JP3412446B2 - 熱線式流速センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、気体や液体等の流
体の流速を測定するに適した熱線式流速センサに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来の熱線式流速センサ（例えば、カノ
マックス社製熱線式流速センサ）は、図１０にて示すご
とく、一対の電極ピン１を備えており、これら各電極ピ
ン１は、円柱状絶縁体２に軸方向に貫通されている。ま
た、両電極ピン１の各先端部１ａは八の字状に開いて絶
縁体２から延出しており、これら各先端部１ａには、セ
ンサ発熱線３が、その各端部３ａにて、それぞれ溶接に
より固定されている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記熱線式流
速センサにより、流体のうち流速の高い部分の流速を測
定する場合、センサ発熱線３が流体内に直接露呈するこ
ととなる。しかも、センサ発熱線３の径が、流速測定感
度の向上の点から５μｍ〜１５μｍと非常に細い。 【０００４】このため、センサ発熱線３が、流体から力
を受けたり、流体の流れの変動に伴い振動して破損して
しまうという不具合が生ずる。ここで、センサ発熱線３
として、線径の太い材料を用いると、センサ発熱線３の
抵抗値が小さくなってしまう。このため、センサ発熱線
３の発熱量が少なくなり、流速測定感度が低下する。 【０００５】これに対しては、図１１にて示すような構
成の熱線式流速センサを採用することも考えられる。こ
の熱線式流速センサは、図１０の流速センサにおいて、
センサ発熱線３に代え、センサ発熱体４を備えた構成と
なっている。ここで、センサ発熱体４は、チューブ状セ
ラミックボビン４ａを備えており、このセラミックボビ
ン４ａには、センサ発熱線４ｂが巻き付けられている。
また、両センサリード４ｃが、その各一端部にて、セラ
ミックボビン４ａの各端部内にそれぞれ挿入連結されて
いる。また、セラミックボビン４ａ及びこのセラミック
ボビン４ａと各センサリード４ｃとの各連結部は、セン
サ発熱線４ｂを介しコーティング材４ｄによりコーティ
ングされている。 【０００６】また、両センサリード４ｃの各他端部は、
両電極ピン１の各先端部１ａにそれぞれ溶接されてお
り、センサ発熱線４ｂの各端部は、各センサリード４ｃ
にそれぞれ溶接されている。しかし、このような構成で
も、センサ発熱線４ｂが直接流体内に露呈することはな
いものの、各センサリード４ｃが流体の力や流体の流れ
の変動を受けて振動し、センサリード４ｃと電極ピン１
との溶接部が破損してしまうという不具合を生ずる。 【０００７】また、熱線式流速センサでは、流速測定の
感度と耐久性を両立させる必要がある。ここで、上記コ
ーティング材４ｄは水ガラスからなる。このため、コー
ティング材４ｄが割れると、感度が変化したり、センサ
としての耐久性に欠けるという不具合が生ずる。また、
水ガラスによるコーティングでは、設備が高く、膜厚の
管理が困難である。 【０００８】また、コーティング材４ｄの膜厚を薄くす
ると、熱線式流速センサとしての感度が向上するもの
の、センサとしての出力変動が大きくなり、センサの温
度が一定となりにくい。このため、流速測定が不可能と
なる。一方、膜厚を厚くすると、感度が低下し、高流速
の流体の乱流域における流速測定ができないという不具
合が生ずる。 【０００９】そこで、本発明は、以上のようなことに対
処するため、流速の速い流体の乱流域でも、破損せずに
流速を測定できる熱線式流速センサを提供することを目
的とする。また、本発明は、流速測定の感度及び耐久性
を適正に確保し得る製作容易な熱線式流速センサを提供
することを目的とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記課題の解決にあた
り、請求項１に記載の発明によれば、絶縁体から延出す
る両電極ピンと、センサ発熱体とを備え、液体の流速を
測定する熱線式流速測定センサであって、センサ発熱体
が、センサ発熱線と、両センサリードであってその各一
端部にて前記センサ発熱線の各端部にそれぞれ固定され
た両センサリードとを備えている。また、これら両セン
サリードは、その各他端部にて、両電極ピンの各先端部
にそれぞれ巻き付けて固定され、この巻き付け固定によ
り前記センサリードと前記電極ピンとの固定部の剛性を
増大させるようになっている。 【００１１】このように、両センサリードの各他端部を
両電極ピンの各先端部にそれぞれ巻き付けて固定するの
で、センサリードと電極ピンとの固定部の剛性が増大す
る。これにより、センサ発熱体が流体の流れ場に配置さ
れても、センサリードと電極ピンとの固定部が流体の流
れから受ける力に十分に耐えることができる。また、セ
ンサ発熱体が、流体の流速の速い流速変動の大きい乱流
域内でも振動しにくい。その結果、センサ発熱体を破損
することがなく、良好な流速測定が可能となる。 【００１２】なお、両センサリードがセンサ発熱線と別
体で形成されてセンサ発熱線に固定されているので、両
センサリードのみを剛性の高い材料で構成することがで
きる。これにより、上記作用効果をより一層向上でき
る。 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
に基づいて説明する。 （第１実施形態）図１乃至図３は、本発明に係る熱線式
流速センサを示しており、この熱線式流速センサは、セ
ンサ本体Ｂと、センサ回路Ｅとにより構成されている。 【００１６】センサ本体Ｂは、図１にて示すごとく、円
柱状絶縁部材１０と、一対の電極ピン２０と、センサ発
熱体３０とにより構成されている。各電極ピン２０は、
絶縁部材１０内に互いに絶縁されて挿通されており、こ
れら各電極ピン２０の先端部２１は、互いに八字状に広
がるように絶縁部材１０から延出している。 【００１７】センサ発熱体３０は、図２にて拡大して示
すごとく、チューブ状セラミックボビン３１を備えてお
り、このセラミックボビン３１には、センサ発熱線３２
がコイル状に巻き付けられている。また、両センサリー
ド３３が、その各一端部３３ａにて、セラミックボビン
３１の各端部３１ａ内にそれぞれ挿入連結されている。 【００１８】ここで、センサ発熱線３２は、その各端部
にて、各センサリード３３にレーザー溶接により固定接
続されている。また、両センサリード３３は、その各他
端部３３ｂにて、図２にて示すごとく、各対応の電極ピ
ン２０の先端部２１にしっかりと巻き付けられた後溶接
Ｙにより固定接続されている。この場合、本第１実施形
態では、センサリード３３の他端部３３ｂの電極ピン２
０の先端部２１に対する巻き付け回数は、３回となって
いる。なお、この巻き付け回数は適宜変更してもよい。 【００１９】また、センサ発熱線３２は、５μｍ〜１５
μｍの径を有する白金線やタングステン線により形成さ
れており、このセンサ発熱線３２の抵抗値は４Ω程度と
小さく、これにより、流速測定の感度を向上させるよう
にしてある。また、各電極ピン２０、その先端部２１と
センサリード３３の他端部３３ｂ及び各センサリード３
３は、絶縁樹脂からなるコーティング膜２２によりコー
ティングされている。また、センサ発熱体３０のセンサ
発熱線３２及びセラミックボビン３１は、水ガラスから
なるコーティング膜３４によりコーティングされてい
る。 【００２０】センサ回路Ｅは、図３にて示すごとく、両
定比電流回路４０ａ、４０ｂと、差動増幅回路５０と、
温度補償用センサ６０とを備えている。定比電流回路４
０ａは、センサ本体Ｂに定比電流を供給し、定比電流回
路４０ｂは温度補償用センサ６０に定比電流を供給する
ように接続されている。なお、温度補償用センサ６０は
センサ本体Ｂと同一のものである。 【００２１】しかして、センサ本体Ｂを流体Ｇｗの流れ
場内の測定対象位置に配置するとともに、温度補償用セ
ンサ６０を流体Ｇｗの流れ場内にてセンサ本体Ｂの上流
側近傍に配置する。なお、温度補正センサ６０による流
れ場の変化を少なくするため、この温度補償センサ６０
をセンサ本体Ｂと離れた箇所、例えばタンク内に設置し
てもよい。 【００２２】また、温度補償用センサ６０は、定比電流
回路４０ｂにより流体Ｇｗと同じ温度に制御され、セン
サ本体Ｂは、定比電流回路４０ａにより流体ＧｗよりΔ
Ｔだけ高い温度に制御される。そして、センサ本体Ｂの
センサ発熱体３０及び温度補償用センサ６０のセンサ発
熱体の各電圧降下が差動増幅回路５０により流体Ｇｗの
流速を表す出力として発生される。 【００２３】以上説明したように、本第１実施形態によ
れば、センサ発熱体３０が、センサ発熱線３２と両セン
サリード３３との別体構成にて形成されており、両セン
サリード３３の各他端部３３ｂが両電極ピン２０の各先
端部２１に巻き付けられた上で溶接されている。このた
め、各センサリード３３の線径を太くした上で、各セン
サリード３３の他端部を各電極ピン２０の先端部に巻き
付けて溶接することができる。従って、センサ本体Ｂと
しての剛性が向上する。 【００２４】これにより、センサリード３３の電極ピン
２０との固定部が強くなるため、センサ本体Ｂが流体Ｇ
ｗの流れから受ける力に十分に耐えることができ、か
つ、センサ本体Ｂが、流体Ｇｗの流速の速い流速変動の
大きい乱流域内でも振動しにくい。その結果、センサ本
体Ｂが破損することがなく、良好な流速測定が可能とな
る。なお、流体Ｇｗを水等の液体とし、その流れ場を直
径１０ｍｍの管内とし、７ｍ／ｓという流速の速い乱流
域の測定を行っても、センサ本体Ｂは破損しなかった。 【００２５】図４は、上記第１実施形態の第１変形例を
示している。この第１変形例では、両センサリード３３
の各他端部３３ｂが、上記第１実施形態とは異なり、両
電極ピン２０の各先端部２１に形成した貫通孔部２１ａ
に挿通した後各貫通孔部２１ａに溶接により固定されて
いる。これによっても、上記第１実施形態と同様の作用
効果を達成できる。 【００２６】図５は、上記第１実施形態の第２変形例を
示している。この第２変形例では、両センサリード３３
の各他端部３３ｂが、上記第１実施形態とは異なり、両
電極ピン２０の各先端部２１に形成した溝部２１ｂ内に
係合溶接により固定されている。これによっても、上記
第１実施形態と同様の作用効果を達成できる。 （第２実施形態）図６乃至図９は本発明の第２実施形態
を示している。 【００２７】この第２実施形態では、センサ本体Ｂとし
ての流体測定の感度及び耐久性の双方を良好に確保する
ため、センサ発熱線３２及びセラミックボビン３１は、
上記第１実施形態にて述べた水ガラスからなるコーティ
ング膜３４とは異なり、熱伝導性の高い樹脂（例えば、
東レ株式会社製のシリコン性ＳＥ４４０型樹脂）からな
るコーティング膜３５によりコーティングされ、このコ
ーティング膜３５の膜厚は次のように設定されている。
なお、コーティング膜３５は、上記樹脂に限ることな
く、熱良導性樹脂により形成してもよい。 【００２８】まず、コーティング膜３５をコーティング
する際のコーティング膜の希釈材（トルエン）による希
釈率とコーティング膜の膜厚との関係について調べてみ
たところ、図７にて示すようなグラフが得られた。な
お、上記希釈率とは、（トルエンの質量／コーティング
膜の質量）をいう。これによれば、コーティング膜３５
の膜厚は、上記希釈率の増大に伴い指数関数的に薄くな
ることが分かる。 【００２９】また、コーティング膜３５の膜厚及び希釈
率をパラメータとして熱線式流速センサの出力と流体Ｇ
ｗの流速との関係を調べたところ、図８（ａ）にて示す
ような各グラフＬ１乃至Ｌ３が得られた。ここで、グラ
フＬ１は、上記希釈率及びコーティング膜の膜厚をそれ
ぞれ０．５及び約３０μｍとした場合の熱線式流速セン
サの出力と流体Ｇｗの流速との関係を示す。グラフＬ２
は、上記希釈率及びコーティング膜の膜厚をそれぞれ
１．０及び約１０μｍとした場合の熱線式流速センサの
出力と流体Ｇｗの流速との関係を示す。また、グラフＬ
３は、上記希釈率及びコーティング膜の膜厚をそれぞれ
１．５及び約８μｍとした場合の熱線式流速センサの出
力と流体Ｇｗの流速との関係を示す。 【００３０】これらによれば、コーティング膜３５の膜
厚を変えることで、流速センサの出力を変えることがで
きることが分かる。このことは、コーティング膜３５の
膜厚を変えることで、流速センサの感度を変え得ること
を意味する。また、コーティング膜３５の膜厚及び希釈
率をパラメータとして熱線式流速センサの出力の時間的
変化との関係を調べたところ、図８（ｂ）にて示すよう
な各グラフＭ１乃至Ｍ３が得られた。 【００３１】ここで、グラフＭ１は、グラフＬ１の場合
と同様の希釈率及び膜厚における流速センサの出力の時
間的変化を示す。グラフＭ２は、グラフＬ２の場合と同
様の希釈率及び膜厚における流速センサの出力の時間的
変化を示す。グラフＭ３は、グラフＬ３の場合と同様の
希釈率及び膜厚における流速センサの出力の時間的変化
を示す。 【００３２】これらによれば、コーティング膜３５の膜
厚が薄い程、流速センサの出力変動、ひいては感度のば
らつきが大きいことが分かる。以上のことを前提に、流
速センサの感度及び耐久時間とコーティング膜３５の膜
厚との関係を、温度４０℃、流速センサの出力変動誤差
５％以内及び流体の流速７ｍ／ｓとして調べてみたとこ
ろ、図９（ａ）（ｂ）にて示す各グラフＮ１、Ｎ２が得
られた。 【００３３】ここで、流速センサの感度及び耐久時間の
各目標値をそれぞれ０．１４（Ｖ／ｍ／ｓ）及び５０時
間以上とするためには、グラフＮ１上の点Ｐ及びグラフ
Ｎ２上の点Ｑより、コーティング膜３５の膜厚を９μｍ
乃至２１μｍの範囲内の値とすればよいことが分かる。
なお、本第２実施形態では、両センサリード３３の各他
端部３３ｂが、上記第１実施形態のように両電極ピン２
０の各先端部２１に巻き付けられることなくコンデンサ
溶接Ｙ１により固定されている。また、この固定に代え
て、上記第１実施形態と同様に、両センサリード３３の
各他端部３３ｂを両電極ピン２０の各先端部２１に巻き
付けて溶接するようにしてもよい。その他の構成は上記
第１実施形態と同様である。 【００３４】以上説明したように、本第２実施形態によ
れば、熱線式流速センサの所望の感度及び耐久性は、コ
ーティング膜３５を形成する樹脂の膜厚及び希釈材の希
釈率を適正に選定することで確保できる。また、コーテ
ィング膜３５の形成樹脂と希釈材との希釈率によりコー
ティング膜３５の膜厚を容易に変えることができ、これ
によって、所望の感度及び耐久性を確保できる熱線式流
速センサの製造が容易になる。 【００３５】また、上述のように熱伝導性の高い樹脂を
コーティング膜３５の形成材料として採用したので、コ
ーティング膜３５の形成材料として水ガラスを使用した
場合のような割れが生ずることがなく、耐久性が向上
し、コーティング設備も簡易でコストを軽減できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】（ａ）は本発明に係る熱線式流速測定センサの
第１実施形態におけるセンサ本体を示す正面図であり、
（ｂ）は当該センサ本体の断面図である。 【図２】図１（ｂ）のセンサ本体の要部拡大部分破断側
面図である。 【図３】図１のセンサ本体のためのセンサ回路図であ
る。 【図４】上記第１実施形態の第１変形例を示す要部分解
斜視図である。 【図５】上記第１実施形態の第２変形例を示す要部分解
斜視図である。 【図６】本発明の第２実施形態を示す要部拡大断面図で
ある。 【図７】上記第２実施形態におけるコーティング膜の膜
厚と希釈率との関係を示すグラフである。 【図８】（ａ）は、コーティング膜の膜厚及び希釈率を
パラメータとして流速センサの出力と流体の流速との関
係を示すグラフであり、（ｂ）は、コーティング膜の膜
厚及び希釈率をパラメータとして流速センサの出力の時
間的変化を示すグラフである。 【図９】（ａ）は、流速センサの感度とコーティング膜
の膜厚との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、流速セ
ンサの耐久性とコーティング膜の膜厚との関係を示すグ
ラフである。 【図１０】従来の熱線式流速センサの断面図である。 【図１１】従来の熱線式流速センサの要部拡大部分破断
側面図である。 【符号の説明】 １０…絶縁体、２０…電極ピン、２１…先端部、２１ａ
…貫通孔部、２１ｂ…溝部、３０…センサ発熱体、３２
…センサ発熱線、３３…センサリード、３３ｂ…他端部
（３３ｂ）、３５…コーティング膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−285819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−177416（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−94120（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−226839（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−75518（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 絶縁体（１０）から延出する両電極ピン
   （２０）と、センサ発熱体（３０）とを備え、液体の流
   速を測定する熱線式流速測定センサであって、 前記センサ発熱体が、センサ発熱線（３２）と、両セン
   サリードであってその各一端部にて前記センサ発熱線の
   各端部にそれぞれ固定された両センサリード（３３）と
   を備えており、 これら両センサリードは、その各他端部（３３ｂ）に
   て、前記両電極ピンの各先端部（２１）にそれぞれ巻き
   付けて固定され、この巻き付け固定により前記センサリ
   ードと前記電極ピンとの固定部の剛性を増大させるよう
   になっている熱線式流速センサ。