JP5178264B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、センサ出力の温度に依存するゼロ点変動を低減した熱式流量計に関する。

熱式流量センサは、例えばシリコン基板（センサチップ）に形成した肉薄のダイヤフラム上に、発熱素子Ｒｈを間にして流体（ガス）の通流方向Ｆに一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄを設けると共に、前記シリコン基板Ｂの周辺部に前記流体（ガス）の温度を検出する温度検出素子Ｒｒを一体に設けた構造を有する。このような熱式流量センサを用いた熱式流量計は、基本的には前記温度検出素子Ｒｒにより検出される前記流体（ガス）の温度（周囲温度）よりも一定温度Ｔだけ前記発熱素子Ｒｈを高い温度で発熱駆動し、この状態において前記ダイヤフラムがなすセンサ面に沿って通流する流体（ガス）による該センサ面近傍の温度分布の変化から前記流体（ガス）の流量（流速）を検出するように構成される。

しかし温度検出素子Ｒｒおよび発熱素子Ｒｈを用いて構成されるヒータ回路およびセンサ回路は、一般的には温度に依存して発熱素子Ｒｈの発熱温度（ヒータ温度）Ｔｈが変化し、また一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄを用いて構成されるセンサ回路のセンサ出力も温度に依存して変化すると言う、或る温度変化特性を有している。そこでこの温度変化特性、特に温度に依存するセンサ出力のゼロ点変動を簡易に補正するべく、ヒータオフ時のセンサ出力をゼロ点基準値と看做し、ヒータオン時のセンサ出力から上記ゼロ点基準値を差し引くことでゼロ点補正することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。

このようなゼロ点補正の手法は、流体（ガス）の瞬時流量を積算してその積算流量を求める、いわゆるガスメータに多く採用されている。特にガスメータにおいては、瞬時流量（センサ出力）の計測周期を、例えば１００ｍ秒程度と比較的長く設定することができ、ヒータ回路およびセンサ回路を間欠的に駆動することでその駆動時間を短くし得ることもあって、電池駆動されるガスメータの省電力化を図り得るとして注目されている。
特開２００４−１１７１５７号公報

しかしながら流量制御装置のように熱式流量計のセンサ出力を用いてバルブ開度等をリアルタイムに制御する制御機器においては、例えば５ｍ秒として設定される制御周期に応じてセンサ出力を検出することが必要である。これ故、前述したガスメータのようにヒータ回路およびセンサ回路を間欠的に駆動しながら、ヒータオフ時のセンサ出力をゼロ点基準値として検出する為の時間的余裕がないので、前述したゼロ点補正の手法を採用することは非常に困難である。しかもヒータ回路の駆動を停止させて発熱素子Ｒｈの温度を下げるには、例えば数十ｍ秒の期間が必要であり、このヒータオフ期間に亘ってセンサ出力を求めることができなくなると言う不具合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、センサ出力の温度に依存するゼロ点変動を低減することができ、またヒータオフ時のセンサ出力を用いてヒータオン時のセンサ出力をゼロ点補正する場合であっても、精度良くゼロ点補正することのできる熱式流量計を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、ガスの通流方向に発熱素子を挟んで一対の感熱素子を設けた熱式流量センサ、前記ガスの温度を検出する温度検出素子、この温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路、および前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を求めるセンサ回路とを備えたものであって、
特に前記センサ回路の駆動を周期的に停止させて前記一対の感熱素子の自己発熱を抑制するセンサ電源と、このセンサ電源の動作に同期して前記センサ回路の駆動開始直後に前記センサ回路の出力を抽出するサンプリング回路とを具備したことを特徴としている。

好ましくは前記センサ電源は、前記センサ回路にて求められたガス流量に基づいて動作する制御機器の制御周期に同期して動作し、前記一対の感熱素子に蓄積された熱エネルギの放熱に要する時間に亘って前記センサ回路に対する駆動電源の供給を停止するように構成される。そして前記サンプリング回路は、前記センサ回路の駆動開始直後であって、前記一対の感熱素子が自己発熱した熱により温度上昇する前に前記センサ回路の出力をサンプリングするように構成される。

尚、上述した構成に加えて、更に前記温度検出素子に蓄積された熱エネルギの放熱に要する時間に亘って前記ヒータ回路の駆動を停止させるヒータ電源と、前記ヒータ回路の動作停止時に前記サンプリング回路により抽出されたセンサ出力をゼロ点補正値として求める手段と、前記ヒータ回路の動作時に前記サンプリング回路により抽出されるセンサ出力を上記ゼロ点補正値を用いて補正するゼロ点補正手段と備えるようにしても良い。この場合、前記ヒータ電源は、前記センサ回路の出力が安定している状態（ガスの流量変動が殆どない状態）のときにだけ前記ヒータ回路の駆動を停止するものとして構成することが望ましい。

上記構成の熱式流量計によれば、一対の感熱素子がその自己発熱によって温度上昇する前に、該一対の感熱素子を用いて構成されたセンサ回路の出力をサンプリングして抽出するので、温度依存性のないセンサ出力を得ることができる。従ってセンサ出力のゼロ点変動を効果的に抑制することができ、実質的にセンサ出力に対するゼロ点補正を不要とすることができる。

またヒータ回路における温度検出素子の自己発熱に起因するゼロ点変動を補正する場合であっても、そのゼロ点補正を高精度に実行することが可能となる。またセンサ回路の駆動を周期的に停止させることで一対の感熱素子の自己発熱に伴う熱エネルギの蓄積を抑えることでその温度上昇自体を抑えるので、制御機器の制御周期に同期させてセンサ出力をサンプリングする必要がある場合でも、ゼロ点変動を抑えたセンサ出力を効果的に得ることが可能となる等の効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る熱式流量計について説明する。
図１は本発明に係る熱式流量計の概略構成図であり、１はシリコン等の半導体基板（センサチップ）上に一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄと発熱素子（ヒータ素子）Ｒｈ、および温度検出素子Ｒｒを形成した、例えば前述した特許文献１に示されるような素子構造の熱式流量センサである。ちなみに前記一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄ、発熱素子（ヒータ素子）Ｒｈ、および温度検出素子Ｒｒは、前記センサチップ１上に白金（Ｐｔ）を蒸着する等して形成した薄膜抵抗体からなる。特にこれらの感熱素子Ｒｕ,Ｒｄ、発熱素子（ヒータ素子）Ｒｈ、および温度検出素子Ｒｒを同一素材の抵抗体を用いて形成することで、これらの素子Ｒｕ,Ｒｄ,Ｒｈ,Ｒｒ間における抵抗値の温度変化特性が揃えられており、またセンサチップ１上に一括して形成することで前記素子Ｒｕ,Ｒｄ,Ｒｈ,Ｒｒ間における上記温度変化特性のバラツキ自体も抑えられている。

さて上記熱式流量センサ１の駆動回路は、基本的には上記温度検出素子Ｒｒによって検出される雰囲気温度に応じて前記発熱素子Ｒｈを発熱駆動して前記一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度を一定温度Ｔだけ高くするヒータ回路３と、前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄによりその近傍の温度Ｔｕ,Ｔｄをそれぞれ検出し、これらの温度差ΔＴ（＝Ｔｕ−Ｕｄ）を前記熱式流量センサ１に沿って通流する流体の流量（流速）Ｑとして求めるセンサ回路４とを備える。

具体的には前記ヒータ回路３は、前記発熱素子Ｒｈとこの発熱素子Ｒｈに直列接続した第１の固定抵抗Ｒ１、および前記温度検出素子Ｒｒとこの温度検出素子Ｒｒに直列接続した第２の固定抵抗体Ｒ２をそれぞれハーフブリッジ回路として、これらの２つのハーフブリッジ回路（直列回路）を並列接続して構成した温度制御用の第１のブリッジ回路３ａを主体として構成される。

そしてヒータ電源３ｂから出力される電源電圧Ｖccを受けて動作するトランジスタ３ｃを介して上記ブリッジ回路３ａの駆動電圧Ｖdrivを生成すると共に、差動増幅器３ｄにて前記ブリッジ回路３ａのブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差；Ｖｈ−Ｖｒ）を求め、このブリッジ出力電圧が零（０）となるように前記トランジスタ３ｃの作動を帰還制御して前記ブリッジ回路３ａの駆動電圧Ｖdrivを可変するように構成される。この差動増幅器３ｄによる前記トランジスタ３ｃの帰還制御により前記発熱素子Ｒｈの発熱温度Ｔｈが、前記温度検出素子Ｒｒにて検出される周囲温度（雰囲気温度）よりも常に一定温度Ｔだけ高く設定される。

また前記センサ回路４は、前記発熱素子Ｒｈを間にして流体の通流方向に設けられた一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄ、および第３および第４の固定抵抗である一対の固定抵抗体Ｒｘ,Ｒｙを用いて構成された流量計測用の第２のブリッジ回路４ａを主体として構成される。具体的にはこの第２のブリッジ回路４ａは、前記一対の感熱素子Ｒｕ,Ｒｄを直列接続してハーフブリッジ回路を形成すると共に、前記固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを直列接続してハーフブリッジ回路を形成し、これらの２つのハーフブリッジ回路（直列回路）を並列接続して構成される。

この第２のブリッジ回路４ａは、定電圧源からなるヒータ電源４ｂから一定電圧ＶＲが印加されて定電圧駆動される。具体的には前記ヒータ電源４ｂから出力される一定電圧ＶＲは、ブリッジ回路４ａの前記発熱素子Ｒｈの上流側の感熱抵抗Ｒｕを配置したブリッジ上辺側に印加されており、またこのブリッジ回路４ａの前記発熱素子Ｒｈの下流側の感熱抵抗Ｒｄを配置したブリッジ下辺側は接地されている。そしてこの第２のブリッジ回路４ａにおける上記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差；Ｖｓ−Ｖｆ）は差動増幅器４ｃにて検出され、所定の増幅利得（ゲイン）Ｇにて増幅されて予め定められた電圧レベルのセンサ出力Ｖoutとして求められるようになっている。尚、上記増幅利得（ゲイン）Ｇは、差動増幅器４ｃの帰還抵抗Ｒｆによって決定される。

基本的には上述した如く構成される熱式流量計において本発明が特徴とするところは、図２(ａ)に示すように前記センサ電源４ｂを周期的にオン・オフして前記ブリッジ回路４ａをパルス駆動し、これによって前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの自己発熱による温度上昇を抑制すると共に、このブリッジ回路４ａのパルス駆動に同期して動作するサンプリング回路６を用い、前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの通電直後であって該感熱素子Ｒｕ,Ｒｄがその自己発熱により温度上昇する前に前記ブリッジ回路４ａからのセンサ出力Ｖoutを検出するように構成した点にある。

ちなみに前記センサ電源４ｂの周期的なオン・オフ駆動、およびサンプリング回路６によるセンサ出力Ｖoutのサンプリング動作は、計測制御部７により互いに同期して制御される。この計測制御部７は、前記センサ出力Ｖoutを用いてバルブ開度等をリアルタイムに制御する流量制御装置等の制御機器から与えられる同期信号Ｓyncを受けて、その制御周期に同期して動作する。そして前記制御機器の制御周期が１ｍ秒である場合、例えばセンサ電源４ｂを０.１ｍ秒に亘って通電し、残りの０.９ｍ秒にはその通電を休止させることで前記ブリッジ回路４ａ、ひいては前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄを１ｍ秒毎に０.１ｍ秒ずつ駆動するものとなっている。

尚、この感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの周期的な通電時間は、感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの自己発熱による温度上昇を抑えると共に、自己発熱により感熱素子Ｒｕ,Ｒｄに蓄積される熱エネルギを十分に放熱させ得る時間として設定される。そして前記サンプリング回路６によるセンサ出力Ｖoutのサンプリングは、前記ブリッジ回路４ａのパルス的な通電に連動して、例えば図２(ｂ)に示すように前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの通電開始直後であって、該感熱素子Ｒｕ,Ｒｄが自己発熱より温度上昇する前に行われる。

ちなみに白金（Ｐｔ）等の薄膜抵抗体からなる感熱素子Ｒｕ,Ｒｄは、その通電に伴って自己発熱し、通電時間の経過に伴って、例えば図３に示すような温度変化を呈する。そして所定の時間経過し、発熱エネルギと放熱エネルギとが釣り合った状態においてその発熱温度が安定する。そこで従来の熱式流量計においては、専ら、感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの発熱温度が安定した状態において、流体（ガス）の流れに伴うセンサ近傍の温度分布の変化に起因して前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの発熱温度が変化し、ひいてはその抵抗値が変化することを利用して流量（流速）を検出している。

しかるに本発明に係る熱式流量計においては、上述したように前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄが自己発熱に起因して温度変化を呈する前にその抵抗値変化に伴うセンサ出力Ｖoutを流体（ガス）の流量（流速）として検出している。そして感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの自己発熱の影響を受けることなく、流体（ガス）の流れに伴うセンサ近傍の温度分布の変化に起因して変化する前記感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの発熱温度、ひいてはその抵抗値の変化をセンサ出力Ｖoutとして検出している。従って本発明に係る熱式流量計によれば、感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの自己発熱の影響を受けることなく流量検出が可能となるので、温度に依存するゼロ点変動を十分小さく抑えることが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前記ヒータ回路３における発熱素子Ｒｈおよび温度検出素子Ｒｒの発熱が及ぼすゼロ点変動が問題となる場合には、例えばヒータ回路３の駆動を周期的に停止させ。その駆動停止時におけるセンサ回路４の出力を同様に検出する。そしてこのヒータオフ時に検出されたセンサ出力Ｖoutをゼロ点基準値としてヒータオン時に検出されるセンサ出力Ｖoutをゼロ点補正することも可能である。具体的にはヒータオフ時に検出されたセンサ出力Ｖoutをゼロ点基準値Ｖrefとし、ヒータオン時に検出されるセンサ出力Ｖoutを［Ｖout−Ｖref］としてゼロ点補正するようにしても良い。ちなみにヒータ回路３の駆動停止については、例えば６００ｍ秒毎に３０ｍ秒程度ずつ周期的に停止させ、発熱量の大なる発熱素子Ｒｈおよび温度検出素子Ｒｒの発熱の影響がなくなった時点でセンサ出力Ｖoutをサンプリングするようにすれば良い。

またセンサ回路４のパルス的な駆動時間と、センサ出力Ｖoutのサンプリングタイミングについては、感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの仕様等に応じて定めれば良いものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図。 図１に示す熱式流量計におけるセンサ回路のパルス的な駆動と、センサ出力のサンプリングタイミングとの関係を示す図。 感熱素子Ｒｕ,Ｒｄの通電に伴う発熱温度の変化を示す図。

符号の説明

１ 熱式流量センサ
３ ヒータ回路
３ｂ ヒータ電源
４ センサ回路
４ｂ センサ電源
６ サンプリング回路
７ 計測制御部
Ｒｈ 発熱素子
Ｒｒ 温度検出素子
Ｒ１,Ｒ２ 固定抵抗
Ｒｕ,Ｒｄ 感熱素子
Ｒｘ,Ｒｙ 固定抵抗

Claims (4)

1. ガスの通流方向に発熱素子を挟んで一対の感熱素子を設けた熱式流量センサ、前記ガスの温度を検出する温度検出素子、この温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路、および前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を求めるセンサ回路を備えた熱式流量計であって、
   前記センサ回路の駆動を周期的に停止させて前記一対の感熱素子の自己発熱を抑制するセンサ電源と、このセンサ電源の動作に同期して前記センサ回路の駆動開始直後に前記センサ回路の出力を抽出するサンプリング回路とを備え、
   前記センサ電源は、前記センサ回路にて求められたガス流量に基づいて動作する制御機器の制御周期に同期して、前記一対の感熱素子に蓄積された熱エネルギの放熱に要する時間に亘って前記センサ回路に対する駆動電源の供給を停止するものである、ことを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載の熱式流量計において、
   前記温度検出素子に蓄積された熱エネルギの放熱に要する時間に亘って前記ヒータ回路の駆動を停止させるヒータ電源と、前記ヒータ回路の動作停止時に前記サンプリング回路により抽出されたセンサ出力をゼロ点補正値として求める手段と、前記ヒータ回路の動作時に前記サンプリング回路により抽出されるセンサ出力を上記ゼロ点補正値を用いて補正するゼロ点補正手段とを具備したことを特徴とする熱式流量計。
3. 前記ヒータ電源は、前記センサ回路の出力が安定しているときにだけ前記ヒータ回路の駆動を停止するものである請求項２に記載の熱式流量計。
4. ガスの通流方向に発熱素子を挟んで一対の感熱素子を設けた熱式流量センサ、前記ガスの温度を検出する温度検出素子、この温度検出素子の出力に応じて前記発熱素子の発熱温度を制御するヒータ回路、および前記一対の感熱素子の出力から前記ガスの流量を求めるセンサ回路を備えた熱式流量計であって、
   前記センサ回路の駆動を周期的に停止させて前記一対の感熱素子の自己発熱を抑制するセンサ電源と、このセンサ電源の動作に同期して前記センサ回路の駆動開始直後に前記センサ回路の出力を抽出するサンプリング回路と、前記温度検出素子に蓄積された熱エネルギの放熱に要する時間に亘って前記ヒータ回路の駆動を停止させるヒータ電源と、前記ヒータ回路の動作停止時に前記サンプリング回路により抽出されたセンサ出力をゼロ点補正値として求める手段と、前記ヒータ回路の動作時に前記サンプリング回路により抽出されるセンサ出力を上記ゼロ点補正値を用いて補正するゼロ点補正手段と、を備え、
   前記ヒータ電源は、前記センサ回路の出力が安定しているときにだけ前記ヒータ回路の駆動を停止するものである、ことを特徴とする熱式流量計。

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