JP2022501570A - 感圧熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱式流量計に関する。【解決手段】熱式流量計は、その流量が決定される媒体用の流管と、流管に接続された入口及び出口を有するセンサ管であって、流れを決定するための温度差を測定する熱流センサを含むセンサ管と、流管に設けられ、流れの圧力を測定する圧力センサと、流管に設けられ、流れの温度を測定する温度センサと、を備え、圧力センサによって測定された圧力、温度センサによって測定された温度および固有媒体データに基づいて実際の媒体特性を決定するための処理部と、実際の媒体特性および校正データを用いて熱流センサの測定値を補償することによって流れを決定するための処理部と、によって特徴付けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、流れが決定される媒体用の流管と、第１の位置で流管に流体的に接続された入口および第２の下流位置で流管に流体的に接続された出口を有するセンサ管と、を含む熱式流量計に関する。センサ管は、流れを決定するためにセンサ管内の温度差を測定するための熱流センサを含む。

このような熱式流量計は、例えばEP1.867.962から知られている。一般に、熱流センサは、JP-S56 73317AおよびWO2012/057886からさらに知られている。キャピラリ管を有するセンサ管を用いたフローセンサを備える熱流量計は、管壁から管内を流れる流体（気体または液体）への熱伝達が質量流量、流体温度と壁温度との間の差、流体の比熱容量の関数であるという事実を利用する。質量流コントローラでは、様々なフローセンサ構成が使用されることができる。

本発明は、特に、
− 流管にまたはその近くに設けられた圧力センサであって、上記圧力センサは、例えば、上記流管の入口に、または概してセンサ管入口の上流の位置に流体的に接続され、上記流管を通る媒体の流れの圧力を測定する、圧力センサと、
− 上記流管を通る上記媒体の流れの温度を測定するために上記流管に設けられた温度センサと、
をさらに含む熱式流量計に関する。

標準的な熱式質量流量計（MFM）または質量流コントローラ（MFC）は、圧力及び／又は温度の変化或いは変動に敏感であることが一般的に知られている。これらの機器は、指定された動作条件（圧力および温度）に合わせて校正される。動作条件が変化した場合、変換係数は変更される必要がある。これらの新しい変換係数は通常、オフラインで計算され、MFMまたはMFCにロードされる。

現在利用可能な、圧力に影響されないMFM/MFCは、圧力及び温度を測定し、ルックアップテーブルまたは媒体特性の多項式近似を使用することにより補正係数を決定する。

米国特許出願公開第2017/0115150 A1号は、例えば、流体の温度および圧力を検出するように構成されたセンサと、温度、圧力、及び以前に取得された温度および圧力に対する流体の質量流量の変化率に基づいて質量流量を補正するように構成された補正手段と、を含むキャピラリ加熱型熱式質量流量計を開示する。質量流量は、これらの変化率と同様に、温度および圧力に基づいて補正される。

上記の測定方法およびシステムで発生する問題は、測定信号の不正確さが依然として比較的一般的であり、熱流センサから得られる信号を補正するための上記の方法が比較的扱いにくいということである。上述したように、米国特許出願公開第2017/0115150 A1号は、以前に取得した変化率データを利用して、質量流量を補正する。より具体的には、米国特許出願公開第2017/0115150 A1号の段落［0068］に開示されているように、参照流体とは異なる種類の流体の質量流量が測定される。熱質量流量計を使用して、参照流体とは異なる熱特性（熱容量など）を持つ流体の質量流量を計算するために、実際に測定された質量流量は流体の熱特性にしたがって補正される。その中で、質量流量は、異なる種類の流体に対して以前に取得された固有の補正係数である変換係数（CF）を用いて補正される。

したがって、本発明の目的は、上記のような熱式流量計と、測定信号の不正確さをさらに最小限に抑え、熱流センサから得られた信号を補正する手間を軽減する測定／補正方法を提供することである。

本発明に係る流量計は、
− 圧力センサによって測定された圧力、温度センサによって測定された温度、および固有媒体データに基づいて実際の媒体特性を決定するための処理部であって、上記固有媒体データは、媒体または媒体混合物（medium mix）のタイプ及び機器の設定から決定される、処理部と、
− 熱流センサ（thermal flow sensor）を通る実際の流れを実際の媒体特性及び校正データを使用して連続的に計算することにより、流れを決定するための処理部と、
によって特徴付けられる。好ましい実施形態では、圧力は圧力センサによって連続的に測定され、温度は温度センサによって連続的に測定される。

したがって、圧力、温度、および流量信号は、リアルタイムおよび／または連続的に測定されることができ、次に処理部に転送される。処理部は、既知のアルゴリズムを利用して、例えば、実際の（つまり、補正／補償された）ガス流量から、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率を計算する。

熱流センサによって測定された温度差（ΔＴ）及び実際の媒体特性を使用して、圧力及び温度からの独立性が向上したリアルな質量流量が（リアルタイムおよび／または連続的に）計算される。

上記の流量計は、ルックアップテーブルに含まれる補正係数又は多項式近似を使用して計算される補正係数に依存する必要がなくなったため、はるかに正確な流量決定結果を提供する。さらに、流量計のユーザは変換係数を流量計にリロードする必要がなくなり、流量計をはるかに使いやすくする。上記の流量計は、（機械式時計又はガスボンベなどの既知のシステムで発生するような）圧力変動の発生とその結果としての測定誤差を効果的に抑制し、上記の熱式流量計が効果的に圧力に影響されなくなる。さらに、上記の熱式流量計は、ガスまたは流体が蒸気圧ラインに向かって移動するときにシステムを制限することを可能にする。さらに、上記の熱式流量計は、実際の圧力を使用してバルブ容量を計算することを可能にする。

したがって、本発明に係る流量計は、米国特許出願公開第2017/0115150 A1号に開示されている流量計とは対照的に、質量流量を計算するために以前に決定された補正係数を使用する必要はない。本発明に係る流量計は、固有媒体データを連続的に測定するため、以前に保存されたデータを使用する必要はない。さらに、本発明に係る流量計は、好ましくは、固有媒体データをリアルタイムで測定する。

有利な実施形態は、従属請求項の主題を形成する。これらの実施形態のいくつかは、以下でより詳細に説明される。

流量計の一実施形態では、実際の媒体特性は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含み、そこから実際の媒体特性が計算される。もちろん、媒体は、流体、気体、または液体を含み得る。

流量計の一実施形態では、圧力センサおよび温度センサは、第１の位置の下流および第２の位置の上流の流管に設けられている。

固有媒体データは、分子量、臨界特性、双極子モーメント、および／または沸点を含み得る。

本発明の別の態様は、熱式流量計を使用することによって媒体の流れを決定するための方法に関し、本方法は、
− 熱式流量計の流管に媒体を流すステップと、
− 媒体をセンサ管に流し、入口を第１の位置で上記流管に流体的に接続し、出口を第２の下流位置で上記流管に流体的に接続するステップと、
− 流れを決定するために、好ましくは連続的に、上記センサ管に含まれる熱流センサを使用して上記センサ管内の温度差を測定するステップと、
− 上記流管にまたはその近くに設けられた圧力センサを使用して、上記流管を通る上記媒体の流れの圧力を、好ましくは連続的に測定するステップと、
− 上記流管に設けられた温度センサを使用して、上記流管を通る上記媒体の流れの温度を測定するステップと、
− 上記圧力センサによって測定された圧力、上記温度センサによって測定された温度、および固有媒体データに基づいて実際の媒体特性を決定するステップであって、上記固有媒体データは、上記媒体のタイプ、機器の設定、および／または媒体混合物から決定される、ステップと、
− 上記実際の媒体特性及び校正データを使用して、上記熱流センサを通過する実際の流量を連続的に計算することにより、上記流量を決定するステップと、
を含む。

前述のように、本発明に係る流量計は、固有媒体データを連続的および／またはリアルタイムで測定するため、以前に保存されたデータを使用する必要はない。

この方法の一実施形態では、実際の媒体特性は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含む。

好ましくは、前述のように、固有媒体データは、分子量、臨界特性、双極子モーメント、および／または沸点を含む。

次に、本発明は、添付の図に示されるいくつかの好ましい実施形態を参照してより詳細に説明される。

本発明に係る熱式流量計の例示的な実施形態を概略的に示す図である。 本発明に係る方法の例示的な実施形態を示す図である。

図１は、流量４が決定される媒体３用の流管２を含む熱式流量計１を示す。第１の位置７で流管２に流体的に接続された入口６と、第２の下流位置９で流管２に流体的に接続された出口８とを有するセンサ管５が示される。センサ管５は、流れ４を決定するためにセンサ管５内の温度差を測定するための熱流センサ１０を備える。圧力センサ１１は、流管２にまたはその近くに設けられ、流管２を通る媒体３の流れ４の圧力を測定する。圧力センサ１１は、流管２の近くに設けられることができ、圧力センサ１１は、圧力感知チャネル（図示せず）を介して流管２に流体的に接続される。好ましくは、圧力センサ１１は、流管２の入口など、センサ管入口６の上流の位置で圧力を測定するように配置される。さらに、温度センサ１２が流管２に設けられて、流管２を通る媒体３のフロー４の温度を測定する。もちろん、圧力センサ１１は、センサ管出口８の下流の位置など、他の流管２の位置で圧力を測定するように構成することもできる。１つ、２つ、３つ、またはそれ以上など、複数の圧力センサ１１が圧力測定に使用されることも考えられる。処理部１３は、圧力センサ１１によって測定された圧力、温度センサ１２によって測定された温度、および固有媒体データ１５（図２に示される）に基づいて実際の媒体３の特性１４を決定するために示される。（図２に示されるように）実際の媒体３の特性および校正データ１７を用いて熱流センサ１０の実際の流れを連続的に計算する流れ４を決定するための処理部１６も示されている。もちろん、処理部１３、１６は、単一の処理部またはＣＰＵによって具現化され得る。好ましくは、センサ管５および／または処理部１３、１６は、熱式流量計１によって構成される（好ましくは単一の）プリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置される。圧力センサ１１および温度センサ１２は、好ましくは、流管２上に配置されるか、またはそれに取り付けられる（好ましくは、ＰＣＢ上ではない）。

固有媒体データ１５は、出願人のＦＬＵＩＤＡＴ（登録商標）のソフトウェアパッケージの一部として利用可能な正規化された流体データベースなどのデータベースから検索され得る。このデータベースは、主に炭化水素を含む800の流体で構成され、空気、アルゴン、ヘリウムなどの最もよく知られている無機流体で補完される。本質的に、３ステップのプロセスがそこで使用される：流体の識別またはタイプ（すなわち、ガス、液体、またはプラズマ）は、入力として提供され、圧力（圧力センサ１１によって取得される）および温度（温度センサ１２によって取得される）に関するセンサデータと組み合わされる。次に、この情報は、出願人のＦＬＵＩＤＡＴ（登録商標）のデータベースなどの正規化されたデータベースへの入力として提供され、熱伝導率、熱容量、密度、粘度などについて、より正確な数値が計算される。次に、熱伝導率、熱容量、密度および粘度について以前に計算された数値、および熱流センサ１０のフィルタリングされていない信号が、質量流量に変換される。

流量計１の特定のタイプの構造は、例えば、センサ管５と熱伝導的に接触している２つ以上の抵抗要素（図示せず）を備えたステンレス鋼センサ管５の使用を含む。抵抗素子は、典型的に、抵抗温度係数の高い材料でできている。各要素は、ヒータ、温度検出器、またはその両方として機能することができる。少なくとも１つの抵抗要素（ヒータ）は、センサ管５に熱を供給するために電流で励起される。一定の電力を用いる２つのヒータが通電されると、センサ管５を通る流体の質量流量は、抵抗要素間の温度差から導き出されることができる。次に、この温度差は、流れを決定するために熱流センサ１０によって感知される。

別の方法では、第１の位置の第１の抵抗要素は、ヒータおよび温度検出器として機能し、第１の位置の上流の第２の位置に配置された第２の抵抗要素は、温度検出器として機能する。

実際の媒体３の特性は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含み得る。固有媒体データ１５は、媒体／流体のタイプ、機器の設定、および／または媒体／流体混合物１８から決定される。

有利な構成では、圧力センサ１１および温度センサ１２は、第１の位置７の下流および第２の位置９の上流の流管２に設けられる。

示されている固有媒体データ１５は、分子量、臨界特性、双極子モーメント、沸点などを含む。

図２は、上記のような熱式流量計１を用いて媒体３の流量４を決定する方法２０を概略的に示す。媒体３は、熱式流量計１の流管２を通って流れる。媒体３はまた、第１の位置７で流管２に流体的に接続された入口６と、第２の下流位置９で流管２に流体的に接続された出口８とを有するセンサ管５を通って流れる。温度差は、流れ４を決定するために、センサ管５によって構成される熱流センサ１０を使用して、センサ管５内で測定される。流管２を通る媒体３の流れ４の圧力は、流管２にまたはその近くに設けられた圧力センサ１１を使用することによって測定される。加えて、流管２を通る媒体３の流れ４の温度が流管２に設けられた温度センサ１２を用いて測定される。実際の媒体特性１４は、圧力センサ１１によって測定された圧力、温度センサ１２によって測定された温度、および固有媒体データ１５に基づいて決定される。流れ４は、実際の媒体３の特性１４および校正データ１７を用いて、熱流センサ１０を通る実際の流れを連続的に計算することによって決定される。

前述したように、実際の媒体３の特性１４は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含み得る。固有媒体データ１５は、媒体／流体のタイプ、機器の設定、および／または媒体／流体混合物１８から決定される。固有媒体データ１５は、分子量、臨界特性、双極子モーメント、および／または沸点を含み得る。

実際には、出願人は、ＦＬＵＩＤＡＴ（登録商標）のソフトウェアを使用して、上記の熱式流量計およびそれに関連する方法を使用して、測定精度の向上を認識している。しかし、精度は、実際の温度と圧力と組み合わせて使用される方法、および計算される流体のタイプに関係する。ＦＬＵＩＤＡＴ（登録商標）のほとんどの方法は、特定のクラスの流体および特定の範囲の圧力及び／又は温度に最適化されている。したがって、ＦＬＵＩＤＡＴ（登録商標）の計算結果の精度について１つの一般的な値を与えることは困難である。

いくつかの物理的特性の精度の分類：
・典型的な熱容量＜２％、多くの場合０．５％より良い、
・典型的な密度＜１％、多くの場合０．１％より良い、
・典型的な熱伝導率＜５％、多くの場合２％より良い、
・典型的な粘度＜５％、多くの場合２％より良い、
・典型的な蒸気圧＜２％、一部の領域では誤差が大きくなる。

当業者は、前述において、本発明がいくつかの好ましい実施形態を参照して説明されたことを理解するであろう。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明の範囲内で多くの修正が考えられる。保護の範囲は、添付のクレームによって決定される。

１ 熱式流量計
２ 流管
３ 媒体
４ フロー
５ センサ管
６ センサ管入口
７ 第１の位置
８ センサ管出口
９ 第２の位置
１０ 熱流センサ
１１ 流管に設けられた圧力センサ
１２ 流管に設けられた温度センサ
１３ 実際の媒体特性を決定するための処理部
１４ 実際の媒体特性
１５ 固有媒体データ
１６ 流れを決定するための処理部
１７ 校正データ
１８ 液体の種類、機器の設定、および／または液体混合物に関するデータ
１９ 決定された流れ
２０ 流れを決定する方法

Claims (8)

1. 熱式流量計（１）であって：
   − 流れ（４）を決定するための媒体（３）用の流管（２）と、
   − 第１の位置（７）で前記流管に流体的に接続された入口（６）と、第２の下流位置（９）で前記流管に流体的に接続された出口（８）とを有するセンサ管（５）であって、前記センサ管は、前記流れを決定するために前記センサ管内の温度差を測定するための熱流センサ（１０）を備える、センサ管と、
   − 前記流管にまたはその近くに設けられ、前記流管を通る前記媒体の流れの圧力を測定する圧力センサ（１１）と、
   − 前記流管に設けられ、前記流管を通る前記媒体の流れの温度を測定する温度センサ（１２）と、
   を含み、
   − 前記圧力センサによって測定された圧力、前記温度センサによって測定された温度、および固有媒体データ（１５）に基づいて実際の媒体特性（１４）を決定するための処理部（１３）であって、前記固有媒体データは、前記媒体の種類、機器の設定、および／または媒体混合物（１８）から決定される、処理部と、
   − 前記実際の媒体特性及び校正データ（１７）を使用して前記熱流センサを通る実際の流量を連続的に計算することにより、前記流量を決定するための処理部（１６）と、
   によって特徴付けられる、熱式流量計。
2. 前記実際の媒体特性は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含む、請求項１に記載の流量計。
3. 前記圧力センサおよび前記温度センサは、前記第１の位置の下流および前記第２の位置の上流の前記流管に設けられている、請求項１又は２に記載の流量計。
4. 前記固有媒体データは、分子量、臨界特性、双極子モーメント、および／または沸点を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の流量計。
5. 前記圧力センサおよび前記温度センサが連続的に測定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の流量計。
6. 熱式流量計（１）を使用して媒体（３）の流量（４）を決定するための方法（２０）であって：
   − 前記熱式流量計の流管（２）に前記媒体を流すステップと、
   − 前記媒体をセンサ管（５）に流し、入口（６）を第１の位置（７）で前記流管に流体的に接続し、出口（８）を第２の下流位置（９）で前記流管に流体的に接続するステップと、
   − 前記流量を決定するために、前記センサ管に含まれる熱流センサ（１０）を使用して、前記センサ管内の温度差を測定するステップと、
   − 前記流管にまたはその近くに設けられた圧力センサ（１１）を使用して、前記流管を通る前記媒体の流れの圧力を測定するステップと、
   − 前記流管に設けられた温度センサ（１２）を使用して、前記流管を通る前記媒体の流れの温度を測定するステップと、
   を含み、
   − 前記圧力センサによって測定された圧力、前記温度センサによって測定された温度、および固有媒体データ（１５）に基づいて、実際の媒体特性（１４）を決定するステップであって、前記固有媒体データは、前記媒体のタイプ、機器の設定、および／または媒体混合物（１８）から決定される、ステップと、
   − 前記実際の媒体特性及び校正データ（１７）を使用して、前記熱流センサを通過する実際の流量を連続的に計算することにより、前記流量を決定するステップと、
   によって特徴付けられる、方法。
7. 前記実際の媒体特性は、実際の密度、粘度、熱容量、熱伝導率、および／または蒸気圧を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記固有媒体データは、分子量、臨界特性、双極子モーメント、および／または沸点を含む、請求項６または７に記載の方法。

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