JP5638268B2 - 渦流量計及びコンパレータ閾値設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、渦流量計及びコンパレータ閾値設定方法に関する。

従来より、ガスが流通する所定の流路が形成されたガス管に配置した渦発生体により渦列（カルマン渦）を発生させてガス振動を生成し、このガス振動の周波数に基づいて被測定ガスの流量を測定（算出）する渦流量計が提案され、実用化されている。また、現在においては、渦発生体の下流側に、被測定ガス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ガス振動の周波数を検出して被測定ガスの体積流量を算出する流量計が提案され、実用化されている。さらに、この体積流量を質量流量に変換する渦流量計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年においては、ガスが流れる流路内に配置された渦発生体により発生したカルマン渦の渦発生周波数成分を、渦発生体に形成されたバイパス流路内に配置したフローセンサで検出する検出器と、このフローセンサからの検出出力に基づき渦発生周波数を算出し、その渦発生周波数及びバイパス流路内の流体圧力に基づき質量流量を算出する変換器と、からなるカルマン渦流量計も紹介されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−９３３４９号公報 特開２００４−１１７１５８号公報

ところで、ガスの渦周波数を流れセンサによって検出する前述した渦流量計においては、検出したセンサ信号の振幅がコンパレータ閾値（ガスが流路内を流通しているか否かを判別するための信号振幅閾値）を超えた場合に、そのセンサ信号の周波数が有意である（ガスが流路内を流通している）と判定して流量演算を実施している。

このようなガス流の有無を判別するためのコンパレータ閾値を比較的小さい値に設定すると、低圧・低流速の流れを検出することが可能であるが、流路内で発生するゆらぎや電気ノイズの影響を受け易くなり、流量の誤検出（被測定流体が流通していないにもかかわらず流量表示をすること）を招く虞がある。このため、従来の渦流量計を採用した場合には、使用者がコンパレータ閾値を使用状況に応じて手作業で設定し直す必要があり、手間がかかっていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ガス流の有無を判別するためのコンパレータ閾値を自動設定することができる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内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、流路内における被測定流体の圧力値を検出する圧力センサと、交番の流れの振幅及び周波数を検出する流れセンサと、この流れセンサで検出した交番の流れの振幅がコンパレータ閾値を超えた場合に交番の流れの周波数に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出手段と、を備える渦流量計であって、流路内における被測定流体の圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報を記録する情報記録手段と、圧力センサで検出した圧力値と情報記録手段に記録した圧力閾値情報とに基づいてコンパレータ閾値を自動設定する閾値設定手段と、を備えるものである。

また、本発明に係るコンパレータ閾値設定方法は、被測定流体が流通する流路内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、を備え、交番の流れの振幅がコンパレータ閾値を超えた場合に交番の流れの周波数に基づいて被測定流体の流量を算出する渦流量計のコンパレータ閾値を設定する方法であって、流路内における被測定流体の圧力値を検出する圧力検出工程と；圧力検出工程で検出した圧力値と、流路内における被測定流体の圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報と、に基づいてコンパレータ閾値を自動設定する閾値設定工程と；を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、ガス流の有無を判別するためのコンパレータ閾値を、流路内における被測定流体の圧力値に応じて自動設定することができる。すなわち、流路内における被測定流体の圧力値が高くなると同一流速下でも交番の流れの振幅が大きくなることが実験で確認されているため、被測定流体の圧力値とコンパレータ閾値との相関関係（被測定流体の圧力値が増加するとコンパレータ閾値が増加するような関係）を圧力閾値情報として予め記録しておき、検出した圧力値と記録した圧力閾値情報とに基づいてコンパレータ閾値を自動設定することができる。従って、ノイズの影響を受け難くして流量の誤検出を抑制することが可能となる。

前記渦流量計において、バイパス流路に配置された発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の近傍に設置され発熱抵抗体により加熱された被測定流体の温度変化を測定する温度センサと、を有する流れセンサを採用することができる。

かかる構成を採用すると、温度センサを用いて、発熱抵抗体により加熱された被測定流体の温度変化を検出することにより、バイパス流路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できる。

本発明によれば、ガス流の有無を判別するためのコンパレータ閾値を自動設定することができる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に示す渦流量計を図１に示す矢印II方向から見た側面図である。 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に示すVI-VI線に沿った断面図である。 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に示すVIII-VIII線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る渦流量計の機能的構成を示すブロック図である。 被測定ガスのセンサ信号の時間履歴を示すタイムチャートである。 被測定ガスの流速とセンサ信号振幅との相関関係を圧力毎に示すグラフである。 本発明の実施形態に係る渦流量計のコンパレータ閾値設定に用いられるマップである。 本発明の実施形態に係る渦流量計の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る渦流量計について説明する。各図においては、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態に限定するものではない。

本実施形態に係る渦流量計１は、図１、図２、図６及び図９等に示すように、被測定ガスが流通する流路２ａを形成する流体管２、流路２ａ内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内に配置された熱式流れセンサ１０、熱式流れセンサ１０のヒータ１４（発熱抵抗体）に電流を与えて発熱させる駆動回路５、被測定ガスの圧力を検出する圧力センサ６、各種情報や制御プログラムを記録するメモリ７、各種物理量の演算や駆動回路５の制御等を行う中央制御部８、各種情報を表示する表示部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、短い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、被測定ガスを流通させる配管１００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、被測定ガスの流通方向（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、被測定ガスの流通方向（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ガス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ガスの温度を検出する。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、駆動回路５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。本実施形態においては、駆動回路５が、周囲温度センサ１７で測定された被測定ガスの温度よりもヒータ１４の温度が一定温度高くなるようにヒータ１４に電流を与えて発熱させる。

第１の測温抵抗素子１５は、ヒータ１４の一方側の温度を検出するために用いられ、第２の測温抵抗素子１６は、ヒータ１４の他方側の温度を検出するために用いられ、いずれも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によりヒータ１４の両側の温度差に対応するセンサ信号を検出して、バイパス流路４内に生成される交番の流れの振幅や周波数に係る情報を得ることが可能となる。すなわち、ヒータ１４、第１及び第２の測温抵抗素子１５、１６を有する熱式流れセンサは、本発明における流れセンサとして機能する。このような周波数に係る情報は、中央制御部８に入力され、被測定ガス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に挿入された固定部材２５により固定されている。

また、固定部材２５の上部には、図４に示すように被測定ガスの圧力を検出する圧力センサ６が配設されている。

固定部材２５の外周面には、熱式流れセンサ１０及び圧力センサ６の図示されていない信号増幅用プリント配線基板が設けられており、熱式流れセンサ１０の接続線１８は、パイプ２３の内部空間を通ってこのプリント配線基板に接続されている。このプリント配線基板や圧力センサ６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、メモリ７や中央制御部８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、被測定ガスの質量流量等の各種情報を表示する表示部９が設けられている。

メモリ７には、流路２ａ内における被測定ガスの圧力値と、コンパレータ閾値（ガスが流路内を流通しているか否かを判別するための信号振幅閾値）と、の相関関係を規定する圧力閾値情報が予め記録されている。このような被測定ガスの圧力値とコンパレータ閾値との相関関係について、図１０〜図１２を用いて説明する。

渦流量計１のバイパス流路４内に生成される被測定ガスの交番の流れは、第１及び第２の測温抵抗素子１５、１６を介して、図１０に示すような波形のセンサ信号（電圧）として検出される。一般的な渦流量計においては、このセンサ信号の振幅Ａが所定のコンパレータ閾値を超えた場合に、センサ信号の周波数が有意である（ガスが流路内を流通している）と判定して流量演算を実施している。

ここで、被測定ガスの圧力が大きくなると、図１１に示すように同一流速下でもセンサ信号の振幅が大きくなることが実験で確認されている。従って、本実施形態においては、被測定ガスの圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報の例として、図１２に示すような線形マップＭ₁を挙げることとしている。メモリ７は、本発明における情報記録手段として機能する。

中央制御部８は、圧力センサ６で検出した圧力値と、メモリ７に記録した線形マップＭ₁（図１２）と、に基づいてコンパレータ閾値を自動設定する。また、中央制御部８は、バイパス流路４内に生成される交番の流れのセンサ信号の振幅が設定したコンパレータ閾値を超える場合に、この交番の流れのセンサ信号の周波数と、周囲温度センサ１７及び圧力センサ３９で検出された情報と、に基づいて、被測定ガスの質量流量を算出する。すなわち、中央制御部８は、本発明における閾値設定手段及び流量算出手段として機能するものである。

次に、本発明の実施形態に係る渦流量計１の動作について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態に係る渦流量計１においては、流路２ａ内を流通する被測定ガスの圧力値に応じてコンパレータ閾値を自動設定する「コンパレータ閾値設定方法」を実施することができる。

まず、ステップＳ１において渦発生体３により被測定ガスが流通する流路２ａ内で渦を発生させた後、ステップＳ２に進み、この渦によりバイパス流路４内に交番の流れを生成させる。次いで、ステップＳ３に進み、周囲温度センサ１７を用いて被測定ガスの温度を検出し、検出された温度よりもバイパス流路４内に配置されたヒータ１４の温度が一定温度高くなるように中央制御部８が駆動回路５を制御してヒータ１４に電流を与えて発熱させる。

次いで、ステップＳ４に進み、圧力センサ６を用いて被測定ガスの圧力を検出した後、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、中央制御部８が、ステップＳ４で検出した圧力値と、メモリ７に記録されている圧力閾値情報と、に基づいてコンパレータ閾値を自動設定する。例えば、中央制御部８は、圧力センサ６で検出した圧力値が３００ｋＰａである場合に、図１２の線形マップＭ₁を用いてコンパレータ閾値を「３．０（Ｖ）」に設定する。ステップＳ４は本発明における圧力検出工程に相当し、ステップＳ５は本発明における閾値設定工程に相当する。

続いて、ステップＳ６に進み、熱式流れセンサ１０を用いて、バイパス流路４内に生成される交番の流れのセンサ信号を検出する。その後、ステップＳ７に進む。ステップＳ７において、中央制御部８は、ステップＳ６で検出したセンサ信号の振幅が、ステップＳ５で自動設定したコンパレータ閾値を超えるか否かを判定し、肯定的な判定が得られた（ステップＳ７：ＹＥＳ）場合はステップＳ８に進む。一方、ステップＳ７で否定的な判定が得られた（ステップＳ７：ＮＯ）場合は、ステップＳ４に戻って圧力検出から振幅判定までの工程を繰り返す。

ステップＳ８では、中央制御部８が、ステップＳ６で検出したセンサ信号の周波数に所定の係数を乗じて被測定ガスの体積流量を算出し、この体積流量と、ステップＳ３で検出された温度と、ステップＳ４で検出された圧力値と、に基づいて被測定ガスの質量流量を算出する。このように算出された質量流量は、表示部９に表示される。

以上説明した実施形態における渦流量計１においては、ガス流の有無を判別するためのコンパレータ閾値を、流路２ａ内における被測定ガスの圧力値に応じて自動設定することができる。すなわち、流路２ａ内における被測定ガスの圧力値が高くなると同一流速下でも交番の流れにおけるセンサ信号の振幅が大きくなることが実験で確認されているため、被測定ガスの圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を特定のマップ（図１２）として予め記録しておき、検出した圧力値と記録したマップとに基づいてコンパレータ閾値を自動設定することができる。従って、ノイズの影響を受け難くして流量の誤検出を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態においては、バイパス流路４内に生じる交番の流れの周波数を検知する温度センサ（第１及び第２の測温抵抗素子１５、１６）をヒータ１４の両側に配置した例を示したが、温度センサを必ずしもヒータ１４の両側に配置しなくてもよく、温度センサをヒータ１４の片側に配置して周波数を検知してもよい。また、ヒータ１４自体の温度変化により、バイパス流路４内に生成される交番の流れの周波数を検知することもできる。

また、本実施形態においては、被測定ガスの圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報として、図１２に示すような線形マップＭ₁を挙げた例を示したが、圧力閾値情報はこれに限られるものではなく、熱式流れセンサの仕様等に応じて適宜変更することができる。例えば、図１２に一点鎖線で示す階段状マップＭ₂や二点鎖線で示す非線形マップＭ３を圧力閾値情報として採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、柱状の渦発生体３を流体管２の貫通孔２ｂから挿入して配置した例を示したが、流体管２に直接柱状の渦発生体３を組み込むような構成を採用することもできる。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
５…駆動回路
６…圧力センサ
７…メモリ（情報記録手段）
８…中央制御部（閾値設定手段、流量算出手段）
１０…熱式流れセンサ（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）

Claims (3)

1. 被測定流体が流通する流路内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、前記流路内における被測定流体の圧力値を検出する圧力センサと、前記交番の流れの振幅及び周波数を検出する流れセンサと、前記流れセンサで検出した交番の流れの振幅がコンパレータ閾値を超えた場合に前記交番の流れの周波数に基づいて被測定流体の流量を算出する流量算出手段と、を備える渦流量計であって、
   前記流路内における被測定流体の圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報を記録する情報記録手段と、
   前記圧力センサで検出した圧力値と前記情報記録手段に記録した圧力閾値情報とに基づいてコンパレータ閾値を自動設定する閾値設定手段と、を備え、
   前記圧力閾値情報は、前記流路内における被測定流体の圧力値が増加するとコンパレータ閾値が増加する関係を規定したものである、渦流量計。
2. 前記流れセンサは、前記バイパス流路に配置された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の近傍に設置され前記発熱抵抗体により加熱された被測定流体の温度変化を測定する温度センサと、を有するものである、請求項１に記載の渦流量計。
3. 被測定流体が流通する流路内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、を備え、前記交番の流れの振幅がコンパレータ閾値を超えた場合に前記交番の流れの周波数に基づいて被測定流体の流量を算出する渦流量計のコンパレータ閾値を設定する方法であって、
   前記流路内における被測定流体の圧力値を検出する圧力検出工程と、
   前記圧力検出工程で検出した圧力値と、前記流路内における被測定流体の圧力値とコンパレータ閾値との相関関係を規定する圧力閾値情報と、に基づいてコンパレータ閾値を自動設定する閾値設定工程と、を備え、
   前記圧力閾値情報は、前記流路内における被測定流体の圧力値が増加するとコンパレータ閾値が増加する関係を規定したものである、コンパレータ閾値設定方法。

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