JPH10318813A - 流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体の温度や圧力並びに濃度などのパラメー
タの影響を受けず、たとえ係るパラメータが大きく変化
するような環境下であっても、高精度な流量計測を行う
ことのできる流量測定装置を提供すること 【解決手段】 同一特性の２つのフローセンサ１２，１
４を、両センサの設置位置での流体の流速が異なるよ
う、流れ方向に沿って所定の距離をおいて構造体１０上
に設置し、両センサの出力を差動増幅処理することによ
り、流体の温度や圧力並びに濃度などによる影響を互い
に打ち消させて、流速差のみに基づく出力を得る。そし
て、係る出力に基づいて流量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検知部の温度変化
を電気信号の変化として検出し、ガスや液体などの流量
を検出するフローセンサを用いた流量測定装置に関する
もので、より具体的には、温度等の流量以外の外的要因
の影響を除去するようにした装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の半導体フローセンサの一
例を示している。同図に示すように、所定位置に上下に
貫通する開口部を有する平面矩形状の基板１の上面にシ
ート状の絶縁膜２が形成され、この絶縁膜２により、開
口部が覆われ、下方が開口した凹部１ａとなる。つま
り、凹部１ａの上面に絶縁膜２の下面が露出される。ま
た、この絶縁膜２上に電熱器３が設けられている。係る
構成のフローセンサでは、電熱器３に通電するとその電
熱器３が発熱する。一方、センサ周辺に流体の流れが存
在すると、電熱器３に発生している熱が奪われ、電熱器
３の温度が低下し抵抗値が変化する。その変化から流速
等を求めるようになっている。なお、図中符合３ａは電
極端子であり、電熱器３の端部に導通している。そし
て、この電極端子が図外の信号処理回路に接続され、流
量を求めるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のフローセンサでは、以下に示す問題があった。
すなわち、図２に示すように通常流体の流速が変化する
につれてセンサ出力も変化する。しかし、センサ出力を
決定するパラメータは、流速以外に流体の圧力や濃度並
びに温度など様々なものがある。

【０００４】そして、係る流速以外のパラメータのセン
サ出力の影響の一例を示すと、基準状態が図２中Ａのよ
うな出力特性をとるとすると、基準状態から圧力や濃度
や温度が変わった場合には、同図中Ｂで示すように流速
が０の時のセンサ出力及び、流速に対する出力の変化率
が異なり、同じ流速であってもセンサ出力が異なる。

【０００５】従って、上記したような流速以外の流体の
パラメータが大きく変化する環境では、流量計測に誤差
を生じ、高精度な測定ができなくなる。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、流体の温度や圧力並びに濃度などのパラメータの影
響を受けず、たとえ係るパラメータが大きく変化するよ
うな環境下であっても、高精度な流量計測を行うことが
でき、さらに流体の流れ方向も検出することのできる流
量測定装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る流量測定装置では、構造体上に流
体の流れ方向軸上に所定の距離をおいて設置された同一
特性の２つのフローセンサと、前記２つのフローセンサ
の出力を差動増幅処理する処理手段と、その処理手段の
出力に基づいて流量を算出する演算手段とを備えて構成
した（請求項１）。

【０００８】ここで流れ方向軸上に所定の距離をおくと
は、流れ方向に沿った１つの直線を想定し、その直線に
投影された２つのフローセンサの位置の間の距離を所定
の値にすることをいう。

【０００９】このように構成すると、２つのフローセン
サの出力特性は同じなため、流速が同一とすると両フロ
ーセンサの出力は等しくなる。これは、温度等の流速以
外のパラメータが変動した場合であっても、具体的な出
力値は変動してもやはり２つのフローセンサの出力は同
一の値となる。換言すると、両フローセンサの出力が異
なるということは、その出力差は、両フローセンサの設
置位置における流体の流速が異なることを意味する。

【００１０】そこで、各フローセンサ設置位置での流体
の流れの大きさ（流速）が異なるように両フローセンサ
を流体の流れ方向軸上に所定の距離をおいて配置する。
すると、両フローセンサの出力の差分を増幅しているの
で、温度等の流速以外のパラメータによる影響がキャン
セルされ、増幅後の出力は流速差のみに基づく値とな
る。よって温度等の流速以外のパラメータが変動する場
合であっても両フローセンサの差分の出力を用いればそ
れらのパラメータの影響を受けずに流速を求めることが
でき、それにより高精度に流量を求めることができる。

【００１１】また、別の解決手段としては、同一の半導
体基板上に、流体の流れ方向軸上に所定の距離をおいて
設置された２つの電熱器を形成して構成されるフローセ
ンサと、前記フローセンサの２つの電熱器の出力を差動
増幅処理する処理手段と、その処理手段の出力に基づい
て流量を算出する演算手段とを備えて構成することもで
きる（請求項２）。

【００１２】請求項２のように構成すると、２つの電熱
器は、それぞれ個別のフローセンサを構成しているのと
等価となり、上記した請求項１の動作原理と同様に温度
等による影響を受けることなく流速・流量を求めること
ができる。

【００１３】そして、上記した各構成を前提とし、請求
項１に記載の２つのフローセンサの出力の大小関係また
は請求項２に記載の２つの電熱器の出力の大小関係に基
づいて、流体の流れの向きを検出する流れの向き検出手
段をさらに設けることもできる（請求項３）。

【００１４】なお、電熱器の出力とは、電熱器に定電流
を流した場合の電熱器両端電位差、電熱器両端に定電圧
をかけた場合の電熱器に流れる電流等、電熱器の抵抗値
を反映するような電気量をいう。

【００１５】流体の流れの上流側と下流側での電熱器の
出力の大小関係が固定の場合（通常は、上流側で流れが
乱れるため、流速が一旦遅くなり、徐々に増加して乱れ
る前の真の流速（入射流速）に近づく）には、大小関係
からどちらのフローセンサ（電熱器）が上流側にある
か、つまり、流体の流れの向きを検出することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図３は、本発明に係る流量測定装
置の第１の実施の形態を示している。同図に示すよう
に、構造体１０の上流側の端面１０ａの近傍に第１のフ
ローセンサ１２を設置し、その第１のフローセンサ１２
から流体の流れ方向軸上に所定の距離をおいて構造体１
０の上面に第２のフローセンサ１４を設けている。そし
て、第１，第２のフローセンサ１２，１４は、同一の出
力特性を有するものを用いている。つまり、流体の温
度，圧力，濃度等のセンサ出力に影響を与えるパラメー
タに対するセンサ出力特性が同じである。もちろん、流
速に対するセンサ出力特性も同じである。

【００１７】そして、各フローセンサ１２，１４の基本
的な構造は、従来と同様であり、矩形状のシリコン基板
１２ａ，１４ａの上面に絶縁膜１２ｂ，１４ｂを設けて
いる。シリコン基板１２ａ，１４ａには、その所定位置
に上下に貫通する貫通孔１２ｃ，１４ｃが設けられてお
り、その貫通孔１２ｃ，１４ｃに対面する絶縁膜１２
ｂ，１４ｂの上には例えば多結晶シリコンを適宜折れ曲
がった線状にパターニングして形成して電熱器１２ｄ，
１４ｄを構成する。また、この電熱器１２ｄ，１４ｄの
両端は、貫通孔１２ｃ，１４ｃ外のシリコン基板１２
ａ，１４ａの枠体部分にまで延長形成され、その端部が
端子部となる。

【００１８】この端子部に通電することにより、電熱器
１２ｄ，１４ｄを発熱させる。絶縁膜１２ｂ，１４ｂの
上面側に流れる流体は電熱器１２ｄ，１４ｄから熱を奪
い温度を低下させる。それに基づき電熱器１２ｄ，１４
ｄの抵抗値が変化する。また、端子部は、構造体１０の
上面に設けられた信号処理回路に接続され、その信号処
理回路にて上記の抵抗値の変化に基づいて前記流体の流
量を検出するようになっている。

【００１９】そして、構造体１０の上に設置する信号処
理回路としては、図４に示すように、前記２つのフロー
センサの出力を差動増幅処理する処理回路１６と、その
処理回路１６の出力に基づいて流量を求める演算回路１
８とを備えている。そして、処理回路１６は、加算器１
６ａと増幅器１６ｂとを備えている。

【００２０】一方、両フローセンサ１２，１４の設置位
置が異なることから、図３に示すように各フローセンサ
設置領域での流速が異なる。構造体１０は、当然のこと
ながら一定の厚みがあるので、流体にとっては障害物と
なる。従って、図３中実線の矢印で示すように、流れの
上流側に位置する構造体１０の端面１０ａに流体が突き
当たり、流れに乱れを生じ、係る乱れは下流側に行くに
従って解消され、十分な距離を経た後では乱れる前の真
の流れの大きさになる。よって、本形態のように、第１
のフローセンサ１２を構造体１０の上流側端面１０ａの
近傍に配置し、下流側に第２のフローセンサ１４を設け
た場合には、両フローセンサ１２，１４の設置位置での
流体の流れの大きさ（流速）は異なる。

【００２１】このように、両フローセンサ１２，１４の
設置位置の上方空間での流体の流れの大きさが、それぞ
れ異なるので、センサ出力も図５中実線で示すように異
なる。なお、図中横軸の流速は、検出対象の流体の求め
るべき真の流速である。そして、両フローセンサ１２，
１４の温度などに対する出力特性は同じにしているの
で、図示した出力の差はそのまま各フローセンサ１２，
１４のセンサの設置位置における実際の流速の差に起因
するものである。よって、両フローセンサ１２，１４の
出力を差動増幅して得られた処理回路１６の出力は、温
度などの流速以外のパラメータによる影響がキャンセル
されることになり、速度差のみに基づく値になる。

【００２２】一方、両フローセンサ１２，１４の離隔距
離は既知であり、構造体１０に突き当たる前の流体の真
の流速に対する各フローセンサ１２，１４における速
度、つまり速度差は一定の関係にある。従って、処理回
路１６の出力は速度差のみに基づく値であるので、係る
処理回路１６の出力から真の流速を求めることができ
る。そして係る処理をするのが演算回路１８であり、具
体的には、真の流速に対する速度差（出力回路の出力
値）を予め関連づけてテーブルに格納しておく。そし
て、出力回路１６から与えられた出力値に基づいてテー
ブルを参照し真の流速を抽出し、その値を出力するよう
にすることにより実現できる。もちろん、真の流速と処
理回路１６の出力値との関係が、演算式で対応づけられ
る場合には、係る演算式による演算を実行するようにし
てもよい。そして、流速に流路の断面積を掛けることに
より流量を求めることができる。

【００２３】図６は、本発明の第２の実施の形態の要部
を示している。同図に示すように本実施の形態では、上
記した第１の実施の形態と相違して、構造体１０の上に
は１個のフローセンサ２０を設けている。ここで本形態
では、フローセンサ２０の構造を従来のものと異ならせ
ている。つまり、大きなシリコン基板２１の上に、流体
の流れ方向軸上に所定の間隔をおいて２つの電熱器２
２，２４を設けている。そして、各電熱器２２，２４の
抵抗値をそれぞれ独立して測定可能としている。

【００２４】これにより、各電熱器２２，２４が、それ
ぞれフローセンサとしての機能を発揮することになり、
各電熱器２２，２４の上方を流れる流体の流速に応じて
抵抗値が変化する。さらに、各電熱器２２，２４におけ
る出力特性は、同一になるようにしている。

【００２５】図６に示すように、シリコン基板２１の上
流側の端面２１ａに流体が突き当たると、図中実線で示
すように流体の流れに乱れが生じ、それに伴い、流れの
大きさが変化し、しかもその大きさは流れが進むにつれ
て変化する。よって、流体の流れの向きに沿って所定の
間隔をおいて電熱器２２，２４を配置するようにすれ
ば、各部での流速を異ならせることができる。

【００２６】従って、本実施例では電熱器２２，２４の
設置位置における流速が異なるので、上記した第１の実
施の形態と同様に、各電熱器２２，２４の出力の差分を
取って増幅することにより温度などのパラメータの影響
をキャンセルさせ、速度差に基づく信号が出力される。
よって、係る出力に基づいて流速を求めることができ
る。なお、電熱器の出力に基づいて流速を求めるための
回路は、図４に示すものと同様のものを用いることがで
きる。

【００２７】図７は、本発明の第３の実施の形態を示し
ている。本実施の形態では、上記した第１の実施の形態
を基本とし、さらに流体の流れの向きも検知できるよう
にしたものである。すなわち、図から明らかなように、
流体の流れの向きが図７で右向きであるとすると、流れ
の上流側に位置する第１のフローセンサ１２の上方にお
ける流速ｂの方が、第２のフローセンサ１４の上方にお
ける流速ａよりも小さい。一方、逆に流体の流れの向き
が左向きであるとすると、流れの上流側に位置する第２
のフローセンサ１４の上方における流速ｂ′の方が、第
１のフローセンサ１２の上方における流速ａ′よりも小
さい。従って、第１，第２のフローセンサ１２，１４の
出力の大小を比較することにより、流れの方向を検出で
きる。つまり、出力の小さい方のフローセンサから大き
い方のフローセンサに向けて流体が流れていることにな
る。

【００２８】もちろん本形態でも、上記した第１の実施
の形態と同様に、両フローセンサ１２，１４の出力の差
分をとり、温度などの影響をキャンセルし、速度差から
流速を求めるようになっている。

【００２９】そして、両フローセンサの出力から流れの
向き並びに流速を求めるための装置としては、図４に示
す演算回路の中身を変更することにより対応できる。つ
まり、流速を求めるのは第１の実施の形態と同様に、テ
ーブル参照方式を組み込むことにより実現できる。さら
に、流れの向きの検出は、処理回路の出力の正負から判
断できる。つまり、処理回路１６は、第１のフローセン
サ１２の出力から第２のフローセンサ１４の出力を減算
する構成になっているため、その出力が正の場合には、
第１のフローセンサ１２の出力の方が大きいことを意味
するので、図７における左向きの流れであると判断でき
る。逆に処理回路１６の出力が負の場合には右向きの流
れであると判断できる。そして、係る流れの向きと流速
に関する情報を出力することになる。

【００３０】なお、流れの向きの判定は、上記したもの
に限ることはなく、例えば、処理回路とは別に両フロー
センサ１２，１４の出力をコンパレータに入力し、その
コンパレータにおいて大小を弁別することにより、流れ
の向きを検出するようにする等の他、各種の構成をとる
ことができる。

【００３１】また、具体的な図示は省略するが，このよ
うに流れの向きを検出する機能は、上記した第２の実施
の形態に対して適用することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る流量測定装
置では、同一特性の２つのフローセンサ等を用い、その
出力の差分をとるようにしたため、センサ出力に含まれ
る温度や圧力などのパラメータの影響をキャンセルする
ことができる。従って、パラメータが大きく変化するよ
うな環境下であっても、高精度な流量計測を行うことが
できる。そして、請求項３のように構成すると、両フロ
ーセンサ等の出力の大小関係を判別することにより、流
体の流れの向きも検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例を示す図である。

【図２】従来例の問題点を説明する図である。

【図３】本発明に係る流量測定装置の第１の実施の形態
を示す図である。

【図４】本発明に係る流量測定装置の第１の実施の形態
を示す図である。

【図５】動作原理を説明する図である。

【図６】本発明に係る流量測定装置の第２の実施の形態
を示す図である。

【図７】本発明に係る流量測定装置の第３の実施の形態
を示す図である。

【符号の説明】

１０ 構造体 １２ 第１のフローセンサ １４ 第２のフローセンサ １６ 処理回路 １８ 演算回路 ２０ フローセンサ ２１ シリコン基板 ２２，２４ 電熱器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邉 敬之 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 (72)発明者 中村 健一 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 根田 徳大 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造体上に流体の流れ方向軸上に所定の
   距離をおいて設置された同一特性の２つのフローセンサ
   と、 前記２つのフローセンサの出力を差動増幅処理する処理
   手段と、 その処理手段の出力に基づいて流量を算出する演算手段
   とを備えたことを特徴とする流量測定装置。
2. 【請求項２】 同一の半導体基板上に、流体の流れ方向
   軸上に所定の距離をおいて設置された２つの電熱器を形
   成して構成されるフローセンサと、 前記フローセンサの２つの電熱器の出力を差動増幅処理
   する処理手段と、 その処理手段の出力に基づいて流量を算出する演算手段
   とを備えたことを特徴とする流量測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の２つのフローセンサの
   出力の大小関係または請求項２に記載の２つの電熱器の
   出力の大小関係に基づいて、流体の流れの向きを検出す
   る流れの向き検出手段をさらに設けたことを特徴とする
   請求項１または２に記載の流量測定装置。