JPH0854268A

JPH0854268A - 質量流量センサ

Info

Publication number: JPH0854268A
Application number: JP6214220A
Authority: JP
Inventors: Takashi Toda; 敬戸田; Kin Fukushima; 欣福島
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 1994-08-15
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【目的】管路に設けられたセンサに対する環境温度の
影響を可及的に少なくすることにより、精度の高い流量
測定を行うことができる質量流量センサを提供するこ
と。【構成】内部に流体Ｇが流れる管路１の表面にヒータ
２を設けるとともに、このヒータ２の上流側、下流側の
管路１の表面にそれぞれ第１温度センサ９と第２温度セ
ンサ１０を設けた質量流量センサにおいて、前記管路１
の第１温度センサ９の上流側および第２温度センサ１０
の下流側にそれぞれ放熱器３，４を設け、これらの放熱
器３，４の温度を常に一定温度に保持するように構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスや液体などの流
体を測定するためのマスフローメータまたは流体流量を
測定し流体流量を制御するマスフローコントローラに用
いられる質量流量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の質量流量センサにおいては、図５
に示すように、ガスや液体などの流体が流れるキャピラ
リなどの管路５１に抵抗温度係数の大きい線材を２個適
宜の間隔をおいて巻付け、センサコイル５２，５３とし
ている。これらのセンサコイル５２，５３でキャピラリ
５１を加熱した状態で、管路５１に例えばガスが流れる
と、上流側のセンサコイル５２はガス流に熱を奪われて
温度が下がり、下流側のセンサコイル５３はガス流によ
って運ばれる前記熱によって加熱され、温度が上昇す
る。この結果、上流側センサコイル５２と下流側とセン
サコイル５３との間で温度差が生じ、これを抵抗差とし
てブリッジ回路で増幅して流量を表す出力信号としてい
る。

【０００３】ところで、前記センサの駆動には、一般に
以下のような手法が採用されている。すなわち、１）定電流方式：前記センサコイル５２，５３を組み込
んだブリッジ回路に一定の電流が流れるように制御す
る。このとき、上流側センサコイル５２と下流側のセン
サコイル５３の抵抗値が変化することによりブリッジ回
路の出力が変化する。２）定温度方式：上流側のセンサコイル５２、下流側の
センサコイル５３をそれぞれ別の回路で一定温度（一定
抵抗値）となるように制御し、そのときに消費される電
力の差に基づいて流量を求める。３）３個のセンサコイルを用い、真ん中のセンサコイル
で管路を加熱し、両側（上流側、下流側）のセンサコイ
ルで管路の温度をそれぞれ測定し、上流側のセンサコイ
ルと下流側のセンサコイルとの抵抗差をブリッジ回路で
増幅する。

【０００４】しかしながら、上記１）〜３）のいずれの
駆動方法においても、加熱部分からある程度距離をおい
た部分で熱を逃がしてやらねば、感度が出なかったり応
答速度が遅くなってしまう。そこで、図５に示すよう
に、センサコイル５２，５３の両側を結ぶようにして放
熱体５４が設けられている。この放熱体５４は、その両
脚部５４ａ、５４ｂをセンサコイル５２，５３の上流側
および下流側において管路５１を挟持し、かつ、管路５
１を挿通保持するベースブロック５５に載置された保持
部材５６によって保持されるようにして設けられる。ま
た、５７は放熱体５４と保持部材５６との間の空間でか
つ二つのセンサコイル５２，５３の周囲に設けられるガ
ラス繊維や綿などの断熱材である。なお、５８はベース
ブロック５５の上部に設けられる部材を覆う金属または
樹脂製のカバー体、５９，６０はベースブロック５５に
埋設される温度補償用ダイオード、温度補償用サーミス
タである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の質量流量センサには次のような問題点があった。ま
ず、前記放熱体５４の温度は、環境温度にほぼ等しく、
環境温度に依存する。したがって、管路５１に設けられ
た二つのセンサコイル５２，５３の温度プロファイルは
環境温度によって異なる。図６は、二つのセンサコイル
５２，５３を拡大して示すとともに、それらにおける温
度分布を示したものである。すなわち、曲線Ａ，Ｂは、
定電流方式でセンサコイル５２，５３に電流を供給した
ときにおけるセンサコイル５２，５３の各部における温
度状態をプロットしたものであり、曲線Ａは環境温度が
２５℃、曲線Ｂは環境温度が４５℃の場合をそれぞれ示
す。このように、従来の質量流量センサにおいては、放
熱体５４を設けているが、環境温度の影響を大きく受け
ている。

【０００６】そして、従来の質量流量センサにおいて
は、前記センサコイル５２，５３をブリッジ回路に組み
込んでいるが、このブリッジ回路のゼロ点（ガス流量ゼ
ロのときの出力）がどんな環境温度においても一定であ
るためには、センサコイル５２，５３における抵抗値並
びに抵抗温度係数が全く等しい値になっていることが必
要である。しかしながら、センサコイル５２，５３にお
ける抵抗温度係数を合わせ込むのは実質的には不可能で
あり、また、抵抗値を合わせ込むにも多大な熟練と手間
が必要である。

【０００７】また、二つのセンサコイル５２，５３の周
囲には、断熱材５７が設けられているが、この断熱材５
７の詰め方によって放熱状態が温度によって異なり、温
度影響を増大する要因となっており、したがって、この
断熱材５７の詰め方にも熟練や相当の手間が必要であっ
た。

【０００８】また、回路上でも、温度影響の補正を行う
必要があり、ダイオード５９やサーミスタ６０などによ
ってゼロ点の補正やスパンの補正が必要となり、その結
果、回路構成が複雑になるだけでなく、前記ダイオード
５９やサーミスタ６０をベースブロック５５に埋設しな
ければならず、組立工程がそれだけ複雑化するといった
問題があった。

【０００９】さらに、質量流量センサにおいては、一般
に、ガス種によって流量出力が異なるので、これをコン
バージョンファクタ（Ｃ．Ｆ．）を用いて補正してい
る。ここで、Ｃ．Ｆ．は、次式で定義される。Ｃ．Ｆ．＝Ｑ_R／Ｑ_N2 但し、Ｑ_N2：窒素ガスの流量Ｑ_R：ガスＲを窒素ガスをＱ_N2だけ流したときと同じ出
力が出るときの流量

【００１０】ところが、前記Ｃ．Ｆ．は、ガスの比熱や
熱伝導率によって決まる値であるが、これらの物性自身
がおんどによって変化する。したがって、従来の質量流
量センサにおいては、Ｃ．Ｆ．に誤差が生じてしまうと
いった不都合があった。

【００１１】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、管路に設けられたセンサに対する環境温度の
影響を可及的に少なくすることにより、精度の高い流量
測定を行うことができる質量流量センサを提供すること
を目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、内部に流体が流れる管路の表面にヒ
ータを設けるとともに、このヒータの上流側、下流側の
管路の表面にそれぞれ第１温度センサと第２温度センサ
を設けた質量流量センサにおいて、前記管路の第１温度
センサの上流側および第２温度センサの下流側にそれぞ
れ放熱器を設け、これらの放熱器の温度を常に一定温度
に保持するように構成している。

【００１３】また、この発明では、内部に流体が流れる
管路の外周部に適宜の間隔をおいて二つのセンサコイル
を巻設した質量流量センサにおいて、前記管路における
上流側のセンサコイルの上流側および下流側のセンサコ
イルの下流側にそれぞれ放熱器を設け、これらの放熱器
の温度を常に一定温度に保持するように構成している。

【００１４】

【作用】この発明においては、放熱器を温調するように
しているので、管路の温度プロファイルが環境温度に依
存しなくなり、したがって、環境温度による影響が大幅
に低減される。そして、各センサの温度は、環境温度に
依存しないので、上流側センサと下流側のセンサとにお
ける差が厳格に効くことがなく、したがって、上流側と
下流側とのセンサにおける抵抗値の差によるブリッジ回
路のアンバランスは、ブリッジ回路に組み込まれる可変
抵抗によって修正することができ、それだけ、センサの
抵抗値に厳格な精度が必要でなくなる。その結果、従来
に比べて１０倍以上も規格を緩やかに広げることがで
き、製造が容易になり、歩留りも大幅に向上する。そし
て、放熱器を温調することにより、温度バランスの悪い
センサであっても環境温度の影響をなくすことができ
る。

【００１５】また、従来方法では、センサの製造におけ
るバラツキによる温度影響をなくすことができても、本
質的にガスの物性変化によって環境温度とともに出力が
変化し、特にスパンは環境温度２０℃の変化で１０％も
変化してしまう。この発明においては、常に一定の特性
が得られるので、電気的に補正を行う必要がない。

【００１６】さらに、温度よって異なる値を持つＣ．
Ｆ．も常に一定の値となるので、多種のガスを１台のマ
スフローコントローラで制御する場合の制御性能が一段
と向上する。なお、温調にサーミスタを使用した場合、
温調の駆動回路が不要になる。

【００１７】

【実施例】図１は、この発明の第１実施例の質量流量セ
ンサの一例を示すものである。すなわち、図１におい
て、１は内部にガスＧが流れる管路で、断面形状が例え
ば角形のキャピラリからなり、その一方の面（図示例で
は下面）には例えばキューリ点の高いサーミスタよりな
る加熱ヒータ２が貼り付けられている。３，４はこの加
熱ヒータ２を中心にしてキャピラリ１の上流側および下
流側に互いに対称の位置に設けられる放熱器である。
５，６は放熱器３，４にそれぞれ設けられるサーミスタ
で、前記加熱ヒータ２を構成するサーミスタより比較的
キューリ点が低く、個々に温度制御されるように構成さ
れている。各サーミスタ２，５，６は、アルミナなど熱
伝導性に優れた絶縁物７を介してキャピラリ１の表面に
固着されているとともに、キャピラリ１との良好な熱コ
ンタクトを得るため、熱伝導性シリコンなど熱伝導性の
良好な材料によってモールド部８が形成されている。

【００１８】９，１０は加熱ヒータ２を中心にしてキャ
ピラリ１の上流側および下流側に互いに対称の位置、か
つ、加熱ヒータ２と上流側の放熱器５、加熱ヒータ２と
下流側の放熱器６との間に設けられる第１温度センサ、
第２温度センサで、例えばチップタイプのサーミスタよ
りなり、ガス流によって温度が最も変化する部分に配置
されている。また、１１は第１温度センサ９の上流側の
キャピラリ１の表面に貼り付けられる温度センサで、例
えばチップタイプのサーミスタ（以下、第３温度センサ
という）で、キャピラリ１内のガスＧの温度を測定する
ものである。これらの温度センサ９〜１１は、シリコン
やアルミナからなるチップ上に、ニッケル、アルミニウ
ム、白金などの抵抗温度係数の大きい金属を蒸着あるい
はスクリーン印刷したり、これらの金属箔を貼り付ける
などして作成された金属膜をパターニングして抵抗体に
構成されている。

【００１９】なお、図示は省略しているが、前記加熱ヒ
ータ２、温度センサ９〜１１は、キャピラリ１の近傍に
配置されたセラッミク基板に金線を介してワイヤーボン
ディングされている。

【００２０】上述のように構成された質量流量センサに
おいては、第１温度センサ９における温度と第２温度セ
ンサ１０における温度との平均値が第３温度センサ１１
の温度より常に一定温度だけ高くなるように加熱ヒータ
２を加熱し、キャピラリ１内を流れるガスＧの流量がゼ
ロのときの第１温度センサ９、第２温度センサ１０の抵
抗値をそれぞれＲｕ₀、Ｒｄ₀とし、ガスＧがながれて
いるときの第１温度センサ９、第２温度センサ１０の抵
抗値をそれぞれＲｕ、Ｒｄとするとき、｛（Ｒｕ−Ｒｄ）−（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）｝×ｆ（Ｒｕ−
Ｒｄ）なる式に基づいて、キャピラリ１内を流れるガスＧの質
量流量が求められる。

【００２１】すなわち、まず、調整時にガス流量ゼロの
状態で加熱ヒータ２に通電を行って、このときの第１温
度センサ９および第２温度センサ１０の出力を例えばマ
イクロコンピュータ（図示してない）に記憶しておき、
これら温度センサ９，１０の温度との検量線を得る。次
に、ガスＧが流れている状態において、温度センサ９，
１０における温度の平均値が第３温度センサ１１によっ
て検出されるガス温度より一定温度だけ高くなるよう
に、加熱ヒータ２に電力を供給する。このときにおける
第１温度センサ９および第２温度センサ１０の出力差と
前記検量線とを用いることにより、ガス流量を得ること
ができるのである。なお、このような測定原理の詳細
は、この出願人の先願「流量センサ」（特願平６−５８
１９９号）に詳細に説明されているところである。

【００２２】そして、上記構成の質量流量センサにおい
ては、放熱器３，４の温度が質量流量センサの使用環境
温度範囲の上限より少し高くなるように設定され、放熱
器３，４の中間位置に設けられる加熱ヒータ２の温度が
放熱器３，４のそれよりも数１０℃高い温度になるよう
に設定するのがよい。

【００２３】上述のように、放熱器３，４部分を常に一
定の温度に保持することにより、キャピラリ１の温度プ
ロファイルが環境温度に依存しなくなり、したがって、
環境温度による出力の変動がきわめて小さくなり、精度
の高い測定が可能になる。また、ガス種による補正係数
であるところのＣ．Ｆ．の値も一定になる。

【００２４】さらに、上述の実施例においては、放熱器
３，４をサーミスタ５，６で温調するようにしているの
で、放熱器３，４の温調回路を設ける必要がない。ま
た、上述の実施例においては、放熱器３，４が互いに独
立して温度制御されるように構成されているので、加熱
部の熱容量が小さくて済み、それだけ消費電力が少なく
て済むが、これに代えて、放熱器を図２に示すように、
ループ状の放熱器１２とし、これを一つのサーミスタで
温度制御するようにしてもよい。このようにした場合、
放熱器１２が一体的に温度制御され、より高い精度で温
度を制御できるといった利点がある。

【００２５】そして、この発明は、上述した傍熱タイプ
の質量流量センサのみならず、二つのセンサコイルを巻
設した質量流量センサにも適用できる。図３は、この発
明の第２実施例の質量流量センサの一例を示すものであ
る。すなわち、この図３において、１３，１４は互いに
独立してそれぞれキャピラリ１に巻設されるセンサコイ
ルで、上流側のセンサコイル１３の上流側に上流側の放
熱器３が、また、下流側のセンサコイル１４の下流側に
下流側の放熱器４がそれぞれ設けられる。

【００２６】そして、この質量流量センサにおいては、
例えば定電流方式で制御される。すなわち、センサコイ
ル１３，１４を組み込んだブリッジ回路（図示してな
い）に一定の電流が流れるように制御されるように構成
されている。図４は、この実施例における質量流量セン
サの温度プロファイルを示す図である。この図から理解
されるように、環境温度を代えても温度プロファイルは
変化しない。すなわち、センサの出力が温度影響を受け
にくいことを示している。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の質量流
量センサにおいては、放熱器部分の温度を常に一定にな
るように保持するようにしているので、管路の温度プロ
ファイルが環境温度に依存しなくなる。したがって、環
境温度による出力の変動がきわめて小さくなるととも
に、コンバーションファクタの値も一定になるところか
ら、精度の高い流量測定を行うことができる。

【００２８】そして、前記質量流量センサにおいては、
温度センサやセンサコイルなどの抵抗値を厳密に管理す
る必要がなくなるので、その製作が容易になるといった
実用的効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の質量流量センサの一例を示すもの
で、（Ａ）は要部平面図、（Ｂ）は要部縦断面図であ
る。

【図２】放熱器の実施態様を示す斜視図である。

【図３】第２実施例の質量流量センサの一例を示すもの
で、（Ａ）は要部平面図、（Ｂ）は要部縦断面図であ
る。

【図４】前記質量流量センサの温度プロファイルを巻線
とともに示す図である。

【図５】従来の質量流量センサを示す図である。

【図６】従来の質量流量センサの温度プロファイルを巻
線とともに示す図である。

【符号の説明】１…管路、２…ヒータ、３，４…放熱器、８…第１温度
センサ、９…第２温度センサ、１３，１４…センサコイ
ル、Ｇ…流体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に流体が流れる管路の表面にヒータ
を設けるとともに、このヒータの上流側、下流側の管路
の表面にそれぞれ第１温度センサと第２温度センサを設
けた質量流量センサにおいて、前記管路の第１温度セン
サの上流側および第２温度センサの下流側にそれぞれ放
熱器を設け、これらの放熱器の温度を常に一定温度に保
持するように構成したことを特徴とする質量流量セン
サ。
【請求項２】内部に流体が流れる管路の外周部に適宜
の間隔をおいて二つのセンサコイルを巻設した質量流量
センサにおいて、前記管路における上流側のセンサコイ
ルの上流側および下流側のセンサコイルの下流側にそれ
ぞれ放熱器を設け、これらの放熱器の温度を常に一定温
度に保持するように構成したことを特徴とする質量流量
センサ。