TW202202815A - 熱式流量計、流量控制裝置、熱式流量測定方法、及記錄有熱式流量計用程式的記錄介質 - Google Patents

Abstract

為了提供一種可較先前精度更良好地校正由熱虹吸現象引起的誤差的熱式流量計，而包括：感測器流路4，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件Ru，設置於所述感測器流路4；下游側電阻元件Rd，於所述感測器流路4中設置於較所述上游側電阻元件Ru更靠下游側；感測器輸出生成器5，基於根據所述上游側電阻元件Ru的變化而輸出的上游側電壓Vu及根據所述下游側電阻元件Rd的變化而輸出的下游側電壓Vd，生成與作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出；傾斜影響推斷器6，至少基於作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路4的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及流量算出器7，根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出作為測定對象的流體的流量。

Description

熱式流量計、流量控制裝置、熱式流量測定方法、及記錄有熱式流量計用程式的記錄介質

本發明是有關於一種熱式流量計，於供作為測定對象的流體流動的感測器流路中設置有上游側電阻元件及下游側電阻元件，並基於由所述電阻元件獲得的輸出，對測定對象的流量進行測定。

例如於半導體製造製程中，為了以所需的一定流量供給各種氣體而使用熱式質流控制器（mass flow controller）。熱式質流控制器包括：塊體，形成有供氣體大致沿規定方向流動的內部流路；對塊體設置的熱式流量計及流體控制閥；以及控制板，掌管流體控制閥的控制等。

熱式流量計包括大致U字狀毛細管（capillary）的感測器流路，所述感測器流路自作為主流路的內部流路分支並再次與內部流路合流。於該感測器流路中，在塊體內的內部流路與流體（氣體）的流動方向成為大致相同的朝向的部分，設置有上游側電阻元件與下游側電阻元件。控制對各電阻元件施加的電壓，以使該些電阻元件的溫度一定。由於施加到各電阻元件的電壓差根據感測器流路中流動的氣體的流量發生變化，因此可根據電壓差算出氣體的流量。

且說，如於圖10的（a）中藉由箭頭所示般，質流控制器般的經封裝化的流量控制裝置是將如下情況作為基準進行設計：以氣體於大致水平方向上流動的方式橫向放置。因此，如於圖10的（b）中藉由箭頭所示般，若以氣體於鉛垂方向上流動的方式縱向放置流量控制裝置，則因所謂的熱虹吸現象而熱式流量計的零點輸出會根據安裝朝向與氣體的封入壓力發生偏移。即，作為流量控制裝置的輸出，應輸出零的值，但是因藉由熱虹吸現象而於感測器流路內產生的對流，會輸出零以外的值。由於該原因，會產生測定誤差。

為了減低此種測定誤差，於專利文獻1中揭示：於流量控制裝置設置陀螺儀感測器（gyrosensor），進行與所檢測到的姿勢相應的零點輸出的校正。

但是，熱虹吸現象不僅受流量控制裝置的姿勢的影響，而且亦受作為測定對象的氣體的壓力或熱傳導率或比熱等熱物性值的影響，因此，專利文獻1的校正方法難以以充分的精度實現校正。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特表2008-506117號公報

[發明所欲解決之課題] 本發明是鑒於所述般的問題而成，其目的在於提供一種可較先前精度更良好地校正由熱虹吸現象引起的誤差的熱式流量計。 [解決課題之手段]

即，本發明的熱式流量計的特徵在於包括：感測器流路，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件，設置於所述感測器流路；下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側；感測器輸出生成器，基於自包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的流量檢測電路所輸出的電壓，生成與作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出；傾斜影響推斷器，至少基於作為測定對象的流體的普朗特數（Prandtl number），對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及流量算出器，根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出作為測定對象的流體的流量。

另外，本發明的熱式流量測定方法為使用熱式流量計的流量測定方法，所述熱式流量計包括：感測器流路，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件，設置於所述感測器流路；以及下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側，所述熱式流量測定方法包括：基於自包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的流量檢測電路所輸出的電壓，生成與作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出；至少基於作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出作為測定對象的流體的流量。

若為此種情況，則所述傾斜影響推斷器基於根據作為測定對象的流體的物性而決定、且受流體的壓力或熱傳導性的影響的值即普朗特數來推斷所述傾斜影響，因此能夠推斷亦摻加有該些影響的所述姿勢影響。因此，能夠較先前精度更良好地校正由熱虹吸現象引起的測定誤差。另外，於硬體方面，無需自通常的熱式流量計進行變更，僅藉由軟體的變更亦能夠校正由熱虹吸現象引起的測定誤差。

為了亦可對與所述感測器流路內產生的對流的大小相關的影響進行校正，並且為了使所述傾斜影響與施加到所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的各電壓相關聯，從而可藉由運算容易地校正感測器輸出中所含的所述傾斜影響，所述傾斜影響推斷器只要構成為基於作為測定對象的流體的努塞爾數（Nusselt number）、格拉曉夫數（Grashof number）及普朗特數來推斷所述傾斜影響即可。

作為用於推斷所述傾斜影響的各參數的具體的使用態樣，可列舉：於將努塞爾數設為Nu、將格拉曉夫數設為Gr、將普朗特數設為Pr、將比例常數設為A、將指數設為n的情況下，所述傾斜影響推斷器構成為基於Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 來算出所述傾斜影響。

關於努塞爾數，為了不進行測定而是直接藉由運算來求出，從而可算出所述傾斜影響，可列舉：於將自包括所述上游側電阻元件的電路輸出的上游側電壓設為Vu、將自包括所述下游側電阻元件的電路輸出的下游側電壓設為Vd的情況下，所述感測器輸出生成器構成為輸出（Vu-Vd）/（Vu+Vd）作為所述感測器輸出，所述傾斜影響為因所述感測器流路內的對流而產生的電壓差（Vu0-Vd0），所述傾斜影響推斷器構成為根據由努塞爾數Nu與電壓差（Vu0-Vd0）之間的關係式和Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 算出的努塞爾數Nu的值來推斷電壓差（Vu0-Vd0），所述流量算出器構成為自所述感測器輸出的分子（Vu-Vd）減去電壓差（Vu0-Vd0）來校正所述傾斜影響。

為了適合於熱式流量計中所使用的所述感測器流路並可根據格拉曉夫數Gr及普朗特數Pr正確地算出努塞爾數Nu，只要使用基於實驗來算出的指數n即可，例如只要使用指數n為2的算出式Nu=A（Gr×Pr）² 即可。

作為所述傾斜影響推斷器中可使用的具體的運算式，於將所述感測器流路的內徑設為L、將所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件的電阻值設為R、將作為測定對象的流體的熱傳導率設為λ、將作為測定對象的流體的恆壓莫耳比熱設為Cp、將作為測定對象的流體的黏性設為η、將作為測定對象的流體的密度設為ρ、將重力加速度設為g、將作為測定對象的流體的體積膨脹率設為β、將所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件與作為測定對象的流體的溫度差設為ΔT的情況下，可列舉：Nu=L×{（（Vu0-Vd0）² /R）/L² ×ΔT）}/λ、Pr=Cpη/λ、Gr=ρgL³ βΔT/η² 。

作為所述傾斜影響推斷器的具體的結構例，可列舉：所述傾斜影響推斷器包括：壓力取得部，取得作為測定對象的流體的壓力P；溫度差取得部，取得所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件與作為測定對象的流體的溫度差ΔT；努塞爾數算出部，基於所取得的壓力P及溫度差ΔT，算出格拉曉夫數Gr、普朗特數Pr，並將各值代入Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 來算出努塞爾數Nu的值；以及零點輸出算出部，根據所算出的努塞爾數Nu的值來算出電壓差（Vu0-Vd0）。

若為包括本發明的熱式流量計、流體控制閥、以及基於設定流量與所述熱式流量計所輸出的作為測定對象的流體的流量的偏差來控制所述流體控制閥的開度的閥控制器的流量控制裝置，則可基於由熱虹吸現象引起的測定誤差得到校正後的流量，實現正確的流量控制。

為了將所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的溫度保持為一定，從而可根據此時的上游側電壓及下游側電壓的變化來算出流量，只要包括如下部件即可：上游側恆溫控制電路，具有包括所述上游側電阻元件的橋接電路；以及下游側恆溫控制電路，具有包括所述下游側電阻元件的橋接電路。若為此種情況，則可藉由所述校正方法適宜地校正由傾斜影響引起的零點輸出的誤差。

作為能夠應用本發明的校正方法的其他方式的熱式流量計，可列舉包括如下部件者：橋接電路，包括所述上游側電阻元件、以及所述下游側電阻元件；以及恆電流電路，對所述橋接電路供給恆電流。

關於現有的熱式流量計，為了僅藉由更新程式便可享有與本發明的熱式流量計相同的效果，只要使用如下熱式流量計用程式即可，所述熱式流量計用程式為熱式流量計中所使用的程式，所述熱式流量計包括：感測器流路，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件，設置於所述感測器流路；以及下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側，所述熱式流量計用程式的特徵在於使電腦發揮如下部件的功能：感測器輸出生成器，基於根據所述上游側電阻元件的變化而輸出的上游側電壓及根據所述下游側電阻元件的變化而輸出的下游側電壓，生成與作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出；傾斜影響推斷器，至少基於作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及流量算出器，根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出作為測定對象的流體的流量。

再者，熱式流量計用程式可以電子方式傳送，亦可記錄於光碟（Compact Disc，CD）、數位影碟（Digital Video Disk，DVD）、快閃記憶體等程式記錄介質中。 [發明的效果]

如此，本發明的熱式流量計基於作為測定對象的流體的普朗特數來推斷傾斜影響，因此亦可考慮到對於傾斜影響的流體的熱傳導率的不同或壓力影響。因此，能夠較先前精度更良好地校正由熱虹吸現象引起的流量的測定誤差。

本實施形態的熱式流量計100及包括該熱式流量計100的流量控制裝置200是用於例如於半導體製造製程中以設定流量對真空腔室內供給包含例如六氟化硫SF₆ 等成分氣體的多種各種氣體。

如圖1所示般，流量控制裝置200大致呈薄型長方體狀的形狀，且連接於供成分氣體流動的管線而使用。如圖2所示般，流量控制裝置200包括：塊體1，形成有與供氣體流動的管線連接且形成該管線的一部分的主流路2作為內部流路；熱式流量計100，安裝於塊體1的零件安裝面；控制閥V，安裝於熱式流量計100的下游側；以及控制裝置C，至少掌管控制閥V的控制。即，流量控制裝置200是塊體1、熱式流量計100、控制閥V及控制裝置C等流量控制所需的設備經封裝化而成的所謂的質流控制器。

此處，關於流量控制裝置200，如圖2所示般，塊體1大致呈長條長方體形狀，且沿著其長邊方向形成有主流路2。流量控制裝置200是將如下情況設為基準姿勢來設計：以塊體1的長邊方向與水平方向一致的方式進行安裝。換言之，如圖10的（b）所示般，於以使主流路2內的氣體沿著鉛垂方向流動的方式將流量控制裝置200縱向放置的情況下，自熱式流量計100輸出的流量的零點輸出中會產生由熱虹吸現象引起的誤差。本實施形態的熱式流量計100包括用於校正由熱虹吸現象引起的零點輸出的誤差即傾斜影響的結構。

控制裝置C是包括中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、記憶體、A/D轉換器、D/A轉換器、各種輸入輸出組件的所謂的電腦，並且構成為執行保存於記憶體中的程式而使各設備協同作業，藉此發揮熱式流量計100的運算器CAL的功能、以及對控制閥的開度進行控制的閥控制器9的功能。閥控制器9對控制閥V的開度進行回饋控制，以使自熱式流量計的運算器CAL輸出的測定流量與由用戶設定的設定流量的偏差變小。

接著，對熱式流量計100的詳細情況進行說明。 如圖2所示般，該熱式流量計100包括：大致U字狀的感測器流路4，自供氣體流動的主流路2分支、且於較該分支點更靠下游側的合流點再次與主流路2合流；流量檢測電路SP，檢測氣體的流量；以及作為阻力體的分流元件3，設置於主流路2中的分支點與合流點之間。

分流元件3是以主流路2及感測器流路4的規定的分流比進行分流的元件，包含具有恆流量特性的旁通元件等阻力構件。作為該分流元件3，可使用將多根細管插入至外管的內部而形成的元件、或者將形成有多個貫通孔的薄的圓板積層多片而形成的元件等。

如圖2所示般，感測器流路4是作為金屬製（例如不鏽鋼製）的大致U字狀的毛細管而形成的流路。於感測器流路4中，在以與主流路2的流動方向、即塊體1的長邊方向平行的方式設置的部分中，設置有用於進行氣體的流量的檢測的流量檢測電路SP的一部分。流量檢測電路SP是利用由分流到感測器流路4的氣體的流動引起的熱的移動來檢測氣體的流量。

如圖3所示般，流量檢測電路SP是電阻值伴隨溫度的變化而增減的發熱電阻線，包含捲繞於形成感測器流路4的細管的外周面的線圈即上游側電阻元件Ru以及於感測器流路4中捲繞於較上游側電阻元件Ru更靠下游側的線圈即下游側電阻元件Rd。此處，上游側電阻元件與下游側電阻元件兼作加熱器與溫度感測器。

進而，該流量檢測電路SP是恆溫驅動方式的電路，如圖3所示般，由將上游側電阻元件Ru設為一部分的橋接電路構成上游側恆溫控制電路CTu，並且由將下游側電阻元件Rd設為一部分的橋接電路構成下游側恆溫控制電路CTd。

上游側恆溫控制電路CTu包括：上游側橋接電路，是將包含所述上游側電阻元件Ru及與該上游側電阻元件Ru串聯連接的溫度設定用電阻R1的串聯電阻群、和兩個固定電阻R2、固定電阻R3串聯連接而成的串聯電阻群並聯連接而成；以及回饋控制電路，包含運算放大器，所述運算放大器將上游側電阻元件Ru與溫度設定用電阻R1的連接點的電位及兩個固定電阻的連接點處的電位的差（Vu）回饋到上游側橋接電路，以保持上游側橋接電路的平衡。

下游側恆溫控制電路CTd與上游側恆溫控制電路CTu同樣地，亦包括：下游側橋接電路，是將包含下游側電阻元件Rd及與該下游側電阻元件Rd串聯連接的溫度設定用電阻R1的串聯電阻群、和兩個固定電阻R2、固定電阻R3串聯連接而成的串聯電阻群並聯連接而成；以及回饋控制電路，包含運算放大器，所述運算放大器將下游側電阻元件Rd與溫度設定用電阻R1的連接點的電位及兩個固定電阻的連接點的電位的差（Vd）回饋到下游側橋接電路，以保持下游側橋接電路的平衡。

此處，上游側電阻元件Ru及下游側電阻元件Rd是使用電阻溫度係數相同的材料。而且，上游側電阻元件Ru及下游側電阻元件Rd是藉由各回饋控制電路而受到回饋控制，以成為與溫度設定用電阻R1相同的電阻值。即，由於電阻值是以一定的方式得到保持，因此可控制各電壓Vu、電壓Vd以使上游側電阻元件Ru及下游側電阻元件Rd的溫度亦被保持為一定。於本實施形態中，Vu、Vd可作為使上游側電阻元件Ru、下游側電阻元件Rd發熱而施加的電壓，即上游側電壓Vu、下游側電壓Vd。

如圖4所示般，熱式流量計100進而包括根據自流量檢測電路SP輸出的上游側電壓Vu、下游側電壓Vd來算出氣體的流量的所述運算器CAL。運算器CAL構成為將（Vu-Vd）/（Vu+Vd）設為感測器輸出，校正將流量控制裝置200例如縱向放置時產生的由熱虹吸現象引起的零點輸出的誤差。

此處，基於運算器CAL的零點輸出的校正功能的概略如圖5所示般。於將流量控制裝置200縱向放置、氣體的流入口IN朝下的情況下，即便在沒有針對流量控制裝置200的氣體的流出流入時，亦因感測器流路4內產生的氣體的對流而產生氣體自上游側電阻元件Ru向下游側電阻元件Rd的流動。因此，於氣體的流入口IN朝下的情況下，校正前的感測器輸出中產生正值誤差。另外，於校正前的感測器輸出中，封入至流量控制裝置200內的氣體的壓力越變高，零點輸出的誤差越變大。同樣地，於流量控制裝置200的流入口IN朝上的情況下，偵測到因對流而自下游側電阻元件Rd向上游側電阻元件Ru的流動，因此校正前的感測器輸出成為負值而產生誤差。該情況下，亦是封入至流量控制裝置200內的氣體的壓力越變高，零點輸出的誤差越變大。

運算器CAL構成為推斷各狀態下的零點輸出的誤差即傾斜影響，並根據校正前的感測器輸出來校正傾斜影響，藉此接近實際的流量。

以下，一邊參照圖4的功能方塊圖，一邊說明運算器CAL的詳細結構。

運算器CAL至少發揮感測器輸出生成器5、傾斜影響推斷器6、流量算出器7、受理部8的功能。

感測器輸出生成器5構成為輸入對上游側電阻元件Ru及下游側電阻元件Rd施加的電壓即上游側電壓Vu、下游側電壓Vd，將（Vu-Vd）/（Vu+Vd）設為感測器輸出進行運算並加以輸出。此處，電壓差（Vu-Vd）是根據感測器流路4中流動的氣體的流量而變化的值，電壓和（Vu+Vd）相當於感測器流路4中流動的氣體的溫度指標。感測器輸出是採用藉由用電壓差除以電壓和而校正對於流量的溫度影響的形式。

傾斜影響推斷器6至少基於作為測定對象的氣體的普朗特數，對根據感測器流路4的姿勢而於感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷。於本實施形態中，傾斜影響推斷器6不僅基於普朗特數來推斷傾斜影響，而且還基於氣體的努塞爾數、格拉曉夫數來推斷傾斜影響。另外，傾斜影響推斷器6中輸入有由流量控制裝置200內所設置的各種感測器或另行於半導體製造製程中所設置的各種感測器獲得的氣體的壓力及溫度，傾斜影響推斷器6基於該些值輸出傾斜影響。

傾斜影響推斷器6根據氣體的溫度、壓力、各物性值並由普朗特數及格拉曉夫數算出努塞爾數。而且，基於努塞爾數的值與構成感測器輸出的一部分的電壓差（Vu-Vd）之間的關係式，將無流動的狀態下的電壓差（Vu0-Vd0）推斷為傾斜影響。為了實現此種功能，傾斜影響推斷器6至少包括溫度取得部61、壓力取得部62、物性值儲存部63、努塞爾數算出部64、零點輸出算出部65。

溫度取得部61取得例如流量控制裝置200的塊體1上所設置的溫度感測器（未圖示）的輸出信號作為氣體的溫度，並將該溫度輸出到努塞爾數算出部64。再者，溫度取得部61亦可取得連接有流量控制裝置200的管線上所設置的其他溫度感測器的資訊。

壓力取得部62取得對流量控制裝置200的主流路內所存在的氣體的壓力進行測定的壓力感測器（未圖示）的輸出信號。壓力感測器例如可設置於流量控制裝置200自身並對主流路中流動的氣體的壓力進行測定，亦可設置於流路上，該流路將分別設置於流量控制裝置200的前段及後段的開閉閥（未圖示）與流量控制裝置200之間連接。壓力取得部62將例如在各開閉閥閉合、且不存在針對流量控制裝置200的氣體的流出或流入的狀態下所取得的壓力作為封入至流量控制裝置200內的氣體的壓力而輸出到努塞爾數算出部64。

於將努塞爾數設為Nu、將格拉曉夫數設為Gr、將普朗特數設為Pr、將比例常數設為A、將指數設為n的情況下，努塞爾數算出部64基於Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 來算出努塞爾數Nu的值。此處，於本實施形態中，設為比例常數A=1、指數n=2。其原因在於：本申請案發明者等人發現，根據圖6的（a）、圖6的（b）所示的實驗結果，於採用所述般的值的情況下，可由格拉曉夫數Gr及普朗特數Pr的積算出努塞爾數Nu。

此處，基於圖7的（a）、圖7的（b）所示的測定結果，對未使用普朗特數Pr時的努塞爾數Nu的推斷精度進行說明。再者，關於圖6的（a）、圖6的（b）及圖7的（a）、圖7的（b）的圖表，為了能夠分別進行比較，使各軸的輔助線的間隔以大致相同的單位量一致。如圖7的（a）、圖7的（b）所示般，雖然努塞爾數Nu與格拉曉夫數Gr之間有相關關係，但於格拉曉夫數Gr的值小的區域中，努塞爾數Nu相對於格拉曉夫數Gr的偏差變大。即，即便在格拉曉夫數Gr與努塞爾數Nu之間算出近似直線，並基於該近似直線由格拉曉夫數Gr推斷出努塞爾數Nu，與如本實施形態般由（Gr×Pr）² 推斷努塞爾數Nu的情況相比較，推斷精度亦會大幅劣化。根據圖6的（a）、圖6的（b）及圖7的（a）、圖7的（b）的比較結果，可確認到：適合於本實施形態的熱式流量計100的結構的努塞爾數Nu的算出方法是使用（Gr×Pr）² 的方法。

對本實施形態的努塞爾數Nu的算出方法進一步進行詳細敘述。於將感測器流路4的內徑設為L、將上游側電阻元件Ru或下游側電阻元件Rd的電阻值設為R、將作為測定對象的流體的熱傳導率設為λ、將作為測定對象的流體的恆壓莫耳比熱設為Cp、將測定對象的流體的黏性設為η、將作為測定對象的流體的密度設為ρ、將重力加速度設為g、將作為測定對象的流體的體積膨脹率設為β、將上游側電阻元件Ru或下游側電阻元件Rd與作為測定對象的流體的溫度差設為ΔT的情況下，格拉曉夫數Gr、普朗特數Pr分別如以下般表示。 Pr=Cpη/λ Gr=ρgL³ βΔT/η²

努塞爾數算出部64基於受理部8自用戶受理的氣體種類等資訊、或壓力取得部62及溫度取得部61所取得的壓力及溫度，讀出儲存於物性值儲存部63中的恆壓莫耳比熱Cp、體積膨脹率β、密度ρ等。然後，努塞爾數算出部64將所讀出的各物性值、所取得的壓力及溫度代入所述格拉曉夫數Gr及普朗特數Pr的算出式中，算出各值。最後，努塞爾數算出部64算出格拉曉夫數Gr與普朗特數Pr的積的平方作為努塞爾數Nu。將所算出的努塞爾數Nu輸出到零點輸出算出部65。

零點輸出算出部65基於傾斜影響即無流動的狀態下的電壓差（Vu0-Vd0）與努塞爾數Nu之間的關係式，算出傾斜影響。具體而言，於將感測器流路4的內徑設為L、將上游側電阻元件Ru或下游側電阻元件Rd的電阻值設為R、將作為測定對象的流體的熱傳導率設為λ、將上游側電阻元件Ru或下游側電阻元件Rd與作為測定對象的流體的溫度差設為ΔT的情況下，基於 Nu=L×{（（Vu0-Vd0）² /R）/L² ×ΔT）}/λ 零點輸出算出部65算出電壓差（Vu0-Vd0）。此處，關於（Vu0-Vd0）的正負，於流量控制裝置200的氣體的入口位於下側的情況下為正，於氣體的入口位於上側的情況下為負。

流量算出器7針對自感測器輸出生成器5輸出的校正前的感測器輸出（Vu-Vd）/（Vu+Vd）校正傾斜影響推斷器6所推斷的傾斜影響，並基於校正後的感測器輸出來算出氣體的流量。即，流量算出器7藉由自校正前的電壓差（Vu-Vd）減去作為傾斜影響的（Vu0-Vd0）來校正零點輸出的偏移，並將校正後的感測器輸出{（Vu-Vd）-（Vu0-Vd0）}/（Vu+Vd）代入規定的流量算出函數來算出流量。更具體而言，若將流量設為F、將流量算出函數設為Sens（X），則以F=Sens（{（Vu-Vd）-（Vu0-Vd0）}/（Vu+Vd））轉換為流量。

根據如此構成的熱式流量計100及流量控制裝置200，如圖8的（a）、圖8的（b）的圖表所示般，對感測器輸出精度良好地校正所顯現出的傾斜影響，獲得正確的流量。此處，圖8的（a）、圖8的（b）所示的實測結果顯示出針對多種氣體種類使流入口IN朝上或朝下時的兩類測定結果。如圖8的（a）所示般，根據氣體種類，流量控制裝置200內的密封壓力越高，零點輸出的偏移量越顯著地變大，但是，如圖8的（b）所示般，藉由使用本實施形態的校正方法，無論氣體種類及密封壓力如何，均可大幅減低零點輸出的偏移量。認為其原因在於：傾斜影響推斷器6基於受流體的壓力或熱傳導性的影響的值即普朗特數來推斷傾斜影響，因此不僅可校正由熱虹吸現象引起的對流的大小其自身對零點輸出造成的影響，而且亦可校正由氣體種類引起的熱傳遞容易度的差異對零點輸出造成的影響。

此處，作為比較例，如圖7的（a）、圖7的（b）所示般，不使用普朗特數Pr而是僅使用格拉曉夫數Gr來算出努塞爾數Nu，並將校正零點輸出後的結果示於圖9的（a）、圖9的（b）中。再者，關於圖8的（a）、圖8的（b）及圖9的（a）、圖9的（b）的圖表，為了能夠分別進行比較，使各軸的輔助線的間隔以大致相同的單位量一致。與圖9的（a）所示的未進行任何校正的情況的零點輸出相比較，如圖9的（b）所示般，即便在僅使用格拉曉夫數Gr的情況下，亦可以某種程度校正零點輸出。但是，如將圖8的（b）及圖9的（b）加以比較而得知般，可確認到：於如本實施形態般亦使用普朗特數Pr的情況下，尤其是封入的壓力高的區域中的校正精度提高。如此，若為本實施形態的熱式流量計100，則無論氣體種類或封入的氣體的壓力如何，均可高精度地校正零點輸出。

另外，傾斜影響推斷器6可基於氣體的壓力及溫度與氣體的各物性值來算出傾斜影響的大小，若設定與流量控制裝置200的安裝朝向相關的資訊，則亦可決定作為零點輸出而顯現出的正負，因此無需使用陀螺儀感測器等在流量控制裝置200中通常不使用般的附加的感測器。

即，作為硬體，無需自通常的熱式流量計進行變更，僅藉由軟體的變更便可精度良好地校正由熱虹吸現象引起的測定誤差。

對其他實施形態進行說明。

傾斜影響推斷器的結構並不限於所述實施形態中所說明的結構。即，傾斜影響推斷器可至少基於流體的普朗特數來推斷傾斜影響。例如，傾斜影響推斷器亦可基於普朗特數與表示零點輸出的誤差的電壓差（Vu0-Vd0）之間的關係式來推斷傾斜影響。或者，傾斜影響推斷器亦可構成為不使用格拉曉夫數，而是基於努塞爾數與普朗特數之間的關係式來推斷傾斜影響。

傾斜影響的表示方法並不限於電壓差（Vu0-Vd0）。例如，亦可分別個別地算出零點輸出Vu0、零點輸出Vd0，以便可對上游側電壓Vu、下游側電壓Vd各者個別地進行校正。若為此種情況，則亦可對溫度指標Vd+Vu進行校正。

關於流量控制裝置的安裝朝向或成為測定對象的流體（氣體）的種類，用戶藉由受理部預先進行了設定，但流量控制裝置亦可自動取得該些資訊。例如，流量控制裝置亦可包括陀螺儀感測器，並取得流體的入口的朝向或感測器流路的姿勢，從而可自動地設定傾斜影響的正負。此外，亦可根據傾斜角度使傾斜影響的校正量發生變化。另外，由於可根據溫度指標Vu+Vd來推斷流動的流體的熱傳導率，因此亦可根據此種值鑑定流體的種類，獲得其他所需的物性值。

本發明的熱式流量計的校正方法並不限於恆溫驅動方式的方法，例如亦可應用於恆電流驅動方式的方法或其他方式的方法中。例如關於恆電流驅動方式的熱式流量計，只要流量檢測電路包括包含所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的橋接電路、以及對所述橋接電路供給恆電流的恆電流電路即可。

此外，只要不違反本發明的主旨，則亦可進行各種變形或實施形態彼此的組合。

1:塊體 2:主流路 3:分流元件 4:感測器流路 5:感測器輸出生成器 6:傾斜影響推斷器 7:流量算出器 8:受理部 9:閥控制器 61:溫度取得部 62:壓力取得部 63:物性值儲存部 64:努塞爾數算出部 65:零點輸出算出部 100:熱式流量計 200:流量控制裝置（質流控制器） C:控制裝置 CAL:運算器 CTu:上游側恆溫控制電路 CTd:下游側恆溫控制電路 IN:流入口 P:壓力 R1:溫度設定用電阻 R2、R3:固定電阻 Ru:上游側電阻元件 Rd:下游側電阻元件 SP:流量檢測電路 V:控制閥 Vd、Vu:電位的差/電壓

圖1是包括本發明的一實施形態的熱式流量計的質流控制器的示意性立體圖。 圖2是本發明的一實施形態的質流控制器的示意圖。 圖3是表示本發明的一實施形態的熱式流量計的感測機制的示意圖。 圖4是本發明的一實施形態的熱式流量計及質流控制器的功能方塊圖。 圖5是表示本發明的一實施形態的對於感測器輸出的傾斜影響的校正的概念圖。 圖6的（a）、圖6的（b）是表示本發明的一實施形態的努塞爾數、格拉曉夫數、普朗特數之間的關係的測定結果。 圖7的（a）、圖7的（b）是表示僅格拉曉夫數與努塞爾數之間的關係的測定結果。 圖8的（a）、圖8的（b）是基於由本發明的一實施形態的普朗特數及格拉曉夫數算出的努塞爾數來校正零點輸出時的實驗結果。 圖9的（a）、圖9的（b）是基於不使用普朗特數而是僅使用格拉曉夫數算出的努塞爾數來校正零點輸出時的實驗結果。 圖10的（a）、圖10的（b）是針對質流控制器的安裝朝向而示出的示意圖。

200:流量控制裝置(質流控制器)

IN:流入口

Claims (12)

1. 一種熱式流量計，包括： 感測器流路，供作為測定對象的流體流動； 上游側電阻元件，設置於所述感測器流路； 下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側； 感測器輸出生成器，基於自包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的流量檢測電路所輸出的電壓，生成與所述作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出； 傾斜影響推斷器，至少基於所述作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及 流量算出器，根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出所述作為測定對象的流體的流量。
2. 如請求項1所述的熱式流量計，其中所述傾斜影響推斷器構成為基於所述作為測定對象的流體的努塞爾數、格拉曉夫數及普朗特數來推斷所述傾斜影響。
3. 如請求項2所述的熱式流量計，其中於將努塞爾數設為Nu、將格拉曉夫數設為Gr、將普朗特數設為Pr、將比例常數設為A、將指數設為n的情況下，所述傾斜影響推斷器構成為基於Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 來算出所述傾斜影響。
4. 如請求項3所述的熱式流量計，其中於將自包括所述上游側電阻元件的電路輸出的上游側電壓設為Vu、將自包括所述下游側電阻元件的電路輸出的下游側電壓設為Vd的情況下，所述感測器輸出生成器構成為輸出（Vu-Vd）/（Vu+Vd）作為所述感測器輸出， 所述傾斜影響為因所述感測器流路內的對流而產生的電壓差Vu0-Vd0，所述傾斜影響推斷器構成為根據由努塞爾數Nu與電壓差Vu0-Vd0之間的關係式和Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 算出的努塞爾數Nu的值來推斷電壓差Vu0-Vd0， 所述流量算出器構成為自所述感測器輸出的分子Vu-Vd減去電壓差Vu0-Vd0來校正所述傾斜影響。
5. 如請求項4所述的熱式流量計，其中指數n為2。
6. 如請求項4所述的熱式流量計，其中於將所述感測器流路的內徑設為L、將所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件的電阻值設為R、將所述作為測定對象的流體的熱傳導率設為λ、將所述作為測定對象的流體的恆壓莫耳比熱設為Cp、將所述作為測定對象的流體的黏性設為η、將所述作為測定對象的流體的密度設為ρ、將重力加速度設為g、將所述作為測定對象的流體的體積膨脹率設為β、將所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件與所述作為測定對象的流體的溫度差設為ΔT的情況下， Nu=L×{（（Vu0-Vd0）² /R）/L² ×ΔT）}/λ Pr=Cpη/λ Gr=ρgL³ βΔT/η² 。
7. 如請求項2所述的熱式流量計，其中所述傾斜影響推斷器包括： 壓力取得部，取得所述作為測定對象的流體的壓力P； 溫度差取得部，取得所述上游側電阻元件或所述下游側電阻元件與所述作為測定對象的流體的溫度差ΔT； 努塞爾數算出部，基於所取得的壓力P及溫度差ΔT，算出格拉曉夫數Gr、普朗特數Pr，並將各值代入Nu=A（Gr×Pr）ⁿ 來算出努塞爾數Nu的值；以及 零點輸出算出部，根據所算出的努塞爾數Nu的值來算出電壓差Vu0-Vd0。
8. 如請求項1所述的熱式流量計，其中所述流量檢測電路包括： 上游側恆溫控制電路，具有包括所述上游側電阻元件的橋接電路；以及 下游側恆溫控制電路，具有包括所述下游側電阻元件的橋接電路。
9. 如請求項1所述的熱式流量計，其中所述流量檢測電路包括： 橋接電路，包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件；以及 恆電流電路，對所述橋接電路供給恆電流。
10. 一種流量控制裝置，包括： 如請求項1至請求項9中任一項所述的熱式流量計； 流體控制閥；以及 閥控制器，基於設定流量與所述熱式流量計所輸出的所述作為測定對象的流體的流量的偏差，控制所述流體控制閥的開度。
11. 一種熱式流量測定方法，使用熱式流量計，所述熱式流量計包括：感測器流路，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件，設置於所述感測器流路；以及下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側，所述熱式流量測定方法包括： 基於自包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的流量檢測電路所輸出的電壓，生成與所述作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出； 至少基於所述作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及 根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出所述作為測定對象的流體的流量。
12. 一種記錄有熱式流量計用程式的記錄介質，所述熱式流量計包括：感測器流路，供作為測定對象的流體流動；上游側電阻元件，設置於所述感測器流路；以及下游側電阻元件，於所述感測器流路中設置於較所述上游側電阻元件更靠下游側，所述記錄有熱式流量計用程式的記錄介質使電腦發揮如下部件的功能： 感測器輸出生成器，基於自包括所述上游側電阻元件及所述下游側電阻元件的流量檢測電路所輸出的電壓，生成與所述作為測定對象的流體的流量相應的感測器輸出； 傾斜影響推斷器，至少基於所述作為測定對象的流體的普朗特數，對根據所述感測器流路的姿勢而於所述感測器輸出中產生的傾斜影響進行推斷；以及 流量算出器，根據所述感測器輸出校正所述傾斜影響，算出所述作為測定對象的流體的流量。

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