JP2005233859A - 液体用熱式質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度が向上された液体用熱式質量流量計を実現する。
【解決手段】 合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、液温センサの下流側に設けられ配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、伝熱素子と液温センサの配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、断熱部材に液温センサと伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように伝熱素子の温度を制御すると共に一定温度になるように定温度手段の温度を制御する第１の温度制御部と、伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段とを有することを特徴とする液体用熱式質量流量計である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外気温の影響が小さくされて測定精度が向上された液体用熱式質量流量計に関するものである。

液体用熱式質量流量計に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

Ir.H.J.Boer、他１名、"A precision thermal mass flow sensor for (very) small liquid flows."、［online］、ｐ.１、Figure １［平成14年10月21日検索］、インターネット、＜Bronkhorst High-Tech B.V.社ホームページ／Literature／Published Articles、URL http://www.bronkhorst.com/pdf/thermal.pdf＞

従来技術における代表的な液体用熱式質量流量計には、気体用と同じく配管の外側にヒータと複数個の測温センサを取り付け、ヒータ近傍の液体の温度分布の変化を検出して流量を測定するものが周知である。

ここで、加熱又は冷却を行う素子を伝熱素子とよぶ。又、測温センサのうちで、液体が気化しない加熱温度を保つために初期の液温をモニタする測温センサを特に液温センサとよぶ。

具体的な構成は、図３に示すように、例えば、Ir.H.J.Boer、他１名の、“A precision thermal mass flow sensor for (very) small liquid flows.”に示されている（例えば、非特許文献１参照。）。

図において、細管（毛細管）である金属配管１の上流側に設置した第１の測温センサ２と、金属配管１内の被測定液体を加熱するヒータ３と、金属配管１の下流側に設置した第２の測温センサ４とから構成され、第１及び第２測温センサ２、４からの温度により、被測定流体の流量を測定する演算部とから構成されている。

図示しない演算部は、ヒータ３を挟んだ第１及び第２の測温センサ２、４で測定した温度の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）に基づいて被測定液体の流量を算出する。
ここで、ヒータ３の温度が高すぎると気化する場合があるため、加熱する素子ではなくペルチェ素子等で冷却しているものもあるが、これらの原理も同様である。

この方式以外に、ヒータ３の上流側、若しくは下流側のみの温度変化を検出する手法、流速に応じて異なるヒータで消費される熱量を検出して被測定液体の流量を算出する手法がある。
上述した従来技術における液体用熱式質量流量計の場合、伝熱素子から液体へ伝達する熱量が流量に依存した信号であり、配管等外部へ伝達する熱量は誤差となる。

従って、誤差を軽減するために従来は、金属の細管を用いて熱伝導率を高くし、被測定流体を流す配管自体の熱容量を極めて小さくしている。
しかし、使用している金属を腐食するような薬液や、金属イオンの溶出を嫌う液体の流量測定には利用できないという問題がある。

腐食を避けるために樹脂製の配管を用いて同様の構成にすると、樹脂の熱容量が大きいため、配管の厚さを薄くして配管へ伝達する熱量を小さくするか、補正しなければ、液体に伝達する熱量を正確に測定することができないという問題がある。

従って、金属を腐食するような薬液等にも広く使用できるような液体用熱式質量流量計の構造に解決しなければならない課題を有する。

図４は、本願出願人が出願した特願２００２−３２０６４５の要部構成説明である。
図において、５は合成樹脂部材で形成された測定配管であり、図示しない配管の間に設置されている。

６は被測定液体の温度を検出する液温センサで、伝熱素子７より上流側に流入する被測定液体に接液状態で設置されている。
７は被測定液体に熱を伝達する伝熱素子で、液温センサ６より下流側に被測定液体に接液状態で設置されている。

８は伝熱素子７の配管外に露出した部分を覆い、露出した部分からの放熱を防止する断熱部材であり、この実施例では、液温センサ６を覆って形成されている。
９は温度制御手段で、液温センサ６で測定した被測定液体の初期温度（液温）を基準にして、数℃上昇した一定温度になるように伝熱素子７を制御する。

４ｂは外気温度を測定する外気温度測定センサである。
１０は流量計測手段で、伝熱素子で消費される熱量を配管温度および外気温によって補正し、被測定液体の流量を算出する。

このような構成において、信号として検出される伝熱素子７の消費熱量は、被測定液体へ伝達する熱量と、測定配管５や断熱材から外部へ伝達する熱量とがある。
従来のように金属の細管（毛細管）を用いた場合と異なり、配管と同径の合成樹脂部材を用いた場合、熱伝導率が小さく、又、耐圧のため測定配管５の肉厚が厚くなり熱容量が大きくなるため、測定配管５に伝達される熱量は無視できない。

そこで、外気温度測温センサ４ｂを用いて液体以外に伝達した熱量を補正して被測定液体に伝達された熱量を算出すれば流量を測定することができる。
理論的に、測定配管５へ伝達する熱量は、伝熱素子７の温度と測定配管５の温度との差に比例するが、外気温によって配管内の温度分布が変わるため、外気温度で補正することによって、液体以外へ伝達する熱量の影響を除去できる。

その結果、信号は被測定液体へ伝達する熱量となり、液温と伝熱素子７との温度差を一定にコントロールしている場合、信号は被測定液体の流速にのみ依存することとなる。
層流の場合には、信号は流速の平方根に比例する。

温度制御手段９の出力は、伝熱素子７の総放出熱量である。
伝熱素子７から放出される熱量は、最終的に、流体側へ放出されるものと、外気へ放出されるものの２つに分けられ、このうち流体側へ放出される熱量が、流量に応じた信号となる。

外気へ放出される熱量は、流量に依存しないノイズ成分となり、これは外気の温度が変化すると、その分、出力信号が変化して、誤差となる。
また、液温センサ６においても、同様に、外気温に影響を受ける場合がある。

このために、外気温検出のためのセンサ４ｂをとりつけて補正を行なっていた。
この方法の場合、実装方法などにより、伝熱素子７や液温センサ６と外気との間の熱抵抗に個体差が生じると、その都度、外気温補正のための補正係数を個々に算出する必要がある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、伝熱素子から外気へ出て行く熱量を外気温に依存しないようにするために、伝熱素子や液温センサまわりをある一定温度の定温素子で囲い込んで、測定流体以外へ放出される熱量を一定にして、外気温による補正量を小さくして、個体差を小さくするための手段を有する液体用熱式質量流量計を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の液体用熱式質量流量計においては、
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、前記伝熱素子と液温センサの配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、この断熱部材に前記液温センサと前記伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御すると共に一定温度になるように前記定温度手段の温度を制御する第１の温度制御部と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段とを有することを特徴とする。

本発明の請求項２の液体用熱式質量流量計において、
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、前記伝熱素子と液温センサの配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、前記伝熱素子を覆って設けられた第１の定温度手段と、前記液温センサを覆って設けられた第２の定温度手段と、この断熱部材に前記液温センサと前記伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御すると共に一定温度になるように前記第１の定温度手段の温度を制御すると共に一定温度になるように前記第２の定温度手段の温度を制御する第２の温度制御部と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段とを有することを特徴とする。

本発明の請求項３においては、請求項１又は請求項２記載の液体用熱式質量流量計において、
前記定温度手段は、発熱素子と冷却素子とを有することを特徴とする。

本発明の請求項４においては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体用熱式質量流量計において、
前記冷却素子はペルチェ素子が使用されたことを特徴とする。

本発明の請求項５においては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体用熱式質量流量計において、
前記定温度手段は、発熱素子が使用されたことを特徴とする。

本発明の請求項６においては、請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項５記載の液体用熱式質量流量計において、
前記発熱素子は抵抗体からなることを特徴とする。

本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、この断熱部材に前記液温センサと前記伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段とが設けられた。
従って、積極的に外気温の影響を遮断することができる液体用熱式質量流量計が得られる。

本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
液温センサを覆って設けられた第１の定温度手段と伝熱素子を覆って設けられた第２の定温度手段とを有するので、液温センサと伝熱素子とのそれぞれの温度状態に応じて別々に定温度手段の温度を細かく設定でき、より測定精度が向上された液体用熱式質量流量計が得られる。

本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
定温度手段は、発熱素子と冷却素子とを有するので、所定の定温度が設定し易い液体用熱式質量流量計が得られる。

本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
冷却素子はペルチェ素子が使用されたので、ペルチェ素子は市場性があり安価に入手出来るので、安価な液体用熱式質量流量計が得られる。

本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
定温度手段は、発熱素子が使用されたので、冷却素子は必要とされず、安価な液体用熱式質量流量計が得られる。

本発明の請求項６によれば、次のような効果がある。
発熱素子は抵抗体からなるので、抵抗体は市場性があり安価に入手出来るので、安価な液体用熱式質量流量計が得られる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図である。
液温センサ６は、合成樹脂部材で形成された配管５内を流れる被測定液体の温度を計測する。

伝熱素子７は、液温センサ６の下流側に設けられ、配管５内を流れる被測定液体に熱を伝達する。
断熱部材８は、伝熱素子７と液温センサ６の配管外に露出した部分を覆う。
定温度手段１２は、この断熱部材８に液温センサ６と伝熱素子７とを覆って設けられている。

この場合は、定温度手段１２は、発熱素子と冷却素子とを有する。
冷却素子としては、この場合は、ペルチェ素子が使用されている。
発熱素子としては、この場合は、抵抗体が使用されている。

外気温度測温センサ４ｂは、配管５近傍の外気温度を計測する。
第１の温度制御手段９ａは、液温センサ６により計測された温度を基準にして一定温度になるように伝熱素子７の温度を制御する。

第２の温度制御手段９ｂは、液温センサ６により計測された温度を基準にして一定温度になるように定温度手段１２の温度を制御する。
なお、第１の温度制御手段９ａと第２の温度制御手段９ｂとは、第１の温度制御部として一つにまとめても良いことは勿論である。
流量計測手段１０は、伝熱素子７により被測定液体と配管５と断熱部材８と外気に伝達された熱量を外気温により補正し、被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する。

以上の構成において、例えば、定温度手段１２として、抵抗体などの発熱体を伝熱素子７を同じ温度になるようにコントロールされる場合について説明する。
第１の温度制御手段９ａでは、液温センサ６の信号に基づき、それから数℃上昇するように伝熱素子７に熱量を供給している
第２の温度制御手段９ｂは、液温センサ６により計測された温度を基準にして定温度手段１２も同じ温度になるように、定温度手段１２に熱量を供給する。
これにより、定温度手段１２は、常に、伝熱素子７と同じ温度にコントロールされる。

この結果、
伝熱素子７まわりに着目すると、伝熱素子７から放出される熱量は、流体側に放出される流量信号成分のほかに、外気へ放出される成分があるはずだが、伝熱素子７と等しい温度にコントロールされた定温度手段１２が外気との間にあるので、外気へはほとんど放出されない。
伝熱素子７と定温度手段１２間にはほとんど熱量が通過しないので、ここの断熱材８などの熱抵抗は回路の出力信号に、ほとんど影響しなくなる。
当然、外気が変化しても影響はない。
すなわち、断熱材８の実装条件や外気温の影響が限りなく小さくなる構成となる。

液温センサ６まわりに着目すると、ここで測定している温度は、真の流体温度にくわえて、液温センサ６と外気の間の熱抵抗に応じた、外気温の影響を受けた、誤差をもった流体温度信号となる。
ここで、誤差がいつも一定量、すなわち上記の熱抵抗と外気温が一定であれば、ある補正パラメータを一つ決めておけば、補正演算できる。
しかし、外気温は流量計使用状況によって大きく変化し、また、上記熱抵抗も実装条件によって左右される。
ここで、伝熱素子７と等しい温度に加熱された定温度手段１２で囲い込むことで、液温センサ６出力は定温度手段１２の影響を受けるが、一定温度のとなっているため、外気温の影響を遮断することができる。

従って、積極的に外気温の影響を遮断することができる液体用熱式質量流量計が得られる。

定温度手段は、発熱素子と冷却素子とを有するので、所定の定温度が設定し易い液体用熱式質量流量計が得られる。

冷却素子はペルチェ素子が使用されたので、ペルチェ素子は市場性があり安価に入手出来るので、安価な液体用熱式質量流量計が得られる。

発熱素子は抵抗体からなるので、抵抗体は市場性があり安価に入手出来るので、安価な液体用熱式質量流量計が得られる。

図２は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、定温度手段１２は、伝熱素子７を覆って設けられた第１の定温度手段１２ａと液温センサ６を覆って設けられた第２の定温度手段１２ｂとを有する。
第３の温度制御手段９ｃは、液温センサ６により計測された温度を基準にして一定温度になるように第１の定温度手段１２ａの温度を制御する

第４の温度制御手段９ｄは、液温センサ６により計測された温度を基準にして一定温度になるように第２の定温度手段１２ｂの温度を制御する
なお、第１の温度制御手段９ａと第３の温度制御手段９ｃと第４の温度制御手段９ｄとは、第２の温度制御部として一つにまとめても良いことは勿論である。

以上の構成において、伝熱素子７の周りを囲い込んでいる第１の定温度手段１２ａを、伝熱素子７と等しい温度とし、液温センサ６を囲い込んでる第２の定温度手段１２ｂを、流体温度により近い温度とすると、更に精度が向上された液体用熱式質量流量計が得られる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 本発明の他の実施例の要部構成である。 従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。 特願２００２−３２０６４５の要部構成説明図である。

符号の説明

１ 金属配管
２ 第１の測温センサ
３ ヒータ
４ 第２の測温センサ
４ｂ 外気温度測温センサ
５ 配管
６ 液温センサ
７ 伝熱素子
８ 断熱部材
９ 温度制御手段
９ａ 第１の温度制御手段
９ｂ 第２の温度制御手段
９ｃ 第３の温度制御手段
９ｄ 第４の温度制御手段
１０ 流量計測手段
１２ 定温度手段
１２ａ 第１の定温度手段
１２ｂ 第２の定温度手段

Claims (6)

1. 合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、
   この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、
   前記伝熱素子と液温センサの配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、
   この断熱部材に前記液温センサと前記伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、
   前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、
   前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御すると共に一定温度になるように前記定温度手段の温度を制御する第１の温度制御部と、
   前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段と
   を有することを特徴とする液体用熱式質量流量計。
2. 合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、
   この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、
   前記伝熱素子と液温センサの配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、
   前記伝熱素子を覆って設けられた第１の定温度手段と、
   前記液温センサを覆って設けられた第２の定温度手段と、
   この断熱部材に前記液温センサと前記伝熱素子とを覆って設けられた定温度手段と、
   前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、
   前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御すると共に一定温度になるように前記第１の定温度手段の温度を制御すると共に一定温度になるように前記第２の定温度手段の温度を制御する第２の温度制御部と、
   前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段と
   を有することを特徴とする液体用熱式質量流量計。
3. 前記定温度手段は、発熱素子と冷却素子とを有すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体用熱式質量流量計。
4. 前記冷却素子はペルチェ素子が使用されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体用熱式質量流量計。
5. 前記定温度手段は、発熱素子が使用されたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体用熱式質量流量計。
6. 前記発熱素子は抵抗体からなること
   を特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３又は請求項５記載の液体用熱式質量流量計。
   
   

Images