JP4368432B2

JP4368432B2 - 質量流量センサ並びにこれを用いるマスフローメータおよびマスフローコントローラ

Info

Publication number: JP4368432B2
Application number: JP34857397A
Authority: JP
Inventors: 則之木村; 泰弘笹井; 哲夫清水
Original assignee: Horiba Stec Co Ltd
Current assignee: Horiba Stec Co Ltd
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: JPH11160120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体の質量流量を計測するマスフローメータまたは流体の質量流量を計測し流体流量を制御するマスフローコントローラに用いられる質量流量センサ並びにこれを用いるマスフローメータおよびマスフローコントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来より一般的に用いられているマスフローメータを示すもので、この図において、１は本体ブロックで、その一端側には流体入口２が形成され、他端側には流体出口３が形成されるとともに、内部に流体入口２と流体出口３とを結ぶようにして流体流路４が形成してあり、この流体流路４には定流量特性を有するバイパス素子５が設けてあって、バイパス部６に構成されている。
【０００３】
７は本体ブロック１の上部に設けられるセンサ固定ベースである。このセンサ固定ベース７には、本体ブロック１内の流路４と連通路８を介して連通する孔９を備えたスリーブ１０が着脱自在に設けてある。１１はシール部材である。１２は質量流量センサで、スリーブ１０に対して抵抗溶接などの手法により接続され、センサ固定ベース７および本体ブロック１に垂直かつ逆Ｕ字状に立設された測定流路としての細管１３と、この細管１３の中央の水平部分１３ａの外周に巻設された２つの感熱抵抗体１４，１５とからなる。なお、感熱抵抗体１４，１５は、温度係数など感熱特性が互いに等しいものが選ばれる。
【０００４】
１６はセンサ固定ベース７の上面に抵抗溶接などによって設けられるハーメチック端子で、感熱抵抗体１４，１５は、ハーメチック端子１６のリードピンを介して図外のブリッジ回路に接続される。１７はセンサ部１２やハーメチック端子１６などを収納しこれらをカバーするためのセンサケースである。なお、本体ブロック１、スリーブ１０、細管１３などは、ステンレス、ニッケル、コバールなどの耐腐食性に優れた金属よりなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成のマスフローメータにおいては、通常、図６（Ａ）に示すように、２つの感熱抵抗体１４，１５の高さ位置が互いに等しい、質量流量センサ１２が水平な状態で取り付けられる。このような水平姿勢で設置された質量流量センサ１２においては、細管１３の２個の感熱抵抗体１４，１５が巻設された中央部分１３ａが水平になり、２つの感熱抵抗体１４，１５の間に位置的に上下関係がないので、これらの感熱抵抗体１４，１５の間で熱対流が生ずることはない。
【０００６】
しかしながら、配管系統の構成上あるいはマスフローメータの設置スペースなどの関係で、図６（Ｂ）に示すように、２つの感熱抵抗体１４，１５が巻設された細管１３の中央部分１３ａが垂直となるように、質量流量センサ１２を垂直姿勢の状態で設置しなければならないことがある。そのような場合、一方の感熱抵抗体１４が他方の感熱抵抗体１５よりも上位に位置することになり、細管１３の内部、外部の両方において熱対流が生ずる。この場合、細管１３の外部の熱対流についてはセンサ１２外部に断熱材を設けることにより、これを防止することができるが、細管１３の内部の熱対流によってセンサコイルとしての感熱抵抗体１４，１５が熱的に干渉しあい、ゼロ点が変化するため、流量の測定結果に誤差が生ずる。
【０００７】
上記細管１３内部の垂直姿勢取付け時の不都合に対して、細管１３の内径を小さくすることにより細管１３内を流れる流体の差圧を上げることが試みられているが、このようにしても、それほど測定誤差が低減することはできなかった。
【０００８】
なお、このような問題、すなわち、質量流量センサ１２の姿勢による影響は、マスフローメータに流体制御弁を付加した構成であるところのマスフローコントローラにおいても同様に生じているところである。
【０００９】
上述のような問題点を解決するため、例えば特開平７−２７５８２号公報（これは本願出願人に係る特許出願である）に示すように、センサコイルとしての感熱抵抗体１４，１５のほかに熱源として二つの感熱抵抗体を設けて、上記熱対流を低減してこれに起因する測定誤差をなくすることが試みられている。
【００１０】
上記公報の質量流量センサによれば、それ以前の質量流量センサに比べて、垂直姿勢取付け時の不都合についてかなりの点で解消することができるものの、熱源としての二つの感熱抵抗体においても流量検出を行っているために、周囲温度が変化したような場合、熱量の均一化が困難であるため、姿勢による流量検出誤差が生じることがあった。
【００１１】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、マスフローメータやマスフローコントローラの取付け姿勢の如何、並びに、周囲温度が変化しても流体の質量流量を精度よく検出することのできる質量流量センサ並びにこれを用いるマスフローメータおよびマスフローコントローラを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る質量流量センサは、マスフローメータまたはマスフローコントローラの本体ブロックに逆Ｕ字状に立設され、内部に流体が流れる測定流路である細管の一つの垂直部分に、センサコイルとして第１感熱抵抗体と第２感熱抵抗体とを互いに絶縁した状態で巻設し、前記一つの垂直部分の下流側に位置する他の垂直部分に、第３感熱抵抗体をヒータコイルとして巻設し、前記センサコイルおよびヒータコイルを互いに独立した駆動回路によって駆動し、前記センサコイルの流量検出部によって出力するようにし、また、前記ヒータコイルの駆動回路によって前記センサコイルと前記ヒータコイルの発熱量が等しくなるように、および、前記センサコイルにおける周囲温度変化に対して前記ヒータコイルの温度を変化させるように駆動するようにしている。
また、上記目的を達成するため、この発明に係るマスフローメータおよびマスフローコントローラは、本体ブロックと、この本体ブロックに逆Ｕ字状に立設され、内部に流体が流れる測定流路である細管の一つの垂直部分に、センサコイルとして第１感熱抵抗体と第２感熱抵抗体とを互いに絶縁した状態で巻設し、前記一つの垂直部分の下流側に位置する他の垂直部分に、第３感熱抵抗体をヒータコイルとして巻設した質量流量センサとを備え、前記センサコイルおよびヒータコイルを互いに独立した駆動回路によって駆動し、前記センサコイルの流量検出部によって出力するようにし、また、前記ヒータコイルの駆動回路によって前記センサコイルと前記ヒータコイルの発熱量が等しくなるように、および、前記センサコイルにおける周囲温度変化に対して前記ヒータコイルの温度を変化させるように駆動するようにしている。
【００１３】
上記駆動回路としては、定電流回路や定温度回路などがある。
【００１４】
上記質量流量センサにおいては、センサコイルとしての第１感熱抵抗体および第２感熱抵抗体において発生する熱を、ヒータコイルとしての第３感熱抵抗体において発生する熱がキャンセルするので、センサコイルにおいて熱対流が発生せず、マスフローメータまたはマスフローコントローラの取付け姿勢に起因するゼロ点シフトがなくなる。そして、ヒータコイルを駆動する回路がセンサコイルを駆動する回路とは独立して設けられているので、センサコイルにおける温度変化に対して、ヒータコイル側の温度を変化することができ、したがって、周囲温度が変化しても、姿勢による流量検出誤差が生じることない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の質量流量センサ２０を示すもので、この図において、１３ｂ，１３ｃは逆Ｕ字状の細管１３の水平部分１３ａの両側の垂直部分で、流体流入側の垂直部分１３ｂに、センサコイルとしての第１感熱抵抗体２１と第２感熱抵抗体２２とが互いに絶縁された状態で巻設されており、流体流出側の垂直部分１３ｃにヒータコイルとしての第３感熱抵抗体２３が巻設されている。なお、これらの感熱抵抗体２１〜２３は、温度係数など感熱特性が等しいものが用いられるとともに、センサコイル２１，２２のトータル巻き幅とヒータコイル２３の巻き幅とを等しくしてある。
【００１６】
そして、前記センサコイルとしての第１感熱抵抗体２１および第２感熱抵抗体２２と、ヒータコイルとしての第３感熱抵抗体２３とは、それぞれ別の駆動回路に接続されている。
【００１７】
図２（Ａ）は、第１感熱抵抗体２１および第２感熱抵抗体２２を含む流量検出部２４の一例を示している。この図に示す流量検出部２４は、定電流回路に構成されている。すなわち、第１感熱抵抗体２１と第２感熱抵抗体２２は、互いに直列に接続されるとともに、ブリッジ抵抗２５，２６とともにブリッジ回路２７を形成している。そして、２８〜３１はブリッジ回路２７における隣接する辺と辺との接続点で、ブリッジ回路２７の一つの対角線上にある接続点２８，３０は、トランジスタ３２、演算増幅器３３、基準電源３４、この電源３４の電圧を適宜分圧するための抵抗３５，３６よりなる定電流電源３７が接続されている。
【００１８】
より詳しくは、接続点２８は、トランジスタ３２のエミッタに接続され、接続点３０は、抵抗３８を介して接地されるとともに、演算増幅器３３の一方の入力端子に接続されている。そして、抵抗３５，３６の接続点３９は、演算増幅器３３の他方の入力端子に接続されている。また、演算増幅器３３の出力側は、トランジスタ３２のベースに接続されている。
【００１９】
そして、このブリッジ回路２７の接続点２９，３１は、増幅回路４０を介して端子４１に接続され、ブリッジ回路２７の出力は、端子４１と接地された端子４２との間に出力されるように構成されている。
【００２０】
また、図２（Ｂ）は、前記第３感熱抵抗体２３を含むヒータ部４３の一例を示している。この図に示すヒータ部４３も定電流回路に構成されている。すなわち、第３感熱抵抗体２３の両端には、トランジスタ４４、演算増幅器４５、基準電源４６、この電源４６の電圧を適宜分圧するための抵抗４７，４８，４９よりなる定電流電源５０が接続されている。
【００２１】
より詳しくは、第３感熱抵抗体２３の一端は、トランジスタ４４のエミッタに接続され、他端は抵抗５１を介して接地されるとともに、演算増幅器４５の一方の入力端子に接続されている。そして、演算増幅器４５の他方の入力端子は、抵抗４７，４９の間に介装される抵抗４８に対して可動接点５２を介して接続されている。また、演算増幅器４５の出力側はトランジスタ４４のベースに接続されている。
【００２２】
ところで、上記構成の質量流量センサにおいては、図３（Ａ）に示すように、細管１３の水平部分１３ａが垂直になるように、つまり、センサコイルとしての感熱抵抗体２１，２２を巻設した部分１３ｂを水平にした（ヒータコイルとしての感熱抵抗体２３を巻設した部分１３ｃも水平になっている）状態では、感熱抵抗体２１，２２において熱対流が発生しないから、この状態において流量検出部におけるゼロバランスを合わせる。
【００２３】
そして、図３（Ｂ）に示すように、前記部分１３ｂを垂直にする（前記部分１３ｃも垂直になっている）と、感熱抵抗体２３が発熱していない（ヒータオフ）とき、感熱抵抗体２１，２２において熱対流が発生し、流量検出部におけるゼロ点がずれる。
【００２４】
そこで、図３（Ｃ）に示すように、前記部分１３ｂを垂直にした状態（前記部分１３ｃも垂直になっている）で、流量検出部における出力がゼロになるように、感熱抵抗体２３を発熱させ（ヒータオン）、感熱抵抗体２１，２２側において発生する熱量Ｗｓと、感熱抵抗体２３において発生する熱量Ｗｈとが互いに等しくなるようにするのである。
【００２５】
上述のように、センサコイルである感熱抵抗体２１，２２側において発生する熱量Ｗｓと、ヒータコイルである感熱抵抗体２３において発生する熱量Ｗｈとが常に等しくなるようにそれぞれの駆動回路２４，４３を動作させるのである。このようにすることにより、前記熱量Ｗｓが熱量Ｗｈによって打ち消され、マスフローメータの取付け姿勢の如何にかかわらず、センサコイルである感熱抵抗体２１，２２において熱対流が生ずることがなくなる。
【００２６】
そして、上記構成においては、ヒータコイルとしての感熱抵抗体２３を駆動する回路４３がセンサコイルとしての感熱抵抗体２１，２２を駆動する回路２４とは独立して設けられているので、感熱抵抗体２１，２２における温度変化に対して、感熱抵抗体２３側の温度を変化することができ、したがって、周囲温度が変化しても、姿勢による流量検出誤差が生じることない。
【００２７】
上述の実施の形態においては、感熱抵抗体２１，２２および２３をそれぞれ駆動する回路として定電流回路を用いていたが、これに代えて、特公平４−４９８９３号公報や特公平５−２３６０５号公報に詳しく開示されるような定温度回路を用いるようにしてもよい。
【００２８】
すなわち、図４（Ａ）は、第１感熱抵抗体２１および第２感熱抵抗体２２を含む流量検出部５３の一例を示している。この図において、５４，５５は互いに並列的に設けられる定温度回路で、それぞれの定温度回路５４，５５は、第１感熱抵抗体２１および第２感熱抵抗体２２をそれぞれブリッジ構成要素として含むブリッジ回路５６，５７、トランジスタ５８，５９、演算増幅器６０，６１からなる。６２はブリッジ回路５６，５７の出力の差をとる増幅器で、６３，６４は出力端子である。なお、６５〜７０はブリッジ抵抗である。
【００２９】
また、図４（Ｂ）は、前記第３感熱抵抗体２３を含むヒータ部７１の一例を示している。この図に示すヒータ部７１も定温度回路に構成されている。すなわち、この定温度回路は、第３感熱抵抗体２３をブリッジ構成要素として含むブリッジ回路７２、トランジスタ７３、演算増幅器７４からなる。７５〜７７はブリッジ抵抗である。そして、第３感熱抵抗体２３の一端は、演算増幅器７４の一方の入力端子に接続され、他端は接地されている。そして、演算増幅器７４の他方の入力端子は、抵抗７６，７７の間に介装される抵抗７８に対して可動接点７９を介して接続されている。また、演算増幅器７４の出力側はトランジスタ７３のベースに接続されている。
【００３０】
この実施の形態における質量流量センサにおいても、上記実施の形態における質量流量センサと同様の作用効果を奏するので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明においては、センサコイルとしての感熱抵抗体とヒータコイルとしての感熱抵抗体とを互いに平行な位置関係に配置し、両コイルにおける発熱量が等しくなるようにしているので、センサコイルにおいて発生する熱対流が巧みにキャンセルされる。したがって、マスフローメータまたはマスフローコントローラの取付け姿勢に起因するゼロ点シフトがなくなる。
【００３２】
そして、前記センサコイルとヒータコイルを、互いに同種であるが互いに独立した回路によって駆動するようにしているので、周囲温度が変化しても、センサコイルにおける温度変化に対して、ヒータコイル側の温度を変化することができ、周囲温度が変化しても姿勢による流量検出誤差が生じることない。したがって、周囲温度や姿勢に影響されることなく常に精度の高い流量検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る質量流量センサの一構成例を示す図である。
【図２】前記質量流量センサを組み込んだ電気回路の一例を示す図である。
【図３】この発明の動作説明図である。
【図４】この発明に係る質量流量センサを組み込んだ電気回路の他の例を示す図である。
【図５】従来の質量流量センサを組み込んだマスフローメータを示す図である。
【図６】従来の質量流量センサの欠点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…本体ブロック、１３…細管、１３ｂ，１３ｃ…垂直部分、２０…質量流量センサ、２１…第１感熱抵抗体、２２…第２感熱抵抗体、２３…第３感熱抵抗体、３７，５０，５４，７１…駆動回路。

Claims

マスフローメータまたはマスフローコントローラの本体ブロックに逆Ｕ字状に立設され、内部に流体が流れる測定流路である細管の一つの垂直部分に、センサコイルとして第１感熱抵抗体と第２感熱抵抗体とを互いに絶縁した状態で巻設し、前記一つの垂直部分の下流側に位置する他の垂直部分に、第３感熱抵抗体をヒータコイルとして巻設し、前記センサコイルおよびヒータコイルを互いに独立した駆動回路によって駆動し、前記センサコイルの流量検出部によって出力するようにし、また、前記ヒータコイルの駆動回路によって前記センサコイルと前記ヒータコイルの発熱量が等しくなるように、および、前記センサコイルにおける周囲温度変化に対して前記ヒータコイルの温度を変化させるように駆動するようにしたことを特徴とする質量流量センサ。
本体ブロックと、この本体ブロックに逆Ｕ字状に立設され、内部に流体が流れる測定流路である細管の一つの垂直部分に、センサコイルとして第１感熱抵抗体と第２感熱抵抗体とを互いに絶縁した状態で巻設し、前記一つの垂直部分の下流側に位置する他の垂直部分に、第３感熱抵抗体をヒータコイルとして巻設した質量流量センサとを備え、前記センサコイルおよびヒータコイルを互いに独立した駆動回路によって駆動し、前記センサコイルの流量検出部によって出力するようにし、また、前記ヒータコイルの駆動回路によって前記センサコイルと前記ヒータコイルの発熱量が等しくなるように、および、前記センサコイルにおける周囲温度変化に対して前記ヒータコイルの温度を変化させるように駆動するようにしたことを特徴とするマスフローメータ。
本体ブロックと、この本体ブロックに逆Ｕ字状に立設され、内部に流体が流れる測定流路である細管の一つの垂直部分に、センサコイルとして第１感熱抵抗体と第２感熱抵抗体とを互いに絶縁した状態で巻設し、前記一つの垂直部分の下流側に位置する他の垂直部分に、第３感熱抵抗体をヒータコイルとして巻設した質量流量センサとを備え、前記センサコイルおよびヒータコイルを互いに独立した駆動回路によって駆動し、前記センサコイルの流量検出部によって出力するようにし、また、前記ヒータコイルの駆動回路によって前記センサコイルと前記ヒータコイルの発熱量が等しくなるように、および、前記センサコイルにおける周囲温度変化に対して前記ヒータコイルの温度を変化させるように駆動するようにしたことを特徴とするマスフローコントローラ。