JP3310430B2 - 計測装置および計測方法 - Google Patents
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Description
行うことにより、被計測対象や計測環境の温度変化の影
響を受けない計測装置および計測方法に関する。本発明
は、以下に示すような計測対象に利用することができ
る。 (1) 流量または流速の計測 (2) 流体の熱伝導率や比熱の計測。 (3) 流体の識別 (4) 複数の流体の混合比の計測 (5) 流体中に含まれる物質の濃度の計測(例えば湿度の
計測)
問わない)の熱伝導率や比熱の違いを評価することもで
きる。
膜等の高熱伝導率を有する薄膜材料に対してパルス状の
加熱を行い、この際の応答特性を当該薄膜の温度変化と
して計測し、この応答特性より当該薄膜材料が当該薄膜
材料が接している被計測物質から受ける熱的な影響を評
価することを基本的な構成とする。
ける熱的な影響を計測するセンサーと被計測物質の温度
や計測環境の温度を計測するセンサーとを用い、この2
つのセンサーからの出力を所定の関係式に従って処理す
ることにより、被計測物質の温度や計測環境の温度に依
存しない出力を得ることを基本とする。
て流れる流体の流量によるものを挙げることができる。
即ちこの場合、流体の温度や計測環境の温度に依存しな
い流量値に対応した値を得ることができる。ここでは、
本発明の基本的な構成の一つについて概説したが、後述
するように本発明には数々の形態および実施態様が存在
する。
サーと呼ばれる)として、サーミスタを利用したものが
知られている。これは、流体によって熱量が奪われるこ
とによって、サーミスタ部分の温度が低下することを利
用したものである。一般にサーミスタ部分が流体に接し
ていると、サーミスタ部分から奪われる熱量は、流量
(または流速)に依存する。従って、サーミスタからの
出力と流量とはある相関関係を持つ。このことを利用し
て、サーミスタの出力より、流量を算出することができ
る。
例えば、内径rの円形パイプ内を流速vの流体が流れて
いるとするならば、vπr2 が流量になる。従って、流
体の断面積が分かっているのならば、流量と流速は同時
に求めることができる。
を有する半導体のことをいう。しかし、本来サーミスタ
とは、熱に敏感な抵抗体(Thermally Sensitive Resist
or)のことであり、特に温度係数の正負や材料によって
限定されるものではない。従って、正の温度係数を有す
る白金等の金属をサーミスタと称してもよい。
変化する材料を用いた素子を総称して、測温抵抗体や温
度感知素子、さらには感温素子や抵抗温度計という。ま
た、温度によって抵抗が変化する材料のことをサーミス
タ機能を有する材料ということもできる。以下において
は、温度によって抵抗が変化する材料のことを測温抵抗
体という。
にサーミスタを用いる構成以外に、ジュール熱によって
発熱させた抵抗発熱体を流体に曝し、流量に依存して、
当該抵抗発熱体から熱量が奪われることを利用する方式
もある。この方式では、抵抗発熱体に流れる電流を計測
することによって、流量を算出することができる。
に奪わせ、流体によって運ばれる熱量を別個に設けられ
た測温抵抗体(例えば白金センサー)によって計測し、
流量を算出する方式もある。
めには、流体によって奪われる熱量を多くすることが有
効である。また、応答速度を高めるためには、測温抵抗
体部分の熱容量を極力小さくすることが必要である。
(フローセンサー)は、計測できる流量の範囲が狭いと
いう問題がある。即ち、ダイナミックレンジが狭いとい
う問題がある。具体的には、20sccm〜300sc
cm、200sccm〜2000sccmといった範囲
でしか正確な流量計測ができないという問題がある。
よるものであると考えられる。 (1)測温抵抗体が熱的に極めて不安定な状態におかれ
ているので、熱に対する応答の線型性が悪く、広い範囲
の熱的変化に追従できない。 (2)上記(1)に関連して、特に加熱の方法が難し
く、広い流量範囲に渡って有効な加熱を行うことができ
ない。 (3)応答速度を速くするために測温抵抗体の熱容量を
小さくすると、大きな熱量を扱うことができない。
て、測温抵抗体から効果的に流体に熱量を奪わせ、同時
に測温抵抗体に効果的に熱量を供給する構造を採ること
が困難であることによる。
境の温度変化(例えば流体の温度変化)をも敏感に検出
してしまうので、温度変化がある環境での使用には問題
があった。この問題を解決する方法も数々提案されてい
るが、実際の使用においては、計測環境あるいは流体の
温度によって流量の計測に大きなバラツキが出てしまう
のが現状である。
ような流量計測装置を作製した。図1において、13は
有磁場マイクロ波CVD法を用いて気相合成した5μm
厚の多結晶ダイヤモンド薄膜である。12はスパッタリ
ング法で形成された0.1μm厚の白金の測温抵抗体で
ある。11は同じくスパッタリング法で形成された0.
1μm厚の白金の発熱抵抗体である。10と15がそれ
らの電極であり、17はボンディング用の金ワイヤであ
る。18はダイヤモンド薄膜13を保持するテフロン製
の基体である。測温抵抗体12と発熱体11とは、その
抵抗が異なるだけである。測温抵抗体12の抵抗は約1
KΩ、発熱体11の抵抗は約100Ωである。
ヤモンド薄膜13はテフロンの基体18に保持されてお
り、流体以外とは熱的に絶縁されて保持されている。こ
のように当該薄膜材料を熱的に絶縁して保持することに
よって、当該薄膜材料から流体以外に熱が流失しない構
造とすることができ、流体と薄膜材料の熱的な相互作用
を正確に評価することができる。
11が形成された面とは反対側の面に接して流れる構造
となっている。具体的には、図1に示す装置は流体が流
れるプラスチック製のパイプの一部に嵌め込まれてお
り、ダイヤモンド薄膜の一方の面(回路の形成されてい
る面)はパイプの外部に面しており、他の一方の面はパ
イプの内部に面している。そしてパイプには、テフロン
製の基体18が接触しており、ダイヤモンド薄膜がパイ
プとは直接接触しない構造となっている。
す。図2において22が図1にその概要を示す流量計測
装置である。図2に示すシステムにおいて、アンプ21
より発熱体11にパルス状の電圧が加えられ、発熱体1
1はダイヤモンド薄膜13(図1参照)に対してパルス
状の加熱を行う。このパルス状の加熱は極短時間、例え
ば0.18秒で行われる。このパルス状の加熱によっ
て、ダイヤモンド薄膜13は極短時間において加熱され
る。
イヤモンド薄膜13の過渡応答特性は、測温抵抗体12
によって、ダイヤモンド薄膜13の温度変化として検出
される。測温抵抗体12には一定のバイアス電圧が印加
されており、ダイヤモンド薄膜13の温度変化は、測温
抵抗体を流れる電流値の変化として出力される。
プ24によって電圧信号に変換され、さらにA/Dコン
バータ25において、デジタル信号に変換される。さら
にA/Dコンバータ25からの出力は、CPU28にお
いて所定の演算方法によって処理され、D/Aコンバー
タ27より計測値に対応した値が出力される。またアン
プ21とA/Dコンバータ25とは、タイミングパルス
ジェネレータ23によって制御される。なお所定の演算
方法については、後述の〔基本的なセンサーの動作方法
について〕の項で詳述する。
た図2に示すシステムを用いて、窒素ガス流量の計測を
行い、以下の実験事実が得られた。 (1)ダイヤモンド薄膜の瞬間的な加熱(パルス状の加
熱)に対する応答特性は、当該ダイヤモンド薄膜に接し
て流れる流体の流量に依存する。そして、この応答特性
を定量的に評価することによって、流量(または流速)
を計測することができる。 (2)ただし上記(1)の応答特性は、流体の温度によ
っても変化する。即ち、流体の流量が同じであっても、
流体の温度や計測環境の温度が異なると、対応する応答
特性も違うものとなる。このことは、流量の変化と流体
や計測環境の温度変化とを区別することが困難であるこ
とを意味する。
に示す。図3は、I/Vアンプ24からの出力をオシロ
スコープに表示した際のものである。図3において縦軸
がダイヤモンド薄膜の温度に対応し、横軸が時間を表
す。図3に示されているのは、ダイヤモンド薄膜が急速
に加熱され、加熱後に窒素ガス流体によって急速に冷却
されていく様子である。この様子は、パルス状の加熱に
対するダイヤモンド薄膜の過渡応答特性を示すものとい
える。なお、加熱の時間は0.18秒であり、ガス温度
は一定(室温)である。また、測温抵抗体12へのバイ
アス電圧はVCC=0.3Vである。
れ異なる流量に対応する応答特性を示すものである。こ
れは、流量の違いによって、パルス状の加熱に対するダ
イヤモンド薄膜の応答特性が異なることを意味するもの
である。図3に示される波形の大きい方が流量が少ない
場合のものであり、波形の小さい方が流量が多い場合の
ものである。
される。即ち、流量が少ないとダイヤモンド薄膜から奪
われる熱量が少ないので、ダイヤモンド薄膜はパルス状
の加熱に際して、急速に大きく加熱され、ゆっくりと冷
却される。従って、応答波形は大きくなる。一方、流量
が多い場合、ダイヤモンド薄膜から奪われていく熱量も
多くなるので、ダイヤモンド薄膜はあまり高い温度には
加熱されず、しかも加熱終了後に急速に冷却される。従
って、応答波形は小さいものとなる。
るような波形の面積を所定の時間内において計算するこ
とによって行われる。具体的には、後述の実施例におい
て説明するセンサーの動作と基本的に同一である。
素ガス流量(Sl、リットル/分)とその計測公差との
関係を図4に示す。公差とは、計測データの信頼性を示
すもので、正確な値からの計測値のズレを表すパラメー
タである。また図4に示す流量計測に当たっては、流量
計測装置に接する流体のレイノルズ数が2000より小
さくなるようにして計測を行った。これは、乱流の影響
による公差の増大を抑えるためである。
2(リットル/分)〜42(リットル/分)において、
3%(±1.5%)以内の計測ができ、しかも50%の
公差を許容するならば、0.05(リットル/分)(5
0sccm)からの計測が可能であり、3桁以上に渡っ
て流量の計測が行えることが分かる。
変化と流体の流量変化とを区別できないことに関する実
験事実を以下に示す。
部分22(図1で示される構成を有する)を恒温室に持
ち込み、流量0の状態で流体(空気)の温度を10de
g〜35degまで変化させた場合のD/Aコンバータ
27からの出力である。
に、温度(この場合は流体の温度と理解することができ
る)が変化することによって、流量が変化しなくても
(この場合は流量0で一定とみなせる)図2に示す計測
システムからの出力は変化してしまう。
論される。「図2に示すような計測システムを用いた場
合において、流体の温度と流量値とが同時に変化した場
合、どちらが変化したのか確定することは原理的にでき
ない」
示されるような、流体や計測環境の温度変化によって、
流量計測値が変化してしまうことを防ぎ、流量(または
流速)のみに依存した出力が得られる構成を提供するこ
とを目的とする。
的な相互作用を評価する計測装置において、非計測物質
や計測環境の温度に依存しない計測値が得られる構成を
提供することを目的とする。
に、図2に示すようなシステムを用いて図1に示したセ
ンサーを流体に接触させた場合、D/Aコンバータから
の出力は、流量と流体や計測環境の温度との2つの変数
に依存したものとなる。
のセンサーは図1に示すような構成を有しているものと
する。またその動作方法も前述したようにパルス加熱に
対するダイヤモンド薄膜の応答特性を計測することによ
るものとする。この場合、センサーからの出力は、図3
の応答波形の面積に対応したものとなる。
は接しさせず、その温度を検出するような温度計測セン
サーを用いることを考える。即ち、この温度計測センサ
ーは流体に接してはいるが、その接している流体の流量
は0となるように配置されているのとする。この場合、
温度計測センサーからの出力は、流量には依存せず流体
の温度および/または計測環境の温度に依存したものと
なる。
れに直接接したセンサーで流体の流量と流体および/ま
たは計測環境の温度(以下においては流体の温度とす
る)とに依存した出力を得るためのものを考える。この
センサーを流体計測センサーということとする。
も同じ特性を有しているとする。この場合、温度計測セ
ンサーからの出力は、流体の温度に依存したものであ
る。一方流体計測センサーからの出力は、流量と流体の
温度とに依存したものである。従って、この2つのセン
サーからの出力の違いは、流量に対応したものとなるこ
とが理解される。
とができる。 (1)流体計測センサーからの出力は、温度に依存した
出力と流量に依存した出力との和に等しいものと考える
ことができる。 (2)(1)の温度に依存した出力は温度センサーから
の出力に等しい。 (3)従って、流体計測センサーの出力と温度計測セン
サーの出力との差は、温度に依存せず、流量に対応した
ものと考えることができる。
サーと流体計測センサーとを用意し、両者のセンサーの
出力の差を求めるとで、流体や計測環境の温度の値に係
わらず、流量計測を正確に行うことができる。
タを用いて説明する。図6に示すのは、温度計測センサ
ーの出力(REFERENCE:横軸(任意値))と流体計測セン
サーの出力(SENSOR OUTPUT :縦軸(任意値))との関
係を示したものである。
サーとは同一構造を有している。具体的には、図1に示
すような構成を有している。
ように、パイプ91内を流れる流体の流れ90には直接
曝されないが、スリット95から空間98に流入する流
体には触れるように配置されている。このような構成を
採った場合、温度計測センサー802に接する流体は流
量0とみなすことができるので、温度計測センサー80
2は流量を検出することはない。即ち、温度計測センサ
ー802が接する流体はほとんど流れのない状態とみな
すことができるので、温度計測センサー802の出力に
は流量の影響が殆どないとみなすことができる。
ように、流体の流れ90に直接接するように配置されて
おり、流量を検出する。しかし、流体の温度をも同時に
検出する。
を恒温室内に配置し、流量0の状態において、恒温室内
の温度を−20℃〜60℃まで変化させ、その際におけ
る温度計測センサー(REFERENCE センサー)の出力(横
軸)と流体計測センサー(SENSOR)の出力(縦軸)との
関係を示したものである。なお、ここにおける流体は空
気である。また、ここでいうセンサーの出力とは、後述
する方法によって演算処理されたものである。
ーは温度計測センサーとして機能する。従って、2つの
センサーの特性が同一ならば、図6に示されるプロット
点は傾き1、切片0の一次直線になる。しかし実際に
は、各センサーの特性のバラツキやアナログ回路からの
出力のオフセット電圧が存在するので、図6に示すプロ
ット点を結ぶ直線は、傾きは1よりやや小さく、また切
片も0ではない。
あるが、ここで流れがある場合を考える。この場合、温
度計測センサー(REFERENCE) の出力は流体の流れに依存
しないので、図6の横軸の値は変化しない。一方、流体
計測センサーからの出力は、流体の温度に対応した値と
流量に対応した値の和になるので、縦軸の値は流量に対
応した値だけ変化する。またこの場合、流量は温度によ
って変化しないものとみなすことができる。従って、図
6の各プロット点は流量に対応した所定の値だけ、縦軸
方向に移動することになる。
線は縦軸方向にほぼ平行に移動することになる。そして
この場合、この直線が移動した分が流量に対応するもの
となる。
答波形が小さくなる。従ってセンサーからの出力は小さ
くなる。よって、流量がある場合における図6に示す直
線の平行移動は、図6の縦軸のマイナス方向へのものと
なる。
体計測センサーとが同一特性を有している場合、温度計
測センサーの出力と流体計測センサーの出力との関係は
1次関数で表される。即ち、温度計測センサーの出力R
(図6の横軸に相当)と流体計測センサーの出力S(図
6の縦軸に相当)との関係は下記〔数式1〕で示され
る。
ある。ここで、温度計測センサーと流体計測センサーと
が同一特性を有していればA=1となる。また、温度計
測センサーと流体計測センサーとが同一特性を有してお
り、回路のオフセット電圧が0ならばB=0となる。ま
たFは、計測環境や流体の温度の影響を受けない流量に
対応した値である。
(流量=0)の場合であるから、当然F=0である。な
お図6に示すデータにおいては、各センサーの特性のバ
ラツキ、回路のオフセット電圧等の問題により、A=
1、B=0とはなっていない。
に依存せず流量に対応した値が得られることである。ま
た上記〔数式1〕で示される式中において、AとBとは
予め行う校正の段階で求めることができる。例えば、図
6より容易にAとBの値とは求めることができる。
流体計測センサーからの出力Sとが判明すれば、流体の
温度に依存しない流量に対応した値Fが上記〔数式1〕
より求まることになる。
サーと流体計測センサーとがほとんど同一の特性を有す
る場合、あるいは概略同一の特性を有する場合である
が、一般に温度計測センサーからの出力Rと流体計測セ
ンサーからの出力Sとは、下記〔数式2〕で示される関
係で表される。
関数であることを示す。この関数の形は、温度計測セン
サーと流体計測センサーとの特性の違いによって決ま
る。なお、両者のセンサーが概略同一の特性を有するの
ならば、 f(R)=AR+B(A、Bは定数) となり、〔数式1〕に一致する。
サーと流体計測センサーとの特性が異なっている場合で
あっても流体や計測環境の温度に依存しない流量または
流速の値を得ることができる。
で知ることができる。即ち、所定の流量において図6に
示すようなデータを計測することで、この関数f(R)
の形を知ることができる。
主要な構成について説明を加える。以下においては、セ
ンサー部分に利用される薄膜材料としてダイヤモンド薄
膜を利用した場合を主に示すが、他の材料としては、単
結晶珪素、多結晶珪素、炭化珪素、窒化アルミニュー
ム、窒化ほうそ、窒化アルミニウム、その他高熱伝導率
を有する材料(少なくとも単結晶シリコン(148Wm
-1K-1、300K)以上の熱伝導率を有する材料)を利
用することができる。勿論、ダイヤモンド薄膜を用いた
場合に最も顕著な効果を得ることができる。
ことができるが、固体材料であってもよい。例えば、被
計測物質が流体の場合は、流体の流量や流速の計測、流
体の種類の判別を行うことができる。これは、薄膜材料
の加熱に対する当該薄膜材料の温度変化の仕方(換言す
れば応答特性)が当該薄膜材料に接して流れる流体の流
量や種類によって異なることを利用するものである。ま
た流体中に不純物が含まれることによって、流体の熱伝
導率や比熱が異なる現象を利用して、流体中の不純物の
検出を行なうこともできる。
の固体の熱伝導率の違いや比熱の違い、さらには熱容量
の違いによって、薄膜材料の加熱に対する当該薄膜材料
の温度変化の仕方が異なる、即ちその応答特性が異な
る。このことを利用して、固体材料の種類の判別やその
体積の違いを計測することができる。
まる第1の応答特性と、上記変数αによって決まる第2
の応答特性と、を比較し、上記変数βに対応する出力を
得る」という構成を主要な構成の一つとする。
量、の例を挙げることができる。また、αが流体の温
度、βが流体の種類またはその物性の違いに対応する変
数、の例を挙げることができる。
合、βの値より、流体の種類や物性値の違いを知ること
ができる。このことは、ガス検出センサーに利用するこ
とができる。
膜材料のパルス状の加熱に対する応答特性のことを意味
する。なお、主要な変数α、βというのは、主な要因が
αとβであることを意味する。
1,2,3・・で示される自然数として、変数α1 ,α
2 ・・・αn+1 によって決まる第1の応答特性と、変数
α1 ,α2 ・・・αn によって決まる第2の応答特性
と、を比較し、変数αn+1 に対応する出力を得る」とい
うことができる。
温度とを問題とする場合、即ち主要な因子としてこれら
2つの因子に着目した場合、流量を変数α1 とし、流体
の温度を変数α2 として、上記構成は前述の「主要な変
数α、βによって決まる第1の応答特性と、上記変数α
によって決まる第2の応答特性と、を比較し、上記変数
βに対応する出力を得る」という構成と一致する。
流量と流体の温度以外に流体の種類や不純物の濃度や密
度などの因子も寄与する。そこで、上記構成は、これら
の因子をそれぞれ変数α1 , α2 ・・αn+1 と表記し、
これらの因子なかで一つの因子αn+1 に関する出力を得
ることを特徴とするものである。
な構成を採った場合、802で示されるセンサーは、変
数α1 に対応する流体の温度と変数α2 〜αn に対応す
る流体の諸物性値とに依存する応答特性を示す。なおこ
こで諸物性というのは、流体の熱伝導率、流体の動粘性
率、流体の密度、流体の比熱等々の物質の熱的な性質を
示す変数のことである。
α1 〜αn に加えて、パイプ91を流れる流体の流量に
対応する変数αn+1 に依存する応答特性を示す。
し、上記2つの応答特性を比較することで、流量に対応
する変数αn+1 に対応した出力を得ることができる。こ
の出力は流量を示すものであり、変数α1 〜αn で示さ
れる因子に影響されないものとなる。
を有する薄膜材料、例えばダイヤモンド薄膜に対してパ
ルス状の加熱を行う手段と、該手段によるパルス状の加
熱に対する当該薄膜材料の応答特性を計測する手段とを
有するセンサーを複数有し、これらセンサーの中で少な
くとも一つは流体の温度を計測するセンサーであり、少
なくとも他の一つは流体に接するように配置された流体
計測センサーであり、前記温度計測センサーからの出力
と前記流体計測センサーからの出力とを所定の関数関係
に基づいて処理する手段を有することを特徴とする。
流体計測センサーとは基本的に同一の構成を有している
方が構造が簡単になり、また動作も単純となる。温度計
測センサーは、流体や計測環境の温度に依存した出力を
得るためのものである。例えば図2に示すようなシステ
ムを流れの無い流体に曝した場合、その出力は図5
(A)に示すように流体の温度に対応した出力となる。
この場合図2の22で示されるセンサーは温度計測セン
サーとして機能することになる。
サーとして用いる場合には、図8の802で示されるよ
うに、流体の流れ90に直接曝されないようにしなけれ
ばならない。
れるように流体の流れ90に直接曝される構成としなけ
ればならない。このような構成とすることによって、流
体の流量に依存した出力を得ることができる。しかし同
時にこの出力は、流体や環境の温度にも依存する。
は、〔数式1〕あるいは〔数式2〕で示されるような温
度計測センサーからの出力Rと流体計測センサーからの
出力Sとの関係である。この関係式に従って両センサー
からの出力を処理することにより、流体や計測環境の温
度に依存しない流量計測値を得ることができる。
後述する基本的な動作を行うことによって得られるもの
である。簡素にいうならば、図3に示されるような薄膜
材料の応答特性を示す波形の面積を積算した値が出力で
ある。(後述の〔基本的なセンサーの動作方法につい
て〕の項参照)
加熱を行う手段としては、当該薄膜材料に直接接して設
けられた抵抗発熱体を用いることが一般的である。しか
し、当該薄膜材料を間接的に加熱したり、当該薄膜材料
自体に通電しジュール加熱したり、光やレーザー光さら
にはマイクロ波で加熱することも考えられる。
料の温度を計測することで実行される。例えば、図1、
図2に示すような構成において、発熱体11からのパル
ス状の加熱に対するダイヤモンド薄膜13の応答特性
は、測温抵抗体12によってダイヤモンド薄膜13の温
度変化として計測される。この計測の結果、測温抵抗体
12からの出力は図3に示すように変化する。そしてこ
の出力変化がダイヤモンド薄膜13のパルス状の加熱に
対する応答特性を示すものとなる。
は、当該薄膜材料に接して設けられた測温抵抗体(例え
ば白金)を利用することが一般的であるが、当該薄膜と
して半導体を用い、その表面にイオン注入等で一導電型
を有する半導体層を形成することで、測温抵抗体として
の機能を有する層を当該薄膜材料中またはその表面にに
形成するのでもよい。また、当該薄膜材料自身を測温抵
抗体として利用することもできる。例えば、気相合成時
にB(ボロン)を添加してP型を付与したダイヤモンド
薄膜を当該薄膜材料として用いれば、当該薄膜自身を測
温抵抗体として利用することができる。また薄膜材料が
発する熱線を検出するような方法(例えばサーモグラフ
ィー)も上記当該薄膜材料の温度を計測する手段として
用いることができる。
は、当該薄膜材料の温度のみを検出するものであること
が重要である。例えば、当該薄膜材料としてダイヤンモ
ンド薄膜を用い、このダイヤモンド薄膜をシリコン基板
上に配置し、しかも測温抵抗体をダイヤモンド薄膜とシ
リコン基板との間に設けた構造を考える。この場合、測
温抵抗体は、ダイヤモンド薄膜とシリコン基板の両方の
温度を同時に計測することになる。シリコン基板の熱伝
導率は148(Wm-1K-1、300K)であり、ダイヤ
モンド薄膜の熱伝導率約1000(Wm-1K-1、300
K)またはそれ以上と比較するとその値はかなり小さ
い。従って、この場合測温抵抗体が検出するパルス状の
加熱に対する応答特性も鈍いものとなり、良好な特性を
得ることはできない。
て、薄膜材料に直接接して設けられた抵抗発熱体を用
い、当該薄膜材料の温度を計測する手段として測温抵抗
体を用いた場合、この発熱体と測温抵抗体とが当該薄膜
材料を介してのみ熱的に結合していることが必要とな
る。
発熱体からの熱量を測温抵抗体が検出してしまうと、計
測される応答特性に当該薄膜材料の応答特性以外の要素
が含まれてしまうからである。
体以外とは極力接触させず、熱的に浮かした状態で保持
することが必要である。これもパルス状の加熱に際し
て、当該薄膜材料以外の材料の応答特性が計測結果に影
響することを防ぐためである。例えば、当該薄膜材料と
してダイヤモンド薄膜を用い、被計測物質を温度一定の
流体とした場合、このダイヤモンド薄膜を保持する際の
熱的な絶縁性を高めれば高める程、ダイヤモンド薄膜の
パルス加熱に対する応答特性は流体の流量に依存したも
のとなることが確かめられている。
薄膜材料から逃げていく熱量は、 (1)当該薄膜材料表面から流体に逃げていくもの。 (2)当該薄膜材料を保持する基体に逃げていくもの。 (3)当該薄膜材料に接して設けられている発熱体や測
温抵抗体に接続されているリードからによるもの。 の3つの形態を挙げることができるが、その中で
(2)、(3)の要素による影響をできるだけ小さくす
ることが重要である。
の温度というのは、以下の3つの場合を意味する。 (1)被計測物質と計測環境の温度の両方を問題とする
場合 (2)被計測物質の温度を問題とする場合 (3)計測環境の温度を問題とする場合
とによって、被計測物質の温度も変化するので、(1)
の状態において計測を行なうが普通であると考えられ
る。
温度を意味する場合も考えられ、この場合は、温度計測
センサーは流体の温度を計測する必要はなく、計測環境
の温度を計測すればよい。即ち、この場合は、図8の8
02で示されるような状態で保持する必要はなく、温度
計測センサーがパイプ91の外部の雰囲気の温度を計測
する構成とすればよい。
と、当該薄膜材料にパルス状の加熱を行なう手段と、パ
ルス状の加熱に従う当該薄膜材料の応答特性を計測する
手段とを有する複数のセンサーを有し、この複数のセン
サーのうち、少なくとも一つは基準となる流体の温度お
よび/または計測環境の温度を計測する機能を有する温
度計測センサーであって、前記複数のセンサーのうち、
少なくとも他の一つは被計測流体に接するように配置さ
れた流体計測センサーであって、前記温度計測センサー
からの出力と前記流体計測センサーからの出力とを所定
の関数関係に基づいて処理する手段を有することを特徴
とするものである。
ことができる。被計測流体の種類の識別、特定の流体の
検出、流体中の不純物の計測や識別(例えば空気中の湿
度の計測)、異なる流体の混合比の計測、流体の密度の
計測、流体の熱伝導率の計測、流体の比熱の計測。また
勿論流量の計測に用いることもできる。
に接する基準となる流体さらには被計測流体の流量が常
に一定、好ましくは流量0の状態であることが必要であ
る。これは、計測値に流体の流れに従う影響が入り込む
のを防ぐためである。また基準となる流体と被計測流体
とは同一な温度に保たれる必要がある。
場合について説明する。流体の種類が異なると、その熱
伝導率や比熱等の物性値も当然異なる。従って、特定の
流量(例えば流量0)の状態において、図2に示すよう
な計測システムを用いて計測を行なった場合、図3に示
すような当該薄膜材料の応答特性は当然異なるものとな
る。
の熱的な性質に関係する物性値である。例えば、熱伝導
率、比熱、密度等である。
測流体の温度や計測環境の温度によっても影響を受ける
ので、この影響を排除する必要がある。そこで、上記構
成のように基準となる流体の温度および/または計測環
境の温度の温度計測を行う温度計測センサーを用い、
〔数式1〕や〔数式2〕で示される所定の関係式に従っ
て、基準となる流体に接した温度計測センサーからの出
力Rと被計測流体に接した流体計測センサーからの出力
Sとを処理することにより、流体や計測環境の温度に依
存せず、被計測流体の物性に対応した出力Fを得ること
ができる。
よって算出された値Fは、被計測流体の種類によって異
なる値となる。従って、このFの値から被計測流体の種
類を識別できることになる。
前述において列挙した場合であっても同様である。例え
ば、被計測対象が流体中の不純物濃度である場合、被計
測流体中の不純物濃度によって、上記Fの値が異なるこ
とになり、このことから不純物濃度を知ることができ
る。また流体の密度が異なる場合、その密度が異なるこ
とで、Fの値が異なることになり、そのことを利用する
ことにより、流体の密度を計測することができる。
計測流体の計測値に対して相対的な意味付けを与えるた
めに必要なものである。例えば、流体の種類を識別する
場合において、基準となる流体として窒素を用いた場合
を考える。この場合には、被計測流体が窒素流体に比較
して異なる物性を有しているのかか否かが出力から判定
される。
方法について説明する。図1に示すセンサーは、寸法が
4mm×4mmで厚さが5μmの多結晶ダイヤモンド薄
膜13の表面上に白金(Pt)の薄膜よりなる発熱体11と
測温抵抗体として機能する抵抗体12、さらにはそれら
の電極10、15が設けられている。
いて説明する。まず、直径4インチの珪素基板を用意す
る。そして、この珪素基板の被形成面表面にダイヤモン
ドパウダーによる傷つけ処理を行う。このダイヤモンド
薄膜上に有磁場マイクロ波CVD法によりダイヤモンド
薄膜を5μmの厚さに気相合成する。この有磁場マイク
ロ波CVD法は、強力な磁場と2.45GHzのマイク
ロ波を用いて、高密度プラズマを形成し、気相合成を行
うものである。
た。上記成膜条件で得られたダイヤモンド薄膜は、多結
晶ダイヤモンド薄膜であり、基板から垂直方向に結晶成
長した構造を有していた。
はなく、他の気相合成法を用いてもよい。また天然ダイ
ヤモンドや高圧合成したダイヤモンドを用いてもよい。
またダイヤモンド薄膜中に不純物をドーピングし、熱特
性や電気特性を制御してもよい。また結晶構造も多結晶
に限定されるものではなく、単結晶ダイヤモンド薄膜を
用いてもよい。
量の少ない出来うるかぎり高い熱伝導率を有するものが
好ましい。またダイヤモンド薄膜の厚さは、生産性を考
慮するならば、機械的強度の許す限り薄い方がよい。
薄膜は、珪素基板より剥離することで、ダイヤモンド薄
膜単体として得ることができる。この工程は、機械的に
剥離させるか、フッ酸等によって珪素基板を溶かすこと
によって容易に行われる。
を4mm角に裁断する。そして、スパッタリングによっ
て、このダイヤモンド薄膜上に白金の薄膜を800〜1
000Åの厚さに成膜する。スパッタリングは、白金タ
ーゲットを用い、スパッタリングガスである空気を1K
eV程度に加速して行う。こうしてダイヤモンド薄膜上
に形成された白金薄膜のシート抵抗は、100Ω/□程
度である。
て、図1に示すように、ダイヤモンド薄膜13上に発熱
体11と測温抵抗体12とを形成する。具体的には、発
熱体11の抵抗が100Ω程度、測温抵抗体12の抵抗
が1KΩ程度となるようにその面積を調節し、発熱体1
1と測温抵抗体12とを作り分ける。この作り分けは、
発熱体11と測温抵抗体12との膜厚を変えることによ
って行ってもよい。そしてテフロンの基体18にダイヤ
モンド薄膜を保持させ、さらに電極10、15を形成
し、10μmφの金ワイヤ17によってボンディングを
行なう。こうして、図1に示すようなセンサーを完成す
る。
応してその抵抗が変化する機能を有するので、サーミス
タ機能を有する層ということもできる。
にはその配置方法を変更する場合でも、上記の作製工程
を基本とすればよい。また、ダイヤモンド薄膜の大きさ
をさらに小さくしてもよい。この場合、消費電力の低減
や感度の向上を期待することができる。
体12のサーミスタパラメータは約200ppmであっ
た。これは1度の温度変化に対して、0.02%の抵抗
変化に相当する。一般に、白金を用いた測温抵抗体のサ
ーミスタパラメータは100〜3000ppmのものが
得られるので、作製条件の適正化を行えば、さらに高感
度の測温抵抗体を得ることができる。
薄膜13の持つ熱容量に比較して、白金の薄膜よりなる
測温抵抗体12の熱容量が数百分の1以下となってい
る。従って、ダイヤモンド薄膜の熱容量に比較すれば、
測温抵抗体の熱容量はほとんど無視することができ、ダ
イヤモンド薄膜の温度変化を測温抵抗体12は極めて高
速に、しかも高感度に検出することができる。測温抵抗
体の熱容量がダイヤモンド薄膜の熱容量に比較して無視
できない場合は、測温抵抗体自身の温度変化が影響し
て、ダイヤモンド薄膜の温度変化を正確に検出できなく
なってしまう。具体的には、測温抵抗体の熱容量に比較
して、ダイヤモンド薄膜の熱容量が100倍以上あるこ
とが必要である。
〜図9に示す。本実施例では、流体の流量の計測を行な
例を示す。また主要な因子は流量と流量の温度とする。
従って、流体の種類やその諸物性については考慮しない
ものとする。本実施例は、被計測ガスの種類が分かって
いる場合において、ガスの温度に影響されずに、正確な
流量を計測できるガスフローメータに利用することがで
きる。
を具体化した構成を有する。「流体の流量と流体の温度
とに対応した第1の応答特性を得る手段と、流体の温度
に対応した第2の応答特性を得る手段と、前記第1の応
答特性と前記第2の応答特性とを比較し、流体の流量を
算出する手段と、前記応答特性をパルス状の加熱に対す
る薄膜材料の温度変化として検出する手段と、を有する
計測装置」
と流体の温度とに対応した第1の応答特性を得る手段
と」というのは、流体計測センサー803に対応する。
またこの流体計測センサー803とアンプ87、A/D
コンバータ804、CPU88をも含めて上記手段とい
うこともできる。
の温度に対応した第2の応答特性を得る手段」というの
は、温度計測センサー802に対応する。またこの温度
計測センサー802とアンプ87、A/Dコンバータ8
04、CPU88をも含めて上記手段ということもでき
る。
の応答特性と第2の応答特性とを比較し、流体の流量を
算出する手段」というのは、CPU88に対応する。
特性をパルス状の加熱に対する薄膜材料の温度変化とし
て検出する手段」というのは、測温抵抗体83と84に
対応する。また、測温抵抗体83と84とに加えて、ア
ンプ87、A/Dコンバータ804、CPU88をも含
めて上記手段ということもできる。
る。図7〜図9において、図7はブロック図を示し、図
8はパイプ91へのセンサー802、803の配置の状
態を示し、図10は、配線の様子を示す。これらの図面
は同一のものを異なる観点から示したものである。図7
〜図9において、802と803とが、図1に示すよう
な構成を有するセンサーである。本実施例においては、
それぞれのセンサー802と803とは同一の構造と大
きさ、そして同一の特性を有するように構成している。
ので、温度計測センサーとして機能する。図1に示すセ
ンサーが温度計測センサーとしても利用できるのは以下
の理由による。
が流れに接しない構成とすれば、802が受ける熱的な
影響は流体や環境の温度によるものだけとなる。従っ
て、センサー802は温度センサーとして利用すること
ができる。温度計測センサー802において、85が発
熱体であり、ダイヤモンド薄膜にパルス状の加熱を行な
い所定の熱量を供給する機能を有する。そして83が測
温抵抗体であり、発熱体85によるパルス状の加熱に対
するダイヤモンド薄膜の応答特性をダイヤモンド薄膜の
温度変化として検出する機能を有する。
計測センサーとして機能する。この流量計測センサー8
03は流れに直接接するように配置されている。流量計
測センサー803において、86が発熱体であり、ダイ
ヤモンド薄膜にパルス状の加熱を行ない所定の熱量を供
給する機能を有する。また84が測温抵抗体であり、発
熱体86によってパルス的に加熱されるダイヤモンド薄
膜の応答特性をダイヤモンド薄膜の温度変化として検出
する機能を有する。
抵抗81、82とでブリッジ回路を構成している。な
お、実際の構成においては、図9に示すように一方の抵
抗81に並列に可変抵抗を接続し、オフセット調整を行
なう。
7を介してA/Dコンバータ804に入力される。A/
Dコンバータからの出力は、CPU88に入力され、こ
こで所定の演算が行われる。本実施例で用いたCPU
は、1チップ内にメモリーも備えたものであり、このメ
モリーの中に〔数式1〕で示される関係式が記憶されて
いる。そしてこのCPU内において、温度計測センサー
802からの出力Rと流体計測センサー803からの出
力Sとに基づいて流量に対応した出力Fが算出される。
力が、流量を示すアウトプットとなる。他方D/Aコン
バータ89は、温度計測センサー802の発熱体85と
流体計測センサー803の発熱体86とに所定のタイミ
ングでパルス電圧を加える機能を有している。
流体計測センサー803とが実際に配置されている状態
を示したものである。図8、図9において、91が流体
が流れるパイプである。なお90は流体の流れを示す。
パイプ91は適当な材料(ここではプラスチック)によ
って構成される。パイプ91の一部はくり抜かれてお
り、その部分にテフロンの基体92がはめ込まれてい
る。基体92はテフロンやエポキシ樹脂等のダイヤモン
ドに比較して熱的に絶縁物と見なせる材料で構成される
ことが重要である。
部もくり抜かれており、この部分に流体計測センサー8
03が組み込まれている。このような構成を採ることに
よって、ダイヤモンド薄膜を熱的に絶縁させて保持させ
ることができ、計測精度を高めることができる。
と流体計測センサー803の細目は示されていないが、
図9に示すように実際には、ダイヤモンド薄膜191や
192上に発熱体85、86、測温抵抗体83、84が
形成されている構成を有している。
製の平板96が配置され、空間98を外部から遮断して
いる。一方、基体92にはスリットまたは開孔95が形
成されており、流体90の一部は、平板96とOリング
によって形成される空間に流入するように構成されてい
る。98で示される空間は、外部と通じていてもよい
が、流体の圧力が高い場合は、流体がその部分から外部
に漏れることになるので、パイプ91の内部のみと通じ
ていることが望ましい。
サー802もテフロンやエポキシ樹脂等の熱的な絶縁物
で成る基体94によって熱的に絶縁されて保持されてい
る。図8に示すような構成を採用した場合、温度センサ
ー802に接する流体は、ほとんど流速0の状態、ある
いは一定と見なしてよい流速となる。従って、温度計測
センサー802からの出力は、ほぼ流体の温度に依存す
るものと見なすことができる。
の方向であっても計測値に何ら影響を与えるものでない
ことが判明している。
以下においてセンサーの基本的な動作方法について、図
7、図9に示す温度計測センサー802を例にとり説明
する。この動作は、各センサーにおいて共通のものであ
る。またセンサーは図1で示されるような構成を有して
いるものとする。センサーからの出力は、以下に示す動
作方法によって得られる。また、図4にその結果を示す
流量計測の方法も以下に示す動作方法に従って行なわれ
たものである。
されているのは、図7及び図9に示すシステムにおける
アンプ87からの出力変化であって、温度計測センサー
802の測温抵抗体83からの出力変化101と、流体
計測センサー803の測温抵抗体84からの出力変化1
02とが示されている。以下において具体的な動作手順
について説明する。
いて、D/Aコンバータ804からの出力をCPU88
において積算する。この計算は以下の計算式〔数式3〕
で実行される。またこの積算値をS0Rとする。
ー802で温度計測を行うに当たっての基準点を確定す
ることができる。この動作は、ドリフトの無い正確な評
価を得るために極めて重要なものである。
t1Rの時間通電し、温度計測センサー802を構成する
ダイヤモンド薄膜に対してパルス状の加熱を行う。
モンド薄膜の温度変化は、測温抵抗体83の抵抗値の変
化として出力される。例えば、アンプ87からの出力を
オシロスコープで観察すると、図10の101で示すよ
うな波形が観察される。これは、ダイヤモンド薄膜がパ
ルス状の加熱によって、急激に加熱され、そして冷却さ
れていく様子を示している。
804からの出力をt2Rからt2R+Δt2Rにおいて下記
の〔数式4〕に従って積算する。この積算はCPU88
において実行される。またその積算値をS2Rとする。な
お、t1R<t2Rとする。これは、t1R=t2Rとすると、
出力にノイズが現れるからである。
とS2Rとの差を演算する。この演算は、図11の斜線1
03で示される面積を求めることと等価である。この演
算によって、ドリフト成分に左右されないダイヤモンド
薄膜の応答特性のみを求めることができる。
Δt0R)−(S2R/Δt2R)、またを(Δt2R/Δ
t0R)S0R−S2R、またはS0R−(Δt0R/Δt2R)S
2R、で示される演算を実行することで行われる。勿論必
要なのは、S0RとS2Rとの差の絶対値であるから、差引
する順序は上記記載と逆でもよい。また、この演算の結
果が、センサーからの出力となる。
の103で示される波形の斜線部分の面積は、ダイヤモ
ンド薄膜が受ける熱的な影響を反映するものであり、例
えばダイヤモンド薄膜が接している流体の温度やその流
量に依存して変化する。
モンド薄膜が温度一定の流体の流れに接していると仮定
する。すると、上記第4の動作によって得られる出力
は、この流体の流量を示すものとなる。このような場合
に得られるのが、図4に示すデータである。なお、図4
に示すデータを得る際における諸条件は、ΔtOR=0.
1秒、Δt1R=0.18秒、Δt2R=0.36秒、発熱
体に対する印加電圧3.2V、測温抵抗体83に加えら
れるバイアス電圧VCC=0.3Vとした場合の例であ
る。
ように、センサーを流体の流れ90に曝さないように配
置した場合において上記動作を実行した場合、その動作
の結果得られるセンサー802の出力は流体や環境の温
度に依存したものとなる。言い換えるならば、流体や環
境の温度に対応した出力を得ることができる。(図5
(A)参照)
との差を求めることで、ダイヤモンド薄膜の応答特性を
評価する方法は重要である。このような動作を行なうこ
とで、出力にドリフト成分が現れず、経時変化の無い正
確な計測を行なうことができる。
量計測のためにセンサーを動作させる前に予め校正を行
なう必要がある。この校正の動作は以下ようにして行な
われる。この作業は少なくとも図7〜図9の構成を組ん
だ後に行なう必要がある。以下においては、図7〜図9
に示す構成を用いることを前提とする。また以下におい
ては、流量の計測を行う場合の例について説明する。
行なう流体が満たされ、当該流体の温度を精密に変化さ
せることのできる雰囲気に配置する。例えば、窒素ガス
流量を計測するのであれば、窒素ガスが満たされた恒温
室に配置する。この状態で流量は0(一定の流量)とな
る。
の説明において説明した方法により、温度計測センサー
802を動作させる。この時の温度計測センサーからの
出力は、図10の波形103の面積103に対応する。
この時の諸定数としては例えば、VCC=0.3V、発熱
体に加える電圧3.2V、Δt0R=0.1秒、Δt1R=
0.18秒、Δt2R=0.36秒とする。
一定の条件において、流体計測センサー803を動作さ
せる。即ち、流体の温度一定の条件において、流体計測
センサー803を動作させる。この流体計測センサー8
03の動作方法も前述した動作方法に従う。即ち、2つ
のセンサー802と803は全く同一の駆動方法、駆動
条件で動作させる。この時の流体計測センサーの出力8
03は、図10の波形102の面積104に対応する。
と流体計測センサーの出力とが1組求まる。これは、図
6に示すプロット点が1つ定めることを意味する。 (4)恒温室内の雰囲気を必要とする温度範囲で変化さ
せ、所定の温度毎に上記動作を繰り返す。
とするならば、−10℃、0℃、10℃、20℃、30
℃、40℃、50℃と温度変化をさせ、その際における
温度計測センサー802の出力(横軸)と流体計測セン
サー803の出力(縦軸)とを座標として図6に示すよ
うな関数を作成する。
と流体計測センサー803とが同一の特性を有している
ならば、理想的条件においては上記動作において得られ
る関数は、傾き1、切片0の1次関数となる。しかしな
がら、各センサーの特性のバラツキ、回路のオフセット
電圧等の要因により、現実には傾きは1ではなく、切片
も0ではない。
7〕で示されるような関数である。ここで、Rは温度計
測センサーからの出力、S0 は流体計測センサーからの
出力、AとBは定数である。またここでAとBとを具体
的な数値として求めることができる。下記〔数式7〕に
おいてS0 は流量0の場合における流体計測センサーの
出力を示す。
同一特性になるように、同一の大きさ、同一の構造とし
た場合には、上記動作によって得られる関数は、〔数式
7〕に示されるようにほとんど完全な1次関数となる。
従ってこの場合、プロット点を2点とるだけで実用にな
る。
AとB、あるいは〔数式2〕の関数f(R)を求めるこ
とができる。
88内のメモリーに記憶させる。または、この関数に基
づいた演算方法をCPU88にプログラムする。
この校正において求めた図6に示すような関数は、流量
0の状態で求める必要はない。また、以上説明した方法
は温度計測センサーと流体計測センサーとが異なった構
成や特性を有している場合にも利用できる。この場合、
〔数式2〕の関数f(R)が求められる。
と被計測流体の流量との関係も予め求めておく必要があ
る。この関係は、図8には示されていないが、別に設け
られたメモリーに記憶させておけばよい。
て、実際に流量計測を行なう場合における具体的な動作
方法について説明する。流量計測に当たっては、前もっ
て前述の校正作業が終了していることが必要である。
従って構成を行なう。 (1)温度計測センサー802を動作させ流体の温度に
対応した計測値を得る。 (2)流体計測センサー803を動作させ流体の温度と
流量とに依存した計測値を得る。 (3)予め求めておいた〔数式1〕や〔数式2〕で示さ
れる関数に基づいて所定の演算をCPU88において実
行する。
する。以下の説明は、図10を用いて行う。図10は、
図7及び図9の87で示されるアンプの出力をオシロス
コープで観察した場合の出力の変化である。
測温抵抗体83の抵抗値の変化によって、アンプ87よ
り101で示す波形が出力され、続けて流体計測センサ
ー803の測温抵抗体84の抵抗値の変化によって、1
02で示す波形がアンプ87より出力されることを示し
ている。図11に図10に対応する実際のオシロスコー
プの表示の写真を示す。
いて、D/Aコンバータ804からの出力をCPU88
において積算する。この計算は下記の計算式〔数式3〕
で実行される。またこの積算値をS0Rとする。ここでは
Δt0R=0.1秒、VCC=0.3Vとする。
ー802で温度計測を行うに当たっての基準点を確定す
ることができる。この動作は、ドリフトの無い正確な評
価を得るために極めて重要なものである。
定電圧でΔt1R=0.18秒の時間通電し、温度計測セ
ンサー802を構成するダイヤモンド薄膜に対してパル
ス状の加熱を行う。
モンド薄膜の温度変化は、測温抵抗体83の抵抗値の変
化として出力される。例えば、アンプ87の出力をオシ
ロスコープが観察すると、図10の101のような波形
が観察される。これは、ダイヤモンド薄膜がパルス状の
加熱によって、急激に加熱され、そして冷却されていく
様子を示している。なお、計算によれば、ダイヤモンド
薄膜の加熱温度は20K程度である。
らの出力をt2Rからt2R+Δt2Rにおいて、積算する。
この積算は下記に示す計算式〔数式4〕によってCPU
88において実行される。またその積算値をS2Rとす
る。ここではΔt2R=0.36秒とする。また、t1R<
t2Rとする。これは、t1R=t2Rとすると、出力にノイ
ズが現れるからである。
とS2Rとの差を演算する。この演算は、図11の斜線1
03で示される面積を求めることと等価である。この演
算によって、ドリフト成分に左右されないダイヤモンド
薄膜の応答特性のみを求めることができる。
t0R)−(S2R/Δt2R)、またを(Δt2R/Δt0R)
S0R−S2R、またはS0R−(Δt0R/Δt2R)S2R、で
行われる。勿論必要なのは、S0RとS2Rとの差の絶対値
であるから、差引する順序は上記記載と逆でもよい。
からは、流量に依存しない流体の温度のみに依存した出
力Rが得られる。また、以上の一連の動作は、4秒間で
行われる。
作させる。まず流体センサー803において、測温抵抗
体84からの出力をt0sからt0s+Δt0sの間において
積算する。この演算は、CPU88において下記の〔数
式5〕に示す計算で実行される。ここでもΔt0S=0.
1秒、VCC=0.3Vとする。
この第5の動作は、流体計測センサー803における計
測動作の基準点を確定するために行われる。
発熱体86に、3.2Vの一定電圧でΔt1R=0.18
秒の時間通電し、流体計測センサー803を構成するダ
イヤモンド薄膜に対してパルス状の加熱を行う。
の温度変化が生じ、それは測温抵抗体84の出力変化と
して計測される。この際、アンプ87の出力をオシロス
コープによってモニターすると、図10の102で示さ
れるような波形が観察される。この波形は、発熱体86
からのパルス状の加熱に対する流体計測センサー803
を構成するダイヤモンド薄膜の応答特性を示すものであ
る。
において、A/Dコンバータ804からの出力を下記の
〔数式6〕に従って計算する。また、この〔数式6〕の
計算結果をS2Sとする。なお、本実施例においては、Δ
t2R=Δt2S=0.36秒とし、その計測のタイミング
も同じものとしたが、これらは同一なものでなくてもよ
い。
る。これは、t1s=t2sとすると、測温抵抗体84から
の出力にノイズが含まれ、計測精度が低下するからであ
る。
る。具体的には、(S0S/Δt0S)−(S2S/Δ
t2S)、またを(Δt2S/Δt0S)S0S−S2S、または
S0S−(Δt0S/Δt2S)S2S、で行われる。勿論必要
なのは、S0SとS2Sとの差の絶対値であるから、差引す
る順序は上記記載と逆でもよい。
で示される斜線部分の面積に対応した値Sが求められ
る。この値Sは、流体の温度と環境の温度とに依存す
る。この第5の動作〜第8の動作も4秒間で行われる。
出力(温度計測センサー802からの出力)Rと第8の
動作の結果得られた出力(流体計測センサー803から
の出力)Sとを用いて、CPU88において、下記〔数
1式〕に示す計算式に従って演算を行う。
校正の段階で求められているので、Fの値を確定するこ
とができる。このFは、流体の温度には依存せず、流量
または流速のみに依存した値である。そしてD/Aコン
バータ801より流量に対応した出力を得る。
が動作する時間は4秒であるから、1回の流量計測に必
要とされる時間は8秒ということになる。言い換えれ
ば、8秒間に1回の割合で流量計測が行なわれることに
なる。この動作時間はさらに短くするこも可能である。
具体的には、2秒以下にすることも可能である。ただし
この場合は、パルス加熱の時間(Δt1R及びΔt1S)を
100ms以下とする必要がある。
った場合のデータを図5(B)に示す。図5(B)に示
されるのは、空気で満たされた恒温室内に図7〜図9に
示す構成を有するセンサーを配置し、温度を10deg 〜
40deg まで変化させた場合のD/Aコンバータ801
からの出力の経時変化を示す。
と流体の温度とは同一、とみなすことができる。図5
(B)に示されるデータより、流体の温度変化によら
ず、流量値(ここでは流量0)を反映した出力が得られ
ることが理解される。
フトは、最大で約30mV弱であるが、これは約20s
ccm弱の流量に対応する出力である。本実施例の流量
計測における特性(流量と公差の関係)は、図4とほと
んど同一である。ただし、温度変化による上記ドリフト
成分の影響で1slm(リットル/分)以下において
は、多少計測精度が低下する。
ンバータ801からの出力を予め求めておいた流量値と
D/Aコンバータ801からの出力との関係に照らし合
わせることによって、具体的な流量値を得ることができ
る。
ことにより、50sccm〜50000sccmに渡っ
て温度の影響を受けずに流量計測を行なうことのできる
流量センサーを得ることができる。
02と流体計測センサー803とを同一な構造とし、そ
の特性も両者で同一なものとした。また加熱時間や出力
の演算時間(Δt2RやΔt2S)を両者で同一なものとし
た。しかし、それぞれ異なる設定としてもよい。また、
各パラメータの値もそれぞれ適時必要とする値としてよ
い。
配されるときは、図8に示すような構造ではなく、温度
計測センサーが環境の温度を計測するような構成とすれ
ばよい。例えば、図8に示すような構造において、温度
計測センサーをパイプの外に配置する構成とすることに
よって、計測環境の温度を計測する構造とすることがで
きる。勿論この場合、温度計測センサーが流体の流れに
直接曝されないようにする工夫が必要である。
も、計測環境の温度変化によって、出力のドリフトが生
じる場合がある。これは、計測環境の温度が変化するこ
とによって、図7の81、82で示すブリッジを構成す
る抵抗の抵抗値の変化やアンプのドリフトが生じるから
である。
度と計測環境の温度との両方を計測する構成とし、〔数
式1〕や〔数式2〕の中に計測環境の温度変化に対応し
た補正項を入れればよい。
ーの数をそれぞれ複数個にし、それぞれのセンサーにお
ける出力の平均化を計ってもよい。
測センサー802が受ける流体からの熱的な影響は、流
体の温度(ここでは流体の温度のみを問題とする)であ
り、流体計測センサー803が流体から受ける熱的は、
流体の温度と流体の流量とである場合を示した。
てることを前提とし、流れる流体中の不純物の濃度が変
化し、また流体の温度が変化する場合について説明す
る。即ちこの場合、それぞれのセンサーが受ける熱的な
影響は、流体中の不純物濃度によるものも含まれること
になる。
には公共施設の空調設備において配管やダクト中を流れ
る温度調節がされた空気の流量を計測する場合を挙げる
ことができる。
季節によって流れる空気の温度が異なる。また流れる空
気の湿度もまた天候や季節によって大きく異なる。
を流れる空気の流量のみを計測しようとする場合、配管
やダクト内を流れる空気の温度や湿度の影響を受けず
に、流量のみに対応した出力を得る必要がある。
8に示すように、温度計測センサーは流体に接してはい
るが、流体の流れ90には接していない。また流体計測
センサー803は、流体の流れ90に接している。よっ
てこの場合、2つのセンサーが受ける熱的な影響の相違
は、流体の流れ90によるものだけとなる。
量を計測する場合であっても、理想的な状況において
は、実施例2の動作方法を実行することによって、空気
の流れだけに依存した出力、即ち流量に依存した主力を
得ることができる。なおこの出力は、D/Aコンバータ
801からの出力のことである。
とセンサー801とが同一の特性を有しており、〔数式
1〕において、A=1、B=0とみなせる場合である。
しかし、実際には、A=1ではなく、B=0ではない。
従ってこの場合、〔数式1〕に補正項を加える必要があ
る。
以下に示すような方法を採用することができる。即ち、
予め各センサーを校正する段階で、各センサーからの出
力がA=1、B=0の場合の〔数式1〕を極力満たすよ
う演算方法を決めることで、上記理想的状況に近い状況
が実現できる。例えば、図7〜図9に示す構成で、流量
0における計測において、センサー802からの出力と
センサー803からの出力とが、同一になるように校正
を行えばよい。このような校正は、CPU88で行なわ
れる演算のプログラムを変更することで容易に実現され
る。
湿度を変化させた場合とで行い、両変数の計測範囲内で
の変化に対して、所定の許容範囲を満足するようにする
必要がある。これは、両変数の変化に対して完全にA=
1、B=0である〔数式1〕が満たされるとは限らない
からである。
状況が概略実現された状況において、上記空調設備の空
気の流量計測を行うことは、本発明の、「nを1,2,
3・・で示される自然数として、変数α1 ,α2 ・・・
αn+1 によって決まる第1の応答特性と、変数α1 ,α
2 ・・・αn によって決まる第2の応答特性と、を比較
し、変数αn+1 に対応する出力を得る」という構成にお
いて、n=2とし、α1 を空気の温度とし、α2 を空気
の湿度とし、α3 を空調設備の配管やダクト内を流れる
空気の流量とした場合に相当する。
得る手段が図7、図9の流体計測センサー803であ
り、第2の応答特性を得る手段が温度計測センサー80
2であるということができる。また、流体計測センサー
803、アンプ87、A/Dコンバータ804、CPU
88で構成されるシステムが第1の応答特性を得る手段
であるということもできる。同様に、温度計測センサー
802、アンプ87、A/Dコンバータ804、CPU
88で構成されるシステムが第2の応答特性を得る手段
であるということもできる。そして、2つの応答特性を
比較処理する手段がCPU88であるということができ
る。
た構成において、異なる種類の流体の流量を計測する方
法に関する。実施例2に示した構成において、流量0の
状態において、各センサー802と803とからの出力
が同じである場合、即ち、〔数式1〕でA=1、B=0
とみなせる場合、流体の種類が異なってもその物性が極
端に違わなければ、流体の種類に係わらず、流量計測を
行うことができる。
とが流体より受ける熱的な影響が、流体の流量によるも
のだけであるということに起因する。即ち、流体の温度
やその物性に係わる影響は、演算の段階でキャンセルさ
れることに起因する。
測を行う場合には、センサーを構成する薄膜材料に流体
が与える熱的な影響の違いが顕著になるので、同じ流量
であっても流量に対応した応答特性の違いが問題とな
る。例えば水と空気とで同じ応答特性が得られるもので
はない。この問題を解決するためには、計測においてな
んらかの補正が必要となる。
ータ801(図7、図9参照)からの出力が流量に対応
してリニアに変化するようにする必要がある。即ち、D
/Aコンバータ801からの出力と流量とが傾き1、切
片0の1次関数で示される関係とする必要がある。これ
はソフトウエアの問題であり容易に実現することができ
る。
する。即ち、流体の種類によってこの1次関数の傾きは
異なるものとなる。そこで、例えばAという流体を計測
する場合とBという流体の計測を行う場合とで、上記1
次関数で示されるD/Aコンバータ801からの出力と
流量との関係を適時変更し、流体の種類に関係なく正確
な流量計測を行うことができる。具体的には、上記1次
関数の傾きを流体の種類に応じて変更することで、流体
の種類に依存しない流量計測を行うことができる。
と流量との関数関係は1次関数でない場合であっても、
流体によってその関数関係を適時変更する構成とすれば
よい。
の流体におけるシステムの出力(例えばD/Aコンバー
タ801からの出力)と流量との関係を調べておき、補
正の方法をCPU88あるいは他に設けられたメモリー
に記憶させておけばよい。そして、計測動作時において
流体の種類に対応させて、計測動作を行なえばよい。
うな場合にも適用できる。即ち、校正は温度に対しての
み行っておき、湿度の変化に対しては、別に設けた湿度
計測センサーの出力を参照してD/Aコンバータの出力
を補正するのである。このようにすることにより、流量
以外の要因による影響を極力排除、あるいは許容できる
範囲において排除して流量計測を行うことができる。
ーとして公知の白金センサーを用い、流体計測センサー
として、実施例1に示すセンサーを用いる例である。本
実施例は、白金温度センサーからの出力をA/Dコンバ
ータによって流体計測センサーの出力と比較できるよう
にした点が実施例2と異なる点である。また、流体計測
センサーの動作方法は実施例2で示したのと全く同じで
ある。
ないようにすることは実施例2の場合と同じである。
と同じである。即ち、温度計測センサーである白金セン
サーからの出力をA/Dコンバータによりデジタル信号
に変換し、流体計測センサーからの出力(図10の波形
102の面積104の値に対応する)と比較できる状態
を実現すれば、あとは実施例2で説明した手順に従って
動作させればよい。
1次関数ではなくなる。これは、温度計測センサーと流
体計測センサーとの温度に対する特性が異なるからであ
る。本実施例においては、温度計測センサーを白金温度
センサーとした。しかし、半導体サーミスタ等の他の温
度センサーを利用することもできる。
〜図9に示すような構成を有するシステムを用いて流体
の種類を識別する例を説明する。
たような動作を行なった場合を考える。このような状況
は、図8や図9に示されるパイプの両端を塞ぐことによ
って容易に実現される。この場合、D/Aコンバータ8
01からの出力は、流体の種類に依存する。
導率や比熱が異なるので、ダイヤモンド薄膜からの熱の
奪われ方が異なり、図3や図10や図11に示す応答波
形が異なるからである。
リプトンガスとを同一流量で流し、その流量を図2に示
すシステムで計測したところ、出力に著しいる違いが現
れることが確認されている。これは、窒素ガスとクリプ
トンガスとを識別できることを意味し、ガスセンサーと
して利用できることを示唆する事実といえる。
示した流量の計測方法と基本的に同一である。流量の計
測の場合と異なるのは、ガスの種類とD/Aコンバータ
801からの出力との関係を予め調べておき、この関係
に実際の計測値を照らし合わせることによって、ガスの
種類を識別することである。また流体計測センサー80
3に接する流体が一定の流量になるようにする点も異な
る。
た空間に配置され、基準となるガス(例えば窒素ガスや
空気)に接触していることが必要とされる。この場合、
この基準となるガスが、周囲の温度、あるいは被計測流
体の温度と同一になるようにする必要がある。具体的に
は、アルミニウム等の高熱伝導率を有する材料を用いて
上記密閉された空間を構成し、その中に温度計測センサ
ー802を配置する必要がある。
として動作させた場合に出力の違いに一番寄与する要素
となるのが、流体の熱伝導率である。また、熱伝導率の
次に寄与する要素となるのが、比熱である。また、密度
や圧力も出力に影響を与えることが判明している。
を用いた場合も流体の種類を識別するセンサーとして利
用できる。ただし、この場合は、発熱体に供給する熱量
を変更する必要がある。
サーは、温度計測センサーの配置に関して多少の変更を
加えることで、そのままガスセンサーや流体センサーと
して機能させることができる。例えば、空気中における
特定のガスの濃度があるレベル以上になったことを検出
するセンサーとして利用することができる。また空気中
の湿度を計測するセンサーとしても利用することができ
る。
しない状態で行なうことができるので、極めて実用的な
ものである。また、原理的には被計測物質が固体材料で
あっても、その熱伝導率や比熱の違いを計測することが
可能である。
た構成において、さらに広い温度範囲において、正確な
流量計測を行うための構成に関する。実施例2において
は、温度計測センサーからの出力に係わらず、即ち流体
の温度に関係なく、〔数式1〕で示される関数関係を用
いる例を示した。
で示される関係式が成立することを前提としている。し
かし使用状況における温度範囲が極めて広い場合には、
低温領域と高温領域では、〔数式1〕で示される関係式
が異なる場合も考えられる。具体的には、定数Aや定数
Bの値が異なる場合が考えられる。
供給される熱量を変化させる必要がある場合も考えられ
る。これは、薄膜材料の熱容量や被計測流体の種類によ
っては、必要とする応答特性を得るために、高温領域と
低温領域とで当該薄膜材料に供給する熱量を異ならせる
必要があるからである。
環境の温度によって発熱体に加える電圧を変化させる方
法が考えられる。しかしこの場合、実施例2に示した方
法によって、計測を行なうことはできない。
囲を複数に区切り、一つの温度範囲においては実施例2
で示した方法によって計測を行なうことを特徴とする。
例えば、−30℃〜100℃の範囲において計測を行な
う必要がある場合、−30℃〜10℃、10℃〜50
℃、50℃〜100℃というように、温度計測範囲を複
数に区切り、その中で実施例2で示したような計測を行
なうのである。
1〕や〔数式2〕で示される関係式を求める必要があ
る。即ち、各温度範囲毎に校正を行なう必要がある。な
お各温度範囲において、〔数式1〕や〔数式2〕で示さ
れる関係式は同じであるならば、本実施例の方法を採用
する必要がないことはいうまでもない。
各温度範囲において適正な条件を設定することができ、
広い温度範囲において高精度の流量計測やガス検出を行
なうことができる。また本実施例の構成は、必要とする
条件をメモリーに記憶させるだけで実施できる点が特徴
である。具体的には、図7〜図9に示す構成をそのまま
利用することができる。
サーを基準とする流体に接しさせて流量の計測を行なう
構成について説明する。実施例2で説明した図7〜図9
で示す構成において、温度計測センサー802は、流体
の流れ90には直接接触しないが、流体には接触してい
た。これは、温度計測センサーからの出力が流量の影響
を受けないようにするためである。
るならば、別に容易された被計測流体に温度計測センサ
ーを接しさせ、被計測流体の温度あるいは計測環境の温
度を計測させる構成とすることができる。
や開孔は必要ない。しかし、90でその流れが示される
流体と温度計測センサーが接触する流体とが同じ温度に
なるようにする必要がある。
に依存した出力を得る温度計測センサーと、流体の流れ
に接して配置され、流量と流体の温度とに依存した出力
を得る流体計測センサーとを配置し、予め求めておいた
温度計測センサーの出力と流体計測センサーの出力との
関係に基づいて、計測毎に温度計測センサーの出力と流
体計測センサーの出力とから、流体や環境の温度に依存
しない流量に依存した出力を得ることができる。
ス上の加熱に従う薄膜材料の応答特性を利用したものと
することにより、計測精度を高めることができる。ま
た。薄膜材料として高熱伝導率を有するダイヤモンド薄
膜を用いることにより、広い計測範囲に渡って流量計測
を行なうことができる。
づいてガスセンサーとして動作させることができ、ガス
の温度に影響を受けないガスセンサーを実現することが
できる。
す。
ンサーからの出力との関係を示す。
の応答特性を示す。
Claims (15)
- 【請求項1】流体の流量と前記流体の温度とに対応した
第1の応答特性を得る手段と、 前記流体の温度に対応した第2の応答特性を得る手段
と、 前記第1の応答特性と前記第2の応答特性とを比較し、
前記流体の流量を算出する手段と、 前記第1の応答特性及び前記第2の応答特性をパルス状
の加熱に対する薄膜材料の温度変化として検出する手段
と、 を有する計測装置。 - 【請求項2】流体の物性と前記流体の温度とに対応した
第1の応答特性と、前記流体の温度に対応した基準とな
る第2の応答特性と、を比較し、前記流体の物性に対応
した出力を得る方法であって、 前記第1の応答特性及び前記第2の応答特性を薄膜材料
に対するパルス状の加熱に対するものとして得ることを
特徴とする計測方法。 - 【請求項3】流体の物性と前記流体の温度とに対応した
第1の応答特性を得る手段と、 前記流体の温度に対応した基準となる第2の応答特性を
得る手段と、 前記第1の応答特性と前記第2の応答特性とを比較し、
前記流体の物性に対応した出力を算出する手段と、 前記第1の応答特性及び前記第2の応答特性をパルス状
の加熱に対する薄膜材料の温度変化として検出する手段
と、 を有する計測装置。 - 【請求項4】薄膜材料と、当該薄膜材料にパルス状の加
熱を行う手段と、前記パルス状の加熱に従う当該薄膜材
料の応答特性を計測する手段と、を有する複数のセンサ
ーを有し、前記複数のセンサーのうち、少なくとも一つ
は流体の温度および/または計測環境の温度を計測する
機能を有する温度計測センサーであって、前記複数のセ
ンサーのうち、少なくとも他の一つは前記流体の流れに
接するように配置された流体計測センサーであって、前
記温度計測センサーからの出力と前記流体計測センサー
からの出力とを所定の関数関係に基づいて処理する手段
を有することを特徴とする計測装置。 - 【請求項5】請求項4において、前記温度計測センサー
からの出力と前記流体計測センサーからの出力とを前記
所定の関数関係に従って処理することにより、前記流体
の温度および/または計測環境の温度に依存しない流量
または流速に対応する値を得ることを特徴とする計測装
置。 - 【請求項6】請求項4又は請求項5において、前記温度
計測センサー及び前記流体計測センサーからの出力は、
前記パルス状の加熱に従う当該薄膜材料の応答特性に基
づくものであることを特徴とする計測装置。 - 【請求項7】請求項4乃至請求項6のいずれか一項にお
いて、前記温度計測センサーと前記流体計測センサーと
は概略同一の特性を有することを特徴とする計測装置。 - 【請求項8】請求項4乃至請求項7のいずれか一項にお
いて、前記温度計測センサーに接する前記流体は常に一
定の流量値であることを特徴とする計測装置。 - 【請求項9】請求項4乃至請求項8のいずれか一項にお
いて、前記所定の関数関係は、前記温度計測センサーか
らの出力Rの関数f(R)と、前記流体計測センサーから
の出力Sとを用いて、 【数2】 〔式中Fは、流量または流速に対応する値を示す〕で示
されることを特徴とする計測装置。 - 【請求項10】請求項4乃至請求項8のいずれか一項に
おいて、前記温度計測センサーと前記流体計測センサー
との特性は概略等しく、前記所定の関数関係は、前記温
度計測センサーからの出力Rと前記流体計測センサーか
らの出力Sとを用いて、 【数1】 〔式中、A、Bは定数、Fは前記流体の流量または流速
に対応する値を示す〕で示されることを特徴とする計測
装置。 - 【請求項11】薄膜材料と、当該薄膜材料にパルス状の
加熱を行う手段と、前記パルス状の加熱に従う当該薄膜
材料の応答特性を計測する手段とを有する複数のセンサ
ーを有し、前記複数のセンサーのうち、少なくとも一つ
は基準となる流体の温度および/または計測環境の温度
を計測する機能を有する温度計測センサーであって、前
記複数のセンサーのうち、少なくとも他の一つは被計測
流体に接するように配置された流体計測センサーであっ
て、前記温度計測センサーからの出力と前記流体計測セ
ンサーからの出力とを所定の関数関係に基づいて処理す
る手段を有することを特徴とする計測装置。 - 【請求項12】請求項11において、前記所定の関数関
係に基づいて処理する手段の出力から特定の被計測流体
を識別することを特徴とする計測装置。 - 【請求項13】請求項11又は請求項12において、前
記所定の関数関係は、前記温度計測センサーからの出力
Rの関数f(R)と、前記流体計測センサーからの出力S
とを用いて、 【数2】 〔式中Fは前記被計測流体の物性値に対応する値を示
す〕で示されることを特徴とする計測装置。 - 【請求項14】請求項11又は請求項12において、前
記温度計測センサーと前記流体計測センサーとの特性は
概略等しく、前記所定の関数関係は、前記温度計測セン
サーからの出力Rと前記流体計測センサーからの出力S
とを用いて、 【数1】 〔式中、A、Bは定数、Fは前記被計測流体の物性値に
対応する値を示す〕で示されることを特徴とする計測装
置。 - 【請求項15】パルス状の加熱に対する薄膜材料の応答
特性から当該薄膜材料に接して流れる流体の流量を計測
する機能を有する少なくとも一つの第1のセンサーと、
前記流体の温度および/または計測環境の温度を計測す
る機能を有する少なくとも一つの第2のセンサーと、を
有し、前記第1のセンサーの出力と前記第2のセンサー
の出力とを比較することによって、前記流体の温度およ
び/または計測環境の温度に依存しない流量値または流
速値を得る手段を有する計測装置。
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