JP4102700B2 - 流体判別装置及びその方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体判別装置及びその方法に係わり、特に、流路を流れる流体の判別を行う流体判別装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上述した流体判別装置としては、流路を流れる流体を加熱するヒータと、流体の温度を検出する温度センサとを流路内に設け、温度センサ出力に基づいて流体の種類を判別することが考えられる。これは、流体の種類が変わると、熱伝導率や比熱、粘性、密度等の流体の物性値がかわるため、ヒータで加熱した流体の温度分布が変化することに着目したものである。
【０００３】
ところで、流体として酸素を流路内に封入し、ガスの流れが無く、かつ、流体を加熱するヒータの熱源パワーを変化させない条件における温度センサ出力は、図４に示すような、圧力依存性を示す。同図に示すように、圧力に対して温度センサの出力は低下する傾向にある。また、同一条件にて流体としてＮ2Ｏ（笑気ガス）を封入した場合は、同様に低下傾向にあるばかりか、使用したい圧力領域によっては酸素の出力とほどんと差を見いだせない領域もある。このため、正確に流体の判別を行えないという問題があった。
【０００４】
そこで、圧力センサを補正手段として用いることで解決することも考えられるが、上述したようにほどんど差を見いだせない領域については、実使用上使い難い。また、温度センサと別途に圧力センサを設ける必要があり、コスト的にも問題がある。
【０００５】
また、流体判別装置として、特許文献１に記載のされたようなものも知られている。これは、流体の流速と、流体を加熱するヒータに対して流体の流れ方向と略直交方向に配置された温度センサの出力に基づいて、ガス種を判別するものである。この場合も温度センサは圧力に対する依存性を持っているため同様の問題が生じる。
【０００６】
【特許文献】
特開２００１−１２９８８公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、正確に流体判別を行うことができる流体判別装置及びその方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、流路を流れる流体を加熱するヒータと、前記流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる第１及び第２温度センサと、前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う第１流体判別手段と、を備え、前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されていることを特徴とする流体判別装置に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、ヒータが、流路を流れる流体を加熱する。第１及び第２温度センサは、その出力が流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる。第１流体判別手段が、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。
【００１０】
従って、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の流体判別装置であって、前記第１流体判別手段は、前記第１の値が、所定流体に対応して予め定められた第１の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別することを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、第１の値が所定流体に対応して予め定められた第１の基準範囲外であるとき、第１流体判別手段が、所定流体とは異なる流体が流れていると判別する。従って、第１の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の流体判別装置であって、前記第１温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向に配置され、前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値を流速情報として得て、該流速情報に基づき、流速を検出する流速検出手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、第１温度センサが、ヒータに対して流体の流れ方向に配置されている。流速検出手段が、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値を、流速情報として得て、その流速情報に基づいて、流速を検出する。従って、第１温度センサをヒータに対して流体の流れ方向に配置することにより、第１温度センサの出力を流用して流速情報を得ることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の流体判別装置であって、前記第１温度センサは、前記流体の流れ方向における前記ヒータの両側に各々配置され、前記第１流体判別手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力和に前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、前記流速検出手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力差を前記流速情報として、前記流速を求めることを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、第１温度センサが、流体の流れ方向におけるヒータの両側に各々配置されている。第１判別手段は、両側に各々配置された第１温度センサの出力和に第１所定値を乗じて求めた値から、第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。流速検出手段が、両側に各々配置された第１温度センサの出力差を流速情報として、流速を求める。従って、第１温度センサをヒータの両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報の感度を高くすることができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項記載の流体判別装置であって、前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、流体の流速が所定流速以上のとき、停止手段が、第１流体判別手段による流体判別を停止させる。従って、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で第１流体判別手段が流体判別を行うことがなくなる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項３又は４記載の流体判別装置であって、前記第２温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向と略垂直方向に配置され、前記流速情報、及び、前記第２温度センサの出力に基づいて、前記流体判別を行う第２流体判別手段を備えることを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、第２温度センサが、ヒータに対して流体の流れ方向と略直交方向に配置されている。第２流体判別手段が、流速情報と第２温度センサの出力とに基づいて、流体判別を行う。従って、流速情報と、略直交方向に配置されている第２温度センサとの出力に基づき、流体判別を行うことにより、劇的な圧力変化がなければ、流体が流れている状態であっても、流体判別を行うことができるようになる。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の流体判別装置であって、前記第２温度センサは、前記流体の流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に各々配置され、第１流体判別手段は、前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力和に前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、前記流体判別を行い、前記第２流体判別手段は、前記流速情報、及び、前記両側に各々配置された第２温度センサの出力和に基づいて、前記流体判別を行うことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、第２温度センサが、流体の流れ方向と略直交方向におけるヒータの両側に各々配置されている。第１流体判別手段が、第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力和に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。第２流体判別手段が、流速情報、及び、両側に各々配置された第２温度センサの出力和に基づいて、流体判別を行う。従って、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきがあっても、略直交方向におけるヒータの両側に各々第２温度センサを配置して、その出力和に基づいて、流体判別を行うことにより、流体の流れのばらつきを相殺した出力和に基づいて、流体判別を行うことができる。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項６又は７記載の流体判別装置であって、前記第２流体判別手段は、前記流速情報に第３所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第４所定値を乗じて求めた値を減じた第２の値に基づいて、前記流体判別を行うことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２６】
請求項８記載の発明によれば、第２流体判別手段が、流速情報に第３所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第４所定値を乗じて求めた値を減じた第２の値に基づいて、流体判別を行うことができる。従って、第２の値に基づいて、簡単に、流体判別を行うことができるようになる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の流体判別装置であって、前記第２流体判別手段は、前記第２の値が、当該第２の値が求められたときの流速で所定流体が流れている状態に対応して、予め定められた第２の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別することを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２８】
請求項９記載の発明によれば、第２流体判別手段において、第２の値が、その第２の値が求められたときの流速で所定流体が流れている状態に対応して予め定められた第２の基準範囲外であるとき、所定流体とは異なる流体が流れていると判別する。従って、第２の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる。
【００２９】
請求項１０記載の発明は、請求項６〜９何れか１項記載の流体判別装置であって、前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させ、前記所定流速より小さいとき、前記第２流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００３０】
請求項１０記載の発明によれば、停止手段が、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させ、所定流速より小さいとき、第２流体判別手段による流体判別を停止させる。従って、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。一方、第２の値に基づいた、流体判別は、劇的な圧力変化がない状態でないと正確に行えない。
【００３１】
このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で、第１流体判別手段が流体判別を行うことがなく、第２流体判別手段が流体判別を行う。一方、所定流速より小さいとき、第２流体判別手段による流体判別を停止させることにより、第１流体判別手段が正確に流体判別が行える状態では、第２流体判別手段による流体判別を停止させて、第１流体判別手段による判別を行わせることができる。
【００３２】
請求項１１記載の発明は、第１温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されていることを特徴とする流体判別方法に存する。
【００３３】
請求項１１記載の発明によれば、ヒータが、流路を流れる流体を加熱する。第１及び第２温度センサは、流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる。そして、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力に第２所定値を乗じて求めた値を減じた第１の値に基づいて、流体判別を行う。
【００３４】
従って、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の流体判別装置及びその方法について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の流体判別方法を実施した流体判別装置を構成するフローセンサの構成図である。図２は、図１のフローセンサの断面図である。
【００３６】
フローセンサ１は、シリコン（＝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などからなるマイクロヒータ４（請求項中のヒータに相当）、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〜６Ｄを備えている。
【００３７】
また、フローセンサ１は、マイクロヒータ４に対して、流体の流れ方向（ＰからＱへの方向）の上流側に配置された上流側サーモパイルＴＰ１（請求項中の第１温度センサに相当）、下流側に配置された下流側サーモパイルＴＰ２（請求項中の第１温度センサに相当）、上流側サーモパイルＴＰ１に発生する起電力を出力する出力端子９Ａ、９Ｂ、下流側サーモパイルＴＰ２に発生する起電力を出力する出力端子７Ａ、７Ｂを備えている。
【００３８】
また、フローセンサ１は、マイクロヒータ４に対して流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置された左側サーモパイルＴＰ３及び右側サーモパイルＴＰ４（請求項中の第２温度センサの相当）、この左側サーモパイルＴＰ３及び右側サーモパイルＴＰ４のそれぞれに発生する起電力を出力する出力端子１４Ａ、１４Ｂ及び出力端子１２Ａ、１２Ｂを備えている。さらに、フローセンサ１は、流体温度を得るための測温抵抗１５、１６、この測温抵抗１５、１６の両端電圧を出力する出力端子１７Ａ、１７Ｂを備えている。
【００３９】
上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４は各々、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、温接点と冷接点とを有し、冷接点と温接点との温度差に応じた熱起電力が発生する。
【００４０】
また、図２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、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４のそれぞれの温接点が形成されている。
【００４１】
この様に構成されたフローセンサ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、流体を媒体として、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２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基板２上にあるので、基板温度になっており、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基板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、温接点と冷接点との温度差より起電力を発生する。
【００４２】
流体を媒体として伝達される熱は、流体の熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体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ＴＰ１と下流側サーモパイルＴＰ２に均等に伝達され、上流側サーモパイルＴＰ１から発生する熱起電力と下流側サーモパイルＴＰ２から発生する熱起電力との差はゼロとなる。
【００４３】
一方、流体に流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイルＴＰ１の温接点に伝達される熱量が減少し、下流側サーモパイルＴＰ２の温接点に伝達される熱量が増加する。このため、上流側サーモパイルＴＰ１が発生する熱起電力と下流側サーモパイルＴＰ２が発生する熱起電力との差は流速に応じた値になる。
【００４４】
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、流体の熱拡散効果によって、マイクロヒータ４に対して流体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ＴＰ３に伝達される。また、マイクロヒータ４に対して流体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ＴＰ４にも、同様の熱が伝達される。なお、上記流体の熱拡散効果は、流速がある程度あるときは流体固有の物性値と流速とに依存し、流速がないときは流体固有の物性値に依存する。
【００４５】
このため、左側サーモパイルＴＰ３の熱起電力及び右側サーモパイルＴＰ４の起電力や、流速に基づき、流体の種類や組成等を判別することができるようになる。
【００４６】
次に、図１及び図２のフローセンサ１を用い、流体の種類を判別することができる流体判別装置について説明する。
図３は、図１のフローセンサ１を用いた流体判別装置の構成ブロック図である。この流体判別装置は、流体の種類を判別する機能に加え、流体の流量を計測する機能も備えている。また、流体判別装置は、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４に発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を各々増幅するアンプ３１〜３４と、各アンプ３１〜３４の出力が供給されるマイクロコンピュータ（以下、μＣＯＭ）４０とを備えている。
【００４７】
μＣＯＭ４０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央処理ユニット（ＣＰＵ）４０ａ、ＣＰＵ４０ａのためのプログラム等を格納した読み出し専用メモリであるＲＯＭ４０ｂ、各種のデータを格納すると共にＣＰＵ４０ａの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ４０ｃ等を内蔵している。
【００４８】
上述した構成の流体判別装置が行う流体判別方法について以下説明する。なお、本実施の形態における流体判別装置は、流路に酸素（Ｏ2）以外のガスが流れたとき、異ガスを検出する装置であるとして説明する。
今、流路にガスが流れていないとき、流体によりマイクロヒータ４からの熱の伝わる速度は、その流体固有の熱伝導率と熱拡散、比熱などの物性値によって決定される熱拡散定数による。この熱拡散定数は、流体の種類や組成などにより異なり、例えば、異ガスである笑気ガス（＝Ｎ2Ｏ）の熱拡散定数は、Ｏ2の熱拡散定数より小さい。
【００４９】
このため、Ｎ2Ｏが流路に封入された場合に比べて、Ｏ2が封入された場合の方が、マイクロヒータ４から周囲に伝わる熱量が小さくなる。従って、図４に示すように、流体としてＮ2Ｏが流れたときの左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）は、Ｏ2が封入されているときの起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）より大きくなる。また、図５に示すように、流体としてＮ2Ｏが流れたときの上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）も、Ｏ2が封入されているときの起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）より大きくなる。
【００５０】
さらに、図４及び図５から分かるように起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）の圧力に対する出力の変化率は、起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）の圧力に対する変化率と異なる。変化率が異なるのは、図１に示すように、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２と左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４とではサーモパイルの形状が異なるからと考えられる。そこで、この起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）にｍ（請求項中の第１所定値に相当）を乗じて求めた値から、起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）にｎ（請求項中の第２所定値に相当）を乗じて求めた値を差し引いた第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を求める。
【００５１】
なお、ｍ、ｎは、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍの圧力に対する変化率と（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎの圧力に対する変化率が等しくなるように定められている。従って、例えば、図４及び図５に示す場合は、ｍ＝１、ｎ＝４に定める。以上のようにｍ、ｎの値が定められているため、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍから（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎを差し引くと、圧力に対する変動分が相殺され、図６に示すように、圧力に対して一定の第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を得ることができる。
【００５２】
そこで、上記第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝が、図６に示すように、上限値Ａ以下の第１の基準範囲外であれば、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断する。
【００５３】
以上のように、第１の値がＯ2に対応して予め定められた上限値Ａ以下の第１の基準範囲外であるとき、Ｏ2とは異なる異ガスが流れていると判別することにより、第１の値を用いて、簡単に、異ガスが流れていると判別することができる。
【００５４】
一方、流路に流れる流体の流速がある程度に達すると、各サーモパイルの起電力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍの圧力に対する変化率と（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎの圧力に対する変化率が等しくなくなってしまう。そこで、所定流速以上の流体が流れているとき、上記第１の値に基づいた流体判別を停止させることにより、流体判定が正確に行えない第１の値によって流体判定が行われないようにする。
【００５５】
そして、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２の起電力差（ＶTP2−ＶTP1）にＧ（請求項中の第３所定値）を乗じた値から、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）にＴ（請求項中の第４所定値）を乗じた値を減じた第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝に基づいて、流体判別を行う。なお、Ｇ、Ｔは任意の値に定められている。
【００５６】
流速が零でないときには、流体の流れによって熱は下流側に運ばれる。このため、起電力差（ＶTP2−ＶTP1）は流速に応じた値となり、流速情報に相当する。一方、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４に到達する熱量は、流速に伴って減少する。即ち、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４の周りの熱拡散が、流体の流れによって大きくなる。従って、上記第２の値は、圧力に劇的な変化がない状況であれば、流路を流れるガスの流速と、そのガスの種類や組成との両者に応じた値となる。
【００５７】
そこで、図７に示すように、第２の値が、その第２の値が求められたときの流速ｖ1で例えばＯ2が流れている状態に対応して、予め定められた上限ｆ1（ｖ1）、下限ｆ2（ｖ1）の第２の基準範囲外であれば、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断する。なお、ｆ1（ｖ）は、流速に応じた第２の基準範囲外の上限線を示し、ｆ2（ｖ）は、流速に応じた第２の基準範囲の下限線を示す。
【００５８】
以上概略で説明した流体判別装置の詳細な動作を図８のμＣＯＭ４０内のＣＰＵ４０ａの処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。
まず、ＣＰＵ４０ａは、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２が発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2を取り込んで、起電力差（ＶTP2−ＶTP1）を流速に応じた流速情報として取得する。このことから、ＣＰＵ４０ａは、流体検出手段として働く。そして、演算した起電力差（ＶTP2−ＶTP1）が予め定めた判定値より小さいと、流速なしと判断して（ステップＳ１でＮ）、ステップＳ２に進む。
【００５９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ４０ａは、次に、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４が各々発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を取り込んで、上流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）と、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）を求め、上述した第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を演算する。
【００６０】
次に、ＣＰＵ４０ａは、第１流体判別手段として働き、求めた第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝が上限値Ａ（図６参照）の第１の基準範囲内であるか否かを判断する。
【００６１】
第１の基準範囲内であれば（ステップＳ２でＹ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2が流れていると判断して、ステップＳ１に戻る。これに対して、第１の基準範囲外であれば（ステップＳ２でＮ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断して、その旨を報知したり、流路を遮断した後（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。
【００６２】
一方、ステップＳ１で演算した起電力差（ＶTP2−ＶTP1）が予め定めた判定値より大きいと、ＣＰＵ４０ａは、流速ありと判断して（ステップＳ１でＹ）、停止手段として働き、第１の値による流体判断を停止して、第２の値による流体判断を行うため、ステップＳ４に進む。
【００６３】
ステップＳ４において、ＣＰＵ４０ａは、まず、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４が各々発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を取り込んで、第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝を算出する。次に、第２流体判別手段として働き、（ＶTP2−ＶTP1）に基づいて求めた流速ｖ1に基づき、第２の基準範囲の上限ｆ1（ｖ1）及び下限ｆ2（ｖ1）を算出し、第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝が第２の基準範囲内であるか否かを判断する。
【００６４】
第２の基準範囲内であれば（ステップＳ４でＹ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2が流れていると判断して、ステップＳ１に戻る。これに対して、第２の基準範囲外であれば（ステップＳ４でＮ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断して、その旨を報知したり、流路を遮断した後（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。
【００６５】
以上の流体判別装置によれば、請求項中の第１温度センサに相当するサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向の両側に配置している。これにより、起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）を得るためのサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を流用して流速情報としての起電力差（ＶTP2−ＶTP1）を得ることができ、流体判別と流速検出に用いられる温度センサを別々に設ける必要がなくなり、コストダウンを図ることができる。
【００６６】
また、サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２をマイクロヒータ４の両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報としての起電力差（ＶTP2−ＶTP1）の感度を高くすることができる。
【００６７】
また、流速情報である起電力差（ＶTP2−ＶTP1）と、略直交方向に配置されている左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力差とによって求めた第２の値と、第２の基準範囲に基づき、流体判定を行うことにより、流体がある状態であっても、圧力に劇的な変化がない状態であれば、簡単に流体判別を行うことができる。
【００６８】
また、サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４をマイクロヒータの両側に各々配置することにより、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきを相殺した起電力差（ＶTP3−ＶTP4）を得ることができる。
【００６９】
なお、上述した実施形態によれば、所定流速以下のときは、第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝に基づく、流体判別を行い、所定流速より小さいときは第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝に基づいて、流体判別を行っていた。しかしながら、例えば、所定流速以下のとき、第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝に基づく、流体判別を行い、所定流速より小さいときは流体判別を行わないようにすることも考えられる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び１１記載の発明によれば、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができるので、正確に流体判別を行うことができる流体判別装置及びその方法を得ることができる。
【００７２】
請求項２記載の発明によれば、第１の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる流体判別装置を得ることができる。
【００７３】
請求項３記載の発明によれば、第１温度センサをヒータに対して流体の流れ方向に配置することにより、第１温度センサの出力を流用して流速情報を得ることができるので、流体判別と流速検出に用いられる温度センサを別々に設ける必要がなくなり、コストダウンを図った流体判別装置を得ることができる。
【００７４】
請求項４記載の発明によれば、第１温度センサをヒータの両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報の感度を高くすることができる流体判別装置を得ることができる。
【００７５】
請求項５記載の発明によれば、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で第１流体判別手段が流体判別を行うことがなくなるので、より正確に、流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７６】
請求項６記載の発明によれば、流速情報と、略直交方向に配置されている第２温度センサとの出力に基づき、流体判別を行うことにより、劇的な圧力変化がなければ、流体が流れている状態であっても、流体判別を行うことができるようになるので、流体が流れている状態であっても流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７７】
請求項７記載の発明によれば、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきがあっても、略直交方向におけるヒータの両側に各々第２温度センサを配置して、その出力和に基づいて、流体判別を行うことにより、流体の流れのばらつきを相殺した出力和に基づいて、流体判別を行うことができるので、より正確に、流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７８】
請求項８記載の発明によれば、第２の値に基づいて、簡単に、流体判別を行うことができるようになる流体判別装置を得ることができる。
【００７９】
請求項９記載の発明によれば、第２の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる流体判別装置を得ることができる。
【００８０】
請求項１０記載の発明によれば、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。一方、第２の値に基づいた、流体判別は、劇的な圧力変化がない状態でないと正確に行えないので、より一層正確に流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体判別方法を実施した流体判別装置を構成するフローセンサの構成図である。
【図２】図１のフローセンサの断面図である。
【図３】図１のフローセンサ１を用いた流体判別装置の構成ブロック図である。
【図４】左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）の圧力特性を示すグラフである。
【図５】上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）の圧力特性を示すグラフである。
【図６】第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝の圧力特性を示すグラフである。
【図７】Ｏ2が流れているときの第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝の流速特性を示すグラフである。
【図８】図３の流体判別装置を構成するＣＰＵ４０ａの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
４ マイクロヒータ（ヒータ）
４０ａ ＣＰＵ（第１流体判別手段、第２流体判別手段、停止手段、流速検出手段）
ＴＰ１ 上流側サーモパイル（第１温度センサ）
ＴＰ２ 下流側サーモパイル（第１温度センサ）
ＴＰ３ 左側サーモパイル（第２温度センサ）
ＴＰ４ 右側サーモパイル（第２温度センサ）
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体判別装置及びその方法に係わり、特に、流路を流れる流体の判別を行う流体判別装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上述した流体判別装置としては、流路を流れる流体を加熱するヒータと、流体の温度を検出する温度センサとを流路内に設け、温度センサ出力に基づいて流体の種類を判別することが考えられる。これは、流体の種類が変わると、熱伝導率や比熱、粘性、密度等の流体の物性値がかわるため、ヒータで加熱した流体の温度分布が変化することに着目したものである。
【０００３】
ところで、流体として酸素を流路内に封入し、ガスの流れが無く、かつ、流体を加熱するヒータの熱源パワーを変化させない条件における温度センサ出力は、図４に示すような、圧力依存性を示す。同図に示すように、圧力に対して温度センサの出力は低下する傾向にある。また、同一条件にて流体としてＮ2Ｏ（笑気ガス）を封入した場合は、同様に低下傾向にあるばかりか、使用したい圧力領域によっては酸素の出力とほどんと差を見いだせない領域もある。このため、正確に流体の判別を行えないという問題があった。
【０００４】
そこで、圧力センサを補正手段として用いることで解決することも考えられるが、上述したようにほどんど差を見いだせない領域については、実使用上使い難い。また、温度センサと別途に圧力センサを設ける必要があり、コスト的にも問題がある。
【０００５】
また、流体判別装置として、特許文献１に記載のされたようなものも知られている。これは、流体の流速と、流体を加熱するヒータに対して流体の流れ方向と略直交方向に配置された温度センサの出力に基づいて、ガス種を判別するものである。この場合も温度センサは圧力に対する依存性を持っているため同様の問題が生じる。
【０００６】
【特許文献】
特開２００１−１２９８８公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、正確に流体判別を行うことができる流体判別装置及びその方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、流路を流れる流体を加熱するヒータと、前記流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる第１及び第２温度センサと、前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う第１流体判別手段と、を備え、前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されていることを特徴とする流体判別装置に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、ヒータが、流路を流れる流体を加熱する。第１及び第２温度センサは、その出力が流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる。第１流体判別手段が、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。
【００１０】
従って、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の流体判別装置であって、前記第１流体判別手段は、前記第１の値が、所定流体に対応して予め定められた第１の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別することを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、第１の値が所定流体に対応して予め定められた第１の基準範囲外であるとき、第１流体判別手段が、所定流体とは異なる流体が流れていると判別する。従って、第１の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の流体判別装置であって、前記第１温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向に配置され、前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値を流速情報として得て、該流速情報に基づき、流速を検出する流速検出手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、第１温度センサが、ヒータに対して流体の流れ方向に配置されている。流速検出手段が、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値を、流速情報として得て、その流速情報に基づいて、流速を検出する。従って、第１温度センサをヒータに対して流体の流れ方向に配置することにより、第１温度センサの出力を流用して流速情報を得ることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の流体判別装置であって、前記第１温度センサは、前記流体の流れ方向における前記ヒータの両側に各々配置され、前記第１流体判別手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力和に前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、前記流速検出手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力差を前記流速情報として、前記流速を求めることを特徴とする流体判別装置に存する。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、第１温度センサが、流体の流れ方向におけるヒータの両側に各々配置されている。第１判別手段は、両側に各々配置された第１温度センサの出力和に第１所定値を乗じて求めた値から、第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。流速検出手段が、両側に各々配置された第１温度センサの出力差を流速情報として、流速を求める。従って、第１温度センサをヒータの両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報の感度を高くすることができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項記載の流体判別装置であって、前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、流体の流速が所定流速以上のとき、停止手段が、第１流体判別手段による流体判別を停止させる。従って、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で第１流体判別手段が流体判別を行うことがなくなる。
【００２１】
請求項６記載の発明は、請求項３又は４記載の流体判別装置であって、前記第２温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向と略垂直方向に配置され、前記流速情報、及び、前記第２温度センサの出力に基づいて、前記流体判別を行う第２流体判別手段を備えることを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、第２温度センサが、ヒータに対して流体の流れ方向と略直交方向に配置されている。第２流体判別手段が、流速情報と第２温度センサの出力とに基づいて、流体判別を行う。従って、流速情報と、略直交方向に配置されている第２温度センサとの出力に基づき、流体判別を行うことにより、劇的な圧力変化がなければ、流体が流れている状態であっても、流体判別を行うことができるようになる。
【００２３】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の流体判別装置であって、前記第２温度センサは、前記流体の流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に各々配置され、第１流体判別手段は、前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力和に前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、前記流体判別を行い、前記第２流体判別手段は、前記流速情報、及び、前記両側に各々配置された第２温度センサの出力和に基づいて、前記流体判別を行うことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、第２温度センサが、流体の流れ方向と略直交方向におけるヒータの両側に各々配置されている。第１流体判別手段が、第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力和に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う。第２流体判別手段が、流速情報、及び、両側に各々配置された第２温度センサの出力和に基づいて、流体判別を行う。従って、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきがあっても、略直交方向におけるヒータの両側に各々第２温度センサを配置して、その出力和に基づいて、流体判別を行うことにより、流体の流れのばらつきを相殺した出力和に基づいて、流体判別を行うことができる。
【００２５】
請求項８記載の発明は、請求項６又は７記載の流体判別装置であって、前記第２流体判別手段は、前記流速情報に第３所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第４所定値を乗じて求めた値を減じた第２の値に基づいて、前記流体判別を行うことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２６】
請求項８記載の発明によれば、第２流体判別手段が、流速情報に第３所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第４所定値を乗じて求めた値を減じた第２の値に基づいて、流体判別を行うことができる。従って、第２の値に基づいて、簡単に、流体判別を行うことができるようになる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の流体判別装置であって、前記第２流体判別手段は、前記第２の値が、当該第２の値が求められたときの流速で所定流体が流れている状態に対応して、予め定められた第２の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別することを特徴とする流体判別装置に存する。
【００２８】
請求項９記載の発明によれば、第２流体判別手段において、第２の値が、その第２の値が求められたときの流速で所定流体が流れている状態に対応して予め定められた第２の基準範囲外であるとき、所定流体とは異なる流体が流れていると判別する。従って、第２の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる。
【００２９】
請求項１０記載の発明は、請求項６〜９何れか１項記載の流体判別装置であって、前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させ、前記所定流速より小さいとき、前記第２流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えたことを特徴とする流体判別装置に存する。
【００３０】
請求項１０記載の発明によれば、停止手段が、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させ、所定流速より小さいとき、第２流体判別手段による流体判別を停止させる。従って、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。一方、第２の値に基づいた、流体判別は、劇的な圧力変化がない状態でないと正確に行えない。
【００３１】
このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で、第１流体判別手段が流体判別を行うことがなく、第２流体判別手段が流体判別を行う。一方、所定流速より小さいとき、第２流体判別手段による流体判別を停止させることにより、第１流体判別手段が正確に流体判別が行える状態では、第２流体判別手段による流体判別を停止させて、第１流体判別手段による判別を行わせることができる。
【００３２】
請求項１１記載の発明は、第１温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されていることを特徴とする流体判別方法に存する。
【００３３】
請求項１１記載の発明によれば、ヒータが、流路を流れる流体を加熱する。第１及び第２温度センサは、流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる。そして、第１温度センサの出力、又は、その出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサの出力に第２所定値を乗じて求めた値を減じた第１の値に基づいて、流体判別を行う。
【００３４】
従って、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の流体判別装置及びその方法について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の流体判別方法を実施した流体判別装置を構成するフローセンサの構成図である。図２は、図１のフローセンサの断面図である。
【００３６】
フローセンサ１は、シリコン（＝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などからなるマイクロヒータ４（請求項中のヒータに相当）、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〜６Ｄを備えている。
【００３７】
また、フローセンサ１は、マイクロヒータ４に対して、流体の流れ方向（ＰからＱへの方向）の上流側に配置された上流側サーモパイルＴＰ１（請求項中の第１温度センサに相当）、下流側に配置された下流側サーモパイルＴＰ２（請求項中の第１温度センサに相当）、上流側サーモパイルＴＰ１に発生する起電力を出力する出力端子９Ａ、９Ｂ、下流側サーモパイルＴＰ２に発生する起電力を出力する出力端子７Ａ、７Ｂを備えている。
【００３８】
また、フローセンサ１は、マイクロヒータ４に対して流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置された左側サーモパイルＴＰ３及び右側サーモパイルＴＰ４（請求項中の第２温度センサの相当）、この左側サーモパイルＴＰ３及び右側サーモパイルＴＰ４のそれぞれに発生する起電力を出力する出力端子１４Ａ、１４Ｂ及び出力端子１２Ａ、１２Ｂを備えている。さらに、フローセンサ１は、流体温度を得るための測温抵抗１５、１６、この測温抵抗１５、１６の両端電圧を出力する出力端子１７Ａ、１７Ｂを備えている。
【００３９】
上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４は各々、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、温接点と冷接点とを有し、冷接点と温接点との温度差に応じた熱起電力が発生する。
【００４０】
また、図２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、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４のそれぞれの温接点が形成されている。
【００４１】
この様に構成されたフローセンサ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、流体を媒体として、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２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基板２上にあるので、基板温度になっており、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基板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、温接点と冷接点との温度差より起電力を発生する。
【００４２】
流体を媒体として伝達される熱は、流体の熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体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ＴＰ１と下流側サーモパイルＴＰ２に均等に伝達され、上流側サーモパイルＴＰ１から発生する熱起電力と下流側サーモパイルＴＰ２から発生する熱起電力との差はゼロとなる。
【００４３】
一方、流体に流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイルＴＰ１の温接点に伝達される熱量が減少し、下流側サーモパイルＴＰ２の温接点に伝達される熱量が増加する。このため、上流側サーモパイルＴＰ１が発生する熱起電力と下流側サーモパイルＴＰ２が発生する熱起電力との差は流速に応じた値になる。
【００４４】
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、流体の熱拡散効果によって、マイクロヒータ４に対して流体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ＴＰ３に伝達される。また、マイクロヒータ４に対して流体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ＴＰ４にも、同様の熱が伝達される。なお、上記流体の熱拡散効果は、流速がある程度あるときは流体固有の物性値と流速とに依存し、流速がないときは流体固有の物性値に依存する。
【００４５】
このため、左側サーモパイルＴＰ３の熱起電力及び右側サーモパイルＴＰ４の起電力や、流速に基づき、流体の種類や組成等を判別することができるようになる。
【００４６】
次に、図１及び図２のフローセンサ１を用い、流体の種類を判別することができる流体判別装置について説明する。
図３は、図１のフローセンサ１を用いた流体判別装置の構成ブロック図である。この流体判別装置は、流体の種類を判別する機能に加え、流体の流量を計測する機能も備えている。また、流体判別装置は、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４に発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を各々増幅するアンプ３１〜３４と、各アンプ３１〜３４の出力が供給されるマイクロコンピュータ（以下、μＣＯＭ）４０とを備えている。
【００４７】
μＣＯＭ４０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央処理ユニット（ＣＰＵ）４０ａ、ＣＰＵ４０ａのためのプログラム等を格納した読み出し専用メモリであるＲＯＭ４０ｂ、各種のデータを格納すると共にＣＰＵ４０ａの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ４０ｃ等を内蔵している。
【００４８】
上述した構成の流体判別装置が行う流体判別方法について以下説明する。なお、本実施の形態における流体判別装置は、流路に酸素（Ｏ2）以外のガスが流れたとき、異ガスを検出する装置であるとして説明する。
今、流路にガスが流れていないとき、流体によりマイクロヒータ４からの熱の伝わる速度は、その流体固有の熱伝導率と熱拡散、比熱などの物性値によって決定される熱拡散定数による。この熱拡散定数は、流体の種類や組成などにより異なり、例えば、異ガスである笑気ガス（＝Ｎ2Ｏ）の熱拡散定数は、Ｏ2の熱拡散定数より小さい。
【００４９】
このため、Ｎ2Ｏが流路に封入された場合に比べて、Ｏ2が封入された場合の方が、マイクロヒータ４から周囲に伝わる熱量が小さくなる。従って、図４に示すように、流体としてＮ2Ｏが流れたときの左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）は、Ｏ2が封入されているときの起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）より大きくなる。また、図５に示すように、流体としてＮ2Ｏが流れたときの上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）も、Ｏ2が封入されているときの起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）より大きくなる。
【００５０】
さらに、図４及び図５から分かるように起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）の圧力に対する出力の変化率は、起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）の圧力に対する変化率と異なる。変化率が異なるのは、図１に示すように、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２と左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４とではサーモパイルの形状が異なるからと考えられる。そこで、この起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）にｍ（請求項中の第１所定値に相当）を乗じて求めた値から、起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）にｎ（請求項中の第２所定値に相当）を乗じて求めた値を差し引いた第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を求める。
【００５１】
なお、ｍ、ｎは、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍの圧力に対する変化率と（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎの圧力に対する変化率が等しくなるように定められている。従って、例えば、図４及び図５に示す場合は、ｍ＝１、ｎ＝４に定める。以上のようにｍ、ｎの値が定められているため、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍから（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎを差し引くと、圧力に対する変動分が相殺され、図６に示すように、圧力に対して一定の第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を得ることができる。
【００５２】
そこで、上記第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝が、図６に示すように、上限値Ａ以下の第１の基準範囲外であれば、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断する。
【００５３】
以上のように、第１の値がＯ2に対応して予め定められた上限値Ａ以下の第１の基準範囲外であるとき、Ｏ2とは異なる異ガスが流れていると判別することにより、第１の値を用いて、簡単に、異ガスが流れていると判別することができる。
【００５４】
一方、流路に流れる流体の流速がある程度に達すると、各サーモパイルの起電力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍの圧力に対する変化率と（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎの圧力に対する変化率が等しくなくなってしまう。そこで、所定流速以上の流体が流れているとき、上記第１の値に基づいた流体判別を停止させることにより、流体判定が正確に行えない第１の値によって流体判定が行われないようにする。
【００５５】
そして、上下流側サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２の起電力差（ＶTP2−ＶTP1）にＧ（請求項中の第３所定値）を乗じた値から、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）にＴ（請求項中の第４所定値）を乗じた値を減じた第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝に基づいて、流体判別を行う。なお、Ｇ、Ｔは任意の値に定められている。
【００５６】
流速が零でないときには、流体の流れによって熱は下流側に運ばれる。このため、起電力差（ＶTP2−ＶTP1）は流速に応じた値となり、流速情報に相当する。一方、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４に到達する熱量は、流速に伴って減少する。即ち、左右側サーモパイルＴＰ３、ＴＰ４の周りの熱拡散が、流体の流れによって大きくなる。従って、上記第２の値は、圧力に劇的な変化がない状況であれば、流路を流れるガスの流速と、そのガスの種類や組成との両者に応じた値となる。
【００５７】
そこで、図７に示すように、第２の値が、その第２の値が求められたときの流速ｖ1で例えばＯ2が流れている状態に対応して、予め定められた上限ｆ1（ｖ1）、下限ｆ2（ｖ1）の第２の基準範囲外であれば、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断する。なお、ｆ1（ｖ）は、流速に応じた第２の基準範囲外の上限線を示し、ｆ2（ｖ）は、流速に応じた第２の基準範囲の下限線を示す。
【００５８】
以上概略で説明した流体判別装置の詳細な動作を図８のμＣＯＭ４０内のＣＰＵ４０ａの処理手順を示すフローチャートを参照して以下説明する。
まず、ＣＰＵ４０ａは、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２が発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2を取り込んで、起電力差（ＶTP2−ＶTP1）を流速に応じた流速情報として取得する。このことから、ＣＰＵ４０ａは、流体検出手段として働く。そして、演算した起電力差（ＶTP2−ＶTP1）が予め定めた判定値より小さいと、流速なしと判断して（ステップＳ１でＮ）、ステップＳ２に進む。
【００５９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ４０ａは、次に、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４が各々発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を取り込んで、上流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）と、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）を求め、上述した第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝を演算する。
【００６０】
次に、ＣＰＵ４０ａは、第１流体判別手段として働き、求めた第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝が上限値Ａ（図６参照）の第１の基準範囲内であるか否かを判断する。
【００６１】
第１の基準範囲内であれば（ステップＳ２でＹ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2が流れていると判断して、ステップＳ１に戻る。これに対して、第１の基準範囲外であれば（ステップＳ２でＮ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断して、その旨を報知したり、流路を遮断した後（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。
【００６２】
一方、ステップＳ１で演算した起電力差（ＶTP2−ＶTP1）が予め定めた判定値より大きいと、ＣＰＵ４０ａは、流速ありと判断して（ステップＳ１でＹ）、停止手段として働き、第１の値による流体判断を停止して、第２の値による流体判断を行うため、ステップＳ４に進む。
【００６３】
ステップＳ４において、ＣＰＵ４０ａは、まず、上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２、左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４が各々発生する熱起電力ＶTP1、ＶTP2、ＶTP3、ＶTP4を取り込んで、第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝を算出する。次に、第２流体判別手段として働き、（ＶTP2−ＶTP1）に基づいて求めた流速ｖ1に基づき、第２の基準範囲の上限ｆ1（ｖ1）及び下限ｆ2（ｖ1）を算出し、第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝が第２の基準範囲内であるか否かを判断する。
【００６４】
第２の基準範囲内であれば（ステップＳ４でＹ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2が流れていると判断して、ステップＳ１に戻る。これに対して、第２の基準範囲外であれば（ステップＳ４でＮ）、ＣＰＵ４０ａは、Ｏ2以外の異ガスが流れていると判断して、その旨を報知したり、流路を遮断した後（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻る。
【００６５】
以上の流体判別装置によれば、請求項中の第１温度センサに相当するサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向の両側に配置している。これにより、起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）を得るためのサーモパイルＴＰ１、ＴＰ２を流用して流速情報としての起電力差（ＶTP2−ＶTP1）を得ることができ、流体判別と流速検出に用いられる温度センサを別々に設ける必要がなくなり、コストダウンを図ることができる。
【００６６】
また、サーモパイルＴＰ１、ＴＰ２をマイクロヒータ４の両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報としての起電力差（ＶTP2−ＶTP1）の感度を高くすることができる。
【００６７】
また、流速情報である起電力差（ＶTP2−ＶTP1）と、略直交方向に配置されている左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力差とによって求めた第２の値と、第２の基準範囲に基づき、流体判定を行うことにより、流体がある状態であっても、圧力に劇的な変化がない状態であれば、簡単に流体判別を行うことができる。
【００６８】
また、サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４をマイクロヒータの両側に各々配置することにより、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきを相殺した起電力差（ＶTP3−ＶTP4）を得ることができる。
【００６９】
なお、上述した実施形態によれば、所定流速以下のときは、第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝に基づく、流体判別を行い、所定流速より小さいときは第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝に基づいて、流体判別を行っていた。しかしながら、例えば、所定流速以下のとき、第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝に基づく、流体判別を行い、所定流速より小さいときは流体判別を行わないようにすることも考えられる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び１１記載の発明によれば、流体の流れがない状態において、第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるように、第１及び第２所定値を設定すれば、流体の流れがない状態であれば、第１及び第２温度センサの出力の圧力による変化量が相殺された第１の値に基づいて流体判別を行うことができるので、正確に流体判別を行うことができる流体判別装置及びその方法を得ることができる。
【００７２】
請求項２記載の発明によれば、第１の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる流体判別装置を得ることができる。
【００７３】
請求項３記載の発明によれば、第１温度センサをヒータに対して流体の流れ方向に配置することにより、第１温度センサの出力を流用して流速情報を得ることができるので、流体判別と流速検出に用いられる温度センサを別々に設ける必要がなくなり、コストダウンを図った流体判別装置を得ることができる。
【００７４】
請求項４記載の発明によれば、第１温度センサをヒータの両側に各々配置することにより、第１の値及び流速情報の感度を高くすることができる流体判別装置を得ることができる。
【００７５】
請求項５記載の発明によれば、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。このことに着目し、流体の流速が所定流速以上のとき、第１流体判別手段による流体判別を停止させることにより、流体判別が正確に行えない状態で第１流体判別手段が流体判別を行うことがなくなるので、より正確に、流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７６】
請求項６記載の発明によれば、流速情報と、略直交方向に配置されている第２温度センサとの出力に基づき、流体判別を行うことにより、劇的な圧力変化がなければ、流体が流れている状態であっても、流体判別を行うことができるようになるので、流体が流れている状態であっても流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７７】
請求項７記載の発明によれば、略直交方向における流路内の流体の流れにばらつきがあっても、略直交方向におけるヒータの両側に各々第２温度センサを配置して、その出力和に基づいて、流体判別を行うことにより、流体の流れのばらつきを相殺した出力和に基づいて、流体判別を行うことができるので、より正確に、流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【００７８】
請求項８記載の発明によれば、第２の値に基づいて、簡単に、流体判別を行うことができるようになる流体判別装置を得ることができる。
【００７９】
請求項９記載の発明によれば、第２の値を用いて、簡単に、所定流体とは異なる流体が流れていると判別することができる流体判別装置を得ることができる。
【００８０】
請求項１０記載の発明によれば、所定流速以上のとき、第１及び第２温度センサの出力は、圧力に依存する変化に加えて、流速によっても変化してしまうため、第１の値に基づいた、流体判別を正確に行えない。一方、第２の値に基づいた、流体判別は、劇的な圧力変化がない状態でないと正確に行えないので、より一層正確に流体判別を行うことができる流体判別装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体判別方法を実施した流体判別装置を構成するフローセンサの構成図である。
【図２】図１のフローセンサの断面図である。
【図３】図１のフローセンサ１を用いた流体判別装置の構成ブロック図である。
【図４】左右側サーモパイルＴＰ３及びＴＰ４の起電力和（ＶTP3＋ＶTP4）の圧力特性を示すグラフである。
【図５】上下流側サーモパイルＴＰ１及びＴＰ２の起電力和（ＶTP1＋ＶTP2）の圧力特性を示すグラフである。
【図６】第１の値｛（ＶTP1＋ＶTP2）×ｍ−（ＶTP3＋ＶTP4）×ｎ｝の圧力特性を示すグラフである。
【図７】Ｏ2が流れているときの第２の値｛（ＶTP2−ＶTP1）×Ｇ−（ＶTP3＋ＶTP4）×Ｔ｝の流速特性を示すグラフである。
【図８】図３の流体判別装置を構成するＣＰＵ４０ａの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
４ マイクロヒータ（ヒータ）
４０ａ ＣＰＵ（第１流体判別手段、第２流体判別手段、停止手段、流速検出手段）
ＴＰ１ 上流側サーモパイル（第１温度センサ）
ＴＰ２ 下流側サーモパイル（第１温度センサ）
ＴＰ３ 左側サーモパイル（第２温度センサ）
ＴＰ４ 右側サーモパイル（第２温度センサ）
Claims (11)
- 流路を流れる流体を加熱するヒータと、
前記流体の温度に応じた出力であり、かつ、圧力に対する出力の変化率が互いに異なる第１及び第２温度センサと、
前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行う第１流体判別手段と、を備え、
前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されている
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項１記載の流体判別装置であって、
前記第１流体判別手段は、前記第１の値が、所定流体に対応して予め定められた第１の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別する
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項１又は２記載の流体判別装置であって、
前記第１温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向に配置され、
前記第１温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値を流速情報として得て、該流速情報に基づき、流速を検出する流速検出手段をさらに
備えたことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項３記載の流体判別装置であって、
前記第１温度センサは、前記流体の流れ方向における前記ヒータの両側に各々配置され、
前記第１流体判別手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力和に前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、
前記流速検出手段は、前記両側に各々配置された第１温度センサの出力差を前記流速情報として、前記流速を求める
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項１〜４何れか１項記載の流体判別装置であって、
前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えた
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項３又は４記載の流体判別装置であって、
前記第２温度センサは、前記ヒータに対して前記流体の流れ方向と略垂直方向に配置され、
前記流速情報、及び、前記第２温度センサの出力に基づいて、前記流体判別を行う第２流体判別手段を
備えることを特徴とする流体判別装置。 - 請求項６記載の流体判別装置であって、
前記第２温度センサは、前記流体の流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に各々配置され、
第１流体判別手段は、前記第１所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力和に前記第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、前記流体判別を行い、
前記第２流体判別手段は、前記流速情報、及び、前記両側に各々配置された第２温度センサの出力和に基づいて、前記流体判別を行う
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項６又は７記載の流体判別装置であって、
前記第２流体判別手段は、前記流速情報に第３所定値を乗じて求めた値から、前記第２温度センサの出力、又は、当該出力に応じた値に第４所定値を乗じて求めた値を減じた第２の値に基づいて、前記流体判別を行う
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項８記載の流体判別装置であって、
前記第２流体判別手段は、前記第２の値が、当該第２の値が求められたときの流速で所定流体が流れている状態に対応して、予め定められた第２の基準範囲外であるとき、前記所定流体とは異なる流体が流れていると判別する
ことを特徴とする流体判別装置。 - 請求項６〜９何れか１項記載の流体判別装置であって、
前記流体の流速が所定流速以上のとき、前記第１流体判別手段による流体判別を停止させ、前記所定流速より小さいとき、前記第２流体判別手段による流体判別を停止させる停止手段をさらに備えた
ことを特徴とする流体判別装置。 - 第１温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第１所定値を乗じて求めた値から、第２温度センサのヒータにより加熱された流体の温度に応じた出力、又は、当該出力に応じた値に第２所定値を乗じて求めた値を差し引いた第１の値に基づいて、流体判別を行い、
前記第１所定値及び前記第２所定値は、前記流体の流れがない状態において、前記第１所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率と、前記第２所定値を乗じて求めた値の圧力に対する変化率とが等しくなるような値に設定されている
ことを特徴とする流体判別方法。
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