JP6680248B2 - 流量測定装置及び流量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、流量測定装置及び流量測定方法に関する。

従来、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センサ素子と、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出力回路と、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記憶部と、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異常判定部とを備える熱式流量計が提案されていた（例えば、特許文献１）。

また、被測定媒体である気体を加熱するヒータをチップ上に備えたヒータ付きセンサチップにおいて、ダイアフラム上に形成されたヒータが破損していない状態で、ヒータを加熱するための電圧が、ヒータが正常に作動している状態における電圧の範囲を超えて電源電圧に近づいた場合に、気体中の水蒸気が結露してヒータ付きセンサチップ表面が水で覆われたことを知らせる異常発生信号を出力する異常検知装置も提案されている（例えば、特許文献２）。

特許第５８３５１８２号公報 特許第５０６２６５７号公報

ヒータの上流側の感温素子及び下流側の感温素子の出力信号の関係に基づいて行う異常判定は、異物の付着を検出することを目的としたものといえる。すなわち、ヒータの上流側の感温素子にも下流側の感温素子にも同様に異常が生じた場合、両者の関係に基準的関係との差が表れず、異常と判定できないという問題があった。例えば結露の場合、ヒータの上流側の感温素子にも下流側の感温素子にも同様に水滴が付着するため、異常だと判定できなかった。また、異常判定に流量検出用のヒータを異常検知に用いる場合は、結露を検知したとしても流量特性まで変わってしまうという問題があった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、流量測定装置において、結露の発生を検出するための新規な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る流量測定装置は、流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を出力する流量検出部と、流量検出部に接続され、流量に応じた値に基づいて測定対象流体の流量を算出する制御部と、制御部に接続され、結露により短絡して出力値が変動する結露検出部とを備える。また、制御部は、結露検出部が出力する出力値に基づいて流量測定装置に結露が生じたことを検出し、結露の発生に応じた処理を行う。

このようにすれば、結露検出部からの出力値に基づいて、結露により短絡したことがわ
かるため、流量測定装置において、結露の発生を検出できるようになる。すなわち、算出された測定対象流体の流量が正確でない可能性があることがわかる。

また、結露検出部は、近接して設けられた第１の導体パターン及び第２の導体パターンによって形成される開回路部を備えるようにしてもよい。このような導体パターンを設けることで、短絡の発生により出力値を変動させることができる。

また、回路基板の表面において、第１の導体パターンの少なくとも一部と第２の導体パターンの少なくとも一部とが交互に複数設けられるようにしてもよい。このような導体パターンを設けることで、短絡が複数の箇所で起こり易くなると共に、短絡した箇所の数に応じて出力値を変動させ、間接的に結露の程度を検出することができる。

また、第１の導体パターンの一部は、第２の導体パターンに向けて凸状に形成された凸部であり、第２の導体パターンの一部は、第１の導体パターンに向けて凸状に形成された凸部であり、第１の導体パターンの凸部と第２の導体パターンの凸部とが交互に噛み合うように配置されるようにしてもよい。このような導体パターンによっても、短絡が複数の箇所で起こり易くなると共に、短絡の数に応じて出力値を変動させ、間接的に結露の程度を検出することができる。

また、結露検出部は、測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並んで配置された、第１の温度検出部及び第２の温度検出部、並びにこれらの間に設けられる加熱部をさらに備え、第１の導体パターンは第１の温度検出部の一端に接続され、第２の導体パターンは第１の温度検出部の他端に接続され、出力値は、第１の温度検出部側の合成抵抗値に応じた値としてもよい。結露検出部が２つの温度検出部及び加熱部を備えるようにすれば、流量検出部が出力する測定対象流体の流量に応じた値には影響を与えることなく短絡の発生を検出することができるようになる。

また、結露検出部は、加熱部の温度を変化させた前後における、温度検出部により検出された測定対象流体の温度の差に基づいた物性値を出力し、制御部は、物性値に基づいて、測定対象流体の流量を補正するようにしてもよい。このようにすれば、測定対象流体の熱伝導率や比熱、粘度によって変わる熱拡散率に応じた補正をさらに行うことができるようになる。

また、結露の発生に応じた処理は、結露検出部が出力する出力値に基づいて、測定対象流体の流量を補正する処理としてもよい。このようにすれば、結露が生じた場合も、測定精度の低下を抑えつつ、流量の測定を継続することができる。

なお、課題を解決するための手段に記載の内容は、本発明の課題や技術的思想を逸脱しない範囲で可能な限り組み合わせることができる。また、課題を解決するための手段に示した流量測定装置の内容は、方法又はプロセッサ等の演算装置に実行させるプログラム、若しくはプログラムを格納する媒体として提供することができる。

流量測定装置において、結露の発生を検出するための新規な技術を提供できるようになる。

実施形態に係る流量測定装置の一例を示す分解斜視図である。 流量測定装置の一例を示す透視図である。 副流路部を示す平面図である。 センサ素子の一例を示す斜視図である。 センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。 流量検出部の概略構成を示す平面図である。 物性値検出部の概略構成を示平面図である。 回路基板の機能構成を示すブロック図である。 回路基板の模式的な回路図である。 開回路部の一例を示す模式的な図である。 路基板の表面に結露を生じさせて抵抗値を変化させた場合の温度検出部の出力の差を示すグラフである。 導体パターンの凸部の数を変えた場合のコンダクタンスの変化を示すグラフである。 流量測定処理の一例を示す処理フロー図である。 変形例に係る流量測定処理の一例を示す図である。 特性値取得処理の一例を示す処理フロー図である。 縦軸にセンサ感度比、横軸に熱伝導率を示すグラフである。 縦軸にセンサ感度比、横軸にΔＴを示すグラフである。 開回路部の他の例を示す模式的な図である。 開回路部の他の例を示す模式的な図である。 開回路部の他の例を示す模式的な図である。 開回路部の他の例を示す模式的な図である。

以下、本発明の実施形態に係る流量測定装置について、図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は、流量測定装置の一例であり、本発明に係る流量測定装置は、以下の構成には限定されない。

＜装置構成＞
図１は、本実施形態に係る流量測定装置１の一例を示す分解斜視図である。図２は、流量測定装置１の一例を示す透視図である。流量測定装置１は、例えばガスメータや燃焼機器、自動車等の内燃機関、燃料電池、その他医療等の産業機器、組込機器に組み込まれ、流路を通過する気体の量を測定する。なお、図１及び図２の破線の矢印は、流体の流れる方向を例示している。図２に示すように、本実施形態では、流量測定装置１は主流路部２から分岐した副流路部３の内部に設けられる。また、流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２とを備える。流量検出部１１及び物性値検出部１２は、マイクロヒータによって形成される加熱部とサーモパイルによって形成される温度検出部とを含む熱式のフローセンサである。なお、物性値検出部１２は、本実施形態では「物性値検出部」と呼ぶが、気体の流量を検出する流量検出部１１とは別に設けられた流量検出部以外のセンサであれば物性値を検出するものでなくてもよい。本実施形態では、物性値検出部１２を利用して結露の発生を検出する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る流量測定装置１は、主流路部２と、副流路部３と、シール４と、回路基板５と、カバー６とを備えている。

主流路部２は、長手方向に貫通した管状部材である。主流路部２の内周面には、測定対象流体の流れ方向に対して、上流側に流入口（第１流入口）３４Ａが形成され、下流側に流出口（第１流出口）３５Ａが形成されている。例えば主流路部２の軸方向の長さは約５０ｍｍであり、内周面の直径（主流路部２の内径）は約２０ｍｍであり、主流路部２の外径は約２４ｍｍであるが、このような例には限定されない。

副流路部３は、主流路部２の上に設けられており、その内部および上面には、副流路が
形成されている。副流路部３は、一端が流入口３４Ａに連通し、他端が流出口３５Ａに連通している。流量測定装置１では、副流路部３は、流入用流路３４と、物性値検出用流路３２と、流量検出用流路３３と、流出用流路３５とから構成されている。

流入用流路３４は、主流路部２を流れる測定対象流体を流入させて、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させるための流路である。流入用流路３４は、主流路部２と垂直な方向に、副流路部３を貫通して形成されており、一端が流入口３４Ａに連通し、他端は主流路部２の上面で開口して、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に連通している。これにより、主流路部２を流れる測定対象流体の一部を、流入用流路３４を介して、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させることができる。

物性値検出用流路３２は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２と平行な方向に延在する、縦断面が略コ字型の流路である。物性値検出用流路３２は、長手方向（主流路部２と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の物性値を検出するための物性値検出部１２が配置されている。物性値検出用流路３２の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。

流量検出用流路３３は、副流路部３の上面に形成された、主流路部２と平行な方向に延在する、縦断面が略コの字型の流路である。流量検出用流路３３は、長手方向（主流路部２と平行な方向）に延在する部分に、測定対象流体の流量を検出するための流量検出部１１が配置された流量検出用流路３３を有している。流量検出用流路３３の一端は、流入用流路３４を介して流入口３４Ａに連通しており、他端は、流出用流路３５を介して流出口３５Ａに連通している。なお、物性値検出部１２および流量検出部１１は、回路基板５に実装された状態で物性値検出用流路３２または流量検出用流路３３に配置される。

流出用流路３５は、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、主流路部２に流出させるための流路である。流出用流路３５は、主流路部２と垂直な方向に、副流路部３を貫通して形成されており、一端が流出口３５Ａに連通し、他端は主流路部２の上面で開口して、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に連通している。これにより、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過した測定対象流体を、流出用流路３５を介して、主流路部２に流出させることができる。

このように、同じ流入口３４Ａから流入させた測定対象流体を、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流させることで、物性値検出部１２および流量検出部１１は、温度、密度などの条件が等しい測定対象流体に基づいて物性値または流量を検出することができる。したがって、流量測定装置１の測定精度を向上させることができる。

なお、流量測定装置１では、副流路部３にシール４を嵌め込んだ後、回路基板５が配置され、さらにカバー６によって回路基板５を副流路部３に固定することで、副流路部３の内部の気密性を確保している。

図３は、図１に示される副流路部３を示す平面図である。図３に示されるように、物性値検出用流路３２は、略コの字型の一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。同様に、流量検出用流路３３は、略コの字型の一端が流入用流路３４に連通し、他端が流出用流路３５に連通している。

また、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３との両端部も互いに連通しており、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、副流路部３の上面において矩形状の
流路を構成している。

流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、何れも副流路部３の上面と垂直な方向から見たときの形状が正方形であり、流入用流路３４と流出用流路３５とを結ぶ直線に対して対称となる位置にそれぞれ形成されている。

また、矢印Ｐ及びＱは、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を表す。本実施形態では、物性値検出用流路３２には流量Ｐの測定対象流体が分流され、流量検出用流路３３には流量Ｑの測定対象流体が流れるように、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の幅が設定されている。

この流量Ｐおよび流量Ｑの値は、主流路部２を流れる測定対象流体の流量によって変動するものであるが、通常の使用態様において、流量Ｐは物性値検出部１２の検出レンジ内の値となり、流量Ｑは流量検出部１１の検出レンジ内の値となるように、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の幅がそれぞれ設定されている。物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３の幅は例示であり、図３の例には限定されない。

このように、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流する測定対象流体の流量を、それぞれの幅を調整することで個別に制御することが可能である。このため、物性値検出部１２の検出レンジに応じて物性値検出用流路３２を流れる測定対象流体の流量を制御し、流量検出部１１の検出レンジに応じて流量検出用流路３３を流れる測定対象流体の流量を制御することができる。

したがって、物性値検出部１２は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の物性値を検出することができるので、物性値検出部１２の検出精度を高めることができる。

同様に、流量検出部１１は、固有の検出レンジに応じた最適な流量で、測定対象流体の流量を検出することができるので、流量検出部１１の検出精度を高めることができる。

物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、何れも略コ字型に形成された構成には限定されない。すなわち、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３は、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３を通過する測定対象流体の流量が制御可能な幅に設定されていれば、他の形状を採用するようにしてもよい。

また、本実施形態では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の形状を正方形としているが、本発明はこれに限定されない。物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３の形状は、物性値検出部１２または流量検出部１１が配置可能であればよく、配置される物性値検出部１２および流量検出部１１の形状に応じて決定される。

したがって、例えば、物性値検出用流路３２の幅よりも、物性値検出部１２のサイズが小さい場合には、物性値検出用流路３２の幅を物性値検出部１２の幅に一致させてもよい。この場合、物性値検出用流路３２の長手方向に延在する部分は、直線形状に形成されることとなる。なお、流量検出用流路３３についても同様である。

図４は、流量検出部及び物性値検出部に用いられるセンサ素子の一例を示す斜視図である。また、図５は、センサ素子の仕組みを説明するための断面図である。センサ素子１００は、マイクロヒータ（加熱部）１０１と、マイクロヒータ１０１を挟んで対称に設けられたサーモパイル（温度検出部）１０２とを備える。これらの上下には絶縁薄膜が形成され、シリコン基台上に設けられている。また、マイクロヒータ１０１及びサーモパイル１
０２の下方のシリコン基台には、キャビティ（空洞）が設けられている。マイクロヒータ１０１は、例えばポリシリコンで形成された抵抗である。図５は、破線の楕円によって、マイクロヒータ１０１が発熱した場合の温度分布を模式的に示している。なお、破線が太いほど温度が高いものとする。空気の流れがない場合、図５の上段（１）に示すようにマイクロヒータ１０１の両側の温度分布はほぼ均等になる。一方、例えば図５の下段（２）において破線の矢印で示す方向に空気が流れた場合、周囲の空気が移動するため、マイクロヒータ１０１の風上側よりも風下側の方が、温度は高くなる。センサ素子は、このようなヒータ熱の分布の偏りを利用して、流量を示す値を出力する。センサ素子の出力電圧ΔＶは、例えば次のような式（１）で表される。

なお、Ｔｈはマイクロヒータ１０１の温度、Ｔａはサーモパイル１０２の外側に設けられる周囲温度センサが測定した温度、Ｖｆは流速の平均値、Ａ及びｂは所定の定数である。

また、流量測定装置１の回路基板５は、ＩＣ（Integrated Circuit）等により実現される制御部（図示せず）を備え、流量検出部１１の出力に基づいて流量を算出したり、物性値検出部１２の出力に基づいて結露を検知したり、所定の特性値を算出し、特性値を用いて流量を補正したりする。

＜流量検出部及び物性値検出部＞
図６は、図１に示した流量検出部１１の概略構成を示す平面図であり、図７は、図１に示した物性値検出部１２の概略構成を示す平面図である。流量測定装置１では、物性値検出用流路３２と流量検出用流路３３とは、長手方向に延在する流路の幅がそれぞれ異なっており、物性値検出用流路３２の物性値検出部１２が配置された流路の幅は、流量検出用流路３３の流量検出部１１が配置された流路の幅よりも狭くなっている。これにより、流量測定装置１では、物性値検出用流路３２および流量検出用流路３３に分流される測定対象流体の流量を、それぞれ個別に制御している。

図６に示すように、流量検出部１１は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（流量検出部内第１温度検出部）１１１および第２サーモパイル（流量検出部内第２温度検出部）１１２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ１１３とを備えている。マイクロヒータ１１３と、流量検出部内第１温度検出部１１１および流量検出部内第２温度検出部１１２とは、流量検出部１１内において、測定対象流体の流れ方向Ｐに沿って並んで配置されている。また、マイクロヒータ１１３、流量検出部内第１温度検出部１１１、および流量検出部内第２温度検出部１１２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｐと直交する。

流量検出部内第１温度検出部１１１および流量検出部内第２温度検出部１１２は、マイクロヒータ１１３の上流側に流量検出部内第１温度検出部１１１が配置され、下流側に流量検出部内第２温度検出部１１２が配置されて、マイクロヒータ１１３を挟んで対称な位置の温度を検出する。

流量測定装置１では、物性値検出部１２および流量検出部１１に、実質的に同一構造のセンサが用いられており、測定対象流体の流れ方向に対する配置角度を９０度異ならせて配置されている。これにより、同一構造のセンサを物性値検出部１２または流量検出部１１として機能させることが可能となるため、流量測定装置１の製造コストを低減することができる。

一方、図７に示すように、物性値検出部１２は、測定対象流体の温度を検出する第１サーモパイル（物性値検出部内第１温度検出部）１２１および第２サーモパイル（物性値検出部内第２温度検出部）１２２と、測定対象流体を加熱するマイクロヒータ（物性値検出部内加熱部）１２３とを備えている。物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２とは、物性値検出部１２内において、測定対象流体の流れ方向Ｑと直交する方向に並んで配置されている。また、物性値検出部内加熱部１２３、物性値検出部内第１温度検出部１２１、および物性値検出部内第２温度検出部１２２の形状は、平面視においてそれぞれ略矩形であり、各々の長手方向は測定対象流体の流れ方向Ｑに沿っている。また、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２は、物性値検出部内加熱部１２３を挟んで左右対称に配置されており、物性値検出部内加熱部１２３の両側の対称な位置の温度を検出する。したがって、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２の測定値はほぼ同一であり、いずれか一方の値を採用するようにしてもよい。本実施形態では、物性値検出部内第１温度検出部１２１を物性値の検出に利用し、物性値検出部内第２温度検出部１２２は結露の検出に利用するものとする。

ここで、測定対象流体の流れによって温度分布は下流側に偏るため、流れ方向と直交する方向の温度分布の変化は、測定対象流体の流れ方向の温度分布の変化に比べて小さい。このため、物性値検出部内第１温度検出部１２１と、物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第２温度検出部１２２とを、この順で測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並べて配置することにより、温度分布の変化による物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。

また、物性値検出部内加熱部１２３の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、物性値検出部内加熱部１２３は測定対象流体の流れ方向に亘って広範囲に測定対象流体を加熱することが可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。

さらに、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２の長手方向が測定対象流体の流れ方向に沿って配置されているため、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２は測定対象流体の流れ方向に亘って広範囲に温度を検出することが可能となる。このため、測定対象流体の流れによって温度分布が下流側に偏った場合であっても、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２の出力特性の変化を低減することができる。したがって、測定対象流体の流れによる温度分布の変化の影響を低減して、物性値検出部１２による検出精度を向上させることができる。

＜機能構成＞
図８は、流量測定装置１が備える回路基板５の機能構成を示すブロック図である。また、図９は、回路基板５の模式的な回路図である。流量測定装置１は、流量検出部１１と、物性値検出部１２と、制御部１３と、開回路部１４とを備えている。流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１と、流量検出部内第２温度検出部１１２とを備える。物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１と、物性値検出部内第２温度
検出部１２２とを備える。なお、図６に示したマイクロヒータ１１３及び図７に示したマイクロヒータ（物性値検出部内加熱部）１２３は、図示を省略している。

流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１および流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号に基づいて、測定対象流体の流量を示す値を検出する。具体的には、流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１から出力された温度検出信号と流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号との差分を算出し、差分に基づいて測定対象流体の流量を示す値を求める。そして、流量検出部１１は、流量を示す値を制御部１３に出力する。

物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２から出力された温度検出信号を流量算出部１３３に出力する。具体的には、物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２から出力された温度検出信号の平均値を求める。また、図６に示した物性値検出部内加熱部１２３は、例えば制御部１３による制御に応じて温度を変更する。これにより、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は、物性値検出部内加熱部１２３の温度変化の前後における出力値を求めることができる。物性値検出部１２は、取得した出力値を制御部１３に出力する。

また、制御部１３は、補正処理部１３１と、特性値算出部１３２と、流量算出部１３３と、異常検出部１３４とを含む。流量算出部１３３は、流量検出部１１の検出値に基づいて測定対象流体の流量を算出する。特性値算出部１３２は、物性値検出部１２の物性値検出部内第１温度検出部１２１の検出値に基づいて特性値を算出する。具体的には、特性値算出部１３２は、物性値検出部１２のマイクロヒータの温度を変化させ、変化の前後においてサーモパイルが検出した測定対象流体の温度の差に所定の係数を乗じて特性値を算出する。補正処理部１３１は、特性値を用いて、流量算出部１３３が算出した流量を補正する。異常検出部１３４は、物性値検出部１２の物性値検出部内第１温度検出部１２１の検出値、及び物性値検出部１２の物性値検出部内第２温度検出部１２２の検出値に基づいて、回路基板５に生じた結露を検出する。

また、回路基板５の表面には、所定の導体パターンにより形成された開回路部１４が設けられている。開回路部１４は、後述するように、近接して配置された２つの導体パターンを含み、結露により短絡し得るようになっている。なお、開回路部１４は、図９においては破線で示した抵抗器の記号で表している。また、開回路部１４は物性値検出部１２の物性値検出部内第２温度検出部１２２と電気的に並列に接続されている。そして、開回路部１４が短絡すると、開回路部１４は、物性値検出部内第２温度検出部１２２と並列に接続された抵抗として機能し、物性値検出部内第２温度検出部１２２の抵抗値が変化する。開回路部１４と、物性値検出部１２とを総称して、「結露検出部」とも呼ぶものとする。なお、開回路部１４は、物性値検出部内第１温度検出部１２１と並列に接続されるようにしてもよい。

開回路部１４の構造は、２つの導体パターンが近接して略平行に配置されるものであってもよいし、いわゆる櫛歯形の２つの導体パターンが交互に噛み合うように配置されるものであってもよい。また、回路基板５が多層基板によって形成され、開回路部１４は、回路基板５の表面においては、２つの導体のいずれかに接続されたドット状のパターンが少なくとも一次元方向に交互に配置されるようにしてもよい。

＜開回路部の構成＞
図１０は、回路基板５上に設けられる開回路部１４の一例を示す模式的な図である。図１０の開回路部１４は、回路基板５の縁に沿って全周の一部に設けられている。なお、図
１の回路基板５の上面に設けるようにしてもよいし、回路基板５の下面に物性値検出用流路３２及び流量検出用流路３３に沿って設けるようにしてもよい。ここで、結露が生じると、例えばマイクロヒータからサーモパイルに届く熱量が変化する。これを検出するためには、開回路部１４は流量検出部１１の近傍に設けられる方が好ましく、回路基板５において流量検出部１１が設けられた面に設けられる方が好ましい。

また、開回路部１４は、回路基板５の外側に設けられた第１の導体パターン１４１と、回路基板５の内側に設けられた第２の導体パターン１４２とを含む。また、第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とは略平行に設けられると共に、それぞれ櫛歯状の凸部を有し、一方から他方に向かって交互に凸部が噛み合うように配置されている。

第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とは、回路基板５の表面においては、電気的に接続されておらず、通常は閉回路を構成しない。すなわち、第１の導体パターン１４１は、物性値検出部内第２温度検出部１２２の一端に接続され、第２の導体パターン１４２は、物性値検出部内第２温度検出部１２２の他端に接続されている。また、回路基板５の表面に結露が生じた場合には、第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とが水滴で短絡するよう、第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とは近接して設けられている。結露により生じた水滴で第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とが短絡すると、水滴は図９に破線の抵抗器で示した開回路部１４として作用する。

結露が生じていない場合、図９に破線の抵抗器で示した開回路部１４は存在しないことになるため、図３に示したセンサ素子１００である物性値検出部内第１温度検出部１２１と、物性値検出部内第２温度検出部１２２とはほぼ同じコンダクタンスになる。一方、結露が生じて第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とが短絡すると、図９の開回路部１４として作用し、これを制御部１３はコンダクタンスの変化により検出することができる。すなわち、結露で生じた水滴の抵抗値をＲ_１、物性値検出部内第２温度検出部１２２の抵抗値をＲ_２とすると、全体の合成抵抗値Ｒは以下の式（２）で表すことができる。
１／Ｒ＝１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２ ・・・（２）

また、開回路部１４を図１０に示すような第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２によって形成すると、櫛歯状の複数の箇所で短絡し、抵抗器が並列に接続された状態になり易くなる。複数生じた水滴の抵抗値がすべてＲ_Ｗであるものとすると、並列にＮ個の水滴が第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とを短絡させた場合の開回路部１４の理論的な抵抗値Ｒ_１４は以下の式（３）で表すことができる。
Ｒ_１４＝Ｒ_Ｗ／Ｎ ・・・（３）

並列に生じた短絡の数Ｎが大きいほど開回路部１４の値は小さくなり、その逆数であるコンダクタンスはＮの増加に伴い大きくなるといえる。したがって、式（２）に示した全体のコンダクタンスに与える影響が大きくなる。また、櫛歯状とすることで、第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とを近接させつつ短絡が複数の箇所で並列に起こり易くなる。したがって、制御部１３は上述したコンダクタンスの変化を検出し易く、また、結露の程度を検出し易くなるといえる。

図１１は、回路基板５の表面に結露を生じさせて抵抗値を変化させた場合の物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差を示すグラフである。実線は出力の差を表し、破線は出力差が２０００程度の位置に設定された閾値を表している。グラフの横軸は、開回路部１４の抵抗値であり、縦軸は、物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差である。ま
た、矢印に示すように、開回路部１４の抵抗値の減少に伴い、物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差が閾値を超えて変動する。図１１に示すように、開回路部１４の抵抗値がおおむね２００ｋΩ以下になると、開回路部１４が短絡していない初期状態と比較して物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差が十分に表れることがわかった。

図１２は、回路基板５の第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２に設ける櫛歯状の凸部の数を変えた場合のコンダクタンスの変化を示すグラフである。グラフの横軸は、櫛歯状の凸部の本数であり、グラフの縦軸は、コンダクタンス（１／ＭΩ）である。第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２のピッチ幅は、０．３５ｍｍとした。また、細い実線で示す「理論値」は上述の式（３）を用いて求めた値である。菱形でプロットされた「実測」は、第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２との間に水滴を付着させ、櫛歯状の凸部の数だけ並列に短絡を生じさせたときの値であり、水滴の直径はおおむね０．６５ｍｍであった。丸でプロットされた「実測（噴霧）」は、第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２が設けられた回路基板５の表面を鉛直下方に向けて回路基板５を配置し、噴霧器によりミスト状の水を回路基板５に噴霧したときの値である。破線で示す「ターゲット」は、開回路部１４のない初期状態と比較して物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差が十分に表れる、開回路部１４の抵抗値がおおむね２００ｋΩ（コンダクタンス換算で５／ＭΩ）の値を示している。図１２に示すように、櫛歯状の凸部を３０本以上設けることにより、おおむね２００ｋΩ以下となり、図１１に示した結果と総合すると、物性値検出部内第１温度検出部１２１と物性値検出部内第２温度検出部１２２との出力の差が十分に表れることがわかった。なお、図１１及び図１２に図示した閾値は一例であり、開回路部１４の形状等に応じて閾値は適宜設定することができる。

＜流量測定処理＞
図１３は、流量測定処理の一例を示す処理フロー図である。図１３に示すように、流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部および流量検出部内第２温度検出部１１２から温度検出信号を出力し、流量算出部１３３は、２つの温度検出信号に基づいて測定対象流体の流量を算出する（図１３：Ｓ１）。

具体的には、流量検出部１１は、流量検出部内第１温度検出部１１１から出力された温度検出信号と流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号とを出力する。また、流量算出部１３３は、２つの温度検出信号の差分を算出し、差分に基づいて測定対象流体の流量を示す値を算出する。

なお、流量検出部内第１温度検出部１１１および流量検出部内第２温度検出部１１２から出力された温度検出信号に基づいて定対象流体の流量を算出する手法は、公知のものを用いることができる。流量検出部１１は、算出した測定対象流体の流量を制御部１３に出力する。

また、物性値検出部１２は、物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２から温度検出信号を出力し、異常検出部１３４は、２つの温度検出信号に基づいて回路基板５に生じた結露を検出する（Ｓ２）。本ステップでは、異常検出部１３４は、例えば物性値検出部内第１温度検出部１２１と、開回路部１４に接続された物性値検出部内第２温度検出部１２２とのコンダクタンスの差に基づいて、結露が生じたことを検出する。なお、異常検出部１３４は、開回路部１４に接続された物性値検出部内第２温度検出部１２２から過去に出力された出力値と、直近で出力された出力値とのコンダクタンスの差に基づいて結露が生じたことを検出するようにしてもよい。制御部１３は、Ｓ１で取得した流量について、結露による特性の変化（換言すれば、特性の異常）があ
ったことを検知することができる。

本実施形態では、図４等に示したようなセンサ素子１００を利用する物性値検出部１２を利用することで、物性値の検出には用いない一方のサーモパイルを活用し、また、流量検出部１１と部品であるセンサ素子１００を共通化している。しかしながら、物性値検出部１２は、流量検出部１１とは別のセンサであれば、物性値を検出するものでなくても、流量の検出に影響を与えることなく結露を検出することができる。

また、制御部１３の異常検出部１３４は、Ｓ２の処理の結果に基づいて、結露が発生したか判断する（Ｓ３）。結露が生じていない場合（Ｓ３：ＮＯ）、流量測定処理を終了する。なお、図１３の流量測定処理は継続的にＳ１から実施されるものとする。

一方、結露が生じたと判断された場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、異常検出部１３４は、結露の発生を出力する（Ｓ４）。結露が生じると、例えばマイクロヒータからサーモパイルに届く熱量が変化する。すなわち、Ｓ１で取得した流量を示す値が正確でない可能性がある。Ｓ４においては、Ｓ１で取得した流量を採用しないようにしてもよいし、Ｓ１で取得した流量と共に結露の発生を示す情報を記録又は出力するようにしてもよい。また、結露の発生を示す警告を出力するようにしてもよい。

＜効果＞
本実施形態では流量検出部１１とは別のセンサである物性値検出部１２を利用して、流量検出部１１の出力に影響を与えずに結露を検出できる。すなわち、流量測定装置１は、流量検出部１１が検出した流量について、結露による特性の変化があったことを検知することができる。また、流量検出部１１及び物性値検出部１２に、図４等に示したようなセンサ素子１００を利用すれば、構成要素を共通化して製造コストを低減することができると共に、物性値の検出には用いないサーモパイルを結露の検出に活用することができる。

＜流量測定処理の変形例１＞
図１４は、変形例に係る流量測定処理の一例を示す図である。なお、図１３に示した流量測定処理と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。本変形例では、結露が発生した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、補正処理部１３１は、物性値検出部１２の出力値に応じて、流量検出部１１が検出した流量の値を補正する（図１４：Ｓ１４）。例えば、結露の程度の大きさと、マイクロヒータからサーモパイルに届く熱量の大きさとの関係を示す情報を予め制御部１３に記憶させておく。そして、本ステップにおいては、例えば、Ｓ２において物性値検出部１２から取得した結露の程度を示す出力値に応じたパラメータを、Ｓ１において流量検出部１１から取得した流量を示す出力値に乗じ、補正後の流量を算出する。このようにすれば、結露が生じた場合においても、測定精度の低下を抑えつつ、流量の測定を継続することができる。

＜流量測定処理の変形例２＞
流量測定装置１は、さらに物性値による流量の補正を行うようにしてもよい。図１３又は図１４に示した処理と並行して、例えば図１５に示すような処理により特性値を取得し、特性値に基づいて、Ｓ１で取得した流量を補正する。なお、結露の検出に基づく流量の補正と、特性値に基づく流量の補正とは、任意の順に実行することができる。

図１５は、特性値取得処理の一例を示す処理フロー図である。制御部１３の特性値算出部１３２は、物性値検出部１２の物性値検出部内加熱部１２３に、第１の温度で加熱させる（図１５：Ｓ２１）。その後、物性値検出部１２の物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は、第１の温度を検出する（Ｓ２２）。本ステップは、例えば制御部１３による制御に基づいて行うようにしてもよい。測定対象流体
を伝わる熱の速度は、熱伝導率、熱拡散率、比熱などの物性値によって決定される。また、物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２との温度差を検出することによって、熱伝導率を求めることができる。例えば、物性値検出部内加熱部１２３と、物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２との温度差が大きいほど、熱伝導率は小さくなる。このような性質を利用して、本ステップでは、測定対象流体の流れ方向と直交する方向に配置された物性値検出部内第１温度検出部１２１および物性値検出部内第２温度検出部１２２によって測定対象流体の温度を検出する。

次に、制御部１３の特性値算出部１３２は、物性値検出部１２の物性値検出部内加熱部１２３に、第２の温度で加熱させる（Ｓ２３）。その後、物性値検出部１２の物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２は、第２の温度を検出する（Ｓ２４）。本ステップも、例えば制御部１３による制御に基づいて行うようにしてもよい。このようにして、物性値検出部内加熱部１２３の温度変化の前後において物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２により検出された温度を示す値が取得される。

また、特性値算出部１３２は、検出された温度を用いて特性値を算出する（Ｓ２５）。本ステップでは、センサ感度比を求める。センサ感度比とは、基準となる気体を流した場合のセンサ出力値に対する、所定の気体を流した場合のセンサ出力値の比であり、熱拡散率を表す特性値である。センサ感度比αは、下記の式（４）で求められる。
α ＝ β × ΔＴ ・・・（４）
βは所定の係数である。また、ΔＴは、物性値検出部内加熱部１２３の温度変化の前後において物性値検出部内第１温度検出部１２１及び物性値検出部内第２温度検出部１２２により出力された検出値の差分である。

その後、制御部１３は、特性値を用いて、流量算出部が算出した測定対象流体の流量を補正する（Ｓ２６）。具体的には、制御部１３は、下記の式（５）を用いて、補正後の流量を算出する。
補正後の出力 ＝ 流量算出部の出力 × α ・・・（５）

本実施形態では、ヒータの温度を変化させた際にヒートパイルで検出される温度の変化量（ΔＴ）を用いることで、測定対象流体の熱拡散率を検出することができるようになる。ここで、熱式流量測定装置が出力する流量は、熱拡散率と相関がある。したがって、本実施形態に係る流量の補正処理によれば、あらゆる気体について適切に補正できるようになる。すなわち、熱拡散率が異なる測定対象流体について、流量の測定の精度を向上させることができる。

図１６は、縦軸にセンサ感度比、横軸に熱伝導率を示すグラフである。ここで、図１６に示すように、例えば組成の異なる混合ガスのように熱伝導率以外の物性値が異なる複数のガス群が存在する場合、物性値としてある熱伝導率が求められただけではいずれのセンサ感度比を用いて補正すればよいのか定まらない。すなわち、マイクロヒータの加熱温度とサーモパイルの検知温度とを１組用いて補正を行う手法では、所定のガス群に属する２以上の基準ガスに基づいて補正を行っていたところ、複数のガス群について適切に補正を行うことはできなかった。

図１７は、縦軸にセンサ感度比、横軸にΔＴを示すグラフである。図１６に示した、センサ感度比と熱伝導率とが一直線に近似されないガスについても、センサ感度比とΔＴとは一直線に近似される。したがって、本実施形態では熱拡散率が未知のガス群についても補正を行うことができる。

＜開回路部の変形例＞
図１８は、開回路部１４の他の例を示す模式的な図である。開回路部１４の第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２は、図１０に示すような構成には限定されない。図１８の例では、第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２は、それぞれ直線形状であり、略平行に近接して配置されている。このような構成であっても、水滴によって第１の導体パターン１４１と第２の導体パターン１４２とが短絡することにより、結露の発生を検出することができる。なお、例えば回路基板５の裏面の配線により、第１の導体パターン１４１の各々は接続され、また、第２の導体パターン１４２の各々は接続されているものとする。

図１９は、開回路部１４の他の例を示す模式的な図である。本変形例では、開回路部１４は、径が異なる第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２が交互に設けられた年輪状であって、互いに略平行に近接して配置されている。具体的には回路基板５の縁に沿って、第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２が設けられているが、このような例には限られず、任意の形状に略相似な形状の第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２を採用することができる。

図２０Ａ及び図２０Ｂは、開回路部１４の他の例を示す模式的な図である。本変形例では、回路基板５の表面及び裏面、又は多層基板である回路基板５の外層及び内層を利用して、開回路部１４を形成している。例えば、図２０Ａは回路基板５の表面（又は外層）を示し、図２０Ｂは回路基板５の裏面（又は内層）を示すものとする。また、例えば内部が白い矩形が第１の導体パターン１４１であり、内部にハッチングが施された矩形が第２の導体パターン１４２であるものとする。そして、表面（外層）と裏面（内層）との間で対応する太い実線の矩形は、層間を接続するビア（スルーホール）の位置を示すものとする。このようにして、第１の導体パターン１４１の各々は接続され、また、第２の導体パターン１４２の各々も接続されているものとする。図２０Ａ及び図２０Ｂの例では、特にビアの周辺において、図面上の縦方向と横方向に相当する二次元方向に向かってそれぞれ交互に、２つの導体パターンである第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２が近接して設けられている。このようにすれば、ビアの周囲のどこかに水滴が生じれば、近傍に設けられた導体パターンとの間で短絡が発生するため、短絡を起こし易くなっているといえる。

以上のように、開回路部１４には、２つの導体パターンが近接して配置された様々な形状を採用することができる。特に、第１の導体パターン１４１の少なくとも一部と第２の導体パターン１４２の少なくとも一部とを交互に複数設ければ、第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２の間のどこかに水滴が付着し、結露を検知できる確率が向上するといえる。また、図１０、図１８〜図２０Ａ及び図２０Ｂに示した開回路部１４は、例えば第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２の先端が電気的に接続された閉回路としてもよい。このようにしても、第１の導体パターン１４１及び第２の導体パターン１４２の間に水滴が付着することにより、水滴の付着前とは抵抗値が変化するため、結露の発生を検出することができる。

また、結露検出部を構成する開回路部１４は、流量検出部１１側のサーモパイルと並列に接続されるようにしてもよい。すなわち、短絡時における開回路部１４が、流量検出部１１の流量検出部内第１温度検出部１１１又は流量検出部内第２温度検出部１１２と並列に接続されるように設けられていてもよい。流量検出部１１の出力にも影響があるとしても、このような構成であっても結露の発生を検出することはできる。したがって、図１３のＳ４のように結露の発生を出力する処理であれば行うことができる。また、開回路部１４は、物性値を検出する物性値検出部１２に設けられるのではなく、結露の検出を目的と
したセンサ素子に設けられるようにしてもよい。

１ ：流量測定装置
１００ ：センサ素子
１０１ ：マイクロヒータ
１０２ ：サーモパイル
１１ ：流量検出部
１１１ ：流量検出部内第１温度検出部
１１２ ：流量検出部内第２温度検出部
１１３ ：マイクロヒータ
１２ ：物性値検出部
１２１ ：物性値検出部内第１温度検出部
１２２ ：物性値検出部内第２温度検出部
１２３ ：物性値検出部内加熱部
１３ ：制御部
１３１ ：補正処理部
１３２ ：特性値算出部
１３３ ：流量算出部
１３４ ：異常検出部
１４ ：開回路部
１４１ ：第１の導体パターン
１４２ ：第２の導体パターン
２ ：主流路部
３ ：副流路部
３２ ：物性値検出用流路
３３ ：流量検出用流路
３４ ：流入用流路
３４Ａ ：流入口
３５ ：流出用流路
３５Ａ ：流出口
４ ：シール
５ ：回路基板
６ ：カバー

Claims (6)

1. 流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を出力する流量検出部と、
   前記流量検出部に接続され、前記流量に応じた値に基づいて前記測定対象流体の流量を算出する制御部と、
   前記制御部に接続され、結露により短絡して出力値が変動する結露検出部と、
   を備える流量測定装置であって、
   前記制御部は、前記結露検出部が出力する前記出力値に基づいて流量測定装置に結露が生じたことを検出し、結露の発生に応じた処理を行い、
   前記結露検出部は、近接して設けられた第１の導体パターン及び第２の導体パターンによって形成される開回路部と、前記測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並んで配置された、第１の温度検出部及び第２の温度検出部、並びにこれらの間に設けられる加熱部とを備え、
   前記第１の導体パターンは前記第２の温度検出部の一端に接続され、前記第２の導体パターンは前記第２の温度検出部の他端に接続され、
   前記出力値は、前記第２の温度検出部側の合成抵抗値に応じた値である
   流量測定装置。
2. 回路基板の表面において、前記第１の導体パターンの少なくとも一部と前記第２の導体パターンの少なくとも一部とが交互に複数設けられる
   請求項１に記載の流量測定装置。
3. 前記第１の導体パターンの前記一部は、前記第２の導体パターンに向けて凸状に形成された凸部であり、前記第２の導体パターンの前記一部は、前記第１の導体パターンに向けて凸状に形成された凸部であり、前記第１の導体パターンの前記凸部と前記第２の導体パターンの前記凸部とが交互に噛み合うように配置される
   請求項２に記載の流量測定装置。
4. 前記結露検出部は、前記加熱部の温度を変化させた前後における、前記第１の温度検出部により検出された前記測定対象流体の温度の差に基づいた物性値を出力し、
   前記制御部は、前記物性値に基づいて、前記測定対象流体の流量を補正する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の流量測定装置。
5. 前記結露の発生に応じた処理は、前記結露検出部が出力する前記出力値に基づいて、前記測定対象流体の流量を補正する処理である
   請求項１から４のいずれか一項に記載の流量測定装置。
6. 流量測定装置が実行する流量測定方法であって、
   流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を出力する流量検出部から、前記流量に応じた値を取得し、
   前記流量に応じた値に基づいて前記測定対象流体の流量を算出し、
   前記流量測定装置が備える回路基板に生じた結露により短絡して出力値が変動する結露検出部から、前記出力値を取得し、
   前記結露検出部から取得した前記出力値に基づいて結露の発生を検出し、結露の発生に応じた処理を行い、
   前記結露検出部は、近接して設けられた第１の導体パターン及び第２の導体パターンによって形成される開回路部と、前記測定対象流体の流れ方向と直交する方向に並んで配置された、第１の温度検出部及び第２の温度検出部、並びにこれらの間に設けられる加熱部とを備え、
   前記第１の導体パターンは前記第２の温度検出部の一端に接続され、前記第２の導体パターンは前記第２の温度検出部の他端に接続され、
   前記出力値は、前記第２の温度検出部側の合成抵抗値に応じた値である
   流量測定方法。