JPH0368325B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少なくともその１つは流路内に配置
される、少なくとも２つの、流体に曝される温度
依存性測定抵抗、この測定抵抗の作用範囲内に配
置される熱源少なくとも１つを有する流動管並び
に抵抗値を流量に比例する量に変換するための評
価回路から成る、熱式質量流量計に関する。

この種の質量流量計の測定原理は“風速計原
理”としても示すことができる。しかしこの測定
原理は従来専ら実質的に純粋で低温のガスの流速
を測定するのに使用されてきた。

かかる風速計は論文“リバース・フロー・セン
シング・ホツト・ワイヤ・アネモメータ
（Reverse flow sensing hot wire
anemometer）”〔“ジヤーナル・オブ・フイジツ
クス・アンド・サイエンテイフイツク・インスト
ルメンツ”、第５巻所収、８月／９月、849〜852
頁（1972年）〕から公知であり、該風速計では温
度依存抵抗を備えた２本の細い線材流動方向でみ
て熱線の両側に取付けられている。静止ガスで２
つの測定抵抗は熱線の作用下に均一に加熱される
ので表示は零である。しかしこの安定状態はガス
の流動開始とともに変化する。この測定原理は、
流れの上流にある測定抵抗がガス流によつて相対
的に冷却され、しかし流れの下流にある測定抵抗
は付加的に熱線からの熱伝達によつて加熱される
ことに基づく。この抵抗差を評価回路で流速に比
例する量に変換することができる。そのために通
常ブリツジ回路が使用され、その詳細は同様に前
記の論文に記載されている。

米国特許第2645117号明細書から漏洩測定に風
速計原理の使用が知られている。温度依存性抵抗
を備えた、２本の細い、即節電流を通じることに
よつて加熱される線材が測定ブロツクの別個の室
内に存在する。一方の室は測定されるガス流を負
荷される。他方もう１つの室中では基準値の測定
のため、静止ガス雰囲気が存在する。この場合に
もブリツジ回路の平衡のずれを測定値または表示
値の形成に使用する。米国特許第2509889号明細
書から航空機用の示差高度計が公知である、該高
度計は風速計原理によつて作動し、かつ流動方向
で見て線状抵抗の両側に２本のサーミスタを有
し、該サーミスタの温度レベルが流れが負荷され
た場合に定常状態を比べて変動する。この例でも
ブリツジ回路を用いて抵抗値の差から流速が測定
される。

測定抵抗もしくはサーミスタの代わりに熱電対
を使用することも公知である（西ドイツ国特許出
願公告第2052645号明細書）。

しかし従来公知を風速計はすべてきわめて純粋
なまたは少なくともほぼ純粋なガス雰囲気中で比
較的低い温度でしか（例えば囲繞空気）使用でき
ず、さもない場合は急速な破壊が起きる、という
欠点を持つ。

流量計が高温（500Kを上回る）および強い腐
食性のガス（酸蒸気、塩素ガス等）で必要とされ
る場合にはいわゆる浮子法流量計で従来間に合わ
せてきた。これは内側が僅かにテーパ状になつた
管から成り、この管の中でスピンドル状の浮子が
流動ガスによつて支持される。管のテーパ状のた
めに浮子の位置の高さに応じて多少の大きさの環
状間隙が開放され、そのために浮子の位置の高さ
が流量の尺度となる。かかる流量計は十分に精確
な視覚表示を可能にするが、流量に比例する電気
信号の獲得に問題がある。したがつてこの形式の
公知の流量計は単に光学的または誘電的な限界値
接点が設けられているに過ぎない。

ドツプラー原理（光学または音響）によつて構
成される流量計は必要な電子信号処理の点で通常
きわめて高い手間を必要とするので、これと結合
する高い経費のためにこの流量計は特殊測定、例
えばプラズマ炎でレーザー−ドツプラー測定に使
用されるにすぎない。

したがつてもちろん風速計原理を高温の腐食性
ガスおよび／またはガス類で質量流量の測定にも
使用する試みがなかつた訳ではない。

例えばブルツクス社（Firma Brooks）
（USA）の表題“サーマル・マス・フロー・メー
ターズ（Thermal Mass Flow Maters）”のマ
ニユアルから流動管にその中央範囲で線条抵抗を
巻きつけ、かつ流動方向でみてこの線条抵抗の両
側に２つの測定抵抗を巻きつけることが公知であ
る。特に腐食性ガスの測定についてはガスと接触
する表面はステンレス鋼または相応して抵抗性の
プラスチツクから形成される。静止ガスでは線条
抵抗からの熱量は等しく２つの測定抵抗に流れる
ので、この２つの抵抗で等しい温度が見られる。
しかし流速の増加とともに管は上流にある測定抵
抗の範囲内で冷却され、かつ下流にある測定抵抗
の範囲内で付加的に加熱される。この例でも抵抗
の差が物質流量の尺度である。

前記のマニユアルには敏感な応答が記述されて
いるが、公知の装置は多数の用途には著しく鈍感
すぎ、これは一方における流動管の熱的慣性およ
び他方における測定抵抗の方向への劣悪な熱伝達
係数によつて説明される。その場合全電気部品を
互いに相対的に電気的に絶縁しなければならず、
そして良好な電気絶縁体は通常良好な熱絶縁材で
あり、すなわち劣悪な熱伝導体であることに注意
すべきである。不可避な高い温度勾配によつて公
知の装置は比較的低い温度（室温が挙げられる）
での使用にのみ適当であるにすぎない。

したがつて本発明の課題は、異なる質量流量お
よび温度に敏感に応答し、高温の侵食性ガスおよ
び／またはガス類に対して安定である、風速計原
理による質量流量計を提案することである。

前記の課題の解決は本発明により、冒頭に記載
の質量流量計において次の特徴を有することによ
り解決される： (a) 温度依存性測定抵抗セラミツク絶縁体上に配
置された薄膜抵抗から成り、 (b) 絶縁体を有する薄膜抵抗がガラスはんだを介
してセラミツク支持体と結合されており、かつ (c) 支持体自体が直接またはガラスはんだを介し
て間接的に流動管と密封結合されている。

本発明の特徴により質量流量計はできる限り測
定媒体に曝されるが、しかし本来の抵抗膜は場合
により侵食性の媒体に直接曝されない、質量流量
計が得られる。抵抗膜は一方の側でこれが設けら
れるセラミツク絶縁体によつて保護され他方の側
で薄膜抵抗をセラミツク支持体と結合するガラス
はんだによつて保護される。セラミツク絶縁体も
ガラスはんだも十分に薄く、ないしは十分な熱伝
導性を持つので、測定抵抗の時定数は十分に短か
い。

１つの測定抵抗が流路内に配置される場合には
該抵抗は本来の測定信号を発生する抵抗である。
流動管の壁の作用は特に管の熱慣性によつて完全
に排除される。セラミツク支持体は流動管の外側
からの熱伝導による測定への著しい影響を防止す
る。この支持体もガラスはんだを介して流動管と
密封結合されているので十分な熱−および電気絶
縁が高い耐食性とともに保証される。その際この
結合は直接または間接に行なわれる、すなわちセ
ラミツク支持体はガラスはんだを介して流動管内
に挿入された中空のねじ付栓と結合されていてよ
く、または支持体はガラスはんだを介して直接流
動管の壁と結合されていてよい。

温度測定に自体公知である薄膜測定抵抗は風速
計もしくは質量流量測定で従来使用されていなか
つた。特にこの抵抗は風速計原理の基礎を形成す
る、直接電流を通じてある温度を加熱されること
はなかつた。

本発明による目的の有利な実施形が特許請求の
範囲第２項〜第８項から得られる。種々の実施形
に関して若干相違する利点は詳細な説明の中で特
性曲線を用いて詳細に説明する。

ここではガラスはんだを用いての結合について
２つの重要な選択肢があることを記載する。先ず
外側に絶縁体を有する薄膜抵抗はガラスはんだを
介して支持体の端面とはんだ付けされるので薄膜
抵抗は絶縁体によつて完全に被覆され、かつ保護
され、他方側面の保護はガラスはんだによつて行
なわれる。かかる方法を第１図に示す。または外
側に薄膜抵抗がある場合には絶縁体をガラスはん
だを介してセラミツク管の端面と結合することが
でき、その際薄膜抵抗を保護するためにこの抵抗
を漏らすガラスはんだが用いられている。かかる
構成を特許請求の範囲第３項および第２図に示
す。

次に第１図〜第８図に基づいて本発明の実施例
および変更形を説明する。

第１図および第２図は支持体に対する薄膜抵抗
とセラミツク絶縁体の配置の点で異なつている、
センサーの実施形を示し、第３図、第５図および
第７図は第１図および第２図によるセンサーの流
路内への種々の組入れ方法を示し、かつ第４図、
第６図および第８図は第３図、第５図および第７
図による測定装置の特性曲線を示す。

第１図に流動管１からの壁部分が示されてお
り、流動管１は第３図、第５図および第７図によ
れば縦孔２および軸線Ａ−Ａを有する円筒状管断
面図として形成されており、したがつて流速の最
大は軸線Ａ−Ａにある。縦孔２はその両端部に相
応する管接続のための接続ねじ３が設けられてい
る。流動方向は第３図、第５図および第７図で
“ｍ”と表示された矢印を付せられており、その
際“ｍ”は質量流量を表わす。流動管の材料とし
てはニツケル、高ニツケル含有合金（ハステロイ
Ｃ：モネル）、タンタルおよびチタンの群から金
属が選択され、かつ流動管は有利にむくの構成で
製造される。

流動管１内にステツプ状の切込み５を有する半
径方向の孔４が存在しており、この機能について
更に詳説する。孔４の中に円筒状外周面７および
軸線に対して垂直な、２つの平らな端面８および
９を持つ支持体６を挿入する、該支持体は安定な
セラミツク材料、例えば工業級磁器から成る。外
周面７は切込み５の範囲内でガラスはんだ１０を
介して流動管１と結合され、かつ内側端面９は同
様にガラスはんだ１１を介して測定抵抗１２と結
合され、該抵抗は薄膜抵抗１３およびセラミツク
絶縁体１４から成り、薄膜抵抗１３は常用の被覆
方法（真空蒸着、カソードスパツタリング）の１
つにより予め分離不可能に絶縁体上に設けられて
いる。その際薄膜抵抗は白金から成り、その際絶
縁体１４は約４mm²の面積を持つ。薄膜抵抗１３に
２つの電線路１５が通じており、これらは支持体
６中の相応する、詳細には図示しない、軸線に平
行な孔の中を通つて案内されている。この線路１
５は接続端子１６および１７に達しており、その
ために薄膜抵抗１３は測定ブリツジの分岐内に接
続することができる。

測定抵抗１２は軸線Ａ−Ａの範囲内にあり、か
つ内側の端面９から距離お持ち、この距離は約２
mmであるが、これは十分な限界値ではない。

この距離は測定抵抗１２並びに端面９の良好な
漏れの下に前記のガラスはんだ１１で充填され、
したがつて薄膜抵抗１３はセラミツクまたは鉱物
性材料により全面を保護される。実際にはガラス
はんだは支持体６の軸線に平行な孔の中に若干侵
入するが、ここでは簡単にするために図示しな
い。

ガラスはんだとしては有利にシヨツト・グラス
ヴエルケ社（Firma Schott Glaswerke）（マイ
ンツ、西ドイツ）からガラス番号8472として市販
されている硼酸鉛ガラスを使用し、かつ結合すべ
き部材との卓越した耐熱性の結合が形成される。
はんだ温度は410℃である。耐久性は約300℃の温
度である。

第２図では第１図と同じ部材は同じ参照番号を
付す。しかしこの例では測定抵抗１２は、薄膜抵
抗１３が絶縁体１４の狭い端面に配置され、かつ
この絶縁体が直接支持体６の端面９に突き当てら
れているようにして構成されている。ここではガ
ラスはんだ１１（同じ性質）は良好な漏れの下に
測定抵抗１２（すなわち薄膜抵抗１３を含む）の
全自由面を被覆する。これにより薄膜抵抗１３は
第１図の実施例の場合よりも直接測定すべき流体
に曝され、その際同時に支持体６に対する熱の作
用が更に抑えられる。

第３図において軸方向に間隔“Ｄ”を置いて２
つの測定抵抗１２ａおよび１２ｂが配置され、こ
のうち一方１２ａは流路（有利に軸線Ａ−Ａの範
囲）内に、かつ他方１２ｂは流路外の盲孔１８内
に配置される。これにより測定抵抗１２ａは流体
の流れおよび温度に曝され、他方測定抵抗１２ｂ
は媒体の温度に曝されるのみである。測定抵抗１
２ｂはある程度測定媒体の温度を“見る”。２つ
の測定抵抗は一定のブリツジ電圧U_Brによつて一
定の温度に加熱される。質量流量のない時（ｍ＝
０）には２つのセンサーは等しい温度を有し、し
たがつて等しい抵抗を示し、そのためにブリツジ
電圧の差△U_Brは同様に零である。流れによつて
この流れの中に存在する測定抵抗１２ａの温度が
変わり、他方測定抵抗１２ｂは盲孔の中に保持さ
れているのでその温度を維持する。これによつて
起る、測定ブリツジ１９の平衡のずれは質量流量
ｍと比例関係にあり、かつ表示装置２０を用いて
表示することができる。

第４図に第３図による装置の特性曲線を２つの
流動方向について示す。グラフの正の部分は第３
図で矢印“ｍ”によつて示された流動方向に関す
るものであり、他方グラフの負の部分“−ｍ”は
逆の流動方向（流れ逆転）に関する。一方でブリ
ツジ電圧△U_Brが流れの方向を識別させないこと
は明らかである。他方で第６図および第８図によ
る特性曲線と異なり最大また最小を持たない、全
く一義的な特性曲線が得られ、そのために常に一
義的な質量流量が測定される。直線形範囲を
“ｘ”で示す。この範囲は常用の測定に通常使用
される。もちろんマイクロプロセツサ制御によつ
て特性曲線の非直線形部分に補正値を供給するこ
とも可能であり、そのために特性曲線のこの部分
も例えば高速範囲内での測定目的に使用すること
ができる。

第５図による実施例では２つの測定抵抗１２ａ
および１２ｂを流路内に、すなわち縦孔２の軸線
Ａ−Ａ内に配置する。この場合にも２つの測定抵
抗の加熱が直接電流を通じることにより行なわ
れ、かつブリツジ回路１９も第３図によるものと
同一である。質量流量なしでは（ｍ＝０）測定電
流△U_Brは同様に零である。上流にある測定抵抗
１２ａは質量流量により冷却され、他方下流にあ
る測定抵抗１２ｂは熱伝達により付加的に加熱さ
れる。これから得られる抵抗変化を同様に測定ブ
リツジ１９および表示装置２０を介して表示する
ことができる。この場合にはもちろん流れの逆転
で抵抗変化もその記号も変える、すなわちグラフ
の負の部分の範囲内では測定電圧も負で形成され
る。この例では第６図による直線形範囲のみが使
用可能であり、これは直線形範囲以外の特性曲線
が最大および最小を有し、したがつてここでは測
定電圧の二重指示が得られることを示す。他方流
動方向の識別は特定の用途では重要であるので、
この装置は有利である。直線形範囲“ｘ”におけ
る特性曲線の上昇は測定抵抗１２ａと１２ｂ軸方
向距離“Ｄ”によつて変えることができる。

第７図による実施例では同様に２つの測定抵抗
１２ａおよび１２ｂが縦孔２の軸線Ａ−Ａの範囲
内に、すなわち流路内に配置されるが、これらは
電流で加熱されない。同様に軸線Ａ−Ａ内の測定
抵抗１２ａおよび１２ｂの間の距離Ｄ／２に第３の 測定抵抗１２ｃがあり、その構成は測定抵抗１２
ａと１２ｂのものと同一である。しかしこの場合
測定抵抗１２ｃは専ら発熱体として利用される、
すなわち直線電流を通じて加熱される。質量流量
が流れない時には２つの測定抵抗１２ａおよび１
２ｂは等しい熱量を有し、かつ表示は零である。
質量流量の存在する場合には上流の測定抵抗１２
ａが冷却され、かつ下流の測定抵抗１２ｂは熱の
伝達によつて加熱され、これにより測定ブリツジ
１９の平衡のずれが生じ、かつ表示装置２０で表
示される。

第７図による装置においても第８図に示す、第
６図による特性曲線ときわめて類似している特性
曲線が得られる。これは一方で流動方向を測定可
能であり、しかし他方で直線形範囲以外では測定
値の二重指示が存在することを認識させる。

使用分野としては化学工業並びに高温の腐食性
媒体の質量流量をできるかぎり精密に検出する必
要のあるエネルギー供給が挙げられる。“ｍ”は
質量流量を指し、すなわちdm／dtである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第５図および第７図
は本発明による熱式質量流量計の実施形の図であ
り、かつ第４図、第６図および第８図は第３図、
第５図および第７図による装置の特性曲線を示し
た図である。 １……流動管、６……支持体、９……端面、１
１……ガラスはんだ、１２，１２ａ，１２ｂ，１
２ｃ……測定抵抗、１３……薄膜抵抗、１４……
絶縁体、１８……盲孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくともその１つは流路内に配置される、
   少なくとも２つの、流体に曝される温度依存性測
   定抵抗、この測定抵抗の作用範囲内に配置される
   熱源少なくとも１つを有する流動管並びに抵抗値
   を流量に比例する量に変換するための評価回路か
   ら成る、熱式質量流量計において、 (a) 温度依存性測定抵抗１２，１２ａ，１２ｂ，
   １２ｃがセラミツク絶縁体１４上に配置された
   薄膜抵抗１３から成り、 (b) 絶縁体１４を有する薄膜抵抗１３がガラスは
   んだ１１を介してセラミツク支持体６と結合さ
   れており、かつ (c) 支持体６自体が直接またはガラスはんだ１０
   を介して間接的に流動管１と密封結合されてい
   ることを特徴とする、熱式質量流量計。 ２ 支持体６が平らな端面９を有するセラミツク
   管であり、かつ絶縁体１４が外側にある場合に薄
   膜抵抗１３がガラスはんだ１１を介して、ガラス
   はんだが薄膜抵抗と端面の間の距離を完全に充填
   するようにして端面９にはんだ付けされている、
   特許請求の範囲第１項記載の熱式質量流量計。 ３ 支持体６が平らな端面９を有するセラミツク
   管であり、かつ薄膜抵抗１３が外側にある場合に
   絶縁体１４がガラスはんだ１１を介して端面と結
   合されている、特許請求の範囲第１項記載の熱式
   質量流量計。 ４ ２つの測定抵抗１２ａ，１２ｂが設けられて
   おり、その一方１２ａが流路内に、かつ他方１２
   ｂが流路外の流動管１の盲孔１８内に配置されて
   おり、かつ２つの測定抵抗１２ａ，１２ｂが直接
   電流を通じることによつて加熱可能である、特許
   請求の範囲第１項記載の熱式質量流量計。 ５ ２つの測定抵抗１２ａ，１２ｂが設けられて
   おり、これらが流動管１の流路内に配置されてお
   り、かつ２つの測定抵抗１２ａ，１２ｂが直接電
   流を通じることによつて加熱可能である、特許請
   求の範囲第１項記載の熱式質量流量計。 ６ ３つの測定抵抗１２ａ，１２ｂ，１２ｃが一
   列に設けられており、これらがすべて流動管１の
   流路内に配置されており、かつ中央の測定抵抗１
   ２ｃが直接電流を通じることによつて加熱可能で
   ある、特許請求の範囲第１項記載の熱式質量流量
   計。 ７ ガラスはんだとして膨張率α_20/300＝12.0・
   10^-6／℃の硼酸鉛ガラスを使用する、特許請求の
   範囲第１項記載の熱式質量流量計。 ８ 流動管１がむくのニツケル、高ニツケル含有
   合金（ハステロイＣ；モネル）、タンタルおよび
   チタンの群からの金属から形成されている、特許
   請求の範囲第１項記載の熱式質量流量計。