JP2018179807A - ヒートサーモ式流量計、ヒートサーモ式流量計の補正システム、ヒートサーモ式流量計の補正プログラム、及びヒートサーモ式流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定液に温度勾配がある場合でも高い精度で流量を計測することができるヒートサーモ式流量計、ヒートサーモ式流量計の補正システム、ヒートサーモ式流量計の補正プログラム、及びヒートサーモ式流量計測方法を提供する。【解決手段】被測定液１７に互いに異なる水深で配置された複数の熱電対１１と、被測定液１７に差し込まれて熱電対１１の加熱をするヒータ１２と、熱電対１１に接続されて各水深における加熱による被測定液１７の温度を検出する検出部１３と、検出された複数の温度を温度又は温度変化の多変数関数で表される流量に代入して流量を特定する流量算出部１４と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、ヒートサーモ式の流量計測技術に関する。

サーモパイル式のヒートサーモ式流量計は、熱電対の温度変化のみを測定する原理であり、配管にプローブを直接挿入して測定する方式が多い。
ヒートサーモ式流量計は、比較的高流量域での測定に適しており、高流速、大流量測定用途が主体になる。

プローブを構成する熱電対の熱接点をヒータで加熱するとヒータの熱が熱接点に伝播して、熱接点の温度が上昇する。
被測定液の流量が多い場合により多く被測定液に熱が奪われこの温度上昇は抑制される原理に基づいて、被測定液の流量を算出することができる。

特開昭６３−６１９１８号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、被測定液の温度勾配がある場合に、誤差になるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、被測定液に温度勾配がある場合でも高い精度で流量を計測することができるヒートサーモ式流量計、ヒートサーモ式流量計の補正システム、ヒートサーモ式流量計の補正プログラム、及びヒートサーモ式流量計測方法を提供することを目的とする。

本実施形態に係るヒートサーモ式流量計は、被測定液に互いに異なる水深で配置された熱接点を有する複数の熱電対と、前記被測定液に差し込まれて前記熱接点の加熱をするヒータと、前記熱電対に接続されて各水深における前記加熱による前記被測定液の温度を検出する検出部と、検出された複数の前記温度又はその温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定する流量算出部と、を備えるものである。

本実施形態に係るヒートサーモ式流量計の補正システムは、被測定液に互いに異なる水深で配置された複数の熱電対の熱接点で前記被測定液の流量を測定するヒートサーモ式流量計の補正システムにおいて、異なる水深で検出された全ての前記温度又は前記温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定する流量算出部と、を備えるものである。

本実施形態に係るヒートサーモ式流量計の補正プログラムは、被測定液に互いに異なる水深で配置された熱接点を有する複数の熱電対で前記被測定液の流量を測定するヒートサーモ式流量計の補正プログラムにおいて、コンピュータに、異なる水深で検出された全ての前記温度又は前記温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定する流量算出ステップを実行させるものである。

本実施形態に係るヒートサーモ式流量計測方法は、被測定液に互いに異なる水深で熱接点を複数配置するステップと、前記被測定液に差し込まれたヒータで前記熱接点の加熱をするステップと、各水深における前記加熱による前記被測定液の温度又は温度変化を検出するステップと、検出された複数の前記温度又は前記温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定するステップと、を含むものである。

本発明により、被測定液に温度勾配がある場合でも高い精度で流量（流速）を計測することができるヒートサーモ式流量計、ヒートサーモ式流量計の補正システム、ヒートサーモ式流量計の補正プログラム、及びヒートサーモ式流量計測方法が提供される。

第１実施形態に係るヒートサーモ式流量計の概略構成図。 ヒータ温度を一定にした場合の被測定液の流量と熱接点における温度変化との関係を示す図。 熱接点の加熱時間と検出された温度との関係を示す図。 第１実施形態に係るヒートサーモ式流量計の変形例を示す概略構成図。 第１実施形態に係るヒートサーモ式流量計の第２の変形例を示す概略構成図。 第１実施形態に係るヒートサーモ式ヒートサーモ式流量計測方法を示すフローチャート。 第２実施形態に係るヒートサーモ式流量計の概略構成図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るヒートサーモ式流量計１０（以下、単に「流量計１０」という）の概略構成図である。

第１実施形態に係る流量計１０は、図１に示されるように、複数の熱電対１１（１１ａ〜１１ｄ）と、ヒータ１２と、検出部１３（１３ａ〜１３ｄ）と、流量算出部１４と、を備える。

熱電対１１は、二つの異なる組成の金属素線が互いに接合されて構成される。
熱電対１１の接合点の一端は熱接点１６（１６ａ〜１６ｄ）として被測定液１７に浸漬され、他端は冷接点１８として冷接点温度管理部１９で基準温度Ｔ_０に維持される。
熱電対１１（１１ａ〜１１ｄ）の熱接点１６（１６ａ〜１６ｄ）は、被測定液１７に互いに異なる水深で複数が配置される。
被測定液１７は、例えば配管２１を流れる温水や薬液などである。
各熱接点１６の水深差は、熱電対１１が被測定液１７の流通を阻害する抵抗にならないように決定される。

ヒータ１２は、例えば図１に示されるように、各熱電対１１についてそれぞれ設けられ、温度調整部２２（２２ａ〜２２ｄ）を調整して熱接点１６（１６ａ〜１６ｄ）を加熱する。
図示は省略するが、熱接点１６及びヒータ１２は、通常、絶縁材としての酸化マグネシウムが充填された一つのシース管に収容される。

各ヒータ１２の熱は、対応する熱接点１６に伝播して、熱接点１６と冷接点１８との温度差に基づく熱起電力を発生させる。
この熱起電力（又は熱電流）は、検出部１３で熱接点１６の温度Ｔの情報として検出される。
なお、各熱電対１１に対応して複数の検出部１３（１３ａ〜１３ｄ）を設けてもよいし、１つの検出部１３で検出時間をずらして各熱電対１１の温度Ｔを取得してもよい。

流量算出部１４は、検出された複数の温度変化ΔＴを温度変化ΔＴの多変数関数で表される流量に代入して流量を特定する。
ここで、温度変化ΔＴを変数に有する流量に関する多変数関数は、例えば流量の平均値Ｑ_avrである。ただし、算出される流量は、加重平均等、検出された温度変化ΔＴをパラメータとするものであれば他の関数形式であってもよい。

ここで、図２は、ヒータ温度Ｔ_ｈを一定にした場合の被測定液１７の流量と熱接点１６における温度変化との関係を示す図である。
図２は、ヒータ１２をＯＮにしてから約１分後の検出温度を流量を変更しながら計測したグラフである。
図２に表されるように、被測定液１７の流量が大きくなると、熱接点１６は熱をより多く奪われるので、加熱開始後の温度の上昇が小さくなる。

つまり、ヒータ温度Ｔ_ｈが既知の場合、例えば図２のような流量と温度変化との相関データを用いて検出部１３が検出した熱接点１６の温度変化ΔＴに基づき流量を導くことができる。
なお、温度変化ΔＴに代えて、加熱開始から所定時間経過後の温度Ｔそのものを流量に変換してもよい。

図１に戻って説明を続ける。
流量算出部１４は、例えば、データ保持部２３、温度平均部２４及び平均値流量変換部２５で構成される。

温度平均部２４は、複数の検出された温度変化ΔＴ（ΔＴ₁〜ΔＴ₄）の平均値ΔＴ_avrを算出する。
ここで、図３は、熱接点１６の加熱時間ｔと検出された温度Ｔとの関係を示す図である。
被測定液１７の温度は、配管２１内の位置によって複雑な分布になることが考えられる。
温度の高い地点では、ヒータ温度Ｔ_ｈとの差異が小さくなるので、温度変化ΔＴが小さくなり、流量が実際よりも小さくなってしまう。
つまり、ヒータ温度Ｔ_ｈとの差異が小さくなると、図２のように流量と温度変化との相関関数がシフトする。

そこで、水深の異なる熱接点１６によって取得された複数の水深の温度変化ΔＴ（ΔＴ₁〜ΔＴ₄）から温度平均部２４でその平均値ΔＴ_avrを算出する。
ここで、壁面付近の被測定液１７がヒータ温度Ｔ_ｈにまで上昇した場合を考える。
被測定液１７が壁面付近から中心に向けて一定の割合αで温度が低くなる例では、Ｔ_１＝Ｔ_ｈ、Ｔ_２＝Ｔ_ｈ−α、Ｔ_３＝Ｔ_ｈ−２α、Ｔ_４＝Ｔ_ｈ−３αとおける。
熱接点１６の温度変化ΔＴの平均値ΔＴ_avrは、次式（１）になる。

Ｔ_avr＝{Ｔ_ｈ＋(Ｔ_ｈ−α)＋(Ｔ_ｈ−２α)＋(Ｔ_ｈ−３α)}/４＝Ｔ_ｈ−（３α）/２（１）
よって、最大誤差と平均値ΔＴ_avrの誤差とを比較すると、次式（２）になる。
（３α）/２/（３α）×１００＝５０％ （２）
つまり、第１実施形態に係る流量計１０によれば、平均を取らない場合と比較して、誤差を５０％に半減させることができる。

図１に戻って説明を続ける。
データ保持部２３は、図２で例示される熱接点１６で検出される複数の温度変化ΔＴの平均値ΔＴ_avrと被測定液１７との相関データを保持する。
熱接点１６で検出された温度変化ΔＴは、流量以外にも、例えば、乱流の発生の有無、被測定液１７の組成又は配管２１の形状などの諸条件に依存する。
そこで、例えばこれらの諸条件で区分された複数の相関データを事前の測定などによって取得してデータ保持部２３に保持させる。

平均値流量変換部２５は、データ保持部２３の相関データに基づいて温度変化の平均値ΔＴ_avrを被測定液１７の流量に変換する。
具体的には、被測定液１７の組成などの入力されたパラメータに合致した相関データを用いて温度変化ΔＴの平均値ΔＴ_avrを流量に変換する。
このようにして算出された精度の高い流量値は、表示部２９に表示されて作業員に確認される。

次に、第１実施形態に係る流量計１０の変形例を図４を用いて説明する。
流量算出部１４は、検出された温度変化ΔＴを平均する機能と、温度変化ΔＴを流量に変換する機能と、の実施順序を逆にして有していてもよい。
つまり、流量算出部１４は、温度平均部２４及び平均値流量変換部２５に代えて、相関データに基づいて各温度変化ΔＴの検出値をそれぞれ被測定液１７の流量に変換する各点流量変換部２６と、複数の流量の平均値Ｑ_avrを算出する流量平均部２７と、を備えていてもよい。
この場合、データ保持部２３が保持する相関データは、検出された温度変化ΔＴと被測定液１７との相関に変わる。

また、図５は、第１実施形態に係る流量計１０の第２の変形例を示す概略構成図である。
実際は、熱接点１６とヒータ１２との距離は極めて近いので、熱電対１１の各々に対してそれぞれヒータ１２を設けなくてもよい。
例えば、図５に示されるように、１つの十分な長さのヒータ１２で各熱接点１６を加熱してもよい。
ヒータ１２の数を少なくすることで、ヒータ１２による被測定液１７の流通の阻害を軽減することができる。

次に、第１実施形態に係るヒートサーモ式流量計測方法を図６のフローチャートを用いて説明する（適宜図１を参照）。

まず、常設設備を設置する（Ｓ１１〜Ｓ１４）。
つまり、予め実測試験等を行い相関データを取得し、データ保持部２３に記憶させる（Ｓ１１）。
そして、被測定液１７に各熱接点１６（１６ａ〜１６ｄ）が互いに異なる水深に配置されるように熱電対１１（１１ａ〜１１ｄ）を設置する（Ｓ１２）。

また、全ての熱電対１１に冷接点温度管理部１９、温度調整部２２（２２ａ〜２２ｄ）及び検出部１３（１３ａ〜１３ｄ）を接続する（Ｓ１３）。
そして、補正プログラムのインストールなどによって流量算出部１４を構築する（Ｓ１４）。

流量計測の開始時には（Ｓ１５）、まず、温度調整部２２がヒータ１２をＯＮにする（Ｓ１６）。このとき、ヒータ１２をＯＮにしている時間は、相関データ作成時の加熱時間に対応させる。
ヒータ１２による加熱で熱接点１６は、ヒータ温度Ｔ_ｈ程度にまで昇温する。
次に、検出部１３（１３ａ〜１３ｄ）が被測定液１７の温度変化ΔＴを検出する（Ｓ１７）。

被測定液１７の流量が多い場合は、熱接点１６の熱は被測定液１７に奪われ、ヒータ温度Ｔ_ｈにまで到達せず、想定されるものよりも小さな温度変化ΔＴになる。
次に、温度平均部２４が複数の検出された温度変化ΔＴを平均する（Ｓ１８）。

さらに、平均値流量変換部２５が、相関データを用いてこの温度Ｔの平均値ΔＴ_avrを流量に変換する（Ｓ１９）。算出された流量は、表示部２９に表示される。
流量計測を継続する場合は、例えばヒータ１２をＯＮにし直してから同様の手順を繰り返して（Ｓ２０：ＹＥＳ：Ｓ１６へ）、作業を終了する（Ｓ２０：ＮＯ：ＥＮＤ）。
なお、前述の通り、平均工程と流量変換工程との順序を逆にしてもよい。

なお、既に熱電対１１及び検出部１３が複数ある場合には、補正プログラムで構成される流量算出部１４を追加するだけで、補正システム３０を構成することができる。
つまり、補正システム３０は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、或いはＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置、を具備するコンピュータとして構成することができる。

この場合、図１に示す各部のうち、流量算出部１４を構成する各ブロックの機能は、記憶装置に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現することができる。
また、このようなソフトウェア処理に換えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integration Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアで補正システム３０を実現することもできる。

さらに、ソフトウェア処理とハードウェアによる処理を組み合わせて実現することもできる。
また、図１に示す構成のうち、データ保持部２３は、ＲＯＭ又はＲＡＭ等の記憶装置によって実現される。

以上のように、第１実施形態に係る流量計１０によれば、被測定液１７に温度勾配がある場合でも高い精度で流量（流速）を計測することができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る流量計１０の概略構成図である。

第２実施形態に係る流量計１０は、図７に示されるように、複数のヒータ温度Ｔ_ｈのそれぞれを別個に調整する温度調整部２２（２２ａ〜２２ｄ）に別個に温度調整をさせる温度調整指令部２８を備える。

図３に示されるように、加熱時間ｔと検出された温度変化ΔＴとは、対数関数的に増加してヒータ温度Ｔ_ｈに収束する。
しかし、この増加の割合は検出地点の温度に依存するため、被測定液１７に温度勾配がある場合、各ヒータ温度Ｔ_ｈ（Ｔ_ｈ1〜Ｔ_ｈ4）を全て一定にすると、所定温度までの到達時間に差異が出る。
そこで、第２実施形態では、温度調整指令部２８の指令信号によって温度調整部２２による温度調整を適宜独立させる。

例えば、第１実施形態の例と同様に、被測定液１７の温度が、壁面付近から中心に向けてＴ_１＝Ｔ_ｈ、Ｔ_２＝Ｔ_ｈ−α、Ｔ_３＝Ｔ_ｈ−２α、Ｔ_４＝Ｔ_ｈ−３αであるとする。
Ｔ＝Ｔ_１＝Ｔ_２＝Ｔ_３＝Ｔ_４にするためには、熱接点１６への加熱温度、すなわちヒータ１２の温度を、Ｔ_ｈ１＝Ｔ、Ｔ_ｈ２＝Ｔ＋α、Ｔ_ｈ３＝Ｔ＋２α、Ｔ_ｈ４＝Ｔ＋３αにする必要がある。
つまり、各熱接点１６が到達するべき目標温度を揃える必要がある。

そこで、第２実施形態では、各熱接点１６の温度変化の熱的条件を揃えるため、温度調整部２２（２２ａ〜２２ｄ）を、熱接点１６ごとに独立して温度を調整可能にする。
熱的条件を揃えることで、例えば加熱から所定時間経過後の熱接点１６の温度の差異が被測定液１７の流量の差異のみによるものにすることができる。

なお、ヒータ１２の温度調整をすること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成又は機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

温度調整部２２による温度調整によって、各熱接点１６が到達すべき目標温度を揃えることで、第１実施形態の効果に加えて、各検出地点における温度の差異を吸収することができる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の流量計１０によれば、異なる水深での複数の測定された温度変化ΔＴに基づいて流量の平均を算出することにより、被測定液１７に温度勾配がある場合でも高い精度で流量を計測することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…ヒートサーモ式流量計（流量計）、１１…熱電対、１２…ヒータ、１３（１３ａ〜１３ｄ）…検出部、１４…流量算出部、１６…熱接点、１７…被測定液、１８…冷接点、１９…冷接点温度管理部、２１…配管、２２（２２ａ〜２２ｄ）…温度調整部、２３…データ保持部、２４…温度平均部、２６…各点流量変換部、２５…平均値流量変換部、２７…流量平均部、２８…温度調整指令部、２９…表示部、３０…補正システム、Ｔ_０…基準温度、Ｔ_ｈ（Ｔ_ｈ1〜Ｔ_ｈ4）…ヒータ温度、ｔ…加熱時間、ΔＴ（ΔＴ₁〜ΔＴ₄）…温度変化、ΔＴ_avr…温度変化の平均値、Ｑ_avr…流量の平均値。

Claims (8)

1. 被測定液に互いに異なる水深で配置された熱接点を有する複数の熱電対と、
   前記被測定液に差し込まれて前記熱接点の加熱をするヒータと、
   前記熱電対に接続されて各水深における前記加熱による前記被測定液の温度を検出する検出部と、
   検出された複数の前記温度又はその温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定する流量算出部と、を備えることを特徴とするヒートサーモ式流量計。
2. 前記ヒータは、各前記熱接点についてそれぞれ設けられる請求項１に記載のヒートサーモ式流量計。
3. 各々の前記ヒータの温度を別個に調整する温度調整指令部を備える請求項１又は請求項２に記載のヒートサーモ式流量計。
4. 前記流量算出部は、
   前記熱接点で検出される複数の前記温度の平均値又は前記温度変化の平均値と前記被測定液との相関データを保持するデータ保持部と、
   検出された複数の前記温度の平均値又は前記温度変化の平均値を算出する温度平均部と、
   前記データ保持部の前記相関データに基づいて前記平均値を前記被測定液の流量に変換する平均値流量変換部と、を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートサーモ式流量計。
5. 前記流量算出部は、
   前記熱電対で検出される温度の平均値又は前記温度変化の平均値と前記被測定液との相関データを保持するデータ保持部と、
   前記データ保持部の前記相関データに基づいて各前記温度の平均値又は前記温度変化の検出値をそれぞれ前記被測定液の流量に変換する各点流量変換部と、
   複数の前記流量の平均値を算出する流量平均部と、を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のヒートサーモ式流量計。
6. 被測定液に互いに異なる水深で配置された複数の熱電対の熱接点で前記被測定液の流量を測定するヒートサーモ式流量計の補正システムにおいて、
   異なる水深で検出された全ての前記温度又は前記温度変化に基づき流量の平均を算出する流量算出部を備えることを特徴とするヒートサーモ式流量計の補正システム。
7. 被測定液に互いに異なる水深で配置された熱接点を有する複数の熱電対で前記被測定液の流量を測定するヒートサーモ式流量計の補正プログラムにおいて、
   コンピュータに、
   異なる水深で検出された全ての前記温度又は前記温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定する流量算出ステップを実行させることを特徴とするヒートサーモ式流量計の補正プログラム。
8. 被測定液に互いに異なる水深で熱接点を複数配置するステップと、
   前記被測定液に差し込まれたヒータで前記熱接点の加熱をするステップと、
   各水深における前記加熱による前記被測定液の温度又は温度変化を検出するステップと、
   検出された複数の前記温度又は前記温度変化を前記温度又は前記温度変化の多変数関数で表される流量に代入して前記流量を特定するステップと、を含むことを特徴とするヒートサーモ式流量計測方法。

Images