JP2010117159A - Micro-flow meter and micro-flow measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微少流量計及び微少流量測定方法に関し、特に極微少な流量の計測にも利用可能な微少流量計及び微少流量測定方法に関するものである。 The present invention relates to a micro flow meter and a micro flow measurement method, and more particularly to a micro flow meter and a micro flow measurement method that can be used for measurement of a very small flow rate.
流量の計測は工業分野において必要不可欠であり、これまでに数多くの検出方法が考案されている。しかし、半導体の製造及びマイクロ流体関連などで需要のある1 ml/min以下の微少流量計については、従来、高価で複雑な構造の装置が用いられている。 The measurement of the flow rate is indispensable in the industrial field, and many detection methods have been devised so far. However, for micro flowmeters of 1 ml / min or less, which are in demand for semiconductor manufacturing and microfluidics, etc., conventionally, expensive and complicated structures have been used.
例えば、微少流量を計測する手段としてレーザドップラ流速計(LDV)のような、レーザ光を用いたものが挙げられる(例えば特許文献1参照)。しかしながら、こうしたレーザ光を用いた計測装置は、高価であり、しかも装置サイズが大きくなりがちであるなどの問題がある。 For example, a means using a laser beam such as a laser Doppler velocimeter (LDV) can be cited as a means for measuring a minute flow rate (see, for example, Patent Document 1). However, such a measuring apparatus using a laser beam is expensive and has a problem that the apparatus size tends to be large.
また、安価な微少流量計測手段として、例えば特許文献2に記載の計測装置が挙げられる。この特許文献2に記載の流量計測方法では、上流側で加熱された流体を温度マーカーとし、該マーカーの移動時間から流速を計測するようにしている。無論、流速が求まれば流路断面積を乗じることで流量が求まるわけであるが、微少流量領域では熱拡散の影響により加熱流体がマーカーとしての役目を果たし難いという問題があった。
Moreover, as an inexpensive micro flow rate measuring means, for example, a measuring device described in
また、測定流量範囲をより拡大するようにした関連技術には、特許文献3や特許文献4に記載された流量計がある。
特許文献3に記載の流量計では、断面積の大きい大流量計測用流路と断面積の小さい小流量計測用流路とを直列に連設し、その流路毎に複数の流速センサを具備してなる流速センサユニットを設けることで、広い流量範囲の流量を計測するようにしている。
また、特許文献4に記載の流量計では、流体内に熱式流量計とカルマン渦流量計とを設け、低流量域では主に熱式流量計による測定を行い高流量域では主にカルマン渦流量計による測定を行うようにしている。
しかしながら、これら特許文献3及び4においては、複数の流速センサ、あるいは複数種類の流量計を用いる構成であるため、部品コストが高騰する上、構造が複雑で大型化し易く、保守管理が困難等の問題を有し、例えば流量範囲が0〜10mL/minという極微少な流量の測定に適用するには現実的でない。
Further, as related technologies for further expanding the measurement flow rate range, there are flow meters described in
In the flowmeter described in
Further, in the flow meter described in
However, in these
本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、簡素構造で安価・高精度かつ保守の必要性が少ない上、比較的広範な微少流量測定が可能な微少流量計及び微少流量測定方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and the problem is that a simple flow rate, high accuracy, less maintenance, and a micro flow rate capable of measuring a relatively wide range of micro flow rates. It is to provide a meter and a method for measuring a minute flow rate.
上記課題を解決するための技術的手段は、流体を通過させる流路と、該流路中の流体を加熱する加熱器と、該加熱器よりも下流側で加熱前後の流体の温度を検出する温度検出部と、該温度検出部による検出温度から流量を求める情報処理装置とを備えた微少流量計であって、前記情報処理装置は、流体の温度上昇量と流量の関係を示す検量関数を予め記憶する記憶装置と、前記温度検出部による検出温度から流体の温度上昇量を求め、この温度上昇量に対応する流量を前記検量関数から求める演算処理装置とを具備し、前記検量関数は、温度上昇量と流量との関係が正の線形関係である第1領域と、該第1領域よりも大流量側において温度上昇量と流量との関係が負の線形関係である第2領域とを有することを特徴とする。
この構成によれば、温度検出部によって加熱前後の流体の温度が検出されると、情報処理装置が、検出温度から流体の温度上昇量を求め、該温度上昇量に対応する流量を検量関数から求める。検量関数として、温度上昇量と流量との関係に正の線形関係を有する第1領域と、第1領域よりも大流量側において温度上昇量と流量との関係に負の線形関係を有する第2領域とを用いるようにしているため、比較的広い範囲の微少流量の測定が可能である。
Technical means for solving the above problems include a flow path for allowing fluid to pass through, a heater for heating the fluid in the flow path, and detecting the temperature of the fluid before and after heating downstream of the heater. A micro flowmeter comprising a temperature detection unit and an information processing device for obtaining a flow rate from a temperature detected by the temperature detection unit, wherein the information processing device has a calibration function indicating a relationship between a fluid temperature rise amount and a flow rate. A pre-stored storage device, and an arithmetic processing unit that obtains a temperature rise amount of the fluid from the temperature detected by the temperature detection unit and obtains a flow rate corresponding to the temperature rise amount from the calibration function, wherein the calibration function is: A first region in which the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a positive linear relationship, and a second region in which the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a negative linear relationship on the larger flow rate side than the first region. It is characterized by having.
According to this configuration, when the temperature of the fluid before and after heating is detected by the temperature detection unit, the information processing apparatus obtains the temperature rise amount of the fluid from the detected temperature, and calculates the flow rate corresponding to the temperature rise amount from the calibration function. Ask. As a calibration function, a first region having a positive linear relationship in the relationship between the temperature rise amount and the flow rate, and a second region having a negative linear relationship in the relationship between the temperature rise amount and the flow rate on the larger flow rate side than the first region. Therefore, it is possible to measure a minute flow rate in a relatively wide range.
更なる技術的手段では、前記加熱器による加熱開始からの経過時間と前記温度検出部による検出温度との関係を測定する手段を備え、前記情報処理装置は、前記検出温度が最大になった時点の前記経過時間が、予め設定された基準時間よりも大きいことを条件に前記検量関数における前記第1領域を用い、前記経過時間が前記基準時間よりも小さいことを条件に前記検量関数における前記第2領域を用いることを特徴とする。
この構成によれば、検出温度が最大になった時点の経過時間が基準時間よりも大きい場合には、検量関数における第1領域が用いられ、温度上昇量に対応する流量が求められる。また、検出温度が最大になった時点の経過時間が基準時間よりも小さい場合には、検量関数における第2領域が用いられ、温度上昇量に対応する流量が求められる。すなわち、第1領域と第2領域とを有する検量関数を用いると、単一の温度上昇量値に二つの流量値が対応することになるが、前記構成によれば、前記二つの流量値のうち、実際の流量に対応する一方の流量値を、容易かつ正確に選定することができる。
Further technical means includes means for measuring a relationship between an elapsed time from the start of heating by the heater and a temperature detected by the temperature detection unit, and the information processing device is a time point when the detected temperature becomes maximum. The first region in the calibration function is used on the condition that the elapsed time is greater than a preset reference time, and the first function in the calibration function is used on the condition that the elapsed time is smaller than the reference time. Two regions are used.
According to this configuration, when the elapsed time at the time when the detected temperature becomes maximum is longer than the reference time, the first region in the calibration function is used, and the flow rate corresponding to the temperature increase amount is obtained. Further, when the elapsed time at the time when the detected temperature becomes maximum is smaller than the reference time, the second region in the calibration function is used, and the flow rate corresponding to the temperature increase amount is obtained. That is, when a calibration function having the first region and the second region is used, two flow values correspond to a single temperature increase value. According to the configuration, the two flow values Of these, one flow rate value corresponding to the actual flow rate can be selected easily and accurately.
更なる技術的手段では、前記情報処理装置は、前記経過時間が前記基準時間と略同一であることを条件に、前記検量関数において前記第1領域と前記第2領域との境界線上の流量を、前記流路を通過する流体の流量とすることを特徴とする。
この構成によれば、検出温度が最大になった時点の経過時間が基準時間と略同一である場合には、検量関数において第1領域と第2領域との境界線上の流量が、流路を通過する流体の流量として特定される。
In a further technical means, the information processing device calculates a flow rate on a boundary line between the first region and the second region in the calibration function on the condition that the elapsed time is substantially the same as the reference time. The flow rate of the fluid passing through the flow path is a feature.
According to this configuration, when the elapsed time when the detected temperature reaches the maximum is substantially the same as the reference time, the flow rate on the boundary line between the first region and the second region in the calibration function is Identified as the flow rate of fluid passing through.
更なる技術的手段では、前記情報処理装置は、前記経過時間と流量の関係を示す関数を予め記憶し、この関数より、前記検量関数における前記第1領域と前記第2領域との境界線上の流量に対応する経過時間を求め、この経過時間を前記基準時間とすることを特徴とする。
この構成によれば、情報処理装置は、検量関数における第1領域と第2領域との境界線上の流量に対応する経過時間を、経過時間と流量の関係を示す関数から求める。よって、第1領域と第2領域との内の何れを用いるかを判断するための基準時間を、検量関数に応じた正確な値とすることができ、ひいては、流量計測の精度を向上することができる。
In a further technical means, the information processing apparatus stores in advance a function indicating the relationship between the elapsed time and the flow rate, and on the boundary line between the first region and the second region in the calibration function based on this function. An elapsed time corresponding to the flow rate is obtained, and this elapsed time is set as the reference time.
According to this configuration, the information processing apparatus obtains the elapsed time corresponding to the flow rate on the boundary line between the first region and the second region in the calibration function from the function indicating the relationship between the elapsed time and the flow rate. Therefore, the reference time for determining which one of the first region and the second region is used can be set to an accurate value according to the calibration function, thereby improving the accuracy of flow rate measurement. Can do.
更なる技術的手段では、前記流路中には、前記温度検出部よりも上流側に、前記加熱器によって加熱される流体の熱拡散を促す熱拡散手段が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、加熱器によって加熱された流体の熱拡散が、温度検出部に到達するまでの間に促進するため、温度検出部近傍における流体の温度を一様化して、測定される温度上昇量と流量との関係に直線的な線形関係を得ることができ、ひいては、比較的簡単なデータ処理によって高精度に微少流量を求めることができる。
In a further technical means, a heat diffusing means for urging heat diffusion of the fluid heated by the heater is provided in the flow path upstream of the temperature detection unit. .
According to this configuration, since the thermal diffusion of the fluid heated by the heater is promoted before reaching the temperature detection unit, the temperature of the fluid in the vicinity of the temperature detection unit is made uniform and measured. A linear linear relationship can be obtained between the increase amount and the flow rate. As a result, a minute flow rate can be obtained with high accuracy by relatively simple data processing.
更なる技術的手段では、前記熱拡散手段は、流体の流通方向に向かって断面積を拡大する拡がり管と、流体の流通方向に向かって断面積を縮小する狭まり管とのうち、何れか一方又は双方を具備していることを特徴とする。
この構成によれば、拡がり管と狭まり管のうちの一方又は双方によって効果的に熱拡散を促進させることができる。
In a further technical means, the heat diffusing means is one of a widening pipe whose cross-sectional area is increased in the fluid flow direction and a narrow pipe which is reduced in cross-sectional area in the fluid flow direction. Alternatively, both are provided.
According to this configuration, thermal diffusion can be effectively promoted by one or both of the expansion tube and the narrowing tube.
更なる技術的手段では、前記熱拡散手段は、流体の流通方向に向かって断面積を拡大する拡がり管の下流側端部に、流体の流通方向に向かって断面積を縮小する狭まり管を連接してなることを特徴とする。
この構成によれば、拡がり管及び狭まり管により、特に幅広い微少流量域において温度上昇量と流量との関係を直線的な線形関係にすることができ、ひいては、比較的広範な微少流量域において高精度な流量測定が可能となる。
In a further technical means, the heat diffusing means is connected with a narrowed pipe that reduces the cross-sectional area in the fluid flow direction at the downstream end of the expansion pipe that increases the cross-sectional area in the fluid flow direction. It is characterized by becoming.
According to this configuration, the relationship between the temperature rise amount and the flow rate can be made linear and linear, particularly in a wide range of very small flow rates, by using the expansion tube and the narrowing tube. Accurate flow measurement is possible.
更なる技術的手段では、流体を通過させる流路と、該流路中の流体を加熱する加熱器と、該加熱器よりも下流側で加熱前後の流体の温度を検出する温度検出部と、該温度検出部による検出温度から流量を求める情報処理装置とを用いて、前記流路中の流体の流量を測定する微少流量測定方法であって、前記情報処理装置が流体の温度上昇量と流量の関係を示す検量関数を予め記憶するステップと、前記情報処理装置が前記温度検出部による検出温度から流体の温度上昇量を求めるステップと、前記情報処理装置が前記ステップで求められた温度上昇量に対応する流量を前記検量関数から求めるステップとを含み、前記検量関数は、温度上昇量と流量との関係が正の線形関係である第1領域と、該第1領域よりも大流量側において温度上昇量と流量との関係が負の線形関係である第2領域とを有することを特徴とする。 In a further technical means, a flow path for allowing the fluid to pass through, a heater for heating the fluid in the flow path, a temperature detection unit for detecting the temperature of the fluid before and after heating downstream of the heater, A micro flow rate measuring method for measuring a flow rate of a fluid in the flow path using an information processing device that obtains a flow rate from a temperature detected by the temperature detection unit, wherein the information processing device detects a fluid temperature increase amount and a flow rate. A step of preliminarily storing a calibration function indicating the relationship of the above, a step in which the information processing device obtains a temperature rise amount of the fluid from a temperature detected by the temperature detection unit, and a temperature rise amount obtained by the information processing device in the step A flow rate corresponding to the first function is obtained from the calibration function, and the calibration function includes a first region in which the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a positive linear relationship, and a larger flow rate side than the first region. With temperature rise Wherein the relationship between the amount of a second region which is a negative linear relationship.
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような作用効果を奏する。
加熱器、温度検出部、情報処理装置(例えば安価なマイクロプロセッサ等)によって構成されるため、簡素構造で安価・高精度かつ保守の必要性が少ない。
しかも、正の線形関係を有する第1領域と、負の線形関係を有する第2領域とから構成される検量関数を用いるため、比較的広範な微少流量測定が可能である。
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
Since it is composed of a heater, a temperature detector, and an information processing device (for example, an inexpensive microprocessor), it has a simple structure, is inexpensive, highly accurate, and requires little maintenance.
In addition, since a calibration function composed of a first region having a positive linear relationship and a second region having a negative linear relationship is used, a relatively wide range of minute flow rate measurement is possible.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものと異なる部分を有する場合や、図面相互間において寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合もある。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の配置や形状などは下記のものに限定されない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the drawings are schematic, and may include portions different from the actual ones, and may include portions having different dimensional relationships and ratios between the drawings.
Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the arrangement and shape of each component are not limited to the following. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
先ず、本発明の実施の形態に係る微少流量計を図1を参照しながら説明する。
この微少流量計は、流体を通過させる流体を通過させる上流側流路1と、該上流側流路1の下流側に連設された熱拡散手段2と、熱拡散手段2の下流側に連設された下流側流路3と、これら流路1,3及び熱拡散手段2からなる流路中の流体を加熱する加熱器4と、加熱器4よりも下流側で加熱前後の前記流体の温度を検出する温度検出部5と、温度検出部5による検出温度から前記流体の流量を求める情報処理装置54とを、主要な構成要素として具備している。
First, a micro flow meter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This micro flow meter includes an upstream flow path 1 that allows fluid to pass through, a thermal diffusion means 2 that is connected downstream of the upstream flow path 1, and a downstream side of the thermal diffusion means 2. A
上流側流路1と下流側流路3の各々は、断面形状が円形の直管(つまり直円管)であり、その内部に流体(液体でも気体でもよい)を通過させるように形成してある。本実施の形態では、上流側流路1、熱拡散手段2、及び下流側流路3は、鉛直方向へわたる略直線状の流路を構成しており、該流路内の流体を重力方向に対する略逆向きに流通させるようにしている。
ここで「略逆向き」とは、方向が重力方向と180度異なる場合だけでなく、重力方向と逆向き方向のベクトル成分を含む方向(例えば斜め上方向き等)を含むことを意味する。
なお、図示例によれば、上流側流路1と下流側流路3の内径は、略同径である。
Each of the upstream flow path 1 and the
Here, “substantially reverse” means not only when the direction is 180 degrees different from the direction of gravity but also including a direction including a vector component in the direction opposite to the direction of gravity (for example, obliquely upward).
In addition, according to the example of illustration, the internal diameter of the upstream flow path 1 and the
熱拡散手段2は、加熱器4によって加熱された流体を熱拡散させる(温度を一様化させる)機能を担う。この作用により、本流量計を後述するモデル(温度上昇量と流量が線形関係になる)へ適用することが可能となる。 The thermal diffusion means 2 has a function of thermally diffusing the fluid heated by the heater 4 (making the temperature uniform). This action makes it possible to apply the present flow meter to a model (a temperature rise amount and a flow rate have a linear relationship) to be described later.
この熱拡散手段2は、図示例によれば、流体の流通方向に向かって断面積を徐々に拡大する拡がり管2aと、該拡がり管2aの下流側端部に連接されるとともに流体の流通方向に向かって断面積を徐々に縮小する狭まり管2bとから構成される。
According to the illustrated example, the heat diffusing means 2 is connected to a
拡がり管2aは、本実施の形態の好ましい一例によれば、その流通断面積を、下流側へゆくにしたがって直線的な比率で徐々に拡大するディフューザ形状としている。
また、狭まり管2bは、その流通断面積を、下流側へゆくにしたがって直線的な比率で徐々に縮小するレデューサ形状としている。
According to a preferred example of the present embodiment, the
Further, the narrowing
前記上流側流路1、熱拡散手段2、下流側流路3は、アクリルや、その他の合成樹脂材料からなり、各部品同士を接合してなる構成としてもよいし、一体の部材として構成してもよい。
The upstream flow path 1, the heat diffusion means 2, and the
加熱器4は、例えばニクロム線等の発熱素子であり、図2に例示するように、環状に形成されたリング部4aと、リング部4aに接続された導線4bとからなる。
この加熱器4は、少なくとも温度検出部5よりも上流側に配置され、本実施の形態の好ましい一例によれば、熱拡散手段2による熱拡散作用を良好に得るために、熱拡散手段2の入口近傍に配置される。
The
The
リング部4aは、その軸心が流体の流れ方向(熱拡散手段2の中心線)に対し略平行になるように配置される。
また、このリング部4aは、流体に対する加熱位置が、流体の流れ方向に直交する仮想面(流通断面)における略中央となるように配置されている。すなわち、リング部4aの軸線と、熱拡散手段2の中心線とは略一致している。これによって、リング部4aは、流体の最大流速点となる位置の近傍に配置されることになる。
The
Moreover, this
良く知られているように、直円管内での流体の流れは、レイノルズ数が約2000以下では、直管入口の流れの状態によらず、図3に示されるようなポアズイユ流れとなる。ポアズイユ流れでは、図3に示すように流れ方向にはその流速分布が変わらない、放物形の流速分布をした層流となる。特に、レイノルズ数Reの小さい管内流の場合、非常に短い助走距離Lでポアズイユ流れとなることが知られている。助走距離Lは次式で得られる。
L=0.065Re×d
ただし、
Re≡Ud/γ:レイノルズ数
d : 流路の直径( m )
U : 管内平均流速( m / s )
γ : 流体の動粘性係数( m 2 / s )
である。
As is well known, when the Reynolds number is about 2000 or less, the flow of fluid in the straight pipe becomes a Poiseuille flow as shown in FIG. 3 regardless of the flow state at the straight pipe inlet. As shown in FIG. 3, the Poiseuille flow is a laminar flow having a parabolic flow velocity distribution in which the flow velocity distribution does not change in the flow direction. In particular, in the case of a pipe flow having a small Reynolds number Re, it is known that a Poiseuille flow is obtained with a very short approach distance L. The approach distance L is obtained by the following equation.
L = 0.065Re × d
However,
Re≡Ud / γ: Reynolds number d: Diameter of the flow path (m)
U: Average pipe flow velocity (m / s)
γ: Kinematic viscosity coefficient of fluid (
It is.
ポアズイユ流れについては従来からよく知られているため、これ以上は述べないが、本実施の形態に関連し、特に重要なことは図3に示されるような放物線の速度分布となることである。つまり、加熱器4が位置している流路断面の中央付近において流体の流速が最大となることである。これにより、流路の中央付近に設けられた加熱器4によって軸対称流であるポアズイユ流れを軸対称に加熱することができ、拡散も対称に生じるため、流路全体に温度均一化を図ることができる。
Since the Poiseuille flow is well known from the past, it will not be described any more, but in relation to the present embodiment, what is particularly important is a parabolic velocity distribution as shown in FIG. That is, the flow velocity of the fluid becomes maximum near the center of the cross section of the flow path where the
加熱器4を発熱させるための構成について説明すれば、加熱器4はパルス電圧発生装置41から供給される方形波電圧によって時間thの間加熱されるようになっている。
図4は、加熱器4をパルス加熱するために用いた装置の一例である。この装置は、加熱器4、パルス電圧発生装置41、定電圧電源装置42、電流制御用抵抗回路43等から構成される。パルス電圧発生装置は本発明の特徴ではないため詳述はしないが、例えば、タイマーICを用いた無安定マルチバイブレータ回路を定電圧電源装置42により動作させ、同回路中の抵抗の大きさを変えることで、パルス通電の間の待機時間t1、パルス通電時間th調整するようにしている。
また、パルス電圧発生装置41からの出力が一定の場合、図4に示した電流制御用抵抗回路43を用いて電流の強さを制御し、加熱器4の加熱量を調整できるようになっている。このようにして、任意の間隔でもって加熱器4を通電し、流体をパルス加熱することができる。なお、定電圧電源を情報処理装置54に繋げることで、温度検出部5からの温度計測データの収集のみならず、加熱器4の制御も情報処理装置54によって行うことが可能である。
The structure for generating heat from the
FIG. 4 is an example of an apparatus used for pulse heating the
Further, when the output from the
加熱器4によって加熱される加熱流体は、熱拡散をしながら流れに乗って移動する。そして、その下流側において温度検出部5によって温度計測が行われ、加熱前と加熱後の上昇温度ΔTが計測される。
The heating fluid heated by the
図5は、温度検出部5の一例を示し、特に安価に構成するために、熱電対5aを用いた構成としている。
この温度検出部5は、熱電対5a、熱電対出力増幅回路52、ローパスフィルタ回路53、およびA/D変換ボード(図示せず)、データの記憶媒体(図示せず)、データ処理部(図示せず)等を備え、熱電対5a出力を、熱電対出力増幅回路52により増幅し、ローパスフィルタ回路53を介して情報処理装置54に取り込むようにしている。
FIG. 5 shows an example of the
The
また、情報処理装置54は、後述する検量関数や、基準時間、演算処理プログラム等を予め記憶する記憶装置と、温度検出部5による検出温度から流体の温度上昇量を求め、この温度上昇量に対応する流量を検量関数から求める演算処理装置(CPU等)とを具備した構成であればよい。この情報処理装置54は、例えばコンピュータとしてもよいが、マイクロプロセッサ等を用いた安価な電子回路とすることが可能である。
Further, the
なお、実施態様によっては加熱器4と温度検出部5の間の距離Lが近接する場合も想定される。このような場合、絶縁をしていないニクロム線ヒータである加熱器4と、熱電対5aの測定部位とが近い位置関係となり、前記ヒータへの通電中に、前記ヒータと熱電対5aの間に微弱ながら漏れ電流が発生する。熱電対5a自体の出力は小さく、増幅装置のゲインは大きいため、漏れ電流は微弱であっても、ヒータ通電中およびその直後の装置の出力に大きな影響を及ぼす。特に漏れ電流の影響は、空気に比して導電率の高い水中において顕著となる。そこで、本実施の形態の好ましい一例では、漏れ電流の対策として、熱電対5aの測定部位を絶縁テープ51で覆うとともに、パルス通電による通電中、および待機中に、熱電対5aの電位を、ニクロム線ヒータ(加熱器4)の平均の電位に揃える回路55(図5参照)を設けている。
In some embodiments, the distance L between the
次に、上記構成の微少流量計を用いた微少流量測定方法について説明する。微少流量計において、図1の矢印の方向に流体が流れているものとする。そうすると、この流体の一部は熱拡散手段2の入り口付近に設けられた加熱器4によりパルス加熱される。そして、加熱された流体(以降、加熱流体と称する)は熱拡散手段2において熱拡散をしながら温度が一様化され、流れに乗って下流側に移動する。
Next, a micro flow rate measuring method using the micro flow meter having the above configuration will be described. In the micro flow meter, it is assumed that fluid flows in the direction of the arrow in FIG. Then, a part of the fluid is pulse-heated by the
そして、加熱流体は、加熱器4よりも下流側に設けられた温度検出部5(詳細には熱電対5a)に到達し、温度計測される。情報処理装置54は、加熱前後の流体の温度から、温度上昇量ΔTを計算し、この温度上昇量ΔTに対応する流量Qを、予め記憶された検量関数(流体の温度上昇量ΔTと流体の流量Qとの関係を示す検量線)から求める。
Then, the heated fluid reaches the temperature detection unit 5 (specifically, the
以上のように、本発明に係る流量計測装置は非常にシンプルな構成であるため、安価に製作することができる。単体として本流量計を使用することを前提に製作費用を見積もると、例えば、加熱器4の製作費(パルス発生回路と定電圧電源の製作費:〜\2000)、温度センサー部の製作費(熱電対と増幅用アンプ:〜\500、出力測定用の直流電圧計:〜\2000)を考慮して5000円以内で一台の流量計の製作が可能となる。 As described above, since the flow rate measuring device according to the present invention has a very simple configuration, it can be manufactured at low cost. Estimating the manufacturing cost on the assumption that this flow meter is used as a single unit, for example, the manufacturing cost of the heater 4 (the manufacturing cost of the pulse generation circuit and the constant voltage power source: ~ \ 2000), the manufacturing cost of the temperature sensor ( Considering thermocouple and amplifier for amplification: ~ \ 500, DC voltmeter for output measurement: ~ \ 2000), one flow meter can be manufactured within 5000 yen.
次に、流体の温度上昇量ΔTと流体の流量Qとの関係を示す検量関数(検量線)について説明する。この検量関数は本願発明者が導いた次の関係式に基づくものであることから、先ずはこの関係式について説明する。以下、流量Qと流体の温度上昇量ΔTの定性的関係を、流動系を単純化したモデルをもとに説明する。 Next, a calibration function (calibration curve) showing the relationship between the fluid temperature rise amount ΔT and the fluid flow rate Q will be described. Since this calibration function is based on the following relational expression derived by the present inventor, this relational expression will be described first. Hereinafter, the qualitative relationship between the flow rate Q and the fluid temperature increase ΔT will be described based on a simplified flow system.
温度上昇量ΔTの大きさは、加熱器4による加熱量Δqが一定であれば、加熱器4による加熱を開始してから、加熱された流体が温度検出部5に到達するまでに熱が伝わる流体の体積の総量Vh(熱は同体積内に均等に分布するものとする)に反比例する(式(1))。ただし、測定管及び測定管外への熱の拡散は考えないものとする。ここで、ρは流体の密度を、Cpは定圧比熱を示す。
If the heating amount Δq by the
(i)熱拡散手段2のモデルを、同じ体積を持つ直円管のモデルに置き換える(図6参照)。ここで、同じ体積とは管内平均流速Umの流体が、長さL(加熱器4と温度検出部5の間の距離)を通過するのに要する時間をΔtとしたとき、同じく通過するのにΔtの時間を要する内径の直円管の長さをL’とし、長さLの熱拡散手段2と長さL’の直円管の体積は等しくなるような関係をいう。
以下、測定管は加熱器4と温度検出部5の間の長さがL’の直円管であるとし、この結果は長さLの熱拡散手段2のモデルにも適用できるものとする。
(ii)管断面内は、一様に流速Umである。すなわち、管内の粘性による速度境界層の形成、および流体の温度上昇に伴って生じる流体の浮力による加速は考慮しないものとする。
(iii)加熱は加熱器4設置断面全体に一様に行われる。実際の加熱器4のリング部4aは、管の軸方向、断面方向に有限の幅を持つが、ここでは厚さ0のリング部4a設置断面の断面全体に、一様に加熱を行う加熱器を想定する。
(i) Replace the model of the thermal diffusion means 2 with a model of a straight tube having the same volume (see FIG. 6). Here, the same volume means that a fluid having an average flow velocity Um in the pipe passes through the same length when Δt is a time required to pass through the length L (distance between the
Hereinafter, it is assumed that the measurement tube is a straight tube having a length L ′ between the
(ii) The flow velocity Um is uniformly in the pipe cross section. That is, the formation of the velocity boundary layer due to the viscosity in the tube and the acceleration due to the buoyancy of the fluid accompanying the rise in the temperature of the fluid are not considered.
(iii) Heating is performed uniformly over the entire installation cross section of the
図6は、前述の条件から導いたVhのモデルである。Vhのオーダーはh0、δTに依存し、式(2)で表される。ここで、h0は加熱器4による加熱中にリング部4a断面を通過する流体の長さ、δTは加熱器4が流体に与えた熱が熱伝導により拡散した長さを示す。
FIG. 6 is a model of Vh derived from the above conditions. The order of Vh depends on h0 and δT and is expressed by equation (2). Here, h0 indicates the length of the fluid that passes through the cross section of the
式(1)〜(4)より、ΔTのオーダーはUmの関数となる(式(6))。ここで、a,b,c,a',b'
,c'は定数である。
From Equations (1) to (4), the order of ΔT is a function of Um (Equation (6)). Where a, b, c, a ', b'
, c 'is a constant.
式(6)より、
図8は、式(6)によるQ‐ΔTの関係を示している。Q−ΔT間の関係は、比較的流量の小さい第1領域では右肩上がりの関係、比較的流量の大きい第2領域では右肩下がりの関係が現われる。本実施の形態では、第1領域から第2領域にわたる範囲の検量関数(検量線)を用いて、微少流量の測定を実現する。 FIG. 8 shows the relationship of Q−ΔT according to the equation (6). As for the relationship between Q and ΔT, the first region where the flow rate is relatively small has an upward relationship, and the second region where the flow rate is relatively large has a downward relationship. In the present embodiment, a minute flow rate is measured using a calibration function (calibration curve) in a range from the first region to the second region.
上述の如く、微少流量領域だと熱拡散の影響が支配的となるため、加熱流体を温度マーカーとし、その移動時間から流速を求めるような従来手法は実現困難となる。一方で、本実施の形態の微少流量計では、熱拡散による温度の一様化作用をも利用して、上記式(6)により表されるモデルを適用するため、熱拡散の長さδTが支配的となることによる不都合はない。以上が、本実施の形態の微少流量計の基本原理である。 As described above, since the influence of thermal diffusion is dominant in the minute flow rate region, it is difficult to realize a conventional method in which the heating fluid is used as a temperature marker and the flow velocity is obtained from the moving time. On the other hand, in the micro flowmeter of the present embodiment, since the model represented by the above equation (6) is applied also utilizing the temperature equalization effect by thermal diffusion, the thermal diffusion length δT is There is no inconvenience due to becoming dominant. The above is the basic principle of the micro flowmeter of the present embodiment.
次に、検量関数(検量線)の作成方法について説明する。検量関数の作成は、図9に示すような装置を用いることで行うことができる。図9に示す装置は、図1に示す構成に、一定の流量を発生させることが可能な一定流量装置61を加えたものである。
Next, a method for creating a calibration function (calibration curve) will be described. The calibration function can be created by using an apparatus as shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 9 is obtained by adding a constant
一定流量発生装置61の一例を図10に示す。ここに示す一例では、一定流量の流体の供給は、注射器内の液体を一定速度で押し出す、減速器付きのトラバース装置を用いている。先ず、外部電源(図示せず)によって減速機付きモータ62を駆動する。そして、このモータ62の駆動により得られた回転はトラバース装置63によって、台座64の直線運動に変換される。
台座64には、複数の注射器が備えられており、台座64の直線運動(矢印66の方向への運動)に伴なって、注射器65も直線運動を行う。この注射器65の直線運動によって、注射器のピストンが押され、流体が一定速度で押し出される。さらに、流量の調整は、使用する注射器の種類、本数により調整することが可能である。図10では一例として、台座64に計4本の注射器を具備している。
An example of the constant
The
例えば、モータの回転数:60 rev/min、減速器の減速比:12.5 : 1、トラバース装置のピッチ:3 mm/revとした場合、14.4 mm/min の直線運動が得られる。そして、注射器に、樹脂製の医療用注射器1mL用(内径4.5mm)を用いた場合には0.25mL/min、5mL用(内径13mm)では1.9 mL/min単位での流量調整が可能となる。 For example, when the motor speed is 60 rev / min, the reduction gear reduction ratio is 12.5: 1, and the traverse device pitch is 3 mm / rev, a linear motion of 14.4 mm / min is obtained. When a 1 mL plastic medical syringe (inner diameter: 4.5 mm) is used as the syringe, the flow rate can be adjusted in units of 0.25 mL / min for a 5 mL (inner diameter: 13 mm) 1.9 mL / min unit.
検量関数(検量線)の作成のために、先ず、一定流量発生装置61により発生した既知の流量を上流側流路1に流す。すると、加熱器4の位置においては、図3に示されるポアズイユ流れとなり、流速は加熱器4が位置する中央付近において最大となる。ついで、加熱器4によってパルス加熱され、加熱された部分の流体(加熱流体)の密度は、加熱前よりも小さくなる。すると、周囲の非加熱流体との密度差に基づく浮力により、重力と反対方向に、加熱部分の流れが加速される。そして、加熱流体は流れに乗って移動し、熱拡散手段2を通過した後、温度検出部5に到達する。そして、加熱流体は温度検出部5において温度計測が行われる。
In order to create a calibration function (calibration curve), first, a known flow rate generated by the constant
ここで測定するのは、あくまで、加熱流体の温度(この温度から温度上昇量ΔTの計算ができる)である。したがって、実際の流体の流量Q(または流速) との関係は未知である。
そこで、流量Qを一定流量発生装置61で変化させ、各流量毎に温度上昇量ΔTを計測し、この計測結果をプロットすることで、両者の関係を示す検量関数(検量線)を得ることができる。
What is measured here is only the temperature of the heated fluid (the temperature increase ΔT can be calculated from this temperature). Therefore, the relationship with the actual fluid flow rate Q (or flow velocity) is unknown.
Therefore, by changing the flow rate Q with the constant
以下に、検量関数(検量線)のより具体的な作成手順の一例について詳細に説明する。
先ず、一定流量発生装置61を制御動作することで、上流側流路1、熱拡散手段2及び下流側流路3からなる流路中に、流体を複数の異なる流量条件(例えば、0、0.25、0.5、0.75、1.00、1.25、1.50、1.90、3.90、5.90mL/min)で流す。
Hereinafter, an example of a more specific procedure for creating a calibration function (a calibration curve) will be described in detail.
First, by controlling the constant flow
次に、加熱器4による流体の加熱を開始し、流量毎に、温度検出部5出力の離散時系列の取り込みを行う。
より具体的に説明すれば、加熱器4による加熱開始の時点から、所定の微少時間間隔で温度検出部5による温度検出を行い、例えば図11(A)〜(C)に示すように、加熱器4による加熱開始からの経過時間Δtと温度検出部5による検出温度Tとの関係を測定し記憶装置(図示せず)に記憶する。
Next, heating of the fluid by the
More specifically, the temperature detection by the
そして、前記検出温度Tが最大になった時点において、流体の加熱前後の温度上昇量ΔTを求める。検出温度Tが最大になった時点は、温度検出部5による検出温度Tの変化量が0となった時点(換言すれば、図11(A)〜(C)の各曲線の傾きが略水平となった時点)とすればよい。
ここで、加熱開始直前の検出温度Tと、前記最大になった時点の検出温度Tとの差である温度上昇量ΔTを、以降、加熱拡散温度上昇量と称することにする。
Then, when the detected temperature T reaches the maximum, a temperature increase ΔT before and after heating the fluid is obtained. The time when the detected temperature T becomes maximum is the time when the amount of change in the detected temperature T by the
Here, the temperature increase ΔT that is the difference between the detected temperature T immediately before the start of heating and the detected temperature T at the time when the temperature reaches the maximum will be referred to as a heating diffusion temperature increase.
そして、加熱拡散温度上昇量ΔTと前記複数の異なる既知の流量Qとの相関関係から、例えば、図13に示す検量関数(検量線)を求め、この検量関数を、例えば数式化して、記憶装置(図示せず)に記憶する。 Then, for example, a calibration function (calibration curve) shown in FIG. 13 is obtained from the correlation between the heating diffusion temperature rise amount ΔT and the plurality of different known flow rates Q. (Not shown).
なお、検量関数を得るための前記手順は、流量測定前に予備的測定として人為的に行えばよいが、他例としては、当該微少流量計に具備される制御プログラムによって自動実行されるようにすることも可能である。すなわち、前記他例は、図示しない記憶装置に記憶されたプログラムにより情報処理装置54を機能させ、該情報処理装置54からの命令により、一定流量発生装置61、加熱器4、温度検出部5等を制御し、一定流量発生装置61から供給される既知の流量Qと温度検出部5の検出温度に基づく温度上昇量との関係から検量関数を導き出す構成とすればよい。
また、他例としては、前記検量関数を理論計算により求めることも可能である。
The procedure for obtaining the calibration function may be artificially performed as a preliminary measurement before the flow measurement, but as another example, it may be automatically executed by a control program provided in the micro flow meter. It is also possible to do. That is, in the other example, the
As another example, the calibration function can be obtained by theoretical calculation.
上記のようにして求められる検量関数(検量線)は、図13に示すように、加熱拡散温度上昇量ΔTと流量Qとの関係が正の線形関係である第1領域と、該第1領域よりも大流量側において加熱拡散温度上昇量ΔTと流量Qとの関係が負の線形関係である第2領域とを有する。
そのため、図13に示すように、単一の加熱拡散温度上昇量ΔT1に対し、二つの流量Q1,Q2が対応することになる。次に、前記二つの二つの流量Q1,Q2の内、何れを実際に流路を流れる流体の流量と特定するかについて説明する。
As shown in FIG. 13, the calibration function (calibration curve) obtained as described above includes a first region in which the relationship between the heating diffusion temperature rise amount ΔT and the flow rate Q is a positive linear relationship, and the first region. The second region has a negative linear relationship between the heating diffusion temperature rise amount ΔT and the flow rate Q on the larger flow rate side.
Therefore, as shown in FIG. 13, two flow rates Q1 and Q2 correspond to a single heating diffusion temperature rise amount ΔT1. Next, which of the two flow rates Q1 and Q2 is specified as the flow rate of the fluid actually flowing through the flow path will be described.
図8及び図13中において、加熱拡散温度上昇量ΔTの流量Q依存性が変わる流量Qc、及び加熱器4による加熱開始より温度検出部5の検出温度Tが最大温度となるまでの時間経過Δtcを求める(Q = Qc のときのΔt = Δtc )。このΔtcは、流量計測時の同じ加熱拡散温度上昇量ΔTに対して、第1領域と第2領域の2つの流量Q値が対応する出力値を、第1領域か第2領域かを区別する基準となる時間(以降、このΔtcを基準時間と称する)である。
8 and 13, the flow rate Qc changes the flow rate Q dependency of the heating diffusion temperature rise amount ΔT, and the time lapse Δtc from when heating by the
図11は、図13中のQ<Qcの第1領域、Q≒Qc(このときのΔTを示す加熱開始からの経過時間がΔtc)の境界領域、Q>Qcの第2領域の3つ領域について、それぞれ流体の温度Tと経過時間Δtの関係を示す。図11(A)はΔt>Δtc、図11(B)はΔt≒Δtc、図11(C)はΔt <Δtcの場合である。 FIG. 11 shows three regions: a first region of Q <Qc, a boundary region of Q≈Qc (elapsed time from the start of heating indicating ΔT at this time Δtc), and a second region of Q> Qc in FIG. , The relationship between the fluid temperature T and the elapsed time Δt is shown. FIG. 11A shows a case where Δt> Δtc, FIG. 11B shows a case where Δt≈Δtc, and FIG. 11C shows a case where Δt <Δtc.
第1領域と第2領域における流量Q1と流量Q2の違い(図13参照)は、加熱開始より流体の温度が最大値Tを示すまでの経過時間Δtによって明確に区別することができる。
具体的には、第1領域は流量Qが小さいため(Q<Qc、ここでQcは[mL/min]のときの流量、この流量を境にΔTの依存性は異なる)、加熱後に最大温度となるまでの経過時間Δtが長い(図11(A)参照)のに対して、第2領域では逆に流量Qが大きい(Q>Qc)ため前記経過時間Δtが短い(図11(C))ことを利用すればよい。
The difference between the flow rate Q1 and the flow rate Q2 in the first region and the second region (see FIG. 13) can be clearly distinguished by the elapsed time Δt from the start of heating until the fluid temperature reaches the maximum value T.
Specifically, since the flow rate Q is small in the first region (Q <Qc, where Qc is the flow rate when [mL / min], the dependence of ΔT varies with this flow rate as a boundary), the maximum temperature after heating Is longer (see FIG. 11A), whereas in the second region, the flow rate Q is larger (Q> Qc), so the elapsed time Δt is shorter (FIG. 11C). )
次に、本実施の形態の微少流量計が、温度検出部5による検出温度に基づき、上述した二つの流量Q1,Q2を区別して求める具体的手順を、図17に示すフローチャートに沿って説明する。
Next, a specific procedure in which the micro flowmeter according to the present embodiment determines the above-described two flow rates Q1 and Q2 based on the temperature detected by the
前提条件として、情報処理装置54の記憶装置(図示せず)には上記検量関数が予め記憶され、上流側流路1、熱拡散手段2、及び下流側流路3には流体を流通させている状態とする。
As a precondition, the calibration function is stored in advance in a storage device (not shown) of the
前記状態において、本実施の形態の微少流量計は、先ず、温度検出部5出力の離散時系列の取り込みを行うとともに、加熱器4によって流体を所定時間(th)加熱する(ステップ1)。
より具体的に説明すれば、このステップ1では、少なくとも加熱器4による加熱開始の時点から、所定の微少時間間隔で温度検出部5による温度検出を行い、例えば図11(A)〜(C)に示すように、加熱器4による加熱開始からの経過時間Δtと温度検出部5による検出温度Tとの関係を測定し記憶する。
In the above state, the micro flowmeter of the present embodiment first takes in the discrete time series of the output of the
More specifically, in step 1, temperature detection is performed by the
次に、ステップ2では、前記離散時系列より、加熱拡散温度上昇量ΔT1と経過時間Δtを求める。
より詳細に説明すれば、検出温度Tが最大になった時点において、流体の加熱前後の温度上昇量ΔTを求め、この温度上昇量ΔTを加熱拡散温度上昇量ΔTとする。検出温度Tが最大になった時点は、温度検出部5による検出温度Tの変化量が0となった時点(例えば図11(A)〜(C)の各曲線の傾きが略水平となった時点)とすればよい。
Next, in
More specifically, when the detected temperature T reaches the maximum, the temperature increase ΔT before and after heating the fluid is obtained, and this temperature increase ΔT is set as the heating diffusion temperature increase ΔT. When the detected temperature T reaches the maximum, the slope of each curve in FIGS. 11A to 11C becomes substantially horizontal when the amount of change in the detected temperature T by the
次に、ステップ3aでは、検出温度Tが最大になった時点の前記経過時間Δtが、予め設定された基準時間tcと略同一であるか否かを判断し、略同一である場合には次のステップ4aへ処理を進め、そうでなければステップ3bへ処理を移行する。 Next, in step 3a, it is determined whether or not the elapsed time Δt when the detected temperature T reaches the maximum is substantially the same as a preset reference time tc. The process proceeds to step 4a. Otherwise, the process proceeds to step 3b.
基準時間tcは、予め実験的又は理論的に求められて情報処理装置54に記憶された値とすればよいが、上述した検量関数の作成手順で得たデータから求めるようにしてもよい。
すなわち、検量関数を作成する上記予備的計測において、既知の流量Qと、加熱開始から検出温度Tが最大となるまでの経過時間Δtとの関係から、図12のグラフに示す関数を作成し、この関数を例えば数式化して記憶しておく。そして、この関数により、前記検量関数における第1領域と第2領域との境界線上の流量Qcに対応する経過時間Δtを求め、この経過時間Δtを前記基準時間Δtcとすればよい。
The reference time tc may be a value obtained experimentally or theoretically in advance and stored in the
That is, in the preliminary measurement for creating the calibration function, the function shown in the graph of FIG. 12 is created from the relationship between the known flow rate Q and the elapsed time Δt from the start of heating to the maximum detected temperature T. This function is stored as a mathematical formula, for example. Then, an elapsed time Δt corresponding to the flow rate Qc on the boundary line between the first region and the second region in the calibration function is obtained from this function, and this elapsed time Δt may be set as the reference time Δtc.
ここで、図12のグラフに示す関数ついて、理論的に説明すれば、この関数は、加熱器4による加熱開始より加熱拡散温度上昇量ΔTを示すまでの経過時間Δtと流量Qの関係(Δt〜Q)を示す。
Δtを、加熱拡散時間(Δtdiff)と主流平均流速(Um)に基づく対流移動時間(Δtconv)について、主流方向のΔtdiffとΔtconvの大きさのオーダー評価を行う。
Δtdiff〜L2/α [拡散方程式より]・・・(9)
Δtconv 〜 L/Um = AL/Q・・・(10)
ここに、α:熱拡散率、L:加熱器4と温度検出部5の間の距離、A:管断面積(一定と仮定)である。
上記時間を熱拡散手段2について概算する。α=0.15x10-4 m2/s(水流)、L=21x10-3 m/s(熱拡散手段2の長さ)、Um=2.4x10-3 m/s (Q=1 mL/minのとき)を、ΔtdiffとΔtconvに代入すると、Δtdiff <<Δtconvとなる。
ΔtはΔtconvを考えればよいことがわかる。
すなわち、Δt〜Qの関係は、式(10)の関係より図12中に実線で示す双曲線となる。(この曲線は、(ΔtC、QC)を通る。)
Here, the function shown in the graph of FIG. 12 is theoretically described. This function is the relationship between the elapsed time Δt from the start of heating by the
Δt is evaluated for the order of Δtdiff and Δtconv in the mainstream direction with respect to the convection transfer time (Δtconv) based on the heating diffusion time (Δtdiff) and the mainstream average flow velocity (Um).
Δtdiff ~ L2 / α [From diffusion equation] (9)
Δtconv ~ L / Um = AL / Q (10)
Where α is the thermal diffusivity, L is the distance between the
The above time is estimated for the thermal diffusion means 2. α = 0.15x10-4 m2 / s (water flow), L = 21x10-3 m / s (length of thermal diffusion means 2), Um = 2.4x10-3 m / s (when Q = 1 mL / min) Is substituted into Δtdiff and Δtconv, Δtdiff << Δtconv.
It can be seen that Δt may be Δtconv.
That is, the relationship between Δt to Q is a hyperbola indicated by a solid line in FIG. 12 from the relationship of Expression (10). (This curve passes through (ΔtC, QC).)
本実施の形態による流量測定の具体的手順に戻り、説明を続ければ、ステップ4aでは、上記流量Qc(検量関数における第1領域と第2領域との境界線上の流量)を、測定対象である流体の流量Qとして記憶する。
Returning to the specific procedure of the flow rate measurement according to the present embodiment and continuing the description, in
また、ステップ3bでは、検出温度Tが最大になった時点の前記経過時間Δtが、予め設定された基準時間tcよりも大きいか否かを判断し、大きい場合には次のステップ4bへ処理を進め、そうでなければステップ4cへ処理を移行する。
In step 3b, it is determined whether or not the elapsed time Δt at the time when the detected temperature T becomes maximum is greater than a preset reference time tc, and if so, the process proceeds to the
そして、ステップ4bでは、検量関数(図13参照)における第1領域を用いて、加熱拡散温度上昇量ΔT1に対応する流量Q1を求め、この流量Q1を測定対象である流体の流量Qとして記憶する。
In
また、ステップ4cでは、検量関数(図13参照)における第2領域を用いて、加熱拡散温度上昇量ΔT1に対応する流量Q2を求め、この流量Q2を測定対象である流体の流量Qとして記憶する。 Further, in step 4c, using the second region in the calibration function (see FIG. 13), a flow rate Q2 corresponding to the heating diffusion temperature rise amount ΔT1 is obtained, and this flow rate Q2 is stored as the flow rate Q of the fluid to be measured. .
そして、ステップ5では、前記ステップで求められた流量Qを、電気信号として出力して、液晶表示器等の表示部(図示せず)に表示したり、あるいはプリンター出力したり等する。
In
次に、本実施の形態の微少流量計及び微少流量測定方法を用いて、実際に流量測定を行った実験例について説明する。
この実験には、実施例1として上記構成の熱拡散手段2を用い、実施例2として狭まり管のみからなる熱拡散手段2’を用いた。
Next, an experimental example in which flow measurement is actually performed using the micro flow meter and micro flow measurement method of the present embodiment will be described.
In this experiment, the
この実験の実験条件は下記の通りである。
(実施例1(熱拡散手段2:図14参照)
・熱拡散手段2の入口内径:3mm
・熱拡散手段2の拡大部分の最大内径:6mm
・熱拡散手段2の出口内径:3mm
・熱拡散手段2の全長L:21mm
・拡がり管2a部分の長さ:9mm
・狭まり管2b部分の長さ:12mm
・流量:0、0.25、0.5、0.75、1.00mL/min
(実施例2(熱拡散手段2’:図15参照)
・入口部分の内径:6mm
・出口部分の内径:3mm
狭まり管の長さL:18mm
・流量:0、0.25、0.5、0.75、1.00、1.25、1.50、1.90、3.90、5.90mL/min
(共通する条件)
・加熱器4:ニクロム線(素線径0.12mm)
・加熱器4のリング部4aの直径D=0.5mm、流れ方向の長さ:3mm
・加熱器4の出力:1.7W(加熱時間th=1.8s,加熱量Δq=3J)
・被測定流体:水
水温:約19℃
The experimental conditions of this experiment are as follows.
(Example 1 (thermal diffusion means 2: see FIG. 14))
-Inner diameter of heat diffusion means 2: 3 mm
-Maximum inner diameter of the enlarged portion of the thermal diffusion means 2: 6 mm
-Outer diameter of heat diffusion means 2: 3 mm
-Overall length L of the thermal diffusion means 2: 21 mm
・ Length of
・ Length of
・ Flow rate: 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.00 mL / min
(Example 2 (thermal diffusion means 2 ′: see FIG. 15))
・ Inner diameter of the inlet part: 6mm
-Inner diameter of outlet part: 3mm
Narrow tube length L: 18mm
Flow rate: 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.00, 1.25, 1.50, 1.90, 3.90, 5.90 mL / min
(Common conditions)
-Heater 4: Nichrome wire (element diameter 0.12mm)
・ Diameter D = 0.5mm of the
・ Output of heater 4: 1.7W (heating time th = 1.8s, heating amount Δq = 3J)
・ Measuring fluid: Water temperature: Approximately 19 ℃
図16に示すグラフから判るように、拡がり管2aと狭まり管2bからなる熱拡散手段2を用いた実施例1では、流量Qが0〜約2.6(mL/min)の範囲において、Q−ΔTの関係が右肩上がりの略直線的な線形関係(一次関数で表される関係)となり、流量Qが約2.6(mL/min)以上では右肩下がりの略直線的な線形関係となっている。これは、図8に示したモデル解析の結果とよく近似している。これを検量関数(検量線)とすることによって、加熱拡散温度上昇量ΔTから、実際の流体の流量を、正確に測定することができる。すなわち、両者の関係が略直線的な線形であれば、検量関数の作成時での測定点の間における値を精度良く補間することができる。また、図16に示す実験結果からは、本実施の形態(実施例1)によれば0〜約6(mL/min)の広範な微少流量域での流量測定が可能であることが判る。
As can be seen from the graph shown in FIG. 16, in Example 1 using the thermal diffusion means 2 composed of the
なお、実施例1において、図16に示す実験例では、1.0〜2.0(mL/min)でやや非直線的な関係を示しているが、拡がり管2a及び狭まり管2bの傾斜角度や、熱拡散手段2の全長寸法、各部の内径寸法等の調整により、より直線的な線形関係に矯正することが可能である。
In Example 1, the experimental example shown in FIG. 16 shows a slightly non-linear relationship at 1.0 to 2.0 (mL / min), but the inclination angles of the
一方、実施例2として示した狭まり管のみの熱拡散手段2’のグラフでは、流量Qが0〜約1.0 (mL/min)の範囲において、Q−ΔTの関係が右肩上がりの略直線的な線形関係を示している。この実施例2については、流量Qが1.0 (mL/min)以上の温度上昇量を測定していないが、上述したモデル解析の結果より、実施例1と略同様に、ある流量点以上で、Q−ΔTの関係に右肩上がりの線形関係が得られるものと考えられる。但し、比較的広範な流量範囲(例えば0〜約6(mL/min)の範囲)での流量測定を想定した場合、実施例2よりも実施例1の方が測定精度が向上する見込みである。 On the other hand, in the graph of the heat diffusing means 2 ′ with only a narrowed tube shown as the second embodiment, the relationship of Q−ΔT is almost linearly increasing in the range of the flow rate Q from 0 to about 1.0 (mL / min). This shows a linear relationship. For Example 2, the amount of temperature increase with a flow rate Q of 1.0 (mL / min) or higher was not measured, but from the results of the model analysis described above, approximately the same as in Example 1, It is considered that a linear relationship of increasing right is obtained in the relationship of Q−ΔT. However, when it is assumed that the flow rate is measured in a relatively wide flow rate range (for example, a range of 0 to about 6 (mL / min)), the measurement accuracy in Example 1 is expected to be improved over that in Example 2. .
よって、本実施の形態によれば、拡がり管2a及び狭まり管2bからなる熱拡散手段2、ニクロム線ヒータ等の加熱器4、熱伝対等の温度検出部5、マイクロプロセッサ等の情報処理装置54等、比較的安価で簡素構造の部品のみによって、高精度かつ保守の必要性が少ない微少流量計及び微少流量測定方法を実現することができる。
しかも、正の線形関係を有する第1領域と、負の線形関係を有する第2領域とから構成される検量関数を用いるため、比較的広範な微少流量測定が可能であり、特に、流量範囲0〜10mL/minの微少流量測定に好適である。
Therefore, according to the present embodiment, the thermal diffusion means 2 including the
In addition, since a calibration function composed of a first region having a positive linear relationship and a second region having a negative linear relationship is used, a relatively wide range of minute flow rate measurement is possible. It is suitable for measuring a minute flow rate of 10 mL / min.
なお、上記実施の形態によれば、特に好ましい態様として拡がり管2aと狭まり管2bとを連設してなる熱拡散手段2を用いたが、この熱拡散手段2の他例としては、上述した熱拡散手段2’(狭まり管)や、直円管、拡がり管2aのみからなる管体、その他の形状の管体としたり、あるいは、これら複数種類の管体を適宜に組み合わせてなる管体とすることも可能である。
また、上記実施の形態によれば、拡がり管2aと狭まり管2bをそれぞれ流通断面積を直線的な比率で徐々に変化させる構成としたが、他例としては、流通断面積を所定の曲率でもって徐々に変化させる構成や、流通断面積を段階的に変化させる態様等が考えられる。
In addition, according to the said embodiment, although the thermal diffusion means 2 which connected the
Moreover, according to the said embodiment, although the
更に、熱拡散手段2の他例としては、流路中の流体の流通方向を重力方向に対し略逆向きにすることで、加熱流体が浮力の影響により熱拡散される態様とすることも可能である。
更に、熱拡散手段2の他例としては、流路中に少なくとも一つの貫通孔を有するプレート(例えばオリフィス板等)を流れ方向に略直交するように設け、前記プレートによる流速低下によって熱拡散を促進させる態様とすることも可能である。
Furthermore, as another example of the thermal diffusion means 2, it is also possible to adopt a mode in which the heated fluid is thermally diffused by the influence of buoyancy by making the flow direction of the fluid in the flow path substantially opposite to the direction of gravity. It is.
Furthermore, as another example of the heat diffusing means 2, a plate (for example, an orifice plate) having at least one through hole in the flow path is provided so as to be substantially orthogonal to the flow direction, and the heat diffusion is performed by reducing the flow velocity by the plate. It is also possible to make it an aspect to promote.
1:上流側流路
2:熱拡散手段
2a:拡がり管
2b:狭まり管
3:下流側流路
4:加熱器
5:温度検出部
54:情報処理装置
1: Upstream channel 2: Thermal diffusion means 2a:
Claims (8)
前記情報処理装置は、流体の温度上昇量と流量の関係を示す検量関数を予め記憶する記憶装置と、前記温度検出部による検出温度から流体の温度上昇量を求め、この温度上昇量に対応する流量を前記検量関数から求める演算処理装置とを具備し、
前記検量関数は、温度上昇量と流量との関係が正の線形関係である第1領域と、該第1領域よりも大流量側において温度上昇量と流量との関係が負の線形関係である第2領域とを有することを特徴とする微少流量計。 A flow path through which the fluid passes, a heater that heats the fluid in the flow path, a temperature detection unit that detects the temperature of the fluid before and after heating on the downstream side of the heater, and a temperature detected by the temperature detection unit A micro flowmeter equipped with an information processing device for obtaining a flow rate from
The information processing device stores in advance a calibration function indicating the relationship between the fluid temperature rise amount and the flow rate, and obtains the fluid temperature rise amount from the temperature detected by the temperature detection unit, and corresponds to the temperature rise amount. An arithmetic processing unit for obtaining a flow rate from the calibration function,
The calibration function is a first region in which the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a positive linear relationship, and the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a negative linear relationship on the larger flow rate side than the first region. A micro flowmeter having a second region.
前記情報処理装置は、前記検出温度が最大になった時点の前記経過時間が、予め設定された基準時間よりも大きいことを条件に前記検量関数における前記第1領域を用い、前記経過時間が前記基準時間よりも小さいことを条件に前記検量関数における前記第2領域を用いることを特徴とする請求項1記載の微少流量計。 Means for measuring the relationship between the elapsed time from the start of heating by the heater and the temperature detected by the temperature detector;
The information processing apparatus uses the first region in the calibration function on the condition that the elapsed time at the time when the detected temperature becomes maximum is larger than a preset reference time, and the elapsed time is 2. The micro flowmeter according to claim 1, wherein the second region in the calibration function is used on condition that the time is shorter than a reference time.
前記情報処理装置が流体の温度上昇量と流量の関係を示す検量関数を予め記憶するステップと、
前記情報処理装置が前記温度検出部による検出温度から流体の温度上昇量を求めるステップと、
前記情報処理装置が前記ステップで求められた温度上昇量に対応する流量を前記検量関数から求めるステップとを含み、
前記検量関数は、温度上昇量と流量との関係が正の線形関係である第1領域と、該第1領域よりも大流量側において温度上昇量と流量との関係が負の線形関係である第2領域とを有することを特徴とする微少流量測定方法。 A flow path through which the fluid passes, a heater that heats the fluid in the flow path, a temperature detection unit that detects the temperature of the fluid before and after heating on the downstream side of the heater, and a temperature detected by the temperature detection unit A flow rate measurement method for measuring a flow rate of a fluid in the flow path using an information processing device for obtaining a flow rate from
A step in which the information processing apparatus stores in advance a calibration function indicating a relationship between the temperature rise amount of the fluid and the flow rate;
The information processing device obtaining a temperature rise amount of the fluid from the temperature detected by the temperature detector;
A step of obtaining a flow rate corresponding to the temperature increase obtained in the step by the information processing device from the calibration function,
The calibration function is a first region in which the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a positive linear relationship, and the relationship between the temperature rise amount and the flow rate is a negative linear relationship on the larger flow rate side than the first region. And a second flow rate measurement method.
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