JP2831926B2

JP2831926B2 - 流速の測定方法及び装置

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Publication number: JP2831926B2
Application number: JP34368293A
Authority: JP
Inventors: 崎光男澤; 形明彦安
Original assignee: ESUTEMU KK
Current assignee: ESUTEMU KK
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JPH07174775A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気やその他の流体の
流速を測定するための測定方法及び装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、風速を測定する簡便な方法とし
て、発熱させた抵抗線をセンサとして使用し、これに風
を当てたときの温度の下がり具合から風速を測定する方
法、気流中においた翼車の回転数から風速を求める方
法、気流中に生じる渦を計数して風速を求める方法など
が知られている。しかしながら、これらの方法では、測
定装置が比較的複雑、高価なものになるとか、精度の良
い測定を行うことができないなどの欠点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、トランジスタの温度特性を有効に利用し、簡単で安
価な装置により精度良く流速を測定できるようにした流
速測定方法及び装置を得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の流速の測定方法は、流体の流路中に、互いに
同等の特性を有する基準用トランジスタ及び測定用トラ
ンジスタを相互に近接させて配設し、上記基準用トラン
ジスタにおけるコレクタ・エミッタ間に十分に低い値の
固定された電圧を印加すると共に、上記測定用トランジ
スタにおけるコレクタ・エミッタ間に可変電圧を印加
し、上記測定用トランジスタに流れるエミッタ電流を基
準用トランジスタに流れるエミッタ電流より大きくし、
上記両トランジスタのエミッタ電流を変化させないよう
に保持しつつ、上記測定用トランジスタのコレクタ電圧
を制御して、上記ベース・エミッタ間電圧が等しくなる
ように制御し、この時の上記制御コレクタ電圧を上記流
体の流速信号として取り出すことを特徴とするものであ
る。

【０００５】また、本発明の流速の測定装置は、流体の
流路中に相互に近接して配設される互いに同等の特性を
有する基準用トランジスタ及び測定用トランジスタと、
上記基準用トランジスタに流れるエミッタ電流を常に同
一の大きさに制御する第１のエミッタ電流制御手段と、
上記第１のエミッタ電流制御手段により制御されるエミ
ッタ電流より大きく、且つ常に同一の大きさのエミッタ
電流が測定用トランジスタに流れるように制御し、上記
測定用トランジスタのコレクタ電圧が制御された場合
に、その制御に応じて上記両トランジスタのベース・エ
ミッタ間電圧を等しくするように制御する制御手段と、
上記コレクタ電圧を可変にすることができるコレクタ電
圧可変手段とを備え、上記測定用トランジスタのコレク
タ・エミッタ間電圧を上記流体の流速信号として取り出
すことを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】上記流速測定方法及び装置においては、流体の
流路中に、互いに同等の特性を有する基準用トランジス
タ及び測定用トランジスタを相互に近接させて配設し、
上記測定用トランジスタに流れるエミッタ電流を基準用
トランジスタに流れるエミッタ電流より大きくし、そし
て、両トランジスタのエミッタ電流を変化させないよう
に保持しながら、上記測定用トランジスタのコレクタ電
圧を制御すると、この制御により、両トランジスタのベ
ース・エミッタ間電圧が等しくなれば、上記制御コレク
タ電圧と流体の流速との間に一定の関係を有することよ
り、このコレクタ電圧を流体の流速信号として取り出す
ことができ、簡単な方法により確実且つ精度良く流速を
測定できる。

【０００７】

【実施例】一般に、トランジスタのベース・エミッタ間
電圧は、接合部温度が一定ならばエミッタ電流値の対数
関数で表され、且つ絶対温度に比較して小さい温度変化
範囲においては、上記電圧がエミッタ電流一定の条件下
で温度に対し負の直線的関係にある。本発明に係る流速
測定装置は、このような性質を有効に利用するものであ
り、図１にその第１実施例の回路図を示している。

【０００８】同図の測定装置は、流速を測定しようとす
る流体の流路中に実質的に同等の条件で相互に近接して
配設される互いに同等の特性を有する基準用トランジス
タ１及び測定用トランジスタ２を備えると共に、第１の
エミッタ電流制御手段としての増幅器Ａ₁₁と、制御手段
としての増幅器Ａ₁₂及び増幅器Ａ₁₃と、第１ないし第３
の比較要素３〜５と、抵抗Ｒ₁ 及びＲ₂ と、可変コレク
タ電圧器６とを有している。

【０００９】基準用トランジスタ１のエミッタは、抵抗
Ｒ₁ を介して接地され、そのコレクタは、十分に低い一
定の電圧Ｖ_C1を印加する固定コレクタ電圧源に接続さ
れ、また、そのベースは、増幅器Ａ₁₁、及び第１比較要
素３を介して基準電圧源Ｖ_r に接続されている。そし
て、この比較要素３の入力側には、上記基準電圧源Ｖ_r
のみならず、上記トランジスタ１のエミッタが接続され
ている。上記増幅器Ａ₁₁は、トランジスタ１に流れるエ
ミッタ電流Ｉ₁ を一定値に制御する機能を有するもので
あり、この増幅器Ａ₁₁には、上記比較要素３における基
準電圧源Ｖ_r と上記トランジスタ１のエミッタ電圧Ｉ₁・
Ｒ₁ との加減演算の出力電圧が印加される。

【００１０】一方、測定用トランジスタ２のエミッタ
は、上記抵抗Ｒ₁ より小さい抵抗値を有する抵抗Ｒ₂ を
介して接地され、そのコレクタは、コレクタ電圧源Ｖ_c2
を調整可能にする可変コレクタ電圧器６に接続され、ま
た、そのベースは増幅器Ａ₂₁及び第２比較要素４を介し
て基準電圧源Ｖ_r に接続されている。そして、この比較
要素４の入力側には、上記基準電圧源Ｖ_r のみならず、
上記トランジスタ２のエミッタが接続されている。上記
増幅器Ａ₂₁は、トランジスタ２に流れるエミッタ電流Ｉ
₂ を上記電流Ｉ₁より大きい一定電流値に制御する機能
を有するものであり、この増幅器Ａ₂₁には上記比較要素
４における基準電圧Ｖ_r と上記トランジスタ２のエミッ
タ電圧Ｉ₂・Ｒ₂ との加減演算の出力電圧が印加される。

【００１１】また、測定用トランジスタ２のコレクタ
は、上記増幅器Ａ₁₃、及び第３比較要素５を介して上記
トランジスタ１及び２のベースにそれぞれ接続されてい
る。上記増幅器Ａ₁₃は、トランジスタ１及び２のベース
・エミッタ間電圧の双方が等しくなるように制御する機
能を有するものであり、この増幅器Ａ₁₃には、上記比較
要素５におけるトランジスタ１及び２のベース・エミッ
タ間電圧の加減演算の出力電圧が印加される。

【００１２】次に、本実施例に係る流速の測定方法を図
１を参照して説明する。この測定方法は、前述したよう
に、一般に、トランジスタのベース・エミッタ間電圧
は、接合部温度が一定ならばエミッタ電流値の対数関数
で表され、且つ絶対温度に比較して小さい温度変化範囲
においては、上記電圧がエミッタ電流一定の条件下で温
度に対し負の直線的関係にある、という性質を利用する
ものである。

【００１３】このような性質を利用して、流体の流路中
に、センサとして、互いに同等の特性を有する基準用ト
ランジスタ１及び測定用トランジスタ２を相互に近接さ
せて配設すると共に、このトランジスタ１、２における
ベース・エミッタ間に所要の電圧Ｖ_BE1 、Ｖ_BE2 （Ｖ
_BE1 ＜Ｖ_BE2 ）をそれぞれ印加して、これらのトランジ
スタ１、２に一定のエミッタ電流Ｉ₁ 、Ｉ₂ （Ｉ₁ ＜Ｉ
₂ ）がそれぞれ流れるように制御する。このときに、両
トランジスタ１、２が同一温度であると、上記温度範囲
では、その温度の如何にかかわらず、上記電圧Ｖ_BE1 と
Ｖ_BE2 との電位差（Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)は一定に保持され
る。

【００１４】図１を参照しつつ、具体的に説明する。
尚、上記増幅器Ａ₁₁、増幅器Ａ₁₂及び増幅器Ａ₁₃の増幅
率を、それぞれ、Ｋ₁,Ｋ₂ 及びＫ₃ とし、これらの値
は、十分大きいものとする（Ｋ₁,Ｋ₂,Ｋ₃ ≫１）。

【００１５】まず、トランジスタ１及び２についての消
費電力をＰ₁,Ｐ₂ とすると、それぞれ下記関係がある。Ｐ₁ ＝Ｖ_CE1・Ｉ₁ Ｐ₂ ＝Ｖ_CE2・Ｉ₂ 尚、上記Ｖ_CE1 及びＶ_CE2 は、それぞれトランジスタ１
及び２のエミッタ・コレクタ間電圧である。

【００１６】また、トランジスタ１及び２並びに増幅器
Ａ₁₁、Ａ₁₂及Ａ₁₃びには、それぞれ下記関係がある。Ｉ₁・Ｒ₁ ＝ (Ｋ₁・Ｖ_r −Ｖ_BE1)/(１＋Ｋ₁) Ｖ_C1 ＝Ｖ_CE1 ＋ (Ｋ₁・Ｖ_r −Ｖ_BE1)/(１＋Ｋ₁) Ｉ₂・Ｒ₂ ＝( Ｋ₂・Ｖ_r −Ｖ_BE2)/(１＋Ｋ₂) Ｖ_c2 ＝Ｖ_CE2 ＋ (Ｋ₂・Ｖ_r −Ｖ_BE2)/(１＋Ｋ₂) 及びＶ_c2 ＝Ｋ₃(−Ｋ₁(Ｖ_r −Ｉ₁・Ｒ₁)＋Ｋ₂(Ｖ_r −Ｉ₂・Ｒ₂)) 上記の関係から、増幅率Ｋ₁ 及びＫ₂ が十分大きけれ
ば、上記増幅器Ａ₁₁及びＡ₁₂により、トランジスタ１及
び２のそれぞれに、一定値のエミッタ電流Ｉ₁ ，Ｉ₂
（Ｉ₁ ＜Ｉ₂ ）を流すように制御できる。

【００１７】更に、上記関係から、トランジスタ１及び
２の消費電力の差は、Ｐ₂ −Ｐ₁ ＝Ｖ_CE2・Ｉ₂ −Ｖ_CE1・Ｉ₁ となる。ここで、両トランジスタ１及び２を同一の温度
にそれぞれ発熱させている場合には、この消費電力の差
は、零となる。

【００１８】次に、上記増幅率の値をＫ₁ ＝Ｋ₂ ＝Ｋ₃
＝Ｋとして、上式を整理すれば、Ｐ₂ −Ｐ₁ ＝Ｋ・Ｉ₂(Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)−Ｖ_r・Ｉ₂ − (Ｖ_C1−Ｖ_r)・Ｉ₁ ＝Ｋ・Ｉ₂・Ｃ・Log(Ｉ₂/Ｉ₁)−Ｖ_r・Ｉ₂ − (Ｖ_C1- Ｖ_r)・Ｉ₁ となる。尚、Ｋ₁,Ｋ₂,Ｋ₃ ≫１の条件の下では、Ｋ＝Ｋ
₁ ＝Ｋ₂ ＝Ｋ₃ としても一般性は失われない。また、Ｃ
は、温度一定の下では、定数となる。上式は、消費電力
の差 (Ｐ₂ - Ｐ₁)とベース・エミッタ間の電圧差 (Ｖ
_BE2 −Ｖ_BE1)とが、直線関係にあることを意味してい
る。

【００１９】このような関係を考慮すると共に、上述し
たように、ベース・エミッタ間の電圧が、所定条件下
で、温度に対し負の直線関係あることを考慮して、次の
ような制御を行う。即ち、上記可変コレクタ電圧器６に
より測定用トランジスタ２のコレクタ電圧Ｖ_C2を制御し
て、このトランジスタ２のエミッタ・コレクタ間電圧Ｖ
_CE2 を変化させる。そして、この電圧Ｖ_CE2 を変化させ
ることにより、トランジスタ２の発熱温度を上昇させ、
トランジスタ１と２と間に上記範囲内で一定値△Ｔだけ
温度差を生ずるようにすることを目的に、上記増幅器Ａ
₁₃に、両トランジスタのベース・エミッタ間の電圧差
(Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)が零になるように制御させる。このよ
うに、電圧差 (Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)を零に制御することは、
両トランジスタ１、２が同一温度であったときの、この
トランジスタ１及び２間に生じていた電圧差 (Ｖ_BE2 −
Ｖ_BE1)に相当した温度差△Ｔを、トランジスタ１と２と
間に生ぜしめる、ことを意味する。

【００２０】一方、上記消費電力差は、物理学の法則に
よれば、下記のような関係がある。Ｐ₂ - Ｐ₁ ∝ Ｃ_P・ρＳＦ・△Ｔ ∝ Ｃ_P・ρＳＦ・(△Ｔ／ (Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1))・ (Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1) ∝ Ｃ_P・ρＳＦ・(△Ｔ／ (Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1))・Ｃ・Log (Ｉ₂/Ｉ₁) ここで、Ｃ_P は流体の低圧比熱、ρは流体の密度、Ｓは
流体が横切る面積であり、これらはほぼ一定と見做すこ
とができる。Ｆは流体の流速である。また、上記温度範
囲においては、 (Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)／△Ｔ＝∂Ｖ_BE／∂Ｔ
が、一定値になることを考慮すれば、上式から、一定流
速の下では、 (Ｐ₂ - Ｐ₁)と(Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)とは、直
線関係にあり、これは、本装置の構成より得られる上記
関係と一致する。

【００２１】そして、更に、上式から、エミッタ電流Ｉ
₁ 及びＩ₂ を一定に保持する限り、消費電力の差 (Ｐ₂
−Ｐ₁)と流体の流速Ｆとは直線関係にあるといえる。し
たがって、エミッタ電流Ｉ₁ 及びＩ₂ を一定とする条件
下で、コレクタ電圧Ｖ_c2を測定すれば、流体の流速Ｆを
決定することができるのである。

【００２２】図３〜図６は、上記関係につき、本装置を
用いて求めた試験結果をグラフ表示したものであり、種
々のエミッタ電流Ｉ₁ 及びＩ₂ 等について、これらの値
を一定に保持しつつ、流体の流速Ｆとエミッタ・コレク
タ間電圧Ｖ_CE2 や消費電力の差 (Ｐ₂ - Ｐ₁)との関係を
示したものである。尚、同図において、流体の流速が遅
い領域、即ち層流領域では、これらの関係が非線形にな
っており、この装置は、特に、所謂乱流領域において、
確実且つ精度の良い流速測定に適しているといえる。

【００２３】図２は、本発明の第２実施例に係る流速の
測定装置の回路図であり、図１と同一要素には同一符号
が付されている。図２の第２実施例が、図１の第１実施
例と異なる点は、上記増幅器Ａ₁₁を第１のエミッタ電流
制御手段としての増幅器Ａ₂₁に、上記増幅器Ａ₁₂及びＡ
₁₃を制御手段としての増幅器Ａ₂₂に、また上記比較要素
４及び５を第４比較要素７に代えて構成したことにあ
る。尚、以下の説明では、図１と異なる要素についての
み行い、同一要素についてはその説明を省略する。

【００２４】図２に示す第２実施例では、トランジスタ
１及び２のベースが互いに接続され、増幅器Ａ₂₂の出力
側にはトランジスタ２のコレクタが、その入力側には比
較要素７を介してトランジスタ１及び２のエミッタが、
それぞれ接続されている。増幅器Ａ₂₂は、上記増幅器Ａ
₁₂及びＡ₁₃の機能を合わせ持つものであり、これは、比
較要素７におけるトランジスタ１及び２のエミッタ電圧
の加減演算の結果に基づいて、トランジスタ２に流れる
エミッタ電流Ｉ₂ をエミッタ電流Ｉ₁ より大きい一定電
流値に制御すると共に、トランジスタ１及び２のベース
・エミッタ間電圧の双方が等しくなるように制御するも
のである。尚、増幅器Ａ₂₁は、トランジスタ１に流れる
エミッタ電流Ｉ₁ を一定値に制御する機能を有し、前述
した第１実施例における増幅器Ａ₁₁と同様の機能を有す
るものである。

【００２５】このような構成において、上述したのと同
様な諸関係が成立するが、ここでは、その結果について
のみ記述する。Ｐ₂ - Ｐ₁ ＝Ｖ_CE2・Ｉ₂ - Ｖ_CE1・Ｉ₁ ＝Ｋ₄・Ｉ₂(Ｖ_BE2 −Ｖ_BE1)- Ｉ₂ ²・Ｒ₂ - Ｖ_CE1・Ｉ₁ ＝Ｋ₄・Ｉ₂・Ｃ・Log (Ｉ₂/Ｉ₁)- Ｉ₂ ²・Ｒ₂ - Ｖ_CE1・Ｉ₁ 但し、Ｋ₄ は、増幅器Ａ₂₂の増幅率である。増幅率Ｋ₁
が十分大きければ、Ｖ_CE1 は一定値 (Ｖ_C1- Ｖ_r)に制御
できるので、上式から、 (Ｐ₂ - Ｐ₁)と (Ｖ_BE2 −Ｖ
_BE1)とは直線関係にあり、これらの関係は、上述した第
１実施例と全く同一である。

【００２６】従って、本実施例に係る装置は、上述した
第１実施例に係る装置に比べて、より簡素化されもので
あり、このような簡素化された装置によっても、上述し
た方法を用いて流体の流速Ｆを測定することができる。
尚、本実施例に係る流速の測定方法は、上述した第１実
施例に係る測定方法と同一であるので、その説明につい
ては割愛する。

【００２７】

【発明の効果】このように、本発明の流速の測定方法及
び装置によれば、簡単な方法及び装置により確実且つ精
度良く流体の流速を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る流速の測定装置の回
路図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る流速の測定装置の回
路図である。

【図３】エミッタ電流比Ｉ₁/Ｉ₂ ＝１．４５における流
体の流速Ｆとエミッタ・コレクタ間電圧Ｖ_CE2 との関係
を示すグラフである。

【図４】同エミッタ電流比における流体の流速Ｆと消費
電力の差 (Ｐ₂ - Ｐ₁)との関係を示すグラフである。

【図５】エミッタ電流比Ｉ₁/Ｉ₂ ＝１．３５における流
体の流速Ｆとエミッタ・コレクタ間電圧Ｖ_CE2 との関係
を示すグラフである。

【図６】同エミッタ電流比における流体の流速Ｆと消費
電力の差 (Ｐ₂ - Ｐ₁)との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１基準用トランジスタ２測定用トランジスタ３第１比較要素４第２比較要素５第３比較要素６可変コレクタ電圧器７第４比較要素Ａ₁₁、Ａ₁₂、Ａ₁₃ 増幅器Ａ₂₁、Ａ₂₂ 増幅器Ｉ₁ 、Ｉ₂ エミッタ電流

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流路中に、互いに同等の特性を有す
る基準用トランジスタ及び測定用トランジスタを相互に
近接させて配設し、上記基準用トランジスタにおけるコレクタ・エミッタ間
に十分に低い値の固定された電圧を印加すると共に、上
記測定用トランジスタにおけるコレクタ・エミッタ間に
可変電圧を印加し、上記測定用トランジスタに流れるエミッタ電流を基準用
トランジスタに流れるエミッタ電流より大きくし、上記両トランジスタのエミッタ電流を変化させないよう
に保持しつつ、上記測定用トランジスタのコレクタ電圧
を制御して、上記ベース・エミッタ間電圧が等しくなる
ように制御し、この時の上記制御コレクタ電圧を上記流
体の流速信号として取り出す、ことを特徴とする流速の
測定方法。
【請求項２】流体の流路中に相互に近接して配設される
互いに同等の特性を有する基準用トランジスタ及び測定
用トランジスタ；上記基準用トランジスタに流れるエミ
ッタ電流を常に同一の大きさに制御する第１のエミッタ
電流制御手段；上記第１のエミッタ電流制御手段により
制御されるエミッタ電流より大きく、且つ常に同一の大
きさのエミッタ電流が測定用トランジスタに流れるよう
に制御し、上記測定用トランジスタのコレクタ電圧が制
御された場合に、その制御に応じて上記両トランジスタ
のベース・エミッタ間電圧を等しくするように制御する
制御手段；上記コレクタ電圧を可変にすることができる
コレクタ電圧可変手段；を備え、上記測定用トランジス
タのコレクタ・エミッタ間電圧を上記流体の流速信号と
して取り出すことを特徴とする流速の測定装置。