JPH0227221A - マスフローコントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、ガス流量を精密にｔ／制御する際に使用され
るマスフローコントローラに係り、特に感熱型流良セン
サの改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来、第１０図の模式図に示すように、マスフローコン
トローラの感熱型流通センサとして、細流間管２の外周
に下流側と上流側の２ｆｌの感熱抵抗線１．２を巻き線
したセンサが広く用いられでいる。細流間管３はガスを
分流して質量流量を求めるために用いられる。感熱抵抗
線１．２は細流間管３の薄い壁を通して、常にほぼ一定
σ熱覆をガスに与える。また、感熱抵抗線は、温度に応
じてその抵抗値が変化する。ガスが図の矢印のように流
入口４から流出口５の方向に流れると、上流側感熱抵抗
線２から下流側感熱抵抗線１に熱を運ぶので、上流側よ
り下流側の方が温度が高くなる。

２個の感熱抵抗線は、入力電流が一定なブリッジ回路に
組み込まれている。出力電圧は、温度差（Δ丁）により
生じる感熱抵抗線抵抗の差（Ｒ，−Ｒ２）に比例してい
る。他の２つのパラメータである熱入力（Ｐ）と比熱（
Ｃ９）は共に−・定である。比熱は、ガス粘度や熱伝導
率と違い、置換パラメータとしては好ましいものである
。というのは、比熱はガス固有の５ので、温度や圧力が
変わっても、広い範囲にわたってほぼ一定であるからで
ある。

出力と質量流山とは本質的には直線関係にはないが、通
常使用する範囲ではほぼ直線である。

第９図は１１な記ブリッジの構成を示す回路図である。

第９図において、Ｒ，Ｒ２はそれぞれ下流側感熱抵抗線
１．上流側感熱抵抗［１２の抵抗である。

Ｒ３及びＲ４とｖ、Ｒ１はＲ１とＲ２に１するブリッジ
の対辺抵抗である。このブリッジを駆動するトランジス
タＱ１のコレクタが接続されている。

ブリッジを流れる電流の検出抵抗Ｒ５がブリッジに直列
に接続されでいる。基準電圧■７を発生りるツェナーダ
イオードがあり、抵抗Ｒ７を介してＶＣ，（例えば＋１
５■）に接続されている。検出抵抗Ｒ５の出力電圧と基
準電圧■７とがそれぞれ抵抗Ｒ、Ｒを介してオペアンプ
Ａ１の入力に接続されている。オペアンプＡ１の出力は
ブリッジ駆動用のトランジスタＱ１のベースに接続され
ている。

ブリッジバランス抵抗の中点及び感熱抵抗線同志の接続
点からブリッジ出力を得ることができる。

ブリッジ出力は抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４で
利得が決定されるオペアンプ△２の入力に接続される。

従って、ガス流量により温度が変動すればＲ、Ｒの抵抗
値が変化し、オペアンプＡ２から出力Ｖ。が得られる。

Ａ１の利得が充分に大きいどすると、フィードバックに
よりオペアンプＡ１の入力電圧ｖ＋。

■　は等しくなる。ここで Ｖ　　＝Ｖ２ Ｖ　　＝ＩＸＲ５ ＋ （但し、■はブリッジ駆動Ｎ流） 従って Ｖ　　＝ＩＸＲ５ となり ｆ＝Ｖ　　／Ｒ５ が得られ、オペアンプＡ１とブリッジ駆動用のトランジ
スタＱ１により、ブリッジ駆動電流Ｉは定電流化される
。

マスフローコントローラとして、例えば細流吊管２の下
流側と１流側にそれぞれ温度係数の大なる感熱抵抗線１
．２を配し、各感熱抵抗線に供給するｎＲ値を一定に保
持し、ガスが流れることによって変化する感熱部分の温
度分布を検出することにより、火急測定を行なうもの（
例えば、特公昭５６−２３０９４号公報）や流体温度を
Ｗ４１１！５することにより通過流体を条件づけ、流体
が通過する時の熱交換作用において流体の温度を異なる
温度値に変更し、これら温度調節と温度変更段階のうち
少なくとも一方の段階で費されたエネルギーを表示する
ようにして流山測定を行なうものく例えば、特開昭５９
−１８４２３号公報）がある。

しかしながら、前者は温度分布が変化する速さが細流石
管やその被覆物の熱容量の影響をうけるため応答性に欠
ける欠点がある。また、後者は、応答速度は前者に比べ
ると良好であるが、動作原理が熱線流速計と同一である
ため、周囲温度の変化や流体の熱容ｎの違い等によって
ゼロ点が変動し易いという欠点がある。この欠点を解決
するため定温度回路を設ける事が提案されているが（特
開昭６２−１３１２０号公報及び特開昭６１−１２８１
２３号公報）、回路の製ｆｉ原価が高くなるため広く実
用化されるには至っていないのが実状である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上述の点にシみでなされたちので、従来の感温
抵抗線を巻き線した方式のままで温度特性を向上さぼる
事を目的とする。

一般に感温抵抗線を巻き線したセンサの温度特性は悪い
と言われている。この原因は感熱型流Ｍセンサの原理に
よると言われている。即ち細流損管内を流れるガスによ
り生じる温度差が小さいため、その温度差を電圧として
取り出すブリッジ回路を含む直流増幅器・の温度特性に
よりセンサの温度特性は決定される。

従って温度特性を向上さぼる方法として、増幅器に温度
ドリフトの小さなものを使用する、あるは温度ヒンリを
設は出力を補正すること等が考えられるが、これらの方
法では原価が高くなるにも関わらず効果はすくない。

木発明者はセンサの特性について詳しい解析を行った結
果、センサのドリフトは、センサ製造上で起こる２個の
感熱抵抗線の抵抗値の不揃いや、放熱、抵抗温度係数の
アンバランスが原因であることが明確となった。

つまり従来のセンサは、２１Ｉｌ！ｌの感熱抵抗線を全
く同一の条件で作成できないため、ドリフトを持つとい
う欠点を有していた。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために本発明は、細流准管内を流れ
るガスによって生じる温度差によって電気抵抗が変化す
ることを利用して質１　ｆｆｌ　５ｔに対応した電圧を
出力する少なくとも２個の感熱抵抗線を細流Ａ管の外周
に設けた感熱流ｍセンサを用いたマスフローコントｒコ
ーラにおいて、前記感熱抵抗線と直列に該感熱抵抗線の
抵抗値の２％以下の値を持つ抵抗を接続した感熱流量セ
ンサを１１いたことを特徴とするマス７０−コントロー
ラである。

そして、前記感熱抵抗線と並列に該感熱抵抗線の抵抗値
の５０倍以上の値を持つ抵抗を接続した感熱流量センサ
を用いたものである。

さらに、前記感熱抵抗線と直列に該感熱抵抗線の抵抗値
の２％以下の値を持つ抵抗を接続し、かつ前記感熱抵抗
線と並列に該感熱抵抗線の抵抗値の５０倍以上の値を持
つ抵抗を接続した感熱流ｍセンサを用いたものである。

本発明は、ドリフトを補正するため積極的に温度係数を
外部から動かそうとするものである。

下流側感熱抵抗線１の抵抗Ｒ１の温度係数をαとすると
、抵抗値は（１）式で表わされる。

Ｒ−Ｒｏ　（１＋αＴ）　　　　　　　　・（１）Ｒｏ
＝基準温度の時の抵抗値 Ｔ　　：温度 この抵抗に１テ、なる抵抗を直列に接続する。

ここで、Ｒ＝Ｒｏ／Ｎ　　　　　　　　・・・（２）と
Ｊ３　＜と合成抵抗Ｒは（３）式のようになる。

■己　　　　Ｎ Ｒ，＝Ｒ（１トＮコアエα丁）　　　−（３）同様にＲ
１なる抵抗を並列に接続した場合を考える。

Ｒ＝ｎＲ０ ・・・　（４） とおくと合成抵抗Ｒは（５）式のようになる。

ｎ　　　　　　　　　　　　　　ｎ 旧シロ□Ｒｏ　（１−１−７α丁）、　　−（５）今、
Ｎ−５０とすると、Ｎ二Ｌ」− Ｎ　＝１．０２゜ Ｎ＋１彎０．９８となるので、（３）式は感熱抵抗線１
にその２％の抵抗値を持つ抵抗Ｒを直列に接続すると抵
抗値は２％増加し、温度係数はほぼ２％減少することを
示している。

一方、（５）式では、ｎ−５０とすると持つ抵抗を並列
に付加することにより、抵抗値も温度係数もほぼ２％減
少することを示している。

このように感熱抵抗線の温度係数を外部で補正できるこ
とが分った。また抵抗値そのものの変化に対するドリフ
トは小さく、それを含めて考えても外部抵抗の付加によ
り、ドリフトを補正することが可能である。

第１１図は、感熱抵抗線の抵抗値の差異によるセンサの
零点トリットの解析結果であり、下流側感熱抵抗線１が
上流側感熱抵抗ｌ！２に比較して４％、８％、１２％、
１６％、２０％大ぎい場合の流ｌが零の時のブリッジ出
力を示したものである。感熱抵抗線の抵抗値が２０％異
なった場合１．５ｍＶの出力ドリフトが発生する。

第１図において、 Ｒ１＝Ｒ１ｏ（１＋α１Ｔ） Ｒ２−Ｒ２ｏ（１＋α２丁） ここで、Ｒ１０’　Ｒ２０はそれぞれＲ１゜準温度にお
ける抵抗値である。

Ｒ２の基 ａ１＝ａ２＝ａ　　　４７００ｐｐｍ／’ＣＲ１ｏ＝Ｒ
２０（１＋Ｄ）　　Ｒｌｏ：５０ｏ２５℃においてＯ≦
Ｄ≦０．２ である。

第１２図は感熱抵抗線の温度係数の差異によるセンサの
零点ドリフトの解析結果であり、下流側感熱抵抗線１が
上流側感熱抵抗線２に比較して０．２％、０．４％、０
．６％、０．８％、１％大きい場合の流量が零の時の出
力を示したものである。

第１２図において、 Ｒ１＝Ｒ１ｏ（１トα１　Ｔ） Ｒ２＝Ｒ２ｏ（１＋α２Ｔ） α１≠α２ Ｒ１０””　Ｒ２０ α　＝α　（１＋Ｈ）　　　０≦Ｈ≦０．０１である。

温度係数が１％異なる場合には、約３ｍＶのドリフｉ・
が発生する。

このように、抵抗値の放熱、抵抗温度係数の差異等につ
いてドリフトを、！Ｉ算した結果、温度係数の差異が最
も大きなドリフトの要因であることが分った。

第１３図に、下流側感熱抵抗線１が」、流側感熱抵抗線
２の２０％増の抵抗値を仮定した場合、上流感熱抵抗線
２に並列抵抗Ｒ１としてそれぞれ１０にΩ。　２０にΩ
、　　３０にΩ、　４０にΩ。

５０にΩ付加し零点ドリフトを補正した例（解析結果）
を示す。２０にΩの抵抗によりドリフトは最小となるこ
とが分る。

第１３図において、 Ｒ１ｏ＝Ｒ２ｏ（１＋０．２＞ α　１　　＝　α　２　　（１＋　ト１　）Ｒ２（Ｉｌ
ｌに付けた並列抵抗Ｒ９によってＨを動かしたことにな
る。

通常製造上のセンサのバラツキは２％以内のため、本発
明・では付加抵抗による温度係数の変化幅を２％に抑え
た。

［実施例］ 以下、本発明の実施例に基づき、より詳細に説明する。

Ｉ８流Ｎ管として外径Ｑ、５ｍｍ、肉厚３０μｍのステ
ンレスバイブを使用して第１図に示すような構成で感熱
型流量センサを作成した。感熱抵抗線を１０ｍｍの幅に
渡って巻き付けた。１つの抵抗線の抵抗値は５０Ωであ
った。抵抗線に定電流制御方式で１１流を０．０５Ａ２
１ｉＥｔ、センυを加熱した。加熱時の抵抗値は周囲温
度が２５°Ｃの時７５Ωであった。

第１４図は零点ドリフト補正例を示す実験結果であり、
Ｒ２１１１１に並列抵抗Ｒ１としてそれぞれ４．７にΩ
。１０にΩ。２２にΩ、４７にΩを接続した場合を示す
。

この図より改善前即ち抵抗Ｑで並列抵抗Ｒ０が付いてい
なかった場合、０．４ｍＶあったドリフトが４７にΩの
抵抗を並列に付加するのみで０．１ｍＶのドリフトに減
少することが分る。

第１図はＲ２側に並列抵抗ＲＩ）を付けた場合のブリッ
ジ回路図であるが、第２図のように並列抵抗ＲはＲ１側
に付けてもよい。また第３図のように並列抵抗Ｒ，１，
Ｒ，２を、それぞれＲ１側とＲ２側につけてもよいが、
この場合には調整のために抵抗ＶＲ２を入れる必要があ
る。

さらに、第４図、第５図のように直列抵抗Ｒ８をＲ１ま
たはＲ２側に付けても同じような効果が得られる。また
第６図のように直列抵抗Ｒ３１゜Ｒｓ２をそれぞれＲ１
側とＲ２側につけてもよいが、この場合には調整のため
に抵抗ＶＲ２を入れる必要がある。

なお、第７図のように並列抵抗ＲをＲ１側につけ、直列
抵抗ＲをＲ２側につけた場合、また第８図のように直列
抵抗ＲをＲ１側につけ、並列抵抗Ｒ１をＲ２側につけた
場合も考えられるが、複雑になり過ぎて実用上余り意味
は出てこない。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明は従来の感温抵抗線を巻き
線した方式のままで外部抵抗を接続するだけで温度特性
を飛躍的に向上さける事が可能となり工業上極めて有効
である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明のマスフローコントローラに用
いる感熱型流量センサのセンサ信号取出のブリッジ回路
図、第９図は従来のマスフローコントローラに用いる感
熱型流ｆｆ１Ｌンザのヒンサ信号取出のブリッジ回路図
、第１０図は感熱型流量センサの模式図、第１１図は感
熱紙Ｗｃ線の抵抗値の差異によるセンサの零点ドリフト
の解析結果を示す図、第１２図は感熱抵抗線の温度係数
の差異によるセンサの零点ドリフトの解析結果を示す図
、第１３図、第１４図Ｃよそれぞれ上流側感熱抵抗線に
並列抵抗を付加し零点ドリフトを補正した例の解析結果
と実験結果を示す図である。 １・・・下流側感熱抵抗線、２・・・上流側感熱抵抗線
、３・・・細流ａ管、Ｒ、Ｒ８１，Ｒ８２・・・直列付
加抵抗、Ｒ、Ｒｐｌ、　Ｒｐ２・・・並列付加抵抗。 第 図 （Ｎ　ｃ−ｃ″″Ｃ）　Ｃ１００Ｃ）　ｃ−ｃ−（Ｎ書 ト〕♂へ別ｇ←胃５省 ← →周囲温度じＣ） →ｈＩｒり之８Ｊ配じ口） トきべ爛Ｒ龜に省 く−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）細流量管内を流れるガスによつて生じる温度差に
   よって電気抵抗が変化することを利用して質量流量に対
   応した電圧を出力する少なくとも２個の感熱抵抗線を細
   流量管の外周に設けた感熱流量センサを用いたマスフロ
   ーコントローラにおいて、前記感熱抵抗線と直列に該感
   熱抵抗線の抵抗値の２％以下の値を持つ抵抗を接続した
   感熱流量センサを用いたことを特徴とするマスフローコ
   ントローラ。
2. （２）前記感熱抵抗線と並列に該感熱抵抗線の抵抗値の
   ５０倍以上の値を持つ抵抗を接続した感熱流量センサを
   用いたことを特徴とするマスフローコントローラ。
3. （３）前記感熱抵抗線と直列に該感熱抵抗線の抵抗値の
   ２％以下の値を持つ抵抗を接続し、かつ前記感熱抵抗線
   と並列に該感熱抵抗線の抵抗値の５０倍以上の値を持つ
   抵抗を接続した感熱流量センサを用いたことを特徴とす
   るマスフローコントローラ。