JP4751259B2 - Flow velocity measurement method, flow measurement method, flow meter, and flow meter - Google Patents
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本発明は、流体の流量を測定する方法及び流量計に係り、特に、ガスメータや水道メータ、漏洩警報器等に使用して好適な流速測定方法、流量測定方法、流速計、及び、流量計に関する。 The present invention relates to a method and a flow meter for measuring a flow rate of a fluid, and more particularly to a flow velocity measuring method, a flow measuring method, a flow velocity meter, and a flow meter suitable for use in a gas meter, a water meter, a leak alarm device, and the like. .
流体の流量を測定する流量計の代表的なものの１つとして挙げられるガスメータは、内部の流路を流れるガスの流量をガスの使用量として測定する流量計を有しており、この流量計は、熱源と温度センサを有しガスメータに内蔵された電池により駆動される流速センサによりガスの流路上でのガスの流速を計測し、この計測したガスの流速に流路の断面積を乗じることで、ガスの流量を測定するように構成されている。 A gas meter, which is one of representative flow meters that measure the flow rate of fluid, has a flow meter that measures the flow rate of gas flowing through an internal flow path as the amount of gas used. The gas flow rate is measured by a flow rate sensor that has a heat source and a temperature sensor and is driven by a battery built in the gas meter, and the measured gas flow rate is multiplied by the cross-sectional area of the flow channel. , Configured to measure the flow rate of gas.
ところで、上述した流路上でのガスの流速計測に用いられるセンサの一つであるフローセンサは、例えば、ガスの通過する流路に配置されるシリコン基板上に、熱源としてのヒータと、温度センサとしてのサーモパイルとを形成して構成されており、このサーモパイルは、ガスの流れ方向におけるヒータの下流側にヒータから間隔をおいて配置されている。 By the way, a flow sensor which is one of the sensors used for measuring the flow velocity of gas on the flow path described above includes, for example, a heater as a heat source and a temperature sensor on a silicon substrate disposed in the flow path through which the gas passes. The thermopile is formed on the downstream side of the heater in the gas flow direction and spaced from the heater.
そして、このフローセンサでは、ヒータに通電して熱を放出させると、その熱が流路のガスによりサーモパイルに伝達されて、サーモパイルの熱起電力が変化するが、サーモパイルへの熱伝達速度が流路を流れるガスの流速に応じて変化するので、サーモパイルの熱起電力は流路のガスの流速に応じて変化することになる。 In this flow sensor, when the heater is energized to release heat, the heat is transmitted to the thermopile by the gas in the flow path, and the thermoelectromotive force of the thermopile changes, but the heat transfer rate to the thermopile flows. Since it changes according to the flow velocity of the gas flowing through the path, the thermoelectromotive force of the thermopile changes according to the flow velocity of the gas in the flow path.
そこで、フローセンサはこの原理を利用して、サーモパイルの熱起電力に応じたレベルの電気信号を、流路のガスの流速を表す信号として出力するように構成されている。 Therefore, the flow sensor is configured to output an electric signal having a level corresponding to the thermoelectromotive force of the thermopile as a signal representing the flow velocity of the gas in the flow path by using this principle.
尚、熱源としては、通電量によって放出する熱の量が変化するヒータの他に、通電方向によって熱の放出と吸収とが切り換わり、かつ、通電量によって放出又は吸収する熱の量が変化するペルチェ素子を用いることも考えられ、また、温度センサとしては、サーモパイルの他に、Ｐｔ、Ｐｔ膜、Ｐｎ接合半導体、パーマロイ、ドープしたＳｉを用いることもできる。 As a heat source, in addition to a heater that changes the amount of heat released depending on the amount of energization, heat emission and absorption are switched depending on the direction of energization, and the amount of heat released or absorbed changes depending on the amount of energization. It is also possible to use a Peltier element, and as the temperature sensor, in addition to the thermopile, Pt, Pt film, Pn junction semiconductor, permalloy, doped Si can also be used.
ところで、上記したサーモパイルの熱起電力等、温度センサが出力する検出信号の、流路を流れる流体の流速がゼロの時の値であるオフセット値は、温度センサの周辺温度の変化に伴って変動することが知られており、そのため、ガスの流速を正確に測定するためには、温度センサのオフセット値の周辺温度変化によるドリフト分をキャンセルして温度センサの検出信号に対して温度補償を行う必要がある。 By the way, the offset value which is the value when the flow velocity of the fluid flowing through the flow path of the detection signal output from the temperature sensor such as the thermoelectromotive force of the thermopile described above is zero varies with the change in the ambient temperature of the temperature sensor. Therefore, in order to accurately measure the gas flow rate, the temperature sensor offset signal is compensated by canceling the drift due to the ambient temperature change in the temperature sensor offset value. There is a need.
上述した温度センサの検出信号における温度ドリフトに対する補償は、流路における流体の流れの上流側と下流側とに熱源から等しい間隔をおいて温度センサをそれぞれ配置して、両検出信号の差分を取ってこの差分から流体の流速を換算測定するようにし、両温度センサの検出信号に同じボリュームでそれぞれ含まれる温度ドリフト分を相殺する構成とすることで、実行することができる（例えば特許文献１，２）。
しかしながら、流路の温度変化に伴う温度ドリフトは、温度センサの検出信号だけでなく、例えば、上流側及び下流側の両温度センサの検出信号の差分を取るのに用いる差動アンプや、差動アンプで求めた両検出信号の差分から流体の流速を換算測定するマイクロコンピュータ等の制御装置に取り込む際に使用するＡ／Ｄ変換器等の周辺回路にも発生し、この温度ドリフトの補償は、上流側及び下流側の両温度センサの検出信号の差分を取ることでは行うことができない。 However, the temperature drift accompanying the temperature change of the flow path is not only the detection signal of the temperature sensor, but also, for example, a differential amplifier used to take the difference between the detection signals of both the upstream and downstream temperature sensors, It also occurs in peripheral circuits such as A / D converters that are used when taking in a control device such as a microcomputer that converts and measures the fluid flow velocity from the difference between the two detection signals obtained by the amplifier. This cannot be done by taking the difference between the detection signals of both the upstream and downstream temperature sensors.
そのため、ガスの流速や流量に応じて温度センサが出力する検出信号の流路温度に依存した変化を補償する、従来の温度ドリフトの補償のやり方では、流量センサの出力から正確なガスの流速や流量を計測、測定するのに、未だ改善の余地があった。 For this reason, in the conventional temperature drift compensation method that compensates for changes in the detection signal output from the temperature sensor depending on the flow rate and flow rate of the gas depending on the flow path temperature, the accurate gas flow rate and There was still room for improvement in measuring and measuring the flow rate.
そして、このような課題は、ガスメータにおいてガスの流速や流量を測定する際に限らず、水道メータで水道水の流速や流量を測定する場合を始めとして、漏洩警報器等の種々の機器において熱源と温度センサとを用いて流速乃至流量測定を行う際に共通して発生し得るものである。 Such problems are not limited to the measurement of gas flow rate and flow rate in a gas meter, but include the measurement of the flow rate and flow rate of tap water with a water meter, as well as the heat source in various devices such as leak alarms. And a temperature sensor can be used in common when performing flow rate or flow rate measurement.
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、熱源と温度センサとを有する流量センサを用いて流体の流速乃至流量を測定するのに当たり、流路の温度変化に伴い温度センサにおいて発生する温度ドリフトだけでなく、その後段の要素において発生する温度ドリフトについても補償することができる流速測定方法及び流量測定方法と、これらの方法を実施する際に用いて好適な流速計及び流量計とを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to measure the flow rate or flow rate of a fluid using a flow rate sensor having a heat source and a temperature sensor. Flow rate measuring method and flow rate measuring method capable of compensating for not only the temperature drift occurring in the apparatus but also the temperature drift occurring in the subsequent elements, and the preferred anemometer and flow rate used in carrying out these methods It is to provide a total.
上記目的を達成するため請求項１に記載した本発明の流速測定方法は、被測定対象の流体の流路上に配置した熱源が通電により発生する熱を、前記流路における流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ等間隔をおいて配置した上流側及び下流側の各温度センサにより検出して、検出した熱の温度に応じた上流側及び下流側の各検出信号を前記上流側及び下流側の各温度センサから各々出力させ、これら上流側及び下流側の各検出信号の差分に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定するに当たり、前記上流側の検出信号から前記下流側の検出信号を減じた第１の差分と、前記下流側の検出信号から前記上流側の検出信号を減じた第２の差分との差分である第３の差分の半値を、前記上流側及び下流側の各検出信号の差分とし、該第３の差分の半値に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定するようにしたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the flow velocity measuring method according to the present invention described in
また、請求項２に記載した本発明の流速測定方法は、請求項１に記載した本発明の流速測定方法において、前記流路を流れる流体の流速を、該流路における流体の流れから外れた箇所に配置された補正用温度センサから該箇所の温度に応じて出力される温度信号によって補正された前記第３の差分に基づいて測定するようにした。
Further, the flow rate measuring method of the present invention described in
さらに、上記目的を達成するため請求項３に記載した本発明の流量測定方法は、被測定対象の流体の流路上に配置した熱源が通電により発生する熱を、前記流路における流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ等間隔をおいて配置した上流側及び下流側の各温度センサにより検出して、検出した熱の温度に応じた上流側及び下流側の各検出信号を前記上流側及び下流側の各温度センサから各々出力させ、これら上流側及び下流側の各検出信号の差分に基づいて、前記流路を流れる流体の流量を測定するに当たり、請求項１又は２記載の流速測定方法により測定された前記流路を流れる流体の流速と、前記流路の既知の断面積とを用いて、前記流路を流れる流体の流量を測定することを特徴とする。
Furthermore, in order to achieve the above object, the flow rate measuring method of the present invention described in
また、上記目的を達成するため請求項４に記載した本発明の流速計は、図１の基本構成図に示すように、被測定対象の流体の流路Ｓ上に配置した熱源５が通電により発生する熱を、前記流路Ｓにおける流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ等間隔をおいて配置した上流側及び下流側の各温度センサ７，９により検出して、検出した熱の温度に応じた上流側及び下流側の各検出信号を前記上流側及び下流側の各温度センサ７，９から各々出力させ、これら上流側及び下流側の各温度センサ７，９の後段の演算手段２５が求める前記上流側及び下流側の各検出信号の差分に基づいて、前記流路Ｓを流れる流体の流速を測定する流速計であって、前記演算手段２５が、前記上流側の検出信号及び前記下流側の検出信号のうち、切換信号の第１状態では前記上流側の検出信号を選択出力すると共に、前記切換信号の第２状態では前記下流側の検出信号を選択出力する第１の信号選択手段１５と、前記上流側の検出信号及び前記下流側の検出信号のうち、前記切換信号の前記第１状態では前記下流側の検出信号を選択出力すると共に、前記切換信号の前記第２状態では前記上流側の検出信号を選択出力する第２の信号選択手段１７と、前記第１及び第２の各信号選択手段１５，１７の出力信号が各々入力され、これら両出力信号の差分を示す第１の差分データを生成する第１の減算手段２１と、前記切換信号の前記第１状態において前記第１の減算手段２１が生成する前記第１の差分データの示す差分と、前記切換信号の前記第２状態において前記第１の減算手段２１が生成する前記第１の差分データの示す差分との差分を示す第２の差分データを生成する第２の減算手段Ａとを備え、前記第２の減算手段Ａが生成する前記第２の差分データの示す差分の半値を、前記上流側及び下流側の各検出信号の差分とし、該第２の差分データの示す差分の半値に基づいて、前記流路Ｓを流れる流体の流速を測定することを特徴とする。
Further, in order to achieve the above object, the current meter according to the fourth aspect of the present invention, as shown in the basic configuration diagram of FIG. 1, is energized by the
さらに、請求項５に記載した本発明の流速計は、請求項４に記載した本発明の流量計において、前記流路Ｓにおける流体の流れから外れた箇所に配置され、該流路Ｓの温度を検出して、検出した前記流路Ｓの温度に応じた温度信号を出力する補正用温度センサ８をさらに備えており、前記温度信号により補正された前記第２の差分データの示す半値に基づいて、前記流路Ｓを流れる流体の流速を測定する構成とした。
Furthermore, the flow velocity meter of the present invention according to
また、上記目的を達成するため請求項６に記載した本発明の流量計は、被測定対象の流体の流路Ｓ上に配置した熱源５が通電により発生する熱を、前記流路Ｓにおける流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ等間隔をおいて配置した上流側及び下流側の各温度センサ７，９により検出して、検出した熱の温度に応じた上流側及び下流側の各検出信号を前記上流側及び下流側の各温度センサ７，９から各々出力させ、これら上流側及び下流側の各温度センサ７，９の後段の演算手段２５が求める前記上流側及び下流側の各検出信号の差分に基づいて、前記流路Ｓを流れる流体の流量を測定する流量計であって、請求項４又は５記載の流速計を備え、前記流速計により測定された前記流路Ｓを流れる流体の流速と、前記流路Ｓの既知の断面積とを用いて、前記流路Ｓを流れる流体の流量を測定することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the flowmeter according to the present invention described in claim 6 is configured so that heat generated by energization of the
請求項１に記載した本発明の流速測定方法によれば、上流側や下流側の温度センサが出力する上流側や下流側の検出信号には、上流側や下流側の温度センサ自身に起因した、周囲温度に応じた温度ドリフトがそれぞれ含まれており、また、上流側の検出信号から下流側の検出信号を減じた第１の差分や、下流側の検出信号から上流側の検出信号を減じた第２の差分には、それらを求めるハードウェアに起因した、周囲温度に応じた温度ドリフトがそれぞれ含まれている。
According to the flow velocity measuring method of the present invention described in
このうち、上流側や下流側の温度センサが出力する上流側や下流側の検出信号にそれぞれ含まれている、上流側や下流側の温度センサ自身に起因した温度ドリフトは、第１の差分を求めるために上流側の検出信号から下流側の検出信号を減じたり、第２の差分を求めるために下流側の検出信号から上流側の検出信号を減じた際に、互いに相殺される。 Among these, the temperature drift caused by the upstream and downstream temperature sensors themselves included in the upstream and downstream detection signals output from the upstream and downstream temperature sensors is the first difference. When the detection signal on the downstream side is subtracted from the detection signal on the upstream side in order to obtain the detection signal, or when the detection signal on the upstream side is subtracted from the detection signal on the downstream side in order to obtain the second difference.
また、第１の差分や第２の差分にそれぞれ含まれる、それらを求めるハードウェアに起因した温度ドリフトは、第３の差分を求めるために第１の差分と第２の差分との差分を求める際に、互いに相殺される。 Further, the temperature drift caused by the hardware for obtaining them, which is included in each of the first difference and the second difference, obtains the difference between the first difference and the second difference in order to obtain the third difference. When they cancel each other.
したがって、第３の差分の半値は、上流側や下流側の温度センサ自身に起因した温度ドリフトや、第１の差分や第２の差分を求めるハードウェアに起因した温度ドリフトを一切含んでいない、上流側の温度センサの検出信号と下流側の温度センサの検出信号との純粋な差分ということになる。 Therefore, the half value of the third difference does not include any temperature drift caused by the temperature sensor itself on the upstream side or the downstream side, nor temperature drift caused by the hardware for obtaining the first difference or the second difference. This is a pure difference between the detection signal of the upstream temperature sensor and the detection signal of the downstream temperature sensor.
このため、第１の差分と第２の差分との差分である、温度ドリフトを一切含んでいない第３の差分の半値を用いて、流路を流れる流体の流速を正確に測定することができる。 For this reason, the flow velocity of the fluid flowing through the flow path can be accurately measured using the half value of the third difference that does not include any temperature drift, which is the difference between the first difference and the second difference. .
尚、熱源がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合、熱源の抵抗値は、流路の温度が高ければ相対的に上がり、流路の温度が低ければ相対的に下がるので、その熱源から発生する熱量は、流路の温度が高ければ高いほど大きくなり、反対に、流路の温度が低ければ低いほど小さくなる。 In addition, when the heat source changes heat generated by its resistance value, the resistance value of the heat source increases relatively if the temperature of the flow path is high, and relatively decreases if the temperature of the flow path is low. The amount of heat generated from the heat source increases as the temperature of the channel increases, and conversely decreases as the temperature of the channel decreases.
したがって、流路の温度が高ければ高いほど、流体を介して熱源から上流側や下流側の各温度センサに伝達される熱量は大きくなり、反対に、流路の温度が低ければ低いほど、流体を介して熱源から上流側や下流側の温度センサに伝達される熱量は小さくなる。 Therefore, the higher the temperature of the flow path, the larger the amount of heat transferred from the heat source to the upstream and downstream temperature sensors via the fluid, and conversely, the lower the temperature of the flow path, The amount of heat transferred from the heat source to the upstream and downstream temperature sensors via the heat source becomes small.
そのため、熱源がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合は、流路を流れる被測定対象の流体の流速に対する上流側や下流側の各温度センサの検出信号の値の比例係数が、流路の温度の高低に応じて高低する。 Therefore, when the heat source changes the heat generated by its resistance value, the proportional coefficient of the detection signal value of each upstream or downstream temperature sensor with respect to the flow velocity of the fluid to be measured flowing through the flow path is The height of the flow path is raised or lowered according to the height of the flow path.
これに対して、請求項２に記載した本発明の流速測定方法によれば、請求項１に記載した本発明の流速測定方法において、上述した流路の温度の高低に伴う比例係数の高低による各温度センサの検出信号値の変動を、流路の温度を検出する補正用温度センサの温度信号により補正した第３の差分の半値に基づいて、流路を流れる流体の流速を測定することから、熱源がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合であっても、流路を流れる流体の流速を正確に測定することができる。
In contrast, according to the flow rate measuring method of the present invention according to
また、請求項４に記載した本発明の流速計によれば、上流側や下流側の温度センサ７，９が出力する上流側や下流側の検出信号には、上流側や下流側の温度センサ７，９自身に起因した、周囲温度に応じた温度ドリフトがそれぞれ含まれている。
According to the flowmeter of the present invention as set forth in claim 4, the upstream and downstream detection signals output from the upstream and
また、切換信号の第１状態において第１の減算手段２１が生成する第１の差分データの示す、上流側の検出信号から下流側の検出信号を減じた差分や、切換信号の第２状態において第１の減算手段２１が生成する第１の差分データの示す、下流側の検出信号から上流側の検出信号を減じた差分には、第１の減算手段２１を構成するハードウェアに起因した、周囲温度に応じた温度ドリフトがそれぞれ含まれている。
Further, the difference obtained by subtracting the downstream detection signal from the upstream detection signal indicated by the first difference data generated by the first subtraction means 21 in the first state of the switching signal, or in the second state of the switching signal The difference obtained by subtracting the upstream detection signal from the downstream detection signal indicated by the first difference data generated by the
このうち、上流側や下流側の温度センサ７，９が出力する上流側や下流側の検出信号にそれぞれ含まれている、上流側や下流側の温度センサ７，９自身に起因した温度ドリフトは、第１の減算手段２１が第１の差分データを生成するために、上流側の検出信号から下流側の検出信号を減じた差分を求めたり、下流側の検出信号から上流側の検出信号を減じた差分を求める際に、互いに相殺される。
Of these, the temperature drifts caused by the upstream and
また、第１の減算手段２１が生成する第１の差分データの示す差分に含まれる、第１の減算手段２１を構成するハードウェアに起因した温度ドリフトは、第２の減算手段Ａが第２の差分データを生成するために、切換信号の第１状態において第１の減算手段２１が生成する第１の差分データの示す差分と、切換信号の第２状態において第１の減算手段２１が生成する第１の差分データの示す差分との差分を求める際に、互いに相殺される。
In addition, the temperature subtraction caused by the hardware constituting the
したがって、第２の減算手段Ａが生成する第２の差分データの示す差分の半値は、上流側や下流側の温度センサ自身に起因した温度ドリフトや、第１の差分や第２の差分を求めるハードウェアに起因した温度ドリフト成分を一切含んでいない、上流側の温度センサの検出信号と下流側の温度センサの検出信号との純粋な差分ということになる。 Therefore, the half value of the difference indicated by the second difference data generated by the second subtracting means A obtains the temperature drift caused by the upstream and downstream temperature sensors themselves, the first difference, and the second difference. This is a pure difference between the detection signal of the upstream temperature sensor and the detection signal of the downstream temperature sensor that does not include any temperature drift component due to hardware.
このため、第１の減算手段２１が切換信号の第１状態と第２状態でそれぞれ生成する第１の差分データの差分であり、温度ドリフト成分を一切含んでいない、第２の減算手段Ａが生成する第２の差分データの示す差分の半値を用いて、流路を流れる流体の流速を正確に測定することができる。 Therefore, the second subtracting means A, which is the difference between the first difference data generated by the first subtracting means 21 in the first state and the second state of the switching signal, respectively, and does not include any temperature drift component, Using the half value of the difference indicated by the generated second difference data, the flow velocity of the fluid flowing through the flow path can be accurately measured.
尚、熱源５がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合、熱源５の抵抗値は、流路Ｓの温度が高ければ相対的に上がり、流路Ｓの温度が低ければ相対的に下がるので、その熱源５から発生する熱量は、流路Ｓの温度が高ければ高いほど大きくなり、反対に、流路Ｓの温度が低ければ低いほど小さくなる。
When the
したがって、流路Ｓの温度が高ければ高いほど、流体を介して熱源５から上流側や下流側の各温度センサ７，９に伝達される熱量は大きくなり、反対に、流路Ｓの温度が低ければ低いほど、流体を介して熱源５から上流側や下流側の温度センサ７，９に伝達される熱量は小さくなる。
Therefore, the higher the temperature of the flow path S, the greater the amount of heat transferred from the
そのため、熱源５がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合は、流路Ｓを流れる被測定対象の流体の流速に対する上流側や下流側の各温度センサ７，９の検出信号の値の比例係数が、流路Ｓの温度の高低に応じて高低する。
Therefore, when the
これに対して、請求項５に記載した本発明の流速計によれば、請求項４に記載した本発明の流速計において、上述した流路Ｓの温度の高低に伴う比例係数の高低による各温度センサ７，９の検出信号値の変動を、流路Ｓの温度を検出する補正用温度センサ８の温度信号により補正した第２の差分データの示す差分の半値に基づいて、流路Ｓを流れる流体の流速を測定することから、熱源５がその抵抗値によって発生する熱を変化させるものである場合であっても、流路Ｓを流れる流体の流速を正確に測定することができる。
In contrast, according to the velocity meter of the present invention as set forth in
そして、請求項３に記載した本発明の流量測定方法によれば、請求項１又は２に記載した本発明の流速測定方法によって測定された流速を用いて、また、請求項６に記載した本発明の流量計によれば、請求項４又は５に記載した本発明の流速計によって測定された流速を用いて、流路を流れる流体の流量を正確に測定することができる。
According to the flow rate measuring method of the present invention described in
以下、本発明による流速測定方法を適用して流路におけるガスの流速を測定する流速計を内在し、本発明による流量測定方法を適用して流路におけるガスの流量を測定する流量計の実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a flowmeter that measures the flow rate of gas in the flow path by applying the flow rate measurement method according to the present invention is incorporated, and the flowmeter that measures the flow rate of gas in the flow path by applying the flow measurement method according to the present invention is implemented The form will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の実施形態に係る流量計において使用されるフローセンサの概略構成について、図２の説明図を参照して説明する。 First, a schematic configuration of a flow sensor used in a flow meter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an explanatory diagram of FIG.
図２中引用符号１で示すフローセンサは、ガス（請求項中の被測定対象の流体に相当）の流路Ｓ上に配置されるものであって、Ｓｉ基板３上に、マイクロヒータ５（請求項中の熱源に相当）と、上流側及び下流側の各サーモパイル７，９（請求項中の上流側及び下流側の温度センサに相当）と、測温用抵抗８（請求項中の補正用温度センサに相当）とを形成して構成されている。
A flow sensor denoted by
そして、上流側のサーモパイル７はマイクロヒータ５よりも流路Ｓにおけるガスの流れ方向Ｘの上流側に、下流側のサーモパイル９はマイクロヒータ５よりも流路Ｓにおけるガスの流れ方向Ｘの下流側に、それぞれマイクロヒータ５から等しい間隔をおいて配置されている。
The
また、測温用抵抗８は、流路Ｓ中のガスの流れの影響を比較的受けにくい、マイクロヒータ５の側方の位置に配置している。
Further, the
このフローセンサ１では、マイクロヒータ５を駆動信号により通電駆動することでマイクロヒータ５が熱を放出し、マイクロヒータ５から伝達された熱の温度に応じた起電力が上流側及び下流側の各サーモパイル７，９に発生し、この起電力が上流側及び下流側の各サーモパイル７，９から検出信号として出力されるように構成されている。
In this
また、このフローセンサ１では、測温用抵抗８の抵抗値が、ほぼ流路Ｓの温度のみに依存して変化するように構成されている。
In addition, the
次に、上述したフローセンサ１を用いて流路Ｓを流れるガスの流量を測定する、本発明の第１実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図３の回路図を参照して説明する。
Next, a schematic configuration of the gas flowmeter according to the first embodiment of the present invention that measures the flow rate of the gas flowing through the flow path S using the
図３中引用符号１１で示す第１実施形態のガス流量計は、フローセンサ１と、フローセンサ１のマイクロヒータ５及び測温用抵抗８を一定レベルの直流電圧で通電駆動させる駆動回路１３と、上流側のサーモパイル７からの検出信号と下流側のサーモパイル９からの検出信号とのうちどちらかをそれぞれ選択的に後段に出力する第１及び第２のマルチプレクサ１５，１７とを有している。
A gas flow meter according to the first embodiment indicated by
また、第１実施形態のガス流量計１１は、第１のマルチプレクサ１５から出力された検出信号が正相に入力され、第２のマルチプレクサ１７から出力された検出信号が逆相に入力される差動アンプ２１（請求項中の第１の減算手段に相当）と、差動アンプ２１の出力をアナログデジタル変換するＡ／Ｄコンバータ２３と、フローセンサ１の測温用抵抗８の前後の電位差（電圧降下量）を増幅するアンプ２２と、アンプ２２の出力をアナログデジタル変換するＡ／Ｄコンバータ２４と、アナログデジタル変換された差動アンプ２１やアンプ２２の出力から流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を演算する演算装置２５とを有している。
Further, in the
前記第１のマルチプレクサ１５（請求項中の第１の信号選択手段に相当）は、演算装置２５からの切換信号のハイレベル（請求項中の切換信号の第１状態に相当）においては上流側のサーモパイル７からの検出信号を後段に出力すると共に、切換信号のローレベル（請求項中の切換信号の第２状態に相当）においては下流側のサーモパイル９からの検出信号を後段に出力する。
The first multiplexer 15 (corresponding to the first signal selection means in the claims) is upstream on the high level of the switching signal from the arithmetic unit 25 (corresponding to the first state of the switching signal in the claims). The detection signal from the
これに対して、前記第２のマルチプレクサ１７（請求項中の第２の信号選択手段に相当）は、演算装置２５からの切換信号のハイレベルにおいては下流側のサーモパイル９からの検出信号を後段に出力すると共に、切換信号のローレベルにおいては上流側のサーモパイル７からの検出信号を後段に出力する。
On the other hand, the second multiplexer 17 (corresponding to the second signal selection means in the claims) receives the detection signal from the
前記演算装置２５（請求項中の演算手段に相当）は、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。）２７と不揮発性メモリ２９とを有しており、この不揮発性メモリ２９には、マイコン２７が算出する後述の第１の平均値や第２の平均値を、Ａ／Ｄコンバータ２４でアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力により補正するための変換式又はテーブルに関するデータが格納されている。
The computing device 25 (corresponding to computing means in the claims) has a microcomputer (hereinafter abbreviated as “microcomputer”) 27 and a
また、不揮発性メモリ２９には、Ａ／Ｄコンバータ２４でアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力による補正後の第１の平均値や補正後の第２の平均値を用いてマイコン２７が算出する後述の補正後の第３の平均値を、流路Ｓを流れるガスの流速に換算するための、予め定められた標準温度における換算式又はテーブルに関するデータや、換算したガスの流速から流路Ｓを流れるガスの流量を演算するために必要な、流路Ｓの断面積のデータ等が格納されている。
Further, in the
前記マイコン２７は、内部のＲＯＭ（図示せず）に格納されたプログラムにしたがって、信号レベルがハイレベルとローレベルとの間で周期的に繰り返し変化する前記切換信号を第１及び第２のマルチプレクサ１５，１７に対して出力すると共に、図４のフローチャートに示す処理を行う。
The
電源への接続によりプログラムがスタートすると、切換信号のハイレベル中の、Ａ／Ｄコンバータ２３によってアナログデジタル変換された差動アンプ２１の出力（請求項中の第１の差分に相当）のサンプリングと、次の切換信号のローレベル中の、Ａ／Ｄコンバータ２３によってアナログデジタル変換された差動アンプ２１の出力（請求項中の第２の差分に相当）のサンプリングとを、交互に複数回ずつ繰り返して行う（ステップＳ１）。
When the program is started by connection to the power source, sampling of the output of the differential amplifier 21 (corresponding to the first difference in the claims) that is analog-digital converted by the A /
続いて、ステップＳ１において交互にサンプリングされたうちの、切換信号のハイレベル中にアナログデジタル変換された差動アンプ２１の複数の出力の平均値である第１の平均値を算出し（ステップＳ３）、同様に、ステップＳ１において交互にサンプリングされたうちの、切換信号のローレベル中にアナログデジタル変換された差動アンプ２１の複数の出力の平均値である第２の平均値を算出する（ステップＳ５）。
Subsequently, a first average value that is an average value of a plurality of outputs of the
そして、Ａ／Ｄコンバータ２４によってアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力をサンプリングして（ステップＳ７）、サンプリングしたアンプ２２の出力から、不揮発性メモリ２９に格納されている変換式又はテーブルを参照して、ステップＳ３で算出した第１の平均値の補正値を求めると共に、ステップＳ５で算出した第２の平均値の補正値を算出する（ステップＳ９）。
Then, the output of the
さらに、ステップＳ９で算出した補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いた値、つまり、第２の平均値から第１の平均値を差し引いた第３の平均値の補正後の値（補正後の第３の平均値）の半分の値、即ち半値を算出し（ステップＳ１１）、算出した補正後の第３の平均値の半値から、不揮発性メモリ２９に格納されている換算式又はテーブルを参照して、流路Ｓを流れるガスの流速を算出し（ステップＳ１３）、さらに、算出したガスの流速から、不揮発性メモリ２９に格納されている流路Ｓの断面積のデータを参照して、流路Ｓを流れるガスの流量を算出した後（ステップＳ１５）、ステップＳ１にリターンする。
Further, a value obtained by subtracting the first average value after correction from the second average value after correction calculated in step S9, that is, a third average value obtained by subtracting the first average value from the second average value. A half value of the corrected value (third average value after correction), that is, a half value is calculated (step S11), and stored in the
以上の説明からも明らかなように、第１実施形態のガス流量計１１では、図４のフローチャートにおけるステップＳ１１が、請求項中の第２の減算手段に対応する処理となっており、このステップＳ１１で算出される補正後の第３の平均値の半値が、請求項中の温度信号により補正された第２の差分データに相当している。
As is apparent from the above description, in the
次に、上述のように構成された第１実施形態のガス流量計１１の動作（作用）について説明する。
Next, the operation (action) of the
フローセンサ１のマイクロヒータ５が駆動回路１３によって通電駆動されると、それによってマイクロヒータ５から流路Ｓのガスに熱が放出され、そのガスを介して伝達された熱量に応じた検出信号が、上流側や下流側のサーモパイル７，９から第１のマルチプレクサ１５や第２のマルチプレクサ１７にそれぞれ出力される。
When the
そして、第１のマルチプレクサ１５からは、切換信号のハイレベル中に上流側のサーモパイル７からの検出信号が出力されると共に、切換信号のローレベル中に下流側のサーモパイル９からの検出信号が出力され、反対に、第２のマルチプレクサ１７からは、切換信号のハイレベル中に下流側のサーモパイル９からの検出信号が出力されると共に、切換信号のローレベル中に上流側のサーモパイル７からの検出信号が出力される。
The
したがって、切換信号のハイレベル中には、差動アンプ２１の正相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号を差し引いた信号が、所定のゲインで増幅されて、差動アンプ２１から出力される。
Therefore, during the high level of the switching signal, the detection signal from the
反対に、切換信号のローレベル中には、差動アンプ２１の正相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号を差し引いた信号が、所定のゲインで増幅されて、差動アンプ２１から出力される。
On the contrary, during the low level of the switching signal, the
ここで、流路Ｓの温度（フローセンサ１の周囲温度）が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、上流側や下流側のサーモパイル７，９が検出する温度もその分だけシフトし、上流側や下流側のサーモパイル７，９における起電力が変動して、それら上流側や下流側のサーモパイル７，９が出力する上流側や下流側の検出信号の、流路Ｓを流れるガスの流速がゼロの時の値であるオフセット値にそれぞれ、標準温度に対する流路Ｓの温度のシフト量に応じた温度ドリフトが生じる。
Here, when the temperature of the flow path S (ambient temperature of the flow sensor 1) is shifted from a predetermined standard temperature, the temperatures detected by the upstream and
このため、上流側や下流側のサーモパイル７，９から第１及び第２のマルチプレクサ１５，１７にそれぞれ入力される、上流側や下流側の検出信号には、上流側や下流側のサーモパイル７，９に起因する温度ドリフトが含まれている。
For this reason, the upstream and downstream detection signals input from the upstream and
しかし、各検出信号に含まれる温度ドリフトは、差動アンプ２１において上流側の検出信号と下流側の検出信号との差分を取る際に互いに相殺されるので、差動アンプ２１から出力される増幅後の信号は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを一切含んでいない純粋な信号となる。
However, since the temperature drift included in each detection signal cancels out when the difference between the upstream detection signal and the downstream detection signal is taken in the
即ち、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトは、差動アンプ２１における上流側の検出信号と下流側の検出信号との差動増幅によって、実質的に補償される。
That is, the temperature drift caused by the upstream and
このようにして上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトが実質的に補償された差動アンプ２１からの増幅後の信号は、Ａ／Ｄコンバータ２３でデジタル変換されてマイコン２７によりサンプリングされ、そのうち、切換信号のハイレベル中に出力された複数の増幅後の信号から、その平均値である第１の平均値がマイコン２７で求められると共に、切換信号のローレベル中に出力された複数の増幅後の信号から、その平均値である第２の平均値がマイコン２７で求められる。
In this way, the amplified signal from the
ところで、第１実施形態のガス流量計１１では、駆動回路１３が一定レベルの直流電圧で通電駆動させるフローセンサ１のマイクロヒータ５の抵抗値は、流路Ｓの温度が高ければ相対的に上がり、流路Ｓの温度が低ければ相対的に下がる。
By the way, in the
このため、マイクロヒータ５から流路Ｓを流れるガスに放出される熱量は、流路Ｓの温度が高ければ高いほど大きくなり、反対に、流路Ｓの温度が低ければ低いほど小さくなるので、流路Ｓを流れるガスを介してマイクロヒータ５から上流側や下流側のサーモパイル７，９に伝達される熱量も、流路Ｓの温度が高ければ高いほど大きくなり、反対に、流路Ｓの温度が低ければ低いほど小さくなる。
For this reason, the amount of heat released from the
したがって、流路Ｓを流れるガスの流速の変化に伴う、マイクロヒータ５から上流側や下流側のサーモパイル７，９にガスを介して伝達される熱量の変化量は、流路Ｓの温度が高ければ高いほど大きくなり、反対に、流路Ｓの温度が低ければ低いほど小さくなるので、流路Ｓにおけるガスの流速に対する上流側や下流側のサーモパイル７，９の検出信号値の比例係数は、流路Ｓの温度の高低に応じて高低する。
Therefore, the amount of change in the amount of heat transferred from the
そこで、第１実施形態のガス流量計１１では、Ａ／Ｄコンバータ２３でデジタル変換された差動アンプ２１からの増幅後の信号からマイコン２７により求められた第１の平均値や第２の平均値を、Ａ／Ｄコンバータ２４によってアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力に対応する不揮発性メモリ２９の補正用の変換式又はテーブルを用いて、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分を補正するようにしている。
Therefore, in the
第１の平均値や第２の平均値に対する、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分が補正されると、マイコン２７においてさらに、補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いた補正後の第３の平均値が求められ、不揮発性メモリ２９に格納されている換算式又はテーブルを用いて、補正後の第３の平均値の半値から流路Ｓを流れるガスの流速が算出され、さらに、不揮発性メモリ２９に格納されている流路Ｓの断面積のデータを用いて、算出されたガスの流速から流路Ｓを流れるガスの流量が算出される。
When the fluctuation of the proportional coefficient of the flow velocity-detection signal value accompanying the fluctuation of the temperature of the flow path S from the standard temperature with respect to the first average value and the second average value is corrected, the
このとき、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトが、マイコン２７によりサンプリングされる増幅後のデジタル信号中に生じる。
At this time, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the temperature drift caused by the
そのため、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、切換信号のハイレベル中にサンプリングされる、差動アンプ２１の正相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号からマイコン２７が求める第１の平均値にも、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトがそれぞれ含まれることになる。
Therefore, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the
同様に、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、切換信号のローレベル中にサンプリングされる、差動アンプ２１の正相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号からマイコン２７が求める第２の平均値にも、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトがそれぞれ含まれることになる。
Similarly, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the downstream thermopile input to the positive phase of the
しかし、これら第１の平均値や第２の平均値にそれぞれ含まれる、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトは、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分を補正した、補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いて、補正後の第３の平均値をマイコン２７において求める際に互いに相殺されるので、補正後の第３の平均値やその後にマイコン２７で求められる第３の平均値の半値は、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを一切含んでいない純粋な値となる。
However, the temperature drift caused by the
即ち、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトは、マイコン２７における、補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いた補正後の第３の平均値の算出によって、実質的に補償される。
That is, the temperature drift caused by the
そして、マイコン２７が求める補正後の第３の平均値とは、補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いたものであるが、先にも述べたように、このうち補正後の第１の平均値の元となる第１の平均値は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを含んでいない純粋な、上流側のサーモパイル７の検出信号から下流側のサーモパイル９の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値であり、補正後の第２の平均値の元となる第２の平均値は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを含んでいない純粋な、下流側のサーモパイル９の検出信号から上流側のサーモパイル７の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である。
The third average value after correction obtained by the
このため、補正後の第３の平均値は、実質的に、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトや、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを、いずれも一切含んでいない第１の平均値の２倍の値ということになる。
For this reason, the corrected third average value is substantially the temperature drift caused by the upstream and
よって、その半値を用いてマイコン２７が流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出するということは、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトや、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを一切含んでいない第１の平均値や第２の平均値を用いて、マイコン２７が流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出することになる。
Therefore, the
以上に説明した第１実施形態のガス流量計１１によれば、上流側のサーモパイル７の検出信号から下流側のサーモパイル９の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である第１の平均値や、下流側のサーモパイル９の検出信号から上流側のサーモパイル７の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である第２の平均値を求めることで、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを相殺し、第１の平均値や第２の平均値を、Ａ／Ｄコンバータ２４によってアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力に応じてそれぞれ補正した後、補正後の第２の平均値から補正後の第１の平均値を差し引いて補正後の第３の平均値を求めることで、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトも全て相殺し、この補正後の第３の平均値の半値を用いて流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出する構成とした。
According to the
このため、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトだけでなく、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトも全て補償して、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を正確に測定することができる。
For this reason, not only the temperature drift caused by the upstream and
尚、上述した第１実施形態のガス流量計１１では、Ａ／Ｄコンバータ２４によってアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力に対応する不揮発性メモリ２９の補正用の変換式又はテーブルを用いた、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分の補正を、第１の平均値や第２の平均値に対して行うものとしたが、マイコン２７において、第２の平均値から第１の平均値を差し引くことで第３の平均値を求め、この第３の平均値に対して、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分の補正を行って、請求項中の温度信号により補正された第２の差分データに相当する補正後の第３の平均値の半値を得るようにしてもよい。
In the
その場合、不揮発性メモリ２９には、マイコン２７が算出する後述の第１の平均値や第２の平均値を、Ａ／Ｄコンバータ２４でアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力により補正するための変換式又はテーブルに関するデータに代えて、マイコン２７が算出した第１の平均値や第２の平均値をそのまま用いてマイコン２７が算出した第３の平均値を、Ａ／Ｄコンバータ２４でアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力により補正するための変換式又はテーブルに関するデータが格納されることになる。
In that case, the
次に、上述したフローセンサ１を用いて流路Ｓを流れるガスの流量を測定する、本発明の第２実施形態に係るガス流量計の概略構成について、図５の回路図を参照して説明する。
Next, the schematic configuration of the gas flowmeter according to the second embodiment of the present invention that measures the flow rate of the gas flowing through the flow path S using the
図５中引用符号１１Ａで示す第２実施形態のガス流量計は、第１実施形態の駆動回路１３に代えて、フローセンサ１のマイクロヒータ５を流路Ｓの温度に対して一定温度高い温度となるように通電駆動する駆動回路１３Ａを設けた点と、Ａ／Ｄコンバータ２３でアナログデジタル変換された差動アンプ２１の出力から流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を演算するように、内部のＲＯＭ（図示せず）に格納されたプログラムを変更したマイコン２７Ａや、マイコン２７Ａのプログラムに合わせて格納されたデータの内容を変更した不揮発性メモリ２９Ａを、第１実施形態のマイコン２７や不揮発性メモリ２９の代わりに有する演算装置２５Ａを、第１実施形態の演算装置２５に代えて設けている。
In the gas flow meter of the second embodiment indicated by reference numeral 11A in FIG. 5, the temperature of the
また、第２実施形態のガス流量計１１Ａは、第１実施形態のガス流量計１１におけるアンプ２２及びＡ／Ｄコンバータ２４を省略しており、その他の点は、第１実施形態のガス流量計１１と同様に構成されている。
The gas flow meter 11A of the second embodiment omits the
図６は図３の駆動回路１３の回路図であり、この駆動回路では、マイクロヒータ５及び固定抵抗Ｒａの直列回路と、上述した測温用抵抗８、固定抵抗Ｒｂ、及び、可変抵抗Ｒｃの直列回路とを並列接続して、ブリッジ回路を構成しており、マイクロヒータ５と測温用抵抗８の各一端を接地し、固定抵抗Ｒａと可変抵抗Ｒｃの各一端を、ＰＮＰ型のトランジスタＱのコレクターエミッタを介してマイクロヒータ５の通電駆動用電源Ｖに接続している。
FIG. 6 is a circuit diagram of the
そして、マイクロヒータ５の他端と固定抵抗Ｒａの他端との接続点ａと、測温用抵抗８の他端に一端が接続された固定抵抗Ｒｂの他端と可変抵抗Ｒｃの他端との接続点ｂとの電位差を、オペアンプＯＰにより増幅し、バイアス抵抗Ｒｄを介してトランジスタＱのベースに接続している。
Then, the connection point a between the other end of the
このように構成された駆動回路１３では、固定抵抗Ｒｂがないものとした場合の接続点ａ，ｂの電位差が、可変抵抗Ｒｃの抵抗値によって定められる標準温度においてゼロとなるように、固定抵抗Ｒａの抵抗値が設定されており、その上で、固定抵抗Ｒｂを追加することで、マイクロヒータ５の温度が、測温用抵抗８によって測定される流路Ｓの温度に対して、常に、固定抵抗Ｒｂの抵抗値によって定まる電圧降下分に応じた一定の温度差だけ高い温度となるように、マイクロヒータ５を通電駆動するように構成されている。
In the
尚、駆動回路１３の詳細については、必要に応じて、特開２０００−３１４６４５号公報の段落００３２乃至００５２や図１等の記載を参照されたい。
For details of the
前記演算装置２５Ａの不揮発性メモリ２９Ａには、第１の平均値や第２の平均値を用いてマイコン２７が算出する第３の平均値を、流路Ｓを流れるガスの流速に換算するための、予め定められた標準温度における換算式又はテーブルに関するデータや、換算したガスの流速から流路Ｓを流れるガスの流量を演算するために必要な、流路Ｓの断面積のデータ等が格納されている。
In the nonvolatile memory 29A of the
次に、マイコン２７Ａが内部のＲＯＭ（図示せず）に格納されたプログラムにしたがって行う処理を、図７のフローチャートを参照して説明する。 Next, processing performed by the microcomputer 27A according to a program stored in an internal ROM (not shown) will be described with reference to a flowchart of FIG.
電源への接続によりプログラムがスタートすると、切換信号のハイレベル中の、Ａ／Ｄコンバータ２３によってアナログデジタル変換された差動アンプ２１の出力（請求項中の第１の差分に相当）のサンプリングと、次の切換信号のローレベル中の、Ａ／Ｄコンバータ２３によってアナログデジタル変換された差動アンプ２１の出力（請求項中の第２の差分に相当）のサンプリングとを、交互に複数回ずつ繰り返して行う（ステップＳ２１）。
When the program is started by connection to the power source, sampling of the output of the differential amplifier 21 (corresponding to the first difference in the claims) that is analog-digital converted by the A /
続いて、ステップＳ２１において交互にサンプリングされたうちの、切換信号のハイレベル中にアナログデジタル変換された差動アンプ２１の複数の出力の平均値である第１の平均値を算出し（ステップＳ２３）、同様に、ステップＳ２１において交互にサンプリングされたうちの、切換信号のローレベル中にアナログデジタル変換された差動アンプ２１の複数の出力の平均値である第２の平均値を算出する（ステップＳ２５）。
Subsequently, a first average value that is an average value of a plurality of outputs of the
そして、ステップＳ２５で算出した第２の平均値からステップＳ２３で算出した第１の平均値を差し引いた第３の平均値の半分の値、即ち半値を算出し（ステップＳ２７）、算出した第３の平均値の半値から、不揮発性メモリ２９Ａに格納されている換算式又はテーブルを参照して、流路Ｓを流れるガスの流速を算出し（ステップＳ２９）、さらに、算出したガスの流速から、不揮発性メモリ２９Ａに格納されている流路Ｓの断面積のデータを参照して、流路Ｓを流れるガスの流量を算出した後（ステップＳ３１）、ステップＳ２１にリターンする。 Then, a half value of the third average value obtained by subtracting the first average value calculated in step S23 from the second average value calculated in step S25, that is, a half value is calculated (step S27). From the half value of the average value, the flow rate of the gas flowing through the flow path S is calculated with reference to the conversion formula or table stored in the nonvolatile memory 29A (step S29), and from the calculated gas flow rate, The flow rate of the gas flowing through the flow path S is calculated with reference to the cross-sectional area data of the flow path S stored in the nonvolatile memory 29A (step S31), and the process returns to step S21.
以上の説明からも明らかなように、第２実施形態のガス流量計１１Ａでは、図７のフローチャートにおけるステップＳ２７が、請求項中の第２の減算手段に対応する処理となっており、このステップＳ２７で算出される第３の平均値の半値が、請求項中の第２の減算手段により生成される第２の差分データに相当している。 As is apparent from the above description, in the gas flow meter 11A of the second embodiment, step S27 in the flowchart of FIG. 7 is processing corresponding to the second subtracting means in the claims. The half value of the third average value calculated in S27 corresponds to the second difference data generated by the second subtracting means in the claims.
次に、上述のように構成された第２実施形態のガス流量計１１Ａの動作（作用）について説明する。 Next, the operation (action) of the gas flow meter 11A of the second embodiment configured as described above will be described.
フローセンサ１のマイクロヒータ５が駆動回路１３Ａによって通電駆動されると、それによってマイクロヒータ５から流路Ｓのガスに熱が放出され、そのガスを介して伝達された熱量に応じた検出信号が、上流側や下流側のサーモパイル７，９から第１のマルチプレクサ１５や第２のマルチプレクサ１７にそれぞれ出力される。
When the
そして、第１のマルチプレクサ１５からは、切換信号のハイレベル中に上流側のサーモパイル７からの検出信号が出力されると共に、切換信号のローレベル中に下流側のサーモパイル９からの検出信号が出力され、反対に、第２のマルチプレクサ１７からは、切換信号のハイレベル中に下流側のサーモパイル９からの検出信号が出力されると共に、切換信号のローレベル中に上流側のサーモパイル７からの検出信号が出力される。
The
したがって、切換信号のハイレベル中には、差動アンプ２１の正相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号を差し引いた信号が、所定のゲインで増幅されて、差動アンプ２１から出力される。
Therefore, during the high level of the switching signal, the detection signal from the
反対に、切換信号のローレベル中には、差動アンプ２１の正相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号を差し引いた信号が、所定のゲインで増幅されて、差動アンプ２１から出力される。
On the contrary, during the low level of the switching signal, the
ここで、フローセンサ１のマイクロヒータ５は、測温用抵抗８によって測定される流路Ｓの温度に対して常に一定の温度差だけ高い温度となるように、駆動回路１３Ａによって通電駆動されるので、マイクロヒータ５から流路Ｓを流れるガスに放出される熱量は、流路Ｓの温度の高低に拘わらず常に一定している。
Here, the
そのため、流路Ｓを流れるガスの流速の変化に伴う、マイクロヒータ５から上流側や下流側のサーモパイル７，９にガスを介して伝達される熱量の変化量は、流路Ｓの温度の高低に拘わらず常に一定しており、よって、流路Ｓにおけるガスの流速に対する上流側や下流側のサーモパイル７，９の検出信号値の比例係数は、流路Ｓの温度の高低拘わらず常に一定している。
Therefore, the amount of change in the amount of heat transferred from the
よって、第１実施形態のガス流量計１１で行った、Ａ／Ｄコンバータ２３でデジタル変換された差動アンプ２１からの増幅後の信号からマイコン２７により求められた第１の平均値や第２の平均値に対する、Ａ／Ｄコンバータ２４によってアナログデジタル変換されたアンプ２２の出力に対応する不揮発性メモリ２９の補正用の変換式又はテーブルを用いた、流路Ｓの温度の標準温度からの変動に伴う流速−検出信号値の比例係数の変動分の補正は、第２実施形態のガス流量計１１Ａでは不要となる。
Therefore, the first average value or the second value obtained by the
但し、流路Ｓの温度（フローセンサ１の周囲温度）が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、上流側や下流側のサーモパイル７，９が検出する温度もその分だけシフトし、上流側や下流側のサーモパイル７，９における起電力が変動して、それら上流側や下流側のサーモパイル７，９が出力する上流側や下流側の検出信号の、流路Ｓを流れるガスの流速がゼロの時の値であるオフセット値にそれぞれ、標準温度に対する流路Ｓの温度のシフト量に応じた温度ドリフトが生じる。
However, if the temperature of the flow path S (ambient temperature of the flow sensor 1) is shifted from a predetermined standard temperature, the temperatures detected by the upstream and
このため、上流側や下流側のサーモパイル７，９から第１及び第２のマルチプレクサ１５，１７にそれぞれ入力される、上流側や下流側の検出信号には、上流側や下流側のサーモパイル７，９に起因する温度ドリフトが含まれている。
For this reason, the upstream and downstream detection signals input from the upstream and
しかし、各検出信号に含まれる温度ドリフトは、差動アンプ２１において上流側の検出信号と下流側の検出信号との差分を取る際に互いに相殺されるので、差動アンプ２１から出力される増幅後の信号は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを一切含んでいない純粋な信号となる。
However, since the temperature drift included in each detection signal cancels out when the difference between the upstream detection signal and the downstream detection signal is taken in the
即ち、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトは、差動アンプ２１における上流側の検出信号と下流側の検出信号との差動増幅によって、実質的に補償される。
That is, the temperature drift caused by the upstream and
このようにして上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトが実質的に補償された差動アンプ２１からの増幅後の信号は、Ａ／Ｄコンバータ２３でデジタル変換されてマイコン２７Ａによりサンプリングされ、そのうち、切換信号のハイレベル中に出力された複数の増幅後の信号から、その平均値である第１の平均値がマイコン２７で求められると共に、切換信号のローレベル中に出力された複数の増幅後の信号から、その平均値である第２の平均値がマイコン２７Ａで求められる。
In this way, the amplified signal from the
そして、マイコン２７Ａにおいてさらに、第２の平均値から第１の平均値を差し引いた第３の平均値が求められ、不揮発性メモリ２９Ａに格納されている換算式又はテーブルを用いて、第３の平均値の半値から流路Ｓを流れるガスの流速が算出され、さらに、不揮発性メモリ２９Ａに格納されている流路Ｓの断面積のデータを用いて、算出されたガスの流速から流路Ｓを流れるガスの流量が算出される。 Then, the microcomputer 27A further obtains a third average value obtained by subtracting the first average value from the second average value, and uses the conversion formula or table stored in the nonvolatile memory 29A to obtain the third average value. The flow velocity of the gas flowing through the flow path S is calculated from the half value of the average value, and the flow path S is calculated from the calculated flow velocity of the gas using the cross-sectional area data of the flow path S stored in the nonvolatile memory 29A. The flow rate of the gas flowing through is calculated.
このとき、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトが、マイコン２７Ａによりサンプリングされる増幅後のデジタル信号中に生じる。
At this time, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the temperature drift caused by the
そのため、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、切換信号のハイレベル中にサンプリングされる、差動アンプ２１の正相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号からマイコン２７Ａが求める第１の平均値にも、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトがそれぞれ含まれることになる。
Therefore, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the
同様に、流路Ｓの温度が予め定められた標準温度に対してシフトしていると、切換信号のローレベル中にサンプリングされる、差動アンプ２１の正相に入力された下流側のサーモパイル９からの検出信号から、差動アンプ２１の逆相に入力された上流側のサーモパイル７からの検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号からマイコン２７Ａが求める第２の平均値にも、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトがそれぞれ含まれることになる。
Similarly, if the temperature of the flow path S is shifted with respect to a predetermined standard temperature, the downstream thermopile input to the positive phase of the
しかし、これら第１の平均値や第２の平均値にそれぞれ含まれる、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトは、マイコン２７Ａにおいて第２の平均値から第１の平均値を差し引いた第３の平均値を求める際に互いに相殺されるので、第３の平均値やその後にマイコン２７Ａで求められる第３の平均値の半値は、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを一切含んでいない純粋な値となる。
However, the temperature drift caused by the
即ち、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトは、マイコン２７Ａにおける、第２の平均値から第１の平均値を差し引いた第３の平均値の算出によって、実質的に補償される。
That is, the temperature drift caused by the
そして、マイコン２７Ａが求める第３の平均値とは、第２の平均値から第１の平均値を差し引いたものであるが、先にも述べたように、このうち第１の平均値は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを含んでいない純粋な、上流側のサーモパイル７の検出信号から下流側のサーモパイル９の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値であり、第２の平均値は、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを含んでいない純粋な、下流側のサーモパイル９の検出信号から上流側のサーモパイル７の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である。
The third average value obtained by the microcomputer 27A is obtained by subtracting the first average value from the second average value. As described above, the first average value is A digital signal after amplification of a signal obtained by subtracting the detection signal of the
このため、第３の平均値は、実質的に、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトや、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを、いずれも一切含んでいない第１の平均値の２倍の値ということになる。
For this reason, the third average value substantially includes the temperature drift caused by the upstream and
よって、その半値を用いてマイコン２７Ａが流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出するということは、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトや、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトを一切含んでいない第１の平均値を用いて、マイコン２７は流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出することになる。
Therefore, the microcomputer 27A uses the half value to calculate the flow velocity or flow rate of the gas flowing through the flow path S, which means that the temperature drift caused by the upstream and
以上に説明した第２実施形態のガス流量計１１によれば、上流側のサーモパイル７の検出信号から下流側のサーモパイル９の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である第１の平均値や、下流側のサーモパイル９の検出信号から上流側のサーモパイル７の検出信号を差し引いた信号の、増幅後のデジタル信号の平均値である第２の平均値を求めることで、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトを相殺し、第２の平均値から第１の平均値を差し引いて第３の平均値を求めることで、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトも全て相殺し、この第３の平均値の半値を用いて流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を算出する構成とした。
According to the
このため、上流側や下流側のサーモパイル７，９自身に起因する温度ドリフトだけでなく、差動アンプ２１やＡ／Ｄコンバータ２３に起因する温度ドリフトも全て補償して、流路Ｓを流れるガスの流速乃至流量を正確に測定することができる。
For this reason, not only the temperature drift caused by the upstream and
尚、上述した各実施形態では、熱源としてマイクロヒータ５を用いる場合について説明したが、通電方向によって熱の放出と吸収とが切り換わり、かつ、通電量によって放出又は吸収する熱の量が変化するペルチェ素子を熱源として用いる場合にも、本発明は適用可能である。
In each of the above-described embodiments, the case where the
同様に、上述した各実施形態では、温度センサとしてサーモパイル７，９を用いる場合について説明したが、Ｐｔ、Ｐｔ膜、Ｐｎ接合半導体、パーマロイ、ドープしたＳｉを温度センサで用いる等、熱起電力を生じるものに限らず温度によって抵抗値が変化するものを温度センサとして用いる場合にも、本発明は広く適用可能である。
Similarly, in each of the above-described embodiments, the case where the
また、上述した各実施形態では流量計を例に取って説明したが、流路Ｓの断面積を用いて流量を求める前の段階の、流速を求める流速計であっても本発明は適用可能であり、また、ガスメータや漏洩警報器等のガス用の流量計や流速計に限らず、例えば水道メータ等の他の流体の流量計や流速計にも本発明が適用可能であることは、言うまでもない。 Further, in each of the above-described embodiments, the flowmeter has been described as an example. However, the present invention can be applied even to a flowmeter that obtains a flow velocity at a stage before the flow rate is obtained using the cross-sectional area of the flow path S. In addition, the present invention can be applied not only to gas flowmeters and current meters such as gas meters and leak alarms, but also to other fluid flowmeters and current meters such as water meters, for example. Needless to say.
５ 熱源
７ 上流側の温度センサ
８ 補正用温度センサ
９ 下流側の温度センサ
１５ 第１の信号選択手段
１７ 第２の信号選択手段
２１ 第１の減算手段
２５ 演算手段
Ａ 第２の減算手段
Ｓ 流路
5
Claims (6)
前記上流側の検出信号から前記下流側の検出信号を減じた第１の差分と、前記下流側の検出信号から前記上流側の検出信号を減じた第２の差分との差分である第３の差分の半値を、前記上流側及び下流側の各検出信号の差分とし、該第３の差分の半値に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定するようにした、
ことを特徴とする流速測定方法。 The heat generated by energization of the heat source disposed on the flow path of the fluid to be measured is distributed upstream and downstream in the flow direction of the fluid in the flow path at equal intervals, respectively. The upstream and downstream detection signals detected by the temperature sensor and output according to the detected heat temperature are output from the upstream and downstream temperature sensors, respectively, and the upstream and downstream detection signals are output. In measuring the flow velocity of the fluid flowing through the flow path based on the difference of
A third difference is a first difference obtained by subtracting the downstream detection signal from the upstream detection signal and a second difference obtained by subtracting the upstream detection signal from the downstream detection signal. The half value of the difference is the difference between the detection signals on the upstream side and the downstream side, and based on the half value of the third difference, the flow velocity of the fluid flowing through the flow path is measured.
A flow rate measuring method characterized by the above.
請求項１又は２記載の流速測定方法により測定された前記流路を流れる流体の流速と、前記流路の既知の断面積とを用いて、前記流路を流れる流体の流量を測定する、
ことを特徴とする流量測定方法。 The heat generated by energization of the heat source disposed on the flow path of the fluid to be measured is distributed upstream and downstream in the flow direction of the fluid in the flow path at equal intervals, respectively. The upstream and downstream detection signals detected by the temperature sensor and output according to the detected heat temperature are output from the upstream and downstream temperature sensors, respectively, and the upstream and downstream detection signals are output. In measuring the flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the difference of
The flow rate of the fluid flowing through the flow channel is measured using the flow velocity of the fluid flowing through the flow channel measured by the flow velocity measuring method according to claim 1 or 2, and the known cross-sectional area of the flow channel.
A flow rate measuring method characterized by the above.
前記演算手段は、
前記上流側の検出信号及び前記下流側の検出信号のうち、切換信号の第１状態では前記上流側の検出信号を選択出力すると共に、前記切換信号の第２状態では前記下流側の検出信号を選択出力する第１の信号選択手段と、
前記上流側の検出信号及び前記下流側の検出信号のうち、前記切換信号の前記第１状態では前記下流側の検出信号を選択出力すると共に、前記切換信号の前記第２状態では前記上流側の検出信号を選択出力する第２の信号選択手段と、
前記第１及び第２の各信号選択手段の出力信号が各々入力され、これら両出力信号の差分を示す第１の差分データを生成する第１の減算手段と、
前記切換信号の前記第１状態において前記第１の減算手段が生成する前記第１の差分データの示す差分と、前記切換信号の前記第２状態において前記第１の減算手段が生成する前記第１の差分データの示す差分との差分を示す第２の差分データを生成する第２の減算手段とを備え、
前記第２の減算手段が生成する前記第２の差分データの示す差分の半値を、前記上流側及び下流側の各検出信号の差分とし、該第２の差分信号の半値に基づいて、前記流路を流れる流体の流速を測定する、
ことを特徴とする流速計。 The heat generated by energization of the heat source disposed on the flow path of the fluid to be measured is distributed upstream and downstream in the flow direction of the fluid in the flow path at equal intervals, respectively. The upstream and downstream detection signals detected by the temperature sensor and output according to the detected heat temperature are output from the upstream and downstream temperature sensors, respectively, and the upstream and downstream temperature sensors are output. A flowmeter that measures the flow velocity of the fluid flowing through the flow path based on the difference between the detection signals on the upstream side and the downstream side obtained by the calculation means in the subsequent stage;
The computing means is
Among the upstream detection signal and the downstream detection signal, the upstream detection signal is selectively output in the first state of the switching signal, and the downstream detection signal is selected in the second state of the switching signal. First signal selecting means for selectively outputting;
Of the upstream detection signal and the downstream detection signal, the downstream detection signal is selectively output in the first state of the switching signal, and the upstream side in the second state of the switching signal. Second signal selection means for selectively outputting a detection signal;
First subtracting means for receiving first output signals of the first and second signal selecting means and generating first difference data indicating a difference between the two output signals;
The difference indicated by the first difference data generated by the first subtraction means in the first state of the switching signal and the first subtraction means generated by the first subtraction means in the second state of the switching signal. Second subtracting means for generating second difference data indicating a difference from the difference indicated by the difference data,
The half value of the difference indicated by the second difference data generated by the second subtracting means is set as a difference between the detection signals on the upstream side and the downstream side, and the flow is calculated based on the half value of the second difference signal. Measure the flow velocity of the fluid flowing through the path,
An anemometer characterized by that.
請求項４又は５記載の流速計を備え、
前記流速計により測定された前記流路を流れる流体の流速と、前記流路の既知の断面積とを用いて、前記流路を流れる流体の流量を測定する、
ことを特徴とする流量計。 The heat generated by energization of the heat source disposed on the flow path of the fluid to be measured is distributed upstream and downstream in the flow direction of the fluid in the flow path at equal intervals, respectively. The upstream and downstream detection signals detected by the temperature sensor and output according to the detected heat temperature are output from the upstream and downstream temperature sensors, respectively, and the upstream and downstream temperature sensors are output. A flowmeter that measures the flow rate of the fluid flowing through the flow path based on the difference between the detection signals on the upstream side and the downstream side obtained by the calculation means in the subsequent stage,
The anemometer according to claim 4 or 5 ,
Using the flow velocity of the fluid flowing through the flow path measured by the anemometer and the known cross-sectional area of the flow path, the flow rate of the fluid flowing through the flow path is measured.
A flow meter characterized by that.
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