JP2010236924A - 渦流量計 - Google Patents
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Abstract
【課題】被測定流体の流量が増大した場合においても感度が低下することなく、高流量域を含む広いレンジで流量を測定することができる熱式流れセンサ型の2線式渦流量計を提供する。
【解決手段】外部の処理装置から一対の信号線L1、L2を介して供給された電源Bの電力に基づき動作して被測定流体の流量を計測する一方、計測した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線L1、L2を介して伝送する渦流量計1であって、被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、バイパス流路に配置されるセンサ10と、センサ10の測温抵抗素子15、16の抵抗値に基づいて被測定流体の流量及びこれに対応する出力電流を算出するCPU6と、を備え、出力電流の大きさに応じたヒータ電流をセンサ10のヒータ14に与えて発熱させる。
【選択図】図9
【解決手段】外部の処理装置から一対の信号線L1、L2を介して供給された電源Bの電力に基づき動作して被測定流体の流量を計測する一方、計測した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線L1、L2を介して伝送する渦流量計1であって、被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、バイパス流路に配置されるセンサ10と、センサ10の測温抵抗素子15、16の抵抗値に基づいて被測定流体の流量及びこれに対応する出力電流を算出するCPU6と、を備え、出力電流の大きさに応じたヒータ電流をセンサ10のヒータ14に与えて発熱させる。
【選択図】図9
Description
本発明は、渦流量計に関する。
従来より、被測定流体の流路に配置した渦発生体により渦列(カルマン渦)を発生させて流体振動を生成し、この流体振動の周波数に基づいて被測定流体の流量を測定(算出)する渦流量計が提案され、実用化されている。近年においては、渦発生体の下流側に、被測定流体の流通方向と直交するバイパス流路を形成し、このバイパス流路内に熱式流れセンサを配置し、この熱式流れセンサにより流体振動の周波数を測定して被測定流体の体積流量を算出する渦流量計が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、現在においては、差圧式・電磁式流量計等、電源電力が供給される一対の信号線を介して計測流量値を4〜20mAの電流に変換して伝送するいわゆる2線式の流量計が提案され、実用化されている。但し、かかる2線式のシステムと、前記した特許文献1に記載されたような熱式流れセンサ型の渦流量計と、を組み合わせた熱式流れセンサ型の2線式渦流量計は、未だ製品化されていない。
なぜならば、熱式流れセンサ型の2線式渦流量計においては、高流領域を含む広いレンジでの測定を行うことができないためである。すなわち、渦流量計内部の電気回路を動作させるために消費可能な電流の上限が4mAであり、これにより、熱式流れセンサのヒータの発熱量が自ずと制限されてしまう。例えば、被測定流体の流量が増大してセンサから奪われる熱量が増大すると、流量計の感度が低下し、被測定流体の流量を測定することができなくなり、従って、高流領域を含む広いレンジでの測定を行うことができない。
本発明は、被測定流体の流量が増大した場合においても感度が低下することなく、高流領域を含む広いレンジで流量を測定することができる熱式流れセンサ型の2線式渦流量計を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る渦流量計は、被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、この渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、このバイパス流路に配置される発熱抵抗体と、を備え、交番の流れの周波数をこの発熱抵抗体の抵抗値で計測して被測定流体の流量を算出する一方、算出した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線を介して伝送する渦流量計であって、出力電流の大きさに応じたヒータ電流を発熱抵抗体に与えて発熱抵抗体を発熱させるものである。
かかる構成を採用すると、2線式の渦流量計は、出力電流の大きさに応じてヒータ電流を発熱抵抗体に与えて、発熱抵抗体を発熱させることができる。従って、例えば被測定流体の流量増大に起因して発熱抵抗体から奪われる熱量が増大した場合においても、感度の低下を抑制し、被測定流体の流量を計測することが可能となる。この結果、構造が簡素で組み付け易い2線式でありながら高流量域を含む広いレンジで測定可能な渦流量計を提供することができる。
前記渦流量計において、発熱抵抗体を複数設けることもできる。
また、前記渦流量計において、発熱抵抗体の近傍に温度センサを備えた構成を採用することができる。かかる場合、温度センサの測定値から被測定流体の流量を算出することができる。
また、前記渦流量計において、発熱抵抗体にヒータ電流を所定の時間流すとともに、ヒータ電流を流す前記時間の長さによって発熱量を制御する駆動回路を採用することもできる。
本発明によれば、被測定流体の流量が増大した場合においても感度が低下することなく、高流領域を含む広いレンジで流量を測定することができる熱式流れセンサ型の2線式渦流量計を提供することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る渦流量計1について説明する。本実施形態に係る渦流量計は、外部の処理装置から一対の信号線を介して供給された電源電力に基づき動作して被測定流体の流量を計測する一方、計測した流量に係る出力信号を処理装置へと信号線を介して伝送する、いわゆる熱式流れセンサ型の2線式渦流量計である。
まず、図1〜図8を用いて、本実施形態に係る渦流量計1の機械的な構成について説明する。渦流量計1は、被測定流体が流通する流路2aを形成する流体管2、流路2aに配置された渦発生体3、渦発生体3の内部に形成されたバイパス流路4、バイパス流路4に配置された熱式流れセンサ10、熱式流れセンサ10を駆動する駆動回路5a、5b(図9)、各種物理量の演算や駆動回路の制御等を行うCPU6(図9)等を備えている。
流体管2は、図1及び図2に示すように、円筒状の部材である。流体管2の両端には、図1に破線で示すように、被測定流体を流通させる配管Pが接続される。渦発生体3は、図2及び図3に示すように、流体管2の直径よりも長い柱状部材であり、流体管2の壁部に形成された貫通孔2bから流体管2内にその径方向に横断するように挿入されている。渦発生体3の外周部と流体管2の貫通孔2bとの間には流体管2の密閉性を保持するOリング21が配設されている。また、渦発生体3は、固定プレート22により流体管2に固定されている。
バイパス流路4は、被測定流体の流通方向(図1及び図6における矢印Aの方向)に対して実質的に直交する方向(図6における矢印Bの方向)に延在するように形成されており、その両端部は開口4aとなっている。バイパス流路4の内部には、渦発生体3で発生する渦列(カルマン渦)により交番の流れが生成される。渦発生体3の内部には、図3及び図5に示すように、バイパス流路4の途中から渦発生体3の上方に向けて、被測定流体の流通方向(矢印A方向)及びバイパス流路4の延在方向(矢印B方向)に実質的に直交する方向に延在するように小径孔3aが形成されている。この小径孔3aの内部には、小径孔3aの内径よりも僅かに小さい外径を有するパイプ23が着脱自在に挿入されている。パイプ23の先端部23aには、熱式流れセンサ10が実装されるセンサアセンブリ24が固定されている。
熱式流れセンサ10は、バイパス流路4内を流通する被測定流体に接触するように配置された半導体ダイヤフラムを有する流れセンサである。熱式流れセンサ10は、図7及び図8に示すように、キャビティ12が設けられた基板11、基板11上にキャビティ12を覆うように配置された絶縁膜13、絶縁膜13に設けられたヒータ14、ヒータ14の両側に配置された第1の測温抵抗素子15及び第2の測温抵抗素子16、周囲温度センサ17等を有している。
絶縁膜13のキャビティ12を覆う部分は、断熱性のダイヤフラムを構成している。周囲温度センサ17は、バイパス流路4内を流通する被測定流体の温度を測定する。ヒータ14は、キャビティ12を覆う絶縁膜13の中心に配置されており、ヒータ駆動回路5b(図9)から与えられる電流により発熱する発熱抵抗体として機能して、バイパス流路4を流れる流体を加熱する。なお、本実施形態においては、ヒータ14を一つだけ設けた例を示したが、ヒータ14を複数設けることもできる。
第1の測温抵抗素子15はヒータ14の一方側の温度を、第2の測温抵抗素子16はヒータ14の他方側の温度を、各々検出するために用いられ、いずれもセンサ駆動回路5a(図9)から与えられる電流により発熱する発熱抵抗体として機能するとともに、温度センサとして機能する。これら第1及び第2の測温抵抗素子15、16の抵抗値に基づいてヒータ14の両側の温度変化を検出し、バイパス流路4内に生成される交番の流れの周波数に係る情報を得ることが可能となる。このような周波数に係る情報はCPU6に入力され、被測定流体の体積流量の算出等に使用される。
なお、図7及び図8に示した基板11の材料としては、シリコン(Si)等が使用可能である。絶縁膜13の材料としては、酸化ケイ素(SiO2)等が使用可能である。キャビティ12は、異方性エッチング等により形成される。ヒータ14、第1の測温抵抗素子15、第2の測温抵抗素子16及び周囲温度センサ17の各材料には白金(Pt)等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能である。
このような熱式流れセンサ10は、図3に示すようにパイプ23の先端部23aが小径孔3aの最深部まで挿入されることにより、バイパス流路4に臨む位置に配設されることとなる。渦発生体3の小径孔3aに挿入されたパイプ23は、図3に示すように、小径孔3aの上方に形成されかつ小径孔3aより大きい内径を有する大径孔3bに圧入された固定部材25により固定されている。
固定部材25を囲む空間は、渦発生体3の外側にOリング26を介して取り付けられた円筒状のケース27により保護されている。ケース27の上方には、図1〜図4に示すようにハウジング28が取り付けられている。ハウジング28の内部には、図4に示すようにターミナル29が内蔵されており、このターミナル29には、CPU6等が設けられたプリント配線基板30が配設されている。ハウジング28の開口部28aにはカバー31が螺合されており、開口部28aの反対側には被測定流体の体積流量等を表示する表示部32が設けられている。
次に、図9及び図10を用いて、本実施形態に係る渦流量計1の電気的な構成(回路構成)について説明する。
熱式流れセンサ10を駆動する駆動回路(センサ駆動回路5a及びヒータ駆動回路5b)は、図示していない外部の処理装置から一対の信号線L1、L2を介して供給された直流電源B(例えば24V)の電力に基づいて動作する。信号線L1、L2に流れる電流値の変化に伴って外部負荷に電圧降下が発生し、渦流量計1に供給される電圧は一定しない。このため、定電圧回路9を用いて渦流量計1の内部回路への供給電圧を例えば5Vに安定させる。内部回路は、測温抵抗素子15、16、センサ駆動回路5a、ヒータ駆動回路5b、CPU6、D/A変換器7、出力回路8、オペアンプ(符号なし)等から構成されており、何れも定電圧回路9から供給される定電圧によって動作する。被測定流体が流れていないとき、内部回路で消費される電流の合計が4mA以下になるように設計されている。測温抵抗素子15、16は十分に高い抵抗値に設定されており、これらに流れる電流は小さいので、その発熱量は小さくなるように設計されている。センサ駆動回路5aは測温抵抗素子15、16の中点の電圧を検出し、CPU6に入力する。
CPU6は、バイパス流路4内に生成される交番の流れの周波数に係る情報に基づいて、被測定流体の体積流量を算出するものであり、演算回路として機能する。具体的には、CPU6は、熱式流れセンサ10の測温抵抗素子15、16の抵抗値の変化に基づいてバイパス流路4内に生成される交番の流れの周波数を算出し、この周波数に所定の係数(渦発生体3の幅、ストローハル数、流路断面積等に基づいて決定される係数)を乗じることにより、被測定流体の体積流量を算出する。
CPU6は、被測定流体の体積流量に対応する出力電流値を算出し、D/A変換器7を介して出力回路8へ出力電流値に関する指示信号を送る。この指示信号を受けた出力回路8は、図10に示すように、信号線L1、L2に流れる電流(ケーブル電流)を体積流量に比例するように4〜20mAの範囲で調整する。一方、4〜20mAのケーブル電流の大きさに応じた電流(ヒータ電流)がヒータ14に流れる。すなわち、体積流量が小さいときにはケーブル電流が小さいのでヒータ14へ供給可能な電流(ヒータ電流)も小さい。一方、体積流量が大きいときにはケーブル電流が大きいためヒータ電流を大きくすることができるので、ヒータ14の発熱量が増加する。従って、被測定流体の流量の増加に伴って感度が低下する(ヒータ温度の変化量が小さくなる)という現象を抑制することができる。
以上説明した実施形態に係る渦流量計1においては、CPU6で算出した被測定流体の流量に対応するケーブル電流4〜20mAの大きさに応じてヒータ14にヒータ電流を与えて、ヒータ14を発熱させることができる。従って、被測定流体の流量増大に起因して測温抵抗素子15、16から奪われる熱量が増大した場合においても、被測定流体の流量を正確に計測することが可能となる。この結果、本実施形態に係る渦流量計1は、構造が簡素で組み付け易い2線式でありながら高流量域において高い感度を有するものとなる。
なお、以上の実施形態においては、熱式流れセンサの発熱抵抗体(ヒータ14)に、ケーブル電流の大きさに応じてヒータ電流を流しているが、この際、ヒータ電流を流す時間を制御することにより発熱量を調整することができる。例えば、ヒータ駆動回路5bが発熱抵抗体に流すヒータ電流の時間を制御することで発熱量を調整することができる。例えば、発熱量を大きくする場合にはヒータ電流を流す時間を長くし、発熱量を小さくする場合にはヒータ電流を流す時間を短くすることができる。
また、以上の実施形態においては、測温抵抗素子15、16の抵抗値に基づいて、バイパス流路4内に生成される交番の流れの周波数に係る情報を取得し、この周波数に係る情報に基づいて被測定流体の体積流量を算出した例を示したが、ヒータ14(発熱抵抗体)の抵抗値に基づいて、前記交番の流れの周波数に係る情報を取得して体積流量を算出することもできる。その他、本発明を、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
1…渦流量計
2a…流路
3…渦発生体
4…バイパス流路
5a…センサ駆動回路
5b…ヒータ駆動回路
6…CPU
10…熱式流れセンサ
14…ヒータ(発熱抵抗体)
15…第1の測温抵抗素子(温度センサ)
16…第2の測温抵抗素子(温度センサ)
B…直流電源
L1・L2…信号線
2a…流路
3…渦発生体
4…バイパス流路
5a…センサ駆動回路
5b…ヒータ駆動回路
6…CPU
10…熱式流れセンサ
14…ヒータ(発熱抵抗体)
15…第1の測温抵抗素子(温度センサ)
16…第2の測温抵抗素子(温度センサ)
B…直流電源
L1・L2…信号線
Claims (4)
- 被測定流体が流通する流路に配置される渦発生体と、前記渦発生体で発生する渦により内部に交番の流れが生成されるバイパス流路と、前記バイパス流路に配置される発熱抵抗体と、を備え、前記交番の流れの周波数を前記発熱抵抗体の抵抗値で計測して被測定流体の流量を算出する一方、算出した流量に対応する出力電流を処理装置へと信号線を介して伝送する渦流量計であって、
前記出力電流の大きさに応じたヒータ電流を前記発熱抵抗体に与えて前記発熱抵抗体を発熱させる、
渦流量計。 - 前記発熱抵抗体は、複数設けられるものである、
請求項1に記載の渦流量計。 - 前記発熱抵抗体の近傍に温度センサを設け、前記温度センサの測定値から被測定流体の流量を算出する、
請求項1又は2に記載の渦流量計。 - 前記発熱抵抗体にヒータ電流を所定の時間流すとともに、ヒータ電流を流す前記時間の長さによって発熱量を制御する駆動回路を備える、
請求項1から3の何れか一項に記載の渦流量計。
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