JP7104502B2 - 流量測定装置 - Google Patents
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Description
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の一例を示す断面図である。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、流路を通過する流体の量を測定する。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。
P対Qの割合になるように、物性値検出用流路32および流量検出用流路33の断面積が定められている。
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。すなわち、マイクロヒータ101とサーモパイル102とは、所定の方向に並ぶように配置されている。これらの上下には、図5に示すように絶縁薄膜103が形成され、マイクロヒータ101、サーモパイル102及び絶縁薄膜103はシリコン基台104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102の下方のシリコン基台104には、エッチング等により形成されるキャビティ(空洞)105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においては、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ことを示すものとする。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の周囲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。
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、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8は、流量測定装置1が備える回路基板5の機能構成の一例を示すブロック図である。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とを備えている。流量検出部11は、温度検出部111と、温度検出部112とを備える。物性値検出部12は、温度検出部121と、温度検出部122とを備える。なお、図6に示した加熱部113及び図7に示した加熱部123は、図示を省略している。また、制御部13は、検出値取得部131と、特性値算出部132と、流量算出部133と、測定パラメータ変更部134とを含む。
図9は、流量測定処理の一例を示す処理フロー図である。本実施形態では、例えば定期的に流量検出部11の測定間隔(サンプリング間隔)等の測定パラメータを修正する。すなわち、回路基板5の測定パラメータ変更部134は、周波数を検知するタイミングであるか判断する(図9:S1)。本ステップでは、前回の修正から所定期間が経過した場合、測定パラメータ変更部134は、周波数を検知するタイミングであると判断する。
期間で大きく変わる場合に短く設定するようにしてもよい。
流量測定装置1によれば、測定対象流体に脈動や揺らぎが生じる場合に、測定の精度を維持しつつ消費電力を低減することができる。すなわち、流量の変化の周期に基づいて測定間隔を設定するため、サンプリング対象の偏りを抑え、測定の精度を維持することができる。また、流量の変化の周期に基づいて断続的に測定を行うことにより、サンプリングを継続する場合よりも消費電力を抑えることができる。
流量測定装置1は、流量の値を特性値に基づいて補正するようにしてもよい。特性値に基づく補正をさらに行うことにより、様々な測定対象流体について流量の値を適切に補正することができるが、必ずしも本補正を行う必要はない。次に、物性の特性値に基づく補正について説明する。特性値に基づく補正においては、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(2)で求められる。
α = β × ΔT ・・・(2)
なお、βは所定の係数である。また、ΔTは、加熱部123の温度変化の前後において温度検出部121及び温度検出部122により出力された検出値の差分である。
補正後の出力 = 流量算出部の出力 × α ・・・(3)
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14A~図14Dは、副流路部3の上面において流入用流路34と流出用流路35との間に形成される、物性値検出用流路32および流量検出用流路33の変形例を示す上面図である。例えば、図14Aに示すように、物性値検出用流路32を直線状に形成し、流量検出用流路33を略コ字型に形成してもよい。
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図15A~図15Cに基づいて説明する。なお、上述した実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、流量検出部が主流路に配置される。
7aには、開口部37Aを介して主流路部2aを流れる測定対象流体が流入し、流量検出部11によってその流量が検出される。なお、開口部37Aの大きさを制御調整することによって、主流路部2aから流量検出用流路37aに流入する測定対象流体の流量を制御することができる。
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図16A及び図16Bに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、独立した2つの副流路を有する点で、上述の流量測定装置とは異なっている。
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図17A~図17Cに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、物性値検出用流路が、流量検出用流路内に形成されている点で、上述の流量測定装置と異なっている。
17Aに示される副流路部3cを示す斜視図である。図17Cは、図17Aに示される副流路部3cを示す上面図である。
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図18A~図18Cに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、物性値検出部12を備えておらず、主流路内に流量検出部11が設けられている点で、上述の流量測定装置と異なっている。
る流体の量に応じた値を検出することができる。なお、さらに物性値検出部12も、主流路部2内に設けるようにしてもよいが、本変形例のように物性値検出部12を備えていなくても、測定対象流体に脈動や揺らぎが生じる場合に、測定の精度を維持しつつ消費電力を低減することができる。
本発明に係る流量測定装置の他の変形例について、図19A及び図19Bに基づいて説明する。なお、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。本変形例に係る流量測定装置は、物性値検出部12を備えておらず、主流路部2から分岐した流量検出用流路内に流量検出部11が設けられている点で、上述の流量測定装置と異なっている。
測定パラメータの変更は、回路基板5が備える制御部13以外の装置が制御するようにしてもよい。図20は、例えば流量測定装置1を設置するガスメータ等のように回路基板5とは異なるホスト装置9が測定パラメータ変更部134を備える例を示す機能ブロック図である。図20においても、実施形態と対応する部材に関しては、対応する符号を付し、その説明を省略する。
図21は、図7に示される物性値検出部12の変形例の概略構成を示す上面図である。図19に示されるように、例えば温度検出部122を省略して、加熱部123と、温度検出部121とで、物性値検出部12aを構成してもよい。すなわち、加熱部123と温度検出部121とを、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ようにしても、温度検出部121によって流体温度及び流体の物性値を検出することができる。
として提供してもよい。
11 :流量検出部
111 :温度検出部
112 :温度検出部
113 :加熱部
12 :物性値検出部
121 :温度検出部
122 :温度検出部
123 :加熱部
13 :制御部
131 :検出値取得部
132 :特性値算出部
133 :流量算出部
134 :測定パラメータ変更部
2 :主流路部
21 :オリフィス
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
35 :流出用流路
40 :流量制御部材
4 :シール
5 :回路基板
6 :カバー
100 :センサ素子
101 :マイクロヒータ
102 :サーモパイル
103 :絶縁薄膜
104 :シリコン基台
105 :キャビティ
Claims (1)
- 主流路を流れる測定対象流体の流量に応じた値を、定められた測定タイミングで検出する流量検出部と、
前記流量検出部が検出した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流量算出部と、
前記流量算出部が算出した流量に基づいて流量の周期的な変化を検知した場合に、検知された周期的な変化に基づいて前記測定タイミングを変更する測定間隔変更部と、
を備え、
前記測定間隔変更部は、前記流量算出部が算出する流量において、所定の閾値以上の極大値の間、又は所定の閾値以下の極小値の間に、所定の時点における流量に対する誤差が所定値以下の値が所定回数出現すると共に前記極大値または前記極小値が規則的に出現する場合に、前記周期的な変化であると判断し、当該周期的な変化に基づき、断続的に前記流量に応じた値を検出させる前記測定タイミングを、変化の周期の整数倍の間隔で開始されるように変更する
流量測定装置。
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