JPH02216419A - 層流流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流速測定に関し、特に気体流体の測定器を簡
素化すると同時に測定の不正確さを克服することができ
る流量計に関する。本発明の流量計は、被測定流体の乱
流やセンサの取り付は位置、例えば被測定流体の分配に
用いられるバルブやエルボ−のような管中に挿入される
装置の近傍に取り付けられた場合等、に起因する誤差を
除去することができる。

〔従来技術〕

高温膜マイクロ風速計（マイクロアネモメータ）は、単
一方向及び双方向流体測定の双方に用いられる装置とし
て一般的に知られている。このような装置の一例はヒガ
シらによる米国特許第４５０１１４４号に示されている
。マイクロ風速計、または素子として用いられている「
マイクロブリッジ」自体比較的安価に生産できる。しか
しながら、このような素子を利用したパッケージ装置は
予測し得る最悪の状態を考慮して設計されるので、非常
に高価になるｊ頃向がある。

更に、上述の装置は、被測定流体の分配ネットワーク内
の設置に対して厳しい使用制限を設けられている。例え
ば、従来のパッケージの大部分は、要求される流量レン
ジ内で流体が濁流から乱流に移行する問題を防ぐことが
できるように設計されていないので、非常に不利な立場
にある。このため、重大な較正誤差や読み取り誤差が起
こったり、装置に厳しい使用制限が設けられる。また、
これらの装置は、測定によって起こる流体分配ネットワ
ーク内の異常を最少にするために、被測定流体の導管内
の圧力降下または永久圧力損失を最少化するように構成
されていない。

圧力降下が少ないという特徴を有する低価格の流量計に
対する要求が当然あるが、それと同時に、正確な測定が
できるように全測定レンジにわたって層流を維持するこ
とも必要となる。この要求は特に、既存の分配システム
内に組み込まなければならないような天然ガス用の流量
計において重要である。この場合、流量計はエルボーや
カプラ、リデューサ等の近傍の非常に狭い場所に取り付
けなければならないことが多い。

〔発明の概要〕

本発明は従来の流量惑知用高温膜マイクロ風速計パッケ
ージが有する欠点を克服するものである。

本発明は全測定レンジにわたって層流を生じ、同時に全
体の圧力降下を低く抑えることのできる、簡素で低価格
の流量感知用マイクロ風速計パッケージを提供する。本
発明による装置は、被測定流体の分配ネットワーク内に
配置される際、障害物、例えば上流側または下流側にエ
ルボ−等の配管具があっても影響を受けない。

本発明の一実施例では、一対のプリナム型リデューサを
細管束の近傍に配置することによって、流体流を層流化
している（流体導管の直径を基にレイノルス係数ＮＲｅ
≦２０００を満たす）。流体は、細管束を解して高温膜
マイクロ風速流量測定装置の上流及び下流を通過する。

ブリナム内を通過した流体は目詰まりを防止するために
適切に濾過される。他に実施例では、流体は細管束に結
合した弓状ブロックによって制限される。これによって
、マイクロ風速センサを通過する流体は層流化され、大
きな圧力損失を生じない。マイクロセンサ自体は、静止
状態で測定するためのセンサと流量を測定するセンサと
の組み合わせとなっており、流体の密度や組成変化の影
響を受けずに正確な流量測定を広い範囲にわたって行う
ことができる。

〔実施例〕

第１図及び第１ａ図は本発明の概念を利用した装置の一
実施例を示す。この装置は、ガス管またはその他の導管
部材と一体化した部分、即ちメータ本体１０として表さ
れており、一対のユニオン、カブラ等の間等、既存の配
管内に容易に組み込むことができる。第１図の装置の基
本的構成は、細管部の両側にある一対のフィルタ部材１
１．１２を備える。細管部は導管の直径を減少させる手
段１３．１４を含む。手段１３．１４は、細管１７の分
割された管束を包含する部分１５．１６に接続されてい
る。直径減少手段１３．１４は充満効果を生じ、流体が
管束に入る時及び管束から出る時に起きる圧力損を低減
することができる。これは、更に、全体の圧力降下や速
度水頭効果を減少させる。

流体を感知するマイクロブリッジ、即ちマイクロ風速セ
ンサパッケージを符号１８で示す。電気゛的接続ピン１
９は、ヒータ用電源及び出力を得るための外部信号受信
処理手段に、マイクロ風速計を接続する。

第２図は、本発明の原理を別の構成で達成する別の実施
例を示す。この実施例も、一対のフィルタ２１．２２を
有する導管部２０、細管の束２３、流れを層流化するた
めの個々の細管２４、及び別個の層流部２５を具える。

第２図では、二重マイクロブリッジ、即ちマイクロ風速
センサパッケージ２６と単一マイクロブリッジ、即ちマ
イクロ風速センサパッケージ２７、及び夫々の接続ピン
２６ａ、２７ａが図示されているが、実際はどちらか一
つが用いられる。

第３ａ図、第３ｂ図、及び第３Ｃ図は、第２図に示され
た二重マイクロブリッジセンサ２６を詳細に図示したも
のである。このセンサは高衝撃プラスチック材等からな
るハウジング部材３１，３２を具える。エツチングされ
た半導体チ・ノブ基板３５．３６に橋架状に配置された
一対の薄膜マイクロブリッジセンサ３３．３４が部材３
７によって夫々分離されている。また、センサ３３．３
４に接続される電線は夫々３８．４１及び３９．４０で
示されている。

本実施例のマイクロ風速計センサパッケージは所望の出
力を適当な形状で得ることができる。

静的流体感知用マイクロブリッジ３４はセンサパッケー
ジに設けられた開口を介して被測定流体と連通し、流体
の静止時の組成を観測することができる。流体内の組成
変化は流体の速度と比較するとかなり遅く起こるので、
静的流体感知用マイクロブリッジ３４の応答は時を得た
ものである。

第３図に３３．３４で示されたようなマイクロブリッジ
、即ち風速センサに関して、近年非常に小さく精度の高
いマイクロブリッジ半導体チップセンサが開発され、エ
ツチングされたマイクロブリッジが状態センサ、即ち流
速センサとして用いられている。このようなセンサは、
例えば、薄膜ヒータに隣接する１対の薄膜センサを具え
る。このような半導体チップセンサは、本発明と同一発
明者による米国特許第４４７８０７６号、第４４７８０
７７号、第４５０１１４４号、第４５５５９３９号、第
４６５１５６４号、第４６８３１５９号等に詳細に説明
されている。マイクロブリッジセンサについて詳細な説
明が必要な時は上述の米国特許を引用することとする。

本発明では、動的流量センサ３３が例えば、薄膜ヒータ
に隣接して対称的に配置された一対の薄膜センサを有し
ていれば、双方向の流れを感知するのに用いることがで
きることを述べれば十分であろう。勿論、センサが正し
い方向を向（ようにチップを配置し、流体がマイクロブ
リッジと正しい角度で接することが条件となる。本発明
の流量計は横方向に対称であるので、被測定流体が流れ
る配管に関して双方向の感知に用いることができる。

したがって、センサ３３は導管内で流体に直接晒され、
流体の動的特性を直接測定するのに用いられる。

第２のマイクロ風速センサ３４は、センサ３３と背中合
わせに取り付けられ、流体の他のパラメータを動的な流
量と同時に測定することができる。上述のように、セン
サ３４は被測定流体に直接晒されていないが、流体とは
直接連通されており、静止状態で測定が容易なパラメー
タの測定に用いることができる。このようなセンサは、
正確な測定方法及び単一の感知システムを用いたサンプ
リングに従つて、熱伝導率ｋ及び比熱ｃｐの直接測定に
用いることができる。この方法は、被測定流体内に密接
に配置された１つ以上のヒータ素子に熱パルスを発生す
ることによって上述の特性を測定する。被測定流体の特
性値ｋ及びｃｐは、熱パルスに対してヒータの経時的に
変化する温度応答に対応した変化を与える。被測定流体
が比較的静止状態にある時は、主に被測定流体を介して
ヒータに接続されている１つ以上の温度応答センサの経
時的に変化する温度応答に対応する変化を誘発する。

変化を起こす元となる熱パルスは、ヒータが短期間実質
的に安定状態になるのに必要な長さがあればよい。この
パルスはセンサに安定状態と遷移状態の双方を起こす。

熱伝導率ｋ及び比ｖ！、ｃｐは、検出された同−熱パル
ス内で感知することができる。ｋは安定状態を表す平坦
状温度曲線から得ることができ、ｋと過渡状態時の温度
変化率とを用いることによってｃｐを求めることができ
る。このような測定法は、本願と同一発明者により１９
８８年６月２４日に出願された現在継続中の米国特許出
願第２１０８９２号に詳細に記載されている。

更に、−旦比熱及び熱伝導率の値が決まれば、これらの
値を基に経験的多項式に従って被測定流体の密度ρまた
は比重ｑを得ることができる。この方法は本願と同一発
明者により１９８８年６月２４日に出願された現在継続
中の米国特許出願第２１１０１４号に詳細に記載されて
いる。

流体内に配置されたセンサと静的センサとの組合せによ
って全ての流体特性の測定が可能となるので、燃料加熱
値等多くの値を決定するのに用いることができる。これ
によって、簡素で直接的で更に安価に測定を行うことが
できる。

特に本発明の特徴に関して言えば、本発明の装置で動的
な流量を測定するには、流体が層流の範囲内でマイクロ
風速センサを通過しなければならない。この範囲は通常
導管の直径を基に、レイノルズ係数ＮＲｓ≦２０００で
表される範囲と定義されている。

今日の測定装置は動作原理が全く異なるため、これまで
の家庭で用いるガスメータ等によるガス測定の測定点に
おける乱流の除去に関しては、はとんど問題にしなかっ
た。多くの配管網は測定点近傍にエルボ−や他の測定の
妨害となる配管具があるので、正確な測定に必要な層流
を発生するのは非常に困難である。

本発明の測定装置は、層流化する素子を設けることによ
って、非常に狭い空間においても乱流を除去したり阻止
する。また、この層流化素子によって圧力降下を抑える
こともできる。層流化素子は、第１図に示された細管束
または第２図に示された流量制限部等からなる。しかし
ながら、これらは単なる例であり、多孔質金属または硝
子膜等他の物質を用いてもよい。細管に関しては、最大
圧力降下Ｐ　ｚ　　Ｐ　＋及び最大流量を流すのに必要
で適当な空間に収容すべき数の細管によって設計が制限
される。Ｐ−Ｐｇ　　Ｐ＋の関係を用いてボアズイユの
法則（層流）を下記のように表すことができる。

Ｖ＝πＲ’Ｐ／８Ｌｎ ここで、■は体積、Ｒは細管の半径、しは細管の長さ、
ｎは粘度、Ｐは圧力降下である。

例として、Ｐ　＝　１１ｎｃｈ）１．０とすると、付表
Ｉに示す簡単なベーシック（ＢＡＳＩＣ）プログラムに
よって、Ｖ＝２００　ｆ　ｔ’　／ｈの流速の流体を０
．４２インチ以下の直径の細管の束に必要な数の細管Ｎ
ＣＡＰ　＝　１７．　６が計算される。この関係は実験
的に確認されており、長さ１５ｃｍ、直径０．１６ｃｍ
の時実験から得られた値と計算値とは次のように比較さ
れる。

第１表 （実験値）　ｃｍ’／ｎ＋ｉｎ （計算値）　ｃｍ’／ｍ１ｎ ｅ（実験値）　ｃｍ”／ｍ１ｎ （実験値）　ｃｍ　ＨｚＯ 空気　　　ＣＨ。

７７０、１５９ ８７６．１５６　１７５２，３１３ ３４９、６２．４　７７６．１３９ ２．８．　０゜５　（２，８，０，５）空気に用いた粘
度はｎ−２゜ １０−４ポアズ（Ｃ Ｈ４は１．１０−’ポアズ）である。空気の密度はｑ　
＝　１．２　ｘ　１０−３（ＣＨ４は０．６６８ｘｌＯ
３）であり、この値はレイノルズ係数Ｒ，ｅ−Ｖ　ｑ／
（３，１４１６）を計算するのに必要となる。

また、ＣＨ４の計算はガス測定に関連した応用に本発明
の装置が有益なので行われた。第４図の線ＮＣ□かられ
かるように、細管の数は最大流速の増力■に伴って増加
する。

測定装置の設置場所及び層流に関してエルボ−が障害物
となる可能性が最も高いので、本発明ではエルボ−の影
響が誤差制限（例えば、■の１％）より低い値に抑える
ことができるか否かを試験した。到来する速度水頭の外
形の最大値ＰＶまたはＰ　ＶＩＩＬ　は、それ自体の圧
力に関して計算され、細管内の圧力降下Ｐと関係がある
。上述の比較の基準は、Ｐ＞＞Ｐ□、が成り立てば、Ｐ
　Ｖ　＠　Ｌ　＋。。

位置の変化及び移動に対応するエルボ−の影響は誤差の
境界以内にあるということである。第４図に示すように
、Ｖ＝２００　ｆ　ｔ’　／ｈ、管の直径ＤｐｌｐＲ−
１インチの場合、Ｐ／ＰＶ、、＝１９．４、またり、ｉ
ｐ、＝１．　５インチの場合Ｐ／Ｐｖ、、　＝９８であ
る。これは、Ｐ　ＶＩＩｔ＋　ｆ＠ａＮの移動が２０％
あっても、細管によって起こる圧力への影響（即ち流量
センサによって測定された流量への影響）は、最大でも
２０／１９．４％、即ち１％程度であり、誤差境界以内
である。また、１．１または１．５インチの管の場合、
誤差許容範囲に対してさらに大きな安全マージンがとれ
る。

第１図のフィルタ１１．１２及び第２図のフィルタ２１
．２２は、１０〜１５年にわたる装置の寿命の間、マイ
クロ風速センサの近くに付着する可能性のある少量の粒
子でさえもセンサに達するのを防止する。ＨＶＡＣ配管
網の１０年間に相当する埃の量でもマイクロブリッジの
較正曲線に明白な移動が見られなかったことが示されて
いる。

本発明の装置は、 １、指定された最大流量までの線形流量２、仕様範囲内
の圧力降下 ３４センサの出力ドリフトを起こさず長寿命４、低生産
コスト ５、エルポーの影響を受けない 等の特徴を得ることができる特別な構成を有する。

また、半導体チップ自体の生産コストはパッケージ全体
の生産コストの内の極僅かであるので、同一パンケージ
に２つのマイクロブリッジセンサを背中合わせに配置す
ることによって、パッケージのコストを大きく低減する
ことができる。このような二重チップパッケージでは、
上側のチップは流体に晒されており流量を測定するのに
用いられ、下側のチップにはフィルタ、プラスチック製
チップホルダ内のオリフィス、及び狭い導管を通じての
み気体が到達するので、熱伝導率や比熱等の気体の特性
値を決定するために用いられる。

本発明の装置の生産コストは、フィルタを除いて、主要
センサ本体を単一一体成形で製造することによって低減
することができる。フィルタは圧力をかけることによっ
て成形物に挿入する。チップホルダ自体も、第３ａ図及
び第３ｂ図に示されるように、一体成形で製造すること
ができる。八〇Ａの１時間９００”Ｆの耐熱試験（この
試験に合格するには、メータ本体は所定量以上の天然ガ
スの漏れを起こしてはならない）に適合するための適切
な金属またはセラミック部品は、図を簡素化するために
示されていない。チップのピンは、組み立て過程でパッ
ドに押圧され、接着剤、底板及び螺子で本体に固定され
る。チップには窪みが形成されており、正しい方向に配
置できるようになっているので、流体は直角にマイクロ
ブリッジセンサを通過することが、できる。

上述のマイクロ風速計パッケージは、センサ本体の内壁
に支持棒または罐状部品を固着し、これでチップを層流
内に保持するように構成することもできる（第１ａ図参
照）。チップは、図にあるように、１つまたは２つのマ
イクロブリッジを有し、２つの７３クロブリツジを有す
る場合、ガス組成の変化による補正を行うことができる
。

流量センサ本体は、通常プラスチック成形で製造され、
最大流量でレイノルズ係数が２０００を越えないように
することで層流を維持するように設計されている。セン
サの上流及び下流側には大きな断面のフィルタが具えら
れ、センサを微細なまたは荒い粒子から保護している。

本センサの全圧力降下の最大値は各細管のそれと等しい
。また、流量はＮｌ１ｌ、＜２０００を満足するように
設計されている。更に、センサパッケージの寿命期間に
わたって目詰まりや流量の減少を最少にするためにフィ
ルタの断面はできるだけ大きくしている。

センサに通じる導管及び細管、更に第１図の１３．１４
で示したように管を細くして充満効果を得ることによっ
て流れの層流化を促進することができる。直径１インチ
の場合でも、細管に入る直前の流体の細管の圧力降下／
最大速度水頭の比Ｒｖは１９．４であることを第４図は
示している。また、１．５インチの管では、Ｒｖ＝９８
である。Ｒｖ＝２０では、最大速度水頭が２０％変化し
ても、細管内の流れ、即ち流体導管には１％（２０％／
２０）以上の影響は起こらないので、非常に精度の高い
測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第１ａ図は、本発明による高温膜風速流量セ
ンサパッケージの実施例を示す図、第２図及び第２ａ図
は別の実施例を示す図、第３ａ図、第３ｂ図及び第３ｃ
図は、第１図、第１ａ図、第２図及び第２ａ図の実施例
に用いることができるニセンサバッケージを示す図、第
４図は様々に用いられる流体に関連するグラフである。 １０、、、　メータ本体 ｌＬ１２．、、　　フィルタ １３．１４．、、直径減少手段 １５．１６．、、細管 １８、、、　マイクロ風速センサパッケージ１９、、、
接続ピン 特許出願人　山武ハネウェル株式会社 代理人　　　弁理士　松　下　義　治 −→−〇 Ｎｃａρ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体が流れる実質的に中空のメータ本体手
   段と、 前記メータ本体手段内に設けられ、少なくとも前記メー
   タ本体手段全長の一部分に層流を起こし、比較的圧力損
   失が低い流体制限手段と、前記メータ本体手段内の流体
   の通過を測定する位置に配され、電源入力と通過する流
   量を表す信号出力とを有するマイクロ風速計手段とから
   なることを特徴とする気体流体の層流流量計。
2. （２）前記流体制限手段は、少なくとも前記マイクロ風
   速計手段の上流側に細管の束を含み、前記マイクロ風速
   計手段が取り付けられている流体導管に流れる流体は該
   細管の束を通過することを特徴とする請求項第１項に記
   載の層流流量計。
3. （３）前記メータ本体手段は、流体に直接晒されずに流
   体と連通している別のマイクロ風速計手段を更に含むこ
   とを特徴とする請求項第１項に記載の気体流体の層流流
   量計。
4. （４）前記流体制限手段は、少なくとも１つの網部材を
   前記マイクロ風速計手段の上流側に具えていることを特
   徴とする請求項第１項に記載の層流流量計。