JPH11271124A - 流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 逆流時にも、ハードウェア量を増大させるこ
と無く正値の範囲でデジタル電圧値への変換を可能と
し、装置の消費電力、サイズおよびコストを抑制しつ
つ、正流および逆流の双方について流量計測を可能とし
た流量計測装置を提供する。 【解決手段】 ヒータ２１１の下流および上流にそれぞ
れ下流側温度センサ２１３および上流側温度センサ２１
２を備えた流量センサ１０１を用いて流量を計測する場
合、差動増幅器１０３により下流側温度センサ２１３の
出力ＳＴｄから上流側温度センサ２１２の出力ＳＴｕの
差分をとって増幅し、加算回路１０４により差動増幅器
１０３の出力ＤＡｏにオフセット電圧Ｖｏｓを加算し、
サンプルホールド回路１０５でサンプルホールドした値
をＡ／Ｄ変換器１０６によってデジタル値に変換後、演
算部１０７によって該デジタル値に基づく流量値Ｑを算
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータおよび温度
センサを用いて流量を求める流量計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流量計測装置としては、例えば図
６に示すようなものがある。本従来例の流量計測装置
は、特公平７−３３５４号公報の「ゼロ点補正回路」に
おいて開示されているものである。なお、本従来例で使
用する流量センサは、特開昭６１−８８５３２号公報に
より公知であって、半導体チップの上面中央部にくくり
つけられたブリッジの表面にヒータ抵抗ＲＨと、これを
挟んで測温抵抗体ＲＵおよびＲＤが設けられた構造で、
図６中では、マイクロブリッジＭＢとして表記されてい
る。

【０００３】本従来例では、このような流量センサを流
体の流れの中に置き、測温抵抗体ＲＵおよびＲＤがそれ
ぞれ該流れの上流および下流位置となるような姿勢を与
えて、ヒータ回路６０１によりヒータ抵抗ＲＨを通電し
て加熱する。流体の流れによって上流側の測温抵抗体Ｒ
Ｕは冷却されるが、他方、ヒータ抵抗ＲＨの加熱が開始
されると発生した熱は流体を媒体として伝達されるの
で、下流側の測温抵抗体ＲＤは加熱されて、両者間には
流量に応じた温度差が生じることとなる。

【０００４】またこの時、測温抵抗体ＲＵおよびＲＤは
それぞれの周囲の流体温度に応じた抵抗値を持ち、上流
側の測温抵抗体ＲＵは電位＋Ｖ１および電位−Ｖ１間に
抵抗器Ｒ１１と直列接続され、下流側の測温低抗体ＲＤ
は電位＋Ｖ１および電位−Ｖ１間に抵抗器Ｒ１２と直列
接続されて、これらによってブリッジ回路が構成されて
いる。したがって、上流側の測温抵抗体ＲＵおよび下流
側の測温抵抗体ＲＤ間に生じた温度差は、該ブリッジ回
路の電位差として取り出される。

【０００５】取り出された電位差は、３個のオペアンプ
ＡＭＰ４〜ＡＭＰ６、抵抗器Ｒ１４〜Ｒ１９および可変
抵抗器ＶＲ２を備えて構成される差動増幅器（インスツ
ルメンテーション・アンプ）に供給され、差動増幅され
る。すなわち、下流側の測温低抗体ＲＤの一端に発生す
る電位の方が上流側の測温抵抗体ＲＵの一端に発生する
電位よりも大きく、差動増幅器では、下流側の測温低抗
体ＲＤの一端に発生する電位から上流側の測温抵抗体Ｒ
Ｕの一端に発生する電位を差し引いた差分電位を増幅す
る。

【０００６】次に、差動増幅された差分電圧は、Ａ／Ｄ
変換器６０２によりデジタル電圧値に変換された後、演
算装置６０３により該デジタル電圧値のピーク電圧が検
出されて、流量値が算出される。例えば、差分電圧値
（ピーク電圧）と流量値との関係を表す回帰関数（多項
式で表される）に得られた差分電圧（ピーク電圧）を代
入することにより、流量値を算出することができる。

【０００７】さらに、ＰＲＯＭ６０４は、算出された流
量値のゼロ点補正を行うためのデータを保持するもの
で、演算装置６０３では、算出された流量値に該ゼロ点
補正値を加えて最終的な流量値を出力する。なお、ゼロ
点補正は、周囲温度の変化によってマイクロブリッジＭ
Ｂのバランスが崩れたとき、或いは、増幅器にオフセッ
ト電圧が生じたときに発生するゼロ点変動を補正するも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
流量計測装置にあっては、流量センサを流れの中に置
き、測温抵抗体ＲＵおよびＲＤがそれぞれ流れの上流お
よび下流位置となるように設置して、流体の流れの方向
および測温抵抗体ＲＵおよびＲＤの位置関係に応じて差
動増幅器により差分電位の増幅を行うが、流れが逆とな
った場合には、差動増幅器の出力電圧がマイナスとなっ
て、正値を想定して構成されているＡ／Ｄ変換器６０２
によっては正確なデジタル電圧値への変換ができず、流
量を計測することができないという問題点があった。

【０００９】また、Ａ／Ｄ変換器６０２の構成を正値お
よび負値の入力に対応できるようにするには、別に負電
圧出力の電源が必要であり、また変換の電圧範囲が広が
ることからＡ／Ｄ変換器自体の回路規模が増大し、また
消費電力も増大してしまい、結果として流量計測装置の
小型化を阻むと共に、装置コストを上昇させるという事
情もあった。

【００１０】本発明の目的は、上記従来の事情を解決す
ることにあり、ヒータの下流および上流に温度センサを
備えた流量センサを用いて流量を計測する際に、逆流時
にも、ハードウェア量を増大させること無く正値の範囲
でデジタル電圧値への変換を可能とし、装置の消費電
力、サイズおよびコストを抑制しつつ、正流および逆流
の双方について流量計測を可能とした流量計測装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明の流量計測装置は、ヒータと、前記ヒータの
下流側に設置された下流側温度センサと、前記ヒータの
上流側に設置された上流側温度センサとを備えた流量セ
ンサと、前記下流側温度センサおよび前記上流側温度セ
ンサのそれぞれの出力の差をとる差分手段と、前記差分
手段の差出力に所定値を加算する加算手段と、前記加算
手段による加算結果をデジタル値に変換する変換手段
と、前記変換手段による変換結果に基づいて流量を算出
する演算手段とを備えたものである。

【００１２】本発明に係る流量計測装置では、ヒータの
下流および上流にそれぞれ下流側温度センサおよび上流
側温度センサを備えた流量センサを用いて流量を計測す
る際に、差分手段によって下流側温度センサおよび上流
側温度センサのそれぞれの出力の差をとり、加算手段に
よって差分手段の差出力に所定値を加算した後、変換手
段によって該加算結果をデジタル値に変換し、さらに演
算手段によって該変換結果に基づき流量を算出する。

【００１３】このように、下流側温度センサおよび上流
側温度センサの出力の差分に所定値を加算してデジタル
変換するので、下流側温度センサおよび上流側温度セン
サの出力の差分がマイナスとなっても、変換手段の入力
を正値の範囲に設定することが可能となり、逆流時に
も、ハードウェア量を増大させること無く正値の範囲で
デジタル変換を行うことができ、変換手段をＡ／Ｄ変換
器とした場合に、従来のように、別に負電圧出力の電源
を必要とすることなく、また変換の電圧範囲を広げるこ
となく構成することができ、結果として、装置の消費電
力、サイズおよびコストを抑制しつつ、正流および逆流
の双方について流量計測を可能とした流量計測装置を実
現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る流量計測装置
の実施の形態について、図１乃至図５を参照して詳細に
説明する。ここで、図１は本発明の一実施形態に係る流
量計測装置の回路構成図、図２は実施形態における流量
センサの上流側温度センサおよび下流側温度センサにつ
いて相対的な設置関係を説明する説明図、図３は流体が
正流方向に流れる場合の各部信号の電圧波形を例示する
タイムチャート、図４は流体が逆流方向に流れる場合の
各部信号の電圧波形を例示するタイムチャート、図５は
実施形態の流量計測装置の適用例を例示する説明図であ
る。

【００１５】まず、本実施形態の流量計測装置の構成に
ついて、図１を参照して説明すると、本実施形態の流量
計測装置は、流量センサ１０１、ヒータ駆動回路１０
２、差動増幅器（差分手段）１０３、加算回路（加算手
段）１０４、サンプルホールド回路１０５、Ａ／Ｄ変換
器（変換手段）１０６および演算部（演算手段）１０７
を備えて構成されている。また、図２において、流量セ
ンサ１０１は、ヒータ２１１、上流側温度センサ２１２
および下流側温度センサ２１３を備えた構成である。

【００１６】図２に示すように、本実施形態で使用する
流量センサ１０１は、被測定対象である流体の流れの中
に置かれ、同図中の流体の流れ方向を正流とするとき、
ヒータ２１１を挟んで上流側温度センサ２１２は流れの
上流側に、また下流側温度センサ２１３は流れの下流側
にそれぞれ設置されている。ヒータ２１１は、マイクロ
ヒータ等から構成され、ヒータ駆動回路１０２が出力す
るヒータ駆動信号ＨＤＰによって駆動制御されている。

【００１７】すなわち、ヒータ駆動信号ＨＤＰによって
ヒータ２１１に電流が通電されると、ヒータ２１１は熱
を発生する。そして、該発生した熱は流体を媒体として
上流側温度センサ２１２および下流側温度センサ２１３
に伝達されるが、流体は上流から下流に流れているの
で、上流側温度センサ２１２および下流側温度センサ２
１３間には流体の流量に応じた温度差が生じることとな
る。また、上流側温度センサ２１２および下流側温度セ
ンサ２１３は、例えばサーモパイルから構成され、冷接
点と温接点との熱起電力の差および熱容量の差からそれ
ぞれの周囲の流体温度を電圧として感知するので、上流
側温度センサ出力ＳＴｕおよび下流側温度センサ出力Ｓ
Ｔｄはそれぞれ周囲の流体温度に応じた電位レベルを出
力して、両者間には流体の流量に応じた電位差が発生す
ることとなる。

【００１８】上流側温度センサ出力ＳＴｕおよび下流側
温度センサ出力ＳＴｄは処理回路２０１に供給され、処
理回路２０１において両者の電位差をとって流体の流量
値Ｑが求められるが、この処理回路２０１は、図１に示
した差動増幅器１０３、加算回路１０４、サンプルホー
ルド回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６および演算部１０
７によって構成されている。

【００１９】差動増幅器１０３は、オペアンプＡＭＰ１
および抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を備えて構成され、上流側温度
センサ出力ＳＴｕおよび下流側温度センサ出力ＳＴｄ間
の電位の差分をとって、該電位差を増幅した信号ＤＡｏ
を出力する。また、加算回路１０４は、オペアンプＡＭ
Ｐ２、可変抵抗器ＶＲ１および抵抗器Ｒ５〜Ｒ８を備え
て構成され、増幅された電位差信号ＤＡｏに、０［Ｖ］
から電源電位Ｖｃｃの範囲内で可変抵抗器ＶＲ１の値に
よって決定されるオフセット電圧を加算し、信号ＯＡＤ
を出力する。

【００２０】また、サンプルホールド回路１０５は、ス
イッチＳＷ１、抵抗器Ｒ９およびコンデンサＣ１を備え
て、オフセット電圧を加算した電位差信号ＯＡＤをスイ
ッチＳＷ１を開閉制御するタイミング信号によってサン
プリングし、ホールドした該サンプリング信号をバッフ
ァ（オペアンプＡＭＰ３）を介して出力する。なお、タ
イミング信号は、ヒータ駆動信号ＨＤＰに同期した信号
とし、ヒータ２１１の駆動開始から所定時間後にスイッ
チＳＷ１を一定時間閉じるように構成するのが望まし
い。

【００２１】さらに、サンプルホールドされたアナログ
電圧信号ＳＨｏは、Ａ／Ｄ変換器１０６によってデジタ
ル電圧値に変換された後、演算部１０７において、該デ
ジタル電圧値に基づき流量値Ｑが算出される。例えば、
差分電圧値と流量値Ｑとの関係を表す回帰関数（多項式
で表される）を予め保持しておき、差分電圧値として得
られたデジタル電圧値を代入することにより、流量値Ｑ
を算出することができる。

【００２２】次に、以上のような構成の流量計測装置に
おける流量計測の動作を、図３および図４のタイムチャ
ートを参照して説明する。なお、図３は流体が正流方向
に流れる場合の各部信号の電圧波形を、図４は流体が逆
流方向に流れる場合の各部信号の電圧波形をそれぞれ例
示するが、（ａ）はヒータ駆動信号ＨＤＰを、（ｂ）は
上流側温度センサ２１２の出力ＳＴｕを、（ｃ）は下流
側温度センサ２１３の出力ＳＴｄを、（ｄ）は差動増幅
器１０３の出力ＤＡｏを、（ｅ）は加算回路１０４の出
力ＯＡＤを、（ｆ）はサンプルホールド回路１０５の出
力ＳＨｏをそれぞれ示している。

【００２３】まず、図３を参照して、流体が正流方向に
流れている場合の流量計測の動作を説明する。図３
（ａ）に示すように、ヒータ駆動信号ＨＤＰが所定時間
活性化され、ヒータ２１１に電流が通電されると、ヒー
タ２１１は熱を発生する。これによって、上流側温度セ
ンサ出力ＳＴｕおよび下流側温度センサ出力ＳＴｄは、
それぞれ図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、下流側
温度センサ出力ＳＴｄが上流側温度センサ出力ＳＴｕよ
りも高い電位レベルを持つように現れる。

【００２４】ここで、これら両出力ＳＴｕおよびＳＴｄ
の差（電位差）は流体の流量を反映した値となってお
り、差動増幅器１０３により、下流側温度センサ出力Ｓ
Ｔｄから上流側温度センサ出力ＳＴｕを差し引いた差分
がとられ、増幅されて、図３（ｄ）に示すような差動増
幅器出力ＤＡｏを得る。次に、加算回路１０４では、差
動増幅器出力ＤＡｏに可変抵抗器ＶＲ１によって設定さ
れたオフセット電圧Ｖｏｓが加算されて、図３（ｅ）に
示すような加算回路出力ＯＡＤを得る。

【００２５】次に、サンプルホールド回路１０５では、
加算回路出力ＯＡＤをタイミング信号によってサンプリ
ングし、ホールドすることによって図３（ｆ）に示すよ
うなサンプルホールド回路出力ＳＨｏを得る。そして、
このサンプルホールド回路出力ＳＨｏは、Ａ／Ｄ変換器
１０６によってデジタル電圧値に変換された後、演算部
１０７により該デジタル電圧値に基づく流量値Ｑが算出
されることとなる。

【００２６】次に、流体が逆流方向に流れている場合の
流量計測の動作は図４に示す如くなる。すなわち、図４
（ａ）に示すように、ヒータ駆動信号ＨＤＰが所定時間
活性化され、ヒータ２１１に電流が通電されると、上流
側温度センサ出力ＳＴｕおよび下流側温度センサ出力Ｓ
Ｔｄはそれぞれ周囲の流体温度に応じた電位レベルを持
つが、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、正流方向
に流体が流れている場合とは逆に、上流側温度センサ出
力ＳＴｕが下流側温度センサ出力ＳＴｄよりも高い電位
レベルを持つようにして現れる。

【００２７】差動増幅器１０３では、下流側温度センサ
出力ＳＴｄから上流側温度センサ出力ＳＴｕを差し引い
た差分がとられて増幅されるので、差動増幅器出力ＤＡ
ｏは図４（ｄ）に示すようにマイナスの電位レベルを出
力することとなる。しかしながら、加算回路１０４によ
って該差動増幅器出力ＤＡｏにオフセット電圧Ｖｏｓが
加算されるので、加算回路出力としては図４（ｅ）に示
す如く正値の電位レベルを持つ出力電圧ＯＡＤが得られ
ることになる。また、サンプルホールド回路１０５で
も、図４（ｆ）に示すような正値のサンプルホールド回
路出力ＳＨｏを得る。したがって、Ａ／Ｄ変換器１０６
においては、逆流時にも正値のサンプルホールド回路出
力ＳＨｏが供給されて、正値のアナログ電圧をデジタル
電圧値に変換することとなる。そして、演算部１０７で
は、変換されたデジタル電圧値に基づく流量値Ｑが算出
される。

【００２８】以上のように、本実施形態の流量計測装置
では、ヒータ２１１の下流および上流にそれぞれ下流側
温度センサ２１３および上流側温度センサ２１２を備え
た流量センサ１０１を用いて流量を計測する場合、差動
増幅器１０３により、下流側温度センサ２１３の出力Ｓ
Ｔｄから上流側温度センサ２１２の出力ＳＴｕの差分を
とって増幅し、加算回路１０４により、差動増幅器１０
３の出力ＤＡｏにオフセット電圧Ｖｏｓを加算し、サン
プルホールド回路１０５でサンプルホールドした値をＡ
／Ｄ変換器１０６によってデジタル値に変換し、さらに
演算部１０７によって該デジタル値に基づく流量値Ｑを
算出する。

【００２９】したがって、逆流時に、下流側温度センサ
２１３の出力ＳＴｄおよび上流側温度センサ２１２の出
力ＳＴｕの差分がマイナスとなっても、Ａ／Ｄ変換器１
０６には正値のアナログ電圧が供給されるので、従来の
ように、別に負電圧出力の電源を必要とすることなく、
また変換の電圧範囲を広げることなくＡ／Ｄ変換器１０
６を構成することができ、結果として、流体の正流方向
および逆流方向の双方向について流量計測が可能である
と共に、流量計測装置の消費電力、サイズおよびコスト
を抑制することができる。

【００３０】図５に、本実施形態の流量計測装置の適用
例を例示する。同図は、ガスボンベ５０１、ガスメータ
５０３およびガス機器５０５を備えた、一般的なガス配
管系統を模式的に表している。ガスメータ５０３は、例
えば一定時間当たりのガス流量を計測するフルイデック
メータであるが、ガスボンベ５０１側の入り口付近に本
実施形態の流量計測装置の流量センサ１０１を設置し
て、低流量時の計測を可能としている。すなわち、本実
施形態の流量計測装置は、該フルイデックメータを補完
するような形態で使用されている。

【００３１】通常、ガスボンベ５０１から供給されるガ
スは、流量計測装置を含んだガスメータ５０３を通過し
てガス機器５０５に到達する。しかしながら、ガスボン
ベ５０１とガスメータ５０３とを接続する配管５０７に
破損個所があるときには、図中の矢印に示すように、こ
の破損が原因でガスの流れが低流量ながらガスメータ５
０３からガスボンベ５０１へと逆方向となってしまう場
合がある。

【００３２】つまり、本実施形態の流量計測装置をガス
メータ５０３のガスボンベ５０１側の入り口付近に設置
しておけば、上記逆方向の低流量の流れを測定すること
により、配管５０７に破損個所があることを検知するこ
とができる。また、本適用例からも推察できるように、
流量計測装置の小型化の必要性は高く、電池駆動の使用
形態が多いことから装置の消費電力の低減も必須課題で
ある。したがって、装置の消費電力、サイズおよびコス
トを抑制し得る本実施形態の流量計測装置による効果
は、適用面において多大なものがある。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流量計測
装置においては、ヒータの下流および上流にそれぞれ下
流側温度センサおよび上流側温度センサを備えた流量セ
ンサを用いて流量を計測する際に、差分手段によって下
流側温度センサおよび上流側温度センサのそれぞれの出
力の差をとり、加算手段によって差分手段の差出力に所
定値を加算した後、変換手段によって該加算結果をデジ
タル値に変換し、さらに演算手段によって該変換結果に
基づき流量を算出することとしたので、下流側温度セン
サおよび上流側温度センサの出力の差分がマイナスとな
っても、変換手段の入力を正値の範囲に設定することが
可能となり、逆流時にも、ハードウェア量を増大させる
こと無く正値の範囲でデジタル変換を行うことができ、
結果として、装置の消費電力、サイズおよびコストを抑
制しつつ、正流および逆流の双方について流量計測を可
能とした流量計測装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る流量計測装置の回路
構成図である。

【図２】実施形態における流量センサの上流側温度セン
サおよび下流側温度センサについて相対的な設置関係を
説明する説明図である。

【図３】流体が正流方向に流れる場合の各部信号の電圧
波形を例示するタイムチャートである。

【図４】流体が逆流方向に流れる場合の各部信号の電圧
波形を例示するタイムチャートである。

【図５】実施形態の流量計測装置の適用例を例示する説
明図である。

【図６】従来の流量計測装置の回路構成図である。

【符号の説明】

１０１ 流量センサ １０２ ヒータ駆動回路 １０３ 差動増幅器（差分手段） １０４ 加算回路（加算手段） １０５ サンプルホールド回路 １０６ Ａ／Ｄ変換器（変換手段） １０７ 演算部（演算手段） ２０１ 処理回路 ２１１ ヒータ ２１２ 上流側温度センサ ２１３ 下流側温度センサ ＡＭＰ１〜ＡＭＰ６ オペアンプ Ｒ１〜Ｒ１９ 抵抗器 ＶＲ１，ＶＲ２ 可変抵抗器 Ｖｃｃ 電源電位 ＳＷ１ スイッチ Ｃ１ コンデンサ ＨＤＰ ヒータ駆動信号 ＳＴｕ 上流側温度センサ出力 ＳＴｄ 下流側温度センサ出力 ＤＡｏ 差動増幅器出力 Ｖｏｓ オフセット電圧 ＯＡＤ 加算回路出力 ＳＨｏ サンプルホールド回路出力 Ｑ 流量値

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータと、前記ヒータの下流側に設置さ
   れた下流側温度センサと、前記ヒータの上流側に設置さ
   れた上流側温度センサと、を備えた流量センサと、 前記下流側温度センサおよび前記上流側温度センサのそ
   れぞれの出力の差をとる差分手段と、 前記差分手段の差出力に所定値を加算する加算手段と、 前記加算手段による加算結果をデジタル値に変換する変
   換手段と、 前記変換手段による変換結果に基づいて流量を算出する
   演算手段と、を具備することを特徴とする流量計測装
   置。