JP2008215870A

JP2008215870A - 流体計測装置及び流体計測方法

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Publication number: JP2008215870A
Application number: JP2007050149A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Oda; 清志小田; Yasuhiro Okamoto; 康広岡本; Mitsuyoshi Anzai; 光芳安齊; Osamu Kimura; 修木村; Hidefumi Ushijima; 秀文牛嶋
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】連続的な計測であっても計測精度の再現性を向上する。
【解決手段】フローセンサ１のヒータ４の温度が前記センサ基体の温度よりも所定温度上昇するように前記ヒータ４を駆動する流体計測装置２０において、流量の計測期間にわたってヒータ４を間欠的に駆動させる制御を行うヒータ制御手段４１ａと、前記ヒータが４駆動を停止する度に上流側温度信号及び下流側温度信号の差を非駆動時温度信号として取り込む非駆動時温度信号取込手段４１ｂと、ヒータ４の駆動に応じて上流側温度センサ８及び下流側温度センサ５が出力する各温度信号の差を、前記非駆動時温度信号に対応した駆動時温度信号として取り込む駆動時温度信号取込手段４１ｃと、該駆動時温度信号を非駆動時温度信号に基づいて補正する補正手段４１ｄと、該補正した駆動時温度信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出手段４１ｅと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体計測装置及び流体計測方法に関し、より詳細には、流路内を流れるガス、水等の流体の流量を、フローセンサを用いて計測する流体計測装置及び流体計測方法に関するものである。

流量測定対象となるガス、水等の流体の流量を計測する流量計測装置としては、熱型のフローセンサを用いたものが知られている。このフローセンサは、流体の温度よりも高い温度を有するヒータを流体の流れの中に配置し、このヒータによって加熱された流体の温度分布が流速の増加に伴って変化するという原理を利用したものである。

このようなフローセンサとしては、特許文献１に示すものが知られており、この従来の熱型のフローセンサを、図８及び図９の図面を参照して説明する。なお、図８は従来の熱型のフローセンサの構成を示す構成図である、図９は図８に示すフローセンサの断面図である。

図８において、フローセンサ１Ａは、Ｓｉ基板（センサ基体）２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるヒータ４、ヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５、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、ヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８、上流側サーモパイル８から出力される上流側温度信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から出力される下流側温度信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂ、を備える。

上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５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５ｂ，８ｂと温接点５ａ，８ａとを有し、熱を検出し、冷接点５ｂ，８ｂと温接点５ａ，８ａ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、図９に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５のそれぞれの温接点とヒータ４が形成されている。

このように構成されたフローセンサ１Ａによれば、ヒータ４が、外部からの駆動電流により加熱を開始すると、ヒータ４から発生した熱は、流体を媒体として、下流側サーモパイル５と上流側サーモパイル８のそれぞれの温接点５ａ，８ａに伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点５ｂ，８ｂは、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点５ａ，８ａと冷接点５ｂ，８ｂの温度差より熱起電カを発生し、温度検出信号を出力する。

流体を媒体として伝達される熱は、流体の熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体の流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５に均等に伝達され、上流側サーモパイル８からの上流側温度信号と下流側サーモパイル５からの下流側温度信号の差信号は、零になる。

一方、流体に流速が発生すると、流速によって下流側サーモパイル５の温接点５ａに伝達される熱量が多くなり、上流側サーモパイル８の温接点８ａに伝達される熱量は少なくなるため、前記下流側温度信号と前記上流側温度信号との差信号は流速に応じた正値になる。

フローセンサ１を用いる場合、流体の温度・圧力や種類によって変化する物性状態によって出力が変化しないようにヒータ４の制御を工夫する必要がある。例えば、加熱されたヒータ４の温度を基体温度（周囲温度）より一定温度だけ上昇するように制御する方法が知られている（特許文献２）。これは、基体２上に周囲温度を計測するための温度センサ１５，１６を配置して周囲温度を計測し、その周囲温度出力よりもヒータ４の温度を一定温度上昇させるようにアナログ回路で制御する。

このような方式の流量計測装置の場合、周囲温度より一定温度だけ高い温度にヒータ４が制御されているため、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５が計測する周囲温度に対する温度分布は、流体の流速のみに影響され、流体の物性状態に影響されにくくなり、高精度の計測を実現できていた。

しかしながら、このようなフローセンサ１においても、測定精度の再現性が悪いという問題が生じていた。特に大流量の計測、つまり、流速が速い場合に再現性が悪く、流量計測範囲の限界の一要因となっていた。

そこで、この問題を鋭意調査したところ、ヒータ４に電流が流れない状態、つまり、フローセンサ１が駆動されていない状態でも、その出力が変化していたことが判明した。以下にその詳細を説明する。

図１０は従来の温度差によるサーモパイルの出力を示す模式図であり、図１１は従来のフローセンサで計測された流体温度と基体温度との温度差とセンサ出力器差（測定誤差）との関係を示したグラフである。そして、測定は、流体の標準状態における１００Ｌ／ｍｉｎで計測されている。

なお、図１１中の縦軸が示す器差は、その単位が％ＲＤ（％ of Reading：読値に対する百分率）となっている。そして、この％ＲＤは、例えば、最大流量が１００Ｌ／ｍｉｎのメータにおいて、１０Ｌ／ｍｉｎの流量を計測した場合に、メータ出力が９Ｌ／ｍｉｎであると、その器差を−１０％ＲＤで示す。そして、このときの公差は−１％ＦＳ（計器の最大計測値に対する百分率）で示すことができる。

図１０に示すように、前述の温度差がないときは、ヒータに電力印加がない場合、温度センサ出力は出力Ｖ０になり、ヒータに電力が印加されたときは出力Ｖ２になるとする。この状態のフローセンサ１でガス温度が基体温度より上昇すると、その分出力Ｖ０も出力Ｖ２も温度上昇し、それぞれ出力Ｖ１と出力Ｖ３になる。ところが、フローセンサ１は常に電力が印加されているため、出力Ｖ０や出力Ｖ１を計測することはできず、本来、出力Ｖ２である出力が出力Ｖ３に変化してしまう。

実際に図８に示すフローセンサ１の出力を計測して誤差を評価した結果が図１１である。その器差は、―３０度の温度差で約＋２０％ＲＤ、＋３０度の温度差で約−２０％ＲＤであることが判明した。

フローセンサ１で周囲温度を計測する温度センサ１５，１６は基体２上にあるため、周囲温度ではなく基体温度を計測してしまい、基体温度よりも一定温度だけ高くなるようにヒータ温度が設定される。従って、流体と基体とに温度差がある場合、基体温度に対するヒータ温度上昇は、ヒータ４が流体を加熱する温度上昇とは異なってしまう。このため、上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５の差出力は、ヒータ４が加熱する温度上昇分に比例してしまい、制御している設定温度上昇との比率分だけ上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５の差出力が変化し、流量計測の誤差になっているものと考えられる。

このようにフローセンサ１のヒータ４の温度がＳｉ基板（センサ基体）２の温度よりも所定温度上昇するようにヒータ４を駆動する流量計測装置においても、センサ基体温度若しくは筐体温度とに温度差があったときに、計測精度が悪くなるという問題があることを追究できた。
特開２００４−１１７１５７号公報特開平４−３４３１５号公報

よって本発明は、上述した問題点に鑑み、フローセンサにおけるヒータの温度がセンサ基体の温度よりも所定温度上昇するようにヒータを駆動しても、連続的な計測結果の再現性を向上することができる流量計測装置及び流体計測方法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記載の流体計測装置は、図１の基本構成図に示すように、センサ基体の表面のダイアフラム上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータ４と、前記ヒータ４に対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側温度センサ８と、前記ヒータ４に対する前記流路の下流側の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサ５と、を有するフローセンサ１を用いて前記流体の流量を計測するに当たり、前記ヒータ４の温度が前記センサ基体の温度よりも所定温度上昇するように前記ヒータ４を駆動する流体計測装置２０において、前記流量の計測期間にわたって前記ヒータ４を間欠的に駆動させる制御を行うヒータ制御手段４１ａと、前記ヒータ制御手段４１ａの制御によって前記ヒータが４駆動を停止する度に、前記上流側温度信号及び前記下流側温度信号の差を非駆動時温度信号として取り込む非駆動時温度信号取込手段４１ｂと、前記ヒータ制御手段４１ａの制御による前記ヒータ４の駆動に応じて前記上流側温度センサ８及び前記下流側温度センサ５が出力する各温度信号の差を、前記非駆動時温度信号取込手段４１ｂが取り込んだ非駆動時温度信号に対応した駆動時温度信号として取り込む駆動時温度信号取込手段４１ｃと、前記駆動時温度信号取込手段４１ｃが取り込んだ駆動時温度信号を、該駆動時温度信号に対応した非駆動時温度信号に基づいて補正する補正手段４１ｄと、前記補正手段４１ｄが補正した駆動時温度信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出手段４１ｅと、を有することを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項１に記載の流体計測装置において、前記上流側温度センサ８及び前記下流側温度センサ５が、測温抵抗体であり、前記非駆動時温度信号取込手段４１ｂと前記駆動時温度信号取込手段４１ｃとがそれぞれの温度信号を取り込むときに駆動し且つそれ以外のときは駆動しないように前記測温抵抗体の駆動を制御するセンサ制御手段４１ｆ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３記載の流体計測方法は、センサ基体の表面のダイアフラム上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度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の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサと、を有するフローセンサに対して、前記ヒータの温度が前記センサ基体の温度よりも所定温度上昇するように駆動して前記流体の流量を計測する流体計測方法において、前記流量の計測期間にわたって前記ヒータを間欠的に駆動し、前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが出力する各温度信号の差として取り込んだ駆動時温度信号を、前記ヒータが駆動を停止しているときに取り込んだ前記上流側温度信号及び前記下流側温度信号の差である非駆動時温度信号に基づいて補正し、該補正した駆動時温度信号に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする。

以上説明したように請求項１，３に記載した本発明によれば、流体の計測期間中は、フローセンサのヒータを間欠的に駆動させ、そして、ヒータの駆動を停止する度に上流側温度センサ及び下流側温度センサから非駆動時温度信号を取り込み、且つ、ヒータの駆動に応じて上流側温度センサ及び下流側温度センサから駆動時温度信号を取り込み、非駆動時温度信号で補正した駆動時温度信号に基づいて流体の流量を算出するようにしたことから、ヒータの温度をセンサ基体の温度よりも所定温度上昇するようにヒータを駆動させる場合でも、急激な流速変動等によってセンサ基体温度と流体温度とに温度差が生じたときに発生する温度センサのオフセット出力をキャンセルすることができるため、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができる。従って、流体の温度とセンサ基体温度の温度差が生じた場合、ヒータを加熱しても誤差要因は残ってしまうが、フローセンサにおけるヒータに対する駆動制御方法を変更するだけで、その誤差要因を解消して連続的な計測であっても計測精度の再現性を向上することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、各温度センサに測温抵抗体を用いた場合、測温抵抗体の自己発熱のために、流体の温度とセンサ基体温度の温度差による誤差よりも大きな誤差が生じることになるが、非駆動時及び駆動時の温度信号を取り込むときに駆動し且つそれ以外のときは駆動しないように測温抵抗体を制御することから、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じたときに発生する温度センサのオフセット出力を確実にキャンセルすることができるため、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができ、計測精度のさらなる向上を図ることができる。

以下、上述した背景技術で説明したフローセンサ１（図１０等を参照）を用いて、流体の流量を計測する本発明に係る流体計測装置の一実施の形態を、図２〜図７の図面と上述した図面とを参照して説明する。なお、フローセンサ１の基本構成については、背景技術のところで説明しているので、詳細な説明は省略する。

図２において、本発明の流体計測装置２０は、例えば、流体であるガスが流れる流路内に設けられたフローセンサ１を用いて、ガスの流量を計測するものである。このフローセンサ１は、上述した図１０に示す構成と同一の構成となっており、詳細な説明は省略する。

フローセンサ１は、センサ基体２の表面のダイアフラム３上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータ４と、前記ヒータ４に対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム３上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側サーモパイル（上流側温度センサ）８と、前記ヒータ４に対する前記流路の下流側の前記ダイアフラム３上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側サーモパイル（下流側温度センサ）５と、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と、上流側サーモパイル８から出力される上流側温度信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂと、下流側サーモパイル５から出力される下流側温度信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂと、センサ基体２（流体）の温度を得るための抵抗１５，１６と、を有している。

流量計測装置２０は、上述したフローセンサ１内の下流側サーモパイル５からの下流側温度信号とフローセンサ１内の上流側サーモパイル８からの上流側温度信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、予め定められたプログラムに従って動作するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４０と、このＭＰＵ４０によって制御されてヒータ４を駆動させる駆動部５０と、を備えて構成される。そして、差動アンプ３３と駆動部５０との各々はＭＰＵ４０に接続されている。

ＭＰＵ４０は、周知のように、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）４１、ＣＰＵ４１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ＲＯＭ４２、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ４１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ＲＡＭ４３等を有して構成している。

ＲＯＭ４２には、フローセンサ１を用いてガスの流量を計測するのに当たり、ＣＰＵ４１（コンピュータ）を、上述した請求項中のヒータ制御手段、非駆動時温度信号取込手段、駆動時温度信号取込手段、補正手段、流量算出手段、センサ制御手段等として機能させる流体計測処理プログラム、後述する温度差出力に基づいて流量を算出する流量算出式を実行するための流量算出プログラム等の各種プログラムを記憶している。

ＣＰＵ４１は、下流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８からの下流側温度信号と上流側温度信号との差である差信号が差動アンプ３３を介して入力される。なお、本最良の形態では、差動アンプ３３を用いる場合について説明するが、本発明はこれに限定するものではなく、アンプで増幅して下流側温度信号及び上流側温度信号をそのままＣＰＵ４１に入力するなど種々異なる形態とすることができる。

駆動部５０は、ＭＰＵ４０に接続しており、ＭＰＵ４０からの指示に応じてヒータ４に対する電力の供給を制御してヒータ４を駆動させる駆動回路等を有している。また、ＣＰＵ４１は、抵抗１５，１６からの基体温度信号が出力端子１７Ａ，１７Ｂを介して入力される。そして、ＣＰＵ４１は、その基体信号に基づいてセンサ基体温度を検出し、該センサ基体温度よりもヒータ４の温度が所定温度上昇するように駆動部５０を制御する。その結果、ヒータ４の温度はセンサ基体２の温度よりも所定温度上昇した状態となる。

次に、上述した構成におけるマイクロコンピュータ４０のＣＰＵ４１が実行する流量計測処理の一例を、図３に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、この流量計測処理は、流体計測装置２０が起動されている状態で常時実行され、流体計測装置２０の動作停止に応じて処理が終了されることを前提としている。

図３に示すステップＳ１１（非駆動時温度信号取込手段）において、非駆動時に上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５がそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の温度差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がヒータ４の非駆動時における温度差出力ＶｏｆｆとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２（ヒータ制御手段）において、抵抗１５，１６からの基体温度信号に基づいてセンサ基体温度が検出され、該センサ基体温度よりも所定温度上昇するように、ヒータ４の加熱開始が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ１３に進む。この指示に応じて駆動部５０は、所定温度上昇するように指定された所定の電圧をヒータ４に印加する。この結果、ヒータ４の周りのガスが加熱されて、所定の温度分布が発生することになる。

ステップＳ１３において、ヒータ４の温度が安定したか否かが判定される。なお、この判定方法としては、ヒータ４を駆動してから温度が安定するまでの時間を予め記憶しておき、タイマを用いて判定する方法など種々異なる実施形態とすることができる。

ステップＳ１３で温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ１３でＮ）、この処理を繰り返すことで、温度が安定するのを待つ。一方、温度が安定していると判定された場合は（Ｓ１３でＹ）、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４（駆動時温度信号取込手段）において、駆動時に上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５がそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の温度差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がヒータ４の駆動時における温度差出力ＶｏｎとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５（ヒータ制御手段）において、ヒータ４の加熱停止が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ１６に進む。この結果、ヒータ４はガスの加熱を停止することになる。

ステップＳ１６（補正手段）において、ＲＡＭ４３の温度差出力Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆの差（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）が算出されることで、ヒータ４の上昇温度の変化により温度差出力Ｖｏｎに生じた誤差が補正され、ステップＳ１７（流量算出手段）において、その温度差出力Ｖｏｎと予め定められた流量算出式に基づいて、１回の計測当たりの流量が算出されて流量情報としてＲＡＭ４３に記憶され、その後、ステップＳ１８において、流量情報は予め定められた例えば表示装置に出力されることで表示装置に表示され、その後ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９において、ステップＳ１５で駆動が停止されたヒータ４の非駆動時温度が安定したか否かが判定される。ステップＳ１３と同様に、非駆動時温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ１９でＮ）、この判定処理を繰り返すことで、非駆動時温度が安定するのを待つ。一方、非駆動時温度が安定していると判定された場合は（Ｓ１９でＹ）、ステップＳ１１に戻り、一連の処理が繰り返される。なお、直ちにステップＳ１１に戻る必要はなく、一定時間経過した後に戻るようにしてもよい。

ここで、上述した構成の流体計測装置及びその計測方法が有効である理由を説明する。ヒータ４の非駆動時の温度差出力Ｖｏｆｆを間欠的に計測し、ヒータ４の駆動時の温度差出力Ｖｏｎをその温度差出力Ｖｏｆｆで補正するようにしたことから、誤差因子がキャンセルされるため、ガス温度とセンサ基体温度の温度差により生じる誤差を無くすことができる。

次に、上述した構成の流体計測装置２０の動作（作用）の一例を、図４及び図５の図面を参照して以下に説明する。なお、図４はヒータの印加電圧とフローセンサの出力例の一例を説明するためのグラフであり、図５は本発明による温度差と器差との関係を示すグラフである。

流体計測装置２０によって上述した流量計測処理が実行されると、フローセンサ１のヒータ４には、図４（ａ）の実線で示す駆動信号Ｇによる予め定められたタイミングで間欠的に、センサ基体温度よりも所定温度上昇する電圧Ｖｈが印加されることで、ヒータ４は駆動される。そして、本最良の形態では、ヒータ４に電圧Ｖｈを印加する駆動時間Ｔ１と、電圧を印加しない非駆動時間Ｔ２と、を１周期としたパルス信号で、ガスの計測を開始してから終了するまでの計測期間中は、ヒータ４を制御するようにしている。なお、本最良の形態では、計測期間を流体計測装置２０の起動時としているが、任意に設定するなど種々異なる形態とすることができる。

また、駆動時間Ｔ１は、ヒータ４がガス（流体）を加熱して所定の温度分布を発生させるのに十分な時間となり、非駆動時間Ｔ２は、ヒータ４による加熱を停止してから常温に戻るのに十分な時間となっている。なお、ヒータ４の制御方法については、流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたってヒータ４を予め定められたタイミングで間欠的に駆動させるなど様々なタイミングで制御することができる。

ガスとセンサ基体２との間に温度差が生じていない場合、駆動信号Ｇに応じてフローセンサ１が検出して出力する信号は温度信号Ｇ１で示される。そして、ガスとセンサ基体２とに温度差が生じると、温度信号Ｇ１よりもΔＶだけ高い電圧値を示す温度信号Ｇ２で示される。

このようにフローセンサ１の制御については、電圧Ｖｈを間欠的に印加するか連続的に印加するかで、従来技術と本発明とは異なっているが、図４に示すように、フローセンサ１の各サーモパイルからの出力は、ガスとセンサ基体との間に生じた温度差に応じて変化している。

このようなフローセンサ１に対し、流体計測装置２０は、ヒータ４に電圧Ｖｈを印加していない、図４中の測定点Ｐ１において、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から温度差出力Ｖｏｆｆをそれぞれ取り込み、ヒータ４によるガスの加熱を開始させる。

図４中の測定点Ｐ２において、加熱されたガス等の温度が安定した状態で、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から温度差出力Ｖｏｎを取り込み、ヒータ４によるガスの加熱を停止させる。

取り込んだ温度差出力Ｖｏｎを温度差出力Ｖｏｆｆで補正し、その温度差出力Ｖｏｎと流量算出式とを用いてガスの流量を算出し、該流量を流量情報として例えば表示装置等に出力して表示させる。

その後、図４中の測定点Ｐ３において、停止されたヒータ４の非駆動時温度が安定すると、測定点Ｐ１と同様に、温度差出力Ｖｏｆｆを取り込み、ヒータ４によるガスの加熱を開始させる。そして、図４中の測定点Ｐ４において、加熱されたガス等の温度が安定すると、測定点Ｐ２と同様に、温度差出力Ｖｏｎをそれぞれ取り込み、ヒータ４によるガスの加熱を停止させる。そして、上述したように補正した温度差出力Ｖｏｎに基づいて流量を算出する。

以降も、ガスの計測期間中は、上述した処理を繰り返すことで、流量の計測時に、常に誤差因子を排除した温度差出力Ｖｏｎに基づいて流量の算出を行う。

上述した発明が解決しようとする課題で説明した測定条件と同一の測定条件で温度差と器差との関係を確認したところ、図５に示す結果を得ることができた。詳細には、センサ基体とガス温度差とを約−３０〜３０度の範囲で変化させたとき、図５に示すように、その器差は−３０度のときが約１％ＲＤ、−１５度のときが約０％ＲＤ、−５度のときが約０．５％ＲＤ、５度のときが約０％ＲＤ、１５度のときが約０％ＲＤ、３０度のときが約−１％ＲＤという測定結果を得ることができた。つまり、このように本発明の流体計測装置２０によって、温度差の変化による器差の発生を解消することができた。

以上説明したように本発明の流体計測装置２０によれば、流体の計測期間中は、フローセンサ１のヒータ４を間欠的に駆動させ、そして、ヒータ４の駆動を停止する度に上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から非駆動時温度信号を取り込み、且つ、ヒータ４の駆動に応じて上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から駆動時温度信号を取り込み、非駆動時温度信号で補正した駆動時温度信号に基づいて流体の流量を算出するようにしたことから、ヒータ４の温度をセンサ基体２の温度よりも所定温度上昇するようにヒータ４を駆動させる場合でも、急激な流速変動等によってセンサ基体温度２とガス温度とに温度差が生じたときに発生するサーモパイルのオフセット出力をキャンセルすることができるため、センサ基体温度２とガス温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができる。従って、ガス温度とセンサ基体温度の温度差が生じた場合、ヒータ４を加熱しても誤差要因は残ってしまうが、フローセンサ１におけるヒータ４に対する駆動制御方法を変更するだけで、その誤差要因を解消して連続的な計測であっても計測精度の再現性を向上することができる。

なお、上述した本最良の形態では、請求項中の各手段をＭＰＵ４０によって実現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、例えば、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＡＳＩＣ（application specific IC）で実現するなど種々異なる形態とすることができる。

実施例１では、上流側及び下流側の各温度センサにサーモパイルを用いた場合について説明したが、実施例２では、各温度センサに測温抵抗体を用いた場合について、図６等の図面を参照して以下に説明する。なお、実施例１のところで説明したものと同一あるいは相当する部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

フローセンサ１は、センサ基体２の表面のダイアフラム３上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータ４と、前記ヒータ４に対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム３上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側測温抵抗体（上流側温度センサ）８Ａと、前記ヒータ４に対する前記流路の下流側の前記ダイアフラム３上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側測温抵抗体（下流側温度センサ）５Ａと、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と、上流側測温抵抗体８Ａから出力される上流側温度信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂと、下流側測温抵抗体５Ａから出力される下流側温度信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂと、センサ基体２（流体）の温度を得るための抵抗１５，１６と、を有している。

流量計測装置２０は、上述したフローセンサ１内の下流側測温抵抗体５Ａからの下流側温度信号とフローセンサ１内の上流側測温抵抗体８Ａからの上流側温度信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、上述したマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４０と、このＭＰＵ４０によって制御されてヒータ４を駆動させる駆動部５０と、を備えて構成される。ＭＰＵ４０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３等を有して構成している。

下流側測温抵抗体５Ａ及び上流側測温抵抗体８Ａは、ＭＰＵ４０に接続しており、ＭＰＵ４０からの制御によって駆動され、駆動状態ではそれぞれ流体の温度を検出して下流側及び上流側温度信号としてＭＰＵ４０に出力する。また、ＣＰＵ４１は、下流側測温抵抗体５及び上流側測温抵抗体８からの下流側温度信号と上流側温度信号との差である差信号が差動アンプ３３を介して入力される。

次に、上述した構成におけるマイクロコンピュータ４０のＣＰＵ４１が実行する流量計測処理の一例を、図７に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、この流量計測処理は、流体計測装置２０が起動されている状態で常時実行され、流体計測装置２０の動作停止に応じて処理が終了されることを前提としている。

図７に示すステップＳ３１（センサ制御手段）において、ヒータ４を加熱しない状態で、定電流によって上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａが駆動され、電気的に安定すると、ステップＳ３２（非駆動時温度信号取込手段）において、ヒータ４の非駆動時に上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａがそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の温度差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がヒータ４の非駆動時における温度差出力ＶｏｆｆとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ３３（センサ制御手段）において、上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａの駆動が停止され、その後ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４（ヒータ制御手段）において、抵抗１５，１６からの基体温度信号に基づいてセンサ基体温度が検出され、該センサ基体温度よりも所定温度上昇するように、ヒータ４の加熱開始が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ３５に進む。

ステップＳ３５において、ヒータ４の温度が安定したか否かが判定される。温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ３５でＮ）、この処理を繰り返すことで、温度が安定するのを待つ。一方、温度が安定していると判定された場合は（Ｓ３５でＹ）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６（センサ制御手段）において、ヒータ４を加熱した状態で、定電流によって上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａが駆動され、電気的に安定すると、ステップＳ３７（駆動時温度信号取込手段）において、ヒータ４の駆動時に上流側測温抵抗８及び下流側測温抵抗５がそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の温度差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がヒータ４の駆動時における温度差出力ＶｏｎとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３８（センサ制御手段）において、上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａの駆動が停止され、その後ステップＳ３９（ヒータ制御手段）において、ヒータ４の加熱停止が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ４０に進む。この結果、ヒータ４はガスの加熱を停止することになる。

ステップＳ４０（補正手段）において、ＲＡＭ４３の温度差出力Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆの差（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）が算出されることで、ヒータ４の上昇温度の変化により温度差出力Ｖｏｎに生じた誤差が補正され、ステップＳ４１（流量算出手段）において、その温度差出力Ｖｏｎと予め定められた流量算出式に基づいて、１回の計測当たりの流量が算出されて流量情報としてＲＡＭ４３に記憶され、その後、ステップＳ４２において、流量情報は予め定められた例えば表示装置に出力されることで表示装置に表示され、その後ステップＳ４３に進む。

ステップＳ４３において、ステップＳ３９で駆動が停止されたヒータ４の非駆動時温度が安定したか否かが判定される。非駆動時温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ４３でＮ）、この判定処理を繰り返すことで、非駆動時温度が安定するのを待つ。一方、非駆動時温度が安定していると判定された場合は（Ｓ４３でＹ）、ステップＳ３１に戻り、一連の処理が繰り返される。なお、直ちにステップＳ３１に戻る必要はなく、一定時間経過した後に戻るようにしてもよい。

次に、上述した構成の流体計測装置２０の実施例２に係る動作（作用）の一例を以下に説明する。

流体計測装置２０によって上述した流量計測処理が実行されると、流体計測装置１０は、フローセンサ１のヒータ４を実施例１と同様に予め定められたタイミングで間欠的に駆動させる。そして、流体計測装置２０は、ヒータ４を駆動していない状態で、温度差出力Ｖｏｆｆを取り込むに当たり、測温抵抗体５Ａ，８Ａを駆動して電気的に安定すると、測温抵抗体５Ａ，８Ａから温度差出力Ｖｏｆｆを取り込み、測温抵抗体５Ａ，８Ａの駆動を停止した後に、ヒータ４によるガスの加熱を開始させる。

ヒータ４によって加熱されたガス等の温度が安定した状態になると、測温抵抗体５Ａ，８Ａを駆動して電気的に安定した後、測温抵抗体５Ａ，８Ａから温度差出力Ｖｏｎを取り込み、測温抵抗体５Ａ，８Ａの駆動を停止した後に、ヒータ４によるガスの加熱を停止させる。

取り込んだ温度差出力Ｖｏｎを温度差出力Ｖｏｆｆで補正し、その温度差出力Ｖｏｎと流量算出式とを用いてガスの流量を算出し、該流量を流量情報として例えば表示装置等に出力して表示させる。以降も、ガスの計測期間中は、上述した処理を繰り返すことで、流量の計測時に、常に誤差因子を排除した温度差出力Ｖｏｎに基づいて流量の算出を行う。

実施例２のようにフローセンサ１の各温度センサに測温抵抗体５Ａ，８Ａを用いた場合、測温抵抗体５Ａ，８Ａの自己発熱のために、ガス温度とセンサ基体温度の温度差による誤差よりも大きな誤差が生じることになるが、非駆動時及び駆動時の温度信号を取り込むときに駆動し且つそれ以外のときは駆動しないように測温抵抗体５Ａ，８Ａを制御することから、センサ基体温度とガス温度とに温度差が生じたときに発生する温度センサのオフセット出力を確実にキャンセルすることができるため、センサ基体温度とガス温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができ、計測精度のさらなる向上を図ることができる。

しかも、実施例２に係る流体計測装置２０によれば、実施例１と同様に、流体の計測期間中はフローセンサ１のヒータ４を間欠的に駆動させ、そして、ヒータ４の駆動を停止する度に上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａから非駆動時温度信号を取り込み、且つ、ヒータ４の駆動に応じて上流側測温抵抗体８Ａ及び下流側測温抵抗体５Ａから駆動時温度信号を取り込み、非駆動時温度信号で補正した駆動時温度信号に基づいて流体の流量を算出するようにしたことから、ヒータ４の温度をセンサ基体２の温度よりも所定温度上昇するようにヒータ４を駆動させる場合でも、急激な流速変動等によってセンサ基体温度２とガス温度とに温度差が生じたときに発生する測温抵抗体のオフセット出力をキャンセルすることができるため、センサ基体温度２とガス温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができる。従って、ガス温度とセンサ基体温度の温度差が生じた場合、ヒータ４を加熱しても誤差要因は残ってしまうが、フローセンサ１におけるヒータ４に対する駆動制御方法を変更するだけで、その誤差要因を解消して連続的な計測であっても計測精度の再現性を向上することができる。

なお、上述した実施例１，２では、流体計測装置２０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、流体計測装置２０をガスメータに組み込んで実現したり、水、薬品などの流体を計測する機器として実現するなど種々異なる形態とすることができる。

このように上述した実施例１，２は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子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。

本発明に係る流体計測装置の基本構成を示す構成図である。フローセンサを用いた流量計測装置の実施例１に係る構成ブロック図である。図２のマイクロコンピュータが実行する本発明に係る流量計測処理の一例を示すフローチャートである。ヒータの印加電圧とフローセンサの出力例の一例を説明するためのグラフである。本発明による温度差と器差との関係を示すグラフである。フローセンサを用いた流量計測装置の実施例２に係る構成ブロック図である。図６のマイクロコンピュータが実行する本発明に係る流量計測処理の一例を示すフローチャートである。従来の熱型のフローセンサの構成を示す構成図である。図８に示すフローセンサの断面図である。従来の温度差によるサーモパイルの出力を示す模式図である。従来のフローセンサで計測された流体温度と基体温度との温度差とセンサ出力器差（測定誤差）との関係を示したグラフである。

符号の説明

１フローセンサ（フローセンサ）
４ヒータ
５，５Ａ下流側温度センサ
８，８Ａ上流側温度センサ
１５，１６抵抗
２０流体計測装置
４１ａヒータ制御手段（ＣＰＵ）
４１ｂ非駆動時温度信号取込手段（ＣＰＵ）
４１ｃ駆動時温度信号取込手段（ＣＰＵ）
４１ｄ補正手段（ＣＰＵ）
４１ｅ流量算出手段（ＣＰＵ）
４１ｆセンサ制御手段（ＣＰＵ）

Claims

センサ基体の表面のダイアフラム上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度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の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサと、を有するフローセンサを用いて前記流体の流量を計測するに当たり、前記ヒータの温度が前記センサ基体の温度よりも所定温度上昇するように前記ヒータを駆動する流体計測装置において、
前記流量の計測期間にわたって前記ヒータを間欠的に駆動させる制御を行うヒータ制御手段と、
前記ヒータ制御手段の制御によって前記ヒータが駆動を停止する度に、前記上流側温度信号及び前記下流側温度信号の差を非駆動時温度信号として取り込む非駆動時温度信号取込手段と、
前記ヒータ制御手段の制御による前記ヒータの駆動に応じて前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが出力する各温度信号の差を、前記非駆動時温度信号取込手段が取り込んだ非駆動時温度信号に対応した駆動時温度信号として取り込む駆動時温度信号取込手段と、
前記駆動時温度信号取込手段が取り込んだ駆動時温度信号を、該駆動時温度信号に対応した非駆動時温度信号に基づいて補正する補正手段と、
前記補正手段が補正した駆動時温度信号に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出手段と、
を有することを特徴とする流体計測装置。
前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが、測温抵抗体であり、
前記非駆動時温度信号取込手段と前記駆動時温度信号取込手段とがそれぞれの温度信号を取り込むときに駆動し且つそれ以外のときは駆動しないように前記測温抵抗体の駆動を制御するセンサ制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
センサ基体の表面のダイアフラム上に設けられて流路内を流れる流体を加熱するヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して上流側温度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の前記ダイアフラム上に設けられて前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサと、を有するフローセンサに対して、前記ヒータの温度が前記センサ基体の温度よりも所定温度上昇するように駆動して前記流体の流量を計測する流体計測方法において、
前記流量の計測期間にわたって前記ヒータを間欠的に駆動し、前記上流側温度センサ及び前記下流側温度センサが出力する各温度信号の差として取り込んだ駆動時温度信号を、前記ヒータが駆動を停止しているときに取り込んだ前記上流側温度信号及び前記下流側温度信号の差である非駆動時温度信号に基づいて補正し、該補正した駆動時温度信号に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする流体計測方法。