(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ素子、このヒータ素子を間にして流体の通流方向にそれぞれ設けられた第１および第２の測温センサ素子、およびその周囲温度を検出する周囲温度測温センサ素子を備えた流量センサと、
前記周囲温度測温センサ素子による測温温度に応じて、前記ヒータ素子のヒータ温度を、前記周囲温度測温センサ素子による測温温度よりも一定温度高く維持するように、前記ヒータ素子のヒータ温度を制御する第１のヒータ制御手段と、前記周囲温度測温センサ素子による測温温度に応じて、前記第１および第２の測温センサ素子による測温温度の平均値を前記周囲温度測温センサ素子による測温温度よりも一定温度だけ高く維持するように、前記ヒータ素子のヒータ温度を制御するヒータ制御手段と、
前記第１の測温センサ素子と前記第２の測温センサ素子との測温温度差から前記流量センサを通流する流体の流量を計測する流量計測手段と、
この流量計測手段による計測流量に基づいて、前記第１のヒータ制御手段と前記第２のヒータ制御手段とを択一的に用いて前記ヒータ素子を駆動する切替え手段と
を備えたことを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
前記第１および第２の測温センサ素子に第１および第２のサーモパイルを用いたことを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
【請求項３】
前記切替え手段は、
前記流量計測手段による計測流量が低流量のときには、前記第１のヒータ制御手段を用いて前記ヒータ素子を駆動し、
前記流量計測手段による計測流量が高流量のときには、前記第２のヒータ制御手段を用いて前記ヒータ素子を駆動すること
を特徴とする請求項１または２に記載の熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流量の変化にかかわることなく、高精度な流量計測を行い得る熱式流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体の流量を計測する熱式流量計には、たとえばバッテリを電源として家庭用のガスメータ等に使用されるものがある。こうした熱式流量計を構成する流量センサは、たとえば図７に示すようにシリコン基板Ｂ上に設けた発熱抵抗体からなるヒータ素子Ｒｈを間にして、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度センサＲｕ、Ｒｄを設けた素子構造を有する。この熱式流量計は、図８に示すように、上記ヒータ素子Ｒｈに供給される電流によって発せられる熱で生じる前記流体の通流方向Ｆにおける温度分布（以下「ヒータ周辺温度分布」という）が前記流体の流速によって変化することを利用し、測温抵抗素子である温度センサＲｕ，Ｒｄの温度による抵抗値変化から、前記流体の流量を検出するように構成される。
【０００３】
ヒータ制御手段は、図７中、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた周囲温度測温センサ素子をなす周囲温度測温抵抗素子Ｒｒを用いて、周囲温度（計測対象である流体の温度）を計測し、ヒータ素子Ｒｈと周囲温度との温度差（（ヒータ素子Ｒｈの温度）−（周囲温度）、以下「（ヒータ温度−周囲温度）ＤＴ」と表示する）を一定に保つように、ヒータ素子Ｒｈに電圧を印加している。
【０００４】
そして、具体的なヒータ周辺温度分布は、図８中の実線に示すように、流体の流量Ｑがゼロの場合には、通流方向下流側の温度は通流方向上流側の温度と同一となり、流体の流量Ｑがゼロでない場合には、図８中の破線に示すように、下流側の温度が上流側の温度よりも高くなる。そこで熱式流量計は、通流下流側の温度センサＲｄと通流上流側の温度センサＲｕとの測温結果から、下流側と上流側との温度差を流量センサの出力として検出し流量Ｑを計測する。
【０００５】
しかし、流量Ｑの増加と共に、ヒータ素子Ｒｈの発した熱が流体と共に流量センサ外に流出して、上記温度センサＲｄ、Ｒｕ間の温度差の増加率は減少する。そして図９に示すように、流量計測特性を表す曲線は流量Ｑの増加と共にその傾斜が小さくなり、ついには飽和する。そうすると高流量領域における流量計測の精度が低下することのみならず、熱式流量計の流量計測範囲が狭くなる。
【０００６】
そこで、本発明者らは、流量Ｑの増加に伴う流量センサからの流出熱量を補うべくヒータ素子の発熱量を増加させ、周囲温度に対して上記温度センサＲｄ、Ｒｕにおける測温温度の平均値を一定温度高くなるように制御することを考えた。こうした制御を行うことで、流量Ｑの増加に伴う上記温度センサＲｄ、Ｒｕ間の温度差の増加率減少を軽減し、流量計測特性曲線の高流量領域における傾斜減少が軽減でき、高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大ができる。
【０００７】
あるいは、流量計測範囲を広くするため、低流量計測用および高流量計測用の２個の流量センサを、流量に応じて択一的に使用する熱式流量計も考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流量Ｑの増加に伴う流量センサからの流出熱量を補うべくヒータ素子の発熱量を増加さる制御では、周囲温度が一定であっても、流量に応じてヒータ素子の温度を上昇させるため、（ヒータ温度−周囲温度）ＤＴを一定に維持する従来の熱式流量計に比べて、流量センサの消費電力が増加してしまう。こうした消費電力増加は、バッテリを電源とする熱式流量計において、バッテリの放電を早めることが否めない。
【０００９】
また、低流量計測用および高流量計測用の２個の流量センサを使用すると、熱式流量計の消費電力が増加すること、また熱式流量計のコストアップや大型化が否めない。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、１個の流量センサで低消費電力、且つ広い流量計測範囲において高精度の流量計測を可能とする熱式流量計を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１では、流量センサが、ヒータ素子、ヒータ素子を間にして流体の通流方向Ｆにそれぞれ設けられた第１および第２の測温センサ素子、およびその周囲温度を検出する周囲温度測温センサ素子を備える。
【００１１】
そして低消費電力で流体の流量を計測するために、第１のヒータ制御手段は、周囲温度測温センサ素子による測温温度に応じて、ヒータ素子のヒータ温度を周囲温度測温センサ素子による測温温度よりも一定温度高く維持して、第１および第２の測温センサ素子による流体の通流方向上下流の測温を可能とする。
他方、高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大が可能となるように、第２のヒータ制御手段は、周囲温度測温センサ素子による測温温度に応じて、第１および第２の測温センサ素子による測温温度の平均値を周囲温度測温センサ素子による測温温度よりも一定温度だけ高く維持して、第１および第２の測温センサ素子による流体の通流方向上下流の測温を可能とする。
【００１２】
上述のようにヒータ制御手段がヒータ素子を起動して、第１および第２の測温センサ素子による流体の通流方向上下流の測温を行うことにより、これら測温センサ素子の測温温度差から流量計測手段が流量センサを通流する流体の流量を計測することができる。こうして計測された流体の流量に応じ、切替え手段が、第１のヒータ制御手段または第２のヒータ制御手段に流量センサを択一的に接続して、熱式流量計が流体の流量を計測する。
【００１３】
したがって、第１のヒータ制御手段で流量センサを駆動して低消費電力による流量計測を実現し、且つ第２のヒータ制御手段で流量センサを駆動して高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大を実現することができる。請求項２の発明では、前記第１および第２の測温センサ素子に第１および第２のサーモパイル（熱電対）が使用される。したがって、各測温センサ素子に測温抵抗素子を使用したときに、各測温抵抗素子に流れる電流によって生じる自己発熱で、各測温センサ素子の温度が上昇して流量計測に誤差が生じることを防止でき、さらなる流量計測の高精度化が可能となる。
【００１４】
請求項３の発明では、流体の流量が低流量のときには、第１のヒータ制御手段を用いてヒータ素子を駆動し、流体の流量が高流量のときには、第２のヒータ制御手段を用いてヒータ素子を駆動するので、特定の流量を閾値とすることにより、閾値未満の流量を低流量とし閾値以上の流量を高流量として、熱式流量計の消費電力を低減しつつ、高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大が可能となる。
【００１５】
特にバッテリを電源として動作し、通常は流体の流量が低流量である場合が殆どである熱式流量計、たとえば家庭用ガスメータ等では、長期に亘ってバッテリで動作することができると共に、高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大が可能な熱式流量計を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱式流量計を説明する。
図１は、本発明に係る熱式流量計の一実施形態の概略要部構成図である。図１に示す熱式流量計１０が備える流量センサ１１は、図７に示す流量センサと同様に構成されており、通流上流の温度センサＲｕ（第１の測温センサ）、通流下流の温度センサＲｄ（第２の測温センサ）、ヒータ素子Ｒｈおよび周囲温度測温抵抗素子Ｒｒ（周囲温度測温センサ）を有している。
【００１７】
この流量センサ１１は、低流量を計測するときには第１のヒータ制御手段１２へ、高流量を計測するときには第２のヒータ制御手段１３へと、切替え手段１４の切替動作によって択一的に接続される。そして流量センサ１１を通流する流体の流量は流量計測手段１５によって電気信号として出力され、この電気信号が演算装置１６に入力される。また、この演算装置１６は上記切替え手段１４の切替動作を制御するものとなっており、上記切替え手段１４はスイッチＳＷ１４ａ〜１４ｃの３つのスイッチを有している。
【００１８】
低流量計測時に、低消費電力で流体の流量を計測するため、増幅器ＡＭＰ１２、トランジスタＴＲ１２、抵抗素子Ｒ１２ａ、Ｒ１２ｂ、Ｒ１２ｃからなる第１のヒータ制御手段１２が、流量センサ１１の周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる周囲温度測温に応じて、流量センサ１１のヒータ素子Ｒｈの温度を制御するように構成されている。
【００１９】
このヒータ素子Ｒｈの温度制御は、直列接続された抵抗素子Ｒ１２ａと周囲温度測温抵抗素子Ｒｒに、直列接続された抵抗素子Ｒ１２ｂとヒータ素子Ｒｈを並列接続して形成した、第１のヒータ制御ブリッジ回路を平衡させることによって行われる。
さらに詳しくは、切替え手段１４が有するスイッチＳＷ１４ａにより、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの一端である接続点Ｎ１が抵抗素子Ｒ１２ａの一端へ択一的に接続され、切替え手段１４が有するスイッチＳＷ１４ｂにより、ヒータ素子Ｒｈの一端である接続点Ｎ２が抵抗素子Ｒ１２ｂの一端へ択一的に接続される。周囲温度測温抵抗素子Ｒｒとヒータ素子Ｒｈの他端は接地され、抵抗素子Ｒ１２ａと抵抗素子Ｒ１２ｂの他端には、トランジスタＴＲ１２のコレクタから電流が供給される。
【００２０】
抵抗素子Ｒ１２ａの一端は増幅器ＡＭＰ１２の反転入力端子へ、抵抗素子Ｒ１２ｂの一端は増幅器ＡＭＰ１２の非反転入力端子へとそれぞれ接続されている。増幅器ＡＭＰ１２の出力電圧は、エミッタが電源線Ｖｃに接続されるトランジスタＴＲ１２のベースに、抵抗素子Ｒ１２ｃを介して入力される。したがってトランジスタＴＲ１２のコレクタ電流は増幅器ＡＭＰ１２の出力電圧により制御される。
【００２１】
上記のように構成される第１のヒータ制御ブリッジ回路が、接続点Ｎ１およびＮ２の電位が同電位となって平衡するとき、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの両端電圧とヒータ素子Ｒｈの両端電圧とが等しいことになる。
ここで、周囲温度に対してヒータ温度が一定値だけ高い状態で、第１のヒータ制御ブリッジ回路が上記の平衡状態となるように、抵抗素子Ｒ１２ａ、Ｒ１２ｂ、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒ、ヒータ素子Ｒｈの抵抗値が設定されている。
【００２２】
したがって、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの抵抗値が周囲温度上昇に伴い増加すると、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの両端電圧も増加して、ヒータ素子Ｒｈに印加される電圧が第１のヒータ制御手段によって増加され（ヒータ温度−周囲温度）ＤＴが一定値に維持されることになる。
なお、流量センサ１１が第１のヒータ制御手段１２で駆動される場合には、後述する流量計測ブリッジ回路を形成する直列接続された温度センサＲｕ，Ｒｄの一端側である接続点Ｎ３はスイッチＳＷ１４ｃによって択一的に電源線Ｖｃに接続される。
【００２３】
次に第２のヒータ制御手段１３による流量センサ１１の駆動について説明する。高流量計測時に流体の流量を計測するため、図２に示すように、増幅器ＡＭＰ１３、抵抗素子Ｒ１３ａ、１３ｂからなる第２のヒータ制御手段１３が、流量センサ１１の周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる周囲温度の測温に応じて、温度センサＲｕ、Ｒｄの測温温度の平均値を、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる周囲温度の測温より、一定値だけ高くするように構成されている。
【００２４】
このヒータ素子Ｒｈの温度制御は、直列接続された抵抗素子Ｒ１３ａと周囲温度測温抵抗素子Ｒｒを、直列接続された抵抗素子Ｒ１３ｂ、温度センサＲｕおよび温度センサＲｄに並列接続して形成した、第２のヒータ制御ブリッジ回路を平衡させることによって行われる。
さらに詳しくは、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの一端である接続点Ｎ１が、切替え手段１４が有するスイッチＳＷ１４ａにより、抵抗素子Ｒ１３ａの一端へ択一的に接続され、直列接続された温度センサＲｄおよび温度センサＲｕの一端（接続点Ｎ３）が、切替え手段１４が有するスイッチＳＷ１４ｃにより、抵抗素子Ｒ１３ｂの一端へ択一的に接続される。抵抗素子Ｒ１３ａと抵抗素子Ｒ１３ｂの他端は電源線Ｖｃへ接続されて、第２のヒータ制御ブリッジ回路に電流が供給されるようになっている。
【００２５】
抵抗素子Ｒ１３ａの一端は増幅器ＡＭＰ１３の非反転入力端子へ、抵抗素子Ｒ１３ｂの一端は増幅器ＡＭＰ１３の反転入力端子へとそれぞれ接続される。このときヒータ素子Ｒｈは、スイッチＳＷ１４ｂにより増幅器ＡＭＰ１３の出力端子に択一的に接続されて、増幅器ＡＭＰ１３で駆動される。なお直列接続された温度センサＲｄおよび温度センサＲｕにおいては、温度センサＲｕが接続点Ｎ３側に、温度センサＲｄが接地側に接続される。
【００２６】
上記のように形成される第２のヒータ制御ブリッジ回路において、接続点Ｎ１およびＮ３の電位が同電位となって平衡するとき、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの両端電圧と直列接続された温度センサＲｄおよび温度センサＲｕの両端電圧とが等しいことになる。
そして、周囲温度に対して温度センサＲｄ、Ｒｕの測温温度の平均値が一定値だけ高い状態で、第２のヒータ制御ブリッジ回路が平衡状態となるように、抵抗素子Ｒ１３ａ、１３ｂ、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒ、温度センサＲｕ、Ｒｄの抵抗値が設定されている。
【００２７】
なお、温度センサＲｄ、Ｒｕは直列接続されており、その両端には、各測温センサの測温温度の合計値に相当する電圧が生じるが、この場合、合計値は平均値の２倍であるので、増幅器ＡＭＰ１３の非反転側入力に対する利得と反転側入力に対する利得とを適宜設定することにより、測温温度の合計値を平均値として扱うことができる。
【００２８】
こうして、流量が増加して、ヒータ素子Ｒｈが発する熱量の流量センサ外への流出が増加した場合でも、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの測温温度に応じて、ヒータ素子Ｒｈに印加される電圧が第２のヒータ制御手段によって制御され、温度センサＲｄおよび温度センサＲｕの測温温度の平均値が、周囲温度に対して一定値だけ高い温度に維持される。
【００２９】
流量計測手段１５は、増幅器ＡＭＰ１５および直列接続された抵抗素子１５ａ、１５ｂを有し、抵抗素子１５ａ、１５ｂは、流量センサ１１が有する直列接続された温度センサＲｄ、Ｒｕと並列接続されて流量計測ブリッジ回路を形成している。そして温度センサＲｄ、Ｒｕの接続点は接続点Ｎ４をなし、抵抗素子１５ａ、１５ｂの接続点は接続点Ｎ５をなし、抵抗素子１５ａは接続点Ｎ３に接続され、抵抗素子１５ｂは接地され、抵抗素子１５ａおよび１５ｂはそれぞれ等しい抵抗値であるとする。
【００３０】
接続点Ｎ４、Ｎ５は流量計測ブリッジ回路の出力端子（センサ出力端子）を形成し、接続点Ｎ４は増幅器ＡＭＰ１５の非反転入力端子に接続され、接続点Ｎ５は増幅器ＡＭＰ１５の反転入力端子に接続されている。したがって流体の流量がゼロのときには、温度センサＲｄ、Ｒｕの抵抗値が等しくなり、流量計測ブリッジ回路は平衡して、流量センサの出力はゼロ（Ｖ）となり、増幅器ＡＭＰ１５の出力端子の出力電圧もゼロ（Ｖ）となる。
【００３１】
他方、流量がゼロでないときには、温度センサＲｄの測温温度（抵抗値）が、温度センサＲｕの測温温度（抵抗値）よりも高い温度（抵抗値）となるので、接続点Ｎ４の電位は接続点Ｎ５の電位より高くなり、増幅器ＡＭＰ１５の利得を設定することにより、流量計測ブリッジ回路のセンサ出力を増幅器ＡＭＰ１５の出力端子から正電圧として得ることができる。
【００３２】
演算装置１６は、上記増幅器ＡＭＰ１５の出力電圧に基づき、流体の流量を外部機器に伝達すると共に、前記切替え手段１４の各スイッチＳＷ１４ａ〜１４ｃの切替え制御を行う。
演算装置１６は中央演算ユニット（以下「ＣＰＵ」と表示する）１６ａ、入力インターフェース１６ｂ及び出力インターフェース１６ｃとを有している。そして入力インターフェース１６ｂはＡＤ変換器（アナログ・ディジタル変換器、図示せず）を有している。ＣＰＵ１６ａは、たとえば電気的消去可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）で構成されるＲＯＭ１６ｆにメモリされたプログラムによって制御され、増幅器ＡＭＰ１５の出力電圧をアナログ・ディジタル変換して流体の流量を計測して外部機器に伝達する。また、この流量計測に基づき、ＣＰＵ１６ａは、流量センサ１１が第１のヒータ制御手段１２または第２のヒータ制御手段１３によって択一的に駆動されるように、切替え手段１４の各スイッチＳＷ１４ａ〜１４ｃの切替えを行うものとなっている。図１中の１６ｄは切替え手段１４の各スイッチＳＷ１４ａ〜１４ｃの切替え制御信号の出力端子であり、１６ｅは流量計測出力端子である。
【００３３】
第１のヒータ制御手段１２または第２のヒータ制御手段１３による流量センサ１１の駆動に関する演算装置１６による制御は、図３に示すように、ＣＰＵ１６ａによって以下の手順で行われる。なお、以下の手順において、計測モード１とは、切替え手段１４の切替え動作によって流量センサ１１が第１のヒータ制御手段１２で駆動されて、熱式流量計１０が流量を計測している状態をいう。他方、計測モード２とは、切替え手段１４の切替え動作によって流量センサ１１が第２のヒータ制御手段１３で駆動されて、熱式流量計１０が流量を計測している状態をいう。また、図３中のＹは判断条件に対する肯定でありＮは否定である。
【００３４】
先ず、第１のヒータ制御手段１２に駆動された流量センサ１１が、低消費電力状態において流量を計測する計測モード１を初期状態として説明する。
演算装置１６による制御はステップＳ２０から開始され、熱式流量計１０が計測モード１で動作しているか否かをステップＳ２１において判断する。上記の初期状態では、計測モード１と判断されてステップＳ２２に進む。
【００３５】
そして次に、流量が低流量である場合（流量がＱ１以上ではない場合）には、以下のようにして、第１のヒータ制御手段１２に駆動された流量センサ１１が、低消費電力状態において流量を計測する。
ステップＳ２２では、熱式流量計１０が、計測モード１で流量計測を行う。この流量計測に基づき、流量が所定値Ｑ１以上か否かがステップＳ２３で判断される。
【００３６】
ステップＳ２３で上記計測流量が所定流量Ｑ１以上でないと判断されたときには、演算装置１６は、ステップＳ２２において計測モード１で計測した流量計測結果（低流量）を外部機器に出力すると共に、ステップＳ２４に進んで制御を終了し、再びステップＳ２０から制御を開始する。
さらに、計測モード１で流量計測中に、流量が低流量から高流量（流量がＱ１以上）に変化した場合の流量変化の判断を説明する。
【００３７】
上述のステップＳ２３において、前記計測流量が所定値Ｑ１以上と判断されたときには、制御はステップＳ２５に進んで、熱式流量計１０が計測モード１の状態で流量を計測し続け、演算装置１６はＴ秒間にわたって流量Ｑ１以上が維持されるか否かを判断する。
上述ステップＳ２５における判断は、計測モードの切替えがＱ１を閾値として行なわれる場合に、この閾値近辺における流量の微細な変化によって、計測モードの切替えが頻繁に行われ、流量計測が不安定になること防止するために行われる。そのため、Ｔ秒間にわたって流量の計測結果がＱ１以上を維持したときに、制御はステップＳ２６に進んで、計測モードが計測モード１から計測モード２へと切替わる。さらに制御はステップＳ２６からステップＳ２４に移行して終了し、計測モード２の状態で再びステップＳ２０から制御が開始される。
【００３８】
他方、Ｔ秒間にわたって流量Ｑ１以上が維持されなかったときには、制御はステップＳ２４に移行して終了し、計測モードを１として再びステップＳ２０から制御が開始される。
次に、第２のヒータ制御手段に駆動された流量センサ１１が、高流量に対しても高精度で流量を計測する計測モード２になっている場合を説明する。
【００３９】
演算装置１６による制御はステップＳ２０から開始され、熱式流量計１０が計測モード１で動作しているか否かをステップＳ２１において判断する。上記の場合には、計測モード１でないと判断されて、制御はステップＳ２７に進む。
ステップＳ２７では、計測モード２で熱式流量計１０が流量計測を行う。この流量計測の結果、流量が所定値Ｑ１未満か否かがステップＳ２８で判断される。
【００４０】
ステップＳ２８で流量が所定値Ｑ１未満ではないと判断されたとき（高流量のとき）には、演算装置１６は、ステップＳ２７で計測した流量計測結果を外部機器に出力し、ステップＳ２４に移行して制御を終了し、計測モード２の状態で再びステップＳ２０から制御を開始する。
次に、計測モード２で流量計測中に、流量が高流量から低流量（流量がＱ１未満）に変化した場合の流量変化の判断を説明する。
【００４１】
上述のステップＳ２８において、流量が所定値Ｑ１未満と判断されたときには、演算装置１６は、ステップＳ２９に進んで計測モード２の状態で流量を計測し続け、流量がＴ秒間にわたってＱ１未満か否かを判断する。流量がＴ秒間にわたってＱ１未満の状態を維持しなかったとき（高流量のとき）には、ステップＳ２７で計測した流量計測結果（高流量）が外部機器へ出力されると共に、ステップＳ２４に移行して制御が終了し、再びステップＳ２０から制御が開始される。
【００４２】
流量がＴ秒間にわたってＱ１未満を維持したとき（低流量のとき）に初めて、制御はステップＳ３０に進んで、計測モードは計測モード２から計測モード１へと切替わり、さらにステップＳ２４に移行して終了し、計測モード１の状態で再びステップＳ２０からの制御が開始される。
なおステップＳ２９でＴ秒間の流量継続を判断するのは、ステップＳ２５における場合と同様の理由による。
【００４３】
このようにして、熱式流量計１０は、流量Ｑ１を閾値として、低流量を計測するときには流量センサ１１を第１のヒータ制御手段１２に、高流量を計測するときには流量センサ１１を第２のヒータ制御手段１３へと、切替え手段１４の切替動作によって択一的に接続することができる。
たとえば、図４（ａ）に示すように、上記流量Ｑ１を、第１のヒータ制御手段１２に駆動された流量センサ１１の流量計測特性曲線（図４（ａ）中の実線）の傾斜が小さくなり始める流量に設定し、上記流量Ｑ１以上の流量においても流量センサ１１の流量計測特性曲線の傾斜が小さくならないように、流量センサ１１を第１のヒータ制御手段１２による駆動から第２のヒータ制御手段１３による駆動に切替えるようにする。
【００４４】
こうして流量Ｑ１未満の流量領域では、図４（ａ）中の実線の流量計測特性曲線（第１のヒータ制御手段１２に駆動された流量センサ１１の流量計測特性曲線）を得ることができ、他方、流量Ｑ１以上の流量領域では、図４（ａ）中の破線の流量計測特性曲線（第２のヒータ制御手段１３に駆動された流量センサ１１の流量計測特性曲線）を得ることができる。こうしてヒータ制御手段１２、１３を切替えて流量センサ１１を駆動して得られる流量計測特性を図４（ｂ）に示す。
【００４５】
かくして１個の流量センサで低消費電力、且つ広い流量計測範囲において高精度の流量計測を可能とする熱式流量計が実現される。
次に、図５に、本発明に係る熱式流量計の第１の変形実施形態を示す。本変形実施形態は、流量センサ１１および流量計測手段１５について、上述の熱式流量計１０を変形したものであり、上述の熱式流量計１０と同様の機能を有する構成要素は同一の符号を付してその説明を省略すると共に演算装置１６の記載を省略する。
【００４６】
第１の変形実施形態では、流量センサ１１は、流体の通流方向Ｆに測温抵抗体からなる一対の温度センサＲｕ、Ｒｄを設ける代わりに、一対のサーモパイル（熱電対）Ｔｐｕ、Ｔｐｄを設ける素子構造となっている。そしてヒータ周辺温度分布が流体の流量によって変化すると、サーモパイルＴｐｕ、Ｔｐｄの起電力の変化から、前記流体の流量を検出するように構成される。
【００４７】
具体的には、流体の流量Ｑがゼロの場合には、サーモパイルＴｐｕ、Ｔｐｄの起電力は等しく、流量Ｑがゼロでない場合には、下流側のサーモパイルＴｐｄの熱起電力が上流側のサーモパイルＴｐｕの熱起電力よりも高くなることを利用して流量Ｑを計測するものである。
流量計測手段１５は、高入力インピーダンスの増幅器ＡＭＰ１５ｃ、１５ｄおよび減算回路ＡＭＰ１５ｅを有している。第１の変形実施形態では、流量計測ブリッジ回路が形成されないため、上流側のサーモパイルＴｐｕの熱起電力は増幅器ＡＭＰ１５ｃで増幅されて減算器ＡＭＰ１５ｅの反転入力端子に入力され、一方、下流側のサーモパイルＴｐｄの熱起電力は増幅器ＡＭＰ１５ｄで増幅されて減算器ＡＭＰ１５ｅの非反転入力端子に入力される。そして減算器ＡＭＰ１５ｅは下流側のサーモパイルＴｐｄの熱起電力からサーモパイルＴｐｕの熱起電力を減算して、ＣＰＵ１６ａの入力インターフェース１６ｂへ出力する。
【００４８】
かくして流体の流量によって変化する流量センサ１１のヒータ周辺温度分布がサーモパイルＴｐｕ、Ｔｐｄによって計測することができ、流体の流量を計測することができる。
他方、前述の熱流量計１０の流量センサ１１が有する一対の温度センサＲｕ、Ｒｄは、測温抵抗体からなり、電流を温度センサＲｕ、Ｒｄに流すことで、抵抗値を電圧値に変換して温度センサＲｕ、Ｒｄの温度による抵抗値変化を検出しなければならない。そうすると上記電流で温度センサＲｕ、Ｒｄに自己発熱が生じて、流量センサ１１のヒータ周辺温度分布測定に誤差を生じることが否めない。
【００４９】
一方、サーモパイルＴｐｕ、Ｔｐｄで生じる熱起電力によって測温を行う熱流量計においては、上記自己発熱が生じることなく、流量センサ１１のヒータ周辺温度分布を測定することができるために、熱式流量計の精度をさらに向上することが可能となる。なお周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの代わりにサーモパイルを使用すれば、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの自己発熱による誤差発生も防止され、さらなる熱式流量計の高精度化が可能となる。
【００５０】
そして図５においても、流量センサ１１が、第１のヒータ制御手段１２で駆動される場合には、（ヒータ温度−周囲温度）ＤＴが一定値に維持される。流量センサ１１が、第２のヒータ制御手段１３で駆動される場合には、サーモパイルＴｐｕ、Ｔｐｄの起電力の合計値（平均値）が周囲温度よりも一定温度だけ高く維持される。
【００５１】
したがって、図５の第１の変形実施形態にかかる熱式流量計も、前述の熱式流量計１０と同様に動作することが可能であり、図４に示す流量計測特性を実現することができ、１個の流量センサで低消費電力、且つ広い流量計測範囲において高精度の流量計測を可能とする熱式流量計を実現することができる。
次に、図６に、本発明に係る熱式流量計の第２の変形実施形態を示す。なお前述の熱式流量計１０と同様の機能を有する構成要素は同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５２】
第２の変形実施形態の熱式流量計４０は、第１、第２のヒータ制御ブリッジ回路、流量計測ブリッジ回路を有していない。
しかし、周囲温度、ヒータ素子Ｒｈに印加されている電圧、流量センサに通流する流体のヒータ素子Ｒｈの上下流における測温は以下のようにして行われる。
周囲温度の測温は、流量センサの周囲温度測温抵抗素子Ｒｒに抵抗素子４１ａを介して電源線Ｖｃから電流を供給して、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの両端電圧の温度による変化を検出することにより行う。周囲温度測温抵抗素子Ｒｒの両端電圧は、増幅器ＡＭＰ４２で増幅されて演算装置１６の入力インターフェース１６ｂのＡＤ変換器でディジタル信号に変換され、ＣＰＵ１６ａのプログラム制御によって周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温データとされる。
【００５３】
ヒータ素子Ｒｈの両端電圧は、増幅器ＡＭＰ４３で増幅されて、上記と同様にＣＰＵ１６ａのプログラム制御によってヒータ素子Ｒｈの電圧データとされる。
温度センサＲｕ、Ｒｄには、抵抗素子４１ｂを介して電源線Ｖｃから電流が供給され、直列接続された温度センサＲｄ、Ｒｕの両端電圧は増幅器ＡＭＰ４４で増幅されて、上記と同様にＣＰＵ１６ａのプログラム制御によって温度センサＲｄ、Ｒｕの測温温度の合計値データとされる。なおこの合計値データは温度センサＲｄ、Ｒｕの測温温度の平均値データに変換される。
【００５４】
温度センサＲｄの両端電圧は増幅器ＡＭＰ４５で増幅されて、上記と同様にＣＰＵ１６ａのプログラム制御によって温度センサＲｄの測温温度データとされる。
したがって、前述第１のヒータ制御ブリッジ回路が形成されていなくても、周囲温度（周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温データ）上記とヒータ素子Ｒｈの電圧（ヒータ素子Ｒｈの電圧データ）との比較を、ＣＰＵ１６ａがプログラム制御により行い得る。同様にヒータ素子Ｒｈの上下流における温度センサＲｕ、Ｒｄの測温温度の平均値（温度センサＲｄ、Ｒｕの測温温度の平均値データ）と周囲温度（周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温データ）とをＣＰＵ１６ａがプログラム制御により比較し得る。
【００５５】
そしてＣＰＵ１６ａは、その出力インターフェース１６ｃ（ディジタル・アナログ変換器（図示せず）を有する）およびトランジスタＴＲ４６を介してヒータ素子Ｒｈを駆動し、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温温度に応じて（ヒータ温度−周囲温度）ＤＴを一定値に維持することができる。またＣＰＵ１６ａは、周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温温度に応じて、温度センサＲｄ、Ｒｕによる測温温度の平均値を周囲温度測温抵抗素子Ｒｒによる測温温度よりも一定温度だけ高く維持することができる。
【００５６】
さらに、ＣＰＵ１６ａは、図３に示す手順に従って、ヒータ素子Ｒｈを、周囲温度とヒータ素子Ｒｈの電圧との比較に基づき駆動するのか、または温度センサＲｕ、Ｒｄの測温温度の平均値と周囲温度との比較に基づき駆動するのか、の二つの制御をプログラムに従い択一的に切替え・選択できる。そして、ＣＰＵ１６ａは、温度センサＲｄ、Ｒｕの測温温度の合計値データ、温度センサＲｄの測温温度データから、ヒータ素子Ｒｈの上下流における測温温度の差を算出できるので、流体の流量を検出することができる。
【００５７】
このように第２の変形実施形態の熱式流量計４０は、前述の熱式流量計１０と同様に作用し、１個の流量センサで低消費電力、且つ広い流量計測範囲において高精度の流量計測を可能とする。
なお本発明に係る熱式流量計は、上述の実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で変形して実施することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に記載の熱式流量計によれば、切替え手段が流体の流量に応じて第１のヒータ制御手段と第２のヒータ制御手段とを択一的に用いて流量センサのヒータ素子を駆動する。したがって１個の流量センサを用い、流体の流量に応じて、低消費電力による低流量計測と、流量計測特性曲線の傾斜が高流量領域で小さくなることを軽減する高流量計測とを切替えることができ、広い流量計測範囲において高精度の流量計測が可能な熱式流量計を実現できる。
【００５９】
本発明の請求項２に記載の熱式流量計によれば、流量センサの通流方向上下流の測温センサにサーモパイルを用いるので、上下流測温センサの自己発熱を生じることなく流量センサのヒータ周辺温度分布を計測することができ、さらなる熱式流量計の高精度化を実現することができる。
本発明の請求項３に記載の熱式流量計は、切替え手段によって、流体の流量が低流量のときには、第１のヒータ制御手段を用いて低消費電力で流量を計測し、流量が高流量のときには、第２のヒータ制御手段を用いて流量計測特性曲線の傾斜が高流量領域で小さくなることを軽減して流量を計測する。したがって、特定の流量を閾値として、閾値未満の流量を低流量とし、閾値以上の流量を高流量として、熱式流量計の消費電力を低減しつつ、流量計測特性曲線の傾斜が高流量領域で小さくなることを軽減して広い流量計測範囲において高精度の流量計測を可能とする。またバッテリ駆動の熱式流量計においては、長期に亘ってバッテリで動作することができると共に、高流量領域における流量計測の精度向上と流量計測範囲の拡大が可能な熱式流量計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱式流量計の一実施形態の概略要部構成図であり、熱式流量計が低流量の流量計測を行っている場合を示す。
【図２】図１に概略要部構成図を示す熱式流量計が高流量の流量計測を行っている場合を示す。
【図３】図１に示す熱式流量計が、ヒータ制御手段の切替えによって流量を計測する場合の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る熱式流量計の熱式流量計測特性の一例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る熱式流量計の第１の変形実施形態における概略要部構成を示す図である。
【図６】本発明に係る熱式流量計の第２の変形実施形態における概略要部構成を示す図である。
【図７】流量センサの概略要部構成を示す図である。
【図８】熱式流量計のヒータ周辺温度分布に例を示すグラフである。
【図９】従来の熱式流量計の流量計測特性の例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０、４０    熱式流量計
１１          流量センサ
１２          第１のヒータ制御手段
１３          第２のヒータ制御手段
１５          流量計測手段
１４          切替え手段
Ｒｈ          ヒータ素子
Ｒｕ          温度センサ（第１の測温センサ）
Ｒｄ          温度センサ（第２の測温センサ）
Ｒｒ          周囲温度測温抵抗素子（周囲温度測温センサ）
Ｔｐｕ        サーモパイル（第１の測温センサ）
Ｔｐｄ        サーモパイル（第２の測温センサ）
【図１】
0004003867.tif 000002
【図２】
0004003867.tif 000003
【図３】
0004003867.tif 000004
【図４】
0004003867.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004003867.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004003867.tif 000009
【図９】
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