JP4404946B2 - 媒体の流速を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁界によって晒されている空間で媒体の流速を測定する方法に関する。媒体では、媒体の流れ運動によって、電界が誘導される。本発明は、特に、磁気誘導的な流量センサ（ＭＩＤ）における、信号の分離（Signalauskopplung）に関する。

今日市場で入手可能な磁気誘導的な流量センサは、信号の電気的な分離によって作動し、媒体の電気的な最小導電率を要する。誘導電圧の測定は、ここでは、実際に、電流測定になる。媒体の内部抵抗が高ければ高いほど、電流測定は一層難しくなる。更に、このタイプの結合は、金属導電的な電極における妨害的な電気化学的電位を除去するために、経時変化型の磁界を必要とする。

多くの理由から好都合な容量性の信号分離機能を有する、市場で入手可能なシステムも、最小導電率を省略することはできない。何故ならば、これらのシステムの場合でも、最後には、電流測定がなされるからである。電気結合型のシステムとは逆に、前者のシステムの場合に、原理的な理由から、経時変化型の磁界が必要である。その目的は、持続的な、交流電流を発生させるためである。

しかしながら、選択肢は、DE 102 21 677 C1で紹介されている。詳しくは、経時変化型の磁界が、経時変化型の結合容量によって取り替えられるのである。従って、永久磁石を用い、かくて、交流磁界を発生させるためのかなりの電力需要をゼロに減少させる可能性が開かれる。しかしながら、この選択肢も、前記システムとまさしく同様に、媒体の最小導電率に依存している。何故ならば、ここでも、可変の容量によって引き起こされる電流が測定されるからである。

非導電性の媒体の場合に磁気誘電的な測定方法を用いるための、解決への他の試みが、DE 198 43 808 A1に記載されている。詳しくは、この公報では、誘電電圧が、測定量として直接に用いられるのではなく、発生する誘電的な分極電荷が用いられる。ここでは、媒体の最小導電率が不要であるが、結局は、この方法も、経時変化型の分極電荷に基づいて引き起こされる変位電流に帰される。この分極電荷の高さが少ないので、測定が難しくなる。

更に、従来の技術としては、DE 199 22 311 C2に記載されており、導電性の液体中の空間的な速度分布を確定するための装置と、日本の公開公報JP 01178822Aに記載されており、半導体装置によって流速を測定するための装置と、DE 2 401 641 Aに記載されている、電磁的な流速計のための電極手段と、テウォドロス・アマレ（Tewodros Amare）の論文『Design of an electromagnetic flowmeter for insulting liquids』in Meas. Sci. Technol.10(1999) pp.755-758とを挙げることができる。

最後の引例を除き、このような方法は、例外なく、電流測定によってのみ、成功する。これらの方法は、今日では実際に入手可能な測定システムでは、媒体の最小導電率を前提とする。従って、今あるシステムが、水性の媒体での使用にされている。

最後に挙げた引例、すなわちテウォドロス・アマレの論文は、電極と遮蔽電極夫々の間の抵抗または電流が、これらの電極の容量を確定するために測定されることを前庭とする。この場合、磁界周波数および調整される静電界を制御することは難しい。

媒体での電流に頼ることなく、誘電された電界の作用に直接作用する容量性の測定方法が、望ましい。

今や、電気化学からは、電気化学的な信号の、無電流の（静電的な）検出の際に、重要な実際的な進歩がごく最近達成されたことが、知られている。例えば、今日では、液状の媒体の電気化学的なパラメータの測定（例えばｐＨ値の測定）のための、集積された電界効果型トランジスタを有する電極が、商業的に入手可能である。これらの進歩は、電気化学的に生起された電気信号のみならず、物理的に生起された電気信号をも検出する機会を与える。

前提となる電流に関連した、今日知られた方法が有する前述の欠点、その欠点を解消する、磁気誘電的な流量測定の際に容量性をもって信号を分離する方法を、提供することが、本発明の課題である。

上記課題を解決するために、請求項１の前提部分との関連における請求項１の特徴を有する方法が用いられる。この方法の好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本発明では、磁界によって晒されている空間で媒体の流速を測定するために、伝導特性（Leitungseigenschaften）を制御することが可能な少なくとも１つの半導体が、空間の境界面に存する。この半導体へは、媒体の流れ運動によって媒体中で磁界との相互作用で誘電された電界が作用する。それ故に、半導体のキャリア濃度は、理想的には、この電界によってのみ、すなわち、電流が流れない無電流で影響を受ける。この影響に関連した抵抗変化からは、誘電された電界強さが推論され、この電界強さからは、媒体の流速が推論される。

半導体の伝導特性の、ほぼ無電流による制御が、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）において最良に達成されることは、知られている。

本発明に係わる方法を記載すべく特に簡単な装置をここではただの例として取り入れる場合、ＦＥＴのゲートのみが、ＦＥＴにある絶縁層を介して、媒体と直に接触しているように、このようなＦＥＴが、媒体の空間の境界に取着されている。この場合、絶縁層は、誘電場の遮蔽を出来る限り減じるために、出来る限り低い誘電率を有するほうがよい。

媒体の流れ運動によって誘電された電界は、ゲート絶縁体によって、容量性をもってＦＥＴのダクトに作用し、自らの抵抗を変える。この抵抗は、ソース・ドレイン接続部によって測定される。抵抗のこのような変化からは、まず、誘電された電界強さが推論され、電界強さからは、流速が推測されることが可能である。

本発明に係わる方法の趣旨で特に強調しなければならないことは、例としてのこの装置において描かれる、半導体用チャネルの抵抗変化が、無電流の制御が生じるように、只の電気的な場の作用によって電流なしになされることである。

本発明に係わる方法に基づく、誘電された電界強さの、半導体抵抗のこのような無電流の制御に関連している測定の特徴は、明らかである。すなわち、媒体の最小導電率への要求を省略することによって、さらにこの方法は、依然として、最小導電率を有する媒体のために、導電性の非常に弱いおよび非導電性の媒体のためにも適切である。

この方法を永久磁石によって実施することは特に好ましい。この場合、一定の流速の存在によって与えられている定常状態を測定する際に、従来の技術に従い信号の容量性の分離によるほとんどすべての方法は、役に立たない。何故ならば、これらの方法は、流速の変化の際にのみ生じる、電界の変化を、前提としているからである。DE 102 21 677 C1の方法のみが、永久磁石のために設計されている。しかしながら、この公報では、測定信号は、複数のコンデンサの絶え間ない逆の電荷を伴う、結合容量の強制変化の、その際の電流として検出される。このことは、同時に、電気誘導による媒体中の一定の電荷の移動をもたらす。従って、媒体の導電率が十分である場合のみ、明瞭な測定信号が期待される。

従来の技術に基づく容量性の方法は、媒体の流れ状態を定めるために、媒体において作用をする。

このこととは逆に、本発明に係わる測定方法は、全測定システムの定常状態を検出するまさしくその可能性を特徴とする。詳しくは、測定される電界による、半導体におけるキャリア濃度の測定のための方法に基づき利用される調整が、実際に、慣性なしに、流速の変化に従い、またこの電界の変化に従うのである。

本発明に係わる方法は、基本的に、媒体によって実現されるべきである、電界または磁界の特別な変化を発生させない。測定中には、媒体における作用がなされない。

他の利点は、媒体にある測定区間と半導体のダクトとの間の完全な電気的な分離にある。ダクトによって得られる出力信号は、この出力信号と関連しているインピーダンス結合の故に、外部の評価回路の必要条件にフレキシブルに結合され、情報を失うことなく、相応に大きな回線長を通って運ばれる。

以下、図面の原理図を参照して、本発明に係わる方法を、例として説明する。図１は、同じタイプの、２つの互いに向かい合っているＦＥＴ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２、大きさは非常に誇張して示してある）と、これらのＦＥＴの間にある媒体とを備えた装置の断面略図を示す。ソース（Ｓ）端子およびドレイン（Ｄ）端子は、夫々、電圧源ＵＤＳ１およびＵＤＳ２に接続されている。それ故に、ドレイン電流ＩＤ１およびＩＤ２夫々が流れる。ソース・ドレイン領域は、複数の絶縁層ＩＳによって、媒体から分離されている。速度ｖで流れる媒体と、インダクタＢの磁界との相互作用に基づいて生じる誘電電圧Ｕ０は、基板接続部(図ではＳｕｂ)の接続のために、夫々半分づつ、ＦＥＴのゲート絶縁体ＧＩ１およびＧＩ２におけるゲート電圧に分圧される。この例で明瞭に認識されることは、ゲート電圧が、夫々のＦＥＴに関して、上方および下方で異なった極性を有することである。それ故に、ゲート電流は、ドレイン電流と互いに逆の変化をもたらす。ドレイン電流の差は、電圧Ｕ０及び速度ｖの大きさに従う。

上述のように、図１に示した装置は、１つの例に過ぎない。使用された半導体構造の種類、媒体の特性、（時間的に一定のまたは可変の）磁界の種類、および（流量測定の）測定の課題の種類に従って、本発明に係わる方法に基づく多数の測定装置が考えられる。それ故に、実際の要求へのフレキシブルな適合が保証されている。

同じタイプの、２つの互いに向かい合っているＦＥＴ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と、これらのＦＥＴの間にある媒体とを有する可能な装置の断面略図を示す。

Claims (9)

1. 磁界によって晒されている空間で媒体の流速を測定する方法において、
   前記空間に隣接して設けられた半導体の電気抵抗をコンピュータによって測定することで、前記媒体の速度を確定し、
   前記半導体は、１つのＦＥＴのゲート電極として形成されており、前記電界効果型トランジスタは、前記空間の少なくとも１つの境界面に設けられていることを特徴とする方法。
2. 前記空間は、管部分の内部空間であり、前記ＦＥＴは、管壁部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも２つのＦＥＴが、前記管壁部の、実質的に互いに夫々対で向かい合っている位置に設けられており、その結果、２つのＦＥＴの間の結合線が、前記媒体の流れ方向に対し垂直におよび磁界方向に対し実質的に垂直に位置していることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記媒体が非導電的にかつ電気的に分極可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の方法。
5. 前記ＦＥＴと前記媒体との間には、媒体とＦＥＴとの間の電荷交換を妨げる絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。
6. 前記絶縁層は、出来る限り小さい誘電率を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 永久磁石を用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の方法。
8. 少なくとも２つの向かい合って設けられているＦＥＴの基板を、同一の電位に置くことを特徴とする請求項３または７に記載の方法。
9. 前記ＦＥＴの可変抵抗によって定められる電気測定回路は、前記媒体に位置している測定区間から導電的に分離されており、外側の測定・評価回路へのインピーダンス整合のために用いられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１に記載の方法。

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