JP3170362B2 - 流体の流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の流量測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、流体の流速を計測するために、広
く一般的に熱線式流速計が用いられている。この熱線流
速計は、基本的には加熱された発熱体が流体中に置かれ
ることにより、流体により発熱体の熱が奪われ、発熱体
の抵抗値の変化を検出することによって流体の流速が計
測される。なお、発熱体は一般に白金のワイヤが用いら
れているが、白金の薄膜を用いる発熱体も開発されてい
る。

【０００３】また、熱パルス移動時間測定型流速計は、
流体の流路中に発熱体とその下流側に位置する測温体と
を一定の距離を隔てて配設し、流体を発熱体により加熱
し、測温体の温度上昇により流体の加熱部が測温体に達
した時点を知り、その間の経過時間によって流体の流量
を測定する方法もある。その幾つかの例は次の公報によ
って知られている。

【０００４】特公昭６２−３６５２３号公報に記載され
た発明は、流体の流量が所定以下になった場合、発熱体
に一定の周期でパルスを印加することにより、流体の供
給が急に再開されたときにも直ちに測定を可能にするべ
くタイマ回路と一定周期発生パルス回路とを具備する。

【０００５】特公昭６３−３６４４３号公報に記載され
た発明は、発熱体の下流側に低流量用の測温体と、高流
量用の測温体と、これらの測温体のそれぞれ温度を検知
する複数の温度検知素子とを具備することにより、流体
の流量の測定範囲を拡大させるものである。

【０００６】特公昭６４−４６０７号公報に記載された
発明は、流量計の中心軸の周囲に渦流を発生させ、渦流
の周速度が流体の流量に比例する領域で、軸の周囲に配
置された放熱素子及び受熱素子と、放熱素子に短い加熱
電気パルスを供給する手段と、加熱された流体と受熱素
子との接触を検知する手段とを具備する。

【０００７】さらに、工学博士及びＯＨＴ技術士事務所
所長である大森豊明監修の「センサ実用事典」には、流
路にヒートワイヤとセンサワイヤとを張り、ヒートワイ
ヤで加熱された流体がセンサに到達する時間を測定して
呼吸流量を求めることが記載されている。

【０００８】一方、フルイディック振動を利用して流体
の流量を測定するフルイディック型流量計の開発も進め
られている。その一例に、特開平２−２６８２３０号公
報に記載された発明がある。この発明の構造は、図８に
示すように、ノズル５０に接続された流路拡大部５１に
ノズル５０と対向する誘振子５２が設けられ、流路拡大
部５１の下流側の天井面の両側には圧力導入孔５３，５
４が形成されている。したがって、ノズル５０から流体
が供給されたときに、誘振子５２の左右で流量が時間的
に変化（フルイディック振動）するので、流体の静圧も
それに応じて変化する。したがって、圧力導入孔５３，
５４から導入された流体の振動数を、ＰＶＤＦのような
圧力素子で検出し、その差圧を求めることにより流量が
測定される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱線流速計にお
いては、低速側の測定の限界は１０ｃｍ／ｓ程度、小
型、高感度な流速計においても５ｃｍ／ｓ程度である。
しかしながら、例えば現行ガスメータの最少流量は３リ
ットル／ｈであり、これを空気に換算した圧力損失３０
ｍｍＨ₂Ｏ で測定するためには流速換算で０．５〜１ｃ
ｍ／ｓの流速測定が要求される。しかしながら、流体に
より奪われる熱量は、流体以外の支持体等から逃げる熱
量により感度が規定されること、また、微小流速におい
ては奪われる熱量が極めて僅かであること等の理由によ
り、流速の遅い範囲の測定は困難である。

【００１０】また、従来の熱パルス移動時間測定型流速
計は、流体を加熱する発熱体と測温体との距離を高精度
に定めることが困難であるため、流速の測定精度が低下
する。発熱体、測温体としてワイヤを用いたものが多い
が、このようなものは、感熱度及び耐久性に乏しく、乱
流の影響を受け易い問題がある。

【００１１】さらに、フルイディック型流量計は、流量
が少ないときに流体の振動が小さく、誘振子の両側の差
圧も微小となるので、流量が３００リットル／h以下の
場合にはフルイディック振動の検出は極めて困難であ
る。しかも、その振動を検出する圧力センサは、外部要
因による振動がノイズとなるため、流量計としての感度
はさらに低下する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
流体の流路中にその流路方向に沿って設置される絶縁基
板を設け、それぞれ導電性の発熱体と測温体とを一定の
距離を隔てて前記絶縁基板に一体に形成し、電気的絶縁
性及び熱伝導性の物質よりなる被膜で前記発熱体と前記
測温体とを被覆してなる流量センサを設け、駆動電圧を
出力する励起手段を前記発熱体に接続し、前記発熱体が
励起された時点から前記測温体の温度が一定値に達する
までの時間を測定する測定手段を設けたものである。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、表面に凹部が形成された絶縁基板を設け、
電気的絶縁性の材料により形成されて前記凹部を跨ぐ複
数の橋部を前記絶縁基板に形成し、前記橋部に発熱体を
形成したものである。

【００１４】請求項３記載の発明は、ノズルと排出口と
の間に形成された流路拡大部に前記ノズルから流入され
る流体に偏流を生じさせる誘振子を設け、この誘振子の
中心を境とする両側の前記流体の流れを検出して前記流
体の流量を測定するフルイディック型流量計において、
前記ノズルの下流側の底面或いは天井面に、請求項１又
は２記載の複数の流量センサをフルイディックの振動方
向に並設したものである。

【００１５】請求項４記載の発明は、ノズルと排出口と
の間に形成された流路拡大部に前記ノズルから流入され
る流体に偏流を生じさせる誘振子を設け、この誘振子の
中心を境とする両側の前記流体の流れを検出して前記流
体の流量を測定するフルイディック型流量計において、
前記ノズルの近傍に請求項１又は２記載の流量センサを
配置したものである。

【００１６】

【作用】請求項１記載の発明は、発熱体と測温体とが形
成された絶縁基板を流路方向に沿って配置することによ
り、流体に発生する渦を最小限にし乱流の発生を抑制す
ることができ、また、発熱体と測温体とは絶縁基板上に
フォトリソグラフィー等によって一体に形成されるた
め、両者の距離を数μｍ以下の精度をもって正確に定め
ることができ、したがって、流速及び流量の測定精度を
向上させることができる。さらに、電気的絶縁性及び熱
伝導性の物質よりなる被膜で発熱体と測温体とを被覆す
ることにより、発熱体から流体、流体から測温体への熱
伝導性を向上させることができ、したがって、熱パルス
の到来を明確に検知することが可能となる。

【００１７】請求項２記載の発明は、絶縁基板の凹部を
跨ぐ橋部上に発熱体が形成されるため、流体を加熱する
電力を低減することができ、また、発熱体の熱容量を減
少させて繰返し周波数を増大させることができ、これに
より、測定精度をさらに向上させることができる。

【００１８】請求項３記載の発明は、フルイディック型
流量計において、誘振子の両側に向かう流路中に熱パル
ス型の流量センサを位置させることができ、これによ
り、発熱体で流体を加熱し、その熱を測温体が検出する
時間をもって流体のフルイディック振動数を測定するこ
とができ、したがって、外部の振動の影響を受け難い新
規なフルイディック流量計を提供することができる。

【００１９】請求項４記載の発明は、流量が多いときに
は、流路拡大部で発生するフルイデイック振動を検知す
る公知の方法で流量を測定することができ、流量が少な
いときには、ノズルの近傍において、流量センサの発熱
体で流体を加熱し、その熱を測温体が検出する時間をも
って流量を測定することができる。

【００２０】

【実施例】請求項１記載の発明の一実施例を図１ないし
図３に基づいて説明する。図１において、１は流量セン
サである。この流量センサ１は、流体の流路中にその流
路方向Ａに沿って設置される薄い絶縁基板２の一面に、
発熱体３と測温体４とを一定の距離を隔てて形成したも
のである。また、絶縁基板２の一面には、発熱体３に電
圧を印加するためのパッド３ａと、測温体４の抵抗値を
取り出すためのパッド４ａとが形成されている。本実施
例において、絶縁基板２としては０．５ｍｍの厚さの石
英基板が使用され、この絶縁基板２には発熱体３と測温
体４との間に位置する溝５が形成されている。また、発
熱体３、パッド３ａ、測温体４、パッド４ａは、材質が
白金であり、フォトリソグラフィーにより約１０００Å
の厚みをもって形成されている。これらの発熱体３と測
温体４とは、それぞれ電気的に絶縁性で熱伝導性の良好
なｉ−Ｃ等の被膜（図示せず）により被覆されている。

【００２１】なお、被膜はｉ−Ｃに限られるものではな
く、電気的に絶縁性で、熱伝導性が良好で、且つ発熱体
３及び測温体４を容易に被覆する物質であればよい。例
えば、ダイヤモンド膜、ＡｌＮ、ＢＮ、或いは、Ｔａ₂
Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃等の電気的絶縁物と熱伝導性の良好な金
属との二層構造でもよい。また、絶縁基板２も石英基板
に限られるものではなく、金属材の表面に電気的絶縁物
を形成した二層構造でもよい。

【００２２】次いで、電子回路を図２に示す。前記流量
センサ１の発熱体３は励起手段としての駆動回路６に接
続されている。この駆動回路６は、測定開始信号ＭＳの
入力により所定の時間Ｔｄの間発熱体３に駆動電圧ＨＤ
を出力する。また、流量センサ１の測温体４と他の三つ
の抵抗器７，８，９とによりブリッジ回路１０が形成さ
れている。これらの抵抗器７，８，９は、発熱体３に駆
動電圧ＨＤが印加されない状態において平衡状態を維持
するように抵抗値が選定されている。ブリッジ回路１０
には増幅器１１を介して比較器１２が接続されている。

【００２３】この比較器１２は、増幅器１１からの出力
ＣＩと、与えられる基準電圧ＴＨとを比較し、その結
果、ＣＩ≧ＴＨの場合には論理値”０”、ＣＩ＜ＴＨの
場合には論理値”１”の熱パルス検知信号ＴＰＤを出力
する。そして、発熱体３が励起された時点から測温体４
の温度が一定値に達するまでの時間を測定する測定手段
としてのカウンタ１３が設けられ、このカウンタ１３と
発振器１４とにより制御回路１５が形成されている。カ
ウンタ１３は、リセット信号ＲＳを受けてそれまでの計
数値をクリアし、また、測定開始信号ＭＳが入力される
と発振器１４からのクロックパルスＣＰの計数を開始
し、熱パルス検知信号ＴＰＤが入力されると計数を停止
し、その計数値ＣＯを保持するとともにその計数値ＣＯ
を出力するものである。

【００２４】このような構成において、図３に示すタイ
ミングチャートを参照して流量測定動作について説明す
る。流量の測定に先立ち、リセット信号ＲＳがカウンタ
１３に印加されると、カウンタ１３はそれまでの計数値
をクリアする。次に、時刻Ｔ１に測定開始信号ＭＳがカ
ウンタ１３に印加されると、カウンタ１３は発振器１４
からのクロックパルスＣＰの計数を開始する。その計数
値ＣＯは時間の経過とともに増加する。同時に駆動回路
６は所定の時間Ｔｄの間発熱体３に駆動電圧ＨＤを印加
するため、発熱体３の温度が上昇し、発熱体３の周囲の
流体は加熱されるが、この高温部分は流体の流れによっ
て移動し、流体の流速並びに発熱体３と測温体４との距
離によって決定される時間が経過したときに測温体４に
到達する。これにより、測温体４の温度が上昇し、その
抵抗値が温度によって変化するためブリッジ回路１０の
平衡状態が崩れ、増幅器１１への入力電圧及び増幅器１
１からの出力ＣＩが増加する。その出力ＣＩが基準電圧
ＴＨに達すると、時刻Ｔ２に比較器１２がカウンタ１３
に熱パルス検知信号ＴＰＤを出力するため、カウンタ１
３はクロックパルスＣＰの計数を停止し、その計数値Ｃ
Ｏを保持するとともにその計数値ＣＯを出力する。した
がって、この計数値ＣＯと、発熱体３と測温体４との距
離とにより流体の流速及び流量を求めることができる。

【００２５】以上のように、発熱体３と測温体４とが形
成された薄い絶縁基板２を流路方向Ａに沿って配置する
ことにより、流体に発生する渦を最小限にし乱流の発生
を抑制することができ、また、発熱体３と測温体４とは
絶縁基板２上にフォトリソグラフィー等によって一体に
形成されるため、両者の距離を数μｍ以下の精度をもっ
て正確に定めることができる。したがって、流速及び流
量の測定精度を向上させることができる。さらに、電気
的絶縁性及び熱伝導性の物質よりなる被膜で発熱体３と
測温体４とを被覆することにより、発熱体３から流体、
流体から測温体４への熱伝導性を向上させることがで
き、したがって、熱パルスの到来時刻を正確に測定する
ことができ、流量の測定精度を向上させることが可能と
なる。

【００２６】次いで、請求項２記載の発明の一実施例を
図４及び図５に基づいて説明する。前記実施例と同一部
分は同一符号を用い説明も省略する（以下同様）。本発
明は、一面に凹部１６が形成されたシリコン製の絶縁基
板１７を設け、電気的絶縁性の材料により形成されて凹
部１６を跨ぐ複数の橋部１８，１９を一定の距離を隔て
て絶縁基板１７に形成し、橋部１８，１９のそれぞれに
発熱体３と測温体４とを形成してなる流量センサ２０を
設けたものである。また、橋部１８，１９は、絶縁基板
１７の一面に、Ｔａ₂Ｏ₅を１．５μｍの厚さをもってス
パッタリングにより形成され、その幅は２００μｍであ
る。凹部１６はＴａ₂Ｏ₅をマスクとしてＫＯＨの異方性
エッチングにより形成され、その深さは１５０μｍであ
る。また、発熱体３及び測温体４とは白金薄膜からな
り、その幅は約５μｍで、これらは、パッド３ａ，４ａ
とともにスパッタ、フォトリソグラフィーにより形成さ
れている。

【００２７】このような構成において、発熱体３を図２
に示す駆動回路６に接続し、測温体４を他の抵抗器７，
８，９に接続して増幅器１１に接続されるブリッジ回路
１０を形成することにより、前記実施例と同様の作用を
得ることができるが、特に、絶縁基板１７の凹部１６を
跨ぐ橋部１８上に発熱体３が形成されるため、流体を加
熱する電力を低減することができ、また、発熱体３の熱
容量を減少させて繰返し周波数を増大させることがで
き、これにより、測定精度をさらに向上させることがで
きる。

【００２８】さらに、請求項３記載の発明の一実施例を
図６に基づいて説明する。２１はフルイディック型流量
計である。すなわち、流入管２２から排出管２３に向か
う流路上に、セットリングスペース２４、流路縮小部２
５、ノズル２６、流路拡大部２７が順次接続されてい
る。また、流路拡大部２７中にはノズル２６に対向する
誘振子２８と、その背後に位置するエンドブロック２９
とが設けられている。エンドブロック２９の背後は排出
スペース３０とされている。しかして、ノズル２６の下
流側の底面には、図１に示した複数の流量センサ１がフ
ルイディックの振動方向に並設されている。勿論、流量
センサ１に代えて図４及び図５で示した流量センサ２０
を用いてもよい。

【００２９】このような構成において、まず、流路上流
側からの管状の流れはセットリングスペース２４で２次
元的な流れに整流され、流路縮小部２５によりさらに整
流されて円滑にノズル２６に向かう。そして、ノズル２
６で整流されたジェット流は、誘振子２８に当たること
により左右に分れるが、エンドブロック２９に至るまで
の流路拡大部２７の空間において、ある流量を越えると
誘振子２８の背後にできる渦の不安定性によって、左又
は右に偏った流れを形成する。そのため、エンドブロッ
ク２９にぶつかった流れは、エンドブロック２９の前面
に沿い、流路拡大部２７の内壁に沿ってノズル２６の出
口に達し、ジェット流に直角的にぶつかる。このため、
その脇から帰還した流れによってジェット流の方向を最
初の偏流とは反対方向に偏らせる。これにより、反対側
では再び同様のことが起こり、結果としてノズル２６を
出る流れは規則的に交互に流れの方向を変化させる。

【００３０】本発明においては、交互に変わる流路中に
熱パルス型の流量センサ１が位置するため、発熱体３で
流体を加熱し、その熱を測温体４が検出する時間をもっ
て流体のフルイディック振動数を測定することができ
る。この作用は図１ないし図３によって説明した作用と
同様である。したがって、外部の振動の影響を受け難い
新規なフルイディック型流量計を提供することができ
る。

【００３１】さらに、請求項４記載の発明の一実施例を
図７に基づいて説明する。本発明は、フルイディック型
流量計２１において、ノズル２６の近傍に流量センサ１
又は２０を設け、フルイディック振動が起らない低流量
領域の流量を測定するとともに、流路拡大部２７におけ
る左右の振動を検知する複数の圧力センサ（図示せず）
を設けたものである。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、上述のように、
発熱体と測温体とが形成された絶縁基板を流路方向に沿
って配置することにより、流体に発生する渦を最小限に
し乱流の発生を抑制することができ、また、発熱体と測
温体とは絶縁基板上にフォトリソグラフィー等によって
一体に形成されるため、両者の距離を数μｍ以下の精度
をもって正確に定めることができ、したがって、流速及
び流量の測定精度を向上させることができ、さらに、電
気的絶縁性及び熱伝導性の物質よりなる被膜で発熱体と
測温体とを被覆することにより、発熱体から流体、流体
から測温体への熱伝導性を向上させることができ、した
がって、熱パルスの到来時刻を正確に測定することがで
き、流量の測定精度を向上させることができる等の効果
を有する。

【００３３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、絶縁基板の凹部を跨ぐ橋部上に発熱体が形
成されるため、流体を加熱する電力を低減することがで
き、また、発熱体の熱容量を減少させて繰返し周波数を
増大させることができ、これにより、測定精度をさらに
向上させることができる効果を有する。

【００３４】請求項３記載の発明は、上述のように、フ
ルイディック型流量計のノズルの下流側の底面或いは天
井面に、請求項１又は２記載の複数の流量センサをフル
イディックの振動方向に並設したので、誘振子の両側に
向かう流路中に熱パルス型の流量センサを位置させるこ
とができ、これにより、発熱体で流体を加熱し、その熱
を測温体が検出する時間をもって流体のフルイディック
振動数を測定することができ、したがって、外部の振動
の影響を受け難い新規なフルイディック流量計を提供す
ることができる効果を有する。

【００３５】請求項４記載の発明は、フルイディック型
流量計のノズルの近傍に請求項１又は２記載の流量セン
サを配置したので、流量が多いときには、流路拡大部で
発生するフルデイック振動を検知する公知の方法で流量
を測定することができ、流量が少ないときには、ノズル
の近傍において、流量センサの発熱体で流体を加熱し、
その熱を測温体が検出する時間をもって流量を測定する
ことができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例を示すもので流
量センサの正面図である。

【図２】電子回路を示すブロック図である。

【図３】タイミングチャートである。

【図４】請求項２記載の発明の一実施例を示すもので流
量センサの正面図である。

【図５】図４における中央部の水平断面図である。

【図６】請求項３記載の発明の一実施例を示す水平断面
図である。

【図７】請求項４記載の発明の一実施例を示す水平断面
図である。

【図８】従来例を示す水平断面図である。

【符号の説明】

１ 流量センサ ２ 絶縁基板 ３ 発熱体 ４ 測温体 ６ 励起手段 １３ 測定手段 １６ 凹部 １７ 絶縁基板 １８ 橋部 ２０ 流量センサ ２６ ノズル ２７ 流路拡大部 ２８ 誘振子

フロントページの続き (72)発明者 秋山 善一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (72)発明者 田辺 誠 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株 式会社リコー内 (72)発明者 恩田 浩 愛知県名古屋市東区泉二丁目28番24号 リコーエレメックス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−247170（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−43918（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−308921（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−268230（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−174830（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−58118（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭64−4607（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−36443（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−36523（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/68 - 1/708

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流路中にその流路方向に沿って設
   置される絶縁基板を設け、それぞれ導電性の発熱体と測
   温体とを一定の距離を隔てて前記絶縁基板に一体に形成
   し、電気的絶縁性及び熱伝導性の物質よりなる被膜で前
   記発熱体と前記測温体とを被覆してなる流量センサを設
   け、駆動電圧を出力する励起手段を前記発熱体に接続
   し、前記発熱体が励起された時点から前記測温体の温度
   が一定値に達するまでの時間を測定する測定手段を設け
   たことを特徴とする流体の流量測定装置。
2. 【請求項２】 表面に凹部が形成された絶縁基板を設
   け、電気的絶縁性の材料により形成されて前記凹部を跨
   ぐ複数の橋部を前記絶縁基板に形成し、前記橋部に発熱
   体を形成したことを特徴とする請求項１記載の流体の流
   量測定装置。
3. 【請求項３】 ノズルと排出口との間に形成された流路
   拡大部に前記ノズルから流入される流体に偏流を生じさ
   せる誘振子を設け、この誘振子の中心を境とする両側の
   前記流体の流れを検出して前記流体の流量を測定するフ
   ルイディック型流量計において、前記ノズルの下流側の
   底面或いは天井面に、請求項１又は２記載の複数の流量
   センサをフルイディックの振動方向に並設したことを特
   徴とする流体の流量測定装置。
4. 【請求項４】 ノズルと排出口との間に形成された流路
   拡大部に前記ノズルから流入される流体に偏流を生じさ
   せる誘振子を設け、この誘振子の中心を境とする両側の
   前記流体の流れを検出して前記流体の流量を測定するフ
   ルイディック型流量計において、前記ノズルの近傍に請
   求項１又は２記載の流量センサを配置したことを特徴と
   する流体の流量測定装置。