JP4450958B2 - 熱式フローセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガス流量計、フローメータなどの分野に利用され、流体の流速を測定する熱式フローセンサおよび流速検出方法、流体の流量を測定する流量計、ならびに、これらに使用するテーブル作成方法および関係式作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱式フローサンサについては、例えば、特開平１１−２８７６８５号公報に開示されている。
【０００３】
図１４は、特開平１１−２８７６８５号公報にも開示されている従来の熱式フローセンサの回路図である。図１４において、符号Ｆ１はセンサ駆動部である。センサ駆動部Ｆ１の符号Ｒｓ１、Ｒｓ２は感温抵抗体である。この感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は流体の上流と下流に位置するように設置される。符号Ｉ１は電流源である。電流源Ｉ１とＲｓ１はａ点で接続される。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２はｂ点で接続される。符号Ｕ１は反転増幅器、符号Ｕ２はボルテージホロワである。反転増幅器Ｕ１のフィードバックループ中のｂ点、ｃ点に感温抵抗体Ｒｓ２が接続される。ボルテージホロワＵ２はａ点の電圧をｄ点に出力する。反転増幅器Ｕ１の出力はｅ点に出力する。符号Ｆ２は差電圧検出部である。差電圧検出部Ｆ２は、Ｒｓ１の端子電圧とＲｓ２の端子電圧の差をｇ点に出力する。符号Ｆ３は増幅部である。増幅部Ｆ３の符号Ａ１、Ａ２、Ａ３は増幅器である。これらは、それぞれｄ点、ｅ点、ｇ点の電圧を増幅して出力する。
【０００４】
上記の回路構成で、感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２の抵抗値は等しくする。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は大きな抵抗温度係数を持つものを用いる。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は流体温度に対し高い温度になるように熱せられる。これは、例えば、電流源Ｉ１による定電流でジュール熱を感温抵抗体Ｒｓ１、Ｒｓ２自体に生じさせることで熱するようにすることができる。また、例えば、熱源を他に設け、感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２が熱せられるようにしてもよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術のセンサ駆動部Ｆ１はｂ点を基準に動作する。すなわち、ｂ点は反転増幅器Ｕ１により仮想接地されている。単電源での動作の場合は、ｉ点の電圧をＧＮＤではなく、電源電圧の半分の電圧などにして回路を動作させることができる。
【０００６】
しかしながら、実際は感温抵抗体Ｒｓ１側には電流源Ｉ１が必要であるため、電流源Ｉ１を構成するために電圧の余裕が感温抵抗体Ｒｓ２側に比べ必要となる。ｂ点の電圧を中心に感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は動作し、その電源電圧側に電流源Ｉ１があるため、電流源Ｉ１は電源電圧に近い電圧範囲で動作させる必要がある。また、流体の温度や流速により、感温抵抗体Ｒｓ１の抵抗値は変化するため、ａ点の電圧は逐次変化する。そして、電流源Ｉ１を構成する場合、定電流ダイオードなどで直接に定電流を発生させるよりも、電圧−電流変換を行う方が温度特性の良いものを構成しやすい。定電圧源の方が製品の種類も多く温度特性の良いものを選択しやすいためである。
【０００７】
このような電圧−電流変換により定電圧を発生する場合、前記従来技術のように電池を電源に用い、電源電圧そのものが変化する構成とすると、ｂ点の電圧より高い電圧範囲が狭いため、電流の基準となる電圧を与えるのが困難になり、熱式フローサンサの設計の自由度が低く、回路設計が困難であるという不具合がある。
【０００８】
また、流体の温度が一定であれば、流体の流れがないときにおける２つの感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２の電圧差も一定であるが、流体の温度が変動すると、流体の流れがないときにおける２つの感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓの電圧差も変動するため、流体に流れが発生したのか、流体に流れは発生せず流体の温度が変化したのか区別がつかず、正確なゼロ流量を判断できないという不具合も生じる。
【０００９】
この発明の目的は、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることである。
【００１０】
この発明の目的は、感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、修正できるようにすることである。
【００１３】
この発明の目的は、前記修正を長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることができる回路構成で実現することである。
【００１５】
この発明の目的は、この場合に上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、両感温抵抗体の差電圧を検出できるようにすることである。
【００１６】
この発明の目的は、前記の場合に下流側感温抵抗体を定電流の供給側、上流側感温抵抗体を電圧固定側として、両感温抵抗体の差電圧を検出するための回路構成を簡易なものとすることである。
【００１７】
この発明の目的は、温度特性良く駆動用の定電流を発生させることである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、複数の抵抗が直列に接続され入力電圧を当該抵抗で分圧することで複数の大きさの電圧を出力可能な電圧源と、前記出力電圧を検出する検出手段と、この検出した電圧の大きさに応じて前記複数の電圧のうち一つを前記オフセット電圧として選択する選択手段と、この選択した電圧を前記加算器または減算器に出力させる制御手段と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００２１】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることもできる。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、を具備し、前記上流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、前記下流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、前記検出回路は、前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する反転増幅器と、前記固定された電圧を基準電圧として前記反転増幅器の出力電圧を非反転増幅する非反転増幅器と、前記固定電圧の前記非反転増幅器への入力をバッファリングする演算増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３３】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、固定電圧の非反転増幅器への入力をバッファリングして、両感温抵抗体の差電圧を検出することもできる。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、を具備し、前記下流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、前記上流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、前記検出回路は、前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する第１の反転増幅器と、前記固定された電圧を基準電圧として前記第１の反転増幅器の出力電圧を反転増幅する第２の反転増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３５】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、２つの反転増幅器を用いるだけで、流体の流速信号を取り出すことができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることもできる。
【００３６】
請求項４に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の直列接続がフィードバックループに接続され非反転入力端子に一定電圧が入力されて前記定電流を出力する演算増幅器を備え、前記両感温抵抗体の直列接続のうち一端側は前記演算増幅器の反転入力端子に他端側は前記演算増幅器の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３７】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、温度特性良く定電流を発生させることができる。
【００７０】
【発明の実施の形態】
［発明の実施の形態１］
この発明の一実施の形態を、発明の実施の形態１として説明する。
【００７１】
図１は、この発明の実施の形態１であるＬＰＧメータ１の回路図である。このＬＰＧメータ１は、この発明の流量計を実施するもので、流体（この例ではＬＰＧ）の低流量域を測定するための熱式フローセンサ２と、流体の高流量域を測定するためのフルイディック流量計３と、ＬＰＧメータ１で測定した流体の流量を表示するディスプレイ４と、ＬＰＧメータ１を集中的に制御するマイコン５とを備え、流体の流量を測定して表示する装置である。
【００７２】
熱式フローセンサ２の回路構成について説明する。上流側感温抵抗体Ｒｕ、下流側感温抵抗体Ｒｄは、それぞれ流体の上流側、下流側に配置され、自ら発するジュール熱により加熱される、大きな抵抗温度係数をもつ同一特性の感温抵抗体であり、Ｂ点で直列に接続されている。
【００７３】
演算増幅器Ｕ１は、そのフィードバックループに上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄの直列接続が接続され、非反転入力端子に一定電圧Ｖｇが入力されて、上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄに定電流Ｉ１を出力する。上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄの直列接続のうち、上流側感温抵抗体Ｒｕ側は演算増幅器Ｕ１の反転入力端子に下流側感温抵抗体Ｒｄ側は演算増幅器Ｕ１の出力端子にそれぞれ接続されている。
【００７４】
第１の反転増幅器である反転増幅器１１は、演算増幅器Ｕ２ならびに抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂからなり、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの接続点Ｂにおける電圧を基準電圧として、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続に対する入力電圧を反転増幅する。抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂは反転増幅器１１の増幅率を−１倍に調節するものである。第２の反転増幅器である反転増幅器１２は、演算増幅器Ｕ３ならびに抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂからなり、Ａ点の固定された電圧（後述）を基準電圧として、反転増幅器１１の出力電圧を反転増幅する。抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは反転増幅器１２の増幅率を調節するものである。反転増幅器１１および１２で検出回路を構成する。
【００７５】
両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続の一端、この例で下流側感温抵抗体Ｒｄ側端は演算増幅器Ｕ１の出力端子と接続されているが、他端、この例では上流側感温抵抗体Ｒｕ側端は、一端がＧＮＤに接続されている固定抵抗Ｒｉの他端と接続され、この抵抗Ｒｉの抵抗値が一定で演算増幅器Ｕ１から定電流が供給されることにより、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続における一端、この例では上流側感温抵抗体Ｒｕ側端の電圧を一定に固定している。
【００７６】
反転増幅器Ｕ１に与えられた電圧Ｖｇと抵抗Ｒｉにより決められる電流がＵ１のフィードバックループ中を流れる。この電流Ｉｈは、
Ｉｈ＝Ｖｇ／Ｒｉ
により定まる。
【００７７】
Ａ点の電圧は反転増幅器１１により反転増幅される。反転増幅器１１の基準電圧はＢ点の電圧となるので、下流側感温抵抗体Ｒｄの電圧がＢ点を基準に反転される。反転増幅器１１の出力はＡ点の電圧を基準電圧として反転増幅器１２により反転増幅される。この増幅率Ｇは，抵抗Ｒ２ａとＲ２ｂにより次のように決まる。
Ｇ＝−Ｒ２ｂ／Ｒ２ａ
【００７８】
Ａ点の電圧は演算増幅器Ｕ１の仮想接地効果によりＶｇと同電圧となる。反転増幅器１２の出力Ｖｄｕは、上流側感温抵抗体Ｒｕの端子電圧をＶｕ、下流側感温抵抗体Ｒｄの端子電圧をＶｄとして、
Ｖｄｕ＝Ｇ（Ｖｄ−Ｖｕ）＋Ｖｇ
となる。
【００７９】
流体に流れが無ければ、端子電圧ＶｄとＶｕは等しいため、出力ＶｄｕはＶｇとなる。電圧Ｖｇは演算増幅器Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が動作可能な電圧以上に設定する。通常のオペアンプは電源電圧近傍の入力電圧では動作せず、トランジスタ１個分の０．７程度の余裕を電源電圧側にとる必要がある。
【００８０】
このＬＰＧメータ１を単電源で動作させることを考えると、電圧ＶｇはＧＮＤから０．７Ｖ以上の電圧にすることが望ましい。しかし、入力電圧範囲を電源電圧範囲までに広げた演算増幅器もあるため、０．７Ｖ以下にする選択も可能である。また、流体の流速によって反転増幅器Ｕ２の出力は電圧Ｖｇより小さい値となる。その小さくなる大きさは“Ｖｄ−Ｖｕ”で決まる。よって、少なくとも“Ｖｇ−（Ｖｄ−Ｖｕ）”の最小電圧（最大流速のとき）が演算増幅器の動作入力電圧範囲に入るように、電圧Ｖｇを決定する。
【００８１】
以上のような構成とすることで、両感温抵抗体ＲｕとＲｄに電力を供給して駆動する回路中で現れる最大の電圧はＣ点の電圧であり、最小の電圧はＧＮＤとなる。よって、Ｃ点の電圧以上の電圧を電源とすれば、単電源動作が可能となる。
【００８２】
流体の流速がゼロで流体の温度が予測しうる最大値の場合に、両感温抵抗体Ｒｕ、Ｒｄの抵抗値は最大値となる。このときＣ点の電圧は最大となる。よって、回路で必要な動作電圧の最大値がはっきりと決定できる。そのため、より効率的な電源を用いることが可能となる。
【００８３】
また、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの直列接続における低い方の端子電圧であるＡ点の電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの接続点Ｂ点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの接続点Ｂより高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサ２の設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。
【００８４】
さらに、２段の反転増幅器１１，１２を用いるだけで、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの電圧差を反転増幅器１２の出力として取り出して、流体の流速信号とすることができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることができる。
【００８５】
ところで、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄがまったく同じ特性で抵抗値も等しい場合、流体の流れがない状態での出力Ｖｄｕは、電圧Ｖｇと等しい。つまり、流速信号にとって電圧Ｖｇは仮想的なＧＮＤと考えることができる。しかし、実際の感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄにはばらつきがあり、まったく等しい特性のものを２つ用意することは困難である。
【００８６】
両感温抵抗体ＲｕとＲｄの特性に違いがある場合、特に抵抗値に違いがある場合は、流体の流れがない状態において出力Ｖｄｕは電圧Ｖｇと等しくならない。下流側感温抵抗体Ｒｄの抵抗値が上流側感温抵抗体Ｒｕに比べ小さいと、流体の流れが無い時の出力Ｖｄｕの電圧は電圧Ｖｇより小さくなる。また、逆に下流側感温抵抗体Ｒｄの抵抗値がＲｕに比べ大きいと、出力Ｖｄｕの電圧はＶｇより大きくなる。
【００８７】
電池などを電源にした低電圧動作をさせたい電子機器の場合、使用できる電圧範囲を有効に使用することが望ましい。ばらつきによる出力電圧の違いがある場合、ばらつきに対する余裕分を広く取る必要が生じ、流速信号分の電圧範囲を狭くしなくてはならない。これは流速信号の精度を悪化させる。このようなことを避けるには、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの特性を揃えるよう選別する必要がある。このような選別には費用がかかり、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの製造歩留まりなどを悪化させる。
【００８８】
そこで、このＬＰＧメータ１では、加算器１３を設けている。ここの加算器１３は、演算増幅器Ｕ４および抵抗Ｒ３ａ，Ｒ３ｂならびにＲ３ｃからなり、出力Ｖｄｕと所定値のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算した電圧Ｖｄｕ０を出力して、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの抵抗値のばらつきによる出力Ｖｄｕの電圧Ｖｇからのずれを修正する。これにより、余裕分に必要となる電圧を吸収し、次段の装置への出力Ｖｄｕ０での流速信号成分を、より広い電圧範囲で出力することが可能となる。すなわち、オフセット電圧Ｖｏｆｆは、出力Ｖｄｕ０の出力が電圧Ｖｇと等しくなるような大きさに設定する。
【００８９】
オフセット電圧Ｖｏｆｆの大きさは、半固定抵抗１４により調整可能としている。すなわち、実際の製作工程では、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄのばらつきの他に、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ｂなどの抵抗のばらつきや、演算増幅器Ｕ２，Ｕ３自体のばらつきも存在する。このようなばらつきを含めると、オフセット電圧Ｖｏｆｆの決定は、使用する両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄと使用するその他の電子部品の組み合わせが決定された後であることが望ましい。そこで、実際に使用する電子部品が組み付けられた状態において、オフセット電圧Ｖｏｆｆの大きさを半固定抵抗１４で変更できるようにして、簡単な回路構成で、オフセット電圧Ｖｏｆｆを個々のＬＰＧメータ１ごとに決定できるようにしている。なお、出力Ｖｄｕの値をオフセット電圧Ｖｏｆｆ分下げて出力Ｖｄｕ０とする場合などには、加算器１３に代えて減算器を用いてもよい。
【００９０】
熱式フローセンサ２は、両感温抵抗体ＲｕとＲｄとは別に、流体の両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの発する熱の影響を受けにくい位置に配置される、抵抗温度係数の高い抵抗である測温抵抗体Ｒｆを備えている。この測温抵抗体Ｒｆは、一端がＧＮＤに接続され、他端からは所定の電流源Ｉ２により発熱しないような微弱な定電流を供給される。この測温抵抗体Ｒｆの端子電圧Ｖｆは流体の温度を検出する信号となるので、測温抵抗体Ｒｆは流体の温度を検出する温度センサとなる。
【００９１】
熱式フローセンサ２から出力された流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆから最終的に流速信号Ｖｄｕ０ｚ（後述）を得るまでの処理はマイコン５により実行されるので、かかる処理の流れを、温度補償手段を実現する図２のフローチャートを参照して説明する。
【００９２】
まず、マイコン５（のＣＰＵ）は、両感温抵抗体Ｒｄ，Ｒｕに定電流の供給を開始する（ステップＳ１）。これにより供給工程を実現している。そして、流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆの値を取り込む（ステップＳ２）。これにより検出工程を実現している。次に、マイコン５は、テーブル記憶手段を実現するそのＲＯＭ（またはＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリ）に格納されているテーブル１５（図３参照）をルックアップする。このテーブル１５には、温度検出信号Ｖｆの値（流体温度）に、流体に流れがない状態での流速信号Ｖｄｕ０の補正値Ｖｄｕ０ｔが対応付けられて格納されている。補正値Ｖｄｕ０ｔは、流体の流速が０の状態で、様々な大きさの温度検出信号Ｖｆが検出されたときの、流速信号Ｖｄｕ０の検出値である。そして、テーブル１５上で実際に観測された温度検出信号Ｖｆの値に最も近い温度検出信号Ｖｆに対応した補正値Ｖｄｕ０ｔを読み取る（ステップＳ３）。これによりテーブルルックアップ手段を実現している。テーブル１５で参照した補正値Ｖｄｕ０ｔと実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値を比較することで、流体の流速がゼロであるか否かを判断することができる。
【００９３】
すなわち、テーブル１５から参照した補正値Ｖｄｕ０ｔを実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値から減算すると（ステップＳ４）、流速信号Ｖｄｕ０ｚを得る。これにより補正手段を実現している。流速信号Ｖｄｕ０ｚは流体の温度変化分を考慮した温度補償後の流速信号を示すものであり、温度補償がされた正確な流速信号となる。ステップＳ２により温度測定工程を実現し、ステップＳ３，Ｓ４により温度補償工程を実現している。
【００９４】
前記の処理で使用したテーブル１５の作成は次のように行う。すなわち、温度補償手段を実現した図４のフローチャートに示すように、熱式フローセンサ２を異なる複数の温度下において、流体の流量がゼロの状態で、各温度での温度信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０とを測定する（ステップＳ１１）。これにより測定工程を実現している。例えば、想定する流体の温度範囲が０℃〜５０℃だとしたら、流速ゼロの状態で、流体の温度を０℃、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃と変化させ（この温度間隔は様々に選択することができる）、温度信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を取得する。そして、このようにして得られた各温度信号Ｖｆと各補正値Ｖｄｕ０ｔとを対応付けて各温度信号Ｖｆと各補正値Ｖｄｕ０ｔとを対応付けて格納したテーブルであるテーブル１５を作成する（ステップＳ１２）。これによりテーブル作成工程を実現している。
【００９５】
前記の処理では、テーブル１５を用いて温度補償を行ったが、温度補償は、テーブル１５のルックアップに代えて、次のように所定の関係式を用いた演算で行ってもよい。
【００９６】
すなわち、流体に流れがない状態での流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆとの関係は、下式（１）のような１次式で表すことができる。
【００９７】
Ｖｄｕ０ｆ＝Ａ×Ｖｆ＋Ｂ …… （１）
この１次式において、Ａ、Ｂは１次式の係数であり、補正値Ｖｄｕ０ｆは温度検出信号Ｖｆの示す温度に相当する流体の流量がゼロのときにおける流速信号Ｖｄｕ０の値である。補正値Ｖｄｕ０ｆの値と実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値を比較することで、流体の流速がゼロであるか否か検討することができる。
【００９８】
次に、（１）式を用いて、熱式フローセンサ２から出力される流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆから最終的に流速信号Ｖｄｕ０ｚを得るまでのマイコン５による処理を、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００９９】
まず、両感温抵抗体Ｒｄ，Ｒｕに定電流の供給を開始する（ステップＳ２１）。これにより供給工程を実現している。マイコン５（のＣＰＵ）は、流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆの値を取り込む（ステップＳ２２）。これにより検出工程を実現している。次に、マイコン５は、検出した温度検出信号Ｖｆを（１）式に代入して、補正値Ｖｄｕ０ｆを求める（ステップＳ２３）。これにより補正値演算手段を実現する。そして、補正値Ｖｄｕ０ｆを実際に観測された流速信号Ｖｄｕ０の値から減算して、温度補償がなされた流速信号Ｖｄｕ０ｚを得る（ステップＳ２４）。これにより補正手段を実現する。流速信号Ｖｄｕ０ｚは流体の温度変化による流速信号Ｖｄｕ０の変化分が差し引かれることになり、流速信号Ｖｄｕ０ｚを用いることでより正確なゼロ流量を算出することができる。ステップＳ２３により温度測定工程を実現し、ステップＳ２３，Ｓ２４により温度補償工程を実現している。
【０１００】
（１）式の１次式は、図６のフローチャートのような工程で求める。すなわち、熱式フローセンサ２を異なる複数の温度下において、流体の流量がゼロの状態で、各温度での温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０とを測定する（ステップＳ３１）。これにより測定工程を実現している。例えば、想定する流体の温度範囲が０℃〜５０℃だとしたら、流速ゼロの状態で、流体の温度を少なくとも２つ、例えば０℃、５０℃と変化させ（この温度間隔は様々に選択することができる）、温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を取得する。そして、各温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０との値から、グラフの作成などによって（１）式の１次式を作成する（ステップＳ３２）。これにより関係式作成工程を実現している。
【０１０１】
また、前記（１）式に代えて、温度検出信号Ｖｆの変化率Ｖｆｒと流速信号Ｖｄｕ０の変化率Ｖｄｕ０ｒの関係を示す１次式である（２）式を用いて、温度補償を行うようにしてもよい。
【０１０２】
Ｖｄｕ０ｒ＝Ａ×Ｖｆｒ …… （２）
この（２）式は、図７に示すフローチャートのような工程で求めることができる。すなわち、ある基準温度と他の異なる温度との少なくとも２つの温度で、流体の流量ゼロの状態での温度検出信号Ｖｆと、流速信号Ｖｄｕ０とを検出する（ステップＳ４１）。これにより測定工程を実現している。
【０１０３】
そして、流体温度に相当する温度検出信号Ｖｆの値を基準温度での温度検出信号Ｖｆ０を基準とした変化率Ｖｆｒで表す（ステップＳ４２）。例えば、変化率Ｖｆｒは、
Ｖｆｒ＝Ｖｆ／Ｖｆ０−１ …… （３）
と求める。
【０１０４】
そして、温度検出信号Ｖｆ０と同じく、基準温度で流体の流量ゼロである際の流速信号Ｖｄｕ００を基準とした流速信号Ｖｄｕ０の値を変化率Ｖｄｕ０ｒで表す（ステップＳ４２）。これは、例えば、
Ｖｄｕ０ｒ＝Ｖｄｕ０／Ｖｄｕ００−１ …… （４）
と求める。
【０１０５】
そして、変化率Ｖｆｒと、変化率Ｖｄｕ０ｒとの関係式となる１次式を求める（ステップＳ４３）。これは、例えば、
Ｖｄｕ０ｒ＝Ａ×Ｖｆｒ＋Ｂ
となるＡ，Ｂを決定することで求まる。Ａ，Ｂは図６の工程のように、少なくとも２つの温度における流体の流量ゼロでの温度検出信号Ｖｆ、流速信号Ｖｄｕ０の値を求め、決定することができる。ここで、Ｖｄｕ０ｒとＶｆｒの値は変化率で表してあるため、基準温度ではともにゼロとなる。よって１次式の前記定数Ｂはゼロであり、省くことができる。したがって、（２）式が得られる。ステップＳ４２，Ｓ４３により関係式作成工程を実現している。
【０１０６】
そして、（２）〜（４）式を用い、温度補償をともなった流体の流速測定は、マイコンにより、温度補償手段を実現する図８に示すフローチャートのような処理で行う。すなわち、流速信号Ｖｄｕ０、温度検出信号Ｖｆを取込み（ステップＳ５１）、この流速信号Ｖｄｕ０、温度検出信号Ｖｆから、変化率Ｖｄｕ０ｒ、Ｖｆｒを求める（Ｖｆ０，Ｖｄｕ００の値は予め用意されている）（ステップＳ５２）。
【０１０７】
そして、求めた変化率Ｖｆｒを（２）式の１次式に代入して、流体の流量がゼロのときの流速信号Ｖｄｕ０の補正値Ｖｄｕ０ｆを算出する（ステップＳ５３）。これにより補正値演算手段を実現している。すなわち、
Ｖｄｕ０ｆ＝Ａ×Ｖｆｒ
である。そして、変化率Ｖｄｕ０ｒから変化率Ｖｄｕ０ｆを減算することにより、温度補償後の流速信号Ｖｄｕ０ｚが求められる（ステップＳ５４）。これにより補正手段を実現している。すなわち、
Ｖｄｕ０ｚ＝Ｖｄｕ０ｒ−Ｖｄｕ０ｆ
である。これにより、流速信号Ｖｄｕ０ｚは温度による変化率Ｖｄｕ０ｒの変化分を取り除くことができ、より正確な流速ゼロの状態を検出することができる。ステップＳ５１により温度測定工程を実現し、ステップＳ５２〜Ｓ５４から温度補償工程を実現している。
【０１０８】
なお、（１）（２）式の１次式の定数Ａ，Ｂを求める際には、最小二乗法を用いる。すなわち、図６、図７の工程では、２つの温度での温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０によりＡ，Ｂを決定している。これは１次式の２点を得て、１次式を決定することであり、係数Ａ，Ｂは一意に決定できる。しかし、より正確な流速ゼロの際の温度変動を決定するため、観測する温度の数を増やし、３点以上の温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を得た場合などは、一意に1次式を求めることはできない。このようなときは、ステップＳ２２，Ｓ４３で、観測した温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０を用い、それぞれ測定点の誤差が最小となるよう最小二乗法により１次式を決定する。
【０１０９】
以上のようにして、マイコン５は、熱式フローセンサ２から流速信号Ｖｄｕ０ｚを得ることができる。また、周知の構成のフルイディック流量計３からも流体の流速信号を得ることができる。熱式フローセンサ２、フルイディック流量計３のそれぞれから得られた流速信号は、マイコン５で流体の流量を示す信号に変換される。これにより第１、第２の流量変換手段を実現している。この２つの流量信号は、選択的にディスプレイ４に出力されて、流体の流量がディスプレイ４に表示される。この流量信号の使い分けは、流体の流速が高流速域にあるときはフルイディック流量計３を用いて計測した流量信号を用い、流体の流速が低流速域にあるときは熱式フローセンサ２を用いて計測した流量信号を用いるように行う。これにより選択手段を実現している。その場合の、流体の流速が高流速域にあるか、低流速域にあるかの判断は、例えば、フルイディック流量計３を用いて計測した流量信号により判断すればよい。
【０１１０】
なお、図１では、高流速域を熱式フローセンサ２で、低流速域をフルイディック流量計３で測定して、流体の流量を測定する構成であるＬＰＧメータ１を示したが、フルイディック流量計３を設けず、高流速域から低流速域までをすべて熱式フローセンサ２で検出する構成としてもよい。
【０１１１】
［発明の実施の形態２］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態２として説明する。
【０１１２】
図９は、この発明の実施の形態２であるＬＰＧメータ１の回路図である。図９において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図９に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１３】
図９のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、図１の構成では、上流側感温抵抗体Ｒｕは下流側感温抵抗体ＲｄよりＧＮＤ側に配置されているが、これは、この図９の構成のように入れ替えて構成することもできる。この場合、扱う電圧の方向を逆向きにすればよい。具体的には図１の反転増幅器１２の増幅率を正になるよう回路を変更し、非反転増幅器を構成すればよい。具体的には、図９に示すように、反転増幅器１２に代えて、演算増幅器Ｕ３ｂならびに抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂからなる非反転増幅器１６を介装する構成が考えられる。
【０１１４】
しかしながら、この回路構成だと、演算増幅器Ｕ３ｂの反転入力端子側のインピーダンスが低くなり、直接Ａ点と接続できなくなる。そのため、演算増幅器Ｕ３ａをＡ点と演算増幅器Ｕ３ｂの反転入力端子との間にバッファとして介装する必要がある。そのため、電子部品の点数を削減して製造コストを削減するためには、発明の実施の形態１のように上流側感温抵抗体Ｒｕは下流側感温抵抗体ＲｄよりＧＮＤ側に配置するのがよい。
【０１１５】
［発明の実施の形態３］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態３として説明する。
【０１１６】
図１０は、この発明の実施の形態３であるＬＰＧメータ１の回路図である。図１０において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図１０に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１７】
図１０のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、半固定抵抗１４に代えてＤ／Ａコンバータ１７が用意されていて、このＤ／Ａコンバータ１７が加算器１３にオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力する。すなわち、マイコン５が流速信号Ｖｄｕ０の大きさが最適なものとなるように、適切な大きさのオフセット電圧Ｖｏｆｆのデジタル信号をＤ／Ａコンバータ１７に出力する。Ｄ／Ａコンバータ１７は、このデジタル信号をＤ／Ａ変換して、アナログのオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力する。
【０１１８】
マイコン５の具体的な処理は図１１のフローチャートに示すようになる。まず、マイコン５は、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算されていない流速信号Ｖｄｕ０を取り込み（ステップＳ６１）、流速信号Ｖｄｕ０が最適な値となるようなオフセット電圧Ｖｏｆｆの値を求めて（ステップＳ６２）、そのオフセット電圧Ｖｏｆｆのデジタル信号をＤ／Ａコンバータ１７に出力する（ステップＳ６３）。ステップＳ６１により検出手段を、ステップＳ６２により演算手段を、Ｓ６３により制御手段を実現している。
【０１１９】
Ｄ／Ａコンバータ１７を用いることで、半固定抵抗を用いる発明の実施の形態１の場合に比べて長期間安定した動作が可能となる。
【０１２０】
［発明の実施の形態４］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態４として説明する。
【０１２１】
図１２は、この発明の実施の形態４であるＬＰＧメータ１の回路図である。図１２において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図１２に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２２】
図１２のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、半固定抵抗１４に代えて直列に接続された複数の抵抗、例えば抵抗Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃが介装されている。この抵抗Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃによりオフセット電圧Ｖｏｆｆを分圧し、これらの抵抗の１つ分、２つ分または３つ分の端子電圧を、スイッチ１８の切り換えにより選択的に加算器１３に出力することができる。これにより、電圧源を構成し、加算器１３に段階的に異なる大きさのオフセット電圧Ｖｏｆｆを供給することが可能となる。マイコン５は、流速信号Ｖｄｕ０の大きさが最適なものとなるように、スイッチ１８の切り換えによりオフセット電圧Ｖｏｆｆを選択する。スイッチ１８に代えてジャンパー線を用いてもよい。
【０１２３】
マイコン５の具体的な処理は次のようになる。まず、マイコン５は、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算されていない流速信号Ｖｄｕ０を取り込み（ステップＳ７１）、流速信号Ｖｄｕ０が最も適切な値となるようなオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力できるスイッチ１８の切り換えを判断して（ステップＳ７２）、その切り換えになるように、スイッチ１８に制御信号を出力する（ステップＳ７３）。ステップＳ７１により検出手段を、ステップＳ７２により選択手段を、ステップＳ７３により制御手段を実現している。
【０１２４】
この例では、最適なオフセット電圧Ｖｏｆｆの精緻な選択をすることができず、ばらつきに対する余裕を広く取る必要が生じるかもしれないが、発明の実施の形態１のように半固定抵抗を用いる場合や、発明の実施の形態３のようにＤ／Ａコンバータを使う場合に比べて、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることもできる。
【０１３１】
請求項２に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、固定電圧の非反転増幅器への入力をバッファリングして、両感温抵抗体の差電圧を検出することもできる。
【０１３２】
請求項３に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、２つの反転増幅器を用いるだけで、流体の流速信号を取り出すことができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることもできる。
【０１３３】
請求項４に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、温度特性良く定電流を発生させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるＬＰＧメータの回路図である。
【図２】前記ＬＰＧメータの熱式フローセンサから出力された流速信号と温度検出信号から最終的に温度補償後の流速信号を得るまでの処理を示すフローチャートである。
【図３】前記温度補償に用いるテーブルを説明する図である。
【図４】前記テーブルの作成手順を説明するフローチャートである。
【図５】前記ＬＰＧメータの熱式フローセンサから出力された流速信号と温度検出信号から最終的に温度補償後の流速信号を得るまでの処理の他の例を示すフローチャートである。
【図６】前記温度補償に用いる関係式の作成手順を説明するフローチャートである。
【図７】前記関係式の他の例について作成手順を説明するフローチャートである。
【図８】前記関係式を用いる温度補償をともなった流体の流速測定の手順を説明するフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態２であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態３であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１１】前記ＬＰＧメータで流速信号にオフセット電圧を加算する処理を説明するフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態４であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１３】前記ＬＰＧメータで流速信号にオフセット電圧を加算する処理を説明するフローチャートである。
【図１４】従来の熱式フローセンサの回路図である。
【符号の説明】
Ｒｕ 上流側感温抵抗体
Ｒｄ 下流側感温抵抗体
Ｕ１ 演算増幅器
Ｕ２ 演算増幅器
Ｂ 接続点
Ｒ１ａ 抵抗
Ｒ１ｂ 抵抗
Ｕ３ 演算増幅器
Ｒ２ａ 抵抗
Ｒ２ｂ 抵抗
Ｕ４ 演算増幅器
Ｒ３ａ 抵抗
Ｒ３ｂ 抵抗
Ｒｆ 温度センサ
Ｉ２ 電流源
Ｕ３ｂ 演算増幅器
Ｕ３ａ 演算増幅器
Ｒ４ａ 抵抗
Ｒ４ｂ 抵抗
１ 流量計
２ 熱式フローセンサ
３ フルイディック流量計
４ ディスプレイ
５ マイコン
１１ 反転増幅器
１２ 反転増幅器
１３ 加算器
１４ 半固定抵抗
１５ テーブル
１６ 非反転増幅器
１７ Ｄ／Ａコンバータ
１８ スイッチ
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガス流量計、フローメータなどの分野に利用され、流体の流速を測定する熱式フローセンサおよび流速検出方法、流体の流量を測定する流量計、ならびに、これらに使用するテーブル作成方法および関係式作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱式フローサンサについては、例えば、特開平１１−２８７６８５号公報に開示されている。
【０００３】
図１４は、特開平１１−２８７６８５号公報にも開示されている従来の熱式フローセンサの回路図である。図１４において、符号Ｆ１はセンサ駆動部である。センサ駆動部Ｆ１の符号Ｒｓ１、Ｒｓ２は感温抵抗体である。この感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は流体の上流と下流に位置するように設置される。符号Ｉ１は電流源である。電流源Ｉ１とＲｓ１はａ点で接続される。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２はｂ点で接続される。符号Ｕ１は反転増幅器、符号Ｕ２はボルテージホロワである。反転増幅器Ｕ１のフィードバックループ中のｂ点、ｃ点に感温抵抗体Ｒｓ２が接続される。ボルテージホロワＵ２はａ点の電圧をｄ点に出力する。反転増幅器Ｕ１の出力はｅ点に出力する。符号Ｆ２は差電圧検出部である。差電圧検出部Ｆ２は、Ｒｓ１の端子電圧とＲｓ２の端子電圧の差をｇ点に出力する。符号Ｆ３は増幅部である。増幅部Ｆ３の符号Ａ１、Ａ２、Ａ３は増幅器である。これらは、それぞれｄ点、ｅ点、ｇ点の電圧を増幅して出力する。
【０００４】
上記の回路構成で、感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２の抵抗値は等しくする。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は大きな抵抗温度係数を持つものを用いる。感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は流体温度に対し高い温度になるように熱せられる。これは、例えば、電流源Ｉ１による定電流でジュール熱を感温抵抗体Ｒｓ１、Ｒｓ２自体に生じさせることで熱するようにすることができる。また、例えば、熱源を他に設け、感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２が熱せられるようにしてもよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術のセンサ駆動部Ｆ１はｂ点を基準に動作する。すなわち、ｂ点は反転増幅器Ｕ１により仮想接地されている。単電源での動作の場合は、ｉ点の電圧をＧＮＤではなく、電源電圧の半分の電圧などにして回路を動作させることができる。
【０００６】
しかしながら、実際は感温抵抗体Ｒｓ１側には電流源Ｉ１が必要であるため、電流源Ｉ１を構成するために電圧の余裕が感温抵抗体Ｒｓ２側に比べ必要となる。ｂ点の電圧を中心に感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２は動作し、その電源電圧側に電流源Ｉ１があるため、電流源Ｉ１は電源電圧に近い電圧範囲で動作させる必要がある。また、流体の温度や流速により、感温抵抗体Ｒｓ１の抵抗値は変化するため、ａ点の電圧は逐次変化する。そして、電流源Ｉ１を構成する場合、定電流ダイオードなどで直接に定電流を発生させるよりも、電圧−電流変換を行う方が温度特性の良いものを構成しやすい。定電圧源の方が製品の種類も多く温度特性の良いものを選択しやすいためである。
【０００７】
このような電圧−電流変換により定電圧を発生する場合、前記従来技術のように電池を電源に用い、電源電圧そのものが変化する構成とすると、ｂ点の電圧より高い電圧範囲が狭いため、電流の基準となる電圧を与えるのが困難になり、熱式フローサンサの設計の自由度が低く、回路設計が困難であるという不具合がある。
【０００８】
また、流体の温度が一定であれば、流体の流れがないときにおける２つの感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓ２の電圧差も一定であるが、流体の温度が変動すると、流体の流れがないときにおける２つの感温抵抗体Ｒｓ１とＲｓの電圧差も変動するため、流体に流れが発生したのか、流体に流れは発生せず流体の温度が変化したのか区別がつかず、正確なゼロ流量を判断できないという不具合も生じる。
【０００９】
この発明の目的は、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることである。
【００１０】
この発明の目的は、感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、修正できるようにすることである。
【００１３】
この発明の目的は、前記修正を長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることができる回路構成で実現することである。
【００１５】
この発明の目的は、この場合に上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、両感温抵抗体の差電圧を検出できるようにすることである。
【００１６】
この発明の目的は、前記の場合に下流側感温抵抗体を定電流の供給側、上流側感温抵抗体を電圧固定側として、両感温抵抗体の差電圧を検出するための回路構成を簡易なものとすることである。
【００１７】
この発明の目的は、温度特性良く駆動用の定電流を発生させることである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、複数の抵抗が直列に接続され入力電圧を当該抵抗で分圧することで複数の大きさの電圧を出力可能な電圧源と、前記出力電圧を検出する検出手段と、この検出した電圧の大きさに応じて前記複数の電圧のうち一つを前記オフセット電圧として選択する選択手段と、この選択した電圧を前記加算器または減算器に出力させる制御手段と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００２１】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることもできる。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、を具備し、前記上流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、前記下流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、前記検出回路は、前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する反転増幅器と、前記固定された電圧を基準電圧として前記反転増幅器の出力電圧を非反転増幅する非反転増幅器と、前記固定電圧の前記非反転増幅器への入力をバッファリングする演算増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３３】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、固定電圧の非反転増幅器への入力をバッファリングして、両感温抵抗体の差電圧を検出することもできる。
【００３４】
請求項３に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、を具備し、前記下流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、前記上流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、前記検出回路は、前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する第１の反転増幅器と、前記固定された電圧を基準電圧として前記第１の反転増幅器の出力電圧を反転増幅する第２の反転増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３５】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、２つの反転増幅器を用いるだけで、流体の流速信号を取り出すことができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることもできる。
【００３６】
請求項４に記載の発明は、流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、前記両感温抵抗体の直列接続がフィードバックループに接続され非反転入力端子に一定電圧が入力されて前記定電流を出力する演算増幅器を備え、前記両感温抵抗体の直列接続のうち一端側は前記演算増幅器の反転入力端子に他端側は前記演算増幅器の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする熱式フローセンサである。
【００３７】
したがって、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、温度特性良く定電流を発生させることができる。
【００７０】
【発明の実施の形態】
［発明の実施の形態１］
この発明の一実施の形態を、発明の実施の形態１として説明する。
【００７１】
図１は、この発明の実施の形態１であるＬＰＧメータ１の回路図である。このＬＰＧメータ１は、この発明の流量計を実施するもので、流体（この例ではＬＰＧ）の低流量域を測定するための熱式フローセンサ２と、流体の高流量域を測定するためのフルイディック流量計３と、ＬＰＧメータ１で測定した流体の流量を表示するディスプレイ４と、ＬＰＧメータ１を集中的に制御するマイコン５とを備え、流体の流量を測定して表示する装置である。
【００７２】
熱式フローセンサ２の回路構成について説明する。上流側感温抵抗体Ｒｕ、下流側感温抵抗体Ｒｄは、それぞれ流体の上流側、下流側に配置され、自ら発するジュール熱により加熱される、大きな抵抗温度係数をもつ同一特性の感温抵抗体であり、Ｂ点で直列に接続されている。
【００７３】
演算増幅器Ｕ１は、そのフィードバックループに上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄの直列接続が接続され、非反転入力端子に一定電圧Ｖｇが入力されて、上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄに定電流Ｉ１を出力する。上流側感温抵抗体Ｒｕと下流側感温抵抗体Ｒｄの直列接続のうち、上流側感温抵抗体Ｒｕ側は演算増幅器Ｕ１の反転入力端子に下流側感温抵抗体Ｒｄ側は演算増幅器Ｕ１の出力端子にそれぞれ接続されている。
【００７４】
第１の反転増幅器である反転増幅器１１は、演算増幅器Ｕ２ならびに抵抗Ｒ１ａおよびＲ１ｂからなり、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの接続点Ｂにおける電圧を基準電圧として、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続に対する入力電圧を反転増幅する。抵抗Ｒ１ａ，Ｒ１ｂは反転増幅器１１の増幅率を−１倍に調節するものである。第２の反転増幅器である反転増幅器１２は、演算増幅器Ｕ３ならびに抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂからなり、Ａ点の固定された電圧（後述）を基準電圧として、反転増幅器１１の出力電圧を反転増幅する。抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは反転増幅器１２の増幅率を調節するものである。反転増幅器１１および１２で検出回路を構成する。
【００７５】
両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続の一端、この例で下流側感温抵抗体Ｒｄ側端は演算増幅器Ｕ１の出力端子と接続されているが、他端、この例では上流側感温抵抗体Ｒｕ側端は、一端がＧＮＤに接続されている固定抵抗Ｒｉの他端と接続され、この抵抗Ｒｉの抵抗値が一定で演算増幅器Ｕ１から定電流が供給されることにより、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの直列接続における一端、この例では上流側感温抵抗体Ｒｕ側端の電圧を一定に固定している。
【００７６】
反転増幅器Ｕ１に与えられた電圧Ｖｇと抵抗Ｒｉにより決められる電流がＵ１のフィードバックループ中を流れる。この電流Ｉｈは、
Ｉｈ＝Ｖｇ／Ｒｉ
により定まる。
【００７７】
Ａ点の電圧は反転増幅器１１により反転増幅される。反転増幅器１１の基準電圧はＢ点の電圧となるので、下流側感温抵抗体Ｒｄの電圧がＢ点を基準に反転される。反転増幅器１１の出力はＡ点の電圧を基準電圧として反転増幅器１２により反転増幅される。この増幅率Ｇは，抵抗Ｒ２ａとＲ２ｂにより次のように決まる。
Ｇ＝−Ｒ２ｂ／Ｒ２ａ
【００７８】
Ａ点の電圧は演算増幅器Ｕ１の仮想接地効果によりＶｇと同電圧となる。反転増幅器１２の出力Ｖｄｕは、上流側感温抵抗体Ｒｕの端子電圧をＶｕ、下流側感温抵抗体Ｒｄの端子電圧をＶｄとして、
Ｖｄｕ＝Ｇ（Ｖｄ−Ｖｕ）＋Ｖｇ
となる。
【００７９】
流体に流れが無ければ、端子電圧ＶｄとＶｕは等しいため、出力ＶｄｕはＶｇとなる。電圧Ｖｇは演算増幅器Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３が動作可能な電圧以上に設定する。通常のオペアンプは電源電圧近傍の入力電圧では動作せず、トランジスタ１個分の０．７程度の余裕を電源電圧側にとる必要がある。
【００８０】
このＬＰＧメータ１を単電源で動作させることを考えると、電圧ＶｇはＧＮＤから０．７Ｖ以上の電圧にすることが望ましい。しかし、入力電圧範囲を電源電圧範囲までに広げた演算増幅器もあるため、０．７Ｖ以下にする選択も可能である。また、流体の流速によって反転増幅器Ｕ２の出力は電圧Ｖｇより小さい値となる。その小さくなる大きさは“Ｖｄ−Ｖｕ”で決まる。よって、少なくとも“Ｖｇ−（Ｖｄ−Ｖｕ）”の最小電圧（最大流速のとき）が演算増幅器の動作入力電圧範囲に入るように、電圧Ｖｇを決定する。
【００８１】
以上のような構成とすることで、両感温抵抗体ＲｕとＲｄに電力を供給して駆動する回路中で現れる最大の電圧はＣ点の電圧であり、最小の電圧はＧＮＤとなる。よって、Ｃ点の電圧以上の電圧を電源とすれば、単電源動作が可能となる。
【００８２】
流体の流速がゼロで流体の温度が予測しうる最大値の場合に、両感温抵抗体Ｒｕ、Ｒｄの抵抗値は最大値となる。このときＣ点の電圧は最大となる。よって、回路で必要な動作電圧の最大値がはっきりと決定できる。そのため、より効率的な電源を用いることが可能となる。
【００８３】
また、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの直列接続における低い方の端子電圧であるＡ点の電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの接続点Ｂ点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの接続点Ｂより高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサ２の設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。
【００８４】
さらに、２段の反転増幅器１１，１２を用いるだけで、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの電圧差を反転増幅器１２の出力として取り出して、流体の流速信号とすることができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることができる。
【００８５】
ところで、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄがまったく同じ特性で抵抗値も等しい場合、流体の流れがない状態での出力Ｖｄｕは、電圧Ｖｇと等しい。つまり、流速信号にとって電圧Ｖｇは仮想的なＧＮＤと考えることができる。しかし、実際の感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄにはばらつきがあり、まったく等しい特性のものを２つ用意することは困難である。
【００８６】
両感温抵抗体ＲｕとＲｄの特性に違いがある場合、特に抵抗値に違いがある場合は、流体の流れがない状態において出力Ｖｄｕは電圧Ｖｇと等しくならない。下流側感温抵抗体Ｒｄの抵抗値が上流側感温抵抗体Ｒｕに比べ小さいと、流体の流れが無い時の出力Ｖｄｕの電圧は電圧Ｖｇより小さくなる。また、逆に下流側感温抵抗体Ｒｄの抵抗値がＲｕに比べ大きいと、出力Ｖｄｕの電圧はＶｇより大きくなる。
【００８７】
電池などを電源にした低電圧動作をさせたい電子機器の場合、使用できる電圧範囲を有効に使用することが望ましい。ばらつきによる出力電圧の違いがある場合、ばらつきに対する余裕分を広く取る必要が生じ、流速信号分の電圧範囲を狭くしなくてはならない。これは流速信号の精度を悪化させる。このようなことを避けるには、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの特性を揃えるよう選別する必要がある。このような選別には費用がかかり、両感温抵抗体ＲｕとＲｄの製造歩留まりなどを悪化させる。
【００８８】
そこで、このＬＰＧメータ１では、加算器１３を設けている。ここの加算器１３は、演算増幅器Ｕ４および抵抗Ｒ３ａ，Ｒ３ｂならびにＲ３ｃからなり、出力Ｖｄｕと所定値のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加算した電圧Ｖｄｕ０を出力して、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの抵抗値のばらつきによる出力Ｖｄｕの電圧Ｖｇからのずれを修正する。これにより、余裕分に必要となる電圧を吸収し、次段の装置への出力Ｖｄｕ０での流速信号成分を、より広い電圧範囲で出力することが可能となる。すなわち、オフセット電圧Ｖｏｆｆは、出力Ｖｄｕ０の出力が電圧Ｖｇと等しくなるような大きさに設定する。
【００８９】
オフセット電圧Ｖｏｆｆの大きさは、半固定抵抗１４により調整可能としている。すなわち、実際の製作工程では、両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄのばらつきの他に、抵抗Ｒ１ａ、Ｒ２ｂなどの抵抗のばらつきや、演算増幅器Ｕ２，Ｕ３自体のばらつきも存在する。このようなばらつきを含めると、オフセット電圧Ｖｏｆｆの決定は、使用する両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄと使用するその他の電子部品の組み合わせが決定された後であることが望ましい。そこで、実際に使用する電子部品が組み付けられた状態において、オフセット電圧Ｖｏｆｆの大きさを半固定抵抗１４で変更できるようにして、簡単な回路構成で、オフセット電圧Ｖｏｆｆを個々のＬＰＧメータ１ごとに決定できるようにしている。なお、出力Ｖｄｕの値をオフセット電圧Ｖｏｆｆ分下げて出力Ｖｄｕ０とする場合などには、加算器１３に代えて減算器を用いてもよい。
【００９０】
熱式フローセンサ２は、両感温抵抗体ＲｕとＲｄとは別に、流体の両感温抵抗体Ｒｕ，Ｒｄの発する熱の影響を受けにくい位置に配置される、抵抗温度係数の高い抵抗である測温抵抗体Ｒｆを備えている。この測温抵抗体Ｒｆは、一端がＧＮＤに接続され、他端からは所定の電流源Ｉ２により発熱しないような微弱な定電流を供給される。この測温抵抗体Ｒｆの端子電圧Ｖｆは流体の温度を検出する信号となるので、測温抵抗体Ｒｆは流体の温度を検出する温度センサとなる。
【００９１】
熱式フローセンサ２から出力された流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆから最終的に流速信号Ｖｄｕ０ｚ（後述）を得るまでの処理はマイコン５により実行されるので、かかる処理の流れを、温度補償手段を実現する図２のフローチャートを参照して説明する。
【００９２】
まず、マイコン５（のＣＰＵ）は、両感温抵抗体Ｒｄ，Ｒｕに定電流の供給を開始する（ステップＳ１）。これにより供給工程を実現している。そして、流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆの値を取り込む（ステップＳ２）。これにより検出工程を実現している。次に、マイコン５は、テーブル記憶手段を実現するそのＲＯＭ（またはＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリ）に格納されているテーブル１５（図３参照）をルックアップする。このテーブル１５には、温度検出信号Ｖｆの値（流体温度）に、流体に流れがない状態での流速信号Ｖｄｕ０の補正値Ｖｄｕ０ｔが対応付けられて格納されている。補正値Ｖｄｕ０ｔは、流体の流速が０の状態で、様々な大きさの温度検出信号Ｖｆが検出されたときの、流速信号Ｖｄｕ０の検出値である。そして、テーブル１５上で実際に観測された温度検出信号Ｖｆの値に最も近い温度検出信号Ｖｆに対応した補正値Ｖｄｕ０ｔを読み取る（ステップＳ３）。これによりテーブルルックアップ手段を実現している。テーブル１５で参照した補正値Ｖｄｕ０ｔと実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値を比較することで、流体の流速がゼロであるか否かを判断することができる。
【００９３】
すなわち、テーブル１５から参照した補正値Ｖｄｕ０ｔを実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値から減算すると（ステップＳ４）、流速信号Ｖｄｕ０ｚを得る。これにより補正手段を実現している。流速信号Ｖｄｕ０ｚは流体の温度変化分を考慮した温度補償後の流速信号を示すものであり、温度補償がされた正確な流速信号となる。ステップＳ２により温度測定工程を実現し、ステップＳ３，Ｓ４により温度補償工程を実現している。
【００９４】
前記の処理で使用したテーブル１５の作成は次のように行う。すなわち、温度補償手段を実現した図４のフローチャートに示すように、熱式フローセンサ２を異なる複数の温度下において、流体の流量がゼロの状態で、各温度での温度信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０とを測定する（ステップＳ１１）。これにより測定工程を実現している。例えば、想定する流体の温度範囲が０℃〜５０℃だとしたら、流速ゼロの状態で、流体の温度を０℃、１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃と変化させ（この温度間隔は様々に選択することができる）、温度信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を取得する。そして、このようにして得られた各温度信号Ｖｆと各補正値Ｖｄｕ０ｔとを対応付けて各温度信号Ｖｆと各補正値Ｖｄｕ０ｔとを対応付けて格納したテーブルであるテーブル１５を作成する（ステップＳ１２）。これによりテーブル作成工程を実現している。
【００９５】
前記の処理では、テーブル１５を用いて温度補償を行ったが、温度補償は、テーブル１５のルックアップに代えて、次のように所定の関係式を用いた演算で行ってもよい。
【００９６】
すなわち、流体に流れがない状態での流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆとの関係は、下式（１）のような１次式で表すことができる。
【００９７】
Ｖｄｕ０ｆ＝Ａ×Ｖｆ＋Ｂ …… （１）
この１次式において、Ａ、Ｂは１次式の係数であり、補正値Ｖｄｕ０ｆは温度検出信号Ｖｆの示す温度に相当する流体の流量がゼロのときにおける流速信号Ｖｄｕ０の値である。補正値Ｖｄｕ０ｆの値と実際に観測される流速信号Ｖｄｕ０の値を比較することで、流体の流速がゼロであるか否か検討することができる。
【００９８】
次に、（１）式を用いて、熱式フローセンサ２から出力される流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆから最終的に流速信号Ｖｄｕ０ｚを得るまでのマイコン５による処理を、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００９９】
まず、両感温抵抗体Ｒｄ，Ｒｕに定電流の供給を開始する（ステップＳ２１）。これにより供給工程を実現している。マイコン５（のＣＰＵ）は、流速信号Ｖｄｕ０と温度検出信号Ｖｆの値を取り込む（ステップＳ２２）。これにより検出工程を実現している。次に、マイコン５は、検出した温度検出信号Ｖｆを（１）式に代入して、補正値Ｖｄｕ０ｆを求める（ステップＳ２３）。これにより補正値演算手段を実現する。そして、補正値Ｖｄｕ０ｆを実際に観測された流速信号Ｖｄｕ０の値から減算して、温度補償がなされた流速信号Ｖｄｕ０ｚを得る（ステップＳ２４）。これにより補正手段を実現する。流速信号Ｖｄｕ０ｚは流体の温度変化による流速信号Ｖｄｕ０の変化分が差し引かれることになり、流速信号Ｖｄｕ０ｚを用いることでより正確なゼロ流量を算出することができる。ステップＳ２３により温度測定工程を実現し、ステップＳ２３，Ｓ２４により温度補償工程を実現している。
【０１００】
（１）式の１次式は、図６のフローチャートのような工程で求める。すなわち、熱式フローセンサ２を異なる複数の温度下において、流体の流量がゼロの状態で、各温度での温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０とを測定する（ステップＳ３１）。これにより測定工程を実現している。例えば、想定する流体の温度範囲が０℃〜５０℃だとしたら、流速ゼロの状態で、流体の温度を少なくとも２つ、例えば０℃、５０℃と変化させ（この温度間隔は様々に選択することができる）、温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を取得する。そして、各温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０との値から、グラフの作成などによって（１）式の１次式を作成する（ステップＳ３２）。これにより関係式作成工程を実現している。
【０１０１】
また、前記（１）式に代えて、温度検出信号Ｖｆの変化率Ｖｆｒと流速信号Ｖｄｕ０の変化率Ｖｄｕ０ｒの関係を示す１次式である（２）式を用いて、温度補償を行うようにしてもよい。
【０１０２】
Ｖｄｕ０ｒ＝Ａ×Ｖｆｒ …… （２）
この（２）式は、図７に示すフローチャートのような工程で求めることができる。すなわち、ある基準温度と他の異なる温度との少なくとも２つの温度で、流体の流量ゼロの状態での温度検出信号Ｖｆと、流速信号Ｖｄｕ０とを検出する（ステップＳ４１）。これにより測定工程を実現している。
【０１０３】
そして、流体温度に相当する温度検出信号Ｖｆの値を基準温度での温度検出信号Ｖｆ０を基準とした変化率Ｖｆｒで表す（ステップＳ４２）。例えば、変化率Ｖｆｒは、
Ｖｆｒ＝Ｖｆ／Ｖｆ０−１ …… （３）
と求める。
【０１０４】
そして、温度検出信号Ｖｆ０と同じく、基準温度で流体の流量ゼロである際の流速信号Ｖｄｕ００を基準とした流速信号Ｖｄｕ０の値を変化率Ｖｄｕ０ｒで表す（ステップＳ４２）。これは、例えば、
Ｖｄｕ０ｒ＝Ｖｄｕ０／Ｖｄｕ００−１ …… （４）
と求める。
【０１０５】
そして、変化率Ｖｆｒと、変化率Ｖｄｕ０ｒとの関係式となる１次式を求める（ステップＳ４３）。これは、例えば、
Ｖｄｕ０ｒ＝Ａ×Ｖｆｒ＋Ｂ
となるＡ，Ｂを決定することで求まる。Ａ，Ｂは図６の工程のように、少なくとも２つの温度における流体の流量ゼロでの温度検出信号Ｖｆ、流速信号Ｖｄｕ０の値を求め、決定することができる。ここで、Ｖｄｕ０ｒとＶｆｒの値は変化率で表してあるため、基準温度ではともにゼロとなる。よって１次式の前記定数Ｂはゼロであり、省くことができる。したがって、（２）式が得られる。ステップＳ４２，Ｓ４３により関係式作成工程を実現している。
【０１０６】
そして、（２）〜（４）式を用い、温度補償をともなった流体の流速測定は、マイコンにより、温度補償手段を実現する図８に示すフローチャートのような処理で行う。すなわち、流速信号Ｖｄｕ０、温度検出信号Ｖｆを取込み（ステップＳ５１）、この流速信号Ｖｄｕ０、温度検出信号Ｖｆから、変化率Ｖｄｕ０ｒ、Ｖｆｒを求める（Ｖｆ０，Ｖｄｕ００の値は予め用意されている）（ステップＳ５２）。
【０１０７】
そして、求めた変化率Ｖｆｒを（２）式の１次式に代入して、流体の流量がゼロのときの流速信号Ｖｄｕ０の補正値Ｖｄｕ０ｆを算出する（ステップＳ５３）。これにより補正値演算手段を実現している。すなわち、
Ｖｄｕ０ｆ＝Ａ×Ｖｆｒ
である。そして、変化率Ｖｄｕ０ｒから変化率Ｖｄｕ０ｆを減算することにより、温度補償後の流速信号Ｖｄｕ０ｚが求められる（ステップＳ５４）。これにより補正手段を実現している。すなわち、
Ｖｄｕ０ｚ＝Ｖｄｕ０ｒ−Ｖｄｕ０ｆ
である。これにより、流速信号Ｖｄｕ０ｚは温度による変化率Ｖｄｕ０ｒの変化分を取り除くことができ、より正確な流速ゼロの状態を検出することができる。ステップＳ５１により温度測定工程を実現し、ステップＳ５２〜Ｓ５４から温度補償工程を実現している。
【０１０８】
なお、（１）（２）式の１次式の定数Ａ，Ｂを求める際には、最小二乗法を用いる。すなわち、図６、図７の工程では、２つの温度での温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０によりＡ，Ｂを決定している。これは１次式の２点を得て、１次式を決定することであり、係数Ａ，Ｂは一意に決定できる。しかし、より正確な流速ゼロの際の温度変動を決定するため、観測する温度の数を増やし、３点以上の温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０の値を得た場合などは、一意に1次式を求めることはできない。このようなときは、ステップＳ２２，Ｓ４３で、観測した温度検出信号Ｖｆと流速信号Ｖｄｕ０を用い、それぞれ測定点の誤差が最小となるよう最小二乗法により１次式を決定する。
【０１０９】
以上のようにして、マイコン５は、熱式フローセンサ２から流速信号Ｖｄｕ０ｚを得ることができる。また、周知の構成のフルイディック流量計３からも流体の流速信号を得ることができる。熱式フローセンサ２、フルイディック流量計３のそれぞれから得られた流速信号は、マイコン５で流体の流量を示す信号に変換される。これにより第１、第２の流量変換手段を実現している。この２つの流量信号は、選択的にディスプレイ４に出力されて、流体の流量がディスプレイ４に表示される。この流量信号の使い分けは、流体の流速が高流速域にあるときはフルイディック流量計３を用いて計測した流量信号を用い、流体の流速が低流速域にあるときは熱式フローセンサ２を用いて計測した流量信号を用いるように行う。これにより選択手段を実現している。その場合の、流体の流速が高流速域にあるか、低流速域にあるかの判断は、例えば、フルイディック流量計３を用いて計測した流量信号により判断すればよい。
【０１１０】
なお、図１では、高流速域を熱式フローセンサ２で、低流速域をフルイディック流量計３で測定して、流体の流量を測定する構成であるＬＰＧメータ１を示したが、フルイディック流量計３を設けず、高流速域から低流速域までをすべて熱式フローセンサ２で検出する構成としてもよい。
【０１１１】
［発明の実施の形態２］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態２として説明する。
【０１１２】
図９は、この発明の実施の形態２であるＬＰＧメータ１の回路図である。図９において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図９に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１３】
図９のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、図１の構成では、上流側感温抵抗体Ｒｕは下流側感温抵抗体ＲｄよりＧＮＤ側に配置されているが、これは、この図９の構成のように入れ替えて構成することもできる。この場合、扱う電圧の方向を逆向きにすればよい。具体的には図１の反転増幅器１２の増幅率を正になるよう回路を変更し、非反転増幅器を構成すればよい。具体的には、図９に示すように、反転増幅器１２に代えて、演算増幅器Ｕ３ｂならびに抵抗Ｒ２ａおよびＲ２ｂからなる非反転増幅器１６を介装する構成が考えられる。
【０１１４】
しかしながら、この回路構成だと、演算増幅器Ｕ３ｂの反転入力端子側のインピーダンスが低くなり、直接Ａ点と接続できなくなる。そのため、演算増幅器Ｕ３ａをＡ点と演算増幅器Ｕ３ｂの反転入力端子との間にバッファとして介装する必要がある。そのため、電子部品の点数を削減して製造コストを削減するためには、発明の実施の形態１のように上流側感温抵抗体Ｒｕは下流側感温抵抗体ＲｄよりＧＮＤ側に配置するのがよい。
【０１１５】
［発明の実施の形態３］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態３として説明する。
【０１１６】
図１０は、この発明の実施の形態３であるＬＰＧメータ１の回路図である。図１０において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図１０に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１７】
図１０のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、半固定抵抗１４に代えてＤ／Ａコンバータ１７が用意されていて、このＤ／Ａコンバータ１７が加算器１３にオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力する。すなわち、マイコン５が流速信号Ｖｄｕ０の大きさが最適なものとなるように、適切な大きさのオフセット電圧Ｖｏｆｆのデジタル信号をＤ／Ａコンバータ１７に出力する。Ｄ／Ａコンバータ１７は、このデジタル信号をＤ／Ａ変換して、アナログのオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力する。
【０１１８】
マイコン５の具体的な処理は図１１のフローチャートに示すようになる。まず、マイコン５は、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算されていない流速信号Ｖｄｕ０を取り込み（ステップＳ６１）、流速信号Ｖｄｕ０が最適な値となるようなオフセット電圧Ｖｏｆｆの値を求めて（ステップＳ６２）、そのオフセット電圧Ｖｏｆｆのデジタル信号をＤ／Ａコンバータ１７に出力する（ステップＳ６３）。ステップＳ６１により検出手段を、ステップＳ６２により演算手段を、Ｓ６３により制御手段を実現している。
【０１１９】
Ｄ／Ａコンバータ１７を用いることで、半固定抵抗を用いる発明の実施の形態１の場合に比べて長期間安定した動作が可能となる。
【０１２０】
［発明の実施の形態４］
この発明における別の実施の形態を、発明の実施の形態４として説明する。
【０１２１】
図１２は、この発明の実施の形態４であるＬＰＧメータ１の回路図である。図１２において、図１と同様の回路要素などは発明の実施の形態１と共通であるため、図１２に図１と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２２】
図１２のＬＰＧメータ１が図１のものと相違する点は以下のとおりである。まず、半固定抵抗１４に代えて直列に接続された複数の抵抗、例えば抵抗Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃが介装されている。この抵抗Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ４ｃによりオフセット電圧Ｖｏｆｆを分圧し、これらの抵抗の１つ分、２つ分または３つ分の端子電圧を、スイッチ１８の切り換えにより選択的に加算器１３に出力することができる。これにより、電圧源を構成し、加算器１３に段階的に異なる大きさのオフセット電圧Ｖｏｆｆを供給することが可能となる。マイコン５は、流速信号Ｖｄｕ０の大きさが最適なものとなるように、スイッチ１８の切り換えによりオフセット電圧Ｖｏｆｆを選択する。スイッチ１８に代えてジャンパー線を用いてもよい。
【０１２３】
マイコン５の具体的な処理は次のようになる。まず、マイコン５は、オフセット電圧Ｖｏｆｆが加算されていない流速信号Ｖｄｕ０を取り込み（ステップＳ７１）、流速信号Ｖｄｕ０が最も適切な値となるようなオフセット電圧Ｖｏｆｆを出力できるスイッチ１８の切り換えを判断して（ステップＳ７２）、その切り換えになるように、スイッチ１８に制御信号を出力する（ステップＳ７３）。ステップＳ７１により検出手段を、ステップＳ７２により選択手段を、ステップＳ７３により制御手段を実現している。
【０１２４】
この例では、最適なオフセット電圧Ｖｏｆｆの精緻な選択をすることができず、ばらつきに対する余裕を広く取る必要が生じるかもしれないが、発明の実施の形態１のように半固定抵抗を用いる場合や、発明の実施の形態３のようにＤ／Ａコンバータを使う場合に比べて、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、長期間安定的に動作させることができ、製造コストを低減させることもできる。
【０１３１】
請求項２に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、上流側感温抵抗体を定電流の供給側、下流側感温抵抗体を電圧固定側としても、固定電圧の非反転増幅器への入力をバッファリングして、両感温抵抗体の差電圧を検出することもできる。
【０１３２】
請求項３に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、感温抵抗体の製造誤差などに起因して、両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧の大きさにばらつきが発生しても、これを必要なだけ調節して修正することができるとともに、２つの反転増幅器を用いるだけで、流体の流速信号を取り出すことができるので、流速を検出する回路構成を簡易なものとすることもできる。
【０１３３】
請求項４に記載の発明は、両感温抵抗体の直列接続における低い方の端子電圧を固定することで、従来は両感温抵抗体の接続点を中心に電圧を固定し、それより低い電圧範囲に持たせていた電圧の余裕分を、両感温抵抗体の接続点より高い電圧範囲にまわすことができるので、熱式フローサンサの設計の自由度を高め、設計を容易とすることができる。さらに、温度特性良く定電流を発生させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるＬＰＧメータの回路図である。
【図２】前記ＬＰＧメータの熱式フローセンサから出力された流速信号と温度検出信号から最終的に温度補償後の流速信号を得るまでの処理を示すフローチャートである。
【図３】前記温度補償に用いるテーブルを説明する図である。
【図４】前記テーブルの作成手順を説明するフローチャートである。
【図５】前記ＬＰＧメータの熱式フローセンサから出力された流速信号と温度検出信号から最終的に温度補償後の流速信号を得るまでの処理の他の例を示すフローチャートである。
【図６】前記温度補償に用いる関係式の作成手順を説明するフローチャートである。
【図７】前記関係式の他の例について作成手順を説明するフローチャートである。
【図８】前記関係式を用いる温度補償をともなった流体の流速測定の手順を説明するフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態２であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態３であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１１】前記ＬＰＧメータで流速信号にオフセット電圧を加算する処理を説明するフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態４であるＬＰＧメータの回路図である。
【図１３】前記ＬＰＧメータで流速信号にオフセット電圧を加算する処理を説明するフローチャートである。
【図１４】従来の熱式フローセンサの回路図である。
【符号の説明】
Ｒｕ 上流側感温抵抗体
Ｒｄ 下流側感温抵抗体
Ｕ１ 演算増幅器
Ｕ２ 演算増幅器
Ｂ 接続点
Ｒ１ａ 抵抗
Ｒ１ｂ 抵抗
Ｕ３ 演算増幅器
Ｒ２ａ 抵抗
Ｒ２ｂ 抵抗
Ｕ４ 演算増幅器
Ｒ３ａ 抵抗
Ｒ３ｂ 抵抗
Ｒｆ 温度センサ
Ｉ２ 電流源
Ｕ３ｂ 演算増幅器
Ｕ３ａ 演算増幅器
Ｒ４ａ 抵抗
Ｒ４ｂ 抵抗
１ 流量計
２ 熱式フローセンサ
３ フルイディック流量計
４ ディスプレイ
５ マイコン
１１ 反転増幅器
１２ 反転増幅器
１３ 加算器
１４ 半固定抵抗
１５ テーブル
１６ 非反転増幅器
１７ Ｄ／Ａコンバータ
１８ スイッチ
Claims (4)
- 流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、
前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、
前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、
この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、
前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、
この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、
複数の抵抗が直列に接続され入力電圧を当該抵抗で分圧することで複数の大きさの電圧を出力可能な電圧源と、
前記出力電圧を検出する検出手段と、
この検出した電圧の大きさに応じて前記複数の電圧のうち一つを前記オフセット電圧として選択する選択手段と、
この選択した電圧を前記加算器または減算器に出力させる制御手段と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサ。 - 流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、
前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、
前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、
この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、
前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、
この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、
を具備し、
前記上流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、
前記下流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、
前記検出回路は、
前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する反転増幅器と、
前記固定された電圧を基準電圧として前記反転増幅器の出力電圧を非反転増幅する非反転増幅器と、
前記固定電圧の前記非反転増幅器への入力をバッファリングする演算増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサ。 - 流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、
前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、
前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、
この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、
前記両感温抵抗体の端子電圧の差を示す電圧を出力する検出回路と、
この検出回路の出力電圧にオフセット電圧を加算または減算して当該出力電圧の大きさを調節する加算器または減算器と、
を具備し、
前記下流側感温抵抗体は前記定電流の供給側に接続され、
前記上流側感温抵抗体は前記電圧固定側に接続されていて、
前記検出回路は、
前記両感温抵抗体の接続点における電圧を基準電圧として前記両感温抵抗体の直列接続に対する入力電圧を反転増幅する第１の反転増幅器と、
前記固定された電圧を基準電圧として前記第１の反転増幅器の出力電圧を反転増幅する第２の反転増幅器と、を備えていることを特徴とする熱式フローセンサ。 - 流体の上流側および下流側に各々配置されて加熱される感温抵抗体である上流側感温抵抗体および下流側感温抵抗体を有し、
前記両感温抵抗体の抵抗値の差に基づいて前記流体の流速を検出する熱式フローセンサにおいて、
前記両感温抵抗体は直列に接続されて同一の定電流の供給を受けるものであり、
この両感温抵抗体の直列接続の一端は前記定電流の供給側に接続され、他端の電圧は一定に固定されており、
前記両感温抵抗体の直列接続がフィードバックループに接続され非反転入力端子に一定電圧が入力されて前記定電流を出力する演算増幅器を備え、
前記両感温抵抗体の直列接続のうち一端側は前記演算増幅器の反転入力端子に他端側は前記演算増幅器の出力端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする熱式フローセンサ。
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