JPH01206218A - 流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の計量に関し、特に家庭用ガスの計量に使
用するのに好適な流量計に関する。

ヨーロッパ特許出願筒８６３０９９４６．１号（出願人
ソーン・イーエムアイ　ピーエルシー）には、半導体基
板上に設けられた超小型技術によるカンチレバー式ビー
ムからなる流量検知装置および上記ビームに対する流体
の流量を示すビームの性質を検知する手段が開示されて
いる。この検知手段は、ビームの遊端に設けられた第１
の電極と、この第１の電極の下方において基板上に設け
られた第２の電極とよりなる容量型変位センサであり、
このセンサは、流体がビームを通過することによる基板
に対するビームの変位に応答するようになっている。

上記超小型技術によるカンチレバー式ビームを備えた流
量センサ（以下「マイクロビーム流量センサ」と呼ぶ）
は約２０年問およびその以上の間流体中に置かれなけれ
ばならないので、流体の組成中に存在する微粒子、フィ
ルム等の汚染物が変化し、また装置のアナログ的性質に
もとづくずれが生じ勝ちであり、センサの性能に影響を
与える。

そこで本発明は、上記問題を軽減した流量を提供するこ
とを目的とする。

本発明によれば、モニターされる流体の各性質に関連す
る出力をそれぞれ発生する少なくとも３つの検知手段と
、これら３つの検知手段のうちの２つの出力を結合して
上記流体の流量を測定し、かつ上記３つの検知手段の出
力を結合して上記測定の再較正に用いられうる誤差信号
を得る手段とよりなる流量計が提供される。

上記２つの検知手段のうちの１つが少なくとも１つのマ
イクロビーム流量センサであることが好ましく、第３の
検知手段が純流体流量計であることが好ましい。上記２
つの検知手段のうちの他方は密度トランスデユーサであ
ることが望ましい。

第１図Ａ〜第１図Ｃは前記ヨーロッパ特許出願筒８６３
０９９４６．１号公報に記載されたマイクロビーム流量
センサを示し、第１図Ａは概略図、第１図Ｂは側面図で
ある。ビーム１は半導体基板２上に取付けられ、端部電
極３を備えている。下部電極（図示せず）はビームｌの
先端の下方の基板２上に形成される。第１図Ｃはマイク
ロビーム流量センサの他の構成を示す、カンチレバー式
ビーム４および５は互いに異なる長さと厚さを異にし、
これらビーム４．５は流体の流れにさらされると変位す
るようになっている。長い方のビーム４はより柔軟で小
流量の計測に用いられ、短く硬い方のビーム５はより大
流量の計測に用いられる。

例えば４００：１の流量レンジをカバーするためには、
硬度の異なる多数のカンチレバー式ビームが用いられる
。

これらビームのうちの何れか１つの変位量は、流体の速
度と密度、およびビームの形状とビーム材料の弾性に依
存する。ビームの形状および弾性が一定であると仮定す
ると、ビームの変位量は下記の式であられされる。

δべρｖｔ ここで、δはビームの変位量、ρは流体の密度、■は流
体の速度をあられす。

容量測定技術を用いて上記変位量を電気的に計測するこ
とにより、マイクロビーム流量センサの出力（ｏｐ、ｃ
）　　は下記の＋１１式であられされる。

ＯＰ、Ｇ　ｏＣｆ）　ｖ　”　　〜−−−−−−−ｆｌ
ｌ流体の質量流Ｍ（輪は流体の密度と速度の積に比例す
る。

Ｍ仄ρＶ　　・−・−・−−−一−−−−・−・−−−
ｆ２＋上記マイクロビーム流量センサの出力から質量流
量を得るために、流体密度（ρ）の単独の計測が行なわ
れる。

第２図は上記マイクロビーム流量センサが、質量流量を
計算しうる密度トランスデユーサとともに用いられるシ
ステムを示す。

このような計測に適した密度トランスデユーサは同時出
願の英国特許出願明細書に記載されている。このトラン
スデユーサはカンチレバー式ビームを振動させることに
より動作する。振動体の実効？ｆｉｔはビーム自体の質
量とビーム周囲の流体の質量とよりなる。ビームの振幅
は上記実効質量に依存するがビームの質量は一定である
から、振幅の変化は流体の質量の変化に関連する。換言
すれば、ビームが特定の振幅で振動させられているとき
、ビームの振動を上記振幅に保つのに必要なエネルギー
量の変化は、周囲の流体の密度に影響を受けると言える
。

測定されるべき振幅以外の振動特性もある０例えば周波
数をモニターして、周囲の流体に依存する周波数変化を
検知するようにしてもよい。あるい番よ、ビームの振動
を特定の周波数に保つのに要するエネルギーをモニター
してもよい。

上記以外の密度トランスデユーサを本発明に適用しても
よい。

第２図において、流体の流れる方向は矢６によって示さ
れており、密度トランスデユーサ７およびマイクロビー
ム流量センサ８は図示のように配置され、密度トランス
デユーサ７は実質的に静止した流体類域内に配置される
。トランスデユーサ７および８の出力は図示のように結
合され、これにより流体の質量流量Ｍ−ｒ〒フ−−が得
られる。

マイクロビーム＠量センサの実際例では４００：ｌの流
量レンジで動作することが要求される。

したがってグイナミソク・ヘッドレンジ（すなわちρｖ
！レンジ）は１６０，０００　　：　１となるので、少
なくとも２本のカンチレバー式ビームが用いられる。そ
してそのうちの１本は３．７５〜７５　ｃｍ　３／　ｓ
の範囲の比較的低流量をモニターするのに用いられ、他
の１本は７５〜１５００　ｃ＋ａ″／ｓの範囲の比較的
大流量をモニターするのに用いられる。各ビームは６０
：１以上の流量レンジを測定するように設計され、その
場合約２２．５から２２５ｃｍ３／ｓまでの範囲がオー
バーラツプすることになる。

センサの作動素子は数十μｍのオーダーの寸法をもった
カンチレバー式ビームである。したがって、前述のよう
な汚染物が装置の正確度に甚大な影響を与えるおそれが
ある。第３図Ａおよび第３図Ｂは、微粒子１０（第３図
Ａ）あるいはフィルム１１（第３図Ｂ）のようないかに
小さい汚染物があっても、ビーム９の周囲の流れが変化
することを示しており、汚染物がない場合の広い伴流１
３（ｗａｋｅ）に対し狭い伴流１２が生じてビーム９の
抗力に影響を与える。すなわち、汚染物は所定の流速に
対するビームの変位量に影響を与え、したがってビーム
を用いた測定の正確度に影響を与えることになる。

また、上記マイクロビーム流量センサにおける原始的な
流量感知素子は、アナログ的性質を有し、かつカンチレ
バー式ビームの偏位量の電気的測定から流量が推定され
ることも問題になる。このようなアナログ電子システム
は時間とともにドリフトし勝ちである。

さらに、上側では、ビームの偏位は電気容量測定から推
定される。この電気容量測定は容量電極間の距離（すな
わちビーム偏位量）のみでなく、電極間の流体（例えば
ガス）の誘電率にも依存する。それ故にもし流体の組成
が時間とともに変化すれば、誘電率が変化し、それに伴
ってビーム変位量に対する評価に誤差を生じ、したがっ
て測定される流量に誤差を生じる。

上記ビームの偏位量をモニターする他の方法もいくつか
ある。そのうちのあるものは前述したヨーロッパ特許出
願第８６３０９９４６．１号明細書に記載されている。

ビームを通過する流体の流れに関係するビームの他の特
性も例えば振動モードを用いてモニターすることができ
る。このような特性は流体の流れの異なる性質をモニタ
ーするのに用いられる。例えばホットビーム・センサが
流体の性質を測定するのに用いられうる。

本発明者等は、マイクロビーム流量センサにもとづく流
量計のそれ自体の状態をモニターし、汚染物の影響を較
正し、かつ少なくとも２０年以上の間圧確度を維持でき
る方法を発見した。

この計測システムにおいては、密度トランスデユーサを
伴ったマイクロビーム流量センサにおけるカンチレバー
式ビーム全体の汚染を避けるために、インライン・フィ
ルタが流量計の上流側に配置される。このフィルタは、
直径１０μｍ以上の微粒子を除去するように設定されて
いるが、５μｍの微粒子のフィルタが特に望ましい。

さらに微粒子による汚染により起りうる影響を低減する
ために、このマイクロビーム流量センサは、大流量の流
体を測定するための類似かつ好ましくは同一の３本のカ
ンチレバー式ビームと、小流量の流体を測定するための
１１かつ好ましくは同一の、そしてより可撓性のある３
木のカンチレバー式ビームとを備えている。何れか１本
のビームの汚染は、その出力を他の２本の類似のビーム
の出力と比較することによって、分離されうる。

３本の１’Ｊｔ＋１１のビームのうちの２木の汚染は、
オーバーランプ範囲における全６本のビームの出力の比
較によってモニターされうる。あるいは、静電容量が並
列に接続された１本の大流量用ビームと１本の小流量用
ビームとからなる組としてビームが考慮される場合もあ
る。その場合、全３組の出力を比較する決定手順によっ
て何れかの組の汚染が分離されうる。このような決定手
順は計測システムの正確度に対する微粒子汚染の影響を
除去しうるが、もし全３組のビームまたは何れか２組の
ビームが汚染された場合には、再較正が必要になる。ま
たこの再較正は、フィルム汚染および計測されるべき流
体の誘電率の変化がある場合にも必要になる。

上記誘電率の変化による誤差を低減するためには、マイ
クロビーム流量センサの基板上に参照用ビームを設ける
のがよい。この参照用ビームは、流量に対して不変であ
り、かつこのビームの静電容量の変化が誘電率の変化に
依存する固定された容量電極を備えている。

本例において再較正を行なうには、真の流量または流速
を測定する装置が必要であり、本発明者等は、小さな純
流体流量計を伴ったマイクロビーム流量センサと、密度
トランスデユーサとの組合せによってこの問題を解決し
た。

適当な純流体流量計は、同時出願のヨーロッパ特許出願
第８７３０５５３０．５号明細書に記載されている。純
流体流量計は渦流計と一諸に用いられる。

第４図は密度トランスデユーサ１４と、マイクロビーム
流量センサ１５と、純流体流量計１６とからなる流量計
を示している。純流体流量計１６は、流量センサ１５お
よび密度トランスデユーサ１４よりも大きな寸法の流路
を備えている。純流体流量計１６の正確度はマイクロビ
ーム流量センサ１５よりも汚染によって影響される度合
がより少ない。また純流体流量計の出力は、ディジタル
的であり（出力の周波数はガス流速に比例する）、密度
トランスデユーサ１４およびｉｔ計１５よりもドリフト
が少ない利点がある。

純流体流量計１６単独では、このシステムがモニターす
べきレンジの低い方の限界における流量を測定するのに
適していない。流量がこの純流体流量計１６がモニター
できる流量よりも少ない場合、最後に測定された出力値
（流速に関係する）はコンピュータ回路に記録され、こ
の値は測定可能な流量が再びモニターされかつ記憶され
た値が更新されるまで較正用に用いられる。

第４図は、ρ。、および（ρｖＺ）μＣにそれぞれ関す
る密度トランスデユーサ１４の出力およびマイクロビー
ム流量センサ１５の如何にして流量計の再較正に用いら
れうるかを示している。モニターおよび再較正のロジッ
クは符号１７．１８．１９および２０で概略的に示され
る処理回路によって実行される。純流体流量計１６内の
噴流の振動周波数は入射ノズル２１から流出する流体の
速度（ＶＦ　）に直接的に比例すると信じられている。

例えばカンチレバー式マイクロビームまたは純流体流量
計１６の２つの出力ベンチュリ２２．２３内の流れを比
較する差圧トランスデユーサを用いて上記発振を測定す
ることにより、純流体流量計１６の出力Ｆは流体の速度
■、に関連づけられる。

この出力を回路１７で二乗し、これに回路１８で密度ト
ランスデユーサ１４の出力ＤＴを乗算することにより、
純流体流量計の流量レンジに亘るダイナミックヘッド（
ρ。ｙ　Ｖ　Ｆ”）の独立した評価が得られる。次にこ
の出力は、マイクロビーム流量センサ１５によって測定
されたダイナミックヘッド（ρｖ２）μＣと比較回路１
９において比較され、その結果が回路２０において初期
較正からの設定値と比較される。もし上記結果が上記設
定値と等しければ、再較正の必要がないが、その差は再
較正で用いられうる誤差信号により示される。この方法
により、流量計の状Ｂおよび動作がモニターされ、較正
は必要に応じて調整されうる。

この流量計は、それぞれが硬さの異なる多数のカンチレ
バー式マイクロビームをセンサとして含んでいる３つの
マイクロチップを備えていることが経済性の点から望ま
しい、マイクロビームの各組は、流量センサ、密度セン
サおよび純流体周波数センサとして用いられるように構
成されている。

純流体周波数センサのビームは双方向性を有するように
作成されるべきである。

上記実施例は測定されるべき流体の質量流量の測定方法
を示しているが、流体の他の性質をモニターし、かつ複
数のモニター装置の出力を比較することによって、シス
テムを同様な方法で較正することも可能である。本発明
は少なくとも２つの検知装置による測定結果を比較する
ことによってｉｔ計を較正するようになされており、特
に上記検知装置の１つが小流量をモニターするのに適用
されるものである。

本発明に適用されるシリコンチップ／マイクロビーム技
術は大きいターンダウン比、低コスト、小寸法および低
電力消費に関して利点がある。読み出しは質量流量また
は容積に関して生じる。純流体流量計における純流体主
義は、ディジタル出力、構成の節易さ、微粒子汚染に対
する耐性および動く部分を有しない点で利点がある。

上述の流量計は流体（液体または気体）の計測に関連す
るものであるが、特に家庭用ガスの計測に用いるのに適
したものである。そしてこのような流体計測システムは
インライン・フィルタおよびフロー・レギュレータを含
みうる。他の部品、例えば感熱カットオフ弁および手動
止め栓もシステム内に含みうる。

本発明による流量計は、システムの主流路内または好ま
しくはバイパス流路内に組込まれて計測を行なうもので
ある。バイパス流路の流量の全体流量に対するパーセン
テージは精密に知られているので、バイパス流路で計測
しても全流量に関連させることができる。この流量計は
バイパス流路のバイパス内に設けることも可能であろう
。

本発明による流量計を備えた計測システムは同時出願の
英国特許出願明細書の主題であるが、この流量計がいか
に上記システム内に組込まれるかを以下に説明する。

第５図はこのような計測システムの一例における流路を
概略的に示す図で、流体はインライン・フィルタ２４を
経て主流路２５と、本発明による２ＨＬ計を組込んだバ
イパス流路２６とに沿って流れる。１０％の流量がバイ
パス流路２６を流れ、インライン・フィルタ２４は両通
路がひどく汚染されるのを回避するために設けられる。

第６図は、家庭用ガス供給システムに用いるのに好適な
モジュラ−化された計測用装置を示し、第７図はこの装
置の断面図である。この装置は適当なケースの中に配置
され組立てられた多数のモジュラ−ユニットを備えてい
る。コントロールパルプ２７は、怒熱カソトオプバルブ
を含んでいる。

コントロールバルブ２７は止め栓も含んでいる。

止め栓は本体と協働する回転可能なプラグを有し、この
プラグはそれを貫通する流体通路を有している。プラグ
の回転により流体の流れが制御され、止め栓プラグの本
体に対するシールは、ＯＩＪソングようなシールリング
に対してプラグを押しつけるサークリップのような弾性
部材に援助されている。

感熱カソトオブバルブは設定値より高い周囲温度に応答
して流体の流れを自動的に遮断する作用をする。したが
って大笑の際には流体の流れが遮断される。このバルブ
は周囲温度が設定値よりも上昇すると形状が変化する素
子を内蔵しており、この形状変化は不可逆性である。こ
の素子は、例えば周囲温度が設定値よりも上昇すると不
可逆性の膨張が生しる形状記憶効果スプリングのような
記憶金属である。

インラインレギュレータ２８はコントロールバルブ２７
の出口における入力圧力に応答する公知のタイプのもの
であり、このシステム内にほぼ一定の動作圧力を発生す
る。流量計測ユニット３０はベンチュリ３２を含む主流
路３１と、本発明による？ＪＬ！計を組込んだバイパス
流路３３とを備えている。

第６図および第７図を参照すると、流体は人口３４から
入り、次にコントロールバルブ２７およびレギュレータ
２８を通って計測ユニット３０に流入する。全流量の１
０％の流れ（夫人で示されている）がバイパス流路３３
を通り、９０％の流れは主流路の一部３５を通る。主流
路３１はベンチュリ３２を有し、流体はベンチュリ３２
を通って加速され、吸出し効果によってバイパス流路３
３から流れを引出す、上記１０％の流れはバイパス流路
３３から帰され、ベンチュリ３２の下流側において流体
が膨張することによって、バイパス流路３３の圧力より
も低い全計測ユニットに許容される圧力を下降させる０
例えば、全計測ユニットの圧力の２倍の少なくとも２倍
の差圧がバイパス流路３３に発生する。このより大きい
差圧は、より高い周波数の出力を発生するより小さい純
流体流量計をバイパス流路３３に用いることを許容する
。したがって、この計測ユニットは、例えば、不安定な
家庭用ガスの流量を測定するのに感度が良いのである。

全計測ユニットにおける圧力低下は一般に２ミリバール
以下である。

図の実施例では、バイパス流路３３に設けられた流量計
３６が本発明による流量計であり、内装または外装され
うる再較正回路とともに、密度トランスデユーサ３７と
、マイクロビーム流量センサ３８と、純流体流量計３９
とを備えている。密度トランスデユーサ３７は実質的に
静止流体を含むバイパス流路３３のデッドゾーンに配置
され、周囲の流体が実質的に静止するように目の細かい
フィルタ４０（例えば３μｍフィルタ）に囲まれている
。翼状部材４１（第６図に示されている）は流体の速度
を加速しく一般に２０ｃｍ／ｓ以上）、その結果ビーム
技術による部材を効果的にしている。図示の純流体流量
計３９は９０’屈曲した出口４２を備え、流体を主流路
３１に復帰させる。

第６図および第７図に示されているベンチュリ３２は、
ウェブによって位置づけられる。電子回路およびバッテ
リはケース４３内に取付けられ、裸の接点がないように
シールされている。流体の洩れを防ぐためにＯリングが
用いられ（このことは引火性液体またはガスのケースに
おいて特に重要である）、孔または孔あきプラスチック
材料によって出入口が設けられる。

流量計は遠隔計測システムにより窓を通して読み取られ
る。

バイパス流路３３内にマイクロビーム流量センサ３８お
よび密度トランスデユーサ３７を配置すると、これを汚
染から防護することになる。平らな底面を有する主流路
３１はセルフクリーニングされてごみが堆積するのを防
いでいる。バイパス流路３３のための流れ方向の変更に
より、１０μｍ以上の径の微粒子の大部分はまっすぐ主
流路３１を流れて家庭用ガスの計測の場合、バーナーに
達する。

計測ユニット３０の入口には重力フィルタ４４が設けら
れ、このフィルタ４４は流速を低減してごみを主たる流
れ内に落下させる。

計測ユニット３０の入口に配置される一連のベーンから
なるデイフユーザを重力フィルタの代りに設けてもよい
、このデイフユーザは例えば１２５μｍ以上の径の微粒
子を落下させて噴流部にごみが運ばれないようにするた
めに重力フィルタに代えることができる。

モジュール構造は、流体の流量計測ユニットブロックと
、コントロールバルブおよびレギュレータを備えたブロ
ックの２つのブロックとして考えることができる。この
構造の家庭用ガス計測装置は２個の建築用煉瓦と交換す
るように設計され、この装置は現在使用されているメー
タボックスの約１／６のサイズである。本発明による流
量計を備えたモジュール構造により、コンパクトで多機
能の電子計測装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜第１図Ｃはカンチレバー式マイクロビーム流
量センサの概略図、第２図は第１図のマイクロビーム流
量センサが密度トランスデユーサとともに用いられるシ
ステム図、第３図Ａおよび第３図Ｂはカンチレバーの周
囲の流れの汚染の作用を示す説明図、第４図は本発明の
詳細な説明図、第５図は計測システムのブロック図、第
６図はモジュール化された計測システムの分解斜視図、
第７図は第６図の計測システムの断面図である。 Ｉ４．３７−密度トランスデユーサ １５．３８・−マイクロビーム流量センサ１６．３９−
・−純流体流量計 ２７−コントロールパルプ ２８−レギュレータ ３〇−流量計測ユニット　　３１−主流路３３−バイパ
ス流路　　　　３６−流量計代理人　弁理士　　山　元
　俊　仁 Ｆ／ｃ、７ａ ＦＫｔ、３Ａ ３剋童センブ上か・ メヒ色憚２華 ｅ、アＶ／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、モニターされる流体の各性質に関連する出力をそれ
   ぞれ発生する少なくとも３つの検知手段と、これら３つ
   の検知手段のうちの２つ出力を結合して上記流体の流量
   を測定し、かつ上記３つの検知手段の出力を結合して上
   記測定の再較正に用いられうる誤差信号を得る手段とよ
   りなることを特徴とする流量計。 ２、上記２つの検知手段のうちの１つが少なくとも１つ
   のマイクロビーム流量センサである請求項１記載の流量
   計。 ３、上記第３の検知手段が純流体流量計よりなる請求項
   １または２記載の流量計。 ４、上記２つの検知手段のうちの他方が密度トランスデ
   ューサよりなる請求項２または３記載の流量計。 ５、上記密度トランスデューサが目の細かいフィルタで
   防護されている請求項４記載のフィルタ。 ６、上記密度トランスデューサが振動ビームである請求
   項５記載の流量計。 ７、上記純流体流量計が純流体発振器である請求項３記
   載の流量計。 ８、上記純流体発振器が過流発生装置を結合している請
   求項７記載の流量計。 ９、流入する流体の密度および速度に関する出力を得る
   のに適した少なくとも１つのマイクロビーム流量センサ
   と、 密度トランスデューサと、 上記少なくとも１つのマイクロビーム流量センサの出力
   と上記密度トランスデューサの出力とを結合して上記流
   体の主たる流量を示す信号を得る手段と、 所定の最小流量以上の流量の流体の速度を示す出力を得
   るのに適した純流体流量計と、 （ａ）上記密度トランスデューサの出力と、（ｂ）上記
   純流体流量計の出力と、（ｃ）上記最小流量以上の流量
   における少なくとも１つのマイクロビーム流量センサの
   出力中の誤差を示す誤差信号を得る少なくとも１つのマ
   イクロビーム流量センサの出力とを結合する手段と、 上記少なくとも１つのマイクロビーム流量センサの出力
   と上記密度トランスデューサの出力との結合に先立って
   、上記誤差信号に応答して、上記少なくとも１つのマイ
   クロビーム流量センサの出力を再較正する手段と よりなることを特徴とする流量計。 １０、上記純流体流量計が純流体発振器よりなる請求項
   ９記載の流量計。