JP2010048753A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度の向上を図ることができる熱式流量計を提供する。
【解決手段】流体の流れに対して上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂを逆向きになるように配置した。流体の流れ方向に対して、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂを逆向きに配置し、サーマルセンサ３ａ，３ｂの検出信号（温度差データ）に対して差分処理を行い流量算出のための差分データを得る。差分処理を行うことにより、温度・圧力による影響量がキャンセルされるので、出力ゼロ点のドリフトひいては外乱の影響が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱式流量計に関する。

従来の熱式流量計の一例として、流体の流れ方向の上流側から下流側に向って順に第１測温抵抗体、発熱体、第２測温抵抗体を薄膜の橋桁状に形成し、上流側の第１測温抵抗体と下流側の第２測温抵抗体とにより構成したブリッジ回路で流量信号を測定することにより、流体の流量を計測する流量センサを備えた熱式流量計がある（特許文献1参照）。この熱式流量計では、流量センサを2組備え、ゴミ付着などにより異常が発生した場合に異常を検知するようにしている。
特開平５-２３１８９６号公報

ところで、上述した従来技術では、温度・圧力の影響を受けて出力ゼロ点のドリフト（出力ゼロ点の変化）が発生し、これに伴い計測精度が低下することが起こり得た。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、計測精度の向上を図ることができる熱式流量計を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、流体が流れる流量計配管と、該流量計配管内における流体の流れ方向に沿う発熱体を挟んだ２地点の温度差に相当する温度差データを検出するサーマルセンサと、該サーマルセンサが検出する前記温度差データを用いて流量を求める熱式流量計であって、サーマルセンサは、当該サーマルセンサにおける予め定められたセンサ順方向及び該センサ順方向と反対のセンサ逆方向に沿うように前記流体の流れを受けることにより、正負異にした前記温度差データを出力するように構成され、さらに、前記サーマルセンサは、少なくとも一対設けられ、一対のサーマルセンサのうち一方は、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置され、他方は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、前記一対のサーマルセンサが夫々出力する前記温度差データの差分から前記流量を求める流量演算手段を設けたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、流体が流れる流量計配管と、該流量計配管内における流体の流れ方向に沿う発熱体を挟んだ２地点の温度差に相当する温度差データを検出するサーマルセンサと、該サーマルセンサが検出する前記温度差データを用いて前記流体の流量を求める熱式流量計であって、サーマルセンサは、当該サーマルセンサにおける予め定められたセンサ順方向及び該センサ順方向と反対のセンサ逆方向に沿うように前記流体の流れを受けることにより、正負異にした前記温度差データを出力するように構成され、さらに、前記サーマルセンサは、少なくとも一対設けられ、一対のサーマルセンサは共に、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置されるか、又は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、前記一対のサーマルセンサのうち一方からの前記温度差データと、前記一対のサーマルセンサのうち他方からの前記温度差データで正負の符号を変更して得た温度差データとの差分から前記流体の流量を求める流量演算手段を設けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、一対のサーマルセンサのうち一方は、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置され、他方は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、前記一対のサーマルセンサが夫々出力する温度差データの差分から前記流体の流量を求めており、温度・圧力による影響量がキャンセルされるので、出力ゼロ点のドリフトひいては外乱の影響が抑制される。
請求項２記載の発明によれば、一対のサーマルセンサは共に、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置されるか、又は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、前記一対のサーマルセンサのうち一方からの温度差データと、前記一対のサーマルセンサのうち他方からの温度差データで正負の符号を変更して得た温度差データとの差分から前記流体の流量を求めており、温度・圧力による影響量がキャンセルされるので、出力ゼロ点のドリフトひいては外乱の影響が抑制される。

次に、本発明の一実施形態に係る熱式流量計を図1〜図３に基づいて説明する。
図１において、熱式流量計１は、流体が流れる流量計配管２と、該流量計配管２内における流体の流れ方向に沿う発熱体１０を挟んだ２地点の温度差に相当する温度差データを検出するサーマルセンサ３と、サーマルセンサ３を駆動する駆動回路４と、前記温度差データが質量流量に比例していることを利用して流量計配管２を流れる流体の質量流量を算出する流量演算部５（流量演算手段）と、表示部６と、出力回路７と、を備えている。流量演算部５は、差分回路８と、演算回路９と、からなっている。サーマルセンサ３及び駆動回路４は、夫々２組設けられている。２組のサーマルセンサ３は、流量計配管２の図1上側、下側に相対向して埋め込まれて配置されている。この２組のサーマルセンサ３を夫々、適宜、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂといい、これに対応する駆動回路４を上側、下側駆動回路４ａ，４ｂという。上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂは、同様の工程で製造され、一定環境で同じ特性を持っている。

上側サーマルセンサ３ａは、発熱体１０及びこの発熱体１０を間にして配置された２つの温度センサ１１（図１左右２つの温度センサ）を含む、半導体チップからなるサーマルチップ１２（以下、上側サーマルチップ１２ａという。）と、上側サーマルチップ１２ａからの信号に対する処理を行う温度差算出回路１３（以下、上側温度差算出回路１３ａという。）を含み、かつ上側サーマルチップ１２ａを保持する上側サーマルセンサ本体１４ａと、を備えている。上側サーマルセンサ３ａは、上側駆動回路４ａに駆動され、発熱体１０が流体温度に対して一定の温度差を持つように制御される。
上側サーマルセンサ３ａは、流体の流れを受けると、発熱体１０の熱量が前記流れにより下流側に移動し、２つの温度センサ１１（図１左右２つの温度センサ１１）が検出する温度に差が生じる。上側サーマルセンサ３ａは、この温度の差（２つの温度センサ１１間の温度差。以下、単に温度差ともいう。）を検出し、これを温度差データ（以下、上側温度差データともいう。）として流量演算部５の差分回路８に入力する。上側サーマルチップ１２ａに含まれる２つの温度センサ１１のうち、図１左側、右側に示すものを、以下、適宜、上側第１、第２温度センサ１１ａ１，１１ａ２という。
そして、上側サーマルセンサ３ａは、同等量の流体の流れを上側第１、第２温度センサ１１ａ１，１１ａ２の方向（以下、センサ順方向という。）及び該センサ順方向と反対の方向（以下、センサ逆方向という。）で受けることにより、正負異にした温度差データを検出して出力する。

下側サーマルセンサ３ｂは、上側サーマルセンサ３ａと同様に、発熱体１０及びこの発熱体１０を間にして配置された２つの温度センサ１１（図１左右２つの温度センサ）を含む、半導体チップからなるサーマルチップ１２（以下、下側サーマルチップ１２ｂという。）と、下側サーマルチップ１２ｂからの信号に対する処理を行う温度差算出回路１３（以下、下側温度差算出回路１３ｂという。）を含み、かつ下側サーマルチップ１２ｂを保持する下側サーマルセンサ本体１４ｂと、を備えている。下側サーマルセンサ３ｂは、下側駆動回路４ｂに駆動され、発熱体１０が流体温度に対して一定の温度差を持つように制御される。
下側サーマルセンサ３ｂは、流体の流れを受けた場合に生じる、２つの温度センサ１１が検出する温度の差（２つの温度センサ１１間の温度差）を検出し、これを温度差データ（以下、下側温度差データともいう。）として流量演算部５の差分回路８に入力する。なお、下側サーマルセンサ３ｂに関しては、下側サーマルチップ１２ｂに含まれる２つの温度センサ１１のうち、図１右側、左側のものが、上側サーマルセンサ３ａの上側第１、第２温度センサ１１ａ１，１１ａ２に対応しており、これらを、以下、下側第１、第２温度センサ１１ｂ１，１１ｂ２という。
そして、下側サーマルセンサ３ｂは、同等量の流体の流れを下側第１、第２温度センサ１１ｂ１，１１ｂ２の方向（センサ順方向）及び該センサ順方向と反対の方向（センサ逆方向）で受けることにより、正負異にした温度差データを検出して出力する。

上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂは、図１に示すように流体が左から右方向（流れ順方向という。なお、これと反対向きを、逆流方向という。）に流れる際、上側サーマルセンサ３ａは、センサ順方向に配置され、下側サーマルセンサ３ｂはセンサ逆方向に配置されることになる。

このように、流体の流れ（例えば流れ順方向）に対して上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂを逆向きになるように配置したことにより、所定量の流体が流れ順方向に流れると、上側サーマルセンサ３ａは、正で所定の大きさの温度差データを検出して差分回路８に出力し、下側サーマルセンサ３ｂは、負で所定の大きさの温度差データを検出して差分回路８に出力する。
本実施形態では、上述したように、流体の流れ方向に対して、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂを逆向きに配置し、各サーマルセンサ３の検出信号（温度差データ）の差分データを得、これにより、温度・圧力による影響量をキャンセルして出力ゼロ点のドリフトひいては外乱の影響を抑制する。

ここで、サーマルセンサ３の動作について、図２を参照して説明する。図２は横軸を流量、縦軸を、図１の配置状態におけるサーマルセンサ３（上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂ）の出力（温度差データ）としたサーマルセンサ３（上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂ）の出力特性を示す図である。図２で実線が上側サーマルセンサ３ａの出力特性、点線が下側サーマルセンサ３ｂの出力特性を示している。
上側サーマルセンサ３ａは、図２における流量０より右側部分に実線で示すように、センサ順方向の流れに対して中点（ここでは０としている。）に対して（＋）方向の温度差データを出力し、センサ逆方向の流れ（図２で流量０より左側部分）に対しては中点に対して（−）方向の温度差データを出力する特性を有する。また、上側サーマルセンサ３ａは、流量計配管２内の同一の流れに対して同等の向き及び逆向きになるように配置された場合、夫々の配置状態で、正負異にした同等の大きさの温度差データを出力する。
下側サーマルセンサ３ｂは、流体の流れ方向に対して、上側サーマルセンサ３ａの場合（上側第１、第２温度センサ１１ａ１，１１ａ２が図１左側、右側に配置されている）と反対向き（下側第１、第２温度センサ１１ｂ１，１１ｂ２が図１右側、左側に配置されている）に配置されており、図２に点線で示す特性を有する。また、下側サーマルセンサ３ｂは、上側サーマルセンサ３ａと同様に、流量計配管２内の同一の流れに対して同等の向き及び逆向きになるように配置された場合、夫々の配置状態で、正負異にした同等の大きさの温度差データを出力する。

上側サーマルセンサ３ａが検出した温度差データは、上述したように流量演算部５に入力されるが、流量演算部５は、温度差データ（上側温度差データという。）が、質量流量に比例することを利用して、質量流量を算出する。本実施形態では、この質量流量の算出のために、前記下側温度差データも合わせて用いている。
流量演算部５の前記差分回路８は、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂ夫々から上側、下側温度差データの入力を受けて、両データに対する差分処理を行って、差分データを求める。また、流量演算部５の演算回路９は、予めシミュレーションなどにより得られた差分データ及び流量（質量流量）の対応関係を示す差分データ‐流量特性テーブルを備えており、前記差分データを用いて前記テーブルから流量（質量流量）を算出する。
また、前記表示部６は、演算回路９からの情報（流量情報）の表示、エラー情報の表示などを行い、出力回路７は、前記流量情報を外部に出力する。

上述したように構成された熱式流量計１の作用を以下に説明する。まず、流体の温度・圧力が変化した際の動きについて説明する。サーマルセンサ３は、質量流量に比例したデータ（温度差データ）の出力を行うが、サーマルチップ１２が半導体チップで構成されていることから、基材であるシリコンの流体温度により熱膨張や抵抗変化により、図３に示すように、出力のゼロ点が変化してしまう特性を持っている。この際、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂは、流体温度・圧力変化に対して同等の傾向の特性を呈する。例えば、流体温度が２０℃から４０℃に変化した場合、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂの出力は、流体の流れていない状態でもプラス方向の出力が発生する（流量０L/minであるにも関わらず、例えば、流量０．５L/minに相当する温度差データを出力する）。この際、仮に、サーマルセンサ３が１個であると、前記温度変化の影響を受けてゼロ点出力が変化して（ゼロ点のドリフトが発生して）しまう。

上述したサーマルセンサ３が１個である場合に惹起するゼロ点のドリフト発生の問題点に対して、本実施形態では、上述したように、流体の流れ方向に対して、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂを逆向きに配置し、各サーマルセンサ３の検出信号（温度差データ）に対して差分処理を行って差分データを得、上記差分処理を行うことにより、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂ夫々が同等に発生するゼロ点のドリフトがキャンセルされ外乱の影響が抑制される。これにより、流量演算部５（差分回路８、演算部）が得る質量流量は、流体温度・圧力の影響を受けず、ゼロ点のドリフトが無いデータとなり、計測精度の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態では、サーマルセンサ３（上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂ）の出力に対して差分回路８による上記差分処理を実行するので、当該熱式流量計１が得る出力は、サーマルセンサ３が１個であるとした場合におけるサーマルセンサ３の出力に比して、２倍の情報量となり、その分、流量感度（検出感度）が向上する（２倍となる）。

上記実施形態では、上側サーマルセンサ３ａは、センサ順方向が流れ順方向に沿って配置され、下側サーマルセンサ３ｂは、センサ順方向が逆流方向に沿って配置され、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂからの温度差データの差分を求める場合を例にしたが、これに代えて、上側、下側サーマルセンサ３ａ，３ｂについて共に、各センサ順方向が流れ順方向（又は逆流方向）に沿うように配置し、かつ、上側サーマルセンサ３ａからの温度差データと、下側サーマルセンサ３ｂからの温度差データで正負の符号を変更して得た温度差データとの差分を求めるように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る熱式流量計を示すシステム系統図である。 図1のサーマルセンサの出力特性を示す図である。 図1のサーマルセンサの出力のゼロ点がドリフト（変化）することを説明するための図である。

符号の説明

１…熱式流量計、２…流量計配管、３（３ａ、３ｂ）…サーマルセンサ（上側、下側サーマルセンサ）、５…流量演算部（流量演算手段）、８…差分回路、９…演算回路、１０…発熱体、１１…温度センサ、１１ａ１，１１ａ２…上側第１、第２温度センサ、１１ｂ１，１１ｂ２…下側第１、第２温度センサ、１３（１３ａ、１３ｂ）…温度差算出回路（上側、下側温度差算出回路）。

Claims (2)

1. 流体が流れる流量計配管と、該流量計配管内における流体の流れ方向に沿う発熱体を挟んだ２地点の温度差に相当する温度差データを検出するサーマルセンサと、該サーマルセンサが検出する前記温度差データを用いて前記流体の流量を求める熱式流量計であって、
   サーマルセンサは、当該サーマルセンサにおける予め定められたセンサ順方向及び該センサ順方向と反対のセンサ逆方向に沿うように前記流体の流れを受けることにより、正負異にした前記温度差データを出力するように構成され、
   さらに、前記サーマルセンサは、少なくとも一対設けられ、一対のサーマルセンサのうち一方は、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置され、他方は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、
   前記一対のサーマルセンサが夫々出力する前記温度差データの差分から前記流体の流量を求める流量演算手段を設けたことを特徴とする熱式流量計。
2. 流体が流れる流量計配管と、該流量計配管内における流体の流れ方向に沿う発熱体を挟んだ２地点の温度差に相当する温度差データを検出するサーマルセンサと、該サーマルセンサが検出する前記温度差データを用いて前記流体の流量を求める熱式流量計であって、
   サーマルセンサは、当該サーマルセンサにおける予め定められたセンサ順方向及び該センサ順方向と反対のセンサ逆方向に沿うように前記流体の流れを受けることにより、正負異にした前記温度差データを出力するように構成され、
   さらに、前記サーマルセンサは、少なくとも一対設けられ、一対のサーマルセンサは共に、そのセンサ順方向が流体の流れ方向に沿って配置されるか、又は、そのセンサ順方向が流体の流れと反対方向に沿って配置され、
   前記一対のサーマルセンサのうち一方からの前記温度差データと、前記一対のサーマルセンサのうち他方からの前記温度差データで正負の符号を変更して得た温度差データとの差分から前記流体の流量を求める流量演算手段を設けたことを特徴とする熱式流量計。

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