JP2012181061A - Flow rate sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に複数の圧電振動素子を感圧素子として用いる流速センサーに関する。 The present invention particularly relates to a flow rate sensor that uses a plurality of piezoelectric vibration elements as pressure-sensitive elements.
従来から、水圧計、気圧計、差圧計などに圧電振動子を感圧素子として用いた圧力センサーが知られている。圧電振動素子は、例えば、板状の圧電基板上に励振電極や引き出し電極等の電極パターンが形成され、力の検出方向に検出軸を設定しており、当該検出軸の方向に圧力が加わると、圧電振動素子の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化に基づいて圧力を検出することができる。このような圧力センサーの一例として特許文献１乃至３の圧力センサーが知られている。特許文献１乃至３に開示されている圧力センサーは、同芯配置された一対の圧力入力口を有するハウジングと、当該ハウジングの前記一対の圧力入力口を夫々封止して外面を受圧面とする２つのダイアフラムと、を有し、前記ハウジングの内部には、前記２つのダイアフラムの受圧面とは反対側の裏面同士を接続する力伝達手段と、この力伝達手段に一端を固定支持され、他端をハウジングの内壁等に固定支持されて、前記検出軸の方向を前記ダイアフラムの前記受圧面に対する法線と平行となるように設置した感圧素子と、を内蔵している。 Conventionally, a pressure sensor using a piezoelectric vibrator as a pressure-sensitive element is known for a water pressure gauge, a barometer, a differential pressure gauge, and the like. The piezoelectric vibration element has, for example, an electrode pattern such as an excitation electrode and an extraction electrode formed on a plate-like piezoelectric substrate, and a detection axis is set in the force detection direction, and pressure is applied in the direction of the detection axis. The resonance frequency of the piezoelectric vibration element changes. The pressure can be detected based on the change in the resonance frequency. As an example of such a pressure sensor, the pressure sensors of Patent Documents 1 to 3 are known. The pressure sensors disclosed in Patent Documents 1 to 3 each include a housing having a pair of pressure input ports arranged concentrically and the pair of pressure input ports of the housing, and the outer surface serves as a pressure receiving surface. Two diaphragms, and inside the housing, force transmission means for connecting the back surfaces opposite to the pressure receiving surfaces of the two diaphragms, one end fixedly supported by the force transmission means, and the other A pressure-sensitive element having an end fixedly supported on an inner wall of the housing or the like and installed so that the direction of the detection axis is parallel to the normal to the pressure-receiving surface of the diaphragm is incorporated.
このような圧力センサーを用いて河川、堰、ダム、水路等の流体の流速を測定する場合、特許文献４乃至６に開示されているように、流体中に曝される筐体の中に前記圧力センサーを収容し、前記２つのダイアフラムの受圧面に、それぞれ、動圧Ｐａを導入する動圧導入口を供えた第１のキャップと、静圧Ｐｂを導入する静圧導入口を供えた第２のキャップと、を取り付ける構成となる。前述の通りこの圧力センサーは、前記２つのダイアフラムの受圧面とは反対側の裏面同士を前記力伝達手段で接続させた構成を有しており、前記２つのダイアフラムで夫々受圧した動圧Ｐａと静圧Ｐｂの差圧を検出している。よって、前記動圧Ｐａと前記静圧Ｐｂをそれぞれ独立して検出していないため、検出誤差が生じる虞がある。また、前記動圧Ｐａと、前記静圧Ｐｂの差が微小である場合には前記差圧を検出することができず、高精度な検出感度を実現することができない虞がある。 When measuring the flow velocity of a fluid such as a river, a weir, a dam, or a water channel using such a pressure sensor, as disclosed in Patent Documents 4 to 6, the casing is exposed to the fluid. A first cap provided with a pressure sensor and a first cap provided with a dynamic pressure introduction port for introducing a dynamic pressure Pa and a static pressure introduction port for introducing a static pressure Pb on the pressure receiving surfaces of the two diaphragms, respectively. It becomes the structure which attaches 2 caps. As described above, this pressure sensor has a configuration in which the back surfaces opposite to the pressure receiving surfaces of the two diaphragms are connected to each other by the force transmission means, and the dynamic pressure Pa received by the two diaphragms respectively. The differential pressure of the static pressure Pb is detected. Therefore, since the dynamic pressure Pa and the static pressure Pb are not detected independently, a detection error may occur. Further, when the difference between the dynamic pressure Pa and the static pressure Pb is very small, the differential pressure cannot be detected, and there is a possibility that high-precision detection sensitivity cannot be realized.
また、図９は従来の圧力センサーの説明図である。（ａ）に示すように、前記動圧Ｐａと前記静圧Ｐｂの２つの圧力を検出するために、ハウジング２０１に同心配置された一対の圧力導入口を封止する２つのダイアフラム２０２，２０４にそれぞれ支持固定された２つの感圧素子２０６，２０８を有する圧力センサー２１０が特許文献７において提案されている。この圧力センサー２１０を流速センサーの筐体に収容した場合、動圧と静圧の圧力差によって、例えば、静圧Ｐｂよりも動圧Ｐａが大きい場合、（ｂ）に示すように動圧Ｐａを受圧した第１のダイアフラム２０２が前記ハウジング２０１の内側へ撓んだ影響によって、静圧Ｐｂを受圧する第２のダイアフラム２０４が前記ハウジング２０１の内側から外側へ撓んでしまうことによって圧力検出に誤差が生じる虞がある。このように２つのダイアフラムの何れか一方が、他方のダイアフラムが受圧した圧力によるハウジング内部の内圧の変化の影響を受ける虞があり、正確な圧力検出を行うことが困難となる問題があった。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional pressure sensor. As shown in (a), in order to detect the two pressures of the dynamic pressure Pa and the static pressure Pb, two
そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、特に、圧力センサーに搭載された２つのダイアフラムのうちのいずれか一方が、他方のダイアフラムが受圧した圧力によるハウジング内部の内圧の変化に影響されることがない圧力センサーを備えた流速センサーを提供することを目的としている。
また本発明は、被測定環境の温度変化による測定誤差を回避することができる流速センサーを提供することを目的としている。
In view of the above-described problems of the prior art, therefore, the present invention particularly affects which one of the two diaphragms mounted on the pressure sensor affects the change in the internal pressure inside the housing due to the pressure received by the other diaphragm. It is an object to provide a flow rate sensor with a pressure sensor that is never done.
Another object of the present invention is to provide a flow rate sensor that can avoid measurement errors due to temperature changes in the environment under measurement.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following application examples.
［適用例１］流体の中に曝される筐体と、当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、を備え、前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、を有し、前記第１の感圧素子は、前記第１の基部の一方の基部を前記第１のダイアフラムの可撓部に接続し、他方の基部を前記第１の収容空間に設けられた第１の固定部に接続され、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に対する法線と平行であり、前記第２の感圧素子は、前記第２の基部の一方の基部を前記第２のダイアフラムの可撓部に接続し、他方の基部を前記第２の収容空間に設けられた第２の固定部に接続され、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に対する法線と平行であり、前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧することを特徴とする流速センサー。
上記構成により、筐体内で互いに分離して取り付けた２つのダイアフラムで圧力をそれぞれ検出することができる。このため、圧力センサーに搭載された２つのダイアフラムのうちのいずれか一方が、他方のダイアフラムが受圧した圧力によるハウジング内部の内圧の変化に影響されることがない。また第１及び第２の感圧素子のそれぞれで圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
[Application Example 1] A casing exposed to a fluid, a first storage space and a second storage space provided in the casing, and a dynamic pressure inlet provided in a tip portion of the casing And a static pressure introduction port provided in a side surface portion of the housing, the dynamic pressure introduction port is directed in a direction in which the fluid flows, and the static pressure introduction port is substantially orthogonal to the direction in which the fluid flows. A flow rate sensor directed in a direction, wherein a first diaphragm for sealing a first opening of the first accommodation space and a second opening for sealing a second opening of the second accommodation space are provided. Two diaphragms, a first pressure-sensitive part housed in the first housing space, and a pair of first base parts connected to both ends of the first pressure-sensitive part. A first pressure-sensitive element having a first detection axis as a direction connecting the first bases, and a second pressure-sensitive part housed in the second housing space, A second pressure-sensitive element having a pair of second bases connected to both ends of the second pressure-sensitive part and having a direction connecting the pair of second bases as a second detection axis; The first pressure-sensitive element has one base portion of the first base portion connected to the flexible portion of the first diaphragm and the other base portion provided in the first accommodating space. Connected to the first fixed portion, the first detection axis is parallel to the normal to the pressure receiving surface of the first diaphragm, and the second pressure sensitive element is one of the second base portions. The base is connected to the flexible part of the second diaphragm, the other base is connected to a second fixed part provided in the second accommodation space, and the second detection shaft is the second diaphragm. The first diaphragm receives the pressure introduced from the dynamic pressure inlet, and is parallel to the normal line to the pressure receiving surface. The second diaphragm, the flow rate sensor, characterized by receiving the pressure introduced from the electrostatic pressure inlet.
With the above-described configuration, the pressure can be detected by two diaphragms that are separately attached in the housing. For this reason, any one of the two diaphragms mounted on the pressure sensor is not affected by the change in the internal pressure inside the housing due to the pressure received by the other diaphragm. Further, each of the first and second pressure sensitive elements can accurately detect a change in oscillation frequency accompanying a pressure change.
［適用例２］前記第１及び第２のダイアフラムの受圧面に断熱部を備えたことを特徴とする適用例１に記載の流速センサー。
上記構成により、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力が加わるダイアフラムの圧力の受圧面に対して断熱部で熱伝導を遮断して、筐体の内部に対する水の温度変化の影響を回避することができる。従って、感圧素子が温度変化の影響を受けることなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
Application Example 2 The flow rate sensor according to Application Example 1, wherein the pressure receiving surfaces of the first and second diaphragms are provided with a heat insulating portion.
With the above configuration, the heat conduction is cut off by the heat insulating part against the pressure receiving surface of the diaphragm to which the pressure introduced from the dynamic pressure introduction port or the static pressure introduction port is applied, and the influence of the temperature change of the water on the inside of the housing Can be avoided. Therefore, it is possible to accurately detect the change in the oscillation frequency accompanying the pressure change without the pressure sensitive element being affected by the temperature change.
［適用例３］前記筐体の側壁に断熱層を設けたことを特徴とする適用例１又は適用例２に記載の流速センサー。
上記構成により、筐体に形成した断熱層で熱伝導を遮断して、側面からの水の温度変化の影響を回避することができる。従って、温度変化の影響を受けることなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
Application Example 3 The flow velocity sensor according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein a heat insulating layer is provided on a side wall of the casing.
With the above configuration, the heat conduction is blocked by the heat insulating layer formed on the housing, and the influence of the temperature change of the water from the side surface can be avoided. Therefore, it is possible to accurately detect the change in the oscillation frequency accompanying the pressure change without being affected by the temperature change.
［適用例４］前記第１の感圧素子は、前記一対の第１の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第１の温度検出用感圧素子を有し、前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする適用例１ないし適用例３のいずれか１例に記載の流速センサー。
これにより、温度変化による誤差を補正して、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力の圧力検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。
Application Example 4 The first pressure-sensitive element includes a first temperature detecting pressure-sensitive element integrated with at least one base of the pair of first bases, and the second The pressure sensitive element includes a second temperature detecting pressure sensitive element integrated with at least one of the pair of second base parts, and the first and second temperature detecting pressure sensitive elements. The flow velocity sensor according to any one of Application Examples 1 to 3, further comprising a temperature compensation circuit that corrects the temperature characteristics of the first and second pressure-sensitive elements based on the detected value. .
Thereby, the error due to the temperature change can be corrected, and the pressure detection accuracy of the pressure introduced from the dynamic pressure introduction port or the static pressure introduction port can be increased to improve the pressure sensitivity.
［適用例５］前記第１及び第２の収容空間に設置したヒータ抵抗と、前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の温度を制御する温度制御回路と、を備えたことを特徴とする適用例４に記載の流速センサー。
上記構成により、第１及び又は第２の収容空間の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
Application Example 5 Based on the heater resistance installed in the first and second storage spaces and the detection values of the first and second temperature detecting pressure sensing elements, the first and second storage spaces A flow rate sensor according to Application Example 4, further comprising: a temperature control circuit that controls temperature.
With the above configuration, the internal space of the first and / or second accommodation space can be maintained at a predetermined set temperature. Therefore, it is possible to accurately detect the change in the oscillation frequency accompanying the pressure change without being affected by the temperature change.
本発明の流速センサーの実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。図１は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。図２は第１実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分断面斜視図である。第１実施形態に係る流速センサー１０は、ハウジング１２と、ダイアフラム２０と、隔壁１３と、感圧素子４０と、発振回路５０と、キャップ５２と、を主な基本構成としている。
Embodiments of the flow rate sensor of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a flow velocity sensor according to the first embodiment. FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing a schematic configuration of the flow velocity sensor according to the first embodiment. The
ハウジング１２は、円筒形状の容器であり、両端面に後述する一対のダイアフラム２０の周縁部２０ｅを支持する第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂが設けられている。ハウジング１２は、流体の中に曝される筐体としての役割をなしている。また、ハウジング１２は、内部の中央に端面と平行な隔壁１３を形成している。これにより、ハウジング１２の断面は、図２に示すように略Ｈ型形状に形成されている。ハウジング１２は、隔壁１３によって容器内を二分割されて第１及び第２の収容空間１４，１５が形成される。第１及び第２の収容空間１４，１５には、内部の側面から軸心に向かって延出された第１及び第２の固定部１６，１８が形成されている。なおハウジング１２は、ステンレス等の金属で形成することが好ましい。隔壁１３、第１及び第２の固定部１６，１８は、ハウジング１２と同一の金属で形成することが好ましく、溶接等によりハウジング１２に形成することができる。
The
ダイアフラム２０は、ハウジング１２の第１及び第２の開口部１７ａ，１７ｂを封止している。ダイアフラム２０は、ハウジング１２の外部に面した一方の主面が受圧面となっており、前記受圧面が被検出圧力環境（例えば液体）の圧力を受けて撓み変形する可撓部を有し、当該可撓部がハウジング１２内部側又は外部側に撓み変形することにより感圧素子４０に圧縮力を伝達するものである。ダイアフラム２０は、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂから構成されている。
The
第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂは、それぞれ、外部からの圧力によって変位する中央部２０ｃと、前記中央部２０ｃの外周にあり、外部からの圧力により撓み変形する可撓部２０ｄと、前記可撓部２０ｄの外周にあり、ハウジング１２に形成された開口の内壁に接合して固定される周縁部２０ｅを有している。なお、周縁部２０ｅは圧力を受けても変位しないものとする。また、周縁部２０ｅとハウジング１２は、溶接等により接続することができる。
Each of the first and
第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの中央部２０ｃであって、受圧面の反対側の面は、後述の感圧素子４０の長手方向（検出軸方向）の一端（第１の基部４０ｃ）と接続される。ダイアフラム２０の材質は、ステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたものがよい。例えば金属で形成する場合は、金属母材をプレス加工して形成すればよい。なお、ダイアフラム２０は、液体やガス等により腐食しないように、外部に露出する表面をコーティングしてもよい。例えば、金属製のダイアフラム２０であれば、ニッケルの化合物をコーティングしてもよい。
The
ダイアフラム２０の中央部２０ｃには、支持台３０が接続されている。中央部２０ｃに接続された支持台３０には、感圧素子４０の第１の基部４０ｃが接続される。なお、支持台３０は、受圧手段となるダイアフラム２０と同質の材料、すなわちステンレスのような金属やセラミックなどの耐腐食性に優れたもので形成されている。
A
感圧素子４０は、感圧部となる振動腕４０ｅとその両端に形成された第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄを有し、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料により形成されている。感圧素子４０は第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂから構成されている。第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂは、それぞれ第１の基部４０ｃが支持台３０の側面に接続されるとともに、中央部２０ｃに当接させている。また、第２の基部４０ｄが第１及び第２の固定部１６，１８の先端（端部）に接続させている。よって、感圧素子４０は、その長手方向、すなわち第１の基部４０ｃと第２の基部４０ｄとが並ぶ方向がダイアフラム２０の変位方向（ダイアフラムの受圧面に対する法線）と同軸または平行になるように配置され、その変位方向が検出軸となっている。そして、感圧素子４０は支持台３０及び第１又は第２の固定部１６，１８により固定されている。このため、感圧素子４０はダイアフラム２０の変位による力を受けても、検出軸方向以外の方向に曲がることが無いので、検出軸方向の変位がそのまま感圧素子に作用して、感圧素子４０の検出軸方向の感度の低下を抑制することができる。
The pressure-
そして、感圧素子４０の振動腕４０ｅには励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と電気的に接続する電極部（不図示）を有する。感圧素子４０は、後述する発振回路（ＩＣ）５０から供給される交流電圧により、固有の共振周波数で振動する。そして感圧素子４０は、その長手方向から圧縮応力を受けることにより共振周波数が変動する。本実施形態においては感圧部となる振動腕４０ｅとして双音叉型振動子を適用することができる。双音叉型振動子は、振動腕４０ｅである前記２つの振動ビームに圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性がある。そして双音叉型圧電振動片は、厚みすべり振動子などに比べて、圧縮応力に対する共振周波数の変化が極めて大きく共振周波数の可変幅が大きいので、わずかな圧力差を検出するような分解能力に優れる圧力センサーにおいては好適である。双音叉型圧電振動子は、圧縮応力を受けると振動腕の振幅幅が大きくなるので共振周波数は低くなる。
An excitation electrode (not shown) is formed on the vibrating
また本実施形態においては２つの振動ビームを有する感圧部のみならず、一本の振動ビーム（シングルビーム）からなる感圧部を適用することができる。感圧部（振動腕４０ｅ）をシングルビーム型の振動子として構成すると、長手方向（検出軸方向）から同一の応力を受けた場合、その変位が２倍になるため、双音叉の場合よりさらに高感度な圧力センサーとすることができる。なお、上述の圧電材料のうち、双音叉型またはシングルビーム型の圧電振動子の圧電基板用としては温度特性に優れた水晶が望ましい。
In the present embodiment, not only a pressure-sensitive part having two vibration beams but also a pressure-sensitive part composed of a single vibration beam (single beam) can be applied. If the pressure-sensitive part (vibrating
発振回路５０は、感圧素子４０を発振させる回路である。発振回路５０は第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂから構成されており、それぞれ第１及び第２の固定部１６，１８に取り付けている。第１及び第２の発振回路５０ａ，５０ｂは、それぞれボンディングワイヤ（不図示）等を介して、第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂと電気的に接続し、感圧素子４０を発振させることができる。
The
キャップ５２は、ハウジング１２と略同一径となるように形成した皿状の容器である。キャップ５２は、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂから構成されており、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面を覆うようにハウジング１２に取り付けられている。なお、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂの取り付け方法は、接続箇所に雄ねじ部と雌ねじ部を形成して螺合する構造や、溶接手段、接着手段等を適用することができる。
The
第１のキャップ５２ａは、動圧が導入される動圧導入口５４が形成されている。本実施形態の動圧導入口５４は、第１のダイアフラム２０ａの受圧面と対向する壁面に１つ形成している。なお、動圧導入口５４は、流体の上流側に向く方向であれば第１のキャップ５２ａのいずれかの場所でよい。第２のキャップ５２ｂは、静圧が導入される静圧導入口５６が形成されている。本実施形態の静圧導入口５６は、第２のダイアフラム２０ｂの受圧面と垂直となる壁面に２つ形成している。なお、静圧導入口５６は、動圧が導入されなければ第２のキャップ５２ｂのいずれかの場所でよい。
The
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０は、ハウジング１２の開口を一対のダイアフラム２０で閉塞し、中央部を隔壁１３で分割している。このため、第１の収容空間１４には、第１のダイアフラム２０ａと第１の感圧素子４０ａが配置され、第２の収容空間１５には、第２のダイアフラム２０ｂと第２の感圧素子４０ｂが配置され、第１及び第２の収容空間１４，１５が互いに分離した密閉空間となる。なお、第１及び第２の収容空間１４，１５の内部は減圧させることにより、感圧素子の検出精度を向上させることができる。
In the
上記構成による第１実施形態の流速センサー１０の作用について以下説明する。図３は本発明の流速センサーを用いた測定方法の説明図である。第１実施形態の流速センサー１０は、動圧導入口５４が河川等の水（流体）の流れる方向に向くように安定した状態で設置する。このとき静圧導入口５６は流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向いた位置に設置される。流速センサー１０の動圧導入口５４は、開口から第１のキャップ５２ａ内に水が導入されて、室内に生じた圧力が第１のダイアフラム２０ａに加わる。この圧力により、第１の感圧素子４０ａには、圧縮力が作用し、内部に生じた圧縮応力で素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
The operation of the
一方、流速センサー１０の静圧導入口５６は、直線上に２つの開口が形成され、開口から第２のキャップ５２ｂ内に水が流入する。第２のキャップ５２ｂ内では、室内に生じた圧力が第２のダイアフラム２０ｂに加わる。これにより、第２の感圧素子４０ｂには、圧縮力が作用し、この力により内部に生じた圧縮応力によって素子の発振周波数が変化する。この変化量を検出することにより圧力を検出することができる。
On the other hand, the
得られた圧力の差分を求めることにより、動圧が求まり、以下に示すベルヌーイの定理により流体の流速を求めることができる。
流体に大気圧が付加されている場合の流速は、
Ｐａ：動圧導入口から導入され、第１のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐｂ：静圧導入口から導入され、第２のダイアフラムで受圧する圧力
Ｐ０：大気圧
Ｐ１：静圧
Ｐ２：動圧
Ｖ：流体の速度
ｇ：重力加速度
ｗ：流体の単位重量
とすると、
ｗ＝１
より、
流速Ｖは、
The flow rate when atmospheric pressure is added to the fluid is
Pa: Pressure introduced from the dynamic pressure inlet and received by the first diaphragm Pb: Pressure introduced from the static pressure inlet and received by the second diaphragm P0: Atmospheric pressure P1: Static pressure P2: Dynamic pressure V: Fluid velocity g: Gravitational acceleration w: Fluid unit weight
w = 1
Than,
The flow velocity V is
また、流体に大気圧が付加されていない場合の流速は、
ｗ＝１
より、
流速Ｖは、
w = 1
Than,
The flow velocity V is
このような第１実施形態に係る流速センサー１０によれば、動圧導入口又は静圧導入口から導入された２つの圧力を検出するダイアフラム２０を隔壁１３によって分割した構成としているので、同時に２つの圧力（動圧と静圧）を、互いの圧力変化に影響されることなく検出することができる。また、ダイアフラム２０のそれぞれに取り付けた感圧素子４０によって圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
According to the
図４は第１実施形態の流速センサーを流体中に設置した一例図である。
図示のように、流速センサー１０は筐体１１０の内部に設けられている。筐体１１０は、全体形状を流線型とし、後端部に尾翼１１２が設けられている。筐体１１０の先端部には、流体の流れる方向に向けて動圧導入口１１４が設けられている。また筐体１１０の側面部には、流体の流れる方向とほぼ直行した方向に向けて静圧導入口１１６が設けられている。一方、流体センサーの第１及び第２のキャップ５２ｃ，５２ｄは、第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面と対向する壁面に一つの開口を設けている。動圧導入口１１４には、流速センサー１０の第１のキャップ５２ｃに接続している配管１１８が設けられている。静圧導入口１１６には、流速センサー１０の第２のキャップ５２ｄと接続している配管１１９が設けられている。このような構成による流速センサー１０は、筐体１１０を流体中に曝すと、先端部が上流側を向いて、尾翼１１２側が下流側を向くように配置される。このとき動圧導入口１１４は、流体中の流れに向けて配置され、静圧導入口１１６は、流体の流れに対してほぼ直行した方向に向けて配置され易くなる。従って動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を第１又は第２ダイアフラム２０ａ，２０ｂで検出することができる。
FIG. 4 is an example diagram in which the flow velocity sensor of the first embodiment is installed in a fluid.
As illustrated, the
図５は第２実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第２実施形態に係る流速センサー１００は、ダイアフラム２０の受圧面に断熱部６０を形成している。その他の構成は第１実施形態に係る流速センサー１０と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a flow velocity sensor according to the second embodiment.
In the
具体的に第２実施形態に係る流速センサー１００は、第１及び第２のダイアフラム２０ａ，２０ｂの受圧面に断熱部６０となるシリコンオイルを塗布している。断熱部６０の形成方法は動圧導入口５４又は静圧導入口５６から充填して形成することができる。またはハウジング１２に第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂを接続させる前段で、ダイアフラム２０の受圧面に断熱部６０を形成し、その後、第１及び第２のキャップ５２ａ，５２ｂをハウジング１２に取り付けるようにしてもよい。
Specifically, in the
このような第２実施形態に係る流速センサー１００によれば、センサー本体を水流の中に設置したとき、外気温と水温との間で温度変化が生じることになるが、水流と直に接触するダイアフラムの受圧面から伝わる温度変化が断熱部６０によって遮断され熱伝導が起こらない。
According to the
なお断熱部６０は、シリコンオイルの他にも、熱伝達係数が低く、水と混ざり合うことがなく、ダイアフラム２０の受圧面を覆うことができる物質であれば、これに限らず、シリコン樹脂等を適用しても良い。
In addition to silicon oil, the
上記構成による第２実施形態の流速センサー１００によれば、動圧導入口又は静圧導入口から導入された２つの圧力を検出するとき、検出環境の温度変化が生じても断熱部を介して熱を遮断することができる。従って、複数の感圧素子４０が検出環境の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
According to the
図６は第３実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第３実施形態に係る流速センサー２００は、ハウジング１２０の側壁に断熱層を形成している。その他の構成は第２実施形態に係る流速センサー１００と同一の構成であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 6 is a sectional view showing a schematic configuration of a flow velocity sensor according to the third embodiment.
In the
具体的に第３実施形態の流速センサー２００は、ハウジング１２０の側面に断熱層７０となる円筒状の密閉空間を設けて、この密閉空間内を真空に保持している。このため、ハウジング１２０の内側と外側の間で、真空の密閉空間が断熱材の役割を担って、熱伝導が生じない。よって流速センサー２００の検出環境の温度変化で感圧素子４０の発振周波数の変化が起こることがなく、正確な圧力検出を行うことができる。
なお第１実施形態に係る流速センサー１０のハウジング１２の側面に断熱層７０を適用する構成としても良い。
Specifically, in the
In addition, it is good also as a structure which applies the
上記構成による第３実施形態の流速センサー２００によれば、動圧導入口又は静圧導入口から導入された２つの圧力を検出するときに、検出環境の温度変化が生じても断熱層を介して熱を遮断することができる。従って、複数の感圧素子４０が検出環境の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
According to the
図７は第４実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す部分分解斜視図である。第４実施形態に係る流速センサー３００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内に温度センサーを取り付けている。その他の構成は、第３実施形態の流速センサー２００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 7 is a partially exploded perspective view showing a schematic configuration of the flow velocity sensor according to the fourth embodiment. The
第４実施形態に係る流速センサー３００は、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂに温度検出用感圧素子８０を一体化させている。具体的に第１の感圧素子４０ａは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくとも何れか一方の基部、本実施形態では基部４０ｄと一体的に形成され、第１の収容空間１４の温度変化により共振周波数が変化する第１の温度検出用感圧素子８０ａを備えている。また第２の感圧素子４０ｂは、一対の基部４０ｃ、４０ｄの少なくともいずれか一方の基部、本実施形態では基部４０ｄと一体的に形成され、第２の収容空間１５の温度変化により共振周波数が変化する第２の温度検出用感圧素子８０ｂを備えている。このような構成の第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには、ダイアフラム２０の可撓部２０ｄの撓みによる応力は加わらない構成としている。なお、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂには素子を発振させる発振回路（不図示）がそれぞれ取り付けられている。
In the
また、第１及び第２の収容空間１４，１５には、温度補償回路８２が取り付けられている。温度補償回路８２は、第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂの検出値に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子の温度特性の補正を行っている。第４実施形態の温度補償回路８２は、第１及び第２の温度補償回路８２ａ，８２ｂから構成されている。第１の温度補償回路８２ａは第１の固定部１６０に取り付けている。第２の温度補償回路８２ｂは第２の固定部１８０に取り付けている。なお、温度補償回路８２は、温度検出用感圧素子８０を発振させるための発振回路と一体に形成した構成としても良い。
A
上記構成による第４実施形態の流速センサー３００は、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力を検出する際、第１及び第２の収容空間１４，１５内の温度を第１及び第２の温度検出用感圧素子８０ａ，８０ｂにより検出している。この温度検出値が温度補償回路８２に入力されて、収容容器の設定温度又は初期温度と検出温度の差分に基づいて、圧力検出用の第１及び第２の感圧素子４０ａ，４０ｂの周波数温度特性を補正している。
When detecting the pressure introduced from the dynamic pressure inlet or the static pressure inlet, the
このような第４実施形態の流速センサー３００によれば、温度変化による誤差を補正して、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力の検出精度を上げて圧力感度を改善することができる。また、温度センサーの取り付けが容易となり、センサー全体を小型化することができる。
According to the
図８は第５実施形態に係る流速センサーの構成概略を示す断面図である。
第５実施形態に係る流速センサー４００は、第１及び第２の収容空間１４，１５内にヒータ抵抗９０及び温度制御回路９２を取り付けている。その他の構成は、第４実施形態の流速センサー３００の構成と同一であり、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a flow velocity sensor according to the fifth embodiment.
In the
具体的に第５実施形態の流速センサー４００は、第１の収容空間１４の固定部１６０に、第１のヒータ抵抗９０ａと第１の温度制御回路９２ａを取り付けている。また第２の収容空間１５の固定部１８０に、第２のヒータ抵抗９０ｂと第２の温度制御回路９２ｂを取り付けている。ヒータ抵抗９０は、一例としてセラミック抵抗素子を用いることができる。第１の温度制御回路９２ａは、第１のヒータ抵抗９０ａと、第１の温度検出用感圧素子８０ａと、第１の発振回路５０ａと電気的に接続させている。第２の温度制御回路９２ｂは、第２のヒータ抵抗９０ｂと、第２の温度検出用感圧素子８０ｂと、第２の発振回路５０ｂと電気的に接続させている。
Specifically, in the
上記構成による第５実施形態の流速センサー４００は、ヒータ抵抗９０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部を加熱すると共に、温度検出用感圧素子８０によって第１及び第２の収容空間１４，１５内部の温度を検出している。温度制御回路９２では、検出温度が、予め定めた設定温度の範囲となるようにヒータ抵抗９０のヒータ加熱を制御している。そして、温度補償回路８２では、温度検出用感圧素子８０の検出値に基づいて、前記設定温度の範囲における微小な温度誤差を検知して、感圧素子４０の周波数温度特性を補正している。
これにより、断熱部６０と、断熱層７０によって外部と断熱された第１及び第２の収容空間１４，１５の内部を所定の温度に維持することができる。
The
Thereby, the inside of the 1st and
このような第５実施形態の流速センサー４００によれば、第１及び第２の収容空間の内部空間を所定の設定温度に維持することができる。従って、検出環境の温度変化の影響を受けることがなく、動圧導入口又は静圧導入口から導入された圧力の圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。またハウジング１２０は、断熱部６０及び断熱層７０により外部からの温度の影響を受け難くなると共に、ヒータ抵抗の熱の拡散を抑制することができる。従って、外部の温度変化の影響を受けることがなく、圧力変化に伴う発振周波数の変化を正確に検出することができる。
According to the
１０，１００，２００，３００，４００………流速センサー、１２，１２０………ハウジング、１３………隔壁、１４………第１の収容空間、１５………第２の収容空間、１６，１６０………第１の固定部、１７ａ………第１の開口部、１７ｂ………第２の開口部、１８，１８０………第２の固定部、２０………ダイアフラム、２０ａ………第１のダイアフラム、２０ｂ………第２のダイアフラム、２０ｃ………中央部、２０ｄ………可撓部、２０ｅ………周縁部、３０………支持台、４０………感圧素子、４０ａ………第１の感圧素子、４０ｂ………第２の感圧素子、４０ｃ………第１の基部、４０ｄ………第２の基部、４０ｅ………振動腕、５０………発振回路、５２………キャップ、５２ａ………第１のキャップ、５２ｂ………第２のキャップ、５４………動圧導入口、５６………静圧導入口、６０………断熱部、７０………断熱層、８０………温度検出用感圧素子、８０ａ………第１の温度検出用感圧素子、８０ｂ………第２の温度検出用感圧素子、８２………温度補償回路、８２ａ………第１の温度補償回路、８２ｂ………第２の温度補償回路、９０………ヒータ抵抗、９０ａ………第１のヒータ抵抗、９０ｂ………第２のヒータ抵抗、９２………温度制御回路、９２ａ………第１の温度制御回路、９２ｂ………第２の温度制御回路、１１０………筐体、１１２………尾翼、１１４………動圧導入口、１１６………静圧導入口、１１８………配管、１１９………配管、２０１………ハウジング、２０２………ダイアフラム、２０４………ダイアフラム、２０６………感圧素子、２０８………感圧素子、２１０………圧力センサー。
10, 100, 200, 300, 400 ......... flow velocity sensor, 12,120 ......... housing, 13 ......... partition wall, 14 ......... first housing space, 15 ......... second housing space, 16 , 160... First fixing portion, 17a... First opening portion, 17b... Second opening portion, 18, 180 ... Second fixing portion, 20. ......... the first diaphragm, 20b ......... the second diaphragm, 20c ......... the central part, 20d ...... the flexible part, 20e ......... the peripheral part, 30 ...... the support base, 40 ......... Pressure-sensitive element, 40a ......... first pressure-sensitive element, 40b ......... second pressure-sensitive element, 40c ......... first base, 40d ......... second base, 40e ......... vibrating
Claims (5)
当該筐体に設けられた第１の収容空間及び第２の収容空間と、
前記筐体の先端部に設けられた動圧導入口と、
前記筐体の側面部に設けられた静圧導入口と、
を備え、
前記動圧導入口を前記流体の流れる方向に向け、
前記静圧導入口を前記流体の流れる方向とほぼ直交した方向に向けてなる流速センサーであって、
前記第１の収容空間の第１の開口部を封止する第１のダイアフラムと、
前記第２の収容空間の第２の開口部を封止する第２のダイアフラムと、
前記第１の収容空間に収容され、第１の感圧部と、当該第１の感圧部の両端に接続される一対の第１の基部と、を有し、前記一対の第１の基部を結ぶ方向を第１の検出軸とする第１の感圧素子と、
前記第２の収容空間に収容され、第２の感圧部と、当該第２の感圧部の両端に接続される一対の第２の基部と、を有し、前記一対の第２の基部を結ぶ方向を第２の検出軸とする第２の感圧素子と、
を有し、
前記第１の感圧素子は、前記第１の基部の一方の基部を前記第１のダイアフラムの可撓部に接続し、他方の基部を前記第１の収容空間に設けられた第１の固定部に接続され、前記第１の検出軸は前記第１のダイアフラムの受圧面に対する法線と平行であり、
前記第２の感圧素子は、前記第２の基部の一方の基部を前記第２のダイアフラムの可撓部に接続し、他方の基部を前記第２の収容空間に設けられた第２の固定部に接続され、前記第２の検出軸は前記第２のダイアフラムの受圧面に対する法線と平行であり、
前記第１のダイアフラムは、前記動圧導入口から導入された圧力を受圧し、
前記第２のダイアフラムは、前記静圧導入口から導入された圧力を受圧することを特徴とする流速センサー。 A housing exposed to the fluid;
A first accommodation space and a second accommodation space provided in the housing;
A dynamic pressure inlet provided at the tip of the housing;
A static pressure inlet provided in a side surface of the housing;
With
Directing the dynamic pressure inlet in the direction of flow of the fluid;
A flow rate sensor in which the static pressure inlet is directed in a direction substantially perpendicular to the direction in which the fluid flows,
A first diaphragm for sealing the first opening of the first accommodation space;
A second diaphragm for sealing the second opening of the second accommodation space;
The pair of first base portions, which are housed in the first housing space, have a first pressure sensing portion, and a pair of first base portions connected to both ends of the first pressure sensing portion. A first pressure sensitive element whose first detection axis is the direction connecting
A pair of second bases, which are housed in the second housing space and have a second pressure sensing part and a pair of second bases connected to both ends of the second pressure sensing part; A second pressure sensitive element whose second detection axis is a direction connecting the two,
Have
The first pressure-sensitive element has a first fixed portion in which one base portion of the first base portion is connected to a flexible portion of the first diaphragm, and the other base portion is provided in the first accommodation space. The first detection axis is parallel to the normal to the pressure receiving surface of the first diaphragm;
In the second pressure sensitive element, one base of the second base is connected to the flexible part of the second diaphragm, and the other base is a second fixing provided in the second accommodation space. The second detection axis is parallel to a normal to the pressure receiving surface of the second diaphragm,
The first diaphragm receives the pressure introduced from the dynamic pressure inlet,
The flow rate sensor, wherein the second diaphragm receives pressure introduced from the static pressure inlet.
前記第２の感圧素子は、前記一対の第２の基部の少なくとも何れか一方の基部に一体化された第２の温度検出用感圧素子を有し、
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の感圧素子の温度特性を補正する温度補償回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか一項に記載の流速センサー。 The first pressure sensitive element has a first temperature detecting pressure sensing element integrated with at least one of the pair of first base parts,
The second pressure-sensitive element has a second temperature-sensitive element for temperature detection integrated with at least one of the pair of second base parts,
2. A temperature compensation circuit for correcting temperature characteristics of the first and second pressure sensitive elements based on detection values of the first and second temperature detecting pressure sensitive elements. 4. The flow rate sensor according to any one of 3.
前記第１及び第２の温度検出用感圧素子の検出値に基づいて前記第１及び第２の収容空間の温度を制御する温度制御回路と、
を備えたことを特徴とする請求項４に記載の流速センサー。 Heater resistors installed in the first and second accommodation spaces;
A temperature control circuit for controlling the temperature of the first and second accommodation spaces based on the detection values of the first and second temperature detecting pressure sensing elements;
The flow rate sensor according to claim 4, further comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011043178A JP2012181061A (en) | 2011-02-28 | 2011-02-28 | Flow rate sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011043178A JP2012181061A (en) | 2011-02-28 | 2011-02-28 | Flow rate sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012181061A true JP2012181061A (en) | 2012-09-20 |
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Family Applications (1)
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| JP2011043178A Withdrawn JP2012181061A (en) | 2011-02-28 | 2011-02-28 | Flow rate sensor |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220043020A1 (en) * | 2019-04-16 | 2022-02-10 | Tomokazu Ikeno | Flow velocity sensor |
-
2011
- 2011-02-28 JP JP2011043178A patent/JP2012181061A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220043020A1 (en) * | 2019-04-16 | 2022-02-10 | Tomokazu Ikeno | Flow velocity sensor |
| US11726104B2 (en) * | 2019-04-16 | 2023-08-15 | Tomokazu Ikeno | Flow velocity sensor with improved weatherability |
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