JPH0778439B2 - 流体の速度を測定する方法 - Google Patents

流体の速度を測定する方法

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JPH0778439B2 JP1158469A JP15846989A JPH0778439B2 JP H0778439 B2 JPH0778439 B2 JP H0778439B2 JP 1158469 A JP1158469 A JP 1158469A JP 15846989 A JP15846989 A JP 15846989A JP H0778439 B2 JPH0778439 B2 JP H0778439B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般に、流体流量を測定する装置に関し、そ
して特に、熱流体流量計（thermal fluid flowmeter）
に関する。
本発明を要約すれば、流れる流体の速度を測定する質量
流量計は温度センサーを使用する。電力を供給されたと
き、センサーは熱を発生する。ヒートシンクが、流れる
流体に直角に、センサーの真向いに流体の流れ中に位置
する。電力がセンサーに供給され、センサーからヒート
シンクに流れる熱束（themal flux）を生じせしめる。
流れる流体はこの束を変調（modulate）させる。回路が
センサーの温度を測定し、そしてその測定値から流れる
流体の速度を計算する。
従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 流体の速度を測定するために、多数の異なる形式の流量
計がある。本明細書において使用する用語「流体」は、
液体とガスの流れの両方を意味する。流量計の１つの範
疇は「熱」流量計として公知である。２つの一般形式の
熱流量計がある。
一方の形式においては、流量管が、測定すべき流体の流
れのための通路と共に使用される。１つ以上の電気加熱
器を、流量管又は検出管内に位置させる。加熱器は、流
体が検出管中を流れるとき、流体に熱を与える。検出管
の異なる２点で温度を測定する。上流点と下流点との間
の温度の差を速度と相関させることができる。
熱質量流量計の第２の範疇においては、加熱器／温度セ
ンサーはブームに位置付けられ、そして流れる流体の流
れの中に沈められる。回路は、質量流体流量の関数とし
て、センサーの温度応答を感知する。
これらの熱流量計の各々は、センサーから流体への熱の
流れる割合が流体の質量流量に正比例するという事実を
共通に有する。これらの従来の熱質量流量計の精度は、
比較的狭い範囲の流れ速度に制限される。低速度におい
ては、精度は、対流と環境への熱の漏れによる擬似的な
熱損失によって制限される。高速度に対しては、精度
は、１つ又は複数のセンサー要素の有限の熱抵抗によっ
て制限される。
広い速度範囲の制限を回避するために、一般的な技術
は、層流要素を含んだ主管を使用することである。これ
らの層流要素は、測定すべき所望の速度範囲に対して、
ある圧力降下を生ずるように配置される。層流要素の上
流と下流の圧力差は測定すべき流体の容積流量に比例す
る。
検出管は主管から分岐しそして下流にて再入する。検出
管は加熱要素とセンサーを支持する。主管よりもずっと
少ない流体の流れが検出管を通って流れる。検出管にお
ける流れの速度が測定され、それは、主管を通って流れ
る主速度に比例する。これは実行できるにしても、設計
範囲外の流量は、層流要素を修正することなしに、正確
に測定することができない。
ワチ他による米国特許第4,517,838号（1985年５月21
日）において、熱伝達の事例が示される。この事例にお
いては、検出管内に細い溝が設けられている。流体流量
を測定するために、加熱手段が細い溝に取付けられてい
る。そのような細い溝によって必要とされる検出管の小
さな寸法は、流量計の高い流体速度測定能力をさらに制
限する。
問題点を解決するための手段 本発明においては、センサーは流体の主たる流れの中に
置かれる。電力を供給するときセンサーは熱を発生する
ことができる。ヒートシンクが、流体の流れの方向と直
角に、センサーの真向いに流れる流体中に置かれる。
センサーに供給する電力は、センサーから、熱を吸収す
るヒートシンクへと流れる熱束を生じさせる。熱束は流
れる流体によって変調される。回路は、センサーの温度
上昇を測定し、そして流れる流体の速度を測定値から計
算する。
第１図を参照すると、熱源と温度センサーを組み合わせ
た箔片11が示される。センサー11は、断熱材13上に取付
けられる。センサー11は、好ましくは、温度を記録する
ために通常使用される従来形式のものである。第４図に
示すように、それは、カプトン（Kapton）のような材料
の薄い絶縁層又は基板15を有する。基板15は導電性金属
層17で被覆又は積層されている。金属層は波状コイル・
パターン19にエッチングされる。コイル19を生成するた
めに、微細な非常に細い線が金属層17に入れられる。コ
イル19と基板15は平坦な表面である。この一般的な形式
のセンサーは従来から入手可能である。
本発明において、センサー11のコイル19は、第１図に示
すように、センサー11から熱を放射するために電源21に
接続される。電源21はセンサー11のコイル19（第４図）
を流れる直流電力を提供する。センサー11のコイル19は
熱を発生し、熱はセンサーから放射される。測定回路23
は供給された電力を測定し、こうして温度の指示を得
る。
ヒートシンク25はセンサー11の真向いに取付けられる。
ヒートシンク25は金属製であり、熱を容易に伝達し、こ
うしてセンサー11で発生した熱を引き付けそして吸収す
る。ヒートシンク25の表面は平坦でありそしてセンサー
11に平行である。流体の流れは、センサー11とヒートシ
ンク25の垂線に垂直である。
挙動を分析しそして記載する目的のために、センサー11
とヒートシンク25の間の有効容積28内に位置する、流体
の増分容積27が示される。以下の定義を設ける。
ｚ＝センサー11と増分容積27との間の距離 dz＝増分容積27の厚さ Ａ＝増分容積27の面積 T0＝センサー11の温度 Ta＝ヒートシンクと流量計を流れる流体の雰囲気温度 Ｔ＝増分容積27内の流体の温度 Ｑ＝熱量 Ｃ＝流体の熱容量又は比熱（BTU/lb.F） Ｄ＝流体の密度（lb/cu.in） Ｋ＝流体の熱伝導率（BTU in/hr.sq.ft.F） ｄ＝微分演算子 ｔ＝時間 Ｖ＝センサー11を通過して流れる流体の１分当たりのフ
ィートを単位とした平均分子速度（fpm） Ｗ＝センサー11によって流体に供給されたワットを単位
とした電力 一定の流体速度プロファイルが、センサー11とヒートシ
ンク25の間のギャップを横切っていると仮定する。増分
容積27に包含された熱量Q1は、流体の熱容量Ｃと、流体
の質量（DAdz）と、温度Ｔに下式のように比例する。
Q1＝CDTAdz 増分容積27における蓄熱率は、dQ1/Dtから、速度Ｖで流
れる流体によって熱が要素から除去される率を引いた値
であり、下式で表せる。
dQ1/dt ＝CDAdz（dT/dt）−CDAdz（Ｔ−Ta）Ｖ ＝CDAdz［dT/dt−（Ｔ−Ta）Ｖ］ センサー11から増分容積27への熱流量又は熱束の率は、
表面Ａの面積と、流体の熱伝導率Ｋと、温度の外側への
垂直グラジェントdT/dzに比例し、下式で表せる。
dQ2/dt＝−KAdT/dz 増分容積27から流出する熱流量の率は、下式で表せる。
dQ3/dt ＝dQ2/dt＋d/dz（dQ2/dt）dz ＝−KAdT/dz−d/dz（KAdT/dz）dz 熱の保存により、 dQ2/dt−dQ3/dt＝dQ1/dt 従って、 −KAdT/dz＋KAdT/dz＋d/dz（KAdT/dz）dz ＝CDAdz［dT/dt−（Ｔ−Ta）Ｖ］ 故に、 d2T/dz2＝CD/K［dT/dt−（Ｔ−Ta）Ｖ］ 定常状態においては、dT/dt＝０なので、 d2T/dz2＝CDV/K（−Ｔ＋Ta） この微分方程式は、次の境界条件と共に、センサー11と
ヒートシンク25の間の有効容積28内の熱環境を一意的に
記述する。
（１） ｚ＝０（センサー11）において、 （ａ） dT/dz＝−(1/KA)(センサー11に供給された電
力) ＝−W/KA （ｂ） Ｔ＝T0 （２） ｚ＝Ｇ（ヒートシンク25表面）において、 Ｔ＝Ta こうして、有効容積28内の任意の位置ｚに対する温度を
記述する定常状態方程式は、 ｚ＝０におけるセンサーの温度を記述する定常状態方程
式は、 このため、雰囲気を越えるセンサー11の温度上昇TR＝T0
−Taは、次のように表現される。
この場合定数１と定数２は、流体の特性のみによって決
定される。この分析において選ばれた測定値のユニット
に対して、 定数１＝482.4/K、 定数２＝103,000（CD/K） である。
この方程式は、流体速度に対するTR（流れる流体の雰囲
気温度を超えるセンサー11の温度上昇）の全体変動と感
度が、単にギャップの寸法Ｇを指定することにより、所
望の流体のタイプ又は速度範囲に対して指定することが
できるという顕著な特性を有する。
上記の好ましいエッチングされたセンサー11ではなく、
以下に記載する例においては、プロトタイプのセンサー
を使用した。それは、２つの真ちゅう円板の間に挟まれ
た直径0.0018インチ（約0.046mm）のアニールした銅線
を60回巻いたコイルを有する。
実施例1: Ｐ＝0.4ワット Ｇ＝0.025インチ（約0.635mm） Ａ＝0.3平方インチ（約1.94cm2） 流体のタイプ＝標準温度及び圧力の空気 に対して、 Ｖ＝0fpm（0m/分）におけるTRは、100.5゜Ｆ（約55.83
℃） Ｖ＝20fpm（約6.1m/分）におけるTRは、74.5゜Ｆ（約4
1.4℃） Ｖ＝5000fpm（約1524m/分）におけるTRは、0.8゜Ｆ（約
0.44℃）である。
実施例2: Ｐ＝２ワット Ｇ＝0.04インチ（約1.02mm） Ａ＝0.3平方インチ（約1.94cm2） 流体のタイプ＝水 に対して、 Ｖ＝0fpm（0m/分）におけるTRは、30.99゜Ｆ（約17.22
℃） Ｖ＝0.1fpm（約3.05cm/分）におけるTRは、21.23゜Ｆ
（約11.79℃） Ｖ＝20fpm（約6.1m/分）におけるTRは、0.7゜Ｆ（約0.3
9℃） である。
これらの両実施例は、本発明の使用により、空気と水の
両方に対して低い流量における利用可能な高い分解能と
共に、高い流量における測定データを獲得する能力を示
す。速度ゼロにおける本発明の有効容積における流体の
平均温度上昇は従来の熱流量計に比較して非常に小さい
ために、姿勢（posture）及び対流の誤差は無視でき
る。
第２図の第２の実施態様は、第１図の断熱材表面13によ
る擬似的な熱損失を最小にする方法を示す。第２図にお
いて、センサー29は、第１図のセンサー11と同一である
が、２つのヒートシンク31、33の間に等距離に吊され
る。流体はセンサー29の両側を流れる。ヒートシンクの
表面31、33は、流れる流体の温度と同じ雰囲気温度であ
る。センサー29の両面又は側面の面積は、温度／流体速
度の関係を計算する際に使用される。センサー29の基板
の厚さのために、実質的に等しい熱量がセンサー29から
両方向に流れる。
第３図は第３の実施態様を示す。この実施態様において
は、熱束流体流量計に入る流体の変化する温度を補償す
ることができる。この実施態様において、センサー35
は、第１図又は第２図のセンサー11又はセンサー29に類
似する測定又は活動センサーである。センサー35は、２
つのヒートシンク39と41との間に等距離に位置する。
第２のセンサー37が、ヒートシンク41と別のヒートシン
ク43との間に等距離に間隔をあけて配置される。センサ
ー37はセンサー35と同一構造であるが、それは基準セン
サーである。基準センサー37は活動センサー35と同一の
熱特性を有するが、基準センサー37の温度測定を行う際
に使用される電力は、活動センサー35において使用され
る電力の百分の一よりも小さく設定される。この場合、
DTは、活動センサー35の温度から基準センサー37の温度
を引いた値である。
第３図を更に参照すると、バッテリー45又は直流電源
は、センサー35、37のコイルの一方の側に接続された正
のリード線を有する。活動センサー35は、コイルの他方
の端部を抵抗器47に接続される。１つの実施態様におい
て、抵抗器47は10オームの抵抗器である。基準センサー
37は、他方の側を抵抗器49に接続される。１つの実施態
様において、抵抗器49は200オームの抵抗器である。
抵抗器47、49の反対側は、電源45の負の側に接続され
る。電源45の負の側は又、従来のアナログ対デジタル電
圧データ取得システム又はコンバーター51の端子C1に接
続される。A/Dコンバーター51の端子C2は、抵抗器47と
活動センサー35の間に接続される。端子C3はバッテリー
45の正の側に接続される。端子C4は抵抗器49と基準セン
サー37との間に接続される。A/Dコンバーター51は、従
来のコンピュータ53に接続される。A/Dコンバータ51
は、端子C1、C2、C3及びC4においてアナログ電圧を収集
し、そして速度を計算するためにデジタル・データをコ
ンピュータ53に供給する。
第３図の実施態様において、ヒートシンク39と41との
間、及びヒートシンク41と43との間のギャップは、0.02
5インチ（約0.635mm）となるように選択される。抵抗器
47、49の値は、活動センサー35に対して約0.4ワット、
基準センサー37に対してその値の約百分の一を生じさせ
る。次の方程式は、所望の量を生み出すために、コンピ
ュータ53にプログラムされる。
活動センサー35の抵抗値： Ra＝10（C3−C2）／（C2−C1）［オーム］ 活動センサー35に送り出される電力： Ｗ＝（C3−C2）（C2−C1）/10［ワット］ 基準センサー37の抵抗値： Rr＝200（C3−C4）／（C4−C1）［オーム］ 活動センサー35の雰囲気温度より上の温度： DTa＝458.01 （電力を供給されたときのRa−雰囲気温度におけるRa）
／（雰囲気温度におけるRa）［゜Ｆ］ 基準センサー37の雰囲気温度より上の温度： DTa＝458.01 （電力を供給されたときのRr−雰囲気温度におけるRr）
／（雰囲気温度におけるRr）［゜Ｆ］ 温度上昇： TR＝DTa−DTr［゜Ｆ］ 一般に、見掛けの流体速度に対する式は、 Ｖ＝（K/103000CD）［LOG（482.4gw/AKTR）/G］２ で表される。
70゜Ｆ（約21.1℃）及び１気圧における空気の熱特性に
対して次の値を使用する。
Ｃ＝0.24BTU/1bF Ｄ＝0.00004641b/cu in Ｋ＝0.16BTU in/hr sq ft そして流体速度計として本発明の実現のために選ばれた
設計定数は、 Ａ＝0.4 sq.in（約2.58cm2） Ｇ＝0.025in（約0.635mm） プログラムされた特定の見掛けの流体速度方程式は、 Ｖ＝2230［LOG（188W/TR）］２ である。
結果として得られる出力速度は、毎分２フィート（約0.
61m/分）から毎分2000フィート（約610m/分）の範囲に
わたる入力に対して５パーセント以内で直線的であり、
そして本発明のこの実施態様に対するゼロ安定性と姿勢
誤差は、70〜110゜Ｆ（約21.1〜43.3℃）の雰囲気温度
範囲にわたってプラス又はマイナス0.5fpm（約0.152/
分）よりも小さい。さらに良い直線性は、粘性又は他の
因子による流体の仮定された一定速度プロファイルから
の偏向と共に活動センサー35の測定可能な直列及び分路
熱インピーダンスのような因子を修正するように、前述
のアルゴリズムを一層洗練することによって得ることが
可能である。
本発明は重要な利点を有する。本発明の熱質量流量計
は、広範囲の流体のタイプと速度の適応を可能にするユ
ニークな熱束変調技術を使用することによって、従来の
質量流量計の高い及び低い速度制限を改良する。
本発明を３つの形式にて示したが、本発明はそれらに制
限されず、本発明の範囲を逸脱することなしに多様な変
形が可能であることが本技術分野における熟練者には明
らかであろう。
本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。
1.流れる流体の速度を測定する質量流量計であって、 流れる流体に置かれるのに適し、電力を供給されたとき
熱を発生することができるセンサーと、 流れる流体に実質的に直角の方向に、センサーからの選
択された距離にて流れる流体に置かれるのに適したヒー
トシンクと、 センサーからヒートシンクへと流れそして流れる流体に
よって変調させられる熱束を生じさせるために、電力を
センサーに供給する手段と、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの温度増加を
測定し、そしてその測定値から流れる流体の速度を計算
する手段との組み合わせを具備する質量流量計。
2.センサーとヒートシンクは、流れる流体に位置付けら
れたとき、互いに平行な対向する表面を有する上記１に
記載の流量計。
3.センサーとヒートシンクは、流れる流体に位置付けら
れたとき、互いに平行な対向する平坦な表面を有する上
記１に記載の流量計。
4.センサーはコイルを具備し、センサーは、流れる流体
に位置付けられたとき、ヒートシンクに面する平坦な表
面を更に有する上記１に記載の流量計。
5.センサーは、コイルを提供するためにエッチングされ
た金属層を有する基板積層板から成り、コイルは、流れ
る流体に位置付けられたとき、ヒートシンクに面する平
坦な表面を有する上記１に記載の流量計。
6.流れる体の速度を測定する質量流量計であって、 流量計に取付けられ、そして流れる流体に実質的に直角
方向に位置付けられるのに適した一対の金属製のヒート
シンクと、 ヒートシンクの間で等距離に流量計によって保持され、
ヒートシンクに向かって対向する方向に熱を放射するた
めに各側に放射表面を有し、電力を供給されたとき、放
射表面において熱を発生することができるセンサーと、 センサーの放射表面からヒートシンクに流れそして流れ
る流体によって変調させられる熱束を生じさせるため
に、センサーに電力を供給する手段と、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの放射表面の
温度増加を測定し、そしてその温度測定値に基づいて流
れる流体の速度を計算する手段との組み合わせを具備す
る質量流量計。
7.放射表面は平坦であり、そしてヒートシンクは放射表
面に平行な平坦な表面を有する上記６に記載の流量計。
8.センサーは、コイルを形成するためにエッチングされ
た金属層で被覆された基板から成る上記６に記載の流量
計。
9.流れる体の速度を測定する質量流量計であって、 基準センサー及び活動センサーと、 ここで、各センサーは流れる流体に置かれるのに適し、
各センサーは、対向する方向に熱を放射するために各側
において平坦な放射表面を有し、センサーは、電力を供
給されたとき、放射表面において熱を発生することがで
き、センサーは、流れる流体に実質的に直角な方向に互
いに間隔をあけられ、放射表面は互いに平行であり、 センサーを支持する３つの金属ヒートシンクと、 ここで、ヒートシンクの１つは２つのセンサーの間に位
置付けられ、別のヒートシンクは基準センサーの反対側
に位置付けられ、そして更に別のヒートシンクは活動セ
ンサーの反対側に位置付けられ、ヒートシンクはすべて
平行であり、そして流れる流体の方向に直角な方向に放
射表面の一方から同一距離間隔をあけられ、 活動センサーの放射表面から活動センサーの各側のヒー
トシンクへと流れそして流れる流体によって変調させら
れる熱束を生じさせるために、活動センサーに電力を供
給する手段と、 活動センサーに供給される電力よりも実質的に低いレベ
ルにおいて、基準センサーに電力を供給する手段と、 活動センサーの放射表面と基準センサーの放射表面の温
度を測定し、活動センサーの温度から基準センサーの温
度を引き算し、そして温度差に基づいて流れる流体の速
度を計算する手段との組み合わせを具備する質量流量
計。
10.流れる流体の速度を測定する方法であって、 電力を供給されたとき熱を発生することができるセンサ
ーを流れる流体に配置し、 流れる流体に実質的に直角な方向に、センサーから選択
された距離にてヒートシンクを配置し、センサーからヒ
ートシンクへと流れそして流れる流体によって変調させ
られる熱束を生じさせるために、センサーに電力を供給
し、 流れる流体の雰囲気温度を超えるセンサーの温度上昇を
測定し、そして測定された温度から流れる流体の速度を
計算することから成る方法。
11.前記センサーの前記第１のヒートシンクとは反対側
であって等距離の位置の、流れる流体に第２のヒートシ
ンクを配置することを更に含む上記10に記載の方法。
12.前記第２のヒートシンクの前記第１のセンサーとは
反対側の同一距離の位置の、流れる流体に第２のセンサ
ーを配置し、 第２のセンサーの第２ヒートシンクとは反対側の同一距
離の位置の、流れる流体に第３のヒートシンクを配置
し、 第１のセンサーに供給される電力よりもずっと低い率に
て第２のセンサーの電力を供給し、 第２のセンサーの温度を測定し、第１のセンサーの温度
の測定値からその測定値を引き算し、そしてその差を使
用して流れる流体の速度を計算することを更に含む上記
11に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施態様の概略図。 第２図は、本発明の第２の実施態様の概略図。 第３図は、本発明の第３の実施態様の概略図。 第４図は、本発明のセンサーの１つを分解形式において
示す概略図。 11、29……センサー 13……断熱材 15……基板 17……金属層 19……コイル 21……電源 23……測定回路 25、31、33……ヒートシンク 27……増分体積 28……有効体積 35……活動センサー 37……基準センサー 45……電源 47、49……抵抗器 51……A/Dコンバーター 53……コンピューター

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電流が流れるときに熱束を放出する、流れ
    に接触しているセンサーを具備し、流れの周囲温度を越
    える該センサーにおける温度上昇を計算し、温度上昇及
    び供給された電力から流れの速度を計算する装置を使用
    することによって、流れの速度を測定する方法におい
    て、 該装置が、該センサーからの熱束を受け取るように、流
    体の流れに接触しており、該センサー（11,19）から離
    間しているヒートシンク（25）を具備すること、 該ヒートシンク（25）が、流体の流れに実質的に垂直な
    方向で、該センサー（11,19）から予め決められた間隔
    を置いて配置されること、 該センサー（11,19）によって生成された熱束が、該セ
    ンサー（11,19）から、熱束を吸収する該ヒートシンク
    （25）に、実質的に障害なしに、該流体の流れに実質的
    に垂直に流れ、該熱束が該流体の流れによって変化せし
    められるように、該センサーと該ヒートシンクとの間の
    間隔が選択されていることを特徴とする流れの速度を測
    定する方法。
  2. 【請求項２】ａ）各々が流体流れ内に配置されるように
    なっている基準センサー（37）及び活動センサー（35）
    であって、該センサー（37,35）が、電力が加えられた
    ときに、熱束を生成することができ、該センサー（37,3
    5）が、該流体の流れの向いている方向の実質的に垂直
    な方向において相互に離間している基準センサー（37）
    及び活動センサー（35）と、 ｂ）３つのヒートシンク（39,41,43）であって、１つヒ
    ートシンク（41）が、該センサー（37,35）の間に位置
    しており、他の１つのヒートシンク（43）が、該基準セ
    ンサー（37）の対向側に位置し、第３のヒートシンク
    （39）が該活動センサー（35）の対向側に位置し、該ヒ
    ートシンク（39,41,43）の各々が、該流体の流れの向い
    ている方向に実質的に垂直な方向において、隣接するセ
    ンサー（37又は35）から実質的に同じ距離離れており、
    該活動センサー（35）によって生成された熱束が、該活
    動センサー（35）から協働するヒートシンク（41,39）
    に実質的に妨害されることなしに、且つ該流体の流れの
    向きの線に垂直に流れ、且つ該流体の流れによって変化
    せしめられるように、該活動センサー（35）とこれと協
    働するヒートシンク（41,39）との間の距離が、選択さ
    れている３つのヒートシンク（39,41,43）と を具備することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
    の方法に使用される熱束測定器。
JP1158469A 1988-06-27 1989-06-22 流体の速度を測定する方法 Expired - Lifetime JPH0778439B2 (ja)

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