JP3563982B2 - 流量測定装置および方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスメータ、フローメータなどとして用いられる感熱式の流量測定装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4に感熱式流量測定装置の一つの構成例を示す。概略的には、センサ駆動部1と差電圧検出部2と増幅部3とにより構成されている。センサ駆動部1にあっては、流路中に配設されるセンサ基板(図示せず)上に実装された第1の感温抵抗体Rs1と第2の感温抵抗体Rs2が設けられている。これらの第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2も流体中に晒されるが、ここでは、第1の感温抵抗体Rs1が上流側、第2の感温抵抗体Rs2が下流側となるように位置関係が設定されているものとする。また、これらの第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2は抵抗値が等しく、かつ、高抵抗温度係数を持つものが用いられている。これらの第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2は加熱装置として作用する電流源4とともに直列に接続されている。即ち、電流源4は電流I1を流して抵抗体自身にジュール熱を発生させることで流体温度よりも高い温度となるようにこれらの第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2を等しく熱する(もっとも、加熱装置としては別個の熱源によりこれらの第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2を加熱するものてあってもよい)。また、センサ駆動部1において、第2の感温抵抗体Rs2の両端b,c点がフィードバックループ中に接続されたオペアンプ5と、電流源4と第1の感温抵抗体Rs1との接続点aの出力側に接続されたオペアンプ6とが設けられている。
【0003】
差電圧検出部2は検出装置として作用するもので、オペアンプ6からd点に出力される第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧(=f点の出力)とオペアンプ5からc点(=e点)に出力される第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧(=h点の出力)との差電圧をg点に出力する加算器7を備えている。
【0004】
増幅部3は、第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧、第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧、及び、差電圧(g点出力)を各々増幅する増幅器8,9,10を備えている。
【0005】
このような構成において、第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2の熱は流体の流れにより奪われる。奪われる熱量は、流体の流れと関係している。例えば、流体に流れがなければ、第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2の温度はほぼ等しくなるため、抵抗値もほぼ等しい。よって、第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧と第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧とはほぼ等しく、差電圧検出部2のg点の出力もほぼ0となる。一方、流体に流れがある場合には下流側よりも上流側の第1の感温抵抗体Rs1の熱が多く奪われるため、第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2の温度が異なることとなり、この上流側の第1の感温抵抗体Rs1の抵抗値が下流側よりも小さくなる。よって、第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧は第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧よりも小さくなる。この端子電圧の差が流速に関係した電圧値として現れる。この結果、差電圧検出部2のg点の出力の大きさを測定することで流体の流速を知ることができるといえる。なお、これらの端子電圧、差電圧等を測定するのにA/Dコンバータ等を用いる場合、A/Dコンバータ等に合せた電圧信号に変換する必要があるため、後段に増幅部3が設けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図5に示す前記の装置では、複数のオペアンプを用いているため電力の消費が多く、電池で長時間駆動させることができないという不具合がある。
【0007】
この発明の目的は、使用するオペアンプの数を従来より削減することで回路の消費電力を削減し、もって、電池で長時間駆動することができる感熱式の流量測定装置および方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、流体中に配置される第1の感温抵抗体と、この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置される第2の感温抵抗体と、前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、を備えている流量測定装置において、前記第1の感温抵抗体と並列に接続される第1のコンデンサと、前記第2の感温抵抗体と並列に接続される第2のコンデンサと、前記第1および第2のコンデンサを並列に接続し、また、この並列接続を解くスイッチと、を備えていることを特徴とする流量測定装置である。
【0009】
したがって、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、第1と第2のコンデンサの静電容量が等しいことを特徴とする。
【0011】
したがって、流体に流れがないときは並列に接続された両コンデンサの端子電圧としてゼロ電圧を出力できる。
【0012】
請求項3に記載の発明は、流体中に配置される第1の感温抵抗体と、この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置されている第2の感温抵抗体と、前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、を備えている感熱式流量測定装置を用いる流量測定方法において、前記第1の感温抵抗体と並列に接続されている第1のコンデンサと、前記第2の感温抵抗体と並列に接続されている第2のコンデンサとを並列に接続する過程を含んでなることを特徴とする流量測定方法である。
【0013】
したがって、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができる。
【0014】
請求項4に記載の発明は、流体中に配置される第1の感温抵抗体と、この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置されている第2の感温抵抗体と、前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、を備えている感熱式流量測定装置を用いる流量測定方法において、前記第1の感温抵抗体と並列に接続されている第1のコンデンサと、前記第2の感温抵抗体と並列に接続されている第2のコンデンサとを並列に接続する第1の過程と、この両コンデンサ間の並列接続を解く第2の過程とを交互に行うことを特徴とする流量測定方法である。
【0015】
したがって、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができる。また、流体の流量を連続的に検出することができる。
【0016】
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の発明において、第1と第2のコンデンサの静電容量が等しいことを特徴とする。
【0017】
したがって、流体に流れがないときは並列に接続された両コンデンサの端子電圧としてゼロ電圧を出力できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
[発明の実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1である流量測定装置の回路図である。図1に示すように、この流量測定装置は、流体中に配置される第1の感温抵抗体Rs1と、この第1の感温抵抗体Rs1より流体中の下流に配置される第2の感温抵抗体Rs2とを備えている。この第1の感温抵抗体Rs1と第2の感温抵抗体Rs2とは直列に接続され、電流源I1により一定電流が供給される。第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2は抵抗値が等しく、かつ、高抵抗温度係数を持つものが用いられている。電流源I1は電流を流して抵抗体自身にジュール熱を発生させることで流体温度よりも高い温度となるように第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2を等しく熱する加熱装置としての機能を有する(もっとも、加熱装置としては別個の熱源により第1及び第2の感温抵抗体Rs1,Rs2を加熱するものてあってもよい)。
【0019】
この流量測定装置は、静電容量が等しい第1のコンデンサC1、第2のコンデンサC2を備えている。また、スイッチS1,S2,S3も備えている。スイッチS1,S2,S3は、次に説明する第1の状態と第2の状態との間の切り替えを行う。すなわち、第1の状態では、第1の感温抵抗体Rs1と第1のコンデンサC1とを並列接続し、また、第2の感温抵抗体Rs2と第2のコンデンサC2とを並列接続する(図1には、この第1の状態を示す)。第2の状態では、第1および第2のコンデンサC1,C2を並列に接続し、また、第1のコンデンサC1のマイナス側および第2のコンデンサC2プラス側を接地する。なお、スイッチS1,S2,S3は、機械的に接点を動かすものを用いても、半導体を用いたスイッチング素子を用いてもよい。
【0020】
以上のような回路構成で、最初にスイッチS1,S2,S3の切り替えによって第1の状態とする。すると第1、第2のコンデンサC1,C2は充電され、第1のコンデンサC1の端子電圧は第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧と等しくなり、第2のコンデンサC2の端子電圧は第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧と等しくなる。このとき、d点を基準にするとe点とf点の電圧は逆符号になる。
【0021】
その後、前記回路を第2の状態にする。すると逆電圧であったe点とf点が、g点を経て接続されるため、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2に蓄えられていた電荷は互いに打ち消し合う。第1の状態で第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2が等しい電荷に充電されていたときは、打ち消し合った結果、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2の電荷はゼロになる。また、第1の状態で、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2の電荷に差があるように充電されていれば、打ち消し合った結果として充電された電荷の差が残ることになる。
【0022】
第1の状態から第2の状態に切り替えたとき、d点とg点の電位差は第1の状態での第1の感温抵抗体Rs1の端子電圧と第2の感温抵抗体Rs2の端子電圧との差と関連した電圧が測定される。このとき、d点とg点の電位差を観測することで、流体の流速、流量に関連した値が得られるので、流体の流速、流量を知ることができる。
【0023】
第2の状態において、スイッチS1によりd点を接地するのは電位を決定するためで、この場合はGNDを基準にg点の電位が決まる。b点を基準にしてよい場合はスイッチS1は不要で、b点とd点を接続したままとすることができる。
【0024】
以上のように、最初に第1、第2のコンデンサC1,C2に各々第1、第2の感温抵抗体Rs1,Rs2の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサC1,C2の電圧を打ち消し合うことで、前記従来のオペアンプによる加減算回路に代えてスイッチS1,S2,S3により、両感温抵抗体Rs1,Rs2の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができるので、使用するオペアンプの数を従来のものより削減し、電池で長時間駆動することができる感熱式の流量測定装置を提供することができる。
【0025】
また、第1の状態と第2の状態とを交互に切り替えることにより、流体の流量を低消費電力で連続的に検出することができる。
【0026】
さらに、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2の静電容量を等しくしたため、流体に流れがないときは第2の状態で並列に接続された両コンデンサC1,C2の端子電圧としてゼロ電圧を出力できるので、微小な流体の流れや正逆流の判断が容易になる。
【0027】
[発明の実施の形態2]
図2は、この発明の実施の形態2である流量測定装置の回路図である。この発明の実施の形態2が前記発明の実施の形態1と相違する点は、電流源I1に代えて電圧源V1で第1、第2の感温抵抗体Rs1,Rs2を駆動している点にある。その他の構成については前記発明の実施の形態1と同様であり、図2に図1と同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0028】
この流量測定装置によれば、前記発明の実施の形態1のものと同様の効果を奏することができる。
【0029】
[発明の実施の形態3]
図3は、この発明の実施の形態3である流量測定装置の回路図である。この発明の実施の形態3が前記発明の実施の形態1と相違する点は、第2の感温抵抗体Rs2の両端b,c点がフィードバックループ中に接続されたオペアンプ5を設けた点にある。その他の構成については前記発明の実施の形態1と同様であり、図3に図1と同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0030】
この流量測定装置によれば、前記発明の実施の形態1のものと同様の効果を奏することができる。
【0031】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明は、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができるので、使用するオペアンプの数を従来より削減し、電池で長時間駆動することができる感熱式の流量測定装置を提供することができる。
【0032】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、流体に流れがないときは並列に接続された両コンデンサの端子電圧としてゼロ電圧を出力できるので、微小な流体の流れや正逆流の判断が容易になる。
【0033】
請求項3に記載の発明は、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができるので、使用するオペアンプの数を従来より削減し、電池で長時間駆動することができる感熱式の流量測定装置を提供することができる。
【0034】
請求項4に記載の発明は、最初に第1、第2のコンデンサに各々第1、第2の感温抵抗体の端子電圧を印加し、その後、両コンデンサの電圧を打ち消し合うことで、オペアンプによる加減算回路に代えてスイッチにより、両感温抵抗体の端子電圧の差を流体の流量に関連した値として検出することができるので、使用するオペアンプの数を従来より削減し、電池で長時間駆動することができる感熱式の流量測定装置を提供することができる。また、流体の流量を低消費電力で連続的に検出することができる。
【0035】
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の発明において、流体に流れがないときは並列に接続された両コンデンサの端子電圧としてゼロ電圧を出力できるので、微小な流体の流れや正逆流の判断が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1である流量測定装置の回路図である。
【図2】この発明の実施の形態2である流量測定装置の回路図である。
【図3】この発明の実施の形態3である流量測定装置の回路図である。
【図4】従来の流量測定装置の回路図である。
【符号の説明】
Rs1 第1の感温抵抗体
Rs2 第2の感温抵抗体
C1 第1のコンデンサ
C2 第2のコンデンサ
S1 スイッチ
S2 スイッチ
S3 スイッチ
Claims (5)
- 流体中に配置される第1の感温抵抗体と、
この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置される第2の感温抵抗体と、
前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、
を備えている流量測定装置において、
前記第1の感温抵抗体と並列に接続される第1のコンデンサと、
前記第2の感温抵抗体と並列に接続される第2のコンデンサと、
前記第1および第2のコンデンサを並列に接続し、また、この並列接続を解くスイッチと、
を備えていることを特徴とする流量測定装置。 - 第1と第2のコンデンサの静電容量が等しいことを特徴とする請求項1に記載の流量測定装置。
- 流体中に配置される第1の感温抵抗体と、
この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置されている第2の感温抵抗体と、前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、
を備えている感熱式流量測定装置を用いる流量測定方法において、
前記第1の感温抵抗体と並列に接続されている第1のコンデンサと、前記第2の感温抵抗体と並列に接続されている第2のコンデンサとを並列に接続する過程を含んでなることを特徴とする流量測定方法。 - 流体中に配置される第1の感温抵抗体と、
この第1の感温抵抗体より前記流体中の下流に配置されている第2の感温抵抗体と、前記第1および第2の感温抵抗体を加熱する加熱装置と、
を備えている感熱式流量測定装置を用いる流量測定方法において、
前記第1の感温抵抗体と並列に接続されている第1のコンデンサと、前記第2の感温抵抗体と並列に接続されている第2のコンデンサとを並列に接続する第1の過程と、この両コンデンサ間の並列接続を解く第2の過程とを交互に行うことを特徴とする流量測定方法。 - 第1と第2のコンデンサの静電容量が等しいことを特徴とする請求項3または4に記載の流量測定方法。
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