JPH11326003A - 媒体流量計 - Google Patents

媒体流量計

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JPH11326003A
JPH11326003A JP11069946A JP6994699A JPH11326003A JP H11326003 A JPH11326003 A JP H11326003A JP 11069946 A JP11069946 A JP 11069946A JP 6994699 A JP6994699 A JP 6994699A JP H11326003 A JPH11326003 A JP H11326003A
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temperature
medium
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flow rate
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JP11069946A
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English (en)
Inventor
Theodorus S J Lammerink
シモン ヨセフ ランメリンク テオドラス
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Berkin BV
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Berkin BV
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring 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
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G01F1/699—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters by control of a separate heating or cooling element

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】熱効果を利用する気体および（または）流体流
量測定法を提供する。 【解決手段】制御装置は、電力Ｐ１およびＰ２を発生
し、放散器により、熱流ＰｇｅｎｌおよびＰｇｅｎ２に
変換される。物体は、それぞれ熱容量を有しており、そ
れにより、両方の合計熱流は、物理的な物体の温度Ｔ１
およびＴ２に積分される。両方の物体の温度は、温度セ
ンサー１および温度センサー２を用いて測定され、これ
らは、物理的な温度を電気信号に変換され、電気信号Ｔ
１２がつくり出され、校正オフセット回路により、電気
信号ΔＴが形成される。物体２は、物体１により既に予
熱されている媒体の流れに出会う。２つの熱流の非対称
性は、流量の目安である。制御装置は、制御電力Ｐ１お
よびＰ２とは別に、「情報信号」Ｉｏｕｔを出力に供給
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】緒言 本発明は、熱効果を利用する気体および（または）流体
流量測定法に関するものである。これら方法では、対流
が主役を演じ、動く媒体が、その熱容量により、熱（エ
ネルギー）を取り込む。
【０００２】前記特性を利用した既知のセンサーは、風
速計である。このような測定装置の実施例は、一般に、
１個またはそれ以上の物体から成り、これら物体は、特
定の放散エネルギーにより加熱され、前記物体の結果と
して生ずる温度は、流量により影響される。すなわち、
前記の結果として生ずる温度は、流量の目安である。前
記実施例および方法は、「Constant Power Anemometry
（定電力測風学）」あるいは略して CPA 法と呼ばれて
いる。また、前記物体は、参照温度に対して一定の温度
差に保つことができ、そのために必要な放散エネルギー
が測定可能である。前記実施例および方法は、「Consta
nt Temperature Anemometry（定温測風学）」あるいは
略して CTA 法と呼ばれている。
【０００３】なお、熱効果を基にした測定装置は、（力
学的あるいは流体工学的に）下記の３種類に大別でき
る。 （１） US patent No. 4651564 [R1, 1987] および [R
2, 1993] で開示されているような、物体が媒体により
完全に囲まれている装置、（２） [R3, 1995] で詳述
されているような、物体が媒体と全側面においては接触
していない装置、および（３） US patent No. 503670
1 [R4, 1990] で開示されているような、物体が、
（１）とは反対に、媒体を囲んでいる（媒体が管状装置
すなわち物体を通って流れる）装置。既知の「ホットワ
イヤ測風学」測定装置は、タイプ（１）に分類される。
[R5, 1995]前記タイプの一例はまた、[R1, 1993] で開
示されている方法および装置であり、この方法および装
置においては、物体で放散されるエネルギーは、一定に
保たれ（CPA）、したがって、前記物体の周りの温度
（分布）が考慮される。
【０００４】物体の熱平衡 本発明は、環境と熱的相互作用を行う物体の温度の制御
に関するものである。本発明の説明を裏付けるため、先
ず、物体のいわゆる熱平衡について論ずる。
【０００５】環境と熱的相互作用を行う物体（その上
に、例えば、温度センサーおよび＜または＞加熱要素を
有する物体）の挙動は、前記物体の熱平衡を考えること
により研究可能である。
【０００６】熱平衡とは、物体に蓄えられている熱 Q
（エネルギー次元）の増加量は、それに伝達された熱
（Pin）または物体内で発生した熱（Pgen）から放散熱
（Pout）と物体内に吸収された熱（Pabs）を引いたもの
に等しいという状況（次の式で表される）を指す。 ここで、説明を明瞭にするため、内部熱吸収（例えば、
内部化学反応または相転移によるものなど）は、ゼロに
等しい（Pabs = 0）と仮定する。
【０００７】物体の熱容量（Cobj）は、蓄積熱（エネル
ギー）と前記物体の温度（Tobj）の関係を次のように決
定する。 したがって、物体の熱平衡は、次のようになる。 前記後半の公式または Tobj の微分式は、次のように積
分の形で書くことができる。 物体は、Tobj ＝定数（時間に左右されない）ならば、
環境と平衡状態にある。したがって、前記物体には、次
の式が当てはまる。 したがって、物体の温度（Tobj）が一定の場合は、内部
発生エネルギー Pgen と入出エネルギー Pinout との間
に平衡が存在することは明らかである。
【０００８】物体の温度 流れる媒体を有する環境と熱的相互作用を行う物体の温
度は、平衡状態では、次の式で表すことができる。 ここで、Tobj は物体の温度、Tm は媒体および環境の温
度、Pgen は物体内で発生する熱、Aは物体から環境への
熱伝導を表す定数、B は物体の温度に対する媒体の対流
の影響を表す定数、v は媒体の流量である。
【０００９】以上により、次の４点が明らかとなる。
【００１０】１． Pgen、A、B および v が一定の場合
は、物体の（絶対）温度は、媒体の温度に正比例する。
【００１１】２． A、B および v が一定の場合は、温
度差Tobj - Tmは、次式により、内部発生熱 Pgenに比例
する。
【００１２】 ３． この比例定数は、物体の「流量感度」と呼ばれて
いる。
【００１３】 ４． 流量の大きさのみが温度に影響し、符号（正また
は負の方向）は影響しない。
【００１４】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】・ 流
量計、タイプ：X 図１は、このタイプの媒体流量測定装置の基本的な概念
を示すものである。
【００１５】このタイプは、環境と平衡状態にある物体
で構成されている。このタイプでは、CPA 法（図３）お
よびCTA 法（図５）の両方が使用される。
【００１６】CPA 方式では、媒体の温度は、物体の温度
に直接影響することになる。
【００１７】CTA 方式では、媒体の温度は、Pgen に直
接影響して、物体の絶対温度を一定に保つことになる。
【００１８】どちらの方式でも、測定装置の出力信号か
ら流れの方向（正または負）を抽出することはできな
い。
【００１９】これらは、このタイプの流量測定装置の周
知の欠点である。
【００２０】・ 流量計、タイプ：XX 図６は、このタイプの媒体流量測定装置の基本的な概念
を示すものである。このタイプでは、媒体の温度は、追
加のセンサーを用いて測定される。
【００２１】このタイプにおいても、CPA 法（図３）お
よびCTA 法（図５）の両方が使用される。
【００２２】タイプ XX では、媒体の温度が既知である
ため、タイプ X の流量計の主要な欠点は克服されてい
る。
【００２３】しかしそれでも、測定装置の出力信号から
流れの方向（正または負）を抽出することはできない。
【００２４】これは、このタイプの流量測定装置の周知
の欠点である。
【００２５】・ 流量計、タイプ：XXX 図７は、このタイプの媒体流量測定装置の基本的な概念
を示すものである。このタイプでは、２個の物体が使用
される。
【００２６】２個の物体は、タイプ X について前記略
述したように使用される。タイプ XXX は、CPA 法での
使用が周知である。このタイプでは、流れの方向を測定
することが可能である。このタイプの周知の例は、「マ
イクロフロウン」である [R6,1995; R7, 1997]。出力信
号は、２つの物体の温度差の関数である。周知の欠点
は、このタイプの測定装置では、零点が媒体の温度によ
り大きく左右されることである。もう一つの周知の欠点
は、流量値が高くなると、２つの物体の温度差が再び減
少することである。
【００２７】このタイプでも CTA 法が使用され、物体
O1（７−２）は、他の物体 O2（７−３）に対して、一
定の温度差（＝０ではない）に保たれる。この場合は、
測定装置が一方向の流れに対してしか動作しないことが
欠点である。
【００２８】・ 流量計、タイプ：IV このタイプは、媒体中３個の物体を有する流量測定装置
（図９参照）が周知である。このタイプの例としては、
Lammerink 装置がある [R3, 1993]。この場合は、CPA
法が使用される。図１０は、位置の関数としての温度を
示す。また、図１１は、２つの物体 O2（９−４）およ
び O3（９−３）の温度差を概略的に示す。出力信号
は、２つの物体の温度差の関数である。周知の欠点は、
このタイプの測定装置では、零点が媒体の温度により大
きく左右されることである。もう一つの周知の欠点は、
流量値が高くなると、２つの物体の温度差が再び減少す
ることである（図１１参照）。
【００２９】O1（９−２）は、CTA 方式での使用が周知
である。したがって、位置の関数としての温度分布は、
図４に示したそれに酷似している。図１２は、流量の関
数としての３つの物体の温度を示す。また、図１３は、
物体 O2（９−４）および O3（９−３）の温度差を示
す。周知の欠点は、このタイプの測定装置では、零点が
媒体の温度により大きく左右されることである。
【００３０】US patent No. 4651564 [R2, 1987] に記
述されている測定装置も周知である。この装置では、媒
体中に２つの物体が使用される。また、１個の加熱要素
が使用され、２個の物体に分配されている。なお、両方
の物体は、温度センサー用に温度依存抵抗器を有してい
る。欠点は、両方の物体の放散エネルギーを互いに他に
無関係に調整できないことである。
【００３１】Van Putten により記述された測定装置も
周知である [R8, R9]。この装置では、いくつかの抵抗
要素を有する構造一つで、２つの垂直方向の流れが測定
できる。
【００３２】この装置の欠点は、加熱要素の放散エネル
ギーを互いに他に無関係に調整できないことである。
【００３３】Hijsing によって記述された物体の温度を
一定に保つ方法 [R10] も周知である（CTA方式）。前記
方法は、両方の物体の温度を調整するための方法とし
て、本発明に適用可能であり、したがって、制御装置の
一例である。前記方法の欠点は、前記方法がディジタル
・クロック信号に結合されており、いわゆる「同期」デ
ィジタル回路であることである。
【００３４】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】図１４
は、本発明のブロック図を示す。また、図１５は、管状
構造物内に２個の物体を使用する構造の実施例を示す。
【００３５】本発明は、２個の物体を使用し、これら
は、何らかの仕方で流れに影響されるそれらの環境と熱
的な相互作用を行う。
【００３６】物体は、少なくとも１個のアクチュエータ
または放散器を使用する熱源を有し、また、物体は、物
体の温度を測定するための温度センサーを少なくとも１
個有している。
【００３７】また、本発明には、アナログまたはディジ
タル制御装置（直線または非直線）が含まれており、物
体の放散器で熱を発生することにより、物体の温度を調
整して、両方の物体の温度差がゼロになるようにしてい
る。
【００３８】以下の応用例では、放散器は、電力を熱に
変換する熱源を指す。これは、機能名であり、また、機
能コンセプトである。この機能は、「電気抵抗器」で果
たせるばかりでなく、「能動素子」例えば、トランジス
タ、バイポーラ素子、NPN、PNP、MOST、FET、IGBT な
ど、あるいはダイオード、または、例えば、ペルチエ素
子（負の熱流、すなわち冷却が可能な特性を有する）に
よっても果たすことができる。
【００３９】物体は、物体の温度を測定するのに使用さ
れる温度センサーを有している。温度測定も、機能とし
て提示されている。「センサー」の語は、機能名であ
る。温度センサーは、必ずしも（温度依存）抵抗器であ
る必要はなく、前記機能を有する素子なら何でもよい
（既知の（なかんずく半導体）素子としては、例えば、
抵抗器、トランジスタ、バイポーラ素子、MOST、 CMOS
T、IGBT、また、ダイオードや抵抗器など、他の多数／
小数電荷キャリア素子がある）。熱電対も、温度センサ
ーとして使用可能である。
【００４０】以下、図１４を参照して、本発明を詳述し
よう。制御装置は、電力 P1 およびP2 を発生する。前
記電力は、放散器により、熱流 Pgen1 および Pgen2 に
変換される。物体は、それぞれ熱容量を有しており、そ
れにより、両方の合計熱流（（Pgen1 + Pinout1）（P
gen2 + Pinout2））は、物理的な物体の温度 T1 および
T2 に積分される。物体は、熱流 Pinout1 および P
inout2により、環境および測定すべき媒体と熱的相互作
用を行う。
【００４１】両方の物体の温度は、温度センサー１およ
び温度センサー２を用いて測定され、これらは、物理的
な温度を電気信号に変換する。前記信号を互いに他から
引くことにより、電気信号 T12 がつくり出される。そ
して、この信号から、オプションの校正オフセット回路
により、電気信号ΔT が形成される。以下に、オフセッ
ト回路を詳述する。ここで、校正オフセット＝０と仮定
する。
【００４２】制御装置の動作の結果として、２つの物体
の温度は、互いに他に等しくなる。これは、図１６およ
び図１７に示すように、物体の近傍での、位置の関数と
しての温度分布となる。
【００４３】２つの物体の２つの温度 T1 および T2
は、等しいか（あるいは等しくなるように調整され
る）。ある特定の流量では、この目的に必要な熱流 P
gen1 およびPgen2 （式（Ｆ５）参照）は、２個の要素
で異なっている。流れが正の場合は、物体２は、物体１
により既に予熱されている媒体の流れに出会う。２つの
熱流の非対称性は、流量の目安である。制御装置は、制
御電力P1 および P2 とは別に、「情報信号」 Iout を
出力に供給する。図１８は、出力信号 Iout = P1/(P1 +
P2) を示す。また、図１９は、出力信号 Iout = (P1 -
P2)/(P1 + P2)を示す。
【００４４】上述した本発明の利点は、図１８（および
図１９）に概略を示した第一次近似での電気出力信号
が、両方の物体で共に放散される合計エネルギー Ptot
= P1 +P2 から独立していることである。
【００４５】先ず、CPA（Constant Power Anemometry
[定電力測風学]： Ptot = P1 + P2 =一定、ΔT = 0；温
度分布は図１７）に関連した出力信号は、 CTA（Consta
nt Temperature Anemometry [定温測風学]： T1, T2 =
一定、ΔT = 0；温度分布は図１７）に関連した出力信
号に等しい。
【００４６】第一次近似では、出力信号は、物体の温度
に左右されず、また、物体で放散される合計エネルギー
にも左右されないが、前記媒体の流量にのみ左右され
る。
【００４７】本発明のもう一つの利点は、CTA 方式で
は、温度センサーの感度が制御装置の出力信号（Iout）
に影響を及ぼさないことである。
【００４８】周知の問題は、電気温度差信号 T12 の系
統誤差である（図１４参照）。前記系統誤差は、２個の
熱電対または１個の熱電対列（図２６参照）を温度
（差）センサーとして使用することにより、防ぐことが
できる。熱電対または熱電対列は、その性質により、い
かなる系統的オフセット誤差も生じない。
【００４９】本発明では、この種の温度センサーを使用
しているため、系統誤差なしに、流量測定装置に「自然
な」零点が与えられている。
【００５０】・ 校正オプション 制御の基準は、２つの物体の物理的な温度差をゼロに調
整することである。校正手順で、制御装置を校正モード
にし、同時に、２つの電力 P1 および P2 をゼロに等し
く、すなわち、P1 = 0, P2 = 0 にすることにより、２
つの物体は冷却し、ある時間間隔の後、媒体および環境
の温度を取り、したがって自動的に（能動的な制御装置
なしに）互いに等しくなり、T1 = T2 となる。これは、
媒体が「流れている」状態でも起こる。
【００５１】冷却期間後、T1 = T2 となったら、電気信
号 T12 を測定し、電気信号ΔT = 0となるよう、「校正
オフセット」を行ってよい。校正段階が済んだら、温度
センサーの系統誤差の補正値として、前記「校正オフセ
ット」値を使用してよい。
【００５２】・ 自己分析 制御装置は、ΔT をゼロにリセットできる以上、この目
標が達成されなくてもかまわない。直接的に課せられた
目標が達成されたことあるいは達成されなかったことが
流量測定作業の基準となり、この情報がそのまま使用で
きる。
【００５３】出力信号は、図１８および図１９に示した
通り、媒体に関連した各種のパラメータ、例えば、媒体
の密度、媒体の比熱、および流量に部分的に左右され
る。
【００５４】
【発明の実施の形態】本発明には、電気回路および制御
装置、並びに流れる媒体に関わる物体の構造に関する各
種の実施例が含まれている。
【００５５】先ず、図２０〜図２６を参照して、本発明
の７つの電気的実施例を説明しよう。
【００５６】図２４は、本発明の一般的な実施例を示す
ものである。この図においては、２個の温度依存抵抗器
が物体として使用されている。物体は、流れる媒体に囲
まれている。制御装置は、電流 I1、I2 を加え、結果と
して生ずる電圧 V1、V2 を測定することにより、２つの
物体で放散され、発生するエネルギー（Pgen1 = I1・
V1）および（Pgen2 = I2・V2）を検知する。制御装置は
また、V1/ I1 = R1 および V2/ I2 = R2 を同時に測定
することにより、２つの物体の温度を検知する。
【００５７】制御装置では、校正手順が実行される場合
もあるが、その目的は、前記手順の間、制御装置を停止
し、電力 P1 および P2 をリセットし、系統誤差を検出
して、それを校正オフセット値により記録することであ
る。
【００５８】図には、２個のアナログ - ディジタル変
換器および２個のディジタル - アナログ変換器を有す
るディジタル制御装置（直線または非直線）が描いてあ
るが、本制御装置は、アナログ形態で設計してもよく、
その際には、前記４個の変換器は削除されることにな
る。
【００５９】図２０〜図２３は、本発明の実施例を示す
ものであり、これら実施例では、媒体の流れの中に在る
２つの物体の温度差が制御される。物体は、必ず２個の
抵抗要素から成り、これらは互いに他と密な熱的接触状
態にある。抵抗器 R1 および抵抗器 R2 は、それらの密
な熱的接続部と共に、物体 R1#R2 と見なされる物体を
構成し、抵抗器 R3 および抵抗器 R4 は、物体 R3#R4
と見なされる物体を構成している。
【００６０】図２０〜図２３に示した電気回路の実施例
の性質により、前記回路は、それら自体の特定のいわゆ
るフリーホイーリング周波数で自動的に発振し始める。
【００６１】温度依存抵抗器R2 および R3 は、物体 R1
#R2 および R3#R4 の温度センサーとして働き、ブリッ
ジ回路には必ず含まれる。抵抗器は、正の温度係数を有
する。
【００６２】抵抗器 R1 は、物体 R1#R2 の放散器を構
成し、抵抗器 R4 は、物体 R3#R4 の放散器を構成す
る。前記ブリッジ回路の出力信号は、比較器により査定
され、物体 R1#R2 の温度が物体 R3#R4 のそれより高い
か低いかが判定される。物体 R1#R2 の温度が物体R3#R4
のそれより高い場合は、比較器の出力は「低」とな
り、電子スイッチ Q2 の入力は、インバータにより、
「高」となり、電子スイッチ Q2 は、開くことになる。
これにより、抵抗器 R4 は、放散を開始し、ブリッジの
出力信号が反転されるまで継続することになる。その時
点では、物体 R3#R4 の温度は、物体 R1#R2 のそれより
高い。比較器は、次いで再び反転し、比較器の出力は、
「高」になる。結果として、スイッチ Q1 が開き、抵抗
器 R1 が放散を開始する。Q2 は閉じ、抵抗器 R4 は放
散を停止する。
【００６３】上述の回路は、物体 R1#R2 および R3#R4
の時定数により決まる周波数で発振を開始する。回路の
位置 Info outにおける信号は、図に概略的に示した波
形を持つことになる。抵抗器 R1 は、t1 の間放散し、
抵抗器 R4 は、t2 の間放散することになる。２つのス
イッチは同一であり、放散抵抗器には、同じ電源電圧が
掛かるため、放散される瞬時エネルギーは、抵抗器が放
散する時点では、両抵抗器とも等しくなる。したがっ
て、スイッチが「オン」である時間期間が、抵抗器で放
散される平均エネルギーの直接的な目安である。
【００６４】したがって、時間区間の比 t1/(t1 + t2)
の値は、電力の比 P1/(P1 + P2) の値に等しい（図１
８）。同様に、比 (t1 - t2)/(t1 + t2) の値は、電力
の比 (P 1 - P2)/(P1 + P2) の値に等しい（図１９）。
【００６５】図２１に示した実施例では、比較器は、放
散抵抗器 R1 および R4 を直接制御し、図２０における
Q1 および Q2 などの追加の電気スイッチの使用は回避
されている。
【００６６】図２２に概略を示した本発明の実施例は、
図２０に概略を示した本発明の実施例に酷似している。
この場合は、インバータ回路の使用は、電気スイッチ Q
1 をスイッチ Q2 の出力に直接結合することにより回避
されている。その他については、この実施例の電子回路
の機能的動作は、図２０に示したそれに等しい。
【００６７】図２３は、本発明の他の実施例を示すもの
である。この実施例には、（ディジタル）制御装置が含
まれている。制御装置は、「チェック」信号により、オ
ン／オフ／インバータ回路を制御する。
【００６８】この回路には、２個の温度センサー R2 お
よび R3 が含まれており、これらは、比較器の正の入力
に接続された（半）ブリッジ回路に在る。ブリッジ回路
の他の半分は、抵抗器 R5 および R6 により形成されて
いる。
【００６９】制御装置は、オン／オフ／インバータ回路
により、図２０に示した電気スイッチ Q1 および Q2 を
切換え可能であるが、両方のスイッチを同時にオフにす
ることもできる。
【００７０】両スイッチが「オフ」状態の時、制御装置
は、回路を校正状態に設定する。その瞬間において、装
置はもはや流量計として動作しなくなる。この状態にお
いては、物体のどちらもそれ以上放散せず、また、媒体
の温度を取ることもしない。ある時間遅延ののち、物体
は既に等しい温度を獲得しており、制御装置は、アナロ
グ - ディジタル変換器およびディジタル - アナログ変
換器回路を用いて、校正オフセット値を決定し、それを
制御装置のメモリにストアすることができる。
【００７１】校正段階では、比較器の出力は、アナログ
- ディジタル変換器により監視される。
【００７２】ディジタル - アナログ変換器は、比較器
の負の入力に（小さな）オフセット電流を注入する。制
御装置は、ディジタル - アナログ変換器を用いて、前
記オフセット電流を、比較器が丁度反転するように制御
する。本発明では、この比較器が丁度反転することに関
連したオフセット電流の値を、校正オフセット値と呼
ぶ。
【００７３】図２５は、本発明の一実施例を示すもので
ある。この場合は、２個の温度依存抵抗器が、物体とし
て使用されている。制御装置は、電流 I1、I2 を加え、
結果として生ずる電圧 V1、V2 を測定することにより、
２つの物体で放散され、発生するエネルギー（Pgen1 =
I1・V1）および（Pgen2 = I2・V2）を検知する。制御装
置はまた、V1/ I1 = R1 および V2/ I2 = R2 を同時に
測定することにより、両物体の温度を検知する。
【００７４】図には、２つのアナログ - ディジタル変
換器および２つのディジタル - アナログ変換器を有す
るディジタル（恐らく直線）制御装置が描かれている
が、この制御装置は、もちろん、アナログ的に設計し
て、変換器を除去してもよい。
【００７５】図２６は、本発明の別の実施例を示すもの
である。この場合は、２個の物体が、一方は抵抗器で、
また、他方は熱電対温度センサーで構成されている。
【００７６】図２５の場合と全く同様、この場合も、抵
抗器は、物体で熱を発生するための放散器として使われ
ているが、図２５の実施例と異なり、熱電対列が２個の
物体の温度差のセンサーとして使われている。
【００７７】２個の抵抗器で放散されるエネルギーは、
図２５の実施例の場合と同様なやり方で、制御され、校
正される。
【００７８】熱電対列は、T1 - T2: ΔT = 定数・(T1 -
T2) に正比例した差信号を直接発生する。
【００７９】図２５に示した実施例および図２６の実施
例の両方では、相互の温度差がゼロに調整できる２個の
物体が使用されている。
【００８０】次に、図２７は、本発明に従った２対の物
体が制御される媒体流量計の実施例を示すものである。
【００８１】流量測定装置のこの実施例では、物体 O1
および O2 の温度差がゼロに調整され、また、物体 O3
および O4 の温度差がゼロに調整される。
【００８２】物体の両一対は、CTA 法により調整される
（分布は図１７参照）。この場合は、両方の物体 O1 お
よび O2 の目標温度は、物体 O3 および O4 の目標温度
の値を上回る一定の値になる。
【００８３】物体 O3 および O4 の温度が一定の場合
は、一対の物体 O1、O2 からの非対称的な外部影響が防
止できよう。
【００８４】本発明の一実施例では、図２８に示したよ
うに、流量測定装置に n/2 対の物体が含まれる。物体
の全対の温度は、CTA 法により（なかんずく図１７参
照）、放散エネルギーを制御する全く同数の制御装置に
より、一定の温度に調整される。
【００８５】図２８（中）は、２つの異なる流れの位置
の関数としての、結果として生ずる温度分布を、概略的
に示すものである。図２８（下）は、必要な合計電力
（制御装置当たり常に P1+ P2）を示すものである。こ
の実施例には、リダンダンシーが組み込まれており、本
発明のn/2 個の組合わせから成る流量測定システムは、
万一n/2 個の物体対制御装置システムの一つが動作不能
となっても、動作し続けられるように設計されている。
【００８６】図２９は、物体が完全に（流れる）媒体を
囲むように、物体 O1 を作成する方法を示したものであ
る。また、管状構造物の方向に沿った物体 O1 の長さ l
は、O1 の位置における媒体の温度が、測定される物体
の温度 T1 に等しくなるように選んである。この状況で
は、管状構造物に対して垂直な方向の完全に開発された
温度分布が使用できる。
【００８７】図３０では、２個の物体が、管状構造物の
周りに取り付けられている。物体の長さは、完全に開発
された温度分布が生ずるように選んである（図２５およ
び図２６比較参照）。
【００８８】図３１（上）は、流れる媒体にある２個の
物体の横断面図である。図３１（下）は、２個の管状物
体を、媒体を囲む別の管状構造物に対して垂直な方向に
作成する方法を示すものである。
【００８９】図３２は、２個の物体がそれぞれ一種のプ
ローブ構造に構成されている実施例の横断面図である。
【００９０】図３３は、２個の物体が（薄い）仕切で媒
体から隔てられている実施例を示すものである。前記仕
切は、例えば、ステンレス鋼で作成可能である。
【００９１】図３３に示した２個の物体の前記実施例
は、図３５に示した管状構造物の側壁に設置可能であ
る。また、図３３に示した２個の物体の前記実施例は、
「プローブ」構造物の前側に、すなわち、図３４に示し
た管状構造物に設置可能である。
【００９２】図３７は、前記実施例の平面図である。外
側寸法は、1 mm × 2 mm である。ビームから成る２個
の物体があり、これらは、食刻された凹みの上に自由に
懸架されている。各物体またはビームは、２個の抵抗器
を支持している。図３７の平面図における物体の長さ
は、1 mm である。
【００９３】図３６は、２個の物体の前記実施例の横断
面図である。横断面図における２個の物体の寸法は、厚
さ 1 mm および流れ方向に長さ 40 μm である。
【００９４】図３８は、本発明の一実施例の横断面図で
ある。合成キャリア上にある２×２の４個の抵抗トラッ
クが物体を形成しており、この物体は、（図１４で）前
に説明したように制御可能である。
【００９５】図３９a および３９b は、酷似した構造物
を示し、これら構造物では、広い凹みの上に長いビーム
がある。各ビーム上には、１個またはそれ以上の抵抗器
がある。
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【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、流量測定装置の横断面図である。媒体
は、管状装置（１−１）を通って流れる。問題の物体 O
1（１−２）は、媒体に囲まれている。
【図２】図２は、物体の周りの局部（媒体）温度（Tm
＝環境媒体の温度に対する）を位置の関数として示した
グラフである。物体の位置は、X = 0 に取った。物体の
放散エネルギー（Pgen）は、一定である（CPA 法）。
【図３】図３は、媒体の温度 Tm に対する物体の温度
を、図１に示した構造の流量の関数として示したグラフ
である。図３は、CTA 方式における物体では、流れの方
向は測定できないことを示している。
【図４】 図４は、位置の関数としての物体の周りの局
部温度を、図６に概略を示した装置等の装置について示
したものである。放散エネルギー（Pgen）は、物体と媒
体温度の温度差が一定であるように制御される（CTA
法）。これを実現するには、媒体の温度を追加の温度セ
ンサーで測定することが必要である（図６の装置はこの
目的に沿ったものである）。
【図５】 図５は、物体を媒体に対して一定の温度に制
御するのに必要な電力 Pgen を示したものである。物体
の絶対温度が一定の場合、Pgen は、媒体の温度の関数
である。測定装置の概略は、図６に示してある。
【図６】図６は、流量測定装置の横断面図である。媒体
は、管状装置（６−１）を通って流れる。問題の物体 O
1（６−２）は、媒体に囲まれている。媒体の温度は、
センサー S2（６−３）により測定される。
【図７】図７は、物体を２個有する流量測定装置の横断
面図である。媒体は、管状装置（７−１）を通って流れ
る。２つの物体 O1（７−２）および O2（７−３）は、
媒体に囲まれている。
【図８】図８は、図７の２つの物体 O1（７−２）およ
び O2（７−３）の温度差を、媒体の流量の関数として
概略的に示したグラフである。
【図９】図９は、物体を３個有する流量測定装置の横断
面図である。媒体は、管状装置（９−１）を通って流れ
る。３つの物体 O1（９−２）、O2（９−４）、およびO
3（９−３）は、媒体に囲まれている。
【図１０】図１０は、３つの物体の温度、すなわち、O1
の T1 、O2 の T2 、および O3のT3（常に媒体の温度
に対する温度）を、媒体の流量の関数として示したグラ
フである。測定装置は、図９に示してある。物体 O
1（９−２）は、一定の電力 Pg en で加熱される。物体
O2（９−４）および O3（９−３）は、加熱されない。
【図１１】図１１は、物体 O2（温度T2）および O3（温
度T3）の温度差を、媒体の流量の関数として示したグラ
フである。物体 O1 は、一定の電力で駆動される（CPA
方式における物体 O1 ）。
【図１２】図１２は、図９に概略を示した測定装置等の
測定装置における３つの物体の温度を示したグラフであ
る。物体 O1（９−２）は、物体 O1（９−２）の温度 T
1が媒体の温度を上回る一定の値に保たれるような電力
Pgen で加熱される。この場合も、追加のセンサー（図
示していない）が必要である。物体 O2（９−４）およ
び O3（９−３）は、直接加熱されない。
【図１３】図１３は、２つの物体 O2（９−４）および
O3（９−３）の温度差を、媒体の流量の関数として示し
たグラフである。
【図１４】図１４は、本発明のブロック図である。この
ブロック図は、別途詳細に説明する。
【図１５】図１５は、物体を２個有する流量測定装置の
横断面図である。媒体は、管状装置（１５−１）を通っ
て流れる。２つの物体 O1（１５−２）および O2（１５
−３）は、媒体に囲まれている。媒体の温度は、センサ
ー S4（１５−４）により測定できる。
【図１６】図１６は、位置の関数としての温度分布を、
図１５に示した測定装置等の測定装置について示したも
のである。温度分布は、流量の４つの値（流量 = 0、流
量= v1、流量 = v2、流量 = v3）について示してある。
２つの物体 O1（１５−２）および O2（１５−３）の温
度は、制御装置により T1 - T2 = 0 の温度差に保たれ
る。
【図１７】図１７は、位置の関数としての温度分布を、
図１５に示した測定装置等の測定装置について示したも
のである。温度分布は、流量の４つの値（流量 = 0、流
量= v1、流量 = v2、流量 = v3）について示してある。
２つの物体 O1（１５−２）および O2（１５−３）の温
度は、制御装置により T1 - T2 = 0 の温度差に保たれ
る。なお、２つの物体の温度は、センサー S3（１５−
４）および制御装置により、媒体に対して一定の温度に
保たれる。
【図１８】図１８は、T1 - T2 の温度差をゼロに保つた
め制御装置により出力される電力P1（物体１のPgen）と
P2（物体２のPgen）の比 P1/(P1 + P2) の値を概略的
に示した図である。
【図１９】図１９は、T1 - T2 の温度差をゼロに保つた
め制御装置により供給される電力P1（物体１の Pgen）
と P2（物体２の Pgen）の比 (P1 - P2)/(P1 + P2) の
値を概略的に示した図である。
【図２０】図２０は、媒体の中に２つの物体を有する測
定装置の概略を示した図である。R1-R2 は、物体 O1 を
共に形成し、R3-R4 は、物体 O2 を共に形成する。図２
０にはまた、T1 - T2 の温度差をゼロに設定する制御装
置（概略は図１４参照）として働く電子回路の概略も示
してある。この図は、別途詳細に説明する。
【図２１】図２１は、電子回路の第２の実施例を示す図
である。この図も、別途詳細に説明する。
【図２２】図２２は、電子回路の第３の実施例を示す図
である。この図も、別途詳細に説明する。
【図２３】図２３は、電子回路の第４の実施例を示す図
である。この実施例には、図１４に示したオフセットを
制御装置により除去させる装置が含まれている。この図
も、別途詳細に説明する。
【図２４】図２４は、電子回路の第５の実施例を示す図
である。この図も、別途詳細に説明する。
【図２５】図２５は、２つの物体を有する測定装置を示
す図で、この場合は、物体を通して媒体が流れる。物体
は、それぞれ、温度依存抵抗器で構成されており、物体
のエネルギー Pgen を放散することができると同時に、
当該物体の温度センサーとして動作する。この図は、別
途詳細に説明する。
【図２６】図２６は、２つの物体を有する測定装置を示
す図で、この場合は、物体を通して媒体が流れる。物体
は、それぞれ、抵抗器で構成されており、物体のエネル
ギー Pgen を放散することが可能である。２つの物体の
温度差は、一連の熱電対または熱電対列により測定され
る。この図は、別途詳細に説明する。
【図２７】図２７は、図２５に示した測定装置の特殊な
実施例を示す図である。
【図２８】図２８は、数個の物体を有する本発明の特殊
な実施例を示す図である。利点は、内蔵リダンダンシー
である。すなわち、放散器および／または温度センサー
の一つが万一故障しても、制御装置は、これを察知し
て、当該物体を「スイッチオフにする」ことができる。
【図２９】図２９は、物体を通して媒体が流れる測定装
置の実施例を示す図で、この場合は、物体を通して媒体
が流れる。
【図３０】図３０は、本発明を基にした測定装置の実施
例を示す図で、この場合は、２つの物体を通して媒体が
流れる。
【図３１】図３１は、本発明を基にした測定装置の実施
例を示す図で、この場合は、２個の前記物体が配置され
ている管状構造物を通して媒体が流れる。
【図３２】図３２は、本発明を基にした測定装置の実施
例を示す図で、この場合は、管状構造物にプローブとし
て挿入された２個の前記物体が配置されている管状構造
物を通して媒体が流れる。
【図３３、３４および３５】図３３、３４および３５
は、本発明を基にした測定装置の実施例を示す図で、こ
の場合は、２つの物体が、薄い仕切により媒体から隔離
されている。物体は、媒体と熱的相互作用を行う。
【図３６および図３７】図３６（横断面図）および図３
７（平面図）は、本発明を基にした、半導体構造物で構
成されている流量計の実施例を示す図である。
【図３８】図３８は、それぞれ２個の抵抗要素で構成さ
れている２つの物体をその上に有する合成キャリアの横
断面図である。
【図３９a】図３９aは、図３６および３７に準拠した、
それぞれ２個の抵抗要素で構成されている２つの物体を
有する実施例の写真である。
【図３９b】図３９bは、それぞれ１個の抵抗要素で構成
されている３個の物体を有する実施例の写真である。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 媒体、例えば気体状媒体または液状媒体
    の流量を測定する装置において、該装置がそれに沿って
    流れる媒体の温度分布を測定し温度分布に影響を与える
    ことを基にしており、該流量センサーはそれぞれ加熱要
    素および温度センサーから成る２個の物体で構成されて
    おり、測定された温度差が制御ループによりゼロの値に
    保たれており、温度差はゼロでなければならないという
    ことによる、前記基準に従うための物体への電力供給の
    非対称性が、測定すべき媒体の流量の値を表し、媒体の
    密度および比熱など媒体に関連したパラメータを考慮し
    ていることを特徴とする媒体流量測定装置。
  2. 【請求項２】 各対ごとに、ゼロの制御された温度差を
    有する数対の物体で構成され、物体加熱要素の間の供給
    電力の分配が流量を表すことを特徴とする特許請求の範
    囲第１項記載の装置。
  3. 【請求項３】 物体電力の一定の合計値を利用すること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
    装置。
  4. 【請求項４】 環境に対する前記物体の一定の温度を利
    用することを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
    ２項記載の装置。
  5. 【請求項５】 加熱要素および温度センサーが一つの物
    体に集積化されており、センサーは、負または正の温度
    係数を持つ２個の温度依存抵抗器を基に任意に動作でき
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項のう
    ち任意の項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 物体の加熱および前記物体の温度の測定
    が、それ自体が既知のω→３ω法を用いて遂行できるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。
  7. 【請求項７】 流量測定が、２次元またはそれ以上につ
    いて行われることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜
    第６項のうち任意の項に記載の装置。
  8. 【請求項８】 物体の温度差の測定が、熱電対あるいは
    熱電対列を用いて行われることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項〜第７項のうち任意の項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 温度センサーが、適当な金属または合
    金、半導体、PTC または NTC （すなわち正または負の
    温度係数）を持つ材料など、温度依存抵抗性を持つ材料
    を基にしていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    〜第８項のうち任意の項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 該装置が半導体チップとして実施され
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第９項のう
    ち任意の項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 該チップがシリコンを基にしているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の装置。
  12. 【請求項１２】 該装置が、２方向に感受性があること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第１１項のうち任
    意の項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 自己診断設備を含み、システムの安定
    性が制御ループの査定を基に測定でき、温度センサーま
    たは放散器の動作の不履行が検出できることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項〜第１２項のうち任意の項に記
    載の装置。
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