JP5835182B2 - 熱式流量計およびその異常判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱式流量計およびその異常判定方法に関する。

流体の流量を測定するためのセンサチップがこれまでに提案されている。センサチップは、たとえばシリコン基板からなる半導体基板と、ヒータと、１対の感温素子とを有する。１対の感温素子の一方は、ヒータに対して流路の上流側に配置される。１対の感温素子の他方は、ヒータに対して流路の下流側に配置される。

ガス等の流体が流路を流れると、ヒータにより発生した熱が下流側の感温素子に伝達される。したがって、上流側の感温素子から出力される電圧と下流側の感温素子から出力される電圧との間に差が生じる。その差電圧に基づいて流体の流量が算出される。

上記の構成を有するセンサチップの異常を判定するための方法がこれまでに提案されている。たとえば特開２０００−３２１１０７号公報（特許文献１）は、以下に説明する故障判定方法を開示する。上流側サーモパイルの電圧から、上流側サーモパイルの抵抗値が算出される。下流側サーモパイルの電圧から、下流側サーモパイルの抵抗値が算出される。それらの抵抗値のいずれかが異常な値である場合にフローセンサの故障が判定される。

特開２０００−３２１１０７号公報

特開２０００−３２１１０７号公報は、フローセンサの故障を検出する方法として、サーモパイルの抵抗値を算出する方法を提案している。特開２０００−３２１１０７号公報は、上記の方法によって、たとえばダストがセンサに付着した場合の故障を検出可能であると説明している。

しかしながら、一般的にサーモパイルは絶縁膜で覆われている。したがってダストがその絶縁膜の表面に付着しても、サーモパイルの抵抗値は変化しない。つまり特開２０００−３２１１０７号公報に開示された方法では、実際には、サーモパイルの損傷あるいは質的な変化のみ検出可能であると考えられる。

さらに、特開２０００−３２１１０７号公報によれば、サーモパイルの抵抗値を算出するためにヒータがオフされる。つまり、流量計の故障の有無を判定するために、流体の流量を計測するときの状態とは異なる状態を作り出さなければならない。したがって流量計の故障の有無を判定する際には、流体の流量の計測を中断しなければならない。しかしながら、流量計が通常に使用されている状態において、故障の有無の判定のための特別な状態を作り出すことは難しい。特に、流量を常時計測することが要求される場合においては、故障の有無が判定できないという課題が生じる。

また、ヒータをオフする代わりに、流体の流量を一定に制御する、あるいは流量をゼロにするという方法も考えられる。しかしながらこの場合にも、通常の流量の検出とは異なる状態を作り出す必要がある。

本発明の目的は、流体の流量を検出しながら、センサ素子の異常の有無を判定することが可能な熱式流量計、およびその異常判定方法を提供することである。

本発明のある局面において、熱式流量計が提供される。熱式流量計は、センサ素子と、出力回路と、記憶部と、異常判定部とを備える。センサ素子は、流体の流れる流路に配置されて流体を加熱するヒータと、ヒータに対して流路の上流側に配置された第１の感温素子と、ヒータに対して流路の下流側に配置された第２の感温素子とを有する。出力回路は、第１の感温素子から出力される第１の出力信号と、第２の感温素子から出力される第２の出力信号との間の差分に基づいて、流体の流量を表す信号を出力する。記憶部は、第１の出力信号と第２の出力信号との間の関係の基準を定めた基準的関係を予め記憶する。異常判定部は、第１の感温素子から出力された第１の出力信号と、第２の感温素子から出力された第２の出力信号との間の関係を、基準的関係と比較して、第１および第２の感温素子に関する異常の有無を判定する。

好ましくは、基準的関係は、第１の出力信号と第２の出力信号とによって規定されたマップ、第１の出力信号と第２の出力信号とによって規定されたテーブル、または、第１の出力信号と第２の出力信号の一方から他方を導く関数として記憶部に記憶される。

好ましくは、熱式流量計は、センサ素子の周囲温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出されたセンサ素子の周囲温度に基づいて、基準的関係を補正する補正部とをさらに備える。

好ましくは、記憶部は、基準的関係として、センサ素子の周囲温度に各々が関連付けられた複数の基準的関係を有する。熱式流量計は、センサ素子の周囲温度を検出する温度センサと、選択部とをさらに備える。選択部は、複数の基準的関係の中から、温度センサにより検出されたセンサ素子の周囲温度に対応する関係を選択して、対応する関係を異常判定部に与える。

好ましくは、記憶部は、基準的関係として、流体の種類に各々が関連付けられた複数の基準的関係を有する。熱式流量計は、選択部をさらに備える。流体の種類に関する情報を受けて、複数の基準的関係の中から流体の種類に対応する関係を選択して、対応する関係を異常判定部に与える選択部をさらに備える。

好ましくは、異常判定部は、第１の感温素子から出力された第１の出力信号および第２の感温素子から出力された第２の出力信号のうちの一方と、基準的関係から導かれる基準値との差が予め設定された許容範囲を外れる場合に、第１および第２の感温素子に関する異常が有ると判定する。異常判定部は、第１の感温素子から出力された第１の出力信号および第２の感温素子から出力された第２の出力信号のうちの他方を基準的関係に適用して、基準値を生成する。

好ましくは、第１の感温素子から出力された第１の出力信号と、第１の基準値との差が予め設定された許容範囲を外れるとともに、第２の感温素子から出力された第２の出力信号と第２の基準値との差が予め設定された許容範囲を外れる場合に、異常判定部は、第１および第２の感温素子に関する異常が有ると判定する。異常判定部は、第２の感温素子から出力された第２の出力信号を基準的関係に適用して、第１の基準値を生成するとともに、第１の感温素子から出力された第１の出力信号を基準的関係に適用して、第２の基準値を生成する。

本発明の他の局面において、熱式流量計の異常判定方法が提供される。熱式流量計は、センサ素子、および、出力回路を含む。センサ素子は、流体の流れる流路に配置されて流体を加熱するヒータと、ヒータに対して流路の上流側に配置された第１の感温素子と、ヒータに対して流路の下流側に配置された第２の感温素子とを有する。出力回路は、第１の感温素子から出力される第１の出力信号と、第２の感温素子から出力される第２の出力信号との間の差分に基づいて、流体の流量を表す信号を出力する。異常判定方法は、第１の出力信号と第２の出力信号との間の関係の基準を定めた基準的関係を準備するステップと、第１の感温素子から出力された第１の出力信号と、第２の感温素子から出力された第２の出力信号との間の関係を、基準的関係と比較して、第１および第２の感温素子に関する異常の有無を判定するステップとを備える。

本発明によれば、熱式流量計によって流体の流量の検出を行ないながら、熱式流量計に含まれるセンサ素子の異常を判断することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 図１に示したセンサ素子の概略的な構成を示した平面図である。 図２に示したセンサ素子の模式断面図である。 上流側サーモパイルの例示的な特性を説明するためのグラフである。 下流側サーモパイルの例示的な特性を説明するためのグラフである。 図１に示された出力回路から出力される電圧（流量出力）と流量との関係を示すグラフである。 上流側サーモパイルの出力電圧と下流側サーモパイルの出力電圧との間の基準的関係の例を示した図である。 上流側サーモパイルおよび下流側サーモパイルに関する異常の判定の概念を説明するための図である。 ダストがセンサ素子の表面に付着した状態を説明した模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る熱式流量計の概略的な構成を示した機能ブロック図である。 上流側サーモパイルの出力電圧と下流側サーモパイルの出力電圧との間の関係の温度依存性の一例を示した図である。 図１２に示された記憶部が記憶するデータの構成例を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る熱式流量計の変形例の概略構成を示した機能ブロック図である。 図１５に示された記憶部が記憶するデータの構成例を示した図である。 本発明の第２の実施の形態の変形例に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る熱式流量計の変形例の概略構成を示した機能ブロック図である。 図１８に示された記憶部が記憶するデータの構成例を示した図である。 本発明の第３の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る熱式流量計の別の構成例を示した図である。 本発明の各実施の形態に係る熱式流量計の１つの適用例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計の概略的な構成を示した機能ブロック図である。図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計１０１は、センサ素子１０と、出力回路１１と、ヒータ駆動回路１６と、記憶部２０と、異常判定部２２とを備える。

センサ素子１０は、上流側サーモパイル１と、ヒータ２と、下流側サーモパイル３とを含む。上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３の各々は、温度に応じて変化する電圧を出力する感温素子である。電圧Ｖｕは、上流側サーモパイル１から出力される電圧である。電圧Ｖｄは、下流側サーモパイル３から出力される電圧である。

図１では、流体の流れる方向が点線の矢印によって示されている。上流側サーモパイル１は、ヒータ２に対して流路の上流側に配置される。下流側サーモパイル３は、ヒータ２に対して流路の下流側に配置される。

ヒータ２は、ヒータ駆動回路１６によって駆動されて熱を発する。流路を流れる流体（たとえばガス等）はヒータ２によって加熱される。ヒータ駆動回路１６は、ヒータ２に電流を供給してヒータ２を駆動する。

出力回路１１は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の差電圧に基づいて、流量を表す信号（流量出力）を出力する。出力回路１１は、差動アンプ１２と、補正回路１４とを含む。差動アンプ１２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の差電圧を増幅する。補正回路１４は、差動アンプ１２からの出力電圧を補正して、流体の流量に応じて変化する電圧を出力する。なお、補正回路１４が必要であると限定されるものではない。補正回路１４を省略した構成も出力回路１１として適用可能である。

記憶部２０は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の関係の基準を定めた基準的関係を予め記憶する。記憶部２０において、この「基準的関係」は、たとえば、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと、下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとによって規定された二次元のマップとして記憶される。ただし記憶部２０に記憶される「基準的関係」の形式はマップに限定されない。たとえば「基準的関係」はテーブルの形式で記憶部２０に記憶されていてもよい。別の形態では、「基準的関係」は、出力電圧Ｖｕ，Ｖｄの一方を変数として他方を導く関数として記憶部２０に記憶されていてもよい。

異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと、下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとを受ける。異常判定部２２は、記憶部２０に記憶されている、出力電圧Ｖｕ，Ｖｄの間の基準的関係、および、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとに基づいて、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３に関する異常の有無を判定する。

たとえば、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとのうちの一方（たとえば電圧Ｖｕ）と、その基準値とを比較する。異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとのうちの他方（たとえば電圧Ｖｄ）を基準的関係に適用することにより、基準値を導く。

上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３のうちの少なくとも一方の感度が変化した場合には、たとえば、実際の電圧Ｖｄと、その電圧Ｖｄの基準値との間の差が変化する。同様に、実際の電圧Ｖｕと、その電圧Ｖｕの基準値との間の差が変化する。これらの差のうちのいずれかが予め定められた許容範囲を外れる場合に、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３に関する異常があったと判定する。許容範囲は、固定されていてもよく、調整可能であってもよい。

異常が判定された場合、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１または下流側サーモパイル３に関する異常を示す信号（異常出力）を出力する。異常出力は、たとえば、熱式流量計１０１の異常を報知するための回路（図示せず）に送られる。報知回路は異常出力に応じて作動する。報知回路は、たとえばＬＥＤ、ブザーなどであるがこれらに限定されない。

図２は、図１に示したセンサ素子１０の概略的な構成を示した平面図である。図３は、図２に示したセンサ素子１０の模式断面図である。図２および図３を参照して、センサ素子１０は、キャビティ５が形成されたシリコン基板４と、上流側サーモパイル１と、ヒータ２と、下流側サーモパイル３と、温度センサ６とを有する。シリコン基板４の表面上に絶縁膜７が形成されている。上流側サーモパイル１と、ヒータ２と、下流側サーモパイル３と、温度センサ６とは、絶縁膜７内に配置される。

上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３の各々は、熱電対により構成されている。この熱電対は、たとえば互いに接続されたポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）の配線およびアルミニウム（Ａｌ）の配線によって構成され、冷接点と温接点とを有する。上流側サーモパイル１の温接点１ａおよび下流側サーモパイル３の温接点３ａは、キャビティ５の上方に配置される。一方、上流側サーモパイル１の冷接点１ｂおよび下流側サーモパイル３の冷接点３ｂは、シリコン基板４上に配置される。シリコン基板４の高い熱伝導性により、冷接点１ｂ，３ｂの温度は、センサ素子１０の周囲温度と同じである。センサ素子１０の周囲温度は、ヒータ２によって加熱される前の流体の温度に等しい。

図４は、上流側サーモパイル１の例示的な特性を説明するためのグラフである。図５は、下流側サーモパイル３の例示的な特性を説明するためのグラフである。図４および図５を参照して、グラフの横軸は流体の流量を示し、グラフの縦軸はサーモパイルの出力電圧を示す。

上流側サーモパイル１は、加熱される前の流体の温度を検出する。上流側サーモパイル１は、ヒータ２によって加熱される前の流体の熱により、冷接点１ｂと温接点１ａとの間に熱起電力を発生させる。したがって上流側サーモパイル１は電圧Ｖｕ（図１を参照）を出力する。

一方、ヒータ２が発生した熱は、流体を媒体として下流側サーモパイル３に伝達される。下流側サーモパイル３の温接点３ａと冷接点３ｂとの間の温度差により、下流側サーモパイル３は、熱起電力を発生させる。したがって下流側サーモパイル３は電圧Ｖｄ（図１を参照）を発生させる。

流量が０であればヒータ２の周囲の熱分布が対称的になるので、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとが等しくなる。流体が流れることにより、ヒータ２の周囲の熱分布の対称性が崩れる。これにより、図４および図５に示されるように、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間に差が生じる。電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の差は、流体の流量に応じて変化する。

図６は、図１に示された出力回路１１から出力される電圧（流量出力）と流量との関係を示すグラフである。図６を参照して、流体の流量に応じて出力回路からの電圧（流量出力）が変化する。したがって、流量出力の電圧を検出することによって流体の流量を把握することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る熱式流量計の異常判定方法を詳細に説明する。図７は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の基準的関係の例を示した図である。図７を参照して、電圧Ｖｕ，Ｖｄは流体の流量に応じて変化する。

図７に示された電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の基準的関係が、たとえばマップとして記憶部２０に予め記憶される。記憶部２０に記憶されるマップは、たとえば、基準となるセンサ素子の測定によって予め決定される。これにより、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の基準的関係が予め準備される。

図８は、上流側サーモパイルおよび下流側サーモパイルに関する異常の判定の概念を説明するための図である。図８を参照して、電圧Ｖｕ，Ｖｄの間の基準的関係が曲線（「基準曲線」と呼ぶ）としてマップ内に定義されている。マップ内にプロットされた点Ｐ１，Ｐ２の各々は、実際の出力電圧（Ｖｕ，Ｖｄ）を示す。

点Ｐ１は、基準曲線に対して比較的近い位置にある。この場合には、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３が正常であると判定される。一方、点Ｐ２は、点Ｐ１よりも基準曲線に対して離れた位置にある。

差分ΔＶｄは、実際の電圧Ｖｄと基準曲線上の電圧Ｖｄ（基準値）との間の差分を示す。差分ΔＶｄが予め定められた許容範囲を外れる場合に、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３に関する異常が判定される。

このような異常が判定される要因としては、サーモパイルの感度の変化が考えられる。たとえば流体に含まれる異物（ダストあるいはミストなど）がセンサ素子１０の表面に付着した場合には、上流側サーモパイル１あるいは下流側サーモパイル３の感度が変化しうる。

図９は、ダストがセンサ素子の表面に付着した状態を説明した模式図である。図９を参照して、たとえば流体に含まれるダスト３１が、絶縁膜７の表面に付着する。ダスト３１は、下流側サーモパイル３の上（たとえば温接点３ａの上）に位置する。ダスト３１によって、ヒータ２で発生した熱の伝導が変化する。たとえば、ダスト３１を介して下流側サーモパイル３の温接点３ａに熱が伝わりやすくなる。このために、下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄが変化する。

このような場合には、図８で示されるように、実際の出力電圧（Ｖｕ，Ｖｄ）を示す点が基準曲線から外れた位置にある。したがって、サーモパイルの感度に関する異常を検出することができる。

図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示された処理は、たとえば異常判定部２２が、一定の周期ごとに繰り返して実行する。

図１０を参照して、ステップＳ１において、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕおよび下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄの値を取得する。たとえば異常判定部２２は、電圧Ｖｕ，Ｖｄを受けて、それらの電圧をＡ／Ｄ変換する。これにより異常判定部２２は、電圧Ｖｕ，Ｖｄの値を取得する。この取得された電圧Ｖｕ，Ｖｄの値を、以下では、「実際のＶｕ値」および「実際のＶｄ値」と呼ぶ。

ステップＳ２において、異常判定部２２は、記憶部２０から、電圧Ｖｕ，Ｖｄの関係を定義した基準曲線（図７を参照）を読み出す。

ステップＳ３において、異常判定部２２は、実際のＶｕ値に対応する基準曲線上のＶｄ値を取得する。このＶｄ値を以下では「基準Ｖｄ値」と呼ぶ。

ステップＳ４において、異常判定部２２は、実際のＶｄ値に対応する基準曲線上のＶｕ値を取得する。このＶｕ値を以下では「基準Ｖｕ値」と呼ぶ。

ステップＳ５において、異常判定部２２は、基準Ｖｄ値と実際のＶｄ値とを比較する。具体的には、異常判定部２２は、基準Ｖｄ値と実際のＶｄ値との差が予め定められた許容範囲内であるかどうかを判定する。なお、「基準Ｖｄ値と実際のＶｄ値との差」とは、図８に示した差分ΔＶｄに対応する。

差分ΔＶｄが許容範囲内である場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）、処理はステップＳ６に進む。一方、差分ΔＶｄが許容範囲外である場合（ステップＳ５においてＮＯ）、処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ６において、異常判定部２２は、基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値とを比較する。ステップＳ５の処理と同じく、異常判定部２２は、基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値との差が予め定められた許容範囲内であるかどうかを判定する。

基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値との差が許容範囲内である場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）、処理はステップＳ７に進む。一方、基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値との差が許容範囲外である場合（ステップＳ６においてＮＯ）、処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ７において、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の感度および下流側サーモパイル３の感度がともに正常であると判定する。すなわち異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の感度および下流側サーモパイル３の感度に異常がないと判定する。

実際のＶｕ値および実際のＶｄ値が、図８の点Ｐ１として表される場合、基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値との差、および、基準Ｖｄ値と実際のＶｄ値との差がともに許容範囲内にある。したがって、この場合には、上流側サーモパイル１の感度および下流側サーモパイル３の感度がともに正常であると判定される。

一方、ステップＳ８において、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３の少なくとも一方の感度が異常であると判定する。実際のＶｕ値および実際のＶｄ値が、図８の点Ｐ２として表される場合、たとえば、基準Ｖｄ値と実際のＶｄ値との差が許容範囲外にある。また、基準Ｖｕ値と実際のＶｕ値との差も許容範囲外にある。したがって、この場合には、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３の少なくとも一方の感度が異常であると判定される。

ステップＳ９において、異常判定部２２は、サーモパイルの異常を示す信号（異常出力）を出力する。

なお、処理の順序は、図１０に示されるように限定されるものではなく、いくつかの処理の順序を適宜入れ替えてもよい。また、複数の処理が並行して実行されてもよい。

さらに、図１０に示されたフローによれば、実際のＶｕ値に関する判定および実際のＶｄ値に関する判定は、ともに１回のみ行なわれる。しかしながら、たとえば実際のＶｕ値に関する異常（実際のＶｕ値と基準Ｖｕ値との差分が許容範囲外）が判定された場合には、さらに実際のＶｕ値に関する判定を繰返してもよい。異常判定部２２は、異常を示す判定結果が複数回連続して発生する場合に、サーモパイルの感度が異常であると判定してもよい。

また、実際のＶｕ値および実際のＶｄ値の組を複数回取得して、マップ上に複数の点をプロットしてもよい。たとえばその複数の点の分布に基づいて、サーモパイルの感度に関する異常の有無を判定することができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、熱式流量計１０１は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の関係を、基準曲線によって定義される基準的関係と比較して、上流側サーモパイル１あるいは下流側サーモパイル３の異常を検出する。本発明の第１の実施の形態によれば、たとえばヒータをオフするといった、流量の検出時の状態と異なる状態を作り出す必要なく、サーモパイルの異常の有無を判定することができる。したがって、本発明の第１の実施の形態によれば、流体の流量を検出しながら、サーモパイルの異常の有無を判定することができる。

たとえば、サーモパイルの異常の有無を判定するためにヒータをオフする場合、熱的な平衡状態が得られるまで判定処理の開始を待つ必要がある。さらに、ヒータをオンした場合にも、熱的な平衡状態が得られるまで流量の検出を待つ必要がある。本発明の実施の形態によれば、ヒータのオンオフ後の熱的な平衡状態を待つ必要なく、サーモパイルの異常の有無を判定することができる。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態によれば、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとを用いて、通常の流量検出処理と、異常の有無の判定処理とを並行して実行できる。したがって、判定処理に要する時間を短くすることができる。

さらに、判定処理に要する時間を短くすることができるので、連続的に異常の有無を判定することができる。たとえば上記のように、異常を示す判定結果が複数回連続して生じる場合に、サーモパイルの異常が判定される。これにより、ノイズによる瞬間的な誤動作により誤判定が生じるのを防ぐこともできる。

なお、連続的に得られる判定結果を、たとえば記憶部２０あるいは、上位の処理部に記憶させておいてもよい。たとえば故障後の上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとを測定することにより、故障要因を推定することができる。

さらに本発明の第１の実施の形態によれば、サーモパイルの感度の変化を検出することにより、センサ素子へのダスト、オイル等といった異物の付着による異常を検出することができる。また、たとえばサーモパイルが劣化あるは損傷した場合にも、サーモパイルの感度が変化する。したがって、サーモパイルの劣化あるいは損傷等に起因する異常も検出することができる。

［実施の形態２］
第２の実施の形態は、流体の温度が変化する場合においてもサーモパイルの異常を判定可能な熱式流量計を提供する。

図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る熱式流量計の概略的な構成を示した機能ブロック図である。図１１を参照して、第２の実施の形態に係る熱式流量計１０２は、温度補正部２４をさらに備える点で、図１に示した熱式流量計１０１（図１参照）と異なる。

センサ素子１０は、温度センサ６を備える（図２参照）。温度センサ６は、センサ素子１０の周囲温度を測定して、その測定された温度Ｔａを示す信号を温度補正部２４に出力する。

温度補正部２４は、記憶部２０から、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の基準的関係を読み出すとともに、この「基準的関係」を、温度センサ６により測定された温度Ｔａに基づいて補正する。異常判定部２２は、出力電圧Ｖｕ，Ｖｄの関係と、補正された基準的関係とを対比して、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３の少なくとも一方に異常があるかどうかを判定する。なお、図１２に示された構成の他の部分は図１の対応する部分の構成と同じであるので以後の説明を繰り返さない。

図１２は、上流側サーモパイル１の出力電圧Ｖｕと下流側サーモパイル３の出力電圧Ｖｄとの間の関係の温度依存性の一例を示した図である。図１２を参照して、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の関係は、センサ素子１０の周囲温度Ｔａに依存して変化する。したがって、この実施の形態では、記憶部２０に記憶された基準的関係がセンサ素子１０の周囲温度Ｔａに応じて補正される。補正の方法は特に限定されるものではなく、たとえば以下の方法を適用して、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の基準的関係を補正することができる。

図１３は、図１２に示された記憶部２０が記憶するデータの構成例を示した図である。図１３を参照して、たとえば２５℃を基準温度としたときの電圧Ｖｕ，Ｖｄの値（Ｖｕ１，Ｖｄ１，Ｖｕ２，Ｖｄ２，・・・）が記憶部２０に記憶される。この電圧Ｖｕ，Ｖｄの値によって、基準温度における基準曲線が定義される。さらに、基準温度と異なる温度（Ａ［℃］，Ｂ［℃］，Ｃ［℃］，・・・）における、電圧Ｖｄの補正係数（α１，α２，α３，β１，β２，β３，・・・）が記憶部２０に記憶される。

温度補正部２４は、検知された温度Ｔａに基づいて、記憶部２０に記憶されている電圧Ｖｄの各値に対応する補正係数を決定する。温度補正部２４は、記憶部２０に記憶されている電圧Ｖｄの値に補正係数を乗じる。これにより、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の基準的関係が補正される。言い換えると、基準曲線が補正される。

なお、温度センサ６によって検知された周囲温度Ｔａが、記憶部２０に記憶されている温度のいずれにも一致しない可能性がある。この場合には、温度補正部２４は、たとえば補間によって補正係数を生成する。補間の方法は特に限定されるものではなく、公知の種々の方法を適用することができる。

図１３では、補正係数は電圧Ｖｄの値に対して設定されている。ただし、補正係数をこのように限定する必要はない。補正係数は電圧Ｖｕの各値に対して設定されていてもよい。すなわち図１３に示されたデータ構成から電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとを入れ替えた構成も、本発明の第２の実施の形態に適用可能である。

図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。図１０および図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る異常判定処理は、ステップＳ１Ａ，Ｓ２Ａの処理が追加される点において第１の実施の形態に係る異常判定処理と異なる。第２の実施の形態では、ステップＳ１Ａ，Ｓ２Ａ，Ｓ２の処理は、温度補正部２４によって実行される。

ステップＳ１Ａの処理は、たとえば、ステップＳ１の処理に続いて実行される。ステップＳ１Ａにおいて、温度補正部２４は、温度センサ６からセンサ素子１０の周囲温度Ｔａの値を取得する。

ステップＳ２において、温度補正部２４は、記憶部２０から基準曲線を読み出す。ステップＳ２Ａにおいて、温度補正部２４は、上記の方法に従って基準曲線を補正する。

他のステップの処理は、本発明の第１の実施の形態に係る異常判定処理の対応するステップの処理と同じであるので以後の詳細な説明は繰り返さない。なお、本発明の第２の実施の形態では、ステップＳ３において取得される基準Ｖｄ値、およびステップＳ４において取得される基準Ｖｕ値は、いずれも、補正された値（補正された基準曲線上の値）である。

たとえば流体の温度が変化した場合に、センサ素子１０の周囲温度が変化する可能性がある。周囲温度の変化によってサーモパイルの感度が変化した場合、サーモパイルの異常を正しく検出できない可能性がある。本発明の第２の実施の形態によれば、センサ素子１０の周囲温度に応じて、記憶部２０に記憶された基準的関係が補正される。したがって、本発明の第２の実施の形態によれば、センサ素子１０の周囲温度が変化した場合であっても、サーモパイルの異常の有無を正確に判定することができる。たとえば流体の温度が変化することによりセンサ素子１０の周囲温度が変化しうる。本発明の第２の実施の形態によれば、このような場合にもサーモパイルの異常の有無を正確に判定することができる。

（変形例）
図１２に示されるように、電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの間の相関関係を示す基準曲線は、周囲温度に応じて異なる。したがって、記憶部２０は、異なる温度に対応した複数の基準曲線を記憶してもよい。

図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る熱式流量計の変形例の概略構成を示した機能ブロック図である。図１１および図１５を参照して、熱式流量計１０２Ａは、温度補正部２４に代えて選択部２４Ａを備える点で熱式流量計１０２と異なる。熱式流量計１０２Ａの他の部分の構成は、熱式流量計１０２に対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

上記のとおり、記憶部２０は、異なる温度に対応した複数の基準曲線を記憶する。選択部２４Ａは、温度センサ６により検知された周囲温度Ｔａに基づいて、複数の基準曲線の中から、周囲温度Ｔａに対応する基準曲線を選択する。選択部２４Ａにより選択された基準曲線は、異常判定部２２に与えられる。

図１６は、図１５に示された記憶部２０が記憶するデータの構成例を示した図である。図１６を参照して、温度ごとに、電圧Ｖｕに対する電圧Ｖｄの値が定義される。各温度での複数の（Ｖｕ，Ｖｄ）の組によって、温度ごとの基準曲線が定義される。温度センサ６によって検知された周囲温度ＴａがＡ［℃］とＢ［℃］との間にある場合、たとえば、選択部２４Ａは、Ａ［℃］の場合の基準曲線、Ｂ［℃］の場合の基準曲線のいずれか一方を選択してもよい（たとえば、測定された温度により近い温度での基準曲線が選択される）。

図１７は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。図１４および図１７を参照して、変形例に係る異常判定処理では、ステップＳ２Ａ，Ｓ２の処理に代えてステップＳ２Ｂの処理が実行される。ステップＳ２Ｂにおいて、選択部２４Ａは、記憶部２０に記憶されている複数の基準曲線の中から、周囲温度Ｔａに対応した基準曲線を選択する。他のステップの処理は、図１０あるいは図１４の対応するステップの処理と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

この構成によれば、センサ素子１０の周囲温度に応じた基準的関係が選択される。したがって、センサ素子１０の周囲温度が変化した場合であっても、サーモパイルの異常の有無を正確に判定することができる。

なお、選択部２４Ａの後段に温度補正部２４を設けてもよい。この構成の場合、温度補正部２４は、選択部２４Ａによって選択された基準曲線を周囲温度Ｔａに応じて補正する。補正後の基準曲線が異常判定部２２に与えられる。このような構成によっても、周囲温度の変化に関わらず、サーモパイルの異常の有無を正確に判定することができる。

［実施の形態３］
第３の実施の形態は、異なる種類の流体の流速を計測する場合においてもサーモパイルの異常を判定可能な熱式流量計を提供する。

図１８は、本発明の第３の実施の形態に係る熱式流量計の変形例の概略構成を示した機能ブロック図である。図１および図１８を参照して、熱式流量計１０３は、選択部２６をさらに備える点で熱式流量計１０１と異なる。熱式流量計１０３の他の部分の構成は、熱式流量計１０１に対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

記憶部２０は、異なる流体の種類に対応した複数の基準曲線を記憶する。選択部２６は、流体の種類に関する流体種類情報を受ける。選択部２６は、複数の基準曲線の中から、流体種類情報によって示された流体に対応する基準曲線を選択する。

流体種類情報を選択部２６に与えるための方法は、特に限定されるものではない。たとえば熱式流量計１０３の外部から選択部２６に流体種類情報が与えられてもよい。あるいは、たとえばスイッチ等の部品によって、流体種類情報を示す信号を発生させてもよい。

図１９は、図１８に示された記憶部２０が記憶するデータの構成例を示した図である。図１９を参照して、流体として、複数種類のガス（たとえばガスＧａｓＡ，ＧａｓＢ，ＧａｓＣ，・・・）が定義される。ガスの種類ごとに、電圧Ｖｕに対するＶｄの値が定義される。ガスの種類ごとに定義された複数（Ｖｕ，Ｖｄ）の組によって、ガスの種類ごとの基準曲線が定義される。

図２０は、本発明の第３の実施の形態に係る、サーモパイルの異常を判定する処理を説明するためのフローチャートである。図１０および図２０を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る異常判定処理では、ステップＳ１の処理に続いてステップＳ１Ｂの処理が実行される。さらにステップＳ２の処理に代えてステップＳ２Ｃの処理が実行される。

ステップＳ１Ｂにおいて、選択部２６は、流体種類情報を受ける。これにより選択部２６は、流体の種類の情報を取得する。ステップＳ２Ｃにおいて、選択部２６は、記憶部２０に記憶されている複数の基準曲線の中から、流体の種類に対応した基準曲線を選択する。他のステップの処理は、図１０の対応するステップの処理と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

本発明の第３の実施の形態によれば、本発明の第１の実施の形態による効果と同じ効果を得ることができる。特に本発明の第３の実施の形態によれば、流体の種類が異なる場合であっても、サーモパイルの異常の有無を判定することができる。

なお、本発明の第３の実施の形態と本発明の第２の実施の形態とを組み合わせてもよい。図２１は、本発明の第３の実施の形態に係る熱式流量計の別の構成例を示した図である。図１８および図２１を参照して、熱式流量計１０３Ａは、温度補正部２４をさらに備える。温度補正部２４は、選択部２６によって選択された基準曲線を周囲温度Ｔａに応じて補正する。

記憶部２０は、図１９に示されたデータに加えて、流体の各種類に対応して、温度ごとの補正係数を記憶する。温度補正部２４は、その補正係数を記憶部２０から読み出して、基準曲線を補正する。この構成によれば、流体の種類あるいは温度が変化した場合にも、サーモパイルの感度に関する異常の有無を判定することができる。

（適用例）
本発明の各実施の形態に係る熱式流量計は、民生用途、産業用途を問わず、流体の計測に用いることができる。上記の各実施の形態に係る熱式流量計は、たとえばガスメータ、ガスボイラ等のガス流量測定あるいは差圧測定などに用いることができる。

図２２は、本発明の各実施の形態に係る熱式流量計の１つの適用例を示した図である。図２２を参照して、熱式流量計１０１は、ガスライン１１１の途中に設けられて、ガスライン１１１を流れるガス（気体燃料）の流量を検出する。ガスライン１１１を流れるガスは、空気ライン１１２を流れる空気と合流して、燃焼装置１１５に送られる。なお、熱式流量計１０１に代えて、熱式流量計１０２，１０２Ａ，１０３，１０３Ａのいずれかを用いてもよい。

ガスライン１１１にはガスの流量を調整するための制御弁１１３が設けられる。制御装置１１４は、制御弁１１３を制御して、ガスの流量が最適となる（たとえば最適な空燃比が得られる）ようにガスの流量を制御する。制御装置１１４は、熱式流量計１０１からの信号（流量出力）に応じて制御弁１１３を制御する。なお、熱式流量計１０１は、たとえば、ガスライン１１１を流れるガスの圧力と大気圧との間の差圧、もしくはガスライン１１１を流れるガスの圧力と空気ライン１１２を流れる空気の圧力との間の差圧を検出するように配置されてもよい。

なお、上記の各実施の形態では、感温素子としてサーモパイルを用いたセンサ素子が示されている。しかしながら感温素子は、温度に応じて出力電圧を変化させる素子であればサーモパイルに限定されるものではない。そのような感温素子として、たとえばサーミスタを用いることもできる。

また、上記の各実施の形態では、感温素子（サーモパイル）の出力電圧を、感温素子（サーモパイル）から出力される出力信号として用いた。しかしながら、感温素子から出力される出力信号として、感温素子の出力電流を使用する実施形態も、本発明の実施の形態に含むことができる。この形態の場合には、上記の各実施の形態における「出力電圧」が「出力電流」に置き換えられるとともに、「基準的関係」が、上流側の感温素子の出力電流と下流側の感温素子の出力電流との間の関係に置き換えられる。これにより、上流側の感温素子および下流側の感温素子の感度に関する異常を検出することができる。なお、出力回路は、上流側の感温素子の出力電流と下流側の感温素子の出力電流との差分を増幅して流体の流量を表す信号を出力してもよい。あるいは、出力回路は、各々の感温素子の出力電流を電圧に変換した上で、２つの電圧の差分を増幅して流体の流量を表す信号を出力してもよい。

また、図１０、図１４、図１７、図２０に示されたフローチャートでは、上流側サーモパイル１から出力された電圧Ｖｕおよび下流側サーモパイル３から出力された電圧Ｖｄのうちの一方と、基準的関係から導かれる基準値（基準Ｖｕ値または基準Ｖｄ値）との差が予め設定された許容範囲を外れる場合に、上流側サーモパイル１および下流側サーモパイル３に関する異常が判定される（ステップＳ５においてＮＯの場合、またはステップＳ６においてＮＯの場合）。しかしながら、実際のＶｕ値と基準Ｖｕ値（第１の基準値）との差が予め定められた許容範囲外であり、かつ、実際のＶｄ値と基準Ｖｄ値（第２の基準値）との差が予め定められた許容範囲外である場合に、異常判定部２２は、上流側サーモパイル１の感度および下流側サーモパイル３の感度に異常が有ると判定してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 上流側サーモパイル、１ａ，３ａ 温接点、１ｂ，３ｂ 冷接点、２ ヒータ、３ 下流側サーモパイル、４ シリコン基板、５ キャビティ、６ 温度センサ、７ 絶縁膜、１０ センサ素子、１１ 出力回路、１２ 差動アンプ、１４ 補正回路、１６ ヒータ駆動回路、２０ 記憶部、２２ 異常判定部、２４ 温度補正部、２４Ａ，２６ 選択部、３１ ダスト、１０１，１０２，１０２Ａ，１０３，１０３Ａ 熱式流量計、１１１ ガスライン、１１２ 空気ライン、１１３ 制御弁、１１４ 制御装置、１１５ 燃焼装置、Ｐ１，Ｐ２ 点。

Claims (8)

1. 流体の流れる流路に配置されて前記流体を加熱するヒータと、前記ヒータに対して前記流路の上流側に配置された第１の感温素子と、前記ヒータに対して前記流路の下流側に配置された第２の感温素子とを有するセンサ素子と、
   前記第１の感温素子から出力される第１の出力信号と、前記第２の感温素子から出力される第２の出力信号との間の差分に基づいて、前記流体の流量を表す信号を出力する出力回路と、
   前記第１の出力信号と前記第２の出力信号との間の関係の基準を定めた基準的関係を予め記憶する記憶部と、
   前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号と、前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号との間の関係を、前記基準的関係と比較して、前記第１および第２の感温素子に関する異常の有無を判定する異常判定部とを備える、熱式流量計。
2. 前記基準的関係は、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とによって規定されたマップ、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とによって規定されたテーブル、または、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号の一方から他方を導く関数として前記記憶部に記憶される、請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記センサ素子の周囲温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出された前記センサ素子の前記周囲温度に基づいて、前記基準的関係を補正する補正部とをさらに備える、請求項１または２に記載の熱式流量計。
4. 前記記憶部は、前記基準的関係として、前記センサ素子の周囲温度に各々が関連付けられた複数の基準的関係を有し、
   前記熱式流量計は、
   前記センサ素子の周囲温度を検出する温度センサと、
   前記複数の基準的関係の中から、前記温度センサにより検出された前記センサ素子の前記周囲温度に対応する関係を選択して、前記対応する関係を前記異常判定部に与える選択部とをさらに備える、請求項１または２に記載の熱式流量計。
5. 前記記憶部は、前記基準的関係として、前記流体の種類に各々が関連付けられた複数の基準的関係を有し、
   前記熱式流量計は、
   前記流体の種類に関する情報を受けて、前記複数の基準的関係の中から前記流体の種類に対応する関係を選択して、前記対応する関係を前記異常判定部に与える選択部をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱式流量計。
6. 前記異常判定部は、前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号および前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号のうちの一方と、前記基準的関係から導かれる基準値との差が予め設定された許容範囲を外れる場合に、前記第１および第２の感温素子に関する異常が有ると判定し、
   前記異常判定部は、前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号および前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号のうちの他方を前記基準的関係に適用して、前記基準値を生成する、請求項１から５のいずれか１項に記載の熱式流量計。
7. 前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号と、第１の基準値との差が予め設定された許容範囲を外れるとともに、前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号と第２の基準値との差が予め設定された許容範囲を外れる場合に、前記異常判定部は、前記第１および第２の感温素子に関する異常が有ると判定し、
   前記異常判定部は、前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号を前記基準的関係に適用して、前記第１の基準値を生成するとともに、前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号を前記基準的関係に適用して、前記第２の基準値を生成する、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱式流量計。
8. 流体の流れる流路に配置されて前記流体を加熱するヒータと、前記ヒータに対して前記流路の上流側に配置された第１の感温素子と、前記ヒータに対して前記流路の下流側に配置された第２の感温素子とを有するセンサ素子、および、前記第１の感温素子から出力される第１の出力信号と、前記第２の感温素子から出力される第２の出力信号との間の差分に基づいて、前記流体の流量を表す信号を出力する出力回路を含む熱式流量計の異常判定方法であって、
   前記第１の出力信号と前記第２の出力信号との間の関係の基準を定めた基準的関係を準備するステップと、
   前記第１の感温素子から出力された前記第１の出力信号と、前記第２の感温素子から出力された前記第２の出力信号との間の関係を、前記基準的関係と比較して、前記第１および第２の感温素子に関する異常の有無を判定するステップとを備える、熱式流量計の異常判定方法。

Images