JP2021092451A - 熱式流量計および流量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極微小流量域での正確な流量計測を実現する。【解決手段】熱式流量計は、測定対象の流体を流通させる配管１と、流体の第１の温度を検出する測温素子２ａと、流体の第２の温度を検出する測温素子２ｂと、発熱と同時にその発熱温度を検出する発熱・測温素子２ｃと、発熱温度が第１の温度または第２の温度よりも一定値だけ高くなるように発熱・測温素子２ｃを発熱させる制御部１０と、発熱・測温素子２ｃの消費電力を測定する電力測定部６と、消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、消費電力が閾値以下の場合に第２の流量計測モードとする切替部７と、第１の流量計測モードの場合に消費電力を流体の流量の値に変換し、第２の流量計測モードの場合に第２の温度と第１の温度との差を流体の流量の値に変換する流量導出部８とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、極めて微小な流体の流量を計測することが可能な熱式流量計および流量計測方法に関するものである。

流体が流れる配管にセンサチップを貼り付ける構造の熱式流量計が従来より知られている（特許文献１、特許文献２参照）。
図６は熱式流量計の原理を説明する図である。図６に示す熱式流量計では、測定対象の流体を流通させる配管１００に温度センサ１０１とヒータ１０２とを配設し、ヒータ１０２の温度ＴＲｈと温度センサ１０１の温度ＴＲｒとの差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定になるようにヒータ１０２を発熱させる。このとき、流体の流量はヒータ１０２の消費電力と再現性のある相関があるため、消費電力から流量を算出することができる。

流体の温度ＴＲｒよりもヒータ１０２の温度ＴＲｈが一定温度高くなるようにヒータ１０２を駆動し、ヒータ１０２の消費電力に基づいて流量を算出する場合、極微小な流量域ではヒータ１０２の消費電力が流量ゼロ時の消費電力よりも減少してしまい、正確な流量計測ができないという問題があった。この問題の原因は、ヒータ１０２の熱が配管１００を介して温度センサ１０１へ伝わることに起因する。ヒータ１０２の消費電力が減少する流量域は、上流側の温度センサ１０１への伝熱量に依存する。よって、例えば石英製の配管１００の場合、図７に示すように０．０１ｍＬ／ｍｉｎ未満の流量域で、ヒータ消費電力が低下するという現象が発生する。

極微小流量域では、ヒータ１０２から温度センサ１０１への伝熱の影響により温度センサ１０１が実際の液温よりも高い温度を示し、その結果ヒータ１０２の温度が本来制御すべき温度よりも高くなって、ヒータ１０２の消費電力が大きくなる。伝熱の影響は流量ゼロの時が最も大きく、流速が大きくなるにつれて伝熱の影響はなくなるが、極微小流量域では、ヒータ１０２の温度上昇の低下に伴う消費電力の減少が流速増加に伴う消費電力の増大を上回る領域ため、結果としてヒータ１０２の消費電力が減少する。一方で、極微小流量域よりも大きい流量域では、流速増加に伴う消費電力の増大が伝熱の影響による消費電力の減少を上回るため、その結果として流速の増加に応じてヒータ１０２の消費電力は増大していく。

このように、極微小流量域で正確な流量計測ができないため、従来の熱式流量計では極微小流量域を不感帯とすることで対応していた。

特開２０１１−２０９０３８号公報 実開平０２−０５７０２７号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、極微小流量域での正確な流量計測を実現することができる熱式流量計および流量計測方法を提供することを目的とする。

本発明の熱式流量計は、測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、前記配管に配設され、前記流体の第１の温度を検出するように構成された第１の測温素子と、前記第１の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出するように構成された第２の測温素子と、前記第２の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、発熱と同時にその発熱温度を検出するように構成された発熱・測温素子と、前記発熱温度が前記第１の温度または前記第２の温度よりも一定値だけ高くなるように電力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させるように構成された制御部と、前記発熱・測温素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、前記消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、前記消費電力が前記閾値以下の場合に第２の流量計測モードとするように構成された切替部と、前記第１の流量計測モードの場合に前記消費電力を前記流体の流量の値に変換し、前記第２の流量計測モードの場合に前記第２の温度と前記第１の温度との差を前記流体の流量の値に変換するように構成された流量導出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の１構成例において、前記閾値は、前記流体の流量がゼロのときの前記消費電力の値である。

また、本発明は、測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記流体の第１の温度を検出する第１の測温素子と、前記第１の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出する第２の測温素子と、前記第２の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、発熱と同時にその発熱温度を検出する発熱・測温素子とを備えた熱式流量計を用いる流量計測方法であって、前記発熱温度が前記第１の温度または前記第２の温度よりも一定値だけ高くなるように電力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させる第１のステップと、前記発熱・測温素子の消費電力を測定する第２のステップと、前記消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、前記消費電力が前記閾値以下の場合に第２の流量計測モードとする第３のステップと、前記第１の流量計測モードの場合に前記消費電力を前記流体の流量の値に変換する第４のステップと、前記第２の流量計測モードの場合に前記第２の温度と前記第１の温度との差を前記流体の流量の値に変換する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、発熱・測温素子よりも上流側に２つの測温素子を設け、発熱・測温素子の発熱温度が流体の第１の温度または第２の温度よりも一定値だけ高くなるように発熱・測温素子を発熱させ、発熱・測温素子の消費電力が所定の閾値より大きい場合に、消費電力を流量の値に変換する第１の流量計測モードとし、消費電力が閾値以下の場合に、流体の第２の温度と第１の温度との差を流量の値に変換する第２の流量計測モードとすることにより、極微小流量域での正確な流量計測を実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る熱式流量計の温度取得部と制御演算部と電力調整器の動作を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の実施例に係る熱式流量計の電力測定部と切替部と流量導出部の動作を説明するフローチャートである。 図４は、極微小流量域における測温素子間の温度差と流体の流量との関係の１例を示す図である。 図５は、本発明の実施例に係る熱式流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図６は、従来の熱式流量計の原理を説明する図である。 図７は、ヒータ消費電力と流体の流量との関係の１例を示す図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。熱式流量計は、測定対象の流体を流通させる例えば石英からなる配管１と、配管１に配設された例えば白金等の測温素子２ａ（温度センサ）と、測温素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設された例えば白金等の測温素子２ｂ（温度センサ）と、測温素子２ｂよりも下流側の配管１の箇所に配設された例えば白金等の発熱・測温素子２ｃ（ヒータ）と、測温素子２ａによって検出される流体の温度ＴＲｒ１（第１の温度）を取得する温度取得部３ａと、測温素子２ｂによって検出される流体の温度ＴＲｒ２（第２の温度）を取得する温度取得部３ｂと、発熱・測温素子２ｃによって検出される温度ＴＲｈ（発熱温度）を取得する温度取得部３ｃと、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ１）が一定値になるように操作量を算出する制御演算部４と、操作量に応じた電力を発熱・測温素子２ｃに供給して発熱させる電力調整器５と、発熱・測温素子２ｃの消費電力を測定する電力測定部６と、消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、消費電力が閾値以下の場合に第２の流量計測モードとする切替部７と、第１の流量計測モードの場合に消費電力を流体の流量の値に変換し、第２の流量計測モードの場合に温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）を流体の流量の値に変換する流量導出部８とを備えている。制御演算部４と電力調整器５とは、制御部１０を構成している。

測温素子２ａ，２ｂおよび発熱・測温素子２ｃは、それぞれシリコンチップ上に形成されている。測温素子２ａ，２ｂが形成されたシリコンチップの面が配管１の外壁と向かい合うように配管１に接着されることにより、測温素子２ａ，２ｂが配管１に固定されるようになっている。発熱・測温素子２ｃの固定方法も測温素子２ａ，２ｂの固定方法と同じである。
発熱・測温素子２ｃは、白金に限定されず、一般的な金属材料であれば代替可能である。また、測温素子２ａ，２ｂも白金抵抗体に限定されず、例えばアルミとポリシリコンからなるサーモパイル等を用いてもよい。

次に、本実施例の熱式流量計の動作について説明する。図２は、温度取得部３ａ，３ｂ，３ｃと制御演算部４と電力調整器５の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部３ａ，３ｂは、それぞれ配管１を流れる流体の温度ＴＲｒ１，ＴＲｒ２を取得する（図２ステップＳ１００）。具体的には、温度取得部３ａ，３ｂは、それぞれ測温素子２ａ，２ｂの抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、流体の温度ＴＲｒ１，ＴＲｒ２を取得する。同様に、温度取得部３ｃは、発熱・測温素子２ｃの温度ＴＲｈを取得する（ステップＳ１００）。

制御演算部４は、発熱・測温素子２ｃの温度ＴＲｈから上流側の流体の温度ＴＲｒ１を減算した温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ１）が一定値（制御の目標値であり、例えば１０℃）になるように操作量を算出する（図２ステップＳ１０１）。操作量を算出する制御演算アルゴリズムとしては、例えばＰＩＤがある。
電力調整器５は、制御演算部４によって算出された操作量に応じた電力を発熱・測温素子２ｃに供給して発熱させる（図２ステップＳ１０２）。

こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図２ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理が制御周期毎に実行され、発熱・測温素子２ｃの温度ＴＲｈが上流側の流体の温度ＴＲｒ１よりも一定の値だけ高くなるように制御される。
なお、本実施例では、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ１）が一定値になるように操作量を算出しているが、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ２）が一定値になるように操作量を算出してもよい。ただし、温度ＴＲｒ２を用いた方が、温度ＴＲｒ１を用いた場合よりも出力反転が起こる流量域が広くなるため、実用化されている熱式流量計では発熱・測温素子と測温素子を一定距離離している。つまり、本来は温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ１）を用いた方が好ましい。

図３は、電力測定部６と切替部７と流量導出部８の動作を説明するフローチャートである。電力測定部６は、発熱・測温素子２ｃの消費電力Ｐを測定する（図３ステップＳ２００）。電力測定部６は、例えば電力調整器５から発熱・測温素子２ｃに印加される電圧Ｖと発熱・測温素子２ｃの抵抗値Ｒｈとに基づいて次式により発熱・測温素子２ｃの消費電力Ｐを算出する。
Ｑ＝Ｖ²／Ｒｈ ・・・（１）

こうして、発熱・測温素子２ｃの温度ＴＲｈを上流側の温度ＴＲｒ１またはＴＲｒ２より一定の値だけ高くするために必要な消費電力Ｐを求めることができる。

次に、切替部７は、電力測定部６によって測定された消費電力Ｐが所定の閾値Ｐ０より大きい場合（図３ステップＳ２０１においてＹＥＳ）、従来と同様に消費電力Ｐに基づいて流量を計測する第１の流量計測モードとする（図３ステップＳ２０２）。また、切替部７は、消費電力Ｐが閾値Ｐ０以下の場合（ステップＳ２０１においてＮＯ）、測温素子２ｂと２ａ間の温度差に基づいて流量を計測する第２の流量計測モードとする（図３ステップＳ２０３）。ここで、閾値Ｐ０は、流体の流量がゼロのときの消費電力Ｐの値である。閾値Ｐ０は、例えば事前の流量試験によって把握することができる。

流量導出部８は、第１の流量計測モードの場合、電力測定部６によって測定された消費電力Ｐを、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量Ｑを導出する（図３ステップＳ２０４）。なお、消費電力Ｐを流量Ｑに変換するための流量変換式の代わりに、消費電力Ｐに対応する流量Ｑの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部８は、消費電力Ｐに対応する流量Ｑの値を流量変換テーブルから取得すればよい。

また、流量導出部８は、第２の流量計測モードの場合、測温素子２ｂと２ａ間の温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）を、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量Ｑを導出する（図３ステップＳ２０５）。
図４に示すように、極微小流量域では、温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）と流量Ｑとの関係のリニアリティが高いので、温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）から流量Ｑを求めることが可能である。

なお、温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）を流量Ｑに変換するための流量変換式の代わりに、温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）に対応する流量Ｑの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部８は、温度差（ＴＲｒ２−ＴＲｒ１）に対応する流量Ｑの値を流量変換テーブルから取得すればよい。

電力測定部６と切替部７と流量導出部８とは、熱式流量計の動作が終了するまで（図３ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０５の処理を一定時間毎に実行する。
こうして、本実施例では、極微小流量域での正確な流量計測を実現することができる。

本実施例の熱式流量計のうち少なくとも制御演算部４と切替部７と流量導出部８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図５に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、温度取得部３ａ，３ｂ，３ｃと電力調整器５とが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量計測方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、熱式流量計に適用することができる。

１…配管、２ａ，２ｂ…測温素子、２ｃ…発熱・測温素子、３ａ，３ｂ，３ｃ…温度取得部、４…制御演算部、５…電力調整器、６…電力測定部、７…切替部、８…流量導出部、１０…制御部。

Claims (4)

1. 測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、
   前記配管に配設され、前記流体の第１の温度を検出するように構成された第１の測温素子と、
   前記第１の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出するように構成された第２の測温素子と、
   前記第２の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、発熱と同時にその発熱温度を検出するように構成された発熱・測温素子と、
   前記発熱温度が前記第１の温度または前記第２の温度よりも一定値だけ高くなるように電力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させるように構成された制御部と、
   前記発熱・測温素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、
   前記消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、前記消費電力が前記閾値以下の場合に第２の流量計測モードとするように構成された切替部と、
   前記第１の流量計測モードの場合に前記消費電力を前記流体の流量の値に変換し、前記第２の流量計測モードの場合に前記第２の温度と前記第１の温度との差を前記流体の流量の値に変換するように構成された流量導出部とを備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１記載の熱式流量計において、
   前記閾値は、前記流体の流量がゼロのときの前記消費電力の値であることを特徴とする熱式流量計。
3. 測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記流体の第１の温度を検出する第１の測温素子と、前記第１の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出する第２の測温素子と、前記第２の測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、発熱と同時にその発熱温度を検出する発熱・測温素子とを備えた熱式流量計を用いる流量計測方法であって、
   前記発熱温度が前記第１の温度または前記第２の温度よりも一定値だけ高くなるように電力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させる第１のステップと、
   前記発熱・測温素子の消費電力を測定する第２のステップと、
   前記消費電力が所定の閾値より大きい場合に第１の流量計測モードとし、前記消費電力が前記閾値以下の場合に第２の流量計測モードとする第３のステップと、
   前記第１の流量計測モードの場合に前記消費電力を前記流体の流量の値に変換する第４のステップと、
   前記第２の流量計測モードの場合に前記第２の温度と前記第１の温度との差を前記流体の流量の値に変換する第５のステップとを含むことを特徴とする流量計測方法。
4. 請求項３記載の流量計測方法において、
   前記閾値は、前記流体の流量がゼロのときの前記消費電力の値であることを特徴とする流量計測方法。

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