JPWO2014065116A1

JPWO2014065116A1 - 質量流量計

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Publication number: JPWO2014065116A1
Application number: JP2014543220A
Authority: JP
Inventors: 亮小阪; 恭平福田; 山根　隆志; 隆志山根
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: JP5999725B2; EP2913642B1; EP2913642A4; WO2014065116A1; US20150253170A1; EP2913642A1; US9689729B2

Abstract

小型・軽量な流量計でゼロ点ドリフト補償を実現した質量流量計を提供する。内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力検出用歪ゲージとは異なる位置に、流量のゼロ点ドリフト補正用の歪ゲージを貼りつけ、この２点間の脈波伝搬時間を利用して流量のゼロ点ドリフトを補償する質量流量計。

Description

本発明は、質量流量計に関し、特に、小型・軽量な流量計での流量計測が必要な分野、例えば、人工心臓などの医療用流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの流量計測に応用可能な質量流量計に関するものである。

本出願人は、既に、小型・軽量な流量計として、硬質の曲がり管を用いた質量流量計（特許文献１）、弾性の曲がり管を用いた質量流量計（特許文献２）を出願しているが、いずれも静圧補償・温度補償に関する記載はあっても、ゼロ点ドリフト補償に関する記載は無い。
また、特許文献３の質量流量計は、流体遠心力を曲がり管端部で計測しているが、ゼロ点ドリフト補償についての記載は無い。
一方、特許文献４には、脈波伝搬速度から血圧を計測する方法を提案しているが、流量計測は実施しておらず、また、脈波伝搬時間を求めるために、心電図の特定周波数成分を利用している。

特開２００７−２１８７７５号公報特開２００９−１５０６７１号公報特開平４−２７６５１９号公報特開２００１−９５７６６号公報

例えば、病院外使用の体内埋め込み人工心臓では、病態管理のため流量表示が必要であるが、埋め込みできる小型の流量計が存在していない。産業用の流量計としては、渦流量計、抵抗流量計、フロート式流量計など様々な方式はあるが、超軽量でシンプルな計測方式の流量計が求められている。従来、本出願人らが提案してきた曲がり管を用いた質量流量計では、計測方法はシンプルで小型化が可能だが、圧力計測用のセンサに歪ゲージを使用しているため、急激な温度の変化や外力、センサ素子の劣化などにより流量の計測値にゼロ点ドリフトが生じ、計測誤差が発生する可能性が残っていた。

上記問題点を解決するために、本発明は、管路内の流体の圧力を検出する圧力検出手段のゼロ点ドリフトを補償できる圧力センサ、及び、曲がり管を用いた質量流量計の流量計測において、ゼロ点ドリフトを補償した質量流量計を提供する。
すなわち、本発明の圧力センサは、内部を流体が流通する管路内の、流体の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段とは異なる位置に、ゼロ点ドリフト補正用圧力検出手段を設け、この２点間の脈波伝搬時間と前記圧力検出手段の圧力変化量を利用して前記圧力検出手段の圧力のゼロ点ドリフトを補償する。
また、本発明の質量流量計では、内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力検出用歪ゲージとは異なる位置に、流量のゼロ点ドリフト補正用の歪ゲージを貼りつけ、この２点間の脈波伝搬時間を利用して流量のゼロ点ドリフトを補償する。
また、本発明は、前記質量流量計において、前記内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分は管路を曲げて形成した曲がり管における曲がり部とする。
また、本発明は、前記質量流量計において、前記遠心力ないし向心力が作用する部分とは異なる場所に、静圧あるいは温度補償用歪ゲージを貼り付けることで、静圧あるいは温度補償を行う。
また、本発明は、前記質量流量計において、流量のゼロ点ドリフト補正用の歪ゲージの代わりに、流量発生装置の脈動を発生させた時間の信号や圧力弁の開閉時間の信号と、曲がり管に貼りつけた歪ゲージの信号との２点間の脈波伝搬時間を利用して流量のゼロ点ドリフトを補償する。
また、本発明は、前記質量流量計において、遠心力ないし向心力が作用する部分と流量のゼロ点ドリフト補正用の部分の間を弾性材料の管で形成する。
また、本発明は、前記質量流量計において、脈波伝搬時間を利用して管路内の圧力計として使用も可能である。
また、本発明は、前記質量流量計において、脈波伝搬時間を利用して計測した圧力と曲がり管を利用して計測した流量から管路抵抗の測定に用いることもできる。

本発明では、脈波伝搬時間を利用することで、管路内の流体の圧力を検出する圧力検出手段のゼロ点ドリフトが補償できるため長期安定した圧力計測を実現できる。
本発明では、曲がり管を用いた質量流量計において、脈波伝搬時間を利用することで、従来の質量流量計と比べて、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分の歪ゲージから算出される圧力や、静圧あるいは温度補償用歪ゲージから算出される圧力のゼロ点ドリフトが補償できるため、温度の急な変化や外力などに対しても長期安定した流量計測を実現できる。
さらに、脈波伝搬時間は作動流体の粘度の影響を受けないため、質量流量の計測が可能である。また、静圧あるいは温度補償用歪ゲージを貼りつけることで、管路抵抗の変化にも対応できる。
従来の形式では歪ゲージの歪量からゼロ点ドリフトの可能性もある圧力計測を実施可能であったが、本発明によりゼロ点ドリフトの補償された圧力計測が可能となる。併せて流量と圧力から管路抵抗の長期計測もできる。

本発明の質量流量計の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計に、静圧あるいは温度補償用の歪ゲージと、ゼロ点ドリフト補償用の歪ゲージを加えた質量流量計（第１実施例）。本発明の質量流量計の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計に、圧力弁からのゼロ点ドリフト補償用の信号入力を加えた質量流量計（第２実施例）。本発明の質量流量計の一実施例である曲がり管を用いた質量流量計に、流量発生装置からのゼロ点ドリフト補償用の信号入力を加えた質量流量計（第３実施例）。ゼロ点ドリフトを説明するための図（実線が実際の圧力波形、点線がドリフトした時の圧力波形）。ゼロ点ドリフトを故意に生じさせた時の、ゼロ点ドリフト補償無しの結果とゼロ点ドリフト補償有りの実験結果を示した図。

管路を進む圧脈波の速度を、脈波伝播速度（ＰＷＶ：ＰｕｌｓｅＷａｖｅＶｅｌｏｃｉｔｙ）という。管路の中で異なる２点間における脈波を記録したとき、ＰＷＶはその２点間の時間差である脈波伝播時間（ＰＴＴ：ＰｕｌｓｅＴｒａｎｓｉｔＴｉｍｅ）と２点間の距離（ΔＬ）から以下の式で定義される。
ＰＷＶ＝ΔＬ／ＰＴＴ
一方、ＰＷＶと管路の弾性の関係は、Ｍｏｅｎｓ−Ｋｏｒｔｅｗｅｇの式から下記の式で表される。
ＰＷＶ＝｛（Ｅ×ｈ）／(２ｒ×ρ）｝1/2
ここで、Ｅはヤング率、ｈは管路壁の厚さ、ｒは管路内の半径、ρは作動流体の密度を示す。ヤング率以外の値は、ヤング率に比べて変化量が小さいため一定とみなすと、ＰＷＶはほぼヤング率に依存していると仮定する。また、さらにヤング率は、以下の式で表すことができる。
Ｅ＝ΔＰ／(ｈ×ΔＤ)
ここで、ΔＰは圧力変化量、ΔＤは内径変化量を示す。これらの式から定数をαとして整理すると、以下の式が得られる。
ＰＴＴ＝α(ΔＤ／ΔＰ)1/2
本式からＰＴＴは、圧力変化量及び内径変化量により変わることがわかる。このとき、圧力変化量ΔＰは、管路に貼りつけた歪ゲージにより得られる。一方、圧力変化量ΔＰにおける管路の内径変化量ΔＤは拍動の圧力最低値Ｐ_Lの上昇に伴い変化量が小さくなるため、定数をβとして下記の式を得る。
ΔＤ＝β×Ｐ_L
本式とＰＴＴの式から、定数をγとして整理すると下記の式を得る。
Ｐ_L＝γ×ＰＴＴ2×ΔＰ
すなわち、圧力最低値Ｐ_Lは、ＰＴＴと圧力変化量ΔＰの関数であることがわかる。しかも、ＰＴＴと圧力変化量ΔＰはゼロ点ドリフトに影響されないから、上式で予め定数γを求めておくと、前述の通り、圧力変化量ΔＰは、管路に貼りつけた歪ゲージにより得られるため、ＰＴＴから圧力最低値Ｐ_Lを上式から得ることができる。そして、管路に貼りつけた歪ゲージより得られた圧力最低値の値Ｐ_L’をＰＴＴから得られた圧力最低値Ｐ_Lに置き換えることで圧力のゼロ点ドリフト補償ができる。そして、補正された圧力から質量流量を求めることで、流量のゼロ点ドリフト補償が可能となる。

（第１実施例）
図１は、本発明の一実施例である第１実施例を示したものである。歪みゲージを３種類使用した質量流量計では、遠心力計測用の歪ゲージを曲がり部外周に、静圧補償用の歪ゲージを直管部に、ゼロ点ドリフト補償用の歪ゲージを曲がり管とは異なる位置の直管部に取り付けている。流入口から圧脈波が加わったとき、遠心力計測用の歪ゲージとゼロ点ドリフト補償用の歪ゲージ、静圧補償用の歪ゲージとゼロ点ドリフト補償用の歪ゲージのそれぞれ２点間の脈波伝搬時間を求める。そして、遠心力計測用の歪ゲージと静圧補償用の歪ゲージで計測された信号をアンプで増幅し、予め求めていた校正式から圧力変化量を求める。圧脈波ごとに計測される脈波伝搬時間と圧力変化量から、予め求めていた校正式により脈圧の最低値を得ることができる。この脈圧の最低値と管路に取り付けた歪ゲージより得られた圧力の最低値を置き換えることで、圧力のゼロ点ドリフトを補償することができる。そして、補償された曲がり管の２種類の歪ゲージから得られた圧力差と流量の校正式を組み込んだ流量出力装置に入力することで、質量流量を計測することができる。

（第２実施例）
図２は、本発明の一実施例である第２実施例を示したものである。歪みゲージを２種類使用した質量流量計では、遠心力計測用の歪ゲージを曲がり部外周に、静圧補償用の歪ゲージを直管部に取り付けている。管路下流には逆止弁が取り付けられており、一定の圧力が加わった時に逆止弁が開き、管路下流に流体が流れる。管路の流入口から圧脈波が加わったとき、一定の圧力が加わり逆止弁が開く時間と、２種類の歪ゲージに一定の圧力変化量が発生する時間の２点より、遠心力計測用の歪ゲージと逆止弁、静圧補償用の歪ゲージと逆止弁のそれぞれ２点間の脈波伝搬時間を求める。
そして、遠心力計測用の歪ゲージと静圧補償用の歪ゲージで計測された信号をアンプで増幅し、予め求めていた校正式から圧力変化量を求める。圧脈波ごとに計測される脈波伝搬時間と圧力変化量から、予め求めていた校正式により脈圧の最低値を得ることができる。この脈圧の最低値と管路に取り付けた歪ゲージより得られた圧力の最低値を置き換えることで、圧力のゼロ点ドリフトを補償することができる。そして、補償された曲がり管の２種類の歪ゲージから得られた圧力差と流量の校正式を組み込んだ流量出力装置に入力することで、質量流量を計測することができる。

（第３実施例）
図３は、本発明の一実施例である第３実施例を示したものである。歪みゲージを２種類使用した質量流量計では、遠心力計測用の歪ゲージを曲がり部外周に、静圧補償用の歪ゲージを直管部に取り付けている。管路上流には流量発生装置が取り付けられている。管路の流入口から流量発生装置により圧脈波が加わったとき、流量発生装置へ圧脈波を発生させるための信号が入力された時間と、２種類の歪ゲージに一定の圧力変化量が発生する時間の２点より、遠心力計測用の歪ゲージと流量発生装置、静圧補償用の歪ゲージと流量発生装置のそれぞれ２点間の脈波伝搬時間を求める。そして、遠心力計測用の歪ゲージと静圧補償用の歪ゲージで計測された信号をアンプで増幅し、予め求めていた校正式から圧力変化量を求める。圧脈波ごとに計測される脈波伝搬時間と圧力変化量から、予め求めていた校正式により脈圧の最低値を得ることができる。この脈圧の最低値と管路に取り付けた歪ゲージより得られた圧力の最低値を置き換えることで、圧力のゼロ点ドリフトを補償することができる。そして、補償された曲がり管の２種類の歪ゲージから得られた圧力差と流量の校正式を組み込んだ流量出力装置に入力することで、質量流量を計測することができる。

図４は、実線が実際の圧力波形、点線がドリフトした時の圧力波形を示す図である。縦軸に圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、横軸に時間（ｔｉｍｅ）［s］を表した図であり、グラフ中のＰ_L、Ｐ_L’はドリフト前の脈圧の最低値とドリフト後の脈圧の最低値を示しており、ΔＰは圧脈波の圧力変化量を示している。圧力の計測に歪ゲージをセンサとして用いる場合、外部から管路に加わる外力や温度変化、センサ素子の劣化などにより、歪ゲージの出力にゼロ点ドリフトが生じ、圧力波形が実線から点線にドリフトしてしまう。そのため、脈波伝搬速度と圧力変化量から得られる圧力最低圧Ｐ_Lをドリフト後の最低圧Ｐ_L’と置き換えることで、ゼロ点ドリフトを補償することができる。

図５は、一巡閉鎖回路を用いて実測試験を行った結果の一例である。実線が市販の超音波式流量計の計測結果、薄い灰色の実線がゼロ点ドリフト補償を付与していない質量流量計の計測結果、濃い灰色の実線がゼロ点ドリフト補償を付与した計測結果を示している。３０［s］において、質量流量計の歪ゲージにゼロ点ドリフトを生じさせた結果、ゼロ点補償を加えていない質量流量計は、市販流量計に比べて大きな計測誤差が生じた。一方、ゼロ点補償を加えた質量流量計は、ゼロ点補償を加えていない質量流量計に比べて、市販流量計に対する計測誤差が小さくなった。

小型・軽量な流量計での流量計測が必要な分野、例えば、人工心臓などの医療用流量計や、石油、石油化学、化学などのプラントの配管を流れる流体やガス、ビンの洗浄水、ウェハや基板の洗浄液、薬剤などの流量計測が必要な分野に利用でき、ゼロ点ドリフト補償が実現可能となる。

上記問題点を解決するために、本発明は、管路内部を流れる流体の圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記第１圧力検出手段とは異なる前記管路内部の点の前記流体の圧力を検出するゼロ点ドリフト補正用の第２圧力検出手段とを含み、前記第１圧力検出手段の検出点と前記第２圧力検出手段の検出点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である脈波伝播時間と、前記第１圧力検出手段の出力に基づく圧力変化量とを用いて得られる前記管路内を伝播する圧脈波の圧力最低値によって、前記第１圧力検出手段の出力に基づく圧力最低値を置き換えて、前記第１圧力検出手段の圧力のゼロ点ドリフトを補償する。
また、上記問題点を解決するために、本発明は、管路内部を流れる流体の遠心力ないし向心力が作用する当該管路の曲がり部に設けられ、遠心力ないし向心力を検出するための第１歪ゲージと、前記曲がり部とは異なる前記管路の直管部に設けられた流量のゼロ点ドリフト補正用の第２歪ゲージと、前記第２歪ゲージとは異なる前記管路の直管部に設けられた静圧補償用の第３歪ゲージとを含み、前記第１歪ゲージの計測点と前記第２歪ゲージの計測点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第１の脈波伝播時間と、前記第２歪ゲージの計測点と前記第３歪ゲージの計測点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第２の脈波伝播時間と、前記第１歪ゲージおよび前記第３歪ゲージの各出力に基づく圧力変化量とを用いて得られる前記管路内を伝播する圧脈波の圧力最低値によって、前記第１歪ゲージの出力に基づく圧力最低値を置き換えて、流量のゼロ点ドリフトを補償する。
本発明は、前記質量流量計において、流量のゼロ点ドリフト補正用の第２歪ゲージの代わりに、前記管路の直管部に、前記管路内に圧力波が加わった場合に開動作する逆止弁を含む場合、前記第１歪ゲージにおいて一定の圧力変化量を有する時間と、前記逆止弁が開いている時間とによって、前記第１歪ゲージの計測点と前記逆止弁の設置点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第３の脈波伝播時間を求めるとともに、前記第３歪ゲージにおいて一定の圧力変化量を有する時間と、前記逆止弁が開いている時間とによって、前記第３歪ゲージの計測点と前記逆止弁の設置点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第４の脈波伝播時間を求め、前記第３の脈波伝播時間と、前記第４の脈波伝播時間と、前記第１歪ゲージおよび前記第３歪ゲージの各出力に基づく圧力変化量とを用いて得られる前記管路内を伝播する圧脈波の圧力最低値によって、前記第１歪ゲージの出力に基づく圧力最低値を置き換えて、流量のゼロ点ドリフトを補償し、または、流量のゼロ点ドリフト補正用の第２歪ゲージの代わりに、前記管路の直管部に、前記管路内に圧力波が加わった場合に圧脈波を発生させるための信号を入力する流量発生装置を含む場合、前記第１歪ゲージにおいて一定の圧力変化量を有する時間と、前記流量発生装置が前記信号を入力する時間とを用いて、前記第１歪ゲージの計測点と前記流量発生装置の設置点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第５の脈波伝播時間を求めるとともに、前記第３歪ゲージにおいて一定の圧力変化量を有する時間と、前記流量発生装置が前記信号を入力する時間とを用いて、前記第３歪ゲージの計測点と前記流量発生装置の設置点との間の前記管路上の２点間を伝播する圧脈波の時間差である第６の脈波伝播時間を求め、前記第５の脈波伝播時間と、前記第６の脈波伝播時間と、前記第１歪ゲージおよび前記第３歪ゲージの各出力に基づく圧力変化量とを用いて得られる前記管路内を伝播する圧脈波の圧力最低値によって、前記第１歪ゲージの出力に基づく圧力最低値を置き換えて、流量のゼロ点ドリフトを補償する。

Claims

内部を流体が流通する管路内の、流体の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段とは異なる位置に、ゼロ点ドリフト補正用圧力検出手段を設け、この２点間の脈波伝搬時間と前記圧力検出手段の圧力変化量を利用して前記圧力検出手段の圧力のゼロ点ドリフトを補償する圧力センサ。
内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分に遠心力ないし向心力検出用歪ゲージと、遠心力ないし向心力検出用歪ゲージとは異なる位置に、流量のゼロ点ドリフト補正用の歪ゲージを貼りつけ、この２点間の脈波伝搬時間を利用して流量のゼロ点ドリフトを補償する質量流量計。
前記内部を流体が流通する管路内の、流体の遠心力ないし向心力が作用する部分は管路を曲げて形成した曲がり管における曲がり部であることを特徴とする請求項２記載の質量流量計。
前記遠心力ないし向心力が作用する部分とは異なる場所に、静圧あるいは温度補償用歪ゲージを貼り付けることで、静圧あるいは温度補償を行うことを特徴とする請求項２または３記載の質量流量計。
請求項２ないし４の何れか１項記載の質量流量計において、流量のゼロ点ドリフト補正用の歪ゲージの代わりに、流量発生装置の脈動を発生させた時間の信号や圧力弁の開閉時間の信号と、曲がり管に貼りつけた歪ゲージの信号との２点間の脈波伝搬時間を利用して流量のゼロ点ドリフトを補償することを特徴とする質量流量計。
請求項２ないし５の何れか１項記載の質量流量計において、遠心力ないし向心力が作用する部分と流量のゼロ点ドリフト補正用の部分の間を弾性材料の管で形成したことを特徴とする質量流量計。
請求項２ないし６の何れか１項記載の質量流量計において、脈波伝搬時間を利用してゼロ点ドリフト補償した後の信号を圧力信号として出力すること特徴とする質量流量計。
請求項７記載の質量流量計において、前記圧力信号と曲がり管を利用して計測した流量とから管路抵抗の測定を行うことを特徴とする質量流量計。