JPH0663799B2 - 熱型流量検出装置 - Google Patents

熱型流量検出装置

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JPH0663799B2
JPH0663799B2 JP62251350A JP25135087A JPH0663799B2 JP H0663799 B2 JPH0663799 B2 JP H0663799B2 JP 62251350 A JP62251350 A JP 62251350A JP 25135087 A JP25135087 A JP 25135087A JP H0663799 B2 JPH0663799 B2 JP H0663799B2
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heating
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/04Indicating positive or negative direction of a linear movement or clockwise or anti-clockwise direction of a rotational movement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring 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
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/6888Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
    • GPHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 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。
[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り、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1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が高くつくという問題も
あった。
他方、第2の形式の熱型流量検出装置では、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。
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。
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。
よって、この発明の目的は、小形かつ高感度の熱型流量
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] この発明の熱型流量検出装置は、正特性サーミスタ特性
を有する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
電熱とを有し、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、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、上記基材に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、基材を挟んで
対向するように形成された加熱用電極を用いて構成され
る。
[作用] 正特性サーミスタ特性を有する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用電極によ
り部分的に自己加熱されているため、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。したがって、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
電極および加熱用電極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] 第1図は、この発明の一実施例の熱型流量検出装置を示
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を挟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1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Ni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は正特性サーミスタ
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。
たとえば、上記したチタン酸バリウムからなり、2×10
×0.5mmの大きさの基材1において、2×1mm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℃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1内に生じる。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、ほ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1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R〜Rは、基材1上の
各電極の位置により決まり、起電力e,eは両検知電
極間の熱的なバランスが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
部材11,12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R,R が挿入されている。抵抗部
材11,12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。
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、熱電素子の
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。
なお、上述した両検知電極間のオフセット電圧を軽減す
るには、加熱用電極4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つの熱電素子が構成
されていたが、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。
その場合には複数の熱電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型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材の形状につい
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ができる。
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。
[発明の効果] セラミックス半導体よりなる基材を用いた熱電検知素子
において、対をなす検知電極間に部分的に加熱用電極を
設けて自己加熱するようにするだけで熱型の流量検出装
置を構成することができるので、従来の熱型流量検出装
置に比べて小形化が容易であり、したがってより高感度
の熱型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。また、セラミックス半導体として正特性サーミス
タ特性を有するものが用いられるので、加熱用電極によ
る自己加熱において基材の温度を一定に制御することが
容易である。
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、より高感度の熱型流量検出装置を得ることも容易
である。
【図面の簡単な説明】
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。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正特性サーミスタ特性を有するセラミック
    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前記検知電極間を部分的に加熱する
    加熱手段とを備え、 前記加熱手段は、前記基材の対をなす前記検知電極間部
    分において前記基材を挟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、熱型流量検出装置。
  2. 【請求項2】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項記載の熱型流量検出装置。
JP62251350A 1987-10-05 1987-10-05 熱型流量検出装置 Expired - Lifetime JPH0663799B2 (ja)

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