JP5284845B2

JP5284845B2 - 渦流量計

Info

Publication number: JP5284845B2
Application number: JP2009082977A
Authority: JP
Inventors: 誠司森; 順一松田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010236924A

Description

本発明は、渦流量計に関する。

従来より、被測定流体の流路に配置した渦発生体により渦列（カルマン渦）を発生させて流体振動を生成し、この流体振動の周波数に基づいて被測定流体の流量を測定（算出）する渦流量計が提案され、実用化されている。近年においては、渦発生体の下流側に、被測定流体の流通方向と直交するバイパス流路を形成し、このバイパス流路内に熱式流れセンサを配置し、この熱式流れセンサにより流体振動の周波数を測定して被測定流体の体積流量を算出する渦流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−６６８１７号公報

ところで、現在においては、差圧式・電磁式流量計等、電源電力が供給される一対の信号線を介して計測流量値を４〜２０ｍＡの電流に変換して伝送するいわゆる２線式の流量計が提案され、実用化されている。但し、かかる２線式のシステムと、前記した特許文献１に記載されたような熱式流れセンサ型の渦流量計と、を組み合わせた熱式流れセンサ型の２線式渦流量計は、未だ製品化されていない。

なぜならば、熱式流れセンサ型の２線式渦流量計においては、高流領域を含む広いレンジでの測定を行うことができないためである。すなわち、渦流量計内部の電気回路を動作させるために消費可能な電流の上限が４ｍＡであり、これにより、熱式流れセンサのヒータの発熱量が自ずと制限されてしまう。例えば、被測定流体の流量が増大してセンサから奪われる熱量が増大すると、流量計の感度が低下し、被測定流体の流量を測定することができなくなり、従って、高流領域を含む広いレンジでの測定を行うことができない。

本発明は、被測定流体の流量が増大した場合においても感度が低下することなく、高流領域を含む広いレンジで流量を測定することができる熱式流れセンサ型の２線式渦流量計を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る渦流量計は、被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、この渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、このバイパス流路に配置される発熱抵抗体と、を備え、交番の流れの周波数をこの発熱抵抗体の抵抗値で計測して被測定流体の流量を算出する一方、算出した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線を介して伝送する渦流量計であって、出力電流の大きさに応じたヒータ電流を発熱抵抗体に与えて発熱抵抗体を発熱させるものである。

かかる構成を採用すると、２線式の渦流量計は、出力電流の大きさに応じてヒータ電流を発熱抵抗体に与えて、発熱抵抗体を発熱させることができる。従って、例えば被測定流体の流量増大に起因して発熱抵抗体から奪われる熱量が増大した場合においても、感度の低下を抑制し、被測定流体の流量を計測することが可能となる。この結果、構造が簡素で組み付け易い２線式でありながら高流量域を含む広いレンジで測定可能な渦流量計を提供することができる。

前記渦流量計において、発熱抵抗体を複数設けることもできる。

また、前記渦流量計において、発熱抵抗体の近傍に温度センサを備えた構成を採用することができる。かかる場合、温度センサの測定値から被測定流体の流量を算出することができる。

また、前記渦流量計において、発熱抵抗体にヒータ電流を所定の時間流すとともに、ヒータ電流を流す前記時間の長さによって発熱量を制御する駆動回路を採用することもできる。

本発明によれば、被測定流体の流量が増大した場合においても感度が低下することなく、高流領域を含む広いレンジで流量を測定することができる熱式流れセンサ型の２線式渦流量計を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る渦流量計の正面図である。図１に示す渦流量計の側面図（II方向から見た図）である。図１に示す渦流量計の部分断面図である。図２に示す渦流量計の部分断面図である。図３に示す渦流量計の渦発生体の内部構造の説明図である。図３のVI-VI部分における断面図である。本発明の実施形態に係る渦流量計に搭載される熱式流れセンサの斜視図である。図７の熱式流れセンサのVIII-VIII部分における断面図である。本発明の実施形態に係る渦流量計の回路構成図である。本発明の実施形態に係る渦流量計で計測される被測定流体の流量と出力電流との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る渦流量計１について説明する。本実施形態に係る渦流量計は、外部の処理装置から一対の信号線を介して供給された電源電力に基づき動作して被測定流体の流量を計測する一方、計測した流量に係る出力信号を処理装置へと信号線を介して伝送する、いわゆる熱式流れセンサ型の２線式渦流量計である。

まず、図１〜図８を用いて、本実施形態に係る渦流量計１の機械的な構成について説明する。渦流量計１は、被測定流体が流通する流路２ａを形成する流体管２、流路２ａに配置された渦発生体３、渦発生体３の内部に形成されたバイパス流路４、バイパス流路４に配置された熱式流れセンサ１０、熱式流れセンサ１０を駆動する駆動回路５ａ、５ｂ（図９）、各種物理量の演算や駆動回路の制御等を行うＣＰＵ６（図９）等を備えている。

流体管２は、図１及び図２に示すように、円筒状の部材である。流体管２の両端には、図１に破線で示すように、被測定流体を流通させる配管Ｐが接続される。渦発生体３は、図２及び図３に示すように、流体管２の直径よりも長い柱状部材であり、流体管２の壁部に形成された貫通孔２ｂから流体管２内にその径方向に横断するように挿入されている。渦発生体３の外周部と流体管２の貫通孔２ｂとの間には流体管２の密閉性を保持するＯリング２１が配設されている。また、渦発生体３は、固定プレート２２により流体管２に固定されている。

バイパス流路４は、被測定流体の流通方向（図１及び図６における矢印Ａの方向）に対して実質的に直交する方向（図６における矢印Ｂの方向）に延在するように形成されており、その両端部は開口４ａとなっている。バイパス流路４の内部には、渦発生体３で発生する渦列（カルマン渦）により交番の流れが生成される。渦発生体３の内部には、図３及び図５に示すように、バイパス流路４の途中から渦発生体３の上方に向けて、被測定流体の流通方向（矢印Ａ方向）及びバイパス流路４の延在方向（矢印Ｂ方向）に実質的に直交する方向に延在するように小径孔３ａが形成されている。この小径孔３ａの内部には、小径孔３ａの内径よりも僅かに小さい外径を有するパイプ２３が着脱自在に挿入されている。パイプ２３の先端部２３ａには、熱式流れセンサ１０が実装されるセンサアセンブリ２４が固定されている。

熱式流れセンサ１０は、バイパス流路４内を流通する被測定流体に接触するように配置された半導体ダイヤフラムを有する流れセンサである。熱式流れセンサ１０は、図７及び図８に示すように、キャビティ１２が設けられた基板１１、基板１１上にキャビティ１２を覆うように配置された絶縁膜１３、絶縁膜１３に設けられたヒータ１４、ヒータ１４の両側に配置された第１の測温抵抗素子１５及び第２の測温抵抗素子１６、周囲温度センサ１７等を有している。

絶縁膜１３のキャビティ１２を覆う部分は、断熱性のダイヤフラムを構成している。周囲温度センサ１７は、バイパス流路４内を流通する被測定流体の温度を測定する。ヒータ１４は、キャビティ１２を覆う絶縁膜１３の中心に配置されており、ヒータ駆動回路５ｂ（図９）から与えられる電流により発熱する発熱抵抗体として機能して、バイパス流路４を流れる流体を加熱する。なお、本実施形態においては、ヒータ１４を一つだけ設けた例を示したが、ヒータ１４を複数設けることもできる。

第１の測温抵抗素子１５はヒータ１４の一方側の温度を、第２の測温抵抗素子１６はヒータ１４の他方側の温度を、各々検出するために用いられ、いずれもセンサ駆動回路５ａ（図９）から与えられる電流により発熱する発熱抵抗体として機能するとともに、温度センサとして機能する。これら第１及び第２の測温抵抗素子１５、１６の抵抗値に基づいてヒータ１４の両側の温度変化を検出し、バイパス流路４内に生成される交番の流れの周波数に係る情報を得ることが可能となる。このような周波数に係る情報はＣＰＵ６に入力され、被測定流体の体積流量の算出等に使用される。

なお、図７及び図８に示した基板１１の材料としては、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)等が使用可能である。キャビティ１２は、異方性エッチング等により形成される。ヒータ１４、第１の測温抵抗素子１５、第２の測温抵抗素子１６及び周囲温度センサ１７の各材料には白金(Ｐｔ)等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。

このような熱式流れセンサ１０は、図３に示すようにパイプ２３の先端部２３ａが小径孔３ａの最深部まで挿入されることにより、バイパス流路４に臨む位置に配設されることとなる。渦発生体３の小径孔３ａに挿入されたパイプ２３は、図３に示すように、小径孔３ａの上方に形成されかつ小径孔３ａより大きい内径を有する大径孔３ｂに圧入された固定部材２５により固定されている。

固定部材２５を囲む空間は、渦発生体３の外側にＯリング２６を介して取り付けられた円筒状のケース２７により保護されている。ケース２７の上方には、図１〜図４に示すようにハウジング２８が取り付けられている。ハウジング２８の内部には、図４に示すようにターミナル２９が内蔵されており、このターミナル２９には、ＣＰＵ６等が設けられたプリント配線基板３０が配設されている。ハウジング２８の開口部２８ａにはカバー３１が螺合されており、開口部２８ａの反対側には被測定流体の体積流量等を表示する表示部３２が設けられている。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態に係る渦流量計１の電気的な構成（回路構成）について説明する。

熱式流れセンサ１０を駆動する駆動回路（センサ駆動回路５ａ及びヒータ駆動回路５ｂ）は、図示していない外部の処理装置から一対の信号線Ｌ₁、Ｌ₂を介して供給された直流電源Ｂ（例えば２４Ｖ）の電力に基づいて動作する。信号線Ｌ₁、Ｌ₂に流れる電流値の変化に伴って外部負荷に電圧降下が発生し、渦流量計１に供給される電圧は一定しない。このため、定電圧回路９を用いて渦流量計１の内部回路への供給電圧を例えば５Ｖに安定させる。内部回路は、測温抵抗素子１５、１６、センサ駆動回路５ａ、ヒータ駆動回路５ｂ、ＣＰＵ６、Ｄ／Ａ変換器７、出力回路８、オペアンプ（符号なし）等から構成されており、何れも定電圧回路９から供給される定電圧によって動作する。被測定流体が流れていないとき、内部回路で消費される電流の合計が４ｍＡ以下になるように設計されている。測温抵抗素子１５、１６は十分に高い抵抗値に設定されており、これらに流れる電流は小さいので、その発熱量は小さくなるように設計されている。センサ駆動回路５ａは測温抵抗素子１５、１６の中点の電圧を検出し、ＣＰＵ６に入力する。

ＣＰＵ６は、バイパス流路４内に生成される交番の流れの周波数に係る情報に基づいて、被測定流体の体積流量を算出するものであり、演算回路として機能する。具体的には、ＣＰＵ６は、熱式流れセンサ１０の測温抵抗素子１５、１６の抵抗値の変化に基づいてバイパス流路４内に生成される交番の流れの周波数を算出し、この周波数に所定の係数（渦発生体３の幅、ストローハル数、流路断面積等に基づいて決定される係数）を乗じることにより、被測定流体の体積流量を算出する。

ＣＰＵ６は、被測定流体の体積流量に対応する出力電流値を算出し、Ｄ／Ａ変換器７を介して出力回路８へ出力電流値に関する指示信号を送る。この指示信号を受けた出力回路８は、図１０に示すように、信号線Ｌ₁、Ｌ₂に流れる電流（ケーブル電流）を体積流量に比例するように４〜２０ｍＡの範囲で調整する。一方、４〜２０ｍＡのケーブル電流の大きさに応じた電流（ヒータ電流）がヒータ１４に流れる。すなわち、体積流量が小さいときにはケーブル電流が小さいのでヒータ１４へ供給可能な電流（ヒータ電流）も小さい。一方、体積流量が大きいときにはケーブル電流が大きいためヒータ電流を大きくすることができるので、ヒータ１４の発熱量が増加する。従って、被測定流体の流量の増加に伴って感度が低下する（ヒータ温度の変化量が小さくなる）という現象を抑制することができる。

以上説明した実施形態に係る渦流量計１においては、ＣＰＵ６で算出した被測定流体の流量に対応するケーブル電流４〜２０ｍＡの大きさに応じてヒータ１４にヒータ電流を与えて、ヒータ１４を発熱させることができる。従って、被測定流体の流量増大に起因して測温抵抗素子１５、１６から奪われる熱量が増大した場合においても、被測定流体の流量を正確に計測することが可能となる。この結果、本実施形態に係る渦流量計１は、構造が簡素で組み付け易い２線式でありながら高流量域において高い感度を有するものとなる。

なお、以上の実施形態においては、熱式流れセンサの発熱抵抗体（ヒータ１４）に、ケーブル電流の大きさに応じてヒータ電流を流しているが、この際、ヒータ電流を流す時間を制御することにより発熱量を調整することができる。例えば、ヒータ駆動回路５ｂが発熱抵抗体に流すヒータ電流の時間を制御することで発熱量を調整することができる。例えば、発熱量を大きくする場合にはヒータ電流を流す時間を長くし、発熱量を小さくする場合にはヒータ電流を流す時間を短くすることができる。

また、以上の実施形態においては、測温抵抗素子１５、１６の抵抗値に基づいて、バイパス流路４内に生成される交番の流れの周波数に係る情報を取得し、この周波数に係る情報に基づいて被測定流体の体積流量を算出した例を示したが、ヒータ１４（発熱抵抗体）の抵抗値に基づいて、前記交番の流れの周波数に係る情報を取得して体積流量を算出することもできる。その他、本発明を、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可能である。

１…渦流量計
２ａ…流路
３…渦発生体
４…バイパス流路
５ａ…センサ駆動回路
５ｂ…ヒータ駆動回路
６…ＣＰＵ
１０…熱式流れセンサ
１４…ヒータ（発熱抵抗体）
１５…第１の測温抵抗素子（温度センサ）
１６…第２の測温抵抗素子（温度センサ）
Ｂ…直流電源
Ｌ₁・Ｌ₂…信号線

Claims

被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、前記渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、前記バイパス流路に配置される発熱抵抗体と、を備え、前記交番の流れの周波数を前記発熱抵抗体の抵抗値で計測して被測定流体の流量を算出する一方、算出した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線を介して伝送する渦流量計であって、
前記出力電流の大きさに応じたヒータ電流を前記発熱抵抗体に与えて前記発熱抵抗体を発熱させる、
渦流量計。
前記発熱抵抗体は、複数設けられるものである、
請求項１に記載の渦流量計。
前記発熱抵抗体の近傍に温度センサを設け、前記温度センサの測定値から被測定流体の流量を算出する、
請求項１又は２に記載の渦流量計。
前記発熱抵抗体にヒータ電流を所定の時間流すとともに、ヒータ電流を流す前記時間の長さによって発熱量を制御する駆動回路を備える、
請求項１から３の何れか一項に記載の渦流量計。