JP6143456B2 - 流量センサ及び流量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を検出する流量センサと、この流量センサとフローコントローラを用いて流体の流量を制御する流量制御装置に関する。

従来、流体の流量を検出する流量センサとして、例えば下記の特許文献１に開示された面積式流量計が知られている。この流量計は、測定管を挟んで発光ダイオードとフォトトランジスタがアレイ状に並べて配置されており、発光ダイオードから測定管内のフロートに向けて照射した光をフォトトランジスタで受光し、フォトトランジスタ上に生じた影からフロートの位置を検出して流量を測定するものである。

特開２００１−１５３６９７号公報

しかしながら、従来の面積式流量計によると、以下のような問題点があった。
（１）発光ダイオードから測定管を透過した光をフォトトランジスタで受光してフロートの位置を検出するため、測定管の材質は光を透過する透明なものでなければならない。
（２）光を遮蔽するような着色された流体の場合には、フォトトランジスタが受光することができないため、測定対象の流体は着色されていないものに限られてしまう。
（３）流体中に気泡が混入すると、照射した光が気泡によって屈折するため、フロートの位置を検出できなくなる。
（４）測定管の外部からフォトトランジスタに光が入ると、その光の影響によりフロートの位置を誤って検出し、流量の測定値に誤差が生じてしまう。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、測定管の材質や測定対象の流体の制約を受けることなく、フロートの位置を正確に検出し、流量を精度良く測定することが可能な流量センサとこの流量センサを利用した流量制御装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明の流量センサは、流体の流量に応じて測定管内を移動するフロートと、前記フロートからの磁力線の磁気角度に基づいて前記フロートの位置を検出するＴＭＲ角度センサと、を備え、前記ＴＭＲ角度センサが前記フロートの移動方向に沿って等間隔で複数個並んで配置されており、各ＴＭＲ角度センサの出力を合算した連続波形が出力されることを特徴とする。本発明ではＴＭＲ角度センサを利用することにより、センサを通過するフロートの磁力線の磁気角度に対応した出力電圧が得られるため、この出力電圧とフロートの位置とを関連付けることで流量を算出することができる。また、１個のＴＭＲ角度センサでは検出可能なフロートの移動距離が短いため、複数個のＴＭＲ角度センサをフロートの移動方向に沿って並べて配置することにより、フロートのより長い移動距離を検出することが可能になる。

また、本発明の流量センサにおいて、前記測定管が、半透明または不透明な非磁性体により構成されていても良い。本発明では磁力線の磁気角度に基づいてフロートの位置を検出するため、測定管の素材は磁力線を通す非磁性体であれば特に限定されない。

また、本発明の流量制御装置は、前記いずれかの構成からなる流量センサと、前記流量センサにより測定した流量測定値が予め設定した流量設定値と等しくなるように前記測定管に装着されたバルブの開閉度を制御するフローコントローラと、を備えたことを特徴とする。この流量制御装置によれば、流量センサの測定管内を流れる流体の流量がフローコントローラにより予め設定された流量に自動的に制御される。

以上の構成から明らかなように、本発明によれば、従来に比べて以下のような有利な効果が得られる。
（１）フロートから測定管を通過した磁力線をＴＭＲ角度センサで受けてフロートの位置を検出するため、測定管は磁力線を通過させるものであれば透明なものに限られないので、測定管の材質の選択の幅が広がる。
（２）着色された流体であっても影響を受けないため、測定可能な流体の種類が増える。
（３）流体中に気泡が混入していても、磁力線には影響を与えないため流量測定が可能になる。
（４）ＧＭＲセンサを使用した場合には磁束密度を検出しているため、温度に対する安定性が良くないが、ＴＭＲ角度センサを使用した場合には磁力線の磁気角度を検出しているため、温度の影響を受けて測定値に誤差が生じることがなく、常に安定した高精度な流量測定が可能になる。

本発明の流量センサを利用した流量制御装置の構成を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。 図１の流量制御装置の機能を示す説明図である。 ＴＭＲ角度センサにより検出される磁力線の方向と出力電圧の関係を示す説明図である。 ＴＭＲ角度センサをフロートの位置検出に使用した場合の磁力線の方向と出力電圧の関係を示す説明図である。 複数個のＴＭＲ角度センサを一列に並べて配置した場合の磁力線の方向と出力電圧の関係を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の流量制御装置１は、流量センサ２により流体の流量を検出する流量検出部と、フローコントローラ３により流体の流量を制御する流量制御部とを備えている。

流量センサ（流量検出部）２は、測定管４と、フロート５と、複数個のＴＭＲ角度センサ６，６，…とから構成されている。

測定管４は、磁力線を通す非磁性体からなり、側面には上流配管から流体が流入する流入口７と下流配管へと流体を流出する流出口８が設けられ、内部には流入口７と流出口８を連通させる流路９が設けられている。測定管４は、上流から下流に向かって流路９の内径が次第に大きくなるテーパー管であり、流路９の中心にはフロート５を支持するガイドポール１０が立設されている。また、測定管４の正面には、目視で流量を読み取るための流量目盛１１が表示されている。なお、測定管４の材質は非磁性体であれば特に限定されず、透明でない半透明や不透明なもの、あるいは着色されたものであっても良い。

フロート５は、流路９の上下に固定されたストッパ１２，１２により抜け止めされており、流路９を流れる流体の流量に応じて、ガイドポール１０に案内されて昇降自在に移動するようになっている。ここで、フロート５の形状は特に限定されず、円錐形や球形にすることもでき、ガイドポール１０を省略することもできる。また、フロート５にはリング状のマグネット１３が内蔵されている。マグネット１３は、その磁極が流体の移動方向を向くように配置され、図の例では上側がＳ極、下側がＮ極となるように配置されている。なお、フロート５は磁性を有するものであれば特に制約はなく、フロート５自体を磁性材料で構成しても良い。

ＴＭＲ角度センサ６は、ＴＭＲ（トンネル型磁気抵抗）素子を利用した磁気センサであって、センサを通過する磁力線の方向と角度に対応した出力電圧を電気信号として出力するものである。本実施形態では、複数個（図の例では６個）のＴＭＲ角度センサ６，６，…が、フロート５の移動方向（本実施形態ではガイドポール１０の長さ方向）と平行になるように、測定管４の背面に一列に等間隔で並んで配置されており、フロート５の位置を正確に検出するように構成されている。なお、ＴＭＲ角度センサ６によるフロート５の位置検出方法については後述する。

フローコントローラ（流量制御部）３は、バルブ１４と、ステッピングモータ１５と、コントローラ１６とから構成されている。

バルブ１４は、図２のようにボディ１７を流出口８に取付固定することにより、流量センサ２に装着される。ボディ１７の内部には、ステッピングモータ１５の駆動により開閉する電気制御弁を備えており、この電気制御弁の開閉度を調節することにより、流出口８から下流配管へと流れる流体の流量が調節される。なお、ボディ１７と流出口８との接合部は、Ｏリング１８によりシールされる。

コントローラ１６は、信号ケーブル１９を介してステッピングモータ１５と流量センサ２に接続されている。コントローラ１６では、流量センサ２から伝送された流量測定値を示す電気信号と、外部から流量設定値を決定するために入力されたアナログ信号またはデジタル信号を制御部で比較し、流量測定値が流量設定値より多ければバルブ１４を絞り、流量測定値が流量設定値より少なければバルブ１４を開くようにステッピングモータ１５に駆動信号を出力する。これにより、流量測定値が流量設定値と等しくなるようにバルブ１４の開閉度が制御される。

本発明の流量制御装置１は以上のとおり構成されており、流量センサ２の測定管４がテーパー管であるため、フロート５が流入口７側にあるときには測定管４とフロート５の隙間が狭く、逆に流出口８側にあるときには測定管４とフロート５の隙間が広くなる。そして、流入口７から流入した流体はその隙間を通過する際に絞られるので、フロート５を境に上流側と下流側の間で圧力差が生じる。このため、流路９を通過する流体の差圧に応じてフロート５が流路９内を昇降し、差圧が均衡したところで停止する。したがって、フロート５が停止した位置において、測定管４の正面に表示された流量目盛１１を読み取ることにより、目視で流量を計測することができる。

また、本発明の流量制御装置１によれば、流量センサ２として、複数個のＴＭＲ角度センサ６，６，…がフロート５の移動方向に沿って等間隔で並んで配置されている。これにより、フロート５の位置が正確に検出され、測定管４内を流れる流体の流量が算出される。以下にその原理を説明する。

（センサの動作）
ＴＭＲ角度センサは、図３（ａ）のようにセンサの上または下でマグネットを回転させると、図３（ｂ）のように０°から最大３６０°の範囲内で、センサを通過する磁力線の方向に対応して、図３（ｃ）のようなサイン波形の出力電圧が得られる。ここで、図３（ｃ）において、出力電圧は２．５Ｖを中心に下は２．２Ｖ、上は２．８Ｖまで振れているが、これはセンサに５Ｖの電圧を印加した場合の一例である。

本発明では、このＴＭＲ角度センサを流量センサにおけるフロートの位置検出に使用するために、図４（ａ）に示すように、マグネットを内蔵したフロートの横にＴＭＲ角度センサを設置している。ここで、フロートは前記のように流量に応じて流路内を昇降するので、フロートがＴＭＲ角度センサの横を通過する際、通過前と通過後でセンサに入射する磁力線の方向が連続的に変化する。したがって、ＴＭＲ角度センサの出力電圧も連続的に変化するため、この出力された電圧値に基づいて流量が算出される。

すなわち、フロートがＴＭＲ角度センサの下側から近づく場合、最初のうちはフロートの磁力がセンサを動作させるのに十分な強度で届いていないため、センサは動作しない（図４（ａ）のａ区間）。したがって、出力電圧も変化がなく出力レンジの下限に近い値を維持している（図４（ｂ）のａ区間）。

ここでフロートが上昇し、ＴＭＲ角度センサを動作させるのに十分な強度の磁力が届くと、センサを通過する磁力線の方向に対応して、比例直線的に変化する出力電圧が得られる（図４（ａ）（ｂ）のｂ区間）。

更にフロートが上昇すると、フロートとＴＭＲ角度センサとの間の距離が離れ、センサを動作させるのに十分な強度の磁力が届かなくなる（図４（ａ）のｃ区間）。すると、これと同時に、出力電圧が変化しなくなり、出力レンジの上限に近い値で固定される（図４（ｂ）のｃ区間）。

以上がＴＭＲ角度センサの動作であり、少なくとも１個のＴＭＲ角度センサがあればフロートの位置を検出することができる。ただし、１個のＴＭＲ角度センサだけでは、検出可能な範囲が流量センサの流量目盛の範囲に比べて狭くなってしまう。そこで、本実施形態では、複数個のＴＭＲ角度センサをフロートの移動方向に沿って一列に並べて配置し、各センサの出力を合算した連続波形を出力することにより、以下のように広い範囲での位置検出を可能にしている。

（センサの切替）
図５は、フロートの位置と複数個のＴＭＲ角度センサの切替との関係を示したものである。フロートがＡの位置にあるとき、マグネットの磁場はセンサ１〜６を動作させるのに十分な強度で届いていないため、センサ１〜６の出力電圧は出力レンジの下限に近い値を維持している。

フロートがＡの位置から浮き上がってＢの位置に来ると、マグネットの磁場はセンサ１を動作させ、センサ１の出力電圧が比例直線的に上昇していく。このとき、他のセンサ２〜６はマグネットの磁場の影響を受けていないので、その出力電圧は出力レンジの下限に近い値を維持している。また、ＣとＤの位置でも、センサ１はフロートの位置に対応した出力電圧を出力し、他のセンサ２〜６の出力電圧は出力レンジの下限に近い値のままである。

続いて、フロートがＥの位置まで上昇すると、センサ１とマグネットとの距離が離れ、マグネットの磁場はセンサ１を動作させるのに十分な強度で届かなくなるため、センサ１の出力電圧は出力レンジの上限に近い値で固定される。このとき、ほぼ同時にセンサ２がマグネットの磁場の影響を受けるため、センサ２はフロートの位置に対応した出力電圧を出力するようになる。

そして、フロートがＦの位置まで上昇すると、センサ１は出力レンジの上限に近い出力電圧、センサ２はフロートの位置に対応した出力電圧、センサ３〜６は出力レンジの下限に近い出力電圧になっている。更にフロートが上昇すれば、センサ２もセンサ１と同様に出力レンジの上限に近い値で固定され、代わりにセンサ３がフロートの位置に対応した出力電圧を出力するようになる。

以上のように、本発明の流量制御装置１によれば、流量センサ２として、複数個のＴＭＲ角度センサ６，６，…がフロート５の位置に応じて順次その出力を切り替えていき、各ＴＭＲ角度センサ６の出力電圧の波形が変化していく。したがって、コントローラ１６に出力された各ＴＭＲ角度センサ６の出力電圧の連続波形を解析することにより、広い範囲にわたってフロート５の位置が正確に検出され、測定管４内を流れる流体の流量を精度良く測定することができる。

１…流量制御装置
２…流量センサ
３…フローコントローラ
４…測定管
５…フロート
６…ＴＭＲ角度センサ
７…流入口
８…流出口
９…流路
１０…ガイドポール
１１…流量目盛
１２…ストッパ
１３…マグネット
１４…バルブ
１５…ステッピングモータ
１６…コントローラ
１７…ボディ
１８…Ｏリング
１９…信号ケーブル

Claims (3)

1. 流体の流量に応じて測定管内を移動するフロートと、前記フロートからの磁力線の磁気角度に基づいて前記フロートの位置を検出するＴＭＲ角度センサと、を備え、前記ＴＭＲ角度センサが前記フロートの移動方向に沿って等間隔で複数個並んで配置されており、各ＴＭＲ角度センサの出力を合算した連続波形が出力されることを特徴とする流量センサ。
2. 前記測定管が、半透明または不透明な非磁性体により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
3. 請求項１または２に記載の流量センサと、前記流量センサにより測定した流量測定値が予め設定した流量設定値と等しくなるように前記測定管に装着されたバルブの開閉度を制御するフローコントローラと、を備えたことを特徴とする流量制御装置。