特許 6867909 熱式流量計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6867909

(24)【登録日】2021年4月13日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】熱式流量計

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/699 20060101AFI20210426BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/699

【請求項の数】7

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-149632(P2017-149632)

(22)【出願日】2017年8月2日

(65)【公開番号】特開2019-27981(P2019-27981A)

(43)【公開日】2019年2月21日

【審査請求日】2020年3月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】山崎 吉夫

(72)【発明者】

【氏名】松永 晋輔

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５８７４１１７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第５２８４８６４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第６５１８４８６（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第４６９８０１４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第７２７７８０２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ１／６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の流体を加熱するヒータを備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応する第１の値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記設定温度差を前記ヒータの温度と測定された前記流体の温度との差で除した値を前記第１の値に乗じた第２の値を算出するように構成された処理部と、
前記流体の流量を前記処理部が算出した前記第２の値から算出するように構成された流量算出部と
を備えることを特徴とする熱式流量計。

【請求項2】

請求項１記載の熱式流量計において、
前記処理部は、前記設定温度差を前記ヒータの温度と測定された前記流体の温度との差で除した値および予め設定した定数を前記第１の値に乗じて前記第２の値を算出する
ことを特徴とする熱式流量計。

【請求項3】

請求項１または２記載の熱式流量計において、
前記ヒータの温度と測定された前記流体の温度との差と前記設定温度差との差が、設定されている値より小さいか否かを判定するように構成された判定部を更に備え、
前記判定部が、前記ヒータの温度と測定された前記流体の温度との差と前記設定温度差との差が、設定されている値より小さいと判定した場合、前記流量算出部は、前記第１の値から前記流量を求める
ことを特徴とする熱式流量計。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記流量算出部が求めた前記流量の時間微分値と設定されている補正係数とを前記流量に乗じた値に、前記流量を加算して第３の値を求めるように構成された流量処理部
を更に備えることを特徴とする熱式流量計。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの前記ヒータの電力を前記第１の値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータより上流の前記流体の温度と前記ヒータより下流の前記流体の温度との温度差を前記第１の値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記流体を輸送する配管と、
前記配管の外壁に接して設けられて前記流体の温度を測定する温度測定部を備え、
前記ヒータは、前記配管の外壁に接して設けられている
ことを特徴とする熱式流量計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して流量を測定する熱式流量計に関する。

【背景技術】

【0002】

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、 気体の検出が可能であり、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある。また、流路をガラス管から構成することで、腐食性の液体の流量を測定可能とした熱式流量計も用いられている（特許文献１、２参照）。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。

【0003】

熱式流量計には、ヒータの上下流の温度差により流量を測定する方法と、ヒータの消費電力により流量を測定する方法とがある。例えば、後者により液体の流量を測定する場合、ヒータ温度を水温に対し、プラス１０℃など一定の温度差となるようにヒータを加温駆動し、ヒータの上流と下流との温度差またはヒータの消費電力から、流量を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−０１０３２２号公報

【特許文献2】特表２００３−５３２０９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、熱式流量計は、例えば、流量が急激に変化すると、正確な流量が測定できなくなる。これは、熱式流量計は、ヒータ温度が一定となるまで正確な流量の測定ができないためである。このように、熱式流量計は、応答性が遅いという問題がある。

【0006】

ヒータ温度制御が遅れる原因として、加熱の対象となる物体の熱容量が考えられる。特に、測定対象が液体の場合には、配管の壁を介して液体を加熱することになるため、液体に加えて配管の壁が加熱対象となり、熱容量が大きくなり、応答性が遅くなりやすい。このように、熱式流量計では、測定対象の流体の流量を迅速に把握することが容易ではないという問題があった。

【0007】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、熱式流量計で測定対象の流体の流量がより迅速に把握できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を加熱するヒータを備え、ヒータの温度とヒータ前記ヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応する第１の値を出力するように構成されたセンサ部と、設定温度差をヒータの温度と測定された流体の温度との差で除した値を第１の値に乗じた第２の値を算出するように構成された処理部と、流体の流量を処理部が算出した第２の値から算出すように構成された流量算出部とを備える。

【0009】

上記熱式流量計において、処理部は、設定温度差をヒータの温度と測定された流体の温度との差で除した値および予め設定した定数を第１の値に乗じて第２の値を算出するようにしてもよい。

【0010】

上記熱式流量計において、ヒータの温度と測定された流体の温度との差と設定温度差との差が、設定されている値より小さいか否かを判定するように構成された判定部を更に備え、判定部が、ヒータの温度と測定された流体の温度との差と設定温度差との差が、設定されている値より小さいと判定した場合、流量算出部は、第１の値から流量を求めるようにするとよい。

【0011】

上記熱式流量計において、流量算出部が求めた流量の時間微分値と設定されている補正係数とを流量に乗じた値に、流量を加算して第３の値を求めるように構成された流量処理部を更に備えるようにしてもよい。

【0012】

上記熱式流量計において、センサ部は、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときのヒータの電力を第１の値として出力する。

【0013】

上記熱式流量計において、センサ部は、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータより上流の流体の温度とヒータより下流の流体の温度との温度差を第１の値として出力する。

【0014】

上記熱式流量計において、流体を輸送する配管と、配管の外壁に接して設けられて流体の温度を測定する温度測定部を備え、ヒータは、配管の外壁に接して設けられている。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明によれば、流体の温度に対して高い温度とするヒータにおける設定温度差をヒータの温度と測定された流体の温度との差で除した値を第１の値に乗じて第２の値とし、第２の値より流量を求めるので、熱的平衡状態にならなくても、熱式流量計で測定対象の流体の流量がより迅速に把握できるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１における熱式流量計の構成を示す構成図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態における熱式流量計におけるセンサ部１０１のより詳細な構成を示す構成図である。

【図3】図３は、本発明の実施の形態における熱式流量計におけるセンサ部１０１のより詳細な他の構成を示す構成図である。

【図4】図４は、流量の変化に伴うヒータの温度と測定された流体の温度との差の変化、および流量の変化、推定流量の変化を示す特性図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態２における熱式流量計の構成を示す構成図である。

【図6】図６は、本発明の実施の形態３における熱式流量計の構成を示す構成図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態における処理部１０２、流量算出部１０３、判定部１０４、流量処理部１０５などのハードウエア構成を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0018】

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における熱式流量計について図１を参照して説明する。この熱式流量計は、センサ部１０１と、処理部１０２と、流量算出部１０３とを備える。

【0019】

センサ部１０１は、測定対象の流体を加熱するヒータを備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値（第１の値）を出力する。

【0020】

処理部１０２は、上述した設定温度差をヒータの温度と測定された流体の温度との差で除した値をセンサ値に乗じた推定値（第２の値）を算出する。流量算出部１０３は、流体の流量を、処理部１０２が算出した推定値から算出する。

【0021】

次に、センサ部１０１について、より詳細に説明する。センサ部１０１は、例えば、図２に示すように、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、測定対象の流体１２１を輸送する配管１２２の外壁に接して設けられている。配管１２２は、例えば、ガラスから構成されている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流の側の配管１２２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１１は、流体１２１の温度を測定する。

【0022】

制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体１２１の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。この例では、センサ部１０１を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。電力計測部１１４が計測して出力したヒータ１１２の電力（センサ値）より、流体１２１の流量を算出することができる。

【0023】

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体１２１の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と流体１２１の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

【0024】

また、図３に示すように、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部１１６、温度測定部１１７からセンサ部１０１’を構成してもよい。

【0025】

ここで、温度測定部１１１は、測定対象の流体１２１を輸送する配管１２２の外壁に接して設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流の側の配管１２２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１１は、流体１２１の温度を測定する。

【0026】

制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体１２１の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

【0027】

温度測定部１１６は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側において、配管１２２の外壁に接して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側において、配管１２２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１６，温度測定部１１７は、流体１２１の温度を測定する。

【0028】

温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体１２１の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。

【0029】

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体１２１の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体１２１の温度とヒータ１１２より下流の流体１２１の温度との温度差と、流体１２１の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

【0030】

上述したように構成されているセンサ部１０１から出力される電力や温度差などのセンサ値Ｐから、「Ｐ’＝Ｐ×（Ｔｕｐ÷ΔＴ）・・・（１）」により推定値Ｐ’を求める。なお、ΔＴは、ヒータの温度と測定された流体の温度との差である。また、Ｔｕｐは、流体の温度に対して高い温度とするヒータにおける設定温度差である。

【0031】

以下、式（１）について説明する。まず、図４の破線で示すように、流量が急激に変化した場合を考える。急激に流量が変化しても、実際の流量がセンサ出力（第１の値）に正確に反映されれば、流量算出部１０３が出力する流量は、図４の破線で示すように変化するはずである。

【0032】

しかし、流量が急激に変化すると、図４の一点鎖線で示すように、ヒータの温度と測定される流体の温度との差ΔＴが、一時的に設定温度差Ｔｕｐ（例えば１０℃）に維持できなくなる状態が発生する。特に、測定対象が液体である場合は、熱容量が大きいため、急激な流量変化によるΔＴとＴｕｐとの乖離が大きくなる。なお、一時的にΔＴとＴｕｐとが異なる状態となった後、ΔＴが徐々にＴｕｐに近づき、最終的にＴｕｐに安定する。

【0033】

例えば、流量が急激に増加した場合、一時的にΔＴがＴｕｐより小さくなる。この状態では、センサ値Ｐより求めた流量は、実際より小さい値を示すものとなる。上述したように、急激な流量の変化においては、図４の一点鎖線で示すように、ΔＴが一時的に変化するため、流量算出部１０３が出力する流量は、点線で示すように応答が遅れる。

【0034】

ここで、急激に流量が増加した過渡期には、ΔＴはＴｕｐより小さくなり、センサ値Ｐより求めた流量は、実際より小さい値となる。また、急激に流量が減少した過渡期には、ΔＴはＴｕｐより大きくなり、センサ値Ｐより求めた流量は、実際より大きい値となる。言い換えると、急激な流量変化の過渡期におけるＴｕｐに対するΔＴの大小関係は、センサ値Ｐに反映されている。従って、急激な流量変化の過渡期におけるＴｕｐに対するΔＴの大小関係を示すΔＴ／Ｔｕｐの逆数をセンサ値Ｐに乗じた推定値Ｐ’は、実際の流量を反映した値に近づくものと考えられる。

【0035】

従って、上述した式（１）によりセンサ値Ｐから推定値Ｐ’を推定し、この推定値Ｐ’より流量を求める。このようにすることで、流量算出部１０３が出力する流量の応答を、実線で示すように実際の流量の変化に近づけることができる。

【0036】

流量が急激に増加した過渡期には、ΔＴがＴｕｐより一時的に小さくなるが、この場合、１より大きなＴｕｐ／ΔＴがセンサ値Ｐに乗じられて大きな値となった推定値Ｐ’が流量算出に用いられる。また、流量が急激に減少した過渡期には、ΔＴがＴｕｐより一時的に大きくなるが、この場合、１より小さなＴｕｐ／ΔＴがセンサ値Ｐに乗じられて小さな値となった推定値Ｐ’が流量算出に用いられる。

【0037】

なお、流量が徐々に変化している状態では、ΔＴ＝Ｔｕｐの状態がおおよそ維持されているので、Ｔｕｐ÷ΔＴ≒１であり、Ｐ≒Ｐ’となり、実質的にはセンサ値Ｐが、このまま流量の算出に用いられた状態に等しくなる。

【0038】

以上に説明したように、実施の形態１によれば、式（１）により推定したセンサ値で流量を求めるようにしたので、熱式流量計で測定対象の流体の流量がより迅速に把握できるようになる。なお、定数ｋを用い、「Ｐ’＝Ｐ×ｋ×（Ｔｕｐ÷ΔＴ）・・・（２）」により推定値Ｐ’を求めてもよい。ｋ＝１とすれば、式（１）と同じである。実験により、センサ値ＰおよびΔＴに対する実際の流量の関係より、適宜にｋを設定して式（２）よりＰ’を求めることで、Ｐ’を実際の流量により近づけることができる。

【0039】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における熱式流量計について図５を参照して説明する。この熱式流量計は、センサ部１０１と、処理部１０２と、流量算出部１０３とを備える。これらは、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、ヒータの温度と測定された流体の温度との差と設定温度差との差が、設定されている値より小さいか否かを判定する判定部１０４を更に備える。

【0040】

実施の形態２では、判定部１０４が、ヒータの温度と流体の温度との差（ΔＴ）と設定温度差（Ｔｕｐ）との差が、設定されている値より小さいと判定した場合、流量算出部１０３は、センサ部１０１が出力したセンサ値から流量を求める。

【0041】

例えば、流量の変化が小さい場合、センサ部１０１が出力するセンサ値をこのまま用いて流量算出部１０３で流量を求めても、応答の遅れは大きくない。この状態は、ΔＴとＴｕｐとの差が小さい状態である。この状態では、「Ｔｕｐ÷ΔＴ≒１」ではあるが、「Ｔｕｐ÷ΔＴ＝１」ではないため、推定値Ｐ’は、小さな流量の変化に対応して小さく変化する。このため、常に、処理部１０２が算出した第２の値を用いて流量を求めると、流量の変化が小さい場合には、流量算出部１０３で求められる流量がふらつくことになる。これに対し、流量の変化が小さい場合、ΔＴとＴｕｐの差も小さいので、この差が設定されている値より小さい場合、センサ部１０１が出力したセンサ値Ｐから流量を求めることで、上述したふらつきが抑制できるようになる。

【0042】

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における熱式流量計について図６を参照して説明する。この熱式流量計は、センサ部１０１と、処理部１０２と、流量算出部１０３、判定部１０４とを備える。これらは、前述した実施の形態２と同様である。

【0043】

実施の形態３では、流量算出部１０３が求めた流量Ｑから、流量処理部１０５により推定流量Ｑ’を求めることで、流量の応答を実際の流量の変化に近づける。流量処理部１０５は、「Ｑ’＝Ｑ＋Ａ×Ｑ×ｄＱ／ｄｔ・・・（３）」により、推定流量Ｑ’を求める。なお、Ａは、補正係数であり、予め決定しておく。補正係数Ａの値により、推定流量Ｑ’と実際の流量の変化との差が変化する。

【0044】

なお、補正係数Ａが大きいほど、推定流量Ｑ’がふらつく場合がある。このため、推定流量Ｑ’と実際の流量の変化との差をどの程度にするかにより、補正係数Ａを設定する。また、流量の時間微分値ｄＱ／ｄｔがある一定値以下の場合は、流量処理部１０５による推定を実施せず、流量算出部１０３による流量Ｑをこのまま出力することで、定常流量時の安定性を確保できる。

【0045】

なお、処理部１０２、流量算出部１０３、判定部１０４、流量処理部１０５は、図７に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）２０１と主記憶装置２０２と外部記憶装置２０３となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作することで、上述した各機能が実現される。

【0046】

以上に説明したように、本発明によれば、流体の温度に対して高い温度とするヒータにおける設定温度差を、ヒータの温度と測定された流体の温度との差で除した値をセンサ値に乗じて推定するので、熱式流量計で測定対象の流体の流量がより迅速に把握できるようになる。

【0047】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

【符号の説明】

【0048】

１０１…センサ部、１０２…処理部、１０３…流量算出部、１１１…温度測定部、１１２…ヒータ、１１３…制御部、１１４…電力計測部、１１６…温度測定部、１１７…温度測定部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】