JP3068950B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導管中を流れる流体の
質量流量を測定する質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】前記質量流量計の従来技術として、例え
ば本願出願人に係る特願昭60−273837号がある。この先
願の要旨とするところは、流体が流れる導管に、流体の
温度に応じて抵抗値が変化する２つの抵抗体を、上流
側、下流側に互いに独立して設けると共に、これらの抵
抗体をそれぞれ含む２つの定温度制御回路を互いに独立
して設け、これらの定温度制御回路によって前記両抵抗
体の温度を常に相等しくかつ一定となるように制御し、
上流側に位置する抵抗に対応する定温度制御回路の出力
をＰ₁ 、下流側に位置する抵抗に対応する定温度制御回
路の出力をＰ₂ とするとき、 （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ） ……（１） なる式に基づいて、前記導管中の流体の質量流量を求め
る点にある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記式
（１）によって求められた質量流量の直線性を調べたと
ころ、図２における折れ線Ｉに示すように、上に凸の状
態に変化する結果が得られた。この図２は、内径が 0.4
ｍｍ、外径が 0.6ｍｍのキャピラリを用いたときのセン
サ流量特性を示すもので、横軸はガス流量（ｃｃ／ｍｉ
ｎ）を、縦軸は直線からの偏差（％）をそれぞれ示して
いる。そして、この折れ線Ｉの変化から、直線性が２％
以上もずれていることが判る。

【０００４】そして、質量流量の誤差が上に凸状態に変
化して直線から２％以上もずれる原因を調べたところ、
次のことが判った。図３は、前記２つの定温度制御回路
におけるＰ₁ ，Ｐ₂ の特性を示すもので、横軸はガス流
量（ｃｃ／ｍｉｎ）を、縦軸はＰ₁ ，Ｐ₂ の出力（ｍ
Ｖ）をそれぞれ示している。ここで、（Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ）／
２の演算を行うと、点線で示す直線のように、ガス流量
が増加するに伴って増加している。この（Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ）
／２は、理想的には、ガス流量に依存してはならないも
のであり、（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）のみがガス流量に比例して変
化するのが好ましいのである。

【０００５】また、前記図３に示した例において、ガス
流量が10ｃｃ／ｍｉｎのときにおけるＰ₁ , Ｐ₂ の基準
ベース（この場合、5200ｍＶ）からの隔たりの比は、6
5：43であり、前記（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）もガス流量が増加す
るに伴って直線からずれてきている。

【０００６】このように、ガス流量が増加するに伴っ
て、（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）が減少し、（Ｐ₁＋Ｐ₂ ）が増大す
るため、前記（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ）は、ガス
流量が増加するに伴って減少し、従って、上記従来の質
量流量計においては、流量の増大と共に直線性が低下
し、ずれが生じていたのである。この直線性の補正は、
例えばリニアライザなどを用いることにより行うことが
できるが、それだけ構成が複雑になり、コストアップと
なる。

【０００７】本発明は、上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的とするところは、簡単な工夫により、
直線性を改善した質量流量計を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、上流側に位置する抵抗体に対応
する定温度制御回路の出力をＰ₁ 、下流側に位置する抵
抗体に対応する定温度制御回路の出力をＰ₂ とすると
き、 （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）（但し、０≦α，
β≦１、α＜β） なる式に基づいて、導管中の流体の質量流量を求めるよ
うにしている。

【０００９】

【作用】上記式を用いた場合、分母におけるＰ₁ の比率
が下がり、Ｐ₂ の比率が上がるので、分母全体が小さく
なり、流量の増大と共に直線性が低下するといったこと
がなくなり、流量にほぼ比例した出力を得ることがで
き、直線性が改善される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。

【００１１】図１は、本発明に係る質量流量計の一構成
例を示し、１はガスなどの流体Ｆが例えば矢印方向に流
れる流れる導管である。２は導管１に設けられるセンサ
部で、導管１の外周に適宜の間隔をおいて巻設された抵
抗体としての２個の自己加熱形の感熱コイルＲ₁ , Ｒ₂
( 以下、第１コイルＲ₁ 、第２コイルＲ₂ と云う）より
なる。これらのコイルＲ₁ ，Ｒ₂ は、鉄・ニッケル合金
など温度係数の大なる温度感応抵抗線よりなり、導管１
中を流れる流体Ｆの流量の僅かな変位をも検知すべく構
成してある。

【００１２】Ｔ₁ , Ｔ₂ は第１コイルＲ₁ 、第２コイル
Ｒ₂ をそれぞれ後述するブリッジ10，20の構成要素とし
て含む定温度制御回路（以下、第１定温度制御回路
Ｔ₁ 、第２定温度制御回路Ｔ₂ と云う）で、これらの定
温度制御回路Ｔ₁ , Ｔ₂ は、互いに同一部品より構成さ
れており、第１コイルＲ₁ と第２コイルＲ₂ との温度が
常に相等しくかつ一定になるように制御するものであ
る。

【００１３】すなわち、第１定温度制御回路Ｔ₁ は、第
１コイルＲ₁ とこの第１コイルＲ₁の温度設定用抵抗11
とブリッジ抵抗12, 13とからなるブリッジ回路10と、制
御回路14とを備えている。第２定温度制御回路Ｔ₂ は、
第２コイルＲ₂ とこの第２コイルＲ₂ の温度設定用抵抗
21とブリッジ抵抗22, 23と、可変抵抗24とからなるブリ
ッジ回路20と、制御回路25とを備えている。

【００１４】前記抵抗11, 12, 13, 21, 22, 23, 24は、
それらの温度係数が第１コイルＲ₁, 第２コイルＲ₂ の
それに比べて十分小さく設定されている。また、可変抵
抗24は、導管１における流体流量がゼロのとき、両ブリ
ッジ回路10, 20のそれぞれの出力が互いに等しくなるよ
うに調整するものである。また、Ａ₁ ，Ａ₂ はブリッジ
10，20の出力点であり、Ｂ₁ , Ｂ₂ はそれぞれ抵抗12と
13との接続点、抵抗22と23との接続点（厳密には可変抵
抗24）である。

【００１５】そして、上記のように構成された制御回路
14は、出力点Ａ₁ および接続点Ｂ₂における出力を比較
して両出力に差があるとき出力をブリッジ回路10に送
り、このブリッジ回路10の平衡を保つようにする。ま
た、制御回路25も同様に、出力点Ａ₂ および接続点Ｂ₂
における電位に基づいてブリッジ回路20の平衡を保つよ
うに作用する。なお、15, 26は定温度制御回路Ｔ₁ , Ｔ
₂ のそれぞれ出力側に設けられるバッファアンプであ
る。

【００１６】30, 40はそれぞれ加算回路、減算回路であ
り、前記出力点Ａ₁ , Ａ₂ におけるそれぞれの出力電圧
Ｐ₁ ，Ｐ₂ を入力としている。そして、加算回路30とバ
ッファアンプ15, 26との間にそれぞれ設けられる抵抗3
1, 32の抵抗値を帰還抵抗33のそれよりも大きくし、か
つ、抵抗31の抵抗値を抵抗32のそれよりも大きく設定す
ることにより、加算回路30からは、（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）
（但し、０≦α，β≦１、α＜β）なる加算出力が出力
される。また、減算回路40からは、（Ｐ₁ −Ｐ₂）なる
減算出力が出力される。なお、50は加算回路30の出力を
反転するための反転回路である。

【００１７】60は除算回路であり、前記加算回路30の出
力および減算回路40の出力を入力とし、（Ｐ₁ ーＰ₂ ）
／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）なる除算出力を出力する。なお、
61は出力端子である。

【００１８】次に、上記構成の質量流量計の動作につい
て説明する。先ず、導管１内の流体流量がゼロのとき、
第１コイルＲ₁ 、第２コイルＲ₂ は、ブリッジ回路10,
20の温度設定用抵抗11, 21によってそれぞれ定められる
温度に設定される。そして、温度設定用抵抗11, 31は、
それらの特性が互いに等しく設定してあるから、コイル
Ｒ₁ , Ｒ₂ の温度は相等しくなる。このため、出力点Ａ
₁ の出力Ｐ₁ と出力点Ａ₂ の出力Ｐ₂ は相等しく、従っ
て、出力端子61の出力はゼロとなり、流体Ｆが流れてい
ないことが示される。

【００１９】そして、導管１内に流体Ｆが流れていると
きは、第１コイルＲ₁ は、流体Ｆによって熱を奪われ、
第２コイルＲ₂ は、流体Ｆから熱を与えられる。このた
め、第１コイルＲ₁ を所定温度に保持するためのエネル
ギー供給が大となり、出力点Ａ₁ の出力Ｐ₁ は、大きく
なる。他方、第２コイルＲ₂ を前記所定温度に保持する
ためのエネルギーは、流体Ｆから熱を与えられる分だけ
少なくて済み、出力点Ａ₂ の出力Ｐ₂ は小さくなる。

【００２０】これらの出力Ｐ_{1 ,} Ｐ₂ は、加算回路30、
減算回路40にそれぞれ入力されて、これらの回路30, 40
から加算出力（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）、減算出力（Ｐ₁ −Ｐ
₂ ）がそれぞれ出力される。これらの出力（αＰ₁ ＋β
Ｐ₂ ）、（Ｐ₁ −Ｐ₂ ）は、除算回路60に入力され、こ
の除算回路60において所定の除算が行われ、除算出力
（Ｐ₁ ーＰ₂ ）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）が出力される。こ
の除算出力（Ｐ₁ ーＰ₂）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）は、導
管１内を流れる流体Ｆの質量流量に比例しているので、
これに定数を乗ずることにより、導管１内の流体Ｆの質
量流量を得ることができる。

【００２１】ここまでの説明から理解されるように、本
発明に係る質量流量計においては、 （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ） ……（２） なる式に基づいて、導管１中の流体Ｆの質量流量を求め
るようにしているのである。

【００２２】図２における折れ線IIは、抵抗31、抵抗3
2、抵抗33の抵抗値をそれぞれ、∞、５ＫΩ、 7.5ＫΩ
に設定して、上記式（２）におけるαがゼロになるよう
にしたときのセンサ流量特性を示している。この折れ線
IIに示されるように、直線性からの誤差が２％以下にな
っており、直線性が大きく改善されていることが判る。

【００２３】ところで、第１コイルＲ₁ 、第２コイルＲ
₂ の特性などセンサー構造に応じてα，βの値を変える
必要がある。このため、抵抗31として例えば 100ＫΩの
可変抵抗を用いて、調整可能に構成してもよい。

【００２４】また、本発明は、センサ部２における抵抗
体として、自己加熱形の感熱コイルに代えて、傍熱形の
感熱コイルを設けてもよい。そして、センサ部の抵抗体
として、印刷加工されたチップ状の抵抗体を用いてもよ
い。さらに、２個の感熱コイルＲ₁ , Ｒ₂ の両方を導管
１に臨ませているが、一方のみ導管１に臨ませ、他方を
臨ませないようにしてこれをレファレンス側としてもよ
い。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路
の出力をＰ₁ 、下流側に位置する抵抗体に対応する定温
度制御回路の出力をＰ₂ とするとき、 （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）（但し、０≦α，
β≦１、α＜β） なる式に基づいて、導管中の流体の質量流量を求めるよ
うにしているので、分母におけるＰ₁ の比率が下がり、
Ｐ₂ の比率が上がって、分母全体が小さくなるから、流
量の増大と共に直線性が低下するといったことがなくな
る。

【００２６】従って、流量にほぼ比例した出力を得るこ
とができ、直線性が改善され、特に、大流量域における
直線性が改善されるので、測定範囲が拡大されるといっ
た優れた効果を奏する。また、リニアライザなどを用い
る必要がなく、安価な質量流量計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る質量流量計の一例を概略的に示す
図である。

【図２】センサ流量特性を示す図である。

【図３】定温度制御回路におけるＰ₁ ，Ｐ₂ の特性を示
す図である。

【符号の説明】

１…導管、Ｆ…流体、Ｒ₁ , Ｒ₂ …抵抗体、Ｔ_{1 ,} Ｔ₂
…定温度制御回路、Ｐ₁ ，Ｐ₂ …定温度制御回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる導管に、流体の温度に応じ
   て抵抗値が変化する２つの抵抗体を、上流側、下流側に
   互いに独立して設けると共に、これらの抵抗体をそれぞ
   れ含む２つの定温度制御回路を互いに独立して設け、こ
   れらの定温度制御回路によって前記両抵抗体の温度を常
   に相等しくかつ一定となるように制御するようにした質
   量流量計において、上流側に位置する抵抗体に対応する
   定温度制御回路の出力をＰ₁ 、下流側に位置する抵抗体
   に対応する定温度制御回路の出力をＰ₂ とするとき、 （Ｐ₁ −Ｐ₂ ）／（αＰ₁ ＋βＰ₂ ）（但し、０≦α，
   β≦１、α＜β） なる式に基づいて、前記導管中の流体の質量流量を求め
   るようにしたことを特徴とする質量流量計。