(57)【要約】【課題】配管に対する電気抵抗部の設置作業を容易にしつつ、配管内を流れる流体の流速を得ることができる流量計および流量計測方法を提供する。【解決手段】流量計は、配管の壁部の外側表面に巻き付けられた線状の電気抵抗部と、電気抵抗部に対する通電を行い電気抵抗部を発熱させる電源部と、電気抵抗部の抵抗値を検出する抵抗値検出部と、電気抵抗部の抵抗値に基づいて電気抵抗部の温度を算出する温度算出部と、配管内を流れる流体の流速の解析を行う流速解析部とを備え、流速解析部は、電気抵抗部の温度の理論値を算出する温度理論値算出部を備える。【選択図】図１
2019027823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる配管の壁部の外側表面に巻き付けられた線状の電気抵抗部と、
前記電気抵抗部に対する通電を行い、前記電気抵抗部を発熱させる電源部と、
前記電気抵抗部の抵抗値を検出する抵抗値検出部と、
前記抵抗値検出部によって検出された前記電気抵抗部の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の温度を算出する温度算出部と、
前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う流速解析部とを備え、
前記流速解析部は、
前記電気抵抗部の温度の理論値を算出する温度理論値算出部を備える、
流量計。
【請求項２】
前記流速解析部は、
前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とを比較する温度比較部と、
前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とが異なる場合に、前記配管内を流れる流体の流速を変更する流速変更部と、
前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とが一致する場合における前記配管内を流れる流体の流速を決定する流速決定部とを更に備える、
請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
前記温度理論値算出部は、
事前に行われた数値解析によって得られた、前記電気抵抗部の温度と、前記配管内を流れる流体の流速との関係を示す情報を格納するデータベース部を備え、
前記流速解析部は、
前記データベース部に格納されている前記関係と、前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度とに基づいて、前記配管内を流れる流体の流速を決定する、
請求項１に記載の流量計。
【請求項４】
前記抵抗値検出部は、
前記電気抵抗部にかかる電圧を検出する電圧検出部と、
前記電気抵抗部を流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部によって検出された電圧と、前記電流検出部によって検出された電流とに基づいて、前記電気抵抗部の抵抗値を算出する第１抵抗値算出部とを備える、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項５】
前記抵抗値検出部は、
前記電気抵抗部に直列接続された第１抵抗と、
前記電気抵抗部および前記第１抵抗に対して並列に接続された可変抵抗および第２抵抗と、
前記電気抵抗部と前記第１抵抗との第１接続点と、前記可変抵抗と前記第２抵抗との第２接続点との間を流れる電流値がゼロになるように、前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗値制御部と、
前記第１接続点と前記第２接続点との間を流れる電流値がゼロになる場合の前記可変抵抗の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の抵抗値を算出する第２抵抗値算出部とを備える、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項６】
電源部を制御する電源制御部を更に備え、
前記電源制御部は、
前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を一定に制御する、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項７】
電源部を制御する電源制御部を更に備え、
前記電源制御部は、
前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合に、前記電気抵抗部にかかる電圧を一定に制御する、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項８】
電源部を制御する電源制御部を更に備え、
前記電源制御部は、
前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が閾値より小さい場合に、前記電気抵抗部にかかる電圧を一定に制御し、
前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が前記閾値以上の場合、かつ、前記電気抵抗部の温度上昇が前記流速解析部による解析に適切である場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を一定に制御し、
前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が前記閾値以上の場合、かつ、前記電気抵抗部の温度上昇が前記流速解析部による解析に適切ではない場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を、前記配管内を流れる流体の流速に応じて段階的に異ならせる、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項９】
前記電気抵抗部は、白金と白金ロジウムとを直列に接続したものである、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の流量計。
【請求項１０】
流体が流れる配管の壁部の外側表面に線状の電気抵抗部を巻き付ける巻き付け工程と、
前記電気抵抗部に対する通電を行い、前記電気抵抗部を発熱させる発熱工程と、
前記電気抵抗部の抵抗値を検出する検出工程と、
前記電気抵抗部の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の温度を算出する第１算出工程と、
前記電気抵抗部の温度の理論値を算出する第２算出工程とを備える、
流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、流量計および流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流管に巻回されたヒータを有する熱式流量センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された熱式流量センサでは、液体がＵ字形流管を流通し、Ｕ字形流管の腕部区間のそれぞれが加熱される。
また、１本の熱線を有する単線型流量センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された単線型流量センサでは、熱線が流体によって冷却される効果を熱線の抵抗値の低下として検出する。
また、流体の流量を検出するための流量検出回路を備えた熱線式流量計が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に記載された熱線式流量計は、流量検出回路の異常時における流量検出回路の発熱抵抗体の過剰加熱を防止する。
また、膜式抵抗（電熱ヒータ）を有する流量センサが知られている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に記載された流量センサは、膜式抵抗が過熱されることを未然に防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１４１６２１号公報
【特許文献２】特開平９−８９６２０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４４６１７号公報
【特許文献４】特開昭６２−８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された熱式流量センサでは、複数のヒータを流管に巻き付ける必要がある。そのため、ヒータの設置作業が煩雑になってしまう。
また、特許文献２に記載された単線型流量センサでは、熱線が１本のみであるため、熱線の設置作業が容易であるものの、この単線型流量センサによっては、流体の流速を検出することができない。
また、特許文献３に記載された熱線式流量計では、発熱抵抗体を配管の壁部の内側に配置する必要がある。そのため、発熱抵抗体の設置作業が煩雑になってしまう。
また、特許文献４に記載された流量センサでは、電熱ヒータを配管の壁部の内側に配置する必要がある。そのため、電熱ヒータの設置作業が煩雑になってしまう。
また、線状のヒータが配管の壁部の外側表面に巻き付けられる一般的な流量計では、線状のヒータの他に、線状のセンサ（熱電対）をヒータの上流側および下流側に巻き付ける必要がある。そのため、流量計の設置作業が煩雑になってしまう。特に、配管内を流れる流体が蒸気である場合には、蒸気が配管内を流れている時に、配管の壁部が高温になるため、線状のヒータなどを配管の壁部の外側表面に巻き付ける設置作業が困難である。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的は、配管に対する電気抵抗部の設置作業を容易にしつつ、配管内を流れる流体の流速を得ることができる流量計および流量計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、流体が流れる配管の壁部の外側表面に巻き付けられた線状の電気抵抗部と、前記電気抵抗部に対する通電を行い、前記電気抵抗部を発熱させる電源部と、前記電気抵抗部の抵抗値を検出する抵抗値検出部と、前記抵抗値検出部によって検出された前記電気抵抗部の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の温度を算出する温度算出部と、前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う流速解析部とを備え、前記流速解析部は、前記電気抵抗部の温度の理論値を算出する温度理論値算出部を備える、流量計である。
【０００７】
本発明の一態様の流量計では、前記流速解析部は、前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とを比較する温度比較部と、前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とが異なる場合に、前記配管内を流れる流体の流速を変更する流速変更部と、前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度と、前記温度理論値算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度の理論値とが一致する場合における前記配管内を流れる流体の流速を決定する流速決定部とを更に備えてもよい。
【０００８】
本発明の一態様の流量計では、前記温度理論値算出部は、事前に行われた数値解析によって得られた、前記電気抵抗部の温度と、前記配管内を流れる流体の流速との関係を示す情報を格納するデータベース部を備え、前記流速解析部は、前記データベース部に格納されている前記関係と、前記温度算出部によって算出された前記電気抵抗部の温度とに基づいて、前記配管内を流れる流体の流速を決定してもよい。
【０００９】
本発明の一態様の流量計では、前記抵抗値検出部は、前記電気抵抗部にかかる電圧を検出する電圧検出部と、前記電気抵抗部を流れる電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部によって検出された電圧と、前記電流検出部によって検出された電流とに基づいて、前記電気抵抗部の抵抗値を算出する第１抵抗値算出部とを備えてもよい。
【００１０】
本発明の一態様の流量計では、前記抵抗値検出部は、前記電気抵抗部に直列接続された第１抵抗と、前記電気抵抗部および前記第１抵抗に対して並列に接続された可変抵抗および第２抵抗と、前記電気抵抗部と前記第１抵抗との第１接続点と、前記可変抵抗と前記第２抵抗との第２接続点との間を流れる電流値がゼロになるように、前記可変抵抗の抵抗値を制御する可変抵抗値制御部と、前記第１接続点と前記第２接続点との間を流れる電流値がゼロになる場合の前記可変抵抗の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の抵抗値を算出する第２抵抗値算出部とを備えてもよい。
【００１１】
本発明の一態様の流量計は、電源部を制御する電源制御部を更に備え、前記電源制御部は、前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を一定に制御してもよい。
【００１２】
本発明の一態様の流量計は、電源部を制御する電源制御部を更に備え、前記電源制御部は、前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合に、前記電気抵抗部にかかる電圧を一定に制御してもよい。
【００１３】
本発明の一態様の流量計は、電源部を制御する電源制御部を更に備え、前記電源制御部は、前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が閾値より小さい場合に、前記電気抵抗部にかかる電圧を一定に制御し、前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が前記閾値以上の場合、かつ、前記電気抵抗部の温度上昇が前記流速解析部による解析に適切である場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を一定に制御し、前記流速解析部が前記配管内を流れる流体の流速の解析を行う場合、かつ、前記配管内を流れる流体の流量の変動量が前記閾値以上の場合、かつ、前記電気抵抗部の温度上昇が前記流速解析部による解析に適切ではない場合に、前記電源部から前記電気抵抗部に供給される電力を、前記配管内を流れる流体の流速に応じて段階的に異ならせてもよい。
【００１４】
本発明の一態様の流量計では、前記電気抵抗部は、白金と白金ロジウムとを直列に接続したものであってもよい。
【００１５】
本発明の一態様は、流体が流れる配管の壁部の外側表面に線状の電気抵抗部を巻き付ける巻き付け工程と、前記電気抵抗部に対する通電を行い、前記電気抵抗部を発熱させる発熱工程と、前記電気抵抗部の抵抗値を検出する検出工程と、前記電気抵抗部の抵抗値に基づいて、前記電気抵抗部の温度を算出する第１算出工程と、前記電気抵抗部の温度の理論値を算出する第２算出工程とを備える、流量計測方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、配管に対する電気抵抗部の設置作業を容易にしつつ、配管内を流れる流体の流速を得ることができる流量計および流量計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の流量計の構成の一例を示す図である。
【図２】電気抵抗部の抵抗値と温度との関係の一例を示す図である。
【図３】電気抵抗部の温度と配管内の流体の流速との関係を説明する図である。
【図４】流速解析部による理論式のフィッティング処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４に示す理論式のフィッティング処理を含む第１実施形態の流量計による流量計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】図４に示す理論式のフィッティング処理中の電源制御部による電源部の制御を説明するためのフローチャートである。
【図７】第２実施形態の流量計の構成の一例を示す図である。
【図８】第３実施形態の流量計の構成の一例を示す図である。
【図９】第４実施形態の流量計の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照し、本発明の流量計および流量計測方法の実施形態について説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態の流量計１の構成の一例を示す図である。
図１に示す例では、流量計１が、配管１１内を流れる流体（例えば蒸気、気体など）の速度を測定する。流量計１は、例えば、抵抗値検出部１２と、温度算出部１３と、流速解析部１４と、電源制御部１５とを備えている。抵抗値検出部１２は、例えば、電気抵抗部１２Ａと、電源部１２Ｂと、電圧検出部１２Ｃと、電流検出部１２Ｄと、第１抵抗値算出部１２Ｅとを備えている。抵抗値検出部１２は、電気抵抗部１２Ａの抵抗値を検出する。
電気抵抗部１２Ａは、線状に形成されており、例えば、白金と白金ロジウムとを直列に接続したものである。電気抵抗部１２Ａは、例えば特許第５０９５３４９号公報に記載されているように、白金、白金ロジウムなどによって形成された発熱線が金属シース内で往復する構成を有するシースヒータである。例えば２本の発熱線を端部で溶着することによって、発熱線が金属シース内で往復する構成にすることができる。電気抵抗部１２Ａは、流量計１の設置時に配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１に巻き付けられる。
電源部１２Ｂは、電気抵抗部１２Ａに接続されている。電源部１２Ｂは、電気抵抗部１２Ａに対する通電を行い、電気抵抗部１２Ａを発熱させる。
電圧検出部１２Ｃは、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を検出する。電流検出部１２Ｄは、電気抵抗部１２Ａを流れる電流を検出する。第１抵抗値算出部１２Ｅは、電圧検出部１２Ｃによって検出された電圧と、電流検出部１２Ｄによって検出された電流と、オームの法則とに基づいて、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを算出する。
【００２０】
図１に示す例では、温度算出部１３が、データベース部１３Ａを備えている。データベース部１３Ａには、例えば、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと温度との関係を示す情報が格納されている。
図２は電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと温度との関係の一例を示す図である。図２において、縦軸は電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを示しており、横軸は電気抵抗部１２Ａの温度を示している。図２に示す例では、電気抵抗部１２Ａの温度が高いほど、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸが大きくなる。つまり、抵抗値ＲＸの温度依存性が高いものが、電気抵抗部１２Ａとして用いられる。
温度算出部１３は、抵抗値検出部１２によって検出された電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸ（詳細には、第１抵抗値算出部１２Ｅによって算出された電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸ）と、例えば図２に示す関係のような、データベース部１３Ａに格納されている電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと温度との関係とに基づいて、電気抵抗部１２Ａの温度を算出する。
【００２１】
図１に示す例では、流速解析部１４が、配管１１内を流れる流体の流速の解析（理論式のフィッティング）を行う。流速解析部１４は、例えば、温度理論値算出部１４Ａと、温度比較部１４Ｂと、流速変更部１４Ｃと、流速決定部１４Ｄとを備えている。
図３は電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内の流体の流速との関係を説明する図である。詳細には、図３（Ａ）は配管１１内の流体の流速が大きい場合における電気抵抗部１２Ａから配管１１内の流体への熱の流れなどを示す図である。図３（Ｂ）は配管１１内の流体の流速が大きい場合における配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１の温度分布を示す図である。図３（Ｃ）は配管１１内の流体の流速が小さい場合における電気抵抗部１２Ａから配管１１内の流体への熱の流れなどを示す図である。図３（Ｄ）は配管１１内の流体の流速が小さい場合における配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１の温度分布を示す図である。
図３（Ｂ）および図３（Ｄ）の横軸は、配管１１の管軸方向の位置を示している。つまり、図３（Ａ）の左右方向の位置と、図３（Ｂ）の横軸上の位置とが対応している。また、図３（Ｃ）の左右方向の位置と、図３（Ｄ）の横軸上の位置とが対応している。すなわち、図３（Ｂ）の極大値は、配管１１内の流体の流速が大きい場合の電気抵抗部１２Ａの温度を示している。図３（Ｄ）の極大値は、配管１１内の流体の流速が小さい場合の電気抵抗部１２Ａの温度を示している。
図３（Ａ）に示すように、配管１１内の流体の流速が大きい場合、管内熱伝達が増加し、配管１１の壁部１１Ａの管軸方向へ伝導する熱量が減少する。一方、図３（Ｃ）に示すように、配管１１内の流体の流速が小さい場合、管内熱伝達が減少し、配管１１の壁部１１Ａの管軸方向へ伝導する熱量が増加する。そのため、図３（Ｂ）および図３（Ｄ）に示すように、配管１１内の流体の流速が大きい場合の電気抵抗部１２Ａの温度（図３（Ｂ）の極大値）は、配管１１内の流体の流速が小さい場合の電気抵抗部１２Ａの温度（図３（Ｄ）の極大値）よりも低くなる。詳細には、配管１１内の流体の流速が大きい場合、図３（Ｂ）に示すように、配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１に極大値温度が低く、幅が小さい温度分布が生じる。一方、配管１１内の流体の流速が小さい場合、図３（Ｄ）に示すように、配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１に極大値温度が高く、幅が大きい温度分布が生じる。
図１に示す例では、流量計１が、図３（Ｂ）および図３（Ｄ）に示す温度分布の極大値温度（つまり、電気抵抗部１２Ａの温度）を計測する。また、流速解析部１４は、後述するように、電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内を流れる流体の流速との関係、あるいは、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと配管１１内を流れる流体の流速との関係を示す理論式のフィッティングを行う。また、流量計１は、電気抵抗部１２Ａの温度または抵抗値ＲＸと、フィッティング終了後の理論式とを用いることによって、配管１１内を流れる流体の流速を求める。
【００２２】
図１に示す例では、温度理論値算出部１４Ａが、電気抵抗部１２Ａの温度の理論値を算出する場合（詳細には、理論式のフィッティングを行う場合）に、伝熱管（配管１１）を差分割し、各接点での熱バランス式をＮｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法により連立計算して定常状態での各部温度を算出する。例えば５０Ａ配管の場合、配管内の流体（例えば、空気）の流れ方向に加熱点（つまり、電気抵抗部１２Ａ）を中心に全長１，０１１ｍｍの長さを３ｍｍ幅で３３７分割し、管壁厚（つまり、壁部１１Ａの厚さ）５．５ｍｍを半径方向１．８３ｍｍ幅で３等分割と断熱材（１００ｍｍ）を１分割した計１３４８のメッシュに分割する。例えば６５Ａ配管の場合は、５０Ａ配管と同じ分割メッシュ数で計算する。保温材はロックウールを想定し、その熱伝導率λは下記の式１を用いる。そして、保温材外表面からの放熱は８．０Ｗ／ｍ２・℃とする。式１において、Ｔは温度［℃］である。
【００２３】
【数１】
2019027823.tif 000003
【００２４】
気体流に対してはＣｏｌｂｕｒｎの式の係数を０．０２３から０．０２１とプラントル数の乗数１／３から０．４に見直すことが望ましいとされている。本装置の場合、大きな特徴として管表面温度（つまり、配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１の温度）が加熱部（つまり、電気抵抗部１２Ａ）を中心に凸型に大きく変化しており、温度境界層の発達が一様でなくなることによる熱伝達率の変化を考慮する必要がある。そこで、温度理論値算出部１４Ａは、解析に際して加熱部近傍での熱伝達率修正係数ＸＷＴを加えた下記の式２を採用する。前提条件として、加熱部の上流には十分な直管長つまり助走区間があり、管内流は十分に発達、安定しているものとし、その上でリング状ヒータ（つまり、電気抵抗部１２Ａ）近傍における局所の熱伝達率の変化をＸＷＴで表す。式２において、Ｎｕはヌッセルト数［−］であり、Ｒｅはレイノルズ数［−］であり、Ｐｒはプラントル数［−］であり、添え字ｄは配管１１内であることを示している。
【００２５】
【数２】
2019027823.tif 000004
【００２６】
次に、ヒータ（つまり、電気抵抗部１２Ａ）による加熱量と流体の温度上昇の関係について考える。流れ方向（図３（Ａ）および図３（Ｃ）の左右方向）、すなわち管軸方向位置をｘで表し、温度境界層の形成が開始される位置をｘ＝０とし、その位置における流体温度をＴ（０，ｙ）＝Ｔ０とすると、ここまでは壁面（つまり、配管１１の壁部１１Ａの内側表面）−流体間で伝熱は無いので管断面内全域で温度はＴ０で一様となる。そして、管内壁（つまり、配管１１の壁部１１Ａの内側表面）から垂直方向（つまり、配管１１の径方向）への位置ｙにおける流体の速度をｕ（ｙ）、温度をＴ（ｘ，ｙ）、温度境界層厚さをδｔ、管半径をＲとして、管軸方向位置ｘまでの伝熱量Ｗは下記の式３のように表せる。式３において、ρは密度［ｋｇ／ｍ３］であり、Ｃｐは比熱［Ｊ／ｋｇ・℃］、Ｒは配管の半径である。
【００２７】
【数３】
2019027823.tif 000005
【００２８】
式３から、温度境界層内でｙ方向の速度と温度はともに一様と仮定し、壁面−流体間伝熱による温度境界層外側の流体温度からの管軸方向位置ｘにおける流体温度上昇量をΔＴ、その位置の温度境界層内流量をＹＨＴ・Ｇとすると、管軸方向位置ｘまでの流体加熱量は下記の式４のように表せる。ここで、温度境界層係数ＹＨＴを下記の式５のように、温度境界層内流量の全管内流量に対する比率として定義し導入する。式４および式５において、Ｇは配管１１内の流体の流量［ｋｇ／ｓ］である。
【００２９】
【数４】
2019027823.tif 000006
【００３０】
【数５】
2019027823.tif 000007
【００３１】
温度境界層係数ＹＨＴについては、レイノルズ数やプラントル数に対する依存性を考慮して整理しているが、温度境界層が比較的薄いため、管軸方向で一定とする。例えば、加熱量が１００Ｗ程度と比較的小さく、境界層の温度上昇は数℃程度、そして、解析する管軸方向距離も０．３ｍ程度と比較的短い場合には、温度境界層とその外側の流体の間で、熱の移動は無い。
【００３２】
図４は流速解析部１４による理論式のフィッティング処理を説明するためのフローチャートである。
図４に示す例では、ステップＳ１１において、例えば流量計１の使用者が、抵抗値検出部１２によって検出された電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸに基づいて、温度算出部１３によって算出された電気抵抗部１２Ａの温度を流速解析部１４に入力する。他の例では、温度算出部１３が、算出した電気抵抗部１２Ａの温度を流速解析部１４に入力してもよい。
次いで、ステップＳ１２では、例えば流量計１の使用者が、例えば配管１１の外径、配管１１の壁部１１Ａの厚さ、配管１１の材料、電気抵抗部１２Ａの出力（ワット数）、配管１１内を流れる流体の特性などを入力する。
次いで、ステップＳ１３では、例えば流量計１の使用者が、配管１１内を流れる流体の初期流速（例えば２０［ｍ／ｓ］）を入力する。
次いで、ステップＳ１４では、温度理論値算出部１４Ａが、フィッティング終了前の理論式を用いることによって、電気抵抗部１２Ａの温度の理論値を算出する。
次いで、ステップＳ１５では、温度比較部１４Ｂが、ステップＳ１１において入力された電気抵抗部１２Ａの温度（測定温度）と、ステップＳ１４において算出された電気抵抗部１２Ａの温度（分析温度）とを比較する。電気抵抗部１２Ａの測定温度が電気抵抗部１２Ａの分析温度よりも高い場合には、ステップＳ１６に進む。電気抵抗部１２Ａの測定温度が電気抵抗部１２Ａの分析温度よりも低い場合には、ステップＳ１７に進む。電気抵抗部１２Ａの測定温度と電気抵抗部１２Ａの分析温度とが一致する場合には、ステップＳ１８に進む。
【００３３】
ステップＳ１６では、流速変更部１４Ｃが、配管１１内を流れる流体の流速を減少させ、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４では、温度理論値算出部１４Ａが、配管１１内を流れる流体の減少後の流速と、理論式を用いることによって、電気抵抗部１２Ａの温度の理論値を算出する。
ステップＳ１７では、流速変更部１４Ｃが、配管１１内を流れる流体の流速を増加させ、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１４では、温度理論値算出部１４Ａが、配管１１内を流れる流体の増加後の流速と、理論式を用いることによって、電気抵抗部１２Ａの温度の理論値を算出する。
つまり、ステップＳ１４では、理論式のフィッティング（調整）が行われる。
ステップＳ１８では、流速決定部１４Ｄが、流速変更部１４Ｃによって設定された流速を、配管１１内を流れる流体の流速として決定する。つまり、流速決定部１４Ｄは、電気抵抗部１２Ａの測定温度と電気抵抗部１２Ａの分析温度とが一致する場合における配管１１内を流れる流体の流速を決定する。
つまり、ステップＳ１８において、流速決定部１４Ｄが、流速変更部１４Ｃによって設定された流速を、配管１１内を流れる流体の流速として決定することにより、理論式のフィッティングが終了する。
【００３４】
図５は図４に示す理論式のフィッティング処理を含む第１実施形態の流量計１による流量計測処理を説明するためのフローチャートである。
図５に示す例では、ステップＳ１において、例えば流量計１の使用者が、電気抵抗部１２Ａを配管１１の壁部１１Ａの外側表面１１Ａ１に巻き付ける。
次いで、ステップＳ２では、図４のステップＳ１１において流速解析部１４に入力される電気抵抗部１２Ａの温度を得るために、電源制御部１５が電源部１２Ｂを制御し、電源部１２Ｂが電気抵抗部１２Ａに対する通電を行う。その結果、電気抵抗部１２Ａが発熱し、電気抵抗部１２Ａの温度が増加する。
次いで、ステップＳ３では、抵抗値検出部１２が、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを検出する。詳細には、抵抗値検出部１２の電圧検出部１２Ｃが、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を検出し、電流検出部１２Ｄが、電気抵抗部１２Ａを流れる電流を検出し、第１抵抗値算出部１２Ｅが、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧と、電気抵抗部１２Ａを流れる電流とに基づいて、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを算出する。
次いで、ステップＳ４では、温度算出部１３が、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと、例えば図２に示す関係とに基づいて、電気抵抗部１２Ａの温度を算出する。
【００３５】
次いで、ステップＳ５では、流速解析部１４が、図４に示す理論式のフィッティング処理を実行する。
理論式のフィッティングが終了すると、ステップＳ６において、流量計１が、流量計測を開始する。詳細には、流量計１が、温度算出部１３によって算出される電気抵抗部１２Ａの温度と、フィッティング終了後の理論式とに基づいて、配管１１内を流れる流体の流速を算出する。
【００３６】
図６は図４に示す理論式のフィッティング処理中の電源制御部１５による電源部１２Ｂの制御を説明するためのフローチャートである。
図６に示す例では、ステップＳ１００において、電源制御部１５は、図４のステップＳ１６またはステップＳ１７における配管１１内を流れる流体の流速の変更に伴う流体の流量変動量が閾値ｔｈより小さいか否かを判定する。流体の流量変動量が閾値ｔｈより小さい場合には、ステップＳ１０１に進む。一方、流体の流量変動量が閾値ｔｈ以上である場合には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０１では、電源制御部１５が、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を一定に制御する。このように電源制御部１５が電圧を一定に制御する場合には、電圧が一定に制御されない場合よりも、流速解析部１４による解析精度を向上させることができる。
電源制御部１５が、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を一定に制御すれば、配管１１内を流れる流体の流量が小さいとき、電気抵抗部１２Ａの温度が大きく上昇し、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸが増加し、ワット数が小さくなる（つまり、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力が小さくなる）。一方、配管１１内を流れる流体の流量が大きいとき、電気抵抗部１２Ａの温度が比較的小さく上昇し、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸの増加量が減少し、ワット数が比較的大きくなる（つまり、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力が比較的大きくなる）。そのため、流速解析部１４による解析精度上有利になる。
【００３７】
ステップＳ１０２では、電源制御部１５は、電気抵抗部１２Ａの温度上昇が流速解析部１４による解析に適切であるか否かを判定する。
流体の種類等の条件によっては、流速が大きいとき、ワット数が小さい（つまり、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力が小さい）と、電気抵抗部１２Ａの温度上昇が小さくなり解析しにくくなる。また、配管１１内を流れる流体の流速が小さいとき、ワット数が大きい（つまり、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力が大きい）と、温度解析の理論範囲から外れてしまうおそれがある。そこで、電源制御部１５は、上述したように、電気抵抗部１２Ａの温度上昇が流速解析部１４による解析に適切であるか否かを判定する。
電気抵抗部１２Ａの温度上昇が流速解析部１４による解析に適切である場合には、ステップＳ１０３に進む。一方、電気抵抗部１２Ａの温度上昇が流速解析部１４による解析に適切ではない場合には、ステップＳ１０３に進む。
【００３８】
ステップＳ１０３では、電源制御部１５が、ワット数を一定（例えば、１００［Ｗ］）に制御する。つまり、ステップＳ１０３では、電源制御部１５が、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を一定に制御する。このように電源制御部１５が電力を一定に制御する場合には、電力が一定に制御されない場合よりも、流速解析部１４による計算時間を短縮することができ、省エネルギー効果を向上させることができる。
すなわち、電源制御部１５がワット数を一定に制御すれば、その都度、流速解析部１４への入力が不要になり、流速解析部１４による計算時間を短縮することができる。電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸは電気抵抗部１２Ａの温度に応じて変化するため、電源制御部１５は、ワット数が一定になるように、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電圧を制御する。
【００３９】
ステップＳ１０４では、電源制御部１５が、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を、配管１１内を流れる流体の流速に応じて段階的に異ならせる。電源制御部１５は、流速が例えば１０［ｍ／ｓ］未満の場合に電力を例えば６０［Ｗ］に制御し、流速が例えば１０［ｍ／ｓ］以上２０［ｍ／ｓ］未満の場合に電力を例えば１００［Ｗ］に制御し、流速が例えば２０［ｍ／ｓ］以上３０［ｍ／ｓ］未満の場合に電力を例えば１４０［Ｗ］に制御し、流速が例えば３０［ｍ／ｓ］以上４０［ｍ／ｓ］未満の場合に電力を例えば１８０［Ｗ］に制御する。
図６に示す例では、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を一定にする制御と、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を一定にする制御とが切り替えられるため、流速解析部１４による計算時間を短縮しつつ、流速解析部１４による解析精度を向上させることができる。
【００４０】
上述したように、図６に示す例では、電源制御部１５が、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を一定にする制御（ステップＳ１０１）、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を一定にする制御（ステップＳ１０３）などを切り替えて実行する。他の例では、図４に示す理論式のフィッティング処理中に、電源制御部１５が、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を一定に制御し続けてもよい。あるいは、更に他の例では、図４に示す理論式のフィッティング処理中に、電源制御部１５が、電源部１２Ｂから電気抵抗部１２Ａに供給される電力を一定に制御し続けてもよい。
【００４１】
上述したように、第１実施形態の流量計１は、ヒータ用の電気抵抗部１２Ａを有するものの、ヒータ用の電気抵抗部１２Ａの上流側に一般的に配置される温度検出用電気抵抗部と、ヒータ用の電気抵抗部１２Ａの下流側に一般的に配置される温度検出用電気抵抗部とを有さない。そのため、第１実施形態の流量計１によれば、ヒータ用電気抵抗部と、ヒータ用電気抵抗部の上流側の温度検出用電気抵抗部と、ヒータ用電気抵抗部の下流側の温度検出用電気抵抗部とを備える一般的な流量計よりも、電気抵抗部の数を低減することができる。すなわち、第１実施形態の流量計１によれば、電気抵抗部の数を低減しつつ、配管１１内を流れる流体の流速を得ることができる。つまり、第１実施形態の流量計１によれば、簡易な構成によって配管１１内を流れる流体の流速を得ることができ、配管１１に対する流量計１の設置作業を容易にすることができる。
【００４２】
図１に示す例では、電気抵抗部１２Ａにかかる電圧、および、電気抵抗部１２Ａを流れる電流が大きいため、電源制御部１５が電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を一定に制御し、電圧検出部１２Ｃが電気抵抗部１２Ａにかかる電圧を検出し、電流検出部１２Ｄが電気抵抗部１２Ａを流れる電流を検出すれば、配管１１内を流れる流体の流速を得ることができる。つまり、流量計１が、ブリッジ回路を備えなくてもよい。
【００４３】
［第２実施形態］
第２実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の流量計１と同様に構成されている。従って、第２実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の流量計１と同様の効果を奏することができる。
【００４４】
図７は第２実施形態の流量計１の構成の一例を示す図である。
上述したように、図１に示す例では、流速解析部１４が、温度理論値算出部１４Ａと、温度比較部１４Ｂと、流速変更部１４Ｃと、流速決定部１４Ｄとを備えている。
一方、図７に示す例では、流速解析部１４が、温度理論値算出部１４Ａを備えており、温度比較部１４Ｂ、流速変更部１４Ｃ、および、流速決定部１４Ｄを備えていない。温度理論値算出部１４Ａは、事前に行われた数値解析によって得られた、電気抵抗部１２Ａの温度と、配管１１内を流れる流体の流速との関係を示す情報を格納するデータベース部１４Ａ１を備えている。
図７に示す例では、流速解析部１４は、データベース部１４Ａ１に格納されている、電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内を流れる流体の流速との関係と、温度算出部１３によって算出された電気抵抗部１２Ａの温度とに基づいて、配管１１内を流れる流体の流速を決定する。
電気抵抗部１２Ａの温度は、流速、流体（温度、圧力）、配管径、肉厚、配管材料、ワット数、保温材厚さ・種類によって変わる。そのため、図７に示す例では、上述したように、事前に数値解析を行い、電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内を流れる流体の流速との関係をデータベース部１４Ａ１に格納しておく。その結果、図７に示す例では、解析時間を短縮することができる。
【００４５】
［第３実施形態］
第３実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の流量計１と同様に構成されている。従って、第３実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の流量計１と同様の効果を奏することができる。
【００４６】
図８は第３実施形態の流量計１の構成の一例を示す図である。
上述したように、図１に示す例では、抵抗値検出部１２が、電気抵抗部１２Ａと、電源部１２Ｂと、電圧検出部１２Ｃと、電流検出部１２Ｄと、第１抵抗値算出部１２Ｅとを備えている。
一方、図８に示す例では、抵抗値検出部１２が、例えば、電気抵抗部１２Ａと、電源部１２Ｂと、第１抵抗１２Ｆと、第２抵抗１２Ｇと、可変抵抗１２Ｈと、可変抵抗値制御部１２Ｉと、第２抵抗値算出部１２Ｊとを備えている。第１抵抗１２Ｆは、電気抵抗部１２Ａに対して直列接続されている。直列接続された可変抵抗１２Ｈおよび第２抵抗１２Ｇは、電気抵抗部１２Ａおよび第１抵抗１２Ｆに対して並列に、かつ、電源部１２Ｂに対して並列に接続されている。
可変抵抗値制御部１２Ｉは、電気抵抗部１２Ａと第１抵抗１２Ｆとの第１接続点１２Ｋと、可変抵抗１２Ｈと第２抵抗１２Ｇとの第２接続点１２Ｌとの間を流れる電流値がゼロになるように、可変抵抗１２Ｈの抵抗値を制御する。
第２抵抗値算出部１２Ｊは、第１接続点１２Ｋと第２接続点１２Ｌとの間を流れる電流値がゼロになる場合の可変抵抗１２Ｈの抵抗値に基づいて、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを算出する。
温度算出部１３は、抵抗値検出部１２によって検出された電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸ（詳細には、第２抵抗値算出部１２Ｊによって算出された電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸ）と、例えば図２に示す関係のような、データベース部１３Ａに格納されている電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸと温度との関係とに基づいて、電気抵抗部１２Ａの温度を算出する。
【００４７】
第３実施形態の流量計１では、図５のステップＳ３において、抵抗値検出部１２が、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを検出する。詳細には、可変抵抗値制御部１２Ｉが、電気抵抗部１２Ａと第１抵抗１２Ｆとの第１接続点１２Ｋと、可変抵抗１２Ｈと第２抵抗１２Ｇとの第２接続点１２Ｌとの間を流れる電流値がゼロになるように、可変抵抗１２Ｈの抵抗値を制御する。また、第２抵抗値算出部１２Ｊは、第１接続点１２Ｋと第２接続点１２Ｌとの間を流れる電流値がゼロになる場合の可変抵抗１２Ｈの抵抗値に基づいて、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸを算出する。
【００４８】
図８に示す例では、配管１１内を流れる流体の流速が小さい場合、管内熱伝達が少なくなり、電気抵抗部１２Ａの温度が高くなり、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸが大きくなり、ブリッジ出力が上昇する。一方、配管１１内を流れる流体の流速が大きい場合、管内熱伝達が多くなり、電気抵抗部１２Ａの温度が低くなり、電気抵抗部１２Ａの抵抗値ＲＸが小さくなり、ブリッジ出力が低下する。
【００４９】
［第４実施形態］
第４実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第３実施形態の流量計１と同様に構成されている。従って、第４実施形態の流量計１は、後述する点を除き、上述した第３実施形態の流量計１と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
図９は第４実施形態の流量計１の構成の一例を示す図である。
上述したように、図８に示す例では、流速解析部１４が、温度理論値算出部１４Ａと、温度比較部１４Ｂと、流速変更部１４Ｃと、流速決定部１４Ｄとを備えている。
一方、図９に示す例では、流速解析部１４が、温度理論値算出部１４Ａを備えており、温度比較部１４Ｂ、流速変更部１４Ｃ、および、流速決定部１４Ｄを備えていない。温度理論値算出部１４Ａは、事前に行われた数値解析によって得られた、電気抵抗部１２Ａの温度と、配管１１内を流れる流体の流速との関係を示す情報を格納するデータベース部１４Ａ１を備えている。
図９に示す例では、流速解析部１４は、データベース部１４Ａ１に格納されている、電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内を流れる流体の流速との関係と、温度算出部１３によって算出された電気抵抗部１２Ａの温度とに基づいて、配管１１内を流れる流体の流速を決定する。
電気抵抗部１２Ａの温度は、流速、流体（温度、圧力）、配管径、肉厚、配管材料、ワット数、保温材厚さ・種類によって変わる。そのため、図９に示す例では、上述したように、事前に数値解析を行い、電気抵抗部１２Ａの温度と配管１１内を流れる流体の流速との関係をデータベース部１４Ａ１に格納しておく。その結果、図９に示す例では、解析時間を短縮することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。上述した各実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…流量計、１１…配管、１１Ａ…壁部、１１Ａ１…外側表面、１２…抵抗値検出部、１２Ａ…電気抵抗部、１２Ｂ…電源部、１２Ｃ…電圧検出部、１２Ｄ…電流検出部、１２Ｅ…第１抵抗値算出部、１２Ｆ…第１抵抗、１２Ｇ…第２抵抗、１２Ｈ…可変抵抗、１２Ｉ…可変抵抗値制御部、１２Ｊ…第２抵抗値算出部、１２Ｋ…第１接続点、１２Ｌ…第２接続点、１３…温度算出部、１３Ａ…データベース部、１４…流速解析部、１４Ａ…温度理論値算出部、１４Ｂ…温度比較部、１４Ｃ…流速変更部、１４Ｄ…流速決定部、１５…電源制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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