JP2009243958A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの異常判定をより詳細に、何が原因であるかを判定できる熱式流量計を提供する。
【解決手段】流体が流れる流路に配置され、該流体を加熱するヒータ素子Ｒｈと、ヒータ素子によって加熱された流体の温度を測定する感温素子Ｒｕ，Ｒｄを備えたセンサチップと、ヒータ素子へ印加する電気的信号に基づく判定と、感温素子から出力される電気的信号に基づく判定との相関関係からこれに対応する異常を判定し出力する出力制御部を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ヒータ素子へ印加する電気的信号と、流量であるセンサ信号とによって異常の原因を判定できる熱式フローセンサ及びその異常判定方法に関する。

各種流体の質量流量を高精度に検出可能な流量センサとして、従来より、センサチップが知られている。図８は、半導体基板Ｂ（センサチップ）の斜視図であり、図９はその断面図を示したものである。このようなセンサチップは、例えばシリコン基板からなる半導体基板Ｂの表面上に絶縁膜層を形成し、その内部には、ヒータ素子Ｒｈを間にして一対の感温素子Ｒｕ、Ｒｄが形成されている。これらヒータ素子Ｒｈ及び一対の感温素子Ｒｕ、Ｒｄは、例えば白金（Ｐｔ）の薄膜抵抗体によって形成されている。

これらのヒータ素子Ｒｈを間にして一対の感温素子Ｒｕ、Ｒｄは、半導体基板Ｂの中央部がキャビティ（凹部）Ｃとして異方性エッチングにより除去され、基板と熱的に絶縁された肉薄のダイヤフラムＤ上に流体の通流方向Ｆに沿って並べて設けられている。図８、図９中において、Ｒｒは、半導体基板ＢのダイヤフラムＤから離れた位置に設けられ、センサチップの周囲温度（流体温度）を検出する温度検出素子である。つまり、このような構成のセンサチップの検出面上に流れが生ずると、図９（ｂ）に示すように、ヒータ両側の温度分布の対称性が崩れ、上流側温度センサＲｕの受ける温度は低下し、下流側温度センサＲｄの受ける温度は上昇する。

このようなセンサチップを用いた熱式流量計によって、発熱体の異常を検出する技術としては、いくつかの技術が開示されている。例えば、低流量域を測定する熱式流量計（マイクロフローセンサ（登録商標））と、高流量域を測定するカルマン流量計等の流量計を組み合わせた複合型流量計によって、熱式流量計の流量信号と流量計の流量信号等をマイコンに入力して、この両者の信号を比較することにより、熱式流量計に特有の故障モードを明確に判定する技術が知られている（特許文献１参照）。

また、他の開示された技術では、ヒータエレメントと、そのヒータエレメント上を移動する流体により引き起こされる熱移動により抵抗値を変化させる測温抵抗エレメントで構成され、流速センサを用いて流体の流速を検出し、流速の測定中に流速センサが異常であるか否かを常時検出する流速検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、測温抵抗エレメントを用いて、ヒータエレメントの上を移動する流体により引き起こされる熱移動を検出することで、流速を検出する場合、ヒータエレメントの加熱を一時的に停止させ、その場合に測温抵抗エレメントから発生される検出信号が規定の値であるか否かにより、流速センサが故障しているか否か、つまり断線しているか否かを検出する流速検出装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平０４−１１３２２８号公報（２頁、図１） 特開平１０−１９６２６号公報（３、４頁、図２） 特開平１０−３８６５３号公報（３頁、図５）

しかしながら、上記特許文献１〜３のものは、測温体が抵抗体やサーモパイルによって構成され、また、発熱体はヒータとしての抵抗体であるため、いずれも断線という事態が起こりうる。つまりこの断線を異常と見なして異常判定が行われていた。

また、同出願人による特開２００３−２４７８７６号公報において、所要とする定常流量域での流体流量を測定すると共に、定常流量域を外れた大量の流体が通流する場合に、その流量を検出する熱式流量計の技術を出願している。

これは、一対の感温素子の近傍温度をその周囲温度よりも一定温度だけ高く維持するに必要な熱エネルギーに相当するヒータ素子の駆動電力が流体の流量に応じて変化すると、大流量時で一対の感温素子が検出する温度差に基づいて高精度に求められる流量がその流量計測域を外れた過大流量について計測できる熱式流量計の技術を有している。

ここで、上述したようなこれらの技術において、異常の原因として考えられるものは、第一に上述したような熱式流量計のセンサチップの測温体の断線が考えられる。第二に熱式流量計の最大検出流量を超える場合、すなわち過大流量が挙げられる。これは、実際の流量が上限付近までは流量は比例的にその信号出力を上昇させるが、上限を超えたある程度まではある一定の信号出力を維持してしまう。この一定の信号出力が行われている時点では、異常は認められるものの測温体が断線しているのか過大流量であるのか特定することができない。第三に実際の流量が更に増加すると、発熱体から生じた熱のうち、被測定流体に奪われる熱が多くなり、発熱体から測温抵抗体まで熱が届かなくなる事態が発生するので、出力信号は比例的に低下しているが出力流量は正常値を示してしまう。また第四に、発熱体は実際の流量がゼロになるとセンサ信号もゼロとなるが、被測定流体の流れ方向が正方向ではなく逆方向になった場合は、前記逆方向の流れに応じた出力信号に対応した出力流量が出力されるので、被測定流体が正方向で流れているのか逆方向で流れているのか特定することができない。

このように従来の熱式流量計における測温体の異常判定は、測温体からの信号出力によって行われているため、断線なのか過大流量によるものなのか何が原因であるかが特定できないといった問題があった。

本発明の目的は、ヒータ異常判定とともにセンサの異常判定を組み合わせて、より詳細に、何が原因であるかを判定できる熱式流量計を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の熱式流量計は、
流体が流れる流路に配置され、該流体を加熱するヒータ素子と、該ヒータ素子によって加熱された流体の温度を測定する感温素子を備えたセンサチップと、
ヒータ素子へ印加する電気的信号に基づく判定と、感温素子から出力される電気的信号に基づく判定との相関関係からこれに対応する異常を判定し出力する出力制御部を有することを特徴としている。

今までは、逆流発生や使用範囲を超えた過大流量を原因とする異常が特定できなかったが、ヒータ素子と感温素子とからの電気的信号とを組み合わせてそれらの相関関係から異常判定を行うことで異常原因を特定することが可能となった。

また、本発明の請求項２に記載の熱式流量計は、請求項１に記載の熱式流量計において、
前記ヒータ素子へ印加する電気的信号はヒータ信号であり、前記感温素子から出力される電気的信号はセンサ信号である前記請求項１に記載の熱式流量計であって、
流体が流れる流路に配置され、該流体を加熱するヒータ素子と、該ヒータ素子によって加熱された流体の温度を測定する感温素子を備えたセンサチップと、
ブリッジ回路に印加される駆動電圧と前記ヒータ素子に印加される電圧とから電圧差であるヒータ信号を出力するヒータ駆動回路と、
前記センサチップに沿って通流する流量をセンサ信号として出力する流量検出回路と、
前記ヒータ駆動回路から出力されたヒータ信号と前記流量検出回路から出力されたセンサ信号から異常を判定し出力する出力制御部を有し、
前記出力制御部は、
前記ヒータ駆動回路から前記ヒータ信号を取得するヒータ信号取得手段と、
前記流量検出回路から前記センサ信号を取得するセンサ信号取得手段と、
前記ヒータ信号取得手段が取得した前記ヒータ信号と前記センサ信号取得手段が取得した前記センサ信号とが記憶される記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記ヒータ信号と前記センサ信号とを読み出してそれぞれの異常の判定し、異常と判定された場合にそれらの判定結果の相関関係からこれに対応する異常を判定する判定手段と、
前記ヒータ信号取得手段が取得した前記ヒータ信号と、前記センサ信号取得手段が取得した前記センサ信号と、異常の有無を判定した結果を外部の出力部に出力する出力手段からなることを特徴としている。

また、本発明の請求項３に記載の熱式流量計は、請求項１または２に記載の熱式流量計において、
前記感温素子が前記流路の上流側と下流側に配置され、かつ前記ヒータ素子が前記一対の感温素子間に配置されていることを特徴としている。

感温素子及びヒータ素子がこのように配置されていることによって、熱式流量計の異常判定を確実に行うことができる。

また、本発明の請求項４に記載の熱式流量計は、請求項１乃至３の何れかに記載の熱式流量計において、
前記感温素子が発熱可能で、前記感温素子とヒータ素子が別々に備わる代わりに前記感温素子が、前記ヒータ素子の役目を兼ねていることを特徴としている。

感温素子とヒータ素子とが兼用されてこのように配置されていても、熱式流量計の異常判定を確実に行うことができる。

また、本発明の請求項５に記載の熱式流量計は、請求項１乃至４の何れかに記載の熱式流量計において、
前記ヒータ素子の周囲のガス種類と、該ガスによって異常判定を行う際のヒータ信号とセンサ信号のそれぞれの閾値が記憶される前記記憶手段と、
使用するガスを設定する入力部と、
前記入力部で設定されたガスの前記閾値それぞれに基づき前記ヒータ信号と、
前記センサ信号とを組み合わせて異常を判定する前記判定手段と、
異常の有無を判定した結果を外部の前記出力部に出力することを特徴としている。

熱式流量計がこのような構成を有することで、今までは、逆流発生や使用範囲を超えた過大流量を原因とする異常が、ガス種類が変わることによって特定できなかったが、ヒータ素子の周囲のガス種類を設定することで、設定されたガス種類に対応する閾値に基づいてヒータ信号とセンサ信号とを組み合わせて異常判定を行うことでさらに正確な異常原因を特定することが可能となった。

また、本発明の請求項６に記載の熱式流量計は、請求項１乃至５の何れかに記載の熱式流量計において、
前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定すると共に上限値Ｖ２ａ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂでない場合、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１であるかを判定するセンサ信号判定を行ない、
前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ａ＞ヒータ信号Ｖ２でない場合であって、前記センサ信号判定の結果が、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１である場合に計測範囲外の逆流検知と判定することを特徴としている。

流体の逆流を確実に検知して異常判断を行なうことができるようになる。

また、本発明の請求項７に記載の熱式流量計は、請求項１乃至５の何れかに記載の熱式流量計において、
前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを第一に判定すると共に、上限値Ｖ２ｂ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂでない場合、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１であるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１でない場合、上限値Ｖ１ｂ＜センサ信号Ｖ１であるかを判定するセンサ信号判定を行い、
前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ｂ＞ヒータ信号Ｖ２でない場合であって、前記センサ信号判定の結果が、上限値Ｖ１ｂ＜センサ信号Ｖ１である場合に計測範囲外の過大流量検知と判定することを特徴としている。

流体の過大流量によってヒータが熱を奪われてセンサ出力が正常値と誤判断されるのを防止できるようになる。

また、本発明の請求項８に記載の熱式流量計は、請求項１乃至５の何れかに記載の熱式流量計において、
前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定すると共に上限値Ｖ２ｂ＜ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定するセンサ信号判定を行い、
前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ｂ＜ヒータ信号Ｖ２であって、前記センサ信号判定の結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂである場合に過大流量検知と判定することを特徴としている。

これにより、センサ信号が上限値であるにもかかわらず、ヒータがさらに加熱されることを防止できるようになる。

本発明の請求項９に記載の熱式流量計は、請求項１乃至８の何れかに記載の熱式流量計において、
前記ヒータ素子の周囲の温度は、前記ガス種類によって異なり、該温度による閾値を前記記憶手段に記憶させることを特徴としている。

熱式流量計がこのような構成を有することで、今までは、逆流発生や使用範囲を超えた過大流量を原因とする異常がヒータ素子周辺のガス温度が変わることによって特定できなかったが、ヒータ素子の周囲のガス温度を検出し、そのガス温度に対応する閾値に基づいてヒータ信号とセンサ信号とを組み合わせて異常判定を行うことでさらに正確な異常原因を特定することが可能となった。

本発明によると、流量に応じたセンサ素子の出力信号と、ヒータ素子の出力信号との両者を組み合わせてその両者の相関関係からこれに対応する異常判定を行うことで、異常の原因を正確に特定する熱式流量計を提供することができる。

以下、本発明の第一の実施形態に係る熱式流量計を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る熱式流量計を実施するための回路図である。図１中、点線で囲まれた回路は、上記背景技術にて説明した流量センサであり、温度検出素子Ｒｒ、感温素子（上流側）Ｒｕ、ヒータ素子Ｒｈ、感温素子（下流側）Ｒｄからなる。

また、この熱式流量計の回路は、ヒータ駆動回路３として、ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を制御し、流量検出回路４は、感温素子Ｒｕ、Ｒｄの抵抗値変化から流体の流量を検出するように構成されている。つまり、感温素子Ｒｕ、Ｒｄによって検出される温度差ΔＴから流体の流量Ｑを求めることができる。

また、出力制御部（マイコン）５は、本実施形態では例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＩＯポートなどを有するワンチップマイコンを用いることが好適である。さらに、この出力制御部（マイコン）５には、出力部６が接続されている。出力部６は、例えばプリンタ、液晶ディスプレイ装置やＥＬディスプレイ装置などの表示装置、通信ポートなどであり、ヒータ信号やセンサ信号、あるいは異常を判定した結果を文字や図形などで報知する、あるいは通信ポートによって遠隔位置の表示装置やプリンタ等に報知できるように構成されている。

ヒータ駆動回路３は、ヒータ素子Ｒｈと、温度検出素子Ｒｒと、一対の固定抵抗体Ｒ１、Ｒ２により構成される温度制御用の第一ブリッジ回路３ａと、電流電圧Ｖｃｃの印加により第一ブリッジ回路３ａの駆動電圧を可変するトランジスタ３ｂと、第一ブリッジ回路３ａのブリッジ出力電圧ＶａとＶｂの電位差がゼロとなるようにトランジスタ３ｂの作動を帰還制御する差動増幅器３ｃからなる。この差動増幅器３ｃは、その出力によるトランジスタ３ｂの帰還制御によりヒータ素子Ｒｈの発熱温度が温度検出素子Ｒｒによって検出される周囲温度Ｔよりも常に一定温度ΔＴだけ高くなるように制御している。

流量検出回路４は、ヒータ素子Ｒｈを間にして流体の通流方向に設けられた一対の感温素子Ｒｕ、Ｒｄと、固定抵抗体Ｒｘ、Ｒｙからなる第二ブリッジ回路４ａと、第二ブリッジ回路４ａ感温素子Ｒｕ、Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧Ｖ１の電位差を検出する差動増幅器４ｂにより構成されている。

この流量検出回路４は、前述した温度検出素子Ｒｒによって検出される温度Ｔよりも、感温素子Ｒｕ、Ｒｄ付近の温度を一定温度ΔＴだけ高くするために、ヒータ素子Ｒｈを発熱駆動している。これは流量Ｑが増加すると、流体によって奪われる熱が増加する。流量検出回路４は、この奪われた熱を補うためにヒータ素子Ｒｈの発熱量を増加させる。結果、ヒータ素子Ｒｈによるヒータ信号Ｖ２は流量が１００％を超えても増加し続けることとなる。

そして、熱式流量計の状態は、ヒータ駆動回路３によって出力されたブリッジ出力電圧Ｖａとヒータ素子Ｒｈに印加される電圧Ｖｂと、流量検出回路４によって得られたブリッジ出力電圧（センサ信号）Ｖ１から、出力制御部（マイコン）５によって判定されるものである。回路図（図１）では、ヒータ信号Ｖ２は、Ｖａ−Ｖｂで求められる。ここで本実施形態では、熱式流量計は流量によって電流（Ｉ）の変化を検出しており、抵抗Ｒ１の値が一定であることから、電流Ｉを検出して流量換算する。つまりＶａ−Ｖｂ＝Ｉ＊（Ｒ１＋Ｒｈ）−Ｉ＊Ｒｈ＝Ｉ＊Ｒ１によって流量変換される。

次に、上述した出力制御部（マイコン）５について詳細に説明する。図２は、出力制御部（マイコン）５を構成するブロック構成図である。ヒータ信号取得手段５１は、ヒータ駆動回路３からブリッジ出力電圧Ｖａ、Ｖｂを受けて、ヒータ信号Ｖ２を取得する。センサ信号取得手段５２は、流量検出回路４からセンサ信号Ｖ１を取得する。記憶手段５３は、上述したように出力制御部５を構成するＲＡＭやフラッシュメモリからなり、センサ信号値やヒータ信号値を記憶するようになっている。

ＣＰＵ５４は、演算手段であり実際の演算を行う。判定手段５５は、例えばＲＯＭなどであり、判定する手順としての実行プログラム等を記憶しており、実際に演算を行うのはＣＰＵ５４であるが、判定手段５５によって判定処理を行う。

出力手段（ＩＯポート）５６は、判定手段５５によって判定された結果や、出力制御部５が取得したヒータ信号Ｖ２の値やセンサ信号Ｖ１の値を、外部に接続されているディスプレイ装置やプリンタ装置に信号を出力するか、あるいは遠隔地に配置されたディスプレイ装置やプリンタ装置などの出力部６に信号を出力するものである。

ここで、熱式流量計の測温体の出力特性と、発熱体の出力特性について説明する。図３は、熱式流量計のセンサ信号特性と発熱体のヒータ信号特性の変化の様子を示した図である。同図において、横軸は計測範囲の流量Ｑ（％）を示し、縦軸はセンサ信号Ｖ１（電圧）とヒータ信号Ｖ２（電流）の換算値を示しており、実線は図１での出力制御部５で得られるセンサ信号Ｖ１、点線は出力制御部５で得られるヒータ信号Ｖ２を示している。特性において、Ｖ１ａは、逆流によって最小出力電圧を示し、Ｖ１ｂは最大出力電圧を示しており、ここで飽和状態となる。Ｖ２ａは、流量がマイナスでありここで逆流し始める。また、Ｖ２ｂより流量が増えると過大電流となる。さらにＶ２ｚは流量が略ゼロの時のヒータ電流を示し、これ以下だとヒータに異常があるものとする。このような状態の判定は出力制御部（マイコン）５によって行われ、図４に熱式流量計の異常判定の組合せを示す。本発明では、このヒータ素子へ印加する電気的信号に基づく判定と、感温素子から出力される電気的信号に基づく判定との相関関係からこれに対応する熱式流量計の様々な異常のうちどの異常であるかを判定して出力するようになっている。

なお、ここでヒータ異常およびセンサ異常は、図５に示すように、ヒータ異常はＶ２ａ以下及び略ゼロあるいはＶ２ｂ以上の場合であり、ヒータ素子に流れる電流が逆流及び略ゼロあるいは過大電流が流れることである。また、センサ異常はＶ１ａ以下及びＶ１ｂ以上の場合であり、逆流によってこれ以上変化が見られない最小出力電圧に達した時と、流量が飽和状態によってこれ以上変化が見られない場合上述した例外を除き最大出力電圧に達した時を示すものである。

図４のこれらの組合せは、正常状態を含め８通りの結果が得られる。一例を挙げて説明すると、センサ信号Ｖ１が図４でのＶ１ａ＜Ｖ１＜Ｖ１ｂの範囲にあって、なおかつヒータ信号Ｖ２がＶ２ｚ＜Ｖ２＜Ｖ２ｂの範囲にあるとき、つまりセンサ信号Ｖ１とヒータ信号Ｖ２の両者が使用範囲にある場合には「正常」であると判定される。

また、例えば、センサ信号Ｖ１がＶ１ｂより大きく、ヒータ信号Ｖ２がＶ２ｂと等しいか大きい場合には「計測範囲外の過大流量」であると判定される。これはセンサ信号Ｖ１とヒータ信号Ｖ２の両者とも範囲外にある場合である。

さらに例えば、センサ信号Ｖ１が、Ｖ１ａ＜Ｖ１＜Ｖ１ｂ、ヒータ信号Ｖ２がＶ２ｂより大きい場合には、センサ信号Ｖ１は使用範囲内であるがヒータ信号Ｖ２は使用範囲より大きいため「過大流量」と判定される。このような判定は出力制御部５によって実行される。

図５は、出力制御部５（マイコン）によって、異常判定をおこなう手順を示したフローチャートである。なお、以下のヒータ信号とセンサ信号に基づく異常判定のフローチャートについては一例を示したに過ぎず、ヒータ信号判定とセンサ信号判定の順序は、逆に行っても良く、又は同時に行っても良い。

出力制御部５のセンサ信号取得手段５２は、流量検出回路４からセンサ信号Ｖ１を取得して（ステップＳ１）、記憶手段５３に記憶する。また、ヒータ信号取得手段５１はヒータ駆動回路３からブリッジ出力電圧Ｖａとヒータ素子Ｒｈに印加される電圧Ｖｂを取得して、Ｖ２＝Ｖｂ−Ｖａの演算を行い、記憶手段５３に記憶すると共にヒータ信号Ｖ２を取得する（ステップＳ２）。

次に、この時点の瞬間流量Ｑを計算する（ステップＳ３）。この計算は、例えば、センサ信号の瞬間流量Ｑ１＝ｆ（Ｖ１）、ヒータ信号の瞬間流量Ｑ２＝ｇ（Ｖ２）で取得する。取得した瞬間流量Ｑ１、Ｑ２が範囲内であるか否かの判定を行う（ステップＳ４）。これは、図３の特性からも明らかであるが、瞬間流量が略１００％を超えた場合や、略−３０％以下になった場合には異常となる。

ここで、瞬間流量の演算を行うことで熱式流量計の回路において、センサ信号の上限値Ｖ１ｂと下限値Ｖ１ａ、ヒータ信号の上限値Ｖ２ｂと下限値Ｖ２ａが分かる。好適にはこれらの上限値と下限値を記憶手段５３に記憶しておく。ここで留意しなければならないのは、発明が解決しようとする課題で上述したように、センサ信号Ｖ１は、ある一定の流量までは上昇し、その後一定となり、さらに流量が増加するとセンサ信号値が減少するといった現象が生ずるために、単にセンサ信号の上限値Ｖ１ｂのみでは異常であるか否かが判定できないためである。

出力制御部５の判定手段５５は、図４に示したような組合せの判定を行う。センサ信号Ｖ１とヒータ信号Ｖ２を得ると、比較手段５５によってヒータ信号Ｖ２の値が流量Ｖ２ｚよりも小さい（流量がゼロ付近）であるか否かの判定を行う（ステップＳ４）。ヒータ信号Ｖ２の値が流量Ｖ２ｚよりも小さい場合には、ヒータ異常である「異常３」を検出し（ステップＳ５）、出力手段５６に出力を指示する。

次に、ヒータ信号Ｖ２がＶ２ｚよりも大きい場合には、次の処理を行う。ヒータ信号Ｖ２の値が流量Ｖ２ｚよりも小さくない場合には、センサ信号がＶ１ａよりも大きくＶ１ｂより小さいか、つまりセンサ信号が使用範囲内であるか否かの判定を行う（ステップＳ６）。センサ信号が使用範囲内である場合（Ｙｅｓ）には、次のステップＳ６処理を行い、使用範囲外であれば、ステップＳ１３の処理を行う。

次に、ヒータ信号Ｖ２が、Ｖ２ｂより大きいか否かの判定を行い（ステップＳ７）、Ｖ２が大きい場合には過大流量である「異常７」を検出し（ステップＳ８）、出力手段５６に「異常７」の出力を指示する。また、ヒータ信号Ｖ２が、Ｖ２ｚより大きく、Ｖ２ｂより小さいかの判定を行う（ステップＳ９）。つまりＶ２ｚ＜Ｖ２＜Ｖ２ｂであった場合には、正常値として出力手段５６へ出力し（ステップＳ１１）、さらに外部の出力部（ディスプレイ装置など）へ正常な状態として出力する（ステップＳ１２）。一連の正常処理が終了するとステップＳ１の処理に戻る。

ステップＳ６の処理において、センサ信号が使用範囲内でなかった場合（Ｎｏ）には、次にセンサ信号Ｖ１がＶ１ａより小さいかの判定を行う（ステップＳ１３）。センサ信号Ｖ１がＶ１ａより小さい場合には、何らかの異常であるがそれを明確にするために、さらにヒータ信号Ｖ２がＶ２ａより小さいか否かの判定を行う（ステップＳ１４）。ヒータ信号Ｖ２がＶ２ａより小さい場合には、センサ又はヒータの異常であり「異常１」を検出し（ステップＳ１５）、出力手段５６に出力を指示する。ヒータ信号Ｖ２がＶ２ａより小さくない場合には、計測範囲外の逆流として「異常５」を検出し（ステップＳ１６）、同様に出力手段５６に出力を指示する。

ステップＳ１３の処理において、センサ信号Ｖ１がＶ１ａより小さくない場合には、次にセンサ信号Ｖ１がＶ１ｂより大きいか否かの判定を行う（ステップＳ１７）。ここで大きくない場合には、センサあるいはヒータの異常として「異常４」検出して（ステップＳ１８）出力手段５６に出力を指示する。ステップＳ１７の処理で、センサ信号Ｖ１がＶ１ｂより大きい場合には、続いてヒータ信号Ｖ２がＶ２ｂより小さいかの判定を行い（ステップ１９）、ヒータ信号Ｖ２がＶ２ｂより小さい場合には、センサ又はヒータの異常として「異常２」を検出し出力手段５６に出力を指示する。ヒータ信号Ｖ２がＶ２ｂより小さくない場合には、計測範囲外の過大流量として「異常６」を検出し、出力手段５６に出力を指示する。

この出力手段５６は、一例として「異常７」に着目すると、外部に接続されたディスプレイ装置６（出力部）に、異常内容として「過大流量を検知しました」、異常の詳細としては「センサ信号は使用範囲内ですが、ヒータ信号が使用範囲を超えています」などのメッセージを表示するようにしてもよく、異常時には報知音を出力するようにしてもよく、状況に応じて表示内容や報知音を適宜選択できるようにしてもよい。これにより、担当者は、視覚や聴覚により異常を知ることができるようになる。

なお、上記図５に示した異常判定の方法は、ヒータ信号による使用範囲と、センサ信号による使用範囲を、正常・異常種類に基づいて判定するものとして説明したが、他に、センサ信号による使用範囲を判定し、つぎにヒータ信号による使用範囲を判定し、その後、センサ信号による判定結果とヒータ信号による判定結果を組み合わせて、異常判定を行ってもよく、センサ信号とヒータ信号の両者を用いて異常判定を行う方法であれば、異常判定の順序や組合せといった方法は特に限定しないものとする。

上述したように、熱式流量計の回路により、センサ信号Ｖ１とヒータ信号Ｖ２の両者を取得して異常判定を行い、センサ異常やヒータ異常、あるいは過大流量などの異常を検知すると共に、外部の出力部へ表示などによって報知することができるようになり、速やかに異常状態を得ることができる。特に上記「異常３」の場合は、流量のみが大幅に増加しているが、見かけ上は正常値であるため、本発明による異常判定を行う大きな利点となる。

また、熱式流量計には、上述した感温式の他に自己加熱式が用いられることもあり、上記感温式の流量計を自己加熱方式の流量計に置き換えて異常判定を行うことも可能である。図６は、自己加熱方式の熱式流量計の回路図である。これは、上記図１のヒータ駆動回路３のＶａを取得する回路に相当し、この場合は電流Ｉが一定なのでＶａにより温度変化を検出することで流量Ｑを変換することが可能となる。このような自己加熱式の熱式流量計の回路は、特開２０００−２５８２１５号公報の段落（００２５）、（００２６）に記載されているように公知である。そして、このような自己加熱式の熱式フローセンサも上述したように本発明に当然に適用可能である。

また、上述の実施形態に係る熱式流量計の異常判定方法を実施するにあたって、ヒータ素子と感温素子が必ずしもブリッジ回路を形成する必要はなく、本発明の作用を発揮しうる範囲で様々な回路構成が適用可能である。

続いて、本発明の第二の実施形態に係る熱式流量計の異常判定方法について説明する。一般に流路を流れる流量は、そのガスの種類によって変化する特性を有している。そこで、第二の実施の形態として、予めガスの種類によってＶ２ａ、Ｖ２ｂ、Ｖ２ｚのいわゆる閾値の変化を考慮した熱式流量計による判定方法について説明する。なお、判定方法は、図５で説明した上述の方法を用いるため、その詳細な説明は省略する。

この第二の実施形態に係る熱式流量計による異常判定方法で使用する複数のガスの種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘは、好適には、水素ガス、都市ガス、プロパンガス、ヘリウムなどであるが、本実施形態では、そのガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘは特に限定はしないものとする。

図７は、ガスの種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘによって、閾値を補正するためのフローチャートである。この場合、補正されたＶ２ａ´、Ｖ２ｂ´、Ｖ２ｚ´は、出力制御部５の記憶手段５３に記憶しておく。

まず、ガスの種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘの設定を行う（ステップＳ３１）。このガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘの設定は、予め記憶手段５３記憶されており、例えば、設定手段としての入力部７（図２参照）からディスプレイ装置（出力部）に表示されたガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘの一覧を表示して、担当者が選ぶようにしてもよい。この場合設定手段である入力部７は、キーボードやマウス、あるいはディスプレイ装置と一体のタッチパネル装置などである。ガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘが選択されると、選択されたガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘにおけるそれぞれの流量ＶｚＡをＶ２ｚに、ＶａＡをＶ２ａに、ＶｂＡをＶ２ｂとする（ステップＳ３２、ステップＳ３３、ステップＳ３４）。

そして、周囲温度Ｔ（流体温度）を取得する（ステップＳ３５）。取得した周囲温度Ｔとガス種類Ａ、Ｂ、・・・、Ｘによる閾値を算出する（ステップＳ３６）。これは、例えば所定の関数ｆによって、Ｖ２ａ´は、ｆ（Ｖ２ａ、Ｔ）、Ｖ２ｂ´はｆ（Ｖ２ｂ、Ｔ）、Ｖ２ｚ´はｆ（Ｖ２ｚ、Ｔ）によって得られる。これらの補正されたＶ２ａ´、Ｖ２ｂ´、Ｖ２ｚ´は、記憶手段５３に記憶され、初期値として図５のフローチャートの前に設定される。このように熱式流量計の異常判定方法にガス種類による特性を考慮することで、異常原因を特定すると共にさらに厳密な異常判定を行うことができるようになる。

この場合も、本発明の第一の実施形態の場合と同様に、熱式流量計として上述した感温式の他に自己加熱式を用いることが可能である。即ち、本発明の第二の実施形態において図６に示す回路図を有する自己加熱式の熱式流量計を用いることが可能である。また、ヒータ素子と感温素子が必ずしもブリッジ回路を形成する必要はなく、本発明の作用を発揮しうる範囲で様々な回路構成が適用可能である。

本発明に係る熱式流量計の回路図である。 本発明に係る熱式流量計のブロック構成図である。 本発明に係る熱式流量計のセンサ信号特性とヒータ信号特性を説明する説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る熱式流量計による異常判定の組合せを説明する説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る熱式流量計による異常判定の機能を説明するフローチャートである。 本発明に係る自己加熱方式の熱式流量計の回路図である。 本発明の第二の実施形態に係るガス種類を設定する機能を説明するフローチャートである。 センサチップの概略構成を説明する斜視図である。 図８のセンサチップの断面図である。

符号の説明

３ ヒータ駆動回路
３ａ 第一ブリッジ回路
３ｂ トランジスタ
３ｃ 差動増幅器
４ 流量検出回路
４ａ 第二ブリッジ回路
４ｂ 差動増幅器
５ 出力制御部（マイコン）
６ 出力部
７ 入力部
５１ ヒータ信号取得手段
５２ センサ信号取得手段
５３ 記憶手段
５４ ＣＰＵ
５５ 判定手段
５６ 出力手段（ＩＯポート）
Ｂ 半導体基板
Ｃ キャビティ
Ｄ ダイヤフラム
Ｆ 流体の通流方向
Ｒ１,Ｒ２ 固定抵抗体
Ｒｈ ヒータ素子
Ｒｕ,Ｒｄ 感温素子
Ｒｒ 温度検出素子
Ｒｘ,Ｒｙ 固定抵抗体
Ｖ１ ブリッジ出力電圧
Ｖ２ ヒータ信号
Ｖａ,Ｖｂ ブリッジ出力電圧
Ｖ１ａ 出力電圧ゼロ
Ｖ１ｂ 最大出力電圧値
Ｖ２ａ マイナス流量の閾値
Ｖ２ｂ 過大電流の閾値
Ｖ２ｚ 流量ゼロ

Claims (9)

1. 流体が流れる流路に配置され、該流体を加熱するヒータ素子と、該ヒータ素子によって加熱された流体の温度を測定する感温素子を備えたセンサチップと、
   ヒータ素子へ印加する電気的信号に基づく判定と、感温素子から出力される電気的信号に基づく判定との相関関係からこれに対応する異常を判定し出力する出力制御部を有することを特徴とする熱式流量計。
2. 前記ヒータ素子へ印加する電気的信号はヒータ信号であり、前記感温素子から出力される電気的信号はセンサ信号である請求項１に記載の熱式流量計であって、
   流体が流れる流路に配置され、該流体を加熱するヒータ素子と、該ヒータ素子によって加熱された流体の温度を測定する感温素子を備えたセンサチップと、
   ブリッジ回路に印加される駆動電圧と前記ヒータ素子に印加される電圧とから電圧差であるヒータ信号を出力するヒータ駆動回路と、
   前記センサチップに沿って通流する流量をセンサ信号として出力する流量検出回路と、
   前記ヒータ駆動回路から出力されたヒータ信号と前記流量検出回路から出力されたセンサ信号から異常を判定し出力する出力制御部を有し、
   前記出力制御部は、
   前記ヒータ駆動回路から前記ヒータ信号を取得するヒータ信号取得手段と、
   前記流量検出回路から前記センサ信号を取得するセンサ信号取得手段と、
   前記ヒータ信号取得手段が取得した前記ヒータ信号と前記センサ信号取得手段が取得した前記センサ信号とが記憶される記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記ヒータ信号と前記センサ信号とを読み出してそれぞれの異常の判定し、異常と判定された場合にそれらの判定結果の相関関係からこれに対応する異常を判定する判定手段と、
   前記ヒータ信号取得手段が取得した前記ヒータ信号と、前記センサ信号取得手段が取得した前記センサ信号と、異常の有無を判定した結果を外部の出力部に出力する出力手段からなることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記感温素子が前記流路の上流側と下流側に配置され、かつ前記ヒータ素子が前記一対の感温素子間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱式流量計。
4. 前記感温素子が発熱可能で、前記感温素子とヒータ素子が別々に備わる代わりに前記感温素子が、前記ヒータ素子の役目を兼ねていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱式流量計。
5. 前記ヒータ素子の周囲のガス種類と、該ガスによって異常判定を行う際のヒータ信号とセンサ信号のそれぞれの閾値が記憶される前記記憶手段と、
   使用するガスを設定する入力部と、
   前記入力部で設定されたガスの前記閾値それぞれに基づき前記ヒータ信号と、前記センサ信号とを組み合わせて異常を判定する前記判定手段と、
   異常の有無を判定した結果を外部の前記出力部に出力することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の熱式流量計。
6. 前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定すると共に上限値Ｖ２ａ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
   前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂでない場合、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１であるかを判定するセンサ信号判定を行ない、
   前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ａ＞ヒータ信号Ｖ２でない場合であって、前記センサ信号判定の結果が、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１である場合に計測範囲外の逆流検知と判定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の熱式流量計。
7. 前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを第一に判定すると共に、上限値Ｖ２ｂ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
   前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂでない場合、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１であるかを判定し、この判定結果が、下限値Ｖ１ａ＞センサ信号Ｖ１でない場合、上限値Ｖ１ｂ＜センサ信号Ｖ１であるかを判定するセンサ信号判定を行い、
   前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ｂ＞ヒータ信号Ｖ２でない場合であって、前記センサ信号判定の結果が、上限値Ｖ１ｂ＜センサ信号Ｖ１である場合に計測範囲外の過大流量検知と判定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の熱式流量計。
8. 前記ヒータ信号Ｖ２が、略ゼロ値Ｖ２ｚ＞ヒータ信号Ｖ２であるかを判定すると共に上限値Ｖ２ｂ＜ヒータ信号Ｖ２であるかを判定するヒータ信号判定を行うと共に、
   前記センサ信号Ｖ１が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂであるかを判定するセンサ信号判定を行い、
   前記ヒータ信号判定の結果が、上限値Ｖ２ｂ＜ヒータ信号Ｖ２であって、前記センサ信号判定の結果が、下限値Ｖ１ａ＜センサ信号Ｖ１＜上限値Ｖ１ｂである場合に過大流量検知と判定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の熱式流量計。
9. 前記ヒータ素子へ印加する電気的信号は、周囲の温度によって異なり、該温度による閾値を前記記憶手段に記憶させることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに記載の熱式流量計。

Images