JP5575359B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、微細な流量を測定する熱式流量計に関し、キャリブレーションやゼロ調整の簡素化を図るとともに、物体の物性値に関する測定値を得ることが可能な熱式流量計に関するものである。

熱式流量計に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００５−２３３８５９号公報 特開２００６−０１０３２２号公報 特開２００６−２２６８６１号公報

図４は従来の温度分布測定型熱式流量計の一例を示す概略構成を示す図である。
図４において、温度分布測定型熱式流量計は、流路１内の被測定液体を加熱する伝熱素子（ヒータ）３と、ヒータ３の上流側およぴ下流側の等距離の位置に設置した第１温度センサ２と、第２温度センサ４とから構成され、第１及び第２温度センサ２、４からの温度測定信号により、被測定流体の流量を測定する演算部（図示省略）とから構成されている。

上記の構成において、図示しない演算部は、別途設けた液温センサ（図示省略）で測定した液体の初期流体温度を基準にして数℃上昇した一定温度になるようヒータ（伝熱素子）３をコントロールする。
流量ゼロでは流体内の温度分布は伝熱素子３を中心に対称であるが、流体が流れることで温度分布のピークが下流側にシフトする。伝熱素子３から等距離で上流側と下流側に設置した第１，第２温度センサ２、４間の温度差は、流量に依存した信号となる。

図示しない演算部は、伝熱素子（ヒータ）３を挟んだ第１及び第２温度センサ２、４で測定した温度の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）に基づいて被測定液体の流量を算出する。
液体の気化を防ぐため、伝熱素子３の温度は、初期流体温度から数℃以内の温度上昇になるようコントロールされている。

ここで、ヒータ３の温度が高すぎると気化する現象が生じるため、ヒータ３のような加熱素子ではなくペルチェ素子等により冷却する場合もあるが、その場合も原理は同様である。
これ以外に、伝熱素子で消費される熱量によって流量を検出する手法や流速に応じて異なるヒータで消費される熱量を検出して被測定液体の流量を算出する手法などもある。

ところで、上述のような従来の熱式流量計では、流量信号が流体の物性値に依存し、流体ごとにキャリブレーションが必要となる。
なお、流量信号が流体の物性値に依存するのは、熱式流量計に特異な問題点ではなく、差圧式や渦式など多くの流量計が流体の物性値に依存する。
また、熱式流量計のもう一つの問題点として、ゼロ点シフトが激しく、キャリブレーションやゼロ調整を頻繁に行なう必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するもので、同じプラットフォームを使って原理の異なる２つの流量測定方式、ここでは、従来の温度分布測定型熱式流量計若しくは消費熱量型熱式流量計に加えて、熱式Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）方式も併用できるようにしておくことで、頻繁なキャリブレーションやゼロ調整をに行なう必要がなく、さらに、流路に流れている流体を予測したり素性のわかっている複数の流体を混合した場合に、混合の度合いを推測することが可能な熱式流量計を提供することを目的とする。

このような課題を達成するための本発明の熱式流量計の構成は、請求項１においては、
流路の近傍に配置され、前記流路を流れる液体を加熱若しくは冷却する伝熱手段と、
前記流路の近傍であって前記伝熱手段から等間隔の上流側及び下流側に配置され、前記液体の温度を測定する第１，第２温度検出手段と、
前記伝熱手段と下流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第３温度検出手段と、
前記伝熱手段と上流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第４温度検出手段と、
前記第１乃至第４温度検出手段からの出力信号に基づいて原理の異なる２つの演算方式で流量を演算する流量演算手段を備えた熱式流量計において、
前記流量演算手段は前記第２温度検出手段からの温度信号を入力して前記伝熱手段が一定温度になるような信号を出力し、
前記流量演算手段には温度分布測定型及び熱式ＴＯＦ方式の２つの方式での流量を測定するための演算式が格納されており、前記伝熱手段及び各温度検出手段からの信号を適宜取り入れると共に所定のタイミングで切換えて交互に演算を行い、前記２つの演算方式の一つで演算した流量信号を基準として他方の方式で演算した流量信号の校正を行うとともに、流量と流体の熱的な物性値を測定することを特徴とする。

流路の近傍に配置され、前記流路を流れる液体を加熱若しくは冷却する伝熱手段と、
前記流路の近傍であって前記伝熱手段から等間隔の上流側及び下流側に配置され、前記液体の温度を測定する第１，第２温度検出手段と、
前記伝熱手段と下流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第３温度検出手段と、
前記伝熱手段と上流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第４温度検出手段と、
前記第１乃至第４温度検出手段からの出力信号に基づいて原理の異なる２つの演算方式で流量を演算する流量演算手段を備えた熱式流量計において、
前記流量演算手段は前記第２温度検出手段からの温度信号を入力して前記伝熱手段が一定温度になるような信号を出力し、
前記流量演算手段には温度分布測定型及び熱式ＴＯＦ方式の２つの方式での流量を測定するための演算式が格納されており、前記伝熱手段及び各温度検出手段からの信号を適宜取り入れると共に所定のタイミングで切換えて交互に演算を行い、前記２つの演算方式の一つで演算した流量信号を基準として他方の方式で演算した流量信号の校正を行うとともに、流量と流体の熱的な物性値を測定するので、液体を流している状態で精度の高いオンラインのままオートキャリブレーションを行なうことができる。また、液体の流れ方向が逆になっても対応可能であり、複数の物性値の合成値から流体の識別が可能となる。
即ち、本発明では、原理の異なる２つの演算方式の一つは温度分布測定型熱式流量計、他の一つは熱式ＴＯＦ方式としている。ＴＯＦ方式は、流体の物性値の影響が小さいので、両方の流量信号が校正されている場合は、例えば流路に流れている流体を予測したり素性のわかっている複数の流体を混合した場合に、混合の度合いを推測することができる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１（ａ，ｂ）は本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図であり、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
これらの図において、５は表面に溝１ａが形成されたガラスチップであり、溝１ａの両端には液体の流入口６および流出口７が形成されている。５ａは溝１ａを覆って配置された薄板状のカバーガラスで、ガラスチップ５に形成された溝１ａを覆うことにより流路１が形成されている。

カバーガラス５ａ上には、ヒータ３の上流側および下流側にヒータ３から等距離で所定の距離を隔てて第１温度センサ２および第２温度センサ４が流路上になるように配置されている。また、ヒータ３と下流側の第１温度センサ２の間の流路上には所定の間隔を隔てて第３温度センサ８が配置され、ヒータ３と上流側の第２温度センサ４の間の流路上には所定の間隔を隔てて第４温度センサ９が配置されている。

１０は流量演算手段で、第１乃至第４温度センサからの温度信号を配線１１を介して入力し、ヒータ３に対して配線１２を介して加熱信号を出力する。
なお、ヒータ３および第１〜第４温度センサは図１（ｃ）に示すようにカバーガラス５ａの内側（流体に接して）に配置してもよい。

上述の構成において流量演算手段１０は第２温度センサか４らの温度信号を入力しヒータ３が初期流体温度から数℃上昇した一定温度になるような信号を出力する。
次に第２温度センサ４からの信号とヒータ３および第１温度センサ２からの信号をもとに図４で示した従来例の温度分布測定型の原理を適用して流量を演算する。

このような温度分布測定型は、ヒータの上下流の温度センサを利用して、流れによる温度分布の歪みを測定する方法である。温度分布測定型および消費熱量測定型の熱式流量計はいずれも流体の物性値に強く依存する。

本発明における流量演算手段１０は上記温度分布測定型の原理を適用した流量測定のほか熱式ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の原理を用いて流量を測定する。
図２（ａ，ｂ）は、熱式ＴＯＦ方式の原理を用いた流量計の説明図である。図における符号は図１に対応している）。

これらの図に示すように、ヒータ３（ｔ_０）で投入した熱が、流れに乗って下流に配置された第３温度センサ８（ｔ₁）→第２温度センサ２（ｔ₂）まで運ばれる時間を温度センサの出力信号の時間差として測定する。この方法では、伝播時間を測定（流速ｖ＝L２／ｔ_２−ｔ_１）しているだけなので、流体の物性値の影響が小さいというメリットがあるが、ゼロ点が測定できない、拡散などの影響で低い流量では測定ができなくなるなど測定流量範囲が狭いなどのデメリットがある。

なお、流量演算手段１０には温度分布測定型および熱式ＴＯＦ方式の流量を測定するための公知の演算式が格納されており、流量演算手段１０はヒータおよび各温度センサからの信号を適宜取り入れると共に所定のタイミングで切換えて交互に演算されるようになっている。

上述の構成によれば、原理の異なる２つの方式を併用することで互いのデメリットを埋め合わせるだけでなく、以下のような付加価値を生み出すものである。
一方の流量信号を利用して、他方の流量信号の校正を行なう。すなわち、液体を流している状態でオンラインのままオートキャリブレーションを行なうことができる。

ＴＯＦ方式は、流体の物性値の影響が小さいので、両方の流量信号が校正されている場合には、逆に、流体の物性値を測定することができる。この場合は、熱的な物性値である
が、ある特定の物性値が測定できるわけでなく、複数の物性値の合成値であり、流体の識別に利用できるような値である。

図３は、２つの流体（水およびエタノール）において、温度分布測定型熱式流量計の出力信号により流量（ｍｌ／ｍｉｎ）を計算したものである。ここでの出力信号は上下流の温度の差を和で規格化したものである。このように流体が異なれば、流量が同じでも流量信号が異なる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示し
たに過ぎない。本実施例では一方の熱式流量計として温度分布測定型の熱式流量計を用いて説明したが、温度分布測定型熱式流量計の代わりに、ヒータでの消費熱量を測定する公知の消費熱量測定型の熱式流量計を用いる構成としても同様の効果を得ることができる。

また、本実施例においては流路を構成する部材としてガラスチップを用いたが、例えばプラスチック部材などであってもよい。更に、本実施例では熱伝手段としてヒータを用いたがペルチェ素子を用いた冷却手段を用いることも可能である。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲
で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の一実施例の要部構成説明図である。 熱式ＴＯＦ方式の流量測定原理を示す説明図である。 温度分布測定型熱式流量計の出力信号により異なる流体の流量（ｍｌ／ｍｉｎ）を計算した説明図である。 従来の温度分布測定型熱式流量計の原理を示す構成説明図である。

符号の説明

１ 流路
２ 第１温度センサ
３ 伝熱手段（ヒータ）
４ 第２温度センサ
５ ガラスチップ
５ａ カバーガラス
６ 流入口
７ 流出口
８ 第３温度センサ
９ 第４温度センサ
１１ 配線
１２ 配線

Claims (1)

1. 流路の近傍に配置され、前記流路を流れる液体を加熱若しくは冷却する伝熱手段と、
   前記流路の近傍であって前記伝熱手段から等間隔の上流側及び下流側に配置され、前記液体の温度を測定する第１，第２温度検出手段と、
   前記伝熱手段と下流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第３温度検出手段と、
   前記伝熱手段と上流側の温度検出手段の間に配置され前記液体の温度を測定する第４温度検出手段と、
   前記第１乃至第４温度検出手段からの出力信号に基づいて原理の異なる２つの演算方式で流量を演算する流量演算手段を備えた熱式流量計において、
   前記流量演算手段は前記第２温度検出手段からの温度信号を入力して前記伝熱手段が一定温度になるような信号を出力し、
   前記流量演算手段には温度分布測定型及び熱式ＴＯＦ方式の２つの方式での流量を測定するための演算式が格納されており、前記伝熱手段及び各温度検出手段からの信号を適宜取り入れると共に所定のタイミングで切換えて交互に演算を行い、前記２つの演算方式の一つで演算した流量信号を基準として他方の方式で演算した流量信号の校正を行うとともに、流量と流体の熱的な物性値を測定することを特徴とする熱式流量計。

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