JP4632689B2 - 熱式の質量流量計 - Google Patents

Description

本発明は、熱式の質量流量計に関する。

熱の原理によって動作する各種の質量流量計が、既知である。一般に、その流量を測定すべき、気体または液体などの流体の流れ、あるいは二相流は、層流または乱流の形態で、流管内に通される。例えば、管の周りにコイル状に巻かれた抵抗線により、流管が局部的に加熱されると、熱は、熱伝導によって、管壁を通して気体または液体の流れに伝えられる。気体または液体の流れが熱を運ぶ（輸送する）という事実は、質量流量を測定する各種の方法の基礎をなすものである。

既知の熱式の質量流量計の一つは、例えば、特許文献１に記述されている。この既知の質量流量計は、第一の位置に、管の周りにコイル状に巻かれ、かつ、熱源またはヒーターとして、かつ、温度センサーとして作用する抵抗線が設けられ、さらに上流に配置された温度センサーが設けられた、熱伝導性の流管の形態の流量センサーを含んでいる。制御回路が、流動中の温度センサー間の温度差を一定に保つよう働き、管内を流れる流体の質量流量が、制御回路のデータから求められる。この方法は、定温（ＣＴ）法と呼ばれている。別法の流量計では、流管上の中央に配置されたヒーターに、一定電力が供給される一定電力（ＣＰ）測定法を利用し、ヒーターに関して対称に配置されたセンサー間で、温度差が測定される。
ＥＰ−Ａ １１３９０７３

かかる測定システムの欠点の一つは、その利用可能性が、予め定義された測定範囲に限定されることである。異なる測定範囲で使用するには、それに対応した異なる流管および（または）異なるヒーター巻線が必要である。

本発明は、これまで可能であったものよりも広い測定範囲にわたって使用することができる「汎用の」質量流量計を提供することをその目的とする。

この目的は、本発明によれば、少なくとも二つの測定範囲内で、第一の測定範囲内では第一の測定方法により、かつ、第二の測定範囲内では第二の測定方法により、測定するための（電力）制御手段および温度測定手段に接続されている単一の流量センサーを含んでいることを特徴とする熱式の質量流量計により実現される。

本文脈における術語「流量センサー」は、二つまたはそれ以上のヒーター素子および温度感知手段を有するキャリヤーの組立体を指すと理解され、該組立体は、作動中に測定すべき流体の流れと熱交換関係にある。

本発明は、必要に応じて（可能性としては、自動的に）オンに切り換えることができる二つの異なる測定方法によって、少なくとも二つの互いに隣接する測定範囲内で、単一の流量センサーにより測定することができるよう、熱式の質量流量計が構築可能である、という認識に基づいている。

上記に基づく流量センサーの簡単かつ実用的な実施形態の一つは、第一の（上流）位置ＡにヒーターＨ_１が設けられており、かつ、第二の（下流）位置ＢにヒーターＨ_２が設けられており、かつ、位置ＡとＢとの間の温度差を求めるための手段が設けられていることを特徴とする。それがヒーターの巧みな制御と組み合わされている場合、測定範囲を言わば自由に調整することを可能にする。

ある種の用途では、流量センサーのキャリヤーは、その中を流体が流れることができ、かつ、位置ＡおよびＢに、内部的または外部的に二つの電気巻線を担い、それによりそれぞれのヒーターＨ_１およびＨ_２を形成している管によって形成される。電気巻線は、温度依存の抵抗値を有していてよく、かつ、位置ＡおよびＢにおける温度またはＡとＢとの間の温度差を求めるための回路に含まれていてよい。位置ＡとＢとの間の温度差を求める別法の可能性は、一方で位置Ａと、かつ、他方で位置Ｂと熱的に接触しているサーモパイルの使用にある。

他の用途では、流量センサーのキャリヤーは、平面状の基板（例えば、ＩＣまたはチップ）によって形成される。その上には、例えば、二つのヒーター素子を、例えば、蛇行している場合としていない場合があり、かつ、その間に、熱電素子またはサーモパイルなどのヒーター間の温度差を測定するための手段が存在する導体トラックの形態で、配置することが可能である。

上述した流量センサーと組み合わせて使用するのに適した測定方法は、より詳しくは、以下の通りである。
−与えられた低い最大範囲にわたって真のゼロ値から流量を測定するＴＢ（熱平衡）法
−与えられた比較的低い最大範囲にわたってほぼゼロから流量を測定するＣＰ（定電力）法
−与えられた閾値（検出すべき最小流量の下限）から非常に高い流量値まで流量を測定するＣＴ（定温度）法

本発明による流量計は、上記の各種測定方法による各モードでの測定に関連する測定範囲が、互いに隣接するか、あるいは、望ましくは、わずかな重なり部分を有するよう設定することができる。

流量計は、電源投入時、熱平衡モード（ＴＢモードとも言う）で起動するのが望ましい。瞬時流量が、ＴＢモードの測定範囲外にあることが検出された場合は、定電力モード（ＣＰモードとも言う）に切り換えが行われる。瞬時流量が、ＣＰモードの測定範囲外にあることが検出された場合は、定温度モード（ＣＴモードとも言う）に切り換えが行われる。測定「モード」は、したがって、順次オンに切り換えられる。与えられた信号値が、測定範囲に届かない場合は、その次に低い測定範囲に属する測定方法に切り換えが行われる。

上記は実際、ＴＢモード、ＣＰモード、およびＣＴモードの組合せを記述していること、しかし、想定される用途によっては、他の組合せ（例えば、ＣＰとＣＴ；ＴＢとＣＰ；ＴＢとＣＴ）が実用的であり得ることに注目したい。

第一の形態は、この点において、測定および制御手段が、Ｈ_１およびＨ_２に交互に電力を供給するよう、ＴＢモードによる測定用に設計されており、かつ、反復プロセスにおいて、ゼロまで位置ＡとＢとの間の温度差を制御するための制御ループが設けられていることを特徴とする。これはすべて、ＵＳＰ ６，３７０，９５０に記述されているように生じる。

第二の形態は、測定および制御手段が、一定電力でＨ_１およびＨ_２を操作するよう、かつ、位置ＡとＢとの間の温度差を測定するよう、ＣＰモードによる測定用に設計されていることを特徴とする。

第三の形態は、測定および制御手段が、位置ＡとＢとの間の温度差を一定値に保つのに必要な、Ｈ_２に供給すべき電力を測定するよう、ＣＴモードによる測定用に設計されていることを特徴とする。

本発明の基本原理は、以下の通りである。一つの装置内で、異なる測定範囲を有する少なくとも二つの測定方法の結合を、各種の方法で実行することができる。

本発明は、以上のように、熱式の質量流量計において、少なくとも二つの測定範囲内で第一の測定範囲内では第一の測定方法により、かつ、第二の測定範囲内では第二の測定方法により、測定するための制御手段および温度測定手段に接続されているようにしたので、単一の流量センサーとして、これまで可能であったものよりも広い測定範囲にわたって使用することができる「汎用の」質量流量計を提供できる。

本発明のこれらおよび他の態様について、いくつかの実施形態および添付の図面を参照して、以下、より詳細に説明する。図面において、対応する構成要素には、同じ参照符号が与えられている。

図１は、管２内を矢印の方向に流れる流体Фのための質量流量計の、約０．８ｍｍの内径および約０．１ｍｍの肉厚を有するステンレス鋼の流管２を示す。流管２の容量は、校正用の液体イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）では、約２キログラム毎時であり、空気では、１標準リットル毎分である。望ましくは、ほぼ同じ抵抗値の感温抵抗材料（例えば、白金またはニッケル、あるいは、ニッケル−鉄合金）の抵抗巻線３および４が、それぞれが加熱抵抗と温度センサーの両方として働くことができるよう、（電気的に絶縁された方法で）ステンレス鋼の流管２の周りにコイル状に巻かれている。この流量センサー構成では、ＴＢモード、ＣＰモード、およびＣＴモードによって測定することが可能である。

ステンレス鋼の流管２は、熱を非常によく伝導するので、上流位置で流管２の周りに巻かれた抵抗巻線３により、流管２内を流れる媒体の温度を測定することが可能である。下流位置で流管２の周りに巻かれた抵抗巻線４には、この位置における温度が、第一の位置における媒体の温度よりも、与えられた一定値ΔＴ（液体の場合は、ΔＴ≦５℃、気体の場合は、ΔＴ≦３０℃）だけ常に上にあるよう、電力Ｐが供給される。媒体の流動中にΔＴを一定に保つために供給すべき電力Ｐが、測定され、流量の目安となる。この測定原理は、定温（ＣＴ）法と呼ばれている。図２Ｃは、図１に示した種類の流量計においてこの方法が用いられた時の、供給された電力Ｐと質量流量Фとの間の関係を示す。

ＣＴモードでは、上向き方向に広範囲を有するが、流量がある種の最小値Ф_ｍｉｎ未満では、この測定方法は、感度がなくなる。したがって、Ｐ_ｍｉｎよりもわずかに上のＰの値では（例えば、Ｓ＝１．０５Ｐ_ｍｉｎでは）、より良い感度ではあるがより狭い測定範囲を提供するＣＰ法に切り換えが行われる。しかしながら、後者をＣＴモードによる範囲に併合させることが可能である。操作は以下の通りである。二つの巻線３および４が、それぞれ、ヒーターとセンサーの両方として作用する、すなわち、それらの両方に電力が供給される。この電力は、一定である。ヒーターによって発生された熱は、流管の管壁を通して消散する。流管２内を通る流れがない場合（Ф＝０）は、流管２で上下流にわたって対称な温度分布が生じることになる。管２内を通る流れがある場合は、上流の管壁は冷たくなり、かつ、下流の管壁は熱くなることになる。このようにして、巻線３と４との間に生じる温度差ΔＴ（＝Ｔ_３−Ｔ_４）が、感温抵抗としての巻線３および４によって検出され、かつ、流量の目安となる。図２Ｂは、ΔＴと流量Фとの間の関係を示す。最大の測定範囲は、上流の管壁が完全に冷たくなり、かつ、下流の管壁が完全に熱くなった時に実現される。与えられた流管の肉厚は、ある種の感度およびある種の測定範囲を表す。流管の肉厚が増大するにつれて感度は降下する（熱「放散」がより大きい可能性があるので、最大の示差温度は小さくなるが、測定範囲は増大する。最小の検出可能な示差温度は、より大きな流量が実現されるまで生じない）。ＣＰモードにおける測定可能な最大値は、例えば、気体が最大２０ｍｌ／ｍｉｎ、および液体が最大２ｇ／ｈである。

ＣＴモードでの測定範囲への適当な移行点は、例えば、ΔＴ_６０（ΔＴがΔＴ_ｔｏｐの６０％）である。この移行点は、マイクロプロセッサ内で策定することができる。

非常に小さな流量の場合、あるいは、上述したＣＰモードによる測定法の別法として、以下に述べるＴＢモードを使用してよい。これは、二つのヒーターＨ_１およびＨ_２のうちの、より冷たい方に、常に電力が供給され、かつ、反復プロセスにおいて測定された温度差を制御ループがゼロ値まで制御する、流量センサーの使用を含んでいる。ゼロ基準に適合するためのヒーターへの電力供給の非対称性は、流量の目安となる。ＴＢモードでは、オフセットのないきわめて安定的かつ正確なゼロ点を有する。

それに対してＣＰ測定法への移行を調整してよい適当な値は、センサー構成要素のキャリヤーとして流管を使用する場合、約Ｓ＝０．２５Ｐ_ｔｏｔである（ここで、Ｐ_ｔｏｔは、ヒーター３および４に供給される総電力、すなわち、Ｐ_３＋Ｐ_４であり、Ｓ＝（Ｐ_３−Ｐ_４）／（Ｐ_３＋Ｐ_４）である）。キャリヤーとして平面状の基板を使用する場合、移行が約Ｓ＝０．４２Ｐ_ｔｏｔであることが成り立つ。

以下、本発明による測定システム全体の動作について、図５に示した動作線図を参照して説明する。図５は、その中を測定すべき流体が矢印Фの方向に流れる流管２を有する流量センサーの動作のブロック図である。それぞれがヒーターとして、かつ、温度センサーとして機能することができる、上流の位置にある抵抗線Ｒ_１の巻線および下流の位置にある抵抗線Ｒ_２の巻線を上記流管２で支持している。Ｒ_１は、電力制御ブロックである測定および制御ブロックに接続されている。ここでは、この制御ブロックは、マイクロコントローラーμＣｏｎｔｒ．１と、Ｒ_１の両端間の電圧降下Ｖ_１がアナログ−デジタル変換器Ａｄｃ１（測定部分）により測定される間に、制御された既知の電流Ｉ_１をＲ_１に流すためのデジタル−アナログ変換器Ｄａｃ１（ソース部分）とを含んでいるソース測定ユニット１（ＳＭＵ１）である。これら二つのデータＩ_１およびＶ_１、並びに、Ｒ_１の校正表（Ｒ_Ｔ＝Ｒ_０（１＋αΔＴ））により、消費された電力Ｐおよび（表を介した）温度も既知である。Ｒ_２は、同様に、ソース測定ユニット２（ＳＭＵ２）に接続されている。これらＳＭＵは、それらを制御し、かつ、測定モード（ＴＢ、ＣＰ、またはＣＴ）に応じて、測定システムの出力信号Ｓ（すなわち、Ｓ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）；Ｓ＝ΔＴ；Ｓ＝Ｐ）を生成するように（差動）制御ユニット６に接続されている。

図５は、巻線Ｒ_１およびＲ_２ごとに三つの電気接点のみを示していること、しかし、望ましくは、４接点（いわゆるケルビン接点）測定が実行されることに注目したい。

それらの温度と、したがって、それらの温度差を求めるようＲ_１およびＲ_２の抵抗を測定する別の方法は、一端でＲ_１の領域と、かつ、他端でＲ_２の領域と、熱的に接触しているサーモパイルの使用である。かかるサーモパイルＴＰの使用は、図７に示されている。サーモパイルＴＰによってもたらされた電圧は、ソース管理ユニット３（ＳＭＵ３）内で読み出され、試験結果ΔＴが、図５の制御ユニット６に相当する制御ユニット８に送り込まれる。

サーモパイルＴＰは、ヒーター素子Ｈ_１およびＨ_２のためのキャリヤーとして平面状の基板５が使用される場合、特に有利に使用することができる（図４）。その場合、ヒーター素子Ｈ_１およびＨ_２はその間に基板５上でサーモパイルを有するようにでき、その可能性としてはサーモパイルが蛇行している導体トラックの形態で基板上に設けられる。基板は、非常に小さな厚さ（例えば、＜１００μｍ）および小さな表面積（例えば、＜５ｘ５ｍｍ）なものでよく、したがって、特殊な用途に適している。それは、測定が流管の内部で局部的に生じることができるよう、管壁に通されたピン上に取り付けてよい。基板５は、制御および測定回路との電気的接続を可能にするために、導体トラックを有するホイル上に、あるいは、ＰＣＢ上に、取り付けてよい。流量センサーのこの「チップ」バージョンは、実際、いかなる空間においても、流管の外部で測定することも可能にする。

ＣＰモードとＴＢモードの両方の実行は、巻線に電力を供給し（ヒーター機能）、かつ、（上流および下流の）測定位置のそれぞれにおいて温度を測定する（センサー機能）ので、図６に示すように、二つの機能を分離するのが実用的な場合がある。

図６の流量センサーでは、図１の上流の巻線３は、それぞれが固有の機能を有する二つの部分、すなわち、電力が消費されるヒーター部分３と、ヒーターおよび媒体の温度を検出する温度センサー部分１４とに細分化されている。二つの個別の巻線３および１４は、望ましくは、相互に巻きついている。温度センサー４と温度センサー１４の両方は、それらが同一の温度抵抗係数を有するよう、同じリールに由来する抵抗線から作ることができることが重要である。それらの抵抗値も、望ましくは、まったく同じであるべきである。ヒーター３にできるだけ大きな熱交換表面積を与えるため、ヒーター３のための抵抗線には、望ましくは、センサー４および１４のための抵抗線よりも大きい直径が与えられる。

図６は、下流の巻線４のための温度感知部分４およびヒーター部分１３も示す。巻線３の場合と同じことが、このヒーター／センサー組合せについて成り立つ。

流管の周りにコイル状に巻かれた一組の巻線の代わりに、例えば、流管の周りに巻かれたホイル上に設けられた抵抗体パターンを、ヒーターおよび（または）センサー抵抗として使用してよい。これは、それが望ましい場合は、流管の内部に設けてよい。

本発明による質量流量計は、多くの分野において（例えば、電気通信用のグラスファイバーを製造する方法において、制御弁と組み合わせ、液体流量計として）適用可能である。センサーは、メチルトリクロロシランまたはＴＥＯＳなど、シリコンを含有する液体の流量を測定し、かつ、制御する。この液体は、蒸発器により気相にもち込まれる。シリコンは、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスにおいて、ガラスを形成するよう酸素に結合させられる。棒状のこのガラスは、その後、加熱されながら、長いグラスファイバーに引き抜き加工される。

別の用途は、燃料電池の分野における研究開発である。センサーは、例えば、メタノールまたはガソリンなどの燃料および水を電池に供給するために、制御弁またはポンプと組み合わせて、使用される。

図３は、本発明の文脈においてオンに切り換えるべき測定方法に関連する測定範囲の相対的な位置を線図的に示す。例えば、ＣＰモードとＣＴモードとをオンに切り換えるべき場合で、かつ、例えば、それらの測定範囲のそれぞれにおいて１％〜１００％を測定することが可能である場合（範囲１：１００）、一方の測定方法から他方の測定方法への切り換えは、１：１０，０００の合計測定範囲をもたらすことになる。例えば、ＴＢ測定法が、より低い流量のために付加的にオンに切り換えられるという点で、本発明の範囲内で、さらに広い範囲を実現することができる。これは、医療、分析、燃料電池、および天然ガスの用途にとっては、特に重要である。

本発明は、上述した実施形態の変形実施例もカバーする。

したがって、流量センサーは、上述した二つの電気抵抗に加えて、管状または平面状のキャリヤー上の他の位置に、他の抵抗を含んでいてよい。

図５および図７のブロック図は、個別のマイクロコントローラーμＣｏｎｔｒ．１、μＣｏｎｔｒ．２、μＣｏｎｔｒ．３を示す。ただ一つのマイクロコントローラーが、正しい方法でこのマイクロコントローラーに信号を提供するマルチプレクサーと組み合わせて、存在することが可能である。

電気抵抗が平面状の基板上に設けられている流量センサーの場合は、これら抵抗は、感温材料から作られていてよく、かつ、それらの間の温度差を測定するのに使用してよい。その場合、熱電素子またはサーモパイルは必要ではない。

電気抵抗が、抵抗線として、管状のキャリヤーの周りにコイル状に巻かれている場合、温度差を測定するための手段は、キャリヤーの周りに巻かれたホイル上に設けられた熱電素子またはサーモパイルを含んでいてよい。ホイルは、管状のキャリヤーの内部にあってもよい。

抵抗体自体（ヒーター）をホイル上に設けること、および、後者を管状のキャリヤーの周り（内部）に設けることも可能である。

実施形態に示したもの以外の流量センサー構成を使用してよいことに注目したい。

したがって、例えば、流管は、上流の温度センサー巻線、下流のヒーター／センサー巻線、および中間に置かれたペルチェ素子と共に使用することができる。上流および下流の巻線が温度センサーとして働く間、ペルチェ素子は、ＣＰモードでの測定中に、ヒーターとして使用される。ＣＴモードでの測定中、巻線は、ＣＴモードについて上述した方法で動作し、かつ、ペルチェ素子は、流れがないか、あるいは、流れが弱い場合、流管を介した上流のセンサーの望ましくない加熱を防止するため、冷却を行うよう制御される。

要約すると、本発明は、第一の測定範囲では、第一の測定方法により、かつ、第二の測定範囲では、第二の測定方法により、測定するために、制御および温度測定手段に接続されている単一の流量センサーを有する熱式の流量計に関する。検出手段が、流量測定値に基づいて、選択すべき測定方法を検出し、かつ、制御手段が、選択された測定方法に従って、流量センサーを制御する。

本発明による質量流量計のための流量センサーの第一の実施形態のための二つの巻線を有する流管を、斜視図で示す。 ＴＢモードによる測定における、出力信号Ｓ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と流量Фとの間の関係を示すグラフである。 ＣＰモードによる測定における、二つの位置間の測定された温度差ΔＴと流量Фとの間の関係を示すグラフである。 ＣＴモードによる測定における、入力電力Ｐと流量Фとの間の関係を示すグラフである。 本発明による測定範囲の結合を示す。 平面状の基板を有する流量センサーの構成を、平面図で示す。 本発明による測定システムの一実施形態の動作線図である。 本発明による流量センサーの別の実施形態のための巻線を有する流管を示す。 本発明による測定システムの別法の実施形態の動作線図である。

符号の説明

２ 流管
３ ヒーター（ヒーターＨ_１）
４ ヒーター（ヒーターＨ_２）
ＳＭＵ１ 制御手段及び温度測定手段（ソース測定ユニット）
ＳＭＵ２ 制御手段及び温度測定手段（ソース測定ユニット）

Claims (6)

1. 熱式の質量流量計であって、瞬時の流量に対応して、複数の測定モードの間での切換えによって測定するように、単一の流量センサーが制御手段および温度測定手段に接続されている熱式の質量流量計において、流量センサーは、上流位置ＡにヒーターＨ _１ そして下流位置ＢにヒーターＨ _２ が、さらに、位置ＡとＢとの間の温度差を求めるための手段が設けられているキャリヤーを有し、
   制御手段および温度測定手段は、互いに隣接しあるいは重複範囲をもつ三つの測定範囲で測定可能であり、測定範囲に応じて、次の三つのモードのいずれかに切換え可能となっていることを特徴とする熱式の質量流量計。
   −流量がゼロから始まる範囲で、温度測定手段にもとづき制御手段が、ヒーターＨ _１ とＨ _２ とに交互に電力を供給し、位置ＡとＢとの間の温度差がゼロとなるように反復して調整される熱平衡モード。
   −温度測定手段にもとづき制御手段が、一定電力でヒーターＨ _１ とＨ _２ を作動させ、位置ＡとＢの間の温度を測定するように調整される定電力モード。
   −流量が閾値より多い範囲で、温度測定手段にもとづき制御手段が、位置ＡとＢとの間の温度差を一定値に保つようにヒーターＨ _１ とＨ _２ を作動させるように調整される定温度モード。
2. ヒーターＨ_１およびＨ_２は、キャリヤーとしての流管によって抵抗線の電気巻線をなして支持されていることとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。
3. 両ヒーターの電気巻線は感温抵抗材料で作られていて、加熱抵抗としてそして温度センサーとして機能していることとする請求項２に記載の熱式の質量流量計。
4. ヒーターＨ_１およびＨ_２は、キャリヤーとしての平面状の基板上の導体トラックの形態で設けられていることとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。
5. 位置ＡとＢとの間の温度差を求めるための手段は、ヒーターＨ_１とヒーターＨ_２との間に設けられ、かつ、一方で位置Ａに、他方で位置Ｂに、熱的に結合された熱電対列を有することとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。
6. 用いられる測定範囲は、起動時の低い測定範囲値から順にオンに切り換えられることとする請求項１に記載の熱式の質量流量計。

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