JPH05157603A - 流量計の流量補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流速センサの姿勢によらずに流速センサの出
力信号のみで自己の姿勢の違いによる流量誤差を除去
し、安定した気体流量の測定を可能にする。 【構成】 マイクロコンピュータ２５からの指示により
流速センサ１０のヒータエレメント４を間欠的にオン，
オフ制御し、自然対流の発生，停止を行うとともにヒー
タエレメント４のオフからオンに切り換わった直後に流
速センサ１０の上流側測温抵抗エレメント５および下流
側測温抵抗エレメント６の出力信号を差動アンプ２２に
入力し、マイクロコンピュータ２５から指示されるタイ
ミング時間ｔ１，ｔ２でサンプルホールド回路２３にて
この差動アンプ２２の出力データを捕らえてホールド
し、Ａ／Ｄ変換器２４によりディジタルデータに変換さ
れてマイクロコンピュータ２５に入力され、このマイク
ロコンピュータ２５ではヒータエレメント４の加熱の自
然対流による出力信号を演算し、流速センサ１０の出力
信号と自然対流による出力信号とから自然対流によらな
い適正な被測定流体の出力を算出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地面に対して垂直方向
に配置される管路内を流れる被測定流体の流量測定に適
用される流量計の流量補正方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に測定流体として例えば気体の流量
測定には、各種の流量計が提案されており、その１つと
して例えば特開昭６０−１４２２６８号公報には、その
流量センサとして半導体製造技術を用いて製作された熱
式流速センサが提案されている。

【０００３】この熱式流速センサは、図３に示すように
半導体基板１の表面にこの半導体基板１と熱的に絶縁す
る空間部２を介して薄膜状のダイアフラム構造３が形成
されており、このダイアフラム構造３の表面中央部には
ヒータエレメント４およびこのヒータエレメント４の両
側に熱感知用の測温抵抗エレメント５，６が形成されて
流速センサ１０が構成されている。

【０００４】このように構成される熱式流速センサ１０
は、図４に断面図で示すように管路１１内に水平方向に
取り付けて流量計を構成し、ヒータエレメント４に電流
を流して加熱し、気体の流れの中に置いたときに矢印方
向８から気体が流れると、上流側の測温抵抗エレメント
５は気体の流れによって冷却されて降温し、一方、下流
側の測温抵抗エレメント６は温度が上昇する。

【０００５】この結果、上流側の測温抵抗エレメント５
と下流側測温抵抗エレメント６との温度差が生じ、抵抗
値が変化する。このため、上流側の測温抵抗エレメント
５と下流側測温抵抗エレメント６とをホイートストンブ
リッジ回路に組み込み、その抵抗値の変化を電圧に変換
することにより、気体の流速に応じた電圧出力が得ら
れ、その結果、気体の流速を検出することができる。

【０００６】このように構成される流量計においては、
熱式流速センサ１０が前述したように水平方向に取り付
けられた場合には、ヒータエレメント４の加熱駆動によ
り、図４に示すように熱を帯びた流体は矢印Ａで示す上
方向に均一に上昇するするので、水平方向の取り付けに
よる測定誤差が生じることなく、極めて高い感度が得ら
れ、毎秒数ｍｍ程度の微少気体まで測定可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示すように管路１１を地面に対して垂直方向に配置し、
この管路１１内に流速センサ１０を、上流側の測温抵抗
エレメント５を上方向にして下流側測温抵抗エレメント
６を下方向に向けて垂直方向に取り付けるいわゆる垂直
取り付け構造とし、上方から下方向に向かって矢印方向
８で流れる気体の流量を測定しようとすると、ヒータエ
レメント４の発熱により流速センサ１０の近傍で気体の
自然対流が生じ、熱気を帯びた流体は軽くなって主に上
流側（矢印方向Ｂ）に上昇し、上流側測温抵抗エレメン
ト５の温度が高くなり、流速センサ１０の流量出力が負
方向にシフトする。

【０００８】また、図６に示すように上流側の測温抵抗
エレメント５を下方向に下流側測温抵抗エレメント６を
上方向に向けて垂直方向に取り付けるいわゆる垂直取り
付け構造とし、下方から上方向に向かって矢印方向８で
流れる気体の流量を測定しようとすると、ヒータエレメ
ント４により熱気を帯びた流体は軽くなって主に下流側
（矢印方向Ｃ）に上昇し、下流側測温抵抗エレメント６
の温度が高くなり、流速センサ１０の流量出力が正方向
にシフトする。

【０００９】このように同一の流速センサ１０でも取り
付け状態において、水平方向に取り付けた場合とは異な
り、流量測定に誤差が生じ、水平方向の取り付け状態と
出力特性が異なるという問題があつた。

【００１０】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、流
速センサの姿勢によらずに流速センサの出力信号のみで
自己の姿勢の違いによる流量誤差を除去し、安定した気
体流量の測定を可能にした流量計の流量補正方法を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、流速センサのヒータ加熱を間欠的に
オン，オフ制御するとともにヒータ加熱のオフからオン
に切り換わった直後の流速センサの出力信号の少なくと
も２点を計測し、この出力信号差からヒータ加熱の自然
対流による出力信号を演算し、流速センサの出力信号と
自然対流による出力信号とから自然対流によらない被測
定流体の流量を算出するようにしたものである。

【００１２】

【作用】本発明においては、ヒータの加熱を間欠的に駆
動し、自然対流の発生，停止を繰り返し、自然対流が発
生し始めるときの流速センサの出力信号を刻々と読みと
り、それらの複数のデータから自然対流のない状態の被
測定流体の流量が算出される。

【００１３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。流速センサ１０は極めて熱容量が小さいた
め、ヒータエレメント４の加熱をオフからオンにする
と、数ｍｓで定常状態に達する。一方、気体がヒータエ
レメント４の熱を受けて自然対流を生じ、一定値に達す
るまでには流速センサ１０よりも長い時間（１０ｍｓ以
上）を必要とする。

【００１４】ここで上流側測温抵抗エレメント５，下流
側測温抵抗エレメント６の出力信号をそれぞれＴｕ，Ｔ
ｄとし、ヒータエレメント４の加熱をオフからオンにし
たときの出力信号Ｔｕ，ＴｄからＴｄ−Ｔｕを計算し、
時間を追ってプロットすると、図１に示すようになる。
すなわち下流側測温抵抗エレメント６が上流側測温抵抗
エレメント５よりも上方にあるときは（図６の状態）、
図中「イ」で示す流速センサ出力信号（Ｔｄ−Ｔｕ）が
得られ、また、上流側測温抵抗エレメント５と下流側測
温抵抗エレメント６とが水平方向にあるときは（図４の
状態）、図中「ロ」で示す流速センサ出力信号が得ら
れ、さらに下流側測温抵抗エレメント６が上流側測温抵
抗エレメント５よりも下方にあるときは（図５の状
態）、図中「ハ」で示す流速センサ出力信号が得られ
る。

【００１５】ここで上流側測温抵抗エレメント５と下流
側測温抵抗エレメント６とが水平方向の取り付けではな
いときの流速センサ１０の出力信号Ｔｄ−Ｔｕ（これを
Ｘ_Bとする）と、上流側測温抵抗エレメント５と下流側
測温抵抗エレメント６とが水平方向の取り付けのときの
流速センサ１０の出力信号（これをＸ_A とする）との差
をＥとすると、この信号差Ｅは下記数１のように表せ
る。

【００１６】

【数１】

【００１７】なお、この式でＥ∞は時間ｔが無限大のと
きの信号差Ｅの値，τは自然対流発生の時定数を表す。
下流側測温抵抗エレメント６が上流側測温抵抗エレメン
ト５よりも上方にあるときはＥ∞は正となり、下方のと
きは負となる。

【００１８】流速センサ１０のヒータエレメント４がオ
ンとなり、流速センサ１０の動作が安定した後、２つの
時刻ｔ₁ ，ｔ₂ で流速センサ１０の出力信号Ｘ_B1および
出力信号Ｘ_B2を読みとる。これらの出力信号Ｘ_B1，Ｘ_B2
は下記数２，数３に示すように表せる。

【００１９】

【数２】

【００２０】

【数３】

【００２１】ここで上記２式の出力信号差を計算する
と、下記数４に示すようになる。

【００２２】

【数４】

【００２３】これらの式において、τ，ｔ₁ ，ｔ₂ が既
知であるので、右辺の括弧内は定数になり、下記数５に
示すようにＥ∞を求めることができる。なお、τは実験
データから求める。

【００２４】

【数５】

【００２５】したがってＥ∞を用いてＸ_A 、すなわち上
流側測温抵抗エレメント５および下流側測温抵抗エレメ
ント６が水平方向に配置されているときの流速センサ１
０の出力信号を、下記数６に示す式に時間ｔにｔ₁ また
はｔ₂ を、Ｘ_B にＸ_B1またはＸ_B2をそれぞれ代入するこ
とによって求めることができる。

【００２６】

【数６】

【００２７】ここで時間ｔ₁ ，ｔ₂ における流速センサ
１０の出力信号Ｘ_B1，Ｘ_B2のデータを読みとった後、ヒ
ータエレメント４をオフにし、自然対流を止める。その
後、再びヒータエレメント４をオンにし、前述した操作
を繰り返す。

【００２８】このように間欠的に測定を行っても１秒間
に１０回以上の測定が可能であり、測定対象の流速が頻
繁に変わらない限り十分に実用的な測定頻度で計測が可
能となる。つまり流速センサ１０は熱容量が小さいの
で、ヒータエレメント４が１秒間に何度もオン，オフ制
御が可能であり、頻繁に計測されることになる。

【００２９】図１は本発明による流量計の流量補正方法
の一実施例を説明する流量計の構成を示すブロック図で
ある。同図において、１０は前述したヒータエレメント
４およびこのヒータエレメント４を挟んで両側に配置さ
れた上流側測温抵抗エレメント５，下流側測温抵抗エレ
メント６が形成された流速センサ、２１はヒータエレメ
ント４の加熱をオン，オフ制御するヒータ駆動回路、２
２は上流側測温抵抗エレメント５の出力信号と下流側測
温抵抗エレメント６の出力信号との信号差をとる差動ア
ンプ、２３は差動アンプ２２の出力信号をホールドする
サンプルホールド回路、２４はサンプルホールド回路２
３の出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換
器、２５はヒータ駆動回路２１，サンプルホールド回路
２３およびＡ／Ｄ変換器２４などの動作を制御するマイ
クロコンピュータである。

【００３０】このように構成された流量計は、マイクロ
コンピュータ２５から指示により流速センサ１０のヒー
タエレメント４を間欠的にオン，オフ制御し、自然対流
の発生，停止を行うとともにヒータエレメント４のオフ
からオンに切り換わった直後に流速センサ１０の上流側
測温抵抗エレメント５および下流側測温抵抗エレメント
６の出力信号を差動アンプ２２に入力し、マイクロコン
ピュータ２５から指示されるタイミング時間ｔ₁，ｔ₂で
サンプルホールド回路２３にてこの差動アンプ２２の出
力データを捕らえてホールドし、Ａ／Ｄ変換器２４によ
りディジタルデータに変換されてマイクロコンピュータ
２５に入力され、このマイクロコンピュータ２５では前
述した演算処理を行い、流量値を出力する。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
流速センサの姿勢によらず被測定流体の流量測定が正確
に行えるという極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による流量計の流量補正方法を説明する
ための流速センサの各姿勢に対応する流速センサの出力
信号を示す図である。

【図２】本発明による流量計の流量補正方法に適用され
る流量計の構成を示すブロック図である。

【図３】本発明による流量計の流量補正方法に適用され
る流速センサの構成を示す平面図である。

【図４】水平方向に配置された管路内に流速センサが水
平方向に配置される構成を示す断面図である。

【図５】垂直方向に配置された管路内に流速センサが上
流側測温抵抗エレメントを上方に向けて配置される構成
を示す断面図である。

【図６】垂直方向に配置された管路内に流速センサが下
流側測温抵抗エレメントを上方に向けて配置される構成
を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 空間部 ３ ダイアフラム部 ４ ヒータエレメント ５ 上流側測温抵抗エレメント ６ 下流側測温抵抗エレメント ８ 矢印方向 １０ 流速センサ １１ 管路 ２１ ヒータ駆動回路 ２２ 差動アンプ ２３ サンプルホールド回路 ２４ Ａ／Ｄ変換器 ２５ マイクロコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 剛 神奈川県藤沢市川名一丁目12番２号 山武 ハネウエル株式会社藤沢工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地面に対して垂直方向に配置されかつ内
   部に被測定流体が流れる管路と、 ヒータおよびこのヒータを挟んで両側に配置された温度
   測定センサを有しかつ前記管路内に前記温度測定センサ
   側が被測定流体の流れる方向に向けて配置され前記管路
   内に流れる被測定流体の流速を測定する流速センサと、
   を備えた流量計において、 前記流速センサのヒータ加熱を間欠的にオン，オフ制御
   するとともに前記ヒータ加熱のオフからオンに切り換わ
   った直後の前記流速センサの出力信号の少なくとも２点
   を計測し、この出力信号差から前記ヒータ加熱の自然対
   流による出力信号を演算し、前記流速センサの出力信号
   と前記自然対流による出力信号とから自然対流によらな
   い被測定流体の流量を算出することを特徴とする流量計
   の流量補正方法。