JP3282773B2 - 熱式流量計 - Google Patents
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- G—PHYSICS
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- 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
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- G01F1/6842—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow with means for influencing the fluid flow
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、管路中を流れる流体の
流量を計測する流量計に関する。さらに詳細には、乱流
が発生する個所においても正確な流量を計測することが
できるようにした流量計に関する。
流量を計測する流量計に関する。さらに詳細には、乱流
が発生する個所においても正確な流量を計測することが
できるようにした流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】管内を流れる流体の流量を計測する場
合、流速分布が既知のパターンになるよう流れを層流状
態または発達した乱流状態にし、ある一点の流速を測定
し、その値および流速分布パターンならびに断面積に基
づいて、流量値を算出している。管内の流体の流れを層
流状態または発達した乱流状態にするためには、通常、
流量計を挿入する部分の形状が管の直径の１０倍以上の
長さを持つ直管部であることが必要となる。しかし、空
気やガスの導管または冷媒や冷却水の導管など機器の付
属管内を流れる流体の流量を計測する場合、管が直径の
１０倍以上の長さを持つ直管部を持つことはほとんどな
く、層流状態または発達した乱流状態を得ることは困難
であり、上記のような方法によって正確な流量を検出す
ることは困難であった。
合、流速分布が既知のパターンになるよう流れを層流状
態または発達した乱流状態にし、ある一点の流速を測定
し、その値および流速分布パターンならびに断面積に基
づいて、流量値を算出している。管内の流体の流れを層
流状態または発達した乱流状態にするためには、通常、
流量計を挿入する部分の形状が管の直径の１０倍以上の
長さを持つ直管部であることが必要となる。しかし、空
気やガスの導管または冷媒や冷却水の導管など機器の付
属管内を流れる流体の流量を計測する場合、管が直径の
１０倍以上の長さを持つ直管部を持つことはほとんどな
く、層流状態または発達した乱流状態を得ることは困難
であり、上記のような方法によって正確な流量を検出す
ることは困難であった。
【０００３】このように、十分な長さの直管部を得られ
ない場合の流量の計測には、流速分布に依存せずに流量
を検出することが可能な湿式流量計や膜式メータなどの
体積式流量計を用いるか、または、複数の流量計を組み
合わせることによって流速分布の変化による出力の変動
を抑える相関式流量計を用いて行うことが多かった。
ない場合の流量の計測には、流速分布に依存せずに流量
を検出することが可能な湿式流量計や膜式メータなどの
体積式流量計を用いるか、または、複数の流量計を組み
合わせることによって流速分布の変化による出力の変動
を抑える相関式流量計を用いて行うことが多かった。
【０００４】しかしながら、体積式流量計は直管部を必
要としないが、その構造上の特徴から、１）応答速度が
遅く、２）圧力損失が大きく、３）既存の管に組み込む
ことが難しい、という欠点を持ち使用範囲が限られる。
また、一般の相関式流量計の場合、出力の平均化処理や
相関信号の算出などのための複雑な信号処理装置が必要
となる。
要としないが、その構造上の特徴から、１）応答速度が
遅く、２）圧力損失が大きく、３）既存の管に組み込む
ことが難しい、という欠点を持ち使用範囲が限られる。
また、一般の相関式流量計の場合、出力の平均化処理や
相関信号の算出などのための複雑な信号処理装置が必要
となる。
【０００５】優れた相関式流量計として、特公昭６０−
７２０７号公報に開示されているピトー管式流量計があ
る。図１６（ａ）は、このピトー管式流量計の構造を示
す一部破断斜視図であり、図１６（ｂ）は、そのＢ−Ｂ
線の断面図である。この流量計は、高圧管９１と低圧管
９２からなるピトー管９０から構成されており、このピ
トー管９０は中空の鞘９３の内側空間に納められてい
る。ピトー管の高圧管９１の先端には高圧ポート９４が
開口しており、低圧管の先端には低圧ポート９５が開口
している。低圧ポート９５は、このピトー管が挿入され
る導管の軸線上に位置している。鞘９３には複数の上流
側ポート９６が設けられており、このポート９６によっ
て検出された流体圧力が平均化されて高圧管９１の高圧
ポート９４に加えられる。したがって、このピトー管を
用いた流量計は出力のＳ／Ｎ比を単一のピトー管よりも
著しく向上させることができる。そして、この流量計を
用いると、直管部が管の直径の数倍程度であっても安定
した出力を得ることができる。
７２０７号公報に開示されているピトー管式流量計があ
る。図１６（ａ）は、このピトー管式流量計の構造を示
す一部破断斜視図であり、図１６（ｂ）は、そのＢ−Ｂ
線の断面図である。この流量計は、高圧管９１と低圧管
９２からなるピトー管９０から構成されており、このピ
トー管９０は中空の鞘９３の内側空間に納められてい
る。ピトー管の高圧管９１の先端には高圧ポート９４が
開口しており、低圧管の先端には低圧ポート９５が開口
している。低圧ポート９５は、このピトー管が挿入され
る導管の軸線上に位置している。鞘９３には複数の上流
側ポート９６が設けられており、このポート９６によっ
て検出された流体圧力が平均化されて高圧管９１の高圧
ポート９４に加えられる。したがって、このピトー管を
用いた流量計は出力のＳ／Ｎ比を単一のピトー管よりも
著しく向上させることができる。そして、この流量計を
用いると、直管部が管の直径の数倍程度であっても安定
した出力を得ることができる。
【０００６】しかしながら、このピトー管式流量計の場
合、構造的に平均化がなされることから複雑な信号処理
装置を必要としないが、ピトー管式流量計の構造に基づ
く、１）流量計測範囲が狭く、２）応答速度が遅く、
３）高価であり、４）電気的な出力信号を得るには極め
て高価な差圧発振器が必要となる、という欠点を依然と
して持っている。
合、構造的に平均化がなされることから複雑な信号処理
装置を必要としないが、ピトー管式流量計の構造に基づ
く、１）流量計測範囲が狭く、２）応答速度が遅く、
３）高価であり、４）電気的な出力信号を得るには極め
て高価な差圧発振器が必要となる、という欠点を依然と
して持っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、乱流が発生するような既存の管
路に組み込むことができ、流量計測範囲が広く、応答速
度が速く、安価であり、かつ、流体の圧力損失が小さい
流量計を提供することを目的とする。
に鑑みなされたもので、乱流が発生するような既存の管
路に組み込むことができ、流量計測範囲が広く、応答速
度が速く、安価であり、かつ、流体の圧力損失が小さい
流量計を提供することを目的とする。
【０００８】上記目的を達成するために、本発明の熱式
流量計は、半導体基板にヒータを形成した素子からなる
熱式流速検出素子を基板上に複数個並べた熱式流速検出
器と、前記熱式流速検出素子に電力を印加する電源と、
供給される電力に基づいて流量を算出する演算手段から
構成するとともに、熱式流速検出器の基板の厚さを位置
によって変化させた。さらに、本発明は、熱式流速検出
器の基板の流れに平行な断面形状を流線型状とした。
流量計は、半導体基板にヒータを形成した素子からなる
熱式流速検出素子を基板上に複数個並べた熱式流速検出
器と、前記熱式流速検出素子に電力を印加する電源と、
供給される電力に基づいて流量を算出する演算手段から
構成するとともに、熱式流速検出器の基板の厚さを位置
によって変化させた。さらに、本発明は、熱式流速検出
器の基板の流れに平行な断面形状を流線型状とした。
【０００９】さらに、本発明は、半導体基板にヒータを
形成した素子からなる熱式流速検出素子を基板上に複数
個並べた熱式流速検出器と、前記熱式流速検出素子に電
力を印加する電源と、供給される電力に基づいて流量を
算出する演算手段からなる熱式流量計において、熱式流
速検出器の基板の流れに平行な幅を位置によって変化さ
せた。
形成した素子からなる熱式流速検出素子を基板上に複数
個並べた熱式流速検出器と、前記熱式流速検出素子に電
力を印加する電源と、供給される電力に基づいて流量を
算出する演算手段からなる熱式流量計において、熱式流
速検出器の基板の流れに平行な幅を位置によって変化さ
せた。
【００１０】また、本発明は、熱式流速検出素子を並列
に接続するとともに、電源を定電圧源とし、流量を検出
する手段を、熱式流速検出手段に直列に接続された抵抗
の電圧降下に基づいて流量を演算する手段とした。
に接続するとともに、電源を定電圧源とし、流量を検出
する手段を、熱式流速検出手段に直列に接続された抵抗
の電圧降下に基づいて流量を演算する手段とした。
【００１１】また、本発明は、熱式流速検出素子を直列
に接続するとともに、電源を定電流源とし、流量を検出
する手段を、直列に接続された熱式流速検出手段の電圧
降下に基づいて流量を演算する手段とした。
に接続するとともに、電源を定電流源とし、流量を検出
する手段を、直列に接続された熱式流速検出手段の電圧
降下に基づいて流量を演算する手段とした。
【００１２】本発明は、複数個の流速検出手段の出力に
基づいて流量を演算するようにしたので、乱流状態の流
体の流量を検出することができる。
基づいて流量を演算するようにしたので、乱流状態の流
体の流量を検出することができる。
【００１３】
【実施例】以下、図を用いて本発明の熱式流量計の構成
を説明する。本発明に係る流量計は、半導体微細加工技
術を用いて大量生産される熱式流速検出素子を用いるこ
とを特徴とする。熱式流速検出素子としては、この出願
の出願人が平成６年８月１２日に出願（平成６年特許願
第１９０３１９号）した、「熱式マイクロフローセンサ
およびその製造方法」の発明がある。この熱式マイクロ
フローセンサ（熱式流速検出素子）は、図３に示すよう
に、シリコンなどの半導体基板４１の表面に設けた保護
膜４２の上にポリシリコンからなるヒータ線４３を熱絶
縁構造４５を介して設けて構成される。この熱式流速検
出素子４は、ヒータ線４３を配列することによって構成
される平面を流れに平行に配置し、熱を流体に伝達して
ヒータ線の抵抗値が低下する特性を利用して流量を計測
するものである。ヒータ線４３の端部にはコンタクトパ
ッド４４が設けられている。
を説明する。本発明に係る流量計は、半導体微細加工技
術を用いて大量生産される熱式流速検出素子を用いるこ
とを特徴とする。熱式流速検出素子としては、この出願
の出願人が平成６年８月１２日に出願（平成６年特許願
第１９０３１９号）した、「熱式マイクロフローセンサ
およびその製造方法」の発明がある。この熱式マイクロ
フローセンサ（熱式流速検出素子）は、図３に示すよう
に、シリコンなどの半導体基板４１の表面に設けた保護
膜４２の上にポリシリコンからなるヒータ線４３を熱絶
縁構造４５を介して設けて構成される。この熱式流速検
出素子４は、ヒータ線４３を配列することによって構成
される平面を流れに平行に配置し、熱を流体に伝達して
ヒータ線の抵抗値が低下する特性を利用して流量を計測
するものである。ヒータ線４３の端部にはコンタクトパ
ッド４４が設けられている。
【００１４】この半導体微細加工技術を用いて大量生産
される熱式流速検出素子１は、例えば、流速が０．００
５〜４０ｍ／ｓの範囲の３．５桁以上にわたる広い流量
計測範囲を持ち、ミリ秒（ｍｓ）オーダーの短い時間で
応答し、２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍ程度の微小領域に
製作することが可能で、数ｍＷ程度の低消費電力で駆動
することができ、大量生産した場合数十円以下の低価格
で製造されるものである。本発明では、この熱式流速検
出素子を複数個組み合わせて、管の直径の数倍以下の長
さの直管部しかもたない場所でも流量を測定できる流量
計を提供することができる。
される熱式流速検出素子１は、例えば、流速が０．００
５〜４０ｍ／ｓの範囲の３．５桁以上にわたる広い流量
計測範囲を持ち、ミリ秒（ｍｓ）オーダーの短い時間で
応答し、２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍ程度の微小領域に
製作することが可能で、数ｍＷ程度の低消費電力で駆動
することができ、大量生産した場合数十円以下の低価格
で製造されるものである。本発明では、この熱式流速検
出素子を複数個組み合わせて、管の直径の数倍以下の長
さの直管部しかもたない場所でも流量を測定できる流量
計を提供することができる。
【００１５】図１および図２は、本発明に係る熱式流量
計の第１の実施例の構成を模式的に示しており、図１は
斜視図を、図２はその断面の一部を示している。この実
施例の熱式流量計は、図３に示される熱式流速検出素子
４を直線上に複数個並べるとともにこれらの素子を並列
接続して構成された熱式流速検出器１と、電源および演
算手段ならびに表示手段からなる信号処理部８から構成
されている。
計の第１の実施例の構成を模式的に示しており、図１は
斜視図を、図２はその断面の一部を示している。この実
施例の熱式流量計は、図３に示される熱式流速検出素子
４を直線上に複数個並べるとともにこれらの素子を並列
接続して構成された熱式流速検出器１と、電源および演
算手段ならびに表示手段からなる信号処理部８から構成
されている。
【００１６】熱式流速検出器１は、鋼や不錆鋼などの硬
質材料からなる支持部材２と、該支持部材に支持された
ガラス基板３と、該ガラス基板に貼り付けられた複数個
の熱式流速検出素子４と、該検出器を設置するときに作
業者が検出素子の表面に触れることを防ぐための保護カ
バー５と、該検出素子と保護カバーの間に流体の流路を
形成するための間隔保持部材６と、前記ガラス基板の上
に設けられた流体の温度を検出するための温度検出素子
７とから構成される。ガラス基板３の表面には、例え
ば、蒸着によって形成された金薄膜をフォトリソグラフ
ィおよびエッチングによってエッチングして形成した配
線パターン３１および配線パターン側接続パッド３２な
らびに接続端子用パッド３３が設けられている。各熱式
流速検出素子４のコンタクトパッド４６と前記配線パタ
ーン側接続パッド３２とは金線４６で接続されている。
さらに、ガラス基板３の表面には、温度検出素子用のパ
ッド３４が設けられている。前記がラス基板３はガラス
以外の他の不導体物質から構成することもできる。
質材料からなる支持部材２と、該支持部材に支持された
ガラス基板３と、該ガラス基板に貼り付けられた複数個
の熱式流速検出素子４と、該検出器を設置するときに作
業者が検出素子の表面に触れることを防ぐための保護カ
バー５と、該検出素子と保護カバーの間に流体の流路を
形成するための間隔保持部材６と、前記ガラス基板の上
に設けられた流体の温度を検出するための温度検出素子
７とから構成される。ガラス基板３の表面には、例え
ば、蒸着によって形成された金薄膜をフォトリソグラフ
ィおよびエッチングによってエッチングして形成した配
線パターン３１および配線パターン側接続パッド３２な
らびに接続端子用パッド３３が設けられている。各熱式
流速検出素子４のコンタクトパッド４６と前記配線パタ
ーン側接続パッド３２とは金線４６で接続されている。
さらに、ガラス基板３の表面には、温度検出素子用のパ
ッド３４が設けられている。前記がラス基板３はガラス
以外の他の不導体物質から構成することもできる。
【００１７】接続端子用パッド３３および温度検出用パ
ッド３４は、図示を省略した既知のコネクタを有する接
続線９を介して信号処理部８へ接続されている。
ッド３４は、図示を省略した既知のコネクタを有する接
続線９を介して信号処理部８へ接続されている。
【００１８】熱式流速検出器１の設置例を、図４に示
す。熱式流速検出器１が設置されるガス配管路は、７Ｋ
ｇ／ｃｍ2ゲージのガスが供給される高圧導管５１と、
この入り側ガス圧を２３０ｍｍ水柱ゲージに減圧する整
圧器５２と、整圧器５２の出側に接続された１００ｍｍ
径で７５０ｍｍ長の導管５３と、一方が導管５３に接続
された２００ｍｍ径で２７５０ｍｍ長の導管５４と、一
方が導管５４に接続された３００ｍｍ径の導管５５から
構成される。熱式流速検出器１は、導管５３の１００ｍ
ｍ径から２００ｍｍ径に拡大された点から３００ｍｍの
点にあけた小孔から導管５４の管路中に径方向に渡って
挿入されて設置される。熱式流速検出器１は、各検出素
子４の表面が流体の流れ方向と平行になるように挿入配
置される。この設置点では、ガス流は複雑な乱流を形成
している。
す。熱式流速検出器１が設置されるガス配管路は、７Ｋ
ｇ／ｃｍ2ゲージのガスが供給される高圧導管５１と、
この入り側ガス圧を２３０ｍｍ水柱ゲージに減圧する整
圧器５２と、整圧器５２の出側に接続された１００ｍｍ
径で７５０ｍｍ長の導管５３と、一方が導管５３に接続
された２００ｍｍ径で２７５０ｍｍ長の導管５４と、一
方が導管５４に接続された３００ｍｍ径の導管５５から
構成される。熱式流速検出器１は、導管５３の１００ｍ
ｍ径から２００ｍｍ径に拡大された点から３００ｍｍの
点にあけた小孔から導管５４の管路中に径方向に渡って
挿入されて設置される。熱式流速検出器１は、各検出素
子４の表面が流体の流れ方向と平行になるように挿入配
置される。この設置点では、ガス流は複雑な乱流を形成
している。
【００１９】図５に、回路構成の例を示す。この例は、
熱式流速検出素子４−１〜４−ｎを並列に接続した場合
の回路構成を示している。信号処理部８は、定電圧源８
１と、演算回路８２と、表示部８３と、電圧検出用抵抗
８４とを有している。各素子４のヒータ線４３には、定
電圧源８１の出力電圧Ｖｃが電圧検出用抵抗８４を介し
て印加される。電圧検出用抵抗８４に流れる電流Ｉは、
次式（１）で示され、ヒータ線４３−１〜４３−ｎの合
成抵抗をｒ´で示すと、該抵抗８４の両端に現われる電
圧Ｖｓは、次式（２）で示される。
熱式流速検出素子４−１〜４−ｎを並列に接続した場合
の回路構成を示している。信号処理部８は、定電圧源８
１と、演算回路８２と、表示部８３と、電圧検出用抵抗
８４とを有している。各素子４のヒータ線４３には、定
電圧源８１の出力電圧Ｖｃが電圧検出用抵抗８４を介し
て印加される。電圧検出用抵抗８４に流れる電流Ｉは、
次式（１）で示され、ヒータ線４３−１〜４３−ｎの合
成抵抗をｒ´で示すと、該抵抗８４の両端に現われる電
圧Ｖｓは、次式（２）で示される。
【００２０】
【数１】 すなわち、抵抗８４の両端に現われる電圧Ｖｓは、ヒー
タ線４３−１〜４３−ｎの合成抵抗ｒ´の変化に依存し
た出力が得られる。この回路構成によれば、各流速検出
素子４−１〜４−ｎのヒータ線４３−１〜４３−ｎのい
ずれかが断線した場合でも、合成抵抗値を補正すること
によって、測定を継続することができる。
タ線４３−１〜４３−ｎの合成抵抗ｒ´の変化に依存し
た出力が得られる。この回路構成によれば、各流速検出
素子４−１〜４−ｎのヒータ線４３−１〜４３−ｎのい
ずれかが断線した場合でも、合成抵抗値を補正すること
によって、測定を継続することができる。
【００２１】各熱式流速検出素子４−１〜４−ｎのヒー
タ線４３−１〜４３−ｎ部分が例えば１００℃程度に昇
温されるよう、各流速検出素子４−１〜４−ｎには一定
電圧Ｖｃが印加される。流体の流れに接したヒータ線４
３−１〜４３−ｎから熱が奪われてヒータ線の温度が低
下すると、ヒータ線の合成抵抗値が低下し、各検出素子
を流れる電流値が増加する。各検出素子を並列接続して
いるので、定電圧電源を流れる電流値は各検出素子４を
流れる電流値の総和に等しい。よって、定電圧電源を流
れる電流値を流量計の出力とすることによって、各流体
検出素子４の出力の平均値が構造的に求められる。
タ線４３−１〜４３−ｎ部分が例えば１００℃程度に昇
温されるよう、各流速検出素子４−１〜４−ｎには一定
電圧Ｖｃが印加される。流体の流れに接したヒータ線４
３−１〜４３−ｎから熱が奪われてヒータ線の温度が低
下すると、ヒータ線の合成抵抗値が低下し、各検出素子
を流れる電流値が増加する。各検出素子を並列接続して
いるので、定電圧電源を流れる電流値は各検出素子４を
流れる電流値の総和に等しい。よって、定電圧電源を流
れる電流値を流量計の出力とすることによって、各流体
検出素子４の出力の平均値が構造的に求められる。
【００２２】図６は、熱式流速検出素子４−１〜４−ｎ
を直列に接続した場合の回路構成を示している。信号処
理部８は、定電流源８１´と、演算回路８２と、表示部
８３とを有している。各素子４のヒータ線４３には、定
電流電源８１´の出力電流Ｉｃが供給される。ヒータ線
４３−１〜４３−ｎの両端の電圧Ｖｓは、次式（３）で
示される。
を直列に接続した場合の回路構成を示している。信号処
理部８は、定電流源８１´と、演算回路８２と、表示部
８３とを有している。各素子４のヒータ線４３には、定
電流電源８１´の出力電流Ｉｃが供給される。ヒータ線
４３−１〜４３−ｎの両端の電圧Ｖｓは、次式（３）で
示される。
【００２３】
【数２】 すなわち、ヒータ線４３−１〜４３−ｎ両端に現われる
電圧Ｖｓは、ヒータ線４３−１〜４３−ｎの合成抵抗の
変化に依存した変化分の大きな出力が得られる。
電圧Ｖｓは、ヒータ線４３−１〜４３−ｎの合成抵抗の
変化に依存した変化分の大きな出力が得られる。
【００２４】図７に、本発明に係る熱式流量検出器１を
管路への配置する例を示す。図７は、いずれも管路５４
の軸線に垂直な断面で示している。図７（ａ）は、熱式
流量検出器１を管路５４の断面に１方向、例えばＹ軸方
向に配置するもので、流速分布の偏り方向が１方向であ
る場合に有効である。図７（ｂ）は、熱式流量検出器１
を管路５４の断面の直交する２方向に配置するもので、
流速分布の偏り方向が全方向である場合に有効である。
管路への配置する例を示す。図７は、いずれも管路５４
の軸線に垂直な断面で示している。図７（ａ）は、熱式
流量検出器１を管路５４の断面に１方向、例えばＹ軸方
向に配置するもので、流速分布の偏り方向が１方向であ
る場合に有効である。図７（ｂ）は、熱式流量検出器１
を管路５４の断面の直交する２方向に配置するもので、
流速分布の偏り方向が全方向である場合に有効である。
【００２５】図８に、熱式流量検出器１の他の構成例を
示す。この例は、小口径管用に適した構造である。この
例では、複数の熱式流量検出素子４−１〜４−ｎが同一
の半導体基板４１上に設けられている。このような構成
にすることによって、図１および図２に示した実施例に
比べて、各素子の貼り付け作業と、金線４６による素子
４と配線３１の接続パッド３２の接続作業を著しく減少
させ、信頼性を向上させることができる。
示す。この例は、小口径管用に適した構造である。この
例では、複数の熱式流量検出素子４−１〜４−ｎが同一
の半導体基板４１上に設けられている。このような構成
にすることによって、図１および図２に示した実施例に
比べて、各素子の貼り付け作業と、金線４６による素子
４と配線３１の接続パッド３２の接続作業を著しく減少
させ、信頼性を向上させることができる。
【００２６】ところで、大流速の流体中に挿入した部材
は、流体による周期的な力を受ける。特に部材の断面が
一様な場合には、カルマン渦の発生による流体振動の影
響を受けやすい。このような振動が発生することは、本
発明の流量計にとっては正確な測定の妨げとなり、流量
計の長期安定性を低下させることになる。このような振
動の発生を回避する手段として、部材の重心をその断面
位置によって変える方法が考えられる。すなわち、熱式
流量検出器１の支持部材２の形状を、図９に示すよう
に、支持部材の先端から根元部に向けて一定の割合で厚
みを変化させる方法がある。この方法によれば、支持部
材ひいては熱式流速検出器における流体中での振動の発
生を抑制することができ、正確な流速の測定を行なうこ
とができる。
は、流体による周期的な力を受ける。特に部材の断面が
一様な場合には、カルマン渦の発生による流体振動の影
響を受けやすい。このような振動が発生することは、本
発明の流量計にとっては正確な測定の妨げとなり、流量
計の長期安定性を低下させることになる。このような振
動の発生を回避する手段として、部材の重心をその断面
位置によって変える方法が考えられる。すなわち、熱式
流量検出器１の支持部材２の形状を、図９に示すよう
に、支持部材の先端から根元部に向けて一定の割合で厚
みを変化させる方法がある。この方法によれば、支持部
材ひいては熱式流速検出器における流体中での振動の発
生を抑制することができ、正確な流速の測定を行なうこ
とができる。
【００２７】また、図９のように支持部材の厚さを変え
ることが難しい場合や、支持部材の厚さを部分的に増す
ことによる圧力損失の増加を避けたい場合などには、図
１０に示すように支持部材２の流れに平行な方向の幅を
長手方向の位置によって変化させることによって渦の発
生を抑えることができ、振動の派生を抑制することがで
きる。
ることが難しい場合や、支持部材の厚さを部分的に増す
ことによる圧力損失の増加を避けたい場合などには、図
１０に示すように支持部材２の流れに平行な方向の幅を
長手方向の位置によって変化させることによって渦の発
生を抑えることができ、振動の派生を抑制することがで
きる。
【００２８】図１１に、熱式流量検出器１の他の構成例
を管路の軸線に沿った断面図で示す。この例では、支持
部材２の断面を楔形とし、その鋭角部１１を流れの上流
側に向けている。このことによって、熱式流量検出器１
を流れの中に挿入したことによる圧力低下を極めて小さ
なものとすることができる。
を管路の軸線に沿った断面図で示す。この例では、支持
部材２の断面を楔形とし、その鋭角部１１を流れの上流
側に向けている。このことによって、熱式流量検出器１
を流れの中に挿入したことによる圧力低下を極めて小さ
なものとすることができる。
【００２９】さらに、流速検出器１を挿入したことによ
る圧力損失を抑えるためには図１２に示すように、支持
部材２の外部形状を略流線型にすることが望ましい。図
１２は、熱式流量検出器１の他の構成例を管路の軸線に
沿った断面図で示している。支持部材２の外部形状をこ
のような形状とすることによって、圧力損失を大幅に抑
えることができるが、支持部材２に浮力を受ける問題を
生じる。この浮力を打ち消すためには、保護カバー５の
形状を略対称な流線型状として熱式流速検出器１全体と
して上下対称な断面を持たせ、一方向の浮力の発生を相
殺することができる。また、ガラス基板３および熱式流
速検出素子４は、流れを乱さないように支持部材２に埋
め込み面一とすることが好ましい。このようにガラス基
板３および検出素子４を支持部材２に埋め込んだ例が図
１２に示されている。
る圧力損失を抑えるためには図１２に示すように、支持
部材２の外部形状を略流線型にすることが望ましい。図
１２は、熱式流量検出器１の他の構成例を管路の軸線に
沿った断面図で示している。支持部材２の外部形状をこ
のような形状とすることによって、圧力損失を大幅に抑
えることができるが、支持部材２に浮力を受ける問題を
生じる。この浮力を打ち消すためには、保護カバー５の
形状を略対称な流線型状として熱式流速検出器１全体と
して上下対称な断面を持たせ、一方向の浮力の発生を相
殺することができる。また、ガラス基板３および熱式流
速検出素子４は、流れを乱さないように支持部材２に埋
め込み面一とすることが好ましい。このようにガラス基
板３および検出素子４を支持部材２に埋め込んだ例が図
１２に示されている。
【００３０】図１３に、流量検出素子（センサ）４の数
と、出力の変動率の関係を示す。横軸にセンサ個数を示
し、縦軸に出力とその標準偏差の比を％で示している。
この測定にあたっては、常圧で時間あたり１６１０ｍ3
の流体を流し２１ミリ秒毎に１００回測定した結果を示
している。この測定結果によれば、センサ個数を少なく
とも５個以上とすれば出力変動を２％以下とすることが
できることが理解される。
と、出力の変動率の関係を示す。横軸にセンサ個数を示
し、縦軸に出力とその標準偏差の比を％で示している。
この測定にあたっては、常圧で時間あたり１６１０ｍ3
の流体を流し２１ミリ秒毎に１００回測定した結果を示
している。この測定結果によれば、センサ個数を少なく
とも５個以上とすれば出力変動を２％以下とすることが
できることが理解される。
【００３１】図１４に、センサの個数が１個の場合と５
個の場合の実流量と計測値との関係を示す。破線Ａは実
流量と計測値が１：１に対応する線であり、実線Ｂは５
個のセンサを使用した場合の実測値を示す折線であり、
破線Ｃは、１個のセンサを使用した場合の実測値を示す
折線である。図に示すように５個のセンサを使用した場
合には、流量が多い領域でより正確に流量を測定するこ
とができている。
個の場合の実流量と計測値との関係を示す。破線Ａは実
流量と計測値が１：１に対応する線であり、実線Ｂは５
個のセンサを使用した場合の実測値を示す折線であり、
破線Ｃは、１個のセンサを使用した場合の実測値を示す
折線である。図に示すように５個のセンサを使用した場
合には、流量が多い領域でより正確に流量を測定するこ
とができている。
【００３２】図１５に、センサの個数が１個の場合と５
個の場合の実流量と出力誤差との関係を示す。実線Ｂで
示される５個のセンサを用いて計測した場合の検出出力
誤差は破線Ｃで示される１個のセンサを用いて計測した
場合の出力検出誤差に比較して、流量の大きい領域で良
好な結果が得られている。
個の場合の実流量と出力誤差との関係を示す。実線Ｂで
示される５個のセンサを用いて計測した場合の検出出力
誤差は破線Ｃで示される１個のセンサを用いて計測した
場合の出力検出誤差に比較して、流量の大きい領域で良
好な結果が得られている。
【００３３】以上の説明では、熱式流量検出素子４を基
板２上に等間隔に配置した例を示したが、該検出素子の
配置はこの例に限定されるものではなく、熱式流速検出
素子４を予想され得る流速分布にあわせて最適な位置に
配置すれば、さらに正確な流量を測定することが可能と
なる。
板２上に等間隔に配置した例を示したが、該検出素子の
配置はこの例に限定されるものではなく、熱式流速検出
素子４を予想され得る流速分布にあわせて最適な位置に
配置すれば、さらに正確な流量を測定することが可能と
なる。
【００３４】上述の実施例では、温度検出素子７を熱式
流速検出素子４と別に一つだけ設けた例を示したが、温
度検出素子７を各熱式流速検出素子４と同一の基板上
（同一チップ上）にそれぞれ同時に作り込むことができ
る。このことによって、管内の温度が一様でない場合で
あっても、複数個所の温度を検知でき正確な管内平均温
度を算出することが可能となり、より正確な温度補正を
行なうことが可能となる。
流速検出素子４と別に一つだけ設けた例を示したが、温
度検出素子７を各熱式流速検出素子４と同一の基板上
（同一チップ上）にそれぞれ同時に作り込むことができ
る。このことによって、管内の温度が一様でない場合で
あっても、複数個所の温度を検知でき正確な管内平均温
度を算出することが可能となり、より正確な温度補正を
行なうことが可能となる。
【００３５】また、保護カバー５は流量計測時には必ず
しも必要ないので、熱式流速検出器１の輸送中や挿入作
業時にのみ取付けておき、熱式流速検出器１を管路内に
挿入した後に該カバー５だけを引き抜いて除去できるよ
うにするようにすれば、管路内の圧力損失を低減させる
ことが可能となる。
しも必要ないので、熱式流速検出器１の輸送中や挿入作
業時にのみ取付けておき、熱式流速検出器１を管路内に
挿入した後に該カバー５だけを引き抜いて除去できるよ
うにするようにすれば、管路内の圧力損失を低減させる
ことが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】上記のように、本発明によれば、従来の
相関式流量計と比較して、 １）２桁以上にわたる広い流量計測範囲を持つことがで
きる。 ２）ｍｓオーダーの短い時間で応答することができる。 ３）各検出素子４を超小型に形成することができるので
熱式流速検出器１の流体に体する断面積を極めて小さく
することができ、圧力損失が少なく管への挿入も容易な
流量計を提供することができる。 ４）熱式流速検出器１の出力電圧自体が既に平均値であ
ることから、流量に変換する回路を簡略化かつ小型化す
ることができ消費電力を極めて小さくすることができる
とともに、複雑な信号処理回路を不要とすることができ
る。 ５）各流速検出素子４は大量生産が容易であり、全体の
構成も単純なので、流速検出器１自体の価格も安価とす
ることができる。 ６）出力を電気信号として得ることができるので、他の
制御機器への接続も容易行なうことができる。 ７）各流速検出素子４を並列接続した場合、センサの一
部が事故により断線しても流量を測定し続けることが可
能である。 などの極めて顕著な効果を得ることができる。
相関式流量計と比較して、 １）２桁以上にわたる広い流量計測範囲を持つことがで
きる。 ２）ｍｓオーダーの短い時間で応答することができる。 ３）各検出素子４を超小型に形成することができるので
熱式流速検出器１の流体に体する断面積を極めて小さく
することができ、圧力損失が少なく管への挿入も容易な
流量計を提供することができる。 ４）熱式流速検出器１の出力電圧自体が既に平均値であ
ることから、流量に変換する回路を簡略化かつ小型化す
ることができ消費電力を極めて小さくすることができる
とともに、複雑な信号処理回路を不要とすることができ
る。 ５）各流速検出素子４は大量生産が容易であり、全体の
構成も単純なので、流速検出器１自体の価格も安価とす
ることができる。 ６）出力を電気信号として得ることができるので、他の
制御機器への接続も容易行なうことができる。 ７）各流速検出素子４を並列接続した場合、センサの一
部が事故により断線しても流量を測定し続けることが可
能である。 などの極めて顕著な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱式流量計の構成を示す斜視図。
【図２】本発明に係る熱式流量計の構成を示す一部断面
図。
図。
【図３】本発明に係る熱式流量計に用いられる熱式流速
検出素子の構造を示す図。
検出素子の構造を示す図。
【図４】本発明に係る熱式流量計の設置状態を示す概念
図。
図。
【図５】本発明に係る熱式流量計の検出素子の接続状態
を示す回路図。
を示す回路図。
【図６】本発明に係る熱式流量計の検出素子の他の接続
状態を示す回路図。
状態を示す回路図。
【図７】本発明に係る熱式流量計の検出器の配置状態を
示す断面図。
示す断面図。
【図８】本発明に係る熱式流量計の流量検出器の他の構
成例を示す断面図。
成例を示す断面図。
【図９】本発明に係る熱式流量計の流量検出器の支持部
材の形状の他の例を示す斜視図。
材の形状の他の例を示す斜視図。
【図１０】本発明に係る熱式流量計の流量検出器の支持
部材の形状のさらに他の例を示す斜視図。
部材の形状のさらに他の例を示す斜視図。
【図１１】本発明に係る熱式流量計の流量検出器のその
他の構成例を示す断面図。
他の構成例を示す断面図。
【図１２】本発明に係る熱式流量計の流量検出器のさら
に他の構成例を示す断面図。
に他の構成例を示す断面図。
【図１３】本発明に係る熱式流量計の出力変動の偏差を
示す図。
示す図。
【図１４】本発明に係る熱式流量計の出力変動を示す特
性図。
性図。
【図１５】本発明に係る熱式流量計の出力誤差を示す特
性図。
性図。
【図１６】従来のピトー管式相関流量計の構造を示す
図。
図。
１：熱式流量検出器 ２：支持部材 ３：ガラス基板 ４：熱式流量検出素子 ５：保護カバー ６：間隔保持部材 ７：温度検出素子 ８：信号処理部 ９：接続線 １１：鋭角部 ３１：配線パターン ３２：配線パターン側接続パッド ３３：接続端子用パッド ３４：温度検出用パッド ４１：シリコン基板 ４２：保護膜 ４３：ヒータ線 ４４：コンタクトパッド ４５：凹部 ４６：金線 ９０：ピトー管 ９１：高圧管 ９２：低圧管 ９３：鞘 ９４：高圧ポート ９５：低圧ポート ９６：上流側ポート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 1/68 - 1/699
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板にヒータを形成した素子から
なる熱式流速検出素子を基板上に複数個並べた熱式流速
検出器と、前記熱式流速検出素子に電力を印加する電源
と、供給される電力に基づいて流量を算出する演算手段
からなる熱式流量計において、 熱式流速検出器の基板の厚さを位置によって変化させた
熱式流量計。 - 【請求項２】 熱式流速検出器の基板の流れに平行な断
面形状を流線型状にした請求項１に記載された熱式流量
計。 - 【請求項３】 半導体基板にヒータを形成した素子から
なる熱式流速検出素子を基板上に複数個並べた熱式流速
検出器と、前記熱式流速検出素子に電力を印加する電源
と、供給される電力に基づいて流量を算出する演算手段
からなる熱式流量計において、 熱式流速検出器の基板の流れに平行な幅を位置によって
変化させた 熱式流量計。 - 【請求項４】 熱式流速検出素子が並列に接続されると
ともに、電源が定電圧源である請求項１ないし請求項３
のいずれかに記載された熱式流量計。 - 【請求項５】 流量を算出する手段が、熱式流速検出素
子に直列に接続された抵抗の電圧降下に基づいて流量を
演算する手段である請求項１ないし請求項４のいずれか
に記載された熱式流量計。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30756594A JP3282773B2 (ja) | 1994-12-12 | 1994-12-12 | 熱式流量計 |
| US08/537,279 US6098455A (en) | 1994-12-12 | 1995-09-29 | Thermal type flowmeter |
| EP95115854A EP0717270A3 (en) | 1994-12-12 | 1995-10-09 | Thermal flow meter |
| KR1019950041758A KR100419360B1 (ko) | 1994-12-12 | 1995-11-13 | 열식 유량계 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30756594A JP3282773B2 (ja) | 1994-12-12 | 1994-12-12 | 熱式流量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08166268A JPH08166268A (ja) | 1996-06-25 |
| JP3282773B2 true JP3282773B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=17970613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30756594A Expired - Fee Related JP3282773B2 (ja) | 1994-12-12 | 1994-12-12 | 熱式流量計 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6098455A (ja) |
| EP (1) | EP0717270A3 (ja) |
| JP (1) | JP3282773B2 (ja) |
| KR (1) | KR100419360B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| DE19808248A1 (de) * | 1998-02-27 | 1999-09-02 | Pierburg Ag | Meßvorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums |
| US6494090B1 (en) * | 1998-05-05 | 2002-12-17 | Pierburg Ag | Air-mass sensor |
| DE19839259A1 (de) * | 1998-08-28 | 2000-03-02 | Gen Motors Corp | Meßfühler |
| US7109842B1 (en) * | 1998-12-07 | 2006-09-19 | Honeywell International Inc. | Robust fluid flow and property microsensor made of optimal material |
| EP1350078B1 (de) * | 2001-01-10 | 2018-02-14 | Sensirion Holding AG | Mikromechanischer flusssensor mit tensiler beschichtung |
| US7107835B2 (en) * | 2004-09-08 | 2006-09-19 | Honeywell International Inc. | Thermal mass flow sensor |
| JP2007085612A (ja) * | 2005-09-21 | 2007-04-05 | Sanden Corp | 冷媒流量測定方法及び空気調和装置 |
| DE102005058832B4 (de) * | 2005-12-09 | 2021-03-18 | Robert Bosch Gmbh | Beheizter H2-Sensor |
| US7653503B2 (en) * | 2006-04-20 | 2010-01-26 | Tao Of Systems Integration, Inc. | Temperature-compensating sensor system |
| DE102007017058A1 (de) * | 2007-04-11 | 2008-10-16 | Continental Automotive Gmbh | Verfahren zur Luftmassenmessung und Luftmassensensor |
| DE102007019927B3 (de) * | 2007-04-27 | 2008-09-25 | Forschungszentrum Dresden - Rossendorf E.V. | Anordnung zur zweidimensionalen Messung des Geschwindigkeitsfeldes in Strömungen |
| WO2009070301A2 (en) * | 2007-11-26 | 2009-06-04 | Wallis Douglas E | Apparatus and method for mass air measuring |
| US7860667B2 (en) * | 2008-10-03 | 2010-12-28 | Ruskin Company | Gas measurement system |
| NL2006895C2 (nl) | 2011-06-03 | 2012-12-04 | Berkin Bv | Stromingsmeetapparaat en gebruik daarvan voor het bepalen van een stroming van een medium, alsmede werkwijze daarvoor. |
| WO2013092102A1 (de) * | 2011-12-22 | 2013-06-27 | Endress+Hauser Flowtec Ag | Distanzstück für ein thermisches durchflussmessgerät |
| US9568349B2 (en) | 2013-03-15 | 2017-02-14 | Ruskin Company | Gas flow measurement system and method of operation |
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