JP3734025B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の計測精度の低下を招来することなしにその消費電力を抑えることのできる熱式流量計に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
熱式流量計を構成するマイクロフローセンサは、例えば図５に示すようにシリコン基台Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度センサＲｕ,Ｒｄを設けた素子構造を有する。そして熱式流量計は、上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化することを利用し、前記温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の流量Ｑを検出する如く構成される。
【０００３】
具体的にはヒータ素子Ｒｈから発せられた熱が流体の流量Ｑに応じて下流側の温度センサＲｄに加わることで、該温度センサＲｄの熱による抵抗値の変化が上流側の温度センサＲｕよりも大きくなること利用して上記流量Ｑを計測するものとなっている。尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度センサであって、周囲温度の計測に用いられる。
【０００４】
図６は上述したマイクロフローセンサを用いた熱式流量計の概略構成を示している。即ち、ヒータ素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒータ素子Ｒｈと周囲温度計測用の温度センサＲｒ、および一対の固定抵抗Ｒ１,Ｒ２を用いてブリッジ回路１を形成し、所定の電源から供給される電圧ＶccをトランジスタＱを介して前記ブリッジ回路１に印加すると共に、該ブリッジ回路１のブリッジ出力電圧を差動増幅器２にて求め、そのブリッジ出力電圧がゼロ（０）となるように前記トランジスタＱを帰還制御して前記ブリッジ回路１に加えるヒータ駆動電圧を調整するように構成される。このように構成されたヒータ駆動回路により、前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が、その周囲温度よりも常に一定温度差ΔＴだけ高くなるように制御される。
【０００５】
一方、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記マイクロフローセンサに沿って通流する流体の流量Ｑを検出する流量検出回路は、上記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを用いて流量計測用のブリッジ回路３を形成し、温度センサＲｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧（温度差に相当する出力）を差動増幅器４を介して検出するように構成される。そして前記ヒータ駆動回路によりヒータ素子Ｒｈの発熱量を一定化した条件下において、差動増幅器４を介して検出されるブリッジ出力電圧から前記マイクロフローセンサに沿って通流する流体の流量Ｑを求めるものとなっている。
【０００６】
この流量Ｑの算出は、例えば上記ブリッジ出力電圧（センサ出力）を演算処理装置（ＣＰＵ）に取り込むことによって行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種の熱式流量計を家庭用ガスメータとして用いた場合、その省電力化を図ることが重要な課題となる。特にその駆動源として電池を用いるような場合、長時間に亘る安定した流量計測を保証する上で、その消費電力が大きな問題となる。しかしながら従来の熱式流量計（ガスメータ）においては、専ら、前記ヒータ素子Ｒｈをその周囲温度よりも常に一定温度ΔＴだけ高い温度で発熱駆動しているだけなので、ヒータ素子Ｒｈでの消費電力が大きくなることが否めない。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、流量計測の精度に悪影響を与えることなしに、ヒータ素子Ｒｈでの消費電力を大幅に低減してその省電力化を図ることのできる熱式流量計を提供することにある。
【０００９】
【関連する背景技術】
上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、流量センサには、その仕様に応じて高流量域計測用の高速流量センサと低流量域計測用の低速流量センサとがあり、一般的に高速流量センサにおけるヒータ素子での消費電力が低速流量センサに比較して少ないことに着目してなされている。
【００１０】
即ち、本発明に係る熱式流量計は、
▲１▼ ヒータ素子と、このヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度センサとをそれぞれ備え、所定の流路にそれぞれ組み込まれた高流量域計測用の高速流量センサおよび低流量域計測用の低速流量センサと、
▲２▼ これらの高速流量センサおよび低速流量センサのヒータ素子を択一的に駆動するセンサ切替手段と
▲３▼ このセンサ切替手段により択一的に駆動された前記高速流量センサまたは低速流量センサの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度の差から該流量センサを通流する流体の流量を算出する流量算出手段と
を具備したものであって、
▲４▼ 特に前記センサ切替手段として、前記流量算出手段にて求められた前記流体の流量の変動がないとき、択一的に駆動する流量センサとして前記高速流量センサを選択指定する手段を備えることを特徴としている。
【００１１】
具体的には前記センサ選択手段は、請求項２に記載するように前記流量算出手段にて求められた流量が高流量域にあるときには前記高速流量センサを選択指定すると共に、前記流量算出手段にて求められた流量が低流量域にあるときには前記低速流量センサを選択指定し、更に前記流量算出手段にて求められた流量の変動がないときには前記高速流量センサを選択指定するように構成される。或いは請求項３に記載するように前記センサ選択手段は、前記流量算出手段にて求められた流量の変動がないときには前記高速流量センサを選択指定し、それ以外のときには前記低速流量センサを選択指定するように構成される。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記センサ選択手段は、例えば前記低速流量センサを用いて計測される流量が一定時間に亘って所定の変動幅の範囲内に維持されるとき、流量の変動がないと判断して前記高速流量センサを選択し、更に前記高速流量センサを駆動して低速流量域の流量を計測しているときには、前記流量算出手段にて求められる流量の変動を監視して、流量の変動が検出されたときには前記低速流量センサを選択するように構成される。
【００１３】
更に本発明の好ましい態様は、前記流量算出手段は、低速流量域の流量を計測する際、前記高速流量センサを選択する直前に前記低速流量センサを用いて計測された流量を積算するように構成される。更に前記センサ選択手段は、前記高速流量センサを駆動して低速流量域の流量を計測しているとき、所定のタイミング毎に一時的に前記低速流量センサを選択するように構成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る熱式流量計について、家庭用ガスメータとして用いる場合を例に説明する。
図１はこの実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成を示している。この熱式流量計は、図５に示した素子構造を有してその計測流量域を異にする２種類のマイクロフローセンサ、即ち、高流量域計測用の高速流量センサ１０と低流量域計測用の低速流量センサ２０とを用いて構成される。
【００１５】
ちなみに高速流量センサ１０および低速流量センサ２０は、例えばヒータ素子Ｒｈの発熱による熱拡散の度合いが流体の流量（流速）の違いによって異なることを利用し、ヒータ素子Ｒｈと温度センサＲｕ,Ｒｄとの離間距離を異ならせることでその流量計測域を異ならせたものからなる。具体的には前記高速流量センサ１０はヒータ素子Ｒｈと温度センサＲｕ,Ｒｄとの離間距離Ｌ１を短く設定して実現され、また前記低速流量センサ２０はヒータ素子Ｒｈと温度センサＲｕ,Ｒｄとの離間距離Ｌ２を長く設定して実現される。これ故、高速流量センサ１０の方が低速流量センサ２０に比較してヒータ素子Ｒｈと温度センサＲｕ,Ｒｄとの熱結合の度合いが強く、両流量センサ１０,２０において同じ検出感度を実現する場合におけるヒータ素子Ｒｈの発熱温度、ひいてはその駆動電力が低く抑えられている。
【００１６】
この実施形態に係る熱式流量計は、上述した２種類の高速流量センサ１０と低速流量センサ２０とを同じ流体通流路にそれぞれ設けてなり、これらの流量センサ１０,２０を択一的に駆動するように構成される。即ち、その制御装置としてのＣＰＵ（演算処理装置）３０は、前記各流量センサ１０,２０のヒータ駆動回路１１,２１をスイッチ３１を介して選択的に駆動するセンサ選択手段３２を備える。更にＣＰＵ３０は上記センサ選択手段３２による前記各流量センサ１０,２０の択一的な駆動に連動して、各流量センサ１０,２０の検出回路１２,２２を介してそれぞれ検出されるセンサ出力Ｖout１,Ｖout２を選択的に取り込むスイッチ（セレクタ）３３を備える。そしてこのスイッチ（セレクタ）３３を介して取り込んだセンサ出力Ｖout１,Ｖout２から、流量算出手段３４にて該センサ出力Ｖout１,Ｖout２にそれぞれ相当する流量Ｑを算出するように構成される。
【００１７】
ちなみに流量算出手段３４は、前記センサ選択手段３２により選択された流量センサ１０,２０の情報を入力し、選択された流量センサ１０,２０に応じて前記スイッチ（セレクタ）３３を介して選択的に取り込んだセンサ出力Ｖout１,Ｖout２に相当する流量Ｑを算出する。この流量Ｑの算出は、前記各流量センサ１０,２０にそれぞれ対応して設けられた、例えば図２に示すような流量Ｑとセンサ出力Ｖoutとの関係を示す流量変換テーブル（図示せず）を参照する等して実行される。
【００１８】
ところで前記流量算出手段３４にて算出された流量Ｑは、前記センサ選択手段３２と共に、流量有無判定手段３５にそれぞれ与えられている。センサ選択手段３２は、基本的には、例えば前記流量Ｑが所定の流量Ｑrefを境として設定される高流量域（大流量域）である場合には前記高速流量センサ１０を選択し、逆に前記流量Ｑが低流量域（小流量域）である場合には前記低速流量センサ２０を選択して、これらの流量センサ１０,２０を択一的に駆動する役割を担う。また前記流量有無判定手段３５は、流量Ｑがゼロであるか否か、つまり流体が流れているか否かを検出する機能を備えたもので、流量Ｑがゼロである場合、前記センサ選択手段３２に対して強制的に高速流量センサ１０を選択する旨の指示を与える役割を担っている。
【００１９】
また前記センサ選択手段３２は、更に前記流量算出手段３４にて逐次算出される流量Ｑから、その流量変動の有無を監視する流量変動監視手段３６を備えている。この流量変動監視手段３６は、例えば逐次検出される流量Ｑが一定時間に亘って所定の変動幅の範囲内に維持されるとき、流量Ｑの変動がないと判断するものである。
【００２０】
このような流量変動監視手段３６を備えた前記センサ選択手段３６は、前記低速流量センサ２０を選択的に駆動して低流量域の流量Ｑを計測しているときに上記流量変動監視手段３６により流量Ｑの変動がないと判断されたとき、強制的に高速流量センサ１０を選択して省電力モードを設定する機能を備える。更に省電力モードを設定し、高速流量センサ１０を駆動して低速流量域の流量を計測しているときに流量Ｑの変動が検出されたときには、上記省電力モードを解除して再び前記低速流量センサ２０を選択するように構成される。
【００２１】
即ち、センサ選択手段３２は、前記流量算出手段３４にて求められた流量Ｑが高流量域にあるときには前記高速流量センサ１０を選択すると共に、前記流量算出手段３４にて求められた流量Ｑが低流量域にあるときには前記低速流量センサ２０を選択し、更に前記流量算出手段３２にて求められた流量Ｑの変動がないときには前記高速流量センサ１０を選択するように構成される。
【００２２】
尚、家庭用のガスメータにあっては、一般的にガスの使用量が少ないことが殆どであり、その計測範囲が低流量域に限られることから、前記流量算出手段３２にて求められた流量Ｑの変動がないときには前記高速流量センサ１０を強制的に選択し、それ以外のときには前記低速流量センサ２０を選択指定するように構成しても良い。
【００２３】
そしてＣＰＵ３０においては、上述したセンサ選択手段３２の制御の下で高速流量センサ１０と低速流量センサ２０とを択一的に駆動する条件下において、各流量センサ１０,２０によりそれぞれ検出されるセンサ出力Ｖout１,Ｖout２に応じてその流量Ｑを算出するものとなっている。この際、流量算出手段３４においては、省電力モードを設定して強制的に高速流量センサ１０を駆動するとき、図３にその概念を示すように、省電力モードの設定直前に低速流量センサ２０を用いて計測された流量Ｑをそのときの計測流量Ｑとして求め、この流量Ｑを積算するように構成される。更に省電力モードの設定時には、一時復帰手段３７により所定の時間毎に一時的に低速流量センサ２０を選択してその流量Ｑを高精度に求めている。
【００２４】
即ち、流量が少ないにも拘わらず高速流量センサ１０を用いてその流量計測を行った場合、図２に流量Ｑに対するセンサ出力Ｖout１の関係を示したようにその検出精度が悪くなることが否めない。そこで一時復帰手段３７においては省電力モードを設定した場合であっても所定の時間毎に一時的に低流量センサ２０を選択している。そして低流量センサ２０を用いて低流量域の流量Ｑを高精度に計測することで、流量変動がないことを前提として設定される省電力モード時であってもその流量を高精度に計測するものとなっている。そして省電力モードを設定した場合には、高速流量センサ１０を用いて計測される流量Ｑからその流量変動を監視することで、流量変動が生じた場合には速やかに低速流量センサ２０に切り替え、これによって変動した流量を高精度に求めるものとなっている。
【００２５】
図４は上述した処理機能を備えた熱式流量計における全体的な処理手順の一例を示している。この処理手順を簡単に説明すると、先ず高速流量センサ１０または低速流量センサ２０を用いて計測される流量が低流量域であるか否かを判定する［ステップＳ１］。そして流量が高流量域にある場合には高速流量センサ１０を選択し［ステップＳ２］、この高速流量センサ１０を用いて流量の計測を行う［ステップＳ３］。
【００２６】
これに対して流量が低流量域である場合には［ステップＳ１］、次にその流量計測を高速流量センサ１０を用いて実行しているか否か、換言すれば低速流量センサ２０を用いて計測しているか否かを判定する［ステップＳ４］。そして低流量域の流量を低速流量センサ２０を用いて検出していることが確認された場合には、そのときの流量Ｑを計測値として求める［ステップＳ５］。
【００２７】
次いで計測された流量Ｑが安定しているか否かを判定し［ステップＳ６］、流量Ｑが安定していない場合、つまり流量が変動している場合には、その動作モードを変更することなくステップＳ１からの処理に戻る。尚、流量Ｑが安定しているか否かは、前回計測された流量と今回計測した流量との差（変動量）が所定の判定閾値を越えるか否かを判定することによって行われる。
【００２８】
これに対して流量Ｑが安定している場合には、次にその流量Ｑの変動が所定の時間に亘って所定の範囲内に収まっているか否かを調べることで流量変動があるか否かを判定する［ステップＳ７］。そして流量変動がゼロでない場合には、そのまま前述したステップＳ１からの処理に復帰する。これに対して流量変動がゼロである場合には、低速流量センサ２０から高速流量センサ１０に切り替えて省電力モードを設定し［ステップＳ８］、この省電力モードの設定直前に低速流量センサ２０を用いて検出されている流量Ｑを、省電力モード時の計測流量と看做して検出する［ステップＳ９］。
【００２９】
一方、低流量域の流量を高速流量センサ１０を用いて検出している場合、つまり省電力モードが設定されている場合には［ステップＳ４］、先ず流量Ｑの確認を行うか否かを判断する［ステップＳ１０］。ちなみに省電力モード時の流量確認処理は、例えば流量計測を所定の周期でサンプリングして実行する場合には、２〜１０サンプリングに１回の割合で実行すれば十分である。そして流量確認を実行しない場合には、前回検出されている流量Ｑを今回の検出流量として検出する［ステップＳ１１］。しかし流量確認を行う場合には、現在設定されている省電力モードを一時的に解除して低速流量センサ２０に切り替えて駆動し［ステップＳ１２］、この低速流量センサ２０を用いて高精度に流量計測を実行する［ステップＳ１３］。
【００３０】
しかる後、そのときの流量が安定しているか否かを調べ［ステップＳ１４］、この時点においても流量が安定している場合には、再び高速流量センサ１０を選択することで省電力モードを継続して設定する［ステップＳ１５］。しかし流量に変動がある場合には、前述した省電力モードを解除して低速流量センサ２０を選択し［ステップＳ１６］、低速流量センサ２０を用いた流量の計測を行う［ステップＳ１７］。
【００３１】
このように本発明に係る熱式流量計によれば、低速流量センサ２０を用いて流量計測を行っている場合であっても、その流量変動がないときには高速流量センサ２０に切り替えて省電力モードを設定するものとなっている。従って低速流量センサ２０に比較して高速流量センサ１０の消費電力が小さい分、その省電力化を図ることが可能となる。しかも省電力モードの設定時には、低流量域における検出精度の悪い高速流量センサ１０を駆動するといえども、その切り替え直前に低速流量センサ２０を用いて求められる流量Ｑを、省電力モード時に計測される流量Ｑと看做して積算するので、その計測信頼性を十分に高く維持することが可能となる。更にはこの省電力モードの設定時には、上述した如く所定の時間毎に一時的に低速流量センサ２０を用いて流量を計測し直すので、流量変動がないと看做し得る僅かな範囲で流量が変動した場合であっても、その流量を正確に計測することが可能となる。従って消費電力の少ない高速流量センサ１０を用いて省電力化を図っても、省電力モード時における計測精度を十分に高くすることができ、全体としてその計測精度を損なうことがない。
【００３２】
特に家庭用のガスメータにおいては、ガスの流量が一定時間に亘って殆ど変動しないことが多いので、上述した高速流量センサ１０の選択による省電力モードの設定による省電力効果が大きい。更には深夜等においては一般的にガスが長時間に亘って使用されることがないので、この点でも大きな省電力効果を期待することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００３３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばガスの使用量（流量）がゼロである場合にも高速流量センサ１０を駆動するようにすれば良い。この場合には、高速流量センサ１０による流量計測は、ガスの使用が再開されたか否かの監視にだけ用いることになるが、ヒータ素子Ｒｈによる消費電力を減らし、熱式流量計の省電力化を図る上で好都合である。しかも高速流量センサ１０によって流量がゼロであるか否かだけを検出すればよいので、高速流量センサ１０自体の発熱温度を低く抑えることも可能であり、更にその省電力化を図ることが可能となる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、流量の変動がないとき、ヒータ素子の駆動電力の小さい高速流量センサを用いて流量の変動を監視しながら流量計測を実行するので、ヒータ素子の発熱駆動に要する電力を少なくすることができ、大幅にその省電力化を図り得る。しかも高速流量センサを用いて省電力化を図るばあいであっても、低速流量センサを用いて計測される流量を該省電力モード時の計測値として用いるので、その計測精度を高く維持することができる。また高速流量センサと低速流量センサとを、その流量域に応じて選択的に用いるようにすれば、この点でもその消費電力を低減することができる等、実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図。
【図２】図１に示す熱式流量計における高速流量センサおよび低速流量センサの流量に対するセンサ出力の変化の様子を示す図。
【図３】省電力モードの設定時における流量計測の概念を示す図。
【図４】図１に示す熱式流量計における概略的な処理動作の一例を示す図。
【図５】マイクロフローセンサの概略構成図。
【図６】従来の一般的なヒータ駆動回路と流量検出回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
Ｒｈ ヒータ素子
Ｒｕ 温度センサ（上流側）
Ｒｄ 温度センサ（下流側）
Ｒｒ 温度センサ（周囲温度計測用）
１ ブリッジ回路（ヒータ駆動用）
２ 差動増幅器（ヒータ駆動回路）
３ ブリッジ回路（流量計測用）
４ 差動増幅器
１０ 高速流量センサ
２０ 低速流量センサ
３０ ＣＰＵ
３１ スイッチ
３２ センサ選択手段
３３ スイッチ（セレクタ）
３４ 流量算出手段
３５ 流量有無判定手段
３６ 流量変動監視手段
３７ 一時復帰手段

Claims (7)

1. ヒータ素子と、このヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の温度センサとをそれぞれ備え、所定の流路にそれぞれ組み込まれた高流量域計測用の高速流量センサおよび低流量域計測用の低速流量センサと、
   これらの高速流量センサおよび低速流量センサのヒータ素子を択一的に駆動するセンサ選択手段と
   このセンサ選択手段により択一的に駆動された前記高速流量センサまたは低速流量センサの前記第１および第２の温度センサによりそれぞれ検出される温度の差から該流量センサを通流する流体の流量を算出する流量算出手段とを具備し、前記センサ選択手段は、前記流量算出手段にて求められた前記流体の流量の変動がないとき、択一的に駆動する流量センサとして前記高速流量センサを選択指定する手段を備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記センサ選択手段は、前記流量算出手段にて求められた流量が高流量域にあるときには前記高速流量センサを選択すると共に、前記流量算出手段にて求められた流量が低流量域にあるときには前記低速流量センサを選択し、更に前記流量算出手段にて求められた流量の変動がないときには前記高速流量センサを選択するものである請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記センサ選択手段は、前記流量算出手段にて求められた流量の変動がないときには前記高速流量センサを選択し、それ以外のときには前記低速流量センサを選択するものである請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記センサ選択手段は、前記低速流量センサを用いて計測される流量が一定時間に亘って所定の変動幅の範囲内に維持されるとき、流量の変動がないと判断して前記高速流量センサを選択するものである請求項２または３に記載の熱式流量計。
5. 前記センサ選択手段は、前記高速流量センサを駆動して低速流量域の流量を計測しているとき、前記流量算出手段にて求められる流量の変動を監視し、流量の変動が検出されたときには前記低速流量センサを選択するものである請求項１に記載の熱式流量計。
6. 前記流量算出手段は、低速流量域の流量を計測する際、前記高速流量センサを選択する直前に前記低速流量センサを用いて計測された流量を積算するものである請求項１に記載の熱式流量計。
7. 前記センサ選択手段は、前記高速流量センサを駆動して低速流量域の流量を計測しているとき、所定のタイミング毎に一時的に前記低速流量センサを選択するものである請求項１に記載の熱式流量計。

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