JP2004117157A

JP2004117157A - Thermal flowmeter

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Publication number: JP2004117157A
Application number: JP2002280816A
Authority: JP
Inventors: Masami Seo; 瀬尾　雅己; Junichi Matsuda; 松田　順一; Seiji Mori; 森　誠司
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP4037723B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately measure the temperature of a fluid regardless of thermal effects from the outside via a base of a flow sensor. <P>SOLUTION: At measurement on the temperature of the fluid, an arithmetic processor 14 of a converter 1 halts the drive of a heater 20A for a cleaning period, halts the drive of a flow velocity sensor 20B, and then drives only the flow velocity sensor 20B for measuring flow velocity formed on a diaphragm of the flow sensor. On the basis of a resistance value of the flow velocity sensor 20B, the temperature of the fluid is computed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱式流量計に関し、特に流路内を流れる気体などの被計測流体の流れによる温度分布の変化をフローセンサにより検出し、その温度分布の変化に基づいて流体流量を計測する熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の熱式流量計では、流路内を流れる気体などの被計測流体に対して所定の温度分布をヒータで発生させ、その流体の流れに応じて変化する温度分布を温度センサで検出し、その検出出力から流体の流量を計測している。
図６は熱式流量計の構成例を示す正面図および側面図である。この熱式流量計は、流体の流速に応じた流速信号を検出する検出器２と、この検出器２で検出された流速信号から流体の流量を算出し流量信号として出力する変換器１とから構成されている。
【０００３】
検出器２は、円筒形状をなし、上端側が変換器１と接続されている。また、下端側は管３の上部外側から下方向に流路３Ａ内に挿入されて、その先端に配置されたフローセンサ２０で、流路３Ａ内の流体の流れに応じて変化する温度分布を検出出力する。
変換器１では、フローセンサ２０で検出された温度分布から流体流速を算出し、その流体流速に基づき流路３Ａ内を流れる流体の流量を算出する。
【０００４】
温度分布の変化を検出するフローセンサとしては、マイクロマシンニング技術を用いて製造したマイクロフローセンサが多く用いられる。図７は一般的なフローセンサの構成例であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
このフローセンサ４０は、一辺が２ｍｍ以下のシリコンチップなどの基材からなる基台５０の表面に、ヒータ６１、上流側温度センサ６２、下流側温度センサ６３、周囲温度センサ６４および電極６０を、白金などのパターンを用いて薄膜形成し、絶縁膜層５２で覆ったものである。
【０００５】
ヒータ６１は基台５０の中央に配置され、その流体の流れ方向に対してヒータ６１の上流側に上流側温度センサ６２が配置され、反対側の下流側に下流側温度センサ６３が配置されている。また、周囲温度センサ６４は、基台５０の上流側周辺部に配置されている。
基台５０の中央部は、異方性エッチングなどの工程により基材の一部が除去されてキャビティ（凹部空間）５４が形成されており、ヒータ６１、上流側温度センサ６２、下流側温度センサ６３は基台５０から熱的に遮断されたダイヤフラム５１上に形成されている。また、ダイヤフラム５１には、流体がキャビティ５４内にも流通するよう、その厚さ方向に貫通する通気孔５３が多数形成されている。
【０００６】
フローセンサ４０の動作原理は、周囲温度センサ６４で計測された流体温度より一定温度、例えば数１０℃だけ高くなるようにヒータ６１で流体を熱して所定の温度分布を発生させ、その温度分布を上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で計測することにより、流体流量を計測するものである。
流体が静止している場合、上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で得られる温度分布は対称となるが、流体が流れている場合、その対称性が崩れ、上流側温度センサ６２に比べて下流側温度センサ６３で得られる温度が高くなる。この温度差をブリッジ回路で検出することにより、流体の熱伝導率などの物性値に基づき流体流速が得られる。
【０００７】
なお、上述した従来技術は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。また、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】
特開平２−１２０６２０号公報（第１−２頁、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような熱式流量計では、フローセンサにおいて、基台の上流側周辺部に配置した周囲温度センサで計測された流体温度を基準とし、その流体温度に対して一定温度だけ高くなるようヒータで流体を熱し、その温度分布の変化により流体の流速を検出しているため、より高い精度で流体流量を計測する場合には、この周囲温度センサで流体温度を正確に計測する必要がある。これは、計測した流体温度に誤差が生じれば、その分だけヒータの加熱制御に誤差が生じ、ヒータの周囲に発生する温度分布自体が変化し、これが流体流速による温度分布の変化として検出されるからである。
【０００９】
しかしながら、フローセンサは、直射日光や寒気にさらされる配管など、熱的影響を受けやすい屋外の設備に設置されることもある。このような過酷な環境かでは、周囲温度センサが配置された基台に対する外部からの熱的影響に、周囲温度センサで検出される流体温度が左右されるという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、フローセンサの基台を介した外部からの熱的影響に左右されることなく、流体温度を正確に計測できる熱式流量計を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明にかかる熱式流量計は、基台から熱的に遮断された構造で基台表面に形成されたダイヤフラムと、そのダイヤフラム上に形成されて所定の温度分布を発生させるヒータと、前記ダイヤフラム上に形成されて、前記流体の流速に応じて変化する前記温度分布を抵抗値の変化として検出する流速センサとを有するフローセンサを用いて、流路内を流れる被計測流体の温度分布を検出する検出器と、前記ヒータを駆動して前記流体を加熱するとともに、前記流速センサを駆動して検出された前記温度分布に基づいて前記流体の流量を算出する変換器とからなる熱式流量計であって、変換器に、流体の温度に応じて変化する流速センサの抵抗値を検出し、その抵抗値に基づき流体の温度を算出する流体温度算出手段を設けたものである。
【００１１】
流量計測時に加熱されたヒータからの熱的影響を低減するため、変換器に、流速センサの抵抗値を検出する際、少なくともその検出の開始から終了までの期間にわたってヒータの駆動を停止するヒータ制御手段を設けてもよく、流速センサの抵抗値を検出する際、少なくともその検出開始より所定のクーリング期間だけ前の時点から検出の終了までの期間にわたってヒータの駆動を停止するヒータ制御手段を設けてもよい。
また、流量計測時に加熱された流速センサ自体からの熱的影響を低減するため、変換器に、流速センサの抵抗値を検出する際、少なくともその検出の開始より所定のクーリング期間から検出の開始までの期間にわたって流速センサの駆動を停止するセンサ制御手段を設けてもよい。
【００１２】
また、流速センサとして、流体の流れに対してヒータの上流側および下流側に形成されるとともに、電気的に直列接続された２つの温度センサを用い、流体温度算出手段で、２つの温度センサの直列接続分の抵抗値に基づき流体の温度を算出するようにしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかる熱式流量計の制御系の構成を示すブロック図である。
この熱式流量計は、流路内を流れる被計測流体による温度分布の変化をフローセンサにより検出する検出器２と、このフローセンサで検出された温度分布の変化に基づいて流体の流量を算出し、流量信号１６としてコントローラなどの上位装置（図示せず）へ送信する変換器１とから構成されている。なお、機械系の構成については、前述した図６の熱式流量計と同じであり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００１４】
検出器２には、前述の図７で説明したフローセンサ４０と同等のフローセンサ２０が設けられている。このフローセンサ２０は、図２に示すように、フローセンサ４０と違い、周囲温度センサ６４が設けられていない点にある。すなわち本実施の形態では、基台５０に設けられた周囲温度センサ６４に代えて、ダイヤフラム５１上に設けられた上流側温度センサ６２や下流側温度センサ６３を兼用することにより、被計測流体の温度を測定するようにしている。ここでは、ヒータ６１が図１のヒータ２０Ａに相当し、上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３が流速センサ２０Ｂに相当する。
【００１５】
一方、変換器１には、センサインターフェース部（以下、センサＩ／Ｆ部という）１１、記憶部１３、演算処理部１４、および通信インターフェース部（以下、通信Ｉ／Ｆ部という）１５が設けられている。
センサＩ／Ｆ部１１には、ヒータ駆動手段１１Ａ、センサ駆動手段１１Ｂおよびセンサ検出手段１１Ｃが設けられている。
ヒータ駆動手段１１Ａは、演算処理部１４からのヒータ制御信号１２Ａに基づき、フローセンサ２０のヒータ２０Ａに対して電源を供給する回路部である。センサ駆動手段１１Ｂは、演算処理部１４からのセンサ制御信号１２Ｂに基づき、フローセンサ２０の流速センサ２０Ｂに対して電源を供給する回路部である。センサ検出手段１１Ｃは、流速センサ２０Ｂを用いたブリッジ回路を構成することにより、ヒータ２０Ａで加熱された流体の温度分布の変化を検出し、その検出出力を流体流速に応じた流速信号１２Ｃとして演算処理部１４へ出力する回路部である。
【００１６】
記憶部１３は、各種データを記憶するメモリなどの記憶装置からなり、流速センサ２０Ｂとして用いられる白金などの金属の抵抗値と温度との関係を示す温度抵抗係数など、演算処理部１４での演算処理に用いる各種係数を含む係数データ１３Ａを予め記憶している。
流速センサ２０Ｂの２０℃における基準抵抗値をＲ_２０、抵抗温度係数の１次係数をα、抵抗温度係数の２次係数をβとした場合、温度Ｔ℃における抵抗値Ｒ（Ｔ）は、次の式（１）で表される。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ_２０（１＋α（Ｔ−２０）＋β（Ｔ−２０）^２）‥‥（１）
したがって、Ｒ_２０が既知であれば、Ｒ（Ｔ）を計測することにより、温度Ｔすなわち流体温度を逆算できる。
【００１７】
演算処理部１４は、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路から構成されており、所定のプログラムを読み込んで実行することにより、上記ハードウェア資源と協働させて各種機能手段を実現し、被計測流体の温度および流量を算出する。
通信Ｉ／Ｆ部１５は、演算処理部１４で求められた流体流量を流量信号１６として、コントローラなどの上位装置へ送信する。
【００１８】
演算処理部１４の機能手段としては、ヒータ制御手段１４Ａ、センサ制御手段１４Ｂ、流体流量算出手段１４Ｃ、および流体温度算出手段１４Ｄが設けられている。
ヒータ制御手段１４Ａは、ヒータ駆動手段１１Ａに対してヒータ制御信号１２Ａを出力することによりフローセンサ２０のヒータ２０Ａに対する電源供給を制御する。センサ制御手段１４Ｂは、センサ駆動手段１１Ｂに対してセンサ制御信号１２Ｂを出力することによりフローセンサ２０の流速センサ２０Ｂに対する電源供給を制御する。流体流量算出手段１４Ｃは、センサ検出手段１１Ｃからの流速信号１２Ｃに基づき被計測流体の流量を算出する。流体温度算出手段１４Ｄはフローセンサ２０の流速センサ２０Ｂから得られた温度信号１２Ｄに基づき被計測流体の温度を算出する。
【００１９】
図３にセンサＩ／Ｆ部の回路構成例を示す。
まず、ヒータ駆動手段１１Ａについて説明する。このヒータ駆動手段１１Ａには、ヒータ２０Ａに対する電源電位ＶＣＣの供給／停止を制御するＰＮＰ形のトランジスタＱ１、ヒータ２０Ａに対する供給電位とヒータ制御信号１２Ａに基づきトランジスタＱ１を制御するオペアンプＵ１、および抵抗Ｒ１，Ｒ２が設けられている。
トランジスタＱ１のエミッタ端子は電源電位ＶＣＣに接続され、同じくコレクタ端子が抵抗Ｒ１に接続されている。抵抗Ｒ１の他端はヒータ２０Ａ（Ｒｈ）の端子Ｎ１に接続されるとともに、オペアンプＵ１の非反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ１の反転入力端子にはヒータ制御信号１２Ａが供給され、その出力端子は抵抗Ｒ２を介してトランジスタＱ１のベース端子に接続されている。なお、ヒータ２０Ａの他端は変換器１のＧＮＤ電位に接続されている。
【００２０】
したがって、ヒータ制御信号１２ＡとしてヒータＲｈの両端電圧を上回る電位が供給された場合、オペアンプＵ１の出力がＬＯＷレベルとなり、トランジスタＱ１がオンしてエミッタ端子とコレクタ端子とが導通状態となる。これにより、電源電位ＶＣＣがトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１を介してヒータＲｈへ供給され、流体が加熱される。
一方、ヒータ制御信号１２ＡとしてヒータＲｈの両端電圧を下回る電位が供給された場合、オペアンプＵ１の出力がＨＩＧＨレベルとなり、トランジスタＱ１がオフしてエミッタ端子とコレクタ端子とが非導通状態となる。これにより、ヒータＲｈに対する電源電位ＶＣＣの供給が停止され、流体の加熱が停止される。
【００２１】
次に、センサ駆動手段１１Ｂとセンサ検出手段１１Ｃについて説明する。
センサ駆動手段１１Ｂには、流速センサ２０Ｂに対する電源電位ＶＣＣの供給／停止を制御するＰＮＰ形のトランジスタＱ２、および抵抗Ｒ１０，Ｒ１４が設けられている。
トランジスタＱ２のエミッタ端子は電源電位ＶＣＣに接続され、コレクタ端子が抵抗Ｒ１４に接続されている。抵抗Ｒ１４の他端は、流速センサ２０Ｂ（Ｒｕ，Ｒｄ）の端子Ｎ２に接続されるとともに、センサ検出手段１１Ｃにも接続されている。またこの抵抗Ｒ１４の他端の電位が温度信号１２Ｄとして演算処理部１４へ出力される。またトランジスタＱ２のベース端子には抵抗Ｒ１０を介してセンサ制御信号１２Ｂが供給されている。
【００２２】
なお、流速センサ２０Ｂは、上流側温度センサ６２（Ｒｕ）と下流側温度センサ６３（Ｒｄ）との直列接続（図２参照）からなり、そのＲｕ側端点に端子Ｎ２が設けられ、ＲｕとＲｂの接続点に端子Ｎ３が設けられ、Ｒｄ側端点は変換器１側のＧＮＤ電位に接続されている。
【００２３】
また、センサ検出手段１１Ｃには、ヒータ２０Ａの発熱による温度分布の変化を流速センサ２０Ｂの抵抗値の変化により検出し、流体流速に応じた流速信号１２Ｃとして出力するオペアンプＵ２と、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３が設けられている。
オペアンプＵ２の非反転入力端子は、流速センサ２０Ｂの端子Ｎ３に接続されている。同じく反転入力端子は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３に接続されている。抵抗Ｒ１１の他端は、ブリッジ回路への電位が供給される抵抗Ｒ１４の他端すなわち流速センサ２０Ｂの端子Ｎ２に接続されており、その供給電位が温度信号１２Ｄとして演算処理部１４へ出力されている。抵抗Ｒ１２の他端はＧＮＤ電位に接続されている。オペアンプＵ２の出力端子は抵抗Ｒ１３の他端に接続されており、その出力電位が流速信号１２Ｃとして演算処理部１４へ出力されている。
【００２４】
ここで、流速センサ２０ＢのＲｕ、Ｒｄおよびセンサ検出手段１１Ｃの抵抗Ｒ１１，Ｒ１２はブリッジ回路を構成しており、ＲｕとＲｄの抵抗値の比と、Ｒ１２とＲ１１の抵抗値の比とが等しくなるよう、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の値が設定されている。
したがって、センサ制御信号１２ＢとしてＬＯＷレベルの電位が供給された場合、トランジスタＱ２がオンしてエミッタ端子とコレクタ端子とが導通状態となる。これにより、電源電位ＶＣＣがトランジスタＱ２、抵抗Ｒ１４を介してブリッジ回路へ供給される。
【００２５】
このとき、流体が流れておらず、ヒータ２０Ａで加熱された流体の温度分布がＲｕ，Ｒｄの位置で等しい場合、ＲｕとＲｄの抵抗値の比に変化は生じない。したがって、オペアンプＵ２の非反転入力端子と反転入力端子との間に電位差が生じず、流速信号１２Ｃとして所定の中間電位が出力される。
これに対して、流体に流れがあり、ヒータ２０Ａで加熱された流体の温度分布が変化して上流側のＲｕでの温度より、下流側のＲｄでの温度が高くなった場合、ＲｕとＲｄの抵抗値の比に変化が生じる。したがって、オペアンプＵ２の非反転入力端子と反転入力端子との間に電位差が生じ、流速信号１２Ｃとしてその電位差すなわち流体流速に応じた電位が出力される。そして、その流速信号１２Ｃに基づき演算処理部１４の流体流量算出手段１４Ｃで流体の流量が算出される。
【００２６】
本実施の形態は、このような流量計測に用いる流速センサ２０Ｂが、フローセンサ２０（図２参照）の基台５０ではなく、基台５０から熱的に絶縁されたダイヤフラム５１上に形成されていることに着目し、流体の温度により抵抗値が変化する流速センサ２０Ｂの抵抗値を温度信号１２Ｄから検出し、その抵抗値から流体の温度を計測するようにしたものである。
以下、図４および図５を参照して、本実施の形態にかかる熱式流量計の動作について説明する。図４は演算処理部１４の処理動作を示すフローチャートである。図５は演算処理部１４で入出力される各種信号の変化を示すタイミングチャートである。
【００２７】
演算処理部１４では、通常、流量計測動作を行っており、所定のタイミング、例えば定期的あるいは必要に応じて温度計測動作を行う。
図５では、時刻Ｔ１以前および時刻Ｔ３以降に流量計測期間が設けられており、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３の間に温度計測期間が設けられている。
演算処理部１４では、ステップ１００〜１０２で構成される待機ループにおいて、各動作タイミングの到来をチェックしており（ステップ１００）、例えば時刻Ｔ１以前の期間において、流量計測タイミングが到来した場合には（ステップ１０１：ＹＥＳ）、ステップ１１０へ移行して流量計測動作を開始する。
【００２８】
流量計測動作では、まず、ヒータ制御手段１４Ａでヒータ制御信号１２Ａを用いてセンサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ａを制御し、フローセンサ２０のヒータ２０Ａへ加熱用電源を供給する（ステップ１１０）。また、センサ制御手段１４Ｂでセンサ制御信号１２Ｂを用いてセンサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ａを制御し、流速センサ２０Ｂへ検出動作用電源を供給する（ステップ１１１）。
【００２９】
これにより、ヒータ２０Ａで流体が加熱され、この温度分布の変化による流速センサ２０Ｂの抵抗値の変化がセンサＩ／Ｆ部１１のセンサ検出部１１Ｃで検出され、流体の流速に応じて変化する流速信号１２Ｃが検出出力される（ステップ１１２）。演算処理部１４では、流体流量算出手段１４Ｃにより流速信号１２Ｃから流体流速を求め、その流体流速と流路面積とから流体の流量を算出する（ステップ１１３）。そして、求められた流体流量を必要に応じて通信Ｉ／Ｆ部１５から上位装置へ流量信号１６として送信し（ステップ１１４）、待機ループへ戻る。
【００３０】
その後、時刻Ｔ１となり温度計測タイミングが到来した場合には（ステップ１０２：ＹＥＳ）、ステップ１２０へ移行して温度計測動作を開始する。
温度計測動作では、まず、ヒータ制御手段１４Ａでヒータ制御信号１２Ａを用いてセンサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ａを制御し、フローセンサ２０のヒータ２０Ａへ加熱用電源の供給を停止する（ステップ１２０）。また、センサ制御手段１４Ｂでセンサ制御信号１２Ｂを用いてセンサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ａを制御し、流速センサ２０Ｂへ検出動作用電源の供給を停止する（ステップ１２１）。
【００３１】
そして、時刻Ｔ２までの所定期間だけ、その状態を維持することにより、クーリング期間を設ける（ステップ１２２）。これにより、計測動作時に加熱されたヒータ２０Ａおよび流速センサ２０Ｂがほぼ流体温度まで冷やされる。このクーリング期間の長さについては、ヒータ２０Ａおよび流速センサ２０Ｂの熱容量にもよるが、２ｍｍ角以下の大きさのフローセンサ２０では、１０ｍｓもあれば十分である。
【００３２】
その後、時刻Ｔ２において、センサ制御手段１４Ｂでセンサ制御信号１２Ｂを用いてセンサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ａを制御し、流速センサ２０Ｂへ検出動作用電源の供給を再開する（ステップ１２３）。
これにより、流速センサ２０Ｂは流体の温度に応じた抵抗値を示すものとなり、その抵抗値に応じた電位ｖを示す温度信号１２Ｄが、演算処理部１４の流体温度算出手段１４Ｄで検出される（ステップ１２４）。
なお、ヒータ２０Ａについては、クーリング期間の開始から抵抗値の検出終了時点（時刻Ｔ３）までの期間にわたりその駆動を停止し、温度検出への影響を抑止する。
【００３３】
流体温度算出手段１４Ｄでは、その温度信号１２Ｄの電位ｖと流速センサ２０Ｂに供給している電流値とから流速センサ２０Ｂの抵抗値を算出し、その抵抗値と記憶部１３の係数データ１３Ａとから、前述した式（１）を用いて、流体温度を算出する（ステップ１２５）。その後、待機ループへ戻る。
なお、求められた流体温度は、ヒータ制御のための基準温度や流量算出のための温度パラメータとして用いられる。また、この流体温度を、必要に応じて通信Ｉ／Ｆ部１５から上位装置へ送信してもよい。
【００３４】
このように、フローセンサ２０の流量計測に用いる流速センサ２０Ｂ、すなわち基台５０と熱的に絶縁されたダイヤフラム５１上に形成されている上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３の抵抗値に基づき、流体の温度を検出するようにしたので、基台の周囲に形成された周囲温度センサで流体温度を計測する場合と比較して、基台を介した外部からの熱的影響に左右されることなく、流体温度を正確に計測できる。これにより、高い精度で流体流量を算出することが可能となる。
また、フローセンサ２０として、周囲温度センサを別途形成する必要がなくなり、その周囲温度センサおよび電極の形成に要する製造工程、さらには電極を外部と電気的に接続するためのボンディング工程を省くことができるとともに、フローセンサ２０と変換器１との接続配線数を削減でき、結果としてコストダウンを計ることができる。
【００３５】
また、温度計測動作の際、流速センサ２０Ｂの抵抗値を検出する直前にクーリング期間を設け、そのクーリング期間の開始から抵抗値の検出終了までの期間にわたり、フローセンサ２０のヒータ２０Ａの駆動を停止するようにしたので、流量計測で加熱されたヒータ２０Ａをほぼ流体温度まで冷却させた後、流速センサ２０Ｂにより流体温度を計測することができ、ヒータの影響を受けることなく流体温度を正確に測定できる。なお、ヒータ２０Ａの熱容量が小さくその駆動停止に応じてすぐに冷却される場合には、クーリング期間を設ける必要はなく、少なくとも流速センサ２０Ｂの抵抗値の検出開始から終了までの期間にわたり、ヒータ２０Ａの駆動を停止すればよい。
【００３６】
また、クーリング期間において、ヒータ２０Ａだけでなく流速センサ２０Ｂの駆動も一時停止して、流量計測時に流量計測用として供給されていた電源により自己加熱された流速センサ２０Ｂを冷却させた後、流速センサ２０Ｂへの電源供給を再開して流体温度を計測するようにしてもよく、自己加熱の影響を最小限に抑えることができ流体温度を正確に測定できる。
なお、以上では、温度計測動作時に、所定の期間についてヒータ２０Ａさらには流速センサ２０Ｂの駆動を停止する例として、完全に電源供給を停止する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明でいう温度計測時における駆動停止には、流量計測時の電源供給量の一部を停止して電源供給を低減する部分的停止も含まれ、このような部分的停止を行った場合でもヒータ２０Ａさらには流速センサ２０Ｂからの熱的影響を緩和でき、前述と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
また、温度計測を行う際、上流側温度センサ６２（Ｒｕ）と下流側温度センサ６３（Ｒｄ）との直列接続分の抵抗値に基づき流体温度を算出するようにしたので、比較的高い抵抗値が得られることから、計測される温度の分解能を高くすることができる。
【００３８】
なお、温度計測に用いるセンサとしては、上流側温度センサ６２（Ｒｕ）と下流側温度センサ６３（Ｒｄ）との直列接続に限定されるものではなく、これらのうちいずれか一方の抵抗値に基づき流体温度を算出するようにしてもよい。例えば、流体の流速にも関係するが、上流側温度センサ６２（Ｒｕ）のみを用いれば、その下流側に位置するヒータ２０Ａからの熱的影響を受けにくいため、クーリング期間におけるヒータ２０Ａの駆動停止を省いたり、あるいはクーリング期間を短縮してもよい。
また、流速センサ２０Ｂに比較して抵抗値は低いものの、ヒータ２０Ａの抵抗値も流体温度で変化する。したがって、流速センサ２０Ｂに代えて、ヒータ２０Ａの抵抗値に基づき、流体温度を算出するようにしてもよい。
【００３９】
なお、以上では、熱式流量計として、図６に示したような一般的な構成の熱式流量計に本発明を適用した場合を例として説明したが、熱式流量計の構成については、これに限定されるものではなく、前述したように、流路内を流れる気体などの被計測流体の流れによる温度分布の変化をフローセンサにより検出し、その温度分布の変化に基づいて流体流量を計測する熱式流量計、例えばカルマン渦流量計、体積流量計、質量流量計などの熱式流量計についても、前述と同様にして本発明を適用でき、前述と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、基台から熱的に遮断された構造で基台表面に形成されたダイヤフラムと、そのダイヤフラム上に形成されて所定の温度分布を発生させるヒータと、ダイヤフラム上に形成されて、流体の流速に応じて変化する温度分布を抵抗値の変化として検出する流速センサとを有するフローセンサを用い、流体流量を計測する際には、ヒータを駆動して流体を加熱するとともに、流速センサを駆動して流体の流速に応じた温度分布を検出し、その検出出力に基づき流体の流量を算出する熱式流量計において、流体温度を計測する際には、流体の温度に応じて変化する流速センサの抵抗値を検出し、その抵抗値に基づき流体の温度を算出するようにしたので、基台の周囲に形成された周囲温度センサで流体温度を計測する場合と比較して、基台を介した外部からの熱的影響に左右されることなく、流体温度を正確に計測できる。これにより、高い精度で流体流量を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる熱式流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】フローセンサの構成例を示す説明図である。
【図３】センサＩ／Ｆ部の回路構成例である。
【図４】演算処理部の処理動作を示すフローチャートである。
【図５】演算処理部の処理動作を示すタイミングチャートである。
【図６】熱式流量計の構成を示す説明図である。
【図７】一般的なフローセンサの構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…変換器、１１…センサＩ／Ｆ部、１１Ａ…ヒータ駆動手段、１１Ｂ…センサ駆動手段、１１Ｃ…センサ検出手段、１２Ａ…ヒータ制御信号、１２Ｂ…センサ制御信号、１２Ｃ…流速信号、１２Ｄ…温度信号、１３…記憶部、１３Ａ…係数データ、１４…演算処理部、１４Ａ…ヒータ制御手段、１４Ｂ…センサ制御手段、１４Ｃ…流体流量算出手段、１４Ｄ…流体温度算出手段、１５…通信Ｉ／Ｆ部、１６…流量信号、２…検出器、２０…フローセンサ、２０Ａ…ヒータ、２０Ｂ…流速センサ、３…管、３Ａ…流路、５０…基台、５１…ダイヤフラム、５２…絶縁膜層、５３…通気孔、５４…キャビティ、６０…電極、６１…ヒータ、６２…上流側温度センサ、６３…下流側温度センサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal flow meter, and in particular, detects a change in temperature distribution due to a flow of a fluid to be measured such as a gas flowing in a flow path by a flow sensor, and measures a fluid flow rate based on the change in the temperature distribution. It relates to a flow meter.
[0002]
[Prior art]
In this type of thermal flow meter, a predetermined temperature distribution is generated by a heater for a fluid to be measured such as gas flowing in a flow path, and a temperature distribution that changes according to the flow of the fluid is detected by a temperature sensor. The flow rate of the fluid is measured from the detection output.
FIG. 6 is a front view and a side view showing a configuration example of a thermal flow meter. This thermal type flow meter comprises a detector 2 for detecting a flow rate signal corresponding to a flow rate of a fluid, and a converter 1 for calculating a flow rate of the fluid from the flow rate signal detected by the detector 2 and outputting the calculated flow rate signal as a flow rate signal. It is configured.
[0003]
The detector 2 has a cylindrical shape, and the upper end side is connected to the converter 1. The lower end is inserted downward into the flow path 3A from the upper outside of the pipe 3, and the flow sensor 20 disposed at the end thereof detects a temperature distribution that changes according to the flow of the fluid in the flow path 3A. Output detection.
The converter 1 calculates the fluid flow rate from the temperature distribution detected by the flow sensor 20, and calculates the flow rate of the fluid flowing in the flow path 3A based on the fluid flow rate.
[0004]
As a flow sensor for detecting a change in temperature distribution, a micro flow sensor manufactured using a micro machining technique is often used. 7A and 7B show a configuration example of a general flow sensor. FIG. 7A is a perspective view, and FIG. 7B is a cross-sectional view along AA.
The flow sensor 40 includes a heater 61, an upstream temperature sensor 62, a downstream temperature sensor 63, an ambient temperature sensor 64, and an electrode 60 on the surface of a base 50 made of a base material such as a silicon chip having a side of 2 mm or less. A thin film is formed using a pattern of platinum or the like, and is covered with an insulating film layer 52.
[0005]
The heater 61 is arranged at the center of the base 50, an upstream temperature sensor 62 is arranged on the upstream side of the heater 61 with respect to the flow direction of the fluid, and a downstream temperature sensor 63 is arranged on the opposite downstream side. I have. Further, the ambient temperature sensor 64 is arranged in a peripheral portion on the upstream side of the base 50.
At the center of the base 50, a part of the base material is removed by a process such as anisotropic etching to form a cavity (concave space) 54, and a heater 61, an upstream temperature sensor 62, and a downstream temperature sensor 63 is formed on the diaphragm 51 thermally isolated from the base 50. Further, the diaphragm 51 is provided with a large number of ventilation holes 53 penetrating in the thickness direction so that the fluid flows also in the cavity 54.
[0006]
The operation principle of the flow sensor 40 is as follows. The fluid is heated by the heater 61 so as to be higher than the fluid temperature measured by the ambient temperature sensor 64 by a certain temperature, for example, several tens of degrees Celsius, and a predetermined temperature distribution is generated. The fluid flow rate is measured by measuring with the upstream temperature sensor 62 and the downstream temperature sensor 63.
When the fluid is stationary, the temperature distributions obtained by the upstream temperature sensor 62 and the downstream temperature sensor 63 are symmetric. However, when the fluid is flowing, the symmetry is broken and the temperature distribution is lower than that of the upstream temperature sensor 62. Thus, the temperature obtained by the downstream temperature sensor 63 increases. By detecting this temperature difference with a bridge circuit, a fluid flow velocity can be obtained based on physical properties such as the thermal conductivity of the fluid.
[0007]
The above-mentioned prior art is not publicly known as far as the applicant knows at the time of filing. In addition, the applicant did not find any prior art documents related to the present invention other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification by the time of filing.
[Patent Document 1]
JP-A-2-120620 (page 1-2, FIG. 2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In such a thermal flow meter, the flow sensor uses a heater based on a fluid temperature measured by an ambient temperature sensor disposed on an upstream peripheral portion of the base so as to be higher than the fluid temperature by a certain temperature. Since the fluid is heated and the flow velocity of the fluid is detected based on a change in the temperature distribution, when the fluid flow rate is measured with higher accuracy, it is necessary to accurately measure the fluid temperature with the ambient temperature sensor. This is because if an error occurs in the measured fluid temperature, an error occurs in the heating control of the heater by that much, and the temperature distribution itself generated around the heater changes, which is detected as a change in the temperature distribution due to the fluid flow velocity. This is because that.
[0009]
However, the flow sensor may be installed in an outdoor facility that is easily affected by heat, such as a pipe exposed to direct sunlight or cold. In such a severe environment, there is a problem that a fluid temperature detected by the ambient temperature sensor is affected by an external thermal influence on a base on which the ambient temperature sensor is disposed.
The present invention is intended to solve such a problem, and provides a thermal flow meter that can accurately measure a fluid temperature without being influenced by external thermal influence via a base of a flow sensor. It is intended to be.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, a thermal flowmeter according to the present invention includes a diaphragm formed on a surface of a base in a structure thermally isolated from the base, and a predetermined shape formed on the diaphragm. Using a flow sensor having a heater that generates a temperature distribution and a flow sensor formed on the diaphragm and detecting the temperature distribution that changes according to the flow velocity of the fluid as a change in resistance value, A detector that detects the temperature distribution of the fluid to be measured flowing through the heater, and drives the heater to heat the fluid, and calculates the flow rate of the fluid based on the detected temperature distribution by driving the flow rate sensor. A flow rate sensor that detects a resistance value of a flow rate sensor that changes according to the temperature of the fluid, and calculates a temperature of the fluid based on the resistance value. It is provided with a means.
[0011]
In order to reduce the thermal effect from the heater heated at the time of flow rate measurement, when detecting the resistance value of the flow velocity sensor in the converter, heater control that stops driving of the heater at least during the period from the start to the end of the detection Means may be provided, and when detecting the resistance value of the flow rate sensor, heater control means for stopping the driving of the heater at least for a period from a point in time before the start of the detection by a predetermined cooling period to the end of the detection is provided. Is also good.
Also, in order to reduce the thermal effect from the flow velocity sensor itself heated during flow rate measurement, when detecting the resistance value of the flow velocity sensor in the converter, at least from the start of the detection to the start of the detection from the predetermined cooling period. May be provided for stopping the driving of the flow rate sensor over the period.
[0012]
Further, as the flow velocity sensor, two temperature sensors formed on the upstream side and the downstream side of the heater with respect to the flow of the fluid and electrically connected in series are used. The temperature of the fluid may be calculated based on the resistance value of the series connection.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control system of a thermal flow meter according to one embodiment of the present invention.
This thermal flow meter detects a change in temperature distribution due to a fluid to be measured flowing in a flow path by a flow sensor, and calculates a flow rate of the fluid based on the change in temperature distribution detected by the flow sensor. The converter 1 transmits the flow rate signal 16 to a higher-level device (not shown) such as a controller. Note that the configuration of the mechanical system is the same as that of the above-described thermal flow meter of FIG. 6, and a detailed description thereof will be omitted.
[0014]
The detector 2 is provided with a flow sensor 20 equivalent to the flow sensor 40 described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the flow sensor 20 is different from the flow sensor 40 in that an ambient temperature sensor 64 is not provided. That is, in the present embodiment, instead of the ambient temperature sensor 64 provided on the base 50, the upstream temperature sensor 62 and the downstream temperature sensor 63 provided on the diaphragm 51 are also used, so that the fluid to be measured is I try to measure the temperature. Here, the heater 61 corresponds to the heater 20A in FIG. 1, and the upstream temperature sensor 62 and the downstream temperature sensor 63 correspond to the flow rate sensor 20B.
[0015]
On the other hand, the converter 1 is provided with a sensor interface unit (hereinafter, referred to as a sensor I / F unit) 11, a storage unit 13, an arithmetic processing unit 14, and a communication interface unit (hereinafter, referred to as a communication I / F unit) 15. ing.
The sensor I / F unit 11 includes a heater driving unit 11A, a sensor driving unit 11B, and a sensor detecting unit 11C.
The heater driving unit 11A is a circuit unit that supplies power to the heater 20A of the flow sensor 20 based on the heater control signal 12A from the arithmetic processing unit 14. The sensor driving unit 11B is a circuit unit that supplies power to the flow velocity sensor 20B of the flow sensor 20 based on the sensor control signal 12B from the arithmetic processing unit 14. The sensor detecting means 11C detects a change in the temperature distribution of the fluid heated by the heater 20A by forming a bridge circuit using the flow rate sensor 20B, and calculates the detected output as a flow rate signal 12C corresponding to the fluid flow rate. This is a circuit unit that outputs to the processing unit 14.
[0016]
The storage unit 13 is composed of a storage device such as a memory that stores various data, and is calculated by the calculation processing unit 14 such as a temperature resistance coefficient indicating a relationship between a resistance value of a metal such as platinum used as the flow velocity sensor 20B and a temperature. The coefficient data 13A including various coefficients used for the processing is stored in advance.
The reference resistance value at 20 ° C. of the flow rate sensor 20B is R ₂₀ When the primary coefficient of the temperature coefficient of resistance is α and the secondary coefficient of the temperature coefficient of resistance is β, the resistance value R (T) at the temperature T ° C. is expressed by the following equation (1).
R (T) = R ₂₀ (1 + α (T-20) + β (T-20) ² ) ‥‥ (1)
Therefore, R ₂₀ Is known, the temperature T, that is, the fluid temperature can be calculated backward by measuring R (T).
[0017]
The arithmetic processing unit 14 includes a microprocessor such as a CPU and its peripheral circuits. By reading and executing a predetermined program, the arithmetic processing unit 14 realizes various functional units in cooperation with the above hardware resources, and Calculate fluid temperature and flow rate.
The communication I / F unit 15 transmits the fluid flow rate obtained by the arithmetic processing unit 14 as a flow rate signal 16 to a host device such as a controller.
[0018]
As functional units of the arithmetic processing unit 14, there are provided a heater control unit 14A, a sensor control unit 14B, a fluid flow rate calculation unit 14C, and a fluid temperature calculation unit 14D.
The heater control unit 14A controls the power supply of the flow sensor 20 to the heater 20A by outputting a heater control signal 12A to the heater driving unit 11A. The sensor control means 14B controls the power supply of the flow sensor 20 to the flow velocity sensor 20B by outputting a sensor control signal 12B to the sensor driving means 11B. The fluid flow rate calculating means 14C calculates the flow rate of the fluid to be measured based on the flow velocity signal 12C from the sensor detecting means 11C. The fluid temperature calculating means 14D calculates the temperature of the fluid to be measured based on the temperature signal 12D obtained from the flow sensor 20B of the flow sensor 20.
[0019]
FIG. 3 shows a circuit configuration example of the sensor I / F unit.
First, the heater driving unit 11A will be described. The heater driving means 11A includes a PNP transistor Q1 for controlling supply / stop of the power supply potential VCC to the heater 20A, an operational amplifier U1 for controlling the transistor Q1 based on the supply potential for the heater 20A and the heater control signal 12A, and a resistor R1. , R2 are provided.
The emitter terminal of the transistor Q1 is connected to the power supply potential VCC, and the collector terminal is also connected to the resistor R1. The other end of the resistor R1 is connected to the terminal N1 of the heater 20A (Rh) and to the non-inverting input terminal of the operational amplifier U1. The heater control signal 12A is supplied to the inverting input terminal of the operational amplifier U1, and its output terminal is connected to the base terminal of the transistor Q1 via the resistor R2. Note that the other end of the heater 20A is connected to the GND potential of the converter 1.
[0020]
Therefore, when a potential higher than the voltage between both ends of the heater Rh is supplied as the heater control signal 12A, the output of the operational amplifier U1 becomes LOW level, the transistor Q1 is turned on, and the emitter terminal and the collector terminal are brought into conduction. As a result, the power supply potential VCC is supplied to the heater Rh via the transistor Q1 and the resistor R1, and the fluid is heated.
On the other hand, when a potential lower than the voltage between both ends of the heater Rh is supplied as the heater control signal 12A, the output of the operational amplifier U1 becomes HIGH level, the transistor Q1 turns off, and the emitter terminal and the collector terminal become non-conductive. Thus, the supply of the power supply potential VCC to the heater Rh is stopped, and the heating of the fluid is stopped.
[0021]
Next, the sensor driving unit 11B and the sensor detecting unit 11C will be described.
The sensor driving means 11B is provided with a PNP transistor Q2 for controlling supply / stop of the power supply potential VCC to the flow rate sensor 20B, and resistors R10 and R14.
The emitter terminal of the transistor Q2 is connected to the power supply potential VCC, and the collector terminal is connected to the resistor R14. The other end of the resistor R14 is connected to the terminal N2 of the flow rate sensor 20B (Ru, Rd) and also to the sensor detecting means 11C. The potential at the other end of the resistor R14 is output to the arithmetic processing unit 14 as a temperature signal 12D. The sensor control signal 12B is supplied to the base terminal of the transistor Q2 via the resistor R10.
[0022]
The flow velocity sensor 20B is composed of a series connection of an upstream temperature sensor 62 (Ru) and a downstream temperature sensor 63 (Rd) (see FIG. 2), and a terminal N2 is provided at an end point on the Ru side. A terminal N3 is provided at a connection point of the converter 1, and an end point on the Rd side is connected to the GND potential on the converter 1 side.
[0023]
The sensor detecting means 11C includes an operational amplifier U2 that detects a change in temperature distribution due to the heat generated by the heater 20A based on a change in the resistance value of the flow rate sensor 20B and outputs the result as a flow rate signal 12C corresponding to the fluid flow rate; , R13 are provided.
The non-inverting input terminal of the operational amplifier U2 is connected to the terminal N3 of the flow rate sensor 20B. Similarly, the inverting input terminal is connected to the resistors R11, R12, and R13. The other end of the resistor R11 is connected to the other end of the resistor R14 to which the potential to the bridge circuit is supplied, that is, to the terminal N2 of the flow velocity sensor 20B, and the supplied potential is output to the arithmetic processing unit 14 as a temperature signal 12D. I have. The other end of the resistor R12 is connected to the GND potential. The output terminal of the operational amplifier U2 is connected to the other end of the resistor R13, and the output potential is output to the arithmetic processing unit 14 as the flow velocity signal 12C.
[0024]
Here, Ru and Rd of the flow velocity sensor 20B and the resistors R11 and R12 of the sensor detecting means 11C constitute a bridge circuit, and the ratio of the resistance values of Ru and Rd is equal to the ratio of the resistance values of R12 and R11. Thus, the values of the resistors R11 and R12 are set.
Therefore, when a low-level potential is supplied as the sensor control signal 12B, the transistor Q2 is turned on and the emitter terminal and the collector terminal are brought into conduction. As a result, the power supply potential VCC is supplied to the bridge circuit via the transistor Q2 and the resistor R14.
[0025]
At this time, if the fluid is not flowing and the temperature distribution of the fluid heated by the heater 20A is equal at the positions of Ru and Rd, no change occurs in the ratio of the resistance values of Ru and Rd. Therefore, no potential difference occurs between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier U2, and a predetermined intermediate potential is output as the flow velocity signal 12C.
On the other hand, if there is a flow in the fluid and the temperature distribution of the fluid heated by the heater 20A changes and the temperature at the downstream Rd becomes higher than the temperature at the upstream Ru, Ru and Rd Changes in the resistance value ratio. Therefore, a potential difference occurs between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier U2, and the potential difference, that is, a potential corresponding to the fluid flow velocity is output as the flow velocity signal 12C. Then, the fluid flow rate is calculated by the fluid flow rate calculating means 14C of the arithmetic processing unit 14 based on the flow velocity signal 12C.
[0026]
In the present embodiment, the flow rate sensor 20B used for such flow rate measurement is formed not on the base 50 of the flow sensor 20 (see FIG. 2), but on a diaphragm 51 thermally insulated from the base 50. Focusing on the fact that the resistance value of the flow rate sensor 20B whose resistance value changes with the temperature of the fluid is detected from the temperature signal 12D, and the temperature of the fluid is measured from the resistance value.
Hereinafter, the operation of the thermal flow meter according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a flowchart showing the processing operation of the arithmetic processing unit 14. FIG. 5 is a timing chart showing changes in various signals input and output by the arithmetic processing unit 14.
[0027]
The arithmetic processing unit 14 normally performs a flow measurement operation, and performs a temperature measurement operation at a predetermined timing, for example, periodically or as needed.
In FIG. 5, a flow measurement period is provided before time T1 and after time T3, and a temperature measurement period is provided between time T1 and time T3.
The arithmetic processing unit 14 checks the arrival of each operation timing in a standby loop composed of steps 100 to 102 (step 100). For example, if the flow rate measurement timing arrives before time T1, (Step 101: YES), the process proceeds to step 110 to start the flow measurement operation.
[0028]
In the flow rate measurement operation, first, the heater control means 14A controls the heater driving means 11A of the sensor I / F section 11 using the heater control signal 12A, and supplies power for heating to the heater 20A of the flow sensor 20 (step 110). ). Further, the sensor control means 14B controls the heater driving means 11A of the sensor I / F section 11 using the sensor control signal 12B, and supplies power for the detection operation to the flow rate sensor 20B (step 111).
[0029]
As a result, the fluid is heated by the heater 20A, and a change in the resistance value of the flow rate sensor 20B due to the change in the temperature distribution is detected by the sensor detection unit 11C of the sensor I / F unit 11, and the flow rate changes according to the flow rate of the fluid. The signal 12C is detected and output (Step 112). In the arithmetic processing section 14, the fluid flow rate is obtained from the flow rate signal 12C by the fluid flow rate calculating means 14C, and the flow rate of the fluid is calculated from the fluid flow rate and the flow path area (step 113). Then, the obtained fluid flow rate is transmitted as necessary from the communication I / F unit 15 to the host device as a flow rate signal 16 (step 114), and the process returns to the standby loop.
[0030]
Thereafter, when the time T1 has come and the temperature measurement timing has come (step 102: YES), the process proceeds to step 120 to start the temperature measurement operation.
In the temperature measurement operation, first, the heater control unit 14A controls the heater driving unit 11A of the sensor I / F unit 11 using the heater control signal 12A, and the supply of the heating power to the heater 20A of the flow sensor 20 is stopped ( Step 120). Further, the sensor control unit 14B controls the heater driving unit 11A of the sensor I / F unit 11 using the sensor control signal 12B, and stops supplying the power for the detection operation to the flow velocity sensor 20B (step 121).
[0031]
Then, a cooling period is provided by maintaining the state for a predetermined period until time T2 (step 122). Thereby, the heater 20A and the flow rate sensor 20B heated during the measurement operation are cooled to almost the fluid temperature. The length of the cooling period depends on the heat capacities of the heater 20A and the flow rate sensor 20B, but 10 ms is sufficient for the flow sensor 20 having a size of 2 mm square or less.
[0032]
Thereafter, at time T2, the sensor control unit 14B controls the heater driving unit 11A of the sensor I / F unit 11 using the sensor control signal 12B, and restarts the supply of the power for the detection operation to the flow velocity sensor 20B (step 123). .
Accordingly, the flow velocity sensor 20B indicates a resistance value corresponding to the temperature of the fluid, and the temperature signal 12D indicating the potential v corresponding to the resistance value is detected by the fluid temperature calculation means 14D of the arithmetic processing unit 14 ( Step 124).
The driving of the heater 20A is stopped over a period from the start of the cooling period to the end of the detection of the resistance value (time T3) to suppress the influence on the temperature detection.
[0033]
The fluid temperature calculation means 14D calculates the resistance value of the flow rate sensor 20B from the potential v of the temperature signal 12D and the current value supplied to the flow rate sensor 20B, and calculates the resistance value from the resistance value and the coefficient data 13A of the storage unit 13. The fluid temperature is calculated by using the above-described equation (1) (step 125). Thereafter, the process returns to the standby loop.
The obtained fluid temperature is used as a reference temperature for heater control and a temperature parameter for flow rate calculation. Further, the fluid temperature may be transmitted from the communication I / F unit 15 to the host device as needed.
[0034]
As described above, the flow rate sensor 20B used for measuring the flow rate of the flow sensor 20, that is, the resistance values of the upstream temperature sensor 62 and the downstream temperature sensor 63 formed on the diaphragm 51 that is thermally insulated from the base 50, Because the temperature of the fluid is detected based on the temperature of the fluid, compared to the case where the fluid temperature is measured by an ambient temperature sensor formed around the base, it is affected by the external thermal influence through the base. Without measuring the fluid temperature. This makes it possible to calculate the fluid flow rate with high accuracy.
In addition, it is not necessary to separately form an ambient temperature sensor as the flow sensor 20, and a manufacturing process required for forming the ambient temperature sensor and the electrode, and a bonding process for electrically connecting the electrode to the outside can be omitted. In addition, the number of connection wires between the flow sensor 20 and the converter 1 can be reduced, and as a result, cost can be reduced.
[0035]
In the temperature measurement operation, a cooling period is provided immediately before the resistance value of the flow rate sensor 20B is detected, and the driving of the heater 20A of the flow sensor 20 is stopped from the start of the cooling period to the end of the detection of the resistance value. After cooling the heater 20A heated by the flow measurement to almost the fluid temperature, the fluid temperature can be measured by the flow velocity sensor 20B, and the fluid temperature can be accurately measured without being affected by the heater. it can. In the case where the heat capacity of the heater 20A is small and cooling is performed immediately in response to the drive stop, it is not necessary to provide a cooling period, and at least the heater 20A extends from the start to the end of the detection of the resistance value of the flow rate sensor 20B. Drive may be stopped.
[0036]
In addition, during the cooling period, the drive of the flow rate sensor 20B as well as the heater 20A is temporarily stopped, and the flow rate sensor 20B self-heated by the power supply supplied for flow rate measurement at the time of flow rate measurement is cooled. The power supply to the power supply 20B may be restarted to measure the fluid temperature, so that the influence of self-heating can be minimized and the fluid temperature can be measured accurately.
In the above, the case where the power supply is completely stopped has been described as an example of stopping the driving of the heater 20A and the flow rate sensor 20B for a predetermined period during the temperature measurement operation. However, the present invention is not limited to this. The drive stop at the time of temperature measurement referred to in the present invention also includes a partial stop to reduce the power supply by partially stopping the power supply amount at the time of flow rate measurement, and when such a partial stop is performed. However, the thermal effect from the heater 20A and the flow rate sensor 20B can be reduced, and the same operation and effect as described above can be obtained.
[0037]
Further, when measuring the temperature, the fluid temperature is calculated based on the resistance value of the series connection of the upstream temperature sensor 62 (Ru) and the downstream temperature sensor 63 (Rd), so that the resistance value is relatively high. Is obtained, the resolution of the measured temperature can be increased.
[0038]
The sensor used for temperature measurement is not limited to the series connection of the upstream temperature sensor 62 (Ru) and the downstream temperature sensor 63 (Rd), but may be based on one of these resistance values. The fluid temperature may be calculated. For example, although it depends on the flow rate of the fluid, if only the upstream temperature sensor 62 (Ru) is used, the heater 20A located on the downstream side is less susceptible to the thermal influence, so the driving of the heater 20A is stopped during the cooling period. May be omitted, or the cooling period may be shortened.
Although the resistance value is lower than that of the flow velocity sensor 20B, the resistance value of the heater 20A also changes with the fluid temperature. Therefore, the fluid temperature may be calculated based on the resistance value of the heater 20A instead of the flow rate sensor 20B.
[0039]
In the above description, the case where the present invention is applied to a thermal flow meter having a general configuration as shown in FIG. 6 is described as an example of a thermal flow meter. The present invention is not limited to this. As described above, a change in the temperature distribution due to the flow of the fluid to be measured such as gas flowing in the flow path is detected by the flow sensor, and the fluid flow rate is determined based on the change in the temperature distribution. The present invention can be applied to a thermal flow meter to be measured, for example, a thermal flow meter such as a Karman vortex flow meter, a volume flow meter, or a mass flow meter, and the same operational effects as those described above can be obtained.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a diaphragm formed on a surface of a base in a structure thermally isolated from the base, a heater formed on the diaphragm to generate a predetermined temperature distribution, When measuring the fluid flow rate, a heater is used to heat the fluid when measuring the fluid flow rate, using a flow sensor having a flow rate sensor that detects a temperature distribution that changes according to the flow rate of the fluid as a change in resistance value. At the same time, when measuring the fluid temperature with a thermal flow meter that drives a flow rate sensor to detect a temperature distribution corresponding to the flow velocity of the fluid and calculates the flow rate of the fluid based on the detected output, the temperature of the fluid is measured. Since the resistance value of the flow rate sensor that changes according to the flow rate is detected and the temperature of the fluid is calculated based on the resistance value, the temperature of the fluid is measured by an ambient temperature sensor formed around the base. Compared to, without being affected by the thermal effects from the outside through the base, it can accurately measure the fluid temperature. This makes it possible to calculate the fluid flow rate with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a thermal flow meter according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a flow sensor.
FIG. 3 is a circuit configuration example of a sensor I / F unit.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a processing operation of an arithmetic processing unit.
FIG. 5 is a timing chart illustrating a processing operation of an arithmetic processing unit.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a thermal flow meter.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration example of a general flow sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Converter, 11 ... Sensor I / F part, 11A ... Heater drive means, 11B ... Sensor drive means, 11C ... Sensor detection means, 12A ... Heater control signal, 12B ... Sensor control signal, 12C ... Flow rate signal, 12D ... Temperature signal, 13: storage unit, 13A: coefficient data, 14: arithmetic processing unit, 14A: heater control unit, 14B: sensor control unit, 14C: fluid flow rate calculation unit, 14D: fluid temperature calculation unit, 15: communication I / F part, 16: flow signal, 2: detector, 20: flow sensor, 20A: heater, 20B: flow rate sensor, 3: pipe, 3A: flow path, 50: base, 51: diaphragm, 52: insulating film layer 53, a vent hole, 54, a cavity, 60, an electrode, 61, a heater, 62, an upstream temperature sensor, 63, a downstream temperature sensor.

Claims

A diaphragm formed on the base surface in a structure thermally isolated from the base, a heater formed on the diaphragm to generate a predetermined temperature distribution, and a flow rate of the fluid formed on the diaphragm and formed on the diaphragm Using a flow sensor having a flow rate sensor that detects the temperature distribution that changes according to the resistance value as a change in the resistance value, a detector that detects the temperature distribution of the fluid to be measured flowing in the flow path, and the heater is driven. And a converter that calculates the flow rate of the fluid based on the temperature distribution detected by driving the flow rate sensor.
The thermal flow rate, wherein the converter has a fluid temperature calculation unit that detects a resistance value of the flow velocity sensor that changes according to the temperature of the fluid and calculates a temperature of the fluid based on the resistance value. Total.

The thermal flowmeter according to claim 1,
The thermal flow meter according to claim 1, wherein the converter includes a heater control unit that stops driving the heater at least during a period from the start to the end of the detection when detecting the resistance value of the flow rate sensor.

The thermal flowmeter according to claim 1,
When detecting the resistance value of the flow velocity sensor, the converter has heater control means for stopping the driving of the heater at least for a period from a point in time before the start of the detection by a predetermined cooling period to the end of the detection. A thermal flow meter characterized by the above.

The thermal flowmeter according to claim 1,
The converter, when detecting the resistance value of the flow rate sensor, having a sensor control means for stopping the drive of the flow rate sensor at least during a period from the start of the detection to the start of the detection from a predetermined cooling period to the start of the detection. Characteristic thermal flow meter.

The thermal flowmeter according to claim 1,
The flow rate sensor is formed on the upstream side and the downstream side of the heater with respect to the flow of the fluid, and includes two temperature sensors electrically connected in series,
The thermal flow meter according to claim 1, wherein the fluid temperature calculating means calculates the temperature of the fluid based on a resistance value of a series connection of the two temperature sensors.