WO2011040327A1 - 流量センサ - Google Patents

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temperature control
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洋 高倉
翔平 山野
寛之 衣斐
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株式会社堀場エステック
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    • G01F1/88—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure with differential-pressure measurement to determine the volume flow

Definitions

  • the present invention relates to a flow sensor for measuring a flow rate of a liquid flowing in a conduit.
  • the output of the corresponding constant temperature control circuit is V u
  • the output of the constant temperature control circuit corresponding to the resistor located downstream is V d
  • the equation (V u ⁇ V d ) / (V u + V d ) is obtained. Based on this, the flow rate Q is calculated.
  • V u + V d is an amount that is influenced only by the ambient temperature, and by dividing by V u + V d , the output of the flow sensor with respect to the actual change in the flow rate Q. This is because the rate of increase (inclination) of the flow rate can be made the same regardless of the ambient temperature, and the linearity of the output of the flow sensor can be improved and the error can be further reduced.
  • V u and V d of each constant temperature control circuit have absolute values with different slopes with respect to the flow rate Q, and V u + V d is It is a value that does not take a constant value with respect to the flow rate Q but changes according to the flow rate Q.
  • the flow sensor does not particularly take into consideration how to correct the zero point output when the flow rate Q is zero. For this reason, since the shift amount of the sensor output changes greatly every time the ambient temperature changes, it is considered that this is one of the causes of an error in the output of the flow sensor.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and prevents the influence of a change in the flow rate on the output of the flow sensor, and by performing temperature correction of the zero point output that has not been conventionally considered,
  • An object of the present invention is to provide a flow rate sensor with improved linearity and a small error.
  • the flow sensor of the present invention is provided with two resistors whose resistance values change according to the temperature of the fluid in the conduit through which the fluid flows, and two constants each including these resistors.
  • the output of the constant temperature control circuit corresponding to the resistor located on the upstream side , V u the output of the constant temperature control circuit corresponding to the resistor located on the downstream side is V d
  • the fluid flow rate is Q, X d satisfying the formula (Equation 1) in at least a certain flow rate Q range / based on the equation (2) provided with a flow rate calculation unit that calculates a flow rate Q using X u, the flow rate calculating section, V u + V d X d / X u zero offset function OFS defined as a function of The flow rate Q is And correcting the zero point output, which is the output when the.
  • OFS is a zero offset function
  • SENSx is a conversion function that converts the operation value of the output of each constant temperature control circuit into a flow rate.
  • V u and V d with respect to the flow rate Q are usually different in positive and negative as shown in FIG. 5, and V u , V d X d / X from equation (Equation 1). Since each u has an equal magnitude of inclination, the term relating to the flow rate Q is eliminated in V u + V d X d / X u . That is, V u + V d X d / X u does not change with respect to the flow rate Q, and can be set to a value that greatly changes only with changes in the ambient temperature.
  • Equation 2 (V u ⁇ V d ) / (V u + V d X d / X u ) in the equation (Equation 2) can be obtained by correcting only the influence on the ambient temperature change. It is possible to prevent another nonlinearity from being added due to the influence of the change in Q. In other words, it is possible to prevent the rate of increase (inclination) of the output of the flow sensor relative to the amount of change in the flow rate Q from changing for each flow rate.
  • (V u ⁇ V d ) / (V u + V d X d / X u ) is obtained by a zero offset function OFS defined as a function of V u + V d X d / X u affected only by the ambient temperature. Since the zero point output is corrected, it is possible to correct the shift amount of the sensor output that changes for each ambient temperature.
  • the output of the flow sensor particularly the rate of increase of the output, can be prevented from changing with respect to the change of the flow rate Q, and the shift amount can be corrected.
  • the flow rate sensor with small error can be obtained.
  • Equation 2 includes not only V u + V d X d / X u but also an aspect such as V u X u / X d + V d , for example. Specifically, it is clear from the fact that the equation can be modified as shown in the equation (Equation 3).
  • variable of the zero offset function includes not only V u + V d X d / X u but also V u X u / X d + V d .
  • the flow rate calculation unit In order to be able to calculate the flow rate Q more accurately, the flow rate calculation unit only needs to calculate the flow rate Q using a conversion function SENSx defined as a function of V u + V d X d / X u. .
  • V ut is an output at a predetermined temperature measured in advance by a constant temperature control circuit corresponding to the resistor located on the upstream side
  • V dt is measured in advance by a constant temperature control circuit corresponding to the resistor located on the downstream side.
  • the output at a predetermined temperature, X dt / X ut satisfies the above equation 1 for V ut and V dt .
  • the conversion function SENSx may be a pricing curve.
  • V u + V d X d / X u is a value that is hardly affected by the flow rate Q, and is a value that greatly depends on the temperature. Therefore, it may be used as a thermometer. That is, if the mass flow sensor further includes a temperature calculation unit that calculates the ambient temperature based on V u + V d X d / X u , the constant temperature can be maintained without providing an additional temperature sensor or the like. The ambient temperature can be measured only from the output of the control circuit, and it can be used for various corrections and controls.
  • the output of the flow sensor is changed by V u + V d X d / X u that hardly changes with respect to the flow rate and greatly changes with respect to the ambient temperature change. While correcting that the rate of increase (slope) changes with respect to ambient temperature changes, it is also possible to prevent non-linearity due to changes in the flow rate Q from being added to the output of the flow rate sensor. be able to. Further, the zero point output is also corrected by the zero offset function OFS which is a function of V u + V d X d / X u , and it is possible to prevent the shift amount from being different depending on the temperature. Therefore, it is possible to provide a highly accurate flow rate sensor that is not easily affected by both a change in temperature around the flow rate sensor and a change in flow rate.
  • the schematic diagram of the mass flow sensor concerning one embodiment of the present invention.
  • the typical graph which shows the relationship between the temperature change in the same embodiment, and the output of each constant temperature control circuit.
  • the graph which shows the change of the temperature parameter
  • the graph which shows the measurement precision with respect to the temperature change of the mass flow sensor in the same embodiment, and the change of mass flow rate.
  • the graph which shows the output characteristic of each constant temperature control circuit of a general flow sensor.
  • a mass flow sensor 100 which is a type of flow sensor of the present embodiment, is provided with resistors 2u and 2d that are independent from each other on the upstream side and the downstream side of a conduit 1 through which a fluid such as gas flows.
  • a constant temperature control circuit 3u, 3d including the resistors 2u, 2d, which keeps a constant temperature by applying a voltage to the resistors 2u, 2d, and the resistors 2u, 2d at that time are applied.
  • a calculation unit 4 that performs various calculations based on the voltage, and the calculation unit 4 includes at least a mass flow rate calculation unit 41 that calculates a mass flow rate, and a temperature calculation unit 42 that calculates a temperature around the mass flow rate sensor 100. , With.
  • the resistors 2u and 2d are self-heating type thermal coils wound respectively upstream and downstream of the conduit 1 as shown in FIG. 1 (a).
  • the resistor 2u provided on the upstream side is referred to as the upstream coil 2u
  • the resistor 2d provided also on the downstream side is referred to as the downstream coil 2d.
  • the upstream coil 2u and the downstream coil 2d are made of resistance wires having a large temperature coefficient such as iron / nickel alloy, and change even if the mass flow rate of the fluid flowing in the conduit 1 slightly changes. Can be detected.
  • the upstream coil 2u and the downstream coil 2d constitute part of two independent constant temperature control circuits 3u and 3d.
  • the one including the upstream coil 2u is also referred to as an upstream constant temperature control circuit 3u
  • the one including the downstream coil 2d is also referred to as a downstream constant temperature control circuit 3d.
  • the upstream coil 2u When the gas is flowing, the upstream coil 2u is deprived of heat by the fluid, so Vu increases, and the downstream coil 2d receives heat carried from the upstream side by the gas, so Vd decreases. Therefore, the flow rate can be measured from these values of Vu and Vd. Note that the accuracy of flow rate calculation is improved when the coils 2u and 2d are configured to be kept constant at the same temperature. However, the coils 2u and 2d may be configured to be kept constant at different temperatures.
  • the calculation unit 4 is a so-called computer having a CPU, a memory, an I / O channel, an AD converter, and the like, and at least functions as the mass flow rate calculation unit 41 and the temperature calculation unit 42.
  • the mass flow rate calculation unit 41 corresponds to the flow rate calculation unit in claims, and calculates the mass flow rate of the fluid flowing through the conduit 1 based on the outputs from the constant temperature control circuits 3u and 3d. . More specifically, the mass flow rate Q is calculated based on the equation (Equation 5) using the voltage V u applied to the upstream coil 2 u and the voltage V d applied to the downstream coil 2 d. It is.
  • This zero offset function is a graph of sensor output and V u + V d X d / X u in a state where no gas flows through the conduit. Based on the graph, the sensor output in the state where no gas flows is zero. It is comprised so that it may become.
  • the pricing curve is set so that the sensor output itself indicates the mass flow rate Q based on at least the span that is the upper limit value measured by the sensor.
  • V ut is an output at a predetermined temperature (25 ° C.) measured in advance in the upstream side constant temperature control circuit 3u
  • V dt is an output at a predetermined temperature (25 ° C.) measured in advance in the downstream side constant temperature control circuit 3d
  • X dt / X ut satisfies the above equation 6 for V ut and V dt
  • a is a proportionality constant (fixed value) that changes depending on the gas type, and the same value is used regardless of the solid difference of the mass flow sensor 100.
  • FIG. 2 shows the output of each constant temperature control circuit with the voltage V on the vertical axis and the mass flow rate Q of the fluid flowing through the conduit 1 on the horizontal axis, and the voltages V u and V d applied to the coils 2u and 2d and the mass. It is the graph which showed the relationship between the flow volume Q. Extrapolating the graphs of these voltages V u and V d , let X u and X d be the absolute values of the mass flow rate Q at the point where the voltage becomes 0 V (intersection with the horizontal axis), respectively.
  • X u and X d are experimentally obtained from the applied voltages V u and V d measured at a certain temperature in advance by the method described above and stored in the memory. As shown in FIG. 2, even if the ambient temperature is different, X u and X d have substantially the same values as shown in the relationship between the graphs at 25 ° C. and 45 ° C. in FIG. Therefore, if X u and X d are obtained at a certain temperature, they can be applied at other temperatures.
  • the temperature calculation unit 42 outputs temperature using V u + V d X d / X u as a temperature index.
  • V u + V d X d / X u hardly changes with respect to the change of the mass flow rate Q, and takes a value approximately twice the value of the intersection (intercept) with the vertical axis in FIG. It is.
  • the value of this intercept changes with the ambient temperature, and it has been experimentally confirmed that there is a proportional relationship between the value of this intercept and the ambient temperature. . Therefore, in this embodiment, V u + V d X d / X u and the ambient temperature are preliminarily priced based on the proportional relationship, and the pricing curve is stored in the memory.
  • the mass flow sensor for calculating the mass flow rate Q based on the value of (V u ⁇ V d ) / (V u + V d ) as in the past with respect to the measurement accuracy of the mass flow sensor 100 of the present embodiment configured as described above. This will be described by comparing with a measurement accuracy of 100.
  • FIG. 3 is a graph in which (V u + V d ) / 2 or (V u + V d X d / X u ) / 2 is taken on the vertical axis, and the ratio of the mass flow rate Q to the full scale is taken on the horizontal axis.
  • V u + V d In the conventional method V u + V d , (V u + V d ) / 2 increases as the mass flow rate Q increases, and a fluctuation of about 0.1 V occurs. is doing.
  • V u + V d X d / X u is a value that is less affected by the mass flow rate Q than V u + V d and greatly changes only with respect to a change in ambient temperature.
  • V u + V d X d / X u is a more preferable characteristic for improving the linearity of the sensor output by correcting the change of the voltages V u and V d applied to the coils 2 u and 2 d with respect to the ambient temperature. It can be said that it has.
  • a predetermined mass flow rate Q is caused to flow through the conduit 1 by the mass flow controller, and the error between the sensor output of the conventional method and the sensor output of the present embodiment at that time is shown in the graph of FIG.
  • the vertical error represents the percentage error of the output of the mass flow sensor 100 with respect to the actual mass flow Q flowing through the conduit 1
  • the horizontal axis represents the mass flow Q set to flow through the conduit 1. It is.
  • the error becomes larger as the ambient temperature becomes higher, and 0.8% to 1 when the ambient temperature is 45 ° C. It can be seen that an error of .6% has occurred, and that the mass flow rate Q of the fluid flowing through the conduit 1 is also affected.
  • an error of only about 0.8% occurs in the worst case, and is less susceptible to the ambient temperature than the conventional method. Not affected by changes in Q. That is, it can be seen that the mass flow sensor 100 of the present embodiment is more resistant to changes in the surrounding temperature and the mass flow Q than in the past, and the degree is greatly improved.
  • each coil 2u without much change with respect to the mass flow rate Q of the voltage applied to 2d V u + V d X d / X u, the values vary widely with respect to ambient temperature Is used to correct the output as a temperature index, and the zero point output correction, which has not been considered much conventionally, is also corrected by a function using the temperature index V u + V d X d / X u. It is done.
  • V u + V d X d / X u is used for correcting the sensor output.
  • the change rate (slope) of the sensor output with respect to the temperature change can be corrected.
  • the correction of the zero point output (shift amount) that has conventionally changed according to the ambient temperature change is also corrected by the zero offset function OFS that is a function of V u + V d X d / X u , Since the temperature dependence remaining in the above-described correction is corrected by the term (1 + a (V u + V d X d / X u ) / (V ut + V dt X dt / X ut )), it is more accurate. Therefore, the mass flow sensor 100 can be obtained.
  • the temperature calculation unit 42 applies V u + V d X d / X u that hardly receives a change in the mass flow rate Q as a temperature index, and is applied to each of the coils 2 u and 2 d without adding another temperature sensor. Accurate temperature can be output only with voltage. Accordingly, since it is not necessary to use an additional sensor, temperature measurement can be performed without increasing the cost, and the measured temperature can be used for another correction.
  • the graph between the voltage applied to each coil and the mass flow rate Q is extrapolated to obtain X d and X u from the mass flow rate Q at the point where the voltage becomes zero.
  • a value that approximates the above-described equation (Equation 6) may be used.
  • the equation (Equation 6) does not need to be satisfied for the entire section with respect to the mass flow rate Q, and may be satisfied at least in the section to be used.
  • the mass flow rate calculation unit calculates the mass flow rate Q using the equation (Equation 5). However, depending on the required accuracy, the mass flow rate is calculated using an equation such as the following equation (Equation 7). Q may be calculated.
  • At least one of the zero offset function OFS and the pricing curve SENSx may be a function of V u + V d X d / X u .
  • a mass flow sensor that does not include the temperature calculation unit in the embodiment may be used.
  • the sensor output is less affected by temperature by dividing by V u + V d X d / X u , but in such a case, the mass flow sensor divided by the conventional V u + V d is the mass Since there is a difference in how the output is output when the flow rate Q is zero, there is a risk of confusion for a user using a conventional mass flow sensor. To prevent such confusion, the sensor output when there is no flow is output in the same way as the conventional one, and the influence on the ambient temperature change can be eliminated as in the above embodiment. May be divided by the following equation (Equation 8) instead of V u + V d X d / X u .
  • V u + V d X d / X u of the above embodiment may be divided by a factor of 2 / (1 + X d / X u ).
  • the pricing curve SENSx is used.
  • it may be a coefficient or a function for converting the calculated value of the output of each constant temperature control circuit into the mass flow rate Q.
  • the mass flow rate Q output from the sensor may be corrected by another correction formula. For example, when there is no linearity between the sensor output and the actual mass flow rate Q between the zero flow rate and the measurable upper limit value, the correction may be performed using a fifth-order correction formula.
  • the output of the flow rate sensor changes according to the ambient temperature change by V u + V d X d / X u which changes little with respect to the ambient temperature and greatly changes with the ambient temperature change.
  • V u + V d X d / X u which changes little with respect to the ambient temperature and greatly changes with the ambient temperature change.
  • the zero point output is also corrected by the zero offset function OFS which is a function of V u + V d X d / X u , and it is possible to prevent the shift amount from being different depending on the temperature. Therefore, it is possible to provide a highly accurate flow rate sensor that is not easily affected by both a change in temperature around the flow rate sensor and a change in flow rate.

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Abstract

　流量センサの出力について質量流量の変化の影響を防ぐとともに、従来、考慮されていなかったゼロ点出力の温度補正を行うことによってより直線性の向上させるために、上流側に位置する抵抗体２ｕに対応する定温度制御回路３ｕの出力をＶｕ、下流側に位置する抵抗体２ｄに対応する定温度制御回路３ｄの出力をＶｄ、流体の流量をＱとするときに、少なくともある流量Ｑの範囲で式（数９）を満たすＸｄ／Ｘｕを用いた式（数１０）に基づいて流量Ｑを算出する流量算出部４１を備え、前記流量算出部４１は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義されたゼロオフセット関数ＯＦＳにより流量Ｑがゼロの時の出力であるゼロ点出力を補正するようにした。

Description

流量センサ
　本発明は、導管中に流れる液体の流量を測定する流量センサに関するものである。
　流量センサの従来技術としては、特許文献１に開示されているものが挙げられる。このものは、流体が流れる導管に、流体の温度に応じて抵抗値が変化する２つの抵抗体を、上流側、下流側に互いに独立して設けると共に、これらの抵抗体をそれぞれ含む２つの定温度制御回路を互いに独立して設け、これらの定温度制御回路によって前記両抵抗体の温度を常に相等しくかつ一定となるように制御するようにした流量センサにおいて、上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｕ、下流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｄ、として（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋Ｖｄ）なる式に基づいて流量Ｑを算出するように構成されている。
　上述したような式を用いていたのは、Ｖｕ＋Ｖｄは周囲の温度のみに影響される量であり、Ｖｕ＋Ｖｄで割っておくことによって実際の流量Ｑの変化に対する流量センサの出力の増加率（傾き）を周囲の温度に関わらず同じにすることができ、流量センサの出力の直線性を向上させ、より誤差を小さくすることができると考えられていたためである。
　しかしながら、実際には、図５に示すように各定温度制御回路の出力Ｖｕと出力Ｖｄは、それぞれ流量Ｑに対してそれぞれ異なる傾きの絶対値を有しており、Ｖｕ＋Ｖｄは流量Ｑに対して一定値を取らず、流量Ｑに応じて変化する値である。
　このため、上述したような演算では流量センサの出力に対する周囲の温度の影響を小さくすることができるものの、Ｖｕ＋Ｖｄで割っていることにより、今度は流量Ｑの変化による影響で別の非直線性が付加されてしまうので、流量センサの出力の直線性がよくならず、誤差を小さくすることができていなかった。
　このような問題に対して、特許文献２では、先の式を（Ｖｕ－Ｖｄ）／（αＶｕ＋βＶｄ）　（但し、０≦α、β≦１　α≦β）に変更することによって、流量Ｑの変化による影響を低減し、流量センサの出力の直線性を向上させることが提案されている。
　しかしながら、特許文献２に記載の流量センサであっても、実際の流量Ｑの変化に対する流量センサの出力の増加率（傾き）を周囲の温度に対して変化しにくくできてはいるものの、流量Ｑの変化による影響を受けるため誤差は依然として残っている。
　また、これらの特許文献１及び２では、流量センサは、流量Ｑがゼロの状態におけるゼロ点出力の補正をどのように行うのかについても特に考慮されていない。このため、周囲の温度変化ごとにセンサ出力のシフト量が大きく変化してしまうので、流量センサの出力に誤差が発生する一因となっていると考えられる。
特公平５－２３６０５号公報 特開平５－２８１００７号公報
　本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、流量センサの出力について流量の変化による影響を防ぐとともに、従来、考慮されていなかったゼロ点出力の温度補正を行うことによって、より直線性が向上した誤差の小さい流量センサを提供することを目的とする。
　すなわち、本発明の流量センサは流体が流れる導管に、流体の温度に応じて抵抗値が変化する２つの抵抗体を、上流側、下流側に設けると共に、これらの抵抗体をそれぞれ含む２つの定温度制御回路を設け、これらの定温度制御回路によって前記両抵抗体の温度を一定となるように制御するようにした流量センサにおいて、上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｕ、下流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｄ、流体の流量をＱとするときに、少なくともある流量Ｑの範囲で式（数１）を満たすＸｄ／Ｘｕを用いた式（数２）に基づいて流量Ｑを算出する流量算出部を備え、前記流量算出部は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義されたゼロオフセット関数ＯＦＳにより流量Ｑがゼロの時の出力であるゼロ点出力を補正することを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ここで、ＯＦＳはゼロオフセット関数、ＳＥＮＳｘは各定温度制御回路の出力の演算値を流量に変換する変換関数。
　このようなものであれば、ＶｕとＶｄの流量Ｑに対する傾きは、図５に示されるよう正負が通常異なっており、かつ、式（数１）よりＶｕ、ＶｄＸｄ／Ｘｕはそれぞれ等しい大きさの傾きを有しているので、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕでは、流量Ｑに関する項は消去されることになる。つまり、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕは、流量Ｑに対して何の変化もせず、周囲の温度の変化によってのみ大きく変化する値にすることができる。従って、式（数２）における（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）は周囲の温度変化に対する影響のみが補正されたものにすることができ、この演算により流量Ｑの変化の影響による別の非直線性が付加されてしまうことを防ぐことができる。言い換えると、流量Ｑに変化量に対する流量センサの出力の増加率（傾き）が流量ごとに変化してしまうことを防ぐことができる。
　しかも、周囲の温度のみの影響を受けるＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義されたゼロオフセット関数ＯＦＳにより（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）のゼロ点出力が補正されるので、周囲の温度ごとに変化するセンサ出力のシフト量を補正することができる。
　以上のように、流量Ｑの変化に対して流量センサの出力、特に出力の増加率が変化してしまうことを防ぐことができ、かつシフト量を補正することができるので、よりセンサ出力の直線性を向上させることができ、誤差の小さい流量センサにすることができる。
　なお、前述した式（数２）は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕだけでなく、例えばＶｕＸｕ／Ｘｄ＋Ｖｄのような態様も含むものである。具体的には、式（数３）のような等式変形が可能であることから明らかである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ここで、（Ｘｄ／Ｘｕ）ＯＦＳ＝ＯＦＳ’、（Ｘｕ／Ｘｄ）ＳＥＮＳｘ＝ＳＥＮＳｘ’。また、同様にゼロオフセット関数の変数についてもＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕだけでなく、ＶｕＸｕ／Ｘｄ＋Ｖｄのような態様を含むものである。
　より正確に流量Ｑを算出できるようにするには、前記流量算出部は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義された変換関数ＳＥＮＳｘにより、流量Ｑを算出するものであればよい。
　（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）に残っている周囲の温度に対する温度依存性を補正し、より正確な流量Ｑを算出することができるようにするには、前記流量算出部は、前記式（数２）に対して更に温度補正項を追加した式（数４）に基づいて流量Ｑを算出するものであればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、Ｖｕｔは上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の予め測定した所定温度における出力、Ｖｄｔは下流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の予め測定した所定温度における出力、Ｘｄｔ／ＸｕｔはＶｕｔ、Ｖｄｔについて前記式数１を満たすものである。
　具体的な実施の態様としては、前記変換関数ＳＥＮＳｘが値付け曲線であればよい。
　Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕは流量Ｑに対してほとんど影響を受けない値であり、温度に対し大きく依存する値であることから、温度計として利用することも考えられる。すなわち、質量流センサが、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕに基づいて周囲の温度を算出する温度算出部を更に備えたものであれば、付加的な温度センサ等を設けなくても、定温制御回路の出力だけからで、周囲の温度を測定することができ、様々な補正や制御に利用する事が可能となる。
　このように、本発明の流量センサによれば、流量に対してはほとんど変化せず、周囲の温度変化に対しては大きく変化するＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕによって、流量センサの出力が周囲の温度変化に対して、その増加率（傾き）が変化してしまうのを補正しつつ、流量センサの出力に対して流量Ｑの変化に起因する非直線性が付加されてしまうことも防ぐことができる。さらに、ゼロ点出力もＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数であるゼロオフセット関数ＯＦＳにより補正され、温度によってシフト量が異なることを防ぐことができる。従って、流量センサの周囲の温度変化及び流量の変化のいずれにも影響されにくい、精度の高い流量センサとすることができる。
本発明の一実施形態に係る質量流量センサの模式図。 同実施形態における温度変化と各定温度制御回路の出力との間の関係を示す模式的グラフ。 同実施形態における質量流量の変化に対する温度指標の変化を示すグラフ。 同実施形態における質量流量センサの温度変化及び質量流量の変化に対する測定精度を示すグラフ。 一般的な流量センサの各定温度制御回路の出力特性を示すグラフ。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
　図１に示すように本実施形態の流量センサの一種である質量流量センサ１００は、ガス等の流体が流れる導管１の上流側と下流側に互いに独立した抵抗体２ｕ、２ｄを設けておき、それらの抵抗体２ｕ、２ｄに電圧を印加して一定温度に保つ前記抵抗体２ｕ、２ｄを含む互いに独立した定温度制御回路３ｕ、３ｄと、そのときの各抵抗体２ｕ、２ｄに印加される電圧に基づいて各種演算を行う演算部４とを備え、前記演算部４は、少なくとも質量流量を算出する質量流量算出部４１と、質量流量センサ１００の周囲の温度を算出する温度算出部４２と、を備えたものである。
　前記抵抗体２ｕ、２ｄは、図１（ａ）に示されるように前記導管１の上流と下流にそれぞれ巻き回してある自己加熱型の感熱コイルである。以下の説明では上流側に設けてある抵抗体２ｕのことを上流側コイル２ｕ、下流側にも設けてある抵抗体２ｄの事を下流側コイル２ｄとよぶ。前記上流側コイル２ｕ及び前記下流側コイル２ｄは、鉄・ニッケル合金等の温度係数の大きい抵抗線からなるものであり、導管１の中を流れる流体の質量流量がわずかに変化してもその変化を検出できるように構成してある。
　また、前記上流側コイル２ｕ、前記下流側コイル２ｄはそれぞれ独立した２つの定温度制御回路３ｕ、３ｄの一部を構成するものである。以下では、上流側コイル２ｕが含まれるものを上流側定温度制御回路３ｕ、下流側コイル２ｄが含まれるものを下流側定温度制御回路３ｄともよぶ。
　各定温度制御回路３ｕ、３ｄは図１（ｂ）に示すようなブリッジ回路をなすものであり、各コイル２ｕ、２ｄを予め定めた所定の温度でそれぞれ等しくかつ一定となるように温度制御するものである。具体的には、各コイル２ｕ、２ｄに印加される電圧をその所定温度を保つようにブリッジ回路によって制御するように構成してある。すなわち、図１（ｂ）に示すようなブリッジ回路においてコイル２ｕ、２ｄが基準抵抗Ｒの値と同じになるように定温度制御されており、この時に必要とされる電圧Ｖｕ、Ｖｄを測定する。ガスが流れていない時はＶｕ＝Ｖｄであり、センサ出力はゼロとなる。ガスが流れている時は、上流側コイル２ｕは流体によって熱が奪われるのでＶｕが大きくなり、下流側コイル２ｄはガスによって上流側から運ばれた熱が与えられるためＶｄは小さくなる。従ってこれらのＶｕ、Ｖｄの値から流量を測定できる。なお、各コイル２ｕ、２ｄは同じ温度で一定に保つように構成したほうが、流量の算出の精度が向上するが、各コイルが異なる温度で一定に保たれるように構成しても構わない。
　前記演算部４は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ＡＤコンバータ等を有したいわゆるコンピュータであり、少なくとも前記質量流量算出部４１及び前記温度算出部４２としての機能を発揮するものである。前記質量流量算出部４１は、請求項での流量算出部に相当するものであり、各定温度制御回路３ｕ、３ｄからの出力に基づいて導管１を流れる流体の質量流量を算出するものである。より具体的には、前記上流側コイル２ｕに印加される電圧Ｖｕ、前記下流側コイル２ｄに印加される電圧Ｖｄを用いて式（数５）に基づいて質量流量Ｑの算出を行うものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　さらに、Ｘｄ／Ｘｕは、以下の式（数６）を満たすものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、ＯＦＳはゼロオフセット関数であり、ＯＦＳ＝ｆ（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）で表されるＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数である。このゼロオフセット関数は導管にガスを流さない状態におけるセンサ出力とＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕのグラフをしておき、そのグラフに基づいて、ガスが流れていない状態でのセンサ出力がゼロとなるように構成してある。また、ＳＥＮＳｘは窒素ガスを流した時の値付け曲線であり、ＳＥＮＳｘ＝ｆ（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）で表される関数である。値付け曲線は、少なくともセンサで測定する上限の値であるスパンに基づいて、センサ出力そのものが質量流量Ｑを示すように設定してある。Ｖｕｔは上流側定温度制御回路３ｕにおいて予め測定した所定温度（２５℃）における出力、Ｖｄｔは下流側定温度制御回路３ｄにおいて予め測定した所定温度（２５℃）における出力、Ｘｄｔ／ＸｕｔはＶｕｔ、Ｖｄｔについて前記式数６を満たすものである。加えて、ａはガス種に応じて変化する比例定数（固定値）であり、質量流量センサ１００の固体差に関わらず同じ値を用いるようにしている。
　式（数５）について各項の定性的な説明をすると、（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）は、各定温度制御回路３ｕ、３ｄからの出力を周囲の温度変化に対してほとんど変化しないように正規化した出力であり、質量流量Ｑに対して略比例するような値である。また、（１＋ａ（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）／（Ｖｕｔ＋ＶｄｔＸｄｔ／Ｘｕｔ））の項は、（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）／（Ｖｕｔ＋ＶｄｔＸｄｔ／Ｘｕｔ）が周囲温度の増減量を示すものであり、その増減量に応じて、さらに周囲温度の変化に対するセンサ出力の変化を補正するためのものである。
　次に、式（数６）を満たすＸｄ／Ｘｕの設定方法について説明する。図２は、縦軸を電圧Ｖ、横軸に導管１を流れる流体の質量流量Ｑとして、各定温制御回路の出力であり、各コイル２ｕ、２ｄに印加される電圧Ｖｕ、Ｖｄと質量流量Ｑとの間の関係を示したグラフである。これらの電圧Ｖｕ、Ｖｄのグラフを外挿し、電圧が０Ｖとなる点（横軸との交点）での質量流量Ｑの絶対値をそれぞれＸｕ、Ｘｄとする。本実施形態ではこのＸｕ、Ｘｄを予めある温度で測定された印加電圧Ｖｕ、Ｖｄから上述した方法で実験的に求めておき、前記メモリに記憶させてある。なお、図２に示すように、周囲の温度が異なっていたとしても、例えば図２における２５℃と４５℃での各グラフの関係のように、Ｘｕ、Ｘｄは略同じ値を取ることが実験的に確かめられているので、ある一つの温度において、Ｘｕ、Ｘｄを求めておけば、他の温度においても適用することができる。
　前記温度算出部４２は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕを温度指標として温度を出力するものである。具体的には、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕは質量流量Ｑの変化に対してほとんど変化せず、図２における縦軸との交点（切片）の値の略２倍の値を取るものである。図２に示すようにこの切片の値は周囲の温度に対して変化するものであり、この切片の値と、周囲の温度との間には比例関係があることが実験的に確かめられている。従って、本実施形態では、その比例関係に基づいてＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕと周囲の温度とを予め値付けしてあり、前記メモリにその値付け曲線を記憶させてある。
　このように構成した本実施形態の質量流量センサ１００の測定精度について、従来のように（Ｖｕ－Ｖｄ）／（Ｖｕ＋Ｖｄ）の値に基づいて質量流量Ｑを算出する質量流量センサ１００の測定精度との比較することによって説明する。
　まず、Ｖｕ＋ＶｄとＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの値について質量流量Ｑの変化に対する依存性について検討する。図３は縦軸に（Ｖｕ＋Ｖｄ）／２又は（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）／２を取り、横軸に質量流量Ｑのフルスケールに対する比率を取ったグラフである。図３の上部に示されるように、従来の方式であるＶｕ＋Ｖｄでは、質量流量Ｑが大きくなるにつれて（Ｖｕ＋Ｖｄ）／２は大きくなってしまい、約０．１Ｖの変動が発生している。それに対して、図３の下部に示されるように（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）／２の場合には質量流量Ｑに対してほとんど変化せず、約０．０３Ｖ程度の変動しか発生していない。従って、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／ＸｕはＶｕ＋Ｖｄに比べて、質量流量Ｑに対して影響を受けにくく、周囲の温度の変化のみ対して大きく変化する値であると考えられる。つまり、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕは、各コイル２ｕ、２ｄに印加される電圧Ｖｕ、Ｖｄの周囲温度に対する変化を補正して、センサ出力の直線性を向上させるのにより好ましい特性を有しているといえる。
　次に、導管１にマスフローコントローラによって予め決まった質量流量Ｑを流し、その時の従来方式のセンサ出力と本実施形態のセンサ出力の誤差をそれぞれ図４のグラフで示す。図４のグラフは縦軸に導管１に流れている実際の質量流量Ｑに対する質量流量センサ１００の出力のパーセント誤差を取り、横軸に導管１に流れるように設定されている質量流量Ｑを取ってある。図４の上部のグラフに示されるように、従来方式の質量流量センサ１００では温度が周囲の温度が高くなるほど、誤差が非常に大きくなり、周囲の温度が４５℃の時には０．８％～１．６％の誤差が発生しており、しかも導管１を流れる流体の質量流量Ｑの影響も出ている事が分かる。一方、本実施形態の方式によれば、最も悪い場合では０．８％程度の誤差しか発生しておらず、従来方式に比べて周囲の温度影響を受けにくく、しかも、導管１を流れる質量流量Ｑの変化にあまり影響を受けていない。つまり、従来に比べて、本実施形態の質量流量センサ１００は、周囲の温度変化及び質量流量Ｑの変化に対して強く、その度が大幅に向上していることが分かる。
　これは前述したように、各コイル２ｕ、２ｄに印加される電圧をＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕという質量流量Ｑに対してはあまり変化せず、周囲の温度に対して大きく変動する値を温度指標として出力の補正に用いるとともに、従来あまり考慮されていなかったゼロ点出力の補正も温度指標Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕを用いた関数で補正を行っているためであると考えられる。
　このように、本実施形態の質量流量センサ１００によれば、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕをセンサ出力の補正に用いているので、質量流量Ｑの変化の影響をほとんど受けることなく、周囲の温度変化に対するセンサ出力の変化率（傾き）を補正することができる。しかも、従来であれば周囲の温度変化に応じて変化していたゼロ点出力（シフト量）の補正もＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数であるゼロオフセット関数ＯＦＳによって補正し、さらに、前述した補正でも残っている温度依存性を（１＋ａ（Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕ）／（Ｖｕｔ＋ＶｄｔＸｄｔ／Ｘｕｔ））の項によって補正するようにしてあるので、より精度のよい質量流量センサ１００とすることができる。
　また、前記温度算出部４２は、質量流量Ｑの変化をほとんど受けないＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕを温度指標として別の温度センサを付加することなく、各コイル２ｕ、２ｄに印加される電圧だけで、正確な温度を出力することができる。従って、付加センサを用いる必要がないので、コストアップを招くことなく温度計測を行うこともでき、この計測された温度を別の補正などに用いる事などもできる。
　その他の実施形態について説明する。
　前記実施形態では、各コイルに印加される電圧と質量流量Ｑとの間のグラフを外挿し、電圧がゼロになる点の質量流量ＱからＸｄ及びＸｕを求めていたが別の方法を用いて算出してもよい。例えば、上流側コイルに印加される電圧Ｖｕ、下流側コイルに印加される電圧Ｖｄの傾きａｕ、ａｄをそれぞれ求めておき、Ｘｄ＝ａｕ、Ｘｕ＝ａｄとして用いても構わない。要するに前述した式（数６）を略みたすような値を用いればよい。また、このようにしてＸｕ／Ｘｄを定める場合には、質量流量Ｑについて全区間について式（数６）が成り立つ必要はなく、少なくとも使用したい区間において成り立っていればよい。
　前記実施形態では、前記質量流量算出部は式（数５）を用いて質量流量Ｑを算出していたが、求められる精度によっては、下式（数７）のような式を用いて質量流量Ｑを算出しても構わない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、式（数７）においてゼロオフセット関数ＯＦＳと値付け曲線ＳＥＮＳｘのうち少なくとも一方がＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数であればよい。前記実施形態にあった温度算出部を備えていない質量流量センサであっても構わない。
　前記実施形態ではＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕで割ることによって温度影響の少ないセンサ出力にしていたが、このようなものでは、従来のＶｕ＋Ｖｄで割っている質量流量センサとは質量流量Ｑがゼロのときにおける出力の出方に違いがあるため、従来からの質量流量センサを使っているユーザに混乱が出る恐れがある。このような混乱を防ぎ、フローがない場合でのセンサ出力が従来のものと同じように出力されるとともに、前記実施形態と同じように周囲の温度変化に対する影響をなくすことができるようにするには、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの替わりに下式（数８）で割るようにすればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　すなわち、前記実施形態のＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕについて係数２／（１＋Ｘｄ／Ｘｕ）だけ乗じたもので割るようにすればよい。
　前記実施形態では、値付け曲線ＳＥＮＳｘを用いていたが、例えば、各定温度制御回路の出力の演算値を質量流量Ｑに変換する係数や関数であっても構わない。
　センサから出力された質量流量Ｑについて、さらに別の補正式により補正しても構わない。例えば、ゼロ流量と測定できる上限値との間の値において、センサ出力と実際の質量流量Ｑとの間に線形性がない場合等には５次の補正式により補正してもよい。
　より流量センサの感度を良くして、小さい流量でも測定できるようにしたい場合には、例えば、Ｖｕ－Ｖｄの値が大きく出力されるように、Ｖｕに定数をかけて使用するように構成しても構わない。その場合、値付け曲線等の値も対応させて変更すればよい。
　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。
　本発明の流量センサによれば、流量に対してはほとんど変化せず、周囲の温度変化に対しては大きく変化するＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕによって、流量センサの出力が周囲の温度変化に対して、その増加率（傾き）が変化してしまうのを補正しつつ、流量センサの出力に対して流量Ｑの変化に起因する非直線性が付加されてしまうことも防ぐことができる。さらに、ゼロ点出力もＶｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数であるゼロオフセット関数ＯＦＳにより補正され、温度によってシフト量が異なることを防ぐことができる。従って、流量センサの周囲の温度変化及び流量の変化のいずれにも影響されにくい、精度の高い流量センサとすることができる。
１００・・・流量センサ
１・・・導管
２ｕ、２ｄ・・・抵抗体（コイル）
３ｕ、３ｄ・・・定温度制御回路
４１・・・流量算出部
４２・・・温度算出部
 

Claims (5)

  1. 　流体が流れる導管に、流体の温度に応じて抵抗値が変化する２つの抵抗体を、上流側、下流側に設けると共に、これらの抵抗体をそれぞれ含む２つの定温度制御回路を設け、これらの定温度制御回路によって前記両抵抗体の温度を一定となるように制御するようにした流量センサにおいて、
    　上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｕ、下流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の出力をＶｄ、流体の流量をＱとするときに、少なくともある流量Ｑの範囲で式（数９）を満たすＸｄ／Ｘｕを用いた式（数１０）に基づいて流量Ｑを算出する流量算出部を備え、
    　前記流量算出部は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義されたゼロオフセット関数ＯＦＳにより流量Ｑがゼロの時の出力であるゼロ点出力を補正することを特徴とする流量センサ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     ここで、ＯＦＳはゼロオフセット関数、ＳＥＮＳｘは各定温度制御回路の出力の演算値を流量に変換する変換関数。
  2. 　前記流量算出部は、Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕの関数として定義された変換関数ＳＥＮＳｘにより、流量Ｑを算出する請求項１記載の流量センサ。
  3. 　前記流量算出部は、前記式（数１０）に対して更に温度補正項を追加した式（数１１）に基づいて流量Ｑを算出するものである請求項１記載の流量センサ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     　ここで、Ｖｕｔは上流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の予め測定した所定温度における出力、Ｖｄｔは下流側に位置する抵抗体に対応する定温度制御回路の予め測定した所定温度における出力、Ｘｄｔ／ＸｕｔはＶｕｔ、Ｖｄｔについて前記式（数９）を満たすものである。
  4. 　前記変換関数ＳＥＮＳｘが値付け曲線である請求項１記載の流量センサ。
  5. 　Ｖｕ＋ＶｄＸｄ／Ｘｕに基づいて周囲の温度を算出する温度算出部を更に備えた請求項１記載の流量センサ。
     
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