JP2016217812A - 熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することが可能な熱式マスフローコントローラを実現する。
【解決手段】熱式マスフローコントローラ１００は、被測定流体が流れる配管４０に設置され、発熱体ＲＨと、発熱体ＲＨから被測定流体に与えられた熱を検出する測温体Ｒ１，Ｒ２と、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、発熱体ＲＨを２つの異なる温度で発熱させた際に測温体Ｒ１，Ｒ２でそれぞれ検出される温度に対して被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置２０と、補正するための情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する補正部２０と、を備え、配管４０を流れる被測定流体の流量がゼロである際に測温体において検出される温度誤差と情報とに基づいて、被測定流体の出力を補正する。
【選択図】図５

Description

本発明は、被測定流体の流量（流速）を測定する熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法に関する。

従来の流量計では、特許文献１に開示されているように、基板上に発熱体と当該発熱体を挟む２つの測温体とが設けられており、基板面が水準方向に平行になるように配管内に配置し、被測定流体が通過する際に流体の流れによって移動した発熱体上の熱を２つの測温体で検出し、それぞれの測温体で検出される温度差に基づいて質量流量を算出していた。

上記特許文献１に開示された流量計では、発熱体と測温体の位置関係が、水準方向、すなわち鉛直方向に対して垂直に並んでいるのであれば、流体の流れがない時には熱の移動がないので温度差が発生することはなく、この状態に測定される流量はゼロとなり、誤差を生じない。

ところが、発熱体と測温体との位置関係が、鉛直方向に並んでいる場合、発熱体によって発生した熱が鉛直方向に対して反対向きに分布する（以下、「熱対流効果」と称する）。そのため、流体の流れがない場合には本来ゼロと出力しなければならないところ、熱対流効果によって２つの測温体に温度差が生じてしまい、あたかも流れがあるかのように流量が出力されてしまう。このため特許文献１に開示された流量計の取り付け方向では、発熱体と測温体とを配置する基板面が水準方向に沿っていないと精度よく測定できないことになり、取り付け方向についてユーザ側の自由度を奪ってしまうという問題が生じていた。

上記のような問題に鑑みて、特許文献２に記載の方法では、Ｕ字管の一方には自己発熱抵抗体（センサ素子）を設け、もう一方にはヒータ素子を設けることで、センサ素子側で発生した熱対流による流れを、ヒータ素子側で強制的に発生させた熱対流による流れによって、物理的に打ち消していた。

特開２００４−１１７１５７号公報 特許第４０２７４７０号公報

しかしながら、流量計としては、特許文献１に開示された流量計の方が特許文献２に開示されたＵ字管タイプの流量計よりも構造が簡単であって製造が容易である。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る熱式マスフローコントローラは、被測定流体が流れる配管に設置される熱式マスフローコントローラであって、発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を２つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、を備え、前記配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体において検出される温度誤差と前記情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正することを特徴とする。

また、本発明に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法は、発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、を備える熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法であって、配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体によって検出される温度誤差を計測する手順と、前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記ゼロ点温度誤差と前記被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正する手順と、を有する。

本発明によれば、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる。

本発明の一実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの斜視図である。 本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。 本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの回路図である。 本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラを配管に設置した状態の模式図である。 本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラを鉛直方向に設置した状態の模式図である。 流量と偏差の関係を示す図である。 （ａ）流量ポイントにおける代表誤差、（ｂ）各流量ポイントにおける代表誤差ｘのときの誤差の説明に供する図である。 本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順の説明に供する図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

まず、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラについて説明する。図１に本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラの斜視図を示す。図２に本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラの図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図を示す。

本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ１００は、図１及び図２に示す素子構造のマイクロチップを用い、図３に示す検出回路を備えている。図１及び図２に示すように、熱式マスフローコントローラ１００は、キャビティＣが設けられた基板Ｂ、及び基板Ｂ上にキャビティＣを覆うように配置された絶縁膜Ｍを備える。基板Ｂの厚みは、例えば０．５ｍｍであるが、例示の厚みに限定されない。また、基板Ｂの縦横の寸法は、例えばそれぞれ１．５ｍｍ程度であるが、例示の寸法に限定されない。絶縁膜ＭのキャビティＣを覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。

さらに熱式マスフローコントローラ１００は、絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分に設けられた発熱体（ヒータ素子）ＲＨと、発熱体ＲＨを挟むように絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分に設けられた上流側の測温体（抵抗素子）Ｒ１及び下流側の測温体（抵抗素子）Ｒ２と、基板Ｂ上に設けられた周囲温度計測用の温度センサＲＲと、を備える。温度センサＲＲも電気抵抗素子等からなる。

発熱体ＲＨは、キャビティＣを覆う絶縁膜Ｍのダイアフラムの部分の中心に配置されている。発熱体ＲＨは、電力が与えられて発熱し、発熱体ＲＨに接する雰囲気ガス等の被測定流体を加熱する。発熱体ＲＨに隣接して設けられた上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２は、発熱体ＲＨが発熱していないときの当該発熱体ＲＨ近傍の局所的な温度を、参照温度として検出する。温度センサＲＲは、発熱体ＲＨから上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２より遠方に配置されている。温度センサＲＲは、発熱体ＲＨと熱的に平衡な雰囲気ガスのガス温度を、平衡ガス温度として検出する。温度センサＲＲは、絶縁膜Ｍを介して発熱体ＲＨから離間されて、熱伝導性の基板Ｂ上に設けられている。そのため、上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２と比較して、温度センサＲＲは、発熱体ＲＨの発熱から受ける影響が少ない。

基板Ｂの材料としては、シリコン（Ｓｉ）等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。絶縁膜Ｍの材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。キャビティＣは、異方性エッチング等により形成されるが、例示の加工方法に限定されない。また、発熱体ＲＨ、上流側の測温体Ｒ１、下流側の測温体Ｒ２、及び温度センサＲＲのそれぞれの材料には白金（Ｐｔ）等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能であるが、例示の材料及び作製方法に限定されない。

図３に本実施形態に係る熱式マスフローコントローラ１００の検出回路を示す。図３に示すように、熱式マスフローコントローラ１００は、測温体Ｒ１，Ｒ２のブリッジ回路を使用して被測定流体の流量を検出する流量検出回路１と、発熱体ＲＨ及び温度センサＲＲのブリッジ回路を使用してヒータを制御するヒータ制御回路２とを備える。なお、抵抗Ｒ３〜Ｒ６は外付け抵抗であり、これらの抵抗値は発熱体ＲＨ、温度センサＲＲ及び測温体Ｒ１，Ｒ２のバランスからそれぞれ決める。

流量検出回路１は、測温体Ｒ１，Ｒ２、抵抗Ｒ３，Ｒ４で形成されるブリッジ回路１０、及び演算増幅器（以下、「オペアンプ」という）Ｕ１で構成される。オペアンプＵ１の＋入力端子は、直列に接続された上流側の測温体Ｒ１と下流側の測温体Ｒ２との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ１の＋入力端子は、下流側の測温体Ｒ２を介して接地され、上流側の測温体Ｒ１を介して抵抗Ｒ３と電気的に接続されている。オペアンプＵ１の−入力端子は、直列に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ１の−入力端子は、抵抗Ｒ４を介して接地され、抵抗Ｒ３を介して上流側の測温体Ｒ１と電気的に接続されている。オペアンプＵ１の出力端子は、例えば中央演算装置（ＣＰＵ）等の流量演算部／補正部２０と電気的に接続されている。流量演算部／補正部（以下、単に「補正部」という）２０は、オペアンプＵ１で増幅した電圧を取り込んで、流量を演算したり補正したりする。補正部２０は、被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置３０と電気的に接続されている。補正部２０は、記憶装置３０に保存された情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する。

ヒータ制御回路２は、発熱体ＲＨ、周囲温度計測用の温度センサＲＲ、及び抵抗Ｒ５，Ｒ６で形成されるブリッジ回路１１、並びにオペアンプＵ２で構成される。オペアンプＵ２の＋入力端子は、直列に接続された発熱体ＲＨと抵抗５との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ２の＋入力端子は、発熱体ＲＨを介して接地され、抵抗Ｒ５を介して抵抗Ｒ６と電気的に接続されている。オペアンプＵ２の−入力端子は、直列に接続された温度センサＲＲと抵抗Ｒ６との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプＵ２の−入力端子は、温度センサＲＲを介して接地され、抵抗Ｒ６を介して抵抗Ｒ５と電気的に接続されている。オペアンプＵ２の出力端子は、抵抗Ｒ５，Ｒ６と電気的に接続されている。発熱体ＲＨは、例えば６０℃位に発熱する。上流側の測温体Ｒ１：発熱体ＲＨは、周囲温度に対してある比になるように設定される。

ヒータ制御回路２の発熱体ＲＨは、周囲温度計測用の温度センサＲＲに対してある一定の温度差を保持して制御（定温度差駆動）され、流速センサとして機能する。被測定流体が流れると、強制対流によって発熱体ＲＨの放熱状態が高まり、発熱体ＲＨの温度が低下、即ち電圧が低下する。しかし、発熱体ＲＨは、一定の温度差を保持して制御されるため、オペアンプＵ２の出力電圧が上昇し、流速に比例した信号電圧が出力端子から出力される。ここで、本実施形態の流速センサは、流量センサとしても機能する。流量センサは、流速に配管の断面積などの要素を流量に乗じて換算するものだからである。

図４に、本実施形態に係る熱式マスフローコントローラ１００を配管に設置した状態の模式図を示す。図４に示すように、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ１００は、雰囲気ガス等の被測定流体が流れる配管４０に設置される。本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ１００は、被測定流体に発熱体ＲＨ、該発熱体ＲＨから被測定流体に与えられた熱を検出する上流側の測温体Ｒ１及び下流側の測温体Ｒ２を臨ませて設置される。

熱式マスフローコントローラ１００の基本原理としては、発熱体ＲＨによって加熱された流体が流れることにより、下流側の測温体Ｒ２によって検出される温度が、上流側の測温体Ｒ１によって検出される温度よりも高くなるため、この温度差から流速を算出するものである。

図５は、鉛直方向上向きに被測定流体が流れるように、熱式マスフローコントローラ１００を設置したときの模式図である。このとき、鉛直方向上向きに移動した熱によって、下流側の測温体（図５で上側の測温体）Ｒ２の検出する温度が、上流側の測温体（図５で下側の測温体）Ｒ１の検出する温度よりも高くなる。本来、被測定流体が流管の中を流れていない場合には、熱式マスフローコントローラの出力はゼロとならなければいけないところ、上記のように測温体Ｒ１，Ｒ２の検出温度に差分が発生するため、特段の補正を実施しない場合には、流量検出回路１は、あたかも、被測定流体が流れているかのような出力を示してしまう。

次に、このようなゼロ点（流量が流れていないときの出力）の誤差を補正するための方法について説明する。図６は、流量と偏差の関係を示す図である。図６において、横軸は、流管に流れる被測定流体の流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示しており、縦軸は、測温体Ｒ１，Ｒ２によってそれぞれ検出される温度の偏差（流量誤差）を示している。図６に示すように、流量が大きくなればなるほど、熱対流の影響（縦軸の偏差）が小さくなっていることが判る。

図６では、流量と偏差とが一次線形的に変化しているかのように示されているが、広い流量範囲で流量と偏差との関係を測定すると厳密には一次線形的な関係とはなっていない。しかし、実務上は、センサは、限定的な流量の範囲で用いられるものであるため、以下の説明では流量と偏差とが一次線形的な関係で変化するものとして説明して差し支えない。

また図６において、温度α＞温度γ＞温度βの関係になっており、同じ流量であれば、温度の絶対値が高いほど、偏差が大きくなる傾向が見られる。温度αと温度βとの間に含まれる温度γであれば、オペレーターが流量演算部／補正部２０に追加情報を入力することにより、補間演算を用いて温度γについての偏差を推定することができる。すなわち、一つの偏差（温度誤差）から補正値を算出するには、代表誤差テーブルを用意し、記憶装置３０に記憶させることが考えられる。例えば、図７（ａ）に示すように、流量ポイントに対する代表誤差ｄが〔（０，ｄ0）、（１，ｄ1）、・・・（ｎ，ｄn）・・・〕であるとする。そして、図７（ｂ）に示すように、ゼロ点の誤差がｘのとき、各流量ポイントにおける換算計数ｆ（ｘ）を用いて、各流量ポイントの誤差の補正値を〔（０，ｘ），（１，ｆ1（ｘ）＊ｄ1）、・・・（ｎ，ｆn（ｘ）＊ｄn）・・・〕というように補正することが可能である。

ゼロ点での誤差と各流量での補正値については、実流で取得したデータから作成したテーブルで補正する。また、偏差の要因としては、「設置方向」「ガス密度」「圧力」などのパラメータが関係している。一つの条件でテーブルを作成した後、各パラメータの変化に対して補正テーブルが変動する係数を求めておき、これを乗じて補正値を算出する。「圧力」や「ガス密度」などによって補正値が変わるのであれば、「圧力」や「ガス密度」などのパラメータを流量演算部／補正部２０に設定したうえで、自動補正する方法が考えられる。

なお、熱式マスフローコントローラの電源投入時、被測定流体の流量制御を開始する前に、その流体に対する補正値を決定することが望ましい。流体の物性値（ガス種）、圧力が変更される毎にその流体に対する補正値を求める。

次に、図８を参照して、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順例について説明する。図８は本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順を説明するフローチャートである。

被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法を実施する。図８に示すように、まず、オペレーターが熱式マスフローコントローラ１００の電源を投入すると（ＳＴ１）、ガス充填の圧力が実使用と同じ圧力になっていることを確認したうえで、マニュアル操作で被測定流体の流量をゼロの状態とする（ＳＴ２）。次に、補正部２０は、流量ゼロ時のゼロ点の温度誤差を計測する（ＳＴ３）。そして、補正部２０は、熱式マスフローコントローラ１００が鉛直方向成分を含んでいるかを判定する（ＳＴ４）。

熱式マスフローコントローラ１００が傾斜設置されて鉛直方向成分を含んでいる場合は（ＳＴ４／ＹＥＳ）、補正部２０は、記憶装置３０に保存されている、図６に示すような流量と偏差の関係テーブルから、計測されたゼロ点温度誤差における関係を読み出す（ＳＴ５）。そして、流量制御が開始されると、補正部２０は、読み出された関係に基づいて流量値を補正する（ＳＴ６）。他方、熱式マスフローコントローラ１００が鉛直方向成分を含んでいない場合は（ＳＴ４／ＮＯ）、補正制御を終了する。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ１００は、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、流量がゼロにおけるゼロ点温度誤差と記憶装置３０に保存した被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、被測定流体の出力を補正する。したがって、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ１００によれば、発熱体ＲＨと測温体Ｒ１，Ｒ２とを含む基板Ｂの平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができるという優れた効果を発揮する。

〔その他の実施の形態〕
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 流量検出回路
２０ 流量演算部／補正部
３０ 記憶装置
４０ 配管
１００ 熱式マスフローコントローラ
ＲＨ 発熱体（ヒータ素子）
Ｒ１，Ｒ２ 測温体（抵抗素子）
１００ 熱式マスフローコントローラ

Claims (2)

1. 被測定流体が流れる配管に設置される熱式マスフローコントローラであって、
   発熱体と、
   前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、
   前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を２つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、
   前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、
   を備え、
   前記配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体において検出される温度誤差と前記情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正することを特徴とする熱式マスフローコントローラ。
2. 発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、を備える熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法であって、
   配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体によって検出される温度誤差を計測する手順と、
   前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記温度誤差と前記被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正する手順と、
   を有することを特徴とする熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法。

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