JP3710995B2 - Flow rate sensor - Google Patents

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Yazaki Corp
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Tokyo Gas Co Ltd
Yazaki Corp
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は流速センサに係わり、特に、流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、2種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び、冷接点を有する熱電対とを設け、両接点間の熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
上述した流速センサの一例として、一般に図4に示されたようなものが知られている。同図において、支持基台1aの中央部には異方性エッチングにより薄肉状に形成された薄肉状部1a−1が設けられている。そして、この薄肉状部1a−1の上に流路を設けると共に、薄肉状部1a−1の上面に矢印1b方向に流体が流れるようにする。
【0003】
また、同図において、薄膜のマイクロヒータ1cは、薄肉状部1a−1の上面又は下面に設けられ、このマイクロヒータ1cには、駆動電流を供給するための電源配線1dが接続される。この電源配線1dには、パルス電圧または電流を出力する図示しないマイクロヒータ駆動回路が接続されている。
【0004】
従って、マイクロヒータ1cは、マイクロヒータ駆動回路がパルスを出力するたびに、電源配線1dを介して通電され加熱する。薄肉状部1a−1の上面にはまた、このマイクロヒータ1cを挟んだ上流側及び下流側に上流側及び下流側サーモパイル1e、1fの温接点群Sogがそれぞれ設けられている。この上流側及び下流側サーモパイル1e、1fは、熱電対を直列に多数接続することにより、その感度の向上を図ったものである。
【0005】
上流側及び下流側サーモパイル1e、1fは、図5のサーモパイルの拡大図に示すように熱電対を構成する2種類の導電性部材、例えばアルミニウム(以下、Alとする)配線10と、P型シリコン(以下、P++−Siとする)配線20とが交互に直列接続して形成されている。そして、Al配線10の一端とP++−Si配線20との接点である温接点Soが熱伝導率の低い薄肉状部1a−1に、Al配線10の他端とP++−Si配線20との接点である冷接点Srが、薄肉状部1a−1以外の支持基台1aである肉厚状部1a−2にそれぞれ配置されている。肉厚状部1a−2は、その熱伝導率がAl配線10及びP++−Si配線20より高くなるように肉厚に形成されている。
【0006】
従って、上流側及び下流側サーモパイル1e、1fは、図4に示すように、複数の温接点Soからなる温接点群Sogが薄肉状部1a−1に、複数の冷接点Srからなる冷接点群Srgが肉厚状部1a−2にそれぞれ設けられることとなる。このため、マイクロヒータ1cが加熱を開始し、その上下流側の流体が周囲温度よりも上昇すると、その熱は熱伝導率の低い薄肉状部1a−1には伝導されずほとんどが温接点群Sogに伝導されるため、温接点群Sogはマイクロヒータ1cの上下流側の流体の温度とほぼ等しくなる。
【0007】
一方、冷接点群Srgは、冷接点群Srg上を通過する流体の温度が上昇しても、その熱はAl配線10及びP++−Si配線20より伝導率の高い肉厚状部1a−2に伝わり逃げるため、ほぼ周囲温度に保たれている。この結果、上流側及び下流側サーモパイル1e、1fの温接点群Sog−冷接点群Srgにはそれぞれ、マイクロヒータ1cの上下流側の流体の温度に応じた熱起電力が生じる。
【0008】
上述した構成の流速センサの動作について図6のタイムチャート及び図7の温度分布図を参照にして以下説明する。マイクロヒータ1cは、マイクロヒータ駆動回路が出力する矩形パルスの立ち上がりと同時に駆動電流が流れ、所定時間加熱を行う(図6(a))。この結果、流路に流体が流れていないときは、マイクロヒータ1c付近の気体に熱が伝わり、マイクロヒータ1c付近の上流側、下流側の温度分布は対称分布になる。つまり、両サーモパイル1e、1fの温接点群Sogは、等しい温度tに上昇する(図7)。従って、上流側及び下流側サーモパイル1e、1fは、等しいピーク電圧を有する熱起電力であるパルス電圧V1、V2を出力する(図6(b)、(c))。
【0009】
今、マイクロヒータ1cが通電している間、矢印1bの方向に流体が流れると、上流側は流体により冷却され、その流速に応じてΔTdだけ降温する(図7)。一方、下流側は気体の流れを媒体としてマイクロヒータ1cから熱伝導が促進され、その流速に応じてΔTuだけ昇温する(図7)。
【0010】
この結果、上流側サーモパイル1eは流体により降温されたピーク電圧を有するパルス電圧V1を、下流側サーモパイル1fは流体により昇温されたピーク電圧を有するパルス電圧V2をそれぞれ出力する(図6(d)、(e))。流速が増加すると、それに伴って、上述した降温分ΔTdと昇温分ΔTuも増加するので、パルス電圧V1、V2のピーク電圧の差は流速に応じた出力となる。
【0011】
また、マイクロヒータ1cを常時通電することにより連続的に駆動して、流速に応じた上下流側サーモパイル1e、1fの電圧差を出力する流速センサも知られている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した流速センサが計測したガスの流速を間欠的に取り込み、計測した流速に間欠時間を乗してガスの流量を計測すると共に、その積算値を表示するガスメータがある。そして、このガスメータを通じて供給するガスを消費する燃焼器のなかには、使用中に供給ガス圧に圧力変動を生じさせるものがある。例えば、GHP(ガスヒートポンプ)の場合、その使用によってガス圧に約15mmH2Oの変動を10〜20Hzの周波数で生じさせる。
【0013】
このようなGHPはガス流路に脈流を生じさせる脈流発生源となり、集合住宅などにおいて特定の消費宅に設置され使用されていると、GHPの生じさせる圧力変動が生じることにより、ガスメータ内のガス流路内に瞬間的なガスの流れが生じるため、ある流量に相当する流速を計測してしまうようになる。これをガス消費に伴うガス流量と誤認し、通過流量として積算し積算流量を求めてしまうことがあると、積算値が実際のガス使用量よりも大きくなってしまい、計量器としては致命的な信頼性の上の問題となる。
【0014】
すなわち、ガスが全く消費されていない状態で、図8(a)に示すよう圧力変動が電子式ガスメータに生じると、この圧力変動の影響によりガス流路中のガスが上流方向及び下流方向に移動するため通過流量は図8(b)に示すような10〜20Hzの脈流が生じる。これに対応して間欠的な計測が行われたとすると、図8(c)に示すような通過流量が求められるようになり、タイミングaで計測された通過流量Taが積算されてしまう。
【0015】
また、ガスを消費している消費宅のガスメータの上流側において上述したGHPの生じさせる圧力が変動すると、その消費宅の電子式ガスメータのガス流路内の通過流量が図8(b)に示すように増減が繰り返されることとなる。そして、このような実際の通過流量に対して増減を繰り返すような通過流量が電子式ガスメータにより求められてしまうと、近年のように、ガス漏洩検知機能とそれに連動したガス漏洩警報機能やガス供給遮断機能といった保安機能が電子式ガスメータに搭載されている場合に、次のような問題が生じる。
【0016】
すなわち、実際にはガス漏洩判定レベルを越えていないにも拘わらず、計測のタイミングの関係からガス漏洩判定レベルを上回る通過流量が電子式ガスメータにより求められて、ガスの漏洩警報や供給遮断が誤って実行されたり、反対に、実際にはガス漏洩判定レベルを越えているにも拘わらず、計測のタイミングの関係からガス漏洩判定レベルを下回る通過流量が電子式ガスメータにより求められて、ガスの漏洩警報や供給遮断の実行が遅れてしまうという問題が生じる。
【0017】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、熱電対が有する温接点の熱容量を増大することにより、脈流の影響を除去した平均流速を計測することができる流速センサを提供することを課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項1記載の発明は、流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、2種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを設け、前記両接点間に生じる熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサにおいて、前記熱電対は、前記温接点周辺の導電性部材を、その厚みを一定に保ちつつ拡大することにより形成された熱容量増大構造を備えることを特徴とする流速センサに存する。
【0019】
請求項1記載の発明によれば、ヒータが、流速を検出すべき流体を加熱する。2種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び、冷接点を有する熱電対が、ヒータにより暖められた流体の温度を検出する。熱容量増大構造により、温接点の熱容量を増大される。従って、熱容量増大構造によって温接点の温度が、上昇しにくく、下降もしにくくなるため、脈流発生に応じて流体の温度が増減しても、熱電対はその温度の増減を抑制した温度を検出することができる。
【0021】
また、請求項1記載の発明によれば、温接点周辺を拡大して、質量を増大させると、温接点の熱容量は増大することに着目し、温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ、拡大することにより、熱容量増大構造を形成する。以上のような構成によれば、温接点周辺の厚みを拡大することなく、熱容量を増大することができ、簡単に温接点の熱容量を増大することができる。
【0022】
請求項記載の発明は、請求項記載の流速センサにおいて、前記温接点より前記ヒータ側の導電性部材を前記ヒータ側に延長することによって、前記温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ拡大することを特徴とする流速センサに存する。
【0023】
請求項記載の発明によれば、温接点よりヒータ側の導電性部材をヒータ側に延長することによって、温接点周辺の導電性部材の厚みを一定に保ちつつ拡大する。ところで、温接点の熱容量を増加する分、熱電対の感度が低下する。そこで、ある程度の感度を保つことができる範囲内で脈流を最大に抑制できるように、温接点の熱容量を増大させる流速センサを設計する必要がある。以上のような構成によれば、温接点の熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、設計が簡単となる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。従来で説明したように、下流側サーモパイル1fは複数の熱電対を直列に接続して構成されているものであるが、断面図を簡単にするために、図1は、下流側サーモパイル1fが単一の熱電対により構成されたときの断面図を示す。同図において、図4で上述した従来と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0027】
図中、支持基台1aは、シリコン基板(以下、Si基板)30と、該Si基板30の両面に形成された4窒化3ケイ素/2酸化ケイ素層(以下、Si34/SiO2層)41及び、42とからなる。そして、この支持基台1aに、流速を検出すべき流体を加熱するマイクロヒータ1cと、該マイクロヒータ1cを挟んで流体の上流側及び、下流側にそれぞれ配置された上流側サーモパイル1e及び、下流側サーモパイル1fとが設けられている。
【0028】
上流側及び下流側サーモパイル1e、1fは、上述した従来と同様に、2種類の導電性部材、すなわちアルミニウム配線(以下、Al配線)10と、P型シリコン配線(以下、P++−Si)配線20とから構成されている。これらの導電性部材は、温接点So及び冷接点Sr部分のみが接続され、それ以外の部分は互いにSi34/SiO2層41により絶縁されている。
【0029】
また、マイクロヒータ1cと両サーモパイル1e、1fの温接点Soとが設けられている中央部分の支持基台1aは、異方性エッチングにより、Si34/SiO2層42とSi基板30とが除去され、薄肉状に形成されている。この薄肉状に形成された部分が薄肉状部1a−1であり、該薄肉状部1a−1以外の支持基台1aが肉厚状部1a−2である。
【0030】
さらに、支持基台1a上面が流路となっており、矢印1b方向に流速を検出すべき流体が流れるようになっている。また、温接点Soよりマイクロヒータ1c側のP++−Si配線20は、厚さ一定のままマイクロヒータ1c側に延長されている。詳しくは、図2(a)のサーモパイルの拡大図に示すように延長されている。このため、延長した分、温接点So周辺部のP++−Si配線20が拡大するとともに質量が増大し、この結果、サーモパイルは温接点Soの熱容量を増大する熱容量増大構造を有することとなる。
【0031】
上述した構成の流速センサの出力について、図3を参照して以下説明する。まず、マイクロヒータ1cが駆動して加熱が行われると、温接点So上方を流れる流体の温度は、周囲温度より上昇する。このとき、脈流が発生していれば、それに応じて温度も増減する(図3中100参照)。そして、この温度上昇に伴って温接点Soの温度も上昇する。このとき、温接点Soの熱容量は増大されているため、温接点So自身の温度が上昇しにくく、かつ下降もしにくくなるため、脈流の発生に応じて流体の温度が増減しても、その温度変化についてゆけず、温度の増減を抑制した温度となる(図3中200参照)。従って、流速センサは、脈流の影響を除去した流速を検出することができる。
【0032】
なお、上述した実施例では、熱電対を構成する導電部材の一方であるP++−Si配線20を延長することにより、温接点So周辺のP++−Si配線20を拡大していたが、例えば、他方のAl配線10をマイクロヒータ1c側に延長するようにしても、温接点Soの熱容量を増大する熱容量増大構造を備えることができ、脈流の影響を除去した流速を検出することができる。また、両配線10又は20をマイクロヒータ1c側に延長しても同様の効果を得ることができる。
【0033】
また、同様の構成で、例えば、温接点So周辺のAl配線10又は、P++−Si配線20の厚さを他の部分より高く形成することにより、温接点So周辺の導電性部材を拡大して、温接点Soの熱容量を増大させることも考えられる。しかし、上述したように温接点So周辺だけAl配線10又はP++−Si配線20の厚さを高く形成すると製造工程が多くなるため、上述したようにAl配線10又はP++−Si配線20の厚さを一定に保ちつつ、拡大することにより熱容量増大構造を形成する方が構成が簡単となりコストダウンを図ることができる。
【0034】
さらに、上述した実施例では、マイクロヒータ1c側のP++−Si配線20をマイクロヒータ1c側に延長して温接点So周辺の導電性部材を、厚さを一定に保ちつつ拡大していたが、例えば、厚さ一定であれば、図2(b)に示すように、温接点So周辺を単に拡大するだけでもよい。ところで、温接点Soの熱容量を増加しすぎると、燃焼器の使用によるガス流速自体の変動による温度変化にもついて行けず、ガス流速が頻繁に変動するような場合には逆に流速検出精度が低下してしまう。そこで、ガス流速が頻繁に変動するような場合であっても、ある程度の流速検出精度が保てるるような範囲内で脈流を最大に抑制できるよう、温接点Soの熱容量を増大させる必要がある。
【0035】
そこで、図2(a)に示すように、マイクロヒータ1c側のP++−Si配線20をマイクロヒータ1c側に延長することにより、温接点Soの熱容量を増大する熱容量増大構造を形成すれば、温接点Soの熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、流速センサの設計を簡単に行うことができる。
【0036】
また、サーモパイル1e、1fは、図4に示すように、複数の温接点Soが、流体の流れ方向1bと垂直に並べて設けられている。従って、図2(b)に示すように、温接点So周辺を単に拡大すると、温接点So同士の間隔も拡大しなければならず、これに伴ってサーモパイル1e、1f自体も大きくなってしまう。ところが、図2(a)に示すように、マイクロヒータ1c側のP++−Si配線20をマイクロヒータ1c側に延長して、温接点Soの熱容量を増大すれば、温接点So同士の間隔を変える必要がない。
【0037】
従って、サーモパイル1e、1fの大きさを抑えつつ、熱容量を大きくすることができ、大きさの制限を受けて、温接点Soの数を減らす必要がない。また、温接点So数の減少により生じるサーモパイル1e、1fの感度低下を補うために、マイクロヒータ1cの消費電力を上げる必要もない。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の発明によれば、熱容量増大構造によって温接点の温度が、上昇しにくく、下降もしにくくなるため、脈流発生に応じて流体の温度が増減しても、熱電対はその温度の増減を抑制した温度を検出することができるので、脈流の影響を除去した平均流速を計測することができる流速センサを得ることができる。
【0039】
また、請求項記載の発明によれば、温接点周辺の厚みを拡大することなく、熱容量を増大することができ、簡単に温接点の熱容量を増大することができるので、コストダウンを図った流速センサを得ることができる。
【0040】
請求項記載の発明によれば、温接点の熱容量は導電部材の延長分に応じるため、当該延長分の長さを調節することにより、簡単に温接点の熱容量を調節することができ、設計が簡単となるので、コストダウンを図ることができる流速センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の流速センサの一実施の形態を示す断面図である。
【図2】図1のサーモパイルを構成する熱電対の拡大天面図である。
【図3】図1の流速センサの出力を説明するための図である。
【図4】従来の流速センサの一例を示す図である。
【図5】従来の流速センサを構成するサーモパイルの拡大天面図である。
【図6】図5の流速センサの動作を説明するためのタイムチャートである。
【図7】図5のマイクロヒータの上下流側の温度分布を示すグラフである。
【図8】従来の流速センサの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
1c マイクロヒータ(ヒータ)
10 Al配線(導電性部材)
20 P++−Si配線(導電性部材)
So 温接点
Sr 冷接点
1e 上流側サーモパイル(熱電対)
1f 下流側サーモパイル(熱電対)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a flow rate sensor, and in particular, includes a heater that heats a fluid whose flow rate is to be detected, and two types of conductive members, and a hot junction and a cold junction that are connection points of the conductive members. The present invention relates to a flow rate sensor that measures a flow rate according to a temperature of a fluid that is detected using a thermoelectromotive force between both contact points.
[0002]
[Prior art]
As an example of the flow velocity sensor described above, one shown in FIG. 4 is generally known. In the figure, a thin-walled portion 1a-1 formed thinly by anisotropic etching is provided at the center of the support base 1a. And while providing a flow path on this thin part 1a-1, it is made for a fluid to flow to the upper surface of the thin part 1a-1 in the arrow 1b direction.
[0003]
Also, in the figure, a thin-film microheater 1c is provided on the upper or lower surface of the thin-walled portion 1a-1, and a power supply wiring 1d for supplying a drive current is connected to the microheater 1c. A microheater driving circuit (not shown) that outputs a pulse voltage or current is connected to the power supply wiring 1d.
[0004]
Therefore, every time the microheater driving circuit outputs a pulse, the microheater 1c is energized and heated through the power supply wiring 1d. On the upper surface of the thin-walled portion 1a-1, upstream and downstream thermopile 1e, 1f are connected to the upstream and downstream sides of the microheater 1c, respectively. The upstream and downstream thermopiles 1e and 1f are intended to improve sensitivity by connecting a large number of thermocouples in series.
[0005]
As shown in the enlarged view of the thermopile in FIG. 5, the upstream side and downstream side thermopile 1e, 1f are two kinds of conductive members constituting a thermocouple, for example, aluminum (hereinafter referred to as Al) wiring 10 and P-type silicon. Wirings 20 (hereinafter referred to as P ++- Si) are alternately connected in series. The hot contact So, which is a contact point between one end of the Al wiring 10 and the P ++ -Si wiring 20, is connected to the thin-walled portion 1 a-1 having a low thermal conductivity, and the other end of the Al wiring 10 and the P ++ -Si wiring. Cold junction Sr which is a contact with 20 is arranged in thick part 1a-2 which is support base 1a other than thin part 1a-1. The thick portion 1a-2 is formed thick so that its thermal conductivity is higher than that of the Al wiring 10 and the P ++- Si wiring 20.
[0006]
Therefore, as shown in FIG. 4, the upstream and downstream side thermopile 1 e, 1 f includes a cold junction group consisting of a plurality of cold junctions Sr and a hot junction group Sog consisting of a plurality of hot junctions So. Srg is provided in each of the thick portions 1a-2. For this reason, when the microheater 1c starts heating and the upstream and downstream fluid rises above the ambient temperature, the heat is not conducted to the thin-walled portion 1a-1 having a low thermal conductivity, and most of the hot junction groups. Since it is conducted to Sog, the hot junction group Sog becomes substantially equal to the temperature of the fluid on the upstream and downstream sides of the microheater 1c.
[0007]
On the other hand, in the cold junction group Srg, even if the temperature of the fluid passing over the cold junction group Srg rises, the heat is thicker than the Al wiring 10 and the P ++- Si wiring 20, and the thick portion 1a- Since it is transmitted to 2 and escapes, it is kept at almost the ambient temperature. As a result, the thermoelectromotive force according to the temperature of the fluid on the upstream and downstream sides of the microheater 1c is generated in the hot junction group Sog and the cold junction group Srg of the upstream and downstream thermopiles 1e and 1f, respectively.
[0008]
The operation of the flow velocity sensor configured as described above will be described below with reference to the time chart of FIG. 6 and the temperature distribution diagram of FIG. In the microheater 1c, a driving current flows simultaneously with the rise of the rectangular pulse output from the microheater driving circuit, and heating is performed for a predetermined time (FIG. 6A). As a result, when no fluid is flowing through the flow path, heat is transferred to the gas near the microheater 1c, and the upstream and downstream temperature distributions near the microheater 1c are symmetrical. That is, the hot junction groups Sog of both thermopile 1e and 1f rise to the same temperature t (FIG. 7). Therefore, the upstream and downstream thermopiles 1e and 1f output pulse voltages V1 and V2 that are thermoelectromotive forces having equal peak voltages (FIGS. 6B and 6C).
[0009]
Now, when the fluid flows in the direction of the arrow 1b while the microheater 1c is energized, the upstream side is cooled by the fluid, and the temperature is lowered by ΔTd according to the flow rate (FIG. 7). On the other hand, on the downstream side, heat conduction is promoted from the microheater 1c using a gas flow as a medium, and the temperature is increased by ΔTu according to the flow rate (FIG. 7).
[0010]
As a result, the upstream thermopile 1e outputs a pulse voltage V1 having a peak voltage lowered by the fluid, and the downstream thermopile 1f outputs a pulse voltage V2 having a peak voltage raised by the fluid (FIG. 6D). (E)). As the flow velocity increases, the temperature drop ΔTd and the temperature rise ΔTu described above also increase accordingly, so that the difference between the peak voltages of the pulse voltages V1 and V2 becomes an output corresponding to the flow velocity.
[0011]
There is also known a flow rate sensor that continuously drives the microheater 1c to energize it and outputs the voltage difference between the upstream and downstream thermopiles 1e and 1f according to the flow rate.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, there is a gas meter that intermittently takes in the gas flow rate measured by the above-described flow rate sensor, measures the gas flow rate by multiplying the measured flow rate by an intermittent time, and displays the integrated value. Some combustors that consume gas supplied through the gas meter cause pressure fluctuations in the supply gas pressure during use. For example, in the case of GHP (gas heat pump), the use causes a fluctuation of about 15 mmH 2 O in the gas pressure at a frequency of 10 to 20 Hz.
[0013]
Such a GHP becomes a pulsating flow source that generates a pulsating flow in the gas flow path. When the GHP is installed and used in a specific consumer house in an apartment house or the like, a pressure fluctuation generated by the GHP is generated. Since an instantaneous gas flow occurs in the gas flow path, a flow velocity corresponding to a certain flow rate is measured. If this is mistaken as a gas flow rate due to gas consumption, and it may be integrated as a passing flow rate to obtain the integrated flow rate, the integrated value will be larger than the actual gas consumption, which is fatal for a meter. It becomes a problem on reliability.
[0014]
That is, when pressure fluctuation occurs in the electronic gas meter as shown in FIG. 8A in a state where no gas is consumed, the gas in the gas flow path moves in the upstream direction and the downstream direction due to the influence of the pressure fluctuation. Therefore, a pulsating flow of 10 to 20 Hz as shown in FIG. If intermittent measurement is performed in response to this, a passage flow rate as shown in FIG. 8C is obtained, and the passage flow rate Ta measured at the timing a is integrated.
[0015]
Further, when the pressure generated by the above-described GHP fluctuates on the upstream side of the gas meter at the consuming house consuming the gas, the passing flow rate in the gas flow path of the electronic gas meter at the consuming house is shown in FIG. Thus, the increase / decrease is repeated. Then, if a flow rate that repeatedly increases or decreases with respect to the actual flow rate is obtained by an electronic gas meter, as in recent years, a gas leak detection function and a gas leak alarm function linked to it or a gas supply The following problems arise when a security function such as a shut-off function is mounted on an electronic gas meter.
[0016]
In other words, although the gas leak judgment level is not actually exceeded, the flow rate exceeding the gas leak judgment level is obtained by the electronic gas meter due to the timing of the measurement, and the gas leak alarm and supply cutoff are erroneous. On the contrary, even though the gas leak judgment level is actually exceeded, the flow rate below the gas leak judgment level is obtained by the electronic gas meter due to the timing of measurement, and the gas leak There arises a problem that execution of an alarm or supply interruption is delayed.
[0017]
Accordingly, the present invention provides a flow rate sensor capable of measuring the average flow velocity from which the influence of the pulsating flow is removed by increasing the heat capacity of the hot junction of the thermocouple, focusing on the above problems. This is the issue.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1, which has been made to solve the above problem, is composed of a heater for heating a fluid whose flow rate is to be detected, and two types of conductive members, and is a connection point of the conductive members A thermocouple having a hot junction and a cold junction, and a flow rate sensor for measuring a flow velocity according to a temperature of a fluid detected using a thermoelectromotive force generated between the two contacts, wherein the thermocouple is provided around the hot junction. The present invention resides in a flow rate sensor comprising a heat capacity increasing structure formed by expanding a conductive member while keeping its thickness constant .
[0019]
According to invention of Claim 1, a heater heats the fluid which should detect a flow velocity. A thermocouple including two types of conductive members and having a hot junction and a cold junction as a connection point of the conductive members detects the temperature of the fluid heated by the heater. The heat capacity of the hot junction is increased by the heat capacity increasing structure. Therefore, the temperature of the hot junction is not easily raised or lowered by the heat capacity increasing structure, so even if the fluid temperature increases or decreases due to the pulsating flow, the thermocouple detects the temperature that suppresses the increase or decrease of the temperature. can do.
[0021]
Further, according to the first aspect of the present invention, it is noted that the heat capacity of the hot junction increases when the mass around the hot junction is enlarged and the mass is increased, and the thickness of the conductive member around the hot junction is constant. The structure for increasing the heat capacity is formed by enlarging while maintaining the temperature. According to the above configuration, the heat capacity can be increased without increasing the thickness around the hot junction, and the thermal capacity of the hot junction can be easily increased.
[0022]
According to a second aspect of the invention, the flow sensor according to claim 1, by extending the conductive member of the heater side of the hot junction to the heater side, the conductive member near the hot junction, the thickness It exists in the flow rate sensor characterized by expanding, keeping constant.
[0023]
According to the second aspect of the present invention, the conductive member on the heater side is extended to the heater side from the hot junction, thereby expanding the conductive member around the hot junction while keeping the thickness constant. By the way, the sensitivity of the thermocouple is reduced by the increase in the heat capacity of the hot junction. Therefore, it is necessary to design a flow rate sensor that increases the heat capacity of the hot junction so that the pulsating flow can be suppressed to the maximum within a range in which a certain level of sensitivity can be maintained. According to the above configuration, since the heat capacity of the hot junction depends on the extension of the conductive member, the heat capacity of the hot junction can be easily adjusted by adjusting the length of the extension. It will be easy.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a flow rate sensor of the present invention. As described above, the downstream side thermopile 1f is configured by connecting a plurality of thermocouples in series. However, in order to simplify the cross-sectional view, FIG. Sectional drawing when comprised with one thermocouple is shown. In this figure, the same reference numerals are given to the same parts as those in the prior art described with reference to FIG.
[0027]
In the figure, a support base 1a includes a silicon substrate (hereinafter referred to as Si substrate) 30 and a silicon tetranitride / 3 silicon dioxide layer (hereinafter referred to as Si 3 N 4 / SiO 2 layer) formed on both surfaces of the Si substrate 30. ) 41 and 42. The support base 1a has a microheater 1c for heating a fluid whose flow rate is to be detected, an upstream thermopile 1e disposed on the upstream side and the downstream side of the fluid with the microheater 1c interposed therebetween, and a downstream side. A side thermopile 1f is provided.
[0028]
The upstream and downstream thermopiles 1e and 1f are composed of two types of conductive members, that is, an aluminum wiring (hereinafter referred to as Al wiring) 10 and a P-type silicon wiring (hereinafter referred to as P ++- Si), as in the conventional case. The wiring 20 is comprised. In these conductive members, only the hot junction So and the cold junction Sr are connected, and the other portions are insulated from each other by the Si 3 N 4 / SiO 2 layer 41.
[0029]
Further, the support base 1a at the center portion where the microheater 1c and the hot contacts So of both the thermopile 1e and 1f are provided is formed by the anisotropic etching to the Si 3 N 4 / SiO 2 layer 42 and the Si substrate 30. Is removed to form a thin wall. The thin part is the thin part 1a-1, and the support base 1a other than the thin part 1a-1 is the thick part 1a-2.
[0030]
Furthermore, the upper surface of the support base 1a is a flow path, and a fluid whose flow rate should be detected flows in the direction of the arrow 1b. Further, the P ++- Si wiring 20 on the microheater 1c side from the hot junction So is extended to the microheater 1c side with a constant thickness. Specifically, it is extended as shown in the enlarged view of the thermopile in FIG. For this reason, the P ++- Si wiring 20 around the hot junction So is expanded and the mass is increased by the extension, and as a result, the thermopile has a heat capacity increasing structure that increases the heat capacity of the hot junction So. .
[0031]
The output of the flow velocity sensor configured as described above will be described below with reference to FIG. First, when the microheater 1c is driven and heated, the temperature of the fluid flowing above the hot junction So rises from the ambient temperature. At this time, if a pulsating flow is generated, the temperature also increases or decreases accordingly (see 100 in FIG. 3). As the temperature rises, the temperature of the hot junction So also rises. At this time, since the heat capacity of the hot junction So is increased, the temperature of the hot junction So itself is difficult to rise and fall, so even if the temperature of the fluid increases or decreases according to the occurrence of the pulsating flow, The temperature does not change, and the temperature is suppressed from increasing or decreasing (see 200 in FIG. 3). Therefore, the flow velocity sensor can detect the flow velocity from which the influence of the pulsating flow is removed.
[0032]
In the embodiment described above, by extending the one in which P ++ -Si wiring 20 of the conductive member constituting the thermocouple had been enlarged hot junction So near P ++ -Si wiring 20 For example, even if the other Al wiring 10 is extended to the microheater 1c side, a heat capacity increasing structure for increasing the heat capacity of the hot junction So can be provided, and the flow velocity from which the influence of the pulsating flow is removed is detected. Can do. Further, the same effect can be obtained by extending both the wirings 10 or 20 to the micro heater 1c side.
[0033]
Further, with the same configuration, for example, by forming the thickness of the Al wiring 10 or the P ++- Si wiring 20 around the hot junction So higher than other portions, the conductive member around the hot junction So is expanded. It is also conceivable to increase the heat capacity of the hot junction So. However, as described above, if the thickness of the Al wiring 10 or the P ++- Si wiring 20 is increased only in the vicinity of the hot junction So, the number of manufacturing steps increases. Therefore, as described above, the Al wiring 10 or the P ++- Si wiring The structure can be simplified and the cost can be reduced by forming the heat capacity increasing structure by enlarging it while keeping the thickness of 20 constant.
[0034]
Further, in the above-described embodiment, the P ++- Si wiring 20 on the microheater 1c side is extended to the microheater 1c side to expand the conductive member around the hot junction So while keeping the thickness constant. However, for example, if the thickness is constant, the area around the hot junction So may be simply enlarged as shown in FIG. By the way, if the heat capacity of the hot junction So is increased too much, the temperature change due to the fluctuation of the gas flow rate itself due to the use of the combustor cannot be followed, and if the gas flow rate fluctuates frequently, the flow rate detection accuracy decreases. Resulting in. Therefore, even when the gas flow rate fluctuates frequently, it is necessary to increase the heat capacity of the hot junction So so that the pulsating flow can be suppressed to the maximum within a range where a certain degree of flow rate detection accuracy can be maintained. .
[0035]
Therefore, as shown in FIG. 2A, by extending the P ++- Si wiring 20 on the micro heater 1c side to the micro heater 1c side, a heat capacity increasing structure for increasing the heat capacity of the hot junction So can be formed. Since the heat capacity of the hot junction So depends on the extension of the conductive member, the heat capacity of the hot junction can be easily adjusted by adjusting the length of the extension, and the flow velocity sensor can be designed easily. Can do.
[0036]
In addition, as shown in FIG. 4, the thermopile 1 e and 1 f are provided with a plurality of hot junctions So arranged vertically to the fluid flow direction 1 b. Therefore, as shown in FIG. 2B, if the vicinity of the hot junction So is simply enlarged, the interval between the hot junctions So must be enlarged, and accordingly, the thermopiles 1e and 1f themselves become larger. However, as shown in FIG. 2A, if the P ++- Si wiring 20 on the microheater 1c side is extended to the microheater 1c side to increase the heat capacity of the hot junction So, the distance between the hot junctions So is increased. There is no need to change.
[0037]
Therefore, it is possible to increase the heat capacity while suppressing the size of the thermopiles 1e and 1f, and it is not necessary to reduce the number of hot junctions So due to the size limitation. Further, it is not necessary to increase the power consumption of the micro heater 1c in order to compensate for the sensitivity reduction of the thermopiles 1e and 1f caused by the decrease in the number of hot junctions So.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the temperature of the hot junction is not easily increased or decreased by the heat capacity increasing structure, so even if the temperature of the fluid increases or decreases according to the pulsating flow, Since the thermocouple can detect the temperature at which the increase and decrease of the temperature is suppressed, it is possible to obtain a flow rate sensor that can measure the average flow velocity without the influence of the pulsating flow.
[0039]
In addition, according to the first aspect of the present invention, the heat capacity can be increased without increasing the thickness around the hot junction, and the thermal capacity of the hot junction can be easily increased. A flow rate sensor can be obtained.
[0040]
According to the invention described in claim 2 , since the heat capacity of the hot junction depends on the extension of the conductive member, the heat capacity of the hot junction can be easily adjusted by adjusting the length of the extension. Therefore, it is possible to obtain a flow rate sensor capable of reducing the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a flow rate sensor of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged top view of a thermocouple constituting the thermopile of FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining the output of the flow velocity sensor of FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a conventional flow velocity sensor.
FIG. 5 is an enlarged top view of a thermopile constituting a conventional flow velocity sensor.
6 is a time chart for explaining the operation of the flow rate sensor of FIG. 5;
7 is a graph showing temperature distribution on the upstream and downstream sides of the micro heater in FIG.
FIG. 8 is a diagram for explaining a problem of a conventional flow rate sensor.
[Explanation of symbols]
1c Micro heater (heater)
10 Al wiring (conductive member)
20P ++- Si wiring (conductive member)
So Hot junction Sr Cold junction 1e Upstream thermopile (thermocouple)
1f Downstream thermopile (thermocouple)

Claims (2)

流速を検出すべき流体を加熱するヒータと、2種類の導電性部材から構成されると共に、該導電性部材の接続点である温接点及び冷接点を有する熱電対とを設け、前記両接点間に生じる熱起電力を利用して検出した流体の温度によって流速を計測する流速センサにおいて、
前記熱電対は、前記温接点周辺の導電性部材を、その厚みを一定に保ちつつ拡大することにより形成された熱容量増大構造を備えることを特徴とする流速センサ。
A heater for heating a fluid whose flow rate is to be detected, and a thermocouple having a hot junction and a cold junction, which are connection points of the conductive member, are provided between the two contacts. In the flow velocity sensor that measures the flow velocity according to the temperature of the fluid detected using the thermoelectromotive force generated in
The thermocouple includes a heat capacity increasing structure formed by expanding a conductive member around the hot junction while keeping the thickness constant .
請求項記載の流速センサにおいて、
前記温接点より前記ヒータ側の導電性部材を前記ヒータ側に延長することによって、前記温接点周辺の導電性部材を、厚みを一定に保ちつつ拡大することを特徴とする流速センサ。
The flow rate sensor according to claim 1 ,
A flow rate sensor, wherein a conductive member on the heater side is extended from the hot junction to the heater side, thereby expanding the conductive member around the hot junction while maintaining a constant thickness.
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