JPH07119637B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、特許請求の範囲第１項の上位概念に記載の流
れる媒体の流量測定装置から出発している。

従来の技術 米国特許第4399697号明細書から既に、支持板上に膜と
して形成されている２つの抵抗を有し、そのうち第１膜
が加熱抵抗として用いられかつ支持板上に直接固定され
ており、一方第２の膜が温度に依存する測定抵抗として
形成されておりかつ電気的に絶縁性の層を中間介挿して
第１膜上に被着されている、装置が公知である。加熱抵
抗及び測定抵抗を分離する絶縁層は、加熱抵抗から測定
抵抗への申し分のない熱伝導が可能である程度に薄い。
流量が変化すると測定抵抗及び支持板の表面への熱伝導
が変化しかつ、測定抵抗は温度に依存するので、測定抵
抗の電気抵抗の変化を来す。これにより測定回路は不平
衡になり、それは加熱抵抗における加熱電流の変化によ
り補償される。流れる媒体の流量に対する尺度として加
熱抵抗に供給される電力が用いられる。別の支持板に設
けられている付加的な温度に依存する抵抗が、媒体の温
度の補償のために用いられる。

発明が解決しようとする問題点 この公知の装置において不都合なのは、測定すべき媒体
に対流的に放出される熱の流れが検出されるのみなら
ず、熱伝導により支持板から支持板の保持体に移動する
熱の流れも検出されることである。支持は抵抗に比べて
大きな熱容量を有することが可能なので、この種の所望
しない熱伝導により測定装置の必要な作動温度に達する
までの投入接続過程が遅延されると同時に、流れる媒体
の流量の変化に対する応答が緩慢になる。定常的に温度
分布に相応する温度分布の整合乃至再形成は所定の時間
が経過してやっと行われる。この原因となるのは、支持
板の加熱される領域と加熱されない領域との間の移行箇
所での温度勾配が大きいことである。大きな温度勾配を
有するこのような箇所では側方からの熱放出が特に顕著
である。その理由は、熱は周知のように温度勾配が低く
なっていく方向において流れるからである。温度補償の
時間の間、加熱抵抗に供給される電気エネルギは、流れ
る媒体の流量に対する尺度としては誤ってしか評価され
ない。従ってこの公知の装置を内燃機関における吸気量
を検出するために使用した場合、燃料空気混合気の整合
の際に時々不精確を来すことになる。

この公知の装置はその他に、非常に汚れ易いという欠点
を有する。というのは装置を内燃機関の吸気管に使用し
た場合、吸気管大気から成る汚れ粒子が測定抵抗の前縁
に沈着しかつ作動が長期にわたると測定結果に不都合な
作用を及ぼすからである。

更に、加熱電力が加熱可能な測定抵抗の全面積にわたっ
て一定でなく、媒体の流れの方向に減少していく、流れ
る媒体の流量測定装置が既に公知である（西独国特許第
3127081号明細書）。このことは、流れの方向を横切っ
て延在する抵抗路の幅を流れの方向において大きくして
いくことによって実現される。これにより、測定抵抗の
温度を流れが通過する流さにわたって一定に保持するこ
とが可能になる。

本発明の課題は、流れる媒体の流量測定装置を、投入接
続時間が短く、流量の変化に対する応答時間が短く、し
かも使用が比較的長期になっても高い測定精度を有する
ように改良することである。

問題点を解決する手段および発明の効果 特許請求の範囲第１項の特徴部分に記載の構成を有する
本発明の装置は、投入接続時間が短く、しかも流れる媒
体の流量を変化に対する応答時間が短いという利点を有
する。それは、加熱抵抗の加熱電力の分配および加熱抵
抗の、測定抵抗に対する相対位置が、支持板への熱放出
および支持板から支持板の固定部への熱放出が測定結果
に何の影響も及ぼさないように、選定されているからで
ある。この利点は、加熱抵抗を測定抵抗より支持板の固
定部への方向において大幅に延在するようにしかつ加熱
抵抗の局所的な抵抗値を固定部の方向において減少する
ようにしたことで、実現される。測定抵抗の定常的な温
度分布は、加熱抵抗によって支持板、従って測定抵抗に
て発生される温度分布がさして滞ることもなく、比較的
大きな不連続箇所も有しないという理由から、迅速に再
形成できる。支持板における温度勾配のむしろ“緩かや
な”経過によって、支持板の平面内における熱放出は僅
かに留どまる。本発明の装置は更に、公知の装置に比べ
て僅かな加熱電流で十分であるという利点も有する。

実施態様項に記載の構成により、特許請求の範囲第１項
に記載の、本発明の流れる媒体の流量測定装置の有利な
実施例および改良例が可能である。殊に、抵抗からまた
抵抗への障害となる熱の流れを妨げるために、支持板内
に少なくとも１つの熱絶縁性のスリットを設けると有利
である。

更に、加熱抵抗および測定抵抗を支持板の流れの上流側
の縁から多少離れた所に配設して、加熱抵抗および測定
抵抗の領域における汚れ易さを僅かに抑えれば有利であ
る。

装置の別の抵抗は有利には、同じ支持板上に収容されて
いる。これらの抵抗における汚れの作用は測定抵抗の場
合のようには重要でないので、これら抵抗は測定抵抗よ
り流れの上流側に配置することができる。

実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。

第１図において参照番号１により媒体が貫流する管が示
されており、その際媒体の流れの方向は矢印２によって
表されている。管１は例えば内燃機関の吸気管であって
よい。流れる媒体中に、管内の流量を検出するために用
いられる抵抗R_Hが置かれている。この抵抗R_Hは厚膜抵抗
または薄膜抵抗として第１図には図示されていないサブ
ストレート上に形成されておりかつ例えばブリッジ回路
として構成されている抵抗検出装置３の構成部分であ
る。この抵抗検出装置３は抵抗R_K,R₂およびR₃が補充さ
れて完成しておりかつ抵抗測定ブリッジとして接続され
ている。回路点５から出発してそれぞれのブリッジアー
ムにおいて抵抗R₂およびR_KないしR₃およびR_Hが直列接続
されている。抵抗R_KおよびR_Hの接続線は回路点６にまと
められている。調整増幅器７に、抵抗R_KおよびR₂の接続
点としての回路点９と抵抗R_HおよびR₃の接続点としての
回路点との信号が供給される。

調整増幅器７は、例えば差動増幅器として構成されてい
るが、本発明はこの形式の差動増幅器には限定されず、
一般にいずれのアナログまたはデジタル調整機能のもの
も使用可能である。

調整増幅器７の出力量は、他方の接続線が回路点６に接
続されている抵抗R_Sに供給されるので、全体として閉じ
たグループが生じる。

抵抗検出装置３はブリッジ回路のみならず、他の抵抗測
定回路によっても実現可能である点を強調しておきた
い。従って本発明の実現のために必ずしもブリッジ回路
が必要でなく、ブリッジに類似した測定回路も考えられ
る。

この装置の原理的な動作は次の通りである：調整増幅器
７の出力電流によって以下加熱抵抗と称される抵抗R_Sの
加熱が行われ、その際この抵抗における加熱電力は実質
的にブリッジ対角点電圧によって調整増幅器７において
決まってくる。加熱抵抗R_Sは、それが測定抵抗R_Hと出来
るだけ直接熱接触するように実現されている。R_Sおよび
R_Hとの間の熱接触により測定抵抗R_Hは媒体温度より上方
の過温度にされる。そこで管１を貫流する流量が変化す
ると、対流的な熱伝導の変化に基いて測定抵抗R_Hの温度
が変化しかつ、測定抵抗R_Hは零とは異なった温度係数を
有するので、抵抗検出装置３は不平衡になり、これに基
いて調整増幅器が加熱抵抗R_Sに導かれる出力電流を変化
する。従って閉じたループを介して、流れ出るまたは流
れ込む熱量による測定抵抗R_Hの変化は常時、加熱抵抗R_S
の加熱電力の変化によって補償され、その結果測定抵抗
R_Hは所定の抵抗値に保持される。加熱電流、加熱電力な
いし調整増幅器７の出力電圧U_Aは流れる媒体の流量に対
する尺度となる。

しかし加熱電流、加熱電力ないし調整増幅器７の出力電
圧U_Aは付加的、に流れる媒体の温度にも依存するので、
流れる媒体の温度変動が補償されなければならない。こ
のために以下補償抵抗と称する抵抗R_Kが用いられる。こ
の抵抗は加熱抵抗R_Sおよび測定抵抗R_Hと同様に膜状に形
成されておりかつ同様に流れる媒体にさらされている。
補償抵抗R_Kの調節−例えばミアンダ形にカットすること
により−は、補償抵抗R_Kおよび測定抵抗R_Hの温度係数が
信号量を検出する評価方法に応じて前以て決められた関
係にあるように、行われる。

抵抗検出装置３は、回路点５と回路点９との間にある第
１基準抵抗R₂と、回路点５と回路点10との間にある第２
の基準抵抗R₃とによって完成される。基準抵抗R₂および
R₃を流れる媒体にさらす必要はないが、R₂およびR₃は相
互に出来るだけ緊密な熱接触されているようにすべきで
あり、そうすれば抵抗R₂およびR₃の温度係数の許容偏差
を厳しくしないでもすむ。

第２図は、加熱抵抗R_S、測定抵抗R_Hおよび補償抵抗R_K有
する本発明の実施例を示す。これら抵抗すべては、薄膜
として支持板として用いられる、プレート状のサブスト
レート20上に設けられている。サブストレートは例えば
矩形でありかつその狭幅側の固定部21の領域において測
定すべき媒体の貫流する管１に固定されている。矢印23
によって示されている流れの方向を横断する方向に、サ
ブストレート20の固定部21とは反対側に始まって、固定
部21の近傍まで達しているスリット25が形成されてい
る。このスリット25によって第１舌片部32と第２舌片部
33とが分割される。その際第１舌片部32は一方において
サブストレート20の流れに抗する上流側の縁35によって
制限され、他方においてスリット25によって制限されて
いる。サブストレート20の第２舌片部33は一方において
スリット25によって制限されておりかつ他方においてサ
ブストレート20の流れの下流側の縁36によって制限され
ている。

抵抗R_S,R_HおよびR_Kはそれぞれ舌片部32,33の固定部21と
は反対側の部分を覆っておりかつ有利には、補償抵抗R_K
が第１舌片部32に設けられておりかつ測定抵抗R_Hが第２
舌片部33に設けられているように、配設されている。加
熱抵抗R_Sはこの実施例では第２図に図示するようにサブ
ストレート20の測定抵抗R_Hとは反対側にあって、測定抵
抗R_H同様に第２舌片部33の固定部21とは反対側の縁まで
達している。従って測定抵抗R_Hはサブストレート20の舌
片部33の一方の面に設けられており、加熱抵抗R_Sは同じ
舌片部33の他方の面に設けられており、R_HおよびR_Sは熱
伝導の良好なサブストレート20を中間介挿して互いに熱
接触している。

スリット25の長さは、それが抵抗R_S,R_HおよびR_Kのいず
れよりも固定部21の方向により達しているように選定さ
れており、これにより舌片部32,33、従って個々の抵抗
の非常に良好な熱絶縁が実現される。

この装置の製造は、補償抵抗R_Kおよび測定抵抗R_Hを形成
する抵抗膜を同じ材料から形成しかつ同じ製造ステップ
において製造すれば、著しく簡単化することができる。
抵抗膜は、必要な個別抵抗の製造のためにミアンダ形構
造部を備えることができる。それは例えば、図面からは
わからないが、レーザ切断加工によって行うことができ
る。

測定抵抗R_Hの領域から固定部21の方向への熱の流れを妨
げるために、加熱抵抗R_Sは測定抵抗R_Hよりも固定部21の
方向により近くまで延在している。測定抵抗R_Hのこの幾
何学的形状によって、加熱抵抗R_Sの広がりによって決ま
ってくる、サブストレート20の加熱される領域が測定抵
抗R_Hより固定部21の方向に一層突出することが実現さ
れ、これにより測定抵抗R_Hの領域から固定部21の方向へ
の障害となる熱放出が妨げられ、従って測定抵抗R_Hの、
流量変化に対する応答速度が高められる。その理由は、
流量変化の際その都度測定抵抗R_Hに新たな温度分布が生
じないからである。

本発明によれば加熱抵抗R_Sの局所的な電気抵抗は、単位
面積当たりの抵抗値（即ち比抵抗）がサブストレート20
の、固定部21とは反対側の端部において最高でありかつ
固定部21の方向に減少していくように、設定されてい
る。局所的な抵抗のこの形式の調整は例えば、加熱抵抗
R_Sの抵抗膜のミアンダ形、即ち例えばレーザによる抵抗
材料の除去によって行うことができるが、種々異なった
別の手段を効果的に使用することもできる。即ち例え
ば、固定部21の方向に種々の長さまで達するか、または
サブストレート20において種々異なった位置をとる複数
の抵抗膜の適当な層形成によって所望の断面形状の抵抗
を実現するかまたは種々異なった比抵抗を有する抵抗膜
を順次サブストレート20上に配置させることが可能であ
る。

第３図は、第２図の断面図として加熱抵抗R_Sの目的に適
ったミアンダ化を示している。その際加熱抵抗R_Sは抵抗
路45によって形成される複数の加熱領域41,42,43,44に
分割されており、その際それぞれの加熱領域41,42,43,4
4の抵抗路の幅、従ってそれらの断面積は固定部21の方
向において増加し、それ故に単位面積当たりの抵抗値が
減少する。従ってサブストレート20および測定抵抗R_H内
の加熱抵抗R_Sによって発生される温度プロフィルは固定
部21の方向において徐々に減少していく。加熱抵抗R
_Sを、抵抗路45が流れの方向に延在するか、または第３
図に図示のように、流れの方向を横断するようにまたは
任意の別の形で延在するように、レイアウトすることが
できる。

計算および実験から、加熱抵抗R_Sの提案された断面形状
によって投入接続時間を短縮できると同時に装置の、流
れる媒体の流量の変化に対する応答速度を加速すること
ができることが、認められ、その際付加的な利点として
更に加熱抵抗R_Sの電流消費が減少することが挙げられ
る。

加熱抵抗R_Sへの電流供給はサブストレート20上に固定さ
れた電流路46において行うことができる。このことは、
抵抗R_HおよびR_Kへの電流供給に対しても同じことが当て
はまる。

本発明の基礎としている思想は勿論既述の実施例に限定
されない。加熱抵抗R_S内に所望の断面形状の抵抗を実現
するために、既述の種々異なった方法の他に、測定抵抗
R_Hを、加熱抵抗R_Sに対して相対的に別の形で取り付ける
こともできる。例えば、測定抵抗R_Hを電気的な絶縁層を
中間介挿して加熱抵抗R_Sによって支えるようにすること
ができる。この変形例の特別な利点は、電気的な絶縁層
を、その材料厚さが装置の安定性に大きく響き、従って
ある程度の制約を蒙ることになるサブストレート20より
僅かな厚さで製造できる点にある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流量測定装置が使用される装置全体の
概略を示す回路略図であり、第２図は本発明の流れる媒
体の流量測定装置の１実施例を示す図であり、第３図は
第２図の断面図として別の実施例を示す図である。 ３……抵抗検出装置、20……サブストレート、21……固
定部、25……スリット、45……抵抗路、R_S……加熱抵
抗、R_H……測定抵抗、R_K……補償抵抗

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定すべき流れの中に固定部を用いて保持
   されているサブストレートを備え、該サブストレート上
   に層状の、温度に依存した測定抵抗および抵抗値検出装
   置を介して流れる媒体の流量に依存して調整可能である
   加熱抵抗が存在し、該加熱抵抗も層状でありかつ電気的
   な絶縁層を中間介挿して上記測定抵抗とは分離されてい
   る、流れる媒体の流量測定装置において 上記加熱抵抗（R_S）は上記測定抵抗（R_H）より上記固定
   部（21）の方向により長く延在しておりかつ上記加熱抵
   抗（R_S）の単位面積当たりの抵抗値が上記固定部（21）
   の方向において徐々に減少していくようにしたことを特
   徴とする流量測定装置。
2. 【請求項２】加熱抵抗（R_S）は、固定部（21）の方向に
   おいて徐々に増大していく断面積を有する個別抵抗路
   （45）に分割されている特許請求の範囲第１項に記載の
   流量測定装置．
3. 【請求項３】抵抗路（45）は媒体の流れの方向において
   延在する特許請求の範囲第２項に記載の流量測定装置。
4. 【請求項４】抵抗路（45）は媒体の流れの方向を横断す
   る方向において延在する特許請求の範囲第２項に記載の
   流量測定装置。
5. 【請求項５】加熱抵抗（R_S）は少なくとも２つの抵抗膜
   から組み合わされて成る特許請求の範囲第１項に記載の
   流量測定装置。
6. 【請求項６】１つの平面内に少なくとも２つの抵抗膜が
   順次並んで配設されている特許請求の範囲第５項に記載
   の流量測定装置。
7. 【請求項７】上下方向にある平面において少なくとも２
   つの抵抗膜が層を成して配設されている特許請求の範囲
   第５項に記載の流量測定装置。
8. 【請求項８】加熱抵抗（R_S）および測定抵抗（R_H）は、
   流れの方向を横断して固定部（21）の方向に向ってサブ
   ストレート（20）中に設けられたスリット（25）よりも
   流れの下流側に存在する特許請求の範囲第１項から第７
   項までのいずれか１項に記載の流量測定装置。
9. 【請求項９】スリット（25）は加熱抵抗（R_S）よりも固
   定部（21）の方向により長く延在している特許請求の範
   囲第８項に記載の流量測定装置。
10. 【請求項１０】スリット（25）より流れの上流側に、サ
    ブストレート（10）上に別の抵抗（R_K）を設けた特許請
    求の範囲第９項に記載の流量測定装置。