JP2020008338A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】配管を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行えるようにする。【解決手段】流体の温度の影響を受けない位置に周囲温度センサ５を設置し、この周囲温度センサ５によって検出される水温センサ４の近傍の周囲温度ＴＲｅに基づいて、水温センサ４が検出する流体の温度ＴＲｒを補正する。例えば、補正後の流体の温度をＴｗ、補正係数をｋとし、Ｔｗ＝ＴＲｒ＋ｋ（ＴＲｒ−ＴＲｅ）として、補正後の流体の温度Ｔｗを求める。【選択図】 図１

Description

本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して配管を流れる流体の流量を測定する熱式流量計に関する。

従来より、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。

熱式流量計には、ヒータへの供給電力をセンサ出力とする方式（方式１）と、ヒータの上下流の温度差をセンサ出力とする方式（方式２）とがある。例えば、流体を水とし、この水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℃など一定温度となるようにヒータへの供給する電力を制御し、この時のヒータへの供給電力またはヒータの上下流の温度差をセンサ出力（流体における熱拡散の状態に対応する値）とし、このセンサ出力から水の流量を求める。

〔方式１〕
図３は、ヒータへの供給電力から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式１）を説明する図である。この方式１では、測定対象の流体が流れる配管１００に水温センサ（測温素子）１０１とヒータ（発熱・測温素子）１０２とを設置し、ヒータ１０２の抵抗値変化から検出される温度（発熱温度）ＴＲｈと水温センサ１０１が検出する温度（水温）ＴＲｒとの温度差が一定値（ＴＲｈ−ＴＲｒ＝Ｃｏｎｓｔ）になるようにヒータ１０２へ供給する電力Ｐを制御する。このとき、流体の流量Ｑとヒータ１０２への供給電力Ｐとは、Ｑ∝Ｐの関係となるため、ヒータ１０２への供給電力Ｐから流量Ｑを算出することができる。

〔方式２〕
図４は、ヒータの上下流の温度差から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式２）を説明する図である。この方式２では、測定対象の流体が流れる配管１００に水温センサ（測温素子）１０１と、ヒータ（発熱・測温素子）１０２と、上流温度センサ（測温素子）１０３と、下流温度センサ（測温素子）１０４とを設置し、ヒータ１０２の抵抗値変化から検出される温度（発熱温度）ＴＲｈと水温センサ１０１が検出する温度（水温）ＴＲｒとの温度差が一定値（ＴＲｈ−ＴＲｒ＝Ｃｏｎｓｔ）になるようにヒータ１０２へ供給する電力Ｐを制御する。このとき、上流温度センサ１０３が検出する流体の温度ＴＲｕと下流温度センサ１０４が検出する流体の温度ＴＲｄとの温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ）とは、Ｑ∝（ＴＲｕ−ＴＲｄ）の関係となるため、ヒータ１０２の上下流の温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ）から流量Ｑを算出することができる。

なお、上述した方式１では、ヒータ１０２への供給電力Ｐがセンサ出力とされ、上述した方式２では、ヒータ１０２の上下流の温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ）がセンサ出力とされる。ここで、センサ出力をＳとした場合、このセンサ出力Ｓは、簡易的には下記の(１)式で表されることが知られている。

Ｓ＝（Ａ＋Ｂ・μ^1/2）・ΔＴ ・・・・（１）

この（１）式において、Ａ，Ｂは水温センサ１０１やヒータ１０２などの面積、流体の熱伝導率、流体の密度、流体の粘度、熱容量等から決まる定数、μは流速、ΔＴはヒータ１０２の加熱温度（水温からの加熱温度）である。

特開２００６−０１０３２２号公報 特表２００３−５３２０９９号公報

しかしながら、配管１００を流れる水の温度と周囲温度（水温センサ１０１の近傍の周囲温度）とに差異がある場合、水温センサ１０１は周囲温度からの熱影響により、配管１００を流れる水の温度を正確に検出することができなくなる。

このため、ヒータ１０２の抵抗値変化から検出される発熱温度ＴＲｈと水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒとの温度差を一定値となるようにヒータ１０２へ供給する電力を制御しても、実際の水温からの加熱温度ΔＴは一定値に保てなくなり、センサ出力Ｓに影響を与え、正確な流量の測定が行えなくなる。

すなわち、配管１００を流れる水の実際の水温（真の水温）をＴｒとした場合、周囲温度からの熱影響により水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒは実際の水温Ｔｒよりも低い値となったり、高い値となったりする。水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒが実際の水温Ｔｒよりも低い値となった場合、実際の水温からの加熱温度ΔＴは小さくなる。 水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒが実際の水温Ｔｒよりも高い値となった場合、実際の水温からの加熱温度ΔＴは大きくなる。

例えば、Ｔｒ＝２３℃、周囲温度＝２３℃で温度差がない場合、水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒは２３℃で、実際の水温Ｔｒと等しい。この場合、ヒータ１０２へ供給する電力を制御する際の一定値（Ｃｏｎｓｔ）を１０℃とすると、加熱温度ΔＴは１０℃となる（図５参照）。

これに対し、例えば、Ｔｒ＝２３℃、周囲温度＝５℃で、実際の水温Ｔｒよりも周囲温度が低い場合、水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒは２２．９℃など、実際の水温Ｔｒよりも低い温度になる。このため、発熱温度ＴＲｈをＴＲｒよりも１０℃アップするように制御しても、実際には加熱温度ΔＴは９．９℃になってしまい（図６参照）、センサ出力Ｓが小さくなってしまう。

また、例えば、Ｔｒ＝２３℃、周囲温度＝４５℃で、実際の水温Ｔｒよりも周囲温度が高い場合、水温センサ１０１が検出する温度ＴＲｒは２３．１℃など、実際の水温Ｔｒよりも高い温度になる。このため、発熱温度ＴＲｈをＴＲｒよりも１０℃アップするように制御しても、実際には加熱温度ΔＴは１０．１℃になってしまい（図７参照）、センサ出力Ｓが大きくなってしまう。

図８に、センサ出力Ｓと流量Ｑとの関係を示す。同図において、特性Ｉは実際の水温と周囲温度との温度差がない場合（ΔＴ＝１０℃）、特性IIは実際の水温よりも周囲温度が低い場合（ΔＴ＝９．９℃）、特性IIIは実際の水温よりも周囲温度が高い場合（ΔＴ＝１０．１℃）を示している。このように、周囲温度の変化によってセンサ出力Ｓと流量Ｑとの関係が変化することから、センサ出力Ｓから得られる流量Ｑも変化し、正確な流量の測定が行えなくなる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、配管を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行うことが可能な熱式流量計を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、測定対象の流体が流れるように構成された配管（２）と、配管に設置され、電力の供給を受けて発熱するように構成されたヒータ（３）と、ヒータよりも上流側のヒータの熱影響を受けない位置に設置され、流体の温度（ＴＲｒ）を検出するように構成された温度センサ（４）と、流体の温度の影響を受けない位置に設置され、温度センサの近傍の周囲温度（ＴＲｅ）を検出するように構成された周囲温度センサ（５）と、温度センサが検出する流体の温度を周囲温度センサが検出する周囲温度に基づいて補正するように構成された流体温度補正部（６）と、ヒータの抵抗値変化から検出されるヒータの発熱温度（ＴＲｈ）と流体温度補正部によって補正された流体の温度（Ｔｗ）との温度差（ＴＲｈ−Ｔｗ）を求め、この温度差が一定値となるようにヒータへ供給する電力を制御するように構成された制御部（７）と、制御部によって温度差が一定値となるように制御されている時の流体における熱拡散の状態に対応する値をセンサ出力（Ｓ）として出力するように構成されたセンサ出力部（８）と、センサ出力部からのセンサ出力に基づいて配管を流れる流体の流量を求めるように構成された流量算出部（９）とを備えることを特徴とする。

本発明では、流体の温度の影響を受けない位置に周囲温度センサを設置し、この周囲温度センサによって検出される温度センサの近傍の周囲温度に基づいて、温度センサが検出する流体の温度を補正する。例えば、温度センサが検出する流体の温度をＴＲｒ、周囲温度センサが検出する周囲温度をＴＲｅ、補正後の流体の温度をＴｗ、補正係数をｋとし、Ｔｗ＝ＴＲｒ＋ｋ（ＴＲｒ−ＴＲｅ）として、補正後の流体の温度Ｔｗを求める。

そして、ヒータの発熱温度と補正された流体の温度との温度差を求め、この温度差が一定値となるようにヒータへ供給する電力を制御し、この時の流体における熱拡散の状態に対応する値（ヒータへの供給電力やヒータの上下流の流体の温度差）をセンサ出力とし、このセンサ出力に基づいて配管を流れる流体の流量を求める。

これにより、補正後の流体の温度（Ｔｗ）を実際の流体の温度（Ｔｒ）に近づけるようにして、配管を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行うことが可能となる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、流体の温度の影響を受けない位置に周囲温度センサを設置し、この周囲温度センサによって検出される温度センサの近傍の周囲温度に基づいて温度センサが検出する流体の温度を補正するようにしたので、補正後の流体の温度を実際の流体の温度に近づけるようにして、配管を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行うことが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る熱式流量計の要部の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係る熱式流量計の要部の構成を示すブロック図である。 図３は、ヒータへの供給電力から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式１）を説明する図である。 図４は、ヒータの上下流の温度差から流体の流量を測定する熱式流量計の原理（方式２）を説明する図である。 図５は、水温センサが検出する温度ＴＲｒと実際の水温Ｔｒとが等しい場合を説明する図である。 図６は、周囲温度からの熱影響により水温センサが検出する温度ＴＲｒが実際の水温Ｔｒよりも低い値となった場合を説明する図である。 図７は、周囲温度からの熱影響により水温センサが検出する温度ＴＲｒが実際の水温Ｔｒよりも高い値となった場合を説明する図である。 図８は、センサ出力Ｓと流量Ｑとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱式流量計１（１Ａ）の要部の構成を示すブロック図である。この熱式流量計１Ａは、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、配管２と、ヒータ（発熱・測温素子）３と、水温センサ（測温素子）４と、周囲温度センサ（測温素子）５と、水温補正部６と、制御部７と、電力計測部（センサ出力部）８と、流量算出部９とを備えている。

配管２は、例えばガラスからなり、測定対象の流体（この例では、水）が流れる。ヒータ３は、配管２の外壁に設置され、制御部７からの電力の供給を受けて発熱する。

水温センサ４は、ヒータ３よりも上流側の配管２の外壁に設置されており、配管２を流れる流体の温度をＴＲｒとして検出する。この水温センサ４は、ヒータ３との距離をある程度離すことにより、ヒータ３の熱影響を受けない位置に設置されている。

周囲温度センサ５は、配管２の外側の流体の温度の影響を受けない位置に設置されており、水温センサ４の近傍の周囲温度をＴＲｅとして検出する。

水温補正部６は、水温センサ４が検出する流体の温度ＴＲｒを周囲温度センサ５が検出する周囲温度ＴＲｅに基づいて補正し、その補正された流体の温度ＴＲｒをＴｗとして制御部７へ送る。

本実施の形態において、水温補正部６は、補正係数をｋとする下記の（２）式より、補正された流体の温度Ｔｗを求める。
Ｔｗ＝ＴＲｒ＋ｋ（ＴＲｒ−ＴＲｅ） ・・・・（２）

なお、この（２）式において、補正係数ｋは、補正後の流体の温度Ｔｗが実際の流体温度（真の温度）Ｔｒとなるような値として定められた定数であり、水温センサ４や周囲温度センサ５などの熱的位置関係によって定まる。例えば、Ｔｒ＝２３℃、ＴＲｅ＝４５℃の時に水温センサ４によって検出された流体の温度ＴＲｒが２３．１℃であるとする。この場合、補正後の流体の温度ＴｗがＴｗ＝２３．１＋ｋ（２３．１−４５）＝２３℃となるように、補正係数ｋが定まっていればよい。

制御部７は、ヒータ３の抵抗値変化から検出されるヒータ３の発熱温度ＴＲｈと、水温補正部６からの補正された流体の温度Ｔｗとを入力とし、発熱温度ＴＲｈと補正された流体の温度Ｔｗとの温度差（ＴＲｈ−Ｔｗ）を求め、この温度差が一定値（例えば、１０℃）となるようにヒータ３へ供給する電力を制御する。

電力計測部８は、制御部７によって温度差（ＴＲｈ−Ｔｗ）が一定値となるように制御されている時のヒータ３への供給電力Ｐを計測し、この計測した供給電力Ｐをセンサ出力（流体における熱拡散の状態に対応する値）Ｓとして流量算出部９へ送る。

流量算出部９は、電力計測部８からのセンサ出力Ｓ（供給電力Ｐ）を、予め設定されている流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、配管２を流れる流体の流量Ｑを求める。

このようにして、実施の形態１の熱式流量計１Ａでは、流体の温度の影響を受けない位置に周囲温度センサ５を設置し、この周囲温度センサ５によって検出される水温センサ４の近傍の周囲温度ＴＲｅに基づいて、水温センサ４が検出する流体の温度ＴＲｒを補正することによって、補正後の流体の温度Ｔｗを実際の流体の温度Ｔｒに近づけるようにして、配管２を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行うことができる。

〔実施の形態２〕
図２は本発明の実施の形態２に係る熱式流量計１（１Ｂ）の要部の構成を示すブロック図である。同図において、図１と同一符号は図１を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

実施の形態２の熱式流量計１Ｂでは、ヒータ３の上流側の流体の温度ＴＲｕを検出する上流温度センサ（測温素子）１０と、ヒータ３の下流側の流体の温度ＴＲｄを検出する下流温度センサ（測温素子）１１とを、ヒータ３を挾んで配管２の外壁に設けている。また、上流温度センサ１０および下流温度センサ１１に対して、温度差算出部（センサ出力部）１２を設けている。

温度差算出部１２は、制御部７が発熱温度ＴＲｈと補正後の流体の温度Ｔｗとの温度差（ＴＲｈ−Ｔｗ）が一定値となるようにヒータ３への供給電力を制御している時の、ヒータ３の上流側の流体の温度ＴＲｕと下流側の流体の温度ＴＲｄとの温度差（ヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ））を算出し、この算出したヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ）をセンサ出力（流体における熱拡散の状態に対応する値）Ｓとして流量算出部９へ送る。

流量算出部９は、温度差算出部１２からのセンサ出力Ｓ（ヒータ３の上下流の温度差（ＴＲｕ−ＴＲｄ））を、予め設定されている流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、配管２を流れる流体の流量Ｑを求める。

このようにして、実施の形態２の熱式流量計１Ｂでも、流体の温度の影響を受けない位置に周囲温度センサ５を設置し、この周囲温度センサ５によって検出される水温センサ４の近傍の周囲温度ＴＲｅに基づいて、水温センサ４が検出する流体の温度ＴＲｒを補正することによって、補正後の流体の温度Ｔｗを実際の流体の温度Ｔｒに近づけるようにして、配管２を流れる流体の温度と周囲温度に温度差ある環境でも、正確な流量の測定を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、流量算出部９において、センサ出力Ｓを流量変換式を用いて流量の値に変換するようにしたが、センサ出力Ｓに対応する流量Ｑの値が登録されている流量変換テーブルを用い、この流量変換テーブルからセンサ出力Ｓに対応する流量Ｑの値を求めるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、水温センサ４を配管２の外壁に設置するようにしたが、配管２の内壁に設置するようにしてもよい。配管２の内壁に設置するようにしても、水温センサ４が設置されている部分の温度は周囲温度によって変化する。

また、上述した実施の形態では、配管２を流れる流体を水（液体）としたが、配管２を流れる流体は液体に限られるものではなく、気体であってもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１（１Ａ，１Ｂ）…熱式流量計、２…配管、３…ヒータ、４…水温センサ、５…周囲温度センサ、６…水温補正部、７…制御部、８…電力計測部、９…流量算出部、１０…上流温度センサ、１１…下流温度センサ、１２…温度差算出部。

Claims (5)

1. 測定対象の流体が流れるように構成された配管と、
   前記配管に設置され、電力の供給を受けて発熱するように構成されたヒータと、
   前記ヒータよりも上流側の前記ヒータの熱影響を受けない位置に設置され、前記流体の温度を検出するように構成された温度センサと、
   前記流体の温度の影響を受けない位置に設置され、前記温度センサの近傍の周囲温度を検出するように構成された周囲温度センサと、
   前記温度センサが検出する前記流体の温度を前記周囲温度センサが検出する周囲温度に基づいて補正するように構成された流体温度補正部と、
   前記ヒータの抵抗値変化から検出される前記ヒータの発熱温度と前記流体温度補正部によって補正された流体の温度との温度差を求め、この温度差が一定値となるように前記ヒータへ供給する電力を制御するように構成された制御部と、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記流体における熱拡散の状態に対応する値をセンサ出力として出力するように構成されたセンサ出力部と、
   前記センサ出力部からのセンサ出力に基づいて前記配管を流れる流体の流量を求め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。
2. 請求項１に記載された熱式流量計において、
   前記流体温度補正部は、
   前記温度センサが検出する流体の温度をＴＲｒ、前記周囲温度センサが検出する周囲温度をＴＲｅ、前記補正後の流体の温度をＴｗ、補正係数をｋとして表される下記（Ａ）式より、補正後の流体の温度Ｔｗを求める
   ことを特徴とする熱式流量計。
   Ｔｗ＝ＴＲｒ＋ｋ（ＴＲｒ−ＴＲｅ） ・・・・（Ａ）
3. 請求項２に記載された熱式流量計において、
   前記補正係数ｋは、
   前記（Ａ）式より求められる補正後の流体の温度Ｔｗが実際の流体温度となるような値として定められている
   ことを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された熱式流量計において、
   前記センサ出力部は、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記ヒータへの供給電力を前記センサ出力として出力する
   ことを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載された熱式流量計において、
   前記センサ出力部は、
   前記制御部によって前記温度差が一定値となるように制御されている時の前記ヒータの上下流の流体の温度差を前記センサ出力として出力する
   ことを特徴とする熱式流量計。