JPH04230806A - 流量センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量流量（ｍａｓｓ　
　ｆｌｏｗ）センサの分野に関し、特に質量流量センサ
のダイナミック・レンジを最大化するための方法および
装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその問題点】分析化学において、液体およ
びガス・クロマトグラフィー技術及び超臨界流体クロマ
トグラフィー技術は、化学試料成分を識別するための重
要なツールである。すべてのクロマトグラフィー技術の
根底にある基本原理は、化学混合物を多孔性保持媒体を
通る移動流体に移送させることにより、試料の化学混合
物を個々の成分に分離することである。移動流体は移動
相と呼ばれ、保持媒体は固定相と呼ばれている。一般に
、このような技術では、分析者が、移動相の質量流量を
監視および／または制御することが要求される。監視ま
たは制御操作では、一般に、クロマトグラフ・システム
の特定流体の質量流量を測定することを必要とする。 そのために、幾つかの質量流量検出装置が開発されてい
る。

【０００３】Ｔｙｌａｎ質量流量計とともに使用するた
めに開発されたあるタイプの質量流量センサには、互い
に間隔をおいて、小さなステンレス鋼センサ管に取り付
けられた２つの熱抵抗温度計を含んでいると言われる。 気体が管を通って流れると、移動流体により下流側の温
度計に熱が伝達され、それにより気体流量に比例する信
号が発生することが述べられている。各抵抗温度計は、
気体に比例する０〜５ボルトの直流電流（ＤＣ）信号を
生成するブリッジおよびアンプ回路の一部を成している
。

【０００４】同様なタイプの質量流量センサが、エマー
ソン・エレクトリック・カンパニー（Ｅｍｅｒｓｏｎ　
　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　　Ｃｏｍｐａｎｙ）、ブルックス
・インスツルメント・ディビジョンによるＢｒｏｏｋｓ
質量流量計説明書に開示されている（１９８１年）。質
量流量センサの動作は、調整された加熱を最初に流量通
過センサ管の中間点に向けることが述べられている。抵
抗温度測定センサは、ヒータの上流および下流の等距離
に配置される。気体がセンサ管を通ると、気体流が、上
流センサから下流センサに熱を伝える。この２つのセン
サ間に現れる増大する温度差は、センサを流れる気体の
量に比例すると述べられている。温度差がブリッジ回路
により分析され、アンプが指示器および／またはコント
ローラに０〜５ボルトのＤＣ出力を供給する。このタイ
プの他の装置については、例えば、１９８９年５月２５
日の「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　　Ｄｅｓｉｇｎ　　Ｎｅｗｓ
」の第５５〜６８頁に記されている。　　（“Ｔｈｅｒ
ｍａｌ　　Ｍａｓｓ−ｆｌｏｗ　　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅ
ｒｓ，　　Ｓｅｎｓｏｒｓ　　ｏｆｆｅｒ　　Ｆａｓｔ
　　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　　Ｔｉｍｅｓ”）

【０００５】上述のセンサに関する問題は、その限定さ
れたダイナミック・レンジにある。一般に、センサは流
量範囲に対する定格があり、例えば、あるセンサは毎分
０〜１００ｍＬの範囲において定格があり、別のセンサ
は毎分０〜１０ｍＬの範囲に定格がある。この定格の理
由は、すでに述べたようなセンサが飽和してしまうから
である。飽和は、質量流量センサを通る流体の流れが、
センサと流体間の熱交換時定数を越えるときに起こる。 言い換えると、流体がセンサをますます速く移動するに
つれ、多くの差熱（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　　ｈｅ
ａｔ）ではなく少ない差熱が、下流および上流温度セン
サに伝わるポイントに達するのである。これは、センサ
間の温度差の減少をもたらす。このような差温度の減少
は一般に質量流量の減少を示すものであるが、実際には
質量流量は漸増している。

【０００６】したがって、従来の特定のアプリケーショ
ンの質量流量範囲のための専用センサと対照的に、多く
のアプリケーションで単一のセンサを使用することがで
きるように、広いダイナミック・レンジを有する質量流
量センサに対する必要性が存在する。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、上述の問題を解消し、広範囲
のダイナミック・レンジを備える質量流量センサを提供
することにある。

【０００８】

【発明の概要】発明は、流体の質量流量を検知し（ｓｅ
ｎｓｅ）、検知した質量流量を表す出力信号を生成する
ための方法および装置であり、ここでは、抵抗性材料か
ら成るコンジットと、コンジット（ｃｏｎｄｕｉｔ）上
の第１のポイントと接続し、制御信号に応答して第１の
ポイントに電圧を供給する電圧源と、コンジット上の第
２のポイントとコンジット上の第３のポイント間の電圧
差を表す信号を出力する差動増幅器と、第１のポイント
に印加される電圧を、コンジットを通る流体流に関連さ
せて調整する制御信号を生成するコントローラが含まれ
ている。特に好適な実施例では、抵抗性材料はニッケル
−５２である。他の実施例では、第１のポイントに印加
される電圧を、抵抗性材料の抵抗が所望の値に維持され
るよう調整するための制御信号コントローラが生成する
。一実施例では、所望の値は一定値である。この最後の
実施例では、流体がその中を通るときにコンジットの冷
却を行うように、出力信号を補償することが望まれる。

【０００９】米国特許４，４４９，４０１号に、熱セン
サ１０８の使用を開示していることを書き留めておく。 センサを通る電流を調節して、温度を保ち、したがって
質量流量での単一の位置で抵抗を一定に保つことが述べ
られている。一定の抵抗を維持するために必要な電流は
、質量流量に直接関係している。質量流量を測定するた
めには、周囲温度を測定するために用いる整合センサが
必要である。米国特許の装置と本発明の装置との相違は
、以下の説明により理解できる。

【００１０】

【発明の実施例】本発明の一実施例である、新規で斬新
な質量流量センサを、図１に示し、一般に参照番号１０
が付されている。センサ１０は、コンジット１２を通っ
て流れる流体の質量流量を検知し、質量流量を表す出力
信号を出力する。コンジット１２は、抵抗性材料から形
成され、図２に示すように、一般に円筒形である。好適
な実施例では、コンジット１２はＣａｒｐｅｎｔａｒ　
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ｃｏｒｐ．製の（ＣＡＲＰ
ＥＮＴＥＲ　　ＧＬＡＳＳ　　ＳＥＡＬＩＮＧ）５２（
ニッケル−５２）より形成される。ニッケル−５２は、
５０．５０％のニッケル−鉄合金で、炭素０．０１％、
マンガン０．３％、シリコン０．２％、ニッケル５０．
５０％を含み、残りが鉄であると記されている。ニッケ
ル−５２は、高い電気抵抗率（４３０μΩ−ｍｍ）およ
び高い抵抗温度係数（０．００２９／℃）であることよ
り望ましい。

【００１１】電圧源は、トランジスタ１４および抵抗器
１６から成り、制御信号に応答してコンジット１２上の
第１のポイント１８に電圧を印加する。ポイント１８に
電圧が印加されると、コンジット１２上の第２のポイン
ト２０および第３のポイント２２にも電圧が現れる。差
動増幅器２４を接続して、ポイント２０と２２間の電圧
の差を測定し、出力信号（Ｖｏｕｔ　）を生成する。コ
ンジット１２に流体が流れておらず、コンジット１２の
抵抗値が相対的に均一であるものと仮定すると、ポイン
ト２０および２２に同じ電圧が存在する。電圧はほとん
ど同じでの差動増幅器２４の出力は０で、質量流量がな
いことを示す。

【００１２】コントローラ２６は、図に示すように、差
動増幅器２８、抵抗器３０およびトランジスタ３２を含
む。差動増幅器２８への反転入力は、抵抗器３４、３６
を含む分周器回路構成からの電圧である。したがって、
差動増幅器２８の反転入力に印加される電圧は、電圧源
、すなわちトランジスタ１４から与えられる電圧に比例
する。差動増幅器２８の非反転入力は、コンジット１２
上のポイント１８に接続する。差動増幅器２８の出力は
、多くも少なくもバイアスをトランジスタ３２のベース
に与え、さらに抵抗器３８を通してトランジスタ１４の
ベースにいくぶんかのバイアスを与える。言い換えると
、差動増幅器２８の出力は、トランジスタ１４からポイ
ント１８に与えられる電圧を制御する。明らかなように
、該電圧は、コンジット１２を通る流体の流れに関連し
て制御される。

【００１３】図１に示すように、ポイント１８は、コン
ジット１２の中間で、ポイント２０と２２の間にある。 また、図１から明らかなように、ポイント２０および２
２はポイント１８から等距離にある。

【００１４】動作では、コンジット１２の平均抵抗値を
所望値に維持するため、コトローラ２６は、抵抗器１４
を通ってポイント１８へ印加される電圧を調整するため
の制御信号を生成する。コンジット１２の温度が変化す
ると、その抵抗値も変化する。図１に示す実施例では、
コンジット１２の平均抵抗値は一定値に維持される。こ
れは、ポイント１８に印加される電圧の量を調整するこ
とにより達成される。差動増幅器２８の非反転入力は、
抵抗器１６の分周器回路構成およびポイント１８と接地
との間のコンジット１２の抵抗から生じる電圧となる。 ポイント２０および２２を含むポイント１８と接地間の
コンジット１２の部分を本願明細書では、各々インレッ
ト・ハーフ（ｉｎｌｅｔ　　ｈａｌｔｓ）「Ａ」および
「Ｂ」と呼ぶ。

【００１５】コンジット１２の平均抵抗値が減少すると
、ポイント１８における電圧、すなわち差動増幅器２８
の非反転入力に印加される電圧も減少する。差動増幅器
２８は、その入力間の電圧差を検知すると出力信号を供
給し、それによりトランジスタ３２のベースにバイアス
をかけ、さらにトランジスタ１４のベースにもバイアス
をかける。トランジスタ１４のベースへの結果的なバイ
アスの増加は、トランジスタ１４を通り、抵抗器１６お
よびコンジット１２の平均抵抗から成る分周器ネットワ
ークに伝送される大きな電圧を生じさせる。

【００１６】ポイント１８に印加される電圧がさらに増
加すると、コンジット１２を通る電流が増加し、コンジ
ット１２の加熱が生じる。コンジット１２の温度上昇は
、コンジット１２の平均抵抗値も増加させ、差動増幅器
２８の非反転入力に印加される電圧の増加をもたらす。 この電圧の増加は、差動増幅器２８の入力における電圧
差がゼロに近づくまで続く。

【００１７】また、ポイント１８に印加される電圧が増
加するにつれて、抵抗器３４に印加される電圧も増加す
ることも注意しなければならない。したがって、コンジ
ット１２の平均抵抗の変化は、差動増幅器２８の入力に
印加される電圧差の変化に影響を及ぼす主要な要因であ
る。

【００１８】コンジット１２を通る流体流量が増加する
と、ポイント２０および２２間の電圧差も増加するが、
ポイント１８に印加される電圧は、コンジット１２の平
均抵抗を比較的一定に保つ役目があるので、かなり広い
動作ダイナミック・レンジにおいて飽和は起こらない。 図１に示すセンサは少なくとも毎分５，０００ｍＬまで
有効であることが分かっている。

【００１９】図１に示すセンサの別の実施例を図３に示
す。この実施例は、一般に参照番号４０が付けられてい
る。コンジット１２の平均抵抗値を一定に維持するため
、ポイント１８に印加される電圧を変化させるのではな
く、ポイント１８における電圧を一定に維持する点でセ
ンサ１０とは異なる。この実施例では、コンジット１２
の平均抵抗値を変化させることができるので、この特性
は補償器４２により補正される。

【００２０】補償器４２について記述する前に、差動増
幅器２８の反転入力を基準電圧（Ｖｒｅｆ　）に接続す
ることにより、ポイント１８の電圧が一定値に保たれる
。明らかなように、差動増幅器２８の非反転入力に印加
される電圧がＶｒｅｆ　に近づくか等しくなるまで、差
動増幅器２８の出力は、トランジスタ３２にバイアスを
かけたり、したがってトランジスタ１４のベースにバイ
アスをかけるために用いる。

【００２１】図示するように、補償器４２は、流体が通
過するときにコンジット１２の冷却、すなわち平均抵抗
値の変化をもたらすものである。補償器４２は、ポイン
ト１８に流れる電流を検知する電流センサ抵抗４４を含
む。抵抗４４を流れる電流を表す信号は、増幅器４６に
より生成される。アナログ乗算器４８は、検出した電流
信号を、差動増幅器２４の出力と掛け合わせる。アナロ
グ乗算器４８の出力（Ｖｏｕｔ　）は、コンジット１２
を通る流体の質量流量に比例する。

【００２２】図３に示すセンサの動作を考える。流体が
コンジット１２を流れると、コンジット１２の平均抵抗
値が減少する。平均抵抗が減少すると、ポイント１８の
電圧、すなわちポイント１８と接地との間の電圧も減少
し、差動増幅器２８の入力間の電圧差が生じる。この場
合の差動増幅器２８の出力は、トランジスタ３２のベー
ス、したがって、トランジスタ１４のベースに大きなバ
イアスをかける。トランジスタ１４のベースへのバイア
シングの増加により、ポイント１８に印加される電圧が
増加する。すなわち、平均抵抗値は減少するが、ポイン
ト１８の電圧は実質的に一定のままである。ポイント１
８の電圧を実質的に一定に保つためにトランジスタ１４
のベースへのバイアスを増加すると、抵抗器４４を通る
電流別紙参照が増加すると、乗算器４８により行われる
補償の量も増加する。したがって、コンジット１２を通
る流体の質量流量が増加すると、乗算器４８の出力もそ
れに比例して増加し、出力信号の飽和を避けている。

【００２３】図４に示す本発明のさらに別の実施例では
、コンジット１２を担化し、参照番号５０が付けられて
いる。平坦コンジット５０に、センサのダイナミック・
レンジを加大きくさせる作用、すなわち飽和の起こるポ
イントを大きくさせる作用のあることが見い出されてい
る。ダイナミック・レンジは、補償器４２の必要もなく
、図３に示す実施例において、従来の装置よりも６〜７
倍大きくなることが分かっている。平坦コンジット５０
の作用は、好適な実施例または補償器４２を伴う図３に
示す実施例で使用したときに、ダイナミック・レンジの
直線部分をかなり広げることである。好適な実施例では
、コンジット１２の内径は約０．４１ｍｍ（０．０１６
インチ）である。図４に示すような形へ平坦化する場合
、コンジット５０の内部間隔を約０．０５ｍｍ（０．０
０２インチ）にすることが望ましい。管５０が薄くなる
につれて、飽和の起こるポイントが大きくなることが一
般に知られている。

【００２４】高圧操作では、コンジット１２へのすべて
の電気接続をブレイズ（ｂｒａｉｓｅｄ）することが望
ましいことも書き留めておく。コンジット１２を通る流
体を、ある一般に均一な温度に予め加熱しておくことの
望ましいこともさらに付け加えておく。気体がコンジッ
ト１２を通る一実施例では、気体を約７５℃の温度まで
予め加熱しておく。周囲温度がセンサ動作に影響を及ぼ
すことを防止するために、コンジット１２を、比較的一
定の温度に保たれる熱伝導ブロックに取り付けることが
望ましいことも書き留めておく。このような実施例では
、コンジット１２はＭａｎｖｉｌｌｅ　　ｏｆ　　Ｄｅ
ｎｖｅｒ　　Ｃｏ．で販売する約半インチ（１．２７ｃ
ｍ）のＣＥＲＡＢＬＡＮＫＥＴなどの絶縁材料により、
ブロックから電気的に絶縁しておく。

【００２５】本願明細書に用いるように、「抵抗性材料
」は、電気抵抗性およびその電気抵抗性に関係する熱係
数を有する材料を意味する。コンジット１２を形成する
材料の抵抗率が大きければ大きいほど、センサの感度が
それだけ増すことを書き留めておく。材料の抵抗率が小
さければ小さいほど、周囲温度のセンサに及ぼす影響が
それだけ大きくなる。

【００２６】本発明を上述の実施例について記述および
説明してきたが、各種の変更および変動を行なうことが
できることは当業者にとって自明のことである。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明ではセンサ
素子間で温度および抵抗が広い範囲で変化しても一定の
平均抵抗を保つように制御されたセンサ素子を得ること
によって、部分的に広い動作ダイナミック・レンジを有
する質量流量センサを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である質量流量センサの概略
図。

【図２】図１の２−２断面図

【図３】本発明の他の実施例である質量流量センサの概
略図。

【図４】図２の他の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１４、３２：トランジスタ １２：コンジット ２４、２８：差動増幅器 ４８：アナログ乗算器 ２６：コントローラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体がその中を通る通路のための抵抗性材
   料からなるコンジクトと前記コンジクト上の第１のポイ
   ントに接続し、制御信号に応答して前記第１のポイント
   に電圧を供給する電圧源と、前記コンジクトの第２のポ
   イントと第３のポイントに入力が接続し、その電圧差を
   出力する差動増幅器と、前記電圧源と接続し、前記コン
   ジクト中に流れる流体流に関連して、前記第１のポイン
   トに供給する電圧と制御する制御手段とから成ることを
   特徴とする流量センサ。
2. 【請求項２】請求項第１の頁記載の流量センサはさらに
   流体が流れる前記コンジクトを冷却するため、前記制御
   信号を補償する補償手段を含むことを特徴とする流量セ
   ンサ。