JP2022107940A

JP2022107940A - 熱式流量計

Info

Publication number: JP2022107940A
Application number: JP2021002659A
Authority: JP
Inventors: 大揮加藤; Daiki Kato
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2022-07-25

Abstract

【課題】流量の測定精度や再現性に影響を与えることなく、助走距離を確保する。【解決手段】導入管１０１は、測定対象の流体が輸送される上流側の配管１０４ａに接続されている。また、測定管１０２は、導入管１０１に接続されてセンサ部１０３が設けられている。また、測定管１０２の下流側には、配管１０４ｂが接続される。導入管１０１の管軸および測定管１０２の管軸は、共通とされ、かつ各々が直線とされている。また、導入管１０１の管長Ｄは、「Ｄ＝導入管１０１の内径×レイノルズ数×０．０６５」より長くされている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量計に関する。

流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、気体も測定対象とすることも可能であり、センサを配管の外周面に設置することで、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある（特許文献１）。

熱式流量計では、センサの箇所を通過する流体が、この箇所より上流側において発達した流れであることが、精度良く流量を測定する上で重要となる。

特開２００６－３４９５７７号公報

ここで、上述した流れが発達するために必要な助走距離を確保するため、センサを設けた測定管の前段に、従来、さらに配管やチューブなどをつなげていた。ところが、この取り付けのための継手の締め付け方や、取り付けた追加の管の微妙な曲がり具合が、測定精度・再現性に影響をもたらすという問題があった。特に、高流量域になると流速分布の乱れが大きくなるため、上述した追加の管による問題が、流量レンジ拡大の妨げになっていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、流量の測定精度や再現性に影響を与えることなく、助走距離が確保できるようにすることを目的とする。

本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体が輸送される配管に接続された導入管と、導入管に接続されてセンサ部が設けられた測定管とを備え、センサ部は、測定管の外壁に接して設けられて流体を加熱するヒータおよび測定管の外壁に接して設けられて流体の温度を測定する温度測定部を備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、導入管の管軸および測定管の管軸は、共通とされ、かつ各々が直線とされ、導入管の管長は、導入管の内径×レイノルズ数×０．０６５より長くされている。

請求項１上記熱式流量計の一構成例において、導入管は、円管とされている。

上記熱式流量計の一構成例において、導入管は、矩形管とされ、矩形の１つの辺の長さをａとし、辺の隣辺の長さをｂとして、導入管の内径Ｄは、Ｄ＝２ａｂ／（ａ＋ｂ）とする。

上記熱式流量計の一構成例において、導入管は、剛体から構成されている。

上記熱式流量計の一構成例において、測定管は、導入管のセンサ部が設けられた部分と同一の内径とされている。

上記熱式流量計の一構成例において、測定管のセンサ部の上流側の直前に設けられた絞り部をさらに備える。

上記熱式流量計の一構成例において、測定管および導入管は、一体に形成されている。

上記熱式流量計の一構成例において、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。

上記熱式流量計の一構成例において、温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、第１温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、第２温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、第３温度測定部は、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と、第１温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第２温度測定部が測定した流体の温度と第３温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。

以上説明したように、本発明によれば、導入管の管軸および測定管の管軸を、共通として各々を直線とし、導入管の管長は、導入管の内径×レイノルズ数×０．０６５より長くしたので、流量の測定精度や再現性に影響を与えることなく、助走距離が確保できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計のより詳細な一部構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態に係る熱式流量計のより詳細な一部構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態に係る他の熱式流量計の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱式流量計１００について図１，図２を参照して説明する。熱式流量計１００は、導入管１０１、測定管１０２、およびセンサ部１０３を備える。導入管１０１および測定管１０２は、測定対象の流体が輸送される配管１０４ａ，１０４ｂに、接続されて用いられる。熱式流量計１００は、配管１０４ａ，１０４ｂを流れる液体や気体などの流体の流量を計測する。

導入管１０１は、測定対象の流体が輸送される上流側の配管１０４ａに接続されている。また、測定管１０２は、導入管１０１に接続されてセンサ部１０３が設けられている。また、測定管１０２の下流側には、配管１０４ｂが接続される。導入管１０１は、プラスチック、ガラス、サファイア、金属（例えば鋼）などの剛体から構成することができる。剛体から構成された導入管１０１は、測定精度・再現性に影響をもたらす管の変形などが発生しない。測定管１０２も、導入管と同様に、剛体から構成することができる。

センサ部１０３は、測定管１０２の外壁に接して設けられている。センサ部１０３は、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、測定管１０２の外壁に接して設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流側の測定管１０２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１１、ヒータ１１２は、例えば、熱伝導性接着剤により測定管１０２の外壁に接着固定されている。温度測定部１１１は、液体や気体などの流体の温度を測定する。

ここで、導入管１０１の管軸および測定管１０２の管軸は、共通とされ、かつ各々が直線とされている。また、導入管１０１の管長Ｄは、「Ｄ＝導入管１０１の内径×レイノルズ数×０．０６５」より長くされている。流体が発達した流れとなるために必要な助走距離Ｄ（導入管１０１の管長Ｄ）は、レイノルズ数と配管寸法（内径）により決定され、層流の場合、上式で求めることができる。例えば、導入管１０１は、円管とすることができる。

また、導入管１０１は、矩形管とすることができる。この場合、断面視で導入管１０１の内側の矩形の１つの辺の長さをａとし、辺の隣辺の長さをｂとすると、導入管１０１の内径Ｄは、Ｄ＝２ａｂ／（ａ＋ｂ）とすることができる。

ここで、測定管１０２は、導入管１０１のセンサ部１０３が設けられた部分と同一の内径とすることができる。例えば、測定管１０２および導入管１０１は、一体に形成されたものとすることができる。

センサ部１０３は、図２に示すように、温度測定部１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、電力計測部１１４を備える。温度測定部１１１は、測定管１０２の外壁に接して設けられている。ヒータ１１２は、温度測定部１１１の下流側の測定管１０２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１１、ヒータ１１２は、例えば、熱伝導性接着剤により測定管１０２の外壁に接着固定されている。温度測定部１１１は、流体の温度を測定する。

ここで、センサ部１０３は、ヒータ１１２の温度と、ヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。実施の形態において、制御部１１３が、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

また、電力計測部１１４は、制御部１１３により制御されているヒータ１１２の電力を計測して出力する。センサ部１０３を構成する電力計測部１１４から出力される電力がセンサ値となる。流量算出部１１５は、電力計測部１１４が計測して出力したヒータ１１２の電力（センサ値）より、流体の流量を算出する。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、電力計測部１１４が計測した電力より、流量算出部１１５において、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

なお、図３に示すように、温度測定部（第１温度測定部）１１１、ヒータ１１２、制御部１１３、温度測定部（第２温度測定部）１１６、温度測定部（第３温度測定部）１１７からセンサ部１０３’を構成することもできる。各温度測定部は、測定管１０２の外壁に接して設けられている。

制御部１１３は、ヒータ１１２の温度と、温度測定部１１１で測定されるヒータ１１２の熱影響を受けない位置、例えばヒータ１１２より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ１１２を制御して駆動する。

温度測定部１１６は、温度測定部１１１より下流側でかつヒータ１１２の上流側において、測定管１０２の外壁に接して設けられている。また、温度測定部１１７は、ヒータ１１２の下流側において、測定管１０２の外壁に接して設けられている。温度測定部１１６，温度測定部１１７は、流体の温度を測定する。

温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部１１６が測定している流体の温度と、温度測定部１１７が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。

よく知られているように、ヒータ１１２の温度とヒータ１１２の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ１１２を駆動しているときの、ヒータ１１２より上流の流体の温度とヒータ１１２より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ１１２が制御部１１３に制御されている状態で、温度測定部１１６が測定した温度と温度測定部１１７が測定した温度との差（温度差）より、所定の相関係数（定数）を用いることで流量が算出できる。

上述したように、実施の形態によれば、導入管１０１の管軸および測定管１０２の管軸は、共通とされ、かつ各々が直線とされている状態とし、また、導入管１０１の管長は、導入管１０１の内径×レイノルズ数×０．０６５より長くしたので、流量の測定精度や再現性に影響を与えることなく、助走距離が確保できるようになる。導入管１０１および測定管１０２を剛体から構成すれば、外力によりこれらが変形することが抑制できるので、例えば、管の微妙曲がり具合による測定精度・再現性の低下が防げる。

また、測定管１０２および導入管１０１を、一体に形成されたものとすれば、測定管１０２に、継手などを用いて導入管１０１を接続する必要が無く、継ぎ目などがない状態とすることができる。この結果、上記構成とすることで、継手の締め付け方や、継手や継ぎ目の存在などによる、測定精度・再現性の低下が防げる。

ところで、熱式流量計１００は、図４に示すように、測定管１０２ａのセンサ部１０３の上流側の直前に設けられた絞り部１０５をさらに備えることができる。絞り部１０５を設けることで、センサ部１０３の領域における測定管１０２ａを流れる測定対象の流体の流速分布が乱れを、さらに抑制することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、導入管の管軸および測定管の管軸を、共通として各々を直線とし、導入管の管長は、導入管の内径×レイノルズ数×０．０６５より長くしたので、流量の測定精度や再現性に影響を与えることなく、助走距離が確保できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１００…熱式流量計、１０１…導入管、１０２…測定管、１０３…センサ部、１０４ａ，１０４ｂ…配管。

Claims

測定対象の流体が輸送される配管に接続された導入管と、前記導入管に接続されてセンサ部が設けられた測定管とを備え、
前記センサ部は、前記測定管の外壁に接して設けられて前記流体を加熱するヒータおよび前記測定管の外壁に接して設けられて前記流体の温度を測定する温度測定部を備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成され、
前記導入管の管軸および前記測定管の管軸は、共通とされ、かつ各々が直線とされ、
前記導入管の管長は、前記導入管の内径×レイノルズ数×０．０６５より長くされている
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記導入管は、円管とされていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記導入管は、矩形管とされ、
矩形の１つの辺の長さをａとし、前記辺の隣辺の長さをｂとして、前記導入管の内径Ｄは、Ｄ＝２ａｂ／（ａ＋ｂ）とすることを特徴とする熱式流量計。
請求項１～３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記導入管は、剛体から構成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１～４のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記測定管は、前記導入管の前記センサ部が設けられた部分と同一の内径とされていることを特徴とする熱式流量計。
請求項５記載の熱式流量計において、
前記測定管の前記センサ部の上流側の直前に設けられた絞り部をさらに備えることを特徴とする熱式流量計。
請求項１～６のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記測定管および前記導入管は、一体に形成されていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１～７のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。
請求項１～７のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
前記温度測定部は、第１温度測定部、第２温度測定部、第３温度測定部から構成され、
前記第１温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記第２温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記第３温度測定部は、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第１温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第２温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第３温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。