JP3582718B2

JP3582718B2 - Thermal flow meter

Info

Publication number: JP3582718B2
Application number: JP2000362642A
Authority: JP
Inventors: 修司占部; 浩明本橋; 仁章田中; 智美西; 克己石田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002168668A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安価で、且つ、圧力損失が少なく、信頼性の高い熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来例を示すもので特開平１０−８２６７８号公報に記載された熱式流量計である。この従来例について簡単に説明する。図１０において、１１は管路で、塩化ビニール樹脂が使用されている。１２，１４は柱状の第１，第２電極で金属（例えば銅）により構成され、それぞれの一端が測定流体２に接している。１３は第１電極１２の他端に設けられた加熱測温センサであり、薄膜チップ抵抗温度センサが用いられている。
【０００３】
１５は、第２電極１４の他端に設けられた測温センサである。
なお、測温センサ１５は加熱測温センサ１３による加熱の影響の及ばない管路１１の上流側に設けられている。
加熱測温センサ１３および測温センサ１５と管路１１，電極１２，１４，測定流体２間の熱伝達特性は同様となるように構成されている。
【０００４】
ここで、乱流境界層中に伝達される熱量Ｑは、次式で示される。
Ｑ＝αＳ（Ｔ−Ｔ０）
Ｓ；電極１２の接測定流体の面積
Ｔ；電極１２の温度Ｔ０；測定流体２の流体温度
α；熱伝達率
【０００５】
α＝０．０２３Ｒｅ^０．８Ｐｒ^０．４λ／Ｄ
Ｒｅ；レイノルズ数
Ｐｒ；プラントル数
λ ；熱伝導率
Ｄ；測定管路１１の内径
よって、Ｔ−Ｔ０とλが一定であれば、熱量Ｑはαに比例する。αはＲｅの関数であることから、熱量Ｑは流速に比例することになる。αを書き直すと、
【０００６】
α＝０．０２３λ／Ｄ（ＶＤ／ν）^０．８（νρｃ／λ）^０．４
ν；動粘度
ρ；密度
ｃ；比熱
【０００７】
上記の式から、熱伝達率αは、熱的特性と動粘度νによって変化するが、液温によって補正出来る。以上の事から、加熱された第１電極１２から、測定流体２に伝達される熱量Ｑを測定することによって、流速（流量）が計測できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この様な従来装置においては、耐薬品性やコンタミネーションを嫌う半導体プロセスで使用する超純水の測定に際しては問題があり、また、電極の取付けに際しては接着を用いているため信頼性に対しても問題があった。更に従来の構成においては、流量ゼロのときは加熱測温センサにより、流体が徐々に加熱されるが、この加熱は、加熱測温センサとその付近の流体との熱の収支が平衡に達するまで、数十分から数時間の長時間に渡って続き、出力のドリフトとなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するものである。本発明の目的は、安価で、且つ、信頼性が高く、出力ドリフトのない熱式流量計を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、請求項１においては、
熱伝導率の小さな管路に熱伝導率の大きな複数の電極を設け、前記管路に流れる測定流体の流量を測定する熱式流量計において、前記管路はフッ素系樹脂で、前記電極は高熱伝導性セラミックで形成され、これらの電極の一端の表面には電気抵抗体からなる金属が回路パターンによって形成されるとともに、電極の管路との接続部分にはフッ素系樹脂がコーティングされ、そのコーティング部と管路を構成するフッ素系樹脂が超音波溶着されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２においては、請求項１記載の熱式流量計において、
前記回路パターンは端子部分を除いて絶縁部材でコーティングされていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３においては、請求項１又は２記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた１つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って所定の距離を隔てて設けた２つの加熱測温センサと、これら加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に設けられた２つの測温センサと、前記加熱測温センサと測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１３】
請求項５においては、請求項４に記載の熱式流量計において、
前記測温センサは一つの電極に２つの測温回路が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６においては、請求項３〜５のいずれかに記載の熱式流量計において、
２つの加熱測温センサのそれぞれを用いて加熱測温センサの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路を設け、これらブリッジ回路を構成する一つの抵抗を所定の流体温度によって定まる抵抗値とし、これらブリッジ回路からの出力差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１５】
請求項７においては、請求項１〜６のいずれかに記載の熱式流量計において、
２つの加熱測温センサのうち上流側に配置した加熱測温センサの電極を管路に僅かに突出させて流体温度に対する感度を向上させたことを特徴とする
【００１６】
請求項８においては、請求項１に記載の熱式流量計において、
流体の流れに沿って設けられた３つの測温センサおよび１つの加熱測温センサからなり、前記３つの測温センサのうち一つの測温センサは前記加熱測温センサによる熱の影響が及ばない上流側に配置され、２つの測温センサは前記加熱測温センサを挟んで上流側と下流側の等距離の位置に配置され、前記加熱測温センサと上流側に設けた測温センサにより前記加熱測温センサの温度を流体温度に対して所定の温度差を有するように制御し、前記２つの測温センサと加熱測温センサの温度差に基づいて流量の測定を行なうことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。図において、図１０に示す従来例とは管路および電極の材質や固定方法が異なっている。
即ち、本実施例においては管路１１ａとしてフッ素系樹脂（例えばテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用し、電極１２ａ，１４ａの材質として高熱伝導性セラミック（例えば窒化アルミニウム）を使用する。
【００２０】
また、電極１２ａ，１４ａは例えば断面がＴ字状に形成され、管路に接する側の鍔部にフッ素系樹脂がコーティングされており、管路を構成するフッ素系樹脂と超音波溶着により管路に気密に固定されている。また、窒化アルミニウム電極の他端に形成された加熱測温センサ１３ａの加熱素子としては電気抵抗体からなる金属（例えばニッケルが）が真空蒸着などで成膜されており、同様に膜状に形成された測温回路パターンの端子部分を除く箇所は例えばポリイミド等で絶縁コーティングされている。
【００２１】
上述の構成によればコンタミネーションがないので薬品製造や半導体製造プロセスなどに適用可能である。また、窒化アルミニウムは射出成形が可能なので、電気的、機械的特性の揃った電極を安価に製作することが可能である。また、窒化アルミニウムの電極にセンサ回路パターンを直接形成すれば余分な熱抵抗を低減させることができ熱的・電気的に安定したものとなる（従来例のように薄膜チップ抵抗を電極上に接着すると、チップ抵抗の基材や接着剤の熱抵抗が存在することとなる。この熱抵抗が応答速度を悪化させる）。
【００２２】
また、電極の小型化が可能となり、管形の小さな微小流量にも対応できるようになる。更に電極の熱抵抗が減少するので電極内の温度分布がなくなり、温度測定の精度の向上が図れ分解能も向上する。
【００２３】
図２，図３は流体の流速がゼロか若しくは極めて遅い場合のドリフトを除去した本発明の実施形態の一例を示す断面構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては流体の流れに沿って加熱測温センサ３１（Ｒｓ１），３２（Ｒｓ２）と測温センサ３３（Ｒｔ１），３４（Ｒｔ２）を用い、加熱測温センサ３２を加熱測温センサ３１の下流に設置する。
【００２４】
両者の間隔は上流側の加熱測温センサ３１の熱が下流側の加熱測温センサ３２に流体の流れにより伝搬する距離とする。加熱測温センサ３１（Ｒｓ１）と測温センサ３３（Ｒｔ１）、および加熱測温センサ３２（Ｒｓ２）と測温センサ３４（Ｒｔ２）の２組のセンサを用いて、２個のブリッジ回路（加熱測温センサ３１（Ｒｓ１）の測定回路３７と加熱測温センサ３２（Ｒｓ２）の測定回路３８）を構成する。
【００２５】
各測定回路の帰還回路３５，３６により、各加熱測温センサの温度Ｔｈは、流体温度Ｔ０に対して、例えば５℃高い温度とするよう制御される。
加熱測温センサ３２の近傍の流体温度は、上流に設置した加熱測温センサ３１から伝搬する熱により、流体温度Ｔ０から若干高い温度Ｔｗとなる。
【００２６】
加熱測温センサ３１の測定回路３７と加熱測温センサ３２の測定回路３８の出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、自乗回路３９，４０に接続される。各自乗回路の出力を差動回路４１に入力して差演算を行い、流量出力Ｖｏｕｔ３を得る。流量出力Ｖｏｕｔ３は流量に対しノンリニアであるため、補正演算回路２５にて、流量に換算する演算を行う。
【００２７】
以下に流量演算方式を説明する。
各加熱測温センサから流体が奪う熱量は以下の式となる。
加熱測温センサ３１の熱量
ＱＵ＝α×Ｓ×（Ｔｈ−Ｔ０）＋周囲への熱伝導・・・▲１▼
加熱測温センサ３２の熱量
ＱＬ＝α×Ｓ×（Ｔｈ１−Ｔｗ）＋周囲への熱伝導・・・▲２▼
【００２８】
α ：熱伝達率 ∝Ｖ^０．５（流体の流速（層流）の０．５乗に比例する）
Ｖ：流体の流速
Ｓ：各センサの接液面積
Ｔ０：流体温度，Ｔｈ：加熱測温センサの温度
Ｔｗ：加熱測温センサ３２近傍の流体温度
また、周囲への熱伝導は、流路壁にそって伝導する熱流やゼロ流量時の流路内の液体への熱伝達に相当する。
【００２９】
各測定回路３７，３８の構成より、各測温センサ３３，３４の電圧は次式となる。
Ｖｓ１＝Ｒｓ１／（Ｒｓ１＋Ｒ１１）×Ｖｏｕｔ１
Ｖｓ２＝Ｒｓ２／（Ｒｓ２＋Ｒ１２）×Ｖｏｕｔ２
上述の流体が奪う熱量と各センサへの供給電力がバランスするよう各測定回路３７，３８の帰還回路が動作する。したがって、

【００３０】
Ｒ１１とＲ１２、Ｒｓ１とＲｓ２を同じ定数とすれば、Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の自乗差Ｖｏｕｔ３から以下のように流速Ｖすなわち流量と相関する出力が得られる。

【００３１】
上述のように▲１▼，▲２▼式の差分出力を得ることにより、流路内の流体への熱伝達を含む周囲への熱伝導が出力に現れることを阻止することができる。すなわち、ゼロ流量時、流路内の液体を徐々に加熱するドリフト状の出力成分をキャンセルすることができる。
【００３２】
図４は図３に示す流量検出回路の他の実施例を示すブロック構成図である。この例では補正演算回路としてマイコンなどの演算回路を用いたもので、自乗回路や差動回路をデジタル演算により行って流量を演算する。
【００３３】
図５（ａ，ｂ）は図２に示す管路の他の実施例を示す要部構成説明図である。図（ａ，ｂ）において、図２に示すものとは測温センサ３３，３４を一つの電極の上に２つ形成した点が異なっている。なお、図では測温センサを形成する電極を大きく示しているが、実際には配線パターンは小面積に形成可能であり図２に示す測温センサ一つの上に２つの配線パターンを形成する。
従って図５に示す構成によれば電極材料を１つ削減することができコスト低下を図ることができる。
【００３４】
図６，図７は本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては流体の流れに沿って加熱測温センサ３１（Ｒｓ１），３２（Ｒｓ２）を用い、加熱測温センサ３２を加熱測温センサ３１の下流に設置する。
【００３５】
両者の間隔は上流側の加熱測温センサ３１の熱が下流側の加熱測温センサ３２に流体の流れにより伝搬する距離とする。
そして、この実施例においては図３に示す３３および３４の測温センサ（Ｒｔ１），３２（Ｒｔ２）に代えて、同等の抵抗値を有する固定抵抗（Ｒ１３），（Ｒ
２３）を用いる。
【００３６】
この場合は、測温センサによる流体温度の測定に代え流体温度をユーザ入力により、補正演算回路２５に入力する。補正演算回路２５は、加熱測温センサ３１，
３２の設定温度Ｔｈと流体温度Ｔ０の差を一定温度（例えば５℃）に設定するよう、可変抵抗Ｒ１４およびＲ１５を変化させる。流体温度が一定にコントロールされ
ているアプリケーションでは、このような構成とすることで電極数を削減してコスダウンを図ることができる。また、ユーザ側で使用する流体温度が固定されている場合は、ユーザ入力ではなく、工場出荷時に調整・設定してもよい。この場合、ユーザインタフェースおよび可変抵抗の制御回路を省略でき、更なるコストダウン効果を得ることができる。
【００３７】
なお、図２，図５，図６に示すように加熱測温素子を２個使用する場合、流速が速くなると流体３が上下流側の加熱測温素子の部分を通過する時間が早くなり下流側での流体の温度上昇が小さくなる。そのためそれぞれの電極近傍の流体温度が等しくなって差動出力がゼロに近くなる。その様な場合は上流側の電極を管路に僅かに突出するように形成する。
【００３８】
即ち上流側の温度検出感度を下流側に比較してあげておくようにすれば、差動出力がゼロになるのを防止することができる。
その突出量は例えば管径６ｍｍの場合上流側を０．３ｍｍ程度とし、下流側は管壁と略同一面になるようにしたり、接液面積に差を持たせて例えば上流側の電極径を２ｍｍ、下流側の電極径を１ｍｍのようにしてもよい。
【００３９】
図８（ａ，ｂ）は更に他の実施例を示す要部構成図および流量検出回路のブロック構成図である。この例においては加熱センサは１個とし、この加熱センサを中心として、等距離（Ｌ１＝Ｌ２）の上流および下流に、測温センサを２個設ける。図８（ａ）に示すように、最も上流に設置した測温センサ５１（Ｒｔ１）と、加熱センサ５０（Ｒｓ１）で、定温度差制御回路を構成する。すなわち、加熱センサ５０（Ｒｓ１）の温度Ｔｈは、流体温度Ｔ０に対し、ある一定温度分、例えば５℃高い温度に設定する。
【００４０】
これらの図において、管路１１内を流体が流れると、加熱センサ５０から測温センサ５２へ熱が伝搬する。その結果、測温センサ５２近傍の流体温度Ｔｗ２が上昇し、測温センサ５２の抵抗値Ｒｔ２が増加する。このＲｔ２の抵抗値変化を、測温センサ５２（Ｒｔ２），５３（Ｒｔ３）の測定回路５５にて検出する。
【００４１】
この測定回路５５は、測温センサ５２の抵抗Ｒｔ２と測温センサ５３の抵抗Ｒｔ３のブリッジ出力である。流量と測定回路５５の出力の相関をあらかじめ測定しておき、補正演算回路２５に校正テーブルとして記憶しておく。流量測定時補正演算回路２５にて、前述の校正テーブルを用いて、流量出力を演算・出力する。
【００４２】
測温センサ５２および測温センサ５３は、加熱測温センサ５０から等距離に設置されている。したがって、流量ゼロ時、双方の測温センサ５２，５３への熱伝達量は等しい。そのため、この熱伝達による流体温度の上昇は、測温センサ測定回路５５内のブリッジ回路でキャンセルされる。その結果、従来例で見られた、流路ゼロ時のドリフト状の出力変化が生じない。
【００４３】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。
【００４４】
また、実施例では電極を断面Ｔ字状としたが電極の形状は単なる棒状のものでもよい。その場合はフッ素系樹脂のコーティングは側面のみに行なって電極側面と管路とを超音波溶着により気密に接続する。
また、実施例では電極を管路の上側に設けた図を示したが、流体に気泡を含む場合や管路に空隙ができるような場合は電極を管路の下側に設けてもよい。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１，２によれば、
熱伝導率の小さな管路に熱伝導率の大きな複数の電極を設け、前記管路に流れる測定流体の流量を測定する熱式流量計において、前記管路はフッ素系樹脂で、前記電極は高熱伝導性セラミックで形成され、これらの電極の一端の表面には加熱測温センサおよび又は測温センサとして機能する電気抵抗体からなる金属が回路パターンによって形成されるとともに、電極の管路との接続部分にはフッ素系樹脂がコーティングされ、そのコーティング部と管路を構成するフッ素系樹脂が超音波溶着されており、前記回路パターンは端子部分を除いて絶縁部材でコーティングされているので、耐薬品性やコンタミネーションを嫌う半導体プロセスで使用する超純水の測定にも適用可能であり、余分な熱抵抗を低減させることができ熱的・電気的に安定したものとなり、信頼性を向上させることができる。
【００４７】
請求項３，４，６，８の発明によれば、流体の流れに沿って設けた加熱測温センサおよび測温センサを１つ若しくは複数個設け、これらの抵抗値変化を検出する２つのブリッジ回路と補正演算回路により流量の測定を行なうようにしたので、流速がゼロか若しくは極めて遅い場合のドリフトを除去することができる。
請求項５の発明によれば、測温センサを一つの電極に２つ形成したので、部品点数を削減することができる。
請求項７の発明によれば、２つの加熱測温センサのうち上流側に配置した加熱測温センサの電極を管路に僅かに突出させて流体温度に対する感度を向上させたので、差動出力がゼロになることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図である。
【図２】本発明の実施形態の一例を示す断面構成図である。
【図３】図２の流量検出回路のブロック構成図である。
【図４】図２の流量検出回路の他の実施例を示すブロック構成図である。
【図５】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図および゛測温センサの一実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図である。
【図７】図６の流量検出回路のブロック構成図である。
【図８】本発明の実施形態の他の実施例を示す断面構成図である。
【図９】図８の流量検出回路のブロック構成図である。
【図１０】従来例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
２測定流体
１１管路
１２第１電極
１３，３１，３２，５０加熱測温センサ
１４第２の電極
１５，３３，３４，５１，５２，５３測温センサ
２５補正演算回路
３６帰還回路
３７加熱測温センサ３１の測定回路
３８加熱測温センサ３１の測定回路
３９，４０自乗回路
４１差動回路
５４加熱測温センサ５０の定温度差制御回路
５５加熱測温センサ５２，５３の測定回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal flow meter that is inexpensive, has low pressure loss, and has high reliability.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 shows a conventional example, which is a thermal flow meter described in JP-A-10-82678. This conventional example will be briefly described. In FIG. 10, reference numeral 11 denotes a conduit, in which vinyl chloride resin is used. Reference numerals 12 and 14 denote first and second columnar electrodes made of metal (for example, copper), and one end of each is in contact with the measurement fluid 2. Reference numeral 13 denotes a heating temperature sensor provided at the other end of the first electrode 12, and a thin film chip resistance temperature sensor is used.
[0003]
Reference numeral 15 denotes a temperature sensor provided at the other end of the second electrode 14.
Note that the temperature measurement sensor 15 is provided on the upstream side of the pipe 11 which is not affected by the heating by the heating temperature measurement sensor 13.
The heat transfer characteristics between the heating temperature measuring sensor 13 and the temperature measuring sensor 15 and the pipeline 11, the electrodes 12, 14, and the measurement fluid 2 are configured to be the same.
[0004]
Here, the heat quantity Q transmitted into the turbulent boundary layer is expressed by the following equation.
Q = αS (T−T0)
S: area T of the measuring fluid in contact with the electrode 12; temperature T0 of the electrode 12; fluid temperature α of the measuring fluid 2;
α = 0.023Re ^0.8 Pr ^0.4 λ / D
Re; Reynolds number Pr; Prandtl number λ; thermal conductivity D; the amount of heat Q is proportional to α if T-T0 and λ are constant according to the inner diameter of the measurement pipeline 11. Since α is a function of Re, the heat quantity Q is proportional to the flow rate. Rewriting α,
[0006]
α = 0.023λ / D (VD / ν) ^0.8 (νρc / λ) ^0.4
ν; kinematic viscosity ρ; density c; specific heat
From the above equation, the heat transfer coefficient α changes depending on the thermal characteristics and the kinematic viscosity ν, but can be corrected by the liquid temperature. From the above, the flow rate (flow rate) can be measured by measuring the amount of heat Q transmitted from the heated first electrode 12 to the measurement fluid 2.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in such a conventional apparatus, there is a problem in measuring ultrapure water used in a semiconductor process that dislikes chemical resistance and contamination. In addition, when mounting electrodes, adhesion is used. Again, there was a problem. Further, in the conventional configuration, when the flow rate is zero, the fluid is gradually heated by the heating temperature sensor, but this heating is performed until the heat balance between the heating temperature sensor and the fluid in the vicinity thereof reaches equilibrium. However, there is a problem in that the output drifts for a long time of several tens of minutes to several hours.
[0009]
The present invention solves the above-mentioned problems. An object of the present invention is to provide a thermal flow meter which is inexpensive, has high reliability, and has no output drift.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention provides, in claim 1,
In a thermal flow meter for providing a plurality of electrodes having a large thermal conductivity in a conduit having a small thermal conductivity and measuring a flow rate of a measurement fluid flowing in the conduit, the conduit is made of a fluorine resin, and the electrode is made of a high heat. These electrodes are made of conductive ceramic, and a metal consisting of an electric resistor is formed on the surface of one end of these electrodes by a circuit pattern, and the connecting part of the electrodes to the pipeline is coated with a fluororesin. It is characterized in that the fluorine resin forming the part and the conduit is ultrasonically welded .
[0011]
In claim 2, in the thermal flow meter according to claim 1,
The circuit pattern is coated with an insulating member except for terminal portions .
[0012]
In claim 3, in the thermal flow meter according to

claim

1 or 2 ,
Two heating temperature measurement sensors provided at a predetermined distance along the flow of the fluid, one temperature measurement sensor provided on the upstream side which is not affected by heat by the heating temperature measurement sensors, and It is characterized in that two bridge circuits for detecting a change in the resistance value of the temperature sensor and the temperature measurement sensor are provided, and the flow rate is measured based on the output difference from these bridge circuits .
In claim 4, in the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 3 ,
Two heating temperature sensors provided at a predetermined distance along the flow of fluid, two upstream temperature sensors which are not affected by heat from the heating temperature sensors, It is characterized in that two bridge circuits for detecting a change in the resistance value of the temperature sensor and the temperature measurement sensor are provided, and the flow rate is measured based on the output difference from these bridge circuits .
[0013]
In a fifth aspect, in the thermal flow meter according to the fourth aspect,
The temperature measurement sensor is characterized in that two temperature measurement circuits are formed on one electrode .
[0014]
In claim 6, in the thermal flow meter according to any one of claims 3 to 5,
Two bridge circuits for detecting a change in the resistance value of the heating temperature sensor using each of the two heating temperature sensors are provided, and one resistor constituting the bridge circuit has a resistance value determined by a predetermined fluid temperature. The flow rate is measured based on the output difference from the bridge circuit .
[0015]
In claim 7, in the thermal flow meter according to any one of claims 1 to 6,
An electrode of the heating temperature measuring sensor, which is arranged on the upstream side of the two heating temperature measuring sensors, is slightly protruded from the pipe to improve sensitivity to the fluid temperature.
In claim 8, in the thermal flow meter according to claim 1,
It consists of three temperature measuring sensors and one heating temperature measuring sensor provided along the flow of the fluid, and one of the three temperature measuring sensors is not affected by the heat from the heating temperature measuring sensor. The two temperature measuring sensors are arranged on the upstream side, and the two temperature measuring sensors are arranged at equidistant positions on the upstream side and the downstream side with the heating temperature measuring sensor interposed therebetween. The temperature of the heating temperature sensor is controlled so as to have a predetermined temperature difference from the fluid temperature, and the flow rate is measured based on the temperature difference between the two temperature sensors and the heating temperature sensor. .
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main configuration showing an example of an embodiment of the present invention. In the figure, the materials and fixing method of the conduit and the electrode are different from those of the conventional example shown in FIG.
That is, in the present embodiment, a fluorine resin (for example, tetrafluoroethylene / perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA) or polytetrafluoroethylene (PTFE)) is used for the conduit 11a, and the material of the electrodes 12a and 14a is high heat. A conductive ceramic (for example, aluminum nitride) is used.
[0020]
The electrodes 12a and 14a are formed, for example, in a T-shaped cross section, and the flange on the side in contact with the conduit is coated with a fluororesin, and the fluororesin constituting the conduit is welded to the conduit by ultrasonic welding. It is fixed airtight. Further, as a heating element of the heating temperature measuring sensor 13a formed at the other end of the aluminum nitride electrode, a metal (for example, nickel) made of an electric resistor is formed by vacuum evaporation or the like, and similarly formed in a film shape. Except for the terminal portion of the measured temperature measurement circuit pattern, the portion other than the terminal portion is coated with, for example, polyimide or the like.
[0021]
According to the above-described configuration, there is no contamination, so that it can be applied to a chemical manufacturing process, a semiconductor manufacturing process, and the like. In addition, since aluminum nitride can be injection-molded, it is possible to manufacture electrodes having uniform electrical and mechanical characteristics at low cost. Also, if the sensor circuit pattern is formed directly on the aluminum nitride electrode, the excess thermal resistance can be reduced and the thermal and electrical stability can be obtained. Then, there is the thermal resistance of the base material of the chip resistor and the adhesive, which deteriorates the response speed).
[0022]
In addition, it is possible to reduce the size of the electrode, and to cope with a small minute flow rate in a tubular shape. Further, since the thermal resistance of the electrode is reduced, the temperature distribution in the electrode is eliminated, so that the accuracy of temperature measurement can be improved and the resolution can be improved.
[0023]
2 and 3 are a cross-sectional configuration diagram and a block configuration diagram of a flow rate detection circuit, respectively, showing an example of the embodiment of the present invention in which the drift when the flow velocity of the fluid is zero or extremely low is removed. In this example, the heating temperature sensors 31 (Rs1) and 32 (Rs2) and the temperature sensors 33 (Rt1) and 34 (Rt2) are used along the flow of the fluid, and the heating temperature sensor 32 is used as the heating temperature sensor 31. Installed downstream of
[0024]
The interval between them is the distance over which the heat of the upstream heating temperature sensor 31 propagates to the downstream heating temperature sensor 32 by the flow of the fluid. Using two sets of sensors, a heating temperature measuring sensor 31 (Rs1) and a temperature measuring sensor 33 (Rt1), and a heating temperature measuring sensor 32 (Rs2) and a temperature measuring sensor 34 (Rt2), two bridge circuits (heating The measurement circuit 37 of the temperature measurement sensor 31 (Rs1) and the measurement circuit 38 of the heating temperature measurement sensor 32 (Rs2) are configured.
[0025]
The feedback circuits 35 and 36 of each measurement circuit control the temperature Th of each heating temperature sensor to be, for example, 5 ° C. higher than the fluid temperature T0.
The fluid temperature near the heating temperature sensor 32 becomes a temperature Tw slightly higher than the fluid temperature T0 due to heat transmitted from the heating temperature sensor 31 installed upstream.
[0026]
The outputs Vout1 and Vout2 of the measuring circuit 37 of the heating temperature sensor 31 and the measuring circuit 38 of the heating temperature sensor 32 are connected to squaring circuits 39 and 40. The output of each squaring circuit is input to the differential circuit 41 to perform a difference operation to obtain a flow rate output Vout3. Since the flow rate output Vout3 is non-linear with respect to the flow rate, the correction calculation circuit 25 performs a calculation for converting the flow rate into a flow rate.
[0027]
The flow calculation method will be described below.
The amount of heat taken by the fluid from each heating temperature sensor is given by the following equation.
Heat quantity QU of the heating temperature sensor 31 = α × S × (Th−T0) + heat conduction to the surroundings (1)
Heat quantity QL of heating temperature measurement sensor 32 = α × S × (Th1-Tw) + heat conduction to surroundings (2)
[0028]
α: heat transfer coefficient ∝V ^0.5 (proportional to 0.5 power of fluid flow velocity (laminar flow))
V: Fluid flow velocity S: Liquid contact area of each sensor T0: Fluid temperature, Th: Temperature of heating temperature measurement sensor Tw: Fluid temperature near heating temperature measurement sensor 32 This corresponds to a heat flow that is conducted along and heat transfer to the liquid in the flow path at zero flow rate.
[0029]
From the configuration of each measurement circuit 37, 38, the voltage of each temperature measurement sensor 33, 34 is given by the following equation.
Vs1 = Rs1 / (Rs1 + R11) × Vout1
Vs2 = Rs2 / (Rs2 + R12) × Vout2
The feedback circuits of the measuring circuits 37 and 38 operate so that the amount of heat taken by the fluid and the power supplied to each sensor are balanced. Therefore,

[0030]
Assuming that R11 and R12 and Rs1 and Rs2 are the same constant, an output correlated with the flow velocity V, that is, the flow rate can be obtained from the square difference Vout3 between Vout1 and Vout2 as follows.

[0031]
By obtaining the differential outputs of the expressions (1) and (2) as described above, it is possible to prevent heat conduction to the surroundings including heat transfer to the fluid in the flow path from appearing in the output. That is, at the time of zero flow rate, the drift-like output component that gradually heats the liquid in the flow path can be canceled.
[0032]
FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the flow rate detection circuit shown in FIG. In this example, an arithmetic circuit such as a microcomputer is used as a correction arithmetic circuit, and a square circuit and a differential circuit are digitally operated to calculate the flow rate.
[0033]
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams of a main part configuration showing another embodiment of the pipeline shown in FIG. 2A and 2B are different from those shown in FIG. 2 in that two temperature measuring sensors 33 and 34 are formed on one electrode. Although the figure shows the electrodes forming the temperature sensor large, the wiring pattern can be formed in a small area in practice, and two wiring patterns are formed on one temperature sensor shown in FIG.
Therefore, according to the configuration shown in FIG. 5, one electrode material can be reduced, and the cost can be reduced.
[0034]
6 and 7 are a cross-sectional configuration diagram and a block configuration diagram of a flow rate detection circuit showing another example of the embodiment of the present invention. In this example, the heating temperature measurement sensors 31 (Rs1) and 32 (Rs2) are used along the flow of the fluid, and the heating temperature measurement sensor 32 is installed downstream of the heating temperature measurement sensor 31.
[0035]
The interval between them is the distance over which the heat of the upstream heating temperature sensor 31 propagates to the downstream heating temperature sensor 32 by the flow of the fluid.
In this embodiment, the fixed resistances (R13), (R13) having the same resistance value are replaced with the temperature measurement sensors (Rt1), 32 (Rt2) of 33 and 34 shown in FIG.
23) is used.
[0036]
In this case, the fluid temperature is input to the correction operation circuit 25 by a user input instead of the measurement of the fluid temperature by the temperature sensor. The correction arithmetic circuit 25 includes a heating temperature sensor 31,
The variable resistors R14 and R15 are changed so that the difference between the set temperature Th of 32 and the fluid temperature T0 is set to a constant temperature (for example, 5 ° C.). In an application in which the fluid temperature is controlled to be constant, such a configuration can reduce the number of electrodes and reduce cost. When the fluid temperature used on the user side is fixed, the temperature may be adjusted and set at the time of factory shipment instead of the user input. In this case, the user interface and the control circuit of the variable resistor can be omitted, and a further cost reduction effect can be obtained.
[0037]
In the case where two heating temperature measuring elements are used as shown in FIGS. 2, 5, and 6, when the flow velocity is high, the time for the fluid 3 to pass through the upstream and downstream heating temperature measuring elements becomes shorter, and The temperature rise of the fluid on the side is reduced. Therefore, the fluid temperature near each electrode becomes equal, and the differential output approaches zero. In such a case, the electrode on the upstream side is formed so as to slightly project into the conduit.
[0038]
That is, if the temperature detection sensitivity on the upstream side is compared with that on the downstream side, it is possible to prevent the differential output from becoming zero.
For example, when the pipe diameter is 6 mm, the upstream side is set to about 0.3 mm, and the downstream side is made substantially flush with the pipe wall. The diameter of the electrode on the downstream side may be 2 mm, and the diameter of the electrode on the downstream side may be 1 mm.
[0039]
8A and 8B are a main part configuration diagram and a block configuration diagram of a flow rate detection circuit showing still another embodiment. In this example, there is one heating sensor, and two temperature measurement sensors are provided upstream and downstream of the heating sensor at the same distance (L1 = L2). As shown in FIG. 8A, a constant temperature difference control circuit is constituted by the temperature measurement sensor 51 (Rt1) and the heating sensor 50 (Rs1) installed at the most upstream. That is, the temperature Th of the heating sensor 50 (Rs1) is set to a certain fixed temperature, for example, 5 ° C. higher than the fluid temperature T0.
[0040]
In these figures, when a fluid flows through the pipeline 11, heat propagates from the heating sensor 50 to the temperature measuring sensor 52. As a result, the fluid temperature Tw2 near the temperature measurement sensor 52 increases, and the resistance value Rt2 of the temperature measurement sensor 52 increases. This change in the resistance value of Rt2 is detected by the measurement circuit 55 of the temperature measurement sensors 52 (Rt2) and 53 (Rt3).
[0041]
The measurement circuit 55 is a bridge output of the resistance Rt2 of the temperature measurement sensor 52 and the resistance Rt3 of the temperature measurement sensor 53. The correlation between the flow rate and the output of the measurement circuit 55 is measured in advance, and stored in the correction operation circuit 25 as a calibration table. The flow rate measurement correction calculation circuit 25 calculates and outputs a flow rate output using the above-mentioned calibration table.
[0042]
The temperature measurement sensor 52 and the temperature measurement sensor 53 are installed at the same distance from the heating temperature measurement sensor 50. Therefore, when the flow rate is zero, the amount of heat transferred to both temperature sensors 52 and 53 is equal. Therefore, the rise of the fluid temperature due to the heat transfer is canceled by the bridge circuit in the temperature measurement sensor measurement circuit 55. As a result, there is no drift-like output change when the flow path is zero as seen in the conventional example.
[0043]
The foregoing description of the present invention has been presented by way of illustration and example only of particular preferred embodiments. The present invention many modifications without departing from its essence, it is Ru apparent der to those skilled in the art that can make deformation.
[0044]
In the embodiment, the electrodes are T-shaped in cross section, but the shape of the electrodes may be a simple rod. In this case, the coating of the fluororesin is applied only to the side surfaces, and the side surfaces of the electrodes and the pipes are hermetically connected by ultrasonic welding.
Further, in the embodiment, the electrode is provided on the upper side of the pipeline. However, the electrode may be provided on the lower side of the pipeline when the fluid contains bubbles or when there is a gap in the pipeline.
The scope of the present invention defined by the description of the claims is intended to cover alterations and modifications within the scope.
[0045]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to

claims

1 and 2 of the present invention,
In a thermal flow meter for providing a plurality of electrodes having a large thermal conductivity in a conduit having a small thermal conductivity and measuring a flow rate of a measurement fluid flowing in the conduit, the conduit is made of a fluorine resin, and the electrode is made of a high heat. A metal made of a conductive ceramic and made of a heating temperature sensor and / or an electric resistor functioning as a temperature sensor is formed on a surface of one end of each of these electrodes by a circuit pattern, and is connected to a pipe of the electrode. The part is coated with a fluorine resin, the coating part and the fluorine resin constituting the conduit are ultrasonically welded, and the circuit pattern is coated with an insulating member except for the terminal part, so that it is chemically resistant. Ri also applicable der to measure ultrapure water used in semiconductor processes hate sex and contamination, thermal and electrical can be reduced excess heat resistance stability It shall have, it is possible to improve the reliability.
[0047]
According to the third, fourth, sixth, and eighth aspects of the invention, one or more heating temperature sensors and one or more temperature sensors are provided along the flow of the fluid, and the two bridges detect a change in the resistance value thereof. Since the flow rate is measured by the circuit and the correction operation circuit, drift when the flow velocity is zero or extremely low can be eliminated.
According to the fifth aspect of the invention, since two temperature measurement sensors are formed on one electrode, the number of components can be reduced.
According to the seventh aspect of the present invention, since the electrodes of the heating temperature measurement sensor arranged on the upstream side of the two heating temperature measurement sensors are slightly protruded from the pipeline to improve the sensitivity to the fluid temperature, the differential output is obtained. Can be prevented from becoming zero .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main configuration showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a flow detection circuit of FIG. 2;
FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the flow detection circuit of FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view showing another example of the embodiment of the present invention, and a perspective view showing an example of a temperature measuring sensor.
FIG. 6 is a sectional view showing another example of the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of a flow detection circuit of FIG. 6;
FIG. 8 is a sectional view showing another example of the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of the flow rate detection circuit of FIG. 8;
FIG. 10 is a configuration explanatory view showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
2 Measurement fluid 11 Pipeline 12 First electrode 13, 31, 32, 50 Heating temperature sensor 14 Second electrode 15, 33, 34, 51, 52, 53 Temperature measuring sensor 25 Correction operation circuit 36 Feedback circuit 37 Heating measurement Measurement circuit 38 of temperature sensor 31 Measurement circuit 39, 40 of heating temperature measurement sensor 31 Square circuit 41 Differential circuit 54 Constant temperature difference control circuit 55 of heating temperature measurement sensor 50 Measurement circuit of heating temperature measurement sensors 52, 53

Claims

In a thermal flow meter for providing a plurality of electrodes having a large thermal conductivity in a conduit having a small thermal conductivity and measuring a flow rate of a measurement fluid flowing in the conduit, the conduit is made of a fluororesin, and the electrode is made of a high heat. A metal made of a conductive ceramic and made of a heating temperature measuring sensor and / or an electric resistor functioning as a temperature measuring sensor is formed on a surface of one end of these electrodes by a circuit pattern, and is connected to a pipe of the electrode. A thermal flowmeter characterized in that a fluororesin is coated on a portion thereof, and a fluororesin forming the coating portion and the conduit is ultrasonically welded .

The thermal flow meter according to claim 1 , wherein the circuit pattern is coated with an insulating member except for a terminal portion .

Two heating temperature sensors provided at a predetermined distance along the flow of the fluid, one temperature sensor provided on the upstream side not affected by heat by these heating temperature sensors, 3. The thermal method according to claim 1, wherein two bridge circuits for detecting a change in resistance between the temperature sensor and the temperature sensor are provided, and the flow rate is measured based on an output difference from the bridge circuits. Flowmeter.

Two heating temperature sensors provided at a predetermined distance along the flow of the fluid, two upstream temperature sensors which are not affected by heat by these heating temperature sensors, the two bridge circuits for detecting the change in resistance temperature sensor measuring a temperature sensor is provided, according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measurement of flow rate based on the output difference of these bridge circuits thermal flow meter.

The thermal flowmeter according to claim 4, wherein the temperature measurement sensor has two temperature measurement circuits formed on one electrode .

Two bridge circuits for detecting a change in the resistance value of the heating temperature sensor using each of the two heating temperature sensors are provided, and one resistor constituting the bridge circuit has a resistance value determined by a predetermined fluid temperature. The thermal flowmeter according to any one of claims 3 to 5, wherein the flow rate is measured based on an output difference from the bridge circuit .

To claim 1, characterized in that the electrodes of the heating temperature measuring sensor disposed upstream of the two heating temperature measuring sensor by slightly protruding conduit to improve the sensitivity to fluid temperature The described thermal flow meter.

It consists of three temperature sensors and one heating temperature sensor provided along the flow of the fluid, and one of the three temperature sensors is not affected by the heat from the heating temperature sensor. The two temperature measuring sensors are arranged on the upstream side, and the two temperature measuring sensors are arranged at equidistant positions on the upstream side and the downstream side with the heating temperature measuring sensor interposed therebetween. The temperature of the heating temperature sensor is controlled so as to have a predetermined temperature difference with respect to the fluid temperature, and the flow rate is measured based on the temperature difference between the two temperature sensors and the heating temperature sensor. The thermal type flow meter according to claim 1 .