JPH05503361A - 流体の物理的性質を測定するための装置 - 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】 流体の物理的性質を測定するための装置発明の背景 水分センサー、温度センサー、風速測定などに用いる熱影響センサー等欅々なセ ンサーが公知である。しかしこれらのセンサーを汚染物質（たとえば炭化水素や 煙）が充満した環境（通常大気中）で用いると、汚染物質がセンサーの表面に付 着して、測定に悪影響を与えやすい。

発明 この発明の目的は、上記のような周囲の汚染物質による悪影響を受けずに正確な 測定ができる、汚染された環境下で用いるためのセンサーを提供することである 。

以下、本発明を主に熱風速センサーに用いた場合について説明するが、本発明は これだけに限定されるものではない、　様々な特許文献−アメリカ特許４２０６ ６３Ｂ　（１９８０）−アメリカ特許４２７９１４７　（１９８１）−アメリカ 特許４７９４７９５　（１９８９）−アメリカ特許４９３６１４４　（１９９９ ０）−アメリカ特許４９２０７９３　（１９９０）、およびＣｏ１ｏｒａｄ。

５ｔａｔｅ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙのＶｉｒｇｉｌ　Ａ、５ａｎｄｂｏｒｄによ るｒＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ 」やＩｎｇ、　Ｈｅｒｂｅｒｔ　５ｔｒｉｃｋｅｒｔ博士によるｒＨｉｔｚｄｒ ａｈｔ−ｕｎｄ　Ｈｉｔｚｆｉｌｍａｎｅｍｏｍｅｔｒｌｅ」等の文献に記載さ れている熱風速計の性能は、汚染物質が存在すると多少変化する。これは熱交換 が、抵抗センサーと空気の間の界面に形成された層の物理的性質に関連している ためである。

すなわち層の熱伝導率、比熱、厚さ、しわの状態、その他の特性によって、セン サーと空気の間の熱交換特性が変化するためである。

直接的あるいは間接的に加熱するタイプの風速センサーは、加熱された部材が移 動している流体の強制的な対流により冷やされることによる熱交換の作用に基づ いて機能する。

間接加熱型よりもずっと一般的に用いられている直接加熱型の熱風速計の場合、 センサーに付着した汚染物質を除去するにはセンサーを６００°Ｃまで加熱すれ ばよい。

この程度の加熱はセンサーを通過する電流の流量を大きくするだけで簡単にでき る。しかしこのためにはセンサーの材料として、６００−６５０℃台の温度に耐 えられ、しかもこの程度の温度でも特性、特に抵抗値、温度係数が変化しなむ１ 材料を用いる必要がある。

この発明は特に技術的な困難を伴わずに全方向性態風速センサーに応用できる。

指向性風速計に本発明を応用するには多少技術的困難が伴う。しかしＤｊｏｒｕ ｐのアメリカ特許Ｎ１１４７９４７９５に記載されているスプリットフィルム型 のセンサーの場合本発明をうまく応用できる。

図面の簡単な説明 添付の図面は一例として本発明の装置の実施例を示す。この実施例では、特許Ｃ Ｈ６３８６１８（および他の国の対応特許、特にアメリカ特許階４２７９１４７ ）に記載されているような、熱損失に基づき作動する指向性風速計を示すが、本 発明はこれだけに限定されるものではない。

因１はこの実施例のセンサーの斜視図である。

図２は図１のセンサーの拡大横断面図である。

図３は装置の回路図である。

発明の好ましい実施例 この例のセンサーはアメリカ特許Ｎｕ　４７９４７９５の図５に示すタイプのセ ンサーであり、中空の本体ＩＯと、これに固定された２本の互いに平行な熱抵抗 センサーとしての半円筒形のセンサーｌｌａ、ｌｌｂを備えている。このセンサ ーには保護層１２、たとえば融着したシリカ、アルミニウム酸化物等を被覆する 。

センサーは、６００−６５０°Ｃに加熱しても電気抵抗や温度係数の変化しない 金属、たとえば白金で形成する。

１３．１４はセンサーをしっかり固定するための支持部材である。

この種のセンサーに関するこれ以外の技術的情報は上記の特許ＣＨ６３８６１８ に開示されているので、ここでは繰り返さない。

本発明の装置は図１．２に示す例の場合、１本かそれ以上のセンサーを備えてい る。その回路図を図３に示す。この図は上記特許ＣＨ６３８６１８の図３をその まま写したものである。但し新しい重要な要素、罪ちセンサーに付着した汚染物 質を除去して、自動的にセンサー１１ａ、１ｌｂ（７）クリーニングをすること によって、高い測定精度を維持するための手段が追加されている。

まず本発明が容易に理解できるように、図３の回路図の内、上記のスイス特許か ら引用した部分について説明する。

図３の回路は速度及び方向を表す信号を複合出力信号として発生させるためのも のである。上記一対のセンサー１１ａ、ｌｌｂはホイートストンブリフジの４本 の腕の内の２本に取り付けられている。このブリッジにはセンサーの周囲の流体 が静止状態にあるとき、すなわち流体速度がゼロであるとき、ブリッジのバラン スを取るための抵抗器２３．２４が取り付けられている０図３のブリッジは接点 ２５．２６を介して起動され、ブリッジの均衡状態は接点２７．２８の間で測定 され、次にブリッジの不均衡の状態、即ち流れの方向を表す信号３０を発生する 。信号３０は、一対のセンサー１１ａ、ｌｌｂのどちらか一方が感知した流速が 他方よりも高い場合、正または負の極性を示すことによって不均衡の状態を示す 。流体の流れの下流側にあるセンサーによって感知される流速は他方のセンサー より遅い。これは流れが直接光たるセンサーがスクリーンの役目を果たすためで ある。したがってこの流速の違いによって得られる出力信号３０の大きさが流速 を表している。

抵抗器３１．３３は増幅器２９０入力抵抗器であり、抵抗器３２．３４はフィー ドバンク抵抗器である。速度差増幅率はフィードバック抵抗器３２．３４の抵抗 値の入力抵抗器３１．３３の抵抗値に対する割合によって決まる０通常増幅率は 最大流速、たとえば２０ｍ／秒に対して２０−２５に設定する。抵抗器２３．２ ４および一対のセンサーｌｌａ、ｌｌｂからなるブリッジは電気的には１個の抵 抗器とみなすことができる。またこの方向を測定するための第１のホイートスト ンブリフジは、これに直列に接続されている電源抵抗器３５、および抵抗器３６ ．３７からなる第２のホイートストンブリフジの一本のアームを形成している。

抵抗器３６．３７はこの抵抗器３６．３７の抵抗値によって決まる作用点におい て、第２のブリッジのバランスを取るためのものである。ブリッジ回路を設計す る段階で各抵抗器３６．３７の抵抗値を変えたり、これら抵抗器の一方に電位差 針あるいは可変抵抗器を用いることもできる。

２つの抵抗器の両方に電位差計を用いない方がよい、これによって操作者は作用 点や、装置の電力レベルおよび感度を適当に選択することができる。増幅器３８ は差動型であり、高出力電流が発生するように増幅率は設定されており、ブリッ ジの接点３９に、フィードバックモードを行うように接続されている。増幅器３ ８の入力部はブリッジの接点２６．４０間で接続されている。この場合圧のフィ ードバックではなく負のフィードバンりを行うように、位相を決めなくてはなら ない。

センサー１１ａ、ｌｌｂおよび抵抗器２３．２４は、増幅器３８ｍからみると、 各構成部品の抵抗値を調節できる単一の抵抗器と考えられる。実際センサー１１ ａ、ｌｌｂは抵抗器であり、その温度係数はゼロではなく、内部が加熱されるよ うニナっている。フィルムが白金製の場合は、このセンサーは高い正の熱係数を 示す。

したがって、ブリッジの両側の抵抗比を同じ値にしたために、方向を示すブリッ ジを単一の抵抗器とみなした場合のこのブリッジ、および電源抵抗器３５の全体 の直列−並列の抵抗値が、抵抗器３６．３７の抵抗器の抵抗値と釣り合っている とき、ブリッジを釣り合わすことができるような値に抵抗器３６．３７の抵抗値 を設定することができる。

抵抗器３５、および抵抗器１１ａ、ｌｌｂ、抵抗器２３．２４からなる方向を表 すブリッジで可変側を構成し、一方フイードバックによって制御されるブリフジ の基準側は抵抗器３６．３７で構成されている。

センサー１１ａ、ｌｌｂが冷えた状態あるいは非作動状態にあるときは、その抵 抗値は作動しているときよりも低い。この状態で、基準抵抗値の比を調節してそ の作動値を設定することにより、抵抗器を加熱した状態でブリッジを釣り合わせ るのに必要な抵抗値を選択する。この操作は増幅器からブリッジの接点３９への フィードパ、２りによって行う。このフィードバック操作によって、センサー１ １ａ、ｌｌｂの抵抗値がブリッジを釣り合わせることができるだけの値に達する まで全てのブリッジに自動的に電流が流れる０回路のスイッチを最初に入れたと き、およびセンサー１１ａ、Ｉｌｂの温度が室温のとき、増幅器３８の出力部に 小さなオフセット電圧が発生するようにしておいて、このオフセット電圧によっ て発生する最初のブリッジの電流により、接点２６．４０の間に小さなエラー信 号を発生させることによって、回路を作動状態にするのが好ましい、この作動状 態は加熱フィルムあるいは加熱ワイヤーを用いた風速計用の恒温（定低抵）法の 作動状態である。

抵抗器３７として、周囲の流体の温度を測定できる位置に設けた悪温性の抵抗器 を用いてもよい。ブリッジの作動レベルが周囲の温度に自動的に追随できるよう に、抵抗器３７の抵抗値の温度係数を適切に設定することによって、センサー１ １ａ、ｌｌｂを周囲の温度に対して一定の温度差で作動させることができる。こ れによって周囲温度とは無関係に流速の感度を一定に保つことが可能になる。

この場合センサーの表面温度は１２５−１．３５°Ｃ程度である。

出力部３０は双極性なので、センサー１１ａ。

１１ｂの内どちらが流れの上流側にあるかを表すことができる。流れの上流側に あるセンサーは流体によって冷やされるので、抵抗値は低い。一方法れの下流側 のセンサーは流体による冷却の程度は低いので抵抗値は高（なる。これらに直列 に接続された抵抗器の抵抗値は一定である。出力３０の大きさは流体の流速に対 して直線状ではなく、流体の流れの中に逃げた熱の量を表している。

増幅器２９．３８として、正および負の電源から電力を供給するタイプの演算増 幅器を用いてもよい。図３に示すブリッジと同様の２つ以上のブリッジを２個以 上のセンサーと共に用いる場合、電源が１５Ｖとすると、出力部３０に少なくと も１０Ｖの信号を発生させることができる。センサー間で交互作用が起きないよ うに接地および電源への接続を行い、交互作用による誤差をなくす必要がある。

また増幅器２９．３８は、単一の電圧供給源、たとえば１５または２０ポルトを 用いるタイプのものであってもよい。この場合十入力を正の方向にオフセットさ せておき、流速がゼロのときの出力部３０でのゼロ点調節は対応する正の値にオ フセットさせておいてもよい。

図３に示す抵抗器の抵抗値の具体的な例は、上記のスイス特許やそれに対応する アメリカ特許に示されている。

本発明の実施例の装置の回路図は、スイス特許ＣＨ６３８６１Ｂの図３の回路図 とは以下の点で異なる。

図３の破線１９は追加の結線を示す。

この結線には、マイクロプロセッサ−１６の制御により各センサーＩＬａ、ｌｌ ｂに接触し、それぞれのセンサーの熱時間定数を測定し、この時定数が設定値と 等しいかそれよりも太き（なると、灰化によるセンサーのクリーニング処理を開 始するためのプローブ１５ａ、１５ｂが接続されている。この操作はマイクロプ ロセッサ−によりスイッチ１７を閉じて、抵抗器３７に直列に接続されている抵 抗器１８をバイパスする経路を形成した後始まる。抵抗器１８．３７の両方が作 動しているときは、通常の加熱のための電流がセンサー１１ａ、ｌｌｂに供給さ れる。一方スイノチ１７を閉して、抵抗器１８をバイパスする経路が形成される と、これらのセンサーに供給される電流が非常に大きくなり、センサーの温度は 短時間の間約６００℃まで上昇し、センサーに付着した汚染物質は灰化により除 去される。このため測定すべき空気の流速に関する正確な情報を得ることができ る。

センサーを流れる電流の量を上昇させる時間（インディシャル応答）は、熱応答 時間、すなわちセンサ部の汚染の程度の測定値に応じて決める。

上記の装置の別の例においては、灰化によるセンサーのクリーニングを開始する ためのスイッチ１７を、周囲の媒体中の汚染物質のレベルに応じて時間を設定し たタイマーによって作動させる。

この構造は汚染レベルがほぼ一定の場合に用いることができる。タイマーを用い る場合は、プローブ１５ａ、１５ｂおよびマイクロプロセッサ−１６は必要ない 。

また別の例は周囲の媒体の汚染の度合いが低くて一定の場合に用いることができ るものである。

この例では、手動のスイッチ１７を汚染の程度によって定めた間隔で作動させる ことによって、クリーニングの工程を制御する。

上記の例では一種類のセンサーに用いた場合しか示していないが、この発明は上 記の例だけに限定されるものではない。本発明はあらゆるタイプの熱センサーに 通用できる。すなわち直接加熱するタイプのものにも間接的に加熱するタイプの ものにも、また温度センサーや湿気センサー等の別の種類のセンサーにも用いる ことができる。

直接センサーを加熱することによってセンサーのクリーニングができる。

このように直接加熱する場合は、クリーニング用の電流を流すと特性が変わって しまう可能性のある電気部品には電流が流れないように、クリーニング用の電流 を流す前にバイパス経路を形成しておく必要がある。

図３の説明から明らかなように、クリーニング工程の間隔は、センサーの熱時定 数を測定して決める。これはセンサーの汚染の程度が激しいほど上記定数が大き くなるためのである。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ 要約 本発明の装置は６５０°Ｃの温度に耐えられ、この温度でも特性の変化が起きな い材料でできた熱タイプのセンサー２個（１１ａ、１　ｌ　ｂ）を備えている。

プローブ（１５ａ、１５　ｂ）はマイクロプロセッサ−（１６）の制御により、 断続的かつ瞬間的に前記センサーに接触して、（マイクロプロセッサ−（１６） により）周囲の汚染物質が層状にセンサーに付着した状態を表す、前記センサー の熱時間定数を測定するようになっている。マイクロプロセッサ−（１６）は前 記時定数と抵抗器（１８）のスイッチ（１７）を閉じるべき値とを比較し、短絡 が起きたとき、周囲の媒体中から前記センサーに付着した有機物を灰化によって 除去するのに必要なセンサーの加熱温度を決定する。こうしてセンサーの表面は クリーンな状態に保たれるので、クリーニング工程以外のときに前記センサーか ら供給される情報の精度は高い。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．６５０℃の温度に耐えられ、しかもこの温度でも特性が変化しない材料でで きた少なくとも１個のセンサー（図２）を備えた、流体の物理的性質を測定する ための装置において、前記装置に、周囲の流体中から前記センサーに付着した汚 染物質を灰化して、抵抗センサーと前記装置を取り囲む流体との界面の物理的性 質を変化させるためのクリーニング装置（１５ａ，１５ｂ，１６−１９）を設け 、 前記クリーニング装置にセンサー（１１ａ，１１ｂ）に付着した前記汚染物質を すばやく灰化できるだけの温度に前記センサーを瞬間的に加熱する手段（１５ａ ，１５ｂ）と、前記センサー表面の汚染の状態によって作動する、前記加熱手段 （１５ａ，１５ｂ）を制御するための電気制御手段（１６、１７、１８、１９） を設けたことを特徴とする装置。 ２．前記センサー（１１ａ，１１ｂ）として熱タイプのセンサーを用いた請求項 １記載の装置において、クリーニング用の前記加熱手段の前記電気制御手段に、 周囲の流体の物理的性質を測定するための温度まで前記センサーを加熱するため の、センサーの電気加熱部材（１５ａ，１５ｂ）に直列に接続された電気抵抗器 （１８）と、灰化によるセンサーのクリーニング工程中は、前記抵抗器（１８） をバイパスして電流が流れる経路を形成するためのスイッチ（１７）を設け、前 記クリーニング工程中に灰化によってクリーニングを行うのに必要な温度までセ ンサーを加熱することを特徴とする装置。 ３．クリーニング用の前記加熱手段の電気制御手段に、周囲の流体の汚染の状態 に応じて設定された時間間隔で、前記抵抗器（１８）をバイパスする経路を形成 するための前記スイッチ（１７）を作動させるためのタイマーを設け、自動的に 前記クリーニングの工程を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の装置 。 ４．前記電気制御手段に、前記抵抗センサー（１１ａ，１１ｂ）に断続的および 自動的に接触するようになっているプローブ（１５ａ，１５ｂ）と、汚染物質が 層状に付着しているこのセンサー（１１ａ，１１ｂ）の熱時間定数を測定するた めの、前記プローブと連動する回路（１６−１９）とを設け、前記熱時間定数が 所定の値と等しくなるかそれを上回ったとき、上記汚染物質の層を灰化によって 除去するクリーニング工程を開始することを特徴とする請求項１または２に記載 の装置。 ５．前記加熱手段の電気制御手段に、前記抵抗器（１８）をバイパスする経路を 形成するための前記スイッチ（１７）を手動で制御するための手段を設けたこと を特徴とする請求項１または２に記載の装置。