JPH08210885A - フルイディック流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流路内の圧力変動によらずにフローセンサに
よって安定した流量測定を行う。 【構成】 フローセンサ３６〜３９は、フルイディック
素子を構成するノズル２部１の流路中に気体の流れ方向
に沿って相互に距離を隔てて配設される。ノズル部２１
は、その下流側にフルイディック発振を生起させるため
の気体噴流を生成する。各フローセンサ３６〜３９は相
互に同期して間欠的に駆動され、それぞれの位置におけ
る流速に応じた信号を間欠的に出力する。これらの信号
を基に平均流速を求めることにより、流路内の比較的高
周波の圧力変動による流速変動があっても、安定した流
速測定ができる。低流量域ではフローセンサ３６〜３９
から得られた平均流量を用い、高流量域ではフルイディ
ック発振から得られた流量を用いる。これにより、全流
量域にわたって安定した流量測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱式流速センサを用いて
ガス等の流体の流速を測定するフルイディック流量計に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスメータ等に利用される流量計とし
て、熱式流速センサ（以下、フローセンサという。）を
用いたものがある。フローセンサは、配管中を流れる流
体の流速を求めるセンサであり、感度が高く応答が速い
という利点がある。このフローセンサを用いた流量計で
は、フローセンサの出力から、流速に対応する流量を求
め、これを表示するようになっている。

【０００３】フローセンサとしては、例えば特開平２−
２５９５２７号公報に示されるように自ら熱を放出する
２つの測温抵抗エレメントを流体の流れの方向に沿って
配列したものや、例えば特開平４−５８１１１号公報に
示されるように２つの測温抵抗エレメント（センサ抵抗
器）とこの２つの測温抵抗エレメント間に設けられたヒ
ータエレメント（ヒータ抵抗器）とを流体の流れの方向
に沿って配列したもの等がある。このようなフローセン
サでは、流体の流れによって熱が移動し、２つの測温抵
抗エレメントの抵抗値が変化するので、ブリッジ回路を
用いて２つの測温抵抗エレメントの抵抗値のアンバラン
スに応じた信号を生成し、この信号から流速を求めるよ
うになっている。

【０００４】ところが、フローセンサは熱を放出するア
クティブセンサであって、多くの電力を必要とするた
め、ガスメータのように電池で駆動する機器に使用する
場合には長期にわたって連続的に使用することができな
いという問題があった。この問題を解決するため、例え
ば、ヒータエレメントへの供給電流を小さくする方法が
ある。しかしながら、単に供給電流を減らすとセンサ出
力電圧が減少してしまい、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。したが
って、Ｓ／Ｎ比を改善するための高価な回路が必要とな
り、また、その改善の効果にも限界がある。

【０００５】そのため、従来、ガスメータに使用される
フローセンサでは、連続的にフローセンサを駆動するの
でなく、必要なときにのみ駆動するいわゆる間欠駆動を
行うことによって間欠的な測定を行っていた。この場合
のサンプリング周期は数秒程度とされていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のフロ
ーセンサにおいて、ヒータエレメントは間欠的に発熱す
るが、ある一定の流速の下では２つの測温抵抗エレメン
トの温度差は一定となるため、フローセンサの出力も一
定となる。しかしながら、ガス流路において圧力変動が
ある場合には、図７に示すように流速が変動するため、
フローセンサの出力も変動する。この流速変動の周波数
は、例えば都市ガスでは数Ｈｚないし数十Ｈｚと、比較
的高い。このため、例えば図７に示すように、平均流速
をａ、振幅Ａとし、サンプリング周期Ｔ（数秒程度）の
間欠駆動を行ったとすると、得られる流速（図中の黒丸
印）は中心値ａを中心として２Ａの幅でばらつくことと
なり、安定した測定ができない。

【０００７】この場合、サンプリング周期Ｔを短くして
圧力変動を含んだ流速変化曲線の形を把握し、これを時
間積分する等によって中心値ａを得る方法も考えられ
る。しかし、このためには１００Ｈｚ程度の応答性が必
要とされ、サンプリング周期を１０ミリ秒程度にする必
要がある。したがって、この場合には事実上連続駆動と
同様になり、多くの消費電力が大きくなるため、電池駆
動には適しない。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、間欠的駆動によって消費電力を抑え
つつ、流路内に圧力変動があってもフローセンサによっ
て安定した流量測定をすることができるフルイディック
流量計を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のフルイデ
ィック流量計は、流体噴流を発生させるためのノズル部
を有すると共にこのノズル部からの噴流によって流速に
応じたフルイディック発振を生起するフルイディック素
子と、このフルイディック素子により生起されたフルイ
ディック発振の周波数に基づき高流量域における流量を
求める第１の流量検出手段と、前記フルイディック素子
のノズル部内の流路中における流体の流れ方向に沿って
相互に距離を隔てて配設され、それぞれの位置での流速
に応じた信号を同期的に出力する複数の熱式流速センサ
と、これらの熱式流速センサから同期的に出力される信
号から流速の平均値を求め、この演算値から低流量域に
おける流量を求める第２の流量検出手段とを備えたもの
である。

【００１０】このフルイディック流量計では、複数の熱
式流速センサにより、ノズル部内の流路における複数の
位置の流速が同期的に検出され、その平均値により低流
量域における流量が検出される。

【００１１】請求項２記載のフルイディック流量計は、
前記複数の熱式流速センサがそれぞれ間欠的に駆動さ
れ、間欠的に、且つ同期的に信号を出力するように構成
したもので、比較的長い周期での間欠駆動方式で流量測
定を行う場合であっても、圧力変動の影響を除去して本
来の値（平均値）が検出される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例に係るフルイディ
ック流量計を表すものである。なお、本実施例は、フロ
ーセンサとフルイディック素子とを併用して流量測定を
行うハイブリッド型のフルイディック流量計であり、例
えばガスメータとして使用されるものである。具体的に
は、低流量域ではフローセンサを用い、大流量域ではフ
ルイディック素子を用いて、流量の検出を行うものであ
る。

【００１４】図１に示すように、このフルイディック流
量計は、気体（ガス）を導入するための入口部１１と気
体を排出するための出口部１２とを有する本体１０を備
えている。本体１０内には隔壁１３が設けられ、この隔
壁１３と入口部１１との間に気体流路１４が形成され、
隔壁１３と出口部１２との間に気体流路１５が形成され
ている。隔壁１３には開口部１６が設けられ、気体流路
１４内には、開口部１６を閉塞可能な遮断弁１７が設け
られている。本体１０の外側にはソレノイド１８が固定
され、このソレノイド１８のプランジャ１９が、本体１
０の側壁を貫通して遮断弁１７に接合されている。遮断
弁１７と本体１０との間におけるプランジャ１９の周囲
にはばね２０が設けられ、このばね２０が遮断弁１７を
開口部１６側へ付勢している。

【００１５】気体流路１５内には、入口部１１から導入
した気体を通過させて噴流を配設させるノズル部２１が
設けられている。ノズル部２１内に形成された流路３５
の内壁には、上流側から下流側に向かって低流量域用の
４つのフローセンサ３６〜３９が直列に配設され、それ
ぞれから流速に応じた電圧が出力されるようになってい
る。ノズル部２１の下流側には、拡大された流路を形成
する一対の側壁２３，２４が設けられている。側壁２
３，２４の間には、所定の間隔を開けて、上流側に第１
ターゲット２５、下流側に第２ターゲット２６がそれぞ
れ配設されている。側壁２３，２４の外側には、ノズル
部２１を通過した気体を各側壁２３，２４の外周部に沿
ってノズル部２１の噴出口側へ帰還させる一対のフィー
ドバック流路２７，２８を形成するリターンガイド２９
が配設されている。フィードバック流路２７，２８の各
出口部分と出口部１２との間には、リターンガイド２９
の背面と本体１０とによって、一対の排出路３１，３２
が形成されている。ノズル部２１の噴出口の近傍には、
ノズル部２１を通過した気体の流れる方向の切り替わり
を検出するための高流量域用の圧電膜センサ６３（図
４）に通じる導圧孔３３，３４が設けられている。

【００１６】図２はノズル部２１の流路３５の付近を拡
大して表すものである。この図に示すように、最上流に
設けられたフローセンサ３６は、半導体基台４０と、こ
の半導体基台４０上に形成された薄膜層（図示せず）
と、この薄膜上に形成された測温用の２つのセンサ抵抗
器４１、４２と、加熱用のヒータ抵抗器４３とを備えて
いる。これらの３つの抵抗器は、気体の流れ方向（矢印
Ａ）に沿ってセンサ抵抗器４１、ヒータ抵抗器４３、セ
ンサ抵抗器４２の順に配置されると共に、相互に熱伝導
による大きな熱移動が生じないように隔絶されている。
その他のフローセンサ３７〜３９の構成も同様である。

【００１７】図３は間欠的に駆動するように構成したフ
ローセンサ３６の要部を示す回路図である。この図で、
上流側のセンサ抵抗器４１と下流側のセンサ抵抗器４２
は、温度が等しいときには抵抗値が等しい。センサ抵抗
器４１の一端はスイッチ４５を介して定電流回路４６に
接続されている。センサ抵抗器４１の他端はセンサ抵抗
器４２の一端に接続され、センサ抵抗器４２の他端は接
地されている。直列に接続された２つのセンサ抵抗器４
１，４２の両端には、直列に接続された抵抗値の等しい
基準抵抗器４７、４８が接続され、これらのセンサ抵抗
器４１，４２および基準抵抗器４７，４８によってブリ
ッジ回路が構成されている。センサ抵抗器４１，４２の
接続点と基準抵抗器４７，４８の接続点はそれぞれ増幅
器４９の各入力端に接続されている。スイッチ４５は駆
動制御回路５０によってオン、オフが制御されるように
なっている。この回路には、通電によって発熱するヒー
タ抵抗器４３と、このヒータ抵抗器４３に定電流を供給
するための定電流回路５１と、駆動制御回路５０の制御
によって定電流回路５１からヒータ抵抗器４３への電流
供給をオンオフするスイッチ５２とが設けられている。
ヒータ抵抗器４３は、２つの測温用のセンサ抵抗器４
１，４２の間に配置され、このヒータ抵抗器４３で生じ
た熱が流体の流れによって下流側のセンサ抵抗器４２の
方向に流れるようになっている。その他のフローセンサ
３７〜３９も同様の構成である。

【００１８】図４は図１における導圧孔３３，３４およ
び圧電膜センサ６３を含む断面を拡大して表すものであ
る。この図に示すように、本体１０の底部の外側には、
導圧孔３３と導圧孔３４との間を連通する導圧管６１，
６２が設けられている。導圧管６１と導圧管６２との間
の内壁面には、圧電膜センサ６３が配設されている。こ
の圧電膜センサ６３は、導圧孔３３における圧力と導圧
孔３４における圧力との差（以下、単に差圧という）を
検出することによってノズル部２１を通過した気体の流
れ方向の切り替わり（すなわち、フルイディック発振）
を検知するためのものである。また、導圧管６１，６２
は本体１０の底部の外側に固定されたケース６４によっ
て覆われている。

【００１９】図５は図１の流量計の各フローセンサから
の出力電圧を処理するための信号処理回路の構成を表す
ものである。この信号処理回路は、低流量域用のフロー
センサ３６〜３９からの出力電圧を処理する信号処理部
７０と、高流量域用のフルイディック素子の圧電膜セン
サ６３からの出力電圧を処理する信号処理部９０と、検
出流量に応じて信号処理部７０または信号処理部９０の
出力のいずれか一方を選択するための切り替えを行う切
替制御部１００とを備えている。

【００２０】信号処理部７０は、フローセンサ３６〜３
９から出力される電圧をそれぞれ増幅するための増幅器
７１〜７４と、増幅器７１〜７４の各出力端にそれぞれ
接続されたアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）７５
〜７８と、ＡＤＣ７５〜７８の出力端に接続された演算
・制御部７９とを備えている。演算・入力部７９の出力
端は切替制御部１００の一方の入力端に接続されてい
る。また、演算・制御部７９は、フローセンサ３６〜３
９を一定周期（Ｔ）で同期駆動するための駆動信号８１
を出力するようになっている。

【００２１】信号処理部９０は、フルイディック素子の
圧電膜センサ６３から出力されたフルイディック発振信
号８２を増幅する増幅器９１と、増幅器９１の出力端に
接続され、増幅器９１からの正弦波状のアナログ出力か
ら高周波成分を除去したのち矩形（パルス）波形に変換
する波形整形部９２と、この波形整形部９２の出力端に
接続され、波形整形部９２のパルス出力の周期を検出す
る周期検出部９３と、この周期検出部９３の出力端に接
続され、周期検出部９３の出力を基に流量を演算する流
量演算部９４とを備えている。そして、流量演算部９４
の出力端は切替制御部１００の他の入力端に接続されて
いる。

【００２２】次に、以上のような構成のフルイディック
流量計の動作を説明する。

【００２３】まず、図１におけるフルイディック素子部
の動作を説明する。入口部１１から導入された気体は、
気体流路１４、開口部１６、および気体流路１５を順に
経て、ノズル部２１に入る。ノズル部２１を通過した気
体は、噴流となって噴出口より噴出される。噴出口より
噴出された気体は、コアンダ効果により一方の側壁に沿
って流れる。ここでは、まず側壁２３に沿って流れるも
のとする。側壁２３に沿って流れた気体は、更にフィー
ドバック流路２７を経て、ノズル部２１の噴出口側へ帰
還され、排出路３１を経て出口部１２より排出される。
このとき、ノズル部２１より噴出された気体は、フィー
ドバック流路２７を流れてきた気体によって方向が変え
られ、今度は他方の側壁２４に沿って流れるようにな
る。この気体は、更にフィードバック流路２８を経て、
ノズル部２１の噴出口側へ帰還され、排出路３２を経て
出口部１２より排出される。すると、ノズル部２１より
噴出された気体は、今度は、フィードバック流路２８を
流れてきた気体によって方向が変えられ、再び側壁２
３、フィードバック流路２７に沿って流れるようにな
る。以上の動作を繰り返すことにより、ノズル部２１を
通過した気体は一対のフィードバック流路２７，２８を
交互に流れるフルイディック発振を行う。

【００２４】このフルイディック発振の周波数（または
周期）は流量（流速）と対応関係があり、圧電膜センサ
６３（図４）によって検出される。すなわち、ノズル部
２１を通過した気体が一対のフィードバック流路２７，
２８を交互に流れると、ベルヌーイの法則により、導圧
孔３３と導圧孔３４との間に差圧が生じると共に、この
差圧の方向が流量（流速）に対応した周波数で変化す
る。このため、この差圧方向の変化に応じて導圧管６
１，６２内の気体流の方向が変化し、これを圧電膜セン
サ６３で検出することでフルイディック発振周波数が求
められ、これよりフルイディック流量計のノズル部２１
を流れる流量が求まる。

【００２５】次に、図２および図３のフローセンサ３６
の動作を説明する。このフローセンサでは、駆動制御回
路５０によって一定のサンプリング周期（Ｔ＝数秒）、
且つ一定のデューティ比（周期Ｔに対するスイッチオン
の時間Ｔ_onの比）で間欠的にスイッチ４５および５２が
オンにされ、定電流回路４６からブリッジ回路に電流が
間欠的に供給されると共に、定電流回路５１からヒータ
抵抗器４３に電流が間欠的に供給される。この場合、ヒ
ータ抵抗器４３での消費電流は、連続駆動の場合に比べ
てＴ_on／Ｔに減少する。この電流によってヒータ抵抗器
４３は熱を発する。ここで、流速がゼロのときはヒータ
抵抗器４３から放出された熱は両側のセンサ抵抗器４
１，４２に均等に伝わるため、これらのセンサ抵抗器４
１，４２の抵抗値が等しくなり、増幅器４９から出力さ
れる検知信号はゼロである。一方、流速がある大きさを
持つ場合には、センサ抵抗器４１，４２の抵抗値に差が
生じ、この差は流速が大きいほど大きくなる。従って、
増幅器４９から出力される検知信号５３は流速に応じた
大きさとなる。このような動作は他のフローセンサ３７
〜３９についても同様である。

【００２６】次に、図５の信号処理回路の動作を説明す
る。まず、図６を参照して信号処理部７０の動作を説明
する。演算・制御部７９は、図示しないクロック信号に
基づき、一定周期Ｔで駆動信号８１を各フローセンサ３
６〜３９に供給する。フローセンサ３６〜３９は駆動信
号８１に同期して、ノズル部２１（図１）の流路３５の
それぞれの位置における流速に応じた電圧信号を出力す
る。いま、ガス配管内の圧力変動により、ノズル部２１
のフローセンサ３６の位置での流速が図６（ａ）に示す
ように中心値ａを中心として振幅Ａで変動しているとす
ると、時刻ｔ₁における流量はＱ₁ となり、フローセン
サ３６は、この流量Ｑ₁ に対応したセンサ電圧を出力す
る。一方、他のフローセンサ３７〜３９の位置での流速
変化は、それぞれ図６（ｂ）〜（ｄ）に示すようになっ
ており、同時刻ｔ₁ においてフローセンサ３７〜３９は
それぞれの流量値Ｑ₂ ，Ｑ₃ ，Ｑ₄ に対応したセンサ電
圧を出力する。

【００２７】信号処理部７０では、フローセンサ３６〜
３９からの各センサ電圧を増幅器７１〜７４でそれぞれ
増幅したのち、ＡＤＣ７５〜７８でそれぞれディジタル
信号に変換し、演算・制御部７９に入力する。演算・制
御部７９は、４つのディジタル信号を加算し４で除する
ことにより平均値を求める。これにより得られた値は図
６（ｅ）に示すように、ほぼ中心値ａに近い値となる。
次のサンプリング時刻ｔ₂ でも、同様の処理を行うこと
により、ほぼ中心値ａに近い値を得る。但し、この場
合、フローセンサ３６〜３９の相互の距離は、各位置で
の流速変動の位相差が互いに相殺されるような位置関係
とする必要があるため、圧力（流速）変動の周波数を考
慮して定める。

【００２８】次に、信号処理部９０の動作を説明する。
フルイディック素子部の圧電膜センサ６３は流量に応じ
た周波数のフルイディック発振信号８２を出力する。信
号処理部９０の増幅器９１はフルイディック発振信号８
２を増幅し、波形整形部９２は増幅器９１からのアナロ
グ出力を矩形波状に整形する。周期検出部９３は波形整
形部９２から入力された矩形波信号の周期を検出し、流
量演算部９４に出力する。流量演算部９４は周期検出部
９３で検出された周期に基づき流量を演算する。

【００２９】切替制御部１００は、信号処理部７０およ
び９０の出力を監視し、流量が所定量以下の場合には、
信号処理部７０の出力を選択する一方、流量が所定量を
超えると信号処理部９０の出力を選択する。これによ
り、低流量域ではフローセンサ３６〜３９から得られた
平均流量が出力され、高流量域ではフルイディック素子
部の圧電膜センサ６３から得られた流量が出力される。

【００３０】このように本実施例では、低流量域では、
ノズル部２１の流路中に流れ方向に沿って配置された４
つのフローセンサ３６〜３９の同期出力を平均すること
で流量測定を行うようにしたので、配管流路内に比較的
高周波の圧力変動が存在する場合において、比較的長い
周期での間欠駆動方式で流量測定を行う場合であって
も、その圧力変動の影響を除去して本来の値（中心値）
を求めることができる。また、低流量域では十分な振幅
のフルイディック発振を得ることが困難であるという事
情を考慮して、低流量域では複数のフローセンサ３６〜
３９により直接流量を測定する一方、高流量域では圧電
膜センサ６３により検出されるフルイディック発振周波
数から流量を求めるようにしたので、全流量域にわたっ
て安定した流量測定が可能である。

【００３１】なお、本実施例では、ノズル部２１の流路
に設けるフローセンサを４個としたが、これに限るもの
ではなく、２，３個あるいは５個以上としてもよい。但
し、この場合、配設するフローセンサの数を多くすれ
ば、各センサ出力間の相殺効果が顕著になって、中心値
ａにより近い流量を得ることができるが、配設するフロ
ーセンサの数をあまりに多くすると、今度は消費電力の
増大を招くので、両者のバランスを考慮してフローセン
サの数を定めることが望ましい。また、上記したよう
に、圧力変動の周波数を考慮してフローセンサ相互の配
置距離を定めるようにすることが望ましい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１および２記
載のフルイディック流量計によれば、ノズル部の流体の
流れ方向に沿って複数の熱式流速センサを配設すると共
に、これらの出力信号を基に平均流量を求めるようにし
たので、配管流路内に比較的高周波の圧力変動が存在す
る場合でも、その圧力変動の影響を除去して本来の値
（平均値）を求めることができ、信頼性が高く安定した
流量測定が可能になる。

【００３３】特に、請求項２記載の流量計によれば、複
数の熱式流速センサを間欠的に駆動すると共に、これら
のセンサからから間欠的に出力される出力信号に基づき
平均流量を求めるようにしたので、比較的長い周期での
間欠駆動方式で流量測定を行う場合であっても、圧力変
動の影響を除去して本来の値（平均値）を求めることが
でき、消費電力を抑えつつ、信頼性が高く安定した流量
測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る流量計の全体構成を表
す断面図である。

【図２】図１のノズル付近を拡大して表す断面図であ
る。

【図３】図１のフローセンサの回路構成を表す回路図で
ある。

【図４】図１における導圧孔の断面を拡大して表す断面
図である。

【図５】図１の流量計の信号処理回路を表すブロック図
である。

【図６】図５における複数のフローセンサからのセンサ
出力を処理する信号処理部の動作を説明するための説明
図である。

【図７】従来の流量計の動作を説明するための説明図で
ある。

【符号の説明】

１１ 入口部 １２ 出口部 ２１ ノズル ３３，３４ 導圧孔 ３６〜３９ フローセンサ ４１，４２ センサ抵抗器 ４３ ヒータ抵抗器 ６３ 圧電膜センサ ７９ 演算・制御部 ７０，９０ 信号処理部 １００ 切替制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体噴流を発生させるためのノズル部を
   有すると共にこのノズル部からの噴流によって流速に応
   じたフルイディック発振を生起するフルイディック素子
   と、 このフルイディック素子により生起されたフルイディッ
   ク発振の周波数に基づき高流量域における流量を求める
   第１の流量検出手段と、 前記フルイディック素子のノズル部内の流路中における
   流体の流れ方向に沿って相互に距離を隔てて配設され、
   それぞれの位置での流速に応じた信号を同期的に出力す
   る複数の熱式流速センサと、 これらの熱式流速センサから同期的に出力される信号か
   ら流速の平均値を求め、この演算値から低流量域におけ
   る流量を求める第２の流量検出手段とを備えたことを特
   徴とするフルイディック流量計。
2. 【請求項２】 前記複数の熱式流速センサはそれぞれ間
   欠的に駆動され、間欠的に信号を出力することを特徴と
   する請求項１記載のフルイディック流量計。