JP3600064B2 - Flow meter and flow control device - Google Patents

Description

【０００５】
マイコン内蔵のＡ／Ｄ変換器では８ビットが主流であり、せいぜい１０ビットである。８ビットＡ／Ｄ変換器を使用した場合の分解能は１／２５６となるので、測定レンジを例えば５Ｖとすると、８ビットＡ／Ｄ変換器の最小分割電圧は０．０２Ｖ（≒５／２５６）となる。
【０００６】
また、Ｖ_ＩＮ＝１Ｖ，Ｖ_ＲＥＦ ＝５Ｖとすると変換データＤは、

となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＡ／Ｄ変換器は以上のように構成されているので、通常、悪くても１／２０００程度の分解能が要求される流量計及び流量制御装置に、汎用のマイコンに内蔵されているＡ／Ｄ変換器を用いた場合、分解能が不足してしまい、精度よく流量を計測することが出来ない。また、Ａ／Ｄ変換器には、分解能が高いほど変換速度が遅くなるという傾向があり、高分解能であって、かつ高速度のものは極めて高価である。
【０００８】
従来の流量計及び流量制御装置では、高分解能が要求されるため、高価であってもマイコン内蔵型のＡ／Ｄ変換器よりも高い分解能を有するＡ／Ｄ変換器を外部に備えるようにしているのが現状である。
【０００９】
また、汎用のＡ／Ｄ変換器を用いて分解能を向上させる方法もあるが、変換時間が長いため、その分、流量が急激に変化したときには追従できず、使用することができない。
【００１０】
その一方で、前述したように、これからの流量計及び流量制御装置には、安価なＡ／Ｄ変換器が求められている。
さらに、このような汎用で安価なＡ／Ｄ変換器を用いて高精度の計測及び制御を行える流量計及び流量制御装置が求められ、従来よりこのような解決しなければならない課題があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、分解能がそれほど高くない汎用のＡ／Ｄ変換器を用いて高精度かつ高速度で流量を計測でき、かつ流量の急激な変化があっても、問題なく流量の計測及び制御を行えるような流量計及び流量制御装置を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る流量計は、流路に流れる流体の流量に応じた第１のアナログ信号を出力する流量検出手段と、第１のアナログ検出信号を第１のディジタル値に変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、第１のディジタル値を用い、第１のディジタル値より低い第２のディジタル値を演算する演算手段と、第２のディジタル値を第２のアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、第１のアナログ信号と第２のアナログ信号を入力する作動増幅器と、作動増幅器の出力を第３のディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段と作動増幅器の出力がレンジオーバーした場合、第１のディジタル値により流量を演算し、作動増幅器の出力がレンジオーバーしない場合、第３のディジタル値により流量を演算する選択手段とを備えたものである。
【００１３】
この発明に係る流量計は、流路に流れる流体の流量に応じた第１のアナログ信号を出力する流量検出手段と、第１のアナログ検出信号を第１のディジタル値に変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、第１のディジタル値を用い、第１のディジタル値より低い第２のディジタル値を演算する演算手段と、第２のディジタル値を第２のアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段と、第１のアナログ信号と前記第２のアナログ信号を入力する作動増幅器と、作動増幅器の出力を第３のディジタル値に変換する第２のＡ／Ｄ変換手段と作動増幅器の出力がレンジオーバーした場合、第１のディジタル値により流量を演算し、作動増幅器の出力がレンジオーバーしない場合、第３のディジタル値により流量を演算する選択手段とを備えたものである。
【００１５】
この発明に係る流量制御装置は、上記流量計と、上記流体の流量を制御する流量制御弁と、流量計によって検出された流量が所定の設定値になるように流量制御弁に制御信号を与える制御手段とを備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は本発明に係る流量制御装置の実施の形態１の構成を示す図であり、図１において、２１は流量制御装置である。尚、この流量制御装置２１はソレノイド弁を備え、動作モードに応じてこのソレノイド弁の開度を調節するようにし、かつ、動作モードを選択できるようになっている。動作モードについては後述する。
【００１７】
また、２２は流量制御装置２１の流路ブロック、２３は入口配管接続用ブロック、２５は被測定流体が流れる円形断面の流路である。
また、３１は被測定流体の流れを整えるステンレス製の整流用金網、３２はステンレス製の整流用金網３１を挟持するリング状のスペーサ、３３はスペーサ３２を係止するための段部、３４は被測定流体の流量を検出するマイクロフローセンサ（流量検出手段）である。
なお、この実施の形態１の被測定流体としては、例えば、空気、窒素、アルゴン、炭酸、酸素などの気体を対象としているが、本発明の対象はこれに限られず、液体用の流量計であってもよい。
【００１８】
マイクロフローセンサ３４には、例えば、本願出願人が特願平３−１０６５２８号に係る明細書等において開示した半導体ダイアフラム構成のものを使用することができる。すなわち、このマイクロフローセンサ３４は、図示例を省略するが、発熱部とこの発熱部の上流側および下流側に配設された２つの温度検出部を有し、これら２つの温度検出部によって検出される温度の差を一定に保つために必要な発熱部に対する供給電力から流速に対応する流量を求めたり、あるいは一定電流または一定電力で発熱部を加熱し、２つの温度検出部によって検出される温度の差から流量を求めるたりすることができるように形成されている。そして、このマイクロフローセンサ３４は、熱絶縁されたきわめて薄いダイアフラム構造を採用しているため、高速応答、低消費電力という特長を備えている。
３５〜３７は例えば合成ゴムからなるＯリングである。
【００１９】
４１は被測定流体の流れを制御するソレノイド弁（流量制御弁）、４２は被測定流体が流れる流路４３と流路４４とが形成された弁座、４５は流路４３と流路４４とを連通する弁室、４６は弁室４５に収納されて流路４４を開閉する弁体、４７は弁体４６に連結された磁性体のプランジャ、４８は通電されてプランジャ４７を上下させるソレノイドコイル、４９は流路ブロック２２と弁座４２との間をシールするシールリングである。
【００２０】
前述の動作モードには全開モード、制御モード及び全閉モードがあり、全開モードは、このソレノイド弁４１を全開するモードであり、制御モードはマイクロフローセンサ３４によって検出された被測定流体の流量が所定流量となるようにソレノイド弁４１の開度を制御するモードであり、全閉モードは被測定流体の流量がゼロとなるようにソレノイド弁４１を閉止するモードである。後述する操作により、動作モードを選択できる。
但し、流量計測用として用いるときは全開モードに設定する。
【００２１】
５１は制御部、５２はマイクロフローセンサ３４からのセンサ信号を処理する信号処理回路、５３はソレノイド弁４１を駆動する駆動回路（駆動手段）、５４は制御部５１に所定の指令信号を入力するための入力スイッチ、５５は現在の運転状態を表示するＬＥＤ表示灯、５６は被測定流体の流量、動作モード、エラーを文字表示する４桁の７セグメント表示器、５７は信号処理回路５２によって処理された被測定流体の流量の検出値、入力スイッチ５４からの指令信号又は流量設定値を入力し、これらの信号に基づいて駆動回路５３を制御するＣＰＵ（演算手段、ディジタル値選択手段、制御手段）、５８はＣＰＵ５７に電圧、電流を供給するとともにＣＰＵ５７との間で信号を入出力するためのコネクタ、５９はＲＯＭ、６０はデータの書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ、６１は測定された流量データなどを随時保存するＲＡＭである。
【００２２】
また、図２に示す回路は、マイコンに内蔵された汎用のＡ／Ｄ変換器を用い、その分解能を高めるように構成された回路であり、図２において、６２はマイクロフローセンサ３４から直接アナログ検出信号が入力されてアナログ・ディジタル変換を行うためのアナログ・ディジタル変換器（以後、「Ａ／Ｄ変換器」と記す。）、６３は高精度のアナログ・ディジタル変換を行うかまたは低精度のアナログ・ディジタル変換を行うかを選択するための切替器であり、マイコンに内蔵されているマルチプレクサをそのまま使用している。６４はディジタル・アナログ変換器（以後、「Ｄ／Ａ変換器」と記す。）、６５はオペアンプ６６と抵抗Ｒ１〜Ｒ４とによって構成された差動増幅器（増幅器）、６７はオペアンプ６８によって構成されているバッファ、Ｃはコンデンサであり、差動増幅器６５、バッファ６７、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣは信号処理回路５２に内蔵され、Ａ／Ｄ変換器６２、切替器６３、Ｄ／Ａ変換器６４、ＣＰＵ５７には汎用性の高いマイコン内蔵型のものを用いる。
【００２３】
また、この図２に示す回路は、汎用のＡ／Ｄ変換器の分解能を高めるだけでなく、切替器６３をＶ_２ 側にした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ がＡ／Ｄ変換器６２の測定レンジをオーバしないようにも構成されている。即ち、この回路では、Ｄ／Ａ変換器６４から非増幅側のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_１ より少し低い電圧を出力すれば、Ａ／Ｄ変換器６２がレンジオーバしないようになっている。
【００２４】
次に入力スイッチ５４の各スイッチとＬＥＤ表示灯５５の各ランプの機能について説明する。
５４−１は動作モードを切り替えるときに押すＤＲＩＶＥスイッチであり、通常は押す毎に全閉モードと制御モードが交互に切り替わるが、全開モードにするときはＤＲＩＶＥスイッチ５４−１を２秒以上押し続ける。５４−２はイベント設定等、特殊な設定を行うときに押すモードスイッチ、５４−３、５４−４は、それぞれ設定値を変更するときに押すダウンスイッチ（▽）、アップスイッチ（△）、５４−５は、アップスイッチ５４−４、ダウンスイッチ５４−３により設定値を変更したとき、変更したその設定値を確定させるときに押すＥＮＴスイッチであり、ＥＮＴスイッチ５４−５はアラーム、リセットや積算リセット等をするスイッチとしても使用される。５４−６は７セグメント表示器５６の表示内容を切り替えるときに押すＤＩＳＰスイッチであり、表示内容はＤＩＳＰスイッチ５４−６を押す毎に瞬時ＰＶ値（流量計測値）→瞬時ＳＰ値（流量設定値）→積算ＰＶ値→瞬時ＰＶ値→…のように循環して切り替わる。
【００２５】
５５−１は７セグメント表示器５６に表示された内容がＳＰ表示のときに点灯するＳＰランプ、５５−２は７セグメント表示器５６に表示された内容がＰＶ表示のときに点灯するＰＶランプ、５５−３は瞬時流量が設定値に一致している時に点灯し、動作モードが全開モードのときに点滅するＯＫランプ、５５−４は異常検出時に点灯するＡＬＡＲＭランプ、５５−５は７セグメント表示器５６に表示された内容が積算流量を示すときに点灯するＬランプ、５５−６は７セグメント表示器５６に表示された内容が瞬時流量を示すときに点灯するＬ／ｍｉｎランプである。
【００２６】
次に動作について説明する。
被測定流体は流路２５中を流れ、この流量はマイクロフローセンサ３４によって検出され、マイクロフローセンサ３４からアナログ検出信号が出力される。このアナログ検出信号は信号処理回路５２のＡ／Ｄ変換器６２に入力され、その入力電圧Ｖ_１ はＡ／Ｄ変換器６２によりディジタルデータＤ_１ に変換される。
ＣＰＵ５７は、このディジタル値Ｄ_１ に基づいて被測定流体の流量の変化の速度に応じた精度のディジタルデータを出力する。このＣＰＵ５７の動作は図３のフローチャートに基づいて行われる。
【００２７】
即ち、ステップＳＴ１では、切替器６３をＶ_１ 側とし、Ａ／Ｄ変換器６２からディジタルデータＤ_１ を入力する。
ステップＳＴ２では、このディジタル値Ｄ_１ から入力電圧Ｖ_１ を次式（２）に従って逆算する。

【００２８】
ステップＳＴ３では、入力電圧Ｖ_１ に基づいてＤ／Ａ変換器６４から出力する出力電圧Ｖ_３ を式（３）に従って求め、さらにこの出力電圧Ｖ_３ となるようにＤ／Ａ変換器６４にセットするディジタルデータＤ_３ を式（４）に従って演算する。

【００２９】
式（３）では、Ａ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ が測定レンジの中央の値となるように、Ｄ／Ａ変換器６４の出力電圧Ｖ_３ を求めている。これは、次のステップＳＴ４の待機中に入力電圧Ｖ_１ がプラス側かマイナス側かどちらに変化してしまうか分からないからであり、中央の値が一番レンジオーバしにくいからである。
そして、このディジタルデータＤ_３ をＤ／Ａ変換器６４にセットする。
【００３０】
ステップＳＴ４では、待機時間を経過したか否かを判定する。
この待機時間を設けたのは、Ｄ／Ａ変換器６４の出力が安定するまでの間に所定の時間を要し、また差動増幅器６５の入出力間に遅れがあるからである。
ディジタルデータＤ_３ は、この間にＤ／Ａ変換器６４によりアナログ信号に変換され、このアナログ信号はオペアンプ６８によって構成されたバッファ６７を介して差動増幅器６５のオペアンプ６６の反転入力に入力され、その電圧はマイクロフローセンサ３４からの入力電圧Ｖ_１ との差に基づいて増幅され、増幅信号はＡ／Ｄ変換器６２に出力される。
【００３１】
ステップＳＴ５では、切替器６３をＶ_１ 側、Ｖ_２ 側と切替えてＡ／Ｄ変換器６２からそれぞれディジタルデータＤ_１ ，Ｄ_２ を入力し、また、式（２）により電圧Ｖ_１ を逆算する。
ステップＳＴ６では、式（５）に従って演算される切替器６３をＶ_２ 側にした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ が測定レンジ内の値になるか否かを判定する。
Ｖ_２ ＝（Ｖ_１ −Ｖ_３ ）×Ａ ・・・（５）
Ｖ_１ ：ステップＳＴ５で逆算した電圧
Ｖ_２ ：ステップＳＴ３で出力した電圧
【００３２】
図４にも示すように、被測定流体の流量の変化の速さが速ければ（時刻ｔ_１ 〜ｔ_２ ）、切替器６３をＶ_２ 側とした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ はレンジオーバし、被測定流体の流量の変化の速さが遅いときはレンジ内に入る。従って、切替器６３をＶ_２ 側とした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ がレンジ内の値になっているか否かを判定することにより、被測定流体の流量の変化の速さが速いか否かを判定することができる。尚、図４は流量設定値をＭＩＮからＭＡＸに変更した時の制御流量特性の例である。
【００３３】
尚、ステップＳＴ５で切替器６３をＶ_２ 側とした時にＡ／Ｄ変換器６２により変換されたディジタルデータＤ_２ が上限値又は下限値になっているとき、例えば８ビットの場合、ディジタルデータＤ_２ が００Ｈ又はＦＦＨとなっているときは、レンジオーバしたと考えられるので、これによりＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ がレンジオーバしたか否かを直接判定するようにしてもよい。このときは、ステップＳＴ５での切替器６３をＶ_１ 側とした時のＡ／Ｄ変換器６２によるＡ／Ｄ変換は不用になる。
【００３４】
切替器６３をＶ_２ 側にした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ がレンジ内で入っているときは、ステップＳＴ７に進む。
ステップＳＴ７では、切替器６３をＶ_２ 側にした時にＡ／Ｄ変換器６２から出力されたディジタルデータＤ_２ に基づいてＡ／Ｄ変換結果Ｄ_ＯＵＴ を次式（６）に従って演算する。
Ｄ_ＯＵＴ ＝Ｄ_２ ＋Ｄ_３ ×Ａ ・・・（６）
Ｄ_２ ：ステップＳＴ５で変換したデータ
Ｄ_３ ：ステップＳＴ５でセットしたデータ
【００３５】
この場合、例えば、Ａ／Ｄ変換器６２及びＤ／Ａ変換器６４の分解能が１／２５６の場合、差動増幅器６５のゲインＡを１０倍とすると分解能は１／２５６０に上がる。
Ｖ_１ ＝１Ｖ、Ｖ_ＲＥＦ ＝５Ｖの時、切替器６３をＶ_１ 側としてＡ／Ｄ変換器６２により変換されたディジタルデータＤ_１ は式（１）より５１Ｄなので、式（２），（３），（４）より、これより少し低い３８ＤのデータをＤ／Ａ変換器６４から出力するとＤ／Ａ変換器６４の出力電圧は下式（７）より約０．７４２Ｖとなる。このとき、切替器６３をＶ_２ 側としてＡ／Ｄ変換器６２に入力される電圧Ｖ_２ は式（５）より以下の通りとなる。

この値をＡ／Ｄ変換すると１３２Ｄとなる。従って、式（６）より

となる。
【００３６】
尚、Ｄ／Ａ変換器６４の出力データＤ_３ は、Ａ／Ｄ変換器６２がレンジオーバしなければ３８Ｄでなくてもよい。Ａ／Ｄ変換結果Ｄ_ＯＵＴ は全て５１２Ｄとなる。ここで、８ビットＤ／Ａ変換器６４の出力電圧Ｖ_３ は次式の通りとなる。
Ｖ_３ ≒Ｖ_ＲＥＦ ×出力データ／２５６ ・・・（７）
【００３７】
次に、切替器６３をＶ_２ 側にした時のＡ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ がレンジオーバしたときは、ステップＳＴ８に進む。
ステップＳＴ８では、ステップＳＴ５でＡ／Ｄ変換器６２から出力されたディジタルデータＤ_１ に基づいてＡ／Ｄ変換結果Ｄ_ＯＵＴ を次式（８）に従って演算する。
Ｄ_ＯＵＴ ＝Ｄ_１ ×Ａ ・・・（８）
Ａ／Ｄ変換器６２の分解能が１／２５６の場合、例えばＶ_１ ＝１Ｖ、Ｖ_ＲＥＦ ＝５Ｖの時、式（１）よりＤ_１ ＝５１Ｄ、よってアンプゲインを１０倍とすると式（８）より

となる。
このときは、被測定流体の流量が急速に変化しているときであり、流量の検出（ＰＶ）値が設定（ＳＰ）値とかけ離れているのでＰＶ値の分解能が低下しても制御としては問題にならない。つまり、分解能の悪いＰＶ値でＰＩＤ制御を行っても制御流量を設定に一致させることはできないまでも、近づけることはできる。ＳＰ値がＰＶ値に近づいてきたら流量の変化は少なくなっているので、問題なく高分解能でデータが得られ、その時点からきめ細かい制御を行えばよい。また、流量制御装置２１を全開モードで動作させて流量計として使用している時に流量が急速に変化した場合も、表示器５６に表示する値は使用者に流量がどの程度変化しているかを知らせることができればよく（変化中の表示値は）精度が悪くても問題にならない。
【００３８】
ステップＳＴ９では、Ａ／Ｄ変換結果Ｄ_ＯＵＴ を流量に変換する。ステップＳＴ１０では流量検出値を設定値に近づけるべくＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）演算を行う。
ステップＳＴ１１では、このＰＩＤ演算に基づいて、流量の検出値が設定値になるように制御信号を駆動回路５３に出力する。ソレノイド弁４１は駆動回路５３により駆動されて弁体４６の開度が所定の開度だけ開いて被測定流体の流量はほぼ設定値となる。
尚、ステップＳＴ７，ＳＴ８がディジタル値選択手段、ステップＳＴ９，ＳＴ１０が演算手段、ステップＳＴ１１が駆動手段に相当する。
【００３９】
以上のように、この実施の形態１によれば、検出信号の変化が速いときは高精度の測定の必要がない点に着目し、検出信号の変化が遅いときだけ高精度の流量演算を行うようにしたので、高性能で高価なＡ／Ｄ変換器を用いることなく、実使用上、問題なく高精度で流量を計測できる安価な流量計を得ることができる。特に、シングルチップ・マイクロコンピュータに内蔵されたＡ／Ｄ変換器を用いるのに好適である。切替器６３もマイクロコンピュータに内蔵されたものを用いれば、別途外付けのＡ／Ｄ変換器を用意する必要もないので、コストが低減される。
【００４０】
尚、本実施の形態１では、増幅器として差動増幅器６５を用いたが、これに限らず、例えば、図５に示すような減算増幅器を用いることもできる。図５において、６９はオペアンプ、Ｒ_１１〜Ｒ_１３は抵抗である。
【００４１】
この減算増幅器を用いた場合、Ｄ／Ａ変換器６４の出力電圧Ｄ_３ 、Ａ／Ｄ変換器６２の入力電圧Ｖ_２ 、ディジタルデータＤ_２ はそれぞれ次式（９）〜（１１）によって計算される。

【００４２】
また、本実施の形態１では、ソレノイド弁４１を備え、流量を制御することができる流量制御装置について説明したが、流量計についても適用できることは勿論である。
【００４３】
以上のように、市販のＣＰＵに内蔵されているＡ／Ｄ変換器は分解能が高くないので従来は高分解能が必要な場合には高分解能のＡ／Ｄ変換器を別途用意しなければならなかったが本発明実施例１によればＣＰＵ内蔵のＡ／Ｄ変換器でも十分高分解能を得られる。
【００４４】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による信号処理回路及びＣＰＵの構成を示す回路図である。実施の形態１との違いは、アナログ検出信号Ｖ_１ 専用のＡ／Ｄ変換器６２と増幅信号Ｖ_２ 専用のＡ／Ｄ変換器７０とを設けた点である。変換後のディジタル信号Ｄ_１ とＤ_２ を選択する手段はＣＰＵ５７のプログラムとして実施可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、アナログ・ディジタル変換手段は高精度な程、変換速度が遅い点に着目し、検出信号の変化が遅いときだけ高精度の流量演算を行うようにしたので、高性能で高価なＡ／Ｄ変換器を用いることなく実使用上高精度で安価な流量計を得られる。
【００４６】
この発明によれば、アナログ検出信号の変化が速いときは高精度の測定を求められない点に着目し、検出信号の変化が遅いときだけ高精度の流量演算を行うようにしたので、高性能で高価なＡ／Ｄ変換器を用いることなく安価で実使用上高精度な流量計を得られる。特に、安価なシングルチップ・マイクロコンピュータに内蔵のＡ／Ｄ変換器を用いるのに好適である。
【００４７】
この発明によれば、実使用上、高精度で安価な流量制御装置が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の流量制御装置の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】図１の信号処理回路及びＣＰＵの構成を示す回路図である。
【図３】図１及び図２に示す流量制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】図１及び図２に示す流量制御装置の動作を説明するための説明図である。
【図５】図２の増幅器の別の構成（減算増幅器）を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態２による信号処理回路及びＣＰＵの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
２５ 流路
３４ マイクロフローセンサ（流量検出手段）
４１ ソレノイド弁（流量制御弁）
５３ 駆動回路（駆動手段）
５７ ＣＰＵ（演算手段、ディジタル値選択手段、制御手段）
６２ Ａ／Ｄ変換器
６３ 切替器
６４ Ｄ／Ａ変換器（ディジタル・アナログ変換器）
６５ 差動増幅器（増幅器）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow meter and a flow control device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a flow control device such as a mass flow controller, it is necessary to control a fluid to be controlled flowing through a flow path at a target flow rate with high responsiveness and high accuracy. Similarly, in a flow meter such as a mass flow meter, it is necessary to measure the flow rate of the fluid to be measured flowing in the flow path with high accuracy.
[0003]
An article of “Digital Mass Flow Controller 2000 Series” was published in the October 1995 issue of “Measurement Technology”, and FIG. 5 (page 74) shows the basic configuration of a mass flow controller equipped with an A / D converter. Has been described. As described in this article, the first generation mass flow controller was required only to be capable of supplying a constant flow rate. The third generation is expected to have a universal price.
Therefore, an A / D converter, which is indispensable for a digital mass flow controller, is required to be capable of converting a flow rate signal from a sensor for detecting a flow rate into digital data at high speed and high resolution, and is an inexpensive microcomputer. A built-in type is desired.
[0004]
In the February 1996 issue of “Transistor Technology”, an article “A / D Conversion Variations and Applications” (page 225) is published, and the A / D converter is described in detail.
The converted data (digital value) D converted by the A / D converter is calculated according to the following equation.

[0005]
In an A / D converter with a built-in microcomputer, 8 bits are mainstream, and at most 10 bits. Since the resolution when using an 8-bit A / D converter is 1/256, if the measurement range is, for example, 5 V, the minimum division voltage of the 8-bit A / D converter is 0.02 V (≒ 5/256). It becomes.
[0006]
If V _IN = 1 V and V _REF = 5 V, the conversion data D is

It becomes.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional A / D converter is configured as described above, the A / D converter built in a general-purpose microcomputer is usually used in a flow meter and a flow control device that require a resolution of about 1/2000 at worst. When the / D converter is used, the resolution is insufficient, and the flow rate cannot be measured accurately. Also, A / D converters have a tendency that the conversion speed becomes slower as the resolution is higher. A high resolution and high speed A / D converter is extremely expensive.
[0008]
Conventional flow meters and flow control devices require high resolution, so even if expensive, an external A / D converter with higher resolution than the built-in microcomputer type A / D converter should be provided. That is the current situation.
[0009]
There is also a method of improving the resolution by using a general-purpose A / D converter. However, since the conversion time is long, when the flow rate changes abruptly, it cannot follow and cannot be used.
[0010]
On the other hand, as described above, inexpensive A / D converters are required for future flow meters and flow control devices.
Further, there has been a demand for a flow meter and a flow control device capable of performing high-precision measurement and control using such a general-purpose and inexpensive A / D converter, and there has been a problem which has to be solved conventionally.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and can measure a flow rate with high accuracy and high speed using a general-purpose A / D converter having a not so high resolution, and can rapidly change the flow rate. An object of the present invention is to provide a flow meter and a flow control device capable of measuring and controlling the flow rate without any problem even if there is a problem.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A flow meter according to the present invention comprises a flow rate detecting means for outputting a first analog signal corresponding to a flow rate of a fluid flowing through a flow path, and a first A for converting the first analog detection signal into a first digital value. / D conversion unit, using a first digital value, and calculating means for calculating a first second digital value lower than the digital value, D / a converting the second digital value to a second analog signal A converter, an operational amplifier for inputting the first analog signal and the second analog signal, an A / D converter for converting the output of the operational amplifier into a third digital value, and an output of the operational amplifier when the output of the operational amplifier is out of range And a selecting means for calculating the flow rate based on the first digital value and calculating the flow rate based on the third digital value when the output of the operational amplifier does not exceed the range.
[0013]
A flow meter according to the present invention comprises a flow rate detecting means for outputting a first analog signal corresponding to a flow rate of a fluid flowing through a flow path, and a first A for converting the first analog detection signal into a first digital value. / D conversion unit, using a first digital value, and calculating means for calculating a first second digital value lower than the digital value, D / a converting the second digital value to a second analog signal A converter, an operational amplifier for inputting the first analog signal and the second analog signal, a second A / D converter for converting an output of the operational amplifier into a third digital value, and an output of the operational amplifier. A selection means for calculating the flow rate based on the first digital value when the range is over, and calculating the flow rate based on the third digital value when the output of the operational amplifier is not over the range;
[0015]
A flow control device according to the present invention provides a control signal to the flow meter, a flow control valve for controlling a flow rate of the fluid, and a flow control valve such that a flow rate detected by the flow meter becomes a predetermined set value. Control means.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a flow control device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 21 denotes a flow control device. The flow control device 21 is provided with a solenoid valve so that the opening of the solenoid valve is adjusted according to the operation mode, and the operation mode can be selected. The operation mode will be described later.
[0017]
Further, 22 is a flow path block of the flow control device 21, 23 is an inlet pipe connection block, and 25 is a flow path having a circular cross section through which the fluid to be measured flows.
Reference numeral 31 denotes a stainless steel rectifying wire mesh that regulates the flow of the fluid to be measured, 32 denotes a ring-shaped spacer that sandwiches the stainless steel rectifying wire mesh 31, 33 denotes a step for locking the spacer 32, and 34 denotes a stepped portion. It is a micro flow sensor (flow rate detecting means) for detecting the flow rate of the fluid to be measured.
The fluid to be measured according to the first embodiment is, for example, a gas such as air, nitrogen, argon, carbon dioxide, or oxygen. However, the subject of the present invention is not limited to this. There may be.
[0018]
As the microflow sensor 34, for example, a sensor having a semiconductor diaphragm structure disclosed by the present applicant in the specification of Japanese Patent Application No. 3-106528 can be used. That is, although not shown, the micro flow sensor 34 has a heat generating portion and two temperature detecting portions disposed upstream and downstream of the heat generating portion, and the two temperature detecting portions detect the temperature. The flow rate corresponding to the flow velocity is obtained from the power supplied to the heat generating portion necessary to keep the difference in temperature constant, or the heat generating portion is heated with a constant current or constant power and detected by the two temperature detecting portions. It is formed so that the flow rate can be determined from the temperature difference. The micro flow sensor 34 has the features of high-speed response and low power consumption because it employs an extremely thin diaphragm structure that is thermally insulated.
35 to 37 are O-rings made of synthetic rubber, for example.
[0019]
41 is a solenoid valve (flow rate control valve) for controlling the flow of the fluid to be measured, 42 is a valve seat formed with a flow path 43 and a flow path 44 through which the fluid to be measured flows, 45 is a flow path 43 and a flow path 44 , A valve body 46 housed in the valve chamber 45 to open and close the flow path 44, a magnetic plunger 47 connected to the valve body 46, and a solenoid coil 48 energized to move the plunger 47 up and down. , 49 are seal rings for sealing between the flow path block 22 and the valve seat 42.
[0020]
The aforementioned operation modes include a fully open mode, a control mode, and a fully closed mode. The fully open mode is a mode in which the solenoid valve 41 is fully opened, and the control mode is a mode in which the flow rate of the fluid to be measured detected by the micro flow sensor 34 is controlled. This is a mode in which the opening of the solenoid valve 41 is controlled so as to have a predetermined flow rate, and the fully closed mode is a mode in which the solenoid valve 41 is closed so that the flow rate of the fluid to be measured becomes zero. An operation mode can be selected by an operation described later.
However, when used for flow rate measurement, set to full open mode.
[0021]
Reference numeral 51 denotes a control unit, 52 denotes a signal processing circuit for processing a sensor signal from the micro flow sensor 34, 53 denotes a drive circuit (drive means) for driving the solenoid valve 41, and 54 inputs a predetermined command signal to the control unit 51. Input switch 55, an LED indicator 55 for displaying the current operating state, 56, a 4-digit 7-segment display for displaying the flow rate of the fluid to be measured, an operation mode, and an error, and 57, a signal processing circuit 52 for processing. A CPU (calculating means, digital value selecting means, control means) for inputting the detected value of the flow rate of the fluid to be measured, the command signal from the input switch 54 or the flow rate set value, and controlling the drive circuit 53 based on these signals. ), 58 are connectors for supplying voltage and current to the CPU 57 and for inputting and outputting signals to and from the CPU 57; 59, a ROM; Can place possible EEPROM, 61 is a RAM that stores and measured flow data from time to time.
[0022]
The circuit shown in FIG. 2 uses a general-purpose A / D converter built in the microcomputer and is configured to increase the resolution. In FIG. An analog-to-digital converter (hereinafter referred to as "A / D converter") 63 for receiving the detection signal and performing analog-to-digital conversion, 63 performs high-precision analog-to-digital conversion or performs low-precision This is a switch for selecting whether to perform analog-to-digital conversion. The multiplexer built in the microcomputer is used as it is. Numeral 64 denotes a digital / analog converter (hereinafter referred to as "D / A converter"), numeral 65 denotes a differential amplifier (amplifier) composed of an operational amplifier 66 and resistors R1 to R4, and numeral 67 denotes an operational amplifier 68. A buffer C is a capacitor, and a differential amplifier 65, a buffer 67, resistors R1 to R4, and a capacitor C are built in the signal processing circuit 52, and the A / D converter 62, the switch 63, and the D / A converter 64, a CPU 57 having a built-in microcomputer having high versatility is used.
[0023]
The circuit shown in Figure 2, not only increase the resolution of the general-purpose A / D converter, the input voltage V ₂ of the A / D converter 62 when the switch 63 was V ₂ side A / The configuration is such that the measurement range of the D converter 62 is not exceeded. That is, in this circuit, if the output of the voltage slightly lower than the input voltage V ₁ of the D / A converter 64 from the unamplified side A / D converter 62, so A / D converter 62 is not over range ing.
[0024]
Next, the function of each switch of the input switch 54 and each lamp of the LED indicator light 55 will be described.
Reference numeral 54-1 denotes a DRIVE switch which is pressed when switching the operation mode. Normally, each time the switch is pressed, the fully closed mode and the control mode are alternately switched. However, when the fully open mode is set, the DRIVE switch 54-1 is kept pressed for 2 seconds or more. . 54-2 is a mode switch to be pressed when performing special settings such as event settings, and 54-3 and 54-4 are down switches (▽), up switches (△), 54 to be pressed when changing set values, respectively. Reference numeral -5 denotes an ENT switch which is pressed when the set value is changed by the up switch 54-4 and the down switch 54-3 and when the set value is changed, and the ENT switch 54-5 is used for alarm, reset and integration. It is also used as a switch for resetting. Reference numeral 54-6 denotes a DISP switch which is pressed when the display content of the 7-segment display 56 is switched. The displayed content is an instantaneous PV value (flow rate measurement value) → an instantaneous SP value (flow rate setting value) every time the DISP switch 54-6 is pressed. ) → the integrated PV value → the instantaneous PV value →...
[0025]
55-1 is an SP lamp which lights up when the content displayed on the 7-segment display 56 is SP display, 55-2 is a PV lamp which lights up when the content displayed on the 7-segment display 56 is PV display, An OK lamp 55-3 lights up when the instantaneous flow rate matches the set value, and blinks when the operation mode is the fully open mode, an ALARM lamp 55-4 lights up when an abnormality is detected, and a 55-segment display 55-5. An L lamp 55-6 is turned on when the content displayed on the display 56 indicates the integrated flow rate, and an L / min lamp 55-6 is turned on when the content displayed on the 7-segment display 56 indicates the instantaneous flow rate.
[0026]
Next, the operation will be described.
The fluid to be measured flows through the flow path 25, and the flow rate is detected by the micro flow sensor 34, and the micro flow sensor 34 outputs an analog detection signal. The analog detection signal is input to the A / D converter 62 of the signal processing circuit 52, the input voltages V ₁ is converted into digital data D ₁ by the A / D converter 62.
CPU57 outputs the accuracy of the digital data corresponding to the speed of change of the flow rate of the fluid to be measured on the basis of the digital values D _1. The operation of the CPU 57 is performed based on the flowchart of FIG.
[0027]
That is, in step ST1, the switch 63 and _{V 1} side inputs the digital data _{D 1} from the A / D converter 62.
At step ST2, the calculated back according the following equation (2) the input voltages _{V 1} from the digital values _{D 1.}

[0028]
At step ST3, the set output voltage _{V 3} to be output from the D / A converter 64 based on the input voltages _{V 1} to the D / A converter 64 as determined in accordance with equation (3) becomes further this output voltage _{V 3} the digital data _{D 3} to be calculated according to equation (4).

[0029]
In Equation (3), so that the input voltage _{V 2} of the A / D converter 62 becomes a center value of the measurement range, seeking output voltage _{V 3} of the D / A converter 64. This is because the input voltages V ₁ while waiting for the next step ST4 not know varies to either the positive side or the negative side, because the center value is difficult to most over range.
Then, set the digital data _{D 3} to D / A converter 64.
[0030]
In step ST4, it is determined whether the standby time has elapsed.
This standby time is provided because a predetermined time is required until the output of the D / A converter 64 is stabilized, and there is a delay between the input and output of the differential amplifier 65.
Digital data D ₃ is converted by a D / A converter 64 into analog signals during this period, the analog signal is input to the inverting input of the operational amplifier 66 of the differential amplifier 65 via a buffer 67 constituted by an operational amplifier 68, its voltage is amplified based on a difference between the input voltage V ₁ of the micro-flow sensor 34, the amplified signal is outputted to the a / D converter 62.
[0031]
In step ST5, enter the switching device 63 _{V 1} side and switching the _{V 2} side A / D converter 62 from each of the digital data _D 1, _{D 2,} also calculated back voltages _{V 1} by the equation (2) .
In step ST6, it determines whether the input voltage V ₂ of the A / D converter 62 when the switch 63 which is calculated according to equation (5) in V ₂ side becomes a value within the measurement range.
V ₂ = (V ₁ −V ₃ ) × A (5)
V ₁ : voltage calculated in reverse at step ST5 V ₂ : voltage output at step ST3
As shown in FIG. 4, if Hayakere the rate of change of the flow rate of the fluid to be measured (time t ₁ ~t _2), the input voltage of the A / D converter 62 when the switch 63 was V ₂ side V ₂ is over range, when the slow rate of change of the flow rate of the fluid to be measured falls within the range. Therefore, by determining whether the input voltage V ₂ of the A / D converter 62 when the switch 63 was V ₂ side is a value within the range, speed changes of the flow rate of the fluid to be measured Is fast or not. FIG. 4 shows an example of the control flow characteristics when the flow set value is changed from MIN to MAX.
[0033]
Incidentally, when the digital data D ₂ is in the upper or lower limit value converted by the A / D converter 62 when the switch 63 was V ₂ side at step ST5, for example, in the case of 8-bit digital data D _{when 2} becomes 00H or FFH, it is considered that the range over which the may be the input voltage V ₂ of the a / D converter 62 to determine whether the over range directly. At this time, A / D conversion performed by the switch 63 to the A / D converter 62 when the _{V 1} side at step ST5 becomes unnecessary.
[0034]
When the input voltage V ₂ of the A / D converter 62 when the switch 63 was V ₂ side is turned in the range, the process proceeds to step ST7.
In step ST7, it is calculated according to the following equation (6) A / D conversion result _{D OUT} based on the digital data _{D 2} output from the A / D converter 62 when the switch 63 was _{V 2} side.
D _OUT = D ₂ + D ₃ × A (6)
D ₂ : Data converted in step ST5 D ₃ : Data set in step ST5
In this case, for example, when the resolution of the A / D converter 62 and the D / A converter 64 is 1/256, when the gain A of the differential amplifier 65 is set to 10 times, the resolution increases to 1/2560.
When V ₁ = 1 V and V _REF = 5 V, the digital data D ₁ converted by the A / D converter 62 with the switch 63 set to the V ₁ side is 51 D from the equation (1), and therefore, the equations (2) and (3) ) And (4), when 38D data slightly lower than this is output from the D / A converter 64, the output voltage of the D / A converter 64 becomes about 0.742V according to the following equation (7). At this time, the voltage _{V 2} to be inputted to the A / D converter 62 to switch 63 as _{V 2} side is as follows from equation (5).

A / D conversion of this value results in 132D. Therefore, from equation (6)

It becomes.
[0036]
The output data _{D 3} of the D / A converter 64, A / D converter 62 is not necessarily 38D to be over range. The A / D conversion results D _OUT are all 512D. Here, the output voltage V ₃ of the 8-bit D / A converter 64 is as follows.
V ₃ ≒ V _REF × output data / 256 (7)
[0037]
Next, when the input voltage _{V 2} of the A / D converter 62 when the switch 63 was _{V 2} side is over range, the process proceeds to step ST8.
In step ST8, it is calculated according to the following equation (8) the A / D conversion result _{D OUT} based on the digital data _{D 1} output from the A / D converter 62 at step ST5.
D _OUT = D ₁ × A (8)
When the resolution of the A / D converter 62 is 1/256, for example, when V ₁ = 1 V and V _REF = 5 V, if D ₁ = 51D according to the equation (1), and the amplifier gain is 10 times, the equation (8) is obtained. Than

It becomes.
In this case, the flow rate of the fluid to be measured is rapidly changing, and the detection (PV) value of the flow rate is far from the set (SP) value. It doesn't matter. That is, even if the PID control is performed with a PV value having a low resolution, the control flow rate can be brought close to the setting even if it cannot be made to match the setting. When the SP value approaches the PV value, the change in the flow rate is small, so that data can be obtained with high resolution without any problem, and fine control can be performed from that point. Also, when the flow rate changes rapidly when the flow rate control device 21 is operated in the fully open mode and used as a flow meter, the value displayed on the display 56 indicates to the user how much the flow rate has changed. As long as it can be notified (display value during change), there is no problem even if the accuracy is low.
[0038]
In step ST9, the A / D conversion result D _OUT is converted into a flow rate. In step ST10, a PID (P: proportional, I: integral, D: derivative) calculation is performed to bring the detected flow value closer to the set value.
In step ST11, based on this PID calculation, a control signal is output to the drive circuit 53 so that the detected value of the flow rate becomes the set value. The solenoid valve 41 is driven by the drive circuit 53, and the opening of the valve body 46 is opened by a predetermined opening, so that the flow rate of the fluid to be measured becomes substantially the set value.
Steps ST7 and ST8 correspond to digital value selecting means, steps ST9 and ST10 correspond to arithmetic means, and step ST11 corresponds to driving means.
[0039]
As described above, according to the first embodiment, attention is paid to the point that high-precision measurement is not required when the detection signal changes rapidly, and high-precision flow calculation is performed only when the detection signal changes slowly. As a result, it is possible to obtain an inexpensive flowmeter that can measure a flow rate with high accuracy without any practical problems without using a high-performance and expensive A / D converter. In particular, it is suitable to use an A / D converter built in a single-chip microcomputer. If the switch 63 is built in the microcomputer, there is no need to separately prepare an external A / D converter, so that the cost is reduced.
[0040]
In the first embodiment, the differential amplifier 65 is used as an amplifier. However, the present invention is not limited to this. For example, a subtraction amplifier as shown in FIG. 5 can be used. 5, 69 is an operational _amplifier, R 11 _{to R 13} is a resistor.
[0041]
When using the subtraction amplifier is calculated by the input voltage _{V 2} of the output voltage _D 3, A / D converter 62 for D / A converter 64, respectively digital data _{D 2} by the following equation (9) to (11) You.

[0042]
Further, in the first embodiment, the flow rate control device including the solenoid valve 41 and capable of controlling the flow rate has been described. However, it is needless to say that the flow rate control device can be applied to a flow meter.
[0043]
As described above, since the A / D converter built in a commercially available CPU does not have a high resolution, conventionally, when a high resolution is required, a high-resolution A / D converter must be separately prepared. However, according to the first embodiment of the present invention, a sufficiently high resolution can be obtained even with an A / D converter having a built-in CPU.
[0044]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a signal processing circuit and a CPU according to Embodiment 2 of the present invention. The difference from the first embodiment is that provided with the analog detection signal V ₁ dedicated A / D converter 62 and amplifies the signal V ₂ dedicated A / D converter 70. Means for selecting the digital signal _{D 1} and _{D 2} after conversion can be implemented as a program of CPU 57.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the analog-to-digital conversion means pays attention to the point that the conversion speed is slower as the accuracy is higher, and performs the high-accuracy flow calculation only when the change of the detection signal is slower. Thus, an accurate and inexpensive flow meter can be obtained in practical use without using a high-performance and expensive A / D converter.
[0046]
According to the present invention, attention is paid to the point that high-precision measurement is not required when the change of the analog detection signal is fast, and the high-accuracy flow rate calculation is performed only when the change of the detection signal is slow. Thus, it is possible to obtain an inexpensive and practically accurate flowmeter without using an expensive A / D converter. In particular, it is suitable for using an A / D converter built in an inexpensive single-chip microcomputer.
[0047]
According to the present invention, there is an effect that a highly accurate and inexpensive flow control device can be obtained in practical use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing Embodiment 1 of a flow control device of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a signal processing circuit and a CPU of FIG. 1;
FIG. 3 is a flowchart showing an operation of the flow control device shown in FIGS. 1 and 2;
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an operation of the flow control device shown in FIGS. 1 and 2;
FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration (subtraction amplifier) of the amplifier in FIG. 2;
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a signal processing circuit and a CPU according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
25 flow path 34 micro flow sensor (flow rate detecting means)
41 Solenoid valve (flow control valve)
53 Drive circuit (drive means)
57 CPU (calculation means, digital value selection means, control means)
62 A / D converter 63 Switch 64 D / A converter (digital / analog converter)
65 Differential Amplifier (Amplifier)

Claims (3)

Flow rate detection means for outputting a first analog signal according to the flow rate of the fluid flowing through the flow path;
First A / D conversion means for converting the first analog detection signal into a first digital value;
Calculating means for calculating a second digital value lower than the first digital value using the first digital value;
A D / A converting means for converting the second digital value to a second analog signal,
An operational amplifier for inputting the first analog signal and the second analog signal;
If the output of the A / D converting means and the differential amplifier for converting an output of said differential amplifier to a third digital value is over range, it calculates the flow rate by the first digital value, the output of the operation amplifier range A selection means for calculating the flow rate based on the third digital value when the flow rate does not exceed the predetermined value. Flow rate detection means for outputting a first analog signal according to the flow rate of the fluid flowing through the flow path;
First A / D conversion means for converting the first analog detection signal into a first digital value;
Calculating means for calculating a second digital value lower than the first digital value using the first digital value;
A D / A converting means for converting the second digital value to a second analog signal,
An operational amplifier for inputting the first analog signal and the second analog signal;
If the output of the second A / D converting means and the differential amplifier for converting an output of said differential amplifier to a third digital value is over range, calculates the flow rate by the first digital value, the output of the differential amplifier And a selecting means for calculating the flow rate based on the third digital value when the range does not exceed the range. A flow meter according to claim 1 or 2, and a flow control valve for controlling a flow rate of the fluid,
Control means for providing a control signal to the flow control valve so that the flow rate detected by the flow meter becomes a predetermined set value.

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