JP4641359B2

JP4641359B2 - Flow sensor abnormality determination device

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Publication number: JP4641359B2
Application number: JP2001110004A
Authority: JP
Inventors: 路明山浦
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: JP2002310754A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローセンサの異常判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フローセンサを用いた流量計測装置は、たとえば、特開２００１−１２９８８号公報等に開示されている。
【０００３】
この種の流量計測装置に使用されるフローセンサは、たとえば、ガスを加熱するマイクロヒータと、マイクロヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する上流側温度センサとして働く上流側サーモパイルと、マイクロヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する下流側温度センサとして働く下流側サーモパイルと、マイクロヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する右側温度センサとして働く右側サーモパイルと、マイクロヒータをはさんで右側サーモパイルと対向する側に、マイクロヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する左側温度センサとして働く左側サーモパイルと、マイクロヒータ、上流側サーモパイル、下流側サーモパイル、右側サーモパイル及び左側サーモパイルを支持する支持基板とを備えたマイクロフローセンサである。
【０００４】
そして、流量計測装置においては、下流側サーモパイル及び上流側サーモパイルからの温度検出信号に基づいて、ガスの流量が算出され、右側サーモパイル及び左側サーモパイルからの温度検出信号に基づいて、ガス種が判定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のフローセンサを使用した従来の流量計測装置においては、各温度センサすなわち各サーモパイルが断線することがある。このような断線異常の発生時には、ガス流量の算出を正確に行うことができなくなり、流量精度が低下してしまったり、ガス種の判定が正確に行われなくなったりするおそれがあるいう問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、センサの断線異常を的確に判定できるフローセンサの異常判定装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【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、ガスを加熱するヒータと、上記ヒータに対してガスの上流側に配置された上流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの下流側に配置された下流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された右側温度センサと、上記ヒータをはさんで上記右側温度センサと対向する側に、上記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された左側温度センサと、上記ヒータ、上記上流側温度センサ、上記下流側温度センサ、上記右側温度センサ及び上記左側温度センサを支持する支持基板とを備えたフローセンサにおいて、上記ヒータのオフ時に、上記上流側温度センサの検出出力と上記下流側温度センサの検出出力の差分を検出する差分検出手段と、上記ヒータのオフ時に、上記右側温度センサの検出出力と上記左側温度センサの検出出力の和を検出する加算手段と、上記差分検出手段の出力が、予め設定された第１の範囲外になった場合は、上記上流側温度センサまたは上記下流側温度センサの断線異常と判定し、上記加算手段で検出された上記和が、予め設定された第２の範囲外になった場合は、上記右側温度センサまたは上記左側温度センサの断線異常と判定する判定手段とからなるフローセンサの異常判定装置に存する。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、フローセンサの異常判定装置は、ガスを加熱するヒータと、ヒータに対してガスの上流側に配置された上流側温度センサと、ヒータに対してガスの下流側に配置された下流側温度センサと、ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された右側温度センサと、ヒータをはさんで右側温度センサと対向する側に、ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された左側温度センサと、ヒータ、上流側温度センサ、下流側温度センサ、右側温度センサ及び左側温度センサを支持する支持基板とを備えたフローセンサにおいて、ヒータのオフ時に、上流側温度センサの検出出力と下流側温度センサの検出出力の差分を検出する差分検出手段と、ヒータのオフ時に、右側温度センサの検出出力と左側温度センサの検出出力の和を検出する加算手段と、差分検出手段の出力が、予め設定された第１の範囲外になった場合は、上流側温度センサまたは下流側温度センサの断線異常と判定し、加算手段で検出された和が、予め設定された第２の範囲外になった場合は、右側温度センサまたは左側温度センサの断線異常と判定する判定手段とからなる。
【００１１】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、前記差分検出手段および前記加算手段にオフセット電圧を供給するオフセット手段を含むことを特徴とする請求項１記載のフローセンサの異常判定装置に存する。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、フローセンサの異常判定装置は、差分検出手段および加算手段にオフセット電圧を供給するオフセット手段を含む。
【００１７】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、前記加算手段は、一方の入力端子に前記上流側温度センサが接続されると共に他方の入力端子に前記下流側温度センサが接続され、前記和を出力する加算器からなることを特徴とする請求項１記載のフローセンサの異常判定装置に存する。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、加算手段は、一方の入力端子に前記上流側温度センサが接続されると共に他方の入力端子に前記下流側温度センサが接続され、前記和を出力する加算器からなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明によるフローセンサの異常判定装置の実施の形態を含む流量計測装置を示す構成図である。図１において、流量計測装置は、フローセンサ１と、差分検出手段としての差分検出回路２１と、加算手段としての加算器２２と、スイッチ２３，２４と、Ａ／Ｄコンバータ２５と、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２６と、表示部２７と、メモリ２８と、遮断弁２９と、通報部３０と、ヒータ駆動回路３１と、オフセット回路３７とを備えている。
【００２３】
フローセンサ１は、ガスを加熱するマイクロヒータ４と、マイクロヒータ４に対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル８と、マイクロヒータ４に対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル５と、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する右側温度センサとして働く右側サーモパイル１１と、マイクロヒータ４をはさんで右側サーモパイル１１と対向する側に、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して温度検出信号を出力する左側温度センサとして働く左側サーモパイル１３とを備えたマイクロフローセンサである。
【００２４】
差分検出回路２１は、非反転入力端子にフローセンサ１の上流側サーモパイル８が接続され、反転入力端子にフローセンサ１の下流側サーモパイル５が接続されたオペアンプからなる差動アンプ３２と、差動アンプ３２の非反転入力端子と反転入力端子の間に直列接続された、バランス調整回路３３とからなる。なお、上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５は、それぞれの起電力の同一極性側が差動アンプ３２の非反転入力端子及び反転入力端子に接続される。
【００２５】
加算器２２は、非反転入力端子にフローセンサ１の右側サーモパイル１１が接続され、反転入力端子にフローセンサ１の左側サーモパイル１３が接続されたオペアンプ３８からなる。なお、右側サーモパイル１１と左側サーモパイル１３は、それぞれの起電力の互いに反対の極性側がオペアンプ３７の非反転入力端子及び反転入力端子に接続される。
【００２６】
スイッチ２３、２４は、リレースイッチや電子スイッチ等からなり、マイコン２６からの制御信号によって、一方がオンの時他方がオフとなるように制御される。
【００２７】
Ａ／Ｄコンバータ２５は、スイッチ２３を介して入力される差分検出回路２１の差動アンプ３２の出力電圧、または、スイッチ２４を介して入力される加算器２２の出力電圧をアナログ／デジタル変換する、たとえば１２ビットのＡ／Ｄコンバータである。
【００２８】
ヒータ駆動回路３１は、そのベースに入力されるマイコン２６からの制御信号でオン、オフ制御されるｐｎｐ型のスイッチングトランジスタ３８からなる。スイッチングトランジスタ３８のエミッタは電源＋Ｖｃｃに接続され、コレクタはフローセンサ１のマイクロヒータ４に接続されている。
【００２９】
バランス調整回路３３は、差動アンプ３２の非反転入力端子と反転入力端子の間に直列接続された抵抗３４、可変抵抗３５及び抵抗３６からなる。可変抵抗３５の摺動子は接地されている。
【００３０】
オフセット回路３７は、マイコン２６からの制御信号により起動、停止され、差動アンプ３２及びオペアンプ３７にオフセット電圧を供給するオフセット手段として働く。
【００３１】
図２及び図３は、図１のフローセンサの構成図及び断面図である。図２において、フローセンサ１は、Ｓｉ基板２と、ダイアフラム３と、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４と、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５と、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，６Ｂと、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８と、上流側サーモパイル８から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂ、を備えている。
【００３２】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（図３における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号を出力する右側サーモパイル１１と、この右側サーモパイル１１から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２Ａ，１２Ｂと、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号を出力する左側サーモパイル１３と、この左側サーモパイル１３から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４Ａ，１４Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【００３３】
上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３は、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、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【００３４】
また、図３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、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のそれぞれの温接点が形成されている。
【００３５】
上述の構成において、図１に戻ってまず流量計測について説明する。流量計測時、マイコン２６は、ヒータ駆動回路３１のスイッチングトランジスタ３７をオンさせ、マイクロヒータ４に駆動電流を供給し、ヒータオン状態とする。また、マイコン２６は、ヒータオン時に、スイッチ２３をオンかつスイッチ２４をオフとなるように制御し、差動アンプ３２より出力される上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５の温度検出信号の差分をスイッチ２３、Ａ／Ｄコンバータ２５を介してＡ／Ｄ変換したデジタルデータをサンプリングして得たサンプリングデータに基づいて、ガスの流量を算出し、積算する。
【００３６】
また、マイコン２６は、ヒータオン時に、スイッチ２３をオフかつスイッチ２４をオンとなるように制御し、オペアンプ３７より出力される右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３の温度検出信号の和をスイッチ２４、Ａ／Ｄコンバータ２５を介してＡ／Ｄ変換したデジタルデータをサンプリングして得たサンプリングデータに基づいて、ガス種を判別し、上述のガス流量算出時の補正パラメータとして使用する。
【００３７】
そして、マイコン２６は、上述の積算値を、表示部２７に表示させ、メモリ２８に格納すると共に、通報部３０を介して外部（たとえば、ガス管理センター）に通報する。
【００３８】
一方、マイコン２６は、流量計測時に流量異常を検知した場合は、遮断弁２９を遮断させると共に、異常警報を表示部２７に表示させかつ通報部３０を介して外部（たとえば、ガス管理センター）に通報する。
【００３９】
次に、フローセンサの異常判定動作について説明する。まず、流量検出用温度センサとして働く上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５の断線異常の判定方法について述べる。
【００４０】
１）流量検出用温度センサの断線異常判定方法
この場合には、マイコン２６は、スイッチ２３をオンかつスイッチ２４をオフとなるように制御すると共に、ヒータ駆動回路３１のスイッチングトランジスタ３７をオフさせて、マイクロヒータ４をオフとした状態で、差分検出回路２１からの出力電圧データを観測する。
【００４１】
バランス調整回路３３の可変抵抗３４の摺動子の位置は、差動アンプ３２の非反転入力端子に接続された上流側サーモパイル８と差動アンプ３２の反転入力端子に接続された下流側サーモパイル５の固体差に起因する起電力のアンバランスをなくすように予め調整される。したがって、差動アンプ３２の出力側には、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５へ流れ込む差動アンプ３２の入力バイアス電流のバラツキに起因する出力電圧±Ａが発生している。
【００４２】
また、ヒータオフ時のガスの流れによるセンサ出力への影響をなくすために、差動アンプ３２には、マイコン２６からの制御信号で起動されたオフセット回路３７から、流量計測時に各サーモパイルで発生する起電力よりかなり高いオフセット電圧Ｖ（たとえば、１ボルト）が予め供給されている。
【００４３】
したがって、ヒータオフ時には、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５において起電力がほとんど発生しないため、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５が正常に動作している場合は、差分検出回路２１からの出力電圧は、オフセット電圧Ｖ（＝１ボルト）±Ａの範囲内となっている。そして、マイコン２６は、このオフセット電圧Ｖ（＝１ボルト）±Ａを第１の範囲として予め設定し、メモリに格納しておく。
【００４４】
そこで、マイコン２６は、ヒータオフ時の差分検出回路２１からの出力電圧Ｖ１が、予め設定された第１の範囲（Ｖ±Ａ）内となっていれば、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５が正常に動作していると判定する。
【００４５】
一方、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５のどちらかが断線すると、差動アンプ３２の入力側のバランスがくずれ、差分検出回路２１からの出力電圧Ｖ１が、予め設定された第１の範囲Ｖ±ＡからはずれたＶ±Ｂ（Ｂ＞Ａ）に変化する。
【００４６】
そこで、マイコン２６は、差分検出回路２１からの出力電圧Ｖ１が、予め設定された第１の範囲Ｖ±Ａからはずれた値（Ｖ＋ＢまたはＶ−Ｂ）になったことを検知し、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５のどちらかの断線異常と判定する。
【００４７】
マイコン２６は、上述のように断線異常と判定した場合、遮断弁２９を遮断させると共に、異常警報を表示部２７に表示させかつ通報部３０を介して外部（たとえば、ガス管理センター）に通報する。
【００４８】
それにより、流量計測装置は、断線異常状態での流量計測を停止して、安全サイドに移行することができる。
【００４９】
次に、ガス種検出用温度センサとして働く右側サーモパイル１１と左側サーモパイル１３の断線異常の判定方法について述べる。
【００５０】
２）ガス種検出用温度センサの断線異常判定方法
この場合には、マイコン２６は、スイッチ２４をオンかつスイッチ２３をオフとなるように制御すると共に、ヒータ駆動回路３１のスイッチングトランジスタ３７をオフさせて、マイクロヒータ４をオフとした状態で、加算器２２からの出力電圧データを観測する。
【００５１】
ヒータオフ時のガスの流れによるセンサ出力への影響をなくすために、オペアンプ３８には、マイコン２６からの制御信号で起動されたオフセット回路３７から、流量計測時に各サーモパイルで発生する起電力よりかなり高いオフセット電圧Ｖ（たとえば、１ボルト）が予め供給されている。
【００５２】
したがって、ヒータオフ時には、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３において起電力がほとんど発生しないため、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３が正常に動作している場合は、加算器２２すなわちオペアンプ３８からの出力電圧は、オフセット電圧Ｖ（＝１ボルト）±Ｃとなっている。ここで、Ｃ＝（右側サーモパイル１１の起電力＋左側サーモパイル１３の起電力）±αである。そして、マイコン２６は、このオフセット電圧Ｖ（＝１ボルト）±Ｃを第２の範囲として予め設定し、メモリに格納しておく。
【００５３】
そこで、マイコン２６は、ヒータオフ時の加算器２２からの出力電圧Ｖ２が、予め設定された第２の範囲（Ｖ±Ｃ）内となっていれば、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３が正常に動作していると判定する。
【００５４】
一方、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のどちらかが断線すると、オペアンプ３８の入力側のバランスがくずれ、オペアンプ３８すなわち加算器２２からの出力電圧Ｖ２が、予め設定された第２の範囲Ｖ±ＣからＶ±Ｄ（Ｃ＞Ｄ）に変化する。
【００５５】
そこで、マイコン２６は、加算器２２からの出力電圧Ｖ２が、予め設定された第２の範囲Ｖ±Ｃからはずれた値（Ｖ＋ＤまたはＶ−Ｄ）になったことを検知し、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のどちらかの断線異常と判定する。
【００５６】
マイコン２６は、上述のように断線異常と判定した場合、遮断弁２９を遮断させると共に、異常警報を表示部２７に表示させかつ通報部３０を介して外部（たとえば、ガス管理センター）に通報する。
【００５７】
それにより、流量計測装置は、断線異常状態での流量計測を停止して、安全サイドに移行することができる。
【００５８】
次に、上述の流量計測装置の一連の動作を図４に示すフローチャートで説明する。まず、マイコン２６は、流量計測のサンプリング時間になったか否かを判定し（ステップＳ１）、その答がイエスならば、ヒータ４をオフとし、ヒータオフ時の差分検出回路２１の出力データＶ１および加算器２２の出力データＶ２を計測する（ステップＳ２）。次いで、ヒータ４をオンとし、ヒータオン時の差分検出回路２１の出力データＶ１′および加算器２２の出力データＶ２′を計測する（ステップＳ３）。
【００５９】
次いで、マイコン２６は、ヒータオン時の出力データＶ１′およびＶ２′に基づき、流量演算を行なう（ステップＳ４）。次いで、マイコン２６は、ヒータオフ時の差分検出回路２１の出力データＶ１が予め設定された第１の範囲（Ｖ±Ａ）内にある（Ｖ１≦Ｖ±Ａ）か否かを判定する（ステップＳ６）。その答がイエスならば、次いで、マイコン２６は、ヒータオフ時の加算器２２の出力データＶ２が予め設定された第２の範囲（Ｖ±Ｃ）内にある（Ｖ２≦Ｖ±Ｃ）か否かを判定する（ステップＳ７）。その答がイエスならば、マイコン２６は、各温度センサ（すなわち、各サーモパイル５，８，１１，１３）が正常に動作していると判断し（ステップＳ８）、次にステップＳ１に戻り、次のサンプリング時間の到来を待ち受ける。
【００６０】
一方、ステップＳ６の答がノーならば、マイコン２６は、流量検出用温度センサのいずれか、すなわち、上流側サーモパイル８または下流側サーモパイル５のどちらかが断線していると判断する（ステップＳ９）。
【００６１】
また、ステップＳ７の答がノーならば、マイコン２６は、ガス種検出用温度センサのいずれか、すなわち、右側サーモパイル１１または左側サーモパイル１３のどちらかが断線していると判断する（ステップＳ１０）。
【００６２】
ステップＳ９またＳ１０に続いて、マイコン２６は、各温度センサのいずれかの断線発生によりセンサ異常と判断し（ステップＳ１１）、次いで、表示器２７に異常警報を表示させると共に通報部３０を介して外部（たとえば、ガス管理センター）に通報し（ステップＳ１２）、次いで、流量計測を停止し（ステップＳ１３）、次いで、遮断弁３０を遮断させる（ステップＳ１４）。
【００６３】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００６４】
たとえば、Ａ／Ｄコンバータ２５は、マイクロコンピュータ２６に内蔵しても良い。
【００６５】
また、センサ異常判定は、各サンプリング毎のデータにて実施しても良くまたは、サンプリング毎ではなく定期的（たとえば、１時間に１回）にマイコン２６でのセンサ異常判断ロジックを動作させて確認しても良い。
【００６６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、流量検出用の上流側または下流側温度センサの断線等の異常を判断できる。したがって、このようなセンサを用いた流量計測装置において、センサ異常による流量誤計測を防止できると共に、装置を安全サイドに動作させることが可能である。
【００６７】
また、ガス種検出用の右側または左側温度センサの断線等の異常を判断できる。
【００６８】
請求項２記載の発明によれば、ガスの流れによるセンサ出力の影響を削除できる。
【００７１】
請求項３記載の発明によれば、ガス種検出用の右側及び左側温度センサの各検出出力の和を加算器で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフローセンサの異常判定装置の実施の形態を含む流量計測装置を示す構成図である。
【図２】図１のフローセンサの構成図である。
【図３】図１のフローセンサの断面図である。
【図４】図１の流量計測装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１フローセンサ
４マイクロヒータ（ヒータ）
５下流側サーモパイル（下流側温度センサ）
８上流側サーモパイル（上流側温度センサ）
１１右側サーモパイル（右側温度センサ）
１３左側サーモパイル（左側温度センサ）
２１差分検出回路（差分検出手段）
２２加算器（加算手段）
２６マイコン（判定手段）
２７表示部
２８メモリ
２９遮断弁
３０通報部
３２差動アンプ
３３バランス調整回路（バランス調整手段）
３７オフセット回路（オフセット手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow sensor abnormality determination device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a flow rate measuring device using a flow sensor is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-12988.
[0003]
A flow sensor used in this type of flow rate measuring device is, for example, a microheater that heats a gas and an upstream side of the gas with respect to the microheater, detects the temperature of the gas, and outputs a temperature detection signal. An upstream thermopile that functions as an upstream temperature sensor, a downstream thermopile that is arranged downstream of the gas with respect to the microheater, detects the temperature of the gas, and outputs a temperature detection signal, and a microheater The right thermopile, which acts as a right temperature sensor that detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal, and the side facing the right thermopile across the micro heater , Arranged in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction with respect to the micro heater, detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal A left thermopile acting as side temperature sensor is a micro flow sensor including a micro heater, upstream thermopile, downstream thermopile, and a support substrate for supporting the right thermopile and left thermopile.
[0004]
In the flow rate measuring device, the gas flow rate is calculated based on the temperature detection signals from the downstream thermopile and the upstream thermopile, and the gas type is determined based on the temperature detection signals from the right thermopile and the left thermopile. ing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional flow measurement device using the above-described flow sensor, each temperature sensor, that is, each thermopile may be disconnected. When such a disconnection abnormality occurs, there is a problem that the calculation of the gas flow rate cannot be performed accurately, and the flow rate accuracy may be lowered, or the gas type may not be determined accurately. .
[0006]
Accordingly, the present invention focuses on the above-described problems, and an object thereof is to provide a flow sensor abnormality determination device that can accurately determine sensor disconnection abnormality.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1, which has been made to solve the above-described problems, includes a heater for heating a gas, an upstream temperature sensor disposed upstream of the gas with respect to the heater, and a gas with respect to the heater. A downstream temperature sensor arranged on the downstream side, a right temperature sensor arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater, and a side facing the right temperature sensor across the heater, A left side temperature sensor disposed in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater, and a support that supports the heater, the upstream side temperature sensor , the downstream side temperature sensor , the right side temperature sensor, and the left side temperature sensor. in the flow sensor comprising a substrate, at the oFF time of the heater, the difference detecting means for detecting a difference between the detection output of the detection output and the downstream temperature sensor of the upstream temperature sensor, Serial when the heater off, adding means for detecting the sum of the detection output of the detection output and the left temperature sensor of the right temperature sensor, the output of the difference detection means, it falls outside a first preset range If it is determined that the upstream temperature sensor or the downstream temperature sensor is disconnected abnormally, and the sum detected by the adding means is outside the preset second range, the right temperature It exists in the abnormality determination apparatus of the flow sensor which consists of a determination means to determine with the disconnection abnormality of a sensor or the said left side temperature sensor .
[0008]
According to the first aspect of the present invention, an abnormality determination device for a flow sensor includes a heater for heating a gas, an upstream temperature sensor disposed upstream of the gas with respect to the heater, and a downstream of the gas with respect to the heater. A downstream temperature sensor arranged on the side, a right temperature sensor arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater, and a heater on the side facing the right temperature sensor across the heater A heater comprising: a left temperature sensor disposed substantially perpendicular to a gas flow direction; and a heater, an upstream temperature sensor , a downstream temperature sensor , a right temperature sensor, and a support substrate that supports the left temperature sensor. during off, the difference detecting means for detecting a difference between the detection output of the detection output and the downstream temperature sensor upstream temperature sensor, when the heater off, the detection output and the left temperature of the right temperature sensor Adding means for detecting the sum of the detection output of the capacitors, the output of the difference detection means, if it falls outside the first range set in advance, determines that the disconnection abnormality of the upstream temperature sensor or the downstream temperature sensor When the sum detected by the adding means is out of the second range set in advance, the determining means determines that the right temperature sensor or the left temperature sensor is disconnected abnormally .
[0011]
The invention of claim 2 wherein has been made to solve the above problems, the abnormality determination of the flow sensor according to claim 1, characterized in that it comprises an offset means for supplying an offset voltage to said differential detecting means and the addition means Exists in the device.
[0012]
According to the second aspect of the present invention, the abnormality determination device for the flow sensor includes an offset unit that supplies an offset voltage to the difference detection unit and the addition unit.
[0017]
The invention according to claim 3, which has been made to solve the above-described problem, is characterized in that the adding means has the upstream temperature sensor connected to one input terminal and the downstream temperature sensor connected to the other input terminal. consists in the abnormality determination device of the flow sensor according to claim 1, characterized in that an adder for outputting the sum.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, the adding means is an adder that outputs the sum by connecting the upstream temperature sensor to one input terminal and the downstream temperature sensor to the other input terminal. Consists of.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a block diagram showing a flow rate measuring device including an embodiment of an abnormality determining device for a flow sensor according to the present invention. In FIG. 1, a flow rate measuring device includes a flow sensor 1, a difference detection circuit 21 as a difference detection means, an adder 22 as an addition means, switches 23 and 24, an A / D converter 25, a microcomputer ( (Hereinafter referred to as a microcomputer) 26, a display unit 27, a memory 28, a shutoff valve 29, a notification unit 30, a heater drive circuit 31, and an offset circuit 37.
[0023]
The flow sensor 1 is a micro heater 4 that heats the gas, and an upstream thermopile that is disposed upstream of the gas with respect to the micro heater 4 and that functions as an upstream temperature sensor that detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal. 8, a downstream thermopile 5 that is arranged downstream of the gas with respect to the microheater 4 and that functions as a downstream temperature sensor that detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal; A right thermopile 11 that is arranged in a direction substantially perpendicular to the flow direction and that detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal and that serves as a right temperature sensor, and a micro-heater 4 across the side facing the right thermopile 11 A left side temperature sensor which is arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater 4 and which detects the temperature of the gas and outputs a temperature detection signal; A micro flow sensor with a left thermopile 13 acting Te.
[0024]
The differential detection circuit 21 includes a differential amplifier 32 composed of an operational amplifier in which the upstream thermopile 8 of the flow sensor 1 is connected to the non-inverting input terminal and the downstream thermopile 5 of the flow sensor 1 is connected to the inverting input terminal. It comprises a balance adjustment circuit 33 connected in series between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the amplifier 32. In the upstream thermopile 8 and the downstream thermopile 5, the same polarity side of each electromotive force is connected to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the differential amplifier 32.
[0025]
The adder 22 includes an operational amplifier 38 having the non-inverting input terminal connected to the right thermopile 11 of the flow sensor 1 and the inverting input terminal connected to the left thermopile 13 of the flow sensor 1. The right thermopile 11 and the left thermopile 13 are connected to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 37 at opposite polarities of the electromotive forces.
[0026]
The switches 23 and 24 are composed of relay switches, electronic switches, or the like, and are controlled by a control signal from the microcomputer 26 so that when one is on, the other is off.
[0027]
The A / D converter 25 performs analog / digital conversion on the output voltage of the differential amplifier 32 of the difference detection circuit 21 input via the switch 23 or the output voltage of the adder 22 input via the switch 24. For example, a 12-bit A / D converter.
[0028]
The heater drive circuit 31 includes a pnp type switching transistor 38 that is on / off controlled by a control signal from the microcomputer 26 input to the base thereof. The emitter of the switching transistor 38 is connected to the power source + Vcc, and the collector is connected to the micro heater 4 of the flow sensor 1.
[0029]
The balance adjustment circuit 33 includes a resistor 34, a variable resistor 35, and a resistor 36 connected in series between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the differential amplifier 32. The slider of the variable resistor 35 is grounded.
[0030]
The offset circuit 37 is activated and stopped by a control signal from the microcomputer 26 and functions as an offset unit that supplies an offset voltage to the differential amplifier 32 and the operational amplifier 37.
[0031]
2 and 3 are a configuration diagram and a cross-sectional view of the flow sensor of FIG. In FIG. 2, the flow sensor 1 includes a Si substrate 2, a diaphragm 3, a microheater 4 made of platinum or the like formed on the diaphragm 3, and a downstream side formed on the diaphragm 3 on the downstream side of the microheater 4. Output from the thermopile 5, power supply terminals 6 A and 6 B for supplying a drive current from a power source (not shown) to the microheater 4, an upstream thermopile 8 formed on the diaphragm 3 upstream of the microheater 4, and an output from the upstream thermopile 8 The first output terminals 9A and 9B for outputting the first temperature detection signal, and the second output terminals 7A and 7B for outputting the second temperature detection signal output from the downstream thermopile 5 are provided.
[0032]
The microflow sensor 1 is arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction (the direction from the arrow P to the arrow Q in FIG. 3) with respect to the microheater 4, detects the physical property value of the gas, and detects the right side temperature. The right thermopile 11 that outputs a signal, the third output terminals 12A and 12B that output the right temperature detection signal output from the right thermopile 11, and the microheater 4 are arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction. In order to obtain the gas temperature, the left thermopile 13 that detects the physical property value of the gas and outputs the left temperature detection signal, the fourth output terminals 14A and 14B that output the left temperature detection signal output from the left thermopile 13, and Resistors 15 and 16 and output terminals 17A and 17B for outputting gas temperature signals from the resistors 15 and 16.
[0033]
The upstream thermopile 8, the downstream thermopile 5, the right thermopile 11, and the left thermopile 13 are composed of thermocouples. This thermocouple is composed of p ++-Si and Al, has a cold junction and a hot junction, detects heat, and generates a thermoelectromotive force from a temperature difference between the cold junction and the hot junction, A temperature detection signal is output.
[0034]
As shown in FIG. 3, a diaphragm 3 is formed on the Si substrate 2. The diaphragm 3 includes a micro heater 4, an upstream thermopile 8, a downstream thermopile 5, a right thermopile 11, and a left thermopile 13. The respective hot junctions are formed.
[0035]
In the above-described configuration, returning to FIG. At the time of flow rate measurement, the microcomputer 26 turns on the switching transistor 37 of the heater drive circuit 31 to supply a drive current to the microheater 4 so that the heater is turned on. The microcomputer 26 controls the switch 23 to be turned on and the switch 24 to be turned off when the heater is turned on, and switches the difference between the temperature detection signals of the upstream thermopile 8 and the downstream thermopile 5 output from the differential amplifier 32. 23. Based on the sampling data obtained by sampling the A / D converted digital data via the A / D converter 25, the gas flow rate is calculated and integrated.
[0036]
Further, the microcomputer 26 controls the switch 23 to be turned off and the switch 24 to be turned on when the heater is turned on, and the sum of the temperature detection signals of the right thermopile 11 and the left thermopile 13 output from the operational amplifier 37 is changed to the switch 24, A / Based on the sampling data obtained by sampling the digital data A / D converted via the D converter 25, the gas type is determined and used as the correction parameter when calculating the gas flow rate described above.
[0037]
Then, the microcomputer 26, the integrated value described above, is displayed on the display unit 27, and stores in the memory 28, to report to the outside via the reporting unit 30 (e.g., gas management center).
[0038]
On the other hand, when the microcomputer 26 detects a flow rate abnormality during flow rate measurement, the microcomputer 26 shuts off the shut-off valve 29, displays an abnormality alarm on the display unit 27, and externally (for example, a gas management center) via the notification unit 30. report.
[0039]
Next, the abnormality determination operation of the flow sensor will be described. First, a method for determining a disconnection abnormality between the upstream thermopile 8 and the downstream thermopile 5 that serve as a flow rate detection temperature sensor will be described.
[0040]
1) Method for determining disconnection abnormality of temperature sensor for flow rate detection In this case, the microcomputer 26 controls the switch 23 to be turned on and the switch 24 to be turned off, and turns off the switching transistor 37 of the heater drive circuit 31. The output voltage data from the difference detection circuit 21 is observed with the micro heater 4 turned off.
[0041]
The position of the slider of the variable resistor 34 of the balance adjustment circuit 33 is the upstream thermopile 8 connected to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 32 and the downstream thermopile 5 connected to the inverting input terminal of the differential amplifier 32. Is adjusted in advance so as to eliminate the unbalance of the electromotive force due to the individual difference. Therefore, an output voltage ± A is generated on the output side of the differential amplifier 32 due to variations in the input bias current of the differential amplifier 32 flowing into the upstream thermopile 8 and the downstream thermopile 5.
[0042]
Further, in order to eliminate the influence on the sensor output due to the gas flow when the heater is turned off, the differential amplifier 32 includes an offset circuit 37 activated by a control signal from the microcomputer 26, and an occurrence that occurs in each thermopile during flow rate measurement. An offset voltage V (for example, 1 volt) that is considerably higher than the electric power is supplied in advance.
[0043]
Accordingly, since the electromotive force is hardly generated in the upstream side thermopile 8 and the downstream side thermopile 5 when the heater is turned off, the output voltage from the difference detection circuit 21 when the upstream side thermopile 8 and the downstream side thermopile 5 are operating normally. Is within the range of the offset voltage V (= 1 volt) ± A. Then, the microcomputer 26 presets the offset voltage V (= 1 volt) ± A as the first range and stores it in the memory.
[0044]
Therefore, if the output voltage V1 from the difference detection circuit 21 when the heater is turned off is within the preset first range (V ± A), the microcomputer 26 determines that the upstream thermopile 8 and the downstream thermopile 5 are Judge that it is operating normally.
[0045]
On the other hand, if either the upstream thermopile 8 or the downstream thermopile 5 is disconnected, the balance on the input side of the differential amplifier 32 is lost, and the output voltage V1 from the difference detection circuit 21 is set to the first range V set in advance. V ± B deviated from ± A (B> A).
[0046]
Therefore, the microcomputer 26 detects that the output voltage V1 from the difference detection circuit 21 has become a value (V + B or V−B) that deviates from the preset first range V ± A, and the upstream thermopile. 8 and the downstream side thermopile 5 are determined to be broken.
[0047]
If the microcomputer 26 determines that the disconnection is abnormal as described above, the microcomputer 26 shuts off the shut-off valve 29, displays an abnormality alarm on the display unit 27, and notifies the outside (for example, the gas management center) via the notification unit 30. .
[0048]
Thereby, the flow measurement device can stop the flow measurement in the disconnection abnormality state and shift to the safe side.
[0049]
Next, a method for determining an abnormality in disconnection between the right thermopile 11 and the left thermopile 13 serving as a gas type detection temperature sensor will be described.
[0050]
2) Method for Determining Disconnection Abnormality of Gas Type Detection Temperature Sensor In this case, the microcomputer 26 controls the switch 24 to be turned on and the switch 23 to be turned off, and turns off the switching transistor 37 of the heater drive circuit 31. Then, output voltage data from the adder 22 is observed with the micro heater 4 turned off.
[0051]
In order to eliminate the influence on the sensor output due to the gas flow when the heater is turned off, the operational amplifier 38 has an offset circuit 37 activated by a control signal from the microcomputer 26, which is considerably higher than the electromotive force generated in each thermopile during flow rate measurement. An offset voltage V (for example, 1 volt) is supplied in advance.
[0052]
Therefore, when the heater is turned off, almost no electromotive force is generated in the right thermopile 11 and the left thermopile 13. Therefore, when the right thermopile 11 and the left thermopile 13 are operating normally, the output voltage from the adder 22, that is, the operational amplifier 38 is The offset voltage V (= 1 volt) ± C. Here, C = (electromotive force of the right thermopile 11 + electromotive force of the left thermopile 13) ± α. Then, the microcomputer 26 presets this offset voltage V (= 1 volt) ± C as the second range and stores it in the memory.
[0053]
Therefore, the microcomputer 26 operates normally when the right thermopile 11 and the left thermopile 13 operate normally if the output voltage V2 from the adder 22 when the heater is turned off is within a preset second range (V ± C). It is determined that
[0054]
On the other hand, when either the right thermopile 11 or the left thermopile 13 is disconnected, the balance on the input side of the operational amplifier 38 is lost, and the output voltage V2 from the operational amplifier 38, that is, the adder 22, is set to a preset second range V ± C. To V ± D (C> D).
[0055]
Therefore, the microcomputer 26 detects that the output voltage V2 from the adder 22 has become a value (V + D or V−D) that deviates from the preset second range V ± C, and the right thermopile 11 and It is determined that one of the left thermopile 13 is broken.
[0056]
If the microcomputer 26 determines that the disconnection is abnormal as described above, the microcomputer 26 shuts off the shut-off valve 29, displays an abnormality alarm on the display unit 27, and notifies the outside (for example, the gas management center) via the notification unit 30. .
[0057]
Thereby, the flow measurement device can stop the flow measurement in the disconnection abnormality state and shift to the safe side.
[0058]
Next, a series of operations of the above-described flow rate measuring device will be described with reference to a flowchart shown in FIG. First, the microcomputer 26 determines whether the sampling time for flow rate measurement has come (step S1). If the answer is yes, the heater 4 is turned off, and the output data V1 of the difference detection circuit 21 and the addition when the heater is turned off. The output data V2 of the instrument 22 is measured (step S2). Next, the heater 4 is turned on, and the output data V1 ′ of the difference detection circuit 21 and the output data V2 ′ of the adder 22 when the heater is on are measured (step S3).
[0059]
Next, the microcomputer 26 performs flow rate calculation based on the output data V1 ′ and V2 ′ when the heater is on (step S4). Next, the microcomputer 26 determines whether or not the output data V1 of the difference detection circuit 21 when the heater is off is within a preset first range (V ± A) (V1 ≦ V ± A) (step S6). ). If the answer is yes, then the microcomputer 26 determines whether or not the output data V2 of the adder 22 when the heater is off is within a preset second range (V ± C) (V2 ≦ V ± C). Is determined (step S7). If the answer is yes, the microcomputer 26 determines that each temperature sensor (that is, each thermopile 5, 8, 11, 13) is operating normally (step S8), and then returns to step S1. Wait for the sampling time.
[0060]
On the other hand, if the answer to step S6 is no, the microcomputer 26 determines that one of the flow rate detection temperature sensors, that is, either the upstream thermopile 8 or the downstream thermopile 5 is disconnected (step S9). .
[0061]
If the answer to step S7 is no, the microcomputer 26 determines that one of the gas type detection temperature sensors, that is, either the right thermopile 11 or the left thermopile 13 is disconnected (step S10).
[0062]
Subsequent to step S9 or S10, the microcomputer 26 determines that a sensor abnormality has occurred due to occurrence of any disconnection of each temperature sensor (step S11), and then causes the display device 27 to display an abnormality alarm and via the notification unit 30. A notification is made to the outside (for example, the gas management center) (step S12), then the flow measurement is stopped (step S13), and then the shutoff valve 30 is shut off (step S14).
[0063]
As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to this, and various modifications and applications are possible.
[0064]
For example, the A / D converter 25 may be built in the microcomputer 26.
[0065]
Further, the sensor abnormality determination may be performed on the data for each sampling, or is confirmed by operating the sensor abnormality determination logic in the microcomputer 26 periodically (for example, once every hour) instead of every sampling. You may do it.
[0066]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the invention, it is possible to determine an abnormality such as disconnection of the upstream or downstream temperature sensor for detecting the flow rate. Therefore, in the flow rate measuring apparatus using such a sensor, it is possible to prevent erroneous flow rate measurement due to sensor abnormality and to operate the apparatus on the safe side.
[0067]
Further, it is possible to determine an abnormality such as disconnection of the right or left temperature sensor for detecting the gas type.
[0068]
According to invention of Claim 2 , the influence of the sensor output by the flow of gas can be deleted.
[0071]
According to the invention described in claim 3, the sum of the detection outputs of the right and left temperature sensors for gas type detection can be detected by the adder.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a flow rate measuring device including an embodiment of a flow sensor abnormality determination device according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of the flow sensor in FIG. 1;
3 is a cross-sectional view of the flow sensor of FIG.
4 is a flowchart for explaining the operation of the flow rate measuring device of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1 Flow sensor 4 Micro heater (heater)
5 Downstream thermopile (downstream temperature sensor)
8 Upstream thermopile (upstream temperature sensor)
11 Right thermopile (right temperature sensor)
13 Left thermopile (left temperature sensor)
21. Difference detection circuit (difference detection means)
22 Adder (addition means)
26 Microcomputer (determination means)
27 Display unit 28 Memory 29 Shut-off valve 30 Notification unit 32 Differential amplifier 33 Balance adjustment circuit (balance adjustment means)
37 Offset circuit (offset means)

Claims

A heater for heating a gas, an upstream temperature sensor disposed upstream of the gas with respect to the heater, a downstream temperature sensor disposed downstream of the gas with respect to the heater, and the heater A right temperature sensor arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction, and a side facing the right temperature sensor across the heater, arranged in a direction substantially orthogonal to the gas flow direction with respect to the heater In a flow sensor comprising a left side temperature sensor, and the heater, the upstream side temperature sensor , the downstream side temperature sensor , the right side temperature sensor, and a support substrate that supports the left side temperature sensor ,
Differential detection means for detecting a difference between the detection output of the upstream temperature sensor and the detection output of the downstream temperature sensor when the heater is off;
Adding means for detecting the sum of the detection output of the right temperature sensor and the detection output of the left temperature sensor when the heater is off;
When the output of the difference detection means is out of the preset first range, it is determined that the upstream temperature sensor or the downstream temperature sensor is disconnected, and the sum detected by the addition means is detected. However, the flow sensor abnormality determination device includes: a determination unit that determines that the right temperature sensor or the left temperature sensor is disconnected abnormally when the second temperature sensor is outside the preset second range .

The flow sensor abnormality determination device according to claim 1, further comprising offset means for supplying an offset voltage to the difference detection means and the addition means.

2. The adder comprises an adder that outputs the sum by connecting the right temperature sensor to one input terminal and the left temperature sensor to the other input terminal. Flow sensor abnormality determination device.