JP7034852B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して配管を流れる流体の流量を測定する熱式流量計に関する。

従来より、流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。

熱式流量計は、気体の検出が可能であり、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある。また、流路をガラス管から構成することで、腐食性の液体の流量を測定可能とした熱式流量計も用いられている（特許文献１，２参照）。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。

熱式流量計には、ヒータへの供給電力をセンサ出力とする方式（方式１）と、ヒータの上下流の温度差をセンサ出力とする方式（方式２）とがある。例えば、流体を水とし、この水の流量を測定する場合、ヒータ温度を水温に対し、プラス１０℃など一定温度となるようにヒータへの供給する電力を制御し、この時のヒータへの供給電力またはヒータの上下流の温度差をセンサ出力（流体における熱拡散の状態に対応する値）とし、このセンサ出力から水の流量を求める。

〔方式１〕
図５は、ヒータへの供給電力から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式１）を説明する図である。この方式１では、測定対象の流体が流れる配管１００に水温センサ（測温素子）１０１とヒータ（発熱・測温素子）１０２とを設置し、ヒータ１０２の抵抗値変化から検出される温度（発熱温度）ＴＲｈと水温センサ１０１が検出する温度（水温）ＴＲｒとの温度差が一定値（ＴＲｈ－ＴＲｒ＝Ｃｏｎｓｔ）になるようにヒータ１０２へ供給する電力Ｐを制御する。このとき、流体の流量Ｑとヒータ１０２への供給電力Ｐとは、Ｑ∝Ｐの関係となるため、ヒータ１０２への供給電力Ｐから流量Ｑを算出することができる。

〔方式２〕
図６は、ヒータの上下流の温度差から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式２）を説明する図である。この方式２では、測定対象の流体が流れる配管１００に水温センサ（測温素子）１０１と、ヒータ（発熱・測温素子）１０２と、上流温度センサ（測温素子）１０３と、下流温度センサ（測温素子）１０４とを設置し、ヒータ１０２の抵抗値変化から検出される温度（発熱温度）ＴＲｈと水温センサ１０１が検出する温度（水温）ＴＲｒとの温度差が一定値（ＴＲｈ－ＴＲｒ＝Ｃｏｎｓｔ）になるようにヒータ１０２へ供給する電力Ｐを制御する。このとき、上流温度センサ１０３が検出する流体の温度ＴＲｕと下流温度センサ１０４が検出する流体の温度ＴＲｄとの温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）とは、Ｑ∝（ＴＲｕ－ＴＲｄ）の関係となるため、ヒータ１０２の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）から流量Ｑを算出することができる。

なお、上述した方式１では、ヒータ１０２への供給電力Ｐがセンサ出力とされ、上述した方式２では、ヒータ１０２の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）がセンサ出力とされる。ここで、センサ出力をＳとした場合、このセンサ出力Ｓは、簡易的には下記の(１)式で表されることが知られている。

Ｓ＝（Ａ＋Ｂ・μ^1/2）・ΔＴ ・・・・（１）

この（１）式において、Ａ，Ｂは水温センサ１０１やヒータ１０２などの面積、流体の熱伝導率、流体の密度、流体の粘度、熱容量等から決まる定数、μは流速、ΔＴはヒータ１０２の加熱温度（水温からの加熱温度）である。

特開２００６－０１０３２２号公報 特表２００３－５３２０９９号公報

このような熱式流量計では、流体を液体とした場合、配管内に液体が存在していない状態（空状態）であるか否かを判別したいニーズがある。しかしながら、従来の熱式流量計は、空状態であるか否かを判別する手段がなく、空状態と流量ゼロの状態（配管内に液体はあるがその液体の流れが停止している状態）との区別がつかなかった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、配管内に液体が存在しない空状態を確実に検知することが可能な熱式流量計を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、測定対象の液体が流れるように構成された配管（２）と、配管に設置され、電力の供給を受けて発熱するように構成されたヒータ（３）と、ヒータよりも上流側に設置され、液体の温度を検出するように構成された温度センサ（４）と、ヒータの抵抗値変化から検出されるヒータの発熱温度と温度センサによって検出される液体の温度との温度差を求め、この温度差が一定値となるようにヒータへ供給する電力を制御するように構成された制御部（５）と、制御部によって温度差が一定値となるように制御されている時の液体における熱拡散の状態に対応する値をセンサ出力（Ｓ）として出力するように構成されたセンサ出力部（６，１１）と、センサ出力部からのセンサ出力に基づいて配管を流れる液体の流量を求めるように構成された流量算出部（７）と、制御部によって温度差が一定値となるように制御されている時のヒータへの供給電力（Ｐ）を予め定められている閾値（Ｐｔｈ）と比較し、ヒータへの供給電力が閾値よりも小さい場合、配管内に液体が存在しない空状態であると判断するように構成された空状態検知部（８）とを備えることを特徴とする。

本発明では、温度差が一定値となるように制御されている時のヒータへの供給電力を予め定められている閾値と比較し、ヒータへの供給電力が閾値よりも小さい場合、配管内に液体が存在しない空状態であると判断する。例えば、測定対象として想定されている液体のうち熱伝導率が最も低い液体を基準とし、この熱伝導率が最も低い液体の配管内での流れが停止している状態での、制御部によって温度差が一定値となるように制御されている時の、ヒータへの供給電力よりも低い値として閾値を定め、この閾値よりもヒータへの供給電力が小さい場合、配管内に液体が存在しない空状態であると判断する。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、制御部によって温度差が一定値となるように制御されている時のヒータへの供給電力を予め定められている閾値と比較し、ヒータへの供給電力が閾値よりも小さい場合、配管内に液体が存在しない空状態であると判断するようにしたので、空状態と流量ゼロの状態とを区別するようにして、配管内に液体が存在しない空状態を確実に検知することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計の要部の構成を示すブロック図である。 図２は、温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時の配管を流れる液体の流量Ｑとヒータへの供給電力Ｐとの関係を示す図である。 図３は、図２における流量ゼロ点付近の拡大図である。 図４は、ヒータの上下流の液体の温度差をセンサ出力とする方式（方式２）への本発明の適用例を示す図である。 図５は、ヒータへの供給電力から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式１）を説明する図である。 図６は、ヒータの上下流の温度差から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式２）を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計１（１Ａ）の要部の構成を示すブロック図である。この熱式流量計１Ａは、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、配管２と、ヒータ（発熱・測温素子）３と、水温センサ（測温素子）４と、制御部５と、電力計測部（センサ出力部）６と、流量算出部７と、空状態検知部８とを備えている。

配管２は、例えばガラスからなり、測定対象の液体（この例では、水）が流れる。ヒータ３は、配管２の外壁に設置され、制御部５からの電力の供給を受けて発熱する。

水温センサ４は、ヒータ３よりも上流側の配管２の外壁に設置されており、配管２を流れる液体の温度をＴＲｒとして検出する。この水温センサ４は、ヒータ３と水温センサ４の距離をある程度離すことにより、ヒータ３の熱影響を受けない位置に設置されている。この水温センサ４が検出する液体の温度ＴＲｒは制御部５へ送られる。

制御部５は、ヒータ３の抵抗値変化から検出されるヒータ３の発熱温度ＴＲｈと、水温センサ４からの液体の温度ＴＲｒとを入力とし、発熱温度ＴＲｈと液体の温度ＴＲｒとの温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）を求め、この温度差が一定値（例えば、１０℃）となるようにヒータ３へ供給する電力を制御する。

電力計測部６は、制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時のヒータ３への供給電力Ｐを計測し、この計測した供給電力Ｐをセンサ出力（液体における熱拡散の状態に対応する値）Ｓとして流量算出部７へ送る。

流量算出部７は、電力計測部６からのセンサ出力Ｓ（供給電力Ｐ）を、予め設定されている流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、配管２を流れる液体の流量Ｑを求める。

空状態検知部８は、電力計測部６からの流量算出部７へのセンサ出力Ｓ（供給電力Ｐ）を分岐入力とし、すなわち制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時のヒータ３への供給電力Ｐを分岐入力とし、この入力されるヒータ３への供給電力Ｐを予め定められている閾値Ｐｔｈと比較し、ヒータ３への供給電力Ｐが閾値Ｐｔｈよりも小さい場合、配管２内に液体が存在しない空状態であると判断する。

本実施の形態において、閾値Ｐｔｈは、測定対象として想定されている液体のうち熱伝導率が最も低い液体を基準とし、この熱伝導率が最も低い液体の配管２内での流れが停止している状態での、制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時の、ヒータ３への供給電力Ｐよりも低い値として定められている。

図２に、温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時の配管２を流れる液体の流量Ｑとヒータ３への供給電力Ｐとの関係を示す。図２では、測定対象として想定される液体として、「水」，「硫酸３０％」、「過酸化水素５０％」、「イソプロピルアルコール」、「フッ素系液体」の流量Ｑと供給電力Ｐとの関係を例示している。図３は、図２における流量ゼロ点付近の拡大図である。なお、図中、Ｐ０は配管２内に液体が存在していない空状態時における電力（空電力）を示している。

図３から分かるように、空状態時における電力Ｐ０は、流量ゼロの時よりも小さい値となる。配管２が空状態の時は、気体（空気）が満たされている状態であり、液体に比較し、気体の方が熱伝導率が低いため、ヒータ３の熱が伝わりにくくなる。その結果、ヒータ３の消費電力が小さくなり、ヒータ３への供給電力Ｐは小さくなる。

本実施の形態では、測定対象として想定されている液体のうち熱伝導率が最も低い液体をフッ素系液体とし、このフッ素系液体の配管２内での流れが停止している状態での、制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時の、ヒータ３への供給電力Ｐよりも低い値を閾値Ｐｔｈとして定めている。

このように、本実施の形態によれば、制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時のヒータ３への供給電力Ｐを閾値Ｐｔｈと比較し、ヒータ３への供給電力Ｐが閾値Ｐｔｈよりも小さい場合、配管２内に液体が存在しない空状態であると判断するようにしているので、空状態と流量ゼロの状態とを区別するようにして、配管２内に液体が存在しない空状態を確実に検知することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、ヒータ３への供給電力をセンサ出力Ｓとする方式（方式１）へ本発明を適用した場合について示したが、ヒータ３の上下流の液体の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）をセンサ出力Ｓとする方式（方式２）に本発明を適用しても構わない。図４に、方式２に本発明を適用した例を示す。

図４に示した熱式流量計１（１Ｂ）では、ヒータ３の上流側の液体の温度ＴＲｕを検出する上流温度センサ（測温素子）９と、ヒータ３の下流側の液体の温度ＴＲｄを検出する下流温度センサ（測温素子）１０とを、ヒータ３を挾んで配管２の外壁に設けている。また、上流温度センサ９および下流温度センサ１０に対して、温度差算出部（センサ出力部）１１を設けている。

温度差算出部１１は、制御部５が発熱温度ＴＲｈと液体の温度ＴＲｒとの温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるようにヒータ３への供給電力を制御している時の、ヒータ３の上流側の液体の温度ＴＲｕと下流側の液体の温度ＴＲｄとの温度差（ヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ））を算出し、この算出したヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）をセンサ出力（液体における熱拡散の状態に対応する値）Ｓとして流量算出部７へ送る。

流量算出部７は、温度差算出部１１からのセンサ出力Ｓ（ヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ））を、予め設定されている流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、配管２を流れる液体の流量Ｑを求める。

電力計測部６は、制御部５によって温度差（ＴＲｈ－ＴＲｒ）が一定値となるように制御されている時のヒータ３への供給電力Ｐを計測し、この計測したヒータ３への供給電力Ｐを空状態検知部８へ送る。

空状態検知部８は、電力計測部６からのヒータ３への供給電力Ｐを入力とし、この入力されるヒータ３への供給電力Ｐを予め定められている閾値Ｐｔｈと比較し、ヒータ３への供給電力Ｐが閾値Ｐｔｈよりも小さい場合、配管２内に液体が存在しない空状態であると判断する。

また、上述した実施の形態では、流量算出部７において、センサ出力Ｓを流量変換式を用いて流量の値に変換するようにしたが、センサ出力Ｓに対応する流量Ｑの値が登録されている流量変換テーブルを用い、この流量変換テーブルからセンサ出力Ｓに対応する流量Ｑの値を求めるようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、水温センサ４を配管２の外壁に設置するようにしたが、配管２の内壁に設置するようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、本発明の説明では便宜のため空状態を配管２内に液体が存在しない状態と定義したが、これは配管２内に何らの液体が存在しないことを厳密に意味するものではなく、例えば液滴状の液体が少量存在する状態を包含することは明らかである。

１（１Ａ，１Ｂ）…熱式流量計、２…配管、３…ヒータ、４…水温センサ、５…制御部、６…電力計測部、７…流量算出部、８…空状態検知部、９…上流温度センサ、１０…下流温度センサ、１１…温度差算出部。

Claims (5)

1. 測定対象の液体が流れるように構成された配管と、
   前記配管に設置され、電力の供給を受けて発熱するように構成されたヒータと、
   前記ヒータよりも上流側に設置され、前記液体の温度を検出するように構成された温度センサと、
   前記ヒータの抵抗値変化から検出される前記ヒータの発熱温度と前記温度センサによって検出される液体の温度との温度差を求め、この温度差が一定値となるように前記ヒータへ供給する電力を制御するように構成された制御部と、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記液体における熱拡散の状態に対応する値をセンサ出力として出力するように構成されたセンサ出力部と、
   前記センサ出力部からのセンサ出力に基づいて前記配管を流れる液体の流量を求めるように構成された流量算出部と、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記ヒータへの供給電力を予め定められている閾値と比較し、前記ヒータへの供給電力が前記閾値よりも小さい場合、前記配管内に前記液体が存在しない空状態であると判断するように構成された空状態検知部と
   を備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載された熱式流量計において、
   前記閾値は、
   前記測定対象として想定されている液体のうち熱伝導率が最も低い液体を基準とし、この熱伝導率が最も低い液体の前記配管内での流れが停止している状態での、前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の、前記ヒータへの供給電力よりも低い値として定められている
   ことを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項２に記載された熱式流量計において、
   前記測定対象として想定されている液体のうち熱伝導率が最も低い液体は、
   フッ素系液体である
   ことを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載された熱式流量計において、
   前記センサ出力部は、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記ヒータへの供給電力を前記センサ出力として出力する
   ことを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項１～３の何れか１項に記載された熱式流量計において、
   前記センサ出力部は、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記ヒータの上下流の液体の温度差を前記センサ出力として出力する
   ことを特徴とする熱式流量計。

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