JP2019178899A - 熱式流量計および流量補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配管を流通する流体の種類が変わった場合でも精度良く流量測定する。【解決手段】熱式流量計は、配管１に配設され、流体の第１の温度を検出する測温素子２ａと、測温素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設され、流体の第２の温度を検出する発熱・測温素子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発熱・測温素子２ｂを発熱させる制御部１０と、発熱・測温素子２ｂの消費電力を測定する電力測定部６と、消費電力を流量変換式または流量変換テーブルを用いて流量の値に変換する流量導出部７と、流体の流れが停止しているときの消費電力の値毎に流量変換式または流量変換テーブルを記憶する記憶部９と、流体の流れが停止しているときの消費電力に対応する流量変換式または流量変換テーブルを記憶部９から読み出して流量導出部７に設定する設定部８とを備える。【選択図】 図１

Description

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点間の温度差が所定の値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。

熱式流量計は、ヒータ温度を水温に対し、プラス１０℃など一定温度に加温駆動で動作させ、上下流の温度差又はヒータの電力から、流量を算出する方式が一般的である。センサ出力は、流体の熱伝導率、比熱、密度、粘度等の物性値により変化することが知られている（特許文献１参照）。

図９は、ヒータの消費電力から流体の流量を測定する熱式流量計の原理を説明する図である。図９に示す熱式流量計の方式では、測定対象の流体を流通させる配管１００に水温センサ１０１とヒータ１０２とを配設し、ヒータ１０２の温度ＴＲｈと水温センサ１０１の温度ＴＲｒとの差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定になるようにヒータ１０２を発熱させる。このとき、流体の流量Ｑはヒータ１０２の消費電力Ｐと再現性のある相関があるため、消費電力Ｐから流量Ｑを算出することができる。
ヒータ消費電力Ｐ（ｍＷ）は、簡易的には以下の式で表されることが知られている。

式（１）において、Ａ，Ｂは配管の形状、流体の熱伝導率、流体の密度、流体の粘度、流体の比熱等から決まる定数、μ（ｍＬ／ｍｉｎ）は流量、ΔＴ（℃）はヒータ１０２の加熱温度である。ヒータ消費電力Ｐと流量Ｑとの関係の１例を図１０に示す。
式（１）における定数Ａ，Ｂは流体の熱伝導率等により変化するため、図１１に示すように流体の種類によってヒータ消費電力Ｐと流体の流量Ｑとの関係が変化する。図１１の例では、流体の種類を、水、過酸化水素(１０％）、硫酸（１０％）、過酸化水素(３０％）、硫酸（３０％）、アンモニア(１００％）、硫酸（６０％）、過酸化水素(５０％）、硫酸（９８％）、イソプロピルアルコールとした。このように、流体の種類によってヒータ消費電力Ｐと流体の流量Ｑとの関係が変化するため、流量計使用者は、事前に測定する流体の種類を流量計に設定する必要があった。

しかしながら、設定後に流体の種類が変化してしまったり、流体の種類が不明であったりする場合、ヒータ消費電力Ｐを流量Ｑに精度良く変換することができなくなり、流量測定に誤差が生じるという問題点があった。

図１２は、測定する流体の種類を水（Ｈ₂Ｏ）とする設定後に各種の流体を配管に流通させた場合の熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。図１２によれば、設定後に流体の種類が変化すると、熱式流量計の流量出力に誤差が生じることが分かる。

特開平１１−１３２８１２号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、配管を流通する流体の種類が変わった場合でも精度良く流量測定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。

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、前記流体の第１の温度を検出するように構成された測温素子と、前記測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出するように構成された発熱・測温素子と、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力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させるように構成された制御部と、前記発熱・測温素子の消費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消費電力を、予め設定された流量変換式または流量変換テーブルを用いて前記流体の流量の値に変換するように構成された流量導出部と、前記配管内の流体の流れが停止しているときの前記消費電力の値毎に、前記流量変換式または前記流量変換テーブルを記憶するように構成された記憶部と、前記配管内の流体の流れが停止しているときに前記電力測定部によって測定された消費電力に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出して、前記流量導出部に設定するように構成された設定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、前記設定部は、前記流体の流れが停止していることを示す停水状態信号が入力されたときに、前記電力測定部によって測定された消費電力の値を取得し、この値に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出すことを特徴とするものである。

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の温度を検出する測温素子と、前記測温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の温度を検出する発熱・測温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力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させる第１のステップと、前記発熱・測温素子の消費電力を測定する第２のステップと、前記電力測定部によって測定された消費電力を、予め設定された流量変換式または流量変換テーブルを用いて前記流体の流量の値に変換する第３のステップと、前記配管内の流体の流れが停止しているときに、前記流量変換式または前記流量変換テーブルを予め記憶している記憶部を参照し、前記流体の流れが停止しているときに測定された前記消費電力に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出して、前記第３のステップで用いる流量変換式または流量変換テーブルとして設定する第４のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、記憶部と設定部とを設けることにより、流体の種類に応じた流量変換式または流量変換テーブルを設定することができるので、配管を流通する流体の種類が変わった場合でも、精度良く流量測定することができる。また、本発明では、設定部が流量変換式または流量変換テーブルを自動選択するので、熱式流量計の使用者は、流体の種類を変えた場合あるいは流体の種類が変わったと思われる場合に、流体の流れを停止させるだけで容易に熱式流量計の設定変更を行うことができる。

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。 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制御演算部の動作を説明するフローチャートである。 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流量導出部の動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施例に係る熱式流量計の設定部の動作を説明するフローチャートである。 図５は、各種の流体を配管に流通させた場合のヒータ消費電力−流量特性のゼロ点付近を拡大した図である。 図６は、測定する流体が水の場合の流量変換式または流量変換テーブルを設定した後に各種の流体を配管に流通させた場合の熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。 図７は、本発明の実施例に係る熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。 図８は、本発明の実施例に係る熱式流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図９は、熱式流量計の原理を説明する図である。 図１０は、熱式流量計におけるヒータ消費電力と流体の流量との関係の１例を示す図である。 図１１は、各種の流体を配管に流通させた場合のヒータ消費電力と流体の流量との関係を示す図である。 図１２は、流体の種類を水とする設定後に各種の流体を配管に流通させた場合の熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。

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等の測温素子２ａと、測温素子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等の発熱・測温素子２ｂと、測温素子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、発熱・測温素子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、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定値になるように操作量を算出する制御演算部４と、操作量に応じた電力を発熱・測温素子２ｂに供給して発熱させる電力調整器５と、発熱・測温素子２ｂの消費電力を測定する電力測定部６と、電力測定部６によって測定された消費電力を流量の値に変換する流量導出部７と、配管１内の流体の流れが停止しているときの発熱・測温素子２ｂの消費電力に基づいて流量変換式または流量変換テーブルを選択して流量導出部７に設定する設定部８と、配管１内の流体の流れが停止しているときの消費電力の値毎に、流量変換式または流量変換テーブルを予め記憶する記憶部９とを備えている。制御演算部４と電力調整器５とは、制御部１０を構成している。

測温素子２ａおよび発熱・測温素子２ｂは、それぞれシリコンウエハ上に形成されている。測温素子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、測温素子２ａが配管１に固定されるようになっている。発熱・測温素子２ｂの固定方法も測温素子２ａの固定方法と同じである。

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と制御演算部４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、それぞれ測温素子２ａ、発熱・測温素子２ｂの抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、流体の温度ＴＲｒ，ＴＲｈを取得する。

制御演算部４は、流体の下流側の温度ＴＲｈから上流側の温度ＴＲｒを減算した温度差（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Ｓ１０１）。操作量を算出する制御演算アルゴリズムとしては、例えばＰＩＤがある。
電力調整器５は、制御演算部４によって算出された操作量に応じた電力を発熱・測温素子２ｂに供給して発熱させる（図２ステップＳ１０２）。

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Ｓ１０３においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理が制御周期毎に実行され、流体の下流側の温度ＴＲｈが上流側の温度ＴＲｒよりも所定の値だけ高くなるように制御される。

図３は、電力測定部６と流量導出部７の動作を説明するフローチャートである。電力測定部６は、発熱・測温素子２ｂの消費電力Ｐを測定する（図３ステップＳ２００）。電力測定部６は、例えば電力調整器５から発熱・測温素子２ｂに印加される電圧Ｖと発熱・測温素子２ｂの抵抗値Ｒｈとに基づいて次式により発熱・測温素子２ｂの消費電力Ｐを算出する。
Ｑ＝Ｖ²／Ｒｈ ・・・（２）

こうして、流体の下流側の温度ＴＲｈを上流側の温度ＴＲｒより所定の値だけ高くするために必要な消費電力Ｐを求めることができる。

次に、流量導出部７は、電力測定部６によって測定された消費電力Ｐを、予め設定された流量変換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Ｑを導出する（図３ステップＳ２０１）。なお、消費電力Ｐを流量Ｑに変換するための流量変換式の代わりに、消費電力Ｐに対応する流量Ｑの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部７は、消費電力Ｐに対応する流量Ｑの値を流量変換テーブルから取得すればよい。
電力測定部６と流量導出部７とは、熱式流量計の動作が終了するまで（図３ステップＳ２０２においてＹＥＳ）、ステップＳ２００，Ｓ２０１の処理を一定時間毎に実行する。

図４は、設定部８の動作を説明するフローチャートである。設定部８は、配管１内の流体の流れが停止しているときの発熱・測温素子２ｂの消費電力に基づいて流量変換式または流量変換テーブルを選択して流量導出部７に設定する。
図１１で説明したとおり、配管１内の流体の種類によって消費電力−流量特性が変化するが、この特性の違いは配管１内の流体の流れが停止している場合にも現れる。

図５は、図１１のゼロ点付近を拡大した図である。図５から明らかなように、配管１内の流体の流れが停止している（流量０）場合であっても、流体の種類によって消費電力Ｐに違いが生じるので、流体の種類の違いを判別できることが分かる。

熱式流量計の使用者は、流体の種類を変えた場合、あるいは流体の種類が変わったと思われる場合、熱式流量計の配管１の上下流のバルブ（不図示）を閉にすることで、流体の流れを停止させる。そして、使用者は、熱式流量計に対して、流体の流れが停止していることを示す停水状態信号を入力する。

記憶部９には、配管１内の流体の流れが停止しているときの消費電力Ｐの値毎（すなわち、流体の種類毎）に、流量変換式または流量変換テーブルが予め登録されている。流量変換式または流量変換テーブルは、例えば本実施例と同型の校正済みの熱式流量計に、予め想定される種類の流体を流す試験によって求めることができる。なお、流体の種類が同一であっても、流体の流れが停止しているときの消費電力Ｐの値にはバラツキが生じることがあるので、流体の流れが停止しているときの消費電力Ｐの複数点に対して、１つの流量変換式または１つ流量変換テーブルが登録されている場合があることは言うまでもない。

設定部８は、外部から停水状態信号が入力された場合（図４ステップＳ３００においてＹＥＳ）、電力測定部６によって測定された消費電力Ｐの値を取得し（図４ステップＳ３０１）、この消費電力Ｐの値に対応する流量変換式または流量変換テーブルを記憶部９から読み出して流量導出部７に設定する（図４ステップＳ３０２）。
こうして、流体の種類に応じた流量変換式または流量変換テーブルを設定することができる。使用者は、設定完了後、配管１の上下流のバルブを開いて流体の流通を再開させるようにすればよい。

図６は、測定する流体が水（Ｈ₂Ｏ）の場合の流量変換式または流量変換テーブルを設定した後に各種の流体を配管１に流通させた場合の熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。
一方、図７は、配管１内の流体の種類が変わる度に本実施例の方法で流量変換式または流量変換テーブルを設定変更した場合の熱式流量計の流量出力と真の流量との関係を示す図である。図６、図７の例では、流体の種類を、水、過酸化水素(１０％）、アンモニア、硫酸（６０％）、過酸化水素(５０％）、硫酸（９８％）、イソプロピルアルコール、フロリナート（登録商標）とした。

図６の場合と比較して、本実施例によれば、熱式流量計の流量出力の誤差が大幅に小さくなっていることが分かる。
以上のように、本実施例によれば、流体の種類に応じた流量変換式または流量変換テーブルを設定することができるので、配管１を流通する流体の種類が変わった場合でも、精度良く流量測定することができる。また、本実施例では、設定部８が流量変換式または流量変換テーブルを自動選択するので、熱式流量計の使用者は、流体の種類を変えた場合あるいは流体の種類が変わったと思われる場合に、流体の流れを停止させるだけで容易に熱式流量計の設定変更を行うことができる。

本実施例の熱式流量計のうち少なくとも制御演算部４と流量導出部７と設定部８と記憶部９とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及び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。このコンピュータの構成例を図８に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、温度取得部３ａ，３ｂと電力調整器５とが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量補正方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１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する。

本発明は、熱式流量計に適用することができる。

１…配管、２ａ…測温素子、２ｂ…発熱・測温素子、３ａ，３ｂ…温度取得部、４…制御演算部、５…電力調整器、６…電力測定部、７…流量導出部、８…設定部、９…記憶部、１０…制御部。

Claims (4)

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、前記流体の第１の温度を検出するように構成された測温素子と、
   前記測温素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記流体の第２の温度を検出するように構成された発熱・測温素子と、
   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力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させるように構成された制御部と、
   前記発熱・測温素子の消費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消費電力を、予め設定された流量変換式または流量変換テーブルを用いて前記流体の流量の値に変換するように構成された流量導出部と、
   前記配管内の流体の流れが停止しているときの前記消費電力の値毎に、前記流量変換式または前記流量変換テーブルを記憶するように構成された記憶部と、
   前記配管内の流体の流れが停止しているときに前記電力測定部によって測定された消費電力に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出して、前記流量導出部に設定するように構成された設定部とを備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１記載の熱式流量計において、
   前記設定部は、前記流体の流れが停止していることを示す停水状態信号が入力されたときに、前記電力測定部によって測定された消費電力の値を取得し、この値に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出すことを特徴とする熱式流量計。
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の温度を検出する測温素子と、前記測温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の温度を検出する発熱・測温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力を供給して前記発熱・測温素子を発熱させる第１のステップと、
   前記発熱・測温素子の消費電力を測定する第２のステップと、
   前記電力測定部によって測定された消費電力を、予め設定された流量変換式または流量変換テーブルを用いて前記流体の流量の値に変換する第３のステップと、
   前記配管内の流体の流れが停止しているときに、前記流量変換式または前記流量変換テーブルを予め記憶している記憶部を参照し、前記流体の流れが停止しているときに測定された前記消費電力に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出して、前記第３のステップで用いる流量変換式または流量変換テーブルとして設定する第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。
4. 請求項３記載の熱式流量計の流量補正方法において、
   前記第４のステップは、前記流体の流れが停止していることを示す停水状態信号が入力されたときに、前記消費電力の値を取得し、この値に対応する流量変換式または流量変換テーブルを前記記憶部から読み出すステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。

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