(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ素子と、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の温度センサとを具備し、上記第１および第２の温度センサの出力から前記流体の流量を示す流量信号を求める熱式流量計であって、
前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、
上記ヒータ駆動電圧が異常であるとき、前記ヒータ素子の通電駆動を停止させるヒータ駆動停止手段と
を具備したことを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
ヒータ素子と、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の温度センサとを具備し、上記第１および第２の温度センサの出力から前記流体の流量を示す流量信号を求める熱式流量計であって、
前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、
前記ヒータ素子に印加するヒータ駆動電圧を制御して該ヒータ素子の発熱温度を制御するヒータ制御手段と、
前記ヒータ駆動電圧の監視結果に基づいて該ヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧を超えるとき、前記ヒータ素子の通電駆動を停止させるヒータ駆動停止手段と
を具備したことを特徴とする熱式流量計。
【請求項３】
ヒータ素子と、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の温度センサとを具備し、上記第１および第２の温度センサの出力から前記流体の流量を示す流量信号を求める熱式流量計であって、
前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、
上記監視結果に応じて前記ヒータ素子の通電駆動を停止するヒータ駆動停止手段と、
前記ヒータ素子の通電加熱停止時に、所定時間に亘って前記ヒータ素子を強制的に通電駆動する試行手段と、
この強制的なヒータ素子の通電駆動時におけるヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧よりも低いとき、前記ヒータ駆動停止手段による前記ヒータ素子の通電駆動停止を解除する解除手段と
を具備することを特徴とする熱式流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータ素子と、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の温度センサとを具備し、特にヒータ素子の過加熱による熱的破壊を防止することのできる熱式流量計に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
熱式流量計を構成するマイクロフローセンサは、例えば図５に示すようにシリコン基台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。そして熱式流量計は、上記ヒータ素子Ｒｈから発せられる熱の拡散度合い（温度分布）が前記流体の通流によって変化することを利用し、前記温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記流体の流量Ｑを検出する如く構成される。
【０００３】
具体的にはヒータ素子Ｒｈから発せられた熱が流体の流量Ｑに応じて下流側の温度センサＲｄに加わることで、該温度センサＲｄの熱による抵抗値の変化が上流側の温度センサＲｕよりも大きいこと利用して上記流量Ｑを計測するものとなっている。尚、図中Ｒｒは、前記ヒータ素子Ｒｈから離れた位置に設けられた測温抵抗体からなる温度センサであって、周囲温度の計測に用いられる。
【０００４】
図６は上述したマイクロフローセンサを用いた熱式流量計の概略構成を示している。即ち、ヒータ素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒータ素子Ｒｈと周囲温度計測用の温度センサＲｒ、および一対の固定抵抗Ｒ１,Ｒ２を用いてブリッジ回路１を形成し、所定の電源から供給される電圧ＶccをトランジスタＱを介して前記ブリッジ回路１に印加すると共に、該ブリッジ回路１のブリッジ出力電圧を差動増幅器２にて求め、そ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Ｑを帰還制御して前記ブリッジ回路１に加えるヒータ駆動電圧を調整するように構成される。このように構成されたヒータ駆動回路により、前記ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が、その周囲温度よりも常に一定温度差だけ高くなるように制御される。
【０００５】
一方、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化から前記マイクロフローセンサに沿って通流する流体の流量Ｑを検出する流量検出回路は、上記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを用いて流量計測用のブリッジ回路３を形成し、温度センサＲｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧を差動増幅器４を介して検出するように構成される。そして前記ヒータ駆動回路によりヒータ素子Ｒｈの発熱温度が周囲温度よりも常に一定温度差だけ高くなるように制御した条件下において、差動増幅器４を介して検出されるブリッジ出力電圧から前記マイクロフローセンサに沿って通流する流体の流量Ｑを求めるものとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのような熱式流量計において、マイクロフローセンサやヒータ駆動回路を構成する電気部品に故障が生じた場合、ヒータ素子Ｒｈに過大なヒータ駆動電圧が印加される虞がある。このような過大なヒータ駆動電圧がヒータ素子Ｒｈに加わった状態がそのまま放置されると、ヒータ素子Ｒｈの発熱温度が過大となってマイクロフローセンサが熱的に破壊することがある。
【０００７】
またこの種の熱式流量計を可燃性ガスの流量計測に用いた場合には、ヒータ素子Ｒｈの過加熱によって上記可燃性ガスが発火する虞も生じる。従ってヒータ素子Ｒｈの過加熱（異常な高温化）を未然に防ぐことが重要である。しかしながら従来においては、専ら、一対の温度センサＲｕ,Ｒｄを用いて検出されるセンサ出力からマイクロフローセンサの異常を検出しているだけなので、ヒータ素子Ｒｈの異常加熱を正確に検出することができないと言う問題があった。
【０００８】
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、ヒータ素子Ｒｈの異常加熱を正確に検出して該ヒータ素子の過加熱によるマイクロフローセンサの熱的破壊を防止することができ、更には可燃性ガスの発火を未然に防ぐことのできる熱式流量計を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る熱式流量計は、ヒータ素子と、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の温度センサとを具備し、上記第１および第２の温度センサの出力から前記流体の流量を示す流量信号を求めるものであって、
特に前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、この監視手段にて上記流量信号の異常が検出されたとき、前記ヒータ素子の通電駆動を停止させるヒータ駆動停止手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
即ち、ヒータ素子に印加しているヒータ駆動電圧が電気部品の故障等によって過大となり、上記ヒータ駆動電圧から流量信号の異常が検出されたとき、ヒータ駆動停止手段を作動させて前記ヒータ素子の通電駆動を停止させ、これによって前記ヒータ素子の異常加熱を未然に防いでマイクロフローセンサの熱的破壊を防止し、更には可燃性ガスの流量計測に用いているような場合には上記可燃性ガスの発火の危険性を確実に回避するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
また本発明に係る熱式流量計は、前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、前記ヒータ素子に印加するヒータ駆動電圧を制御して該ヒータ素子の発熱温度を制御するヒータ制御手段と、前記ヒータ駆動電圧の監視結果に基づいて該ヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧を超えるとき、前記ヒータ素子の通電駆動を停止させるヒータ駆動停止手段とを備えることを特徴としている。
【００１２】
即ち、ヒータ制御手段によりヒータ素子の発熱温度を制御している場合であっても、ヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧を超えるときにはヒータ素子の通電駆動を停止させるので、前記ヒータ素子が異常に発熱することを未然に防ぐことができ、従ってマイクロフローセンサの熱的破壊を防止することができる等の効果が奏せられる。
【００１３】
また本発明に係る熱式流量計は、前記ヒータ素子に印加されるヒータ駆動電圧を監視して上記流量信号の異常を判定する監視手段と、上記監視結果に応じて前記ヒータ素子の通電駆動を停止するヒータ駆動停止手段と、前記ヒータ素子の通電加熱停止時に、所定時間に亘って前記ヒータ素子を強制的に通電駆動する試行手段と、この強制的なヒータ素子の通電駆動時におけるヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧よりも低いとき、前記ヒータ駆動停止手段による前記ヒータ素子の通電駆動停止を解除する解除手段とを備える。
【００１４】
このようにヒータ素子の通電加熱停止時に所定時間に亘って該ヒータ素子を強制的に通電駆動し、そのときのヒータ駆動電圧を調べれば、前記ヒータ素子の通電加熱を停止させたときの要因が排除されたか否かを容易に判断することが可能となる。具体的にはヒータ駆動電圧が予め定められた基準電圧よりも低くなっていれば、これによって前記ヒータ素子の通電加熱を停止させるに至った原因がなくなったことを確認することができるので、その復旧処理を円滑に実行することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る熱式流量計について詳細に説明する。
図１はこの実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図を示している。この熱式流量計は、図５に示した素子構造のマイクロフローセンサを用い、ヒータ駆動回路および流量検出回路を図６に示すように構成して実現される。即ち、ヒータ素子Ｒｈの駆動回路は、該ヒータ素子Ｒｈと周囲温度計測用の温度センサＲｒ、および一対の固定抵抗Ｒ１,Ｒ２を用いてブリッジ回路１を形成し、所定の電源電圧ＶccをトランジスタＱを介して前記ブリッジ回路１に印加すると共に、該ブリッジ回路１のブリッジ出力電圧を差動増幅器２にて求め、そ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Ｑを帰還制御するように構成される。
【００１６】
また前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄの熱による抵抗値変化を検出する検出回路は、前記一対の温度センサＲｕ,Ｒｄと一対の固定抵抗Ｒｘ,Ｒｙを用いて流量計測用のブリッジ回路３を形成し、温度センサＲｕ,Ｒｄの抵抗値の変化に応じたブリッジ出力電圧Ｖoutを差動増幅器４を介して検出するように構成される。この検出回路（差動増幅器４）にて検出されるブリッジ出力電圧Ｖoutは、演算処理部であるＣＰＵ５に与えられ、その処理機能の一部である流量検出手段５ａにて上記ブリッジ出力電圧Ｖoutに相当する流量Ｑが求められるようになっている。
【００１７】
尚、ＣＰＵ５は、ＥＥＰＲＯＭからなるメモリ６と表示器７とを備える。メモリ６は、前記ブリッジ出力電圧Ｖoutと流量Ｑとの関係を示すテーブルや、前記ヒータ素子Ｒｈの印加電圧Ｖｈと流量Ｑとの関係を示すテーブルを、例えば流体の種別に応じて記憶し、またヒータ素子Ｒｈに対して印加するヒータ駆動電圧の許容最大値等を記憶したものである。また表示器７は、流量検出手段５ａにて求められる流体の流量Ｑを表示したり、後述する各種のメッセージを表示する役割を担う。
【００１８】
さて前記ＣＰＵ５は、上述した流量検出手段５ａのみならず、前記ヒータ素子Ｒｈに印加されるヒータ駆動電圧Ｖｈ（ブリッジ駆動電圧）を監視し、該ヒータ駆動電圧Ｖｈが前記メモリ６に記憶されている許容最大値（基準電圧）を越えるとき、前記ヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止させる駆動停止手段５ｂを備えている。この駆動停止手段５ｂは、例えばヒータ素子Ｒｈに並列に接続されたスイッチ素子としてのトランジスタＳＷを導通（ＯＮ）させることでヒータ素子Ｒｈを短絡し、これによって該ヒータ素子Ｒｈの導通駆動を、具体的にはヒータ素子Ｒｈへの上記ヒータ駆動電圧Ｖｈの印加を停止させる役割を担う。尚、ブリッジ回路１に直列に接続されたスイッチ素子（図示せず）を遮断（ＯＦＦ）して該ヒータ素子Ｒｈへの上記ヒータ駆動電圧Ｖｈの印加を停止させるものであっても良い。そしてヒータ素子Ｒｈの導通駆動の停止により、該ヒータ素子Ｒｈが異常に発熱することを未然に防ぐものとなっている。
【００１９】
更に前記ＣＰＵ５は、前記駆動停止手段５ｂにより前記ヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止させている際、前記トランジスタＳＷを所定時間（短時間）に亘って強制的に遮断（ＯＦＦ）させて該ヒータ素子Ｒｈを試行的に導通駆動する試行手段５ｃを備えている。更にこの試行手段５ｃにより短時間に亘ってヒータ素子Ｒｈを導通駆動した際に該ヒータ素子Ｒｈに印加されるヒータ駆動電圧Ｖｈを検出し、そのときのヒータ駆動電圧Ｖｈが前述した許容最大値（基準電圧）を下回っているときには前記駆動停止手段５ｂによる前記ヒータ素子Ｒｈの通電駆動停止を解除する解除手段５ｄを備えている。
【００２０】
図２は、このような処理機能５ａ,５ｂ,５ｃ,５ｄを備えたＣＰＵ５における基本的な処理動作の流れを示している。このＣＰＵ５の処理動作について説明すると、ＣＰＵ５は先ずヒータ印加電圧Ｖｈに対する異常処理中であるか否かに応じて、その処理ルーチンを選択する［ステップＳ１］。そして異常処理中でない場合には、ヒータ素子Ｒｈに印加されているヒータ駆動電圧Ｖｈを検出し［ステップＳ２］、そのヒータ駆動電圧Ｖｈが、前記マイクロフローセンサに水素を通流しているときのものであるか否かを判定する［ステップＳ３］。
【００２１】
即ち、ヒータ素子Ｒｈは前述した駆動回路によってその周囲温度よりも常に一定温度差だけ高くなるように制御される。しかしマイクロフローセンサを流れる流体の種別によって熱の拡散度合いが異なり、この為、ヒータ素子Ｒｈの発熱温度を周囲温度よりも常に一定温度差だけ高くしたときに該ヒータ素子Ｒｈに印加されヒータ駆動電圧Ｖｈも流体の種別によって異なる。例えば図３に流体の流量Ｑとヒータ素子Ｒｈの駆動電圧Ｖｈの関係を示すように、流体が水素の場合にはヒータ素子Ｒｈに印加される駆動電圧Ｖｈが高く（特性ａ）、これに対して窒素を多く含む空気の場合にはヒータ素子Ｒｈに印加される駆動電圧Ｖｈが比較的低い（特性ｂ）。
【００２２】
前述した判定［ステップＳ３］は、このような流体の種別によって異なるヒータ駆動電圧Ｖｈの違いから、マイクロフローセンサを通流している流体が水素であるか否かを判定している。そして水素以外の流体（気体）を通流している場合には、例えばマイクロフローセンサ内をパージ中である旨のメッセージを出力する等して警告表示する［ステップＳ４］。
【００２３】
これに対してマイクロセンサを通流している流体（気体）が水素である場合には、そのときのヒータ駆動電圧Ｖｈが予め定めた許容最大値（基準電圧）以下であるか否かを判定する［ステップＳ５］。そして上記ヒータ駆動電圧Ｖｈが予め定めた許容最大値（基準電圧）を越えている場合には、前述した駆動停止手段５ｂによりトランジスタＳＷを駆動して前記ヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止させる［ステップＳ６］。この際、上記ヒータ駆動電圧Ｖｈが、例えばその電源電圧Ｖccに相当する故障レベルの電圧であるか否かを判定する［ステップＳ７］。そしてその判定結果に応じて、前記ヒータ駆動電圧Ｖｈが前記許容最大値（基準電圧）を越えるに至った原因が水素の流量が過大である為か、或いはマイクロフローセンサの故障に起因するかを弁別し、その原因をエラー表示する［ステップＳ８,Ｓ９］。
【００２４】
一方、前述したようにしてヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止することは、ヒータ駆動電圧に対する異常処理を実行していることに相当する。従って所定の時間経過後に、再度、この処理を起動した際に上述した異常処理を実行中の場合には［ステップＳ１］、次にその異常処理がマイクロフローセンサの故障に対する処理であるか否かを判定する［ステップＳ１１］。そしてセンサの故障である場合には、その故障に対する異常処理を継続して実行する。
【００２５】
しかしマイクロフローセンサの故障でない場合には、前述した試行手段５ｂを起動してトランジスタＳＷを強制的に遮断（ＯＦＦ）し、前記ヒータ素子Ｒｈを一時的に通電駆動する［ステップＳ１２］。そしてそのときのヒータ素子Ｒｈの駆動電圧Ｖｈを検出し、そのヒータ駆動電圧Ｖｈが前述した許容最大値（基準電圧）以下に復帰しているか否かを判定する［ステップＳ１３］。この判定によってヒータ駆動電圧Ｖｈが前述した許容最大値（基準電圧）以下に復帰していることが確認されたならば、前述した駆動停止手段５ｂによるヒータ素子Ｒｈの通電駆動停止を解除し、ヒータ素子Ｒｈをそのまま通電駆動する。しかしヒータ駆動電圧Ｖｈが許容最大値（基準電圧）を越えたままの状態である場合には、再び、トランジスタＳＷを導通させてヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止する［ステップＳ１４］。
【００２６】
かくしてこのようにしてヒータ素子Ｒｈの通電駆動を制御する処理機能５ｂ,５ｃ,５ｄを備えた熱式流量計によれば、ヒータ素子Ｒｈの駆動電圧Ｖｈがその許容最大値（基準電圧）を越えたとき、該ヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止させるのでヒータ素子Ｒｈが異常に発熱することを未然に防ぐことができ、その過加熱を効果的に防ぐことができる。従ってヒータ素子Ｒｈの異常発熱によってマイクロフローセンサが熱的に破壊される虞を効果的に回避することができる。また水素等の可燃性ガスの流量Ｑを計測するような場合であっても、ヒータ素子Ｒｈが過加熱することがないので水素（可燃性ガス）が発火する虞がない。即ち、ヒータ素子Ｒｈが異常加熱（発熱）状態に至ることを未然に防ぐことが可能となるので、ヒータ素子Ｒｈの異常加熱による不具合の発生を効果的に回避することができる。しかも簡単な構成にて、ヒータ素子Ｒｈの異常加熱を確実に防ぎ得る等の利点がある。
【００２７】
またヒータ素子Ｒｈの通電駆動を停止している際、前述したようにヒータ素子Ｒｈを強制的に通電駆動し、そのときのヒータ駆動電圧Ｖｈを調べて故障から復帰したか否かを判定するので、故障原因が取り除かれた場合には、速やかに通常の流量計測動作に復帰させることができる。即ち、流体の流量Ｑが図４(ａ)に示すように一時的に増大するような場合、流量Ｑの過剰な増大に伴ってヒータ素子Ｒｈの駆動電圧が図４(ｂ)に示すようにその許容最大値（基準電圧）を越えたとき、図４(ｃ)に示すようにヒータ駆動停止信号が出力されてヒータ素子Ｒｈの通電駆動が停止される。そしてヒータ素子Ｒｈの通電駆動停止時には、試行的にヒータ素子Ｒｈが通電駆動され、そのときのヒータ駆動電圧Ｖｈに応じてヒータ素子Ｒｈの通電駆動を再開するか、その停止状態を継続するかが判定される。従って流体の流量Ｑが一時的に過大となったような場合には、流量Ｑが通常の量に戻ることによって速やかに通常の流量計測動作に復帰させることができる。
【００２８】
ちなみにマイクロフローセンサの出力（検出流量Ｑ）は、図４(ｄ)に示すようにヒータ素子Ｒｈの駆動停止時に一時的に途切れることが否めない。しかしながらヒータ素子Ｒｈの異常加熱を未然に防ぐことができるので、流量検出動作の一時的な停止に勝る効果が期待できる。特に可燃性ガスが発火するような自体を確実回避することができるので、防爆安全性を確保する上での実用的利点が極めて高い。
【００２９】
特にヒータ素子Ｒｈに印加する駆動電圧Ｖｈから、その駆動状態が正常であるか異常であるかを判定しているので、過大な流量によってヒータ素子Ｒｈの発熱温度が低く抑えられているような場合でも、その異常状態を確実に検出することができる。従ってヒータ素子Ｒｈの発熱温度が低い場合であっても、そのときの検出流量が正常であるか否かを判定することも可能となる等の二次的な効果も期待することが可能となる。
【００３０】
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。ここではブリッジ回路１を構成してヒータ素子Ｒｈの駆動を制御したが、例えばＣＰＵ５にて温度センサＲｒにより計測される周囲温度を読み込みながら、ヒータ素子Ｒｈの駆動電力を制御してその発熱温度（加熱温度）を制御する場合にも同様に適用することができる。またヒータ素子Ｒｈの温度を一定化制御しながら流量計測を行うように構成した熱式流量計にも適用することができ、更には水素以外にも、酸素等の可燃性ガスの流量を計測する流量計にも適用可能である。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。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ヒータ素子に印加される駆動電圧に応じて、該ヒータ素子の通電駆動を停止させるので、ヒータ素子の異常発熱（加熱）を未然に防ぐことができ、マイクロフローセンサの熱的破壊を未然に防ぎ、更には可燃性ガスが発火する等の不具合を効果的に回避することができる等の実用上多大なる効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱式流量計の要部概略構成図。
【図２】図１に示す熱式流量計におけるＣＰＵでの処理手順の例を示す図。
【図３】流体の種別によって異なる流量Ｑとヒータ駆動電圧Ｖｈとの関係を示す図。
【図４】流体の流量変化に対する熱式流量計の動作形態を模式的に示す図。
【図５】マイクロフローセンサの概略構成図。
【図６】従来の一般的なヒータ駆動回路と流量検出回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
Ｒｈ  ヒータ素子
Ｒｕ  温度センサ（上流側）
Ｒｄ  温度センサ（下流側）
Ｒｒ  温度センサ（周囲温度計測用）
１  ブリッジ回路（ヒータ駆動用）
２  差動増幅器
３  ブリッジ回路（流量計測用）
４  差動増幅器
５  ＣＰＵ
５ａ  流量検出手段
５ｂ  駆動停止手段
５ｃ  試行手段
５ｄ  解除手段
６  メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
７  表示器
Ｑ  トランジスタ（温度制御用）
ＳＷ  トランジスタ（通電制御用）
【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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