JP2787785B2 - 流量計および流量測定方法 - Google Patents

流量計および流量測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱式流速センサを用いた流量計つまり熱式
流速センサ型流量計とカルマン渦流量計等の補正用流量
計を用いて、この補正用流量計により熱式流速センサ型
流量計を補正するようにした複合型の流量計および流量
測定方法に関するものである。
〔従来の技術〕
一般に、気体の流量測定には種々の方式のセンサが使
用されているが、その1つとして熱式流速センサがあ
る。この熱式流速センサの代表的なものは、抵抗体に電
流を流して加熱し、気体の流れによって冷却され抵抗が
変化するのを利用して気体の流量を測定するものであ
る。
一方、この種の流速センサとしては、近年半導体製造
技術を用いて作られた各種タイプのものが知られてお
り、これは、通常マイクロフローセンサとも呼ばれ、非
常に応答が速く、高感度,低消費電力、しかも量産性が
良いなど多くの優れた特長を有している。
ところで、従来、この熱式流速センサを用いた流量計
は、その流速センサを円管や矩形管等の一定形状の流体
通路に配置して気体の流量を測定するのが普通である。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、このような従来の熱式流速センサ型流量計
は、質量流量に関係した出力を出すため、体積流量を測
定したい場合には気体の組成があらかじめ決まっている
必要があり、途中で気体の組成が変わってしまった場合
には正しい測定はできなかった。また、長期使用による
経年変化が出力がドリフトしてしまうという問題があっ
た。
一方、体積流量計としては、精度が高く、安定性に優
れているカルマン渦流量計があるが、このカルマン渦流
量計は、低流量レンジの測定ができなかった。
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的
は、体積流量計として精度が高く安定しているカルマン
渦流量計等の補正用流量計を用いて、流量レンジの広い
熱式流速センサ型流量計を補正することにより、低流量
から大流量まで精度よく安定して測定できる流量計を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明では、流体通路に
設けられた熱式流速センサ型流量計と、流体通路に設け
られ、熱式流速センサ型流量計の出力が所定流量範囲内
にあらかじめ決められた時間以上に入っているときのみ
駆動される補正用流量計とを備え、所定流量範囲にて駆
動しているときの補正用流量計の計測結果に応じて熱式
流速センサ型流量計の出力を補正するようにしたもので
ある。
〔作 用〕
本発明においては、気体の組成が変化する場合でも熱
式流速センサ型流量計を精度の高い広流量レンジの体積
流量計として使用できるとともに、長期使用によりその
流量計の出力がドリフトする場合でも精度の高い測定を
維持することができる。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説
明する。
第1図は本発明による流量計の基本的な構成を示す機
能ブロック図である。同図において、1は流体通路11に
設けられた熱式流速センサ型流量計(以下、熱式流量計
と略す)、2は同じくその流体通路11に設けられた補正
用流量計としてのカルマン渦流量計、3は熱式流量計1
を駆動する第1の駆動回路、4はカルマン渦流量計2を
駆動する第2の駆動回路、5はマイクロプロセッサから
なる制御部である。この制御部5は、第1の駆動回路3
を通して入力される熱式流量計1の測定値を積分又は積
算する積分/積算回路6と、第2の駆動回路4を通して
入力されるカルマン渦流量計2の測定値を積分又は積算
する積分/積算回路7と、これら積分/積算回路6,7の
出力に基づき所定の補正を行なうとともに、各駆動回路
3,4を駆動制御し、出力信号を出す補正及び出力回路8
とからなり、所定の流量範囲にてカルマン渦流量計2の
測定値に応じて熱式流量計1の測定値を補正するものと
なっている。
第2図は本発明における補正方法の原理を説明するた
めのものであり、横軸は流量、縦軸は各流量計1,2の測
定値つまり出力を示す。第2図は熱式流量計(MF)1の
リニアライズ後の出力特性1とカルマン渦流量計(KV)
2の出力特性IIを示すグラフであり、初期的には2つの
各流量計1,2は同じ流量に対して同じ出力の値が出るよ
うに調整されたものである(ただし、図示ではずれてい
る)。
ここで、熱式流量計1のリニアライズ後の特性式は、
流量をQ、出力値をVMF、定数をCとすると、 Q=C・VMF ……(1) で表される。しかして、本発明においては、熱式流量計
1の出力から換算される流量が、カルマン渦流量計2の
測定範囲である下限値F1と上限値F2の間に、予め決めら
れた規定時間以上入っていたとき、例えばFAのとき、カ
ルマン渦流量計2を起動させる。そして、ある規定時間
おいたのち、それぞれ各流量計1,2の出力を積分又は積
算し、その値から平均値VKV1,VMF1を求め、その比率(V
KV1/VMF1)を上記(1)式の計算式に掛けることによ
り、補正を行なうことができる。よって、補正後の熱式
流量計1の特性式Q′は次式のようになる。
Q′=C・VMF・(VKV1/VMF1) =C′・VMF ……(2) ただし、C′は定数である。
第3図は本発明の一実施例における補正方法の基本的
なアルゴリズムを示すものである。同図においては、ま
ずステップ101で熱式流量計1(以下、MF)での測定を
行ない、その出力値をステップ102を経てチェックする
(ステップ103)。このとき、その出力QMFがカルマン渦
流量計2(以下、KV)の測定範囲であるF1〜F2の間にな
ければステップ101に戻り、それがF1〜F2の間にあれ
ば、2回目のMFでの測定を行ない(ステップ104)、そ
れ以降同様の動作を予め決められた回数だけ繰り返す
(ステップ104〜109)。そしてステップ109において、M
Fの出力QMFがKVの測定範囲F1〜F2の間に入ったとき、KV
を起動させる(ステップ110)。次いで、さらにMFでの
測定を行ない(ステップ111)、その出力値をステップ1
12を経てチェックする(ステップ113)。ここで、その
出力QMFが前述のKVの測定範囲F1〜F2の間になければス
テップ101の初期状態に戻り、それがF1〜F2の間にあれ
ばステップ114に進む。このステップ114において、KVを
起動させてからの経過時間tが予め決められた規定時間
T1以上でなければステップ111に戻り、それが規定時間T
1以上であれば、次のステップ115,119に進む。
ステップ115においてMFでの測定を行ない、その出力
値をステップ116を経て積分(又は積算)し(ステップ1
17)、その値を、予め決められた時間T2(又は積算回
数)だけ積分する(ステップ118)。また、ステップ119
においても同時にKVでの測定を行ない、その出力値を、
ステップ120を経てステップ117,118と同様に、予め決め
られた時間T2だけ積分し(ステップ121,122)、しかる
後KVの動作を停止する(ステップ123)。
このようにして、それぞれMF,KVの流量計の出力をあ
る規定時間積分(又は積算)した後、ステップ12で補正
可否判定を行なう。この時、積分又は積算した値のまま
で判定するか、あるいはその値から平均の流量値を求め
て判定し、それがN(NO)であればステップ101の初期
状態に戻り、Y(YES)であればステップ125に進み補正
を行なう。ここで、この補正は積分又は積算値の比率で
補正するか、或いは平均流量を求めてその比率で補正す
る。即ち、KVの値がその流量測定レンジF1〜F2内に入っ
ていたときは、その値に基づいてMFの値つまり計算式
((1)式)を補正し、その後、以上のフローを連続的
または間欠的に行なう。
このように本実施例によると、体積流量計として精度
が高く安定しているカルマン渦流量計2を用いて、流量
レンジの広い熱式流量計1の測定値を断続的に補正する
ことにより、気体の組成が変化する場合でも該熱式流量
計1を精度の高い広流量レンジの体積流量計として使用
できる。さらに、長期使用により熱式流量計1の出力が
ドリフトする場合でも上記の補正により精度の高い測定
を保つことができる。また、カルマン渦流量計2を必要
以上に動作させることはないので、低消費電力化がはか
れる利点を有する。
なお、本発明は上記実施例のものに限らず、第3図の
フローにおいて幾多の変更が可能である。例えば、第3
図のステップ125において補正が完了しステップ101の初
期状態に戻った後、ある規定時間は補正動作を開始する
条件を満たしていても、次の補正動作を行なわないよう
にしてもよい。この場合、ある規定時間の長さは、その
ときの補正量が大きければ短く、補正量が小さければ大
きくする。しかして、このような補正方法によると、気
体組成の変動が大きいときは補正回数を多くし、変動が
少ないとき補正回路を少なくできるので、無駄を省くこ
とができ、低消費電力化に有利である。
また、ステップ124において2つのMF,KVの流量計の出
力差(比率)が予め決められた規定値以上の場合は、補
正を行わずにその値を記憶したのち初期動作に戻し、次
の測定においてもその比率が変わらなければ(2回の測
定における比率の差がある規定値以下のとき)補正動作
を行なうようにしてもよい。これによると、誤動作を避
けることができる。
さらに、ステップ117,121において積分又は積算中の
それぞれのMF,KVの流量計のサンプリング値のバラツキ
が大きい(つまり流れが安定していない)場合には、積
分又は積算時間を長くするようにしてもよい。これによ
ると、流量変動が大きい場合でも正確な補正ができる。
また、ステップ117,121において2つの流量計の出力
を積分又は積算した結果、KVの出力のみがその流量測定
レンジ以下であった場合、補正を中止するとともに、そ
のときのMFの値を記憶し、その値よりある規定した値以
上大きくなければ次の補正動作を開始しないようにして
もよい。さらに、積分又は積算動作が規定の時間に達し
ないうちにKVの出力がその測定流量レンジからはずれた
場合には動作を中止し、初期状態にしてもよい。
さらにまた、2つのMF,KVの流量計を常時又は交互に
動作させておき、KVの出力がその流量測定レンジ内にあ
る規定時間入っていたとき、それぞれの流量計の出力を
ある規定時間積分又は積算し、そのKVの値が当該流量測
定レンジ内に入っていたときはその値で上述と同様にMF
の値つまり計算式を補正し、その後動作を初期状態に戻
すことができる。
このような実施例によると、直接KVの流量計の出力で
補正動作のシーケンスを開始してよいかを判断するた
め、補正動作が確実である。(MFの流量計で判断してい
ると、MFの値は規格内でもKVの値は規格外であることが
ある)。
なお、この実施例においても、上記実施例と同様に、
補正が完了し初期状態に戻った後、ある規定時間は補正
動作を開始する条件を満たしていても次の補正動作を行
なわないようにすれば、低消費電力化をはかるうえで有
利である。
この場合も、ある規定時間の長さはそのときの補正量
が大きければ短く、補正量が小さければ大きくすること
により、気体組成の変動が大きいときは補正回数を多く
し、変動が少ないときは補正回数を少なくすることがで
きる。また、2つのMF,KVの流量計の出力差(比率)が
ある規定値以上の場合は、補正を行わずにその値(比
率)を記憶したのち初期状態に戻し、次の測定において
もその比率が変わらなければ(2回の測定における比率
の差がある規定値以下のとき)補正動作を行なうように
することによって、上記実施例と同様に、誤補正を避け
ることができる。
さらに、積分又は積算中のそれぞれのMF,KVのサンプ
リング値のバラツキが大きい(つまり流れが安定してい
ない)場合には、積分又は積算時間を長くするようにす
れば、上記実施例と同様に、流量変動が大きい場合でも
正確な補正を行なうことができる。
第4図は第1図の実施例における流量計の構造を示す
断面図、第5図は第4図のA−A断面図でる。第4図に
おいて、11は気体の流量を測定するための流体通路を形
成する管路であり、この管路11は、気体の入口路12と、
入口路12より内径の小さいスロート部14と、スロート部
14より内径の大きい出口路16からなり、入口部12の後方
の流路を絞り部13にて絞ってスロート部14となし、さら
にこのスロート部14の後方の流路を拡大して出口路16と
なしている。そして、入口路12内には、その径とほぼ同
径を有する整流用の金網171〜174が円筒状の各金網固定
用スペーサ181〜184でそれぞれ挟み込まれて外側からリ
ング状のスペーサ固定用ネジ体191にて押え付けられて
いる。これにより、4枚の整流用金網171〜174が各スペ
ーサ181〜184で所定の間隔をあけて配置されている。こ
のとき、各スペーサ181〜184及びネジ体191の内径は、
入口径12内の流路に段差が生じないように絞り部13の始
めの径と一致させてあり、これは入口路12内の流路径と
等価である。また、出口路16にも、入口路12と同様に整
流用の金網175がスペーサ185で挟み込まれて外側からス
ペーサ固定用ネジ体192にて押え付けることにより、拡
大部15の直後に1枚の金網175が配置されている。
また、スロート部14の中央部分の外壁にはセンサ取付
用溝20が形成されている。この溝20内には、スロート部
14の内壁にあけられたセンサ取付穴(図示せず)に、検
出面を流路側に位置させて熱式流速センサ21がスロート
部14内の絞り部13の直後に取付けられており、このスロ
ート部14に熱式流速センサ21を含む系により熱式流量計
1が構成されている。
かかる実施例構造の熱式流量計1は、入口路12内に複
数の整流用金網171〜174を配置するとともに、これら金
網171〜174の後方の流路をその流路が絞り込まれた絞り
部13となし、この絞り部13の直ぐ後に熱式流速センサ21
を配置することによって、流速センサ21と付近で流れの
乱れが非常に少なくなり、低流量から大流量にわたって
安定した測定が可能となる。
また、スロート部14の熱式流速センサ21より下流の位
置にはカルマン渦流量計2が設けられている。このカル
マン渦流量計2は、第5図に示すように、スロート部14
の下流の流路内に設けられた角柱又は円柱形の渦発生体
22と、渦発生体22の下流の流路管壁に形成された圧力測
定孔23と、圧力測定孔23内の圧力を測定する圧力検出素
子24とからなり、渦発生体22の下流において気体の流速
に応じて発生するカルマン渦と呼ばれる渦列を利用し
て、その渦によって圧力測定孔23に生じる圧力変化を圧
力検出素子24にて検出し、単位時間あたりの渦の数をカ
ウントつまり渦周波数f〔H2〕を求めることにより、下
記(3)式より気体の流速(流量)v〔m/s〕を求める
ものとなっている。
v=f/St ……(3) ただし、Stは定数である。
かかる構造のカルマン渦流量計2によると、通常の流
体の組成,密度,温度,圧力等の影響を殆ど受けずに体
積流量を精度よく安定して測定できる利点の他に、渦発
生体22が他の部分の流路よりも流速が速くなっているス
ロート部14内に設けてあるので、カルマン渦流量計の測
定レンジがより低流量まで延びる利点を有する。なお、
渦の検出方式としては圧力測定孔23の圧力を個別に測定
してもよいし、それらの差圧を測定してもよい。第4図
中31はセンサ取付用蓋体、32は取付ネジであり、記号F
は気体の流れ方向を示す。
第6図は本発明の他の実施例による流量計の構造を示
す断面図である。この実施例において第4図のものと異
なる点は、流体通路11のスロート部14に熱式流量計1を
構成する熱式流速センサ21を設けるとともに、その出口
路16に、その流路内に設けられた渦発生体22と渦発生体
22の下流の流路管壁に形成された圧力測定孔23及び圧力
測定孔23内の圧力を測定する圧力検出素子24(第5図参
照)から構成されるカルマン渦流量計2を設け、流体通
路11の拡大部15と渦発生体22の間の通路に整流用の金網
176,177を配置したことである。なお、図中同一符号は
同一または相当部分を示している。
第6図の実施例構造の流量計によると、カルマン渦流
量計2を流路の大きい部分に作ることができるため製作
が容易であり、しかも渦発生体22の寸法誤差による出力
誤差が小さくなるという利点を有する。なお、流体通路
11の拡大部15と渦発生体22の間の通路に金網176,177
の整流素子を設けてあるので、拡大部15で発生する乱れ
がカルマン渦流量計2の出力を乱すことはほとんどな
い。
第7図は本発明の別の実施例を示すカルマン渦流量計
の主要構成図、第8図はその差圧変動検出部の詳細断面
図である。この実施例が第6図のものと異なる点は、流
体通路11の出口路16の流路内に設けられた渦発生体22
と、この下流の流路管壁の対向位置に形成された圧力測
定孔23と、圧力測定孔23の外部を連通する流路としての
チューブ25と、2つの圧力測定孔23間の圧力差(差圧)
によって生じるチューブ25内の流量を測定することによ
り差圧を求める差圧変動検出部26からなるカルマン渦流
量計2を構成したことである。この場合、差圧変動検出
部26、第8図に示すように、フローハウジング27の流路
(フローチャンネル)28内にセンサ取付基板32の一部に
装着された2方向の流速を検出できる熱式流速センサ29
を設け、その出,入口の圧力導入ポート30の継手31にチ
ューブ25を連通することにより、圧力測定孔23間の差圧
変動を別の流路28に設けられた熱式流速センサ29にて測
定するものとなっている。渦列によって作られる圧力変
化は非常に微少なものであるため、充分な感度を得るた
めに圧力検出素子はダイアフラムの大きいものを用いな
ければならず、通常構造が大きくなってしまうが、この
実施例の構造によると、感度が大きくなり、しかも差圧
変動検出部26及び2つの圧力測定孔23を連通する流路25
を管路11のボディの一部に一体的に作ることにより、コ
ンパクトになる利点を有する。
なお、カルマン渦流量計2としては、上記実施例のも
のに限らず、第9図(a)及び(b)に示すように、渦
検出のための圧力測定孔23を渦発生体22に一体に設けた
構造としたり、あるいは渦発生体22の形状も、第10図
(a)〜(d)に示すように、断面が矩形,三角形状な
どのものを用いることもできる。第10図において符号40
で示す矢印は、各渦発生体22a〜22dに対する流体の流れ
方向を示している。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明では、流体通路に設けられ
た熱式流速センサ型流量計と、流体通路に設けられ、熱
式流速センサ型流量計の出力が所定流量範囲内にあらか
じめ決められた時間以上入っているときのみ駆動される
補正用流量計とを備え、所定流量範囲にて駆動している
ときの補正用流量計の計測結果に応じて熱式流速センサ
型流量計の出力を補正するようにしたので、気体の組成
が変化する場合でも熱式流速センサ型流量計を精度の高
い広流量レンジの体積流量計として使用することができ
る。さらに、長期使用により熱式流速センサ型流量計の
出力がドリフトする場合でもカルマン渦流量計等の補正
用流量計による補正により精度の高い測定を維持するこ
とができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による基本的な構成を示す機
能ブロック図、第2図は本発明の原理説明図、第3図は
本発明の一実施例による補正方法の基本的なアルゴリズ
ムを示す図、第4図は第1図の実施例における流量計の
構造を示す断面図、第5図は第4図のA−A断面図、第
6図は本発明の他の実施例による流量計の構造を示す断
面図、第7図及び第8図は本発明の他の実施例を示すカ
ルマン渦流量計の主要構成図およびその差圧変動検出部
の断面図、第9図(a)及び(b)は上記実施例の渦発
生体の変形例を示す側面断面図及びそのB−B断面図、
第10図(a)〜(d)は上記実施例の渦発生体の変形例
をそれぞれ示す断面図である。 1……熱式流速センサ型流量計(熱式流量計、2……カ
ルマン渦流量計、3,4……駆動回路、5……制御部、6,7
……積分/積算回路、8……補正及び出力回路、11……
流体通路、12……入口路、13……絞り部、14……スロー
ト部、15……拡大部、16……出口路、171〜177……整流
用金網、21……熱式流速センサ、22……渦発生体、23…
…圧力測定孔、24……圧力検出素子、25……チューブ、
26……差圧変動検出部、27……フローハウジング、28…
…流路(フローチャンネル)、29……熱式流速センサ、
30……圧力導入ポート、31……継手、32……センサ取付
基板。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流体通路に設けられた熱式流速センサ型流
    量計と、 前記流体通路に設けられ、前記熱式流速センサ型流量計
    の出力が所定流量範囲内にあらかじめ決められた時間以
    上に入っているとき駆動される補正用流量計と を備え、 前記熱式流速センサ型流量計の出力は、前記所定流量範
    囲にて駆動しているときの補正用流量計の計測結果に応
    じて補正されることを特徴とする流量計。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記熱式流速センサ型
    流量計および補正用流量計の計測結果は、前記熱式流速
    センサ型流量計および補正用流量計の出力を積分または
    積算する事で求められ、それらの値に基づき前記熱式流
    速センサ型流量計の出力が補正されることを特徴とする
    流量計。
  3. 【請求項3】流体通路に熱式流速センサ型流量計を設
    け、 前記流体通路に補正用流量計を設け、 前記熱式流速センサ型流量計の出力が所定流量範囲内に
    あらかじめ決められた時間以上入っているときのみ前記
    補正用流量計を駆動し、 前記補正用流量計が駆動しているときの計測結果に応じ
    て前記熱式流速センサ型流量計の出力を補正する ことを特徴とする流量測定方法。
  4. 【請求項4】請求項3において、前記熱式流速センサ型
    流量計および補正用流量計の計測結果は、前記熱式流速
    センサ型流量計および補正用流量計の出力を積分または
    積算することで求めることを特徴とする流量測定方法。
  5. 【請求項5】請求項4において、前記熱式流速センサ型
    流量計および補正用流量計の出力のバラツキが大きいほ
    ど前記積分または積算する時間を長くすることを特徴と
    する流量測定方法。
  6. 【請求項6】請求項3〜5のいずれかにおいて、前記補
    正を1度行った後では、所定の補正停止時間たってから
    前記補正を行うことを特徴とする流量測定方法。
  7. 【請求項7】請求項6において、前記補正停止時間は前
    記補正の量が大きいほど短く、前記補正の量が小さいほ
    ど長くすることを特徴とする流量測定方法。
  8. 【請求項8】請求項3〜7のいずれかにおいて、 前記熱式流速センサ型流量計の測定結果と前記補正用流
    量計の測定結果との差が規定値以上の時は前記補正を行
    わず、 次に前記補正用流量計が動作したときに、前記熱式流速
    センサ型流量計の測定結果と前記補正用流量計の測定結
    果との関係が、前記補正を行わなかったときとほぼ同様
    であった場合は補正を行う ことを特徴とする流量測定方法。
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