JPH07243888A

JPH07243888A - 流量センサ

Info

Publication number: JPH07243888A
Application number: JP6058199A
Authority: JP
Inventors: Takashi Toda; 敬戸田
Original assignee: Stec KK
Current assignee: Stec KK
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1995-09-19
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP3424974B2

Abstract

(57)【要約】【目的】製造が容易でしかも調整をほとんど要するこ
とがない広い流量範囲にわたって安定に測定を行うこと
ができる流量センサを得ること。【構成】内部にガスＧが流れる管路１１の表面にヒー
タ１２を設けるとともに、このヒータ１２の上流側、下
流側の管路１１の表面にそれぞれ第１温度センサ１４、
第２温度センサ１５を設け、さらに、第１温度センサ１
４の上流側に第３温度センサ１６を設け、第１温度セン
サ１４における温度と第２温度センサ１５における温度
との平均値が第３温度センサ１６の温度より常に一定温
度だけ高くなるようにヒータ１２に通電したときの温度
センサ１４，１５の出力の変化に基づいてガス流量を測
定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガス流量を測定する
ためのマスフローメータまたはガス流量を測定しガス流
量を制御するマスフローコントローラに用いられる流量
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばマスフローコントローラに用いら
れる従来の流量センサは、内径が０．３〜１ｍｍのキャ
ピラリの外周にポリイミド樹脂などで被覆絶縁した数１
０μｍ程度の線材を上流側および下流側にヒータとして
巻設している。そして、キャピラリ内部にガスが流れる
ことによって、上流側のヒータは、ガス流によって熱を
奪われ、下流側のヒータは、ガス流によって運ばれる熱
によって温められる。この熱バランスによって流量を検
知することができる。

【０００３】この場合、前記構成の流量センサにおいて
は、巻線はヒータとしての機能のほかに、温度センサと
しての機能を有している。温度のバランスの変化を調べ
るために、上流側および下流側の温度センサをブリッジ
回路に組み込み、微妙な抵抗変化を出力としていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記巻
線においては、抵抗値が数１００Ω程度と小さい上に、
図４中のグラフIIに示すように、温度によって変化する
割合（ＴＣＲ）が１℃当たり０．００４％と非常に小さ
い。したがって、前記ブリッジ回路のアンプの増幅率が
大きく、アンプ自身の温度影響に大きく左右される。ま
た、経時変化による巻線の溶接箇所の微妙な接触抵抗の
変化によってもセンサ出力が大きく変化するといった不
都合があった。

【０００５】さらに、前記ブリッジ回路がガスの温度や
環境温度を変化させても成り立つためには、前記２個の
巻線における抵抗値と抵抗温度係数が全く一致していな
ければならない。そして、巻線の製作時、抵抗温度係数
は、その測定の困難さから測定されることはないが、抵
抗値は測定し、±０．５Ωの範囲というような厳しい規
格範囲内に納めなければならず、このため、製作にかな
りの注意を払う必要があるところから、製造コストが高
くならざるを得なかった。

【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、製造が容易でしかも調整をほとんど要するこ
とがない広い流量範囲にわたって安定に測定を行うこと
ができる流量センサを得ることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の流量センサは、内部にガスが流れる管路
の表面にヒータを設けるとともに、このヒータの上流
側、下流側の管路の表面にそれぞれ第１温度センサ、第
２温度センサを設け、さらに、第１温度センサの上流側
に第３温度センサを設け、第１温度センサにおける温度
と第２温度センサにおける温度との平均値が第３温度セ
ンサの温度より常に一定温度だけ高くなるようにヒータ
を加熱し、ガス流量がゼロのときの第１温度センサ、第
２温度センサの抵抗値をそれぞれＲｕ₀、Ｒｄ₀とし、
ガスが流れているときの第１温度センサ、第２温度セン
サの抵抗値をそれぞれＲｕ、Ｒｄとするとき、｛（Ｒｕ−Ｒｄ）−（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）｝×ｆ（Ｒｕ−
Ｒｄ）なる式に基づいて、前記管路中のガスの質量流量を求め
るようにしている。

【０００８】

【作用】前記流量センサにおいては、まず、調整時にガ
ス流量ゼロの状態でヒータに通電し、このときの第１サ
ーミスタおよび第２サーミスタの出力をマイクロコンピ
ュータに記憶しておき、これらサーミスタの温度との検
量線を得る。次に、ガスが流れている状態において、ヒ
ータの上下両側にそれぞれ設けられた第１、第２のサー
ミスタにおける温度の平均値が、第３サーミスタによっ
て検出されるガス温度より一定温度だけ高くなるよう
に、ヒータ１２に電力を供給する。このときの、第１サ
ーミスタおよび第２サーミスタの出力差と前記検量線と
を用いることによって、ガス流量を得ることができる。

【０００９】

【実施例】図１〜図３は、この発明に係る流量センサの
一例を示すものである。まず、図１および図２は、流量
センサのセンサ部１０の構成を示しており、１１は内部
にガスＧが流れる管路で、断面形状が角形のキャピラリ
からなり、その表面には例えば小型のセラミックヒータ
１２が貼り付けられている。１３はキャピラリ１１を水
平に保持するとともに、ヒータ１２からキャピラリ１１
への放熱を良好にするためのほぼＵ字状の放熱板で、キ
ャピラリ１１は適宜の間隔をおいて立設された垂直部１
３ａ，１３ｂを挿通し、垂直部１３ａ，１３ｂの間にヒ
ータ１２が位置するように保持される。

【００１０】１４，１５はヒータ１２のそれぞれ上流
側、下流側で、かつ、前記垂直部１３ａ，１３ｂの間に
おけるキャピラリ１１の表面に貼り付けられる温度セン
サで、例えばチップタイプのサーミスタ（以下、第１サ
ーミスタ１４、第２サーミスタ１５と言う）よりなり、
ガス流によって温度が最も変化する部分に配置されてい
る。１６は第１サーミスタ１４の上流側のキャピラリ１
１の表面に、より詳しくは、上流側の垂直部１３ａより
もやや上流側のキャピラリ１１の表面に貼り付けられる
温度センサで、例えばチップタイプのサーミスタ（以
下、第３サーミスタという）で、キャピラリ１１内のガ
スＧの温度を測定するものである。なお、以下、各サー
ミスタ１４〜１６の抵抗値をそれぞれＲｕ、Ｒｄ、Ｒｇ
と表す。

【００１１】そして、前記ヒータ１２、サーミスタ１４
〜１６は、キャピラリ１１の近傍に配置されたセラッミ
ク基板１７に金線１８を介してワイヤーボンディングさ
れている。１９はセラッミク基板１７に設けられた複数
のリード取り出し用ピンである。

【００１２】ところで、一般に市販されているサーミス
タは、８０℃以上の高温で酸化されてしまい抵抗値が変
化するのをふせぐため、サーミスタ本体はガラス封入さ
れている。したがって、これをその状態でキャピラリ１
１の表面に貼る付けることはできない。そこで、この実
施例においては、前記サーミスタ１４〜１６として、裸
のチップサーミスタをハーメチックシールを施してシー
ルし、その内部に窒素ガスなどの不活性ガスを封入した
り、内部を真空状態にしたものを用いている。

【００１３】図４は、従来の巻線に用いられてきた金属
抵抗体とこの発明で用いるサーミスタとの温度による抵
抗変化を示す図で、曲線Ｉは金属抵抗体（ＴＣＲ４００
０ｐｐｍ）の抵抗変化を、曲線IIはサーミスタ（Ｂ定数
３８００）の抵抗変化を、それぞれ示し、８０℃におけ
る各抵抗値を１として表している。なお、各抵抗体の抵
抗値と温度との関数は、以下の通りである。金属抵抗体：Ｒ＝Ｒ₀｛１＋α（Ｔ−Ｔ₀）｝サーミスタ：Ｒ＝Ｒ₀ｅｘｐ｛Ｂ（１／Ｔ−１／
Ｔ₀）｝ここに、Ｒ：抵抗値、Ｒ₀：基準温度での抵抗値、Ｔ：
温度（Ｋ）、Ｔ₀：基準温度、α：抵抗温度係数、Ｂ：
Ｂ定数

【００１４】上記図４に示されるように、数度の温度変
化では金属抵抗体の抵抗値はほとんど変化しない（約
０．００４％／℃）。これに対し、サーミスタは、１℃
当たり数％も変化する。しかも、狭い温度範囲において
はほぼリニアに変化し、そのリニアリティは約２〜３％
と非常に優れている（Ｂ定数は通常３８００程度）。な
お、前記リニアリティが仮に悪いとしても、後述するよ
うに、マイクロコンピュータ２１内で検量線を作成する
ので、問題はない。

【００１５】図３は、前記センサ部１０におけるヒータ
１２を駆動したり、センサ信号の処理を行うセンサ駆動
部２０の一例を示し、この図において、２１はマイクロ
コンピュータで、例えばＥＥＰＲＯＭ２２が接続されて
いる。そして、マイクロコンピュータ２１は、前記サー
ミスタ１４〜１６の抵抗変化を表す信号ａ，ｂ，ｃが入
力され、また、ヒータ１２への制御信号ｄが増幅回路２
３を介して出力される。サーミスタ１４〜１６の抵抗変
化を電気信号ａ，ｂ，ｃに変換するには、マイクロコン
ピュータ２１に定電流を流して電圧信号を得るようにし
てもよく、また、温度係数の小さいコンデンサを用い、
ＣＲの発振回路を構成し、周波数信号としてもよい。

【００１６】前記ＥＥＰＲＯＭ２２には、検量線データ
や調整段階において得られるデータなどが記憶され、ま
た、電源を切ってもこれらが保存されるように構成され
ている。まず、検量線データについて説明すると、図５
は、第３サーミスタ１６の抵抗値Ｒｇと、第１サーミス
タ１４および第２サーミスタ１５の抵抗値の和（Ｒｕ＋
Ｒｄ）との関係を表す検量線で、ガス温度を測定するた
めに第３サーミスタ１６の抵抗値Ｒｇのデータを取り込
み、次いで、前記（Ｒｕ＋Ｒｄ）がこの検量線にしたが
った値になるように、ヒータ１２に電力を供給する。こ
れによって、ヒータ１２の加熱を（ガス温度＋一定温度
差）に制御することができる。

【００１７】そして、調整段階において、ガス流量ゼロ
の状態でヒータ１２に電圧を供給すると、第１サーミス
タ１４および第２サーミスタ１５が温められて、それぞ
れ抵抗値に変化が生ずる。このときの第１サーミスタ１
４、第２サーミスタ１５の抵抗値Ｒｕ₀、Ｒｄ₀を測定
する。このときのヒータ電圧と、第１サーミスタ１４お
よび第２サーミスタ１５の抵抗値の変化を示したものが
図５で、図中の曲線Ｉは第１サーミスタ１４の抵抗値Ｒ
ｕ₀を、曲線IIは第２サーミスタ１５の抵抗値Ｒｄ
₀を、曲線III は（Ｒｕ₀＋Ｒｄ₀）をそれぞれ示す。
また、（Ｒｕ₀＋Ｒｄ₀）と（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）との関
係は、図６において実線で示すように表される。

【００１８】以上のように調整した後、次のようにして
ガス流量を測定する。すなわち、ヒータ１２の上下両側
にそれぞれ設けられた第１、第２のサーミスタ１４，１
５における温度の平均値が、第３サーミスタ１６によっ
て検出されるガス温度より一定温度だけ高くなるよう
に、ヒータ１２に電力を供給し、このときの第１、第２
のサーミスタ１４，１５の出力Ｒｕ、Ｒｄをマイクロコ
ンピュータ２１に入力し、これらの和（Ｒｕ＋Ｒｄ）を
求める。そして、このときの（Ｒｕ＋Ｒｄ）に相当する
（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）の値を差し引いたものに、（Ｒｕ−
Ｒｄ）の関数、すなわち、ｆ（Ｒｕ−Ｒｄ）を乗ずるこ
とによって、ガス流量Ｘが得られる。これを式で表すと
次のようになる。Ｘ＝｛（Ｒｕ−Ｒｄ）−（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）｝×ｆ（Ｒｕ−Ｒｄ）（１）

【００１９】そして、この発明の流量センサにおけるゼ
ロ点は、上記（１）式における（Ｒｕ−Ｒｄ）−（Ｒｕ
₀−Ｒｄ₀）の項で補正されている。したがって、従来
のように、抵抗値のバランスによってゼロ点が変動する
ことはほとんどない。また、スパンの方も上記ｆ（Ｒｕ
−Ｒｄ）によって温度影響がないように補正される。

【００２０】この発明の流量センサにおいては、温度測
定に使用しているサーミスタ１４〜１６は、巻線に比べ
て検出出力の変化が大きいので、アンプのゲインは小さ
くてよい。その結果、アンプの温度影響を考慮する必要
がなくなる。そして、抵抗値が大きく、抵抗変化が大き
いので安定した出力を得ることができる。また、マイク
ロコンピュータ２１にガス流量ゼロにおけるサーミスタ
１４，１５の出力を入力するので、サーミスタ１４，１
５の抵抗値やＢ定数のバラツキを考慮する必要がない。
したがって、容易にセンサを製作することができ、歩留
りも大いに向上する。

【００２１】そして、前記サーミスタ１４，１５の抵抗
値のバランスはマイクロコンピュータ２１に記憶されて
いるので、環境温度やガス温度が変化しても、ガス流量
ゼロの状態は、前記記憶内容から割り出すことができ
る。したがって、環境温度が変化しても、流量指示の変
化はほとんどなく、また、センサを恒温槽に収容して温
度調整を行う必要もない。

【００２２】この発明は、上述の実施例に限られるもの
ではなく、例えばキャピラリ１１として内径０．３〜１
ｍｍの円筒状のものを用いてもよい。そして、ヒータ１
２として巻線タイプのものを用いてもよい。

【００２３】また、サーミスタは、大気中の酸素により
酸化され、特性が変化しやすい。そして、シリコン半導
体のＰＮジャンクションに逆バイアスをかけたときのリ
ーク電流がサーミスタと同様の特性を有するところか
ら、温度センサ１４〜１６として、サーミスタに代えて
ＰＮダイオードを用いてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明において
は、内部にガスが流れる管路の表面ににヒータを設け、
このヒータの上流側位置および下流側位置にそれぞれ温
度センサを設け、ヒータに通電したときの温度センサの
出力の変化に基づいてガス流量を測定するようにしてい
るので、温度センサの規格が不要になり、流量センサを
安価に得ることができる。また、調整段階においても、
温度調整のための調整が不要になる。したがって、前記
温度センサ相互のバラツキによって生じる温度影響がな
くなり、広い温度範囲にわたって安定に動作する流量セ
ンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流量センサのセンサ部の構成の一例を示す斜視
図である。

【図２】前記センサ部の主要部を概略的に示す断面図で
ある。

【図３】前記流量センサのセンサ駆動部の構成の一例を
概略的に示す図である。

【図４】従来の巻線に用いられてきた金属抵抗体とこの
発明で用いるサーミスタとの温度による抵抗変化を示す
図である。

【図５】検量線の一例を示す図である。

【図６】ガス流量がゼロのときにおけるヒータ電圧と、
第１サーミスタおよび第２サーミスタの抵抗値の変化を
示した図である。

【図７】２つのサーミスタ出力の和と差との関係を表し
た図である。

【符号の説明】

１１…管路、１２…ヒータ、１４…第１温度センサ、１
５…第２温度センサ、１６…第３温度センサ、Ｇ…ガ
ス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部にガスが流れる管路の表面にヒータ
を設けるとともに、このヒータの上流側、下流側の管路
の表面にそれぞれ第１温度センサ、第２温度センサを設
け、さらに、第１温度センサの上流側に第３温度センサ
を設け、第１温度センサにおける温度と第２温度センサ
における温度との平均値が第３温度センサの温度より常
に一定温度だけ高くなるようにヒータを加熱し、ガス流
量がゼロのときの第１温度センサ、第２温度センサの抵
抗値をそれぞれＲｕ₀、Ｒｄ₀とし、ガスが流れている
ときの第１温度センサ、第２温度センサの抵抗値をそれ
ぞれＲｕ、Ｒｄとするとき、｛（Ｒｕ−Ｒｄ）−（Ｒｕ₀−Ｒｄ₀）｝×ｆ（Ｒｕ−
Ｒｄ）なる式に基づいて、前記管路中のガスの質量流量を求め
ることを特徴とする流量センサ。