(57)【要約】【課題】簡易な方法で流量を補正する。【解決手段】熱式流量計は、配管１に配設され、測定対象の流体の第１の温度を検出する熱抵抗素子２ａと、熱抵抗素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設され、測定対象の流体の第２の温度を検出する熱抵抗素子２ｂと、第２の温度が第１の温度よりも一定値だけ高くなるように熱抵抗素子２ｂを発熱させる制御部１０と、熱抵抗素子２ｂに印加される電力を測定する電力測定部７と、電力測定部７によって測定された電力に、測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、流体が水の場合の電力に換算する電力換算部８と、電力換算部８によって換算された電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量を算出する流量算出部９とを備える。【選択図】  図１
2019020291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、
前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出するように構成された第１の熱抵抗素子と、
前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出するように構成された第２の熱抵抗素子と、
前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させるように構成された制御部と、
前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定するように構成された電力測定部と、
この電力測定部によって測定された電力に、前記測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、前記電力測定部によって測定された電力を流体が水の場合の電力に換算するように構成された電力換算部と、
この電力換算部によって換算された電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、前記測定対象の流体の流量を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、
前記定数は、事前の実験時に前記測定対象の流体の実流量と熱式流量計による測定流量とから前記流量変換特性式の逆関数によってそれぞれ逆算される電力に基づいて決定されることを特徴とする熱式流量計。
【請求項３】
測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出する第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出する第２の熱抵抗素子とを備えた熱式流量計の流量補正方法において、
前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させる第１のステップと、
前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定する第２のステップと、
この第２のステップで測定した電力に、前記測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、前記第２のステップで測定した電力を流体が水の場合の電力に換算する第３のステップと、
この第３のステップで換算した電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、前記測定対象の流体の流量を算出する第４のステップとを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
【請求項４】
請求項３記載の熱式流量計の流量補正方法において、
前記定数は、事前の実験時に前記測定対象の流体の実流量と熱式流量計による測定流量とから前記流量変換特性式の逆関数によってそれぞれ逆算される電力に基づいて決定されることを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の上流と下流の２点で流体の温度を測定して、２点間の温度差が常に一定になるようにヒータを制御して、ヒータに印加する電力から流体の流量を算出する熱式流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱式流量計では、流体の種類により熱特性が異なるため、流体の種類ごとに補正を行う必要があることが知られている（特許文献１参照）。従来の熱式流量計では、多数の補正用測定点にて流体ごとの実流量とセンサ出力の関係を取得した上で補正係数を決定する必要があり、補正係数の設定処理が煩雑になるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１３２８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡易な方法で流量を補正することができる熱式流量計および流量補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の熱式流量計は、測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出するように構成された第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出するように構成された第２の熱抵抗素子と、前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させるように構成された制御部と、前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定するように構成された電力測定部と、この電力測定部によって測定された電力に、前記測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、前記電力測定部によって測定された電力を流体が水の場合の電力に換算するように構成された電力換算部と、この電力換算部によって換算された電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、前記測定対象の流体の流量を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ものである。
また、本発明の熱式流量計の１構成例において、前記定数は、事前の実験時に前記測定対象の流体の実流量と熱式流量計による測定流量とから前記流量変換特性式の逆関数によってそれぞれ逆算される電力に基づいて決定されることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明は、測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出する第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出する第２の熱抵抗素子とを備えた熱式流量計の流量補正方法において、前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させる第１のステップと、前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定する第２のステップと、この第２のステップで測定した電力に、前記測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、前記第２のステップで測定した電力を流体が水の場合の電力に換算する第３のステップと、この第３のステップで換算した電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、前記測定対象の流体の流量を算出する第４のステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電力測定部によって測定した電力に、測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、流体が水の場合の電力に換算し、換算した電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、簡易な方法で流量を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る熱式流量計の温度取得部と減算器とＰＩＤ制御演算部と制御出力部の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例に係る熱式流量計の電力測定部と電力換算部と流量算出部の動作を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、熱式流量計における電力と流量の関係の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。熱式流量計は、測定対象の流体を流通させる例えばガラスからなる配管１と、配管１に配設された例えば白金からなる熱抵抗素子２ａと、熱抵抗素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設された例えば白金からなる熱抵抗素子２ｂ（ヒータ）と、熱抵抗素子２ａによって検出される流体の温度ＴＲｒを取得する温度取得部３ａと、熱抵抗素子２ｂによって検出される流体の温度ＴＲｈを取得する温度取得部３ｂと、温度ＴＲｈから温度ＴＲｒを減算する減算器４と、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定値になるように操作量を算出するＰＩＤ制御演算部５と、ＰＩＤ制御演算部５によって算出された操作量に応じて熱抵抗素子２ｂに電圧を印加して発熱させる制御出力部６と、熱抵抗素子２ｂに印加される電力を測定する電力測定部７と、電力測定部７によって測定された電力に、測定対象の流体の種類によって一意に決まる定数を乗算することにより、電力測定部７によって測定された電力を流体が水の場合の電力に換算する電力換算部８と、電力換算部８によって換算された電力を、流体が水の場合の流量変換特性式を用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量を算出する流量算出部９とを備えている。減算器４とＰＩＤ制御演算部５と制御出力部６とは、制御部１０を構成している。
【００１０】
熱抵抗素子２ａ，２ｂは、それぞれシリコンウエハ上に形成されている。熱抵抗素子２ａが形成されたシリコンウエハの面が配管１の外壁と向かい合うように配管１に接着されることにより、熱抵抗素子２ａが配管１に固定されるようになっている。熱抵抗素子２ｂの固定方法も熱抵抗素子２ａの固定方法と同じである。図１の例では、配管１の肉厚を薄くした箇所に熱抵抗素子２ａ，２ｂが接着されている。
【００１１】
次に、本実施例の熱式流量計の動作について説明する。図２は温度取得部３ａ，３ｂと減算器４とＰＩＤ制御演算部５と制御出力部６の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部３ａ，３ｂは、配管１を流れる流体Ａの温度ＴＲｒ，ＴＲｈを取得する（図２ステップＳ１００）。具体的には、温度取得部３ａ，３ｂは、それぞれ熱抵抗素子２ａ，２ｂの抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、流体Ａの温度ＴＲｒ，ＴＲｈを取得する。
【００１２】
減算器４は、流体Ａの下流側の温度ＴＲｈから上流側の温度ＴＲｒを減算する（図２ステップＳ１０１）。
ＰＩＤ制御演算部５は、減算器４によって算出された温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定値（制御の目標値であり、例えば１０℃）になるように操作量を算出する（図２ステップＳ１０２）。
【００１３】
制御出力部６は、ＰＩＤ制御演算部５によって算出された操作量に応じて熱抵抗素子２ｂに電圧を印加して発熱させる（図２ステップＳ１０３）。
こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図２ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０３の処理が制御周期ごとに実行され、流体Ａの下流側の温度ＴＲｈが上流側の温度ＴＲｒよりも常に一定値だけ高くなるようにＰＩＤ制御される。
【００１４】
図３は電力測定部７と電力換算部８と流量算出部９の動作を説明するフローチャートである。電力測定部７は、熱抵抗素子２ｂに印加される電力Ｑを測定する（図３ステップＳ２００）。電力測定部７は、例えば熱抵抗素子２ｂに印加される電圧Ｖと熱抵抗素子２ｂの抵抗値Ｒｈとから次式により熱抵抗素子２ｂに印加される電力Ｑを算出する。
Ｑ＝Ｖ2／Ｒｈ                                                   ・・・（１）
【００１５】
こうして、流体Ａの下流側の温度ＴＲｈを上流側の温度ＴＲｒよりも常に一定値だけ高くするために必要な電力Ｑを求めることができる。
次に、電力換算部８は、電力測定部７によって測定された電力Ｑに、測定対象の流体Ａの種類によって一意に決まる定数αAを乗算することにより、電力Ｑを流体が水の場合の電力に換算する（図３ステップＳ２０１）。
【００１６】
ここで、定数αAの求め方について説明する。流体が水の場合に、電力測定部７によって測定される電力ＱH2Oから水の流量ＦH2Oを求める流量変換特性式ｆは実測により既知であるとする。
ＦH2O＝ｆ（ＱH2O）                                              ・・・（２）
【００１７】
図４は熱式流量計における電力と流量の関係の１例を示す図である。流体が水の場合に、電力ＱH2Oと水の実流量ＦH2Oとの、図４のような関係を実測により求めることにより、流量変換特性式ｆを決定することができる。
【００１８】
次に、測定対象の流体Ａについて、実流量Ｆaと本実施例の熱式流量計による測定流量Ｆmとが実験的に分かっているものとする。ただし、定数αAの導出の際に測定流量Ｆmを求める際には、ステップＳ２０１の電力換算を実施せず、電力測定部７によって測定された電力Ｑをそのまま流量変換特性式ｆに代入してｆ（Ｑ）により測定流量Ｆmを求めるようにすればよい。
【００１９】
流体が水の場合に流量Ｆaに対応する電力Ｑaは式（３）のようになる。
Ｑa＝ｆ-1（Ｆa）                                                ・・・（３）
ｆ-1は流量変換特性式ｆの逆関数である。
【００２０】
また、流体が水以外の場合に流量Ｆmに対応する電力Ｑmは式（４）のようになる。
Ｑm＝ｆ-1（Ｆm）                                                ・・・（４）
【００２１】
このように流量変換特性式ｆの逆関数ｆ-1を用いて電力Ｑa，Ｑmを逆算することができる。電力Ｑa，Ｑmに関して次式が成立するため、測定対象の流体Ａについて流量Ｆa，Ｆmを実験的に求めるようにすれば、定数αAを予め決定することができる。
Ｑa≒αAＱm                                                     ・・・（５）
【００２２】
こうして、測定対象の流体Ａについて定数αAを予め設定しておけば、電力測定部７によって測定された電力Ｑに定数αAを乗算することにより、電力Ｑを流体が水の場合の電力に換算することができる。
【００２３】
流量算出部９は、電力換算部８によって換算された電力αAＱを、流量変換特性式ｆを用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体Ａの流量Ｆを算出する（図３ステップＳ２０２）。
Ｆ＝ｆ（αAＱ）                                                 ・・・（６）
【００２４】
こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図３ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０２の処理が一定時間ごとに実行される。
実流量と本実施例の熱式流量計による測定流量との関係は非線形であるため、測定流量を直接的に補正することは困難である。そこで、本実施例では、電力測定部７によって測定される電力Ｑを補正することにより、間接的に流量を補正する。その結果、本実施例では、実流量を簡易な方法により近似的に求めることができる。
【００２５】
ここで、本発明が有効となる根拠について補足説明する。図１の熱式流量計の構成における電力Ｑは、熱伝達特性および流体の流れによる解析的な近似により次の式により表すことができる。
Ｑ＝ｋＦα                                                       ・・・（７）
【００２６】
ｋは流体の特性を表す係数（熱伝導率、レイノルズ係数、密度など）、Ｆは流体の流速、αは流速に対するべき乗係数（流路およびセンサ系の物理的構成による係数で、１／２程度）である。流量変換特性式ｆの逆関数ｆ-1は次のように表すことができる。
Ｆ＝ｆ-1（）＝（Ｑ／ｋ）-α                                      ・・・（８）
【００２７】
水以外の流体では、水路の物理的構成は同じで、流体の特性が異なる（第一次近似では流体の熱伝達率の影響が大きい）ので、係数αは水と同一であり、係数ｋが水と異なると仮定できる。水以外の流体の係数ｋをｋmとする。水以外の流体の流速Ｆmは次のようになる。
Ｆm＝（Ｑm／ｋm）-α                                             ・・・（９）
【００２８】
水と、水以外の流体について同じ流速となる電力を計測する。つまり、Ｆ＝Ｆm、の場合のＱおよびＱmを計測する。このとき、式（８）／式（９）より、次式が得られる。
Ｆ／Ｆm＝１＝（（Ｑ／ｋ）-α）／（（Ｑm／ｋm）-α）             ・・・（１０）
【００２９】
式（１０）から、次式が得られる。
Ｑ／ｋ＝Ｑm／ｋm                                              ・・・（１１）
水の場合の電力Ｑ、水の特性を表す係数ｋ、および水以外の流体の場合の電力Ｑmは実測により求められているので、水以外の流体の特性を表す係数ｋmを求めることができる。式（１１）より以下の式（１２）が得られる。
Ｑ＝（Ｑm／ｋm）×ｋ                                          ・・・（１２）
【００３０】
したがって、水以外の流体に対する電力Ｑmを（ｋ／ｋm）倍した電力Ｑに対してＦを求めるようにすれば、水以外の流体に対する流速の近似値とすることができる。この（ｋ／ｋm）が上記の定数αAである。以上により、実流量を簡易な方法で近似的に求めることが可能なことが分かる。
【００３１】
なお、本実施例では、αAを固定値としているが、電力測定部７によって測定された電力Ｑに応じて可変な値としてもよい。例えば式（６）で用いるαAの代わりに式（１３）のようなαA（Ｑ）を用いてもよい。
αA（Ｑ）＝αA（１−ｅｘｐ（−βＱ））                        ・・・（１３）
なお、係数βについては実験値から求める値である。
【００３２】
本実施例の熱式流量計のうち少なくとも減算器４とＰＩＤ制御演算部５と電力換算部８と流量算出部９とは、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行し、本発明の熱式流量計の流量補正方法を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、熱式流量計に適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１…配管、２ａ，２ｂ…熱抵抗素子、３ａ，３ｂ…温度取得部、４…減算器、５…ＰＩＤ制御演算部、６…制御出力部、７…電力測定部、８…電力換算部、９…流量算出部、１０…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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