JPH0563732B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0563732B2 JPH0563732B2 JP62203233A JP20323387A JPH0563732B2 JP H0563732 B2 JPH0563732 B2 JP H0563732B2 JP 62203233 A JP62203233 A JP 62203233A JP 20323387 A JP20323387 A JP 20323387A JP H0563732 B2 JPH0563732 B2 JP H0563732B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- temperature
- flow rate
- gas
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
- G01F1/6882—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element making use of temperature dependence of acoustic properties, e.g. propagation speed of surface acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02836—Flow rate, liquid level
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S73/00—Measuring and testing
- Y10S73/04—Piezoelectric
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は一般的にはセンサに関し、さらに詳細
には、自己加熱機能を有する表面弾性波ガス流量
センサに関する。
には、自己加熱機能を有する表面弾性波ガス流量
センサに関する。
ガス流量センサはダクト中のガスの質量流量を
検知するために広く用いられている。この種のセ
ンサの用途の一例をあげると、プロセス制御があ
り、その一例としては、特定のダクト中の空気の
流量を連続的にモニタしかつ制御することが所望
される場合が多い暖房、通気および空気調和
（HVAC）制御装置の制御がある。
検知するために広く用いられている。この種のセ
ンサの用途の一例をあげると、プロセス制御があ
り、その一例としては、特定のダクト中の空気の
流量を連続的にモニタしかつ制御することが所望
される場合が多い暖房、通気および空気調和
（HVAC）制御装置の制御がある。
ガスの質量流量の検知および変換に対する公知
の１つの手法では、ダクト内に一定離間関係をも
つてかつガスの流れの軸線に対して直交関係にあ
る平面を画定する配向をもつて配置された複数の
温度係数サーミスタを用いる。通常、通路を横切
つて水平方向および垂直方向に支持されてグリツ
ドを形成したワイヤの格子によつて支持が与えら
れる。既知の温度係数特性を有する各サーミスタ
に既知の電圧が印加された場合、それにより生じ
る周囲の静止ガスの温度を超えた温度上昇も既知
である。サーミスタを横切つて流れるガスの温度
がサーミスタ自体の温度と異なつている限り、質
量流量は、静止状態に存在していた値からのサー
ミスタ電流または電圧の変化によつて示されるよ
うに、サーミスタ温度の変化を検知することによ
つて決定されうる。
の１つの手法では、ダクト内に一定離間関係をも
つてかつガスの流れの軸線に対して直交関係にあ
る平面を画定する配向をもつて配置された複数の
温度係数サーミスタを用いる。通常、通路を横切
つて水平方向および垂直方向に支持されてグリツ
ドを形成したワイヤの格子によつて支持が与えら
れる。既知の温度係数特性を有する各サーミスタ
に既知の電圧が印加された場合、それにより生じ
る周囲の静止ガスの温度を超えた温度上昇も既知
である。サーミスタを横切つて流れるガスの温度
がサーミスタ自体の温度と異なつている限り、質
量流量は、静止状態に存在していた値からのサー
ミスタ電流または電圧の変化によつて示されるよ
うに、サーミスタ温度の変化を検知することによ
つて決定されうる。
ガスの質量流量の検知および変換のための他の
手法が、1985年10月17日のIEEE超音波シンポジ
ウムで配布されたニサー・アーマド（Nisar
Ahmad）の「表面弾性波流れセンサ」（Surface
Acoustic Wave Flow Sensor）という名称の論
文に開示されている。その論文に記載された装置
は、表面弾性波（SAW）流れセンサを具備して
おり、そのセンサはSAW基板の温度を上昇させ
る作用をする薄膜ヒータとして構成された独立の
抵抗要素を有している。そのヒータは独立の電圧
源によつて付勢され、それを通るガスの流れが基
板の温度を低下させ、SAW遅延線発振器の周波
数に検知しうる変化を生じさせる。この周波数変
化が質量流量を計算するために用いられうる。
手法が、1985年10月17日のIEEE超音波シンポジ
ウムで配布されたニサー・アーマド（Nisar
Ahmad）の「表面弾性波流れセンサ」（Surface
Acoustic Wave Flow Sensor）という名称の論
文に開示されている。その論文に記載された装置
は、表面弾性波（SAW）流れセンサを具備して
おり、そのセンサはSAW基板の温度を上昇させ
る作用をする薄膜ヒータとして構成された独立の
抵抗要素を有している。そのヒータは独立の電圧
源によつて付勢され、それを通るガスの流れが基
板の温度を低下させ、SAW遅延線発振器の周波
数に検知しうる変化を生じさせる。この周波数変
化が質量流量を計算するために用いられうる。
これらの装置はこれまでのところガスの質量流
量を検知するのには一般的に満足しうるものであ
つたが、SAWセンサのように遅延線に印加され
る無線周波（RF）信号だけによつて自己加熱す
るように構成でき、それにより独立のヒータ・ス
トリツプやそれに関連する電源を不必要にするこ
とができるというような利益はなかつた。
量を検知するのには一般的に満足しうるものであ
つたが、SAWセンサのように遅延線に印加され
る無線周波（RF）信号だけによつて自己加熱す
るように構成でき、それにより独立のヒータ・ス
トリツプやそれに関連する電源を不必要にするこ
とができるというような利益はなかつた。
一般に、ガスの質量流量を測定するための表面
弾性波装置は、圧電基板で形成されかつ10-4／℃
のオーダの遅延温度係数を有する表面弾性波遅延
線を具備している。基板上には発信および受信用
の櫛歯形トランスデユーサが配置されており、こ
れらのトランスデユーサは10MHz〜1000MHzの範
囲の動作周波数を有するように構成されている。
トランスデユーサ間に配置された基板の表面の部
分は伝播領域を画成しており、かつその上にはそ
こを流れる音響的および／または電気的エネルギ
の一部分を吸収するための媒体が配置されてい
る。この吸収されたエネルギが伝播領域の温度を
周囲の温度よりも上昇させる。
弾性波装置は、圧電基板で形成されかつ10-4／℃
のオーダの遅延温度係数を有する表面弾性波遅延
線を具備している。基板上には発信および受信用
の櫛歯形トランスデユーサが配置されており、こ
れらのトランスデユーサは10MHz〜1000MHzの範
囲の動作周波数を有するように構成されている。
トランスデユーサ間に配置された基板の表面の部
分は伝播領域を画成しており、かつその上にはそ
こを流れる音響的および／または電気的エネルギ
の一部分を吸収するための媒体が配置されてい
る。この吸収されたエネルギが伝播領域の温度を
周囲の温度よりも上昇させる。
センサと通るガスの質量流量がそのセンサの温
度を低下させ、その結果共振周波数に上方向の変
位が生じる。共振周波数の変化を検知し、質量流
量測定を可能にするためにセンサには適当な増幅
器と共振周波数検知器が結合されうる。
度を低下させ、その結果共振周波数に上方向の変
位が生じる。共振周波数の変化を検知し、質量流
量測定を可能にするためにセンサには適当な増幅
器と共振周波数検知器が結合されうる。
本発明の目的はガスの質量流量を測定するため
のSAW装置を提供することである。
のSAW装置を提供することである。
本発明の他の目的はガスの質量流量を決定する
ために熱伝達特性を用いたSAW装置を提供する
ことである。
ために熱伝達特性を用いたSAW装置を提供する
ことである。
本発明のさらに他の目的は自己加熱するSAW
装置を提供することである。
装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、RF信号の印加の
みで温度上昇が生ずるSAW装置を提供すること
である。
みで温度上昇が生ずるSAW装置を提供すること
である。
以下図面を参照して本発明の実施例につき説明
しよう。
しよう。
第１図を参照すると、センサ１０がRF増幅器
１１、減衰器１３および周波数カウンタ１５とと
もに示されているが、これらの目的については後
で説明する。センサ１０は圧電基板１７を有して
おり、その上には、表面弾性波を発生するための
第１の発信用櫛歯形トランスデユーサ２１と、表
面弾性波を検知しかつそれをRF信号に変換する
ための第２の受信用櫛歯形トランスデユーサ１９
が配置されている。基板１７が形成されている材
料の結晶学的配向および形状、ならびにトランス
デユーサ１９，２０の配向は、すべてよく制御し
うる共振周波数Fo、遅延時間Td、遅延温度係数
（TCD）または周波数温度係数（TCF）、周波数
帯域幅、および挿入損失を与えるように選定され
うる。
１１、減衰器１３および周波数カウンタ１５とと
もに示されているが、これらの目的については後
で説明する。センサ１０は圧電基板１７を有して
おり、その上には、表面弾性波を発生するための
第１の発信用櫛歯形トランスデユーサ２１と、表
面弾性波を検知しかつそれをRF信号に変換する
ための第２の受信用櫛歯形トランスデユーサ１９
が配置されている。基板１７が形成されている材
料の結晶学的配向および形状、ならびにトランス
デユーサ１９，２０の配向は、すべてよく制御し
うる共振周波数Fo、遅延時間Td、遅延温度係数
（TCD）または周波数温度係数（TCF）、周波数
帯域幅、および挿入損失を与えるように選定され
うる。
エネルギ吸収媒体の薄膜２３は基板１７の表面
からのエネルギを結合して熱を発生するためにト
ランスデユーサ１９，２１間の伝播領域２５にお
いてその基板１７上に配置される。そのようにし
て発生された熱はセンサ１０の温度を静止状態に
おける周囲ガスの温度よりも高くし、一方、セン
サ１０を通るガスの質量流れはそのセンサの温度
を減少させ、測定可能でかつ質量流量に変換しう
る共振周波数の変動を生ずる。
からのエネルギを結合して熱を発生するためにト
ランスデユーサ１９，２１間の伝播領域２５にお
いてその基板１７上に配置される。そのようにし
て発生された熱はセンサ１０の温度を静止状態に
おける周囲ガスの温度よりも高くし、一方、セン
サ１０を通るガスの質量流れはそのセンサの温度
を減少させ、測定可能でかつ質量流量に変換しう
る共振周波数の変動を生ずる。
基板１７は適用場面における所望のパラメータ
に従つて選択された圧電材料で作成されるかある
いはその材料をその上に配設されうる。下記に
は、幾つかの圧電材料の概略温度係数がそれらの
結晶学的配向とともに示されている。
に従つて選択された圧電材料で作成されるかある
いはその材料をその上に配設されうる。下記に
は、幾つかの圧電材料の概略温度係数がそれらの
結晶学的配向とともに示されている。
温度係数 材 料 （CTD，PPM／℃）
石英Ｙ，Ｚ ＋24
LiTaO3Ｙ，Ｚ −35
LiNbO3Ｙ，Ｚ −94
LiNbO3128°−Ｙ，Ｘ −90
これらの温度係数および他の圧電材料の他の温
度係数の符号と絶対値は、それらが後述するよう
に伝播速度Vaの変化の大きさと方向、従つて共
振周波数の変動の大きさと方向を示す点で意義が
ある。例示のセンサ１０は特定の特性を有するも
のとして説明されるが、本明細書の教示に従つて
それとは異なる特性を有するように他のセンサが
構成されてもよいことを理解すべきである。
度係数の符号と絶対値は、それらが後述するよう
に伝播速度Vaの変化の大きさと方向、従つて共
振周波数の変動の大きさと方向を示す点で意義が
ある。例示のセンサ１０は特定の特性を有するも
のとして説明されるが、本明細書の教示に従つて
それとは異なる特性を有するように他のセンサが
構成されてもよいことを理解すべきである。
さらに詳細には、第１図および第３図を参照す
ると、例示の基板１７は128°回転、Ｙカツト、Ｘ
伝播LiNbO3で作成され、全体の寸法が約長さ10
mm、幅20mm、厚さ0.5mmであつた。それの上面２
７はその上にトランスデユーサ１９，２１および
膜２３を被着させるのに備えてよく研磨された。
適当な基板１７が幾つかの製造元から市販されて
いる。トランスデユーサ１９，２１はアルミニウ
ムまたはニツケルを含む種々の材料のうちの任意
の１つで作成されうるものであり、真空蒸着によ
つて基板１７上に形成され、続いて公知のフオト
リトグラフ技術を用いて所望の幾何学形状にエツ
チングされうる。
ると、例示の基板１７は128°回転、Ｙカツト、Ｘ
伝播LiNbO3で作成され、全体の寸法が約長さ10
mm、幅20mm、厚さ0.5mmであつた。それの上面２
７はその上にトランスデユーサ１９，２１および
膜２３を被着させるのに備えてよく研磨された。
適当な基板１７が幾つかの製造元から市販されて
いる。トランスデユーサ１９，２１はアルミニウ
ムまたはニツケルを含む種々の材料のうちの任意
の１つで作成されうるものであり、真空蒸着によ
つて基板１７上に形成され、続いて公知のフオト
リトグラフ技術を用いて所望の幾何学形状にエツ
チングされうる。
次に第２図に参照すると、本発明のセンサ１０
が、第１図に示された増幅器１１、減衰器１３お
よび周波数カウンタ１５のほかに、RF発振器３
１および信号検知器３３に関連して示されている
が、これらの目的については後で説明する。
が、第１図に示された増幅器１１、減衰器１３お
よび周波数カウンタ１５のほかに、RF発振器３
１および信号検知器３３に関連して示されている
が、これらの目的については後で説明する。
さらに第１図および第３図を参照すると、トラ
ンスデユーサ１９，２１のそれぞれが第１の櫛歯
形電極と第２の櫛歯形電極３７を具備しており、
第３図には簡略化して示されているが、各電極３
５，３７は15本のフインガ３９を有している。各
トランスデユーサ１９，２１の共振周波数F0は
F0＝Va／Ｌという式で表わされる。Vaは表面２
７を伝播するレイライ波または機械的波の速度
（メートル／秒）、F0は共振周波数（ヘルツ）、Ｌ
は音響波長すなわち特定の電極３５または３７の
隣接した任意の２本のフインガ３９の中心間距離
（メートル）である。第３図から、この式は、第
１の電極３５のフインガ３９と第２の電極３７の
いずれかの隣接フインガ３９の中心間距離、例え
ばフインガ３９ａおよび３９ｂの間隔と各フイン
ガの幅をも規制していることが明らかであろう。
さらに、フインガ対の数Ｎは、Ｎ＝１／パーセン
ト帯域幅＝F0／デルタＦという式に従つて、セ
ンサ１０のパーセント帯域幅を共振周波数F0の
関数として決定する。
ンスデユーサ１９，２１のそれぞれが第１の櫛歯
形電極と第２の櫛歯形電極３７を具備しており、
第３図には簡略化して示されているが、各電極３
５，３７は15本のフインガ３９を有している。各
トランスデユーサ１９，２１の共振周波数F0は
F0＝Va／Ｌという式で表わされる。Vaは表面２
７を伝播するレイライ波または機械的波の速度
（メートル／秒）、F0は共振周波数（ヘルツ）、Ｌ
は音響波長すなわち特定の電極３５または３７の
隣接した任意の２本のフインガ３９の中心間距離
（メートル）である。第３図から、この式は、第
１の電極３５のフインガ３９と第２の電極３７の
いずれかの隣接フインガ３９の中心間距離、例え
ばフインガ３９ａおよび３９ｂの間隔と各フイン
ガの幅をも規制していることが明らかであろう。
さらに、フインガ対の数Ｎは、Ｎ＝１／パーセン
ト帯域幅＝F0／デルタＦという式に従つて、セ
ンサ１０のパーセント帯域幅を共振周波数F0の
関数として決定する。
さらに第４図を参照すると、伝播Tdの時間遅
延はTd＝Ｄ／Vaという式によつて規制される。
Ｄは伝播距離、すなわちトランスデユーサ１９，
２１の中心間距離（メートル）、Vaは伝播の音響
速度（メートル／秒）、Tdは時間（秒）である。
上記の式が与えられると、トランスデユーサ１
９，２１を有する基板１７が予測可能な公称帯域
幅、共振周波数および遅延特性を有するように構
成することができる。そのような構成の一例で
は、Ｌは3.5mm、開孔幅Ｗは3.5mm、Ｄは4.5mm、そ
して電極対数Ｎは15とそれぞれ選定され、これに
より公称共鳴周波数が75MHzで6dB帯域幅が
4.8MHzのセンサ１０が得られた。
延はTd＝Ｄ／Vaという式によつて規制される。
Ｄは伝播距離、すなわちトランスデユーサ１９，
２１の中心間距離（メートル）、Vaは伝播の音響
速度（メートル／秒）、Tdは時間（秒）である。
上記の式が与えられると、トランスデユーサ１
９，２１を有する基板１７が予測可能な公称帯域
幅、共振周波数および遅延特性を有するように構
成することができる。そのような構成の一例で
は、Ｌは3.5mm、開孔幅Ｗは3.5mm、Ｄは4.5mm、そ
して電極対数Ｎは15とそれぞれ選定され、これに
より公称共鳴周波数が75MHzで6dB帯域幅が
4.8MHzのセンサ１０が得られた。
第１図および第２図を再度参照すると、適当な
薄膜２３は環境の周囲温度において固相で存在し
うるものでありかつ音響波長Ｌの公称で約１％〜
10％の範囲の厚さで前記伝播領域２５に被着され
うる任意の材料で形成されうる。好ましい材料
は、基板表面２７からすなわちその表面を伝播す
る機械的レイライ波からおよび／またはこのレイ
ライ波に関連しかつ基板１７の圧電特性に起因す
る電界からエネルギを吸収して自己加熱機能を発
揮するものでありうる。このような材料の一例と
しては、蒸着またはスパツタリングによつて伝播
領域２５に被着されうるニツケル・クロム合金が
ある。この場合、エネルギ吸収は主として電界と
の結合による。好ましい材料の他の例はポリ（メ
チルメタクリレート）のような非導電性ポリマが
あり、これは主として機械的波によるエネルギ結
合を生じる。さらに他の適当な材料としては、導
電性ポリマ、サーメツトおよびメタクリレートま
たはエポキシ・マトリクス中の鉄のような複合マ
イクロ波吸収体等がある。被着はスプレー、スピ
ンコーテイング、化学蒸着、ペイントまたは溶液
塗布等によつて行われうる。
薄膜２３は環境の周囲温度において固相で存在し
うるものでありかつ音響波長Ｌの公称で約１％〜
10％の範囲の厚さで前記伝播領域２５に被着され
うる任意の材料で形成されうる。好ましい材料
は、基板表面２７からすなわちその表面を伝播す
る機械的レイライ波からおよび／またはこのレイ
ライ波に関連しかつ基板１７の圧電特性に起因す
る電界からエネルギを吸収して自己加熱機能を発
揮するものでありうる。このような材料の一例と
しては、蒸着またはスパツタリングによつて伝播
領域２５に被着されうるニツケル・クロム合金が
ある。この場合、エネルギ吸収は主として電界と
の結合による。好ましい材料の他の例はポリ（メ
チルメタクリレート）のような非導電性ポリマが
あり、これは主として機械的波によるエネルギ結
合を生じる。さらに他の適当な材料としては、導
電性ポリマ、サーメツトおよびメタクリレートま
たはエポキシ・マトリクス中の鉄のような複合マ
イクロ波吸収体等がある。被着はスプレー、スピ
ンコーテイング、化学蒸着、ペイントまたは溶液
塗布等によつて行われうる。
本発明に従つて作成されたセンサ１０は、この
センサ１０と、50オーム可変減衰器１３、広帯域
増幅器１１およびデイジタル周波数カウンタのよ
うな信号検知器１５を含む第３図に一般的に示さ
れている回路に接続されうる。
センサ１０と、50オーム可変減衰器１３、広帯域
増幅器１１およびデイジタル周波数カウンタのよ
うな信号検知器１５を含む第３図に一般的に示さ
れている回路に接続されうる。
例示のセンサ１０を用いて、15ボルト、
150mAの直流電力が増幅器１１に印加され、減
衰器１３が1dBにセツトされると、この回路は、
1.25ボルトのピーク・ツー・ピーク振幅をもつて
約72.4MHzで発振した。センサ１０の温度は23.8°
の周囲温度から24.0℃まで上昇し、この後者の温
度は安定した上昇温度であつた。乾燥した窒素の
質量流れがセンサ１０を通されると、発振周波数
は０と690ml／分の間の流量変化に対応して3kHz
だけ変化した。
150mAの直流電力が増幅器１１に印加され、減
衰器１３が1dBにセツトされると、この回路は、
1.25ボルトのピーク・ツー・ピーク振幅をもつて
約72.4MHzで発振した。センサ１０の温度は23.8°
の周囲温度から24.0℃まで上昇し、この後者の温
度は安定した上昇温度であつた。乾燥した窒素の
質量流れがセンサ１０を通されると、発振周波数
は０と690ml／分の間の流量変化に対応して3kHz
だけ変化した。
他の例では、20ボルトの直流電圧が増幅器１１
に印加され、減衰器１３は1dBにセツトされた。
回路は４ボルトのピーク・ツー・ピーク振幅をも
つて約72.4MHzで発振し、センサ温度は23.8℃の
周囲温度から24.6℃の定常上昇温度まで上昇し
た。第５図に示されているように、38〜846ml／
分の範囲質量流れ変化に対して発振周波数は
10.3kHzだけ変化した。流量の変化によつて生じ
た共振幅周波数の変化は選択された流量範囲にお
いて実質的に直線的であつたことも理解されるで
あろう。
に印加され、減衰器１３は1dBにセツトされた。
回路は４ボルトのピーク・ツー・ピーク振幅をも
つて約72.4MHzで発振し、センサ温度は23.8℃の
周囲温度から24.6℃の定常上昇温度まで上昇し
た。第５図に示されているように、38〜846ml／
分の範囲質量流れ変化に対して発振周波数は
10.3kHzだけ変化した。流量の変化によつて生じ
た共振幅周波数の変化は選択された流量範囲にお
いて実質的に直線的であつたことも理解されるで
あろう。
第２の例の場合のようにセンサ１０がオーバー
ドライブされると、ガスの質量流量の一定の変化
に対してより大きい周波数変化が生じ、これによ
りデイジタル周波数カウンタ１５による解析が単
純化される。従つて、伝播領域２５の表面におけ
る流量の非常に小さい変化が容易に解析され、そ
の領域を通るガスの質量流量を公知の方法によつ
て正確に計算することができる。
ドライブされると、ガスの質量流量の一定の変化
に対してより大きい周波数変化が生じ、これによ
りデイジタル周波数カウンタ１５による解析が単
純化される。従つて、伝播領域２５の表面におけ
る流量の非常に小さい変化が容易に解析され、そ
の領域を通るガスの質量流量を公知の方法によつ
て正確に計算することができる。
第２図の回路構成では、RF発振器３１または
信号発生器と信号検知器３３がさらに第１図の回
路とともに用いられている。発振器３１はセンサ
１０の公称共振周波数の信号を与え、信号検知器
３３は第１の発信用櫛歯形トランスデユーサ２１
に印加される信号と第２の受信用櫛歯形トランス
デユーサ１９で受信される信号との間の位相差を
測定する。この位相差の大きさの変化によつても
質量流量を計算することができる。質量流量を決
定するためのさらに他の手法は、発信用櫛歯形ト
ランスデユーサに信号が印加された時点とこの信
号が受信用櫛歯形トランスデユーサ１９に到着し
た時点との間の時間遅延およびその変化を検知す
ることによるものである。
信号発生器と信号検知器３３がさらに第１図の回
路とともに用いられている。発振器３１はセンサ
１０の公称共振周波数の信号を与え、信号検知器
３３は第１の発信用櫛歯形トランスデユーサ２１
に印加される信号と第２の受信用櫛歯形トランス
デユーサ１９で受信される信号との間の位相差を
測定する。この位相差の大きさの変化によつても
質量流量を計算することができる。質量流量を決
定するためのさらに他の手法は、発信用櫛歯形ト
ランスデユーサに信号が印加された時点とこの信
号が受信用櫛歯形トランスデユーサ１９に到着し
た時点との間の時間遅延およびその変化を検知す
ることによるものである。
第１図および第２図の構成は両方とも非常に感
度がよく、精度の高い結果を生ずるが、第１図の
構成の方がより簡潔でかつ実施する場合には大幅
に安価である。第１図の構成を用いて測定される
共振周波数の変化と、第２図の構成を用いて測定
される位相の変化は、自己加熱伝播領域２５を流
れるガスの質量流量の変化から生じるその領域２
５の温度変化にのみ基因する。
度がよく、精度の高い結果を生ずるが、第１図の
構成の方がより簡潔でかつ実施する場合には大幅
に安価である。第１図の構成を用いて測定される
共振周波数の変化と、第２図の構成を用いて測定
される位相の変化は、自己加熱伝播領域２５を流
れるガスの質量流量の変化から生じるその領域２
５の温度変化にのみ基因する。
上述した技術を用いて、10MHz〜1000MHzの範
囲の共振周波数を有するセンサ１０を構成するこ
とができ、この範囲は公知の製作技術を用いて実
現しうる公称の実用範囲を示しているが、より高
い設計共振周波数を選択すれば、センサ１０の製
作がさらに困難となるであろう。選択される共振
周波数を規制しうる１つの要因は、表面の温度変
化当りの共振周波数の変化の固有の温度感度が共
振周波数の増加にともなつて上昇する。伝播領域
２５の自己加熱による温度上昇はΔT∝１／Ａと
いう式によつて規制される。Ａは伝播領域２５の
面積である。すなわち、一定のセンサ１０および
入力電力レベルでは、領域２５の温度とセンサ１
０の感度は両方ともＡの減少にともなつて増加す
る。さらに、より高い設計共振周波数を選択すれ
ば、所定の温度上昇を維持するための面積Ａは減
少する。
囲の共振周波数を有するセンサ１０を構成するこ
とができ、この範囲は公知の製作技術を用いて実
現しうる公称の実用範囲を示しているが、より高
い設計共振周波数を選択すれば、センサ１０の製
作がさらに困難となるであろう。選択される共振
周波数を規制しうる１つの要因は、表面の温度変
化当りの共振周波数の変化の固有の温度感度が共
振周波数の増加にともなつて上昇する。伝播領域
２５の自己加熱による温度上昇はΔT∝１／Ａと
いう式によつて規制される。Ａは伝播領域２５の
面積である。すなわち、一定のセンサ１０および
入力電力レベルでは、領域２５の温度とセンサ１
０の感度は両方ともＡの減少にともなつて増加す
る。さらに、より高い設計共振周波数を選択すれ
ば、所定の温度上昇を維持するための面積Ａは減
少する。
本発明に従つて質量流量を決定するためには同
様の構造を用いることができ、そのような構造で
は非圧電基板上に伝播領域２５を形成するために
圧電ポリマが用いられる。他の構造では伝播領域
２５を選択的に薄くして、測定可能なラム波の励
起を可能にする。自己加熱モードのバルク波クリ
スタル発振器または表面弾性波共振器を用いても
よい。
様の構造を用いることができ、そのような構造で
は非圧電基板上に伝播領域２５を形成するために
圧電ポリマが用いられる。他の構造では伝播領域
２５を選択的に薄くして、測定可能なラム波の励
起を可能にする。自己加熱モードのバルク波クリ
スタル発振器または表面弾性波共振器を用いても
よい。
第１図は本発明による自己加熱センサを、共振
周波数法を用いて質量流量を決定するためのそれ
に関連した電気的装置とともに示す平面図、第２
図は第１図のセンサを、位相変化法を用いて質量
流量を決定するための他の関連した。電気的装置
とともに示す平面図、第３図は第１図のセンサの
櫛歯形トランスデユーサの１つを拡大して示す平
面図、第４図は第１図のセンサの櫛歯形トランス
デユーサの拡大平面図、第５図は質量流量の変化
で生じる共振周波数の変化を示すグラフである。 図面において、１０はセンサ、１１は増幅器、
１３は減衰器、１５は周波数カウンタ、１７は圧
電基板、１９，２１はトランスデユーサ、２３は
薄膜、３１は発振器、３３は信号検知器、３５，
３７は電極、３９はフインガをそれぞれ示す。
周波数法を用いて質量流量を決定するためのそれ
に関連した電気的装置とともに示す平面図、第２
図は第１図のセンサを、位相変化法を用いて質量
流量を決定するための他の関連した。電気的装置
とともに示す平面図、第３図は第１図のセンサの
櫛歯形トランスデユーサの１つを拡大して示す平
面図、第４図は第１図のセンサの櫛歯形トランス
デユーサの拡大平面図、第５図は質量流量の変化
で生じる共振周波数の変化を示すグラフである。 図面において、１０はセンサ、１１は増幅器、
１３は減衰器、１５は周波数カウンタ、１７は圧
電基板、１９，２１はトランスデユーサ、２３は
薄膜、３１は発振器、３３は信号検知器、３５，
３７は電極、３９はフインガをそれぞれ示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ダクト内のガスの流量を測定するための方法
において、 発信用櫛歯形トランスデユーサ、受信用櫛歯形
トランスデユーサ、およびそれらのトランスデユ
ーサ間に配置された伝播領域を有し、この伝播領
域上には伝播表面波からのエネルギを結合するた
めの媒体が被着されており、それにより前記領域
の温度を周囲の温度よりも上昇させるようになさ
れている表面波遅延線を前記ダクト内に配置し、 前記遅延線に増幅器を接続してこの遅延線との
協働により安定した発振器を構成し、 前記遅延線に周波数カウンタを接続して前記発
振器の共振周波数を決定し、 前記ダクト中の前記ガスの流量を決定すること
を特徴とするガスの質量流量を測定する方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、 前記増幅器を付勢し、 前記ガスが前記領域を第１の既知流量で流れて
いるときの前記発振器の第１の周波数を測定し、 前記ガスが前記領域を第２の既知流量で流れて
いるときの前記発振器の第２の周波数を測定し
て、ガス流量の単位変化当りの共振周波数の変化
を求め、 前記ガスが前記領域を、求められるべき第３の
流量で流れているときの前記発振器の第３の周波
数を測定し、 前記第３の流量を計算する工程をさらに含む前
記方法。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の方法において、
前記遅延線が、５×10-5／℃以上の遅延温度係数
を有する圧電材料上に形成されている前記方法。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、
前記伝播領域の温度を上昇させる手段が、前記領
域を流れる音響エネルギの一部分を吸収するため
に前記領域上に配置された基板を有し、それによ
り前記領域の温度を周囲の温度よりも高くなるよ
うに上昇させる前記方法。 ５ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、
前記伝播領域の温度を上昇させるための手段が、
前記領域を流れる電気的エネルギの一部分を吸収
するために前記領域上に配置された物質を具備
し、それにより前記領域の温度を周囲の温度より
も高くなるように上昇させる前記方法。 ６ 特許請求の範囲第３項記載の方法において、
前記伝播領域の温度を上昇させるための手段が、
前記領域を流れる音響的および電気的エネルギの
一部分を吸収するために前記領域上に配置された
物質を具備し、前記領域の温度を周囲の温度より
も高くなるように上昇させる前記方法。 ７ ガスの質量流量を測定するための表面弾性波
装置において、 10-4／℃のオーダの遅延温度係数を有する圧電
材料で形成され、かつその上に発信用櫛歯形トラ
ンスデユーサと受信用櫛歯形トランスデユーサを
配置され、それらのトランスデユーサが10MHz〜
1000MHzの範囲の動作周波数を有している表面弾
性波遅延線と、 前記トランスデユーサ間に配置された伝播領域
であつて、この領域を流れるエネルギの一部分を
吸収するための媒体をその上に配置されており、
それにより前記領域の温度を周囲の温度よりも高
くなるように上昇させるようになされた伝播領域
を具備していることを特徴とするガスの質量流量
を測定するための表面弾性波装置。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の装置において、
前記トランスデユーサが約75MHzの共振周波数を
有している前記装置。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の装置において、
前記伝播領域上に配置された前記媒体は約5dBか
ら約15dBまでの付加的な挿入損失を生じるよう
に選択されている前記装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/899,439 US4726225A (en) | 1986-08-22 | 1986-08-22 | Surface acoustic wave gas flow rate sensor with self-heating feature |
| US899439 | 1986-08-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6353422A JPS6353422A (ja) | 1988-03-07 |
| JPH0563732B2 true JPH0563732B2 (ja) | 1993-09-13 |
Family
ID=25410975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62203233A Granted JPS6353422A (ja) | 1986-08-22 | 1987-08-17 | ガスの質量流量を測定するための方法および装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4726225A (ja) |
| EP (1) | EP0261393A3 (ja) |
| JP (1) | JPS6353422A (ja) |
| KR (1) | KR880003171A (ja) |
| AU (1) | AU598847B2 (ja) |
| CA (1) | CA1286392C (ja) |
| DK (1) | DK438387A (ja) |
| NO (1) | NO873542L (ja) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5117146A (en) * | 1988-04-29 | 1992-05-26 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Acoustic wave device using plate modes with surface-parallel displacement |
| US4947677A (en) * | 1988-10-05 | 1990-08-14 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | SAW determination of surface area of thin films |
| US4932255A (en) * | 1988-12-16 | 1990-06-12 | Johnson Service Company | Flow sensing using surface acoustic waves |
| DE4030651A1 (de) * | 1990-09-28 | 1992-04-09 | Basf Ag | Oberflaechenwellen-gassensor |
| US5235235A (en) * | 1991-05-24 | 1993-08-10 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Multiple-frequency acoustic wave devices for chemical sensing and materials characterization in both gas and liquid phase |
| US5550537A (en) * | 1994-05-06 | 1996-08-27 | Endress + Hauser, Inc. | Apparatus and method for measuring mass flow rate of a moving medium |
| DE19529477A1 (de) * | 1995-08-10 | 1997-02-13 | Paul Drude Inst Fuer Festkoerp | Spread-Spektrum-Signalübertragungsverfahren und -system sowie Sender und Empfänger zur Verwendung bei dem Verfahren bzw. System |
| DE19630890A1 (de) * | 1996-07-31 | 1998-02-05 | Fraunhofer Ges Forschung | Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensor |
| US6044332A (en) * | 1998-04-15 | 2000-03-28 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Surface acoustic wave harmonic analysis |
| US6879936B2 (en) * | 2002-01-09 | 2005-04-12 | Fisher Controls International Llc | Diagnostic apparatus and methods for a chemical detection system |
| JP4769423B2 (ja) * | 2004-03-10 | 2011-09-07 | ベックマン コールター， インコーポレイテッド | 液体攪拌デバイス |
| US7399280B2 (en) * | 2004-04-21 | 2008-07-15 | Honeywell International Inc. | Passive and wireless in-vivo acoustic wave flow sensor |
| US20060202590A1 (en) * | 2005-03-09 | 2006-09-14 | Honeywell International, Inc. | Low cost SH-saw fluid flow sensor |
| US7782462B2 (en) * | 2006-11-27 | 2010-08-24 | Applied Nanotech Holdings, Inc. | Sono-photonic gas sensor |
| CN1988356B (zh) * | 2006-12-01 | 2010-08-25 | 河北理工大学 | 表面波声学纳米流体驱动器及其制作方法 |
| RU2421716C2 (ru) * | 2009-08-18 | 2011-06-20 | Юрий Сергеевич Иванченко | Датчик на поверхностных акустических волнах |
| US9188469B2 (en) | 2009-10-21 | 2015-11-17 | Koninklijke Philips N.V. | Sensor system for measuring a velocity of a fluid including a heating element a resonant circuit and a transducer |
| US9232315B2 (en) * | 2011-03-16 | 2016-01-05 | Phonon Corporation | Monolithically applied heating elements on saw substrate |
| KR101776089B1 (ko) * | 2011-07-08 | 2017-09-08 | 삼성전자주식회사 | 표면탄성파 센서 시스템 및 다중울림파를 이용한 측정 방법 |
| US9118300B2 (en) * | 2013-01-15 | 2015-08-25 | Phonon Corporation | SAW device with heat efficient temperature controller |
| RU2606347C1 (ru) * | 2015-11-20 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Акустокалориметрический сенсор для сигнализации изменений газового состава замкнутых помещений |
| RU2768159C2 (ru) * | 2016-11-28 | 2022-03-23 | Конинклейке Филипс Н.В. | Датчик потока и способ измерения скорости потока |
| CN119643903A (zh) * | 2024-11-06 | 2025-03-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种声表面波热式气体流速传感器 |
| CN119290090B (zh) * | 2024-11-13 | 2025-10-10 | 清华大学 | 一种基于saw振荡器的流体流量检测的无线传感系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3983424A (en) * | 1973-10-03 | 1976-09-28 | The University Of Southern California | Radiation detector employing acoustic surface waves |
| US4332157A (en) * | 1980-08-29 | 1982-06-01 | Trustees Of The University Of Pennsylvania | Pyroelectric anemometer |
-
1986
- 1986-08-22 US US06/899,439 patent/US4726225A/en not_active Expired - Fee Related
-
1987
- 1987-05-11 CA CA000536788A patent/CA1286392C/en not_active Expired - Fee Related
- 1987-08-17 JP JP62203233A patent/JPS6353422A/ja active Granted
- 1987-08-18 EP EP87111994A patent/EP0261393A3/en not_active Withdrawn
- 1987-08-21 AU AU77331/87A patent/AU598847B2/en not_active Ceased
- 1987-08-21 DK DK438387A patent/DK438387A/da not_active Application Discontinuation
- 1987-08-21 NO NO873542A patent/NO873542L/no unknown
- 1987-08-22 KR KR870009189A patent/KR880003171A/ko not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0261393A3 (en) | 1990-03-14 |
| DK438387A (da) | 1988-02-23 |
| CA1286392C (en) | 1991-07-16 |
| AU598847B2 (en) | 1990-07-05 |
| DK438387D0 (da) | 1987-08-21 |
| NO873542L (no) | 1988-02-23 |
| AU7733187A (en) | 1988-02-25 |
| EP0261393A2 (en) | 1988-03-30 |
| US4726225A (en) | 1988-02-23 |
| KR880003171A (ko) | 1988-05-14 |
| JPS6353422A (ja) | 1988-03-07 |
| NO873542D0 (no) | 1987-08-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH0563732B2 (ja) | ||
| US5003822A (en) | Acoustic wave microsensors for measuring fluid flow | |
| US4932255A (en) | Flow sensing using surface acoustic waves | |
| Wenzel et al. | A multisensor employing an ultrasonic Lamb-wave oscillator | |
| US4361026A (en) | Method and apparatus for sensing fluids using surface acoustic waves | |
| US5129262A (en) | Plate-mode ultrasonic sensor | |
| US5189914A (en) | Plate-mode ultrasonic sensor | |
| US4249418A (en) | Temperature detector using a surface acoustic wave device | |
| Benes et al. | Sensors based on piezoelectric resonators | |
| US5212988A (en) | Plate-mode ultrasonic structure including a gel | |
| US6378370B1 (en) | Temperature compensated surface-launched acoustic wave sensor | |
| GB2070772A (en) | Method and apparatus for detection of dew point | |
| KR100706561B1 (ko) | 마이크로 음향 센서 장치를 작동시키기 위한 방법 및 장치 | |
| JPS639169B2 (ja) | ||
| Ferrari et al. | Development and application of mass sensors based on flexural resonances in alumina beams | |
| US6327890B1 (en) | High precision ultrasonic chilled surface dew point hygrometry | |
| GB1581291A (en) | Sensor device | |
| Joshi | Flow sensors based on surface acoustic waves | |
| WO2006138640A1 (en) | Passive and wireless acoustic wave accelerometer | |
| Joshi | Surface-acoustic-wave (SAW) flow sensor | |
| Becker et al. | Multistrip couplers for surface acoustic wave sensor application | |
| Weld et al. | Temperature measurement using surface skimming bulk waves | |
| Baer et al. | Phase noise measurements of flexural plate wave ultrasonic sensors | |
| Hollinger et al. | Wireless surface-acoustic-wave-based humidity sensor | |
| JPH0611492A (ja) | 弾性表面波デバイス |