JP4904008B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

この発明は、熱式の流量計、特に流路の上下流にそれぞれに温度依存性電気抵抗体センサ素子を配置する熱式の流量計に関する。

一般に、熱式の流量計として、流路に沿って上流と下流に一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子を配置し、両センサ素子に電力を供給し発熱させたうえ、流体に熱的に作用させ、上流と下流センサ相互間の熱量の授受の関係を利用して、その質量流量を測定するものが知られている。この種の流量計において、電力を供給する方式には、被測定流体流量の変化に対して、１．上下流センサに同一一定の電流または電圧を供給する方法、２．上下流センサ素子各々の抵抗値したがって温度を同一の温度に保持する方法、３．上下流センサのトータルの平均温度を一定に保持する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。このうち２，３の方式は、温度センサを具備し、温度センサ素子の検出温度に対して温度センサ検出温度と流量センサ温度との差を制御して流量検出の温度変化に対応している
図５に、上記３の上下流センサのトータルの平均温度を一定に保持する方式の具体的な実施回路を示す。図５において、上流と下流に設けられる一対の温度依存性の電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄと固定抵抗器Ｒａが直列に接続される直列回路１と、流体又は周囲温度を検出する測温抵抗素子Ｒｔと固定抵抗器Ｒｃ，及びＲｂが直列に接続される直列回路２により、電橋（ブリッジ）回路ＢＣが構成されている。

電橋回路ＢＣの温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｄと固定抵抗器Ｒａの接続点ａが演算増幅器Ａ１のー入力端に接続され、固定抵抗器Ｒｃと固定抵抗器Ｒｂの接続点ｂが演算増幅器Ａ１の＋入力端に接続され、演算増幅器Ａ１の出力端が電橋回路ＢＣの直列回路１と直列回路２の一方の接続点ｃに接続されている。また、電橋回路ＢＣの直列回路１と直列回路２の他方の接続点ｄと電気抵抗体センサ素子ＲｕとＲｄの接続点ｅが演算増幅器Ａ２の入力端に接続され、電橋回路ＢＣの接続点ｅと接続点ａが差動増幅器Ａ４の入力端に接続され、さらに、演算増幅器Ａ２の出力端と差動増幅器Ａ４の出力端が差動増幅器Ａ３の入力端に接続されている。

電橋回路ＢＣは、（Ｒｕ＋Ｒｄ）／Ｒａ＝（Ｒｔ＋Ｒｃ）／Ｒｂで平衡する。この回路では、流体又は周囲温度を検出する測温抵抗素子Ｒｔが一定の場合、したがって流体又は周囲温度が一定の場合、被測定流体流量の変化に対して温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄの和Ｒｓが、つまり上下流電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄのトータルの平均温度が一定値を保つようにその印加電圧Ｅｓ＝Ｅｕ＋Ｅｄを制御する。

この場合、流量出力信号は上流側のセンサ素子Ｒｕのセンサ電圧Ｅｕと下流側のセンサ素子Ｒｄのセンサ電圧Ｅｄの差ｄＥｓ＝Ｅｕ―Ｅｄから得られる。流量信号の測温抵抗素子温度Ｔａによる影響は、流体または周囲温度Ｔａが変化した場合は、測温抵抗素子Ｒｔの温度Ｔａの変化に対しては
Ｒｓ＝Ｒｕ＋Ｒｄ＝Ｒｓｏ（１＋αｓ＊Ｔｓ）＝｛Ｒｔｏ（１＋αｔ＊Ｔａ）＋Ｒｃ｝（Ｒａ／Ｒｂ）であり、
Ｔｓ＝｛（１＋αｔ＊Ｔａ＋Ｒｃ／Ｒｔ０）（Ｒａ／Ｒｂ）（Ｒｔｏ／Ｒｓｏ）−１｝/αｓから、流体または周囲温度Ｔａの変化に対して上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子の平均温度Ｔｓを変化させることによって、被測定流量に対する出力特性温度依存性を補償する。

被測定流体の流量は、流体による上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子ＲｕとＲｄからの伝導熱量の差から検出される、流体に対する上流温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕの熱伝導量が下流温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｄの熱伝導量に比べ大きく、また上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子ＲｕとＲｄの和Ｒｓ＝Ｒｕ＋Ｒｄが一定であることから、流量による上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子の抵抗は、Ｒｕ＝（Ｒｓ−ｄＲｓ）/２、Ｒｄ＝（Ｒｓ＋ｄＲｓ）/２、 ただし、ｄＲｓは流量に対して増減相伴う値となる。一方、上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子に流れる電流Ｉｓは上下共通で（流量が多いほど大きくなる）、したがって、上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子電圧は、それぞれ、Ｅｓｕ＝ＩｓＲｓｕ、Ｅｓｄ＝ＩｓＲｓｄとすると、流量信号出力はｄＥｓ＝Ｅｓｄ−Ｅｓｕ＝Ｉｓ（Ｒｓｄ―Ｒｓｕ）＝Ｉｓ＊ｄＲｓとして得られる。
特開２００２−１２２４５４号公報

上記した従来の流量計回路では、一方のセンサ電圧Ｅｕは汎用の演算増幅機器を一個使った回路で容易に変換できるが、他方のセンサ電圧Ｅｄは両方の電圧の和Ｅｕ＋Ｅｄから電圧Ｅｕを差し引いて求める差動増幅回路が必要となって回路が複雑になり、センサ電圧に比し１/１００から１/１０００と、極めて微小な電圧差を検出するには問題が多い。

また、市販の演算増幅器の同相入力電圧は、その演算増幅器の供給電源の両端電位から１〜から１．５Ｖの内側に入る必要があり、従来回路では、電橋回路の平衡検出端の電位がこの範囲に入る必要があり、各温度センサに加えられる電圧範囲が約２Ｖから３Ｖ分狭められ、必要な流量検出電圧感度が得られなくなる。特に、市販乾電池の使用最終電圧は電池１個当たり０．９Ｖであり、電池を２個あるいは３個使用するとして、最低電源電圧として１．８Ｖから２，７Ｖが要求され、使用演算増幅器の入力端電圧（共通電位）が問題となる。

この発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、検出回路を簡素に構成でき、かつ高精度に検出し得、さらに電池駆動などに対応してより低い電源電圧で、より少ない電源電力で作動し得る熱式流量計を提供することを目的とする。

この発明の熱式流量計は、流体の流路に沿って、上流と下流に一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）を配置し、この両センサ素子に電圧を印加し流体に熱的に作用させ、前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）相互間の熱量の授受の関係を利用して、その質量流量を測定する熱式流量計であって、流量変化に対しては前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）の平均温度を不変とし、周囲温度あるいは流体の温度に対しては前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）の平均温度と流体の間の温度差を制御するものにおいて、上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）と固定抵抗器（Ｒａ）が直列に接続される第１の直列回路（１）と、温度センサ素子（Ｒｔ）と第１と第２の固定抵抗器（Ｒｂ、Ｒｃ）が直列に接続される第２の直列回路（２）とを両辺とする電橋回路（ＢＣ）を構成し、前記下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）と固定抵抗器（Ｒａ）の接続点（ａ）か前記第１と第２の固定抵抗器（Ｒｂ、Ｒｃ）の接続点（ｂ）の何れかに非反転入力端を接続し、他方の接続点に反転入力端を接続し、前記電橋回路（ＢＣ）の平衡を取る第１の演算増幅回路（Ａ１）と、前記上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ）と下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）の接続点（ｅ）か所定の電位（Ｖ２）の何れかに、非反転入力端を接続し、他方に反転入力端を接続し、前記上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ）と下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）の接続点（ｅ）の電位を前記所定の電位（Ｖ２）に保持する第２の演算増幅回路（Ａ２）と、前記上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ，Ｒｄ）の直列接続の両端電圧（Ｖａ、Ｖｄ）を一方の入力端に加算的に受け、センサ出力信号（ｄＶｓ）を出力する第３の演算増幅回路（Ａ３）と、を備えることを特徴とする

また、この発明において、前記上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）と固定抵抗器（Ｒａ）が直列接続される第１の直列回路（１）と、温度センサ素子（Ｒｔ）と第１と第２の固定抵抗器（Ｒｂ，Ｒｃ）が直列に接続される第２の直列回路（２）とを両辺とする電橋回路（ＢＣ）の平衡を検出する前記第１の演算増幅回路（Ａ１）の入力電位が演算増幅器の電位条件を満足するよう前記電橋回路（ＢＣ）の前記下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）と固定抵抗器（Ｒａ）の接続点（ａ）と前記第１と第２の固定抵抗器（Ｒｂ、Ｒｃ）の接続点（ｂ）に同一の電圧を加減する電圧加減手段（３、４）を設けることが出来る。

また、この発明において、前記電圧加減手段は、前記下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）と固定抵抗器（Ｒａ）の接続点（ａ）と所定の電位（Ｖ２）間に設けられる第１の加算回路（Ｒ１、Ｒ２）と、第１と第２の固定抵抗器（Ｒｂ，Ｒｃ）の接続点（ｂ）と所定の電位（Ｖ２）間に設けられる第２の加算回路（ｒ１，ｒ２）とからなり、前記第１の加算回路（Ｒ１、Ｒ２）と第２の加算回路（ｒ１，ｒ２）の出力（ｖａ，ｖｂ）を前記第１の演算増幅回路（Ａ１）の入力に受けるようにするとよい。

請求項１に係る発明によれば、上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ）の上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）の接続点（ｅ）に対する電位差（Ｅｕ）と下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｄ）の上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子（Ｒｕ、Ｒｄ）の接続点（ｅ）に対する電位差（Ｅｄ）との差を、簡単な抵抗による加算回路で検出して、容易に流量出力を得ることが出来る。

また、請求項２、請求項３に係る発明によれば、この種の装置の供給電源電圧を制限する演算増幅器電源に対して電橋回路の有効電圧範囲が大幅に拡大でき、演算増幅器電源に対する電橋回路の有効範囲の差に伴う無効電圧に伴う電力の低減が可能となり、特に電池駆動など供給電源が低くなるまで使用したい場合に特に、有効である。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態である熱式流量計の検知回路を示す回路図である。図１において、上流と下流に設けられる一対の温度依存性の電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄと固定抵抗器Ｒａが直列に接続される直列回路１と、流体又は周囲温度を検出する測温抵抗素子（温度センサ素子）Ｒｔと固定抵抗器Ｒｃ，及びＲｂが直列に接続される直列回路２により、これら直列回路１，２を両辺とする電橋回路ＢＣが構成されている。この電橋回路ＢＣを構成する各素子のうち温度依存性の電気抵抗体センサ素子Ｒｕは、図２に示すように流体が流される流路１１に配置され、温度依存性の電気抵抗体センサ素子Ｒｄは、流路１１で電気抵抗体センサ素子Ｒｕより下流側に配置されている。測温抵抗素子Ｒｔは流体の温度を検出する場合は、温度依存性電気抵抗体センサ素子ＲｕとＲｄの発熱の影響を受けない流路１１の中で、温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕの更に上流に、また周囲温度を検出する場合は、流路１１外に配置される。さらに、固定抵抗器Ｒａ、Ｒｂ，Ｒｃは流路１１外に設けられる。

電橋回路ＢＣの直列回路１と直列回路２の一方の接続点ｃには、＋Ｖ１電源がトランジスタＱ１のコレクタ、エミッタを介して接続され、また、電橋回路ＢＣの直列回路１と直列回路２の他方の接続点ｄがトランジスタＱ２のコレクタ、エミッタを介してー電源Ｖ３に接続されている。

また、演算増幅器Ａ１は、＋入力端が電橋回路ＢＣの電気抵抗体センサ素子Ｒｄと固定抵抗器Ｒａの接続点ａに接続され、―入力端が電橋回路ＢＣの固定抵抗器ＲｃとＲｂの接続点ｂに接族され、演算増幅器Ａ１の出力端がトランジスタＱ１のベースに接続されている。また、この演算増幅器Ａ１は、電橋回路ＢＣの平衡を検出する演算増幅器であり、Ｖａ＝Ｖｂとなり、（Ｒｕ＋Ｒｄ）＝（Ｒａ／Ｒｂ）＊（Ｒｃ＋Ｒｔ）となるよう、その出力をトランジスタＱ１のベースに入力し、電橋回路ＢＣへの供給電圧のうち、電位Ｖｃを制御する。

また、演算増幅器Ａ２は、―入力端が基準比較電圧Ｖ２に接続され、＋入力端が電橋回路ＢＣの電気抵抗体センサ素子ＲｕとＲｄの接続点ｅに接続され、演算増幅器Ａ２の出力端がトランジスタＱ２のベースに接続されている。また、この演算増幅器Ａ２は、上流側の電気抵抗体センサ素子Ｒｕと，下流側の電気抵抗体素子Ｒｄの接続点ｅの電位Ｖｅを所定の電位Ｖ２と等しくなるよう、もう一方（他方）の電橋回路供給電源の電位Ｖｄを制御する。電橋回路ＢＣの接続点ａが抵抗器Ｒｐｄを介して、電橋回路ＢＣの接続点ｄが抵抗器Ｒｐｕを介して、いずれも演算増幅器Ａ3の＋入力端に接続されている。

以上の演算増幅器Ａ１、Ａ２の制御により、演算増幅器Ａ１の作動においては、上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕ、Ｒｄの平均温度Ｔｓｕ＋Ｔｓｄは、被測定流体流量にかかわらず温度センサＲｔの関数となり、所要の温度補償が行える。更に演算増幅器Ａ２の作動では、上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄの接続点ｅの電位Ｖｅが常に基準電位Ｖ２に保持され、図１におけるａ点の電位Ｖａが基準電位Ｖ２に下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｄの電圧Ｅｄを加えた値Ｖａ＝Ｖ２＋Ｅｄとなり、また図１におけるｄ点の電位Ｖｄが基準電位Ｖ２から上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕの電圧Ｅｕを差し引いた値Ｖｄ＝Ｖ２―Ｅｕとなる。この結果、上下流温度依存性電気抵抗体センサ素子Ｒｕ，Ｒｄの流量に対するセンサ出力信号はｄＥｓ＝Ｅｄ―Ｅｕ＝Ｖａ＋Ｖｄ―２＊Ｖ２であるから、センサ出力信号ｄＥｓを、図１におけるａ点及びｄ点の簡単な加算回路で得ることができる。図１の抵抗器Ｒｐｕ，Ｒｐｄを等しくした場合、抵抗器Ｒｐｕ，Ｒｐｄと演算増幅器Ａ３の加算回路の出力は、ｄＶｓ＝（Ｅｄ−Ｅｕ）／２となる。

図３は、この発明の他の実施形態回路を示す回路図である。この実施形態回路は、図１に示す回路において、さらに、電橋回路ＢＣの接続点ａ点と電位Ｖ４との間に抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる加算回路(分圧回路)３を設けると共に、電橋回路ＢＣの接続点ｂと電位Ｖ４との間に抵抗ｒ１，ｒ２からなる加算回路(分圧回路)４を設け、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点(加算回路３の出力)を演算増幅器Ａ１の＋入力端に接続し、抵抗ｒ１と抵抗ｒ２の接続点(加算回路４の出力)を演算増幅器Ａ１のー入力端に接続している。演算増幅器Ａ１の出力は、トランジスタＱ１のベースに接続されている。

この実施形態回路では、加算回路３、４の抵抗Ｒ１，Ｒ２，ｒ１，ｒ２は、Ｒ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２とし、理想的にはＲ１／ｒ１＝Ｒ２／ｒ２＝Ｒａ／Ｒｂとするが、各抵抗値が電橋回路ＢＣの各抵抗に比し大きければＲ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２であれば良い。

加算回路３，４の出力ｖａ，ｖｂは、ｖａ＝（Ｖａ＋Ｖ４＊Ｒ１/Ｒ２）/（Ｒ１／Ｒ２＋１）、ｖｂ＝（Ｖｂ＋Ｖ４＊ｒ１／ｒ２）/（ｒ１/ｒ２＋１）であるから、Ｒ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２であり、ｖａ＝ｖｂとなれば、Ｖａ＝Ｖｂとなる。

この実施形態回路では、加算回路３、４の出力を演算増幅器Ａ１で比較し、その比較出力でトランジスタＱ１を制御し、電橋回路ＢＣの平衡を行う。電位Ｖｂと電位Ｖ４との間の所定電位を、演算増幅器Ａ１に入力できる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態回路を示す回路図である。この実施形態回路は、図１に示す回路において、さらに、電橋回路ＢＣの接続点ａ点と電橋回路ＢＣの接続点ｄ（電位Ｖｄ）との間に抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる加算回路(分圧回路)３を設けると共に、電橋回路ＢＣの接続点ｂ点と電橋回路ＢＣの接続点ｄ（電位Ｖｄ）との間に抵抗ｒ１，ｒ２からなる加算回路(分圧回路)４を設け、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点(加算回路３の出力)を演算増幅器Ａ１の＋入力端に接続し、抵抗ｒ１と抵抗ｒ２の接続点(加算回路４の出力)を演算増幅器Ａ１のー入力端に接続している。

この実施形態回路も、図３の回路と同様、加算回路３，４の抵抗Ｒ１，Ｒ２，ｒ１，ｒ２の抵抗値は、Ｒ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２とし、理想的にはＲ１／ｒ１＝Ｒ２／ｒ２＝Ｒａ／Ｒｂとするが、各抵抗値が各電橋回路の抵抗に比し大きければＲ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２であれば良い。

加算回路３、４の出力ｖａ，ｖｂはｖａ＝（Ｖａ＋Ｖｄ＊Ｒ１/Ｒ２）/（Ｒ１／Ｒ２＋１）、ｖｂ＝（Ｖｂ＋Ｖｄ＊ｒ１／ｒ２）/（ｒ１/ｒ２＋１）であるから、Ｒ１／Ｒ２＝ｒ１／ｒ２であり、ｖａ＝ｖｂとなれば、Ｖａ＝Ｖｂとなる。

この実施形態回路でも加算回路出力を演算増幅器Ａ１で比較し、その比較出力でトランジスタＱ１を制御し、電橋回路ＢＣの平衡を行う。

本発明の一実施形態に係る熱式流量計の検出部の回路構成を示す回路図である。 同実施形態熱式流量計の電橋回路を構成する各素子の流路内外の配置を説明する図である。 本発明の他の同実施形態に係る熱式流量計の検出部の回路構成を示す回路図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る熱式流量計の検出部の回路構成を示す回路図である。 従来の熱式流量計の検出部の回路構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

Ｒｕ 上流側の温度依存性電気抵抗体センサ素子
Ｒｄ 下流側の温度依存性電気抵抗体センサ素子
Ｒｔ 測温抵抗素子（温度センサ）素子
Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ 電橋回路用の固定抵抗器
Ｒ１，Ｒ２ 加算回路用の固定抵抗器
ｒ１，ｒ２ 加算回路用の固定抵抗器
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 演算増幅器
Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ
１，２ 電橋回路用の直列回路
３，４ 加算回路
１１ 流路

Claims (3)

1. 流体の流路に沿って、上流と下流に一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子を配置し、この両センサ素子に電圧を印加し流体に熱的に作用させ、前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子相互間の熱量の授受の関係を利用して、その質量流量を測定する熱式流量計であって、流量変化に対しては前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子の平均温度を不変とし、周囲温度あるいは流体の温度に対しては前記上流と下流の温度依存性電気抵抗体センサ素子の平均温度と流体の間の温度差を制御する熱式流量計において、
   前記上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子と固定抵抗器が直列に接続される第１の直列回路と、温度センサ素子と第１と第２の固定抵抗器が直列に接続される第２の直列回路とを両辺とする電橋回路を構成し、
   前記下流側の温度依存性電気抵抗体センサ素子と固定抵抗器の接続点か前記第１と第２の固定抵抗器の接続点の何れかに非反転入力端を接続し、他方の接続点に反転入力端を接続し、前記電橋回路の平衡を検出してこの電橋回路の一方の電位を制御する第１の演算増幅回路と、
   前記上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子と下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子の接続点か所定の電位の何れかに非反転入力端を接続し、他方に反転入力端を接続し、前記上流側温度依存性電気抵抗体センサ素子と下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子の接続点の電位を前記所定の電位に保持する第２の演算増幅回路と、
   前記上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子の直列接続の両端電圧を一方の入力端に加算的に受け、センサ出力信号を出力する第３の演算増幅回路と、
   を、備えたことを特徴とする熱式流量計
2. 前記上流と下流一対の温度依存性電気抵抗体センサ素子と固定抵抗器が直列接続される第１の直列回路と、前記温度センサ素子と第１と第２の固定抵抗器が直列接続される第２の直列回路とを両辺とする電橋回路の平衡を検出する前記第１の演算増幅回路の入力電位が演算増幅器の電位条件を満足するよう前記電橋回路の前記下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子と固定抵抗器の接続点と前記第１と第２の固定抵抗器の接続点に同一の電圧を加減する電圧加減手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱式流量計。
3. 前記電圧加減手段は、前記下流側温度依存性電気抵抗体センサ素子と固定抵抗器の接続点と所定電位間に設けられる第１の加算回路と、前記第１と第２の固定抵抗器の接続点と所定電位間に設けられる第２の加算回路とからなり、前記第１と第２の加算回路の出力を前記第１の演算増幅回路の入力に受けることを特徴とする請求項２記載の熱式流量計。