JPS61262617A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、工業に於ける各種流量の測定や。

自動車等に代表される輸送機の空気流量、燃料流量の測
定等に利用される流量センサに関する。

〔従来の技術〕

従来・被測定流体の流量計測には多種多様のセンサが使
われていた。例えば、自動車等の燃料流量の計測に関し
ては１例えば三菱電機技報１９８４年１０月号の第１ペ
ージ〜第４ページに示されているごとく、長逝は小形軽
量で流量測定範囲の広い感熱式流量センサの使用例が増
加している。この種の流量センサの例を第５図及び第６
図に示す。

第５図はセンサの電気的回路をブロック図で示し。

第６図はセンサの構造を縦断側面図で示しである。

これら第Ｓ図、第６図において、（１）は温度補償素子
、（２）は発熱素子、（３）はセンサケース、（４）は
差動増幅器、（５）はル勺コンバータ、（６）はマイク
ロコンピュータ、（７）はＤ／Ａコンバータ、（８）は
被測定流体である。

次に第５図、第６図のものの動作について説明する。

発熱素子（２）と被測定流体（８）との間には発熱素子
（２）の温度がかわらない熱的平衡状態に於ては常に次
の（１）式に示すエネルギー保存則が成立する。

ｆｆｆ生ｄｖ＝　ｆｆ虱ｄ８　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（１）ｄｔ　　　　　　　　（ｉ
ｔ ここで、ｑｇは単位体積当夛の発熱量 ｑｔは単位面積当りの冷却熱伝達量 Ｖは被測定流体（８）の流速 ８は断面積 である。この式（１）に、フーリエの法則とオームの法
則を適用し２発熱素子（２）の厚さを無視すると。

次の（２）式が得られる。

ｆｆｆρ・Ｊ’ｄｖ＋ｓ＋Ｊ”Ｊ”ｈ−（Ｔｗ’ｒｆ）
ｄｊ＋　　−・−・・・・−−−−−・（２）ここで、
ρは電気抵抗率 Ｊは電流密度 りは局所熱伝達係数 〜は発熱素子（２）の壁面温度 Ｔｆは被測定流体（８）の温度 上記（２）式から２次の（３）式を得る。

ＲＨ・ｌ２−ｈｎ・（〜−Ｔｒ）・８　　　　・・・・
・・・・・・・・・・・（３）ここで、几Ｈは発熱素子
（２）の電気抵抗■は発熱素子（２）を流れる電流 堀は平均熱伝達係数 ８は発熱素子（２）の表面積 である。

ここで、平均熱伝達係数緬は被測定流体の平均流速に依
存しておシ、被測定流体（８）の流量ｑは次の（４）式
で得られる。

ｈｍ”ｋ−ｑａ　　　　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・曲・・（４）ここで、ａの値はおよそ０．５〜
ａ、６であることが知られている。

そこで、センサケース（３）の中に温度補償素子（１）
と発熱素子（２）とを実装し、温度補償素子（１）と発
熱素子（２）との夫々に流れる電流の６僅の差を差動増
幅器（４）により増幅し、Ａ、’ｂコンバータ（５）に
より一旦ディジタル信号に変換した後、上記（４）式の
演算をマイクロコンピュータ（６）により行い、その結
果をいコンバータ（７）によりアナログ信号に変換して
流量値を得る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の装置は以上の構成されているので、上記（４）式
を演算するのにマイクロコンピュータ（６）を用いる必
要があシ、ｉた。アナログ信号をディジタル信号に変換
するために高価な〜勺コ／バータ（５）を使用する必要
がある等、全体的に高価な流量センサとなる欠点がある
。また被測定流体（８）の流量を測定するために１発熱
素子（２）の壁面温度で１と被測定流体（８）の温度Ｔ
ｆの各アナログ値を検出する方式、即ち２項目について
のアナログ値を検出する方式であるので、マイクロコン
ビエータ（６）を使って演算精度をいくら高くしても、
總合精度は上記各アナログ値の検出精度で決まってしま
い。

精度を総合的に高くすることができない欠点があった。

この発明は、上述の従来の流量セ、ンサの欠点を除去す
るため罠なされたもので、安価で精度の高い流量センサ
を得ることを目的としている。また。

他の目的は被測定流体の流速が極めて遅い場合にも正確
に被測定流体の流量を検出できる流量センサを得ること
を目的としている。この発明の更に他の目的は、被測定
流体の流れの向きが逆方向に変っても被測定流体の流量
を正確に検出できる流量センサを得ることを目的として
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る流量センサは、矩形波信号により駆動さ
れ発熱素子に矩形波電力を供給して発熱素子の発熱温度
を矩形波状に変化させる発熱素子加熱器、被測定流体中
に発熱素子より下流側に位置して配設され被測定流体の
流れによって伝達された上記発熱素子からの温度を電気
信号に変換する受熱素子、この受熱素子を介して得られ
た電気信号を波形整形する波形整形器、及びこの波形整
形器の出力と上記矩形波信号との位相差を検出する位相
差検出器を備えている。また、他の発明に係る流量セン
サは、被測定流体中に配設され発熱温度が矩形波状に変
化する発熱素子、上記被測定流体中に上記発熱素子より
下流側に位置して配設された下流側受熱素子、及び上記
被測定流体中に上記発熱素子より上流側に位置して配設
された上流側受熱素子を備え、上記発熱素子の温度変化
と上記下流側受熱素子の温度変化との位相差を検出する
と共に、上記上流側受熱素子の温度変化によって上記位
相差を補正するものである。また、更に他の発明に係る
流量センサは、被測定流体中に被測定流体の流れ方向に
互いに所定間隔を隔てて対をなす受熱素子を配設すると
共に、上記被測定流体中に上記両受熱素子間に位置して
発熱素子を配設し、この発熱素子を発熱素子加熱器によ
ってその温度が矩形波状に変化するように加熱して。

上記両受熱素子のうちの一方の受熱素子の温度変化と上
記発熱素子の発熱温度の変化との位相差により上記発熱
素子から上記一方の受熱素子の方へ流れる被測定流体の
流量を測定し、上記両受熱素子のうちの他方の受熱素子
の温度変化と上記発熱素子の発熱温度の変化との位相差
により上記発熱素子から上記他方の受熱素子の方へ流れ
る被測定流体の流量を測定するものである。

〔作用〕

この発明においては、被測定流体中に配設された発熱素
子の発熱温度が、矩形波信号によって駆動される発熱素
子加熱器からの矩形波状電力によって矩形波状に変化す
る。流動中の被測定流体は上記発熱素子の上記矩形波状
の発熱温度変化に応じて加熱される。被測定流体中に発
熱素子より下流側に位置して配設された受熱素子は、上
記発熱素子によって加熱された被測定流体によって矩形
波状に加熱され、その出力端に矩形波状の電気信号を出
力する。この矩形波状の電気信号を波形整形して得られ
た信号と上記矩形波信号との位相差が検出され、この位
相差信号によって被測定流体の流量が検出される。従っ
て、従来のセンサのように２発熱素子の温度のアナログ
値と、被測定流体の温度のアナログ値とを検出して流量
を測定する必要はなく、外部温度のアナログ量としての
変化の影響を受けることがなく測定精度が向上する上、
従来のような高価な々市コンバータ等も不要となる。

また、他の発明においては、被測定流体中に発熱素子よ
り上流側に位置して他の受熱素子をも配設してあり、従
って、被測定流体の流速が極めて遅い場合、即ち被測定
流体の熱伝導速度に比較して被測定流体の流速が充分大
きくない場合には。

上記上流側の他の受熱素子も、被測定流体の熱伝導機能
によって発熱素子から加熱されることになる。従って、
上記上流側の他の受熱素子の温度変化と上記発熱素子の
発熱温度変化との位相差によって、上記発熱素子の発熱
温度変化と該発熱素子の下流側の受熱素子の温度変化と
の位相差を補正するので、被測定流体の熱伝導速度に依
る位相差をキャンセルして被測定流体の流量そのものを
測定することができる。即ち、被測定流体の流速が０に
近いような極めて遅い場合であっても被測定流体の流量
を正確に測定できる。

また、更に他の発明においては、被測定流体中にその流
れの方向に沿って所定間隔を隔てて第１及び第２の受熱
素子を配設し、これら第１及び第２の受熱素子間に発熱
素子を介在させてあシ、従って被測定流体が発熱素子か
ら第１の受熱素子の方へ流れている場合には２発熱素子
の発熱温度変化と第１０受熱素子の温度変化との位相差
を検出することによυ上記方向の流れの流速を測定でき
。

また逆に、被測定流体が発熱素子から第２の受熱素子の
方へ流れている場合であっても、その場合は上記発熱素
子の発熱温度変化と上記第２の受熱素子の温度変化との
位相差を検出することによって、上記逆の方向への流れ
の流量を測定できる。

〔発明の実施例〕

第１図〜第３図はこの発明の一実施例を示す図で、第１
図は流量センサの電気的回路をブロック図で示し、第２
図は第１図における受熱素子と波形整形器と位相差検出
器との電気的接続を詳細に示し、第３図はセンサの構造
を縦断側面図で示しである。これら第１図〜第３図にお
いて、（２）は発熱素子で２例えばニッケルクロム合金
を使用すればよい。（９）は受熱素子で９例えば正温度
特性の抵抗体、白金抵抗体を使用すればよい。αのは筒
状の密閉構造のセンサケースで、その内部には被測定流
体（８）２例えば自動車における燃料が矢印方向に流れ
る。そして、このセンサケース傾向には、つまり、被測
定流体（８）中には、受熱素子（９）より発熱素子（２
）の方が上流側に位置するように、これら受熱素子（９
）と発熱素子（２）とは予め定められた所定距離だけ離
して配設されている。（１１）は矩形波信号発生器、α
りは発熱素子加熱器で、上記矩形波信号発生器＋１１）
によって駆動され矩形波状の電力を上記発熱素子（２）
に供給して、上記発熱素子（２）の発熱温度が矩形波状
に変化するようにするものである。（１３は発熱素子（
２）の出力電気信号を波形歪のない矩形波に波形整形す
る波形整形器、（１４は位相差検出器で、上記矩形波信
号発生６任υの出力と上記波形整形器Ｑ３の出力とを入
力し２両出力間の位相差を検出するものである。

次に動作について説明する。

発熱素子（２）は、矩形波信号発生器任υにより制御さ
れた発熱素子加熱６住４の出力、即ち矩形波状に連続的
に繰シ返し変化する電力によって加熱されると共に、セ
ンサケースｔｔｎ内を矢印方向に流れる被測定流体（８
）によって冷却される。一方受熱素子（９）は１発熱素
子（２）によって加熱された被測定流体（８）によって
加熱される。ここで９発熱素子（２）に供給される電力
は上述のように矩形波状に連続的に繰シ返し変化するの
で９発熱素子（２）の発熱温度の変化も、第４図（、）
に示すように、矩形波状に連続的に繰り返し変化する。

従って、受熱素子（９）の温度は、第４図（ｂ）に示す
ように、被測定流体（８）の流量ｑＫ反比例したむだ時
間（発熱素子（２）の温度変化に対する受熱素子（９）
の温度変化の遅れ、即ち位相差）τ（第４図（Ｃ））を
伴った矩形波状となる。

受熱素子（９）の温度変化は受熱素子（９）によって電
気信号として取シ出されるが、この電気信号は波形歪を
伴っているので、第１図に示す波形整形器（Ｉｌｌによ
って波形整形を行い、その後、この波形整形器０の矩形
波出力と矩形波信号発生器ａυの矩形波出力との間の位
相差τを位相差検出器ａ４によって検出することにより
、上記むだ時間τを間接的に検出したことＫなる。従っ
て、上記位相差検出器Ｉによる上記位相差の検出により
、被測定流体（８）の流量ｑを知ることができる。

即ち、センサケースα呻内を流れる被測定流体（８）の
流量をｑ、上記むだ時間、即ち上記矩形波信号発生器ａ
Ｄの矩形波出力と上記波形整形器（２）の矩形波出力と
の位相差をτとすると。

τ”　ｋＱ　’　Ｑ　　　　　　　　……・・…・……
（５）が成シ立つ。

なお、上記（５）弐におけるｋｑは１発熱素子（２）と
受熱素子（９）との間の距離、センサケース（１１の径
や内部構造等の物理的条件によって決まる比例定数であ
る。

従って、　　ｑコτ／ｋｑ −Ｋ・τ（但しに＝１／ｋｑ）・・・・・曲（６）つま
り、被測定流体（８）の流量ｑは上記位相差τに単純比
例する。

なお、上記実施例では、１つの受熱素子（９）を。

発熱素子（２）の下流側に設けたものについて例示した
が、受熱素子を更に２発熱素子（２）の上流側にも設け
て、流量検出精度、流量検出機能の向上を図ることもで
きる。即ち、上記（５）　（６１式は、被測定流体（８
）の熱伝導速度に比較して被測定流体の流速が充分大き
い場合には成立するが、被測定流体（８）の流速がゼロ
に近く極めて遅い場合には検出誤差が大きく、また、被
測定流体（８）が、第３図に示す矢印とは逆の方向に流
れた場合には、つまり受熱素子（９）の方から発熱素子
（２）の方へ被測定流体（８）が流れた場合には流量検
出はできないという問題もある。そこで、上述のように
受熱素子を発熱素子の上流側にも設ければ、被測定流体
（８）の流速が極めて遅い場合、即ち被測定流体の熱伝
導速度に比較して被測定流体の流速が充分大きくない場
合には。

上流側の受熱素子も被測定流体の熱伝導機能によって発
熱素子（２）から加熱されることになる。従って１発熱
素子（２）の発熱温度変化と上記上流側の受熱素子（図
示せず）の温度変化とのずれ即ち位相差τを、第１図〜
第３図の実施例における位相差検出手段と同様な手段で
検出し、この検出された位相差によって１発熱素子（２
）の発熱温度変化と上記下流側の受熱素子（９）の温度
変化との位相差を補正することにより、被測定流体（８
）の熱伝導速度に依る位相差をキャンセルして被測定流
体の流量そのものを測定できる。即ち、被測定流体（８
）の流速が０に近いような極めて遅い場合であっても、
被測定流体（８）の流量を正確に測定できる。また、被
測定流体（８）中にその流れの方向に沿って所定の間隔
を隔てて第１の受熱素子（９）及び第２の受熱素子（図
示せず）を配設し、これら第１及び第２の受熱素子間に
発熱素子（２）を介在させ、被測定流体（８）が発熱素
子（２）から第１の受熱素子（９）の方へ流れている場
合には発熱素子（２）の発熱温度変化と第１の受熱素子
（９）の温度変化との位相差を検出するようにし、逆に
被測定流体（８）が発熱素子（２）から第２の受熱素子
（図示せず）の方へ流れている場合には発熱素子（２）
の発熱温度変化と上記第２の受熱素子の温度変化との位
相差を検出するようにすれば。

被測定流体（８）が発熱素子（２）の方から第１及び第
２０受熱素子の何れの方へ流れても流量測定ができる。

〔発明の効果〕

この発明は上述のように、被測定流体中に配設された発
熱素子、矩形波信号によ）駆動され上記発熱素子に矩形
波電力を供給して上記発熱素子の発熱温度を矩形波状に
変化させる発熱素子加熱器。

上記被測定流体中に上記発熱素子より下流側に位置して
配設され上記被測定流体の流れによって伝達された上記
発熱素子からの温度を電気信号に変換する受熱素子，こ
の受熱素子を介して得られた電気信号を波形整形する波
形整形器、及びこの波形整形器の出力と上記矩形波信号
との位相差を検出する位相差検出器を備えた構成である
ので、従来の流量センサのように２発熱素子の温度のア
ナログ値、及び被測定流体の温度のアナログ値の各アナ
ログ値を検出して被測定流体の流量を検出する必要はな
く、従って外部温度のアナログ量としての変化の影響を
受けることがなく測定精度が向上する上、従来のような
高価な〜勺コンバータ等も不要となる。即ち、測定精度
が良く、シかも安価な流量センサを得ることができる効
果がある。

また、他の発明は、被測定流体中に配設され発熱温度が
矩形波状に変化する発熱素子、上記被測定流体中に上記
発熱素子より下流側に位置して配設された下流側受熱素
子、及び上記被測定流体中に上記発熱素子より上流側に
位置して配設された上流側受熱素子を備え、上記発熱素
子の温度変化と上記下流側受熱素子の温度変化との位相
差を検出すると共に、上記上流側受熱素子の温度変化に
よって上記位相差を補正するので、被測定流体の流速が
極めて遅い場合、つま）、被測定流体の熱゛伝導速度に
比較して被測定流体の流速が充分大きくない場合におい
ても、被測定流体の流れに依る熱の移動以外の所謂熱伝
導による熱の移動による受熱素子の温度上昇分をキャン
セルでき、従って。

例えば被測定流体の流速が０に近いような極めて遅い場
合であっても、被測定流体の流量を正確に測定できる効
果がある。

また、更に他の発明は、被測定流体中に被測定流体の流
れの方向に互いに所定間隔を隔てて対をなす受熱素子を
配設すると共に、上記被測定流体中に上記両受熱素子間
に位置して発熱素子を配設し、この発熱素子を発熱素子
加熱器によってその温度が矩形波状に変化するように加
熱して、上記両受熱素子のうちの一方の受熱素子の温度
変化と上記発熱素子の発熱温度の変化との位相差により
上記発熱素子から上記一方の受熱素子の方へ流れる被測
定流体の流量を測定し、上記両受熱素子のうちの他方の
受熱素子の温度変化と上記発熱素子の発熱温度の変化と
の位相差により上記発熱素子から上記他方の受熱素子の
方へ流れる被測定流体の流量を測定するので、被測定流
体の流れが−の方向とその逆の方向の何れの場合も、流
量測定ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明の一実施例を示す図で、第１
図は電気的回路構成を示すブロック図。 第２図は第１図における受熱素子と波形整形器と位相差
検出器との電気的接続関係を示す接続図。 第３図は発熱素子及び受熱素子の構造的相関関係を示す
縦断側面図、第４図は第１図〜第３図に示す実施例にお
ける各部の出力の相関関係を示す図で、（ａ）は発熱素
子の発熱温度変化を示し、縦軸に温度を、横軸に時間を
それぞれとってあ！Ｄ、（ｂ）は受熱素子の温度変化を
示し、縦軸に温度を、横軸に時間をそれぞれとってあり
、（Ｃ）は発熱素子の発熱温度の変化と受熱素子の温度
変化との位相差を示し、縦軸に位相差を、横軸に時間を
それぞれとってあり、（ｄ）は被測定流体の流量出力を
示し、縦軸に流量出力を、横軸に時間をそれぞれとっで
ある。第５図及び第６図は従来の流量センサを示す図で
、第５図は電気的回路構成を示す接続図、第６図は発熱
素子近傍の構造を示す縦断側面図である。 図において、（２）は発熱素子、（８）は被測定流体。 （９）は受熱素子、　＋１１１は矩形波信号発生器、α
っは発熱素子加熱器、（Ｉ３は波形整形器、ａ４は位相
差検出器である。 なお１図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定流体中に配設された発熱素子，矩形波信号
   により駆動され上記発熱素子に矩形波電力を供給して上
   記発熱素子の発熱温度を矩形波状に変化させる発熱素子
   加熱器，上記被測定流体中に上記発熱素子より下流側に
   位置して配設され上記被測定流体の流れによつて伝達さ
   れた上記発熱素子からの温度を電気信号に変換する受熱
   素子，この受熱素子を介して得られた電気信号を波形整
   形する波形整形器，及びこの波形整形器の出力と上記矩
   形波信号との位相差を検出する位相差検出器を備えた流
   量センサ。
2. （２）被測定流体中に配設され発熱温度が矩形波状に変
   化する発熱素子，上記被測定流体中に上記発熱素子より
   下流側に位置して配設された下流側受熱素子，及び上記
   被測定流体中に上記発熱素子より上流側に位置して配設
   された上流側受熱素子を備え，上記発熱素子の温度変化
   と上記下流側受熱素子の温度変化との位相差を検出する
   と共に，上記上流側受熱素子の温度変化によつて上記位
   相差を補正する流量センサ。
3. （３）被測定流体中に被測定流体の流れ方向に互いに所
   定間隔を隔てて対をなす受熱素子を配設すると共に，上
   記被測定流体中に上記両受熱素子間に位置して発熱素子
   を配設し，この発熱素子を発熱素子加熱器によつてその
   温度が矩形波状に変化するように加熱して，上記両受熱
   素子のうちの一方の受熱素子の温度変化と上記発熱素子
   の発熱温度の変化との位相差により上記発熱素子から上
   記一方の受熱素子の方へ流れる被測定流体の流量を測定
   し，上記両受熱素子のうちの他方の受熱素子の温度変化
   と上記発熱素子の発熱温度の変化との位相差により上記
   発熱素子から上記他方の受熱素子の方へ流れる被測定流
   体の流量を測定する流量センサ。