JPS6379013A - 流体計測装置 - 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〕 本発明は流体計測装置に係り、特に内燃機関における流
体通路内の流体速度に応じて変化する流体の動圧により
質量流量を検出する流体計測装置に関する。

〔従来技術〕

一般に、流体通路内を流れる流体の流量を測定する動圧
型流量計には、ベーン流量計や受圧板流量計が用いられ
ている（特開昭４９−２９６７５号参照）。

ベーン流量計は流体通路内にベーン（羽根）を配設し、
ベーンに働く動圧をベーン変位角に変換して流量を算出
するものである。

このため、質量流量を測定することはできず、また、ベ
ーンが流体通路の一部をふさぐため圧力を員失が大きく
、応答性も悪い。さらに、機械的な可動部が必要で耐久
性に問題がある。

一方、受圧板流盪計も同様に受圧板に働く動圧を受圧板
に生じる歪に変換して算出しているため前記ベーン流量
計と同様の問題がある。

また、気体の質量流量を測定するためには流量は密度に
より変化するため、補正を必要とする。

このため、気体の温度及び圧力を別個に測定しく例えば
圧力はアネロイド気圧計、温度はアスマン乾、・２計で
測定）、これらにより気体の密度を算出して÷（ｉ正す
るようにしている。ただし、この場合温度は、圧力に大
きな変化のない範囲内で７！１．１１定する必要がある
。

このように、質量流量を求めるにシま流体の動圧と密度
を求める必要があり、これらは同一の場所で測定するこ
とが好ましく、計測装置の構造が複雑となる。

（発明が解決しようとする問題点〕 本発明は、上記事実を考慮し、可動部がなく小型の拡散
形半導体センサを用いて流体の温度による密度変化に拘
わらず正確な流体の質量流量を計測することができる流
体計測装置を得ることが目的である。

ｃ問題点を解決するための手段〕 本出願の第１の発明に係る流体計測装置では、シリコン
基板上でブリッジ回路を構成しかつ流体の温度によって
変化する拡ｊ１シゲージ抵抗を用いて流体の質量流量を
計測する流体計ｉｊ、！ｌ装置において、拡散形半導体
センサのブリッジ回路の両端へ接続された電源と、この
電源とブリッジ回路との間に介在され前記流体の温度変
化に応じて前記ブリッジ回路へかかる電圧を変化させ流
体の温度変化；こよる密度変化と同一の変化でブリッジ
不平衡電圧を出力させる電圧制御手段と、を有している
。

また、本出願の第２の発明に係る流体計測装置では、シ
リコン基板上でブリッジ回路を構成する拡散ゲージ抵；
にを備えた拡散形半導体センサを用いて流体圧による拡
散ゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果で変化するブリッジ不平
衡電圧で流体の動圧を検出し、この動圧により流体の質
量流量を計測する流体計測装置において、拡散形半導体
センサのブリッジ回路の両端へ接続された電源と、を有
し前記拡散ゲージ抵抗の不純物濃度を変化させることに
より流体の温度変化によるブリッジ不平衡電圧の電圧変
化率を流体の温度変化による密度変化率と同一の変化率
で出力させることを特徴としている。

［第１の発明の作用〕 −Ｍに、管路を流れる流体の質量流量Ｇ（＋＋／＊ａｃ
）は、次式で表わされる。

Ｇ−ρ・ｇ−Ａ−ｖ・・・（１） ここに　ρ；原流体密度（ｇ、ｓｅｃ”／ｍ’　）ｇ；
重力加速度（９，８ｍ／ｓｅｃ”　）Ａ；管路の断面積
（ｎ（） Ｖ；流体の流速（ｍ／５ｅｃ） 次に、この（１）式の両辺を２乗する。

０、ｚ　＝ｇｔ　　、Ａｔ　　−ｐ・ｐ−ｖ”　−（２
）一方、流体の流速■は、流体の動圧（ΔＰ）を用いて
次式のように表わされる。

この（３）式の両辺を２乗して整理する。

ρ・ｖ　２−’ｌ・ΔＰ・・・（４） 次に、この（４）式を（２）式へ代入すると、次式のよ
うに表わされる。

Ｇ”−ｋ・ρ・ΔＰ・・・（５） ここに　Ｋ＝２・ｇ２　・Ａ”　　（定数）（５）式に
より、質量流量の２乗（Ｇ”　）　　は、密度ρと動圧
ΔＰとの積に比例することになる。

密度は温度と圧力により変化するが圧力の変化が小さい
範囲において圧力による密度変化は、温度による密度変
化より小さく、無視できると考えられる。従って、密度
変化を温度による変化分で近似できる。

一方、圧力センサの出力は印加電圧に比例する。

印加電圧が大きくなれば出力は大きくなり、印加電圧が
小さくなれば出力は小さくなる。

本出願の第１の発明では、このことに着目して電圧制御
手段で、ブリッジ回路へかかる電圧の変化率を流体の温
度変化による密度変化率と同一となるように変化させて
いる。

すなわち、電圧源によりブリッジ回路の両端へ所定電圧
を供給し、電圧制御手段により流体の温度に応じてブリ
ッジ回路の両端へかかる電圧を変化させる。

一方、拡散形半導体センサの周囲に流体の流れがあると
、この流体の流速に応じてピエゾ抵抗効果が生じ、拡散
ゲージ抵抗の抵抗値が変動する。

この変動に応じてブリッジ不平衡電圧が変動する。

拡散形半導体センサはその特性として定電圧駆動するこ
とにより第１図に示される如く、圧力の感度が温度によ
り低下する。

ここで、ブリッジ回路から出力される電圧値は供給電圧
に比例するので、前記不平ｉ負ｉ電圧値は流体の密度変
化に応じた補償がなされた値を示す。

従って、この不平衡電圧に対応した質量流量が容易に求
められる（前記（５）式参照）。

〔第２の発明の作用〕 通常、負荷拡散ゲージ抵抗の温度係数がブリッジ回路の
ブリッジインピーダンスの温度係数とは異なるが、拡散
形半導体センサの温度感度低下が流体の密度の温度によ
る変化と等しい場合、負荷拡散ゲージ抵抗を必ずしもシ
リコン基板上へ設ける必要はない６本出願の第２の発明
では、ブリッジ回路を構成する拡散ゲージ抵抗の不純物
濃度を変化させ、流体の温度変化によるブリッジ不平衡
電圧の電圧変化率を流体の温度変化による密度変化率と
同一の変化率で出力させているので、正確な動圧を検出
することができる。

（第１の発明の実施態様の説明） 電圧制御手段はブリッジ回路を構成する拡散ゲージ抵抗
へ拡散された不純物濃度とは異なる濃度で不純物が拡散
されて形成された負荷拡散ゲージ抵抗を備えている。

負荷拡散ゲージ抵抗は温度により抵抗が変化し温度が高
くなると抵抗値は大きくなり、温度が低くなると抵抗値
は小さくなる。

また、拡散形半導体センサの周囲に流体の流れが存在す
ると、拡散形半導体センサの受ける動圧は流体の流速に
応じて変動し、この動圧は流速が大きいほど大きく、ま
た流速が小さいほど小さい。

例えば、流速が一定で流体の温度が０℃から５０°Ｃに
上がると、拡散形半導体センサのシリコン基板上に設け
られた負荷拡散ゲージ抵抗の抵抗値が大きくなるために
ブリッジ回路にかかる電圧が第２図の０点からＤ点へ約
８．６％程度小さくなる。

一方、拡散形半導体センサの出力感度も温度上昇により
第１図に示される如＜、Ａ点からＢ点へ約７％程度小さ
くなる。従って、このことから拡散形半導体センサの出
力は約１５％程度小さくなる。

ここで、流体の密度は第３図に示される如く、温度上昇
により８点からＦ点へ約１４．５％程度小さくなる。こ
れは、前記拡散形半導体センサの出力低下とほぼ同一で
ある。従って、拡散形半導体センサの出力低下が流体の
密度の低下と同一であり、流体の密度に拘わらず拡；１
に形半導体センサの出力値で質Ｎ流量を容易に得ること
ができる。

〔第１実施例〕 第４図（Ａ、）、（Ｂ）には本発明に係る流体計測装置
１０の第１実施例が示されている。

管１１の管路１２へは、流体が第４図矢印へで示される
如く、紙面左側から右側へと流れるようになっている。

管路１２の内周面へは、支持体１５が取り付けられその
先端部は軸線方向へ延長されている。支持体１５は薄肉
とされ、流体の圧力損失はない。

支持体１５の先端部は若干流体の流人する方向へ屈曲さ
れ、その端面には拡散形半導体圧力センサ１６が取り付
けられている。

第５図及び第６図に示される如く、この拡散形半轟体圧
カセンサ１６は、シリコン基板１８と４個の拡散ゲージ
抵抗２０とで構成され、拡散ゲ−ジ砥抗２０はブリッジ
回路を構成している。

ブリッジ回路の紙面上下方向の対角には、電源２２から
の信号線２２Ａ、２２Ｂがそれぞれ接続されている。ま
た、信号線２２　Ａの中間部のシリコン基板１日上には
電圧制御手段である負荷拡散ゲージ抵抗２３が介在され
ている。この負荷拡散ゲージ抵抗２３はその内部に拡散
されている不純物濃度がブリッジ回路を構成する拡散ゲ
ージ抵抗２０に拡散されている不純物の濃度とは異なっ
ている。すなわち、流体の温度に応じて抵抗値を変化さ
せ、これによる電圧変化率を不純物の濃度を特定の濃度
に設定することによって流体の温度変化による密度変化
率と同一としている。また、ブリッジ回路の紙面左右側
の対角からは、それぞれ信号線２５Ａ、２５Ｂを介して
増幅器２８へ接続され、ブリッジ不平衡電圧を検出する
ようになっている。

このＮ　ｆＡ２２及びマイクロコンビ−ユータ２４は、
第４図に示される如く、管１１の外周へ取り付けられた
制御部３０へ収容されている。

第５図に示される如く、増幅器２８の出力はＡ／Ｄ変換
器３１でＡ／Ｄ変換された後、ＣＰＵ３２へ入力される
ようになっている。ＣＰＵ３２では、この増幅器２８か
らの出力及び流体の基準温度に対応する密度ρ。が予め
入力されている記憶装Ｕ３４．３６からのデータをもと
に質量流量Ｇが演算され、出力されるようになっている
。

以下に本第１実施例の作用を説明する。

まず、拡散形半導体圧力センサ１６へ電源２２から定電
圧を供給する。この場合、電流値は１〜２ｍＡ、電圧値
は６ｖ程度が好ましく、比較的大電流を供給すると拡散
ゲージ抵抗２０が発熱する。

拡散形半４体圧カセンサ１６は、流体の流入方向に対向
して設置されているので、拡散形半導体圧力センサ１６
が受ける圧力、即ち動圧は流体の流速の２乗に比例する
。流速は、ブリッジの不平衡電圧Ｖ、として得られ、増
幅器２日へ入力される。

ここで、流体が拡散形半導体圧力センサＩ６へ衝突する
と、その表面に設置された負荷拡散ゲージ抵抗２３の抵
抗値は流体の温度により変化する。

すなわち、負荷拡散ゲージ抵抗２３の抵抗値変化でブリ
ッジ回路へ供給される電圧が変化する。

従って、ブリッジ不平衡電圧ｖＰとして得られた値は、
温度によって変動する。この変化率は流体の温度による
密度変化率と同一とされているので、正確な動圧に対応
した出力となる。

増幅器２８で増幅された電圧■２はＡ／Ｄ変換器３１で
Ａ／Ｄ変換され、ＣＰＵ３２へ入力される。

記憶装置３４．３６には、予め基準温度及び基準圧力に
対応する流体の密度ρ。及び前述の（５）式に適用する
定数Ｋが記ｔαされており、ＣＰＵ３２で電圧■、によ
り得られた流体の動圧ΔＰを得た後にこれらの値Ｋ、Δ
Ｐ、ρ。を（５）式へ代入し、その値の平方根を演算す
る。

これにより、流体の質量流ＩＣが求められ、出力される
。

このように、１個の拡散形半導体圧力センサ１６で、流
体の温度による密度変化率を負荷拡散ゲージ抵抗２３の
抵抗変化率で補償しているので、正確な質量流量Ｇを得
ることができる。

また、ベーンや受圧仮等で流体の流路を妨げることがな
いので、圧力Ｉ置火はほとんどない。

〔第２実施例〕 第７図及び第８図には本発明に係る流体計測装置の第２
実施例が示されている。

電源２２信号の信号線２２Ａは負荷拡散ゲージ抵抗２３
とブリッジ回路の上方端部の間で分岐され、この分岐さ
れた信号線２２Ｃはブリッジ回路の下方端部へと接続さ
れている。この信号線２２Ｃの中間部には固定抵抗２５
が介在されブリッジ回路へかかる電圧を調節している。

このように、固定抵抗２５を配設することにより、負荷
拡散ゲージ抵抗２３の不純物濃度を特定の濃度に設定せ
ず、固定抵抗２５の抵抗値で負荷拡散ゲージ抵抗２３の
温度変化率を流体の温度による密度変化率を同一とする
ことができる。

ここで、負荷拡散ゲージ抵抗２３の温度変化率が、流体
の密度変化率よりも大きい場合、この負荷拡散ゲージ抵
抗２３と固定抵抗２５とを入れ換えればよい。

なお、本実施例では電圧制御手段にブリッジ回路に適用
した拡散ゲージ抵抗２０の不純物濃度とは異なる負荷拡
散ゲージ抵抗２３を設置したが、ブリッジ回路に適用さ
れる拡散ゲージ抵抗２０の内掛なくとも１個の拡散ゲー
ジ抵抗２０を他の拡散ゲージ抵抗とは異なる不純物濃度
で形成してもよい。この場合、流体の温度が変化しても
この不純物濃度の異なる拡散ゲージ抵抗で流体の密度変
化を補償するので結果としてブリッジ出力は流体の温度
に影響されないことになる。

〔発明の効果〕

以上説明した如（、本発明に係る流体計測装置は、可動
部がなく小型の拡散形半導体センサを用いて流体の温度
による密度変化に拘わらず正確な流体の質量流量を計測
することができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は拡散形半導体センサの温度特性図、第２図はブ
リッジトップ電圧の温度による変化特性図、第３図は流
体の温度による密度変化特性図、第４図（Ａ）、（Ｂ）
は本発明の実施例に係る質量流量計周辺の側面図及び正
面図、第５図は第１実施例に係るセンサ部の回路図、第
６図は第１実施例に係るセンサ部の平面図、第７図は第
２実施例に係るセンサ部の回路図、第８図は第２実施例
に係るセンサ部の平面図である。 １０・・・流体計測装置、 １４・・・流体、 １６・・・拡散形半導体圧力センサ、 １８・・・シリコン基板、 ２０・・・拡散ゲージ抵抗、 ２２・・・電源、 ２３・・・負荷拡散ゲージ抵抗、 ２４・・・マイクロコンピユータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上でブリッジ回路を構成しかつ流体
   の温度によって変化する拡散ゲージ抵抗を用いて流体の
   質量流量を計測する流体計測装置において、拡散形半導
   体センサのブリッジ回路の両端へ接続された電源と、こ
   の電源とブリッジ回路との間に介在され前記流体の温度
   変化に応じて前記ブリッジ回路へかかる電圧を変化させ
   流体の温度変化による密度変化と同一の変化でブリッジ
   不平衡電圧を出力させる電圧制御手段と、を有する流体
   計測装置。
2. （２）前記電圧制御手段は前記電源とブリッジ回路との
   間に接続され流体の温度変化により抵抗が変化する負荷
   抵抗であることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１
   ）項に記載の流体計測装置。
3. （３）前記負荷抵抗は前記シリコン基板上に配設され拡
   散ゲージ抵抗とは異なる不純物濃度で形成された負荷拡
   散ゲージ抵抗であることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第（２）項に記載の流体計測装置。
4. （４）シリコン基板上でブリッジ回路を構成しかつ流体
   の温度によって変化する拡散ゲージ抵抗を用いて流体の
   質量流量を計測する流体計測装置において、拡散形半導
   体センサのブリッジ回路の両端へ接続された電源を有し
   前記拡散ゲージ抵抗の不純物濃度を変化させることによ
   り流体の温度変化によるブリッジ不平衡電圧の電圧変化
   率を流体の温度変化による密度変化率と同一の変化率で
   出力させることを特徴とする流体計測装置。