JP4316083B2 - 流体判別機能を有する熱式流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量検知技術に属するものであり、特に流体判別機能を有する熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、各種流体特に液体の流量（あるいは流速）を測定する流量計［流量センサー］（あるいは流速計［流速センサー］）としては、種々の形式のものが使用されているが、低価格化が容易であるという理由で、いわゆる熱式（特に傍熱型）の流量計が利用されている。
【０００３】
この傍熱型流量計としては、基板上に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層してなるセンサーチップを配管内の流体との間で熱伝達可能なように配置したものが使用されている。発熱体に通電することにより感温体を加熱し、該感温体の電気的特性例えば電気抵抗の値を変化させる。この電気抵抗値の変化（感温体の温度上昇に基づく）は、配管内を流れる流体の流量（流速）に応じて変化する。これは、発熱体の発熱量のうちの一部が流体中へと伝達され、この流体中へ拡散する熱量は流体の流量（流速）に応じて変化し、これに応じて感温体へと供給される熱量が変化して、該感温体の電気抵抗値が変化するからである。この感温体の電気抵抗値の変化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記感温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補償用の感温素子を組み込んでおき、流体の温度による流量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われている。
【０００４】
このような、薄膜素子を用いた傍熱型流量計に関しては、例えば、特開平１１−１１８５６６号公報に記載がある。この流量計においては、流体の流量に対応する電気的出力を得るためにブリッジ回路を含む電気回路（検知回路）を使用している。
【０００５】
以上のような流量計においては、流体の熱的性質が異なると、実際の流量が同一であっても検知回路の出力が異なるので、一般に、流量測定される流体の種類が既知であるものとして、その流体に関する検量線を用いて検知回路の出力を流体流量値に換算している。
【０００６】
しかるに、近年、流量測定される流体の供給源として流体を小分けした小分け供給源を用い、同種の流体について複数の小分け供給源を順次取り替えて流量測定を行うことがなされている。
【０００７】
例えば、高純度試薬の合成や医薬の合成や化学分析などにおいては、原材料流体や試薬流体が収容されている小型可搬式容器と反応装置や分析装置とを流体流通路により接続して、該流体流通路において流量測定を行いながら反応装置内へと原材料流体や試薬流体を供給することがなされることがある。原材料流体や試薬流体の補充の際には、空の可搬式容器に替えて原材料流体や試薬流体の充填された新たな可搬式容器を反応装置や分析装置と接続する。
【０００８】
また、生体に医療用薬液を注入する場合においても、携行が可能な量ごとに医療用薬液を小分けしてパックに詰め、この薬液パックと生体の例えば血管とを流体流通路により接続して、該流体流通路において流量測定を行いながら生体内へと薬液を注入することがなされる。薬液の補充の際には、空のパックに替えて薬液の充填された新たなパックを生体と接続する。
【０００９】
以上のような小分け供給源の使用は実際上の大きな利点を有するが、その反面、流体供給源の取り替えの際に過って所要の流体以外の流体を収容した供給源と接続する可能性がある。そのような場合に、そのことに気づかずに流体供給を行うと、所要の流体と実際に供給される流体との熱的性質の相違に基づき正確な流量測定ができなくなるばかりでなく、過った流体を供給することで製造や分析の不良や事故あるいは医療事故を引き起こす原因になる。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような過った流体の流通を避けるべく、簡単な構成で、流体が所要のものであるか否かの判別機能をもつ熱式流量計を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
発熱体と流量検知用感温体と流体流通路内へと延出せる導電性の流量検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流量検知用熱伝達部材を介しての前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の前記流体流通路内での流通に対応して前記流量検知用感温体の電気的特性値が変化する流量検知ユニット、及び、流体温度検知用感温体と前記流体流通路内へと延出せる導電性の流体温度検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の温度に対応して前記流体温度検知用感温体の電気的特性値が変化する流体温度検知ユニットを備えており、
前記流量検知用感温体の電気的特性値及び前記流体温度検知用感温体の電気的特性値に基づき前記流体の流量の検知を行い、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間の導電性の測定を行うことで前記流体の判別を行うようにしてなることを特徴とする熱式流量計、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記流体の判別は、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間を通って流れる電流が測定対象流体について予め設定された範囲内の値である場合には前記流体は前記測定対象流体であるとみなし、且つ前記予め設定された範囲以外の値である場合には前記流体は前記測定対象流体ではないと判定することにより行われる。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記流体の流量の検知は前記流量検知用感温体と前記流体温度検知用感温体とを含んでなる検知回路の出力と検量線とに基づき行われる。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記流量検知ユニットにおいて前記流量検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成しており、前記流体温度検知ユニットにおいて前記流体温度検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の流量計の一実施形態を示す模式的部分断面図である。図において、ケーシング部材２内には流体流通路３が形成されている。該ケーシング部材２は、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂などの合成樹脂製または金属製である。金属製の場合には、流体流通路３を形成する内面に絶縁膜を付与するのが好ましい。ケーシング部材２には流体流通路３に臨むようにして流量検知ユニット４及び流体温度検知ユニット６が取り付けられている。
【００１７】
流体は流体流通路３内を矢印の方向に流通する。即ち、ケーシング部材２には、図１中の左端において流体流通路３に連なる流体流入開口（図示されていない）が形成されており、ここには流体供給源側配管が接続される。また、ケーシング部材２には、図１中の右端において流体流通路３に連なる流体流出開口（図示されていない）が形成されており、ここには流体需要側配管が接続される。
【００１８】
図２及び図３は流量検知ユニット４の断面図である。流量検知ユニット４において、流量検知部４２が熱伝達部材たるフィンプレート４４の表面に熱伝導性良好な接合材４６により接合され、流量検知部４２の電極パッドと電極端子４８とがボンディングワイヤ５０により接続されており、流量検知部４２及びボンディングワイヤ５０並びにフィンプレート４４の一部及び電極端子４８の一部が合成樹脂製ハウジング５２内に収容されている。流量検知部４２は、例えばシリコンやアルミナなどからなる厚さ０．４ｍｍ程度で２ｍｍ角程度の矩形基板上に、薄膜感温体及び薄膜発熱体を互いに絶縁して形成したチップ状のものからなる。
【００１９】
フィンプレート４４は、良好な熱伝導性と共に導電性をも有しており、例えば銅、ジュラルミン、銅−タングステン合金などの金属からなる。
【００２０】
図３に示されているように、流量検知ユニット４において、流量検知用フィンプレート４４の一部が延在して電極端子４９を構成している。該電極端子４９は、流体判別のための回路を構成する接続線が接続されるものであり、これに対して、上記電極端子４８は、流量検知のための回路を構成する接続線が接続されるものである。尚、流体判別のための回路を構成する接続線と接続される電極端子４９は、流量検知用フィンプレート４４の一部を延在させて形成する代わりに、電極端子４８と同様に構成してボンディングワイヤにより流量検知用フィンプレート４４と接続してもよい（この場合、フィンプレート４４の一部にワイヤボンディングのための接続領域を突出させ形成しておくことができる）。
【００２１】
尚、流体温度検知ユニット６は、上記流量検知ユニット４における流量検知部４２の代わりに流体温度検知部を用いたものに相当する。流体温度検知ユニット６において、流量検知ユニット４のものと対応する部材は、同一の符号に「’」を付して示す。流体温度検知部は、流量検知部４２から薄膜発熱体を除去したと同様な構成を持つ。
【００２２】
流量検知ユニット４及び流体温度検知ユニット６のハウジング５２，５２’から突出せるフィンプレート４４，４４’の端部は、ケーシング部材２の流体流通路３内に延出している。フィンプレート４４，４４’は、ほぼ円形の断面を持つ流体流通路３内において、その断面内の中央を通って延在している。フィンプレート４４，４４’は、流体流通路３内における流体の流通方向に沿って配置されているので、流体流通に大きな影響を与えることなしに、流量検知部４２及び流体温度検知部４２’と流体との間で良好に熱を伝達することが可能である。
【００２３】
図４は、以上のような流量計の回路構成図である。
【００２４】
電源回路７２から供給される安定化直流は、ブリッジ回路（検知回路）７３に供給される。ブリッジ回路７３は、流量検知用感温体３１と温度補償用感温体３１’と抵抗体７４及び可変抵抗体７５とを含んでなる。ブリッジ回路７３のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂが増幅率可変の差動増幅回路７６に入力される。該差動増幅回路７６の出力は積分回路７７に入力される。
【００２５】
一方、電源回路７２の出力は、上記薄膜発熱体３３へ供給される電流を制御するための電界効果型トランジスタ８１を介して、薄膜発熱体３３へと供給される。即ち、流量検知部４２において、薄膜発熱体３３の発熱に基づき、フィンプレート４４を介して被検知流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温体３１による感温が実行される。そして、該感温の結果として、図４に示すブリッジ回路７３のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂの差が得られる。
【００２６】
（Ｖａ−Ｖｂ）の値は、流体の流量に応じて流量検知用感温体３１の温度が変化することで、変化する。予め可変抵抗体７５の抵抗値を適宜設定することで、基準となる所望の流体流量の場合において（Ｖａ−Ｖｂ）の値を零とすることができる。この基準流量では、差動増幅回路７６の出力は零であり、積分回路７７の出力が一定（基準流量に対応する値）となる。尚、積分回路７７の出力は、最小値が０Ｖとなるようにレベル調整がなされている。
【００２７】
積分回路７７の出力はＶ／Ｆ変換回路７８に入力され、ここで電圧信号に対応する周波数（例えば最大５×１０-5）のパルス信号が形成される。このパルス信号は、パルス幅（時間幅）が一定（例えば１〜１０マイクロ秒の所望値）である。例えば、積分回路７７の出力が１Ｖの場合には周波数０．５ｋＨｚのパルス信号を出力し、積分回路７７の出力が４Ｖの場合には周波数２ｋＨｚのパルス信号を出力する。
【００２８】
Ｖ／Ｆ変換回路７８の出力は、トランジスタ８１のゲートへと供給される。かくして、ゲートへとパルス信号が入力されたトランジスタ８１を介して薄膜発熱体３３に電流が流れる。従って、薄膜発熱体３３には、トランジスタを介して、電源回路７２の出力電圧の分圧が、積分回路７７の出力値に対応する周波数にてパルス状に印加され、該薄膜発熱体３３を電流が間欠的に流れる。これにより薄膜発熱体３３が発熱する。Ｖ／Ｆ変換回路７８の周波数は、基準周波数発生回路８０で温度補償型水晶振動子７９の発振に基づき設定される高精度クロックに基づき設定される。
【００２９】
そして、Ｖ／Ｆ変換回路７８から出力されるパルス信号は、パルスカウンター８２により計数される。マイクロコンピュータ８３は、基準周波数発生回路８０で発生される周波数を基準としてパルス計数した結果（パルス周波数）に基づき、対応する流量（瞬時流量）に換算し、該流量を時間に関して積算することで積算流量を算出する。
【００３０】
この流量への換算は、メモリ８４に予め記憶されている流量検知に係る所要の流体の検量線を用いて行われる。この検量線の一例を図５に示す。即ち、流体の各流量ごとにパルスカウンター８２から出力されるパルス周波数を測定することで得られたデータテーブルが、検量線としてメモリ８４に記憶されている。マイクロコンピュータ８３は、流量測定の際にパルスカウンター８２から出力されるパルス周波数に対応する検量線上の流量値を測定値として特定する。
【００３１】
以上のようにして得られた瞬時流量及び積算流量の値は、表示部２５により表示されると共に、電話回線その他のネットワークからなる通信回線を介して外部へと伝送される。また、所望により、瞬時流量や積算流量のデータをメモリ８４に記憶させておくことができる。
【００３２】
流体流量が増減すると、差動増幅回路７６の出力は（Ｖａ−Ｖｂ）の値に応じて極性（流量検知用感温体３１の抵抗−温度特性の正負により異なる）及び大きさが変化し、これに応じて積分回路７７の出力が変化する。積分回路７７の出力の変化の速さは差動増幅回路７６の増幅率設定により調節することができる。これら積分回路７７と差動増幅回路７６とにより、制御系の応答特性が設定される。
【００３３】
流体流量が増加した場合には、流量検知用感温体３１の温度が低下するので、薄膜発熱体３３の発熱量を増加させる（即ちパルス周波数を増加させる）ような積分回路７７の出力（より高い電圧値）が得られ、この積分回路出力が流体流量に対応した電圧となった時点で、ブリッジ回路７３が平衡状態となる。
【００３４】
他方、流体流量が減少した場合には、流量検知用感温体３１の温度が上昇するので、薄膜発熱体３３の発熱量を減少させる（即ちパルス周波数を減少させる）ような積分回路７７の出力（より低い電圧値）が得られ、この積分回路出力が流体流量に対応した電圧となった時点で、ブリッジ回路７３が平衡状態となる。
【００３５】
即ち、本実施形態の制御系では、ブリッジ回路７３が平衡状態となるように薄膜発熱体３３へと供給するパルス状電流の周波数（熱量に対応する）が設定され、このような平衡状態の実現（制御系の応答）は例えば０．１秒以内とすることが可能である。
【００３６】
また、他方において、電源回路７２の出力は高抵抗値（例えば１０ｋΩ程度）の抵抗体６２及び上記電極端子４９’を介して上記流体温度検知用フィンプレート４４’へと供給され、上記流量検知用フィンプレート４４は上記電極端子４９を介して接地されている。抵抗体６２の両端には電圧計６４が接続されている。該電圧計６４により測定される電圧は、流体流通路３内に流体が導入された時に２つのフィンプレート４４，４４’間で流体を通って流れる電流の大きさに対応し、これはフィンプレート４４，４４’間の流体の抵抗値に対応している。これらを含んで、流量検知用フィンプレート４４と流体温度検知用４４’との間の導電性測定のための回路が構成されている。
【００３７】
電圧計６４の出力はＡ／Ｄコンバータ６６を介して上記マイクロコンピュータ８３へと入力される。上記メモリ８４には、所要の測定対象流体について上記導電性測定回路により測定されるべき電圧計６４の出力値範囲（以下、「該当範囲」という）のデータが記憶されている。この該当範囲は、予め、所要の測定対象流体を流体流通路３内に導入し、導電性測定回路の電圧計６４の出力値を実測し、所要の検知誤差範囲を考慮して適宜設定することができる。一例を挙げれば、所要の測定対象流体が生理食塩水である場合において、該当範囲として３．２〜３．６Ｖを設定することが可能な導電性測定回路では、市水についての電圧計６４の出力値は０．８〜１．２Ｖであり、アルコールやアセトンについての電圧計６４の出力値は０．０５Ｖ以下であり、これら所要の測定対象流体でない流体が過って導入された場合には所要の測定対象流体との判別が可能である。
【００３８】
本実施形態においては、流体流量の検知に先立って、先ず、流量計の流体流通路３内にまで流体を導入した上で、流体の流通を停止した状態で流体流通路３内の流体の導電性（具体的には電圧計６４の出力電圧値）を測定する。そして、マイクロコンピュータ８３では、Ａ／Ｄコンバータ６６から入力される電圧値がメモリ８４に記憶されている該当範囲に属するか否か（即ち、該当範囲内であるか該当範囲外であるか）の判定を行う。この判定で電圧計６４の出力電圧値が該当範囲内であると判定された場合には、流体流通路３内に導入された流体は所定の測定対象流体であるとみなし、続いて流体流通路３内へと流体供給源から流体を供給し、上記のような流量検知を行いながら流体を流通させる。逆に、上記判定で電圧計６４の出力電圧値が該当範囲外であると判定された場合には、続いて流体流通路３内への流体供給源からの流体供給を行うことなく、表示部２５に警告表示をしたり、不図示の警報手段により警報音を発したりすることができる。
【００３９】
従って、本実施形態においては、流体供給源の取り替えの度に上記の流体判別を行うようにすることで、所要の測定対象流体のものと明らかに異なる導電性をもつ流体（これは明らかに所要の測定対象流体ではない）を過って流通させるのを防止することが可能となる。
【００４０】
また、以上の実施形態によれば、流量測定のためにＶ／Ｆ変換回路７８で作成されたパルス信号を用いており、このパルス信号は温度変化による誤差を十分に小さくすることが容易であるので、パルス周波数に基づき得られる流量値及び積算流量値の誤差を小さくすることが可能である。また、本実施形態では、薄膜発熱体３３への通電の制御は、Ｖ／Ｆ変換回路７８で作成されたパルス信号によるＯＮ−ＯＦＦによりなされるので、温度変化に基づく制御誤差の発生は極めて小さい。
【００４１】
また、本実施形態では、流量検知部として薄膜発熱体及び薄膜感温体を含む微小チップ状のものを用いているので、以上のような高速応答性が実現され、流量測定の精度を良好なものとすることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、被検知流体の流量の如何にかかわらず、薄膜発熱体３３の周囲の流量検知用感温体３１の温度がほぼ一定に維持されるので、流量センサーユニットの経時劣化が少なく、また可燃性の被検知流体の着火爆発の発生を防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量計によれば、流量検知に利用される流量検知用熱伝達部材と流体温度検知用熱伝達部材との間の流体の導電性の測定を行うことで流体の判別を行うようにしているので、簡単な構成で、所要の測定対象流体のものと導電性の明らかに異なる流体を過って流通させるのを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量計の一実施形態を示す模式的部分断面図である。
【図２】流量検知ユニットの断面図である。
【図３】流量検知ユニットの断面図である。
【図４】本発明の流量計の一実施形態の回路構成図である。
【図５】本発明の流量計における検量線の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
２ ケーシング部材
３ 流体流通路
４ 流量検知ユニット
６ 流体温度検知ユニット
２５ 表示部
３１ 流量検知用感温体
３１’ 温度補償用感温体
３３ 薄膜発熱体
４２ 流量検知部
４４，４４’ フィンプレート
４６ 接合材
４８，４８’ 電極端子
４９，４９’ 電極端子
５０ ボンディングワイヤ
５２，５２’ ハウジング
６２ 抵抗体
６４ 電圧計
６６ Ａ／Ｄコンバータ
７２ 電源回路
７３ ブリッジ回路（検知回路）
７４ 抵抗体
７５ 可変抵抗体
７６ 差動増幅回路
７７ 積分回路
７８ Ｖ／Ｆ変換回路
７９ 温度補償型水晶振動子
８０ 基準周波数発生回路
８１ 電界効果型トランジスタ
８２ パルスカウンター
８３ マイクロコンピュータ
８４ メモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量検知技術に属するものであり、特に流体判別機能を有する熱式流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、各種流体特に液体の流量（あるいは流速）を測定する流量計［流量センサー］（あるいは流速計［流速センサー］）としては、種々の形式のものが使用されているが、低価格化が容易であるという理由で、いわゆる熱式（特に傍熱型）の流量計が利用されている。
【０００３】
この傍熱型流量計としては、基板上に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層してなるセンサーチップを配管内の流体との間で熱伝達可能なように配置したものが使用されている。発熱体に通電することにより感温体を加熱し、該感温体の電気的特性例えば電気抵抗の値を変化させる。この電気抵抗値の変化（感温体の温度上昇に基づく）は、配管内を流れる流体の流量（流速）に応じて変化する。これは、発熱体の発熱量のうちの一部が流体中へと伝達され、この流体中へ拡散する熱量は流体の流量（流速）に応じて変化し、これに応じて感温体へと供給される熱量が変化して、該感温体の電気抵抗値が変化するからである。この感温体の電気抵抗値の変化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記感温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補償用の感温素子を組み込んでおき、流体の温度による流量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われている。
【０００４】
このような、薄膜素子を用いた傍熱型流量計に関しては、例えば、特開平１１−１１８５６６号公報に記載がある。この流量計においては、流体の流量に対応する電気的出力を得るためにブリッジ回路を含む電気回路（検知回路）を使用している。
【０００５】
以上のような流量計においては、流体の熱的性質が異なると、実際の流量が同一であっても検知回路の出力が異なるので、一般に、流量測定される流体の種類が既知であるものとして、その流体に関する検量線を用いて検知回路の出力を流体流量値に換算している。
【０００６】
しかるに、近年、流量測定される流体の供給源として流体を小分けした小分け供給源を用い、同種の流体について複数の小分け供給源を順次取り替えて流量測定を行うことがなされている。
【０００７】
例えば、高純度試薬の合成や医薬の合成や化学分析などにおいては、原材料流体や試薬流体が収容されている小型可搬式容器と反応装置や分析装置とを流体流通路により接続して、該流体流通路において流量測定を行いながら反応装置内へと原材料流体や試薬流体を供給することがなされることがある。原材料流体や試薬流体の補充の際には、空の可搬式容器に替えて原材料流体や試薬流体の充填された新たな可搬式容器を反応装置や分析装置と接続する。
【０００８】
また、生体に医療用薬液を注入する場合においても、携行が可能な量ごとに医療用薬液を小分けしてパックに詰め、この薬液パックと生体の例えば血管とを流体流通路により接続して、該流体流通路において流量測定を行いながら生体内へと薬液を注入することがなされる。薬液の補充の際には、空のパックに替えて薬液の充填された新たなパックを生体と接続する。
【０００９】
以上のような小分け供給源の使用は実際上の大きな利点を有するが、その反面、流体供給源の取り替えの際に過って所要の流体以外の流体を収容した供給源と接続する可能性がある。そのような場合に、そのことに気づかずに流体供給を行うと、所要の流体と実際に供給される流体との熱的性質の相違に基づき正確な流量測定ができなくなるばかりでなく、過った流体を供給することで製造や分析の不良や事故あるいは医療事故を引き起こす原因になる。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような過った流体の流通を避けるべく、簡単な構成で、流体が所要のものであるか否かの判別機能をもつ熱式流量計を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
発熱体と流量検知用感温体と流体流通路内へと延出せる導電性の流量検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流量検知用熱伝達部材を介しての前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の前記流体流通路内での流通に対応して前記流量検知用感温体の電気的特性値が変化する流量検知ユニット、及び、流体温度検知用感温体と前記流体流通路内へと延出せる導電性の流体温度検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の温度に対応して前記流体温度検知用感温体の電気的特性値が変化する流体温度検知ユニットを備えており、
前記流量検知用感温体の電気的特性値及び前記流体温度検知用感温体の電気的特性値に基づき前記流体の流量の検知を行い、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間の導電性の測定を行うことで前記流体の判別を行うようにしてなることを特徴とする熱式流量計、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記流体の判別は、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間を通って流れる電流が測定対象流体について予め設定された範囲内の値である場合には前記流体は前記測定対象流体であるとみなし、且つ前記予め設定された範囲以外の値である場合には前記流体は前記測定対象流体ではないと判定することにより行われる。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記流体の流量の検知は前記流量検知用感温体と前記流体温度検知用感温体とを含んでなる検知回路の出力と検量線とに基づき行われる。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記流量検知ユニットにおいて前記流量検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成しており、前記流体温度検知ユニットにおいて前記流体温度検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の流量計の一実施形態を示す模式的部分断面図である。図において、ケーシング部材２内には流体流通路３が形成されている。該ケーシング部材２は、例えばエポキシ樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂などの合成樹脂製または金属製である。金属製の場合には、流体流通路３を形成する内面に絶縁膜を付与するのが好ましい。ケーシング部材２には流体流通路３に臨むようにして流量検知ユニット４及び流体温度検知ユニット６が取り付けられている。
【００１７】
流体は流体流通路３内を矢印の方向に流通する。即ち、ケーシング部材２には、図１中の左端において流体流通路３に連なる流体流入開口（図示されていない）が形成されており、ここには流体供給源側配管が接続される。また、ケーシング部材２には、図１中の右端において流体流通路３に連なる流体流出開口（図示されていない）が形成されており、ここには流体需要側配管が接続される。
【００１８】
図２及び図３は流量検知ユニット４の断面図である。流量検知ユニット４において、流量検知部４２が熱伝達部材たるフィンプレート４４の表面に熱伝導性良好な接合材４６により接合され、流量検知部４２の電極パッドと電極端子４８とがボンディングワイヤ５０により接続されており、流量検知部４２及びボンディングワイヤ５０並びにフィンプレート４４の一部及び電極端子４８の一部が合成樹脂製ハウジング５２内に収容されている。流量検知部４２は、例えばシリコンやアルミナなどからなる厚さ０．４ｍｍ程度で２ｍｍ角程度の矩形基板上に、薄膜感温体及び薄膜発熱体を互いに絶縁して形成したチップ状のものからなる。
【００１９】
フィンプレート４４は、良好な熱伝導性と共に導電性をも有しており、例えば銅、ジュラルミン、銅−タングステン合金などの金属からなる。
【００２０】
図３に示されているように、流量検知ユニット４において、流量検知用フィンプレート４４の一部が延在して電極端子４９を構成している。該電極端子４９は、流体判別のための回路を構成する接続線が接続されるものであり、これに対して、上記電極端子４８は、流量検知のための回路を構成する接続線が接続されるものである。尚、流体判別のための回路を構成する接続線と接続される電極端子４９は、流量検知用フィンプレート４４の一部を延在させて形成する代わりに、電極端子４８と同様に構成してボンディングワイヤにより流量検知用フィンプレート４４と接続してもよい（この場合、フィンプレート４４の一部にワイヤボンディングのための接続領域を突出させ形成しておくことができる）。
【００２１】
尚、流体温度検知ユニット６は、上記流量検知ユニット４における流量検知部４２の代わりに流体温度検知部を用いたものに相当する。流体温度検知ユニット６において、流量検知ユニット４のものと対応する部材は、同一の符号に「’」を付して示す。流体温度検知部は、流量検知部４２から薄膜発熱体を除去したと同様な構成を持つ。
【００２２】
流量検知ユニット４及び流体温度検知ユニット６のハウジング５２，５２’から突出せるフィンプレート４４，４４’の端部は、ケーシング部材２の流体流通路３内に延出している。フィンプレート４４，４４’は、ほぼ円形の断面を持つ流体流通路３内において、その断面内の中央を通って延在している。フィンプレート４４，４４’は、流体流通路３内における流体の流通方向に沿って配置されているので、流体流通に大きな影響を与えることなしに、流量検知部４２及び流体温度検知部４２’と流体との間で良好に熱を伝達することが可能である。
【００２３】
図４は、以上のような流量計の回路構成図である。
【００２４】
電源回路７２から供給される安定化直流は、ブリッジ回路（検知回路）７３に供給される。ブリッジ回路７３は、流量検知用感温体３１と温度補償用感温体３１’と抵抗体７４及び可変抵抗体７５とを含んでなる。ブリッジ回路７３のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂが増幅率可変の差動増幅回路７６に入力される。該差動増幅回路７６の出力は積分回路７７に入力される。
【００２５】
一方、電源回路７２の出力は、上記薄膜発熱体３３へ供給される電流を制御するための電界効果型トランジスタ８１を介して、薄膜発熱体３３へと供給される。即ち、流量検知部４２において、薄膜発熱体３３の発熱に基づき、フィンプレート４４を介して被検知流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温体３１による感温が実行される。そして、該感温の結果として、図４に示すブリッジ回路７３のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂの差が得られる。
【００２６】
（Ｖａ−Ｖｂ）の値は、流体の流量に応じて流量検知用感温体３１の温度が変化することで、変化する。予め可変抵抗体７５の抵抗値を適宜設定することで、基準となる所望の流体流量の場合において（Ｖａ−Ｖｂ）の値を零とすることができる。この基準流量では、差動増幅回路７６の出力は零であり、積分回路７７の出力が一定（基準流量に対応する値）となる。尚、積分回路７７の出力は、最小値が０Ｖとなるようにレベル調整がなされている。
【００２７】
積分回路７７の出力はＶ／Ｆ変換回路７８に入力され、ここで電圧信号に対応する周波数（例えば最大５×１０-5）のパルス信号が形成される。このパルス信号は、パルス幅（時間幅）が一定（例えば１〜１０マイクロ秒の所望値）である。例えば、積分回路７７の出力が１Ｖの場合には周波数０．５ｋＨｚのパルス信号を出力し、積分回路７７の出力が４Ｖの場合には周波数２ｋＨｚのパルス信号を出力する。
【００２８】
Ｖ／Ｆ変換回路７８の出力は、トランジスタ８１のゲートへと供給される。かくして、ゲートへとパルス信号が入力されたトランジスタ８１を介して薄膜発熱体３３に電流が流れる。従って、薄膜発熱体３３には、トランジスタを介して、電源回路７２の出力電圧の分圧が、積分回路７７の出力値に対応する周波数にてパルス状に印加され、該薄膜発熱体３３を電流が間欠的に流れる。これにより薄膜発熱体３３が発熱する。Ｖ／Ｆ変換回路７８の周波数は、基準周波数発生回路８０で温度補償型水晶振動子７９の発振に基づき設定される高精度クロックに基づき設定される。
【００２９】
そして、Ｖ／Ｆ変換回路７８から出力されるパルス信号は、パルスカウンター８２により計数される。マイクロコンピュータ８３は、基準周波数発生回路８０で発生される周波数を基準としてパルス計数した結果（パルス周波数）に基づき、対応する流量（瞬時流量）に換算し、該流量を時間に関して積算することで積算流量を算出する。
【００３０】
この流量への換算は、メモリ８４に予め記憶されている流量検知に係る所要の流体の検量線を用いて行われる。この検量線の一例を図５に示す。即ち、流体の各流量ごとにパルスカウンター８２から出力されるパルス周波数を測定することで得られたデータテーブルが、検量線としてメモリ８４に記憶されている。マイクロコンピュータ８３は、流量測定の際にパルスカウンター８２から出力されるパルス周波数に対応する検量線上の流量値を測定値として特定する。
【００３１】
以上のようにして得られた瞬時流量及び積算流量の値は、表示部２５により表示されると共に、電話回線その他のネットワークからなる通信回線を介して外部へと伝送される。また、所望により、瞬時流量や積算流量のデータをメモリ８４に記憶させておくことができる。
【００３２】
流体流量が増減すると、差動増幅回路７６の出力は（Ｖａ−Ｖｂ）の値に応じて極性（流量検知用感温体３１の抵抗−温度特性の正負により異なる）及び大きさが変化し、これに応じて積分回路７７の出力が変化する。積分回路７７の出力の変化の速さは差動増幅回路７６の増幅率設定により調節することができる。これら積分回路７７と差動増幅回路７６とにより、制御系の応答特性が設定される。
【００３３】
流体流量が増加した場合には、流量検知用感温体３１の温度が低下するので、薄膜発熱体３３の発熱量を増加させる（即ちパルス周波数を増加させる）ような積分回路７７の出力（より高い電圧値）が得られ、この積分回路出力が流体流量に対応した電圧となった時点で、ブリッジ回路７３が平衡状態となる。
【００３４】
他方、流体流量が減少した場合には、流量検知用感温体３１の温度が上昇するので、薄膜発熱体３３の発熱量を減少させる（即ちパルス周波数を減少させる）ような積分回路７７の出力（より低い電圧値）が得られ、この積分回路出力が流体流量に対応した電圧となった時点で、ブリッジ回路７３が平衡状態となる。
【００３５】
即ち、本実施形態の制御系では、ブリッジ回路７３が平衡状態となるように薄膜発熱体３３へと供給するパルス状電流の周波数（熱量に対応する）が設定され、このような平衡状態の実現（制御系の応答）は例えば０．１秒以内とすることが可能である。
【００３６】
また、他方において、電源回路７２の出力は高抵抗値（例えば１０ｋΩ程度）の抵抗体６２及び上記電極端子４９’を介して上記流体温度検知用フィンプレート４４’へと供給され、上記流量検知用フィンプレート４４は上記電極端子４９を介して接地されている。抵抗体６２の両端には電圧計６４が接続されている。該電圧計６４により測定される電圧は、流体流通路３内に流体が導入された時に２つのフィンプレート４４，４４’間で流体を通って流れる電流の大きさに対応し、これはフィンプレート４４，４４’間の流体の抵抗値に対応している。これらを含んで、流量検知用フィンプレート４４と流体温度検知用４４’との間の導電性測定のための回路が構成されている。
【００３７】
電圧計６４の出力はＡ／Ｄコンバータ６６を介して上記マイクロコンピュータ８３へと入力される。上記メモリ８４には、所要の測定対象流体について上記導電性測定回路により測定されるべき電圧計６４の出力値範囲（以下、「該当範囲」という）のデータが記憶されている。この該当範囲は、予め、所要の測定対象流体を流体流通路３内に導入し、導電性測定回路の電圧計６４の出力値を実測し、所要の検知誤差範囲を考慮して適宜設定することができる。一例を挙げれば、所要の測定対象流体が生理食塩水である場合において、該当範囲として３．２〜３．６Ｖを設定することが可能な導電性測定回路では、市水についての電圧計６４の出力値は０．８〜１．２Ｖであり、アルコールやアセトンについての電圧計６４の出力値は０．０５Ｖ以下であり、これら所要の測定対象流体でない流体が過って導入された場合には所要の測定対象流体との判別が可能である。
【００３８】
本実施形態においては、流体流量の検知に先立って、先ず、流量計の流体流通路３内にまで流体を導入した上で、流体の流通を停止した状態で流体流通路３内の流体の導電性（具体的には電圧計６４の出力電圧値）を測定する。そして、マイクロコンピュータ８３では、Ａ／Ｄコンバータ６６から入力される電圧値がメモリ８４に記憶されている該当範囲に属するか否か（即ち、該当範囲内であるか該当範囲外であるか）の判定を行う。この判定で電圧計６４の出力電圧値が該当範囲内であると判定された場合には、流体流通路３内に導入された流体は所定の測定対象流体であるとみなし、続いて流体流通路３内へと流体供給源から流体を供給し、上記のような流量検知を行いながら流体を流通させる。逆に、上記判定で電圧計６４の出力電圧値が該当範囲外であると判定された場合には、続いて流体流通路３内への流体供給源からの流体供給を行うことなく、表示部２５に警告表示をしたり、不図示の警報手段により警報音を発したりすることができる。
【００３９】
従って、本実施形態においては、流体供給源の取り替えの度に上記の流体判別を行うようにすることで、所要の測定対象流体のものと明らかに異なる導電性をもつ流体（これは明らかに所要の測定対象流体ではない）を過って流通させるのを防止することが可能となる。
【００４０】
また、以上の実施形態によれば、流量測定のためにＶ／Ｆ変換回路７８で作成されたパルス信号を用いており、このパルス信号は温度変化による誤差を十分に小さくすることが容易であるので、パルス周波数に基づき得られる流量値及び積算流量値の誤差を小さくすることが可能である。また、本実施形態では、薄膜発熱体３３への通電の制御は、Ｖ／Ｆ変換回路７８で作成されたパルス信号によるＯＮ−ＯＦＦによりなされるので、温度変化に基づく制御誤差の発生は極めて小さい。
【００４１】
また、本実施形態では、流量検知部として薄膜発熱体及び薄膜感温体を含む微小チップ状のものを用いているので、以上のような高速応答性が実現され、流量測定の精度を良好なものとすることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、被検知流体の流量の如何にかかわらず、薄膜発熱体３３の周囲の流量検知用感温体３１の温度がほぼ一定に維持されるので、流量センサーユニットの経時劣化が少なく、また可燃性の被検知流体の着火爆発の発生を防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流量計によれば、流量検知に利用される流量検知用熱伝達部材と流体温度検知用熱伝達部材との間の流体の導電性の測定を行うことで流体の判別を行うようにしているので、簡単な構成で、所要の測定対象流体のものと導電性の明らかに異なる流体を過って流通させるのを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量計の一実施形態を示す模式的部分断面図である。
【図２】流量検知ユニットの断面図である。
【図３】流量検知ユニットの断面図である。
【図４】本発明の流量計の一実施形態の回路構成図である。
【図５】本発明の流量計における検量線の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
２ ケーシング部材
３ 流体流通路
４ 流量検知ユニット
６ 流体温度検知ユニット
２５ 表示部
３１ 流量検知用感温体
３１’ 温度補償用感温体
３３ 薄膜発熱体
４２ 流量検知部
４４，４４’ フィンプレート
４６ 接合材
４８，４８’ 電極端子
４９，４９’ 電極端子
５０ ボンディングワイヤ
５２，５２’ ハウジング
６２ 抵抗体
６４ 電圧計
６６ Ａ／Ｄコンバータ
７２ 電源回路
７３ ブリッジ回路（検知回路）
７４ 抵抗体
７５ 可変抵抗体
７６ 差動増幅回路
７７ 積分回路
７８ Ｖ／Ｆ変換回路
７９ 温度補償型水晶振動子
８０ 基準周波数発生回路
８１ 電界効果型トランジスタ
８２ パルスカウンター
８３ マイクロコンピュータ
８４ メモリ
Claims (4)
- 発熱体と流量検知用感温体と流体流通路内へと延出せる導電性の流量検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流量検知用熱伝達部材を介しての前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の前記流体流通路内での流通に対応して前記流量検知用感温体の電気的特性値が変化する流量検知ユニット、及び、流体温度検知用感温体と前記流体流通路内へと延出せる導電性の流体温度検知用熱伝達部材とを互いに熱伝達可能なように配置してなり、前記流体流通路内の流体との熱の授受により前記流体の温度に対応して前記流体温度検知用感温体の電気的特性値が変化する流体温度検知ユニットを備えており、
前記流量検知用感温体の電気的特性値及び前記流体温度検知用感温体の電気的特性値に基づき前記流体の流量の検知を行い、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間の導電性の測定を行うことで前記流体の判別を行うようにしてなることを特徴とする熱式流量計。 - 前記流体の判別は、前記流量検知用熱伝達部材と前記流体温度検知用熱伝達部材との間を通って流れる電流が測定対象流体について予め設定された範囲内の値である場合には前記流体は前記測定対象流体であるとみなし、且つ前記予め設定された範囲以外の値である場合には前記流体は前記測定対象流体ではないと判定することにより行われることを特徴とする、請求項１に記載の熱式流量計。
- 前記流体の流量の検知は前記流量検知用感温体と前記流体温度検知用感温体とを含んでなる検知回路の出力と検量線とに基づき行われることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の熱式流量計。
- 前記流量検知ユニットにおいて前記流量検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成しており、前記流体温度検知ユニットにおいて前記流体温度検知用熱伝達部材の一部が電極端子を構成していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の熱式流量計。
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