JP2004500579A

JP2004500579A - 一定温度勾配の温度差型熱体積流量センサ

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Publication number: JP2004500579A
Application number: JP2001572831A
Authority: JP
Inventors: マギニス，トーマス・オー，ジュニアー
Original assignee: エムケイエス・インストゥルメンツ・インコーポレーテッド
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: KR20020093013A; US6446504B1; KR100811652B1; JP4090242B2; TW538234B; EP1272819A4; WO2001075400A1; EP1272819B1; EP1272819A1

Abstract

センサ導管の被加熱長さに沿って対称の三角形の温度分布状態を確立することにより、センサ導管１１２を通って流れる流体へ及び該流体からの熱伝導が最適化される熱体積流量センサ２００である。センサ導管は、一対の分布形態の熱源２１４、２１６及び分布形態の熱源の間に配置された集中形態の熱源３１０により加熱される。センサ導管のヒータ密度は分布形態の熱源の外端からセンサ導管のヒータ長さの中心に向けて線形に増加し、中央に配置された集中形態の熱源に相応する点にて顕著により大きい値まで急激に増加する。流量センサ管に沿った温度分布関数はほぼ対称の三角形の関数である。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、全体として、サーマル・マスフローセンサ（以下、熱体積流量センサと呼ぶ）、より具体的には、センサを通って流れる流体へ及び該流体から熱伝導するとき一定の温度勾配を提供し得る設計とされた温度差型熱体積流量センサに関する。
【０００２】
発明の背景
流体の体積流量は、流体が層状流路を通って流れるとき一定の量だけ流体の温度を上昇させるのに必要な熱量に比例することが既知である。温度差型熱流量センサにおいて、流体は、その内部にて対称状に上昇し且つ降下する温度の分布状態が保たれる導管を通って流れ、該導管内の流体の流量を決定するため流体へ及び流体からの熱伝導が比較される。
【０００３】
この原理に基づいて作動するセンサは、体積流量に比例する流量信号を発生させる。これらのセンサは、また、性質上、不規則的であり且つ時間の点にてゆっくりと変動する小さいノイズ信号も発生させる。簡単な検知導管（バイパス無し）の場合、ノイズ信号の大きさは、実質的に流量と独立的であるが、導管内を流れる流体の熱特性に依存する。零流量のときでもノイズ信号が存在するから、この信号は「零流量ノイズ」と称される。零流量ノイズは、その全体的な流量検知範囲に亙って熱流量センサの瞬間的な流量の分解能を制限する。該ノイズは、また、特定のセンサを使用して効果的に測定することのできる最小流量も画成する。最後に、顕著なゆっくりと変動する零流量ノイズ信号の存在は、熱流量センサを採用する計測器を較正すること（特に、零設定作用をすること）を妨げる。
【０００４】
これらの熱流量センサの零流量ノイズは、センサの導管と（主として導管の内部と）接触した流体のゆっくりと熱的に変動すること、すなわちその程度が制限された熱的不安定さに起因するものと考えられる。センサ導管の入口半体及び出口半体に対称に設けられた抵抗型センサにおける流量に起因する僅かな温度差によって生ずる相対的抵抗の変化を検出することにより作動する従来のセンサの場合、零流量ノイズ信号の大きさは、一般に採用される周波数帯域帯の範囲内でセンサの作動温度におけるかかる抵抗センサから予想される周知のジョンソンノイズ（Ｊｏｈｎｓｏｎ　ｎｏｉｓｅ）よりも数倍程度大きい。
【０００５】
幾つかのセンサの設計は、その他のものよりも本質的にノイズが少ないため、当該技術分野にて既知のセンサ流量信号に比してセンサの零流量ノイズが減少するセンサを設計することが有利であろう。
【０００６】
零流量温度のとき、センサ導管に沿った流量プロフィールは、対称（二等辺）三角形の形状に近くなるため、零流量センサのノイズは、流量に起因するセンサ信号に比して劇的に減少する。これは、被加熱流路に沿った対流（センサの長さに沿った位置に対する温度の第一の導関数を含む用語）と比較してこれらのセンサに適用された熱伝導等式にて被加熱流路に沿った不均一な熱伝導（センサの長さに沿った位置に対する温度の第二の導関数を含む用語）が小さく又は存在しないことの結果である。三角形の温度分布プロフィールを有するセンサの場合、かかる全ての第二の導関数の項は、三角形の温度分布の頂点を除いて熱的に活性な導管の長さに沿った何れの箇所でも零である。
【０００７】
本発明の譲受人に譲渡されたマギンス・ジュニア（Ｍａｇｉｎｎｉｓ，　Ｊｒ．）に対する米国特許第５，６９３，８８０号（以下、第‘８８０号特許）に開示されたテーパー付きヒータセンサは、被加熱流れ導管の中心から離れて、図２に図示するように、導管の長さの大部分を亙って伸びることのできる被加熱導管の中心に鈍角な頂点がある、略三角形の温度分布プロフィールを提供する。本発明は、図５のグラフに示すように、零流量にて鋭角に尖った頂点を有する略完全に対称な三角形の温度分布プロフィールを提供する熱源の配置形態を説明するものである。
【０００８】
本明細書で使用するように、「ヒータ密度」という用語は、熱流量センサ内で通路の単位長さ当たり被加熱流路に付与される加熱パワーを意味する。ヒータ密度とは、流路の被加熱部分に沿った位置の連続的な関数である。加熱パワーが導管の被加熱長さに亙って一定である、矩形のヒータ密度の関数を特徴とする堆積流量センサは、非線形の温度分布プロフィールを示すことが既知である。かかる非線形性は、比較的高ノイズ、感度の低下、流れる流体へ及び該流体からの不均一な熱伝導及びセンサにて測定可能な流量の範囲の縮小化を伴う点にて不利益である。
【０００９】
第‘８８０号特許には、流量センサ導管の被加熱位置に亙って不均一なヒータ密度を提供する温度差型熱体積流量センサが開示されている。流量センサ導管は、例えば、巻線が２つの導体の接合部にて最も狭く隔てられ、また、導体の外端にて最も広く隔てられるように、従来の円筒状センサ管の周りに不均一に巻かれた一対の抵抗線導体により加熱することができる。この不均一な巻線の形態は、加熱パワーが巻線の長さに亙って不均一である、テーパー付き、又は不均一に変化するヒータ密度をもたらすものである。
【００１０】
第‘８８０号特許の流量センサにおいて、流体の温度は、導体の接合部からのある距離の位置の関数として略線形に変化し、また、導体の接合部の領域内で非線形に変化する。この温度分布プロフィールは、図２に、平坦な頂点を有する三角形として図示されている。この温度プロフィール分布関数の平坦とした頂点部分は、導体の接合部の加熱パワーが不十分であることに起因するものであり、また、この頂点部分は、センサの略全長に亙って伸びる三角形の温度分布プロフィールを有するより略理想的なセンサから予想される性能に比して感度の低下、熱的不安定に起因するノイズの増加、及び全体的な流量センサの性能の低下を伴うものである。
【００１１】
従って、上記及びその他の欠点を生じることなく、流れる流体へ及び該流体からのより略理想的な熱伝導を提供することのできる熱体積流量センサを提供することは有益であろう。
発明の概要
本発明の１つの特徴によれば、貫流する流体の流れに適応し得るようにされた流量センサ導管と、センサ導管に近接して配置され且つセンサ導管の被加熱長さの一部分に沿って分布形態すなわち分布して配置された、均一に変化するヒータ密度を確立し得るようにされた第一の加熱要素と、センサ導管及び第一の加熱要素に近接して配置され且つセンサ導管の被加熱長さ内の予め選んだ位置にて集中形態のヒータ密度を確立し得る形態とされた第二の加熱要素とを備える熱体積流量センサが提供される。センサ導管の被加熱長さ内の流体の温度分布関数は、ほぼ対称の三角形の分布関数である。
【００１２】
第一の加熱要素は、分布形態すなわち分布して配置された一対の熱源を備えることが好ましい。第二の加熱要素は、２つの分布形態の熱源の間に配置された単一の集中形態の熱源を備えることが好ましい。１つの好ましい実施の形態において、分布形態の熱源は、センサ導管の被加熱長さの好ましくは中間点又はその付近にて、それら間に配置された集中形態の熱源に対してセンサ導管上で対称に配置されている。
【００１３】
本発明の流量センサ内の分布されたヒータの密度は、センサ導管の被加熱長さの両端付近における略等しい最小値から導管の被加熱長さの中心に向けて均一に増大し、その後、中央に配置された集中形態の熱源に相応する点における実質的により大きい値まで急激に増大する。分布されたヒータ密度の好ましい最小値は零であり又はセンサの製造メーカにとって実用的であるように、零に近く、またセンサ導管の被加熱部分の外端にて生じる。
【００１４】
１つの好ましい実施の形態において、分布形態の熱源は、センサ導管の被加熱長さの両端にて最小の熱を提供し且つ導管の被加熱長さの中間点又はその付近にて最大の熱を提供する。１つの好ましい実施の形態において、分布形態の熱源は、例えば、従来の円筒管の周りに巻かれた抵抗型コイル又はかかるセンサ管上に蒸着させた抵抗型フィルムのような抵抗型熱源を備えている。別の実施の形態において、分布形態の熱源は、例えば、輻射エネルギを導管に向け且つ導管の被加熱長さに沿って望ましい三角形の温度分布状態を発生させ得るような仕方にて流量センサの導管の周りに配置された光ファイバ列のような輻射熱源を備えている。
【００１５】
分布形態の熱源として、抵抗型コイル又は輻射加熱光ファイバが採用されるならば、コイルの隣接する巻線又はファイバの隣接する端部の間隔は、センサ導管の位置と共に連続的に変化し、望ましい温度分布プロフィールを実現するようにすることが好ましい。分布形態の熱源として抵抗型フィルムが採用されるならば、蒸着したフィルムの厚さ及び（又は）幅は、センサ導管に沿った位置と共に連続的に変化し、望ましい温度分布プロフィールを実現することが好ましい。例えば、より緊密に巻いたコイル及びより薄い及び（又は）狭小な抵抗型フィルムからより多くの熱が提供される。このため、管の被加熱長さの中心付近にて最大の加熱を実現するためには、コイルはより緊密に巻き且つ抵抗型フィルムは最も薄く且つ最も狭小であるようにする。これと逆に、広く隔てた巻線及びより厚く且つ（又は）より広い抵抗型フィルムから提供される熱はより少ない。このため、管の被加熱長さの端部付近にて最小の加熱状態とするためには、コイルはよりルーズに巻き、抵抗型フィルムは最も厚く且つ（又は）最も幅が広いようにする。
【００１６】
熱体積流量センサは、第一及び第二の加熱システムに電流を提供する接続部を更に備えている。
第一の加熱システムは、温度差型熱センサとしても機能し且つ導管の被加熱長さ、従って、センサ導管を通る流体の流量の上流及び下流部分の対称の位置における流体の温度差を表わす信号を発生させ得るようにされている。センサ導管の被加熱長さの上流及び下流部分にて主たる加熱要素から電気的に絶縁された追加的な均一な抵抗型巻線又はフィルムを提供することにより、三角形の温度分布状態を確立するために使用される加熱機能から温度検知機能を分離させることもできる。これらは、それ自体が発生する加熱程度が無視し得る程度であるように、パワーの分散程度がより少ない状態で作動させることができる。三角形の温度プロフィールを確立するため複数の光ファイバからの端部輻射を採用する実施の形態において、センサ導管に沿った流れに起因する温度変化を検知するため受動型温度センサとして電気抵抗要素（巻線又はフィルム）を採用することも望ましい。かかる変更を加えること及び流量導管の異なる部分に適用される、代替的な温度差型温度検知要素にて置換することの全ては、流れ導管に沿った零流量の温度分布状態が上述したように、略対称的な三角形であるならば、本発明の範囲に属するとみなされる。
【００１７】
本発明の上記及びその他の目的及び有利な点は、一部分、自明であり、また、一部分、以下の説明から明らかになるであろう。従って、本発明は、その範囲が特許請求の範囲に記載される、以下の詳細な説明に例示される要素の構造、組み合わせ及び部品の配置を有する装置を備えている。
【００１８】
本発明の性質及び目的をより完全に理解するため、添付図面に関する以下の詳細な説明を参照すべきである。
それぞれの図面にて同様の作用部分は同様の参照番号で表示してある。
図面の詳細な説明
本発明は、流量センサ導管に沿ってほぼ対称の三角形の零流量温度分布プロフィールを実現し得るように均一に変化する一対の分布形態の熱源と集中形態の熱源とを組み合わせるものである。流体が導管内を流れるとき、熱源は一定の温度勾配を提供し且つセンサ導管と該センサ導管を通って流れる流体との間の熱伝導を最適にする。センサ導管からセンサ導管の被加熱部分の上流半体内の流体に熱は均一に伝導され、また、流体からセンサ導管の被加熱部分の下流半体内でセンサ導管まで熱は伝導される。その結果としての温度分布関数Ｔ（ｘ）は温度と、センサ導管に沿った位置、また、極く近似的に導管内の流体容積に沿った位置との対称の三角形の関数である。流体の温度は、センサ導管の被加熱部分の上流端及び下流端における周囲温度から導管の被加熱部分の略中間点における最大温度まで均一に上昇する。集中形態の熱源が配置されるのはこのセンサ導管の中間点である。
【００１９】
対称の三角形の温度分布関数は、最適な低ノイズ流量センサの性能にとって１つの好ましい温度分布状態であると考えられる。その理由は、流量信号がほぼ一定である、導管に沿った温度勾配（又は第一の空間的導関数）に比例するからである。導管に沿った空間的に変化する温度勾配（又は非零の第二の導関数）は不安定である流れに依存する熱過程を生じさせ且つ流量センサ内でノイズを発生させると考えられる。このように、極めて小さい温度勾配が存在し、これと同時に、この温度勾配内に大きい空間的変化が存在する、図２の従来技術のセンサの温度分布プロフィールにおける丸味を付けた広いピーク領域は、ノイズが比較的強く且つ流量信号が比較的弱い領域である。
【００２０】
本発明は、図５に図示するように、三角形の温度分布プロフィールを提供すると共に、検知領域の各半体にて一定の温度勾配を保つ一方、温度分布プロフィールの頂点における鈍角な部分が、センサの極めて短い長さに限定されると共に、流量検知要素が存在しない箇所である中央の集中形態のヒータの位置に固定される、流量センサである。
【００２１】
流量センサの信号対ノイズ比は、正確に検知可能である、最小流量及びより高流量の双方の流量測定の分解能を制限するから、流量センサの信号対ノイズ比を改良することは流量センサの設計の主要な目的である。かかる改良はまた、零流量ノイズの大きさを流量センサの全範囲の出力信号に比して無視し得るレベルまで減少させることにより、流量計の零設定の困難性を緩和する傾向ともなる。
【００２２】
上述したように、流量信号は流量センサ導管に沿った温度勾配の関数である。その他の原因の内、熱的不安定さに起因する信号ノイズは、流量センサ導管に沿った流体の温度が非線形に変化することを示す。このように、一定の勾配を有する、すなわち、センサ導管の単位長さ当たりの流体の温度変化が関数に何らかの曲線部分又は非線形部分を伴わずに一定の値であるプロフィールを有する、流体温度の分布関数を画成することにより、センサの信号対ノイズ比を最大にすることができる。導管に沿った位置に伴い線形に上昇し且つ下降し且つこれらの状態を満足させる唯一の温度分布関数は、三角形の関数である。
【００２３】
この関数は、実際上、空間的に可変のヒータ密度関数を提供し得る形態とされたヒータと共にセンサを採用することにより、実現することができる。
この作用方法は、以下の説明から帰納的に理解することが可能である。センサ導管に沿って望ましい完全な三角形の温度分布状態であるものと仮定する。次に、導管は限定的な長さ方向熱伝導率を有するから、高温度から低温度、中央の温度最高値から端部まで導管の上流及び下流部分に沿って反対方向に伝導する一定の大きさの熱の流れが存在しなければならない。このことは、その点から別れる上流及び下流方向を向いた熱の流れを供給するため、上流と下流部分との間に集中形態の熱源が存在する場合に限り実現可能である。センサ導管の単位長さ当たりの表面熱損失が零であるならば、センサの長さの中間点における集中形態の熱源が必要とされる唯一の熱源であろう。次に、中央に放出される熱の流れは上流及び下流の長さの双方を通じて伝導され且つ導管の端部にて熱クランプ内に吸収されよう。しかし、実際のセンサ導管は表面から熱損失する。補償されなかったならば、この表面の損失は、三角形の温度プロフィールを側部に沿って垂下したものにし、指数関数的尖頭を形成することになろう。このため、導管に沿った位置にて強さが変化し、何れの箇所においても局部的な表面の熱損失を等しくする分布形態の熱源を採用することにより、導管の表面からの熱損失を補充する必要がある。三角形の温度分布及び均一な表面の損失係数とするために、局部的な表面の熱損失関数は局部的な温度上昇（周囲温度以上）に比例し且つ三角形の関数でもある。このため、対称の三角形のヒータ密度及び適宜な強さを備える分布形態の熱源は、中央に配置された集中形態のヒータのみがある場合に生ずるであろう表面の熱損失を効果的に補償し且つ指数関数的尖頭から望ましい対称の三角形への温度分布関数を回復することができる。
【００２４】
このように、適正に釣り合わせた「教会及び尖塔（ｃｈｕｒｃｈ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｐｌｅ）」又は「屋根及び煙突（ｒｏｏｆ　ａｎｄ　ｃｈｉｍｎｅｙ）」型式のヒータ密度の関数は、センサ導管又は管に沿って、流量に対する高感度及び零流量の熱的ノイズが少ない、最適な完全に対称の三角形の温度分布状態を生じさせることができる。
【００２５】
図１に図示するように、従来技術にて既知の体積流量センサ２００は、層状流れバイパス要素１１８を含むことのできる主要な流れ導管１１０と、流量センサ管１１２とも称される二次的な第二の流路とを備えている。センサ管１１２は層状流れのみを保証し得る寸法とされている。流量センサは、例えば、センサ管を不均一に加熱し得るようにセンサ管１１２の周りに不均一に巻かれた抵抗型コイルとすることのできる一対の加熱要素２１４、２１６も備えている。加熱要素の各々は、センサ管１１２の相応する部分に沿った長さＬに対し軸方向に伸びる状態で図示されている。
【００２６】
加熱要素２１４の上流端は、線１３４を介して電子測定回路１３２に電気的に接続されている。加熱要素２１４の下流端及び加熱要素２１６の上流端を電気的に接続するノードは、線１３６を介して回路１３２に電気的に接続されている。加熱要素２１６の下流端は線１３８を介して回路１３２に電気的に接続されている。回路１３２は、そのそれぞれの電気抵抗を検知することにより、加熱要素２１４、２１６から伝導された熱量の差を測定し、センサ導管１１２内を流れる流体１２６の体積流量を表わす出力信号を発生させる。センサ導管１１２を通る体積流量は、入口ポート１２２から主要流れ導管の出口ポート１２４まで単位時間に流れる総体積流量の一定の部分であるため、この出力信号はまた流量センサ２００を通る総体積流量をも表わす。本発明の譲受人に譲渡された、１９９５年１０月３１日付けでヒンケル（Ｈｉｎｋｌｅ）らに対して発行された米国特許第５，４６１，９１３号には、流量センサ２００と共に使用可能である測定回路１３２の１つの形態が開示されている。抵抗差を測定するその他の検知回路が従来技術にて既知である。
【００２７】
流量センサ２００に対するケーシングの一部とすることのできる熱クランプ１２０は、加熱要素２１４、２１６を開口１３０内に包み込む。熱クランプ１２０は、加熱要素２１４の上流端付近にて且つ加熱要素２１６の下流端付近にてセンサ導管１１２に取り付けられ且つ該センサ導管と良好に熱的に接触する。熱クランプ１２０は、典型的に、センサ導管１１２の熱伝導率に比して大きい熱伝導率を有する材料にて製造されており、センサ導管１１２の被加熱長さの端部を熱的に固定する。
【００２８】
作動時、流体１２６は入口ポート１２２からバイパス通路１１０の出口ポート１２４まで矢印１２８の方向に向けて流れ、流体の一部分は制限的層状流れ要素１１８を通って流れる。残りの流体はセンサ導管１１２を通って流れる。回路１３２により電流は加熱要素２１４、２１６を通って流れ、これら加熱要素は熱を発生させ且つその熱をセンサ導管１１２に直接与え、更に、センサ導管１１２を通って流れる流体１２６に間接的に与える。入口ポート１２２に入る前に且つ出口ポート１２４から出たとき、通常、周囲温度にある流体１２６と流体が導管を通って流れるときのセンサ導管との間にて熱交換が行われる。センサの設計流量範囲内にて、上流の加熱要素２１４は、一部の熱を被加熱導管の上流側半分内を流れる流体１２６に伝導し、流れる流体１２６はこの熱を被加熱導管の下流側半分内の下流側の検知要素２１６に戻す。流量センサ導管１１２の上流側半分から下流側半分へのこの流れに起因する熱伝導は、上流の加熱要素２１４を冷却し且つ略等しい程度、下流の加熱要素２１６を加熱する傾向となる。下流の加熱要素２１６が受ける流れに起因する加熱と上流の加熱要素２１４が受ける流れに起因する冷却との差は、センサ導管１１２を通る流体１２６の体積流量を示す。
【００２９】
図２のグラフに図示するように、センサ導管１１２は、その被加熱長さの開始部分及び終了部分、すなわち、−Ｌ及び＋Ｌにて実質的に周囲温度にある。センサ導管の被加熱長さの温度は、加熱要素の外端から加熱要素の接合点における導管の被加熱長さの中間点に向けて距離の増大と共に略直線状に増大する。温度分布関数Ｔ（ｘ）は、加熱要素の接合部における加熱パワーが不十分であるため、この位置付近にて非線形となる。加熱要素の間の領域内の感度が低下し且つ信号ノイズが比較的大きい結果、従来技術の流量センサの性能は、これに相応して、低下する。
【００３０】
図３は、図１の従来技術の体積流量センサのヒータ密度関数（ｘ）のグラフである。このグラフは、ヒータ密度が−Ｌから０まで均一に増大し、また、０から＋Ｌまで均一に増大する三角形のプロフィールを示す。分布形態の熱源は、それ自体で、熱源の接合付近にて温度降下するため、センサを通って流れる流体へ及び該流体からの熱伝導を最適なものよりも劣ったものにする（理想的な三角形の分布状態に比して）。
【００３１】
センサ導管と、導管の被加熱長さの全体に亙って導管内を流れる流体との間に均一な熱伝導を実現するためには、流動方向への一定のヒータ密度勾配を確立しなければならない。２つの加熱要素を採用する温度差型温度センサにおいて、上流の加熱要素は、正のヒータ密度勾配を生じさせ、下流の加熱要素は等しい負のヒータ密度勾配を生じさせ、このため、流れる流体が上流の加熱要素と関係したセンサ導管の部分を冷却し且つ下流の加熱要素と関係したセンサ導管の部分を加熱するようにする必要がある。このことは、第‘８８０号特許に開示されたテーパー付きすなわち均一に変化する加熱状態の着想の基本である。
【００３２】
しかし、図２のグラフに図示するように、従来技術の体積流量センサの温度分布関数Ｔ（ｘ）は、２つの加熱要素の接合部付近の領域内で非線形である。センサ導管における温度と位置との間に線形の関係を実現するためには、分布形態の熱源にて得られる以上の更なる熱が必要とされる。
【００３３】
三角形の温度分布プロフィールの望ましい鋭角なピーク値は、分布形態の熱源の接合部における温度勾配の隔離された不連続部として数学的に説明することができる。任意の連続的なヒータ密度の関数にとって温度分布関数及び温度勾配の双方は、連続的な関数でなければならないから、従来技術（図３）におけるように、三角形のヒータ密度関数を提供するだけでは相応する温度勾配にてかかる鋭角なピーク値は生じさせることはできない（図２）。
【００３４】
しかし、隔離した点の不連続部分（急激な増大部分）を中心点に有するヒータ密度関数を採用することにより、温度分布関数に鋭角なピーク値を提供するのに必要とされる望ましい隔離した不連続部分があるよう温度勾配に形成することが可能である。かかる隔離形態の熱源は、それ自体、三角形の温度分布状態を生じることはない。その代わり、指数関数的に湾曲する側面を有するピーク値の温度分布プロフィールを提供する（例えば、第´８８０号特許の図９を参照）。
【００３５】
望ましい温度分布関数の頂点に相応する熱源間の位置にて連続的に空間的に分布形態の対称の三角形のヒータ密度関数及び隔離形態、又は集中形態の（急激に増大する）熱源の双方を提供するセンサを採用することにより（第´８８０号特許に記載されたように）、センサ導管の被加熱全長に沿って三角形の温度分布プロフィールを生じさせることが可能である。
【００３６】
実際には、上流及び下流のヒータの長さに比して限定され、好ましくは短い長さに亙って伸びる、大きい密度であるが、限定的なヒータ密度にて空間的に集中形態にて中央に配置されたヒータは、集中形態にて中央に配置されたヒータの中間領域内でのみ鈍角となる温度ピーク値を生じさせ、この鈍角な領域は、従来技術のセンサの温度分布プロフィール（図２）の鈍角な部分よりも実質的に短く形成することができる。この具体化により、実際の流量の検知が行なわれる箇所である、被加熱の上流及び下流長さに沿った導管に対する零流量温度分布関数の部分は、線形のままである。実際に、この具体化を実現できる限定されたいずれの箇所にても、１つの可能なヒータ密度の関数の導関数が与えられる。このように、集中形態としたが、非限定的はでない図６のヒータ密度関数は、図５の導管温度プロフィールを生じさせる。これに反して、図３のヒータ密度関数は図２の導管温度プロフィールを生じさせる。比較の目的のため、同一の熱伝導率、同一の表面損失係数とし、また、導管に供給された総加熱パワーを同一にして、ヒータの双方の形態を同一の導管に適用した。
【００３７】
図４Ａ及び図４Ｂには、本発明による熱体積流量センサが図示されている。全体として図４Ａに均一に変化する熱源として、及び図４Ｂに抵抗型コイルとして図示された分布形態のヒータ源２１４、２１６は、−Ｌ及び＋Ｌの間にてセンサ導管１１２の部分と熱的に連通し、−Ｌ及び０、及び０及び＋Ｌの間にてセンサ導管及びその内部を流れる流体に対し分布形態とされ且つ均一に変化する熱源を提供する。図５の温度分布関数にて示すように、−Ｌ及び０の間にて、センサ導管の温度は均一に上昇し、また、０及び＋Ｌの間にて、センサ導管の温度は均一に下降する。分布形態の熱源２１４、２１６は、センサ導管の外面及び内面からの伝導及び輻射に起因して失われる（この損失は、局部的温度の関数である）熱を補充するため、各点にて必要とされる量の熱をセンサ導管に沿った各点にて供給する。
【００３８】
−Ｌ及び＋Ｌの途中の０にて分布形態の熱源２１４、２１６の間に、単一の集中形態の熱源３１０が配置されており、その位置にて加熱パワーを急激に増加させる。このパワーの急激な増加は、２つの分布形態の熱源のみが使用されるときに得られる三角形の温度分布プロフィールの平坦化した頂点に相応する点にて生じる。集中形態の熱源３１０は、０の両側にてセンサ導管の被加熱長さの上流部分と下流部分との間にてほぼ均一に分割される所定の量の加熱パワーを提供する。
【００３９】
集中形態の熱源と分布形態の熱源との組み合わせは、図５に図示するような、流れる流体内に望ましい対称の三角形の温度プロフィール、及び図６に図示するような、望ましいヒータ密度関数（ｘ）を提供する。図６に図示したヒータ密度関数は、図５に図示した均一に変化する分布形態のヒータ密度関数と、集中形態の熱源のヒータ密度関数との合成値である。
【００４０】
この設計の原型センサにて行った予備的試験から、全スケールの流量信号の１０，０００分の１．３部分に等しい零流量ノイズ（窒素の流れ）が得られた。概よその比較として、現在、市販されている最良の体積流量コントローラは、その全スケール流量信号値の約２０００分の１部分の流れ安定性を実現する（独立的な下流測定計により測定されたように、一定の設定点における窒素の流れ）。より典型的には、より低級な体積流量コントローラは、全スケールの約４００分の１部分の流れ安定性を有する。
【００４１】
集中形態の熱源とする目的は、三角形の温度分布プロフィールに対し鋭角な頂点を与えるため個々の均一に変化する熱源間にて必要とされる、温度分布プロフィールの勾配の急激な変化を生じさせることである。真の衝撃力すなわち急激な増加は、温度分布関数の勾配に真の不連続部を生じさせる。この配置は、分布形態の加熱要素と共に集中形態の熱源を使用しない、図１に図示した、従来技術の流量センサを使用して得られるものよりも遥かにより正確な三角形の温度分布関数を提供する。
【００４２】
均一に変化する一対の加熱要素のみを採用する流量センサと加熱要素間に集中形態の追加の熱源を採用する流量センサとの間の相違点は、それら２つのセンサのそれぞれの温度分布プロフィールに見ることができる。前者の流量センサは、表面の熱損失係数及びセンサ導管の長手方向熱伝導率に依存する距離に亙って伸びる鈍角な頂点を有する略三角形の温度分布プロフィールを提供する。後者の流量センサは、鋭角でより明確に識別可能な頂点を有する三角形の温度分布プロフィールを提供する。温度分布プロフィールの頂点が完全な三角形からはずれる程度は、集中形態の熱源の幅に起因し、管表面からの損失関数によって制御されない。このため、分布形態の加熱システムと集中形態の加熱システムとの組み合わせを採用するセンサは、均一に変化する加熱要素のみを使用して実現される場合よりも長さの短いセンサ導管にて実現可能である、流量検知上の有利な点を特徴とする。更に、本発明のセンサは、センサ導管と、流体との間で望ましい熱伝導を実現するために必要とされる加熱パワーが少なくて済む。
【００４３】
本発明の流量センサの信号対ノイズ比は、従来技術の流量センサのものを顕著に改良するものである。その結果、本発明の流量センサは、流量の測定及び制御がより正確になるように改良された分解能、及び顕著に向上した低流量の性能を特徴とする。更に、改良された低流量の性能に加えて、流量の測定範囲が大幅に拡大できる。更に、熱伝導率が大きいため、センサ導管の被加熱部分の全長を短くすることができる。
【００４４】
更に、均一な直径の円筒状導管に沿った位置における温度分布は線形関数であるため、導管の各線形部分に対する温度分布を予測することができ、また、かかるセンサ管に対する熱伝導が最適化され、これは、遥かに複雑な非線形の温度分布関数を提供する従来技術のセンサ管と相違するものである。特に、ヌッセルト数は、正確に測定するためには、精密なコスト高で且つ時間を消費する有限要素モデリングを必要とする、熱源の位置及び流量の複雑な関数ではなくて、温度分布関数の線形部分に亙る簡単な既知の定数となる。このことは、流量、導管及び流体の性質の関数としてセンサ出力に対する簡単で且つ正確な理論的モデルを開発することを極めて容易にし、このことは計測器の設計にとって極めて便宜なことである。
【００４５】
集中形態の中央に配置したヒータを採用しない従来技術の作動熱流量センサに優る本発明のセンサの更なる有利な点は、高流体流量時に明白となる。流体が集中形態の中央ヒータが存在しない任意の熱流量センサを通って高速度で流れるとき、高速度の流れは、温度ピーク値を下流にシフトさせる、すなわち下流の検知要素により加熱される導管の長さ範囲内でシフトさせることにより、零流量温度プロフィールに歪みを生じさせ易い。負の温度勾配はその長さの一部分に亙ってのみ伸びるため、このことは、下流の検知要素の効果を低下させることになる。このように、下流の検知要素からの出力信号は上流の検知要素からの出力信号に比して減少する。更に、流量が特定の閾値を超えるとき、影響を受ける検知要素の出力信号は顕著な程度に非線形となる。これに反して、本発明の流量センサの場合、中央に配置された集中形態のヒータは、高流量の場合でさえ、その頂点が集中形態のヒータの位置にある三角形の温度分布関数を生じさせる。下流の検知要素の長さに亙る温度分布プロフィールの勾配は、かかる高流量に対し負のままであり、このことは、従来技術のセンサに比してセンサ出力信号の線形性を向上させることになる。このように、本発明のセンサは、従来技術の熱体積流量センサにて正確に測定可能な程度よりも、低流量及び高流量の有用な流量の測定範囲を拡張させることができる。
【００４６】
本発明のセンサは、また、１０トル以下の入口圧力及び数１０分の１トルの範囲の出力圧力のような極めて低圧の環境内で機能しなければならない熱体積流量計及びコントローラ内に組み込むことができるという、独特な利点を有している。かかる計測器の場合、計測されるガスは限定された粘度を有するため、零とすることはできない、流れ導管に沿った圧力降下を最小限にすることが必須である。この問題点に対する解決策は、典型的に、異常に大きい内径の単一の導管とするか、又高容量のバイパス導管と平行して普通程度の直径の導管を採用することの仕様とすることを含む。その何れの場合でも、典型的に、粘性物の圧力降下程度を可能な限り小さく保つため、通常、センサ導管の流量測定範囲の下限値のみが有用である。このように、かかる計測器内に組み込まれる熱センサ導管は、典型的に、センサの零流量ノイズが顕著である体積流量範囲内で作動し、このため、センサの有用性及び性能を制限する。本発明のセンサは、その零流量ノイズの程度が極めて小さく且つ過剰なノイズを伴わずに低体積流量を正確に測定し得る能力のため、かかる低圧の作動用の従来技術の熱流量センサに勝る顕著な利点を有している。
【００４７】
温度分布状態及び関連する熱伝導率を最適化するため、流体の流路に沿った、流体の流量センサ内で分布形態の加熱システム及び集中形態の加熱システムを組み合わせることは、任意の熱体積流量計又は流量コントローラに、特に、現在、均一な分布形態の熱源のみが採用される任意の体積流量計又は流量コントローラに適用可能である。
【００４８】
本明細書に開示された本発明の範囲から逸脱せずに、上記の装置に特定の変更を加えることが可能であるため、上記の説明に記載し又は添付図面に図示した全ての事項は限定的ではなく一例として解釈されるべきであることを意図するものである。
【００４９】
特に、線形の側部を有するが、上述したように、三角形の頂点にて最大値でなく、最小値となる、実質的に逆対称三角形である温度プロフィールをセンサ導管の長さに沿って実現し得るように、分布形態の加熱要素及び（又は）冷却要素と集中形態の中央冷却器との組み合わせを配置することで、本発明のセンサの効果及び有利な点実現可能であることは明らかである。かかる温度分布状態の空間的変化の方向を逆にすることは、本明細書に開示された本発明からの顕著な逸脱となるものではなく、特許請求の範囲に属するものとみなさなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術にて既知の熱体積流量センサの部分ブロック図及び部分半径方向断面図である。
【図２】
図１の熱体積流量センサに対する温度分布関数Ｔ（ｘ）を示すグラフである。
【図３】
図１の体積流量センサに対する均一に変化するヒータ密度の関数（ｘ）を示すグラフである。
【図４】
４Ａは、本発明の１つの実施の形態による熱体積流量センサの部分ブロック図及び部分半径方向断面図である。
４Ｂは、本発明の別の実施の形態による熱体積流量センサの部分ブロック図及び部分半径方向断面図である。
【図５】
本発明の熱体積流量センサに対する温度分布関数Ｔ（ｘ）を示すグラフである。
【図６】
本発明の体積流量センサに対するヒータ密度関数（ｘ）を示すグラフである。

Claims

熱体積流量センサにおいて、
貫通する流体の流れに対応し得るようにされた流量センサ導管と、
センサ導管に近接して配置され且つセンサ導管の被加熱領域の長さの一部分に沿って分布形態とされ且つ均一に変化するヒータ密度を確立し得る形態とされた第一の加熱要素と、
センサ導管及び第一の加熱要素に近接して配置され、センサ導管の被加熱長さ内の予め選んだ位置にて集中形態のヒータ密度を確立し得る形態とされた第二の加熱要素とを備え、
センサ管の被加熱長さの内部の流体の温度分布関数が、ほぼ対称の三角形の分布関数である、熱体積流量センサ。
請求項１に記載の熱体積流量センサにおいて、第一の加熱要素が一対の分布形態の熱源を備え、第二の加熱要素が分布形態の熱源の間に配置された単一の集中形態の熱源を備える、熱体積流量センサ。
請求項２に記載の熱体積流量センサにおいて、分布形態の熱源が、該分布形態の熱源の間に配置される集中形態の熱源に対してセンサ導管上で対称に配置される、熱体積流量センサ。
請求項３に記載の熱体積流量センサにおいて、集中形態の熱源がセンサ導管の被加熱長さのほぼ中間に配置される、熱体積流量センサ。
請求項３に記載の熱体積流量センサにおいて、分布形態の熱源が、センサ導管の被加熱長さの端部付近にて単位長さ当たり最小の熱を伝導し、センサ導管の被加熱長さの中間点付近にて最大の熱を伝導する抵抗型熱源を備える、熱体積流量センサ。
請求項５に記載の熱体積流量センサにおいて、抵抗型熱源が、センサ導管の周りに配置された巻線を有する電気抵抗型コイルを備え、巻線が導管の被加熱長さの外端付近にて最も広く隔てられ、集中形態の熱源付近にて最も狭く隔てられる、熱体積流量センサ。
請求項５に記載の熱体積流量センサにおいて、抵抗型熱源が、所望の幅及び厚さまでセンサ導管上に蒸着された抵抗型フィルムを備え、該フィルムの厚さ及び（又は）幅が、導管の被加熱長さの外端付近にて最大であり、集中形態の熱源付近にて最小である、熱体積流量センサ。
請求項５に記載の熱体積流量センサにおいて、分布形態の熱源が輻射熱源を備える、熱体積流量センサ。
請求項８に記載の熱体積流量センサにおいて、輻射熱源が光ファイバ配列を備える、熱体積流量センサ。
請求項１に記載の熱体積流量センサにおいて、第一及び第二の加熱要素に対し電流を印加する手段を更に備える、熱体積流量センサ。
請求項１０に記載の熱体積流量センサにおいて、第一の加熱要素が、センサ導管の被加熱長さの上流部分及び下流部分に沿った対称の位置にて流体の温度差を表わし、従ってセンサ導管を通る流体の流量を表わす信号を更に発生させ得るようにされる、熱体積流量センサ。
請求項１に記載の熱体積流量センサにおいて、センサ導管上に配置され且つ第一及び第二の加熱要素から電気的に絶縁された１つ又はより多数の温度検知要素を更に備える、熱体積流量センサ。
請求項１２に記載の熱体積流量センサにおいて、温度検知要素が、センサ導管の周りに均一に巻かれた抵抗型コイルを備える、熱体積流量センサ。
請求項１２に記載の熱体積流量センサにおいて、温度検知要素がセンサ導管上に蒸着させた抵抗型フィルムを備える、熱体積流量センサ。