(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路の上流側と下流側にヒータを介してそれぞれ配置された第１の感温素子及び第２の感温素子と流体の流速に応じて出力される電圧のレベルが変化する第３の感温素子とを設けた感熱式流速センサと、前記ヒータの駆動電圧を発生する電圧発生手段と、前記第３の感温素子の発生電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧発生手段より発生したヒータ駆動電圧に前記第３の感温素子で検出された電圧を加算してヒータ駆動電圧を増加してヒータに供給する電圧供給手段とを備え、流速の増加に伴ってヒータ駆動電圧を増加させ、高流速域における前記第１の感温素子及び第２の感温素子の流速変化に対する出力変化を増加させることを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】
前記感熱式流速センサは、流速の増加に伴いヒータ駆動電圧が上昇することで、前記第１の感温素子及び第２の感温素子に伝達される熱が上昇して出力電圧が上昇することを特徴とする請求項１に記載の流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流速測定装置に関し、より詳細にはガスメータ等の流体通路中に配置したサーモパイル方式のフローセンサ出力のリニアリティを補正する機能を有する流速測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図６に示すようにガスメータＧＭのガス通路Ｆにおいて流体の上流側と下流側にヒータＨを介して所定の間隔で配置した上流側サーモパイルＵＴＰ、下流側サーモパイルＤＴＰの電圧による熱起電力の差に基づいて、例えばガス等の流速を測定するフローセンサＦＳがある。このフローセンサＦＳにおいて、ヒータＨから放出される熱は、下流側サーモパイルＤＴＰへの伝達速度よりも低い速度で上流側サーモパイルＵＴＰに伝達されて、その速度差分だけ上流側のサーモパイルＵＰＴには、ヒータＨからの熱が下流側サーモパイルＤＴＰよりも冷却されて伝達される。その結果、生じる起電力の電圧は下流側サーモパイルＤＴＰより低い。
そして、高流速域に至るほど、図７の（ａ）に示すようにヒータＨより伝達された熱は流体により奪われる量が多くなり、熱起電力が減少して行く。
【０００３】
下流側サーモパイルＤＴＰは、ヒータＨよりもガスの流れ方向の下流側に位置するため、ヒータＨから放出される熱はガスの熱伝達速度にガスの流速を加えた速度で下流側サーモパイルＤＴＰへ伝達される。しかし、高流速域になるほど、伝達される熱より流体により奪われる熱が多くなり熱起電力は飽和状態となり徐々に低下して行く。
【０００４】
上流側と下流側のサーモパイルＵＰＴ，ＤＴＰの出力（熱起電力）の差（［ＤＴＰ−ＵＴＰ］）を（ＯＵＴ）とし、その変化を流速に沿って求めると、図７の（ｂ）に示すように、低流速域の出力変化（ΔＯＵＴ１／ΔＦ）に対して高流速域の出力変化（ΔＯＵＴ２／ΔＦ）となり、ΔＯＵＴ２／ΔＦ<ΔＯＵＴ１／ΔＦとなる。従って、フローセンサは、高流速域になるほど、流速変化に対するセンサ出力の変化ΔＯＵＴは小さくなり、直線性が悪くなる。
このため、従来はマイコンによるセンサ出力の補正演算によりフローセンサ出力の直線性を補正していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来は、フローセンサ出力を補正するために、マイコンによる演算でフローセンサ出力の補正を行っていた。しかし、演算が複雑でありマイコンの補正演算に対する負担が大きく、また演算に時間を要することでガスメータに内蔵されたバッテリの消耗を促進しかねないという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、マイコンによる複雑な補正演算を行わずにフローセンサ出力の直線性の補正を行う機能を有した流速測定装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る流速測定装置は、図１の基本構成図に示すように、流路の上流側と下流側にヒータを介してそれぞれ配置された第１の感温素子及び第２の感温素子と流体の流速に応じて出力される電圧レベルが変化する第３の感温素子とを設けた感熱式流速センサと、ヒータの駆動電圧を発生する電圧発生手段と、第３の感温素子の発生電圧を検出する電圧検出手段と、電圧発生手段より発生したヒータ駆動電圧に第３の感温素子で出力された電圧を加算してヒータ駆動電圧を増加してヒータに供給する電圧供給手段とを備え、流速の増加に伴ってヒータ駆動電圧を増加させ、高流速域における第１の感温素子及び第２の感温素子の流速変化に対する出力変化を増加させることで、第１の感温素子及び第２の感温素子における出力の差分による、感熱式流速センサの低流速域から高流速域の出力特性に線形性を持たせる。
【０００８】
この発明に係る流速測定装置の感熱式流速センサは、流速の増加に伴いヒータ駆動電圧に第３の感温素子で出力された電圧が加算されてヒータ駆動電圧が上昇することで、第１の感温素子及び第２の感温素子に伝達される熱が上昇して出力電圧が上昇することで、高流速域においても大きなセンサ出力特性を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
次に本実施の形態に係る流速測定装置の動作を説明に入る前に、本発明を適用するマイクロフローセンサの概要を説明する。図２は例えばサーモパイル方式のマイクロフローセンサ３１の平面拡大図である。図に示すように、マイクロフローセンサ３１はＳｉによる基台４１と、この基台４１に異方性エッチングにより形成されたダイヤフラム４１ａと、このダイヤフラム４１ａ上に形成された測温用の上流側、下流側、左側、右側の各サーモパイル４３，４５，４７，４９及び加熱用のマイクロヒータ５１（ヒータに相当）と、ダイヤフラム４１ａ上を外れた基台４１部分に形成された測温抵抗５３とを備えており、このうち、マイクロヒータ５１及び測温抵抗５３は白金等からなる。
【００１０】
前記上流側、下流側、左側、並びに、右側の各サーモパイル４３，４５，４７，４９は、ｐ++−ＳＩ及びＡｌにより構成されており、このうち上流側及び下流側の各サーモパイル４３，４５は、ガス通路２９内を流れるガスの流れ方向Ａにおいてマイクロヒータ５１を挟んで上流側と下流側との基台４１箇所に、マイクロヒータ５１から等間隔で各々配置され、左側及び右側の各サーモパイル４７，４９は、ガス通路（図６におけるＦ）内を流れるガスの流れ方向Ａと直交する幅方向においてマイクロヒータ５１を挟んで左右両側の基台４１箇所に、マイクロヒータ５１から等間隔で各々配置されている。
【００１１】
そして、各サーモパイル４３，４５，４７，４９の温接点４３ａ，４５ａ，４７ａ，４９ａはダイヤフラム４１ａ上に、冷接点４３ｂ，４５ｂ，４７ｂ，４９ｂはダイヤフラム４１ａ以外の基台４１部分に、各々配置されており、測温抵抗５３も各サーモパイル４３，４５，４７，４９の冷接点４３ｂ，４５ｂ，４７ｂ，４９ｂと同様に、ダイヤフラム４１ａ以外の基台４１部分に配置されている。
【００１２】
このように構成されたマイクロフローセンサ３１では、マイクロヒータ５１が通電により発した熱が、ガス通路内のガスを媒体として上流側、下流側、左側、並びに、右側の各サーモパイル４３，４５，４７，４９の付近に伝わると、それら各サーモパイル４３，４５，４７，４９に、マイクロヒータ５１から伝わった熱に応じた温度となる温接点４３ａ，４５ａ，４７ａ，４９ａと、基台４１とほぼ同じ温度となる冷接点４３ｂ，４５ｂ，４７ｂ，４９ｂとの温度差に応じた電圧の起電力が生じる。
【００１３】
したがって、マイクロヒータ５１が加熱されると、マイクロヒータ５１よりもガスの流れ方向Ａの上流側に位置する上流側サーモパイル４３には、ガスの熱伝搬速度からガスの流速を減じた速度で、マイクロヒータ５１から放出される熱が伝達され、マイクロヒータ５１よりもガスの流れ方向Ａの下流側に位置する下流側サーモパイル４５には、ガスの熱伝達速度にガスの流速を加えた速度で、マイクロヒータ５１から放出される熱が伝達される。
【００１４】
しかし、ガス通路２９内をガスが流れていると、マイクロヒータ５１から放出される熱が、下流側サーモパイル４５への伝達速度よりも低い速度で上流側サーモパイル４３に伝達されて、その速度差分だけ上流側サーモパイル４３には、マイクロヒータ５１からの熱が下流側サーモパイル４５よりも冷却されて伝達されるので、上流側及び下流側の各サーモパイル４３，４５に生じる起電力の電圧は、ガス通路２９内を流れるガスによりマイクロヒータ５１から伝達される熱の温度差に応じて、即ち、ガス通路内を流れるガスの流速に応じて異なることになる。
【００１５】
よって、各サーモパイル４３，４５に生じる起電力の電圧差に応じてマイクロフローセンサ３１の出力端子３９から出力される起電力信号の大きさは、マイクロヒータ５１が放出する熱の温度と、ガス通路内を流れるガスの流速とに応じたものとなる。
【００１６】
本発明に係る流速測定装置の詳細説明を行う前に、上記のように構成されたマイクロフローセンサ（以下、フローセンサと略記する。）において、マイコンを使用せずにセンサ出力の直線性を補正する方法の概要を説明する。
従来技術で説明したように、ガス通路において流体の流速が大きくなると、上流側サーモパイル（ＵＴＰ）、下流側サーモパイル（ＤＴＰ）共に熱が流体により奪われる量が多くなり［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力が飽和状態となる。
【００１７】
そこで、ヒータ電圧を増加してＵＴＰ、ＤＴＰに伝達する熱を増加させ、［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力が飽和状態となる高流速域を、更に大きな高流速域にシフトさせることで、［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力の直線性を維持できる低流速域から高流速域の幅が広げる。
【００１８】
流速の増加を検出するには、フローセンサを構成する右側サーモパイル４７（ＴＰ３）の出力情報を用いる。ＴＰ３は図５に示すようにマイクロヒータ５１との軸流上にないが、僅かながら伝達された熱により発生した熱起電力による出力は、流速が増加すると熱は流体に奪われて減少する。
従って、ＴＰ３の出力を後述するヒータ制御回路における最終断の出力増幅器の入力端子に加えることで、ＴＰ３出力電圧は出力増幅器の出力電圧に加算されてマイクロヒータ５１に加算される。
【００１９】
その結果、マイクロヒータ５１の駆動電力は持ち上げられ発熱量が増し、ＵＴＰ、ＤＴＰに伝達される熱は増加する。そして、図５のＡ曲線で示される高流速域における［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力特性は、飽和状態から図５のＡ´曲線で示される高流速域における出力特性のように、その直線性が補正される。
【００２０】
次に本実施の形態に係る流速測定装置の動作を図に沿って説明する。
本装置は図３に示す流速検出回路と図４に示すヒータ制御回路より構成される。
この流速検出回路においては、ＯＰ６は右側サーモパイルＴＰ３の出力電圧を後段に出力するボルテジホロワ回路、ＯＰ７は誤差増幅器を構成するＯＰアンプである。
【００２１】
ＯＰアンプＯＰ７は負入力端子を１０Ｋの入力抵抗Ｒ４２を通してボルテジホロワ回路ＯＰ６の出力端子に接続し、正入力端子には１．５Ｖの基準電圧が印加され、出力端子と負入力端子はコンデンサ（発振防止用）と１０Ｋの負帰還抵抗の並列回路が接続されている。
【００２２】
また、ＯＰアンプＯＰ７の負入力端子には、一端に基準電圧２．２Ｖを印加した抵抗Ｒ４３と可変抵抗ＲＶ１の直列回路が、ボルテジホロワ回路ＯＰ６の出力を１．５Ｖに持ち上げるレベルシフト回路として接続されている。ＯＰ８は誤差増幅器を構成するＯＰアンプであり、このＯＰアンプＯＰ８は負入力端子を１０Ｋの入力抵抗Ｒ４２を通してＯＰアンプＯＰ７の出力端子に接続し、正入力端子には１．５Ｖの基準電圧が印加され、出力端子と負入力端子はコンデンサ（発振防止用）と、５Ｋおよび２０Ｋの可変抵抗の直列回路との並列回路が接続されている。また、ＯＰアンプＯＰ８の出力端子は図４に示すヒータ制御回路の最終出力回路の入力端子に入力される。
【００２３】
図４は本実施の形態におけるヒータ制御回路である。
同図において、５３は周囲温度測定用のリファレンス素子としての測温抵抗である。この測温抵抗５３の一端には抵抗Ｒ７１と７２との並列回路を通してバッテリよりバッテリ電圧Ｖｂｔ−Ｔｅｎｓ、例えば、３Ｖが印加され、且つ、測温抵抗５３の他端にはトランジスタＱ１のコレクタが接続されている。尚、抵抗Ｒ７１と７２との並列回路の合成抵抗値は周囲温度が２０℃おける測温抵抗５３の抵抗値としてある。
【００２４】
トランジスタＱ１のベースには抵抗Ｒ７３を通してボルテジホロワ回路を構成するＯＰアンプＯＰ１の出力端子が、そしてエミッタにはＯＰアンプＯＰ１の負入力端子が接続されると共に、抵抗Ｒ７４と可変抵抗ＲＶ３の直列体にコンデンサＣ２５が並列接続された並列回路がグランドに向けて接続されている。
【００２５】
ＯＰアンプＯＰ１とトランジスタＱ１は、印加電圧を３Ｖとしたとき、可変抵抗ＲＶ３の調整の基に、常温状態における測温抵抗５３の抵抗値と抵抗Ｒ７１及び７２の並列体における抵抗値の合成抵抗値に対応した一定電流（１００μＡ）を流すような定電流回路を構成している。
【００２６】
従って、周囲温度の変化により測温抵抗５３の抵抗値が変化すると、測温抵抗５３と抵抗Ｒ７１及び７２の並列体の抵抗直列回路に発生する電圧降下は周囲温度の変化に応じて変る。
【００２７】
抵抗Ｒ７１と７２との並列体に対するバッテリ電圧の印加点は、抵抗Ｒ７５，７６の並列回路なる入力抵抗（５０ＫΩ）を通してＯＰアンプＯＰ２の正入力端子に接続される。測温抵抗５３とトランジスタＱ１の接続点は抵抗Ｒ７８，７９の並列回路なる入力抵抗（５０ＫΩ）を通してＯＰアンプＯＰ２の負入力端子に接続される。
【００２８】
また、ＯＰアンプＯＰ２の正入力端子は抵抗Ｒ７７（１ＭΩ）を通してグランドに接続されている。ＯＰアンプＯＰ２の出力端子と負入力端子間には１ＭΩの負帰還抵抗Ｒ８０が接続されているため、ＯＰアンプＯＰ２はゲイン２０の差動増幅器を構成する。
【００２９】
ＯＰアンプＯＰ２の出力端子は１００ＫΩの入力抵抗Ｒ８１を通してＯＰアンプＯＰ３の負入力端子に接続される。ＯＰアンプＯＰ３の出力端子は２００ＫΩの負帰還抵抗（可変抵抗）Ｒ８２を通して負入力端子に接続される。ＯＰアンプＯＰ３の正入力端子には１．５Ｖの基準電圧が印加されているため、ＯＰアンプＯＰ３はゲイン１．５の誤差増幅器を構成する。
【００３０】
ＯＰアンプＯＰ３は、負入力端子と出力端子に１００ＫΩの負帰還抵抗Ｒ８４を接続し、正入力端子に１．５Ｖの基準電圧を印加したＯＰアンプＯＰ４の負入力端子に１００ＫΩの入力抵抗Ｒ８３を通して接続されている。従って、ＯＰアンプＯＰ４はゲイン１の誤差増幅器となる。
【００３１】
ＯＰアンプＯＰ４の出力端子は電界効果トランジスタＱ２のソースに接続されている。この電界効果トランジスタＱ２のドレインとグランド間にはヒータ５１が接続され、ゲートには抵抗Ｒ８５を通して２０ｍｓｅｃ幅のＨレベルの信号が１ｓｅｃに１回、ヒータ駆動制御信号（Ｖｂ−ｈｔ）として入力される。尚、ゲートは抵抗Ｒ８７によりプルアップされている。
【００３２】
以下、本実施の形態に係る流速測定装置の動作を説明する。測温抵抗５３は常温時の抵抗値に合わせ、通常１００μＡで定電流駆動されるが、測温抵抗５３の固体差を吸収して１００μＡの電流が流れるように可変抵抗ＲＶ３を調整する。この結果、ＯＰアンプＯＰ１、トランジスタＱ１等で構成される定電流回路により抵抗Ｒ７１とＲ７２との並列体と測温抵抗５３との抵抗直列回路に電流を流すと、抵抗Ｒ７１とＲ７２の並列体と測温抵抗５３の直列回路間に電圧降下が発生する。
【００３３】
発生した電圧降下分は差動増幅器を構成するＯＰアンプＯＰ２の負入力端子に入力され、印加されたバッテリの電圧はＯＰアンプＯＰ２の正入力端子に入力される。
【００３４】
ＯＰアンプＯＰ２からバッテリ電圧と電圧降下分との差分がゲイン２０のＯＰアンプＯＰ３に入力される。ＯＰアンプＯＰ３は入力された電圧を可変抵抗ＲＶ４の調整により所定の倍率に増幅してオペアンプＯＰ４に入力する。オペアンプＯＰ４は入力した電圧をヒータ駆動電圧として電界効果トランジスタＱ２のソースに印加する。
【００３５】
電界効果トランジスタＱ２のゲートには、バッテリ電圧Ｖｂ−Ｔｅｎｓが印加される１ｓｅｃ間に１回、２０ｍｓｅｃのパルス幅のヒータ駆動電圧Ｖｂ−ｈｔが印加される。電界効果トランジスタＱ２は２０ｍｓｅｃの間ＯＮしてヒータに周囲温度に応じた電圧（１．５Ｖ＋α）を印加することで、ヒータ５１から発した熱を、ガス流体を媒体として上流側サーモパイル４３と下流側サ−モパイル４５に伝達することができる。
【００３６】
その結果、下流側サーモパイル４５，上流側サーモパイルからは流速と伝達されたヒータ発熱量に応じた電圧の起電力が発生し、その起電力差がそのときの流速におけるフローセンサの［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力となる。
【００３７】
しかし、サーモパイル式のフローセンサは高流速域に至ると、上述したように［ＤＴＰ−ＵＴＰ］の出力は飽和し減少して行く。そこで、本発明では、高流速になるほど伝達されたヒータ発熱量が流体により奪われ出力が低下するＴＰ３の出力電圧を、ＯＰアンプＯＰ６を通してレベルシフト回路に取り込み全体レベルを１．５Ｖ上昇させた後にＯＰアンプＯＰ７を通して増幅した後に、ＯＰアンプＯＰ８に入力する。
【００３８】
ＯＰアンプＯＰ８では、入力された電圧を増幅してヒータ制御回路における最終出力段であるＯＰアンプＯＰ４の入力端子に抵抗Ｒ８９を通して入力する。
この時、ＯＰアンプＯＰ４は可変抵抗ＲＶ２を調整して増幅率を調整し、ＴＰ３電圧を、［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力の飽和状態を改善すべくレベルに増幅してヒータ制御回路に出力する。
【００３９】
ヒータ制御回路では、入力されたＴＰ３電圧をＯＰアンプＯＰ４の入力端子にに入力し、同じく入端子に入力されているヒータ駆動電圧に加算して電界効果トランジスタＱ２に出力し、電界効果トランジスタＱ２を通してヒータ５１にＴＰ３電圧が加算されたヒータ駆動電圧を印加する。
【００４０】
以上のように、ヒータ駆動電圧にＴＰ３電圧を加算してレベルを上げることで、図５に示すように高流速域で飽和状態である［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力（Ａ曲線）を、間接的にＴＰ３電圧レベルで押し上げ、高流速域における［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力をＡ´曲線で示される［ＤＴＰ−ＵＴＰ］´出力にし、直線性を持たせる。
この結果、［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力において直線性を有した低流速域から高流速域の幅が広がり、広い流速域での流速測定が可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、流路の上流側と下流側にヒータを介してそれぞれ配置された第１の感温素子及び第２の感温素子と流体の流速に応じて出力される電圧レベルが変化する第３の感温素子とを設けた感熱式流速センサと、ヒータの駆動電圧を発生する電圧発生手段と、第３の感温素子の発生電圧を検出する電圧検出手段と、電圧発生手段より発生したヒータ駆動電圧に第３の感温素子で出力された電圧を加算してヒータ駆動電圧を増加してヒータに供給する電圧供給手段とを備え、流速の増加に伴ってヒータ駆動電圧を増加させ、高流速域における第１の感温素子及び第２の感温素子の流速変化に対する出力変化を増加させることで、第１の感温素子及び第２の感温素子における出力の差分による、感熱式流速センサの低流速域から高流速域の出力特性に線形性を持たせることができるため、高流速域においても直線性のよい流速信号を得ることができるという効果がある。
【００４２】
この発明によれば、流速測定装置の感熱式流速センサは、流速の増加に伴いヒータ駆動電圧に第３の感温素子で出力された電圧が加算されてヒータ駆動電圧が上昇することで、第１の感温素子及び第２の感温素子に伝達される熱が上昇して出力電圧が上昇することで、高流速域においても大きなセンサ出力特性を得ることができるため、広い流速域での流速測定が可能にとなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る流速測定装置の基本構成図である。
【図２】図２は本実施の形態における制御対象となる測温抵抗とヒータが搭載されたマイクロフローセの拡大平面図である。
【図３】図３は本実施の形態に係る流速検出回路の構成図である。
【図４】図４は本実施の形態に係るヒータ制御回路の構成図である。
【図５】図５は本実施の形態の動作を説明するための［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力特性図である。
【図６】図６はガスメータの概略構成図である。
【図７】図７は従来の問題点を説明する［ＤＴＰ−ＵＴＰ］出力特性図である。
【符号の説明】
１      電圧発生手段
２      電圧検出手段
３      電圧供給手段
ＦＳ    感熱式流速センサ
Ｆ      流路
ＵＴＰ  第１の感温素子
ＤＴＰ  第２の感温素子
ＴＰ３  第３の感温素子
Ｈ      ヒータ
【図１】
0003820094.tif 000002
【図２】
0003820094.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003820094.tif 000005
【図５】
0003820094.tif 000006
【図６】
0003820094.tif 000007
【図７】
0003820094.tif 000008