JP2021139739A - Thermal flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱式流量計に関し、特に、測定対象の流体が流される配管に接続される測定管とこの測定管に設けられたセンサとを備える熱式流量計に関する。 The present invention relates to a thermal flow meter, and more particularly to a thermal flow meter including a measuring tube connected to a pipe through which a fluid to be measured flows and a sensor provided in the measuring tube.
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、気体も測定対象とすることも可能であり、センサを配管の外周面に設置することで、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある(特許文献1参照)。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。 Technology for measuring the flow rate and flow velocity of fluid flowing through a flow path is widely used in the industrial and medical fields. There are various types of devices for measuring flow rate and flow velocity, such as an electromagnetic flow meter, a vortex flow meter, a Koriori type flow meter, and a thermal flow meter, and they are used properly according to the application. The thermal flow meter can also measure gas, and by installing the sensor on the outer peripheral surface of the pipe, there is basically no pressure loss, and there are advantages such as being able to measure the mass flow rate ( See Patent Document 1). Thermal flow meters include a type that measures the flow rate by the power consumption of the heater and a type that measures the flow rate by the temperature difference between the upstream and downstream of the heater.
ところで、配管の向きが、大地に対して垂直である場合、廃刊で輸送されている流体では、流れによる熱の移動だけでなく対流の影響による熱の移動が起こる。この現象により、熱式流量計では、正確な流量が測定できない場合が発生する。特に、流速が0に近いところでは、上述した対流の影響が占める割合が大きくなり、測定される結果が、実際の流量とは大きく外れてしまう。 By the way, when the direction of the pipe is perpendicular to the ground, not only the heat transfer due to the flow but also the heat transfer due to the influence of convection occurs in the fluid transported in the discontinued publication. Due to this phenomenon, the thermal flow meter may not be able to measure an accurate flow rate. In particular, when the flow velocity is close to 0, the proportion of the influence of the above-mentioned convection becomes large, and the measured result greatly deviates from the actual flow velocity.
このような影響を予め考慮して、熱式流量計の測定結果を補正する技術が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、一次圧や流体特性によって対流の影響は異なるため、上述した技術による補正を実施するためには、大量のデータや複雑な計算が必要となる。また、一次圧は必ずしも一定ではないため、圧力センサで一次圧を動的に取得することなども必要になる。 A technique for correcting the measurement result of the thermal flowmeter has been proposed in consideration of such an influence in advance (see Patent Document 1). However, since the influence of convection differs depending on the primary pressure and fluid characteristics, a large amount of data and complicated calculations are required to carry out the correction by the above-mentioned technique. Further, since the primary pressure is not always constant, it is necessary to dynamically acquire the primary pressure with a pressure sensor.
このように、従来、対流の影響などを考慮した熱式流量計による測定が、容易に実施することができないという問題があった。 As described above, conventionally, there has been a problem that measurement by a thermal flow meter in consideration of the influence of convection cannot be easily performed.
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、対流の影響などを考慮した熱式流量計による測定が、より容易に実施できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it easier to perform measurement with a thermal flowmeter in consideration of the influence of convection.
本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体が輸送される配管に対して、各々の管軸のなす角度が45°とされる測定管と、測定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測定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を備える。 The thermal flow meter according to the present invention is provided in contact with a measuring tube in which the angle formed by each tube axis is 45 ° and an outer wall of the measuring tube with respect to the pipe through which the fluid to be measured is transported. It is equipped with a heater that heats the fluid and a temperature measuring unit that is provided in contact with the outer wall of the measuring tube to measure the temperature of the fluid, and the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid at a position that is not affected by the heat of the heater is set. It is provided with a sensor unit configured to output a sensor value corresponding to a state of heat diffusion in the fluid heated by the heater when the heater is driven so as to have a set temperature difference.
上記熱式流量計の一構成例において、測定管は、センサ部が設けられる第1管と、第1管に各々の管軸のなす角度が90°とされて接続された第2管とから構成されている。 In one configuration example of the thermal flowmeter, the measuring tube is composed of a first tube provided with a sensor unit and a second tube connected to the first tube with an angle formed by each tube axis at 90 °. It is configured.
上記熱式流量計の一構成例において、測定管は、センサ部が設けられる第1管と、第1管に、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第2管と、第2管に、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第3管とから構成され、第1管と第3管とは、各々の管軸のなす角度が90°とされている。 In one configuration example of the thermal flow meter, the measuring pipes are a first pipe provided with a sensor unit and a second pipe connected to the first pipe at an angle formed by each pipe shaft at 45 °. , The second pipe is composed of a third pipe connected to the second pipe with an angle formed by each pipe shaft at 45 °, and the first pipe and the third pipe have an angle formed by each pipe shaft of 90 °. It is said that.
上記熱式流量計の一構成例において、測定管は、配管の途中に接続される。 In one configuration example of the thermal flow meter, the measuring pipe is connected in the middle of the pipe.
上記熱式流量計の一構成例において、測定管の一端側に接続される配管の管軸と、測定管の他端側に接続される配管の管軸とは、互いに平行とされている。 In one configuration example of the thermal flow meter, the pipe shaft of the pipe connected to one end side of the measuring pipe and the pipe shaft of the pipe connected to the other end side of the measuring pipe are parallel to each other.
上記熱式流量計の一構成例において、測定管のセンサ部が設けられる箇所は、重力の作用する方向と管軸とのなす角度が45°とされている。 In one configuration example of the thermal flowmeter, the angle between the direction in which gravity acts and the tube axis is 45 ° at the location where the sensor unit of the measuring tube is provided.
上記熱式流量計の一構成例において、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。 In one configuration example of the thermal flow meter, the temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and is not affected by the heat of the heater, and the sensor unit measures the temperature of the heater and the temperature measuring unit. The power of the heater when the heater is driven so that the difference from the temperature of the fluid is the set temperature difference is output as a sensor value.
上記熱式流量計の一構成例において、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、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。 In one configuration example of the thermal flow meter, the temperature measuring unit is composed of a first temperature measuring unit, a second temperature measuring unit, and a third temperature measuring unit, and the first temperature measuring unit is a heater on the upstream side of the heater. The temperature of the fluid at the position not affected by the heat of the heater is measured, the second temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at the position upstream from the heater, and the third temperature measuring unit is the heater. The temperature of the fluid at the position affected by the heat of the heater is measured on the downstream side, and the sensor unit makes the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the first temperature measurement unit the set temperature difference. The temperature difference between the temperature of the fluid measured by the second temperature measuring unit and the temperature of the fluid measured by the third temperature measuring unit when the heater is being driven is output as a sensor value.
以上説明したように、本発明によれば、センサ部が設けられる測定管を、測定対象の流体が輸送される配管に対して、各々の管軸のなす角度が45°となる状態とするので、対流の影響などを考慮した熱式流量計による測定が、より容易に実施できる。 As described above, according to the present invention, the measuring tube provided with the sensor unit is in a state where the angle formed by each tube axis is 45 ° with respect to the piping through which the fluid to be measured is transported. , Measurement by a thermal flow meter considering the influence of convection can be carried out more easily.
以下、本発明の実施の形態に係る熱式流量計について図1A、図1Bを参照して説明する。この熱式流量計は、測定管101と、センサ部102とを備える。図1A、図1Bは、測定管101の側面を示している。
Hereinafter, the thermal flowmeter according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. This thermal flowmeter includes a
測定管101は、測定対象の流体が輸送される配管103a,103bに、接続されて用いられる。測定管101は、例えば、プラスチック、ガラス、サファイア、金属などから構成することができる。この例では、測定管101の一端に配管103aが接続し、測定管101の他端に配管103bが接続しており、測定管101は、配管の途中に接続されている。また、測定管101の管軸は、配管103a,103bの管軸に対して45°とされている。なお、配管103aの管軸と、配管103bの管軸とは、互いに平行とされている。また、配管103a,103bは、管軸が大地に対して水平または垂直に配置される。
The
測定管101のセンサ部102が設けられる箇所は、管軸が大地に対して45°となり、測定管101のセンサ部102が設けられる箇所は、大地に対して垂直な方向である重力の作用する方向(y軸方向)と、測定管101の管軸とのなす角度が45°となる。なお、図1Aでは、配管103aの管軸および配管103bの管軸は、重力の作用する方向(y軸方向)に垂直な方向(X軸方向)とされている。一方、図1Bでは、配管103aの管軸および配管103bの管軸は、重力の作用する方向(y軸方向)とされている。実施の形態によれば、図1Aおよび図1Bに示すように、配管103aの管軸および配管103bの管軸が、90°異なる状態となっても、測定管101のセンサ部102が設けられる箇所は、y軸方向と測定管101の管軸とのなす角度が45°となる。
At the location where the
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の下流側の測定管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、例えば、熱伝導性接着剤により測定管101の外壁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。
The
ここで、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。
Here, the
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102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115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。
Further, the electric
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115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。
As is well known, when the
なお、図3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’を構成することもできる。各温度測定部は、測定管101の外壁に接して設けられている。
As shown in FIG. 3, the temperature measuring unit (first temperature measuring unit) 111, the
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。
The control unit 113 sets a preset temperature at which the difference between the temperature of the
温度測定部116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、測定管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、測定管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。
The
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。
The flow rate of the fluid can be calculated from the temperature difference between the temperature of the fluid measured by the
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。
As is well known, the
以上に示したように、実施の形態によれば、される。管軸が大地に対して水平または垂直に配置される配管の管軸が、90°異なる状態となっても、測定管のセンサ部が設けられる箇所は、管軸が大地に対して45°となり、対流の影響などの特性が同じとなる。このように、測定環境の特性が同一であれば、使用形態に関わらず、共通の調整・校正により用いることができる。このように、実施の形態によれば、対流の影響などを考慮した熱式流量計による測定が、より容易に実施できるようになる。 As shown above, according to the embodiment. Even if the pipe axis of the pipe in which the pipe axis is arranged horizontally or perpendicularly to the ground is different by 90 °, the pipe axis is 45 ° with respect to the ground at the place where the sensor part of the measuring pipe is provided. , The characteristics such as the influence of convection are the same. In this way, if the characteristics of the measurement environment are the same, it can be used by common adjustment and calibration regardless of the usage pattern. As described above, according to the embodiment, the measurement by the thermal flowmeter in consideration of the influence of convection and the like can be carried out more easily.
ところで、図4に示すように、センサ部102が設けられる第1管104と、第1管104に各々の管軸のなす角度が90°とされて接続された第2管105とから測定管101aを構成することもできる。
By the way, as shown in FIG. 4, a measuring tube is formed from a
また、図5に示すように、センサ部102が設けられる第1管104と、第1管104に、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第2管105aと、第2管105aに、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第3管106とから測定管101bを構成することもできる。なお、第1管104と第3管106とは、各々の管軸のなす角度が90°とされている。
Further, as shown in FIG. 5, the
また、図6に示すように、配管103aに、導入管107を介して測定管101が接続される構成とすることもできる。導入管107は、測定管101および103aとは、各々の管軸のなす角度が、例えば22.5°とされており、両者の和、即ち測定管101と測定管103aとの各々の管軸のなす角度が45°となるよう構成されている。このように導入管107を設け、流入側の配管103aから、段階的に角度を付けて測定管101につなげることで、流路の曲がりがなだらかになり、流れが乱れにくくなり、測定の精度を向上させることができるようになる。
Further, as shown in FIG. 6, the measuring
なお、各図面においては説明を容易にするため、各配管の接続箇所を直線で表しているが、本発明の実施にあたっては流体の流れを乱す悪影響を避けるべく、各接続箇所に丸みをつけて構成することが望ましい。 In each drawing, the connection points of each pipe are represented by straight lines for ease of explanation. However, in carrying out the present invention, each connection point is rounded in order to avoid an adverse effect of disturbing the fluid flow. It is desirable to configure.
以上に説明したように、本発明によれば、センサ部が設けられる測定管を、測定対象の流体が輸送される配管に対して、各々の管軸のなす角度が45°となる状態にするので、対流の影響などを考慮した熱式流量計による測定が、より容易に実施できるようになる。 As described above, according to the present invention, the measuring tube provided with the sensor unit is set so that the angle formed by each tube axis is 45 ° with respect to the piping through which the fluid to be measured is transported. Therefore, the measurement by the thermal flow meter considering the influence of convection can be carried out more easily.
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。一例として、本発明ではヒータ112により測定管101内を通流する流体を加熱する熱式流量計について言及したが、ヒータに代えて電子冷却素子(ペルチェ素子など)を用いて測定管内の流体を冷却するとともに、流量に応じた温度上昇を検出し、流量を算出する、冷却式の熱式流量計であっても本発明の技術的思想は同様に適用可能である。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear. As an example, in the present invention, the thermal flow meter that heats the fluid flowing through the measuring
101…測定管、102…センサ部、103a,103b…配管。 101 ... Measuring tube, 102 ... Sensor unit, 103a, 103b ... Piping.
Claims (8)
前記測定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測定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
を備える熱式流量計。 A measuring pipe in which the angle formed by each pipe axis is 45 ° with respect to the pipe in which the fluid to be measured is transported.
A heater provided in contact with the outer wall of the measuring tube to heat the fluid and a temperature measuring unit provided in contact with the outer wall of the measuring tube to measure the temperature of the fluid are provided, and the temperature of the heater and the heater of the heater are provided. The state of heat diffusion in the fluid heated by the heater when the heater is driven so that the difference from the temperature of the fluid at a position not affected by heat becomes a set temperature difference. A thermal fluid meter with a sensor unit configured to output the corresponding sensor value.
前記測定管は、前記センサ部が設けられる第1管と、前記第1管に各々の管軸のなす角度が90°とされて接続された第2管とから構成されている
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal flow meter according to claim 1,
The measuring tube is characterized in that it is composed of a first tube provided with the sensor unit and a second tube connected to the first tube with an angle formed by each tube axis at 90 °. Thermal flow meter.
前記測定管は、
前記センサ部が設けられる第1管と、
前記第1管に、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第2管と、
前記第2管に、各々の管軸のなす角度が45°とされて接続された第3管と
から構成され、
前記第1管と前記第3管とは、各々の管軸のなす角度が90°とされている
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal flow meter according to claim 1,
The measuring tube is
The first tube provided with the sensor unit and
A second pipe connected to the first pipe with an angle formed by each pipe shaft at 45 °.
It is composed of a third pipe connected to the second pipe with an angle formed by each pipe shaft at 45 °.
A thermal flowmeter characterized in that the angle formed by the first pipe and the third pipe is 90 °.
前記測定管は、前記配管の途中に接続されることを特徴とする熱式流量計。 In the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 3,
The measuring pipe is a thermal flow meter characterized in that it is connected in the middle of the pipe.
前記測定管の一端側に接続される前記配管の管軸と、前記測定管の他端側に接続される前記配管の管軸とは、互いに平行とされていることを特徴とする熱式流量計。 In the thermal flow meter according to claim 4,
A thermal flow rate characterized in that the pipe shaft of the pipe connected to one end side of the measuring pipe and the pipe shaft of the pipe connected to the other end side of the measuring pipe are parallel to each other. Total.
前記測定管の前記センサ部が設けられる箇所は、重力の作用する方向と管軸とのなす角度が45°とされている
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 5,
The location where the sensor portion of the measuring tube is provided is a thermal flow meter characterized in that the angle formed by the direction in which gravity acts and the tube axis is 45 °.
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。 In the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 5,
The temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and not affected by the heat of the heater.
The sensor unit uses the power of the heater when the heater is driven so that the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the temperature measuring unit becomes the set temperature difference. A thermal flowmeter characterized by outputting as a value.
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。 In the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 6,
The temperature measuring unit is composed of a first temperature measuring unit, a second temperature measuring unit, and a third temperature measuring unit.
The first temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and not affected by the heat of the heater.
The second temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and affected by the heat of the heater.
The third temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position downstream of the heater and affected by the heat of the heater.
The sensor unit drives the heater so that the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the first temperature measuring unit becomes the set temperature difference, the second temperature. A thermal flow meter characterized in that the temperature difference between the temperature of the fluid measured by the measuring unit and the temperature of the fluid measured by the third temperature measuring unit is output as the sensor value.
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