(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を計測するためのセンサ装置であって、
流体が流れる流路を形成する流路壁の外表面を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサを備え、
前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられていることを特徴とする、センサ装置。
【請求項２】
流体の流量を計測するためのセンサ装置であって、
流体が流れる流路を形成する流路壁の外表面に貼り付けられるフィルム層と、前記フィルム層の上に設けられたヒータを備え、
前記フィルム層には、前記ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサが設けられ、
前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に、前記フィルム層の上に設けられていることを特徴とする、センサ装置。
【請求項３】
前記ヒータは、ベース部材に支持されており、
前記ベース部材の下面には、前記温度センサおよび前記ヒータから離れた位置において流路壁の表面温度を検出する第２の温度センサが取り付けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
処理装置と出力調整器を備えた流量計測システムであって、
ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサと、前記温度センサよりも流体の流れの上流側において流路壁の表面温度を検出する第２の温度センサとを有し、
前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられ、
前記処理装置には、前記温度センサで検出された表面温度と、前記第２の温度センサで検出された表面温度がそれぞれ入力され、前記ヒータの出力は前記出力調整器で制御され、
前記処理装置は、前記第２の温度センサで検出された表面温度、前記温度センサで検出された前記ヒータの設置位置における表面温度、前記ヒータの出力に基づいて、流体の流量を算出することを特徴とする、流量計測システム。
【請求項５】
流体の流量を計測する方法であって、
ヒータで加熱される流路壁の表面温度を温度センサが検出され、前記温度センサよりも流体の流れの上流側において流路壁の表面温度を第２の温度センサで検出され、
前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられ、
前記温度センサで検出された表面温度と、前記第２の温度センサで検出された表面温度が処理装置に入力され、前記ヒータの出力が出力調整器で制御され、
前記処理装置により、前記第２の温度センサで検出された表面温度、前記温度センサで検出された前記ヒータの設置位置における表面温度、前記ヒータの出力に基づいて、流体の流量が算出されることを特徴とする、流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量計測に利用されるセンサ装置および流量計測システム、流量計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を計測する方法として、従来より電磁流量計を用いた計測方法や超音波流量計を用いた計測方法が知られているが、電磁流量計を用いた計測方法では、センサを配管に挿入する必要があるため、配管の切断や水抜きといった工事が必要となる。また、超音波流量計を用いた計測方法は、配管の切断や水抜きといった工事は不要であるが、高価である上、気泡、錆び、腐食などが発生すると超音波が遮断、拡散され、計測が困難になる。
【０００３】
一方、配管の表面温度を上流側と下流側の２か所で測定し、ある時点の上流側の測定点における測定結果から求めた流体温度と同一の温度が、下流側の測定点で測定された時の時間差に基づいて流量を算出して求める方法がある。しかしながら、かかる測定技術では、流体温度が安定しているときは測定できない。また、上流側と下流側の測定点間の距離を短くすると時間差の数値誤差が大きくなってしまうので、測定箇所間の距離を長くする必要がある。
【０００４】
そこでかかる問題を解決する手段として、本出願人は特許文献１の流量計測装置および流量計測方法を開示している。この特許文献１の発明によれば、配管を流れる流体の温度を第一温度センサで検出するとともに、この第一温度センサよりも流体の流れの下流側において、配管の表面に熱を付与することで配管内を流れる流体に熱を伝達しつつ、第二温度センサで配管を流れる流体の温度を検出することにより、配管自体の加工を必要とせず、温度測定箇所間の距離を短くしても、流体の流量を配管外表面から容易に計測することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２０５３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載されている流量計測方法では、配管内を流れる流量(流速)とヒータから流体側に移動する熱量に一定の相関があることを利用して配管内流量を算出している。流体側に移動する熱量を正確に推定するためには、本来はヒータで熱せられて温度が上昇した配管内面の温度を測定する必要がある。しかし、配管内面の温度を測定するには設備停止を伴う工事が必要となるため、上記特許文献１では配管外面の温度から配管内面の温度を推定する手法を取っている。したがって、上記特許文献１に記載されている流量計測では、配管表面温度を精度よく測定することが重要となる。
【０００７】
ここで、上記特許文献１に記載されているフィルムヒータやラバーヒータは、一般的に発熱線がヒータ全面に配置されており、発熱線が存在しない部分はヒータの端部数ミリ程度であるのが一般的である。このようなヒータを温度センサの上部に配置して温度測定を行うと、温度センサの温度感熱部の真上にヒータの発熱線が存在する配置となり、温度センサは配管表面温度だけでなくヒータの熱の影響も受けてしまう。温度センサは、配管表面の温度とヒータの発熱による温度の平均値を測定することとなり、仮にヒータからの発熱に微妙な変動があった場合、温度測定値に影響がおよび、配管表面温度を精度よく測定することが困難になる恐れがある。
【０００８】
したがって本発明の目的は、ヒータの熱の影響を受けずに流路壁の表面温度を正確に検出することが可能なセンサ装置および流量計測システム、流量計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明によれば、流体の流量を計測するためのセンサ装置であって、流体が流れる流路を形成する流路壁の外表面を加熱するヒータと、前記ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサを備え、前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられていることを特徴とする、センサ装置が提供される。また本発明によれば、流体の流量を計測するためのセンサ装置であって、流体が流れる流路を形成する流路壁の外表面に貼り付けられるフィルム層と、前記フィルム層の上に設けられたヒータを備え、前記フィルム層には、前記ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサが設けられ、前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に、前記フィルム層の上に設けられていることを特徴とする、センサ装置が提供される。
【００１０】
かかる本発明のセンサ装置によれば、例えばフィルム層の上に設けられたヒータにより、流路壁に貼り付けられるフィルム層を介して配管を流れる流体を加熱することが可能となる。またヒータによって加熱される流路壁の表面温度は、例えばフィルム層に設けられた温度センサによって検出される。この場合、温度センサと重ならない位置において、ヒータが例えばフィルム層の上に設けられているので、ヒータからの発熱は温度センサに直接伝わらなくなる。これにより温度センサはヒータの熱の影響を受けずに流路壁の表面温度を精度良く検出することが可能となる。
【００１１】
本発明のセンサ装置にあっては、前記フィルム層は均一な厚さを有し、少なくとも前記ヒータの下面全体を覆う位置に設けられていても良い。
【００１２】
先に記載の通り、流路壁の表面温度を上流側と下流側の２か所で測定して流量を計測するためには、流路壁の表面温度を精度よく測定する必要がある。しかし、フィルム型の温度センサは、温度感熱部がフィルムなどの電気絶縁体によってパウチされているのが一般的である。ここで、流路壁の表面温度を精度よく測定するためには、流路壁の表面から温度感熱部までの熱抵抗を極力小さくすることが重要である。しかし、温度感熱部をパウチしているフィルムなどは熱抵抗が大きい。そのため、フィルムの厚みに多少のムラなどがあると温度測定値に大きな影響を及ぼすことになり、測定精度の低下につながる。
【００１３】
また、温度感熱部をパウチしているフィルムは、パウチすべき対象よりわずかに大きい程度であるのが一般的である。そのため、一般的なフィルム型温度センサでは、ヒータと温度センサと間に段差が生じて温度センサの周囲に空気層が形成され、測定温度の安定性が低下する。
【００１４】
そこで、温度センサを備えるフィルム層を均一な厚さとし、少なくとも前記ヒータの下面全体を覆う位置に設けるようにした。このような配置とすることで、温度センサの周囲に空気層が形成されることが防止され、測定温度の安定性が向上する。
【００１５】
また本発明のセンサ装置は、前記ヒータがベース部材に支持されており、前記ベース部材の下面には、前記温度センサおよび前記ヒータから離れた位置において流路壁の表面温度を検出する第２の温度センサが取り付けられていても良い。
【００１６】
本願発明のセンサ装置は、ヒータ位置において加熱される流路壁の表面温度を温度センサ検出するとともに、その上流側に設置した別の温度センサ（第２の温度センサ）で流路壁の表面温度を検出して流路壁の表面温度を上流側と下流側の２か所で測定し、両者の温度差とヒータの熱量に基づいて流量を算出する。そこで、温度センサおよびヒータから離れた位置において、ヒータを支持しているベース部材の下面に第２の温度センサを設けるようにした。なお、温度センサおよび第２の温度センサを流路壁の表面に固定する場合、第２の温度センサを設けた箇所はヒータが設置されている分、温度センサを設けた箇所よりも高さが高くなるが、この高さの違いによって生じる段差が少ない方がより均等に設置することができる。そのため、ヒータを支持しているベース部材を延長して温度センサ部と第２の温度センサの高さを合わせるようにした。なお、「下面」とは、センサ装置を取り付ける配管等の設置対象物側の面をいう。「均等に設置することができる」とは、温度センサと第２の温度センサとが、それぞれ均等な押圧力で配管等の表面に設置されることにより、同様の感度にすることができることである。
また、本発明によれば、処理装置と出力調整器を備えた流量計測システムであって、ヒータで加熱される流路壁の表面温度を検出する温度センサと、前記温度センサよりも流体の流れの上流側において流路壁の表面温度を検出する第２の温度センサとを有し、前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられ、前記処理装置には、前記温度センサで検出された表面温度と、前記第２の温度センサで検出された表面温度がそれぞれ入力され、前記ヒータの出力は前記出力調整器で制御され、前記処理装置は、前記第２の温度センサで検出された表面温度、前記温度センサで検出された前記ヒータの設置位置における表面温度、前記ヒータの出力に基づいて、流体の流量を算出することを特徴とする、流量計測システムが提供される。
さらに、本発明によれば、流体の流量を計測する方法であって、ヒータで加熱される流路壁の表面温度を温度センサが検出され、前記温度センサよりも流体の流れの上流側において流路壁の表面温度を第２の温度センサで検出され、前記ヒータは、前記温度センサと重ならない離れた位置において、前記温度センサの周囲を囲む位置に設けられ、前記温度センサで検出された表面温度と、前記第２の温度センサで検出された表面温度が処理装置に入力され、前記ヒータの出力が出力調整器で制御され、前記処理装置により、前記第２の温度センサで検出された表面温度、前記温度センサで検出された前記ヒータの設置位置における表面温度、前記ヒータの出力に基づいて、流体の流量が算出されることを特徴とする、流量計測方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のセンサ装置を用いれば、配管等自体を加工せずに流体の流量を流路壁の外表面から計測できる。温度センサと重ならない位置において、ヒータがフィルム層の上に設けられているので、ヒータからの発熱は温度センサに直接伝わらず、ヒータの熱の影響を受けずに流路壁の表面温度を温度センサで精度良く検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係るセンサ装置の平面図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るセンサ装置を用いた流量計測システムの説明図である。
【図４】流量計測システムにおける計測処理の概要の説明図である。
【図５】流量計測システムで実行される計測処理フローを示す説明図である。
【図６】温度センサの裏面と配管の表面との間にフィルム層の一部が存在している場合の温度勾配の説明図である。
【図７】温度センサを配管の表面に直接張り付けた場合の温度勾配の説明図である。
【図８】温度センサの周囲に空気層が形成された状態の、ヒータの温度の経時変化を示すグラフである。
【図９】フィルム層がヒータの下面全体を覆う位置に設けられている場合の、ヒータの温度の経時変化を示すグラフである。
【図１０】ヒータと同じ大きさのフィルムから、温度センサに相当する部分を切り欠く状態の説明図である。
【図１１】切り欠いた部分に温度センサを挿入した状態の説明図である。
【図１２】外側からスリーパーで押さえて配管の表面にセンサ装置を固定した状態の説明図である。
【図１３】図１２の方法でセンサ装置を配管の表面に設置した場合の、ヒータの温度の経時変化を示すグラフである。
【図１４】センサ装置の外面中央部に凸部材を配置してスリーパーでセンサ装置を固定した状態の説明図である。
【図１５】図１４の方法でセンサ装置を配管の表面に設置した場合の、ヒータの温度の経時変化を示すグラフである。
【図１６】配管２の口径が小さい場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係るセンサ装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
図１、２に示すように、本発明の実施形態に係るセンサ装置１は、流体が流れる流路を形成する流路壁の一例である配管２の外表面に貼り付けられるフィルム層１０と、このフィルム層１０の上に積層されたベース部材１１を有している。これらフィルム層１０とベース部材１１は柔軟性のあるシート状の材料で構成され、円管形状の配管２の外表面に、センサ装置１を湾曲させて密着させることができる。これらフィルム層１０とベース部材１１は、例えばポリィミドフィルムなどの耐熱性及び可撓性に優れた素材によって構成することができる。配管２の内部には、冷水、温水などの流体が流される。流体は水以外の液体、気体、スラリーでもよい。またセンサ装置１を設置する対象物を配管２として説明するが、熱交換器やヘッダーなども含み、流体が流れる流路を形成するものであればよく、センサ装置１は流路を形成する流路壁の外表面に設置される。また配管２の断面形状は円形に限定されず、例えば矩形であってもよい。
【００２１】
ベース部材１１の一部の領域１１ａにはヒータ１５が支持（ここでは内蔵、あるいは下面に接着）されている。ヒータ１５は電熱線などをベース部材１１の一部の領域１１ａに通すことによって構成することができる。また、ベース部材１１とヒータ１５を組み合わせたものとして市販のフィルムヒータ、ラバーヒータなどで構成することもできる。
【００２２】
前述のフィルム層１０は、ベース部材１１の一部の領域１１ａの下に配置されている。換言すれば、フィルム層１０の上にベース部材１１の一部の領域１１ａが積層されている。フィルム層１０には、ヒータ１５によって加熱される配管２の表面温度を検出する温度センサ１６が（ここではフィルム層１０に内蔵されて）設けられている。ヒータ１５はベース部材１１の一部の領域１１ａに位置しており、また温度センサ１６も、ベース部材１１の一部の領域１１ａの下方においてフィルム層１０内に設けられているが、図１に示されるように、ヒータ１５は、フィルム層１０に設けられた温度センサ１６と重ならない位置において、温度センサ１６の周囲を囲む位置に設けられている。すなわち、温度センサ１６は一部の領域１１ａの下方においてその中央部に配置され、ヒータ１５は一部の領域１１ａの中央部を除いた全体にわたって蛇行するように配置されている。
【００２３】
また、フィルム層１０は均一な厚さを有しており、少なくともヒータ１５の下面全体を覆う位置に設けられている。このため温度センサ１６の周囲は、フィルム層１０によって囲まれた状態になっている。
【００２４】
ベース部材１１は、ヒータ１５を内蔵している一部の領域１１ａから側方（計測対象の流体が流れる方向に相当する）に延長された形状を有している。このように一部の領域１１ａから側方に延長されたベース部材１１の一部の領域を第２の領域１１ｂと呼ぶ。ベース部材１１とヒータ１５を組み合わせた構成として、市販のラバーヒータやフィルムヒータを用いる場合は、ベース部材に相当する部分と同材質で同じ厚みを有した部材を第２の領域１１ｂ側にも配置し、これらを一部の領域１１ａ、第２の領域１１ｂを含む全体を覆う大きさを有したポリィミドフィルム等の片面側に接着して、一体に構成すればよい。
【００２５】
ベース部材１１の第２の領域１１ｂの下方には、第２のフィルム層２０が設けられている。換言すれば、第２のフィルム層２０の上にベース部材１１の第２の領域１１ｂが積層されている。フィルム層１０とベース部材１１と同様に、第２のフィルム層２０も例えばポリィミドフィルムなどの耐熱性及び可撓性に優れた素材によって構成される。
【００２６】
第２のフィルム層２０には、配管２の表面温度を検出する第２の温度センサ２１が（ここではフィルム層２０に内蔵されて）設けられている。なお、ベース部材１１の第２の領域１１ｂにはヒータが無く、第２の温度センサ２１上方にはヒータ１５が存在していない。また、第２のフィルム層２０はフィルム層１０と同様に均一な厚さを有しており、第２の温度センサ２１の周囲は、第２のフィルム層２０によって囲まれた状態になっている。
【００２７】
ベース部材１１の一部が一部の領域１１ａとされ、他の一部が第２の領域１１ｂとされ、これら一部の領域１１ａと第２の領域１１ｂを含んで一体で形成されている。ここでは、一部の領域１１ａと第２の領域１１ｂは、所定の距離だけ離して設けられているが、互いに隣接して配置されていてもよく、例えばフィルム層１０と第２のフィルム層２０とが一体に構成されていてもよい。温度センサ１６と第２の温度センサ２１は互いに離れた位置において配管の表面温度をそれぞれ検出する。第２の領域１１ｂの位置は、第２の温度センサ２１がヒータ１５の熱の影響を受けない距離として決定することができる。
【００２８】
次に、本発明の実施形態に係るセンサ装置１を用いた流量計測システム３を説明する。図３に示すように、配管２の表面にセンサ装置１を貼り付ける。この場合、ベース部材１１の一部の領域１１ａを配管２内を流れる流体の流れの下流側に位置させ、第２の領域１１ｂを流体の流れの上流側に位置させるようにする。ベース部材１１の下面（裏面）に積層されたフィルム層１０および第２のフィルム層２０を配管２の表面に密着させることにより、温度センサ１６および第２の温度センサ２１を隙間なく配管２の表面に張り付けた状態にする。
【００２９】
このように配管２の表面にセンサ装置１を固定するには、例えば本出願人が先に特開２０１３−２０５３１０号公報（特許文献１）で開示したように、磁石を利用しても良いし、また例えば本出願人が先に特開２０１４−８５１８５号公報で開示したような固定装置を利用しても良い。あるいは図１４に示すようなインシュレーションスリーパー３０や凸部材３１を利用して、配管２の表面にセンサ装置１を固定することもできる。なお、インシュレーションスリーパー３０と凸部材３１の利用については、後に図１２〜１６において説明する。
【００３０】
配管２の表面にセンサ装置１を固定する場合、温度センサ１６および第２の温度センサ２１やヒータ１５と配管２との間で熱の授受を効率的に行わせるため、配管２の表面に熱伝導性を高めるシリコーン等を塗布してもよい。また、流体に気泡が混入した場合にも流体の温度を正確に計測できるように、温度センサ１６および第２の温度センサ２１やヒータ１５が配管２の上部以外に位置するように、センサ装置１を取り付けることが好ましい。さらに、配管２の表面に固定したセンサ装置１の外側を保温材で覆って保温しても良い。保温材には、既存の配管用保温材を用いることができる。センサ装置１を保温材で覆うことで、周囲温度や風などの周囲の環境の影響を低減することができ、より正確に計測することができる。また、ヒータ１５により加える熱が外部へ逃げるのを抑制することができる。
【００３１】
流量計測システム３は、処理装置２５と出力調整器２６を備えている。処理装置２５には、温度センサ１６で検出された配管の表面温度と、第２の温度センサ２１で検出された配管の表面温度がそれぞれ入力されている。ヒータ１５の出力は出力調整器２６で制御されている。処理装置２５は、電源（図示せず）と電気的に接続され、第２の温度センサ２１で検出された配管２の表面温度（流体温度）、温度センサ１６で検出されたヒータ１５の設置位置における配管２の表面温度、ヒータ１５の出力に基づいて、配管２を流れる流体の流量を算出する。処理装置２５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、表示部、操作部によって構成することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラム、すなわち流量算出プログラムに基づいて、配管２を流れる流体の流量を算出する。算出結果は、表示部に表示することができる。表示部には、ヒータ１５により加算する温度や、温度センサ１６及び第２の温度センサ２１による計測結果を表示することもできる。ヒータ１５により加算する温度は、例えば操作部（テンキー、キーボード、スイッチなど）を介して設定することができる。
【００３２】
次に流量計測システム３による計測処理について説明する。図４に基づいて計測処理の概略を説明すると、まず、（１）第２の温度センサ２１によって配管２の表面温度を計測することで、流体の流れの上流側において、配管２を流れる流体の温度が検出される。次に、（２）処理装置２５により、計測された流体の温度に一定値が加算される。次に、（３）出力調整器２６により、流体の流れの下流側に配置された温度センサ１６によって検出される温度が、「（流体の流れの上流側で検出された流体の温度に）一定値が加算された温度（以下、加算後温度とする）」になるようヒータ１５の出力を調整して配管２に向けて放熱する。なお、加算する温度（以下、加算温度とする）が一定なので、放熱量は、配管２を流れる流体の流速に比例する。そして、（４）処理装置２５により、ヒータ１５の電流値が取得され、処理装置２５のメモリに格納されたプログラムにより配管２を流れる流体の流量が算出される。
【００３３】
さらに、図５に基づいて計測処理をより詳細に説明する。ステップＳ０１では、第２の温度センサ２１により、配管２を流れる流体の温度（ＴＷ）が検出される。すなわち、第２の温度センサ２１により、流れの上流側において配管２の表面温度が検出され、検出された表面温度が流体の温度として処理装置２５に入力される。流体の温度が入力されると、ステップＳ０２へ進む。
【００３４】
ステップＳ０２では、ヒータ１５が放熱する温度（加算温度Ａ）が入力される。加算温度Ａは予め設定しておき、処理装置２５が自動的に算出してもよく（例えば、+５℃）、操作部を介してその都度入力を受け付けるようにしてもよい。処理装置２５が加算温度Ａを取得すると、ステップＳ０３へ進む。加算温度Ａは、配管内を流れる流体によって熱が奪われた上で配管温度を所定温度上昇させられるだけの熱量を、ヒータ１５の能力で賄うことが可能な温度であればよい。
【００３５】
ステップＳ０３では、処理装置２５は、加算後温度を算出する。すなわち、処理装置２５は、第２の温度センサ２１で検出した流体の温度（ＴＷ）に加算温度Ａを加算し、加算後温度を算出する。例えば、流体の温度が１０℃で加算温度が＋５℃の場合、加算後温度は１５℃となる。加算後温度が算出されると、ステップＳ０４へ進む。
【００３６】
ステップＳ０４では、温度センサ１６により、流体の流れの下流側の位置において、配管２の表面温度が検出され、次のステップＳ０５へ進む。ステップＳ０５では、出力調整器２６がヒータ１５の出力を制御する。すなわち、出力調整器２６は、温度センサ１６で検出される配管２の表面温度（ヒータ１５の設置位置における配管２の表面温度）が所定値（加算後温度）になるようヒータ１５の出力を制御する。ヒータ１５の出力制御により、温度センサ１６で検出される温度が加算後温度に調整されると、ステップＳ０６へ進む。
【００３７】
ステップＳ０６では、処理装置２５は、ヒータ１５の出力値を取得する。ヒータ１５の出力値が取得されると、ステップＳ０７へ進む。
【００３８】
ステップＳ０７では、処理装置２５は、配管２の断面積を取得する。配管２の断面積とは、配管の軸方向と直交する面における配管２の内部の断面積である。配管２の断面積は、予め処理装置２５に入力してメモリの所定の領域に記憶しておき、ヒータ１５の電流値の計測後、処理装置２５が、メモリの所定の領域にアクセスして取得してもよい。また、配管２の断面積は、操作部を介して入力するようにしてもよい。配管２の断面積が取得されると、ステップＳ０８へ進む。
【００３９】
ステップＳ０８では、処理装置２５は、加算温度（Ａ）とステップＳ０６で取得したヒータ１５の出力値およびステップＳ０７で取得した配管断面積をもとに、配管２を流れる流体の流量を算出する。配管２を流れる流体の流量の算出は、伝熱理論に基づいて実行することができる。以下、伝熱理論について説明する。
【００４０】
単位面積当たりのヒータ１５から流体（例えば、水）への通過熱量Ｑは、式１によって表される。すなわち、通過熱量は、流体とヒータ１５の温度差に比例する。流体の温度は、第２の温度センサ２１で検出可能であり、ヒータ１５の温度は温度センサ１６で検出可能である。なお、この実施の形態においては、温度差（Ｔh−Ｔw）は計測値から算出せずに、加算温度（Ａ）を用いている。
【００４１】
Ｑ＝（Ｔh−Ｔw）／Ｒ  ・・・  （式１）
Ｔh：ヒータの温度（℃）
Ｔw：流体の温度（℃）
Ｒ：熱抵抗（Ｋ／Ｗ）
【００４２】
ここで、配管２の単位長さ当たりの熱抵抗Ｒは、式２によって表される。すなわち、熱抵抗Ｒは、配管２の内面から流体に移動する熱（熱伝達）の抵抗と、ヒータ１５から配管２の内面に移動する熱（熱伝導）の抵抗の合計により表される。熱伝達の抵抗は、流体の状態により変化する変動値であり、熱伝導の抵抗は、配管２の属性（材質や径）によって決定される固定値である。
【００４３】
Ｒ＝１／πｒiｈ＋１／πλs×ｌｎ（ｒo／ｒi）  ・・・  式２
１／πｒiｈ：熱伝達
１／πλs×ｌｎ（ｒo／ｒi）：熱伝導
ｒi：配管内径（ｍ）
ｈ：熱伝達率（Ｗ／ｍ2・Ｋ）
λs：配管の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
ｒo：配管外径（ｍ）
【００４４】
ここで、配管２に流体が流れる場合、配管２と流体との間に強制対流が発生する。その際の熱伝達率（ｈ）は、式３によって表される。また、流体の熱伝導率（λw）は、流体の種類と流体の温度によって決定される。
【００４５】
ｈ＝Ｎu×λw／ｒi  ・・・  式３
Ｎu：ヌセルト数
λw：流体の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
ｒi：配管内径（ｍ）
【００４６】
また、ヌセルト数はＲｅ＞１０，０００の乱流時においては、式４に示すように、レイノルズ数（Ｒｅ）とプラントル数（Ｐｒ）の関数により表される。ここで、レイノルズ数（Ｒｅ）は、式５によって表される。また、動粘性係数（ν）は流体の種類と流体の温度によって決定される。なお、空調用として用いられる配管では、一般的に流速が１〜３ｍ／ｓとなりＲｅ＞１０，０００となるので、ヌセルト数の算出に式４を用いることができる。但し、空調用の配管においても、極めて遅い流速では、Ｒｅ＜１０，０００となるため、計測する下限流速を設定することが好ましい。また、プラントル数（Ｐｒ）は、流体の種類と流体の温度によって決定される。
【００４７】
Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ，Ｐｒ）＝０．０２３×Ｒｅ0.8×Ｐｒ0.4  ・・・  式４
Ｒｅ＝Ｖ×ｒi／ν  式５
Ｖ：流速（ｍ／ｓ）
ｒi：配管内径（ｍ）
ν：動粘性係数（ｍ2／ｓ）
【００４８】
以上より、式１では、通過熱量Ｑが、温度差（Ｔh−Ｔw）と熱抵抗Ｒで表わせる。式２では、熱抵抗Ｒが、配管径と、配管材質により決定される数値（熱伝達率λs）と、熱伝達率ｈで表わせる。式３では、熱伝達率ｈが、配管径と、流体の種類と流体の温度により決定される数値（熱伝導率λw）と、ヌセルト数Ｎuにより表わせる。式４では、ヌセルト数Ｎuは、流体の種類と流体の温度により決定される数値（プラントル数Ｐｒ）と、レイノルズ数Ｒｅとで表わせる。式５では、レイノルズ数Ｒｅは、配管径と、流体の種類と流体の温度により決定される数値（ν）と、流速とで表わせる。すなわち、式１〜式５より、通過熱量Ｑは、温度差（Ｔh−Ｔw）、流体の流速（Ｖ）、配管口径、配管の材質、流体の種類、流体の温度、によって決定される数値で表わすことができる。ここで、流体の種類、配管の材質、及び配管口径は、予め特定することができる。したがって、流体の流速を算出する場合、流体の温度と温度差（Ｔh−Ｔw）と通過熱量が、計測時の変数となる。本実施形態では、温度差は固定されるため、流体の流速はヒータ１５の出力と、流体の温度にのみ影響を受ける。つまり、加算温度が一定となるようヒータ１５を制御しており、またヒータ１５の放熱量が通過熱量Ｑと一致するので、ヒータ１５の放熱量、すなわちヒータ１５の電流量からヒータ１５の放熱量を算出することで、流体の流速が算出できる。流体の流速が算出されると、これに配管２の断面積を掛け合わせることで、配管２を流れる流体の流量が算出される。
【００４９】
以上説明した伝熱理論による流量の算出処理を処理装置２５による処理として説明すると、処理装置２５は、ステップＳ０８において、ステップＳ０６で算出されたヒータ１５の電流値、ステップＳ０７で取得した配管断面積の他、流体の種類、配管２の内径、配管２の外径、配管２の材質、ヌセルト数、レイノルズ数、プラントル数など、式１から式５に基づいて流速を算出するために必要な各種パラメータを取得する。各種パラメータは、操作部を通じて入力を受け付けることができる。また、流体の熱伝導率、レイノルズ数、プラントル数等の数値は、公知の文献等（例えば、空気調和衛生工学会著  空気調和・衛生工学便覧第１４版第１巻基礎編  ｐ５９〜６３）で示されている数値を用いることもでき、これに相当する表を、流体の種類や流体の温度毎にメモリに格納し、流量を算出する際、メモリにアクセスし、必要なパラメータを取得するようにしてもよい。また、流量の算出に関しても、上記のような理論式を用いずに、配管材質、配管径、流体の種類、流体の温度毎に、ヒータの出力と温度差と流体の流速との関係について試験結果から求めたものを予めメモリに格納しておいてもよい。そして、処理装置２５は、流体の流速を算出後、配管２の断面積を掛け合わせることで、配管２を流れる流体の流量を算出し、例えば表示部に表示する。なお、加算温度が一定となるようヒータ１５を制御する方法を説明したが、ヒータ１５の出力を一定としてもよい。この場合、２つの温度センサの計測結果より得られる温度差（流速により変化する）を用いて流体の流速を算出できる。
【００５０】
以上の計測処理を実施することにより、配管２の外部から配管２を流れる流体の流量を計測することができる。本発明の実施形態に係るセンサ装置１は、フィルム層１０および第２のフィルム層２０とベース部材１１はいずれも変形自在であるため、配管２の表面にセンサ装置１を密着させて取り付けることができ、ヒータ１５の熱を配管２に効率よく伝えることができ、また、温度センサ１６や第２の温度センサ２１によって配管２の表面温度や流体の温度を精度よく検出して、流量を正確に計測することができる。なお、センサ装置１を配管２の表面に取り付ける場合、フィルム層１０と第２のフィルム層２０はいずれも均一な厚さを有しているので、段差が少ない状態で均等に設置することができる。なお、「均等に設置することができる」とは、温度センサ１６と第２の温度センサ２１とが、それぞれ均等な押圧力で配管２の表面に設置されることにより、同様の感度にすることができることである。さらに温度センサ１６および第２の温度センサ２１の周囲は、いずれもフィルム層１０、第２のフィルム層２０によって囲まれた状態になっているので、温度センサ１６および第２の温度センサ２１の周囲に空気層が形成されることが防止され、測定温度の安定性が向上する。
【００５１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５２】
例えば図６に示すように、温度センサ１６を配管２の表面に取り付ける場合、温度センサ１６の裏面（下面）と配管２の表面との間にフィルム層１０の一部１０’が存在していると、流体−配管２−温度センサ１６−ヒータ１５の温度勾配は、図６中の線Ｌ１のようなり、配管２の表面から温度センサ１６までの熱抵抗が大きくなって、配管２の表面温度の検出精度が低下する恐れがある。そのため、図７に示すように、温度センサ１６を配管２の表面に取り付ける場合、温度センサ１６の裏面（下面）と配管２の表面との間に存在していたフィルム層１０の一部１０’を剥がし、温度センサ１６を配管２の表面に直接張り付けることが望ましい。かかる構成とすることにより、流体−配管２−温度センサ１６−ヒータ１５の温度勾配は、図７中の線Ｌ２のようなり、配管２の表面から温度センサ１６までの熱抵抗が小さくなって、配管２の表面温度を精度よく測定する事が可能となる。なお、第２の温度センサ２１も同様に、配管２の表面に直接配管に張り付けることが望ましい。
【００５３】
また上述したように、温度センサ１６および第２の温度センサ２１の周囲をフィルム層１０、第２のフィルム層２０で囲むことにより、周囲に空気層が形成されることが防止され、測定温度の安定性が向上する。ここで図８は、温度センサ１６の周囲をフィルム層１０で囲わずに空気層を形成した状態で、ヒータ１５の温度の経時変化を示すグラフであり、配管内の流体の水温20℃±0.1℃、流速1.5m/sで安定させたときの計測結果である。縦軸は、計測を開始した直後の温度を「０」とし、そこからのヒータ１５の温度の変化を示している。
る。
【００５４】
ヒータ１５は温度センサ１６より面積が大きいため、配管２とヒータ１５の間に温度センサ１６が存在する場所と存在しない場所が発生する。これにより、配管２とヒータ１５の間で熱抵抗の大きな場所（温度センサ１６が存在する場所）と熱抵抗が小さな場所（温度センサ１６が存在しない場所）ができる。ヒータ１５から発せられた熱は、熱抵抗が小さな部分（熱が流れやすい部分）に迂回しようとするため、温度センサ１６の周囲の熱の流れが複雑となる。また、一定の厚みを持った温度センサ１６が配管２の表面に設置されるため、温度センサ１６の側部には必ず空気層が発生する。空気層ができると、熱抵抗の上昇に加えて空気層内部で熱の対流、空気層の膨張などにより熱の流れをきわめて複雑化する要因となる。
【００５５】
水温や流速が安定している場合、ヒータ１５から発せられる熱と流体側に移動する熱がバランスするため、図８は縦軸「０」で一直線になることが理想である。しかし図８より、計測中の温度センサ１６の値は±0.07℃の範囲でバラついていることが分かる。このバラつきは、計測精度の低下につながる。
【００５６】
温度センサ１６を備えるフィルム層１０をヒータ１５と同じ面積とすることで、配管２からヒータ１５までの間の熱抵抗が均一化し、熱が配管２に対して垂直に移動するようになる。なお、ヒータ１５の端部では、熱が配管２側に垂直に移動しない可能性があるが、温度センサ１６の感熱部はフィルム層１０の中心に位置しているため、端部の影響はない。また、ヒータ１５と同じ面積のフィルム層１０を持った温度センサ１６を使用することで、温度センサ１６の側部に発生していた空気層が形成されなくなる。
【００５７】
図９は、幅広フィルムの温度センサ１６（フィルム層１０）を使用し、フィルム層１０がヒータ１５の下面全体を覆う位置に設けられている場合の計測結果である。計測条件は、図８と同じである。図９より、幅広フィルムを使用することで計測温度の安定性が極めて上昇していることが分かる。
【００５８】
なお、ヒータ１５の温度を安定させるためには、配管２からヒータ１６までの間の熱抵抗を均一化しつつ、空気層を除去すればよい。そのため、図１０に示すように、温度センサ１６を設けているフィルム層１０と同じ素材のフィルム１０’をヒータ１５と同じ大きさにし、温度センサ１６に相当する部分１６’を切り欠く。図１１に示すように、この切り欠いた部分に温度センサ１６を挿入し、フィルム１０’を温度センサ１６の周囲に設置しても良い。この図１０、１１に示した手法であれば、市販の薄板型温度センサをそのまま使用しつつ、本発明と同等の性能が得られる。
【００５９】
また、配管２の表面にセンサ装置１を固定する手段として、本出願人が先に特開２０１３−２０５３１０号公報（特許文献１）で開示した磁石を利用する方法、本出願人が先に特開２０１４−８５１８５号公報で開示した固定装置を利用する方法の他、インシュレーションスリーパー３０を利用する方法を提案する。
【００６０】
センサ装置１を配管２の表面に固定する方法の一つとして、図１２に示すように、空調用配管で多く用いられるインシュレーションスリーパー３０（以降、スリーパー）を使用し、外側からスリーパー３０で押さえて配管２の表面にセンサ装置１を容易に設置することができる。スリーパー３０の内面の曲率半径は、配管２の表面の曲率半径に一致するように加工されている。そのため、センサ装置１を配管２の表面に配置し、その上からスリーパー３０により固定すると、センサ装置１の両端部はスリーパー３０との接触により配管２の表面に確実に押さえつけられるが、センサ装置１の中心部はスリーパー３０とセンサ装置１との間が少し浮いた状態となる。センサ装置１の感熱部（温度センサ１６および第２の温度センサ２１）は、センサ装置１の中央に存在するため、中心部が浮いた状態で設置されると、ヒータ１５から発せられる熱と配管内を流れる流体に奪われる熱がバランスするまでの時間が長くなり、結果としてヒータ温度が安定するまでの時間が長くなる。
【００６１】
図１３は、図１２の方法でセンサ装置１を配管２の表面に設置して配管内水温20℃±0.1℃、流速1.5m/sで安定させたときの計測結果である。縦軸は、計測を開始した直後のヒータ温度を「０」とし、そこからの変化を示している。水温や流速が安定している場合、ヒータ１５から発せられる熱と流体側に移動する熱はバランスするため、図１３は縦軸「０」で一直線になることが理想である。しかし図１３より、図１２の固定方法ではヒータ温度が安定するまでは１２時間以上の時間を要していることが分かる。
【００６２】
そこで、スリーパー３０でセンサ装置１を固定する場合、図１４に示すように、センサ装置１の外面中央部に凸部材３１を配置すると良い。なお、この凸部材３１はセンサ装置１の外面中央部とスリーパー３０の内面との間に介在させればよく、センサ装置１の外面中央部に凸部材３１を取り付けても良いし、スリーパー３０の内面に凸部材３１を取り付けても良い。あるいは、スリーパー３０でセンサ装置１を固定する際に、センサ装置１の外面中央部に凸部材３１を配置して、スリーパー３０で押さえこむようにしても良い。
【００６３】
このようにセンサ装置１の外面中央部に凸部材３１を配置して、スリーパー３０で固定することにより、センサ装置１の感熱部（温度センサ１６および第２の温度センサ２１）が配管２の表面に密着し、ヒータ温度を短時間で安定させることができる。
【００６４】
図１５は、センサ装置１の外面中央部に凸部材３１を配置してスリーパー３０で固定し、実際に計測を行った時の結果である。計測条件は、図１３と同様である。図１５より、センサ装置１の外面中央部に凸部材３１を配置すると、計測温度が安定するまでの時間が約３０分程度となり、きわめて短縮されていることが分かる。
【００６５】
なお、センサ装置１の大きさは、計測する配管口径に関わらず一定の大きさとなる。そのため図１６に示すように、計測する配管２の口径が小さい場合、口径が大きい場合と比較してセンサ装置１の中央部とスリーパー３０の内面との隙間は大きくなる。かかる問題に対しては、凸部材３１を複数枚重ねることで対応すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、配管を流れる流体の流量計測に適用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１  センサ装置
２  配管
３  流量計測システム
１０  フィルム層
１１  ベース部材
１１ａ  一部の領域
１１ｂ  第２の領域
１５  ヒータ
１６  温度センサ
２０  第２のフィルム層
２１  第２の温度センサ
２５  処理装置
２６  出力調整器
３０  インシュレーションスリーパー
３１  凸部材
【図１】
0006518486.tif 000002
【図２】
0006518486.tif 000003
【図３】
0006518486.tif 000004
【図４】
0006518486.tif 000005
【図５】
0006518486.tif 000006
【図６】
0006518486.tif 000007
【図７】
0006518486.tif 000008
【図８】
0006518486.tif 000009
【図９】
0006518486.tif 000010
【図１０】
0006518486.tif 000011
【図１１】
0006518486.tif 000012
【図１２】
0006518486.tif 000013
【図１３】
0006518486.tif 000014
【図１４】
0006518486.tif 000015
【図１５】
0006518486.tif 000016
【図１６】
0006518486.tif 000017