JP2018072237A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状部材の外周面に固定されたセンサを含む測定装置において、管状部材内を流れる流体の流量をより正確に測定すること。
【解決手段】測定装置は、管状部材と、管状部材の外周面に固定され、管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサ２１Ｂと、外周面の温度センサ２１Ｂが固定された領域とは異なる領域に固定される、流体に熱を供給するヒータ２１Ａと、を備え、温度センサ２１Ｂは、空洞１０２が形成された断熱構造を有する断熱部材２３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状部材の外周面に固定されたセンサを含む測定装置の構造に関する。

従来、配管内を流れる流体の流量を測定する流量計が知られている。これに関して、特許文献１には、配管の外壁に配置された測温センサ及び液温センサを備える流量計が開示されている。

特開２００４−６９６６７号公報

特許文献１記載の流量計のように、配管の外壁に配置された液温センサが、配管内を流れる流体の温度を測定する場合、実際には、配管の外壁の温度を流体の温度として測定している。この点、特許文献１に記載の発明では、配管を構成する材料の熱伝導率等によっては、測定温度と、配管内を流れる流体の実際の温度と、の間には誤差が生じることを防止するために、測温センサ及び液温センサの全体を断熱部材で覆っている。

しかしながら、特許文献１記載の発明のように、固体の断熱部材を用いる流量計においては、外気の影響を一定程度防ぐことができるが、外気の影響を効果的に防ぐことができない。よって、配管内を流れる流体の温度をより正確に測定できないので、流体の流量をより正確に測定できないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、管状部材の外周面に固定されたセンサを含む測定装置において、管状部材内を流れる流体の流量をより正確に測定することを目的とする。

一実施形態に係る測定装置は、管状部材と、前記管状部材の外周面に固定され、前記管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、前記外周面の前記温度センサが固定された領域とは異なる領域に固定される、前記流体に熱を供給するヒータと、を備え、前記温度センサは、空洞が形成された断熱構造を有する断熱部材を備える。

上記測定装置において、前記断熱部材は、前記空洞によって形成された第１開口を覆うように配置された絶縁膜を備え、前記断熱部材は、前記管状部材の外周面に前記絶縁膜が配置されるような向きで固定されていてもよい。

上記測定装置において、前記断熱部材は、前記第１開口の反対側の第２開口において前記空洞を塞ぐように配置されるシール部材を更に備えてもよい。

本発明によれば、管状部材の外周面に固定されたセンサを含む測定装置において、管状部材内を流れる流体の流量をより正確に測定することができる。

実施形態に係る流量計の構成例を示す概略上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。 第１実施形態に係る温度センサの構成例を示す斜視図である。 第１実施形態に係るヒータの構成例を示す斜視図である。 第２実施形態に係る温度センサの断面図である。 第２実施形態に係る温度センサの構成例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、一実施形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、一連の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付して表している。

＜第１実施形態＞
（流量計の構成）
図１から図５を用いて、第１実施形態に係る流量計（測定装置）を説明する。図１は、実施形態に係る流量計の構成例を示す概略上面図である。図１に示すように、流量計１は、例示的に、配管１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ（管状部材）、配管１１Ａの外周面に固定され、配管１１Ａ内を流れる流体の温度を測定する温度センサ２１Ｂと、配管１１Ａの外周面の温度センサ２１Ｂが固定された領域とは異なる領域に固定される、流体に熱を供給するヒータ２１Ａと、を備える、配管１１内を流れる流体の流量を測定するフローセンサ２１、ワイヤ３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄを介してフローセンサ２１からの検出信号を中継する中継基板３１、及び、継手部材５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄを介して配管１１の両端を固定するセンサ筐体６１、を備えて構成されている。なお、配管１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃについて、以下、特に部材を特定しない場合は、配管１１と称する。ワイヤ３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄについても、以下、特に部材を特定しない場合は、ワイヤ３３と称する。継手部材５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄについても、以下、特に部材を特定しない場合は、継手部材５１と称する。

配管１１は、流体を通過させる管状の部材である。例えば、配管１１は、流体の流量に対応した適切な内径、流体の圧力に耐えうる壁の厚み、及び最適な長さを有しており、これらのサイズは使用条件から決定される。配管１１は、管状部材として必要な機械的強度を備えるとともに相対的に熱伝導率の低い材料で形成することが好ましく、例えば、ガラス、プラスチック、テフロン（登録商標）等の材料で構成される。なお、配管１１の厚さとしては、後述する継手部材５１Ａから５１Ｄの締め付け圧力や配管１１を流れる流体の圧力に耐えうる厚さが必要である。しかしながら、後述する図２、３、及び６に示すように、ヒータ２１Ａ、温度センサ２１Ｂを固定する領域においては、配管１１Ａの厚さは、熱伝導の障害に殆どならない程度に局所的に薄くなるようにざぐり加工されている。ヒータ２１Ａおよび温度センサ２１Ｂは、配管１１Ａのざぐり加工された面（ざぐり面Ｓ）において固定される。なお、ざぐり加工がされている部分は、例えば数十マイクロメートル程度の厚さである。

配管１１Ａの両端は、継手部材５１Ｂ及び５１Ｃに接続され、配管１１Ｂの一端は、継手部材５１Ａに接続され、配管１１Ｃの一端は、継手部材５１Ｄに接続されている。配管１１Ａと配管１１Ｂとは、継手部材５１Ａ及び５１Ｂを介して接続されており、配管１１Ａと配管１１Ｃとは、継手部材５１Ｃ及び５１Ｄを介して接続されている。配管１１Ａから１１Ｃは同一の部材から製造されたものであってもよいし、異なる部材から製造されたものであってもよい。

中継基板３１は、フローセンサ２１からの検出信号を中継する基板である。中継基板３１は、例えば、フローセンサ２１に含まれるヒータ２１Ａとワイヤ３３Ａ及び３３Ｂを介して電気的に接続されており、フローセンサ２１に含まれる温度センサ２１Ｂとワイヤ３３Ｃ及び３３Ｄを介して電気的に接続されている。

中継基板３１は、例えば、各ワイヤ３３を介してフローセンサ２１が備える抵抗素子の電気抵抗に対応する電気信号を中継する。中継基板３１は、フローセンサ２１からの検出信号を、各電気接続部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄに接続される各ワイヤ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを介して流量測定部（不図示）に出力する。なお、電気接続部３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄについて、特に、部材を特定しない場合は、電気接続部３５と称する。ワイヤ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄについても、特に、部材を特定しない場合は、ワイヤ４１と称する。

中継基板３１には、切り欠きＮ１，Ｎ２が設けられており、フローセンサ２１が切り欠きＮ１，Ｎ２に位置するように構成されている。例えば、中継基板３１には、複数の切り欠きＮ１及びＮ２が設けられており、温度センサ２１Ｂは、一の切り欠きＮ２に位置し、ヒータ２１Ａは、他の一の切り欠きＮ１に位置するように構成される。切り欠きＮの数には制限はなく、一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

ワイヤ３３及び４１は、電気信号を伝達することができる材料を含んで構成されていればよく、例えば、金ワイヤや銅ワイヤ等の金属ワイヤが挙げられるが、これに限られない。

図１に示すように、センサ筐体６１は、フローセンサ２１を格納する部材である。継手部材５１は、配管１１の少なくとも一つの端部に接続されており、配管１１Ａと配管１１Ｂとを接続し、配管１１Ａと配管１１Ｃとを接続する部材である。配管１１の少なくとも一つの端部は、継手部材５１によりセンサ筐体６１に固定されている。なお、継手部材５１は、継手としての機械的強度を備える部材、例えば、セラミック、プラスチック、ステンレス等で構成される。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見た断面図である。図２及び図３に示すように、フローセンサ２１は、配管１１の継手部材５１で挟まれた部分である配管１１Ａの外周面に固定されて用いられる。フローセンサ２１は、例示的に、配管１１Ａの外周面において流体の流れ上流側の領域に固定され、流体の温度を測定する温度センサ２１Ｂと、外周面の温度センサ２１Ｂが固定された領域とは異なる、流体の流れ下流側の領域に固定され、流体に熱を供給するヒータ２１Ａと、を備えて構成されている。

図２に示すように、温度センサ２１Ｂの底面は、中継基板３１から分離するように構成される。また、図３に示すように、ヒータ２１Ａの底面が中継基板３１から分離するように構成される。

図２に示すように、温度センサ２１Ｂは、空洞１０２Ｂが形成された断熱構造を有する断熱部材２３Ｂを備える。

図４は、実施形態に係る温度センサの構成例を示す斜視図である。図２及び図４に示すように、温度センサ２１Ｂの断熱部材２３Ｂは、例示的に、基体１０１Ｂと、基体１０１Ｂを貫通する空洞１０２Ｂによって形成された開口Ｏ１（第１開口）を覆うように配置された絶縁膜１０３Ｂと、絶縁膜１０３Ｂに設けられた測温抵抗素子１０７（抵抗素子）と、測温抵抗素子１０７が検出した物理量に対応する電気信号をワイヤ３３Ｃ，３３Ｄを介して出力する電気接続部１０９Ｃ，１０９Ｄと、を備える。

断熱部材２３Ｂは、配管１１Ａの外周面に絶縁膜１０３Ｂが配置されるような向きで固定される。このように断熱部材２３Ｂが配管１１Ａに固定されることで、絶縁膜１０３Ｂに設けられる測温抵抗素子１０７の周囲が、断熱材としての固体よりもより熱伝導率が低い外気、例えば空気等を含む気体で覆われる。よって、管状部材の外周面に固定された温度センサ２１Ｂにおいて、管状部材内を流れる流体の温度をより正確に測定することができる。

図５は、第１実施形態に係るヒータの構成例を示す斜視図である。図３及び図５に示すように、ヒータ２１Ａの断熱部材２３Ａは、例示的に、基体１０１Ａと、基体１０１Ａを貫通する空洞１０２Ａによって形成された開口Ｏ２を覆うように配置された絶縁膜１０３Ａと、絶縁膜１０３Ａに設けられた測温抵抗素子１０４と、測温抵抗素子１０４が検出した物理量に対応する電気信号をワイヤ３３Ａ，３３Ｂを介して出力する電気接続部１０９Ａ，１０９Ｂと、を備える。

なお、断熱部材２３は、不図示の熱伝導性接着剤を介して、図４及び図５に示す中心線Ｃに沿って配管１１Ａに固定されてもよい。例えば、熱伝導性接着剤は、フローセンサ２１と配管１１Ａの外壁との間に介在する熱伝導性材料である。熱伝導性接着剤は、フローセンサ２１の熱を効率的に配管内部の流体に伝達し、配管１１内部の熱をフローセンサ２１に伝達する、双方向に伝熱が可能な熱伝導性材料からなる。熱伝導性接着剤は、例えば、配管固定領域に塗布され、熱伝導性接着剤を介して基体１０１上に配置されている絶縁膜１０３を配管１１Ａの外壁に固定する。熱伝導性接着剤は、硬化されることにより、フローセンサ２１と配管１１Ａとを固定する接着剤である。

熱伝導性接着剤は、熱を伝導するという性質を有する接着剤、例えば、伝導性フィラーとバインダー樹脂との混合物であるペーストを含む。伝導性フィラーには、熱を伝導するという性質を有する金属、例えば、銀、銅、金、鉄、ニッケル、及びアルミニウムなどの金属微粉末やカーボンブラックが含まれる。また、バインダー樹脂には、物と物とを接着、固着、又は接合等するという性質を有する樹脂、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂及びイミド樹脂等の樹脂が含まれる。

なお、基体１０１の材料としては、熱伝導率が高く、微細加工に適する材料、例えば、シリコン(Ｓｉ)等が使用可能である。絶縁膜１０３の材料としては、酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)等が使用可能である。また、測温抵抗素子１０４及び１０７の各々の材料としては、白金(Ｐｔ)等が使用可能である。

（流量測定方法）
ここで、フローセンサ２１の測定方法を説明する。フローセンサ２１のヒータ２１Ａは、配管１１を流れる流体の温度（温度センサ２１Ｂの測定温度）よりも一定温度高くなるように流体に熱を供給する。例えば、ヒータ２１Ａは、測定温度よりも１０℃高くなるように流体に熱を供給する場合、測定温度が２０℃のとき、ヒータ２１Ａは流体の温度が３０℃になるように熱を供給する。すなわち、測定温度よりも一定温度高い温度であるヒータ２１Ａの設定温度は測定温度に応じて変化する。ヒータ２１Ａは流体の温度を上げるように測定温度と設定温度との差に対応する熱を流体に供給する。

そして、ヒータ２１Ａが、測定温度と設定温度との差に対応する熱量を流体に供給するための電力量は、配管１１内を流通する流体の流速や流量と相関関係があることが知られている。このため、測定温度と設定温度との差に対応する熱を流体に供給するための電力量に基づいて、配管１１内を流通する流体の流速及び流量の少なくとも一方を測定することができる。

なお、フローセンサ２１における、流体の流速及び流量の測定方法は、上記に限られず、他の測定方法を採用することもできる。なお、フローセンサ２１のヒータ２１Ａ及び温度センサ２１Ｂは、必ずしも、互いに分離して配管１１に固定されている必要はなく、ヒータ２１Ａ及び温度センサ２１Ｂが一体となって配管１１に固定されていてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る流量計においては、配管１１Ａの外周面に固定される温度センサ２１Ｂと、温度センサ２１Ｂが固定された領域とは異なる領域に固定されるヒータ２１Ａと、を備え、温度センサ２１Ｂは、空洞１０２Ｂが形成された断熱構造を有する断熱部材２３Ｂを備える。よって、配管１１の外周面に固定されたセンサ２１を含む流量計１において、配管１１内を流れる流体の温度をより正確に測定することができるので、流体の流量をより正確に測定することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の流量計においては、第１実施形態の流量計の構成に加えて、空洞を塞ぐように配置されるシール部材を更に備える点において、第１実施形態とは異なる。以下では、第１実施形態と異なる点について特に説明する。

図６は、図１のＩＩ−ＩＩ方向と同様の方向から見た場合の流量計の断面図である。図７は、本実施形態に係る温度センサの構成例を示す斜視図である。

図６及び図７に示すように、温度センサ２１Ｂの断熱部材２３Ｂは、例示的に、基体１０１Ｂと、基体１０１Ｂを貫通する空洞１０２Ｂによって形成された開口Ｏ１（第１開口）を覆うように配置された絶縁膜１０３Ｂと、絶縁膜１０３Ｂに設けられた測温抵抗素子１０７（抵抗素子）と、開口Ｏ１の反対側の開口Ｏ３（第２開口）において空洞１０２Ｂを塞ぐように配置されるシール部材１１０と、測温抵抗素子１０７が検出した物理量に対応する電気信号をワイヤ３３Ｃ，３３Ｄを介して出力する電気接続部１０９Ｃ，１０９Ｄと、を備える。

シール部材１１０は、空洞１０２Ｂを塞ぐことができる部材であればよく、例えば、ガラスやセラミック等を含む材料で構成される。なお、シール部材は、これらに限られず、シリコンやプラスチック等を含む材料で構成されてもよい。

ここで、熱伝導に関して、真空中では、熱放射のみが起こり熱伝導は発生しないことから、シール部材１１０を開口Ｏ１の反対側の開口Ｏ３において空洞１０２Ｂを塞ぐように配置することで、空洞１０２Ｂを真空状態に保つことができれば、断熱効果をより高めることができる。

なお、空洞１０２Ｂにおいては、真空状態に保ったり、空気を充満させたりすることの他に、断熱効果のある他の気体を充満させてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る流量計においては、開口Ｏ１の反対側の開口Ｏ３において空洞１０２Ｂを塞ぐように配置するシール部材１１０を備える。よって、第１実施形態の効果に加えて、より断熱効果を高めることができるので、より正確に流体の流量を測定することができる。

（他の実施形態）
上記した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するものではない。また、上記した実施形態は、あくまでも例示であり、上記で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施形態を組み合わせる等）して実施することができる。

上記各実施形態においては、測定装置として流量計、センサとしてフローセンサを例に挙げて説明したが、これに限られず、配管の外壁にセンサを設置して構成される測定装置であればよく、例えば、測定装置として熱量計、センサとして熱量センサであってもよい。

１ 流量計
１１ 配管
２１ フローセンサ
２１Ａ ヒータ
２１Ｂ 温度センサ
２３ 断熱部材
３１ 中継基板
３３，４１ ワイヤ
３５，１０９ 電気接続部
５１ 継手部材
６１ センサ筐体
１０１ 基体
１０２ 空洞
１０３ 絶縁膜
１０４，１０７ 測温抵抗素子
１１０ シール部材

Claims (3)

1. 管状部材と、
   前記管状部材の外周面に固定され、前記管状部材内を流れる流体の温度を測定する温度センサと、
   前記外周面の前記温度センサが固定された領域とは異なる領域に固定される、前記流体に熱を供給するヒータと、
   を備え、
   前記温度センサは、空洞が形成された断熱構造を有する断熱部材を備える、
   測定装置。
2. 前記断熱部材は、
   前記空洞によって形成された第１開口を覆うように配置された絶縁膜
   を備え、
   前記断熱部材は、前記管状部材の外周面に前記絶縁膜が配置されるような向きで固定されている、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記断熱部材は、前記第１開口の反対側の第２開口において前記空洞を塞ぐように配置されるシール部材を更に備える、
   請求項２に記載の測定装置。