(57)【要約】【課題】配管の温度を測定して配管への熱伝達の影響を除くようにして液体の流量を測定する。【解決手段】合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段を有することを特徴とする液体用熱式質量流量計である。【選択図】　図１
2004069667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、
この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、
前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、
前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、
前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、
前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を外気温により補正し前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段
を有することを特徴とする液体用熱式質量流量計。
【請求項２】
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、
この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、
該伝熱素子の近傍に配置され、配管温度を測定する配管温度測温センサと、
前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、
前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、
前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、
前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を、配管温度および外気温により補正し、前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段
を有することを特徴とする液体用熱式質量流量計。
【請求項３】
前記液温センサ及び伝熱素子は被測定液体に接液状態で配置し、外気温測温センサは断熱材の外部に設置したことを特徴とする請求項１記載の液体用熱式質量流量計。
【請求項４】
前記液温センサ及び伝熱素子は被測定液体に接液状態で配置し、配管温度測温センサは前記伝熱素子の近傍位置であって被測定液体に非接液状態で配置し、外気温測温センサは断熱材の外部に設置したことを特徴とする請求項２記載の液体用熱式質量流量計。
【請求項５】
前記流量計測手段として、前記伝熱素子により被測定液体と配管に伝達された熱量を、配管温度測温センサの信号の変化率と配管温度と外気温とにより補正し、前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測するようにしたこと
を特徴とする請求項２又は請求項４記載の液体用熱式質量流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体用熱式質量流量計に関するものであり、詳しくは、被測定液体を通過させる配管を管径が太い合成樹脂部材で形成し、ローコスト化を図り、腐食等に耐えることができる構造にして幅広い液体の測定に適応できる液体用熱式質量流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術における代表的な液体用熱式質量流量計には、気体用と同じく配管の外側にヒータと複数個の測温センサを取り付け、ヒータ近傍の液体の温度分布の変化を検出して流量を測定するものが周知である。
【０００３】
ここで、加熱又は冷却を行う素子を伝熱素子とよぶ。又、測温センサのうちで、液体が気化しない加熱温度を保つために初期の液温をモニタする測温センサを特に液温センサとよぶ。
【０００４】
具体的な構成は、図４に示すように、例えば、Ｉｒ．Ｈ．Ｊ．Ｂｏｅｒ、他１名の、“Ａ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　（ｖｅｒｙ）　ｓｍａｌｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗｓ．”に示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図において、細管（毛細管）である金属配管１の上流側に設置した第１の測温センサ２と、金属配管１内の被測定液体を加熱するヒータ３と、金属配管１の下流側に設置した第２の測温センサ４とから構成され、第１及び第２測温センサ２、４からの温度により、被測定流体の流量を測定する演算部とから構成されている。
【０００６】
図示しない演算部は、ヒータ３を挟んだ第１及び第２の測温センサ２、４で測定した温度の差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）に基づいて被測定液体の流量を算出する。
【０００７】
ここで、ヒータ３の温度が高すぎると気化する場合があるため、加熱する素子ではなくペルチェ素子等で冷却しているものもあるが、これらの原理も同様である。
【０００８】
この方式以外に、ヒータ３の上流側、若しくは下流側のみの温度変化を検出する手法、流速に応じて異なるヒータで消費される熱量を検出して被測定液体の流量を算出する手法がある。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｉｒ．Ｈ．Ｊ．Ｂｏｅｒ、他１名、“Ａ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　（ｖｅｒｙ）　ｓｍａｌｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗｓ．”、［ｏｎｌｉｎｅ］、ｐ．１、Ｆｉｇｕｒｅ　１［平成１４年１０月２１日検索］、インターネット、
＜Ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ　　Ｈｉｇｈ−Ｔｅｃｈ　Ｂ．Ｖ．社ホームページ／Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ／Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　Ａｒｔｉｃｌｅｓ
ＵＲＬ　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ．ｃｏｍ／ｐｄｆ／ｔｈｅｒｍａｌ．ｐｄｆ＞
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術における液体用熱式質量流量計の場合、伝熱素子から液体へ伝達する熱量が流量に依存した信号であり、配管等外部へ伝達する熱量は誤差となる。
従って、誤差を軽減するために従来は、金属の細管を用いて熱伝導率を高くし、被測定流体を流す配管自体の熱容量を極めて小さくしている。
しかし、使用している金属を腐食するような薬液や、金属イオンの溶出を嫌う液体の流量測定には利用できないという問題がある。
【００１１】
腐食を避けるために樹脂製の配管を用いて同様の構成にすると、樹脂の熱容量が大きいため、配管の厚さを薄くして配管へ伝達する熱量を小さくするか、補正しなければ、液体に伝達する熱量を正確に測定することができないという問題がある。
【００１２】
従って、金属を腐食するような薬液等にも広く使用できるような液体用熱式質量流量計の構造に解決しなければならない課題を有する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る液体用熱式質量流量計は、請求項１においては、
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、
前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を、外気温により補正し、前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項２においては、
合成樹脂部材で形成された配管内を流れる被測定液体の温度を計測する液温センサと、この液温センサの下流側に設けられ前記配管内を流れる被測定液体に熱を伝達する伝熱素子と、該伝熱素子の近傍に配置され、配管温度を測定する配管温度測温センサと、前記伝熱素子の配管外に露出した部分を覆う断熱部材と、前記配管近傍の外気温度を計測する外気温度測温センサと、前記液温センサにより計測された温度を基準にして一定温度になるように前記伝熱素子の温度を制御する温度制御手段と、前記伝熱素子により被測定液体と配管と断熱部材と外気に伝達された熱量を、配管温度および外気温により補正し、前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測する流量計測手段を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３においては、請求項１記載の液体用熱式質量流量計において、
前記液温センサ及び伝熱素子は被測定液体に接液状態で配置し、外気温測温センサは断熱材の外部に設置したことを特徴とする。
【００１６】
請求項４においては、請求項２記載の液体用熱式質量流量計において、
前記液温センサ及び伝熱素子は被測定液体に接液状態で配置し、配管温度測温センサは前記伝熱素子の近傍位置であって被測定液体に非接液状態で配置し、外気温測温センサは断熱材の外部に設置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項５においては、請求項１又は請求項４記載の液体用熱式質量流量計において、
前記流量計測手段として、前記伝熱素子により被測定液体と配管に伝達された熱量を、配管温度測温センサの信号の変化率と配管温度と外気温とにより補正し、前記被測定液体に伝達する熱量から被測定液体の流量を計測するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る液体用熱式質量流量計の実施形態について、図面を参照して説明する。
液体用熱式質量流量計は、伝熱素子を用い、その消費熱量から流量を測定するものであり、従来型と異なり、金属の細管を使用するものではなく、ライン上の他の配管と同様の径を持つ合成樹脂部材の測定配管を用いる。
【００１９】
図１は本発明にかかる構成を示している。図１において、５は合成樹脂部材で形成された測定配管であり、図示しない配管の間に設置されている。
６は被測定液体の温度を検出する液温センサで、伝熱素子７より上流側に流入する被測定液体に接液状態で設置されている。
【００２０】
７は被測定液体に熱を伝達する伝熱素子で、液温センサ６より下流側に被測定液体に接液状態で設置されている。
４ａはこの伝熱素子７近傍に非接液状態で設置され、測定配管５の温度を測定する配管温度測温センサである。
【００２１】
８は伝熱素子７の配管外に露出した部分を覆い、露出した部分からの放熱を防止する断熱部材であり、この実施例では測温センサ４ａおよび液温センサ６を覆って形成されている。
【００２２】
９は温度制御手段で、液温センサ６で測定した被測定液体の初期温度（液温）を基準にして、数℃上昇した一定温度になるように伝熱素子７を制御する。
４ｂは外気温度を測定する外気温度測定センサである。
【００２３】
１０は流量計測手段で、伝熱素子で消費される熱量を配管温度および外気温によって補正し、被測定液体の流量を算出する。
【００２４】
このような構成において、信号として検出される伝熱素子７の消費熱量は、被測定液体へ伝達する熱量と、測定配管５や断熱材から外部へ伝達する熱量とがある。
【００２５】
従来のように金属の細管（毛細管）を用いた場合と異なり、配管と同径の合成樹脂部材を用いた場合、熱伝導率が小さく、又、耐圧のため測定配管５の肉厚が厚くなり熱容量が大きくなるため、測定配管５に伝達される熱量は無視できない。
【００２６】
そこで、上記の伝熱素子７の近傍に配設した配管温度測温センサと外気温度測温センサを用いて液体以外に伝達した熱量を補正して被測定液体に伝達された熱量を算出すれば高精度な流量を測定することができる。
【００２７】
理論的に、測定配管５へ伝達する熱量は、伝熱素子７の温度と測定配管５の温度との差に比例するが、外気温によって配管内の温度分布が変わるため、配管温度と外気温度で補正することによって、液体以外へ伝達する熱量の影響を除去できる。
【００２８】
その結果、信号は被測定液体へ伝達する熱量となり、液温と伝熱素子７との温度差を一定にコントロールしている場合、信号は被測定液体の流速にのみ依存することとなる。
層流の場合には、信号は流速の平方根に比例する。
【００２９】
ところで、配管内の流体温度が急激に変化した場合、樹脂配管５と伝熱素子７の熱伝導率・熱容量の大きさの差から、流体温度が一定になった後でも配管の温度分布は変化し、伝熱素子から配管に伝達する熱量は長時間変化しつづける。
その時の配管内の温度分布は、流体温度や外気温が一定の定常状態とは異なる。
【００３０】
よって、その時に配管へ伝達される熱量は、測温センサ４ａから求まる温度が同じ場合でも定常状態の場合とは異なる。
【００３１】
配管温度測温センサ４ａから求まる温度の時間変化を演算（配管温度を一定時間ＲＡＭに保持しておいて、配管温度（現）−配管温度（旧）÷保持時間）することにより、定常状態ではないことが検知できる。その時間変化分は伝熱素子と配管の熱伝導率、熱容量の違いに依存する。
【００３２】
従って本発明では時間変化分で補正を行うことによって流体温度変化時も流量を高精度に測定するようにしたものである。
【００３３】
図２（ａ〜ｃ））は流体温度（Ｔ０）の変化に基づく配管温度（Ｔｎ）の定常−非定常の関係および伝熱素子の消費熱量（ｑ）の関係を示すものである。
図２（ａ，ｂ）において、流体温度Ｔ０が変化しても樹脂配管は熱が伝わりにくいため、配管温度（Ｔｎ）測定センサ４ａの出力が落ち着くまでは大きな時間遅れがある。
【００３４】
非定常状態では、配管内の分布が変化しつづけているので、定常状態とは熱量が異なる。
図２（ｂ）の場合配管が十分に温まって定常状態になるまで配管へ伝達する熱量が増えるので伝熱素子の消費熱量（ｑ）は図２（ｃ）のようなものとなる。
そのため、非定常状態の間は、定常状態の補正では不十分である。
【００３５】
ここで、
ｑ＝（液への熱量）＋（配管などへの熱量　…定常）
＋（配管の温度分布が変化していることによる熱量　…Δｑ）定常状態と非定常状態の違いはＴｎが変化しているかどうかなので、ｄＴｎ／ｄｔが０でなければ非定常であり、ｄＴｎ／ｄｔは配管の熱伝導率、熱容量で決まる。
【００３６】
ΔｑはｄＴｎ／ｄｔに依存するので、熱量→流量の補正式ではＴｎ，Ｔａ（外気温度）と合わせてｄＴｎ／ｄｔの項も入れて非定常の熱量を補正する。
尚、上記の実施例においては定温度制御としたが、定電流でも同等の測定が行える。
また、伝熱素子として、加熱ではなく、冷却するものを用いてもよい。
【００３７】
このように、伝熱素子７近傍の測定配管５の温度や外気温度を測定して補正することで、測定配管５への熱伝達の影響を除くことができ、合成樹脂部材の測定配管を用いても高精度な流量測定を行うことが可能になる。
【００３８】
図３は、本発明の他の実施例の要部構成説明である。
本実施例において、５は合成樹脂部材で形成された測定配管であり、図示しない配管の間に設置されている。
【００３９】
６は被測定液体の温度を検出する液温センサで、伝熱素子７より上流側に流入する被測定液体に接液状態で設置されている。
７は被測定液体に熱を伝達する伝熱素子で、液温センサ６より下流側に被測定液体に接液状態で設置されている。
【００４０】
８は伝熱素子７の配管外に露出した部分を覆い、露出した部分からの放熱を防止する断熱部材であり、この実施例では、液温センサ６を覆って形成されている。
９は温度制御手段で、液温センサ６で測定した被測定液体の初期温度（液温）を基準にして、数℃上昇した一定温度になるように伝熱素子７を制御する。
【００４１】
４ｂは外気温度を測定する外気温度測定センサである。
１０は流量計測手段で、伝熱素子で消費される熱量を配管温度および外気温によって補正し、被測定液体の流量を算出する。
【００４２】
このような構成において、信号として検出される伝熱素子７の消費熱量は、被測定液体へ伝達する熱量と、測定配管５や断熱材から外部へ伝達する熱量とがある。
従来のように金属の細管（毛細管）を用いた場合と異なり、配管と同径の合成樹脂部材を用いた場合、熱伝導率が小さく、又、耐圧のため測定配管５の肉厚が厚くなり熱容量が大きくなるため、測定配管５に伝達される熱量は無視できない。
【００４３】
そこで、外気温度測温センサ４ｂを用いて液体以外に伝達した熱量を補正して被測定液体に伝達された熱量を算出すれば流量を測定することができる。
理論的に、測定配管５へ伝達する熱量は、伝熱素子７の温度と測定配管５の温度との差に比例するが、外気温によって配管内の温度分布が変わるため、外気温度で補正することによって、液体以外へ伝達する熱量の影響を除去できる。
【００４４】
その結果、信号は被測定液体へ伝達する熱量となり、液温と伝熱素子７との温度差を一定にコントロールしている場合、信号は被測定液体の流速にのみ依存することとなる。
層流の場合には、信号は流速の平方根に比例する。
【００４５】
そして、図１実施例に示されている配管温度測温センサ４ａは、測定配管５の間壁に穴をあけて取り付けなければならないので、取り付けコストが大きくなるが、本実施例では、必要とされないので、ローコスト化が図れるローコスト型液体用熱式質量流量計が得られる。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１又は請求項３によれば、次のような効果がある。
被測定液体に熱を伝達する伝熱素子の近傍に外気温度測定センサを備え流体以外に伝達する熱量を除去して求まった被測定液体に伝達される熱量により流量を算出するようにした。
【００４６】
その結果、配管が合成樹脂部材等の肉厚が厚く熱容量が大きくても、外気温度に関わらず、正確に液体に伝達される熱量を測定することができ、そのため、高精度にローコストに流量を測定することができるという効果がある液体用熱式質量流量計が得られる。
【００４７】
加えるに、本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
外気温度センサを、断熱材部材のすぐ外側に配置することで、伝熱素子から断熱部材を通して外気に放出される熱量を直接測定することができ、これによって補正することができるので、外気温度に関わらず、高精度に流量を測定することができるという効果がある液体用熱式質量流量計が得られる。
【００４８】
本発明の請求項２又は請求項４によれば、次のような効果がある。
被測定液体に熱を伝達する伝熱素子の近傍に配管の温度を測定する測温センサや外気温度測定センサを備え流体以外に伝達する熱量を除去して求まった被測定液体に伝達される熱量により流量を算出するようにした。
【００４９】
その結果、配管が合成樹脂部材等の肉厚が厚く熱容量が大きくても正確に液体に伝達される熱量を測定することができ、そのため、高精度に流量を測定することができるという効果がある液体用熱式質量流量計が得られる。
【００５０】
本発明の請求項５によれば、次のような効果がある。
時間変化分で補正を行うことによって、温度変化時も流量を高精度に測定することが出来る液体用熱式質量流量計が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る液体用熱式質量流量計の略示的な断面図である。
【図２】流体温度（Ｔ０）の変化に基づく配管温度（Ｔｎ）の定常−非定常の関係および伝熱素子の消費熱量（ｑ）の関係を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図４】従来技術におけるバイパスした金属配管（細管）を用いた液体の流量測定の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
４ａ　　配管温度測温センサ
４ｂ　　外気温度測定センサ
５　　　測定配管
６　　　液温センサ
７　　　伝熱素子
８　　　断熱材
９　　　温度制御手段
１０　　流量計測手段
【図１】
2004069667.tif 000003
【図２】
2004069667.tif 000004
【図３】
2004069667.tif 000005
【図４】
2004069667.tif 000006