(57)【要約】    【課題】  感熱抵抗素子の温度上昇を抑えながらフローセンサの検出感度を上げる。    【解決手段】  感熱抵抗素子２４，２６を支持している基板２０ａ，２０ｂにガスが流れる通路を形成する筒体３０が設けられ、その外表面上に抵抗線のヒータ３２が巻きつけられている。ガス流の発生により上流の気体Ｄが上流側感熱抵抗素子２４を通過してヒータの筒体３０内へ流入し、筒体３０内の気体Ｃが下流側感熱抵抗素子２６を通過すると、上流側と下流側の感熱抵抗素子２４，２６間のガス流発生による電位差の変化は従来のフローセンサを上回り、出力が大きくなる。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス通路と直交して配置される一対の感熱抵抗素子を有し、これらの両感熱抵抗素子が間隔をもって対向しているセンサ抵抗体と、
前記両感熱抵抗素子間のガスを加熱するヒータとを備え、
前記両感熱抵抗素子の電気抵抗差に基づいて前記ガス通路のガス流量を測定するフローセンサ。
【請求項２】
前記両感熱抵抗素子間にはガス通路を形成する筒体が配置され、前記ヒータはその筒体の外側に設置されている請求項１に記載のフローセンサ。
【請求項３】
前記感熱抵抗素子は開口をもつそれぞれの絶縁基板の表面に支持されているとともに、前記開口を隙間のある状態で横切るように配置され、その隙間をガスが流れるようになっており、
前記絶縁基板の裏面が前記筒体の端面と接触している請求項２に記載のフローセンサ。
【請求項４】
測定対象ガスと同じガスか又は光吸収領域の少なくとも一部が重なるガスが充填された２つのガス室と、両ガス室を連通させたガス通路と、前記ガス通路を遮るように設けられたフローセンサとを備えた赤外線ガス検出器において、
前記フローセンサとして請求項１から３のいずれかに記載のフローセンサを用いたことを特徴とする赤外線ガス検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス通路と直交して配置された一対の感熱抵抗素子の電気抵抗に基づいてそのガス通路を流れるガス流量を検出するフローセンサと、そのフローセンサを用いた赤外線ガス検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のフローセンサを図６に示す。（Ａ）は正面図、（Ｂ）は一方の側の抵抗素子パターンを示したものである。絶縁基板２０にガスを通すための開口２２が開けられており、基板２０の両面に感熱抵抗素子２４，２６がそれぞれ設けられている。感熱抵抗素子２４，２６は蛇行した帯状パターンに形成されており、開口２２上を帯状のパターンが横切り、その感熱抵抗素子パターンの隙間をガスが流れるようになっている。
【０００３】
このフローセンサにおいて、ガスが流れていないときは、通電している感熱抵抗素子２４，２６の間の通路にある気体Ａは両感熱抵抗素子２４，２６により加熱され、感熱抵抗素子２４，２６の外側にある気体Ｂより高い温度になっている。この状態からフローセンサを矢印で示される方向にガスが流れると、上流側の感熱抵抗素子２４は低い温度の気体Ｂと接触して温度が下がり抵抗値が下がる。一方、下流側の感熱抵抗素子２６は気体Ｂより高い温度の気体Ａと接触して温度が上がり抵抗値が上がる。この抵抗値の変化はフローセンサを流通するガス量に依存する。そして、この抵抗変化による上流側と下流側の感熱抵抗素子の抵抗値の差を電位差として検出する、その電位差はガス流量に応じて変化する。
【０００４】
このような動作をするフローセンサで、感度を上げるために次のような方法がとられている。
（１）フローセンサに印加する電圧を大きくして感熱抵抗素子の発熱を大きくすることで感熱抵抗素子間の気体Ａの温度を上げる。
（２）感熱抵抗素子を対向させるときの向き合わせ方を工夫する（特許文献１参照。）。
（３）感熱抵抗素子の中央部と周辺部の温度勾配を小さくするために感熱抵抗素子を形成している基板にヒータを設ける（特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−８１９８２号公報
【特許文献２】特開平９−２２９８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（１）のようにフローセンサの感熱抵抗素子に印加する電圧を大きくすると感熱抵抗素子の寿命を短かくする。また、感熱抵抗素子の温度を上げて使用するとガスの種類によっては感熱抵抗素子との反応が起こる。
（２）のように両感熱抵抗素子の向き合わせ方法を工夫すると、ガスとの熱交換効率を改善することはできるが、両感熱抵抗素子間の気体Ａの温度を上げることはできない。
【０００６】
（３）のように感熱抵抗素子の温度勾配を小さくすることは感熱抵抗素子全体の温度を上げることになり、両感熱抵抗素子間の気体Ａの温度をいくらか上げる作用があると考えられるが、大きな効果は期待できない。それよりも、感熱抵抗素子の温度を上げることになって、（１）の方法のと同じ問題が現われてくる。
本発明は感熱抵抗素子の温度上昇を抑えながらフローセンサの検出感度を上げることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフローセンサは、ガス通路と直交して配置される一対の感熱抵抗素子を有し、これらの両感熱抵抗素子が間隔をもって対向しているセンサ抵抗体と、前記両感熱抵抗素子間のガスを加熱するヒータとを備え、前記両感熱抵抗素子の電気抵抗差に基づいて前記ガス通路のガス流量を測定するものである。
両感熱抵抗素子間のガスは、ヒータにより加熱されることにより、両感熱抵抗素子に通電したことだけによる場合よりも温度が高くなる。フローセンサをガスが流れたとき、上流側と下流側の感熱抵抗素子の温度差がより大きくなり、抵抗差も大きくなって感度が上がる。
【０００８】
そのヒータを配置するため好ましい一例は、両感熱抵抗素子間にガス通路を形成する筒体が配置され、ヒータはその筒体の外側に設置されているものである。その場合、感熱抵抗素子は開口をもつそれぞれの絶縁基板の表面に支持されているとともに、その開口を隙間のある状態で横切るように配置され、その隙間をガスが流れるようになっており、絶縁基板の裏面が筒体の端面と接触しているようにすることができる。
【０００９】
このフローセンサが利用されるのに適する装置の一例は、測定対象ガスと同じガスか又は光吸収領域の少なくとも一部が重なるガスが充填された２つのガス室と、両ガス室を連通させたガス通路と、そのガス通路を遮るように設けられたフローセンサとを備えた赤外線ガス検出器である。そのフローセンサとして本発明のフローセンサを使用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のフローセンサはガス通路と直交して配置される一対の感熱抵抗素子間のガスを加熱するヒータを備えて両感熱抵抗素子の電気抵抗差に基づいてガス通路のガス流量を測定するようにしたので、感熱抵抗素子への印加電圧を上げることなく感熱抵抗素子間に存在する気体の温度を上げることができ、これにより感熱抵抗素子に負担をかけずにガス流による感熱抵抗素子の抵抗値変化を大きくして感度を向上させることができる。
【００１１】
また、感熱抵抗素子への印加電圧を上げずにすむので感熱抵抗素子の温度上昇を抑えることができ、例えばＳＯ2のような腐食性ガス中で使用する場合でもガスとの反応を抑えることができてセンサの信頼性が向上する。
感熱抵抗素子への印加電圧に関係なくヒータへの印加電圧を設定できるため、必要な感度を得るための調整が容易である。
本発明のフローセンサを使用した赤外線ガス検出器は、上に記載したように感度が向上し、しかも信頼性が高くて、感度調整が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はフローセンサの一実施例の正面図、図２は一方の感熱抵抗素子パターンを示す平面図である。
一対の感熱抵抗素子２４と２６が互いに平行に、間隔を持って対向するように配置されている。各感熱抵抗素子２４，２６はそれぞれの基板２０a，２０b上に設けられ、同じパターンに形成されている。
【００１３】
図２に示されるように、感熱抵抗素子２４はガラスやセラミックなどからなる絶縁基板２０a上に蛇行した帯状に形成されている。基板２０aには中央部に開口２２aが開けられており、感熱抵抗素子２４はその帯状部分が開口２２aを横切るように配置されている。他方の感熱抵抗素子２６も図２に示されたものと同じパターンで絶縁基板２０ｂ上に蛇行した帯状に形成され、絶縁基板２０ｂの開口２２b上を横切るように配置されている。
【００１４】
基板２０ａと２０ｂは感熱抵抗素子を外側に向けて対向するように配置され、その基板２０a，２０b間にはガスが流れる通路を形成する筒体３０が設けられ、基板２０ａと２０ｂはその筒体３０の端面にそれぞれ接触して固定されている。筒体３０はガラスやセラミックなどの絶縁体からなっており、筒体３０の外表面上に抵抗線のヒータ３２が巻きつけられている。
【００１５】
ヒータ３２と感熱抵抗素子の基板２０a，２０bとは熱的に絶縁することが望ましいが、構造上切り離すことはできないので、形状を円筒や角筒にして端面で接触するようにして接触面積を小さくしている。また、ヒータ３２は筒体３０の内側を流れるガスから隔絶されているので、そのガスと反応するのを防ぐことができる。さらに、ヒータ３２が露出しないように絶縁体中に埋め込んでもよい。
【００１６】
感熱抵抗素子２４，２６は厚さ３〜７μｍ程度の金属箔又は基板２０ａ，２０ｂ上にスパッタや蒸着によって成膜した金属薄膜を幅１５〜２５μｍ程度にパターン化したものである。
その製作方法は、金属箔を用いる場合は、開口の開けられた基板に接着して写真製版とエッチングによりパターン化するか、パターン化した金属箔を接着する。この場合、基板には開口部をエッチングできるようにパターン感光させた感光性ガラスを用い、金属箔パターンの形成後に開口を形成するようにしてもよい。
また、スパッタや蒸着によって成膜した金属薄膜を用いる場合は、基板として開口部をエッチングできるようにパターン感光させた感光性ガラスを用い、その基板上に金属薄膜を成膜し、パターン化した後、基板のガラスエッチングを行なって開口を形成する。
【００１７】
次に、このフローセンサの動作について説明する。
ヒータ３２には予め通電しておき感熱抵抗素子２４，２６の間の通路（筒体３０内）の気体Ｃの温度を上昇させておく。その温度はヒータ３２を設けていない従来の場合の気体Ａ（図６参照）の温度を越えるように設定しておく。
【００１８】
ガス流の発生により上流の気体Ｄが上流側感熱抵抗素子２４を通過してヒータの筒体３０内へ流入し、筒体３０内の気体Ｃは下流側感熱抵抗素子２６を通過する。この時の温度変化は、上流側感熱抵抗素子２４では従来のフローセンサと同等であるが、下流側感熱抵抗素子２６の温度変化は従来のフローセンサを上回る。このときの上流側と下流側の感熱抵抗素子２４，２６間のガス流発生による電位差の変化は従来のフローセンサを上回り、出力は大きくなる。
【００１９】
このフローセンサを用いた赤外線ガス検出器の一実施例を図３に示す。測定光の光路に対し、２つのガス室４０と４２が直列に配置されており、光の入射側に配置される前室４０は入射窓４６を備え、後室４２は前室４０を透過した測定光を入射させる入射窓４８をガス室４２と４０の境界に備えている。これらのガス室４０，４２には測定対象物と同じガス又は測定対象物の光吸収領域と１部が重なる光吸収領域を持つガスが封入されている。
ガス室４０と４２は通路で連通しており、その通路に図１のフローセンサ４４が配置されている。
【００２０】
この赤外線ガス検出器にガス室４０，４２に封入されているガスの光吸収領域の光が入射窓４６から入射すると、前室４０で吸収が起こり、残った光が後室４２に入射して、後室４２でも吸収が起こる。両ガス室４０，４２ではその光吸収によってそれぞれガスの温度が上がって体積が膨張するが、吸収される光の量は前室４０の方が後室４２よりも大きいので、フローセンサ４４では前室４０から後室４２の方向へのガスの流れが生じ、その流量がフローセンサ４４で検出される。
【００２１】
その光入射が停止されると、両ガス室４０，４２では温度が下がって体積が収縮するが、収縮の程度は前室４０の方が後室４２よりも大きいので、フローセンサ４４では後室４２から前室４０の方向へのガスの流れが生じ、その流量がフローセンサ４４で検出される。
【００２２】
この赤外線ガス検出器１６を備えた赤外線ガス分析装置の一例を図４（Ａ）に示す。赤外光が透過する試料セル２には、試料ガスと赤外線に対し吸収をもたない基準ガスとが三方弁８により切り換えてガス入口４から供給され、ガス出口６から排出される。１０は赤外線の光源であり、光源１０と試料セル２の間には試料セルに入射する赤外光を断続させるチョッパ１２が設けられている。チョッパ１２は同図（Ｂ）に示されるように、切欠きを有し、モータ１４により回転させられることにより試料セル２に入射する赤外光を断続する。１６は赤外検出器であり、図３に示されている赤外線ガス検出器が設けられ、試料セル２を透過した赤外線を検出する。
【００２３】
このガス分析装置では、基準ガス（ゼロガス）と試料ガスを交互に試料セル２に流すことによってゼロ点の補償を行なっている。しかし、スパン点（感度）の補償は行なっていないため、定期的にスパンガス（標準ガス）を流し、感度を校正する。
【００２４】
図５はフローセンサの一対の感熱抵抗素子２４，２６からガス流量を検出するための検出回路を示したものである。この検出回路では感熱抵抗素子２４と２６が回路抵抗Ｒａ，Ｒｂとともにブリッジ回路を構成しており、そのブリッジ回路の一端が直流電源（＋）に接続され、下端がグランドに接続される。感熱抵抗素子２４，２６と回路抵抗Ｒａ，Ｒｂの間の接点がそれぞれ差動増幅器２８の入力に接続されて両接点間の電位差が検出され増幅されて出力される。
【００２５】
図４の赤外線ガス分析装置の動作を説明する。
チョッパ１２が光を通すと、検出器１６の前室４０と後室４２で赤外光が吸収され両ガス室４０，４２のガスが膨張するが、前室４０と後室４２との間で圧力差が生じてガス流が発生する。また、チョッパ１２により光が遮断されると膨張したガスが収縮するが、今度は光入射時とは逆の圧力関係になり、反対向きのガス流が発生する。ここで、試料セル２の試料ガス中の被測定成分の濃度により検出器１６に入射する光強度が変化するので、検出器１６で吸収するエネルギー量は試料ガス中の被測定成分の濃度に依存する。したがって、検出器１６内のガス流量は試料ガス中の被測定成分の濃度に依存するので、このガス流量をフローセンサ４４で検出することにより、試料ガス中の被測定ガスの濃度が測定できる。
【００２６】
多成分のガス分析を行なう場合は成分に応じたガスを封入した検出器を直列に並べればよい。その場合、後室４２の壁面にも光透過窓を設けて、後段に設ける検出器にも光を導くようにする。
赤外線ガス分析装置としては、特許文献２に記載されているように、測定セルと基準セルを平行に並べ、両セルに同時に赤外線を入射させ、両セルを透過した赤外線を検出器のそれぞれのガス室で受光し、両ガス間の連通路に設けたフローセンサでガス流を検出するものもある。そのような赤外線ガス分析装置の検出器も本発明の対象であり、そこで使用されるフローセンサとして本発明のフローセンサを使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のフローセンサと、このフローセンサを用いた赤外線ガス検出器は、非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）を初め、ＴＯＣ（全有機体炭素）計、大気ガス分析計又は各種排気ガス分析計などの濃度計などにおいて、赤外吸収により測定対象ガス濃度を検出するために利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】一実施例のフローセンサを示す正面図である。
【図２】同実施例における一方の感熱抵抗素子パターンを示す平面図である。
【図３】同フローセンサを使用した赤外線ガス検出器の一実施例を示す概略正面断面図である。
【図４】（Ａ）は同実施例の赤外線ガス検出器を使用した赤外線ガス分析装置の一例を示す概略構成図、（Ｂ）は同赤外線ガス分析装置におけるチョッパ部分を示す側面図である。
【図５】赤外線ガス検出器の検出回路を示す回路図である。
【図６】（Ａ）は従来のフローセンサを示す正面図、（Ｂ）はそのフローセンサにおける一方の感熱抵抗素子パターンを示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１６      赤外線ガス検出器
２０a，２０b      基板
２２a      開口
２４，２６      感熱抵抗素子
３０      筒体
３２      ヒータ
４０，４２      ガス室
４４      フローセンサ
４６，４８      入射窓
【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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