JP2004340588A - ガス物性値の測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロヒータの抵抗値変動の影響を効果的に除去し、正確に被測定ガスの物性値を測定することを可能にしたガス物性値の測定装置を提供する。
【解決手段】増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成し、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算し、この除算結果に基づきガス物性値を測定する。
【選択図】 図１０
【解決手段】増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成し、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算し、この除算結果に基づきガス物性値を測定する。
【選択図】 図１０
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス物性値の測定装置に関し、特に、マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ガス提供事業としては、対電力提供事業とのコスト競争にともない、天然ガスのストレート供給及び託送の時代を迎えると、供給されるガスの成分及び熱量にかなりの変動がでることが予想される。そうなると、工業炉やバーナーの燃焼にも影響が出てきて、性能低下や製品不良が発生することも予想される。また、熱量が変わることにより、現状の体積取引による料金換算では公平性に欠けることになる。
【０００３】
これを防止するための一方策としては、供給されるガスとガス器具との適応性を所定の指標を用いて判断する必要がある。例えば、物性値としての密度や熱伝導率を計測し、これを体積流量に乗算することにより質量流量に換算し、更に熱量に換算することにより、公平性を維持することが可能になる。そうなると、熱伝導率やガス密度等のように、それぞれのガスに特有の物性値を正確に測定する必要がでてくる。
【０００４】
そこで、このような物性値をマイクロフローセンサを利用して測定するというアイディアが、本出願人らにより、例えば下記特許文献１にて出願されている。この特許文献１では、被測定ガスが通過するガス流路の内壁にポケット部が形成されており、このポケット部内に複数のサーモパイルを有するマイクロフローセンサが取付られている。そして、複数のサーモパイルからそれぞれ出力される検出信号の少なくともいずれかひとつを利用して被測定ガスの物性値のひとつとして密度を求めるようにしている。このようにマイクロフローセンサを用いて物性値を測定すると、測定装置の小型化、簡素化及び低コスト化の面で有利になる。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００２−２９２０４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１では、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路として、定電圧回路が用いられている。マイクロヒータを定電圧で駆動させると、マイクロヒータの抵抗値がガス種により変化する。マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルからの出力は、マイクロヒータの抵抗値やガス種の違いによる熱伝導率に依存する。ところが、マイクロヒータの抵抗値は、経時的に変化するので、サーモパイルからの出力も徐々にドリフトしていくことになる。したがって、ガスの物性値をマイクロフローセンサを利用して測定するためには、マイクロヒータの抵抗値変動の影響をできるだけ小さくすることが望ましい。
【０００７】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、マイクロフローセンサを利用したガス物性値の測定装置において、マイクロヒータの抵抗値変動の影響を効果的に除去し、正確に被測定ガスの物性値を測定することを可能にしたガス物性値の測定装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載のガス物性値の測定装置は、被測定ガスが通過するガス流路に取り付けられたマイクロフローセンサに含まれる複数のサーモパイルのうちの少なくともいずれかひとつから得られるセンサ出力を利用して、前記被測定ガスの物性値を測定する装置であって、前記マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動とする、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動としているので、ガスの物性値によるマイクロヒータの抵抗値変動の影響を軽減することができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載のガス物性値の測定装置は、請求項１記載のガス物性値の測定装置において、前記ヒータ駆動回路をブリッジ回路で構成し、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、前記ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んでブリッジ回路を構成する。そして、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載のガス物性値の測定装置は、請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、前記センサ出力を、前記マイクロヒータに加わる電力値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載のガス物性値の測定装置は、請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、前記センサ出力を、前記マイクロヒータの抵抗値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータの抵抗値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態にて使用されるマイクロフローセンサ１（１′）の構成図である。このマイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイヤフラム３、ダイヤフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイヤフラム３上に形成された下流側サーモパイル５（又は、第１サーモパイルとよぶ）、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ、６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイヤフラム３上に形成された上流側サーモパイル８（又は、第２サーモパイルとよぶ）、下流側サーモパイル５から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子７Ａ、７Ｂ、上流側サーモパイル８から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子９Ａ、９Ｂ、を備える。
【００１７】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置され、第３温度検出信号を出力する右側サーモパイル１１（又は、第３サーモパイルとよぶ）、この右側サーモパイル１１から出力される第３温度検出信号を出力する第３出力端子１２Ａ、１２Ｂ、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置され、第４温度検出信号を出力する左側サーモパイル１３（又は、第４サーモパイルとよぶ）、この左側サーモパイル１３から出力される第４温度検出信号を出力する第４出力端子１４Ａ、１４Ｂ、ガスの温度を得るための抵抗１５、１６、この抵抗１５、１６からのガスの温度信号を出力する出力端子１７Ａ、１７Ｂを備える。
【００１８】
上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ＋＋￣Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。また、Ｓｉ基板２上に形成されたダイヤフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のそれぞれの温接点が形成されている。
【００１９】
このような構成のマイクロフローセンサ１において、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により過熱された際の上記第１温度検出信号及び第２温度検出信号は、例えば所定の流路を通過する被測定ガスの流速を求めるために利用され、上記第３温度検出信号及び／又は第４温度検出信号は、例えばこの被測定ガスの物性値等を求めるために利用される。このようなマイクロフローセンサや流速計測方法等は、例えば、上記特許文献１等でも開示されているので、ここでは、詳細な説明は省略する。本発明では、このマイクロフローセンサ１が流量センサのみならず、ガス物性値センサのひとつとして、密度センサとして利用される。これについて以下に説明する。
【００２０】
上記構成のマイクロフローセンサの基本性能について図２を用いて説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、熱伝導率と左側サーモパイル（ＴＰ）の出力との関係を示す図である。
【００２１】
ここで、左側サーモパイルは、図１で説明したとおり、ガスの流れ方向と略直交方向に配置されている。右側サーモパイルも、この左側サーモパイルと同様の特性を示す。左側サーモパイル及び右側サーモパイルは、ガスの流れ方向と略直交するように配置されている。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、流れがあってもなくても、熱伝導率と左側及び右側サーモパイルの出力とは直線性の関係があることがわかる。
【００２２】
このような特性に着目して、マイクロフローセンサを用いたガス密度測定が可能になる。図３（Ａ）は本発明のガス物性値の測定装置に係る概略断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のポケット部の拡大断面図である。
【００２３】
図３（Ａ）に示すように、被測定ガスが通過するガス流路２０の内壁に凹形状に形成され、ガス流路２０の通じる開口部２１Ａを有するポケット部２１が形成されている。このポケット部２１内には、密度センサとして、図１で示した構成のマイクロフローセンサ１′が取り付けられている。ポケット部２１については、再度後で説明を加える。また、ガス流路２０には、マイクロフローセンサ１′と同一構成の流量センサとしてのマイクロフローセンサ１が取り付けられている。このマイクロフローセンサ１の測定面は、ガス流路２０に暴露するように取り付けられている。また、このマイクロフローセンサ１の設置箇所に基づいて、ガス流路２０の断面を均等に分割するように、複数の整流格子２２がそれぞれ等間隔かつ平行になるように配置されている。更に、この整流格子２２を上流側Ｐ及び下流側Ｑからそれぞれ挟み込むように、メッシュ２３Ａ〜２３Ｃ及びメッシュ２３Ｄが、ガス流路２０の途中に配置されている。これら整流格子２２及びメッシュ２３Ａ〜２３Ｄは整流作用を有し、マイクロフローセンサ１による流量測定の精度を向上させる。
【００２４】
図３（Ｂ）に示すように、ポケット部２１は、例えば、略円筒形をしており、上部には、測定面が下を向くようにして、マイクロフローセンサ１′が取り付けられている。また、ポケット部２１の下部には、ガス流路２０の通じる略円形状の開口部２１Ａが形成されている。この開口部２１Ａの口径は、ガス流路２０を通過する被測定ガスによる流れの影響を受けないように、ポケット部２１の容積に対して十分小さくしている。
【００２５】
上記のように配置されたポケット部２１に取り付けられた物性値センサとしてのマイクロフローセンサ１′を用いたガス物性値の測定装置について、図４を用いて説明する。図４は、マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置の一例を示す回路構成図である。
【００２６】
図４に示すように、この測定装置においては、マイクロフローセンサ１′の下流側サーモパイル５、上流側サーモパイル８、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３にはそれぞれ、増幅器ＡＭＰ１、増幅器ＡＭＰ２、増幅器ＡＭＰ３及び増幅器ＡＭＰ４が接続されている。増幅器ＡＭＰ１、増幅器ＡＭＰ２、増幅器ＡＭＰ３及び増幅器ＡＭＰ４は、下流側サーモパイル５、上流側サーモパイル８、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３からそれぞれ供給される第１温度検出信号、第２温度検出信号、第３温度検出信号及び第４温度検出信号を増幅して加算回路３０に出力する。
【００２７】
加算回路３０では、基本的に、第１〜第４検出信号を加算してゼロ点調整回路４０に出力する。但し、必ずしも、第１〜第４検出信号の全てを使用する必要はない。すなわち、第１〜第４温度検出信号の少なくともいずれかひとつを使用してもよいし、第１〜第４検出信号のうちのいずれか２つ以上を使用するようにしてもよい。
【００２８】
ゼロ点調整回路４０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ、可変抵抗器ＶＲ１、増幅定数変更スイッチＳＷ１及び増幅器ＡＭＰ５を含んで構成され、その入力端が加算回路３０に接続され、出力端がスパン調整回路５０に接続されている。そして、増幅定数変更スイッチＳＷ１を切り替え制御することにより、増幅器ＡＭＰ５の増幅率を調整することが可能である。
【００２９】
スパン調整回路５０は、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒｙ、可変抵抗器ＶＲ２、増幅定数変更スイッチＳＷ２及び増幅器ＡＭＰ６を含んで構成され、その入力端がゼロ点調整回路４０に接続され、出力端がＡ／Ｄ変換回路６０に接続されている。そして、増幅定数変更スイッチＳＷ２を切り替え制御することにより、増幅器ＡＭＰ６の増幅率を調整することが可能である。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換回路６０は、スパン調整回路５０の増幅器ＡＭＰ６から供給される増幅されたアナログ値であるセンサ出力をディジタル値に変換する。このディジタル値は制御部７０を介してディジタル出力端子７１から直接、出力するようにしてもよいし、制御部７０にて、パルス変換して出力するようにしてもよいし、周波数変換して出力するようにしてもよいし、或いは、通信電文に変換して出力するようにしてもよい。
【００３１】
制御部７０は、ヒータ駆動回路１００に駆動指令を出したり、センサ出力をリニアリティのあるディジタル出力に変換してディジタル出力端子７１から出力したり、センサ出力に対して所定の温度補正を施したりする。また、制御部７０は、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値やマイクロヒータの抵抗値で除算し、この結果に基づいてガスの物性値の測定に係る演算処理を行う。
【００３２】
Ｄ／Ａ変換回路８０は、制御部７０から供給されるディジタル出力値を、必要なアナログ規格値に適合する範囲内のアナログ信号に変換して、アナログ出力端子８１から出力する。出力方法としては、例えば、４−２０ｍＡの定電流信号や、１−５Ｖの定電圧信号等が適用可能である。トリガー受信回路９０は、電文、スイッチ又はジャンパー等にて入力される各トリガーに基づいて、上記ヒータ駆動回路１００を駆動指令を出すための信号を制御部７０に出力する。
【００３３】
ヒータ駆動回路１００は、例えば、上記マイクロヒータ４と共にブリッジ回路を構成している。本発明において、ヒータ駆動回路１００は定加温駆動であり、そのバリエーションにては、図５以降で後述する。
【００３４】
図５は、本発明の第１実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。図６は、図５の定加温回路を用いたときの、電流Ｉｒｅｆ毎の流量の温度特性を示すグラフである。
【００３５】
図５に示す定加温回路１００は、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。図５に示すように、この定加温回路は、レギュレータＲＥＧ、増幅器ＡＭＰ１００、トランジスタＴＲ１００、及び、抵抗Ｒ０、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、ＲＭＨを含んで構成される。但し、ＲＭＨは、図４で示したマイクロフローセンサ１′のマイクロヒータ４の抵抗を示す。抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、及びＲＭＨは、ホイーストンブリッジ回路（以下、単にブリッジ回路ともよぶ）を構成している。レギュレータＲＥＧの一端には、電圧ＡＶＤＤが印加されている。なお、図中、Ｉｒｅｆ及びＩＭＨはそれぞれ、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨに流れる電流を示す。また、図示しないが、レギュレータＲＥＧの他端とトランジスタＴＲ１００との間には、制御部７０からの駆動指令に応答して開閉制御されるスイッチ回路が介設されている。
【００３６】
このような回路構成において、
ＲＭＨ＝（Ｒａ／Ｒｂ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
Ｒａ／Ｒｂ＝ＲＭＨ／Ｒｒｅｆ
ＲＭＨ′＋ＲＭＨ＝（ＲＭＨ／Ｒｒｅｆ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
が成立する。
ここで、ＲＭＨ及びＲｒｅｆは共に基準温度での静抵抗（図中、電流ＩＭＨがほとんど流れていないときの抵抗）を示し、ＲＭＨ′は基準温度での動抵抗（図中、電流ＩＭＨが流れているときの抵抗）を示す。
【００３７】
そして、抵抗Ｒａと抵抗ＲＭＨとによる分圧値及び抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｕ、Ｒｒｅｆとによる分圧値とは増幅器ＡＭＰ１００で比較されて、その比較結果によりトランジスタＴＲ１００がオンオフ制御される。
すなわち、
ＲＭＨ′＝（Ｒａ／Ｒｂ）・Ｒｕ
になるように、ブリッジ回路が動作する。抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕは全て固定抵抗なので、ＲＭＨ′も一定となる。これが定加温度差分である。
【００３８】
ところで、マイクロヒータ４の発熱要素は、一般的に、
ｆ｛Ｖ２／（Ｒｄ＋Ｒｔ＋Ｒｒ）｝
のような関数となることが知られている。
ここで、Ｖは印加電圧、Ｒｄはドリフトによるヒータ抵抗値変化、Ｒｔは温度によるヒータ抵抗値変化、Ｒｒは物性値によるヒータ抵抗値変化を示す。
【００３９】
したがって、この図５の第１実施形態のように、ヒータ駆動回路を定加温回路とすることにより、物性値によるヒータ抵抗値変化の影響を除去することができる。したがって、サーモパイルの出力値からヒータ抵抗値変化の影響を除去できるので、正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００４０】
このような大きな長所がある反面、上記図５の実施形態のヒータ駆動回路によると以下の欠点も併せもつことになる。すなわち、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆと抵抗ＲＭＨに流れる電流ＩＭＨとを同等にする必要がある。例えば、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆが約２ｍＡであれば、抵抗ＲＭＨに流れる電流ＩＭＨも２ｍＡにする必要がある。そうすると、抵抗Ｒｒｅｆが自己発熱して、図６に示すように、正確にガス温度を測定することができなくなる。図６は、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆが多くなるほど、流量変動にともなって温度変動が大きくなることを示している。自己発熱を防止するためには、抵抗ＲＭＨを抵抗Ｒｒｅｆの約１０倍程度にする必要があるが、そうすると、狭いチップ上に従来の約１０倍程度の抵抗Ｒｒｅｆを這わす必要がでてきたり、抵抗Ｒｒｅｆと抵抗ＲＭＨとが異なるため、両者の温度係数に差が生じ変動要素が増えて最適化が困難になるという問題が発生する。
【００４１】
そこで、このような問題点を解決したより好適な実施形態を以下に示す。図７は、本発明の第２実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。図８は、図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆのガス種温度特性を示すグラフである。図９は、図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆ及びＲＭＨの温度特性を示すグラフである。なお、図７中、図５と共通する部分には、同一の符号を付している。
【００４２】
図７に示す定加温回路１００′は、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。図７に示すように、この定加温回路１００′は、レギュレータＲＥＧ、増幅器ＡＭＰ１００、１０２、１０３、トランジスタＴＲ１００、及び、抵抗Ｒ０、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、ＲＭＨを含んで構成される。ＲＭＨは、図４で示したマイクロフローセンサ１′のマイクロヒータ４の抵抗を示す。この図７の第２実施形態においては、図５の第１実施形態で示した抵抗Ｒｂ、Ｒｕ及びＲｒｅｆで示す回路に替えて、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、増幅器ＡＭＰ１０２、１０３で示す回路、すなわち、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成している。レギュレータＲＥＧの一端には、電圧ＡＶＤＤが印加されている。また、図示しないが、レギュレータＲＥＧの他端とトランジスタＴＲ１００との間には、制御部７０からの駆動指令に応答して開閉制御されるスイッチ回路が介設されている。
【００４３】
抵抗Ｒａと抵抗ＲＭＨとによる分圧信号は、増幅器ＡＭＰ１００のＶ＋端子に与えられる。また、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とによる分圧信号は、増幅器ＡＭＰ１０３で１／α倍に増幅され、抵抗Ｒｂと抵抗Ｒ５、Ｒｒｅｆとにより更に分圧され、増幅器ＡＭＰ１０２でα倍に増幅された後、増幅器ＡＭＰ１００のＶ−端子に与えられる。
【００４４】
このような回路構成において、
Ｖ＋＝｛Ｖ／（Ｒａ＋ＲＭＨ）｝・ＲＭＨ、
Ｖ−＝｛（α・Ｖ／α）／（Ｒｂ＋Ｒｕ＋Ｒｒｅｆ）｝・（Ｒｕ＋Ｒｒｅｆ）
Ｖ＋＝Ｖ−になるように、ブリッジ回路が動作する。
したがって、これを解くと、
ＲＭＨ＝（Ｒａ／Ｒｂ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
となり、上記第１実施形態のＲＭＨを示す式と同等になる。
【００４５】
図８に示すように、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成することにより、ゼロガス、中間ガス及びスパンガス共に同等の温度特性を有するようになることがわかる。また、図９に示すように、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨの温度係数が同等になることがわかる。
【００４６】
このように第２実施形態によれば、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成することにより、ブリッジ回路を構成する抵抗長をいたずらに延長することなく、自己発熱を抑制することができる。また、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨの温度係数を同等にして変動要素を減らすことができる。なお、増幅率α及び増幅器ＡＭＰ１０２はそれぞれ請求項の第１増幅率の第１増幅器に対応し、増幅率１／α及び増幅器ＡＭＰ１０３はそれぞれ請求項の第２増幅率の第２増幅器に対応する。
【００４７】
ところが、上述のような定加温回路１００′でも、ガス温度による熱伝導率の絶対値変化を完全に除去することはできない。そこで、これも除去するようにした更に良好な実施形態を以下に示す。
【００４８】
図１０は、本発明の第３実施形態における定加温回路及び検出回路を示す回路構成図である。図１１は、マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。図１２は、除算する前のセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。なお、図１１及び図１２においては、２０℃のセンサ出力差をゼロとして、中間ガスとの差を拡大表示している。いうまでもないが、温度特性が同じならば、各ガスの特性は１本の線に重なることになる。
【００４９】
第３実施形態においては、上記第２実施形態における定加温回路１００′対して、ＩＭＨ検出回路及びＶＭＨ検出回路が付加された定加温回路１００″となっている。この定加温回路１００″も、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。なお、図１０中、図７と共通する部分には、同一の符号を付して、重複説明は省略する。
【００５０】
図１０において、増幅率βの増幅器ＡＭＰ１０４、及び抵抗Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、電流ＩＭＨの検出回路（以下、ＩＭＨ検出回路とよぶ）を構成している。また、増幅器ＡＭＰ１０５は、電圧ＶＭＨの検出回路（以下、ＶＭＨ検出回路とよぶ）を構成している。なお、この実施形態において、増幅器ＡＭＰ１０４からの出力Ｖａ及び増幅器ＡＭＰ１０５からの出力ＶＭＨは、図示しないＡ／Ｄ変換回路でディジタル化して、上記制御部７０に出力される。
【００５１】
このような構成において、ＩＭＨ検出回路は、抵抗ＲＭＨに流れる電流を検出して出力信号Ｖａを生成する。また、ＶＭＨ検出回路は、抵抗ＲＭＨの端子電圧を検出して出力信号ＶＭＨを生成する。これら出力信号Ｖａ及びＶＭＨは、ディジタル化された後、制御部７０に含まれるＣＰＵにて、以下のような演算処理が行われる。
【００５２】
すなわち、
ＩＭＨ＝（Ｖａ／β）／Ｒａ
となるので、
マイクロヒータに加わる電力値ＰＭＨは、
ＰＭＨ＝ＶＭＨ・ＩＭＨ
として求めることができる。
また、マイクロヒータの抵抗値ＲＭＨは、
ＲＭＨ＝ＶＭＨ／ＩＭＨ
として求めることができる。
【００５３】
そして、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算して、この結果に基づいてガス物性値を測定するようにする。
【００５４】
補足説明すると、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力から得られる、物性値のひとつである熱伝導率の単位は、Ｗ／ｍ・ｋとなるので、ガス温度により影響がでるＷや、マイクロヒータの抵抗値変化Ｒｔを上記除算により除去すれば、マイクロヒータ４の発熱要素を更にひとつ減らすことができる。図１１のグラフには、マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性が示されている。図１２に示される除算する前の温度特性と比較すれば明らかなように、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動が大幅に抑制されていることがわかる。マイクロヒータの抵抗値ＲＭＨで除算しても図１１と同様の特性が得られることがわかっている。
【００５５】
このように第３実施形態によれば、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算することにより、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００５６】
以上のように、本発明の実施形態によれば、マイクロフローセンサを利用したガス物性値の測定装置であって、マイクロヒータの抵抗値変動の影響を効果的に除去し、正確に被測定ガスの物性値を測定することを可能にした測定装置を提供することができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、ヒータ駆動回路としての定加温回路は上記実施形態に限定されず、同機能を有する他の回路構成であってもよい。また、測定すべきガス物性値としては、密度や熱伝導率のみならず、比熱、粘性等であってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動としているので、ガスの物性値によるマイクロヒータの抵抗値変動の影響を軽減することができる。したがって、正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んでブリッジ回路を構成する。そして、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする。したがって、ブリッジ回路を構成する抵抗長をいたずらに延長することなく、自己発熱を抑制することができるという効果が更に付加される。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータの抵抗値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にて使用されるマイクロフローセンサの構成図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、熱伝導率と左側サーモパイルの出力との関係を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明のガス物性値の測定装置に係る概略断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のポケット部の拡大断面図である。
【図４】マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置の一例を示す回路構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。
【図６】図５の定加温回路を用いたときの、電流Ｉｒｅｆ毎の流量の温度特性を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。
【図８】図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆのガス種温度特性を示すグラフである。
【図９】図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆ及びＲＭＨの温度特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態における定加温回路及び検出回路を示す回路構成図である。
【図１１】マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。
【図１２】除算する前のセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１′ マイクロフローセンサ（密度センサ）
２０ 流路
２１ ポケット部
３０ 加算回路
４０ ゼロ点調整回路
５０ スパン調整回路
６０ Ａ／Ｄ変換回路
７０ 制御部
７１ ディジタル出力端子
８０ Ｄ／Ａ変換回路
８１ アナログ出力端子
９０ トリガー受信回路
１００ ヒータ駆動回路（定加温回路）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス物性値の測定装置に関し、特に、マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ガス提供事業としては、対電力提供事業とのコスト競争にともない、天然ガスのストレート供給及び託送の時代を迎えると、供給されるガスの成分及び熱量にかなりの変動がでることが予想される。そうなると、工業炉やバーナーの燃焼にも影響が出てきて、性能低下や製品不良が発生することも予想される。また、熱量が変わることにより、現状の体積取引による料金換算では公平性に欠けることになる。
【０００３】
これを防止するための一方策としては、供給されるガスとガス器具との適応性を所定の指標を用いて判断する必要がある。例えば、物性値としての密度や熱伝導率を計測し、これを体積流量に乗算することにより質量流量に換算し、更に熱量に換算することにより、公平性を維持することが可能になる。そうなると、熱伝導率やガス密度等のように、それぞれのガスに特有の物性値を正確に測定する必要がでてくる。
【０００４】
そこで、このような物性値をマイクロフローセンサを利用して測定するというアイディアが、本出願人らにより、例えば下記特許文献１にて出願されている。この特許文献１では、被測定ガスが通過するガス流路の内壁にポケット部が形成されており、このポケット部内に複数のサーモパイルを有するマイクロフローセンサが取付られている。そして、複数のサーモパイルからそれぞれ出力される検出信号の少なくともいずれかひとつを利用して被測定ガスの物性値のひとつとして密度を求めるようにしている。このようにマイクロフローセンサを用いて物性値を測定すると、測定装置の小型化、簡素化及び低コスト化の面で有利になる。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００２−２９２０４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１では、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路として、定電圧回路が用いられている。マイクロヒータを定電圧で駆動させると、マイクロヒータの抵抗値がガス種により変化する。マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルからの出力は、マイクロヒータの抵抗値やガス種の違いによる熱伝導率に依存する。ところが、マイクロヒータの抵抗値は、経時的に変化するので、サーモパイルからの出力も徐々にドリフトしていくことになる。したがって、ガスの物性値をマイクロフローセンサを利用して測定するためには、マイクロヒータの抵抗値変動の影響をできるだけ小さくすることが望ましい。
【０００７】
よって本発明は、上述した現状に鑑み、マイクロフローセンサを利用したガス物性値の測定装置において、マイクロヒータの抵抗値変動の影響を効果的に除去し、正確に被測定ガスの物性値を測定することを可能にしたガス物性値の測定装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載のガス物性値の測定装置は、被測定ガスが通過するガス流路に取り付けられたマイクロフローセンサに含まれる複数のサーモパイルのうちの少なくともいずれかひとつから得られるセンサ出力を利用して、前記被測定ガスの物性値を測定する装置であって、前記マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動とする、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動としているので、ガスの物性値によるマイクロヒータの抵抗値変動の影響を軽減することができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載のガス物性値の測定装置は、請求項１記載のガス物性値の測定装置において、前記ヒータ駆動回路をブリッジ回路で構成し、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、前記ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んでブリッジ回路を構成する。そして、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載のガス物性値の測定装置は、請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、前記センサ出力を、前記マイクロヒータに加わる電力値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載のガス物性値の測定装置は、請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、前記センサ出力を、前記マイクロヒータの抵抗値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータの抵抗値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態にて使用されるマイクロフローセンサ１（１′）の構成図である。このマイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイヤフラム３、ダイヤフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイヤフラム３上に形成された下流側サーモパイル５（又は、第１サーモパイルとよぶ）、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ、６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイヤフラム３上に形成された上流側サーモパイル８（又は、第２サーモパイルとよぶ）、下流側サーモパイル５から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子７Ａ、７Ｂ、上流側サーモパイル８から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子９Ａ、９Ｂ、を備える。
【００１７】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置され、第３温度検出信号を出力する右側サーモパイル１１（又は、第３サーモパイルとよぶ）、この右側サーモパイル１１から出力される第３温度検出信号を出力する第３出力端子１２Ａ、１２Ｂ、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置され、第４温度検出信号を出力する左側サーモパイル１３（又は、第４サーモパイルとよぶ）、この左側サーモパイル１３から出力される第４温度検出信号を出力する第４出力端子１４Ａ、１４Ｂ、ガスの温度を得るための抵抗１５、１６、この抵抗１５、１６からのガスの温度信号を出力する出力端子１７Ａ、１７Ｂを備える。
【００１８】
上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ＋＋￣Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。また、Ｓｉ基板２上に形成されたダイヤフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のそれぞれの温接点が形成されている。
【００１９】
このような構成のマイクロフローセンサ１において、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により過熱された際の上記第１温度検出信号及び第２温度検出信号は、例えば所定の流路を通過する被測定ガスの流速を求めるために利用され、上記第３温度検出信号及び／又は第４温度検出信号は、例えばこの被測定ガスの物性値等を求めるために利用される。このようなマイクロフローセンサや流速計測方法等は、例えば、上記特許文献１等でも開示されているので、ここでは、詳細な説明は省略する。本発明では、このマイクロフローセンサ１が流量センサのみならず、ガス物性値センサのひとつとして、密度センサとして利用される。これについて以下に説明する。
【００２０】
上記構成のマイクロフローセンサの基本性能について図２を用いて説明する。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、熱伝導率と左側サーモパイル（ＴＰ）の出力との関係を示す図である。
【００２１】
ここで、左側サーモパイルは、図１で説明したとおり、ガスの流れ方向と略直交方向に配置されている。右側サーモパイルも、この左側サーモパイルと同様の特性を示す。左側サーモパイル及び右側サーモパイルは、ガスの流れ方向と略直交するように配置されている。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、流れがあってもなくても、熱伝導率と左側及び右側サーモパイルの出力とは直線性の関係があることがわかる。
【００２２】
このような特性に着目して、マイクロフローセンサを用いたガス密度測定が可能になる。図３（Ａ）は本発明のガス物性値の測定装置に係る概略断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のポケット部の拡大断面図である。
【００２３】
図３（Ａ）に示すように、被測定ガスが通過するガス流路２０の内壁に凹形状に形成され、ガス流路２０の通じる開口部２１Ａを有するポケット部２１が形成されている。このポケット部２１内には、密度センサとして、図１で示した構成のマイクロフローセンサ１′が取り付けられている。ポケット部２１については、再度後で説明を加える。また、ガス流路２０には、マイクロフローセンサ１′と同一構成の流量センサとしてのマイクロフローセンサ１が取り付けられている。このマイクロフローセンサ１の測定面は、ガス流路２０に暴露するように取り付けられている。また、このマイクロフローセンサ１の設置箇所に基づいて、ガス流路２０の断面を均等に分割するように、複数の整流格子２２がそれぞれ等間隔かつ平行になるように配置されている。更に、この整流格子２２を上流側Ｐ及び下流側Ｑからそれぞれ挟み込むように、メッシュ２３Ａ〜２３Ｃ及びメッシュ２３Ｄが、ガス流路２０の途中に配置されている。これら整流格子２２及びメッシュ２３Ａ〜２３Ｄは整流作用を有し、マイクロフローセンサ１による流量測定の精度を向上させる。
【００２４】
図３（Ｂ）に示すように、ポケット部２１は、例えば、略円筒形をしており、上部には、測定面が下を向くようにして、マイクロフローセンサ１′が取り付けられている。また、ポケット部２１の下部には、ガス流路２０の通じる略円形状の開口部２１Ａが形成されている。この開口部２１Ａの口径は、ガス流路２０を通過する被測定ガスによる流れの影響を受けないように、ポケット部２１の容積に対して十分小さくしている。
【００２５】
上記のように配置されたポケット部２１に取り付けられた物性値センサとしてのマイクロフローセンサ１′を用いたガス物性値の測定装置について、図４を用いて説明する。図４は、マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置の一例を示す回路構成図である。
【００２６】
図４に示すように、この測定装置においては、マイクロフローセンサ１′の下流側サーモパイル５、上流側サーモパイル８、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３にはそれぞれ、増幅器ＡＭＰ１、増幅器ＡＭＰ２、増幅器ＡＭＰ３及び増幅器ＡＭＰ４が接続されている。増幅器ＡＭＰ１、増幅器ＡＭＰ２、増幅器ＡＭＰ３及び増幅器ＡＭＰ４は、下流側サーモパイル５、上流側サーモパイル８、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３からそれぞれ供給される第１温度検出信号、第２温度検出信号、第３温度検出信号及び第４温度検出信号を増幅して加算回路３０に出力する。
【００２７】
加算回路３０では、基本的に、第１〜第４検出信号を加算してゼロ点調整回路４０に出力する。但し、必ずしも、第１〜第４検出信号の全てを使用する必要はない。すなわち、第１〜第４温度検出信号の少なくともいずれかひとつを使用してもよいし、第１〜第４検出信号のうちのいずれか２つ以上を使用するようにしてもよい。
【００２８】
ゼロ点調整回路４０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒｘ、可変抵抗器ＶＲ１、増幅定数変更スイッチＳＷ１及び増幅器ＡＭＰ５を含んで構成され、その入力端が加算回路３０に接続され、出力端がスパン調整回路５０に接続されている。そして、増幅定数変更スイッチＳＷ１を切り替え制御することにより、増幅器ＡＭＰ５の増幅率を調整することが可能である。
【００２９】
スパン調整回路５０は、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒｙ、可変抵抗器ＶＲ２、増幅定数変更スイッチＳＷ２及び増幅器ＡＭＰ６を含んで構成され、その入力端がゼロ点調整回路４０に接続され、出力端がＡ／Ｄ変換回路６０に接続されている。そして、増幅定数変更スイッチＳＷ２を切り替え制御することにより、増幅器ＡＭＰ６の増幅率を調整することが可能である。
【００３０】
Ａ／Ｄ変換回路６０は、スパン調整回路５０の増幅器ＡＭＰ６から供給される増幅されたアナログ値であるセンサ出力をディジタル値に変換する。このディジタル値は制御部７０を介してディジタル出力端子７１から直接、出力するようにしてもよいし、制御部７０にて、パルス変換して出力するようにしてもよいし、周波数変換して出力するようにしてもよいし、或いは、通信電文に変換して出力するようにしてもよい。
【００３１】
制御部７０は、ヒータ駆動回路１００に駆動指令を出したり、センサ出力をリニアリティのあるディジタル出力に変換してディジタル出力端子７１から出力したり、センサ出力に対して所定の温度補正を施したりする。また、制御部７０は、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値やマイクロヒータの抵抗値で除算し、この結果に基づいてガスの物性値の測定に係る演算処理を行う。
【００３２】
Ｄ／Ａ変換回路８０は、制御部７０から供給されるディジタル出力値を、必要なアナログ規格値に適合する範囲内のアナログ信号に変換して、アナログ出力端子８１から出力する。出力方法としては、例えば、４−２０ｍＡの定電流信号や、１−５Ｖの定電圧信号等が適用可能である。トリガー受信回路９０は、電文、スイッチ又はジャンパー等にて入力される各トリガーに基づいて、上記ヒータ駆動回路１００を駆動指令を出すための信号を制御部７０に出力する。
【００３３】
ヒータ駆動回路１００は、例えば、上記マイクロヒータ４と共にブリッジ回路を構成している。本発明において、ヒータ駆動回路１００は定加温駆動であり、そのバリエーションにては、図５以降で後述する。
【００３４】
図５は、本発明の第１実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。図６は、図５の定加温回路を用いたときの、電流Ｉｒｅｆ毎の流量の温度特性を示すグラフである。
【００３５】
図５に示す定加温回路１００は、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。図５に示すように、この定加温回路は、レギュレータＲＥＧ、増幅器ＡＭＰ１００、トランジスタＴＲ１００、及び、抵抗Ｒ０、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、ＲＭＨを含んで構成される。但し、ＲＭＨは、図４で示したマイクロフローセンサ１′のマイクロヒータ４の抵抗を示す。抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、及びＲＭＨは、ホイーストンブリッジ回路（以下、単にブリッジ回路ともよぶ）を構成している。レギュレータＲＥＧの一端には、電圧ＡＶＤＤが印加されている。なお、図中、Ｉｒｅｆ及びＩＭＨはそれぞれ、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨに流れる電流を示す。また、図示しないが、レギュレータＲＥＧの他端とトランジスタＴＲ１００との間には、制御部７０からの駆動指令に応答して開閉制御されるスイッチ回路が介設されている。
【００３６】
このような回路構成において、
ＲＭＨ＝（Ｒａ／Ｒｂ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
Ｒａ／Ｒｂ＝ＲＭＨ／Ｒｒｅｆ
ＲＭＨ′＋ＲＭＨ＝（ＲＭＨ／Ｒｒｅｆ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
が成立する。
ここで、ＲＭＨ及びＲｒｅｆは共に基準温度での静抵抗（図中、電流ＩＭＨがほとんど流れていないときの抵抗）を示し、ＲＭＨ′は基準温度での動抵抗（図中、電流ＩＭＨが流れているときの抵抗）を示す。
【００３７】
そして、抵抗Ｒａと抵抗ＲＭＨとによる分圧値及び抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｕ、Ｒｒｅｆとによる分圧値とは増幅器ＡＭＰ１００で比較されて、その比較結果によりトランジスタＴＲ１００がオンオフ制御される。
すなわち、
ＲＭＨ′＝（Ｒａ／Ｒｂ）・Ｒｕ
になるように、ブリッジ回路が動作する。抵抗Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕは全て固定抵抗なので、ＲＭＨ′も一定となる。これが定加温度差分である。
【００３８】
ところで、マイクロヒータ４の発熱要素は、一般的に、
ｆ｛Ｖ２／（Ｒｄ＋Ｒｔ＋Ｒｒ）｝
のような関数となることが知られている。
ここで、Ｖは印加電圧、Ｒｄはドリフトによるヒータ抵抗値変化、Ｒｔは温度によるヒータ抵抗値変化、Ｒｒは物性値によるヒータ抵抗値変化を示す。
【００３９】
したがって、この図５の第１実施形態のように、ヒータ駆動回路を定加温回路とすることにより、物性値によるヒータ抵抗値変化の影響を除去することができる。したがって、サーモパイルの出力値からヒータ抵抗値変化の影響を除去できるので、正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００４０】
このような大きな長所がある反面、上記図５の実施形態のヒータ駆動回路によると以下の欠点も併せもつことになる。すなわち、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆと抵抗ＲＭＨに流れる電流ＩＭＨとを同等にする必要がある。例えば、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆが約２ｍＡであれば、抵抗ＲＭＨに流れる電流ＩＭＨも２ｍＡにする必要がある。そうすると、抵抗Ｒｒｅｆが自己発熱して、図６に示すように、正確にガス温度を測定することができなくなる。図６は、抵抗Ｒｒｅｆに流れる電流Ｉｒｅｆが多くなるほど、流量変動にともなって温度変動が大きくなることを示している。自己発熱を防止するためには、抵抗ＲＭＨを抵抗Ｒｒｅｆの約１０倍程度にする必要があるが、そうすると、狭いチップ上に従来の約１０倍程度の抵抗Ｒｒｅｆを這わす必要がでてきたり、抵抗Ｒｒｅｆと抵抗ＲＭＨとが異なるため、両者の温度係数に差が生じ変動要素が増えて最適化が困難になるという問題が発生する。
【００４１】
そこで、このような問題点を解決したより好適な実施形態を以下に示す。図７は、本発明の第２実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。図８は、図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆのガス種温度特性を示すグラフである。図９は、図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆ及びＲＭＨの温度特性を示すグラフである。なお、図７中、図５と共通する部分には、同一の符号を付している。
【００４２】
図７に示す定加温回路１００′は、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。図７に示すように、この定加温回路１００′は、レギュレータＲＥＧ、増幅器ＡＭＰ１００、１０２、１０３、トランジスタＴＲ１００、及び、抵抗Ｒ０、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、ＲＭＨを含んで構成される。ＲＭＨは、図４で示したマイクロフローセンサ１′のマイクロヒータ４の抵抗を示す。この図７の第２実施形態においては、図５の第１実施形態で示した抵抗Ｒｂ、Ｒｕ及びＲｒｅｆで示す回路に替えて、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｕ、Ｒｒｅｆ、増幅器ＡＭＰ１０２、１０３で示す回路、すなわち、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成している。レギュレータＲＥＧの一端には、電圧ＡＶＤＤが印加されている。また、図示しないが、レギュレータＲＥＧの他端とトランジスタＴＲ１００との間には、制御部７０からの駆動指令に応答して開閉制御されるスイッチ回路が介設されている。
【００４３】
抵抗Ｒａと抵抗ＲＭＨとによる分圧信号は、増幅器ＡＭＰ１００のＶ＋端子に与えられる。また、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とによる分圧信号は、増幅器ＡＭＰ１０３で１／α倍に増幅され、抵抗Ｒｂと抵抗Ｒ５、Ｒｒｅｆとにより更に分圧され、増幅器ＡＭＰ１０２でα倍に増幅された後、増幅器ＡＭＰ１００のＶ−端子に与えられる。
【００４４】
このような回路構成において、
Ｖ＋＝｛Ｖ／（Ｒａ＋ＲＭＨ）｝・ＲＭＨ、
Ｖ−＝｛（α・Ｖ／α）／（Ｒｂ＋Ｒｕ＋Ｒｒｅｆ）｝・（Ｒｕ＋Ｒｒｅｆ）
Ｖ＋＝Ｖ−になるように、ブリッジ回路が動作する。
したがって、これを解くと、
ＲＭＨ＝（Ｒａ／Ｒｂ）・（Ｒｒｅｆ＋Ｒｕ）
となり、上記第１実施形態のＲＭＨを示す式と同等になる。
【００４５】
図８に示すように、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成することにより、ゼロガス、中間ガス及びスパンガス共に同等の温度特性を有するようになることがわかる。また、図９に示すように、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨの温度係数が同等になることがわかる。
【００４６】
このように第２実施形態によれば、増幅率αを有する増幅器ＡＭＰ１０２と、増幅率１／αを有する増幅器ＡＭＰ１０３とを組み込んでブリッジ回路を構成することにより、ブリッジ回路を構成する抵抗長をいたずらに延長することなく、自己発熱を抑制することができる。また、抵抗Ｒｒｅｆ及び抵抗ＲＭＨの温度係数を同等にして変動要素を減らすことができる。なお、増幅率α及び増幅器ＡＭＰ１０２はそれぞれ請求項の第１増幅率の第１増幅器に対応し、増幅率１／α及び増幅器ＡＭＰ１０３はそれぞれ請求項の第２増幅率の第２増幅器に対応する。
【００４７】
ところが、上述のような定加温回路１００′でも、ガス温度による熱伝導率の絶対値変化を完全に除去することはできない。そこで、これも除去するようにした更に良好な実施形態を以下に示す。
【００４８】
図１０は、本発明の第３実施形態における定加温回路及び検出回路を示す回路構成図である。図１１は、マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。図１２は、除算する前のセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。なお、図１１及び図１２においては、２０℃のセンサ出力差をゼロとして、中間ガスとの差を拡大表示している。いうまでもないが、温度特性が同じならば、各ガスの特性は１本の線に重なることになる。
【００４９】
第３実施形態においては、上記第２実施形態における定加温回路１００′対して、ＩＭＨ検出回路及びＶＭＨ検出回路が付加された定加温回路１００″となっている。この定加温回路１００″も、例えば、図４のヒータ駆動回路として用いられる。なお、図１０中、図７と共通する部分には、同一の符号を付して、重複説明は省略する。
【００５０】
図１０において、増幅率βの増幅器ＡＭＰ１０４、及び抵抗Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８は、電流ＩＭＨの検出回路（以下、ＩＭＨ検出回路とよぶ）を構成している。また、増幅器ＡＭＰ１０５は、電圧ＶＭＨの検出回路（以下、ＶＭＨ検出回路とよぶ）を構成している。なお、この実施形態において、増幅器ＡＭＰ１０４からの出力Ｖａ及び増幅器ＡＭＰ１０５からの出力ＶＭＨは、図示しないＡ／Ｄ変換回路でディジタル化して、上記制御部７０に出力される。
【００５１】
このような構成において、ＩＭＨ検出回路は、抵抗ＲＭＨに流れる電流を検出して出力信号Ｖａを生成する。また、ＶＭＨ検出回路は、抵抗ＲＭＨの端子電圧を検出して出力信号ＶＭＨを生成する。これら出力信号Ｖａ及びＶＭＨは、ディジタル化された後、制御部７０に含まれるＣＰＵにて、以下のような演算処理が行われる。
【００５２】
すなわち、
ＩＭＨ＝（Ｖａ／β）／Ｒａ
となるので、
マイクロヒータに加わる電力値ＰＭＨは、
ＰＭＨ＝ＶＭＨ・ＩＭＨ
として求めることができる。
また、マイクロヒータの抵抗値ＲＭＨは、
ＲＭＨ＝ＶＭＨ／ＩＭＨ
として求めることができる。
【００５３】
そして、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算して、この結果に基づいてガス物性値を測定するようにする。
【００５４】
補足説明すると、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力から得られる、物性値のひとつである熱伝導率の単位は、Ｗ／ｍ・ｋとなるので、ガス温度により影響がでるＷや、マイクロヒータの抵抗値変化Ｒｔを上記除算により除去すれば、マイクロヒータ４の発熱要素を更にひとつ減らすことができる。図１１のグラフには、マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性が示されている。図１２に示される除算する前の温度特性と比較すれば明らかなように、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動が大幅に抑制されていることがわかる。マイクロヒータの抵抗値ＲＭＨで除算しても図１１と同様の特性が得られることがわかっている。
【００５５】
このように第３実施形態によれば、電力値ＰＭＨ又は抵抗値ＲＭＨで、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力を除算することにより、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００５６】
以上のように、本発明の実施形態によれば、マイクロフローセンサを利用したガス物性値の測定装置であって、マイクロヒータの抵抗値変動の影響を効果的に除去し、正確に被測定ガスの物性値を測定することを可能にした測定装置を提供することができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、ヒータ駆動回路としての定加温回路は上記実施形態に限定されず、同機能を有する他の回路構成であってもよい。また、測定すべきガス物性値としては、密度や熱伝導率のみならず、比熱、粘性等であってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動としているので、ガスの物性値によるマイクロヒータの抵抗値変動の影響を軽減することができる。したがって、正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んでブリッジ回路を構成する。そして、第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする。したがって、ブリッジ回路を構成する抵抗長をいたずらに延長することなく、自己発熱を抑制することができるという効果が更に付加される。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータに加わる電力値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、マイクロフローセンサに含まれるサーモパイルから得られるセンサ出力をマイクロヒータの抵抗値で除算するので、被測定ガスの温度変動の影響を受けるマイクロヒータの抵抗値変動を低減して、ガス温度の変動にともなうセンサ出力の変動を大幅に抑制することができる。したがって、より正確に被測定ガスの物性値を測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態にて使用されるマイクロフローセンサの構成図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、熱伝導率と左側サーモパイルの出力との関係を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は本発明のガス物性値の測定装置に係る概略断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のポケット部の拡大断面図である。
【図４】マイクロフローセンサを用いたガス物性値の測定装置の一例を示す回路構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。
【図６】図５の定加温回路を用いたときの、電流Ｉｒｅｆ毎の流量の温度特性を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態における定加温回路を示す回路構成図である。
【図８】図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆのガス種温度特性を示すグラフである。
【図９】図７の定加温回路を用いたときの、抵抗Ｒｒｅｆ及びＲＭＨの温度特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態における定加温回路及び検出回路を示す回路構成図である。
【図１１】マイクロヒータに加わる電力値で除算したセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。
【図１２】除算する前のセンサ出力の、ガス種温度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１′ マイクロフローセンサ（密度センサ）
２０ 流路
２１ ポケット部
３０ 加算回路
４０ ゼロ点調整回路
５０ スパン調整回路
６０ Ａ／Ｄ変換回路
７０ 制御部
７１ ディジタル出力端子
８０ Ｄ／Ａ変換回路
８１ アナログ出力端子
９０ トリガー受信回路
１００ ヒータ駆動回路（定加温回路）
Claims (4)
- 被測定ガスが通過するガス流路に取り付けられたマイクロフローセンサに含まれる複数のサーモパイルのうちの少なくともいずれかひとつから得られるセンサ出力を利用して、前記被測定ガスの物性値を測定する装置であって、
前記マイクロフローセンサに含まれるマイクロヒータを駆動するヒータ駆動回路を定加温駆動とする、
ことを特徴とするガス物性値の測定装置。 - 請求項１記載のガス物性値の測定装置において、
前記ヒータ駆動回路をブリッジ回路で構成し、
第１増幅率の第１増幅器と第１増幅率の逆数である第２増幅率の第２増幅器とを組み込んで、前記ブリッジ回路を構成するマイクロヒータの抵抗以外の所定の抵抗の温度係数を、マイクロヒータの抵抗の温度係数と等しくする、
ことを特徴とするガス物性値の測定装置。 - 請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、
前記センサ出力を、前記マイクロヒータに加わる電力値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、
ことを特徴とするガス物性値の測定装置。 - 請求項１又は請求項２記載のガス物性値の測定装置において、
前記センサ出力を、前記マイクロヒータの抵抗値で除算した結果に基づいて、前記ガス物性値を測定する、
ことを特徴とするガス物性値の測定装置。
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