JPH0516730B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微少流量値を流体に非接触で測定する
流量計に関する。

〔従来技術とその問題点〕

一般に、臨床医学の分野等においては極めて微
少な流量を正確に測定することが必要とされる場
合がある。

従来、このような微少流量の測定にあたつて
は、第５図に示すような構成の検出器を用いてい
る。この従来例においては、流体流路となるチユ
ーブａの上流側に白金線等の金属抵抗線によつて
製せられている自己発熱抵抗体ｂを設け、少し下
流側に離して同構成の自己発熱抵抗体ｃを設け、
チユーブａ以外の場所に２個の抵抗器ｄ，ｅを設
け、これらの４個の抵抗ｂ，ｃ，ｄ，ｅによりブ
リツジ回路が形成されている。このブリツジ回路
の抵抗器ｄ，ｅの抵抗値は、直流電源からブリツ
ジ回路へ一定電流を通じた状態で、そのブリツジ
回路が平衡するようにあらかじめ選択されてい
る。この状態で流過流体ｈがチユーブａを流過す
ると、自己発熱抵抗体ｂで発生した熱の一部が流
過流体ｈにより奪われ下流側の自己発熱抵抗体ｃ
の部位に移動させられ、自己発熱抵抗体ｃが温度
上昇を生じる。これにより一方の自己発熱抵抗体
ｂの抵抗値は下がり、他方の自己発熱抵抗体ｃの
抵抗値は上がる。この抵抗値の変化によりブリツ
ジ回路お平均がくずれ、ブリツジ回路より出力電
圧が発生し、その出力電圧は増幅器ｇに入力さ
れ、増幅されて流量の変化に比例した出力が発生
される。

しかしながら前記従来例の検出器においては、
構造上後述するように温度および姿勢の変化に対
して流量値が変つてしまうという問題があり、ま
た、第６図ｂ線に示すように２通りの流量値Fa，
Fbで同一の出力電圧値となり、ブリツジ回路の
出力電圧Voからはいずれが真正流量値であるか
判断できないという不都合があつた。

なぜなら第５図に示す構成において、２個の自
己発熱抵抗体ｂ，ｃで発生する熱は周囲空気およ
びチユーブａと熱交換することにより熱的平衡状
態となる。ところが、空気による熱移動は対流に
よるものであるから、周囲温度の影響を直接受け
熱移動量が変化し、チユーブａ内の流体の状態と
は無関係に自己発熱抵抗体ｂ，ｃに温度変化を生
じさせてしまう。この自己発熱抵抗体ｂ，ｃの温
度変化は流量検出の感度を外乱として変化させる
ものであり、結局流量測定の精度を低下させるも
のであつた。

また、２個の自己発熱抵抗体ｂ，ｃの設置位置
が、水平方向に隣接する場合と鉛直方向に隣接す
る場合とでは、相互間における対流による熱移動
量に差があり、両者の設置位置に応じて流量検出
の感度が異なるという問題点があつた。また、特
に鉛直方向に２個の自己発熱抵抗体ｂ，ｃを配設
した場合に、流量検出の感度の変化と同時にゼロ
点ドリフトを生じてしまうなど、姿勢敏感性が高
いという欠点があつた。

更に、第６図の特性曲線が示すように、流量の
小さい範囲ではブリツジ回路の出力電圧が流量と
ともに増加し、流量の大きい範囲では逆にブリツ
ジ回路の出力電圧が流量とともに低下する。この
ような減少が生じるのは、流量の大きい範囲では
第５図における自己発熱抵抗体ｂ，ｃの部位の温
度がチユーブａ内を流過する流過流体ｈにより冷
却低下されてしまい、自己発熱抵抗体ｂ，ｃの温
度も低下し、それぞれの抵抗値の差が小さくな
り、ブリツジ回路の出力電圧が流量の増加ととも
に低下するからである。このことにより２通りの
流量値Voをとり、出力電圧Voからは流量値Fa，
FFbの何れが真正値であるかを区別することがで
きないという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであ
り、検出部の環境条件に影響されることなく、ま
た、検出部の姿勢に影響されることなく、常に適
正な感度をもつて正確に流量測定を行なうことが
でき、また、流体に熱的変化を与えることなく流
量測定することができ、更に、出力電圧と流量値
が１対１に対応して常に真正な流量を測定するこ
とができ、しかも微少流量を正確に測定すること
のできる流量計を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の流量計は、流体が流通する流過流路と
なるチユーブと、このチユーブと熱交換自在にし
て設けられた金属ベースブロツクと、前記熱交換
部より流体の下流側で前記チユーブおよび金属ベ
ースブロツクの間にそれぞれと熱交換自在にして
介装された温度検出器と、前記チユーブに取付け
られそのチユーブへの入熱がそのチユーブを通し
て前記温度検出器へ熱伝導される入熱体とをもつ
て形成される。

これにより、入熱体の熱はチユーブ内を流体が
流過しないときその大部分がチユーブおよび熱抵
抗の小さいサーモモジユールを通じて金属ベース
ブロツクに熱伝導されて熱平衡状態になる。ま
た、入熱体の周囲空気は対流により不安定な熱抵
抗をもつが、前記サーモモジユールの熱抵抗が対
流による熱抵抗に比べ十分小さく、かつ、温度変
化に対して一定の熱抵抗値を保つため、周囲空気
の対流による検出感度等に対する影響がなく、さ
らに姿勢敏感性もない。しかも、入熱体が１個で
あるからサーモモジユールの出力電圧は単調な減
少特性を示すこととなり、常に真正な流量を測定
することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第４図につ
いて説明する。

第１図は本発明の一実施例の全体を示してい
る。

第１図中、符号１は金属ベースブロツクであ
る。この金属ベースブロツク１の上部には、流体
２が第１図左から右方向へ流過する流過流路とな
る金属製のチユーブ３が上流側支持部１ａおよび
下流側支承部１ｂを貫通することにより水平に支
承されている。そして、この金属ベースブロツク
１の上流側支承部１ａ部分におけるチユーブ３の
埋設路離ｌを長くして、金属ベースブロツク１と
チユーブ３との相互間で十分に熱交換できるよう
にしている。また、金属ベースブロツク１の下流
側支承部１ｂ部分はチユーブ３の下流側に対する
熱抵抗を一定に保つために設けている。そして、
金属ベースブロツク１の上流側支承部１ａと下流
側支承部１ｂとの間の凹入部１ｃ部分において
は、温度検出器としてのサーモモジユール４が、
凹入部１ｃの底部上面とチユーブ３の下周面とに
それぞれ密着させてそれぞれと熱交換自在にして
介装されている。このサーモモジユール４は熱抵
抗が小いものであり、チユーブ３と金属ベースブ
ロツク１との間の温度差を電圧からなるサーモモ
ジユール出力４ａとして検出する。また、凹入部
１ｃ部分において、チユーブ３のサーモモジユー
ル４と反対側の上面部分にはチユーブ３へ所定の
熱量を入熱する入熱体としての自己発熱抵抗体５
が接着剤１２によつて取付けられている。この自
己発熱抵抗体５には定電圧電源６から通電される
ようになつている。また、サーモモジユール４か
らの流量に対応したサーモモジユール出力４ａを
処理してより適確な流量を得るために、本実施例
では、サーモモジユール４のサーモモジユール出
力４ａを増幅器７で増幅し、その増幅器出力７ａ
を減算器８へ入力する。この減算器８にはポテン
シヨメータ９からのポテンシヨメータ出力９ａも
入力されており、減算器８は増幅器出力７ａから
ポテンシヨメータ出力９ａを減算して減算器出力
８ａを直線化回路１０へ出力する。この直線化回
路１０は減算器出力８ａを直線化して、チユーブ
３内内の流体２の流量と比例関係となる直線化回
路出力１０ａを出力するようにされている。

次に、本実施例の作用を説明する。

流体２の流過流路であるチユーブ３内へ、流体
２が上流側３ａより流入して流過すると、チユー
ブ３が埋設されている金属ベースブロツク１の上
流側支承部１ａの部分において、流体２は金属ベ
ースブロツク１と十分に熱交換されてその流体２
の温度は金属ベースブロツク１の温度と同一の安
定な温度となり、サーモモジユール４が設けられ
ている下流側へ流下して行く。

サーモモジユール４が設けられている検出部に
おいては、自己発熱抵抗体５に通電されていない
場合には、サーモモジユール４を挟んでいる金属
ベースブロツク１とチユーブ３内の流体２とは前
述したように等温とされている。

ここで、流体２の流量を検出するために定電圧
電源６より自己発熱抵抗体５へ所定電力を供給し
て、自己発熱抵抗体５を発熱させ、送給されて来
た所定電力に対応した所定熱量Ｑをチユーブ３へ
入熱する。この入熱された熱量Ｑは、チユーブ３
およびサーモモジユール４を順に経て金属ベース
ブロツク１へ熱伝導される熱量Q₁と、チユーブ
３内を流れる流体２に奪われて下流へ持去られる
熱量Q₂とに分けられる。そして、第１図におい
て、一方の熱量Q₁の熱流を１１ａ、他方の熱量
Q₂の熱流を１１ｂとする。これらの熱量Ｑ，Q₁，
Q₂の間には、Ｑ＝Q₁＋Q₂の関係が成立する。そ
して、チユーブ３内の流体２の流量に応じてQ₁
とQ₂との値が変化する。

一方、サーモモジユール４のサーモモジユール
出力４ａは、サーモモジユール４より上流側の流
体２の温度と金属ベースブロツク１の温度とが等
しいので、熱量Q₁のみに比例したものとなる。
そして、このサーモモジユール出力４ａの電圧値
と流体２の流量との関係は第３図ａ線に示すよう
になり、微小流量例えば０〜数〓ｌ／minに対し
て極めて感度が高いものとなり、流量が大きくな
るに従つて、最大値〓から双曲線状にして一定値
〓に漸近するように減少する。

この点を更に説明すると、自己発熱抵抗体５で
発生する熱量Ｑが一定であることより、熱的等価
回路を第４図のように示すことができる。ここで
金属ベースブロツク１とサーモモジユール４の熱
流１１ａに対するコンダクタンスをC₁、流体２
による熱流１１ｂに対するコンダクタンスをC₂、
金属ベースブロツク１と自己発熱抵抗体５との間
の温度差を〓Ｔとすると、 〓Ｔ＝Ｑ／（C₁＋C₂） の関係が成立する。

そして、コンダンスC₂と流体２の流量には比
例関係があり、更に、温度差〓Ｔは熱量Q₁と比
例関係がある。従つて、温度差〓Ｔはサーモモジ
ユール出力４ａに比例し、このサーモモジユール
出力４ａは流体２の流量に反比例する関係があ
る。

このようにしてサーモモジユール４によつて検
されたサーモモジユール出力４ａは増幅器７によ
つて増幅され、増幅器出力１１ａとして減算器８
へ入力される。また、この減算器８には、第３図
に示す出力が漸減して行く一定値〓に相当する値
の設定電圧からなるポテンシヨメータ出力９ａが
ポテンシヨメータ９から入力されている。従つ
て、減算器８においては、増幅器出力１１ａから
ポテンシヨメータ出力９ａを減算して、流体２の
流量値と反比例関係を有する減算器出力８ａを出
力する。この減算器出力８ａは次段の直線化回路
１０において、逆数化演算されて、流体２の流量
値に比例した直線化回路出力１０ａとされる。

なお、前記においては流量測定時に自己発熱抵
抗体５へ通電して発熱させたが、この自己発熱抵
抗体５に予め通電して発熱させ、その熱量をチユ
ーブ３、サーモモジユール４を通して金属ベース
ブロツク１へ熱伝導させて熱的平衡状態を形成し
ておき、そこへ流体２を流通させて流量を測定す
るようにしてもよく、また、自己発熱抵抗体５へ
は継続的に通電して流体２の流量変化を継続的に
測定するようにしてもよい。

このように本発明は第２図の少流量範囲に着目
すれば１〓ｌ／min以下の極微少流量値を感度良
く、かつ、正確に測定することができ、また、直
線化回路１０等を用いることにより同一検出器を
使つて、流量零から１ml／min以上までに亘る広
範囲の流量測定ができる。

また、チユーブ３への入熱は１個の自己発熱抵
抗体５だけで行なうため、空気中の熱の自然対流
によつても検出感度は影響を受けず、また、金属
ベースブロツク１の姿勢を変更させることにより
自己発熱抵抗体５とサーモモジユール４との相対
位置が変更しても、検出温度を高く維持したまま
流量を測定することができる。更に、サーモモジ
ユール４のサーモモジユール出力４ａと、流体２
の流量とが１体１に対応するので、常に真正な流
量を検出することができる。

また、本発明は流過流路となるチユーブ３が自
己発熱抵抗体５により加熱されるものではある
が、その温度上昇が金属ベースブロツク１に対し
１℃〜２℃位の極低温度上昇にて充分な検出感度
をもち、流体２に熱的変化を与えないで測定する
ことができる。

更に、チユーブ３の素材としては、前記実施例
の金属を含めてプラスチツク、ゴム等の種々のも
のを使用できるため、流体２の性質に合せ最適な
チユーブ素材を用いた流量計を製作できると同時
に、流過流路の上流側から下流側に至る全ての流
過流路を同一のチユーブ３によつて構成すること
ができ、構造も簡単となる。

なお、温度検出器としてはサーモモジユール４
に代えてサーモパイル等を用いてもよく、また入
熱体としては自己発熱抵抗体５の他にチユーブ３
に入熱できるものを必要に応じて使用してもよ
い。

また、本発明は前記実施例に限定されるもので
はなく、必要に応じて変更することができる。

〔発明の効果〕

このように本発明は構成され作用するものであ
るから、検出部の環境条件に影響されることな
く、また、検出部の姿勢に影響されることなく、
常に適正な感度をもつて正確に流量測定を行なう
ことができ、また、流体に熱的変化を与えること
なく流量測定することができ、更に、出力電圧と
流量値が１対１に対応して常に真正な流量を測定
することができ、しかも微少流量を正確に測定す
ることができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図は本発明の流量計の一実施例
を示し、第１図は全体の概略構成図、第２図は第
１図の−線に沿つた拡大図、第３図は流体の
流量とサーモモジユール出力電圧との関係を示す
特性図、第４図は本実施例の流量検出部の熱的等
価回路図、第５図は従来例の概略構成図、第６図
は従来例の流量対出力電圧の特性図である。 １……金属ベースブロツク、１ａ……上流側支
承部、１ｃ……凹入部、２……流体、３……チユ
ーブ、４……サーモモジユール、４ａ……サーモ
モジユール出力、５……自己発熱抵抗体、７……
増幅器、８……減算器、９……ポテンシヨメー
タ、１０……直線化回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体が流通する流過流路となるチユーブと、
   このチユーブと熱交換自在にして設けられた金属
   ベースブロツクと、前記熱交換部より流体の下流
   側で前記チユーブおよび金属ベースブロツクの間
   にそれぞれと熱伝導自在にして介装された温度検
   出器と、前記チユーブに取付けられそのチユーブ
   への入熱がそのチユーブを通して前記温度検出器
   へ熱伝導される入熱体とを有する流量計。 ２ 温度検出器はサーモモジユールからなり、入
   熱体は自己発熱抵抗体からなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の流量計。