JP2559848B2 - 流体の流れを測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定すべき流体を導くことができる管、こ
の管の選択した位置における温度を変える装置、この選
択位置の上流および下流の流れの流の所定箇所における
温度を測定する検出器、この温度の測定値から媒体の流
量を決定する装置、または温度の測定値を別個の決定装
置へ供給する装置を含む、流体の流れを測定する装置に
関する。

〔従来の技術〕

上記型式の流量計は、特に気体の流量を測定するよう
構成されたものとして米国特許第3,650,151号の開示さ
れている。この公知の流量計の作動は、流れがないと
き、選択位置における温度の変動がこの選択位置に関し
て対称に位置する２つの部分において一定で等しいが、
管方向に逆の温度勾配を原理的に生じさせる事実、およ
び管のそのような温度プロフィールが気体の通過流量の
影響を受けてシフトするという現象に基づいている。そ
して、このシフトの程度は流量を示すことになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の流量計は、液体の流量を測定するには適してい
ない。すなわち、気体または蒸気の熱容量に比較して液
体の熱容量が大きいことを考慮すると、公知の流量計
は、流量が大きすぎない場合のみ機能することができ、
またその場合でさえ不十分にしか機能しない。流量は、
流量を測定すべき大きな主導管に体して断面積の小さい
バイパスに適用できるように流量計を構成した場合に、
時として制限されることがある。このようなバイパスを
流れる流量は、計算可能な程度には主導管におけるそれ
よりは少ない。しかしながら、問題は、液体中の空気ま
たは蒸気の泡の存在、およびバイパスおよび主導管など
における粘度の相違により測定ミスがしばしば起こるこ
とである。

また、いずれにしても、液体または蒸気の流量が最
小、例えば１時間当たり数立方センチの程度の流量のと
きに、従来の流量計は適正に機能することができない。

本発明の目的は、上記の問題を生じることなく、液体
および気体の双方の流量を測定するのに適当な流量計を
提供することである。

〔課題を解決するための手段、作用及び効果〕

上記目的は、上記形式の流体の流れを測定する装置に
おいて、管がこの管に対して概ね直交した方向に該管の
一部分から他の部分または該管から離れた熱導体へと熱
を伝達する材料層に固定されているか、またはこの材料
層に埋め込まれている構成にすることにより達成され
る。

本発明の以下の説明において、便宜上、管の選択した
位置において管を適当な手段により加熱する結果、その
選択位置の温度が上昇するものとする。しかしながら、
本発明は、その選択位置において冷却される管を有する
装置にも適用可能である。本発明の本質的な特徴は、管
の始端および終端と上記選択位置との間に温度差がある
ということである。

従来の装置と異なり、本発明による装置は、上記の温
度の変動が生じる箇所に対して対称に位置する部分にお
いて、管に対して直交しかつ管の中の媒体の流量に比例
する、等しくかつ逆方向の熱の流れ生じさせる手段を備
えている。

本発明による装置において、管が中または上に据え付
けられる熱伝達の材料層は、熱が選択位置の下流の管部
分から上流の管部分へ伝達されるのを確実にする。しか
して、静止した流体では、温度プロフィールが生成さ
れ、理想的な場合、この温度プロプィールは管の始端か
ら最も熱い箇所（選択位置）まで概ね直線状に延び、そ
して再び同様の直線状の管の終端まで減少する。流体が
管を通って流れるとき、その温度プロフィールは理想的
な場合の直線に対して僅かにシフトするが、熱伝達の材
料層を通って管に対して概ね直交する熱の流れがあるが
故に、温度プロフィールは概ね直線状である。シフトの
程度は流量を示す。

本発明による装置の好適実施例において、管はＵ字形
の形状を有し、熱伝達の材料層はＵ字形の管の脚部の間
に設けられ、Ｕ字形の管の曲げられた基部が上記温度を
変える位置選択として選択されている。

流体が管を通って流れるとき、常に温度差が生じるか
ら、状況は理想的な場合と同じでない。これは、まず、
基本的に直線状の温度プロフィールの端部に表われる。
管自体における流れのため、これらの端部において吸収
されて熱はもはや放出される熱と完全には等しくない。
したがって、温度プロフィールの線形性は端部において
影響を受ける。この問題は、本発明による装置の好適実
施例において回避される。この好適実施例は、高い熱伝
導率を有する導体材料が管に対して、または管の大部分
に対して離隔し平行な関係に配設されかつ上記材料層に
結合されていることを特徴とする。

このような熱伝達性の導体材料、すなわち線状案内体
の作用は容易に理解されよう。管が加熱される箇所から
その線状案内体を介して管の端部まで連続した熱の流れ
がある。この熱の流れは、熱伝達の材料層および管自体
を通る管に平行な熱の流れよりもずっと大きい。吸収さ
れる熱は長さdx（x:管に平行な方向、y:管に直交する方
向）において放出される熱に等しくないとき、このこと
は、線状案内体によりｘ方向の熱の移動が生じることを
意味する。線状案内体の良好の熱の伝導により、熱伝達
の材料層の中心における温度プロフィールは、流体が流
れる場合、極めてわずかに変形するだけである。ｙ方向
の熱伝導は線状案内体の付加によって変化せず、線状案
内体は測定される温度差に影響しない。

本発明による装置において、熱伝達の材料層は金属箔
の形態を有するのが好ましい。

本装置の一実施例は、例えばＵ字形に曲げられた金属
（例えばステンレス鋼）の管を有し、このＵ字形の管の
脚部の金属箔（例えば銅箔）が延在し、かつ管の脚部は
その金属箔に（例えば半田付けにより）固定されてお
り、Ｕ字形の管の脚部間の中央位置に、良好な熱伝導体
の金属ワイヤまたは金属ストリップ（例えば鋼ワイヤま
たは銅ストリップ）が当該脚部に平行に伸びるように上
記金属箔に固定されている。さらにＵ字形に曲げられた
管を実施例においては、Ｕ字形の管の曲げられた基部が
金属（例えば銅）のブロックに固定されてもよく、この
場合、トランジスタが加熱要素としてブロックに設けら
れているのが好ましい。

〔実施例〕

次に、本発明のいくつかの実施例を添付地面を参照し
て説明する。

第１図に概略的に示す装置は、例えば液体または気体
のような流体の輸送管の一部を構成し、Ｕ字形に曲げら
れた管１を含む。Ｕ字形の管１の端部2,3はブロック４
に嵌め込まれ、管１を組み込んだ搬送導管装置に接続さ
れている。作動時は、ブロック４は隣接の装置の温度To
を有すると仮定される。

Ｕ字形に曲げられた管１は、Ｕ字形の曲げられた基部
がブロック５に据え付けられ、このブロック５にはブロ
ック５と、Ｕ字形の管１の基部の温度をT1まで上昇させ
る適当な手段６とを備えている。

Ｕ字形の基部の両側で、管１から対称に離れた２つの
位置で、温度検出器7,8が管１に装着され、これにより
これらの位置における管１の温度が測定され、適当な導
線により、図示しない処理装置へ伝達される。

管１はブロック4,5の間の空間の全長に沿って金属箔
９に取り付けられている。

第４図は本発明による装置の別な実施例を示し、この
実施例が第１図の実施例と異なるのは、Ｕ字形の管１の
脚部の間の中央で、かつその脚部に平行に、金属ワイヤ
または金属ストリップ10が金属箔９に取り付けられてい
る点である。この金属ワイヤ10は、上述した線状案内体
の機能を有している。

第5a図と第5b図は第４図に示す装置のＶ−Ｖ線断面で
の２つの形態を示す。第5a図に示す形態においては、管
１は金属箔９に固定され、金属ストリップ10は管１の２
つの脚部の中央に延びている。第5b図に示す形態におい
ては、金属箔９は弓形に曲げられ、金属ワイヤまたは金
属ストリップ10は弓形の頂部に固定されている。金属ス
トリップ10からＵ字形の管１の両側の脚部までの距離は
等しい。

第１図または第４図に示す好適実施例は、例えばブロ
ック４からＵ字形の基部までの流さが約6cmのステンレ
ス鋼の管で構成されている。この管の径は約1mmであ
り、肉厚は0.1mmである。金属箔として、例えば0.1mmの
銅箔を用いることができ、第４図に示す線状案内体を用
いるとき、約3mmの銅ワイヤが適当である。ブロック５
は銅のブロックが適当であり、金属箔への管および線状
案内体の取り付けおよびブロックへの管の取り付けは、
半田付けにり行われる。

検出器7,8の好適例は、プラチナをサファイア上に置
いたプラチナ要素である。熱カラムまたは半導体装置も
検出器として用いることができる。ブロック４と５の間
の温度差は、適当な手段６でブロック５を加熱すること
により生じさせることができるが、その手段６の好適例
は例えば抵抗素子またはパワートランジスタである。ブ
ロック５は、例えばペルチエ素子により冷却することも
できる。手段６の作動を制御する、図示しない温度検出
器をブロック４と５に設けてもよい。

第２図は管１を通る流れのない場合の、第１図と第４
図に示す装置の温度プロフィールを示す。この温度プロ
フィールは値To（ブロック４の温度）から値T1（ブロッ
ク５の温度）まで延びる直線で与えられる。xmの位置に
は検出器7,8が設けられている。

第３図は管１を通る媒体の流れのあるときの温度プロ
フィールを示す。間隔の開いた２つの線は、Ｕ字形の管
１の流れの入る方の脚部（線11）および流れの出る方の
脚部（線12）での管長方向の温度変化を示す。金属箔９
の作用により、線11と12はその流さの大部分に沿って概
ね直線状である。この線径性は、線状案内体10を用いる
ことにより増す。検出器7,8により測定されるxmにおけ
る温度は、管１を通る流体の流量に比例する温度差△Ty
を示す。

第６図は本発明による装置の別な実施例を示し、この
装置は図示しない搬送導管装置16に組み込まれた直線状
の管13を備えている。搬送導管装置16に対する接続部1
4,15の間の管13の部分は搬送導管装置16から離れてい
る。接続部14,15において、管13は、周囲の搬送導管装
置16の温度Toを有する。接続部14,15の間の中央におい
て、管13は、第１図と第４図に示す装置のブロック５に
匹敵するブロック17に取り付けられている。ブロック17
と管13に温度T1を与える、図示しない適当な加熱または
冷却手段がブロック17に設けられている。

管13は、接続部14,15までブロック17の両側に延びて
いる金属箔18に取り付けられている。線状案内体19か、
管13から平行に離隔して金属箔18に取り付けられてい
る。温度検出器20,21が、ブロック17の両側の対称な位
置で管１に取り付けられている。

この実施例において、ブロック17の上流と下流の管13
の２つの部分での管長方向の温度変化は、金属箔18と線
状案内体19の作用により概ね線形であり、また流体が通
過する際でも概ね線形のままである。しかしながら、流
体が通過する際のブロック17の上流と下流の温度変化を
示す線は相互にシフトしている。このシフトの程度は流
量を示す。

本発明による装置の上記実施例は、特に液体用の流量
計として使用するのに適している。特に気体に用いる時
は、熱的遅れの現象が生じることがある。流量が大きい
とき、流体の熱伝導は有限であるから、明らかな熱的遅
れが生じる。管の中心から管壁まで、またの逆の方向に
熱を伝達するには時間がかかる。この熱的遅れの問題を
解決するため、本発明による装置の管は螺旋状構造とす
ることができる。かかる実施例は第７図と第８図に示さ
れる。

図示の実施例は、Ｕ字形の形状を有すコイル状の管22
を含み、このＵ字形のコイル状の管22はＵ字形の曲げら
れた基部をブロック５上に、Ｕ字形の脚部をブロック４
の頂部に取り付けている。Ｕ字形の管22の脚部は導管2
5,26に接続され、管22は導管25,26と共に搬送導管装置
に組み込まれている。例えば、パワートランジスタのよ
うな加熱素子６がブロック５に取り付けられている。

コイル状の管22の脚部は、波形の金属箔24に固定され
ている。線状案内体23がＵ字形の管22の脚部の間の中央
で金属箔24に取り付けられ、かつ脚部に対し平行な関係
で螺旋状にされている。したがって、管22と線状案内体
23の間の距離はあらゆる箇所で同一である。

この実施例の作動は、第２図と第３図により説明した
第４図に示す実施例のものと同じである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の実施例の概略上面図、第２
図は流れのないときの理想的な場合の温度プロフィール
を示す図、第３図は流れのあるときの概ね理想的な場合
の温度プロフィールを示す図、第４図は本発明による装
置の別な実施例の第１図と同様な図、第5a図と第5b図は
第４図のＶ−Ｖ線断面の２つの形態を示す図、第６図は
更に別な実施例を示す概略図、および第７図と第８図は
更に別な実施例の概略上面図および側立面図である。 符号の説明、 １……Ｕ字形の管 2,3……Ｕ字形の管の端部 4,5,17……ブロック ６……パワートランジスタ 7,8,20,21……温度検出器 9,18,24……金属箔 10……金属ストリップ 13……直線状の管 14,15……接続部 19,23……線状案内体 22……コイル状の管 25,26……導管

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定すべき流体を導くことができる管、こ
   の管の選択した位置における温度を変える装置、前記選
   択位置の上流および下流の流れの中の所定箇所における
   温度を測定する検出器、およびその温度の測定値から流
   体の流量を決定する装置を備えた流体の流れを測定する
   装置において、 前記管がこの管に対して概ね直交した方向に該管の一部
   分から他の部分または該管から離れた熱導体へと熱を伝
   達する材料層に固定されているか、またはこの材料層に
   埋め込まれていることを特徴とする流体の流れを測定す
   る装置。
2. 【請求項２】前記管がＵ字形の形状を有し、前記熱を伝
   達する材料層が前記Ｕ字形の管の脚部の間に設けられ、
   前記Ｕ字形の管の曲げられた基部が前記温度を変える選
   択位置として選択されていることを特徴とする請求項１
   記載の流体の流れを計測する装置。
3. 【請求項３】高い熱伝導率を有する導体材料が前記管に
   対して、または該管の大部分に対して離隔し平行な関係
   に配設されかつ前記熱を伝達する材料層に結合されてい
   ることを特徴とする請求項１または２記載の流体の流れ
   を測定する装置。
4. 【請求項４】前記熱を伝達する材料層が金属箔の形態を
   有することを特徴とする請求項1,2または３記載の流体
   の流れを測定する装置。
5. 【請求項５】前記管がＵ字形に曲げられた金属の管であ
   り、前記Ｕ字形の管の脚部の間に金属箔が延在し、かつ
   前記Ｕ字形の管の脚部を前記金属箔に固定しており、良
   好な熱伝導体である金属のワイヤまたはストリップが前
   記Ｕ字形の管の脚部の間の中央位置で前記脚部に平行に
   配置されかつ前記金属箔に固定されていることを特徴と
   する請求項１記載の流体の流れを測定する装置。
6. 【請求項６】前記Ｕ字形の管の曲げられた基部が金属の
   ブロックに固定され、このブロックにトランジスタが加
   熱材料として設けられていることを特徴とする請求項２
   記載の流体の流れを測定する装置。