JP5469566B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は熱式流量計に係り、特に被測流体の微小流量域における計測精度を高めるように構成された熱式流量計に関する。

一般に、熱式流量計は、被測流体が流れる管路内の流路に設けられ、当該流路を流れる被測流体を加熱するヒータと、当該ヒータを境に被測流体の上流側及び下流側に配置され、温度に応じて抵抗値が変化する一対の測温用抵抗器（温度測定器）と、各測温用抵抗器の測定結果により被測流体の流速を算出する流速検知手段と、を備えてなり、流速検知手段により算出された流速から被測流体の流量を演算するものである。

上記従来の熱式流量計では、被測流体が流れていない状態においては、ヒータによる加熱により被測流体自体に自然対流が生じ、一対の測温用抵抗器（温度測定器）では自然対流による被測流体の流れの影響を受けた温度が測定されることになる。この結果、実際に被測流体が流れていない状態においても、流速検知手段では自然対流により生じた流速を計測することとなってしまう。

そこで、自然対流による被測流体の流速の影響をなくし、実際の被測流体の流速を測定するため、例えば、特許文献１の熱式流量計では、流速センサのヒータ加熱を間欠的にオン、オフ制御するとともにヒータ加熱のオフからオンに切り換わった直後の流速センサ（温度測定器）の出力信号の少なくとも２点を計測し、この出力信号差からヒータ加熱により生じた自然対流による出力信号を演算し、流速センサの出力信号と自然対流による出力信号とから自然対流によらない被測流体の流速を算出することを提案している。

特開平５−１５７６０３号公報

しかし、特許文献１の熱式流量計では、被測流体が所定の流速で流れていることを前提として自然対流の影響による流速を補正しているが、被測流体に流れが生じていない場合には、演算された流速が自然対流によるものであるのか、或いは、実際に被測流体が流れていることによるものであるのかがわからないという問題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決した熱式流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、被測流体が流れる流路に設けられ、電流供給により被測流体を加熱するヒータと、
前記ヒータを間欠的に加熱するように当該ヒータへの電流の供給を制御するヒータ制御手段と、
前記ヒータを挟んで設けられ、被測流体の流速に応じて変化する温度を測定する一組の温度測定器と、
前記一組の温度測定器により測定された温度の差に基づき、被測流体の流速に応じた流速検知信号を出力する流速検知手段と、
を有する熱式流量計において、
前記ヒータ制御手段による前記ヒータへの電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された流速検知信号の波形が自然対流による波形か否かを判別する波形判別手段を備えたことを特徴とする。
（２）本発明は、前記ヒータ制御手段による電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された自然対流が生じている際の流速検知信号の波形の面積を閾値として予め記憶する記憶手段を有し、
前記波形判別手段は、前記流速検知信号の波形の面積と前記記憶手段に記憶された自然対流による閾値とを比較し、前記流速検知信号の面積が前記閾値より小さい場合、当該流速検知信号に基づき演算された流速は自然対流によるものであると判定することを特徴とする。
（３）本発明は、前記ヒータ制御手段による電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された流速検知信号の変化率を演算する変化率演算手段を有し、
前記波形判別手段は、前記変化率演算手段によって演算された変化率が予め設定された閾値より小さい場合に当該流速検知信号が自然対流であると判定することを特徴とする。

本発明によれば、ヒータへの電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って流速検知手段より出力された流速検知信号の波形に基づき、流速検知信号から算出される被測流体の流速が自然対流によるものであるのか否かを正確に検知することができ、微小流量域における流量計測精度をより高めることができる。

本発明による熱式流量計の一実施例を示すブロック図である。 流体の自然対流による流速検知信号の波形図である。 流体が下流側へ流れているときの流速検知信号の波形図である。 制御装置７０が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。 変形例１の自然対流による流速検知信号の波形図である。 変形例１の流体が下流側へ流れているときの流速検知信号の波形図である。 変形例１の制御装置７０が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。 変形例２の自然対流であるか否かを判定するための閾値の設定処理を説明するためのフローチャートである。 変形例３の構成を模式的に示すブロック図である。 被測流体が微小流速で流れ、かつ、自然対流も生じている場合の流速検知信号の波形図である。 ヒータの動作時間と流速検知信号との関係を示す波形図である。 自然対流が生じている際における被測流体自体の圧力と流速検知信号が安定するまでの時間との関係を示すグラフである。 変形例３の制御処理を説明するためのフローチャートである。 ヒータオンからの時間と流速検知信号の値との関係に基づく自然対流の影響を示すデータが記憶されたマップを模式的に示す図である。 変形例４の構成を模式的に示すブロック図である。 変形例４の制御処理を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本発明による熱式流量計の一実施例を示すブロック図である。図１に示されるように、熱式流量計１０は、ヒータ２０と、一対の温度測定器３０、４０と、差動アンプ５０と、Ａ／Ｄ変換器６０と、制御装置７０と、ヒータ作動回路８０とを有する。

ヒータ２０と一対の温度測定器３０、４０とは、図１中破線で示す範囲で１個のチップとしてユニット化されている。このユニット１５０は、管路１２内の流路を流れるガス（気体）の流量、流速に応じた温度を測定する所謂熱式流速センサとして認知されている。また、ヒータ２０は、電流が供給されているとき発熱する電熱ヒータからなり、チップ中央に形成されている。一対の温度測定器３０、４０は、抵抗値が温度に応じて変化する測温用抵抗器からなり、ヒータ２０の上流側と下流側とに対称に配置されている。

従って、一方の温度測定器３０は、ヒータ２０の上流側に配されており、ヒータ２０の上流側の被測流体の温度を測定し、測定された温度に応じた温度検知信号（温度に応じた電圧値）を出力する。また、他方の温度測定器４０は、ヒータ２０の下流側に配されており、ヒータ２０の下流側の被測流体の温度を測定し、測定された温度に応じた温度検知信号（温度に応じた電圧値）を出力する。

被測流体が管路１２の上方から下方へ流れる場合、上流側の温度測定器３０と下流側の温度測定器４０とによりそれぞれ計測される温度は異なることとなり、これら測定された温度差が流速に比例する。なお、管路１２の下流側での流体使用がない場合には、被測流体の流速はゼロになるが、この状態においては、ヒータ２０への電流供給と共にヒータ２０付近の被測流体の温度が上昇して流路内を上昇する流れが生じる。さらに、その外側では流路内を降下する流れが生じるため、ヒータ２０の周辺においては、上流と下流との間で自然対流が生じることになる。

差動アンプ５０は、各温度測定器３０、４０より出力された温度検知信号の差（各温度測定器３０、４０により検出された温度の差に基づく抵抗値（電圧値）の差）を流速検知信号（電圧値）として出力する。

Ａ／Ｄ変換器６０は、差動アンプ５０より出力される流速検知信号（電圧値）をアナログ値からデジタル値に変換して出力する。

制御装置７０は、Ａ／Ｄ変換器６０より出力されるデジタル信号が入力されると、デジタル信号に基づく流量演算処理を行なうと共に、所定時間間隔ごとに加熱のための制御信号をヒータ作動回路８０に出力する。

ヒータ作動回路８０は、制御装置７０からの制御信号が入力されたタイミングでヒータ２０に電流を供給し、あるいはヒータ２０への電流供給を停止する。

制御装置７０は、ヒータ制御手段９０と、流速検知手段１００と、波形判別手段１２０と、流量演算手段１３０と、記憶部１４０とを有する。

ヒータ制御手段９０は、ヒータ２０の加熱時間・加熱間隔を制御するとともに、ヒータ２０による発熱量が流量計測に必要な温度に達するようにヒータ２０に供給される電流を制御する。

流速検知手段１００は、差動アンプ５０より出力された流速検知信号（各温度測定器３０、４０より出力された温度検知信号の差（被測流体の温度差に基づく抵抗値（電圧値）の差））に基づき、被測流体の流速を演算する。

波形判別手段１２０は、差動アンプ５０より出力された流速検知信号の波形が自然対流による波形か否かを判別する処理を行なう。より詳細には、波形判別手段１２０は、流速検知信号の波形データ（ヒータ２０への電流供給開始時の信号立上がりの変化率）と記憶部１４０に予め記憶された自然対流による波形データ（電流供給開始時の信号立上がりの変化率）としての閾値とを比較し、当該流速検知信号の波形データが閾値より小さい場合、差動アンプ５０より出力された流速検知信号より求められる被測流体の流速が自然対流による信号であると判定する。

図２Ａは自然対流のみが生じている場合における差動アンプ５０より出力される流速検知信号の波形図である。図２Ｂは流体が下流側へ流れているときの流速検知信号の波形図である。尚、本実施例においては、ヒータ２０への電流供給及び停止に同期して各温度測定器３０、４０への電力も供給及び停止される。このため、ヒータ２０に電流が供給されているときのみ、差動アンプ５０から制御回路７０へ流速検知信号が入力される様になっている。よって、図２Ａ、図２Ｂにおいて、流速検知信号は、ヒータ２０への電流供給が開始されたとき（ヒータオン状態）、自然対流による流速を含む被測流体の流速Ｑに応じた電圧値となり、ヒータ２０への電流供給が停止したとき（ヒータオフ状態）に出力も停止する。

先ず、管路１２の下流側で流体使用がない状況、即ち、ヒータ２０とその周辺の流体温度差に起因する自然対流のみが発生している状況における差動アンプ５０より出力される流速検知信号の変化について図２Ａを用いて説明する。図２Ａに示されるように、時刻Ｔａにてオンとされているヒータ２０への電流供給を時刻Ｔｂでオフ（供給停止）に切替え、所定時間ｔ１が経過した時刻Ｔｃでヒータ２０への電流供給を再開すると、差動アンプ５０より出力される流速検知信号は、波形図Ａ（Ａ１〜Ａ４）のように変化する。

尚、図２Ａに示す波形図Ａにおいて、ヒータ２０への電流供給が停止されるＴｂ−Ｔｃ間においては差動アンプ５０よりは流速検知信号の出力は停止していることになるが、波形Ａ２はＴｂ−Ｔｃ間においても各温度測定器３０、４０より温度検知信号が出力されていると仮定した場合における作動アンプ５０が出力するであろう流速検知信号を破線（想像線）として示している。また、時刻Ｔｃでヒータ２０への電流供給を再開することにより、ヒータ２０の温度の上昇に伴い被測流体の温度が上昇して自然対流が発生すると共に、この自然対流による流速の増加に伴って流速検知信号としての電圧（流速Ｑ）も増加する。

従って、時刻Ｔｂ以前では、ヒータ２０への電流供給が行なわれているので、波形Ａ１が自然対流により生じた流速Ｑに応じた電圧値に上昇した状態となっている。また、時刻Ｔｂ−Ｔｃ間では、ヒータ２０への電流供給が停止しているので、被測流体中に生じていた自然対流による流速Ｑが低下することにより波形Ａ２が破線で示すように徐々に流速検知信号としての電圧値も低下する。また、時刻Ｔｃ−Ｔｄ間では、波形Ａ３に示すようにヒータ２０への電流供給が行なわれているので、再び被測流体が加熱されることにより自然対流が発生し、この自然対流による流速はヒータ２０による加熱開始からの時間の経過に伴い徐々に増加する。これにより流速検知信号の出力レベル（電圧値）が自然対流により生じている流速Ｑ１（＞０）から徐々に上昇する。そして、時刻Ｔｄ−Ｔｅ間では、波形Ａ４に示すようにヒータ２０による被測流体の加熱により生じうる自然対流の最大の流速にて一定となるので、流速検知信号の出力レベル（電圧値）Ｑも一定となる。

次に管路１２の下流側で流体使用が発生して、流体移動による流速が発生している状況における差動アンプ５０より出力される流速検知信号の変化について図２Ｂを用いて説明する。図２Ｂに示されるように、図２Ａの場合と同様に、時刻Ｔａにてオンとされているヒータ２０への電流供給を時刻Ｔｂで停止し、所定時間ｔ１が経過した時刻Ｔｃでヒータ２０への電流供給を再開すると、差動アンプ５０よりの流速検知信号は、波形図Ｂ（Ｂ１〜Ｂ４）のように変化する。

時刻Ｔｂ以前では、ヒータ２０への電流供給がされているので、波形Ｂ１が被測流体の流速Ｑの値に応じた電圧値に上昇している。また、時刻Ｔｂ−Ｔｃ間では、ヒータ２０により加熱された被測流体は各温度測定器３０、４０の設置箇所に対流することなく下流へ流出することから、流速検知信号の出力レベル（電圧値）が波形Ｂ２（破線）で示すように急速にゼロに低下する。また、時刻Ｔｃ−Ｔｄ間では、波形Ｂ３に示すようにヒータ２０への電流供給が再開されているので、流速検知信号の出力レベルがゼロから被測流体の流速Ｑの値に応じた電圧値に急速に上昇する。そして、時刻Ｔｄ−Ｔｅ間では、波形Ｂ４に示すように被測流体の流速に応じた流速検知信号の出力レベル（電圧値）Ｑで一定となる。

ここで、図２Ａの波形Ａ３と図２Ｂの波形Ｂ３とを比較すると、両グラフとも流速Ｑの大きさは同一であっても、ヒータ２０により加熱を開始した際における出力レベルの変化率が所定の変化率よりも小さい場合（波形Ａ３）には、出力レベルＱは自然対流によるものであることがわかる。また、出力レベルの変化率が所定の変化率よりも大きい場合（波形Ｂ３）には、被測流体が実際に流れていることにより生じたものであるということがわかる。

次に、制御装置７０が実行する制御処理について説明する。図３は制御装置７０が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。

図３に示されるように、制御装置７０は、Ｓ１１でヒータ作動回路８０へヒータ２０への電流供給を停止する制御信号を出力する（図２Ａ、図２Ｂの時刻Ｔｂ：ヒータ制御手段）。これにより、ヒータ作動回路８０はヒータ２０への電流供給を停止してヒータ２０の加熱を停止させる。

続いて、Ｓ１２では、ヒータ２０への電流供給を停止する制御信号を出力してからｔ１時間後（図２Ａ、図２Ｂの時刻Ｔｃ）にヒータ作動回路８０へヒータ２０への電流供給を再開する制御信号を出力する。ここで、時間ｔ１はヒータ２０による加熱を停止した後、自然対流が消失するまでの時間よりも短い時間に設定されている。これにより、ヒータ作動回路８０はヒータ２０に電流を再供給してヒータ２０を加熱させる。ヒータ２０による加熱開始と同時に得られる、差動アンプ５０より出力される各温度測定器３０、４０より出力された温度検知信号の差（被測流体の温度差に基づく抵抗値の差）としての流速検知信号を測定値Ｑ０として記憶部１４０に記憶する。

Ｓ１３では、ヒータ２０による加熱開始から所定時間ｔ４が経過した際の流速検知信号の測定値Ｑと、測定値Ｑ０とから被測流体の流速の変化率（Ｑ−Ｑ０）／ｔ４を演算する。なお、この所定時間ｔ４は、自然対流が生じている場合において、ヒータ２０による加熱開始から流速検知信号の測定値Ｑが一定となるまでに要する時間ｔ２（図２Ａ参照）よりも小さな時間とすることが好ましい。続いて、Ｓ１４では、温度検知信号の差の値（流速検知信号）Ｑ０と予め定められた閾値Ｑ１（当該閾値Ｑ１は記憶部１４０に予め記憶されている。）とを比較する。Ｓ１４において、温度検知信号の差の値（流速検知信号）Ｑ０が閾値Ｑ１より小さい場合（ＮＯの場合）は、自然対流ではなく、被測流体の下流側での使用により被測流体の流れが発生しているものと判断してＳ１５に進み、流速検知信号から流速（或いは流量）を演算する。

また、Ｓ１４において、上記測定値Ｑ０が閾値Ｑ１より大きい場合（ＹＥＳの場合）は、ヒータ２０の温度による自然対流が発生しているものと判断してＳ１６に進み、前述したＳ１３で演算した変化率（Ｑ−Ｑ０）／ｔ４と予め設定された変化率の閾値（Ｑ−Ｑ１）／ｔ４とを比較する（自然対流判定手段）。Ｓ１６において、流速検知信号の変化率（Ｑ−Ｑ０）／ｔ４が閾値（Ｑ−Ｑ１）／ｔ４より大きい場合（ＹＥＳの場合）、被測流体の下流側での使用により被測流体の流れが発生しているものと判断してＳ１５に進み、当該流速検知信号から流速（或いは流量）を演算する（流速検知手段）。

また、Ｓ１６において、流速検知信号の変化率（Ｑ−Ｑ０）／ｔ４が閾値（Ｑ−Ｑ１）／ｔ４より小さい場合（ＮＯの場合）、ヒータ２０の温度による自然対流が発生しているものと判断してＳ１７に進む。Ｓ１７では、測定値Ｑ０が管路１２の下流側での流体使用によるものではないので、流量演算を停止（或いは、流量（流速）の測定値の出力を停止）する。

このように、温度検知信号の差の測定値（流速検知信号）Ｑ０が閾値Ｑ１より大きい場合（Ｑ＞Ｑ０）、あるいは流速検知信号の変化率が変化率の閾値より大きい場合、被測流体の下流側での使用により被測流体の流れが発生しているものと判断して、流速検知信号から流量を演算するため、管路１２を流れる被測流体を正確に測定することができる。また、流速検知信号の変化率が閾値より小さい場合、ヒータ２０の加熱による自然対流が発生しているものと判断されるため、微小流量が測定された場合に自然対流か否かを正確に判別することができ、流量測定精度をより高められる。

ここで、変形例について説明する。

〔変形例１〕
変形例１は、ヒータ２０への電流供給が開始されてから任意の所定時間が経過するまでに流体の対流によって奪われたヒータ２０のエネルギの大きさに基づいて自然対流か否かの判定を行なうものである。

図４Ａは変形例１の自然対流による流速検知信号の波形図である。図４Ａに示されるように、被測流体に流れが生じていない状態でヒータ２０への電流供給が開始されると、流体中に自然対流のみが発生し、ヒータ２０による被測流体の加熱が進むにつれて自然対流による流れ（流速）が徐々に増加する。これに伴い、流速検知信号（電圧値）もゼロから徐々に立ち上がる。このため、ヒータ２０による加熱を開始してから計測時間ｔ５が経過するまでの流速検知信号の波形Ｃの面積（流速検知信号の電圧値と経過時間ｔ５との積）が、Ｑ（自然対流による流速）×ｔ５の四角形の面積から斜線部分Ｘ１を差し引いた面積となる。

図４Ｂは被測流体が微小な流速で下流側へ流れているときの流速検知信号の波形図である。図４Ｂに示されるように、管路１２の流路内の被測流体に流れが発生している場合、ヒータ２０への電流供給が開始されると共に、流速検知信号はゼロから急速に立ち上がるため、計測時間ｔ５とした場合の波形Ｄの面積が、Ｑ×ｔ５の四角形の面積から自然対流の場合よりも小さい斜線部分Ｘ２（＜Ｘ１）を差し引いた面積となる。

従って、自然対流が発生していないときに計測される波形Ｄの面積は、自然対流の発生により計測される波形Ｃの面積よりも大きいものとなることから、波形Ｃの面積（自然対流が発生している状態において計測された面積）を閾値として、計測演算された波形の面積が波形Ｃの面積よりも小さいと判定した場合に流速検知信号より計測される流速は自然対流によるものであると判定することが可能になる。

ここで、変形例１の制御装置７０が実行する制御処理について図５のフローチャートを用いて説明する。

図５に示されるように、制御装置７０は、Ｓ２１でヒータ作動回路８０へヒータ２０への電流供給を開始する制御信号を出力する。これにより、ヒータ作動回路８０はヒータ２０に電流を供給してヒータ２０を加熱させる。

次のＳ２２では、所定時間毎（例えば、０．０１秒間隔）の流速検知信号の出力値Ｆを積算（流速検知信号の波形の面積を演算）する。続いて、Ｓ２３に進み、ヒータ２０がオンになってから所定時間ｔ５が経過した時点で流速検知信号の出力値の積算（ΣＦ×ｔ５）を終了し、当該波形の面積の演算結果を記憶部１４０に記憶させる。

Ｓ２４では、時間ｔ５当たりの流速検知信号の出力値の積算値（ΣＦ×ｔ５）と予め設定された閾値（当該閾値は記憶部１４０に予め記憶させておく）とを比較する。Ｓ２４において、流速検知信号の出力値の積算値（ΣＦ×ｔ５）が閾値よりも大きい場合（ＹＥＳの場合）は、Ｓ２５に進み、被測流体の下流側での使用により被測流体の流れが発生しているものと判断して、流速検知信号から流速および流量を演算する。

また、Ｓ２４において、流速検知信号の出力値の積算値（ΣＦ×ｔ５）が閾値よりも小さい場合（ＮＯの場合）、流速検知信号の出力値Ｑは自然対流によるものと判断し、Ｓ２６に進み、流速及び流量の演算を停止、或いは流速及び流量の測定値の出力を停止する。

このように、流速検知信号の出力値の積算値（流速検知信号の波形の面積）が閾値より大きい場合、被測流体に自然対流によるものではない流れが発生しているものと判断して、当該流速検知信号から流速（或いは流量）を演算する。また、流速検知信号の出力値の積算値（流速検知信号の波形の面積）が閾値より小さい場合、ヒータ２０の温度による自然対流が発生しているものと判断されるため、微小流量が測定された場合に自然対流か否かを正確に判別することができ、流量測定精度をより高められる。

〔変形例２〕
図６は自然対流であるか否かを判定するための閾値の設定処理について説明するためのフローチャートである。図６に示されるように、制御装置７０は、Ｓ３１で閾値の設定を行なうか否かを確認する。Ｓ３１において、当該熱式流量計のメンテナンスを行なう作業員が閾値の設定を入力操作した場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ３２に進み、ヒータ２０への電流供給を開始した直後に測定された流速検知信号の値を閾値として記憶部１４０に記憶させる。

次のＳ３３では、流速検知信号の変化率の閾値を記憶部１４０に入力して記憶させる。

さらに、Ｓ３４では、流速検知信号の面積の閾値を記憶部１４０に入力して記憶させる。

尚、上記Ｓ３１において、閾値の設定が入力されなかった場合には（ＮＯの場合）、今回の制御処理を行なわず制御処理を停止する。
〔変形例３〕
図７は変形例３の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図７において、前述した図１と同一部分には、同一符合を付してその説明を省略する。

図７に示されるように、熱式流量計２００の制御装置７０Ａは、ヒータ制御手段９０と、流速検知手段１００と、自然対流検知手段２１０と、変化率演算手段２２０と、流量補正手段２４０と、記憶部２５０とを有する。

自然対流検知手段２１０は、ヒータ２０の動作時間と各温度測定器３０、４０より出力された温度検知信号の値（温度に応じた各温度測定器３０、４０の抵抗値または電流値）の差である流速検知信号から当該流速検知信号より算出される流速が自然対流によるものであるか否かを検知する処理を行なう。

変化率演算手段２２０は、ヒータ制御手段９０がヒータ２０への電流供給を停止し、所定時間後にヒータ２０への電流供給を再開した際にヒータ２０の動作時間に伴う流速検知信号の変化率を演算する演算処理を行なう。

流速補正手段２４０は、変化率演算手段２２０により演算された変化率に基づいて自然対流を検知した温度検知信号から自然対流に相当する値を減算して流量測定値を補正する補正演算処理を行なう。

記憶部２５０は、ヒータ２０への電流供給を停止し、所定時間後にヒータ２０への電流供給を再開した場合にヒータ２０の動作時間に伴う流速検知信号の出力値を記憶する記憶領域と、流速検知信号の値が所定値以上の場合にヒータ２０の動作時間を記憶する記憶領域とを有する。

図８Ａは被測流体が微小流速で流れ、かつ、自然対流も生じている場合の流速検知信号の波形図である。同図に示されるように、ヒータ２０への電流供給を停止した後の所定時間経過後にヒータ２０への電流供給を再開した場合、被測流体の流れがあるため、時間ｔ２が経過するまで流速検知信号の値がＱまで急速に立上がる波形Ｄのように推移し、且つ被測流体の流れによる値Ｑにヒータ２０と周囲の流体の温度差に比例した自然対流による流速αが加算された波形Ｅ（図８Ａ中、破線で示す）のように推移する。なお、流速検知信号の実際の波形は波形Ｅであり、波形Ｄは本発明を理解しやすくするために記載した被測流体の実際の流速に応じた流速検知信号の波形である。

このように、被測流体が自然対流による流量αが影響される微小流量である場合には、流速検知信号が安定するまでに時間ｔ１を要することになる。これにより、自然対流の影響が無視できない微小流量域においては、ヒータ２０をオフからオンにしたときの温度検知信号の値が安定するまでの時間ｔ１は、ほぼ自然対流による流れのみに依存しており、被測流体が下流側に流れる流速に拘わらないことが分かる。

ここで、管路１２の流路における自然対流について説明する。

一般に自然対流は、主に流体中の部分的な温度差に起因する浮力による対流であると考えられている。そのため、被測流体の密度が大きいほど浮力も大きくなるため、自然対流の度合いが強くなり、流速検知信号の値が安定するまでの時間が長くなる。

図８Ｂはヒータの動作時間と流速検知信号との関係を示す波形図である。尚、図８Ｂにおいて、微小流速Ｑ１、低流速Ｑ２（但し、Ｑ２＞Ｑ１）は被測流体の流速を示し、添字のａ〜ｃは被測流体の圧力（ａ，ｂ，ｃの各圧力をＰａ，Ｐｂ，Ｐｃとした場合、Ｐａ＜Ｐｂ＜Ｐｃ）を示している。また、波形Ｆ１〜Ｆ２は、被測流体の実際の流量は所定の微小流速Ｑ１で同一であるものの被測流体自体の圧力の違いにより生ずる流速検知信号の変化を示している。また、波形Ｇ１〜Ｇ３は、被測流体の実際の流速は所定の低流速Ｑ２で同一であるものの被測流体自体の圧力の違いにより生ずる流速検知信号の変化を示している。

図８Ｂに示されるように、微小流速Ｑ１で流れている被測流体自体の圧力が低い（Ｐａ）とき、ヒータ２０をオフからオンにすると、流速検知信号の出力レベルは波形Ｆ１で示されるように、立ち上がり時間Ｔ１で安定した状態となる。また、管路１２内を微小流速Ｑ１で流れている被測流体の圧力がより高圧（Ｐｂ，Ｐｃ）となると、その分、被測流体のガス密度が高くなる。この結果、自然対流による影響が増大する。そのため、被測流体の流速が同一であったとしても、被測流体の圧力が高ければ高いほど（非測定流体の密度が高ければ高いほど）、流速検知信号の出力レベルが安定するまでの時間も波形Ｆ２、Ｆ３（図８Ｂ中、破線で示す）に示すようにＴ１からＴ２、Ｔ３に長くなる方向に変化する。

また、圧力Ｐａの圧力を有する被測流体が前述の微小流量Ｑ１よりも高い流速である低流速Ｑ２で流れているとき、ヒータ２０をオフからオンにすると、流速検知信号の出力レベルは波形Ｇ１で示されるように、立ち上がり時間Ｔ１で安定した状態となる。また、管路１２内を低流速Ｑ２で流れている被測流体の圧力がより高圧（Ｐｂ，Ｐｃ）となると、その分、被測流体のガス密度が高くなり、この結果、自然対流による影響が増大する。そのため、被測流体の流速が同一であったとしても、被測流体の圧力が高ければ高いほど（非測定流体の密度が高ければ高いほど）、流速検知信号（電圧値）の出力レベルが安定するまでの時間も波形Ｇ２、Ｇ３（図８Ｂ中、破線で示す）に示すようにＴ１ａからＴ２ａ、Ｔ３ａといったように長くなる方向に変化する。

ここで、上記波形Ｆ１〜Ｆ２と波形Ｇ１〜Ｇ３とを比較すると、自然対流の影響が無視できない微小流量Ｑ１においては、流速検知信号の値が安定するまでの時間は、ほぼ自然対流の度合い（ガス圧力、ガス密度）のみに依存し、被測流体の流速の高低に拘わらないため、流速検知信号が安定するまでの安定時間もＴ１≒Ｔ１ａ、Ｔ２≒Ｔ２ａ、Ｔ３＝Ｔ３ａとなることがわかる。

図９は自然対流が生じている際における被測流体自体の圧力と流速検知信号が安定するまでの時間との関係を示すグラフである。図９に示されるグラフＩより管路１２内を流れる被測流体の圧力Ｐ１〜Ｐ３と流速検知信号が安定するまでの時間（Ｔ１〜Ｔ３、Ｔ１ａ〜Ｔ３ａ）とほぼ比例関係にあることが分かる。尚、グラフＩは、被測流体の圧力Ｐ１〜Ｐ３に対する流速検知信号が安定するまでの時間（Ｔ１〜Ｔ３、Ｔ１ａ〜Ｔ３ａ）が圧力増大に伴う密度の変化により曲線としてあらわされる。

ここで、制御装置７０Ａが実行する制御処理について説明する。図１０は制御処理を説明するためのフローチャートである。

図１０に示されるように、制御装置７０Ａは、Ｓ４１でヒータ作動回路８０を介してヒータ２０への電流供給を停止させてから所定時間経過後にヒータ２０への電流供給を再開させる。これにより、ヒータ２０はヒータオフの状態から被測流体を加熱するヒータオンの状態となる。

次のＳ４２では、タイマカウントを開始する。続いて、Ｓ４３に進み、タイマカウントのカウント値に応じて流速検知信号の値（センサ出力：電圧値）ｆ１を記憶部２５０に記憶させる。

次のＳ４４では、流速検知信号の値（センサ出力：電圧値）ｆ１を記憶部２５０に記憶させてからΔｔ秒後の流速検知信号の値（センサ出力：電圧値）をｆ２として記憶部２５０に記憶させる。続いて、Ｓ４５において、単位時間Δｔにおける流速検知信号の変化（Δｆ＝ｆ２−ｆ１）から流速検知信号の変化率Ｈ（＝Δｆ／Δｔ）を演算する（変化率演算手段２２０）。

次のＳ４６では、当該流速検知信号の変化率Ｈと閾値Ｈ０とを比較する。Ｓ４６において、流速検知信号の変化率Ｈが閾値Ｈ０を超える場合（ＮＯの場合）、即ち流速検知信号が変化している場合には現在ｆ２として記憶している流速検知信号の出力値をｆ１として記憶更新した後に上記Ｓ４４の処理に移行する。また、Ｓ４６において、流速検知信号の変化率Ｈが閾値Ｈ０以下となった場合（ＹＥＳの場合）、即ち、流速検知信号の変化がほぼ安定した場合にはＳ４７に進み、タイマカウントのカウント値（Ｔ）と流速検知信号の値ｆ２を記憶部２５０に記憶させる。

次のＳ４８では、記憶部２５０に格納されたマップ２６０（図１１参照）を用いて、流速検知信号の値ｆ２より算出される流速Ｑと流速検知信号（電圧値）が安定するまでに要した時間であるタイマカウントのカウント値（Ｔ）とに基づき、これに対応する自然対流による流速を検索／抽出し、流速検知信号より求められた流速から当該自然対流による流速を減算することにより自然対流の影響のない流速を算出する（流速補正手段２４０）。

なお、図１１のマップ２６０は、各流速検知信号と、ヒータ２０による過熱が開始されてから流速検知信号（電圧値）が安定するまでに要する時間との関係に基づく自然対流による流速を予め実験により求めた補正値（流速計測値の補正値）として記憶したものである。

次のＳ４９では、流速検知信号から自然対流により影響される流速を差し引いた補正後の値に基づいて演算された流量を流量計測値として出力する。

このように、変形例３では、流速検知信号より求められる流速から自然対流による流速を差し引いた補正後の値に基づいて流量を演算して流量計測値として出力するため、微小流速或いは低流速の流量計測の場合でも自然対流による誤差を補正して正確な流量計測が可能になる。

〔変形例４〕
図１２は変形例４の構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１２において、前述した図７と同一部分には、同一符合を付してその説明を省略する。

図１２に示されるように、熱式流量計３００の制御装置７０Ｂは、ヒータ制御手段９０と、流速検知手段１００と、自然対流検知手段２１０と、圧力推定手段２３０と、流速補正手段２４０と、記憶部２５０とを有する。

圧力推定手段２３０は、変化率演算手段２２０により演算された変化率が、予め設定された所定の変化率（閾値）以下の場合に、ヒータ２０の動作時間から被測流体の圧力を推定する演算処理を行なう。

図１３は変形例４の制御処理を説明するためのフローチャートである。尚、図１２において、Ｓ５１〜Ｓ５６は前述したＳ４１〜Ｓ４６と同じ処理であるので、その説明は省略する。

図１３に示すＳ５７では、ヒータ２０による加熱を開始してから流速検知信号の出力が安定するまでの時間としての稼動時間Ｔを記憶部２５０に記憶させる。次のＳ５８では、ヒータ稼働時間Ｔに基づいて圧力値を推定する（圧力推定手段２３０）。尚、圧力の推定方法としては、例えば、図９に示すような流速検知信号の出力（電圧値）が安定するまでの時間と被測流体の圧力との関係を予め記憶しておく方法がある。

次のＳ５９では、ヒータ２０の稼動時間Ｔから得られた推定圧力を出力する。

このように、変形例３では、ヒータ２０による加熱を開始してから流速検知信号の出力が安定するまでの時間としての稼動時間Ｔに基づいて推定された推定圧力を出力されることにより、圧力センサなどを設けずに管路を介して供給されるガスの圧力を求めることができる。

上記実施例では、管路を流れるガスの流量を測定する場合について説明したが、これに限らず、例えば、ガス以外の流体（気体、液体を含む）の流量または流速を測定する場合にも本発明を適用することができる。

１０、２００、３００ 熱式流量計
１２ 管路
２０ ヒータ
３０、４０ 測温用抵抗器
５０ 差動アンプ
６０ Ａ／Ｄ変換器
７０、７０Ａ、７０Ｂ 制御装置
８０ ヒータ作動回路
９０ ヒータ制御手段
１００ 流速検知手段
１２０ 波形判別手段
１３０ 流量演算手段
１４０、２５０ 記憶部
１５０ ユニット
２１０ 自然対流検知手段
２２０ 変化率演算手段
２３０ 圧力推定手段
２４０ 流量補正手段

Claims (3)

1. 被測流体が流れる流路に設けられ、電流供給により被測流体を加熱するヒータと、
   前記ヒータを間欠的に加熱するように当該ヒータへの電流の供給を制御するヒータ制御手段と、
   前記ヒータを挟んで設けられ、被測流体の流速に応じて変化する温度を測定する一組の温度測定器と、
   前記一組の温度測定器により測定された温度の差に基づき、被測流体の流速に応じた流速検知信号を出力する流速検知手段と、
   を有する熱式流量計において、
   前記ヒータ制御手段による前記ヒータへの電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された流速検知信号の波形が自然対流による波形か否かを判別する波形判別手段を備えたことを特徴とする熱式流量計。
2. 前記ヒータ制御手段による電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された自然対流が生じている際の流速検知信号の波形の面積を閾値として予め記憶する記憶手段を有し、
   前記波形判別手段は、前記流速検知信号の波形の面積と前記記憶手段に記憶された自然対流による閾値とを比較し、前記流速検知信号の面積が前記閾値より小さい場合、当該流速検知信号に基づき演算された流速は自然対流によるものであると判定することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記ヒータ制御手段による電流供給の停止及び電流供給の再開に伴って前記流速検知手段より出力された流速検知信号の変化率を演算する変化率演算手段を有し、
   前記波形判別手段は、前記変化率演算手段によって演算された変化率が予め設定された閾値より小さい場合に当該流速検知信号が自然対流であると判定することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
   

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