(57)【要約】【課題】配管を通して供給される流体の流れの向きとその流量を正確に計測することのできる簡易な構成の流量計を提供する。【解決手段】流体の流れ向きに応じてその瞬時流量を計測する熱式の流量センサと、流量センサにて計測される瞬時流量を積算すると共にその積算時間を計時する流量積算バッファと、流量積算バッファにて積算された積算流量および積算時間から前記流体の脈動の有無を判定し、脈動を検出したときには前記流量積算バッファをリセットする判定手段と、この判定手段にて流体が脈動していないことが検出されたときには流量積算バッファにて積算された積算流量を流体の流れの向きに応じてそれぞれ個別に積算する正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタとを備える。【選択図】図５
2008292287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ向きに応じてその瞬時流量を計測する流量センサと、
この流量センサにて計測される瞬時流量を積算すると共に、その積算時間を計時する流量積算バッファと、
この流量積算バッファにて積算された積算流量および前記積算時間から前記流体の脈動の有無を判定し、脈動を検出したときには前記流量積算バッファをリセットする判定手段と、
この判定手段にて前記流体が脈動していないことが検出されたとき、前記流量積算バッファにて積算された積算流量を、前記流体の流れの向きを示す上記積算流量の正負極性に応じてそれぞれ個別に積算する正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタと
を具備したことを特徴とする流量計。
【請求項２】
前記判定手段は、前記流量積算バッファにて積算された積算流量を予め設定された有効積算流量と比較して上記積算流量が流量計測に有効な正流流量または逆流流量であるか否かを判定する第１の手段と、
前記積算流量が流量計測に有効な流量に満たない場合には前記積算時間を予め設定された制限時間と比較して前記積算流量が前記流体の脈動に起因する無効流量であるか否かを判定する第２の手段と、
前記積算流量が無効流量である場合には前記流量積算バッファにて積算された積算流量をリセットすると共に前記流量積算バッファにて計時された積算時間をリセットする第３の手段とを備えたものである請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
前記流量センサは、一対の感温素子を流体の通流方向に並べて設けたセンサチップと、
このセンサチップにおける上記一対の感温素子の近傍の雰囲気温度を該センサチップに沿って通流する流体の温度よりも一定温度だけ高める加熱手段と、
前記一対の感温素子によりそれぞれ求められる温度の差から前記流体の瞬時流量を求める瞬時流量演算手段とを備えたものである請求項１に記載の流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場等において複雑に張り巡らされた配管を通して供給される流体の流れの向きとその流量を正確に計測するに好適な流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
配管を通して供給される流体の流量を計測する流量計として、ヒータ素子を間にして一対の感温素子を流体の通流方向に並べて設けたセンサチップを用い、上記ヒータ素子の近傍の雰囲気温度を前記センサチップに沿って通流する流体の温度よりも一定温度だけ高めたとき、前記ヒータ素子の近傍の温度分布が流体の流量（流速）によって変化することに着目して前記一対の感温素子によりそれぞれ求められる温度の差から前記流体の質量流量を高精度に計測する熱式流量計が知られている。
【０００３】
また配管を通して供給される流体の圧力変動等に起因する脈動の影響を取り除くべく、例えば流体の逆流を検出してその逆流流量を積算し、この逆流流量を正流流量から差し引くことでその流量を正確に求めることが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。更には流量升を用いて一定の積算流量が検出される都度、その積算流量を順次積算することで脈動に伴う逆流流量を上記流量升にて相殺することも提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００２−５７１６号公報
【特許文献２】特開２００４−９３１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで工場等に敷設されて圧縮空気や各種ガス等の流体を供給する配管は、設備機器の増設等に伴って複数本の系統に分岐されることが多々ある。また既存の配管を介する流体の供給量不足等を補うべく上記配管の途中に別の流体供給源を接続することもある。しかしながらこのような配管の分岐と合流とを繰り返した場合、希にその配管がループをなして形成されることがある。また配管経路の障害を回避して常に安定した流体の供給路を確保するべく、意図的にその流体供給源と流体使用機器（設備機器）との間に複数本の配管を並列に設けることもある。
【０００５】
このような複雑な経路を構築した配管を介して流体を供給する場合、複数の配管毎に上記流体がどの向きにどれだけの流量を通流したかを正確に把握することが重要となる。しかしながら従来の一般的な流量計は、専ら、上述したように予め定められた向きに通流した流量を正確に計測するだけなので、逆流の発生状況を把握することができないと言う問題があった。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、例えば複雑な経路を構築した配管を通して供給される流体の流れの向きとその流量を正確に計測することのできる簡易な構成の流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するべく本発明に係る流量計は、
<ａ>  流体の流れ向きに応じてその瞬時流量を計測する、例えば熱式の流量センサと、
<ｂ>  この流量センサにて計測される瞬時流量を積算すると共に、その積算時間を計時する流量積算バッファと、
<ｃ>  この流量積算バッファにて積算された積算流量および前記積算時間から前記流体の脈動の有無を判定し、脈動を検出したときには前記流量積算バッファをリセットする判定手段と、
<ｄ>  この判定手段にて前記流体が脈動していないことが検出されたとき、前記流量積算バッファにて積算された積算流量を、前記流体の流れの向きを示す上記積算流量の正負極性に応じてそれぞれ個別に積算する正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタと
を備えたことを特徴としている。
【０００８】
好ましくは前記判定手段は、
<ｃ１>  前記流量積算バッファにて積算された積算流量を予め設定された有効積算流量と比較して上記積算流量が流量計測に有効な正流流量または逆流流量であるか否かを判定する第１の手段と、
<ｃ２>  前記積算流量が流量計測に有効な流量に満たない場合には前記積算時間を予め設定された制限時間と比較して前記積算流量が前記流体の脈動に起因する無効流量であるか否かを判定する第２の手段と、
<ｃ３>  前記積算流量が無効流量である場合には前記流量積算バッファにて積算された積算流量をリセットすると共に前記流量積算バッファにて計時された積算時間をリセットする第３の手段と
を備えて構成される。
【０００９】
また前記流量センサは、好ましくは一対の感温素子を流体の通流方向に並べて設けたセンサチップと、このセンサチップにおける上記一対の感温素子の近傍の雰囲気温度を該センサチップに沿って通流する流体の温度よりも一定温度だけ高める加熱手段（例えば前記感温素子の間に設けられたヒータ素子）と、前記一対の感温素子によりそれぞれ求められる温度の差から前記流体の瞬時流量を求める瞬時流量演算手段とを備えた熱式流量センサからなる。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の流量計によれば、流体に脈動が生じていないときに前記流量積算バッファにて求められた積算流量を、正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタを用いてその流れの向きを示す上記積算流量の正負極性に応じてそれぞれ個別に積算するので、正流の積算流量と逆流の積算流量とをそれぞれ正確に求めることができる。しかも流量積算バッファにおいて積算した脈流時の積算流量については、これをリセットして前記正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタによる積算対象から除外するので、簡易にして効果的に脈流の影響を排除することができる。従って、例えば配管に設けられた弁の開閉に伴う圧力変動に起因する一時的な逆流の影響を受けることなく、正流方向および逆流方向の各積算流量をそれぞれ正確に求めることが可能となる。
【００１１】
また本発明においては、流量積算バッファにて積算された積算流量を予め設定された有効積算流量と比較してその積算流量が流量計測に有効であるか否かを判定するので、上記有効積算流量を超える大流量については前記正流用積算カウンタおよび逆流用積算カウンタにより時間遅れなく積算することができる。一方、前記積算流量が流量計測に有効な流量に満たない微少な場合には前記積算時間を予め設定された制限時間と比較し、これによってその積算流量が前記流体の脈動に起因する無効流量であるか否かを判定する。そして無効流量である場合には前記流量積算バッファにて積算された積算流量をリセットすると共に前記流量積算バッファにて計時された積算時間をリセットするので、流体の流れ方向のゆらぎ（脈動の影響）を簡易にして効果的に排除することができる等の効果が奏せられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る流量計について説明する。
図１はこの実施形態に係る流量計の概略構成を示すブロック図であり、１は配管（図示せず）に組み込まれて該配管を通流する流体（例えばガス）の流量を検出する流量センサ（流量信号検出部）である。この流量センサは、例えば図２に示すように半導体基板（例えばシリコン基板）Ｂ上に、ヒータ素子Ｒhを間にして一対の感温素子Ｒu,Ｒdを形成したセンサチップを主体としたものである。ちなみに上記ヒータ素子Ｒhおよび一対の感温素子Ｒu,Ｒdは、例えば白金（Ｐt）の薄膜抵抗体からなり、これらのヒータ素子Ｒhおよび一対の測温素子Ｒu,Ｒdは、例えば図３にその断面構造を模式的に示すように、半導体基板Ｂに形成したキャビティ（凹部）Ｃを橋架して設けられた肉薄のダイヤフラムＤ上に流体の通流方向Ｆに沿って並べて設けられる。尚、図中Ｒrは、半導体基板Ｂの前記ダイヤフラムＤから離れた位置に設けられて前記センサチップの周囲雰囲気温度、ひいては流体の温度を検出する温度検出素子である。
【００１３】
このような流量センサ（センサチップ）１を用いた流体流量の検出は、瞬時流量演算部２により前記ヒータ素子Ｒｈを発熱駆動しながら、前記一対の感温素子Ｒu,Ｒdにてその近傍の温度をそれぞれ検出し、その温度差を上記センサチップに沿って通流する流体の瞬時流量として求めることによって行われる。具体的にはヒータ素子Ｒhを発熱駆動し、前記感温素子Ｒu,Ｒdの近傍の雰囲気温度を前記温度検出素子Ｒrによって検出される雰囲気温度（流体温度）よりも一定温度だけ高める。すると一定温度だけ高められた前記感温素子Ｒu,Ｒdの近傍の温度分布が、センサチップに沿って通流する流体の流量（流速）Ｑによって変化することから、その温度分布を前記一対の測温素子Ｒu,Ｒdによりそれぞれ検出される温度の差として検出し、この温度差から前記流体の質量流量を求めるように構成される。
【００１４】
図４は上述したようにして流量センサ（センサチップ）１のヒータ素子Ｒｈを発熱駆動し、感温素子Ｒu,Ｒdを用いて検出される温度差から流量検出を行う瞬時流量演算部２の構成例を示している。この瞬時流量演算部２について簡単に説明すると、瞬時流量演算部２は、概略的には前記ヒータ素子Ｒｈの駆動部２ａと、一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄを用いた温度差検出部２ｂとを備える。
【００１５】
前記ヒータ素子Ｒｈに対する駆動部２ａは、前記ヒータ素子Ｒｈと温度検出素子Ｒｒ、および一対の固定抵抗体Ｒ１,Ｒ２を用いて構成した温度制御用の第１のブリッジ回路１１と、電源電圧Ｖccを受けて上記ブリッジ回路１１の駆動電圧を可変するトランジスタ１２と、前記ブリッジ回路１１のブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差）を求め、このブリッジ出力電圧が零となるように前記トランジスタ１２の作動を帰還制御する差動増幅器１３とを備えて構成される。この差動増幅器１３の出力による前記トランジスタ１２の帰還制御により前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が、前記温度検出素子Ｒｒにて検出される周囲温度Ｔよりも常に一定温度ΔＴだけ高くなるように制御される。
【００１６】
これに対して前記温度差検出部２ｂは、例えば前記ヒータ素子Ｒｈを間にして流体の通流方向に設けられた一対の感温素子Ｒｕ,Ｒｄ、および一対の固定抵抗体Ｒｘ,Ｒｙを用いて構成された流量計測用の第２のブリッジ回路１４と、この第１のブリッジ回路１４における上記感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧（ブリッジ間電位差）を検出する差動増幅器１５とにより構成される。そして前記感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値がその温度によって変化することから、前記差動増幅器１５によって検出される前記ブリッジ回路１４のブリッジ出力電圧を、流量センサ（センサチップ）１に沿って流れる流体の流量に応じた温度差の情報、換言すれば流量センサ１を用いて検出した流量信号として出力するものとなっている。
【００１７】
即ち、温度差検出部２ｂは、前述した駆動部２ａの制御の下で前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度をその周囲温度Ｔよりも常に一定温度ΔＴだけ高くした状況下において前記感温素子Ｒｕ,Ｒｄの抵抗値の変化を、流量センサ（センサチップ）１に沿って流れる流体の流量に応じた前記感温素子Ｒｕ,Ｒｄの近傍の温度分布の変化として捉え、前記差動増幅器１５によって検出される前記ブリッジ回路１４のブリッジ出力電圧を流量信号（センサ信号）として出力するものとなっている。
【００１８】
さて図１に示す流量計の構成の説明に戻ると、上述した如く瞬時流量演算部２が求めた流量信号は、流体の流れの向きを判定する正逆流・脈動判定部（判定手段）３に与えられる。この正逆流・脈動判定部３は流量積算バッファ４を備えたもので、この流量積算バッファ４を用いて前記瞬時流量演算部２にて求められた流量信号（瞬時流量）を順次積算する機能を備える。更にこの正逆流・脈動判定部３は、前記流量信号（センサ信号）の極性から流体の通流の向きを判定する機能と、前記流量積算バッファ４にて積算された積算流量およびその積算時間から前記流体の脈動の有無を判定し、脈動を検出したときには前記流量積算バッファ４をリセットする機能を備える。
【００１９】
具体的には前記正逆流・脈動判定部３は、前記流量信号（センサ信号）の極性がプラス（＋）であるとき、これを配管の上流側からその下流側に向けて流体が流れる正流であると判定し、また前記流量信号（センサ信号）の極性がマイナス（−）であるとき、これを前記配管の下流側から上流側に向けて流体が流れる逆流であると判定する。更に前記正逆流・脈動判定部３は、後述するように前記流量積算バッファ４にて積算された積算流量の絶対値が予め設定された最小流量値を超えるとき、これを流体が配管の上流側または下流側に向けて通流している正流または逆流であると判定し、また前記流量積算バッファ４にて積算された積算流量の絶対値が予め設定された最小流量値に満たない場合には、その流量積算時間を監視することで、脈流であるか否かを判定するものとなっている。
【００２０】
そしてこの正逆流・脈動判定部３において脈流が生じていないことが判定されたとき、積算記録部５として並列に設けられた正流用積算カウンタ６および逆流用積算カウンタ７を用いて、正流流量および逆流流量をそれぞれ個別に積算するものとなっている。つまり正流であると判定された場合には、そのとき前記流量積算バッファ４にて求められている積算流量が前記正流用積算カウンタ６にて積算され、また逆流であると判定された場合には、そのとき前記流量積算バッファ４にて求められている積算流量が前記逆流用積算カウンタ７にて積算される。このようにして正流用積算カウンタ６および逆流用積算カウンタ７にてそれぞれ求められる正流方向および逆流方向の各積算流量は、表示部８に読み出されて選択的に表示され、或いは並列的に表示される。
【００２１】
上述した正逆流・脈動判定部３における正逆流及び脈流の判定と、その判定結果に基づく前記各カウンタ６,７による流量の積算処理について今少し詳しく説明すると、この判定処理および流量の積算処理は、例えば図５に示す処理手順に従って実行される。即ち、先ず前記流量センサ１から前述したセンサ信号Ｖsを取得し〈ステップＳ１〉、前記瞬時流量演算部２にて上記センサ信号Ｖsから瞬時流量Ｑ（＝Ｆ(Ｖs)）を算出する〈ステップＳ２〉。そしてこの瞬時流量Ｑを前記流量積算バッファ４に与えて積算し、該流量積算バッファ４にて求められている積算流量Ｘを［Ｘ←Ｘ＋Ｑ］として更新する〈ステップＳ３〉。また同時にこの流量積算バッファ４により上記積算流量Ｘを求めるに至った積算時間〈瞬時流量の積算回数〉を更新する〈ステップＳ４〉。尚、この流量積算バッファ４による積算時間ｔは、前述した流量センサ１からのセンサ信号Ｖsの取得が、例えば一定の周期で行われることから、この周期を示すタイマクロックをカウントすることによって行われる。
【００２２】
しかる後、前記流量積算バッファ４にて瞬時流量Ｑを積算して求めた積算流量Ｘの絶対値が、予め設定された有効積算下限値よりも小さいか否かを判定する〈ステップＳ５〉。尚、上記積算流量Ｘの絶対値が、予め設定された有効積算下限値以上であるか否かを判定するようにしても良いことは言うまでもない。そして積算流量Ｘの絶対値が上記有効積算下限値以上である場合には、これを流量計測すべき流体の流れであると判定し、その流量値である前記流量積算バッファ４にて求められたた積算流量Ｘが正の値を示すか、或いは負の値を示すかを判定する〈ステップＳ６〉。
【００２３】
そして積算流量Ｘが正の値を示す場合には、これを流体が配管の上流側から下流側に向けて流れている正流であると判定し、前記正流用積算カウンタ６を用いて上記積算流量Ｘを、今まで求められていた正流の積算流量値Ｔ１に積算する〈ステップＳ７〉。また前記積算流量Ｘが負の値を示す場合には、これを流体が配管の下流側から上流側に向けて流れている逆流であると判定し、前記逆流用積算カウンタ７を用いて上記積算流量Ｘを、今まで求められていた逆流の積算流量値Ｔ２に積算する〈ステップＳ８〉。即ち、前述した如く検出された流量が正流方向のものであるか、或いは逆流方向のものであるかに応じて、前記正流用積算カウンタ６および逆流用積算カウンタ７を択一的に用いてその流量を積算する。
【００２４】
従って正流用積算カウンタ６には正流方向に流れる流体の流量だけが逐次積算されてその積算流量値が求められ、また逆流用積算カウンタ７には逆流方向に流れる流体の流量だけが逐次積算されてその積算流量値が求められることになる。そして正流用積算カウンタ６または逆流用積算カウンタ７による検出流量の積算が終了したならば、前述した流量積算バッファ４をリセットすると共に前述した積算時間ｔをリセットし〈ステップＳ９,Ｓ１０〉、前述した動作周期の下でステップＳ１からの処理を繰り返し実行する。
【００２５】
これに対して前記流量積算バッファ４にて求められた積算流量Ｘの絶対値が、予め設定された有効積算下限値よりも小さい場合には〈ステップＳ５〉、前述した積算時間ｔが予め設定した判定時間に達しているか否かを判定する〈ステップＳ１１〉。そして積算時間ｔが上記判定時間に満たない場合には、前述した動作周期の下で、つまり次の瞬時流量の検出タイミングにてステップＳ１からの処理を繰り返し実行する。従って前記有効積算下限値よりも小さい流量が繰り返し検出されるような場合には、その微少流量が前記流量積算バッファ４にて逐次積算されることになる〈ステップＳ３,Ｓ４〉。そして流量積算バッファ４にて積算して求められた積算流量が前述した有効積算下限値に達したか否かが判定されることになる〈ステップＳ５〉。
【００２６】
これにも拘わらず前記積算流量が有効積算下限値に満たない場合には、再度、前述した積算時間ｔの判定が行われる〈ステップＳ１１〉。そしてその積算時間ｔが予め設定した判定時間に達している場合には、これを流体の通流方向のゆらぎを伴う脈流であると判定し、その期間における検出流量を無効とするべく前述した流量積算バッファ４をリセットすると共に前述した積算時間ｔをリセットする〈ステップＳ９,Ｓ１０〉。そして前述した動作周期の下でステップＳ１からの処理を繰り返し実行する。
【００２７】
即ち、配管に設けられた弁の開閉に伴う圧力変化等に起因して一時的に流体の脈流が生じた場合、流体の通流方向が交互に変化するゆらぎが生じる。すると所定の周期毎に検出される瞬時流量Ｑは正の値となったり負の値となったりするので、流量積算バッファ４にて上記瞬時流量Ｑを積算して求められる積算流量Ｘの値は殆ど増大することがない。そこで前記判定部３においては、流量積算バッファ４により求めた積算流量Ｘが有効積算下限値に満たない場合であって、その積算時間ｔが一定時間を経過するような場合、これを上述した脈流が生じているとして判定している。そしてこの脈流状態での検出流量を計測対象から除外することで、前述したように正流方向に通流する流体の積算流量および逆流方向に通流する流体の積算流量をそれぞれ個別に求めるものとなっている。
【００２８】
かくして上述した如く構成された流量計によれば、配管を通してその正流方向に通流する流体の積算流量と、逆流方向に通流する流体の積算流量とをそれぞれ個別に求めることができる。しかも通流方向のゆらぎを伴う脈流の影響を受けることなく、正流方向および逆流方向の流体の積算流量をそれぞれ精度良く求めることができる。従って複雑な経路を構成した配管であっても、その配管を通してどの向きにどの程度の量の流体が流れるかを正確に把握することが可能となる。また弁の開閉に伴って流体の通流方向が変化するような場合には、例えばその配管と弁との関係から閉ループを形成した配管路を推定することも可能となるので、増設に伴う配管の敷設ミス等に効果的に対処することが可能となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００２９】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態においては瞬時流量演算部２にて求めた瞬時流量Ｑを一旦、流量積算バッファ４に書き込んだ後、脈動判定を行ったが、瞬時流量演算部２にて求めた瞬時流量Ｑの絶対値が有効積算下限値を超えるような場合には、流量積算バッファ４を用いることなく上記瞬時流量Ｑを正流用積算カウンタ６または逆流用積算カウンタ７に与えて積算するようにしても良い。またここでは熱式流量センサを用いる場合を例に説明したが、正流流量および逆流流量をそれぞれ計測可能な他のタイプの流量センサを用いることも勿論可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る流量計の概略構成を示すブロック図。
【図２】熱式流量センサの例を示す図。
【図３】図２に示す熱式流量センサの断面構造を示す図。
【図４】図２に示す熱式流量センサの駆動回路の構成例を示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係る流量計における流量検出とその判定処理、および積算流量の積算処理の概略的な処理手順の例を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１  流量センサ
２  瞬時流量演算部
３  正逆流・脈動判定部
４  流量積算バッファ
５  積算記録部
６  正流用積算カウンタ
７  逆流用積算カウンタ
８  表示部
【図１】
2008292287.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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