JPS6235604B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体の質量フロー（mass ［−low）の
測定に関するものである。

流体の質量フローを測定するための公知の技術
においては、イオン化電極と整合した狭いギヤツ
プによつて分離された二つの部分に通常形成さ
れ、かつイオン化電極から横方向に間隔をへだて
て配置されたコレクタ電極とイオン化電極の間に
形成された空隙中を流体が流動できるようにした
ものである。このイオン化電極とコレクタ電極と
の間に高電圧が発生し、そのためイオン化電極の
ところでコロナ放電が発生する。このコロナ放電
によつて発生したイオンはコレクタ電極の方に移
動するが、それらが移動する際に、それらは、流
体の質量フローに依存する程度に応じて、流体の
流動方向において変位する。従つて、コレクタ電
極の二つの部分によつて集められる電流の差を測
定することによつて、流体質量フローの測定を行
うことができる。

コロナ放電を利用する公知の装置例えば米国特
許第4003254号において、イオン化電極は、その
周縁部が尖つており、かつ使用時にその主面がケ
ーシングを通過する流体の流動方向に対し垂直と
なるように、円筒状のケーシングの軸に取付けら
れた円盤から成つている。コレクタ電極は、イオ
ン化電極と同軸になるようにケーシングの内面に
配置された中空の円筒体により形成されている。
しかしながら、この公知の装置は、その尖つた円
盤の周縁から発生する扁平なイオンビームを発生
し、コレクタ電極の有効範囲に亘つて流体の質量
フローに対してほぼ直線的に変化する出力を得る
ことはイオンビームの厚みがない為困難であると
いう欠点がある。

この問題を解決するため、前記米国特許第
4003254号においてはコレクタ電極を、例えば、
抵抗シリンダ、又は抵抗要素によつて互いに接続
された多数のコレクタリング、又は抵抗線をら旋
状に密に巻いたような、分配状に形成する方法が
開示されている。この問題に対する理解方法とし
ては、イオン化電極に対して露出された各コレク
タ電極の面積がイオン化電極から軸方向に沿つて
変わるようにするよう、コレクタのエツジを互い
〓〓〓〓
に隣接するように形成している。しかしながら、
これらの装置は装置全体のコストを増大させ、か
つそのイオン化電極の円盤が通常、プラチナ又は
パラジウム／ルテニウムのような貴金属又は合金
の固体ブロツクから形成されているという事実に
よつて、経済的な問題を大きくしている。さら
に、この公知の装置の動作電圧が高い傾向にあ
り、典型的な値は、２インチの直径のケーシング
に対して14KVとなつている。

別の公知の装置例えば英国特許第1366995号に
おいては、イオン化電極は、ケーシングの内面に
設けられた一対の中空かつ円筒状のコレクタ電極
間に形成された狭いギヤツプに対して、その中心
が一致するよう円筒状ケーシングの軸に沿つて延
びた細い導線により形成されている。円盤状のイ
オン化電極を用いた前述の公知の装置に比較し
て、この別の装置は、低い動作電圧で用いること
ができ、かつ材料コストも低くなつている、この
ことは、主にイオン化電極の体積を小さくしてい
るからである。さらに、イオン化電極として導線
を使用することにより、円盤電極によつて得られ
たものに比して、単位長当たりでより一様な電流
密度を有する幅の広い即わち軸方向に厚みのある
イオン化されたビームを発生することができ、そ
のため、分配したコレクタを必要とすることなく
ほゞ直線的な出力を得ることができる。

しかしながら、該イオン化電極が前記コレクタ
電極が形成するギヤツプよりも短かい為、イオン
ビームが導線に対して僅かに、例えば該導線の長
さの半分に相当する長さに偏向された時には、集
められる電流は下流のコレクタに発生したものの
みであつて、同時に直ぐ飽和状態に達してしまい
測定できる最大流量のみをを表わす結果となつて
しまう。より大きい質量の流体流のため、線の長
さを増大させることができるけれどもこれは材料
のコストを増大させかつまた線がたるみ、そのた
めケーシングの軸と正確に整合しなくなるため望
ましくない。さらに、この別の公知の装置におい
ては、両コレクタ電極は、両電極間のギヤツプが
狭いため装置を通して流れる流体の流量がゼロの
時にもイオン化電極から電流を受けるようになつ
ており、したがつてこれに対する斟酌が装置と関
連した電子装置においてなされなければならず、
その電子装置のコストを必然的に増大させてい
る。

従つて、本発明の第一の目的は、流体の質量フ
ローを測定するための改良された装置を提供する
ことである。

従つて、本発明は、第１の特徴として、それぞ
れが同一軸線上に離間し絶縁された筒状の第１、
第２および第３のコレクタ電極を有し、該第１の
コレクタ電極の一端に第２のコレクタ電極を他端
に第３のコレクタ電極を連成し一方向或いは反対
方向の流体流の通過を可能としたコレクタ電極集
合体において、前記第１のコレクタ電極内におい
て前記軸線に沿つて延伸し、中点が該第１のコレ
クタ電極の両端間の中央に整合されるように前記
コレクタ電極集合体内に支持された導線から成る
イオン化電極と、流体をイオン化するのに十分な
電位差を該イオン化電極とコレクタ電極集合体と
の間に印加する手段と、前記コレクタ電極集合体
を通る流体流に依るイオンの変位を測定するため
に前記第２の或いは前記第３のコレクタ電極に至
つたイオンの数に応動する手段とを有し、前記イ
オン化電極の導線の長さが前記第１のコレクタ電
極の長さに少なくとも等しく、更に前記第２およ
び前記第３のコレクタ電極の長さが夫々前記イオ
ン化電極の導線の長さに等しいか長い事を特徴と
する流体の質量フローを測定する装置を提供する
ことを目的としている。

上記装置において、もし各々の外側のコレクタ
電極の長さがイオン化電極導線の長さに少くとも
等しい場合には、下流のコレクタ電極によつて集
められた電流は、流体の流動によるイオンビーム
の偏向が導線の全長に等しい時にのみ、最大値に
達するということが明らかとなろう。従つて、流
体質量フローの所定の範囲に合わせるのに必要な
線の長さを上述の他の公知の装置に比して短かく
することができ、そのため材料のコストを低下さ
せかつ線のたるみの問題を解決することができ
る、さらに、この発明の第一の特徴による装置に
おいて、この装置を流れる流体の流量がゼロの場
合には、電流の少くとも主たる部分は中央の第１
コレクタ電極によつて集められ、その場合、イオ
ンの変位を測定するのに用いられるのは、もちろ
ん外側の第２或いは第３のコレクタ電極である。
従つて、中央コレクタ電極と協働する外側コレク
タ電極は流量ゼロの状態においては電流が殆んど
〓〓〓〓
無いかゼロであり、そのため電極を簡単化するこ
とができる。しかしながら、導線を中央コレクタ
電極の端部をすこし越えるように配置することが
望ましいということを知るべきである。なぜな
ら、線によつて発生されるイオンビームの形は線
の各端部のところできれいにしや断されず、むし
ろ線の端部に向つて少しづつ消滅するような形に
なつているからである。従つて、線を中央コレク
タ電極の端部からすこし突出させておくことによ
つて、流体の質量フローが低い値の場合における
出力の直線性を改良することができる。

好ましくは、導線は、その両端部において全体
が円錐台形の一体の導体要素の間に緊張状態に保
持されている。線支持要素に対し、この形状を付
することによつて、全体が矩形又は湾曲した端部
を有する支持体に比して、導線の端部でよりすつ
きりしたイオンビームしや断を行うことができる
ようになつている。

本発明の第二の特徴によれば、本発明の目的
は、それぞれが同一軸線上に離間し絶縁された筒
状の第１および第２のコレクタ電極を含み、かつ
一方のみの流体流が前記電極内を通過するに際し
前記第２のコレクタ電極を第１のコレクタ電極の
下流側に配したコレクタ電極集合体において、下
流端が前記第１のコレクタ電極の下流端と少なく
とも一致して前記軸線に沿つて該第１のコレクタ
電極内に延伸しかつ前記コレクタ電極集合体内に
支持された導線から成るイオン化電極と、流体を
イオン化するのに十分な電位差をイオン化電極と
コレクタ電極集合体との間に印加する手段と、コ
レクタ電極集合体を通る流体流に依るイオンの変
位を測定するために前記第２のコレクタ電極に至
つたイオンの数に応動する手段とを有し、前記第
２のコレクタ電極の長さが前記イオン化電極の導
線の長さに等しいか長い事を特徴とする流体の質
量フローを測定する装置を提供せんとする点にあ
る。

上述の装置は、本発明の第一の特徴による装置
を簡単化したものであつて、流体が一方向にのみ
流動する場合に使用し得るものである。前と同様
に、流量が少い場合の直線性を改善するため、導
線の下流端部が、第二のコレクタ電極によつて占
められる空間中にわずかに突出するようにするの
が望ましい。

コロナ放電を用いた従来の質量フロー測定装置
の別の問題点は、その装置が流量が低い場合に不
正確であるということである。このことは、イオ
ン化電極をコレクタ電極に対して間隔をへだてて
配置するため、その装置のケーシング中に取付け
られる支持部材の構造に起因することが見い出さ
れている。従つて、支持部材は、イオン化電極と
コレクタ電極の間に所定の電位差を保持し得るも
のでなければならず、そのため、従来の装置は、
例えばポリエステルのような、典型的には全抵抗
が10¹⁵オームを越えるような高絶縁材で構成され
ている。しかしながら、現在においては、支持部
材に高抵抗材料を用いることによりその支持部材
に静電荷が発生し、それが、とくに流量が少い場
合にイオン偏向に影響を与え、それによつて測定
が不正確になるということが分つている。しかし
ながら、この問題は、支持部材の材料を、その帯
電性に関して、それがイオン化電極とコレクタ電
極間を短絡させるには不十分であるが、その絶縁
性能が支持部材に大きな電荷を形成させるには不
十分な材料を選ぶことにより解決できることが分
つている。これに関して、適当な材料は（10¹⁰オ
ームcm程度の抵抗を有する）フエノール樹脂およ
び（10⁹オーム・cm程度の抵抗を有する）メラミ
ン樹脂である。

従つて、本発明の別の特徴によれば、本発明
は、筒状のケーシングと、該ケーシングの内面に
配設されかつ互いに軸方向に離間し絶縁された筒
状の第１および第２のコレクタ電極と、イオン化
電極と、該イオン化電極を前記第１のコレクタ電
極と整合させ且つ該第１のコレクタ電極から軸方
向に沿つて隔置すべく流体流の方向と直角に前記
ケーシング内に配置された少なくとも１つの支持
部材と、流体をイオン化するのに十分な電位差を
前記イオン化電極と前記第１および第２のコレク
タ電極との間に印加する手段と、ケーシング内を
第１のコレクタ電極から第２のコレクタ電極に向
つて通る流体によるイオンの変位を測定するため
前記第２のコレクタ電極に至つたイオンの数に応
動する手段とを含み、前記支持部材が前記電位差
を維持するのに十分な電気的絶縁性を有している
が静電気を帯びるには不十分な帯電性を有する材
料から出来ている事を特徴とする流体の質量フロ
ーを測定する装置を提供することを目的としてい
〓〓〓〓
る。

好ましくは、支持部材の材料は10⁹および10¹⁰
オームcm間の抵抗値を有するものである。

好ましくは、イオン化電極は、上記流体の流動
方向に延びた長い導線から形成されており、それ
によつてその下流側端部が第１のコレクタ電極の
下流側端部又はそれに隣接して配置されている。

好ましくは、上記線は少くとも２cmの長さを有
している。

好ましくは、その装置は上記第１のコレクタ電
極から軸方向に間隔をへだてて配置された第３の
コレクタ電極を含み、そのため、第１のコレクタ
電極が第２および第３のコレクタ電極の間に配置
されかつそれから隔置され絶縁されている。

第１図を参照すると、本発明に係る一実施例に
よる装置は、便宜上合成樹脂材で成型されかつ典
型的には５cmの直径と20cmの長さを有する外側円
筒状ケーシング１１を含んでいる。ケーシング１
１の内面に沿つてコレクタ電極集合体１２が延在
しており、かつこのコレクタ電極集合体は第２お
よび第３のコレクタ電極を形成している一対の外
側電極１３およびこの電極１３間に挿入された第
１のコレクタ電極を形成している中央コレクタ電
極１４を含んでいる。各々の電極１３，１４は、
ケーシング１１と同軸状に延びかつ典型的には６
cmの長さを持つた、単一の中空ステンレススチー
ル製シリンダの形状を成している。隣接した電極
１３，１４は、ポリプロピレンのような絶縁材を
満たした小さなギヤツプによつてへだてられてお
り、かつ外側電極１３は差動増巾器１５のそれぞ
れの入力側に接続されている。

接地された金属製保護リング（図示せず）が電
極装置１２が占拠する部分の外側でケーシングの
内面端部を覆つており、かつそれぞれの支持部材
１６がケーシングの各々の端部に取付けられてい
る。各々の支持部材１６はケーシングの直径を横
断し、かつそれぞれのステンレススチール棒１７
の一方の端部を受入れる中央に孔付ボス部分１６
ａを有する棒状を成している。各々の支持部材１
６は、非導電性であるが、単に乏しい絶縁性を持
つているのみであり、10⁹〜10¹⁰オーム・cm程度
の抵抗を有する材料でできている。従つて、例え
ば、各々の支持部材１６は、後述のフエノール樹
脂が高湿度時に電気的トラツキング（tracking）
を示すことが分つているが、（約10¹⁰オーム・cm
の抵抗を有する）フエノール樹脂で形成すること
ができる。

電気的トラツキングに対しより大きな抵抗を有
する別の材料は、メラミン樹脂である、適当な材
料の一例について云えば、米国、ミネツタのフア
イバライト（Fiberite）社によつて供給される、
３×10⁹オーム・cmの抵抗を有する繊維をふやか
してそれにメラミン樹脂を充填させたものがあ
る。

スチール棒１７は、ケーシングの軸に沿つて互
いの方向に延びかつ各々の棒の自由端が中央の電
極１４とそれぞれの外側電極１３の間の内面と実
質的に整合されるようにして終つている。各々の
棒１７は、その自由端において、全体が円錐台形
を成しており、典型的には11゜の内角で２mmの直
径の端面に向つてテーパを成している。イオン化
電極１８は中央電極１４の軸に沿つて延在するよ
うに、棒１７の端部間に張り渡されており、かつ
このイオン化電極は、プラチナ／ロジウム合金、
パラジウム／ルテニウム合金又はプラチナメツキ
を施したスチールのような機械的強度がありかつ
化学的に不活性な材料でできた導線でできてい
る。棒１７を配置しかつそれらの棒１７の間にス
ペースを設けることにより、線材でできたイオン
化電極１８は、電極１４の中心点と整合した中央
を有し、かつ電極１４により占拠されるケーシン
グ部分１１に実質的に閉じ込められている。しか
しながら、以上で述べたように、流体の質量フロ
ーの値が低い時の出力の直線性を改良するため、
線１８の端部を電極１４の端部を越えてすこしか
つ左右に等量だけ突出させておくことが望まし
い。線は通常0.05mmの直径を有し、かつ一端部が
協働する棒１７および支持部材１６およびケーシ
ング１１を貫通して、外部の電源に接続されてい
る。

使用に際しては、例えば空気のような流体の質
量フローを測定することが必要な場合には、その
流体がケーシングを通して矢印Ａの方向に流動で
きるようにし、かつ線１８は正の高電圧源（２−
18KV）に接続され、一方、コレクタ電極１３，
１４は接地される。流体のイオンビームを発生さ
せるため、イオン化電極１８のところでコロナ放
電がそれによつて発生され、かつビームは線１８
〓〓〓〓
の各々の端部のところで除々に消えていくように
なつてはいるが、全体としては矩形を成してい
る。このイオンビームは中央のコレクタ電極１４
に向けられ、かつもし流体の質量フローの流量が
ゼロの場合には、実質上全てのイオンが電極１４
によつて集められる。この場合、増巾器は入力信
号を受けないか、又は線１８が電極１４の端部を
越えてすこしかつ左右に等量突出している場合に
は、小さな平衡入力信号を受ける。従つて、質量
フロー量がゼロの場合には、増巾器１５からの出
力は無い。しかしながら、もし流体がケーシング
１１を通して流れている場合には、イオンビーム
が流体の流動方向に変位して、そのため、質量フ
ローに依存して、一部のイオンが電極１４の下流
側に配置された外側電極１３によつて集められ
る。従つて、この場合には増巾器１５への入力信
号に差が生じ、そのため増巾器は、ケーシング１
１を通つて流れる流体によるイオンのすなわち、
流体の質量フローの変位に依存した出力を発生す
る。この装置によつて測定できる最大質量フロー
の流量は、導線でできたイオン化電極の全長に等
しい量だけイオンビームを変位させるに必要な質
量フローに対応しているということが明らかとな
ろう。

以上に述べた測定装置を用いることにより、導
線支持棒１７の全体的な円錐形状が、電極１８に
よつて放出されるイオンビームの電流密度を改善
し、かつそれによつて流体の流量が小さい場合の
出力の直線性を改善することができるということ
が分つた。さらに、支持部材１６用に絶縁性に乏
しい材料を用いることにより、部材１６に静電荷
が発生することを実質的に阻止し、かつそれによ
つてとくに流量が小さい場合における装置の精度
を改善することができるということも分つた。さ
らに、支持部材１６およびこの装置の他の要素を
形成するのに用いた材料からみて、この装置の製
造コストが比較的低廉であることが理解されよ
う。

上述の装置におけるコレクタ電極およびイオン
化電極の大きさについては、既定の値から変える
ことができるけれども、導線でできたイオン化電
極１８は少くとも２cmの長さを有するようにする
ことが望ましい、なぜなら、それによつて、単位
長さ当たりほゞ一定の密度のイオンビームを供給
できることが実験的に判明しているからである。

第１図に示す装置において、中央コレクタ電極
１４の両側に、二つのコレクタ電極１３が配置さ
れているので、この装置は矢印Ａの方向ばかりで
なく、反対方向の流体質量フローの測定もできる
ことが明らかである。しかしながら、場合によつ
ては、一方向のみの流体質量フローを測定するだ
けでよいことがあり、この場合には、第２図に示
す簡略化した構造の装置を用いることができる。
従つて、第２図を参照すると、この場合、第１図
の番号が、二つの図面における同一要素を特定す
るのに用いられており、かつこの簡略化された装
置は、ケーシング１１の内面に沿つて同軸状に延
びる中空かつ円筒状のコレクタ電極集合体１２を
含んでいる。このコレクタ電極集合体１２は、使
用時に、ケーシング１１を通つて流れる流体の流
動方向において、細長い第二の電極１３から離間
し絶縁された細長い第一の電極１４を含んでい
る。導線でできたイオン化電極１８が一対の間隔
をへだてて配置されたステンレススチール製支持
棒１７の間で緊張保持されており、かつこのイオ
ン化電極は第１のコレクタ電極１４の軸に沿つて
延びて、その下流端が第１のコレクタ電極１４の
下流端と実質的に整合している。しかしながら、
前記と同様、流量が少ない場合の直線性を改善す
るため、イオン化電極１８の下流端は、好ましく
は、電極１３が占拠しているケーシング１１の区
域中に少量突出しているのがよい。この変更を施
した装置は、第１図の装置に対して説明を行つた
と同様に作動する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による流体質量フロ
ー測定装置の概略図であり、かつ第２図は上記実
施例と別の実施例の概略図である。 図中、符号、１１……ケーシング、１２……コ
レクタ電極集合体、１３……外側コレクタ電極、
１４……中央コレクタ電極、１５……増巾器、１
６……支持部材、１７……ステンレススチール
棒、１８……導線を示す。 〓〓〓〓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれが同一軸線上に離間し絶縁された筒
   状の第１および第２のコレクタ電極を含み、かつ
   一方向のみの流体流が前記両電極内を通過するに
   際し前記第２のコレクタ電極を第１のコレクタ電
   極の下流側に配したコレクタ電極集合体におい
   て、下流端が前記第１のコレクタ電極の下流端と
   少なくとも一致して前記軸線に沿つて該第１のコ
   レクタ電極内に延伸しかつ前記コレクタ電極集合
   体内に支持された導線から成るイオン化電極と、
   流体をイオン化するのに十分な電位差をイオン化
   電極とコレクタ電極集合体との間に印加する手段
   と、コレクタ電極集合体を通る流体流に依るイオ
   ンの変位を測定するために前記第２のコレクタ電
   極に至つたイオンの数に応動する手段とを有し、
   前記第２のコレクタ電極の長さが前記イオン化電
   極の導線の長さに等しいか長い事を特徴とする流
   体の質量フローを測定する装置。 ２ それぞれが同一軸線上に離間し絶縁された筒
   状の第１、第２および第３のコレクタ電極を有
   し、該第１のコレクタ電極の一端に第２のコレク
   タ電極を他端に第３のコレクタ電極を連成し一方
   向或いは反対方向の流体流の通過を可能としたコ
   レクタ電極集合体において、前記第１のコレクタ
   電極内において前記軸線に沿つて伸延し、中点が
   該第１のコレクタ電極の両端間の中央に整合され
   るように前記コレクタ電極集合体内に支持された
   導線から成るイオン化電極と、流体をイオン化す
   るのに十分な電位を該イオン化電極とコレクタ電
   極集合体との間に印加する手段と、前記コレクタ
   電極集合体を通る流体流に依るイオンの変位を測
   定するために前記第２の或いは前記第３のコレク
   タ電極に至つたイオンの数に応動する手段とを有
   し、前記イオン化電極の導線の長さが前記第１の
   コレクタ電極の長さに少なくとも等しく、更に前
   記第２および前記第３のコレクタ電極の長さが
   夫々前記イオン化電極の導線の長さに等しいか長
   い事を特徴とする流体の質量フローを測定する装
   置。 ３ 導体が両端部において全体として円錐台形を
   成す一対の導体要素によつて緊張状態に保持され
   ている事を特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   〓〓〓〓
   に記載の流体の質量フローを測定する装置。 ４ 導体が両端部において全体として円錐台形を
   成す一対の導体要素によつて緊張状態に保持され
   ている事を特徴とする前記特許請求の範囲第２項
   に記載の流体の質量フローを測定する装置。 ５ 筒状のケーシングと、該ケーシングの内面に
   配設されかつ互いに軸方向に離間し絶縁された筒
   状の第１および第２のコレクタ電極と、イオン化
   電極と、該イオン化電極を前記第１のコレクタ電
   極と整合させ且つ該第１のコレクタ電極から軸方
   向に沿つて隔置すべく流体流の方向と直角に前記
   ケーシング内に配置された少なくとも１つの支持
   部材と、流体をイオン化するのに十分な電位差を
   前記イオン化電極と前記第１および第２のコレク
   タ電極との間に印加する手段と、ケーシング内を
   第１のコレクタ電極から第２のコレクタ電極に向
   つて通る流体によるイオンの変位を測定するため
   前記第２のコレクタ電極に至つたイオンの数に応
   動する手段とを含み、前記支持部が前記電位差を
   維持するのに十分な電気的絶縁性を有しているが
   静電気を帯びるには不十分な帯電性を有する材料
   から出来ている事を特徴とする流体の質量フロー
   を測定する装置。 ６ 支持部材の材料が10⁹ないし10¹⁰オーム・セ
   ンチメートル（Ω／cm）の抵抗値を有している事
   を特徴とする前記特許請求の範囲第５項に記載の
   流体の質量フローを測定する装置。 ７ 第３のコレクタ電極が第１のコレクタ電極に
   対し軸方向に隔置されており、第１のコレクタ電
   極が第２および第３のコレクタ電極の間に電気的
   に絶縁した状態で配置されている事を特徴とする
   前記特許請求の範囲第５項或いは第６項に記載の
   流体の質量フローを測定する装置。 ８ イオン化電極が流体の流動方向に延びた導線
   にて形成され、該導線の下流端が第１のコレクタ
   電極の下流端と少なくとも一致して、該第１のコ
   レクタ電極内に配設されている事を特徴とする前
   記特許請求の範囲第５項乃至第７項のうちのいづ
   れか１項に記載の流体の質量フローを測定する装
   置。 ９ イオン化電極の導線が前記第１のコレクタ電
   極の長さと整合しており、更に前記第２および第
   ３のコレクタ電極の長さが夫々前記イオン化電極
   の導線の長さと等しいか長いことを特徴とする前
   記特許請求の範囲第８項に記載された流体の質量
   フローを測定する装置。