JPH03248018A - 感熱型流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導管中に流れる流体の質量流量を精密に測定
する感熱型流量計に関する。

〔従来の技術〕

従来マスフローコントローラの感熱型流量センサとして
は、流体の通路である細管の外周に感熱抵抗体を巻質量
流量を測定するセンサが知られていた。感熱型流量セン
サの構成を示す第７図を用いて動作原理を説明する。ス
テンレスの細管の外周にニッケル等を主成分とする抵抗
温度係数の大きなセンサ用感温抵抗体１．１′を巻き、
固定抵抗２，２′を用いブリッジ回路を構成する。ブリ
ッジ出力は差動増幅器４、により、構成される。

センサ用感温抵抗体１．１′は、制御駆動電源３により
温められ、第８図に示す様に、流体の移動が無い場合、
対称な温度分布となるため、１．１′は等しい抵抗値と
なり、ブリッジ出力はゼロとなる。

流体の移動がある場合には、流入する流体により上流側
の温度が下がり、下流側は温められた流体が移動してく
るため温度が上昇する。この結果第８図の破線で示す温
度分布となり、センサ用感温抵抗体１．１′の温度は等
しくなくなり、流量に対応するブリッジ出力が得られる
。

しかし、センサ用感温抵抗体１．１′の温度変化は、流
入する流体温度と、流体の移動がない場合の温度との差
に依存し、流入する流体の温度は一般に周囲の温度と等
しいため１周囲温度の変動により出力が変動するという
欠点があった。

この解決策として、センサ部を一定温度に保つという定
温度法（特開昭６１−１２８１２３号）が発明され、さ
らに一定温度に保たれたセンサ用感温抵抗体に流入する
電力をもとに演算を行い上記欠点を完全に克服する手法
（特開昭６２−１３１２０号）も発明された。演算を行
うために部品点数が増加するばかりでなく、例えば１５
０℃となる場合には、センサ用感温抵抗体の温度を１５
０℃以上の例えば２００℃とする必要があった。

このため、例えば室温から１５０℃の周囲温度で使用す
る場合、常にセンサ用感温抵抗体の温度を２００℃に保
つ必要があり、信頼性の低下が問題となる。また、周囲
温度の低い場合でも、センサ用抵抗体に多くの電力を加
えなければならず、消費電力が多く、部品の体積の増加
、信頼性の低下が問題となる。

従って、近年この点を解決する手法として、周囲温度と
、センサ用感温抵抗体との温度差を一定に保ち、不要に
電力を消費しない方式（特開平１−１５０８１７号）も
発明され、出力電圧の温度依存性は著しく改善された。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記の方式は、複雑な回路構成となり調整個所
も増加するため、広く用いられるには致ってない。

本発明の目的は、複雑な演算を行わずに簡単な回路構成
で、流体の質量流量を高速で測定する際に飛躍的に温度
特性を向上させた感熱型流量センサを提供するものであ
る。

〔問題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は流体の流路中に設
置され制御電流によって加熱される少なくとも２つ以上
のセンサ用感温抵抗体を服務流体の質量流量に対応した
出力を得る、感熱型流量センサの特性について詳細に検
討した。

すなわち本発明は、流体が流れる導管の上流側と下流側
に前記流体の温度に応じて抵抗値が変化する一対のヒー
タを設け、さらに前記一対のヒータの抵抗値が等しくな
る様にヒータの電源を制御する制御回路を設け、ヒータ
に加えられた電力から流体の流量を演算する演算回路を
設けたことを特徴とする感熱型流量計である。

本発明において、前記一対のヒータとその電源との対に
一対のスイッチング素子を設けることにより時分割法に
よって感熱型流量計を提供することができる。

従来、優れている技術と考えられる発明（特開昭６２−
１３１２０号）は、定温度法（特開平１−１５０８１７
号）および、定温度差法の２つである。これら２つの発
明は応答速度、温度特性に優れているものである。

これら２つの発明に共通して言えることは、−対のヒー
タにそれぞれ温度制御回路を有し１両者の温度、すなわ
ち抵抗値を等しくしていること、出力の流量信号を得る
ために、一対のヒータ間の電位差を測定していることで
ある。

本発明は、これらの特徴を生かしつつ、回路構成を簡単
にしたものである。

まず、一対の温度制御回路のかわりに一つの温度制御回
路を廃し、一対のヒータをスイッチを介して一つの温度
制御回路で時間的に分割して駆動した。

また、従来ヒータ間の電位差を測定していた増幅器を、
変化分を増幅する安価な交流増幅器に変更した。

さらに一対のヒータの温度を等しくする、すなわち、ヒ
ータの抵抗値を等しくする様、前記交流増幅器の入力電
圧を実質ゼロとする様、ヒータの通電時間を制御す′る
制御回路を設けた。

この結果、安定度の高い直流増幅器を使用する必要が無
くなり、言いかえればヒータを含んだ型でチョッパ増幅
器による負帰還回路を構成できたまた、通電時間を制御
することにより、流量に対応する出力を得るために行う
演算は、積分回路による電圧の平均化を行うことにより
容易に行え１時間を直接クロック信号のカウントにより
求めることも可能なため、コンピュータとのインターフ
ェースが容易になるという利点も得ることができた。

〔実施例〕

（実施例１） 第１図に本発明の一実施例を示す。

２つの感熱抵抗をＲｕ、Ｒｄとする。Ｒｕ。

ＲｄはスイッチＳ１を介して電流源に接続されている。

Ｒｕに接続されている期間をデユーティＤで表す、従っ
て、Ｒｄ側に接続されている期間は（１−Ｄ）となる。

ガスが流れていない時、Ｄ＝０．５となる。両方の抵抗
値はバランスが取れていると考えると、Ａ点には直流電
圧のみが現れ、交流会は存在しない、従って０点の電位
は０となり、Ｄの三角波と比較され、Ｅ点にはＤ＝０．
５の波形が出力される。もちろんその積分値であるＦも
０である。

ガスが流れると、Ｒｕの温度が下がる。Ａ点の電位はＳ
ｌがＵ側に倒れた時負となる交流信号が現れる。増幅さ
れた信号はＳｌと同期して動＜５２により同期検波され
信号Ｃを送る。従って、信号Ｃとして負の電圧が発生す
る。三角波と比較されたＥ点には、オンデユーテイが０
．５より大きな信号が現れ、Ｒｕに加える電力を増加さ
せる方向に働く。定常状態では利得Ａが大きいため、Ａ
点の交流電圧成分はほぼ０となり、ＲｕとＲｄの抵抗値
は等しくなる。

また、流量信号を得る演算については、特開昭６１−１
２８１２３号に示されている（１）式において、電流が
等しく、電力はＯＮ時間に比例することを考え（３）式
を得る。

ここでＧ及びＭｌは熱に関する定数である。

Ｐｌ：Ｐ２＝Ｖｕ−ｉｕ−Ｄ：Ｖｄ−１ｄ（１−Ｄ）　
　　　　（２） Ｖｕ、ｄ、ｉｕ、ｄはそれぞれ上流、下流抵抗の電圧電
流である。またｉ　ｕ＝ｉ　ｄ、Ｖｄ＝Ｖｕであるから
（３）式を得る。

この（３）式の演算は常に積分するということにより行
われたＦ点に流量出力を得ることができる。

この発明をヒータに流す電流を時分割することから時分
割法と呼ぶ、第１図では、ヒータの電源として電流源を
考えていた。このため周囲温度の上昇に伴いヒータ抵抗
値が増大し、ヒータ部の温度は周囲に対し差が開く傾向
を有し欠点となっていた。この欠点を無くすため、ここ
で第３図に示すように、スイッチＳ１を介しＲｕ、Ｒｄ
を接続する。この方法により、時分割法においても定温
度制御が可能となる。

さらに、定温度差制御について考える。同様に第３図に
おいて、Ｒ３（Ｒ１でも良い）として、ＲＵまたはＲｄ
と等しい感熱抵抗と、上昇温度に相当する感温抵抗の変
化文を固定抵抗として直列に接続し、第４図に示す様に
挿入することにより、定温度差制御を行うことも可能と
なる。

（実施例２） 第２図は、実施例の１に示したアナログ回路の１部をマ
イクロコンピュータでおきかえたものであり、増幅器の
入力交流振幅が最少になる様、Ｓｌ、Ｓｌを制御した。

ヒータの電源は、電圧源に変更し、増幅器出力の直流成
分により、ヒータの温度を検出し、ヒータ部が温度セン
サによって測定される周囲温度に比べ一定温度高くなる
様Ｓｌ、Ｓｌを制御した。出力にはディジタル出力とア
ナログ出力の両方に対応できる様Ｄ／Ａコンバータを設
けた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来複雑であった流量を求めるための
演算が、単にデユーティの平均化という簡単な回路で行
えた６また前出の（３）式において出力が流量に対して
直線性に優れていることが解った。このため従来高々窒
素ガスに対して１０ｃｃ／ｍｉｎ程度迄しか測定できな
かった流量計が同一のヒータを用い回路部の変更のみで
３０ｃｃ　／　ｍ　ｉ　ｎ迄使用できた。

さらに、増幅器に交流増幅器を用いることができたため
、ドリフトを気にせずに設計が行え、微少流量に対して
も費定に測定が行えた。

また本発明でヒータ部を定温度に保った場合、ヒータ部
の熱時定数の影響を小さくできるため応答速度が０．２
秒と高速になった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の１実施例を示す図である。 第２図は本発明の他の実施例を示す図である。 第３図、第４図はヒータ部の温度制御回路を示した図で
、それぞれ定温度、定温度差制御回路図である。 第５図、第６図はそれぞれ定温度法、定温度差法の従来
例を示す回路図である。 第７図、第８図は従来の流量計の原理説明図である。 第 図 疏 ３ 図 第 図 隼 図 埠 図 悴 図 第 図 位 置

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体が流れる導管の上流側と下流側に前記流体の
   温度に応じて抵抗値が変化する一対のヒータを設け、さ
   らに前記一対のヒータの抵抗値が等しくなる様にヒータ
   の電源を制御する制御回路を設け、ヒータに加えられた
   電力から流体の流量を演算する演算回路を設けたことを
   特徴とする感熱型流量計。
2. （２）請求項１において前記一対のヒータとその電源と
   の間に一対のスイッチング素子を設けたことを特徴とす
   る感熱型流量計。
3. （３）請求項２において一対のスイッチング素子の通電
   時間が、ヒータの温度制御回路により制御されたことを
   特徴とする感熱型流量計。
4. （４）請求項１〜３のいずれかの項においてヒータの温
   度を一定に保つ様に温度制御されたことを特徴とする感
   熱型流量計。
5. （５）請求項３において他に温度センサを設け、ヒータ
   の温度と温度センサとの温度差が一定となる様に温度制
   御されたことを特徴とする感熱型流量計。
6. （６）請求項１においてヒータの抵抗値を等しくする制
   御回路に、交流増幅器を用いたことを特徴とする感熱型
   流量計。
7. （７）請求項１または２においてヒータの抵抗値を等し
   くする制御回路は通電時間を制御していることを特徴と
   する感熱型流量計。
8. （８）請求項１〜７のいずれかの項において、流量を演
   算する演算回路にヒータ電力を通電時間から求め演算し
   たことを特徴とする感熱型流量計。
9. （９）請求項１〜８のいずれかの項において上記演算回
   路に積分回路または積算を設けたことを特徴とする感熱
   型流量計。