JP3019009U - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 導管中を流れる流体の質量流量を精密に測定
する質量流量計に関する。 【構成】 内部に流体(G)が層流状態で流れる導管1の外
周にその上流側と下流側とに前記流体(G)の温度(t)に応
じて抵抗値が変化する一対の感熱コイル(Ru)(Rd)を巻設
し、導管1の外側の周囲温度(T)の検出が出来るように熱
伝導を良くし、放熱を十分に行えるようにした周囲温度
検出抵抗(Rtu)(Rtd)と、温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)とを
それぞれ含むブリッジ回路(Tu)(Td)を上流側と下流側と
にそれぞれ独立して設け、ブリッジ回路(Tu)(Td)によっ
て両感熱コイル(Ru)(Rd)の温度(t)と導管1の外側の周囲
温度(T)との温度差(t-T)を温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)で
定まる値にほぼ等しくなるように制御する制御装置21を
設け、両感熱コイル(Ru)(Rd)に与えられるエネルギの差
を検出する事により、導管1中の流体(G)の質量流量を測
定する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、導管中を流れる流体の質量流量を精密に測定する質量流量計に関す る。

【０００２】

【従来の技術】

前記質量流量計として、たとえば導管の上流側と下流側にそれぞれ温度係数の 大なる感熱コイルを配し、各感熱コイルに供給する電流値を一定に保持し、流体 が流れる事によって変化する感熱部分の温度分布を検出する事により、流量測定 を行うもの(例えば、特公昭56-23094号公報)や、流体温度を調節する事により通 過流体を条件付け、流体が通過する時の熱交換作用において流体の温度を異なる 温度値に変更し、これら温度調節と温度変更段階のうちの少なくとも一方の段階 で費やされたエネルギを表示するようにして流量測定を行うもの(例えば特開昭5 9−18423号公報)がある。

【０００３】 しかしながら、前者は温度分布が変化する速さが導管やその被覆物の熱容量の 影響を受けるため応答性に欠ける欠点がある。又、後者は応答速度は前者に比べ ると良好であるが、動作原理が熱線流速計と同一であるため、導管(1)外の周囲 温度の変化や流体の熱容量の違い等によってゼロ点が変動しやすいと言う欠点が あり、この欠点をなくすために温度調節回路を設けても回路構成が複雑になる割 にはその実効が上がりにくいと言う問題点があった。

【０００４】 その他の従来例として、Ｖu(上流側の感熱コイル電圧)−Ｖd(下流側の感熱コイル電圧) Ｖu(上流側の感熱コイル電圧)＋Ｖd(下流側の感熱コイル電圧) の式で表される補正回路(65)(第２図)を持つ質量流量計があるが、 (Ｖu＋Ｖd)が厳密には温度変化だけでなく、流量の変化に応じて変化するため 、完全な温度補正が出来ない。 温度設定抵抗(61)(61')の温度係数がゼロに近い抵抗でなければならないため 、両感熱コイル(Ru)(Rd)が一定温度(例えば80〜90℃程度)に設定されてしまい、 その結果周囲温度が設定された感熱コイル(Ru)(Rd)の温度を越えた又は両者の差 が少ない場合ノイズが大きくて使用できない。 同様に、導管(1)外の周囲温度よりも感熱コイル(Ru)(Rd)の温度をかなり高く 取らなければならないので、反応性の高い被測定流体(G)の場合は測定不能と言 う制約がある。

【０００５】 そこで、感熱コイル(Ru)(Rd)と直列にこれらとほぼ等しい温度係数を持つ温度 検出抵抗(11)(11')を挿入して感熱コイル(Ru)(Rd)と温度検出抵抗(11)(11')とを それぞれ含む定温度差回路(Tu)(Td)を設けた方式が案出されたが、(第３図) この方式では、上流側及び下流側コイル(Ru)(Rd)の温度特性を式で表せば、 Ru＝Rd＝Ro(１＋αt)……(1) ここで、Ro＝0℃での両コイル(Ru)(Rd)の抵抗値 t ＝両コイル(Ru)(Rd)のコイル温度 α＝両コイル(Ru)(Rd)の温度係数 又、その定温度差回路(Tu)(Td)は以下の(2)式が成立するように作動するよう 設計されていた。 Ru(Rd)＝(11)＝(11')＝ARo(１＋αT)……(2) ここで、T ＝導管(1)外の周囲温度 A > １ (Ru<(11)及び Rd<(11')でなければならないため) 次に(2)に(1)を代入すると、 t ＝{(A-1)/α}＋AT………(3) となる。従って、導管(1)外の周囲温度(T)の昇降に対してコイル温度(t)は(A) 倍されて表される事になるので、定温度差とはならず、正確な質量測定がなされ ないと言う欠点が残った。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】 本考案はかかる従来例の欠点に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、 定温度差方式であるために応答速度が速く、且つ、導管外の周囲温度による影響 が少なく、更に、感熱コイルが定温に制御される定温度タイプに比べて使用可能 温度範囲が広く、しかも感熱コイルの温度を高温にする必要がないので被測定物 質への影響が少ない質量流量計を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

「請求項１」に記載の質量流量計は、 内部に流体(G)が層流状態で流れる導管(1)の外周にその上流側と下流側とに前 記流体(G)の温度(t)に応じて抵抗値が変化する一対の感熱コイル(Ru)(Rd)を巻設 し、 感熱コイル(Ru)(Rd)に並列に感熱コイル(Ru)(Rd)と特性のほぼ相等しく、前記 導管(1)の外側の周囲温度(T)の検出が出来るように熱伝導を良くし、放熱を十分 に行えるようにした周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd)と、 温度係数がほぼ零の温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)とをそれぞれ挿入して前記感熱 コイル(Ru)(Rd)、周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd)及び温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)と をそれぞれ含むブリッジ回路(Tu)(Td)を上流側と下流側とにそれぞれ独立して設 け、 該ブリッジ回路(Tu)(Td)によって両感熱コイル(Ru)(Rd)の温度(t)と導管(1)の 外側の周囲温度(T)との温度差(t-T)を温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)で定まる値にほ ぼ等しくなるように制御する制御装置(21)を設け、 両感熱コイル(Ru)(Rd)に与えられるエネルギの差を検出する事により、前記導 管(1)中の流体(G)の質量流量を測定するようにした事を特徴とする。

【０００８】

【作用】

上述の構成においては、導管(1)内に流体(G)が流れていない時には、上流側と 下流側の感熱コイル(Ru)(Rd)と導管(1)外の周囲温度の温度差を同一に保持する ためのエネルギはほぼ相等しいから導管(1)外の周囲温度の変化や導管(1)内の流 体(G)の相違によるゼロ点の影響は相殺される。又、導管(1)内に流体(G)が流れ ている時は上流側の感熱コイル(Ru)は流体(G)に熱を奪われる。

【０００９】 この結果、流体(G)は加熱され温度上昇するが、前記導管(1)外の周囲温度と感 熱コイル(Ru)とを所定温度差に保持するには流体(G)が流れていない時に比べて 大なるエネルギが必要となる。一方、下流側の感熱コイル(Rd)は前記加熱された 流体(G)から熱を受ける事により導管(1)外の周囲温度と該感熱コイル(Rd)との温 度差を所定に保持するには流体(G)が流れていない状態に比べて小なるエネルギ で良い事になる。

【００１０】 この時生ずる前記両コイル(Ru)(Rd)に供給されるエネルギの差はその時の流体 (G)の質量流量に比例しているから前記エネルギの差を検出する事により、質量 流量を測定出来るのであるが、本考案においては、感熱コイル(Ru)(Rd)と特性の ほぼ等しく、周囲温度の検出が出来るように熱伝導を良くし、放熱を十分に行え るようにした周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd)に直列（感熱コイル(Ru)(Rd)には並列 に接続されている。）に挿入された温度係数の非常に小さい温度差設定抵抗(Rsu )(Rsd)が存在するために導管(1)外の周囲温度の変化に拘わらず、導管(1)外の周 囲温度(T)とコイル温度(t)の温度差は常に一定に保たれる事になって正確な質量 流量測定が可能となる。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案を図示実施例に従って詳述する。第１図は質量流量計の１構成例 を示し、(1)は導管で、矢印方向に流体(G)が流れる。(Ru)(Rd)は導管(1)上の適 当に離れた２点にそれぞれ設けられる感熱コイル(以下、上流側コイル(Ru)、下 流側コイル(Rd)と言う。)で、鉄・ニッケル合金又は白金など温度係数の大なる温 度感応抵抗線よりなる。これは導管(1)中を流れる流体(G)の流量が約5cc/minで あり、そのわずかな変位をも検知するためである。

【００１２】 (Tu)(Td)は上流側又は下流側定温度差回路で、上流側においては上流側コイル (Ru)、温度検出抵抗(Rtu)、温度差設定抵抗(Rsu)、制御装置(21)『誤差増幅器で ある。』及びブリッジ抵抗(12)(13)とで構成され、下流側においては下流側コイ ル(Rd)、温度検出抵抗(Rtd)、温度差設定抵抗(Rsd)、制御装置(21')『誤差増幅 器である。』及びブリッジ抵抗(12')(13')とで構成される。両定温度差回路(Tu)( Td)はほぼ同一の部品で構成されているが、これは上流側コイル(Ru)、下流側コイ ル(Rd)が常にほぼ等しく且つ導管(1)外の周囲温度に対して一定温度差になるよ うにするためである。(尚、図では下流側定温度差回路(Td)の同一機能の構成部 材の数字にはダッシュを付す。)ここでは、上流側定温度差回路(Tu)の構成に付 いてのみ説明する。

【００１３】 即ち、上流側定温度差回路(Tu)はブリッジ回路(10)と制御回路(21)『即ち、誤 差増幅器』とから構成されており、ブリッジ回路(10)は上流側コイル(Ru)と上流 側周囲温度検出抵抗(Rtu)と、温度差設定抵抗(Rsu)、ブリッジ抵抗(12)(13)及び 必要ならばゼロバランス抵抗(RB)とよりなる。前記ブリッジ抵抗(12)(13)は上流 側コイル(Ru)に比べて温度係数が十分小さいものが用いられる。ここで、周囲温 度検出抵抗(Rtu)(Rtd)は導管(1)外の周囲の温度の変化によって抵抗値が変化し 、感熱コイル(Ru)(Rd)の温度を温度差設定抵抗(Rsu)(Rsd)によって定まる値に変 化させる。

【００１４】 即ち、上流側及び下流側コイル(Ru)(Rd)の温度特性を式で表せば、 Ru＝Rd＝Ro(１＋αt)……(10) ここで、Ro＝0℃での両コイル(Ru)(Rd)の抵抗値 t ＝両コイル(Ru)(Rd)のコイル温度 α＝両コイル(Ru)(Rd)の温度係数 又、その定温度差回路(Tu)(Td)は以下の(11)式が成立するように作動するよう 設計されている。 Ru＝Rsu＋Rtu……………(11) Rd＝Rsd＋Rtd……………(12) 周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd)が上流側及び下流側コイル(Ru)(Rd)とほとんど同 じ特性であり、導管(1)外の周囲温度と周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd)の温度がほ ぼ同一である場合、 Ro(１＋αt)＝Rsu＋Ro(１＋αT)…(13) が成立する。ここで、T ＝導管(1)外の周囲温度 t ＝コイル温度 従って、t ＝Rsu/(α・Ro)＋T……………(14) これを書き換えると、 t−Ｔ＝Rsu/(α・Ro)……………(14') と言う事になる。 (14)、(14')式は、導管(1)外の周囲温度(T)に従来例のような係数値(A)がかか らないので、コイル温度(t)が、導管(1)外の周囲温度(T)とRsu/(α・Ro)の差を常 に保つように動作する事を示している。温度差設定抵抗(Rsu)は温度係数が非常 に小さなものを使用するためにRsu/(α・Ro)は温度に関係なく常に一定の値とな る。

【０１０５】 これにより、導管(1)外の周囲温度(T)と感熱コイル(Ru)(Rd)の温度差が一定に 保たれる。 (Au)は上流側コイル(Ru)と上流側周囲温度検出抵抗(Rtu)との接続点で、下流 側定温度差回路(Td)では(Ad)が接続点となる。(B)点はブリッジ抵抗(12)と(13) の接続点で、可変抵抗であるゼロバランス抵抗(RB)が挿入されており、上流側と 下流側のブリッジ回路(10)(10')の構成部品の微小なバラツキを補正して出力回 路(50)の出力を零にするための働きをなす。

【００１６】 ここで、接続点(Au)と接続点(B)の電位(Vu)(Vb)は制御装置(21)に入力される 。この制御装置(21)は前記電位(Vu)と(Vb)とを比較して両者に差がある場合は(V u)と(Vb)とが等しくなるように上流側コイル(Ru)を制御する出力信号を出す。こ の点は下流側においても同様である。

【００１７】 次に、(50)は出力回路で、上流側定温度差回路(Tu)の接続点(Au)の電位(Vu)と 下流側定温度差回路(Td)の接続点(Ad)の電位(Vd)をそれぞれ入力とし、両者の差 を出力している。この出力回路(50)の出力信号(K)は上流側コイル(Ru)、下流側 コイル(Rd)を同一温度且つ導管(1)外の周囲温度との差を一定温度にするため電 源(図示せず。)から前記両コイル(Ru)(Rd)にそれぞれ供給されるエネルギの差を 表すと共にこの出力信号(K)の大きさは導管(1)中を流れる流体(G)の質量流量に 比例している。 上述のように構成した質量流量計において、導管(1)内に流体(G)が流れていな い時は上流側コイル(Ru)、下流側コイル(Rd)にはブリッジ回路(10)を介して電源 からのエネルギが与えられるだけであり、両コイル(Ru)(Rd)の温度は、温度差設 定抵抗(Rsu)(Rsd)によってそれぞれ定められる温度差と導管(1)外の周囲温度(T) との和に保持される。

【００１８】 そして、上流側及び下流側定温度差回路(Tu)(Td)の周囲温度検出抵抗(Rtu)(Rtd) の特性は等しいから前記両コイル(Ru)(Rd)の導管(1)外の周囲温度(T)との温度差 はほぼ等しくなる。このため、点(Au)の電位(Vu)と点(Ad)の電位(Vd)とはほぼ等 しく、出力回路(50)からの出力信号(K)はゼロとなり、流体(G)が流れていない事 を示す。ところが前述のように各構成部品の条件にばらつきがあるために正確に 零とならず、それ故、ゼロバランス抵抗(RB)の比を変えてゼロバランスをとるよ うにしているのである。

【００１９】 次に、導管(1)内に流体(G)が流れている時には上流側コイル(Ru)は流体(G)に よって熱を奪われ、加熱された流体(G)が下流側にやってくるが、下流側コイル( Rd)と流体(G)の温度差が小さいために奪われる熱量が上流側より小さくなる。こ のため、奪われた熱量を補完して上流側コイル(Ru)の温度と導管(1)外の周囲温 度との温度差を例えば10℃程度の一定温度差に保持する為、電源からのエネルギ 供給が大となり、その結果、点(Au)の電位が上昇する。

【００２０】 他方、下流側コイル(Rd)においても導管(1)外の周囲温度と所定温度差に保持 するものであるが、流体(G)が奪う熱量がそれだけ少なく(上流側で奪った熱量分 だけ少なくなる。)なるから電源からの供給エネルギが少なくて済み、その結果 、点(Ad)の電位は下がる。このため出力回路(50)に入力される電圧(Vu)(Vd)に差 が生ず。出力信号(K)として(Vu)−(Vd)が得られる。そして、前記(Vu)−(Vd)は 導管(1)内を流れる流体(G)の質量流量に比例したものであるから、これに定数を 乗ずる事により、流体(G)の質量流量が得られる。

【００２１】 (60)は温度検出抵抗(Rtu)の電圧(Vt)を検出・増幅する温度検出用増幅器であ り、(70)は温度差設定抵抗(Rsu)の電圧(Vi)を検出・増幅する温度差設定用増幅 器で、検出・増幅される電圧(Vi)は、温度差設定抵抗(Rsu)を通過するブリッジ 電流(i)とこの抵抗値の積で表される事になる。 尚、温度検出用増幅器(60)及び温度差設定用増幅器(70)は上流側又は下流側の いずれか一方に設けられる。

【００２２】 この温度検出用増幅器(60)及び温度差設定用増幅器(70)にて検出・増幅された 温度検出抵抗電圧(Vi)と温度差設定抵抗電圧(Vt)は補正回路(80)に入り、(Vt)/( Vi)=(Rtu)/(Rsu)と言う演算がなされて温度差設定抵抗(Rsu)が導管(1)外の周囲 温度に左右されず一定値をとるため、導管(1)外の周囲温度につれて変化する(Rt u)から導管(1)外の周囲温度が算出されることになる。この周囲温度信号により 、より精密な温度補正演算が可能となる。

【００２３】 尚、補正回路(80)は本実施例では、A/D変換回路(81)、CPU(82)並びにD/A変換 回路(83)にて構成されているが、勿論これに限られず、ロジック回路による方式 やアナログ方式で処理する事も可能である。

【００２４】

【考案の効果】

本考案にかかる質量流量計は、内部に流体が層流状態で流れる導管の外周にそ の上流側と下流側とに前記流体の温度に応じて抵抗値が変化する一対の感熱コイ ルを巻設し、感熱コイルに並列に感熱コイルと特性のほぼ相等しく、前記導管の 外側の周囲温度の検出が出来るように熱伝導を良くし、放熱を十分に行えるよう にした周囲温度検出抵抗と、温度係数がほぼ零の温度差設定抵抗とをそれぞれ挿 入して前記感熱コイル、周囲温度検出抵抗及び温度差設定抵抗とをそれぞれ含む ブリッジ回路を上流側と下流側とにそれぞれ独立して設け、該ブリッジ回路によ って両感熱コイルの温度と導管の外側の周囲温度との温度差を温度差設定抵抗で 定まる値にほぼ等しくなるように制御する制御装置を設け、両感熱コイルに与え られるエネルギの差を検出する事により、前記導管中の流体の質量流量を測定す るようにしたので、上流側及び下流側コイルの温度分布を変化させないために応 答速度が速くなり、又、導管外の周囲温度に対して上流側及び下流側コイルを一 定の温度差に維持するために導管外の周囲温度による影響が少なく、しかも上流 側及び下流側コイルが定温に制御される定温度タイプに比べて使用可能温度範囲 を広く取る事が出来る。加えて、上流側及び下流側コイルの温度を高温にする必 要がないので被測定物質への影響を少なく出来ると言う諸利点がある。更に、感 熱コイルに並列に温度係数がほぼ零の温度差設定抵抗をそれぞれ挿入してあるの で、(14)式の周囲温度に従来例のような係数値がかからず、コイル温度が周囲温 度とRsu/(α・Ro)の差を常に保つように動作する結果、導管外の周囲温度と感熱 コイルの温度差が正確に一定に保たれる。 なお、導管内を流れる流体は、導管外の計測部材によって層流状態を保ったま まで計測されるので、極く少量の計測対象流体を超精密に測定する場合に最適で ある。 尚、周囲温度検出抵抗の端子電圧とその電流との商である抵抗値を演算する事 によって周囲温度を算出する温度補正回路を設けると、周囲温度信号を得る事が 出来、より高精度な温度補正も行う事が出来ると言う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に一実施例の概略構成図

【図２】従来例の概略構成図

【図３】他の従来例の概略構成図

【符号の説明】

(1)…導管 (G)…流体 (Rtu)(Rtd)…周囲温度検出抵抗 (Rsu)(Rsd)…温度差設定抵抗 (12)(13)…ブリッジ抵抗 (21)…制御装置 (50)…出力回路

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に流体が層流状態で流れる導
   管の外周にその上流側と下流側とに前記流体の温度に応
   じて抵抗値が変化する一対の感熱コイルを巻設し、感熱
   コイルに並列に感熱コイルと特性のほぼ相等しく、前記
   導管の外側の周囲温度の検出が出来るように熱伝導を良
   くし、放熱を十分に行えるようにした周囲温度検出抵抗
   と、温度係数がほぼ零の温度差設定抵抗とをそれぞれ挿
   入して前記感熱コイル、周囲温度検出抵抗及び温度差設
   定抵抗とをそれぞれ含むブリッジ回路を上流側と下流側
   とにそれぞれ独立して設け、該ブリッジ回路によって両
   感熱コイルの温度と導管の外側の周囲温度との温度差を
   温度差設定抵抗で定まる値にほぼ等しくなるように制御
   する制御装置を設け、両感熱コイルに与えられるエネル
   ギの差を検出する事により、前記導管中の流体の質量流
   量を測定するようにした事を特徴とする質量流量計。
2. 【請求項２】 内部に流体が層流状態で流れる導
   管の外周にその上流側と下流側とに前記流体の温度に応
   じて抵抗値が変化する一対の感熱コイルを巻設し、感熱
   コイルに並列に感熱コイルと特性のほぼ相等しく、前記
   導管の外側の周囲温度の検出が出来るように熱伝導を良
   くし、放熱を十分に行えるようにした周囲温度検出抵抗
   と、温度係数がほぼ零の温度差設定抵抗とをそれぞれ挿
   入して前記感熱コイル、周囲温度検出抵抗及び温度差設
   定抵抗とをそれぞれ含むブリッジ回路を上流側と下流側
   とにそれぞれ独立して設け、該ブリッジ回路によって両
   感熱コイルの温度と導管の外側の周囲温度との温度差を
   温度差設定抵抗で定まる値にほぼ等しくなるように制御
   する制御装置を設け、両感熱コイルに与えられるエネル
   ギの差を検出する事により、前記導管中の流体の質量流
   量を測定するようにした事を特徴とする質量流量計にお
   いて、 周囲温度検出抵抗の端子電圧とその電流の商である抵抗
   値を演算する事によって導管外の周囲温度を算出する温
   度補正回路を設けた事を特徴とする質量流量計。