JP2016217813A - 熱式流量計及びその傾斜誤差改善方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することが可能な熱式流量計を実現する。【解決手段】熱式流量計１００は、被測定流体が流れる配管４０に設置され、発熱体ＲＨと、発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体Ｒ１、Ｒ２と、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、発熱体ＲＨを２つの異なる温度で発熱させた際に測温体Ｒ１、Ｒ２でそれぞれ検出される温度に対して被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置３０と、情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部２０と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、被測定流体の流量（流速）を測定する熱式流量計及びその傾斜誤差改善方法に関する。

従来、流量計としては、特許文献１に開示されているように、基板上に発熱体と当該発熱体を挟む２つの測温体とを設け、被測定流体が通過する時に、流体の流れによって発熱体上の熱が移動し、この移動した熱によって、２つの測温体に生じる温度差に基づいて質量流量を算出する。

特開２００４−１１７１５７号公報 特許第４０２７４７０号公報

ところで、発熱体と測温体の位置関係が、水準方向、すなわち鉛直方向に対して垂直に並んでいるのであれば、流体の流れがない時には熱の移動がないので温度差が発生することはなく、この状態に測定される流量はゼロとなる。

一方で、発熱体と測温体との位置関係が、鉛直方向に並んでいる場合、発熱体によって発生した熱が鉛直方向に対して反対向きに分布する（以下、「熱対流効果」と称する）。そのため、流体の流れがない場合には本来ゼロと出力しなければならないところ、熱対流効果によって２つの測温体に温度差が生じてしまい、あたかも流れがあるかのように流量が出力されてしまう。

このため特許文献１に開示された流量計の取り付け方向は、発熱体と測温体とを配置する基板面が水準方向に沿っていないと精度よく測定できないことになり、取り付け方向の客先自由度を奪ってしまうという問題が生じていた。

上記のような問題に鑑みて、特許文献２では、Ｕ字管の一方には自己発熱抵抗体（センサ素子）を設け、もう一方にはヒータ素子を設けることで、センサ素子側で発生した熱対流による流れを、ヒータ素子側で強制的に発生させた熱対流による流れによって、物理的に打ち消すような方法が開示されている。
しかしながら、流量計としては、特許文献１に開示された流量計の方が特許文献２に開示されたＵ字管タイプの流量計よりも構造が簡単であって製造が容易である。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる熱式流量計及びその傾斜誤差改善方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱式流量計は、被測定流体が流れる配管に設置される熱式流量計であって、発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を２つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法は、第１温度における第１流量を測定する手順と、第２温度における第２流量を測定する手順と、前記第１温度から前記第２温度への変化に対して、前記第１流量及び第２流量の変化から発熱体及び測温体を含む基板面の傾きの向きを特定する手順と、補正するための情報に基づき前記第１流量または前記第２流量に対して補正演算を行い、正規の流量を出力する手順と、を有することを特徴とする。

本発明に係る熱式流量計よれば、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計の斜視図である。 第１の実施の形態に係る熱式流量計の図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 第１の実施の形態に係る熱式流量計の回路図である。 第１の実施の形態に係る熱式流量計の設置状態の模式図である。 第１の実施の形態に係る熱式流量計を鉛直方向に設置した状態の模式図である。 第１の実施の形態の流量と偏差の関係を示す図である。 第１の実施の形態に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法の手順の説明に供する図である。 第２の実施の形態の流量と偏差の関係を示す図である。 第２の実施の形態における各流量ポイントに対する温度ごとの流量補正値の説明に供する図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
〔第１の実施の形態〕

まず、図１から図７を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計の斜視図である。図２は第１の実施の形態に係る熱式流量計の図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。図３は第１の実施の形態に係る熱式流量計の回路図である。図４は第１の実施の形態に係る熱式流量計の設置状態の模式図である。

第１の実施の形態に係る熱式流量計１００は、図１及び図２に示す素子構造のマイクロチップを用い、図３に示すように構成して実現される。図２に示すように、熱式流量計１００は、キャビティＣが設けられた基板Ｂ、及び基板Ｂ上にキャビティＣを覆うように配置された絶縁膜Ｍを備える。基板Ｂの厚みは、例えば０．５ｍｍであるが、例示の厚みに限定されない。また、基板Ｂの縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．５ｍｍ程度であるが、例示の寸法に限定されない。絶縁膜ＭのキャビティＣを覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。

さらに熱式流量計１００は、絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分に設けられた発熱体（ヒータ素子）ＲＨと、発熱体ＲＨを挟むように絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分に設けられた上流側の測温体（抵抗素子）Ｒ１及び下流側の測温体（抵抗素子）Ｒ２と、基板Ｂ上に設けられた周囲温度計測用の温度センサＲＲと、を備える。温度センサＲＲも電気抵抗素子等からなる。

発熱体ＲＨは、キャビティＣを覆う絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分の中心に配置されている。発熱体ＲＨは、電力が与えられて発熱し、発熱体ＲＨに接する雰囲気ガス等の被測定流体を加熱する。発熱体ＲＨに隣接して設けられた上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２は、発熱体ＲＨが発熱していないときの当該発熱体ＲＨ近傍の局所的な温度を、参照温度として検出する。温度センサＲＲは、発熱体ＲＨから上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２より遠方に配置されている。温度センサＲＲは、発熱体ＲＨと熱的に平衡な雰囲気ガスのガス温度を、平衡ガス温度として検出する。温度センサＲＲは、絶縁膜Ｍを介して発熱体ＲＨから離間されて、熱伝導性の基板Ｂ上に設けられている。そのため、上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２と比較して、温度センサＲＲは、発熱体ＲＨの発熱から受ける影響が少ない。

基板Ｂの材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。絶縁膜Ｍの材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。キャビティＣは、異方性エッチング等により形成されるが、例示の加工方法に限定されない。また、発熱体ＲＨ、上流側の測温体Ｒ１、下流側の測温体Ｒ２、及び温度センサＲＲのそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能であるが、例示の材料及び作製方法に限定されない。

図３に示すように、熱式流量計１００は、測温体Ｒ１，Ｒ２のブリッジ回路を使用して被測定流体の流量を検出する流量検出回路１０と、発熱体ＲＨ及び温度センサＲＲのブリッジ回路を使用してヒータを制御するヒータ制御回路１１とを備える。なお、抵抗Ｒ３〜Ｒ６は外付け抵抗であり、これらの抵抗値は発熱体ＲＨ、温度センサＲＲ及び測温体Ｒ１，Ｒ２のバランスからそれぞれ決める。

流量検出回路１０は、測温体Ｒ１，Ｒ２、抵抗Ｒ３，Ｒ４で形成されるブリッジ回路、及び演算増幅器（以下、「オペアンプ」という）Ｕ１で構成される。オペアンプＵ１の＋入力端子は、直列に接続された上流側の測温体Ｒ１と下流側の測温体Ｒ２との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ１の＋入力端子は、下流側の測温体Ｒ２を介して接地され、上流側の測温体Ｒ１を介して抵抗Ｒ３と電気的に接続されている。オペアンプＵ１の−入力端子は、直列に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ１の−入力端子は、抵抗Ｒ４を介して接地され、抵抗Ｒ３を介して上流側の測温体Ｒ１と電気的に接続されている。オペアンプＵ１の出力端子は、例えば中央演算装置（ＣＰＵ）等の流量演算部／補正部２０と電気的に接続されている。流量演算部／補正部（以下、単に「補正部」という）２０は、オペアンプＵ１で増幅した電圧を取り込んで、流量を演算したり補正したりする。補正部２０は、被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置３０と電気的に接続されている。補正部２０は、記憶装置３０に保存された情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する。

ヒータ制御回路１１は、発熱体ＲＨ、周囲温度計測用の温度センサＲＲ、及び抵抗Ｒ５，Ｒ６で形成されるブリッジ回路、並びにオペアンプＵ２で構成される。オペアンプＵ２の＋入力端子は、直列に接続された発熱体ＲＨと抵抗５との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ２の＋入力端子は、発熱体ＲＨを介して接地され、抵抗Ｒ５を介して抵抗Ｒ６と電気的に接続されている。オペアンプＵ２の−入力端子は、直列に接続された温度センサＲＲと抵抗Ｒ６との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ２の−入力端子は、温度センサＲＲを介して接地され、抵抗Ｒ６を介して抵抗Ｒ５と電気的に接続されている。オペアンプＵ２の出力端子は、抵抗Ｒ５，Ｒ６と電気的に接続されている。発熱体ＲＨは、例えば６０℃位に発熱する。

図４に示すように、第１の実施の形態に係る熱式流量計１００は、雰囲気ガス等の被測定流体が流れる配管４０に設置される。本実施の形態に係る熱式流量計１００は、被測定流体に発熱体ＲＨ、該発熱体ＲＨから被測定流体に与えられた熱を検出する上流側の測温体Ｒ１及び下流側の側温体Ｒ２を臨ませて設置される。

熱式流量計１００の基本原理としては、発熱体ＲＨによって加熱された流体が流れることにより、下流側の測温体Ｒ２によって検出される温度が、上流側の測温体Ｒ１によって検出される温度よりも高くなるため、この温度差から流速を算出するものである。

図５は、鉛直方向上向きに被測定流体が流れるように、熱式流量計が設置されたときの図である。このとき、鉛直方向上向きに移動した熱によって、下流側の測温体（図５でいうと上側の測温体）Ｒ２の検出する温度が、上流側の測温体（図５でいうと下側の測温体）Ｒ１の検出する温度よりも高くなる。本来、被測定流体が流管の中を流れていない場合には、熱式流量計１００の出力はゼロとならなければいけないところ、上記のように測温体Ｒ１，Ｒ２の検出温度に差分が発生するため、あたかも、被測定流体が流れているかのような出力を示してしまう。

次に、このようなゼロ点（流量が流れていないときの出力）のずれを補正するための方法について、説明する。図６は、熱式流量計の基板面を図５のように鉛直方向に配置したときに、発熱体の温度を異なる２つの温度に変化させたときの、測温体Ｒ１，Ｒ２によってそれぞれ検出される温度Ｔ１，Ｔ２の差分（流量誤差Δｔ＝Ｔ１−Ｔ２と等価）を示した関係である。

横軸は、流管に流れる被測定流体の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示しており、流量が大きくなればなるほど、熱対流の影響（縦軸の偏差）が小さくなっていることが判る。

第１の実施の形態で使用する熱式流量計は、ある圧力、流体、製品設置方向の条件にて基板Ｂ上の発熱体ＲＨの温度α、βでの流量補正テーブルを持つものとする（ただし、α＞β）。この流量補正テーブルは、図９（ａ）に示すように、ある流量ポイントにおける流量補正値とする。

また、図６には、４種類の状況で測定された差分が示されている。より具体的には、発熱体の温度をα℃として被測定流体を鉛直上向きに流したときの関係（関係１）、発熱体の温度をβ℃（ただし、α＞β）として被測定流体を鉛直上向きに流したときの関係（関係２）、発熱体の温度をβ℃（ただし、α＞β）として被測定流体を鉛直下向きに流したときの関係（関係３）、発熱体の温度をα℃（ただし、α＞β）として被測定流体を鉛直下向きに流したときの関係（関係４）の４種類である。

本発明では、発熱体温度を変化させれば、熱対流の影響（偏差）もこれに応じて変化することに着目し、この関係を予めテーブルなどによって熱式流量計１００の記憶装置３０に保持しておけば（図３から図５参照）、測定時の発熱体の温度及び流量から補正値を読み取り、熱式流量計１００の出力を補正することが可能である。流量が大きくなると温度の差分が縮小する傾向にあるため、流量が低い方がより精度が高い。ただし、流量が高い方で使えないものではない。

次に、図７を参照して、第１の実施の形態に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法の手順例について説明する。図７は第１実施形態に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法の手順の説明に供する図である。

被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合（図５参照）には、第１実施形態に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法を実施する。まず、図７に示すように、第１温度Ｔ１で上流側の測温体Ｒ１で検出される検出温度Ｔｄ１１と下流側の測温体Ｒ２で検出される温度Ｔｄ１２とを測定し、流量Ｌ１を測定する（ＳＴ１）。この第１温度Ｔ１における流量Ｌ１は、記憶装置３０に保存される（図３及び図５参照）。さらに、第２温度Ｔ２で上流側の測温体Ｒ１で検出される検出温度Ｔｄ２１と下流側の測温体Ｒ２で検出される温度Ｔｄ２２とを測定し、流量Ｌ２を測定する（ＳＴ２）。この第２温度Ｔ２における流量Ｌ２は、記憶装置３０に保存される（図３及び図５参照）。

次に、補正部２０は、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２への変化に対して、流量Ｌ１から流量Ｌ２へ増加したのか、もしくは減少したのかで、発熱体ＲＨ及び測温体Ｒ１，Ｒ２を含む基板面の傾きの向き（流れに順方向か逆方向か）を特定する（ＳＴ３）。そして、補正部２０は、記憶装置３０に保存した図６に示す流量と偏差の関係テーブルから補正値（偏差ΔＬ）を読み取り、流量Ｌ１またはＬ２に対して加算又は減算する補正演算を行い正規の流量Ｌを出力する（ＳＴ４）。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る熱式流量計１００は、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、発熱体ＲＨを２つの異なる温度で発熱させた際に測温体Ｒ１，Ｒ２でそれぞれ検出される温度に対して被測定流体の測定流量を補正するための情報を記憶装置３０に保存し、補正部２０が記憶情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する。したがって、本実施の形態に係る熱式流量計１００によれば、発熱体ＲＨと測温体Ｒ１，Ｒ２とを含む基板Ｂの平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができるという優れた効果を発揮する。

〔第２の実施の形態〕
次に、図３、図５及び図８を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る熱式流量計について説明する。図８は第２の実施の形態の流量と偏差の関係を示す図である。

第２の実施の形態に係る熱式流量計は、記憶装置３０に保存する流量−偏差の関係テーブルが第１の実施の形態と異なる。すなわち、図８に示すように、発熱体の温度をγ℃（ただし、α＞γ＞β）として被測定流体を鉛直上向きに流した場合には、流量−偏差の関係が、上述した関係１と関係２との間に位置するような関係となることが、実験により判っている。

第２の実施の形態で使用する熱式流量計は、第１の実施の形態の熱式流量計１００と同条件にて、使用する熱式流量計に載せている基板Ｂの発熱体ＲＨの温度がγ℃（ただし、α＞γ＞β）、流量ゼロにおける温度γ℃での流量補正値は、次式のように、そのときの測定値から求めることができる。
測定値がＱｒ0 ならば、ｄｒ0 ＝Ｑｒ0−０

発熱体の温度関係がα＞γ＞βであるならば、ｄγ0 はｄα0 と ｄβ0 の間に存在し、同様に他の流量ポイントにおける流量補正値ｄγn もｄαn とｄβn の間に存在する。これにより、図９（ｂ）に示すように、ｄγ0 とｄα0，ｄβ0 の関係から他の流量ホポイントにおける流量補正値ｄγn もｄαn，ｄβn より演算で求めることができる。このように、計測した値を求めた補正流量値ｄγn を用いて補正することで、傾斜誤差を改善することが可能となる。

第２の実施の形態に係る熱式流量計は、基本的に第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。特に第２の実施の形態に係る熱式流量計によれば、発熱体の温度をγ℃（ただし、α＞γ＞β）として被測定流体を鉛直上向きに流した場合にも、熱式流量計の出力の補正を行うことができるという有利な効果を奏する。

〔その他の実施の形態〕
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

第１及び第２の実施の形態では、記憶装置３０に流量と偏差との関係テーブルを保存しているが、当該記憶装置３０に流量補正値を関数式として保有してもよい。例えば、温度αにおける流量ｘ［Ｌ／ｍｉｎ］での流量補正値をｄα（x）、温度βにおける流量ｘ［Ｌ／ｍｉｎ］での流量補正値をｄβ（x）という流量の関数式で表せるとき、温度γにおける流量ゼロの流量補正値が分かっている場合は、流量ｘ［Ｌ／ｍｉｎ］での流量補正値は温度α、β、γでの流量ゼロでの補正値の関係と温度α、βでの温度補正値の関数式から求めることができる。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

２０ 流量演算部／補正部
３０ 記憶装置
４０ 配管
１００ 熱式流量計
ＲＨ 発熱体（ヒータ素子）
Ｒ１，Ｒ２ 測温体（抵抗素子）

Claims (2)

1. 被測定流体が流れる配管に設置される熱式流量計であって、
   発熱体と、
   前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、
   前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を２つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、
   前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、
   を備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 第１温度における第１流量を測定する手順と、
   第２温度における第２流量を測定する手順と、
   前記第１温度から前記第２温度への変化に対して、前記第１流量及び第２流量の変化から発熱体及び測温体を含む基板面の傾きの向きを特定する手順と、
   補正するための情報に基づき前記第１流量または前記第２流量に対して補正演算を行い、正規の流量を出力する手順と、
   を有することを特徴とする熱式流量計の傾斜誤差改善方法。

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