JPH0697233B2 - 流速センサ及びそれを用いた流速測定装置 - Google Patents
流速センサ及びそれを用いた流速測定装置Info
- Publication number
- JPH0697233B2 JPH0697233B2 JP62044440A JP4444087A JPH0697233B2 JP H0697233 B2 JPH0697233 B2 JP H0697233B2 JP 62044440 A JP62044440 A JP 62044440A JP 4444087 A JP4444087 A JP 4444087A JP H0697233 B2 JPH0697233 B2 JP H0697233B2
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- Japan
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- thin film
- thermistor
- velocity sensor
- temperature
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は流速感知部の構造に特徴を有する無指向性の流
速センサ及びその流速センサを用いた流速測定装置に関
するものである。
速センサ及びその流速センサを用いた流速測定装置に関
するものである。
第6図は従来の無指向性の球状の流速センサ1の一例を
示すものである。本図に示すように従来の流速センサ1
はアルミニウムの球体2とその内部に固定されたガラス
管3及びガラス管3に保持応されて球体2の中心に位置
する極細の白金抵抗体4が設けられている。白金抵抗体
4は正の温度特性を有するものであって、耐熱性と安定
度の点から温度センサとして多く用いられている。白金
抵抗体4の両端には被覆リード線5a,5bが接続され、球
体2の表面部分で接着剤6によって固定されている。
示すものである。本図に示すように従来の流速センサ1
はアルミニウムの球体2とその内部に固定されたガラス
管3及びガラス管3に保持応されて球体2の中心に位置
する極細の白金抵抗体4が設けられている。白金抵抗体
4は正の温度特性を有するものであって、耐熱性と安定
度の点から温度センサとして多く用いられている。白金
抵抗体4の両端には被覆リード線5a,5bが接続され、球
体2の表面部分で接着剤6によって固定されている。
このような白金抵抗体4を用いた流速センサ1によって
例えば定温度型の流速計を構成する場合には、白金抵抗
体4と固定抵抗によりブリッジ回路を形成する。このブ
リッジ回路の一対の端子間の電位差を帰還電流として供
給する帰還増幅器を接続することによりブリッジを平衡
に保つようにしている。そして流体が流速センサ1の周
囲を流れ球体2を介して白金抵抗体4の温度が変化する
と、その温度変化を補償するような電流がブリッジ回路
に流れてブリッジトップ電圧が変化するため、帰還増幅
器と出力に基づいて流体の流速を測定することができ
る。
例えば定温度型の流速計を構成する場合には、白金抵抗
体4と固定抵抗によりブリッジ回路を形成する。このブ
リッジ回路の一対の端子間の電位差を帰還電流として供
給する帰還増幅器を接続することによりブリッジを平衡
に保つようにしている。そして流体が流速センサ1の周
囲を流れ球体2を介して白金抵抗体4の温度が変化する
と、その温度変化を補償するような電流がブリッジ回路
に流れてブリッジトップ電圧が変化するため、帰還増幅
器と出力に基づいて流体の流速を測定することができ
る。
又他の流速センサとしては正と温度特性を有するサーミ
スタを用いた流速センサが提案されている(特公昭49−
3870号)。
スタを用いた流速センサが提案されている(特公昭49−
3870号)。
このような従来の流速センサ及びその流速センサを用い
た流速測定装置では、無指向性とするために温度センサ
である白金抵抗体4は球体2によって被われている。そ
のため球体2の熱容量が無視できず、球体2の表面の温
度変化が白金抵抗体4に伝播するのに時間がかかるため
応答速度が遅いという問題があった。
た流速測定装置では、無指向性とするために温度センサ
である白金抵抗体4は球体2によって被われている。そ
のため球体2の熱容量が無視できず、球体2の表面の温
度変化が白金抵抗体4に伝播するのに時間がかかるため
応答速度が遅いという問題があった。
又球体表面の一定方向からの流体の流速を検出する場合
には球体の表面に温度分布が生じることがあり、白金抵
抗体の抵抗値が風速に対応して変化せず流体の正確な流
速が測定できなくなる恐れがあるという問題点があっ
た。
には球体の表面に温度分布が生じることがあり、白金抵
抗体の抵抗値が風速に対応して変化せず流体の正確な流
速が測定できなくなる恐れがあるという問題点があっ
た。
又正特性サーミスタを用いた流速センサによれば、サー
ミスタはビード型であるため抵抗値が大きく、その温度
を上昇させるために大きな電力を要するという欠点があ
った。又白金抵抗体と同様に球体内に保持する場合に
は、温度分布が一様にならないという欠点もあった。
ミスタはビード型であるため抵抗値が大きく、その温度
を上昇させるために大きな電力を要するという欠点があ
った。又白金抵抗体と同様に球体内に保持する場合に
は、温度分布が一様にならないという欠点もあった。
本発明はこのような従来の流速センサ及びその流速セン
サを用いた流速測定装置の問題点に鑑みてなされたもの
であって、流速測定の応答速度が速く、流速を指向性な
く高精度で測定できるようにすることを技術的課題とす
る。
サを用いた流速測定装置の問題点に鑑みてなされたもの
であって、流速測定の応答速度が速く、流速を指向性な
く高精度で測定できるようにすることを技術的課題とす
る。
本願の第1の発明は流体の流速を測定する球状の流速セ
ンサであって、第1図に示すように、球状の電気絶縁体
と、電気絶縁体の表面に形成された第1の薄膜電極と、
第1の薄膜電極の表面に均一に形成され、正の温度特性
を有する薄膜のサーミスタと、サーミスタの表面に形成
された第2の薄膜電極と、を具備することを特徴とする
ものである。又本願の第2の発明はその流速センサを用
いた流速測定装置であって、第4図に示すように、球状
の電気絶縁体、該電気絶縁体の表面に形成された第1の
薄膜電極、該第1の薄膜電極の表面に均一に形成され、
正の温度特性を有する薄膜のサーミスタ、及び該サーミ
スタの外側に形成された第2の薄膜電極が設けられた流
速センサを一辺に有するブリッジ回路と、ブリッジ回路
の一対の端子が入力端に接続され、ブリッジ回路に帰還
電流を供給することによりブリッジを平衡に保つ帰還増
幅器と、を具備し、帰還増幅器の出力に基づいて流速セ
ンサを通過する流体の流速を検出することを特徴とする
ものである。
ンサであって、第1図に示すように、球状の電気絶縁体
と、電気絶縁体の表面に形成された第1の薄膜電極と、
第1の薄膜電極の表面に均一に形成され、正の温度特性
を有する薄膜のサーミスタと、サーミスタの表面に形成
された第2の薄膜電極と、を具備することを特徴とする
ものである。又本願の第2の発明はその流速センサを用
いた流速測定装置であって、第4図に示すように、球状
の電気絶縁体、該電気絶縁体の表面に形成された第1の
薄膜電極、該第1の薄膜電極の表面に均一に形成され、
正の温度特性を有する薄膜のサーミスタ、及び該サーミ
スタの外側に形成された第2の薄膜電極が設けられた流
速センサを一辺に有するブリッジ回路と、ブリッジ回路
の一対の端子が入力端に接続され、ブリッジ回路に帰還
電流を供給することによりブリッジを平衡に保つ帰還増
幅器と、を具備し、帰還増幅器の出力に基づいて流速セ
ンサを通過する流体の流速を検出することを特徴とする
ものである。
このような特徴を有する本願の第1発明による流速セン
サは球状に構成されており、正の温度特性を有するサー
ミスタが第1,第2の薄膜電極に囲まれて薄く構成され
る。従って流体との接触面積が大きく流体と薄膜電極と
介して接触するため、表面に温度分布が生じることがな
く流速を高感度で検知することができる。
サは球状に構成されており、正の温度特性を有するサー
ミスタが第1,第2の薄膜電極に囲まれて薄く構成され
る。従って流体との接触面積が大きく流体と薄膜電極と
介して接触するため、表面に温度分布が生じることがな
く流速を高感度で検知することができる。
又本願の第2発明によれば、このように構成された球体
の流速センサをブリッジ回路の一辺に設けてそのブリッ
ジを平行させるようにしている。そのためサーミスタを
定温度に保つようにした帰還増幅器の出力によって流速
を検出することができる。
の流速センサをブリッジ回路の一辺に設けてそのブリッ
ジを平行させるようにしている。そのためサーミスタを
定温度に保つようにした帰還増幅器の出力によって流速
を検出することができる。
(第1発明の実施例の説明) 第1図は本願の第1の発明による球体の風速センサの一
実施例を示す断面図である。本図において風速センサ10
は、風速センサ自体を保持する球状の電気絶縁体11を有
している。電気絶縁体11の全表面には第1の薄膜電極12
が均一に形成され、その一部を除く全表面に正の温度係
数を有する薄膜とPTC(Positive Temperature Coeffici
ent)サーミスタ13が形成される。電気絶縁体11はPTCサ
ーミスタ13と実質的に同一の体膨張率を有するものを選
択することによりその膨張によってPTCサーミスタ13を
破壊しないようにすることが好ましく、例えばセラミッ
ク材料を用いるものとする。PTCサーミスタ13の表面に
は更に第2の薄膜電極14を形成する。そして第1,2の薄
膜電極12,14に夫々電極リード線15a,15bを接続して風速
センサ10を構成する。ここでPTCサーミスタ13の抵抗値R
1とPTCサーミスタ13の温度Twとの間には以下の関係が成
り立っている。
実施例を示す断面図である。本図において風速センサ10
は、風速センサ自体を保持する球状の電気絶縁体11を有
している。電気絶縁体11の全表面には第1の薄膜電極12
が均一に形成され、その一部を除く全表面に正の温度係
数を有する薄膜とPTC(Positive Temperature Coeffici
ent)サーミスタ13が形成される。電気絶縁体11はPTCサ
ーミスタ13と実質的に同一の体膨張率を有するものを選
択することによりその膨張によってPTCサーミスタ13を
破壊しないようにすることが好ましく、例えばセラミッ
ク材料を用いるものとする。PTCサーミスタ13の表面に
は更に第2の薄膜電極14を形成する。そして第1,2の薄
膜電極12,14に夫々電極リード線15a,15bを接続して風速
センサ10を構成する。ここでPTCサーミスタ13の抵抗値R
1とPTCサーミスタ13の温度Twとの間には以下の関係が成
り立っている。
t:PTCサーミスタ13の厚み(mm) r:PTCサーミスタ13の半径(mm) α:定数 Tw:PTCサーミスタ13の温度(℃) Tc:PTCサーミスタ13のキュリー温度(℃) A:定数 例えば0.09235 このようにPTCサーミスタ13の抵抗値R1はその温度Twに
よって変化する。第2図はその一例を示すものであっ
て、キュリー温度Tc(この場合には約82℃)以上では指
数的に抵抗値が上昇している。このようにPTCサーミス
タ13の温度Twが定まると、式(1)に基づいてその抵抗
値R1が定まる。ここでPTCサーミスタ13に電流を流す場
合にはその抵抗値R1とPTCサーミスタ13に流れる電流I
(A),風速u(m/sec)との間に、クラマーによって
示された以下の式が成立つ。
よって変化する。第2図はその一例を示すものであっ
て、キュリー温度Tc(この場合には約82℃)以上では指
数的に抵抗値が上昇している。このようにPTCサーミス
タ13の温度Twが定まると、式(1)に基づいてその抵抗
値R1が定まる。ここでPTCサーミスタ13に電流を流す場
合にはその抵抗値R1とPTCサーミスタ13に流れる電流I
(A),風速u(m/sec)との間に、クラマーによって
示された以下の式が成立つ。
I2×R1=(Bun+C)×(Tw−Ta) ……(2) Taは雰囲気温度、例えば28℃であり、定数B,Cは熱放射
係数であり、PTCサーミスタ13の大きさや形状によって
定まる定数、nは定数(通常1/2)である。
係数であり、PTCサーミスタ13の大きさや形状によって
定まる定数、nは定数(通常1/2)である。
従って例えば第3図に示すように定電圧源16によって風
速計10のPTCサーミスタ13に一定電圧Vを印加し、そこ
に流れる電流を電流計17によって検出することによりPT
Cサーミスタ13の抵抗変化より風速値を測定することが
できる。
速計10のPTCサーミスタ13に一定電圧Vを印加し、そこ
に流れる電流を電流計17によって検出することによりPT
Cサーミスタ13の抵抗変化より風速値を測定することが
できる。
即ち風速値uが0のときのPTCサーミスタ13の抵抗値をR
10,その温度をTw0すると、そのときに流れる電流をI0と
して次式が成り立つ。
10,その温度をTw0すると、そのときに流れる電流をI0と
して次式が成り立つ。
I0 2R10=C(Tw−Ta) ……(3) ここでR1・I=V,R10・I0=V0とすると、式(2),
(3)より 但しΔT=Tw−Tw0,V=V0 さてPTCサーミスタ13の温度と常温との差Tw0−Taを100
℃,計数Aを0.1,B/Cを0.2,nを1/2とすると、各値は例
えば次の表のように示される。
(3)より 但しΔT=Tw−Tw0,V=V0 さてPTCサーミスタ13の温度と常温との差Tw0−Taを100
℃,計数Aを0.1,B/Cを0.2,nを1/2とすると、各値は例
えば次の表のように示される。
この表より知られるように風速値uが低ければΔTは比
較的小さな値であるためほほ定温度であり、ΔT<<Tw
0−Taならば以下の式が成り立つ。
較的小さな値であるためほほ定温度であり、ΔT<<Tw
0−Taならば以下の式が成り立つ。
I≒Io(1+B/C・un) このようにして電流値Iから風速値uを求めることがで
きる。このように定電圧方式でPTCサーミスタ13は金属
の薄膜電極14により被われているが、外界の影響を受け
易いので風速によって敏感に抵抗値が変化する。従って
極めて容易な回路構成で高感度で風速を測定することが
可能である。
きる。このように定電圧方式でPTCサーミスタ13は金属
の薄膜電極14により被われているが、外界の影響を受け
易いので風速によって敏感に抵抗値が変化する。従って
極めて容易な回路構成で高感度で風速を測定することが
可能である。
(第2発明の実施例の構成) 第4図は本願の第2の発明による風速測定装置と一実施
例を示す回路図である。本図において風速測定装置は前
述した第1発明の実施例による風速センサ10のPTCサー
ミスタ13と固定抵抗R2,R3,R4を組合わせたブリッジ回路
20を有している。このブリッジ回路20のうち抵抗R2とサ
ーミスタ13の中点をa,抵抗R3,R4の中点をbとし、中点
a,bを夫々演算増幅器21の反転入力端子及び非反転入力
端子に接続する。演算増幅器21はその間の電位差を増幅
するものであって、その出力をブリッジ回路20抵抗R2,R
3の接続点cに与えてフィードバックループを構成して
いる。又演算増幅器21の出力は電圧計22にも与えられ
る。本実施例では固定抵抗R2を20Ω,R3を300Ω,R4を151
5Ωとしている。
例を示す回路図である。本図において風速測定装置は前
述した第1発明の実施例による風速センサ10のPTCサー
ミスタ13と固定抵抗R2,R3,R4を組合わせたブリッジ回路
20を有している。このブリッジ回路20のうち抵抗R2とサ
ーミスタ13の中点をa,抵抗R3,R4の中点をbとし、中点
a,bを夫々演算増幅器21の反転入力端子及び非反転入力
端子に接続する。演算増幅器21はその間の電位差を増幅
するものであって、その出力をブリッジ回路20抵抗R2,R
3の接続点cに与えてフィードバックループを構成して
いる。又演算増幅器21の出力は電圧計22にも与えられ
る。本実施例では固定抵抗R2を20Ω,R3を300Ω,R4を151
5Ωとしている。
(動作) 次に本実施例による風速測定装置の動作について説明す
る。本発明の風速測定装置はPTCサーミスタの温度13の
温度を常に一定に保つように制御する定温度型の風速測
定装置であって、その操作量に基づいて風速を測定する
ようにしている。無風状態ではPTCサーミスタ13は式
(2)によって定まる一定の温度に保たれている。即ち
演算増幅器21によってブリッジ回路20の中点a,bの電圧
が等しくなるようにフィードバック電流が供給されるた
め、定常状態では方式が成立している。
る。本発明の風速測定装置はPTCサーミスタの温度13の
温度を常に一定に保つように制御する定温度型の風速測
定装置であって、その操作量に基づいて風速を測定する
ようにしている。無風状態ではPTCサーミスタ13は式
(2)によって定まる一定の温度に保たれている。即ち
演算増幅器21によってブリッジ回路20の中点a,bの電圧
が等しくなるようにフィードバック電流が供給されるた
め、定常状態では方式が成立している。
R1・R3=R2・R4 ……(5) このようにPTCサーミスタ13の抵抗値R1,それに流れる電
流I1が定まると、(1)式に従ってPTCサーミスタ13の
温度Twが定まる。この温度Twは常温より充分高い温度、
例えば90℃に設定しておくものとする。
流I1が定まると、(1)式に従ってPTCサーミスタ13の
温度Twが定まる。この温度Twは常温より充分高い温度、
例えば90℃に設定しておくものとする。
そして風速センサ10が非測定領域に配置され風が風速セ
ンサ10に当たった場合には、風速センサ10の表面が冷却
されPTCサーミスタ13の温度Twが低下するため、その抵
抗値R1も式(1)に従って低下する。このときブリッジ
回路20の中点a,b間に電位差が生じるので、帰還増幅器2
1のフィードバックループに流れる電流I1が大きくなり
ブリッジ回路20は新たな平衡に達する。このように風速
uと接続点cのブリッジトップ電圧Eとは1対1に対応
するため、電圧計22の電圧値に基づいて風速uを求める
ことができる。第5図は風速測定装置によって得られた
ブリッジトップ電圧E(v)と風速u(m/sec)の関係
の一例を示すグラフである。
ンサ10に当たった場合には、風速センサ10の表面が冷却
されPTCサーミスタ13の温度Twが低下するため、その抵
抗値R1も式(1)に従って低下する。このときブリッジ
回路20の中点a,b間に電位差が生じるので、帰還増幅器2
1のフィードバックループに流れる電流I1が大きくなり
ブリッジ回路20は新たな平衡に達する。このように風速
uと接続点cのブリッジトップ電圧Eとは1対1に対応
するため、電圧計22の電圧値に基づいて風速uを求める
ことができる。第5図は風速測定装置によって得られた
ブリッジトップ電圧E(v)と風速u(m/sec)の関係
の一例を示すグラフである。
このように本実施例による風速測定装置は応答性が速く
第5図に示すように低風速における分解能が大きいの
で、低風速における風速計として用いることが有効であ
る。
第5図に示すように低風速における分解能が大きいの
で、低風速における風速計として用いることが有効であ
る。
尚上述した各実施例は気体の流速を測定する流速センサ
及びその流速測定装置について説明したが、本願の流速
センサ及びその流速測定装置は液体の流速測定に適用す
ることができることはいうまでもない。
及びその流速測定装置について説明したが、本願の流速
センサ及びその流速測定装置は液体の流速測定に適用す
ることができることはいうまでもない。
このように本願の第1の発明によれば、金属薄膜を介し
て球体表面に正の温度係数を有するサーミスタが設けら
れている。従ってサーミスタは流体の影響を受け易くサ
ーミスタが高温に保たれている場合には、流速の変化に
よって短時間でサーミスタの抵抗が変化する。従って応
答速度の速い流速センサを得ることができる。
て球体表面に正の温度係数を有するサーミスタが設けら
れている。従ってサーミスタは流体の影響を受け易くサ
ーミスタが高温に保たれている場合には、流速の変化に
よって短時間でサーミスタの抵抗が変化する。従って応
答速度の速い流速センサを得ることができる。
又本願の第2の発明による流速測定装置では、ブリッジ
回路と帰還増幅器を用いてブリッジ回路の一辺に接続さ
れた流速センサの温度を一定に保つようにしているた
め、流速センサが流速の影響を受けて敏感に抵抗値が変
化する。従ってその帰還電流に基づいて高感度で流速の
変化を検出することができる。又サーミスタには温度分
布が生じることがなくそれに基づく測定誤差を生じる恐
れもない。そのため高感度の無指向性の流速センサ及び
流速測定装置とすることができる。
回路と帰還増幅器を用いてブリッジ回路の一辺に接続さ
れた流速センサの温度を一定に保つようにしているた
め、流速センサが流速の影響を受けて敏感に抵抗値が変
化する。従ってその帰還電流に基づいて高感度で流速の
変化を検出することができる。又サーミスタには温度分
布が生じることがなくそれに基づく測定誤差を生じる恐
れもない。そのため高感度の無指向性の流速センサ及び
流速測定装置とすることができる。
第1図は本願の第1発明の一実施例による風速センサの
断面図、第2図はPTCサーミスタの温度特性を示すグラ
フ、第3図は本実施例の風速センサの使用状態を示す
図、第4図はその風速センサを用いた本願の第2発明の
一実施例による風速測定装置を示す回路図、第5図は本
実施例の風速測定装置のブリッジトップ電圧と風速の関
係を示すグラフ、第6図は従来の流速センサの一例を示
す断面図である。 10……風速センサ、11……電気絶縁体、12……第1の薄
膜電極、13……PTCサーミスタ、14……第2の薄膜電
極、16……定電圧源、17……電流計、22……電圧計、20
……ブリッジ回路、21……帰還増幅器
断面図、第2図はPTCサーミスタの温度特性を示すグラ
フ、第3図は本実施例の風速センサの使用状態を示す
図、第4図はその風速センサを用いた本願の第2発明の
一実施例による風速測定装置を示す回路図、第5図は本
実施例の風速測定装置のブリッジトップ電圧と風速の関
係を示すグラフ、第6図は従来の流速センサの一例を示
す断面図である。 10……風速センサ、11……電気絶縁体、12……第1の薄
膜電極、13……PTCサーミスタ、14……第2の薄膜電
極、16……定電圧源、17……電流計、22……電圧計、20
……ブリッジ回路、21……帰還増幅器
Claims (3)
- 【請求項1】流体の流速を測定する球状の流速センサで
あって、 球状の電気絶縁体と、 前記電気絶縁体の表面に形成された第1の薄膜電極と、 前記第1の薄膜電極の表面に均一に形成され、正の温度
特性を有する薄膜のサーミスタと、 前記サーミスタの表面に形成された第2の薄膜電極と、
を具備することを特徴とする流速センサ。 - 【請求項2】前記電気絶縁体は、前記サーミスタと実質
的に同一の体膨脹率を有するセラミックであることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の流速センサ。 - 【請求項3】球状の電気絶縁体、該電気絶縁体の表面に
形成された第1の薄膜電極、該第1の薄膜電極の表面に
均一に形成され、正の温度特性を有する薄膜のサーミス
タ、及び該サーミスタの外側に形成された第2の薄膜電
極が設けられた流速センサを一辺に有するブリッジ回路
と、 前記ブリッジ回路の一対の端子が入力端に接続され、前
記ブリッジ回路に帰還電流を供給することによりブリッ
ジを平衡に保つ帰還増幅器と、を具備し、前記帰還増幅
器の出力に基づいて前記流速センサを通過する流体の流
速を検出することを特徴とする流速測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62044440A JPH0697233B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 流速センサ及びそれを用いた流速測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62044440A JPH0697233B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 流速センサ及びそれを用いた流速測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63210666A JPS63210666A (ja) | 1988-09-01 |
| JPH0697233B2 true JPH0697233B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=12691541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62044440A Expired - Lifetime JPH0697233B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 流速センサ及びそれを用いた流速測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697233B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6365318A (ja) * | 1986-09-05 | 1988-03-23 | Daikin Ind Ltd | 温熱検知素子 |
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-
1987
- 1987-02-26 JP JP62044440A patent/JPH0697233B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63210666A (ja) | 1988-09-01 |
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