JP2020139835A - Laminar flow element and laminar flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、層流素子およびこの層流素子を用いた層流型流量計に関する。 The present invention relates to a laminar flow element and a laminar flow meter using the laminar flow element.
従来より、流路を流れる流体の流量を計測する流量計の1つとして、層流型流量計が用いられている。この層流型流量計は、通過する流体の流れを層流、すなわちその流体の流線が常に管軸と平行な流れとする層流素子を備えており、この層流素子の上流側と下流側の流体の圧力の差から流路を流れる流体の流量を計測する(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a laminar flow meter has been used as one of the flow meters for measuring the flow rate of a fluid flowing through a flow path. This laminar flow meter is equipped with a laminar flow element that makes the flowing fluid flow laminar, that is, the flow line of the fluid is always parallel to the pipe axis, and the upstream side and the downstream side of this laminar flow element. The flow rate of the fluid flowing through the flow path is measured from the difference in the pressure of the fluid on the side (see, for example, Patent Document 1).
層流型流量計は、流路内を流体が層流状態で流れた場合、ハーゲンポアズイユの法則により、流体の移動に伴う圧力降下が体積流量に比例する現象を利用した流量計である。この層流型流量計において、質量流量と差圧との関係は次式で表される。
Qm=ΔP・K・(ρ/(μ・L)) ・・・・(1)
但し、Qm:質量流量、ΔP:層流素子の上流側と下流側の流体の圧力の差(差圧)、K:比例定数、ρ:流体の密度、μ:流体の粘性係数(流体の粘度)、L:流路長。
The laminar flow meter is a flow meter that utilizes the phenomenon that when a fluid flows in a laminar flow state in a flow path, the pressure drop due to the movement of the fluid is proportional to the volumetric flow rate according to Hagen-Poiseuille's law. In this laminar flow meter, the relationship between the mass flow rate and the differential pressure is expressed by the following equation.
Qm = ΔP ・ K ・ (ρ / (μ ・ L)) ・ ・ ・ ・ (1)
However, Qm: mass flow rate, ΔP: difference in fluid pressure between the upstream side and downstream side of the laminar flow element (differential pressure), K: proportionality constant, ρ: fluid density, μ: fluid viscosity coefficient (fluid viscosity) ), L: Flow path length.
この(1)式において、流体の密度ρや流体の粘度μは温度に依存する。このため、層流素子の温度を計測し、流体の密度ρや流体の粘度μの補正を行う必要がある。このような補正を精度よく行うには、層流素子を通過する流体の温度をできるだけ正確に計測する必要がある。 In this equation (1), the density ρ of the fluid and the viscosity μ of the fluid depend on the temperature. Therefore, it is necessary to measure the temperature of the laminar flow element and correct the fluid density ρ and the fluid viscosity μ. In order to perform such correction with high accuracy, it is necessary to measure the temperature of the fluid passing through the laminar flow element as accurately as possible.
しかしながら、従来の層流型流量計では、層流素子に流入する流体の温度を検出するようにしたり、層流素子のボディの温度を検出するようにしたりしており(例えば、特許文献2参照。)、層流素子を通過する流体の温度を正しく計測しているとは言い難い。 However, in the conventional laminar flow meter, the temperature of the fluid flowing into the laminar flow element is detected, or the temperature of the body of the laminar flow element is detected (see, for example, Patent Document 2). .), It is hard to say that the temperature of the fluid passing through the laminar flow element is measured correctly.
特に、層流素子のボディの温度では、層流素子のボディの熱容量による熱的応答性の遅れや、層流素子のボディに取り付けられた他の部品からの伝熱影響などを受けて、層流素子を通過する流体の計測温度に誤差が生じ、発生する流量計測誤差が大きくなる。 In particular, at the temperature of the body of the laminar flow element, the layer is affected by the delay in thermal response due to the heat capacity of the body of the laminar flow element and the influence of heat transfer from other parts attached to the body of the laminar flow element. An error occurs in the measured temperature of the fluid passing through the flow element, and the generated flow rate measurement error becomes large.
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測し、流量計測誤差の発生を軽減することができる層流素子および層流型流量計を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to measure the temperature of a passing fluid more accurately and responsively to reduce the occurrence of flow rate measurement error. It is an object of the present invention to provide a laminar flow element and a laminar flow meter capable of the above.
このような目的を達成するために、本発明に係る層流素子は、積層されて、通過する流体の流れを層流とする流路を形成する複数の層流板と、前記流路を通過する流体の温度を計測する温度センサとを備え、前記複数の層流板(1)は、第1の面(4A)に溝(2A)が形成された第1の層流板(1A)と、前記第1の層流板の前記第1の面とは反対側の第2の面(3A)に重ねられ、前記第1の層流板の前記第2の面と対向する第1の面(4B)に溝(2B)が形成された第2の層流板(1B)とを含み、前記温度センサは、前記第1の層流板の前記第2の面(3A)の、前記第2の層流板の前記第1の面(4B)に形成されている前記溝(2B)に重なる位置に設けられた薄膜の温度センサ(5)であることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the laminar flow element according to the present invention passes through a plurality of laminar flow plates, which are laminated to form a laminar flow with the flowing fluid flowing as a laminar flow, and the laminar flow plate. The plurality of laminar flow plates (1) are provided with a first laminar flow plate (1A) having a groove (2A) formed in the first surface (4A) and provided with a temperature sensor for measuring the temperature of the fluid. , A first surface that is overlapped with a second surface (3A) opposite to the first surface of the first laminar flow plate and faces the second surface of the first laminar flow plate. The temperature sensor includes the second laminar flow plate (1B) in which the groove (2B) is formed in (4B), and the temperature sensor is the first of the second surface (3A) of the first laminar flow plate. It is a thin film temperature sensor (5) provided at a position overlapping the groove (2B) formed on the first surface (4B) of the laminar flow plate of 2.
この発明において、第1の層流板の溝が形成されている面とは反対側の面には、第2の層流板の溝に重なる位置に、薄膜の温度センサが設けられている。これにより、本発明では、通過する流体の流れに影響を与えることなく、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することが可能となる。 In the present invention, a thin film temperature sensor is provided at a position overlapping the groove of the second laminar flow plate on the surface opposite to the surface on which the groove of the first laminar flow plate is formed. This makes it possible to measure the temperature of the passing fluid more accurately and responsively without affecting the flow of the passing fluid in the present invention.
また、本発明に係る層流型流量計(200)は、本発明に係る層流素子(100)と、前記層流素子の上流側と下流側の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部(15)と、前記差圧取得部によって取得された差圧と前記層流素子に設けられている前記温度センサ(5)によって検出された温度とに基づいて前記層流素子を流れる流体の流量を求めるように構成された流量算出部(18)とを備えることを特徴とする。 Further, the laminar flow meter (200) according to the present invention acquires the difference in pressure between the laminar flow element (100) according to the present invention and the upstream side and the downstream side of the laminar flow element as a differential pressure. The layer is based on the configured differential pressure acquisition unit (15), the differential pressure acquired by the differential pressure acquisition unit, and the temperature detected by the temperature sensor (5) provided in the laminar flow element. It is characterized by including a flow rate calculation unit (18) configured to obtain the flow rate of the fluid flowing through the flow element.
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。 In the above description, as an example, the components on the drawing corresponding to the components of the invention are indicated by reference numerals in parentheses.
以上説明したように、本発明によれば、第1の層流板の溝が形成されている面とは反対側の面の第2の層流板の溝に重なる位置に薄膜の温度センサを設けるようにしたので、通過する流体の流れに影響を与えることなく、通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することが可能となり、流量計測誤差の発生を軽減することができるようになる。 As described above, according to the present invention, the temperature sensor of the thin film is placed at a position overlapping the groove of the second laminar flow plate on the surface opposite to the surface on which the groove of the first laminar flow plate is formed. Since it is provided, it is possible to measure the temperature of the passing fluid more accurately and responsively without affecting the flow of the passing fluid, and it is possible to reduce the occurrence of flow rate measurement error. become.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る層流素子100の要部を示す図である。この図では、説明上、層流素子100のみを流体の流れ方向に沿った断面図として示している。
FIG. 1 is a diagram showing a main part of a
この層流素子100は、通過する流体の流れを層流とする流路として溝2が形成された複数の金属製の層流板1を備え、これら層流板1は溝2を挟むようにして積層されている。なお、図1において、10は主流路であり、主流路10の途中に層流素子100が設けられている。
The
図2に、層流素子100の中央部に位置する層流板1Aと層流板1Bとの積層状態を示す。図2は、層流素子100を通過する流体の流れ方向から見た断面図である。層流板1Aには、通過する流体の流れを層流とする流路として溝2Aが形成されており、層流板1Bには、通過する流体の流れを層流とする流路として溝2Bが形成されている。この層流板1Aが本発明でいう第1の層流板に相当し、層流板1Bが第2の層流板に相当する。
FIG. 2 shows a laminated state of the
層流板1Aは、溝2Aが形成されている面4(4A)とは反対側の面を底面3(3A)として、層流板1Bの溝2Bが形成されている面4(4B)に重ね合わせられている。以下、溝2が形成されている面4を層流板1の「上面」と呼ぶ。層流板1Aの上面4Aが本発明でいう第1の層流板の第1の面に相当し、層流板1Aの底面3Aが第1の層流板の第2の面に相当し、層流板1Bの上面4Bが第2の層流板の第1の面に相当する。
The
層流板1Aの底面3Aには、層流板1Bに形成されている溝2Bに重なる位置に、白金などの薄膜抵抗よりなる温度センサ(以下、「薄膜温度センサ」と呼ぶ。)5が設けられている。本実施の形態では、溝2Bの真ん中の位置に対向するように、すなわち溝2Bの長手方向および幅方向の中央に位置するように、薄膜温度センサ5が設けられている。この薄膜温度センサ5は、ポリイミドなどからなる絶縁性の保護膜(以下、「絶縁保護膜」と呼ぶ。)6で覆われている。絶縁保護膜6は層流板1Aの底面3Aの全面に形成されている。
On the
層流板1Aの底面3Aへの薄膜温度センサ5の設置手順について説明する。先ず、図3に示すように、層流板1Aの底面3Aに薄膜温度センサ5と、この薄膜温度センサ5につながるリード部7を設置する。この後、図4に示すように、層流板1Aの底面3Aの全面に、絶縁保護膜6を厚めに塗布する。この時、薄膜温度センサ5およびリード部7の上の絶縁保護膜6は他の部分よりも厚くなるが、この厚くなった部分を切削により取り除き、絶縁保護膜6の厚みを均一とする。また、層流板1Aの溝2Aから離れた位置に形成されている貫通孔8に、層流板1Aとの絶縁を確保したうえ、ワイヤボンディングあるいは金属材料の充填により、リード部7につながる信号取り出し用配線9を作る。
The procedure for installing the thin
この層流素子100において、各層流板1の底面3は薄肉とされており、熱容量が小さく熱交換が行われやすい。また、絶縁保護膜6の層流板1Bの溝2Bに対面する部分の厚みは均一とされ、平らな表面とされている。これにより、溝2Bを通過する流体の流れに影響を与えることなく、溝2Bを通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測することができるようになる。
In the
なお、図1に示した層流素子100では、層流板1Bの溝2Bの真ん中の位置に対向するように薄膜温度センサ5を設けたが、溝2Bに沿って薄膜温度センサ5を複数設けるようにしてもよい。
In the
溝2Bを流体が通過すると、圧力降下が発生し、この圧力降下に伴って温度変化が生じる。このため、流体の流れ方向に温度分布ができる。この温度分布が問題となるような場合、溝2Bに沿って薄膜温度センサ5を複数設け、複数の薄膜温度センサ5によって検出される温度の例えば平均値を温度計測値とする。
When the fluid passes through the
図5に、溝2Bに沿って薄膜温度センサ5を3つ設けた例を示す。この層流素子100’では、上流側に薄膜温度センサ5−1を設け、下流側に薄膜温度センサ5−3を設け、薄膜温度センサ5−1と5−3との中間に薄膜温度センサ5−2を設けている。
FIG. 5 shows an example in which three thin
また、図1に示した層流素子100では、層流素子100の中央部に位置する層流板1Aの底面3Aに薄膜温度センサ5を設けるようにしたが、溝2を流れる流体の温度を検出することができればよく、他の層流板1の底面3に薄膜温度センサ5を設けるようにしてもよい。
Further, in the
また、薄膜温度センサ5を薄膜ICとし、この薄膜ICに無線による給電および送受信機能を持たせるようにしてもよい。すなわち、層流板1Aの底面3Aに設ける薄膜の温度センサを外部からの電力の供給を無線で受けて動作する無線温度センサ5’(図6参照)とし、温度検出部51で検出した温度を無線通信回路部52によってアンテナ53を通して外部へ送信したり、外部からの指令などをアンテナ53を通して無線通信回路部52で受けるようにしたりしてもよい。この無線温度センサ5’では、アンテナ53を通して供給される外部からの電力を受電部54で受電し、無線通信回路部52や温度検出部51へ供給するようにしている。
Further, the thin
〔層流型流量計〕
図7に、本発明に係る層流素子を用いた層流型流量計200の要部の構成を示す。この層流型流量計200において、層流素子100の上流側には、この層流素子100の上流側の流体の圧力を上流側圧力P1として検出する圧力センサ11が設けられ、層流素子100の下流側には、この層流素子100の下流側の流体の圧力を下流側圧力P2として検出する圧力センサ12が設けられている。
[Laminar flow meter]
FIG. 7 shows the configuration of a main part of the
また、この層流型流量計200には、圧力センサ11が検出する層流素子100の上流側圧力P1と、圧力センサ12が検出する層流素子100の下流側圧力P2とから、層流素子100を流れる流体の質量流量Qmを演算する流量演算部14が設けられている。
Further, in the laminar flow
流量演算部14は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、差圧測定部15と密度補正部16と粘度補正部17と質量流量算出部18とを備えている。
The flow
流量演算部14において、差圧測定部15は、圧力センサ11からの層流素子100の上流側圧力P1と圧力センサ12からの層流素子100の下流側圧力P2とを入力とし、この上流側圧力P1と下流側圧力P2との差を差圧ΔPとして求める。
In the flow
密度補正部16は、薄膜温度センサ5が検出する層流素子100を通過する流体の温度Tを入力とし、この層流素子100を通過する流体の温度Tに基づいて層流素子100を流れる流体の密度ρを補正する。粘度補正部17は、薄膜温度センサ5が検出する層流素子100を通過する流体の温度Tを入力とし、この層流素子100を通過する流体の温度Tに基づいて層流素子100を流れる流体の粘度μを補正する。
The
質量流量算出部18は、差圧測定部15からの差圧ΔPと密度補正部16からの補正された密度ρと粘度補正部17からの補正された粘度μとを入力とし、前記の(1)式より、層流素子100を流れる流体の質量流量Qmを算出する。
The mass flow
これにより、層流素子100を通過する流体の温度をより正確にかつ応答性よく計測し、流体の密度や流体の粘度の補正を精度よく行って、流量計測誤差の発生を軽減することができるようになる。
As a result, the temperature of the fluid passing through the
なお、この層流型流量計200では、圧力センサ11が検出する上流側圧力P1と圧力センサ12が検出する下流側圧力P2との差を差圧測定部15において差圧ΔPとして求めるようにしたが、図8に示すように、層流素子100の上流側と下流側の流体の圧力の差を差圧ΔPとして検出する差圧センサ19を設け、この差圧センサ19が検出する差圧ΔPを質量流量算出部18に送るようにしてもよい。図8では、図7に示した層流型流量計200と区別するために、層流型流量計を200’として示し、流量演算部を14’として示している。
In this
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
[Extension of Embodiment]
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.
1…層流板、2…溝、3…底面、4…上面、5…薄膜温度センサ、6…絶縁保護膜、7…リード部、8…貫通孔、9…信号取り出し用配線、11,12…圧力センサ、14,14’…流量演算部、15…差圧測定部、16…密度補正部、17…粘度補正部、18…質量流量算出部、19…差圧センサ、5’…無線温度センサ、51…温度検出部、52…無線通信回路部、53…アンテナ、54…受電部、100,100’…層流素子、200,200’…層流型流量計。 1 ... Laminar flow plate, 2 ... Groove, 3 ... Bottom surface, 4 ... Top surface, 5 ... Thin film temperature sensor, 6 ... Insulation protective film, 7 ... Lead part, 8 ... Through hole, 9 ... Signal extraction wiring, 11, 12 ... pressure sensor, 14, 14'... flow rate calculation unit, 15 ... differential pressure measurement unit, 16 ... density correction unit, 17 ... viscosity correction unit, 18 ... mass flow rate calculation unit, 19 ... differential pressure sensor, 5'... wireless temperature Sensor, 51 ... Temperature detection unit, 52 ... Wireless communication circuit unit, 53 ... Antenna, 54 ... Power receiving unit, 100, 100'... Laminar flow element, 200, 200' ... Laminar flow type flow meter.
Claims (9)
前記複数の層流板は、
第1の面に溝が形成された第1の層流板と、
前記第1の層流板の前記第1の面とは反対側の第2の面に重ねられ、前記第1の層流板の前記第2の面と対向する第1の面に溝が形成された第2の層流板とを含み、
前記温度センサは、
前記第1の層流板の前記第2の面の、前記第2の層流板の前記第1の面に形成されている前記溝に重なる位置に設けられた薄膜の温度センサである
ことを特徴とする層流素子。 It is provided with a plurality of laminar flow plates that are laminated to form a flow path that uses the flow of the passing fluid as a laminar flow, and a temperature sensor that measures the temperature of the fluid that passes through the flow path.
The plurality of laminar flow plates
A first laminar flow plate with a groove formed on the first surface,
A groove is formed on the first surface of the first laminar flow plate which is overlapped with the second surface opposite to the first surface of the first laminar flow plate and faces the second surface of the first laminar flow plate. Including the second laminar flow plate
The temperature sensor
A thin film temperature sensor provided at a position overlapping the groove formed on the first surface of the second laminar flow plate on the second surface of the first laminar flow plate. A characteristic laminar flow element.
前記温度センサは、
前記第1の層流板の前記第2の面において絶縁性の保護膜で覆われている
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to claim 1,
The temperature sensor
A laminar flow element characterized in that the second surface of the first laminar flow plate is covered with an insulating protective film.
前記保護膜は、
前記第2の層流板の前記第1の面に形成されている前記溝に対面する部分の厚みが均一とされている
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to claim 2.
The protective film is
A laminar flow element characterized in that the thickness of a portion of the second laminar flow plate facing the groove formed on the first surface is uniform.
前記第1の層流板は、
前記第1の層流板の前記第1の面に形成されている前記溝から離れた位置に貫通孔を備え、
前記温度センサからの信号が前記貫通孔を通して取り出されるように構成されている
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to any one of claims 1 to 3.
The first laminar flow plate is
A through hole is provided at a position away from the groove formed on the first surface of the first laminar flow plate.
A laminar flow element characterized in that a signal from the temperature sensor is taken out through the through hole.
前記温度センサは、
検出した温度を無線によって送信するように構成された無線通信回路部を備える
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to any one of claims 1 to 3.
The temperature sensor
A laminar flow device including a wireless communication circuit unit configured to transmit the detected temperature wirelessly.
前記温度センサは、
前記第2の層流板の前記第1の面に形成されている前記溝の長手方向の中間に配置されている
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to any one of claims 1 to 5.
The temperature sensor
A laminar flow element characterized in that it is arranged in the middle in the longitudinal direction of the groove formed on the first surface of the second laminar flow plate.
前記温度センサは、
前記第2の層流板の前記第1の面に形成されている前記溝に沿って複数設けられている
ことを特徴とする層流素子。 In the laminar flow device according to any one of claims 1 to 5.
The temperature sensor
A laminar flow element characterized in that a plurality of laminar flow elements are provided along the groove formed on the first surface of the second laminar flow plate.
前記層流素子の上流側と下流側の圧力の差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
前記差圧取得部によって取得された差圧と前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度とに基づいて前記層流素子を流れる流体の流量を求め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層流型流量計。 The laminar flow element according to any one of claims 1 to 7, wherein the flowing fluid flows as a laminar flow.
A differential pressure acquisition unit configured to acquire the difference in pressure between the upstream side and the downstream side of the laminar flow element as a differential pressure,
A flow rate configured to obtain the flow rate of the fluid flowing through the laminar flow element based on the differential pressure acquired by the differential pressure acquisition unit and the temperature detected by the temperature sensor provided in the laminar flow element. A laminar flow meter characterized by having a calculation unit.
前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記流体の密度を補正するように構成された密度補正部と、
前記層流素子に設けられている前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記流体の粘度を補正するように構成された粘度補正部とをさらに備え、
前記流量算出部は、
前記差圧取得部によって取得された差圧と前記密度補正部によって補正された密度と前記粘度補正部によって補正された粘度とから前記層流素子を流れる流体の質量流量を求めるように構成されている
ことを特徴とする層流型流量計。 In the laminar flow meter according to claim 8,
A density correction unit configured to correct the density of the fluid based on the temperature detected by the temperature sensor provided in the laminar flow element.
Further provided with a viscosity correction unit configured to correct the viscosity of the fluid based on the temperature detected by the temperature sensor provided in the laminar flow element.
The flow rate calculation unit
It is configured to obtain the mass flow rate of the fluid flowing through the laminar flow element from the differential pressure acquired by the differential pressure acquisition unit, the density corrected by the density correction unit, and the viscosity corrected by the viscosity correction unit. A laminar flow meter characterized by its presence.
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