JP3766601B2 - フローセンサ及び流量計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローセンサ及び該フローセンサを用いる流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９及び図１０は、それぞれ、出願人が先に提案した（特願２０００−９４４３７号参照）フローセンサの構成を説明する略図及び構成図である。このフローセンサは、ガスの流量及び種類を検知可能なセンサとして流量計測装置に用いることができるマイクロフローセンサである。
【０００３】
図９において、マイクロフローセンサ１´は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４´と、マイクロヒータ４´の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル５´と、マイクロヒータ４´の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル８´と、マイクロヒータ４´の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル１１´，１３´とを備えている。
【０００４】
図１０において、マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４´、マイクロヒータ４´の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５´、マイクロヒータ４´に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６´Ａ，６´Ｂ、マイクロヒータ４´の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８´、上流側サーモパイル８´から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子９´Ａ，９´Ｂ、下流側サーモパイル５´から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子７´Ａ，７´Ｂ、を備える。
【０００５】
また、マイクロフローセンサ１´は、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向（図１０における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル１１´と、この右側サーモパイル１１´から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２´Ａ，１２´Ｂと、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル１３´と、この左側サーモパイル１３´から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４´Ａ，１４´Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【０００６】
上流側サーモパイル８´、下流側サーモパイル５´、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【０００７】
そして、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´は、ガスの流速の検知に役立ち、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、ガス種の検知に役立つ。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のマイクロフローセンサ１´では、マイクロヒータ４´は、ガスの流れ方向に垂直な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ2 がガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ1 より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ2 に対応して接点数の多い下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´でガスの流速したがってガス流量を検知し、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ1 に対応して、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数より少ない接点数を有する右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´でガス種を検知している。
【０００９】
このように、従来のフローセンサでは、流量検出のセンサ出力を優先してサーモパイルの接点数を多くとるため、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くなるように設計している。このため、ガス種を検知するための下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数が多くとれず、ガス種の検知感度が悪い。
【００１０】
一方、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４´上を通過する時間が短く、ガスの流速が速くなった時、すなわち大流量時には、マイクロヒータ４´の熱がガスに充分には伝わらなくなる。このため、マイクロヒータ４´で検知できる流速範囲が制限され、したがって、マイクロフローセンサ１´を用いた流量計測装置においても、測定できる流量範囲が制限される。
【００１１】
上述のフローセンサおよびこのフローセンサを用いる流量計測装置では、高流速すなわち高流量を測定できるようにするためには、たとえば、ガス流路１０の断面積を大きくしたり、マイクロヒータ４´の駆動方法を工夫したりする必要がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上述の課題に鑑みて、広範囲にわたる流速検知が可能なフローセンサと該フローセンサを用いて広範囲にわたる流量計測が可能な流量計測装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的に鑑みて、請求項１記載の発明のフローセンサは、
ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、上記ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、上記ヒータ、上記上流側温度センサ及び上記下流側温度センサを支持する支持基板とを有するフローセンサであって、
上記ヒータは、上記ガスの流れ方向に平行な寸法が上記ガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている
ことを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、ヒータ、上流側温度センサ及び下流側温度センサを支持する支持基板とを有する。ヒータは、ガスの流れ方向に平行な寸法がガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている。それにより、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフローセンサにおいて、
前記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む
ことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、フローセンサは、ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む。それにより、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のフローセンサにおいて、
前記ガスの流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に前記横側温度センサを各々配置した
ことを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、フローセンサは、ガスの流れ方向と略直交方向におけるヒータの両側に横側温度センサを各々配置している。それにより、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００１９】
また、請求項４記載の発明の流量計測装置は、
請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサを用いて、前記ガス流路を流れるガスの流量を計測する流量計測装置であって、
前記フローセンサの前記上流側温度センサからの前記第１温度検出信号と前記下流側温度センサからの前記第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段
を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサの上流側温度センサからの第１温度検出信号と下流側温度センサからの第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段を備えている。それにより、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の流量計測装置において、
前記フローセンサの前記横側温度センサからの前記第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、
前記流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき前記流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、流量計測装置は、フローセンサの横側温度センサからの第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段とを備えている。それにより、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図８を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。図１において、マイクロフローセンサ１は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４と、マイクロヒータ４の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル１１と、マイクロヒータ４の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル１３と、マイクロヒータ４の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル５，８とを備えている。
【００２５】
図２は、図１のマイクロフローセンサ１の構成図を示す。図２において、マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル１１、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル１３、上流側サーモパイル１３から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子１４Ａ，１４Ｂ、下流側サーモパイル１１から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子１２Ａ，１２Ｂ、を備える。
【００２６】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（図２における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル８と、この右側サーモパイル８から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子９Ａ，９Ｂと、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル５と、この左側サーモパイル５から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子７Ａ，７Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【００２７】
上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【００２８】
また、図３に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５のそれぞれの温接点が形成されている。
【００２９】
マイクロヒータ４は、ガスの流れ方向に平行な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ1 がガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ2 より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ2 に対応して、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数は少なく設けられ、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ1 に対応して、右側サーモパイル５及び左側サーモパイル８の接点数は、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数より多く設けられている。
【００３０】
このように構成されたマイクロフローセンサ１によれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスを媒体として、下流側サーモパイル１１と上流側サーモパイル１３のそれぞれの温接点に伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板２）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム３上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接点の温度差より熱起電カを発生し、温度検出信号を出力する。
【００３１】
ガスを媒体として伝達される熱は、ガスの熱拡散効果とＰからＱに向かって流れるガスの流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル１３と下流側サーモパイル１１に均等に伝達され、上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号と下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号の差信号は、零になる。
【００３２】
一方、ガスに流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイル１３の温接点に伝達される熱量が減少し、反対に下流側サーモパイル１１の温接点に伝達される熱量が多くなり、したがって、前記第２温度検出信号と前記第１温度検出信号との差信号は流速に応じた正値になる。このとき、マイクロヒータ４の寸法をガスの流れ方向に平行な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４上を通過する時間が長くなり、ガスの流速が速くなっても、マイクロヒータ４の熱がガスに充分に伝わる。このため、マイクロフローセンサ１の測定できる流速範囲が広くなる。
【００３３】
一方、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスの流速の影響を受けずにガスの熱拡散効果のみによって、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された右側サーモパイル８に伝達される。また、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された左側サーモパイル５にも、同様な熱が伝達される。
【００３４】
このため、右側サーモパイル８の起電力により第３出力端子９Ａ，９Ｂから出力される右側温度検出信号、及び／または左側サーモパイル５の起電力により第４出力端子７Ａ，７Ｂから出力される左側温度検出信号に基づき、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等のガスの物性値を算出することができるようになる。
【００３５】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００３６】
さらに、マイクロフローセンサ１によれば、ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５を形成したので、これらの熱容量を小さくして、消費電力を低減することができる。また、マイクロフローセンサ１の構成が簡単であるので、安価に作製することができるという効果がある。
【００３７】
次に、前述したマイクロフローセンサ１を用い、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、これに関係なく常にガスの流量を精度良く計測することができる流量計測装置について説明する。
【００３８】
図４は、図１乃至図３のマイクロフローセンサ１を用いた流量計測装置の構成ブロック図である。この流量計測装置は、マイクロフローセンサ１内の下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と、マイクロフローセンサ１内の上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、マイクロフローセンサ１内の右側サーモパイル８からの右側温度検出信号を増幅するアンプ３５ａと、マイクロフローセンサ１内の左側サーモパイル５からの左側温度検出信号を増幅するアンプ３５ｂと、マイクロコンピュータ４０とを備えて構成される。
【００３９】
マイクロコンピュータ４０は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算する加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）４５と、差動アンプ３３で得られた第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を加算部４５の出力する加算信号により除する除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）４７と、この除算部４７の出力する除算信号に基づきガスの流量を算出する流量算出部（流量算出手段）４１と、加算部４５の出力する加算信号に基づきガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等の物性値を算出する流体物性値算出部（流体物性値算出手段）４３とを備えて構成される。
【００４０】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、図４の流量計測装置により実現される流量計測方法を説明する。
【００４１】
まず、外部からのパルス信号による駆動電流によりマイクロヒータ４を加熱すると（ステップＳ１１）、下流側サーモパイル１１から第２温度検出信号が出力され、上流側サーモパイル１３から第１温度検出信号が出力される（ステップＳ１３）。第２温度検出信号は差動アンプ３３に出力され、第１温度検出信号は差動アンプ３３に出力される。なお、図６に第１温度検出信号及び第２温度検出信号のパルス信号に対する応答を示した。
【００４２】
次に、差動アンプ３３は、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する（ステップＳ１５）。
【００４３】
そして、加算部４５は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算して加算信号を得る（ステップＳ１７）。図７に右側温度検出信号、左側温度検出信号及び加算信号のタイミングチャートを示した。次に、除算部４７は、ステップＳ１５で得られた増幅後の差信号をステップＳ１７で得られた加算信号で除して除算信号を得る（ステップＳ１９）。
【００４４】
続いて、流量算出部４１は、ステップＳ１９で得られた除算信号に基づきガスの正確な流量を算出する（ステップＳ２１）。さらに、流体物性値算出部４３は、ステップＳ１７で得られた加算信号とステップＳ２１で算出したガスの正確な流量に基づき、ガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等のガスの物性値を算出する（ステップＳ２３）。
【００４５】
このように、ガスの流れ方向に対して直交する方向に配置された右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５が、ガスの物性値を検出することにより、ガスの熱伝導性を計測することになる。ガスの流速が零であるときには、ガスにより熱の伝わる速度は、熱伝導率と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数（ガスの物性値の一つ）による。流速が零であるときには、右側サーモパイル８、左側サーモパイル５とマイクロヒータ４との温度差によって熱拡散定数が求められる。この温度差が大きいほど熱拡散定数が小さい。
【００４６】
これに対して流量が零でないときには、ガスの流れによって熱は下流に運ばれて、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５に到達する熱量は、それに伴って減少する。即ち、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５の回りの熱拡散が、ガスの流れによって大きくなる。ここで、その熱拡散の増加率はガスの流速の平方根に比例することが一般に知られているため、原理的には、ガスの熱拡散定数は、そのガスの流量が何らかの方法で解りさえすれば、いかなる流量のときでも見積もることができることになる。
【００４７】
一方で、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の回りでも、ガスの流れがない状態ででも存在する拡散による熱分布と、マイクロヒータ４で加熱されたガスの流れによって移動する熱分布とがある。したがって、下流側サーモパイル１１の回りのガスの温度と上流側サーモパイル１３の回りのガスの温度との差は、ガスの流れがない状態からガスの流れが大きくなるにつれて、次第に大きくなるが、ある程度以上ガスの流れが大きくなると、ガスの流れのよる熱分布の移動に起因して、再び小さくなる。
【００４８】
このため、本来ならば、ガスの流速の増加に比例して大きくなるはずの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号が、ガスの流量があまりに大きくなると、流量が増加しているにも拘わらず減少してしまうこともある。
【００４９】
そこで、流量が零であるときの、右側サーモパイル８が出力する右側温度検出信号と左側サーモパイル５が出力する左側温度検出信号との加算値を「１」と考えて、これに対する、流量がある場合の右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値の比を、移動する熱量の変化率を表す係数と見倣し、この係数を、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号に乗じる操作をする。
【００５０】
つまり、第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値で除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出が可能となり、正確で分解能の高い流量を求めることができるようになる。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、差動アンプ３３から得られる下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅後の差信号を、除算部４７において、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算部４５で加算して得られる加算信号により除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出を可能としている。
【００５２】
そして、上述した実施形態では、除算部４７における除算信号の取得を流量算出部４１による流量の算出よりも先に行っているが、これは、第２温度検出信号と第１温度検出信号との増幅後の差信号に現れる熱拡散の変化の影響を排除するためには、ガスの物性値を熱伝導率や比熱、粘性、密度といった厳密な精度の値として把握する必要がないためである。
【００５３】
即ち、上述した実施形態では、熱拡散の状態を高精度で把握しないと特定できないガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度を、物性値として流体物性値算出部４３で算出するために、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を流量算出部４１により事前に算出しておいて、これを、流体物性値算出部４３による物性値の算出に反映させている。
【００５４】
しかし、物性値として流体物性値算出部４３で算出するファクタの種類によっては、流体物性値算出部４３による物性値の算出を事前に行っておいて、これと、差動アンプ３３からの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅された差信号とに基づいて、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を後から算出するようにしてもよい。
【００５５】
このように、上述の流量計測装置によれば、小流量から大流量まで広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。この場合、ガスの流量を計測するための上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数よりも少なくなっているので、第１温度検出信号及び第２温度検出信号が、左側温度検出信号及び右側温度検出信号よりも小さくなるが、差動アンプ３３の増幅率を調整することにより、第２温度検出信号と第１温度検出信号の差信号のレベルを大きくすることができるので、流量計測の感度を維持することができる。
【００５６】
また、上述の流量計測装置によれば、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３を配置し、右側温度検出信号及び左側温度検出信号を出力するように構成したので、ガスの流れ方向の影響を受けずに、右側温度検出信号及び左側温度検出信号に基づき熱拡散定数等のガスの物性値を正確に算出することができ、したがってガスの種類を特定することができる。
【００５７】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００５８】
そして、算出されたガスの物性値に基づき、流量算出部４１で算出されたガスの流量を補正するようにしたので、特別な工夫をせずに、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、正確に流量を計測することができる。
【００５９】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００６０】
たとえば、上述の実施の形態におけるフローセンサでは、ガスの流速の検知に役立つ下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３と、ガス種の検知に役立つ左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を備えているが、ガス種の判別を必要としない場合は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を除去した構成としても良い。この場合は、マイクロヒータ４を、ガスの流れ方向に平行な寸法を長くしかつガスの流れ方向に垂直な寸法を太くなるように作成し、それに対応して下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３を多くすれば、低流速域の感度も良くかつ高流速域まで検知可能なフローセンサを得ることができる。
【００６１】
また、ガス種の判別をする、しないに関わらず、測定した流速（流量）範囲に合わせて、マイクロヒータ４の寸法Ｄ1 ，Ｄ2 （ただし、Ｄ1 ＞Ｄ2 ）を設定することができる。
【００６２】
さらに、図２に示した本発明のフローセンサを、９０度回転させてガス流路１０に取り付け、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８のいずれか一方を上流側サーモパイルとして使用しかつ他方を下流側サーモパイルとしてガス流速の検知に使用し、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１をガス種の検知に使用しても良い。図１及び図２に示したフローセンサに対して、流速検知感度は良くなるが検知できる流速範囲が狭くなり、ガス種検知感度は悪くなる。
【００６３】
一例として、図２の本発明のフローセンサにおける上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数を２３個、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数を９個とした場合、図１に示す取り付け時と、上述の９０度回転取り付け時におけるセンサ出力（流量計測装置の差動アンプ３３の差信号出力）特性を比較すると（図８参照）、マイクロヒータ４を定電圧（たとえば、１．５Ｖ）で駆動させたとき、９０度回転取り付けした場合の特性曲線Ｂでは、ガス圧４ｋｇｆ／ｍ2 で流速Ｌ1 （＝１０ｍ／ｓｅｃ）でマイクロヒータ４の加熱が追いつかなくなり、センサ出力が減少し始めるのに対し、図１に示す取り付けによる特性曲線Ａでは、流速Ｌ1 より大きい流速Ｌ2 （＝２０ｍ／ｓｅｃ）でもセンサ出力が減少しておらず、広範囲の流速に対応できている。特性Ａのセンサ出力は、サーモパイルの接点数が少ないため、特性Ｂのセンサ出力よりも小さくなるが、たとえば、接点数の比（たとえば、２３：９）で差動アンプ３３の増幅率を補正するように構成すれば、特性Ａは補正後特性Ｃとして表され、充分大きなセンサ出力を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００６５】
請求項２記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００６６】
請求項３記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００６７】
請求項４記載の発明の流量計測装置によれば、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００６８】
請求項５記載の発明の流量計測装置によれば、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。
【図２】図１のフローセンサの構成図である。
【図３】図２のマイクロフローセンサの断面図である。
【図４】図２のマイクロフローセンサを用いた流量計測装置の構成プロック図である。
【図５】図５の流量計測装置により実現される流量計測方法を示すフローチャートである。
【図６】第１温度検出信号及び第２温度検出信号を示す図である。
【図７】右側温度検出信号及び左側温度検出信号を示す図である。
【図８】本発明のフローセンサのセンサ出力特性の一例を示す特性図である。
【図９】従来のフローセンサの一例を示す略図である。
【図１０】図９のフローセンサの構成図である。
【符号の説明】
１ マイクロフローセンサ
２ Ｓｉ基板（支持基板）
３ ダイアフラム
４ マイクロヒータ（ヒータ）
５ 左側サーモパイル（横側温度センサ）
８ 右側サーモパイル（横側温度センサ）
１１ 下流側サーモパイル（下流側温度センサ）
１３ 上流側サーモパイル（上流温度センサ）
４１ 流量算出部（流量算出手段）
４３ 流体物性値算出部（流体物性値算出手段）
４５ 加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）
４７ 除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローセンサ及び該フローセンサを用いる流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９及び図１０は、それぞれ、出願人が先に提案した（特願２０００−９４４３７号参照）フローセンサの構成を説明する略図及び構成図である。このフローセンサは、ガスの流量及び種類を検知可能なセンサとして流量計測装置に用いることができるマイクロフローセンサである。
【０００３】
図９において、マイクロフローセンサ１´は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４´と、マイクロヒータ４´の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル５´と、マイクロヒータ４´の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル８´と、マイクロヒータ４´の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル１１´，１３´とを備えている。
【０００４】
図１０において、マイクロフローセンサ１´は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４´、マイクロヒータ４´の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５´、マイクロヒータ４´に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６´Ａ，６´Ｂ、マイクロヒータ４´の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８´、上流側サーモパイル８´から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子９´Ａ，９´Ｂ、下流側サーモパイル５´から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子７´Ａ，７´Ｂ、を備える。
【０００５】
また、マイクロフローセンサ１´は、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向（図１０における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル１１´と、この右側サーモパイル１１´から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２´Ａ，１２´Ｂと、マイクロヒータ４´に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル１３´と、この左側サーモパイル１３´から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４´Ａ，１４´Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【０００６】
上流側サーモパイル８´、下流側サーモパイル５´、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【０００７】
そして、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´は、ガスの流速の検知に役立ち、右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´は、ガス種の検知に役立つ。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のマイクロフローセンサ１´では、マイクロヒータ４´は、ガスの流れ方向に垂直な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ2 がガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ1 より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ2 に対応して接点数の多い下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´でガスの流速したがってガス流量を検知し、マイクロヒータ４´の外形寸法Ｄ1 に対応して、下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数より少ない接点数を有する右側サーモパイル１１´及び左側サーモパイル１３´でガス種を検知している。
【０００９】
このように、従来のフローセンサでは、流量検出のセンサ出力を優先してサーモパイルの接点数を多くとるため、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くなるように設計している。このため、ガス種を検知するための下流側サーモパイル５´及び上流側サーモパイル８´の接点数が多くとれず、ガス種の検知感度が悪い。
【００１０】
一方、マイクロヒータ４´の寸法をガスの流れ方向に垂直な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４´上を通過する時間が短く、ガスの流速が速くなった時、すなわち大流量時には、マイクロヒータ４´の熱がガスに充分には伝わらなくなる。このため、マイクロヒータ４´で検知できる流速範囲が制限され、したがって、マイクロフローセンサ１´を用いた流量計測装置においても、測定できる流量範囲が制限される。
【００１１】
上述のフローセンサおよびこのフローセンサを用いる流量計測装置では、高流速すなわち高流量を測定できるようにするためには、たとえば、ガス流路１０の断面積を大きくしたり、マイクロヒータ４´の駆動方法を工夫したりする必要がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上述の課題に鑑みて、広範囲にわたる流速検知が可能なフローセンサと該フローセンサを用いて広範囲にわたる流量計測が可能な流量計測装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的に鑑みて、請求項１記載の発明のフローセンサは、
ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、上記ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、上記ヒータ、上記上流側温度センサ及び上記下流側温度センサを支持する支持基板とを有するフローセンサであって、
上記ヒータは、上記ガスの流れ方向に平行な寸法が上記ガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている
ことを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、ヒータ、上流側温度センサ及び下流側温度センサを支持する支持基板とを有する。ヒータは、ガスの流れ方向に平行な寸法がガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている。それにより、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフローセンサにおいて、
前記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む
ことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、フローセンサは、ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む。それにより、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載のフローセンサにおいて、
前記ガスの流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に前記横側温度センサを各々配置した
ことを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、フローセンサは、ガスの流れ方向と略直交方向におけるヒータの両側に横側温度センサを各々配置している。それにより、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００１９】
また、請求項４記載の発明の流量計測装置は、
請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサを用いて、前記ガス流路を流れるガスの流量を計測する流量計測装置であって、
前記フローセンサの前記上流側温度センサからの前記第１温度検出信号と前記下流側温度センサからの前記第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段
を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサの上流側温度センサからの第１温度検出信号と下流側温度センサからの第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段を備えている。それにより、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の流量計測装置において、
前記フローセンサの前記横側温度センサからの前記第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、
前記流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき前記流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、流量計測装置は、フローセンサの横側温度センサからの第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段とを備えている。それにより、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図８を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。図１において、マイクロフローセンサ１は、図中断面で示すガス流路１０の内壁に配設される。マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２上に形成された、マイクロヒータ４と、マイクロヒータ４の下流側に形成され、下流側温度センサとして働く下流側サーモパイル１１と、マイクロヒータ４の上流側に形成され、上流側温度センサとして働く上流側サーモパイル１３と、マイクロヒータ４の両側にガスの流れ方向（Ｘ方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出して温度検出信号を出力する、横側温度センサとして働く右側及び左側サーモパイル５，８とを備えている。
【００２５】
図２は、図１のマイクロフローセンサ１の構成図を示す。図２において、マイクロフローセンサ１は、Ｓｉ基板２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル１１、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル１３、上流側サーモパイル１３から出力される第１温度検出信号を出力する第１出力端子１４Ａ，１４Ｂ、下流側サーモパイル１１から出力される第２温度検出信号を出力する第２出力端子１２Ａ，１２Ｂ、を備える。
【００２６】
また、マイクロフローセンサ１は、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向（図２における矢印Ｐから矢印Ｑへの方向）と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル８と、この右側サーモパイル８から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子９Ａ，９Ｂと、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの物性値を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル５と、この左側サーモパイル５から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子７Ａ，７Ｂと、ガス温度を得るための抵抗１５，１６と、この抵抗１５，１６からのガス温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂとを備える。
【００２７】
上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点と温接点とを有し、熱を検出し、冷接点と温接点との温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【００２８】
また、図３に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５のそれぞれの温接点が形成されている。
【００２９】
マイクロヒータ４は、ガスの流れ方向に平行な方向に細長く、すなわち、ガスの流れ方向に平行な外形寸法Ｄ1 がガスの流れ方向に垂直な外形寸法Ｄ2 より大きくなるように形成されている。そして、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ2 に対応して、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数は少なく設けられ、マイクロヒータ４の外形寸法Ｄ1 に対応して、右側サーモパイル５及び左側サーモパイル８の接点数は、下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３の接点数より多く設けられている。
【００３０】
このように構成されたマイクロフローセンサ１によれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスを媒体として、下流側サーモパイル１１と上流側サーモパイル１３のそれぞれの温接点に伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点は、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板２）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム３上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点と冷接点の温度差より熱起電カを発生し、温度検出信号を出力する。
【００３１】
ガスを媒体として伝達される熱は、ガスの熱拡散効果とＰからＱに向かって流れるガスの流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル１３と下流側サーモパイル１１に均等に伝達され、上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号と下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号の差信号は、零になる。
【００３２】
一方、ガスに流速が発生すると、流速によって上流側サーモパイル１３の温接点に伝達される熱量が減少し、反対に下流側サーモパイル１１の温接点に伝達される熱量が多くなり、したがって、前記第２温度検出信号と前記第１温度検出信号との差信号は流速に応じた正値になる。このとき、マイクロヒータ４の寸法をガスの流れ方向に平行な方向に細長くしているので、ガスがマイクロヒータ４上を通過する時間が長くなり、ガスの流速が速くなっても、マイクロヒータ４の熱がガスに充分に伝わる。このため、マイクロフローセンサ１の測定できる流速範囲が広くなる。
【００３３】
一方、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、ガスの流速の影響を受けずにガスの熱拡散効果のみによって、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された右側サーモパイル８に伝達される。また、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に配置された左側サーモパイル５にも、同様な熱が伝達される。
【００３４】
このため、右側サーモパイル８の起電力により第３出力端子９Ａ，９Ｂから出力される右側温度検出信号、及び／または左側サーモパイル５の起電力により第４出力端子７Ａ，７Ｂから出力される左側温度検出信号に基づき、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等のガスの物性値を算出することができるようになる。
【００３５】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００３６】
さらに、マイクロフローセンサ１によれば、ダイアフラム３上に、マイクロヒータ４、上流側サーモパイル１３、下流側サーモパイル１１、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５を形成したので、これらの熱容量を小さくして、消費電力を低減することができる。また、マイクロフローセンサ１の構成が簡単であるので、安価に作製することができるという効果がある。
【００３７】
次に、前述したマイクロフローセンサ１を用い、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、これに関係なく常にガスの流量を精度良く計測することができる流量計測装置について説明する。
【００３８】
図４は、図１乃至図３のマイクロフローセンサ１を用いた流量計測装置の構成ブロック図である。この流量計測装置は、マイクロフローセンサ１内の下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と、マイクロフローセンサ１内の上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、マイクロフローセンサ１内の右側サーモパイル８からの右側温度検出信号を増幅するアンプ３５ａと、マイクロフローセンサ１内の左側サーモパイル５からの左側温度検出信号を増幅するアンプ３５ｂと、マイクロコンピュータ４０とを備えて構成される。
【００３９】
マイクロコンピュータ４０は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算する加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）４５と、差動アンプ３３で得られた第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を加算部４５の出力する加算信号により除する除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）４７と、この除算部４７の出力する除算信号に基づきガスの流量を算出する流量算出部（流量算出手段）４１と、加算部４５の出力する加算信号に基づきガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等の物性値を算出する流体物性値算出部（流体物性値算出手段）４３とを備えて構成される。
【００４０】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、図４の流量計測装置により実現される流量計測方法を説明する。
【００４１】
まず、外部からのパルス信号による駆動電流によりマイクロヒータ４を加熱すると（ステップＳ１１）、下流側サーモパイル１１から第２温度検出信号が出力され、上流側サーモパイル１３から第１温度検出信号が出力される（ステップＳ１３）。第２温度検出信号は差動アンプ３３に出力され、第１温度検出信号は差動アンプ３３に出力される。なお、図６に第１温度検出信号及び第２温度検出信号のパルス信号に対する応答を示した。
【００４２】
次に、差動アンプ３３は、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号を増幅する（ステップＳ１５）。
【００４３】
そして、加算部４５は、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算して加算信号を得る（ステップＳ１７）。図７に右側温度検出信号、左側温度検出信号及び加算信号のタイミングチャートを示した。次に、除算部４７は、ステップＳ１５で得られた増幅後の差信号をステップＳ１７で得られた加算信号で除して除算信号を得る（ステップＳ１９）。
【００４４】
続いて、流量算出部４１は、ステップＳ１９で得られた除算信号に基づきガスの正確な流量を算出する（ステップＳ２１）。さらに、流体物性値算出部４３は、ステップＳ１７で得られた加算信号とステップＳ２１で算出したガスの正確な流量に基づき、ガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度等のガスの物性値を算出する（ステップＳ２３）。
【００４５】
このように、ガスの流れ方向に対して直交する方向に配置された右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５が、ガスの物性値を検出することにより、ガスの熱伝導性を計測することになる。ガスの流速が零であるときには、ガスにより熱の伝わる速度は、熱伝導率と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数（ガスの物性値の一つ）による。流速が零であるときには、右側サーモパイル８、左側サーモパイル５とマイクロヒータ４との温度差によって熱拡散定数が求められる。この温度差が大きいほど熱拡散定数が小さい。
【００４６】
これに対して流量が零でないときには、ガスの流れによって熱は下流に運ばれて、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５に到達する熱量は、それに伴って減少する。即ち、右側サーモパイル８及び左側サーモパイル５の回りの熱拡散が、ガスの流れによって大きくなる。ここで、その熱拡散の増加率はガスの流速の平方根に比例することが一般に知られているため、原理的には、ガスの熱拡散定数は、そのガスの流量が何らかの方法で解りさえすれば、いかなる流量のときでも見積もることができることになる。
【００４７】
一方で、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の回りでも、ガスの流れがない状態ででも存在する拡散による熱分布と、マイクロヒータ４で加熱されたガスの流れによって移動する熱分布とがある。したがって、下流側サーモパイル１１の回りのガスの温度と上流側サーモパイル１３の回りのガスの温度との差は、ガスの流れがない状態からガスの流れが大きくなるにつれて、次第に大きくなるが、ある程度以上ガスの流れが大きくなると、ガスの流れのよる熱分布の移動に起因して、再び小さくなる。
【００４８】
このため、本来ならば、ガスの流速の増加に比例して大きくなるはずの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号が、ガスの流量があまりに大きくなると、流量が増加しているにも拘わらず減少してしまうこともある。
【００４９】
そこで、流量が零であるときの、右側サーモパイル８が出力する右側温度検出信号と左側サーモパイル５が出力する左側温度検出信号との加算値を「１」と考えて、これに対する、流量がある場合の右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値の比を、移動する熱量の変化率を表す係数と見倣し、この係数を、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との差信号に乗じる操作をする。
【００５０】
つまり、第２温度検出信号と第１温度検出信号との差信号を右側温度検出信号と左側温度検出信号との加算値で除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出が可能となり、正確で分解能の高い流量を求めることができるようになる。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、差動アンプ３３から得られる下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅後の差信号を、除算部４７において、アンプ３５ａからの右側温度検出信号とアンプ３５ｂからの左側温度検出信号とを加算部４５で加算して得られる加算信号により除することで、熱拡散の変化の影響を排除した流量算出を可能としている。
【００５２】
そして、上述した実施形態では、除算部４７における除算信号の取得を流量算出部４１による流量の算出よりも先に行っているが、これは、第２温度検出信号と第１温度検出信号との増幅後の差信号に現れる熱拡散の変化の影響を排除するためには、ガスの物性値を熱伝導率や比熱、粘性、密度といった厳密な精度の値として把握する必要がないためである。
【００５３】
即ち、上述した実施形態では、熱拡散の状態を高精度で把握しないと特定できないガスの熱伝導率や比熱、粘性、密度を、物性値として流体物性値算出部４３で算出するために、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を流量算出部４１により事前に算出しておいて、これを、流体物性値算出部４３による物性値の算出に反映させている。
【００５４】
しかし、物性値として流体物性値算出部４３で算出するファクタの種類によっては、流体物性値算出部４３による物性値の算出を事前に行っておいて、これと、差動アンプ３３からの、下流側サーモパイル１１からの第２温度検出信号と上流側サーモパイル１３からの第１温度検出信号との増幅された差信号とに基づいて、熱拡散の変化の影響を排除したガスの正確な流量を後から算出するようにしてもよい。
【００５５】
このように、上述の流量計測装置によれば、小流量から大流量まで広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。この場合、ガスの流量を計測するための上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数よりも少なくなっているので、第１温度検出信号及び第２温度検出信号が、左側温度検出信号及び右側温度検出信号よりも小さくなるが、差動アンプ３３の増幅率を調整することにより、第２温度検出信号と第１温度検出信号の差信号のレベルを大きくすることができるので、流量計測の感度を維持することができる。
【００５６】
また、上述の流量計測装置によれば、マイクロヒータ４に対してガスの流れ方向と略直交方向に右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３を配置し、右側温度検出信号及び左側温度検出信号を出力するように構成したので、ガスの流れ方向の影響を受けずに、右側温度検出信号及び左側温度検出信号に基づき熱拡散定数等のガスの物性値を正確に算出することができ、したがってガスの種類を特定することができる。
【００５７】
さらに、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数は、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数よりも多くなっているので、左側温度検出信号及び右側温度検出信号が大きくなり、ガス種ごとの出力差が大きくなり、ガス種判別の感度が良くなる。
【００５８】
そして、算出されたガスの物性値に基づき、流量算出部４１で算出されたガスの流量を補正するようにしたので、特別な工夫をせずに、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、正確に流量を計測することができる。
【００５９】
以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００６０】
たとえば、上述の実施の形態におけるフローセンサでは、ガスの流速の検知に役立つ下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３と、ガス種の検知に役立つ左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を備えているが、ガス種の判別を必要としない場合は、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８を除去した構成としても良い。この場合は、マイクロヒータ４を、ガスの流れ方向に平行な寸法を長くしかつガスの流れ方向に垂直な寸法を太くなるように作成し、それに対応して下流側サーモパイル１１及び上流側サーモパイル１３を多くすれば、低流速域の感度も良くかつ高流速域まで検知可能なフローセンサを得ることができる。
【００６１】
また、ガス種の判別をする、しないに関わらず、測定した流速（流量）範囲に合わせて、マイクロヒータ４の寸法Ｄ1 ，Ｄ2 （ただし、Ｄ1 ＞Ｄ2 ）を設定することができる。
【００６２】
さらに、図２に示した本発明のフローセンサを、９０度回転させてガス流路１０に取り付け、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８のいずれか一方を上流側サーモパイルとして使用しかつ他方を下流側サーモパイルとしてガス流速の検知に使用し、上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１をガス種の検知に使用しても良い。図１及び図２に示したフローセンサに対して、流速検知感度は良くなるが検知できる流速範囲が狭くなり、ガス種検知感度は悪くなる。
【００６３】
一例として、図２の本発明のフローセンサにおける上流側サーモパイル１３及び下流側サーモパイル１１の接点数を２３個、左側サーモパイル５及び右側サーモパイル８の接点数を９個とした場合、図１に示す取り付け時と、上述の９０度回転取り付け時におけるセンサ出力（流量計測装置の差動アンプ３３の差信号出力）特性を比較すると（図８参照）、マイクロヒータ４を定電圧（たとえば、１．５Ｖ）で駆動させたとき、９０度回転取り付けした場合の特性曲線Ｂでは、ガス圧４ｋｇｆ／ｍ2 で流速Ｌ1 （＝１０ｍ／ｓｅｃ）でマイクロヒータ４の加熱が追いつかなくなり、センサ出力が減少し始めるのに対し、図１に示す取り付けによる特性曲線Ａでは、流速Ｌ1 より大きい流速Ｌ2 （＝２０ｍ／ｓｅｃ）でもセンサ出力が減少しておらず、広範囲の流速に対応できている。特性Ａのセンサ出力は、サーモパイルの接点数が少ないため、特性Ｂのセンサ出力よりも小さくなるが、たとえば、接点数の比（たとえば、２３：９）で差動アンプ３３の増幅率を補正するように構成すれば、特性Ａは補正後特性Ｃとして表され、充分大きなセンサ出力を得ることができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明のフローセンサによれば、ガスがヒータ上を通過する時間が長くなり、流速が速くなってもヒータの熱が十分にガスに伝わるため、測定できる流速範囲が広くなる。
【００６５】
請求項２記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流速及びガス種を検知する検知することができる。
【００６６】
請求項３記載の発明のフローセンサによれば、ガスの流れにばらつきがあっても、両横側温度センサからの温度検出信号に基づき、ガスの物性値を正確に算出することができる。
【００６７】
請求項４記載の発明の流量計測装置によれば、広範囲にわたるガスの流量を計測することができる。
【００６８】
請求項５記載の発明の流量計測装置によれば、ガスの種類や組成が変化した場合であっても、精度の良い流量計測が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフローセンサの実施の形態を示す略図である。
【図２】図１のフローセンサの構成図である。
【図３】図２のマイクロフローセンサの断面図である。
【図４】図２のマイクロフローセンサを用いた流量計測装置の構成プロック図である。
【図５】図５の流量計測装置により実現される流量計測方法を示すフローチャートである。
【図６】第１温度検出信号及び第２温度検出信号を示す図である。
【図７】右側温度検出信号及び左側温度検出信号を示す図である。
【図８】本発明のフローセンサのセンサ出力特性の一例を示す特性図である。
【図９】従来のフローセンサの一例を示す略図である。
【図１０】図９のフローセンサの構成図である。
【符号の説明】
１ マイクロフローセンサ
２ Ｓｉ基板（支持基板）
３ ダイアフラム
４ マイクロヒータ（ヒータ）
５ 左側サーモパイル（横側温度センサ）
８ 右側サーモパイル（横側温度センサ）
１１ 下流側サーモパイル（下流側温度センサ）
１３ 上流側サーモパイル（上流温度センサ）
４１ 流量算出部（流量算出手段）
４３ 流体物性値算出部（流体物性値算出手段）
４５ 加算部（流体物性値算出手段の一部；流量補正手段の一部）
４７ 除算部（流量算出手段の一部；流量補正手段の一部）
Claims (5)
- ガス流路を流れるガスを加熱するヒータと、上記ヒータに対してガスの上流側に配置され、ガスの温度を検出して第１温度検出信号を出力する上流側温度センサと、上記ヒータに対してガスの下流側に配置され、ガスの温度を検出して第２温度検出信号を出力する下流側温度センサと、上記ヒータ、上記上流側温度センサ及び上記下流側温度センサを支持する支持基板とを有するフローセンサであって、
上記ヒータは、上記ガスの流れ方向に平行な寸法が上記ガスの流れ方向に垂直な寸法より大きくなるように形成されている
ことを特徴とするフローセンサ。 - 前記ヒータに対してガスの流れ方向と略直交方向に配置され、ガスの温度を検出して第３温度検出信号を出力する横側温度センサを含む
ことを特徴とする請求項１記載のフローセンサ。 - 前記ガスの流れ方向と略直交方向における前記ヒータの両側に前記横側温度センサを各々配置した
ことを特徴とする請求項２記載のフローセンサ。 - 請求項１乃至３のいずれか１項記載のフローセンサを用いて、前記ガス流路を流れるガスの流量を計測する流量計測装置であって、
前記フローセンサの前記上流側温度センサからの前記第１温度検出信号と前記下流側温度センサからの前記第２温度検出信号との差信号に基づきガスの流量を算出する流量算出手段
を備えることを特徴とする流量計測装置。 - 前記フローセンサの前記横側温度センサからの前記第３温度検出信号に基づきガスの物性値を算出する流体物性値算出手段と、
前記流体物性値算出手段で算出されたガスの物性値に基づき前記流量算出手段で算出されたガスの流量を補正する流量補正手段と、
を備えることを特徴とする請求項４記載のガス供給装置。
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