JP2019164046A - Thermal flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体における熱拡散の作用を利用して流量を測定する熱式流量計に関する。 The present invention relates to a thermal flow meter that measures a flow rate by utilizing an action of thermal diffusion in a fluid.
流路を流れる流体の流量や流速を測定する技術が工業・医療分野などで幅広く利用されている。流量や流速を測定する装置としては、電磁流量計、渦流量計、コリオリ式流量計、熱式流量計など様々な種類があり、用途に応じて使い分けられている。熱式流量計は、 気体の検出が可能であり、圧力損失が基本的にはなく、質量流量が測定できるなどの利点がある。このような液体の流量を測定する熱式流量計は、微量な流量の測定に適している。 Techniques for measuring the flow rate and flow velocity of a fluid flowing through a channel are widely used in the industrial and medical fields. There are various types of devices for measuring flow rate and flow velocity, such as electromagnetic flowmeters, vortex flowmeters, Coriolis flowmeters, and thermal flowmeters. Thermal flow meters have the advantages that they can detect gases, have no pressure loss, and can measure mass flow rates. Such a thermal flow meter for measuring the flow rate of liquid is suitable for measuring a very small flow rate.
熱式流量計には、ヒータの上下流の温度差により流量を測定する方法と、ヒータの消費電力による流量を測定する方法とがある。例えば、水溶液の流量を測定する場合、ヒータ温度を水温に対し、プラス10℃など一定温度に加温駆動で動作させ、上流と下流との温度差またはヒータの電力から、流量を算出する。 Thermal flow meters include a method for measuring the flow rate based on the temperature difference between the upstream and downstream of the heater and a method for measuring the flow rate based on the power consumption of the heater. For example, when measuring the flow rate of the aqueous solution, the heater temperature is operated by heating at a constant temperature such as plus 10 ° C. with respect to the water temperature, and the flow rate is calculated from the temperature difference between the upstream and downstream or the heater power.
このような熱式流量計を、レジスト塗布装置のフォトレジスト供給機構で用いる場合、配管には、樹脂製の配管が用いられている。これは、金属等の汚染物がフォトレジストに混入することを防止するためである。しかしながら、樹脂製の配管を用いる場合、熱の伝導があまりよくない。このため、例えば、測定対象の流体を効率良く短時間で加熱できず、また、流体の温度を短時間で測定できないため、高い精度で正確な流量測定ができないという問題がある。 When such a thermal flow meter is used in a photoresist supply mechanism of a resist coating apparatus, resin piping is used as the piping. This is to prevent contaminants such as metals from entering the photoresist. However, when using resin piping, heat conduction is not very good. For this reason, for example, the fluid to be measured cannot be efficiently heated in a short time, and the temperature of the fluid cannot be measured in a short time, so that there is a problem that the flow rate cannot be measured with high accuracy.
上述した樹脂製配管を用いる場合の問題を解消するために、管壁を外側から切削して他の部位より薄くした箇所にセンサ部を設ける技術が提案されている(特許文献1参照)。この技術によれば、樹脂製の配管を用いても、より迅速に流体を加熱でき、また、より迅速に流体の流れによる温度変化を検出することができ、高精度で被測定流体の流量を測定することができるようになる。 In order to solve the problem in the case of using the above-described resin piping, a technique has been proposed in which a sensor portion is provided at a location where the tube wall is cut from the outside to make it thinner than other portions (see Patent Document 1). According to this technology, even when resin piping is used, the fluid can be heated more quickly, and temperature changes due to the fluid flow can be detected more quickly, and the flow rate of the fluid to be measured can be controlled with high accuracy. It becomes possible to measure.
しかしながら、配管を薄くした箇所は、機械的な強度が低下するという問題が発生する。このように、従来の技術では、樹脂製の配管を用いる場合、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量測定ができないという問題があった。 However, there is a problem in that the mechanical strength is reduced at a location where the pipe is thinned. As described above, in the case of using a resin pipe, the conventional technique has a problem that accurate flow measurement cannot be performed with high accuracy without causing a decrease in the strength of the pipe.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in a thermal flow measurement using a resin pipe, a highly accurate and accurate flow rate can be obtained without causing a reduction in the strength of the pipe. The purpose is to be able to measure.
本発明に係る熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する樹脂製の配管と、配管の一部に形成されてその一部の配管の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、肉薄部に、配管の長手方向に互いに離して設けられ、それぞれ配管の周囲を覆い、配管の外壁に内壁が接する第1補強管および第2補強管と、肉薄部のうち第1補強管および第2補強管によって覆われている領域以外の領域において、配管の周囲を覆い、配管の外壁に内壁が接する樹脂からなる第3補強管と、第1補強管の外壁に接して設けられ、流体の温度を測定するように構成された温度測定部、第2補強管の外壁に接して設けられ、流体を加熱するように構成されたヒータを備え、ヒータの温度とヒータの熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定されている設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータに加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、流体の流量をセンサ値から算出するように構成された流量算出部とを備え、第1補強管および第2補強管は、第3補強管を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。 A thermal flow meter according to the present invention includes a resin pipe that transports a fluid to be measured, a thin part that is formed in a part of the pipe, and the thickness of the part of the pipe is thinner than the other parts, The first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe, which are provided apart from each other in the longitudinal direction of the pipe, cover the circumference of the pipe, and the inner wall contacts the outer wall of the pipe, and the first reinforcing pipe and the second of the thin parts In a region other than the region covered by the reinforcing tube, a third reinforcing tube made of a resin that covers the periphery of the pipe and is in contact with the outer wall of the pipe and the outer wall of the first reinforcing tube is provided in contact with the outer wall of the first reinforcing tube. A temperature measuring unit configured to measure the temperature, a heater provided to contact the outer wall of the second reinforcing pipe, and configured to heat the fluid, at a position not affected by the temperature of the heater and the thermal effect of the heater Set temperature difference in which the difference from the fluid temperature is set A sensor unit configured to output a sensor value corresponding to the state of thermal diffusion in the fluid heated by the heater when the heater is driven, and to calculate the fluid flow rate from the sensor value The first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe are made of a material having a higher thermal conductivity than the material forming the third reinforcing pipe.
上記熱式流量計において、肉薄部は、配管の周方向に形成されている。 In the thermal flow meter, the thin portion is formed in the circumferential direction of the pipe.
上記熱式流量計において、肉薄部は、配管の管壁の厚さは周方向に一定とされている。 In the thermal flow meter, the thickness of the thin wall portion of the pipe wall of the pipe is constant in the circumferential direction.
上記熱式流量計において、第3補強管は複数設けられ、第1補強管および第2補強管の少なくとも一方は、2つの第3補強管に接している。 In the thermal flow meter, a plurality of third reinforcing pipes are provided, and at least one of the first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe is in contact with the two third reinforcing pipes.
上記熱式流量計において、第1補強管および第2補強管は、金属、セラミック、またはシリコンから構成されている。例えば、金属は、銅である。 In the thermal flow meter, the first reinforcing tube and the second reinforcing tube are made of metal, ceramic, or silicon. For example, the metal is copper.
上記熱式流量計において、温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、ヒータの電力をセンサ値として出力する。 In the above thermal flow meter, the temperature measurement unit measures the temperature of the fluid upstream of the heater and is not affected by the heat of the heater, and the sensor unit measures the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the temperature measurement unit. The heater power is output as a sensor value when the heater is driven so that the difference between the two becomes a set temperature difference.
上記熱式流量計において、温度測定部は、第1温度測定部、第2温度測定部、第3温度測定部から構成され、第1温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受けない位置の流体の温度を測定し、第2温度測定部は、ヒータより上流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、第3温度測定部は、ヒータより下流側でヒータの熱影響を受ける位置の流体の温度を測定し、センサ部は、ヒータの温度と、第1温度測定部が測定した流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータを駆動しているときの、第2温度測定部が測定した流体の温度と第3温度測定部が測定した流体の温度との温度差をセンサ値として出力する。 In the thermal flow meter, the temperature measurement unit includes a first temperature measurement unit, a second temperature measurement unit, and a third temperature measurement unit, and the first temperature measurement unit controls the thermal effect of the heater upstream of the heater. The second temperature measurement unit measures the temperature of the fluid at a position that is affected by the heat of the heater on the upstream side of the heater, and the third temperature measurement unit is on the downstream side of the heater. The temperature of the fluid at a position affected by the heat of the heater is measured, and the sensor unit drives the heater so that the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the first temperature measurement unit becomes a set temperature difference. The temperature difference between the fluid temperature measured by the second temperature measurement unit and the fluid temperature measured by the third temperature measurement unit is output as a sensor value.
以上説明したように、本発明によれば、肉薄部に第1補強管,第2補強管,第3補強管を備えるようにしたので、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since the first reinforcing pipe, the second reinforcing pipe, and the third reinforcing pipe are provided in the thin portion, in the thermal flow measurement using the resin pipe, the pipe An excellent effect is obtained in that an accurate flow rate can be measured with high accuracy without incurring a decrease in strength.
以下、本発明の実施の形態おける熱式流量計について図1,図2A,図2Bを参照して説明する。この熱式流量計は、測定対象の流体を輸送する合成樹脂から構成された配管101と、センサ部102と、流量算出部103とを備える。配管101は、例えば、フッ素樹脂から構成されている。また、この熱式流量計は、配管101の肉薄部101aにおける外壁に、第1補強管121,第2補強管122,第3補強管123を備える。
Hereinafter, a thermal flow meter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2A, and 2B. The thermal flow meter includes a
肉薄部101aは、一部が配管101の他の部位より薄い領域である。肉薄部101aは、例えば、配管101の他の領域より外形が細い。また、肉薄部101aは、例えば、肉薄部101aは、配管101の周方向に形成されている。また、肉薄部101aは、配管101の管壁の厚さは周方向に一定とされている。
The
第1補強管121および第2補強管122は、肉薄部101aに、配管101の長手方向に互いに離して設けられている。また、第1補強管121および第2補強管122は、それぞれ配管101の周囲を覆い、配管101の外壁に内壁が接している。第2補強管122は、第1補強管121の下流側の配管101の外壁に接して設けられている。第1補強管121および第2補強管122は、後述する第3補強管123を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されている。第1補強管121および第2補強管122は、例えば、シリコン、セラミック、または金属から構成されている。第1補強管121および第2補強管122は、例えば、銅から構成されていればよい。
The first reinforcing
第3補強管123は、樹脂からなり、肉薄部101aのうち、第1補強管121および第2補強管122によって覆われている領域以外の領域において、配管101の周囲を覆い、配管101の外壁に内壁が接して形成されている。第3補強管123は、例えば、合成樹脂(プラスチック)から構成されている。また、例えば、第3補強管123は複数設けられ、第1補強管121および第2補強管122の少なくとも一方は、2つの第3補強管123に接している。
The third reinforcing
実施の形態において、センサ部102は、温度測定部111、ヒータ112、制御部113、電力計測部114を備える。温度測定部111は、第1補強管121の外壁に接して設けられている。ヒータ112は、第2補強管122の外壁に接して設けられている。第2補強管122は、第1補強管121の下流に設けられているので、ヒータ112は、温度測定部111より下流に設けられるものとなる。温度測定部111、例えば、熱伝導性接着剤により、第1補強管121の外壁に接着固定されている。温度測定部111は、流体の温度を測定する。ヒータ112は、例えば、熱伝導性接着剤により、第2補強管122の外壁に接着固定されている。
In the embodiment, the
ここで、センサ部102は、ヒータ112の温度と、ヒータ112の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、設定されている設定温度差となるようにヒータ112を駆動しているときの、ヒータ112に加熱された流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力する。実施の形態において、制御部113が、ヒータ112の温度と、温度測定部111で測定されるヒータ112の熱影響を受けない位置、例えばヒータ112より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ112を制御して駆動する。
Here, the
また、電力計測部114は、制御部113により制御されているヒータ112の電力を計測して出力する。センサ部102を構成する電力計測部114から出力される電力がセンサ値となる。流量算出部103は、電力計測部114が計測して出力したヒータ112の電力(センサ値)より、流体の流量を算出する。
The
以上に説明したように、実施の形態によれば、肉薄部101aに第1補強管121,第2補強管122,第3補強管123を備えるようにしたので、樹脂製の配管101の、周囲より肉薄とされている肉薄部101aにおける強度低下が抑制できるようになる。また、温度測定部111が設けられる第1補強管121、およびヒータ112が設けられる第2補強管122は、金属、セラミック、またはシリコンなどの第3補強管123より熱伝導率の高い材料から構成しているので、流体を迅速に加熱可能であり、流体の温度測定の精度を低下させることがない。また、第1補強管121,第2補強管122の周囲の肉薄部101aは、樹脂からなる第3補強管123を設けるので、流路方向の熱の逃げが防げるようになり、効率的にヒータ112の熱を流体に伝えることができる。
As described above, according to the embodiment, since the
ここで、実施の形態における熱式流量計の動作について、より詳細に説明する。よく知られているように、ヒータ112の温度とヒータ112の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が設定温度差となるようにヒータ112を駆動しているときの、ヒータ112が消費している電力と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ112が制御部113に制御されている状態で、電力計測部114が計測した電力より、流量算出部103において、所定の相関係数(定数)を用いることで流量が算出できる。
Here, operation | movement of the thermal type flow meter in embodiment is demonstrated in detail. As is well known, when the
なお、図3に示すように、温度測定部(第1温度測定部)111、ヒータ112、制御部113、温度測定部(第2温度測定部)116、温度測定部(第3温度測定部)117からセンサ部102’を構成してもよい。各温度測定部は、肉薄部101aにおいて、第1補強管121aの外壁に接して設けられている。第1補強管121aは、前述した実施の形態と同様に、肉薄部101aの一部(各温度測定部の配置箇所)において、配管101の周囲を覆って形成されて配管101の外壁に内壁が接して形成されている。第1補強管121aは、熱伝導性のよいシリコン、セラミック、または金属から構成されている。第1補強管121aは、例えば、銅から構成されていればよい。
As shown in FIG. 3, the temperature measuring unit (first temperature measuring unit) 111, the
なお、ヒータ112は、第2補強管122の外壁に接して設けられている。また、第1補強管121および第2補強管122が配置されている以外の肉薄部101aの全域に、第3補強管123が、配管101の周囲を覆って形成されて配管101の外壁に内壁が接して形成されている。
The
この構成において、制御部113は、ヒータ112の温度と、温度測定部111で測定されるヒータ112の熱影響を受けない位置、例えばヒータ112より上流における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるように、ヒータ112を制御して駆動する。
In this configuration, the control unit 113 sets in advance a difference between the temperature of the
温度測定部116は、温度測定部111より下流側でかつヒータ112の上流側における第1補強管121aの外壁に接して設けられている。また、温度測定部117は、ヒータ112の下流側における第1補強管121aの外壁に接して設けられている。温度測定部116,温度測定部117は、流体の温度を測定する。
The
温度測定部116が測定している流体の温度と、温度測定部117が測定している流体の温度との温度差より、流体の流量を算出することができる。この例では、温度測定部116が測定している流体の温度と、温度測定部117が測定している流体の温度との温度差が、センサ値となる。
The fluid flow rate can be calculated from the temperature difference between the temperature of the fluid measured by the
よく知られているように、ヒータ112の温度とヒータ112の熱影響を受けない位置における流体の温度との差が、予め設定されている設定温度差となるようにヒータ112を駆動しているときの、ヒータ112より上流の流体の温度とヒータ112より下流の流体の温度との温度差と、流体の流量との間には相関がある。また、この相関関係は、同じ流体/流量/温度において再現性がある。従って、上述したように、ヒータ112が制御部113に制御されている状態で、温度測定部116が測定した温度と温度測定部117が測定した温度との差(温度差)より、所定の相関係数(定数)を用いることで流量が算出できる。
As is well known, the
以上に説明したように、本発明によれば、測定部に第1補強管,第2補強管,第3補強管を備えるようにしたので、樹脂製の配管を用いた熱式流量測定において、配管の強度低下を招くことなく、高い精度で正確な流量が測定できるようになる。 As described above, according to the present invention, the measurement unit is provided with the first reinforcing pipe, the second reinforcing pipe, and the third reinforcing pipe. Therefore, in the thermal flow measurement using the resin pipe, An accurate flow rate can be measured with high accuracy without reducing the strength of the piping.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
101…配管、101a…肉薄部、102…センサ部、103…流量算出部、111…温度測定部、112…ヒータ、113…制御部、114…電力計測部、121…第1補強管、122…第2補強管、123…第3補強管。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記配管の一部に形成されてその一部の前記配管の厚さが他の部分より薄い肉薄部と、
前記肉薄部に、前記配管の長手方向に互いに離して設けられ、それぞれ前記配管の周囲を覆い、前記配管の外壁に内壁が接する第1補強管および第2補強管と、
前記肉薄部のうち前記第1補強管および前記第2補強管によって覆われている領域以外の領域において、前記配管の周囲を覆い、前記配管の外壁に内壁が接する樹脂からなる第3補強管と、
前記第1補強管の外壁に接して設けられ、前記流体の温度を測定するように構成された温度測定部、前記第2補強管の外壁に接して設けられ、前記流体を加熱するように構成されたヒータを備え、前記ヒータの温度と前記ヒータの熱影響を受けない位置における前記流体の温度との差が設定されている設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータに加熱された前記流体における熱拡散の状態に対応するセンサ値を出力するように構成されたセンサ部と、
前記流体の流量を前記センサ値から算出するように構成された流量算出部と
を備え、
前記第1補強管および前記第2補強管は、前記第3補強管を形成する材料より高い熱伝導度を有する材料から構成されていることを特徴とする熱式流量計。 A resin pipe that transports the fluid to be measured;
A thin part formed in a part of the pipe and having a thickness of the part of the pipe thinner than the other part,
A first reinforcing pipe and a second reinforcing pipe which are provided in the thin portion apart from each other in the longitudinal direction of the pipe, respectively cover the circumference of the pipe, and the inner wall is in contact with the outer wall of the pipe;
A third reinforcing tube made of a resin that covers the periphery of the pipe and has an inner wall in contact with the outer wall of the pipe in a region other than the region covered with the first reinforcing tube and the second reinforcing tube in the thin portion; ,
A temperature measuring unit provided in contact with the outer wall of the first reinforcing pipe and configured to measure the temperature of the fluid, provided in contact with the outer wall of the second reinforcing pipe, and configured to heat the fluid When the heater is driven so that the difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid at a position not affected by the heat of the heater is a set temperature difference that is set, A sensor unit configured to output a sensor value corresponding to a state of thermal diffusion in the fluid heated by the heater;
A flow rate calculation unit configured to calculate the flow rate of the fluid from the sensor value;
The thermal flow meter, wherein the first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe are made of a material having a higher thermal conductivity than a material forming the third reinforcing pipe.
前記肉薄部は、前記配管の周方向に形成されていることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1, wherein
The thin portion is formed in a circumferential direction of the pipe.
前記肉薄部は、前記配管の管壁の厚さは周方向に一定とされていることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 1 or 2,
In the thin-walled portion, the thickness of the pipe wall of the pipe is constant in the circumferential direction.
前記第3補強管は複数設けられ、前記第1補強管および前記第2補強管の少なくとも一方は、2つの前記第3補強管に接していることを特徴とする熱式流量計。 In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 3,
A plurality of the third reinforcing pipes are provided, and at least one of the first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe is in contact with the two third reinforcing pipes.
前記第1補強管および前記第2補強管は、金属、セラミック、またはシリコンから構成されていることを特徴とする熱式流量計。 In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 4,
The first reinforcing pipe and the second reinforcing pipe are made of metal, ceramic, or silicon.
前記金属は、銅であることを特徴とする熱式流量計。 The thermal flow meter according to claim 5, wherein
The thermal flowmeter, wherein the metal is copper.
前記温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と前記温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記ヒータの電力を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 6,
The temperature measuring unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and not affected by the heat of the heater;
The sensor unit is configured to measure the electric power of the heater when the heater is driven so that a difference between the temperature of the heater and the temperature of the fluid measured by the temperature measurement unit becomes the set temperature difference. A thermal flowmeter that outputs as a value.
前記温度測定部は、第1温度測定部、第2温度測定部、第3温度測定部から構成され、
前記第1温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受けない位置の前記流体の温度を測定し、
前記第2温度測定部は、前記ヒータより上流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記第3温度測定部は、前記ヒータより下流側で前記ヒータの熱影響を受ける位置の前記流体の温度を測定し、
前記センサ部は、前記ヒータの温度と、前記第1温度測定部が測定した前記流体の温度との差が前記設定温度差となるように前記ヒータを駆動しているときの、前記第2温度測定部が測定した前記流体の温度と前記第3温度測定部が測定した前記流体の温度との温度差を前記センサ値として出力する
ことを特徴とする熱式流量計。 In the thermal type flow meter according to any one of claims 1 to 6,
The temperature measuring unit includes a first temperature measuring unit, a second temperature measuring unit, and a third temperature measuring unit,
The first temperature measurement unit measures the temperature of the fluid at a position upstream of the heater and not affected by the heat of the heater,
The second temperature measurement unit measures the temperature of the fluid at a position that is affected by the heat of the heater upstream of the heater,
The third temperature measurement unit measures the temperature of the fluid at a position that is affected by the heat of the heater downstream from the heater,
The sensor unit drives the heater so that a difference between a temperature of the heater and a temperature of the fluid measured by the first temperature measurement unit becomes the set temperature difference. A thermal flow meter characterized in that a temperature difference between the temperature of the fluid measured by the measurement unit and the temperature of the fluid measured by the third temperature measurement unit is output as the sensor value.
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