JPS6336443B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電流により加熱された抵抗線を使用
して流体の流速を測定する熱線パルス流量計に関
するものである。

被測定流体の流管の上流側において、被測定流
体を熱パルスにより加熱し、この加熱された被測
定流体を被測定流体の加熱位置から所定距離隔つ
た流管の下流側において検出し加熱時から検出時
までの時間を測定することにより、被測定流体の
流速を測定し、それに基づいて被測定流体の流量
を測定することが行われている。

この場合被測定流体の流量をＬml／secとし、
測定用の流管の断面積をＳcm²とすると、被測定流
体の平均流速ｖはｖ＝Ｌ／Ｓ（cm／sec）で与えられ る。流管内の上流側に設けられた被測定流体の加
熱部と、流管の下流側に設けられた感温部間の距
離をｄ（cm）とし、加熱部における被測定流体へ
の加熱時から、感温部における加熱された被測定
流体の検出迄に要する時間をＴとするとこれらの
間にはＴ＝１／ＬＳ・ｄ（sec）なる関係がある。

一方加熱部の発熱体として直径Ｄ、長さｌのＷ
線を使用し、Ｗ線の密度をＰ（ｇ／cm³）その熱伝
導率をC_p（cal／ｇ〓）抵抗値をＲ、印加電圧を
Ｖ、その通電時間をｔとすると、被測定流体に与
えられる熱量△Ｔは △Ｔ＝V²／Ｒ・ｔ・１／4.2×πD²／４ｌ・Ｐ・C_pで
与え られる。

時間Ｔを示す式で明らかなように、被測定流体
の流量Ｌが増加して行くと、これに反比例して時
間Ｔが減少して行く。このため特にその被測定流
体の流量が大幅に変化するような測定系において
は、加熱部においての被測定流体の加熱時間周期
の設定が困難となる。即ちこの加熱時間周期を余
り大きく設定すると、被測定流体の流量の変化に
正確に追従した測定ができなくなる。一方加熱時
間周期を余り短かくすると単位時間ごとに流管の
下流側で検出される流体に前の時間周期における
加熱の影響が与えられてその検出が不正確にな
る。即ち加熱時間周期が短かすぎると検出用の感
温素子が充分冷却しない内に次の加熱パルスで加
熱された流体の検出が行われるので検出誤差が生
ずることになる。

この発明はこの従来の熱線パルス流量計におけ
る難点を解決し被測定流体の流量に対応して加熱
部における被測定流体に対する発熱時間周期を変
化可能とし、且つ流量が小さい低速度の流体と流
量の大きい高速度の流体に対してそれぞれ感温素
子を切換えて使用することにより対応した感温素
子の出力で流量を高精度で検出することを可能と
したものである。その加熱手段は対応した感温素
子の出力信号に基づく周期で駆動され、広範囲の
流量変化にも最適の条件で対応して高精度の流量
測定と流体の加熱が行われるので、この発明によ
つて広範囲の流量変化に対して精度のよい測定が
可能な熱線パルス流量計を提供することができ
る。

この発明によると流管内の流体を瞬時的に加熱
する加熱手段が設けられ、この加熱手段によつて
加熱された流体の下流側に低速度感温素子が設け
られ、この低速度感温素子の下流側には加熱手段
により加熱された流体の高速度感温素子が設けら
れる。

さらにこの発明においてはこれらの感温素子の
いずれかの出力を取り出す切換駆動手段が設けら
れ、流管内の流体の流量に対応して選択された感
温素子の出力が取り出され駆動手段によつてこの
取り出された出力で加熱手段が駆動され、常に最
適の発熱時間周期が実現され、且つ選択された感
温素子によつて広範囲の流量に対して精度のよい
流量測定が行われる。

以下この発明の熱パルス式流量計をその実施例
に基づき図面を使用して詳細に説明する。

第１図はこの発明の熱パルス式流量計の実施例
の構成を示すブロツク図で、流管１１内に加熱手
段を構成する発熱体１３が設けられ、この発熱体
１３の下流側に低速度感温素子１９−１が設けら
れ、この低速度感温素子１９−１の下流側に高速
度感温素子１９−２が設けられる。この低速度感
温素子１９−１に対して感温回路部１５−１が高
速度感温素子１９−２に対して感温回路部１５−
２がそれぞれ設けられている。各感温回路部１５
−１，１５−２の出力端子はアナログスイツチ回
路３０の入力端子に接続され、このアナログスイ
ツチ回路３０の出力端子は時間設定回路１６の入
力端子に接続され、時間設定回路１６の出力端子
が加熱パルス発生回路部１７に接続され、時間設
定回路１６の時間設定信号S_Tによつて加熱パルス
発生回路部１７から加熱パルスS_Hが供給される。
この加熱パルスS_Hにより発熱回路部１４が駆動さ
れ発熱体１３が加熱される。

先ず発熱体１３と低速度感温素子１９−１とが
構成する検出系についてその構成と動作を説明す
る。

流管１１内に被測定流体Ｆが導入され、この流
管１１の上流側において流管１１内周面に被測定
流体Ｆの流れ方向に直角に乱流発生体１２が設け
られる。この乱流発生体１２は例えば被測定流体
Ｆの流れに直角な面上に金属線でメツシユ状体が
形成された構成を有する。

流管１１に導入される被測定流体Ｆは一般には
層流で流れに直角な面内で、或る速度分布を有す
る。この導入された層流状の被測定流体Ｆは、こ
の乱流発生体により乱流となり、流れに直角な面
内で一様な平均速度を有する状態になる。

流管１１内においてこの乱流発生体１２の下流
側に発熱体１３が流管１１の直径方向に張りわた
される。この発熱体１３は例えば直径5μのＷ線
で形成され、この発熱体１３から被測定流体を加
熱する熱パルスが被測定流体に与えられる。即ち
発熱回路部１４が設けられ、この発熱回路部１４
では定温度型抵抗線ヒータからなる加熱回路１８
に対して加熱パルス幅設定回路１０から発生した
所定パルス幅の加熱パルスS_Hによつて加熱回路１
８が励起され、励起された加熱回路１８に接続さ
れた発熱体１３が発熱して被測定流体がこの熱パ
ルスによつて加熱される。

流管１１に対してこの発熱体１３を含む発熱回
路部１４の下流側には感温回路部１５−１が設け
られる。感温回路部１５−１においては低速度感
温素子１９−１の出力端子間に感温回路２０−１
が接続され、この感温回路２０−１の出力端には
増幅整形回路２１−１が接続されてこの増幅整形
回路２１−１の出力端にフイルター９−１が接続
される。低速度感温素子１９−１で検出される加
熱された被測定流体に対応したパルスが増幅整形
され、フイルター９−１により直流分が阻止され
フイルター９−１の出力信号は正帰還回路８−１
を経てシユミツト回路７−１に与えられ、シユミ
ツト回路７−１の出力端から作動信号S_D1が得ら
れる。

増幅整形回路２１−１の出力段には図示してい
ない比較回路が接続され、この比較回路に与えら
れている基準信号設定器からの基準信号と検出パ
ルスS_S1が比較され、これが基準値を越えるとシ
ユミツト回路７−１からは作動信号S_D1が発せら
れる。この作動信号S_D1はアナログスイツチ回路
３０の一つの入力端子に与えられる。このアナロ
グスイツチ回路３０の他の入力端子には後述する
高速度感温素子１９−２に接続される感温回路部
１５−２から得られる作動信号S_D2が入力として
与えられる。このアナログスイツチ回路３０には
比較回路３１が接続され、この比較回路３１から
の切換信号S_Kによりアナログスイツチ回路３０
は二つの作動信号S_D1及びS_D2のいずれかを選択し
て作動する。この選択された作動信号S_D1もしく
はS_D2によつて時間設定回路１６が駆動され、所
定時間後に時間設定回路１６から時間設定信号S_T
が発せられる。

第１図の実施例では低速度感温素子１９−１は
第１、第２の感温素子１９−１１，１９−２１か
らなり、それぞれが互にその位置をずらして配設
されている。例えば呼気の測定を行う場合に第１
の感温素子１９−１１に対してずらして配設され
た第２の感温素子１９−２１が呼気に対して人体
から与えられる熱量を分離検出するので、感温回
路２０−１で被測定流体に対して人体から与えら
れる熱量の影響を除去した測定を行うことができ
る。

被測定流体は例えば呼気及び吸気に伴なう流量
が急激に変化するものであることもあり、このよ
うな場合の測定にも対応できるように被測定流体
に対しては発熱回路部１４により周期的に発熱体
１３から加熱パルスが与えられて加熱が行われて
いる。即ちパルス発生器５からは例えば10Hzのパ
ルス信号がスイツチ回路６を経てパルス幅設定回
路１０に与えられていて、常時は加熱回路１８へ
このパルス発生器５のパルス信号に対応した加熱
パルスS_Hが発せられている。パルス幅設定回路１
０の出力端にパルスカウンタ演算回路３が接続さ
れ、パルスカウンタ演算回路３の出力端に表示器
２が接続されて加熱パルスS_Hによる加熱回路１８
の起動周期とアナログスイツチ回路３０の選択状
態とにより被測定流体の流量が演算表示されるよ
うな構成となつている。即ちパルスカウンタ演算
回路３は被測定流体の流量を演算する手段を構成
するものである。

被測定流体の最小流量に対応して一致回路２６
からの時間設定信号S_Tによつて加熱パルス発生回
路部１７が駆動されるように構成されている。即
ち一致回路２６の出力端はタイマー４に接続され
このタイマー４の出力端はスイツチ回路６のゲー
ト端子に接続される。タイマー４からは時間設定
信号S_Tがタイマー４で設定される最小流量に対応
する周期より僅かに小さな値になると、ゲート信
号S_gが発せられる。このゲート信号S_gが発せられ
るとこれに接続されるスイツチ回路６のゲートが
このゲート信号S_gにより閉じる。一方一致回路２
６からの時間設定信号S_Tはパルス幅設定回路１０
に入力として与えられていて、ゲート信号S_gが発
せられるとスイツチ回路６のゲートが閉じ、パル
ス幅設定回路１０はこの時間設定信号S_Tによつて
駆動される。

時間設定回路１６にはアツプダウンカウンタ２
４が設けられている。このアツプダウンカウンタ
２４は加熱パルス発生回路部１７のパルス幅設定
回路１０からの加熱パルスS_Hによつて計数が開始
され、例えば発振周波数が20KHzの発振器２５の
発振信号を計数する。このアツプダウンカウンタ
２４は被測定流体が発熱体１３低速度と感温素子
１９−１間を流れる時間の間計数を継続し感温回
路部１５からの作動信号S_Dによつてダウンカウン
トを行う。このダウンカウント数が加熱パルスS_H
で計数が開始されてすでに完了している計数値に
一致したことが、カウンタ２４の出力端に接続さ
れた一致回路２６で検出されると、時間設定回路
１６から時間設定信号S_Tが発せられる。

時間設定信号S_Tが発生しない状態においてはパ
ルス発生器５からのパルス信号に対応したスイツ
チ回路６の出力信号S_nによりパルス幅設定回路
１０が駆動されている。低速度感温素子１９−１
が流量の検出を行い時間設定回路１６から時間設
定信号S_Tが発せられ、この時間設定信号S_T1の周
期が最小流量に対応する周期より大きい間はパル
ス幅設定回路１０はスイツチ回路６の出力信号
S_nにより駆動されているが、時間設定信号S_Tの
周期が最小流量に対する周期よりも僅かに小さく
なると、ゲート信号S_gによりスイツチ回路６がゲ
ートを閉じてパルス幅設定回路１０は時間設定信
号S_Tによつて駆動される。

始動時においては図示していないスイツチが投
入されパルス幅設定回路１０から加熱パルスS_Hが
発せられる。この加熱パルスS_Hがアツプダウンカ
ウンタ２４の第１の駆動端子に与えられ、アツプ
ダウンカウンタ２４はクロツク端子に与えられる
発振器２５の20KHzの信号を計数して行く。

一方加熱パルスS_Hが発せられることにより発熱
体１３が加熱されると、その加熱時に発熱体１３
部分を流れる被測定流体が加熱される。この加熱
された被測定流体が低速度感温素子１９−１部分
を通過すると低速度感温素子１９−１が加熱され
てその抵抗値が上昇する。図示していないがこの
低速度感温素子１９−１を一辺とするブリツジが
構成され、そのブリツジの検出端子間に増幅器が
接続されれる。被測定流体に温度変化が生じてブ
リツジが不平衡状態になると感温回路２０−１か
ら検出信号S_C1が発せられる。この検出信号S_C1に
基づいて感温回路部１５−１から作動信号S_D1が
発せられ、この作動信号S_D1はアナログスイツチ
回路３０を介してアツプダウンカウンタ２４の第
２の駆動端子に与えられてアツプダウンカウンタ
２４はダウンカウント動作に制御されクロツク端
子に与えられる信号で、すでに計数されている計
数値をダウンカウントして行く。

すでに計数されている計数値が計数され尽され
ると一致回路２６から時間設定信号S_Tが発せられ
この時間設定信号S_Tはタイマー４に与えられ、時
間設定信号S_Tの周期が最小流量に対応する周期よ
り僅かに小さくなると、前述のようにタイマー４
はゲート信号S_gを発する。このゲート信号S_gが発
せられるとこれがスイツチ回路６に与えられてそ
のゲートを閉じ、パルス発生器５からのパルス信
号のパルス幅設定回路１０への入力を阻止し、一
致回路２６から発せられる時間設定信号S_Tによつ
て加熱パルス発生回路１７が駆動されてパルス幅
設定回路１０から加熱パルスS_Hが発せられ、加熱
回路１８からの加熱パルスにより被測定流体が加
熱される状態となる。

以上に低速度感温素子１９−１により流管１１
内の流体の流量が検出され、低速度感温素子１９
−１を含む感温回路部１５−１で作動信号S_D1が
得られ、この作動信号S_D1に基づいて流管１１内
の流体の加熱が行われる場合について説明した。

この発明においては流管１１内において低速度
感温素子１９−１の下流側に高速度感温素子１９
−２と、この高速度感温素子１９−２を含む感温
回路部１５−２が設けられている。実施例におい
ては高速度感温素子１９−２は低速度感温素子１
９−１と同様の理由で第１、第２の感温素子１９
−１２，１９−２２からなりそれぞれが互にその
位置をずらして配設されている。感温回路部１５
−２の構成はすでに説明した感温回路部１５−１
と同一である。感温回路部１５−２のシユミツト
回路７−２の出力端子はアナログスイツチ回路３
０の他の入力端子に接続されている。

アナログスイツチ回路３０には比較回路３１の
出力端子が接続され、この比較回路３１の入力端
子には一致回路２６の出力端子が接続されてい
る。比較回路３１の一つの入力端子には一致回路
２６の時間設定信号S_Tが与えられ、他の入力端子
には基準信号発生器３２の出力端子が接続されて
いる。この比較回路３１においては時間設定信号
S_Tの周期が、基準信号発生器３２で予め設定され
た切換周期T_nと比較される。

切換周期T_nは流管１１内の流量に対応して低
速度感温素子１９−１及び高速度感温素子１９−
２を切換えて使用する場合の基準とされる。流量
測定が開始された初期においては、この比較回路
３１より出力される切換信号S_Kは論理“０”（例
えば低レベル）とされ、アナログスイツチ回路３
０では作動信号S_D1が選択される。一致回路２６
から発せられる感温回路部１５−１の作動信号
S_D1と対応する時間設定信号S_Tの周期が切換周期
T_nより大きい間は比較回路３１の切換信号S_Kは
論理“０”に保持される。これにより低速度感温
素子１９−１で検出される信号に基づいて感温回
路部１５−１から得られる作動信号S_D1がアナロ
グスイツチ回路３０から取り出される。この状態
では作動信号S_D1によつて時間設定回路１６が駆
動される。

流管１１内の流体の流量が増大し一致回路２６
から発せられる作動信号S_D1と対応する時間設定
信号S_Tの周期が切換周期T_nより小さくなると比
較回路３１の切換信号S_Kは論理“１”（例えば高
レベル）とされこの切換信号S_Kによつてアナロ
グスイツチ回路３０からは高速度感温素子１９−
２で検出される信号に基づいて感温回路部１５−
２から得られる作動信号S_D2が取り出される。こ
のように流量が所定値を越えて増大すると感温回
路部１５−２からの作動信号S_D2によつて時間設
定回路１６が駆動されることになる。なお図示し
ていないが、比較回路３１から切換信号S_Kまた
はそれと対応する信号がタイマー４及びパルスカ
ウンタ演算回路３に与えられ、作動信号S_D1及び
S_D2のいずれが選択されているかが識別される。

このようにしてこの発明によると低速度感温素
子１９−１と高速度感温素子１９−２が設けられ
流管１１内の流体の流量に対応して予め設定され
た基準流量以下の流量では低速度感温素子１９−
１による検出値に基づいて流体の加熱周期が設定
される。又流管１１内の流体の流量が基準流量を
越えるとアナログスイツチ回路３０が作動して高
速度感温素子１９−２による検出値に基づいて流
体の加熱周期が設定される。

従つて流体に対する加熱周期が流体の流量に応
じて最適値に設定され、被測定流体の温度検出に
前段の加熱パルスの悪影響が生ずることがなく高
精度の流量測定が行われ得る。又低速度感温素子
１９−１の検出周期が最低流量に対応する値より
も大きくなると被測定流体はパルス発生器５のパ
ルス信号により周期的に加熱されるので、例えば
呼気吸気の流量測定の場合のように急激な流量変
化が生じる場合にも充分感温応答可能に構成され
ている。

低速度感温素子１９−１及び高速度感温素子１
９−２はその流体に対する検出感度をそろえるた
めに第２図に示すように発熱体１３に対してその
細線の配列角度を流管１１の管軸に直角な面内で
変化させて配設させると発熱体１３により加熱さ
れた被測定流体との接触面積を高速度感温素子１
９−２よりも低速度感温素子１９−１で減少させ
ることができて両感温素子での検出感度をそろえ
ることが可能となる。

なお第３図に構成を示すのはこの発明の熱パル
ス式流量計の他の実施例で流管１１においてそれ
ぞれの内径を異ならせた部分を形成したものであ
る。この場合には流管１１内の流量が小さな状態
では小さな径の流管部分に配設した低速度感温素
子１９−１で流量の検出を行い流量が大きい状態
においては大きな径の流管部分に配設した高速度
感温素子１９−２で流量の切換検出が可能な構造
とされていて第１図に示した実施例と同様の効果
を得ることができる。

又実施例においては低速度感温素子１９−１、
高速度感温素子１９−２をそれぞれ１個ずつ具備
したものを説明したが、一般にはこれらの感温素
子をそれぞれ複数個具備させアナログスイツチ回
路３０で複数段の切換を行わせるような構成のも
のが実現可能である。さらに感温素子の切換をア
ナログスイツチ回路によらず手動で行わせる構成
のもの実現可能である。又実施例においては低速
度感温素子１９−１及び高速度感温素子１９−２
はいずれも２個の感温素子で構成しているが、こ
れをそれぞれ１個の感温素子で構成することも可
能である。

以上詳細に説明したようにこの発明によると、
被測定流体の流量の状態に対応してそれぞれ別個
の感温素子を選択してその感温素子での検出を行
わせ流体の流量に応じた最適の感度条件での流量
の高精度検出が可能である。且つ流体の流量に応
じてその流体の加熱周期を選択された感温素子に
対応させてそれぞれ最適値に選択して動作するた
め前回加熱パルスの悪影響を受けず、常に高精度
の流量測定が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の熱パルス式流量計の実施例
の構成を示すブロツク図、第２図はこの発明の熱
パルス式流量計の実施例における発熱体と感温素
子の流管への取付け状態を示す一部切開斜視図、
第３図はこの発明の熱パルス式流量計の他の実施
例の主要部の構成を示す図である。 １１：流管、１３：発熱体、１４：発熱回路
部、１５−１，１５−２：感温回路部、１６：時
間設定回路、１７：加熱パルス発生回路部、１９
−１：低速度感温素子、１９−２：高速度感温素
子、３０：アナログスイツチ回路、３１：比較回
路、３２：基準信号発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定流路内の被測定流体に対して所定の位
   置において、瞬時的に前記被測定流体を加熱する
   加熱手段と、 この加熱手段により加熱された前記被測定流体
   の通過位置に設けられる低速度感温素子と、 前記低速度感温素子に接続され、加熱された被
   測定流体が通過するのを検出する第１感温回路部
   と、 前記低速度感温素子の下流側に設けられ、前記
   加熱手段により加熱された流体を検出する高速度
   感温素子と、 その高速度感温素子に接続され、加熱された被
   測定流体が通過するのを検出する第２感温回路部
   と、 前記第１感温回路部の検出出力と前記第２感温
   回路部の検出出力との何れかを選択するスイツチ
   回路と、 前記加熱手段による加熱から前記スイツチ回路
   から検出出力が得られるまでの時間を計測し、前
   記スイツチ回路の検出出力の発生から前記計測時
   間と等しい時間だけ更に経過後に前記加熱手段を
   駆動する時間設定回路と、 この時間設定回路による加熱手段の駆動周期と
   前記スイツチ回路の選択状態とに対応して前記被
   測定流体の流量を演算する手段と、 前記時間設定回路の駆動出力の周期と基準信号
   の周期とを比較して、前者が後者より大きい場合
   は前記スイツチ回路から前記第１感温回路部の検
   出出力を選択するようにそのスイツチ回路を制御
   する比較回路と、 を具備する熱パルス式流量計。