JP4502256B2 - 流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、流路中を流れる流体の流量を測定する流量センサに関する。

流体の流量を測定する流量センサとして、流体によりヒータの熱が奪われることによる電力の変化や抵抗の変化を検出して流体の流量を検出する熱式流量センサが公知である。例えば、外径が０.５ｍｍ程度のキャピラリの外周をポリイミド樹脂などで被覆絶縁し、その上に同じくポリイミド樹脂などで被覆絶縁した数１０μｍ程度の線材を上流側及び下流側にヒータ兼温度センサとして巻設している。そして、キャピラリ内部にガスが流れることによって、上流側のヒータ兼温度センサはガス流によって熱を奪われ、下流側のヒータ兼温度センサはガス流によって運ばれる熱によって温められる。この熱バランスのずれによって流量を検知することができる。また、特許文献１に記載の流量センサは、内部にガスが流れる管路の表面にヒータを設けるとともに、このヒータの上流側管路表面にサーミスタからなる上流側温度センサを貼付し、下流側管路表面にもサーミスタからなる下流側温度センサを貼付している。そして、ヒータ、上流側温度センサ、下流側温度センサは、管路の近傍に配置されたセラミックス基板に金線を介してワイヤーボンディングされている。また、セラミックス基板には複数のリード取り出し用ピンが設けられ、当該ピンを介して温度センサの出力信号を外部に取り出すようになっている。

また、特許文献２に記載の流量センサは、センサ管とこのセンサ管が挿入される発熱抵抗体を有している。そして、この発熱抵抗体は通常のセラミックパイプを基材として外周に白金が蒸着されたものをレーザー加工やトリミングにより螺旋状に削除してネジ状の白金パターンをなすことで形成されている。また、セラミックスパイプの両端には導電性リングが嵌入されている。なお、この導電性リングはリード線が接続される基部としての役目を果たしている。

また、上述の特許文献に記載された流量センサとは異なり、発熱した金属線の気流による冷却状態を赤外線カメラによって撮像することで、発熱体近傍の気流を視覚的に把握する技術も知られている（例えば、特許文献３乃至特許文献６参照）。
特許第３４２４９７４号公報（２頁、図１） 特開平４−３６６７２７号公報（２−３頁、図１） 特開平１１−２６４７６９号公報（３−４頁、図１） 特開２０００−３５４３８号公報（２−３頁、第１図） 特開平２−３１１６８号公報（２−３頁、第１図） 特開昭６３−２７７６６号公報（１−２頁、第１図）

上述したように、流路を構成する配管外壁面に巻線や薄膜抵抗体等からなる加熱部及び温度検出部を密着形成する場合があるが、一般的に困難を伴う作業であり、なかなか手作りの域を脱することができておらず量産性や製品の均一性が悪い。その上、流路を構成する配管は通常ステンレスなどの金属（導電体）であることが多く、その外壁面に巻線や金属薄膜抵抗体などからなる温度検出部を密着形成するためにはこれらの間に絶縁膜を介在させる必要がある。かかる絶縁膜は金属に比べて基本的に熱伝導率が低いものが多いため、この絶縁膜の厚さを厚くすると熱伝導が悪くなり温度検出部の感度や応答性が低下する。一方、絶縁膜の厚さを薄くすると耐電圧が低くなってしまう問題が生じる。また、絶縁膜自体の経時変化により温度検出部の内部応力が変化して誤差要因となったり、場合によっては絶縁膜自体が劣化して配管外壁面から剥がれ、正確な温度測定が不可能になる場合もある。

また、温度検出部にサーミスタなどのディスクリート型の温度センサを用いる場合、温度センサと管路外周面との間に接着剤の代りに高熱伝導性のグリスなどを介在させて管路外周面に機械的にクランプして密着させる構造も考えられるが、グリス自体が経時変化したり、クランプに際して発生する応力や配管接続部同士の締め付け接続に伴う応力、配管自体のねじれで温度センサの特性も変わってしまうおそれがあり正確な温度測定を行うことは難しい。

一方、樹脂製の配管の場合熱伝導率が悪いので、その外壁面に加熱部と温度検出部を密着形成しても精度の良い温度検出ができず、正確な流量測定ができない。

さらに、流路を構成する外径が０．５ｍｍ程度のキャピラリ配管外壁面に形成された外径が数１０μｍ程度の巻線やパターン幅が数〜数１０μｍ程度の薄膜抵抗体等からの電極取り出し作業は製造上の大きな課題であり、巻線や薄膜抵抗体等にダメージや応力を与えたり、抵抗値のバランスを崩したり、キャピラリの熱容量増加や熱バランスの崩れなどがないように細心の注意が必要となる。

また、特許文献１に記載の流量センサのように、サーミスタを管路外周面に直接貼付する構成では、サーミスタからの信号をワイヤーボンディングを介して取り出さなければならず、かかる信号取り出し構造には上述と同様な問題や製造上の困難性を有する。

一方、電極取り出し構造の簡素化を図るために特許文献２に記載のような特殊な導電性リングを用いた構造にし、白金箔からなるリード線を上記リングに抵抗溶接したとしても上述と同様な問題や製造上の困難性は残る。

なお、特許文献３乃至特許文献６に記載された流量センサは、発熱した金属線の気流による放熱状態や冷却状態を赤外線カメラによって撮像することで発熱体近傍の熱的変化を視覚的に把握するだけで、特定の管路で形成される流路内での被測定流体の流量を定量的に測定するものではない。

本発明の目的は、流路中を流れる流体の流量を非接触で正確に測定する流量センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明による流量センサは、流路を構成する配管の外壁面の一部領域を加熱するか又は配管内部の特定領域を加熱する加熱手段と、前記被加熱領域に対して配管の上流側及び下流側の領域であって前記被加熱領域からの温度影響を熱エネルギー（赤外線）として外部に放射する熱エネルギー放射領域の温度をそれぞれ測定する温度検出手段とを備え、前記流路を流れる被測定流体の流量を検出する流量センサにおいて、前記温度検出手段は前記配管の外壁面近傍において当該外壁面と非接触に配置された上流側非接触温度検出手段と下流側非接触温度検出手段からなり、各非接触温度検出手段が前記上流側熱エネルギー放射領域の温度と下流側熱エネルギー放射領域の温度を前記配管の外壁面と非接触でそれぞれ測定可能となっており、前記非接触温度検出手段で測定した上流側熱エネルギー放射領域の温度と下流側熱エネルギー放射領域の温度の温度差又は温度差に起因して発生する出力から前記流路を流れる被測定流体の流量を測定することを特徴としている。

管路内の被測定流体の温度を非接触で検出できるので、従来のように温度センサを管路外周面に直接取付けた場合に温度センサと管路外周面との間に介在した絶縁物が劣化したり、管路や絶縁物に生じる応力の影響を温度センサが受けることがなく、長期間にわたって正確な流量測定が可能となる。また、管路外周面に取付けた温度センサに対して製造上の困難性を有する電極取り出し作業を行う必要もない。

また、本発明の請求項２に記載の流量センサは、請求項１に記載の流量センサにおいて、前記非接触温度検出手段は赤外線センサからなることを特徴としている。

例えば、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子などの赤外線センサの中には小型、高性能で廉価なものがあり、流量センサの温度検出手段に用いるのに最も好ましい。

また、本発明の請求項３に記載の流量センサは、請求項１又は請求項２に記載の流量センサにおいて、前記被加熱領域からの伝熱を吸収して外部に放射する熱エネルギー放射手段が前記流路を形成する配管の壁面又は内部であって前記上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域にそれぞれ備わっていることを特徴としている。

熱エネルギー放射手段が、配管自体に加えて又は配管自体の代わりに被加熱領域から伝熱した熱エネルギーを温度検出手段に向かって効率的に放射するので、例えば管路が樹脂材でできているような場合であっても正確な流量を測定できる。

また、本発明の請求項４に記載の流量センサは、請求項３に記載の流量センサにおいて、前記熱エネルギー放射手段は、前記流路を構成する配管の壁面又は内部に配置された熱伝導率の高い材質でできたことを特徴としている。

熱伝達率が高いことで被加熱領域の熱を吸熱しやすく、応答性の良い流量測定が可能となる。

また、本発明の請求項５に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の流量センサにおいて、前記非接触温度検出手段によって温度が非接触に測定される熱エネルギー放射領域の少なくとも一部又は熱エネルギー放射手段の少なくとも一部が黒色であることを特徴としている。

黒色の部分は放射率がほぼ１であるので、熱の吸収及び放射効率を向上させ、エネルギー放射領域及び放射手段の効果的な温度測定を可能とし、精度の良い流量測定を実現する。

また、本発明の請求項６に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の流量センサにおいて、前記加熱手段と前記非接触温度検出手段との間には前記加熱手段から放射される熱エネルギーが前記非接触温度検出手段に直接的に伝わるのを阻止するエネルギー遮蔽手段が備わっていることを特徴としている。

加熱手段から放射されるエネルギーが非接触温度検出手段に直接的に伝わらないようにすることで管路又は管路内部の流体の上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域の正確な温度測定を可能とし、精度の良い流量測定を実現する。

また、本発明の請求項７に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の流量センサにおいて、前記上流側非接触温度検出手段と下流側非接触温度検出手段は、各温度検出手段自体の温度を両者ほぼ均一に維持する共通部材に配置されていることを特徴としている。

各温度検出手段自体の温度がずれると、流量測定上の誤差となるが、各温度検出手段をかかる共通部材に配置することで、このような流量測定上の誤差が生じないようにする。

また、本発明の請求項８に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の流量センサにおいて、前記加熱手段と非接触温度検出手段が、前記配管の流路に一部が挿入されるヘッダ内にともに配置されていることを特徴としている。

例えば大口径配管内の被測定流体の流量を測定する場合、配管の肉厚が厚く熱容量が大きいため、流量測定に必要なだけの熱エネルギーを与えたり、流量に応じた上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域の温度変化を発生させることができなくなるが、加熱手段及び非接触温度検出手段をかかるヘッダ内の薄肉部近傍に配置してヘッダの一部を配管に挿入してその薄肉部分を流体と接触させることにより確実に流量測定を行うことができる。

また、本発明の請求項９に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の流量センサにおいて、前記被加熱領域及び上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域を真空又は減圧状態に保つハウジングを備えたことを特徴としている。

流量測定領域を周囲雰囲気から隔離することで、周囲雰囲気からの外乱を受けることなく正確な温度測定が可能となり、精度の良い流量測定を実現できる。

また、本発明の請求項１０に記載の流量センサは、請求項１乃至請求項９の何れかに記載の流量センサにおいて、前記上流側非接触温度検出手段及び下流側非接触温度検出手段の温度の和又は平均値が、周囲温度よりも常にある値だけ高くなるように加熱手段を制御する制御手段を備えたことを特徴としている。

温度検出手段によって検出した温度を介してヒータ自体の温度を適正に制御するので、ヒータ自体に温度センサの機能をもたせたり外付けの温度センサを設置する必要がなくなり、設計の自由度が高くなる。

本発明の流量センサによると、様々な管路を流れる被測定流体の流量を正確に測定することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態にかかる流量センサについて図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる流量センサ１は、図１に示すように、流路を構成する配管１００の一部に取付けられ配管外壁面の一部を加熱するヒータ（加熱手段）１１と、配管１００のヒータ１１によって加熱される部分の上流側配管１０１及び下流側配管１０２の外壁面部分の温度をそれぞれ非接触で測定する赤外線検出センサ（非接触温度センサ）１２，１３と、ヒータ１１の発熱量を制御すると共に赤外線検出センサ１２，１３の上流側赤外線検出センサ１２と下流側赤外線検出センサ１３の温度差から配管１００を流れる流体の流量を求める制御演算部１５を備えている。

なお、被測定流体が流れる配管１００は例えば金属の管路からなり、ヒータ１１は絶縁材で被覆された巻線や薄膜抵抗体などの電気抵抗体からなる。なお、ヒータ１１が巻き線の場合は管路外壁面の所定位置に巻き付けられ、薄膜抵抗体の場合は絶縁体層を介して管路外壁面の所定位置に形成される。

赤外線検出センサ１２，１３は、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子などを用いた非接触温度センサからなり、ヒータ１１によって加熱される領域に対して配管の上流側及び下流側の領域であって被加熱部からの温度影響を熱エネルギーとして外部に放射する熱エネルギー放射領域の温度を測定するようになっている。すなわち、ヒータ１１から配管１００や流体を伝わって配管の上流側熱エネルギー放射領域１００Ｕから外部に赤外線として放射される熱エネルギーを上流側赤外線検出センサ１２によって検出し、ヒータ１１から配管１００や流体を伝わって配管の下流側熱エネルギー放射領域１００Ｄから外部に赤外線として放射される熱エネルギーを下流側赤外線検出センサ１３によって検出するようになっている。

なお、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子はいずれも感熱部への赤外線入射による温度上昇から赤外線を検出する熱型のセンサであり、サーモパイルとボロメータはマイクロマシニング技術で製作された薄膜タイプものが一般的に使用されている。サーモパイルは感熱部として異種導体の接合部の温度による接触電位の変化、いわゆるゼーベック効果を利用した熱電対を多数個直列に接続した赤外線センサであり、バイアス電圧を必要とせず直接ＤＣ電圧出力が得られ、センサのインピーダンスも低いことから他のセンサに比べて構造及び信号処理が簡単である。ボロメータは金属や半導体などの感熱材料の抵抗成分の温度による変化を利用した赤外線センサである。焦電素子は感熱部として強誘電体材料の持つ自発分極の温度依存性を利用した赤外線センサであり、他の２つと違い、赤外線の入射により温度変化が生じたときのみ出力する微分型である。よって、連続出力を得るためには赤外線を断続するチョッパー又はシャッター機構が必要である。

また、制御演算部１５は、上流側赤外線検出センサ１２と下流側赤外線検出センサ１３の出力から求められる温度の和又は平均値が周囲温度よりも常にある値だけ高くなるようにヒータ１１を制御するようになっている。これによって、ヒータ自体に特別な温度検出機能をもたせることなく、加熱された配管外壁面の一部である被加熱領域の温度が周囲温度よりも常にある値だけ高くなるようにヒータ１１を制御することができ、ヒータの設計の自由度を高めている。ここで、周囲温度は別に設置した温度センサで測定し、被測定流体の温度を計測することが好ましいが、配管温度やその周りの雰囲気温度で代用できる場合もある。また、使用温度範囲がせまい場合や温度特性の補正を別途行う場合は、ヒータの制御に周囲温度を使わず、定電圧、定電流、定電力などでヒータを動作させても良い。なお、ヒータ自体に温度検出機能を持たせることで、加熱された配管外壁面の一部である被加熱領域の温度が周囲温度よりも常にある値だけ高くなるようにヒータ１１を制御しても良い。また、ヒータで加熱する部分の管壁近傍に別途赤外線検出センサからなる非接触温度検出機能を持たせても良い。また、制御演算部１５においては、上流側赤外線検出センサ１２と下流側赤外線検出センサ１３とでブリッジ回路など、例えば図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）で示す回路を構成している。そして、ヒータ１１の駆動による被加熱領域の熱が配管や流体を介して上流側熱エネルギー放射領域１００Ｕと下流側熱エネルギー放射領域１００Ｄに伝わり、被測定流体の流れに伴う強制対流（熱伝達）によって上流側熱エネルギー放射領域１００Ｕの温度と下流側熱エネルギー放射領域１００Ｄの温度が異なるように（上流側の方が低く）なり、これらの温度を上流側赤外線検出センサ１２と下流側赤外線検出センサ１３でそれぞれ検出し、かかる上流側熱エネルギー放射領域１００Ｕと下流側熱エネルギー放射領域１００Ｄの温度差を上述したブリッジ回路などを有する制御演算部１５において被測定流体の流量として検出するようになっている。図１０（ｂ）は赤外線検出センサ１２，１３としてサーモパイル１２Ｓ，１３Ｓを使用した回路の一例であり、２つのサーモパイル１２Ｓ，１３Ｓの出力電圧の極性が逆になるように接続してある。よって、流量が無いとき、つまり２つのサーモパイル１２Ｓ，１３Ｓで検出された温度が等しいときは、出力電圧は互いに打ち消しあうためゼロとなり、流量があるとき、つまり２つのサーモパイル１２Ｓ，１３Ｓで検出された温度に差があるときはそれに応じた出力電圧が発生する。なお、このような回路などを構成する代わりに、上流側赤外線検出センサの出力と下流側赤外線検出センサの出力を制御演算部で演算して流量を求めても良い。

なお、流量測定は流量と上述した温度差又は温度差に起因して発生する出力との関係をあらかじめ調べてキャリブレーションしておくことで可能となる。

また、図１０（ｃ）は、赤外線検出センサ１２，１３としてボロメータ１２Ｂ，１３Ｂを使用した回路の一例である。ボロメータを用いることでも図１０（ａ），（ｂ）に示す回路と同等の機能を有する回路を構成できる。

このような構成を有することで管路内の被測定流体の流量を非接触で検出できるので、従来のように温度センサを管路外周面に取付けたときに温度センサと管路外周面との間に介在した絶縁物が劣化したり、絶縁物や配管からの応力の影響を温度センサが受けるようなことがない。また、管路に取付けた温度センサから出力を取り出すために面倒で製造上の困難性を伴う電極取出し作業を行う必要もない。その結果、取付け作業が容易で、長期間にわたって正確な流量測定を可能とする。

続いて、上述した実施形態にかかる流量センサの各種変形例について図面に基づいて説明する。なお、かかる変形例について上述の実施形態と同等の構成については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。また、図７乃至図９においては、制御演算部を図示省略する。

まず、本実施形態の第１の変形例について説明する。かかる第１の変形例は、特開２００３−３２９６９７号公報に記載された流量センサと構造上関連する流量センサである。

第１の変形例にかかる流量センサ２は、図２に示すようにベース２１０と、ベース上に被着されかつ流路の一部をなす凹み部２２０ａを有したチップ２２０を備えている。そして、この流量センサ２のベース２１０にはチップ２２０の凹み部２２０ａと協働して被測定流体の流路をなす第１流路２２１と第２流路２２２がチップ２２０の凹み部底面に対して垂直に形成されている。なお、チップ２２０は例えば板厚の薄いステンレス板でできており、流路側と反対側面に電気絶縁膜を形成し、その上面ほぼ中央部分に白金のパターンからなるヒータ（加熱手段）２１が形成されている。また、ヒータ２１には電極パッドや配線用金属薄膜が適所に形成されている。また、ヒータ２１の流路上流側と流路下流側には流体の流量測定用の上流側赤外線検出センサ２２と下流側赤外線検出センサ２３がチップ上面と一定間隔隔てて配置されている。なお、上流側赤外線検出センサ（非接触温度検出手段）２２及び下流側赤外線検出センサ（非接触温度検出手段）２３は、上述の実施形態と同じように、サーモパイル、ボロメータ、焦電素子などを用いた非接触温度センサからなり、チップ上面と非接触でそれぞれチップ２２０の上流側熱エネルギー放射領域２２０Ｕの温度と下流側熱エネルギー放射領域２２０Ｄの温度を測定するようになっている。

そして、かかる流量センサ２においては、ヒータ２１の熱が主にチップ２２０の薄肉部や流体を伝わってチップ２２０の上流側熱エネルギー放射領域２２０Ｕと下流側熱エネルギー放射領域２２０Ｄにほぼ均等に伝わるが、被測定流体が流路を流れることで流量に応じて強制対流による熱伝達が生じ、上流側赤外線検出センサ２２の検出温度と下流側赤外線検出センサ２３の検出温度との間に温度差が生じる。そして、この温度差を制御演算部２５において演算し、流量を測定するようになっている。なお、このようにチップ２２０に厚さの薄いステンレス板を用いるとともにヒータ２１や赤外線検出センサ２２，２３の配置側と反対側を流路とすることで、被測定流体が腐食性流体であっても長期間にわたって流量測定を可能としている。

かかる構成であっても、管路内の被測定流体の温度に比例した温度を表すチップ２２０の薄肉部の壁面温度を非接触で検出できるので、従来のように温度センサを管路外周面に取付けたときに温度センサと管路外周面との間に介在した絶縁物が劣化したり、管路や絶縁物に生じる応力の影響を温度センサが受けるようなことがない。また、管路に取付けた温度センサから出力を取り出すために面倒で製造上の困難性を伴う電極取り出し作業を行う必要もない。その結果、取付け作業が容易で、長期間にわたって正確な流量測定を可能とする。

続いて、本実施形態にかかる流量センサの第２の変形例について説明する。この第２の変形例にかかる流量センサ３は、図３に示すように、配管外壁面から一定距離離間して非接触で配置されかつ配管外壁面の一部を加熱するヒータ（加熱手段）３１と、その加熱される部分の上流側及び下流側の配管外壁面部分近傍に当該配管外壁面と非接触に配置され、これらの部分の温度をそれぞれ測定する赤外線検出センサ（非接触温度検出手段）３２，３３と、ヒータ３１を制御すると共に赤外線検出センサ３２，３３の上流側赤外線検出センサ３２と下流側赤外線検出センサ３３の温度差から配管を流れる被測定流体の流量を求める制御演算部３５を備えている。

なお、ヒータ３１は、配管外壁面近傍に形成され、配管外壁面に非接触にエネルギーを供給してその一部を被加熱領域３００Ｈとして加熱することができるエネルギー発生体（放射体）から構成され、具体的には、レーザー、電磁コイル、赤外線発生器、マイクロ波発生器などが用いられている。

また、赤外線検出センサ３２，３３は、上述の実施形態及びその変形例と同様にサーモパイル、ボロメータ、焦電素子などを用いた非接触温度センサからなり、配管外壁面近傍であってヒータ３１による配管３００の被加熱領域３００Ｈの上流側に形成された上流側熱エネルギー放射領域３００Ｕと下流側に形成された下流側熱エネルギー放射領域３００Ｄに非接触で配置され、これらの部分の温度をそれぞれ非接触で測定できるようになっている。

この第２の変形例にかかる流量センサ３においては、ヒータ３１を配管３００に接触させた状態で配置する必要がないので、ヒータ３１、上流側赤外線検出センサ３２、下流側赤外線検出センサ３３、及び制御演算部３５からなる流量センサ自体を配管３００と完全に非接触で配置することができ、様々な管径に対応可能な汎用化した流量センサを実現できる。また、赤外線検出センサ３２，３３だけでなく、ヒータ３１についても面倒で製造上の困難性を有する電極取り出し作業を省略できる。

続いて、本実施形態の第３の変形例について説明する。この第３の変形例にかかる流量センサ４は、図３に示した第２の変形例に加えて図４に示すように、ヒータ４１から放射されたエネルギーを効率良く吸収して発熱するエネルギー吸収部材４０１を配管４００の壁面に備えている。なお、本変形例の場合、このエネルギー吸収部材４０１は金属板からなり、配管４００の壁面に一部が密着するようになっている。

また、配管４００のヒータ４１による被加熱領域の上流側及び下流側であって上流側エネルギー放射領域４００Ｕ及び下流側エネルギー放射領域４００Ｄの壁面には金属板からなる温度測定用のエネルギー放射部材４０２，４０３が備わっている。そして、ヒータ４１からの放射エネルギーを吸収して発熱したエネルギー吸収材４０１から配管や流体を介して伝わる熱をエネルギー放射部材４０２，４０３が吸熱し、この熱エネルギーを赤外線検出センサ４２，４３に向かって効率的に放射する。

なお、非接触に加熱されるエネルギー吸収部材４０１や非接触に温度測定されるエネルギー放射部材４０２，４０３の全部又は一部は黒色であることが好ましい。このように黒色になった部分は放射率がほぼ１であるので、受熱性や放熱性に優れ、流量を感度や応答性が良く測定できるようになる。また、エネルギー吸収部材やエネルギー放射部材は熱伝導性に優れた材質であれば良く、金属板の代わりにセラミックスやサファイアであってもかまわない。このように、エネルギー吸収部材４０１やエネルギー放射部材４０２，４０３を配管外周面に設けることで、配管４００が径の小さい細管であってもヒータ４１からのエネルギーを効率よく吸収することができ、また、赤外線検出センサ４２，４３に熱エネルギーを確実に放射することができる。

続いて、本実施形態の第４の変形例について説明する。この第４の変形例にかかる流量センサ５は、図３に示した第２の変形例に加えて図５に示すように、ヒータ５１から放射されたエネルギーを効率良く吸収して発熱するエネルギー吸収部材５０１を配管内部に備えている。また、エネルギー放射部材５０２，５０３が配管内被加熱部の上流側及び下流側であって上流側エネルギー放射領域５００Ｕ及び下流側エネルギー放射領域５００Ｄを形成するように配管内部に備わっている。そして、このエネルギー吸収部材５０１、エネルギー放射部材５０２，５０３は、本変形例の場合、ステンレスなどの耐食性のある金属、セラミックス又はサファイアなどの板材でできている。

この第４の変形例にかかる流量センサは、特に被測定流体が液体の場合に利用されるようになっており、赤外線を通しやすい樹脂でできた配管５００に取付けられる。このような樹脂製の配管５００は配管自体の熱伝導性が低いので、配管自体を直接加熱しにくく、従って、ヒータ５１からの熱が配管５００や流体を伝わって上流側エネルギー放射領域と下流側エネルギー放射領域を形成しにくいが、かかるエネルギー吸収部材５０１やエネルギー放射部材５０２，５０３を備えることで、エネルギー吸収部材５０１を介して被測定流体を直接加熱するとともに、被加熱領域の配管上流側に配置されたエネルギー放射部材５０２に被測定流体から熱が伝わって、この部分が上流側熱エネルギー放射領域５００Ｕとなる。同様に、被加熱部の配管下流側に配置されたエネルギー放射部材５０３が下流側熱エネルギー放射領域５００Ｄとなる。それによって、配管５００の管壁を通して配管内部の被測定流体の温度を測定でき、樹脂製の配管５００であっても被測定流体の流量を正確に測定することが可能である。また、エネルギー吸収部材５０１、エネルギー放射部材５０２，５０３はステンレスなどの耐食性のある金属、セラミックス又はサファイアなどでできているので、被測定流体が酸やアルカリなどの腐食性液体であっても、長期にわたって流量を測定可能である。

樹脂配管の赤外線透過性は材質と厚さできまり、材質はポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどが、厚さは薄い方が透過しやすい。なお、耐食性の点ではテフロン（登録商標）などが好ましい。

なお、エネルギー吸収部材５０１、エネルギー放射部材５０２，５０３の全部又は一部は上述の第３の変形例と同様に黒色であることが好ましい。このように黒色になった部分は放射率がほぼ１であるので、受熱性や放熱性に優れ、流量を感度や応答性が良く測定できる。

続いて、本実施形態の第５の変形例について説明する。この第５の変形例にかかる流量センサ６は、図６に示すように、図３に示した第２の変形例にかかる流量センサ３の構成に加えて、非接触加熱手段であるヒータ６１からの放射エネルギーが直接又は反射して赤外線検出センサ６２，６３に入射しないように、ヒータ６１と赤外線検出センサ６２，６３との間にエネルギー遮蔽板６８，６９を備えている。これによって、ヒータ６１からの放射エネルギーが赤外線検出センサ６２，６３に直接伝わらないようになり、配管６００又は配管６００内部の流体の上流側熱エネルギー放射領域６００Ｕと下流側熱エネルギー放射領域６００Ｄの正確な温度測定を行い、配管内の被測定流体の正確な流量測定を可能とする。

続いて、本実施形態の第６の変形例について説明する。この第６の変形例にかかる流量センサ７は、図７に示すように、図３に示した第２の変形例にかかる流量センサ３の構成に加えて、配管長手方向にわたって配管７００と非接触に配置された細長のベース部材７１０を備えている。ベース部材７１０は、熱伝導が良好な例えば銅やアルミニウムなどの金属又はセラミックスなどからなり、かつ熱容量が大きくベース部材全体にわたってほぼ均一の温度に保たれるようになっている。なお、ヒータ７１はベース部材７１０のほぼ中央部に形成された貫通孔内にベース部材７１０と一定の間隔を隔てて配置され、ヒータ７１の熱がベース部材７１０に直接伝わらないようになっている。また、各赤外線検出センサ７２，７３はベース部材７１０の両端近傍にそれぞれ配置されている。

各赤外線検出センサ自体の温度が互いにずれると、流量測定上の誤差となるが、ベース部材７１０を介して赤外線検出センサ自体の温度を一致させることで、このような不具合が生じないようにし、正確な流量測定を可能とする。

なお、本変形例とは異なりヒータ７１をベース部材７１０とは異なる場所に配置して配管７００の一部を加熱するようにしても同様の効果を得ることは可能である。

続いて、本実施形態の第７の変形例について説明する。この第７の変形例にかかる流量センサ８は、図８に示すように、一部が配管内の被測定流体に接するようになったヘッダ８１０を備え、ヒータ８１と赤外線検出センサ８２，８３が被測定流体に接するヘッダの薄肉部に近接してヘッダ内に配置されている。ヘッダの薄肉部は配管内部に突出あるいは管壁と同じ高さになるようにして設置され被測定流体と接している。上流側赤外線検出センサ８２、下流側赤外線検出センサ８３はヘッダ内部のベース部材８１１に配置され、ヘッダ８１０の薄肉状の流体接触部と一定の空間を隔てるようになっている。このような構造によっても、上流側赤外線検出センサ８２と下流側赤外線検出センサ８３がヘッダ薄肉部の上流側エネルギー放射領域８００Ｕと下流側エネルギー放射領域８００Ｄの温度を非接触で測定している。本変形例の場合、例えば大口径の配管に流量センサ８を一つのユニットとして簡単に取付けることができるようになる。これによって、管壁の熱容量が大きい大口径の配管であっても、ヘッダ８１０の熱容量の小さい薄肉部において上述したような計測を行うため配管内を流れる被測定流体の流量を感度及び応答性よく測定できる。

続いて、本実施形態の第８の変形例について説明する。この第８の変形例にかかる流量センサ９は、図９に示すように、ヒータ９１、上流側赤外線検出センサ９２、下流側赤外線検出センサ９３、及び配管９００の被加熱領域、上流側熱エネルギー放射領域９００Ｕと下流側熱エネルギー放射領域９００Ｄを真空又は減圧状態に保つキャビティ９１１を備えたハウジング９１０を有している。このような構成によって、これらの構成要素を含む測定領域を周囲雰囲気と隔離することで、周囲雰囲気による対流や赤外線吸収などの外乱を受けることなく正確な温度測定が可能となる。また、測定部が断熱されるため感度及び応答性の良い流量測定が可能となる。

以上説明したように、本発明にかかる流量センサは、通常行われるような配管外周面にポリイミドなどの絶縁膜を形成して線材を巻く手作業が不要である。これによって、配管外周面に形成した絶縁膜の経時変化により生じる応力変化や配管にかかる応力の影響などを巻き線が受けることがなく、長期間にわたって正確な流量測定が可能となる。また、従来の薄膜抵抗体を配管外周面に形成する場合のよう製造上の大きな困難もなく、薄膜抵抗体自体が配管にかかる応力による歪みの影響を受けるようなこともない。

また、従来のように配管外周面にサーミスタを付けた場合、サーミスタ自体は大きさが大きく熱容量が大きいために細い配管の場合には流量測定が困難であるが、本発明にかかる流量センサの場合はこのような細い配管であっても流量測定が可能である。

また、薄膜抵抗体などを配管外周面に付けた後に、製造上の困難性を伴う管壁面からの電極取り出しを行う必要もない。

また、管が樹脂でできている場合にも流量測定が可能となる。

なお、配管にテフロン（登録商標）などを用いて酸やアルカリなどの腐食性液体を流す場合、配管内部の熱エネルギー吸収部材やエネルギー放射部材には金属ではなくセラミック、サファイアなどを用いるのが好ましい。

また、本発明にかかる流量センサは、ある特定の箇所の被測定流体を加熱する加熱手段を有していれば良く、加熱手段は管路に対して接触しても非接触でも良い。非接触に管路を加熱する方法としては、配管に半導体レーザーなどのレーザー光や赤外線又はマイクロ波などを照射したり、電磁コイルによる電磁誘導でその金属配管や樹脂管内に設置された金属板を加熱したりすることが可能である。また、レーザー光、赤外線などが照射される配管壁面部分、配管外壁あるいは樹脂管内に設置されるエネルギー吸収板の受光面は黒色であることが好ましい。

また、上述した流量センサの測定部全体、特にエネルギー放射領域やエネルギー放射手段及び非接触温度検出手段（赤外線検出センサ）の周囲は、非接触温度検出手段（赤外線検出センサ）による温度測定に外乱を与えないよう周囲温度とほぼ等しい温度又は所定の均一な温度になるように構成された部材で囲まれていることが好ましい。

なお、本発明にかかる流量センサは、上述の実施形態に記載したように、被測定流体の流量を測定することに限定されず、流速も測定可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施形態にかかる流量センサを概略的に示す平面図である。 図１に示した流量センサの第１の変形例を概略的に示す側面図であって、ベースとチップを流路に沿って断面で示す図である。 図１に示した流量センサの第２の変形例を概略的に示す平面図である。 図１に示した流量センサの第３の変形例を示す概略構成図であって、配管、熱エネルギー吸収部材、及び熱エネルギー放射部材を管路長手方向に沿った断面の状態で示す図（図４（ａ））、及び図４（ａ）に対応して配管を管路端面方向に沿って断面の状態で示す図（図４（ｂ））である。 図１に示した流量センサの第４の変形例を示す概略構成図であって、配管、熱エネルギー吸収部材、及び熱エネルギー放射部材を管路長手方向に沿った断面の状態で示す図（図５（ａ））、及び図５（ａ）に対応して配管を管路端面方向に沿って断面の状態で示す図（図５（ｂ））である。 図１に示した流量センサの第５の変形例を概略的に示す平面図である。 図１に示した流量センサの第６の変形例を示す概略構成図であって、管路上方からベース部材を断面とした状態で示す平面図（図７（ａ））、及び図７（ａ）に対応して管路側方から示す側面図（図７（ｂ））である。 図１に示した流量センサの第７の変形例を示す概略構成図であであって、管路長手方向に沿って各構成要素を断面の状態で示す平面図である。 図１に示した流量センサの第８の変形例を示す概略構成図であって、ヒータと赤外線検出センサの支持部材のみを断面の状態で示す平面図である。 本発明の一実施形態にかかる流量センサにおける制御演算部の出力回路の概略構成図（図１０（ａ））、及び図１０（ａ）の変形例に関する制御演算部の出力回路の概略構成図（図１０（ｂ））、並びに図１０（ａ）の更なる変形例に関する制御演算部の出力回路の概略構成図（図１０（ｃ））である。

符号の説明

１〜９・・・流量センサ
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１・・・ヒータ（加熱手段）
１２，２２，３２，４２，６２，７２，８２，９２・・・（上流側）赤外線検出センサ（非接触温度センサ）
１２Ｂ ボロメータ
１２Ｓ サーモパイル
１３，２３，３３，４３，６３，７３，８３，９３・・・（下流側）赤外線検出センサ（非接触温度センサ）
１３Ｂ ボロメータ
１３Ｓ サーモパイル
１５，２５，３５，４５，５５，６５・・・制御演算部
６８，６９・・・エネルギー遮蔽板
１００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００・・・配管
１００Ｕ，２２０Ｕ，３００Ｕ，４００Ｕ，５００Ｕ，６００Ｕ，８００Ｕ，９００Ｕ・・・上流側熱エネルギー放射領域
１００Ｄ，２２０Ｄ，３００Ｄ，４００Ｄ，５００Ｄ，６００Ｄ，８００Ｄ，９００Ｄ・・・下流側熱エネルギー放射領域
１０１・・・上流側配管
１０２・・・下流側配管
２１０・・・ベース
２２０・・・チップ
２２０ａ・・・凹み部
２２１・・・第１流路
２２２・・・第２流路
３００Ｈ・・・被加熱領域
４０１，５０１・・・熱エネルギー吸収部材
４０２，４０３，５０２，５０３・・・熱エネルギー放射部材
７１０・・・ベース部材
８１０・・・ヘッダ
８１１・・・ベース部材
９１０・・・ハウジング
９１１・・・キャビティ
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗

Claims (10)

1. 流路を構成する配管の外壁面の一部領域を加熱するか又は配管内部の特定領域を加熱する加熱手段と、
   前記被加熱領域に対して配管の上流側及び下流側の領域であって前記被加熱領域からの温度影響を熱エネルギーとして外部に放射する熱エネルギー放射領域の温度をそれぞれ測定する温度検出手段とを備え、前記流路を流れる被測定流体の流量を検出する流量センサにおいて、
   前記温度検出手段は前記配管の外壁面近傍において当該外壁面と非接触に配置された上流側非接触温度検出手段と下流側非接触温度検出手段からなり、各非接触温度検出手段が前記上流側熱エネルギー放射領域の温度と下流側熱エネルギー放射領域の温度を前記配管の外壁面と非接触でそれぞれ測定可能となっており、
   前記非接触温度検出手段で測定した上流側熱エネルギー放射領域の温度と下流側熱エネルギー放射領域の温度の温度差又は温度差に起因して発生する出力から前記流路を流れる被測定流体の流量を測定することを特徴する流量センサ。
2. 前記非接触温度検出手段は赤外線センサからなることを特徴とする、請求項１に記載の流量センサ。
3. 前記被加熱領域からの伝熱を吸収して外部に放射する熱エネルギー放射手段が前記流路を形成する配管の壁面又は内部であって前記上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域にそれぞれ備わっていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の流量センサ。
4. 前記熱エネルギー放射手段は、前記流路を構成する配管の壁面又は内部に配置された熱伝導率の高い材質でできたことを特徴とする、請求項３に記載の流量センサ。
5. 前記非接触温度検出手段によって温度が非接触に測定される熱エネルギー放射領域の少なくとも一部又は熱エネルギー放射手段の少なくとも一部が黒色であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の流量センサ。
6. 前記加熱手段と前記非接触温度検出手段との間には前記加熱手段から放射される熱エネルギーが前記非接触温度検出手段に直接的に伝わるのを阻止するエネルギー遮蔽手段が備わっていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れかに記載の流量センサ。
7. 前記上流側非接触温度検出手段と下流側非接触温度検出手段は、各温度検出手段自体の温度を両者ほぼ均一に維持する共通部材に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の流量センサ。
8. 前記加熱手段と非接触温度検出手段が、前記配管の流路に一部が挿入されるヘッダ内にともに配置されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項７の何れかに記載の流量センサ。
9. 前記被加熱領域及び上流側熱エネルギー放射領域と下流側熱エネルギー放射領域を真空又は減圧状態に保つハウジングを備えたことを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れかに記載の流量センサ。
10. 前記上流側非接触温度検出手段及び下流側非接触温度検出手段の温度の和又は平均値が、周囲温度よりも常にある値だけ高くなるように加熱手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする、請求項１乃至請求項９の何れかに記載の流量センサ。

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