JP2007240176A - 熱信号書込装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱信号の書込パターンが明確になる熱信号書込装置を提供すること。
【解決手段】媒体が流れる流路１の適所に固定設置され、流路１内を移動する媒体に熱信号を書き込むための熱信号書込装置１０が、加熱及び／または冷却により所望のパターンで温度変化して熱信号を書き込むためのペルチェ素子１１と、底面側をペルチェ素子１１の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる錐体の先端部が流路１と直接接触する流路支持部材１２と、ペルチェ素子１１の他面側に密着させたヒートシンク１３と、先端部の流路接触面１２ａを除いたペルチェ素子１１及び流路支持部材１２の周囲を断熱樹脂１４で被覆する耐熱被覆部とを具備して構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば媒体に書き込まれた熱信号（温度変化）を検出することにより、流体の移動速度を測定する熱式流速検出装置（流量計）等に適用される熱信号書込装置に関する。

従来より、熱により液体の質量流量を測定する熱式流量計が提案されている。この場合の熱利用は、温度変化の検出、二点間の温度差を検出、あるいは、温度変化の時間差等を検出するものである。
また、流体を媒体とした熱の移動時間の変化から、流路に作用する角速度及び流体の流速を計測する熱移動型流体検知装置が提案されている。この装置では、流路内を流れる流体を交流駆動による発熱体で加熱し、この流体によって伝達される熱を下流側に設けたヒートセンサにより検出することにより、発熱体の駆動信号とヒートセンサの検知信号との位相差から角速度を検出したり、あるいは、ヒートセンサによる検知波形と加熱交流波形との位相差から熱移動時間を求めて流速を割り出すことができるとされる。（たとえば、特許文献１参照）
特開平５−２６４５６７号公報

ところで、上述した熱式流量計においては、その検出精度をより一層向上させるため、熱信号の書込パターンをより明確にすることが求められている。すなわち、熱信号の書込パターンが曖昧かつ不明確なものであれば、下流側で検出される熱信号のパターンはさらに不明確なものになるので、双方の波形等により検出される位相差の誤差も大きくなる。従って、熱信号の書込パターンを明確にすることは、位相差等から算出される流速の検出精度を低向上させるために重要である。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱信号の書込パターンが明確になる熱信号書込装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る熱信号書込装置は、媒体が流れる流路の適所に固定設置され、流路内を移動する媒体に熱信号を書き込むための熱信号書込装置であって、
加熱または冷却により所望のパターンで温度変化させた前記熱信号を書き込むための熱源素子と、底面側を前記熱源素子の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる錐体の先端部が前記流路と直接接触する流路支持部材と、前記熱源素子の他面側に密着させた放熱部材と、前記先端部の流路接触面を除いた前記熱源素子及び前記流路支持部材の周囲を断熱材料で被覆する耐熱被覆部と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

このような熱信号書込装置によれば、加熱または冷却により所望のパターンで温度変化させた熱信号を書き込むための熱源素子と、底面側を熱源素子の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる錐体の先端部が流路と直接接触する流路支持部材と、熱源素子の他面側に密着させた放熱部材と、先端部の流路接触面を除いた熱源素子及び流路支持部材の周囲を断熱材料で被覆する耐熱被覆部とを具備して構成したので、下記の作用が得られる。
１）錐体の先端部が流路と直接接触して熱信号を書き込むため、流路接触面の面積を最小とすることができる。
２）耐熱被覆部が先端部の流路接触面を除いた熱源素子及び流路支持部材の周囲を断熱材料で被覆するため、熱信号の書込位置を流路接触面に限定するとともに、熱信号書込に対する周囲温度の影響を最小とすることができる。
３）熱源素子に放熱部材を密着させて設けたことにより、熱源素子の放熱性が増して所望の温度変化を明確にすることができる。

上記の熱信号書込装置において、前記流路支持部材の先端部は前記流路を両側から挟持して熱信号を書き込むように構成した二分割構造であることが好ましく、これにより、流路の全周を覆うようにして熱信号を書き込むので、流路内を流れる媒体に対し全体的に略均等な熱信号を書き込むことができる。
また、上記の熱信号書込装置において、前記熱源素子はペルチェ素子であることが好ましい。

上述した本発明の熱信号書込装置は、加熱または冷却により所望のパターンで温度変化させた熱信号を書き込むための熱源素子と、底面側を熱源素子の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる錐体の先端部が流路と直接接触する流路支持部材と、熱源素子の他面側に密着させた放熱部材と、先端部の流路接触面を除いた熱源素子及び流路支持部材の周囲を断熱材料で被覆する耐熱被覆部とを具備して構成したので、流路と直接接触して熱信号を書き込む流路接触面の面積を最小にするとともに、熱信号の書込位置を流路接触面に限定して熱信号書込に対する周囲温度の影響を最小とし、さらに、熱源素子の放熱性を増して所望の温度変化を明確にすることができるので、流路を流れる媒体に書き込む熱信号の書込パターンをより明確にするという顕著な効果が得られる。従って、この熱信号書込装置を用いた熱式流量計においては、その検出精度をより一層向上させることができる。

以下、本発明に係る熱信号書込装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示す流速検出装置Ｆは、流路１の適所に設けられて熱信号を書き込む熱信号書込装置１０と、この熱信号書込装置１０から離れた位置で書き込まれた熱信号を検出する温度センサ２０と、熱信号書込装置１０及び温度センサ２０と配線により電気的に接続された制御部３０とを備えている。

熱信号書込装置１０は、媒体が流速ｖで流れる流路１の適所に固定設置され、流路１内を移動する媒体に熱信号を書き込むための熱信号書込手段となる。この熱信号書込装置１０は、流路１を流れる媒体に特定の温度変化を伴う熱信号を書き込むための装置であり、たとえば図１に示すように、ペルチェ素子等の熱源素子１１により加熱または冷却して所望のパターンで温度変化する熱信号を書き込むことができる。
熱源素子１１として好適なペルチェ素子は、ｐ形とｎ形の熱電半導体を銅電極で接合した構成とされ、たとえばｎ形の熱半導体側から直流電流を流すことにより、一方の接合面から吸熱した熱を他方の接合面へ運んで放熱する機能を有している。このような吸熱現象はペルチェ効果と呼ばれており、直流電流が流れる方向を逆（ｐ形の熱半導体側）にすれば熱の移動方向も完全に逆転させることができる。従って、通電を制御して放熱による加熱と吸熱による冷却とを選択切換することにより、加熱及び冷却を逆転させて高精度の温度制御が可能になる。以下では、熱源素子１１をペルチェ素子として説明するが、たとえば金属抵抗（ニクロム線等）による発熱、高周波電磁誘導加熱器、ゼーベック効果素子、レーザー、光源及びマイクロ波を使用することも可能である。

図１に示す熱信号書込装置１０は、一対のペルチェ素子１１を備えている。このペルチェ素子１１は、それぞれの上下両面が熱伝導性に優れている銅製の流路支持部材１２及び放熱部材として設けたヒートシンク１３により挟持されている。さらに、一対のペルチェ素子１１及び流路支持部材１２は、それぞれの周囲が流路１と直接接触して挟持する流路支持部材１２の流路接触面１２ａを除いて、耐熱被覆部を形成する耐熱樹脂１４により被覆された二分割構造とされる。この場合の耐熱樹脂１４は、たとえばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂が好適である。
流路支持部材１２は、流路１との接触面積を最小とするため、たとえば図１（ｂ）に示すような四角錐形状等の錐体とされ、その先端部（頂点部分）に流路１と接触させて熱信号を書き込む流路接触面１２ａが形成されている。
また、一対のペルチェ素子１１は、流路１の略全周を流路接触面１２ａで囲むように挟持した状態で、適当な固定手段により固定される。従って、流路接触面１２ａと流路１とが接触する位置が、熱信号書込装置１０による熱信号の書込位置となる。

温度センサ２０は、熱信号書込装置１０で書き込んだ熱信号の書込位置から離れた所定の検出位置に設置され、検出位置を通過する媒体の温度を検出するための熱信号読取手段である。図２に示す流速検出装置Ｆの構成例では、流路１を流れる媒体の流れ方向において、書込位置から測定距離Ｌだけ下流側に温度センサ２０を設置して検出位置とする。この温度センサ２０としては、たとえばサーモカップル（熱電対）、半導体温度センサ、赤外線センサまたはポジスタを含むサーミスタ等を使用することができる。

制御部３０は、流速検出装置Ｆの制御手段であり、上述した熱信号書込装置１０及び温度センサ２０と配線を介して接続されている。この制御装置３０では、たとえば熱信号の書込位置から検出位置までの移動距離（すなわち、測定距離Ｌ）と、熱信号を検出した時間差とにより、媒体の移動量及び移動速度を演算処理して算出する機能を有している。
図３は、制御部３０の構成例を示すブロック図であり、流速検出装置Ｆで使用する外部電源の供給を受ける電源回路３１と、外部から各種設定等の入力信号を受けるとともに、各種の演算処理及び制御等を行うＣＰＵ３２と、熱信号書込装置１０が熱信号を書き込むためにペルチェ素子１１への通電を制御するドライブ回路３３と、温度センサ２０の検出値を増幅するセンサアンプ３４と、算出した媒体の移動量及び移動速度（すなわち、測定値）を外部へ出力する出力回路３５とを具備して構成される。なお、この場合の外部は、制御部３０に設けられた各種設定用の操作スイッチ類や表示部等でもよいし、測定値を利用して二次的に利用する装置の制御部でもよい。

このように構成された流速検出装置Ｆは、流路１を流速ｖで流れる媒体の移動量及び移動速度を以下に説明する流速検出方法で測定する。この場合、流路１を流れる媒体は、液体、気体及び固体（粉体）のいずれでもよい。また、流路１についても、気体や固体は配管等の密閉されたものに限定されるが、液体については密閉されたものでもよいし、たとえば樋のように一部が開放されたものでもよい。

熱信号書込装置１０のペルチェ素子１１は、制御部３０のドライブ回路３３から通電を受けて加熱または冷却を行って熱信号を書き込む。この熱信号は、ペルチェ素子１１と密着した流路支持部材１２を介して流路１に伝達され、さらに、流路１の壁面から内部を流れる媒体に伝達される。このとき、流路支持部材１２は熱伝導性に優れているので、熱信号書込装置１０で書き込んだ熱信号に大きな損失が発生することはない。また、流路接触面１２ａが流路１と接触する流路接触面の面積を最小としたので、流路１及び内部の媒体に対して熱信号の書込パターンを明確に伝達することができる。すなわち、熱信号書込装置１０が書き込んだ熱信号特有の温度変化のパターンは、流路１内を流れる媒体に対して明確に伝達されて書き込まれる。

熱信号書込装置１０で書き込む熱信号、すなわち特有の書込パターンで温度変化する熱信号は、パルス状の温度変化、正弦波またはこれに類似の温度変化、三角形状またはこれに類似の温度変化等が好適である。このような熱信号の書込パターンは、周波数を適宜変更して特有の熱信号とすることができ、さらに、三角形状の温度変化については、デューティー比を適宜変更して特有の熱信号とすることも可能である。
また、上述した熱信号の書込パターンについては、周波数やデューティー比に加えて、オフセットレベルを適宜変更することにより特有の熱信号として使用することも可能である。

熱信号書込装置１０が特有の温度変化を伴う熱信号を書き込む際には、ＣＰＵ３２からペルチェ素子１１により加熱または冷却を行うタイミング発生の書込制御信号がドライブ回路３３に出力される。ドライブ回路３３は、書込制御信号に基づいてペルチェ素子１１への通電を制御するので、ペルチェ素子１１へ通電する電流の流れ方向や電流値等を適宜変化させることができる。この結果、通電に応じてペルチェ素子１１が所望の加熱や冷却を行うので、特有の温度変化を有する書込パターンで熱信号を媒体に書き込むことができる。

このようにして媒体に書き込まれた熱信号は、媒体の流れとともに流路１内を移動するので、流れ方向の下流に設置された温度センサ２０により検出される。この検出結果は、電気信号として制御部３０のセンサアンプ３４に入力され、ここで増幅した検出値の信号がＣＰＵ３４に入力される。ＣＰＵ３４は、熱信号を書き込んだ書込位置から検出位置までの移動距離に相当する測定距離Ｌが分かっているので、熱信号を書き込んだ時間と検出した時間との時間差により、媒体の移動量及び移動速度を演算処理して算出する。すなわち、測定距離Ｌを移動する熱信号の移動時間となる時間差を算出し、この時間差を測定距離Ｌの熱伝導時間Ｔとする。
上述した熱伝導時間Ｔが分かると、既知の測定距離Ｌと、実験により事前に得ることができる熱伝導速度Ｓとにより、媒体の移動速度Ｖを演算して算出することができる。

こうして媒体の移動速度Ｖが算出されると、流路１の断面積が分かっているので、流速を意味する移動速度Ｖと流路断面積との積から媒体の移動量を算出することができ、この移動量は、媒体の質量に依存しない体積流量となる。そして、制御部３０のＣＰＵ３２で算出された媒体の移動速度Ｖ及び移動量は、媒体の流速及び体積流量を測定したの測定値として出力回路３５から外部へ出力される。
また、上述した流速検出方法では、測定距離Ｌを大きく設定すれば測定の感度は上昇する反面、書き込んだ熱信号は熱伝導等により拡散して消滅することが懸念される。このため、測定距離Ｌの設定が重要になり、測定条件や設定感度等に応じて最適値を選択することが望ましい。

上述したように、本発明の熱信号書込装置１０は、加熱または冷却により所望のパターンで温度変化させた熱信号を書き込むためのペルチェ素子１１と、底面側をペルチェ素子１１の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる四角錐の先端部である流路接触面１２ａが流路１と直接接触する流路支持部材１２と、ペルチェ素子１１の他面側に密着させたヒートシンク１３と、先端部の流路接触面１２ａを除いたペルチェ素子１１及び流路支持部材１２の周囲を断熱樹脂１４で被覆する耐熱被覆部とを具備して構成したので、流路１と直接接触して熱信号を書き込む流路接触面１２ａの面積を最小にするとともに、熱信号の書込位置を流路接触面１２ａに限定して熱信号書込に対する周囲温度の影響を最小とし、さらに、ペルチェ素子１１の放熱性を増して所望の温度変化を明確にすることができる。このため、流路１を流れる媒体に書き込む熱信号の書込パターンをより明確にすることができ、従って、この熱信号書込装置１０を用いた熱式流量計は、その検出精度がより一層向上する。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る一実施形態として熱信号書込装置の構成例を示す図で、（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）の流路支持部材を示す斜視図である。 本発明に係る熱信号書込装置を利用した流速検出装置の一実施形態を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は測定距離Ｌの説明図である。 図２に示した流速検出装置の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 流路
１０ 熱信号書込装置
１１ ペルチェ素子（熱源素子）
１２ 流路支持部材
１２ａ 流路接触面
１３ ヒートシンク（放熱部材）
１４ 耐熱樹脂（耐熱被覆部）
２０ 温度センサ
３０ 制御部

Claims (3)

1. 媒体が流れる流路の適所に固定設置され、流路内を移動する媒体に熱信号を書き込むための熱信号書込装置であって、
   加熱または冷却により所望のパターンで温度変化させた前記熱信号を書き込むための熱源素子と、
   底面側を前記熱源素子の一面に密着させた熱伝導製材料よりなる錐体の先端部が前記流路と直接接触する流路支持部材と、
   前記熱源素子の他面側に密着させた放熱部材と、
   前記先端部の流路接触面を除いた前記熱源素子及び前記流路支持部材の周囲を断熱材料で被覆する耐熱被覆部と、
   を具備して構成したことを特徴とする熱信号書込装置。
2. 前記流路支持部材の先端部が前記流路を両側から挟持して熱信号を書き込むように構成した二分割構造であることを特徴とする請求項１に記載の熱信号書込装置。
3. 前記熱源素子がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱信号書込装置。

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