特開 2019-174144 熱式フローセンサ装置および流量補正方法

(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2019-174144(P2019-174144A)

(43)【公開日】2019年10月10日

(54)【発明の名称】熱式フローセンサ装置および流量補正方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 1/696 20060101AFI20190913BHJP

   G01F 1/00 20060101ALI20190913BHJP

   G05D 7/06 20060101ALI20190913BHJP

【ＦＩ】

   G01F1/696 Z

   G01F1/00 X

   G05D7/06 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-59303(P2018-59303)

(22)【出願日】2018年3月27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】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】中野 正志

(72)【発明者】

【氏名】田中 雅人

【テーマコード（参考）】

2F030

2F035

5H307

【Ｆターム（参考）】

2F030CA10

2F030CC01

2F030CD04

2F030CF05

2F030CF08

2F035EA05

2F035EA08

2F035EA09

5H307BB06

5H307BB10

5H307DD01

5H307DD13

5H307EE02

5H307FF12

(57)【要約】

【課題】補正係数の設定の手間と補正係数のばらつきを低減する。
【解決手段】熱式フローセンサ装置１は、バルブ開度と流量の関係を近似した理論曲線の情報を記憶するバルブ開度−流量特性情報記憶部３と、理論流量初期値に対する理論流量の倍率の時間毎の増加量が規定値になるように開度指示信号を、バルブを制御する制御装置１９に送信するバルブ開度指示部５と、熱式フローセンサ２の流量出力初期値とバルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の流量出力値を取得する出力信号取得部６と、流量出力初期値に対する流量出力値の倍率が終値に到達するまでの第１の所要時間を計測する所要時間計測部７と、理論流量初期値に対する理論流量の倍率が終値に到達するまでの第２の所要時間に対する第１の所要時間の比を補正係数とする補正係数算出部９と、流量出力値に補正係数を乗算する流量補正部１０を備える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測流体が流通する流路に配設され、前記計測流体の温度を測定する温度センサから得られるセンサ出力信号を出力するように構成された熱式フローセンサと、
前記熱式フローセンサよりも上流側または下流側の前記流路の箇所に配設されたバルブの開度と前記計測流体の流量との関係を近似した理論曲線の情報を予め記憶するように構成されたバルブ開度−流量特性情報記憶部と、
基準となる計測流体での流量と前記センサ出力信号との関係についての情報を予め記憶するように構成された流量−出力信号基準特性情報記憶部と、
この流量−出力信号基準特性情報記憶部に記憶されている情報に基づいて、前記熱式フローセンサから出力されたセンサ出力信号を流量の値に変換するように構成された流量導出部と、
この流量導出部の流量出力値に補正係数を乗算して流量を補正するように構成された流量補正部と、
前記理論曲線から得られる理論流量の、前記補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量の規定値と、この倍率の終値とを予め記憶するように構成された倍率情報記憶部と、
前記補正係数を算出・設定する際に、前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報を参照し、前記理論流量の前記倍率の単位時間毎の増加量が前記規定値になるようにバルブ開度を指定する開度指示信号を、前記バルブを制御する制御装置に送信するように構成されたバルブ開度指示部と、
前記補正係数の算出・設定開始時の前記流量導出部の流量出力初期値と前記バルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の前記流量導出部の流量出力値とを取得するように構成された出力信号取得部と、
前記流量出力初期値に対する前記流量出力値の倍率が前記終値に到達するまでの第１の所要時間を計測するように構成された所要時間計測部と、
前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報に基づいて、前記理論流量初期値に対する前記理論流量の倍率が前記終値に到達するまでの第２の所要時間を算出し、この第２の所要時間に対する前記第１の所要時間の比を前記補正係数として算出して前記流量補正部に設定するように構成された補正係数算出部とを備えることを特徴とする熱式フローセンサ装置。

【請求項2】

請求項１記載の熱式フローセンサ装置において、
予め規定されたタイミングで前記補正係数の算出・設定処理を実行するように制御管理するように構成された実行管理部と、
前記補正係数算出部によって算出された過去から現在までの補正係数の履歴情報を提示するように構成された履歴情報提示部と、
前記補正係数算出部によって算出された補正係数の正常値からの乖離度合が、規定量以上になったときにアラームを出力するように構成されたアラーム出力部とを、さらに備えることを特徴とする熱式フローセンサ装置。

【請求項3】

基準となる計測流体での流量とセンサ出力信号との関係についての情報を予め記憶する流量−出力信号基準特性情報記憶部を参照し、計測流体が流通する流路に配設された熱式フローセンサのセンサ出力信号を流量出力値に変換する第１のステップと、
前記流量出力値に補正係数を乗算して流量を補正する第２のステップと、
前記補正係数を算出・設定する際に、前記熱式フローセンサよりも上流側または下流側の前記流路の箇所に配設されたバルブの開度と前記計測流体の流量との関係を近似した理論曲線の情報を予め記憶するバルブ開度−流量特性情報記憶部を参照すると共に、前記理論曲線から得られる理論流量の、前記補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量の規定値と、この倍率の終値とを予め記憶する倍率情報記憶部を参照し、前記理論流量の前記倍率の単位時間毎の増加量が前記規定値になるようにバルブ開度を指定する開度指示信号を、前記バルブを制御する制御装置に送信する第３のステップと、
前記補正係数の算出・設定開始時の前記流量出力値の初期値を取得する第４のステップと、
前記バルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の前記流量出力値を取得する第５のステップと、
前記流量出力値の初期値に対する前記流量出力値の倍率が前記終値に到達するまでの第１の所要時間を計測する第６のステップと、
前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報に基づいて、前記理論流量初期値に対する前記理論流量の倍率が前記終値に到達するまでの第２の所要時間を算出し、この第２の所要時間に対する前記第１の所要時間の比を前記補正係数として算出する第７のステップとを含むことを特徴とする流量補正方法。

【請求項4】

請求項３記載の流量補正方法において、
予め規定されたタイミングで前記補正係数の算出・設定処理を実行するように指示する第８のステップと、
前記第７のステップによって算出された過去から現在までの補正係数の履歴情報を提示する第９のステップと、
前記第７のステップによって算出された補正係数の正常値からの乖離度合が、規定量以上になったときにアラームを出力する第１０のステップとを、さらに含むことを特徴とする流量補正方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測流体の温度を測定する温度センサから得られるセンサ出力信号を基に計測流体の流量を算出する熱式フローセンサ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

流体の流量を計測するための熱式フローセンサが実用されている（例えば特許文献１参照）。熱式フローセンサでは、想定されている計測流体（例えば水）について流量−出力信号特性を予め把握することで、計測流体の流量を測定（推定）することができる。このため、特性が予め把握できている計測流体以外の流体を計測対象とする場合は、流量−出力信号特性から得られる流量値を補正係数で補正して対応することになる。

【0003】

現在の熱式フローセンサの使用方法では、流体の熱物性や、同種の流体を過去に流した時の感度を確認して、推定で補正係数を設定するようにしている。この設定作業は、手順がある程度標準化されているケースであっても、実質的にオペレータの手作業となる。したがって、手間がかかると同時に、オペレータの能力や主観に依存するばらつきが生じ易いので、改善が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７−００９３４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、補正係数の設定の手間と補正係数のばらつきとを低減することができる熱式フローセンサ装置および流量補正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】

【0006】

本発明の熱式フローセンサ装置は、計測流体が流通する流路に配設され、前記計測流体の温度を測定する温度センサから得られるセンサ出力信号を出力するように構成された熱式フローセンサと、前記熱式フローセンサよりも上流側または下流側の前記流路の箇所に配設されたバルブの開度と前記計測流体の流量との関係を近似した理論曲線の情報を予め記憶するように構成されたバルブ開度−流量特性情報記憶部と、基準となる計測流体での流量と前記センサ出力信号との関係についての情報を予め記憶するように構成された流量−出力信号基準特性情報記憶部と、この流量−出力信号基準特性情報記憶部に記憶されている情報に基づいて、前記熱式フローセンサから出力されたセンサ出力信号を流量の値に変換するように構成された流量導出部と、この流量導出部の流量出力値に補正係数を乗算して流量を補正するように構成された流量補正部と、前記理論曲線から得られる理論流量の、前記補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量の規定値と、この倍率の終値とを予め記憶するように構成された倍率情報記憶部と、前記補正係数を算出・設定する際に、前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報を参照し、前記理論流量の前記倍率の単位時間毎の増加量が前記規定値になるようにバルブ開度を指定する開度指示信号を、前記バルブを制御する制御装置に送信するように構成されたバルブ開度指示部と、前記補正係数の算出・設定開始時の前記流量導出部の流量出力初期値と前記バルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の前記流量導出部の流量出力値とを取得するように構成された出力信号取得部と、前記流量出力初期値に対する前記流量出力値の倍率が前記終値に到達するまでの第１の所要時間を計測するように構成された所要時間計測部と、前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報に基づいて、前記理論流量初期値に対する前記理論流量の倍率が前記終値に到達するまでの第２の所要時間を算出し、この第２の所要時間に対する前記第１の所要時間の比を前記補正係数として算出して前記流量補正部に設定するように構成された補正係数算出部とを備えることを特徴とするものである。

【0007】

また、本発明の熱式フローセンサ装置の１構成例は、予め規定されたタイミングで前記補正係数の算出・設定処理を実行するように制御管理するように構成された実行管理部と、前記補正係数算出部によって算出された過去から現在までの補正係数の履歴情報を提示するように構成された履歴情報提示部と、前記補正係数算出部によって算出された補正係数の正常値からの乖離度合が、規定量以上になったときにアラームを出力するように構成されたアラーム出力部とを、さらに備えることを特徴とするものである。

【0008】

また、本発明の流量補正方法は、基準となる計測流体での流量とセンサ出力信号との関係についての情報を予め記憶する流量−出力信号基準特性情報記憶部を参照し、計測流体が流通する流路に配設された熱式フローセンサのセンサ出力信号を流量出力値に変換する第１のステップと、前記流量出力値に補正係数を乗算して流量を補正する第２のステップと、前記補正係数を算出・設定する際に、前記熱式フローセンサよりも上流側または下流側の前記流路の箇所に配設されたバルブの開度と前記計測流体の流量との関係を近似した理論曲線の情報を予め記憶するバルブ開度−流量特性情報記憶部を参照すると共に、前記理論曲線から得られる理論流量の、前記補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量の規定値と、この倍率の終値とを予め記憶する倍率情報記憶部を参照し、前記理論流量の前記倍率の単位時間毎の増加量が前記規定値になるようにバルブ開度を指定する開度指示信号を、前記バルブを制御する制御装置に送信する第３のステップと、前記補正係数の算出・設定開始時の前記流量出力値の初期値を取得する第４のステップと、前記バルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の前記流量出力値を取得する第５のステップと、前記流量出力値の初期値に対する前記流量出力値の倍率が前記終値に到達するまでの第１の所要時間を計測する第６のステップと、前記バルブ開度−流量特性情報記憶部と前記倍率情報記憶部の情報に基づいて、前記理論流量初期値に対する前記理論流量の倍率が前記終値に到達するまでの第２の所要時間を算出し、この第２の所要時間に対する前記第１の所要時間の比を前記補正係数として算出する第７のステップとを含むことを特徴とするものである。

【0009】

また、本発明の流量補正方法の１構成例は、予め規定されたタイミングで前記補正係数の算出・設定処理を実行するように指示する第８のステップと、前記第７のステップによって算出された過去から現在までの補正係数の履歴情報を提示する第９のステップと、前記第７のステップによって算出された補正係数の正常値からの乖離度合が、規定量以上になったときにアラームを出力する第１０のステップとを、さらに含むことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、バルブ開度−流量特性情報記憶部と倍率情報記憶部とバルブ開度指示部と出力信号取得部と所要時間計測部と補正係数算出部とを設けることにより、補正係数の設定の手間と補正係数のばらつきとを低減することができる。したがって、流量計測の専門的知識のないオペレータであっても、計測流体に応じた適切な補正係数を設定することが可能になる。

【0011】

また、本発明では、実行管理部と履歴情報提示部とアラーム出力部とを設けることにより、補正係数算出部によって算出・設定される補正係数をモニタリングすることができ、計測流体の状態変化（異常発生など）を検出することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、計測流体を水とする設定後に各種の流体を熱式フローセンサに流通させた場合の真流量と熱式フローセンサの流量出力との関係を示す図である。

【図2】図２は、本発明の第１の実施例に係る熱式フローセンサ装置の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、マスフローコントローラの断面図である。

【図4】図４は、熱式フローセンサのフローセンサチップの構造を示す平面図および断面図である。

【図5】図５は、熱式フローセンサの電気回路の構成を示すブロック図である。

【図6】図６は、バルブの開度と流体の流量との関係の１例を示す図である。

【図7】図７は、各種の流体を流路に流通させた場合の真流量とセンサ出力信号との関係を示す図である。

【図8】図８は、図７の水の特性を基準とした場合の各種の流体の真流量とセンサ出力信号との関係を示す図である。

【図9】図９は、本発明の第１の実施例に係る熱式フローセンサ装置のバルブ開度指示部の動作を説明するフローチャートである。

【図10】図１０は、本発明の第１の実施例に係る熱式フローセンサ装置の出力信号取得部と所要時間計測部と補正係数算出部の動作を説明するフローチャートである。

【図11】図１１は、本発明の第１の実施例に係る熱式フローセンサ装置の流量導出部と流量補正部の動作を説明するフローチャートである。

【図12】図１２は、本発明の第２の実施例に係る熱式フローセンサ装置の構成を示すブロック図である。

【図13】図１３は、本発明の第２の実施例に係る熱式フローセンサ装置のバルブ開度指示部と実行管理部の動作を説明するフローチャートである。

【図14】図１４は、本発明の第２の実施例に係る熱式フローセンサ装置の出力信号取得部と所要時間計測部と補正係数算出部と実行管理部と履歴情報提示部とアラーム出力部の動作を説明するフローチャートである。

【図15】図１５は、本発明の第２の実施例における補正係数の履歴情報の提示例を示す図である。

【図16】図１６は、本発明の第１、第２の実施例に係る熱式フローセンサ装置を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［発明の原理１］
発明者は、例えば水（Ｈ₂Ｏ）を基準の計測流体とした場合（すなわち、水を計測流体として校正した場合）の真流量−熱式フローセンサの流量出力特性と、水以外の流体を同フローセンサに流通させた場合の真流量−流量出力特性とを対比すると、図１に示すようにいずれの流体の場合も熱式フローセンサの流量出力と真流量とが概ね比例の関係にあることを突き止めた。

【0014】

図１の例では、流体の種類を、水、イソプロピルアルコール中濃度、イソプロピルアルコール高濃度、フロリナート（登録商標）、過酸化水素低濃度、過酸化水素中濃度、過酸化水素高濃度、硫酸低濃度、硫酸中低濃度、硫酸中高濃度、硫酸高濃度とし、各流体の温度を２５℃とした。

【0015】

また、発明者は、熱式フローセンサで計測される流量値を基に流体の流量を制御するバルブが熱式フローセンサの上流または下流に配設されているとき、流体の供給圧力が一定（変動小）の状態であれば、バルブの開度と流量の関係（一定倍率）が予め概ね把握できていると見なせることに着眼した。

【0016】

そして、一定変化倍率で理論流量が変化するようにバルブ開度を変化させて、理論流量初期値に対する理論流量の倍率が終値に至るまでの理論所要時間と、流量出力初期値に対する流量出力値の倍率が終値に至るまでの所要時間との比に基づき、計測流体に応じた熱式フローセンサの補正係数を算出できることに想到した。これにより、本発明では、補正係数の設定の手間を低減し、ばらつきを低減できる。

【0017】

［発明の原理２］
定期的に補正係数を算出する手順を実行し、例えば上位側機器に送信し、これをモニタリングすることにより、計測流体の状態変化（異常発生など）を検出することが期待できる。

【0018】

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施例に係る熱式フローセンサ装置の構成を示すブロック図である。本実施例は、上記発明の原理１に対応する例である。なお、図２の例では、熱式フローセンサ装置を含むマスフローコントローラの例について記載するが、本発明はマスフローコントローラ以外にも適用可能である。マスフローコントローラの場合には、熱式フローセンサの下流にバルブが配設されているが、熱式フローセンサの上流にバルブが配設されていてもよい。

【0019】

熱式フローセンサ装置１は、熱式フローセンサ２と、供給圧力が一定の状態におけるバルブ開度と計測流体の流量との関係を近似した理論曲線の情報を予め記憶するバルブ開度−流量特性情報記憶部３と、基準となる計測流体での流量とセンサ出力信号との関係についての情報を予め記憶する流量−出力信号基準特性情報記憶部４と、補正係数を算出・設定する際に、理論曲線から得られる理論流量の、補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量が規定値になるようにバルブ開度を指定する開度指示信号を、バルブを制御する制御装置に送信するバルブ開度指示部５と、補正係数の算出・設定開始時の熱式フローセンサ２の流量出力初期値とバルブ開度を変化させる開度指示信号が送信された時点以降の熱式フローセンサ２の流量出力値とを取得する出力信号取得部６と、流量出力初期値に対する熱式フローセンサ２の流量出力値の倍率が終値に到達するまでの第１の所要時間を計測する所要時間計測部７と、理論曲線から得られる理論流量の、補正係数の算出・設定開始時の理論流量初期値に対する倍率の単位時間毎の増加量の規定値と、この倍率の終値とを予め記憶する倍率情報記憶部８と、バルブ開度−流量特性情報記憶部３と倍率情報記憶部８の情報に基づいて、理論流量初期値に対する理論流量の倍率が終値に到達するまでの第２の所要時間を算出し、この第２の所要時間に対する第１の所要時間の比を補正係数として算出する補正係数算出部９と、熱式フローセンサ２の流量出力値に補正係数を乗算して流量を補正する流量補正部１０とを備えている。

【0020】

図１の流量制御装置１９は、バルブと共にマスフローコントローラに設けられる。図３はマスフローコントローラの構造を示す断面図である。図３において、１１はマスフローコントローラの本体ブロック、１２はセンサパッケージ、１３はセンサパッケージ１２のヘッド部、１４はヘッド部１３に搭載されたフローセンサチップ、１５はバルブ、１６は本体ブロック１１の内部に形成された流路、１７は流路１６の入口側の開口、１８は流路１６の出口側の開口である。

【0021】

流体は、開口１７から流路１６に流入してバルブ１５を通過し、開口１８から排出される。熱式フローセンサ２は、流路１６を流れる流体の流量を計測する。
マスフローコントローラの流量制御装置１９は、熱式フローセンサ装置１によって計測された流体の流量に基づく流量制御を行う。具体的には、流量制御装置１９は、計測された流量と設定値とが一致するようにバルブ１５を駆動する。

【0022】

図４（Ａ）は熱式フローセンサ２のフローセンサチップ１４の構造を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のフローセンサチップ１４のＡ−Ａ線断面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、１３０は基台となるシリコンチップ、１３１はシリコンチップ１３０の上面に空間１３２を設けて薄肉状に形成された例えば窒化シリコンからなるダイアフラム、１３３はダイアフラム１３１の上に形成された金属薄膜からなるヒータ、１３４はダイアフラム１３１上のヒータ１３３の上流側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体からなる温度センサ、１３５はダイアフラム１３１上のヒータ１３３の下流側に形成された金属薄膜の感熱抵抗体からなる温度センサ、１３６は金属薄膜の感熱抵抗体からなる周囲温度センサ、１３７はダイアフラム１３１を貫通するスリットである。

【0023】

ヒータ１３３や温度センサ１３４〜１３６は例えば窒化シリコンからなる薄膜の絶縁層１３８により覆われている。周囲温度センサ１３６は、ヒータ１３３からの熱の影響を受けずに、流体の温度を検出できるところに配置される。フローセンサチップ１４は、図４（Ａ）に示した面が下になるようにしてセンサパッケージ１２のヘッド部１３に搭載され、計測流体に晒されるように本体ブロック１１に装着される。

【0024】

以上のような熱式フローセンサ２の構造とその原理は例えば特許文献１に開示されている。図５は熱式フローセンサ２の電気回路の構成を示すブロック図である。ヒータ駆動部２０は、ブリッジ回路２１と、トランジスタＱ１と、差動増幅器Ａ１と、固定抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、コンデンサＣ１とからなる。ブリッジ回路２１は、ヒータ１３３を駆動する回路であり、ヒータ１３３と周囲温度センサ１３６と一対の固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とからなる。電源電圧＋Ｖは、図示しない所定の電源から供給され、トランジスタＱ１を介してブリッジ回路２１に印加される。

【0025】

差動増幅器Ａ１は、ヒータ１３３と周囲温度センサ１３６との抵抗値の変化に応じてブリッジ回路２１のブリッジ出力電圧を検出し、そのブリッジ出力電圧が零（０）になるようにトランジスタＱ１を帰還制御して、ブリッジ回路２１に印可するヒータ駆動電圧を調整する。これにより、ヒータ駆動部２０は、ヒータ１３３の発熱温度がその周囲温度よりも常に一定温度だけ高くなるように制御する。

【0026】

一方、流量計測部２２は、ブリッジ回路２３と、差動増幅器Ａ２と、固定抵抗Ｒｆと、流量導出部２４とからなる。ブリッジ回路２３は、一対の温度センサ１３４，１３５と一対の固定抵抗Ｒｘ，Ｒｙとからなる。電源電圧＋Ｖは、図示しない所定の電源から供給され、ブリッジ回路２３に印加される。

【0027】

差動増幅器Ａ２は、ブリッジ回路２３の出力電圧Ｖ４，Ｖ５の差の電位を温度センサ１３４，１３５によって計測された温度差に相当するセンサ出力信号（温度差信号）Ｖｔとして出力する。こうして、一対の温度センサ１３４，１３５の熱による抵抗値変化をセンサ出力信号Ｖｔに変換する。

【0028】

流量導出部２４は、後述する流量−出力信号基準特性情報記憶部４に予め記憶されている流量ＰＶとセンサ出力信号Ｖｔとの関係に基づいて、差動増幅器Ａ２から出力されるセンサ出力信号Ｖｔを、計測流体の流量ＰＶの値に変換する。

【0029】

次に、本実施例の熱式フローセンサ装置１の特徴的構成について説明する。バルブ開度−流量特性情報記憶部３には、流体の供給圧力が一定の状態におけるバルブ１５の開度とバルブ１５を通過する流体の流量ＰＶとの関係についての情報が、あらかじめ記憶されている。例えば特許第５９３１６６８号公報には、バルブ１５の開度を時間的に直線的に変化させた場合に、高開度側ほど流路を流れる流体の流量体積が少ないことが示されている。

【0030】

このように、バルブ１５の開度ＭＶと流量ＰＶとは、非線形な関係であり、高開度側ほど開度ＭＶの変化量に対して、流量ＰＶの変化量が減少することが知られている。この開度ＭＶと流量ＰＶの関係の概略を図６に示す。なお、図６の例では、便宜上、バルブ１５の開度ＭＶと流量ＰＶとを０〜１００％の値に正規化している。図６に示したような特性は、非線形な収束現象なので、次式の指数関数で表現できる。
ＰＶ＝Ｋ｛１．０−ｅｘｐ（−ＭＶ／Ａ）｝ ・・・（１）

【0031】

このように、バルブ１５の開度ＭＶと流量ＰＶとの関係を近似した関数は、定数項（１．０）と、開度ＭＶに関する項と、開度ＭＶに対する流量ＰＶの大きさを表すゲインに関する係数Ｋとによって定義される。式（１）のＡは非線形な収束状態を与える係数である。図６の曲線ｃｕｒ１〜ｃｕｒ４は、いずれも流体の一定の供給圧力を前提としており、一例としていずれの曲線もＡ＝３０．０としている。この場合、式（１）は式（２）のようになる。
ＰＶ＝Ｋ｛１．０−ｅｘｐ（−ＭＶ／３０．０）｝ ・・・（２）

【0032】

なお、曲線ｃｕｒ１の場合、Ｋ＝１０４．０である。そして、図６では、例えばバルブ１５の開度ＭＶ＝２０％の流量ＰＶに対して開度ＭＶ＝５０％の流量ＰＶは、いずれの曲線ｃｕｒ１〜ｃｕｒ４の場合でも１．６６７倍になる。同様の関係は他のバルブ開度でも言えることなので、規定変化倍率で理論流量が変化するようにバルブ開度指示を決定していくことが、この特性を参照することにより可能になる。

【0033】

バルブ開度−流量特性情報記憶部３は、バルブ１５の開度ＭＶと流量ＰＶとの関係を近似した理論曲線（関数）の式を記憶しておいてもよいし、関数から得られる開度ＭＶ毎の理論流量ＰＶの値を記憶しておいてもよい。なお、関数を同定するためには、例えばマスフローコントローラの流量試験を事前に行なって係数ＡおよびゲインＫの値を調べておけばよい。

【0034】

流量−出力信号基準特性情報記憶部４には、基準となる計測流体（例えば水）での流量と熱式フローセンサ２のセンサ出力信号との関係についての情報が、予め記憶されている。図７は各種の流体を流路１６に流通させた場合の真流量とセンサ出力信号Ｖｔとの関係を示す図である。図７の例では、流体の種類を、水、イソプロピルアルコール中濃度、イソプロピルアルコール高濃度、フロリナート（登録商標）、過酸化水素低濃度、過酸化水素中濃度、過酸化水素高濃度、硫酸低濃度、硫酸中低濃度、硫酸中高濃度、硫酸高濃度とし、各流体の温度を２５℃とした。なお、センサ出力信号Ｖｔについては０〜１００％の値に正規化している。

【0035】

水を基準にするのであれば、水の特性のみ予め調査して、計測流体が水の場合の真流量とセンサ出力信号Ｖｔとの関係を流量−出力信号基準特性情報記憶部４に記憶させておけばよい。図７は、水の真流量が３０ｍＬ／ｍｉｎになったときのセンサ出力信号Ｖｔを１００％として描いた特性図である。

【0036】

上記で説明したとおり、水を基準の計測流体とした場合の真流量と熱式フローセンサ２の流量出力（流量導出部２４の出力）との関係は図１のようになる。図１に示したようにいずれの流体の場合も熱式フローセンサ２の流量出力と真流量とが概ね比例の特性を示しているので、この特性の比例係数が本実施例で求める補正係数と関係している。

【0037】

図８は、図７の水の特性を基準とした場合（計測流体が水の場合の各流量におけるセンサ出力信号Ｖｔを１００％とした場合）の各種の流体の真流量とセンサ出力信号Ｖｔとの関係を示す図である。図８によれば、ほとんどの流量領域において、水の特性を基準としてほぼ一定の補正係数で補正すれば、ある程度の流量計測精度が確保できることが分かる。

【0038】

図９はバルブ開度指示部５の動作を説明するフローチャート、図１０は出力信号取得部６と所要時間計測部７と補正係数算出部９の動作を説明するフローチャートである。
バルブ開度指示部５は、補正係数を自動設定する際に、バルブ１５の開度ＭＶが予め規定された初期値（例えばＭＶ＝２０％）になるように開度指示信号を流量制御装置１９に送信する（図９ステップＳ１００）。

【0039】

流量制御装置１９は、バルブ開度指示部５からの開度指示信号を受信した場合、この開度指示信号に応じた処理を優先的に行う。すなわち、流量制御装置１９は、上記の流量制御をいったん中止して、開度指示信号で指定された開度ＭＶになるようにバルブ１５を制御する。そして、流量制御装置１９は、最後の開度指示信号を受信してから一定時間の経過後に流量制御に復帰する。この一定時間は、例えば後述する出力信号取得部６が流量出力値を取得し終えるのに十分な時間に設定されている。

【0040】

出力信号取得部６は、バルブ１５の開度が初期値ＭＶ＝２０％のときに熱式フローセンサ２の流量導出部２４から出力された流量出力初期値ＰＶ１を取得する（図１０ステップＳ２００）。なお、バルブ１５の開度がＭＶ＝２０％に変化したときの流量変動が落ち着くのを待つために、出力信号取得部６は、開度指示信号が送信されてから所定の待機時間の経過後に熱式フローセンサ２の流量出力初期値ＰＶ１を取得することが望ましい。

【0041】

出力信号取得部６による流量出力初期値ＰＶ１の取得後、バルブ開度指示部５は、バルブ開度−流量特性情報記憶部３と倍率情報記憶部８の情報を参照し、開度ＭＶ−流量ＰＶの理論曲線（関数）上で理論流量ＰＶの、理論流量初期値に対する倍率Ｒａの単位時間毎の増加量が規定値ΔＲになるように開度ＭＶの時間的推移を理論曲線から求め、この推移どおりにバルブ１５の開度が変化するように開度指示信号を流量制御装置１９に逐次送信する（図９ステップＳ１０１）。

【0042】

バルブ開度指示部５は、補正係数の設定時の開度ＭＶの初期値として例えばＭＶ＝２０％が予め規定されているとき、理論曲線上で開度の初期値ＭＶ＝２０％に対応する理論流量初期値ＰＶｒｅｆを得る。倍率情報記憶部８には、理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａ＝ＰＶ／ＰＶｒｅｆの終値Ｒｒｅｆが予め記憶され、また倍率Ｒａの単位時間（１秒）毎の増加量の規定数値ΔＲ（例えば０．０５）が予め記憶されている。

【0043】

バルブ開度指示部５は、理論曲線上で理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａ（Ｒａの初期値は１）の１秒毎の増加量が規定値ΔＲ（例えば０．０５）になるように、すなわち倍率Ｒａが１．０５倍、１．１０倍、１．１５倍、・・・・というような変化になるように、バルブ１５の開度を逐次増加させていく。このように、バルブ開度指示部５は、理論曲線上で理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａが終値Ｒｒｅｆに到達するまで（図９ステップＳ１０２においてＹＥＳ）、バルブ１５の開度を変化させる開度指示信号の送信処理（ステップＳ１０１）を繰り返し行う。

【0044】

出力信号取得部６は、バルブ１５の開度を変化させる開度指示信号が最初に送信された時点以降に熱式フローセンサ２の流量導出部２４から出力された流量出力値ＰＶ２を取得する（図１０ステップＳ２０１）。
所要時間計測部７は、バルブ１５の開度を変化させる開度指示信号が最初に送信された時点からの経過時間ｔを計測する（図１０ステップＳ２０２）。

【0045】

出力信号取得部６と所要時間計測部７とは、流量出力初期値ＰＶ１に対する流量出力値ＰＶ２の倍率Ｒｂ＝ＰＶ２／ＰＶ１が上記の終値Ｒｒｅｆに到達するまで（図１０ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の処理を繰り返し行う。
なお、バルブ１５の開度を変化させる周期（開度指示信号の送信周期）は１秒単位でもよいが、所要時間計測部７で１秒未満の単位で時間を計測する必要があるため、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の処理の周期は１秒未満にする必要がある。

【0046】

補正係数算出部９は、流量出力初期値ＰＶ１に対する流量出力値ＰＶ２の倍率Ｒｂが終値Ｒｒｅｆに到達し、倍率Ｒｂが終値Ｒｒｅｆに到達するまでの所要時間ｔ（第１の所要時間）が得られたとき（ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、バルブ開度−流量特性情報記憶部３に記憶されている情報と倍率情報記憶部８に記憶されている情報とに基づいて、理論曲線上で理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａが終値Ｒｒｅｆに到達するまでの理論所要時間ｔｒｅｆ（第２の所要時間）を算出する（図１０ステップＳ２０４）。

【0047】

例えば倍率Ｒａの終値Ｒｒｅｆが１．６５倍、倍率Ｒａの単位時間（１秒）毎の増加量の規定値ΔＲが０．０５とすれば、ＭＶ＝２０％のときの理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対して理論曲線上の理論流量ＰＶが最終的に１．６５倍になるまでの理論所要時間ｔｒｅｆは１３秒である。また、倍率Ｒａの終値Ｒｒｅｆを１．２５倍とすれば、理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対して理論流量ＰＶが１．２５倍になるまでの理論所要時間ｔｒｅｆは５秒である。

【0048】

そして、補正係数算出部９は、算出した理論所要時間ｔｒｅｆに対する所要時間ｔの比ｔ／ｔｒｅｆを補正係数Ｃとして算出し、この補正係数Ｃを流量補正部１０に設定する（図１０ステップＳ２０５）。

【0049】

例えば理論曲線上で理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａが終値Ｒｒｅｆ＝１．２５倍に到達するまでの理論所要時間ｔｒｅｆが５秒であるときに、流量出力初期値ＰＶ１に対する流量出力値ＰＶ２の倍率Ｒｂが終値Ｒｒｅｆ＝１．２５倍に到達するまでの所要時間ｔが６．５３５秒であったとすると、補正係数Ｃはｔ／ｔｒｅｆ＝６．５３５／５＝１．３０７（１３０．７％）として算出される。この値は、図８によれば、硫酸高濃度（あるいはこれと同等の熱伝導率の流体）が計測流体である場合に、自動的に得られる補正係数Ｃの数値である。

【0050】

図１１は熱式フローセンサ２の流量導出部２４と流量補正部１０の動作を説明するフローチャートである。
流量導出部２４は、流量−出力信号基準特性情報記憶部４に記憶されている流量ＰＶとセンサ出力信号Ｖｔとの関係に基づいて、差動増幅器Ａ２から出力されるセンサ出力信号Ｖｔを流量ＰＶの値に変換する（図１１ステップＳ３００）。

【0051】

流量補正部１０は、熱式フローセンサ２の流量導出部２４から出力された流量ＰＶの値に補正係数Ｃを乗算して流量ＰＶを補正する（図１１ステップＳ３０１）。なお、補正係数算出部９によって設定される前の補正係数Ｃの初期値（計測流体が水の場合の値）は１である。
流量導出部２４と流量補正部１０とは、流量制御（流量計測）中にステップＳ３００，Ｓ３０１の処理を一定時間毎に行う。

【0052】

こうして、本実施例では、補正係数Ｃの設定の手間と補正係数Ｃのばらつきとを低減することができる。本実施例では、理論曲線上で理論流量初期値ＰＶｒｅｆに対する理論流量ＰＶの倍率Ｒａの１秒毎の増加量が規定値ΔＲになるようにバルブ開度指示を管理しておけば、バルブ開度−流量特性情報記憶部３に記憶されている特性に若干の誤差が生じても、バルブ開度指示を適宜修正することも可能である。

【0053】

なお、図１０で説明した処理を開始するタイミングとしては、オペレータから設定開始の指示を受けたときでもよいし、後述する第２の実施例のように予め規定されたタイミングになったときでもよい。

【0054】

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図１２は本発明の第２の実施例に係る熱式フローセンサ装置の構成を示すブロック図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例は、上記発明の原理２に対応する例である。

【0055】

本実施例の熱式フローセンサ装置１ａは、熱式フローセンサ２と、バルブ開度−流量特性情報記憶部３と、流量−出力信号基準特性情報記憶部４と、バルブ開度指示部５と、出力信号取得部６と、所要時間計測部７と、倍率情報記憶部８と、補正係数算出部９と、流量補正部１０と、予め規定されたタイミングで前記補正係数の算出・設定処理を実行するように制御管理する実行管理部３０と、補正係数算出部９によって算出された過去から現在までの補正係数Ｃの履歴情報を提示する履歴情報提示部３１と、補正係数算出部９によって算出された補正係数Ｃの正常値からの乖離度合が、規定量以上になったときにアラームを出力するアラーム出力部３２とを備えている。

【0056】

図１３は本実施例のバルブ開度指示部５と実行管理部３０の動作を説明するフローチャート、図１４は出力信号取得部６と所要時間計測部７と補正係数算出部９と実行管理部３０と履歴情報提示部３１とアラーム出力部３２の動作を説明するフローチャートである。
実行管理部３０は、予め規定されたタイミングになったときに（図１３ステップＳ４００、図１４ステップＳ５００においてＹＥＳ）、補正係数算出・設定処理を開始するよう、バルブ開度指示部５と出力信号取得部６と所要時間計測部７と補正係数算出部９とに対して指示を出す（図１３ステップＳ４０１、図１４ステップＳ５０１）。

【0057】

バルブ開度指示部５の動作（図１３ステップＳ４０２〜Ｓ４０４）は、ステップＳ１００〜Ｓ１０２で説明したとおりである。
出力信号取得部６と所要時間計測部７と補正係数算出部９の動作（図１４ステップＳ５０２〜Ｓ５０７）は、ステップＳ２００〜Ｓ２０５で説明したとおりである。
履歴情報提示部３１は、補正係数算出部９によって算出された過去から現在までの補正係数Ｃを記憶しており、過去から現在までの補正係数Ｃの履歴情報を提示する（図１４ステップＳ５０８）。

【0058】

図１５は補正係数Ｃの履歴情報の提示例を示す図である。図１５の例では、履歴情報提示部３１が表示する画面３１０に、補正係数Ｃの算出・設定の実行回数を横軸、補正係数Ｃを縦軸とするグラフが表示されている。また、履歴情報提示部３１は、最も初期に算出・設定された補正係数Ｃの＋５％を示すラインＬ１と−５％を示すラインＬ２とを画面３１０に表示する。

【0059】

アラーム出力部３２は、補正係数算出部９によって算出された最新の補正係数Ｃの正常値（通常は熱式フローセンサ装置の使用の初期に算出され記憶された補正係数Ｃ）からの乖離度合が、規定量以上になったときに（図１４ステップＳ５０９においてＹＥＳ）、アラームを出力する（図１４ステップＳ５１０）。

【0060】

例えばアラーム出力部３２は、最新の補正係数Ｃが正常値から±５％以上乖離したときに、アラームを出力する。アラームの出力方法としては、例えばアラーム発生を知らせる内容を表示したり、アラーム発生を知らせる情報を外部に送信したりする等の方法がある。

【0061】

こうして、本実施例では、補正係数算出部９によって算出・設定される補正係数Ｃをモニタリングすることにより、計測流体の状態変化（異常発生など）を検出することが期待できる。

【0062】

上記のとおり、第１、第２の実施例では、熱式フローセンサ装置を含むマスフローコントローラの例について説明しているが、本発明はマスフローコントローラ以外にも適用可能である。また、熱式フローセンサ２の上流、下流のどちらにバルブが配設されていてもよい。

【0063】

第１、第２の実施例の熱式フローセンサ装置のうち少なくともバルブ開度−流量特性情報記憶部３と流量−出力信号基準特性情報記憶部４とバルブ開度指示部５と出力信号取得部６と所要時間計測部７と倍率情報記憶部８と補正係数算出部９と流量補正部１０と実行管理部３０と履歴情報提示部３１とアラーム出力部３２と流量導出部２４とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

【0064】

このコンピュータの構成例を図１６に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インターフェース装置（以下、Ｉ／Ｆと略する）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、熱式フローセンサ２の流量計測部２２と流量制御装置１９とが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量補正方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。また、流量制御装置１９についても、周知のとおりコンピュータとプログラムによって実現することができる。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明は、熱式フローセンサに適用することができる。

【符号の説明】

【0066】

１，１ａ…熱式フローセンサ装置、２…熱式フローセンサ、３…バルブ開度−流量特性情報記憶部、４…流量−出力信号基準特性情報記憶部、５…バルブ開度指示部、６…出力信号取得部、７…所要時間計測部、８…倍率情報記憶部、９…補正係数算出部、１０…流量補正部、１１…本体ブロック、１２…センサパッケージ、１３…ヘッド部、１４…フローセンサチップ、１５…バルブ、１６…流路、１７，１８…開口、１９…流量制御装置、２０…ヒータ駆動部、２１，２３…ブリッジ回路、２２…流量計測部、２４…流量導出部、３０…実行管理部、３１…履歴情報提示部、３２…アラーム出力部、１３０…シリコンチップ、１３１…ダイアフラム、１３３…ヒータ、１３４，１３５…温度センサ、１３６…周囲温度センサ、１３７…スリット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】