KR100808727B1 - 저항 평형 방법 및 그 장치 - Google Patents

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넬슨 어다네따
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셀레리티 인크.
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Abstract

센서는 제1 저항기, 제2 저항기, 제1 회로, 및 제2 회로를 포함한다. 상기 제1 및 제2 저항기 각각은 물리적인 성질의 변화에 따라서 가변하는 저항을 가진다. 상기 제1 회로는 상기 제1 저항기에 전기적으로 연결되어 상기 제1 저항기의 저항을 설정한다. 상기 제2 회로는 상기 제2 저항기에 전기적으로 연결되어 상기 제1 저항기의 저항과 동일해지도록 상기 제2 저항기의 저항을 조절한다. 처리 회로가 상기 제1 및 제2 회로에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 및 제2 회로에 의해 상기 제1 및 제2 저항기에 각각 제공되는 에너지 양의 차이를 측정한다.
가변 저항, 유량 센서, 유량 제어기, 유속 측정, 코일

Description

저항 평형 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BALANCING RESISTANCE}
본 발명은 저항 평형에 관한 것으로, 특히 상류 및 하류 온도 센서의 저항을 평형시킴으로써 유체의 유속(mass flow rate)을 감지할 수 있는 유량 센서(mass flow sensor)에 관한 것이다.
유량 센서는 기체 또는 다른 유체의 유속을 측정하기 위한 매우 다양한 제품들에 사용되고 있다. 유량 센서가 사용되는 한 가지 제품으로 유량 제어기를 들 수 있다. 종래의 유량 제어기에 있어서, 주요 유량 경로를 흐르는 유체의 유속은 유량 센서의 일부를 구성하는 전형적으로 작은 관으로 유체의 일정 양을 분기시켜 그 유속에 따라 조절되거나 제어된다. 가령, 주요 유량 경로와 센서의 관 모두에 층류가 있다고 한다면, 주요 유량 경로를 흐르는 유체의 유속은 센서의 관을 통해 흐르는 유체의 유속을 기초로하여 결정(및 조절 또는 제어) 될 수 있다.
통상적으로, 정전류 유량 센서(constant current mass flow sensor)와 정온 유량 센서(constant temperature mass flow sensor)의 두 가지 상이한 유형의 유량 센서가 사용되어 왔다. 정전류 유량 센서의 일 예가 도 1에 예시되어 있다. 도 1에 있어서, 유체는 센서파이프 또는 센서관내에서 화살표(X) 방향으로 흐른다. 큰 열저항계수를 갖는 가열저항기 또는 코일(R1, R2)이 센서관의 상류부분과 하류부분의 센서관 주위에 각각 배치되고, 이들 가열저항기에는 정전류원(901)으로부터 정전류(I)가 공급된다. 코일(R1, R2)을 통해 정전류(I)가 흐른 결과, 전압(V1, V2)이 이들 코일에 걸쳐서 각각 나타난다. 전압(V1, V2)간의 차이(V1-V2 )는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례하는 차동증폭기(902)의 출력값으로서, 차동증폭기(902)의 출력부에서 얻어진다.
영인 유속에서, 도 1의 회로는 코일(R1)의 저항값(따라서, 온도)과 코일(R2)의 저항값(온도)이 동일하도록 구성되고, 증폭기(902)의 출력값은 영이 된다. 유체가 센서관 내부에 흐르기 때문에, 코일(R2)에 의해 생성되고 유체에 가하지는 열은 코일(R1)에 전달된다. 이러한 유체 흐름의 결과, 코일(R2)의 온도는 낮아지고 코일(R1)의 온도는 높아진다. 이들 각 저항기 양단에서의 전압강하는 저항기의 온도에 비례하기 때문에, 전압(V1)은 유체의 유속 증가에 따라서 증가하고 전압(V2)은 감소하며, 그 전압차는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례한다.
정전류 유량 센서의 장점은 단순한 구조에 비해 광범위한 온도범위에서 동작이 가능하다는 점 및 센서관에 유입되는 유체의 주위온도의 변화에 따라 반응한다는 점이다. 이에 따라, 센서관에 유입되는 유체의 주위온도가 변화함에 따라서, 각 코일(R1, R2)의 저항이 변화한다. 그러나, 코일(R1, R2)의 온도(따라서, 저항)가 유체의 유속의 변화에 안정적으로 반응하는 데에는 비교적 긴 시간을 필요로 한다.
빈번하게 사용되는 다른 유형의 유량 센서로는 정온 유량 센서가 있으며, 그 예가 도 2 내지 4에 예시되어 있다. 도 2의 정온 유량 센서에 도시된 바와 같이, 가열저항기 또는 코일(R1a, R1b)은 센서관의 상류 및 하류 부분에 각각 배치되고, 유체는 센서관내를 화살표(X) 방향으로 흐른다. 도 1의 정전류 유량 센서에서와 같이, 하류 및 상류 코일(R1a, R1b)은 모두 큰 열저항계수를 가진다. 각 코일(R1a , R1b)의 저항(따라서, 온도)은 분리 및 독립된 회로에 의해, 저항기(R2a, R3a, R4a) 및 저항기(R2b, R3b, R4b)의 저항값에 의해 각각 좌우되는 동일한 소정값으로 고정된다. 센서관을 흐르는 유체의 유속과 무관하게, 각 코일(R1a, R1b)의 저항을 동일한 소정 저항값(따라서, 온도)으로 유지하기 위해 제어회로가 제공된다.
유체의 흐름이 없는 경우에, 도 2의 회로는 하류 및 상류 코일(R1a, R1b) 각각의 저항(및 온도)이 동일한 소정값으로 설정되도록 구성되며, 그 회로의 출력은 영이 된다. 유체가 센서관 내부에 흐르기 때문에, 상류 코일(R1b)에서 생성된 열은 코일(R1a)쪽으로 전달된다. 그 결과, 하류 코일(R1a)을 고정된 온도로 유지하기 위해 필요한 에너지가 상류 코일(R1b)을 동일한 고정 온도로 유지하기 위해 필요한 에너지보다 작다. 각 코일(R1a, R1b)을 소정 온도로 유지하기 위해 필요한 에너지양의 차이는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례하는 것으로 측정된다.
또한, 도 2를 참조하여 설명된 정온 유량 센서는 구성하기도 비교적 용이하다. 또한, 도 2의 회로는, 도 1을 참조하여 설명된 정전류 유량 센서보다 센서관에 유입되는 유체의 유속의 변화에 대해 안정적으로 반응하도록 소요되는 시간이 더 짧다. 그러나, 각 코일(R1a, R1b)은 센서관 내부로 흐르는 유체의 주위 온도와는 무관하게 소정 온도로 설정되어 유지되기 때문에, 센서관 내부로 흐르는 유체의 주위 온도가 상승하는 경우에는 문제가 발생하게 된다. 특히, 센서관 내부에 흐르는 유체의 주위 온도가 상류 및 하류 코일에 의해 유지되는 소정 온도에 도달하게 되면, 회로는 유체의 유속의 차이를 분별하는 기능을 잃어버리게 되고, 유체의 주위 온도가 이러한 소정 온도보다 높아지면, 센서는 작동불능상태가 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 많은 대체 정온 유량 센서가 제공되어 왔다. 예를 들면, 도 3의 회로는 기체 또는 유체의 주위 온도의 변화에 적어도 일정 정도 반응할 수 있는 정온 유량 센서를 제공한다. 또한, R1b 와 R2b는 큰 열저항계수를 갖는 하류 및 상류 온도 센싱 코일이다. 그러나, 도 2의 회로에서 코일의 온도를 소정 상수값으로 유지하는 것보다는, 도 3의 회로에서 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 온도로 센서 코일(R1b, R2b)의 온도를 유지하는 편이 낫다. 이것은 상류 및 하류 회로의 각각에 센서 코일(R1b, R2b)과 비슷한 열저항계수를 갖는 코일(R3b, R4b)을 추가로 삽입함으로써 달성된다. 유체의 주위 온도가 변함에 따라, 온도 설정 저항기(R5b, R6b)에 코일 저항(R3b, R4b)을 직렬로 부가하게 되면, 상류 및 하류 저항 코일의 온도가 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높이 유지되도록 온도가 상승하게 된다. 도 2의 회로에서와 같이, 코일(R1b, R2b)을 동일한 온도로 유지하기 위해 하류 및 상류 회로 각각에 의해 공급되는 에너지양의 차이는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례한다.
당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 도 3의 회로가 적정하게 동작하기 위해서는, 하류 회로의 각 요소의 값 및 열특성이 상류 회로의 대응 요소의 값 및 열특성과 일치시키는 것이 중요하다. 따라서, 하류 및 상류 코일(R1b, R2b)의 저항은 동일한 값을 가져야 하고, 동일한 열저항계수를 가져야 한다. 또한, 저항기(R3b)는 저항기(R4b)와 동일한 저항값 및 동일한 (바람직하게는 큰) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R5b)는 저항기(R6b)와 동일한 저항값 및 동일한 (바람직하게는 영) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R7b)는 저항기(R10b)와 동일한 저항값 및 동일한 (바람직하게는 영) 열저항계수를 가져야 하고, 저항기(R9b)는 저항기(R8b)와 동일한 저항값 및 동일한 (바람직하게는 영) 열저항계수를 가져야 하고, 그리고 증폭기(911, 912)는 동일한 동작 및 온도 특성을 가져야 한다.
저항기(R3b, R4b)의 부가에도 불구하고, 도 3의 회로에는 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도가 상승함에 따라, 유체의 주위 온도에 상대적인 상류 및 하류 코일간의 비례적인 온도차이가 작아지기 때문에 센서의 정확성이 떨어지는 문제가 있다. 더구나, 센서를 일정 온도로 조정하면 일종의 부가 회로없이 다른 주위 온도 에서 반드시 활용할 수 있는 것은 아니라는 점에서 드리프트(drift)에 따른 문제점이 있다.
상기한 문제점중 일부를 해결하기 위해, 미국 특허 제5,401,912호는 일정한 온도 상승(주위보다 높게) 유량 센서를 제안하고 있으며, 그 일 예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 회로는 상류 및 하류 센서 코일(R2, R1)이 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 소정값으로 유지되도록 동작한다. 도 4의 회로는 필연적으로 영인 열저항계수를 갖는 도 2의 고정값 저항기(R3a, R3b)를 크고 일정한 값의 열저항계수를 갖는 저항기(R5, R6)로 각각 대체한 점을 제외하고는 도 2의 회로와 동일하다. 이러한 변형때문에, 도 4의 회로는 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높게 일정 온도를 유지하는 것으로 알려진다. 따라서, 도 4에 도시된 이러한 유량 센서는 정온 차이(주위보다 높게) 또는 정온 상승(주위보다 높게) 유량 센서라고 한다.
상기한 정온 유속 센서는 각각 분리 및 독립된 상류 및 하류 회로를 이용하여 상류 및 하류 코일의 온도를 특정 값 또는 센서관내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 특정 값으로 설정한다. 이러한 각 회로들의 단점은 이들 회로가 상류 및 하류 회로의 대응 회로 요소(예를 들면, 저항기, 코일, 및 증폭기)들간의 밀접한 일치를 요구한다는 점이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 저항기, 제2 저항기, 제1 회로, 및 제2 회로를 포함하는 센서가 제공된다. 상기 제1 및 제2 저항기는 각각 물리적 성질의 변화에 따라 변하는 저항을 가진다. 상기 제1 회로는 상기 제1 저항기에 전기적으로 연결되고 상기 제1 저항기의 저항을 설정한다. 상기 제2 회로는 상기 제2 저항기에 전기적으로 연결되고 상기 제2 저항기의 저항이 상기 제1 저항기의 저항과 같도록 조절한다. 처리 회로가 상기 제1 및 제2 회로에 전기적으로 연결되어 상기 제1 및 제2 회로에 의해 상기 제1 및 제2 저항기에 각각 제공된 에너지양의 차이를 측정한다. 상기 제1 및 제2 저항기의 저항이 온도의 변화에 따라 변화하고, 상기 제1 및 제2 저항기가 유체가 흐르는 관 주위에 배치되는 경우에, 센서는 관내에 흐르는 유체의 유속을 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유량 센서가 제공된다. 상기 유량 센서는 제1 감열 코일, 제2 감열 코일, 제1 회로, 제2 회로, 및 처리 회로를 포함한다. 상기 제1 및 제2 감열 코일은 유체가 흐르는 관 주위에 소정의 간격을 두고 배치되고, 각각은 온도에 따라 변화하는 저항을 갖는다. 상기 제1 회로는 상기 제1 감열 코일에 전기적으로 연결되고 상기 제1 감열 코일의 저항을 소정 온도에 대응하는 값으로 설정한다. 상기 제2 회로는 상기 제2 감열 코일에 전기적으로 연결되고 상기 제2 감열 코일의 저항이 상기 제1 감열 코일의 저항과 동일하도록 상기 제2 감열 코일에 제공되는 소정의 전류량을 조절한다. 상기 처리 회로는 상기 제1 및 제2 회로에 연결되고 상기 제1 및 제2 회로에 의해 상기 제1 및 제2 감열 코일에 각각 제공되는 에너지양의 차이를 측정한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 저항기의 저항과 제2 저항기의 저 항을 평형시키는 방법이 제공된다. 상기 제1 및 제2 저항기의 저항은 온도에 따라 변화하고, 상기 방법은 상기 제1 저항기의 저항을 제1 값으로 설정하는 단계와 상기 제2 저항기의 저항을 상기 제1 저항기의 제1 값과 일치하도록 상기 제2 저항기에 소정의 전류를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 저항기의 저항을 설정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 (a) 상기 저항기가 주위에 배치된 관내로 흐르는 유체의 주위 온도를 측정하는 단계, (b) (a)단계에서 측정된 상기 주위 온도를 소정값만큼 상승시켜 상기 저항기에 설정된 소정의 온도를 판별하는 단계, (c) (b)단계에서 판별된 상기 소정의 온도에 대응하는 소정값을 계산하는 단계, (d) 상기 저항기의 저항이 (c)단계에서 계산된 상기 소정값이 되도록 하기 위해 프로그램 가능한 분압기에 의해 제공되는 분할비를 결정하는 단계, 및 (e) (d)단계에서 결정된 상기 분할비를 제공하도록 상기 프로그램 가능한 분압기를 구성하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 정전류 유량 센서를 예시한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 3은 종래 기술에 따른 유체의 주위 온도의 변화에 대응할 수 있는 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 유체의 주위 온도의 변화에 대응할 수 있는 정온 유량 센서의 다른 경우를 예시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 6A는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 6B는 도 6A의 정온 유량 센서에 사용되는 온도 설정 루틴의 흐름도를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정온 유량 센서를 예시한 도면.
본 발명의 실시예는 첨부 도면들과 함께 이하의 상세한 설명을 통해 보다 완전하게 이해되며, 도면 중에서 동일 참조번호는 동일한 구성을 지칭한다.
도 5, 도 6A, 및 도 7 내지 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다수의 상이한 유량 센서를 예시한 도면이다. 도 5, 도 6A, 및 도 7 내지 9의 각 도면에 있어서, 참조 지정기(reference designator)(R1)는 상류 코일을 나타내고, 비교 지정기(R2)는 하류 코일을 나타낸다. 종래 기술에 있어서와 같이, 코일(R1, R2)은 유체가 흐르는 센서관(미도시) 주위에 소정 간격을 두고 배치되어 있다. 여기에서 용어 정의에 있어서, 유체라는 말은 고체, 액체, 또는 기체 상태의 어떤 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 의미한다. 각 코일(R1, R2)은 크고 실질적으로 동일한 열저항계수를 가지고, 각 코일(R1, R2)의 저항은 온도에 따라 변화한다.
도 2 내지 4의 정온 유량 센서와 달리, 본 발명의 실시예에 따른 유량 센서는 상류 및 하류 코일의 온도를 동일한 값으로 독립적으로 설정하기 위한 분리된 상류 및 하류 회로를 사용하지 않는다. 오히려, 본 발명의 실시예는 공통 회로를 사용하여 상류 및 하류 코일중 어느 하나를 소정 온도 또는 주위보다 높은 소정 온도로 설정하고, 그런 다음 상기 상류 및 하류 코일중 다른 하나에 소정의 전류를 공급하여 상기 상류 및 하류 코일의 저항, 따라서 온도가 동일하게 되도록 한다. 그 결과, 본 발명의 실시예는 도 2 내지 4의 분리된 상류 및 하류 회로에서 요구되는 부품의 값과 특성의 밀접한 일치를 필요로 하지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서를 단순화한 개략도이다. 대강의 개관을 해보건대, 도 5의 회로는 두 가지 주요 기능을 수행하는 바, 그 두 가지 기능은 하류 코일(R2)의 온도를 소정 온도 또는 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 소정 온도로 설정하는 기능과 상류 코일(R1)의 저항값(따라서, 온도)이 하류 코일(R2)과 같아지도록 하는 기능이다. 동작에 있어서, 도 5의 회로는 상류 코일(R1)의 저항이, 하류 코일(R2)에 설정된 실질적인 저항값과는 무관하게, 하류 코일(R2)의 저항과 동일하게 되도록 한다. 도 5의 회로의 동작은 그 반대가 될 수도 있어서, 상류 코일(R1)의 온도가 소정 온도 또는 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 소정 온도로 설정되고, 하류 코일(R2)의 저항값(따라서, 온도)이 상류 코일(R1)과 같아지게 되는 것으로도 이해된다. 도 2 내지 4의 유량 센서와 비교하건대, 상류 및 하류 코일에 공급되는 에너지양의 차이는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례한다.
도 5를 참조하면, 고이득 연산 증폭기(51)에 의해 생성된 전류는 회로의 두 개의 상이한 저항 분기 즉, R'과 R''의 직렬 연결에 의해 형성되는 제1 저항 분기, 그리고 R'''과 R2의 직렬 연결에 의해 형성되는 제2 저항 분기에 공급된다. 도 5의 실시예에 있어서, 연산 증폭기(51)는 에미터폴로워로 구성되고 저항(R)을 통해 공급전압(Vcc)에 연결된 트랜지스터(T5)에 의해 완충되어 있다. 트랜지스터(T5)와 저항(R)의 조합은 버퍼(55)로서 동작한다. 다른 유형의 버퍼 회로도 사용될 수 있고, 본 발명이 버퍼(55)의 특별한 구현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 버퍼 회로의 사용은 연산 증폭기(51)의 출력여유에 따라 좌우되기 때문에, 그 사용을 생략할 수도 있다. 따라서, 비록 도 5, 도 6A, 및 도 7 내지 9의 각각에 버퍼(55)가 도시되어 있지만, 본 발명이 그러한 내용으로 제한되는 것은 아니다.
연산 증폭기(51)의 입력부중 하나는 제1 저항 분기의 R'과 R''의 직렬 연결 사이에 연결되고, 다른 입력부는 제2 저항 분기의 R'''과 R2의 직렬 연결 사이에 연결된다. 도 5에 도시된 실시예에 있어서, 연산 증폭기(51)의 비반전(+) 입력부는 제1 저항 분기의 중간 지점에 연결되고, 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부는 제2 저항 분기의 중간 지점에 연결된다. 다른 대체 실시예(미도시)에 있어서, 연산 증폭기(51)의 비반전(+) 입력부는 제2 저항 분기의 중간 지점에 연결되고, 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부는 제1 저항 분기의 중간 지점에 연결된다.
코일(R1)은 코일(R2), 가변 전류(ΔI)를 제공하는 가변 전류원(52), 및 고이 득 연산 증폭기(53)에 연결된다. 연산 증폭기(53)의 반전(-) 입력부는 코일(R2), 코일(R1), 및 가변 전류원(52)에 연결된다. 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부는 접지되어 있기 때문에, 코일(R2), 코일(R1), 및 가변 전류원(52)간의 연결점 또한 접지 전위(즉, 가상 접지)이다. 도 5에 예시된 것은 아니나, 버퍼(55)와 유사한 버퍼 회로가 연산 증폭기(53)의 출력부와 코일(R1) 사이에 연결되거나, 또는 선택적으로, 연산 증폭기(53)가 완충된 출력단을 포함할 수도 있다.
연산 증폭기(51)의 각 입력부가 각 저항 분기의 중간 지점과 연결되고, 코일(R2)이 가상 접지 되어 있으므로 인해, 각 저항 분기의 중간 지점에서의 전압이 동일하게 되어, 그 결과 R'/R''=R'''/R2가 된다. 따라서, 제1 저항 분기(R', R'')는 R'''/R2비를 설정하는 분압기로 기능한다. R''/R2비를 조절함으로써, 코일(R2 )의 저항, 따라서 온도가 소정값으로 설정된다. 일 실시예에 있어서, 저항기(R'')는 코일(R2)의 저항, 따라서 온도를 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 소정값으로 설정하기 위해 계산되는 저항값을 갖는 프로그램 가능 저항기를 포함한다. 비록 본 발명이 특정값에 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는, 코일(R2)의 온도는 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도보다 높은 대략 30° 내지 100°로 설정된다. 다른 실시예에 있어서, 저항기(R'')는 높은 열저항계수를 갖는 저항기를 포함하기 때문에, 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도가 변화하면, 코일(R2)의 저 항, 따라서 온도가 비례적으로 변화한다. 물론, R2=(R''R''')/R'이기 때문에, 저항기(R', R'', 및 R''')중 하나 또는 그 이상은 선택적으로 가변 저항기 또는 온도 의존 저항기를 포함할 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, R'와 R''의 직렬 조합은 코일(R2)의 저항을 소정값으로 설정하기 위한 디지털 아날로그 변환기를 포함하는 프로그램 가능한 분압기로 대체될 수도 있다.
동작에 있어서, 도 5의 회로는 코일(R1)의 저항, 따라서 온도를 코일(R2)과 동일하게 유지하기 위해 소정의 전류(ΔI)를 주입한다. 그 결과, 이하의 식이 유지되고,
R1=V1/I1 (1)
R2=V2/I2 (2)
I1=ΔI + I2 (3)
따라서,
ΔI/I2 = (V1-V2)/V2 (4)
이고, 코일(R1)의 저항(따라서, 온도)이 코일(R2)의 저항(따라서, 온도)과 동일한 경우에, ΔI/I2비는 센서관을 통해 흐르는 유체의 유속에 비례하는 V1과 V2 간의 차이를 V2로 나눈 것과 동일하다.
도 2 내지 4의 회로에서와 같이, 출력 전압(V1, V2) 값에 근거하여, 유체의 유속을 계산하거나, 모니터하거나, 표시하거나, 또는 조절하는 다른 처리 회로(미도시)에 출력 전압(V1, V2)이 제공될 수도 있다. 예를 들면, 출력 전압(V1, V2)은 증폭기의 입력부에 제공될 수도 있고, 증폭기의 출력부와 출력 전압(V2)은 (V1-V2)/V2비를 형성하는 분할 회로에 제공될 수도 있다. 이러한 다른 처리 회로는 당업자에게는 잘 알려지고 이해되는 것들이므로, 그 처리 회로에 대한 상세한 설명은 여기에서 생략한다.
장점으로는, 종래 기술인 정온 및 정온상승(주위에 비해) 유량 센서에서 요구되는 독립된 상류 및 하류 회로에서의 대응 요소들간의 밀접한 일치가 도 5의 회로에서는 요구되지 않는다는 점이다. 예를 들면, 도 2 내지 4의 각 온도센서에 있어서, 상류 및 하류 코일의 저항(및 온도)이 분리 및 독립된 상류 및 하류 회로에 의해 특정 수치값으로 설정되기 때문에, 상류 및 하류 회로의 대응 요소들은 일치하여야 할 뿐 아니라 유체의 주위 온도의 변화에 대해 동일한 방식으로 변화해야 한다. 만약, 요소 값 및 특성의 불일치가 있는 경우에는, 유체의 유속상의 변화가 있는 것으로 판단되어질 것이다. 따라서, 도 4의 센서에 있어서, R1은 R2와 동일해야 하고, R3은 R4와 동일해야 하고, R5은 R6와 동일해야 하고, R7은 R8와 동일해야 하고, 트랜지스터(112)와 차동 증폭기(114)의 전기적 특성은 트랜지스터(113)와 차동 증폭기(115)의 전기적 특성과 동일해야 하고, 그리고 상류 회로의 모든 부품들의 열특성은 하류 회로의 모든 대응 부품들과 일치하여야 한다. 실질적으로, 부품의 수치 및 특성상의 이러한 밀접한 일치는 달성하기가 어려우며, 정밀한(그리고 비싼) 부품을 사용하는 경우에도 마찬가지다.
종래 기술의 정온 유량 센서와 달리, 도 5의 유량 센서는 회로 부품의 밀접한 일치를 요구하지 않는다. 특히, 저항기(R''')가 온도에 대해 안정되고, R'의 R''에 대한 비율 또한 온도에 대해 안정(예를 들면, R'/R''=K, K 는 상수)된다면, 저항기(R', R'', R''')의 실저항값이 중요한 것은 아니다. 또한, 회로 5는 하류 및 상류 코일(R1, R2)이 동일할 것을 요구하지 않으며, 그러한 동일성을 실제로 획득하기가 용이하지 않고, 동일한 저항값에서의 두 코일간의 온도 차이가 상이한 저항값에 대해 비교적 일정하다면, 코일(R1, R2)의 실온도가 동일 저항값에서 같아질 필요는 없다.
도 6A는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정온 유량 센서의 개략적인 도면을 예시한 것이다. 도 6A에 있어서, 참조번호(62)로 표시된 회로부는 도 5의 가변 전류원(52)의 일 구현예에 해당한다. 참조번호(61)로 표시된 나머지 회로부는 도 5의 나머지 회로부에 해당한다.
도 5를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 버퍼(55)(도 5에 도시된 에미터폴로워를 포함할 수도 있음)는 연산 증폭기(51)에 의해 생성된 전류를 회로의 두 저항 분기, 즉 저항기(R', R'')를 포함하는 제1 저항 분기와 저항기(R''')와 코일(R2)를 포함하는 제2 저항 분기에 공급한다. 도 5의 회로에서와 마찬가지로, 고이득 연산 증폭기(51)의 입력부중 하나는 제1 저항 분기의 R'와 R''의 직렬 연결 사이에 연결되고, 다른 입력부는 제2 저항 분기의 R'''와 R2의 직렬 연결 사이에 연결된다. 코일(R1)과 고이득 연산 증폭기(53)의 반전(-) 입력부는 코일(R2)에 연결되고, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부는 접지된다. 도 5의 회로에서와 마찬가지로, 연산 증폭기(51)의 각 입력부가 저항 분기 각각의 중간 지점에 연결되고 코일(R2)이 가상 접지되기 때문에, 각 저항 분기의 중간 지점에서의 전압이 동일하게 되며, 그 결과 R'/R''=R'''/R2가 된다. 반복하건대, R'과 R''의 직렬 연결은 분압기로 동작하며, 코일(R2)의 저항, 따라서 온도가 소정값로 설정되도록 R''의 값을 조절한다.
도 6A에 예시된 실시예에 있어서, 가변 전류원(52)(도 5)은 단위 이득 계측 증폭기(63), 디지털 아날로그 변환기(DAC)(64), 단위 이득 계측 증폭기(66), 아날로그 디지털 변환기(A/D)(65), 및 비례/적분/미분 (PID) 제어기(69)를 포함한다.
계측 증폭기(63)의 반전(-) 입력부는 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부와 전압(V2)에 연결되고, 계측 증폭기(63)의 비반전(+) 입력부는 버퍼(55)의 출력부에 연결된다. 이러한 연결로 인해, DAC(64)에 기준 입력 전압으로 제공되는 계측 증폭기(63)의 출력(Vref)은 다음 식으로 주어진다.
Vref=[(V2+I2R''')-V2]=I2R''' (5)
당업자에게 알려진 바와 같이, 디지털 아날로그 변환기의 출력 전압(VDAC)은 다음 식에 의해 결정된다.
VDAC=[Vref*X]/2n (6)
여기에서, Vref는 DAC에 제공되는 기준 입력 전압이고, X는 DAC에 제공되는 디지털 입력 워드이고, 그리고 2n은 입력 워드(X)의 최대 허용값을 의미한다.
따라서, 도 6A에 있어서, DAC(64)에 의해 제공되는 출력 전압은 다음 식에 의해 주어진다.
VDAC=[I2R'''*X]/2n (7)
가변 전류원(62)에 의해 공급되는 전류(ΔI)의 값은 VDAC/R이기때문에, R'''=R인 경우에는 다음 등식이 얻어진다.
Δ I/I2=X/2n (8)
이제 도 6A의 하단부를 참조하면, 이진 워드(X)를 생성하는 회로가 제공되고, 상기 이진 워드(X)는 DAC(64)에 입력이 제공되면, DAC(64)의 출력을 야기하여 적절한 양의 전류(ΔI)를 코일(R1)에 제공하며, 그 결과 코일(R1)의 저항은 코일(R2)의 저항과 같아지게 된다. 도 6A에 도시된 바와 같이, 연산 증폭기(66)의 비반전(+) 입력부는 전압(V1)을 수신하고 연산 증폭기(66)의 반전(-) 입력부는 전압(V2)을 수신한다. 또한, 전압(V2)은 A/D(65)의 기준 전압 입력부에 기준 전압으로 제공된다. 따라서, 연산 증폭기(66)는 V1과 V2간의 차이와 동일한 출력을 A/D(65)의 입력부에 제공한다. V1과 V2간의 차이(즉, V1-V2)를 제공하는 회로의 더 상세한 구조는 참조번호를 66'으로 하여 도 6A에 예시되어 있다.
당업자에게 알려진 바와 같이, 아날로그 디지털 변환기(A/D)의 이진 출력 워드(X)는 다음 관계식에 의해 결정된다.
X=Y2n/Vref (9)
여기에서, Vref는 A/D에 제공되는 기준 입력 전압이고, Y는 A/D에 제공되는 아날로그 입력 전압이고, 그리고 2n은 출력 워드(X)의 최대 허용 이진값을 의미한다. 따라서, 도 6A에 있어서, A/D(65)에 의해 생성된 이진 출력 워드는 다음 등식에 의해 주어진다.
X=(V1-V2)2n/V2 (10)
식(10)을 식(8)에 대입하면 다음 식이 얻어지며,
ΔI/I2=[(V1-V2)2n/V2]/2n=(V1 -V2)/V2 (11)
이는 식(4)와 동일한 것이다. 따라서, A/D(65)는 V1-V2의 V2에 대한 비를 나타내는 이진수(X)를 생성하며, 일정한 추가적인 처리 이후에 DAC(64)의 입력부에 제공되면, 적절한 양의 ΔI를 생성하여 코일(R1)에 제공함으로써, 코일(R1)의 저항과 코일(R2)의 저항은 동일하게 된다.
당업자에게는 잘 이해되는 바와 같이, 이진수(X)가 DAC(64)의 입력으로서 직접 공급되면, 도 6A의 회로는 불안정하게 된다. 특히, 영인 유체 흐름 상태에서 영이 아닌 유체 흐름 상태로 변화게 될 때, 및 그 반대의 경우에, A/D(65)에 의해 제공된 출력(X)은 코일(R1)에 저항을 야기하여 R2의 저항과 달라지게 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, A/D(65)의 출력(도 6A에서 X'로 도시)은 비례/적분/미분 (PID) 제어기(69)에 입력되고, 상기 PID 제어기(69)의 출력은 DAC(64) 의 입력(X)으로 제공된다. 도 6A에 있어서, A/D(65)의 출력(X')은 PID 제어기(69)의 궤환 입력으로 제공되고, PID 제어기(69)의 출력은 상기 PID 제어기(69)의 설정값으로 연결된다. PID 제어기 및 이와 유사한 제어 회로의 사용 및 구조는 당업자에게는 잘 알려진 바, PID 제어기(69)의 추가적인 설명은 여기에서 생략한다.
도 6A의 회로는 ΔI/I2의 비가 V1과 V2의 차이를 V2로 나눈 것과 동일하도록 하기 때문에, 도 6A의 회로가 유량 센서내의 드리프트 감지를 가능하게 한다. 특히, ΔI의 소정의 변화가 있게 되면, (V1-V2)/V2의 크기는 센서관 내로 흐르는 유체의 유속 및 주위 온도와는 무관하게, 비례적으로 변화한다. 만약, 시간(T1)에서, ΔI의 변화가 (V1-V2)/V2의 크기상 일정값의 변화를 유발하고, 그 이후의 시간(T2)에서, ΔI의 동일한 변화가 (V1-V2)/V2의 크기상 다른 값의 변화를 유발한다면, 유량 센서는 드리프트하고 있는 것으로 판단될 것이다. 이는 통상적인 유량 센서에서는 중요한 것이기 때문에, 센서내의 드리프트와 감지된 흐름의 변화량간의 차이를 사 정한다는 것은 거의 불가능하다. 도 6A의 유량 센서 회로에서 드리프트를 감지하는 것은 가능하기 때문에, 많은 수정 작업들이 취해지게 될 것을 이해할 수 있다. 예를 들면, 센서내의 드리프트가 감지되는 즉시, 일정한 경계 조건이 설정되어 센서가 드리프트하고 있음을 직원에게 통지할 수도 있다. 그런 다음, 센서는 제조업자에게 반품되어 재조정될 것이다. 선택적으로는, 센서내의 드리프트가 감지되는 즉시, 그러한 드리프트를 보상하기 위해 수정 계수를 공급하는 것이다.
이제, 도 6A의 정온 유량 센서에 사용될 수 있는 예시적인 온도 설정 루틴의 흐름도를 도 6B를 참조하여 설명한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 유량 센서는 때때로 유량 제어기의 단지 일부를 구성한다. 유량 제어기의 다른 부분은 통상적으로 하나 도는 그 이상의 밸브, 주요 유량 경로, 및 프로세서(예를 들면, CPU)를 포함하여, 프로세서는 유량 센서에 의해 결정된 유속에 따라서 주요 유량 경로를 통해 흐르는 유체의 양을 감지하고 그 양을 제어하기 위해 밸브를 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 설정 루틴이 제공되며, 이는 센서의 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들중 어느 하나의 저항값을 설정하기 위해 유량 제어기의 처리기에서 실행되는 소프트웨어에서 구현된다. 센서의 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들중 어느 하나를 특정값으로 설정한 후에, 도 5 및 6A를 참조하여 설명된 저항 평형 센서 회로를 사용하여 센서의 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들중 다른 하나의 저항값을 평형시킨다. 그런 다음, 이들 저항이 서로 동일하게 되면 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들 각각에 공급된 에너지양의 차이를 감지함으로써, 센서관 내를 흐르는 유체의 유속, 따라서 주요 유량 경로를 흐르는 유체의 유속이 결정된다. 아래에서 설명될 온도 설정 루틴은 소프트웨어로 구현될 필요는 없으나, 선택적으로는, 전용 상태 기계 또는 다른 제어 논리로 구현될 수도 있다. 더구나, 도 6B의 온도 설정 루틴은 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들중 어느 하나의 온도를, 센서관에 유입되는 유체의 주위 온도보다 높은 소정 온도보다는 일정 소정 온도로 설정하기 위해 변형될 수도 있다.
단계(601)에서, 온도 설정 루틴은 센서관 내에 유입되는 유체의 주위 온도를 측정한다. 이 단계는 예를 들면, 센서관 내로 유입되는 유체와 열적으로 접촉상태에 있는 온도계(미도시)를 모니터링하거나, 주요 유체 경로와 열적으로 접촉상태에 있는 온도계를 모니터링하여 수행될 수 있다. 센서관 내로 유입되는 유체의 주위 온도를 측정한 후에, 루틴은 다음 단계(611)로 진행하여, 상류(R1) 및 하류(R2) 코일들중 어느 하나에 설정되는 온도를 결정한다. 예를 들면, 도 6A의 실시예에 있어서, 하류 코일(R2)이 R=(R''R''')/R'을 기초로 소정 온도로 설정되고, 전류(ΔI)의 양은 상류 코일(R1)의 저항이 하류 코일(R2)의 저항과 같아지도록 설정하기 위해 조절되고, 하류 코일(R2)에 설정되는 온도는 다음 관계식을 기초로 하게 되며,
T=TAmbient+TRise (12)
여기에서, TAmbient는 단계(601)에서 측정된 주위 온도이고, TRise는 30° 내지 100°에서의 고정값이다. 일반적으로, TRise의 값은 센서관 내로 유입되는 유체의 주위 온도보다 적어도 수십도 높으나, 너무 높아서 민감한 반응 유체에서 문제가 발생할 정도는 아니다.
단계(611)에서, 하류 코일(R2)에 설정되는 온도를 결정한 후에, 루틴은 다음 단계(621)로 진행한다. 단계(621)에서, 이전 단계(611)에서 결정된 코일(예를 들면, R2)의 온도에 기초하여 하류 코일(R2)에 설정되어야 하는 적절한 저항값이 결정된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 코일 저항의 제2차 근사는 다음 관계식에 의해 주어지며,
Rcoil=R0(1+αT+βT) (13)
여기에서, Rcoil은 코일(R2)의 0℃에서의 저항이고, α와 β는 상수이고, 그리고 T는 단계(611)에서 결정된 코일의 소정의 온도이다. 단계(621)에서 코일 저항을 결정한 후에, 루틴은 다음 단계(631)로 진행하여, R''/R의 비로 설정되는 분할비를 결정한다. 도 6A를 참조하여 설명한 바와 같이, 분할비는 하나 또는 그 이상의 가변 저항기의 저항을 조절하거나, 디지털 아날로그 변환기(DAC)를 포함하는 프로그램 가능한 분압기 회로를 이용하거나, 또는 당업자에게 알려진 다른 방법들에 의해 설정될 수 있다. 예를 들면, R'와 R''의 직렬 조합은 버퍼(55)의 출력을 수신하는 전압 기준 입력부, 연산 증폭기(51)의 비반전(+) 입력부에 연결된 출력부, 및 소정의 분할비를 제공하기 위해 소정값의 입력 워드(X)를 수신하는 입력부를 갖 는 DAC(미도시)에 의해 대체될 수 있다.
코일(R2)의 저항을 소정값으로 설정하기 위해 필요한 분할비를 결정한 후에, 루틴은 다음 단계(641)로 진행하여, 이전 단계(631)에서 결정된 R''/R'의 비의 값으로 설정되고, 그리고 루틴은 종료된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 센서를 예시한 도면이다. 도 6A의 유량 센서와 달리, 도 7의 유량 센서는 가변 전류원(예를 들면, 도 6A의 가변 전류원(52))에 의해 제공되는 전류(ΔI)의 양을 설정하기 위한 계산 회로를 사용하지 않는다. 대신에, 도 7의 회로는 회로의 다양한 저항 분기내의 전류량을 평형시켜 상류 코일(R1)과 하류 코일(R2)의 저항값을 동일하게 유지한다.
도 5 및 6A를 참조하여 설명한 방식과 유사하게, 연산 증폭기(51)로부터의 전류는 버퍼(55)를 경유하여 회로의 두 저항 분기, 즉 저항기(R', R'')를 포함하는 제1 저항 분기와 저항기(R''')와 코일(R2)를 포함하는 제2 저항 분기에 다시 제공된다. 도 5 및 6A의 회로와 마찬가지로, 고이득 연산 증폭기(51)의 입력부중 하나는 제1 저항 분기의 R'와 R''의 직렬 연결 사이에 연결되고, 다른 입력부는 제2 저항 분기의 R'''와 R2의 직렬 연결 사이에 연결된다. 코일(R1)과 고이득 연산 증폭기(53)의 반전(-) 입력부는 코일(R2)에 연결되고, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부는 접지된다. 도 5의 회로에서와 마찬가지로, 연산 증폭기(51)의 각 입력부가 저항 분기 각각의 중간 지점에 연결되고 코일(R2)이 가상 접지되기 때문에, 각 저항 분기의 중간 지점에서의 전압이 동일하게 되며, 그 결과 R'/R''=R'''/R2가 된다. 반복하건대, R'과 R''의 직렬 연결은 분압기로 동작하며, 코일(R2)의 저항, 따라서 온도가 소정값으로 설정되도록 R''의 값을 조절한다.
도 6A의 회로와 달리, 도 7의 회로에는 고이득 연산 증폭기(71)가 포함되며, 상기 연산 증폭기(71)는 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부에 연결된 비반전(+) 입력부와, 연산 증폭기(71)의 출력으로부터 궤환 받는 반전(-) 입력부를 가진다. 동작에 있어서, 연산 증폭기(71)는 전압(V2)을 반영하는 버퍼로 작용하며, 이 전압을 R2'에 제공한다. 고이득 연산 증폭기(72)는 R2'와 R1'에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결된다. 연산 증폭기(72)의 반전(-) 입력부는 상기 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결되고, 연산 증폭기(72)의 비반전(+) 입력부는 접지되어 있다. 연산 증폭기(72)의 출력부는 R1'을 통해 궤환되며, 코일(R1)에도 연결된다. 제4 저항 분기는 R2와 R1의 직렬 연결에 의해 구성된다. 연산 증폭기(72)는 R2 '와 R1'에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점의 전압이 R2와 R1의 직렬 연결에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점의 전압과 동일해 지도록 동작하며, R2'와 R2 및 R1'와 R1에 흐르는 전류는 동일한 비율을 가지며, 그 결과 R2 '/R1'=R2/R1이 된다.
참조번호(75)로 표시되는 도 7의 회로의 나머지 부분은 가변 전류원으로 기 능하며, 코일(R1)의 저항이 코일(R2)의 저항과 동일해지도록 상류 코일(R1)에 소정의 전류(ΔI)를 제공한다. 도시된 바와 같이, 저항기(R3)는 연산 증폭기(53)의 반전(-) 입력부와 출력부 사이에 연결되고, 저항기(R3')는 연산 증폭기(53)의 출력부와 R2'와 R1'에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점 사이에 연결되고, 그리고 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부는 접지된다.
R2와 R1에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에서의 전류는 다음 관계식에 의해 결정된다.
I2+ΔI-I1=0 (14)
여기에서, -V0=ΔIR3이고, V2=I2R2이고, 그리고 V1=I1R1이므로, 이러한 관계식을 식(14)에 대입하고, R1=R2=R 이면,
V0=(V2/R2-V1/R1)*R3=(V2-V 1)*R3/R (15)
그리고,
ΔI/I2=(V2-V1)/V2 (16)
이며, 이는 식(4) 및 (11)에 나타낸 바와 동일한 관계이다.
상기한 바와 같이, 도 7의 회로는 상류 코일(R1)의 저항이 하류 코일(R2)의 저항과 동일해 지도록 상류 코일(R1)에 소정의 전류(ΔI)를 제공하도록 동작한다. 연산 증폭기(53)의 출력(V0)이 변함에 따라, R1/R1' = R2/R 2' = R3/R3' = K (K는 상수) 의 비율이 성립되는 한, 도 7의 회로는 평형 상태를 유지하게 됨을 이해할 수 있다. 따라서, 종래 기술의 정온 유량 센서와 달리, 이러한 비율들이 동일하고 온도에 대해 안정적인 한, 도 7의 회로는 구성요소값들의 밀접한 일치를 요구하지 않는다.
도 7의 회로는, 회로의 기본적인 동작으로부터 벗어나지 않은 채, 많은 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들면, 고이득 연산 증폭기(71)는 단위 이득 버퍼 회로에 의해 대체될 수도 있다. 선택적으로, 고이득 연산 증폭기(71)를 제거하고, 저항기(R2')를 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부에 직접 연결할 수 있기 때문에, R'/R의 비율은 R'''을 R2와 R2'의 병렬 조합으로 나눈 것과 동일하게 된다. 더구나, 도 5 및 6A 뿐만 아니라 도 7에 있어서, 직접 접지된 것으로 도시된 연결들은 선택적으로, 하나 또는 그 이상의 저항기들을 통해 접지될 수도 있다. 또한, 연산 증폭기(72, 53)는 제3 및 제4 저항 분기의 중간 지점를 일정한 수준으로 유지하는 기능을 하며, 유사한 결과를 얻기 위해 다른 회로 토폴로지들이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 연산 증폭기(72)의 비반전(+) 입력부를 접지시키지 않는 대신에, 이 입력부를 코일(R2, R1)에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에 연결하거나, 선택적으로, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부를 코일(R2', R1')에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결할 수도 있다. 이러한 대안적 구성들 각각은 저 항 분기의 중간 지점들을 접지 전위일 필요는 없는 소정의 레벨이 되게 한다. 또한, 비록 회로의 안정성을 떨어뜨릴 수도 있으나, 이러한 대안적 구성들 각각은 연산 증폭기(53, 72)간의 차이에 따른 오프셋 에러를 줄이는 데 유용하다.
도 7의 유량 센서는 도 6A의 유량 센서와 유사한 정온 상승(주위보다 높게) 센서라기보다는 정온 유량 센서이다. 그것만으로, 도 7의 회로는 아날로그 디지털 변환기 또는 디지털 아날로그 변환기를 필요로 하지 않는다. 또한, 도 7의 회로를 변형하여 도 6A의 회로와 유사한 방식으로 정온 상승(주위보다 높게) 센서를 제공할 수 있음은 당연하다. 예를 들면, 디지털 아날로그 변환기를 사용하여 R''/R'의 비와 R3/R3'의 비를 소정값으로 설정한다. 선택적으로, 높은 열저항계수를 갖는 하나 또는 그 이상의 저항기(예를 들면, R'')를 사용하여 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도의 변화를 자동으로 보상할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 센서를 예시한 것이다. 도 8의 유량 센서는 도 7을 참조하여 먼저 설명된 유량 센서와 유사하게 동작된다. 그러나, 고이득 연산 증폭기(71)는 R'''와 R2를 포함하는 제2 저항 분기의 중간 지점, 연산 증폭기(51), 및 저항기(R2')에 연결되는 단위 이득 버퍼(71')로 대체되었다. 그 결과, 연산 증폭기(51)의 반전(-) 입력부는 도 7에서와 같이 연산 증폭기(71)를 통해 R2'에 연결되기보다는 직접 R2'에 연결된다. 단위 이득 버퍼(71')는 전압(V2 )을 반영하고, 이 전압을 R2'와 R1'의 직렬 연결에 의해 구성되는 제3 저항 분기에 제공한다. 그 결과, R2'/R1'의 비와 R2/R1의 비가 동일하게 된 결과, R2'와 R2에 흐르는 전류와 R1'와 R1에 흐르는 전류가 동일하다.
도 7의 회로와 유사한 방식으로, 도 8의 회로는 상류 코일(R1)에 소정의 전류(ΔI)를 제공하여 코일(R1)의 저항이 코일(R2)의 저항과 동일하게 되도록 동작한다. 연산 증폭기(53)의 출력(V0)이 변함에 따라, R1/R1' = R2/R 2' = R3/R3' 인 한, 도 8의 회로 또한 평형 상태를 유지한다. 따라서, 종래 기술의 정온 유량 센서와 달리, 구성 요소의 밀접한 일치를 요구하지 않는다.
도 7의 회로와 마찬가지로, 도 8의 회로는 상기 회로의 기본적인 동작으로 부터 벗어나지 않은 채, 다양한 방식으로 변형될 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 연산 증폭기(72)의 비반전(+) 입력부가 접지되기보다는 코일(R2, R1)에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에 연결되거나, 또는 선택적으로, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부가 접지되기보다는 저항기(R2', R1')에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결될 수도 있다. 또한 선택적으로, 도 8의 회로가 변형되어 정온 유량 센서라기보다는 정온 상승(주위보다 높게) 유량 센서를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 저항기(R', R'')의 직렬 조합은, 연산 증폭기(51)의 출력을 수신하는 기준 전압 입력부, 연산 증폭기(51)의 비반전(+) 입력부에 접속된 출력부, 및 코일(R2)의 값을 소정값으로 설정하기 위한 적절한 값의 입력 워드를 수신하는 입력부를 갖는 디지털 아날로그 변환기로 대체될 수도 있다. 유사하게, 아날로그 디지 털 변환기를 사용하여 R3/'R3'의 비를 R2/R2'의 비와 동일하게(또는 선택적으로, ΔI/ΔI'의 비를 I2/I2의 비와 동일하게)할 수도 있다. 이는 연산 증폭기(53)의 출력을 수신하는 기준 전압 입력부, 저항기(R3)에 접속된 출력부, 및 코일(R3)의 값을 소정값으로 설정하기 위한 적절한 값의 입력 워드를 수신하는 입력부를 갖는 저항기(R3)와 연산 증폭기(53)의 출력부 사이에 디지털 아날로그 변환기를 추가로 구비하여 수행될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 센서를 예시한 도면이다. 도 9의 유량 센서는 도 8을 참조하여 먼저 설명된 유량 센서와 유사하게 동작한다. 그러나, 도 9의 연산 증폭기(53, 72)의 구성은 도 8의 구성과는 본질상 반대된다. 도 9에 있어서, 연산 증폭기(72)의 반전(-) 입력부는 R2'와 R1'에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결되고, 연산 증폭기(72)의 비반전(-) 입력부는 접지된다. 그러나, 도 8의 회로와 달리, 연산 증폭기(72)의 출력은 코일(R1)과 코일(R2)에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에 저항기(R3')를 통해 연결되며, 저항기(R3)를 통해 연산 증폭기(72)의 반전(-) 입력부로 궤환된다. 연산 증폭기(53)의 반전(-) 입력부는 코일(R1)과 코일(R2)에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에 다시 연결되고, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부는 접지된다. 따라서, 도 9에 있어서, 코일(R1)의 저항을 코일(R2)의 저항과 동일하게 하기 위해 상류 코일(R1)에 필요한 소정의 전류(ΔI)를 제공하는 회로의 일부는 연산 증폭기(72)와 저항기(R3, R3')를 포함한다. 장점으로는, 저항기(R3')가, 이득/온도 계수를 소거하고 센서관 내로 흐르는 유체의 주위 온도의 변화에 무관하게 일정한 이득을 제공하는 소정값으로 설정가능한, 가변 저항기가 될 수도 있다는 것이다.
도 8의 회로와 유사한 방식으로, 도 9의 회로는 상류 코일(R1)에 소정의 전류(ΔI)를 제공하여 코일(R1)이 저항이 코일(R2)의 저항과 동일하게 되도록 동작한다. 또한, 연산 증폭기(53)의 출력(V0)이 변함에 따라, R1/R1' = R2 /R2' = R3/R3' 인 한, 도 9의 회로 또한 평형 상태를 유지한다. 따라서, 종래 기술의 정온 유량 센서와 달리, 구성 요소의 밀접한 일치를 요구하지 않는다.
도 8의 회로와 마찬가지로, 도 9의 회로는 상기 회로의 기본적인 동작으로 부터 벗어나지 않은 채, 다양한 방식으로 변형될 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 연산 증폭기(72)의 비반전(+) 입력부가 접지되기보다는 코일(R2, R1)에 의해 구성되는 제4 저항 분기의 중간 지점에 연결되거나, 또는 선택적으로, 연산 증폭기(53)의 비반전(+) 입력부가 접지되기보다는 저항기(R2', R1')에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결될 수도 있다. 더구나, 일정한 제품의 경우, 연산 증폭기(72)의 연결을 반대로 함으로써, 연산 증폭기(72)의 반전(-) 입력부가 접지되고 비반전(+) 입력부는 저항기(R2', R1')에 의해 구성되는 제3 저항 분기의 중간 지점에 연결되도록 하는 것이 바람직할 수도 있다. 도 7 및 8의 회로와 마찬가지 로, 도 9의 회로를 변형하여 R2와 R3의 값을 소정값으로 조정 및/또는 설정할 수 있는 디지털 아날로그 변환기를 사용할 수도 있다.
도 5, 6A, 및 7 내지 9의 유량 센서 각각에서, 센서의 과도 응답이 오버슛이나 링잉없도록 개선하는 하나 또는 그 이상의 안정화 회로를 사용하는 것이 유익한것을 알 수 있다. 당업자에게 잘 알려져 있으며 도 5, 6A, 및 7 내지 9를 참조하여 설명된 유량 센서와 협력하여 사용될 수도 있는 많은 안정화 회로가 있기때문에, 이러한 회로에 대한 상세한 설명은 여기에서 생략한다.
본 발명의 실시예를 하류 코일의 온도, 따라서 저항을 소정값으로 설정하고 그런 다음 하류 코일의 저항, 따라서 온도와 동일하도록 상류 코일에 제공되는 소정의 전류량을 조절하는 것으로 하여 설명하였지만, 본 발명이 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 도 5, 6A, 및 7 내지 9의 회로의 코일(R1, R2)의 위치를 반대로 할 수도 있으므로, 이러한 회로는 상류 코일의 온도, 따라서 저항을 소정값으로 설정하고 그런 다음 상류 코일의 저항, 따라서 온도와 동일하도록 하류 코일에 제공되는 소정의 전류량을 조절하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예를 반도체 제조 공정에 특히 적합한 유량 센서에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 다른 제품 및 공정에 사용될 수도 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예는 차량 제품에 사용되어 가솔린, 또는 디젤과 같은 연료나 또는 연소실에 공급되는 공기의 양을 측정할 수도 있다. 더구나, 본 발명은 다른 센서 및 감지 회로에 사용될 수도 있기 때문에, 본 발명의 실시예로 제한 되어서는 안된다. 예를 들면, 본 발명의 실시예는, 저항 브릿지 회로의 레그의 저항 변화가 저항에 따라 변화하는 소정의 변화로 표시되는 열선 풍속계 또는 기타 제품들에 용이하게 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시예를 상세히 설명하였지만, 다양한 수정 및 개선예들은 당업자에게는 자명할 것이다. 이러한 수정 및 개선예들은 본 발명의 범위내에 포함될 것이다. 따라서, 상기한 설명은 예시적인 것일 뿐이며, 그것으로 제한하려는 것은 아니다. 본 발명은 이하에 기술하는 청구범위 및 이와 동일한 것에 의해 한정될 뿐이다.

Claims (40)

  1. 센서에 있어서,
    물리적인 성질의 변화에 따라서 가변하는 저항을 각각 갖는 제1 저항기 및 제2 저항기;
    상기 제1 저항기에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 저항기 및 상기 제2 저항기에 제1 전류 - 상기 제1 전류는 상기 제1 저항기의 저항을 설정함 - 를 제공하는 제1 회로; 및
    상기 제1 회로로부터 상기 제1 전류를 제공받는 상기 제2 저항기에 전기적으로 연결되어, 상기 제2 저항기의 저항을 상기 제1 저항기의 저항과 동일하게 조절하는 제2 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회로에 연결되어, 상기 제1 및 제2 회로에 의해 상기 제1 및 제2 저항기에 각각 제공되는 에너지 양의 차이를 측정하는 처리 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 회로는 상기 제2 저항기에 제공되는 제2 전류량을 변경함으로써 상기 제2 저항기의 저항을 조절하는 것을 특징으로 하는 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제1 및 제2 저항기가 그 주변에 배치된 관을 통해 흐르는 유체의 유속(mass flow rate)을 측정하는 유량 센서인 것을 특징으로 하는 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 저항기에 설정되는 저항값은 상기 관에 유입되는 유체의 주위 온도보다 높은 온도에 대응되는 것을 특징으로 하는 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 저항기에 설정되는 저항값은 상기 관에 유입되는 상기 유체의 주위 온도보다 30 내지 100℃ 높은 온도에 대응되는 것을 특징으로 하는 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 저항기의 저항은 온도 변화에 따라서 변하는 것을 특징으로 하는 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회로는 상기 제1 저항기의 저항을 설정하는 프로그램 가능한 분압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회로는 상기 제1 저항기의 저항을 설정하는 디지털 아날로그 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회로는,
    제1 및 제2 입력부와 출력부를 가진 증폭기;
    상기 증폭기의 제1 입력부에 전기적으로 연결되어, 상기 제1 저항기에 설정되는 저항을 결정하는 전압 기준부; 및
    상기 증폭기의 제2 입력부와 상기 증폭기의 출력부 사이에 전기적으로 연결된 제3 저항기를 포함하고,
    상기 제1 저항기는 상기 제2 및 제3 저항기 사이에 직렬로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압 기준부는 프로그램 가능한 분압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 증폭기는 제1 증폭기이고,
    상기 제2 회로는,
    제1 및 제2 입력부와 출력부를 가지고, 상기 제1 입력부가 기준 전위단에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 입력부는 상기 제1 및 제2 저항기에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 저항기는 상기 제2 입력부와 상기 출력부 사이에 전기적으로 연결되는 제2 증폭기; 및
    상기 제2 증폭기의 제2 입력부 및 상기 제1 및 제2 저항기에 전기적으로 연결되는 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전류원은,
    출력부를 갖는 디지털 아날로그 변환기; 및
    상기 디지털 아날로그 변환기의 출력부와 상기 제2 증폭기의 제2 입력부 사이에 전기적으로 연결된 제4 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전류원은,
    입력부와 출력부를 갖는 아날로그 디지털 변환기; 및
    상기 아날로그 디지털 변환기의 출력부에 전기적으로 연결된 입력부 및 상기 디지털 아날로그 변환기의 입력부에 전기적으로 연결된 출력부를 갖는 비례/적분/미분 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 저항기를 상기 제1 증폭기의 제2 입력부에 전기적으로 연결시키는 버퍼; 및
    상기 제1 증폭기의 제2 입력부와 상기 제2 증폭기의 출력부 사이에 직렬로 전기적으로 연결된 제4 및 제5 저항기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기준 전위단은 제1 기준 전위단이고,
    상기 전류원은,
    제1 및 제2 입력부와 출력부를 가지며, 상기 제1 입력부는 상기 제1 기준 전위단과 동일한 기준 전위를 갖는 제2 기준 전위단에 전기적으로 연결되는 제3 증폭기;
    상기 제3 증폭기의 출력부, 상기 제1 및 제2 저항기, 및 상기 제2 증폭기의 제2 입력부 사이에 전기적으로 연결되는 제6 저항기; 및
    상기 제3 증폭기의 출력부와 상기 제4 및 제5 저항기 사이에 전기적으로 연결되는 제7 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 증폭기는 제1 증폭기이고,
    상기 제2 회로는,
    제1 및 제2 입력부와 출력부를 가지며, 상기 제1 입력부가 기준 전위단에 전기적으로 연결되는 제2 증폭기;
    상기 제1 증폭기의 제2 입력부와 상기 제2 증폭기의 출력부 사이에 직렬로 전기적으로 연결되고, 상기 제2 증폭기의 제2 입력부가 전기적으로 연결되는 제4 및 제5 저항기; 및
    상기 제1 및 제2 저항기에 전기적으로 연결되는 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기준 전위단은 제1 기준 전위단이고,
    상기 전류원은,
    제1 및 제2 입력부와 출력부를 가지며, 상기 제1 입력부가 상기 제1 기준 전위단과 동일한 기준 전위를 갖는 제2 기준 전위단에 전기적으로 연결되는 제3 증폭기;
    상기 제3 증폭기의 출력부와 상기 제3 증폭기의 제2 입력부 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 저항기에 전기적으로 연결되는 제6 저항기; 및
    상기 제3 증폭기의 출력부와 상기 제2 증폭기의 제2 입력부 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 제4 및 제5 저항기에 전기적으로 연결되는 제7 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  19. 삭제
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  21. 삭제
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  33. 제1 저항기와 제2 저항기의 온도에 따라 가변하는 저항을 평형(balancing)시키는 방법에 있어서,
    (a) 제1 전류량을 상기 제1 저항기 및 상기 제2 저항기에 제공함으로써 상기 제1 저항기의 저항을 제1 값으로 설정하는 단계; 및
    (b) 상기 제2 저항기의 저항이 상기 제1 저항기의 상기 제1 값과 일치하도록 상기 제2 저항기에 제2 전류량을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 평형 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (c) 상기 제1 저항기에 설정될 온도를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 저항기의 저항을 상기 (c) 단계에서 결정된 상기 온도에 대응하는 저항값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 평형 방법
  35. 제34항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (e) 상기 제1 저항기와 상기 제2 저항기가 주위에 배치된 관 내로 유입되는 유체의 주위 온도를 측정하는 단계; 및
    (f) 상기 (e) 단계에서 측정된 상기 주위 온도를 소정 양만큼 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 평형 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (g) 상기 제1 저항기의 저항이 상기 제1 값이 되도록 프로그램 가능한 분압기에 의해 제공될 분할비를 결정하는 단계; 및
    (h) 상기 결정된 분할비를 제공하도록 상기 프로그램 가능한 분압기를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 평형 방법.
  37. 삭제
  38. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 저항기 및 상기 제2 저항기는 온도에 따라서 가변하는 저항을 각각 갖는 감열 코일(heat sensitive coil)인 것을 특징으로 하는 센서.
  39. 제1항 내지 제3항 또는 제7항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 유량 센서이고, 상기 제1 저항기 및 상기 제2 저항기는 온도에 따라서 가변하는 저항을 각각 갖는 감열 코일이며, 상기 유량 센서는 유량 제어기 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 센서.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 제1 저항기 및 상기 제2 저항기는 유체가 흐르는 관 주위의 서로 이격된 위치들에 배치되는 것을 특징으로 하는 센서.
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