JPH07218308A

JPH07218308A - 流量測定装置

Info

Publication number: JPH07218308A
Application number: JP4117044A
Authority: JP
Inventors: Paul J B Nijdam; ジャンベルナルドニーダムポール
Original assignee: BURUTSUKUSU INSTR BV; Brooks Instrument BV
Current assignee: BURUTSUKUSU INSTR BV; Brooks Instrument BV
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1995-08-18
Also published as: EP0512655A2; US5237866A; EP0512655A3

Abstract

(57)【要約】【構成】測定される流体が流れることのできる管１２を
含み、管上の選択された位置２０で温度を変更する温度
変更手段２４を含む流量測定装置。複数の温度センサー
２５，２８が使用され、少なくとも１つのセンサー２５
が流入端、すなわち温度変更手段の上流部分で温度を測
定し、少なくとも１つのセンサー２８が選択された位置
の下流部分の温度を測定する。複数の独立したセンサー
３４，３６が管に沿った温度勾配を決定する情報を提供
するために、入力端部で使用される。勾配が、選択され
た位置に対して管の上流部分及び下流部分での既知の位
置で検知された温度に関連して使用される場合、その温
度差は流量を決定するのに使用される。管は、管の上流
部分及び下流部分間で熱を伝える材料層に取付けられる
か埋込まれることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流量測定装置に係わり、
特に、温度を変更することができる管部分に対する管の
選択された位置での温度差を検知することによって、導
管を流れる流体の流量を測定するコンパクトな構造の流
量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】管の中をガスのような流体を通して、温
度を変更することができる位置の両側での管の温度プロ
フィールの変化を決定する一般的原理は公知である。そ
の変化の程度が流量の範囲を示すことも知られてはいる
が、従来の装置が有効に測定できる流量の範囲は制限さ
れている。

【０００３】私の先の出願である米国特許４，９７２，
７０７は、液体及びガスの流れの両方に使用可能な広範
囲の流量を正確に測定できる流量計を開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、管を有し、
かつその管の長さに沿った選択された位置で管の温度を
（加熱又は冷却によって）変更する手段を持つ流量測定
装置に関する。流体は入口端部から選択された位置を通
って出口端部へと流れる。材料層が前記管の少なくとも
一部と熱伝導関係を持って取付けられ、管の軸線に実質
的に垂直方向に管から管の別の部分に熱を伝える。１つ
の温度センサーが選択された位置の上流部分すなわち入
口側に配置され、もう１つの温度センサーが選択された
位置の下流部分すなわち出口側に配置され、管を流れる
流体流量の関数として変化する温度差を利用して流量を
検知する。正確さと応答性を改善するため、管の入力部
あるいは出力部に沿って温度勾配を設定できるように配
置された少なくとも１つの付加的な温度センサーにより
温度プロフィールの勾配を検知する。また、１組の第２
の温度センサーが使用される。流量の増加に伴って流体
の熱的遅れが増大するために高流量時に発生する直線性
の障害を克服するために、温度プロフィールの勾配を検
知することにより迅速な補正信号が発信される。すなわ
ち、温度センサーの出力側の温度測定はヒートフラック
スに直線的に比例し、それから質量流量を得ることがで
きるという仮定は、導管から流体への熱伝達が変化する
ために、もはや正確でない。管の入力部並びに管の出力
部の熱勾配あるいは温度勾配は選択された位置に対して
線形ではあるが、流れが変化するとそのスロープは異な
ったものになる。熱勾配を連続的に検知するために、独
立した少なくとも１つの温度検知素子を導入し、管の長
さに沿って一定の間隔で配置したた２つの温度測定値を
利用することにより、広範囲の高流量ーをカバーする正
確な補正信号を得ることができる。

【０００５】このように本発明の流量測定装置は既知の
原理を利用しているが、流体の熱的遅れが現存センサー
からの出力値に影響を与えるような広い流量範囲で機能
する能力も達成している。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面により説明す
る。

【０００７】図１において、全体的に参照番号１０でに
示される本実施例の流量測定装置１０は、Ｕ字形に曲げ
られ、液体あるいはガス等の流体を流す導管の一部を構
成する管１２を有している。管１２の入口端部１３と出
口端部１４は、これら端部の間で熱を伝達しこれら端部
に実質的に等しい温度Ｔ₀を設定する等温取付けブロッ
ク１５に取付けられている。流体はブロック１５の外側
で管１２に流入する。流れの矢印１６は、そのＵ字形管
１２の入口端部１３に流入する流体の方向を示す。

【０００８】全体的に参照番号２０で示される管１２の
Ｕ字形曲管部はブロック２２に熱伝導関係を持って固定
され、このブロック２２は、管１２に沿った選択された
位置にあり、かつ温度変更素子２４が中に組み込まれて
いる。この温度変更素子２４はトランジスタあるいは抵
抗器のようなヒーターとすることができ、またブロック
２２はこれを冷却することができるペルチエ素子（Ｐｅ
ｌｔｉｅｒｅｌｅｍｅｎｔ）を組み込むことができ
る。ブロック２２は、管１２の中を流れてブロック２２
を通りすぎるいかなる流体にも作用するよう、その熱伝
導性を選定することができる。管１２は、もちろん、ブ
ロック２２と熱伝導関係を持っている。

【０００９】第１の温度センサー２５が管１２の上流部
分２６に熱伝導関係を持って取付けられ、また第２の温
度センサー２８が管１２の下流部分３０に同様に熱伝導
関係を持って取付けられている。これら温度センサー２
５及び２８は、管１２に良好な熱伝導関係をもって取付
けられる選択されたデザインのプラチナ温度センサーで
あることが望ましい。温度センサー２５及び２８は、管
１２の曲管部２０に取付けられるブロック２２に対して
対称的に配置される。すなわち、温度センサー２５及び
２８はは曲管部２０から等距離に位置する。温度センサ
ー２５及び２８は管１２のこれらの位置の温度を検知す
るのに使用される。これらセンサーからの温度信号は適
当なリード線によって処理手段６０に送られる。

【００１０】管１２は、熱伝導フォイルすなわち熱伝導
層３２に機械的及び熱伝導関係を持って固定される。熱
伝導層３２は管の上流部分２６と下流部分３０の間で熱
を伝える。

【００１１】本実施例では、参照番号３４と３６で示さ
れる２つの付加的な温度センサーが、それぞれ管１２に
沿って、温度センサー２５または２８の両側でそこから
等距離の箇所に位置している。これらの付加的な温度セ
ンサーは、また、管１２の入力部つまり上流部分２６の
長さに沿った離れた位置で温度を測定するプラチナ抵抗
温度計である。さらに、出力部３０を使用してもよい。

【００１２】上記温度センサー２５，２８は、これらの
位置での温度差を測定しブロック２２の温度変更手段の
管１２内の流体への影響の程度を決定することにより、
管１２を通る流体の流量を決定するのに使用することが
できる。熱伝導層３２は管１２の上流部分２６と下流部
分３０との間で熱が伝わることを保証する。

【００１３】静止流体状態すなわち流体の流れがない状
態では、安定した温度プロフィールが形成される。この
温度プロフィールは、理想的ケースでは、ブロック１５
の管１２の始端からブロック２２の管１２の終端までほ
ぼ直線で伸びる。管１２の中を流体が流れる時、温度プ
ロフィールは理想的ケースからわずかにその直線に対し
て位置を移動する。これは、熱伝導層３２の材料を介し
て管１２に対してほぼ垂直方向に熱が流れるためであ
り、温度プロフィールは実質的には直線のままである
が、上流部分２６と下流部分３０の温度は偏差を生じ、
その偏差の量つまり温度変化△Ｔ_yが管１２の中を流れ
る流体の流量を示す。

【００１４】私の先の出願である米国特許４，９７２，
７０７においては、システムの直線性は、熱勾配を一定
に保つために管の上流部分と下流部分の中間に配置され
た熱伝導ガイドストリップあるいはワイヤの使用によっ
て改善された。このストリップは、低速流量ではうまく
作動したが高速流量では流体の熱的遅れのためにセンサ
ーの直線性が減ぜられた。

【００１５】本発明では、流体が管１２の中を流れると
き、管１２に沿った温度プロフィールの勾配つまりスロ
ープを検知するのに温度センサー３４及び３６が使用さ
れる。この検知は非常に素早くオンラインで行うことが
できる。出力温度の△Ｔ_yは流量に比例し、かつ上記温
度勾配に比例する。上流部分２６及び下流部分３０の両
方共、温度Ｔ₁にある温度変更手段すなわちブロック２
２に対する温度勾配は、図３の直線４２及び４４で示さ
れるように実質的に同じであることに留意されたい。１
つの付加的な温度センサー、例えば温度センサー３４か
らの温度信号と温度センサー２５からの温度信号がその
温度勾配を検知するのに使用することができる。

【００１６】さて、図２を参照し、プロット４０は、ブ
ロック２２がヒーターとして機能し素子２４が熱を発生
してブロック１５に対して管１２の選択された位置２０
の温度レベルを上げるときの静止流体あるいは空の管の
温度プロフィールを示す。この温度プロフィールは直線
状であり、管の上流部分２６及び下流部分３０の中間点
（Ｘｍ）にある温度素子２５、２８について、その中間
点での温度はＴ₀とＴ₁の間にあることがわかる。

【００１７】一方、図３は、管１２の中に流れが生じた
場合の温度プロフィールを示し、線４２は管１２の上流
部分すなわち流入部分２６に沿った温度を、線４４は管
１２の流出部すなわち下流部分３０に沿った温度をそれ
ぞれ表わす。導電性金属３２のために、線４２及び４４
はその長さに沿って実質的に線形である。これらの直線
のスロープつまり勾配は、温度センサー３４及び３６の
部分に対応する直線４２上の２つの点３４Ａ及び３６Ａ
での温度を測定することによって検知することができ
る。その管の熱勾配は、米国特許４，９７２，７０７で
直線性を改善するために使用された中央ガイドラインへ
の熱伝導の遅れを考慮に入れる必要なしに、変化する流
れに対して検知することができる。２つの温度センサー
によって熱勾配を検知することができるとき、米国特許
４，９７２，７０７に示されているガイドラインつまり
中央熱伝導ブロックは省略することができる。

【００１８】図５は本発明の別の実施例を示す。この実
施例では、管１２の上流部分２６及び下流部分３０に流
体を流す点、温度センサー２５及び２８が同じ位置にあ
る点で、流量測定装置１０の構造は実質的に図１のもの
と同じである。しかし、この実施例では、５２，５４で
示される付加的な温度センサーが、温度センサー２５及
び２８が位置する中心線から管の長さに対して対称的に
取付けられ、しかもそれらは、管１２の上流部分２６と
下流部分３０の中間に位置している。しかしながら、図
６に示すように、この実施例も、５２Ａと５４Ａで示さ
れる温度でこれら別々の２つの温度センサー５２，５４
を使用して、同様に温度の勾配を検知し、その結果、非
常に迅速に、かつ従来の均一化ガイドラインを使用する
場合に付随する熱的遅れなしに、流体の流れと共に変化
する熱勾配を検知することができる。

【００１９】図６から分かるように、管の上流部分２
６、下流部分３０またはこれら上流及び下流部分の中間
に２つの別々の温度センサーを配置することによって、
勾配を測定することができる。２つの別々の温度センサ
ーを上流部分あるいは下流部分に配置する場合には、そ
のうちの一方のセンサーと、出力信号を得るので既に使
用しているセンサー２５または２８からの情報とで勾配
を得ることができることが分かる。必要なのは、熱勾配
が線形のところで２つの温度測定値を設定することであ
る。管１２の上流部分２６及び下流部分３０を直管でな
く螺旋状にすることができ、これにより先の米国特許で
論じたのと同じ効果を得ることができることにも留意さ
れたい。

【００２０】温度勾配は流れと共に変化し、かつその勾
配を示す信号は、温度センサー２５及び２８での温度差
に関して正確な流量表示を提供する調整を行なうのに使
用される。

【００２１】流量出力信号を提供するため、温度センサ
ー２５及び２８と他の少なくとも１つの温度センサーか
らの信号を受け、温度勾配を設定するマイクロプロセッ
サ６０を使用することができる。図示されているよう
に、温度センサー３４及び３６からの信号は両方ともマ
イクロプロセッサ６０に使用される。温度センサーによ
って検知され、配線６２及び６４に提供される、ブロッ
ク１５及び２２での温度を示す温度信号も使用すること
ができる。温度勾配は、これらのブロックでの温度差に
一部左右されるので、もし望むならば、その信号は熱勾
配のより高度の修正に使用することができる。マイクロ
プロセッサ６０は、従来の較正用センサーから得られる
キャリブレーション曲線を予め記憶しておき、温度セン
サー２５及び２８での温度偏差△Ｔ_yならびに測定され
た温度勾配の関数として流量出力６６を出力してもよ
い。

【００２２】図１及び図５に示される流量測定装置は周
囲の温度変化から隔離するために断熱材によって囲むこ
とができる。

【００２３】以上、本発明を推奨実施例に関して説明し
たが、当業者は、この発明の精神と範囲から逸脱するこ
となく、形式及び詳細に関して変更を行なうことができ
ることは認識されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による流量測定装置の概略上
面図である。

【図２】流れの無い状態での図１の流量測定装置の長さ
に沿った温度プロフィールを示すグラフである。

【図３】流れがあるときの理想的ケースでの温度プロフ
ィールを示すグラフであって、高流量時の図１の流量測
定装置の典型的温度勾配を示す。

【図４】図１の４−４線で得られる断面図である。

【図５】本発明の修正された実施例の概略図である。

【図６】図５の流量測定装置の長さに沿った温度プロフ
ィールを示すグラフである。

【符号の説明】１２管１３入力端部１４出力端部１５等温取付けブロック２０曲管部２４温度変更素子２５，２８温度センサー２６上流部分３０下流部分３２熱伝導層３４，３６付加的温度センサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流量測定装置において、測定される流体を導くことができる長手方向軸線を有す
る管と；前記管の選択された位置での管の温度を変更す
る温度変更手段と；前記選択された位置に対して前記管
の上流部分と下流部分でそれぞれ管の温度を測定し、そ
の測定された温度の値から流量を検知する第１及び第２
の温度センサーと；前記管の少なくとも一部と熱伝導関
係を持って取付けられ、管の上流部分及び下流部分の間
で熱を伝導する材料層と；前記管の上流部分及び下流部
分の少なくとも一方に熱伝導関係を持って取付けられ、
前記温度変更手段を作動したとき、他の温度センサーか
らの信号と関連して、管の中を流体が流れる間にその管
に沿った熱勾配を検知することを可能とするように配置
された少なくとも１つの独立した温度センサーと；を含
むことを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】請求項１記載の流量測定装置において、
前記独立した温度センサーが前記管の上流部分に取付け
られ、他の温度センサーに対して管の長さに沿って一定
の間隔で配置され、該他の温度センサが前記第１の温度
センサーであることを特徴とする流量測定装置。
【請求項３】請求項１記載の流量測定装置において、
２つの独立した温度センサーがあり、その独立した温度
センサーの一方が前記他の温度センサーであることを特
徴とする流量測定装置。
【請求項４】請求項１記載の流量測定装置において、
前記管がＵ字形に曲げられ、管の上流部分及び下流部分
が平行管部であり、２つの別々の温度センサーが前記材
料層に取付けられ、かつ管の上流部分及び下流部分の長
手方向軸線間の中間に実質的に位置し、また第１及び第
２の温度センサーを通る直線の両側で等距離に配置され
ていることを特徴とする流量測定装置。
【請求項５】請求項１記載の流量測定装置において、
前記管がＵ字形に曲げられ、その曲管部に選択された位
置を持つことを特徴とする流量測定装置。
【請求項６】請求項５記載の流量測定装置において、
前記管の上流部分及び下流部分が、平行で一定の間隔で
配置された管部を含むことを特徴とする流量測定装置。
【請求項７】流量測定装置において、測定される流体を導くことができる長手方向軸線を有す
る管と；前記管の選択された位置で管の温度を変更する
温度変更手段と；前記選択された位置に対して前記管の
上流部分と下流部分でそれぞれ管の温度を測定し、その
測定された温度の値から流量を検知する第１及び第２の
温度センサーと；前記温度変更手段を作動したとき、管
の中を流体が流れる間にその管の上流部分及び下流部分
の少なくとも一方の温度勾配を決定し、第１及び第２の
センサーで測定された温度の値に流量補正信号を提供す
る温度勾配決定手段と；を含むことを特徴とする流量測
定装置。
【請求項８】請求項７記載の流量測定装置において、
前記温度勾配決定手段が、前記管の上流部分及び下流部
分の一方に取付けられ、かつその管の一方の部分に取付
けられた他の温度センサーに対して管の長さに沿って一
定の間隔で配置された独立の温度センサーを含むことを
特徴とする流量測定装置。
【請求項９】請求項７に記載の流量測定装置におい
て、前記温度勾配決定手段が、前記管と熱伝導関係を持
っておりかつ管の温度勾配を与えるように隔置された２
つの独立した温度センサーを含むことを特徴とする流量
測定装置。
【請求項１０】熱質量流量計において、互いに離れて一定の間隔で配置された第１及び第２の熱
伝導ブロックと；中心軸線に沿って前記２つのブロック
との間で熱的に連結された熱伝導層と；前記第１の熱伝
導ブロックに連結され、第１の熱伝導ブロックの温度の
変更を可能にする手段と；第１の熱伝導ブロックと熱的
に接触する主ベント、第２の熱伝導ブロックと熱的に接
触する入口と出口、前記中心軸線の両側で別々に一定の
間隔で配置され、熱的に前記熱伝導層に連結され、前記
ベンドを前記入口及び出口につなぐ上流部分及び下流部
分を有する曲げられた流管と；前記上流部分及び下流部
分に熱的に連結され、前記中心軸線を横切る横断方向温
度差を検知しかつその温度差を表わす出力値を提供する
手段と；前記熱伝導層に熱的に連結され、前記中心軸線
に対して平行な線に沿って隔置された位置で温度差を検
知し、同軸上温度差を表わす出力値を提供する手段と；
前記横断方向温度差を表わす出力値及び同軸上温度差を
表わす出力値を受け、横断方向温度差を表わす前記出力
値の関数として質量流量を表す出力を提供し、前記関数
が同軸上温度差を表わす出力値によって修正される回路
と；を含むことを特徴とする流量測定装置。