにより検出される温度と配管１０を通流する流体の温度とに差が生じる。ちなみに前記温度検出素子Ｒｒは、本来的には前述したように流体の温度を検出し、その検出温度に応じて前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度の制御に用いられるものである。この為、図７（ａ）にヒータ素子Ｒｈの発熱駆動の概念を模式的に示すように、ヒータ素子Ｒｈを流体の温度（例えば２０℃）よりも一定温度（例えば４５℃）だけ高く発熱駆動しようとしても、実際的には図７（ｂ）に示すよう温度検出素子Ｒｒがセンサチップ１の温度（例えば２１℃）を検出し、この温度よりも一定温度（例えば４５℃）だけ高くヒータ素子Ｒｈを発熱駆動してしまう。この結果、流体の加熱温度にずれが生じ、流量センサにより計測された流量に誤差が生じることになる。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流量センサが備える温度温度検出素子により計測される流体の温度、即ち、センサチップの温度と、実際の流体の温度とに温度差がある場合であっても、その温度差に拘わることなく精度の高い流量計測を行い得る簡易な構成の熱式流量計を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、ヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出素子を備えた熱式流量センサを用い、上記ヒータ素子を流体の温度よりも一定温度だけ高く発熱駆動して第１および第２の温度検出素子によりそれぞれ検出される温度の差から流体の流量（流速）を検出するものであって、
特に前記熱式流量センサが組み込まれた配管を通流する流体の温度を検出する第１の温度センサと、前記配管の温度を検出する第２の温度センサとを備え、
これらの第１および第２の温度センサにより検出される前記配管の温度と該配管を通流する流体の温度との温度差に従って前記熱式流量センサにより検出される前記流体の流量を補正すること（温度差補正手段）を特徴としている。
【０００９】
即ち、本発明は配管を通流する流体の温度を第１の温度センサにて検出すると共に、前記配管の温度を第２の温度センサを用いて検出し、これらの温度差に従って前記流量センサにおけるヒータ素子の発熱温度のずれ（温度差）を求め、この発熱温度のずれに起因する前記流量センサの検出出力の変動を補正するようにしたものである。
【００１０】
好ましくは前記第１の温度センサは、前記配管内の略中央部における流体の温度を検出するように設けられ、また前記第２の温度センサは、前記配管の壁面温度を検出するように設けられる。特に前記第２の温度センサを、前記配管の周方向に離れた複数箇所にそれぞれ設け、その平均値として前記配管の壁面温度を検出するようにすることが好ましい。
【００１１】
また本発明の好ましい態様は、前記温度差補正手段は、前記第１および第２の温度センサにより検出された温度差と前記流体の流速とに応じて温度差補正テーブルを参照し、該温度差補正テーブルから補正量を求めて前記流体の流量を補正するように構成される。ちなみに前記温度差補正テーブルは、前記配管の温度と該配管を通流する流体の温度との差に応じた前記熱式流量センサの出力変動量を、流速の異なりに応じた変動特性として登録したものとして構築される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る熱式流量計について説明する。
この熱式流量計は、概略的には図１に示すように、所定の流体通路をなす配管１０の周壁に該配管１０内を通流する流体（ガス）の流速（流量）を計測する為の複数（例えば４個）の熱式流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを設けると共に、前記流体の温度を検出する為の第１の温度センサ１２ａおよび前記配管１０の温度を検出する為の２個の第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃと、前記流体の圧力を検出する為の圧力センサ１３とをそれぞれ設けて構成される。
【００１３】
ちなみに４つの熱式流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、基本的には前述した図５に示す素子構造を有するものである。そしてこれらの熱式流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、例えば低流量域検出用の低速流量センサ１１ａ，１１ｂと、高流量域検出用の高速流量センサ１１ｃ，１１ｄとからなる。そしてこれらの流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、円筒状の配管１０の周方向に沿って９０°間隔で、その左上側、右上側、左下側、および右下側からなる対角方向の４箇所にそれぞれ対向して設けられる。またサーミスタ等からなる第１の温度センサ１２ａは、配管１０の略中央部に向けて突出して該配管１０内の流体（ガス）の温度を検出するように設けられる。更に第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃは、前記配管１０の互いに対向する面にそれぞれ設けられる。ちなみにこれらの第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃについては、前記低速流量センサ１１ａ，１１ｂよりも前記高速流量センサ１１ｃ，１１ｄに近傍に設けることが好ましい。
【００１４】
尚、低速流量センサ１１ａ，１１ｂおよび高速流量センサ１１ｃ，１１ｄは、前述したヒータ素子Ｒｈと一対の温度検出素子Ｒｕ，Ｒｄとの離間距離を異ならせることで、流速（流量）に対する計測レンジを異ならせたものからなる。また上記各流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、そのヒータ素子Ｒｈの駆動回路や一対の温度検出素子Ｒｕ，Ｒｄの抵抗値差（温度差）を検出するセンシング回路（ブリッジ回路）と共に所定の回路基板に搭載されて前記配管１０に組み込まれている。
【００１５】
これらの各流量センサ（回路基板）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、前記配管１０の外周壁に取り付けられたセレクタ回路基板１４からの制御を受けて作動するものであって、またそのセンサ出力（検出信号）を上記セレクタ回路基板１４を介して出力するようになっている。このセレクタ回路基板１４は、後述する計測装置本体２０にケーブル１６を介して接続されるもので、前記各流量センサ（回路基板）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのインターフェース部をなす。また前記第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、および前記圧力センサ１３もインターフェース部としての上記セレクタ回路基板１４を介して計測装置本体２０に接続される。
【００１６】
さてＣＰＵを主体として構成される計測装置本体２０は、基本的には前記流量センサ（回路基板）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄによりそれぞれ求められる検出信号（センサ出力）に従って、前記配管１０を通流する流体（ガス）の瞬時流量Ｑを算出する流量演算部２１を備える。またこの計測装置本体２０は、前記第１の温度センサ１２ａにより検出される流体（ガス）の温度に応じて、前記検出信号（センサ出力）を温度補正する為の温度補正テーブル２２を備えると共に、前記圧力センサ１３により検出される流体（ガス）の圧力に応じて、前記検出信号（センサ出力）を圧力補正する為の圧力補正テーブル２３を備えている。
【００１７】
更にこの計測装置本体２０が特徴とするところは、前記温度差補正テーブル２４を備え、前記第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによりそれぞれ検出される流体の温度と配管１０の温度との差（温度差）に従って上記温度差補正テーブル２４を参照して前記流量センサ１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）により検出された流体の流量を温度差補正する機能（温度差補正手段）を備えた点にある。
【００１８】
具体的には温度差補正テーブル２４は、流体の温度と配管１０の温度との差に応じた前記流量センサ１１の検出出力（流量）の変動量を、その流速の異なりに応じた変化特性として予め登録したものからからなる。具体的には上記流体の温度と配管１０の温度との差に応じた前記流量センサ１１の出力変動は、配管１０に流速センサ１１を組み込んだ試験体を恒温槽に設置し、その雰囲気温度と流体の通流速度（流量）を変えながら、そのときの前記流量センサ１１の出力（検出流量）を実測することによって求められる。
【００１９】
このようにして求められる流量センサ１１の出力変動量は、流速に依存するものの、雰囲気温度に拘わらず図２に特性Ａとして示すように単位温度当たりの変動割合（％／１℃）がほぼ一定であることが確認された。即ち、流体の温度と配管１０の温度との差に起因する流量センサ１１の出力変動量は、専ら、流体の流速に依存して変化し、また上記温度差によって変化するものの、その単位温度当たりの変動割合は雰囲気温度の変化に拘わらず流速毎にほぼ一定であることが確認できた。
【００２０】
そこでこの発明に係る熱式流量計においては、このような流体の温度と配管１０の温度との差に起因する流量センサ１１の出力変動を補正するべく、図２に特性Ｂとして示すような、前記変動特性Ａとは逆の特性を流体の流速に応じた単位温度当たりの流量補正量として前記温度差補正テーブル２４に登録している。そして前記第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより検出される前記流体の温度と配管１０の温度との温度差と、そのときに前記流量センサ１１により検出される流体の流速（流量）とに応じて前記温度差補正テーブル２４から温度差補正量（単位温度当たりの補正量）を求め、該流量センサ１１により検出された流量を温度差補正するものとなっている。
【００２１】
即ち、前記流量センサ１１により検出される流体の流速（流量）に応じて前記温度差補正テーブル２４から上記流速での単位温度当たりの補正量を求める。そしてこの単位温度当たりの補正量に、前記前記流体の温度と配管１０の温度との温度差を掛けることにより、その温度差において必要な流量補正量を求める。その上で、この流量補正量を前記流量センサ１１により検出された流体の流量に加算することでその流量を温度差補正し、配管１０を通流した流体の実際の流量を精度良く求めるものとなっている。
【００２２】
かくしてこのような温度差補正によれば、例えば図３に雰囲気温度が−２５℃、４０℃、および６０℃における温度差補正された検出流量の誤差（特性ａ，ｂ，ｃ）と、雰囲気温度が−２５℃のときの温度差補正しなかったときの検出流量の誤差（特性ｄ）とを対比して示すように、温度差補正した場合の計測誤差を１％以下と十分に小さく抑え、その計測精度を十分に高め得ることが確認できた。即ち、本発明においては前記配管１０を通して流量センサ１１のチップ１に加わる温度、つまり温度検出素子Ｒｒが検出する温度と、実際に流量センサ１１上を通流する流体の温度との差を、第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより検出される前記流体の温度と配管１０の温度との温度差として簡易に捉えている。そしてこの温度差に応じて温度差補正テーブル２４を参照することで前記流体の流速に応じた補正量を求めるので、前記流量センサ１１にて検出される流体の流量を簡易にして効果的に温度差補正し、その計測精度を高めることができる。
【００２３】
上述した温度差補正は、具体的には図４に流量演算部２１における概略的な処理手順を示すように実行される。先ず流量センサ１１からのセンサ出力を入力する［ステップＳ１］。次いで前記流体の種別（ガス種）に応じて前記流量センサ１１の検出感度を調整するべく上記センサ出力を補正する［ステップＳ２］。更には前記流体の圧力に応じて前記圧力補正テーブル２３を参照して前記センサ出力を圧力補正すると共に［ステップＳ３］、前記流体の温度に応じて前記温度補正テーブル２２を参照して前記センサ出力を温度補正する［ステップＳ４］。即ち、前記流量センサ１１の検出特性の、流体の種別に依存する変化分、およびその圧力と温度に依存する変化をそれぞれ補正する。その後、前記流量センサ１１の基準検出特性に応じてその個体差を補正し［ステップＳ５］、これらの補正を施したセンサ出力に従って前記配管１０を通流した流体の流量（流速）を求める［ステップＳ６］。
【００２４】
尚、以上の補正処理と、補正したセンサ出力に基づく流量（流速）の算出処理は、前述した４つの流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ毎にそれぞれ行われる。ちなみにこれらの処理は並列的に行っても良く、或いは前述したセレクタ回路基板１４を介して前記各流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのセンサ出力を所定の周期で巡回的に入力する場合には、時分割的に実行することも勿論可能である。
【００２５】
このようにして前記各流量センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄのセンサ出力からそれぞれ流体の流量（流速）が求められたならば、次に各流量（流速）の平均値を求める［ステップＳ７］。そしてこの流量値（流速）と前記第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより検出される前記流体の温度と配管１０の温度との温度差に基づいて前記温度差補正テーブル２４を参照して温度差補正量を求め、上記流量値を温度差補正する［ステップＳ８］。そしてこの温度差補正された流量値を、流量計にて計測された最終的な流量値として出力する［ステップＳ９］。以降、上述した処理を繰り返し実行することで、前記配管１０を通流する流体の流量計測を継続して実行する。
【００２６】
かくして上述した如く構成された熱式流量計によれば、配管１０を通して熱流センサ１１に加わる温度により生じる温度検出素子Ｒｒの検出温度と実際の流体の温度との温度差に起因する前記流量センサ１１の検出出力（検出流量）の誤差を、簡単に補正することができる。しかも配管１０に取り付けた第１の温度センサ１２ａと、第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃとにより配管１０と流体との温度差を検出し、その温度差に基づいた温度差補正を行うと言う簡単な手法により前記流量センサ１１の検出出力（検出流量）の誤差を打ち消すことができる。
【００２７】
この際、２つの第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃによりそれぞれ計測される温度の平均値を配管１０の温度して検出すれば、例えば配管１０の片面側にだけが太陽光により照らされてその温度が高くなっているような場合であっても、その配管１０の温度を正しく評価することができる。また前述したように第２の温度センサ１２ｂ，１２ｃを高速流量センサ１１ｃ，１１ｄの近傍に設けているので、低速流量センサ１１ａ，１１ｂを用いて流量計測している場合でも、上記低速流量センサ１１ａ，１１ｂからの熱的影響を受けることなしに配管１０の温度を正確に検出することができる。尚、高速流量センサ１１ｂ，１１ｃを用いて流量計測している場合には、その流速自体が早いので上記高速流量センサ１１ｂ，１１ｃからの熱的影響を殆ど受けることなしに配管１０の温度を正確に検出することができる。従って配管１０の温度を正確に検出しながら、前述した温度差補正を効果的に行うことができる。
【００２８】
更には前記温度差補正テーブル２４には、温度差に対する補正量を、単位温度当たりの補正量として登録しておけば良いので、温度差補正テーブル２４の構成の簡素化を図ることができる。そして検出流量に応じて前記温度差補正テーブル２４からその補正量を求めるだけでよいので、その温度差補正を複雑な処理を伴うことなしに簡単に行うことができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２９】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば実施形態においては複数の流量センサ１１を備えた流量計について説明したが、流量センサ１１の数は特に限定されるものではなく、また必ずしも低速流量センサと高速流量センサの双方を備える必要もない。また第１および第２の温度センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの数も特に限定されない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流量センサが組み込まれた配管に、流体の温度を検出する第１の温度センサと、配管の温度を検出する第２の温度センサとを設け、これらの温度センサにより検出される配管と流体との温度差に応じて前記流量センサにより検出された流体の流量を温度差補正する。従って配管を通して流量センサに加わる温度に拘わることなく、流体の流量を高精度に検出することができる。しかもその構成の非常に簡単である等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図。
【図２】図１に示す熱式流量計が備える温度差補正テーブルに登録される、流速に応じた温度差補正量の例を示す図。
【図３】温度差補正による流量計測精度の向上結果を示す図。
【図４】図１に示す熱式流量計における流量演算部での概略的な処理手順を示す図。
【図５】熱式流量センサの概略的な素子構造を示す図。
【図６】熱式流量センサの配管への組み込み構造を概略的に示す断面図。
【図７】配管に組み込まれた流量センサに加わる温度に起因する流量検出精度の劣化を説明する為の熱的な模式図。
【符号の説明】
１０　配管（流体流路）
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ　熱式流量センサ
１２ａ　第１の温度センサ（流体温度検出用）
１２ｂ，１２ｃ　第２の温度センサ（配管温度検出用）
１３　圧力センサ
２１　流量演算部
２２　温度補正テーブル
２３　圧力補正テーブル
２４　温度差補正テーブル

Claims (5)

1. ヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出素子を備えた熱式流量センサと、
   前記熱式流量センサが組み込まれた配管を通流する流体の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記配管の温度を検出する第２の温度センサと、
   これらの第１および第２の温度センサにより検出される前記配管の温度と該配管を通流する流体の温度との温度差に従って前記熱式流量センサにより検出される前記流体の流量を補正する温度差補正手段と
   を具備したことを特徴とする熱式流量計。
2. 前記第１の温度センサは、前記配管内の略中央部における流体の温度を検出するものであって、前記第２の温度センサは、前記配管の壁面温度を検出するものである請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記第２の温度センサは、前記配管の周方向に離れた複数箇所にそれぞれ設けられて、その平均値として前記配管の壁面温度を検出するものである請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記温度差補正手段は、前記第１および第２の温度センサにより検出された温度差と前記流体の流速とに応じて温度差補正テーブルを参照し、該温度差補正テーブルから補正量を求めて前記流体の流量を補正するものである請求項１に記載の熱式流量計。
5. 前記温度差補正テーブルは、前記配管の温度と該配管を通流する流体の温度との差に応じた前記熱式流量センサの出力変動量を、流速の異なりに応じて登録したものである請求項４に記載の熱式流量計。

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