JP4435351B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体流量検知技術に属するものであり、特に傍熱型の流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、各種流体特に液体の流量（あるいは流速）を測定する流量計［流量センサー］（あるいは流速計［流速センサー］）としては、種々の形式のものが使用されているが、低価格化が容易であるという理由で、いわゆる熱式（特に傍熱型）の流量計が利用されている。
【０００３】
この傍熱型流量計としては、基板上に薄膜技術を利用して薄膜発熱体と薄膜感温体とを絶縁層を介して積層してなるセンサーチップを配管内の流体との間で熱伝達可能なように配置したものが使用されている。発熱体に通電することにより感温体を加熱し、該感温体の電気的特性例えば電気抵抗の値を変化させる。この電気抵抗値の変化（感温体の温度上昇に基づく）は、配管内を流れる流体の流量（流速）に応じて変化する。これは、発熱体の発熱量のうちの一部が流体中へと伝達され、この流体中へ拡散する熱量は流体の流量（流速）に応じて変化し、これに応じて感温体へと供給される熱量が変化して、該感温体の電気抵抗値が変化するからである。この感温体の電気抵抗値の変化は、流体の温度によっても異なり、このため、上記感温体の電気抵抗値の変化を測定する電気回路中に温度補償用の感温素子を組み込んでおき、流体の温度による流量測定値の変化をできるだけ少なくすることも行われている。
【０００４】
このような、薄膜素子を用いた傍熱型流量計に関しては、例えば、特開平１１−１１８５６６号公報に記載がある。この流量計においては、流体の流量に対応する電気的出力を得るためにブリッジ回路を含む電気回路（検知回路）を使用している。
【０００５】
また、この特開平１１−１１８５６６号公報に記載の流量計においては、流量変化に対応して発熱体へ印加する電圧を変化させることで該発熱体の発熱状態を変化させて、感温体が所定の温度（加熱状態）を維持するようにし、その際に発熱体へ印加される電圧に基づき流量値を得るようにしている。
【０００６】
本発明は、以上のような傍熱型流量計での発熱体への印加電圧の制御を改善し、回路構成を複雑化することなく高い精度及び高い制御応答性を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
発熱体と、該発熱体の発熱の影響を受けるように配置され且つ流体との間の熱伝達が可能なように配置された流量検知用感温体を含んでなる流量検知回路とを備えており、
前記発熱体の発熱を該発熱体への印加電圧により制御し、前記流量検知回路の出力に基づいて前記発熱体への印加電圧を制御し、該印加電圧に基づき前記流体の流量を測定する熱式流量計であって、
前記発熱体への印加電圧は、所定期間ごとに設定され該所定期間内では値が不変のベース電圧と、一定値であって印加時間可変の加算電圧との合計からなり、
前記流量検知回路の出力を基準値と比較するコンパレータを備えており、該コンパレータからは前記感温体の加熱が不足であることを示す第１レベルとそれ以外であることを示す第２レベルとからなる２値信号が出力され、
前記コンパレータの出力２値信号を所定周期でサンプリングし、前記所定期間ごとに前記第１レベルが得られた回数をカウントして当該所定期間内でのカウント値を得、該カウント値が予め定められた所定範囲内の場合には続く所定期間において前記ベース電圧の値の変更を行わず、前記カウント値が前記所定範囲の上限より大きい場合には続く所定期間において前記ベース電圧を予め定められたステップ値だけ上昇させ、前記カウント値が前記所定範囲の下限より小さい場合には続く所定期間において前記ベース電圧を前記ステップ値だけ下降させるようにし、
前記コンパレータの出力２値信号が前記第１レベルである期間のみ前記加算電圧を印加するようにしてなることを特徴とする熱式流量計、
が提供される。
【０００８】
本発明の一態様においては、前記加算電圧は前記ベース電圧のステップ値の２〜４倍である。また、本発明の一態様においては、前記カウント値の所定範囲は、前記所定期間内でのサンプリング回数の１／２より小さく且つ０より大きい値を下限値とし、前記所定期間内でのサンプリング回数の１／２より大きく且つ前記サンプリング回数より小さい値を上限値とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は本発明の流量計の一実施形態を示す回路図であり、図２及び図３はその部分詳細図である。また、図４は本実施形態の流量計の流量検知部分の断面図であり、図５は流量検知ユニットの断面図である。
【００１１】
図４に示されているように、アルミニウムなどの熱伝導性良好な材質からなるケーシング部材２０には流体流通路２０ａが形成されている。流通路２０は下側部分が不図示の流体流入開口に連なっており上側部分が不図示の流体流出開口に連なっており、流体流入開口から流入した流体は流通路２０ａを上向きに流通し流体流出開口から流出する（流通方向が矢印で示されている）。
【００１２】
ケーシング部材２０には、流通路２０ａに臨むようにして流量検知ユニット２４及び流体温度検知ユニット２６が取り付けられている。図５に示されているように、流量検知ユニット２４において、流量検知部４２が熱伝達部材たるフィンプレート４４の表面に熱伝導性良好な接合材４６により接合され、流量検知部４２の電極パッドと電極端子４８とがボンディングワイヤ５０により接続されており、流量検知部４２及びボンディングワイヤ５０並びにフィンプレート４４の一部及び電極端子４８の一部が合成樹脂製ハウジング５２内に収容されている。流量検知部４２は、例えばシリコンやアルミナなどからなる厚さ０．４ｍｍ程度で２ｍｍ角程度の矩形基板上に、薄膜感温体及び薄膜発熱体を互いに絶縁して形成したチップ状のものからなる。
【００１３】
尚、流体温度検知ユニット２６は、上記流量検知ユニット２４における流量検知部４２の代わりに流体温度検知部を用いたものに相当する。流体温度検知ユニット２６において、流量検知ユニット２４のものと対応する部材は、同一の符号に「’」を付して示す。流体温度検知部は、流量検知部４２から薄膜発熱体を除去したと同様な構成を持つ。
【００１４】
流量検知ユニット２４及び流体温度検知ユニット２６のハウジング５２，５２’から突出せるフィンプレート４４，４４’の端部は、ケーシング部材２０の流通路２０ａ内に延出している。フィンプレート４４，４４’は、ほぼ円形の断面を持つ流通路部分８内において、その断面内の中央を通って延在している。フィンプレート４４，４４’は、流通路２０ａ内における流体の流通方向に沿って配置されているので、流体流通に大きな影響を与えることなしに、流量検知部４２及び流体温度検知部４２’と流体との間で良好に熱を伝達することが可能である。
【００１５】
さて、図１に示されているように、基準電源回路１０２からセンサ回路（検知回路）１０４へと直流電圧が供給される。センサ回路１０４は、図３に示されているように、ブリッジ回路からなっている。このブリッジ回路１０４は、流量検知ユニット２４の流量検知用薄膜感温体１０４−１と流体温度検知ユニット２６の流体温度補償用薄膜感温体１０４−２と抵抗体１０４−３，１０４−４とを含んでなる。ブリッジ回路１０４のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂが差動増幅回路（アンプ）１０６へと入力され、該差動増幅回路１０６の出力がコンパレータ１０８に入力される。該コンパレータ１０８からはアンプ１０６の出力電圧信号と基準電圧（Ｖｒｅｆ）との比較結果が２値信号として出力され、アンプ１０６の出力電圧信号が基準電圧（Ｖｒｅｆ）より低い場合にはロー（Ｌ）レベル［第１レベル］が出力され同一または高い場合にはハイ（Ｈ）レベル［第２レベル］が出力される。
【００１６】
一方、基準電源回路１０２からの直流電圧は、図１に示されているように、上記流量検知ユニット２４の薄膜発熱体１１２へ供給される電流を制御するためのトランジスタ１１０を介して、薄膜発熱体１１２へと供給される。即ち、流量検知部２４において、薄膜発熱体１１２の発熱に基づき、フィンプレート４４を介して被検知流体による吸熱の影響を受けて、薄膜感温体１０４−１による感温が実行される。そして、該感温の結果として、図３に示すブリッジ回路１０４のａ，ｂ点の電位Ｖａ，Ｖｂの差が得られる。
【００１７】
（Ｖａ−Ｖｂ）の値は、流体の流量に応じて流量検知用感温体１０４−１の温度が変化することで、変化する。予めブリッジ回路１０４の特性を適宜設定し、コンパレータ１０８の基準（Ｖｒｅｆ）を適宜設定することで、薄膜感温体１０４−１の加熱状態が所定の場合（即ち薄膜感温体１０４−１の温度が所定値の場合）にアンプ１０６の出力電圧信号がコンパレータ基準電圧（Ｖｒｅｆ）となるようにすることができる。換言すれば、コンパレータ基準電圧（Ｖｒｅｆ）は、薄膜感温体１０４−１が所定の加熱状態にある時にアンプ１０６から得られる出力電圧の値と同一になるように設定される。
【００１８】
流体流量が増減するとコンパレータ１０８の出力は変化する。このコンパレータ１０８の出力を用いて、薄膜発熱体（センサ用ヒータ）１１２の発熱が制御される。この薄膜発熱体１１２の発熱を制御し、更に流量算出演算を行うために、ＣＰＵ１２０が用いられる。図１に示されているように、コンパレータ１０８の出力はＰＬＤ１２２を介してＣＰＵ１２０のヒータ制御回路１２４へと入力される。該ヒータ制御回路１２４の出力はＤ／Ａコンバータ１２８によりアナログ信号に変化され、アンプ１３０に入力され、該アンプ１３０の出力電圧信号が上記トランジスタ１１０のベースへと入力される。一方、ヒータ制御回路１２４からはＣＰＵ１２０内の流量積算演算回路１３２へと信号が伝達され、該流量積算演算回路１３２から演算結果などが表示部１３４へと出力され、表示部１３４において必要な表示がなされる。
【００１９】
図２に示されているように、ＰＬＤ１２２は同期回路１２２ａとエッジ検出回路１２２ｂと１２５カウンタ１２２ｃとを有する。また、ヒータ制御回路１２４は、“Ｌ”レベルカウンタ１２４ａと比較回路１２４ｂとヒータ電圧回路１２４ｃとを有する。
【００２０】
ＣＰＵ１２０には４ＭＨｚクロック回路１３６からクロック信号が入力され、このクロック信号はＣＰＵ１２０内の分周回路１３８により１ＭＨｚクロックに変換され、ＰＬＤ１２２内の１２５カウンタ１２２ｃ及びヒータ制御回路１２４内の“Ｌ”レベルカウンタ１２４ａに入力される。
【００２１】
上記コンパレータ１０８の出力は、ＰＬＤ１２２を経た後に“Ｌ”レベルカウンタ１２４ａに入力され、ここで１μｓｅｃの周期（所定周期）ごとにサンプリングされ、１２５カウンタ１２２ｃにより設定された１２５μｓｅｃの期間（所定期間）内に“Ｌ”レベルが何回あらわれるかがカウントされる。このカウントで得られたカウント値のデータ（カウントデータＣＤ）は、比較回路１２４ｂに入力され、ここで予め定められた所定範囲との比較がなされる。この所定範囲は、１２５μｓｅｃの所定期間内でのサンプリング回数の１／２（６２．５）より小さく且つ０より大きい値（例えば４３）を下限値とし、１２５μｓｅｃの所定期間内でのサンプリング回数の１／２より大きく且つサンプリング回数（１２５）より小さい値（例えば８２）を上限値とするものとすることができる。
【００２２】
ところで、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、センサ用ヒータ１１２への印加電圧制御のためにトランジスタ１３０に入力される制御電圧［これはヒータ１１２への印加電圧に対応しているので、本明細書ではヒータ印加電圧と同義に用いることがある］は、ベース電圧（Ｅｂ）と加算電圧（Ｅｃ）との合計からなる。ベース電圧は所定のステップ値ごとに予め設定された離散値のうちから選択され各所定期間内では値が不変であり、これによりヒータ発熱の粗制御がなされる。加算電圧は一定値であって印加の時間または時期は可変であり、これによりヒータ発熱の微制御がなされる。加算電圧はベース電圧ステップ値の２〜４倍とするのが適当である。
【００２３】
比較回路１２４ｂでは、カウントデータＣＤが下限値Ｎｄ以上で上限値Ｎｕ以下の場合には、ヒータ電圧回路１２４ｃに対して、次の所定期間において前回のベース電圧をそのまま保持することを指示する。また、カウントデータＣＤが下限値Ｎｄ未満の場合には、ヒータ電圧回路１２４ｃに対して、次の所定期間においてベース電圧を前回のベース電圧値から１ステップ値だけ低下させることを指示する。また、カウントデータＣＤが上限値Ｎｕを越える場合には、ヒータ電圧回路１２４ｃに対して、次の所定期間においてベース電圧を前回のベース電圧値から１ステップ値だけ上昇させることを指示する。
【００２４】
一方、コンパレータ１０８の出力は、ＰＬＤ１２２を経た後に、ヒータ電圧回路１２４ｃに入力される。この入力信号に基づき、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、入力信号が“Ｌ”レベルに維持されている期間中は加算電圧（Ｅｃ）の印加を行い、それ以外の期間中は加算電圧（Ｅｃ）の印加を行わないようにする。
【００２５】
以上のようなヒータ電圧制御について、図６のタイムチャートを用いて更に具体的に説明する。
【００２６】
図６において、ブリッジ回路１０４に接続されたアンプ１０６の出力信号（コンパレータ１０８への入力信号）とコンパレータ１０８の基準電圧（Ｖｒｅｆ）との関係の時間変化が示されており、これに対応するコンパレータ１０８の出力信号の変化が示されている。また、これに対応して、１２５μｓｅｃごとに“Ｌ”レベルカウンタ１２４ａで得られ比較回路１２４ｂへと入力されるカウントデータＣＤの変化が示されている。また、これに対応して、ヒータ印加電圧（Ｅｈ）の時間変化が示されている。また、これに対応して、実際の流量の時間変化が模式的に示されている。
【００２７】
比較回路１２４ｂで設定されている下限値Ｎｄ及び上限値Ｎｕは、Ｎｄ＝４３，Ｎｕ＝８２であるとする。４３≦ＣＤ≦８２の場合には、比較回路１２４ｂからの指示により、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、カウントデータＣＤを得た所定期間に続く次の１２５μｓｅｃの所定期間中ベース電圧Ｅｂを直前の所定期間の値のまま保持し変更しない。ＣＤ＜４３の場合には、比較回路１２４ｂからの指示により、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、カウントデータＣＤを得た所定期間に続く次の１２５μｓｅｃの所定期間中ベース電圧Ｅｂを直前の所定期間の値から１ステップ電圧値（ここでは１０ｍＶ）だけ低下させる。ＣＤ＞８２の場合には、比較回路１２４ｂからの指示により、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、カウントデータＣＤを得た所定期間に続く次の１２５μｓｅｃの所定期間中ベース電圧Ｅｂを直前の所定期間の値から１ステップ電圧値（１０ｍＶ）だけ上昇させる。
【００２８】
一方、ヒータ電圧回路１２４ｃでは、コンパレータ１０８の出力信号が“Ｌ”レベルである期間中は所定の加算電圧（Ｅｃ：ここでは３０ｍＶ）を印加し、コンパレータ１０８の出力信号が“Ｈ”レベルである期間中は加算電圧を印加しない。
【００２９】
以上のように、本実施形態では、所定期間内で得られるカウントデータＣＤに基づきそれに続く所定期間内のベース電圧を適切に設定し、更にコンパレータの出力に応じて加算電圧印加期間を適宜設定するという２種類の制御を組み合わることで、簡単な装置構成で、制御の応答性が高められ、流量測定の精度が高められ、熱ヒステリシスが低減される。
【００３０】
尚、上記の所定期間、所定周期、ベース電圧ステップ値及び加算電圧値等は、予想される最大の流量変化を考慮して、それに対処し得るように適宜設定することができる。
【００３１】
以上のようにして、流体流量の変化に関わらず、常に流量検知用感温体１０４−１の温度が所定値となる（即ち流量検知用感温体１０４−１の加熱状態が所定のものとなる）ように、薄膜発熱体１１２の発熱が制御される。そして、その際に薄膜発熱体１１２に印加される電圧（ヒータ印加電圧）は流体流量に対応しているので、それを図１及び図２に示されている流量積算演算回路１３２において流量出力として取り出す。例えば０．５ｓｅｃごとに瞬時流量を出力し、この瞬時流量を積算することで積算流量を得る。
【００３２】
即ち、図２に示されているように、“Ｌ”レベルカウンタ１２４ａから得られる各所定期間のカウントデータＣＤの値に基づき０．５秒間に印加される加算電圧Ｅｃの積算値（ΣＥｃ）を得、またヒータ電圧回路１２４ｃから得られるベース電圧値Ｅｂに基づき０．５秒間に印加されるベース電圧Ｅｂの積算値（ΣＥｂ）を得、これらの合計値（ΣＥｃ＋ΣＥｂ）を得る（図７参照）。この値を、予め測定され記憶されている検量線（瞬時流量換算テーブル）を用いて瞬時流量値に換算する。この瞬時流量換算テーブルは、ヒータ印加電圧の０．５秒間の積算値と流量との関係を示すデータテーブルであり、具体的にはヒータ印加電圧積算値と流量値との関係をとびとびに示すものであり、実際に得られたヒータ印加電圧積算値から流量値を得る際にはデータ補完がなされる。また、積算流量値は、瞬時流量値を積算することで得られる。
【００３３】
この流量出力は、表示部１３４により表示される。尚、ＣＰＵ１２０からの指令により、瞬時流量及び積算流量を適宜メモリに記憶させるようにすることができ、更に、電話回線その他のネットワークからなる通信回線を介して外部へと伝送させるようにすることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、所定期間内で得られるカウント値に基づきそれに続く所定期間内のベース電圧を適切に設定し、更にコンパレータの出力に応じて加算電圧印加期間を適宜設定するという２種類の制御を組み合わることで、回路構成を複雑化することなく、ヒータ制御の応答性が高められ、流量測定の精度が高められ、熱ヒステリシスが低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量計の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の回路図の部分詳細図である。
【図３】図１の回路図の部分詳細図である。
【図４】流量計の流量検知部分の断面図である。
【図５】流量検知ユニットの断面図である。
【図６】ヒータ電圧制御を説明するためのタイムチャートである。
【図７】ヒータ電圧の変化と流量値の算出を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
２０ ケーシング部材
２０ａ 流体流通路
２４ 流量検知ユニット
２６ 流体温度検知ユニット
４２ 流量検知部
４４，４４’ フィンプレート
４６ 接合材
４８，４８’ 電極端子
５０ ボンディングワイヤ
５２，５２’ ハウジング
１０４ ブリッジ回路
１０４−１ 流量検知用薄膜感温体
１０４−２ 温度補償用薄膜感温体
１０４−３，１０４−４ 抵抗体
１０６ 差動増幅回路（アンプ）
１０８ コンパレータ
１１０ トランジスタ
１１２ 薄膜発熱体（ヒータ）
１３０ アンプ

Claims (3)

1. 発熱体と、該発熱体の発熱の影響を受けるように配置され且つ流体との間の熱伝達が可能なように配置された流量検知用感温体を含んでなる流量検知回路とを備えており、
   前記発熱体の発熱を該発熱体への印加電圧により制御し、前記流量検知回路の出力に基づいて前記発熱体への印加電圧を制御し、該印加電圧に基づき前記流体の流量を測定する熱式流量計であって、
   前記発熱体への印加電圧は、所定期間ごとに設定され該所定期間内では値が不変のベース電圧と、一定値であって印加時間可変の加算電圧との合計からなり、
   前記流量検知回路の出力を基準値と比較するコンパレータを備えており、該コンパレータからは前記感温体の加熱が不足であることを示す第１レベルとそれ以外であることを示す第２レベルとからなる２値信号が出力され、
   前記コンパレータの出力２値信号を所定周期でサンプリングし、前記所定期間ごとに前記第１レベルが得られた回数をカウントして当該所定期間内でのカウント値を得、該カウント値が予め定められた所定範囲内の場合には続く所定期間において前記ベース電圧の値の変更を行わず、前記カウント値が前記所定範囲の上限より大きい場合には続く所定期間において前記ベース電圧を予め定められたステップ値だけ上昇させ、前記カウント値が前記所定範囲の下限より小さい場合には続く所定期間において前記ベース電圧を前記ステップ値だけ下降させるようにし、
   前記コンパレータの出力２値信号が前記第１レベルである期間のみ前記加算電圧を印加するようにしてなることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記加算電圧は前記ベース電圧のステップ値の２〜４倍であることを特徴とする、請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記カウント値の所定範囲は、前記所定期間内でのサンプリング回数の１／２より小さく且つ０より大きい値を下限値とし、前記所定期間内でのサンプリング回数の１／２より大きく且つ前記サンプリング回数より小さい値を上限値とするものであることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の熱式流量計。

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