JPH0194218A - 熱型流量検出装置 - Google Patents
熱型流量検出装置Info
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- JPH0194218A JPH0194218A JP62251350A JP25135087A JPH0194218A JP H0194218 A JPH0194218 A JP H0194218A JP 62251350 A JP62251350 A JP 62251350A JP 25135087 A JP25135087 A JP 25135087A JP H0194218 A JPH0194218 A JP H0194218A
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Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
- G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
- G01P13/04—Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
- G01F1/6888—Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野コ
この発明は、液体あるいは気体の流量を熱起電力を利用
することにより検出する熱型流量検出装置の改良に関す
る。
することにより検出する熱型流量検出装置の改良に関す
る。
C従来の技術]
従来より公知の熱型流量検出装置は大別して2つの形式
に分けられる。第1の形式は、たとえば白金抵抗体より
なる検知部を加熱し、該検知部を流体中に配置し、流体
の冷却作用により生じる検知部の電気抵抗の変化を測定
することにより、流量を検出するものである。第2の形
式は、検知部と別個にヒータを配置し、該ヒータと検知
部との間に生じる流体による熱伝達により引き起こされ
る検知部の電気的特性の変化を測定することによリ、流
量を知るものである。この第2の形式において利用され
る電気的特性変化としては、抵抗値変化、あるいは起電
力変化あるいは焦電流変化等が用いられている。
に分けられる。第1の形式は、たとえば白金抵抗体より
なる検知部を加熱し、該検知部を流体中に配置し、流体
の冷却作用により生じる検知部の電気抵抗の変化を測定
することにより、流量を検出するものである。第2の形
式は、検知部と別個にヒータを配置し、該ヒータと検知
部との間に生じる流体による熱伝達により引き起こされ
る検知部の電気的特性の変化を測定することによリ、流
量を知るものである。この第2の形式において利用され
る電気的特性変化としては、抵抗値変化、あるいは起電
力変化あるいは焦電流変化等が用いられている。
[発明が解決しようとする問題点]
第]の形式、すなわち自己加熱タイプでは、白金抵抗体
よりなる検知部自体が加熱される。したがって、素子寿
命が短い。また、感度を向上させるためには、検知部す
なわち発熱する部分を小さくすることが求められるが、
その場合には機械的強度が低下する。したがって機械的
な衝撃が加わりやすい環境や、流体が高速で流れるよう
な環境のもとでは用いることができない。さらに、白金
等の貴金属を用いるためコストか高くつくという問題も
あった。
よりなる検知部自体が加熱される。したがって、素子寿
命が短い。また、感度を向上させるためには、検知部す
なわち発熱する部分を小さくすることが求められるが、
その場合には機械的強度が低下する。したがって機械的
な衝撃が加わりやすい環境や、流体が高速で流れるよう
な環境のもとでは用いることができない。さらに、白金
等の貴金属を用いるためコストか高くつくという問題も
あった。
他方、第2の形式の熱槽流量検出装置では、ヒータとし
て抵抗加熱体を用いることが多く、検知部としてはサー
ミスタや金属抵抗体を用いるもの、あるいは熱電対を用
いるものなどがある。しかしながら、感度の改善や応答
速度を上げるために検知部を小形化することが難しい。
て抵抗加熱体を用いることが多く、検知部としてはサー
ミスタや金属抵抗体を用いるもの、あるいは熱電対を用
いるものなどがある。しかしながら、感度の改善や応答
速度を上げるために検知部を小形化することが難しい。
すなわち、抵抗体を用いたものでは薄膜化等により小形
化・薄形化を図り得るが、サーミスタや金属抵抗体を用
いたものについては、小形化によって製造工程が増加し
たり、抵抗値を高めた場合には素子および信号処理回路
の構成が複雑となりコストが高くつくおそれがある。
化・薄形化を図り得るが、サーミスタや金属抵抗体を用
いたものについては、小形化によって製造工程が増加し
たり、抵抗値を高めた場合には素子および信号処理回路
の構成が複雑となりコストが高くつくおそれがある。
また、検知部として熱電対を用いた形式のものでは、金
属熱電対の起電力は小さく、したがって検出感度をさほ
ど高めることはできない。
属熱電対の起電力は小さく、したがって検出感度をさほ
ど高めることはできない。
よって、この発明の目的は、小形かつ高感度の熱槽流量
検出装置を提供することにある。
検出装置を提供することにある。
[問題点を解決するための手段]
この発明の熱槽流量検出装置は、セラミックス半導体よ
りなる基材とこの基材上において距離を隔てて形成され
た少なくとも1対の検知電極とを有し、それによって少
なくとも1つの熱雷素子が構成されている熱電検知素子
、ならびに基材の対をなす検知電極間部分を部分的に加
熱する加熱手段を備える。
りなる基材とこの基材上において距離を隔てて形成され
た少なくとも1対の検知電極とを有し、それによって少
なくとも1つの熱雷素子が構成されている熱電検知素子
、ならびに基材の対をなす検知電極間部分を部分的に加
熱する加熱手段を備える。
加熱手段は、上記基材を自己加熱するために、基材上に
形成された対をなす電極間部分において、基材を挾んで
対向するように形成された加熱用電極を用いて構成して
もよく、あるいは基材に固定された発熱抵抗体により構
成してもよい。
形成された対をなす電極間部分において、基材を挾んで
対向するように形成された加熱用電極を用いて構成して
もよく、あるいは基材に固定された発熱抵抗体により構
成してもよい。
[作用]
セラミックス半導体よりなる基材上に距離を隔てて少な
くとも1対の検知電極が形成されて少なくとも1つの熱
電素子が構成されている。そして、この対をなす検知電
極間が加熱手段により部分的に加熱されるため、流体が
流れていない場合と流れている場合とでは、セラミック
ス半導体を介して両検知電極に伝えられる加熱手段から
の熱量が異なる。したかって、両検知電極が対向してい
る方向に流体を流した場合、両検知電極の温度に差が生
じるため、該温度差を利用して流速を検出することがで
きる。セラミックス半導体よりなる基材上に少なくとも
1対の検知電極を構成し、加熱手段を設けただけで構成
されるため、小形化が容易であり、したがって感度およ
び応答速度を容易に改善することができる。
くとも1対の検知電極が形成されて少なくとも1つの熱
電素子が構成されている。そして、この対をなす検知電
極間が加熱手段により部分的に加熱されるため、流体が
流れていない場合と流れている場合とでは、セラミック
ス半導体を介して両検知電極に伝えられる加熱手段から
の熱量が異なる。したかって、両検知電極が対向してい
る方向に流体を流した場合、両検知電極の温度に差が生
じるため、該温度差を利用して流速を検出することがで
きる。セラミックス半導体よりなる基材上に少なくとも
1対の検知電極を構成し、加熱手段を設けただけで構成
されるため、小形化が容易であり、したがって感度およ
び応答速度を容易に改善することができる。
[実施例の説明コ
第1図は、この発明の一実施例の熱槽流量検出装置を示
す斜視図である。たとえば半導体化されたチタン酸バリ
ウムを用いて構成されたセラミックス半導体よりなる基
材1の一方主面において、所定距離を隔てて検知電極2
,3が形成されている。ここでは、後述する加熱用電極
4との間の距離を長くすることによって感度を向上させ
るために、両検知電極2,3は基材1の主面上において
長手方向両端部近傍に配置されている。また、検知電極
2,3間の中心部において基材1の両面に加熱用の電極
4が基材1を挾んで対向するように形成されている。加
熱用電極4は、基材]を自己加熱するために設けられて
いるものである。
す斜視図である。たとえば半導体化されたチタン酸バリ
ウムを用いて構成されたセラミックス半導体よりなる基
材1の一方主面において、所定距離を隔てて検知電極2
,3が形成されている。ここでは、後述する加熱用電極
4との間の距離を長くすることによって感度を向上させ
るために、両検知電極2,3は基材1の主面上において
長手方向両端部近傍に配置されている。また、検知電極
2,3間の中心部において基材1の両面に加熱用の電極
4が基材1を挾んで対向するように形成されている。加
熱用電極4は、基材]を自己加熱するために設けられて
いるものである。
上記した検知電極2,3および加熱用電極4は、半導体
セラミックスよりなる基材1とオーミックな接触を形成
する材料で構成することが好ましく、たとえばNjを蒸
着することにより形成することができる。好ましくは、
Ni層の上に、さらに補強用にAgを蒸着することによ
り、電極強度を高めることができる。
セラミックスよりなる基材1とオーミックな接触を形成
する材料で構成することが好ましく、たとえばNjを蒸
着することにより形成することができる。好ましくは、
Ni層の上に、さらに補強用にAgを蒸着することによ
り、電極強度を高めることができる。
セラミックス半導体よりなる基材1は正特性ザーミスタ
としての特性をも示すものであり、したがって中心部に
形成された加熱用電極4に通電した場合、該加熱用電極
4の形成されている部分の温度は一定温度で安定する。
としての特性をも示すものであり、したがって中心部に
形成された加熱用電極4に通電した場合、該加熱用電極
4の形成されている部分の温度は一定温度で安定する。
たとえば、上記したチタン酸バリウムからなり、2X1
0XO,5mmの大きさの基材1において、2×1m1
1の加熱用電極4を形成した場合、該加熱用電極4が形
成されている部分の温度は約120°Cで安定する。
0XO,5mmの大きさの基材1において、2×1m1
1の加熱用電極4を形成した場合、該加熱用電極4が形
成されている部分の温度は約120°Cで安定する。
次に、第1図実施例の動作を説明する。流体が流れてい
ない状態における流量検出装置内の温度分布を第2図(
a)に示す。流体が流れていないので、検知電極2,3
への熱伝達は同等となり、したがって加熱用電極4を中
心として対称な温度勾配が基材1Fノ旧こ生じる。この
場合検知電極2゜3間には温度差が生じない。したがっ
て、熱起電力出力は生じない。
ない状態における流量検出装置内の温度分布を第2図(
a)に示す。流体が流れていないので、検知電極2,3
への熱伝達は同等となり、したがって加熱用電極4を中
心として対称な温度勾配が基材1Fノ旧こ生じる。この
場合検知電極2゜3間には温度差が生じない。したがっ
て、熱起電力出力は生じない。
他方、流体が両検知電極2,3と交差する方向に流れて
いる場合には、第2図(b)示すように、流体による熱
伝達が影響し、温度勾配は加熱用電極4の上流側と下流
側とで異なることになる。したがって、検知電極2.3
間には温度差が生じ、該温度差により熱起電力が生じる
。この両検知電極2,3間の温度差により生じる熱起電
力に基づいて、流体の流速を検出することができる。す
なわち、第3図に示すように、両検知電極2.3間の温
度差に基づく熱起電力出力は、流速と相関しており、特
に低流速域では、はぼ線形な出力特性を示すことがわか
る。なお、第3図は、流体として25℃の温度の空気を
用いた場合の特性である。
いる場合には、第2図(b)示すように、流体による熱
伝達が影響し、温度勾配は加熱用電極4の上流側と下流
側とで異なることになる。したがって、検知電極2.3
間には温度差が生じ、該温度差により熱起電力が生じる
。この両検知電極2,3間の温度差により生じる熱起電
力に基づいて、流体の流速を検出することができる。す
なわち、第3図に示すように、両検知電極2.3間の温
度差に基づく熱起電力出力は、流速と相関しており、特
に低流速域では、はぼ線形な出力特性を示すことがわか
る。なお、第3図は、流体として25℃の温度の空気を
用いた場合の特性である。
ところで、第1図実施例では単一の基材1上に検知電極
2,3および加熱用電極4を形成したため、検知電極2
.3が正確に等価な位置に形成されていない場合や、基
材]の均質性が十分でない場合には、両検知電極2,3
間にオフセット電圧が発生する。これは、熱的および電
気的なバランスが、両検知電極2.3間において同一で
ないために生じるためである。すなわち、第1図実施例
の等価回路を示す第4図において、抵抗R1〜R8は、
基材]上の各電極の位置により決まり、起電力e 1
+ 82は両検知電極間の熱的なバランスで決定される
ものである。
2,3および加熱用電極4を形成したため、検知電極2
.3が正確に等価な位置に形成されていない場合や、基
材]の均質性が十分でない場合には、両検知電極2,3
間にオフセット電圧が発生する。これは、熱的および電
気的なバランスが、両検知電極2.3間において同一で
ないために生じるためである。すなわち、第1図実施例
の等価回路を示す第4図において、抵抗R1〜R8は、
基材]上の各電極の位置により決まり、起電力e 1
+ 82は両検知電極間の熱的なバランスで決定される
ものである。
したがって、上述した両検知電極間のオフセット電圧を
軽減するためには、両検知電極2.3間の熱的及び電気
的なバランスを調整する必要がある。第5図は、このよ
うなオフセット電圧を軽減する手段が講じられた実施例
を示す。ここでは、検知電極2.3と基準電圧との間に
抵抗部月11゜]2が接続されており、第3図において
二点鎖線で示す位置に抵抗R9,RIOが挿入されてい
る。
軽減するためには、両検知電極2.3間の熱的及び電気
的なバランスを調整する必要がある。第5図は、このよ
うなオフセット電圧を軽減する手段が講じられた実施例
を示す。ここでは、検知電極2.3と基準電圧との間に
抵抗部月11゜]2が接続されており、第3図において
二点鎖線で示す位置に抵抗R9,RIOが挿入されてい
る。
抵抗部材11..1.2の抵抗値を調整することにより
、両検知電極2,3の出力を基準電圧に対して等しくす
ることができる。好ましくは、抵抗部材11.12とし
て可変抵抗素子を用いれば、両検知電極2.3間のバラ
ンスを容易にとることができる。
、両検知電極2,3の出力を基準電圧に対して等しくす
ることができる。好ましくは、抵抗部材11.12とし
て可変抵抗素子を用いれば、両検知電極2.3間のバラ
ンスを容易にとることができる。
上述した実施例では、単一のセラミックス半導体よりな
る基材を用いて熱電検知素子を構成したが、熱雷素子の
構成されたセラミックス半導体層を積層した積層型のも
のを用い、各熱電素子を直列に接続すれば、より大きな
熱起電力出力を得ることができる。したがって、より高
感度の熱型流量検出装置を得ることができる。この場合
、半導体セラミックスよりなるシート間に絶縁層を介在
させて積層した形式のものでは、上述したような加熱用
電極4を形成することができない。よって、第6図に示
すように、積層型のセラミック半導体よりなる基材31
の一方主面に、絶縁層32を介してたとえば厚膜抵抗体
よりなるヒータ33を形成すればよい。
る基材を用いて熱電検知素子を構成したが、熱雷素子の
構成されたセラミックス半導体層を積層した積層型のも
のを用い、各熱電素子を直列に接続すれば、より大きな
熱起電力出力を得ることができる。したがって、より高
感度の熱型流量検出装置を得ることができる。この場合
、半導体セラミックスよりなるシート間に絶縁層を介在
させて積層した形式のものでは、上述したような加熱用
電極4を形成することができない。よって、第6図に示
すように、積層型のセラミック半導体よりなる基材31
の一方主面に、絶縁層32を介してたとえば厚膜抵抗体
よりなるヒータ33を形成すればよい。
なお、上述した両検知電極間のオフセラ!・電圧を軽減
するには、加熱用電極4あるいはヒータ33等に印加す
る電圧を直流電圧に代えてパルス電圧とすることによっ
ても可能である。
するには、加熱用電極4あるいはヒータ33等に印加す
る電圧を直流電圧に代えてパルス電圧とすることによっ
ても可能である。
第1図実施例では、単一の基板上に1対の検知電極2,
3が形成されており、それによって1つの熱電素子か構
成されていたか、複数対の検知電極を形成して複数の熱
電素子を構成してもよい。
3が形成されており、それによって1つの熱電素子か構
成されていたか、複数対の検知電極を形成して複数の熱
電素子を構成してもよい。
−10=
その場合には複数の熱雷素子を直列に接続することによ
り、より大きな熱起電力出力を得ることができる。した
がって、より一層高感度の熱雷流量検出装置を得ること
ができる。
り、より大きな熱起電力出力を得ることができる。した
がって、より一層高感度の熱雷流量検出装置を得ること
ができる。
さらに、セラミックス半導体よりなる基Hの形状につい
ても、図示例のような平板型とする必要は必ずしもなく
、筒状体等の任意の形状にすることかできる。
ても、図示例のような平板型とする必要は必ずしもなく
、筒状体等の任意の形状にすることかできる。
また、両検知電極は、加熱部分に対して熱的に等価な位
置に形成される必要は必ずしもない。すなわち、流体が
流れない状態において、両検知電極の温度に差があって
もよい。その場合であっても、流体が両検知電極の対向
する方向と交差する方向に流れた場合には、初期状態と
異なる温度勾配が基材に生じるため、両検知電極間の温
度差は流体の流速に従って変化するからである。
置に形成される必要は必ずしもない。すなわち、流体が
流れない状態において、両検知電極の温度に差があって
もよい。その場合であっても、流体が両検知電極の対向
する方向と交差する方向に流れた場合には、初期状態と
異なる温度勾配が基材に生じるため、両検知電極間の温
度差は流体の流速に従って変化するからである。
[発明の効果コ
セラミックス半導体よりなる基材を用いた熱雷検知素子
において、対をなす検知電極間に部分的に加熱手段を設
けるだけで熱雷の流量検出装置を構成することができる
ので、従来の熱雷流量検出装置に比べて小形化が容易で
あり、したがってより高感度の熱雷流量検出装置を得る
ことができる。
において、対をなす検知電極間に部分的に加熱手段を設
けるだけで熱雷の流量検出装置を構成することができる
ので、従来の熱雷流量検出装置に比べて小形化が容易で
あり、したがってより高感度の熱雷流量検出装置を得る
ことができる。
しかも、白金抵抗体を用いたもののように、コストが高
くつくこともない。
くつくこともない。
さらに、複数対の検知電極を構成し相互に直列に接続す
れば、より高感度の熱雷流量検出装置を得ることも容易
である。
れば、より高感度の熱雷流量検出装置を得ることも容易
である。
第1図は、この発明の一実施例の斜視図、第2図は第1
図実施例において流体が流れていない場合および流体が
流れている場合の温度勾配を示す図、第3図は第1図実
施例の熱起電力出力−流速の関係を示す図、第4図は第
1図実施例の等価回路を示す図、第5図はこの発明の第
2の実施例を示す斜視図、第6図はこの発明の第3の実
施例を示す斜視図である。 図において、1はセラミックス半導体よりなる基材、2
.3は検知電極、4は加熱手段としての加熱用電極を示
す。 −C’、1
図実施例において流体が流れていない場合および流体が
流れている場合の温度勾配を示す図、第3図は第1図実
施例の熱起電力出力−流速の関係を示す図、第4図は第
1図実施例の等価回路を示す図、第5図はこの発明の第
2の実施例を示す斜視図、第6図はこの発明の第3の実
施例を示す斜視図である。 図において、1はセラミックス半導体よりなる基材、2
.3は検知電極、4は加熱手段としての加熱用電極を示
す。 −C’、1
Claims (4)
- (1)セラミックス半導体よりなる基材および前記基材
上において距離を隔てて形成された少なくとも1対の検
知電極を有し、それによって少なくとも1つの熱電素子
が構成されている熱電検知素子と、 前記基材の対をなす検知電極間を部分的に加熱する加熱
手段とを備える熱型流量検出装置。 - (2)前記加熱手段は、基材の対をなす電極間部分にお
いて基材を挾んで対向するように形成された前記基材を
自己加熱するための加熱用電極を有する、特許請求の範
囲第1項記載の熱型流量検出装置。 - (3)前記加熱手段は、前記基材に絶縁部材を経て固定
された発熱抵抗体である、特許請求の範囲第1項記載の
熱型流量検出装置。 - (4)少なくとも1つの前記検知電極に、検知電極間の
電気的平衡をとるために、抵抗部材が接続されており、
該抵抗部材の他端は基準電圧に接続されており、1対の
検知電極との間で出力が取出される、特許請求の範囲第
1項〜第3項のいずれかに記載の熱型流量検出装置。
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