JP3272624B2 - 熱式流速センサ - Google Patents
熱式流速センサInfo
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Description
の熱量による温度分布の変化が流体の流速に応じて異な
ることを利用して前記流体の流速や流量を測定する熱式
流速センサに関するものである。
に開示された従来の熱式流速センサの構成を示す回路図
であり、図において、41と42は流量測定の対象とな
る流体の上流側と下流側にそれぞれ配置されたセンサ抵
抗素子、51と52は基準抵抗素子である。センサ抵抗
素子41とセンサ抵抗素子42とは直列に接続され、ま
た基準抵抗素子51と基準抵抗素子52も直列に接続さ
れており、センサ抵抗素子41、42と基準抵抗素子5
1、52とによりブリッジが構成されている。50はこ
のブリッジ回路を示している。65はこのブリッジ回路
50へ一定の電流を供給する定電流源である。43はヒ
ータ抵抗、61はヒータ抵抗43へ一定の電流を供給す
る定電流源、62はスイッチング制御回路64により開
閉されるスイッチであり、ヒータ抵抗43へ一定の電流
を間欠供給する。64はスイッチ62の開閉を制御する
スイッチング信号63を出力するスイッチング制御回路
である。図5はセンサ抵抗素子41、42やヒータ抵抗
43が埋め込まれたセンサチップの構成を示す斜視図で
あり、ヒータ抵抗43は上流側と下流側にそれぞれ配置
されたセンサ抵抗素子41とセンサ抵抗素子42との中
央に配置されている。
41とセンサ抵抗素子42との接続点aの電位と、基準
抵抗素子51と基準抵抗素子52との接続点bの電位と
の差を増幅して信号58を出力する。56は差動増幅器
53の出力をもとに流体の振動周波数を検出する周期検
出回路である。
は、スイッチング信号63により開閉するスイッチ62
を介しヒータ抵抗43へ定電流を間欠供給する。このと
き、差動増幅器53の出力が流速検出に必要な最低限レ
ベル以上になるようにヒータ抵抗43の必要最小発熱量
を確保する。スイッチング信号63のデューティ比は、
この必要最小発熱量の確保に充分な値に設定する。ま
た、定電流の間欠供給の周期は、ヒータ抵抗43の熱時
定数の2倍以下とする。この結果、流量が零の場合、セ
ンサ抵抗素子41、42の抵抗値は等しくブリッジ回路
50は平衡し差動増幅器53の出力は零となる。流量増
大により、ヒータ抵抗43の発熱により与えられた熱量
による温度分布が変化してセンサ抵抗素子42の温度が
上昇しセンサ抵抗素子41の温度が下降すると、両抵抗
値に差が生じ、ブリッジ回路50のバランスがくずれて
a点とb点との間に電位差が生じる結果、差動増幅器5
3の出力は増大する。そして、この差動増幅器53の出
力をもとに周期検出回路56で流体の振動周波数を検出
する。
は以上のように構成されているので、ヒータ抵抗43で
消費する電流が大きく、定電流源61を電池で構成した
場合には容量の大きな電池を必要とすることになるが、
電池容量は使用する電池に応じて決っている。このた
め、電池の寿命を延す目的でヒータ抵抗43へ定電流を
間欠供給する際の繰り返し周期を長くする必要がある。
この結果、差動増幅器53や周期検出回路56で行うサ
ンプリング周期も長くする。このようにサンプリングの
間隔を大きくした場合には、1回のサンプリングで計測
する流体の体積が大きくなる。そして、配管内に圧力変
動が生じており流量の変度が大きい場合に、前記長いサ
ンプリング周期で行った流量測定結果を積算して配管内
の流量を決定すると実際の流量との差が大きくなり測定
精度が落ちる課題があった。
めになされたもので、消費する電流を少なくすることで
測定のためのサンプリング周期を短くして、省電力かつ
高精度な流速の測定ができる熱式流速センサを得ること
を目的とする。
る熱式流速センサは、流体中に配置され電流を与えられ
て発熱し前記流体の流速に応じて電気的抵抗値が変化す
るセンサ素子と、このセンサ素子および基準抵抗素子を
有するフリッジ回路と、前記センサ素子の電気的抵抗値
の変化によって生じる前記ブリッジ回路の不平衡出力を
検出する差動増幅器と、この差動増幅器の出力をA−D
変換するA−D変換器と、前記ブリッジ回路及び前記A
−D変換器への電源供給をそれぞれ制御する制御手段と
を備え、前記A−D変換器は前記ブリッジ回路への電流
供給開始時に第1のサンプリング動作を所定時間実行す
ると共にその後の前記ブリッジ回路への電流供給停止直
前に第2のサンプリング動作を所定時間実行し、さらに
前記第2のサンプリング動作で得られたディジタルデー
タから前記第1のサンプリング動作で得られたディジタ
ルデータを差し引くことで補正する手段を備えたもので
ある。
説明する。 実施の形態1. 図1は、この発明の実施の形態1による熱式流速センサ
の構成を示す回路ブロック図である。図において、1と
2はセンサ抵抗素子(センサ素子)であり、センサ抵抗
素子1とセンサ抵抗素子2とは直列に接続されている。
3と4は基準抵抗素子(検出回路)であり、基準抵抗素
子3と基準抵抗素子4も直列に接続されている。そし
て、センサ抵抗素子1、2と基準抵抗素子3、4とによ
りブリッジ回路(検出回路)5が形成されている。6は
ブリッジ回路5を電源VBへ接続するためのスイッチ
(制御手段)であり、スイッチング信号S1によりオン
・オフが制御される。スイッチ6がオンの状態にあると
きには、ブリッジ回路5を電源VBへ接続する。7はブ
リッジ回路5のa点とb点との電位差を増幅して出力す
る差動増幅器(検出回路)、8は差動増幅器7の出力を
サンプル・ホールドしてディジタルデータへ変換して出
力するA−D変換器(検出回路)である。9は差動増幅
器7およびA−D変換器8の電源である定電圧回路、1
0は定電圧回路9による定電圧の発生を制御するスイッ
チ(制御手段)である。このスイッチ10はスイッチン
グ信号S2によりオン・オフが制御される。スイッチ1
0がオンの状態にあるときには、定電圧回路9は安定し
た一定の電圧を発生し差動増幅器7およびA−D変換器
8へ電源として供給し、差動増幅器7およびA−D変換
器8を動作させる。A−D変換器8では、これにより差
動増幅器7の出力をサンプリングするためのタイミング
が決定される。11はスイッチング信号S1とスイッチ
ング信号S2とを出力するスイッチング制御回路(制御
手段)である。
構成のセンサ抵抗素子1やセンサ抵抗素子2が埋め込ま
れているセンサチップである。
れるスイッチ6の動作、スイッチング信号S2により制
御されるスイッチ10の動作、A−D変換器8の動作を
示すタイミングチャートである。
は、スイッチング制御回路11により図2の(イ)に示
すサンプリング周期でオン・オフされる。スイッチ6
は、図2の(ロ)に示すように、スイッチ10がオンの
状態になってから所定の時間t1が経過した時点でオン
状態になり、その後時間t2が経過した時点でオフす
る。スイッチ10がオンの状態になることにより動作す
るA−D変換器8は、図2の(ハ)に示すサンプリング
動作を行い、図2の(ニ)のタイミングでA−D変換結
果を出力する。
子1が上流側に位置し、センサ抵抗素子2が下流側に位
置するように配管内へ固定した状態で、配管内の流体の
流速や流量の測定が行われる。スイッチング制御回路1
1は、図2の(イ)、(ロ)に示したシーケンスでスイ
ッチ6、スイッチ10のオン・オフを制御する。する
と、スイッチ10がオンの状態になってから時間t1が
経過した時点でスイッチ6がオンの状態になり、ブリッ
ジ回路5が電源VBへ接続され、センサ抵抗素子1やセ
ンサ抵抗素子2、基準抵抗素子3や基準抵抗素子4へ通
電が行われる。センサ抵抗素子1とセンサ抵抗素子2は
前記通電により発熱するが、A−D変換器8はセンサ抵
抗素子1やセンサ抵抗素子2へ通電が開始されると同時
に最初のサンプリング動作を行う。この最初のサンプリ
ング動作によりブリッジ回路5の点aと点bとの間の電
位差が増幅されて取り出される。しかし、この最初のサ
ンプリング動作では、センサ抵抗素子1とセンサ抵抗素
子2とで発生する発熱量はわずかであり、ブリッジ回路
5の点aと点bとの間の電位差は、流量に応じてほとん
ど変化しない仮想ゼロ流量出力としてA−D変換器8か
らディジタルデータP1として取り出される。
をスイッチ6がオフの状態になる直前に行う。このサン
プリング動作が行われるときには、センサ抵抗素子1お
よびセンサ抵抗素子2はほぼ時間t2の間行われてきた
通電により発熱している。この発熱によるセンサ抵抗素
子を含むセンサチップの温度分布は、流体の流量に応じ
て変化する。つまり、上流側にあるセンサ抵抗素子1は
もっぱら熱を奪われ、また下流側にあるセンサ抵抗素子
2は上流側にあるセンサ抵抗素子1で発生した発熱量に
より温められることで、センサ抵抗素子1とセンサ抵抗
素子2の抵抗値に差が生じる。この差はブリッジ回路5
の平衡を崩す方向に作用して点aと点bとの間の電位差
が生じ、差動増幅器7により増幅されて出力される。こ
の差動増幅器7の出力は、スイッチ6がオフの状態にな
る直前にA−D変換器8が行うこのサンプリング動作に
より、ディジタルデータP2に変換されて出力される。
データは、ディジタルデータP2からディジタルデータ
P1を差し引くことでディジタルデータP2のオフセッ
トが補正され、スイッチ6がオフの状態になる直前に行
ったサンプリング動作時の配管内の流速に応じたディジ
タルデータとして検出される。
ば、配管内の流速に応じて変化する温度分布を得るため
の熱源をヒータ抵抗の発熱により実現するのではなく、
センサ抵抗素子1やセンサ抵抗素子2への通電によるセ
ンサ抵抗素子1、センサ抵抗素子2の自己加熱による熱
源を利用し、この熱源による温度分布の変化を検出する
ので、前記ヒータ抵抗加熱のための消費電流がなくな
り、限られた容量の電池を電源として使用した場合で
も、前記ヒータ抵抗加熱のための消費電流がなくなった
分、測定のためのサンプリング周期を短くして、測定精
度を向上できる効果がある。
ジタルデータP2からディジタルデータP1を差し引く
ことでディジタルデータP2のオフセットを補正するの
で、流体温度、外気温度、さらにセンサ抵抗素子1、セ
ンサ抵抗素子2などへ通電を行った際に発熱量として現
われるセンサチップを含む熱特性にバラツキがあった
り、前記センサ抵抗素子1、センサ抵抗素子2を含むブ
リッジ回路5やA−D変換器8にオフセットが生じてい
ても、配管内の流量に応じた正確な測定結果を得ること
ができる。
れば、前記A−D変換器は前記フリッジ回路への電流供
給開始時に第1のサンプリング動作を所定時間実行する
と共にその後の前記ブリッジ回路への電流供給停止直前
に第2のサンプリング動作を所定時間実行するものであ
り、さらに前記第2のサンプリング動作で得られたディ
ジタルデータから前記第1のサンプリング動作で得られ
たディジタルデータを差し引くことで補正する手段を備
えるように構成したので、第1のサンプリング動作で得
られたディジタルデータを仮想ゼロ流量とみなして計測
毎に補正を行い、省電力かつ高精度な流速の測定ができ
る効果がある。
の構成を示す回路ブロック図である。
の各部の動作を示すタイミングチャートである。
に用いられるセンサチップの構成を示す斜視図である。
ク図である。
プの構成を示す斜視図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 流体中に配置され電流を与えられて発熱
し前記流体の流速に応じて電気的抵抗値が変化するセン
サ素子と、このセンサ素子および基準抵抗素子を有する
フリッジ回路と、前記センサ素子の電気的抵抗値の変化
によって生じる前記ブリッジ回路の不平衡出力を検出す
る差動増幅器と、この差動増幅器の出力をA−D変換す
るA−D変換器と、前記ブリッジ回路及び前記A−D変
換器への電源供給をそれぞれ制御する制御手段とを備え
ており、前記A−D変換器は前記ブリッジ回路への電流
供給開始時に第1のサンプリング動作を所定時間実行す
ると共にその後の前記ブリッジ回路への電流供給停止直
前に第2のサンプリング動作を所定時間実行するもの
で、さらに前記第2のサンプリング動作で得られたディ
ジタルデータから前記第1のサンプリング動作で得られ
たディジタルデータを差し引くことで補正する手段を備
える熱式流速センサ。
Priority Applications (1)
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JP00795197A JP3272624B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 熱式流速センサ |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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1997
- 1997-01-20 JP JP00795197A patent/JP3272624B2/ja not_active Expired - Fee Related
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