JP2019002717A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量測定装置において、温度補償に用いる温度センサが受ける、流体温度と環境温度との差の影響を低減させ、温度補償の精度を向上させる。【解決手段】流量測定装置は、主流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を検出する流量検出部１１と、測定対象流体の温度に応じた値を検出する流体温度検出部と、流量に応じた値を、温度に応じた値に基づいて補正し、測定対象流体の流量を算出する制御部１３とを備える。また、流体温度検出部と流量検出部１１とは、異なる流路に設けられる。【選択図】図８

Description

本発明は、流量測定装置に関する。

従来、ヒータおよびセンサを備え、流体の流れによって変化する温度分布をセンサが検知することにより、流体の流速又は流量を算出する測定装置が提案されていた。

また、流体と、熱電対の冷接点が設けられる基体との温度差によって生じる計測誤差を解消する技術も提案されている（例えば特許文献１）。当該技術においては、流体の温度とフローセンサの基体温度との間に生じる温度差と該温度差に対応して流量計測で生じる誤差との関係に基づいて、当該誤差を解消するように温度信号、温度分布、計測した流量の少なくとも１つを補正する補正情報を予め記憶させておく。また、ヒータ温度を検出し、該ヒータ温度と基体温度との温度差から標準温度差を差し引いて第２温度差を算出し、該第２温度差に基づいて流体温度を求めるとされている。

特開２００７−１３９６７３号公報

例えばサーモパイル等を用いた温度センサには温度特性があり、上述したような測定装置に用いられる温度センサの出力電圧は測定対象の流体の温度に応じて変化する。また、これを補正するために流体の温度を測定する場合には、温度センサに対する流体の速度に応じて、測定される流体温度にも誤差が生じるという問題があった。

また、温度補償のための温度センサが測定対象である流体に晒されず、外部環境に晒されている場合には、流路を流れる流体の温度と流路外の環境温度の差の影響を受けてしまう。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、流量測定装置において、温度補償に用いる温度センサが受ける、流体温度と環境温度との差の影響を低減させ、温度補償の精度を向上させることを目的とする。

本発明に係る流量測定装置は、主流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を検出する流量検出部と、測定対象流体の温度に応じた値を検出する流体温度検出部と、流量に応じた値を、温度に応じた値に基づいて補正し、測定対象流体の流量を算出する制御部と備える。また、流体温度検出部と流量検出部とは、異なる流路に設けられる。

このように、測定対象流体の温度に応じた値を直接検出することにより、測定対象流体の流体温度と環境温度との差の影響を低減させることができる。したがって、測定される流体温度の精度が向上すると共に、流体温度に基づく温度補償の精度を向上させることができる。なお、流体温度検出部は、主流路から分岐した副流路に設けられるようにしてもよい。副流路に分岐させた測定対象流体の温度に応じた値を検出することで、流速の大きさにより生じる流体温度の測定値の誤差を低減させることができる。また、副流路の断面積は、流量検出部が設けられる流路の断面積よりも小さくなるようにしてもよい。

また、流量検出部には、測定対象流体を加熱する流量検出部内加熱部および測定対象流体の温度を検出する流量検出部内温度検出部が、測定対象流体の流れる方向に並んで設けられ、流体温度検出部には、測定対象流体を加熱する流体温度検出部内加熱部および測定対象流体の温度を検出する流体温度検出部内温度検出部が、測定対象流体の流れる方向とほぼ直交する方向に並んで設けられるようにしてもよい。このようにすれば、流量検出部においては測定対象流体の流れる方向に応じた温度分布の変化を流量検出部内温度検出部によって検出し易くなる。一方、流体温度検出部の流体温度検出部内温度検出部が検出する値は、測定対象流体の流れる方向による温度分布の変化の影響が抑えられ、流速の大きさにより生じる流体温度の測定値の誤差を低減させることができる。

また、流体温度検出部内加熱部および流体温度検出部内温度検出部は、それぞれ一方向に細長い形状であり、長手方向は測定対象流体が流れる方向に沿って設けられるようにしてもよい。このような構成によっても、測定対象流体の流れる方向による温度分布の変化の影響が抑えられ、流速の大きさにより生じる流体温度の測定値の誤差を低減させることができる。

また、流体温度検出部内加熱部及び流体温度検出部内温度検出部は、薄膜上に設けられ、当該薄膜は所定の基台上に設けられると共に、当該基台は、流体温度検出部内加熱部及び流体温度検出部内温度検出部の下部にキャビティを有するようにしてもよい。このようにすれば、流体温度検出部内温度検出部の周囲を測定対象流体が流れるため、測定対象流体の温度変化に対する応答性が高くなる。

また、流体温度検出部は、測定対象流体の特性値を検出し、制御部は、さらに特性値を用いて温度に応じた値を補正し、測定対象流体の流量を算出するようにしてもよい。このようにすれば、流体温度検出部の出力に基づいて、例えば物性値のような特性値に基づく流量の補正を行うこともできるようになる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段に示した流量測定装置の内容は、方法又はプロセッサ等の演算装置に実行させるプログラム、若しくはプログラムを格納する媒体として提供することができる。

流量測定装置において、温度補償に用いる温度センサが受ける、流体温度と環境温度との差の影響を低減させ、温度補償の精度を向上させることができる。

流量測定装置の一例を示す分解斜視図である。 流量測定装置の一例を示す透視図である。 副流路部を示す平面図である。 センサ素子の一例を示す斜視図である。 センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。 流量検出部の概略構成を示す平面図である。 物性値検出部の概略構成を示平面図である。 回路基板の機能構成を示すブロック図である。 流量測定処理の一例を示す処理フロー図である。 流体温度の差異に応じて変化する流量検出部の出力の一例を説明するための図である。 比較例に係る流量測定装置の断面図である。 縦軸にセンサ感度比、横軸に熱伝導率を示すグラフである。 縦軸にセンサ感度比、横軸にΔＴを示すグラフである。 副流路部の変形例を示す図である。 副流路部の変形例を示す図である。 副流路部の変形例を示す図である。 副流路部の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 流量測定装置の変形例を示す図である。 センサ素子の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る流量測定装置について、図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は、流量測定装置の一例であり、本発明に係る流量測定装置は、以下の構成には限定されない。

＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る流量測定装置１の一例を示す分解斜視図である。図２は、流量測定装置１の一例を示す透視図である。流量測定装置１は、例えばガスメータや燃焼機器、自動車等の内燃機関、燃料電池、その他医療等の産業機器、組込機器に組み込まれ、流路を通過する流体の量を測定する。なお、図１及び図２の破線の矢印は、流体の流れる方向を例示している。

また、図１に示すように、本実施形態に係る流量測定装置１は、主流路部２と、副流路部３と、シール４と、回路基板５と、カバー６とを備えている。図１及び図２に示すように、本実施形態では、流量測定装置１は主流路部２から分岐した副流路部３を有する。また、流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２とを副流路部３に備える。流量検出部１１及び物性値検出部１２は、マイクロヒータによって形成される加熱部とサーモパイルによって形成される温度検出部とを含む熱式のフローセンサである。また、本実施形態では、物性値検出部１２を利用して流体の温度を検出する。物性値検出部１２は、本発明に係る「流体温度検出部」とも呼ぶ。また、物性値検出部１２は、気体の流量を検出する流量検出部１１とは別に設けられた流量検出部以外のセンサであれば物性値を検出するものでなくてもよい。

主流路部２は、測定対象である流体の流路（以下、主流路ともいう）が長手方向に貫通した管状部材である。主流路部２の内周面には、測定対象流体の流れ方向に対して、上流側に流入口（第１流入口）３４Ａが形成され、下流側に流出口（第１流出口）３５Ａが形成されている。例えば主流路部２の軸方向の長さは約５０ｍｍであり、内周面の直径（主流路部２の内径）は約２０ｍｍであり、主流路部２の外径は約２４ｍｍであるが、このような例には限定されない。

図１及び図２においては、主流路から分岐した副流路を内部に含む部分である副流路部３は主流路部２の上方に設けられている。そして、副流路部３は、主流路部２を流体の流れる方向と平行に設けられる。また、副流路部３の内部および上面には、副流路が形成される。副流路部３内の副流路は、一端が流入口３４Ａに通じ、他端が流出口３５Ａに通じ
ており、副流路部３内の副流路には、主流路部２を流れる流体の一部が分岐して流入する。また、副流路部３内の副流路は、流入用流路３４と、物性値検出用流路３２と、流量検出用流路３３と、流出用流路３５とを含む。

流入用流路３４は、主流路部２を流れる測定対象流体を流入させて、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させるための流路である。流入用流路３４は、主流路部２における流体の流れ方向と垂直な方向に形成されており、一端が流入口３４Ａに連通し、他端は副流路部３の内部で開口し、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に連通している。これにより、主流路部２を流れる測定対象流体の一部を、流入用流路３４を介して、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させることができる。

物性値検出用流路３２は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２と平行な方向に延在する、上側から見た断面が略コ字型の流路である。物性値検出用流路３２は、長手方向（主流路部２と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の物性値を検出するための物性値検出部１２が配置されている。物性値検出用流路３２の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。

流量検出用流路３３は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２における流体の流れ方向と平行な方向に延在する、上側から見た断面が略コの字型の流路である。流量検出用流路３３には、長手方向（主流路部２における流体の流れ方向と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の流量を検出するための流量検出部１１が配置されている。また、流量検出用流路３３の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。なお、物性値検出部１２、流量検出部１１は、それぞれ回路基板５上に実装された状態で物性値検出用流路３２、流量検出用流路３３に配置される。

流出用流路３５は、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、主流路部２に流出させるための流路である。流出用流路３５は、主流路部２と垂直な方向に、副流路部３を貫通して形成されており、一端が流出口３５Ａに連通し、他端は主流路部２の上面で開口して、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に連通している。これにより、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、流出用流路３５を介して、主流路部２に流出させることができる。

このように、１つの流入口３４Ａから流入させた測定対象流体を、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させることで、物性値検出部１２および流量検出部１１は、温度、密度などの条件が等しい測定対象流体に基づいて物性値や流量を検出することができる。

なお、流量測定装置１では、副流路部３にシール４を嵌め込んだ後、回路基板５が配置され、さらにカバー６によって回路基板５を副流路部３に固定することで、副流路部３の内部の気密性を確保している。

図３は、図１に示される副流路部３を示す平面図である。図３に示されるように、物性値検出用流路３２は、前述のとおり一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。同様に、流量検出用流路３３は、一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。

また、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３との両端部も互いに連通しており、
物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、副流路部３の上面において矩形状の流路を構成している。

流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、何れも横断面が矩形であり、流入用流路３４と流出用流路３５とを結ぶ直線に対して対称となる位置にそれぞれ形成されている。

また、矢印Ｐ及びＱは、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を表す。本実施形態では、物性値検出用流路３２には流量Ｐの測定対象流体が分流され、流量検出用流路３３には流量Ｑの測定対象流体が流れるように、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の幅（換言すれば、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の断面積）が設定されている。

この流量Ｐおよび流量Ｑの値は、主流路部２を流れる測定対象流体の流量によって変動するものであるが、通常の使用態様において、流量Ｐは物性値検出部１２の検出レンジ内の値となり、流量Ｑは流量検出部１１の検出レンジ内の値となるように、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の幅がそれぞれ設定されている。すなわち、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の幅によって、物性値検出部１２や流量検出部１１が検出可能な値の範囲を外れないように、物性値検出部１２や流量検出部１１を通過する測定対象流体の流量を制御することができる。なお、物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３の幅は例示であり、図３に示す例には限定されない。

このように、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を、それぞれの幅を調整することで個別に制御することが可能である。このため、物性値検出部１２の検出レンジに応じて物性値検出用流路３２を流れる測定対象流体の流量を制御し、流量検出部１１の検出レンジに応じて流量検出用流路３３を流れる測定対象流体の流量を制御することができる。

したがって、物性値検出部１２は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の物性値や流体の温度を検出することができるので、物性値検出部１２の検出精度を高めることができる。

同様に、流量検出部１１は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の流量を検出することができるので、流量検出部１１の検出精度を高めることができる。

物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、何れも上面視において略コ字型に形成された構成には限定されない。すなわち、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過する測定対象流体の流量が制御可能な幅（断面積）に設定されていれば、他の形状を採用するようにしてもよい。

また、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３において物性値検出部１２、流量検出部１１が配置される空間の形状を上面視において略正方形にしているが、本発明はこれに限定されない。物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の形状は、物性値検出部１２または流量検出部１１が配置可能であればよく、配置される物性値検出部１２および流量検出部１１の形状等に応じて決定することができる。

したがって、例えば、物性値検出用流路３２の幅よりも、物性値検出部１２のサイズが小さい場合には、物性値検出用流路３２の幅を物性値検出部１２の幅に一致させてもよい。すなわち、この場合は、物性値検出用流路３２の長手方向に延在する部分は、幅がほぼ
一定の形状になる。なお、流量検出用流路３３についても同様である。

以上のように、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を流れる流体の量は、主流路部２を流れる流体の量よりも少ないが、それぞれ主流路部２を流れる流体の量に応じて変化する。仮に流量測定装置１を主流路部２に配置する場合は、主流路部２を流れる流体の量に応じて流量検出部１１および物性値検出部１２の規模を大きくする必要が生じるが、本実施形態では主流路部２から分岐する副流路部３を設けることにより、規模の小さい流量検出部１１および物性値検出部１２によって流体の流量を測定できるようにしている。なお、副流路部３へ流れる流体の量は、主流路部２内にオリフィスを設けることにより調整するようにしてもよい。

また、物性値検出用流路３２の断面積の方が流量検出用流路３３の断面積よりも小さく、図３において矢印Ｐ及びＱの大きさで表したように物性値検出用流路３２を流れる流体の量の方が流量検出用流路３３を流れる流体の量よりも少なくなっている。このように、流量検出部１１を流れる流体の量よりも物性値検出部１２を流れる流体の量の方が少なくすることにより、物性値検出部１２が流体の物性値や温度を検出する際の流量の影響による誤差を小さくすることができる。

図４は、流量検出部及び物性値検出部に用いられるセンサ素子の一例を示す斜視図である。また、図５は、センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。センサ素子１００は、マイクロヒータ（加熱部）１０１と、マイクロヒータ１０１を挟んで対称に設けられたサーモパイル（温度検出部）１０２とを備える。すなわち、マイクロヒータ１０１とサーモパイル１０２とは、所定の方向に並ぶように配置されている。これらの上下には、図５に示すように絶縁薄膜１０３が形成され、マイクロヒータ１０１、サーモパイル１０２及び絶縁薄膜１０３はシリコン基台１０４上に設けられている。また、マイクロヒータ１０１及びサーモパイル１０２の下方のシリコン基台１０４には、エッチング等により形成されるキャビティ（空洞）１０５が設けられている。マイクロヒータ１０１は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。図５においては、破線の楕円によって、マイクロヒータ１０１が発熱した場合の温度分布を模式的に示している。なお、破線が太いほど温度が高いことを示すものとする。空気の流れがない場合、図５の上段（１）に示すようにマイクロヒータ１０１の周囲の温度分布はほぼ均等になる。一方、例えば図５の下段（２）において破線の矢印で示す方向に空気が流れた場合、周囲の空気が移動するため、マイクロヒータ１０１の風上側よりも風下側の方が、温度は高くなる。センサ素子は、このようなヒータ熱の分布の偏りを利用して、流量を示す値を出力する。センサ素子の出力電圧ΔＶは、例えば次のような式（１）で表される。

なお、Ｔｈはマイクロヒータ１０１の温度（サーモパイル１０２におけるマイクロヒータ１０１側の端部の温度）、Ｔａはサーモパイル１０２におけるマイクロヒータ１０１から遠い側の端部の温度のうち低い方の温度（図５の上段（１）では左側のサーモパイル１０２の左端の温度又は右側のサーモパイル１０２の右端の温度であり、図５の下段（２）では上流側の端部である左側のサーモパイル１０２の左端の温度）、Ｖｆは流速の平均値、Ａ及びｂは所定の定数である。

また、流量測定装置１の回路基板５は、ＩＣ（Integrated Circuit）等により実現される制御部（図示せず）を備え、流量検出部１１の出力に基づいて流量を算出したり、物性値検出部１２の出力に基づいて流体温度や所定の特性値を算出したり、流体温度や特性値を用いて流量を補正したりする。

＜流量検出部及び物性値検出部＞
図６は、図１に示した流量検出部１１の概略構成を示す平面図であり、図７は、図１に示した物性値検出部１２の概略構成を示す平面図である。流量測定装置１では、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３とは、流路の幅がそれぞれ異なっており、物性値検出用流路３２の物性値検出部１２が配置された流路の幅は、流量検出用流路３３の流量検出部１１が配置された流路の幅よりも狭くなっている。これにより、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流される測定対象流体の流量を、それぞれ個別に制御している。

図６に示すように、流量検出部１１は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（温度検出部）１１１および第２サーモパイル（温度検出部）１１２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ（「加熱部」とも呼ぶ）１１３とを備えている。加熱部１１３と、温度検出部１１１および温度検出部１１２とは、流量検出部１１内において、測定対象流体の流れ方向Ｐに沿って並べて配置されている。また、加熱部１１３、温度検出部１１１、および温度検出部１１２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｐと直交する。

温度検出部１１１および温度検出部１１２は、加熱部１１３の上流側に温度検出部１１２が配置され、下流側に温度検出部１１１が配置されて、加熱部１１３を挟んで対称な位置の温度を検出する。

流量測定装置１では、物性値検出部１２および流量検出部１１に、実質的に同一構造のセンサ素子１００が用いられており、測定対象流体の流れ方向に対する配置角度を、センサ素子１００の平面視上、９０度異ならせて配置されている。これにより、同一構造のセンサを物性値検出部１２または流量検出部１１として機能させることができ、流量測定装置１の製造コストを低減させることができる。

一方、図７に示すように、物性値検出部１２は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（「温度検出部」とも呼ぶ）１２１および第２サーモパイル（「温度検出部」とも呼ぶ）１２２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ（「加熱部」とも呼ぶ）１２３とを備えている。加熱部１２３と、温度検出部１２１および温度検出部１２２とは、物性値検出部１２内において、測定対象流体の流れ方向Ｑと直交する方向に並んで配置されている。また、加熱部１２３、温度検出部１２１、および温度検出部１２２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｑに沿っている。また、温度検出部１２１および温度検出部１２２は、加熱部１２３を挟んで左右対称に配置されており、加熱部１２３の両側の対称な位置の温度を検出する。したがって、温度検出部１２１および温度検出部１２２の測定値はほぼ同一であり、平均値を採用するようにしてもよいし、いずれか一方の値を採用するようにしてもよい。

ここで、測定対象流体の流れによって温度分布は下流側に偏るため、流れ方向と直交する方向の温度分布の変化は、測定対象流体の流れ方向の温度分布の変化に比べて小さい。このため、温度検出部１２１と、加熱部１２３と、温度検出部１２２とを、この順で測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並べて配置することにより、温度分布の変化による温度検出部１２１および温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。

また、加熱部１２３の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、加熱部１２３は測定対象流体の流れ方向の広範囲に亘って測定対象流体を加熱すること
が可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても、温度検出部１２１および温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。同様に、流体温度を測定する場合においては、流速により生じる測定値の誤差を低減することができる。なお、流体温度は、温度検出部１２１および温度検出部１２２が検出した温度から、加熱部１２３による加熱での温度上昇分を減じて求めるようにしてもよいし、加熱部１２３が加熱を行わない状態で検出するようにしてもよい。物性値検出部１２によれば、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を抑え、物性値及び流体温度の検出精度を向上させることができる。

さらに、温度検出部１２１および温度検出部１２２の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、温度検出部１２１および温度検出部１２２は測定対象流体の流れ方向に亘って広範囲に温度を検出することが可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても、温度検出部１２１および温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。

＜機能構成＞
図８は、流量測定装置１が備える回路基板５の機能構成の一例を示すブロック図である。流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２と、制御部１３とを備えている。流量検出部１１は、温度検出部１１１と、温度検出部１１２とを備える。物性値検出部１２は、温度検出部１２１と、温度検出部１２２とを備える。なお、図６に示した加熱部１１３及び図７に示した加熱部１２３は、図示を省略している。

流量検出部１１は、温度検出部１１１および温度検出部１１２から出力された温度検出信号に基づいて、測定対象流体の流量を示す値を検出する。具体的には、流量検出部１１は、温度検出部１１１から出力された温度検出信号と温度検出部１１２から出力された温度検出信号との差分を算出し、差分に基づいて測定対象流体の流量を示す値を求める。そして、流量検出部１１は、流量を示す値を制御部１３に出力する。

物性値検出部１２は、温度検出部１２１から出力された温度検出信号を特性値算出部１３２に出力する。また、物性値検出部１２は、温度検出部１２２から出力された温度検出信号を流体温度算出部１３３に出力する。なお、物性値検出部１２は、温度検出部１２１および温度検出部１２２から出力された温度検出信号の平均値を求め、特性値算出部１３２及び流体温度算出部１３３の各々に出力するようにしてもよい。また、温度検出部１２１又は温度検出部１２２のいずれか一方を用いて温度検出信号を取得するようにしてもよい。

また、制御部１３は、検出値取得部１３１と、特性値算出部１３２と、流体温度算出部１３３と、流量算出部１３４とを含む。検出値取得部１３１は、流量検出部１１が出力する流体の流量に応じた検出値を取得する。特性値算出部１３２は、物性値検出部１２の温度検出部１２１の検出値に基づいて特性値を算出する。なお、特性値算出部１３２は、物性値検出部１２のマイクロヒータの温度を変化させ、変化の前後においてサーモパイルが検出した測定対象流体の温度の差に所定の係数を乗じて特性値を算出するようにしてもよい。流体温度算出部１３３は、物性値検出部１２の温度検出部１２２の検出値に基づいて流体温度を算出する。そして、流量算出部１３４は、特性値及び流体温度を用いて、検出値取得部１３１が取得した検出値を補正する。

＜流量測定処理＞
図９は、流量測定処理の一例を示す処理フロー図である。本処理が開始されると、回路
基板５の流量検出部１１は、温度検出部１１１および温度検出部１１２から温度検出信号を出力し、検出値取得部１３１は、２つの温度検出信号に基づく測定対象流体の流量に応じた検出値を取得する（図９：Ｓ１）。

具体的には、流量検出部１１は、温度検出部１１１から出力された温度検出信号と温度検出部１１２から出力された温度検出信号とを出力する。また、検出値取得部１３１は、２つの温度検出信号の差分を算出する。

なお、温度検出部１１１および温度検出部１１２から出力された温度検出信号に基づいて定対象流体の流量を算出する手法は、公知の技術を利用することができる。流量検出部１１は、取得した検出値を制御部１３に出力する。

また、物性値検出部１２は、温度検出部１２１及び温度検出部１２２から温度検出信号を出力し、特性値算出部１３２が物性値を検出すると共に、流体温度算出部１３３は、流体の温度を検出する（Ｓ２）。本ステップでは、特性値算出部１３２及び流体温度算出部１３３は、物性値検出部１２の出力値を取得する。

その後、流量算出部１３４は、流体温度及び特性値に基づいて検出値取得部１３１が取得した検出値を補正し、流量を算出する（Ｓ３）。以下、流体温度に基づく補正及び特性値に基づく補正について説明する。なお、流体温度に基づく補正と特性値に基づく補正とは独立した処理であり、例えばいずれか一方のみを行うようにしてもよいし、両方を行うようにしてもよい。

（流体温度に基づく補正）
図１０は、流体温度の差異に応じて変化する流量検出部１１の出力の一例を説明するための図である。図１０のグラフは、縦軸が流量検出部１１の検出値を表し、横軸が流速を表す。図１０に示すように、流体温度の差に応じて、流速が同一でも流量検出部１１が出力する検出値は変動する。したがって、例えば流体温度ごとに検出値と流速との関係を示すテーブルを用意しておき、Ｓ３においては、当該テーブルを用いて温度補償を行う。

＜効果＞
仮に、流量検出部１１において流体の温度を測定する場合は、測定される温度は、流速（換言すれば、所定期間に流れる流量）の影響によっても変動するため正確な流体温度が得られない。また、温度補償のための温度センサが測定対象である流体に晒されず、外部環境に晒されている場合には、流路を流れる流体の温度と流路外の環境温度の差の影響を受けてしまう。例えば図１１には、比較例に係る流量測定装置の断面図を示す。図１１の流量測定装置は、流体が流れる流路と、流路の側面に配置された基板と、基板の流路側に配置された流量センサと、基板の流路とは逆側に配置された環境温度センサとを備えている。仮に、図１１に示すように、流体が流れる流路とは異なる流速の影響のない空間に環境温度センサを配置する場合は、流路を流れる流体の温度と流路外の環境温度とが一致していなければ流体温度が得られない。

これに対し、本実施形態に係る物性値検出部１２は、流路外の環境温度でなく、流体の温度を直接検出するようになっている。また、物性値検出部１２は、主流路部２から分岐した副流路部３に設けられ、流速の大きさにより生じる流体温度の測定値の誤差を低減させることができる。したがって、測定される流体温度の精度が向上すると共に、流体温度に基づく温度補償の精度を向上させることができる。なお、本実施形態においては、流量検出部１１も副流路部３に設ける。このとき、物性値検出部１２が設けられる物性値検出用流路の断面積は、流量検出部１１が設けられる流量検出用流路の断面積よりも小さい方が、流速の大きさにより生じる流体温度の測定値の誤差を低減させるためには好ましい。

また、物性値検出部１２には、加熱部１２３と、その両側に設けられる温度検出部１２１及び温度検出部１２２とが、流体の流れる方向と直交する向きに並んで配置される。また、温度検出部１２１、温度検出部１２２、及び加熱部１２３は、一方向に細長い形状であり、その一方向に当たる長手方向は流体が流れる方向に沿って配置される。このようにすれば、加熱部１２３によって加熱される流体により、温度検出部１２１又は温度検出部１２２による検出値が影響を受けることを抑制できる。このような構成によっても、測定される流体温度の精度が向上すると共に、流体温度に基づく温度補償の精度を向上させることができる。

また、図５に示したように、物性値検出部に用いられるセンサ素子１００は、薄膜１０３上にヒータ１０１及びヒートパイル１０２を有すると共に、薄膜１０３が設けられた基台１０４には、ヒータ１０１やヒートパイル１０２の下部にキャビティ１０５を有している。すなわち、ヒータ１０１及びヒートパイル１０２の周囲を流体が流れる構造になっており、流体の温度変化に対する応答性が高くなっている。本実施形態においては、物性値検出部のセンサ素子１００を用いて、温度補償のための流体の温度検出を行うので、この観点からも、温度補償の精度を向上させることができる。

（特性値に基づく補正）
次に、本実施形態における物性の特性値に基づく補正について説明する。特性値に基づく補正においては、センサ感度比を求める。センサ感度比とは、基準となる気体を流した場合のセンサ出力値に対する、所定の気体を流した場合のセンサ出力値の比であり、熱拡散率を表す特性値である。センサ感度比αは、下記の式（２）で求められる。
α ＝ β × ΔＴ ・・・（２）
なお、βは所定の係数である。また、ΔＴは、加熱部１２３の温度変化の前後において温度検出部１２１及び温度検出部１２２により出力された検出値の差分である。

その後、流量算出部１３４は、下記の式（３）を用いて、補正後の流量を算出する。
補正後の出力 ＝ 流量算出部の出力 × α ・・・（３）

本実施形態では、ヒータの温度を変化させた際にヒートパイルで検出される温度の変化量（ΔＴ）を用いることで、測定対象流体の熱拡散率を検出することができるようになる。熱式のフローセンサが出力する流量は、熱拡散率と相関があり、本実施形態に係る流量の補正処理によれば、あらゆる気体について適切に補正できるようになる。したがって、熱拡散率が異なる測定対象流体に対し、流量の測定の精度を向上させることができる。

図１２は、縦軸にセンサ感度比、横軸に熱伝導率を示すグラフである。ここで、図１２に示すように、例えば組成の異なる混合ガスのように熱伝導率以外の物性値が異なる複数のガス群が存在する場合、物性値としてある熱伝導率が求められただけではいずれのセンサ感度比を用いて補正すればよいのか定まらない。すなわち、マイクロヒータの加熱温度とサーモパイルの検知温度とを１組用いて補正を行う手法では、所定のガス群に属する２以上の基準ガスに基づいて補正を行っていたところ、複数のガス群について適切に補正を行うことはできなかった。

図１３は、縦軸にセンサ感度比、横軸にΔＴを示すグラフである。図１２に示した、センサ感度比と熱伝導率とが一直線に近似されないガスについても、センサ感度比とΔＴとは一直線に近似される。したがって、本実施形態では熱拡散率が未知のガス群についても補正を行うことができる。

以上のように、物性値検出部１２によって、流体温度の検出と物性値の検出とを行うこ
とにより、部品の点数を増価させることなく、温度補償の精度を向上させることができる。また、同一構造のセンサ素子１００を物性値検出部１２及び流量検出部１１として共通に用いるようにすれば、部品の種類を削減し、流量測定装置１の製造コストを低減させることができる。

＜副流路部の変形例＞
図１４Ａ〜図１４Ｄは、副流路部３の上面において流入用流路３４と流出用流路３５との間に形成される、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の変形例を示す上面図である。例えば、図１４Ａに示すように、物性値検出用流路３２を直線状に形成し、流量検出用流路３３を略コ字型に形成してもよい。

また、図１４Ｂ〜図１４Ｄに示すように、流量検出用流路３３に対して測定対象流体を流入させる方向と、物性値検出用流路３２に対して測定対象流体を流入させる方向とが直交するように、物性値検出用流路３２を形成してもよい。すなわち、測定対象流体が流れる方向と、物性値検出用流路３２に配置された物性値検出部１２上において温度検出部１２１、加熱部１２３、及び温度検出部１２２が並ぶ所定の方向とが、垂直になるように配置される。測定対象流体が流れる方向に対して、物性値検出部１２のセンサ素子１００と流量検出部１１のセンサ素子１００とは平面視上において９０度回転させた向きで配置される。したがって、図１４Ｂ〜図１４Ｄのように、測定対象流体が流れる方向を直交させる場合は、物性値検出部１２のセンサ素子１００及び流量検出部１１のセンサ素子１００の配置する向きを一致させることができる。したがって、流量測定装置１の製造過程において、回路基板５に物性値検出部１２および流量検出部１１を実装する工程を簡略化することができる。

＜流量測定装置の変形例１＞
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図１５Ａ〜図１５Ｃに基づいて説明する。なお、上述した実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、流量検出部が主流路に配置される。

図１５Ａは、本変形例に係る流量測定装置１ａを示す斜視図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示される流量測定装置１ａを示す断面図である。図１５Ｃは、図１５Ａに示される副流路部３ａを示す上面図である。

図１５Ａ〜図１５Ｃに示されるように、流量測定装置１ａでは、主流路部２ａの内周面の流入口３４Ａと流出口３５Ａとの間に、開口部３７Ａが形成されている。副流路部３ａの内部には、流量検出部１１が配置されたセル状の流量検出用流路３７ａが形成されており、流量検出用流路３７ａは開口部３７Ａに連通している。このため、流量検出用流路３７ａには、開口部３７Ａを介して主流路部２ａを流れる測定対象流体が流入し、流量検出部１１によってその流量が検出される。なお、開口部３７Ａの大きさを制御調整することによって、主流路部２ａから流量検出用流路３７ａに流入する測定対象流体の流量を制御することができる。

副流路部３ａは、流入用流路３４と、物性値検出用流路３２と、流出用流路３５とから構成されており、物性値検出用流路３２は、長手方向に延在する流路に、測定対象流体の物性値を検出するための物性値検出部１２が配置された物性値検出用流路３２を有している。

このように、流量測定装置１ａでは、物性値検出部１２が副流路部３ａに配置され、流量検出部１１が主流路部２ａに配置されている。このため、流量測定装置１ａでも、物性値検出部１２の検出レンジに応じた流量に制御することが可能である。したがって、本変
形例によっても、測定対象流体の温度や物性値を精度よく検出することができる。なお、本変形例において、流量検出部１１と物性値検出部１２とを逆に配置してもよい。このような構成であっても、流体の温度に応じた値を直接検出するため、流体温度と環境温度との差の影響を低減させることができる。

＜流量測定装置の変形例２＞
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図１６Ａ及び図１６Ｂに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、独立した２つの副流路を有する点で、上述の流量測定装置とは異なっている。

図１６Ａは、本実施形態に係る流量測定装置１ｂを示す斜視図であり、図１６Ｂは、図１６Ａに示される副流路部３を示す上面図である。図１６Ａおよび図１６Ｂに示されるように、流量測定装置１ｂでは、副流路部３ｂは、その内部および上面に２つの副流路部が形成されている。

第１の副流路部は、流入用流路３４ｂと、物性値検出用流路３２ｂと、流出用流路３５ｂとから構成されており、物性値検出用流路３２ｂには、長手方向に延在する流路に、測定対象流体の物性値を検出するための物性値検出部１２が配置されている。

第２の副流路部は、流入用流路３４Ｂと、流量検出用流路３３Ｂと、流出用流路３５Ｂとから構成されており、流量検出用流路３３Ｂには、長手方向に延在する流路に、測定対象流体の流量を検出するための流量検出部１１が配置されている。

このように、流量測定装置１ｂでは、副流路部３ｂが独立した２つの副流路を有しており、物性値検出部１２が第１の副流路部に配置され、流量検出部１１が第２の副流路部に配置されている。このため、流量測定装置１ｂによれば、物性値検出部１２および流量検出部１１の検出レンジに応じた流量を、個別に制御することが可能である。したがって、本変形例によっても、測定対象流体の温度や物性値を精度よく検出することができる。

＜流量測定装置の変形例３＞
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図１７Ａ〜図１７Ｃに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、物性値検出用流路が、流量検出用流路内に形成されている点で、上述の流量測定装置と異なっている。

図１７Ａは、本実施形態に係る流量測定装置１ｃを示す斜視図である。図１７Ｂは、図１７Ａに示される副流路部３ｃを示す斜視図である。図１７Ｃは、図１７Ａに示される副流路部３ｃを示す上面図である。

図１７Ａ〜図１７Ｃに示されるように、流量測定装置１ｃでは、副流路部３ｃは、流入用流路３４と、物性値検出用流路３２ｃと、流量検出用流路３３ｃと、流出用流路３５とから構成されている。

副流路部３ｃでは、物性値検出用流路３２ｃが、流量検出用流路３３ｃ内に形成されており、測定対象流体の流れ方向に対して上流側に流量検出部１１が配置され、下流側に物性値検出部１２が配置されている。ここで、物性値検出用流路３２ｃは、測定対象流体の流量を制御するための流量制御部材４０によって、流量検出用流路３３ｃと仕切られており、物性値検出部１２は流量制御部材４０の内部に配置されている。

流量制御部材４０は、物性値検出用流路３２ｃの物性値検出部１２を通過する測定対象流体の流量を制御するための部材であり、第１側壁部４０ａと第２側壁部４０ｂとから構成されている。第１側壁部４０ａおよび第２側壁部４０ｂは何れも略コの字型の板状部材であり、それぞれの端部を対向させた状態で、所定の間隔をおいて配置されている。よって、第１側壁部４０ａと第２側壁部４０ｂとの間隔を制御することによって、流量制御部材４０の内部、すなわち、物性値検出用流路３２ｃを通過する測定対象流体の流量を調整することができる。

このように、流量測定装置１ｃでは、副流路部３ｃが流量制御部材４０を備え、流量制御部材４０の内部に物性値検出用流路３２ｃが設けられているため、副流路部３ｃ内の任意の位置に物性値検出用流路３２ｃを設けることが可能となる。また、流量制御部材４０を備えることで、物性値検出用流路３２ｃを通過する測定対象流体の流量を容易に制御することができる。

このように、物性値検出用流路３２ｃが、流量検出用流路３３ｃ内に形成されて構成であっても、物性値検出部１２および流量検出部１１の検出レンジに応じた流量を個別に制御することが可能である。したがって、本変形例によっても、測定対象流体の温度や物性値を精度よく検出することができる。

＜センサ素子の変形例＞
図１８は、図７に示される物性値検出部１２の変形例の概略構成を示す上面図である。図１８に示されるように、例えば温度検出部１２２を省略して、加熱部１２３と、温度検出部１２１とで、物性値検出部１２ａを構成してもよい。すなわち、加熱部１２３と温度検出部１２１とを、測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並べて配置するようにしても、温度検出部１２１によって流体温度及び流体の物性値を検出することができる。

＜環境温度センサの変形例＞
上述の実施形態では、物性値検出部１２が流体の温度を測定するものとして説明したが、これに代えて、物性値検出部１２の検出値を用いて図１１に示したような環境温度センサの測定値を補正するようにしてもよい。すなわち、実施形態に係る流量測定装置１に対し、図１１に示したような環境温度センサをさらに設ける。なお、環境温度センサは、回路基板５が備えるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のＩＣが備
える温度センサであってもよい。そして、物性値検出部１２の検出値を用いて、環境温度センサの測定値が流体温度を近似した値となるように補正する。

以上のような実施形態及び変形例の構成は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、流量測定装置１が実行する流量測定方法は、プロセッサ等の演算装置に実行させるプログラム、又はプログラムを格納する媒体として提供してもよい。

１ ：流量測定装置
２ ：主流路部
３ ：副流路部
３２ ：物性値検出用流路
３３ ：流量検出用流路
４ ：シール
５ ：回路基板
６ ：カバー
１１ ：流量検出部
１１１ ：温度検出部
１１２ ：温度検出部
１１３ ：マイクロヒータ（加熱部）
１２ ：物性値検出部
１２１ ：温度検出部
１２２ ：温度検出部
１２３ ：マイクロヒータ（加熱部）
１３ ：制御部
１３１ ：検出値取得部
１３２ ：特性値算出部
１３３ ：流体温度算出部
１３４ ：流量算出部
１００ ：センサ素子
１０１ ：マイクロヒータ
１０２ ：サーモパイル
１０３ ：絶縁薄膜
１０４ ：シリコン基台
１０５ ：キャビティ

Claims (7)

1. 主流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を検出する流量検出部と、
   前記測定対象流体の温度に応じた値を検出する流体温度検出部と、
   前記流量に応じた値を、前記温度に応じた値に基づいて補正し、前記測定対象流体の流量を算出する制御部と、
   を備える流量測定装置であって、
   前記流体温度検出部と前記流量検出部とは、異なる流路に設けられる
   流量測定装置。
2. 前記流体温度検出部は、前記主流路から分岐した副流路に設けられる
   請求項１に記載の流量測定装置。
3. 前記流量検出部には、前記測定対象流体を加熱する流量検出部内加熱部および前記測定対象流体の温度を検出する流量検出部内温度検出部が、前記測定対象流体の流れる方向に並んで設けられ、
   前記流体温度検出部には、前記測定対象流体を加熱する流体温度検出部内加熱部および前記測定対象流体の温度を検出する流体温度検出部内温度検出部が、前記測定対象流体の流れる方向とほぼ直交する方向に並んで設けられる
   請求項１又は２に記載の流量測定装置。
4. 前記流体温度検出部内加熱部および前記流体温度検出部内温度検出部は、それぞれ一方向に細長い形状であり、長手方向は前記測定対象流体が流れる方向に沿って設けられる
   請求項３に記載の流量測定装置。
5. 前記流体温度検出部内加熱部及び流体温度検出部内温度検出部は、薄膜上に設けられ、当該薄膜は所定の基台上に設けられると共に、当該基台は、前記流体温度検出部内加熱部及び流体温度検出部内温度検出部の下部にキャビティを有する
   請求項３又は４に記載の流量測定装置。
6. 前記副流路の断面積は、前記流量検出部が設けられる流路の断面積よりも小さい
   請求項１から５のいずれか一項に記載の流量測定装置。
7. 前記流体温度検出部は、前記測定対象流体の特性値を検出し、
   前記制御部は、さらに前記特性値を用いて前記温度に応じた値を補正し、前記測定対象流体の流量を算出する
   請求項１から６のいずれか一項に記載の流量測定装置。

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