JP2596170Y2 - 正特性サーミスタ流速変換器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、定温度発熱中の正特性
サーミスタが、移動する周囲の流体から受ける流速の変
化を、電圧の変化として取り出す正特性サーミスタ流速
変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、熱線式流速計や負特性サーミスタ
式流速計に代わって、定温度発熱機能を有する正特性サ
ーミスタ（定温度発熱体）を検知素子として使用した流
速計、いわゆる正特性サーミスタ流速計が利用されるよ
うになってきた。これは、一般的に流速計は検知素子を
定温度に自己加熱させて動作させるものであるが、前記
熱線式流速計や負特性サーミスタ式流速計は検知素子に
定温度発熱機能がないため、特別な駆動回路が必要であ
るのに対し、正特性サーミスタ流速計は、検知素子であ
る正特性サーミスタ自体が定温度発熱機能を備えている
ため特別な駆動回路を必要とすることなく利用できるた
めである。

【０００３】この種の正特性サーミスタ流速計として
は、例えば第１の従来例として、特開昭５５−１３２９
１０号公報、特開昭５７−３７２１５号公報等に示され
ているように、被測定流体の流路全体にハニカム型の正
特性サーミスタを嵌め込んで構成したものや、特開昭５
７−５０６１６号公報に示されているように、流路の中
央部に正特性サーミスタを流路に平行に配置して構成し
たものなどがある。これら正特性サーミスタは、通電に
よりキュリー温度に自己加熱され、これに流体が通過す
ると、冷却作用により正特性サーミスタの熱が奪われ
る。正特性サーミスタは定温度発熱体であるため、自己
温度復帰作用の働きで電気抵抗が変化し、電流の変化が
生じる。この電流の変化を測定することにより、流速を
検知することができる。

【０００４】また、第２の従来例として、特開平１−９
４２１８号公報に示されているようなものもある。これ
は、長方形のセラミックス半導体基材の同一表面に三つ
の電極が設けられ、該基材の長手方向が流路に平行とな
るように配置されて構成されている。該基材は通電によ
り定温度に自己加熱され、これに流体が通過すると前記
と同様、定温度になるように電流が増加するが、素子の
表面層では風上側と風下側で温度差が生じる。したがっ
て表面層を流れる電流にも分布が生じ、それを第１の電
極と第２の電極間、及び第２の電極と第３の電極間で測
定すれば流速を検知することができる。

【０００５】このような構成の正特性サーミスタ流速計
は、応答速度が早い、出力が大きい、出力の直線性に優
れているなどの利点を有している。

【０００６】一方、前記正特性サーミスタ流速計に於い
て出力を取り出す方法として、特開昭５５−１３２９１
０号公報には、電源と正特性サーミスタが接続された回
路に電流計を入れ、流速の変化を直接電流計で読み取る
手段が、また特開昭５７−５０６１６号公報には、正特
性サーミスタ流速計とそれに直列に接続された抵抗との
両端が電源に接続され、前記抵抗の両端の電圧を、流速
の変化に伴う回路電流の変化に比例する電圧の変化とし
て読み取る手段が述べられている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の正特性サーミスタ流速計には次のような問題があっ
た。正特性サーミスタの検知素子は、チタン酸バリウム
等の半導体セラミックスからなり、それ自身感温半導体
であり、図５に示す如く、流速検知の出力特性が雰囲気
温度により大きく変化し、恒温雰囲気以外では正確な測
定ができないという欠点があった。

【０００８】本考案は、このような従来の欠点を除去す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、雰囲気温度が変わっても出力特性をほとんど変化さ
せないような温度補正回路を含む、正特性サーミスタ流
速変換器を提供することにある。

【０００９】前記温度補正回路には、次のようなものが
考えられる。まず、図５に於いて、電流をＩ，雰囲気温
度をＴ，流速（風速）をｖとすれば、これらの間には、 Ｉ＝ｆ（ｖ,Ｔ）＝ｇ（ａ／Ｔ）・ｆ（ｖ） という関係があると見做すことができる。ここで、ｆ，
ｇは函数であり、ａは定数である。また、電流Ｉの変化
は雰囲気温度Ｔの変化に反比例するので、温度補正のた
めに感熱抵抗素子を使用することを考えれば、雰囲気温
度Ｔの変化を抵抗の変化と見做すことができる。そこ
で、雰囲気温度Ｔによる影響を補正するために、温度変
化に対して反比例する抵抗値変化を示す負特性サーミス
タを使用することを考えてみると、雰囲気温度Ｔの変化
は、 Ｒ＝Ｒ_Ｏｅｘｐ［Ｂ（１／Ｔ−１／Ｔ_Ｏ）］ の式より、負特性サーミスタの抵抗値Ｒの変化に置き換
えることができる。従って、正特性サーミスタに流れる
電流Ｉの雰囲気温度Ｔによる影響を、負特性サーミスタ
の抵抗値Ｒに置き換えてみると下式の如くなる。 Ｉ＝ｇ（ａ／Ｔ）・ｆ（ｖ）＝ｈ（Ｒ）・ｆ（ｖ） ここで、ｈは函数である。このような温度特性を補正す
るには、 Ｉ′＝ｈ（Ｒ）・ｆ（ｖ）・ｈ^-1（Ｒ）＝ｆ（ｖ） なる演算で補正することができる。さらに、ｈ（Ｒ）＝
Ｒ，ｈ^-1（Ｒ）＝１／Ｒとして置き換えてみると一目瞭
然である。ここで、１／Ｒなる演算を電子回路で行なう
には、最も簡単な例として、演算増幅用ＩＣの逆相入力
端子と回路グランド間に接続された入力抵抗の代わり
に、ゲインが［１＋Ｒｆ／Ｒ］となる負特性サーミスタ
を使用することが挙げられる。ここでＲｆは帰還抵抗で
ある。これによって、容易に１／Ｒの演算が実現でき
る。

【００１０】しかし、実際には正特性サーミスタに流れ
る電流の雰囲気温度による変動は、負特性サーミスタの
特性と一致しないので、本考案では前記入力抵抗を、負
特性サーミスタを含む合成抵抗回路網で構成して、温度
補正回路とした。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するべく
本考案による正特性サーミスタ流速変換器は、電源に接
続され、定温度に加熱された正特性サーミスタからなる
流速変換器の検知回路部において、前記回路部から得ら
れる流速に応じた回路電流の変化、あるいは回路電流に
比例した電圧の変化が、演算増幅用ＩＣと帰還抵抗と入
力抵抗とで構成された非反転増幅器の前記演算増幅用Ｉ
Ｃの正相入力端子に入力され、且つ、前記演算増幅用Ｉ
Ｃの逆相入力端子と回路グランド間に接続された前記入
力抵抗が、負特性サーミスタを含む合成抵抗回路網から
構成されていることを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】上記のように構成された本考案による正特性サ
ーミスタ流速変換器は、正特性サーミスタに流れる電流
の雰囲気温度による変動は、負特性サーミスタの特性と
一致しないため、これを負特性サーミスタを含む合成抵
抗回路網で構成することにより、高い一致性を得て温度
補正を施し、雰囲気温度による測定誤差を極めて少なく
することを可能にしたものである。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本考案を更に詳しく説
明する。まず、本考案の一実施例として使用した正特性
サーミスタ２の構成を図２に示す。まず符号１２はチタ
ン酸バリウム系セラミック素子（キュリー温度１２０
℃）からなる正特性サーミスタ素子であり、縦３ｍｍ、
横１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状をなしている。この正特
性サーミスタ素子１２の対向する面にはニッケルメッキ
からなる電極層１２ａが形成されており、該電極層１２
ａの端部にはリード線１３が半田付により接続されてい
る。これらの周囲にはポリイミド粘着テープ１４が巻き
付けられており、これにより電気的絶縁が確保されてい
る。このように電気的絶縁の施された正特性サーミスタ
素子組品１５は、直径５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ０．
３ｍｍのアルミニウム製キャップ１６内に収納される。
符号１７は前記正特性サーミスタ素子組品１５とアルミ
ニウム製キャップ１６との空隙部に充填された高熱伝導
率シリコーンゴムであり、これはシリコーンゴムにアル
ミナ、マグネシア等を配合して高熱伝導率特性を実現し
ている。前記アルミニウム製キャップ１６の下端部に
は、耐熱絶縁性樹脂ポリフェニレンサルファイド（ＰＰ
Ｓ）からなるパイプ１８が、前記リード線１３を貫通さ
せた状態で嵌合され、カシメ固定されている。尚、この
パイプ１８には容器への取り付けを容易にするためのフ
ランジ部１８ａが連続して形成されている。

【００１４】次に図１及び図４を参照して、本考案の正
特性サーミスタ流速変換器について説明する。図１は本
考案による正特性サーミスタ流速変換器の一実施例を回
路構成図で示したものである。まず図１に於いて、電源
Ｅに前記正特性サーミスタ２と抵抗Ｒ₁ が直列に接続さ
れ、前記抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１を、演算増幅用ＩＣ３
の正相入力端子と接続する。更に、前記演算増幅用ＩＣ
３に逆相入力される入力抵抗Ｒｓを、負特性サーミスタ
Ｔｈと抵抗Ｐ_１，Ｐ_２，Ｓとからなる合成抵抗回路網４
で構成し、前記演算増幅用ＩＣ３の逆相入力端子と回路
グランド間に接続する。前記演算増幅用ＩＣ３の出力端
子と逆相入力端子とは、帰還抵抗Ｒｆによって接続され
る。演算増幅用ＩＣ３と帰還抵抗Ｒｆと合成抵抗回路網
４とで構成された回路を非反転増幅器５とし、その出力
を出力電圧Ｖｏとする。

【００１５】一方、図４は前記のように構成された正特
性サーミスタ流速変換器１の抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１の
電圧変化、つまり、正特性サーミスタ２の雰囲気温度の
違いによる風速−端子電圧の関係をグラフに示したもの
である。動作条件を、電源ＥがＤＣ１２Ｖ、抵抗Ｒ_１が
５Ω，２Ｗとして、正特性サーミスタ２を風洞に設置
し、雰囲気温度０℃，１５℃及び３０℃をパラメータと
して、０〜２５ｍ／ｓの間５ｍ／ｓごとの風速に対する
抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１を測定すると、図４に示すよう
に温度依存性の大きな出力特性を示した。このことか
ら、温度補正回路等を介さない場合の正特性サーミスタ
流速変換器においても同じような特性が現れることがい
える。

【００１６】ここで、図４に於いて風速２０ｍ／ｓに於
ける各温度の抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１を見ると、Ｖ₁
（０℃）＝２．０Ｖ，Ｖ_１（１５℃）＝１．７Ｖ，Ｖ_１
（３０℃）＝１．４Ｖであるが、０℃に於ける非反転増
幅器５のゲイン［１＋Ｒｆ／Ｒｓ（０℃）］を２倍と
し、これに対して、１５℃の場合はＶ_１（０℃）／Ｖ_１
（１５℃）倍して得られるＲｓ（１５℃）、３０℃の場
合はＶ_１（０℃）／Ｖ_１（３０℃）倍して得られるＲｓ
（３０℃）が求められれば、非反転増幅器５の出力電圧
Ｖ_Ｏは、０〜３０℃間の温度変動に対して０℃の出力特
性に正規化可能となる。

【００１７】本実施例では電源電圧や負特性サーミスタ
の特性を勘案して、帰還抵抗ＲｆをＲｆ＝１５ＫΩとす
ると、入力抵抗ＲｓはＲｓ（０℃）＝１５ＫΩ，Ｒｓ
（１５℃）＝１１．１ＫΩ，Ｒｓ（３０℃）＝８．１Ｋ
Ωの値が要求されることになる。これら入力抵抗Ｒｓの
値を前記合成抵抗回路網で実現するために簡単な計算を
行うと、抵抗Ｐ₁ ＝３０３．４１２ＫΩ，抵抗Ｐ₂ ＝３
０．２５５ＫΩ，抵抗Ｓ＝２．４４９ＫΩの値が得られ
る。尚、サーミスタは、Ｒ（０℃）＝３０ＫΩ，Ｂ定数
＝３４５０Ｋのガラス封止ダイオード型サーミスタを使
用した。また、演算増幅用ＩＣ３はμＰＣ３２４Ｃ（Ｎ
ＥＣ製）を使用した。

【００１８】以上のようにして温度補正回路を含む正特
性サーミスタ流速変換器１を構成し、前記同様、正特性
サーミスタ２を再び風洞に設置し、雰囲気温度０℃，１
５℃及び３０℃をパラメータとして風速に対する非反転
増幅器５の出力電圧Ｖｏを測定すると、図３に示す如
く、温度依存性が極めて少なく測定誤差の少ない正特性
サーミスタ流速変換器を実現できることが明らかになっ
た。

【００１９】尚、本考案は前記実施例に限定されるもの
ではない。例えば、正特性サーミスタとしては従来例に
述べたものでもよいし、あるいはアルミ放熱フィンのつ
いたものでも同様である。また、正特性サーミスタ流速
変換器を駆動する電源は交流でもよいし、その場合の電
流検出は直列抵抗ではなくカレントトランスでもよく、
整流回路を付加すれば容易に同様な変換が可能となる。
更に演算増幅用ＩＣの後段にバイアス回路を設け出力電
圧を０Ｖから出すことも可能である。加うるに前記実施
例では流体として空気を用いたが、液体中でも同様な特
性が得られることは明らかである。

【００２０】

【考案の効果】以上詳述したように本考案によれば、簡
単な温度補正回路を設けることにより、正特性サーミス
タの持つ雰囲気温度依存性を著しく低減し、極めて精度
の高い正特性サーミスタ流速変換器を実現させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す図で、正特性サーミス
タ流速変換器の回路構成図である。

【図２】本考案の一実施例を示す図で、（ａ）は正特性
サーミスタの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図で
ある。

【図３】本考案の一実施例による正特性サーミスタ流速
変換器の、雰囲気温度の違いによる風速−出力電圧特性
を表すグラフである。

【図４】本考案の一実施例に使用した正特性サーミスタ
の、雰囲気温度の違いによる風速−端子電圧特性を表す
グラフである。

【図５】正特性サーミスタの、雰囲気温度の違いによる
風速−出力電流特性を表すグラフである。

【符号の説明】

１ 正特性サーミスタ流速変換器 ２ 正特性サーミスタ ３ 演算増幅用ＩＣ ４ 合成抵抗回路網 ５ 非反転増幅器

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源に接続され、定温度に加熱された正
   特性サーミスタからなる流速変換器の検知回路部におい
   て、前記回路部から得られる流速に応じた回路電流の変
   化、あるいは回路電流に比例した電圧の変化が、演算増
   幅用ＩＣと帰還抵抗と入力抵抗とで構成された非反転増
   幅器の前記演算増幅用ＩＣの正相入力端子に入力され、
   且つ、前記演算増幅用ＩＣの逆相入力端子と回路グラン
   ド間に接続された前記入力抵抗が、負特性サーミスタを
   含む合成抵抗回路網から構成されていることを特徴とす
   る正特性サーミスタ流速変換器。