JP2000018991A - 流量計測装置のヒータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流量センサのヒータにおける抵抗値のバラツ
キや回路内の素子に関する特性のバラツキ等に関係なく
精度良く温度補正を行えるようにする。 【解決手段】 流量計測装置のヒータ駆動回路１０２
は、周囲温度モニタ素子としてのダイオードＤ１と、オ
フセット電圧を生成する可変抵抗器ＶＲ１とを備えてお
り、周囲温度に応じて変化するダイオードＤ１の一端の
周囲温度モニタ電圧Ｖ１とオフセット電圧Ｖ２とを加算
する。この加算した電圧Ｖ３を、オペアンプＡＭＰ１の
増幅回路及びオペアンプＡＭＰ２の増幅回路により増幅
して調整し、ヒータ印加電圧Ｖ４を生成する。このヒー
タ印加電圧Ｖ４をトランジスタＴｒ１を介して電流増幅
してヒータ１１１に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータ及び温度セ
ンサを用いてガス等の流体の流量を求める流量計測装置
のヒータ駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】流量計測装置の一種として、ヒータの上
流側及び下流側に温度センサを配置してなるいわゆる流
量センサを用い、ヒータより熱を発生させてその上流側
及び下流側の温度を温度センサで計測することによっ
て、測定対象流体を介した熱の拡散度合を検出し、これ
を基に流量センサ近傍の流体の流量を求める熱拡散検知
型の流量計測装置が従来より提案されている。

【０００３】このような流量計測装置に用いられるヒー
タ駆動回路としては、例えば特開平４−３４３１５号公
報に開示されているような温度補正機能を有するものが
ある。温度補正をかけることによって、流量センサの周
囲温度に関わりなく精度良く流量計測を行うことが可能
となる。従来のヒータ駆動回路の構成例を図５に示す。
ヒータ駆動回路は、オペアンプＡＭＰ３、抵抗器Ｒ１
２，Ｒ１３，Ｒ１４、及びトランジスタＴｒ１１により
形成された増幅回路を有しており、この増幅回路の出力
端に接続されたヒータＲｈに電力を供給することによっ
てヒータＲｈを発熱させるような構成となっている。オ
ペアンプＡＭＰ３の負入力端には、抵抗器Ｒ１１により
直流電源＋Ｖにプルアップされた周囲温度モニタ用のリ
ファレンス抵抗Ｒｒが接続され、電源電圧＋Ｖを抵抗器
Ｒ１１とリファレンス抵抗Ｒｒとで分圧した電圧Ｖａが
供給されるようになっている。

【０００４】図５の構成において、抵抗器Ｒ１１の抵抗
値とリファレンス抵抗Ｒｒの抵抗値がＲ１１≫Ｒｒであ
ると仮定すると、リファレンス抵抗Ｒｒに流れる電流は
その抵抗値が変化しても一定となる。リファレンス抵抗
Ｒｒは所定の温度係数を持っており、周囲温度によって
抵抗値が変化する。この結果、オペアンプＡＭＰ３に供
給される電圧Ｖａが変化し、これに伴ってトランジスタ
Ｔｒ１１のコレクタ出力の電圧Ｖｂが変化する。このよ
うに、ヒータ駆動回路は、リファレンス抵抗Ｒｒの温度
係数を利用して、周囲温度が変化したとき、ヒータＲｈ
に供給する電圧Ｖｂを変化させて温度補正を行ってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のヒータ駆動回路では、ヒータＲｈとリファレン
ス抵抗Ｒｒの温度係数を利用し、周囲温度の変化に応じ
てヒータに供給する電圧を変化させる方式のため、ヒー
タＲｈとリファレンス抵抗Ｒｒの温度係数が一致してい
ないと正確な温度補正が行えないという問題点があっ
た。また、増幅回路内のオペアンプＡＭＰ３等の各素子
の特性のバラツキ、リファレンス抵抗Ｒｒの抵抗値のバ
ラツキ、ヒータＲｈの抵抗値のバラツキなどのために、
流量計測装置の個体差により温度補正のかかり方が異な
り、温度補正をうまく行えない場合が生じるという問題
点もあった。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、流量センサのヒータにおける抵抗値のバラツキ、周
囲温度モニタ素子の抵抗値や温度特性のバラツキ、及び
回路内の素子に関する特性のバラツキ等があっても個体
差に関係なく精度良く温度補正を行うことが可能な流量
計測装置のヒータ駆動回路を提供することを目的として
いる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に記載の流量計測装置のヒータ駆
動回路は、発熱用のヒータとこのヒータの近傍に配置さ
れた温度センサとを有してなる流量センサを備えた流量
計測装置のヒータ駆動回路であって、前記ヒータの周囲
温度に応じて変化する周囲温度モニタ電圧を出力する周
囲温度検出手段と、調整用のオフセット電圧を生成する
オフセット電圧生成手段と、前記周囲温度モニタ電圧と
前記オフセット電圧とを加算して増幅することにより、
前記周囲温度に対して前記流量センサの出力値が一定に
なるようなヒータ印加電圧を生成するヒータ印加電圧生
成手段と、前記ヒータ印加電圧に応じた電力を前記ヒー
タに供給する電力供給手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【０００８】上記構成においては、周囲温度モニタ電圧
とオフセット電圧とを加算したものからヒータ印加電圧
を生成してヒータに供給することにより、周囲温度モニ
タ素子の抵抗値や温度特性のバラツキ、回路内の素子に
関する特性のバラツキ等に対応でき、流量センサの個体
差に関係なく、正確な温度補正が行われる。

【０００９】また、請求項２に記載の流量計測装置のヒ
ータ駆動回路は、前記オフセット電圧と前記ヒータ印加
電圧生成手段の増幅率の少なくとも一方を前記ヒータの
抵抗値に応じて変更可能としたことを特徴とする。

【００１０】上記構成においては、オフセット電圧とヒ
ータ印加電圧生成手段の増幅率の少なくとも一方をヒー
タの抵抗値に応じて変更することにより、流量センサの
ヒータにおける抵抗値のバラツキにも対応でき、流量セ
ンサの個体差に関係なく、正確な温度補正が行われる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態
に係るヒータ駆動回路の構成を示すブロック図、図２は
本実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【００１２】図２に示すように、本実施形態の流量計測
装置は、マイクロヒータ等からなるヒータ１１１の両側
部に上流側温度センサ１１２と下流側温度センサ１１３
とを配設して形成された流量センサ１０１を有して構成
されている。この流量センサ１０１は、例えばシリコン
基板上にマイクロヒータと２つのサーモパイルを形成し
た小型のセンサ素子を用いることができる。上流側温度
センサ１１２及び下流側温度センサ１１３を構成するサ
ーモパイルは、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
感知するものである。流量センサ１０１には、ヒータ１
１１を発熱駆動するヒータ駆動回路１０２と、上流側温
度センサ１１２及び下流側温度センサ１１３の出力を基
に流量を求める処理回路１０３とが接続されている。

【００１３】流量計測を行う場合は、ヒータ駆動回路１
０２によりヒータ１１１に電力を供給してヒータ１１１
を発熱させ、上流側温度センサ１１２及び下流側温度セ
ンサ１１３により上流側及び下流側の温度を計測する。
そして、上流側温度センサ１１２及び下流側温度センサ
１１３の出力を処理回路１０３に供給し、処理回路１０
３において所定の演算処理を行って流量値Ｑを求める。
処理回路１０３では、例えば、ヒータ発熱後の上流側と
下流側それぞれの温度のピーク値の差を算出して、この
差分値を基に所定の演算式により流量値Ｑを得るような
演算処理が行われる。前記演算式としては、差分値と流
量値との関係を表す回帰関数（多項式で表される）が予
め求められて保持されており、この演算式に差分値を代
入することによって流量値Ｑが算出される。このよう
に、ヒータ１１１から測定対象流体を介した熱の拡散度
合を検出することにより、流量センサ１０１近傍の流体
の流量を求めることが可能となっている。

【００１４】次に、図１を参照して本実施形態に係るヒ
ータ駆動回路１０２の構成を詳しく説明する。ヒータ駆
動回路１０２には、周囲温度により順方向電圧が変化す
る周囲温度モニタ用のダイオードＤ１が設けられてお
り、このダイオードＤ１の一端は接地され、他端は抵抗
器Ｒ１により直流電源＋Ｖにプルアップされている。こ
のダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ１により周囲温度検出手
段が構成される。ダイオードＤ１と抵抗器Ｒ１との接続
点は、抵抗器Ｒ２を介してオペアンプＡＭＰ１の正入力
端に接続されている。

【００１５】また、ダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ１と並
列に、一端が直流電源＋Ｖに接続され他端が接地された
オフセット電圧生成手段としての可変抵抗器ＶＲ１が設
けられ、この可変抵抗器ＶＲ１の中間タップ端子が抵抗
器Ｒ３を介してオペアンプＡＭＰ１の正入力端に接続さ
れている。すなわち、ダイオードＤ１により生成された
周囲温度に対応して変化する温度モニタ電圧Ｖ１と、可
変抵抗器ＶＲ１により生成されたオフセット電圧Ｖ２と
が加算され、その加算後の電圧Ｖ３がオペアンプＡＭＰ
１に供給されるようになっている。

【００１６】なお、ダイオードＤ１は、サーミスタや測
温抵抗体など、流量センサの内部または外部に設けた他
の周囲温度モニタ素子で代用することもできる。

【００１７】オペアンプＡＭＰ１の周辺には抵抗器Ｒ
４，Ｒ５が設けられ、負帰還型の増幅回路が構成されて
いる。また、オペアンプＡＭＰ１の出力端には、オペア
ンプＡＭＰ２、抵抗器Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８からなる増幅回
路が接続されている。このオペアンプＡＭＰ１及びオペ
アンプＡＭＰ２の増幅回路によりヒータ印加電圧生成手
段が構成される。そして、オペアンプＡＭＰ２の後段に
は電流増幅を行う電力供給手段としてのトランジスタＴ
ｒ１が接続されている。さらに、トランジスタＴｒ１の
コレクタ端子には、ヒータ１１１が接続され、ヒータ１
１１に駆動電力Ｐが供給されるようになっている。

【００１８】次に、本実施形態に係るヒータ駆動回路１
０２の動作を説明する。流量センサ１０１の周囲温度に
従ってダイオードＤ１の順方向電圧が変化し、この温度
モニタ電圧Ｖ１に可変抵抗器ＶＲ１によるオフセット電
圧Ｖ２を加算した電圧Ｖ３が周囲温度に対応した温度補
正後の電圧としてオペアンプＡＭＰ１に供給される。こ
の電圧Ｖ３は、まずオペアンプＡＭＰ１の増幅回路で増
幅された後、オペアンプＡＭＰ２の増幅回路によって調
整されてヒータ印加電圧Ｖ４となり、トランジスタＴｒ
１により電流増幅されてヒータ１１１に印加される。こ
れにより、ヒータ１１１に駆動電力Ｐが通電されてヒー
タ１１１より熱が発生する。

【００１９】前記電圧Ｖ４は、各周囲温度で流量センサ
の出力が一定になるようなヒータへの印加電圧となる。
図３は周囲温度に対して一定の流量センサ出力が得られ
るヒータ印加電圧の温度特性の一例を示した特性図であ
る。本実施形態のヒータにおいては、流量センサ出力一
定となるヒータ印加電圧は約１．２Ｖ〜１．８Ｖの範囲
で周囲温度の上昇に応じて線形的に増加するような特性
を有している。

【００２０】このように、図３に示すような周囲温度に
対応した電圧を印加することにより、温度補正を行うこ
とができ、流量センサ１０１の周囲温度に関わりなく所
定の発熱量で測定対象流体が加熱されるため、流量セン
サ１０１より周囲温度に関し一定の出力値が得られ、精
度良く流量計測を行うことが可能となる。

【００２１】本実施形態では、ダイオード等の周囲温度
モニタ素子の作用により周囲温度に対応して変化する温
度モニタ電圧Ｖ１と、可変抵抗器ＶＲ１の抵抗値の調整
により変化するオフセット電圧Ｖ２とを加算した電圧Ｖ
３を用い、増幅回路により増幅してヒータ印加電圧Ｖ４
としてヒータに供給することにより、容易かつ正確に温
度補正をかけることができる。このように温度補正の際
にヒータ印加電圧を直接調整する方式であるため、ダイ
オードＤ１等の周囲温度モニタ素子の特性のバラツキな
どがあっても、抵抗器Ｒ４，Ｒ５等の抵抗値を変えて増
幅回路の増幅率を調整したり、可変抵抗器ＶＲ１の抵抗
値を変化させてオフセット電圧Ｖ２を調整することで対
応可能である。また、ヒータ駆動回路１０２内の各素子
の特性のバラツキ等にも同様に対応できる。

【００２２】また、複数のヒータについてその抵抗値別
に周囲温度−ヒータ印加電圧の特性を予め測定してお
き、抵抗値の近いものをグループ化して、各抵抗値毎に
前記オフセット電圧及び増幅率を設定変更することによ
り、流量センサ１０１に設けたヒータのバラツキにも対
応することができる。すなわち、ヒータの抵抗値に応じ
てヒータ駆動回路１０２のオフセット電圧及び増幅率を
変えることによりバラツキを吸収し、常に最適なヒータ
印加電圧が出力されるようにする。これにより、回路定
数の設定のために流量センサの温度特性を一つずつ測定
することなく、各ヒータの抵抗値に応じた温度補正を行
うことができるため、生産性を向上できる。

【００２３】図４にヒータ抵抗値のグループ毎に求めた
周囲温度に対するヒータ印加電圧の温度特性の一例を示
す。この図４のように、所定範囲の抵抗値ごとにグルー
プ化したヒータ抵抗値のグループ１〜３について、それ
ぞれ適切なヒータ印加電圧を供給可能なように、ヒータ
抵抗値に応じて温度特性の傾きが変化するよう各々のグ
ループでヒータ駆動回路１０２のオフセット電圧及び増
幅率の設定を変更し、温度補正を行うようにする。

【００２４】以上のように、本実施形態では、周囲温度
に対して流量センサの出力値が一定になるように、周囲
温度モニタ素子の温度特性を利用して得られる周囲温度
に対応した温度モニタ電圧と可変抵抗器で設定されるオ
フセット電圧とを加算して増幅することにより、ヒータ
に適切な電力を供給する構成としている。これにより、
流量センサのヒータにおける抵抗値のバラツキや回路内
の素子に関する特性のバラツキ等があっても、個体差に
関係なく精度良く温度補正を行うことが可能となる。

【００２５】またこの際、周囲温度モニタ素子とヒータ
の抵抗値の温度係数を一致させる必要もなくなる。すな
わち、周囲温度モニタ素子にどのようなものを用いた場
合であっても、その素子の温度特性を利用して周囲温度
を検出し、温度補正を行うことができる。従って、本実
施形態のヒータ駆動回路によれば常に最適な温度補正を
かけられるため、周囲温度に関わりなく正確な流量計測
を行うことが可能となる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ヒ
ータの周囲温度に応じて変化する周囲温度モニタ電圧を
出力する周囲温度検出手段と、調整用のオフセット電圧
を生成するオフセット電圧生成手段と、前記周囲温度モ
ニタ電圧と前記オフセット電圧とを加算して増幅するこ
とにより、前記周囲温度に対して流量センサの出力値が
一定になるようなヒータ印加電圧を生成するヒータ印加
電圧生成手段と、前記ヒータ印加電圧に応じた電力を前
記ヒータに供給する電力供給手段とを設けたので、周囲
温度モニタ素子の抵抗値や温度特性のバラツキ、回路内
の素子に関する特性のバラツキ等があっても個体差に関
係なく精度良く温度補正を行うことが可能となる効果が
ある。また、前記オフセット電圧と前記ヒータ印加電圧
生成手段の増幅率の少なくとも一方を前記ヒータの抵抗
値に応じて変更可能とすることにより、流量センサのヒ
ータにおける抵抗値のバラツキにも対応でき、個体差に
関係なく正確な温度補正が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るヒータ駆動回路の構
成を示すブロック図である。

【図２】本実施形態に係る流量計測装置の概略構成を示
すブロック図である。

【図３】周囲温度に対するヒータ印加電圧の温度特性の
一例を示した特性図である。

【図４】ヒータ抵抗値のグループ毎に求めた周囲温度に
対するヒータ印加電圧の温度特性の一例を示した特性図
である。

【図５】従来のヒータ駆動回路の構成例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１０１ 流量センサ １０２ ヒータ駆動回路 １０３ 処理回路 １１１ ヒータ １１２ 上流側温度センサ １１３ 下流側温度センサ ＡＭＰ１，ＡＭＰ２ オペアンプ Ｄ１ ダイオード Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８ 抵
抗器 Ｔｒ１ トランジスタ ＶＲ１ 可変抵抗器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱用のヒータとこのヒータの近傍に配
   置された温度センサとを有してなる流量センサを備えた
   流量計測装置のヒータ駆動回路であって、 前記ヒータの周囲温度に応じて変化する周囲温度モニタ
   電圧を出力する周囲温度検出手段と、 調整用のオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成
   手段と、 前記周囲温度モニタ電圧と前記オフセット電圧とを加算
   して増幅することにより、前記周囲温度に対して前記流
   量センサの出力値が一定になるようなヒータ印加電圧を
   生成するヒータ印加電圧生成手段と、 前記ヒータ印加電圧に応じた電力を前記ヒータに供給す
   る電力供給手段と、を具備すること特徴とする流量計測
   装置のヒータ駆動回路。
2. 【請求項２】 前記オフセット電圧と前記ヒータ印加電
   圧生成手段の増幅率の少なくとも一方を前記ヒータの抵
   抗値に応じて変更可能としたことを特徴とする請求項１
   に記載の流量計測装置のヒータ駆動回路。