JP2007529749A - 低流量流体の高精度測定及び制御 - Google Patents

低流量流体の高精度測定及び制御 Download PDF

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Abstract

低流量の流体の流れが流れ感知装置で測定され、測定装置を流体の流れ経路の中へ導入することなく、制御されることができる。流れ感知装置は、測定値に及ぼす周囲温度及び流体温度の影響を少なくするために、ハウジングの中に収容される。流体が流れ感知装置の中の流体管の中を流れると、流体管が加熱されて、流体に熱が加えられる。熱センサーは、温度を検知するために、流体管の流体の流れ方向に互いに間隔をあけて配置される。流体管に加えられる熱量は、熱センサー間に所定の温度差が維持されるように制御される。加えられた熱量の測定値は、流体の流量と高い精度で比例している。
【選択図】 図４

Description

＜関連出願＞
本発明は、２００４年３月１７日に出願された米国特許出願第１０／８０３１４９号、発明の名称「低流量流体の高精度測定及び制御」に関して、米国特許法第１１９条ｅ項に基づく利益を主張する。
＜発明の分野＞
本発明は、一般的には放射線治療に関する。より具体的には、腫瘍の原体放射線治療に関し、特に、原体放射線治療に関する放射線治療処理計画システム、方法及び装置に関する。
＜関連技術の記載＞
管体の中を通る流体の流れ(flow)又は流量(flow rate)が非常に少ないとき、これまでの流れセンサーでは、流体の流れ又は流量を測定することが困難である。多くの流体センサーは、流量が非常に少ないときは正しく作動しないからである。例えば、タービンホイールの流れセンサーのような流量計は、ホイールを回転させるための流体のエネルギーが不足して動作することができない。差圧式の流れセンサーは低流量でも機能することができるが、低流量に必要な流量オリフィスが小さいため、流体中に懸濁粒子があると、粒子で詰まり易い。また、オリフィスを通る圧力の低下が著しくなる。
熱式流れセンサーの多くは、温度感知機構を抵抗ブリッジ回路として又は温度変動の全領域の一部として有しており、これにより、流量変化は、センサーの２つの半体に対し、同等及び反対の作用を及ぼす。これはセンサーの範囲を限定することになり、周囲温度の変化が精度に影響を与える。
特殊な流れ感知技術による試みも行われている。例えば、米国特許第５０３５１３８号は、ガスが流れるチューブ又は管体に特別な合金の抵抗性材料を用いている。特別な合金は、電気抵抗性が高く、抵抗の温度係数が高いものが選択される。抵抗性合金の管体の所定位置に電圧差が加えられる。管体の抵抗性材料は、加えられる電圧差に応じて、管体の中を流れる流体を加熱するのに用いられる。抵抗性合金材料は、流体を加熱すると共に、流れ状態のインジケータとして作用する。管壁の複数の離間位置が温度感知抵抗器として作用し、管内を流れる流量が変化したときに電圧差として現れる。この特許の流れセンサーは、流体が流れる管体を、温度変化の関数としての抵抗値の変化が大きい特別な抵抗性合金から形成する必要があった。
＜発明の要旨＞
本発明は、流体が通る管体内の流体の流れを測定する新規でかつ改良されたシステムを提供するものである。システムは、ハウジングの中に収容された流れ感知装置を含んでおり、ハウジングの中に収容されることで、流れの測定値に対する好ましくない温度の影響が低減される。流れ感知装置は、管体に互いに間隔を存して配置された２以上の熱感知器を含んでいる。熱感知器は、配置された各位置での流体と管体の温度を測定する。２以上の電力供給手段(power applicators)が、管体の長さ方向の異なる部位に配備される。電力供給手段は、前記位置間が設定された温度差になるように、電力をパルス電流の形態で管体に印加して、管体及び管体内の流体を加熱する。制御機構は、設定された温度差を維持するために、電力供給手段に供給された電力レベルを測定し、測定されたエネルギーに基づいて流量を表示する。
本発明はまた、測定された流量における流体の流れを制御するようにしたものである。流体の流れの測定値に応答可能な流れ調節弁を配備しており、流体の流れは、測定された流体の流量に基づいて、所望の流量に制御される。
本発明は、管体内の流体の流れ経路の中に、どんな感知装置も配置する必要はないので、管体の直線的な流れ設計が可能となる。本発明は、流量測定のために極く僅かな温度差があればよいので、温度感受性の高い流体の品質低下は起こらない。
本発明による流量測定は、圧力低下を比較的少なくすることができる。本発明に基づいて流れ測定が行われる管体は、ステンレス鋼のような導電性材料から作られており、管体の内部は、適当な耐食性合成樹脂フィルムでコーティングされることができる。
＜発明の詳細な記述＞
図面中、符号Ｓは、ハウジング本体Ｂの中に配備された管体Ｃの中を、矢印Ａの方向に流れる流体の流れを測定する本発明のシステムを示している。流体は、気体又は液体であり、本発明は、特に、管体Ｃの中を流れる低流量の流体測定ができるようにしている。後記するように、本発明のシステムＳは、気体又は液体の如き流体について、毎分あたりミリリットルの流量を感知することができる。
管体Ｃは、測定される流体が入ってくる入口部(10)を有している。管体Ｃは、電流に対して抵抗性の低い公知のステンレス鋼(例えば、３０４又は３１６ステンレス鋼)から作られている。この種の材料は、抵抗温度係数(thermal coefficient of resistance)が小さいので、温度変化による管体Ｃの抵抗の変化を最小にすることができる。入口部(10)は、断面円形であり、円筒形の筒状壁(10a)によって囲まれる内部通路(11)の中を流体が流れる。本発明の一実施例では、入口部(10)は、外径０.０５０インチ、内径０.０２インチである。流量測定される流体が腐食性流体の場合、管体Ｃの内壁(10a)は、適当な耐食性材料でコーティングされるか又はスリーブで被覆される。耐食性材料として、フッ素化炭化水素その他の耐食性合成樹脂フィルムのコーティングがある。
第１の熱感知器つまり熱電対(12)又はその他感知された温度を電気的に表示できる適当な熱感知装置が、適当な技術を用いて、入口部(10)に取り付けられる。熱電対(12)は、管の入口部(10)の周囲温度又は基準温度及びシステムＳで測定されるべき入流体を感知する。熱伝達部(heat transfer section)(14)は、管体Ｃの入口部(10)の移行領域(16)から流体の流れの下流方向に形成される。移行領域(16)において、管体Ｃは、円筒形又は筒状形の断面から、熱伝達がより良好な形状に変化する。これについては後で説明する。
モネル(Monel)の半田タブ又は他の適当なコネクタの形態をした電力供給手段電気接点(18)が、クランプ留め又はレーザー溶接により又は同様な技術により、管体Ｃの熱伝達部(14)に形成される。接点(18)は熱伝達部(14)と機械的又は電気的に接触しており、導電体(20)を介してシステムＳの電子制御回路Ｅ(図１及び図３参照)に接続される。望ましい実施例において、導電体(28)は銅線網組導体であるが、他の適当な導電体を用いることもできる。本発明では、基準温度感知用の熱電対(12)が配置される位置は、熱伝達部(14)の外側で熱伝達部の上流である。
管体Ｃの熱伝達部(14)は、移行領域(16)から第２の移行領域(22)まで延びて、円筒形の出口部(24)に繋がっている。管体Ｃは、第２の移行領域(22)で円形断面に戻る。電気接点(18)と同様な形態の電力供給手段電気接点(26)が、接点(18)と同じ要領にて、管体Ｃの移行領域(22)及び出口部(24)に隣接する位置に形成される。電気接点(26)は、導電体(20)と同様な形態の導体(28)により、電子回路Ｅに接続される。第２の熱感知器つまり熱電対(30)又は熱電対(12)と同一又は同タイプの他の適当な熱感知装置が、管体Ｃに配備される。
望ましい実施例において、第２の熱感知用熱電対(30)は、管体Ｃの電気接点(18)と電気接点(26)の間に配備される。本発明では、望ましい位置は、電気接点(18)と(26)の中間位置又は熱伝達部(14)のほぼ中央部である。第２の熱感知器(30)は、熱伝達部(14)に沿って、熱電対(12)と適当な間隔をあけて配置され、測定可能な温度差が存在する位置で管体Ｃ及びその内部流体の温度が検知される。第２の温度感知用熱電対(30)は、熱伝達部(14)の温度上昇を全て検出する。それゆえ、温度上昇が一定の場合、温度差の応答は、システムＳに入ってくる流体の周囲温度の変化に敏感でない。また、前述した管体Ｃのステンレス鋼材料であるので、センサーの出力は、流体の周囲温度の変化に対する感受性がより悪くなる。熱伝達量は流体の流量で変化するので、これは、感知要素の抵抗の変化を利用する流れセンサーとは対照的である。
後述するように、電流は、電気接点(18)(26)間で管体Ｃの壁にある熱伝達部(14)を流れて、管体Ｃの熱電対(12)(30)間における所定の温度差が維持される。
熱伝達部(14)は、移行領域(16)から移行領域(22)までの熱伝達領域について、プレス又は他の適当な機構を用いて扁平化されており、管体Ｃから、その内部を通る流体への熱伝達がより効率良く行われるようにしている。例えば、熱伝達部(14)は、入口部(10)及び出口部(24)の円筒形状から、１インチ未満、望ましくは約０.４０インチ未満の区間で扁平化される。扁平化された熱伝達部は、図示の如く、横方向に広がり、ほぼ平らな上下壁(32)(34)を有し、断面は平坦部を有する楕円形である。上壁(32)と下壁(34)の各端部は、アーチ形の側壁(35)(図３参照)で繋がっており、扁平な内部通路(36)は、幅０.０４６インチ、高さ０.０２０インチである。なお、熱伝達部は、必ずしも平坦部を有する楕円形になるまで扁平化する必要はなく、要求される熱伝達の程度に応じて、卵形により近い楕円形状でもよい。
熱伝達部(14)の形状により、管体Ｃの壁がもつ熱質量と流体通路(36)との熱接触が向上し、流体が管体Ｃの熱伝達部(14)を通るとき、管体Ｃの中の流体は熱的に均一になる。熱伝達部(14)の扁平化された断面形状の楕円度は適当な程度であればどのようなものでもよく、測定される流体に予想される最大流量以下の流量範囲に亘って著しい圧力低下を生ずることなく、所望の熱伝達を達成できる。
流れ感知装置Ｓは、ハウジング本体Ｂのブロックハウジング(40)(図１１参照)の中に全体が収容される。前記ブロックハウジングは、導電性金属、好ましくはアルミニウムから作られる。流体管(11)は、直管であり、ブロック(40)の一方の側に入口、ブロック(40)の他方の側(40b)に出口を有している。流体管(11)はその全体がブロック(40)の中に収容され、ブロック(40)の境界から外部へはみ出ないようにしている。前述の如く、流体管(11)は、外部に取り付けられたヒータを有しない。ヒータではなく、加熱機構は、管体Ｃに機械的及び電気的に取り付けられた電気コネクター(18)(26)の取付によってもたらされる。管体Ｃは、両端が、フェルール(ferrule)(42a)(42b)によって支持されている。フェルール(42a)(42b)は、適当な絶縁性合成樹脂から作られており、該樹脂として、優れた絶縁体であるＰＴＦＥ又はグラファイト型材料を挙げることができる。
流体管(11)は、コネクター(18)(26)の間で電気エネルギーパルスを受ける。しかしながら、流体管(11)は、絶縁性フェルール(42a)(42b)により、ブロックから絶縁されている。また、流体管(11)の全体がアルミニウムブロック(40)の本体の中に収容されている。それゆえ、ブロック(40)の外側の全ての存在物に対して電気的伝導は起こらない。
また、流体管(11)の流体媒体を通じて、外部環境へ電流の伝導が起こってはならない。流体媒体が、ＤＩつまり脱イオン化した水のような液体である場合、水の電気抵抗は非常に高く、水の中を通る実質的な電気経路は存在しない。流体媒体が酸等のようにより導電性の液体である場合、前述の如く、流体管(11)には、その内壁に、ＰＴＦＥ又は同等の合成樹脂のような耐食性及び絶縁性材料のコーティングを設ければよい。この種の合成樹脂コーティングは、電気絶縁性と耐食性をもたらす。外部接続のために合成樹脂の管を用いることにより、迷走電流を最小にすることができる。
また、流体は、流体管(11)の入口ポート(11a)及び出口ポート(11b)に配置されたステンレス鋼の接続具(41a)(41b)と接触しながら流れるので、流体管(11)内の液体の中へどんな僅かな電流が誘導された場合でも、その電流はアースへ導かれる。接続具(41a)(41b)は、ブロック(40)と電気的及び機械的に接触している。
温度感知用熱電対(12)の上流で、流体管(11)の入口部(11i)の周りに、熱交換器の筒状本体(43)が配置される。熱交換器本体(43)は、アルミニウム又は同種材料等の適当な材料から形成される。熱交換器本体は、ＰＴＦＥ又はその他適当な合成樹脂からなる薄肉絶縁性壁であるチュービング(44)により、流体管とは電気的に絶縁されている。チュービング(44)は、流体管(11)の外面と円筒形状の熱交換器(43)の内面との間に配置される。熱交換器(43)とチュービング(44)の間にある全ての空隙は、必要に応じて、放熱用コンパンド(heat sink compound)で詰めることができる。これは、熱交換器と流体管との間に緊密な熱結合を得るために行われる。
周囲環境又は流れセンサーブロック(40)とは異なる温度で流れセンサーの入口ポート(11a)に入ってくる流体に対しては、流体が温度センサー(12)に達する時までに、熱交換器(43)により、流体の温度はブロック(40)の温度と等しくされる。熱交換器筒状体(43)は、アルミニウムのブロック(40)の中へ挿入され、該ブロックと緊密な熱接触状態におかれる。
温度センサー(12)(30)は、コネクターの端子ブロック(45)に電気的に接続される。ライン(50)(52)で作成されたΔＴ信号は、前述の如く、温度センサー(12)(30)によって作成された電圧を差し引いて得られた電圧である。端子ブロック(45)は、アルミニウムブロック(40)の内部の凹み位置に配備される。端子ブロック接続部(45a)(45b)に温度勾配があると、熱電対の銅線ジャンクションは新たな熱電対ジャンクションとして作用することになり、これによりΔ信号にエラーが生じる。このような信号エラーを防止するために、ブロック(40)内に端子ブロック(45)が配置される。
流れセンサー管(11)、熱電対の温度センサー(12)(30)、及び端子ブロック(45)は、アルミニウムブロック(40)の中に適当に形成されたレセプターの凹所に埋設される。アルミニウムブロック(40)は十分な質量を有しているので、管体、温度センサー及び端子ブロックは、周囲温度及び／又は流体温度が変動しても、温度分布勾配は最小になる。それゆえ、流れセンサーからの出力測定値は、外部環境条件による影響を受けないので高精度である。図１１の要素を囲むために、夫々の中空部にカバー板が配備される。アルミニウムブロック(40)の各々の中空部の内容物は、レクソン型(lexon-type)合成樹脂又はその他適当な材料から作られた被覆板で密閉される。
或いはまた、流体の流れが管体Ｃの外側表面の上となるように、管体Ｃを外側ハウジングの内部に配置することもできる。外側表面は、好ましくは、前述した適当な種類の耐食性材料でコーティングされる。この場合、管体Ｃの外径は０.０５０インチであり、計測器の接続部は内側部の中にある。管体Ｃは、流体を加熱し、管体Ｃの外側表面は、前述した要領にて熱を伝達するために、流体の流れと接触している。この配置は、使用する管体を、耐食性コーティングの適用により適したものにすることができる。また、管体Ｃと外側ハウジングの間のシール形成をより容易に行ない、維持することができる。
本発明の電子回路Ｅは、電流の形態で電力供給手段電気接点(18)(26)へ供給し、管体Ｃの中の流体を加熱し、温度感知用熱電対(12)(30)の位置の間で、所定の温度差を維持する。熱電対(12)(30)は、例えば、公知のＪ型又はＫ型熱電対又は同等の機能及び特性を有する他の適当な熱電対を用いることができる。電子制御回路Ｅはまた、インジケータＤによって流体の流量測定可能な所定の温度差を維持するために電気接点(18)(26)へ供給される電力レベルを表す出力を行なう。
システムＳの電子回路Ｅ(図４)において、熱電対(12)(30)は、夫々、電気コネクター(50)(52)により、低ノイズ安定化差動増幅器(58)の入力(54)(56)に接続される。差動増幅器(58)は、従来より市販されている低ノイズ安定化増幅器であり、その後の増幅器段階に送られる測定結果に温度安定性をもたらす。差動増幅器(58)は、リード(60)に出力信号を生成する。この出力信号は、管体Ｃの温度感知用熱電対(12)(30)による検知結果の温度差ΔＴを表す。
リード(60)の温度差信号は、コンパレータ又は計装用増幅器(instrumentation amplifier)(64)の第１入力(62)へ送られる。比較増幅器(64)は、公知の計装用増幅器の一種であり、基準温度差設定を表す信号レベルを第２の入力(66)で受信する。比較増幅器(64)は、リード(68)に出力エラー信号を生成する。この出力エラー信号は、管体Ｃの温度センサー(12)(30)の間で感知された温度差及び第２の入力(66)へ送られた基準温度差の変化を表す。
計装用増幅器(64)の中に含まれるか又は供給される内部基準電圧は、比較増幅器の入力に印加される温度設定基準を作成するために用いられる。計装用増幅器(64)はまた、比較増幅器のゲインの制御を行ない、それゆえ、エラー信号出力(68)のゲインの制御を行なう。この機能の目的については後でより詳しく説明する。
比較増幅器(64)からの出力エラー信号は、リード(68)を通って適応応答回路(adaptive response circuit)(70)(図６参照)へ送られる。適応応答回路(70)は、インテグレータ(70a)、エラー信号ブーストアンプ(70b)、絶対値アンプ(70c)、応答ブースト回路(70d)、加算接続及び信号レベルシフト回路(70e)、パルス幅発生器回路(70f)、双方向スイッチ(70g)及び信号応答感度変調器(70h)を含んでいる。
適応応答回路(70)は、固定されたフィルタリング又は積分時間を使用しない。回路(70)の追跡応答は変動し、流量が多いときは高速応答し、流量がゼロ又はゼロ近傍のときは低速応答する。これが必要なのは、流れがシステムＳに設定される流量範囲の最大流量と最小流量の間で変化するとき、流体管の熱応答の範囲が広いためである。また、出力の変動ができるだけ小さくなるように、流量がゼロに近づくにつれて追跡応答は低下する。
計装用増幅器(64)で生成されたエラー信号は、ライン(68)を通って適応応答回路へ入力される。エラー信号は、エラー信号ブースト増幅器(70b)によって増幅され、ゲインは、エラー信号の振幅によって決定される。振幅が非常に小さいとき、非常に小さい流量変化に対する流れ感知応答が増大するように、増幅器(70b)はより高いゲインを有する。エラー信号が予め決められた大きな振幅になると、増幅器(70b)のゲインは減少する。増幅器(70b)は、導体(71)を通って双方向の信号を送る。導体(71)での信号は絶対値増幅器(70c)によって処理され、導体(71)の信号の極性の如何に拘わらず、単一の極性信号が生成される。その目的は、ゼロボルトから外れるエラー信号の大きさに応答する制御信号を導体(72)に生成することである。エラー信号がゼロボルトのとき、流れセンサーシステムの平衡を表す。
増幅器(70c)の出力は、ライン(72)を通って応答ブースト回路(70d)に送られる。応答ブースト回路(70d)は、ライン(72)からの入力が所定レベルを超えるまで出力しない。そのような時、ライン(73)での出力は、流れセンサーが高速変化する流量を迅速に追跡できるレベルまで増大する。エラー信号が所定レベルより低下すると、応答ブースト回路(70d)の出力は低下して出力しない。このため、システムの高速応答の速度が低下し、応答のオーバーシュートが防止される。
感度変調回路(70h)からライン(74)への出力信号は、流量がゼロ又はゼロに非常に近いときにアクティブになる。導体(74)を通る信号はまた、加算接合(70e)へ送られる。ライン(74)からの信号は、ライン(72)(73)からの制御信号の影響を低減するように制御する働きをがある。加算回路(70e)は、ライン(75)に出力し、出力はパルス幅発生器(70f)へ送られる。
ライン(75)から送られる信号の大きさに応じて、パルス発生器はパルス出力を導体(76)へ出力する。この出力は、発生器(70f)への制御電圧入力に応じて０−９６％の負荷サイクルを有している。ライン(76)を通るパルスは、パルス幅の持続時間に応じて、スイッチ(70g)をオン・オフさせる。パルス幅発生器(70f)は、好適には、高性能電力供給装置で一般に使用され商業的に入手可能な集積回路である。スイッチ(70g)により、インテグレータ回路(70a)へのエラー信号の接続及び非連続の切換えが行なわれる。回路(70a)の時定数(time constant)は、抵抗器(70i)及びキャパシタ(70j)の値によって定められる。この時定数は、前述した入力信号特性によって制御されたパルス幅発生器出力の負荷サイクルのパーセンテージにより増加され得る。インテグレータの時定数は、次の式によって表される。
時定数 ＝ Ｒ70i・Ｃ70j ／ 負荷サイクル％
極性及びインテグレータ(70a)の追跡応答の変化率は、スイッチ(70g)に印加されるライン(68)のエラー信号の大きさ及び極性によって制御される。それゆえ、回路(70)の追跡応答は次の式で表される。
追跡応答範囲 ＝ エラー信号電圧 ／ (Ｒ70i・Ｃ70j／負荷サイクル％)
適応応答回路(70)のライン(86)への出力は、信号感度制御回路(70h)へフィードバックされる。流れセンサー管の出力は、ある流量レベルまでは直線的であるが、ある流量レベルよりも速くなると、感度が低下し始める。この結果、出力がもはや流量に正比例して増加しなくなるところまで、流体管内の温度分布は変化する。しかしながら、この効果は再現可能であり、補償(compensated)されることができる。
このように、ライン(86)の信号は、回路感度制御回路(70h)によって処理され、ライン(86)の信号が所定レベルのとき、制御信号が、ライン(74)を通って前述した加算回路(70e)へ送られる。また、流体が増加し、流れ変化に対する感度が所定レベルまで低下するとき、ライン(86)の信号は、ライン(87)を通って計装用増幅器(64)へ送られる。増幅器(64)のゲインが増加し、流量の如何に拘わらず、流量変化に対して同じ感度を有するエラー信号が補償され送信される。これにより、システムは、流れ範囲全体に亘って迅速かつ円滑に応答する。
適応応答回路(70)の補償がないと、システム応答は、流量が多いときは遅く、流量が非常に少ないときはオーバーシュートするか又は制御不能となる。適応性応答回路(70)により、この流れセンサーＳが処理できるダイナミックレンジは通常よりも大きくなる。当該分野において、「ターンダウン比」という語は、流れセンサーの最大流量能力と最小流量能力の比として知られている。本発明に係る流れセンサーのターンダウン比は、相対的に大きく、２００以上のオーダであった。適応応答回路(70)との組合せ効果により、広い流量範囲に亘って、円滑で迅速な応答を有する出力が得られるように、流れセンサーを制御しながら使用することができる。
適応応答回路(70)からの出力信号はまた、線形化及び出力回路(72)へ送られ、ここで応答信号は線形化され、例えば適当なレベルの直流電圧０−５Ｖに適当にフォーマットされる。線形化及び出力回路(72)の一実施例として、例えば、従来の演算増幅器から構成されるマルチステップ型補正回路を挙げることができ、回路(70)の出力の変調が行なわれる。その結果、回路(72)の出力は、正確な流量を表示し、適当レベルの出力信号が生成される。
回路(72)からの出力信号は、格納され、処理され、適当なインジケータ又はディスプレイＤに表示される。ディスプレイＤには、適当な記録保持機構又はメモリが連繋されている。ディスプレイＤは、例えば、本願の譲受人であるマクミランカンパニー製のモデル２５０ディスプレイを用いることができる。所望により、応答信号はデジタルフォームに変換され、適当なディスプレイＤの中で、デジタル処理、演算及び格納される。出力回路(72)からのディスプレイ出力は、本発明のシステムＳによって、管体Ｃの中の流体について検知された流量の現在値を表す。
適応応答回路(70)の増幅器(70c)の(70a)からの出力応答は、導体(86)を経て、電圧−周波数変換器(74)へ送られる。電圧−周波数変換器(74)は、例えば、商業的に入手可能な位相ロックドループの電圧−周波数部の形態をとることができる。これは、市販の適当な電圧−周波数変換器、つまりＶ/Ｆコンバータであってよい。適応応答回路(70)の増幅器(70c)からの出力応答のレベルにより、変換器(74)から導体(76)を経て送られる信号の出力周波数に適当な相関関係が得られる。変換器(74)からの出力周波数は、パルスドライバー回路(80)へ送られる。電圧−周波数変換器(74)には、較正のために、ゼロ入力(82)及びスパン入力(84)での信号が供給される。
パルスドライバー回路(80)(図７参照)は、電圧−周波数変換器(74)からコネクター(76)を経てドライブパルスを受信する。パルスドライバー回路(80)は、管体Ｃに取り付けられた電気コネクター(18)(26)に対し、導体(20)(28)を通じて接続される。パルスドライバー回路(80)は、電気スイッチ(80a)、好ましくはＭＯＳＦＥＴスイッチと、適当な電源に接続された電力レギュレータ(80b)と、流体の電気エネルギーを、管体Ｃを通る電流パルスとして格納するキャパシタ(80c)を含んでいる。パルスドライバー回路(80)はまた、パルス整形及び安定化回路(80d)と、パルスドライバー回路(80e)を含んでいる。パルスドライバー回路(80)は、低インピーダンスのパルスドライバーであり、スイッチ(80a)が導電性のとき、低電圧、高電流パルスを生成する。スイッチ(80a)が入るのは、電圧／周波数変換器回路(74)の出力周波数によって制御される周波数のときである。パルスドライバー回路(80)からの低電圧、高電流パルスは、管体Ｃの扁平化された熱伝達部(14)のコネクター(18)(26)間の壁(32)(34)を通って流れる。
パルス整形及び安定化回路(80d)は、電圧／周波数変換器(74)からのパルスを、適応応答回路(70)からの信号の大きさによって制御される速度で、ライン(76)を経て受信する。パルス整形及び安定化回路(80d)は、受信したパルスを、約２５マイクロ秒の高精度幅パルスに変換し、ライン(77)に出力する。出力されたパルスは、ライン(77)を経てパルスドライバー回路(80e)に送られ、適当なレベル及び形態の信号が生成され、導体(78)を通じて、電力ＭＯＳＦＥＴスイッチ(80a)へ入力される。パルスドライバー回路(80e)からライン(78)へ出力されたパルスにより、ＭＯＳＦＥＴスイッチ(80e)は非常に短時間でオン・オフが行われるので、スイッチのオン・オフ切換えに要する電力の損失を回避することができる。
パルスドライバー回路(80)は、高精度、高ピークエネルギーのパルスを、ステンレス鋼流体管Ｃへ送信し、迅速かつ高い精度で管体Ｃ及び該管体内を流れる流体を加熱する。パルスドライバー回路(80)を使用することにより、消費される平均電力は少なく、エネルギー損失が少なく、加えられる熱エネルギーは、流体の流れに比例する。
流体が液体のとき、空気と比べて、液体の温度を上昇させるのに必要なエネルギーは多くなる。電気抵抗の小さな管体Ｃを加熱するには、回路の他の部品へ分散されるエネルギー損失ができるだけ少ない精密加熱が可能で効率的なドライブ回路を必要とする。パルスドライバー回路(80)は、液体と気体が大流量と少流量のときに必要な電力の大きな差を制御することができる。
本発明はまた、流れ制御システムＦ(図５)を提供するために用いられることができる。流れ制御システムＦにおいて、システムＳと同様な構成で同様な作用を有するものは同じ引用符号を付している。流れ制御システムＦにおいて、電子回路Ｅの線形化及び出力回路(72)からの出力信号は、管体Ｃの熱伝達部(14)から下流に配置された電気駆動式流れ制御弁(90)に送られる。管体Ｃの中の流体の流量が変化すると、電子回路Ｅから流れ制御弁(90)へ指示が発せられ、管体Ｃを通る流体の流量が所定レベルに調節される。流れ制御弁(90)は、本願の譲受人であるマクミランカンパニー製の公知のものを用いることができる。
電源を、長さが非常に短い管壁に実際に取り付けるには、第１の考え方は短絡回路であり、通常は、本発明の実施例における流体管(11)の抵抗として、０.０２０オームのオーダである。しかしながら、これは、当該分野の専門家には承認されないであろう。全ての金属材料は、所定容積の質量体を通る抵抗はある程度限られている。一般的に、抵抗は、温度変化に応じてある程度変動する。そのような抵抗に印加される電流は、熱の形態でエネルギーを放散するので、これが材料の温度を上昇させる。
流体管(11)の短い部分の抵抗は非常に小さくても、電源の抵抗が電気エネルギーを効率良く伝達するのに十分に小さいとき、その抵抗は加熱器として大変良く機能する。抵抗が非常に小さいため、本発明の電力ドライバー回路に必要な内部抵抗は非常に小さい。
図１２は、これを説明するための回路の概略電気回路図である。図１２を参照すると、一実施例において、導線(20)(28)(81a)(81b)(81c)(81d)、スイッチ(80a)、並びにキャパシタ(80c)の内部抵抗及び導線抵抗の合計抵抗は、約０.０１２オームである。極く僅かな華氏温度に制御するための僅かな平均電力を供給するために、全電力が非常に短時間印加される。本発明では、印加される電力は、１パルスあたり２５マイクロ秒である。電圧、電流及びパルス幅が固定されている場合、各パルスは、同じ量のエネルギーを流体管(11)の加熱された部分へ供給する。流体管の中の流体の流量が異なるとき、温度の平衡を維持するのに必要な熱量は、流体管に印加されるパルスの周波数によって制御される。加熱回路には高電流パルスが供給され、エネルギーはストレージキャパシタ(80c)によって供給される。キャパシタ(80c)によって損失したエネルギーは、パルス間隔の長い時間、はるかに低い電流によって回復される。
図８Ａ及び図９Ａは、所定流量における本発明の流量センサーの基本応答曲線であり、図８Ａは水の流れに対するものである、図９Ａは空気の流れに対するものである。示されたデータは、予備試験中に得られ、所定流体管Ｃの値及び寸法から得たものである。微調整及び寸法変化は、異なる流量及び流体に対する運転パラメータ(oeprating parameters)を向上させるものと考えられる。これらの図は、これらの流体が低流量のときの流れ変化に対する応答感度を示している。図８Ｂ及び図９Ｂは、夫々、図８Ａ及び図９Ａの線形化後における応答を表している。線形化応答は、本発明の流れセンサーを用い、既知の入力流量にて得られた精度を示している。また、図８Ｃ及び図９Ｃは、夫々、図８Ｂ及び図９Ｂのデータの中で得られた精度を、フルスケール読みのパーセンテージとして示している。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、所定の流量(ミリリットル／分)で流れる水とディーゼル燃料について、図８Ａ及び図９Ａと同様な試験データをプロットしたものである。図８Ａ及び図９Ａに示された結果と比較のための精度と感度は、図１０Ａ及び図１０Ｂの中に示されている。
上記のように、本発明は、流体及び気体に対して、高感度、高精度の熱式流れセンサーを提供するものである。本発明の流れセンサーは、機械的構造が簡単な装置であり、広い動的流量範囲を有する。本発明の流れセンサーＳは、高い効率及び精度の加熱制御を具え、低コストで入手容易な要素から作ることができる。
本発明の前記説明は例示として説明したものであって、サイズ、形状、構成要素の他、例示された構造の詳細については、発明の精神から逸脱することなく種々の変更をなし得る。
本発明に係る流量センサーの横断面の一部を示す側面図である。 図１の流量センサーの中の流体管の平面図である。 図中の線に沿う断面図である。 図１の流量センサーの電気回路の電子部品の機能ブロック図である。 図４の回路の適応応答ユニットの概略図である。 図４の回路のパルスドライバーユニットの概略図である。 図１の流量センサーの流れ制御部の概略図である。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明の流量センサーの性能を示すグラフである。 本発明に係る流量センサーの他の実施例の横断面の一部を示す正面図である。 本発明の流量センサーの一部の概略電気回路図である。

Claims (22)

  1. 流体の流れを測定するシステムであって、
    流体を収容し流体が通る壁を有する管体と、該管体の壁に互いに間隔を有して配置され、配置された位置での流体と管体の温度を測定する２以上の熱感知器と、管体の異なる部位に配備され、管体の中の流体を加熱して、前記各位置間を所定の温度差に維持するために、電流を管体の壁の中へ流すことを可能とする２以上の電力供給手段を具える流れ感知装置と、
    流れ感知装置が収容されるハウジング本体と、
    前記各位置で所定の温度差を維持するために、電力供給手段に供給される電力レベルの測定値を得る制御機構と、
    制御機構に応答可能で、制御機構によって得られた測定値に基づいて流体の流量の測定結果を提供する表示機構と、
    を具えているシステム。
  2. ハウジング本体は、導電性材料から作られる請求項１のシステム。
  3. ハウジング本体は、金属から作られる請求項２のシステム。
  4. ハウジング本体の金属は、アルミニウムを含んでいる請求項３のシステム。
  5. 第１の熱感知器は、電力供給手段から流体の流れ方向の上流位置にて、管体に配備される請求項１のシステム。
  6. 熱供給手段は、管体上に互いに間隔を有して配備された第１の熱供給手段と第２の熱供給手段を含んでおり、第２の熱感知器は、管体上に第１の熱供給手段と第２の熱供給手段の間に配置されている請求項１のシステム。
  7. 第２の熱感知器は、管体の第１の熱供給手段と第２の熱供給手段との中間に配置される請求項６のシステム。
  8. 管体の壁は、熱供給手段が取り付けられた位置間での横断面形状が扁平な楕円形である請求項１のシステム。
  9. ハウジング本体の中にある管体の長さ方向の少なくとも一部分を取り囲む熱交換器部材をさらに含んでいる請求項１のシステム。
  10. ハウジング本体の中で、管体と熱交換器部材との間に配備された断熱スリーブをさらに含んでいる請求項９のシステム。
  11. 熱感知器を制御機構に接続する導電体と、該導電体をハウジング本体に取り付けるための端子ブロックをさらに含んでいる請求項１のシステム。
  12. 熱感知器は熱電対である請求項１のシステム。
  13. 熱感知用熱電対によって感知された温度差の測定結果を作成する増幅器をさらに含んでいる請求項１２のシステム。
  14. 熱感知器によって測定された温度差の変化を表す信号を、設定された温度差から生成するコンパレータをさらに含んでいる請求項１のシステム。
  15. 制御機構は、温度差の変化の表示を作成する適応応答回路を含んでいる請求項１のシステム。
  16. 電流のパルスを、電力供給手段へ印加するドライバー回路をさらに含んでいる請求項１５のシステム。
  17. 制御信号を、温度差の変化に基づいてドライバー回路へ送信する適応応答回路をさらに含んでいる請求項１６のシステム。
  18. 流体の流れの流量測定を制御するシステムであって、
    流体を収容し流体が通る壁を有する管体と、該管体の壁に互いに間隔を有して配置され、配置された位置での流体と管体の温度を測定する２以上の熱感知器と、管体に配備され、管体の中の流体を加熱して所定の温度差を維持するために、電流を管体の壁の中へ流すことを可能とする２以上の電力供給手段を具える流れ感知装置と、
    流れ感知装置が収容されるハウジング本体と、
    前記各位置で所定の温度差を維持するために、電力供給手段に供給されるエネルギー量の測定値を得る制御機構と、
    制御機構に応答可能で、制御機構によって得られた測定値に基づいて流体の流量の測定結果を提供する表示機構と、
    流体の流量の測定結果に応答して、管体内の流体の流れを制御する流れ調節弁と、
    を具えているシステム。
  19. 管体の中の流体の流れを測定するシステムであって、
    管体に互いに間隔を有して配置され、配置された位置での流体及び管体の温度を測定する２以上の熱感知器と、
    熱感知器で感知された温度差の測定値を作成する増幅器と、
    熱感知器によって測定された温度差の変化を表す信号を、設定された温度差から生成するコンパレータと、
    管体の異なる部位に配備され、管体の中の流体を加熱して、前記各位置を所定の温度差に維持するために、電流を管体の壁の中へ流すことを可能とする２以上の電力供給手段と、
    前記各位置で所定の温度差を維持するために、電力供給手段に供給される電力レベルの測定値を得る制御機構と、
    制御機構に応答可能で、制御機構によって得られた測定値に基づいて流体の流量の測定結果を提供する表示機構と、
    を具えているシステム。
  20. 制御機構は、温度差の変化の表示を生成する適応応答回路を含んでいる請求項１のシステム。
  21. 電流のパルスを、電力供給手段へ印加するドライバー回路をさらに含んでいる請求項１５のシステム。
  22. 請求項１６のシステムは、さらに含んでいる。
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