JP3991161B2

JP3991161B2 - 流速センサ

Info

Publication number: JP3991161B2
Application number: JP2004040551A
Authority: JP
Inventors: 賢治色川; 厚志平松
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP2005233693A

Description

本発明は、流体の温度の影響を補償しつつ、前記流体の流速を測定するための流速センサに関する。

従来より、流体の温度による影響を補償しながら流量や流速等を測定する熱式流量計が知られている。

図５に示すように、特許文献１に開示されている熱式流量計１００では、流体流速感温センサ１０２と流体温度感温センサ１０４と２つの抵抗体１０６、１０８とでブリッジ回路１１０が構成され、前記流体流速感温センサ１０２及び前記流体温度感温センサ１０４は差動増幅回路１１２の入力端子側に接続され、前記差動増幅回路１１２の出力端子側にはトランジスタ１１４が接続されている。

また、前記トランジスタ１１４のエミッタ側には加熱用抵抗体１１６が接続され、コレクタ側には図示しない駆動電源と抵抗体１０６、１０８とが接続されている。

この場合、前記駆動電源から所定の電圧を前記ブリッジ回路１１０に印加した状態で、図示しない流体が流体流速感温センサ１０２及び流体温度感温センサ１０４近傍を通過すると、前記流体により前記流体流速感温センサ１０２及び前記流体温度感温センサ１０４が冷却されて、前記流体流速感温センサ１０２の抵抗値Ｒｓ及び前記流体温度感温センサ１０４の抵抗値Ｒｈが変化する。

ここで、前記流体流速感温センサ１０２及び前記流体温度感温センサ１０４に発生する電圧の差（差動電圧）を差動増幅回路１１２及びトランジスタ１１４が増幅し、増幅された前記差動電圧は加熱用抵抗体１１６に印加されて前記加熱用抵抗体１１６を加熱する。

これにより、加熱用抵抗体１１６は、流体流速感温センサ１０２と流体温度感温センサ１０４との温度差が一定になるまで前記流体流速感温センサ１０２を加熱する。一方、前記差動電圧は、流量を示す信号として熱式流量計１００から出力される。

また、特許文献２に開示されている熱式流量計では、流体温度感温センサ及び流体流速感温センサに電気抵抗体からなる金属を回路パターンにより形成し、前記回路パターンに流れる電流による発熱で、前記流体温度感温センサ及び前記流体流速感温センサを加熱するようにしている。

特開平６−８２２８６号公報（図１）特開２００２−１６８６６８号公報（図１）

しかしながら、特許文献１では、差動増幅回路１１２及びトランジスタ１１４から出力される差動電圧により加熱用抵抗体１１６の発熱量が変動するので、前記発熱量を調整する必要がある。これにより、熱式流量計１００の応答性が劣化したり、安定性に欠けるという問題があった。

また、熱式流量計１００は、前記差動電圧を加熱用抵抗体１１６に帰還する閉ループ回路として構成されているので、回路構成が複雑となり、製造コストが高騰するおそれがある。

一方、特許文献２では、流体流速感温センサが加熱されることにより、熱式流量計の出力に誤差が発生するという問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、より簡単な構成で流体の流速を測定することが可能な流速センサを提供することを目的とする。

本発明に係る流速センサは、流体が通過する管路に接合された第１温度検出手段と、前記第１温度検出手段に積層された発熱手段と、前記第１温度検出手段から離間して前記管路に接合された第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段とに接続された出力手段と、を備え、前記発熱手段は、前記第１温度検出手段を所定の熱量で加熱し、前記第１温度検出手段は、自己の温度に基づいて第１信号を出力し、前記第２温度検出手段は、前記管路内を流れる前記流体の温度に基づいて第２信号を出力し、前記出力手段は、前記第１信号と前記第２信号との差に基づいて前記流体の流速を示す第３信号を出力することを特徴とする。

この場合、前記第１温度検出手段及び前記第２温度検出手段が前記管路に接合されているので、前記管路内を前記流体が通過する場合における前記第１信号及び前記第２信号の応答性を向上することができる。

また、前記第１信号は前記流体の流速を示す成分と前記流体の温度を示す成分とから構成され、前記第２信号は前記流体の温度を示す信号であるから、前記出力手段では、前記第１信号と前記第２信号との差をとることにより、前記流体の温度の影響を相殺することができる。従って、前記第３信号は前記流体の流速を示す信号となる。それ故、前記流速センサは、簡単な回路構成で前記流速を測定することができる。

また、前記第１温度検出手段と、前記第２温度検出手段及び前記発熱手段とが離間して前記管路に配置されているので、前記第２温度検出手段及び前記発熱手段から前記第１温度検出手段に対する熱的な影響を回避することができる。

さらに、前記流速センサは、従来技術に係る熱式流量計と異なり、前記発熱手段を用いて前記所定の熱量で前記第２温度検出手段を加熱するので、回路構成がより一層簡単となり、前記流速センサの製造コストを低減することが可能となる。

ここで、前記第１温度検出手段及び前記管路間、前記第１温度検出手段及び前記発熱手段間、並びに前記第２温度検出手段及び前記管路間は、銀を含有する接着剤によって接合されていることが好ましい。これにより、前記第１温度検出手段及び前記管路間、前記第１温度検出手段及び前記発熱手段間、並びに前記第２温度検出手段及び前記管路間における熱伝導性と電気絶縁性能とが向上する。

特に、前記第１温度検出手段及び前記発熱手段間が電気的に絶縁されるので、前記第１温度検出手段の自己発熱による前記第１信号の誤差を低減することができる。また、前記発熱手段から発生する熱量は、前記第１温度検出手段及び前記管路を介して前記流体に伝達されるので、前記第１温度検出手段の熱効率を向上させることができると共に、小電力で流速センサを駆動することができる。

また、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段とは、ブリッジ回路の別個の辺として構成される感温抵抗体であり、前記発熱手段は、所定の電圧により前記第１温度検出手段を前記所定の熱量で加熱する抵抗体であり、前記出力手段は、前記第１信号と前記第２信号との差動出力を前記第３信号として出力する差動増幅回路であることが好ましい。

この場合、前記第２温度検出手段と並列に、前記第３信号を補正する補正手段が接続されていることが好ましい。

また、前記第２温度検出手段は前記管路の上流側に配置され、前記第１温度検出手段及び前記発熱手段は前記管路の下流側に配置されていることが好ましい。

さらに、前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段と前記発熱手段とは、前記管路の外側に配置してもよいし、前記管路表面から前記管路の内側に向って突出する突設部の凹部表面に配置してもよいし、前記管路の内側で前記流体に接して配置してもよい。

上述したように、本発明によれば、第１温度検出手段及び第２温度検出手段が管路に接合されているので、前記管路内を流体が通過する場合における第１信号及び第２信号の応答性を向上することができる。また、前記第１信号は前記流体の流速を示す成分と前記流体の温度を示す成分とから構成され、前記第２信号は前記流体の温度を示す信号であるから、出力装置では、前記第１信号と前記第２信号との差をとることにより、前記流体の温度の影響を相殺することができる。従って、第３信号は前記流体の流速を示す信号となる。それ故、流速センサは、簡単な回路構成で前記流速を測定することができる。

さらに、前記流速センサは、従来技術に係る熱式流量計と異なり、発熱手段を用いて所定の熱量で前記第２温度検出手段を加熱するので、回路構成がより一層簡単となり、前記流速センサの製造コストを低減することが可能となる。

本発明に係る流速センサについて、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下に説明する。

本実施の形態に係る流速センサ１０は、図１の矢印方向（図面上、左側から右側）に流体が通過する管路１２内側に向って突出した略Ｕ字の突設部１３と、前記突設部１３を構成する凹部の表面であって、上流側（図面上は左側）に接合配置された流体温度センサ（第２温度検出手段）１４と、前記流体温度センサ１４から離間して前記凹部の底面に接合配置された流体流速センサ（第１温度検出手段）１６と、前記流体流速センサ１６上に積層配置された発熱抵抗体（発熱手段）１８とを有する。

突設部１３及び流体温度センサ１４間、前記突設部１３及び流体流速センサ１６間、並びに流体流速センサ１６及び発熱抵抗体１８間は、銀を含有する接着剤２０により各々接合されている。この接着剤２０は、高い電気絶縁性と熱伝導性とを有する接着剤である。

管路１２及び突設部１３は、例えばステンレスあるいは樹脂から構成される。前記突設部１３の側面に形成されたネジ部と、図１に示す前記管路１２の孔部１２ａに設けられたネジ部とを締結することにより、前記突設部１３が前記管路１２に固定される。なお、前記突設部１３は、前記管路１２と一体的に構成してもよい。

流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６は、略同一の抵抗温度係数を有し、管路１２内を通過する前記流体の温度により抵抗値が変化する例えばサーミスタ、白金の温度センサから構成される。また、発熱抵抗体１８は前記流体流速センサ１６に熱を伝達し、その熱が前記流体流速センサ１６から管路１２を介して流体に放熱される。これにより、前記流体流速センサ１６近傍における前記流体の温度が上昇する。従って、前記流体温度センサ１４は、前記流体の温度上昇による誤差の発生を回避するために、前記流体流速センサ１６よりも上流側に配置される。

また、前記管路１２を通過する前記流体は、例えば水、空気である。

流速センサ１０では、図２の回路図に示すように、抵抗値Ｒｓを有する流体温度センサ１４と、抵抗値Ｒｈを有する流体流速センサ１６と、抵抗値Ｒ１を有する固定抵抗体２２と、抵抗値Ｒ２を有する固定抵抗体２４と、抵抗値Ｒ４を有する固定抵抗体２６とでブリッジ回路２８が構成される。

ブリッジ回路２８の入力端子３０には図示しない駆動電源が接続され、他方の入力端子３２は接地されている。入力端子３０には流体温度センサ１４、流体流速センサ１６及び抵抗値Ｒ３を有する発熱抵抗体１８の各一端が接続され、前記流体温度センサ１４の他端には固定抵抗体２６の一端が接続され、前記流体流速センサ１６の他端には固定抵抗体２２の一端が接続されている。さらに、固定抵抗体２６の他端には固定抵抗体２４の一端が接続され、入力端子３２には発熱抵抗体１８及び固定抵抗体２２、２４の他端が接続されている。

さらにまた、固定抵抗体２６の前記他端及び固定抵抗体２４の前記一端である出力端子３４は、差動増幅回路（出力手段）３６の一方の入力端子３８に接続され、流体流速センサ１６の前記他端及び固定抵抗体２２の前記一端である出力端子４０は、前記差動増幅回路３６の他方の入力端子４２に接続されている。この場合、前記入力端子３８、４２は、いずれか一方の端子が反転入力端子であれば他方の端子は非反転入力端子となる。

さらにまた、流体温度センサ１４と並列に補正抵抗（補正手段）４４が接続されている。前記補正抵抗４４は例えば可変抵抗である。

本実施の形態に係る流速センサ１０は、上記のように構成されており、次にその動作について説明する。

先ず、前記駆動電源から入力端子３０を介してブリッジ回路２８に一定の電圧Ｖｃｃを印加する。これにより、発熱抵抗体１８には前記電圧Ｖｃｃが印加されて一定の電力が供給されると共に、前記発熱抵抗体１８は前記電力に基づいて発熱する。前記発熱抵抗体１８において発生した熱は、接着剤２０（図１参照）を介して流体流速センサ１６に伝達される。前記流体流速センサ１６は、前記熱によって自己の温度が上昇すると共に、抵抗値Ｒｈが減少して電圧Ｖ１０を出力する。

次に、管路１２の上流側から下流側に矢印方向に流体を流す。前記流体により、管路１２及び接着剤２０を介して流体温度センサ１４は冷却されると共に、抵抗値Ｒｓは上昇する。これにより、流体温度センサ１４は自己の温度を検出し、前記温度及び抵抗値Ｒｓを示す電圧Ｖ２（第２信号）を出力する。

一方、流体流速センサ１６は、管路１２及び接着剤２０を介して前記流体により冷却されて自己の温度が低下すると共に、抵抗値Ｒｈが増加する。そして、流体流速センサ１６は、低下した前記温度に対応して電圧Ｖ１（第１信号）を出力する。

電圧Ｖ１、Ｖ２は出力端子３４、４０及び入力端子３８、４２を介して差動増幅回路３６に入力され、前記差動増幅回路３６は前記電圧Ｖ１、Ｖ２の差である差動電圧（Ｖ１−Ｖ２）を増幅し、増幅された前記差動電圧を出力電圧Ｖ３（第３信号）として出力端子４６から出力する。

この場合、前記電圧Ｖ１には前記流体の温度を示す電圧成分と、前記流体の流速を示す電圧成分とが含まれ、前記電圧Ｖ２には前記流体の温度を示す電圧成分が含まれている。そのため、差動増幅回路３６内で差動電圧（Ｖ１−Ｖ２）を生成すると前記流体の温度の影響が相殺される。そのため、出力電圧Ｖ３は、前記流体の流速を示す電圧成分のみで構成され、且つ前記流体の流速を示す信号となる。

ここで、流体流速センサ１６に関し、前記流体流速センサ１６に検出される温度と、前記流体の流速との間には比例的な関係がある。そのため、前記出力電圧Ｖ３と前記流体の流速との間にも比例的な関係が成立する。

また、流体流速センサ１６の温度特性を向上させる目的で補正抵抗４４の抵抗を変化させると、流体流速センサ１６及び補正抵抗４４から構成される並列回路の抵抗値が変化し、電圧Ｖ１が変化する。これにより、差動増幅回路３６の出力電圧Ｖ３を容易に補正することができる。

このように、本実施の形態に係る流速センサ１０では、流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６が管路１２に接着剤２０を介して直接接合されているので、前記管路１２内を流体が通過する場合、電圧Ｖ１、Ｖ２の応答性を向上することができる。また、差動増幅回路３６は、電圧Ｖ１、Ｖ２の差をとることにより、前記流体の温度の影響を相殺することができるので、前記差動増幅回路３６から出力される電圧Ｖ３は、前記流体の流速を示す信号となる。従って、本実施の形態に係る流速センサ１０は、簡単な回路構成で前記流速を測定することができる。

また、発熱抵抗体１８に一定の電圧Ｖｃｃを印加するだけで流体流速センサ１６を一定の熱量を加熱させることができるので、従来技術に係る熱式流量計１００（図５参照）と比較して、発熱抵抗体１８の制御回路が簡素化され、低コストで流速センサ１０を製造することができる。また、流速センサ１０では、前記発熱抵抗体１８の消費電力と前記流体の流速とは無関係となるので、前記熱式流量計１００（図５参照）と比較して、より安定性の高い流速測定を行うことが可能である。

また、流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６が離間して管路１２上に接合されているので、発熱抵抗体１８から流体温度センサ１４に対する熱的な影響を回避することができる。

また、流体温度センサ１４と管路１２との間、流体流速センサ１６と管路１２との間、及び流体流速センサ１６と発熱抵抗体１８との間を、それぞれ銀を含有する接着剤２０によって接合しているので、それらの間における熱伝導性と電気絶縁性能とを向上させることができる。

特に、流体流速センサ１６と発熱抵抗体１８との間は、接着剤２０によって電気的に絶縁されているので、流体流速センサ１６の自己発熱による電圧Ｖ１の誤差を低減することができる。また、発熱抵抗体１８から発生する熱量は、流体流速センサ１６及び管路１２を介して前記流体に伝達されるので、流体流速センサ１６の熱効率を向上することが可能になると共に、小電力で流速センサ１０を駆動することができる。

さらにまた、流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６が、ブリッジ回路２８の入力端子３０側に配置されているので、前記流体の温度による影響を補正抵抗４４によって容易に補償することが可能となり、流速センサ１０の性能を向上させることができる。

次に、本実施の形態の変形例に係る流速センサ５０、５２について図３及び図４を参照しながら説明する。なお、流速センサ１０と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

流速センサ５０は、管路１２の外側に流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６が接着剤２０を介して接合されている点で、流速センサ１０とは異なる。

この場合、管路１２に流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６を直接接合しているので、流速センサ５０の取り付けが極めて容易である。

一方、流速センサ５２は、管路１２に設けられた孔部１２ｂに接着剤２０を介して流体温度センサ１４が固定され、他の孔部１２ｃに接着剤２０を介して流体流速センサ１６が固定されている点で、流速センサ１０とは異なる。

この場合、流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６が、管路１２内の流体と接触するので、前記流体温度センサ１４から出力される電圧Ｖ２及び流体流速センサ１６から出力される電圧Ｖ１の応答性を向上させることが可能になると共に、発熱抵抗体１８から流体流速センサ１６に対する熱効率をさらに向上させることができる。

また、本実施の形態では、流体流速センサ１６及び発熱抵抗体１８に関し、接着剤２０を介して接合しているが、前記流体流速センサ１６及び前記発熱抵抗体１８を積層体として一体的に構成してもよいことは勿論である。

さらに、本実施の形態では、流体温度センサ１４及び流体流速センサ１６は、ブリッジ回路２８の入力端子３０側に配置されているが、入力端子３２側（接地側）に配置してもよいことは勿論である。

なお、本発明に係る流速センサは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る流速センサの断面図である。本実施の形態に係る流速センサの回路構成を示す説明図である。本実施の形態の変形例に係る流速センサを示す断面図である。本実施の形態の変形例に係る流速センサを示す断面図である。従来技術に係る熱式流量計の回路構成を示す説明図である。

符号の説明

１０、５０、５２…流速センサ１２…管路
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…孔部１３…突設部
１４…流体温度センサ１６…流体流速センサ
１８…発熱抵抗体２０…接着剤
２２、２４、２６…固定抵抗体２８…ブリッジ回路
３０、３２、３８、４２…入力端子３４、４０、４６…出力端子
３６…差動増幅回路４４…補正抵抗

Claims

流体が通過する管路表面から該管路の内側に向かって突出する突設部と、
前記突設部における前記管路の内側の底面に接合配置された第１温度検出手段と、
前記第１温度検出手段に積層配置された発熱手段と、
前記第１温度検出手段及び前記発熱手段から離間して前記突設部における前記管路の上流側の表面に接合配置された第２温度検出手段と、
前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段とに接続された出力手段と、
を備え、
前記発熱手段は、前記第１温度検出手段を所定の熱量で加熱し、
前記第１温度検出手段は、自己の温度に基づいて第１信号を出力し、
前記第２温度検出手段は、前記管路内を流れる前記流体の温度に基づいて第２信号を出力し、
前記出力手段は、前記第１信号と前記第２信号との差に基づいて前記流体の流速を示す第３信号を出力し、
前記第１温度検出手段と前記第２温度検出手段とは、ブリッジ回路の別個の辺として構成される感温抵抗体であり、
前記発熱手段は、所定の電圧により前記第１温度検出手段を前記所定の熱量で加熱する抵抗体であり、
前記出力手段は、前記第１信号と前記第２信号との差動出力を前記第３信号として出力する差動増幅回路であり、
前記第２温度検出手段には、前記第３信号を補正する補正手段が並列に接続されている
ことを特徴とする流速センサ。
請求項１記載の流速センサにおいて、
前記第１温度検出手段及び前記突設部間、前記第１温度検出手段及び前記発熱手段間、並びに前記第２温度検出手段及び前記突設部間は、銀を含有する接着剤によって接合されている
ことを特徴とする流速センサ。