JPH07198437A

JPH07198437A - 質量流量計

Info

Publication number: JPH07198437A
Application number: JP5354477A
Authority: JP
Inventors: Tomihisa Koyama; 富久小山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1993-12-29
Publication date: 1995-08-01

Abstract

(57)【要約】【目的】上流側或いは下流側定温度差回路にドリフト
補償手段を設けることによりドリフトを相殺することが
できる質量流量計を提供する。【構成】流体が流れる流体通路４の上流側に上流側セ
ンサ抵抗Ｒ_suを設け、これに上流側周囲温度検出抵抗Ｒ
_tuと上流側基準抵抗Ｒ_30u を直列に接続し、センサ抵抗
の値と周囲温度検出抵抗及び基準抵抗の和の値が等しく
なるように制御された上流側定温度差回路３０Ｕと、上
記流体通路の下流側に下流側センサ抵抗Ｒ_sdを設け、こ
れに下流側周囲温度検出抵抗Ｒ_tdと下流側基準抵抗Ｒ
_30d と直列に接続して、このセンサ抵抗の値と周囲温度
検出抵抗及び基準抵抗の和の値が等しくなるように制御
された下流側定温度差回路３０Ｄを有し、上記各センサ
抵抗に与えられるエネルギ差に基づいて流体の質量流量
を求めるようにした質量流量計において、上記いずれか
の定温度差回路に例えばこの基準抵抗を可変にすること
によりドリフト補償手段３４を設ける。そして、ドリフ
トを相殺するようにこの抵抗値を初期設定することによ
り、ドリフトを抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガス等の比較的小流量
の流体の質量流量を精密に計測する質量流量計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製品等を製造する場合、
例えば成膜処理やエッチング処理等を精度良く行うため
に微量の処理ガスを精度良く制御しながら流す必要があ
るが、この流量制御を行うためには例えばガス質量流量
制御装置が用いられている。この種のガス質量流量制御
装置は、微量のガスの質量流量を検出する質量流量計
と、流量制御弁と、この制御弁を駆動するアクチュエー
タ部と、これらを制御する制御回路部とにより主に構成
されている。質量流量計は全ガス量の僅かな比率の流量
が通過するセンサ管に一対のセンサ抵抗をコイル状に巻
回してなるセンサを有しており、大部分のガスはバイパ
スを流れるようになっている。そして、質量流量計の検
出値に基づいて制御回路部は流量制御弁の弁開度を制御
し、流れるガスの質量流量を制御するようになってい
る。この場合、弁開度を制御するには、全体のガス流量
自体が非常に少ないことから例えば数１０μｍ程度のス
トローク範囲内で制御が行われることになり、そのため
に、一般的にはアクチュエータ部として小さなストロー
ク範囲内で大きな推力変化を生ぜしめることができるこ
とから積層型圧電素子体等が用いられている。

【０００３】また、ここで用いられる質量流量計には、
一対のセンサ抵抗に定電流を流すことにより、流れるガ
スの質量流量を検出する定電流方式によるセンサや米国
特許４０１６７５９号公報や特開平１−１５０８１７５
号公報に開示されたような定温度差方式によるセンサ等
が知られており、使用されるセンサ管の長さが短くて全
体として小型化できることから定温度差方式によるセン
サが特に注目を集めている。

【０００４】この定温度差方式によるセンサを用いた質
量流量計にあっては、上記センサ管の上下流に一対のセ
ンサ抵抗をコイル状に巻回し、各センサ抵抗に周囲温度
を検出する白金抵抗や抵抗温度係数が非常に小さくて略
零に近い基準抵抗をそれぞれ直列に接続し、それぞれに
対応させた上流側及び下流側ブリッジ回路を構成するこ
とによりセンサ抵抗の値と、白金抵抗及び基準抵抗の和
の値が常に等しくなるように制御が行われ、結果的に雰
囲気温度の変化とセンサ抵抗の動作点の温度変化は例え
ば略一定の比率となる。

【０００５】この場合、ガスがセンサ管に流れると上流
側ブリッジ回路のセンサ抵抗はガスに熱が奪われるので
温度が下がる傾向になり、これを補償するために電流が
多くなって消費エネルギが増加し、逆に下流側ブリッジ
回路のセンサ抵抗は流れるガスから熱が与えられるので
温度が上がる傾向になり、これを補償するために電流が
少なくなって消費エネルギが減少する。従って、この時
の両ブリッジ回路間における消費電力の差を取ることに
よって微量なガスの質量流量を精度良く検出することが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した定
温度差方式によるセンサにあっては上流側ブリッジ回路
と下流側ブリッジ回路における消費電力の差をとること
によって質量流量を求めるようにしていることから、そ
の前提として両ブリッジ回路間における対応する素子の
電気的、温度的特性が精度良く一致していなければなら
ない。そのために、質量流量計に使用される電気素子等
は厳しい検査に付されて例えば常温における電気特性が
等しいもの同士が使用されることになり、従って製造時
の組立て及び検査工程が非常に複雑化し、またコスト高
を招来するという問題点があった。

【０００７】更には、各素子の常温における電気特性し
か検査していないので、実際の動作点温度は検査時にお
ける温度と異なる場合や経時変化により特性が異なって
くる場合もあり、このような場合には、素子の特性の相
異によりドリフト現象が生じてしまい、精度の高い質量
流量を検出できない場合もあった。

【０００８】ここでドリフト現象を図１２に基づいて説
明すると、図１２に示すグラフ中、曲線Ａは一方のブリ
ッジ回路、例えば上流側ブリッジ回路のセンサ抵抗の電
流−電圧特性を示し、曲線Ｂは下流側ブリッジ回路のセ
ンサ抵抗の電流−電圧特性を示す。両ブリッジ回路の諸
特性が全く同一ならば曲線Ａと曲線Ｂは完全に重なるべ
きものであるが、実際には両曲線Ａ、Ｂは左右にズレて
しまい、波線にて示される定抵抗線との交点が動作点と
なる。この結果、両ブリッジ回路の動作点にはΔＶボル
トのドリフト電圧が発生することになってしまう。

【０００９】この場合、対応する各素子の温度特性を一
致させることも考えられるが、どのように各素子の製造
工程の品質管理を行っても全く同様な温度特性を有する
素子を製造することはほとんど不可能であって特性値の
同一化にも限界があり、また、たとえそのような素子を
製造できたとしても上記したドリフト現象は、各要因が
相乗的に重なって生ずるものであり、根本的解決にはな
らない。

【００１０】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、上流側或いは下流側定温度差回路にドリフト
補償手段を設けることによりドリフトを相殺することが
できる質量流量計を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ドリフトを
生ぜしめると思われる各素子の特性をシュミレーション
で変化させたところ、所定の素子の抵抗値や熱放散係数
等を変化させることによりドリフトを相殺することがで
きる、という知見を得ることによりなされたものであ
る。

【００１２】本発明は、流体が流れる流体通路の上流側
に上流側センサ抵抗を設け、これに上流側周囲温度検出
抵抗と抵抗温度係数が略零の上流側基準抵抗を直列に接
続すると共に前記上流側センサ抵抗の値と、前記上流側
周囲温度検出抵抗と前記上流側基準抵抗との和の値が常
に等しくなるように制御された上流側定温度差回路と、
前記流体通路の下流側に下流側センサ抵抗を設け、これ
に下流側周囲温度検出抵抗と抵抗温度係数が略零の下流
側基準抵抗を直列に接続すると共に前記下流側センサ抵
抗の値と、前記下流側周囲温度検出抵抗と前記下流側基
準抵抗との和の値が常に等しくなるように制御された下
流側定温度差回路とを有し、前記上流側センサ抵抗と前
記下流側センサ抵抗に与えられるエネルギの差に基づい
て、前記流体の質量流量を求めるようにした質量流量計
において、前記上流側及び下流側定温度差回路の内、少
なくとも一方の回路にはドリフト補償手段を形成するよ
うに構成したものである。

【００１３】

【作用】本発明は、以上のように構成したので上流側定
温度差回路と下流側定温度差回路との間で、それぞれを
構成する素子の特性の相異に起因してドリフトが発生す
る傾向にあっても、ドリフト補償手段を操作することに
より、上記ドリフトを相殺することが可能となる。この
ドリフトを相殺するためには、いずれか一方の基準抵
抗、いずれか一方のセンサ抵抗、いずれか一方の周囲温
度検出抵抗、いずれか一方のセンサ抵抗の熱放散係数、
或いはいずれか一方の周囲温度検出抵抗の熱放散係を変
化させる。特に、制御性の簡便性を考慮すると、一方の
基準抵抗の値を適切に変化させて初期設定することによ
り温度変化に伴うドリフトを相殺し、補償することがで
きる。また、このようなドリフト補償手段は、一方の基
準抵抗に、これと同様に抵抗温度係数が略零の特性を有
する補償用可変抵抗を直列に接続して構成するようにし
てもよい。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係る質量流量計の一実施例
を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明の質量流
量計の一例を示す回路構成図、図２は図１に示す質量流
量計を用いたガス質量流量制御装置を示す概略構成図、
図３は質量流量計の要部構成図である。

【００１５】まず、ガス質量流量制御装置２を図２に基
づいて説明すると、この装置２は、流体通路４の上流側
に設けられた質量流量計６と、下流側に設けられた流量
制御弁８と、この流量制御弁８を駆動するアクチュエー
タ部１０と、上記質量流量計６からの出力値と基準電圧
とに基づいて上記アクチュエータ部１０を駆動して弁開
度を制御する制御回路部１２とにより主に構成されてい
る。上記質量流量計６としては前述した特開平１−１５
０８１７号公報に開示されたものと略同様な定温度差式
のセンサが用いられる。

【００１６】上記流量制御弁８は、弁口に対して屈曲可
能に変形してこれを開閉するダイヤフラム１４を有し、
これに小さなストローク範囲内で大きな推力変化を生ぜ
しめることができる例えば積層圧電素子体よりなるアク
チュエータ部１０を伸縮させて押圧付勢するようになっ
ている。

【００１７】上記質量流量計６は、流体通路４のバイア
ス１６の両端に全ガス流量の僅かな比率の流量を流す例
えば直径０．５ｍｍ程度で長さが１２ｍｍ程度のセンサ
管１８を有しており、このセンサ管１８には、上流側セ
ンサ抵抗Ｒ_suと下流側センサ抵抗Ｒ_sdがコイル状に巻回
されており、これらセンサ抵抗Ｒ_su、Ｒ_sdには定温度差
センサ回路部２０が接続されている。

【００１８】上記センサ管１８は、具体的には図３に示
すように構成されている。すなわち、直線状のセンサ管
１８の両端は、バイパス１６の両端に起立された一対の
例えばステンレス製のコマ部材２２に接続され、このコ
マ部材２２には内部にドリル等により流路２４が予め形
成されており、前述した如くバイパス１６側の流量に対
して一定の比率の僅かな流量を流すようになっている。

【００１９】このセンサ管１８には、上述のように上流
側センサ抵抗Ｒ_su及び下流側センサ抵抗Ｒ_sdが巻回され
ており、この全体は外部との間の熱の授受を抑制するた
めに断熱材２６により被われている。また、このコマ部
材２２及び断熱材２６の上部には、熱的安定性を図るた
めに２つのアルミニウムブロック２８、２８が設けら
れ、このブロック２８、２８内には周囲温度を検出する
ために上流側周囲温度検出抵抗Ｒ_tuと下流側周囲温度検
出抵抗Ｒ_tdとが設けられ、それぞれ上流側及び下流側の
周囲温度を検出するようになっている。

【００２０】上記各抵抗は図１に示すように接続され
る。すなわち、まず、上記上流側センサ抵抗Ｒ_suには例
えば白金線よりなる上流側周囲温度検出抵抗Ｒ_tuと抵抗
温度係数が略零の、すなわち抵抗値がほとんど温度に依
存しないで一定となる上流側基準抵抗Ｒ_30u とが直列に
接続されており、更に、この上流側基準抵抗Ｒ_30u に
は、上流側第１抵抗Ｒ_1u、上流側零点調整用ブリッジ抵
抗Ｒ_vu及び上流側第２抵抗Ｒ_2uが順次直列接続され、こ
の上流側第２抵抗Ｒ_2uと上記上流側センサ抵抗Ｒ_suがと
もに接地される。

【００２１】そして、上記上流側センサ抵抗Ｒ_suと上流
側周囲温度検出抵抗Ｒ_tuの接続点Ａ１と上記上流側零点
調整用ブリッジ抵抗Ｒ_vuの可動子の出力はそれぞれ上流
側増幅器Ａ_u へ入力されて比較され、その出力は上流側
基準抵抗Ｒ_30u と上流側第１抵抗Ｒ_1uの接続点Ａ２に接
続される。従って、上記した上流側の各抵抗により上流
側ブリッジ回路、すなわち上流側定温度差回路３０Ｕが
形成され、上記上流側増幅器Ａ_u の作用により常にブリ
ッジ回路の安定を図るようになっている。例えば通常は
上流側第１抵抗Ｒ_1uと上流側第２抵抗Ｒ_2uの比は１対１
に設定されており、従って、上流側センサ抵抗Ｒ_suの抵
抗値と、上流側周囲温度検出抵抗Ｒ_tu及び上流側基準抵
抗Ｒ_30u の和の抵抗値は等しくなるように上記上流側増
幅器Ａ_uは制御する。

【００２２】一方、下流側センサ抵抗Ｒ_sdにも上述した
と同様な抵抗が接続される。すなわち下流側センサ抵抗
Ｒ_sdには例えば白金線よりなる下流側周囲温度検出抵抗
Ｒ_tdと抵抗温度係数が略零の、すなわち抵抗値がほとん
ど温度に依存しないで一定となる下流側基準抵抗Ｒ_30d
とが直列に接続されており、更にこの下流側基準抵抗Ｒ
_30d には、下流側第１抵抗Ｒ_1d、下流側零点調整用ブリ
ッジ抵抗Ｒ_vd及び下流側第２抵抗Ｒ_2dが順次直列接続さ
れ、この下流側第２抵抗Ｒ_2dと上記下流側センサ抵抗Ｒ
_sdがともに接地される。

【００２３】そして、上記下流側センサ抵抗Ｒ_sdと下流
側周囲温度検出抵抗Ｒ_tdの接続点Ｂ１と上記下流側零点
調整用ブリッジ抵抗Ｒ_vdの可動子の出力はそれぞれ下流
側増幅器Ａ_d へ入力されて比較され、その出力は下流側
基準抵抗Ｒ_30d と下流側第１抵抗Ｒ_1dの接続点Ｂ２に接
続される。従って、上記した下流側の各抵抗により下流
側ブリッジ回路、すなわち下流側定温度差回路３０Ｄが
形成され、上記下流側増幅器Ａ_d の作用により常にブリ
ッジ回路の安定を図るようになっている。例えば通常は
前述した上流側ブリッジ回路と同様に、下流側第１抵抗
Ｒ_1dと下流側第２抵抗Ｒ_2dの比は１対１に設定されてお
り、従って、下流側センサ抵抗Ｒ_sdの抵抗値と、下流側
周囲温度検出抵抗Ｒ_td及び下流側基準抵抗Ｒ_30d の和の
抵抗値は等しくなるように上記下流側増幅器Ａ_d は制御
する。ここで上流側及び下流側ブリッジ回路の各対応す
る素子は、略同様な特性を有するものが使用される。ま
た、上流側及び下流側の基準抵抗Ｒ_30u 、Ｒ_30d は温度
差を設定するための抵抗である。

【００２４】センサ管１８にガス流体が流れていない時
には接続点Ａ１、Ｂ１間の電位差は、ゼロであるが、例
えばガス流体がセンサ管１８に流れると上流側センサ抵
抗Ｒ_suはガスに熱が奪われるので温度が下がる傾向にな
り、これを補償するために電流が多くなって消費エネル
ギが増加し、逆に下流側センサ抵抗Ｒ_sdは流れるガスか
ら熱が与えられるので温度が上がる傾向になり、これを
補償するために電流が少なくなって消費エネルギが減少
する。

【００２５】この時の消費エネルギは流れるガスの質量
流量に比例するので、これを検出するために上流側定温
度差回路３０Ｕの接続点Ａ１の電位と下流側定温度差回
路３０Ｄの接続点Ｂ１の電位はそれぞれ比較器３２へ入
力されて比較され、ここでの出力が質量流量信号として
前記制御回路部１２（図２参照）へ入力されるようにな
っている。

【００２６】ここで、上流側定温度差回路３０Ｕと下流
側定温度差回路３０Ｄの対応する各素子の特性は厳密に
は同一ではないので周囲温度の変化等に起因してドリフ
ト現象が生ずるが、本発明においてはこれを取り除くた
めにドリフト補償手段３４が少なくとも一方のブリッジ
回路に設けられる。具体的には、このドリフト補償手段
３４は、図１においては下流側基準抵抗Ｒ_30d を可変に
することにより構成されている。すなわち、従来装置に
あっては、上流側及び下流側基準抵抗Ｒ_30u 、Ｒ_30d は
それぞれ同一値、例えば３０Ωに設定されていたのであ
るが（厳密には製造時の特性のバラツキにより異なる場
合もある）、本発明においては、上流側基準抵抗Ｒ_30u
の値を例えば３０Ωに設定したならば、その時のこの質
量流量計のドリフト状態を、その周囲温度を種々変化さ
せることにより求め、このドリフトを相殺するような値
に下流側基準抵抗Ｒ_30d の値を例えば３０Ωではなく２
７．８Ωに初期設定する。このように、上下流側ブリッ
ジ回路の抵抗バランスを適切に崩すことにより、各素子
の特性が競合して生ずるドリフトを相殺することが可能
となる。

【００２７】上記下流側基準抵抗Ｒ_30d の値を初期設定
するには、手動によりこの抵抗値を変えてもよいし、ま
た、図示例に示すように抵抗駆動部３６を設け、これを
例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御部３８によ
り制御するようにしてもよい。また、上下流側ブリッジ
回路は、対称に構成されているので下流側基準抵抗Ｒ
_30d ではなく、上流側基準抵抗Ｒ_30u を可変抵抗にして
これをドリフト補償手段として構成してもよい。

【００２８】ここで上記上流側と下流側の基準抵抗の
値、或いは比は各ドリフト発生要因で表される所定の状
態方程式を解くことにより求められ、この諸要因として
は上流側及び下流側ブリッジ回路の各センサ抵抗の抵抗
値、各周囲温度検出抵抗の抵抗値、各基準抵抗の抵抗
値、各零点調整用ブリッジ抵抗の抵抗比、各センサ抵抗
の熱放散係数、各周囲温度検出抵抗の熱放散係数、各セ
ンサ抵抗の抵抗温度係数及び各周囲温度検出抵抗の抵抗
温度係数等を挙げることができ、これら各要因が初期的
に相異していること或いは経時的に変動することによっ
てドリフトが発生することになる。

【００２９】上記状態方程式は次に示す式で与えられ
る。Ｐ_su＝Ｃ_su（Ｔ_su−Ｔ_a ）Ｐ_su＝Ｒ_suＩ_u ² Ｒ_su＝Ｒ_sou ［１＋α_su（Ｔ_su−Ｔ_suo ）］Ｐ_tu＝Ｃ_tu（Ｔ_tu−Ｔ_a ）Ｐ_tu＝Ｒ_tuＩ_u ² Ｒ_tu＝Ｒ_tou ［１＋α_tu（Ｔ_tu−Ｔ_tuo ）］

【００３０】Ｐ_sd＝Ｃ_sd（Ｔ_sd−Ｔ_a ）Ｐ_sd＝Ｒ_sdＩ_d ² Ｒ_su＝Ｒ_sou ［１＋α_su（Ｔ_su−Ｔ_suo ）］Ｐ_td＝Ｃ_td（Ｔ_td−Ｔ_a ）Ｐ_td＝Ｒ_tdＩ_d ² Ｒ_tu＝Ｒ_tou ［１＋α_tu（Ｔ_tu−Ｔ_tuo ）］Ｒ_su＝Ｎ（Ｒ_30u ＋Ｒ_tu）Ｒ_sd＝Ｍ（Ｒ_30d ＋Ｒ_td）Ｖ_u ＝Ｒ_suＩ_u Ｖ_d ＝Ｒ_sdＩ_d Ｖ_o ＝Ｖ_u −Ｖ_d 尚、ここでＲ_30u ＝Ｒ_30d である。

【００３１】そして、上流側ブリッジ回路の接続点Ａ１
の出力電圧と下流側ブリッジ回路の接続点Ｂ１の出力電
圧との差であるセンサ出力電圧Ｖ_o は上記状態方程式を
解いて下記に示す数１により与えられる。

【００３２】

【数１】

【００３３】上記数１中のＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ
２、Ｃ２は下記の数２乃至数７により定義される。

【００３４】

【数２】

【００３５】

【数３】

【００３６】

【数４】

【００３７】

【数５】

【００３８】

【数６】

【００３９】

【数７】

【００４０】ここで上記式中の各符号は次のように定義
され、また、図１中の各部材を示す符号と対応されてい
る。Ｐ_su：上流側センサ抵抗への入力、Ｐ_tu：上流側白金周
囲温度検出抵抗への入力、Ｐ_sd：下流側センサ抵抗への
入力、Ｐ_td：下流側白金周囲温度検出抵抗への入力、Ｒ
_su：上流側センサ抵抗の抵抗値、Ｒ_tu：上流側白金周囲
温度検出抵抗の抵抗値、Ｒ_sd：下流側センサ抵抗の抵抗
値、Ｒ_td：下流側白金周囲温度検出抵抗の抵抗値、

【００４１】Ｒ_sou ：上流側センサ抵抗の基準温度にお
ける抵抗値、Ｒ_tou ：上流側白金周囲温度検出抵抗の基
準温度における抵抗値、Ｒ_sod ：下流側センサ抵抗の基
準温度における抵抗値、Ｒ_tod ：下流側白金周囲温度検
出抵抗の基準温度における抵抗値、Ｒ_30u ：上流側基準
抵抗の抵抗値、Ｒ_30d ：下流側基準抵抗の抵抗値、

【００４２】Ｔ_su：上流側センサ抵抗の温度、Ｔ_tu：上
流側白金周囲温度検出抵抗の温度、Ｔ_sd：下流側センサ
抵抗の温度、Ｔ_td：下流側白金周囲温度検出抵抗の温
度、Ｃ_su：上流側センサ抵抗の熱放散係数、Ｃ_tu：上流
側白金周囲温度検出抵抗の熱放散係数、Ｃ_sd：下流側セ
ンサ抵抗の熱放散係数、Ｃ_td：下流側白金周囲温度検出
抵抗の熱放散係数、α_su：上流側センサ抵抗の抵抗温度
係数、α_tu：上流側白金周囲温度検出抵抗の抵抗温度係
数、α_sd：下流側センサ抵抗の抵抗温度係数、α_td：下
流側白金周囲温度検出抵抗の抵抗温度係数、

【００４３】Ｎ：上流側零点調整用ブリッジ抵抗の抵抗
値比、Ｍ：下流側零点調整用ブリッジ抵抗の抵抗値比、
Ｔ_o ：基準温度、Ｔ_a ：周囲温度Ｉ_u ：上流側センサ抵
抗の電流、Ｉ_d ：下流側センサ抵抗の電流、Ｖ_u ：上流
側出力電圧、Ｖ_d ：下流側出力電圧、Ｖ_o ：センサ出力
電圧

【００４４】上記状態方程式及び数１を解き、周囲温度
０℃〜５０℃に渡って変化させると共に上流側基準抵抗
Ｒ_30u を一定に維持し、下流側基準抵抗Ｒ_30d の値を僅
かに変化させた時のシュミレーションを行った結果、セ
ンサ出力電圧Ｖ_o は図４に示すように変化した。尚、上
流側のブリッジ抵抗によるゼロ点調整も合わせて行っ
た。これによれば、上流側基準抵抗Ｒ_30u の抵抗値を３
０Ωに設定し下流側基準抵抗Ｒ_30d の抵抗値を３２Ω〜
２８Ωの範囲内で僅かに変化させるだけで、傾きの異な
るドリフト現象を積極的に生ぜしめることができること
が判明する。

【００４５】以下同様にして、上流側白金周囲温度検出
抵抗を一定にして下流側白金周囲温度検出抵抗を変化さ
せた時のシュミレーションのドリフトの状態は図５に示
され、上流側センサ抵抗を一定にして下流側センサ抵抗
を変化させた時のシュミレーションのドリフト状態は図
６に示され、上流側白金周囲温度検出抵抗の熱放散係数
を一定にして下流側白金周囲温度検出抵抗の熱放散係数
を変化させた時のシュミレーションのドリフト状態は図
７に示され、上流側センサ抵抗の熱放散係数を一定にし
て下流側センサ抵抗を変化させた時のシュミレーション
のドリフト状態は図８に示されている。

【００４６】これら各図から明らかなように上記したど
のパラメータを変えることによってもドリフトを積極的
に生ぜしめることができることが判明した。しかしなが
ら、調整の行い易さ、ドリフト発生の程度等を考慮する
と、前述したように基準抵抗を可変抵抗とすることによ
りドリフト補償手段３４を設け、この値を適切な値、す
なわちブリッジ回路全体のドリフトを相殺するような方
向にドリフトを発生させるような値に初期設定すること
により、結果として装置にドリフトが生じないようにす
る。すなわち、ブリッジ回路全体の温度係数のアンバラ
ンス分を、基準抵抗を積極的にアンバランスさせること
により、そのアンバランス分を相殺するようになってい
る。

【００４７】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、ドリフト補償手段３４の
初期設定を行うために組み立てられた質量流量計がどの
程度のドリフト現象を有しているかを測定する。そのた
めに、質量流量計全体を例えば恒温槽の中に入れ、この
温度を０℃〜５０℃まで変化させる。この時、各ブリッ
ジ回路中の電流及び電圧も測定し、前記状態方程式にお
いて必要とされる各数値も求める。

【００４８】そして、この時生じているセンサ出力電圧
のドリフトを相殺するような特性曲線を、例えば図４中
の特性曲線からシュミレーションにより選択する。この
場合、前記した状態方式と数１を解くシュミレーション
を行うことにより上流側基準抵抗Ｒ_30u と下流側基準抵
抗Ｒ_30d の比を容易に決定することができる。そして、
例えば上流側基準抵抗Ｒ_30u の値を３０Ωに設定した場
合に下流側基準抵抗Ｒ_30d の値は２７．８Ωであると決
定された場合には、ドリフト補償手段３４である可変抵
抗を２７．８Ωに設定する。また、これと同時に上流側
零点調整用ブリッジ抵抗Ｒ_vuのゼロ点調整も行う。この
ようにしてドリフト補償手段３４を適切な値に調整して
補償を行ったならば、通常の質量流量測定を行う。

【００４９】具体的には、センサ管１８に流体が流れて
いない場合には、上流側センサ抵抗Ｒ_30u と下流側セン
サ抵抗Ｒ_30d とが周囲温度とそれぞれ同一の温度差を保
持するに必要とされるエネルギは略等しいことから上流
側ブリッジ回路の出力電圧である接続点Ａ１の電位と、
下流側ブリッジ回路の出力電圧である接続点Ｂ１の電位
とは周囲温度に関係なく略同じ値を示す。

【００５０】そして、ガス流体がセンサ管１８に流れる
と上流側センサ抵抗Ｒ_suは流体に熱が奪われるので温度
が下がる傾向になり、これを補うためにこのセンサ抵抗
に流れる電流が多くなって消費エネルギが増加し、逆に
下流側センサ抵抗Ｒ_sdは流れる流体から熱が与えられる
ので温度が上がる傾向にあり、これを補償するためにこ
のセンサ抵抗に流れる電流が少なくなって消費電力が減
少する。この時のエネルギ差は流れる流体の質量流量に
比例する。

【００５１】従って、上流側ブリッジ回路の接続点Ａ１
の電位は、下流側ブリッジ回路の接続点Ｂ２の電位より
も相対的に高くなり、この電位差を比較器３２にて比較
することにより質量流量を求めることができ、この値を
基にして制御回路部１２は流量制御弁８の弁開度を制御
する。ここで、周囲温度が変化した場合、或いは流れる
流体の質量流量の変動に起因して回路中に流れる電流が
変化した場合等には、両ブリッジ回路間における動作点
が変化してドリフトが生ずる傾向になるが、本実施例に
あっては、前述したように可変抵抗よりなるドリフト補
償手段３４を調整して下流側基準抵抗Ｒ_30d の値を適切
な値に設定しているのでドリフトの発生は抑制され、周
囲温度に関係なく流体の質量流量を常に高い精度で求め
ることができる。

【００５２】基準抵抗の値を当初３０Ωに設定したが、
この値は設定温度値により一義的に定められるものであ
り、設定温度値により変化するのは勿論である。また、
下流側基準抵抗Ｒ_30d を可変抵抗にすることによりドリ
フト補償手段３４を形成したが、これに代えて下流側基
準抵抗Ｒ_30d を固定抵抗とし、上流側基準抵抗Ｒ_30uを
可変抵抗とすることによりドリフト補償手段を構成する
ようにしてもよい。

【００５３】ここで、流体を流さない場合において発生
するドリフト電圧を従来の流量計と本発明の流量計とに
基づいて実際に測定した結果を説明する。まず、図９は
直線Ｘ１は、上流側基準抵抗Ｒ_30u を３０Ωに固定し、
下流側基準抵抗Ｒ_30d も３０Ωに固定した補償前の従来
の流量計による特性曲線を示し、直線Ｘ２は、上流側基
準抵抗Ｒ_30u は３０．０Ωに固定し、下流側基準抵抗Ｒ
_30d を２７．８Ωに変更して固定し、補償を行った場合
を示す。これによれば、直線Ｘ１で表される補償前の特
性曲線は流量が零であるにもかかわらず、周囲温度の変
化に応じて大きなドリフト電圧が発生し、良品の範囲を
逸脱している。これに対して、直線Ｘ２で表される補償
後（本発明）の特性曲線は周囲温度が変化してもドリフ
ト電圧は略零の値を示して良品の範囲内であり、良好な
特性を示していることが判明する。

【００５４】また、図１０は図９に示した場合とは逆に
上流側基準抵抗を変えた場合を示し、直線Ｙ１は、両基
準抵抗がともに３０．０Ωの場合を示し、直線Ｙ２は、
下流側基準抵抗のみを３０．０Ωから２６．８Ωに変更
して固定し、補償した場合を示す。この場合にも直線Ｙ
１で示されるように補償を行わない場合には周囲温度の
変化に応じて大きなドリフト電圧が発生して良品の範囲
を逸脱しているが、直線Ｙ２で示されるように補償を行
った場合にはドリフト電圧は極めて僅かであることが判
明する。

【００５５】更に、図１１は図９に示した場合と同様な
条件において、実際に流体を５００ＳＣＣＭ及び１００
０ＳＣＣＭ流した時のセンサ出力電圧（接続点Ａ１、Ｂ
１間の差電圧）を示したものであり、これより明らかな
ように補償前の特性曲線は全て良品の範囲を大きく逸脱
しているが、本発明による補償後の特性曲線は全て良品
の範囲内に入っており、良好な特性を示していることが
判明する。

【００５６】尚、上記実施例にあっては、上流側或いは
下流側ブリッジ回路の基準抵抗を可変抵抗とすることに
よりドリフト補償手段を形成する場合について説明した
が、これに限定されず、例えば両基準抵抗としてそれぞ
れ値の異なる固定抵抗を用い、値の小さい方の固定抵抗
に抵抗温度係数が略零の補償用可変抵抗を直列に接続す
るようにしてドリフト補償手段を設けるようにしてもよ
い。この場合には、補償用可変抵抗とこれに直列接続さ
れる固定抵抗の和の値が、他方の固定抵抗の値を前後し
て変動させ得るような値に設定する。例えば１つの固定
抵抗の値が３０Ωとすると他方の固定抵抗は２５Ωと
し、且つこれに接続される可変抵抗は０〜１０Ωの範囲
で変化するものを用いるようにする。

【００５７】また、上記実施例ではドリフト補償手段と
しては基準抵抗を変えることによりドリフト補償する場
合について説明したが、これに限定されず、他のドリフ
ト発生要因、例えば周囲温度検出抵抗、センサ抵抗、各
抵抗の熱放散係数等を変えることによりドリフトを補償
するように構成してもよい。例えば、熱拡散係数を変え
るためには、該当する抵抗部材に放熱を促進させるため
の手段、例えば放熱フィン等を設け、これにより放熱効
率をコントロールするように構成する。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の質量流量
計によれば、次のように優れた作用効果を発揮すること
ができる。上流側或いは下流側定温度差回路にドリフト
補償手段を設けるようにしたので、流体の質量流量を精
度良く測定することができる。従って、各電気素子の特
性を厳密に管理する必要もなくなり、製造工程も簡単化
でき、コストの削減に寄与することができる。基準抵抗
を可変抵抗にすることによりドリフト補償手段を形成し
た場合には、僅か数Ωだけ抵抗値を調整するだけでドリ
フトをなくすことができ、構造も複雑化することがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の質量流量計の一例を示す回路構成図で
ある。

【図２】図１に示す質量流量計を用いたガス質量流量制
御装置を示す概略構成図である。

【図３】質量流量計の要部構成図である。

【図４】基準抵抗の値を変化させた時のドリフトの状態
のシュミレーション結果を示すグラフである。

【図５】白金製の周囲温度検出抵抗の値を変化させた時
のドリフトの状態のシュミレーション結果を示すグラフ
である。

【図６】センサ抵抗の値を変化させた時のドリフトの状
態のシュミレーション結果を示すグラフである。

【図７】白金製の周囲温度検出抵抗の熱放散係数を変化
させた時のドリフトの状態のシュミレーション結果を示
すグラフである。

【図８】センサ抵抗の熱放散係数を変化させた時のドリ
フトの状態のシュミレーション結果を示すグラフであ
る。

【図９】流体が流れない状態において下流側基準抵抗を
補償した時の実測特性を説明するためのグラフである。

【図１０】流体が流れない状態において上流側基準抵抗
を補償した時の実測特性を説明するためのグラフであ
る。

【図１１】流体を流した状態において下流側基準抵抗を
補償した時の実測特性を説明するためのグラフである。

【図１２】動作点にドリフト電圧が生ずる時の状態を説
明するためのグラフである。

【符号の説明】

２ガス質量流量制御装置４流体通路６質量流量計８流量制御弁１０アクチュエータ部１２制御回路部１４ダイヤフラム１６バイパス１８センサ管２０低温度差センサ回路部３０Ｕ上流側定温度差回路３０Ｄ下流側定温度差回路３２比較器３４ドリフト補償手段３６抵抗駆動部３８制御部Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２接続点Ａｕ上流側増幅器Ａｄ下流側増幅器Ｒ_su 上流側センサ抵抗Ｒ_sd 下流側センサ抵抗Ｒ_tu 上流側周囲温度検出抵抗Ｒ_td 下流側周囲温度検出抵抗Ｒ_30u 上流側基準抵抗Ｒ_30d 下流側基準抵抗Ｒ_vu 上流側零点調整用ブリッジ抵抗Ｒ_vd 下流側零点調整用ブリッジ抵抗

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１２月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】尚、上記実施例にあっては、上流側或いは
下流側ブリッジ回路の基準抵抗を可変抵抗とすることに
よりドリフト補償手段を形成する場合について説明した
が、これに限定されず、例えば両基準抵抗としてそれぞ
れ値の異なる固定抵抗を用い、値の小さい方の固定抵抗
に抵抗温度係数が略零の補償用可変抵抗を直列に接続す
るようにしてドリフト補償手段を設けるようにしてもよ
い。この場合には、補償用可変抵抗とこれに直列接続さ
れる固定抵抗の和の値が、他方の固定抵抗の値を前後し
て変動させ得るような値に設定する。例えば１つの固定
抵抗の値が３０Ωとすると他方の固定抵抗は２５Ωと
し、且つこれに接続される可変抵抗は０〜１０Ωの範囲
で変化するものを用いるようにする。また、上記実施例
にあっては、上流側と下流側におけるセンサ抵抗と検出
抵抗の和の値が、小さい方の回路に基準抵抗としての補
償用可変抵抗を直列に接続し、ドリフト補償手段を形成
した場合について説明したが、これに限定されず、例え
ば両基準抵抗としてそれぞれ値の異なる、しかも抵抗温
度係数が略零の固定抵抗を用い、この内の値の小さい方
の固定抵抗に抵抗温度係数が略零の所定の値の抵抗値の
補償用固定抵抗を直列に接続するようにしてドリフト補
償手段を設けるようにしてもよい。この場合の抵抗調整
方法としては、まず、最初に値の小さい方の固定基準抵
抗にセット用の可変抵抗を直列に接続し、このセット用
の可変抵抗を変化させて固定基準抵抗とセット用可変抵
抗の和の値が他方の固定基準抵抗の値と同じになる点を
見つける。そして、その点におけるセット用の可変抵抗
の値と同じ値の固定抵抗を補償用固定抵抗として入れ換
えて用いるようにする。この場合、補償用固定抵抗とし
ては、勿論のこと抵抗温度係数が略零のものを用いる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体が流れる流体通路の上流側に上流側
センサ抵抗を設け、これに上流側周囲温度検出抵抗と抵
抗温度係数が略零の上流側基準抵抗を直列に接続すると
共に前記上流側センサ抵抗の値と、前記上流側周囲温度
検出抵抗と前記上流側基準抵抗との和の値が常に等しく
なるように制御された上流側定温度差回路と、前記流体
通路の下流側に下流側センサ抵抗を設け、これに下流側
周囲温度検出抵抗と抵抗温度係数が略零の下流側基準抵
抗を直列に接続すると共に前記下流側センサ抵抗の値
と、前記下流側周囲温度検出抵抗と前記下流側基準抵抗
との和の値が常に等しくなるように制御された下流側定
温度差回路とを有し、前記上流側センサ抵抗と前記下流
側センサ抵抗に与えられるエネルギの差に基づいて、前
記流体の質量流量を求めるようにした質量流量計におい
て、前記上流側及び下流側定温度差回路の内、少なくと
も一方の回路にはドリフト補償手段を形成するように構
成したことを特徴とする質量流量計。
【請求項２】前記ドリフト補償手段は、前記上流側及
び下流側基準抵抗、前記上流側及び下流側センサ抵抗、
前記上流側及び下流側周囲温度検出抵抗、前記上流側及
び下流側センサ抵抗の熱放散係数、前記上流側及び下流
側周囲温度検出抵抗の熱放散係数の内、少なくとも１つ
の値を変えることを特徴とする請求項１記載の質量流量
計。
【請求項３】前記ドリフト補償手段は、前記上流側基
準抵抗及び下流側基準抵抗の内、少なくともいずれか一
方が可変になされていることにより構成されることを特
徴とする請求項１記載の質量流量計。
【請求項４】前記ドリフト補償手段は、前記上流側基
準抵抗及び下流側基準抵抗の内、少なくともいずれか一
方に直列に接続された抵抗温度係数が略零の補償用可変
抵抗よりなることを特徴とする請求項１記載の質量流量
計。