JP4150756B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の流路を通流する流体（ガス）の流量を熱式流量センサを用いて検出する熱式流量計に係り、特に上記熱式流量センサの取り付け姿勢に拘わることなくその流量計測を高精度に行い得る熱式流量計に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
ガスメータ等の積算流量計は、例えば流量センサを用いて所定の流体通路（ガス引込管）を通流する流体（ガス）の瞬時流量を求め、この瞬時流量を積算することで、例えば１ヶ月毎の流体通流量（ガス使用量）を求めるものである。このような積算流量計（ガスメータ）にて求められる積算流量は、直接課金対象となるので、その計測精度が十分に高いことが要求される。
【０００３】
そこで最近では、専ら、計測精度の高い熱式流量センサが用いられている。この熱式流量センサは、基本的には図４に示すようにシリコン基台Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度検出素子Ｒｕ,Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化することを利用し、前記温度検出素子Ｒｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の質量流速（質量流量）を検出する如く構成される。
【０００４】
尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度検出素子であって、周囲温度（流体の温度）の計測に用いられる。そしてこの熱式流量センサは、上記温度検出素子Ｒｒによって検出される流体の温度よりも前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が一定温度だけ高くなるように駆動され、このときの前記温度検出素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値変化をセンサ出力（計測値）として求めるものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種の熱式流量センサが組み込まれる流路は、必ずしも一定の向きに設定されているとは限らない。具体的には流路が、例えば図５(ａ)に示すように下から上に向けて鉛直方向に流体（ガス）を通流する配管Ａであったり、図５(ｂ)に示すように水平方向に流体（ガス）を通流する配管Ｂであったり、或いは図５(ｃ)に示すように上から下に向けて鉛直方向に流体（ガス）を通流する配管Ｃであったりする。すると配管Ａ,Ｂ,Ｃの向き（流体が通流する向き）によって前記熱式流量センサの取り付け姿勢が変化し、これに伴ってそのセンサ出力（流量検出信号）に差異が生じることが否めない。
【０００６】
即ち、ヒータ素子Ｒｈから発せられた熱は流体（ガス）の自然対流によって上方に向けて拡散し易い。この為、図５(ａ)に示すように流体（ガス）が下から上に向けて通流するような場合には、流体の通流に伴う上方への熱の移動に上記自然対流に起因する熱の上方への移動が加わる。するとヒータ素子Ｒｈの上方に位置付けられた下流側の温度検出素子Ｒｄには、流体の通流により移動する熱よりも多くの熱が加わることになる。
【０００７】
これに対して図５(ｃ)に示すように流体（ガス）が上から下に向けて通流するような場合には、流体の通流に伴う下方への熱の移動を妨げるように前記自然対流に起因する熱の移動が作用する。するとヒータ素子Ｒｈの下方に位置付けられた下流側の温度検出素子Ｒｄには、流体の通流により移動する熱よりも少ない熱しか加わらなくなる。
【０００８】
従って高精度な流量計測を実現するには上述したような流量センサの取り付け姿勢（流体の通流の向き）に応じて、そのセンサ出力（流量検出信号）を補正することが必要となる。しかも上述した自然対流に起因する熱の移動は、流体（ガス）の種別や圧力によっても変化するので、一般的にはこれらを加味した上でセンサ出力を補正することが必要となる。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流量センサの取り付け姿勢（流体の通流の向き）に拘わることなく、高精度な流量計測を実現することのできる簡易な構成の熱式流量計を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、ヒータ素子を間にして流体の通流方向に第１および第２の温度検出素子をそれぞれ設けた素子構造の熱式流量センサを所定の流路に組み込み、上記第１および第２の温度検出素子によりそれぞれ検出される温度の差を示す上記熱式流量センサの検出信号（センサ出力）に従って上記流路を通流する流体の流量を求めるものであって、
特に前記流体の圧力に応じた前記熱式流量センサの検出信号に対するゼロ点補正量を前記熱式流量センサの姿勢毎に登録したゼロ点補正テーブルと、
前記熱式流量センサが組み込まれた流路の流体が通流する向きと前記流体の圧力とに応じて上記ゼロ点補正テーブルからゼロ点補正量を求めて前記熱式流量センサの検出信号を補正するゼロ点補正手段と、
このゼロ点補正手段にて補正された前記熱式流量センサの検出信号に従って前記流路を通流する流体の流量を求める流量算出手段と
を具備したことを特徴としている。
【００１１】
即ち、本発明に係る熱式流量計は、熱式流量センサが組み込まれた流路の流体が通流する向き（流量センサの取り付け姿勢）に応じて上記ゼロ点補正テーブルを参照して前記熱式流量センサの検出信号をゼロ点補正することで、該検出信号に含まれる自然対流に起因する熱の影響を除去し、その上で上記検出信号に従って前記流路を通流する流体の流量を求めることを特徴としている。
【００１２】
好ましくは前記ゼロ点補正テーブルは、前記熱式流量センサの姿勢を、下から上へと鉛直に通流する流体の流速を検出する上向き取り付け姿勢、水平に通流する流体の流速を検出する水平取り付け姿勢、および上から下へと鉛直に通流する流体の流速を検出する下向き取り付け姿勢に分けて、各姿勢毎にゼロ点変化量をそれぞれ登録したものからなる。
【００１３】
より好ましくは前記ゼロ点補正テーブルは、流体の圧力に応じたゼロ点補正量を、前記熱式流量センサの姿勢毎にそれぞれ登録したものとして実現される。更には流体の種別とその圧力に応じたゼロ点補正量を、前記熱式流量センサの姿勢毎にそれぞれ登録したものとして実現される。そしてゼロ点補正手段は、流量センサの取り付け姿勢、および流体の種別とその圧力とに応じて前記ゼロ点補正テーブルからゼロ点補正量を選択的に求めて前記熱式流量センサの検出信号を補正するように構成される。
【００１４】
より具体的には前記ゼロ点補正テーブルを、前記熱式流量センサの姿勢が水平である場合には自然対流に起因する熱の影響がゼロであるとし、この姿勢での前記熱式流量センサの検出信号を基準として前記上昇姿勢および下降姿勢でのずれ量をそれぞれゼロ点補正量として登録したものとすれば良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る熱式流量計について説明する。
この熱式流量計は、概略的には図１に示すように、所定の流体通路をなす配管１０の周壁に該配管１０内を通流する流体（ガス）の流速（流量）を計測する為の複数（例えば４個）の熱式流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄを設けると共に、前記流体の温度を検出する為の温度センサ１２、および前記流体の圧力を検出する為の圧力センサ１３をそれぞれ設けて構成される。
【００１６】
ちなみに４つの熱式流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄは、例えば低流量域検出用の低速流量センサ１１ａ,１１ｂと、高流量域検出用の高速流量センサ１１ｃ,１１ｄとからなる。そしてこれらの流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄは、円筒状の配管１０の周方向に沿って９０°間隔で、その左上側、右上側、左下側、および右下側からなる対角方向の４箇所にそれぞれ対向して設けられる。またサーミスタ等からなる温度センサ１２は、配管１０の中央部に向けて突出して該配管１０内の流体（ガス）の温度を検出するように設けられている。
【００１７】
尚、低速流量センサ１１ａ,１１ｂおよび高速流量センサ１１ｃ,１１ｄは、前述したヒータ素子Ｒｈと一対の温度検出素子Ｒｕ,Ｒｄとの離間距離を異ならせることで、流速（流量）に対する計測レンジを異ならせたものからなる。また上記各流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄは、そのヒータ素子Ｒｈの駆動回路や一対の温度検出素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値差（温度差）を検出するセンシング回路（ブリッジ回路）と共に所定の回路基板に搭載されて前記配管１０に組み込まれている。
【００１８】
これらの各流量センサ（回路基板）１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄは、前記配管１０の外周壁に取り付けられたセレクタ回路基板１４からの制御を受けて作動するものであって、またそのセンサ出力（検出信号）を上記セレクタ回路基板１４を介して出力するようになっている。このセレクタ回路基板１４は、後述する計測装置本体２０にケーブル１６を介して接続されるもので、前記各流量センサ（回路基板）１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄのインターフェース部をなす。また前記温度センサ１２および圧力センサ１３も、インターフェース部としての上記セレクタ回路基板１４を介して計測装置本体２０に接続される。
【００１９】
さてＣＰＵを主体として構成される計測装置本体２０は、基本的には前記流量センサ（回路基板）１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄによりそれぞれ求められる検出信号（センサ出力）に従って、前記配管１０を通流する流体（ガス）の瞬時流量Ｑを算出する流量演算部２１を備える。またこの計測装置本体２０は、前記温度センサ１２により検出される流体（ガス）の温度に応じて、前記検出信号（センサ出力）を温度補正する為の温度補正テーブル２２を備えると共に、前記圧力センサ１３により検出される流体（ガス）の圧力に応じて、前記検出信号（センサ出力）を圧力補正する為の圧力補正テーブル２３を備えている。
【００２０】
更にこの計測装置本体２０は、前記各流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄからのセンサ出力（検出信号）をゼロ点補正する為のゼロ点補正テーブル２４を備える。このゼロ点補正テーブル２４は、前記流量センサ１１（１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄ）を組み込んだ配管１０における流体の通流方向の向き、即ち、配管１０の敷設方向によって定まる流量センサ１１（１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄ）の取り付け姿勢（向き）に応じたゼロ点補正値をそれぞれ登録したものからなる。
【００２１】
具体的にはゼロ点補正テーブル２４には、前記流量センサ１１の取り付け姿勢が図５(ａ)に示したように下から上へと鉛直に通流する流体（ガス）の流量を検出する上向きの姿勢であるか、図５(ｂ)に示したように水平方向に通流する流体（ガス）の流量を検出する横向きの姿勢であるか、或いは図５(ｃ)に示したように上から下へと鉛直に通流する流体（ガス）の流量を検出する下向きの姿勢であるかに応じて、そのゼロ点補正値がそれぞれ分類して登録されている。
【００２２】
特にこの実施形態においては、上述したゼロ点補正値が流体（ガス）の種類によって異なり、更にはその圧力によっても異なることから、ゼロ点補正テーブル２４には図２に例示するように、流量センサ１１の取り付け姿勢毎に流体（ガス）の種類とその圧力に応じたゼロ点補正値（補正特性）が登録されている。
ちなみに図２は流体としての空気、天然ガス（１３Ａ）、ＣＯ₂、およびプロパンガスについてのゼロ点補正特性をそれぞれ示している。尚、図２において特性Ｈは流量センサ１１の取り付け姿勢が水平の場合のゼロ点補正量（実質的にゼロ）、特性Ｕ１,Ｕ２,Ｕ３,Ｕ４は流量センサ１１の取り付け姿勢が上向きの場合のゼロ点補正量、そして特性Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,Ｄ４は流量センサ１１の取り付け姿勢が下向きの場合のゼロ点補正量を、流体の圧力に対応付けてそれぞれ示している。
【００２３】
このようなゼロ点補正テーブル２４に登録されたゼロ点補正特性のどれを用いるかは、熱式流量計が所定の配管１０に設備された際に初期設定される、流量センサ１１の取り付け姿勢と前記配管１０を通流する流体（ガス）の種類とによって決定される。尚、熱式流量計を所定の配管１０に設備した際、その設備仕様によって決定される流量センサ１１の取り付け姿勢と前記配管１０を通流する流体（ガス）の種類とによって決定されるゼロ点補正特性だけを前記ゼロ点補正テーブル２４に登録するようにしても良い。
【００２４】
そして流量計の運用時には前記流量演算部２１は、前記流量センサ１１の取り付け姿勢および前記配管１０を通流する流体（ガス）の種類に応じて、更には前記圧力センサ１３によって検出される流体（ガス）の圧力に応じて前記ゼロ点補正テーブル２４を参照し、該ゼロ点補正テーブル２４から該当するゼロ点補正値を求める。そしてこのゼロ点補正値に従って前記流量センサ１１のセンサ出力（検出信号）を補正した後、その補正したセンサ出力（検出信号）に従って前記配管１０を通流した流体（ガス）の流量を求めるものとなっている。
【００２５】
具体的には図３に流量演算部２１における概略的な処理手順を示すように、先ず流量センサ１１からのセンサ出力を入力する［ステップＳ１］。次いで前記流量センサ１１の取り付け姿勢と前記流体の種別（ガス種）に応じて、更に前記圧力センサ１３によって検出される前記流体の圧力とに応じて前記ゼロ点補正テーブル２４からゼロ点補正量を求め、前記流量センサ１１から求められたセンサ出力（検出信号）のゼロ点をシフト補正する［ステップＳ２］。
【００２６】
しかる後、前記流体の種別（ガス種）に応じて前記流量センサ１１の検出感度を調整するべく上記センサ出力を補正する［ステップＳ３］。更には前記流体の圧力に応じて前記センサ出力を圧力補正すると共に［ステップＳ４］、前記流体の温度に応じて前記センサ出力を温度補正する［ステップＳ５］。即ち、前記流量センサ１１の検出特性の、流体の種別に依存する変化分、およびその圧力と温度に依存する変化をそれぞれ補正する。その後、前記流量センサ１１の基準検出特性に応じてその個体差を補正し［ステップＳ６］、これらの補正を施したセンサ出力に従って前記配管１０を通流した流体の流量（流速）を求める［ステップＳ７］。
【００２７】
尚、以上の補正処理と、補正したセンサ出力に基づく流量（流速）の算出処理は、前述した４つの流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄ毎にそれぞれ行われる。ちなみにこれらの処理は並列的に行っても良く、或いは前述したセレクタ回路基板１４を介して前記各流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄのセンサ出力を所定の周期で巡回的に入力する場合には、時分割的に実行することも勿論可能である。
【００２８】
このようにして前記各流量センサ１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄのセンサ出力からそれぞれ流体の流量（流速）が求められたならば、次に各流量（流速）の平均値を求める［ステップＳ８］。そしてこの平均値を流量計にて計測された最終的な流量値として出力する［ステップＳ９］。以降、上述した処理を繰り返し実行することで、前記配管１０を通流する流体の流量計測を継続して実行する。
【００２９】
かくして上述した如く構成された熱式流量計によれば、流量計１１の取り付け姿勢に応じて該流量計１１のセンサ出力をゼロ点補正するので、自然対流に起因する熱の移動の影響を受けることなく、流体の通流による熱の拡散度合いを検出することが可能となり、その計測精度を高めることが可能となる。つまり上下方向に通流する流体の流量を検出するべく熱式流量センサ１１が縦向きに取り付けられた場合であっても、ヒータ素子Ｒｈから発せられた熱により生起される対流の影響を除去して高精度な流量計測を実現することができる。
【００３０】
特に流体の種別（ガス種）やその圧力に応じたゼロ点補正量を求めてセンサ出力をゼロ点補正するので、流体の圧力変化に拘わることなく、また流体の種別（ガス種）に応じた適切な補正を行うことができる。従って熱式流量計の使用形態を制限することなく、様々な用途に活用することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００３１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば熱式流量計を使用する用途、特にそのガス種が予め特定されるような場合には、前記ゼロ点補正テーブル２４に該当するガス種のゼロ点補正データだけを登録するようにしても良い。また実施形態においては複数の流量センサ１１を備えた流量計について説明したが、流量センサ１１の数は特に限定されるものではなく、また必ずしも低速流量センサと高速流量センサの双方を用いる必要もない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱式流量センサの姿勢に応じた補正量を登録したゼロ点補正テーブルを備え、所定の流体通路に流量センサを取り付けた際の取り付け姿勢に応じて前記ゼロ点補正テーブルからゼロ点補正量を求めて該流量センサの出力（検出信号）をゼロ点補正するので、その取り付け姿勢に依存するセンサ出力の変化を効果的に補正することができる。特に流体の圧力やその種別に応じて上記ゼロ点補正量を調整することができるので、常に精度の高い流量計測を行い得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図。
【図２】図１に示す熱式流量計が備えるゼロ点補正テーブルに登録される、流量センサの姿勢および流体の圧力とその種別に応じたゼロ点補正データの例を示す図。
【図３】図１に示す熱式流量計における流量演算部での概略的な処理手順を示す図。
【図４】熱式流量センサの概略的な素子構造を示す図。
【図５】流量センサの取り付けの向きによるセンサ出力の変化を説明する為の図。
【符号の説明】
１０ 配管（流体流路）
１１ａ,１１ｂ,１１ｃ,１１ｄ 熱式流量センサ
１２ 温度センサ
１３ 圧力センサ
２１ 流量演算部
２２ 温度補正テーブル
２３ 圧力補正テーブル
２４ ゼロ点補正テーブル

Claims (2)

1. ヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出素子によりそれぞれ検出される温度の差を示す検出信号を出力する熱式流量センサと、
   前記流体の圧力に応じた前記熱式流量センサの検出信号に対するゼロ点補正量を前記熱式流量センサの姿勢毎に登録したゼロ点補正テーブルと、
   前記熱式流量センサが組み込まれた流路の流体が通流する向きと前記流体の圧力とに応じて上記ゼロ点補正テーブルからゼロ点補正量を求めて前記熱式流量センサの検出信号を補正するゼロ点補正手段と、
   このゼロ点補正手段にて補正された前記熱式流量センサの検出信号に従って前記流路を通流する流体の流量を求める流量算出手段と
   を具備したことを特徴とする熱式流量計。
2. ヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度検出素子によりそれぞれ検出される温度の差を示す検出信号を出力する熱式流量センサと、
   前記流体の種別に応じて、前記流体の圧力に応じた前記熱式流量センサの検出信号に対するゼロ点補正量を前記熱式流量センサの姿勢毎に登録したゼロ点補正テーブルと、
   前記熱式流量センサが組み込まれた流路の流体が通流する向きと前記流体の種別および圧力とに応じて上記ゼロ点補正テーブルからゼロ点補正量を求めて前記熱式流量センサの検出信号を補正するゼロ点補正手段と、
   このゼロ点補正手段にて補正された前記熱式流量センサの検出信号に従って前記流路を通流する流体の流量を求める流量算出手段と
   を具備したことを特徴とする熱式流量計。

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