JP4551416B2 - Flow measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、流体の流量の測定に関する。 The present invention relates to the measurement of fluid flow rates.
流体の流量を測定する方式は、大きく2種類に分けることができる。すなわち、加熱電流検出方式と、温度差検出方式である。 There are two main types of methods for measuring the flow rate of fluid. That is, a heating current detection method and a temperature difference detection method.
加熱電流検出方式は、流体中に設けられたヒーターを、流体温度に対して一定温度だけ高く保つのに必要な加熱電流を検出して、流体の流量を測定する。一方の温度差検出方式は、発熱抵抗体の温度を一定に保ち、その上流側に形成された上流側温度検出抵抗体と、下流側に形成された下流側温度検出抵抗体との温度差を検出して、流体の流量を測定する。温度差検出方式を採用する流体流量測定装置は例えば特公平5−7659に示されている。 In the heating current detection method, the flow rate of the fluid is measured by detecting the heating current required to keep the heater provided in the fluid higher by a certain temperature than the fluid temperature. One temperature difference detection method maintains the temperature of the heating resistor constant, and detects the temperature difference between the upstream temperature detection resistor formed upstream and the downstream temperature detection resistor formed downstream. Detect and measure fluid flow. For example, Japanese Patent Publication No. 5-7659 discloses a fluid flow rate measuring apparatus that employs a temperature difference detection method.
上述した従来の2つの方式には、それぞれ以下のような欠点が存在する。 The two conventional methods described above have the following drawbacks.
具体的には、加熱電流検出方式を採用する流体流量測定装置では、小型化に適さず、かつ、小さな流量域の流量を測定することが困難である。 Specifically, a fluid flow rate measuring apparatus that employs a heating current detection method is not suitable for downsizing and it is difficult to measure a flow rate in a small flow rate range.
温度差検出方式を採用する流体流量測定装置では、小型化、および、小さい流量域の流量の測定が可能であるが、流体流量が大きくなると上流側温度検出抵抗体の温度がそれ以上低下しなくなり、また、下流側温度検出抵抗体の温度も低下を始める。よって大流量域で感度が低下し、ダイナミックレンジを大きく取れない。また、流量変化により温度検出抵抗体の温度が変化するため、応答性が悪い。 The fluid flow rate measurement device that uses the temperature difference detection method can be downsized and measure the flow rate in a small flow rate range. However, as the fluid flow rate increases, the temperature of the upstream temperature detection resistor does not drop any further. In addition, the temperature of the downstream temperature detection resistor starts to decrease. Therefore, the sensitivity decreases at a large flow rate range, and the dynamic range cannot be increased. Moreover, since the temperature of the temperature detection resistor changes due to the flow rate change, the responsiveness is poor.
本発明の目的は、小型化が可能で、感度および応答性が高く、かつ、ダイナミックレンジが広い流体流量測定方式を提供することである。 An object of the present invention is to provide a fluid flow rate measurement method that can be miniaturized, has high sensitivity and responsiveness, and has a wide dynamic range.
本発明による流量測定装置は、流体中に配置され、熱を発する発熱体の上流側の放熱量と下流側の放熱量との差から、流体の流量を測定する流量測定装置において、流体の上流側から下流側にかけて配置され、各々が、熱を発する発熱体および温度を検出する温度検出体の機能を有する第1、第2、第3、第4、第5、第6の感温抵抗体と、前記感温抵抗体を発熱させる電力の供給を制御する制御回路を備える。前記第1、第2、第5、第6の感温抵抗体は、定電流源あるいは定電圧源に接続されており、前記第2、第3、第4、第5の感温抵抗体は電力供給源である電源に接続されており、
前記制御回路は、前記第1、第6の感温抵抗体の温度を比較する第1比較回路と、前記第2、第5の感温抵抗体の温度を比較する第2比較回路と、前記電源と前記第2、第3、第4、第5の感温抵抗体の間に配置される複数のスイッチであって、前記第1比較回路による温度比較結果と前記第2比較回路による温度比較結果とに基づいて、前記第1、第2、第3、第4の感温抵抗体の中の1つの感温抵抗体に前記電源から電力を供給するように開閉動作をして、前記第2、第5の感温抵抗体の温度が等しくなるようにし、さらに、前記第1、第6の感温抵抗体の温度が等しくなるようにする前記スイッチとを備え、前記第3、第4の感温抵抗体に供給された電力の差と、前記第2、第5の感温抵抗体に供給された電力の差とに基づいて、流体の流量を測定する。これにより上記目的が達成される。
The flow rate measuring device according to the present invention is arranged in a fluid, and is a flow rate measuring device that measures the flow rate of a fluid from the difference between the heat release amount upstream and the heat release amount downstream of a heating element that generates heat. 1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th, 6th temperature sensitive resistor which is arrange | positioned from the side to the downstream, and each has the function of the heat generating body which emits heat, and the temperature detection body which detects temperature And a control circuit for controlling supply of electric power for generating heat from the temperature sensitive resistor. The first, second, fifth, and sixth temperature sensitive resistors are connected to a constant current source or a constant voltage source, and the second, third, fourth, and fifth temperature sensitive resistors are Connected to the power supply,
The control circuit includes a first comparison circuit that compares the temperatures of the first and sixth temperature sensitive resistors, a second comparison circuit that compares the temperatures of the second and fifth temperature sensitive resistors, A plurality of switches arranged between a power source and the second, third, fourth, and fifth temperature sensitive resistors, the temperature comparison result by the first comparison circuit and the temperature comparison by the second comparison circuit Based on the result, an opening / closing operation is performed to supply power from the power source to one of the first, second, third, and fourth temperature sensitive resistors, and the first And the switch for making the temperatures of the second and fifth temperature sensitive resistors equal , and further making the temperatures of the first and sixth temperature sensitive resistors equal. Based on the difference between the power supplied to the temperature sensitive resistor and the difference between the power supplied to the second and fifth temperature sensitive resistors. The flow rate is measured. This achieves the above object.
好ましくは、前記第3と第4の感温抵抗体の間に、さらに発熱抵抗体を備え、回路は、前記第1の感温抵抗体と第6の感温抵抗体の平均温度が予め設定された温度になるように、前記発熱抵抗体に供給する電力を制御してもよい。 Preferably, a heating resistor is further provided between the third and fourth temperature sensitive resistors, and the circuit is configured so that an average temperature of the first temperature sensitive resistor and the sixth temperature sensitive resistor is preset. The electric power supplied to the heating resistor may be controlled so that the temperature is set.
また、前記回路は、流体の温度に基づいて、前記予め設定された温度を変化させてもよい。 The circuit may change the preset temperature based on the temperature of the fluid.
流体の上流側から下流側に設けた6つの感温抵抗体のうち、第2、第5の感温抵抗体に供給される電力差は流体流量が小さいときに変化が大きく、第3、第4の感温抵抗体に供給される電力差は流体流量が大きいときに変化が大きくなる。よって、広い流量範囲にわたって感度の良い流量測定が可能となる。また、上流側と下流側の感温抵抗体の温度をフィードバック制御することになるので応答性が改善する。
Among the six temperature sensitive resistors provided from the upstream side to the downstream side of the fluid, the difference in power supplied to the second and fifth temperature sensitive resistors changes greatly when the fluid flow rate is small, and the third, The difference in power supplied to the temperature
流量が増大しても、第1〜第6の感温抵抗体の温度を高く保つことができるので、特に大流量での感度増大、ダイナミックレンジの拡大に効果がある。また、上流側と下流側の温度検出体の温度を一定に保つことになるので応答性が改善する。 Even if the flow rate is increased, the temperature of the first to sixth temperature sensitive resistors can be kept high, which is particularly effective for increasing sensitivity and increasing the dynamic range at a large flow rate. In addition, since the temperatures of the upstream and downstream temperature detectors are kept constant, the responsiveness is improved.
流体の温度が変化しても流体と装置との温度差が一定に保たれるので、流体の温度変化が生じた場合でも流量を測定できる。 Even if the temperature of the fluid changes, the temperature difference between the fluid and the apparatus is kept constant, so that the flow rate can be measured even when the temperature of the fluid changes.
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面では、同一の機能を有する構成要素には同一の参照符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are assigned to components having the same function.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1の流体流量測定装置の測定部の構成を示す。流体流量測定装置は、シリコン基板1上に形成された薄肉部3に、上流側から温度センサとしての上流側温度検出抵抗体5、白金等の感温材料により形成された第1の発熱抵抗体68、第2の発熱抵抗体69、第3の発熱抵抗体70および第4の発熱抵抗体71、温度センサとしての下流側温度検出抵抗体6の6つの抵抗体を備えている。なお、「温度検出抵抗体」および「発熱抵抗体」と区別しているが、これらは、「感温抵抗体」と呼ばれる同一の要素と考えることができる。すなわち、感温抵抗体は、温度を検出する機能と熱を発する機能との2つの機能を有する。それぞれの抵抗体5、68、69、70、71、6には配線部9が接続され、配線部9の一端にはパッド部10が接続されている。パッド部10は外部回路との接続のため、ワイヤボンディング等に使用される。薄肉部3は、絶縁層7、8とその間に形成された抵抗体5、6などから形成されている。薄肉部3の裏面側のシリコンはエッチングにより除去され、空洞部が形成されている。
(Embodiment 1)
Figure 1 shows the structure of the measurement portion of the fluid flow measuring apparatus of the first embodiment. The fluid flow measuring device includes a thin-walled
図2は、実施の形態1による、6つの抵抗体を含む、流体流量測定装置の回路図である。上流側温度検出抵抗体5(Rsu)と下流側温度検出抵抗体6(Rsd)には定電流源13が接続され、定電流Isが供給される。上流側温度検出抵抗体5の両端電圧(Vsu)と下流側温度検出抵抗体6の両端電圧(Vsd)とは、それぞれコンパレータ72の−入力端子と+入力端子とに入力される。コンパレータ72の出力は、上流側温度検出抵抗体5の温度が下流側温度検出抵抗体6の温度より低い場合(すなわちVsu<Vsdの場合)にはハイレベルとなり、逆の場合(すなわちVsu>Vsdの場合)にはローレベルとなる。コンパレータ72の出力はスイッチ74、75に接続される。
FIG. 2 is a circuit diagram of a fluid flow rate measuring device including six resistors according to the first embodiment. A constant current source 13 is connected to the upstream temperature detection resistor 5 (Rsu) and the downstream temperature detection resistor 6 (Rsd), and a constant current Is is supplied. The both-ends voltage (Vsu) of the upstream
第1の発熱抵抗体68と第4の発熱抵抗体71には、定電流Isを供給する定電流源80が接続されている。第1の発熱抵抗体68の両端電圧82(Vh1)と、第4の発熱抵抗体71の両端電圧85(Vh4)は、それぞれコンパレータ73の−入力端子と+入力端子に入力される。コンパレータ73の出力は、第1の発熱抵抗体68の温度が第4の発熱抵抗体71の温度より低い場合(すなわちVh1<Vh4の場合)はハイレベルとなり、逆の場合(すなわちVh1>Vh4の場合)はローレベルとなる。コンパレータ73の出力はスイッチ76,77,78,79に接続されている。スイッチ74の一端は電源11に接続され、他端はスイッチ78の一端、および、スイッチ79の一端に接続されている。スイッチ78の他端は、第2の発熱抵抗体69に接続され、スイッチ79の他端は第1の発熱抵抗体68に接続されている。また、スイッチ75の一端は電源11に接続され、他端はスイッチ76の一端およびスイッチ77の一端に接続されている。スイッチ76の他端は第4の発熱抵抗体71に接続され、スイッチ77の他端は第3の発熱抵抗体70に接続されている。コンパレータ72の出力端16とコンパレータ73の出力端81の電圧が出力電圧となる。
A constant
次に図2の回路の動作を説明する。上流側から流体の流れが生じた場合、上流側温度検出抵抗体5の温度は下流側温度検出抵抗体6の温度より低くなり、それぞれの両端電圧の関係はVsu<Vsdとなる。このときコンパレータ72の出力はハイレベルになるので、スイッチ74がオンされ、スイッチ75がオフされる。またこのとき、第1の発熱抵抗体68の温度は第4の発熱抵抗体71の温度よりも低くなり、それぞれの両端電圧の関係はVh1<Vh4となる。よってコンパレータ73の出力はハイレベルとなり、スイッチ76とスイッチ78がオンされ、スイッチ77とスイッチ79はオフされる。すると第2の発熱抵抗体69が電源11に接続される。
Next, the operation of the circuit of FIG. 2 will be described. When fluid flows from the upstream side, the temperature of the upstream
第2の発熱抵抗体69に電流が流れるとジュール熱により発熱し、近傍にある第1の発熱抵抗体68の温度を上昇させる。第1の発熱抵抗体68の温度が上昇して、第4の発熱抵抗体71の温度より高くなると、それぞれの両端電圧の関係はVh1>Vh4となる。このときコンパレータ73の出力はローレベルとなり、スイッチ76、78はオフされ、スイッチ77、79はオンされて、第1の発熱抵抗体68と電源11とが接続される。
When a current flows through the
第1の発熱抵抗体68に電流が流れるとジュール熱により発熱し、近傍にある上流側温度検出抵抗体5の温度を上昇させる。上流側温度検出抵抗体5の温度が上昇して、下流側温度検出抵抗体6の温度より高くなると、それぞれの両端電圧の関係はVsu>Vsdとなる。その結果、コンパレータ72の出力がローレベルとなり、スイッチ74はオフされ、スイッチ75はオンされる。すると、第3の発熱抵抗体70と電源11とが接続され、第3の発熱抵抗体70に電流が流れる。
When a current flows through the
第3の発熱抵抗体70はジュール熱により発熱し、近傍にある第4の発熱抵抗体71の温度を上昇させる。第4の発熱抵抗体71の温度が上昇して、第1の発熱抵抗体68の温度より高くなると、それぞれの両端電圧の関係はVh1<Vh4となる。このときコンパレータ73の出力はハイレベルとなり、スイッチ77、79はオフされ、スイッチ76、78はオンされる。すると第4の発熱抵抗体71と電源11が接続され、第4の発熱抵抗体71に電流が流れる。
The
第4の発熱抵抗体71はジュール熱により発熱し、近傍にある下流側温度検出抵抗体6の温度を上昇させる。下流側温度検出抵抗体6の温度が上昇し、上流側温度検出抵抗体5の温度より高くなると、それぞれの両端電圧の関係はVsu<Vsdとなる。このときコンパレータ72の出力はハイレベルとなり、スイッチ75はオフされ、スイッチ74はオンされて、初期の状態に戻る。
The
このように、スイッチ74、75、76、77、78、79によって、電源11を第1、第2、第3、第4の発熱抵抗体に順番に切り換える動作が繰り返され、上流側温度検出抵抗体5の温度と下流側温度検出抵抗体6の温度、および、第1の発熱抵抗体68の温度と第4の発熱抵抗体71の温度が等しくなるように制御される。
Thus, the operation of switching the
図3は、抵抗体68〜71(図2)の端子電圧と出力端子16、81(図2)の電圧との関係を示す。図中、パルス86は、図2における第1の出力電圧16(Vout1)を示す。パルス87は、第2の出力電圧81(Vout2)を示す。また、パルス88は第2の発熱抵抗体69の両端電圧(Vh2)を示し、パルス89は第1の発熱抵抗体68の両端電圧(Vh1)を示し、パルス90は第3の発熱抵抗体70の両端電圧(Vh3)を示し、パルス91は第4の発熱抵抗体71の両端電圧(Vh4)を示す。図3に示すタイミングから明らかなように、パルス86(Vout1)およびパルス87(Vout2)の両方がハイレベルのとき、パルス88(Vh2)がハイレベルになる。そして、その後、Vh1、Vh3、Vh4の順にハイレベル状態が移動し、再度Vh2に戻る。
FIG. 3 shows the relationship between the terminal voltages of the
図4は、Vout1,Vout2とVh1〜Vh4との関係を示す。上流側から流体が流れている場合、上流側温度検出抵抗体5の温度が下流側温度検出抵抗体6の温度より低い時間の方が長いため、コンパレータ72の出力がハイレベルにある時間(t1)の方がローレベルにある時間(t2)より長くなる。また、第1の発熱抵抗体68の温度が第4の発熱抵抗体71の温度より低い時間の方が長いためコンパレータ73の出力がハイレベルにある時間(t3)の方がローレベルにある時間(t4)より長くなる。それぞれの差(あるいは比)は流体の流量が大きいほど大きくなる。逆流の場合は大小関係が逆になる。
FIG. 4 shows the relationship between Vout1, Vout2 and Vh1 to Vh4. When the fluid is flowing from the upstream side, the time during which the temperature of the upstream
図5に示すように、出力電圧86(Vout1)、87(Vout2)をローパスフィルタ92、93に通すことにより、アナログ出力電圧94、95が得られる。アナログ出力電圧94、95は、出力電圧86、87のデューティ比[t1/(t1+t2)]、および、[t3/(t3+t4)]に応じた値をとる。アナログ出力電圧94、95を加算回路96によって加算することにより最終的な出力電圧97が得られる。よって電圧97を測定することにより、流体の流量を知ることができる。
As shown in FIG. 5 , the
図6は、2つの出力電圧94、95から得られた最終的な出力電圧97のグラフを示す。上流側温度検出抵抗体5および下流側温度検出抵抗体6の温度の大小関係に基づいて得られた出力電圧94(Vout1)は、第1の発熱抵抗体68と第4の発熱抵抗体71の温度の大小関係に基づいて得られた出力電圧95(Vout2)よりも、より小流量域で変化が大きくなる。逆に大流量域では、出力電圧94(Vout1)が飽和状態になるのに対し、出力電圧95(Vout2)は変化が大きくなる。これは上流側温度検出抵抗体5と下流側温度検出抵抗体6が薄肉部3上の高温部(中央部)から離れた位置にあり、小流量で温度変化がおきやすいためであり、さらに、第1、第4の発熱抵抗体68、71は高温部により近く、大流量で温度変化が起きやすくなるためである。2つの出力電圧を加算することにより、小流量でも大流量でも感度の高い出力電圧97が得られる。比較のため、従来の出力電圧98を点線で示す。
FIG. 6 shows a graph of the
以上のように、本実施の形態では小流量域で感度の良い出力と大流量域で感度の良い出力を加算して出力とするので、広範囲において感度の良い出力が得られ、ダイナミックレンジが拡大する。また、上流側温度検出抵抗体5、下流側温度検出抵抗体6、第1の発熱抵抗体68、第4の発熱抵抗体71の温度をフィードバック制御することになるので、オープンループだった従来に比べ応答性が向上する。
As described above, according to the present embodiment, a high-sensitivity output in a small flow region and a high-sensitivity output in a large flow region are added to obtain an output, so that a high-sensitivity output can be obtained over a wide range and the dynamic range is expanded. To do. Further, since the temperatures of the upstream
(実施の形態2)
図7は、図5で説明した出力電圧86(Vout1)および87(Vout2)をデジタル出力するための処理を示す。出力電圧86、87と高周波パルス信号99を乗算器100、101によって乗算すると、出力電圧86、87がハイレベルにあるときだけ(図3のt1、t3の間だけ)高周波パルス102、103が残る。これら高周波パルス102、103のパルス数を、一定時間、パルスカウンタ104、105で計数し、その結果を加算回路106で加算することにより、デジタル出力107が得られる。
(Embodiment 2 )
Figure 7 shows a process for digitally outputting the
このような構成にすることにより、実施の形態1と同様の効果が得られる上に、CPUとの結合性が良くなる。 By adopting such a configuration, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the connectivity with the CPU can be improved.
(実施の形態3)
実施の形態1では、デューティ比[t1/(t1+t2)]、[t3/(t3+t4)]を出力として採用したが、デューティ比差[(t1-t2)/(t1+t2)]、[(t3-t4)/(t3+t4)]を出力とすることもできる。
(Embodiment 3 )
In the first embodiment, the duty ratios [t1 / (t1 + t2)] and [t3 / (t3 + t4)] are adopted as outputs, but the duty ratio difference [(t1-t2) / (t1 + t2)] , [(T3-t4) / (t3 + t4)] can be output.
図8は、デューティ比差を出力するための処理を示す。まず、出力電圧86(Vout1)は、ローパスフィルタ92に通され、アナログ電圧94が得られる。また、出力電圧86(Vout1)は、反転回路108で反転され、さらにローパスフィルタ110に通され、アナログ電圧112が得られる。これらのアナログ電圧94、112を減算回路114で減算処理することにより、デューティ比差[(t1-t2)/(t1+t2)]に応じたアナログ電圧116が得られる。
FIG. 8 shows a process for outputting the duty ratio difference. First, the output voltage 86 (Vout1) is passed through the low-
一方、出力電圧87(Vout2)は、ローパスフィルタ93に通され、アナログ電圧95が得られる。また、出力電圧87(Vout2)は、反転回路109で反転され、さらにローパスフィルタ111に通され、アナログ電圧113が得られる。これらのアナログ電圧95、113を減算回路115で減算処理することにより、デューティ比差[(t3-t4)/(t3+t4)]に応じたアナログ電圧117が得られる。
On the other hand, the output voltage 87 (Vout2) is passed through the low-
以上のようにして得られたアナログ電圧116、117を、加算回路96で加算することにより最終出力電圧97が得られる。
The
このような構成によっても実施の形態1と同様の効果が得られるとともに、オフセット出力(流量0での出力)が0にできるので感度がさらに向上する。 Even with such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the offset output (output at a flow rate of 0) can be reduced to 0, so that the sensitivity is further improved.
(実施の形態4)
図9は、図5で説明した出力電圧86(Vout1)および87(Vout2)をデジタル出力するための別の処理を示す。
(Embodiment 4 )
Figure 9 shows another process for the output voltage 86 (Vout1) and 87 described in FIG. 5 (Vout2) to a digital output.
まず乗算器100において、出力電圧86(Vout1)に高周波パルス信号99を乗算すると、出力電圧86がハイレベルにあるときだけ高周波パルス102が残る。このパルス102のパルス数を、一定時間、パルスカウンタ104で計数する。また、出力電圧86(Vout1)を反転回路118で反転し、乗算器120において、高周波パルス信号99を乗算すると、反転電圧がハイレベルにあるときだけ高周波パルス122が残る。このパルス122のパルス数を、一定時間、パルスカウンタ124で計数する。以上のようにして得られたパルスの計数結果を、減算回路126で減算処理する。
First, when the
一方、乗算器101において、出力電圧87(Vout2)に高周波パルス信号99を乗算すると、出力電圧87がハイレベルにあるときだけ高周波パルス103が残る。このパルス103のパルス数を、一定時間、パルスカウンタ105で計数する。また、出力電圧87(Vout2)を反転回路119で反転し、乗算器121において、高周波パルス信号99を乗算すると、反転電圧がハイレベルにあるときだけ高周波パルス123が残る。このパルス123のパルス数を、一定時間、パルスカウンタ125で計数する。以上のようにして得られたパルスの計数結果を、減算回路127で減算処理する。
On the other hand, when the
以上のようにして求めたそれぞれの減算結果を、加算回路106において加算することにより、最終的なデジタル出力107が得られる。
Each subtraction result obtained as described above is added by the
このような構成にすることによっても、実施の形態3と同様の効果が得られる上に、CPUとの結合性が良くなる。 Even with this configuration, the same effects as those of the third embodiment can be obtained, and the connectivity with the CPU can be improved.
実施の形態1、2、3、4の回路構成では、上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6、第1の発熱抵抗体68および第4の発熱抵抗体71には、定電流を供給する定電流源13、80を用いた。しかし、定電圧を印加する定電圧源を用いても同様の結果が得られる。
In the circuit configuration of
(実施の形態5)
図10は、実施の形態5の流体流量測定装置の測定部の構成を示す。実施の形態5の流体流量測定装置では、第2の発熱抵抗体69と第3の発熱抵抗体70との間に中央発熱抵抗体4を形成した。図では、配線部9とパッド部10は図1と同様であるので、それらの記載は省略している。中央発熱抵抗体4(Rh)、上流側温度検出抵抗体5(Rsu)および下流側温度検出抵抗体6(Rsd)により定温度回路を構成し、上流側温度検出抵抗体5と下流側温度検出抵抗体6の平均温度が一定となるように中央発熱抵抗体4に供給する電力を制御する。定温度回路図は図11に示される。
(Embodiment 5 )
FIG. 10 shows the configuration of the measurement unit of the fluid flow measurement device according to the fifth embodiment. In the fluid flow measuring device of the fifth embodiment, the
図11は、抵抗体4、5、6を含む、流体流量測定装置の回路図である。上流側温度検出抵抗体5(Rsu)と下流側温度検出抵抗体6(Rsd)には定電流源13が接続され、定電流Isが供給される。抵抗体Rsu5と抵抗体Rsd6の両端電圧(Vsu,Vsd)は加算回路15に入力される。加算回路15のゲインをGとすると、加算回路の出力電圧Vaddは下記数1で表される。
固定抵抗R1とR2により定電圧12(Vc)を分圧した電圧19(Vt)と、加算回路15の出力電圧Vaddとが比較され、パワートランジスタ20により、両者が等しくなるように発熱抵抗体4に電力が供給される。ここで定電圧Vcを分圧した電圧Vtは下記数2で表される。
よって、Vt=Vaddとすると、数1および数2から、下記数3が得られる。
上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6の0℃の時の抵抗値をRs0、抵抗温度係数をαs、温度をそれぞれTsu、Tsdとすると、上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6の両端電圧Vsu,Vsdは、それぞれ下記数4および数5のように得られ、その結果、下記数6が得られる。
上述の数3および数6から、下記数7が得られる。
数7の右辺の各項は全て定数であるから、右辺は定数である。よって、図11に示す回路を構成することにより、上流側温度検出抵抗体5の温度(Tsu)と下流側温度検出抵抗体の温度(Tsd)の平均値を一定に保つことができる。
Since all the terms on the right side of Equation 7 are constants, the right side is a constant. Therefore, by configuring the circuit shown in FIG. 11 , the average value of the temperature (Tsu) of the upstream
さらに図11を参照して、上流温度検出抵抗体5および下流温度検出抵抗体6には差動増幅器17が接続されている。差動増幅器17は、上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6の両端電圧Vsu,Vsdの電位差を、出力電圧Voutとして端子16から出力する。具体的には、出力電圧Voutは、下記数8に示すように
出力電圧Voutから、流量を得るためには、一般に、流量−出力電圧のテーブルを予め作成しておき、このテーブルを参照すればよい。テーブルは、流体流量測定装置が有するメモリ(図示せず)に格納される。テーブルを参照する動作は流体流量測定装置の中央演算装置(図示せず)が行う。なお、テーブルを用いることなく、出力電圧Voutを変数として、流量が出力値として与えられる換算式を用いてもよい。 In order to obtain a flow rate from the output voltage Vout, a flow rate-output voltage table is generally prepared in advance and this table may be referred to. The table is stored in a memory (not shown) included in the fluid flow measuring device. The operation referring to the table is performed by a central processing unit (not shown) of the fluid flow rate measuring device. Instead of using a table, a conversion formula in which the flow rate is given as an output value using the output voltage Vout as a variable may be used.
図12は、流体の流量に応じた、上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6の温度変化のグラフである。この図は、熱回路網法によりシミュレーションを行った結果に基づいて作成されている。曲線21および曲線22は、それぞれ、本実施の形態による上流温度検出抵抗体5の温度と下流温度検出抵抗体6の温度を示す。一方、曲線23、24は、それぞれ、従来例における上流温度検出抵抗体5の温度と下流温度検出抵抗体6の温度を示す。従来例では上流温度検出抵抗体5の温度と下流温度検出抵抗体6の温度は、流量が大きくなると低下し、その平均温度も流量とともに低下する。数7に関連して説明したように、本実施の形態では、上流側温度検出抵抗体5の温度と下流側温度検出抵抗体6の平均温度を一定に保つよう制御している。したがって、上流側温度検出抵抗体5の温度(曲線21)が流量とともに低下すると、下流側温度検出抵抗体6の温度(曲線22)は流量ともに上昇する。
FIG. 12 is a graph of temperature changes of the upstream
本実施の形態における上流側温度検出抵抗体5の流量による温度低下(曲線21)は、従来例における上流側温度検出抵抗体5の流量による温度低下(曲線23)よりも小さい。このため流量がある程度大きくなった場合には、本発明における上流側温度検出抵抗体5の温度は、従来例における上流側温度検出抵抗体5の温度よりも高くなる。測定可能温度の観点から説明すると、例えば、測定可能温度の下限が65℃と仮定したとき、従来は曲線23で示すように約60g/sの流量までしか測定できなかった。しかし実施の形態1によれば、約200g/sまで測定可能である。よって実施の形態1における上流側温度検出抵抗体5の温度は、従来例に比べ、より大流量まで変化が許容される。
In the present embodiment, the temperature drop due to the flow rate of the upstream temperature detection resistor 5 (curve 21) is smaller than the temperature drop due to the flow rate of the upstream
図13は、上流温度検出抵抗体5の温度と下流温度検出抵抗体6の温度の差の流量依存性を示すグラフである。図中、曲線25は実施の形態1における上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6との温度差を示す。一方、曲線26は従来例における上流温度検出抵抗体5と下流温度検出抵抗体6との温度差を示す。上述のように、実施の形態1における上流側温度検出抵抗体5の温度は、より大流量まで変化が可能であり、また、本発明の下流側温度検出抵抗体6の温度は流量とともに増大する。したがって、その温度差は従来に比べて大きくなり、より大流量まで大きな流量依存性を示す。
FIG. 13 is a graph showing the flow rate dependency of the difference between the temperature of the upstream
図11の回路によれば、上流側温度検出抵抗体5および下流側温度検出抵抗体6の平均温度を一定に保つことができる。さらに図2の回路により、上流側温度検出抵抗体5および下流側温度検出抵抗体6の温度を等しく制御することにより、抵抗体5、6の温度は全流量範囲において一定に保たれることになる。
According to the circuit of FIG. 11 , the average temperature of the upstream
以上のように、本実施の形態の構成によれば、上流側温度検出抵抗体5と下流側温度検出抵抗体6の温度が流量によらず一定に保たれるので、ダイナミックレンジの拡大が図れる。また、流量変化による温度変化が生じないので応答性が向上する。さらに、抵抗体の温度を100℃以上に保つことができるので、水滴などが付着した場合に即座に蒸発させることができ、水分付着による特性のドリフトを低減することができる。
As described above, according to the configuration of the present embodiment, the temperature of the upstream
(実施の形態6)
図14は、実施の形態6の流体流量測定装置の測定部の構成を示す。図では、配線部9とパッド部10は図1と同様であるので、それらの記載は省略している。
(Embodiment 6 )
FIG. 14 shows the configuration of the measurement unit of the fluid flow measurement device according to the sixth embodiment. In the figure, since the
実施の形態6では、シリコンチップ1上に流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体55(Ra)を形成する。流体温度検出抵抗体55は発熱抵抗体4、68、69、70、71から熱的な影響を受けないように薄肉部3から離れた位置に形成される。流体温度検出抵抗体55の裏面のシリコンをエッチングにより除去し、流体温度検出抵抗体55を第2の薄肉部上に形成してもよい。
In the sixth embodiment, a fluid temperature detection resistor 55 (Ra) for detecting the temperature of the fluid is formed on the
流体温度検出抵抗体55を用いて実施の形態7における図16に示す回路を構成する。これにより、上流側温度検出抵抗体5の温度(Tsu)と下流側温度検出抵抗体6の温度(Tsd)との平均値が流体温度Taに依存した値となり、流体温度Taが高いときは上流側温度検出抵抗体5および下流側温度検出抵抗体6の平均温度も高い。一方、流体温度Taが低いときは上流側温度検出抵抗体5と下流側温度検出抵抗体6の平均温度も低くなるように制御される。流体温度Taと上流側温度検出抵抗体5、下流側温度検出抵抗体6の平均温度との関係は、下記数12中の回路定数R1やR2により調整できる。
The circuit shown in FIG. 16 in the seventh embodiment is configured using the fluid
このような構成および制御を採用することにより、流体の温度が変化したときの特性の変化を補償することができ、温度特性が向上する。 By adopting such a configuration and control, it is possible to compensate for the change in characteristics when the temperature of the fluid changes, and the temperature characteristics are improved.
(実施の形態7)
図15は、実施の形態7の流体流量測定装置の測定部の構成を示す。実施の形態7の流体流量測定装置では、シリコンチップ1上に流体の温度を検出する流体温度検出抵抗体55が形成されている。流体温度検出抵抗体55は、発熱抵抗体4から熱的な影響を受けないように薄肉部3から離れた位置に形成される。流体温度検出抵抗体55の裏面のシリコンをエッチングにより除去し、流体温度検出抵抗体55を第2の薄肉部上に形成してもよい。
(Embodiment 7)
FIG. 15 shows a configuration of a measurement unit of the fluid flow measurement device according to the seventh embodiment. In the fluid flow rate measurement device according to the seventh embodiment, a fluid
図16は、実施の形態7による、流体温度検出抵抗体55を含む、流体流量測定装置の回路図である。この回路において、電圧19(Vt)は数9で表される。
数1のVaddと、数9のVtとが等しくなるように制御すると、下記数10が成り立つ。
流体温度検出抵抗体55の0℃の時の抵抗値をRa0、抵抗温度係数をαaとすると、流体(および抵抗体55)の温度がTaのとき、
このような構成および制御を採用することにより、流体の温度が変化したときの特性の変化を補償することができ、温度特性が向上する。 By adopting such a configuration and control, it is possible to compensate for the change in characteristics when the temperature of the fluid changes, and the temperature characteristics are improved.
(実施の形態8)
実施の形態7では、電圧19(Vt)が流体温度によって変化するよう、流体温度検出抵抗体55(Ra)を抵抗R1、R2と直列に接続した。しかし、数12から理解されるように、電圧Veを流体温度によって変化させても同様の効果が得られる。例えば図17のような構成を採用することもできる。
(Embodiment 8)
In the seventh embodiment, the fluid temperature detection resistor 55 (Ra) is connected in series with the resistors R1 and R2 so that the voltage 19 (Vt) varies depending on the fluid temperature. However, as understood from
図17は、実施の形態8における、電圧Veを出力する回路図である。この回路では、固定抵抗(R3,R4)および流体温度検出抵抗体55により定電圧源56を分圧した電圧を電圧Veとして出力する。流体温度の変化は、流体温度検出抵抗体55を用いて検出されるので、流体温度が変化したときにVeを変化させることができる。よって、上流側温度検出抵抗体5(図16)の温度(Tsu)と下流側温度検出抵抗体6(図16)の温度(Tsd)の平均値も、流体温度Taにより変化させることができる。流体温度Taと上流側温度検出抵抗体5、下流側温度検出抵抗体6の平均温度との関係は、図17中の固定抵抗R3やR4により調整すればよい。
FIG. 17 is a circuit diagram for outputting voltage Ve in the eighth embodiment. In this circuit, a voltage obtained by dividing the
上述の構成によれば、流体の温度が変化したときの特性の変化を補償することができ、温度特性が向上する。 According to the above configuration, the change in characteristics when the temperature of the fluid changes can be compensated, and the temperature characteristics are improved.
(実施の形態9)
実施の形態8で説明したように、流体温度検出抵抗体を用いれば、流体温度の変化を反映した特性の変化を保証できる。
(Embodiment 9)
As described in the eighth embodiment, if a fluid temperature detection resistor is used, a change in characteristics reflecting a change in fluid temperature can be guaranteed.
図18は、実施の形態9における、流体温度検出抵抗体55を挿入した流体流量測定装置の回路図である。
FIG. 18 is a circuit diagram of a fluid flow rate measurement device in which the fluid
1 シリコン基板、 3 薄肉部、 4 発熱抵抗体、 5 上流側温度検出抵抗体、 6 下流側温度検出抵抗体、 7 絶縁層、 8 絶縁層、 9 配線部、 10 パッド部、 13 定電流源、 68 第1の発熱抵抗体、 69 第2の発熱抵抗体、 70 第3の発熱抵抗体、 71 第4の発熱抵抗体、 72 差動増幅器。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
流体の上流側から下流側にかけて配置され、各々が、熱を発する発熱体および温度を検出する温度検出体の機能を有する第1、第2、第3、第4、第5、第6の感温抵抗体と、
前記感温抵抗体を発熱させる電力の供給を制御する制御回路を備え、
前記第1、第2、第5、第6の感温抵抗体は、定電流源あるいは定電圧源に接続されており、前記第2、第3、第4、第5の感温抵抗体は電力供給源である電源に接続されており、
前記制御回路は、前記第1、第6の感温抵抗体の温度を比較する第1比較回路と、前記第2、第5の感温抵抗体の温度を比較する第2比較回路と、前記電源と前記第2、第3、第4、第5の感温抵抗体の間に配置される複数のスイッチであって、前記第1比較回路による温度比較結果と前記第2比較回路による温度比較結果とに基づいて、前記第1、第2、第3、第4の感温抵抗体の中の1つの感温抵抗体に前記電源から電力を供給するように開閉動作をして、前記第2、第5の感温抵抗体の温度が等しくなるようにし、さらに、前記第1、第6の感温抵抗体の温度が等しくなるようにする前記スイッチとを備え、前記第3、第4の感温抵抗体に供給された電力の差と、前記第2、第5の感温抵抗体に供給された電力の差とに基づいて、流体の流量を測定する流量測定装置。 In the flow rate measuring device that measures the flow rate of the fluid from the difference between the heat release amount on the upstream side and the heat release amount on the downstream side of the heating element that is arranged in the fluid and generates heat,
1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th, 6th sense which is arrange | positioned from the upstream of the fluid to the downstream, and each has the function of the heat generating body which generates heat, and the temperature detection body which detects temperature. A thermal resistor,
A control circuit for controlling supply of electric power for generating heat in the temperature sensitive resistor;
The first, second, fifth, and sixth temperature sensitive resistors are connected to a constant current source or a constant voltage source, and the second, third, fourth, and fifth temperature sensitive resistors are Connected to the power supply,
The control circuit includes a first comparison circuit that compares the temperatures of the first and sixth temperature sensitive resistors, a second comparison circuit that compares the temperatures of the second and fifth temperature sensitive resistors, A plurality of switches arranged between a power source and the second, third, fourth, and fifth temperature sensitive resistors, the temperature comparison result by the first comparison circuit and the temperature comparison by the second comparison circuit Based on the result, an opening / closing operation is performed to supply power from the power source to one of the first, second, third, and fourth temperature sensitive resistors, and the first The second and fifth temperature sensitive resistors have the same temperature , and the switch has the same that the first and sixth temperature sensitive resistors have the same temperature. 4 based on the difference between the power supplied to the temperature sensitive resistor 4 and the difference between the power supplied to the second and fifth temperature sensitive resistors. Flow rate measuring device for measuring the flow rate.
前記制御回路は、前記第1の感温抵抗体と第6の感温抵抗体の平均温度が予め設定された温度になるように、前記発熱抵抗体に供給する電力を制御する、請求項1に記載の流量測定装置。 Furthermore, a heating resistor is provided between the third and fourth temperature sensitive resistors,
The control circuit controls electric power supplied to the heating resistor so that an average temperature of the first temperature sensing resistor and the sixth temperature sensing resistor becomes a preset temperature. The flow measurement device described in 1.
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