特開2016-217812(P2016-217812A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2016-217812熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-217812(P2016-217812A)
(43)【公開日】2016年12月22日
(54)【発明の名称】熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法
(51)【国際特許分類】
   G01F 1/696 20060101AFI20161125BHJP
   G01F 1/00 20060101ALI20161125BHJP
【FI】
   G01F1/696 Z
   G01F1/00 X
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-101301(P2015-101301)
(22)【出願日】2015年5月18日
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】舘山 哲也
(72)【発明者】
【氏名】原田 賢吾
【テーマコード(参考)】
2F030
2F035
【Fターム(参考)】
2F030CA10
2F030CD04
2F030CD11
2F030CD20
2F030CE02
2F030CF08
2F035EA05
2F035EA08
2F035EA09
(57)【要約】
【課題】発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することが可能な熱式マスフローコントローラを実現する。
【解決手段】熱式マスフローコントローラ100は、被測定流体が流れる配管40に設置され、発熱体RHと、発熱体RHから被測定流体に与えられた熱を検出する測温体R1,R2と、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、発熱体RHを2つの異なる温度で発熱させた際に測温体R1,R2でそれぞれ検出される温度に対して被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置20と、補正するための情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する補正部20と、を備え、配管40を流れる被測定流体の流量がゼロである際に測温体において検出される温度誤差と情報とに基づいて、被測定流体の出力を補正する。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定流体が流れる配管に設置される熱式マスフローコントローラであって、
発熱体と、
前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、
前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を2つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、
前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、
を備え、
前記配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体において検出される温度誤差と前記情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正することを特徴とする熱式マスフローコントローラ。
【請求項2】
発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、を備える熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法であって、
配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体によって検出される温度誤差を計測する手順と、
前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記温度誤差と前記被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正する手順と、
を有することを特徴とする熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定流体の流量(流速)を測定する熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の流量計では、特許文献1に開示されているように、基板上に発熱体と当該発熱体を挟む2つの測温体とが設けられており、基板面が水準方向に平行になるように配管内に配置し、被測定流体が通過する際に流体の流れによって移動した発熱体上の熱を2つの測温体で検出し、それぞれの測温体で検出される温度差に基づいて質量流量を算出していた。
【0003】
上記特許文献1に開示された流量計では、発熱体と測温体の位置関係が、水準方向、すなわち鉛直方向に対して垂直に並んでいるのであれば、流体の流れがない時には熱の移動がないので温度差が発生することはなく、この状態に測定される流量はゼロとなり、誤差を生じない。
【0004】
ところが、発熱体と測温体との位置関係が、鉛直方向に並んでいる場合、発熱体によって発生した熱が鉛直方向に対して反対向きに分布する(以下、「熱対流効果」と称する)。そのため、流体の流れがない場合には本来ゼロと出力しなければならないところ、熱対流効果によって2つの測温体に温度差が生じてしまい、あたかも流れがあるかのように流量が出力されてしまう。このため特許文献1に開示された流量計の取り付け方向では、発熱体と測温体とを配置する基板面が水準方向に沿っていないと精度よく測定できないことになり、取り付け方向についてユーザ側の自由度を奪ってしまうという問題が生じていた。
【0005】
上記のような問題に鑑みて、特許文献2に記載の方法では、U字管の一方には自己発熱抵抗体(センサ素子)を設け、もう一方にはヒータ素子を設けることで、センサ素子側で発生した熱対流による流れを、ヒータ素子側で強制的に発生させた熱対流による流れによって、物理的に打ち消していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2004−117157号公報
【特許文献2】特許第4027470号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、流量計としては、特許文献1に開示された流量計の方が特許文献2に開示されたU字管タイプの流量計よりも構造が簡単であって製造が容易である。
【0008】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる熱式マスフローコントローラ及びその傾斜誤差改善方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱式マスフローコントローラは、被測定流体が流れる配管に設置される熱式マスフローコントローラであって、発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記発熱体を2つの異なる温度で発熱させた際に前記測温体でそれぞれ検出される温度に対して前記被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置と、前記情報に基づいて前記被測定流体の前記測定流量を補正する補正部と、を備え、前記配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体において検出される温度誤差と前記情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正することを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法は、発熱体と、前記発熱体から被測定流体に与えられた熱を検出する測温体と、を備える熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法であって、配管を流れる被測定流体の流量がゼロである際に前記測温体によって検出される温度誤差を計測する手順と、前記被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、前記ゼロ点温度誤差と前記被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、前記被測定流体の出力を補正する手順と、を有する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、発熱体と測温体とを含む平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の一実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの斜視図である。
図2】本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの図1のII−II方向から見た断面図である。
図3】本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの回路図である。
図4】本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラを配管に設置した状態の模式図である。
図5】本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラを鉛直方向に設置した状態の模式図である。
図6】流量と偏差の関係を示す図である。
図7】(a)流量ポイントにおける代表誤差、(b)各流量ポイントにおける代表誤差xのときの誤差の説明に供する図である。
図8】本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0014】
まず、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラについて説明する。図1に本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラの斜視図を示す。図2に本発明の実施形態に係る熱式マスフローコントローラの図1のII−II方向から見た断面図を示す。
【0015】
本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ100は、図1及び図2に示す素子構造のマイクロチップを用い、図3に示す検出回路を備えている。図1及び図2に示すように、熱式マスフローコントローラ100は、キャビティCが設けられた基板B、及び基板B上にキャビティCを覆うように配置された絶縁膜Mを備える。基板Bの厚みは、例えば0.5mmであるが、例示の厚みに限定されない。また、基板Bの縦横の寸法は、例えばそれぞれ1.5mm程度であるが、例示の寸法に限定されない。絶縁膜MのキャビティCを覆う部分は、断熱性のダイアフラムをなしている。
【0016】
さらに熱式マスフローコントローラ100は、絶縁膜Mのダイアフラムの部分に設けられた発熱体(ヒータ素子)RHと、発熱体RHを挟むように絶縁膜Mのダイアフラムの部分に設けられた上流側の測温体(抵抗素子)R1及び下流側の測温体(抵抗素子)R2と、基板B上に設けられた周囲温度計測用の温度センサRRと、を備える。温度センサRRも電気抵抗素子等からなる。
【0017】
発熱体RHは、キャビティCを覆う絶縁膜Mのダイアフラムの部分の中心に配置されている。発熱体RHは、電力が与えられて発熱し、発熱体RHに接する雰囲気ガス等の被測定流体を加熱する。発熱体RHに隣接して設けられた上流側の測温体R1及び下流側の測温体R2は、発熱体RHが発熱していないときの当該発熱体RH近傍の局所的な温度を、参照温度として検出する。温度センサRRは、発熱体RHから上流側の測温体R1及び下流側の測温体R2より遠方に配置されている。温度センサRRは、発熱体RHと熱的に平衡な雰囲気ガスのガス温度を、平衡ガス温度として検出する。温度センサRRは、絶縁膜Mを介して発熱体RHから離間されて、熱伝導性の基板B上に設けられている。そのため、上流側の測温体R1及び下流側の測温体R2と比較して、温度センサRRは、発熱体RHの発熱から受ける影響が少ない。
【0018】
基板Bの材料としては、シリコン(Si)等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。絶縁膜Mの材料としては、酸化ケイ素(SiO2)等が使用可能であるが、例示の材料に限定されない。キャビティCは、異方性エッチング等により形成されるが、例示の加工方法に限定されない。また、発熱体RH、上流側の測温体R1、下流側の測温体R2、及び温度センサRRのそれぞれの材料には白金(Pt)等が使用可能であり、リソグラフィ法等により形成可能であるが、例示の材料及び作製方法に限定されない。
【0019】
図3に本実施形態に係る熱式マスフローコントローラ100の検出回路を示す。図3に示すように、熱式マスフローコントローラ100は、測温体R1,R2のブリッジ回路を使用して被測定流体の流量を検出する流量検出回路1と、発熱体RH及び温度センサRRのブリッジ回路を使用してヒータを制御するヒータ制御回路2とを備える。なお、抵抗R3〜R6は外付け抵抗であり、これらの抵抗値は発熱体RH、温度センサRR及び測温体R1,R2のバランスからそれぞれ決める。
【0020】
流量検出回路1は、測温体R1,R2、抵抗R3,R4で形成されるブリッジ回路10、及び演算増幅器(以下、「オペアンプ」という)U1で構成される。オペアンプU1の+入力端子は、直列に接続された上流側の測温体R1と下流側の測温体R2との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプU1の+入力端子は、下流側の測温体R2を介して接地され、上流側の測温体R1を介して抵抗R3と電気的に接続されている。オペアンプU1の−入力端子は、直列に接続された抵抗R3と抵抗R4との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプU1の−入力端子は、抵抗R4を介して接地され、抵抗R3を介して上流側の測温体R1と電気的に接続されている。オペアンプU1の出力端子は、例えば中央演算装置(CPU)等の流量演算部/補正部20と電気的に接続されている。流量演算部/補正部(以下、単に「補正部」という)20は、オペアンプU1で増幅した電圧を取り込んで、流量を演算したり補正したりする。補正部20は、被測定流体の測定流量を補正するための情報を保存する記憶装置30と電気的に接続されている。補正部20は、記憶装置30に保存された情報に基づいて被測定流体の測定流量を補正する。
【0021】
ヒータ制御回路2は、発熱体RH、周囲温度計測用の温度センサRR、及び抵抗R5,R6で形成されるブリッジ回路11、並びにオペアンプU2で構成される。オペアンプU2の+入力端子は、直列に接続された発熱体RHと抵抗5との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプU2の+入力端子は、発熱体RHを介して接地され、抵抗R5を介して抵抗R6と電気的に接続されている。オペアンプU2の−入力端子は、直列に接続された温度センサRRと抵抗R6との間に電気的に接続されている。さらにオペアンプU2の−入力端子は、温度センサRRを介して接地され、抵抗R6を介して抵抗R5と電気的に接続されている。オペアンプU2の出力端子は、抵抗R5,R6と電気的に接続されている。発熱体RHは、例えば60℃位に発熱する。上流側の測温体R1:発熱体RHは、周囲温度に対してある比になるように設定される。
【0022】
ヒータ制御回路2の発熱体RHは、周囲温度計測用の温度センサRRに対してある一定の温度差を保持して制御(定温度差駆動)され、流速センサとして機能する。被測定流体が流れると、強制対流によって発熱体RHの放熱状態が高まり、発熱体RHの温度が低下、即ち電圧が低下する。しかし、発熱体RHは、一定の温度差を保持して制御されるため、オペアンプU2の出力電圧が上昇し、流速に比例した信号電圧が出力端子から出力される。ここで、本実施形態の流速センサは、流量センサとしても機能する。流量センサは、流速に配管の断面積などの要素を流量に乗じて換算するものだからである。
【0023】
図4に、本実施形態に係る熱式マスフローコントローラ100を配管に設置した状態の模式図を示す。図4に示すように、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ100は、雰囲気ガス等の被測定流体が流れる配管40に設置される。本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ100は、被測定流体に発熱体RH、該発熱体RHから被測定流体に与えられた熱を検出する上流側の測温体R1及び下流側の測温体R2を臨ませて設置される。
【0024】
熱式マスフローコントローラ100の基本原理としては、発熱体RHによって加熱された流体が流れることにより、下流側の測温体R2によって検出される温度が、上流側の測温体R1によって検出される温度よりも高くなるため、この温度差から流速を算出するものである。
【0025】
図5は、鉛直方向上向きに被測定流体が流れるように、熱式マスフローコントローラ100を設置したときの模式図である。このとき、鉛直方向上向きに移動した熱によって、下流側の測温体(図5で上側の測温体)R2の検出する温度が、上流側の測温体(図5で下側の測温体)R1の検出する温度よりも高くなる。本来、被測定流体が流管の中を流れていない場合には、熱式マスフローコントローラの出力はゼロとならなければいけないところ、上記のように測温体R1,R2の検出温度に差分が発生するため、特段の補正を実施しない場合には、流量検出回路1は、あたかも、被測定流体が流れているかのような出力を示してしまう。
【0026】
次に、このようなゼロ点(流量が流れていないときの出力)の誤差を補正するための方法について説明する。図6は、流量と偏差の関係を示す図である。図6において、横軸は、流管に流れる被測定流体の流量(L/min)を示しており、縦軸は、測温体R1,R2によってそれぞれ検出される温度の偏差(流量誤差)を示している。図6に示すように、流量が大きくなればなるほど、熱対流の影響(縦軸の偏差)が小さくなっていることが判る。
【0027】
図6では、流量と偏差とが一次線形的に変化しているかのように示されているが、広い流量範囲で流量と偏差との関係を測定すると厳密には一次線形的な関係とはなっていない。しかし、実務上は、センサは、限定的な流量の範囲で用いられるものであるため、以下の説明では流量と偏差とが一次線形的な関係で変化するものとして説明して差し支えない。
【0028】
また図6において、温度α>温度γ>温度βの関係になっており、同じ流量であれば、温度の絶対値が高いほど、偏差が大きくなる傾向が見られる。温度αと温度βとの間に含まれる温度γであれば、オペレーターが流量演算部/補正部20に追加情報を入力することにより、補間演算を用いて温度γについての偏差を推定することができる。すなわち、一つの偏差(温度誤差)から補正値を算出するには、代表誤差テーブルを用意し、記憶装置30に記憶させることが考えられる。例えば、図7(a)に示すように、流量ポイントに対する代表誤差dが〔(0,d0)、(1,d1)、・・・(n,dn)・・・〕であるとする。そして、図7(b)に示すように、ゼロ点の誤差がxのとき、各流量ポイントにおける換算計数f(x)を用いて、各流量ポイントの誤差の補正値を〔(0,x),(1,f1(x)*d1)、・・・(n,fn(x)*dn)・・・〕というように補正することが可能である。
【0029】
ゼロ点での誤差と各流量での補正値については、実流で取得したデータから作成したテーブルで補正する。また、偏差の要因としては、「設置方向」「ガス密度」「圧力」などのパラメータが関係している。一つの条件でテーブルを作成した後、各パラメータの変化に対して補正テーブルが変動する係数を求めておき、これを乗じて補正値を算出する。「圧力」や「ガス密度」などによって補正値が変わるのであれば、「圧力」や「ガス密度」などのパラメータを流量演算部/補正部20に設定したうえで、自動補正する方法が考えられる。
【0030】
なお、熱式マスフローコントローラの電源投入時、被測定流体の流量制御を開始する前に、その流体に対する補正値を決定することが望ましい。流体の物性値(ガス種)、圧力が変更される毎にその流体に対する補正値を求める。
【0031】
次に、図8を参照して、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順例について説明する。図8は本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法の手順を説明するフローチャートである。
【0032】
被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラの傾斜誤差改善方法を実施する。図8に示すように、まず、オペレーターが熱式マスフローコントローラ100の電源を投入すると(ST1)、ガス充填の圧力が実使用と同じ圧力になっていることを確認したうえで、マニュアル操作で被測定流体の流量をゼロの状態とする(ST2)。次に、補正部20は、流量ゼロ時のゼロ点の温度誤差を計測する(ST3)。そして、補正部20は、熱式マスフローコントローラ100が鉛直方向成分を含んでいるかを判定する(ST4)。
【0033】
熱式マスフローコントローラ100が傾斜設置されて鉛直方向成分を含んでいる場合は(ST4/YES)、補正部20は、記憶装置30に保存されている、図6に示すような流量と偏差の関係テーブルから、計測されたゼロ点温度誤差における関係を読み出す(ST5)。そして、流量制御が開始されると、補正部20は、読み出された関係に基づいて流量値を補正する(ST6)。他方、熱式マスフローコントローラ100が鉛直方向成分を含んでいない場合は(ST4/NO)、補正制御を終了する。
【0034】
以上説明したように、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ100は、被測定流体の流れの向きが鉛直方向成分を含んでいる場合に、流量がゼロにおけるゼロ点温度誤差と記憶装置30に保存した被測定流体の測定流量を補正するための情報とに基づいて、被測定流体の出力を補正する。したがって、本実施の形態に係る熱式マスフローコントローラ100によれば、発熱体RHと測温体R1,R2とを含む基板Bの平面を水準方向から傾斜させて配置した場合であっても、正確な流量を測定することができるという優れた効果を発揮する。
【0035】
〔その他の実施の形態〕
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
【符号の説明】
【0036】
1 流量検出回路
20 流量演算部/補正部
30 記憶装置
40 配管
100 熱式マスフローコントローラ
RH 発熱体(ヒータ素子)
R1,R2 測温体(抵抗素子)
100 熱式マスフローコントローラ
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8