JP2021056074A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度よく流体の流量を測定することができる流量測定装置を提供すること【解決手段】本流側の流路を、流体の流路の中心に設けたセンサー側の第一流路１２と第一流路１２の外側に設けた複数のバイパス流からなる第二流路１３に分け、第一流路１２からセンサーを経て第一流路１２に至る第三流路１５を有し、第三流路１５を流通する流体の流量を上記センサーで検知して電気信号に変換し、上記電気信号に基づいて第三流路１５を流通する流体の流量を求め、第三流路１５を流通する流体の流量に基づいて本流側流路を流通する流体の流量を得る。【選択図】図２

Description

本発明は、流量測定装置に関するものである。

多くの産業は、様々なプロセス流体の流量測定及び制御を必要としており、プロセス流体の流量を測定及び制御するために様々な装置が用いられている。

例えば、特許文献１には、図６に示すように、供給流体の供給通路を形成する管体４０内の上流側４１ａと下流側４１ｂの間を通過した流体の流量に比例した圧力差を発生させる差圧発生素子４２を有し、この差圧発生素子４２の上流側４１ａと下流側４１ｂとを連通する流路を形成するパイプ４３を有し、このパイプ４３が形成する流路の途中に差圧発生素子４２に発生した圧力差に比例する電圧を発生する圧力センサー４４を有し、圧力センサー４４により検出された電圧値から管体４０内を通過する流体の流量を測定することが記載されている。

また、特許文献２には、図７に示す装置が記載されている。この装置は、流体流入口５１と流体流出口５２の間に質量流量センサー５３及び弁装置５４が取り付けられ、弁装置５４は制御弁５５を備え、流体の大部分はバイパス５６を流れ、質量流量センサー５３は少量の一部の流体が流れる毛管と呼ばれる小さな直径の管から構成される毛細管５７を備え、上流側の抵抗コイル５８ａと下流側の抵抗コイル５８ｂが巻き付けられる。動作時には上流側の抵抗コイル５８ａと下流側の抵抗コイル５８ｂに電流が流されるので、毛細管５７内を流れる流体は加熱される。抵抗コイル５８ａ、５８ｂの抵抗は温度とともに変化し、上流側の流体に比べて下流側の流体の温度は高いので、上流側の抵抗コイル５８ａと下流側の抵抗コイル５８ｂから取り出される電気信号値は異なり、この電気信号値に基づく出力信号が得られる。そして、その出力信号に基づいて毛細管５７内の流量を求め、さらに、この流量に基づいて総流量を求め、その総流量を制御するために、閉ループシステム制御器５９が弁装置５４の制御弁５５の弁位置を調整するとともに、流体流入口５１に流体流量を調整するためのターニングベーンと称する翼体が設けられている。

実開平１−７０１２０号公報 特開２０１９−３５７６６号公報

しかし、特許文献１のように、単に差圧発生素子４２を設けるだけでは、パイプ４３に設けた圧力センサー４４の検出電圧値に基づいて管体４０内を通過する流体の流量を精度よく求めることは困難である。

また、特許文献２は、質量流量制御装置の一例を示しているが、流体流入口５１から流体流出口５２に流れる流体の流量（総流量）が多くなると、総流量に対する毛細管５７内を流れる流体の流量（センサー流量）の比率である分流比を一定に制御するのは容易でなく、その分流比に基づいて総流量を精度よく求めることは困難である。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、精度よく流体の流量を測定することができる流量測定装置を提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討をおこなった結果、次のような手段を採用する。
（１）第一の発明は、本流側の流路を、流体の流路の中心に設けたセンサー側の第一流路と当該第一流路の外側に設けた複数のバイパス流からなる第二流路に分け、上記第一流路からセンサーを経て第一流路に至る第三流路を有し、上記第三流路を流通する流体の流量を上記センサーで検知して電気信号に変換し、上記電気信号に基づいて第三流路を流通する流体の流量を求め、当該第三流路を流通する流体の流量に基づいて本流側流路を流通する流体の流量を得ることを特徴とする流量測定装置である。
（２）第二の発明は、複数のバイパス流からなる第二流路が円周方向に均等間隔で放射線状に設けられている上記（１）に記載の流量測定装置である。
（３）第三の発明は、本流側流路を流通する流体の流量に対する第三流路を流通する流体の流量の比率が一定である上記（１）または（２）に記載の流量測定装置である。
（４）第四の発明は、質量流量測定用である上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の流量測定装置である。
（５）第五の発明は、センサーが、毛細管からなる第三流路に設けた上流側発熱抵抗体及び下流側発熱抵抗体である（４）に記載の流量測定装置である。

第一の発明によれば、本流側の流路をバイパス流路とセンサー側の流路に分離し、さらに、センサー側の流路からセンサーに通じる流路を設けるという２段階の分流構造を採用したので、本流側流路を流通する流体の流量に対するセンサー流量の比率である分流比を制御しやすくなる。しかも、流体の流路の中心にセンサー側の第一流路を設けるので、センサーに通じる第三流路を流通する流体の流量にばらつきが出にくいという効果がある。
第二の発明によれば、第一の発明に比べて、センサーに通じる流体の流量に一層ばらつきが出にくいという効果がある。
第三の発明によれば、第三流路を流通する流体の流量（センサー流量）に基づいて本流側流路を流通する流体の流量を精度よく求めることができる。
第四の発明によれば、得られる流量に誤差が出にくいという効果がある。
第五の発明によれば、測定可能な低流量域においても精度よく測定することができる。

図１（ａ）は熱式流量計を構成する発熱抵抗体の巻かれた毛細管の温度分布を示し、図１（ｂ）は熱式流量計の基本的な構成を示す概略図である。 図２は本発明の流量測定装置の一実施形態を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）の左側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ矢視断面を含む概略構成図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の右側面図である。 図３は本発明の流量測定装置の別の実施形態の縦断面を含む概略構成図である。 図４は比較例の流量測定装置を示し、図４（ａ）は図４（ｂ）の左側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ矢視断面を含む概略構成図、図４（ｃ）は図４（ｂ）の右側面図である。 図５は、本発明の実施例の流量測定装置と比較例の流量測定装置における、理想分流比に対する実際の分流比の相対比率を示す図である。 図６は、特許文献１に記載された流量測定装置の縦断面図である。 図７は、特許文献２に記載された流量測定装置の縦断面を含む概略構成図である。

以下に、本発明の具体的な実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において様々な変形や修正が可能である。

《熱式流量計》
本発明はプロセス流体の量を正確に測定及び制御するための熱式流量計の改良に関する発明であるから、まず熱式流量計について簡単に説明する。

熱式流量計の基本的な構成は、図１（ｂ）に示すとおりである。図１（ｂ）において、バイパス部１の上流側２から下流側３に向かって主流の流体が流れる。主流の流体の一部は、毛細管（約０．５mm程度の内径）４の上流側から下流側に向かって流れる。毛細管４には上流側の発熱抵抗体５ａと下流側の発熱抵抗体５ｂが巻かれている。発熱抵抗体５ａと５ｂは電気回路６から流れる電流により熱せられて発熱するが、流体が流れていないときは発熱抵抗体５ａと５ｂの発熱量は等しいので、電気回路６が示す流量信号はゼロである。しかし、毛細管４内を流体が流れると、上流側の発熱抵抗体５ａから下流側の発熱抵抗体５ｂに熱量が移動するため、２つの抵抗体の熱バランスがくずれる。図１（ａ）の実線の温度曲線７は毛細管４内に流体が流れていないときの毛細管４の温度分布を示し、点線の温度曲線８は毛細管４内に流体が流れているときの毛細管４の温度分布を示す。すなわち、発熱抵抗体５ａと５ｂの間には、毛細管４内に流体が流れることによる上流側の発熱抵抗体５ａの温度変化量△ｔ１と下流側の発熱抵抗体５ｂの温度変化量△ｔ２との合計であるΔＴの温度差が生じる。この温度差の変化量を電気回路６に組み込まれたブリッジ回路で捉えて流量信号として取り出す。この温度差の変化量は質量流量に比例している。流量表示には体積流量と質量流量がある。体積流量とは、単位時間当たりに、ある断面を流れる流体の体積であり、測定対象となる流体が環境温度や使用圧力等の変化により体積変化を生じ、正確な流量を測定する場合は変化量に合った補正を行う必要があり、正確な測定が困難である。一方、質量流量とは、単位時間当たりに、ある断面を流れる流体の質量であり、使用条件の変化による補正を行う必要がない。従って、熱式流量計によれば、温度や圧力などに影響されない誤差のない測定が可能である。

例えば、流体の全体流量をＱとし、バイパス部１を流れる流体の流量をＱｂとし、毛細管４内を流れる流体の流量をＱｓとすれば、Ｑ＝Ｑｂ＋Ｑｓとなる。Ｑに対するＱｓの比率である分流比ｋ＝Ｑｓ／Ｑが一定になるように制御すれば、Ｑｓを測定すれば全体流量Ｑを推定することができる。そのため、バイパス部１には、金属細管を束ねたものや金属板に細かい孔を多数開けたものや焼結金属などが用いられ、流れに適切な抵抗を与えることによってＱに対するＱｓの比率が一定になるように設計されている。

《本発明の流量測定装置の一実施形態》
図２は本発明の流量測定装置の一実施形態を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）の左側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ矢視断面を含む概略構成図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の右側面図である。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）において、上流の本流側流路１１ａは流体の流路の中心に設けたセンサー側の第一流路１２と第一流路１２の外側に設けた６本のバイパス流からなる第二流路１３に分けられる。複数のバイパス流からなる第二流路１３は円周方向に均等間隔で放射線状に設けられている。第一流路１２から上流側の発熱抵抗体１４ａと下流側の発熱抵抗体１４ｂが巻かれた金属製の毛細管からなる第三流路１５が分岐している。第三流路１５を流通する流体の流量が多くなると乱流が発生し、正確な流量の測定が困難になるため、第三流路１５を流通する流量は一定量以下に制限する必要がある。そのうえで、本流側流路１１ａを流通する流体の流量に対する第三流路１５を流通する流体の流量の比率（分流比）が一定になるように、構成部材の材質・構造と流路断面の設計がされている。第三流路１５を流通する流体の流量が多くなってもこの比率を保つために、第二流路１３の内径に比べて第三流路１５の内径は極めて小さい（限定されるものではないが、本実施形態においては、３０対１）。第一流路１２と第二流路１３は、下流において再び本流側流路１１ｂに合流する。

上流側の発熱抵抗体１４ａと下流側の発熱抵抗体１４ｂはブリッジ回路１６により熱せられて発熱するが、第三流路１５に流体が流れていないときは発熱抵抗体１４ａと１４ｂの発熱量は等しいので、ブリッジ回路１６が示す流量出力信号はゼロである。しかし、第三流路１５内に流体が流れると、上流側の発熱抵抗体１４ａから下流側の発熱抵抗体１４ｂに熱量が移動するので、２つの発熱抵抗体の熱バランスがくずれる。この発熱抵抗体の温度差の変化量をブリッジ回路１６で捉え、増幅回路１７で増幅して、出力部１８において流量信号（電圧）として取り出される。そこで、予め対象となる流体の流量と信号（電圧）との関係を求めておけば、出力部１８において取り出した流量信号電圧に基づいて第三流路１５を流通する流体の流量（Ｑｔ）を得ることができる。そして、段落００１６に記載したように、本流側流路１１ａを流通する流体の流量（総流量、Ｑ）に対する第三流路１５を流通する流体の流量（Ｑｔ）の比率（分流比、ｋ）が一定になるように構成部材の材質・構造と流路断面の設計がされている。すなわち、ｋ＝Ｑｔ／Ｑが一定であるから、Ｑｔをｋで除することにより、総流量Ｑを得ることができる。１９は電源である。

《本発明の流量測定装置の別の実施形態》
図３は本発明の流量測定装置の別の実施形態の縦断面を含む概略構成図である。この実施形態は、流体の質量流量を測定するとともに流量制御を行う形態を示しており、流量制御バルブとバルブ駆動回路と比較制御回路と補正回路とを備えている点が図２に示す実施形態と異なる。すなわち、第三流路１５内に流体が流れると、上流側の発熱抵抗体１４ａから下流側の発熱抵抗体１４ｂに熱量が移動するので、２つの発熱抵抗体の熱バランスがくずれる。この発熱抵抗体の温度差の変化量をブリッジ回路２０で電気信号に変換し、さらに増幅回路２１および補正回路２２を経て、出力部２３において流量信号（電圧）として取り出される。補正回路２２からの電気信号は比較制御回路２５にも送られる。設定器２４で設定された、ある流量に相当する電気信号と補正回路２２からの電気信号が比較制御回路２５で比較される。そして、２つの電気信号の差信号がバルブ駆動回路２６へ送られる。バルブ駆動回路２６は電磁式アクチュエーター２７によって上記差信号がゼロになるように流量制御バルブ２８を作動させることにより、上流の本流側流路１１ａから下流の本流側流路１１ｂに向けて流れる流体の流量を設定された流量に制御することができる。２９は電源である。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において様々な変形や修正が可能である。

本発明の実施例として、図２に示す流量測定装置を使用した。

比較例として、図４に示す流量測定装置を使用した。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）において、上流の本流側流路３１ａはセンサー側の第一流路３２と３本のバイパス流からなる第二流路３３に分けられる。第一流路３２と３本のバイパス流からなる第二流路３３は円周方向に均等間隔で放射線状に設けられている。第一流路３２から上流側の発熱抵抗体３４ａと下流側の発熱抵抗体３４ｂが巻かれた金属製の毛細管からなる第三流路３５が分岐している。本流側流路３１ａを流通する流体の流量に対する第三流路３５を流通する流体の流量の比率(分流比)が一定になるように流路の設計がされている。第一流路３２と第二流路３３は、下流において再び本流側流路３１ｂに合流する。このように、比較例の流量測定装置は、センサー側の第一流路３２が流体の流路の中心に設けられていない。３６はブリッジ回路、３７は増幅回路、３８は出力部、３９は電源であり、これらの部材３６、３７、３８及び３９は段落００１７に記載したように動作する。

そして、上記の実施例の流量測定装置と比較例の流量測定装置に対して、流体として窒素を用いて、５０Ｌ／min〜５００Ｌ／minの流量を流した場合の本流側流路を流通する流体の流量（総流量）に対する第三流路を流通する流体の流量の比率（分流比）がどのように変化するかについて調査した。なお、実施例の流量測定装置と比較例の流量測定装置の本流側流路の内径と、第一流路の内径と、第三流路の内径は等しい。実施例の流量測定装置の第二流路の本数は６本であり、比較例の流量測定装置の第二流路の本数は３本であるから、この本数比に基づいて、実施例の流量測定装置の第二流路と比較例の流量測定装置の第二流路を理論上同一流量が流れるように、それぞれの第二流路の内径を設計した。その結果、図５に示すような結果を得た。

図５において、横軸は本流側流路を流通する窒素流量（Ｌ／min）を示し、縦軸は理想分流比（設計値）に対する実際の分流比の相対比率（％）を示すものである。例えば、理想分流比が０．０１であり、実際の分流比が０．０１であれば、その相対比率は１００％であり、理想分流比が０．０１であり、実際の分流比が０．００５であれば、その相対比率は５０％である。従って、図５の縦軸の相対比率の数値が小さいほど、分流比の制御精度が低いことを示す。図５において、点線は設計値（１００％）であり、実線は実施例の流量測定装置における理想分流比に対する実際の分流比の相対比率を示し、一点鎖線は比較例の流量測定装置における理想分流比に対する実際の分流比の相対比率を示す。図５に示すように、実施例の流量測定装置の分流比の相対比率は低流量域から高流量域までほぼ１００％であり、分流比の制御精度が極めて優れていることが分かる。しかし、比較例の流量測定装置の分流比の相対比率の数値は低く、低流量になるほど極めて低いので、分流比の制御精度が極めて劣ることが分かる。以下の表１は、図１に対応する、本流側流路を流通する窒素流量（Ｌ／min）に対する実施例の流量測定装置の分流比の相対比率（％）と比較例の流量測定装置の分流比の相対比率（％）を示す。

以上のように、本発明の流量測定装置によれば、広い流量範囲にわたって分流比を精度よく制御できることが分かる。

本発明は、半導体、医療、原子力及び航空分野における、気体を含む様々な流体の流量を測定する装置として好適である。

１ バイパス部
２ 上流側
３ 下流側
４ 毛細管
５ａ 上流の発熱抵抗体
５ｂ 下流の発熱抵抗体
６ 電気回路
７ 毛細管４内に流体が流れていないときの毛細管４の温度分布
８ 毛細管４内に流体が流れているときの毛細管４の温度分布
１１ａ、３１ａ 上流の本流側流路
１１ｂ、３１ｂ 下流の本流側流路
１２、３２ センサー側の第一流路
１３、３３ 第二流路
１４ａ、３４ａ 上流側の発熱抵抗体
１４ｂ、３４ｂ 下流側の発熱抵抗体
１５、３５ 第三流路
１６、２０、３６ ブリッジ回路
１７、２１、３７ 増幅回路
１８、２３、３８ 出力部
１９、２９、３９ 電源
２２ 補正回路
２４ 設定器
２５ 比較制御回路
２６ バルブ駆動回路
２７ 電磁式アクチュエーター
２８ 流量制御バルブ

Claims (5)

1. 本流側の流路を、流体の流路の中心に設けたセンサー側の第一流路と当該第一流路の外側に設けた複数のバイパス流からなる第二流路に分け、上記第一流路からセンサーを経て第一流路に至る第三流路を有し、上記第三流路を流通する流体の流量を上記センサーで検知して電気信号に変換し、上記電気信号に基づいて第三流路を流通する流体の流量を求め、当該第三流路を流通する流体の流量に基づいて本流側流路を流通する流体の流量を得ることを特徴とする流量測定装置。
2. 複数のバイパス流からなる第二流路が円周方向に均等間隔で放射線状に設けられている請求項１に記載の流量測定装置。
3. 本流側流路を流通する流体の流量に対する第三流路を流通する流体の流量の比率が一定である請求項１または２に記載の流量測定装置。
4. 質量流量測定用である請求項１ないし３のいずれかに記載の流量測定装置。
5. センサーが、毛細管からなる第三流路に設けた上流側発熱抵抗体及び下流側発熱抵抗体である請求項４に記載の流量測定装置。

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