(57)【要約】【課題】フローセンサの構造を複雑化することなく、計測精度を向上する。【解決手段】流量の計測期間にわたってヒータ４を間欠的に駆動させる制御を行い、かつ、計測期間中にヒータ４が駆動を停止する度に横側温度センサ１１，１３の出力を非駆動時横側温度信号として取り込み、その後ヒータ４の駆動に応じた横側温度センサ１１，１３の出力を非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号として取り込むと共に、該駆動時横側温度信号に対応して上流側温度センサ８が出力した上流側温度信号及び下流側温度センサ５が出力した下流側温度信号を取り込み、前記非駆動時横側温度信号と駆動時横側温度信号とに基づいて流体の物性状態情報を検出し、該物性状態情報に基づいて上流側温度信号及び下流側温度信号を補正し、該補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて流体の流速に応じて変化した温度分布を検出して流体の流量を算出する。【選択図】図１
2007139672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる流体を加熱して所定の温度分布を発生させるヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサと、前記流体の流れ方向と略直交方向に配置されて前記流体の温度を検出して横側温度信号を出力する横側温度センサと、を有するフローセンサを用いて、前記流体の流量を計測する流体計測装置において、
前記流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたって前記ヒータを間欠的に駆動させる制御を行うヒータ制御手段と、
前記ヒータ制御手段の制御によって前記ヒータが駆動を停止する度に、前記横側温度センサが出力する横側温度信号を非駆動時横側温度信号として取り込む非駆動時横側温度信号取込手段と、
前記非駆動時横側温度信号取込手段が非駆動時横側温度信号を取り込んだ後、前記ヒータ制御手段の制御による前記ヒータの駆動に応じて前記横側温度センサが出力する横側温度信号を、前記非駆動時横側温度信号取込手段が取り込んだ非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号として取り込む駆動時横側温度信号取込手段と、
前記非駆動時横側温度信号取込手段が取り込んだ非駆動時横側温度信号と該非駆動時横側温度信号に対応して前記駆動時横側温度信号取込手段が取り込んだ駆動時横側温度信号とに基づいて、前記略直交方向における前記温度分布に応じた前記流体の物性状態を示す物性状態情報を検出する物性状態情報検出手段と、
前記ヒータ制御手段の制御によって前記ヒータが駆動しているときに、前記駆動時横側温度信号取込手段が取り込んだ駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサが出力した上流側温度信号及び前記下流側温度センサが出力した下流側温度信号を取り込む温度信号取込手段と、
前記温度信号取込手段が取り込んだ上流側温度信号及び下流側温度信号を、前記物性状態情報検出手段が検出した物性状態情報に基づいて補正する補正手段と、
前記補正手段が補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて前記流体の流速に応じて変化した前記温度分布を検出し、該検出した温度分布に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出手段と、
を備えることを特徴とする流体計測装置。
【請求項２】
前記ヒータ制御手段の制御によって前記ヒータが駆動されていないときに、前記非駆動時横側温度信号取込手段が取り込んだ非駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサが出力した上流側温度信号と前記下流側温度センサが出力した下流側温度信号とを取り込む非駆動時温度信号取込手段をさらに設けて、
前記補正手段が、前記非駆動時温度信号取込手段によって取り込まれた非駆動時の上流側温度信号及び下流温度信号に基づいて、前記温度信号取込手段によって取り込まれた上流側温度信号及び下流側温度信号を補正し、該補正した上流側温度信号及び下流側温度信号を前記物性状態情報検出手段が検出した物性状態情報に基づいて補正するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流体計測装置。
【請求項３】
流路内を流れる流体を加熱して所定の温度分布を発生させるヒータと、前記ヒータに対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側温度センサと、前記ヒータに対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサと、前記流体の流れ方向と略直交方向に配置されて前記流体の温度を検出して横側温度信号を出力する横側温度センサと、を有するフローセンサを用いて、前記流体の流量を計測する流体計測方法において、
前記流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたって前記ヒータを間欠的に駆動させる制御を行い、かつ、前記計測期間中に前記ヒータが駆動を停止する度に前記横側温度センサが出力する横側温度信号を非駆動時横側温度信号として取り込み、その後前記ヒータの駆動に応じて前記横側温度センサが出力する横側温度信号を前記非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号として取り込むとともに、該取り込んだ駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサが出力した上流側温度信号及び前記下流側温度センサが出力した下流側温度信号を取り込み、そして、前記取り込んだ非駆動時横側温度信号と駆動時横側温度信号とに基づいて、前記略直交方向における前記温度分布に応じた前記流体の物性状態を示す物性状態情報を検出し、該物性状態情報に基づいて前記上流側温度信号及び下流側温度信号を補正し、該補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて前記流体の流速に応じて変化した前記温度分布を検出し、該検出した温度分布に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする流体計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体計測装置及び流体計測方法に関し、より詳細には、流路内を流れるガス、水等の流体の流量を、フローセンサを用いて計測する流体計測装置及び流体計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流量測定対象となるガス、水等の流体の流量を計測する流量計測装置としては、熱型のフローセンサを用いたものが知られている。このフローセンサは、流体の温度よりも高い温度を有するヒータを流体の流れの中に配置し、このヒータによって加熱された流体の温度分布が流速の増加に伴って変化するという原理を利用したものである。
【０００３】
このようなフローセンサとしては、特許文献１に示すものが知られており、この従来の熱型のフローセンサを、図６及び図７の図面を参照して説明する。なお、図６は従来の熱型のフローセンサの構成を示す構成図である、図７は図６に示すフローセンサの断面図である。
【０００４】
図６において、フローセンサ１は、Ｓｉ基板（センサ基体）２、ダイアフラム３、ダイアフラム３上に形成された白金等からなるマイクロヒータ４、マイクロヒータ４の下流側でダイアフラム３上に形成された下流側サーモパイル５、マイクロヒータ４に図示しない電源から駆動電流を供給する電源端子６Ａ，６Ｂ、マイクロヒータ４の上流側でダイアフラム３上に形成された上流側サーモパイル８、上流側サーモパイル８から出力される上流側温度信号を出力する第１出力端子９Ａ，９Ｂ、下流側サーモパイル５から出力される下流側温度信号を出力する第２出力端子７Ａ，７Ｂ、を備える。
【０００５】
また、フローセンサ１は、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向（ＰからＱへの方向）と略直交方向に配置され、流体の物性状態情報を検出し、右側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する右側サーモパイル１１、この右側サーモパイル１１から出力される右側温度検出信号を出力する第３出力端子１２Ａ，１２Ｂ、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向と略直交方向に配置され、流体の物性状態情報を検出し、左側温度検出信号（第３温度検出信号に対応）を出力する左側サーモパイル１３、この左側サーモパイル１３から出力される左側温度検出信号を出力する第４出力端子１４Ａ，１４Ｂ、流体温度を得るための抵抗１５，１６、この抵抗１５，１６からの流体温度信号を出力する出力端子１７Ａ，１７Ｂを備える。右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３は、温度センサを構成する。
【０００６】
上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３は、熱電対から構成されている。この熱電対は、ｐ++−Ｓｉ及びＡｌにより構成され、冷接点５ｂ，８ｂと温接点５ａ，８ａとを有し、熱を検出し、冷接点５ｂ，８ｂと温接点５ａ，８ａとの温度差から熱起電力が発生することにより、温度検出信号を出力するようになっている。
【０００７】
また、図７に示すように、Ｓｉ基板２には、ダイアフラム３が形成されており、このダイアフラム３には、マイクロヒータ４と、上流側サーモパイル８、下流側サーモパイル５、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３のそれぞれの温接点とが形成されている。
【０００８】
このように構成されたフローセンサ１によれば、マイクロヒータ４が、外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、流体を媒体として、下流側サーモパイル５と上流側サーモパイル８のそれぞれの温接点５ａ，８ａに伝達される。それぞれのサーモパイルの冷接点５ｂ，８ｂは、Ｓｉ基体（Ｓｉ基板）上にあるので、基体温度になっており、それぞれの温接点は、ダイアフラム上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基体温度より温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイルは、温接点５ａ，８ａと冷接点５ｂ，８ｂの温度差より熱起電カを発生し、温度検出信号を出力する。
【０００９】
流体を媒体として伝達される熱は、流体の熱拡散効果とＰからＱに向かって流れる流体の流速との相乗効果によって、それぞれのサーモパイルに伝達される。すなわち、流速がない場合には、熱拡散によって上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５に均等に伝達され、上流側サーモパイル８からの上流側温度信号と下流側サーモパイル５からの下流側温度信号の差信号は、零になる。
【００１０】
一方、流体に流速が発生すると、流速によって下流側サーモパイル５の温接点５ａに伝達される熱量が多くなり、上流側サーモパイル８の温接点８ａに伝達される熱量は少なくなるため、前記下流側温度信号と前記上流側温度信号との差信号は流速に応じた正値になる。
【００１１】
一方、マイクロヒータ４が外部からの駆動電流により加熱を開始すると、マイクロヒータ４から発生した熱は、流体の流速の影響をほとんど受けずに流体の熱拡散効果のみによって、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向と略直交方向に配置された右側サーモパイル１１に伝達される。また、マイクロヒータ４に対して流体の流れ方向と略直交方向に配置された左側サーモパイル１３にも、同様な熱が伝達される。このため、右側サーモパイル１１の起電力により第３出力端子１２Ａ，１２Ｂから出力される右側温度検出信号、及び／または左側サーモパイル１３の起電力により第４出力端子１４Ａ，１４Ｂから出力される左側温度検出信号は、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等の流体の物性状態に相関のあるデータであり、適当な処理をすることで物性値を得ることもできる。
【００１２】
熱拡散定数等の大小は、上流側サーモパイル８が出力する上流側温度信号と下流側サーモパイル５が出力する下流側温度信号及び上流側温度信号にも影響し、右側及び左側サーモパイル出力の大小と同様に変化する。したがって、原理的には、上流側温度信号や下流側温度信号を、あるいは、これらの差を、右側及び／又は左側サーモパイル出力によって除することで、熱拡散定数等の異なる流体であっても、即ち、いかなる種類の流体であっても、正確な流量を算出することができることになる。
【００１３】
よって、図示しない流量計測装置は、第３出力端子１２Ａ，１２Ｂから出力される右側温度検出信号、及び／または第４出力端子１４Ａ，１４Ｂから出力される左側温度検出信号に基づき、熱伝導と熱拡散、比熱等によって決定される熱拡散定数等の流体の物性状態情報を算出し、上流側サーモパイル８からの上流側温度信号と下流側サーモパイル５からの下流側温度信号との差信号をその物性状態情報で補正することで、高精度の計測を実現するようにしてきた。
【特許文献１】特開２００１−１２９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述したフローセンサ１では、流体の物性状態に応じた補正や制御をしているにも係わらず、測定精度の再現性が悪いという問題が生じていた。特に大流量の計測、つまり、流速が速い場合に再現性が悪く、流量計測範囲の限界の一要因となっていた。
【００１５】
そこで、この問題を鋭意調査したところ、マイクロヒータ４に電流が流れない状態、つまり、フローセンサ１が駆動されていない状態でも、その出力が変化していたことが判明した。以下にその詳細を説明する。
【００１６】
図８は従来の温度差によるサーモパイルの出力を示す模式図であり、図９は従来のフローセンサで計測された流体温度とセンサ基体温度との温度差とセンサ出力器差（測定誤差）との関係を示したグラフである。そして、測定は、計器の標準状態における１００Ｌ／ｍｉｎで計測されている。
【００１７】
なお、図９中の縦軸が示す器差は、その単位が％ＲＤ（％ of Reading：読値に対する百分率）となっている。そして、この％ＲＤは、例えば、最大流量が１００Ｌ／ｍｉｎのメータにおいて、１０Ｌ／ｍｉｎの流量を計測した場合に、メータ出力が９Ｌ／ｍｉｎであると、その器差を−１０％ＲＤで示す。そして、このときの公差は−１％（ＦＳ）で示すことができる。
【００１８】
図８に示すように、前述の温度差がないときは、ヒータに電力印加がない場合、温度センサ出力は出力Ｖ０になり、ヒータに電力が印加されたときは出力Ｖ２になるとする。この状態のフローセンサ１でガス温度が筐体温度より上昇すると、その分出力Ｖ０も出力Ｖ２も温度上昇し、それぞれ出力Ｖ１と出力Ｖ３になる。ところが、フローセンサ１は常に電力が印加されているため、出力Ｖ０や出力Ｖ１を計測することはできず、本来、出力Ｖ２である出力が出力Ｖ３に変化してしまう。
【００１９】
実際に図６に示すフローセンサ１の出力を計測して誤差を評価した結果が図９である。その器差は、―３０度の温度差で約＋２０％ＲＤ、＋３０度の温度差で約−２０％ＲＤであることが判明した。
【００２０】
図６のフローセンサ１の場合、上流側サーモパイル８と下流側サーモパイル５の出力では、ガスとセンサ基体との温度差に起因する出力分はほぼ同等であることから、その差出力を計測する場合は自動的にキャンセルされる。しかしながら、右側及び左側サーモパイル出力は差出力を取らないためキャンセルできない。上流側サーモパイルと下流側サーモパイルとの差出力を右側及び／又は左側サーモパイル出力により補正されなければ精度の良い計測はできないため、フローセンサ１の出力精度が悪くなる。すなわち、ガスとセンサ基体との温度差に比例してフローセンサ１の出力が変化することを究明することができた。
【００２１】
よって本発明は、上述した問題点に鑑み、フローセンサの構造を複雑化することなく、計測精度を向上することができる流体計測装置及び流体計測方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項１記載の流体計測装置は、図１の基本構成図に示すように、流路内を流れる流体を加熱して所定の温度分布を発生させるヒータ４と、前記ヒータ４に対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側温度センサ８と、前記ヒータ４に対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサ５と、前記流体の流れ方向と略直交方向に配置されて前記流体の温度を検出して横側温度信号を出力する横側温度センサ１１，１３と、を有するフローセンサ１を用いて、前記流体の流量を計測する流体計測装置において、前記流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたって前記ヒータ４を間欠的に駆動させる制御を行うヒータ制御手段４１ａと、前記ヒータ制御手段４１ａの制御によって前記ヒータ４が駆動を停止する度に、前記横側温度センサ１１，１３が出力する横側温度信号を非駆動時横側温度信号として取り込む非駆動時横側温度信号取込手段４１ｂと、前記非駆動時横側温度信号取込手段４１ｂが非駆動時横側温度信号を取り込んだ後、前記ヒータ制御手段４１ａの制御による前記ヒータ４の駆動に応じて前記横側温度センサ１１，１３が出力する横側温度信号を、前記非駆動時横側温度信号取込手段４１ｂが取り込んだ非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号として取り込む駆動時横側温度信号取込手段４１ｃと、前記非駆動時横側温度信号取込手段４１ｂが取り込んだ非駆動時横側温度信号と該非駆動時横側温度信号に対応して前記駆動時横側温度信号取込手段４１ｃが取り込んだ駆動時横側温度信号とに基づいて、前記略直交方向における前記温度分布に応じた前記流体の物性状態を示す物性状態情報を検出する物性状態情報検出手段４１ｄと、前記ヒータ制御手段４１ａの制御によって前記ヒータ４が駆動しているときに、前記駆動時横側温度信号取込手段４１ｃが取り込んだ駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサ８が出力した上流側温度信号及び前記下流側温度センサ５が出力した下流側温度信号を取り込む温度信号取込手段４１ｅと、前記温度信号取込手段４１ｅが取り込んだ上流側温度信号及び下流側温度信号を、前記物性状態情報検出手段４１ｄが検出した物性状態情報に基づいて補正する補正手段４１ｆと、前記補正手段４１ｆが補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて前記流体の流速に応じて変化した前記温度分布を検出し、該検出した温度分布に基づいて前記流体の流量を算出する流量算出手段４１ｇと、を備えることを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、図１の基本構成図に示すように、請求項１に記載の流体計測装置において、前記ヒータ制御手段４１ａの制御によって前記ヒータ４が駆動されていないときに、前記非駆動時横側温度信号取込手段４１ｂが取り込んだ非駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサ８が出力した上流側温度信号と前記下流側温度センサ５が出力した下流側温度信号とを取り込む非駆動時温度信号取込手段４１ｈをさらに設けて、前記補正手段４１ｆが、前記非駆動時温度信号取込手段４１ｈによって取り込まれた非駆動時の上流側温度信号及び下流温度信号に基づいて、前記温度信号取込手段４１ｅによって取り込まれた上流側温度信号及び下流側温度信号を補正し、該補正した上流側温度信号及び下流側温度信号を前記物性状態情報検出手段４１ｄが検出した物性状態情報に基づいて補正するようにしたことを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決するため本発明によりなされた請求項３記載の流体計測方法は、流路内を流れる流体を加熱して所定の温度分布を発生させるヒータ４と、前記ヒータ４に対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側温度センサ８と、前記ヒータ４に対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側温度センサ５と、前記流体の流れ方向と略直交方向に配置されて前記流体の温度を検出して横側温度信号を出力する横側温度センサ１１，１３と、を有するフローセンサ１を用いて、前記流体の流量を計測する流体計測方法において、前記流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたって前記ヒータ４を間欠的に駆動させる制御を行い、かつ、前記計測期間中に前記ヒータ４が駆動を停止する度に前記横側温度センサ１１，１３が出力する横側温度信号を非駆動時横側温度信号として取り込み、その後前記ヒータ４の駆動に応じて前記横側温度センサ１１，１３が出力する横側温度信号を前記非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号として取り込むとともに、該取り込んだ駆動時横側温度信号に対応して前記上流側温度センサ８が出力した上流側温度信号及び前記下流側温度センサ５が出力した下流側温度信号を取り込み、そして、前記取り込んだ非駆動時横側温度信号と駆動時横側温度信号とに基づいて、前記略直交方向における前記温度分布に応じた前記流体の物性状態を示す物性状態情報を検出し、該物性状態情報に基づいて前記上流側温度信号及び下流側温度信号を補正し、該補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて前記流体の流速に応じて変化した前記温度分布を検出し、該検出した温度分布に基づいて前記流体の流量を算出することを特徴とする。
【００２５】
上記請求項１，３に記載した本発明によれば、ヒータ４は流量の計測期間中にわたって間欠的に駆動され、そのヒータ４が駆動を停止する度に、横側温度センサ１１，１３から非駆動時横側温度信号を取り込み、該取り込み後にヒータ４が駆動されると、非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号が横側温度センサ１１，１３から取り込まれる。そして、取り込んだ非駆動時横側温度信号とこれに対応した起動時横側温度信号とに基づいて、流体の物性状態とを示す略直交方向における温度分布の広がり、変化等に応じた流体の物性状態を示す物性状態情報を検出する。そして、ヒータ４が駆動しているときに、その駆動時横側温度信号に対応して上流側温度信号及び下流側温度信号が上流側温度センサ８及び下流側温度センサ５の各々から取り込まれ、この上流側温度信号及び下流側温度信号は、流体に対応して検出した物性状態情報（補正テーブル、補正値等）に基づいて補正される。そして、この補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて流体の流速に応じて変化した温度分布が検出され、該検出された温度分布に基づいて流体の流量が算出される。
【００２６】
上記請求項２に記載した本発明によれば、ヒータ４が駆動されていない状態においては、横側温度センサ１１，１３から取り込まれた非駆動時横側温度信号に対応して上流側温度センサ８及び下流側温度センサ５が出力した上流側温度信号及び下流側温度信号が取り込まれる。そして、その後ヒータが駆動されたときに、上流側温度センサ８及び下流側温度センサ５から上流側温度信号及び下流側温度信号が取り込まれると、この上流側温度信号及び下流側温度信号は、ヒータ４の非駆動時に取り込まれた上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて補正され、この補正された上流側温度信号及び下流側温度信号が流体に対応して検出した物性状態情報に基づいて補正されて、流体の流量が算出される。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように請求項１，３に記載した本発明によれば、流体の計測期間中は、ヒータを間欠的に駆動させ、そして、ヒータの駆動を停止する度に、横側温度センサから非駆動時横側温度信号を取り込み、該読み取り後にヒータが駆動されると、横側温度センサから非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号を取り込み、これらの横側温度信号に基づいて流れ方向に対する略直交方向における温度分布に応じた流体固有の物性状態情報を検出し、該物性状態情報に基づいて補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいて流体の流速に応じて変化した温度分布を検出し、該温度分布に基づいて流体の流量を計測するようにしたことから、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じたときに発生する温度センサのオフセット出力をキャンセルすることができるため、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができる。従って、フローセンサにおけるヒータに対する駆動制御方法を変更するだけで良いため、フローセンサの構造を複雑化することなく、様々な種類のガス（流体）に対する計測精度を向上することができる。また、フローセンサは既存のものを用いることができて、いくつかの切替スイッチの追加等の簡単なハードウエア変更とそれらの制御のためのソフトウェア変更のみで容易に対応することができる。すなわち、計測精度の向上を簡単な変更だけで容易に実現することができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、ヒータの駆動を停止する度に、上流側温度センサ及び下流側温度センサから上流側温度信号及び下流側温度信号をさらに取り込んで、上流側温度信号及び下流側温度信号についても補正するようにしたことから、測定精度の誤差因子をさらに減らすことができるため、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、上述した背景技術で説明したフローセンサ１（図６等を参照）を用いて、流体の流量を計測する本発明に係る流体計測装置の一実施の形態を、図２〜図５の図面と上述した図面とを参照して説明する。なお、フローセンサ１の基本構成については、背景技術のところで説明しているので、詳細な説明は省略する。
【００３０】
ここで、図２はフローセンサを用いた流量計測装置の構成ブロック図であり、図３は図２のマイクロコンピュータが実行する本発明に係る流量計測処理の一例を示すフローチャートである。
【００３１】
図２において、本発明の流体計測装置２０は、背景技術で説明したフローセンサ１を用いて、流体であるガスの流量を計測するものである。そして、フローセンサ１は、流体計測装置２０（外部）からの駆動により流路内を流れる流体の温度よりも高い温度で前記流体を加熱して所定の温度分布を発生させるマイクロヒータ（ヒータ）４と、前記マイクロヒータ４に対する前記流路の上流側における前記流体の温度を検出して上流側温度信号を出力する上流側サーモパイル（上流側温度センサ）８と、前記マイクロヒータ４に対する前記流路の下流側における前記流体の温度を検出して下流側温度信号を出力する下流側サーモパイル（下流側温度センサ）５と、前記流体の流れ方向と略直交方向に配置されて前記流体の温度を検出して右側温度検知信号及び左側温度検知信号（横側温度信号）を出力する右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３（横側温度センサ）と、を有する。
【００３２】
流体計測装置２０は、上述したフローセンサ１内の下流側サーモパイル５からの下流側温度信号とフローセンサ１内の上流側サーモパイル８からの上流側温度信号との差信号を増幅する差動アンプ３３と、フローセンサ１内の右側サーモパイル１１からの右側温度検出信号を増幅するアンプ３５ａと、フローセンサ１内の左側サーモパイル１３からの左側温度検出信号を増幅するアンプ３５ｂと、予め定められたプログラムに従って動作するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４０と、このＭＰＵ４０によって制御されてマイクロヒータ４を駆動させる駆動部５０と、を備えて構成される。そして、差動アンプ３３とアンプ３５ａ，ｂと駆動部５０との各々はＭＰＵ４０に接続されている。
【００３３】
ＭＰＵ４０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）４１、ＣＰＵ４１のためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ４２、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ４１の処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ４３等を有して構成している。
【００３４】
ＲＯＭ４２には、フローセンサ１を用いてガスの流量を計測するのに当たり、ＣＰＵ４１（コンピュータ）を、上述した請求項中のヒータ制御手段、非駆動時横側温度信号取込手段、駆動時横側温度信号取込手段、物性状態情報検出手段、温度信号取込手段、補正手段、流量算出手段、非駆動時温度信号取込手段等として機能させる流体計測処理等の各種プログラムを記憶している。
【００３５】
ＣＰＵ４１は、下流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８からの下流側温度信号と上流側温度信号との差である差信号が差動アンプ３３を介して入力される。なお、本最良の形態では、差動アンプ３３を用いる場合について説明するが、本発明はこれに限定するものではなく、アンプで増幅して下流側温度信号及び上流側温度信号をそのままＣＰＵ４１に入力するなど種々異なる形態とすることができる。
【００３６】
ＣＰＵ４１は、右側サーモパイル１１からの右側温度検知信号がアンプ３５ａを介して入力されると共に、左側サーモパイル１３からの左側温度検知信号がアンプ３５ｂを介して入力される。なお、本最良の形態では、アンプ３５ａ，３５ｂの２つを用いる方法について説明するが、例えば、２つの信号の和を出力する増幅回路を１つのアンプで構築する方法など種々異なる方法を用いることができる。
【００３７】
駆動部５０は、ＭＰＵ４０に接続しており、ＭＰＵ４０からの指示に応じてマイクロヒータ４に対する電力の供給を制御してマイクロヒータ４を駆動させる駆動回路等を有している。
【００３８】
次に、上述した構成におけるマイクロコンピュータ４０のＣＰＵ４１が実行する流量計測処理の一例を、図３に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、この流量計測処理は、流体計測装置２０が起動されている状態で常時実行され、流体計測装置２０の動作停止に応じて処理が終了されることを前提としている。
【００３９】
図３に示すステップＳ１１（非駆動時横側温度信号取込手段）において、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３からアンプ３５ａ，ｂを介して右側温度検出信号及び左側温度検出信号（横側温度信号に相当）が取り込まれ、それらの信号値がマイクロヒータ４の非駆動時における温度分布出力Ｖ３ｏｆｆとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１２に進む。
【００４０】
ステップＳ１２（非駆動時温度信号取込手段）において、非駆動時の温度分布出力Ｖ３ｏｆｆに対応して下流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８がそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がマイクロヒータ４の非駆動時における温度差出力ＶｏｆｆとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１３に進む。
【００４１】
ステップＳ１３（ヒータ制御手段）において、マイクロヒータ４の加熱開始が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ１４に進む。この指示に応じて駆動部５０は、マイクロヒータ４に一定の電圧が印加されるように駆動させる。この結果、マイクロヒータ４の周りのガスが加熱されて、所定の温度分布が発生することになる。
【００４２】
ステップＳ１４において、マイクロヒータ４の温度が安定したか否かが判定される。なお、この判定方法としては、マイクロヒータ４を駆動してから温度が安定するまでの時間を予め記憶しておき、タイマを用いて判定する方法や、右側サーモパイル１１、左側サーモパイル１３を用いて検出した温度で判定する方法など種々異なる形態とすることができる。
【００４３】
ステップＳ１４で温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ１４でＮ）、この処理を繰り返すことで、温度が安定するのを待つ。一方、温度が安定していると判定された場合は（Ｓ１４でＹ）、ステップＳ１５に進む。
【００４４】
ステップＳ１５（駆動時横側温度信号取込手段）において、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３からアンプ３５ａ，ｂを介して右側温度検出信号、左側温度検出信号が取り込まれ、それらの信号値がマイクロヒータ４の駆動時における温度分布出力Ｖ３ｏｎとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１６に進む。
【００４５】
ステップＳ１６（駆動時温度信号取込手段）において、駆動時の温度分布出力Ｖ３ｏｎに対応して下流側サーモパイル５及び上流側サーモパイル８がそれぞれ出力した上流側温度信号及び下流側温度信号の差信号が差動アンプ３３を介して取り込まれ、その信号値がマイクロヒータ４の駆動時における温度差出力ＶｏｎとしてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１７に進む。
【００４６】
ステップＳ１７（ヒータ制御手段）において、マイクロヒータ４の加熱停止が駆動部５０に指示され、その後ステップＳ１８に進む。
【００４７】
ステップＳ１８（物性状態情報検出手段、補正手段）において、ＲＡＭ４３の温度分布出力Ｖ３ｏｎと温度分布出力Ｖ３ｏｆｆとの差を求めることで、（Ｖ３ｏｎ−Ｖ３ｏｆｆ）なる流体の物性に応じた物性状態情報が算出されてＲＡＭ４３に記憶され、その後ステップＳ１９に進む。なお、この物性状態情報に基づいて流体の物性をある程度求めることもできる。
【００４８】
ステップＳ１９（流量算出手段、補正手段）において、ＲＡＭ４３の温度差出力Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆ、物性状態情報（Ｖ３ｏｎ−Ｖ３ｏｆｆ）、後述する流量算出式を用いて算出されることで、１回の計測当たりの流量が算出されて流量情報としてＲＡＭ４３に記憶され、その後、ステップＳ２０において、流量情報は予め定められた例えば表示装置に出力されることで、表示装置に表示される。
【００４９】
なお、本最良の形態においては、流量算出式である（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／（Ｖ３ｏｎ−Ｖ３ｏｆｆ）を算出するための算出プログラムを予めＲＯＭ４２に記憶しているが、温度差出力Ｖｏｎの補正が不要な場合は、Ｖｏｎ／（Ｖ３ｏｎ−Ｖ３ｏｆｆ）となる流量算出式を算出するための算出プログラムをＲＡＭ４２に記憶しておき、上述したステップＳ１２の処理を削除することで対応することができる。
【００５０】
ステップＳ２１において、ステップＳ１７で駆動が停止されたマイクロヒータ４の非駆動時温度が安定したか否かが判定される。ステップＳ１４と同様に、非駆動時温度が安定していないと判定された場合は（Ｓ２１でＮ）、この判定処理を繰り返すことで、非駆動時温度が安定するのを待つ。一方、非駆動時温度が安定していると判定された場合は（Ｓ２１でＹ）、ステップＳ１１に戻り、一連の処理が繰り返される。なお、直ちにステップＳ１１に戻る必要はなく、一定時間経過した後に戻るようにしてもよい。
【００５１】
ここで、上述した構成の流体計測装置及びその計測方法が有効である理由を、従来の計測装置及びその計測方法とを比較して説明する。
【００５２】
従来の計測では、マイクロヒータ４をパルス（間欠）駆動しないため、マイクロヒータ４の非駆動時の温度センサ出力は計測されない。そのため、フローセンサ１として出力されるデータはＶｏｎ／Ｖ３ｏｎになる。一方、本発明の出力されるデータはＶｏｎ／（Ｖ３ｏｎ−Ｖ３ｏｆｆ）となり、ヒータ非駆動時の出力Ｖ３ｏｆｆが０であれば同じ出力になるが、センサ基体より流体の温度が高い場合は、温度センサ（サーモパイルの温接点）が載っているダイアフラム３の温度も上昇し、出力Ｖ３ｏｆｆは０ではなくなり、出力Ｖ３ｏｆｆ＞０となる。そして、ヒータ駆動時の出力Ｖ３ｏｎも温度差によるダイアフラム３の温度上昇の影響を同様に受けるため、温度差がないときに比べて出力Ｖ３ｏｆｆだけ出力が大きくなる。
【００５３】
すなわち、マイクロヒータ４が流体を暖めた効果による出力だけを計測することができるようになり、温度差によるダイアフラム３の温暖効果による計測誤差がキャンセルできるようになる。
【００５４】
なお、出力ＶｏｎがＶｏｎ−Ｖｏｆｆになった場合も同様である。すなわち、出力Ｖｏｎは下流側温度センサ出力から上流側温度センサ出力を引いた出力であるため、下流側と上流側温度センサがマイクロヒータ４を中心に厳密に対象に作られていれば、それぞれのヒータ非駆動時出力は同じになるため、ヒータ非駆動時の温度センサ出力による補正は原理上必要ないが、センサ作製工程上厳密に対称に作製することが難しいため、Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆでより精度の良い計測が期待できる。
【００５５】
次に、上述した構成の流体計測装置２０の動作（作用）の一例を、図４及び図５の図面を参照して以下に説明する。なお、図４はヒータの印加電圧とフローセンサの出力例の一例を説明するためのグラフであり、図５は本発明による温度差と器差との関係を示すグラフである。
【００５６】
流体計測装置２０によって上述した流量計測処理が実行されると、フローセンサ１のマイクロヒータ４には、図４（ａ）の実線で示す駆動信号Ｇによる予め定められたタイミングで間欠的に電圧Ｖｈが印加されることで、マイクロヒータ４は駆動される。そして、本最良の形態では、マイクロヒータ４に電圧Ｖｈを印加する駆動時間Ｔ１と、電圧を印加しない非駆動時間Ｔ２と、を１周期としたパルス信号で、ガスの計測を開始してから終了するまでの計測期間中は、マイクロヒータ４を制御するようにしている。なお、本最良の形態では、計測期間を流体計測装置２０の起動時としているが、任意に設定するなど種々異なる形態とすることができる。
【００５７】
また、駆動時間Ｔ１は、マイクロヒータ４がガス（流体）を加熱して所定の温度分布を発生させるのに十分な時間となり、非駆動時間Ｔ２は、マイクロヒータ４による加熱を停止してから常温に戻るのに十分な時間となっている。なお、マイクロヒータ４の制御方法については、流量の計測を開始してから終了するまでの計測期間にわたってマイクロヒータ４を予め定められたタイミングで間欠的に駆動させるなど様々なタイミングで制御することができる。
【００５８】
ガスとセンサ基体との間に温度差が生じていない場合、駆動信号Ｇに応じてフローセンサ１が検出して出力する信号は温度信号Ｇ１で示される。そして、ガスとセンサ基体とに温度差が生じると、温度信号Ｇ１よりもΔＶだけ高い電圧値を示す温度信号Ｇ２で示される。
【００５９】
このようにフローセンサ１の制御については、一定電圧Ｖｈを間欠的に印加するか連続的に印加するかで、従来技術と本発明とは異なっているが、図４に示すように、フローセンサ１の各サーモパイルからの出力は、ガスとセンサ基体との間に生じた温度差に応じて変化している。
【００６０】
このようなフローセンサ１に対し、流体計測装置２０は、マイクロヒータ４に電圧Ｖｈを印加していない、図４中の測定点Ｐ１において、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３から温度分布出力Ｖ３ｏｆｆ、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から温度差出力Ｖｏｆｆをそれぞれ取り込み、マイクロヒータ４によるガスの加熱を開始させる。
【００６１】
図４中の測定点Ｐ２において、加熱されたガス等の温度が安定した状態で、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３から温度分布出力Ｖ３ｏｎ、上流側サーモパイル８及び下流側サーモパイル５から温度差出力Ｖｏｎをそれぞれ取り込み、マイクロヒータ４によるガスの加熱を停止させる。
【００６２】
取り込んだ温度分布出力Ｖ３ｏｎと温度分布出力Ｖ３ｏｆｆとの差に基づいて物性状態情報を検出し、該物性状態情報と取り込んだ温度差出力Ｖｏｎ，Ｖｏｆｆと流量算出式とを用いてガスの流量を算出し、該流量を流量情報として例えば表示装置等に出力して表示させる。
【００６３】
その後、図４中の測定点Ｐ３において、停止されたマイクロヒータ４の非駆動時温度が安定すると、測定点Ｐ１と同様に、温度分布出力Ｖ３ｏｆｆ、温度差出力Ｖｏｆｆをそれぞれ取り込み、マイクロヒータ４によるガスの加熱を開始させる。そして、図４中の測定点Ｐ４において、加熱されたガス等の温度が安定すると、測定点Ｐ２と同様に、温度分布出力Ｖ３ｏｎ、温度差出力Ｖｏｎをそれぞれ取り込み、マイクロヒータ４によるガスの加熱を停止させる。そして、温度分布の広がりに対応した物性状態情報を検出して流量を算出する。
【００６４】
以降も、ガスの計測期間中は、上述した処理を繰り返すことで、流量の計測時に、常に物性状態情報を検出し、この物性状態情報で上流及び下流温度センサ出力を補正して流量の算出を行う。
【００６５】
上述した発明が解決しようとする課題で説明した測定条件と同一の測定条件で温度差と器差との関係を確認したところ、図５に示す結果を得ることができた。詳細には、センサ基体とガス温度差とを約−３０〜３０度の範囲で変化させたとき、図５に示すように、その器差は−３０度のときが約１％ＲＤ、−１５度のときが約０％ＲＤ、−５度のときが約０．５％ＲＤ、５度のときが約０％ＲＤ、１５度のときが約０％ＲＤ、３０度のときが約−１％ＲＤという測定結果を得ることができた。つまり、このように本発明の流体計測装置２０によって、温度差の変化による器差の発生を解消することができた。
【００６６】
以上説明したように本発明の流体計測装置２０によれば、流体の計測期間中は、マイクロヒータ４を間欠的に駆動させ、そして、マイクロヒータ４の駆動を停止する度に、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３（横側温度センサ）から非駆動時横側温度信号を取り込み、該読み取り後にマイクロヒータ４が駆動されると、右側サーモパイル１１及び左側サーモパイル１３から非駆動時横側温度信号に対応した駆動時横側温度信号を取り込み、これらの横側温度信号に基づいて流れ方向に対する略直交方向における温度分布の広がりに応じた流体固有の物性状態情報を検出し、該物性状態情報に基づいて補正した上流側温度信号及び下流側温度信号に基づいてガス（流体）の流速に応じて変化した温度分布を検出し、該温度分布に基づいて流体の流量を計測するようにしたことから、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じたときに発生する温度センサのオフセット出力をキャンセルすることができるため、センサ基体温度と流体温度とに温度差が生じてもフローセンサ出力精度を良い状態に保つことができる。
【００６７】
従って、フローセンサ１におけるマイクロヒータ４に対する駆動制御方法を変更するだけで良いため、フローセンサ１の構造を複雑化することなく、様々な種類のガス（流体）に対する計測精度を向上することができる。また、フローセンサ１は既存のものを用いることができて、いくつかの切替スイッチの追加等のハードウエア変更とそれらの制御のためのソフトウェア変更のみで容易に対応することができる。すなわち、計測精度の向上を簡単な変更だけで容易に実現することができる。
【００６８】
さらに、マイクロヒータ４の駆動を停止する度に、上流側温度サーモパイル（センサ）８及び下流側温度サーモパイル（センサ）５から上流側温度信号及び下流側温度信号をさらに取り込んで、上流側温度信号及び下流側温度信号についても補正するようにしたことから、測定精度の誤差因子をさらに減らすことができるため、計測精度のさらなる向上を図ることができる。
【００６９】
なお、上述した本最良の形態では、請求項中の各手段をＭＰＵ４０によって実現する場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、ＤＳＰ（digital  signal processor）、ＡＳＩＣ（application specific IC）で実現するなど種々異なる形態とすることができる。
【００７０】
なお、上述した本最良の形態では、流体計測装置２０について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、流体計測装置２０をガスメータに組み込んで実現したり、水、薬品などの流体を計測する機器として実現するなど種々異なる形態とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る流体計測装置の基本構成を示す構成図である。
【図２】フローセンサを用いた流量計測装置の構成ブロック図である。
【図３】図２のマイクロコンピュータが実行する本発明に係る流量計測処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】ヒータの印加電圧とフローセンサの出力例の一例を説明するためのグラフである。
【図５】本発明による温度差と器差との関係を示すグラフである。
【図６】従来の熱型のフローセンサの構成を示す構成図である。
【図７】図６に示すフローセンサの断面図である。
【図８】従来の温度差によるサーモパイルの出力を示す模式図である。
【図９】従来のフローセンサで計測された流体温度とセンサ基体温度との温度差とセンサ出力器差（測定誤差）との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００７２】
１    フローセンサ（フローセンサ）
４    ヒータ
５    下流側温度センサ
８    上流側温度センサ
１１，１３    横側温度センサ
２０    流体計測装置
４１ａ    ヒータ制御手段（ＣＰＵ）
４１ｂ    非駆動時横側温度信号取込手段（ＣＰＵ）
４１ｃ    駆動時横側温度信号取込手段（ＣＰＵ）
４１ｄ    物性状態情報検出手段（ＣＰＵ）
４１ｅ    温度信号取込手段（ＣＰＵ）
４１ｆ    補正手段（ＣＰＵ）
４１ｇ    流量算出手段（ＣＰＵ）
４１ｈ    非駆動時温度信号取込手段（ＣＰＵ）
【図１】
2007139672.tif 000003
【図２】
2007139672.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007139672.tif 000006
【図５】
2007139672.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007139672.tif 000009
【図８】
2007139672.tif 000010
【図９】
2007139672.tif 000011