JPH0664162U - 正特性サーミスタ流速変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案の目的は、雰囲気温度が変わっても出
力特性をほとんど変化させないような温度補正回路を含
む、正特性サーミスタ流速変換器を提供することにあ
る。 【構成】 本考案の正特性サーミスタ流速変換器１は、
電源に接続され、定温度に加熱された正特性サーミスタ
からなる流速変換器の検知回路部に於いて、該回路部か
ら得られる流速に応じた回路電流の変化、あるいは回路
電流に比例した電圧の変化が、演算増幅用ＩＣの正相入
力端子に入力され、且つ、演算増幅用ＩＣの逆相入力端
子と回路グランド間に接続された入力抵抗が、負特性サ
ーミスタを含む合成抵抗回路網から構成されていること
を特徴とするものである。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、定温度発熱中の正特性サーミスタが、移動する周囲の流体から受け る流速の変化を、電圧の変化として取り出す正特性サーミスタ流速変換器に関す る。

【０００２】

【従来の技術】

近年、熱線式流速計や負特性サーミスタ式流速計に代わって、定温度発熱機能 を有する正特性サーミスタ（定温度発熱体）を検知素子として使用した流速計、 いわゆる正特性サーミスタ流速計が利用されるようになってきた。これは、一般 的に流速計は検知素子を定温度に自己加熱させて動作させるものであるが、前記 熱線式流速計や負特性サーミスタ式流速計は検知素子に定温度発熱機能がないた め、特別な駆動回路が必要であるのに対し、正特性サーミスタ流速計は、検知素 子である正特性サーミスタ自体が定温度発熱機能を備えているため特別な駆動回 路を必要とすることなく利用できるためである。

【０００３】 この種の正特性サーミスタ流速計としては、例えば第１の従来例として、特開 昭５５−１３２９１０号公報、特開昭５７−３７２１５号公報等に示されている ように、被測定流体の流路全体にハニカム型の正特性サーミスタを嵌め込んで構 成したものや、特開昭５７−５０６１６号公報に示されているように、流路の中 央部に正特性サーミスタを流路に平行に配置して構成したものなどがある。これ ら正特性サーミスタは、通電によりキュリー温度に自己加熱され、これに流体が 通過すると、冷却作用により正特性サーミスタの熱が奪われる。正特性サーミス タは定温度発熱体であるため、自己温度復帰作用の働きで電気抵抗が変化し、電 流の変化が生じる。この電流の変化を測定することにより、流速を検知すること ができる。

【０００４】 また、第２の従来例として、特開平１−９４２１８号公報に示されているよう なものもある。これは、長方形のセラミックス半導体基材の同一表面に三つの電 極が設けられ、該基材の長手方向が流路に平行となるように配置されて構成され ている。該基材は通電により定温度に自己加熱され、これに流体が通過すると前 記と同様、定温度になるように電流が増加するが、素子の表面層では風上側と風 下側で温度差が生じる。したがって表面層を流れる電流にも分布が生じ、それを 第１の電極と第２の電極間、及び第２の電極と第３の電極間で測定すれば流速を 検知することができる。

【０００５】 このような構成の正特性サーミスタ流速計は、応答速度が早い、出力が大きい 、出力の直線性に優れているなどの利点を有している。

【０００６】 一方、前記正特性サーミスタ流速計に於いて出力を取り出す方法として、特開 昭５５−１３２９１０号公報には、電源と正特性サーミスタが接続された回路に 電流計を入れ、流速の変化を直接電流計で読み取る手段が、また特開昭５７−５ ０６１６号公報には、正特性サーミスタ流速計とそれに直列に接続された抵抗と の両端が電源に接続され、前記抵抗の両端の電圧を、流速の変化に伴う回路電流 の変化に比例する電圧の変化として読み取る手段が述べられている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記従来の正特性サーミスタ流速計には次のような問題があっ た。正特性サーミスタの検知素子は、チタン酸バリウム等の半導体セラミックス からなり、それ自身感温半導体であり、図５に示す如く、流速検知の出力特性が 雰囲気温度により大きく変化し、恒温雰囲気以外では正確な測定ができないとい う欠点があった。

【０００８】 本考案は、このような従来の欠点を除去するためになされたものであり、その 目的とするところは、雰囲気温度が変わっても出力特性をほとんど変化させない ような温度補正回路を含む、正特性サーミスタ流速変換器を提供することにある 。

【０００９】 前記温度補正回路には、次のようなものが考えられる。 まず、図５に於いて、電流をＩ，雰囲気温度をＴ，流速（風速）をｖとすれば、 これらの間には、 Ｉ＝ｆ（ｖ,Ｔ）＝ｇ（ａ／Ｔ）・ｆ（ｖ） という関係があると見做すことができる。ここで、ｆ，ｇは函数であり、ａは定 数である。 また、電流Ｉの変化は雰囲気温度Ｔの変化に反比例するので、温度補正のために 感熱抵抗素子を使用することを考えれば、雰囲気温度Ｔの変化を抵抗の変化と見 做すことができる。そこで、雰囲気温度Ｔによる影響を補正するために、温度変 化に対して反比例する抵抗値変化を示す負特性サーミスタを使用することを考え てみると、雰囲気温度Ｔの変化は、 Ｒ＝Ｒ_Ｏｅｘｐ［Ｂ（１／Ｔ−１／Ｔ_Ｏ）］ の式より、負特性サーミスタの抵抗値Ｒの変化に置き換えることができる。従っ て、正特性サーミスタに流れる電流Ｉの雰囲気温度Ｔによる影響を、負特性サー ミスタの抵抗値Ｒに置き換えてみると下式の如くなる。 Ｉ＝ｇ（ａ／Ｔ）・ｆ（ｖ）＝ｈ（Ｒ）・ｆ（ｖ） ここで、ｈは函数である。 このような温度特性を補正するには、 Ｉ′＝ｈ（Ｒ）・ｆ（ｖ）・ｈ^-1（Ｒ）＝ｆ（ｖ） なる演算で補正することができる。さらに、ｈ（Ｒ）＝Ｒ，ｈ^-1（Ｒ）＝１／Ｒ として置き換えてみると一目瞭然である。ここで、１／Ｒなる演算を電子回路で 行なうには、最も簡単な例として、演算増幅用ＩＣの逆相入力端子と回路グラン ド間に接続された入力抵抗の代わりに、ゲインが［１＋Ｒｆ／Ｒ］となる負特性 サーミスタを使用することが挙げられる。ここでＲｆは帰還抵抗である。これに よって、容易に１／Ｒの演算が実現できる。

【００１０】 しかし、実際には正特性サーミスタに流れる電流の雰囲気温度による変動は、 負特性サーミスタの特性と一致しないので、本考案では前記入力抵抗を、負特性 サーミスタを含む合成抵抗回路網で構成して、温度補正回路とした。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

前記目的を達成するべく本考案による正特性サーミスタ流速変換器は、電源に 接続され、定温度に加熱された正特性サーミスタからなる流速変換器の検知回路 部に於いて、前記回路部から得られる流速に応じた回路電流の変化、あるいは回 路電流に比例した電圧の変化が、演算増幅用ＩＣの正相入力端子に入力され、且 つ、前記演算増幅用ＩＣの逆相入力端子と回路グランド間に接続された入力抵抗 が、負特性サーミスタを含む合成抵抗回路網から構成されていることを特徴とす るものである。

【００１２】

【作用】

上記のように構成された本考案による正特性サーミスタ流速変換器は、正特性 サーミスタに流れる電流の雰囲気温度による変動は、負特性サーミスタの特性と 一致しないため、これを負特性サーミスタを含む合成抵抗回路網で構成すること により、高い一致性を得て温度補正を施し、雰囲気温度による測定誤差を極めて 少なくすることを可能にしたものである。

【００１３】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案を更に詳しく説明する。まず、本考案の一実施例 として使用した正特性サーミスタ２の構成を図２に示す。まず符号１２はチタン 酸バリウム系セラミック素子（キュリー温度１２０℃）からなる正特性サーミス タ素子であり、縦３ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状をなしている。この正 特性サーミスタ素子１２の対向する面にはニッケルメッキからなる電極層１２ａ が形成されており、該電極層１２ａの端部にはリード線１３が半田付により接続 されている。これらの周囲にはポリイミド粘着テープ１４が巻き付けられており 、これにより電気的絶縁が確保されている。このように電気的絶縁の施された正 特性サーミスタ素子組品１５は、直径５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの アルミニウム製キャップ１６内に収納される。符号１７は前記正特性サーミスタ 素子組品１５とアルミニウム製キャップ１６との空隙部に充填された高熱伝導率 シリコーンゴムであり、これはシリコーンゴムにアルミナ、マグネシア等を配合 して高熱伝導率特性を実現している。前記アルミニウム製キャップ１６の下端部 には、耐熱絶縁性樹脂ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなるパイプ１ ８が、前記リード線１３を貫通させた状態で嵌合され、カシメ固定されている。 尚、このパイプ１８には容器への取り付けを容易にするためのフランジ部１８ａ が連続して形成されている。

【００１４】 次に図１及び図４を参照して、本考案の正特性サーミスタ流速変換器について 説明する。図１は本考案による正特性サーミスタ流速変換器の一実施例を回路構 成図で示したものである。 まず図１に於いて、電源Ｅに前記正特性サーミスタ２と抵抗Ｒ₁ が直列に接続さ れ、前記抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１を、演算増幅用ＩＣ３の正相入力端子と接続す る。更に、前記演算増幅用ＩＣ３に逆相入力される入力抵抗Ｒｓを、負特性サー ミスタＴｈと抵抗Ｐ_１，Ｐ_２，Ｓとからなる合成抵抗回路網４で構成し、前記演 算増幅用ＩＣ３の逆相入力端子と回路グランド間に接続する。前記演算増幅用Ｉ Ｃ３の出力端子と逆相入力端子とは、帰還抵抗Ｒｆによって接続される。演算増 幅用ＩＣ３と帰還抵抗Ｒｆと合成抵抗回路網４とで構成された回路を非反転増幅 器５とし、その出力を出力電圧Ｖｏとする。

【００１５】 一方、図４は前記のように構成された正特性サーミスタ流速変換器１の抵抗Ｒ _１ の端子電圧Ｖ_１の電圧変化、つまり、正特性サーミスタ２の雰囲気温度の違い による風速−端子電圧の関係をグラフに示したものである。動作条件を、電源Ｅ がＤＣ１２Ｖ、抵抗Ｒ_１が５Ω，２Ｗとして、正特性サーミスタ２を風洞に設置 し、雰囲気温度０℃，１５℃及び３０℃をパラメータとして、０〜２５ｍ／ｓの 間５ｍ／ｓごとの風速に対する抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ_１を測定すると、図４に示 すように温度依存性の大きな出力特性を示した。このことから、温度補正回路等 を介さない場合の正特性サーミスタ流速変換器においても同じような特性が現れ ることがいえる。

【００１６】 ここで、図４に於いて風速２０ｍ／ｓに於ける各温度の抵抗Ｒ_１の端子電圧Ｖ _１ を見ると、Ｖ₁ （０℃）＝２．０Ｖ，Ｖ_１（１５℃）＝１．７Ｖ，Ｖ_１（３０ ℃）＝１．４Ｖであるが、０℃に於ける非反転増幅器５のゲイン［１＋Ｒｆ／Ｒ ｓ（０℃）］を２倍とし、これに対して、１５℃の場合はＶ_１（０℃）／Ｖ_１（ １５℃）倍して得られるＲｓ（１５℃）、３０℃の場合はＶ_１（０℃）／Ｖ_１（ ３０℃）倍して得られるＲｓ（３０℃）が求められれば、非反転増幅器５の出力 電圧Ｖ_Ｏは、０〜３０℃間の温度変動に対して０℃の出力特性に正規化可能とな る。

【００１７】 本実施例では電源電圧や負特性サーミスタの特性を勘案して、帰還抵抗Ｒｆを Ｒｆ＝１５ＫΩとすると、入力抵抗ＲｓはＲｓ（０℃）＝１５ＫΩ，Ｒｓ（１５ ℃）＝１１．１ＫΩ，Ｒｓ（３０℃）＝８．１ＫΩの値が要求されることになる 。これら入力抵抗Ｒｓの値を前記合成抵抗回路網で実現するために簡単な計算を 行うと、抵抗Ｐ₁ ＝３０３．４１２ＫΩ，抵抗Ｐ₂ ＝３０．２５５ＫΩ，抵抗Ｓ ＝２．４４９ＫΩの値が得られる。尚、サーミスタは、Ｒ（０℃）＝３０ＫΩ， Ｂ定数＝３４５０Ｋのガラス封止ダイオード型サーミスタを使用した。また、演 算増幅用ＩＣ３はμＰＣ３２４Ｃ（ＮＥＣ製）を使用した。

【００１８】 以上のようにして温度補正回路を含む正特性サーミスタ流速変換器１を構成し 、前記同様、正特性サーミスタ２を再び風洞に設置し、雰囲気温度０℃，１５℃ 及び３０℃をパラメータとして風速に対する非反転増幅器５の出力電圧Ｖｏを測 定すると、図３に示す如く、温度依存性が極めて少なく測定誤差の少ない正特性 サーミスタ流速変換器を実現できることが明らかになった。

【００１９】 尚、本考案は前記実施例に限定されるものではない。例えば、正特性サーミス タとしては従来例に述べたものでもよいし、あるいはアルミ放熱フィンのついた ものでも同様である。また、正特性サーミスタ流速変換器を駆動する電源は交流 でもよいし、その場合の電流検出は直列抵抗ではなくカレントトランスでもよく 、整流回路を付加すれば容易に同様な変換が可能となる。更に演算増幅用ＩＣの 後段にバイアス回路を設け出力電圧を０Ｖから出すことも可能である。加うるに 前記実施例では流体として空気を用いたが、液体中でも同様な特性が得られるこ とは明らかである。

【００２０】

【考案の効果】

以上詳述したように本考案によれば、簡単な温度補正回路を設けることにより 、正特性サーミスタの持つ雰囲気温度依存性を著しく低減し、極めて精度の高い 正特性サーミスタ流速変換器を実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示す図で、正特性サーミス
タ流速変換器の回路構成図である。

【図２】本考案の一実施例を示す図で、（ａ）は正特性
サーミスタの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図で
ある。

【図３】本考案の一実施例による正特性サーミスタ流速
変換器の、雰囲気温度の違いによる風速−出力電圧特性
を表すグラフである。

【図４】本考案の一実施例に使用した正特性サーミスタ
の、雰囲気温度の違いによる風速−端子電圧特性を表す
グラフである。

【図５】正特性サーミスタの、雰囲気温度の違いによる
風速−出力電流特性を表すグラフである。

【符号の説明】

１ 正特性サーミスタ流速変換器 ２ 正特性サーミスタ ３ 演算増幅用ＩＣ ４ 合成抵抗回路網 ５ 非反転増幅器

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源に接続され、定温度に加熱された正
   特性サーミスタからなる流速変換器の検知回路部に於い
   て、前記回路部から得られる流速に応じた回路電流の変
   化、あるいは回路電流に比例した電圧の変化が、演算増
   幅用ＩＣの正相入力端子に入力され、且つ、前記演算増
   幅用ＩＣの逆相入力端子と回路グランド間に接続された
   入力抵抗が、負特性サーミスタを含む合成抵抗回路網か
   ら構成されていることを特徴とする正特性サーミスタ流
   速変換器。