JP2007309924A

JP2007309924A - 流量計

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Publication number: JP2007309924A
Application number: JP2007107849A
Authority: JP
Inventors: Junya Tanigawa; 純也谷川; Yoshimitsu Kaneoka; 佳充金岡
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: JP4987548B2

Abstract

【課題】簡単な構成で広範囲の流量を高精度に計測することができる流量計を提供する。
【解決手段】被検流体の少流量区分時にヒータ３２を定電圧で駆動する定電圧駆動手段２１と、少流量区分時以外にヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動する正弦波駆動手段２２と、温度センサ３３が出力した流速信号に基づいて少流量区分時であるか否かを判定して、少流量区分時に定電圧駆動手段２１がヒータ３２を駆動するように、定電圧駆動手段２１又は正弦波駆動手段２２の切り替えを制御する切替制御手段１１ｂと、を有するとともに、流量測定手段１１ａが、定電圧駆動手段２１によるヒータ３２の駆動に応じて温度センサが出力した流速信号に基づいて流量を測定する第１測定手段１１ａ１と、正弦波駆動手段２２によるヒータ３２に応じて温度センサ３３が出力した流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定する第２測定手段１１ａ２と、を有する
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス、水等の流体の流量をその流路上において測定する流量計に関するものである。

例えばガス等の流体の流量を流路上において測定する際に、既知の流路断面積に乗じて流量を求めるのに必要な、流路を流れる流体の速度を検出する技術として、流路上に配置したヒータを交流信号により通電駆動し、このヒータから流路における流体の流れ方向に間隔をおいて配置した温度センサが、ヒータから放出される熱の伝搬速度に応じて出力する交流信号と、ヒータの通電駆動に用いる交流信号との位相差を求める方法が知られている（特許文献１参照）。

また、ガスメータ等では流量センサを用いて、測定に必要な流量範囲（例えばガスメータでは３〜３０００Liter/Hなど）を測定するために、複数のセンサを組み合わせた方式が提案されている。例えば、流量分布上の流体の流れが異なる位置に複数個の熱式流量センサを配置し、それら異なる位置に配置された熱式流量センサを全て略同一構造とされた駆動回路により駆動する流量計が知られている（特許文献２参照）。
特開平５−２６４５６７号公報特開平８−１８４４７９号公報

しかしながら、上述したような従来の流量計では、広域な流量範囲を測定可能とするために複数のセンサを用いる必要があるために、コスト高になってしまうという問題があった。さらに、例えば狭い流路に１個、広い流路に２個というように３つのセンサを用いる場合、センサの数が増えるとともに、狭い流路と広い流路の加工が必要になり、流路が大型化してしまうという問題が生じていた。

よって本発明は、上述した問題点に鑑み、流路を複雑化することなく且つ簡単な構成で広範囲の流量を高精度に計測することができる流量計を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載の流量計は、図１の基本構成図に示すように、被検流体の流路Ｓ上に配置したヒータ３２と、前記流路Ｓにおける流体の流れ方向に前記ヒータ３２から間隔をおいて配置して前記ヒータ３２から放出される熱を検出してその温度に応じた流速信号を出力する温度センサ３３と、前記温度センサ３３が出力する流速信号に基づいて流量を測定する流量測定手段１１ａと、を有する流量計において、前記被検流体の少流量区分時に前記ヒータ３２を定電圧で駆動する定電圧駆動手段２１と、前記少流量区分時以外に前記ヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動する正弦波駆動手段２２と、前記温度センサ３３が出力した流速信号に基づいて前記少流量区分時であるか否かを判定して前記定電圧駆動手段２１又は前記正弦波駆動手段２２の切り替えを制御する切替制御手段１１ｂと、を有するとともに、前記流量測定手段１１ａが、前記定電圧駆動手段２１による前記ヒータ３２の駆動に応じて、前記温度センサが出力した流速信号に基づいて前記流量を測定する第１測定手段１１ａ１と、前記正弦波駆動手段２２による前記ヒータ３２に応じて、前記温度センサ３３が出力した流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する第２測定手段１１ａ２と、を有することを特徴とする。

上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項２記載の流量計は、図２の基本構成図に示すように、被検流体の流路上に配置したヒータ３２と、前記ヒータ３２に対する前記流路２の上流側における前記流体の温度を検出してその温度に応じた上流側流速信号を出力する上流側温度センサ３４と、前記ヒータ３２に対する前記流路Ｓの下流側における前記流体の温度を検出してその温度に応じた下流側流速信号を出力する下流側温度センサ３３と、前記上流側温度センサ３４及び下流側温度センサ３３の少なくとも一方の流速信号に基づいて流量を測定する流量測定手段１１ａと、を有する流量計において、前記ヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動する正弦波駆動手段２２と、前記上流側温度センサ３４及び下流側温度センサ３３の少なくとも一方の流速信号に基づいて、低流速であるか高流速であるかを判別する流速判別手段１１ｃと、を有し、前記流量計測手段１１ａが、前記流速判別手段１１ｃによる低流速との判別に応じて、前記上流側温度センサ３４が出力した上流側流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する低流速用測定手段１１ａ３と、前記流速判別手段１１ｃによる高流速との判別に応じて、前記下流側温度センサ３３が出力した下流側流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する高流速用測定手段１１ａ４と、を有することを特徴とする。

以上説明したように請求項１に記載した本発明の流量計によれば、少流量区分時にヒータを定電圧で駆動すると、温度センサからの流速信号に基づいて流量を計測し、且つ、少流量区分時以外にヒータを正弦波の駆動信号で駆動すると、該正弦波の駆動信号と温度センサからの流速信号との位相差に基づいて流量を計測するようにしたことから、少流量区分時は温度差または少流量区分時以外は位相差というように、温度センサとヒータだけで流量区分に適した検知方式に切り替えて測定することができるため、広範囲の流量を高精度に計測することができる。また、流路の加工も必要ないことから、流路の大型化及び複雑化を防止することができる。しかも、従来のように複数の流路に複数のセンサを用いる必要がないため、温度センサとヒータのみを用いれば良いことから、コストダウンを図ることができる。

以上説明したように請求項２に記載した本発明の流量計によれば、ヒータを正弦波の駆動信号で駆動し、上流側温度センサ又は下流側温度センサからの流速信号に基づいて低流速であるか高流速であるかを判別し、低流速である場合は上流側温度センサが出力した上流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定し、また、高流速である場合は下流側温度センサが出力した下流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定するようにしたことから、低流速域の測定が可能な上流側温度センサと高流速域の測定が可能な下流側温度センサを切り替えて測定するだけで広範囲の流量を高精度に計測することができる。しかも、ヒータは正弦波の駆動信号で駆動させるだけでよいため、駆動回路、駆動制御等の簡単化を図ることができる。従って、上流側温度センサ及び下流側温度センサとヒータのみを用いれば良いことから、従来のように複数の流路を用いる必要がないため、センサ数の減少等によりコストダウンを図ることができる。また、流路の加工も必要ないことから、流路の大型化及び複雑化を防止することができる。

以下、本発明に係る流量計を用いてガスの流量を測定する場合の最良の形態を、図３〜図１２の図面を参照して説明する。

図３において、実施例１に係る流量計１は、フローセンサ３と、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）１０と、ドライバ部２０と、信号検出部４０と、を有している。ＭＰＵ１０には、フローセンサ３、ドライバ部２０及び信号検出部４０が接続されている。

フローセンサ３は、例えば特開平９−２５７８２１号公報の図１を参照して説明されているような、Ｓｉ基板３１上にヒータ３２及びサーモパイル３３，３４（請求項中の温度センサに相当）を形成して構成されている。そして、ガス（請求項中の被測定対象の流体に相当）の流路（図示せず）上に、その流体の流れ方向Ｘにおける下流側から順にサーモパイル３３、ヒータ３２、サーモパイル３４という位置関係となるように、フローセンサ３は配置されている。

このフローセンサ３は、ヒータ３２を駆動信号により通電駆動することでヒータ３２が熱を放出し、ヒータ３２から伝達された熱の温度に応じた起電力がサーモパイル３３，３４に発生し、この起電力がサーモパイル３３，３４から、流路を流れるガスの流量に応じた流速信号として出力されるように構成されている。また、フローセンサ３は、リファレンス抵抗を有しており、リファレンス温度の検出が可能な構成となっている。

ＭＰＵ１０は、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１、ＣＰＵ１１のためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ１２、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ１１の処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ１３等を有して構成している。

ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に記憶されている流量測定処理プログラム等を実行することで、ヒータ３２の駆動を制御して、サーモパイル３３，３４が出力する信号に基づいて流量を計測する。つまり、ＣＰＵ１１は、請求項中の流量計測手段、切替制御手段、第１測定手段及び第２測定手段として機能することになる。

ドライバ部２０は、第１定電圧部２１と第１バンドパスフィルタ２２とを有している。第１定電圧部２１は、ＭＰＵ１０とヒータ３２とに接続されており、ＣＰＵ１１からの要求に応じて定電圧を印加することでヒータ３２を駆動する。そして、第１バンドパスフィルタ２２は、ＭＰＵ１０とヒータ３２とに接続されており、ＣＰＵ１１から入力された矩形波を正弦波として電圧をヒータ３２に印加することで駆動する。

このように駆動信号の極性が正負の相互間で反転せずヒータ３２の通電量が正弦波状に変化するので、ヒータ３２の放出熱量が正弦波状に増減して、ヒータ３２から放出される熱を検出したサーモパイル３３，３４が出力する流速信号の波形は、駆動信号と同じ周波数の波形となる。

信号検出部４０は、第１コンパレータ４１と、第１アンプ４３と、第２バンドパスフィルタ４４と、第２コンパレータ４５と、第２アンプ４６と、Ａ／Ｄ変換部４７と、第３アンプ４８と、を有している。

第１コンパレータ４１は、ドライバ部２０の第１バンドパスフィルタ２２とＭＰＵ１０とに接続されている。第１コンパレータ４１は、ＧＮＤレベルを閾値とし、第１バンドパスフィルタ２２から出力された後の図４（Ａ）に示す正弦波である駆動信号を、矩形波である図４（Ｂ）に示す第１信号としてＭＰＵ１０に出力する。

第１アンプ４３は、フローセンサ３のサーモパイル３３が接続されるとともに、第２バンドパスフィルタ４４、第２コンパレータ４５を順次介してＭＰＵ１０に接続されている。そして、第２アンプ４６は、フローセンサ３のサーモパイル３３，３４が接続されるとともに、Ａ／Ｄ変換器４７を順次介してＭＰＵ１０に接続されている。

図４（Ｃ）に示すサーモパイル３３から出力された信号は、第１アンプ４３で増幅され、ノイズ除去のための第２バンドパスフィルタ４４を通って第２コンパレータ４５によってＧＮＤレベルの閾値で正弦波から矩形波である図４（Ｄ）に示す第２信号としてＭＰＵ１０に出力される。

また、サーモパイル３３，３４の信号は、第２アンプ４６に入力され、第２アンプ４６ではサーモパイル３３，３４を差動増幅し（上流：３４、下流：３３）、Ａ／Ｄ変換器４７でデジタル信号に変換されて温度差信号（流速信号に相当）としてＭＰＵ１０に出力される。

ＣＰＵ１１は、第１信号と第２信号の位相差である図４（Ｅ）に示す位相差信号を検出可能な構成となっており、その位相差を時間としてカウントして流量を計測する。この位相差測定方法を用いることで、流路断面積に乗じて流量を求めるのに必要な、流路を流れる流体の速度を高精度で測定可能となっている。

また、フローセンサ３は、リファレンス抵抗３５を有している。リファレンス抵抗３５は、Ｓｉ基板３１上に形成されており、ドライバ部２０が有する第２定電圧部２３によって駆動され、流路内の温度（ガス温度）を検出する。そして、このリファレンス抵抗３５で検出した温度に応じた抵抗値変化は、第３アンプ４８で増幅し、Ａ／Ｄ変換器４７でデジタル信号に変換されて、流路内温度（ガス温度）としてＭＰＵ１０に出力される。この信号は、ＭＰＵ１０で流路換算の温度補正に用いられる。

次に、上述した構成において、温度差検出方式と位相差検出方式による流量特性について図５〜図７のグラフを参照して説明する。図５〜図７の各々において、横軸は流速（ｍ／ｓ）であり、縦軸は温度差（任意単位ａ．ｕ．）及び位相差（ｄｅｇ）となっている。そして、波形Ｇ１は温度差検出方式、波形Ｇ２は位相差検出方式によるそれぞれの流量特性を示している。

温度差検出方式では、波形Ｇ１に示すように、約１０（ｍ／ｓ）以上になると、徐々に温度差が小さくなる傾向にあり、少流量の値と重なっているため、このフローセンサ３の場合、約１０（ｍ／ｓ）以上の計測が不可能であることが分かった。また、位相差検出方式では、波形Ｇ２に示すように、約１０（ｍ／ｓ）より大きな流量域でも流量に応じて位相差が小さくなる傾向があることが分かった。

図６及び図７中の波形Ｇ２に示すように、約１（ｍ／ｓ）以下の微小流量域では、流量増加に伴って位相差が一端増加する現象があり、このフローセンサ３の場合、位相差検出方式ではこの微小流量域では流量の計測が不可能であることが分かった。

よって、約１０（ｍ／ｓ）より小さい範囲を少流量区分と設定し、該少流量区分以外の約１０（ｍ／ｓ）以上を大流量区分と設定し、少流量区分を温度差検出方式、大流量区分を位相差検出方式でそれぞれ切り替えて検出することで、お互いの検出方式の計測不能流量域をカバーして、１つのフローセンサ３のみで少流量区分及び大流量区分の広範囲に亘る測定を可能とすることができる。

次に、温度差検出方式と位相差検出方式を切り替えて流量を測定する場合を、ＣＰＵ１１が実行する図８に示す流量測定処理の一例を示すフローチャートを参照して以下に説明する。

ステップＳ１１（切替制御手段）において、第１定電圧部２１に駆動要求が出力され、その後ステップＳ１２に進む。その結果、第１定電圧部２１は、定電圧を印加することでヒータ３２を駆動させる。

ステップＳ１２において、所定のサンプリングレートで信号検出部４０が出力した温度差信号（流速信号）が温度差データとして取り込まれ、ＲＡＭ１３に時系列的に記憶され、その後ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、ＲＡＭ１３の温度差データと予め定められた第１判定条件とが比較され、該比較結果に基づいて少流量区分から大流量区分に変化したか否かが判定される。該第１判定条件は、ヒステリシスを考慮した範囲（値）が設定されている。そして、変化していない、つまり少流量区分であると判定された場合は（Ｓ１３でＮ）、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４（流量測定手段、第１測定手段）において、ＲＡＭ１３の温度差データとＲＯＭ１２に予め記憶された流量の対応マップまたは換算式とに基づいて流量が算出され、必要に応じてＲＡＭ１３に記憶され、該流量を示す流量データが出力部（図示せず）に出力され、その後ステップＳ１２に戻り、一連の処理が繰り返される。

また、ステップＳ１３で少流量区分から大流量区分に変化したと判定された場合は（Ｓ１３でＹ）、ステップＳ１５に進む。このようにステップＳ１１〜Ｓ１４の一連の処理が、少流量区分に対する温度差検知方式を実現している。

ステップＳ１５（切替制御手段）において、第１バンドパスフィルタ２２に対して所定周期の矩形波が出力され、その後ステップＳ１６に進む。その結果、第１バンドパスフィルタ２２は、正弦波の駆動信号として電圧をヒータ３２に印加するすることでヒータ３２を駆動させる。

ステップＳ１６において、所定のサンプリングレートで信号検出部４０が出力した第１信号（駆動信号）及び第２信号（流速信号）がそれぞれ第１信号データ及び第２信号データとして取り込まれ、ＲＡＭ１３に時系列的に記憶され、その後ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７において、ＲＡＭ１３の第１信号データ及び第２信号データに基づいて、第１信号と第２信号、つまり駆動信号と流速信号との位相差が検出されてＲＡＭ１３に記憶され、その後ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８において、ＲＡＭ１３の第２信号データ又は位相差と予め定められた第２判定条件とが比較され、該比較結果に基づいて大流量区分から少流量区分に変化したか否かが判定される。該第２判定条件も、上述した第１判定条件と同様に、ヒステリシスを考慮した範囲（値）が設定されている。

ステップＳ１８で大流量区分から少流量区分に変化した、つまり少流量区分であると判定された場合は（Ｓ１８でＹ）、ステップＳ１１に戻り、一連の処理が繰り返される。一方、変化していない、つまり大流量区分であると判定された場合は（Ｓ１８でＮ）、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９（流量測定手段、第２測定手段）において、ＲＡＭ１３の位相差が時間としてカウントされて流量が算出され、必要に応じてＲＡＭ１３に記憶され、該流量を示す流量データが出力部（図示せず）に出力され、その後ステップＳ１６に戻り、一連の処理が繰り返される。このようにステップＳ１５〜Ｓ１９の一連の処理が、大流量区分に対する位相差検知方式を実現している。

次に、上述した構成による本発明に係る流量計１の動作（作用）の一例を以下に説明する。

少流量区分時、流量計１はヒータ３２を第１定電圧部２１によって定電圧で駆動し、上流側サーモパイル３４及び下流側サーモパイル３３の流速信号から温度差信号を生成し、該温度差信号に基づいてガスの流量を測定する。そして、少流量区分から大流量区分への変化を検出すると、第１定電圧部２１の駆動を停止して、第１バンドパスフィルタ２２によって正弦波の駆動信号でヒータ３２を駆動する。

大流量区分中は、ヒータ３２に対する正弦波の駆動信号での駆動に応じて上流側サーモパイル３４及び下流側サーモパイル３３が出力した第２信号（流速信号）と第１信号（駆動信号）との位相差に基づいてガスの流量を測定する。そして、大流量区分から少流量区分への変化を検出すると、第１バンドパスフィルタ２２による駆動を停止して、再度第１定電圧部２１によりヒータ３２を駆動する。

以上説明した本発明の流量計１によれば、少流量区分時にヒータ３２を定電圧で駆動すると、上流側サーモパイル３４及び下流側サーモパイル３３からの温度差信号に基づいて流量を計測し、且つ、少流量区分時以外の大流量区分時にヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動すると、該正弦波の第１信号と上流側サーモパイル３４及び下流側サーモパイル３３からの第２信号との位相差に基づいて流量を計測するようにしたことから、少流量区分時は温度差または少流量区分時以外は位相差というように、１つのフローセンサ３だけで流量区分に適した検知方式に切り替えて測定することができるため、広範囲の流量を高精度に計測することができる。また、流路の加工も必要ないことから、流路の大型化及び複雑化を防止することができる。しかも、従来のように複数の流路に複数のセンサを用いる必要がないため、１つのフローセンサ３のみを用いれば良いことから、コストダウンを図ることができる。

なお、上述した本最良の形態では、フローセンサ３が２つの上流側サーモパイル３４及び下流側サーモパイル３３を有する場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、下流側サーモパイル３３とヒータ３２とからなるセンサを用いることもできる。

上述した実施例１では、２つの駆動方式を切り替えてフローセンサ３を制御する場合について説明したが、実施例２ではフローセンサ３の駆動制御を簡単化して実施例１と同様の作用効果を得るための実施形態を以下に説明する。なお、実施例１と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例２に係る流量計１は、図９に示すように、フローセンサ３と、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）１０と、ドライバ部２０と、信号検出部４０と、を有している。そして、ＭＰＵ１０には、フローセンサ３、ドライバ部２０及び信号検出部４０が接続されている。

フローセンサ３は、図９に示すように、Ｓｉ基板３１と、ヒータ３２と、下流側サーモパイル３３と、上流側サーモパイル３４と、を有している。なお、下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４は、上述したサーモパイル３３，３４と同一の構成となっている。

このフローセンサ３は、ヒータ３２を正弦波の駆動信号により通電駆動することでヒータ３２が熱を放出し、ヒータ３２から伝達された熱の温度に応じた起電力が下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４にそれぞれ発生し、下流側サーモパイル３３はヒータ３２に対する流路の下流側を流れるガスの流量に応じた下流側流速信号として出力し、また、上流側サーモパイル３４はヒータ３２に対する流路の上流側を流れるガスの流量に応じた上流側流速信号として出力するように構成されている。

ここで、フローセンサ３を正弦波の駆動信号で駆動した場合の下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４と正弦波の駆動信号との位相差と流量との関係を、図１０を参照して説明する。なお、図１０において、横軸は流速（ｍ／ｓ）であり、縦軸は位相差（ｄｅｇ）となっている。そして、波形Ｇ３は上流側、波形Ｇ２は下流側のそれぞれの特性を示している。

図１０において、上流側サーモパイル３４は、その出力波形が測定対象流体の流速が大きくなるほどヒータ３２の正弦波に対する位相差が単調減少する。ただし、振幅は流速の増加に伴い指数関数的に減少するため、大きな流速まで測定することができない（低流速域は検出できる程度の振幅がある）。一方、下流側サーモパイル３３は、その出力波形が微少流量域では、ある流速までは流速の増加に伴って位相が大きくなり、それ以上の流速範囲では流速の増加に伴って位相差が減少する。つまり、比較的低い流速に位相差の極大値を持ち、流速と一対一に対応しないため、低流速域での測定ができない。ただし、振幅は流速の増加に伴って増加するため、高流速域での測定は可能である。

従って、低流速域Ｌは上流側サーモパイル３４を使い、そして、高流速域Ｈは下流側サーモパイル３３を使うことで、両方の流速域の欠点をカバーすることができ、且つ、１つのフローセンサ３と１つの単純な形状の流路で大きな流速を測定することができる。さらに、実施例１のように２つの駆動方式を切り替える必要もないため、制御等の簡単化を図ることができる。

次に、実施例２における低流速と高流速の定義について説明する。まず、図１１において、図１０に示した波形Ｇ４はヒータ３２に対する下流側サーモパイル３３の位相差と流速との関係を示している。そして、流速Ｖｘの範囲では、波形Ｇ４は１つの位相差の値に対して２つの流速Ｖ１，Ｖ２が存在することになる。即ち、流速Ｖｘ以下の範囲では、位相差を測定しても流速を算出することができないことになる。

従って、実施例２では、流速Ｖｘに少し余裕αを見込んだ範囲（Ｖｘ＋α）より小さい範囲を低流速とし、その範囲（Ｖｘ＋α）以上を高流速としている。さらに、下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４の切り替えは、ヒステリシス誤差を考慮することで、より安定した測定ができるようになる。

ＭＰＵ１０は、図９に示すように、ＣＰＵ１１と、ＲＯＭ１２と、ＲＡＭ１３と、を有している。そして、ＲＯＭ１２は、実施例２に係る流量測定処理プログラム等を記憶しており、そのプログラムをＣＰＵ１１が実行することで、ＣＰＵ１１は請求項中の流量計測測定手段、低流速用測定手段、高流速用測定手段、及び、流速判定手段として機能することになる。

ドライバ部２０は、第１定電圧部２１と第１バンドパスフィルタ２２とを有している。そして、実施例１と同様に、ＣＰＵ１１から第１バンドパスフィルタ２２に入力された矩形波を正弦波として電圧をヒータ３２に印加することでヒータ３２を駆動する。このように駆動信号の極性が正負の相互間で反転せずヒータ３２の通電量が正弦波状に変化するので、ヒータ３２の放出熱量が正弦波状に増減して、ヒータ３２から放出される熱を検出した下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４が出力する流速信号の波形は、駆動信号と同じ周波数の波形となる。

信号検出部４０は、第１コンパレータ４１と、マルチプレクサ４２と、第１アンプ４３と、第２バンドパスフィルタ４４と、第２コンパレータ４５と、第２アンプ４６と、Ａ／Ｄ変換部４７と、第３アンプ４８と、を有している。

マルチプレクサ４２は、複数の入力信号の中から１つの信号を切り替えて出力する。マルチプレクサ４２の入力は、フローセンサ３の下流側サーモパイル３３及び上流側サーモパイル３４が接続され、且つ、ＭＰＵ１０の出力に接続されている。マルチプレクサ４２の出力は、第１アンプ４３、第２バンドパスフィルタ４４、第２コンパレータ４５を順次介してＭＰＵ１０の入力に接続されている。

マルチプレクサ４２は、ＭＰＵ１０からの切り替え要求に対応する下流側サーモパイル３３又は上流側サーモパイル３４に切り替えて、入力された信号を第１アンプ４３に出力する構成となっている。そして、下流側サーモパイル３３又は上流側サーモパイル３４の出力は、マルチプレクサ４２で切り替えられると、第１アンプ４３で増幅され、ノイズ除去のための第２バンドパスフィルタ４４を通って第２コンパレータ４５によってＧＮＤレベルの閾値で正弦波から矩形波である図４（Ｄ）に示す第２信号（上流側流速信号又は下流側流速信号）としてＭＰＵ１０に出力される。

ＣＰＵ１１は、第１信号と低流速域又は高流速域に対応した第２信号との位相差である図４（Ｅ）に示す位相差信号を検出可能な構成となっており、その位相差を時間としてカウントして流量を計測する。この位相差測定方法を用いることで、流路断面積に乗じて流量を求めるのに必要な、流路を流れる流体の速度を高精度で測定可能となっている。

次に、上述したＣＰＵ１１が実行する実施例２に係る流量計測処置の一例を、図１２に示すフローチャートを参照して以下に説明する。

ステップＳ３１において、第１バンドパスフィルタ２２に対して所定周期の矩形波が出力され、その後ステップＳ３２に進む。その結果、第１バンドパスフィルタ２２は、正弦波の駆動信号として電圧をヒータ３２に印加するすることでヒータ３２を駆動させる。

ステップＳ３２において、上流側温度センサ３４への切り替えを要求する切替要求がマルチプレクサ４２に対して出力され、その後ステップＳ３３に進む。この処理により、マルチプレクサ４２は、上流側温度センサ３４から入力された流速信号をＭＰＵ１０に対して出力する。そして、ステップＳ３３は、マルチプレクサ４２を介して入力された流速信号が上流側流速信号として取得されて、第２信号データとしてＲＡＭ１３に記憶され、その後ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４（流量測定手段、低流速用測定手段）において、信号検出部４０が出力した第１信号（駆動信号）が取得されて、第１信号データとしてＲＡＭ１３に記憶され、ＲＡＭ１３の第１信号データ及び第２信号データに基づいて、第１信号と第２信号、つまり駆動信号と上流側流速信号との位相差が検出され、該位相差が時間としてカウントされて流量が算出され、必要に応じてＲＡＭ１３に記憶され、該流量を示す流量データが出力部（図示せず）に出力され、その後ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５（流速判別手段）において、ＲＡＭ１３の第２信号データ（上流側流速信号の値）と予め定められた判定閾値との比較結果に基づいて、低流速であるか否かが判定される。低流速であると判定された場合（Ｓ３５でＹ）、ステップＳ３３に戻り、一連の処理が繰り返される。一方、低流速ではないと判定された場合（Ｓ３５でＮ）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６において、下流側温度センサ３３への切り替えを要求する切替要求がマルチプレクサ４２に対して出力され、その後ステップＳ３７に進む。この処理により、マルチプレクサ４２は、下流側温度センサ３３から入力された流速信号をＭＰＵ１０に対して出力する。そして、ステップＳ３７は、マルチプレクサ４２を介して入力された流速信号が下流側流速信号として取得されて、第２信号データとしてＲＡＭ１３に記憶され、その後ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３８（流量測定手段、高流速用測定手段）において、信号検出部４０が出力した第１信号（駆動信号）が取得されて、第１信号データとしてＲＡＭ１３に記憶され、ＲＡＭ１３の第１信号データ及び第２信号データに基づいて、第１信号と第２信号、つまり駆動信号と下流側流速信号との位相差が検出され、該位相差が時間としてカウントされて流量が算出され、必要に応じてＲＡＭ１３に記憶され、該流量を示す流量データが出力部（図示せず）に出力され、その後ステップＳ３９に進む。

ステップＳ３９（流速判別手段）において、ＲＡＭ１３の第２信号データ（下流側流速信号の値）と予め定められた判定閾値との比較結果に基づいて、高流速であるか否かが判定される。高流速であると判定された場合（Ｓ３９でＹ）、ステップＳ３７に戻り、一連の処理が繰り返される。一方、高流速ではないと判定された場合（Ｓ３９でＮ）、ステップＳ３２に戻り、低流速域に対応した一連の処理が繰り返される。

次に、上述した構成による本発明の実施例２に係る流量計１の動作（作用）の一例を以下に説明する。

流量計１は、起動されると、ヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動するとともに、マルチプレクサ４２を上流側に切り替えることで、上流側サーモパイル３４の上流側流速信号を取得し、該上流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定する。そして、ガス需要設備等でのガス使用量の増加に伴って流路内のガスの流れが速まると、その流速の変化を、上流側流速信号に基づいて検出する。そして、流路内を流れる流体の流速が低流速でない、即ち高流速であると判定して、マルチプレクサ４２を下流側に切り替えることで、下流側サーモパイル３３の下流側流速信号を取得し、該下流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定することになる。

その後、ガス需要設備等でのガス使用量の減少又は停止に応じて、流路内のガスの流れが遅くなると、流速が高流速でない、即ち低流速であると判定して、マルチプレクサ４２を上流側に切り替えることで、上流側サーモパイル３４の上流側流速信号を取得し、該上流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定することになる。

以上説明した本発明の実施例２に係る流量計１によれば、ヒータ３２を正弦波の駆動信号で駆動し、上流側温度センサ３４又は下流側温度センサ３３からの各流速信号に基づいて低流速であるか高流速であるかを判別し、低流速である場合は上流側温度センサ３４が出力した上流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定し、また、高流速である場合は下流側温度センサ３３が出力した下流側流速信号と正弦波の駆動信号との位相差に基づいて流量を測定するようにしたことから、低流速域の測定が可能な上流側温度センサ３４と高流速域の測定が可能な下流側温度センサ３３を切り替えて測定するだけで広範囲の流量を高精度に計測することができる。しかも、ヒータ３２は正弦波の駆動信号で駆動させるだけでよいため、駆動回路、駆動制御等の簡単化を図ることができる。従って、上流側温度センサ３４及び下流側温度センサ３３とヒータ３２のみを用いれば良いことから、従来のように複数の流路を用いる必要がないため、センサ数の減少等によりコストダウンを図ることができる。また、流路の加工も必要ないことから、流路の大型化及び複雑化を防止することができる。

なお、上述した本最良の形態では、ガスの流量を測定するガス流量計を例に取って説明したが、本発明は、ガス以外の気体や液体等、様々な流体の流速乃至流量測定について適用可能であり、また、流量を測定せずその前段階の流速のみ測定する場合についても、広く適用可能であることは言うまでもない。

本発明に係る流量計の基本構成を示す構成図である。本発明に係る流量計の他の基本構成を示す構成図である。本発明に係る流量計の概略構成を示す構成図である。図３中における位相差信号に関連する各種波形を示し、（Ａ）はヒータ駆動波形、（Ｂ）は第１信号波形、（Ｃ）はサーモパイル出力波形、（Ｄ）は第２信号波形、（Ｅ）は位相差信号である。温度差による流量特性及び位相差による流量特性を示すグラフである。微小流量域における温度差による流量特性及び位相差による流量特性を示すグラフである。図６中の部分Ｘを拡大した温度差及び位相差による流量特性を示すグラフである。図３中のＣＰＵが実行する流量測定処理の一例を示すフローチャートである。本発明に係る流量計の実施例２に係る概略構成を示す構成図である。実施例２に係る流速及び位相差による流量特性を示すグラフである。低流速と高流速の定義の一例を説明するためのグラフである。図９中のＣＰＵが実行する実施例２に係る流量測定処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１流量計
１１ａ流量測定手段（ＣＰＵ）
１１ａ１第１測定手段（ＣＰＵ）
１１ａ２第２測定手段（ＣＰＵ）
１１ａ３低流速用測定手段（ＣＰＵ）
１１ａ４高流速用測定手段（ＣＰＵ）
１１ｂ切替制御手段（ＣＰＵ）
１１ｃ流速判別手段（ＣＰＵ）
２１定電圧駆動手段（定電圧部）
２２正弦波駆動手段（第１バンドパスフィルタ）
３２ヒータ
３３温度センサ，下流側温度センサ（サーモパイル）
３４上流側温度センサ（サーモパイル）
Ｓ流路

Claims

被検流体の流路上に配置したヒータと、前記流路における流体の流れ方向に前記ヒータから間隔をおいて配置して前記ヒータから放出される熱を検出してその温度に応じた流速信号を出力する温度センサと、前記温度センサが出力する流速信号に基づいて流量を測定する流量測定手段と、を有する流量計において、
前記被検流体の少流量区分時に前記ヒータを定電圧で駆動する定電圧駆動手段と、
前記少流量区分時以外に前記ヒータを正弦波の駆動信号で駆動する正弦波駆動手段と、
前記温度センサが出力した流速信号に基づいて前記少流量区分時であるか否かを判定して前記定電圧駆動手段又は前記正弦波駆動手段の切り替えを制御する切替制御手段と、
を有するとともに、
前記流量測定手段が、前記定電圧駆動手段による前記ヒータの駆動に応じて、前記温度センサが出力した流速信号に基づいて前記流量を測定する第１測定手段と、前記正弦波駆動手段による前記ヒータの駆動に応じて、前記温度センサが出力した流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する第２測定手段と、を有することを特徴とする流量計。
被検流体の流路上に配置したヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出してその温度に応じた上流側流速信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出してその温度に応じた下流側流速信号を出力する下流側温度センサと、前記上流側温度センサ及び下流側温度センサの少なくとも一方の流速信号に基づいて流量を測定する流量測定手段と、を有する流量計において、
前記ヒータを正弦波の駆動信号で駆動する正弦波駆動手段と、
前記上流側温度センサ及び下流側温度センサの少なくとも一方の流速信号に基づいて、低流速であるか高流速であるかを判別する流速判別手段と、
を有し、
前記流量計測手段が、前記流速判別手段による低流速との判別に応じて、前記上流側温度センサが出力した上流側流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する低流速用測定手段と、前記流速判別手段による高流速との判別に応じて、前記下流側温度センサが出力した下流側流速信号と前記正弦波の駆動信号との位相差に基づいて前記流量を測定する高流速用測定手段と、を有することを特徴とする流量計。