JP2004309202A

JP2004309202A - 風速、風量センサ

Info

Publication number: JP2004309202A
Application number: JP2003099979A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kobayashi; 信次小林
Original assignee: KONA SAPPORO KK
Current assignee: KONA SAPPORO KK
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】従来風速、風量センサとしては発熱体の放熱現象を利用した熱式センサが一般的である。しかしながら、この種のセンサは風速検知用センサと温度補償用センサも部品コストの高価な白金センサが使用されており、しかも、抵抗温度特性の揃ったのを使用しなければならないために、コストが非常に高価になるという問題があった。
【解決手段】大変安価なダイオードを風速検出用感温素子、温度補償用感温素子として使用することが出来る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】この発明は風速、風量センサに関し、詳しくは気体の流速に対応した発熱体の放熱を利用して風速、風量を検知する風速、風量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４には一般的な風速センサである定温度差法方式の基本回路が示されている。同図において、４辺のブリッジ回路の入力端１２側にはトランジスタ１１を介して電源＋Ｖが接続されており、ブリッジ回路の他の入力端はＧＮＤに接続されている。そして、入力端１２と出力端１３との間には抵抗器Ｒ１１が接続され、出力端１３とＧＮＤ間には風速検知用センサＲＨが接続されている。また、入力端１２と出力端１４との間には抵抗器Ｒ１２が接続され、出力端１４とＧＮＤ間には温度補償用センサＲＴが接続され、風速検知用センサＲＨのブリッジ辺出力電圧１３と温度補償用センサＲＴのブリッジ辺出力電圧１４との差がオペアンプ等の差動増幅器１５によって求められ、この差動出力が風速検出信号として出力される一方において、前記トランジスタ１のベースに加えられている。
【０００３】前記風速検知用センサＲＨと温度補償用センサＲＴはともに正の抵抗温度係数をもった白金の感温抵抗素子によって構成されており、このセンサＲＴ，ＲＨの抵抗温度係数は一般の抵抗器に比べ、一桁以上大きく、ばらつきの小さいほぼ同一の抵抗温度係数をもったものが使われている。また、抵抗器Ｒ１２と温度補償センサＲＴとの合成抵抗値は抵抗器Ｒ１１と風速検知用センサＲＨとの合成抵抗値よりも十分大きな値となっており、これにより、電源＋Ｖからの電流によって風速検知用センサＲＨは自己発熱してヒータとして機能し、一方、温度補償用センサＲＴは自己発熱しない状態を保って気流の温度を検出する機能を有し、この風速検知用センサＲＨと温度補償用センサＲＴとの温度差が設定の一定温度差となったときにブリッジ端子１３，１４の出力電圧が平衡状態になるように各ブリッジ辺の抵抗値が設定されている。
【０００４】この種の風速センサにおいて、気流が風速検知用センサＲＨを通過すると、気流の風速の大きさに応じて風速検知用センサＲＨの放熱量が変化し、抵抗値が変化する。この抵抗値の変化により出力端子１３の電圧が変化する。このとき、気流の温度に対応する出力端子１４の電圧と前記の差が差動増幅器１５で求められることにより、気流の温度変化の影響が取り除かれ、この温度補償された差動増幅器１５の差動出力が風速検出信号として取り出される。その一方において、その差動出力はトランジスタ１１に加えられる結果、トランジスタ１１がオンし、電源＋Ｖからの電流が風速検知用センサＲＨに流れて気流による放熱分だけ発熱駆動が行われ、風速検知用センサＲＨと温度補償用センサＲＴとの温度差が常に一定になるように制御されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種の定温度差法の風速センサは、風速検知用センサＲＨとともに温度補償用センサＲＴも部品コストの高価な白金センサが使用されており、しかも、風速検知用センサＲＨと温度補償用センサＲＴの抵抗温度係数の揃ったものを使用しなければならないために、風速センサのコストが非常に高価になるという問題があった。
また風量などを測定する場合はセンサの数を増やして平均値がほしいことがある。この場合はセンサ及び回路もその数用意しなければならなくなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、本出願人らは次のような構成を提案した。すなわち、大変安価なダイオードを風速検出用感温素子、温度補償用感温素子として使用する。ダイオードに定電流を流した時の順方向電圧は約−２．０ｍＶ／℃で良好な直線性を示し温度センサとしても利用されている。ただしダイオードは白金抵抗体やサーミスタと違い温度と電流の大きさにより順方向電圧が変化する。そこで発熱素子として使用するには定電力で駆動する必要があるが、従来の定電力回路は乗算器が必要で複雑、高コストになる。そこで簡単な回路で充分実用になる定電力回路を考案した。また発熱の温度を知る為には定電力駆動中は出来ないので、定電力回路を一定周期毎に切り離し、交互に定電力駆動、休止を繰り返す。
【０００７】風速検出用ダイオード、温度補償用ダイオードとも定電流回路で自己発熱が問題にならない程度の小電流を流し順方向電圧を、温度補償用ダイオードの方を差動入力ＡＤコンバータのコモン、風速検出用ダイオードを入力側に接続する。またＡＤコンバータの入力はＧＮＤにも切り換えて接続できるようにしておく。
【０００８】速検出用ダイオードを定電力回路で駆動する発熱期間と休止期間を交互に繰り返す。ＡＤコンバータは休止期間に、風速検出用ダイオードの電圧、発熱期間にＧＮＤの電圧を測定する。ＧＮＤの電圧は気流の温度を表す。風速検出用ダイオードの電圧は発熱温度となり気流により温度変化する。これを風速、風量信号として取り出す。これは定温度差法とは同一では無いが、本来ダイオードを定電力で発熱させるため、気流がない時は、一定の温度差が生じるはずである。従ってその差を気流による放熱として風速、風量信号とする。
【０００９】それぞれのダイオードは複数直列接続することにより、多点の平均風速、風量センサを容易に製作する事が出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】風速検出用ダイオード、温度補償用ダイオードとも定電流回路で自己発熱が問題にならない程度の小電流を流し順方向電圧の差をＡＤコンバータで取り込み、両センサの温度差として検出する。一方、風速検出用ダイオードは定電力回路から一定の周期で電源を供給し発熱させる。この発熱温度を電源の供給休止期間に温度差として検出する。温度補償用感温素子の方を差動入力ＡＤコンバータのコモン、風速検出用感温素子を入力側に接続する。またＡＤコンバータの入力はＧＮＤにも切り換えて接続できるようにしておく。
【００１１】速検出用ダイオードを定電力回路で駆動する発熱期間と休止期間を交互に繰り返す。ＡＤコンバータは休止期間に、風速検出用ダイオードの電圧、発熱期間にＧＮＤの電圧を測定する。風速検出用ダイオードの電圧は発熱温度となり気流により温度変化する。ＧＮＤの電圧は気流の温度を表す。それぞれのダイオードは複数直列接続することにより、容易に多点の平均風速、風量センサとすることが出来る。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１には本実施例に係わる風速、風量センサの説明図が示されている。Ｄ１は温度補償用ダイオードで電源＋ＶとＱ１、Ｒ１からなる定電流回路により自己加熱して誤差にならない程度の一定電流が流されている。このＤ１の順方向電圧２は差動入力のＡＤコンバータのコモン入力に接続される。Ｄ２は風速検出用ダイオードで電源＋ＶとＱ２、Ｒ２からなる定電流回路により自己加熱して誤差にならない程度の一定電流が流されている。このＤ２の順方向電圧１はアナログマルチプレクサＵ２を通して差動入力のＡＤコンバータの入力に接続される。
【００１３】点線に囲まれた８が定電力回路でこの回路の電源は電源＋ＶからＱ３を通して供給される。Ｑ３はＣＰＵにより正確な一定周期でＯＮ、ＯＦＦを繰り返す。この定電力回路の出力は風速検出用ダイオードに接続されており、発熱する電力となる。
【００１４】定電力回路の動作を説明する。Ｕ１はＴＬ４３１というシャントレギュレータで大変ポピュラーなものである。このＵ１は３と４の間が２．５Ｖになるように７から３へと電流を流す働きをする。Ｑ４とＲ３は電流を増幅するためのものである。かりに３と１を接続すればＲ４両端の電圧が２．５Ｖ一定になる定電流回路となり、電流値は２．５Ｖ÷Ｒ４（Ａ）となる。ここで３の電圧をＤ２の電圧に応じて変化させ一定電力にするのが本回路の動作である。
【００１５】ここでＤ２に流す電流を２．５Ｖ÷Ｒ４（Ａ）の式で決めて、Ｒ４の値を決定する。Ｄ２の順方向電圧は反転増幅器ＯＰ１で反転増幅され電圧１に積み上げられた電圧５となる。この電圧５を２．５Ｖの電圧Ｖｒｅｆ１から引いた値を差動増幅器ＯＰ２により求め電圧３とする。なおこの差動増幅器のＲ５〜Ｒ８は全て同一で増幅度は１である。Ｒ９とＶＲ１の決め方はＤ２の順方向電圧の加熱時の電圧×ＶＲ１÷Ｒ９が２．５Ｖになるように決定する。今ここでＤ２の電圧が高くなると電圧５は電圧６の２．５Ｖより高くなり電圧３は低くなる。するとＲ４の両端電圧がその分低くなり電流が減る方向に動くことになる。それで電力が一定になるように制御される。
【００１６】図２にＤ２の電圧が変化したとき電力の計算値のグラフを示す。条件はＲ４を２５Ω、ＯＰ１の増幅度を２．５に設定したときのものである。それによるとこの回路は完全な定電力ではないが、目的がダイオードのようにあまり順方向電圧が変化しない素子である事と風速、風量センサとした場合には充分な性能である。この回路では負荷の電圧が±１０％変動すると電力が±１％変動する。
【００１７】風速検出用ダイオードＤ２、温度補償用ダイオードＤ１は直列接続で増やすことが出来る。どちらも同じ数だけ増やした方が簡単である。変更点はＤ２の順方向電圧の加熱時の電圧×ＶＲ１÷Ｒ９が２．５ＶになるようにＯＰ１の増幅度を小さくすことだけである。後は電源電圧とＡＤコンバータの入力範囲に気を配るだけで良い。得られた値は全てのセンサの合計値になるのでセンサの数で割れば平均値が得られる。
【００１８】図３に実際に風量を測定した場合の出力特性例を示す。風速検出用ダイオードの電圧は発熱温度となり気流がない時が最大となる。ただし、この発熱温度（電圧）は空気密度の影響を受けるために、厳密に測定するには温度、気圧による補正が必要である。
【００１９】この発明は、その他の点においても、上記実施例に限定されるものではなく、ダイオードを発熱させ発熱温度が物理量を測定するために使用される用途において種々の応用、変形を加えることが出来る。
【００２０】
【発明の効果】上述のように気流によって奪われる熱量を風速、風量の検出用に使用する熱式センサにおいて、高価な白金センサ及び特殊なサーミスタ等を使用せず、大変安価なダイオードを使用することが出来、またその特性により容易にセンサの数を増やすことが出来るのは風速、風量測定のセンサとして理想的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による風速、風量測定の一実施例である。
【図２】定電力回路の性能図である。
【図３】本発明の一実施例による風量−出力電圧特性例である。
【図４】従来の風速センサの回路構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｄ１温度補償用ダイオード
Ｄ２風速検出用ダイオード
＋Ｖ電源電圧
ＧＮＤ電源グランド
Ｑ１、Ｑ２ＮタイプＦＥＴ
Ｑ３トランジスタ
Ｕ１シャントレギュレータＴＬ４３１
Ｕ２アナログマルチプレクサ
ＯＰ１、ＯＰ２オペアンプ
Ｖｒｅｆ１２．５Ｖリファレンス
ＶＲ１可変抵抗器
Ｒ１〜Ｒ９固定抵抗器
ＣＰＵマイクロコントローラ
ＡＤコンバータ入力差動式ＡＤコンバータ
１風速検出用ダイオードの順方向電圧
２温度補償用ダイオードの順方向電圧
３オペアンプＯＰ２の出力電圧
４シャントレギュレータのリファレンス端子
５オペアンプＯＰ１の出力電圧
６２．５Ｖのリファレンス電圧
７シャントレギュレータ出力端子
８定電力回路
ＲＨ風速検出用抵抗体
ＲＴ温度補償用抵抗体
１１電源制御トランジスタ
１２ブリッジ入力端子
１３、１４ブリッジ出力端子
１５オペアンプ
Ｒ１１、１２固定抵抗器

Claims

気流によって奪われる熱量を測定するための風速検出用ダイオード、および前記気流の温度を測定するための温度補償用ダイオードを含み、定電力回路で発熱、休止期間を設けて風速検出用ダイオードを駆動する、風速、風量センサ。
風速検出用ダイオード、温度補償用ダイオードをそれぞれ複数直列接続した、多点の平均値風速、風量センサ。
風速検出用ダイオードに一定電力を供給する定電力回路。