JP3766601B2

JP3766601B2 - Flow sensor and flow measurement device

Info

Publication number: JP3766601B2
Application number: JP2001088342A
Authority: JP
Inventors: 佳充金岡
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002286520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローセンサ及び該フローセンサを用いる流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９及び図１０は、それぞれ、出願人が先に提案した（特願２０００−９４４３７号参照）フローセンサの構成を説明する略図及び構成図である。このフローセンサは、ガスの流量及び種類を検知可能なセンサとして流量計測装置に用いることができるマイクロフローセンサである。
【０００３】
図９において、マイクロフローセンサ１´は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４´と、マイクロヒータ４´の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル５´と、マイクロヒータ４´の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル８´と、マイクロヒータ４´の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル１１´，１３´とを備えている。
【０００４】
図１０において、マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４´、マイクロヒータ４´の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５´、マイクロヒータ４´に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６´Ａ，６´Ｂ、マイクロヒータ４´の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８´、上流側サーモパイル８´から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子９´Ａ，９´Ｂ、下流側サーモパイル５´から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子７´Ａ，７´Ｂ、を備える。
【０００５】
また、マイクロフローセンサ１´は、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向（図１０における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル１１´と、この右側サーモパイル１１´から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２´Ａ，１２´Ｂと、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル１３´と、この左側サーモパイル１３´から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４´Ａ，１４´Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【０００６】
上流側サーモパイル８´、下流側サーモパイル５´、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【０００７】
そして、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´は、ガスの流速の検知に役立ち、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、ガス種の検知に役立つ。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のマイクロフローセンサ１´では、マイクロヒータ４´は、ガスの流れ方向に垂直な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ₂がガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ₁より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ₂に対応して接点数の多い下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´でガスの流速したがってガス流量を検知し、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ₁に対応して、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数より少ない接点数を有する右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´でガス種を検知している。
【０００９】
このように、従来のフローセンサでは、流量検出のセンサ出力を優先してサーモパイルの接点数を多くとるため、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くなるように設計している。このため、ガス種を検知するための下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数が多くとれず、ガス種の検知感度が悪い。
【００１０】
一方、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４´上を通過する時間が短く、ガスの流速が速くなった時、すなわち大流量時には、マイクロヒータ４´の熱がガスに充分には伝わらなくなる。このため、マイクロヒータ４´で検知できる流速範囲が制限され、したがって、マイクロフローセンサ１´を用いた流量計測装置においても、測定できる流量範囲が制限される。
【００１１】
上述のフローセンサおよびこのフローセンサを用いる流量計測装置では、高流速すなわち高流量を測定できるようにするためには、たとえば、ガス流路１０の断面積を大きくしたり、マイクロヒータ４´の駆動方法を工夫したりする必要がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上述の課題に鑑みて、広範囲にわたる流速検知が可能なフローセンサと該フローセンサを用いて広範囲にわたる流量計測が可能な流量計測装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的に鑑みて、請求項１記載の発明のフローセンサは、
ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、上記ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、上記ヒータ、上記上流側温度センサ及び上記下流側温度センサを支持する支持基板とを有するフローセンサであって、
上記ヒータは、上記ガスの流れ方向に平行な寸法が上記ガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている
ことを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、ヒータ、上流側温度センサ及び下流側温度センサを支持する支持基板とを有する。ヒータは、ガスの流れ方向に平行な寸法がガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている。それにより、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフローセンサにおいて、
前記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む
ことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、フローセンサは、ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む。それにより、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のフローセンサにおいて、
前記ガスの流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に前記横側温度センサを各々配置した
ことを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、フローセンサは、ガスの流れ方向と略直交方向におけるヒータの両側に横側温度センサを各々配置している。それにより、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００１９】
また、請求項４記載の発明の流量計測装置は、
請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサを用いて、前記ガス流路を流れるガスの流量を計測する流量計測装置であって、
前記フローセンサの前記上流側温度センサからの前記第１温度検出信号と前記下流側温度センサからの前記第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段
を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサの上流側温度センサからの第１温度検出信号と下流側温度センサからの第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段を備えている。それにより、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の流量計測装置において、
前記フローセンサの前記横側温度センサからの前記第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、
前記流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき前記流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、流量計測装置は、フローセンサの横側温度センサからの第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段とを備えている。それにより、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図８を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。図１において、マイクロフローセンサ１は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４と、マイクロヒータ４の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル１１と、マイクロヒータ４の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル１３と、マイクロヒータ４の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル５，８とを備えている。
【００２５】
図２は、図１のマイクロフローセンサ１の構成図を示す。図２において、マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル１１、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル１３、上流側サーモパイル１３から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子１４Ａ，１４Ｂ、下流側サーモパイル１１から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子１２Ａ，１２Ｂ、を備える。
【００２６】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（図２における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル８と、この右側サーモパイル８から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子９Ａ，９Ｂと、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル５と、この左側サーモパイル５から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子７Ａ，７Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【００２７】
上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【００２８】
また、図３に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５のそれぞれの温接点が形成されている。
【００２９】
マイクロヒータ４は、ガスの流れ方向に平行な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ₁がガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ₂より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ₂に対応して、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数は少なく設けられ、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ₁に対応して、右側サーモパイル５及び左側サーモパイル８の接点数は、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数より多く設けられている。
【００３０】
このように構成されたマイクロフローセンサ１によれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスを媒体として、下流側サーモパイル１１と上流側サーモパイル１３のそれぞれの温接点に伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板２）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム３上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接点の温度差より熱起電カを発生し、温度検出信号を出力する。
【００３１】
ガスを媒体として伝達される熱は、ガスの熱拡散効果とＰからＱに向かって流れるガスの流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル１３と下流側サーモパイル１１に均等に伝達され、上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号と下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号の差信号は、零になる。
【００３２】
一方、ガスに流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイル１３の温接点に伝達される熱量が減少し、反対に下流側サーモパイル１１の温接点に伝達される熱量が多くなり、したがって、前記第２温度検出信号と前記第１温度検出信号との差信号は流速に応じた正値になる。このとき、マイクロヒータ４の寸法をガスの流れ方向に平行な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４上を通過する時間が長くなり、ガスの流速が速くなっても、マイクロヒータ４の熱がガスに充分に伝わる。このため、マイクロフローセンサ１の測定できる流速範囲が広くなる。
【００３３】
一方、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスの流速の影響を受けずにガスの熱拡散効果のみによって、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された右側サーモパイル８に伝達される。また、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された左側サーモパイル５にも、同様な熱が伝達される。
【００３４】
このため、右側サーモパイル８の起電力により第３出力端子９Ａ，９Ｂから出力される右側温度検出信号、及び／または左側サーモパイル５の起電力により第４出力端子７Ａ，７Ｂから出力される左側温度検出信号に基づき、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等のガスの物性値を算出することができるようになる。
【００３５】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００３６】
さらに、マイクロフローセンサ１によれば、ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５を形成したので、これらの熱容量を小さくして、消費電力を低減することができる。また、マイクロフローセンサ１の構成が簡単であるので、安価に作製することができるという効果がある。
【００３７】
次に、前述したマイクロフローセンサ１を用い、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、これに関係なく常にガスの流量を精度良く計測することができる流量計測装置について説明する。
【００３８】
図４は、図１乃至図３のマイクロフローセンサ１を用いた流量計測装置の構成ブロック図である。この流量計測装置は、マイクロフローセンサ１内の下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と、マイクロフローセンサ１内の上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、マイクロフローセンサ１内の右側サーモパイル８からの右側温度検出信号を増幅するアンプ３５ａと、マイクロフローセンサ１内の左側サーモパイル５からの左側温度検出信号を増幅するアンプ３５ｂと、マイクロコンピュータ４０とを備えて構成される。
【００３９】
マイクロコンピュータ４０は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算する加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）４５と、差動アンプ３３で得られた第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を加算部４５の出力する加算信号により除する除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）４７と、この除算部４７の出力する除算信号に基づきガスの流量を算出する流量算出部（流量算出手段）４１と、加算部４５の出力する加算信号に基づきガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等の物性値を算出する流体物性値算出部（流体物性値算出手段）４３とを備えて構成される。
【００４０】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、図４の流量計測装置により実現される流量計測方法を説明する。
【００４１】
まず、外部からのパルス信号による駆動電流によりマイクロヒータ４を加熱すると（ステップＳ１１）、下流側サーモパイル１１から第２温度検出信号が出力され、上流側サーモパイル１３から第１温度検出信号が出力される（ステップＳ１３）。第２温度検出信号は差動アンプ３３に出力され、第１温度検出信号は差動アンプ３３に出力される。なお、図６に第１温度検出信号及び第２温度検出信号のパルス信号に対する応答を示した。
【００４２】
次に、差動アンプ３３は、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する（ステップＳ１５）。
【００４３】
そして、加算部４５は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算して加算信号を得る（ステップＳ１７）。図７に右側温度検出信号、左側温度検出信号及び加算信号のタイミングチャートを示した。次に、除算部４７は、ステップＳ１５で得られた増幅後の差信号をステップＳ１７で得られた加算信号で除して除算信号を得る（ステップＳ１９）。
【００４４】
続いて、流量算出部４１は、ステップＳ１９で得られた除算信号に基づきガスの正確な流量を算出する（ステップＳ２１）。さらに、流体物性値算出部４３は、ステップＳ１７で得られた加算信号とステップＳ２１で算出したガスの正確な流量に基づき、ガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等のガスの物性値を算出する（ステップＳ２３）。
【００４５】
このように、ガスの流れ方向に対して直交する方向に配置された右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５が、ガスの物性値を検出することにより、ガスの熱伝導性を計測することになる。ガスの流速が零であるときには、ガスにより熱の伝わる速度は、熱伝導率と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数（ガスの物性値の一つ）による。流速が零であるときには、右側サーモパイル８、左側サーモパイル５とマイクロヒータ４との温度差によって熱拡散定数が求められる。この温度差が大きいほど熱拡散定数が小さい。
【００４６】
これに対して流量が零でないときには、ガスの流れによって熱は下流に運ばれて、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５に到達する熱量は、それに伴って減少する。即ち、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５の回りの熱拡散が、ガスの流れによって大きくなる。ここで、その熱拡散の増加率はガスの流速の平方根に比例することが一般に知られているため、原理的には、ガスの熱拡散定数は、そのガスの流量が何らかの方法で解りさえすれば、いかなる流量のときでも見積もることができることになる。
【００４７】
一方で、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の回りでも、ガスの流れがない状態ででも存在する拡散による熱分布と、マイクロヒータ４で加熱されたガスの流れによって移動する熱分布とがある。したがって、下流側サーモパイル１１の回りのガスの温度と上流側サーモパイル１３の回りのガスの温度との差は、ガスの流れがない状態からガスの流れが大きくなるにつれて、次第に大きくなるが、ある程度以上ガスの流れが大きくなると、ガスの流れのよる熱分布の移動に起因して、再び小さくなる。
【００４８】
このため、本来ならば、ガスの流速の増加に比例して大きくなるはずの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号が、ガスの流量があまりに大きくなると、流量が増加しているにも拘わらず減少してしまうこともある。
【００４９】
そこで、流量が零であるときの、右側サーモパイル８が出力する右側温度検出信号と左側サーモパイル５が出力する左側温度検出信号との加算値を「１」と考えて、これに対する、流量がある場合の右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値の比を、移動する熱量の変化率を表す係数と見倣し、この係数を、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号に乗じる操作をする。
【００５０】
つまり、第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値で除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出が可能となり、正確で分解能の高い流量を求めることができるようになる。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、差動アンプ３３から得られる下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅後の差信号を、除算部４７において、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算部４５で加算して得られる加算信号により除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出を可能としている。
【００５２】
そして、上述した実施形態では、除算部４７における除算信号の取得を流量算出部４１による流量の算出よりも先に行っているが、これは、第２温度検出信号と第１温度検出信号との増幅後の差信号に現れる熱拡散の変化の影響を排除するためには、ガスの物性値を熱伝導率や比熱、粘性、密度といった厳密な精度の値として把握する必要がないためである。
【００５３】
即ち、上述した実施形態では、熱拡散の状態を高精度で把握しないと特定できないガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度を、物性値として流体物性値算出部４３で算出するために、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を流量算出部４１により事前に算出しておいて、これを、流体物性値算出部４３による物性値の算出に反映させている。
【００５４】
しかし、物性値として流体物性値算出部４３で算出するファクタの種類によっては、流体物性値算出部４３による物性値の算出を事前に行っておいて、これと、差動アンプ３３からの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅された差信号とに基づいて、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を後から算出するようにしてもよい。
【００５５】
このように、上述の流量計測装置によれば、小流量から大流量まで広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。この場合、ガスの流量を計測するための上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数よりも少なくなっているので、第１温度検出信号及び第２温度検出信号が、左側温度検出信号及び右側温度検出信号よりも小さくなるが、差動アンプ３３の増幅率を調整することにより、第２温度検出信号と第１温度検出信号の差信号のレベルを大きくすることができるので、流量計測の感度を維持することができる。
【００５６】
また、上述の流量計測装置によれば、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３を配置し、右側温度検出信号及び左側温度検出信号を出力するように構成したので、ガスの流れ方向の影響を受けずに、右側温度検出信号及び左側温度検出信号に基づき熱拡散定数等のガスの物性値を正確に算出することができ、したがってガスの種類を特定することができる。
【００５７】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００５８】
そして、算出されたガスの物性値に基づき、流量算出部４１で算出されたガスの流量を補正するようにしたので、特別な工夫をせずに、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、正確に流量を計測することができる。
【００５９】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００６０】
たとえば、上述の実施の形態におけるフローセンサでは、ガスの流速の検知に役立つ下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３と、ガス種の検知に役立つ左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を備えているが、ガス種の判別を必要としない場合は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を除去した構成としても良い。この場合は、マイクロヒータ４を、ガスの流れ方向に平行な寸法を長くしかつガスの流れ方向に垂直な寸法を太くなるように作成し、それに対応して下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３を多くすれば、低流速域の感度も良くかつ高流速域まで検知可能なフローセンサを得ることができる。
【００６１】
また、ガス種の判別をする、しないに関わらず、測定した流速（流量）範囲に合わせて、マイクロヒータ４の寸法Ｄ₁，Ｄ₂（ただし、Ｄ₁＞Ｄ₂）を設定することができる。
【００６２】
さらに、図２に示した本発明のフローセンサを、９０度回転させてガス流路１０に取り付け、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８のいずれか一方を上流側サーモパイルとして使用しかつ他方を下流側サーモパイルとしてガス流速の検知に使用し、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１をガス種の検知に使用しても良い。図１及び図２に示したフローセンサに対して、流速検知感度は良くなるが検知できる流速範囲が狭くなり、ガス種検知感度は悪くなる。
【００６３】
一例として、図２の本発明のフローセンサにおける上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数を２３個、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数を９個とした場合、図１に示す取り付け時と、上述の９０度回転取り付け時におけるセンサ出力（流量計測装置の差動アンプ３３の差信号出力）特性を比較すると（図８参照）、マイクロヒータ４を定電圧（たとえば、１．５Ｖ）で駆動させたとき、９０度回転取り付けした場合の特性曲線Ｂでは、ガス圧４ｋｇｆ／ｍ²で流速Ｌ₁（＝１０ｍ／ｓｅｃ）でマイクロヒータ４の加熱が追いつかなくなり、センサ出力が減少し始めるのに対し、図１に示す取り付けによる特性曲線Ａでは、流速Ｌ₁より大きい流速Ｌ₂（＝２０ｍ／ｓｅｃ）でもセンサ出力が減少しておらず、広範囲の流速に対応できている。特性Ａのセンサ出力は、サーモパイルの接点数が少ないため、特性Ｂのセンサ出力よりも小さくなるが、たとえば、接点数の比（たとえば、２３：９）で差動アンプ３３の増幅率を補正するように構成すれば、特性Ａは補正後特性Ｃとして表され、充分大きなセンサ出力を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００６５】
請求項２記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００６６】
請求項３記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００６７】
請求項４記載の発明の流量計測装置によれば、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００６８】
請求項５記載の発明の流量計測装置によれば、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。
【図２】図１のフローセンサの構成図である。
【図３】図２のマイクロフローセンサの断面図である。
【図４】図２のマイクロフローセンサを用いた流量計測装置の構成プロック図である。
【図５】図５の流量計測装置により実現される流量計測方法を示すフローチャートである。
【図６】第１温度検出信号及び第２温度検出信号を示す図である。
【図７】右側温度検出信号及び左側温度検出信号を示す図である。
【図８】本発明のフローセンサのセンサ出力特性の一例を示す特性図である。
【図９】従来のフローセンサの一例を示す略図である。
【図１０】図９のフローセンサの構成図である。
【符号の説明】
１マイクロフローセンサ
２Ｓｉ基板（支持基板）
３ダイアフラム
４マイクロヒータ（ヒータ）
５左側サーモパイル（横側温度センサ）
８右側サーモパイル（横側温度センサ）
１１下流側サーモパイル（下流側温度センサ）
１３上流側サーモパイル（上流温度センサ）
４１流量算出部（流量算出手段）
４３流体物性値算出部（流体物性値算出手段）
４５加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）
４７除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor and a flow rate measuring apparatus using the flow sensor.
[0002]
[Prior art]
9 and 10 are a schematic diagram and a configuration diagram, respectively, for explaining the configuration of the flow sensor previously proposed by the applicant (see Japanese Patent Application No. 2000-94437). This flow sensor is a micro flow sensor that can be used in a flow rate measuring device as a sensor capable of detecting the flow rate and type of gas.
[0003]
In FIG. 9, the microflow sensor 1 ′ is disposed on the inner wall of the gas flow path 10 shown by a cross section in the drawing. The microflow sensor 1 ′ is formed on the Si substrate 2, the microheater 4 ′, the downstream thermopile 5 ′ formed on the downstream side of the microheater 4 ′ and serving as a downstream temperature sensor, and the microheater 4 ′. The upstream thermopile 8 ', which functions as an upstream temperature sensor, is arranged on both sides of the microheater 4' in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction (X direction), and detects the physical property value of the gas And right and left thermopiles 11 ′ and 13 ′ that function as lateral temperature sensors that output temperature detection signals.
[0004]
In FIG. 10, the microflow sensor 1 ′ includes a Si substrate 2, a diaphragm 3, a microheater 4 ′ made of platinum or the like formed on the diaphragm 3, and a downstream formed on the diaphragm 3 on the downstream side of the microheater 4 ′. A side thermopile 5 ', power terminals 6'A and 6'B for supplying a driving current from a power source (not shown) to the microheater 4', an upstream thermopile 8 'formed on the diaphragm 3 on the upstream side of the microheater 4', First output terminals 9'A and 9'B for outputting a first temperature detection signal output from the upstream thermopile 8 ', and a second output terminal for outputting a second temperature detection signal output from the downstream thermopile 5'. 7'A, 7'B.
[0005]
Further, the microflow sensor 1 ′ is arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction (the direction from the arrow P to the arrow Q in FIG. 10) with respect to the microheater 4 ′, and detects the physical property value of the gas. A right thermopile 11 'that outputs a temperature detection signal (corresponding to the third temperature detection signal), and third output terminals 12'A, 12'B that output a right temperature detection signal output from the right thermopile 11'; A left-side thermopile 13 ′ that is arranged in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction with respect to the microheater 4 ′, detects a physical property value of the gas, and outputs a left-side temperature detection signal (corresponding to the third temperature detection signal); Fourth output terminals 14'A and 14'B for outputting a left temperature detection signal output from the left thermopile 13 ', resistors 15 and 16 for obtaining a gas temperature, and gas temperatures from the resistors 15 and 16 Output terminals 17A and 17B for outputting signals are provided.
[0006]
The upstream thermopile 8 ′, the downstream thermopile 5 ′, the right thermopile 11 ′, and the left thermopile 13 ′ are composed of thermocouples. This thermocouple is composed of p ++-Si and Al, has a cold junction and a hot junction, detects heat, and generates a thermoelectromotive force from a temperature difference between the cold junction and the hot junction, A temperature detection signal is output.
[0007]
The downstream thermopile 5 ′ and the upstream thermopile 8 ′ are useful for detecting the gas flow velocity, and the right thermopile 11 ′ and the left thermopile 13 ′ are useful for detecting the gas type.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described microflow sensor 1 ′, the microheater 4 ′ is elongated in the direction perpendicular to the gas flow direction, that is, the external dimension D perpendicular to the gas flow direction. ₂ Is the external dimension D parallel to the gas flow direction ₁ It is formed to be larger. And the external dimension D of the microheater 4 ' ₂ , The downstream thermopile 5 ′ and the upstream thermopile 8 ′ having a large number of contacts are used to detect the gas flow rate and thus the gas flow rate, and the external dimension D of the microheater 4 ′. ₁ Correspondingly, the gas type is detected by the right side thermopile 11 ′ and the left side thermopile 13 ′ having a smaller number of contacts than the number of contacts of the downstream side thermopile 5 ′ and the upstream side thermopile 8 ′.
[0009]
Thus, in the conventional flow sensor, in order to increase the number of thermopile contacts with priority given to the sensor output of the flow rate detection, the dimension of the micro heater 4 ′ is designed to be elongated in the direction perpendicular to the gas flow direction. ing. For this reason, the number of contacts of the downstream thermopile 5 ′ and the upstream thermopile 8 ′ for detecting the gas type cannot be increased, and the detection sensitivity of the gas type is poor.
[0010]
On the other hand, since the dimension of the microheater 4 'is elongated in the direction perpendicular to the gas flow direction, the time for the gas to pass over the microheater 4' is short and the gas flow rate becomes high, that is, a large flow rate. Sometimes the heat of the microheater 4 'is not sufficiently transferred to the gas. For this reason, the flow rate range that can be detected by the microheater 4 'is limited, and therefore the flow rate range that can be measured is also limited in the flow rate measuring device using the microflow sensor 1'.
[0011]
In the above flow sensor and the flow rate measuring apparatus using the flow sensor, in order to measure a high flow rate, that is, a high flow rate, for example, the cross-sectional area of the gas flow path 10 is increased or the micro heater 4 'is driven. It is necessary to devise a method.
[0012]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a flow sensor capable of detecting a flow velocity over a wide range and a flow rate measuring device capable of measuring a flow rate over a wide range using the flow sensor.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above object, the flow sensor of the invention according to claim 1 is:
A heater that heats the gas flowing in the gas flow path, an upstream temperature sensor that is disposed upstream of the gas with respect to the heater, detects the temperature of the gas, and outputs a first temperature detection signal; and the heater A downstream temperature sensor that is disposed downstream of the gas and detects the temperature of the gas and outputs a second temperature detection signal; a support substrate that supports the heater, the upstream temperature sensor, and the downstream temperature sensor; A flow sensor comprising:
The heater is formed such that a dimension parallel to the gas flow direction is larger than a dimension perpendicular to the gas flow direction.
It is characterized by that.
[0014]
According to the flow sensor of the first aspect of the present invention, the heater for heating the gas flowing through the gas flow path and the upstream side of the gas with respect to the heater are disposed, and the first temperature detection signal is detected by detecting the temperature of the gas. An upstream temperature sensor that outputs, a downstream temperature sensor that is disposed on the downstream side of the gas with respect to the heater, detects the temperature of the gas, and outputs a second temperature detection signal; the heater, the upstream temperature sensor, and the downstream side And a support substrate that supports the temperature sensor. The heater is formed such that a dimension parallel to the gas flow direction is larger than a dimension perpendicular to the gas flow direction. As a result, the time for the gas to pass over the heater becomes longer, and the heat of the heater is sufficiently transferred to the gas even when the flow rate is increased, so that the measurable flow velocity range is widened.
[0015]
The invention described in claim 2 is the flow sensor according to claim 1,
It includes a lateral temperature sensor that is arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater and detects a gas temperature and outputs a third temperature detection signal.
It is characterized by that.
[0016]
According to the invention described in claim 2, the flow sensor is disposed in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater, and detects the temperature of the gas and outputs a third temperature detection signal. Including. Thereby, it is possible to detect the gas flow rate and the gas type.
[0017]
The invention described in claim 3 is the flow sensor according to claim 2,
The lateral temperature sensors are respectively arranged on both sides of the heater in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction.
It is characterized by that.
[0018]
According to the third aspect of the present invention, in the flow sensor, the lateral temperature sensors are respectively disposed on both sides of the heater in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction. Thereby, even if there is variation in the flow of gas, the physical property value of the gas can be accurately calculated based on the temperature detection signals from the lateral temperature sensors.
[0019]
Moreover, the flow rate measuring device of the invention according to claim 4 is:
A flow rate measuring device that measures a flow rate of gas flowing through the gas flow path using the flow sensor according to any one of claims 1 to 3,
A flow rate calculation means for calculating a gas flow rate based on a difference signal between the first temperature detection signal from the upstream temperature sensor of the flow sensor and the second temperature detection signal from the downstream temperature sensor.
It is characterized by providing.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, the first temperature detection signal from the upstream temperature sensor and the second temperature detection signal from the downstream temperature sensor of the flow sensor according to any one of the first to third aspects. A flow rate calculation means for calculating a gas flow rate based on the difference signal is provided. Thereby, the gas flow rate over a wide range can be measured.
[0021]
Further, the invention according to claim 5 is the flow rate measuring device according to claim 4,
Fluid property value calculating means for calculating a physical property value of gas based on the third temperature detection signal from the lateral temperature sensor of the flow sensor;
Flow rate correction means for correcting the flow rate of the gas calculated by the flow rate calculation means based on the physical property value of the gas calculated by the fluid property value calculation means;
It is characterized by providing.
[0022]
According to the fifth aspect of the present invention, the flow rate measuring device includes a fluid property value calculating means for calculating a physical property value of the gas based on the third temperature detection signal from the lateral temperature sensor of the flow sensor, and a fluid property value calculating means. And a flow rate correcting means for correcting the flow rate of the gas calculated by the flow rate calculating means based on the physical property value of the gas calculated in (1). Thereby, even if it is a case where the kind and composition of gas change, flow volume measurement with sufficient precision can be performed.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0024]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a flow sensor according to the present invention. In FIG. 1, a microflow sensor 1 is disposed on an inner wall of a gas flow path 10 shown in a cross section in the drawing. The microflow sensor 1 is formed on the Si substrate 2, the microheater 4, the downstream thermopile 11 that is formed on the downstream side of the microheater 4, and functions as the downstream temperature sensor, and the upstream side of the microheater 4. The upstream thermopile 13 serving as an upstream temperature sensor and the gas flow direction (X direction) are arranged on both sides of the microheater 4 in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction, detects the physical property value of the gas, and outputs a temperature detection signal. The right and left thermopiles 5 and 8 function as lateral temperature sensors.
[0025]
FIG. 2 shows a configuration diagram of the microflow sensor 1 of FIG. In FIG. 2, the microflow sensor 1 includes a Si substrate 2, a diaphragm 3, a microheater 4 made of platinum or the like formed on the diaphragm 3, and a downstream thermopile 11 formed on the diaphragm 3 on the downstream side of the microheater 4. , Power terminals 6A and 6B for supplying driving current from a power source (not shown) to the microheater 4, an upstream thermopile 13 formed on the diaphragm 3 on the upstream side of the microheater 4, and a first temperature output from the upstream thermopile 13 First output terminals 14A and 14B that output detection signals and second output terminals 12A and 12B that output second temperature detection signals output from the downstream thermopile 11 are provided.
[0026]
The microflow sensor 1 is arranged in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction (the direction from the arrow P to the arrow Q in FIG. 2) with respect to the microheater 4, and detects the physical property value of the gas and detects the right side temperature. A right thermopile 8 that outputs a signal (corresponding to the third temperature detection signal), third output terminals 9A and 9B that output a right temperature detection signal output from the right thermopile 8, and gas to the microheater 4. The left thermopile 5 is arranged in a direction substantially orthogonal to the flow direction, detects a physical property value of the gas, and outputs a left side temperature detection signal (corresponding to the third temperature detection signal), and a left side temperature detection output from the left side thermopile 5 Fourth output terminals 7A and 7B for outputting signals, resistors 15 and 16 for obtaining a gas temperature, and output terminals 17A and 1 for outputting a gas temperature signal from the resistors 15 and 16 And a B.
[0027]
The upstream thermopile 13, the downstream thermopile 11, the right thermopile 8, and the left thermopile 5 are composed of thermocouples. This thermocouple is composed of p ++-Si and Al, has a cold junction and a hot junction, detects heat, and generates a thermoelectromotive force from a temperature difference between the cold junction and the hot junction, A temperature detection signal is output.
[0028]
As shown in FIG. 3, a diaphragm 3 is formed on the Si substrate 2. The diaphragm 3 includes a micro heater 4, an upstream thermopile 13, a downstream thermopile 11, a right thermopile 8, and a left thermopile 5. The respective hot junctions are formed.
[0029]
The microheater 4 is elongated in a direction parallel to the gas flow direction, that is, an external dimension D parallel to the gas flow direction. ₁ Is the external dimension D perpendicular to the gas flow direction ₂ It is formed to be larger. And the external dimension D of the microheater 4 ₂ Corresponding to the downstream thermopile 11 and the upstream thermopile 13 are provided with a small number of contacts, and the outer dimension D of the microheater 4 is provided. ₁ Accordingly, the number of contacts of the right thermopile 5 and the left thermopile 8 is larger than the number of contacts of the downstream thermopile 11 and the upstream thermopile 13.
[0030]
According to the microflow sensor 1 configured as described above, when the microheater 4 starts to be heated by an external driving current, the heat generated from the microheater 4 is upstream of the downstream thermopile 11 using gas as a medium. It is transmitted to each hot junction of the side thermopile 13. Since the cold junction of each thermopile is on the Si substrate (Si substrate 2), it is at the substrate temperature, and since each hot junction is on the diaphragm 3, it is heated by the transmitted heat, and the Si substrate Temperature rises above temperature. Each thermopile generates a thermoelectric power from the temperature difference between the hot junction and the cold junction, and outputs a temperature detection signal.
[0031]
The heat transferred using the gas as a medium is transferred to each thermopile by the synergistic effect of the thermal diffusion effect of the gas and the flow velocity of the gas flowing from P to Q. That is, when there is no flow velocity, the heat is diffused evenly to the upstream thermopile 13 and the downstream thermopile 11, and the first temperature detection signal from the upstream thermopile 13 and the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 are transmitted. The difference signal becomes zero.
[0032]
On the other hand, when a flow rate is generated in the gas, the amount of heat transferred to the hot junction of the upstream thermopile 13 is reduced by the flow rate, and conversely, the amount of heat transferred to the hot junction of the downstream thermopile 11 is increased. The difference signal between the temperature detection signal and the first temperature detection signal is a positive value corresponding to the flow velocity. At this time, since the dimension of the microheater 4 is elongated in a direction parallel to the gas flow direction, the time for the gas to pass over the microheater 4 becomes long, and the microheater 4 does not increase even if the gas flow rate increases. The heat is fully transferred to the gas. For this reason, the flow velocity range that can be measured by the microflow sensor 1 is widened.
[0033]
On the other hand, when the microheater 4 starts to be heated by an external drive current, the heat generated from the microheater 4 is not affected by the gas flow velocity and is only gas diffused to the microheater 4 by the thermal diffusion effect of the gas. Is transmitted to the right thermopile 8 which is arranged in a direction substantially orthogonal to the flow direction. In addition, similar heat is transmitted to the left thermopile 5 disposed in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the micro heater 4.
[0034]
Therefore, the right temperature detection signal output from the third output terminals 9A and 9B by the electromotive force of the right thermopile 8 and / or the left temperature detection output from the fourth output terminals 7A and 7B by the electromotive force of the left thermopile 5 Based on the signal, it becomes possible to calculate a physical property value of the gas such as a thermal diffusion constant determined by heat conduction, thermal diffusion, specific heat, and the like.
[0035]
Furthermore, since the number of contacts of the left side thermopile 5 and the right side thermopile 8 is larger than the number of contacts of the upstream side thermopile 13 and the downstream side thermopile 11, the left side temperature detection signal and the right side temperature detection signal become large, and each gas type This increases the output difference and improves the gas type discrimination sensitivity.
[0036]
Furthermore, according to the microflow sensor 1, since the microheater 4, the upstream thermopile 13, the downstream thermopile 11, the right thermopile 8, and the left thermopile 5 are formed on the diaphragm 3, the heat capacity is reduced and consumed. Electric power can be reduced. Further, since the configuration of the microflow sensor 1 is simple, there is an effect that it can be manufactured at low cost.
[0037]
Next, a description will be given of a flow rate measuring apparatus that uses the above-described microflow sensor 1 and can always accurately measure the gas flow rate regardless of changes in the type and composition of the gas.
[0038]
FIG. 4 is a configuration block diagram of a flow rate measuring apparatus using the microflow sensor 1 of FIGS. 1 to 3. This flow measuring device amplifies the difference signal between the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 in the microflow sensor 1 and the first temperature detection signal from the upstream thermopile 13 in the microflow sensor 1. A dynamic amplifier 33, an amplifier 35a for amplifying the right temperature detection signal from the right thermopile 8 in the microflow sensor 1, an amplifier 35b for amplifying the left temperature detection signal from the left thermopile 5 in the microflow sensor 1, and a micro And a computer 40.
[0039]
The microcomputer 40 includes an adder (a part of the fluid property value calculating means; a part of the flow rate correcting means) 45 for adding the right side temperature detection signal from the amplifier 35a and the left side temperature detection signal from the amplifier 35b, and a differential. A division unit (part of the flow rate calculation unit; part of the flow rate correction unit) that divides the difference signal between the second temperature detection signal and the first temperature detection signal obtained by the amplifier 33 by the addition signal output from the addition unit 45 47, a flow rate calculation unit (flow rate calculation means) 41 that calculates the flow rate of gas based on the division signal output from the division unit 47, and the thermal conductivity, specific heat, and viscosity of the gas based on the addition signal output from the addition unit 45. And a fluid property value calculation unit (fluid property value calculation means) 43 for calculating a property value such as density.
[0040]
Next, a flow rate measuring method realized by the flow rate measuring device of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0041]
First, when the microheater 4 is heated by a driving current based on an external pulse signal (step S11), a second temperature detection signal is output from the downstream thermopile 11, and a first temperature detection signal is output from the upstream thermopile 13. (Step S13). The second temperature detection signal is output to the differential amplifier 33, and the first temperature detection signal is output to the differential amplifier 33. FIG. 6 shows the response of the first temperature detection signal and the second temperature detection signal to the pulse signal.
[0042]
Next, the differential amplifier 33 amplifies the difference signal between the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 and the first temperature detection signal from the upstream thermopile 13 (step S15).
[0043]
Then, the adding unit 45 adds the right side temperature detection signal from the amplifier 35a and the left side temperature detection signal from the amplifier 35b to obtain an addition signal (step S17). FIG. 7 shows a timing chart of the right side temperature detection signal, the left side temperature detection signal, and the addition signal. Next, the division unit 47 divides the amplified difference signal obtained in step S15 by the addition signal obtained in step S17 to obtain a division signal (step S19).
[0044]
Subsequently, the flow rate calculation unit 41 calculates an accurate gas flow rate based on the division signal obtained in step S19 (step S21). Furthermore, the fluid property value calculation unit 43 calculates the gas property values such as the thermal conductivity, specific heat, viscosity, and density of the gas based on the addition signal obtained in step S17 and the accurate flow rate of the gas calculated in step S21. Calculate (step S23).
[0045]
As described above, the right thermopile 8 and the left thermopile 5 arranged in the direction orthogonal to the gas flow direction measure the thermal conductivity of the gas by detecting the physical property value of the gas. When the gas flow velocity is zero, the speed at which heat is transferred by the gas depends on the thermal diffusion constant (one of the physical properties of the gas) determined by thermal conductivity, thermal diffusion, specific heat, and the like. When the flow velocity is zero, the thermal diffusion constant is obtained from the temperature difference between the right thermopile 8, the left thermopile 5, and the micro heater 4. The larger the temperature difference, the smaller the thermal diffusion constant.
[0046]
On the other hand, when the flow rate is not zero, heat is carried downstream by the gas flow, and the amount of heat reaching the right thermopile 8 and the left thermopile 5 decreases accordingly. That is, the thermal diffusion around the right thermopile 8 and the left thermopile 5 is increased by the gas flow. Here, it is generally known that the rate of increase of the thermal diffusion is proportional to the square root of the gas flow velocity, so in principle, the thermal diffusion constant of a gas can even be understood by the gas flow rate in some way. For example, it can be estimated at any flow rate.
[0047]
On the other hand, there is a heat distribution due to diffusion existing around the upstream side thermopile 13 and the downstream side thermopile 11 even in a state where there is no gas flow, and a heat distribution moved by the flow of gas heated by the microheater 4. . Therefore, the difference between the temperature of the gas around the downstream thermopile 11 and the temperature of the gas around the upstream thermopile 13 gradually increases as the gas flow increases from the state where there is no gas flow, but more than a certain level. As the gas flow increases, it decreases again due to the movement of the heat distribution due to the gas flow.
[0048]
For this reason, the difference signal between the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 and the first temperature detection signal from the upstream thermopile 13 that should be increased in proportion to the increase in the gas flow rate, If the flow rate of the gas becomes too large, it may decrease even though the flow rate increases.
[0049]
Therefore, when the flow rate is zero, the addition value of the right temperature detection signal output by the right thermopile 8 and the left temperature detection signal output by the left thermopile 5 is considered as “1”, and there is a flow rate for this. The ratio of the added value of the right side temperature detection signal and the left side temperature detection signal is regarded as a coefficient representing the rate of change of the amount of heat to be moved, and this coefficient is used as the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 and the upstream side. An operation of multiplying the difference signal from the first temperature detection signal from the thermopile 13 is performed.
[0050]
In other words, by dividing the difference signal between the second temperature detection signal and the first temperature detection signal by the added value of the right temperature detection signal and the left temperature detection signal, it is possible to calculate the flow rate without the influence of changes in thermal diffusion. Thus, it is possible to obtain an accurate and high-resolution flow rate.
[0051]
In the above-described embodiment, the difference signal obtained by amplifying the second temperature detection signal from the downstream thermopile 11 obtained from the differential amplifier 33 and the first temperature detection signal from the upstream thermopile 13 is used as the division unit 47. , The flow rate calculation is performed by eliminating the influence of the change in thermal diffusion by dividing the right side temperature detection signal from the amplifier 35a and the left side temperature detection signal from the amplifier 35b by the addition signal obtained by adding by the addition unit 45. It is possible.
[0052]
In the above-described embodiment, the division signal is obtained by the division unit 47 prior to the flow rate calculation by the flow rate calculation unit 41. This is because the second temperature detection signal and the first temperature detection signal are different from each other. This is because it is not necessary to grasp the physical property values of the gas as strictly accurate values such as thermal conductivity, specific heat, viscosity, and density in order to eliminate the influence of the thermal diffusion change that appears in the difference signal after amplification.
[0053]
That is, in the above-described embodiment, in order to calculate the thermal conductivity, specific heat, viscosity, and density of a gas that cannot be specified unless the state of thermal diffusion is grasped with high accuracy, An accurate flow rate of the gas excluding the influence of the diffusion change is calculated in advance by the flow rate calculation unit 41, and this is reflected in the calculation of the physical property value by the fluid physical property value calculation unit 43.
[0054]
However, depending on the type of factor calculated by the fluid property value calculation unit 43 as the physical property value, the physical property value is calculated in advance by the fluid property value calculation unit 43, and the downstream from the differential amplifier 33. Based on the amplified difference signal between the second temperature detection signal from the side thermopile 11 and the first temperature detection signal from the upstream side thermopile 13, the accurate flow rate of the gas is eliminated after eliminating the influence of the thermal diffusion change. You may make it calculate from.
[0055]
As described above, according to the above-described flow rate measuring device, it is possible to measure gas flow rates over a wide range from a small flow rate to a large flow rate. In this case, since the number of contacts of the upstream thermopile 13 and the downstream thermopile 11 for measuring the gas flow rate is smaller than the number of contacts of the left thermopile 5 and the right thermopile 8, the first temperature detection signal and the first thermopile Although the two temperature detection signals are smaller than the left temperature detection signal and the right temperature detection signal, the level of the difference signal between the second temperature detection signal and the first temperature detection signal is adjusted by adjusting the amplification factor of the differential amplifier 33. Therefore, the sensitivity of flow rate measurement can be maintained.
[0056]
Further, according to the above-described flow rate measuring device, the right thermopile 11 and the left thermopile 13 are arranged in the direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the microheater 4 so as to output the right temperature detection signal and the left temperature detection signal. Therefore, the physical property value of the gas such as the thermal diffusion constant can be accurately calculated based on the right side temperature detection signal and the left side temperature detection signal without being affected by the gas flow direction. Can be identified.
[0057]
Furthermore, since the number of contacts of the left side thermopile 5 and the right side thermopile 8 is larger than the number of contacts of the upstream side thermopile 13 and the downstream side thermopile 11, the left side temperature detection signal and the right side temperature detection signal become large, and each gas type This increases the output difference and improves the gas type discrimination sensitivity.
[0058]
Since the gas flow rate calculated by the flow rate calculation unit 41 is corrected based on the calculated gas property value, the gas type and composition change without any special contrivance. However, the flow rate can be accurately measured.
[0059]
As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to this, and various modifications and applications are possible.
[0060]
For example, the flow sensor in the above-described embodiment includes the downstream thermopile 11 and the upstream thermopile 13 that are useful for detecting the gas flow velocity, and the left thermopile 5 and the right thermopile 8 that are useful for detecting the gas type. When it is not necessary to discriminate the species, the left thermopile 5 and the right thermopile 8 may be removed. In this case, the microheater 4 is formed so that the dimension parallel to the gas flow direction is increased and the dimension perpendicular to the gas flow direction is increased, and the downstream thermopile 11 and the upstream thermopile 13 are correspondingly formed. If the flow rate is increased, it is possible to obtain a flow sensor that has good sensitivity in the low flow velocity region and can detect even in the high flow velocity region.
[0061]
Regardless of whether or not the gas type is discriminated, the dimension D of the microheater 4 is adjusted in accordance with the measured flow velocity (flow rate) range. ₁ , D ₂ (However, D ₁ > D ₂ ) Can be set.
[0062]
Further, the flow sensor of the present invention shown in FIG. 2 is rotated 90 degrees and attached to the gas flow path 10, and one of the left side thermopile 5 and the right side thermopile 8 is used as the upstream side thermopile and the other is used as the downstream side thermopile. The upstream thermopile 13 and the downstream thermopile 11 may be used for gas type detection. Compared with the flow sensor shown in FIGS. 1 and 2, the flow velocity detection sensitivity is improved, but the detectable flow velocity range is narrowed, and the gas type detection sensitivity is deteriorated.
[0063]
As an example, when the number of contacts of the upstream thermopile 13 and the downstream thermopile 11 is 23 and the number of contacts of the left thermopile 5 and the right thermopile 8 is 9 in the flow sensor of the present invention of FIG. When comparing the characteristics of the sensor output (difference signal output of the differential amplifier 33 of the flow rate measuring device) with the above-mentioned 90 degree rotation mounting (see FIG. 8), the microheater 4 is set to a constant voltage (for example, 1.5 V). In the characteristic curve B with 90 degree rotation when driven at a gas pressure of 4 kgf / m ² At flow velocity L ₁ (= 10 m / sec), the heating of the microheater 4 cannot catch up and the sensor output starts to decrease, whereas in the characteristic curve A by the mounting shown in FIG. ₁ Larger flow rate L ₂ Even at (= 20 m / sec), the sensor output does not decrease, and a wide range of flow rates can be handled. The sensor output of the characteristic A is smaller than the sensor output of the characteristic B because the number of contacts of the thermopile is small. For example, the amplification factor of the differential amplifier 33 is corrected by the ratio of the number of contacts (for example, 23: 9). With this configuration, the characteristic A is expressed as the corrected characteristic C, and a sufficiently large sensor output can be obtained.
[0064]
【The invention's effect】
According to the flow sensor of the first aspect of the present invention, since the time for the gas to pass over the heater becomes long and the heat of the heater is sufficiently transferred to the gas even when the flow velocity is increased, the flow velocity range that can be measured is widened.
[0065]
According to the flow sensor of the second aspect of the invention, it is possible to detect the gas flow rate and the gas type.
[0066]
According to the flow sensor of the third aspect of the present invention, even if there is a variation in the gas flow, the physical property value of the gas can be accurately calculated based on the temperature detection signals from both lateral temperature sensors.
[0067]
According to the flow rate measuring device of the fourth aspect of the present invention, it is possible to measure the gas flow rate over a wide range.
[0068]
According to the flow rate measuring device of the fifth aspect of the invention, accurate flow rate measurement can be performed even when the type or composition of the gas changes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a flow sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of the flow sensor in FIG. 1;
3 is a cross-sectional view of the microflow sensor of FIG.
4 is a structural block diagram of a flow rate measuring device using the microflow sensor of FIG. 2. FIG.
5 is a flowchart showing a flow rate measuring method realized by the flow rate measuring apparatus of FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating a first temperature detection signal and a second temperature detection signal.
FIG. 7 is a diagram illustrating a right side temperature detection signal and a left side temperature detection signal.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing an example of sensor output characteristics of the flow sensor of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a conventional flow sensor.
10 is a configuration diagram of the flow sensor of FIG. 9. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Microflow sensor
2 Si substrate (support substrate)
3 Diaphragm
4 Micro heater (heater)
5 Left thermopile (side temperature sensor)
8 Right side thermopile (side temperature sensor)
11 Downstream thermopile (downstream temperature sensor)
13 Upstream thermopile (upstream temperature sensor)
41 Flow rate calculation unit (flow rate calculation means)
43 Fluid property value calculation unit (fluid property value calculation means)
45 Adder (part of fluid property value calculation means; part of flow rate correction means)
47 Divider (part of flow rate calculation means; part of flow rate correction means)

Claims

A heater that heats the gas flowing in the gas flow path, an upstream temperature sensor that is disposed upstream of the gas with respect to the heater, detects the temperature of the gas, and outputs a first temperature detection signal; and the heater A downstream temperature sensor that is disposed downstream of the gas and detects the temperature of the gas and outputs a second temperature detection signal; a support substrate that supports the heater, the upstream temperature sensor, and the downstream temperature sensor; A flow sensor comprising:
The heater is formed so that a dimension parallel to the gas flow direction is larger than a dimension perpendicular to the gas flow direction.

The flow sensor according to claim 1, further comprising a lateral temperature sensor that is disposed in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater and detects a gas temperature and outputs a third temperature detection signal. .

3. The flow sensor according to claim 2, wherein the lateral temperature sensors are respectively arranged on both sides of the heater in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction.

A flow rate measuring device that measures a flow rate of gas flowing through the gas flow path using the flow sensor according to any one of claims 1 to 3,
A flow rate calculating means for calculating a flow rate of gas based on a difference signal between the first temperature detection signal from the upstream temperature sensor of the flow sensor and the second temperature detection signal from the downstream temperature sensor; A characteristic flow rate measuring device.

Fluid property value calculating means for calculating a physical property value of gas based on the third temperature detection signal from the lateral temperature sensor of the flow sensor;
Flow rate correction means for correcting the flow rate of the gas calculated by the flow rate calculation means based on the physical property value of the gas calculated by the fluid property value calculation means;
The gas supply device according to claim 4, further comprising: