JP2021144011A - 流量測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
定方式で前記測定対象の流体の流量を測定し、前記測定対象の流体の流量が前記所定の閾値未満である場合には、前記第1情報と前記第2情報との差分出力に基づき流体の流量を測定する第2測定方式で前記測定対象の流体の流量を測定するように、前記測定対象の流体の流量を測定する測定方式を切り替える流量測定部と、を備える。
図1を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図1は、本実施形態に係る流量測定装置100の一例を模式的に例示する。図1に示されるように、流量測定装置100は、主流路4から分岐した副流路5に配置される検出素子1を備える。検出素子1は、いわゆる熱式のフローセンサであり、マイクロヒータと、ガスの流通方向にマイクロヒータを跨ぐように設けられる2つのサーモパイルを備える。そして、流量測定装置100は、副流路5を流れるガスが高流量である場合、上流側のサーモパイルの出力に基づいて流量を測定する。一方、流量測定装置100は、副流路5を流れるガスが低流量である場合、上流側のサーモパイルの出力と下流側のサーモパイルの出力との差分出力に基づいて流量を測定する。すなわち、流量測定装置100は、ガスが高流量である場合と低流量である場合とで測定方式を切り替える。
[ハードウェア構成]
次に、本実施形態に係る流量測定装置の一例について説明する。本実施形態に係る流量測定装置100は、図1に示されるように、検出素子1と、MCU(Micro Con
troller Unit)2と、検出素子1及びMCU2が実装される基板3と、ADC(A/Dコンバータ)30と、備える。そして、このような流量測定装置100の検出素子1は、主流路4から分流した副流路5に配置される。なお、主流路4には、図1の矢印に示されるようにガスが流通する。そして、主流路4を通過するガスのうちの一部が分流して副流路5に流入する。
次に、検出素子1を用いた流量検出の原理を説明する。図2(A)に示されるように副流路5にガスが流れていない場合、マイクロヒータ6からの熱は、マイクロヒータ6を中心として対称に拡散する。よって、サーモパイル7A、7Bからの出力に差は生じない。一方、図2(B)に示されるように副流路5にガスが流れている場合、マイクロヒータ6からの熱は、ガスの流れの影響を受けて副流路5において下流のサーモパイル7B側へ拡散していく。また、マイクロヒータ6からの熱は、ガスの流れの影響を受けて絶縁薄膜8においても下流のサーモパイル7B側へ拡散していく。よって、マイクロヒータ6からの熱は、マイクロヒータ6を中心として対称に広がらず、下流のサーモパイル7B側へより拡散していく。また、マイクロヒータ6からの熱が下流へ拡散する度合いは、ガスの流量に応じることになる。よって、サーモパイル7Aあるいはサーモパイル7Bからの出力は、ガスの流量に対して理論上は線形に減少あるいは増加することになる。このような現象を利用して、サーモパイル7Aあるいはサーモパイル7Bの出力から副流路5を流れるガスの流量を測定することができる。
と、サーモパイル7Bの出力との差分の一例である。図3(A)に示されるように、高流量領域においてサーモパイル7Aからの出力は、理論通りに流速に対して線形に減少している。つまり、高流量領域において流量とサーモパイル7Aの出力との間には強い相関関係が認められる。これは、上流側のサーモパイル7Aについては、高流量の場合でも、マイクロヒータ6の熱分布の変化の影響は少なく、流体の流れに応じて熱が奪われることから、流量変化との相関は高いまま維持されると考えられる。一方、図3(B)に示されるように、高流量領域においてサーモパイル7Bからの出力は、理論とは異なって流速に対して線形に増加せず、出力の傾きが減少していることが認められる。よって、図3(C)に示されるように、サーモパイル7Aの出力と、サーモパイル7Bの出力との差分は、高流量領域において流速に対して線形に増加せず、差分出力の傾きが減少することになる。つまり、高流量領域において、サーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分を利用して求めた流量は、副流路5を通過している実際の流量に対して誤差を含んでいると考えられる。
ステップS101では、マイクロヒータ6に対して上流側に配置されているサーモパイル7Aの出力と、マイクロヒータ6に対して下流側に配置されているサーモパイル7Bの出力との差分出力が計測される。そして、計測された差分出力は、MCU2に入力される。ちなみに、サーモパイル7Aから出力される電圧と、サーモパイル7Bから出力される電圧との差分出力ΔVは、例えば下記の式(1)のように表される。
ここで、Thはマイクロヒータ6の温度、Taは検出素子1の周囲の温度を表す。また、vfはガスの流速、A及びbは定数である。
ステップS102では、マイクロヒータ6に対して上流側に配置されているサーモパイル7Aの出力が計測される。
ステップS103では、ステップS101において計測された、サーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分出力が、所定の閾値(本発明の「所定の閾値」の一例)以上であるか否の判定処理が実行される。
ステップS104では、ステップS103においてサーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分出力が、所定の閾値以上であると判定された場合、ステップS102において計測された、サーモパイル7Aの出力からガスの流量が算出される。
ステップS105では、ステップS103においてサーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分出力が、所定の閾値未満であると判定された場合、ステップS101において計測された、サーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分出力からガスの流量が算出される。
上記のような流量測定装置100によれば、ガスの流量が低流量の場合にはサーモパイル7Aの出力とサーモパイル7Bの出力との差分出力に基づき流量を測定している。よって、副流路5中を伝わるノイズ成分が相殺された流量が出力される。よって、流量測定精度が向上する。一方、ガスの流量が高流量の場合には、高流量であっても流量と強い相関関係が認められる(図3(A))上流側のサーモパイル7Aの出力に基づき流量を測定している。よって、差分出力により流量を測定する場合と比較して測定精度は向上する。このような流量測定装置100によれば、ガスの流量を広範囲にわたって高精度に測定することができる。また、副流路5の断面積を広げずに済む。よって、装置を大型化せずにガスの流量を広範囲にわたって高精度に測定することができる。
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同
様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
図6は、変形例に係る流量測定装置100Aが配置される副流路5A(本発明の「分流路」の一例)の上面図を例示している。図6に示されるように、副流路5Aは、2つの流路71、81が並んで設けられている。そして、副流路5Aには、主流路4からガスが流入する流入孔34Aが設けられ、流入孔34Aと流路71、81の夫々は連通している。このような構造により、主流路4から流入孔34Aを介してガスが流路71、81の夫々に流入可能となる。また、副流路5Aには、主流路4へガスを流出させる流出孔35Aが設けられ、流出孔35Aと流路71、81の夫々は連通している。このような構造により、流路71、81の夫々を通過したガスは流出孔35Aを介して主流路4へ流出する。ここで、流路81は、検出素子1B(後述する)が配置される場所よりも上流側の流路断面積が、流路71の流路断面積であって検出素子1A(後述する)が配置される場所よりも上流側の流路断面積と比較して大きくなるように設けられる。
計測される。そして、検出素子1Bにより計測された差分出力が閾値以上である場合、流量が高流量と判定され、検出素子1Aの上流側のサーモパイルの出力から算出した流量値が測定流量として流量測定装置100Aから出力される。一方、検出素子1Bにより計測された差分出力が閾値未満である場合、流量が低流量と判定され、検出素子1Aの上流側のサーモパイルの出力と下流側のサーモパイルの出力との差分出力から算出した流量値が測定流量として流量測定装置100Aから出力される。
上記のような流量測定装置100Aによれば、流路71では流路断面積が比較的小さく設けられている。よって、流路71を流れるガスの流量が制限される。よって、流路71に配置される検出素子1Aによる出力可能範囲を超えた流量のガスが流路71に流入することは抑制される。よって、高流量の場合の流量測定精度の低下は抑制される。
<付記1>
流路(5、5A)に配置され、流路(5、5A)を流れる流体を加熱する加熱部(6)と、
流体が流れる方向に前記加熱部(6)を跨いて並んで配置され、前記加熱部(6)の上流側の配置場所近傍の流体の温度に関する第1情報と、前記加熱部(6)の下流側の配置場所近傍の流体の温度に関する第2情報と、を出力する温度出力部(7A、7B)と、
測定対象の流体の流量が所定の閾値以上である場合には、前記第1情報に基づき流体の流量を測定する第1測定方式で前記測定対象の流体の流量を測定し、前記測定対象の流体の流量が前記所定の閾値未満である場合には、前記第1情報と前記第2情報との差分出力
に基づき流体の流量を測定する第2測定方式で前記測定対象の流体の流量を測定するように、前記測定対象の流体の流量を測定する測定方式を切り替える流量測定部と、を備える、
流量測定装置(100、100A)。
<付記2>
前記温度出力部(7A、7B)は、前記測定方式が切り替わる前記所定の閾値の近傍において、前記第1情報と前記第2情報との差分、及び前記第2情報を両方出力する、
付記1に記載の流量測定装置(100、100A)。
<付記3>
前記流路(5、5A)は、主流路(4)から分岐した分流路(5A)であり、
前記分流路(5A)は、
自身からさらに分岐された流路(71)であって、前記加熱部(6)及び前記温度出力部(7A、7B)が配置され、高流量の流体の流量を測定する高流量用流路(71)と、
自身からさらに分岐された流路(81)であって、前記加熱部(6)及び前記温度出力部(7A、7B)が配置され、低流量の流体の流量を測定する低流量用流路(81)と、を有し、
前記低流量用流路(81)の流路断面積は、前記高流量用流路(71)の流路断面積よりも大きく、
前記加熱部(6)及び前記温度出力部(7A、7B)は、前記低流量用流路(81)及び前記高流量用流路(71)の夫々に配置され、
前記流量測定部は、前記高流量用流路(71)に配置された前記温度出力部(7A、7B)からの出力により前記第1測定方式で流量を測定し、
前記流量測定部は、前記低流量用流路(81)に配置された前記温度出力部(7A、7B)からの出力により前記第2測定方式で流量を測定する、
付記1又は2に記載の流量測定装置(100A)。
<付記4>
前記分流路(5A)は、自身からさらに分岐された流路(91)であって、流体の特性を検出する特性検出用流路(91)を更に有し、
前記特性検出用流路(91)に配置される第2加熱部(6)と、
前記特性検出用流路(91)の流体が流れる方向と直交方向に前記第2加熱部(6)を跨いて並んで配置され、前記直交方向に前記第2加熱部(6)から拡散する熱の分布に関する第3情報を出力する第2温度出力部(7A、7B)と、を更に備える、
付記3に記載の流量測定装置(100A)。
3 :基板
4 :主流路
5、5A :副流路
6 :マイクロヒータ
7A、7B :サーモパイル
8 :絶縁薄膜
9 :キャビティ
34A :流入孔
35A :流出孔
71 :流路
81 :流路
91 :流路
100、100A :流量測定装置
Claims (4)
- 流路に配置され、流路を流れる流体を加熱する加熱部と、
流体が流れる方向に前記加熱部を跨いて並んで配置され、前記加熱部の上流側の配置場所近傍の流体の温度に関する第1情報と、前記加熱部の下流側の配置場所近傍の流体の温度に関する第2情報と、を出力する温度出力部と、
測定対象の流体の流量が所定の閾値以上である場合には、前記第1情報に基づき流体の流量を測定する第1測定方式で前記測定対象の流体の流量を測定し、前記測定対象の流体の流量が前記所定の閾値未満である場合には、前記第1情報と前記第2情報との差分出力に基づき流体の流量を測定する第2測定方式で前記測定対象の流体の流量を測定するように、前記測定対象の流体の流量を測定する測定方式を切り替える流量測定部と、を備える、
流量測定装置。 - 前記温度出力部は、前記測定方式が切り替わる前記所定の閾値の近傍において、前記第1情報と前記第2情報との差分、及び前記第2情報を両方出力する、
請求項1に記載の流量測定装置。 - 前記流路は、主流路から分岐した分流路であり、
前記分流路は、
自身からさらに分岐された流路であって、前記加熱部及び前記温度出力部が配置され、高流量の流体の流量を測定する高流量用流路と、
自身からさらに分岐された流路であって、前記加熱部及び前記温度出力部が配置され、低流量の流体の流量を測定する低流量用流路と、を有し、
前記低流量用流路の流路断面積は、前記高流量用流路の流路断面積よりも大きく、
前記加熱部及び前記温度出力部は、前記低流量用流路及び前記高流量用流路の夫々に配置され、
前記流量測定部は、前記高流量用流路に配置された前記温度出力部からの出力により前記第1測定方式で流量を測定し、
前記流量測定部は、前記低流量用流路に配置された前記温度出力部からの出力により前記第2測定方式で流量を測定する、
請求項1又は2に記載の流量測定装置。 - 前記分流路は、自身からさらに分岐された流路であって、流体の特性を検出する特性検出用流路を更に有し、
前記特性検出用流路に配置される第2加熱部と、
前記特性検出用流路の流体が流れる方向と直交方向に前記第2加熱部を跨いて並んで配置され、前記直交方向に前記第2加熱部から拡散する熱の分布に関する第3情報を出力する第2温度出力部と、を更に備える、
請求項3に記載の流量測定装置。
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