(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気または液体の質量流量を測定するための示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、
前記気体または液体が流れるフローチャネル（２）と、
前記フローチャネル（２）の内壁（３）に流れ方向に配置された個別に制御可能な少なくとも２つの発熱体（４、４’、４’’）と、
流れ方向において前記フローチャネル（２）の内壁（３）の前記発熱体（４、４’、４’’）の上流に配置される少なくとも１の熱センサ（５）と、
流れ方向において前記フローチャネル（２）の内壁（３）の前記発熱体（４、４’、４’’）の下流に配置される少なくとも１の熱センサ（６’’）と、
前記フローチャネル（２）の内壁（３）の流れ方向において任意の２つの隣接する発熱体（４、４’、４’’）間に配置された１以上の熱センサ（５’、５’’、６、６’）とを具えることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項２】
請求項１の示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記アセンブリが、前記フローチャネル（２）の内壁（３）に配置され流れ方向において互いに隣接する２またはそれ以上の示差熱式質量流量計ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）を具え、各示差熱式質量流量計ユニットは、１の発熱体（４、４’、４’’）と、前記発熱体の上流に配置された１以上の熱センサ（５、５’、５’’）と、前記発熱体（４、４’、４’’）の下流に配置された１以上の熱センサ（６、６’、６’’）とを具えることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項３】
請求項１または２の示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記発熱体（４、４’、４’’）のうちの１以上が無効化され、前記発熱体（４、４’、４’’）のうちの１以上を有効にされることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記フローチャネル（２）の内壁（３）に流れ方向において前記発熱体（４、４’、４’’）の下流に配置された２またはそれ以上の熱センサ（６、６’、６’’）を具えることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項５】
請求項４の示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記熱センサ（５’、５’’、６、６’、６’’）は前記フローチャネル（２）の内壁（３）に沿って等間隔で配置されていないことを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記フローチャネル（２）は、前記流れ方向に垂直な断面が前記流れ方向に沿って増大あるいは減少するするように発散（diverge）していることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記フローチャネル（２）は、前記下流に配置された熱センサ（６、６’、６’’）それぞれの場所で等しい断面を有することを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記センサ（４、４’、４’’、５、５’、５’’、６、６’、６’’）がコーティング（７）で覆われており、当該コーティング（７）は樹脂、ラッカーコーティング、ガラス、セラミック、またはＳｉＣであることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項９】
請求項８の示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、前記コーティング（７）は撥水性の表面構造を有することを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）において、さらに、前記フローチャネル内の前記熱センサ（５、５’、５’’、６、６’、６’’）近くの圧力を測定する圧力温度センサを具えることを特徴とする示差熱式質量流量計アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、
前記発熱体（４、４’、４’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、
下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、
前記基準温度とそれぞれの下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）での温度との間の温度差を用いて、各下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）での質量流量を計算し、前記温度差を予め定められた較正セットと比較するステップと、
各下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の個々の質量流量の測定結果間の測定値の差に基づいて乱流または脈流を特定するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法において、さらに、前記特定された乱流または脈流について測定された質量流量の出力信号を補償するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、
前記発熱体（４、４’、４’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、
下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、
下流配置された各熱センサ（６、６’、６’’）における温度と前記基準温度との間の温度差を用いて下流配置された各センサ（６、６’、６’’）における質量流量を計算し、前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、
前記熱センサ（５、５’、５’’、６、６’、６’’）に沈積が生じていないか、
あるいは、
前記熱センサ（５、５’、５’’、６、６’、６’’）を覆うコーティングに沈積またはダメージが生じていないかを評価する観点で、下流配置された各熱センサ（６、６’、６’’）の個々の質量流量の測定結果間の系統的な差異を検出するか、個々の示差熱式質量流量計ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）間の系統的な差異を検出するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、下流配置された熱センサ（５、５’、５’’）と上流配置された熱センサ（６、６’、６’’）のペアのそれぞれの個々の質量流量の測定結果間の系統的な違いが判定されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、
前記発熱体（４、４’、４’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、
下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、
下流配置された各熱センサ（６、６’、６’’）における温度と前記基準温度との間の温度差を用いて下流配置された各センサ（６、６’、６’’）における質量流量を計算し、前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、
前記質量流量の値によって、前記１以上の上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）とともに前記質量流量の測定に用いるべき下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）を選択するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法において、前記質量流量の値によって、前記選択された下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）とともに前記質量流量の測定に用いるべき上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）を選択するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、さらに、
最適な位置から遠いセンサより最適な位置に近いセンサの信号がより重く重み付けされるように、異なる熱センサのペアに対応する信号に異なる重み付けを行うステップと、
すべてのセンサのペアの平均値により結果のフローを計算するステップを具え、
前記重み付けが個々の質量流量の測定に掛けられる（multiplied）ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項２乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
示差熱式質量流量計ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の各々で個々に質量流量を測定するステップと、
前記示差熱式質量流量計ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）のいずれか１の不調を検出する観点で、前記測定された複数の質量流量を比較するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
上流配置された熱センサ（５、５’、５’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、
前記少なくとも２つの発熱体（４、４’、４’’）の１つ以上を用いて前記気体または液体を加熱するステップであって、各発熱体には所定の電力が供給されている、ステップと、
下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の１つまたは各々における前記気体または液体の温度の測定値の第１のセットを作成するステップと、
各発熱体（４、４’、４’’）への前記所定の電力を調整するステップと、
下流配置された熱センサ（６、６’、６’’）の１つまたは各々における前記気体または液体の温度の測定値の第２のセットを作成するステップと、
下流配置された各熱センサ（６、６’、６’’）における温度と前記基準温度との温度差を用いて、前記第１および第２の測定値のセットについて、下流配置された各熱センサ（６、６’、６’’）における質量流量の第１および第２のセットを計算し、前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、
前記発熱体（４、４’、４’’）の磨耗または汚れを検出する観点で、前記質量流量の値の第１および第２を比較するステップと、を具えることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１乃至１０のいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリ（１）を用いた気体または液体の質量流量の測定方法において、
前記発熱体（４、４’、４’’）に電力（Ｐ）をパルシングするステップと、
前記質量流量計アセンブリ（１）または質量流量計ユニット（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の不調を検出する観点で、上流のセンサと下流のセンサの間の温度差（Ｔ１、Ｔ２）の上昇および下降時間を比較するステップと、を具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、改良型示差熱式質量流量計アセンブリと、当該質量流量計アセンブリを用いた質量流量の測定方法に関する。より具体的には、本発明は請求項１、１２にそれぞれ規定された改良型質量流量計アセンブリおよび質量流量の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの応用分野において管やパイプを通る空気や液体の流量を測定する必要がある。管やパイプの体積流量が、往々にして測定の目的である。しかしながら体積流量計は侵略的で、壊れやすく、非常に嵩張るため、代わりに質量流量計を用いて質量流量を測るのが普通である。圧力と温度が既知であれば、質量流量は比較的単純な計算で体積流量に変換できる。通常の種類の質量流量計は、示差熱式質量流量計である。
【０００３】
示差熱式質量流量計は、発熱体と２つの熱センサが存在するフローチャネルを有する。一方の熱センサは発熱体の上流に、他方の熱センサは下流に配置される。空気または液体がフローチャネルを通ると、熱がこれらの熱センサに異なって作用して、２つの熱センサの間に温度差が生じる。温度差はそれぞれ、特定の気体または液体の特定の流量に対応する。この構成の問題は、長期の使用や汚れにより、粒子の層が堆積したり、粒子層の一部が較正後に剥がれ落ちたりして熱センサの表面特性が変化すると、空気または液体から熱センサへの熱伝達に影響することである。長期の磨耗は温度と流量の関係に変動をもたらし、誤った質量流量が測定される。
【０００４】
示差熱式質量流量計のさらなる問題は、２つの熱センサと発熱体の距離が固定であることである。下流に配置された熱センサと発熱体との間の最適距離は質量流量で異なり、質量流量計がたった１つの特定の空気または液体の質量流量について最も高い精度となる結果となる。示差熱式質量流量計のさらなる問題は、流れのなかの早い脈動を測定するのが難しいことがある。発熱体から媒体（フローチャネル内の空気や液体）へ、およびその後の媒体から熱センサへの熱伝導は即時ではなく、媒体の熱伝導性や温度センサの反応時間による制限がある。この熱の慣性で低域フィルタ効果が生じ、測定可能な脈動の周波数に制限がかかる。
【０００５】
したがって、上述した従来技術の示差熱式質量流量計の問題を解消する、改良型の示差熱式質量流量計の必要性があった。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、この分野の現状を改善し、上述の問題を解消し、改良された示差熱式質量流量計を提供することである。これらと他の目的が、フローチャネル内を流れる空気または液体の質量流量を測定するための示差熱式質量流量計アセンブリにより達成され、これは、前記フローチャネルの内壁に流れ方向に配置された少なくとも２つの発熱体と、流れ方向において前記発熱体の上流の前記フローチャネルの内壁に配置される少なくとも１の熱センサと、流れ方向において前記発熱体の下流の前記フローチャネルの内壁に配置される少なくとも１の熱センサとを具える。
【０００７】
複数の発熱体を用いると、測定する質量流量の正確性と精度が向上し、磨耗や汚れによるエラーを検出することが可能となる。発熱体は間隔を開けてフローチャネルの流れ方向に配置される。磨耗および劣化の検出と補償により、正確性が向上する。熱は発熱体から熱センサへ空気により伝わるばかりでなく、いくらかはこの示差熱式質量流量計アセンブリが取り付けられた基板を介しても伝わり、そしてこの基板と空気の熱伝導が大きく異なるため、発熱体からの距離を機能不全を検出に用いることができる。第１の測定が第１の発熱体を用いて行われ、第２の測定が第２の発熱体を用いて行われる。示差熱式質量流量計アセンブリが磨耗しておらず汚れもない場合、この示差熱式質量流量計アセンブリの較正は正確であり、双方の発熱体での質量流量の測定結果は同じとなる。示差熱式質量流量計アセンブリに汚れの層がある場合や磨耗がある場合、質量流量の結果に差が生じてくる。これは、質量流量センサ間、あるいはその環境すなわちフローチャネルの断面積や発熱体と熱センサ間の距離に規則的な差がある場合である。
【０００８】
本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリはさらに、前記フローチャネルの内壁の流れ方向において任意の２つの隣接する発熱体間に配置された１以上の熱センサを具える。異なる発熱体を用いると、示差熱式質量流量計アセンブリを、別個独立した複数の示差熱式質量流量計として用いることができる。これにより、測定の冗長性を得ることができる。
【０００９】
本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリはさらに、前記フローチャネルの内壁に配置され流れ方向において互いに隣接する２またはそれ以上の示差熱式質量流量計ユニットを具えるように構成されてもよく、ここで各示差熱式質量流量計ユニットは、１の発熱体と、前記発熱体の上流に配置された１以上の熱センサと、前記発熱体の下流に配置された１以上の熱センサとを具える。
【００１０】
示差熱式質量流量計ユニットの数を増やすと、示差熱式質量流量計アセンブリの冗長性を増大させることができる。
【００１１】
本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリはさらに、前記発熱体のうちの１以上を有効にしたまま、１以上の発熱体を無効化するよう構成することができる。これによると、１の発熱体を下流に配置された任意の熱センサと用いることができ、当該発熱体と下流に配置された熱センサとの距離を異なる質量流量レートに用いることができ、較正カーブが最も急なペアを選んで精度を最適化することができる。本来的に測定はすべての可能なペアを用いて行われ、測定後に最も正確なペアの選択が決定される。無効化の用語は、発熱体は存在するが示差熱式質量流量計アセンブリで用いられないという意味である。この発熱体は恒久的に無効化されている必要はなく、異なるモードまたは較正で用いられる場合に示差熱式質量流量計アセンブリにより再び有効化されてもよい。
【００１２】
従来技術の課題を解決する本発明のさらなる態様は、フローチャネル内を流れる気体または液体の質量流量を測定する示差熱式質量流量計アセンブリであって、フローチャネルと、前記フローチャネルの内壁に配置される発熱体と、前記フローチャネルの内壁上に前記発熱体の上流に配置される１以上の熱センサと、前記フローチャネルの内壁上に前記発熱体の下流に配置される２以上の熱センサとを具える。
【００１３】
下流に配置された各熱センサと上流に配置された１の熱センサの温度差は、予期される気体または液体の組成の質量流量について予め較正される。
【００１４】
フローチャネル内に熱センサと発熱体を配置するのは、発熱体からフローチャネル内を流れる気体または液体への熱伝導の不活発性を減少し、フローチャネルの壁に配置された熱センサを通過する気体または液体の温度測定を容易にする観点で重要である。
【００１５】
センサのペアが１つの場合、すなわち上流に配置されたセンサ１つと下流に配置されたセンサ１つの場合、較正値からのずれは検出されることはなく、これは流れが変わったときのみ表れる。センサのペアが２つ以上の場合、すなわち少なくとも１の上流に配置されたセンサと、２またはそれ以上の下流に配置されたセンサの場合、発熱体の上流と下流の距離が異なることにより差が生じ、磨耗はセンサのペアに異なって影響するため、質量流量センサの長期の磨耗の影響が検出可能となる。個々に検知されるフローレートが互いにずれると、上述の差が検出されて、これにより補償することができる。
【００１６】
いくつかの実施例では、示差熱式質量流量計アセンブリ、あるいは各示差熱式質量流量計ユニットは、前記フローチャネルの内壁上に前記発熱体の下流に配置された３またはそれ以上の熱センサを具えることが好ましい。
【００１７】
示差熱式質量流量計アセンブリ、あるいは各示差熱式質量流量計ユニットは、フローチャネルの内壁に沿って発熱体から下流に異なる距離で配置された複数の熱センサを具えることが好ましく、これにより物理的に異なる場所で測定が行われ、測定間の望まないずれを検出することができる。さらなる利点は、しくつもの測定地点の値の平均値から、精度の高い測定値を得られることである。示差熱式質量流量計アセンブリにおいて汚れ粒子の堆積が不均一であれば、質量流量の全測定値の平均をとった場合に、熱センサのペアが１つのみある場合（従来技術の示差熱式質量流量計の場合）と比べて、測定された質量流量の精度が向上する。異なる地点での複数の値の平均により、単一地点からの測定値に比べて正確性が向上する。
【００１８】
この示差熱式質量流量計アセンブリのさらなる態様によると、（流れ方向でみて）第１の発熱体の下流に配置された熱センサは、フローチャネルの内壁に沿って等間隔で配置されていない。これは、１より多くある場合に、上流に配置された熱センサにも適用することができる。発熱体からの距離ごとの温度差に合致する対数尺にしたがって熱センサを配置すると、流れにおける発熱体から熱センサへの最適な距離を選択することについて解像度を犠牲にすることなく、より少ないセンサを用いることができる。最適な距離は、当該センサの質量流量の較正カーブが最も急峻となる、すなわち最も感度が高くなる場所である。発熱体からの距離ごとの示差熱は発熱体の近くで最も大きくなるため、熱センサは発熱体の近くでは互いに近くに配置され、発熱体からの距離が多くなるにつれより遠くに配置される。センサの使用をより少なくすると、分析や保存するデータ量が少なくなり、示差熱式質量流量計センサのコストが低減する。
【００１９】
いくつかの実施例では、示差熱式質量流量計アセンブリのセンサが、コーティングで覆われていることがさらに望ましい。これらの実施例では、熱センサのいくつかまたは全部がコーティングされ、好ましくは全部のセンサがコーティングされる。このコーティングは薄い方が好ましく、例えば１μｍから２ｍｍの範囲である。フローチャネル壁の内側に配置される質量流量計のすべての要素、すなわち上流および下流の双方に配置されるすべての熱センサが、発熱体とともに、コーティングで覆われることが望ましい。このコーティングは例えば樹脂コーティング、ラッカー、セラミック、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）コーティングである。このコーティングが構成要素間を「埋めて」、フローチャネル内の期待または液体のフロー内で乱流を起こさなくなる。したがって、構成要素が流れに影響しなくなり、フローがより層流に維持される。これらの構成要素はまた、近くを通過するフローからの物理的な磨耗からも保護される。構成要素が壁面から突出しなくなるので、ごみの粒子がその表面に集積できなくなる。
【００２０】
質量流量計の測定にはフローがより薄層であることが望ましいため、質量流量計の上流に、フローチャネルの上流側入口に薄層フロー要素が取り付けられていることが好ましい。本発明にかかる示差熱式質量流量計のさらなる実施例では、フロー方向に垂直な断面がフロー方向に沿って増大または減少するように、前記フローチャネルが発散している。これにより、フローチャネル内の気体の流速がフローチャネルの断面の大きさに比例してより小さく、あるいはより大きくなる。これは、発熱体の下流にある各熱センサの較正カーブに影響を与える。示差熱式質量流量計アセンブリが、複数の同じ示差熱式質量流量計ユニットから構築される実施例では、各ユニットが、それぞれ最も制度の高い異なる動作範囲を有し、したがって同質の磨耗や汚れによっても異なる影響を受ける。
【００２１】
本発明の一態様によると、前記ポンプアセンブリのフローチャネルは、下流に配置された温度センサの地点で、発熱体からの距離に最適な流量に最適な断面を有する。このフローチャネルの最適な断面はフローによって異なり、また熱センサの発熱体への最適な距離も然りである。
【００２２】
コーティングはさらに、好ましくは撥水表面構造を有し、これにより粒子が表面に体積しにくくなる。この表面構造は好適には非常に平滑で、粒子が集まる凹みや突起がない。
【００２３】
示差熱式質量流量計アセンブリはさらに、前記フローチャネル内の熱センサの近くの圧力を測定する圧力センサを具えることが好ましい。この圧力センサの測定値は、理想気体の法則を用いた計算により、測定した質量流量を体積流量に変換するのに利用することができる。
【００２４】
本発明のさらなる態様は、上述した示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または液体の質量流量の測定方法であって、前記１以上の上流配置された熱センサを用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、前記発熱体を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、下流配置された熱センサの１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、前記基準温度とそれぞれの下流配置された熱センサでの温度との間の温度差を用いて、各下流配置された熱センサでの質量流量を計算するステップと、前記温度差を予め定められた較正セットと比較し、各下流配置された熱センサの個々の質量流量の測定結果間の測定値の差に基づいて乱流または脈流を評価または特定するステップとを具える。
【００２５】
フローチャネルに沿った異なる場所で質量流量を同時測定することにより、乱流や脈流を検出することができる。フローチャネルに沿って異なる測定地点の間（すなわち、異なる下流配置された熱センサ）で検出される質量流量の瞬間的な差は、気体流または液体流の変動を示す。下流配置された熱センサの各々とともに、上流配置された熱センサと共同して乱流や脈流をさらに評価することにより、考えられる示差熱式測定センサのペアの数を、上流配置されたセンサの数で増加させることができる。測定の精度、測定の正確さ、および脈動の検出能も向上する。しかしながら、これには各熱センサで個別に温度測定する必要があるが、これはいつでもできるものではない。いくつかの状況では、上流配置された１の熱センサと、下流配置された１の熱センサで直接電圧を測定するのが望ましい。この場合、当該熱センサのペアは、予め定められ、固定である。
【００２６】
特定あるいは評価された脈動は、示差熱式質量流量計アセンブリの測定された質量流量の出力信号内で補償されてもよい。特に、多くのポンプでよくあるように、脈動が周期的である場合、特定された乱流または脈動は信号から減じられ、これにより出力信号から打ち消される。非系統的な脈動を検出できる場合、すなわち関心のあるフローの乱流として検出された場合、この脈動も同様に出力信号において補償される。脈動や乱流を検出できるようにするために、示差熱式質量流量計アセンブリからの信号のサンプリング周波数は、検出しようとする脈動や乱流の周波数より早く、好ましくは遙かに早いことが必要である。
【００２７】
本発明のさらなる態様は、上述した示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または液体の質量流量の測定方法であり、前記１以上の上流配置された熱センサを用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、前記発熱体を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、下流配置された熱センサの１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、下流配置された各熱センサにおける温度と前記基準温度との間の温度差を用いて下流配置された各センサにおける質量流量を計算するとともに前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、前記熱センサに沈積が生じていないか、あるいは前記熱センサを覆うコーティングに沈積またはダメージが生じていないかを評価する観点で、下流配置された各々の熱センサの個々の質量流量の測定結果間の系統的な差異を検出するか、個々の示差熱式質量流量計ユニット間の系統的な差異を検出するステップとを具える。
【００２８】
フローチャネルに沿った異なる測定箇所（すなわち異なる下流配置された熱センサ）で検出される質量流量の差がすべての測定時に生じたら、測定を静的に妨害する何らかによる系統的な測定エラーを示す。異なる箇所で異なって影響する測定の静的な妨害は、質量流量計の要素にコーティングが施されている場合、コーティング層に粒子の体積やダメージによるものが多い。質量流量計の熱センサに埃の粒子が体積したら熱センサの感度が下がり、測定エラーの結果となる。熱センサを覆うコーティングにダメージがあると、フロー温度に対してより敏感となり、較正が合わなくなり、これも測定エラーの結果となる。センサがコーティングを有さない場合、経時による埃の粒子の層が体積しており、これがたまに質量流量計の較正時に現れる。これらの体積は剥がれ落ちることがあり、これにより熱センサの感度が変化する。このようなエラーもこの方法で検出される。
【００２９】
系統的なエラーが検出された場合、すなわち、周囲の熱センサから供給されるものと比較して、１の熱センサが示すべき測定値にオフセットがある場合、この熱センサに関する較正を、検出されたエラーオフセット値で調整することができ、これによりエラーを修正することができる。質量流量計はまた、系統的なエラーが生じて質量流量計がサービスを必要としていることを警告する出力信号を出してもよい。
【００３０】
個々の下流配置および上流配置の熱センサのペアにおける質量流量の測定値間で検出される系統的な差により、さらに、質量流量計の要素を覆う堆積や、質量流量計の要素のコーティングのダメージを検出できる可能性が上がる。上流配置される熱センサの数により、可能な示差熱測定センサの異なるペアの数は倍増するため、堆積および／またはコーティングのダメージによる不具合の検出能力は、系統的な測定エラーの検出に利用可能な熱センサのペアの数により倍増する。
【００３１】
本発明のさらなる態様は、上述の示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または液体の質量流量の測定方法であって、１以上の上流配置された熱センサを用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、前記発熱体を用いて前記気体または液体を加熱するステップと、下流配置された熱センサの１つまたは各々で前記気体または液体の温度を測定するステップと、下流配置された各熱センサにおける温度と前記基準温度との間の温度差を用いて下流配置された各センサにおける質量流量を計算するとともに前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、前記質量流量の値によって、前記１以上の上流配置された熱センサとともに前記質量流量の測定に用いるべき下流配置された熱センサを選択するステップとを具える。
【００３２】
発熱体と下流配置された熱センサとの間の最適距離は、フローが異なれば異なる。上述の質量流量計を用いた測定はさらに、最適な位置から遠いセンサより最適な位置に近いセンサの信号がより重く重み付けされるように、異なる熱センサのペアに対応する信号に異なる重み付けを行うステップと、すべてのセンサのペアの平均値により結果のフローを計算するステップを具え、前記重み付けが個々の質量流量の測定に掛けられる（multiply）。測定結果は、検出されるフローについての最適位置に近い下流配置された熱センサにのみ頼るように限定されてもよい。質量流量の測定に用いられる上流配置された熱センサは、選択された下流配置された熱センサとともに、測定の精度と正確さをさらに向上させる観点で、質量流量の値に応じて選択されてもよい。
【００３３】
上記方法はさらに、前記フローに最適な位置に近いセンサの信号を前記最適な位置からより遠いセンサより重くなるように前記信号を異なって重み付けするステップと、すべてのセンサのペアの平均値で得られるフローを計算するステップとを具え、前記重み付けは個々の質量流量の測定値に掛けられることを特徴とする。
【００３４】
本発明のさらなる実施例では、上述の示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または液体の測定方法が提供され、各示差熱式質量流量計ユニットで個々の質量流量を測定するステップと、測定した質量流量を、いずれかの示差熱式質量流量計ユニットの不調を検出する観点で比較するステップとを具える。
【００３５】
本発明のさらなる実施例によると、上述の示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または液体の測定方法が提供され、１以上の上流配置された熱センサを用いて前記気体または液体の基準温度を測定するステップと、少なくとも２の発熱体を用いて前記気体または液体を加熱するステップであって、各発熱体は所定の電力が供給されている、ステップと、下流配置された熱センサの１つまたは各々における前記気体または液体の温度の測定値の第１のセットを作成するステップと、各発熱体への前記所定の電力を調整するステップと、下流配置された熱センサの１つまたは各々における前記気体または液体の温度の測定値の第２のセットを作成するステップと、下流配置された各熱センサにおける温度と前記基準温度との温度差を用いて、前記第１および第２の測定値のセットについて、下流配置された各熱センサにおける質量流量の第１および第２のセットを計算するステップと、前記温度差を所定の較正セットと比較するステップと、前記発熱体の磨耗または汚れを検出する観点で、前記質量流量の値の第１および第２を比較するステップと、を具える。
【００３６】
本発明のさらなる実施例によると、示差熱式質量流量計アセンブリを用いた気体または駅他の質量流量の測定方法が提供され、前記発熱体に電力をパルシングするステップと、質量流量計アセンブリまたは質量流量計ユニットの不調を検出する観点で、上流のセンサと下流のセンサの間の温度差の上昇および下降時間を比較するステップと、を具える。発熱体のパルシングは、１より多い発熱体が利用可能であれば、当然に１またはすべての発熱体を用いて行うことができる。
【００３７】
上記したように、従来技術の課題は、上述した示差熱式質量流量計アセンブリにより手当てされ、磨耗や汚れによる不調を検出可能で、従来技術の示差熱式質量流量計より正確な質量流量計が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
上記目的は、本発明のさらなる目的、特徴および利点とともに、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施例に関する以下の説明および非限定的な詳細な説明により、完全に理解することができる。
【図１ａ】図１ａは、複数の下流配置された熱センサを有する本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリの概略図である。
【図１ｂ】図１ｂは、複数の下流配置された熱センサと、複数の上流配置された熱センサを有する本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリの概略図である。
【図１ｃ】図１ｃは、示差熱式質量流量計アセンブリの要素を覆うコーティングを有する図１ｂの示差熱式質量流量計アセンブリの概略図である。
【図１ｄ】図１ｄは、図１ｃの示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、複数の熱センサがフロー方向において等距離に配置されておらず、フロー方向に垂直な断面がフロー方向に沿って増大している。
【図２】図２は、本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリを用いてどのようにして乱流を評価するかを示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリを用いてどのようにして系統的なエラーを検出し修正するかを示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリを用いて、最適な質量流量の測定のための最適な熱センサのペアをどのようにして選択するかを示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、３つの示差熱式質量流量計ユニットが設けられている。
【図６ａ】図６ａは、図５の示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、フロー方向に沿って気体の速度が減少するようにフローチャネルが発散している。各示差熱式質量流量計ユニットの熱センサ間の温度差（ΔＴ）が、フロー方向における距離の関数として図示されている。
【図６ｂ】図６ｂは、図６ａの示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、当該示差熱式質量流量計アセンブリに汚れの層が生じている。各示差熱式質量流量計ユニットの熱センサ間の温度差（ΔＴ）が、フロー方向における距離の関数として図示されている。
【図７】図７は、発熱体をパルシングしたときの異なる熱応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１ａは、本発明にかかる示差熱式質量量雨量計アセンブリ１の概略図である。示差熱式質量流量計アセンブリは、複数の下流配置された熱センサ６を具え、これらは質量流量計アセンブリ１のフローチャネル２の内壁３に配置される。フローチャネル２内の気体または液体のフロー方向は矢印８で示されている。１つの上流配置された熱センサ５が、中流配置された発熱体４の上流に配置されている。
【００４０】
図１ｂは、複数の下流配置された熱センサ６と、複数の上流配置された熱センサ５を有する本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリの概略図である。温度差の測定に用いる熱センサの可能なペアの数とともに、熱センサのペア（１のペアは１の上流配置されたセンサ５と、１の下流配置されたセンサ６となる）のうち可能なペアの数がこれにより増大する。
【００４１】
本発明の一実施例では、上流配置された熱センサ５と下流配置された熱センサ６間の温度差は、ペアとなる熱センサ５、６間の電圧測定値から計算される。本実施例では、上流配置された熱センサ５と下流配置された熱センサ６の数は等しい必要がある。図１ａのレイアウトでは、これは、上流配置されたセンサ５は同じ場所の複数の熱センサで構成されることを意味する。
【００４２】
図１ｃは、示差熱式質量流量計アセンブリ１の要素４、５、６を覆うコーティング７を有する示差熱式質量流量計アセンブリ１の概略図である。
【００４３】
図１ｄは、示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、複数の熱センサがフロー方向において等距離に配置されていない。流れる気体または液体を通して伝達される発熱体４からの熱は発熱体４からの距離に指数関数的に減衰するため、図１ｃのようにフローチャネルに沿った熱センサの配置が等距離であると、発熱体４からの温度の過渡現象の観点から、発熱体に近い熱センサのペアを選択する選択肢が狭まる。図１ｄのように発熱体４に近い熱センサを密に配置すると、発熱体からの温度の過渡現象の観点では、熱センサのより均等な分配となる。
【００４４】
図２は、提示する示差熱式質量流量計を用いてどのように乱流を評価するかを示すフローチャートである。この方法は、図１ａ−図１ｄのいずれかの示差熱式質量流量計アセンブリを用いる。この質量流量計１の利用方法は、上流配置された熱センサ５を用いて気体または液体の温度の基準温度を測定することから始まる。気体または液体のフローはその後発熱体４の側を流れて、熱を吸収する。発熱体４から液体または液体への熱伝達は比較的遅いプロセスであり、このため気体または液体の流速に依存し、これは質量流量に比例する。流れる気体または液体の温度がその後下流配置された熱センサ６で測定され、ここで気体または液体の温度が上昇、すなわち下流配置されたセンサ５と上流配置されたセンサの間の差が計算される。これは、１の上流センサ５と組み合わせてそれぞれの下流配置されたセンサ６で行われる。各センサのペアは質量流量について予め較正されており、したがって各センサのペアについて測定された温度差の関数としての質量流量の関係が既知である。これにより各センサのペアについて質量流量が測定される。較正が正確でありフローが薄層である限り、すべてのセンサで同じ質量流量が示されるべきである。ずれはフローの変動として記録され、気体または液体フローの脈動を示す出力信号として他の機器に送られる。
【００４５】
十分に高いサンプルレートで温度差をサンプリングすると、脈動を判定することができる。周期的な脈動パターンで、これは特徴付けられ補償することができる。このように、脈動流を測定することが可能となる。
【００４６】
図３は、本発明のさらなる態様にかかる、提示した示差熱式質量流量計アセンブリを用いてどのようにして系統的なエラーを検出し修正するかを示すフローチャートである。この方法は、図１ａ−図１ｄのいずれかにかかる示差熱式質量流量計アセンブリを用いる。この質量流量計１の利用方法は、上流配置された熱センサ５を用いて気体または液体の温度の基準温度を測定することから始まる。気体または液体のフローはその後発熱体４の側を流れて、熱を吸収する。液体または液体への熱伝達は比較的遅いプロセスであり、このため気体または液体の流速に依存し、これは質量流量に比例する。流れる気体または液体の温度がその後下流配置された熱センサ６で測定され、ここで気体または液体の温度が上昇、すなわち下流配置されたセンサ５と上流配置されたセンサの間の差が計算される。これは、１の上流センサ５と組み合わせてそれぞれの下流配置されたセンサ６で行われる。質量流量の測定結果の各々がメモリに保存され、方法は最初からまた開始され各センサのペアについて質量流量の測定結果を生成する。これが所定の回数（ｘ）繰り返され、値は別個にメモリ内に保存される。１のセンサのペアが質量流量の平均値からずれた結果を系統的に生成する場合、おぞらくは質量流量計の構成要素にダメージあるいは粒子の堆積によるものとして、示差熱式質量流量計アセンブリの系統的なエラーを示す出力信号が生成される。この示差熱式質量流量計はまた、任意で、熱センサのペアの較正関数をオフセットすることで前記系統的なエラーを補償することができ、これにより当該センサのペアがすべての熱センサのペアから生じる平均値と同じ質量流量を再び測定することとなる。
【００４７】
図４は、提示した示差熱式質量流量計アセンブリを用いて、最適な質量流量の測定のための最適な熱センサのペアをどのようにして選択するかを示すフローチャートである。この方法は、図１ａ−図１ｄのいずれかにかかる示差熱式質量流量計アセンブリを用いる。この質量流量計１の利用方法は、上流配置された熱センサ５を用いて気体または液体の温度の基準温度を測定することから始まる。気体または液体のフローはその後発熱体４の側を流れて、熱を吸収する。液体または液体への熱伝達は比較的遅いプロセスであり、このため気体または液体の流速に依存し、これは質量流量に比例する。流れる気体または液体の温度がその後下流配置された熱センサ６で測定され、ここで気体または液体の温度が上昇、すなわち下流配置されたセンサ５と上流配置されたセンサの間の差が計算される。これは、１の上流センサ５組み合わせてそれぞれの下流配置されたセンサで行われる。質量流量の平均値から、最適な熱センサのペアを特定することができる。質量流量計アセンブリは次に、測定の精度を上げるべく、最適な場所の熱センサのペアのみが質量流量の測定に用いられるようモードを適合させる。選択的に、質量流量の平均値を計算する際に、測定された質量流量の最適位置からどれだけ近いかによって異なる熱センサのペアからの値が重み付けられ、ここでより近い場所のセンサのペアは最適な場所からより遠くに位置するセンサのペアより高く重み付けられる。測定結果の制度を上げるために、多数の連続的な測定の浮動平均（floating average）を用いてもよい。質量流量の測定結果はこの質量流量計から質量流量を示す出力信号を介して提供される。
【００４８】
図５は、本発明にかかる示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、３つの示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３が設けられている。各示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３は、ユニットの発熱体４、４’、４’’の上流に少なくとも１の熱センサ５、５’、５’’と、ユニットの発熱体４、４’、４’’の下流に少なくとも１の熱センサ６、６’、６’’とを具える。
【００４９】
図６ａは、図５の示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、フロー方向に沿って気体の速度が減少するようにフローチャネルが発散している。各示差熱式質量流量計ユニットの熱センサ間の温度差（ΔＴ）が、フロー方向における距離ｄの関数として図示されている。フローチャネルの断面が図６では拡がっているため、断面積の増大に比例してフローチャネル２の気体または液体の速度は減少する。
【００５０】
図６ｂは、図６ａの示差熱式質量流量計アセンブリの概略図であり、当該示差熱式質量流量計アセンブリに汚れの層８が生じている。各示差熱式質量流量計ユニットの熱センサ間の温度差ΔＴが、フロー方向における距離の関数として図示されている。
【００５１】
図５に示すように、いくつかの示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３をフローチャネル２内に連続的に配置すると、信頼性および冗長性が向上するという特定の利点がある。示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３の磨耗や汚れは、しかしながら、みごとに均一となることが予想され、すべてのセンサで同じ測定エラーとなる。
【００５２】
図６ａ、図６ｂのように、示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３をフローチャネル２内の断面積が異なる領域に配置すると、同じフローが個々の示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３上で異なる速度となる。各示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３には、熱センサでの測定温度とフローの値の差の解釈に独自の変換アルゴリズムを要する。
【００５３】
磨耗および汚れが均一と仮定すると、気体または液体を介して伝達される熱と、フローチャネルの壁により伝達される熱の関係が汚れにより変化するため、各示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３のリードアウトに異なって作用する。示差熱式質量流量計ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３間のずれを検査するアルゴリズムにより、磨耗や汚れは影響を評価できる。
【００５４】
図６ａ、６ｂに図示したのと同じ不調の検出を、減少する断面を有するフローチャネル２で達成することができる。グラフの曲線は当然に反転する。図５−６ｂの示差熱式質量量流量計アセンブリのいずれかに適用可能な本発明のさらなる実施例は、個々の発熱体４、４’、４’’に適用する電力を可変にし制御することである。発熱体４、４’、４’’の電力を偏向すると、その熱が変わる。温度センサ６、６’、６’’で検知される温度差は、発熱体から放散された熱に関連する。示差熱式質量流量計ユニットが１つのみであれば、この温度差の変化はフローが変わったものとして解釈もできる。発熱体４、４’、４’’が一定の電力に維持される追加の示差熱式質量流量計ユニットを設けると、実際のフローが検知され、一方で発熱体の電力を変更する温度差のインパクトを遮断して評価することができる。
【００５５】
この示差熱式質量流量計ユニットのアレイにおける発熱体４、４’、４’’のさらなる可能な制御は、発熱体４、４’、４’’の１つをアクティブにし、発熱体４、４’、４’’の他を非アクティブにして、示差熱式質量流量計ユニット内の温度センサ６、６’、６’’の発熱体が非アクティブなもののみを用いることである。
【００５６】
さらなる可能性は、示差熱式質量流量計ユニットの１またはいくつかで安定したフローが維持されていることを検証し、他のフローセンサの発熱体をパルスでアクティベートすることである。図７を参照すると、Ｔ１は早いフローにおける測定温度差であり、Ｔ２は遅いフローにおける測定温度差である。Ｐは加熱の電力である。隣接する温度センサで測定された温度のステップ応答は、フローがどのように温度に影響するかを評価している。これもフローセンサの汚れや磨耗の指標を与えることができる。
【００５７】
フローレートによって、早いフローでは温度差の立ち上がり角度は平らになり、一方で下降角度は急峻となる。汚れや磨耗により、フローが安定しているとすればこの性質が変化する。
【００５８】
本発明の他の変形例が企図され、いくつかの場合、本発明のいくつかの特徴が他の特徴の関連する利用を伴うことなく用いられることが理解される。したがって、添付のクレームは、本発明の範囲に矛盾しない方法で広範に解釈されることが適切である。
【図１ａ】
0006401717.tif 000002
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
0006401717.tif 000004
【図１ｄ】
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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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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