JP2014126432A - 流体センサ及び流体測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属汚染を生じさせることなく、多くの種類の流体質量の測定を可能とする流体センサ及び流体測定装置を提供する。
【解決手段】テフロン（登録商標）の内部を曲管状に刳り抜くことにより主流路管１０に流れる流体を分流させるための流入口１５１、分流した流体を主流路管１０へ流出させるための流出口が形成された副流路形成体２０を有する。流入口１５１と主流路管１０との間には上流側センサ管が配設される。流出口と主流路管１０との間には、下流側センサ管が配設される。上流側センサ管及び下流側センサ管には、それぞれ熱電変換センサが付着され、分流された流量を表すセンサ間の温度差が検出される。主センサ管１０に内蔵される細管１３、上流側センサ管、下流側センサ管は、それぞれグラッシーカーボンで形成され、接地電位に維持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体、液体等の流体に固有となる物理的特性を利用して、その流体の質量や属性などを測定する流体測定装置及び流体センサに関する。

流体の物理的特性を利用してその流体の質量を測定する装置として、特許文献１に開示された流体測定装置が知られている。この流体測定装置は、マスフローメータと呼ばれているものである。このマスフローメータは、流体をバイパスさせるバイパス流路と、流体の流量測定を行うためのセンサ流路とを並列的に設けている。センサ流路は、逆Ｕ字形状をなすステンレス（ＳＵＳ）の中空細管により形成され、その表面に熱電センサが設けられる。

流体がセンサ流路に分流すると、上流側の温度は下降し、逆に下流側は上流側の熱が加温されて上昇する。このときの上流側と下流側との間に生じた温度差は、流体の流量に比例する。そこで、センサ流路の上流側の温度を上流側の熱電センサで計測し、他方、下流側の温度を下流側の熱電センサで計測する。各センサの計測結果は、センサ流路の流量に変換される。マスフローメータは、変換された流量を、バイパス流路に対するセンサ流路の分流比に応じて、バイパス流路の流量に変換する。

特開２００３−１４９０１７号公報

特許文献１に記載されたマスフローメータのセンサ流路はステンレス（ＳＵＳ）で構成される。しかし、ＳＵＳを用いる場合、クロム及びニッケルを含有するためイオン化が起こり、これが金属汚染に繋がるという問題がある。
流体測定装置の中には、バイパス流路及びセンサ流路が、四弗化エチレン樹脂（商品名「テフロン」）系の材質で構成されているものもある。テフロン系の材質は熱伝導率が低いので、コーティング膜として使用されるのが通常であるが、テフロンは粗い素材であるため、流体によっては透過してしまう。透過を防ぐためには、テフロン膜の厚みを大きくしなければならないが、そうすると、温度勾配により、センサ流路の上流側と下流側との温度変化を正しく検出することが困難となる。また、テフロンは、純水のような絶縁流体を流すと、摩擦により帯電し、帯電量が大きくなると放電するおそれがある。

特許文献１に記載されたマスフローメータを含め、従来の流体測定装置は、強酸性、あるいは、強アルカリ性の流体を流すとセンサ流路が腐蝕するので、そのような流体の計測には向いていない。また、耐薬品性を有し、ほとんどの薬液に使用できる流体測定装置は、現在のところ見当たらない。さらに、気泡が混在している流体については、その質量等を正しく測定することができないという問題もあった。

本発明は、金属汚染を生じさせることなく、多種類の流体の特性を測定可能な流体測定装置及びその構成部品を提供することを課題とする。

本発明の流体測定装置は、気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路を形成する主流路管と、前記主流路へ導入された流体を所定の比率で分流させる副流路を形成し、この副流路に流れる流体の特性を検出する流体センサとを有する。流体の特性は、例えば抵抗度（純度）、熱又は電子の伝導度、質量流量などである。
前記主流路管は、それぞれ前記主流路の上流側の流体を下流側へ移動させる複数の細管を含む。各細管は、接地電位に維持されたカーボン素材で構成されている。
前記流体センサは、耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記主流路の上流側の流体を流入させる流入口、及び、当該流体を前記主流路の下流側へ流出させる流出口が形成された副流路形成体と、前記流入口と前記主流路の上流側との間に配設された第１のセンサ管と、前記流出口と前記主流路の下流側との間に配設された第２のセンサ管とを備えている。前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にする。

本発明は、また、流体センサをも提供する。本発明の流体センサは、気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路管に装着され、耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記流体を流入させる流入口、及び、当該流体を流出させる流出口が形成された副流路形成体と、前記流入口と前記主流路管との間に配設された第１のセンサ管と、前記流出口と前記主流路管との間に配設された第２のセンサ管とを備え、前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にするものである。

本発明の流体測定装置は、それぞれ主流路の上流側の流体を下流側へ移動させる複数の細管が、接地電位に維持されたカーボン素材で構成されているので、帯電を防止することができる。また、流体センサは、耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより主流路の上流側の流体を流入させる流入口、及び、当該流体を主流路の下流側へ流出させる流出口が形成された副流路形成体を有するので、流体の透過を防止することができる。
カーボン素子としてグラッシーカーボンを使用する場合は、耐蝕性、耐薬品を発揮し、熱及び電気の伝導性に優れ、パーティクルも出にくいので、用途の広い流体測定装置を実現することができる。

（ａ）は、第１実施形態の流体測定装置の要部構造例を示す側面断面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は細管の側部断面図、（ｂ）は正面断面図である。 図１（ａ）から流体センサの部分を抜き出した部分拡大図である。 熱電変換センサの取付状態の説明図である。 流体測定装置の後段の制御装置との接続関係を表す図である。 第２実施形態の流体測定装置の構成を模式的に示した図である。

以下、流体測定装置の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の流体測定装置は、気体、液体又はこれらの混合体となる流体の質量流量を測定する。図１（ａ）は、この流体測定装置１００の要部構造例を示す側面断面図、同（ｂ）は、同（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

流体測定装置１００は、流体が流れる主流路管１０と流体センサ２０とを接続して構成される。主流路管１０は、耐蝕性絶縁体、例えば四弗化エチレン樹脂（商品名「テフロン」）を所定形状に成形した中空管状体の内部に、上流側流路１１、下流側流路１２、及びバイパス流路１３を配備して構成される。

上流側流路１１は、上流側の第１外部装置（図示省略）から流体を導入する。下流側流路１２は、バイパス流路１３から排出される流体を下流側１２の第２外部装置（図示省略）へ導く。「上流側」とは流体流れ込む側であり、「下流側」とは、流体が流れ出す側をいう。バイパス流路１３は、ｎ（ｎは２以上の自然数）本の細管１３１を同一方向に配列して構成される。ｎ本の細管１３１は、上流側流路１１の流体を、流体センサ２０へ分岐する以外は、すべて下流側流路１２へバイパスさせる。これにより、主流路１０に流れる流体の流量を、細管１３１の流量とその本数とにより定量化することができる。
なお、細管１３１の数は、任意に増減することができる。

個々の細管１３１の構造を図２に示す。図２（ａ）は細管１３１の側部断面図、同（ｂ）は正面断面図である。細管１３１は、グラッシーカーボンで形成される管体１３２と、管体１３２に内蔵される可動芯１３３とを含んで構成される。管体１３２は接地電位に維持されている。すなわち、管体の表面に接地線（アース線）が接続されている。

可動芯１３３は、外表面に螺旋状の羽根１３４が形成されている。羽根１３４は、流体を螺旋状に付勢しながら上流側から下流側へ移動させるための付勢体であり、螺旋の向きは、上流側（流入口）から下流側（流出口）へ向かうように形成されている。そのため、可動芯１３３は、管体１３２に流入した流体が羽根１３４を押すことことにより、軸心を中心として自律的に回動する。そして、流入した流体を管体１３２の内壁に接触させながら管体１３２の出口側へ排出させる。
細管１３１内では、軸心付近の中心部と内壁との間に温度差が生じる場合があるが、可動芯１３３を内蔵させることで、流体の殆どが管体１３２に接触することになり、流体の温度を正しく管体１３２へ伝達することができる。

管体１３２を構成するグラッシーカーボンは、カーボン素材の一種で、ガラスと炭素の両方の特徴を持つ。代表的には、例えば以下の特性値を有している。
かさ密度 ：１．５１［ｇ／ｃｍ^３］
電気抵抗率 ： ４２［μΩｍ］
曲げ強度 ：１４７［ＭＰａ］（但し、１５００［ｋｇｆ／ｃｍ^２］）
ショアー硬度：１２０（−）
灰分 ：２［ｐｐｍ］未満
熱伝導率 ：５．８［Ｗ／ｍＫ］（但し、５．１［ｋｃａｌ／ｍｈｒ°Ｃ］）

また、内径３．０［ｍｍ］のグラッシーカーボンを、９８％濃度の硫酸に７日浸漬したときの重量変化は０％である。フッ酸、５０％濃度の苛性ソーダ、２８％濃度のアンモニア水に浸漬した場合も同様である。このように、グラッシーカーボンは、強酸性、強アルカリ性に対して、材質変化が生じないものである。
グラッシーカーボンは、また、金属イオンを出力しないので、金属汚染を生じさせることがない。また、気体、液体及びこれらの混合体を透過させないので、例えば前回の測定時に流入させた流体が次回の測定時に流れる流体と混合することがない。すなわち、耐コンタミネーションに優れる。さらに、カーボン素材なので、熱及び電子の伝導性に優れている。さらに、ダイヤモンド並の硬度を有するため、カーボン粉（パーティクル）も出にくい。
このような特長を有するグラッシーカーボンを細管１３１の管体１３２に使用し、かつ、この管体１３２を接地電位に維持しておくことで、流体が流れる際の帯電対策が可能になる。すなわち、流体が流れることによって生じる帯電を防止することができる。

図１に戻り、主流路管１０の外壁のうち上流側流路１１と下流側流路１２に対応する部位には、センサ取付機構１５が形成されている。流体センサ２０は、このセンサ取付機構１５に装着される。センサ取付機構１５は、例えばテフロン製の台座１５１を主流路管１０の外壁の形状に合わせて成形するとともに、この台座１５１に、流体センサ２０を装着する。

図１（ａ）の側部断面図のうち、流体センサ２０の部分を抜き出したのが図３である。図３を参照すると、流体センサ２０は、副流路を形成するための副流路形成体２１、上流側センサ管２２及び下流側センサ管２３を備えている。副流路形成体２１は、耐蝕性絶縁体の内部を管状に刳り抜くことにより流体を流入させるための流入口２１１、及び、流体を流出させるための流出口２１２が形成されたものである。流入口２１１及び流出口２１２は、主流路管１０（バイパス流路１３）と略直交する方向に刳り抜かれている。耐蝕性絶縁体の残りの部分２１３は、Ｒ状すなわち曲管状を経て、主流路管１０と平行に刳り抜かれている。このように、刳り抜きによって流路を形成するのは、耐蝕性絶縁体の厚みを一定以上にすることで、流体の透過を防止するためである。耐蝕性絶縁体は、主流路管１０と同様、テフロンを用いることができる。

上流側センサ管２２及び下流側センサ管２３は、それぞれ上述した細管１３１と同じものである。すなわち、グラッシーカーボンで形成される管体と、各管体に内蔵される可動芯とを含んで構成される。各センサ管２２，２３もまた、接地電位に維持されている。
各センサ管２２，２３の数は必ずしも図示のように１本である必要はないが、それぞれ１本で構成される場合、主流路管１０との分流比は、１／ｎとなる。分流比とは、副流路形成体２１の流量に対する主流路１０（バイパス流路１３）における分岐点及び合流点間の流量の比である。

上流側センサ管２２の表面には、図４に示すように、当該センサ管２２の温度を電気信号に変換する熱電変換センサ２２１が付着し，下流側センサ管２３の表面には当該センサ管２３の温度を電気信号に変換する熱電変換センサ２３１が付着している。具体的には、各センサ管２２，２３の温度の変化に伴って電気抵抗値が増減する、例えばコイル状の感熱抵抗体が巻きつけられている。各センサ管２２，２３に流体が流れていない場合、温度分布は、各センサ２２，２３の中心に対して対称的な温度分布となっている。これに対し、流体が各センサ管２２，２３に流れると、下流側センサ管２３には、上流側センサ管２２によって温められた流体が流入する。そのため、上流側センサ管２２と比べて温度が高くなり、上流側センサ管２２と下流側センサ管２３との間に温度差が形成される。この結果、温度分布が非対称となる。このときの温度差と流体の流量との間には一定の関係が成り立っている。そこで、この温度差を検出することで、流体センサ２０に分流される流体の流量を測定することができる。

本実施形態では、上記のように流体センサ２０に分流される流体の流量を測定するために、熱電変換センサ２２１、２３１の検出結果を、後段の制御装置へ伝達する。

図５は、本実施形態の流体測定装置１００と、その後段の制御装置との接続関係を表す図である。図１に示した流体測定装置１００は、模式的には、図５下部のように表現される。制御装置２５は、ブリッジ回路２５３、演算部２５４、流量表示部２５５、設定部２５６、比較部２５７、及び、流量制御部２５８を備えている。
熱電変換センサ２２１，２３１の出力は、ブリッジ回路２５３において、熱電変換センサ２２１，２３１間の温度差を表す電圧値に変換され、演算部２５４に導かれる。演算部２５４は、ブリッジ回路２５１の出力結果と所定の関数とに基づいて、流体センサ２０に分流された流体の流量を求める。さらに、分流された流体の流量と上述した分流比（ｎ：１）とに基づいて主流路管１０の流量を求める。演算部２５４で求めた各流量は、流量表示部２５５に表示される。
また、主流路管１０における流体の流量と、設定部２５６に設定された設定流量（設定値）とを比較部２５７で比較し、その差分値が流量制御部２５８へ伝達される。流量制御部２５８は、この差分値がゼロに近づくように、上流側の第１外部装置の流量を制御する。

このように、本実施形態の流体センサ２０は、耐蝕性絶縁体の一例となるテフロンの内部を曲管状に刳り抜くことにより流入口２１１、流路２１３、流出口２１２を形成しているので、流体の透過を防止することができる。流体の特性は上流側センサ管２２と下流側センサ管２３で行うので、テフロンが厚くても問題がない。
上流側センサ管２２及び下流側センサ管２３は、接地電位に維持されたグラッシーカーボンで構成されているので、金属汚染を生じさせることがなく、強酸性、強アルカリ性、薬品に対しても高い耐蝕性を発揮する。耐コンタミネーション、熱及び電子の伝導性にも優れるので、高い精度で流体の（質量）流量を測定することができる。
また、流体が流れる際の帯電対策が可能になる。すなわち、流体が流れることによって生じる帯電を防止することができる。さらに、主流路管１０を構成する細管１３と同一材質及び同一サイズのものなので、分流比の設定が容易となる。

本実施形態では、また、細管１３の管体１３２に、螺旋状の羽根１３４が形成された可動芯１３３を内蔵させ、流体を螺旋状に付勢しながら上流側から下流側へ移動させるようにしたので、流体の殆どが管体１３２に接触し、流体の温度を正しく管体１３２へ伝達することができる。これにより、流量の測定誤差を少なくすることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の流体測定装置について説明する。図６は、第２実施形態における流体測定装置２００の構成を模式的に表した図である。主流路部１０については、第１実施形態における流体測定装置１００と同じとなる。この実施形態の流体測定装置２００では、第１実施形態の流体センサ２０において、熱電変換センサ２２１，２３１の出力結果を電流計３１１に入力して電流を測定するとともに、バイパス流路１３の各細管１３１に電圧計３１２を接続して、帯電電圧を測定する。そして、電流計３１１と電圧計３１２の出力結果から抵抗値を求める。純水の純度は抵抗値との関数で表すことができるので、抵抗値を求めることにより、流体の純度を測定することができる。

１００，２００・・・流体測定装置、１０・・・主流路管、１１・・・上流側流路、１２・・・下流側流路、１３・・・バイパス流路、１３１・・・細管、１３２・・・管体、１３３・・・可動芯、１３４・・・羽根、１５・・・センサ取付機構、１５１・・・台座、２０・・・流体センサ、２１・・・副流路形成体、２２・・・上流側センサ管、２３・・・下流側センサ管、２１１・・・流入口、２１２・・・流出口、２１３・・・副流路、２２１，２３１・・・熱電変換センサ、２５・・・制御装置、２５３・・・ブリッジ回路、２５４・・・演算部、２５５・・・流量表示部、２５６・・・設定部、２５７・・・比較部、２５８・・・流量制御部、３１１・・・電流計、３１２・・・電圧計。

本発明の流体測定装置は、気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路を形成する主流路管と、前記主流路へ導入された流体を所定の比率で分流させる副流路を形成し、この副流路に流れる流体の特性を検出する流体センサとを有する。流体の特性は、例えば抵抗度（純度）、熱又は電子の伝導度、質量流量などである。
前記主流路管は、それぞれ前記主流路の上流側の流体を下流側へ移動させる複数の細管を含む。各細管は、接地電位に維持されたカーボン素材で構成されている。
前記流体センサは、耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記主流路の上流側の流体を流入させる流入口、及び、当該流体を前記主流路の下流側へ流出させる流出口が形成された副流路形成体と、前記流入口と前記主流路の上流側との間に配設された第１のセンサ管と、前記流出口と前記主流路の下流側との間に配設された第２のセンサ管とを備えている。
前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管の管内には、それぞれ、軸心を中心として回動することにより、流入する前記流体をその内壁に向けて螺旋状に付勢する可動芯が前記軸心に沿って設けられている。また、前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にする。

本発明は、また、流体センサをも提供する。本発明の流体センサは、気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路管に装着され、耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記流体を流入させる流入口、及び、当該流体を流出させる流出口が形成された副流路形成体と、前記流入口と前記主流路管との間に配設された第１のセンサ管と、前記流出口と前記主流路管との間に配設された第２のセンサ管とを備え、
前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管の管内には、それぞれ、軸心を中心として回動することにより、流入する前記流体をその内壁に向けて螺旋状に付勢する可動芯が前記軸心に沿って設けられている。また、前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にする。

Claims (5)

1. 気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路管に装着され、
   耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記流体を流入させる流入口、及び、当該流体を流出させる流出口が形成された副流路形成体と、
   前記流入口と前記主流路管との間に設けられた第１のセンサ管と、
   前記流出口と前記主流路管との間に設けられた第２のセンサ管とを備え、
   前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にすることを特徴とする、
   流体センサ。
2. 前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管の管内に、流入する前記流体を螺旋状に付勢する付勢体が形成されていることを特徴とする、
   請求項１記載の流体センサ。
3. 前記カーボン素材がグラッシーカーボンであることを特徴とする、
   請求項１又は２記載の流体センサ。
4. 気体、液体又はこれらの混合体から成る流体が流れる主流路を形成する主流路管と、
   前記主流路へ導入された流体を所定の比率で分流させる副流路を形成し、この副流路に流れる流体の特性を検出する流体センサとを有し、
   前記主流路管は、それぞれ前記主流路の上流側の流体を下流側へ移動させる複数の細管を含み、各細管が接地電位に維持されたカーボン素材で形成されており、
   前記流体センサは、
   耐蝕性絶縁体の内部を曲管状に刳り抜くことにより前記主流路の上流側の流体を流入させる流入口、及び、当該流体を前記主流路の下流側へ流出させる流出口が形成された副流路形成体と、
   前記流入口と前記主流路の上流側との間に設けられた第１のセンサ管と、
   前記流出口と前記主流路の下流側との間に設けられた第２のセンサ管とを備え、
   前記第１のセンサ管及び前記第２のセンサ管は、それぞれ接地電位に維持されたカーボン素材で構成され、管内を流れる流体の特性を、前記カーボン素材を通じて検出可能にすることを特徴とする、
   流体測定装置。
5. 前記カーボン素材がグラッシーカーボンであることを特徴とする、
   請求項４記載の流体測定装置。