JP5260436B2 - 診断機能付き熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は熱式流量計に係り、特に、発熱体の温度を制御する制御系（発熱体温度制御系）の故障を検出できる熱式流量計に関する。

発熱体温度制御系の故障を検出可能な従来例には特開２００５−３０８６６５号公報に記載された発熱抵抗体式流量計がある。本従来例では発熱体駆動手段の出力電圧を観測し、この出力電圧が所定の範囲内に在るかどうかで発熱体温度制御系の故障を検出していた。

特開２００５−３０８６６５号公報

発熱体を一定温度に加熱し、その上下流の温度差から流量を検出する熱式流量計において、発熱体を一定温度に加熱する発熱体温度制御系が故障すると流量計の感度がゼロになったり、逆に感度が異常に大きくなったりする。これに対応するため、前記従来例では発熱体駆動手段の出力電圧を観測し、この出力電圧が所定の範囲に在るかどうかを判定することで発熱体温度制御系の故障を判定し、故障と判定した場合には流量出力をグランド電位に固定することでシステム側に故障を通知できるようにしていた。

しかし、上記従来例では検出素子の故障の判定は可能であるが制御回路の故障に関して配慮が欠けていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出素子および制御回路の故障を高精度に検出できる熱式流量計を提供することにある。

上記課題を解決するために、流体中に配置され電流を流すことによって発熱する発熱体と、前記発熱体の温度を検出する発熱体温度検出手段と、前記発熱体温度検出手段の出力に基づいて発熱体に電流を流す発熱体駆動手段と、前記発熱体の上流側と下流側とにそれぞれ設けられた上流側および下流側温度検出手段と、前記上流側および下流側温度検出手段の出力に基づいて流体の流量信号を出力する流量検出手段とを有する熱式流量計において、前記発熱体と前記発熱体温度検出手段と前記発熱体駆動手段とによって構成される発熱体温度制御系に外乱を重畳する外乱重畳手段と、前記外乱重畳手段が前記発熱体温度制御系に重畳する外乱信号と前記発熱体温度制御系の内部信号とを比較することで故障を判定する故障判定手段とを設ける。

本発明によれば、熱式流量計の検出素子および制御回路の故障を高精度に検出できる熱式流量計を提供できる。

第１の実施例の熱式流量計の構成図。 第１の実施例の熱式流量計の内部信号波形。 第２の実施例の熱式流量計の検出素子１４の平面図。 第２の実施例の熱式流量計の構成図。 第３の実施例の熱式流量計の検出素子１４の平面図。 第３の実施例の熱式流量計の構成図。 第４の実施例の熱式流量計の構成図。 第５の実施例の熱式流量計の構成図。 第６の実施例の熱式流量計の構成図。 第７の実施例の熱式流量計の構成図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例である熱式流量計を図１，図２により説明する。なお、図１は第１の実施例の熱式流量計の構成図、図２は第１の実施例の熱式流量計の内部信号波形である。

本熱式流量計の構成を図１により説明する。本熱式流量計の検出素子１は電流を流すことによって発熱する発熱体３と、発熱体３の温度を検出する発熱体温度検出手段５と、発熱体３の上流側の温度を検出する上流側温度検出手段２と、発熱体３の下流側の温度を検出する下流側温度検出手段４により構成される。制御回路は発熱体温度検出手段５の出力と基準値との差分を求める引算器９と、引算器９の出力を積分する積分器１０と、外乱を発生させる外乱発生器８と、積分器１０の出力と外乱発生器８の差分を求める引算器７と、引算器７の出力に応じて発熱体３に電流を流す発熱体駆動手段６と、外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体３，発熱体温度検出手段５，引算器９，積分器１０，引算器７，発熱体駆動手段６よって構成される発熱体温度制御系の故障を判定する故障判定手段１１と、上流側温度検出手段２と下流側温度検出手段４の出力から流量を検出する流量検出手段１２と、故障判定手段１１が故障と判定した場合に流量信号をグランド電位に固定する切り換え回路１３により構成される。

本実施例の熱式流量計では発熱温度体制御系の故障を判定するために外乱発生器８により外乱を発生し、引算器７によって積分器１０の出力に外乱を重畳した信号を作成し、発熱体駆動回路６にこの外乱を重畳した信号を印加した。この時の内部信号波形を図２に示す。本実施例では外乱発生器８で図２に示すような台形波の外乱を作成し、引算器７を介して発熱体駆動手段６に印加する。この時、台形波の周波数が発熱体温度制御系の応答周波数よりも低い場合、発熱体温度制御系の働きにより発熱体駆動手段６の出力信号および発熱体３の温度はほとんど変化しない。これは外乱の影響が発熱体温度制御系のループゲインによって縮小されるからである。このため、積分器１０の出力は外乱発生器８の出力と同じ大きさの信号になる。逆に言えば、発熱体温度制御系の何処かが故障すると積分器１０の出力と外乱発生器８の出力は同じ大きさにならない。従って、外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定できる。なお、故障判定手段１１ではより高精度に故障を判定するために外乱発生器８の出力信号である台形波で積分器１０の出力を同期検波し、この同期検波出力が所定の範囲に在ることを確認して故障を確認した。なお、外乱発生器８の出力信号には台形波，方形波，三角波，正弦波などの繰り返し信号を用いれば、積分器１０の出力の同期検波を容易に行える。

また、外乱発生器８の出力信号の周波数成分は発熱体温度制御系の応答周波数よりも十分に低くした。こうすることで、発熱体３の温度変化を十分小さくできる。これは発熱体温度制御系の働きで外乱発生器８の出力信号による発熱体３の温度変化を抑えられるのが発熱体温度制御系の応答周波数までであるからである。なお、外乱発生器８の出力信号は高周波の周波数成分が少ない台形波，三角波，正弦波などが望ましい。こうすることで発熱体３の温度変化をより小さく抑えることができる。

また、本実施例では外乱を重畳しても発熱体３の温度の変化が無いため、流量出力への影響は無い。つまり、外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できる。このため、外乱を常時重畳し発熱体温度制御系の故障判定を実施することが可能である。

また、外乱発生器８の出力信号の周波数は流量検出手段１２の応答周波数よりも高くした。こうすることで、発熱体３の温度変化が仮に生じたとしても流量出力への影響を無くすことができる。なお、この効果を高めるために流量検出手段１２の出力にローパスフィルタを配置することも可能であり、ローパスフィルタを配置することで発熱体３の温度変化が仮に生じたとしても流量出力への影響を無くすことができる。なお、ローパスフィルタの遮断周波数は外乱発生器８の出力信号の周波数よりも十分低い必要がある。

また、本実施例では切り換え回路１３を設け、故障判定手段１１が故障と判定した場合に流量信号をグランド電位に固定したが、電源電圧に固定しても良い。これは、本熱式流量計の流量信号がグランド電位あるいは電源電圧に固定された場合、本熱式流量計の流量信号の受け側システムは本熱式流量計が故障したと判断することが可能であるからである。

次に、本発明の第２の実施例の熱式流量計を図３，図４により説明する。なお、図３は第２の実施例の熱式流量計の検出素子１４の平面図、図４は第２の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計の検出素子１４を図３により説明する。検出素子１４はシリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される平板基板にダイアフラム１５を配置し、ダイアフラム１５の表面には所定の温度差に加熱される発熱抵抗体１９と、発熱抵抗体１９の近傍に発熱抵抗体１９の温度を検出する発熱体温度検出抵抗体１８と、発熱抵抗体１９の両側（上流と下流）に温度検出手段として温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１を形成している。なお、発熱抵抗体１９はポリシリコン薄膜，白金薄膜，ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で電流を流すことで発熱する。また、発熱体温度検出抵抗体１８，温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１もポリシリコン薄膜，白金薄膜，ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で、これらの抵抗体の抵抗値が温度により変化することを利用して、発熱体温度検出抵抗体１８は発熱抵抗体１９の温度を検出し、温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１は発熱抵抗体１９の上流および下流の温度を検出する。また、発熱抵抗体１９は接続端子２７，２８を介して外部に電気的に接続される。また、発熱体温度検出抵抗体１８は接続端子２６，２９を介して外部に電気的に接続され、温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１は接続端子２２，２３，２４，２５，３０，３１，３２，３３を介して外部に電気的に接続できるようにしている。

次に、本熱式流量計の構成を図４により説明する。本熱式流量計は発熱体温度検出抵抗体１８と抵抗素子３５，３６，３７から構成され発熱抵抗体１９の温度を検出するブリッジ回路３４と、ブリッジ回路３４の出力電圧を増幅する増幅回路３９と、増幅回路３９の出力と基準値との差分を求める引算器９と、引算器９の出力を積分する積分器１０と、外乱を発生させる外乱発生器８と、積分器１０の出力と外乱発生器８の差分を求める引算器７と引算器７の出力に応じて発熱抵抗体１９に電流を流す発熱体駆動回路６と、外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定する故障判定手段１１と、温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１から構成され発熱抵抗体１９の上流側と下流側の温度差を検出することで流量に応じた信号を出力するブリッジ回路３８と、ブリッジ回路３８の出力を増幅する増幅回路４０と、故障判定手段１１が故障と判定した場合に流量信号をグランド電位に固定する切り換え回路１３により構成される。

本実施例でも第１の実施例と同様に、外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定できる。すなわち、故障判定手段１１は外乱発生器８の出力と積分器１０の出力とを比較する比較回路によって構成することができる。また、外乱を重畳しても発熱抵抗体１９の温度が変化しないため、流量出力への影響は無い。つまり、外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できる。このため、外乱を常時重畳し発熱体温度制御系の故障判定を実施することが可能である。

次に、本発明の第３の実施例の熱式流量計を図５，図６により説明する。なお、図５は第３の実施例の熱式流量計の検出素子１４の平面図、図６は第３の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計の検出素子１４は第２の実施例の熱式流量計の検出素子１４に副発熱抵抗体４１と、副発熱抵抗体４１の接続端子４２，４３を追加したものであり、副発熱抵抗体４１は電流を流すことで発熱し、この発熱により発熱抵抗体１９へ熱流として外乱を与える。

次に、本熱式流量計の構成を図６により説明する。本熱式流量計は第２の熱式流量計に対して、外乱発生器８の接続先を変更したもので、外乱発生器８を副発熱抵抗体４１に接続した。外乱発生器８は副発熱抵抗体４１に外乱信号を印加し、この外乱信号により副発熱抵抗体４１を過熱させることで発熱抵抗体１９に外乱を与える。この外乱信号により、積分器１０の出力信号が変化するので故障判定手段１１により外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定することができる。

本実施例においても外乱を重畳しても発熱抵抗体１９の温度が変化しないため、流量出力への影響は無い。つまり、外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できる。このため、外乱を常時重畳し発熱体温度制御系の故障判定を実施することが可能である。

次に、本発明の第４の実施例の熱式流量計を図７により説明する。なお、図７は第４の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計は第２の実施例の熱式流量計に対して、外乱発生器８の接続先を変更したもので、外乱発生器８をブリッジ回路３４の電源に接続した。ブリッジ回路３４は発熱体温度検出抵抗体１８と抵抗素子３５，３６，３７から構成されるのでブリッジ回路３４の電源に外乱信号を印加することで発熱体温度検出抵抗体１８の自己発熱が変化する。つまり、外乱発生器８はブリッジ回路３４の電源に外乱信号を印加することで発熱体温度検出抵抗体１８の自己発熱を変化させ、この自己発熱によって発熱抵抗体１９に外乱を与える。この外乱信号により、積分器１０の出力信号が変化するので故障判定手段１１により外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定することができる。

本実施例においても外乱を重畳しても発熱抵抗体１９の温度が変化しないため、流量出力への影響は無い。つまり、外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できる。このため、外乱を常時重畳し発熱体制御系の故障判定を実施することが可能である。

次に、本発明の第５の実施例の熱式流量計を図８により説明する。なお、図８は第５の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計は第２の実施例の熱式流量計に対して、外乱発生器８の接続先を変更したもので、外乱発生器８をブリッジ回路３８の電源に接続した。ブリッジ回路３８は温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１から構成されるのでブリッジ回路３８の電源に外乱信号を印加することで温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１の自己発熱が変化する。つまり、外乱発生器８はブリッジ回路３８の電源に外乱信号を印加することで温度検出抵抗体１６，１７，２０，２１の自己発熱を変化させ、この自己発熱によって発熱抵抗体１９に外乱を与える。この外乱信号により、積分器１０の出力信号が変化するので故障判定手段１１により外乱発生器８の出力と積分器１０の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定することができる。

本実施例においても外乱を重畳しても発熱抵抗体１９の温度が変化しないため、流量出力への影響は無い。つまり、外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できる。このため、外乱を常時重畳し発熱体制御系の故障判定を実施することが可能である。

次に、本発明の第６の実施例の熱式流量計を図９により説明する。なお、図９は第６の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計は第２の実施例の熱式流量計に対して、引算器９と積分器１０の間に引算器４４を追加し、この引算器４４に外乱発生器８を接続したものである。本熱式流量計は積分器１０の入力に外乱信号を重畳しているので発熱抵抗体１９の温度が外乱信号に応じて変化するので故障判定手段１１により外乱発生器８の出力と引算器９の出力を比較することで発熱体温度制御系の故障を判定することができる。

本実施例においては外乱信号に応じて発熱抵抗体１９の温度が変化するので、流量出力への影響が出ないように外乱信号の周波数を増幅回路４０の応答周波数よりも十分高くした。このことにより、増幅回路４０の高周波の減衰効果により外乱信号による発熱抵抗体１９の温度変化が流量信号に影響しないようにした。なお、この効果は増幅回路４０の出力にオーパスフィルタを付加しても同様の効果が得られる。これらにより、本実施例において外乱を重畳した状態で流量信号を正常に出力できるようにした。このため、外乱を常時重畳し発熱体温度制御系の故障判定を実施することができる。

次に、本発明の第７の実施例の熱式流量計を図１０により説明する。なお、図１０は第７の実施例の熱式流量計の構成図である。

本熱式流量計は第２の実施例の熱式流量計に対して、積分器１０の入力信号が所定の範囲に在るかどうかを故障判定手段１１により判定できるようにしたもので、発熱体温度制御系が正常に動作していれば積分器１０の入力が０に成る事を確認することです発熱体温度制御系の故障を判定するようにした実施例である。なお、本実施例においては増幅回路３９のゼロ固定故障は検出できないが、積分器１０，発熱体駆動手段６，発熱抵抗体１９の故障を検出することが可能である。

１，１４ 検出素子
２ 上流側温度検出手段
３ 発熱体
４ 下流側温度検出手段
５ 発熱体温度検出手段
６ 発熱体駆動手段
７，９ 引算器
８ 外乱発生器
１０ 積分器
１１ 故障判定手段
１２ 流量検出手段
１３ 切り換え回路
１５ ダイアフラム
１６，１７，２０，２１ 温度検出抵抗体
１８ 発熱体温度検出抵抗体
１９ 発熱抵抗体
２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３３，４２，４３ 接続端子
３４，３８ ブリッジ回路
３５，３６，３７ 抵抗素子
３９，４０ 増幅回路
４１ 副発熱抵抗体
４４ 引算器

Claims (14)

1. 流体中に配置され電流を流すことによって発熱する発熱体と、前記発熱体の温度を検出する発熱体温度検出手段と、前記発熱体温度検出手段の出力に基づいて発熱体に電流を流す発熱体駆動手段と、前記発熱体の上流側と下流側にそれぞれ設けられた上流側および下流側温度検出手段と、前記上流側および下流側温度検出手段の出力に基づいて流体の流量信号を出力する流量検出手段とを有する熱式流量計において、
   前記発熱体と前記発熱体温度検出手段と前記発熱体駆動手段とによって構成される発熱体温度制御系に外乱を重畳する外乱重畳手段と、前記外乱重畳手段が前記発熱体温度制御系に重畳する外乱信号と前記発熱体温度制御系の内部信号とを比較することで故障を判定する故障判定手段とを有することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
2. 請求項１に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記故障判定手段の出力に応じて前記流量検出手段の出力をグランド電位あるいは電源電圧に固定する手段を有することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
3. 請求項１又は２に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記外乱重畳手段は前記発熱体駆動手段の入力に外乱を重畳することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
4. 請求項１又は２に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記発熱体に隣接して配置され電流を流すことで発熱する副発熱体を有し、
   前記外乱重畳手段は前記副発熱体に外乱を重畳することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
5. 請求項１又は２に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記発熱体温度検出手段は前記発熱体に隣接して配置される抵抗ブリッジで構成され、 前記外乱重畳手段は前記発熱体温度検出手段の抵抗ブリッジの電源端子に外乱を重畳することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
6. 請求項１又は２に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記上流側および下流側温度検出手段は前記発熱体に隣接して配置される抵抗ブリッジで構成され、
   前記外乱重畳手段は前記上流側および下流側温度検出手段の抵抗ブリッジの電源端子に外乱を重畳することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
7. 請求項１又は２に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記外乱重畳手段は前記発熱体温度検出手段の出力に外乱を重畳することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記故障判定手段は前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号と前記発熱体駆動手段への入力信号とを比較することで故障を判定することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の診断機能付き熱式流量計において、
   前記故障判定手段は前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号と前記発熱体温度検出手段の出力に応じた信号とを比較することで故障を判定することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の診断機能付き熱式流量計において、
    前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号が繰り返し信号であることを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
11. 請求項１０に記載の熱式流量計において、
    前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号が台形波，方形波，三角波，正弦波のいずれかであることを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
    前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号の周波数が前記発熱体温度制御系の応答周波数よりも低いことを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
    前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号の周波数が前記流量検出手段の応答周波数よりも高いことを特徴とする診断機能付き熱式流量計。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の熱式流量計において、
    前記外乱重畳手段が重畳する外乱信号の周波数を除去するように前記流量検出手段の出力にローパスフィルタを有することを特徴とする診断機能付き熱式流量計。

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