JP2006030105A - 熱式質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力の増大と出力のバラツキ縮小とを図ることが可能な加熱感温センサを有する熱式質量流量計を提供する
【解決手段】 加熱感温センサ５は、センサリード線５ａに接続される白金線５ｂを芯材５ｃに巻回固定して素子本体５ｄを形成し、その素子本体５ｄをセンサケース５ｅ内に挿入して白金線５ｂをセンサケース５ｅの内面５ｆ近傍に配置するとともに、白金線５ｂと内面５ｆとの間隙にモールド剤５ｇを介在させて素子本体５ｄをセンサケース５ｅ内に固定してなる構造になっている。加熱感温センサ５は、白金線５ｂが被測定流体に対して近づく構造になっている。また、加熱感温センサ５は、白金線５ｂの周りに空気層が存在しない構造になっている。さらに、加熱感温センサ５は、白金線５ｂが固定される構造になっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、感温センサと加熱感温センサとを備えるとともに、加熱感温センサの加熱に係る電力供給量から質量流量を算出する熱式質量流量計に関する。

熱式質量流量計は、温度センサと加熱センサの機能を有する加熱感温センサ（流速センサ（ヒータ））と、感温センサとを備えており、加熱感温センサの温度が感温センサで計測される流体温度に対して一定の温度差になるように制御されている。これは、被測定流体を流した時にヒータから奪われる熱量が質量流量と相関があるからであって、ヒータに対する電力供給量から質量流量が算出されるようになっている。

従来の熱式質量流量計としては、下記特許文献１に開示されたものが知られている。下記特許文献１に開示された熱式質量流量計は、感温センサと加熱感温センサとがセンサホルダの中心軸上に配置されている。センサホルダは、流量計本体の一構成部品であって、そのセンサホルダの前記中心軸は、被測定流体が流れる流管の軸に平行に配置されている。すなわち、感温センサと加熱感温センサは、流管の軸に沿って並んで配置されている。感温センサは上流側で加熱感温センサは下流側に配置されている。

下記特許文献１の熱式質量流量計は、水平軸方向に伸びる流管に取り付けられており、その流管の流路を流れる被測定流体の質量流量を算出するようになっている。下記特許文献１の熱式質量流量計は、水平軸方向に伸びる流管のみならず、鉛直方向やその他の方向に伸びる流管に対しても取り付けることができるように構成されている。
特開２００４−１２２２０号公報 （第６頁、第４図）

ところで、上記従来の熱式質量流量計にあっては、次のような構造の加熱感温センサを用いている。すなわち、従来の加熱感温センサは、センサケースに収容固定される素子本体を備え、その素子本体は、センサリード線に接続される白金線を螺旋状にして、螺旋状になった白金線をセラミックス製のケース内に収容し、そして、螺旋状になった白金線の隙間にセラミックパウダーを充填することにより形成されている。螺旋状になった白金線は、センサケースの内面から離れた位置に配置されている（どちらかというと、中心に近い位置に配置されている）。白金線の隙間に充填されたセラミックパウダーは固められておらず、白金線の周囲には空気層が存在する状態になっている。

このような構造の加熱感温センサを用いる従来の熱式質量流量計は、図６のグラフからも分かるように、流量による出力の変化量が小さいという問題点を有している。また、まれに出力の変化量が大きいものもあることから、扱いが難しいという問題点を有している。さらに、上記の「まれに出力の変化量が大きいもの」を含めて考えると、加熱感温センサ毎の出力のバラツキが大きいという問題点を有している。これらの問題点は、加熱感温センサの構造が原因になっているものと本願発明者は考えている（構造上、放熱、熱伝達にバラツキが出て、上記問題点が生じると考えている）。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、出力の増大と出力のバラツキ縮小とを図ることが可能な加熱感温センサを有する熱式質量流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の本発明の熱式質量流量計は、感温センサと加熱感温センサを流管の流路に突出させ、前記感温センサと前記加熱感温センサの温度差を一定とするために前記加熱感温センサを加熱し、該加熱に係る電力供給量制御を行いその電力量から質量流量を算出する熱式質量流量計において、前記加熱感温センサは、センサリード線に接続される白金線を芯材に巻回固定して素子本体を形成し、該素子本体をセンサケース内に挿入して前記白金線を前記センサケースの内面近傍に配置するとともに、前記白金線と前記内面との間隙にモールド剤を介在させて前記素子本体を前記センサケース内に固定してなることを特徴としている。

請求項１に記載された本発明によれば、従来と異なる構造の加熱感温センサ、すなわち、センサリード線に接続される白金線を芯材に固定し、また、芯材に固定した白金線をセンサケースの内面近傍に配置し、さらには、白金線とセンサケースの内面との間にモールド剤を介在させる構造の加熱感温センサを熱式質量流量計に用いることから、構造上、放熱や熱伝達にバラツキが出なくなり、従来よりも流量による出力の変化量を大きくすることができる。また、従来よりもセンサ出力のバラツキを縮小することができる。

従って、本発明の熱式質量流量計によれば、出力増大を図ることができるという効果を奏する。また、本発明の熱式質量流量計によれば、品質の安定した加熱感温センサによって流量計測をすることができるという効果を奏する。その他、本発明の熱式質量流量計によれば、温度による出力の変化量を小さくして、直線性、流体温度の影響を改善することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の熱式質量流量計の一実施の形態を示す図であり、（ａ）は流管が鉛直方向に伸びる場合においての上流側から見た概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は加熱感温センサの要部断面図である。また、図２は流量による出力の変化を示すグラフである。

図１において、本発明の熱式質量流量計１は、流管２の流路３に突出する感温センサ４と加熱感温センサ５とを備えて構成されている。図１における流管２は、その流管軸６が鉛直方向（図示省略）に略一致するように配管されている。流管２には、被測定流体（図示省略）が矢印で示される流体方向７に流れるように、すなわち図１（ｂ）、（ｃ）を見た場合には上から下へ流れるように設定されている。

感温センサ４は、既知のものが用いられている。ここでは、感温センサ４の具体的な構成について、その説明を省略する。本形態の感温センサ４は、棒状の温度センサであり、同じく棒状の加熱感温センサ５は、温度センサと加熱センサの機能を有する流速センサ（ヒータ）である。

図１（ｄ）において、加熱感温センサ５は、センサリード線５ａに接続される白金線５ｂを芯材５ｃに巻回固定して素子本体５ｄを形成し、その素子本体５ｄをセンサケース５ｅ内に挿入して白金線５ｂをセンサケース５ｅの内面５ｆ近傍に配置するとともに、白金線５ｂと内面５ｆとの間隙にモールド剤５ｇを介在させて素子本体５ｄをセンサケース５ｅ内に固定してなる構造になっている。加熱感温センサ５は、白金線５ｂが被測定流体（図示省略）に対して近づく構造になっている。また、加熱感温センサ５は、白金線５ｂの周りに空気層が存在しない構造になっている。さらに、加熱感温センサ５は、白金線５ｂが固定される構造になっている。

芯材５ｃは、ガラス製であって略円柱状に形成されている。白金線５ｂは、このような芯材５ｃの外周側面に巻回されている（芯材５ｃを巻回した後、接着剤等を塗布して芯材５ｃを固定してもよい）。白金線５ｂの端部は、例えば芯材５ｃの上端面でセンサリード線５ａと接続されている。引用符号５ｈは、白金線５ｂとセンサリード線５ａとの接続部分を覆う保護部を示している。センサケース５ｅは、例えばステンレス製となる有底のパイプが用いられている。モールド剤５ｇは、エポキシ樹脂等であって、芯材５ｃの上方にも充填されている。

感温センサ４及び加熱感温センサ５は、その先端側が感温部分８、後端側が固定部分９として構成されている。感温センサ４及び加熱感温センサ５は、各固定部分９をセンサホルダ１０に差し込むような状態にした上で固定されている。感温センサ４及び加熱感温センサ５は、共に同じセンサホルダ１０に固定されている（これに限らないものとする。すなわち、感温センサ４及び加熱感温センサ５の配置の仕方によっては別々のセンサホルダに固定してもよいものとする）。

感温センサ４及び加熱感温センサ５は、流管２の外周面にセンサホルダ１０を取り付けると、流管２の壁に形成した貫通孔を介して各感温部分８が流路３に突出するようになっている。各感温部分８は、流管軸６に対して略直交する方向に突出するようになっている。感温センサ４及び加熱感温センサ５の各先端は、流管２の中央又は中央周辺部分に配置されている（一例であるものとする）。感温センサ４及び加熱感温センサ５の各感温部分８には、仮に外部から流管２の壁に熱が伝わったとしてもその熱が作用しないように配慮されている。感温センサ４及び加熱感温センサ５は、流管軸６に沿って並ぶように配置されている。また、感温センサ４及び加熱感温センサ５は、所定の間隔をあけて配置されている。

次に、熱式質量流量計１の図示していない部分について簡単に説明する（その図示していない部分は、基本的に、背景技術の欄で挙げた特許文献１、すなわち特開２００４−１２２２０号公報の第６頁、第４図に開示された構成と同じである）。

図示していない部分として、感温センサ４及び加熱感温センサ５の上流側には、被測定流体を安定した流れに整える整流器が取り付けられている。センサホルダ１０の上方には、感温センサ４のセンサリード線及び加熱感温センサ５のセンサリード線線５ａが接続されるアンプボードが取り付けられている。感温センサ４及び加熱感温センサ５とアンプボードは、流量計測部及び流量演算部としての機能を有している。センサホルダ１０及びアンプボードの周囲には、変換器ケースが取り付けられている。変換器ケースは、流管２に取り付けられている。変換器ケースの開口部分には、スイッチボードやディスプレイボードを有する本体カバーがパッキンを挟んだ状態で取り付けられている。変換器ケースの一側壁には、伝送ケーブルが接続されている。

上記構成において、加熱感温センサ５は、感温センサ４で検出された温度に基づいて流量計測を行う。すなわち、本発明の熱式質量流量計１の流量計測部及び流量演算部では、感温センサ４と加熱感温センサ５との温度差が一定（例えば＋３０℃）になるように、加熱感温センサ５を加熱する（電流を流す）とともに、その加熱に係る電力値から質量流量を算出する。算出された質量流量は、表示装置（図示省略）に表示される。

質量流量の算出について補足説明すると、被測定流体（図示省略）を流体方向７に流したときに、加熱感温センサ５は被測定流体によって冷やされる。感温センサ４との温度差を一定に制御するためには、さらに加熱感温センサ５に電流を流す必要がある。この時、加熱感温センサ５に流れる電流は、質量流量の関数であり、これを利用して質量流量を演算算出する。

以上、図１を参照しながら説明してきたように、本発明の熱式質量流量計１は、上記構造の加熱感温センサ５を用いることから、構造上、放熱や熱伝達にバラツキが出ないようにすることができる。従って、図２のグラフからも分かるように、従来よりも流量による出力の変化量を大きくすることができる。また、従来よりもセンサ出力のバラツキを縮小することができる。

続いて、図３及び図４を参照しながら本発明の熱式質量流量計の他の一実施の形態を説明する。図３は他の一実施の形態を示す図であり、（ａ）は流管が鉛直方向に伸びる場合においての上流側から見た概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は加熱感温センサの要部断面図である。また、図４は感温センサ及び加熱感温センサの配置と自然対流の方向の説明図である。

図３において、他の一実施の形態における熱式質量流量計１は、上述した図１の熱式質量流量計１に対して感温センサ４及び加熱感温センサ５の配置が異なっている。加熱感温センサ５は、上述同様、センサリード線５ａに接続される白金線５ｂを芯材５ｃに固定し、また、芯材５ｃに固定した白金線５ｂをセンサケース５ｅの内面５ｆ近傍に配置し、さらには、白金線５ｂとセンサケース５ｅの内面５ｆとの間にモールド剤５ｇを介在させる構造のセンサが用いられている。

感温センサ４及び加熱感温センサ５の配置について、図３及び図４を参照しながら説明すると、感温センサ４及び加熱感温センサ５は、これらを結ぶ直線（仮想線１１）が加熱感温センサ５に生じる自然対流の方向１２に対して不一致となるように配置されている。言い換えれば、感温センサ４は、加熱感温センサ５に生じる自然対流の方向１２に対してずれた位置に配置されている。

感温センサ４及び加熱感温センサ５は、所定の間隔をあけて配置されている。また、感温センサ４及び加熱感温センサ５は、センサホルダ１０の対角線方向に合わせて配置されている。他の一実施の形態において、上記仮想線１１は、上記対角線方向（図示省略）に一致している。

感温センサ４及び加熱感温センサ５の配置は、他の一実施の形態において、上記仮想線１１が上記自然対流の方向１２に対して不一致となればよく、加熱感温センサ５が感温センサ４よりも上流側に配置されないことがより好ましいものとする。図３に示されるように、感温センサ４を上流側、加熱感温センサ５を下流側に配置する他には、感温センサ４及び加熱感温センサ５を流管軸６に対して直交方向に並べて配置することも挙げられる。

続いて更に、図５を参照しながら上述の図３の熱式質量流量計１の他の取り付け例を説明する。図５は流管２が水平方向に伸びる場合においての熱式質量流量計１の取り付け状態を示す断面図である。

図５において、流管２は、その流管軸６が水平方向に略一致するように配管されている。熱式質量流量計１の取り付けは、流管２の向きが変わっただけで上述と同じになっている。感温センサ４及び加熱感温センサ５は、センサホルダ１０の対角線方向に合わせて配置されている。センサホルダ１０は、その軸が流管軸６に平行となるように流管２に取り付けられている。センサホルダ１０の対角線方向に合わせて配置された感温センサ４及び加熱感温センサ５は、これらを結ぶ直線（上記仮想線１１と同じ）が図５の状態において右下がりとなるように配置されている。感温センサ４は上流側、加熱感温センサ５は下流側に配置されている。また、加熱感温センサ５は、感温センサ４よりも上方に配置されている。加熱感温センサ５によって生じる対流熱は、図３の配置と同様、感温センサ４に伝わらないようになっている。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

本発明の熱式質量流量計の一実施の形態を示す図であり、（ａ）は流管が鉛直方向に伸びる場合においての上流側から見た概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は加熱感温センサの要部断面図である。 流量による出力の変化を示すグラフである。 本発明の熱式質量流量計の他の一実施の形態を示す図であり、（ａ）は流管が鉛直方向に伸びる場合においての上流側から見た概略図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は加熱感温センサの要部断面図である。 感温センサ及び加熱感温センサの配置と自然対流の方向の説明図である。 流管が水平方向に伸びる場合においての熱式質量流量計の取り付け状態を示す断面図である。 従来例の熱式質量流量計における流量による出力の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 熱式質量流量計
２ 流管
３ 流路
４ 感温センサ
５ 加熱感温センサ
５ａ センサリード線
５ｂ 白金線
５ｃ 芯材
５ｄ 素子本体
５ｅ センサケース
５ｆ 内面
５ｇ モールド剤
５ｈ 保護部
６ 流管軸
７ 流体方向
８ 感温部分
９ 固定部分
１０ センサホルダ
１１ 仮想線（感温センサ及び加熱感温センサを結ぶ直線）
１２ 自然対流の方向

Claims (1)

1. 感温センサと加熱感温センサを流管の流路に突出させ、前記感温センサと前記加熱感温センサの温度差を一定とするために前記加熱感温センサを加熱し、該加熱に係る電力供給量制御を行いその電力量から質量流量を算出する熱式質量流量計において、
   前記加熱感温センサは、センサリード線に接続される白金線を芯材に巻回固定して素子本体を形成し、該素子本体をセンサケース内に挿入して前記白金線を前記センサケースの内面近傍に配置するとともに、前記白金線と前記内面との間隙にモールド剤を介在させて前記素子本体を前記センサケース内に固定してなる
   ことを特徴とする熱式質量流量計。
   
   

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