JP3251175B2 - 流速センサ診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータエレメント
と、そのヒータエレメント上を移動する流体により引き
起こされる熱移動により抵抗値を変化させる測温抵抗エ
レメントとで構成される流速センサを診断対象として、
その流速センサが正常であるのか否かを診断する流速セ
ンサ診断装置に関する。

【０００２】流体の流速を測定する流速センサに対して
は、燃焼制御系等に使用される場合、非常に高い信頼性
が要求されることになる。これから、流速センサが故障
しているのか否かを正確に検出できるようにする構成の
構築が叫ばれている。

【０００３】

【従来の技術】本出願人は、特願平３-106528 号公報
で、高精度かつ高速応答を実現する半導体ダイアフラム
構成の流速センサを開示した。

【０００４】この流速センサは、図８に示すように、シ
リコン基板１００の背面側中央部に異方性エッチングを
使って表面側に連通しない開口１０１を形成すること
で、シリコン基板１００に薄肉状のダイアフラム１０２
を形成し、このダイアフラム１０２の表面中央に薄膜の
ヒータエレメント１０３を配設するとともに、そのヒー
タエレメント１０３の両側に薄膜の測温抵抗エレメント
１０４,1０５を配設し、更に、シリコン基板１００の基
板部分に周囲温度を測定する周囲温度測温抵抗エレメン
ト１０６を配設する構成を採るものである。

【０００５】なお、図中に示すＳはダイアフラム１０２
を貫通するスリットであって、ヒータエレメント１０３
及び測温抵抗エレメント１０４,1０５を熱的に絶縁すべ
く設けられている。また、ダイアフラム１０２の材質は
窒化シリコンである。

【０００６】この本出願人の開示した流速センサは、加
熱されるヒータエレメント１０３の上を移動する流体に
より引き起こされる熱移動を測温抵抗エレメント１０
４,1０５を使って検出することで、その流体の流速を検
出するものであり、熱絶縁された非常に薄いダイアフラ
ム１０２の上に形成されていることから、極めて速い応
答速度で、かつ高精度に流体の流速を検出できるととも
に、極めて低消費電力で動作するという特徴がある。

【０００７】従来技術に従ってこのような流速センサを
駆動する場合には、図９に示すように、ヒータエレメン
ト１０３と周囲温度測温抵抗エレメント１０６と固定抵
抗Ｒ1,Ｒ２とでホイストンブリッジ回路を構成して、ヒ
ータエレメント１０３の発熱値が周囲温度測温抵抗エレ
メント１０６で決められる規定値よりも高くなるときに
は、ヒータエレメント１０３への電流供給量を小さくす
るとともに、低くなるときには、その電流供給量を大き
くすることで、周囲温度に対して一定の温度上昇を示す
ようにとヒータエレメント１０３を加熱する。

【０００８】そして、図１０に示すように、測温抵抗エ
レメント１０４,1０５と固定抵抗Ｒ3,Ｒ４とでホイスト
ンブリッジ回路を構成して、これに直流電圧を印加する
ことで、温度上昇に伴う測温抵抗エレメント１０４,1０
５の抵抗変化をホイストンブリッジ回路の電圧バランス
のくずれとして取り出す構成を採って、それを差動アン
プで増幅することで流体の流速を検出する構成を採るこ
とになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな回路構成に従って流速センサを駆動する構成を採っ
ていると、ヒータエレメント１０３や周囲温度測温抵抗
エレメント１０６が故障（断線や短絡）しても、それを
検出できないという問題点があった。そして、測温抵抗
エレメント１０４,1０５が故障（断線や短絡）しても、
それを検出できないという問題点があった。

【００１０】これから、従来技術に従っていると、本出
願人の開示した流速センサは、高い信頼性の要求される
所には使用できないという問題点があった。本発明はか
かる事情に鑑みてなされたものであって、ヒータエレメ
ントと、そのヒータエレメント上を移動する流体により
引き起こされる熱移動により抵抗値を変化させる測温抵
抗エレメントとで構成される流速センサを診断対象とし
て、その流速センサが故障しているのか否かを正確に診
断できるようにする流速センサ診断装置の提供を目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１に本発明の原理構成
を図示する。図中、１は本発明の診断対象となる流速セ
ンサ、２は本発明を具備する流速センサ診断装置であ
る。

【００１２】ここで、流速センサ１は、流体の流速を検
出するものであるが、用途に応じては流体の流量検出に
用いられる。すなわち、流速センサ１の設置される流路
は、流体によって腐食や磨耗が発生しないように十分に
耐久性のある材質で形成されているので、その断面積が
実質的に不変であると考えてよい。これから、流速を測
定することで、断面積と流速との積で表される流量も一
義的に求まるので、流量検出の要求される適用箇所に対
しては、流体の流量検出用に用いられることになる。

【００１３】この流速センサ１は、ヒータエレメントを
持つブリッジ回路で構成されて、ヒータエレメントを加
熱するヒータ発熱回路１０と、そのヒータエレメント上
を移動する流体により引き起こされる熱移動により抵抗
値を変化させる１つ又は複数の測温抵抗エレメントを持
つブリッジ回路で構成されて、測温抵抗エレメントの抵
抗値に応じた測定信号を発生するセンサ検出回路１１と
を備える。

【００１４】一方、流速センサ診断装置２は、ヒータ発
熱回路１０に印加する発熱用の駆動信号の信号レベルを
変更する変更手段２０と、センサ検出回路１１の出力す
る測定信号を入手する入手手段２１と、基準値を使って
流速センサ１が正常であるのか否かを判定する判定手段
２２と、流体の流速が一定状態であるのか否かを判断す
る判断手段２３と、判定手段２２の用いる基準値を管理
する管理手段２４と、管理手段２４の管理する基準値を
生成する生成手段２５とを備える。

【００１５】このように構成される本発明の流速センサ
診断装置２では、診断要求が発行された後、判断手段２
３が、センサ検出回路１１の出力する測定信号を監視す
ることで、流体の流速が一定状態にあることを判断する
と、変更手段２０は、ヒータ発熱回路１０に印加する発
熱用の駆動信号の信号レベルを正規のものから診断用の
ものに変更する。

【００１６】この変更手段２０の変更処理を受けて、入
手手段２１は、センサ検出回路１１の出力する測定信号
を監視することで、この変更処理により変化するその測
定信号の変化量を入手し、これを受けて、判定手段２２
は、入手手段２１の入手した変化量を基準値と比較する
ことで流速センサ１の正常異常を判定する。

【００１７】そして、生成手段２５は、例えば、装置立
ち上げ時に、判定処理のときと同一又は類似の状態を生
成して、そのときに出力されるセンサ検出回路１１の測
定信号から、判定手段２２の用いる基準値を生成して管
理手段２４に登録する。

【００１８】このように、本発明の流速センサ診断装置
２では、流体の流速が一定となる状態のときに、ヒータ
発熱回路１０に印加する駆動信号の信号レベルを変化さ
せる構成を採って、流速センサ１がその変化に追従して
検出値を変化させていくのか否かを見ることによって、
流速センサ１が正常であるのか否かを診断する構成を採
ることから、流速センサ１が故障しているのか否かを正
確に診断できるようになる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、燃焼制御系に適用した実施
の形態に従って本発明を詳細に説明する。図２に、本発
明の適用される燃焼制御系のシステム構成の一例を図示
する。

【００２０】この燃焼制御系は、ガスを燃焼するバーナ
３０と、バーナ３０が燃焼しているのか否かを検出する
火炎検出センサ３１と、バーナ３０を着火するイグナイ
タ３２と、バーナ３０に供給するガスの流量を調整する
ガス用比例弁３３と、バーナ３０に供給する空気の流量
を調整する空気用比例弁３４と、ガス用比例弁３３に供
給するガスの圧力を調整するメイン圧力調整弁３５と、
バーナ３０のパイロットバーナに供給する着火用ガスの
圧力を調整するパイロット圧力調整弁３６と、ガス用比
例弁３３に供給するガスを遮断するデュアル構成のメイ
ン遮断弁３７と、バーナ３０に供給する着火用ガスを遮
断するデュアル構成のパイロット遮断弁３８と、バーナ
３０に供給するガスの流速を検出する本出願人が特願平
３-106528 号公報で開示した半導体ダイアフラム構成の
ガス用流速センサ３９と、バーナ３０に供給する空気の
流速を検出する本出願人が特願平３-106528 号公報で開
示した半導体ダイアフラム構成の空気用流速センサ４０
と、燃焼制御系の制御処理を司る燃焼制御装置４１と、
制御対象の温度値とそれに対する設定温度値とから燃焼
制御装置４１に対して熱要求を発行する温度調節器４２
とで構成されている。

【００２１】図２に示す燃焼制御系では、燃焼制御装置
４１は、ガス用流速センサ３９の検出するガス流速から
求まるガス流量を使って、ガス用比例弁３３を空気用比
例弁３４とは機械的・構造的に切り離して制御するとと
もに、空気用流速センサ４０の検出する空気流速から求
まる空気流量を使って、空気用比例弁３４をガス用比例
弁３３とは機械的・構造的に切り離して制御すること
で、高精度の空燃比制御を実現する構成を採っている。

【００２２】この空燃比制御を実現するためには、ガス
及び空気の流量を高速かつ高精度に測定できる必要があ
り、これから、ガス用流速センサ３９及び空気用流速セ
ンサ４０として、本出願人が特願平３-106528 号公報で
開示した上述の半導体ダイアフラム構成の流速センサを
用いることが不可欠となる。

【００２３】図３に、本発明により構成されるガス用流
速センサ３９及び空気用流速センサ４０の制御構成の一
実施例を図示する。なお、以下では、説明の便宜上、ガ
ス用流速センサ３９及び空気用流速センサ４０を流体用
流速センサ５０として示すことにする。

【００２４】この図３に示す実施例では、流体用流速セ
ンサ５０は、ヒータブリッジ回路５１と、センサブリッ
ジ回路５２とを備える。このヒータブリッジ回路５１
は、図４（ａ）に示すように、図９に示した従来のヒー
タブリッジ回路６０で構成されて、燃焼制御装置４１か
ら送られてくる直流電圧の駆動信号に従って、周囲温度
に対して一定の温度上昇を示すようにとヒータエレメン
ト１０３を加熱する。ここで、図８に示したように、１
０３はダイアフラム１０２の上に形成されるヒータエレ
メント、１０６はシリコン基板１００の上に形成される
周囲温度測温抵抗エレメントである。

【００２５】また、センサブリッジ回路５２は、図４
（ｂ）に示すように、図１０に示した従来のセンサブリ
ッジ回路６１で構成されて、燃焼制御装置４１から送ら
れてくる直流電圧の駆動信号に従って、流体の流速に応
じた電圧値を出力する。ここで、図８に示したように、
１０４,1０５はダイアフラム１０２の上に形成される測
温抵抗エレメントである。

【００２６】一方、燃焼制御装置４１は、ＣＰＵ４１０
と、Ａ／Ｄ変換器４１１と、燃焼制御機構４１２の他
に、流体用流速センサ５０を制御するために、第１のリ
レー４１３と、第２のリレー４１４と、第１のリレー４
１３を駆動する第１のドライバ４１５と、第２のリレー
４１４を駆動する第２のドライバ４１６と、第１のリレ
ー４１３がＯＮ動作するときに閉動作しＯＦＦ動作する
ときに開動作する第１のリレー接点４１７と、第２のリ
レー４１４がＯＮ動作するときに閉動作しＯＦＦ動作す
るときに開動作する第２のリレー接点４１８とを備え
る。更に、センサブリッジ回路５２に対して、５Ｖの直
流電圧を印加する構成を採る。

【００２７】この構成を採るときにあって、流速の測定
モードにあるときには、ＣＰＵ４１０は、第１のドライ
バ４１５を介して、第１のリレー４１３をＯＮ動作させ
ることで、第１のリレー接点４１７を閉動作させ、これ
により、ヒータブリッジ回路５１に対して、５Ｖの直流
電圧を印加する構成を採っている。

【００２８】そして、この５Ｖの直流電圧の印加に応答
して、ヒータブリッジ回路５１は、周囲温度に対して一
定の温度上昇を示すようにとヒータエレメント１０３を
加熱し、このヒータエレメント１０３の発熱と流体の流
れとを受けて、センサブリッジ回路５２は、流体の流速
に応じた電圧値を出力し、これを受けて、ＣＰＵ４１０
は、Ａ／Ｄ変換器４１１を介してこの電圧値を読み取っ
て、それから流体の流速を算出するように処理してい
る。

【００２９】図５に、流体用流速センサ５０の診断用に
用意されるＣＰＵ４１０上で動作する図示しない診断プ
ログラムの実行する処理フローの一実施例を図示する。
次に、この処理フローに従って、本発明について詳細に
説明する。

【００３０】この診断プログラムは、燃焼制御機構４１
２から診断要求があると、図５の処理フローに示すよう
に、先ず最初に、ステップ１で、変数Ｂに電圧値“０”
を初期設定する。続いて、ステップ２で、センサブリッ
ジ回路５２の出力する電圧値（流速に対応付けられるも
の）を読み取って、それを変数Ａに格納する。

【００３１】続いて、ステップ３で、変数Ａに格納され
る電圧値と、変数Ｂに格納される電圧値との差分値の絶
対値を求めて、それが規定の判断値Ｓ₀ よりも大きいの
か否かを判断する。診断処理に入ってから、最初にこの
判断を行うときには、変数Ｂには電圧値“０”が格納さ
れていることから、判断値Ｓ₀ よりも大きいことを判断
することになる。

【００３２】このステップ３で、差分値の絶対値が判断
値Ｓ₀ よりも大きいことを判断するときには、ステップ
４に進んで、変数Ａに格納される電圧値を変数Ｂに代入
することで、変数Ｂに対して、前回入手したセンサブリ
ッジ回路５２の出力電圧値を格納し、続くステップ５
で、変数Ｃに回数“０”を初期設定してからステップ２
に戻る。

【００３３】一方、ステップ３で、差分値の絶対値が判
断値Ｓ₀ よりも小さいことを判断するとき、すなわち、
今回入手したセンサブリッジ回路５２の出力電圧値と、
前回入手したセンサブリッジ回路５２の出力電圧値とが
概略一致することを判断するときには、ステップ６に進
んで、変数Ｃの値を１つインクリメントし、続くステッ
プ７で、変数Ｃの値が判断値“５”を超えたのか否かを
判断して、超えないことを判断するときには、ステップ
２に戻るように処理する。

【００３４】このようにして、ステップ２ないしステッ
プ６の処理を実行することで、ステップ７で、変数Ｃの
値が判断値“５”を超えることを判断するときには、セ
ンサブリッジ回路５２の出力電圧値が一定状態を示すこ
とで流体の流速が一定状態に入ったと判断して、ステッ
プ８に進んで、第１のドライバ４１５を介して、第１の
リレー４１３をＯＦＦ動作させて第１のリレー接点４１
７を開動作させることで、ヒータブリッジ回路５１に供
給していた５Ｖの直流電圧の供給を停止するとともに、
第２のドライバ４１６を介して、第２のリレー４１４を
ＯＮ動作させて第２のリレー接点４１８を閉動作させる
ことで、ヒータブリッジ回路５１に2.５Ｖの直流電圧を
印加する。

【００３５】この2.５Ｖの直流電圧の印加に応答して、
ヒータブリッジ回路５１は、周囲温度に対して一定の温
度上昇を示すようにとヒータエレメント１０３を加熱す
るよう動作するが、５Ｖの直流電圧が与えられていない
ことでそれを実現できず、これがために、2.５Ｖの直流
電圧で可能になる温度上昇を示すようにとヒータエレメ
ント１０３を加熱することになる。

【００３６】ステップ８で、ヒータブリッジ回路５１に
印加する直流電圧を５Ｖから2.５Ｖに切り替えると、続
いて、ステップ９で、規定時間待つことで、この切替え
により変動するセンサブリッジ回路５２の出力電圧値が
安定するのを待つ。

【００３７】図８に示したように、ヒータエレメント１
０３は、窒化シリコンの薄膜で構成されるダイアフラム
１０２の上に形成されていることから、極めて短時間の
内に所望の温度に加熱されることになり、これから、セ
ンサブリッジ回路５２の出力電圧値は、極めて短時間の
内に安定化する。

【００３８】ステップ９で、センサブリッジ回路５２の
出力電圧値が安定したことを判断すると、ステップ１０
に進んで、センサブリッジ回路５２の出力する電圧値を
読み取って、それを変数Ｅに格納する。

【００３９】続いて、ステップ１１で、変数Ａに格納さ
れる電圧値と判断係数“0.９”との乗算値を算出して、
その値が変数Ｅに格納される電圧値よりも大きいのか否
かを判断して、大きいことを判断するとき、すなわち、
センサブリッジ回路５２の出力する電圧値の変化量が１
０％を超えないことを判断するときには、ステップ１２
に進んで、流体用流速センサ５０に異常があると判断し
て燃焼制御装置４１に対してその旨を通知して処理を終
了する。

【００４０】一方、ステップ１１で、変数Ａに格納され
る電圧値と判断係数“0.９”との乗算値が、変数Ｅに格
納される電圧値よりも小さいことを判断するとき、すな
わち、センサブリッジ回路５２の出力する電圧値の変化
量が１０％を超えることを判断するときに、ステップ１
３に進んで、流体用流速センサ５０が正常であると判断
して燃焼制御装置４１に対してその旨を通知する。

【００４１】続いて、ステップ１４で、第２のドライバ
４１６を介して、第２のリレー４１４をＯＦＦ動作させ
て第２のリレー接点４１８を開動作させることで、ヒー
タブリッジ回路５１に供給していた2.５Ｖの直流電圧の
供給を停止するとともに、第１のドライバ４１５を介し
て、第１のリレー４１３をＯＮ動作させて第１のリレー
接点４１７を閉動作させることで、ヒータブリッジ回路
５１に正規の５Ｖの直流電圧を印加して処理を終了す
る。

【００４２】このようにして、診断プログラムは、図６
に示すように、診断要求の発行後に、センサブリッジ回
路５２の出力電圧値が一定状態にあることを検出する
と、ヒータブリッジ回路５１に印加する直流電圧を正規
の５Ｖから2.５Ｖに切り替えることで、流体用流速セン
サ５０の持つヒータエレメント１０３の発熱温度を低く
する構成を採って、それに応答して、流体用流速センサ
５０の持つセンサブリッジ回路５２が、５Ｖ印加のとき
に比べて１０％以上低い電圧値を出力するか否かを見る
ことによって流体用流速センサ５０の正常異常を検出す
る構成を採るのである。

【００４３】この図５の処理フローでは、センサブリッ
ジ回路５２の出力電圧値が１０％以上変化するのか否か
を見ることで、正常であるのか否かを判断する構成を採
ったが、この１０％の判断基準を、５Ｖ印加のときのセ
ンサブリッジ回路５２の出力電圧値に応じて変更する構
成を採ってもよい。

【００４４】すなわち、図７に示すように、診断開始前
のセンサブリッジ回路５２の出力電圧値（流速）対応
に、この判断基準値（％）を管理する構成を採って、こ
の判断基準値（％）の中から、2.５Ｖ印加に切り替える
直前のセンサブリッジ回路５２の出力電圧値の指すもの
を特定して、センサブリッジ回路５２の出力電圧値が、
その特定した判断基準値（％）以上変化するのか否かを
見ることで、正常であるのか否かを判断する構成を採っ
てもよい。なお、％値を管理するのではなくて、直接変
化量を管理する構成を採ることも可能である。

【００４５】このような判断基準値は、例えば、装置立
ち上げ時に、ヒータブリッジ回路５１に印加する直流電
圧を５Ｖから2.５Ｖに変更する構成を採って、そのとき
にセンサブリッジ回路５２の出力する電圧値から学習し
ていくことで決定できる。なお、最初の装置立ち上げ時
に判断基準値を学習する構成を採ると、流体用流速セン
サ５０の劣化についても評価できることになる。

【００４６】また、この実施例では、ヒータブリッジ回
路５１に印加する直流電圧を正規のものから低くしてい
くという構成を採ったが、ヒータブリッジ回路５１が、
正規のものよりも高い直流電圧が印加されるときに、ヒ
ータエレメント１０３を正規の温度よりも高く加熱でき
るものである場合は、ヒータブリッジ回路５１に印加す
る直流電圧を正規のものから高くしていく構成を採って
も、流体用流速センサ５０の正常異常を判定できること
になる。

【００４７】また、この実施例では、診断要求が発行さ
れるときに、診断プログラムが流体用流速センサ５０の
診断を実行する構成を採ったが、燃焼制御機構４１２の
ような主処理を実行する機構が、その主処理の実行途中
に流体用流速センサ５０の診断を実行する構成を採って
もよい。

【００４８】また、この実施例では、本出願人が特願平
３-106528 号公報で開示した半導体ダイアフラム構成の
流速センサに従って本発明を開示したが、本発明は、こ
の半導体ダイアフラム構成の流速センサにその適用が限
られるものではない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヒータエレメントと、そのヒータエレメント上を移動す
る流体により引き起こされる熱移動により抵抗値を変化
させる測温抵抗エレメントとで構成される流速センサを
使って流体の流速を検出する構成を採るときにあって、
その流速センサが故障しているのか否かということを検
出できるようになる。

【００５０】そして、本出願人が特願平３-106528 号公
報で開示した半導体ダイアフラム構成の流速センサを診
断対象とするときは、その高速応答に従って、流速の測
定中にその診断を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の適用される燃焼制御系のシステム構成
例である。

【図３】本発明の一実施例である。

【図４】ブリッジ回路の説明図である。

【図５】診断プログラムの実行する処理フローの一実施
例である。

【図６】実施例の動作説明図である。

【図７】判断基準値の説明図である。

【図８】本出願人が開示した流速センサの説明図であ
る。

【図９】本出願人が開示した流速センサの説明図であ
る。

【図１０】本出願人が開示した流速センサの説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 流速センサ ２ 流速センサ診断装置 １０ ヒータ発熱回路 １１ センサ検出回路 ２０ 変更手段 ２１ 入手手段 ２２ 判定手段 ２３ 判断手段 ２４ 管理手段 ２５ 生成手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−33619（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−25722（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/68 - 1/699

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱するヒータエレメントと、該ヒータ
   エレメント上を移動する流体により引き起こされる熱移
   動により抵抗値を変化させる１つ又は複数の測温抵抗エ
   レメントとで構成される流速センサを診断対象として、
   該流速センサが正常であるのか否かを診断する流速セン
   サ診断装置であって、 流体の流速が一定状態にあるときに、上記ヒータエレメ
   ントに印加する発熱用の駆動信号の信号レベルを変更す
   る変更手段と、 上記測温抵抗エレメントの抵抗値に応じて発生される測
   定信号を監視することで、上記変更手段の動作により変
   化する該測定信号の変化量を入手する入手手段と、 上記入手手段の入手する変化量を基準値と比較すること
   で、上記流速センサの正常異常を判定する判定手段とを
   備えることを、 特徴とする流速センサ診断装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の流速センサ診断装置であ
   って、 測温抵抗エレメントの抵抗値に応じて発生される測定信
   号を監視することで、流体の流速が一定状態であるのか
   否かを判断する判断手段を備え、 変更手段は、上記判断手段の判断結果に従って変更処理
   を実行するのか否かを決定することを、 特徴とする流速センサ診断装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の流速センサ診断装
   置において、 流速センサの判定処理に先立って、該判定処理のときと
   同一又は類似の状態を生成して、そのときに検出される
   流速センサの検出値から、判定手段の用いる基準値を生
   成する生成手段を備えることを、 特徴とする流速センサ診断装置。