JP6688062B2 - 流量センサの補正装置、流量測定システム、流量制御装置、補正装置用プログラム、及び、補正方法 - Google Patents

流量センサの補正装置、流量測定システム、流量制御装置、補正装置用プログラム、及び、補正方法 Download PDF

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Description

本発明は、流量センサにおいてセンサ出力値xを流量値yに変換する流量特性関数を補正するための流量センサの補正装置、補正装置用プログラム、及び、補正方法に関するものである。
例えば熱式流量センサは、流量と物体から奪われる熱量との間には所定の関係があることを利用して流量を測定できるように構成されている。具体的にはセンサ機構として流路に２つの電気抵抗素子を設けておき、各電気抵抗素子の温度が一定に保たれるように電圧を制御し、その時の各電圧値から流量と所定の関係を有するセンサ出力値xが算出される（特許文献１参照）。
ここで、各センサ出力値xから流量値yへ換算するために入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数が用いられる。この流量特性関数は流量センサの機差の影響を受け、流量センサごとに固有のものとなる。したがって、例えば複数の流量センサのセンサ特性を平均化した標準流量特性関数f(x)をそのまま使用すると算出される流量値yと実際に流れている流量値yとの間に誤差が生じてしまう。このため、標準流量特性関数f(x)を実際の流量センサの実流量特性関数F(x)に近づけるための補正が行われている。
例えば標準流量特性関数f(x)は、図７（ａ）に示されるようにゼロ点からスパン点までの間において実質的に直線性（リニアリティ）が保たれているようなものである。
次に図７（ｂ）に示されるように実際の流量センサにおいてＮ２などの標準ガスを規定流量値で流した場合のセンサ出力値xがサンプル値として測定される。規定流量値は例えば前記標準流量特性関数f(x)のスパン点におけるスパン流量値が設定される。さらに前記標準流量特性関数f(x)に前記サンプル値を入力して算出流量値が算出され、規定流量値を算出流量値で割った値である関数補正値nを前記標準流量特性関数f(x)に乗じて傾きが調整された最終流量特性関数h(x)が算出される。このように算出された前記最終流量特性関数h(x)が前記標準流量特性関数f(x)の代わりに用いられる。したがって、補正された流量センサは、センサ出力値xとして前記サンプル値と等しい場合にはスパン流量値が必ず出力されるように補正できる。
しかしながら、図７（ｃ）に示すよう実際の実流量特性関数F(x)の直線性が悪い場合に上述したような補正を行うと、ゼロ点からスパン点の間において前記最終流量特性関数h(x)は実際の流量値yよりも小さい値の流量値yを出力することになる。つまり、スパン流量値以外では流量誤差が発生することになる。
特開２０１３−１３４２３１号公報
本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、実際の流量センサにおけるセンサ出力値xと流量値yとの間の関係が直線性の悪いものであっても、センサ出力値xのレンジ全体において流量誤差を低減できる流量センサの補正装置、補正装置用プログラム、及び、補正方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係る流量センサの補正装置は、流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正装置であって、前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する感度設定部と、前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値n、及び、標準流量特性関数f(x)に基づいて、補正後流量特性関数g(x)を算出する関数算出部と、前記関数算出部で算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる関数修正部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る補正装置用プログラムは、流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正装置用プログラムであって、前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する感度設定部と、前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値n、及び、標準流量特性関数f(x)に基づいて、補正後流量特性関数g(x)を算出する関数算出部と、前記関数算出部で算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる関数修正部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする。なお、補正装置用プログラムは、電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の記憶媒体に記憶されたものであってもよい。
さらに本発明に係る補正方法は、流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正方法であって、前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する工程と、前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値nを標準流量特性関数f(x)に乗じた補正後流量特性関数g(x)を算出する工程と、前記関数算出部で算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる工程と、を備えたことを特徴とする。
このようなものであれば、例えば前記感度係数が初期値に設定されている初期状態における前記流量センサの実流量特性関数F(x)の直線性が悪い場合には、前記感度係数を変更して直線性のよい新たな感度調整後実流量特性関数G(x)に変更できる。
このため、標準流量特性関数f(x)に流量センサから出力される流量値yに基づく関数補正値nに基づいて得られる補正後流量特性関数g(x)は、感度調整後実流量特性関数G(x)とほぼ全体で合致させることができ、センサ出力値xの全域にわたって流量誤差が発生しないようにすることができる。
標準流量特性関数f(x)に対して感度調整前の実流量特性関数F(x)がどのようにずれているかを把握することができ、前記感度係数を大きくする方向か小さくする方向のいずれに変更すべきか判断できるようにして適切な感度調整を行えるようにするには、前記流路に第１流量値F1が流れている場合において、前記第１流量値F1と、前記感度係数が初期値に設定されている初期状態の前記流量センサから出力される流量値yである感度調整前流量値S1を記憶する第１測定値記憶部をさらに備え、前記感度設定部が、前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差に応じて前記感度補正値mを変更するように構成されていればよい。
前記感度係数の変更量を過不足の無いものとし、センサ出力値xのレンジのほぼ全体で流量誤差の発生量を小さくできるとともに、センサ出力値xのＳ／Ｎ比も高くノイズに強いものにできるようにするには、前記感度設定部が、前記感度補正値mと、当該感度補正値mに基づく感度係数を設定した場合に所定のセンサ出力値xにおいて新たに発生する実際の流量値yと前記流量センサから出力される流量値yとの差のとの間の関係である調整効果関係を記憶する調整効果記憶部と、前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差を打ち消す前記感度補正値mを前記調整効果関係に基づいて決定する感度決定部とを備えたものであればよい。
感度調整前の実流量特性関数の直線性に依存して発生する流量誤差が表れやすい部分で直線性の評価を行うことができ、感度補正値mを適切な値を設定できるようにするには、前記第１流量値F1が前記流量センサにおいて設定されている流量値yのスパンよりも小さい流量値yであればよい。
感度調整後の実流量特性関数に対して補正後流量特性関数g(x)をセンサ出力値xのレンジ全体で一致させるには、前記流路に第２流量値F2が流れている場合において、前記第２流量値F2と、感度調整後の前記流量センサから出力される流量値yである感度調整後流量値S2を記憶する第２測定値記憶部をさらに備え、前記関数算出部が、前記第２流量値F2を前記感度調整後流量値S2で割った値を前記関数補正値nとして前記標準流量特性関数f(x)に乗じるように構成されていればよい。
最も重要な流量値yであるスパン流量値については前記流量センサから誤差なく出力されるようにして、信頼性をより高められるようにするには、前記第２流量値F2が前記流量センサにおいて設定されている流量値yのスパンであればよい。
例えば窒素等の標準ガス以外のガスを流路に流すことにより、センサ出力値xが例えばスパンに近い領域で実流量特性関数F(x)の直線性が非常に悪くなる場合でも、感度調整後の実流量特性関数G(x)と最終流量特性関数h(x)をほぼ一致させることができ、より広いレンジで流量誤差を低減できるようにするには、流体の熱伝導率λと、前記感度補正値mとに基づいて補正項を算出する補正項算出部をさらに備え、前記関数修正部が、前記補正後流量特性関数g(x)に前記補正項を加えて前記最終流量特性関数h(x)を算出し、前記関数記憶部に当該最終流量特性関数h(x)を記憶させるように構成されていればよい。
センサ出力値xの小さい間は前記補正項の効果が表れず補正後流量特性関数g(x)が支配的となるようにし、センサ出力値xが大きい場合には、前記補正項の効果が大きく表れるようにするには、前記補正項が、前記感度補正値mと前記流体の熱伝導率λの逆数の二乗の積にセンサ出力値xの四乗を乗じたものであればよい。
本発明に係る補正装置により記憶された前記最終流量特性関数h(x)に基づいて流量値yを出力するように構成された流量センサであれば、センサ出力値xのレンジ全域において流量誤差を低減し、正確な流量値yを出力する事が可能となる。
本発明に係る流量センサを備えた流量制御装置であれば、センサ出力値xのレンジにおける流量制御精度を非常に高いものとすることができる。
このように本発明に係る流量センサの補正装置、補正装置用プログラム、及び、補正方法によれば、例えば前記感度補正値mによって初期状態の直線性の悪い実流量特性関数F(x)を直線性のよい感度調整後の実流量特性関数G(x)にし、標準流量特性関数f(x)、及び、関数補正値nに基づいてこの関数G(x)に対して補正後流量特性関数g(x)が合致させることができるので、センサ出力値xのレンジのほぼ全域にわたって流量誤差を低減できるようになる。
本発明の一実施形態に係る補正装置を示す模式図。 同実施形態における感度調整結果を示すグラフ。 同実施形態における感度調整工程における感度補正値mを決定するために用いられる調整効果関係を示すグラフ。 同実施形態における関数補正の結果を示すグラフ。 同実施形態における熱伝導度補正の結果を示すグラフ。 同実施形態を用いた各種流体における補正結果を示すグラフ。 従来の補正方法について示すグラフ。
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の流量補正装置１００は、図１に示すように例えば熱式の流量センサについて工場出荷時に機差を反映してセンサ出力値xのレンジ全体において流量誤差を低減する補正を行うために用いられるものである。
ここで、補正対象となる熱式の流量センサは熱式のマスフローコントローラＭＦＣの一部を構成するものである。すなわち、前記マスフローコントローラＭＦＣは、図１に示すように流路に対して設けられたバルブＶと、前記流路内の流量を測定する前記流量センサと、前記流量センサからの出力に基づいて前記バルブＶの開度を制御するバルブ制御部ＶＣと、を備え、これらが１つの筐体によりパッケージ化されたものである。
補正対象となる流量センサの詳細について説明する。
図１に示すようにこの流量センサCMは、流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構Ｍ１と、前記センサ機構Ｍ１からの出力に基づいて流量の算出を行う演算部ＣＡＬと、からなる。
前記センサ機構Ｍ１は、流体の流れる流路から分岐し、再び合流するように設けられたＵ字状の細管と、前記細管に巻き回されて設けられた一対の電気抵抗線と、からなる。各電気抵抗線はその温度が一定になるように定温度回路（図示しない）と接続されている。前記細管内を流れる流体により上流側の電気抵抗線から下流側の電気抵抗線へと熱が運ばれるため、上流側の電気抵抗線に印加される上流側電圧は下流側の電気抵抗線に印加される下流側電圧よりも高い値となる。上流側電圧と下流側電圧との差は、流体の流量と所定の関係があるためこれらの値に基づいて前記演算部ＣＡＬにおいて流量が算出される。この実施形態では前記センサ機構Ｍ１は、上流側電圧及び下流側電圧に基づいて以下のような演算値ＦＩの値を示す出力信号を出力するように構成してある。
FI=(Vu-Vd)/(Vu+Vd)
ここで、FIは前記センサ機構Ｍ１の出力信号の示す値、Vuは上流側電圧、Vdは下流側電圧である。
前記演算部ＣＡＬは、例えばＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａコンバータ等を備えたコンピュータであって、前記メモリに格納された流量算出用プログラムが実行されることにより各機器と協業して少なくともセンサ出力算出部Ｍ２、関数記憶部Ｍ３、流量算出部Ｍ４としての機能を実現する。
前記センサ出力算出部Ｍ２は、前記センサ機構Ｍ１から出力される出力信号の示す値と、設定されている感度係数とに基づいてセンサ出力値xを算出する。より具体的には、前記センサ出力算出部Ｍ２は、前記センサ機構Ｍ１の出力信号が示す値ＦＩに対して設定されている感度係数ampを乗じるように構成してある。なお、感度係数ampは初期設定では１（１００％）に設定してある。 すなわち、前記センサ出力算出部Ｍ２は以下のような演算を行うことになる。
x=FI×amp
ここで、xはセンサ出力値、FIは前記センサ機構Ｍ１の出力信号の示す値、ampは感度係数である。
前記関数記憶部Ｍ３は、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする予め定められた流量特性関数を記憶するものである。なお、本実施形態では前記関数記憶部Ｍ３には標準流量特性関数f(x)をデフォルトの流量特性関数として記憶させてある。この標準流量特性関数f(x)は、補正対象となる熱式の流量センサと同じ構成を有する複数の流量センサにおいてセンサ出力値xと流量値yとの間の関係を実測してそれぞれ作成した流量特性関数を平均化したものである。すなわち、標準流量特性関数f(x)は各熱式流量センサにおいて発生する偶然発生する機差を平均化したものである。
前記流量算出部Ｍ４は、前記センサ出力算出部Ｍ２で算出されるセンサ出力値xと前記関数記憶部Ｍ３にその時点で記憶されている流量特性関数に基づいて流量値yを算出するように構成されている。
次に前記バルブ制御部ＶＣによるマスフローコントローラＭＦＣの流量制御について説明する。
前記バルブ制御部ＶＣは、２種類のフィードバック制御を切り替えて行えるように構成されている。すなわち、前記バルブ制御部ＶＣは、センサ出力値xをフィードバックするセンサ出力値制御と、流量値yをフィードバックする流量値制御の２種類のいずれかを実行できる。センサ出力値制御は主に前記補正装置１００による補正のために必要な値を得るために用いられるモードである。このモードでは、目標値として与えられた目標センサ出力値xと、前記センサ出力算出部Ｍ２から出力されるセンサ出力値xとの偏差が小さくなるように前記バルブＶの開度が制御される。一方、流量値制御は主に実際の流量制御のために用いられるモードである。このモードでは目標値として与えられた目標流量値yと、前記流量算出部Ｍ４から出力される流量値yとの偏差が小さくなるように前記バルブＶの開度が制御される。
また、前記補正装置１００により補正対象となる熱式の流量センサの補正を行う際には、前記マスフローコントローラＭＦＣの上流側又は下流側に基準となる基準流量センサＢＭが設けてある。この基準流量センサＢＭはその出力される値が所定の精度で保証されている例えば圧力式の流量センサである。すなわち、前記補正装置１００は、補正対象である熱式の流量センサから出力されるセンサ出力値x、流量値yと、前記基準となる基準流量センサＢＭの示す流量値yとに基づいて補正対象である熱式の流量センサを補正するように構成してある。
次に補正装置１００の詳細について説明する。以下では補正対象の流量センサCMにおける前記関数記憶部Ｍ３に数式として最初に設定されている流量特性関数を標準流量特性関数f(x)と記載し、補正対象の流量センサCMが本来備えている実際の流量特性関数である実流量特性関数F(x)又はG(x)とは区別する。なお、実流量特性関数F(x)又はG(x)は未知の関数であり、補正対象の流量センサCMごとの機差が反映されている。この補正装置１００による補正は、補正対象の流量センサCMに設定されている標準流量特性関数f(x)を感度調整後の実流量特性関数G(x)に近づけることを目的とする。本実施形態のこの補正はまず、前記センサ出力算出部Ｍ２に設定されている感度係数を変更することにより実際の流量特性関数F(x)の直線性を改善する。その後、標準流量特性関数f(x)を感度調整後の実流量特性関数G(x)に対して一致させるように補正している。
より具体的には前記補正装置１００は、例えばＣＰＵ、メモリ、入出力手段等を備えたコンピュータにおいてメモリに格納された補正装置１００用プログラムが実行されて各種機器が協業することによりその機能が実現されるものである。
すなわち、前記補正装置１００は少なくとも第1測定値記憶部１と、感度設定部２と、第２測定値記憶部３と、関数算出部４と、補正項算出部５と、関数修正部６としての機能を発揮するものである。
各部の詳細について前記補正装置１００による補正方法とともに説明する。なお、補正のために補正対象の流量センサCMから流量値yを得る際に流路に流れている流体は例えば窒素ガス等の標準ガスである。
また、前提として標準流量特性関数f(x)は、図２（ａ）に示されるようにセンサ出力値xのレンジ内においてほぼ直線性が担保されているような関数である。
このような標準流量特性関数f(x)に対して、初期状態の実流量特性関数F(x)は直線性が悪く、例えば各センサ出力値xに対応する流量値yが大きくなる場合がある。以下では初期状態の実流量特性関数F(x)が標準流量特性関数f(x)に対して上側に凸となるような関数である場合に基づいて説明する。
まず、前記マスフローコントローラＭＦＣをセンサ出力値xのフィードバック制御により動作させ、初期状態の補正対象の流量センサCMから目標センサ出力値xが出力されるように流量制御を行う。ここでは、目標センサ流量値yとしてスパンに対して２０％のセンサ出力値xが得られるように流量制御を行う。この際、流路に実際に流れている流量値yは前記基準流量センサＢＭにより測定され、第１流量値F1として前記第1測定値記憶部１に記憶される。また、流路に前記第１流量値F1が流れている時に補正対象である流量センサから出力される流量値yも感度調整前流量値S1として前記第1測定値記憶部１に記憶される。すなわち、前記第1測定値記憶部１には、図２（ａ）に示されるように感度調整前の実流量特性関数F(x)上の一点と、感度調整前の標準流量特性関数f(x)上の一点について測定された値が記憶される。
前記感度設定部２は、前記補正対象の流量センサCMにおける前記感度係数を初期値に対して感度補正値mが乗じられた状態に設定し、前記流量センサCMの感度を調整する。言い換えると、前記感度設定部２は前記第1測定値記憶部１に記憶されている２つの流量値yに基づいて前記補正対象の流量センサCMの感度係数を変更し、実流量特性関数F(x)自体の形状を変更するものである。
より具体的には、前記感度設定部２は前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差に応じて前記感度補正値mを変更するように構成してある。前記補正対象の流量センサCMの感度係数が変更されると、図２（ｂ）に示されるように初期状態の実流量特性関数F(x)はセンサ出力値軸方向にｍ倍された感度調整後状態の実流量特性関数G(x)へと変化することになる。この例では、直線性の悪い初期状態の実流量特性関数F(x)はセンサ出力値軸方向に拡大され、その単位センサ出力値x当たりの流量値yの増加量は小さくなる。したがって、感度調整後の実流量特性関数G(x)は、初期状態の実流量特性関数F(x)と比較して直線性が改善されたものとなる。一方、標準流量特性関数f(x)については感度係数が変更されてもそのグラフ形状は変化せず当初のままである。したがって、感度補正値mを適切に選ぶことにより感度調整後の実流量特性関数G(x)の直線性は、前記標準流量特性関数f(x)の直線性とほぼ同じものとなる。
第１実施形態では、前記感度設定部２が、調整効果記憶部２１と、感度決定部２２とを備えている。
前記調整効果記憶部２１は、前記感度補正値mと、当該感度補正値mに基づく感度係数を設定した場合に新たに発生する流量誤差との間の関係である調整効果関係を記憶している。ここで、新たに発生する流量誤差とは、所定のセンサ出力値xにおける実際の流量値yと前記流量センサから出力される流量値yとの差である。すなわち、第１実施形態では、流路に前記第１流量値F1が流れている場合のセンサ出力値xにおいて感度補正値mに応じて発生する調整効果を記憶している。前記調整効果関係は図３のグラフに示すように流体の種類によらずほぼ一次関数で表すことができ、前記感度補正値mとして大きな値を設定し、感度係数を高くするほど調整効果はプラス方向に大きく働くことになる。なお、図３に示される調整効果関係は例えば実験的に求めることができる関係である。
前記感度決定部２２は、前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差を打ち消す前記感度補正値mを前記調整効果関係に基づいて決定する。第１実施形態ではセンサ出力値xが２０％の場合、第１流量値F1と感度調整前流量値S1との間で２sccmの誤差が発生しているので、図３のグラフから感度係数が８０％となるように感度補正値mは０．８を選ぶことでセンサ出力値x２０％における流量誤差をほぼ無くせることが分かる。したがって、感度決定部２２は感度補正値mとしてｍ＝０．８を設定し、前記補正対象の流量センサCMにおいて前記センサ出力算出部Ｍ２で用いられる感度係数を８０％に変更する。このように変更することで、感度係数を必要最小限だけ変更して標準流量特性関数f(x)の直線性と感度調整後の実流量特性関数F(x)の直線性をほぼ同じものにすることができる。
次に感度調整後状態における補正対象の流量センサCMの補正手順についてさらに説明する。
図４（ａ）に示されるように今度は感度調整後の前記マスフローコントローラＭＦＣにより、センサ出力値xが１００％となるように流量制御を行い、その時に基準流量センサＢＭで測定される流量である第２流量値yと、感度調整後状態における前記補正対象の流量センサCMから出力される流量値yである感度調整後流量値yと、が前記第２測定値記憶部３に記憶される。これらの２つの流量値yを用いて標準流量特性関数f(x)について流量値y軸方向の拡大縮小が行われる。言い換えると標準流量特性関数f(x)が、センサ出力値xのレンジ内において感度調整後状態の実流量特性関数F(x)に対してほぼ一致するようにスパン補正が行われる。
より具体的には前記関数算出部４が、関数補正値nを前記標準流量特性関数f(x)に乗じた補正後流量特性関数g(x)を算出する、ここで関数補正値nは、前記第２流量値F2を前記感度調整後流量値S2で割った値である。このようにして算出された補正後流量特性関数g(x)は、図４（ｂ）に示されるように感度調整後状態の実流量特性関数F(x)と０〜１００％のセンサ出力値xにおいてほぼ一致する。このように算出された補正後流量特性関数g(x)は、補正のために用いられた窒素ガスや窒素ガスよりも熱伝導率の高いヘリウムガスのようなガスが流路に流れている場合には、センサ出力値xのレンジ全体で流量誤差を低減することができる。なお、関数補正値nはセンサ出力値xが１００％の時の流量値ｙに基づいて算出されるものに限られない。例えば、センサ出力値xが８０％等のその他の値の場合における流量値yに基づいて決定してもよい。また、上述してきたように定めた感度補正値m及び関数補正値ｎについては、実際に補正のために流路に流した窒素ガスの流量を算出する際だけでなく、その他の種類の流体の流量を算出する場合にも同じ値を使用することもできる。
一方、図５に示すように窒素ガスよりも熱伝導度率の低いガスが流路に流れている場合、補正後流量特性関数g(x)と感度調整後状態の実流量特性関数F(x)とはセンサ出力値xが大きい領域では完全に一致しにくい。したがって、補正後流量特性関数g(x)をそのまま用いるとスパン流量値yである１００については正確な値を出力できないことになる。
そこで、補正対象の流量センサCMがスパン流量値yである１００sccmについても誤差なく出力できるようにするために前記補正項算出部５はセンサ出力値xが大きい領域においてのみ作用する補正項を算出する。
この補正項算出部５は、流体の熱伝導率λと、前記感度補正値mとに基づいて補正項を算出するように構成してある。より具体的には前記補正項は、前記感度補正値mと前記流体の熱伝導率λの逆数の二乗の積にセンサ出力値xの四乗を乗じたものである。すなわち、センサ出力値xが所定値よりも大きい領域では、流体の種類によってその流量誤差が大きく異なっていることが本願発明者らによって見出されている。例えば補正項は以下のようなものになる。
C(λ, x, m)=(const1×m)×((1/λ)^2-const2)×(x)^4
ここで、Cは補正項、mは感度補正値、λは流体種ごとに決まる熱伝導率、ｘはセンサ出力値、const1 const2は定数である。なお、1/λの乗数は２に限られるものではなく、１以上であればよい。例えば１．５乗や３乗等の値であってもよい。また、センサ流量値ｘの乗数は４に限られるものではなく、２乗や２．５乗、３乗等で様々な値であってもよい。
最後に前記関数修正部６は前記関数算出部４及び前記補正項算出部５で算出された補正後流量特性関数g(x)に補正項を加えた最終流量特性関数h(x)を算出する。この最終流量特性関数h(x)は図５に示すように感度調整後の実流量特性関数F(x)とほぼ完全に一致する。そして前記関数修正部６は、最終流量特性関数h(x)を前記補正対象の流量センサCMの関数記憶部Ｍ３に標準流量特性関数f(x)として新たに記憶させる。
このように構成された補正装置１００によれば、感度係数を調整することにより標準流量特性関数f(x)を併せ込む対象である実流量特性関数F(x)自体を変化させて、直線性を良くした上でスパン補正を行うことができる。したがって、まずセンサ出力値xの標準のレンジである０〜１００％の範囲内において感度調整後の実流量特性関数G(x)とほぼ一致する補正後流量特性関数g(x)を得ることができる。さらに、センサ出力値xが大きい領域で流体の熱伝導率に依存して発生する流量誤差については前記補正項を入れることでその流量誤差を無くすことができる。したがって、補正後流量特性関数g(x)と補正項の和である最終流量特性関数h(x)は感度調整後の流量特性関数G(x)と完全に一致させることが可能となる。
このため、補正対象の流量センサCMにおいて標準流量特性関数f(x)として最終流量特性関数h(x)に置き換えることにより全域にわたって流量誤差の発生を抑えるとともに、スパン流量値yである１００sccmについても正確に出力する事ができるようになる。
このような補正を行った場合の実施例について図６のグラフを示す。図６のグラフから分かるように従来の感度調整を行わない補正方法と比較してセンサ出力値xの全域にわたって流量誤差がほぼ均一に表れるようにし、流量誤差を低減できていることが分かる。また、流体の種類によらずほぼ同じ流量誤差をセンサ出力値のレンジ全域で達成することができる。
その他の実施形態について説明する。
感度補正値m及び関数補正値nについては、前記実施形態に示した定め方に限られない。最小二乗法等のアルゴリズムにより感度補正値m及び関数補正値nを決定してもよい。この場合、少なくとも２組のセンサ出力値xと流量値yの測定データを得ておき最適化すればよい。また、前記実施形態では、先に感度補正値mにより感度係数を調整した後で標準流量特性関数f(x)に関数補正値nを乗じて補正後流量特性関数h(x)と感度調整後の実流量特性関数G（x）とを一致させていたが、この手順は逆であってもよい。すなわち、標準流量特性関数f(x)に対して関数補正値ｎを乗じて先に補正後流量特性関数g(x)を得た後、感度補正値mを適切に選んで感度係数を調整して、補正後流量特性関数g(x)に対して感度調整後の実流量特性関数G(x)を一致させに行ってもよい。
また、感度補正値mを複数回変更し、その度に所定のセンサ出力値xにおいて感度調整後の実流量特性関数の流量値yが標準流量特性関数f(x)の流量値yと所定の誤差で一致するものを探索するようにしてもよい。すなわち、試行錯誤により感度補正値ｍとして適当な値を選んでもよい。
さらに、補正対象の流量センサについてバイパス流路の直径を直接又は間接的に測定して、その結果に基づいて感度補正値mを１よりも大きくするか、あるいは小さくするかを決定してもよい。例えば補正対象の流量センサが組み込まれる前であれば、マイクロスコープ等でバイパス流路の直径を測定することができる。このバイパス流量の直径が設計値よりも小さい場合にはセンサ流路に流れる流量が多くなるため実流量特性関数F(ｘ)は標準流量特性関数f(x)よりも上側の領域に存在することになる。したがって、実流量特性関数F(x)の直線性を改善したG(x)とするには、感度補正値ｍを１より小さく設定すればよい。逆にバイパス流路の直径が設計値よりも大きい場合には、センサ流路に流れる流量が少なくなるため実流量特性関数F(ｘ)は標準流量特性関数f(x)よりも下側の領域に存在することになる。したがって、実流量特性関数F(x)の直線性を改善したG(x)とするには、感度補正値ｍを１より大きく設定すればよい。
また、ある規定流量を流した場合に補正対象の流量センサのバイパス流路に発生する差圧に基づいて感度補正値ｍについて１よりも大きくするか、小さくするかを決めてもよい。
加えて、感度補正値mについては初期値に乗じるものに限られず、加えるものであっても構わない。同様に関数補正値nについても標準流量特性関数f(x)に乗じるものに限られず、加えるものであっても構わない。標準流量特性関数f(x)については前記実施形態のように実験的に求められるものに限られず、例えば理論式等であっても構わない。最終流量特性関数h(x)については、補正項を入れずに補正後流量特性関数g(x)そのものを用いても構わない。
補正対象の流量センサは、前記実施形態に記載した熱式のものに限られない。その他の測定原理に基づくものに対して補正を行うために前記実施形態の補正装置及び補正方法を用いても構わない。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。
１００・・・補正装置
１ ・・・第１測定値記憶部
２ ・・・感度設定部
２１ ・・・調整効果記憶部
２２ ・・・感度決定部
３ ・・・第２測定値記憶部
４ ・・・関数算出部
５ ・・・補正項算出部
６ ・・・関数修正部

Claims (12)

  1. 流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正装置であって、
    前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する感度設定部と、
    前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値n、及び、標準流量特性関数f(x)に基づいて、補正後流量特性関数g(x)を算出する関数算出部と、
    前記関数算出部で算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる関数修正部と、を備えたことを特徴とする補正装置。
  2. 前記流路に第１流量値F1が流れている場合において、当該第１流量値F1と、前記感度係数が初期値に設定されている初期状態の前記流量センサから出力される流量値yである感度調整前流量値S1を記憶する第１測定値記憶部をさらに備え、
    前記感度設定部が、前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差に応じて前記感度補正値mを変更するように構成されている請求項１記載の補正装置。
  3. 前記感度設定部が、
    前記感度補正値mと、当該感度補正値mに基づく感度係数を設定した場合に所定のセンサ出力値xにおいて新たに発生する実際の流量値yと前記流量センサから出力される流量値yとの差のとの間の関係である調整効果関係を記憶する調整効果記憶部と、
    前記第１流量値F1と前記感度調整前流量値S1との差を打ち消す前記感度補正値mを前記調整効果関係に基づいて決定する感度決定部とを備えた請求項２記載の補正装置。
  4. 前記第１流量値F1が前記流量センサにおいて設定されている流量値yのスパンよりも小さい流量値yである請求項２又は３記載の補正装置。
  5. 前記流路に第２流量値F2が流れている場合において、前記第２流量値F2と、感度調整後の前記流量センサから出力される流量値yである感度調整後流量値S2を記憶する第２測定値記憶部をさらに備え、
    前記関数算出部が、前記第２流量値F2を前記感度調整後流量値S2で割った値を前記関数補正値nとして前記標準流量特性関数f(x)に乗じるように構成されている請求項１乃至４いずれかに記載の補正装置。
  6. 前記第２流量値F2が前記流量センサにおいて設定されている流量値yのスパンである請求項５記載の補正装置。
  7. 流体の熱伝導率λと、前記感度補正値mとに基づいて補正項を算出する補正項算出部をさらに備え、
    前記関数修正部が、前記補正後流量特性関数g(x)に前記補正項を加えて前記最終流量特性関数h(x)を算出し、前記関数記憶部に当該最終流量特性関数h(x)を記憶させるように構成されている請求項１乃至６いずれかに記載の補正装置。
  8. 前記補正項が、前記感度補正値mと前記流体の熱伝導率λの逆数の二乗の積にセンサ出力値xの四乗を乗じたものである請求項７記載の流量センサの補正装置。
  9. 請求項１乃至８いずれかに記載の補正装置と、
    前記補正装置が出力した前記最終流量特性関数h(x)に基づいて流量値yを出力するように構成された流量センサと、を備えた流量測定システム。
  10. 請求項９記載の流量測定システムを備えた流量制御装置。
  11. 流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正装置用プログラムであって、
    前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する感度設定部と、
    前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値n、及び、標準流量特性関数f(x)に基づいて、補正後流量特性関数g(x)を算出する関数算出部と、
    前記関数算出部で算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる関数修正部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とする補正装置用プログラム。
  12. 流路に流れる流体の流量に応じた出力信号を出力するセンサ機構と、前記出力信号の示す値、及び、感度係数に基づいてセンサ出力値xを算出するセンサ出力算出部と、入力をセンサ出力値x、出力を流量値yとする流量特性関数を記憶する関数記憶部と、前記センサ出力算出部で算出されるセンサ出力値xと流量特性関数に基づいて流量値yを算出する流量算出部と、を備えた流量センサについて流量特性関数を補正する補正方法であって、
    前記感度係数を初期値、及び、感度補正値mに基づいて設定し、前記流量センサの感度を調整する工程と、
    前記流量センサから出力される流量値yに基づいて決定される関数補正値nを標準流量特性関数f(x)に基づいて、補正後流量特性関数g(x)を算出する工程と、
    算出された補正後流量特性関数g(x)に基づく最終流量特性関数h(x)を前記関数記憶部に流量特性関数として記憶させる工程と、を備えたことを特徴とする補正方法。
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