JP2704048B2 - 電流差型熱質量流量トランスデューサ - Google Patents

電流差型熱質量流量トランスデューサ

Info

Publication number
JP2704048B2
JP2704048B2 JP8503139A JP50313995A JP2704048B2 JP 2704048 B2 JP2704048 B2 JP 2704048B2 JP 8503139 A JP8503139 A JP 8503139A JP 50313995 A JP50313995 A JP 50313995A JP 2704048 B2 JP2704048 B2 JP 2704048B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
node
voltage
transducer
reference level
resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP8503139A
Other languages
English (en)
Inventor
ヒンクル，リューク・ディー
プロヴォスト，ジェームズ
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 (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 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 filed Critical 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
Application granted granted Critical
Publication of JP2704048B2 publication Critical patent/JP2704048B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、広くは、コンジットを通過して流れる流体
の質量流量を正確に測定する質量流量トランスデューサ
に関する。更に詳しくは、本発明は、コンジットの異な
る領域に配置された２つの熱抵抗性素子を含むブリッジ
回路を有する改良型の質量流量トランスデューサに関す
る。
発明の背景 流量トランスデューサは、典型的には、コンジットを
通過する流体の質量流量（mass flow rate）を測定する
のに用いられる。機械的成分の流体に導かれる運動をモ
ニタする種々の機械的な質量流量トランスデューサがこ
の技術分野では知られており、流体の質量流量の概算的
な測定を与える。電気的なトランスデューサは、流体の
流れに関するより正確な測定を与えることが知られてい
る。熱型の電気的トランスデューサは、コンジットの周
囲に典型的に配置された１つ又は複数の温度感知性の抵
抗素子に依存するのが典型である。この後者のタイプの
トランスデューサは、層流（laminar flow）チャンネル
の壁部からそのチャンネル内の流体への熱伝導率は、流
体とチャンネル壁部との間の温度差と、流体の比熱と、
チャンネル内部の流体の質量流量とのむしろ簡単な関数
である、という広く知られた関係に基づいている。気体
の比熱は圧力又は温度と共にはそれほど変動しないの
で、特定の気体に対して較正された熱質量トランスデュ
ーサは、動作条件の広範囲に亘る真の質量流量の読みを
与える。
したがって、熱質量流量トランスデューサは、熱エネ
ルギを、小さな層流管（laminar flow tube）を流れる
流体の流れに伝導させる１つ又は複数の加熱素子（heat
ing element）を含む。この層流管は、センサ管とも称
される。加熱素子は、通常は、高い抵抗値と高い温度抵
抗係数とを有する合金で作られている。センサ管は、通
常は、薄いステンレス鋼の管であり、加熱素子は、管の
外側の周囲にきつく巻かれ、管の中の流体の流れを乱す
ことなく、流体に効果的な熱伝導を与える。高い温度係
数により、これらの加熱素子は、管の温度を感知する非
常によいデバイスとなり、この二重の性能（dual capac
ity）においてよく用いられる。明瞭さのために、この
ような二重の役割をもつ加熱／感知素子は、ここでは、
熱素子（thermal element）と称する。これらの熱素子
は広く知られており、たとえば、「熱質量流量計測」と
題する米国特許第4464932号（Ewing）や、「質量流量
計」と題する米国特許第4984460号（Isoda）に記載があ
る。
１素子型の流体流量トランスデューサは米国特許第51
42907号（Hinkle）に記載されているが、熱流体流量ト
ランスデューサは、差動電圧型と絶対電圧型との２つの
基本的な種類に発展する傾向を有する。米国特許第3851
526号（Drexel）や米国特許第4548075号（Mariano）な
どに開示されている電圧差型の流量トランスデューサに
おいては、２つの同一の熱素子が対称的な縦列構成で、
一方の素子が他方の素子の上流となるように配置され、
層流管を包囲する。素子の間の温度差が、質量流量の測
定として用いられる。図１に示され２素子・定電流・電
圧差タイプと称される１つの伝統的な構成では、定電流
源が、直列の回路構成の素子の両方に電流を与える。
図１では、従来技術による熱流体流量トランスデュー
サ10は、たとえば、熱源24から処理室26にセンサ管22を
介して流れる気体の質量流量を測定している。小さな流
率（flow rate）に対しては、センサ管22は毛管状の寸
法であり、トランスデューサは、直接にコンジット22を
介して流率を測定する。より大きな流率に対しては、図
１に示すように、センサ管22とバイパス管28との両方が
熱源24を処理室26に結合する。センサ管22とバイパス管
28とのそれぞれは、全体の気体の流れの中の固定された
パーセンテージを引き寄せる。このシステムでは、熱源
24と処理室26との間の気体の流れ全体は、センサ管22を
流れる測定された流れとスケール・ファクタとを乗算す
ることにより決定される。質量流量の異なる範囲が、異
なるサイズのバイパス管28の間で切り換え（スイッチン
グ）をすることにより、感知され得る。
トランスデューサ10は、２素子・定電流・電圧差タイ
プとして示されている。特に、トランスデューサ10は、
４つの抵抗12、14、16、18から成るブリッジを含む。抵
抗12、14は、セラミック抵抗などの標準的な電気的抵抗
であり、R12（抵抗12により提供される抵抗値）とR
14（抵抗14により提供される抵抗値）とが等しくなるよ
うに選択されている。抵抗16、18はコイルの形状の熱素
子であり、その温度の関数である電気抵抗値を有する。
好ましくは、それぞれのコイルの抵抗値は、温度の関数
として増加する。抵抗16、18は、それらの温度係数が等
しい、すなわち、任意の与えられた温度で、R16（抵抗1
6の抵抗値）とR18（抵抗18の抵抗値）とが等しくなるよ
うに選択されている。更に、抵抗R12、R14は、信頼し得
る回路を提供するために、抵抗値（流れがゼロにおい
て）と温度係数との両方において、抵抗R16、R18と整合
している必要がある。このタイプのトランスデューサの
例は、上述したIsodaによる米国特許に記載されてい
る。
熱素子である抵抗16、18は、典型的には、センサ管22
の周囲に巻かれ、周囲温度より上の、同一の初期温度ま
で加熱され、同じ電流がそれぞれの抵抗を流れることを
強制する。この目的のために、定電流源20は、電流を、
ブリッジに、特に、抵抗16、18に与える。図１に示され
るように、熱源24からの気体（通常は周囲温度である）
がセンサ管22を流れるときには、流れる気体は、コイル
16、18に対して冷却効果を有し、質量流量の関数として
温度を低下させる。流れる気体は、コイル18よりもコイ
ル16をより冷却するが、これは、コイル16がコイル18よ
りも上流に配置されているからである。トランスデュー
サ10は、コイル16とコイル18との間の温度差を測定する
ことによって、すなわち、２つの間の抵抗値の差を測定
することによって、管22を流れる気体の質量流量を測定
する。よって、管22の中を気体が全く流れていないとき
には、コイル16、18は同じ温度であるから、R16はR18に
等しい。R12はR14と等しいので、ノード32における電圧
は、ノード34における電圧と等しい。気体が管22を流れ
るときには、R16は、冷却効果の差に起因して、R18より
も低いところまで低下する。したがって、ノード32にお
ける電圧は、ノード34における電圧よりも低くなる。演
算増幅器36は、ノード32、34の電圧差を示す信号を発生
する。この信号は、質量流量コントローラ30に印加さ
れ、コンジット28を通過する質量流量が決定され、この
値が設定された点（所望の流率）と比較される。コント
ローラ30は、次に、トランスデューサ10によって感知さ
れた率が設定された点と等しくない場合には、弁32を制
御して、気体の流率を選択的に調整する。
図１に示されたトランスデューサは複数の短所を有す
る。第１に、ノード32、34における電圧差は、典型的に
は、気体が最大の速度で流れている場合であっても、非
常に小さい。この小さな電圧差を測定するのは困難であ
り、測定はノイズの影響を非常に受けやすい。更に、電
圧差が非常に小さいので、しばしば望まれる遠隔的な測
定はできない。むしろ、電圧差は、ブリッジに密接した
近傍にある装置によって測定されなければならない。第
２に、このデバイスの出力は、非線形である。典型的に
は、このようなデバイスを較正するのには、線形化回路
が必要でなる。
別のタイプの電圧差感知型の流率トランスデューサ
が、米国特許第4624138号（Ono他）に記載されている。
これは、２素子・定温・差動型と称することができる。
このトランスデューサは、一定温度まで加熱される熱発
生抵抗と、温度感知性抵抗の形態をとる２つの熱素子と
を用いる。熱発生抵抗は、コンジット内のある領域に配
置され、２つの温度感知性抵抗は熱発生抵抗に対して一
方が上流にあり他方が下流にあるように配置される。気
体は、コンジットを通って流れる際に、熱を熱発生抵抗
から下流の温度感知性抵抗に伝導する。温度感知性抵抗
の両端の電圧差を測定することにより、このデバイス
は、コンジットを流れる気体の質量を計算する。
このトランスデューサには、複数の短所がある。この
デバイスは、（熱発生抵抗が一定の温度まで加熱され）
定温プロセスに依存するために、限定された範囲での環
境温度でしか有用でない。このデバイスは、更に、図１
の28に示されているようなバイパス・コンジットと共に
用いられる場合に、更に短所を有する。この理由は、そ
のようなバイパス装置は、定温センサと共に用いられる
際に望ましくない効果を生じるからである。質量流量ト
ランスデューサがセンサ管及びバイパス・コンジットと
組み合わされて用いられる際には、センサ管の中を流れ
る気体の質量は全体の気体の流れの一定のパーセンテー
ジであると仮定される。この仮定は、バイパス・コンジ
ットの中の気体の温度がセンサ管の中の気体の温度に対
して一定である場合にだけ正しい。流体の粘度はその温
度に依存するからである。バイパス・コンジットの温度
がセンサ管の温度に対して変動する場合には、センサ管
の中を流れる気体の質量は、全体の気体の流れの一定の
パーセンテージにはならない。Ono他によるトランスデ
ューサでは、センサの中の気体を一定の温度まで加熱し
ており、バイパス・コンジットの中の気体は周囲温度と
共にゆらぐので、このトランスデューサは、バイパス・
コンジットと共に用いられるのならば、温度補償装置を
必要とする。
第３のタイプの電圧差を感知する種類のトランスデュ
ーサは、２素子・浮遊温度・電圧差トランスデューサと
称される。このようなトランスデューサは米国特許第49
84460号（Isoda）に記載されている。このデバイスは、
４つの温度感知性の抵抗素子を必要とする。２つがコン
ジットの周囲に配置され、２つが周囲の空気中に配置さ
れる。このデバイスでは、空気中に配置される温度感知
性の抵抗が、コンジットの周囲に配置された温度感知性
の抵抗と、同じ抵抗値と同じ温度特性（すなわち、同じ
温度抵抗係数）とを有することを要求する。２つではな
く４つの温度感知性の抵抗を必要とし、それらの抵抗値
と温度抵抗係数とが整合されていることが必要であるの
で、回路の実現はより困難になり、デバイスのコストを
かなり引き上げる。
「熱質量流量計測」と題する米国特許第4464932号（E
wing他）には、絶対電圧タイプのトランスデューサの例
が記載されており、そこでは、３つの熱素子が用いられ
ている。このトランスデューサは、３素子・定温・絶対
電圧トランスデューサと称することができる。このトラ
ンスデューサは、２素子・定温・電圧差タイプのトラン
スデューサについて上述したのと同じ短所を有し、更
に、測定が差ではなく絶対的なものであるので、零点の
安定性が劣る。
本発明の目的 本発明の目的は、従来技術における上述の問題を実質
的に減少させる又は解消することである。
本発明の別の目的は、改良型の質量流量トランスデュ
ーサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、従来技術によるシステムに
よって提供されるよりも正確であると考えられる改良型
の質量流量トランスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、従来技術による伝統的な２
素子・定電流・電圧差タイプの質量流量トランスデュー
サよりも、より線形な態様で動作する改良型の質量流量
トランスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、出力信号をトランスデュー
サから遠隔的に信頼性をもって測定できる改良型の質量
流量トランスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、センサ管及びバイパス・コ
ンジットと共に信頼性をもって使用でき、バイパス・コ
ンジットを流れる質量流量を測定する改良型の質量流量
トランスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、広いダイナミック・レンジ
に亘って信頼性をもって動作する改良型の質量流量トラ
ンスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、環境よりも上の特定の値で
浮遊（フロート）する温度で動作し、環境の温度レンジ
を上昇させ、センサ・チャンネルとバイパス・チャンネ
ルとの間での温度差の効果を低下させることのできる温
度感知素子を含む改良型の質量流量トランスデューサを
提供することである。
本発明の更に別の目的は、差の測定を行い、安定なゼ
ロ指示（zero indication）を提供する改良型の質量流
量トランスデューサを提供することである。
本発明の更に別の目的は、電流をノイズを受けにくい
ようにする質量流量を表すグランド・レベルの電流を発
生する改良型の質量流量トランスデューサを提供するこ
とである。
本発明の更に別の目的は、本発明による改良型の質量
流量トランスデューサを含む改良型の質量流量制御シス
テムを提供することである。
発明の概要 上述の及びそれ以外の目的が、改良型の流量トランス
デューサによって達成される。この改良型の流量トラン
スデューサは、平衡ブリッジを含むタイプのものであ
り、この平衡ブリッジは、ブリッジの頂部と底部との間
においてブリッジの２つの側面を形成する２つの実質的
に同一の熱素子から成る。これら２つの熱素子は、層流
管（laminar flow tube）の２つの領域に、対称的な縦
列（タンデム）構成で配置されており、管の中の流れを
感知する。一方の素子は、他方の素子の上流に位置して
いる。好適なトランスデューサは、ブリッジの頂部及び
底部における電圧をモニタし、熱素子の間のノードを仮
想的なグランドに維持するのに必要な電流をモニタする
制御手段を含む。
この制御手段は、ある特徴においては、ブリッジの他
方の２つの側面を形成する２つの実質的に同一の抵抗か
ら成る分圧器と、これらの抵抗の間に結合された演算増
幅器と、分圧器を流れる電流を調整するトランジスタ
と、を含む。
本発明の更に別の目的及び効果は、以下の詳細な説明
から、当業者に明らかになろう。詳細な説明では、単に
本発明の最良の形態（ベストモード）を例示することに
より、複数の実施例が示され、説明されている。理解さ
れるだろうが、本発明から離れることなく、別の異なる
実施が可能であるし、また、その詳細に関しても、種々
の点において修正ができる。したがって、図面と説明と
は、その性質上、例示的であって、何ら制限的又は限定
的な意味ではないと考えられるべきであり、出願の範囲
は、請求の範囲に示されている。
図面の簡単な説明 本発明の性質と目的とを更に完全に理解するために、
添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照してほしい。
図面では、同一又は同様の部分を示すのに、同じ参照番
号が用いられている。
図１は、センサ管を通過する流れを感知することによ
ってバイパス管を通過する流れを感知する質量流量コン
トローラ・システムと共に用いられているのが示されて
いる、従来技術による質量流量トランスデューサの部分
的な回路図及び部分的なブロック図である。
図２は、本発明による質量流量トランスデューサの好
適実施例の部分的な回路図及び部分的なブロック図であ
る。
図３は、本発明の別の好適実施例の部分的な回路図及
び部分的なブロック図である。
図４は、本発明の原理に従って構成されたトランスデ
ューサと図１に示されたタイプの従来技術によるトラン
スデューサとの誤差を比較するグラフである。
図５は、センサ管を通過する流れを感知することによ
ってバイパス管を通過する流れを感知する質量流量コン
トローラ・システムと共に用いられているのが示されて
いる、本発明による質量流量トランスデューサの好適実
施例の部分的な回路図及び部分的なブロック図である。
図面の詳細な説明 図面では、同じ参照番号は、同じ又は同様の部分を参
照するのに用いられている。
図２では、好適なトランスデューサ60が、センサ管22
を流れる気体の質量流量を測定する。トランスデューサ
60は、４つの抵抗素子64、66、68、70から構成される平
衡ブリッジ58を含む。抵抗64、66は標準的な抵抗であ
り、R64（抵抗64の抵抗値）とR66（抵抗66の抵抗値）と
が等しく、それぞれが実質的に同一の熱係数を有し、実
質的に整合されているように選択される。抵抗68、70
は、好ましくは熱素子であり、整合されている、即ち、
同一の温度係数を有し、任意の与えられた温度に対して
R68（熱素子68の抵抗値）とR70（熱素子70の抵抗値）と
が等しくなるように選択される。しかし、熱素子68、70
は、抵抗素子64、66とは必ずしも整合する必要はない。
抵抗素子64、66の間のブリッジのノード82は、演算増幅
器74の反転入力に接続され、演算増幅器74の非反転入力
は、システムのグランドに接続されている。増幅器74の
出力は、pnpトランジスタ76のベースに接続される。ト
ランジスタ76のエミッタは、ブリッジのノード80に接続
され（抵抗素子66の熱素子68に接続する）、他方で、ト
ランジスタ76のコレクタは、例えば直流−15ボルトであ
る負の電圧源に接続される。抵抗素子64を熱素子70に接
続するノード78は、例えば直流＋15ボルトである正の電
圧源によって電力を供給される定電流源72に接続され
る。最後に、ノード86は、演算増幅器88の反転入力に接
続され、演算増幅器88は、その非反転入力がシステムの
グランドに接続され、出力がフィードバック抵抗90を介
してノード86に接続されている。増幅器88の出力は、ト
ランスデューサ60の出力端子92を形成する。
定電流源72は、抵抗素子68、70を流れ、抵抗64、66を
流れる電流を与える。抵抗素子64、66と、増幅器74と、
トランジスタ76とは、ノード78、80における電圧を大き
さが等しく符号が逆になるように維持するように動作し
ノード82の電圧を仮想的なグランドに維持する制御シス
テム84を形成する。
トランスデューサ60は、次に述べる態様で動作する。
制御システム84に関しては、ノード80における負の電圧
V80の大きさが減少しノード78における電圧V78が負の電
圧V80よりも大きくなる。又は、V78の大きさがV80に対
して増加する、すなわち、|V78|＞|V80|となる場合に
は、ノード82における電圧V82は、グランドよりも高い
位置でドリフトする傾向がある。電圧V82がグランドよ
りも高い位置でドリフトするときには、増幅器74は、ト
ランジスタ76のベースに信号を提供し、トランジスタ76
が更に導通することにより、V80を引き下げて（プルダ
ウンして）ノード82における電圧を仮想的なグランドに
強制するように、より多くの電流を引き寄せる。V80が
上昇することにより電圧V78の大きさが負の電圧V80より
も小さくなる、又は、V78の大きさがV80に対して減少す
る、すなわち、|V78|＜|V80|となる場合には、V82は、
グランドよりも低い位置でドリフトする傾向がある。V
82がグランドよりも低い位置でドリフトする傾向にある
ときには、差動増幅器74がトランジスタ76を調整して、
引き寄せる電流を少なくし、V80を上昇させる。V82が正
確にグランドにあるときには、差動増幅器74は、トラン
ジスタ76を制御して、同じ量の電流を連続して引き寄せ
ることにより、V82を現在のレベルに維持する。
センサ管22を何も流体が流れていないときには、T68
（熱素子68の温度）はT70（熱素子70の温度）に等し
く、よって、R68はR70に等しい。V78の大きさがV80の大
きさに等しいので、素子68と素子70との両端の電圧は、
等しいまま保たれ、相互に符号が逆であり、ノード86
（V86）は仮想的なグランドに維持される。
管22を流れる流体は熱素子70よりも熱素子68を冷却す
るが、これは、素子68が素子70の上流にあるからであ
る。したがって、管22を流れる流体はR68をR70よりも低
くし、ノード86における電圧であるV86をグランドより
も低い位置でドリフトさせる。V86がグランドよりも低
い位置でドリフトする傾向にあることにより、差動増幅
器88は、フィードバック抵抗90を介してノード86に電流
を供給し、ノード86を仮想的なグランドに保つ。V86を
グランドに維持するのに要求される電流の量が、管22を
流れる流体の質量流量を表す。この電流は、R90の両端
の電圧を測定する、又は、増幅器88の非反転入力におけ
る電流を直接に測定することにより測定できる。この信
号は、グランド・レベルの電流であるから、トランスデ
ューサ60の成分からは遠隔的に信頼性をもって測定され
得る。更に、ブリッジを流れる電流は、定電流源72によ
って供給され、それにより、当初の定常状態での温度
（ウォームアップの後での流れがゼロの時点での温度）
であるT68、T70は、周囲温度よりも高い位置に本質的に
固定されたままである。したがって、トランスデューサ
60は、２及び３素子の一定温度デバイスの限界を克服す
る。
図３は、図２の実施例に対する１つの修正を示す。こ
の実施例では、制御システム84は、抵抗64、66の間に配
置され２つの抵抗の間のあらゆる不整合を補償する電位
差計（ポテンショメータ）94を含む。電位差計94は、よ
って、ノード78、80における電圧を平衡化を容易にす
る。
図４は、本発明に従って構成されたトランスデューサ
の出力における誤差（曲線Ａ）と図１に図解された従来
技術に従って構成されたトランスデューサの出力におけ
る誤差（曲線Ｂ）の比較を示す。図４は、誤差の関係
（全体のスケールに対するパーセンテージ）と流量（全
体のスケールに対するパーセンテージ）とを示す。図４
に示されているように、本発明に従って構成されたトラ
ンスデューサ60は、図１に示したタイプの従来技術によ
るトランスデューサよりも、誤差が小さく、出力応答が
より線形である。
本発明は、以上で、V78＝−V80となるように、V78とV
80とを平衡させることに関して説明された。当業者であ
れば理解するように、ブリッジ回路を＋15ボルトのレー
ルと−15ボルトのレールとの間で試みるのではなく、こ
の回路を、たとえば、＋10ボルトのレールとグランドの
レールとの間に接続することもできる。この場合には、
センサは、V82とV86とを、仮想的なグランドではなく、
＋５ボルトのシステムの基準レベルに維持することにな
ろう。センサは、依然として、同じ態様で動作し、V78
とV80とは、それぞれが、システムの基準レベルの同じ
量だけ上と下とで、平衡することになろう。
トランスデューサ60は、本発明の要素と共に用いて管
22を流れる質量流量を制御する場合に、特に有用であ
る。たとえば、図５に示されているように、トランスデ
ューサ60の出力は、質量流量コントローラ100の入力に
接続されているように示されている。コントローラ100
の出力は、比例制御弁102を制御するために用いられ、
この弁は、熱源24から処理室26への気体の流率を制御す
る。コントローラ100は、増幅器88の出力に結合するこ
とができ、図５に示されるように、この場合には、コン
トローラ100は、抵抗90の両端の電圧を出力信号として
測定する。あるいは、コントローラ100は、増幅器88の
入力に結合することができ、この場合は、コントローラ
100は、グランドにおける電流を出力信号として測定す
る。広く知られているように、比較制御弁は、トランス
デューサ60の上流に接続することもでき、又は、示され
ているように、トランスデューサ60の下流に接続するこ
ともできる。
トランスデューサ60は、このように、チャンネルを流
れる流体の質量流率を感知する改良型の質量流量トラン
スデューサを提供する。質量流量トランスデューサ60
は、正確性において優れていると考えられるが、その理
由は、図１に示されているような従来技術による伝統的
な２素子・定電流・電圧差タイプの質量流量トランスデ
ューサよりも、より線形な態様で動作するからである。
増幅器88の入力における出力信号はグランド・レベルに
対する電流であるから、出力を、トランスデューサから
遠隔的に信頼性をもって測定し、安定なゼロ表示を提供
することができ、ノイズも受けにくい。質量流量トラン
スデューサ60は、センサ管及びバイパス管と共に信頼性
をもって用いることが可能であり、図５に示されている
両方の管を流れる質量流量の全体を測定する。このデバ
イスは、広いダイナミック・レンジに亘って信頼性をも
って動作し、熱素子は、環境よりも上の特定の値でフロ
ートする温度で動作し、環境の温度レンジを上昇させ、
センサ・チャンネルとバイパス・チャンネルとの間での
不規則性の効果を低下させる。最後に、この質量流量ト
ランスデューサを含む改良型の質量流量制御システム
は、より正確な制御を提供する。
上述の装置に関しては、本発明の範囲から離れること
なく変更を加えることができるので、上述の説明又は添
付の図面に含まれるすべての事項は例示的であり制限的
な意味は有しないことが意図されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−38818（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−22515（ＪＰ，Ａ)

Claims (31)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の位置における温度と第２の位置にお
    ける温度との差を感知する回路において、 Ａ）ブリッジであって、 （ｉ）第１、第２、第３及び第４のノードと、 （ii）第１及び第２のノードの間の第１の抵抗を定義す
    る手段と、 （iii）第２及び第３のノードの間の第２の抵抗を定義
    する手段と、 （iv）前記第１の位置に配置されており、前記第１の位
    置における温度の関数としての抵抗値を有する前記第１
    及び第４のノードの間の第３の抵抗を定義する第１の温
    度感知手段と、 （ｖ）前記第２の位置に配置されており、前記第２の位
    置における温度の関数としての抵抗値を有する前記第４
    及び第３のノードの間の第４の抵抗を定義する第２の温
    度感知手段と、を含むブリッジと、 Ｂ）前記第１及び第２の抵抗に亘る電圧を、前記第２の
    ノードにおける電圧が所定の基準レベルに維持されるよ
    うに、制御する第１の制御手段と、 Ｃ）前記第４のノードにおける電圧を前記所定の基準レ
    ベルに維持し、前記第３の抵抗と前記第４の抵抗との抵
    抗値の差の関数であり前記第１及び第２の位置の間の温
    度差を表す出力信号を発生する第２の制御手段と、 を備えることを特徴とする回路。
  2. 【請求項２】請求項１記載の回路において、前記所定の
    基準レベルは、仮想的なグランドであることを特徴とす
    る回路。
  3. 【請求項３】請求項２記載の回路において、前記第１及
    び第２の抵抗は実質的に同一であり、前記第１の制御手
    段は、前記第１及び第２の抵抗を流れる電流を、前記第
    １及び２の抵抗に亘り実質的に等しい電圧を提供するよ
    うに与える手段を含むことを特徴とする回路。
  4. 【請求項４】請求項３記載の回路において、前記第１及
    び第２の温度感知手段は、それぞれが、実質的に同一の
    温度係数を有する抵抗手段を含むことを特徴とする回
    路。
  5. 【請求項５】請求項１記載の回路において、前記第１の
    制御手段は、前記第２のノードにおける電圧とシステム
    基準レベルとの間の任意の感知された差の関数として補
    償信号を発生する増幅器と、前記補償信号に応答し前記
    第２の抵抗を流れる電流を前記第２のノードにおける前
    記電圧を前記所定の基準レベルに維持するように調整す
    る手段と、を含むことを特徴とする回路。
  6. 【請求項６】請求項５記載の回路において、前記第２の
    抵抗を流れる電流を調整する前記手段は、前記第３のノ
    ードに接続されそのベースが前記補償信号を受け取るよ
    うに接続されているトランジスタ手段を含むことを特徴
    とする回路。
  7. 【請求項７】請求項１記載の回路において、前記第２の
    制御手段は、前記出力信号を発生する演算増幅器を含む
    ことを特徴とする回路。
  8. 【請求項８】請求項７記載の回路において、前記演算増
    幅器は、前記第４のノードに接続された入力と、システ
    ム基準レベルに接続された第２の入力と、補償信号を前
    記出力信号の関数として前記第４のノードに提供して前
    記第４のノードを前記所定の基準レベルに維持するフィ
    ードバック手段と、を含むことを特徴とする回路。
  9. 【請求項９】請求項８記載の回路において、前記所定の
    基準レベルは仮想的なグランドであることを特徴とする
    回路。
  10. 【請求項１０】請求項１記載の回路において、前記第１
    及び第２の制御手段は、前記第１、第２、第３及び第４
    の抵抗を流れる電流を提供する定電流源を含むことを特
    徴とする回路。
  11. 【請求項１１】請求項１記載の回路において、前記温度
    感知手段は、それぞれが、熱素子を含むことを特徴とす
    る回路。
  12. 【請求項１２】（ａ）コンジットを通過する流体の流率
    を制御する制御弁と、（ｂ）前記コンジットを通過する
    流体の前記流率を、前記コンジットの第１及び第２の領
    域の間の温度差の関数として感知し、流体の前記流率の
    関数として制御信号を発生するトランスデューサと、
    （ｃ）前記制御信号の関数として前記弁の動作を制御す
    る質量流量コントローラと、を含む質量流量制御システ
    ムにおいて、前記トランスデューサは、 Ａ）ブリッジであって、 （ｉ）第１、第２、第３及び第４のノードと、 （ii）前記第１及び第２のノードの間の第１の抵抗を定
    義する手段と、 （iii）前記第２及び第３のノードの間の第２の抵抗を
    定義する手段と、 （iv）前記第１の領域に配置されており、前記第１の領
    域における温度の関数としての抵抗値を有する前記第１
    及び第４のノードの間の第３の抵抗を定義する第１の熱
    素子手段と、 （ｖ）前記第２の領域に配置されており、前記第２の領
    域における温度の関数としての抵抗値を有する前記第４
    及び第３のノードの間の第４の抵抗を定義する第２の熱
    感知手段と、を含むブリッジと、 Ｂ）前記第１及び第２の抵抗に亘る電圧を、前記第２の
    ノードにおける電圧が所定の基準レベルに維持されるよ
    うに、制御する第１の制御手段と、 Ｃ）前記第４のノードにおける電圧を前記所定の基準レ
    ベルに維持し、前記第３の抵抗と前記第４の抵抗との抵
    抗値の差の関数であり前記コンジットを通過する流体の
    流率を表す出力信号を発生する第２の制御手段と、 を備えることを特徴とする制御システム。
  13. 【請求項１３】請求項12記載の制御システムにおいて、
    前記所定の基準レベルは、仮想的なグランドであること
    を特徴とする制御システム。
  14. 【請求項１４】請求項13記載の制御システムにおいて、
    前記第１及び第２の抵抗は実質的に同一であり、前記第
    １の制御手段は、前記第１及び第２の抵抗を流れる電流
    を、前記第１及び第２の抵抗に亘り実質的に等しい電圧
    を提供するように与える手段を含むことを特徴とする制
    御システム。
  15. 【請求項１５】請求項14記載の制御システムにおいて、
    前記第１及び第２の熱素子手段は、実質的に同一の温度
    係数を有することを特徴とする制御システム。
  16. 【請求項１６】請求項12記載の制御システムにおいて、
    前記第１の制御手段は、前記第２のノードにおける電圧
    とシステム基準レベルとの間の任意の感知された差の関
    数として補償信号を発生する増幅器と、前記補償信号に
    応答し前記第２の抵抗を流れる電流を前記第２のノード
    における前記電圧を前記所定の基準レベルに維持するよ
    うに調整する手段と、を含むことを特徴とする制御シス
    テム。
  17. 【請求項１７】請求項16記載の制御システムにおいて、
    前記第２の抵抗を流れる電流を調整する前記手段は、前
    記第３のノードに接続されそのベースが前記補償信号を
    受け取るように接続されているトランジスタ手段を含む
    ことを特徴とする制御システム。
  18. 【請求項１８】請求項12記載の制御システムにおいて、
    前記第２の制御手段は、前記出力信号を発生する演算増
    幅器を含むことを特徴とする制御システム。
  19. 【請求項１９】請求項18記載の制御システムにおいて、
    前記演算増幅器は、前記第４のノードに接続された入力
    と、システム基準レベルに接続された第２の入力と、補
    償信号を提供して前記出力信号の関数として前記第４の
    ノードに前記第４のノードを前記所定の基準レベルに維
    持するフィードバック手段と、を含むことを特徴とする
    制御システム。
  20. 【請求項２０】請求項19記載の制御システムにおいて、
    前記所定の基準レベルは仮想的なグランドであることを
    特徴とする制御システム。
  21. 【請求項２１】請求項12記載の制御システムにおいて、
    前記第１及び第２の制御手段は、前記第１、第２、第３
    及び第４の抵抗を流れる電流を提供する定電流源を含む
    ことを特徴とする制御システム。
  22. 【請求項２２】第１及び第２のノードと２つの実質的に
    同一の熱素子とを有する平衡ブリッジであって、但し、
    前記２つの熱素子は、前記ブリッジの前記第１及び第２
    のノードの間で前記ブリッジの２つの側面を形成し、層
    流管の２つの領域において対称な縦列構成に置かれて前
    記流管を通過する流れを感知し、一方が他方の上流に配
    置され、平衡ブリッジを含むタイプの改良型の質量流量
    トランスデューサにおいて、 電圧レベルを前記ブリッジの前記第１及び第２のノード
    における電圧の関数としてモニタし、前記電圧レベルを
    所定の基準レベルに維持する第１の制御手段と、 前記熱素子の間の第３のノードにおける電圧を前記所定
    の基準レベルに維持するのに要求される電流をモニタす
    る第２の制御手段と、 を備えることを特徴とする改良型の質量流量トランスデ
    ューサ。
  23. 【請求項２３】請求項22記載のトランスデューサにおい
    て、前記第１の制御手段は、前記第１及び第２のノード
    における電圧を大きさが等しく極性が逆であるそれぞれ
    のレベルに維持する手段を含むことを特徴とするトラン
    スデューサ。
  24. 【請求項２４】請求項23記載のトランスデューサにおい
    て、前記第２の制御手段は、一方が前記第３のノードに
    結合され他方がシステム基準レベルに結合された２つの
    入力を有する演算増幅器と、前記増幅器の出力と前記一
    方の入力との間に接続されたフィードバック抵抗と、を
    含むことを特徴とするトランスデューサ。
  25. 【請求項２５】請求項22記載のトランスデューサにおい
    て、前記平衡ブリッジは前記第１及び第２のノードの間
    に接続され第４のノードにおいて相互に接続された２つ
    の抵抗素子を含んでおり、更に、前記抵抗素子と前記熱
    素子とを流れる一定の電流を提供する定電流源を備える
    ことを特徴とするトランスデューサ。
  26. 【請求項２６】請求項25記載のトランスデューサにおい
    て、前記第１の制御手段は、前記第４のノードと前記第
    ２のノードとの間の電流を制御するスイッチング手段
    と、前記第４のノードに結合された入力とシステム基準
    レベルに接続された第２の入力と前記スイッチング手段
    を制御する出力とを有する増幅器と、を含むことを特徴
    とするトランスデューサ。
  27. 【請求項２７】（ａ）コンジットを通過する流体の流率
    を制御する制御弁と、（ｂ）前記コンジットを通過する
    流体の前記流率を、前記コンジットの第１及び第２の領
    域の間の温度差の関数として感知し、流体の前記流率の
    関数として制御信号を発生するトランスデューサであっ
    て、２つの実質的に同一の熱素子とを有する平衡ブリッ
    ジであり、但し、前記２つの熱素子は、前記ブリッジの
    前記第１及び第２のノードの間で前記ブリッジの２つの
    側面を形成し、薄層流管２つの領域において対称な縦列
    構成に置かれて前記流管を通過する流れを感知し、一方
    が他方の上流に配置され、平衡ブリッジを含むタイプの
    トランスデューサと、（ｃ）前記制御信号の関数として
    前記弁の動作を制御する質量流量コントローラと、を含
    む質量流量制御システムにおいて、 前記ブリッジの前記第１及び第２のノードにおける電圧
    の関数として電圧レベルをモニタし、前記電圧レベルを
    所定の基準レベルに維持する第１の制御手段と、 前記熱素子の間の第３のノードにおける電圧を前記所定
    の基準レベルに維持するのに要求される電流をモニタす
    る第２の制御手段と、 を備えることを特徴とする質量流量制御システム。
  28. 【請求項２８】請求項27記載の制御システムにおいて、
    前記第１の制御手段は、前記ブリッジの前記第１及び第
    ２のノードにおける電圧を大きさが等しく極性が逆であ
    るそれぞれのレベルに維持する手段を含むことを特徴と
    する制御システム。
  29. 【請求項２９】請求項28記載の制御システムにおいて、
    前記第２の制御手段は、一方が前記第３のノードに結合
    され他方がシステム基準レベルに結合された２つの入力
    を有する演算増幅器と、前記増幅器の出力と前記一方の
    入力との間に接続されたフィードバック抵抗と、を含む
    ことを特徴とする制御システム。
  30. 【請求項３０】請求項27記載の制御システムにおいて、
    前記平衡ブリッジは前記ブリッジの前記第１及び第２の
    ノードの間に接続され第４のノードにおいて相互に接続
    された２つの抵抗素子を含んでおり、更に、前記トラン
    スデューサは、前記抵抗素子と前記熱素子とを流れる一
    定の電流を提供する定電流源を備えることを特徴とする
    制御システム。
  31. 【請求項３１】請求項30記載の制御システムにおいて、
    前記第１の制御手段は、前記第４のノードと前記第２の
    ノードとの間の電流を制御するスイッチング手段と、前
    記第４のノードに結合された入力とシステム基準レベル
    に接続された第２の入力と前記スイッチング手段を制御
    する出力とを有する増幅器と、を含むことを特徴とする
    制御システム。
JP8503139A 1994-06-23 1995-05-19 電流差型熱質量流量トランスデューサ Expired - Lifetime JP2704048B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US264,706 1994-06-23
US08/264,706 US5461913A (en) 1994-06-23 1994-06-23 Differential current thermal mass flow transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2704048B2 true JP2704048B2 (ja) 1998-01-26

Family

ID=23007261

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8503139A Expired - Lifetime JP2704048B2 (ja) 1994-06-23 1995-05-19 電流差型熱質量流量トランスデューサ
JP8503139A Expired - Lifetime JPH08509066A (ja) 1994-06-23 1995-05-19 電流差型熱質量流量トランスデューサ

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8503139A Expired - Lifetime JPH08509066A (ja) 1994-06-23 1995-05-19 電流差型熱質量流量トランスデューサ

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5461913A (ja)
EP (1) EP0715710B1 (ja)
JP (2) JP2704048B2 (ja)
KR (1) KR100326479B1 (ja)
CA (1) CA2168032A1 (ja)
DE (1) DE69523540T2 (ja)
WO (1) WO1996000376A1 (ja)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995014215A1 (fr) * 1993-11-18 1995-05-26 Unisia Jecs Corporation Procede et dispositif destines a detecter le debit d'air d'aspiration pour un moteur
US5804717A (en) * 1996-04-05 1998-09-08 Mks Instruments, Inc. Mass flow transducer having extended flow rate measurement range
US5792952A (en) * 1996-05-23 1998-08-11 Varian Associates, Inc. Fluid thermal mass flow sensor
JP3493116B2 (ja) 1996-05-24 2004-02-03 株式会社リコー 流量測定装置及び流量測定方法
US5693880A (en) * 1996-06-14 1997-12-02 Mks Instruments, Inc. Heater with tapered heater density function for use with mass flowmeter
US5824894A (en) * 1997-05-07 1998-10-20 Mks Instruments, Inc. Mass flowmeter and laminar flow elements for use therein
US6125695A (en) * 1997-10-13 2000-10-03 Teledyne Brown Engineering, Inc. Method and apparatus for measuring a fluid
US6038921A (en) * 1997-10-15 2000-03-21 Mcmillan Company Mass flow sensor system for fast temperature sensing responses
US5948978A (en) * 1998-07-14 1999-09-07 Feller; Murray F. Induction heated mass flow sensor
US6269692B1 (en) * 1999-02-01 2001-08-07 Dxl Usa Inc. Mass flow measuring assembly having low pressure drop and fast response time
FR2797948B1 (fr) * 1999-08-24 2001-11-02 Centre Nat Rech Scient Capteur de debit d'un flux gazeux
US6446504B1 (en) 2000-03-30 2002-09-10 Mks Instruments, Inc. Constant temperature gradient differential thermal mass flow sensor
NL1014797C2 (nl) * 2000-03-30 2001-10-02 Berkin Bv Massadebietmeter.
US6679476B2 (en) 2000-08-08 2004-01-20 Puregress, Inc. Control valves
JP2002162273A (ja) * 2000-11-22 2002-06-07 Nippon M K S Kk 質量流量センサ
US6668642B2 (en) * 2001-12-21 2003-12-30 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for thermal isolation of thermal mass flow sensor
US6668641B2 (en) * 2001-12-21 2003-12-30 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for thermal dissipation in a thermal mass flow sensor
US6779394B2 (en) * 2001-12-21 2004-08-24 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for thermal management of a mass flow controller
US6813570B2 (en) * 2002-05-13 2004-11-02 Delphi Technologies, Inc. Optimized convection based mass airflow sensor circuit
US6712084B2 (en) 2002-06-24 2004-03-30 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for pressure fluctuation insensitive mass flow control
US7809473B2 (en) 2002-06-24 2010-10-05 Mks Instruments, Inc. Apparatus and method for pressure fluctuation insensitive mass flow control
CN100344941C (zh) * 2002-07-19 2007-10-24 迅捷公司 具有公共参考臂的可变电阻传感器
US7298280B2 (en) * 2003-06-06 2007-11-20 Ameriflo Inc. Lighted fluid flow indication apparatus
EP1568973A1 (en) * 2004-02-26 2005-08-31 Signal Lux MDS S.r.l. Thermal fluid flowmeter
JP4881554B2 (ja) * 2004-09-28 2012-02-22 日立オートモティブシステムズ株式会社 流量センサ
US7874208B2 (en) * 2007-10-10 2011-01-25 Brooks Instrument, Llc System for and method of providing a wide-range flow controller
US8136983B2 (en) * 2009-01-01 2012-03-20 Mahmoud Razzaghi Sensor and control system
US8196601B2 (en) * 2009-06-30 2012-06-12 Hitachi Metals, Ltd Thermal flow sensor with zero drift compensation
GB2480881B (en) 2010-06-04 2012-10-24 Servomex Group Ltd Thermal fluid flow apparatus

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3851526A (en) * 1973-04-09 1974-12-03 Tylan Corp Fluid flowmeter
US4205556A (en) * 1979-02-12 1980-06-03 Rockwell International Corporation Circuitry for strain sensitive apparatus
US4464932A (en) * 1982-07-12 1984-08-14 Mks Instruments, Inc. Thermal mass flowmetering
JPS6013220A (ja) * 1983-07-04 1985-01-23 Esutetsuku:Kk ガス流量センサ−及びその製造方法
US4548075A (en) * 1984-02-02 1985-10-22 Dresser Industries, Inc. Fast responsive flowmeter transducer
JP2631481B2 (ja) * 1987-12-08 1997-07-16 株式会社 リンテック 質量流量計とその計測方法
US5142907A (en) * 1991-04-17 1992-09-01 Mks Instruments, Inc. Constant temperature gradient fluid mass flow transducer
US5141021A (en) * 1991-09-06 1992-08-25 Stec Inc. Mass flow meter and mass flow controller

Also Published As

Publication number Publication date
KR960704212A (ko) 1996-08-31
US5461913A (en) 1995-10-31
CA2168032A1 (en) 1996-01-04
DE69523540T2 (de) 2002-06-27
EP0715710B1 (en) 2001-10-31
WO1996000376A1 (en) 1996-01-04
EP0715710A1 (en) 1996-06-12
JPH08509066A (ja) 1996-09-24
EP0715710A4 (en) 1996-09-04
DE69523540D1 (de) 2001-12-06
KR100326479B1 (ko) 2002-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2704048B2 (ja) 電流差型熱質量流量トランスデューサ
JP3022931B2 (ja) 気体マス・フロー測定システム
CA2006962C (en) Air gauge sensor
US5753815A (en) Thermo-sensitive flow sensor for measuring flow velocity and flow rate of a gas
US7054767B2 (en) Thermal mass flowmeter apparatus and method with temperature correction
US5142907A (en) Constant temperature gradient fluid mass flow transducer
CN110274648A (zh) 带有气体组分校正的气流传感器
US4845984A (en) Temperature compensation for a thermal mass flow meter
JPH04230806A (ja) 流量センサ
JP2003322658A (ja) 流速センサ
US20040089066A1 (en) Device for measuring gas flow-rate particularly for burners
US6539792B2 (en) Method and apparatus for balancing resistance
JPH09318412A (ja) 熱式流速センサ
JP3153787B2 (ja) 抵抗体による熱伝導パラメータセンシング方法及びセンサ回路
Lee et al. A new approach to enhance the sensitivity of a hot-wire anemometer and static response analysis of a variable-temperature anemometer
JP2002005717A (ja) 熱式流量センサ
JP2879256B2 (ja) 熱式流量計
KR100262225B1 (ko) 유속측정회로
JP3577902B2 (ja) 熱式流速センサ
CN115468615A (zh) 流量传感器及其整定方法、整定设备
KR20020080137A (ko) 유량 계측용 센서 및 이를 이용한 질량유량제어장치 및 방법
RU2018090C1 (ru) Массовый расходомер
KR0163621B1 (ko) 한개의 열선센서를 이용한 유동장 내의 온도 및 속도의 측정방법
JPH0516730B2 (ja)
JP3019009U (ja) 質量流量計