CN107807253B - 风速测定装置及风量测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供结构简易并能够以低成本制作的测定精度高的风速测定装置。其具备以预定的设定温度发热的定温发热装置(10)，定温发热装置(10)具备电源(Vcc)、发热元件(21)(正特性热敏电阻元件PCT1～PCT3)、开关元件(Q1)、比较器元件(Cmp1)、第1负特性热敏电阻元件(NTC1)以及多个电阻元件(R1～R5)，发热元件和第1负特性热敏电阻元件(NTC1)被配置在风速测定点，开关元件(Q1)反复导通和截止，以使得发热元件(21)以设定温度发热，从电源(Vcc)向发热元件(21)施加脉冲电压，根据所施加的脉冲电压的波形，算出风速测定点处的风速。

Description

风速测定装置及风量测定装置
技术领域
本发明涉及风速测定装置，更详细地说，涉及结构简易并能够以低成本制作的测定精度高的风速测定装置。
另外，本发明涉及采用上述本发明的风速测定装置的风量测定装置。
背景技术
专利文献1(日本专利特开2008-241318号公报)公开了在管道等的内部配置并测定通过的气体的风速的风速测定装置。图9表示专利文献1公开的气体流量计1000。另外，专利文献1公开的气体流量计1000测定“风量(气体流量)”而不是“风速”，但是如专利文献1所教导，“风量”和“风速”能够非常容易地相互换算。
气体流量计1000具备传感器本体101和控制部102。
传感器本体101通过在印刷基板103上形成热电偶104和热敏电阻元件(热敏电阻)105而成。
热电偶104由电热线106和与其两侧接合的铜箔107a、107b构成。电热线106通过与铜之间产生热电动势的例如Cu-Ni合金的一种即康铜而形成。热电偶104通过对电热线106通电，在电热线106和铜箔107a、107b的接合点108a、108b间发生热电动势。
控制部102具备：控制对电热线106的通电的通电控制电路109；检测接合点108a、108b间的热电动势的热电动势检测电路110；输入来自热敏电阻元件105的输出的测温电路111；将来自热电动势检测电路110、测温电路111的模拟信号变换为数字信号的A/D变换器112；控制上述各构成要素的控制电路113等。
气体流量计1000在微风时，通过热电动势检测电路110检测与接合点108a、108b间的温度差ΔT相应的热电动势，根据该热电动势的大小算出气体流量。
但是，气体流量计1000在强风时，电热线106暴露于强风而冷却，因此难以进行基于热电偶104的气体流量的测定。因而，气体流量计1000在强风时，由热敏电阻元件105检测印刷基板103的基板温度T，根据该检测结果算出气体流量。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利特开2008-241318号公报
发明内容
【发明要解决的技术问题】
上述气体流量计1000用电压的大小来测定接合点108a、108b间发生的热电动势、由热敏电阻元件105检测的印刷基板103的基板温度T，因此容易受到噪音的影响，存在气体流量的测定精度低的问题。另外，气体流量计1000必须定期地高精度校正热电动势检测电路110、测温电路111，存在保养的负担大的问题。气体流量计1000在忽略热电动势检测电路110、测温电路111的校正时或者校正不准确时，存在无法测定准确的气体流量的问题。
另外，气体流量计1000的结构复杂，因此存在制作困难的问题。而且，气体流量计1000需要昂贵的A/D变换器112等，因此存在无法以低成本制作的问题。
【用于解决技术问题的技术手段】
本发明为了解决上述现有问题而提出，作为其手段，本发明的风速测定装置具备以预定的设定温度或设定温度附近的温度发热的定温发热装置，定温发热装置具备电源、发热元件、开关元件、比较器元件、第1负特性热敏电阻元件以及多个电阻元件，发热元件和第1负特性热敏电阻元件配置在风速测定点，发热元件通过电源发热，开关元件插入电源和发热元件之间，比较器元件控制开关元件的导通和截止，第1负特性热敏电阻元件配置在发热元件的附近，以与发热元件热耦合，以接近与发热元件相同的温度，作为阈值电阻值具备设定温度下的电阻值，第1负特性热敏电阻元件与至少一个电阻元件串联连接且被施加一定的电压，形成温度检测用分压电路，从温度检测用分压电路的第1负特性热敏电阻元件和电阻元件的连接点，输出温度检测用电压，至少两个电阻元件串联连接且被施加一定的电压，形成比较用分压电路，从比较用分压电路的一个电阻元件和另一个电阻元件的连接点输出比较用电压，温度检测用分压电路的电阻元件及比较用分压电路的电阻元件各自的电阻值及向温度检测用分压电路及比较用分压电路分别施加的电压被设定成在第1负特性热敏电阻元件的温度为设定温度，第1负特性热敏电阻元件的电阻值为阈值电阻值时，温度检测用电压＝比较用电压，在第1负特性热敏电阻元件的温度比设定温度低，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比阈值电阻值大时，温度检测用电压＞上述比较用电压，在第1负特性热敏电阻元件的温度比上述设定温度高，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比上述阈值电阻值小时，温度检测用电压＜比较用电压，或，在第1负特性热敏电阻元件的温度比设定温度低，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比阈值电阻值大时，温度检测用电压＜比较用电压，第1负特性热敏电阻元件的温度比设定温度高，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比阈值电阻值小时，温度检测用电压＞比较用电压，比较器元件比较温度检测用电压和比较用电压，在第1负特性热敏电阻元件的温度比设定温度低，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比阈值电阻值大时，使开关元件导通，在第1负特性热敏电阻元件的温度比设定温度高，第1负特性热敏电阻元件的电阻值比阈值电阻值小时，使开关元件截止，开关元件通过反复导通和截止，从而从电源向发热元件施加脉冲电压，根据施加的脉冲电压的波形，算出风速测定点处的风速。
本发明的风速测定装置具备定温发热装置。定温发热装置具备电源、开关元件和发热元件。开关元件插入电源和发热元件之间，通过温度检测用分压电路、比较用分压电路、比较器元件等控制为反复导通和截止，以使得发热元件以预定的设定温度或设定温度附近的温度发热。即，开关元件在发热元件的温度低于设定温度时控制为导通，在发热元件的温度超出设定温度时控制为截止。
其结果是，从电源向发热元件施加脉冲电压。然后，在风速测定点配置发热元件及第1负特性热敏电阻元件时，该脉冲电压的波形响应风速测定点的风速，呈现明确的变化。即，从无风到弱风、中风、强风，随着风速逐渐变大，脉冲电压的波形的占空比变高。另外，从无风到弱风、中风、强风，随着风速逐渐变大，脉冲电压的波形的每一次的导通时间变长。
本发明的风速测定装置根据电源向发热元件施加的脉冲电压的波形，算出风速测定点处的风速。例如，能够根据脉冲电压的波形的占空比，算出风速测定点处的风速。或，能够根据脉冲电压的波形的每一次的导通时间的长度，算出风速测定点处的风速。
另外，能够使用正特性热敏电阻元件作为发热元件。该情况下，即使万一误动作而导致温度异常上升超过设定温度，由于正特性热敏电阻元件的电阻值上升，能够抑制温度进一步上升，因此具备高安全性。
优选为，还具备温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件，由第2负特性热敏电阻元件修正设定温度。该情况下，能够更准确测定风速。即，受到测定风速的测定对象的风的温度的影响，脉冲电压的波形的占空比可能发生误差。例如，使风的温度设成(假定)常温即25℃来设计风速测定装置时，风的温度若比25℃高，则受到风的温度的影响，使得占空比变小。反之，风的温度若比25℃低，则受到风的温度的影响，使得占空比变大。即，风的温度若比25℃高，则由于第1负特性热敏电阻元件受到风的温度加热的影响，使得受到供电的第1负特性热敏电阻元件以比与实际的风速对应的时间要短的时间达到设定温度，且即使电力的供给停止，温度也不会急剧下降，因此占空比变小。另外，风的温度若比25℃低，则由于第1负特性热敏电阻元件受到风的温度冷却的影响，使得受到供电的第1负特性热敏电阻元件达到设定温度需要比与实际的风速对应的时间要长的时间，且，在供电停止后温度急剧下降，因此占空比变大。如上所述，若追加温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件，由第2负特性热敏电阻元件修正设定温度，则能够更准确测定风速。
上述设定温度的修正中，例如，设定温度与第2负特性热敏电阻元件的温度相隔规定的温度差，且设定温度能够伴随第2负特性热敏电阻元件的温度的变化而维持温度差来变化。该情况下，能够修正测定风速的测定对象的风的温度的影响，更准确地测定风速。
优选为，第2负特性热敏电阻元件与构成比较用分压电路的一个电阻元件并联连接，由第2负特性热敏电阻元件修正比较用电压。该情况下，能够容易地修正由风的温度引起的脉冲电压的波形的占空比的误差。
优选为，与第2负特性热敏电阻元件还并联连接有电容。该情况下，能够提高抗噪性。
优选为，温度检测用分压电路中，还与第1负特性热敏电阻元件串联连接有电阻元件。该情况下，通过调节连接的电阻元件的电阻值，从而能够容易地将设定温度下的温度检测用电压设定成期望的值。
另外，作为对测定风速的测定对象的风的温度的影响进行修正的其他方法，优选为，将比较用分压电路的一个电阻元件置换为温度修正用的第2负特性热敏电阻元件，并且，调节比较用分压电路的剩余的一个电阻元件的电阻值和温度检测用分压电路的电阻元件的电阻值，通过第2负特性热敏电阻元件来修正设定温度。该情况下，更优选为，设定温度与第2负特性热敏电阻元件的温度相隔规定的温度差，且设定温度伴随第2负特性热敏电阻元件的温度的变化而维持规定的温度差来变化。在这样的情况下，不增加器件数量就能够修正测定风速的测定对象的风的温度的影响，能够更准确地测定风速。
优选为，第1负特性热敏电阻元件的电气特性和第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
另外，本发明的风速测定装置能够直接用作风量测定装置。
【发明效果】
本发明的风速测定装置不易受到噪音的影响，测定精度高。另外，本发明的风速测定装置的结构简易，因此能够容易地制作。而且，本发明的风速测定装置不需要昂贵的A/D变换器等，因此能够以低成本制作。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的风速测定装置100的等效电路图。
图2是表示风速测定装置100的风速传感器部20的俯视图。
图3(A)是表示某条件下风速测定装置100的风速传感器部20的保温板22的温度变化的曲线图。图3(B)是表示从风速测定装置100的电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形图。
图4是表示无风、弱风、中风、强风的各个情形中，从风速测定装置100的电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形图。
图5是表示第2实施方式所涉及的风速测定装置200的等效电路图。
图6是表示第3实施方式所涉及的风速测定装置300的等效电路图。
图7是表示通过风速测定装置100及风速测定装置300分别接受无风、常温风、热风时的各自的脉冲电压的波形的曲线图。
图8是表示第4实施方式所涉及的风速测定装置400的等效电路图。
图9是表示专利文献1公开的气体流量计1000的说明图。
具体实施方式
以下，参照图面说明用于实施本发明的实施方式。
另外，各实施方式示例表示本发明的实施方式，本发明不限于实施方式的内容。另外，也可以将不同实施方式所述的内容组合实施，该情况下的实施内容也是本发明所包含的。另外，图面用于辅助实施方式的理解，存在未必严格绘制的情况。例如，绘制的构成要素以及构成要素间的尺寸的比率可能与说明书所记载的它们的尺寸的比率不一致。另外，说明书所记载的构成要素可能在附图中省略，或者省略个数来绘制等。
[第1实施方式]
图1及图2表示第1实施方式所涉及的风速测定装置100。其中，图1是风速测定装置100的等效电路图。图2是表示风速测定装置100的风速传感器部20的俯视图。
如图1所示，风速测定装置100具备定温发热装置10。定温发热装置10具备风速传感器部20和温度控制部30。定温发热装置10通过温度控制部30，使设于风速传感器部20的后述的发热元件21以预定的设定温度或设定温度附近的温度发热。
风速传感器部20具备第1负特性热敏电阻元件NTC1和发热元件21。本实施方式中，发热元件21由并联连接的3个正特性热敏电阻元件PTC1～PTC3构成。
图2表示风速传感器部20的具体例。风速传感器部20具备由铝等构成的保温板22，在保温板22的主面贴附由树脂等构成的绝缘性的薄电路基板23。在电路基板23，形成3系统的电路布线24a、24b、24c。电路布线24a与正特性热敏电阻元件PTC1～3各自的一个端子连接。另外，电路布线24b与第1负特性热敏电阻元件NTC1的一个端子连接。此外，电路布线24c与正特性热敏电阻元件PTC1～3各自的另一个端子和第1负特性热敏电阻元件NTC1的另一个端子连接。
第1负特性热敏电阻元件NTC1与发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～PTC3)靠近配置并热耦合。
电路布线24a、24b、24c分别与引线25a、25b、25c连接。引线25a与后述的温度控制部30的开关元件Q1连接。引线25b与后述的温度控制部30的电阻元件R1连接。引线25c与地连接。
如上所述，定温发热装置10的发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～PTC3)以设定温度或设定温度附近的温度发热。本实施方式中，设定温度设定成40℃。
定温发热装置10接通电源后，向发热元件21供电，发热元件21开始发热。然后，发热元件21持续发热，发热元件21的温度上升超过40℃后，停止向发热元件21供电，发热元件21停止发热。然后，随着时间经过，发热元件21的温度下降低于40℃后，重新向发热元件21供电，发热元件21重新发热。其结果是，发热元件21维持在40℃或40℃附近的温度。
如图1所示，定温发热装置10的温度控制部30具备电源Vcc。本实施方式中，电源Vcc设为直流6V。电源Vcc与作为电源开关的开关SW1连接。
温度控制部30具备开关元件Q1。开关元件Q1的一端与开关SW1连接，另一端与风速传感器部20的发热元件21连接。开关元件Q1使从电源Vcc向发热元件21的馈电导通/截止。本实施方式中，使用PNP晶体管作为开关元件Q1。
温度控制部30具备电阻元件R1。电阻元件R1与风速传感器部20的第1负特性热敏电阻元件NTC1串联连接，构成温度检测用分压电路。温度检测用分压电路的电阻元件R1侧的端部与开关SW1的负载侧(电源Vcc的相反侧)连接，第1负特性热敏电阻元件NTC1侧的端部与地连接。温度检测用分压电路从电阻元件R1和第1负特性热敏电阻元件NTC1的连接点输出温度检测用电压。
温度控制部30具备由电阻元件R2和电阻元件R3串联连接而成的比较用分压电路。比较用分压电路的电阻元件R2侧的端部与开关SW1的负载侧连接，电阻元件R3侧的端部与地连接。比较用分压电路从电阻元件R2和电阻元件R3的连接点输出比较用电压。
温度控制部30具备比较器元件Cmp1。
比较器元件Cmp1的反相输入端子-连接到温度检测用分压电路的电阻元件R1和第1负特性热敏电阻元件NTC1的连接点。
比较器元件Cmp1的正相输入端子+连接到比较用分压电路的电阻元件R2和电阻元件R3的连接点。
比较器元件Cmp1的正侧的电源端子与开关SW1的负载侧连接。
比较器元件Cmp1的负侧的电源端子与地连接。
比较器元件Cmp1的输出端子经由电阻元件R4与开关元件Q1的控制端子连接。
另外，电阻元件R4和开关元件Q1的连接点另外经由电阻元件R5与开关SW1的负载侧连接。
构成定温发热装置10(风速传感器部20、温度控制部30)的各元件的电阻值如表1所示。
表1
Figure GDA0002275008140000101
如上所述，定温发热装置10的设定温度设定成40℃。第1负特性热敏电阻元件NTC1具备负的电阻温度系数，将定温发热装置10的设定温度即40℃时的电阻值设为阈值电阻值。本实施方式中，如表1所示，第1负特性热敏电阻元件NTC1采用40℃下电阻值为5.6kΩ的元件，因此第1负特性热敏电阻元件NTC1的阈值电阻值为5.6kΩ。
第1负特性热敏电阻元件NTC1在自身的温度为40℃(发热元件21的温度近似40℃)时，呈现阈值电阻值即5.6kΩ的电阻值。另外，第1负特性热敏电阻元件NTC1在自身的温度低于40℃(发热元件21的温度近似40℃)时，呈现比阈值电阻值即5.6kΩ要高的电阻值。另外，第1负特性热敏电阻元件NTC1在自身的温度超过40℃(发热元件21的温度近似40℃)时，呈现比阈值电阻值即5.6kΩ要低的电阻值。
上述温度检测用分压电路的电阻元件R1、比较用分压电路的电阻元件R2、R3的电阻值及向温度检测用分压电路及比较用分压电路分别施加的电压被设定成在第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为设定温度40℃，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值为阈值电阻值即5.6Ω时，温度检测用电压和比较用电压相等(温度检测用电压＝比较用电压)。
具体地说，如表1所示，电阻元件R1设为4.7kΩ，电阻元件R2设为4.7kΩ，电阻元件R3设为5.6kΩ。
另外，如上所述，温度检测用分压电路及比较用分压电路的一端分别与开关SW1的负载侧连接，因此，在电源开关即开关SW1导通时，分别向温度检测用分压电路及比较用分压电路施加电源Vcc的直流6V。
其结果是，比较用电压总是为约3.26V。
另外，温度检测用电压在第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为设定温度的40℃(发热元件21的温度近似40℃)，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值为阈值电阻值即5.6Ω时，为约3.26V。
比较用电压的计算式和第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为40℃时的温度检测用电压的计算式如表1所示。
温度检测用电压在第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为40℃时为约3.26V，但是第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度若比40℃低，则第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值大于5.6kΩ，因此，温度检测用电压大于3.26V。
反之，第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度若超过40℃，则第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值比5.6kΩ小，因此温度检测用电压比3.26V小。
定温发热装置10中，比较用电压和温度检测用电压的大小由比较器元件Cmp1比较，检测第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度(发热元件的温度)，控制开关元件Q1的导通和截止。
具体地说，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值大于阈值电阻值5.6kΩ，温度检测用电压大于比较用电压(温度检测用电压＞比较用电压)时，判断第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度(发热元件21的温度)比设定温度即40℃低，从比较器元件Cmp1的输出端子输出负的最大电压，使开关元件Q1导通，从电源Vcc向发热元件21供电。
反之，第1负特性热敏电阻元件NTC的电阻值小于阈值电阻值5.6kΩ，温度检测用电压小于比较用电压(温度检测用电压＜比较用电压)时，判断第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度(发热元件21的温度)比设定温度即40℃高，从比较器元件Cmp1的输出端子输出正的最大电压，使开关元件Q1截止，停止从电源Vcc向发热元件21供电。
再度整理说明以上结构构成的定温发热装置10的动作。
通过使电源开关即SW1导通，从电源Vcc向由电阻元件R1和第1负特性热敏电阻元件NTC1构成的温度检测用分压电路及由电阻元件R2和电阻元件R3构成的比较用分压电路供电。此时刻下，第1负特性热敏电阻元件NTC的温度比设定温度即40℃低，因此，第1负特性热敏电阻元件NTC的电阻值比阈值电阻值5.6kΩ大，温度检测用电压比比较用电压大，从比较器元件Cmp1的输出端子输出负的最大电压，从而开关元件Q1成为导通。其结果是，从电源Vcc经由开关元件Q1也向发热元件21供电。
接受供电的发热元件21开始发热。
电力供给进一步持续，发热元件的温度超过设定温度即40℃，进而第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度超过设定温度即40℃后，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值变得比阈值电阻值5.6kΩ小，温度检测用电压变得比比较用电压小，从比较器元件Cmp1的输出端子输出正的最大电压，使开关元件Q1截止。其结果是，停止向发热元件21供电，发热元件21停止发热。
然后，发热元件的温度下降，进而第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度下降，低于设定温度即40℃，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值变得比阈值电阻值5.6kΩ大，温度检测用电压变得比比较用电压大后，从比较器元件Cmp1的输出端子再次输出负的最大电压，使开关元件Q1导通。其结果是，重新向发热元件21供电，发热元件重新发热。
如上所述，定温发热装置10的开关元件Q1通过反复导通和截止，从电源Vcc向发热元件21施加脉冲电压。发热元件21通过施加脉冲电压，反复进行停止发热和重新开始发热，从而维持在设定温度即40℃附近的温度。
如图1所示，风速测定装置100在定温发热装置10的温度控制部30的开关元件Q1和定温发热装置10的风速传感器部20的发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～3)之间设有脉冲电压监视器部40。脉冲电压监视器部40中，例如，通过微计算机50的计数器，监视脉冲电压的波形。微计算机50的计数器例如具备1000Hz的振荡器，在1秒间读取1000次脉冲电压的电压值，检测出脉冲电压的波形。
图3(A)是表示电源开关即SW1导通并经过十几秒后，定温发热装置10开始稳定动作后的风速传感器部20的由铝等构成的保温板22的温度变化的曲线图。另外，保温板22的温度由另外准备的热电偶(未图示)测定。另外，图3(A)中的温度变化的测定在规定的条件下进行，随着设置了风速传感器部20的风速测定点的风速等条件变化，曲线图会示出不同的温度变化。
从图3(A)可知，风速传感器部20的保温板22在包含设定温度即40℃的约38℃到约42℃的范围内具有规则性，反复温度的上升和下降。
图3(B)表示进行图3(A)的温度测定时，脉冲电压监视器部40中由微计算机50读取的从电源Vcc向发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～3)施加的脉冲电压的波形。从图3(B)可知，脉冲电压在风速传感器部20的保温板22的温度低于40℃时成为6V，在风速传感器部20的保温板22的温度超出40℃时成为0V。
风速测定装置100在风速测定点、例如管道的内部配置风速传感器部20时，根据在管道的内部流过的气体的风速，从电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形呈现规则性变化。
图4表示在直径10cm、长度30cm的镀锌铁板制的管道(未图示)内部配置风速测定装置100的风速传感器部20并向管道的内部以无风(0m/秒)、弱风(1m/秒)、中风(5m/秒)、强风(10m/秒)的风速强制地送入空气时，各自的从电源Vcc向发热元件21施加的脉冲电压的波形。另外，空气的温度设为常温(25℃)。
从图4可知，从无风到弱风、中风、强风，随着风速的增大，脉冲电压的波形的占空比变高。另外，占空比是指脉冲的导通时间(电压维持6V的时间；脉冲宽度)PW除以脉冲的周期C后的值。从无风到弱风、中风、强风，随着风速的增大，脉冲电压的波形的占空比变高的原因认为是：风速越大，脉冲导通后由发热元件21使保温板22的温度上升越花时间，且，脉冲若截止则保温板22的温度急速下降。
另外，从图4可知，从无风到弱风、中风、强风，随着风速的增大，脉冲电压的波形的每一次的导通时间PW变长。从无风到弱风、中风、强风，随着风速的增大，脉冲电压的波形的每一次的导通时间PW变长的原因认为是：风速越大，脉冲导通后由发热元件21使保温板22的温度上升越花时间。
本实施方式的风速测定装置100在开始使用前，预先在风速测定点配置风速传感器部20，使风速变化，取得表示风速和从电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形的相关关系的数据。使用时，在脉冲电压监视器部40中，例如，通过微计算机50读取从电源Vcc向发热元件21施加的脉冲电压的波形，根据读取的脉冲电压的波形，检测(测定)风速测定点的风速。风速测定装置100中，可以根据脉冲电压的波形的占空比检测风速，也可以根据脉冲电压的波形的每一次的导通时间(电压维持6V的时间；脉冲宽度)来检测风速。
本实施方式的风速测定装置100根据从电源Vcc向发热元件21施加的脉冲电压的波形即脉冲电压的占空比、导通时间来检测风速，因此不易受到噪音的影响，能够准确测定风速。另外，风速测定装置100的结构简易，因此能够容易地制作。另外，风速测定装置100不使用昂贵的A/D变换器等，因此能够以低成本制作。
另外，本实施方式的风速测定装置100使用正特性热敏电阻元件PTC1～3作为发热元件，因此，即使万一因为误动作导致温度异常上升而超过设定温度，由于正特性热敏电阻元件PTC1～3的电阻值上升，能够抑制温度的进一步上升，因此具备高安全性。
例如，若在管道的内部设置本实施方式的风速测定装置100的风速传感器部20，则不受噪音的影响，能够准确测定在管道的内部通过的气体的风速。另外，在管道的内部发生异常(异物导致堵塞等)时，能够容易地检测出异常。即，例如，尽管与管道连结的换气扇正常运行，但是风速测定装置100未表示出所假定的风速时，能够怀疑管道的内部发生异常。
另外，本实施方式中，通过风速测定装置100测定风速，但是，也可以通过同一装置测定风量。即，在开始使用前，预先在风量测定点配置风速传感器部20，使风量变化，取得表示风量和从电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形的相关关系的数据。然后，在使用时，在脉冲电压监视器部40中，例如，通过微计算机50读取从电源Vcc向发热元件21施加的脉冲电压的波形，根据读取的脉冲电压的波形，检测(测定)风量测定点的风量，从而，能够测定风量。
[第2实施方式]
图5表示第2实施方式所涉及的风速测定装置200。其中，图2是风速测定装置200的等效电路图。
风速测定装置200对第1实施方式所涉及的风速测定装置100的温度检测用分压电路、比较用分压电路等进行了变更。
具体地说，风速测定装置200中，将第1负特性热敏电阻元件NTC1和电阻元件R11串联连接，构成温度检测用分压电路，将第1负特性热敏电阻元件NTC1侧的端部与开关SW1的负载侧(电源Vcc的相反侧)连接，将电阻元件R11的端部与地连接。温度检测用分压电路的第1负特性热敏电阻元件NTC1和电阻元件R11的连接点不同于风速测定装置100，与比较器元件Cmp1的同相输入端子+连接。
另外，风速测定装置200中，将电阻元件R12和电阻元件R13串联连接，构成比较用分压电路，将电阻元件R12侧的端部与开关SW1的负载侧连接，将电阻元件R13侧的端部与地连接。此外，比较用分压电路的电阻元件R12和电阻元件R13的连接点不同于风速测定装置100，与比较器元件Cmp1的反相输入端子-连接。
构成风速测定装置200的定温发热装置10(风速传感器部20·温度控制部30)的各元件的电阻值如表2所示。
表2
Figure GDA0002275008140000171
风速测定装置200也与风速测定装置100同样，将定温发热装置10的设定温度设定成40℃。
第1负特性热敏电阻元件NTC1也与风速测定装置100同样，使用在40℃时呈现5.6kΩ的电阻值的元件，第1负特性热敏电阻元件NTC1的阈值电阻值为5.6kΩ。
第1负特性热敏电阻元件NTC1在自身的温度为40℃时，呈现阈值电阻值即5.6kΩ的电阻值。另外，在自身的温度低于40℃时，呈现比阈值电阻值即5.6kΩ高的电阻值。另外，在自身的温度超过40℃时，呈现比阈值电阻值即5.6kΩ低的电阻值。
如表2所示，风速测定装置200中，电阻元件R11设为4.7kΩ，电阻元件R12设为5.6kΩ，电阻元件R13设为4.7kΩ。
风速测定装置200中，比较用电压始终为约2.74V。
另外，温度检测用电压在第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为设定温度40℃，第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值为阈值电阻值即5.6Ω时，为约2.74V。
比较用电压的计算式和第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为40℃时的温度检测用电压的计算式如表2所示。
温度检测用电压在第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度为40℃时为约2.74V，但是，若第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度变得比40℃低，则第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值变得比5.6kΩ大，因此温度检测用电压变得比2.74V小。另外，由于温度检测用分压电路的结构、布线不同，该动作与第1实施方式的风速测定装置100的动作相反。
反之，若第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度超过40℃，则第1负特性热敏电阻元件NTC1的电阻值变得比5.6kΩ小，因此温度检测用电压变得比2.74V大。由于温度检测用分压电路的结构、布线不同，该行为也与第1实施方式的风速测定装置100的行为相反。
风速测定装置200中，比较用电压和温度检测用电压的大小也由比较器元件Cmp1比较，检测第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度，控制开关元件Q1的导通和截止。
具体地说，第1负特性热敏电阻元件NTC的电阻值比阈值电阻值5.6kΩ大，温度检测用电压比比较用电压小(温度检测用电压＜比较用电压)时，判断第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度比设定温度即40℃低，从比较器元件Cmp1的输出端子输出负的最大电压，使开关元件Q1导通，从电源Vcc向发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～PTC3)供电。
反之，第1负特性热敏电阻元件NTC的电阻值比阈值电阻值5.6kΩ小，温度检测用电压比比较用电压大(温度检测用电压＞比较用电压)时，判断第1负特性热敏电阻元件NTC1的温度比设定温度即40℃高，从比较器元件Cmp1的输出端子输出正的最大电压，使开关元件Q1截止，停止从电源Vcc向发热元件21供电。
风速测定装置200的定温发热装置10虽然具备与风速测定装置100的定温发热装置10不同的温度检测用分压电路、比较用分压电路的结构、布线，但是，与风速测定装置100的定温发热装置10同样，发热元件21以设定温度即40℃附近的温度发热。
风速测定装置200也与第1实施方式所涉及的风速测定装置100同样，在脉冲电压监视器部40中，例如，由微计算机50读取从电源Vcc向发热元件施加的脉冲电压的波形，从而能够根据读取的脉冲电压的波形，检测(测定)风速测定点的风速。
[第3实施方式]
图6表示第3实施方式所涉及的风速测定装置300。其中，图6是风速测定装置300的等效电路图。
风速测定装置300为了修正由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差，向第1实施方式所涉及的风速测定装置100追加了温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件NTC32等。
具体地说，风速测定装置100在比较用分压电路具有电阻元件R3，而风速测定装置300用相互并联连接的电阻元件R33、第2负特性热敏电阻元件NTC32和电容C1来取代电阻元件R3，连接到比较用分压电路。另外，第2负特性热敏电阻元件NTC32在风速传感器部20的附近，与风速传感器部20的正特性热敏电阻元件PTC1～3热隔离地配置，使自身的温度根据测定对象的风的温度而变化，从而使自身的电阻值变化。电阻元件R33、第2负特性热敏电阻元件NTC32的功能将后述。另外，将电容C1与电阻元件R33、第2负特性热敏电阻元件NTC32并联连接是为了提高抗噪特性。
另外，风速测定装置300在风速测定装置100的温度检测用分压电路的第1负特性热敏电阻元件NTC31的最近处，以与第1负特性热敏电阻元件NTC31串联的方式新插入电阻元件R36。另外，电阻元件R36与温度检测用分压电路和比较器元件Cmp1的同相输入端子的连接点相比，插入第1负特性热敏电阻元件NTC31侧(地侧)。电阻元件R36的插入是为了调节温度检测用电压。
风速测定装置300的各元件的电阻值以及电容值如表3所示。
表3
另外，第1负特性热敏电阻元件NTC31和第2负特性热敏电阻元件NTC32使用电阻温度特性等的电气特性相同的元件。表4表示第1负特性热敏电阻元件NTC31、第2负特性热敏电阻元件NTC32的电阻温度特性。
表4
Figure GDA0002275008140000221
以下，风速测定装置300中，说明补正由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差的原理。
例如，在将第1实施方式所涉及的风速测定装置100设计为风的温度设成(假定)常温的25℃的情况下，风的温度若比25℃高，则受到风的温度的影响，与实际的风速对应的占空比相比，所检测到的脉冲电压的波形的占空比变小。反之，风的温度若比25℃低，则受到风的温度的影响，与实际的风速对应的占空比相比，所检测到的脉冲电压的波形的占空比变大。
图7(上段)分别表示了在风速测定装置100中检测到的无风状态下的脉冲电压的波形、风速2m/秒的常温风(25℃)下的脉冲电压的波形、风速2.3m/秒的热风(40℃)下的脉冲电压的波形。另外，常温风和热风的风速存在稍许差异是由于申请人的实验装置的原因。无风状态下的脉冲电压的波形的占空比为8％，与此相对，常温风(25℃)下的脉冲电压的波形的占空比达到21％。这是因为，与无风状态相比，在接受常温风的情况下被常温风冷却，因此，脉冲导通后，由发热元件21使保温板22的温度上升需要花费时间，且，脉冲若截止则保温板22的温度急速下降。相对地，热风(40℃)下的脉冲电压的波形的占空比为2％，与无风状态下的脉冲电压的波形的占空比的8％相比反而减小。这是因为，在接受热风(40℃)的情况下不由热风冷却，反而由热风加热，因此，与无风状态相比，在接受热风的情况下，脉冲导通后由发热元件21使保温板22的温度上升所需的时间变短，且即使脉冲截止，保温板22的温度也不会急剧下降。
风速测定装置300通过第2负特性热敏电阻元件NTC32的电阻值变化来修正上述由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差。具体地说，将第1负特性热敏电阻元件NTC31和第2负特性热敏电阻元件NTC32的温度差成为10℃时设为控制温度的设定值。即，进行控制，维持使得(第1负特性热敏电阻元件NTC31的温度)-(第2负特性热敏电阻元件NTC32的温度)≒10℃。
风速测定装置300中，第1负特性热敏电阻元件NTC31的温度为50℃(＝
40+10℃)时，温度检测用电压根据电阻元件R1的电阻值、电阻元件R36的电阻值、第1负特性热敏电阻元件NTC31在50℃时的电阻值算出，如表3所示为约3.10V。另外，风速测定装置300中，第2负特性热敏电阻元件NTC32的温度为40℃时的比较用电压根据电阻元件R2的电阻值、电阻元件R33的电阻值、第2负特性热敏电阻元件NTC32在40℃时的电阻值算出，如表3所示为约3.10V。
图7(下段)分别表示风速测定装置300中检测到的无风状态下的脉冲电压的波形、风速2m/秒的常温风(25℃)下的脉冲电压的波形、风速2.3m/秒的热风(40℃)下的脉冲电压的波形。无风状态下的脉冲电压的波形的占空比为17％，与此相对，常温风(25℃)下的脉冲电压的波形的占空比为43％，热风(40℃)下的脉冲电压的波形的占空比为50％。即，可知常温风下的脉冲电压的波形的占空比和热风下的脉冲电压的波形的占空比成为接近的值，由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差得到修正。另外，常温风的占空比和热风的占空比未完全一致是由于两者的风速存在多少差异。
如上所述，第3实施方式所涉及的风速测定装置300中，设定温度(第1负特性热敏电阻元件NTC31的温度)与第2负特性热敏电阻元件NTC32的温度相隔约10℃的温度差，且设定温度(第1负特性热敏电阻元件NTC31的温度)被控制为伴随第2负特性热敏电阻元件NTC32的温度的变化而维持约10℃的温度差来变化。风速测定装置300通过设置第2负特性热敏电阻元件NTC32等，从而修正由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差。
另外，风速测定装置300基于第1实施方式所涉及的风速测定装置100，追加第2负特性热敏电阻元件NTC32等，以修正由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差，但是，也可以取而代之，基于第2实施方式所涉及的风速测定装置200，追加第2负特性热敏电阻元件NTC32等，以修正由测定对象的风的温度引起的风速的测定误差。
[第4实施方式]
图8表示第4实施方式所涉及的风速测定装置400。其中，图8是风速测定装置400的等效电路图。
风速测定装置400进一步改良了第3实施方式所涉及的风速测定装置300。具体地说，风速测定装置400中，由串联连接的电阻元件R52和温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件NTC42构成比较用分压电路。另外，由电阻元件R51和第1负特性热敏电阻元件NTC41构成温度检测用分压电路。
此外，风速测定装置400中，通过分别恰当地选定电阻元件R51的电阻值、电阻元件R52的电阻值、第1负特性热敏电阻元件NTC41的电阻温度特性、第2负特性热敏电阻元件NTC42的电阻温度特性，从而将第1负特性热敏电阻元件NTC41和第2负特性热敏电阻元件NTC42的温度差控制为10℃。
表5表示了电阻元件R51的电阻值、电阻元件R52的电阻值、第1负特性热敏电阻元件NTC41的电阻温度特性、第2负特性热敏电阻元件NTC42的电阻温度特性。另外，第1负特性热敏电阻元件NTC41及第2负特性热敏电阻元件NTC42使用与第1负特性热敏电阻元件NTC31及第2负特性热敏电阻元件NTC32相同电阻温度特性的元件。
表5
Figure GDA0002275008140000251
第4实施方式所涉及的风速测定装置400也与第3实施方式所涉及的风速测定装置300同样，设定温度(第1负特性热敏电阻元件NTC41的温度)与第2负特性热敏电阻元件NTC42的温度相隔约10℃的温度差，且设定温度(第1负特性热敏电阻元件NTC41的温度)被控制为伴随第2负特性热敏电阻元件NTC42的温度的变化而维持约10℃的温度差来变化。
另外，风速测定装置400也基于第1实施方式所涉及的风速测定装置100而构成，但是也可以取而代之，基于第2实施方式所涉及的风速测定装置200而构成。
风速测定装置400能够在不增加部件数量的情况下修正测定风速的测定对象的风的温度的影响，从而更准确地测定风速。
以上，说明了第1实施方式～第4实施方式所涉及的风速测定装置100～400。但是，本发明不限于上述内容，能够根据发明的精神进行各种变更。
例如，风速测定装置100～400中，将3个正特性热敏电阻元件PTC1～3并联连接，以作为发热元件21使用，但是发热元件21不限于正特性热敏电阻元件，也可以是加热元件，也可以是其他种类的装置。另外，即使使用正特性热敏电阻元件的情况下，其个数也不限于3个，可以是1个、2个或4个以上。即，能够根据使用的正特性热敏电阻元件的电阻值、所需的发热量等来任意选定。
另外，风速测定装置100～400中，温度检测用分压电路、比较用分压电路、发热元件21(正特性热敏电阻元件PTC1～3)全部由一个电源Vcc(直流6V)供电，但是它们也可以由独立的电源供电。另外，向温度检测用分压电路、比较用分压电路、发热元件施加的电压不限于6V。而且，也可以对温度检测用分压电路、比较用分压电路、发热元件施加不同电压。
另外，风速测定装置100～400中，定温发热装置10的设定温度设定成40℃，但是设定温度不限于40℃。能够根据使用环境(风速测定点的环境)，适宜选择设定温度。
而且，风速测定装置100～400中，第1负特性热敏电阻元件NTC1使用在40℃下呈现5.6kΩ的电阻值的装置，但是，所使用的负特性热敏电阻元件的电阻温度特性是任意的，不限于实施方式中所使用的。
【标号说明】
10…定温发热装置20…风速传感器部(定温发热装置10的一部分)21…发热元件(设于风速传感器部20)30…温度控制部(定温发热装置10的一部分)40…脉冲电压监视器部50…微计算机Vcc…电源Q1…开关元件Cmp1…比较器元件NTC1，NTC31，NTC41…第1负特性热敏电阻元件NTC32，NTC42…第2负特性热敏电阻元件(温度补偿用)PTC1，PTC2，PTC3…正特性热敏电阻元件(发热元件)R1，R2，R3，R4，R5，R11，R12，R13，R33，R36，R41，R42…电阻元件。

Claims (19)

1.一种具备以预定的设定温度或所述设定温度附近的温度发热的定温发热装置的风速测定装置，其特征在于，
所述定温发热装置具备电源、发热元件、开关元件、比较器元件、第1负特性热敏电阻元件以及多个电阻元件，所述发热元件和所述第1负特性热敏电阻元件配置在风速测定点，
所述发热元件通过所述电源发热，
所述开关元件插入所述电源和所述发热元件之间，
所述比较器元件控制所述开关元件的导通和截止，
所述第1负特性热敏电阻元件配置在所述发热元件的附近，与所述发热元件热耦合，以接近与所述发热元件相同的温度，将所述设定温度下的电阻值设为阈值电阻值，
所述第1负特性热敏电阻元件与至少一个所述电阻元件串联连接且被施加一定的电压，形成温度检测用分压电路，
从所述温度检测用分压电路的所述第1负特性热敏电阻元件和所述电阻元件的连接点，输出温度检测用电压，
至少两个所述电阻元件串联连接且被施加一定的电压，形成比较用分压电路，
从所述比较用分压电路的一个所述电阻元件和另一个所述电阻元件的连接点输出比较用电压，
所述温度检测用分压电路的所述电阻元件及所述比较用分压电路的所述电阻元件各自的电阻值、及向所述温度检测用分压电路和所述比较用分压电路分别施加的所述电压被设定成，使得在所述第1负特性热敏电阻元件的温度为所述设定温度，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值为所述阈值电阻值时，所述温度检测用电压＝所述比较用电压，
在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度低，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值大时，所述温度检测用电压＞所述比较用电压，在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度高，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值小时，所述温度检测用电压＜所述比较用电压，或，在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度低，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值大时，所述温度检测用电压＜所述比较用电压，在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度高，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值小时，所述温度检测用电压＞所述比较用电压，
所述比较器元件比较所述温度检测用电压和所述比较用电压，在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度低，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值大时，使所述开关元件导通，在所述第1负特性热敏电阻元件的温度比所述设定温度高，所述第1负特性热敏电阻元件的电阻值比所述阈值电阻值小时，使所述开关元件截止，
在风速测定点配置有风速传感器部，事先使风速变化，以获取表示风速与施加于所述发热元件的脉冲电压的波形之间的相关关系的数据，
所述开关元件通过反复导通和截止，从所述电源向所述发热元件施加脉冲电压，根据施加的所述脉冲电压的波形的占空比或每次导通时间的长度，参照相关关系，算出所述风速测定点处的风速。
2.权利要求1所述的风速测定装置，其特征在于，
根据所述脉冲电压的波形的占空比，算出所述风速测定点处的风速。
3.权利要求1所述的风速测定装置，其特征在于，
根据所述脉冲电压的波形的每一次的导通时间的长度，算出所述风速测定点处的风速。
4.权利要求1至3的任一项所述的风速测定装置，其特征在于，
所述发热元件是正特性热敏电阻元件。
5.权利要求1至3的任一项所述的风速测定装置，其特征在于，
还具备温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件，
利用所述第2负特性热敏电阻元件来修正所述设定温度。
6.权利要求5所述的风速测定装置，其特征在于，
所述设定温度与所述第2负特性热敏电阻元件的温度相隔规定的温度差，且所述设定温度伴随所述第2负特性热敏电阻元件的温度的变化而维持所述温度差来变化。
7.权利要求5所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第2负特性热敏电阻元件与构成所述比较用分压电路的一个所述电阻元件并联连接。
8.权利要求6所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第2负特性热敏电阻元件与构成所述比较用分压电路的一个所述电阻元件并联连接。
9.权利要求7或8所述的风速测定装置，其特征在于，
与所述第2负特性热敏电阻元件还并联连接有电容。
10.权利要求7或8所述的风速测定装置，其特征在于，
所述温度检测用分压电路中，还与所述第1负特性热敏电阻元件串联连接有电阻元件。
11.权利要求9所述的风速测定装置，其特征在于，
所述温度检测用分压电路中，还与所述第1负特性热敏电阻元件串联连接有电阻元件。
12.权利要求1至3的任一项所述的风速测定装置，其特征在于，
将所述比较用分压电路的一个所述电阻元件置换为温度补偿用的第2负特性热敏电阻元件，并且，
调节所述比较用分压电路的剩余的一个所述电阻元件的电阻值和所述温度检测用分压电路的所述电阻元件的电阻值，
通过所述第2负特性热敏电阻元件来修正所述设定温度。
13.权利要求12所述的风速测定装置，其特征在于，
所述设定温度与所述第2负特性热敏电阻元件的温度相隔规定的温度差，且所述设定温度伴随所述第2负特性热敏电阻元件的温度的变化而维持所述温度差来变化。
14.权利要求6至8、11、13的任一项所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第1负特性热敏电阻元件的电气特性和所述第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
15.权利要求5所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第1负特性热敏电阻元件的电气特性和所述第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
16.权利要求9所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第1负特性热敏电阻元件的电气特性和所述第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
17.权利要求10所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第1负特性热敏电阻元件的电气特性和所述第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
18.权利要求12所述的风速测定装置，其特征在于，
所述第1负特性热敏电阻元件的电气特性和所述第2负特性热敏电阻元件的电气特性相同。
19.一种风量测定装置，其特征在于，
采用权利要求1至18的任一项所述的风速测定装置。
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