JP2016217814A - 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であって被測定流体の流れ方向が互いに逆向きになる第一部分３１と第二部分３２とを少なくとも備えた配管３０と、第一部分３１に設けられる第一流量計１０１と、第二部分３２に設けられ、第一流量計１０１と同じ特性を有する第二流量計１０２と、を備え、第一流量計１０１と第二流量計１０２とは、それぞれ、発熱体ＲＨと、発熱体ＲＨ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、を有し、第一流量計１０１の出力、及び第二流量計１０２の出力から、配管３０における被測定流体の流れの向きを特定し、第一流量計１０１及び第二流量計１０２のうち、被測定流体の流れの方向に対して測温体Ｒ１、Ｒ２の温度差が逆方向に取り付けられていると判定された方の流量計の出力を補正するための情報に基づいて補正する。【選択図】図４

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。

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であって被測定流体の流れ方向が互いに逆向きになる第一部分と第二部分とを少なくとも備えた配管と、前記第一部分に設けられる第一流量計と、前記第二部分に設けられ、前記第一流量計と同じ特性を有する第二流量計と、を備え、前記第一流量計と前記第二流量計とは、それぞれ、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、を有し、前記第一流量計の出力、及び前記第二流量計の出力から、前記配管における被測定流体の流れの向きを特定し、前記第一流量計及び前記第二流量計のうち、前記被測定流体の流れの方向に対して測温体の温度差が逆方向に取り付けられていると判定された方の流量計の出力を補正するための情報に基づいて補正することを特徴とする。

また、本発明に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法は、第一流量計の出力及び第二流量計の出力から、配管における各流量計の被測定流体の流れの向きを特定する手順と、第一流量計及び第二流量計のうち、前記被測定流体の流れの方向に対して測温体の温度差が逆方向に取り付けられている流量計の出力を補正するための情報に基づいて補正する手順と、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。

本発明の一実施の形態に係る熱式流量計の斜視図である。 本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。 本実施の形態に係る熱式流量計の回路図である。 本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。 流量と偏差の関係を示す図である。 本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。

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。

まず、図１から図４を参照して、本発明の一実施の形態に係る熱式流量計について説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る熱式流量計の斜視図である。図２は本発明の第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は本実施の形態に係る熱式流量計の回路図である。図４は本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。

本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、検出回路１を図３に示すように構成して実現される。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、本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であって、被測定流体の流れ方向が互いに逆向きになる第一部分３１と第二部分３２とを少なくとも備えたＵ字型の配管３０に設置される。第一部分３１には第一流量計１０１が設置され、第二部分３２には第二流量計１０２が設置される。第一流量計１０１と第二流量計１０２には、それぞれ被測定流体に熱を与える発熱体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及び下流側の測温体Ｒ２が図１から図３に示した同一の構成で配置される。

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４に示すように、熱式流量計１００が鉛直方向に設置されると、発熱体ＲＨによって発生した熱が熱対流によって上向きに移動してしまう。このとき、鉛直方向上向きに移動した熱によって、第一流量計１０１においては、上流側の測温体（図４でいうと上側の測温体）Ｒ１の検出する温度が、下流側の測温体（図４でいうと下側の測温体）Ｒ２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、第一流量計１０１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。なお、図４において、Ｆは被測定流体の流れ方向、Ｈは熱対流の影響方向を示している。

次に、このようなゼロ点（流量が流れていないときの出力）の誤差を補正するための方法について説明する。図５は、熱式流量計の基板面を図４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設置（傾斜）方向に起因する流量誤差を示した関係である。

図５において、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、縦軸は、基板面を水平方向に配置した場合における流量出力からの偏差（Ｌ／ｍｉｎ）を示している。図５に示されるように、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。

また、図５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。

なお、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、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も、実験により判っている。ただし、図５における関係１と関係２においては、流領域が高流量になるにつれて、その偏差にほとんど違いなくなってしまうため、正確な補正を行うことが難しくなる。一方で、図５における関係３と関係４においては、流領域が高流量になっても、その偏差にはっきりとした違いが観られる。

そこで本発明では、鉛直下向きに流れている流量計の出力を常に使用し、また図５のＡ部に示すような補正テーブルにおける鉛直下向きの補正値を利用することで、より正確に補正された流量値を算出することが可能となる。検出された温度差を調べればどちらの向きに設置されているかを判定することが可能である。第一流量計１０１及び第二流量計１０２から温度差を検出してどちらが流れの向きに対して逆向き取り付けかを判定し、逆向き取り付けの流量計からの温度差のみを用いて流量を演算する。

次に、図６を参照して、本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６は本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。

第一流量計１０１及び第二流量計１０２が図４に示すように鉛直方向成分を含んでいる場合に、本実施の形態に係る熱式流量計の傾斜誤差改善方法を実施する。

図６に示すように、まず、第一流量計１０１の上流側の測温体Ｒ１で検出される温度と下流側の測温体Ｒ２で検出される温度とを測定し、第一流量計１０１の出力を得る（ＳＴ１）。また、第二流量計１０２の上流側の測温体Ｒ１で検出される温度と下流側の測温体Ｒ２で検出される温度とを測定し、第二流量計１０２の出力を得る（ＳＴ２）。次に、補正部１０は、第一流量計１０１の出力及び第二流量計１０２の出力から、Ｕ字型配管３０におけるそれぞれの流量計１０１，１０２の被測定流体の流れの向きを特定する（ＳＴ３）。さらに、補正部１０は、第一流量計１０１及び第二流量計１０２から温度差を検出して、どちらの流量計１０１（もしくは１０２）が流れの向きに対して測温体Ｒ１，Ｒ２が逆向き取り付けかを判定する（ＳＴ４）。

そして、第一流量計１０１及び第二流量計１０２のうち、被測定流体の流れの向きと測温体Ｒ１，Ｒ２の取り付けが逆向きであると判定した場合は（ＳＴ４／ＹＥＳ）、被測定流体の流れの向きに対して測温体Ｒ１，Ｒ２が逆向き取り付けである流量計１０１（もしくは１０２）の出力を記憶装置２０に保存した流量と偏差との関係テーブルの鉛直下向きの情報に基づいて補正する（ＳＴ５）。他方、第一流量計１０１及び第二流量計１０２のうち、いずれの流量計１０１，１０２も被測定流体の流れの向きに対して測温体Ｒ１、Ｒ２が逆向き取り付けでいない場合は（ＳＴ４／ＮＯ）、補正部１０は補正制御を行わない。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱式流量計１００は、第一流量計１０１の出力及び第二流量計１０２の出力から、Ｕ字型の配管３０における被測定流体の流れの向きを判定し、第一流量計１０１及び第二流量計１０２のうち、被測定流体の流れの向きが第一方向成分を含んでいると判定された方の流量計１０１もしくは１０２の出力を補正するための情報（図５に示す流量と偏差との関係テーブル）に基づいて補正する。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。

〔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。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。

１０ 補正部
２０ 記憶装置
１００ 熱式流量計
１０１ 第一流量計
１０２ 第二流量計
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であって被測定流体の流れ方向が互いに逆向きになる第一部分と第二部分とを少なくとも備えた配管と、
   前記第一部分に設けられる第一流量計と、
   前記第二部分に設けられ、前記第一流量計と同じ特性を有する第二流量計と、を備え、
   前記第一流量計と前記第二流量計とは、それぞれ、
   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、を有し、
   前記第一流量計の出力、及び前記第二流量計の出力から、前記配管における被測定流体の流れの向きを特定し、
   前記第一流量計及び前記第二流量計のうち、前記被測定流体の流れの方向に対して測温体の温度差が逆方向に取り付けられていると判定された方の流量計の出力を補正するための情報に基づいて補正することを特徴とする熱式流量計。
2. 第一流量計の出力及び第二流量計の出力から、配管における各流量計の被測定流体の流れの向きを特定する手順と、
   第一流量計及び第二流量計のうち、前記被測定流体の流れの方向に対して測温体の温度差が逆方向に取り付けられている流量計の出力を補正するための情報に基づいて補正する手順と、
   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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