JP2019070611A

JP2019070611A - 熱式流量計

Info

Publication number: JP2019070611A
Application number: JP2017197580A
Authority: JP
Inventors: まゆみ湯山; Mayumi Yuyama; 正志中野; Masashi Nakano
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-05-09

Abstract

【課題】熱式流量計を用いてより流量感度の高い高精度な流量測定ができるようにする。
【解決手段】測定対象の流体を輸送する配管１０１と、配管１０１の外壁に接して設けられたセンサ部１０２と、流量算出部１０３とを備える。配管１０１は、サファイアから構成されている。実施の形態において、センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量計に関し、特に、測定対象の流体が流れる測定管および測定管に設けられた流量検出用のセンサを備える熱式流量計に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、直接、質量流量が測定できるなどの利点がある。また、流路をガラス管から構成することで、腐食性の液体の流量を測定可能とした熱式流量計も用いられている（特許文献１、２参照）。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。

熱式流量計には、ヒータの消費電力により流量を測定する形式や、ヒータの上下流の温度差により流量を測定する形式がある。ヒータの消費電力により流量を測定する熱式流量計は、図５に示すように、測定対象の流体を輸送する配管２０１と、配管２０１の外壁に接して設けられたセンサ部２０２と、流量算出部２０３とを備える。配管２０１は、石英ガラスから構成されている。

センサ部２０２は、温度測定部２１１、ヒータ２１２、制御部２１３、電力計測部２１４を備える。温度測定部２１１は、測定対象の流体を輸送する配管２０１の外壁に接して設けられている。ヒータ２１２は、温度測定部２１１の下流の側の配管２０１の外壁に接して設けられている。温度測定部２１１、ヒータ２１２は、熱伝導性接着剤により配管２０１に接着固定されている（特許文献３参照）。温度測定部２１１は、流体の温度を測定する。

制御部２１３は、ヒータ２１２の温度と、温度測定部２１１で測定されるヒータ２１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ２１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ２１２を制御して駆動する。電力計測部２１４は、制御部２１３により制御されているヒータ２１２の電力を計測して出力する。センサ部２０２を構成する電力計測部２１４から出力される電力がセンサ値となる。流量算出部２０３は、電力計測部２１４が計測して出力したヒータ２１２の電力（センサ値）より、流体の流量を算出する。

よく知られているように、ヒータ２１２の温度とヒータ２１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ２１２を駆動しているときの、ヒータ２１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ２１２が制御部２１３に制御されている状態で、電力計測部２１４が計測した電力より、流量算出部２０３において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

特開２００６−０１０３２２号公報特表２００３−５３２０９９号公報特開２０１７−１０１９５５号公報

ところで、近年では、より流量感度の高い高精度な流量測定が求められている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、熱式流量計を用いてより流量感度の高い高精度な流量測定ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を輸送するサファイアから構成された配管と、配管の外壁に接して設けられて流体を加熱するヒータおよび配管の外壁に接して設けられて流体の温度を測定する温度測定部を備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、流体の流量をセンサ値から算出するように構成された流量算出部とを備える。

上記熱式流量計において、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。

上記熱式流量計において、温度測定部を、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成し、第１温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、第２温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、第３温度測定部は、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、配管をサファイアから構成したので、熱式流量計を用いてより流量感度の高い高精度な流量測定ができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における熱式流量計の構成を示す構成図である。図２は、流量に対するセンサ値の変化について熱流体シミュレーションを実施した結果を示す特性図である。図３は、流量に対するセンサ値の変化量について熱流体シミュレーションを実施した結果を示す特性図である。図４は、本発明の実施の形態における他の熱式流量計の構成を示す構成図である。図５は、熱式流量計の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態における熱式流量計について図１を参照して説明する。この熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する配管１０１と、配管１０１の外壁に接して設けられたセンサ部１０２と、流量算出部１０３とを備える。実施の形態において、配管１０１は、サファイアから構成されている。

実施の形態において、センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、測定対象の流体を輸送する配管１０１の外壁に接して設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流の側の配管１０１の外壁に接して設けられている。温度測定部１１１、ヒータ１１２は、熱伝導性接着剤により配管１０１に接着固定されている。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。

センサ部１０２は、ヒータ１１２の温度と、ヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。実施の形態において、制御部１１３が、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

また、電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。センサ部２０２を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。流量算出部１０３は、電力計測部１１４が計測して出力したヒータ１１２の電力（センサ値）より、流体の流量を算出する。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、流量算出部１０３において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

ここで、図２に、流量に対するセンサ値の変化について熱流体シミュレーションを実施した結果を示す。図２において、実線は、配管１０１をサファイアから構成した実施の形態の結果を示し、点線は、配管を石英ガラスから構成した従来の場合の結果を示す。図２に示すように、実施の形態の方が、同じ流量に対してより高いセンサ値が得られている。

また、図３に、流量に対するセンサ値の変化量について熱流体シミュレーションを実施した結果を示す。図３において、実線は、配管１０１をサファイアから構成した実施の形態の結果を示し、点線は、配管を石英ガラスから構成した従来の場合の結果を示す。図３に示すように、実施の形態の方が、同じ流量に対し、出力変化量がより大きい値となっている。

以上に説明したように、実施の形態によれば、配管１０１をサファイアから構成したので、熱式流量計を用いてより流量感度（センサ値に対する流量値の感度）の高い高精度な流量測定ができるようになる。

なお、図４に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ部１０２’を構成してもよい。

なお、各温度測定部は、測定対象の流体を輸送する配管１０１の外壁に接して設けられている。

制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

温度測定部１１７は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側において、配管１０１の外壁に接して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側において、配管１０１の外壁に接して設けられている。温度測定部１１６，温度測定部１１７は、流体の温度を測定する。

温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

以上に説明したように、本発明によれば、配管をサファイアから構成したので、熱式流量計を用いてより流量感度の高い高精度な流量測定ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…配管、１０２…センサ部、１０３…流量算出部、１１１…温度測定部、１１２…ヒータ、１１３…制御部、１１４…電力計測部。

Claims

測定対象の流体を輸送するサファイアから構成された配管と、
前記配管の外壁に接して設けられて前記流体を加熱するヒータおよび前記配管の外壁に接して設けられて前記流体の温度を測定する温度測定部を備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記流体の流量を前記センサ値から算出するように構成された流量算出部と
を備えることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、
前記第１温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記第２温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記第３温度測定部は、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。