JP5207210B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の温度検出信号に基づき流量を測定する熱式流量計に関し、特に、測定範囲の拡大に関する。

従来から、石油、鉄鋼、化学プラントなどで導入されているプロセス制御では、配管内の流体の流量を調整するために、流体の流れる流路の上流側と下流側に設けた温度検出部の検出信号に基づき流量を測定する熱式流量計が用いられている。このような熱式流量計に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特開２００６−０１０３２２号公報

特許文献１には、従来の熱式流量計による流量測定に関する技術が記載されている。図５は従来の熱式流量計の一例を示す構成図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図５において、従来の熱式流量計は、耐腐食性の高いガラスなどで形成され流入口１００と流出口１１０を有する基板１、耐腐食性の高いガラスなどで形成され基板１と貼り合わされて被測定流体が流れる流路ＦＰを構成する溝６が設けられた基板２、ヒータなどの伝熱部３、サーミスタや白金測温抵抗体などの流体温度を検出して出力する温度検出部４および５、伝熱部３の温度を制御し上流側および下流側の流体の温度差に基づいて流量を求める流体情報検出部７から構成されている。

伝熱部３は、被測定流体が流れる流路ＦＰのほぼ中央の基板１上に蒸着やスパッタリングなどによって形成される。

温度検出部４および５は、基板１上で伝熱部３を挟むように等間隔の位置に蒸着やスパッタリングなどによって形成される。これら伝熱部３、温度検出部４および５は、基板１上に被測定流体に接しない非接液状態で形成される。

流体情報検出部７は、温度検出部４、５の出力信号（以下、検出信号という）または温度差に基づき流量を計算するためのＣＰＵなどの演算制御部、流体情報検出部７として固有の動作をするためのプログラム、アプリケーション、温度検出部により検出される温度差や流路ＦＰの形状情報（深さ、長さなど）を格納するためのＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクなどの記憶部を有する。

温度検出部４、５の検出信号は流体情報検出部７に入力され、温度制御信号は流体情報検出部７から伝熱部３に入力される。

このような構成において、被測定流体は流入口１００から注入され流路ＦＰを流れる。このとき演算制御手段７は、あらかじめ測定された被測定流体の温度に対して被測定流体が数℃程度高い一定温度になるように伝熱部３を制御する。

上流側の温度検出部４および下流側の温度検出部５で検出される検出信号が示す温度分布に注目すると、流量がゼロで流体が流れない場合における流体の温度分布は伝熱部３を中心に対称となり、流体が流れる場合には温度分布のピークが下流側にシフトする。

流体情報検出部７は、上流側の温度検出部４で得られる温度と下流側の温度検出部５で得られる温度との温度差が被測定流体の流量に関連した信号となることを利用して、この温度差に基づき流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求める。

ところで、従来の熱式流量計による流量測定では、流路上のそれぞれ異なる位置に複数の温度検出部を設け、各温度検出部により検出された温度に基づいて流体温度の伝熱時間を算出し、流体の流量を算出する技術も考えられている。図６はこのような従来の熱式流量計の例を示す構成図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図６と図５の主な相違点は、図６では、基板１上で伝熱部３、温度検出部４および５を挟むように伝熱部３から等間隔の位置に温度検出部１０、１１を設けたこと、流体情報検出部７が伝熱部３の温度を制御し温度検出部４、５、１０、１１の検出信号に基づいて流路ＦＰを流れる流体の流量を算出する機能を有することである。

温度検出部４、５、１０、１１の検出信号は流体情報検出部７に入力され、温度制御信号は流体情報検出部７から伝熱部３に入力される。

このような構成において、被測定流体は流入口１００から注入され流路ＦＰを流れる。流体情報検出部７は伝熱部３を制御してたとえばパルス状の信号で断続的に加熱し、温度検出部５および１１は流体の温度を検出して流体情報検出部２０に検出信号を出力する。

流体情報検出部７は、温度検出部５と温度検出部１１で検出される検出信号の出力波形がピーク値に達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差が被測定流体の流量に関連した信号となることを利用して、これらの検出信号がピーク値または所定の閾値に達する時間の時間差に基づき流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を算出する。

しかしながら、特許文献１に記載される従来の熱式流量計では、流路ＦＰを流れる流体の流量が大きくなるにつれて流量変化に対する温度分布の変化量が小さくなって流量信号が飽和することから、流量の測定レンジが狭いという問題点があった。

また、図６のような従来の熱式流量計では、各検出信号の出力波形における信号レベルの基準となるベースラインは流体の温度（以下、外気温という）に依存するので、外気温が変化すると出力波形のベースラインが変化して検出信号のパルス状の出力波形に影響を及ぼすことになり、流量測定に誤差が生じるという問題点があった。

具体的には、従来の熱式流量計における流体情報検出部７は、温度検出部５、１１から得られた検出信号をＡ／Ｄ変換して流量を算出する場合に外気温が大きく変化するとＡ／Ｄ変換の変換レンジを超えてしまい、流量の測定ができなくなるという問題点があった。

また、従来の熱式流量計では、各検出信号Ｔｄ１、Ｔｄ２の時間差測定を「所定の閾値」に達する時間によって求める際に、外気温が変化して温度検出部５、１１からの検出信号の出力波形のベースラインが変化してベースラインが所定の閾値を超えると、検出信号が所定の閾値に達する時間の時間差を正確に測定できないという問題点もあった。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、流量の測定範囲が広い熱式流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部のうち最上流に設けられた温度検出部の検出信号を補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
前記流体情報検出部は、
複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部のうち伝熱部よりも上流側の温度を検出する前記複数の温度検出部からの検出信号のうちいずれか一つを補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
前記流体情報検出部は、
複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部からの検出信号のうちいずれか一つを補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
前記流体情報検出部は、
複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３いずれかに記載の熱式流量計において、
前記流体情報検出部は、
前記補正用の検出信号をその他の検出信号から差し引き、得られた補正後の各検出信号を出力する温度補正部と、
前記補正後の各検出信号に基づき、各検出信号がそれぞれ所定の閾値に達する時間またはピークに達する時間の時間差を算出し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１〜請求項４いずれかに記載の熱式流量計において、
前記流体情報検出部は、
前記各温度検出部の検出信号および前記熱的特性情報に基づき前記流体の種類を特定することを特徴する。

請求項６記載の発明は、
請求項１〜請求項５いずれかに記載の熱式流量計において、
前記流路を流れる流体は２種以上の流体であることを特徴とする。

本発明に係る熱式流量計によれば、外気温およびその変化に基づいて検出温度を補正して流量を算出することができ、流量を広い範囲で測定できる。

図１は本発明に係る熱式流量計の一実施例を示す構成図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図であって、図５、図６と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図１と図５、６との相違点は、図１では、基板１上で流入口１００と温度検出部１０の間に温度検出部１２を設けたこと、伝熱部３の温度を制御し温度検出部４、５、１０、１１、１２の検出信号に基づいて流路ＦＰを流れる流体の流量を算出する流体情報検出部２０を設けたことである。

図１において、本発明の熱式流量計は、耐腐食性の高いガラスなどで形成され流入口１００および流出口１１０を有する基板１、耐腐食性の高いガラスなどで形成され基板１と貼り合わされて被測定流体が流れる流路ＦＰを構成する溝６を有する基板２、ヒータなどの伝熱部３、サーミスタや白金測温抵抗体などの温度検出部４、５、１０、１１、１２、これら温度検出部４、５、１０、１１、１２からの検出信号およびその時間差に基づいて流量を求めるＣＰＵなどの流体情報検出部２０から構成される。これら基板１、基板２、伝熱部３、温度検出部４、５、１０、１１、１２は流量計チップ３０を構成する。

なお温度検出部１２は、温度検出部４、５、１０、１１と同じプロセスで形成され、各温度検出部４、５、１０、１１、１２の特性は同等のものとする。

基板２の中央部分には、たとえば、超音波加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、ウエットエッチングなどによって長手方向に沿うように長方形の溝６が形成される。

流路ＦＰは、基板２に形成された溝６の両端に基板１に形成された流入口１００および流出口１１０が位置するように基板１と基板２を接着や熱圧着などで貼り合わせ、基板２に形成された溝６を基板１で覆うことにより構成される。

伝熱部３は、被測定流体が流れる流路ＦＰのほぼ中央の基板１上に蒸着やスパッタリングなどによって形成される。

温度検出部４、５、１０、１１は、基板１上で伝熱部３を挟むように等間隔の位置に蒸着やスパッタリングなどによって形成される。温度検出部１２は、基板１上で流入口１００と温度検出部１０との間の位置に蒸着やスパッタリングなどによって形成される。これら伝熱部３および温度検出部４、５、１０、１１、１２は、基板１上に被測定流体に接しない非接液状態で形成される。

温度検出部４、５、１０、１１、１２の検出信号は流体情報検出部２０に入力され、流体情報検出部２０から温度制御信号が伝熱部３に入力される。

上流側の温度検出部４、１０および下流側の温度検出部５、１１で検出される検出信号が示す温度分布に注目すると、流量がゼロで流体が流れない場合における流体の温度分布は伝熱部３を中心に対称となり、流体が流れる場合には温度分布のピークが下流側にシフトする。

ちなみに、流体情報検出部２０は、これらの温度分布の温度検出部５または１０における温度差が被測定流体の流量に関連した信号となることを利用して、この温度検出部５または１０における温度差に基づき流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求めるものでもよい。

図２は流体情報検出部２０の具体例を示す構成ブロック図である。（Ａ）において、流体情報検出部２０は、各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号Ｔｕ１、Ｔｄ１、Ｔｕ２、Ｔｄ２から温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０を差し引いて各検出信号が示す温度分布の補正を行い、検出信号波形のベースラインを一定にするように補正された検出信号Ｔｕ１’、Ｔｄ１’、Ｔｕ２’、Ｔｄ２’を出力する温度補正部４０と、伝熱部３の温度を制御しベースラインを一定にするように補正された温度検出部４、５、１０、１１、１２の検出信号Ｔｕ１’、Ｔｄ１’、Ｔｕ２’、Ｔｄ２’に基づいて流路ＦＰを流れる流体の流量を算出する流量検出部５０などを有する。

温度補正部４０は、たとえば差動増幅器で構成されるものであって、検出部４、５、１０、１１から出力される検出信号Ｔｕ１、Ｔｄ１、Ｔｕ２、Ｔｄ２が非反転入力端子に入力され、温度検出部１２から出力される検出信号Ｔｕ０は反転入力端子に入力される。この温度補正部４０で補正された各温度検出部の検出信号Ｔｕ１’、Ｔｄ１’、Ｔｕ２’、Ｔｄ２’は、流体検出部５０に入力される。

（Ｂ）において、温度補正部４０の反転入力端子には、ローパスフィルタ４１を介して温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０が入力されている。温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０は伝熱部３による加熱の影響を受けることがある。このような検出信号Ｔｕ０を補正用の検出信号として利用する場合には、時定数の十分大きなローパスフィルタ４１を介して温度補正部４０に入力することにより、伝熱部３の影響を防ぐことができる。

図３は流量検出部５０の具体例を示す構成ブロック図である。流量検出部５０は、温度補正部４０で補正された各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号に基づいて流体の流量を計算するためのＣＰＵなどの演算制御部５１、伝熱部３に温度制御信号を送信する制御信号送信部５２、温度補正部４０で補正された各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号を受信する検出信号受信部５３、流体情報検出部２０として固有の動作をするためのプログラム、アプリケーション、あらかじめ測定した各種被測定流体の流体温度特性情報を含む特性情報、各温度検出部からの検出信号とピークまたは所定の閾値に達する時間の時間差データ、各温度検出部により検出される温度、その温度和、温度差、流路ＦＰの形状情報（深さ、長さなど）を格納するためのＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクなどの記憶部５４、ネットワークなどを介して各温度検出部４、５、１０、１１、１２と外部装置間のデータ通信するための通信部５５などを有する。

演算制御部５１は、制御信号送信部５２を介して伝熱部３の温度を制御するための制御信号を送信する温度制御部５１ａ、各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号に基づき各温度検出部で検出した流体温度を算出し、検出信号およびその時間差データとともに算出された流体温度を記憶部５３に記憶する検出信号管理部５１ｂ、温度検出部４で検出した検出信号の出力波形と温度検出部５で検出した検出信号の出力波形がピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差に基づき流量を把握する流量検出部５１ｃを有する。

記憶部５４に記憶される流体温度特性情報は、あらかじめ各種の被測定流体を流量計チップ３０に注入してその特性値を流体情報検出部２０で取得したものであり、各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号の波形におけるピーク値または所定の閾値の時間差とその振幅および検出信号が示す温度値を含む。

なお演算制御部５１の流量検出部５１ｃは、各温度検出部で検出した検出信号が示す温度分布における下流側の温度検出部での温度差に基づいて流量を把握する機能を有するものであってもよい。

ここで上流側の温度検出部４または１０および下流側の温度検出部５または１１で検出される検出信号が示す温度分布に注目すると、流量がゼロで流体が流れない場合における流体の温度分布は伝熱部３を中心に対称となり、流体が流れる場合には温度分布のピークが下流側にシフトする。

流体情報検出部２０の流量検出部５１ｃは、上流側の温度検出部４での温度と下流側の温度検出部５での温度との温度差が被測定流体の流量に関連した信号となることを利用して、この温度差に基づき流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を算出する。

なお流体情報検出部２０は、温度検出部１０と温度検出部１１で検出される検出信号が示す温度に基づき、温度検出部１０と温度検出部１１の温度差を利用して流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求めるものであってもよい。また、流体情報検出部２０は、温度検出部４、５、１０、１１のうち任意選択されるいずれか２つの検出信号が示す温度に基づいて得られる各温度検出部における温度差を利用して、流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求めるものであってもよい。

このような構成において、被測定流体が流入口１００から注入されて流路ＦＰを流れると、演算制御手段７は、制御信号送信部から伝熱部３にパルス状の制御信号を送信して被測定流体を断続的に加熱する。

図４は熱式流量計の動作説明図であって、Time of Flight式（以下、ＴＯＦ式という）における各温度検出部の出力（温度）を表すものであり、（Ａ）は伝熱部３を加熱するための制御信号波形、（Ｂ）は各温度検出部の検出信号波形である。なお、ＴＯＦ式とは、２つの温度検出部で得られる検出信号（流体温度）のピーク（または所定の閾値）およびその検出信号のピーク（または所定の閾値）の時間差に基づいて、被測定流体の流量を測定する方式をいう。

まず、被測定流体を流路ＦＰに注入し、制御信号送信部５２から伝熱部３に図４（Ａ）のようなパルス状の制御信号を送信して被測定流体を断続的に加熱する。

伝熱部３により加熱された被測定流体は流路ＦＰの上流から下流に流れる。温度検出部４、１０は流路ＦＰを流れる被測定流体の温度を検出してそれぞれの検出信号（Ｔｕ１、Ｔｕ２）を流体情報検出部２０の温度補正部４０に出力し、温度検出部５、１１も流路ＦＰを流れる被測定流体の温度を検出してそれぞれの検出信号（Ｔｄ１、Ｔｄ２）を温度補正部４０に出力する。

温度検出部１２も流路ＦＰを流れる被測定流体の温度を検出して検出信号（Ｔｕ０）を流体情報検出部２０の温度補正部４０に出力する。

温度補正部４０は、温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０を補正用の検出信号として、各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号（Ｔｕ１、Ｔｕ２、Ｔｄ１、Ｔｄ２）から検出信号Ｔｕ０を差し引き、補正された検出信号（Ｔｕ１’、Ｔｕ２’、Ｔｄ１’、Ｔｄ２’）（以下、補正検出信号という）を流量情報検出部５０に出力する。

これにより、外気温（流体の温度）が変化しても各温度検出部から得られる検出信号の出力波形におけるベースラインは常に一定となり、外気温の変化の影響を受けることなく流量測定を行うことが可能となる。

具体的には、温度検出部５は、たとえば図４（Ｂ）のように、流量および伝熱部３と温度検出部５との距離に依存した時間だけ伝熱部３の加熱時から遅れた時点で急激に立ち上がる検出信号Ｔｄ１を検出し、伝熱部３の熱は流体によって拡散されるために温度検出部５の検出信号Ｔｄ１の振幅は時間とともに降下（低下）する。

温度検出部１１も温度検出部５と同様に、流量と伝熱部３と温度検出部１１との距離に依存した時間だけ伝熱部３の加熱時から遅れた時点で急激に立ち上がる検出信号Ｔｄ２を検出し、伝熱部３の熱は流体によって拡散されるために温度検出部１１の検出信号Ｔｄ２は時間とともに降下（低下）する。

このとき、温度補正部４０は、検出信号Ｔｄ１、Ｔｄ２に基づいて、温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０を補正用の検出信号として、検出信号Ｔｄ１、Ｔｄ２から検出信号Ｔｕ０を差し引き、補正検出信号Ｔｄ１’、Ｔｄ２’を流量情報検出部５０に出力する。

この結果、図４（Ｂ）のように、各温度検出部から得られる検出信号の出力波形におけるベースラインは常に一定となり、外気温の変化の影響を受けることなく流量測定を行うことが可能となる。

また、補正検出信号Ｔｄ２’のピーク（または所定の閾値）は、補正検出信号Ｔｄ１’のピーク（または所定の閾値）から流量および温度検出部５と温度検出部１１との距離に依存した時間だけ遅れて形成される。

流体情報検出部２０は、温度補正部４０によって補正された各温度検出部で検出された補正検出信号に基づいて、伝熱部３と各温度検出部との距離に依存した時間だけ加熱時から遅れた流体の温度を検出し、各温度検出部の補正検出信号のピークに達する時間または所定の閾値に達する時間の時間差（いいかえれば伝熱時間）を算出し記憶する。

具体的には、流体情報検出部２０は、温度検出部５の補正検出信号Ｔｄ１’、温度検出部１１の補正検出信号Ｔｄ２’に基づき、伝熱部３と温度検出部５との距離または伝熱部３と温度検出部１１との距離に依存した時間だけ加熱時から遅れた流体の温度を検出するとともに、温度検出部５の検出信号Ｔｄ１’と温度検出部１１の検出信号Ｔｄ２’のピークに達する時間または所定の閾値に達する時間の時間差を記憶する。

そして、流体情報検出部２０は、温度補正部４０から得た各温度検出部（たとえば温度検出部５および１１）の補正検出信号（たとえばＴｄ１’、Ｔｄ２’）の出力波形がピーク値に達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差が被測定流体の流量に関連した信号となることを利用して、これらの検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差に基づき、流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を算出する。

このように、本発明の熱式流量計によれば、温度補正部４０が温度検出部１２の検出信号に基づいて各温度検出部４、５、１０、１１の検出信号を補正し、これらの補正検出信号から流体の伝熱時間を算出することにより、外気温およびその変化に基づいて検出温度を補正して流体の流量を算出することができ、流量を広い範囲で測定できる。

なお、本発明に係る熱式流量計は、マイクロリアクタの分野のような微小流路内における化学反応や混合の進行度など流体特性の変化を測定するものであってもよい。また、微小流路の断面形状は長方形に限るものではなく、どのような形状でもよい。

また、上述の各実施形態において、熱式流量計の流路のパターンは直線状として説明しているが、曲線状であってもよく、必要に応じて分岐部、合流部を有するものでもよい。

たとえば、流入口を２液混合用に２個設けて２液が合流するような構成において、流路に図１と同じように伝熱部と２つの温度検出部を設置し、図１と同様な処理を行うことにより、外気温およびその変化に基づいて検出温度を補正して流量を算出することができ、流量を広い範囲で測定できる。

また、上述の各実施形態においては、ＴＯＦ方式で流量測定を行う例を説明したが、温度分布測定型の熱式で流量測定を行う場合についても、適用できる。具体的には、温度検出部１２の検出信号Ｔｕ０を補正用の検出信号として、各検出信号の差動をとった信号を利用して流量を計算するものでよい。

また、補正用の温度検出部１２の設置位置は、図１に記載した位置に限定するものではなく、伝熱部３による加熱の影響が小さい位置であればよい。すなわち、伝熱部３による加熱の影響があらかじめ把握できている既知の位置であれば、どのような位置であってもよい。

また、上述の各実施形態においては、新たに補正用の温度検出部１２を付加する構成について説明したが、たとえばＴＯＦ方式を用いる場合には、伝熱部３の上流側に設置されている温度検出部１０は流量測定に使用しないので、この温度検出部１０の検出信号を補正用の検出信号として利用してもよい。

この場合には、ＴＯＦ方式を用いる流量範囲は広いため、温度検出部１０の位置の伝熱部３による加熱の影響は十分に小さくなることから、温度検出部１０の検出信号に基づいて各検出温度を補正して流量を算出することにより、流量を広い範囲で測定できる。

この場合は、温度検出部１０の位置の伝熱部３による加熱の影響は十分に小さいので、温度検出部１０の検出信号に基づいて各検出温度を補正して流量を算出することにより、流体の流量を測定できる。

また、上述の各実施形態において、流体情報検出部２０は、あらかじめ各温度検出部の検出信号に与える伝熱部３からの加熱の影響を流量、流体の種類に応じてそれぞれ把握・記憶しておき、これらのデータに基づいて検出信号を補正することにより外気温変化の影響を除外して流量を測定するものであってもよい。

具体的には、流体情報検出部２０は、あらかじめ流体が流路ＦＰを流れる際に各温度検出部の検出信号に与える伝熱部３からの加熱の影響を流量、流体の種類に応じてそれぞれ把握・記憶する。そして流体情報検出部２０は、各温度検出部４、５、１０、１１、１２の検出信号のうちいずれかの一つの検出信号を補正用の検出信号として選択し、あらかじめ記憶した伝熱部３による加熱の影響に基づいて設定された時定数の十分大きなローパスフィルタ（ＬＰＦ）などを介することで、伝熱部による加熱の影響を十分に低減させ、この補正用の検出信号をその他の検出信号から差し引き、得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する。

これにより、補正検出信号から流体の伝熱時間を算出して流体の流量を求めることができ、外気温およびその変化に基づいて検出温度を補正して流量を算出することによって広い範囲で流量を測定できる。

また、上述の各実施形態において、流体情報検出部２０は、あらかじめ複数種類の流体が流路ＦＰを流れる際に各温度検出部で得られる検出信号とそのピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む流体の熱的特性情報を記憶し、これら各種流体の熱的特性情報に基づいて、流量および流体の物性変化を測定するものであってもよい。

具体的には、流体情報検出部２０は、上述のような温度検出部５および１１で得られる検出信号がピーク（または所定の閾値）に達する時間の時間差（伝熱時間）および検出信号のピークを含む熱的特性情報を複数種類の流体ごとにあらかじめ求めて記憶し、各温度検出部５、１１で得られた検出信号および補正検出信号に基づき、流路を流れる流体の検出信号のピークとその時間差などの熱的物性値と流量とを同時に測定して、あらかじめ記憶していた熱的特性情報と得られた熱的物性値に基づき、流路を流れている被測定流体の種類を把握するとともに、流量を測定でき、被測定流体の濃度、化学反応の進行度や混合の度合いなどの被測定流体の物性変化を測定できる。

また、上述の各実施形態において、流体情報検出部２０は、流路ＦＰに流れる流体の種類および流量、その流体の反応状態や混合の進行度を含むデータを、通信部２５を制御してネットワークなどを介し外部装置に送信するものでもよい。これにより、ユーザやオペレータはネットワークを介して流路ＦＰを流れる流体についての種類、流量、反応状態を把握することができる。

また、上述の各実施形態において、流体情報検出部２０は、ＣＰＵなどの演算制御部が適切なプログラムを実行することによってソフト的に、またはこれと適切なハードウエア回路とを組み合わせることにより、またはその他の方法によって、実現するものであってもよい。

また、伝熱部で流体をパルス的に加熱する例を説明したが、冷却するようにしても同様な効果が得られる。

その他、流量計チップの構造、温度検出部、伝熱部、または熱式流量計全体または各部の構造、形状、寸法、個数、回路、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

また、上述の各実施形態において、流体情報検出部２０は測定する流量が低流量領域であるか否かを判断し、低流量領域であると判断した場合には、温度差法により上流側の温度検出部４または１０と下流側の温度検出部５または１１との間の検出信号が示す温度分布における温度検出部５または１１の温度差に基づいて流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求め、低流量領域ではないと判断した場合には、ＴＯＦ法により、下流側の温度検出部５と温度検出部１１との間の検出信号のピークの時間差に基づいて流路ＦＰを流れる被測定流体の流量を求めるものでもよい。

このように、流体情報検出部２０が測定する流量に応じて測定方法（温度差法、ＴＯＦ法）を適宜選択して流量を求めることにより、より広い測定レンジでの流量の測定が可能になる。

また、上述の実施例では、図１において温度検出部４、５、１０、１１をそれぞれ設けて説明しているが、上流側の温度検出部の外側に設けられた温度検出部４は必須の構成要素ではない。また、温度検出部１１は温度検出部１０よりも下流側であれば任意の位置に設けるものでもよい。

また、本発明に係る熱式流量計は、流体に気泡が混入しているか否かを判断して警報を発信するものであってもよい。具体的には、流体情報検出部２０は、上述のような熱的特性情報をあらかじめ求めて記憶していることにより、各温度検出部で得られた温度に基づき算出された伝熱時間および温度のピーク値と記憶された熱的特性情報とを比較し、得られた伝熱時間から予想される温度のピーク値から大きく逸脱する場合は、気泡が存在するものと判断するものであってもよく、気泡が存在すると判断した場合には警報を発信するものであっても構わない。

以上説明したように、本発明の熱式流量計は、外気温とその変化に基づいて検出温度を補正して流量を算出することにより、広い範囲で流量を測定でき、石油、鉄鋼、化学プラントなどで導入されているプロセス制御への貢献が期待できる。

本発明に係る熱式流量計の一実施例を示す構成図である。 流体情報検出部２０の具体例を示す構成ブロック図である。 流量検出部５０の具体例を示す構成ブロック図である。 本発明に係る熱式流量計の動作の説明図である。 従来の熱式流量計の一例を示す構成図である。 従来の熱式流量計の例を示す構成図である。

符号の説明

１、２ 基板
３ 伝熱部
４、５、１０、１１、１２ 温度検出部
６ 溝
７、２０ 流体情報検出部
３０ 流量計チップ
４０ 温度補正部
４１ ローパスフィルタ
５０ 流量検出部
５１ 演算制御部
５１ａ 温度制御部
５１ｂ 検出信号管理部
５１ｃ 流量検出部
５２ 制御信号送信部
５３ 検出信号受信部
５４ 記憶部
５５ 通信部

Claims (6)

1. 流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部のうち最上流に設けられた温度検出部の検出信号を補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
   前記流体情報検出部は、
   複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
   前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする熱式流量計。
2. 流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部のうち伝熱部よりも上流側の温度を検出する前記複数の温度検出部からの検出信号のうちいずれか一つを補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
   前記流体情報検出部は、
   複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
   前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする熱式流量計。
3. 流路の一部に設けられ流路を流れる流体に温度変化を与える伝熱部と、前記流路上のそれぞれ異なる位置に設けられ前記流体の温度を検出する複数の温度検出部と、前記複数の温度検出部からの検出信号のうちいずれか一つを補正用の検出信号としてその他の検出信号から差し引き得られた補正後の各検出信号に基づき外気温変化の影響を除外して流量を測定する流体情報検出部とを備えた熱式流量計において、
   前記流体情報検出部は、
   複数種類の流体の種別および流量に応じた前記各温度検出部の各検出信号およびこれら検出信号のピークに達する時間の時間差または所定の閾値に達する時間の時間差を含む熱的特性情報をあらかじめ記憶し、
   前記熱的特性情報に基づいて、前記補正後の検出信号がピークに達する時間の時間差または閾値に達する時間差から流体の種別を把握し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする熱式流量計。
4. 前記流体情報検出部は、
   前記補正用の検出信号をその他の検出信号から差し引き、得られた補正後の各検出信号を出力する温度補正部と、
   前記補正後の各検出信号に基づき、各検出信号がそれぞれ所定の閾値に達する時間またはピークに達する時間の時間差を算出し、この時間差に基づき流量を測定する流量検出部とを有することを特徴とする
   請求項１〜３いずれかに記載の熱式流量計。
5. 前記流体情報検出部は、
   前記各温度検出部の検出信号および前記熱的特性情報に基づき前記流体の種類を特定することを特徴する
   請求項１〜４いずれかに記載の熱式流量計。
6. 前記流路を流れる流体は２種以上の流体であることを特徴とする
   請求項１〜請求項５いずれかに記載の熱式流量計。