JP2008241318A - Gas flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は気体流量計に関し、より詳しくはボイラ燃焼室と送風機間の管路等に配されて該管路を通過する気体の質量流量を計測する熱式の気体流量計に関する。 The present invention relates to a gas flow meter, and more particularly to a thermal gas flow meter that measures a mass flow rate of gas that is disposed in a pipe line between a boiler combustion chamber and a blower and passes through the pipe line.
従来より、ボイラ燃焼室に送風される風量を検出する手段として、例えば、特許文献1に示すような風圧センサが広く使用されている。
Conventionally, for example, a wind pressure sensor as disclosed in
この風圧センサは、管路中に設けられた絞りの両端の圧力を計測し、その差圧を検出して風量を検出している。 This wind pressure sensor measures the pressure at both ends of a throttle provided in the pipe and detects the differential pressure to detect the air volume.
また、この種の風量検出手段としては、熱式の質量流量計を使用した技術も数多く提案されている。 As this type of air volume detection means, many techniques using a thermal mass flow meter have been proposed.
例えば、特許文献2では、ガスまたは液体がそれぞれ第1の温度センサと、加熱素子と、第2の温度センサとを通って導かれ、質量流量が2つの温度センサの温度信号から決定され、加熱エネルギを節約するために、加熱素子はサイクルで動作され、第1のサイクル相では、加熱素子は第2のサイクル相よりも高温度で動作され、第1のサイクル相は第2のサイクル相よりも短時間とした質量流量の測定方法が提案されている。
For example, in
この特許文献2は、所謂フローセンサ式質量流量計と呼称されるものであって、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を使用し、微細な温度センサを半導体基板上に形成し、2つの温度センサの温度差から質量流量を求めることができる。
This
また、特許文献3では、発熱抵抗体及び温度補償抵抗体を基板に形成してなる流量測定素子と、前記流量測定素子を支持し少なくとも前記流量測定素子の駆動回路を収容するケーシングとを備え、前記流量測定素子が前記ケーシングを介して流量測定対象の空気通路に配置される熱式空気流量計において、温度測定を行う第1、第2温度センサを有し、前記第1温度センサが前記流量測定素子の基板に設けられ、前記第2温度センサが前記ケーシングの内部に設けられた熱式空気流量計が提案されている。
この特許文献3では、流量測定素子の出力信号と、第1及び第2の温度センサの出力信号とに基づき空気流量を算出し、これら空気流量から風量を求めている。
In
さらに、特許文献4では、流体が流れる主通路と、この主通路を流れる流体の一部を導入する副通路と、この副通路内に配置され、流体の流量を検出するセンサとを備える熱式流量計測装置において、上記副通路の内面に形成され、上記流体に含まれる液状体を捕獲し、移動させる捕獲手段を備えた熱式流量測定装置が提案されている。
Further, in
この特許文献4では、副通路若しくは主通路に水滴又は油滴等の液状体の捕獲手段を形成し、捕獲手段により、捕獲された液状体を、流量検出用センサ素子とは、離隔した経路を介して、副通路外部に排出するようにすることにより、流量検出用センサ素子に水滴等の液状体が付着するのを防止している。
In
また、特許文献5では、送風気体の流路に配置される風速検出用の抵抗発熱体及び温度補償抵抗を含む回路から前記送風気体の送風量に応じた信号を出力する熱線式風速センサの取付構造であって、前記抵抗発熱体及び前記温度補償用抵抗は、前記送風気体の流れ方向に沿って並設された熱線式風速センサが提案されている。 Moreover, in patent document 5, the attachment of the hot-wire type wind speed sensor which outputs the signal according to the ventilation volume of the said ventilation gas from the circuit containing the resistance heating element for temperature detection and the temperature compensation resistance arrange | positioned in the flow path of ventilation gas A hot wire wind speed sensor having a structure in which the resistance heating element and the temperature compensation resistor are arranged in parallel along the flow direction of the blown gas has been proposed.
この特許文献5は、図15に示すように、回路基板101の基板面上側に、計測制御に必要な各種電子部品102〜106が装着されると共に、回路基板101の下部の右側縁部には四角形状の切欠部107が形成されており、該切欠部107には、抵抗発熱体108と温度補償用抵抗109とが前後方向に互いに離間して平行配置されている。すなわち、抵抗発熱体108及び温度補償用抵抗109を空中配線して回路基板101に固着し、抵抗発熱体108及び温度補償用抵抗109を空中に晒して送風気体に直接触れさせることにより、風量を検出している。
In Patent Document 5, as shown in FIG. 15, various
ところで、ボイラでは、送風機からボイラ燃焼室に燃焼用空気を送風し、これにより燃焼運転を行っているが、送風機が停止しているときにはボイラ燃焼室から送風機側に空気が逆流する場合がある。特に、多缶式ボイラの場合、隣接するボイラからの排気ガスが煙道を介してボイラ燃焼室から送風機側に流れ込むおそれがある。このような排気ガス量は、風速換算で0.01〜0.1m/s程度の僅かな風量であるが、このような僅かな風量であっても風向と共に検知できるようにし、送風機等を保護するのが望まれる。 By the way, in a boiler, combustion air is blown from the blower to the boiler combustion chamber, thereby performing a combustion operation. However, when the blower is stopped, air may flow backward from the boiler combustion chamber to the blower side. In particular, in the case of a multi-can boiler, exhaust gas from an adjacent boiler may flow from the boiler combustion chamber to the blower side through the flue. Such an exhaust gas amount is a slight air amount of about 0.01 to 0.1 m / s in terms of wind speed, but even such a small air amount can be detected together with the wind direction to protect the blower and the like. It is desirable to do.
また、運転開始時はボイラ燃焼室を所定時間掃気するプレパージが行われる。そして、このプレパージは風速換算で5〜10m/s程度の風量がボイラ燃焼室に送り込まれるが、プレパージ時の風量が極端に不足すると、ボイラの燃焼運転時にも風量不足となって不完全燃焼を惹き起こすおそれがある。また、プレパージ時や燃焼時においても風量のみならず風向をも計測し、ボイラや送風機の異常を未然に防ぐのが望ましい。 At the start of operation, pre-purge is performed to scavenge the boiler combustion chamber for a predetermined time. In this pre-purge, an air volume of about 5 to 10 m / s in terms of the wind speed is sent to the boiler combustion chamber. There is a risk of being aroused. In addition, it is desirable to measure not only the air volume but also the wind direction during pre-purge or combustion, so as to prevent boiler and blower malfunctions.
しかしながら、上記特許文献1〜5では、いずれにおいても風量は検知できても風向までは検知することができない。
However, in any of the
一方、空気中には塵や埃が浮遊しており、斯かる塵や埃が送風機に直接吸入されてしまうことがある。また、ボイラの起動時には送風機のインペラやケーシングに付着した結露水が水滴となって飛散するおそれがある。したがって、管路に配される流量計には過酷な環境に耐え得ることが要求される。 On the other hand, dust and dust are floating in the air, and such dust and dust may be directly sucked into the blower. Further, when the boiler is started, the condensed water adhering to the impeller or casing of the blower may be scattered as water droplets. Therefore, the flow meter arranged in the pipe line is required to withstand a harsh environment.
しかしながら、特許文献1に示すような風圧センサでは、管路中に絞りが設けられているため、該絞りが埃や塵によって閉塞すると正確な風量検知が困難になる。
However, in the wind pressure sensor as shown in
また、特許文献2のようなフローセンサ式質量流量計では、計測素子を極小にして感度を向上させているものの、極小の計測素子に塵、埃、水滴等が付着すると正確な風量測定をすることができなくなる。
In addition, in the flow sensor type mass flow meter as in
また、特許文献3の熱式空気流量計も、特許文献2と同様、塵、埃、水滴等に弱く、これら塵、埃、水滴等が温度センサに付着してしまうと正確な風量検知が困難になる。
The thermal air flow meter of
また、特許文献4の熱式流量測定装置は、水滴付着を防止することは可能であるが、センサ素子そのものの脆弱さは変わらない。すなわち、水滴以外の塵や埃等の外的要因に対しては脆弱であり、これら塵や埃等がセンサ素子に付着すると正確な風量検知が困難になる。
Moreover, although the thermal flow measuring device of
一方、特許文献5の熱線式風速センサは、上記図15に示すように、極細の抵抗発熱体108及び温度補償用抵抗109を空中配線しており、このため、手加工で安定して製造するには高度な熟練を要し、また機械的強度が弱いため組立時の取り扱いも容易ではない。また、手加工等によることなく製造するためには高価な設備投資が必要となり、経済的負担の増大を招くおそれがある。
On the other hand, as shown in FIG. 15, the hot wire type wind speed sensor disclosed in Patent Document 5 has an extremely fine
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、本発明の第1の目的は、風向の検出が可能な気体流量計を低コストで提供することにある。また、本発明の第2の目的は、塵や埃、水滴等の影響を極力排除した汚れ耐性の良好な気体流量計を提供することにある。さらに、本発明の第3の目的は、微風域からプレパージ時等の強風域の広範な風量域において風向と風量を高精度に検出することができる気体流量計を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a situation, The 1st objective of this invention is to provide the gas flowmeter which can detect a wind direction at low cost. A second object of the present invention is to provide a gas flow meter with good dirt resistance that eliminates the influence of dust, dirt, water droplets and the like as much as possible. Furthermore, the third object of the present invention is to provide a gas flow meter capable of detecting the air direction and the air flow with high accuracy in a wide air flow region from a light air region to a strong air region such as pre-purge.
上記第1の目的を達成するために本発明に係る気体流量計は、管路内に配されて該管路を通過する気体の質量流量を測定する熱式の気体流量計であって、通電により発熱する電熱線と該電熱線に接合される銅箔とを一組とする熱電対が基板上に形成され、前記電熱線と前記銅箔との接合点間で熱起電力を発生させるセンサ本体と、該センサ本体の制御を司る制御手段とを備え、前記制御手段が、前記電熱線への通電状態を制御する通電制御手段と、前記電熱線と前記銅箔との接合点間の温度差に応じた熱起電力を極性と共に検出する熱起電力検出手段と、該熱起電力検出手段の検出結果に基づいて風向及び風量を検出する風向・風量検出手段とを有していることを特徴としている。 In order to achieve the first object, a gas flow meter according to the present invention is a thermal gas flow meter that measures the mass flow rate of a gas that is arranged in a pipe and passes through the pipe, A sensor for generating a thermoelectromotive force between the junction points of the heating wire and the copper foil, wherein a thermocouple is formed on the substrate as a pair of heating wire that generates heat by the heating wire and the copper foil joined to the heating wire. A main body, and a control means for controlling the sensor main body, wherein the control means controls the energization control means for controlling the energization state of the heating wire, and the temperature between the junction points of the heating wire and the copper foil. A thermoelectromotive force detecting means for detecting the thermoelectromotive force according to the difference together with the polarity; and a wind direction / air volume detecting means for detecting the wind direction and the air volume based on the detection result of the thermoelectromotive force detecting means. It is a feature.
また、上記第2の目的を達成するために本発明に係る気体流量計は、上述の気体流量計において、前記センサ本体は、多数の前記熱電対が基板上で直列に接続されていることを特徴としている。 In order to achieve the second object, the gas flow meter according to the present invention is the above-described gas flow meter, wherein the sensor body is configured such that a number of the thermocouples are connected in series on the substrate. It is a feature.
また、本発明の気体流量計は、前記制御手段は、前記加熱制御手段からの出力と前記熱起電力検出手段への入力とを切り替える切替手段を有し、前記電熱線への加熱動作と前記熱起電力の検出動作とが交互に繰り返されることを特徴としている。 In the gas flowmeter of the present invention, the control means has switching means for switching between an output from the heating control means and an input to the thermoelectromotive force detection means, and the heating operation to the heating wire and the The thermoelectromotive force detection operation is alternately repeated.
さらに、本発明の気体流量計は、前記電熱線への通電パターンを複数種記憶した記憶手段と、前記検出された熱起電力に応じて前記通電パターンを変更する通電パターン変更手段とを有していることを特徴としている。 Furthermore, the gas flowmeter of the present invention includes a storage unit that stores a plurality of types of energization patterns to the heating wire, and an energization pattern change unit that changes the energization pattern according to the detected thermoelectromotive force. It is characterized by having.
さらに、上記第3の目的を達成するために本発明に係る気体流量計は、上述の気体流量計において、前記基板の温度を検出する温度検出手段が、前記基板上に配されていることを特徴としている。 Furthermore, in order to achieve the third object, the gas flow meter according to the present invention is the above gas flow meter, wherein the temperature detecting means for detecting the temperature of the substrate is arranged on the substrate. It is a feature.
また、本発明の気体流量計は、ボイラ燃焼室と該ボイラ燃焼室に気体を送風する送風機との間に介装されていることを特徴としている。 Moreover, the gas flowmeter of this invention is interposed between the boiler combustion chamber and the air blower which ventilates gas to this boiler combustion chamber.
上記気体流量計によれば、熱電対の接合点間における温度差に応じた熱起電力が熱起電力検出手段により極性と共に検出され、風向・風量検出手段により風量のみならず風向をも検出されるため、管路内の空気の流れ方向を検知でき、僅かな逆風をも検知して送風機を保護することが可能となる。しかも、熱電対は基板上に形成されているので、空中配線を要することなく、組立性にも優れた部品点数の少ない気体流量計を低コストで得ることができる。 According to the gas flow meter, the thermoelectromotive force according to the temperature difference between the junctions of the thermocouple is detected by the thermoelectromotive force detecting means together with the polarity, and not only the air volume but also the wind direction is detected by the wind direction / air volume detecting means. Therefore, it is possible to detect the flow direction of the air in the pipe line, and to detect a slight back wind to protect the blower. In addition, since the thermocouple is formed on the substrate, it is possible to obtain a gas flowmeter having a small number of parts that is excellent in assemblability without requiring air wiring and at low cost.
また、前記センサ本体は、多数の前記熱電対が基板上で直列に接続されているので、熱電対の一部に塵、埃、水滴等、計測を阻害する物質が付着しても、風量の測定誤差を抑制することが可能となり、汚れ耐性の向上を図ることができる。 In addition, since the sensor body has a large number of thermocouples connected in series on the substrate, even if a substance that hinders measurement, such as dust, dust, or water droplets, is attached to a part of the thermocouple, Measurement errors can be suppressed, and dirt resistance can be improved.
また、前記制御手段は、前記加熱制御手段からの出力と前記熱起電力検出手段への入力とを切り替える切替手段を有し、前記電熱線への加熱動作と前記熱起電力の検出動作とが交互に繰り返されるので、風向及び風量を高精度且つ効率良く検出することができる。 Further, the control means has switching means for switching between an output from the heating control means and an input to the thermoelectromotive force detection means, and the heating operation to the heating wire and the thermoelectromotive force detection operation are performed. Since it is repeated alternately, the wind direction and the air volume can be detected with high accuracy and efficiency.
また、前記電熱線への通電パターンを複数種記憶した記憶手段と、前記検出された熱起電力に応じて前記通電パターンを変更する通電パターン変更手段とを有しているので、風量に応じた通電パターンの選択が可能となり、電熱線が加熱焼損したり、電熱線が過度に冷却されて熱電対接合点間の温度差と風量とが比例しなくなるのを極力回避することが可能となる。 Moreover, since it has the memory | storage means which memorize | stored multiple types of electricity supply patterns to the said heating wire, and the electricity supply pattern change means which changes the said electricity supply pattern according to the said detected thermoelectromotive force, according to the air volume An energization pattern can be selected, and it is possible to avoid as much as possible that the heating wire is heated and burned out or that the heating wire is excessively cooled and the temperature difference between the thermocouple junctions is not proportional to the air volume.
さらに、前記基板の温度を検出する温度検出手段が、前記基板上に配されているので、プレパージ時や燃焼時等の強風域で、電熱線が過冷された結果、温度差と風量とが比例しなくなっても温度検出手段によって検出された基板温度から風量を検出することができる。しかも、電熱線に通電することにより熱起電力検出手段によって風向は常に検知することができることから、強風域でも風向及び風量を検出することが可能となる。さらに、電熱線が過度に加熱されて焼損するのを温度検出手段で監視することもできる。 Further, since the temperature detecting means for detecting the temperature of the substrate is arranged on the substrate, the temperature difference and the air volume are generated as a result of the heating wire being supercooled in a strong wind region such as pre-purge or combustion. Even if it is not proportional, the air volume can be detected from the substrate temperature detected by the temperature detecting means. In addition, since the wind direction can always be detected by the thermoelectromotive force detection means by energizing the heating wire, the wind direction and the air volume can be detected even in a strong wind region. Furthermore, it can be monitored by the temperature detection means that the heating wire is excessively heated and burns out.
さらに、ボイラ燃焼室と該ボイラ燃焼室に気体を送風する送風機との間に介装されているので、送風機の停止等の微風域では熱起電力で風向・風量を検出でき、またプレパージ時や燃焼時の強風域では電熱線への通電と温度検出手段による基板温度の検知とを併用することにより、風向及び風量を検出することができ、ボイラ系の送風状態を常時監視して送風状態に起因した異常発生を未然に防止することができる。 Furthermore, since it is interposed between the boiler combustion chamber and a blower that blows gas to the boiler combustion chamber, it is possible to detect the wind direction and the amount of air with the thermoelectromotive force in a light wind region such as when the blower is stopped. In the strong wind region at the time of combustion, it is possible to detect the wind direction and the air volume by using both the heating wire energization and the substrate temperature detection by the temperature detection means. It is possible to prevent the occurrence of abnormalities.
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明に係る気体流量計としての空気流量計を備えたボイラの一実施の形態を模式的に示す全体構成図である。 FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing an embodiment of a boiler provided with an air flow meter as a gas flow meter according to the present invention.
すなわち、このボイラは、バーナ1を備えたボイラ燃焼室2と、ボイラ燃焼室2からの排気ガスを排出する煙突3と、ボイラ燃焼室2に燃焼用ガスとしての空気を送風する送風機4と、ボイラ燃焼室2に供給される送風量を制御する絞り弁5とを備え、送風機4と絞り弁5とを接続する管路6中には熱式の空気流量計7が配設されている。
That is, this boiler includes a
図2は上記空気流量計7の第1の実施の形態を示すシステム構成図であって、該空気流量計7は、センサ本体8と該センサ本体8を制御する制御部9とを備えている。
FIG. 2 is a system configuration diagram showing a first embodiment of the
センサ本体8は、プリント基板10上に熱電対11が形成されると共に、該熱電対11近傍の前記プリント基板10上にはサーミスタ(温度検出手段)12が配されている。
The
熱電対11は、通電により発熱する電熱線13と、該電熱線13に接合される一対の銅箔14、14とからなる。具体的には、プリント基板10上に一対の銅箔14がパターン化されて形成されており、電熱線13の両端が前記銅箔14、14に接合され、電熱線13への通電により、該電熱線13と銅箔14、14との接合点15a、15b間で熱起電力が発生するように構成されている。
The thermocouple 11 includes a
電熱線13に使用される金属材料としては、銅との間で熱起電力を生じるものであれば特に限定されるものではないが、抵抗率が大きく、銅との間で大きな熱起電力を生じるのが好ましく、Cu−Ni合金の一種であるコンスタンタン(Cu:55%、Ni:45%)が好んで使用される。
The metal material used for the
また、制御部9は、電熱線13への通電を制御する通電制御回路16と、前記接合点15a、15b間の熱起電力を極性と共に検出する熱起電力検出回路17と、電熱線13への通電制御回路16と熱電対11からの熱起電力検出回路17への入力を切り替える切替回路18と、サーミスタ12からの出力が入力される測温回路19と、熱起電力検出回路17や測温回路19からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器20と、上記各構成要素を制御する制御回路21とを備えている。尚、前記熱起電力検出回路17には、検出信号を増幅する電圧増幅器(不図示)が内蔵されている。
Further, the
また、制御回路21は、A/D変換器20からの出力信号が入力される入力部21aと、所定の変換マップや所定の演算プログラム等が記憶された記憶部21bと、該記憶部21bに記憶された演算プログラム等を読み出して演算処理を行う演算部21cと、該演算部21cの演算結果に基づき通電制御回路16や切替回路18に所定の信号を出力する出力部21dとを備えている。
The
このように構成された空気流量計7においては、送風機の停止時等、風速換算で0.01〜0.1m/s程度の微風域の場合は、熱電対11における接合点15a、15b間の温度差ΔTに応じた熱起電力が極性と共に検出され、風向及び風量を算出することができる。
In the
一方、プレパージ時や燃焼時等、風速換算で5〜10m/s程度の強風域の場合は、電熱線13は強風に晒され、冷却されることとなるため、前記接合点15a、15b間には温度差ΔTは生じるものの、該温度差ΔTは最早風量と比例せず、正確な風量を計測することが困難になる。
On the other hand, in the case of a strong wind range of about 5 to 10 m / s in terms of wind speed, such as during pre-purge or combustion, the
そこで、強風域では、前記温度差ΔTに基づいて熱起電力の極性を検出し、風向を検知すると共に、プリント基板10の基板温度Tをサーミスタ12で検出し、その検出結果に基づいて風量を算出している。
Therefore, in the strong wind region, the polarity of the thermoelectromotive force is detected based on the temperature difference ΔT, the wind direction is detected, the substrate temperature T of the printed
すなわち、本空気流量計7は、上記微風域では熱起電力検出回路17で極性と熱起電力を検出して風向及び風量を算出し、上記強風域では熱起電力検出回路17で極性を検出すると共に測温回路19でサーミスタ12からの基板温度Tを検出し、これにより風向及び風量を算出している。
That is, the
図3は、微風域における熱起電力と極性の検出原理を説明する図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the detection principle of the thermoelectromotive force and polarity in the light wind region.
図3(a)は、通電制御回路16及び熱起電力検出回路17の双方が駆動していない待機状態を示している。すなわち、本実施の形態では、後述するように送風状態に応じて3種類の通電パターンが適宜選択されるが、通電・測定サイクルを一定とするための調整区間として待機状態が設けられている。
FIG. 3A shows a standby state in which both the
図3(b)は、通電制御回路16から電熱線13に通電した状態を示し、矢印A方向の風向に晒されている電熱線13に対し、矢印B方向に通電され、電熱線13が発熱する。そして一定時間電熱線13が加熱された後、切替回路18により、図3(c)に示すように、通電制御回路16から熱起電力検出回路17に切り替えられ、接合点15a、15bの温度差ΔTに応じた熱起電力が検出される。すなわち、風向が矢印A方向の場合は、矢印C方向への正の熱起電力が生じ、一方、風向が矢印A方向とは逆の場合は、熱起電力の極性が反転し、矢印D方向への負の熱起電力が生じる。そして、両接合点15a、15b間で温度差ΔTが生じると、該温度差ΔTに比例した熱起電力が熱起電力検出回路17で極性と共に検出される。
FIG. 3B shows a state in which the
このように温度差ΔTに応じた熱起電力が極性と共に検出されると、その検出信号(アナログ信号)はA/D変換器20でデジタル信号に変換されて制御回路21に入力される。この制御回路21では記憶部21cで記憶された熱起電力−風量変換マップに基づいて風量変換され、風向と共にボイラの主制御装置に転送され、処理される。
Thus, when the thermoelectromotive force according to the temperature difference ΔT is detected together with the polarity, the detection signal (analog signal) is converted into a digital signal by the A /
このように本実施の形態では、電熱線13への通電と熱起電力の測定・検出が交互に繰り返し行われ、僅かな風量が管路6に流入したときであっても、風量のみならず風向をも検知することができる。
As described above, in the present embodiment, energization to the
また、本実施の形態では、制御回路21の記憶部21bには、上述したように3種類の通電パターンが記憶されており、演算部21cでは検出された熱起電力に応じて前記通電パターンのうちのいずれかの通電パターンが選択されるように構成されている。
In the present embodiment, the
図4は、風量と接合点15a、15b間の温度差ΔT及びプリント基板10の基板温度Tとの関係を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the air volume, the temperature difference ΔT between the
風量が図中Eで示す領域にあるときは、温度差ΔTに応じた風量(熱起電力)を得ることが可能である。 When the air volume is in the region indicated by E in the figure, it is possible to obtain an air volume (thermal electromotive force) corresponding to the temperature difference ΔT.
しかしながら、上述したように電熱線13に通電することにより該電熱線13は発熱するが、通電時間を常に一定にすると風量が極めて小さい場合は、電熱線13が高温になって焼損してしまうおそれがある。一方、微風域であっても風量が比較的大きい場合は、電熱線13が冷却されて温度差ΔTと風量とが比例しなくなり、正確な風量を計測ができなくなるおそれがある。
However, as described above, when the
このように微風域においても、風量によっては風向及び風量の計測に支障が生じ得ることを考慮し、熱起電力の検出信号に応じ、通電パターンの適宜変更を可能としている。 In this way, even in the light wind region, depending on the air volume, it may be possible to cause an obstacle to the measurement of the wind direction and the air volume, and the energization pattern can be appropriately changed according to the detection signal of the thermoelectromotive force.
図5は、微風域中、中程度の風量の場合の通電・測定時間のタイムチャートであって、待機時間t1、通電時間t2、測定時間t3で1サイクルtを構成している。 FIG. 5 is a time chart of energization / measurement time in the case of moderate air volume in the light wind region, and one cycle t is constituted by the standby time t1, the energization time t2, and the measurement time t3.
この場合、通電時間t2は、図6(a)に示すように、基板温度Tが上限温度Tmaxを超えず、かつ電熱線13が過度に冷却されないように設定される。そして、このような通電時間t2に設定することにより、風量と温度差ΔTは、図6(b)に示すように、比例関係を維持することができ、温度差ΔTに応じた風量(熱起電力)を極性と共に高精度に検出することができる。
In this case, as shown in FIG. 6A, the energization time t2 is set so that the substrate temperature T does not exceed the upper limit temperature Tmax and the
また、図7は、微風域中、上記中程度の風量よりも小さな風量の場合の通電・測定時間のタイムチャートであり、待機時間t1′、通電時間t2′、測定時間t3で1サイクルtを構成している。 FIG. 7 is a time chart of energization / measurement time when the air volume is smaller than the above-mentioned medium air volume in the light wind region. One cycle t is represented by the standby time t1 ′, the energization time t2 ′, and the measurement time t3. It is composed.
この場合は、風量が極微量であるため、通電時間t2′を長くすると、図8(a)に示すように、基板温度Tが上昇し、電熱線13が焼損するおそれがある。
In this case, since the air volume is extremely small, if the energization time t2 ′ is increased, the substrate temperature T may rise and the
そこで、通電時間t2′は、電熱線13が焼損しないように図5の通電時間t2よりも短い時間に設定される。そしてこれにより、風量と温度差ΔTは、図8(b)に示すように、比例関係を維持することができ、電熱線13は焼損することもなく温度差ΔTに応じた風量(熱起電力)を極性と共に高精度に検出することができる。尚、この場合、通電・測定の1サイクルt及び測定時間t3は図5と同一時間に設定されるため、待機時間t1′はt1′>t1に設定される。
Therefore, the energization time t2 ′ is set to a time shorter than the energization time t2 of FIG. 5 so that the
また、図9は、微風域中、上記中程度の風量よりも若干大きな風量の場合の通電・測定時間のタイムチャートを示し、待機時間t1″、通電時間t2″、測定時間t3で1サイクルtを構成している。 Further, FIG. 9 shows a time chart of energization / measurement time when the air volume is slightly larger than the above-mentioned medium air volume in the light wind region, and one cycle t at standby time t1 ″, energization time t2 ″, and measurement time t3. Is configured.
この場合、通電時間t2″は、図10(a)に示すように、基板温度Tが過度に低下して電熱線13が過冷されないように図5の通電時間t2よりも長い時間に設定される。そしてこれにより、風量と温度差ΔTは、図10(b)に示すように、比例関係を維持することができ、温度差ΔTに応じた風量(熱起電力)を極性と共に高精度に検出することができる。尚、この場合、通電・測定の1サイクルt及び測定時間t3は図5と同一時間に設定されるため、待機時間t1′はt1″<t1に設定される。
In this case, as shown in FIG. 10A, the energization time t2 ″ is set to a time longer than the energization time t2 of FIG. 5 so that the substrate temperature T is not excessively lowered and the
このように本実施の形態では、風量に応じて通電パターンを可変制御しているので、微風域の風量を風向と共に高精度に検出することができる。 As described above, in the present embodiment, since the energization pattern is variably controlled according to the air volume, the air volume in the slight wind area can be detected with high accuracy along with the wind direction.
一方、プレパージ時や燃焼時等の強風域では、送風機4により風速換算で5〜10m/s程度の風量がボイラ燃焼室に送り込まれるため、電熱線13が過度に冷却され、接合点15a、15b間の温度差ΔTが小さくなって温度差ΔTが風量と比例しなくなる。すなわち、接合点15a、15b間では僅かながらも温度差ΔTが生じることから、極性については検出することができ、したがって風向の検知は可能である。しかしながら、温度差ΔTが風量に比例しなくなるため、熱電対11から得られる熱起電力では正確な風量を求めることはできなくなる。
On the other hand, in a strong wind region such as pre-purge or combustion, the air flow rate of about 5 to 10 m / s is sent to the boiler combustion chamber by the
図11は、強風域での風量と基板温度T及び温度差ΔTとの関係を示す図であり、図中、Fで示す領域が強風域である。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the air volume in the strong wind region, the substrate temperature T, and the temperature difference ΔT, and the region indicated by F in the drawing is the strong wind region.
すなわち、強風域では図9のように通電時間をt2″と長くしても、電熱線13は強風に晒されるため、図11(a)に示すように、基板温度Tが低下し、さらに、図11(b)に示すように、温度差ΔTは生じるものの、温度差ΔTと風量とは比例しなくなり、熱起電力方式のみでは風向は計測できても正確な風量の検出は困難になる。
That is, in the strong wind region, even when the energization time is increased to t2 ″ as shown in FIG. 9, the
そこで、上述したように強風域では、図9と同様の通電パターンで電熱線13への通電を行って熱起電力検出回路17により極性を検出し、これにより風向を求める一方、プリント基板10上に配されたサーミスタ12でプリント基板10の温度を検出し、斯かる基板温度Tが測温回路19を経て制御回路21に入力され、これによりプレパージ等の強風域での風量を算出している。
Thus, as described above, in the strong wind region, the
そしてこれにより、微風域から強風域に至るまでの風量及び風向を求めることができる。しかも、熱電対11は空中配線を要することもなく組立性が容易であり、部品点数も少なく安価な空気流量計を得ることができる。 Thus, the air volume and direction from the light wind region to the strong wind region can be obtained. Moreover, the thermocouple 11 does not require an aerial wiring, is easy to assemble, has a small number of parts, and can provide an inexpensive air flow meter.
図12は空気流量計の第2の実施の形態を示すシステム構成図である。 FIG. 12 is a system configuration diagram showing a second embodiment of the air flow meter.
この第2の実施の形態では、空気流量計22のセンサ本体23において、電熱線24と銅箔25とからなる熱電対が多数直列にプリント基板26上に接続され、これにより熱電対群27が形成されている。
In the second embodiment, in the sensor
具体的には、熱電対群27は、銅箔25がプリント基板26上に一定パターンで形成されており、多数の熱電対が直列接続されるように、電熱線24が、プリント基板26上で図中上下方向に多数並設されている。そしてこれにより銅箔24と電熱線24との各接合点28a、28b間で両端の温度差に応じた熱起電力が検出されることとなる。
Specifically, in the
本第2の実施の形態では、プリント基板26上で銅箔25と前記電熱線24とが多数直列接続された熱電対群27の各接合点28a、28b間で熱起電力が検出されるので、出力を増大させることができると共に、塵、埃、水滴等が熱電対群27の一部に付着しても測定誤差を抑制することができ、汚れ耐性を向上させることができる。すなわち、第1の実施の形態のように熱電対が1個の場合や、特許文献2〜4のような場合は塵、埃、水滴等が測定素子に付着すると測定誤差が生じ易いが、この第2の実施の形態では、電熱線24と銅箔25とからなる熱電対が多数直列にプリント基板26上に接続されて熱電対群27を構成しているので、熱電対群27のうち一部の熱電対に塵や埃、水滴等が付着しても、多数の接合点28a、28bを有していることから、汚れ耐性を向上させることができる。例えば、熱電対群27がn列の直列接続された熱電対からなる場合は、1個の熱電対に塵や埃、水滴等が付着しても熱起電力に対する影響を1/nに抑制することができ、汚れ耐性を向上させることができる。
In the second embodiment, the thermoelectromotive force is detected between the
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the above embodiment.
上記実施の形態では、通電パターンの変更処理を制御回路21で行っているが、ボイラの主制御装置等、外部からの指令により可変制御するように構成してもよく、また通電パターンの切替段数も3段に限定されることはなく、2段或いは4段以上の多段であってもよいのはいうまでもない。
In the above embodiment, the energization pattern changing process is performed by the
また、上記実施の形態では、媒体ガスとして空気を使用しているが、空気以外の気体の流量計に対しても適用できるのはいうまでもない。 Moreover, in the said embodiment, although air is used as medium gas, it cannot be overemphasized that it can apply also to gas flowmeters other than air.
さらに、上記実施の形態では、空気流量計をボイラに搭載しているが、ボイラ以外の機器にも適用可能である。 Furthermore, in the said embodiment, although the air flowmeter is mounted in the boiler, it is applicable also to apparatuses other than a boiler.
次に、本発明の実施例を説明する。 Next, examples of the present invention will be described.
図13に示す実験装置を試作して風速と温度差との関係を調べた。 The experimental apparatus shown in FIG. 13 was prototyped and the relationship between wind speed and temperature difference was examined.
この実験装置は、本発明の気体流量計32が直径100mmの塩化ビニル製管路31に装着され、前記気体流量計32はパーソナルコンピュータ36に接続されている。また、可変風量送風機33と管路31の間に市販の空気流量計34が介装され、さらに前記可変風量送風機33はインバータ35に接続されている。
In this experimental apparatus, a
そして、空気流量計34を目視しながらインバータ35を操作して周波数を調整し、可変風量送風機33から管路31に種々の風量を送り込み、気体流量計32の風量特性を計測した。
Then, the frequency was adjusted by operating the
尚、気体流量計は、銅箔とコンスタンタン(電熱線)とからなる熱電対をプリント基板上に20個直列接続したものを使用した。また、コンスタンタンへの通電時間を0.13秒、測定時間を0.05秒、待機時間を0.01秒に設定し、これらを1サイクルにして風量とそのときの熱起電力を検出し、温度差ΔTを算出した。 In addition, the gas flowmeter used what connected 20 thermocouples which consist of copper foil and constantan (electric heating wire) in series on the printed circuit board. In addition, the energization time to the constantan is set to 0.13 seconds, the measurement time is set to 0.05 seconds, the standby time is set to 0.01 seconds, and these are set as one cycle to detect the air volume and the thermoelectromotive force at that time A temperature difference ΔT was calculated.
図14はその特性図であって、横軸は風量から求めた風速(m/s)を示し、縦軸は温度差ΔT(K)を示している。また、図中、◆印は正方向(図13のG方向)を示し、■印は逆方向(図13のH方向)を示している。 FIG. 14 is a characteristic diagram, in which the horizontal axis indicates the wind speed (m / s) obtained from the air volume, and the vertical axis indicates the temperature difference ΔT (K). Further, in the figure, ♦ indicates the forward direction (G direction in FIG. 13), and ■ indicates the reverse direction (H direction in FIG. 13).
この図14から明らかなように、正方向と逆方向とで極性が反転しており、極性により風向を検知できることが確認された。 As apparent from FIG. 14, the polarity is reversed between the forward direction and the reverse direction, and it was confirmed that the wind direction can be detected by the polarity.
また、風速の小さい微風域では、温度差ΔTは風速に比例して増加するが、風速が一定以上になると風速と温度差ΔTとが比例関係を維持することができなくなることも分かった。これは風速が増すと熱電対の冷却効果が大きくなり、その結果風速と温度差ΔTとが比例しなくなるためと思われる。 In addition, in the light wind region where the wind speed is low, the temperature difference ΔT increases in proportion to the wind speed, but it has also been found that the proportional relationship between the wind speed and the temperature difference ΔT cannot be maintained when the wind speed exceeds a certain level. This is presumably because the cooling effect of the thermocouple increases as the wind speed increases, and as a result, the wind speed and the temperature difference ΔT are not proportional.
2 ボイラ燃焼室
4 送風機
6 管路
8 センサ本体
9 制御部(制御手段)
10 プリント基板(基板)
11 熱電対
13 電熱線
14 銅箔パターン
15a、15b 接合点
16 通電制御回路(通電制御手段)
17 熱起電力検出回路(熱起電力検出手段)
18 切替回路(切替手段)
19 サーミスタ(温度検出手段)
21b 記憶部(記憶手段)
21c 演算部(風向・風量検出手段、通電パターン変更手段)
23 プリント基板
24 電熱線
25 銅箔
26 センサ本体
27 熱電対群
28a、28b 接合点
2
10 Printed circuit board (board)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
17 Thermoelectromotive force detection circuit (thermal electromotive force detection means)
18 Switching circuit (switching means)
19 Thermistor (temperature detection means)
21b Storage unit (storage unit)
21c Calculation unit (wind direction / air volume detection means, energization pattern change means)
23 Printed
Claims (6)
通電により発熱する電熱線と該電熱線に接合される銅箔とを一組とする熱電対が基板上に形成され、前記電熱線と前記銅箔との接合点間で熱起電力を発生させるセンサ本体と、
該センサ本体の制御を司る制御手段とを備え、
前記制御手段が、前記電熱線への通電状態を制御する通電制御手段と、前記電熱線と前記銅箔との接合点間の温度差に応じた熱起電力を極性と共に検出する熱起電力検出手段と、該熱起電力検出手段の検出結果に基づいて風向及び風量を検出する風向・風量検出手段とを有していることを特徴とする気体流量計。 A thermal gas flow meter that measures the mass flow rate of a gas that is arranged in a pipeline and passes through the pipeline,
A thermocouple is formed on the substrate, and a thermoelectromotive force is generated between the joining points of the heating wire and the copper foil. A sensor body;
Control means for controlling the sensor body,
The control means detects the electromotive force with the polarity of the energization control means for controlling the energization state of the heating wire and the temperature difference between the junction points of the heating wire and the copper foil. And a wind direction / air volume detection means for detecting a wind direction and an air volume based on a detection result of the thermoelectromotive force detection means.
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