(57)【要約】【課題】配管における周囲より薄くした測定部に設けた熱式流量計を用いてより高精度な流量測定ができるようにする。【解決手段】センサ部１０２を構成する温度測定部１１１は、第１基板１２１の主表面１２１ａに形成されている。また、第１基板１２１の裏面１２１ｂは、配管１０１における測定部１０１ａの外壁に接して設けられている。センサ部１０２を構成するヒータ１１２は、第２基板１２２の主表面１２２ａに形成されている。また、第２基板１２２の裏面１２２ｂは、配管１０１における測定部１０１ａの外壁に接して設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体を輸送する配管と、
前記配管の外壁に形成されて一部が他の部位より薄く形成された測定領域と、
前記測定領域において前記流体を加熱するように構成されたヒータ、および前記測定領域において前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、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センサ値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記流体の流量を前記センサ値から算出するように構成された流量算出部と、
前記温度測定部が主表面に形成された第１基板と、
前記ヒータが主表面に形成された第２基板と
を備え、
前記第１基板の裏面および前記第２基板の裏面が前記測定領域の外壁に接して配置され、
前記第１基板および前記第２基板は、前記配管の材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されてい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、
前記第１基板および前記第２基板は、シリコン、セラミック、または金属から構成されてい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、
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した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センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
【請求項４】
請求項１または２記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、
前記第１温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記第２温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記第３温度測定部は、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した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、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
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、 気体と液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。このような熱式流量計は、微量な液体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る流量を測定する方法とがある。例えば、液体の流量を測定する場合、ヒータ温度を液温に対し、プラス１０℃など一定温度に加温駆動で動作させ、上流と下流との温度差またはヒータの電力から、流量を算出する。
【０００４】
このような熱式流量計では、配管を流れる測定対象の流体を効率良く短時間で加熱するために、他の部位より薄く形成した箇所にセンサ部を設けるようにしている（特許文献１参照）。このように構成することで、高感度で流体の流れによる温度変化を検出することができ、高精度で被測定流体の流量を測定することができるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
しかしながら、配管を薄くした箇所は、測定対象の液体より発生する気体が透過しやすい状態となる。このため、この箇所より気体成分の透過（アウトガス）が発生する場合がある。このような状態では、アウトガスがセンサ部に影響を及ぼす場合が発生し、高い精度で正確な流量測定ができ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、配管における周囲より薄くした測定領域に設けた熱式流量計を用いてより高精度な流量測定が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、測定対象の流体を輸送する配管と、配管の外壁に形成されて一部が他の部位より薄く形成された測定領域と、測定領域において流体を加熱するように構成されたヒータ、および測定領域において流体の温度を測定するように構成された温度測定部を備え、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を出力するように構成されたセンサ部と、流体の流量をセンサ値から算出するように構成された流量算出部と、温度測定部が主表面に形成された第１基板と、ヒータが主表面に形成された第２基板とを備え、第１基板の裏面および第２基板の裏面が測定領域の外壁に接して配置され、第１基板および第２基板は、配管の材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。
【０００９】
上記熱式流量計において、第１基板および第２基板は、シリコン、セラミック、または金属から構成されていればよい。
【００１０】
上記熱式流量計において、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した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、ヒータの電力をセンサ値として出力する。
【００１１】
上記熱式流量計において、温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、第１温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、第２温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、第３温度測定部は、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した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、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、第１基板および第２基板を用いるようにしたので、配管における周囲より薄くした測定領域に設けた熱式流量計を用いてより高精度な流量測定ができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態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の一部構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における他の熱式流量計の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態における熱式流量計について図１，図２を参照して説明する。この熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する配管１０１と、センサ部１０２と、流量算出部１０３とを備える。配管１０１は、例えば、フッ素樹脂などの合成樹脂から構成されている。配管１０１は、配管１０１の外壁に形成されて一部が他の部位より薄く形成された測定領域１０１ａを有する。測定領域１０１ａは、例えば、部分的にへこむ形状とされている。測定領域１０１ａにおける最も薄くなる箇所の厚さは、例えば、１００μｍ程度である。
【００１５】
実施の形態において、センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。
【００１６】
温度測定部１１１は、第１基板１２１の主表面１２１ａに形成（搭載）されている。温度測定部１１１は、例えば、複数の熱電対を構成する配線パターンなどから構成されたサーモパイルなどの温度センサ素子である。また、第１基板１２１の裏面１２１ｂは、配管１０１における測定領域１０１ａの外壁に接して設けられている。第１基板１２１は、温度測定部１１１および測定領域１０１ａの外壁の両者に熱的接触している。
【００１７】
同様に、ヒータ１１２は、第２基板１２２の主表面１２２ａに形成（搭載）されている。ヒータ１１２は、例えば、発熱抵抗体となるヒータ素子、流体温度計測用の温度センサ素子から構成されている。また、第２基板１２２の裏面１２２ｂは、配管１０１における測定領域１０１ａの外壁に接して設けられている。第２基板１２２は、ヒータ１１２および測定領域１０１ａの外壁の両者に熱的接触している。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。
【００１８】
第１基板１２１，第２基板１２２は、例えば、熱伝導性接着剤により配管１０１における測定領域１０１ａの外壁に接着固定されている。第１基板１２１および第２基板１２２は、配管１０１を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。第１基板１２１および第２基板１２２を、熱伝導率の良い材料から構成することで、配管１０１を流れる流体の温度が、温度測定部１１１に伝わりやすくなり、またヒータ１１２からの熱が流体に伝えやすくなる。第１基板１２１および第２基板１２２は、例えば、シリコン、セラミック、または金属から構成されている。第１基板１２１および第２基板１２２は、例えば、単結晶シリコンから構成されていればよい。また、第１基板１２１，第２基板１２２の板厚は、測定領域１０１ａ以外の配管１０１の管壁の厚さ以下とされているとよい。
【００１９】
実施の形態において、センサ部１０２は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。ヒータ１１２を搭載する第２基板１２２は、第１基板１２１の下流に設けられているので、ヒータ１１２は、第１基板１２１に搭載されている温度測定部１１１より下流に設けられるものとなる。
【００２０】
ここで、センサ部１０２は、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１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２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を出力する。実施の形態において、制御部１１３が、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。
【００２１】
例えば、制御部１１３は、ヒータ１１２に電力を供給する電力供給回路と、温度差検出回路と、電力供給回路が供給する電力を制御する制御回路などから構成されている。制御回路は、例えば、前述したヒータ１１２を構成するブリッジ回路の出力電圧が０となるように、ブリッジ回路に供給される電圧を帰還制御して、電力供給回路が供給する駆動電圧を調整する。
【００２２】
また、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。電力計測部１１４は、例えば、ヒータ電力検出回路から構成されている。ヒータ電力検出回路は、例えば、ヒータ１１２を構成する前述したヒータ素子に印加される電圧と、このヒータ素子を含むブリッジ回路に印加される電圧とから、ヒータ素子における駆動電力を求める。
【００２３】
上述した、センサ部１０２を構成している電力計測部１１４から出力される電力が、センサ値となる。流量算出部１０３は、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、流体の流量を算出する。流量算出部１０３は、例えば、あらかじめ設定されている物性データとしての係数を用いてセンサ値から流量を算出する流量演算回路などから構成されている。
【００２４】
実施の形態によれば、温度測定部１１１およびヒータ１１２が、配管１０１の周囲より肉薄とされている測定領域１０１ａから、第１基板１２１，第２基板１２２を挾んで離間する状態となる。この結果、実施の形態によれば、温度測定部１１１およびヒータ１１２は、測定領域１０１ａにおけるアウトガスによる影響が防げるようになり、より高精度な流量測定ができるようになる。
【００２５】
ここで、実施の形態における熱式流量計の動作について、より詳細に説明する。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、流量算出部１０３において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。
【００２６】
なお、図３に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ部１０２’を構成してもよい。温度測定部１１１は、第１基板１２３を介して測定領域１０１ａに設けられている。温度測定部１１６は、第１基板１２４を介して測定領域１０１ｃに設けられている。温度測定部１１７は、第１基板１２５を介して測定領域１０１ｄに設けられている。ヒータ１１２は、第２基板１２２を介して測定領域１０１ｂに設けられている。第１基板１２３，１２４，１２５、第２基板１２２は、例えば、熱伝導性のよいシリコン、セラミック、または金属から構成されている。第１基板１２３，１２４，１２５、第２基板１２２は、例えば、単結晶シリコンから構成されていればよい。
【００２７】
この構成において、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。
【００２８】
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の下流側に設けられている。温度測定部１１６，温度測定部１１７は、流体の温度を測定する。
【００２９】
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。
【００３０】
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より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体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。
【００３１】
以上に説明したように、本発明によれば、第１基板および第２基板を用いるようにしたので、配管における周囲より薄くした測定領域に設けた熱式流量計を用いてより高精度な流量測定ができるようになる。
【００３２】
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】
【００３３】
１０１…配管、１０１ａ…測定領域、１０２…センサ部、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、１２１…第１基板、１２１ａ…主表面、１２１ｂ…裏面、１２２…第２基板、１２２ａ…主表面、１２２ｂ…裏面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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