JPH02213767A - フローセンサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、微流量を測定するフローセンサに関し、特に
低電力型のフローセンサに関する。

（従来の技術） 流体例えば、ガス等の流量測定器として、熱式風速計等
の高感度のフローセンサを使用したものがある。熱式風
速計は、成る流速の流体（気流）中に置かれた発熱素子
の放散熱量が、該発熱素子の表面温度と気流温度との温
度差に比例することを利用し、該放散熱量を発熱素子の
抵抗変化として検出して前記流速を測定するものである
０発熱素子としては、白金やタングステンの細線、サー
ミスタ、半導体発熱素子等が使用される。

熱式風速計（以下「フローセンサ」という）は、一般に
検出回路としてブリッジ回路を使用し、第９図に示すよ
うにブリッジ回路１の−の相隣る二辺に固定抵抗（以下
単に「抵抗」という）Ｒ１と可変抵抗（以下単に「抵抗
」という）Ｒｇとを接続し、他の相隣る二辺に発熱・流
速検出用の感温抵抗（以下「発熱抵抗」という）ＲＮと
固定抵抗（以下単に「抵抗」という）Ｒ３とを接続し、
抵抗Ｒ１とＲヨとの接続点ａを図示しない定電圧源に、
発熱抵抗ＲＨと抵抗Ｒ８との接続点すをアースに夫々接
続し、抵抗Ｒｉ　−Ｒ１と発熱抵抗ＲＮ％抵抗Ｒ２との
各接続点ｃ、ｄを差動増幅器２の各入力端子に接続する
。また、発熱抵抗Ｒ，とじては、半導体発熱素子等が使
用されている。

そして、接続点ａ−ｂ間に電圧ｖＡを印加して発熱抵抗
Ｒ１Ｉを加熱すると共に該発熱抵抗Ｒ，に測定すべき風
を当てる０発熱抵抗Ｒ４は風により冷やされて、風速Ｕ
によりその温度Ｔ、が決定される。このブリッジ回路１
の接続点Ｃとｄとの各電位■、と■、との偏差（以下「
ブリッジ偏差」という）ΔＶ　（−Ｖｌ　−ｖｓ　）を
差動増幅器２により検出して対応する電圧信号■を得（
第１０図）、該電圧■を、制御回路３により制御される
サンプルホールド回路４により必要に応じた時間間隔で
読み込んでサンプルホールドし、演算回路５により前記
ホールドした電圧Ｖに基づいて風速Ｕを演算するように
している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来のフローセンサは、ブリッジ回
路１に常時発熱抵抗を加熱するための電力を供給してい
るために電力の消費が太き（、従って、電源として電池
を使用している場合には該電池の消耗が激しく、長期間
（数年）に亘り使用することが困難である。また、フロ
ーセンサを設置する場所等によっては電池の交換も容易
でない場合もあり、改善が望まれている。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、測定時にの
み電力を供給することにより、消費電力の極めて少ない
低電力型のフローセンサを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明によれば、抵抗値が温
度の関数である感温抵抗を包含するブリッジ回路を有し
、該ブリッジ回路のブリッジ偏差を間歇的に検出して流
体の流速を間歇的に測定するようにしたフローセンサに
おいて、前記ブリッジ回路に加熱用のパルス電圧を印加
する電源と、前記ブリッジ回路のブリッジ偏差を検出す
る手段とを設け、前記流速を測定するときにのみ前記電
源からパルス電圧を出力させ、そのパルス電圧の印加終
了時点から所定時間経過後に前記検出手段により前記ブ
リッジ偏差を検出するようにしたブリッジ回路１に常時
発熱抵抗を加熱するようにした構成としたものである。

（作用） 流速を測定する時にのみブリッジ回路に電源から加熱用
のパルス電圧を印加して発熱抵抗を加熱する。そして、
このパルス電圧の印加終了時点から所定時間経過後にブ
リッジ偏差をホールドして取り込み、咳取り込んだブリ
ッジ偏差により前記流速を演算して測定する。これによ
り、消費電力が大幅に低減される。

（実施例） 以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、本発明の概要について説明する。

本発明においては、フローセンサの検出回路即ち、発熱
抵抗Ｒ，ｌが接続されているブリッジ回路に、流速測定
時にのみ電圧を印加することとし、且つ該印加時間を短
くしてパルス電圧とする。これにより、ブリッジ回路の
発熱抵抗を加熱するために供給する電力の消費を大幅に
少なくすることが可能となる。

この場合、パルス電圧印加時の発熱抵抗Ｒ，の加熱時に
流速を測定する方法（以下「パルス加熱式流速測定法」
という）と、パルス電圧印加後の放熱波形から流速を測
定する方法（以下「放熱式流速測定法」という）とが考
えられる。

パルス加熱式流速測定法は、第１図に示すようにブリッ
ジ回路にパルス電圧■、を印加した時点（加熱開始時点
）ｔａからパルス電圧■、の印加終了した時点（加熱終
了時点）ｔｐまでの出力即ち、発熱抵抗の温度変化が、
流速０の場合と、流速Ｕとの場合で異なることを利用す
るもので、流速Ｏの時の出力（発熱抵抗温度）と流速Ｕ
の時の出力（発熱抵抗温度）との差ΔＴにより流速Ｕを
測定する。

このパルス加熱式流速測定法は、印加するパルス電圧ｖ
Ｐの印加時間（パルス幅）が短いと、発熱抵抗の加熱時
間が短くなり、この結果、該発熱抵抗が流体（風）で冷
される時間が短くなって感度が低くなる。

一方、放熱式流速測定法は、第２図に示すように発熱抵
抗の加熱終了時点も、からの放熱波形が流速０の場合と
、流速Ｕとの場合で異なることを利用するもので、流速
０の出力（発熱抵抗温度）と流速Ｕの時の出力（発熱抵
抗温度）との差ΔＴにより流速Ｕを測定する。この場合
、発熱抵抗の加熱終了時点ｔ、後、いつ（時刻ｔ、から
Ｔｄ時間経過後）測定することが最適であるかを知るこ
とが必要である。

そこで、放熱による流量の影響（流量感度）を検討して
みると、以下のようになる。

発熱抵抗（センサ）の放熱特性がＫｉｎｇの式に従うも
のとすると、その温度変化は次式で表される。

Ｃ（ｄＴ／ｄｔ） −Ｈ（ｔ）−（Ｔ−Ｔ、）（Ａ＋ＢＵ”　）　　・・・
（１）ここに、Ｔは発熱抵抗温度、Ｔ、は室温、Ｃは発
熱抵抗の熱容量、Ａ、Ｂは定数、Ｈ（ｔ）は発熱抵抗へ
の単位時間当りの供給エネルギを示す。

今、加熱パルスを第４図に示すように出力がＨｏ（ワッ
ト）　＝Ｅｏ　／　ｔｅ　（Ｅｏ　　：加熱パルスの総
エネルギー、ｔｐ：時間幅）であると仮定する。

０＜１≦ｔ、のとき、 Ｈ（ｔ）　＝　Ｈｅ　−Ｅｏ　／　ｔ　ｅ　　　　　・
・・（２）１＞１．のとき、Ｈ（ｔ）　−０ 加熱前は、発熱抵抗が室温に等しい（Ｔ（０）　−Ｔ、
）とすると、（１）、（２）式より、０＜１≦ｔ、では
、 Ｃ（ｄ　（Ｔ−Ｔ、）／ｄｔ） −Ｈ０−（Ｔ−Ｔ、　　）（Ａ＋ＢＵＩ′　）　　、Ｔ
（０）−Ｔ、より、 Ｔ−Ｔ。

−Ｈ＠　／　ＣＡ十ＢＵ”　”） Ｘ　［１−ｅｘｐ　（−（Ａ＋Ｂ　Ｕ’″）　／　Ｃ）
　ｔｌ　・（３）１＞１．では、 Ｃ（ｄ　（Ｔ−Ｔ、）／ｄｔ） −−（Ｔ−Ｔ、）（Ａ＋ＢＵ’　）、 Ｔ　（ｔｐ　）　−Ｔ　ｒ　とすると、Ｔ−Ｔ。

−ＴＰ　ｅｘｐ　　（−（Ａ＋ＢＵ”　）（ｔ　　　ｔ
ｒ　　）　／　Ｃ）・・・（４） この式（４）から、Ｃ／　（Ａ＋ＢＵ”　）は、発熱抵
抗の放熱の時定数である。

今、ｔ、＜＜ｃ／　（Ａ＋ＢＵ”　）とすれば、式（３
）においてテーラ展開して１次の項までとると、Ｔ、−
Ｔ、畠ｔｉ、ｔ、　／Ｃ−Ｅ＠　／Ｃ・・・（５）即ち
、ｔ、が発熱抵抗の放熱時定数に比べて短ければ、風の
影響を殆ど受けないこととなる。

これより、Ｔ　Ｐ　”　Ｅｏ　／　Ｃとおくと、（４）
式は次式で表される。

Ｔ−Ｔ、＝　（Ｅｏ　／Ｃ） Ｘ　ｅｘｐ　（−（Ａ＋ＢＵ”　）　ｔ’／Ｃ）・・・
（６） ここに、ｔ’−ｔ−ｔｌである。

今、流量による温度の変化を考慮するために上式（６）
を流量Ｕで偏微分して、 ８（Ｔ−Ｔ、）／δＵ −（（−Ｅｏ　／Ｃ）（ｎＢＵ”−’　）ｔ／Ｃ）ｘ　
ｅｘｐ　（−（Ａ＋ＢＵ”　）　ｔ／Ｃ１・・・（’１
に２０式（７）で表される関数は、第３図に示すように
負の関数であり、流量Ｕが大きくなると温度Ｔは低くな
る。そして、放熱の時定数 り、畷Ｃ／（Ａ＋ＢＵ’　） において極小となり、流量感度が最大となる。よって、
放熱の時定数１．付近において温度を観測することによ
り、放熱終了時点直後に比してより良い特性（感度）が
得られることとなる。なおｔ。

はＵを含む式になっているが、Ｕ−０としてもよいし、
測定レンジの中間の値とするなど、適宜の値を選択でき
る。

尚、ここでの感度は、絶対値であり、流量Ｏのときの値
で正規化した場合の値（相対値）については、放熱後の
時間が経過する程大きくなるため、Ｓ／Ｎが十分にあれ
ば、放熱後の時間を大きくとった方がよい。

第５図は本発明に係るフローセンサを示し、フローセン
サ１０のブリッジ回路１１は、−の相隣る二辺に抵抗Ｒ
２と発熱抵抗Ｒ，とが接続され、他の相隣る二辺に抵抗
Ｒ８とＲ３とが接続されており、抵抗Ｒ，と発熱抵抗Ｒ
，との接続点ａは電源１２の加熱パルス発生器１３と、
抵抗測定電圧発生器１４とに接続され、抵抗Ｒ□とＲ１
との接続点すはアースに接続されている。

発熱抵抗Ｒ，は、第６図に示すように半導体発熱抵抗で
、シリコンチップ３０上に抵抗領域３１と、該抵抗領域
３１の両端に電極３２．３２が形成され、更に絶縁被膜
３３が形成され、各電極３２．３２にリード線３４．３
４の各一端が接続されて構成されている。そして、流体
通路例えば、第７図に示すガス流路３５の上部に配置さ
れ、リード線３４．３４を介して前記ブリッジ回路１１
に接続されている。

制御回路１５は、電源１２の加熱パルス発生器１３及び
抵抗測定電圧発生器１４に接続されてお１す、所定のタ
イミングで交互にこれらのパルス発生器１３又は測定電
圧発生器１４からパルス電圧Ｖ、又は測定電圧Ｖｓを出
力させてブリッジ回路１１の接続点ａに印加させる。ク
ロックパルス発生器１６は、所定のクロックパルスＣ１
を出力して制御回路１５に供給する。

ブリッジ回路１１の接続点ｃ、ｄは夫々差動増幅器Ｉ７
の各入力端子に接続され、当該差動増幅器１７の出力端
子は加算点１Ｂに接続されている。

この加算点１８には零点調整器１９の出力端子が接続さ
れている。この加算点１Ｂは、ホールド回路２０の入力
端子に接続され、当該ホールド回路２αの出力端子は演
算回路２１の入力端子に接続されいる。また、ホールド
回路２０は、制御回路１５に接続されている。

以下に作用を説明する。

まず、ブリッジ回路１１に、温度Ｔ、において発熱抵抗
Ｒ４が発熱しない程度の低電圧を印加し、そのブリッジ
回路１１のバランスがとれるよう、抵抗Ｒ１を調整する
。

加熱パルス発生器１２は、制御回路１５がらの制御信号
に基づいて例えば、第８図（ａ）に示すようなパルス幅
１ｍｓのパルス電圧Ｖ、を５秒間隔で出力して、ブリッ
ジ回路１１に印加する。ブリッジ回路１１の発熱抵抗Ｒ
，はこのパルス電圧Ｖ、が印加されると加熱され、その
抵抗値が同図（ロ）に示すようにパルス電圧Ｖ？の印加
開始時点ｔ６から印加終了時点ｔＰまでの間増加する。

測定電圧発生器１４は、加熱パルス■、の印加終了と同
時に測定用電圧Ｖ、を出力してブリッジ回路１１に印加
する。この測定用電圧■３は発熱抵抗Ｒやが発熱しない
程度の低い電圧に設定されている。ブリッジ回路１１の
０点の電位とｄ点の電位との差（以下「ブリッジ偏差Ｊ
という）は、発熱抵抗ＲＭの温度Ｔ、からの変化分に相
当し、差動増幅器１７はそのブリッジ偏差を増幅して出
力する。加熱パルスｖＰの印加終了と同時に発熱抵抗Ｒ
工がの温度が下降を開始し、通路３５内のガスの流速が
Ｏの場合（ガスを使用していない場合）には、該発熱抵
抗Ｒ，の抵抗が第８図中）の実線夏で示すように減少し
、放熱の時定数ｔ１１だけ経過した時における差動増幅
器１７の出力電圧がＶ、となる。

また、通路３５内のガスが流速Ｕで流れている時には、
発熱抵抗Ｒ９の抵抗が第８図（ロ）の実線■で示すよう
に減少し、放熱の時定数１だけ経過した時における差動
増幅器１７の出力電圧がＶとなり、流速Ｏの時に比して
ΔＶ　（−Ｖゆ−■）だけ低くなる。加算点１８では、
零点訓節器１９がらの出力■。と、上記−■とを加算し
、その差Δ■をホールド回路２０に出力する。

ホールド回路２０は、制御回路１５により制御され前記
測定電圧Ｖ、の発生時刻ｔ、後時間ｔ８経過後に加算点
１８からの出力信号を入力してホールドする。演算回路
２１は、このホールドされた電圧信号Δ■から流速Ｕを
演算する。このようにして前記一定時間間隔即ち、５秒
間隔で間歇的に流速Ｕを測定する。これにより、ブリッ
ジ回路１１に供給する電力が大幅に低減され、平均電圧
Ｖ、を第８図（ａ）の１点鎖線で示すように非常に小さ
くすることが可能となる。

なお、測定電圧発生器１４は、加熱パルス■。

の印加終了と同時に測定用電圧Ｖ、を出力できるものと
したが、時刻（ｔｓ＋ｔ−）の前後にのみパルスとして
測定電圧■、を出力できるものであってもよい、また、
パルス発生器１３と測定電圧発生器１４とは、１個の発
生器で双方の電圧を発生できるものとして構成してもよ
い。

また、流速Ｕを求める他の方法として、旧式（６）から
放熱の時定数を、出力が１　／　ｅになるまでに要する
時間Ｌτとして測定すれば、次式％式％（８） から、流速Ｕを測定することが可能である。

となり、熱容量Ｃの影響がキャンセルされる。即ち、熱
容量が大きければ、パルスによる温度上昇は小さいが、
なかなか放熱せず、逆に小さい場合には温度は高くなる
が、速く冷えるために結局、積分することによりパルス
として印加したエネル軍量（Ｅｏ）と、放熱係数（Ａ＋
ＢＵＩ′）だけの式となる。この方法によれば、微小な
センサのばらつきをキャンセルする方法として利用する
ことができる可能性がある。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、抵抗値が温度の関
数である感温抵抗を包含するブリッジ回路を存し、該ブ
リッジ回路のブリッジ偏差を間歇的に検出して流体の流
速を間歇的に測定するようにしたフローセンサにおいて
、前記ブリッジ回路に加熱用のパルス電圧を印加する電
源と、前記ブリッジ回路のブリッジ偏差を検出する手段
とを設け、前記流速を測定するときにのみ前記電源から
パルス電圧を出力させ、そのパルス電圧の印加終了時点
から所定時間経過後に前記検出手段により前記ブリッジ
偏差を検出するようにしたことにより、フローセンサの
ブリッジの消費電力を大幅に低減することが可能となり
、特に電源として電池を使用するタイプのフローセンサ
の測定期間を大幅に延長することが可能となるという優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は発熱抵抗の加熱時における流速と抵抗変化との
関係を示す図、第２図は発熱抵抗の放熱時における流速
と抵抗変化との関係を示す図、第３図は発熱抵抗の流速
による温度変化を示す図、第４図はパルス放熱式におけ
る流量感度を示す図、第５図は本発明に係るフローセン
サの一実施例を示す回路図、第６図は発熱抵抗の一実施
例を示す断面図、第７図は第１．６図の発熱抵抗の設置
箇所の一例を示す図、第８図は第５図の信号波形の一例
を示す図、第９図は従来のフローセンサの回路図、第１
０図は第９図のフローセンサの検出方法を示す図である
。 １０・・・フローセンサ、１１・・・ブリッジ回路、１
２・・・電源部、１３・・・加熱パルス発生器、１４・
・・測定電圧発生器、１５・・・制御回路、１６・・・
クロックパルス発生器、１７・・・差動増幅器、２０・
・・ホールド回路、２１・・・演算回路、Ｒ工・・・発
熱抵抗。 出願人　　東　し　株　式　会　社 代理人　　弁理士　　長　門　侃　二

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 抵抗値が温度の関数である感温抵抗を包含するブリッジ
   回路を有し、該ブリッジ回路のブリッジ偏差を間歇的に
   検出して流体の流速を間歇的に測定するようにしたフロ
   ーセンサにおいて、前記ブリッジ回路に加熱用のパルス
   電圧を印加する電源と、前記ブリッジ回路のブリッジ偏
   差を検出する手段とを設け、前記流速を測定するときに
   のみ前記電源からパルス電圧を出力させ、そのパルス電
   圧の印加終了時点から所定時間経過後に前記検出手段に
   より前記ブリッジ偏差を検出するようにしたことを特徴
   とするフローセンサ。