JP7050591B2 - 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において、配管１００を流れる流体の方向は定まっており、この定まった方向を正方向として流体が流れる。以下、この正方向への流体の流れを正流と呼ぶ。図５，図６の配管１００内の矢印は正流時の流体の流れを示している。

しかしながら、熱式流量計を用いる環境下では、配管１００内の流体が逆方向に流れる（逆流）ことがある。逆流が生じた場合、方式２の熱式流量計（図６）では、ヒータ１０２の上下流の温度差（ＴＲｕ－ＴＲｄ）のプラス・マイナスが逆転する。このため、方式２の熱式流量計では、センサ出力から、配管１００内を流れる流体の逆流を判別することが可能である。

これに対し、方式１の熱式流量計（図５）では、逆流が生じても、ヒータ１０２への供給電力Ｐのプラス・マイナスは逆転せず、正方向の流量と同様にプラスとなる。このため、センサ出力から、配管１００内を流れる流体の逆流を判別することはできない。

なお、真の水温に対し、水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒが高い場合は、逆流していると判別することが可能であるが、図５に示した構成において真の水温は不明であり、水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒを逆流しているか否かの判断に用いることはできない。

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、ヒータへの供給電力をセンサ出力とする方式であっても、逆流の発生を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、測定対象の流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、流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流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流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（６）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流体の流量を求めるように構成された流量算出部（７）と、ヒータへの供給電力を一時的に停止し、ヒータへの供給電力停止後の温度センサによって検出される温度とヒータへの供給電力停止前の温度センサによって検出されていた温度とを比較し、停止後の温度が停止前の温度に対して低下する場合に配管を流れる流体に逆流が発生していると判断するように構成された逆流検知部（８）とを備え、温度センサは配管を流れる流体の逆流時にヒータの熱影響を受ける位置に設置されていることを特徴とする。

本発明では、配管を流れる流体の逆流時にヒータの熱影響を受ける位置に温度センサを設置する。すなわち、ヒータと温度センサの距離をある程度近いものとし、配管を流れる流体の逆流時に温度センサがヒータの熱影響を受けるようにする。そして、ヒータへの供給電力を一時的に停止し、温度センサによって検出されるヒータへの供給電力の停止後の温度と停止前の温度とを比較し、停止後の温度が停止前の温度に対して低下する場合、配管を流れる流体に逆流が発生していると判断する。これにより、ヒータへの供給電力をセンサ出力とする方式であっても、逆流の発生を検知することが可能となる。

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、配管を流れる流体の逆流時にヒータの熱影響を受ける位置に温度センサを設置し、逆流検知部を設け、ヒータへの供給電力を一時的に停止し、温度センサによって検出されるヒータへの供給電力の停止後の温度と停止前の温度とを比較し、停止後の温度が停止前の温度に対して低下する場合に配管を流れる流体に逆流が発生していると判断するようにしたので、ヒータへの供給電力をセンサ出力とする方式であっても、逆流の発生を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、配管を流れる流体が正流である場合を示す図である。 図３は、配管を流れる流体に逆流が生じている場合を示す図である。 図４は、ヒータの上下流の流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、逆流検知部８とを備えている。

配管２は、例えばガラスからなり、測定対象の流体（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を流れる流体の温度を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の距離をある程度近いものとすることにより、配管２を流れる流体の正流時にはヒータ３の熱影響を受けないが、配管２を流れる流体の逆流時にはヒータ３の熱影響を受ける位置に設置されている。水温センサ４が検出する流体の温度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からの流体の温度ＴＲｒとを入力とし、発熱温度ＴＲｈと流体の温度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（流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を流れる流体の流量Ｑを求める。

逆流検知部８は、使用者からの指示を受けて、ヒータ３への供給電力Ｐを一時的に停止する指令を制御部５へ送り、供給電力Ｐの停止後の水温センサ４によって検出される温度ＴＲｒ（ＴＲｒ_AF）と供給電力Ｐの停止前の水温センサ４によって検出されていた温度ＴＲｒ（ＴＲｒ_BF）とを比較し、停止後の温度ＴＲｒ_AFが停止前の温度ＴＲｒ_BFに対して低下する場合、配管２を流れる流体に逆流が発生していると判断する。

図２は、配管２を流れる流体が正流である場合、すなわち配管２を流れる流体に逆流が生じていない場合を示している。配管２を流れる流体が正流である場合、ヒータ３で発生した熱は下流方向へ熱伝導する。この場合、水温センサ４は、ヒータ３の熱影響を受けずに、正しい水温を検出する。

図３は、配管２を流れる流体に逆流が生じている場合を示している。配管２を流れる流体が逆流である場合、ヒータ３で発生した熱は上流方向へ熱伝導する。この場合、水温センサ４は、ヒータ３の熱影響を受け、本来の水温よりも高い温度を検出する。

この熱式流量計１Ａにおいて、配管２を流れる流体に逆流が生じているか否かを確認する場合、使用者はスイッチを操作する等して逆流検知部８へ逆流が発生しているか否かの確認指令を送る。この使用者からの確認指令を受けて、逆流検知部８は、ヒータ３への供給電力を一時的に停止する指令を制御部５へ送る。これにより、ヒータ３が一時的に発熱を停止する。

そして、逆流検知部８は、ヒータ３への供給電力の停止後の水温センサ４によって検出される温度ＴＲｒ_AFを取り込み、この温度ＴＲｒ_AFと供給電力Ｐの停止前の水温センサ４によって検出されていた温度ＴＲｒ_BFとを比較する。

逆流が生じていた場合、ヒータ３で発生していた熱の上流方向への熱伝導がなくなるため、水温センサ４が検出する温度ＴＲｒは低くなる。すなわち、ヒータ３への供給電力の停止後の温度ＴＲｒ_AFは停止前の温度ＴＲｒ_BFに対して低下する。

逆流検知部８は、ヒータ３への供給電力の停止後の温度ＴＲｒ_AFが停止前の温度ＴＲｒ_BFに対して低下したことを確認した場合、配管２を流れる流体に逆流が発生していると判断する。

このように、本実施の形態によれば、配管２を流れる流体の逆流時にヒータ３の熱影響を受ける位置に水温センサ４を設置し、逆流検知部８を設け、ヒータ３への供給電力を一時的に停止し、水温センサ４によって検出されるヒータ３への供給電力の停止後の温度ＴＲｒ_AFと停止前の温度ＴＲｒ_BFとを比較し、停止後の温度ＴＲｒ_AFが停止前の温度ＴＲｒ_BFに対して低下する場合に配管２を流れる流体に逆流が発生していると判断するようにしているので、ヒータ３への供給電力Ｐをセンサ出力Ｓとする方式であっても、逆流の発生を検知することができる。

なお、上述した実施の形態では、逆流検知部８において、使用者からの指示を受けてヒータ３への供給電力を一時的に停止させて逆流の検知を行わせるようにしているが、定期的にヒータ３への供給電力を一時的に停止させて逆流の検知を行わせるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、ヒータ３への供給電力Ｐ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の上下流の流体の温度差（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の上流側の流体の温度ＴＲｕを検出する上流温度センサ（測温素子）９と、ヒータ３の下流側の流体の温度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の上流側の流体の温度ＴＲｕと下流側の流体の温度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（流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を流れる流体の流量Ｑを求める。

逆流検知部８は、使用者からの指示を受けて、ヒータ３への供給電力Ｐを一時的に停止する指令を制御部５へ送り、供給電力Ｐの停止後の温度ＴＲｒ_AFと供給電力Ｐの停止前の温度ＴＲｒ_BFとを比較し、停止後の温度ＴＲｒ_AFが停止前の温度ＴＲｒ_BFに対して低下する場合、配管２を流れる流体に逆流が発生していると判断する。

また、上述した実施の形態では、逆流検知部８から制御部５へヒータ３への供給電力を一時的に停止させる指令を送るようにしたが、制御部５の後段にスイッチを設けるようにして、このスイッチをオフとすることによってヒータ３への供給電力を一時的に停止させるなどしてもよい。

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。また、上述した実施の形態では、配管２を流れる流体を水（液体）としたが、配管２を流れる流体は液体に限られるものではなく、気体であってもよい。

〔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。

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…逆流検知部。

Claims (5)

1. 測定対象の流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、前記流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流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流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流体の流量を求めるように構成された流量算出部と、
   前記ヒータへの供給電力を一時的に停止し、前記ヒータへの供給電力停止後の前記温度センサによって検出される温度と前記ヒータへの供給電力停止前の前記温度センサによって検出されていた温度とを比較し、停止後の温度が停止前の温度に対して低下する場合に前記配管を流れる流体に逆流が発生していると判断するように構成された逆流検知部とを備え、
   前記温度センサは前記配管を流れる流体の逆流時に前記ヒータの熱影響を受ける位置に設置されている
   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、
   前記逆流検知部は、
   使用者からの指示を受けて前記ヒータへの供給電力を一時的に停止する
   ことを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１に記載された熱式流量計において、
   前記逆流検知部は、
   定期的に前記ヒータへの供給電力を一時的に停止する
   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流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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