JPH01206219A - 流体計測装置 - 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】 本発明は流体の計測に関し、特に家庭用ガスの計測に使
用するのに好適な計測装置に関する。

ヨーロッパ特許出願第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。この検短手段は、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。

本発明の１つの目的は、超小型技術、特にカンチレバー
式ビーム技術の利用が可能な流体計測装置を提供するこ
とにある。

本発明によれば、流量計を含む多数の部品を含むモジュ
ール構成の流体計測装置が提供される。

また本発明によれば、主流路と、全流量のうちの一部が
分流されるバイパス流路とを含む計測ユニットを備え、
上記バイパス流路に、上記ユニットを流れる流体の流れ
をモニターする手段が設けられている流体計測装置が提
供される。

上記計測ユニットは、この計測ユニットの入口と出口と
の間での圧力降下よりも大きい圧力降下を上記バイパス
流路に確立する手段を備えているのが好ましい。

好ましい実施例においては、上記圧力降下確立手段は、
ベンチュリと、このベンチュリの下流の流路で流体を膨
張させる手段を備え、これにより上記計測ユニットに比
較的低い圧力降下を全体として生じさせるように構成さ
れている。

上記モニター手段はカンチレバー式ビーム流量センサと
密度トランスデユーサとを備えているのが好ましい。

上記モニター手段は、モニターされる流体の各性質にそ
れぞれ依存する出力を発生する少なくとも３つの検知手
段よりなる流量計と、上記検知手段のうちの２つの出力
を結合して上記流体の流量を計測する手段と、上記３つ
の検知手段の出力を結合して、計測の再較正に用いられ
うる誤差信号を得る手段とを備えている。

以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第１図〜第４図は同時出願の英国特許出願明細書の主題
である流量計を示す。このような流量計は本発明による
流体計測装置に組込まれうるちのであり、それがどのよ
うにして装置内に設けられるかは以下の説明により明ら
かとなるであろう。

第１図Ａおよび第１図Ｂを参照すると、第１図Ａはマイ
クロビーム流量センサの概略図、第１図Ｂはその側面図
である。ビームｌ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１
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（ρｖ２ 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／Ｊ
Ｃ）　　は下記の＋１１式であられされる。

ＯＰ％ＣＯＣρｖ　ｚ　　−−−−−・・−・・−・−
Ｌ’１流体の質量流量（Ｍ）は流体の密度と速度の積に
比例する。

ＭＯｃρｖ　　　−−−−一・・・−・・−−−−−−
−・−・−（２）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。

このような計測に通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。振動体の実効質量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ｔｆｆｔ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。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。あるいは、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領域内に配置される
。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＠　Ｍ　＝　！　が得
られる。

マイクロビーム流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。

したがってダイナミック・ヘッドレンジ（すなわちρｖ
　２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３．７５〜７５ｃ１１″／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７５〜１５００ｃ１１’／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２２５ｃｍ’／ｓまでの範囲がオーバー
ランプすることになる。

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
１３（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＃（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。

上記ビームの偏位置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１ｆｆｉセンサは、大ｍｌ
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Ｍｍかつ好ましくは同一の、そしてより可撓性のあ
る３本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Ｉ！（［
４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１ｓ（ｌｕのビームのうちの２木の汚染は、オー
バーラツプ範囲における全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ｔη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捲を備えている。

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
筒８７３０５５３０．５号明細書に記載されている。純
流体流量計は渦流針と一緒に用いられる。

第４図は密度トランスデエーサ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および流量計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、Ｔおよび（ρ”）、４４゜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（ｖｒ　）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
Ｖ、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（
ρＤ、　ｖ　、”）の独立した評価が得られる０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（ρＶ　”）％Ｑ　と比較回
路１９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、流量計の状態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。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
って流量計の較正がなされるのが好ましく、特に上記検
知装置の１つが小’ｔＲＭをモニターするのに適用され
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、構成の簡易さ、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。

本発明による流体計測装置の実施例においては、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、例えば感熱カー／　トオフ弁および手動止
め栓もシステム内に含みうる。

第１図〜第４図を参照して説明した流量計は、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。

第５図は流体計測装置の一実施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、本発明による流量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は両道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
モジュール化された計測装置を示し、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ール部品を備えている。コ
ントロールバルブ２７は、感熱カソトオプバルプを含ん
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。

感熱カッ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
って火災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
可逆性の膨張が生じ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、本発明による流量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、流体は入口３４から
入り、次にコントロールパルプ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（矢Ａ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。

図示の実施例において、バイパス流路３３に設けられた
流量計３６は、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
２０ｃＩｌ／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０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。

流量針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、流体め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０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。

なお、図面には特別な流量計を備えた流体計測装置の実
施例が示されているが、本発明による流体計測装置はバ
イパス流路内に設置される、あるいはバイパス流路内に
設けられない他の流量計をも含むものである。

【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図は流体計測
装置に用いるのに好適な流量計の説明図、第５図は本発
明による流体計測装置の概略図、第６図は本発明による
モジュール化された流体計測ｖｔ置の分解斜視図、第７
図は第６図の流体計測装置の断面図である。 １４．３７−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−・−コントロールバルブ ２８−・−レギュレータ ３０・−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 Ｆ１０．７Ａ ｊ論Ｑ珪九 １０ＪＢ Ｆｔｃ、３Ａ Ｆｔｏ、３ａ ５１セン５１上が＝ 左ヒビ末薯 ｅ、アＶ／ Ｆｉｃ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主流路と、全流量のうちの一部が分流されるバイパ
   ス流路とを含む計測ユニットを備え、上記バイパス流路
   に、上記ユニットを流れる流体の流れをモニターする手
   段が設けられていることを特徴とする流体計測装置。 ２、上記計測ユニットがこの計測ユニットの入口と出口
   との間での圧力降下よりも大きい圧力降下を上記バイパ
   ス流路に確立する手段を備えている請求項１記載の流体
   計測装置。 ３、上記圧力降下確立手段は、ベンチユリと、このベン
   チユリの下流の流路で流体を膨張させる手段とを備え、
   これにより上記計測ユニットに比較的低い圧力降下を全
   体として生じさせるようにした請求項２記載の流体計測
   装置。 ４、上記モニター手段は、モニターされる流体の各性質
   にそれぞれ依存する出力を発生する少なくとも３つの検
   知手段よりなる流量計と、上記検知手段のうちの２つの
   出力を結合して上記流体の流量を計測する手段と、上記
   ３つの検知手段の出力を結合して、計測の再較正に用い
   られうる誤差信号を得る手段とを備えている請求項１記
   載の流体モニター装置。 ５、上記検知手段はマイクロビーム流量センサと密度ト
   ランスデューサとを含む請求項４記載の流体モニター装
   置。 ６、流量計を含む多数の部品を含むモジュール構成の流
   体計測装置。