JP2003121229A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量計測の精度に悪影響を与えることなく、
ヒータ素子Ｒｈでの消費電力を大幅に低減してその省電
力化を図ることのできる熱式流量計を提供する。 【解決手段】 ヒータ素子Ｒｈを発熱駆動するヒータ駆
動回路と、このヒータ駆動回路により発熱駆動される前
記ヒータ素子の発熱温度を、その周囲温度に比較して一
定温度だけ高い第１の温度、またはこの第１の温度より
も低く設定された第２の温度に選択的に切り替えるヒー
タ制御手段（発熱温度切替手段）と、前記ヒータ素子の
発熱時に前記第１および第２の温度センサによりそれぞ
れ検出される温度の差から前記流量センサを通流する流
体の流量を求める流量算出手段とを備える。特に流量が
ゼロであるときに前記第２の温度に切り替えて、ヒータ
素子での消費電力を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体が通流してい
ないときの消費電力を抑えることのできる熱式流量計に
関する。

【０００２】

【関連する背景技術】熱式流量計を構成するマイクロフ
ローセンサは、例えば図４に示すようにシリコン基台Ｂ
上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にし
て、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度
センサＲｕ,Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして熱
式流量計は、上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡
散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化す
ることを利用し、前記温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による
抵抗値変化から前記流体の流量Ｑを検出する如く構成さ
れる。

【０００３】具体的にはヒータ素子Ｒｈから発せられた
熱が流体の流量Ｑに応じて下流側の温度センサＲｄに加
わることで、該温度センサＲｄの熱による抵抗値の変化
が上流側の温度センサＲｕよりも大きいこと利用して上
記流量Ｑを計測するものとなっている。尚、図中Ｒｒ
は、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測
温抵抗体からなる温度センサであって、周囲温度の計測
に用いられる。

【０００４】図５は上述したマイクロフローセンサを用
いた熱式流量計の概略構成を示している。即ち、ヒータ
素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒータ素子Ｒｈと周囲温度計
測用の温度センサＲｒ、および一対の固定抵抗Ｒ１,Ｒ
２を用いてブリッジ回路１を形成し、所定の電源から供
給される電圧ＶccをトランジスタＱを介して前記ブリッ
ジ回路１に印加すると共に、該ブリッジ回路１のブリッ
ジ出力電圧を差動増幅器２にて求め、そのブリッジ出力
電圧がゼロ（０）となるように前記トランジスタＱを帰
還制御して前記ブリッジ回路１に加えるヒータ駆動電圧
を調整するように構成される。このように構成されたヒ
ータ駆動回路により、前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度
が、その周囲温度よりも常に一定温度差ΔＴだけ高くな
るように制御される。

【０００５】一方、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの
熱による抵抗値変化から前記マイクロフローセンサに沿
って通流する流体の流量Ｑを検出する流量検出回路は、
上記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,
Ｒｙを用いて流量計測用のブリッジ回路３を形成し、温
度センサＲｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出
力電圧（温度差に相当する出力）を差動増幅器４を介し
て検出するように構成される。そして前記ヒータ駆動回
路によりヒータ素子Ｒｈの発熱量を一定化した条件下に
おいて、差動増幅器４を介して検出されるブリッジ出力
電圧から前記マイクロフローセンサに沿って通流する流
体の流量Ｑを求めるものとなっている。

【０００６】この流量Ｑの算出は、例えば上記ブリッジ
出力電圧（センサ出力）を演算処理装置（ＣＰＵ）に取
り込むことによって行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところでこの種の熱式
流量計を家庭用ガスメータとして用いた場合、その省電
力化を図ることが重要な課題となる。特にその駆動源と
して電池を用いるような場合、長時間に亘る安定した流
量計測を保証する上で、その消費電力が大きな問題とな
る。しかしながら従来の熱式流量計（ガスメータ）にお
いては、専ら、前記ヒータ素子Ｒｈをその周囲温度より
も常に一定温度ΔＴだけ高い温度で発熱駆動しているだ
けなので、ヒータ素子Ｒｈでの消費電力が大きくなるこ
とが否めない。

【０００８】そこでヒータ素子Ｒｈを所定の時間間隔毎
に通電し、そのときの流量Ｑをサンプリング検出するこ
とで上記ヒータ素子Ｒｈの通電に要する電力（消費電
力）を低減することが考えられている。また特開平１０
−８２６７０号公報には、ヒータ素子Ｒｈを流量変化が
大きいときには流量Ｑの計測周期（サンプリング周期）
を短くし、流量変化が小さいときにはその計測周期を長
くすることでヒータ素子Ｒｈの通電回数を減らし、これ
によってその省電力化を図ることが提唱されている。し
かしながらこのようにしてヒータ素子Ｒｈの通電時間間
隔（流量の計測周期）を可変しても、ヒータ素子Ｒｈの
消費電力を低減するには限界がある。

【０００９】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、流量計測の精度に悪影響を与え
ることなしに、ヒータ素子Ｒｈでの消費電力を大幅に低
減してその省電力化を図ることのできる熱式流量計を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る熱式流量計は、例えば家庭用ガスメー
タとして用いるような場合、流量センサに流体が通流し
ていない期間が相当あることに着目したもので、ヒータ
素子をその周囲温度よりも所定温度だけ高い温度で発熱
駆動して流量計測を行うに際し、流体が通流していない
ときのヒータ素子の発熱温度を上記流量計測時の発熱温
度よりも低く設定し、これによってその省電力化を図る
ようにしたものである。

【００１１】即ち、本発明に係る熱式流量計は、 ヒータ素子と、このヒータ素子を間にして流体の通
流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度セン
サとを備えた流量センサと、 この流量センサにおける前記ヒータ素子を発熱駆動
するヒータ駆動回路と、 前記ヒータ素子の発熱時に前記第１および第２の温
度センサによりそれぞれ検出される温度の差から前記流
量センサを通流する流体の流量を求める流量算出手段と
を備えたものであって、特に 前記ヒータ駆動回路により発熱駆動される前記ヒー
タ素子の発熱温度を、その周囲温度に比較して一定温度
だけ高い第１の温度、またはこの第１の温度よりも低く
設定された第２の温度に選択的に切り替える発熱温度切
替手段を備えたことを特徴としている。

【００１２】このような発熱温度切替手段を備えた熱式
流量計によれば、流量計測時にはヒータ素子をその周囲
温度に比較して一定温度Ｔ１だけ高い第１の温度に設定
して高精度に流量計測を行い、例えば流量がゼロでその
流量計測が不要な場合には、ヒータ素子を前記第１の温
度よりも低い第２の温度、具体的にはその周囲温度に比
較して前記温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２だけ高い第２の
温度に設定することで、該ヒータ素子での消費電力を効
果的に低減することができる。特に家庭用のガスメータ
として用いられる熱式流量計にあっては、ガスが使用さ
れない期間（流量がゼロの期間）が相当の時間を占める
ので、ヒータ素子の無駄な発熱駆動を抑えて、該ヒータ
差しにおける消費電力を大幅に低減することが可能とな
る。

【００１３】本発明の好ましい態様は、前記発熱温度切
替手段においては、前記流量算出手段により求められる
流量がゼロであるときには前記ヒータ素子を第２の温度
で発熱駆動し、それ以外のときには第１の温度で発熱駆
動して該ヒータ素子の発熱温度を切り替えるように構成
される。そして前記流量算出手段においては、前記ヒー
タ素子が第２の温度で発熱駆動されているときには、例
えば前記流量センサへの流体の通流の有無だけを検出す
るように構成される。

【００１４】ちなみに前記発熱温度切替手段は、例えば
前記ヒータ素子に直列に介挿される抵抗を切り替えて該
ヒータ素子の駆動電力を変更設定するように構成され
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る熱式流量計について、家庭用ガスメータとして用いる
場合を例に説明する。図１はこの実施形態に係る熱式流
量計の要部概略構成を示している。この熱式流量計は、
図４に示した素子構造のマイクロフローセンサを用い、
基本的にはヒータ駆動回路および流量検出回路を図５に
示すように構成して実現される。

【００１６】即ち、ヒータ素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒ
ータ素子Ｒｈと周囲温度計測用の温度センサＲｒ、およ
び３つの固定抵抗Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３を用いてブリッジ回路
１を形成し、所定の電源電圧ＶccをトランジスタＱを介
して前記ブリッジ回路１に印加すると共に、該ブリッジ
回路１のブリッジ出力電圧を差動増幅器２にて求め、そ
のブリッジ出力電圧が零となるように前記トランジスタ
Ｑを帰還制御するように構成される。

【００１７】特に固定抵抗Ｒ１,Ｒ３は直列に接続され
て前記ブリッジ回路１の１つの辺をなして設けられ、前
記ヒータ素子Ｒｈに対して直列に介挿されている。そし
て固定抵抗Ｒ３の両端間には後述するスイッチ素子とし
てのトランジスタＳＷが並列に接続されており、このト
ランジスタＳＷの導通により前記固定抵抗Ｒ３が選択的
に短絡されるものとなっている。換言すれば前記固定抵
抗Ｒ３は、トランジスタＳＷの導通（オン）／遮断（オ
フ）により前記ブリッジ回路１に対して選択的に介挿さ
れるように設けられている。

【００１８】また流量検出回路は、一対の温度センサＲ
ｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを用いて流量計測用
のブリッジ回路３を形成し、温度センサＲｕ,Ｒｄの抵
抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧を、前記温度セン
サＲｕ,Ｒｄによりそれぞれ検出される温度の差に相当
するセンサ出力Ｖoutとして検出するように構成され
る。そしてこのセンサ出力Ｖoutは、ＣＰＵ（演算処理
回路）５に与えられ、該ＣＰＵ５が備える流量算出手段
５ａにてセンサ出力Ｖoutに相当する流量Ｑが求められ
るようになっている。

【００１９】尚、ＣＰＵ５は、例えばＥＥＰＲＯＭから
なるメモリ６や表示器７を備えている。メモリ６は、前
記流量算出手段５ａにおける流量Ｑの算出に用いる為の
流体（ガス）の流量Ｑとセンサ出力Ｖoutとの関係を示
す流量変換テーブル（図示せず）を記憶したり、検出し
た流量Ｑの積算値（ガス使用量）を記憶する等の役割を
担う。また前記表示器７は、前記流量算出手段５ａにて
求められる流量Ｑや上記ガス使用量等を表示する役割を
担う。

【００２０】ここでこの実施形態に係る熱式流量計が特
徴とするところは、前述したようにヒータ素子Ｒｈの駆
動回路を構成するブリッジ回路１が、ヒータ素子Ｒｈに
直列に介挿される２つの固定抵抗Ｒ１,Ｒ３を備え、更
に固定抵抗Ｒ３に並列に接続されたトランジスタＳＷの
導通（オン）／遮断（オフ）により、ヒータ素子Ｒｈに
直列に介挿される固定抵抗Ｒ１,Ｒ３を選択的に切り替
えるように構成されている点にある。

【００２１】ちなみにトランジスタＳＷは、前記ＣＰＵ
５が備える発熱温度切替手段としてのヒータ制御手段５
により導通（オン）／遮断（オフ）制御される。特にこ
のヒータ制御手段５は、前記流量算出手段５ａにて何等
かの流量Ｑが検出されているときに前記トランジスタＳ
Ｗを遮断（オフ）に設定し、流量Ｑが検出されないと
き、つまり流量がゼロであるときに前記トランジスタＳ
Ｗを導通（オン）させるように機能する。

【００２２】そしてトランジスタＳＷが導通（オン）し
た時には、固定抵抗Ｒ３が短絡されて前記固定抵抗Ｒ１
だけが前記ヒータ素子Ｒｈに対して直列に介挿され、逆
にトランジスタＳＷの遮断（オフ）した時には固定抵抗
Ｒ１と固定抵抗Ｒ３との直列回路が前記ヒータ素子Ｒｈ
に対して直列に介挿される。このようなトランジスタＳ
Ｗのスイッチ作用により前記ヒータ素子Ｒｈに対して直
列に介挿される抵抗（固定抵抗Ｒ１,Ｒ３）が選択的に
切り替えられ、これによって前記ヒータ素子Ｒｈの発熱
温度が選択的に切り替え設定されるようになっている。

【００２３】即ち、トランジスタＳＷが遮断（オフ）状
態であって、固定抵抗Ｒ１,Ｒ３の直列回路が前記ヒー
タ素子Ｒｈに対して直列に介挿されている場合には、前
述したヒータ駆動回路は、 Ｒｈ／（Ｒ１＋Ｒ３）＝Ｒｒ／Ｒ２ なるブリッジ平衡条件を満たすように動作し、ヒータ素
子Ｒｈの温度Ｔ１がその周囲温度よりも一定温度ΔＴだ
け高くなるように発熱駆動する。

【００２４】これに対して前記トランジスタＳＷが導通
（オン）状態となり、固定抵抗Ｒ３が短絡されて前記固
定抵抗Ｒ１だけが前記ヒータ素子Ｒｈに対して直列に介
挿された場合には、前述したヒータ駆動回路は、 Ｒｈ／Ｒ１＝Ｒｒ／Ｒ２ なるブリッジ平衡条件を満たすように動作する。すると
上記ブリッジ平衡条件を満たすときの前記ヒータ素子Ｒ
ｈの抵抗値が、前述したトランジスタＳＷが遮断（オ
フ）状態であるときよりも小さくなる。そしてその分、
ヒータ素子Ｒｈの発熱温度Ｔ２が前記温度Ｔ１よりも低
くなると共に、該ヒータ素子Ｒｈでの消費電力が抑えら
れる。

【００２５】即ち、図２に周囲温度Ｔ_Rrの変化に対する
ヒータ素子Ｒｈの発熱温度Ｔ_Rhの様子を示すように、ヒ
ータ素子Ｒｈに直列に介挿される抵抗を切り替えてその
発熱温度Ｔ_Rhを低くし、更には周囲温度Ｔ_Rrに対する温
度差を小さくすることにより、ヒータ素子Ｒｈに流れる
電流（ヒータ電流）を少なくし、この結果、該ヒータ素
子Ｒｈでの消費電力を抑えることが可能となる。

【００２６】このようにして流量センサを通流する流体
の流量がゼロとなったとき、ヒータ制御手段５ｂの制御
の下でトランジスタＳＷを導通（オン）駆動し、これに
よってヒータ素子Ｒｈに直列に介挿される抵抗を選択的
に切り替えて該ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を可変設定す
るように構成された熱式流量計によれば、流量がゼロの
ときのヒータ素子Ｒｈでの消費電力を大幅に抑えること
ができる。しかも熱式流量計を家庭用のガスメータとし
て用いた場合、例えば深夜等、ガスを使用しない期間が
相当あると見込まれるので、ヒータ素子Ｒｈでの、ひい
ては熱式流量計での消費電力を大幅に抑えることが可能
となり、その駆動源として用いられる電池の寿命を長く
延ばすことが可能となる。

【００２７】尚、ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を上述した
如くして低く設定した場合、これに伴って前記温度セン
サＲｕ,Ｒｄによる温度検出感度（流量検出感度）が低
下することが否めない。しかし流体が流れ始めるとき、
これを検出してヒータ素子Ｒｈの発熱温度を正規の流量
計測時の温度Ｔ１に戻せば良いので、上記検出感度の低
下が大きな問題となることはない。むしろヒータ素子Ｒ
ｈの発熱温度を低く設定して省電力化を図っている場合
には、流体が流れるか否か（流量がゼロであるか否か）
を検出し、これによってヒータ素子Ｒｈの発熱温度を切
り替え制御するだけで十分であり、検出感度の問題を招
来する虞はない。

【００２８】図３は上述した如くヒータ素子Ｒｈの発熱
温度を制御する前記ＣＰＵ５における処理制御手順の一
例を示している。この処理手順について簡単に説明する
と、先ずヒータ素子Ｒｈを正規の流量計測時よりも低い
温度で発熱駆動する低消費電力モードで動作中であるか
否かを判定する［ステップＳ１］。そして低消費電力モ
ードで動作していない場合には、そのときの前記検出回
路によるセンサ出力Ｖoutに従って前述したようにその
流量Ｑを計測する［ステップＳ２］。そして計測した流
量Ｑがゼロであるか否かを判定し［ステップＳ３］、ゼ
ロでない場合にはその流量値を出力する［ステップＳ
４］。

【００２９】尚、計測された流量Ｑがゼロである場合に
は［ステップＳ３］、例えば流量がゼロである期間が所
定の時間に亘って継続しているか否かを判定し［ステッ
プＳ５］、上記所定の時間以上に亘って流量がゼロの状
態が継続している場合には低消費電力モードを設定する
［ステップＳ６］。また流量がゼロの状態が所定の時間
以上に亘って継続することがない場合には、現在の状態
をそのまま維持してステップＳ１の処理に復帰する。

【００３０】これに対して低消費電力モードで動作中の
場合には［ステップＳ１］、その時点において流体が流
れているか否かを検出する［ステップＳ７］。この検出
は、前述したセンサ出力ＶoutをＣＰＵ５に取り込むこ
とによってなされる。そして上記センサ出力Ｖoutから
流量Ｑがゼロでなくなったか否かを、つまり流体が流れ
始めたか否か判定する［ステップＳ８］。この時点で未
だに流体の流量がゼロであることが確認されたならば、
そのまま前述した低消費電力モードを継続する［ステッ
プＳ９］。

【００３１】しかし流体が流れ始めたことが検出された
場合には、つまり流量がゼロでなくなったことが検出さ
れた場合には［ステップＳ１０］、前述した低消費電力
モードを解除し、ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を正規の流
量計測時の温度に戻す［ステップＳ１１］。そしてこの
状態にて前記センサ出力Ｖoutから流量計測を実行し
［ステップＳ１２］、計測した流量Ｑを出力する［ステ
ップＳ１３］。

【００３２】このようにして流量センサを通流する流体
（ガス）の流量がゼロであるか否かに応じて、特に流量
がゼロであるときにヒータ素子Ｒｈの発熱温度を低く抑
えるようにした熱式流量計によれば、ヒータ素子Ｒｈに
て無駄に消費される電力を大幅に抑えることが可能とな
り、その全体的な省電力化を図り得る。しかも流量がゼ
ロであっても、ヒータ素子Ｒｈを低い温度で発熱駆動し
ているので、流体の通流が始まったとき、つまりガスの
使用が開始されたときには、該ヒータ素子Ｒｈの発熱温
度を速やかに正規の発熱温度に戻すことができるので、
計測遅れを生じることがなく、また計測誤差が増大する
ような不具合を招来することがない。従って流量計測の
精度を維持しながら、その消費電力を大幅に低減するこ
とができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【００３３】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば低消費電力モードを設定する際
の判定条件である、前述した流体の流量がゼロである継
続時間については、その仕様に応じて定めればよいもの
である。またここではヒータ素子Ｒｈの発熱温度を２段
階に切り替えたが、３段階以上に切り替えることも可能
である。この場合には、ガスの使用頻度等を所定の時間
帯毎に学習し、使用頻度の低い深夜等の時間帯において
は、前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を更に低く設定する
ようにすれば良い。このようにすれば、更なる省電力効
果を期待することが可能となる。その他、本発明はその
要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。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、流
量がゼロのときのヒータ素子の発熱温度を低くするの
で、該ヒータ素子の発熱駆動に要する電力を少なくする
ことができ、大幅にその省電力化を図り得る。しかもヒ
ータ素子を低い温度で発熱駆動しながら流量計測に待機
しているので、流体の通流が開始した際のヒータ素子の
正規の発熱温度への駆動の遅れを十分に短くすることが
でき、その計測精度を殆ど損なうことがない等の実用上
多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概
略構成図。

【図２】図１に示す熱式流量計におけるヒータ素子の発
熱温度に相当するヒータ消費電流の変化の様子を示す
図。

【図３】図１に示す熱式流量計における概略的な処理動
作の一例を示す図。

【図４】マイクロフローセンサの概略構成図。

【図５】従来の一般的なヒータ駆動回路と流量検出回路
の構成例を示す図。

【符号の説明】

Ｒｈ ヒータ素子 Ｒｕ 温度センサ（上流側） Ｒｄ 温度センサ（下流側） Ｒｒ 温度センサ（周囲温度計測用） １ ブリッジ回路（ヒータ駆動用） ２ 差動増幅器（ヒータ駆動回路） ３ ブリッジ回路（流量計測用） ４ 差動増幅器 ５ ＣＰＵ ５ａ 流量算出手段 ５ｂ ヒータ制御手段（発熱温度切替手段） ６ メモリ ７ 表示器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新川 宏一郎 東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号 株式会 社山武内 Ｆターム(参考） 2F035 EA05 EA08 EA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータ素子と、このヒータ素子を間にし
   て流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２
   の温度センサとを備えた流量センサと、 前記ヒータ素子を発熱駆動するヒータ駆動回路と、 このヒータ駆動回路により発熱駆動される前記ヒータ素
   子の発熱温度を、その周囲温度に比較して一定温度だけ
   高い第１の温度、またはこの第１の温度よりも低く設定
   された第２の温度に選択的に切り替える発熱温度切替手
   段と、 前記ヒータ素子の発熱時に前記第１および第２の温度セ
   ンサによりそれぞれ検出される温度の差から前記流量セ
   ンサを通流する流体の流量を求める流量算出手段とを具
   備したことを特徴とする熱式流量計。
2. 【請求項２】 前記発熱温度切替手段は、前記流量算出
   手段により求められる流量がゼロであるときに前記第２
   の温度に切り替えるものであって、 前記流量算出手段は、前記ヒータ素子が第２の温度で発
   熱駆動されているときには前記流量センサへの流体の通
   流の有無を検出するものである請求項１に記載の熱式流
   量計。
3. 【請求項３】 前記発熱温度切替手段は、前記ヒータ素
   子に直列に介挿される抵抗を切り替えて該ヒータ素子の
   駆動電力を変更設定するものである請求項１に記載の熱
   式流量計。