流量傳感器的製作方法
2023-12-06 13:09:06 2
專利名稱：流量傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及對在流道中流動的流體的流量進行測定的流量傳感器。
背景技術：
作為測定流體的流量的流量傳感器，公知有如下的熱式流量傳感器，即，該熱式流量傳感器對通過流體吸收加熱器的熱量而引起的功率的變化或電阻的變化進行檢測，從而檢測流體的流量。例如，將外徑為0.5mm左右的毛細管的外周用聚醯亞胺樹脂等包覆而使其絕緣，然後在其上，在上遊側和下遊側纏繞設置同樣用聚醯亞胺樹脂等包覆而絕緣的幾十微米左右的線材，來作為加熱器兼溫度傳感器。進而，氣體在毛細管內部流動，由此，上遊側的加熱器兼溫度傳感器被氣流吸收熱量，下遊側的加熱器兼溫度傳感器藉助於由氣流傳送的熱量而升溫。可以利用該熱平衡的偏差來檢測流量。此外，專利文獻1中記載的流量傳感器是將加熱器設置於氣體在內部流動的管道的表面，並且，在該加熱器的上遊側管道表面粘貼由熱敏電阻構成的上遊側溫度傳感器，在下遊側管道表面也粘貼由熱敏電阻構成的下遊側溫度傳感器。並且，加熱器、上遊側溫度傳感器、下遊側溫度傳感器通過金線與配置在管道附近的陶瓷基板引線接合。此外，在陶瓷基板上設置有多個導線取出用銷，通過該銷將溫度傳感器的輸出信號取出到外部。
此外，專利文獻2中所記載的流量傳感器具有傳感器管和供該傳感器管插入的發熱電阻體。並且，該發熱電阻體是按照如下的方式形成的，即，將以通常的陶瓷管為基體材料、外周蒸鍍有鉑的部件通過雷射加工或修整(trimming)而切削成螺旋狀，從而形成螺紋狀的鉑圖形。並且，在陶瓷管的兩端嵌入導電性環。另外，該導電性環起到連接導線的基部的作用。
並且，也公知有如下技術，即，與上述專利文獻中所記載的流量傳感器不同，利用紅外線照相機拍攝發熱的金屬絲由於氣流而導致的冷卻狀態，由此在視覺上把握髮熱體附近的氣流(例如，參照專利文獻3至專利文獻6)。
專利文獻1日本特許第3424974號公報(第2頁，圖1)專利文獻2日本特開平4-366727號公報(第2-3頁，圖1)專利文獻3日本特開平11-264769號公報(第3-4頁，圖1)專利文獻4日本特開2000-35438號公報(第2-3頁，圖1)專利文獻5日本特開平2-31168號公報(第2-3頁，圖1)專利文獻6日本特開昭63-27766號公報(第1-2頁，圖1)如上所述，具有將由線圈或薄膜電阻體等構成的加熱部和溫度檢測部緊密結合地形成在構成流道的配管外壁面的情況，但通常都是伴隨困難的作業，不易脫離手工階段，從而批量生產率和產品的均一性差。而且，構成流道的配管通常大多是不鏽鋼等金屬(導電體)，為了將由線圈或金屬薄膜電阻體等構成的溫度檢測部緊密結合地形成在該配管的外壁面，必須在它們之間安裝絕緣膜。這種絕緣膜與金屬相比，基本上熱傳導率低的較多，因此，當加厚該絕緣膜的厚度時，熱傳導變差，溫度檢測部的靈敏度和響應性降低。另一方面，當減小絕緣膜的厚度時，會產生耐電壓變低的問題。並且，溫度檢測部的內部應力隨著絕緣膜自身的時效變化而變化，成為誤差的主要原因，或者因情況不同，絕緣膜自身劣化而從配管外壁面剝離，從而也存在不能進行正確的溫度測定的情況。
並且，在將熱敏電阻等離散型溫度傳感器用於溫度檢測部的情況下，也考慮到如下結構，即，將高熱傳導性的油脂等代替粘接劑介裝在溫度傳感器和管道外周面之間，從而將溫度傳感器機械地壓緊而緊密結合在管道外周面上，但是，油脂自身有可能發生時效變化，或者，因壓緊時產生的應力或伴隨配管連接部之間的緊固的應力以及配管自身的扭曲，溫度傳感器的特性也有可能變化，從而難以進行正確的溫度測定。
另一方面，由於在樹脂制的配管的情況下熱傳導率差，所以，即使在配管的外壁面緊密結合地形成加熱部和溫度檢測部，也不能進行高精度的溫度檢測，從而不能進行正確的流量測定。
另外，利用形成在構成流道的外徑為0.5mm左右的毛細配管外壁面上的外徑為幾十微米左右的線圈或圖形寬度為幾～幾十微米左右的薄膜電阻體等進行的電極取出作業在製造上是大的課題，必須要細心注意，以便不會對線圈或薄膜電阻體等造成損傷或施加應力，不會破壞電阻值的平衡，不會使毛細管的熱容量增加和破壞熱平衡等。
並且，如專利文獻1中所記載的流量傳感器那樣，在將熱敏電阻直接粘貼在管道外周面的結構中，必須通過引線接合取出來自熱敏電阻的信號，在這種信號取出結構中存在與上述相同的問題和製造上的困難性。
另一方面，為了簡化電極取出結構，而形成為專利文獻2中所記載的那種特殊的導電性環的結構，即使將由鉑箔構成的導線電阻焊接在上述環上，也存在與上述相同的問題和製造上的困難性。
另外，專利文獻3至專利文獻6中所記載的流量傳感器只是通過紅外線照相機拍攝發熱的金屬絲由於氣流而導致的放熱狀態和冷卻狀態從而在視覺上把握髮熱體附近的熱量變化，不是對用特定的管道形成的流道內的被測定流體的流量定量地進行測定。
發明內容
本發明的目的在於提供一種以非接觸的方式對在流道中流動的流體的流量正確地進行測定的流量傳感器。
為了解決上述課題，本發明的流量傳感器具有加熱單元，其將構成流道的配管的外壁面的一部分區域加熱或將配管內部的特定區域加熱；和溫度檢測單元，其分別對相對於所述被加熱區域為配管的上遊側和下遊側的區域、即將來自所述被加熱區域的溫度影響作為熱能(紅外線)而向外部放射的熱能放射區域的溫度進行測定，並且所述流量傳感器對在所述流道中流動的被測定流體的流量進行檢測，其特徵在於，所述溫度檢測單元由在所述配管的外壁面附近以與該外壁面非接觸的方式配置的上遊側非接觸溫度檢測單元和下遊側非接觸溫度檢測單元構成，各非接觸溫度檢測單元可以以與所述配管的外壁面非接觸的方式分別對所述上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度進行測定，根據由所述非接觸溫度檢測單元測定的上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度的溫度差或因溫度差而產生的輸出，對在所述流道中流動的被測定流體的流量進行測定。
由於以非接觸的方式對管道內的被測定流體的溫度進行測定，所以不會像以往那樣，使在將溫度傳感器直接安裝於管道外周面時介裝於溫度傳感器與管道外周面之間的絕緣物劣化，或者使溫度傳感器受到管道或絕緣物產生的應力的影響，從而可以長時間地進行正確的流量測定。並且，也不需要對安裝在管道外周面上的溫度傳感器進行具有製造上的困難性的電極取出作業。
並且，本發明第二方面所述的流量傳感器在第一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，所述非接觸溫度檢測單元由紅外線傳感器構成。
例如，熱電堆、測輻射熱計、熱電元件等紅外線傳感器中存在小型、高性能且廉價的部件，最優選用於流量傳感器的溫度檢測單元中。
並且，本發明第三方面所述的流量傳感器在本發明第一或第二方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，吸收從所述被加熱區域傳來的熱量並向外部放射的熱能放射單元在形成所述流道的配管的壁面或內部，分別設置在所述上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域。
熱能放射單元在配管自身的基礎上或代替配管自身將從被加熱區域傳來的熱能向溫度檢測單元有效地放射，因此，即使在例如管道由樹脂材料形成的情況下，也可以正確地測定流量。
並且，本發明第四方面所述的流量傳感器在第三方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，所述熱能放射單元由配置在構成所述流道的配管的壁面或內部的熱傳導率高的材質形成。
由於熱傳導率高，所以容易吸收被加熱區域的熱量，並可以進行響應性良好的流量測定。
並且，本發明第五方面所述的流量傳感器在本發明第一至第四方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，被所述非接觸溫度檢測單元以非接觸的方式進行溫度測定的熱能放射區域的至少一部分或熱能放射單元的至少一部分為黑色。
黑色部分的放射率大致為1，因此，可提高熱量的吸收和放射效率，可進行能量放射區域和放射單元的有效的溫度測定，從而實現高精度的流量測定。
並且，本發明第六方面所述的流量傳感器在本發明第一至第五方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，在所述加熱單元和所述非接觸溫度檢測單元之間設置有能量遮蔽單元，該能量遮蔽單元阻止從所述加熱單元放射的熱能直接向所述非接觸溫度檢測單元傳遞。
由於從加熱單元放射的能量不會直接傳遞給非接觸溫度檢測單元，所以可以正確地對管道或管道內部的流體的上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域進行正確的溫度測定，從而實現高精度的流量測定。
並且，本發明第七方面所述的流量傳感器在本發明第一至第六方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，所述上遊側非接觸溫度檢測單元和下遊側非接觸溫度檢測單元配置在將各溫度檢測單元自身的溫度維持成兩者大致均等的共用部件中。
若各溫度檢測單元本身的溫度產生偏差，則成為流量測定上的誤差，但通過將各溫度檢測單元配置在這種共用部件中，就不會產生這種流量測定上的誤差。
並且，本發明第八方面所述的流量傳感器在本發明第一至第七方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，所述加熱單元和非接觸溫度檢測單元都配置在一部分被插入到所述配管的流道中的管座內。
例如在對大口徑配管內的被測定流體的流量進行測定的情況下，由於配管的壁厚較厚且熱容量大，所以不能給予流量測定所需的熱能，或者不能使上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域根據流量而產生溫度變化，但通過將加熱單元和非接觸溫度檢測單元配置在這種管座內的薄壁部附近，將管座的一部分插入到配管中使其薄壁部分與流體接觸，從而能夠可靠地進行流量測定。
並且，本發明第九方面所述的流量傳感器在本發明第一至第八方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，該流量傳感器具有殼體，所述殼體將所述被加熱區域以及上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域保持為真空或減壓狀態。
通過將流量測定區域從周圍環境氣體隔離，從而可以不受周圍環境氣體幹擾來進行正確的溫度測定，並可實現高精度的流量測定。
並且，本發明第十方面所述的流量傳感器在本發明第一至第九方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，該流量傳感器具有控制單元，所述控制單元對加熱單元進行控制，以使得所述上遊側非接觸溫度檢測單元與下遊側非接觸溫度檢測單元的溫度之和或平均值比周圍溫度始終高出某個值。
由於通過由溫度檢測單元檢測出的溫度對加熱器自身的溫度適當地進行控制，所以不需要加熱器自身具有溫度傳感器的功能，也不需要設置外置的溫度傳感器，從而設計的自由度變高。
並且，本發明第十一方面所述的流量傳感器在本發明第一至第十方面的任一方面所述的流量傳感器中，其特徵在於，該流量傳感器還具有補償單元，所述補償單元通過從由所述加熱單元加熱時的所述非接觸溫度檢測單元得到的輸出中減去由停止了所述加熱單元加熱的狀態下的所述非接觸溫度檢測單元得到的輸出，來進行代用零點補償。
即使在停止被測定流體的流動而不能進行零點(流量為零時的輸出)校正的情況下，也可以通過該代用零點補償對由非接觸溫度檢測單元的時效變化等引起的零點的偏差進行補償，從而可以維持檢測精度。
圖1是示意地表示本發明的一個實施方式所涉及的流量傳感器的俯視圖。
圖2是示意地表示圖1所示的流量傳感器的第一變形例的側視圖，是沿著流道以剖面表示基座和基片的圖。
圖3是示意地表示圖1所示的流量傳感器的第二變形例的俯視圖。
圖4是表示圖1所示的流量傳感器的第三變形例的示意結構圖，是將配管、熱能吸收部件以及熱能放射部件以沿著管道長度方向的剖面狀態進行表示的圖(圖4(a))、以及與圖4(a)對應地將配管沿著管道端面方向以剖面狀態進行表示的圖(圖4(b))。
圖5是表示圖1所示的流量傳感器的第四變形例的示意結構圖，是將配管、熱能吸收部件以及熱能放射部件以沿著管道長度方向的剖面狀態進行表示的圖(圖5(a))、以及與圖5(a)對應地將配管沿著管道端面方向以剖面狀態進行表示的圖(圖5(b))。
圖6是示意地表示圖1所示的流量傳感器的第五變形例的俯視圖。
圖7是表示圖1所示的流量傳感器的第六變形例的示意結構圖，是在從管道上方將基座部件剖開的狀態下表示的俯視圖(圖7(a))、以及與圖7(a)對應地從管道側方表示的側視圖(圖7(b))。
圖8是表示圖1所示的流量傳感器的第七變形例的示意結構圖，是沿著管道長度方向以剖面狀態表示各結構要素的俯視圖。
圖9是表示圖1所示的流量傳感器的第八變形例的示意結構圖，是以剖面狀態僅表示加熱器和紅外線檢測傳感器的支撐部件的俯視圖。
圖10是本發明的一個實施方式所涉及的流量傳感器的控制運算部的輸出電路的示意結構圖(圖10(a))、關於圖10(a)的變形例的控制運算部的輸出電路的示意結構圖(圖10(b))、以及關於圖10(a)的另一變形例的控制運算部的輸出電路的示意結構圖(圖10(c))。
具體實施例方式
下面，根據附圖，對本發明的一個實施方式所涉及的流量傳感器進行說明。如圖1所示，本發明的一個實施方式所涉及的流量傳感器1具有加熱器(加熱單元)11，其安裝在構成流道的配管100的一部分上，對配管外壁面的一部分進行加熱；紅外線檢測傳感器(非接觸溫度傳感器)12、13，它們以非接觸的方式分別對配管100的被加熱器1 1加熱的部分的上遊側配管101和下遊側配管102的外壁面部分的溫度進行測定；以及控制運算部15，其控制加熱器11的發熱量，並且根據紅外線檢測傳感器12、13的上遊側紅外線檢測傳感器12和下遊側紅外線傳感器13的溫度差求出在配管100中流動的流體的流量。
另外，供被測定流體流動的配管100例如由金屬的管道構成，加熱器11由用絕緣材料包覆的線圈或薄膜電阻體等的電阻體構成。另外，加熱器11在為線圈的情況下，纏繞在管道外壁面的預定位置，在為薄膜電阻體的情況下，隔著絕緣體層形成在管道外壁面的預定位置。
紅外線檢測傳感器12、13由使用了熱電堆、測輻射熱計、熱電元件等的非接觸溫度傳感器構成，對相對於由加熱器11加熱的區域為配管的上遊側和下遊側的區域、即將來自被加熱部的溫度影響作為熱能而向外部放射的熱能放射區域的溫度進行測定。即，利用上遊側紅外線檢測傳感器12檢測從加熱器11在配管100和流體中傳遞並從配管的上遊側熱能放射區域100U向外部作為紅外線而放射的熱能，利用下遊側紅外線檢測傳感器13檢測從加熱器11在配管100和流體中傳遞並從配管的下遊側熱能放射區域100D向外部作為紅外線而放射的熱能。
另外，熱電堆、測輻射熱計、熱電元件都是利用向感熱部射入紅外線而引起的溫度上升來檢測紅外線的熱型傳感器，熱電堆和測輻射熱計通常使用採用微細加工技術製作的薄膜型部件。熱電堆作為感熱部，是將利用由不同導體的接合部的溫度引起的接觸電位的變化、所謂塞貝克效應的多個熱電偶串聯連接的紅外線傳感器，不需要偏壓，可以直接得到DC電壓輸出，傳感器的阻抗也低，因此與其他傳感器相比，結構和信號處理簡單。測輻射熱計是利用由金屬或半導體等感熱材料的阻抗成分的溫度引起的變化的紅外線傳感器。熱電元件作為感熱部，是利用強電介體材料所具有的自發極化的溫度依賴性的紅外線傳感器，與其他兩個不同，是僅在通過入射紅外線而產生溫度變化時輸出的微分型。因而，為了得到連續輸出，需要使紅外線間歇的遮光器或快門機構。
並且，控制運算部15對加熱器11進行控制，以使得根據上遊側紅外線檢測傳感器12和下遊側紅外線檢測傳感器13的輸出所求出的溫度之和或平均值比周圍溫度始終高出某個值。由此，加熱器自身不具有特別的溫度檢測功能，而是可以對加熱器11進行控制，以使得被加熱的配管外壁面的一部分、即被加熱區域的溫度比周圍溫度始終高出某個值，從而提高加熱器設計的自由度。在這裡，周圍溫度由另外設置的溫度傳感器測定，優選測量被測定流體的溫度，但有時也可以用配管溫度或其周圍的環境氣體溫度來代替。並且，在使用溫度範圍窄的情況和另外進行溫度特性的補償的情況下，對於加熱器的控制也可以不使用周圍溫度，可以利用恆定電壓、恆定電流、恆定功率等使加熱器動作。另外，也可以使加熱器自身具有溫度檢測功能，由此對加熱器11進行控制，以使得被加熱的配管外壁面的一部分、即被加熱區域的溫度比周圍溫度始終高出某個值。並且，也可以使被加熱器加熱的部分的管壁附近另外具有由紅外線檢測傳感器構成的非接觸溫度檢測功能。並且，在控制運算部15中，利用上遊側紅外線檢測傳感器12和下遊側紅外線檢測傳感器13來構成電橋電路等例如圖10(a)、(b)、(c)所示的電路。並且，因加熱器11的驅動而產生的被加熱區域的熱量通過配管和流體傳遞給上遊側熱能放射區域100U和下遊側熱能放射區域100D，由於伴隨被測定流體的流動的強制對流(熱傳遞)，上遊側熱能放射區域100U的溫度和下遊側熱能放射區域100D的溫度變得不同(上遊側的溫度低)，將這些溫度分別利用上遊側紅外線檢測傳感器12和下遊側紅外線檢測傳感器13檢測出來，將這種上遊側熱能放射區域100U和下遊側熱能放射區域100D的溫度差在具有上述電橋電路等的控制運算部15中作為被測定流體的流量而檢測出來。圖10(b)是使用熱電堆12S、13S作為紅外線檢測傳感器12、13的電路的一例，兩個熱電堆12S、13S的輸出電壓的極性以相反的方式連接。因而，在沒有流量時，即由兩個熱電堆12S、13S檢測出的溫度相等時，輸出電壓相互抵消而成為零，在有流量時，即由兩個熱電堆12S、13S檢測出的溫度存在差異時，產生與此對應的輸出電壓。另外，也可以代替構成這種電路等，而用控制運算部運算上遊側紅外線檢測傳感器的輸出和下遊側紅外線檢測傳感器的輸出來求出流量。
另外，可通過預先檢驗和測定流量與上述溫度差或以溫度差為起因而產生的輸出之間的關係來進行流量測定。
並且，圖10(c)是使用測輻射熱計12B、13B作為紅外線檢測傳感器12、13的電路的一例。即使使用測輻射熱計，也可以構成具有與圖10(a)、(b)所示的電路同等功能的電路。
由於具有這樣的結構，從而可以以非接觸的方式檢測管道內的被測定流體的流量，因此，不會像以往那樣，使在將溫度傳感器安裝於管道外周面時介裝於溫度傳感器與管道外周面之間的絕緣物劣化，或者使溫度傳感器受到來自絕緣物或配管的應力的影響。並且，也不需要為了從安裝在管道上的溫度傳感器取出輸出而進行麻煩且伴隨製造上的困難性的電極取出作業。其結果是，安裝作業變得容易且可長時間地進行正確的流量測定。
接著，根據附圖對上述實施方式所涉及的流量傳感器的各種變形例進行說明。另外，關於所涉及的變形例，對與上述實施方式相同的結構標以對應的標號並省略詳細的說明。此外，在圖7至圖9中，省略控制運算部的圖示。
首先，對本實施方式的第一變形例進行說明。所涉及的第一變形例是與日本特開2003-329697號公報中所記載的流量傳感器在結構上相關聯的流量傳感器。
如圖2所示，第一變形例所涉及的流量傳感器2具備基座210；和基片(chip)220，其覆蓋在基座上且具有形成流道的一部分的凹進部220a。並且，與基片220的凹進部220a一起形成被測定流體的流道的第一流道221和第二流道222相對於基片220的凹進部底面垂直地形成在該流量傳感器2的基座210中。另外，基片220例如可以由板厚較薄的不鏽鋼板形成，在該基片220的流道側的相反側面形成有電絕緣膜，在其上表面的大致中央部分形成有由鉑圖形構成的加熱器(加熱單元)21。此外，在加熱器21上適當形成有電極焊盤或配線用金屬薄膜。並且，在加熱器21的流道上遊側和流道下遊側，與基片上表面隔開一定間隔配置有流體的流量測定用的上遊側紅外線檢測傳感器22和下遊側紅外線檢測傳感器23。另外，上遊側紅外線檢測傳感器(非接觸溫度檢測單元)22和下遊側紅外線檢測傳感器(非接觸溫度檢測單元)23與上述實施方式相同，由使用了熱電堆、測輻射熱計、熱電元件等的非接觸溫度傳感器構成，以與基片的上表面非接觸的方式分別對基片220的上遊側熱能放射區域220U的溫度和下遊側熱能放射區域220D的溫度進行測定。
並且，在這種流量傳感器2中，加熱器21的熱量在基片220的薄壁部和流體中傳遞，並大致均等地傳遞給基片220的上遊側熱能放射區域220U和下遊側熱能放射區域220D，但由於被測定流體在流道中流動，從而對應於流量而產生因強制對流進行的熱傳遞，從而在上遊側紅外線檢測傳感器22的檢測溫度和下遊側紅外線檢測傳感器23的檢測溫度之間產生溫度差。並且，在控制運算部25中運算該溫度差，來對流量進行測定。另外，通過這樣將厚度較薄的不鏽鋼板用於基片220，並且將加熱器21和紅外線檢測傳感器22、23的配置側的相反側形成為流道，從而即使被測定流體是腐蝕性流體，也可以長時間地進行流量測定。
即使是這樣的結構，也可以以非接觸的方式檢測出表示與管道內的被測定流體的溫度成比例的溫度的、基片220的薄壁部的壁面溫度，因此，不會像以往那樣，使在將溫度傳感器安裝於管道外周面時介裝於溫度傳感器與管道外周面之間的絕緣物劣化，或者使溫度傳感器受到來自在管道或絕緣物上產生的應力的影響。並且，也不需要為了從安裝在管道上的溫度傳感器取出輸出而進行麻煩且伴隨製造上的困難性的電極取出作業。其結果是，安裝作業變得容易且可長時間地進行正確的流量測定。
接著，對本實施方式所涉及的流量傳感器的第二變形例進行說明。如圖3所示，該第二變形例所涉及的流量傳感器3具備加熱器(加熱單元)31，其與配管外壁面離開一定距離以非接觸方式配置，並且對配管外壁面的一部分進行加熱；紅外線檢測傳感器(非接觸溫度檢測單元)32、33，它們以與該配管外壁面非接觸的方式配置在該被加熱的部分的上遊側和下遊側的配管外壁面部分附近，分別對這些部分的溫度進行測定；以及控制運算部35，其對加熱器31進行控制，並且，根據紅外線檢測傳感器32、33的上遊側紅外線檢測傳感器32和下遊側紅外線檢測傳感器33的溫度差求出在配管中流動的被測定流體的流量。
另外，加熱器31形成在配管外壁面附近，由能量發生體(放射體)構成，並且能夠以非接觸方式向配管外壁面供給能量並將其一部分作為被加熱區域300H而加熱，具體而言，加熱器31可使用雷射器、電磁線圈、紅外線發生器、微波發生器等。
並且，紅外線檢測傳感器32、33與上述實施方式及其變形例相同，由使用了熱電堆、測輻射熱計、熱電元件等的非接觸溫度傳感器構成，位於配管外壁面附近，並以非接觸的方式配置在形成於由加熱器31加熱的配管300的被加熱區域300H的上遊側的上遊側熱能放射區域300U和形成於下遊側的下遊側熱能放射區域300D，能夠以非接觸的方式分別對這些部分的溫度進行測定。
在該第二變形例所涉及的流量傳感器3中，不需要將加熱器31以與配管300接觸的狀態進行配置，因此，可以將由加熱器31、上遊側紅外線檢測傳感器32、下遊側紅外線檢測傳感器33以及控制運算部35構成的流量傳感器自身以與配管300完全非接觸的方式進行配置，從而可以實現可對應於各種管徑的通用化的流量傳感器。此外，不僅紅外線檢測傳感器32、33，而且加熱器31也可以省略麻煩且具有製造上的困難性的電極取出作業。
接著，對本實施方式的第三變形例進行說明。如圖4所示，該第三變形例所涉及的流量傳感器4在圖3所示的第二變形例的基礎上，在配管400的壁面具有能量吸收部件401，該能量吸收部件401有效地吸收從加熱器41放射的能量並發熱。另外，在本變形例的情況下，該能量吸收部件401由金屬板構成，其一部分緊密結合在配管400的壁面上。
並且，在配管400的由加熱器41加熱的被加熱區域的上遊側和下遊側，在上遊側能量放射區域400U和下遊側能量放射區域400D的壁面上，具有由金屬板構成的溫度測定用的能量放射部件402、403。並且，能量吸收部件401吸收來自加熱器41的放射能量而發熱，能量放射部件402、403吸收從能量吸收部件401經由配管和流體傳遞的熱量，並將該熱能朝向紅外線檢測傳感器42、43有效地放射。
另外，以非接觸方式被加熱的能量吸收部件401和以非接觸方式被進行溫度測定的能量放射部件402、403的全部或一部分優選為黑色。這樣，成為黑色的部分的放射率大致為1，因此，受熱性和放熱性優異，從而能夠靈敏度和響應性良好地測定流量。並且，能量吸收部件和能量放射部件只要是熱傳導性優異的材質即可，也可以用陶瓷和藍寶石(sapphire)來代替金屬板。這樣，通過將能量吸收部件401和能量放射部件402、403設置在配管外周面，即使配管400是直徑較小的細管，也可以有效地吸收來自加熱器41的能量，並且，可以可靠地向紅外線檢測傳感器42、43放射熱能。
接著，對本實施方式的第四變形例進行說明。如圖5所示，該第四變形例所涉及的流量傳感器5在圖3所示的第二變形例的基礎上，在配管的內部具有能量吸收部件501，該能量吸收部件501有效地吸收從加熱器51放射的能量並發熱。並且，能量放射部件502、503在配管內部配置成，位於配管內被加熱部的上遊側和下遊側，並且形成上遊側能量放射區域500U和下遊側能量放射區域500D。並且，該能量吸收部件501、能量放射部件502、503在本變形例的情況下，可以由不鏽鋼等具有耐蝕性的金屬、陶瓷或藍寶石等板材形成。
該第四變形例所涉及的流量傳感器特別地應用於被測定流體為液體的情況，並安裝於由容易使紅外線通過的樹脂形成的配管500上。對於這種樹脂制的配管500，配管自身的熱傳導性低，因此難以直接對配管自身進行加熱，從而，來自加熱器51的熱量在配管500和流體中傳遞，難以形成上遊側能量放射區域和下遊側能量放射區域，但由於具備這種能量吸收部件501和能量放射部件502、503，從而通過能量吸收部件501直接對被測定流體進行加熱，同時，熱量從被測定流體傳遞到配置於被加熱區域的配管上遊側的能量放射部件502，該部分成為上遊側熱能放射區域500U。同樣，配置在被加熱部的配管下遊側的能量放射部件503成為下遊側能量放射區域500D。由此，可以穿過配管500的管壁來測定配管內部的被測定流體的溫度，即使是樹脂制的配管500，也可以正確地對被測定流體的流量進行測定。並且，能量吸收部件501、能量放射部件502、503可以由不鏽鋼等具有耐蝕性的金屬、陶瓷或藍寶石等形成，因此，即使被測定流體是酸或鹼等腐蝕性液體，也可以長時間地對流量進行測定。
樹脂配管的紅外線透射性由材質和厚度決定，材質為聚乙烯、聚丙稀、聚酯等容易透射，厚度較薄容易透射。另外，在耐蝕性方面，優選特氟龍(註冊商標)等。
另外，能量吸收部件501、能量放射部件502、503的全部或一部分與上述第三變形例相同，優選為黑色。這樣，成為黑色的部分的放射率大致為1，因此，受熱性和放熱性優異，從而能夠靈敏度和響應性良好地對流量進行測定。
接著，對本實施方式的第五變形例進行說明。如圖6所示，該第五變形例所涉及的流量傳感器6在圖3所示的第二變形例所涉及的流量傳感器3的結構的基礎上，在加熱器61和紅外線檢測傳感器62、63之間具備能量遮蔽板68、69，以使得來自非接觸加熱單元即加熱器61的放射能量不會直接或反射後入射到紅外線檢測傳感器62、63上。由此，來自加熱器61的放射能量不會直接傳遞到紅外線檢測傳感器62、63上，從而可進行配管600或配管600內部的流體的上遊側熱能放射區域600U和下遊側熱能放射區域600D的正確的溫度測定，可以進行配管內的被測定流體的正確的流量測定。
接著，對本實施方式的第六變形例進行說明。如圖7所示，該第六變形例所涉及的流量傳感器7在圖3所示的第二變形例涉及的流量傳感器3的結構的基礎上，具有跨越配管長度方向與配管700以非接觸的方式進行配置的細長的基座部件710。基座部件710由熱傳導良好的例如銅和鋁等金屬或陶瓷等構成，並且該基座部件710的熱容量大，基座部件的整體大致保持在均等的溫度。另外，加熱器71與基座部件710隔開一定間隔配置在形成於基座部件710的大致中央部的貫通孔內，加熱器71的熱量不會直接傳遞給基座部件710。並且，各紅外線檢測傳感器72、73分別配置在基座部件710的兩端附近。
當各紅外線檢測傳感器自身的溫度互相存在偏差時，成為流量測定上的誤差，但通過經由基座部件710使紅外線檢測傳感器自身的溫度一致，從而不會產生這種不良情況，可以進行正確的流量測定。
另外，即使與本變形例不同，將加熱器71配置在與基座部件710不同的地方來對配管700的一部分進行加熱，也可以得到相同的效果。
接著，對本實施方式的第七變形例進行說明。如圖8所示，該第七變形例所涉及的流量傳感器8具有一部分與配管內的被測定流體接觸的管座(header)810，加熱器81和紅外線檢測傳感器82、83接近與被測定流體接觸的管座的薄壁部而配置在管座內。管座的薄壁部在配管內部突出設置或者設置成與管壁處於相同高度，並與被測定流體接觸。上遊側紅外線檢測傳感器82、下遊側紅外線檢測傳感器83配置在管座內部的基座部件811上，並與管座810的薄壁狀的流體接觸部隔開一定空間。通過這種結構，上遊側紅外線檢測傳感器82和下遊側紅外線檢測傳感器83也可以以非接觸的方式對管座薄壁部的上遊側能量放射區域800U和下遊側能量放射區域800D的溫度進行測定。在本變形例的情況下，例如可以將流量傳感器8作為一個單元簡單地安裝到大口徑的配管上。由此，即使是管壁的熱容量大的大口徑的配管，在管座810的熱容量小的薄壁部，也可以靈敏度和響應性較好地對為了進行上述測量而在配管內流動的被測定流體的流量進行測定。
接著，對本實施方式的第八變形例進行說明。如圖9所示，該第八變形例所涉及的流量傳感器9具有加熱器91；上遊側紅外線檢測傳感器92；下遊側紅外線檢測傳感器93；以及殼體910，該殼體910具有將配管900的被加熱區域、上遊側熱能放射區域900U和下遊側熱能放射區域900D保持為真空或減壓狀態的空腔911。利用這種結構，將包括這些構成要素在內的測定區域與周圍環境氣體隔離，由此，不會受到因周圍環境氣體引起的對流和紅外線吸收等的幹擾，而可以進行正確的溫度測定。並且，由於測定部絕熱，所以可以進行靈敏度和響應性良好的流量測定。
如以上說明的那樣，本發明所涉及的流量傳感器不需要通常所進行的那種在配管外周面形成聚醯亞胺等絕緣膜並卷繞線材的手工作業。由此，線圈不會受到因形成於配管外周面的絕緣膜的時效變化而產生的應力變化和施加給配管的應力的影響等，從而可以長時間地進行正確的流量測定。並且，也不存在將以往的薄膜電阻體形成在配管外周面時那樣的製造上的大的困難，也不會受到由薄膜電阻體自身施加給配管的應力引起的翹曲的影響。
並且，在像以往那樣將熱敏電阻安裝於配管外周面的情況下，由於熱敏電阻自身的尺寸較大且熱容量大，所以在細的配管的情況下進行流量測定較困難，但在本發明所涉及的流量傳感器的情況下，即使是這種細的配管，也可以進行流量測定。
並且，在將薄膜電阻體等安裝於配管外周面之後，不需要進行伴隨製造上的困難性的從管壁面取出電極的電極取出作業。
並且，在管由樹脂形成的情況下也可以進行流量測定。
並且，根據本發明所涉及的流量傳感器，可以正確地對在各種管道中流動的被測定流體的流量進行測定。
另外，當配管使用特氟龍(註冊商標)等而使酸或鹼等腐蝕性液體流過的情況下，優選不是將金屬而是將陶瓷、藍寶石等用於配管內部的熱能吸收部件和能量放射部件。
並且，本發明所涉及的流量傳感器只要具有對某特定部位的被測定流體進行加熱的加熱單元即可，加熱單元既可以與管道接觸，也可以不與管道接觸。作為以非接觸方式對管道進行加熱的方法，可以採用如下方法對配管照射半導體雷射器等的雷射和紅外線或微波等，或者利用電磁線圈產生的電磁感應對設置於該金屬配管或樹脂管內的金屬板進行加熱。並且，設置於被照射雷射、紅外線等的配管壁面部分、配管外壁或樹脂管內的能量吸收板的受光面優選為黑色。
並且，優選上述流量傳感器的測定部整體、特別是能量放射區域或能量放射單元以及非接觸溫度檢測單元(紅外線檢測傳感器)的周圍被構成為溫度與周圍溫度大致相等或成為預定的均等溫度的部件包圍，以免給由非接觸溫度檢測單元(紅外線檢測傳感器)進行的溫度測定帶來幹擾。
另外，本發明所涉及的流量傳感器如上述實施方式中記載的那樣，不限於對被測定流體的流量進行測定，當然也可以測定流速。
並且，在上述實施方式及其各種變形例所涉及的流量傳感器中，優選的是，還具有補償單元，該補償單元通過從由加熱器(加熱單元)加熱時的紅外線檢測傳感器(非接觸溫度檢測單元)得到的輸出減去由停止了加熱器加熱的狀態下的紅外線檢測傳感器得到的輸出，來進行代用零點補償。
具體而言，從通常的對加熱器進行加熱的狀態下的紅外線檢測傳感器所得到並暫時存儲的輸出中減去將作為加熱單元的加熱器關閉並經過一段時間之後上遊側和下遊側的紅外線檢測傳感器的輸出處於穩定狀態下的輸出(代用零點輸出)，由此進行代用零點補償。並且，按預定的周期反覆進行該動作，將由該動作得到的輸出差作為流量輸出。由於具備這種代用零點補償單元，所以即使在為了特別地進行零點補償而停止被測定流體的流動導致不能進行零點(流量為零時的輸出)校正的情況下，也可以通過該補償單元進行的代用零點補償對由紅外線檢測傳感器等非接觸溫度檢測單元的時效變化等引起的零點偏差進行補償，從而可以維持檢測精度。另外，在上述代用零點補償中，由於與加熱器開啟、流量為零時的上遊側和下遊側的紅外線檢測傳感器正確地檢測出的溫度(輸出)不同，所以不能進行完全的補償，但在非接觸溫度檢測單元的時效變化等較大的情況下可以得到顯著的效果。
並且，預先存儲初始的代用零點輸出(關閉加熱器的狀態下的上遊側和下遊側的紅外線檢測傳感器的輸出)，在使用的狀態下定期地關閉加熱器來求出該代用零點輸出，並將其與初始的值進行比較，由此可以檢驗非接觸溫度檢測單元的時效變化等，也可以根據該偏差量(通過運算)對零點的偏差進行補償。基於該方法的代用零點補償只要例如一年適當地進行一次或數次即可。
權利要求
1.一種流量傳感器，該流量傳感器具有加熱單元，其將構成流道的配管的外壁面的一部分區域加熱或將配管內部的特定區域加熱；和溫度檢測單元，其分別對相對於所述被加熱區域為配管的上遊側和下遊側的區域、即將來自所述被加熱區域的溫度影響作為熱能而向外部放射的熱能放射區域的溫度進行測定，所述流量傳感器對在所述流道中流動的被測定流體的流量進行檢測，其特徵在於，所述溫度檢測單元由在所述配管的外壁面附近以與該外壁面非接觸的方式配置的上遊側非接觸溫度檢測單元和下遊側非接觸溫度檢測單元構成，各非接觸溫度檢測單元可以以與所述配管的外壁面非接觸的方式分別對所述上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度進行測定，根據由所述非接觸溫度檢測單元測定的上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度的溫度差或因溫度差而產生的輸出，對在所述流道中流動的被測定流體的流量進行測定。
2.根據權利要求1所述的流量傳感器，其特徵在於，所述非接觸溫度檢測單元由紅外線傳感器構成。
3.根據權利要求1或2所述的流量傳感器，其特徵在於，吸收從所述被加熱區域傳來的熱量並向外部放射的熱能放射單元在形成所述流道的配管的壁面或內部，分別設置在所述上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域。
4.根據權利要求3所述的流量傳感器，其特徵在於，所述熱能放射單元由配置在構成所述流道的配管的壁面或內部的熱傳導率高的材質形成。
5.根據權利要求1～4中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，被所述非接觸溫度檢測單元以非接觸的方式進行溫度測定的熱能放射區域的至少一部分或熱能放射單元的至少一部分為黑色。
6.根據權利要求1～5中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，在所述加熱單元和所述非接觸溫度檢測單元之間設置有能量遮蔽單元，該能量遮蔽單元阻止從所述加熱單元放射的熱能直接向所述非接觸溫度檢測單元傳遞。
7.根據權利要求1～6中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，所述上遊側非接觸溫度檢測單元和下遊側非接觸溫度檢測單元配置在將各溫度檢測單元自身的溫度維持成兩者大致均等的共用部件中。
8.根據權利要求1～7中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，所述加熱單元和非接觸溫度檢測單元都配置在一部分被插入到所述配管的流道中的管座內。
9.根據權利要求1～8中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，該流量傳感器具有殼體，所述殼體將所述被加熱區域以及上遊側熱能放射區域和下遊側熱能放射區域保持為真空或減壓狀態。
10.根據權利要求1～9中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，該流量傳感器具有控制單元，所述控制單元對加熱單元進行控制，以使得所述上遊側非接觸溫度檢測單元與下遊側非接觸溫度檢測單元的溫度之和或平均值比周圍溫度始終高出某個值。
11.根據權利要求1～10中任一項所述的流量傳感器，其特徵在於，該流量傳感器還具有補償單元，所述補償單元通過從由所述加熱單元加熱時的所述非接觸溫度檢測單元得到的輸出中減去由停止了所述加熱單元加熱的狀態下的所述非接觸溫度檢測單元得到的輸出，來進行代用零點補償。
全文摘要
本發明提供一種流量傳感器，該流量傳感器具有加熱單元(11)，其將構成流道的配管的外壁面的一部分區域加熱或將配管內部的特定區域加熱；和溫度檢測單元，其對相對於被加熱區域為配管的上遊側和下遊側的區域、即將來自被加熱區域的溫度影響作為熱能(紅外線)而向外部放射的區域的溫度進行測定，溫度檢測單元由在配管的外壁面附近以與外壁面非接觸的方式配置的上遊側非接觸溫度檢測單元(12)和下遊側非接觸溫度檢測單元(13)構成，各溫度檢測單元可以以與配管的外壁面非接觸的方式分別對上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度進行測定，根據由非接觸溫度檢測單元測定的上遊側熱能放射區域的溫度和下遊側熱能放射區域的溫度的溫度差或因溫度差而產生的輸出，對在流道中流動的被測定流體的流量進行測定。
文檔編號G01F1/68GK101014834SQ20058003001
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月30日 優先權日2004年9月7日
發明者上運天昭司, 中野正志 申請人:株式會社山武