JP5294576B2

JP5294576B2 - 流量計

Info

Publication number: JP5294576B2
Application number: JP2007153115A
Authority: JP
Inventors: 正憲安西; 雅己瀬尾; 順一松田; 学村岡
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: JP2008304392A

Description

この発明は、被測定流体の流量や流速を測定する流量計に関するものである。

従来の流量計では、異常時の調査やメンテナンス等により被測定流体が流れる配管から取り外す際、配管内の被測定流体の流れを止めてその圧力を開放してから実施される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３１０７６７号公報

例えば、工場内の空気供給設備の配管に介挿された従来の流量計は、異常時の調査やメンテナンス等のために、遮断弁等で前記配管を閉止して前記配管内の被測定流体の流れを止めた上で配管から取り外すが、配管から取り外す度に空気供給設備の稼働を停止しなければならないという課題があった。つまり、特許文献１の流量計では、異常時の調査やメンテナンスの際、配管内の空気の流れを止めて設備の稼働を停止させる必要がある。

また、異常時の調査やメンテナンス等により流量計を取り外すのであっても、空気供給設備の稼動を起動させる場合は、該流量計の上流側および下流側の配管にそれぞれ遮断弁を設け、更に両遮断弁で閉止した時に、空気の流れを迂回させるバイパス配管を設けることで、配管内の空気の流れを止めず、流量計本体の取り外しが可能になる。ところが、流量計毎に前記遮断弁とバイパス流路を配管に設置することになるので、配管の構成が複雑で設置スペースの肥大化を招く課題があった。

別の方法として、配管内の被測定流体を分流させる流路を内部に有し、この内部流路にセンサを晒して計測する流量計であって、流量計測部が流量計本体から取り外し可能な流量計であれば、流量計測部の上流側および下流側の流量計内部流路に、配管から内部流路へ流れる被計測流体を遮断する遮断弁を設けることで、空気供給設備を稼働させたまま流量計測部の取り外しが可能である。しかしながら、この構成の流量計では、遮断弁やこれを開閉する機構等が必要で部品点数が増加する上、流量計全体の寸法も大きくなり、設置可能な設備が制限されるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で小型化を図ることができ、上述のような遮断弁やバイパス流路を必要とせず、空気供給設備を稼働させたままでも異常時の調査やメンテナンスが可能な流量計を得ることを目的とする。

この発明に係る流量計によれば、被測定流体が流れる主流路と、前記主流路から被測定流体を分流させる第１の分流路と、前記第１の分流路から分流された被測定流体が主流路へ流通する第２の分流路と、前記第１及び前記第２の分流路間の前記主流路に設けた被測定流体の流れを絞る絞り部とを有するボディ部と、前記第１及び前記第２の分流路に連通して被測定流体を流通させる流路を設けた分流路構造部と、前記分流路構造部に設けられた流路に面して配置されたセンサを有し、当該センサが検出した前記分流路から導入された被測定流体の検出結果に基づいて前記被測定流体を計測する流体計測部とを備え、前記流体計測部には、前記分流路構造部を収容するための孔部が形成され、前記分流路構造部及び前記流体計測部は、前記ボディ部に対して着脱自在であって、前記第１の分流路及び前記第２の分流路は、主流路を貫通し、前記被測定流体が前記分流路構造部側へ流出する流量を抑える細孔の絞り部からなることを特徴とするものである。

この発明に係る流量計によれば、第１の分流路及び第２の分流路が、主流路側に開口した細孔の絞り部と、絞り部に連通して当該絞り部の口径よりも大きい口径で分流路構造部側に開口する孔部からなることを特徴とするものである。

この発明によれば、被測定流体が流れる主流路と、主流路から被測定流体を分流させる第１の分流路と、第１の分流路から分流された被測定流体が主流路へ流通する第２の分流路と、第１及び第２の分流路間の主流路に設けた被測定流体の流れを絞る絞り部とを有するボディ部と、第１及び第２の分流路に連通して被測定流体を流通させる流路を設けた分流路構造部と、分流路構造部に設けられた流路に面して配置されたセンサを有し、当該センサが検出した分流路から導入された被測定流体の検出結果に基づいて被測定流体を計測する流体計測部とを備え、分流路構造部及び流体計測部が、ボディ部に対して着脱自在であるので、第１の分流路及び第２の分流路によって主流路から流出する被測定流体の流量が抑えられるから、配管内の被測定流体の流れを止めることなく、分流路構造部及び流体計測部をボディ部から取り外すことができる。これにより、配管内の被測定流体の流れを止めることなく、異常時の調査やメンテナンスを容易に行うことができる上、配管から流出する被測定流体を遮断するための遮断弁等が不要となり、簡易な構成で小型化を図ることができるという効果がある。

この発明によれば、第１の分流路及び第２の分流路が、主流路を貫通する細孔の絞り部からなることを特徴とするので、細孔の絞り部によって主流路から流出する被測定流体の流量が抑えられ、配管内の被測定流体の流れを止めることなく、分流路構造部及び流体計測部をボディ部から取り外すことができるという効果がある。

この発明によれば、第１の分流路及び第２の分流路が、主流路側に開口した細孔からなる絞り部と、絞り部に連通して当該絞り部の口径よりも大きい口径で分流路構造部側に開口する孔部から構成されることを特徴とするので、孔部によって被測定流体が分流路構造部側へ噴出する力が小さくなるため、分流路構造部及び流体計測部をボディ部から着脱し易いという効果がある。また、流体計測部をボディ部に取り付けた状態であっても、絞り部の口径よりも口径が大きい孔部によって、流体計測部側に分流された被測定流体の流速が下がることから、流体が流体計測部に与える物理的な衝撃を緩和することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による流量計の構成を示す図であり、図１（ａ）は側面図を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）中のｂ方向からの矢視図、図１（ｃ）は図１（ａ）中のａ方向からの矢視図である。図１（ａ）に示すように、実施の形態１による流量計１は、ボディ部２及び流体計測部３を備える。ボディ部２は、被測定流体が流れる不図示の配管に取り付けられる構成部品であり、図１（ｂ）に示すように被測定流体が流れるメイン流路（主流路）７が設けられ、その流路途中にオリフィス（絞り部）８が形成される。また、メイン流路７の両端には、ねじ溝を形成した取り付け部７ａが設けられており、例えば気密シールを介して配管の端部が螺合されることにより気密を保って配管に取り付けられる。

流体計測部３は、被測定流体の流量等を計測演算を実行するマイクロコンピュータ等の計測処理部が収容され、この計測処理部と外部装置の間で信号のやり取りをするためのコネクタ５を設けた筐体が取り付け板部３ａと一体に形成されており、図２において後述する分流路構造部１１が収容された基板３ｂを介してボディ部２に取り付けられる。流体計測部３のボディ部２への取り付けは、ボディ部２に設けた不図示のねじ穴に取り付けねじ６を螺合することで行われ、ボディ部２に着脱自在である。このように、流体計測部３及び分流路構造部１１は、ボディ部２に対して着脱自在であることから、従来の技術で説明した遮断弁やバイパス流路等を要さずとも取り外しが可能であり、空気供給設備を稼働させたまま異常時の調査やメンテナンスを行うことができる。なお、流体計測部３及び分流路構造部１１を、ボディ部２から外した状態においては、メイン流路７は後述する分流部（第１の分流路）９及び分流部（第２の分流路）１０を介して、大気に開放されている。

また、流体計測部３には、図１（ｃ）に示すように表示部４ａ及び設定入力部４ｂを備えた表示設定部４が設けられる。表示部４ａは、計測処理部から入力した被測定流体の流量等の計測結果を表示する。設定入力部４ｂは、計測処理部や表示部４ａに設定情報を入力する構成要素であり、例えば設定ボタンを押下することで表示部４ａの表示内容を切り替える設定情報等が入力される。なお、図１の例では、流体計測部３に表示部４ａを装備した場合を示したが、表示部を有さない構成であっても構わない。

図２は、実施の形態１による流量計１を図１（ｂ）中のＡ−Ａ線で切った断面を示す斜視図である。図２に示すように、基板３ｂには、その中央部に孔部が形成されており、この孔部に分流路構造部１１及びこれを囲むように破断面が楕円のゴムパッキン１２が配置される。分流路構造部１１は、ボディ部２側と流体計測部３側の双方の面に流路が形成された板状部材である。この分流路構造部１１を収納した状態で取り付けねじ６をボディ部２に設けたねじ穴に螺合することにより、ゴムパッキン１２が、取り付け板部３ａのセンサ１５側の面とボディ部２の取り付け面とに当接して分流路構造部１１が密閉される。

また、ボディ部２には、オリフィス８の前後に形成したメイン流路７に連通する分流部（第１の分流路）９及び分流部（第２の分流路）１０が形成されている。オリフィス８で生じた差圧によって分流部９を介して被測定流体が分流路構造部１１へ分流され、分流路構造部１１を通った被測定流体が分流部１０を介してメイン流路７へ流出する。なお、分流部９，１０を介してボディ部２と流体計測部３の間を流入出する被測定流体は、分流路構造部１１に配置したフィルタ１３ａ，１３ｂによって除塵される。また、必要に応じて、フィルタ１３ａ，１３ｂがない構成であっても構わない。

分流部９，１０は、メイン流路７を貫通する小口径（径Ｄ）の絞り部９ａ，１０ａと、これに連通する絞り部９ａ，１０ａよりも大口径（径Ｅ）の孔部９ｂ，１０ｂから構成される。メイン流路７から分流された被測定流体は、小口径の絞り部９ａで流速が上昇するが、絞り部９ａよりも口径の大きい孔部９ｂで流速が落とされて分流路構造部１１に導入される。例えば、絞り部９ａ，１０ａは、φ１ｍｍ程度か、これよりも本発明の趣旨を逸脱しない範囲で口径の小さい細孔で構成され、孔部９ｂ，１０ｂは、絞り部９ａ，１０ａを介して上昇した被測定流体の流速が緩和できる口径であればよい。

このように、実施の形態１による流量計１では、細孔の絞り部９ａ，１０ａを有する分流部９，１０を介して、メイン流路７から分流路構造部１１へ被測定流体を分流する。つまり、分流路９，１０が、メイン流路７を貫通する孔からなる絞り部９ａ，１０ａと、絞り部９ａ，１０ａに連通して流体計測部３側に絞り部９ａ，１０ａよりも大きい口径で開口する孔部９ｂ，１０ｂとからなり、絞り部９ａ，１０ａ及び孔部９ｂ，１０ｂを介して流体計測部３側に分流された被測定流体の流速が下がることから、被測定流体が噴出する力が小さくなり、ボディ部２から流体計測部３を着脱し易くすることができる。

例えば、工場内の空気供給設備等では、異常時の調査やメンテナンスのために流体計測部３をボディ部２から一時的に取り外しても、微小口径の絞り部９ａ，１０ａを介して空気漏れが少量生じるだけであるから、配管内の空気の流れを止める必要がない。また、このように空気漏れが少量生じるだけであれば、流体計測部３をボディ部２から一時的に取り外しても、手早く取り付けることが可能であるため、メイン流路７から分流部９，１０へ流れる被測定流体を遮断する遮断弁も不要であるので、簡易な構成で実現できる上、小型化も図ることが可能である。

また、上記説明では、分流部９，１０が絞り部９ａ，１０ａと孔部９ｂ，１０ｂとからなる二段孔の構造を有する場合を示したが、メイン流路７側と流体計測部３側とで開口径が同じ連通孔（絞り部９ａ，１０ａの口径でメイン流路７側から流体計測部３側へ貫通した孔）で分流部９，１０を構成してもよい。このように構成することによっても、配管内の被測定流体の流れを遮断する遮断弁等を要さずとも取り外しが可能であり、空気供給設備を稼働させたまま異常時の調査やメンテナンスを行うことができる。

図３は、図１中の流体計測部及びその周辺構成を示す分解斜視図である。図３に示すように、流体計測部３のボディ部２側の面には、被測定流体を検出するセンサ１５が設けられており、センサ１５の流体検出部が、分流路構造部１１の流体計測部３側の面に形成された流路に面している。分流路構造部１１は、ボディ部２側と流体計測部３側の両面に流路が形成されており、分流部９を介してメイン流路７から分流された被測定流体は、ボディ部２側の面に形成された流路から流体計測部３側の面の第３の流路に流入し、センサ１５が被測定流体に晒された後、ボディ部２側の面に形成された流路から分流部１０を介してメイン流路７へ流出する。

また、分流路構造部１１には、ボディ部２側の面に除塵用のフィルタ１３ａ，１３ｂを設ける他、図３に示すように流体計測部３側の面に金網１４を設けてもよい。この金網１４は、分流路構造部１１の流体計測部３側の面に形成された流路におけるセンサ１５の上流側に配置することで、センサ１５に導入される前の被測定流体の偏流や乱れを整流することができる。

次に、熱式流量センサを用いた流量計で実施の形態１による流量計１を実現した場合について述べる。この流量計では、熱式流量センサを用いて流体の流速を検出し、この検出した流速に流路の断面積を乗じて流体の流量を求める。センサ１５としては、例えば参考文献１に開示された半導体ダイヤフラム構成の熱式流量センサを使用できる。
（参考文献１）；特許第３０９６８２０号

図４は、実施の形態１によるセンサの構成を示す図であり、参考文献１に開示されるセンサ構成とその原理を示している。なお、図４（ａ）は、流量センサの斜視図を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）中の矢印方向に沿って切った断面図である。図４に示す流量センサ１５は、一辺が１．７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシリコンチップなどの基材からなる基台１６を備え、基台１６の上面周縁部に周囲温度センサ２０や電極パッドＰ１〜Ｐ６が形成される。また、基台１６中央のダイヤフラム部１７上には、ヒータ１８、上流側温度センサ２０Ｕ、下流側温度センサ２０Ｄが白金などのパターンを用いて薄膜形成されており、絶縁膜層１７ａで覆われる。なお、白金薄膜は温度に応じて抵抗値が変化し、測温抵抗体として機能する。

ヒータ１８は基台１６の中央に配置され、図４（ａ）中に矢印で示す流体の流れ方向に対してヒータ１８の上流側に上流側温度センサ２０Ｕが配置され、反対側の下流側に下流側温度センサ２０Ｄが配置される。また、基台１６の中央部は、異方性エッチングなどの工程によって、図４（ｂ）に示すように基材の一部が除去されてキャビティ２１が形成されている。キャビティ２１まで貫通するスリット１９を設けたダイヤフラム部１７をキャビティ２１上に形成することで、ヒータ１８、上流側温度センサ２０Ｕ、下流側温度センサ２０Ｄが基台１６から熱的に遮断される。

流量センサ１５の動作原理は、周囲温度センサ２０で計測された流体温度より一定温度、例えば数１０℃だけ高くなるようにヒータ１８で被測定流体を熱して所定の温度分布を発生させ、その温度分布を上流側温度センサ２０Ｕ及び下流側温度センサ２０Ｄで計測することにより、被測定流体の流速を計測する。

例えば、被測定流体が静止している場合、上流側温度センサ２０Ｕ及び下流側温度センサ２０Ｄで得られる温度分布は対称となるが、被測定流体に流れが生じると、その対称性が崩れ、上流側温度センサ２０Ｕに比べて下流側温度センサ２０Ｄで得られる温度が高くなる。この温度差をブリッジ回路で検出することにより、被測定流体の熱伝導率などの物性値に基づいて流速を算出できる。

なお、上述した熱式流量センサはサイズが小さいだけでなく、熱絶縁された極めて薄いダイヤフラム構造を採用しているため、高感度分析、高速応答及び低消費電力という特長を備えている。例えば、被測定流体が１ｃｍ／秒程度の超低流速であっても計測が可能である。従って、この熱式流量センサは、分流部９における微小口径の絞り部９ａを介して被測定流体を分流して流体計測部３内で低流速とする流量計１に好適である。

また、ヒータ１８を挟んだ上流側温度センサ２０Ｕと下流側温度センサ２０Ｄの配置が左右対称になっているため、順流だけではなく逆流の測定も可能となる。例えば、図５（ａ）中に示した破線の矢印方向に被測定流体が逆流した場合であっても、上述のセンサを用いることにより、逆流した被測定流体の計測ができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、被測定流体が流れるメイン流路７と、メイン流路７から被測定流体を分流させる分流部９と、分流部９から分流された被測定流体がメイン流路７へ流通する分流部１０と、分流部９，１０間のメイン流路７に設けた被測定流体の流れを絞るオリフィス８とを有するボディ部２と、分流部９，１０に連通して被測定流体を流通させる流路を設けた分流路構造部１１と、分流路構造部１１に設けられた流路に面して配置されたセンサ１５を有し、当該センサ１５が検出した分流部９，１０から導入された被測定流体の検出結果に基づいて被測定流体を計測する流体計測部３とを備え、分流路構造部１１及び流体計測部３が、ボディ部２に対して着脱自在であるので、被測定流体の流れが絞られることから、配管から一時的に被測定流体が少量漏れたとしても、配管内の被測定流体の流れを止めることなく、流量計測部３をボディ部２から取り外すことができる。これにより、配管内の被測定流体の流れを止めることなく、異常時の調査やメンテナンスを容易に行うことができる上、配管からの被測定流体を遮断する遮断弁等が不要なことから、簡易な構成で小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１による流量計の構成を示す図である。実施の形態１による流量計１を図１（ｂ）中のＡ−Ａ線で切った断面を示す斜視図である。図１中の流体計測部及びその周辺構成を示す分解斜視図である。実施の形態１によるセンサの構成を示す図である。

符号の説明

１流量計
２ボディ部
３流体計測部
３ａ取り付け板部
３ｂ基板
４表示設定部
４ａ表示部
４ｂ設定入力部
５コネクタ
６取り付けねじ
７メイン流路（主流路）
８オリフィス（絞り部）
９分流部（第１の分流路）
１０分流部（第２の分流路）
９ａ絞り部
１０ａ絞り部
９ｂ孔部
１０ｂ孔部
１１分流路構造部
１２ゴムパッキン
１３ａ，１３ｂフィルタ
１４金網
１５センサ
１６基台
１７ダイヤフラム部
１７ａ絶縁層
１８ヒータ
１９スリット
２０Ｕ上流側温度センサ
２０Ｄ下流側温度センサ
２１キャビティ

Claims

被測定流体が流れる主流路と、前記主流路から被測定流体を分流させる第１の分流路と、
前記第１の分流路から分流された被測定流体が主流路へ流通する第２の分流路と、前記第１及び前記第２の分流路間の前記主流路に設けた被測定流体の流れを絞る絞り部とを有するボディ部と、
前記第１及び前記第２の分流路に連通して被測定流体を流通させる流路を設けた分流路構造部と、
前記分流路構造部に設けられた流路に面して配置されたセンサを有し、当該センサが検出した前記分流路から導入された被測定流体の検出結果に基づいて前記被測定流体を計測する流体計測部とを備え、
前記流体計測部には、前記分流路構造部を収容するための孔部が形成され、
前記分流路構造部及び前記流体計測部は、前記ボディ部に対して着脱自在であって、
前記第１の分流路及び前記第２の分流路は、主流路を貫通し、前記被測定流体が前記分流路構造部側へ流出する流量を抑える細孔の絞り部からなることを特徴とする流量計。
第１の分流路及び第２の分流路は、主流路側に開口した細孔の絞り部と、前記絞り部に連通して当該絞り部の口径よりも大きい口径で分流路構造部側に開口する孔部とからなることを特徴とする請求項１記載の流量計。