(57)【要約】　　　（修正有）【課題】新たな温度センサを追加することなく流体の温度を計測できるカルマン渦流量計を提供する。【解決手段】変換器１では、センサＩ／Ｆ部１１のヒータ駆動手段１１Ｂで、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、ヒータＲｈおよび周囲温度センサＲｒからなるブリッジ回路が平衡状態となるように供給電位を制御することにより、所定の温度分布が得られるようにヒータＲｈを駆動し、演算処理部１４の流体温度算出手段１４Ｂでは、供給電位Ｖ１とブリッジ回路の出力電位Ｖ２とに基づき周囲温度センサＲｒの温度を流体の温度として算出する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測流体が流れる流路内に配置された渦発生体により発生したカルマン渦の渦発生周波数成分を、前記渦発生体に形成されたバイパス流路内に配置したフローセンサで検出する検出器と、このフローセンサから得られた渦発生周波数に応じた流体流速、前記流体の圧力、および前記流体の温度に基づき質量流量を算出する変換器とからなるカルマン渦流量計であって、
前記フローセンサは、流体を加熱するヒータと、このヒータの加熱によって前記ヒータ近傍に生じるとともに前記渦発生周波数に応じて変化する温度分布を検出する温度センサと、前記ヒータにより加熱されていない前記流体の温度に応じて抵抗値が変化する周囲温度センサとを有し、
前記変換器は、第１の抵抗素子を前記ヒータに直列接続した第１の直列接続回路と第２の抵抗素子を前記周囲温度センサに直列接続した第２の直列接続回路とを並列接続してなるブリッジ回路が平衡状態となるように、前記第１および第２の直列接続回路への供給電位を制御して前記ヒータを駆動するヒータ駆動手段と、
前記供給電位と前記ブリッジ回路の出力電位とに基づき前記周囲温度センサの抵抗値を算出し、その抵抗値から得られた前記周囲温度センサの温度を前記流体の温度として算出する流体温度算出手段と、
前記流体流速、前記流体圧力および前記流体温度算出手段で得られた前記流体温度とに基づき所望の質量流量を算出する質量流量算出手段とを備えることを特徴とするカルマン渦流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルマン渦流量計に関し、特に流路内を流れる気体などの被計測流体の流量を算出する際、その流体流量の算出に用いる流体温度をフローセンサで計測するカルマン渦流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のカルマン渦流量計は、流路内を流れる気体などの被計測流体にカルマン渦を発生させ、その渦発生周波数を計測することにより流体流量を計測している。
図６はカルマン渦流量計の構成例を示す正面図および側面図である。このカルマン渦流量計は、渦発生周波数の成分を検出する検出器２と、この検出器２からの検出出力に基づき渦発生周波数を計測して、その渦発生周波数に基づき所望の質量流量を算出し流量信号１６として出力する変換器１とから構成されている。検出器２は、ケース２Ａ、ステム２Ｂおよび管４から構成されている。ケース２Ａは変換器１と接続されており、その内部に圧力センサ２１が配置されている。ステム２Ｂは、棒形状をなし、上端側がケース２Ａと接続され、下端側には渦発生体３が形成されている。
【０００３】
渦発生体３は、例えば略三角柱の形状をなし、管４の上部外側から下方向に流路４Ａ内に挿入されて、その下流側にカルマン渦を発生させる。渦発生体３のうち流路４Ａのほぼ中央に位置する部分には、管４の管軸方向に対して直角の方向に、渦発生体３の左右を連通するバイパス流路３Ａが形成されており、そのほぼ中央にフローセンサ２０が配置されている。また渦発生体３およびステム２Ｂの内側には、バスパス流路３Ａ内の流体圧力を圧力センサ２１まで導くための導圧路２Ｃが形成されている。
【０００４】
図７に示すように、管４へ流体を流した場合、渦発生体３により流体の流れが乱れ、流体の流速に応じた周期でその下流側に左右交互してカルマン渦３Ｂが発生する。これにより、バイパス流路３Ａ内の流体は、カルマン渦３Ｂの渦発生周波数に応じた周期で振動する。この流体の振動は、フローセンサ２０により流体の流れとして検出され、変換器１へ出力される。
一方、バイパス流路３Ａ内の流体圧力は、導圧路２Ｃを介して圧力センサ２１で計測され、変換器１へ出力される。
そして、変換器１では、フローセンサ２０の検出出力から算出した渦発生周波数に基づき流路４Ａを流れる流体の速度を算出し、その流体速度と圧力センサ２１で検出された圧力とから流体の質量流量を算出するものとなっていた。
【０００５】
なお、上述した従来技術は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。また、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】
特開平１１−３２５９８９号公報（第３−４頁、第３図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなカルマン渦流量計では、被計測流体の質量流量を算出する場合、流体の温度が予め質量流量算出用として設定した基準温度とある程度の差が生じる場合、流体温度に応じて質量流量を補正する必要がある。
この際、流体の温度を計測する方法としては、流路４Ａの壁面、渦発生体３の周部あるいはバイパス流路３Ａに温度センサを配置する構成が考えられる。しかしながら、このような方法では、フローセンサ２０や圧力センサ２１に加えて、流体温度計測用の温度センサを別途設ける必要があり、カルマン渦流量計の構成部品が増加して複雑化するとともにその組み立て作業負担が増加するという問題点があった。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、新たな温度センサを追加することなく流体の温度を計測できるカルマン渦流量計を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明にかかるカルマン渦流量計は、被計測流体が流れる流路内に配置された渦発生体により発生したカルマン渦の渦発生周波数成分を、渦発生体に形成されたバイパス流路内に配置したフローセンサで検出する検出器と、このフローセンサから得られた渦発生周波数に応じた流体流速、流体の圧力、および流体の温度に基づき質量流量を算出する変換器とからなるカルマン渦流量計であって、フローセンサに、流体を加熱するヒータと、このヒータの加熱によってヒータ近傍に生じるとともに渦発生周波数に応じて変化する温度分布を検出する温度センサと、ヒータにより加熱されていない流体の温度に応じて抵抗値が変化する周囲温度センサとを設け、変換器に、第１の抵抗素子をヒータに直列接続した第１の直列接続回路と第２の抵抗素子を周囲温度センサに直列接続した第２の直列接続回路とを並列接続してなるブリッジ回路が平衡状態となるように、第１および第２の直列接続回路への供給電位を制御してヒータを駆動するヒータ駆動手段と、供給電位とブリッジ回路の出力電位とに基づき周囲温度センサの抵抗値を算出し、その抵抗値から得られた周囲温度センサの温度を流体の温度として算出する流体温度算出手段と、流体流速、流体圧力および流体温度算出手段で得られた流体温度とに基づき所望の質量流量を算出する質量流量算出手段とを設けたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかるカルマン渦流量計の制御系の構成を示すブロック図である。
このカルマン渦流量計は、流路内を流れる気体などの被計測流体にカルマン渦を発生させ、その渦発生周波数を計測することにより流体の質量流量を計測する流量計であり、渦発生周波数の周波数成分を検出する検出器２と、この検出器２からの検出出力に基づき渦発生周波数を計測して、その渦発生周波数に基づき所望の質量流量を算出し流量信号１６として出力する変換器１とから構成されている。なお、機械系の構成については、前述した図６のカルマン渦流量計と同じであり、ここでの詳細な説明は省略する。
【０００９】
検出器２には、フローセンサ２０および圧力センサ２１が設けられている。
圧力センサ２１は、前述の図６に示したように、ケース２Ａ内部に設けられ、バイパス流路３Ａから導圧路２Ｃにより導かれたバイパス流路３Ａ内の流体の圧力を検出する。
フローセンサ２０は、マイクロマシンニング技術を用いて製造した熱式フローセンサからなり、バイパス流路３Ａ内で振動する流体の流れを検出する。
本発明では、このフローセンサ２０に設けられているヒータ制御専用の周囲温度センサに着目し、別個の温度センサを設けることなく、この周囲温度センサで流体の温度を計測するようにしたものである。
【００１０】
図２はフローセンサ２０の構成例であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
このフローセンサ２０は、一辺が２ｍｍ以下のシリコンチップなどの基材からなる基台５０の表面に、ヒータ６１（Ｒｈ）、上流側温度センサ６２（Ｒｕ）、下流側温度センサ６３（Ｒｄ）、周囲温度センサ６４（Ｒｒ）および電極６０を、白金などのパターンを用いて薄膜形成し、絶縁膜層５２で覆ったものである。
【００１１】
ヒータ６１は基台５０の中央に配置され、その流体の流れ方向に対してヒータ６１の上流側に上流側温度センサ６２が配置され、反対側の下流側に下流側温度センサ６３が配置されている。また、周囲温度センサ６４は、基台５０の上流側周辺部に配置されている。
基台５０の中央部は、異方性エッチングなどの工程により基材の一部が除去されてキャビティ（凹部空間）５４が形成されており、ヒータ６１、上流側温度センサ６２、下流側温度センサ６３は基台５０から熱的に遮断されたダイヤフラム５１上に形成されている。また、ダイヤフラム５１には、流体がキャビティ５４内にも流通するよう、その厚さ方向に貫通する通気孔５３が多数形成されている。
【００１２】
フローセンサ２０の動作原理は、周囲温度センサ６４で計測された流体温度より一定温度、例えば数１０℃だけ高くなるようにヒータ６１でその近傍の流体を熱して所定の温度分布を発生させ、その温度分布を上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で計測することにより、流体流量を計測するものである。流体が静止している場合、上流側温度センサ６２および下流側温度センサ６３で得られる温度分布は対称となるが、流体が流れている場合、その対称性が崩れ、上流側温度センサ６２に比べて下流側温度センサ６３で得られる温度が高くなる。この温度差をブリッジ回路で検出することにより、流体の熱伝導率などの物性値に基づき流体流速が得られる。
【００１３】
図１の変換器１には、センサインターフェース部（以下、センサＩ／Ｆ部という）１１、記憶部１３、演算処理部１４、および通信インターフェース部（以下、通信Ｉ／Ｆ部という）１５が設けられている。
センサＩ／Ｆ部１１には、波形処理手段１１Ａ、ヒータ駆動手段１１Ｂおよび圧力センサ制御手段１１Ｃが設けられている。
【００１４】
波形処理手段１１Ａは、フローセンサ２０から得られた検出信号を波形処理することにより、その信号に含まれている渦発生周波数を有する矩形波を周波数信号１２Ａとして演算処理部１４へ出力する。ヒータ駆動手段１１Ｂは、フローセンサ２０のヒータＲｈと周囲温度センサＲｒを用いたブリッジ回路の差分出力に基づきそのブリッジ回路に供給する供給電位を調整することにより、一定の温度分布を発生させるようにヒータＲｈに対して電源を供給するとともに、流体温度に応じて変化するブリッジ回路の供給電位Ｖ１および出力電位Ｖ２を温度信号１２Ｂとして出力する回路部である。圧力センサ制御手段１１Ｃは、圧力センサ２１へ所定の電源を供給し、その検出出力を圧力信号１２Ｃとして演算処理部１４へ出力する回路部である。
【００１５】
記憶部１３は、各種データを記憶するメモリなどの記憶装置からなり、周囲温度センサＲｒとして用いられる白金などの金属の抵抗値と温度との関係を示す温度抵抗係数など、演算処理部１４での演算処理に用いる各種係数を含む係数データ１３Ａを予め記憶している。
演算処理部１４は、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路から構成されており、所定のプログラムを読み込んで実行することにより、上記ハードウェア資源と協働させて各種機能手段を実現し、流路４Ａを流れる流体の温度、圧力および質量流量を算出する。
通信Ｉ／Ｆ部１５は、演算処理部１４で求められた質量流量を流量信号１６として、コントローラなどの上位装置へ送信する。
【００１６】
演算処理部１４の機能手段としては、流体流速算出手段１４Ａ、流体温度算出手段１４Ｂ、流体圧力算出手段１４Ｃ、および質量流量算出手段１４Ｄが設けられている。
流体流速算出手段１４Ａは、波形処理手段１１Ａからの周波数信号１２Ａに基づき渦発生周波数ｆを計測し、その渦発生周波数ｆから流体流速ｖを算出する。流体速度ｖは、渦発生周波数をｆ、渦発生体３の幅をＤ、ストローハル数をＳｔとした場合、次の式（１）で求められる。
ｖ＝ｆ・Ｄ／Ｓｔ　‥‥‥（１）
【００１７】
流体温度算出手段１４Ｂは、ヒータ駆動手段１１Ｂからの温度信号１２Ｂに基づき周囲温度センサＲｒの抵抗値Ｒを求め、この抵抗値Ｒから流体温度Ｔを算出する。
流体温度Ｔは、周囲温度センサＲｒとして用いられる白金などの金属に固有のパラメータを用いた２次方程式に基づき、周囲温度センサＲｒの抵抗値から求められる。周囲温度センサＲｒの２０℃における基準抵抗値をＲ２０、抵抗温度係数の１次係数をα、抵抗温度係数の２次係数をβとした場合、温度Ｔ℃における抵抗値Ｒ（Ｔ）は、次の式（２）で表される。
Ｒ（Ｔ）＝Ｒ２０（１＋α（Ｔ−２０）＋β（Ｔ−２０）２）‥‥（２）
したがって、Ｒ２０が既知であれば、Ｒ（Ｔ）を計測することにより、温度Ｔすなわち流体温度を逆算できる。
【００１８】
流体圧力算出手段１４Ｃは、検出器２の圧力センサ２１からの圧力信号１２Ｃに基づき、流体の圧力Ｐを算出する。
質量流量算出手段１４Ｄは、流体流速算出手段１４Ａで求められた流体流速ｖ、記憶部１３に係数データ１３Ａとして記憶されている流路面積Ｓ、流体温度算出手段１４Ｂで求められた流体温度Ｔ、流体圧力算出手段１４Ｃで求められた流体圧力Ｐ、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、流路４Ａを流れる流体の質量流量Ｑを次の式（３）で求める。
Ｑ＝ｖ・Ｓ・（Ｔ０／Ｔ）・（Ｐ／Ｐ０）　‥‥（３）
【００１９】
図３に波形処理手段１１Ａの回路構成例を示す。
この波形処理手段１１Ａには、フローセンサ２０の上流側温度センサＲｕおよび下流側温度センサＲｄとブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、このブリッジ回路の検出電位を増幅出力するオペアンプＵ１と、ブリッジ回路の基準電位を出力するオペアンプＵ２と、これらオペアンプＵ１，Ｕ２の出力から渦発生周波数に応じた周期を持つ矩形波信号を生成し周波数信号１２Ａとして出力するオペアンプＵ３とが設けられている。
なお、ＲｕとＲｄおよび抵抗Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ直列接続された状態で、電源電位ＶＣＣとＧＮＤ電位との間に並列して接続されてブリッジ回路を構成している。そして、ＲｕとＲｄの接続点であるＮ２端子（検出電位）がオペアンプＵ１の非反転入力端子へ接続され、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点（基準電位）がオペアンプＵ２の非反転入力端子へ接続されている。
【００２０】
図４にヒータ駆動手段１１Ｂの回路構成例を示す。
このヒータ駆動手段１１Ｂには、フローセンサ２０のヒータＲｈおよび周囲温度センサＲｒとブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ１１（第１の抵抗素子），抵抗Ｒ１２（第２の抵抗素子）と、このブリッジ回路への供給電位を制御するＰＮＰ形のトランジスタＱ１０と、このブリッジ回路の差分出力を増幅し、その出力に基づきトランジスタＱ１０を制御するオペアンプ１０とが設けられている。
トランジスタＱ１０のエミッタ端子は電源電位ＶＣＣに接続されている。抵抗Ｒ１１とヒータＲｈとの直列接続回路（第１の直列接続回路）、および抵抗Ｒ１２と周囲温度センサＲｒとの直列接続回路（第２の直列接続回路）は、それぞれトランジスタＱ１０のコレクタ端子とＧＮＤ電位との間に並列して接続されている。
【００２１】
抵抗Ｒ１１とヒータＲｈとの接続点である端子Ｎ３は、抵抗Ｒ１３を介してオペアンプＵ１０の非反転入力端子に接続され、抵抗Ｒ１２と周囲温度センサＲｒとの接続点である端子Ｎ４は、抵抗Ｒ１４を介してオペアンプＵ１０の反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ１０の出力端子は、抵抗Ｒ１０を介してトランジスタＱ１０のベース端子に接続されている。
また、ブリッジ回路への供給電位Ｖ１とその出力電位Ｖ２は、流体の温度に応じた電位差を示す温度信号１２Ｂとして演算処理部１４へ出力される。
【００２２】
流体温度により周囲温度センサＲｒの抵抗値が変化した場合、ブリッジ回路に差分出力（端子Ｎ３，Ｎ４間の電位）が生じ、この差分出力の大きさに応じてオペアンプＵ１０がトランジスタＱ１０を制御する。これにより、差分出力がゼロとなるよう、すなわちブリッジ回路が平衡状態となるよう、ブリッジ回路への供給電位が制御されてヒータＲｈへの供給電力が調整されるため、Ｒｈの抵抗値が変化し、結果としてＲｒの抵抗値の変化すなわち流体温度の変化に応じて電位Ｖ１，Ｖ２が変化する。
【００２３】
ここで、ブリッジが平衡状態にある場合、ブリッジ回路の差分出力がゼロで端子Ｎ３，Ｎ４の電位は等しくなり、抵抗Ｒ１１および抵抗Ｒ１２の両端電位もそれぞれ等しくなる。したがって、温度信号１２Ｂのうち、抵抗Ｒ１１のトランジスタＱ１０側端点の電位すなわちブリッジ回路への供給電位Ｖ１、端子Ｎ３側端点の電位すなわちブリッジ回路の出力電位Ｖ２をそれぞれ計測すれば、Ｒ１２の抵抗値Ｒ１２は既知（固定）であることから、抵抗Ｒ１２へ流れる電流Ｉは、
Ｉ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ１２
で求められる。
【００２４】
ここで、抵抗Ｒ１４側は高インピーダンスであることから、電流Ｉは周囲温度センサＲｒに流れる電流と等しい。したがって、次の（４）式のように、周囲温度センサＲｒの両端電位すなわちＶ２を電流Ｉで除算することにより周囲温度センサＲｒの抵抗値Ｒが得られる。
Ｒ＝Ｖ２／Ｉ＝Ｒ１２｛Ｖ２／（Ｖ１−Ｖ２）｝‥‥（４）
流体温度算出手段１４Ｂでは、このようにしてヒータ駆動手段１１Ｂからの温度信号１２Ｂに基づき求められた周囲温度センサＲｒの抵抗値Ｒから流体温度Ｔを算出する。
【００２５】
次に、図５を参照して、本実施の形態にかかるカルマン渦流量計の動作を説明する。図５は変換器１の演算処理部１４の質量流量算出処理を示すフローチャートである。
演算処理部１４では、定期的に図５の質量流量算出処理を実行する。
まず、流体流速算出手段１４Ａで、周波数信号１２Ａから渦発生周波数ｆを計測し、その渦発生周波数ｆから前述した式（１）を用いて流体流速ｖを算出する（ステップ１００）。
【００２６】
また、流体温度算出手段１４Ｂで、温度信号１２ＢをＡ／Ｄ変換した値に基づき、前述の式（４）から周囲温度センサＲｒの抵抗値を算出し、その抵抗値と前述の式（２）を用いて流体温度Ｔを算出する（ステップ１０１）。流体圧力算出手段１４Ｃで、圧力信号１２ＣをＡ／Ｄ変換した値に基づき、流体の圧力Ｐを算出する（ステップ１０２）。
これらステップ１００〜１０２について順序性はなく、処理順序を任意に入れ替えてもよい。
【００２７】
その後、質量流量算出手段１４Ｄで、流体流速算出手段１４Ａで求められた流体流速ｖ、記憶部１３に係数データ１３Ａとして記憶されている流路面積Ｓ、流体温度算出手段１４Ｂで求められた流体温度Ｔ、流体圧力算出手段１４Ｃで求められた流体圧力Ｐ、基準温度Ｔ０および基準圧力Ｐ０を用いて、前述の式（３）から、流路４Ａを流れる流体の質量流量Ｑを求めて（ステップ１０３）、その質量流量Ｑを通信Ｉ／Ｆ部１５へ出力し、一連の質量流量算出処理を終了する。
【００２８】
なお、前述した図４では、出力電位Ｖ２として、端子Ｎ３の電位を用いているが、流体温度の計測時にはブリッジ回路が平衡状態にあることから、端子Ｎ４の電位を出力電位Ｖ２としてもよい。また、フローセンサ２０側がＧＮＤ電位となるブリッジ回路を例としているが、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２側をＧＮＤ電位とするブリッジ回路であっても、前述と同様にして本発明を適用することができ、前述と同様の作用効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、流体を加熱するヒータと、このヒータの加熱によってヒータ近傍に生じるとともに渦発生周波数に応じて変化する温度分布を検出する温度センサと、ヒータにより加熱されていない流体の温度に応じて抵抗値が変化する周囲温度センサとを有するフローセンサを用い、変換器のヒータ駆動手段で、第１の抵抗素子をヒータに直列接続した第１の直列接続回路と第２の抵抗素子を周囲温度センサに直列接続した第２の直列接続回路とを並列接続してなるブリッジ回路が平衡状態となるように、第１および第２の直列接続回路への供給電位を制御してヒータを駆動し、流体温度については、ブリッジ回路の供給電位と出力電位とに基づき周囲温度センサの抵抗値を算出して、その抵抗値から得られた周囲温度センサの温度を温度を流体の温度として算出し、流体流速、流体圧力および流体温度算出手段で得られた流体温度に基づき所望の質量流量を算出するようにしたので、カルマン渦流量計において新たな温度センサを追加することなく流体の温度を計測でき、流体温度に応じて補正された所望の質量流量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるカルマン渦流量計の構成を示すブロック図である。
【図２】フローセンサの構成例を示す説明図である。
【図３】波形処理手段の回路構成例である。
【図４】ヒータ駆動手段の回路構成例である。
【図５】演算処理部での質量流量算出処理を示すフローチャートである。
【図６】カルマン渦流量計の構成を示す説明図である。
【図７】カルマン渦の発生を示す説明図である。
【符号の説明】
１…変換器、１１…センサＩ／Ｆ部、１１Ａ…波形処理手段、１１Ｂ…ヒータ駆動手段、１１Ｃ…圧力センサ制御手段、１２Ａ…周波数信号、１２Ｂ…温度信号、１２Ｃ…圧力信号、１３…記憶部、１３Ａ…係数データ、１４…演算処理部、１４Ａ…流体流速算出手段、１４Ｂ…流体温度算出手段、１４Ｃ…流体圧力算出手段、１４Ｄ…質量流量算出手段、１５…通信Ｉ／Ｆ部、１６…流量信号、２…検出器、２０…フローセンサ、２１…圧力センサ、３…渦発生体、３Ａ…バイパス流路、４…管、４Ａ…流路、５０…基台、５１…ダイヤフラム、５２…絶縁膜層、５３…通気孔、５４…キャビティ、６０…電極、６１…ヒータ、６２…上流側温度センサ、６３…下流側温度センサ。
【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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【図６】
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【図７】
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