JPH0516530B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は流動流体の流動量を検出する流量検
出器に係り、特に発熱体と流動流体間の熱伝達を
利用して流動量を検出する感熱形流量検出器に関
するものである。

〔従来技術〕

従来、流動流体の流動量を検出する装置の一つ
として感熱形流量検出器なるものがある。第１図
はこの感熱形流量検出器の概略的構成図である。

第１図に於いて、１はシリコン半導体を主体と
するバルク状発熱体、２はこのバルク状発熱体１
に給電すると共にこれを支持する電極リード、３
はこの電極リード２を固定する例えばトランジス
タのパツケージに該当する支持体、４は前記電極
リード２と接続している取出しリード、５は例え
ばステンレススチール製の配管パイプ、６はこの
配管パイプ５の内部を通過する流体であるミネラ
ル・スピリツジ（minelal spirit）、７はバルク状
発熱体１より発熱量を検出する差動ブリツジ、増
幅器等を含む検出回路、８はこの検出回路７から
出力される検出出力信号線である。

上記の様に構成された感熱形流量検出器の動作
を説明する。先ず発熱体１への給電電力Pinは Pin＝Is²・Rs＝Vs²／Rs ……(1) で表わされる。ここでIsは発熱体１を流れる電
流、Rsは発熱体１の抵抗、Vsは発熱体１の電圧
である。そしてこの発熱体１とミネルラルスピリ
ツツ６間の熱伝達量をPoutとすれば熱平衡状態
に於ては Pin＝Pout＝ｈ・As・△Ｔ ……(2) なる式が成立する。ここでｈは発熱体１とミネラ
ルスピリツチ６間の熱伝達率、Asは発熱体１の
表面積、△Ｔは発熱体１とミネラル・スピリツツ
６間の温度である。又一般に流体の流れの特徴を
表わすレイノイズ数Reが１＜Re＜2000の層流条
件下に於いて、この発熱体１とミネラル・スピリ
ツツ６間の熱伝達率ｈは ｈａ＋ｂ・v_0.5 ……(3) なる実験式が成立する。ここでａ、ｂは定数、ｖ
はミネラル・スピリツツ６の平均流速を示してい
る。従つて(1)、(2)、(3)式より、この発熱体１の電
気的インピーダンスRsを検出回路７で検出する
ことで、この回路の出力端の検出出力信号線８に
はミネラル・スピリツツ６の流速ｖ（或いは流量
Ｑ）が検出出力信号として出力される。しかるに
例えば発熱体１として0.7×0.7×0.15mm³のシリコ
ンチツプにリン(P)を10¹⁵cm^-13ドープしたＮ形の
均質材料を用い、支持体３としてはTQ−46トラ
ンジスタパツケージを流用し、ステンレス・スチ
ール製の配管パイプ５は径が0.767cm、長さが30
cmのものを用い、そしてこの発熱体１をミネラ
ル・スピリツツ６の流入口より後方略25.3cmのと
ころに設置する。この状態に於て、感熱形流量検
出器は電極リード２を介して支持体３側へ流出す
る熱量が大きいため、独特の温度ドリフトを発生
する。即ちこの発熱体１への給電電力Pinはこれ
と流体とのやりとりを行なうP_FLOWと支持体３側
への流出P_LEAKとの和Pin＝P_FLOW＋P_LEAKで表わさ
れるのでP_LEAKが時間と共に変化する事によつて
前記Poutも変化し、この感熱形流量検出器に前
述の温度ドリフトを発生させる欠点を有してい
た。而も、この支持体３側への流出P_LEAKとは如
何なる線径と材質を用いても必ず存在する為に前
記温度ドリフトは避けられない問題を有してい
た。

〔発明の概要〕

この発明は上記の如き従来のものの欠点を除去
する目的でなされたもので、流体の流速を検出す
る第１発熱体の他にこれを囲繞し支持体側への熱
流の流出を零或いは一定とする第２発熱体を配設
する事により温度ドリフトの無い高精度の感熱形
流量検出器を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。

第２図はこの発明の第一の実施例で感熱形流量
検出器の素子部の概略的拡大構成図、第３図は第
２図に示した素子による感熱形流量検出器を用い
た概略的回路構成図である。

第２図に於いて、２は例えば金（Au）、アルミ
ニウム（Al）等の細線をボンデイング等で配線
せる電極リード、４ａ，４ｂは取出しリード、９
はシリコン等の半導体の主体より成る薄板状ダイ
ヤフラム、１０は蒸着等によつて形成されるアル
ミニウム（Al）等のコンタクト電極、１１ａは
前記薄板状ダイヤフラム９に不純物を拡散した拡
散層より成る第１発熱体、１１ｂは前記第１発熱
体を囲繞する様に不純物を拡散した拡散層より成
る第２発熱体である。

又、上記のように構成される感熱形流量検出器
の素子部の前記ダイヤフラム９は略150μのシリ
コン基板の中央部を略50μ迄選択エツチングを施
したものであり、このシリコン基板の横方向（紙
面上横方向）の長さ略３mmとこの中央部の厚さと
比較して略１：60と極めて薄い為に、厚み方向に
対して温度分布を発生しにくい構造となつてい
る。

次に、この第１、第２発熱体１１ａ，１１ｂを
用いた感熱形流量検出器による検出を第３図の概
略的回路構成図に基づいて説明する。

第３図に於て、１２は温度補償素子、１３，１
４はブリツジ抵抗、１５は差動増幅器、１６はリ
ニアライザ、１７は定温度差制御回路である。こ
の温度補償素子１２とブリツジ抵抗１３、第１発
熱体１１ａとブリツジ抵抗１４は夫々接続し、こ
の接続点より引き出された信号線は差動増幅器１
５に接続している。この第１発熱体１１ａと温度
補償素子１２の一端子は取出しリード４ａ，４ｂ
を介して接地され、このブリツジ抵抗１３，１４
の夫々の一端子は電源に接続されている。そして
この第１発熱体１１ａを囲繞せる第２発熱体１１
ｂには定温度差制御回路１７よりの制御信号線が
接続しており、この定温度差制御回路１７には第
１発熱体１１ａとブリツジ抵抗１４との接続点か
ら引き出された信号線が接続している。又この第
２発熱体１１ｂの他端は取出しリード４ｂを第１
発熱体１１ａ同様に接地されている。一方、前記
差動増幅器１５の出力は検出特性の非直線性を補
正するリニアライザ１６に入力している。尚、流
体を通過させる配管パイプ５は図示しないが第１
図同様である。しかも前述の構成からなる感熱形
流量検出器の第１の発熱体１１ａは配管パイプ５
内に配置され、第２の発熱体１１ｂは被測定流体
の流れ方向に対して第１の発熱体１１ａの上流側
に位置しないようにする。

上記の様な構成で流体の流速、又は流量を検出
する為に配管パイプ５内部を通過した流体は第１
発熱体１１ａに衝突し、この流速又は流量に応じ
た冷却効果をもたらす。この結果、第１発熱体１
１ａはその電気抵抗率を変える事になる。そし
て、この電気抵抗率の変化は第２図に示されてい
る取出しリード４より取出し、差動増幅器５で増
幅し、リニアライザ１６の出力に流速、又は流量
の検出値が出力される。この時、第２発熱体１１
ｂが第１発熱体１１ａを囲繞しており、而も支持
体３に接触している為に、この支持体３側に熱量
が流出する。この結果、第２発熱体１１ｂの抵抗
率の変化は第１発熱体１１ａと異なる変化を来た
すことになる。そこで、定温度差制御回路１７は
第２発熱体１１ｂを流体による第１発熱体１１ａ
の電気抵抗率の変化或るいは変化量と同じく変化
させる様に何を制御する。所謂この第２発熱体１
１ｂは第１発熱体１１ａと同一温度又は一定温度
差になるように外部に設けられている定温度差制
御回路１７で制御される。従つて前述した第１発
熱体１１ａから支持体３側へ流出する熱量P_LEAK
は時間による流体の流速又は流量に依存しない事
になる。そして前記定温度差制御回路１７により
この第１発熱体１１ａと第２発熱体１１ｂとが同
一温度に制御される条件下では熱量P_LEAK＝０と
なり、この第１発熱体１１ａと第２発熱体１１ｂ
とが一定温度差に制御されている条件では熱量
P_LEAK＝一定となる。前述の如く、第２発熱体を
ダイヤフラム９に設ける事により流量検出器の温
度による時間依存形のドリフト、流速依存形のド
リフトが除去されると共に高精度の測定がなされ
る。

尚、この第１の実施例では第１、第２発熱体１
１ａ，１１ｂは同一の薄板状シリコンに２つの不
純物拡散層を形成してなつているが、この第１、
第２発熱体を例えばセラミツク等の薄板上にシリ
コン等の感温半導体、又は金（Pu）、銅（Cu）等
の金属、更には銅−ニツケル（Cu−Ni）等の合
金を接着或るは蒸着により固着させても同等の動
作をし効果が得られる。

第４図はこの発明の第２の実施例で感熱形流量
検出器の素子部の概略的拡大構成図である。

第４図に於て、１８は第１発熱体１１ａと第２
発熱体１１ｂとを結合し支持する結合部材、４
a′はこの結合部材１８に接着又は蒸着により形成
され第１発熱体１１ａに給電する取出しリード、
４b′は取出しリード４a′同様に形成され第２発熱
体１１ｂに給電する取出しリードである。

以上の構成による感熱形流量検出器の素子部が
第１実施例同様第３図に示した外部回路と接続が
為され、感熱形流量検出器の回路が構成される。
そして第１発熱体１１ａと第２発熱体１１ｂとは
定温度差制御回路１７によつて流体との衝突によ
る温度差が零、又は一零に保たれるように制御さ
れているので、この第１発熱体１１ａから結合部
材１８である支持体側へ流出する熱流は零、又は
一定であり第１発熱体１１ａによる計測の際、温
度ドリフトを生じる事はない。従つて第１実施例
同様の効果が得られる。更に加えてこの第１、第
２発熱体１１ａ，１１ｂは表面積を大きく出来る
ので流体の第１、第２発熱体１１ａ，１１ｂ間の
授受の熱量を大きくとることができ、少流量に於
ても安定した検出が為される。而も流体の空間的
に平均的に流速を検出することができる。この第
１、第２発熱体１１ａ，１１ｂはシリコン等の感
温半導体より構成されているが、シリコンに限ら
れるものではなく白金（Pt）、銅（Cu）等の金属
又はCu−Ni等の合金等であつても同等の効果が
得られる。又この第１、第２発熱体１１ａ，１１
ｂはバルク状薄板で示してあるが、例えばアルミ
ナ・セラミツク基板上に白金（Pt）膜等を蒸着
したものであつても良く、そして更にその他セラ
ミツク等の耐熱絶縁体上に銅（Cu）或いはCu−
Ni等の合金、サーミスタ等を接着又は蒸着によ
り形成しても前記同様の機能を果たすことができ
る。

第５図はこの発明の第３の実施例で感熱形流量
検出器の素子部の概略的拡大構成図である。

１９は第１発熱体１１ａと第２発熱体１１ｂを
巻いているセラミツク・ボビン（bobbin）、２０
ａは第１発熱体１１ａから引き出される接続端、
２０ｂは第２発熱体１１ａから引き出させる接続
端である。尚、前記セラミツク・ボビン１９はア
ルミナ、ステアタイト等の磁石で構成されてお
り、内部が中空状に形成されている。尚、このセ
ラミツク・ボビン１９は半径方向の温度分布が無
視できる程の細体であるならば中空状にする必要
がない。

第１、第２発熱体１１ａ，１１ｂはセラミツ
ク・ボビン１９に夫々所定回数例えば白金（Pt）
の細線を巻くものである。そしてこの第１、第２
発熱体１１ａ，１１ｂの接続端２０ａ，２０ｂは
第１実施例に示した第３図の外部回路が接続し、
前記実施例と同様に動作させることができる。即
ち、第１発熱体１１ａと第２発熱体１１ｂは定温
度差制御回路１７によつて温度差が零、或いは一
定に保持されるように制御される。そして第１発
熱体１１ａから支持体であるセラミツク・ボビン
１９に流出する熱量は時間に依存する事がない為
に温度ドリフトを生せず計測の出力値に悪影響を
及ぼすことがない。従つて前記実施例と同様の効
果がある。更にこの様な発熱体の構成をとる素子
は小さくできるので全体として小型にまとめられ
る他に速い応答性が得られる有用な面をもつてい
る。尚、この第３の実施例ではこの第１、第２発
熱体１１ａ，１１ｂとして白金（Pt）の細線を
用いているが、この様な細線に限定されることな
く白金（Pt）、銅（Cu）、或いはCu−Niの如き合
金薄膜を接着又は蒸着により形成した構造でも前
述同様の効果が得られる。

以上、第１乃至第３の実施例は夫々発熱体から
支持体側へ流出する熱流が時間に依存せず、温度
ドリフトを生じる事のない高精度の感熱形流量検
出器を提供している。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、流体の流速或
いは流量を検出する為の第１発熱体を囲繞して温
度ドリフト補正用の第２発熱体を設けた事で、第
１発熱体の支持体に流出する熱量を補正できるの
で、温度による時間依存形のドリフト、流速依存
形のドリフトを除去でき、高精度の検出を行なえ
る効果大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の感熱形流量検出器の概略的構成
図、第２図はこの発明第一の実施例で感熱形流量
検出器の素子部の概略的拡大構成図、第３図は第
２図に示した素子による感熱形流量検出器を用い
た概略回路構成図、第４図はこの発明第二の実施
例で感熱形流量検出器の素子部の概略的拡大構成
図、第５図はこの発明第三の実施例で感熱形流量
検出器の素子部の概略的拡大構成図である。 １……バルク状発熱体、２……電極リード、３
……支持体、４，４ａ，４ｂ，４a′，４b′，２０
ａ，２０ｂ……取出しリード、５……配管パイ
プ、６……ミネラル・スピリツツ、７……検出回
路、８……検出出力信号線、９……ダイヤフラ
ム、１０……コンタクト電極、１１ａ……第１発
熱体、１１ｂ……第２発熱体、１２……温度補償
素子、１３，１４……ブリツジ抵抗、１５……差
動増幅器、１６……リニアライザ、１７……定温
度差制御回路、１８……結合部材、１９……セラ
ミツク・ボビン。尚、各図中同一符号は同一また
は相当部分を示すものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発熱体と流動流体間の熱伝達量から流速、流
   量を検出する感熱形流量検出器において、該流体
   と接し温度によつて電気抵抗率の変化する第１発
   熱体と、該第１発熱体を支持する支持部材と、該
   第１発熱体を囲繞するとともに上記支持部材に支
   持される第２発熱体と、該第１発熱体と該第２発
   熱体との温度差を一定又は零とする定温度差制御
   手段を備えたことを特徴とする感熱形流量検出
   器。 ２ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体はシリコ
   ン等の感温半導体のダイヤフラム内に形成した不
   純物拡散層より成ることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の感熱形流量検出器。 ３ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体が薄板状
   のシリコン等の感温半導体或いは白金、銅等の金
   属或いはCu−Ni等の合金より形成され、かつ該
   第１発熱体及び該第２発熱体間を電気的に絶縁支
   持する結合部材を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の感熱形流量検出器。 ４ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体がセラミ
   ツク等の薄板上にシリコン等の感温半導体或いは
   白金、銅等の金属或いはCu−Ni等の合金を接着
   或いは蒸着せる発熱体であることを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の感熱形流量検出器。 ５ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体が円筒又
   は円柱状の白金、銅等の金属或いはCu−Ni等の
   合金より形成され、かつ該第１発熱体及び該第２
   発熱体間を電気的に絶縁支持する結合部材を有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   感熱形流量検出器。 ６ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体がセラミ
   ツク等の耐熱絶縁体より成るボビンの周縁に巻か
   れた白金、銅等の細線であることを特徴とする特
   許請求の範囲第５項記載の感熱形流量検出器。 ７ 前記第１発熱体及び前記第２発熱体がセラミ
   ツク等の耐熱絶縁体に蒸着或いは接着せる白金、
   銅等の金属或いはCu−Ni等の合金より成る薄膜
   体であることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載の感熱形流量検出器。