(57)【要約】【課題】流量変化に対する応答性を改善する。【解決手段】熱式流量計は、配管１に配設され、測定対象の流体の第１の温度を検出する熱抵抗素子２ａと、熱抵抗素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設され、測定対象の流体の第２の温度を検出する熱抵抗素子２ｂと、第２の温度が第１の温度よりも一定値だけ高くなるように熱抵抗素子２ｂを発熱させる制御部１１と、熱抵抗素子２ｂに印加される電力を測定する電力測定部７と、第２の温度と第１の温度との温度差の勾配を算出する温度差勾配算出部８と、電力測定部７によって測定された電力を、配管１内に流体が無い場合の電力の既知の値と温度差の勾配とに基づいて補正する電力補正部９と、電力補正部９によって補正された電力に基づいて測定対象の流体の流量を算出する流量算出部１０とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、
前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出するように構成された第１の熱抵抗素子と、
前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出するように構成された第２の熱抵抗素子と、
前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させるように構成された制御部と、
前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定するように構成された電力測定部と、
前記第２の温度と前記第１の温度との温度差の勾配を算出するように構成された温度差勾配算出部と、
前記電力測定部によって測定された電力を、前記配管内に流体が無い場合の前記電力の既知の値と前記温度差の勾配とに基づいて補正するように構成された電力補正部と、
この電力補正部によって補正された電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
請求項１記載の熱式流量計において、
前記電力補正部は、前記温度差の勾配の絶対値が予め規定された温度不感帯パラメータより大きい場合のみ前記電力の補正を行い、
前記流量算出部は、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータより大きい場合に前記電力補正部によって補正された電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出し、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータ以下の場合に前記電力測定部によって測定された電力をそのまま用いて前記測定対象の流体の流量を算出することを特徴とする熱式流量計。
【請求項３】
測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出する第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出する第２の熱抵抗素子とを備えた熱式流量計の流量補正方法において、
前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させる第１のステップと、
前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定する第２のステップと、
前記第２の温度と前記第１の温度との温度差の勾配を算出する第３のステップと、
前記第２のステップで測定した電力を、前記配管内に流体が無い場合の前記電力の既知の値と前記温度差の勾配とに基づいて補正する第４のステップと、
この第４のステップで補正した電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出する第５のステップとを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
【請求項４】
請求項３記載の熱式流量計の流量補正方法において、
前記第４のステップは、前記温度差の勾配の絶対値が予め規定された温度不感帯パラメータより大きい場合のみ前記電力の補正を行い、
前記第５のステップは、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータより大きい場合に前記第４のステップで補正した電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出し、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータ以下の場合に前記第２のステップで測定した電力をそのまま用いて前記測定対象の流体の流量を算出するステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の上流と下流の２点で流体の温度を測定して、２点間の温度差が常に一定になるようにヒータを制御して、ヒータに印加する電力から流体の流量を算出する熱式流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱式流量計において、液体による腐食等を避けるために、液体の流路を構成する管の外側に発熱部および温度検出部を配置して、これら発熱部および温度検出部が液体に直接曝されることがないようにした構造が従来から用いられている（特許文献１参照）。このような構造の場合、発熱部および温度検出部が液体と直接接していないために、これら発熱部および温度検出部が液体と直接接している構造と比較して、液体の流量変化に対する応答性が悪化し、流量の誤差が大きくなるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３２０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、流量変化に対する応答性を改善することができる熱式流量計および流量補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の熱式流量計は、測定対象の流体を流通させるように構成された配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出するように構成された第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出するように構成された第２の熱抵抗素子と、前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させるように構成された制御部と、前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定するように構成された電力測定部と、前記第２の温度と前記第１の温度との温度差の勾配を算出するように構成された温度差勾配算出部と、前記電力測定部によって測定された電力を、前記配管内に流体が無い場合の前記電力の既知の値と前記温度差の勾配とに基づいて補正するように構成された電力補正部と、この電力補正部によって補正された電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出するように構成された流量算出部とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の熱式流量計の１構成例において、前記電力補正部は、前記温度差の勾配の絶対値が予め規定された温度不感帯パラメータより大きい場合のみ前記電力の補正を行い、前記流量算出部は、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータより大きい場合に前記電力補正部によって補正された電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出し、前記温度差の勾配の絶対値が前記温度不感帯パラメータ以下の場合に前記電力測定部によって測定された電力をそのまま用いて前記測定対象の流体の流量を算出することを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明は、測定対象の流体を流通させる配管と、前記配管に配設され、前記測定対象の流体の第１の温度を検出する第１の熱抵抗素子と、前記第１の熱抵抗素子よりも下流側の前記配管の箇所に配設され、前記測定対象の流体の第２の温度を検出する第２の熱抵抗素子とを備えた熱式流量計の流量補正方法において、前記第２の温度が前記第１の温度よりも一定値だけ高くなるように電圧を出力して前記第２の熱抵抗素子を発熱させる第１のステップと、前記第２の熱抵抗素子に印加される電力を測定する第２のステップと、前記第２の温度と前記第１の温度との温度差の勾配を算出する第３のステップと、前記第２のステップで測定した電力を、前記配管内に流体が無い場合の前記電力の既知の値と前記温度差の勾配とに基づいて補正する第４のステップと、この第４のステップで補正した電力に基づいて前記測定対象の流体の流量を算出する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電力測定部によって測定された電力を、配管内に流体が無い場合の電力の既知の値と温度差の勾配とに基づいて補正し、この補正された電力に基づいて測定対象の流体の流量を算出するようにしたので、第１、第２の熱抵抗素子が測定対象の流体と直接接していない場合でも、流量変化に対する応答性を改善することができ、流量の測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る熱式流量計の温度取得部と減算器とＰＩＤ制御演算部と制御出力部の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施例に係る熱式流量計の電力測定部と温度差勾配算出部と電力補正部と流量算出部の動作を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、熱式流量計における電力と流量の関係の１例を示す図である。
【図５】図５は、熱式流量計における流体の流速と電力と温度差の関係の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。熱式流量計は、測定対象の流体を流通させる例えばガラスからなる配管１と、配管１に配設された例えば白金からなる熱抵抗素子２ａと、熱抵抗素子２ａよりも下流側の配管１の箇所に配設された例えば白金からなる熱抵抗素子２ｂ（ヒータ）と、熱抵抗素子２ａによって検出される流体の温度ＴＲｒを取得する温度取得部３ａと、熱抵抗素子２ｂによって検出される流体の温度ＴＲｈを取得する温度取得部３ｂと、温度ＴＲｈから温度ＴＲｒを減算する減算器４と、温度差（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定値になるように操作量を算出するＰＩＤ制御演算部５と、ＰＩＤ制御演算部５によって算出された操作量に応じて熱抵抗素子２ｂに電圧を印加して発熱させる制御出力部６と、熱抵抗素子２ｂに印加される電力を測定する電力測定部７と、温度ＴＲｈと温度ＴＲｒとの温度差の勾配を算出する温度差勾配算出部８と、電力測定部７によって測定された電力を、配管１内に流体が無い場合の電力の既知の値と温度差の勾配とに基づいて補正する電力補正部９と、電力補正部９によって補正された電力に基づいて測定対象の流体の流量を算出する流量算出部１０とを備えている。減算器４とＰＩＤ制御演算部５と制御出力部６とは、制御部１１を構成している。
【００１１】
熱抵抗素子２ａ，２ｂは、それぞれシリコンウエハ上に形成されている。熱抵抗素子２ａが形成されたシリコンウエハの面が配管１の外壁と向かい合うように配管１に接着されることにより、熱抵抗素子２ａが配管１に固定されるようになっている。熱抵抗素子２ｂの固定方法も熱抵抗素子２ａの固定方法と同じである。図１の例では、配管１の肉厚を薄くした箇所に熱抵抗素子２ａ，２ｂが接着されている。
【００１２】
次に、本実施例の熱式流量計の動作について説明する。図２は温度取得部３ａ，３ｂと減算器４とＰＩＤ制御演算部５と制御出力部６の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部３ａ，３ｂは、配管１を流れる流体の温度ＴＲｒ，ＴＲｈを取得する（図２ステップＳ１００）。具体的には、温度取得部３ａ，３ｂは、それぞれ熱抵抗素子２ａ，２ｂの抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、流体の温度ＴＲｒ，ＴＲｈを取得する。
【００１３】
減算器４は、流体の下流側の温度ＴＲｈから上流側の温度ＴＲｒを減算する（図２ステップＳ１０１）。
ＰＩＤ制御演算部５は、減算器４によって算出された温度差ΔＴ＝ＴＲｈ−ＴＲｒが一定値（制御の目標値であり、例えば１０℃）になるように操作量を算出する（図２ステップＳ１０２）。
【００１４】
制御出力部６は、ＰＩＤ制御演算部５によって算出された操作量に応じて熱抵抗素子２ｂに電圧を印加して発熱させる（図２ステップＳ１０３）。
こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図２ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０３の処理が制御周期ごとに実行され、流体の下流側の温度ＴＲｈが上流側の温度ＴＲｒよりも常に一定値だけ高くなるようにＰＩＤ制御される。
【００１５】
図３は電力測定部７と温度差勾配算出部８と電力補正部９と流量算出部１０の動作を説明するフローチャートである。電力測定部７は、熱抵抗素子２ｂに印加される電力Ｑを測定する（図３ステップＳ２００）。電力測定部７は、例えば熱抵抗素子２ｂに印加される電圧Ｖと熱抵抗素子２ｂの抵抗値Ｒｈとから次式により熱抵抗素子２ｂに印加される電力Ｑを算出する。
Ｑ＝Ｖ2／Ｒｈ                                                   ・・・（１）
【００１６】
こうして、流体の下流側の温度ＴＲｈを上流側の温度ＴＲｒよりも常に一定値だけ高くするために必要な電力Ｑを求めることができる。
流体の下流側の温度ＴＲｈと上流側の温度ＴＲｒとの温度差ΔＴは上記のように制御部１１（減算器４、ＰＩＤ制御演算部５、制御出力部６）により常に一定値になるように制御されるが、流体の流量変化により、温度差ΔＴの瞬間値が常に一定になるとは限らない。そこで、温度差勾配算出部８は、温度差ΔＴの勾配（温度差の傾きであり、時間微分）ΔＴ’を算出する（図３ステップＳ２０１）。
ΔＴ’＝ｄΔＴ／ｄｔ＝ｄ（ＴＲｈ−ＴＲｒ）／ｄｔ                ・・・（２）
【００１７】
電力補正部９は、温度差勾配算出部８によって算出された温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が予め規定された温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤより大きい場合（図３ステップＳ２０２においてＹＥＳ）、電力測定部７によって測定された電力Ｑを補正した電力Ｑcompを次式のように算出する（図３ステップＳ２０３）。
Ｑcomp＝Ｑ−ＰＲＭ＿Ｄ×（Ｑ−Ｑempty）×ΔＴ’                 ・・・（３）
【００１８】
式（３）において、ＰＲＭ＿Ｄは予め規定された係数、Ｑemptyは配管１内が空気で満たされ流体が全く無い場合の既知の電力Ｑである。電力Ｑemptyは、配管１内に流体が全く無い状態で熱式流量計を図２で説明したように動作させることで予め調べておくことができる。
【００１９】
流量算出部１０は、温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤより大きい場合に、電力補正部９によって補正された電力Ｑcompの値を、予め規定された流量変換特性式ｆを用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量Ｆを算出する（図３ステップＳ２０４）。
Ｆ＝ｆ（Ｑcomp）                                                ・・・（４）
【００２０】
図４は熱式流量計における電力と流量の関係の１例を示す図である。測定対象の流体について、電力と流体の実流量との、図４のような関係を実測により求めることにより、流量変換特性式ｆを決定することができる。
【００２１】
一方、電力補正部９は、温度差勾配算出部８によって算出された温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤ以下の場合（ステップＳ２０２においてＮＯ）、電力測定部７によって測定された電力Ｑの値を補正せずにそのまま出力する（図３ステップＳ２０５）。
【００２２】
流量算出部１０は、温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤ以下の場合に、電力補正部９から補正無しで出力された電力Ｑの値を、流量変換特性式ｆを用いて流量の値に変換することにより、測定対象の流体の流量Ｆを算出する（図３ステップＳ２０６）。
Ｆ＝ｆ（Ｑ）                                                    ・・・（５）
【００２３】
こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図３ステップＳ２０７においてＹＥＳ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０６の処理が一定時間ごとに実行される。
【００２４】
次に、電力補正部９による電力補正の原理について説明する。熱的定常状態では、近似的に次式が成立する。
（ＴＲｈ−ＴＲｒ）×ｋ（ＦＶ）＝（Ｑ−Ｑempty）                 ・・・（６）
【００２５】
ｋ（ＦＶ）は流体の流速ＦＶによる熱伝達率である。熱式流量計の原理によれば、温度差ΔＴ＝（ＴＲｈ−ＴＲｒ）が一定値（本実施例では１０℃）になるように熱抵抗素子２ｂ（ヒータ）を発熱させるようにすれば、熱抵抗素子２ｂに印加されている電力Ｑから流体の瞬時流量を求めることが可能である。
【００２６】
しかしながら、流量変化が激しい場合は、熱伝達率ｋ（ＦＶ）の変化が流量変化に対して遅いために、制御部１１によるヒータ制御を速くしたとしても、流量変化に対する計測流量値の応答には遅れが生じる。この遅れは、配管１や流体の熱特性によるもので、ＰＩＤ制御で改善されるものではない。
【００２７】
そこで、本実施例では、温度差ΔＴ＝（ＴＲｈ−ＴＲｒ）を一定値にするために必要な電力Ｑを以下のようにして補正する。まず、式（６）より次式が得られる。
ｋ（ＦＶ）＝（Ｑ−Ｑempty）／ΔＴ                               ・・・（７）
【００２８】
式（７）より、電力Ｑの補正を行った電力Ｑcompを次のように近似することが考えられる。
Δｋ＝（Ｑ−Ｑempty）ΔＴ’／ΔＴ2                              ・・・（８）
Ｑcomp＝ΔＴ×ｋ＋Δｋ×ΔＴ                                    ・・・（９）
【００２９】
Δｋは熱伝達率ｋ（ＦＶ）の変化である。温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤより大きい場合、式（８）、式（９）より式（３）が得られる。ここで、温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤは、制御部１１による、温度差ΔＴの制御の有効分解能に基づいて定められる定数である。例えば流量変化に対する熱伝達率ｋ（ＦＶ）の変化の遅れにより、温度差ΔＴの目標値（本実施例では１０℃）に対する誤差が許容値を外れるときの温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜を、温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤとして定めるようにすればよい。
また、式（３）の係数ＰＲＭ＿Ｄは、主に熱式流量計の物理的な形状および流体の特性（おもに熱伝達率ｋ（ＦＶ））に依存してあらかじめ決定される値である。
【００３０】
一方、温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤ以下であることは、流体の流量変化が小さい定常状態であることを意味し、式（３）の右辺第２項が十分に小さくなるので、電力測定部７によって測定された電力Ｑを補正する必要はない。
以上が、電力補正部９による電力補正の原理である。
【００３１】
図５は流体の流速ＦＶと電力Ｑと温度差ΔＴの関係の１例を示す図である。図５の例では、IIの期間で温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤより大きくなり、式（３）により電力Ｑの補正が行われ、またI，IIIの期間で温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤ以下となる。
【００３２】
以上のように、本実施例では、温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤ以下の場合（流量変化が小さい定常状態）、電力測定部７によって測定された電力Ｑをそのまま用いて流量算出を行い、温度差勾配ΔＴ’の絶対値｜ΔＴ’｜が温度不感帯パラメータＰＲＭ＿ＤＴ＿ＤＥＡＤより大きい場合（流量変化が激しい状態）、電力Ｑを補正して流量算出を行う。このように、本実施例では、定常状態と流量変化が激しい状態とで演算方式を切り替えるようにしたので、流量変化に対する応答性を改善することができ、流量の測定誤差を低減することができる。
【００３３】
本実施例の熱式流量計のうち少なくとも減算器４とＰＩＤ制御演算部５と温度差勾配算出部８と電力補正部９と流量算出部１０とは、ＣＰＵ、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行し、本発明の熱式流量計の流量補正方法を実現する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、熱式流量計に適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…配管、２ａ，２ｂ…熱抵抗素子、３ａ，３ｂ…温度取得部、４…減算器、５…ＰＩＤ制御演算部、６…制御出力部、７…電力測定部、８…温度差勾配算出部、９…電力補正部、１０…流量算出部、１１…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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