KR20200106444A - 열식 유량계 및 유량 보정 방법 - Google Patents

열식 유량계 및 유량 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배관을 유통하는 유체의 종류가 변한 경우에도 정밀하게 유량 측정하는 것을 과제로 한다.
열식 유량계는, 배관(1)에 배치되고, 유체의 제1 온도를 검출하는 온도 측정 소자(2a)와, 유체의 제2 온도를 검출하는 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)와, 제2 온도가 제1 온도보다 일정치 높아지도록 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)를 발열시키는 제어부(13)와, 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 소비 전력을 측정하는 전력 측정부(7)와, 소비 전력을 유량의 값으로 변환하는 유량 도출부(8)와, 유량의 값을 보정하는 유량 보정부(9)와, 배관(1) 내가 기준 유체로 채워지고, 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 제1 제로점 소비 전력을 기억하는 기억부(10)와, 배관(1) 내의 유체의 흐름이 정지했을 때의 제2 제로점 소비 전력과 제1 제로점 소비 전력으로부터 제로점 전력비를 산출하는 제로점 전력비 산출부(11), 그리고 제로점 전력비로부터 보정계수를 산출하여 유량 보정부(9)에 설정하는 설정부(12)를 구비한다.

Description

열식 유량계 및 유량 보정 방법{THERMAL FLOWMETER AND FLOW COMPENSATING METHOD}
본 발명은, 배관의 상류와 하류의 2점에서 유체의 처리 온도 측정하고, 2점 사이의 온도차가 소정의 값이 되도록 히터를 제어하고, 히터에 인가하는 전력으로부터 유체의 유량을 산출하는 열식 유량계에 관한 것이다.
열식 유량계는, 히터 온도를 수온에 대하여 플러스 10℃ 등 일정 온도로 가온 구동으로 동작시켜, 상하류의 온도차 또는 히터의 전력으로부터 유량을 산출하는 방식이 일반적이다. 센서 출력은, 유체의 열전도율, 비열, 밀도, 점도 등의 물성치에 의해 변화하는 것이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
도 21은, 히터의 소비 전력으로부터 유체의 유량을 측정하는 열식 유량계의 원리를 설명하는 도면이다. 도 21에 나타내는 열식 유량계 방식에서는, 측정 대상의 유체를 유통시키는 배관(100)에 수온 센서(101)와 히터(102)를 배치하고, 히터(102)의 온도 TRh와 수온 센서(101)의 온도 TRr의 차(TRh-TRr)가 일정해지도록 히터(102)를 발열시킨다. 이때, 유체의 유량 Q는 히터(102)의 소비 전력 P와 재현성이 있는 상관이 있기 때문에, 소비 전력 P로부터 유량 Q을 산출할 수 있다.
히터 소비 전력 P(mW)은, 간이적으로는 이하의 식으로 표시되는 것이 알려져 있다.
Figure pat00001
[수학식 1]
수학식 1에서, A, B는 배관의 형상, 유체의 열전도율, 유체의 밀도, 유체의 점도, 유체의 비열 등으로부터 결정되는 정수, μ(mL/min)는 유량, ΔT(℃)는 히터(102)의 가열 온도이다. 히터 소비 전력 P와 유량 Q의 관계의 일례를 도 22에 나타낸다.
수학식 1에서의 정수 A, B는 유체의 열전도율 등에 의해 변화하기 때문에, 도 23에 나타낸 바와 같이 유체의 종류에 따라 히터 소비 전력 P과 유체의 유량 Q의 관계가 변화한다. 도 23의 예에서는, 유체의 종류를, 물, 과산화수소(10%), 황산(10%), 과산화수소(30%), 황산(30%), 암모니아(100%), 황산(60%), 과산화수소(50%), 황산(98%), 이소프로필알콜로 했다. 이와 같이, 유체의 종류에 따라 히터 소비 전력 P과 유체의 유량 Q의 관계가 변화하기 때문에, 유량계 사용자는 사전에 측정하는 유체의 종류를 유량계에 설정할 필요가 있었다.
그러나, 설정 후에 유체의 종류가 변화해 버리거나, 유체의 종류가 불명확하거나 한 경우, 히터 소비 전력 P를 유량 Q로 정밀하게 변환할 수 없게 되어, 유량 측정에 오차가 생긴다고 하는 문제점이 있었다.
도 24는, 측정하는 유체의 종류를 물(H2O)로 하는 설정 후에 각종 유체를 배관에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 24에 의하면, 설정 후에 유체의 종류가 변화하면, 열식 유량계의 유량 출력에 오차가 생기는 것을 알 수 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평11-132812호 공보
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 배관을 유통하는 유체의 종류가 변한 경우에도 정밀하게 유량을 측정할 수 있는 열식 유량계 및 유량 보정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 열식 유량계는, 측정 대상의 유체를 유통시키도록 구성된 배관과, 상기 배관에 배치되고, 상기 유체의 제1 온도를 검출하도록 구성된 온도 측정 소자와, 상기 온도 측정 소자보다 하류측의 상기 배관의 개소에 배치되고, 상기 유체의 제2 온도를 검출하도록 구성된 발열ㆍ온도 측정 소자와, 상기 제2 온도가 상기 제1 온도보다 일정치만큼 높아지도록 전력을 공급하여 상기 발열ㆍ온도 측정 소자를 발열시키도록 구성된 제어부와, 상기 발열ㆍ온도 측정 소자의 소비 전력을 측정하도록 구성된 전력 측정부와, 이 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력을 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하도록 구성된 유량 도출부와, 이 유량 도출부에 의해 도출된 유량의 값을, 미리 설정된 보정계수를 이용하여 보정하도록 구성된 유량 보정부와, 상기 배관 내가 기준 유체로 채워지고, 이 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 상기 소비 전력의 값을 제1 제로점 소비 전력으로서 미리 기억하도록 구성된 기억부와, 상기 배관 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때에 상기 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력인 제2 제로점 소비 전력과 상기 제1 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하도록 구성된 제로점 전력비 산출부, 그리고 상기 제로점 전력비에 기초하여 상기 보정계수를 산출하여 상기 유량 보정부에 설정하도록 구성된 설정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 열식 유량계의 일구성예에 있어서, 상기 유량 도출부는, 상기 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력을, 미리 설정된 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 이용하여 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하고, 상기 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블은, 상기 기준 유체용으로 미리 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 열식 유량계의 일구성예에 있어서, 상기 제로점 전력비 산출부는, 상기 측정 대상의 유체의 흐름이 정지한 것을 나타내는 정수(停水) 상태 신호가 입력되었을 때에, 상기 기억부에 기억된 제1 제로점 소비 전력의 값과 상기 전력 측정부에 의해 측정된 제2 제로점 소비 전력의 값을 취득하고, 이 제1 제로점 소비 전력과 제2 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 열식 유량계의 일구성예에 있어서, 상기 제로점 전력비 산출부는, 상기 제1 제로점 소비 전력을 Zero_W, 상기 제2 제로점 소비 전력을 Zero_F로 했을 때, (Zero_F-Zero_W)/Zero_W 또는 Zero_F/Zero_W에 의해 상기 제로점 전력비를 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 열식 유량계의 일구성예에 있어서, 상기 설정부는, 상기 제로점 전력비로부터 소정의 3차식에 의해 상기 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명은, 측정 대상의 유체를 유통시키는 배관과, 상기 배관에 배치되고, 상기 측정 대상의 유체의 제1 온도를 검출하는 온도 측정 소자와, 상기 온도 측정 소자보다 하류측의 상기 배관의 개소에 배치되고, 상기 측정 대상의 유체의 제2 온도를 검출하는 발열ㆍ온도 측정 소자를 구비한 열식 유량계의 유량 보정 방법에 있어서, 상기 제2 온도가 상기 제1 온도보다 일정치만큼 높아지도록 전력을 공급하여 상기 발열ㆍ온도 측정 소자를 발열시키는 제1 단계와, 상기 발열ㆍ온도 측정 소자의 소비 전력을 측정하는 제2 단계와, 이 제2 단계에서 측정한 소비 전력을 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하는 제3 단계와, 이 제3 단계에서 도출한 유량의 값을, 미리 설정된 보정계수를 이용하여 보정하는 제4 단계와, 상기 배관 내가 기준 유체로 채워지고, 이 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 상기 소비 전력인 제1 제로점 소비 전력의 값을 기억부로부터 취득하고, 상기 배관 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때에 상기 제2 단계에서 측정한 소비 전력인 제2 제로점 소비 전력과 상기 제1 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 제5 단계, 그리고 상기 제로점 전력비에 기초하여 상기 보정계수를 산출하고, 상기 제4 단계에서 이용하는 보정계수로서 설정하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 제로점 전력비를 산출하고, 이 제로점 전력비로부터 보정계수를 산출하는 것에 의해, 측정 정밀도에 대한 열식 유량계마다의 변동의 영향을 억제할 수 있어, 배관을 유통하는 유체의 종류가 변한 경우에도, 정밀하게 유량을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 설정부가 보정계수를 자동적으로 설정하기 때문에, 열식 유량계의 사용자는, 처음에 유체를 흘리는 경우, 유체의 종류를 바꾼 경우 혹은 유체의 종류가 변했다고 생각되는 경우에, 유체의 흐름을 정지시키는 것만으로 용이하게 열식 유량계의 설정을 행할 수 있다.
도 1은, 각종 유체를 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 2는, 측정하는 유체가 물인 경우의 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정한 후에 각종 유체를 배관에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은, 선원(先願)의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 열식 유량계의 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는, 제1 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 5의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 7은, 제2 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 7의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 9는, 제3 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 도 9의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 11은, 제4 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 11의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 13은, 제1 유체용으로 조정된 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정한 후에 제1∼제4 유체를 배관에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는, 보정계수와 제로점의 히터 소비 전력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는, 제로점 전력비와 보정계수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 17은, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계의 온도 취득부와 제어 연산부와 전력 조정기의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 18은, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계의 전력 측정부와 유량 도출부와 유량 보정부의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 19는, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계의 제로점 전력비 산출부와 설정부의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 20은, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 21은, 열식 유량계의 원리를 설명하는 도면이다.
도 22는, 열식 유량계에서의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 23은, 각종 유체를 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24는, 유체의 종류를 물로 하는 설정 후에 각종 유체를 배관에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
[선원의 설명]
여기서, 본 발명에 관해 설명하기 전에, 발명자가 일본 특허 출원 제2018-067090호에서 제안한 방법에 관해 설명한다.
도 23에서 설명한 바와 같이, 배관 내의 유체의 종류에 따라 소비 전력-유량 특성이 변화하지만, 이 특성의 차이는 배관 내의 유체의 흐름이 정지한 경우에도 나타난다.
도 1은, 도 23의 제로점[정수 시] 부근을 확대한 도면이다. 도 1에서 분명한 바와 같이, 배관 내의 유체의 흐름이 정지한 경우에도, 유체의 종류에 따라 히터 소비 전력 P가 변화하고, 그 변화량은 흐름이 있는 경우의 변화량과 상관이 있다. 제로점에서의 히터 소비 전력 P는, 열식 유량계가 설치되어 있는 현장에서 유체의 흐름을 정수시킴으로써 용이하게 측정 가능하다. 구체적으로는, 열식 유량계의 사용자는, 유체의 종류를 바꾼 경우, 혹은 유체의 종류가 변했다고 생각되는 경우에, 열식 유량계의 배관의 상하류의 밸브를 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 정지시킨다.
열식 유량계는, 유체의 흐름이 정지했을 때에, 히터 소비 전력 P의 값을 취득하고, 이 소비 전력 P의 값에 대응하는 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 선택한다. 이렇게 해서, 유체의 종류에 따른 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정할 수 있다. 이 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 사용하면, 유체가 흐르고 있을 때의 히터 소비 전력 P를 유량 Q의 값으로 변환할 수 있다.
도 2는, 측정하는 유체가 물(H2O)인 경우의 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정한 후에 각종 유체를 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
한편, 도 3은, 배관 내의 유체의 종류가 변할 때마다 일본 특허 출원 제2018-067090호의 방법으로 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정 변경한 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량의 관계를 나타내는 도면이다. 도 2, 도 3의 예에서는, 유체의 종류를, 물, 과산화수소(10%), 암모니아, 황산(60%), 과산화수소(50%), 황산(98%), 이소프로필알콜, 플로리너트(등록상표)로 했다.
이상과 같이, 일본 특허 출원 제2018-067090호에서 제안한 방법에 의하면, 유체의 종류에 따른 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정할 수 있다.
단, 열식 유량계의 개개의 변동에 의해 제로점의 히터 소비 전력에도 변동이 생긴다. 구체적으로는, 센서 주변의 열특성(예컨대 유리제 배관의 두께 등)이 제품마다 상이함으로써, 동일한 종류의 유체라 하더라도 제로점의 히터 소비 전력에 차이가 발생한다. 이 때문에, 일본 특허 출원 제2018-067090호에서 제안한 방법에서는, 제로점의 히터 소비 전력에 대응하는 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 선택할 때에 선택에 오류가 발생할 가능성이 있어, 정확한 유량 측정을 할 수 없을 가능성이 있었다.
[발명의 원리]
다음으로, 본 발명의 원리에 관해 설명한다. 도 4의 단면도에서 나타낸 바와 같이, 온도 측정 소자(2a)(수온 센서) 및 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)(히터 센서)와 유체의 사이에는, 예컨대 유리제의 배관(1)과 접착제(3a, 3b)가 존재한다. 이들 배관(1)과 접착제(3a, 3b)를 통해, 온도 측정 소자(2a) 및 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)와 유체의 사이에서 열의 교환이 행해진다.
열식 유량계의 개개의 제품마다, 배관(1)과 접착제(3a, 3b)의 두께는 약간의 변동이 있다. 또한, 온도 측정 소자(2a) 및 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 열특성도 변동이 있다. 이 때문에, 상기와 같이, 동일한 종류의 유체라 하더라도 제로점의 히터 소비 전력은 제품마다 다른 값을 나타낸다.
4종류의 유체(액체)에 관해 3대의 열식 유량계로 히터 소비 전력을 실제로 측정한 결과를 도 5∼도 12에 나타낸다. 도 5는, 제1 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 제1 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면, 도 6은, 도 5의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다. 도 7은, 제2 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 제1 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면, 도 8은, 도 7의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 9는, 제3 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 제1 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면, 도 10은, 도 9의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다. 도 11은, 제4 유체를 3대의 열식 유량계의 배관에 유통시킨 경우의 히터 소비 전력과 제1 유체의 유량의 관계를 나타내는 도면, 도 12는, 도 11의 히터 소비 전력-유량 특성의 제로점 부근을 확대한 도면이다.
도 5∼도 12에서, #1은 제1 열식 유량계의 히터 소비 전력-유량 특성을 나타내고, #2는 제2 열식 유량계의 히터 소비 전력-유량 특성을 나타내고, #3은 제3 열식 유량계의 히터 소비 전력-유량 특성을 나타내고 있다.
이와 같이, 동일한 종류의 유체라 하더라도 열식 유량계의 차이에 의해 히터 소비 전력이 상이하다는 것을 알 수 있다. 그 차이는 제로점의 히터 소비 전력에서도 동일하다.
제1 유체용으로 조정된 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 설정한 후에 제1∼제4 유체를 배관(1)에 유통시킨 경우의 열식 유량계의 유량 출력과 실제 유량(실유량)의 관계를 도 13에 나타낸다. 도 13에서, #F1은 제1 유체를 배관(1)에 유통시킨 경우의 유량 출력, #F2는 제2 유체를 배관(1)에 유통시킨 경우의 유량 출력, #F3은 제3 유체를 배관(1)에 유통시킨 경우의 유량 출력, #F4는 제4 유체를 배관(1)에 유통시킨 경우의 유량 출력이다.
도 13에 의하면, 유량 변환의 조정이 행해지는 제1 유체에 관해서는 열식 유량계의 유량 출력이 정확한 값이 되지만, 제1 유체 이외의 제2∼제4 유체에 관해서는 유량 출력이 정확한 값이 되지 않는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명에서는, 열식 유량계의 유량 출력을 정확한 값으로 하는 처리를 보정이라고 부르고, 이 보정에서 사용하는 계수를 보정계수라고 부른다.
보정계수와 제로점의 히터 소비 전력(정수 시의 센서 출력)의 관계를 도 14에 나타낸다. 제1 유체의 경우의 보정계수 C(도 14의 C1)를 1로 한 경우, 제2 유체의 경우의 보정계수 C(도 14의 C2)는 약 1.5, 제3 유체의 경우의 보정계수 C(도 14의 C3)는 약 3.2, 제4 유체의 경우의 보정계수 C(도 14의 C4)는 약 7.5이다. 도 14에서 명확한 바와 같이, 개개의 열식 유량계의 변동에 의해, 제로점의 히터 소비 전력만으로는 보정계수를 구할 수 없다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 열식 유량계의 출하 시에, 유량 변환의 조정 대상이 되는 기준 유체의 경우의 제로점의 히터 소비 전력 Zero_W를 측정하여 제품 내에 기억시켜 놓는다.
그리고, 다른 유체를 배관(1)에 유통시키는 경우에는, 다른 유체에서의 제로점의 히터 소비 전력 Zero_F를 실제 사용 시에 측정한다.
Zero_W와 Zero_F의 비(Zero_F-Zero_W)/Zero_W를 제로점 전력비 x로 한다. 제로점 전력비 x와 보정계수 C의 관계를 도 15에 나타낸다.
도 15에 의하면, 제로점 전력비 x는, 열식 유량계의 변동의 영향을 받지 않고, 보정계수 C와 상관이 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 제로점 전력비 x로부터 보정계수 C를 구하고, 유체를 배관(1)에 유통시켰을 때의 히터 소비 전력 P를, 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 이용하여 유량 Q의 값으로 변환하고, 이 유량 Q를 보정계수 C를 이용하여 보정함으로써, 열식 유량계마다의 변동의 영향을 받지 않는 보정이 가능하다.
실제로는, 보정계수 C는, 제로점 전력비 x로부터 이하의 3차식에 의해 구할 수 있다. a, b, c, d는 기지의 정수이다.
C=ax3+bx2+cx+d [수학식 2]
정수 a, b, c, d는, 복수 대의 열식 유량계를 이용한 시험에 의해, 도 15에 나타낸 바와 같은 제로점 전력비 x와 보정계수 C의 관계를 구하는 것에 의해, 사전에 결정할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 관해 설명한다. 도 16은, 본 발명의 실시예에 관한 열식 유량계의 구성을 나타내는 블록도이다. 열식 유량계는, 측정 대상의 유체를 유통시키는, 예컨대 유리로 이루어진 배관(1)과, 배관(1)에 배치된, 예컨대 백금 등의 온도 측정 소자(2a)와, 온도 측정 소자(2a)보다 하류측의 배관(1)의 개소에 배치된, 예컨대 백금 등의 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)와, 온도 측정 소자(2a) 및 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)를 배관(1)에 고정하는 접착제(3a, 3b)와, 온도 측정 소자(2a)에 의해 검출되는 유체의 온도 TRr을 취득하는 온도 취득부(4a)와, 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)에 의해 검출되는 유체의 온도 TRh를 취득하는 온도 취득부(4b)와, 온도차(TRh-TRr)가 일정치가 되도록 조작량을 산출하는 제어 연산부(5)와, 조작량에 따른 전력을 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)에 공급하여 발열시키는 전력 조정기(6)와, 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 소비 전력을 측정하는 전력 측정부(7)와, 전력 측정부(7)에 의해 측정된 소비 전력을 유량의 값으로 변환하는 유량 도출부(8)와, 유량 도출부(8)에 의해 도출된 유량의 값을, 미리 설정된 보정계수를 이용하여 보정하는 유량 보정부(9)와, 배관(1) 내가 기준 유체로 채워지고, 이 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 소비 전력의 값을 제1 제로점 소비 전력으로서 미리 기억하는 기억부(10)와, 배관(1) 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때에 전력 측정부(7)에 의해 측정된 소비 전력인 제2 제로점 소비 전력과 상기 제1 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 제로점 전력비 산출부(11), 그리고 제로점 전력비에 기초하여 보정계수를 산출하여 유량 보정부(9)에 설정하는 설정부(12)를 구비하고 있다. 제어 연산부(5)와 전력 조정기(6)는 제어부(13)를 구성하고 있다.
온도 측정 소자(2a) 및 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)는, 각각 실리콘 웨이퍼 상에 형성되어 있다. 온도 측정 소자(2a)가 형성된 실리콘 웨이퍼의 면이 배관(1)의 외벽과 마주 보도록 배관(1)에 접착되는 것에 의해, 온도 측정 소자(2a)가 배관(1)에 고정되도록 되어 있다. 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 고정 방법도 온도 측정 소자(2a)의 고정 방법과 동일하다.
다음으로, 본 실시예의 열식 유량계의 동작에 관해 설명한다. 도 17은, 온도 취득부(4a, 4b)와 제어 연산부(5)와 전력 조정기(6)의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
온도 취득부(4a, 4b)는, 배관(1)을 흐르는 유체의 온도 TRr, TRh를 취득한다(도 17 단계 S100). 구체적으로는, 온도 취득부(4a, 4b)는, 각각 온도 측정 소자(2a), 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 저항치를 검출하고, 저항치와 온도의 관계로부터 유체의 온도 TRr, TRh를 취득한다.
제어 연산부(5)는, 유체의 하류측의 온도 TRh로부터 상류측의 온도 TRr을 감산한 온도차(TRh-TRr)가 일정치(제어의 목표치이며, 예컨대 10℃)가 되도록 조작량을 산출한다(도 17 단계 S101). 조작량을 산출하는 제어 연산 알고리즘으로는, 예컨대 PID가 있다.
전력 조정기(6)는, 제어 연산부(5)에 의해 산출된 조작량에 따른 전력을 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)에 공급하여 발열시킨다(도 17 단계 S102).
이렇게 해서, 열식 유량계의 동작이 종료할 때까지(도 17 단계 S103에서 YES), 단계 S100∼S102의 처리가 제어 주기마다 실행되고, 유체의 하류측의 온도 TRh가 상류측의 온도 TRr보다 소정의 값만큼 높아지도록 제어된다.
도 18은, 전력 측정부(7)와 유량 도출부(8)와 유량 보정부(9)의 동작을 설명하는 플로우차트이다. 전력 측정부(7)는, 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 소비 전력 P을 측정한다(도 18 단계 S200). 전력 측정부(7)는, 예컨대 전력 조정기(6)로부터 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)에 인가되는 전압 V와 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 저항치 Rh에 기초하여 다음 식에 의해 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 소비 전력 P을 산출한다.
P=V2/Rh [수학식 3]
이렇게 해서, 유체의 하류측의 온도 TRh를 상류측의 온도 TRr보다 소정의 값만큼 높게 하기 위해 필요한 소비 전력 P을 구할 수 있다.
다음으로, 유량 도출부(8)는, 전력 측정부(7)에 의해 측정된 소비 전력 P를, 미리 설정된 유량 변환식을 이용하여 유량의 값으로 변환하는 것에 의해, 측정 대상의 유체의 유량 Q를 도출한다(도 18 단계 S201). 또, 소비 전력 P를 유량 Q로 변환하기 위한 유량 변환식 대신에, 소비 전력 P에 대응하는 유량 Q의 값이 등록된 유량 변환 테이블이 설정되어 있는 경우, 유량 도출부(8)는, 소비 전력 P에 대응하는 유량 Q의 값을 유량 변환 테이블로부터 취득하면 된다. 이들 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블은, 기준 유체(예컨대 H2O)용으로 조정되어 있다. 즉, 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블은, 기준 유체를 배관(1)에 유통시켰을 때에, 유량 도출부(8)에 의해 얻어지는 유량 Q의 값이 정확한 값이 되도록 조정되어 있다.
유량 보정부(9)는, 유량 도출부(8)에 의해 도출된 유량 Q의 값에, 미리 설정된 보정계수 C를 곱하는 것에 의해, 유량 Q를 보정한다(도 18 단계 S202). 또, 초기 상태의 보정계수 C는 1이며, 기준 유체용으로 설정된 값으로 되어 있다.
전력 측정부(7)와 유량 도출부(8)와 유량 보정부(9)는, 열식 유량계의 동작이 종료할 때까지(도 18 단계 S203에서 YES), 단계 S200∼S202의 처리를 일정 시간마다 실행한다.
도 19는, 제로점 전력비 산출부(11)와 설정부(12)의 동작을 설명하는 플로우차트이다. 제로점 전력비 산출부(11)는, 배관(1) 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때의 발열ㆍ온도 측정 소자(2b)의 소비 전력(제로점의 히터 소비 전력 Zero_F)에 기초하여 제로점 전력비 x를 산출한다. 설정부(12)는 제로점 전력비 x로부터 보정계수 C를 산출한다.
열식 유량계의 사용자는, 처음에 유체를 흘리는 경우, 유체의 종류를 바꾼 경우, 혹은 유체의 종류가 변했다고 생각되는 경우에, 열식 유량계의 배관(1)의 상하류의 밸브(도시하지 않음)를 폐쇄함으로써 유체의 흐름을 정지시킨다. 그리고, 사용자는, 열식 유량계에 대하여, 유체의 흐름이 정지한 것을 나타내는 정수 상태 신호를 입력한다.
기억부(10)에는, 기준 유체를 배관(1) 내에 채운 경우의 제로점의 히터 소비 전력 Zero_W(제1 제로점 소비 전력)이 미리 등록되어 있다.
제로점 전력비 산출부(11)는, 외부로부터 정수 상태 신호가 입력된 경우(도 19 단계 S300에서 YES), 전력 측정부(7)에 의해 측정된 히터 소비 전력 Zero_F(제2 제로점 소비 전력)의 값을 취득하고(도 19 단계 S301), 이 제로점의 히터 소비 전력 Zero_F와 기억부(10)에 미리 기억되어 있는 제로점의 히터 소비 전력 Zero_W로부터 제로점 전력비 x=(Zero_F-Zero_W)/Zero_W를 산출한다(도 19 단계 S302).
계속해서, 설정부(12)는, 제로점 전력비 x로부터 수학식 2에 의해 보정계수 C를 산출한다(도 19 단계 S303). 그리고, 설정부(12)는, 산출한 보정계수 C를 유량 보정부(9)에 설정한다(도 19 단계 S304).
이렇게 해서, 보정계수 C를 설정함으로써, 열식 유량계마다의 변동의 영향을 받지 않는 유량 보정이 가능하다. 사용자는, 설정 완료후, 배관(1)의 상하류의 밸브를 개방하여 유체의 유통을 재개시키도록 하면 된다.
열식 유량계마다의 변동에 의한 영향은, 어떤 액종에서도 동일한 비율로 발생한다. 따라서, 본 실시예에서는, 제로점 전력비 x를 산출하고, 이 제로점 전력비 x로부터 보정계수 C를 산출하는 것에 의해, 측정 정밀도에 대한 열식 유량계마다의 변동의 영향을 억제할 수 있어, 배관(1)을 유통하는 유체의 종류가 변한 경우에도, 정밀하게 유량을 측정할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 설정부(12)가 보정계수 C를 자동적으로 설정하기 때문에, 열식 유량계의 사용자는, 처음에 유체를 흘리는 경우, 유체의 종류를 바꾼 경우 혹은 유체의 종류가 변했다고 생각되는 경우에, 유체의 흐름을 정지시키는 것만으로 용이하게 열식 유량계의 설정을 행할 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 제로점 전력비 x=(Zero_F-Zero_W)/Zero_W로 하고 있지만, 제로점 전력비 x=Zero_F/Zero_W로 해도 좋다.
본 실시예의 열식 유량계 중 적어도 제어 연산부(5)와 유량 도출부(8)와 유량 보정부(9)와 기억부(10)와 제로점 전력비 산출부(11)와 설정부(12)는, CPU(Central Processing Unit), 기억 장치 및 인터페이스를 구비한 컴퓨터와, 이들 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다. 이 컴퓨터의 구성예를 도 20에 나타낸다. 컴퓨터는, CPU(200)와, 기억 장치(201)와, 인터페이스 장치(이하, I/F로 약칭)(202)를 구비하고 있다. I/F(202)에는, 온도 취득부(4a, 4b)와 전력 조정기(6)와 전력 측정부(7)가 접속된다. 이러한 컴퓨터에 있어서, 본 발명의 유량 보정 방법을 실현시키기 위한 프로그램은 기억 장치(201)에 저장된다. CPU(200)는, 기억 장치(201)에 저장된 프로그램에 따라서 본 실시예에서 설명한 처리를 실행한다.
본 발명은 열식 유량계에 적용할 수 있다.
1 : 배관 2a : 온도 측정 소자
2b : 발열ㆍ온도 측정 소자 3a, 3b : 접착제
4a, 4b : 온도 취득부 5 : 제어 연산부
6 : 전력 조정기 7 : 전력 측정부
8 : 유량 도출부 9 : 유량 보정부
10 : 기억부 11 : 제로점 전력비 산출부
12 : 설정부 13 : 제어부

Claims (10)

  1. 측정 대상의 유체를 유통시키도록 구성된 배관과,
    상기 배관에 배치되고, 상기 유체의 제1 온도를 검출하도록 구성된 온도 측정 소자와,
    상기 온도 측정 소자보다 하류측의 상기 배관의 개소에 배치되고, 상기 유체의 제2 온도를 검출하도록 구성된 발열ㆍ온도 측정 소자와,
    상기 제2 온도가 상기 제1 온도보다 일정치만큼 높아지도록 전력을 공급하여 상기 발열ㆍ온도 측정 소자를 발열시키도록 구성된 제어부와,
    상기 발열ㆍ온도 측정 소자의 소비 전력을 측정하도록 구성된 전력 측정부와,
    이 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력을 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하도록 구성된 유량 도출부와,
    이 유량 도출부에 의해 도출된 유량의 값을, 미리 설정된 보정계수를 이용하여 보정하도록 구성된 유량 보정부와,
    상기 배관 내가 기준 유체로 채워지고, 이 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 상기 소비 전력의 값을 제1 제로점 소비 전력으로서 미리 기억하도록 구성된 기억부와,
    상기 배관 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때에 상기 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력인 제2 제로점 소비 전력과 상기 제1 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하도록 구성된 제로점 전력비 산출부, 그리고
    상기 제로점 전력비에 기초하여 상기 보정계수를 산출하여 상기 유량 보정부에 설정하도록 구성된 설정부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유량 도출부는, 상기 전력 측정부에 의해 측정된 소비 전력을, 미리 설정된 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 이용하여 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하고,
    상기 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블은, 상기 기준 유체용으로 미리 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제로점 전력비 산출부는, 상기 측정 대상의 유체의 흐름이 정지한 것을 나타내는 정수(停水) 상태 신호가 입력되었을 때에, 상기 기억부에 기억된 제1 제로점 소비 전력의 값과 상기 전력 측정부에 의해 측정된 제2 제로점 소비 전력의 값을 취득하고, 이 제1 제로점 소비 전력과 제2 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제로점 전력비 산출부는, 상기 제1 제로점 소비 전력을 Zero_W, 상기 제2 제로점 소비 전력을 Zero_F로 했을 때, (Zero_F-Zero_W)/Zero_W 또는 Zero_F/Zero_W에 의해 상기 제로점 전력비를 산출하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 설정부는, 상기 제로점 전력비로부터 미리 정해진 3차식에 의해 상기 보정계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계.
  6. 측정 대상의 유체를 유통시키는 배관과, 상기 배관에 배치되고, 상기 측정 대상의 유체의 제1 온도를 검출하는 온도 측정 소자와, 상기 온도 측정 소자보다 하류측의 상기 배관의 개소에 배치되고, 상기 측정 대상의 유체의 제2 온도를 검출하는 발열ㆍ온도 측정 소자를 구비한 열식 유량계의 유량 보정 방법에 있어서,
    상기 제2 온도가 상기 제1 온도보다 일정치만큼 높아지도록 전력을 공급하여 상기 발열ㆍ온도 측정 소자를 발열시키는 제1 단계와,
    상기 발열ㆍ온도 측정 소자의 소비 전력을 측정하는 제2 단계와,
    이 제2 단계에서 측정한 소비 전력을 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하는 제3 단계와,
    이 제3 단계에서 도출한 유량의 값을, 미리 설정된 보정계수를 이용하여 보정하는 제4 단계와,
    상기 배관 내가 기준 유체로 채워지고, 이 기준 유체의 흐름이 정지했을 때의 상기 소비 전력인 제1 제로점 소비 전력의 값을 기억부로부터 취득하고, 상기 배관 내의 측정 대상의 유체의 흐름이 정지했을 때에 상기 제2 단계에서 측정한 소비 전력인 제2 제로점 소비 전력과 상기 제1 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 제5 단계, 그리고
    상기 제로점 전력비에 기초하여 상기 보정계수를 산출하고, 상기 제4 단계에서 이용하는 보정계수로서 설정하는 제6 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계의 유량 보정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 상기 제2 단계에서 측정한 소비 전력을, 미리 설정된 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블을 이용하여 상기 측정 대상의 유체의 유량의 값으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 유량 변환식 또는 유량 변환 테이블은, 상기 기준 유체용으로 미리 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 열식 유량계의 유량 보정 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 상기 측정 대상의 유체의 흐름이 정지한 것을 나타내는 정수 상태 신호가 입력되었을 때에, 상기 기억부에 기억된 제1 제로점 소비 전력의 값과 상기 제2 단계에서 측정한 제2 제로점 소비 전력의 값을 취득하고, 이 제1 제로점 소비 전력과 제2 제로점 소비 전력에 기초하여 제로점 전력비를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계의 유량 보정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 상기 제1 제로점 소비 전력을 Zero_W, 상기 제2 제로점 소비 전력을 Zero_F로 했을 때, (Zero_F-Zero_W)/Zero_W 또는 Zero_F/Zero_W에 의해 상기 제로점 전력비를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계의 유량 보정 방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제6 단계는, 상기 제로점 전력비로부터 미리 정해진 3차식에 의해 상기 보정계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열식 유량계의 유량 보정 방법.
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