JP2015034762A - 差圧式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 差圧生成機構で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定でき、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能で、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない差圧式流量計を提供する。
【解決手段】 本体１０に設けた被測定流体が流れる流路１１内に、オリフィス板１５を設置し、その上流側における絶対圧とその下流側における絶対圧を測定する絶対圧センサ３０を設ける。流路１１の上流側と下流側を絶対圧センサ３０に選択的に連通させる流路切換弁２０を設ける。被測定流体の温度を測定する機能を持つ演算手段により、上流側の絶対圧についての絶対圧センサ３０の出力と、下流側の絶対圧についての絶対圧センサ３０の出力から、被測定流体の差圧を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、差圧式流量計に関し、さらに言えば、差圧生成機構で生じた差圧を利用して、流体の体積流量だけでなく質量流量も測定することが可能な差圧式流量計に関する。

差圧式流量計は、被測定流体の差圧（圧力差）を生成する差圧生成機構を備えていて、差圧生成機構で生成された被測定流体の差圧を用いて被測定流体の体積流量を測定するようにした流量計である。差圧生成機構としては、オリフィス板のような絞り機構のほか、ピトー管、層流素子などが用いられる。

差圧式流量計は、被測定流体や測定流量の範囲が広いという利点がある。また、差圧生成機構としてオリフィス板のような絞り機構が使用可能であり、被測定流体の差圧は差圧センサだけで測定できるので、構造が簡単で低価格などの利点もある。このため、以前から広く利用されて来ている。

ところで、差圧式流量計において、差圧生成機構で生じた差圧を利用して、流体の体積流量だけでなく質量流量も測定できるようにするためには、差圧センサに加えて、被測定流体の密度を測定するためのセンサ、例えば絶対圧圧力センサや温度センサ等が必要になる。したがって、体積流量と質量流量の双方を測定可能な差圧式流量計は、構造が複雑であり、製造コストも比較的高いのが、一般的である。

体積流量と質量流量の双方が測定可能な差圧式流量計に関連する技術としては、例えば、特許文献１（特許第４８８１３９１号公報）に開示された差圧式マスフローコントローラがある。この差圧式マスフローコントローラは、ガス流路中に、差圧生成機構（抵抗体）として層流素子が設けられており、差圧生成機構の上流側（導入側）に上流側圧力センサが、その下流側（導出側）に下流側圧力センサが設けられている。さらに、ガス流路を流れる流体の温度を検出する温度センサも設けられている。なお、上流側圧力センサと下流側圧力センサは、いずれも絶対圧センサとされている。

特許文献１の差圧式マスフローコントローラは、このような構成により、ガス流路を流れるガスの質量流量を測定し、得られた質量流量を用いて診断を行うことで、差圧生成機構の目詰まりや残留ガスなどの異状を発見するものである。

また、特許文献２（特許第４７７７８１６号公報）には、差圧式流量計が開示されている。この差圧式流量計は、流路中に、差圧生成機構としてオリフィス板が設けられており、差圧生成機構の上流側に被測定流体のゲージ圧を検出するゲージ圧センサが、その下流側に差圧生成機構の上下流間の差圧を検出する差圧センサが、それぞれ設けられている。さらに、大気圧を測定するための絶対圧センサと、被測定流体の温度を検出する温度センサも設けられている。ゲージ圧センサで測定された被測定流体のゲージ圧は、絶対圧センサで測定された大気圧と加算され、被測定流体の絶対圧として体積流量と質量流量の演算に使用される。

特許文献２の差圧式流量計では、差圧生成機構の上流側と下流側とを連通する流路に均圧弁が設けられており、ゼロ点調整が可能となっている。この均圧弁は、ゼロ点調整を行う時に開放され、差圧生成機構の上流側と下流側を連通させて被測定流体の上流側圧力と下流側圧力を等しくする。

特許文献２の差圧式流量計は、このような構成により、流路を流れる被測定流体の体積流量だけでなく、質量流量も測定することができ、しかも、差圧センサのゼロ点調整も容易に行うことができる。

なお、「絶対圧」とは、絶対真空を０として表示する圧力であり、「ゲージ圧」とは、大気圧を０として表示する圧力である。したがって、絶対圧＝ゲージ圧＋大気圧という関係が成り立つ。また、０℃、１気圧または２０℃、１気圧における体積流量を、「標準体積流量」と呼ぶ。

特許第４８８１３９１号公報 特許第４７７７８１６号公報

上述した特許文献１の「差圧式マスフローコントローラ」に使用されている構成、すなわち、差圧生成機構（抵抗体）の上流側と下流側にそれぞれ配置された絶対圧センサを用いて流体の質量流量を測定する構成では、流体の体積流量と共に質量流量も測定することはできるが、ゼロ点調整については何ら考慮されていない。つまり、上流側絶対圧センサと下流側絶対圧センサのゼロ点が温度特性の差異などによって微妙にずれて来るために生じるゼロ点変動により、流量が０の近傍で測定精度が非常に悪化するという問題がある。

この問題を解消するには、上流側絶対圧センサと下流側絶対圧センサのゼロ点の違いを補正するために、「ゼロ点調整機構」を追加することが必要である。しかし、特許文献１には、「ゼロ点調整機構」については何ら言及されていない。

上述した特許文献２の差圧式流量計は、流体の体積流量と共に質量流量も測定することができるが、差圧生成機構の上流側にゲージ圧センサを、その下流側に差圧センサを設けるだけでなく、絶対圧センサと温度センサを設けることも必要である。したがって、使用するセンサの数が多くなり、結果として、それだけ構造が複雑化し、製造コストも上昇するという問題が生じる。

さらに、特許文献２の差圧式流量計にゼロ点調整用として設けられた均圧弁は、手動式であるから、頻繁に差圧状態と均圧状態を切り換えてゼロ点調整を行うことが容易ではないし、ゼロ点調整それ自体を忘れる恐れがある、という難点もある。

本発明は、以上述べたような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、差圧生成機構で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない差圧式流量計を提供することにある。

本発明の他の目的は、使用する圧力センサが単一の絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない差圧式流量計を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、使用する圧力センサが二つの絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない差圧式流量計を提供することにある。

ここに明記しない本発明のさらに他の目的は、以下の説明及び添付図面から明らかである。

（１） 本発明の第１の観点による差圧式流量計は、
被測定流体が流れる流路を有する本体と、
前記流路内に設置された差圧生成機構と、
前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧とその下流側における絶対圧を測定する絶対圧センサと、
前記流路の前記差圧生成機構の上流側と下流側とを前記絶対圧センサに選択的に連通させる流路切換手段と、
前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧についての前記絶対圧センサの出力と、その下流側における絶対圧についての前記絶対圧センサの出力とから、前記被測定流体の差圧を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記被測定流体の温度を測定する機能を有していることを特徴とするものである。

本発明の第１の観点による差圧式流量計は、このような構成を有するので、前記差圧生成機構の上流側における前記被測定流体の圧力と、前記差圧生成機構の下流側における前記被測定流体の圧力とを、前記流路切換手段によって切り換えながら、前記絶対圧センサで測定することができる。このため、単一の前記絶対圧センサを使用して、前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側と下流側の間の差圧を測定することができる。したがって、体積流量を測定することが可能である。

また、前記演算手段によって、前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側と下流側の間の差圧だけでなく、前記被測定流体の絶対圧と温度をも得ることができるため、質量流量も測定可能である。

さらに、前記本体と前記差圧生成機構と前記絶対圧センサと前記流路切換手段と前記演算手段を備えるだけであるので、構造が非常に簡単であり、したがって、低コストで製造可能である。

さらに、前記流路切換手段により、前記流路の前記差圧生成機構の上流側と下流側とを前記絶対圧センサに選択的に連通させるので、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

よって、本発明の第１の観点による差圧式流量計によれば、差圧生成機構で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

このように、本発明の第１の観点による差圧式流量計では、前記差圧生成機構の上流側と下流側での前記被測定流体の絶対圧力の測定に、前記絶対圧センサを共用しており、また、前記演算手段を前記被測定流体の温度の測定にも使用するため、使用する圧力センサが単一の絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない。

（２） 本発明の第１の観点による差圧式流量計の好ましい例では、前記流路切換手段が、前記流路の前記差圧生成機構の上流側と前記絶対圧センサを接続する第１連絡路と、前記流路の前記差圧生成機構の下流側と前記絶対圧センサを接続する第２連絡路とを切り換えるように構成される。

（３） 本発明の第１の観点による差圧式流量計の他の好ましい例では、前記流路切換手段が、前記本体の内部に移動可能として設けられた弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドを備えた電磁弁とされる。

（４） 本発明の第１の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記絶対圧センサが、ダイアフラム上に配置された複数のセンサ要素（例えば抵抗器）を含む半導体圧力センサから構成される。

（５） 本発明の第１の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記演算手段が、前記絶対圧センサに設けられたセンサ要素（例えば抵抗器）の温度特性を利用して、前記被測定流体の温度を測定するように構成される。

（６） 本発明の第１の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記差圧生成機構がオリフィス板とされる。

（７） 本発明の第２の観点による差圧式流量計は、
被測定流体が流れる流路を有する本体と、
前記流路内に設置された差圧生成機構と、
前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧を測定する第１絶対圧センサと、
前記被測定流体の前記差圧生成機構の下流側における絶対圧を測定する第２絶対圧センサと、
前記流路の前記差圧生成機構の上流側またはその下流側を、前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサの双方に連通させる流路切換手段と、
前記第１絶対圧センサの出力と前記第２絶対圧センサの出力とから、前記被測定流体の差圧を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記被測定流体の温度を測定する機能を有していることを特徴とするものである。

本発明の第２の観点による差圧式流量計は、このような構成を有するので、前記第１絶対圧センサの出力と前記第２絶対圧センサの出力から、前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側と下流側の間の差圧を測定することができる。したがって、体積流量を測定することが可能である。

また、前記演算手段によって、前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側と下流側の間の差圧だけでなく、前記被測定流体の絶対圧と温度をも得ることができるため、質量流量も測定可能である。

さらに、前記本体と前記差圧生成機構と前記第１及び第２絶対圧センサと前記流路切換手段と前記演算手段を備えるだけであるので、構造が非常に簡単であり、したがって、低コストで製造可能である。

さらに、前記流路切換手段により、前記流路の前記差圧生成機構の上流側またはその下流側を、前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサの双方に連通させることができるので、前記流路切換手段を動作させるだけでゼロ点調整が自動的に実行される。このため、前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサのゼロ点の差異に起因するゼロ点変動の問題が生じない。

よって、本発明の第２の観点による差圧式流量計によれば、差圧生成機構で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

このように、本発明の第２の観点による差圧式流量計では、前記差圧生成機構の上流側と下流側での前記被測定流体の絶対圧力の測定のために、前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサを設けており、また、前記演算手段を前記被測定流体の温度の測定にも使用するため、使用する圧力センサが二つの絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない。

（８） 本発明の第２の観点による差圧式流量計の好ましい例では、前記流路切換手段が、差圧状態では、前記流路の前記差圧生成機構の上流側と前記第１絶対圧センサを接続すると共に、前記流路の前記差圧生成機構の下流側と前記第２絶対圧センサを接続し、均圧状態では、前記流路の前記差圧生成機構の上流側またはその下流側を前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサの双方に連通させるように構成される。

（９） 本発明の第２の観点による差圧式流量計の他の好ましい例では、前記流路切換手段が、前記本体の内部に移動可能として設けられた弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドを備えた電磁弁とされる。

（１０） 本発明の第２の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記第１絶対圧センサ及び前記第２絶対圧センサの各々が、ダイアフラム上に配置された複数のセンサ要素（例えば抵抗器）を含む半導体圧力センサから構成される。

（１１） 本発明の第２の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記演算手段が、前記第１絶対圧センサ及び前記第２絶対圧センサに設けられたセンサ要素（例えば抵抗器）の温度特性を利用して、前記被測定流体の温度を測定するように構成される。

（１２） 本発明の第２の観点による差圧式流量計のさらに他の好ましい例では、前記差圧生成機構がオリフィス板とされる。

本発明の第１及び第２の観点による差圧式流量計によれば、差圧生成機構で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない、という効果が得られる。

また、本発明の第１の観点による差圧式流量計によれば、使用する圧力センサが単一の絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない、という効果も得られる。

さらに、本発明の第２の観点による差圧式流量計によれば、使用する圧力センサが二つの絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない、という効果も得られる。

本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計の全体構成を示す縦断面図で、絶対圧センサで被測定流体の上流側の絶対圧を測定する状態を示している。 本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計の全体構成を示す縦断面図で、絶対圧センサで被測定流体の下流側の絶対圧を測定する状態を示している。 本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計の全体構成を示す縦断面図で、二つの絶対圧センサで被測定流体の上流側及び下流側の絶対圧を同時測定する状態を示している。 本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計の全体構成を示す縦断面図で、二つの絶対圧センサの間のゼロ点調整を行う状態を示している。 本発明の第１及び第２実施形態に係る差圧式流量計に使用されている絶対圧センサの全体構成例を示す縦断面図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係る差圧式流量計に含まれている演算手段としてのセンサ回路の構成例を示す回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２に、本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１の全体構成を示す。図１は流路１１の上流側における被測定流体の圧力を測定する状態を示し、図２は流路１１の下流側における被測定流体の圧力を測定する状態を示す。

この差圧式流量計１は、内部に被測定流体が流れる流路１１を有する、両端を開口した筒状の本体１０を有している。流離１１は、本体１０の長軸方向に沿って（図１及び図２では左右方向に）延在している。流路１１の内部には、差圧生成機構としてのオリフィス板１５が設置されている。オリフィス板１５によって被測定流体の上流側圧力が増加するため、オリフィス板１５の上流側（ＩＮ側）と下流側（ＯＵＴ側）の間に被測定流体の差圧が生じる。

本体１０の内部には、本体１０の短軸方向（図１及び図２では上下方向）でオリフィス板１５と重なる位置に、絶対圧センサ３０が配置されている。この絶対圧センサ３０は、オリフィス板１５の上流側と下流側における被測定流体の絶対圧を測定するのに使用される、つまり、オリフィス板１５の上流側の絶対圧測定と下流側の絶対圧測定に共用されるのである。

本体１０の内部の流路１１と絶対圧センサ３０の間には、流路切換手段としての流路切換弁２０が設けられている。流路切換弁２０は、ここではポペット式の電磁弁とされていて、ポペット２２が装着され且つその長軸方向に移動可能とされた主軸２１と、主軸２１をその長軸方向に移動させるプランジャ２３及びソレノイド２４からなる電磁石と、主軸２１をプランジャ２３の側に向かって付勢するバネ２５とを備えている。

本体１０の内部には、流路切換弁２０を収容するための収容室１２が形成されている。収容室１２は、三つの円筒部を組み合わせた形をしており、図１の左側（バネ２５のある側）の円筒部には、プラグ部材１３ａが充填・固定され、図１の右側（プランジャ２３のある側）の円筒部には、プラグ部材１３ｂが充填・固定されており、プラグ部材１３ｂの内側（図１では左側）にはプランジャ２３及びソレノイド２４が配置されている。そして、図１の中央にある円筒部には、略円筒形のリテーナ１４ａ及び１４ｂが配置されている。

プラグ部材１３ａは、それに対向するリテーナ１４ａの左端面に接触してこれを左側から押圧・保持している。リテーナ１４ａの左端にある鍔状部の右端面は、この円筒部の底壁に当接して、その位置に位置決めされている。プラグ部材１３ｂは、ソレノイド２４を介して、それに対向するリテーナ１４ｂの右端面を押圧・保持している。リテーナ１４ｂの右端にある鍔状部の左端面は、この円筒部の底壁に当接して、その位置に位置決めされている。リテーナ１４ａの先端部とリテーナ１４ｂの先端部は、互いに接触していないため、それらの間には空隙４３が形成されている。この空隙４３は、本体１０の短軸方向においてオリフィス板１５とほぼ重なる位置にある。リテーナ１４ａとリテーナ１４ｂの内側には、中央の円筒部よりも小径の円柱形の空間が形成されており、流路切換弁２０の主軸２１はその空間内に移動可能に配置されている。流路切換弁２０のポペット２２は、リテーナ１４ａとリテーナ１４ｂの間の空隙４３に配置されている。リテーナ１４ａの先端部とリテーナ１４ｂの先端部のポペット２２が接触する部分は、いずれも円形の斜面になっている。これら二つの斜面は、ポペット２２が当接する弁座として機能する。

中央の円筒部とリテーナ１４ａとの間は、複数のＯリング２６によって密封されている。中央の円筒部とリテーナ１４ｂとの間も、複数のＯリング２６によって密封されている。主軸２１には、大径部が２箇所設けられている。左側の大径部は、主軸２１の左端部の近傍に位置しており、右側の大径部は、主軸２１の右端部の近傍に位置していて、リテーナ１４ａ及びリテーナ１４ｂの内側の空間で主軸２１を円滑に移動させるためのガイド体となっている。左側の大径部には、Ｏリング２７が嵌合されていて、その大径部とポペット２２との間の空間を密封するようになっている。同様に、右側の大径部にも、Ｏリング２７が嵌合されていて、その大径部とポペット２２との間の空間を密封するようになっている。左側の大径部は、バネ２５を支持する部分（バネ受け）としても使用されている。バネ２５は、リテーナ１４ａの内部に配置されていて、主軸２１をソレノイド２４に向かって付勢している。バネ２５の左端は、プラグ部材１３ａの右端面によって支持され、その右端は、主軸２１の左側の大径部によって支持されている。

絶対圧センサ３０は、外形の全体が円柱形になっていて、本体１０の内部に形成された円形透孔に、本体１０の短軸方向に沿って埋設されている。絶対圧センサ３０の検出面は、内向き（図１では下向き）に配置されている。この円形透孔は、本体１０の短軸方向において、リテーナ１４ａの先端（弁座）とリテーナ１４ｂの先端（弁座）の間にある空隙４３に重なる位置にあり、相互に連通しているので、絶対圧センサ３０はその検出面で、空隙４３にある被測定流体の絶対圧を測定することができる。

絶対圧センサ３０の裏面は、金属製または合成樹脂製のカバー３１で覆われている。カバー３１も本体１０の内部に埋め込まれているので、本体１０から突出しない。カバー３１はネジ止めされているので、絶対圧センサ３０の点検や交換の場合には、ネジ（図示せず）を緩めてカバー３１を外せばよい。

左側のリテーナ１４ａには、その半径方向に貫通する透孔が形成されており、この透孔は、流路切換弁２０を介して、流路１１の上流側と、リテーナ１４ａ及び１４ｂの間の空隙４３とを相互に連通する連絡路４１となっている。同様に、右側のリテーナ１４ｂにも、その半径方向に貫通する透孔が形成されており、この透孔は、流路切換弁２０を介して、流路１１の下流側と、リテーナ１４ａ及び１４ｂの間の空隙４３とを相互に連通する連絡路４２となっている。

したがって、図１に示すように、流路切換弁２０のポペット２２が右側の位置（非作動位置）にある時は、連絡路４１を介して、流路１１の上流側と空隙４３とが相互に連通し、連絡路４２は閉じられる。この時、絶対圧センサ３０は、流路１１の上流側の絶対圧を測定する。逆に、図２に示すように、流路切換弁２０のポペット２２が左側の位置（作動位置）にある時は、連絡路４２を介して、流路１１の上流側と空隙４３とが相互に連通し、連絡路４１は閉じられる。この時は、絶対圧センサ３０は、流路１１の下流側の絶対圧を測定する。このように、流路切替弁２０によって絶対圧センサ３０につながる流路を切り換えることで、単一の絶対圧センサ３０によって流路１１の上流側と下流側の絶対圧を交互に測定する。

図５は、絶対圧センサ３０として使用される半導体圧力センサの全体構成例を示す。同図に示すように、この絶対圧センサ３０は、全体が略円柱形であり、ガラス製の台座３０ｄの上に単結晶シリコン製のセンサチップ３０ａを陽極接合で固定し、その周囲を合成樹脂製のパッケージ３０ｇで覆った構成を持つ。センサチップ３０ａの上部には、ダイアフラム３０ｂが形成されており、ダイアフラム３０ｂの内側は真空領域３０ｃとされている。台座３０ｄの外面には、それに沿って延在する複数の電極３０ｅが形成されている。センサチップ３０ａの上面の所定箇所（具体的には後述のピエゾ抵抗器）には、複数の導電性ワイヤ３０ｆの一端がそれぞれ接続されており、それら導電性ワイヤ３０ｆの他端は、対応する電極３０ｅにそれぞれ接続されている。これらの電極３０ｅは、後述するように、演算回路として機能するセンサ回路１００に接続されている。

パッケージ３０ｇの上面には、センサチップ３０ａの上面とワイヤ３０ｆを埋め込むように、シリコンゲル３０ｈが配置されている。したがって、被測定流体の圧力は、図５の矢印のように、シリコンゲル３０ｈを介してセンサチップ３０ａのダイアフラム３０ｂに印加され、ダイアフラム３０ｂ上に所定パターンで配置・固定された複数のピエゾ抵抗器（図示せず）によって検出される。被測定流体と絶対圧センサ３０の間にはシリコンゲル３０ｈが介在しているため、被測定流体がダイアフラム３０ｂに接触する恐れはない。絶対圧センサ３０の検出面は、図５の上方にあるシリコンゲル３０ｈの板外面（湾曲面）である。ダイアフラム３０ｂの片面に被測定流体が印加されるが、ダイアフラム３０ｂの反対面は真空領域３０ｃに接しているため、絶対圧センサ３０によって測定されるのは、被測定流体の絶対圧であり、相対圧ではない。

被測定流体の圧力によりダイアフラム３０ｂが変形すると、被測定流体の圧力に応じて、ダイアフラム３０ｂ上に配置されている各々のピエゾ抵抗器の抵抗値が変化するので、それらの抵抗値変化を取り出すことで、絶対圧センサ３０によって被測定流体の絶対圧力が測定される。

図６は、絶対圧センサ３０の演算回路として機能するセンサ回路１００の構成例を示す回路図である。このセンサ回路１００は、被測定流体の絶対圧を測定する機能だけではなく、被測定流体の温度を測定する機能も持っている。

図６のセンサ回路１００では、四つの抵抗器１０１、１０２、１０３及び１０４が、ブリッジ回路を構成している。抵抗器１０１、１０２、１０３及び１０４の抵抗値は、それぞれ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４であり、いずれもセンサチップ３０ａのダイアフラム３０ｂ上にある。センサ回路１００は、さらに、抵抗値Ｒ５を持つ抵抗器１１０を有しているが、ダイアフラム３０ｂの変形による影響を受けないように、抵抗器１１０はダイアフラム３０ｂの外部（センサ回路１００の回路基板上）に配置されている。抵抗器１１０は、抵抗器１０３と１０４の接続点と接地点（ＧＮＤ）の間に接続されている。抵抗器１１０は、被測定流体の温度測定用として設けられたものである。

なお、抵抗器１０１、１０２、１０３及び１０４は、いずれも、図５の半導体圧力センサに使用されたピエゾ抵抗器から形成されている。温度測定用の抵抗器１１０は、センサ回路１００の回路基板上に配置されており、温度変化の影響を受けにくい金属皮膜のチップ抵抗から構成されるのが通常である。

直流電源１１１（電源電圧：ＶＤＤ）の正極は、抵抗器１０１と１０２の接続点に接続されており、その接続点における電圧がＶｉ１とされている。直流電源１１１の負極は、接地（ＧＮＤ）されていると共に、抵抗器１１０を介して、抵抗器１０３と１０４の接続点にも接続されている。抵抗器１０３と１０４の接続点における電圧は、Ｖｉ２とされている。また、抵抗器１０１と１０４の接続点は、差動増幅器１０５の一方の入力端に接続されており、その接続点における電圧はＶｏ１とされている。抵抗器１０２と１０３の接続点は、差動増幅器１０５の他方の入力端に接続されており、その接続点における電圧はＶｏ２とされている。電圧Ｖｉ２は、増幅器１０６に入力されて増幅される。電圧Ｖｏ１とＶｏ２は、差動増幅器１０５に入力されて差動増幅される。

センサ回路１００は、さらに、抵抗器１１０に並列にスイッチ１０８が接続され、差動増幅器１０５の二つの入力端の間に並列にスイッチ１０９が接続されている。センサ回路１００を圧力センサとして使用する時は、スイッチ１０８がＯＮ（閉）とされ、スイッチ１０９がＯＦＦ（開）とされる。この場合、抵抗器１０３と１０４の接続点は、直接、接地される。被測定流体のセンサ回路１００を温度センサとして使用する時は、スイッチ１０９がＯＮ（閉）とされ、スイッチ１０８がＯＦＦ（開）とされる。この場合、抵抗器１０３と１０４の接続点は、抵抗器１１０を介して接地され、差動増幅器１０５の二つの入力端がショートされる。

差動増幅器１０５の出力と増幅器１０６の出力は、ＡＤコンバータ１０７に送られて、デジタル信号に変換され、圧力データまたは温度データとして使用される。そして、測定結果である体積流量または質量流量の値が、本体１０の外部に装着された表示器（図示せず）に表示される。

センサ回路１００を圧力センサとして使用する場合、スイッチ１０８がＯＮ（閉）、スイッチ１０９がＯＦＦ（開）とされるので、抵抗器１０１と１０２の接続点には電源電圧ＶＤＤが印加され、抵抗器１０３と１０４の接続点には接地電圧０が印加される。そして、ブリッジ回路の出力電圧（Ｖｏ１-Ｖｏ２）は差動増幅器１０５で増幅され、ＡＤコンバータ１０７でデジタル信号に変換され、圧力データとして使用される。

センサ回路１００を温度センサとして使用する場合、スイッチ１０８がＯＦＦ（開）、スイッチ１０９がＯＮ（閉）とされるので、抵抗器１０１と１０２の接続点には電源電圧ＶＤＤが印加され、抵抗器１０３と１０４の接続点は抵抗器１１０を介して接地される。抵抗器１１０を温度特性の小さいものとすることで、抵抗器１０３と１０４の接続点の電圧Ｖｉ２は、ブリッジ回路を構成する四つの抵抗器１０１〜１０４の温度特性にしたがって、被測定流体の温度と共に変化する。予め、電圧Ｖｉ２と温度との関係を測定しておけば、電圧Ｖｉ２を知ることで、被測定流体の温度を測定することができる。電圧Ｖｉ２は、増幅器１０６で増幅され、ＡＤコンバータ１０７でデジタル信号に変換され、温度データとして使用される。なお、温度測定時にスイッチ１０９をＯＮにするのは、抵抗器１０２及び１０３の接続点と、抵抗器１０１及び１０４の接続点とをショートさせるためであり、これによって圧力変化に起因する電圧Ｖｉ２の変動を抑制できる利点がある。

体積流量と質量流量の演算は、絶対圧センサ３０から得られた被測定流体の圧力データと温度データを用いて、例えば、次のようにして行う。

被測定流体の体積流量をＱｖ、被測定流体の上流側圧力と下流側圧力（いずれも絶対圧）をそれぞれＰ１、Ｐ２、被測定流体の密度をρ、Ｃ１を定数とすると、ベルヌーイの式と連続の式から、被測定流体の体積流量Ｑｖは、次の数式（１）で与えられる。

被測定流体の質量流量をＱｍとすると、質量流量Ｑｍは、次の数式（２）で与えられる。ただし、Ｃ２及びＣ３はいずれも定数である。

また、状態方程式から、次の数式（３）で成り立つ。ただし、Ｐは本発明の第１実施形態に係る差圧流量計１の周囲の圧力、Ｎｇはモル質量、Ｔは差圧流量計１の周囲の絶対温度である。

数式（３）を数式（２）に代入すると、次の数式（４）が得られる。この数式（４）により、被測定流体の質量流量をＱｍが得られる。

数式（４）により得た質量流量Ｑｍを、０℃、１ａｔｍにおける体積流量に換算すると、体積流量Ｑｖ０は、次の数式（５）で与えられる。ただし、ρ０は、０℃、１ａｔｍにおける被測定流体の密度である。

よって、０℃、１ａｔｍにおける体積流量Ｑｖ０は、次の数式（６）で与えられる。

このようにして、絶対圧センサ３０から得られた被測定流体の圧力データと温度データを用いて、被測定流体の質量流量Ｑｍと、その０℃、１ａｔｍにおける体積流量Ｑｖ０の双方を測定することができる。

次に、以上の構成を持つ本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１の動作について説明する。

流路１１の上流側における被測定流体の圧力を測定する場合には、図１に示すように、ポペット弁形式の流路切換弁２０はＯＦＦとされる。この状態では、ソレノイド２４は消磁されたままであり、主軸２１のポペット２２は、ソレノイド２４の側（図１の右側）の弁座に接している。このため、絶対圧センサ３０の検出面が接している間隙４３は、連絡路４１を通って流路１１の上流側に連通しており、流路１１の下流側に連通する連絡路４２は、閉鎖されている。こうして、図１の状態では、流路１１の上流側における被測定流体の絶対圧が測定される。

流路１１の下流側における被測定流体の圧力を測定する場合には、図２に示すように、ポペット弁形式の流路切換弁２０がＯＮとされる。この状態では、ソレノイド２４は励磁されたままであり、主軸２１のポペット２２は、バネ２５の側（図２の左側）の弁座に接している。このため、絶対圧センサ３０の検出面が接している間隙４３は、連絡路４２を通って流路１１の下流側に連通しており、流路１１の上流側に連通する連絡路４１は、閉鎖されている。したがって、この状態では、流路１１の下流側における被測定流体の絶対圧が測定される。

以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１は、差圧生成機構としてのオリフィス板１５の上流側（ＩＮ側）における被測定流体の圧力と、オリフィス板１５の下流側（ＯＵＴ側）における被測定流体の圧力とを、流路切換弁２０によって切り換えながら、絶対圧センサ３０で測定することができる。このため、単一の絶対圧センサ３０を使用して、被測定流体のオリフィス板１５の上流側と下流側の間の差圧を交互に測定することができる。したがって、体積流量を測定することが可能である。

また、演算手段としてのセンサ回路１００（図６参照）によって、被測定流体のオリフィス板１５の上流側と下流側の間の差圧及び被測定流体の絶対圧だけでなく、被測定流体の温度をも得ることができるため、質量流量も測定可能である。

さらに、本体１０とオリフィス板１５と絶対圧センサ３０と流路切換弁２０とセンサ回路１００を備えるだけであるので、構造が非常に簡単であり、したがって、低コストで製造可能である。

さらに、流路切換弁２０により、流路１１のオリフィス板１５の上流側と下流側とを絶対圧センサ３０に選択的に連通させるので、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

よって、この差圧式流量計１によれば、オリフィス板１５で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

このように、本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１では、オリフィス板１５の上流側と下流側での被測定流体の絶対圧力の測定に、一つの絶対圧センサ３０を共用しており、また、センサ回路１００を被測定流体の温度の測定にも使用するため、使用する圧力センサが単一の絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない。

（第２実施形態）
図３及び図４に、本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計１ａの全体構成を示す。図３は流路１１の上流側と下流側における被測定流体の圧力を同時測定する状態を示し、図４は流路１１の下流側における被測定流体の圧力を二つの絶対圧センサ３０に与えてゼロ点調整を行う状態を示す。

この差圧式流量計１ａは、絶対圧センサ３０と同じ構成及び機能を持つ絶対圧センサ３０Ａが追加されている点と、リテーナ１４ｂに代えて、追加された絶対圧センサ３０Ａに対応する間隙４３ａが設けられたリテーナ１４ｂｂが使用されている点を除き、上述した本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１とほぼ同じ構成である。よって、図３及び図４においては、第１実施形態に係る差圧式流量計１と同一構成の部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態に係る差圧式流量計１ａでは、流路１１の長軸方向に沿って同じ絶対圧センサ３０と３０Ａが並列配置されている。絶対圧センサ３０と３０Ａの検出面に対向する位置に、それぞれ、間隙４３と４３ａが形成されている。図３の状態では、流路１１の上流側の被測定流体は、連絡路４１と間隙４３を通って絶対圧センサ３０の検出面に到達しており、それと同時に、流路１１の下流側の被測定流体は、連絡路４２と間隙４３ａを通って絶対圧センサ３０Ａの検出面に到達している。こうすることで、絶対圧センサ３０と３０Ａを用いて、被測定流体の上流側と下流側の絶対圧力を同時に測定することができる。このため、被測定流体の上流側と下流側の絶対圧力を測定するために、流路切換弁３０を動作させる必要がない。この点で、上述した本発明の第１実施形態に係る差圧式流量計１とは異なっている。

また、流路切換弁２０を作動させた図４の状態では、主軸２１がバネ２５の側（図４では左方）に移動し、その結果、ポペット２２とそれに対応する弁座によって、連絡路４１と間隙４３を結ぶ経路が遮断されている。したがって、流路１１の上流側にある被測定流体は、両方の絶対圧センサ３０と３０Ａの検出面に到達できない。他方、連絡路４２は、間隙４３と４３ａの双方と接続されているので、流路１１の下流側にある被測定流体は、両方の絶対圧センサ３０と３０Ａの検出面に到達している。このため、二つの絶対圧センサ３０と３０Ａに被測定流体の同じ圧力が印加され、その結果、ゼロ点調整が実行されることになる。

以上説明したように、本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計１ａは、絶対圧センサ３０の出力と絶対圧センサ３０Ａの出力から、被測定流体のオリフィス板１５の上流側と下流側の間の差圧を同時に測定することができる。したがって、体積流量を測定することが可能である。

また、センサ回路１００によって、被測定流体のオリフィス板１５の上流側と下流側の間の差圧及び被測定流体の絶対圧だけでなく、被測定流体の温度をも得ることができるため、質量流量も測定可能である。

さらに、本体１０とオリフィス板１５と絶対圧センサ３０及び３０Ａと流路切換弁２０とセンサ回路１００を備えるだけであるので、構造が非常に簡単であり、したがって、低コストで製造可能である。

さらに、流路切換弁２０により、流路１１のオリフィス板１５の上流側またはその下流側を、両方の絶対圧センサ３０と３０Ａに連通させることができるので、流路切換弁２０を動作させるだけでゼロ点調整が自動的に実行される。このため、二つの絶対圧センサ３０と３０Ａのゼロ点の差異に起因するゼロ点変動の問題が生じない。

よって、本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計１ａによれば、オリフィス板１５で生じた差圧を利用して流体の体積流量と質量流量の双方を測定することができると共に、構造が非常に簡単で低コストで製造することが可能であり、しかも、差圧測定時のゼロ点変動の問題が生じない。

このように、本発明の第２実施形態に係る差圧式流量計１ａでは、オリフィス板１５の上流側と下流側での被測定流体の絶対圧力の測定のために、二つの絶対圧センサ３０と３０Ａを設けており、また、センサ回路１００を被測定流体の温度の測定にも使用するため、使用する圧力センサが二つの絶対圧センサのみで足りると共に、温度センサを別個に設ける必要がない。

なお、上述した第１実施形態の差圧流量計１では、第２実施形態に係る差圧式流量計１ａよりも構成が簡単であり、その点で有利であるが、オリフィス板１５の上流側またはその下流側を測定する度に、流路切換弁２０を作動させることが必要であるから、流路切換弁２０を高い頻度で動作させることが必要である。したがって、流路切換弁２０を低消費電力のものにしたり、流路切換弁２０を長寿命のものにしたりする必要がある。しかし、第２実施形態に係る差圧式流量計１ａでは、流路切換弁２０の動作はゼロ点調整時のみでよいから、流路切換弁２０を動作頻度は圧倒的に低くなる。例えば、１分に１回または１０分に１回の動作で足りる。このため、流路切換弁２０の低消費電力、長寿命といった要請が不要になる。

（他の変形例）
上述した第１及び第２実施形態は、本発明を具体化した好適例を示すものである。したがって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を外れることなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。

例えば、上述した実施形態では、差圧生成機構としてオリフィス板を使用しているが、本発明はこれに限定されない。オリフィス板のような絞り機構のほか、ピトー管、層流素子なども使用可能である。

また、上述した実施形態では、温度測定をピエゾ抵抗器の温度特性を利用して行っているが、本発明はこれに限定されない。被測定流体の温度を測定できるものであれば、任意に使用可能である。例えば、温度測定器（温度計）を別体として設けてもよい。

さらに、流路切換弁２０は、差圧生成機構の上流側に通じる流路とその下流側に通じる流路の間で流路切換ができれば足り、したがって、電磁弁に限定されるものではない。流路切換弁２０として使用する電磁弁の構成は、上述した実施形態で使用されたポペット式のものに限定されず、ポペット式以外の形式のもの、例えばスプール式等も利用可能であり、また、一つの電磁石とバネを使用した単動式に限定されず、二つの電磁石を使用した複動式でもよい。

さらに、上述した実施形態では、絶対圧センサとして半導体圧力センサが使用されているが、本発明はこれに限定されない。被測定流体の絶対圧を測定できるセンサであれば、任意の構成のものを使用可能である。

さらに、上述した実施形態では、センサ回路として四つの抵抗器からなるブリッジ回路が使用されているが、本発明はこれに限定されない。被測定流体の絶対圧と温度を測定できるセンサであれば、任意の構成のものを使用可能である。

１、１ａ 差圧式流量計
１０ 本体
１１ 流路
１２ 収容室
１３ａ、１３ｂ プラグ部材
１４ａ、１４ｂ、１４ｂｂ リテーナ
１５ オリフィス板
２０ 流路切換弁
２１ 主軸
２２ ポペット
２３ プランジャ
２４ ソレノイド
２５ バネ
２６、２７ Ｏリング
３０、３０Ａ 絶対圧センサ
３０ａ センサチップ
３０ｂ ダイアフラム
３０ｃ 真空領域
３０ｄ 台座
３０ｅ 電極
３０ｆ ワイヤ
３０ｇ パッケージ
３０ｈ シリコンゲル
３１ カバー
４１、４２ 連絡路
４３、４３ａ 間隙
１００ センサ回路
１０１、１０２、１０３、１０４ 抵抗器
１０５ 差動増幅器抵抗器
１０６ 増幅器
１０７ ＡＤコンバータ
１０８、１０９ スイッチ
１１０ 抵抗器
１１１ 直流電源

Claims (12)

1. 被測定流体が流れる流路を有する本体と、
   前記流路内に設置された差圧生成機構と、
   前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧とその下流側における絶対圧を測定する絶対圧センサと、
   前記流路の前記差圧生成機構の上流側と下流側とを前記絶対圧センサに選択的に連通させる流路切換手段と、
   前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧についての前記絶対圧センサの出力と、その下流側における絶対圧についての前記絶対圧センサの出力とから、前記被測定流体の差圧を算出する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、前記被測定流体の温度を測定する機能を有していることを特徴とする差圧式流量計。
2. 前記流路切換手段が、前記流路の前記差圧生成機構の上流側と前記絶対圧センサを接続する第１連絡路と、前記流路の前記差圧生成機構の下流側と前記絶対圧センサを接続する第２連絡路とを切り換えるように構成されている請求項１に記載の差圧式流量計。
3. 前記流路切換手段が、前記本体の内部に移動可能として設けられた弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドを備えた電磁弁とされている請求項１または２に記載の差圧式流量計。
4. 前記絶対圧センサが、ダイアフラム上に配置された複数のセンサ要素を含む半導体圧力センサから構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の差圧式流量計。
5. 前記演算手段が、前記絶対圧センサに設けられたセンサ要素の温度特性を利用して、前記被測定流体の温度を測定する請求項１〜４のいずれかに記載の差圧式流量計。
6. 前記差圧生成機構がオリフィス板とされている請求項１〜５のいずれかに記載の差圧式流量計。
7. 被測定流体が流れる流路を有する本体と、
   前記流路内に設置された差圧生成機構と、
   前記被測定流体の前記差圧生成機構の上流側における絶対圧を測定する第１絶対圧センサと、
   前記被測定流体の前記差圧生成機構の下流側における絶対圧を測定する第２絶対圧センサと、
   前記流路の前記差圧生成機構の上流側またはその下流側を、前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサの双方に連通させる流路切換手段と、
   前記第１絶対圧センサの出力と前記第２絶対圧センサの出力とから、前記被測定流体の差圧を算出する演算手段とを備え、
   前記演算手段は、前記被測定流体の温度を測定する機能を有していることを特徴とする差圧式流量計。
8. 前記流路切換手段が、差圧状態では、前記流路の前記差圧生成機構の上流側と前記第１絶対圧センサを接続すると共に、前記流路の前記差圧生成機構の下流側と前記第２絶対圧センサを接続し、均圧状態では、前記流路の前記差圧生成機構の上流側またはその下流側を前記第１絶対圧センサと前記第２絶対圧センサの双方に連通させるように構成されている請求項７に記載の差圧式流量計。
   
9. 前記流路切換手段が、前記本体の内部に移動可能として設けられた弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドを備えた電磁弁とされている請求項７または８に記載の差圧式流量計。
10. 前記第１絶対圧センサ及び前記第２絶対圧センサの各々が、ダイアフラム上に配置された複数のセンサ要素を含む半導体圧力センサから構成されている請求項７〜９のいずれかに記載の差圧式流量計。
11. 前記演算手段が、前記第１絶対圧センサ及び前記第２絶対圧センサに設けられたセンサ要素の温度特性を利用して、前記被測定流体の温度を測定する請求項７〜１０のいずれかに記載の差圧式流量計。
12. 前記差圧生成機構がオリフィス板とされている請求項７〜１１のいずれかに記載の差圧式流量計。

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