JPH0151928B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は熱式風速計に係り、特にトランジス
タを発熱素子として用いた熱式風速計に関する。

発明の技術的背景 通常の三端子型トランジスタを発熱素子として
用いた熱式風速計は既に知られている（特願昭54
−89106号）。

この種の風速計は例えば第１図に示す様であり
周囲温度例えば気温（以下、気温で代表させる）
を測定するための測温素子、例えばトランジスタ
Q_Tと風速計測用トランジスタQ_Hとを具えている。
これらのトランジスタQ_T，Q_Hは比較的接近して
１つのプローブ内に納められている（実願昭54−
83129号）。

トランジスタQ_Hはコレクタ端子に定電流源１
１からの電流が流れ、ベース電流に応じた内部損
失が起こり所定の熱を発生する。この種の風速計
の原理は風がこのトランジスタQ_Hの熱を奪うこ
とにより生ずる温度不平衡を風速信号化するもの
である。

しかしながら、気温は変化するものであるか
ら、前記風速信号量は同一風速であるにも拘らず
気温により変化する性質がある。この変化は風速
とは無関係なものであるから風速信号量から控除
する所謂風速の温度補償を行なう必要がある。こ
のため、自らは略発熱しない様な気温測定手段例
えばダイオード接続したトランジスタQ_Tに定電
流源１０から電流を供給し分圧抵抗R₁，R₂を介
して気温に対応した信号e_tを演算増幅器１２の非
反転入力とする。

演算増幅器１２の反転入力は直流定電圧Ｅであ
る。従つて、気温の変化すなわち信号e_tの変化に
よつて演算増幅器１２を介しトランジスタQ_Hの
ベース電流i_Bを制御し、トランジスタQ_Hの内部損
失の変化すなわち風速信号量の変化が気温に拘ら
ず風速の変化にのみ起因する様にすることができ
る。この場合制御が円滑に行なわれれば、発熱ト
ランジスタQ_Hの温度t′と気温測定用トランジスタ
Q_Tの温度（従つて気温）ｔとの差△Ｔ（＝t′−ｔ）
は常に一定になる。

しかしながら、第１図で示す従来の風速計は所
謂オープンループ制御であり、風速計測用のトラ
ンジスタQ_Hの温度が確かにt′であることの保証は
ない。すなわち、気温ｔに対応する信号e_tに対し
てベース電流i_Bが所定の値になる様にすればトラ
ンジスタQ_Hの温度はt′であるであろうという前提
によつて制御が成立している。

この様な制御方法によると気温が急変した場合
などトランジスタQ_Hの温度補償が末だ不充分な
時が生ずるため充分正確な測定が望めないことが
ある。

発明の目的及び概要 この発明は以上の従来技術の欠点を除去しよう
として成されたものであり、精密な風速の計測が
可能な熱式風速計を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、この発明によれば、
気温を検出するための第１の測温素子と、内部損
失によつて所定温度で発熱させる様に電流を供給
するトランジスタQ_HとこのトランジスタQ_Hに近
接して配置しこのトランジスタQ_Hの温度を検出
するための第２の測温素子とを具え、前記第１及
び前記第２の測温素子の温度信号の差が一定の値
になる様前記トランジスタQ_Hのベース電流を制
御し、このとき前記トランジスタQ_Hに生ずる内
部損失を基に風速を計測する様にする。

発明の実施例 以下、第２図によつてこの発明の実施例を説明
する。

同図によれば、３つのトランジスタQ₁，Q₂，
Q₃が具えられており、それぞれ定電流源２１，
２２，２３によつて駆動される。トランジスタ
Q₁は気温を検出するためのものであり、ダイオ
ード接続してある。トランジスタQ₂は風速を計
るために発熱させるものであり、トランジスタ
Q₃はトランジスタQ₂の温度を検出するためのも
のであり、ダイオード接続してある。これらのト
ランジスタQ₁，Q₂，Q₃は１つのプローブ（図示
せず、実願昭54−83129号参照）に収納されてお
り、特にトランジスタQ₃はトランジスタQ₂の温
度を検出できる程度に近接配置してある。従つ
て、例えばトランジスタQ₂，Q₃はデユアルトラ
ンジスタである。

また、トランジスタQ₁，Q₃のベースはそれぞ
れ演算増幅器２５の入力端にそれぞれ接続されて
いる。この増幅器２５の出力は演算増幅器２６の
一方の入力端へ接続されている。演算増幅器２６
の他方の入力端には一定直流電圧△Ｅを印加し、
出力端はトランジスタQ₂の制御電極であるベー
スに接続されている。

この様な構成によれば、トランジスタQ₃によ
つてトランジスタQ₂の温度を検出し、トランジ
スタQ₁とトランジスタQ₂の温度差が常に一定で
ある様に制御をすることが可能である。以下、こ
れを詳述する。

トランジスタQ₁，Q₃はいずれも温度検出を目
的とするものであり、出力電圧と温度との関係は
略第３図に示す様である。ここで、トランジスタ
Q₁，Q₃に流す電流It₁，It₃を小さく抑えれば、温
度を示す電圧信号（温度信号）の値はたかだか
0.7（Ｖ）程度であり、トランジスタQ₁，Q₃のコ
レクタ損失は極小となり温度上昇はほとんどな
い。従つて、トランジスタQ₁，Q₃の温度はそれ
ぞれ気温ｔ及びトランジスタQ₂の発熱温度t′に等
しいとみてよい。すなわち、温度信号e_t，e_t′は
Ａ、Ｂを定数として、 e₁（又はe_t′）＝Ａ−Bt と近似することができ、電圧e_t，e_t′を測れば温
度ｔ，t′を知ることができる。

一方、トランジスタQ₂は、コレクタ電流It₂の
供給によつて発熱する。すなわち、周囲温度T_a
が一定であるとすれば一般にトランジスタのコレ
クタ・エミツタ間電圧V_CEとコレクタ電流I_Cとの
関係は第４図の様である。これは、いわゆるトラ
ンジスタのエミツタ接地の静特性であり、ベース
電流I_Bの条件により何本もの特性線が引かれる。
ところで、トランジスタQ₂のコレクタ電流は定
電流源２２によつて固定されており、第４図は第
５図の様に画き換えられる。この第５図によれば
トランジスタQ₂のコレクタ・エミツタ間電圧V_CE
がベース電流I_Bにより一意的に定まることがわか
る。また、トランジスタQ₂のコレクタ損失P_Cは、
P_C＝I_C×V_CEであるから、第５図をベース電流I_B
対コレクタ損失P_Cの関係に書きなおすと、第６
図の様になる。第６図はコレクタ損失P_Cがベー
ス電流I_Bにより定まる、即ち、トランジスタQ₂に
加える熱量をベース電流I_Bで制御できることを意
味している。

一方、第４図に示すトランジスタの静特性は、
ベース電流I_Bを一定にして、周囲温度T_aの変化に
ついてみると概して第７図の如く周囲温度T_aの
値により何本もの特性線が引かれる。この第７図
を、コレクタ損失I_Cおよびベース電流I_Bを一定に
して横軸に周囲温度T_a、縦軸にコレクタ・エミ
ツタ間電圧V_CEをとつたグラフに書きなおすと、
第８図の様になり、周囲温度T_aにみあつたコレ
クタ・エミツタ間電圧V_CEが決まる事がわかる。
更に、コレクタ電流I_Cが一定であるから、P_C＝I_C
×V_CEを計算し、周囲温度T_aに対するコレクタ損
失P_Cの関係をグラフに表わすと、第９図の様に
なる。第９図は周囲温度T_aの値にみあつたコレ
クタ損失P_C、すなわち発熱量H_sが決まることを
意味している。

この発明によれば、以上述べたトランジスタの
特性のうち、第６図のベース電流対コレクタ損失
および、第９図の周囲温度対コレクタ損失の両特
性を利用して、周囲温度の変化に拘らず、所定の
コレクタ損失を起こさせることができる。

以上からも分かる様に、演算増幅器２５は周囲
温度ｔに対応する電圧e_t及びトランジスタQ₂の温
度t′に対応する電圧e_t′の差電圧△e_tを出力する。
この差電圧△e_tは本来一定であるべきである。こ
の電圧△e_tは演算増幅器２６の一方の入力であ
り、他方の入力は基準直流電圧△Ｅである。この
増幅器２６の出力電圧e_bは、電圧△Ｅが一定であ
るため、電圧△e_tが変化しない限り一定である。

次に、この発明の実施例の動作を説明する。

先ず、気温ｔとトランジスタQ₂の温度t′との差
△Ｔに対応する電圧△e_tが小さくなつた場合を考
える。これは、(1)トランジスタQ₂の温度t′が一定
（電圧e_t′が一定）であるにもかかわらず気温ｔが
上昇して電圧e_tが下がつた場合、及び(2)気温ｔが
一定（電圧e_tが一定）であるにもかかわらず何ら
かの原因でトランジスタQ₂の温度t′が下がつた場
合のいずれかである。

このとき、いずれの場合にも演算増幅器２５の
出力電圧△e_tは小さくなり、従つて演算増幅器２
６の出力であるベース電圧e_bは下がりベース電流
を減少させる。この結果、前述(1)の場合には、ベ
ース電流の減少に伴うコレクタ損失の増大によつ
て、気温上昇に伴うコレクタ損失の減少を補償す
る。また、前述(2)の場合にはベース電流の減少に
よつてコレクタ損失を増大させトランジスタQ₂
の温度を上昇させる。

また、気温ｔとトランジスタQ₂の温度t′との差
△Ｔに対応する電圧△e_tが大きくなつた場合は、
上述とは逆方向に制御が働くことは容易に理解で
きる。

この場合、増幅器２５，２６の特性及び基準電
圧△Ｅを適当に選ぶことにより、円滑に目標の制
御を達成することができる。

ところで、例えば、発熱体から奪われる熱量
H_R、発熱体の温度t′、気温ｔおよび発熱体にかか
る風速υとの間には、ａ，ｂを定数として、 H_R＝（ａ＋ｂ√）（t′−ｔ） なる関係（キングの実験式）が知られている。発
熱トランジスタQ₂も発熱体であるから、この法
則に従い、上述のt′−ｔ＝△Ｔに鑑みて、発熱ト
ランジスタQ₂について H_R＝（ａ＋ｂ√）×△Ｔ ＝ｐ＋ｑ√ （但し、ｐ＝ａ×△Ｔ：定数ｑ＝ｂ×△Ｔ：定
数） が成り立つ。一方、発熱トランジスタQ₂に供給
される熱量H_sは、コレクタ損失P_Cであるから、
Q₂のコレクタ電圧e〓とコレクタ電流I_H（定数）の
積で表わされ、 H_s＝I_H×e〓 が成立つ。発熱トランジスタQ₂について熱的に
平衡した時には、H_R＝H_Sとみなせるので、 I_H×e〓＝ｐ＋ｑ√ となり、e〓について解くと、 e〓＝ｐ／I_H＋ｑ／I_H√ ＝Ａ＋Ｂ√ （但し、Ａ＝ｐ／I_H：定数Ｂ＝ｑ／I_H：定数） となり、このトランジスタQ₂のコレクタ電圧e〓
が風速υを意味する信号電圧になる。最後の式に
は気温ｔの項が含まれていないので、風速信号電
圧e〓は気温に左右されず、風速のみを表わすこと
が分かる。

尚、以上の実施例では、加熱素子としてnpnト
ランジスタを使用した場合、また測温素子として
ダイオード接続のトランジスタを使用した場合に
ついて説明したが、加熱素子としてnpnトランジ
スタを用いても良いのは勿論であるし、またバイ
ポーラトランジスタの代りに電界効果型トランジ
スタを用いることも考えられ、この場合にはゲー
トを制御電極として用いる。

更に実施例では、加熱トランジスタQ₂をエミ
ツタ接地として説明したが、コレクタ接地の場合
も必然的な制御回路の変更をした上で使用でき
る。

また測温素子としてもトランジスタのダイオー
ド接続に限らず、例えば第１０図に示すごとくト
ランジスタの他の測温用接続も含めて種々の温度
−電気変換素子、例えばサーミスタ、熱電対等を
適宜使用できる。尚、第１０図において電圧＋
Ｅ、抵抗Ｒを一定にすれば電流i_C即ち測温用トラ
ンジスタQ_Tのコレクタ電流は一定になり、演算
増幅器Ａの出力−V_BEは測温用トランジスタQ_Tの
温度のみによつて決まる。トランジスタのV_BEの
温度依存性を使つている所はトランジスタのダイ
オード接続とかわらない接続は明らかに違つてい
る。ダイオード接続の場合言うまでもなく信号線
が２本であるのに対し、この接続では信号線が３
本必要となる。一方、かような接続をすることに
より出力インピーダンスは低くなり、かつ定電流
回路を併せ持つこととなりこの点好都合である。

発明の効果 この発明によれば、以上の様に構成することに
より、周囲温度に関係なく精度の良い風速の測定
が可能である熱式風速計を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱式風速計の系統図、第２図は
この発明の実施例の系統図、第３図乃至第９図は
この発明の実施例の原理を説明するための特性図
である。第１０図は他の実施例を示す要部系統
図。 Q₁，Q₂，Q₃……第１、第２、及び第３のトラ
ンジスタ、２１，２２，２３……定電流源、２
５，２６……演算増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周囲温度を検出するための第１の測温素子
   と、内部損失によつて所定温度で発熱させる様に
   電流を供給するトランジスタと、このトランジス
   タに近接して配置しこのトランジスタの温度を検
   出するための第２の測温素子とを具え、 前記第１及び第２の測温素子の温度信号の差が
   一定になる様に前記トランジスタの制御電極への
   印加信号を制御し、このとき前記トランジスタに
   生ずる内部損失を基に風速を計測する様にしてな
   る熱式風速計。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の風速計におい
   て、前記第１及び第２の測温素子の一方又は双方
   はダイオード接続したトランジスタである様にし
   てなる熱式風速計。