JPH0572528B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は事務所、工場、地下街、風洞などの空
気又は各種の液体の流速あるいは粉体や粉体の移
動速度を測定する方法とその装置に関する。

流体の流体速度測定装置において多く使用され
ているものとして風速計があり、風速計としては
熱線風速計が多く使用されている。この熱線風速
計はタングステンや白金などの細線コイルで構成
したセンサに電圧を印加して一定温度に昇温さ
せ、且つその温度を維持させるように構成し、風
速の変化による前記コイルの電気抵抗の変化に伴
う電圧又は電流、電力の変化に基づいて風速を測
定するものである。しかし、この風速計は、コイ
ルが折損しやすく、取り扱いや寿命の点で問題を
有し、且つ各センサによつて特性に多少のばらつ
きが生じるから、各センサの特性に合わせてデー
タを較正することが必要となり、多点測定の場合
には各センサに対して増幅率の異なるアンプなど
を設ける設けることが必要となる難点も生じる。
また、測定精度を上げるために抵抗値の変化範囲
が小さいものをアンプで大く増幅しているからア
ンプのコストが上昇する難点もあり、コイル状に
したホツトワイヤ（熱線）の支持及びそれに接続
したリード線の保持などに対する構造が複雑にな
るなどの難点がある。

本発明は、強度が大きく、振動に対して耐久性
があり且つ取り扱いが容易であるとともに、多点
測定を１台のアンプなどで行うことを可能にして
コストの引下げを可能にすること、及び測定精度
を上げ且つ測定温度範囲を広くし、センサの支持
とそれのリード線の保持を容易化することを目的
とする。

本発明は、センサに電圧を印加して設定した定
温度を維持させ、流体との接触でのセンサの温度
変化によるセンサの電気抵抗の変化に伴う電圧又
は電流あるいは電力の変化値に基づき流体の速度
を測定する方法と装置において、センサが適量の
不純物を混入して比抵抗対温度の特性曲線の直線
状傾斜部に測定時における設定温度が対応するよ
うに調製したゲルマニウムの単結晶体の小片で構
成されていることを特徴とする。

風速などの測定は、単結晶ゲルマニウムの小片
からなるセンサを被測定流体中に置き、電圧を印
加して設定した定温度を維持させ、被測定流体が
センサに接触することによるセンサの温度変化に
従つて変わるセンサの電気抵抗の直線的な変化に
伴つてセンサを設定温度に維持するために必要な
電流又は電圧あるいは電力の変化値に基づいて被
測定流体の速度を測定するものである。

本発明の測定装置の実施例を第１図及び第２図
について説明すると、１は適量の不純物を混入し
たゲルマニウムの単結晶体からなる直方体状のセ
ンサで、その長さ方向の一端に、無機材料で形成
された棒状の支持体２がエポキシ樹脂などの接着
剤層３で固着されている。支持体２としては、電
気絶縁材であるとともに、断熱性に優れたものを
使用する。その一例として、セラミツクス又はガ
ラスなどの無機材料、又は合成樹脂がある。４は
センサ１の長辺の一側面に、その長さ方向の一端
を残して固着した二酸化けい素などからなる絶縁
層で、この絶縁層４を有するセンサ１の側面のほ
ぼ全体に金などの電気抵抗が小さい金属を真空蒸
着することで、一端がセンサ１の長さ方向の一端
に直接に固着されたリード線５Ａを構成し、リー
ド線５Ａを固着した面と反対のセンサ１の側面に
おいて、リード線５Ａの直接に固着された端部と
は反対の端部に、真空蒸着によりリード線５Ｂの
端部が固着されており、且つリード線５Ａ，５Ｂ
は支持体２の側面に延長されている。６は平衡増
幅回路で、これにリード線５Ａ，５Ｂを接続し、
センサ１に電圧を印加して、センサ１を予め設定
した一定温度に上昇させ、且つその温度を維持さ
せるとともに、センサ１の電気抵抗の変化に伴う
電流などを増幅するように構成されている。この
例の平衡増幅回路６は、センサ１に一定電圧を印
加し、センサ１の温度変化に伴つて変わるセンサ
１の電気抵抗の変化に電流量を対応させてセンサ
１に定温度を維持させるように構成され、前記セ
ンサ１の電気抵抗の変化に伴う電流の変化を増幅
するものである。平衡増幅回路６としては、セン
サ１に一定電流を流し、センサ１の温度変化に伴
つて変化する電圧を増幅するもの、又は、センサ
１に一定温度を維持させるのに要する付加電力の
変化を電流値に又は電圧値で読み取り、それを増
幅するものも使用可能である。

７は温度の変化を電圧又は電流又は電力の変化
値として表す温度センサで、これが温度補償回路
８に接続されている。ここで、気体などの温度で
センサ１の温度が変化し、風速などの変化した如
くに電流などの変化が生じる場合がある。この温
度変化による電流などの変化を補償するのが温度
センサ７であるから、該温度センサ７は風などの
流体が直接に接しないようにカバーで被覆するな
どして構成されている。センサ１及び温度センサ
７の温度変化に伴つて、変わつた電流などは加算
回路９とリニアライザ１０を介して表示器１１に
風速などとして表示される。

センサ１の形状は、その離れた２点にリード線
５Ａ，５Ｂを取付けて、センサ１に電圧を印加し
昇温可能な任意の形状を選択することが可能で、
丸棒状又は帯板状、立方体、球体などにすること
も可能である。大きさは、直方体の場合、例えば
長さが１mmで短辺の１辺が300μm、立方体の場合
１辺が500μm程度にする。ただし、この寸法に限
定することは不要である。センサ１に対する支持
体２の固着においても、第４図に示すように、セ
ンサ１の長さ方向の中間部の側面にＴ字状に固着
するなど任意である。センサ１に対するリード線
５Ａ，５Ｂの固着位置も任意で、第３図は、リー
ド線５Ｂの端部をセンサ１と支持体２との間に挟
む状態にしてセンサ１の端面に固着した例であ
る。第４図のように、支持体２をセンサ１に対し
てＴ字形にしたときは、センサ１の支持体２を固
着した側面の両端、又は、センサ１の長さ方向の
両端面などの両端にリード線５を固着する。そし
て、前記の例ではリード線５を金属の蒸着で形成
したが、金属の線材を使用することも可能で、例
えば、センサ１の端部にゲルマニウムと金の共晶
合金を作成し、それに白金線をハンダなどで固着
する。リード線５として金属線を使用した場合も
絶縁物を介してセンサ１に固着して、センサ１に
リード線を支持させても、分離した状態で支持体
２に取付けるなど任意である。

ゲルマニウムの比抵抗対温度の関係は第８図に
例示したように、山型にほう物線状に折曲したも
のとなるが、ゲルマニウム単結晶に対して混入す
る不純物の混入量を変えると、この折点の位置が
変わる。この不純物として、Ｎ型ゲルマニウムの
場合は、アンチモン、ひ素、リンなどがあり、Ｐ
型ゲルマニウムの場合は、酸化ガリウム、ボロ
ン、インジユームなどがある。第８図では、前記
のような不純物の量を10¹²〜10¹⁵atoms／cm³混入
した場合を示したが、混入量は更に多くも、少な
くもできる。測定時におけるセンサ１の設定温度
は、前記ゲルマニウムの特性曲線において、その
折点よりも高温側の直線性の良い傾斜部を使用す
る。

この装置による、例えば風洞内の風速の測定に
ついて説明すると、公知の装置と同様に、適当な
サポート部１２に支持体２を介して取付けたセン
サ１を、そのゲルマニウム小片の表出側を風の流
動方向と相対して、第７図のように風洞１３内に
設置し、且つ温度センサ７を風洞１３内にセツト
する。

風洞１３にセツトしたセンサ１に対して平衡増
幅回路６から一定電圧を印加し、センサ１を所定
温度に昇温させ、且つその温度を維持させる。そ
して、風洞１３内の風速が変化すると、それに応
じて風とセンサ１間に熱交換が生じ、センサ１の
温度が変化してその電気抵抗が変わる。電気抵抗
の変化に対応して変わる電流を平衡増幅回路６で
増幅し、その値に基づいて加算回路９、リニアラ
イザ１０を介して表示器１１に風速を表示する。

多点測定をする場合は、スキヤナーを介して、
各センサ１の電流又は電圧、電力の変化を増幅す
ればよく、センサ１の特性がよく揃つているので
１台の増幅回路で複数のセンサ１のデータを処理
することができる。ここで、高純度のゲルマニウ
ム単結晶を作製する技術及びそれに原子数レベル
で一定量の不純物を混入（ドーピング）する技術
は、既に半導体製造技術において確立されてお
り、本発明で用いるセンサ１として特性の良く揃
つた単結晶体からなる小片（素子）を容易に作製
することが可能である。

この装置は上記のように、適量の不純物を混入
した単結晶のゲルマニウムをセンサ１として使用
しており、ゲルマニウムは第８図の特性曲線から
明らかなように、風速の変化に伴う温度の変化に
対応して変わる電気抵抗が大きい、例えば温度変
化が０〜400℃であると比抵抗は３〜４桁も変化
するから、風速の変化を的確に測定できるととも
に、精度の高い測定を行うことが可能である。そ
して、ゲルマニウムは第８図に例示したように、
不純物の混入量によつて直線状傾斜部の温度範囲
は異なるが、温度の低下に伴つて電気抵抗が増大
するから、起動時（低温時）においてセンサ１を
所定の温度に昇温する場合、比較的小さな電流で
も発熱量が大きいから、起動時の立上りを速やか
に行いうる。センサ１としてゲルマニウムの直方
体などの小片を使用するから、ホツトワイヤに比
して、その表面積が大きくなり、測定時にセンサ
１の表面に埃などが付着し場合にも、その埃など
によるセンサ１全体に対する影響を小さくでき、
ほぼ任意の環境で風速の測定を行うことが可能で
あり、且つホツトワイヤのように断線などの破損
の恐れが殆どなく、取扱いが容易であり、ホツト
ワイヤに比して大きな電流を流すことが可能で大
きな出力をうることが可能であるからノイズによ
る測定誤差の問題の解決が可能である。

単結晶のゲルマニウムは非常に純度が高いもの
をうることが可能で、それに一定量の不純物を混
入する技術も確立されていることから、同一特性
の素子をうることが容易にできることにより、多
点計測の場合、各センサのデータを同一の平衡増
幅回路で処理することが可能で、多点計測を容易
化し、且つそのコストを引下げることが可能であ
る。

センサ１の支持においても、それがゲルマニウ
ムの小片で構成されており、変化しないから、第
２〜４図に例示したように、センサ１の側面に対
して棒状の支持体２を直接に固着でき、且つ支持
体２は１本でよいから、センサ１の支持を容易に
且つ強固に行うことが可能で、空気中はもちろん
液体や粒体中で安定よく使用しうる。そして、セ
ンサ１が棒状の場合、第２図及び第３図のよう
に、その長さ方向の端部又は第４図のように長辺
側面などに支持体２を取付ける位置を選択するこ
とが可能であるから、使用条条件などに応じてセ
ンサ１に対して支持体２を固着すれば、より的確
な測定ができる。例えば、第４図のように、セン
サ１と支持体２とをＴ字形に固着すれば、支持体
２を気体などの流動方向と相対向させることがで
き、支持体２による測定に対する影響を少なくで
きる。

多点測定をする場合は、第６図のように、セン
サ１にＴ字状に固着した支持体２を適当なポール
１４に直方向に固着すれば、複数の支持体２のす
べてを気体の流動方向と平行方向にすることがで
き、支持体２の影響をより小さくすることが可能
である。

センサ１としてゲルマニウムの小片を使用した
結果、それに端部を取付けたリード線５の保持
を、第２〜４図のように、センサ１の表面に固着
することが可能であるから、リード線５の保持が
容易で、リード線５を保持するための部材が不要
であるとともに、リード線が測定の邪魔になるよ
うな問題も解決でき、センサ１の部分の構造を簡
易化して、指向性をなくすることに寄与しうる。

本発明は上記のように、センサを適量の不純物
を混入した単結晶ゲルマニウムの小片で構成して
いるから、破損などの恐れがないとともに、振動
にも強く取扱いが容易であるとともに、比較的大
きな電流を流し、大きな出力をうることができる
からノイズによる測定誤差の問題を解決すること
が可能である。そして、同一特性の素子をうるこ
とが可能であるから多点測定の場合、複のセンサ
のデータを１台の増幅器などで処理することが可
能であり、多点測定を容易化でき、且つそのコス
トの引下げが可能である。ゲルマニウムは、温度
変化による電気抵抗の変化が比較的大きく且つ不
純物の混入量を調製すれば設定温度に対して直線
状傾斜部を利用できるから、風速の変化を的確
に、且つ高精度で測定できる。更に、ゲルマニウ
ムセンサ以外の接着剤及び絶縁材等の構造部材の
耐熱性が許されるならば、０〜400℃の流体温度
範囲での流体速度の測定が可能となる。また、本
発明のセンサ、その表面積が比較的大きく、埃が
付着した場合における影響を小さくできるから、
風速について任意の環境での測定が可能であり、
その他液体、粒体及び粉体の流動速度の測定にも
使用可能である。

更に、センサを支持するための支持体は、セン
サを構成する適量の不純物を混入したゲルマニウ
ム単結晶体の小片（素子）に直接固着でき、且つ
素子自体が剛体であるから、１本の流体で支持し
うるから、素子の支持が容易であり、支持体によ
る測定に対する影響を小さくすることが可能であ
る。そして、素子に固着したリード線を、絶縁物
を介在させることで素子に固着して、素子自体で
保持することも可能でリード線の保持が容易であ
るとともに、リード線が測定に与える影響をなく
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例で、第１図はブロツク
図、第２図と第３図、第４図はセンサに対するリ
ード線の取付状態及びセンサの支持体に対する支
持状態がそれぞれ異なつた例の拡大正面図、第５
図と第６図はセンサをポールに取付けた正面図、
第７図は風洞内の測定状態の断正面図、第８図は
ゲルマニウムの比抵抗対温度の特性曲線である。 １：センサ、２：支持体、３：接着剤層、４：
絶縁層、５：リード線、６：平衡増幅回路、７：
温度センサ、８：温度補償回路、９：加算回路、
１０：リニアライザ、１１：表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 適量の不純物を混入して比抵抗対温度の特性
   曲線の直線状傾斜部に測定時における設定温度が
   対応するように調製した単結晶ゲルマニウムの小
   片からなるセンサに、電圧を印加して設定した定
   温度を維持させ、流体との接触でのセンサの温度
   変化によるセンサの電気抵抗の変化に伴う電圧又
   は電流あるいは電力の変化値に基づいて流体の速
   度を測定する流体速度測定方法。 ２ センサに電圧を印加して設定した定温度を維
   持させ、流体との接触でのセンサの温度変化によ
   るセンサの電気抵抗の変化に伴う電圧又は電流あ
   るいは電力の変化値に基づいて流体の速度を測定
   する装置において、センサが適量の不純物を混入
   して比抵抗対温度の特性曲線の直線状傾斜部に測
   定時における設定温度が対応するように調製した
   ゲルマニウムの単結晶体の小片で構成されている
   流体速度測定装置。 ３ センサが棒状に構成され、その長さ方向の一
   端に棒状の支持体が固着された特許請求の範囲第
   ２項記載の流体速度測定装置。 ４ センサが棒状に構成され、その長さ方向の側
   面中間部に棒状支持体が固着された特許請求の範
   囲第２項記載の流体速度測定装置。 ５ センサの両端のそれぞれに一対のリード線の
   端部が真空蒸着で固着された特許請求の範囲第２
   項又は第３項又は第４項記載の流体速度測定装
   置。