JPH0769341B2 - 流体速度測定用プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流体の移動速度を測定する流体速度測定用プ
ローブに関するもので、更に詳しくはゲルマニウム単結
晶の小片の温度変化に伴なう抵抗値の変化を利用した流
体速度測定用プローブに関するものである。

〔従来の技術〕

本願出願人は、実願昭61-140965号において、ゲルマニ
ウム単結晶の小片となるセンサを電気絶縁性の外被材で
球形に外被して、流体の流れの方向に対するセンサの指
向性を少なくした「流体速度測定用プローブ」を提示し
た。

ここでは、センサとして、ゲルマニウム単結晶の小片を
利用することによって、タングステンや白金のコイルを
利用した熱線風速計の欠点である取扱いや寿命の問題点
を解決するとともに、センサを球形に外被することによ
って、センサの指向性を少なくするものであった。

しかし、外被材として、例えば、電気絶縁性の合成樹脂
を利用しており、その材料が有する断熱性から、流体と
の接触によるプローブ表面の微小な温度変化を測定する
ことが困難であり、また、完全にセンサの指向性をなく
すことは無理であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記問題点に鑑みて、取扱いが簡単で寿命の長
いゲルマニウム単結晶の小片を用いて指向性が少なく、
正確に流体速度を測定できる流体速度測定用プローブを
提供することを目的とするものである。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明は、上記本発明の目的を達成する為に、長さ方向
基端に端子を有し、内部中空である基台と、該基台の先
端に取付けられる内部中空の支持体と、該支持体の先端
に配される単結晶ゲルマニウムの小片でなるセンサと、
該センサの長さ方向両端から引き出されるリード線と、
該リード線に接続され、前記支持体及び前記基台の中空
部に配設される配線材と、センサ挿入孔を有する金属製
の球体でなり、前記センサが該挿入孔に挿通される被覆
部材と、該被覆部材と前記支持体との間に設け、配線材
を合成樹脂で固定して形成した弾性を有する細い露出部
と、前記センサを前記露出部、前記配線材及び前記被覆
部材内面と離間した状態で固定する合成樹脂製の絶縁性
部材と、よりなる、前記センサに電圧を印加して一定温
度を維持し、流体が被覆部材に接触することによるセン
サの抵抗値の変化を、電圧、電流または電力に変換し、
その出力に基づいて流体速度を測定してなり、プローブ
の長さ方向と流体の流れとがなす角度が±50度の範囲内
で出力の変化率を３％以内に抑制してなる流体速度測定
用プローブを構成するものである。

ここで、被覆部材として、銅、アルミニウム、金、銀か
ら選択した金属製の球体を利用することが可能である。

また、絶縁性部材としては、エポキシ樹脂を利用するこ
とができる。

更に、配線材として、リン青銅の細線を利用することが
可能である。

〔作用〕

本発明に係る流体速度測定用プローブは上述のような構
成からなり、配線材を介して、ゲルマニウム単結晶の小
片からなるセンサに電圧を印加して一定温度を保持し、
流体がセンサに接触して変化するセンサの抵抗値の変化
を、電圧、電流または電力に変換し、この出力に基づい
て流体速度を測定するものである。

ここで、単結晶ゲルマニウムでなるセンサを金属製の球
体である被覆部材によって被覆しているために、略全方
向からの流体の流れに正確な速度測定を行えるものであ
る。

また、被覆部材と支持体との間に設けた弾性を有する細
い露出部によって、支持体と被覆部材及びセンサとの断
熱性が高まって測定精度が向上するとともに、被覆部材
に対する耐衝撃性が向上する。

特に被覆部材として、熱伝導率の高い金属製の球体を利
用することによって、流体速度を正確に測定することが
可能となるものであり、材質としては、銅、アルミニウ
ム、金、銀のうちから選択したものを利用することがで
きる。

また、支持体の先端から露出した配線材を合成樹脂でな
る絶縁性部材によって固定すれば、この絶縁性部材が緩
衝材として働き、プローブの損傷を防止することができ
るものである。

ここで、被覆部材とセンサとの間隙に充填される絶縁性
部材としては、熱伝導率が高く、電気伝導度の低い合成
樹脂が採用され、例えばエポキシ樹脂を利用すれば、好
適な流体速度測定用プローブを提供することが可能とな
るものである。

〔実施例〕

本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る流体速度測定用プローブの第１実
施例の説明用側面図、第２図は本発明の第１実施例の説
明用一部拡大断面図である。

図中１は、長さ方向の基端に端子２を有し、長さ方向に
内部中空である基台であり、例えば、セラミックパイプ
等が使用されるが、材質は特に限定されるものではな
い。

３は、基台１の先端に取付けられる内部中空の支持体で
あり、該支持体３としては、強度の点、コストの点等を
考慮して、例えばニッケルパイプが採用されるもので、
その他材質は特に限定されるものではない。

４は、外形が直方体形状のゲルマニウム単結晶の小片で
なるセンサであり、該センサ４の側面の上端部と下端部
に位置して、金、銀または白金等の電気良導体でなるリ
ード線５、６が取付けられてなるものである。

７は、センサ４から引き出されるリード線５、６は接続
される配線材であり、この配線材７は、絶縁材によって
被覆された被覆線８及び銅線９からなり、銅線９が被覆
線８に巻きつけられた状態で、支持体３及び基台１の内
部中空に配設され、基台１の内部中空を介して、端子２
に接続されるものである。

この時、被覆線８に巻きつけられた銅線９は、合成樹脂
等でなる固定部材12によって固定されるが、この固定部
材12としてはエポキシ樹脂等が採用されるものである。

10は、センサ挿入孔11を有する金属製の球体でなる被覆
部材であり、該被覆部材10は熱伝導率の高い金属、例え
ば銅、アルミニウム、金、銀等が採用されるが、コスト
の点、加工性の点を考慮して、銅またはアルミニウムを
使用するのが好ましいものである。

被覆部材10として、銅を使用した場合には、表面が酸化
しやすいので、金等のメッキ処理を施す必要があり、ま
た、アルミニウムを使用した場合には、耐蝕性酸化皮膜
を形成することによって表面の酸化を防止するものであ
る。

13は、センサ４を支持体３、配線材７及び被覆部材10内
面と離間させた状態で固定する絶縁性部材であり、該絶
縁性部材13としては、少なくとも電気絶縁性の材料であ
れば、各種のものが利用でき、例えばエポキシ樹脂、シ
リコン樹脂、アニリン樹脂、フェノール樹脂、ポリエス
テル樹脂、ウレタン樹脂等の合成樹脂が採用され得る
が、ここでは、エポキシ樹脂を使用するものとする。

このような本発明に係る流体速度測定用プローブの一例
を製作する工程を説明する。

まず、外径0.8mm、内径0.6mm、長さ30mmのニッケルパイ
プでなる支持体３に、絶縁材によって被覆された0.26mm
径の被覆線８及び0.1mm径の銅線９を挿通する。

被覆線８の上に銅線９を巻きつけて、エポキシ樹脂でな
る固定部材12によって銅線９を固定する。

このとき、被覆線８の上に銅線９が巻きつけられ、固定
部材12によって固定された配線材７の一部が支持体３の
先端に位置して、弾性を有する細い露出部14を形成する
ようにする。

次に、0.3mm×0.3mm×1.5mmの直方体形状でなるセンサ
４から引き出されているリード線５、６と配線材７の被
覆線８、銅線９を接続し、エポキシ樹脂によってセンサ
４を支持体３の先端に位置して固定する。

第３図は、この時の状態を示す説明用側面図である。

即ち、エポキシ樹脂15によって、センサ４を配線材７の
露出部14の先端に位置させるとともに、配線材７と離間
して固定し、エポキシ樹脂15を露出部14と一体的に形成
するものであり、センサ４は支持体３及び配線材７に直
接接触しないように配置され、センサ４の熱が支持体３
及び配線材７に逃げないようにしている。

この後、支持体３の内部中空に配された配線材７を基台
１の内部中空に延設して、基台１の端子２に接続すると
ともに、支持体３の後端を基台１に取付ける。

更に金属製の被覆部材10の挿入孔11にエポキシ樹脂でな
る絶縁性部材13を充填し、支持体３の先端に取付けたセ
ンサ４を挿入する。

このとき、被覆部材10の挿入孔11から溢れ出た絶縁性部
材13は、被覆部材10表面及び配線材７の露出部14に付着
して、支持体３の先端に位置して、被覆部材10をしっか
りと固定する。

本発明の流体速度測定用プローブは上述のようにして作
成され、センサ４が熱伝導率の高い金属の球体でなる被
覆部材10によって被覆されているため、流体の流れの方
向によるセンサ４の指向性をほぼなくすことが可能であ
り、流体の速度を正確に測定することが可能となるもの
である。

もちろん、センサ４としてゲルマニウム単結晶の小片を
用いているために、白金やタングステン等の、ホットワ
イヤを用いた風速計と異なり、取扱や寿命の問題点がな
くなる。

被覆部材10として、銅、アルミニウム等の金属を利用す
ることは、熱伝導率が高いため、表面温度の変化を忠実
にセンサ４に伝達するとともに、加工性がよいので、セ
ンサ挿入孔11を有する球体を容易に形成することができ
るという利点を有するものである。

また、センサ４及び被覆部材10を固定する絶縁性部材13
として、エポキシ樹脂を利用している為、当該プローブ
を製作することが容易であり、かつ被覆部材10の表面の
温度変化をセンサ４に確実に伝達するとともに、センサ
４と配線材７の間の断熱性を保持することができるもの
である。

また、センサ４を内包する被覆部材10が支持体３の先端
から離間した状態で固定されているために、センサ４と
支持体３間の断熱性が保たれるとともに、配線材７を固
定しているエポキシ樹脂でなる固定部材12が絶縁性部材
13と一体的に被覆部材10を支持しているので、露出部14
が緩衝材としてはたらき、当該プローブの損傷を防止す
るものである。

金属製の被覆部材10としては、第４図に示すようなもの
を利用することもできる。

即ち、熱伝導率の高い金属製の球体であり、センサ４を
挿入可能な挿入孔11を有し、更に空気抜き用の貫通孔16
を穿設したものである。

この被覆部材10は第２図に示したものと同様に、銅、ア
ルミニウム、金、銀等が採用され、とくに加工性、コス
トの点で銅またはアルミニウムを使用することが好まし
いものである。

もちろん、銅の場合は、酸化防止用のメッキ処理を施
し、アルミニウムの場合には、耐蝕性酸化皮膜を形成す
ることとする。

このようにした被覆部材10を利用すれば、挿入孔11にセ
ンサ４を挿入したときに、挿入孔11に充填されたエポキ
シ樹脂が貫通孔16内に押し出されて、挿入孔11内に空気
が残留することがなくなる。

挿入孔11内のエポキシ樹脂に空気が残留していると、空
気による断熱によって、正確な速度測定を不可能とする
ため、空気が残留しないように、配慮する必要がある
が、このような球体を用いることによって、容易に空気
の残留を防止することができるものある。

上述のようにした本発明に係る流体速度測定用プローブ
は、端子２及び配線材７を介してセンサ４に電圧を印加
し、センサ４を一定温度に昇温する。

流体との接触によって、センサ４は冷却されるが、一定
温度を維持するように、電圧を変化させて、この電圧変
化を検出すれば、流体の速度を測定することが可能とな
るものである。

ここで、当該プローブの長さ方向と直角な面が、流体の
流れとなす角度をαとし、この角度αを変化させるよう
にプローブを回転させて、端子間電圧を測定した結果を
第５図に示す。

この時の外部条件としては、流体速度を5m/sec一定と
し、縦軸をプローブの端子間電圧、横軸を角度αとした
実験結果を示すものである。即ち、α＝０度のときの出
力電圧7.9Vを基準として、αが−50度〜＋50度の角度範
囲内で変化しても、その出力電圧の変化は−0.1V〜＋0.
06Vであり、その変化率は−1.3％〜＋0.8％であり、全
体として2.1％しか出力電圧が変化しないのである。

この実験結果より、本発明に係る流体速度測定用プロー
ブは、センサ４の長さ方向と流体の流れとがなす角度に
よる出力電圧の変化を３％以内に抑えることができてセ
ンサ４の指向性をなくすことができるので、流体速度の
測定誤差がほぼなくなるのである。

尚、実験結果は示されなかったが、センサ４の長さ方向
の軸回りには完全に無指向性となることはいうまでもな
く、上述の結果と併せてセンサの指向性を極力少なくし
た流体速度測定用プローブを提供することができるもの
である。

第６図は本発明に係る流体速度測定用プローブの第２実
施例の説明用断面図である。

４は、第１実施例と同様のゲルマニウム単結晶の小片で
なるセンサであり、該センサ４の側面の上端部と下端部
に位置して、金、銀または白金等の電気良導体であるリ
ード線５、６が取付けられてなるものである。

10は、第４図に示したものと同様の金属製の被覆部材で
あり、センサ４を挿通可能な挿入孔11及び空気抜き用の
貫通孔16を有する球体である。

この被覆部材10もやはり、第１実施例と同様に熱伝導率
の高い材料が選択されるもので、銅、アルミニウム等が
採用され、銅の場合はその表面に酸化防止用のメッキ処
理をすることとし、アルミニウムを用いる時にはその表
面に耐蝕性酸化皮膜を形成するものである。

７は、センサ４から引き出されるリード線５、６に接続
される配線材であり、この第２実施例では、リン青銅の
細線17、18を絶縁性のエポキシ樹脂19によって接着して
なるものである。

２本の細線17、18が接着された配線材７は、第１実施例
と同様にニッケルパイプ等の支持体３の中空に挿通さ
れ、絶縁性のエポキシ樹脂20によって固定される。

尚、支持体３は第１実施例と同様に基台（図示せず）に
取付けられるものである。

センサ４は、第１実施例と同様に、被覆部材10の挿入孔
11にエポキシ樹脂を充填した状態で挿入して固定される
ものであり、この時、挿入孔11から溢れ出たエポキシ樹
脂は除去される。

リン青銅の細線17、18は、例えば、銅約94％、錫約９％
に少量のリンを加えた材料を使用し、直径0.15mmの細線
に形成して、被覆部材10と支持体３の間に位置する露出
部14の長さを5mmに設定するもので、その他は第１実施
例と同一のものを使用するものである。

このようにした第２実施例を第１実施例と同様に、該当
プローブの長さ方向と直角な面が、流体の流れとなす角
度をαとし、この角度αを変化させるようにプローブを
回転させて、端子間電圧を測定した結果を第７図に示
す。

この時の外部条件は、流体速度を5m/sec一定とし、縦軸
をプローブの端子間電圧、横軸を角度αとした実験結果
を示すものである。即ち、α＝０度のときの出力電圧9.
6Vを基準として、αが−50度〜＋50度の角度範囲内で変
化しても、その出力電圧の変化は−0.24V〜＋0Vであ
り、その変化率は−2.5％〜＋０％であり、全体として
2.5％しか出力電圧が変化せず、特にαが−40度〜＋40
度の角度範囲内では、出力電圧の変化率は−1.3％〜＋
０％であって全体として1.3％しか変化しないのであ
る。

この実験結果より、本発明の第２実施例では、第１実施
例と同様に、センサの長さ方向と流体の流れのなす角度
による出力電圧の変化を３％以内に抑えることができて
センサ４の指向性をなくすことができるので、流体速度
の測定誤差がほぼなくなるのである。

このことは、第１実施例と同様に、熱伝導率の高い材料
で形成された球形の被覆部材10によってセンサ４を被覆
している為に、センサ４と流体の流れとのなす角度に関
係なく、流体速度を測定することが可能となるものであ
り、あらゆる角度からの流体の流れに対応することが可
能となるものである。

また、センサ４を支持体３、配線材７及び被覆部材10と
離間させた状態で固定する絶縁性部材13として、エポキ
シ樹脂等を利用している為に、金属製の被覆部材10の表
面の温度変化を正確にセンサ４に伝達して、流体速度の
測定を行うことが可能となるものである。

また、配線材７として弾性を有するリン青銅の細線17、
18を利用している為に、当該プローブが他の部材に当接
して変形しても、細線17、18の弾性によって容易に復元
して、プローブの形状を維持することができるものであ
る。

このように配線材７として、リン青銅の細線17、18を用
いることによって、配線材７と被覆部材10との接合部に
おける強度を高くできる為、センサ４を被覆部材10の挿
入孔11に挿入する際に、挿入孔11の口縁に溢れた絶縁性
部材13は不必要となる。

このことによって、当該プローブの感度は更に良好とな
るものであり、特に被覆部材11と配線材７との接合部の
絶縁性部材13が削除されてなる為、角度αが大きくなっ
た時の測定誤差を極力小さくすることが可能となるもの
である。

〔発明の効果〕

本発明に係る流体速度測定用プローブは上述のようにし
てなり、ゲルマニウム単結晶の小片からなるセンサを利
用しているために、タングステンや白金等を利用した熱
線風速計の欠点である取り扱いや寿命の問題点を解消す
ることが可能となるとともに、既製の半導体素子をセン
サとして用いる場合と比較して流体温度に対する適用範
囲が格段に広がるものである。

また、センサの表面を熱伝導率が高い金属製の球体から
なる被覆部材で被覆していることと、支持体と被覆部材
間に細い露出部を設けたことにより、センサの長さ方向
の軸回りに対して指向性をなくすことができたことは勿
論、プローブの長さ方向と流体の流れの方向がなす角度
に対する指向性も極力少なくすることができ、即ちその
角度が±50度の範囲内で出力変化率を３％以内に抑制す
ることができたのであり、このことより、センサと流体
の流れの方向とがなす角度に関係なく、即ち流体の流れ
方向が不明な場合あるいは時間的に変化する場合でも流
体の速度を正確に測定することが可能となるものであ
る。

更に、センサ及び被覆部材を固定する絶縁性部材とし
て、エポキシ樹脂を使用しているために、センサと支持
体との間の断熱性がよく、また被覆部材表面とセンサと
の熱伝導がよいので、流体速度を正確に測定することが
できるものである。

また、センサ及び被覆部材がエポキシ樹脂等からなる固
定部材によって支持体と離間させられているため、セン
サの断熱性を保持することが可能であるとともに、固定
部材または配線材の弾性により当該プローブの損傷を防
止することが可能となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流体速度測定用プローブの実施例
の説明用側面図、第２図は本発明に係る流体速度測定用
プローブの実施例説明用一部拡大断面図、第３図は本考
案に係る流体速度測定用プローブの製作工程説明用側面
図、第４図は被覆部材の他の例を示す説明用断面図、第
５図は本発明に係る流体速度測定用プローブと流体の流
れがなす角度による出力特性図、第６図は本発明に係る
流体速度測定用プローブの第２実施例の説明用断面図、
第７図は本発明の第２実施例と流体の流れとがなす角度
による出力特性図である。 1:基台、2:端子、3:支持体、4:センサ、5:リード線、6:
リード線、7:配線材、8:被覆線、9:銅線、10:被覆部
材、11:挿入孔、12:固定部材、13:絶縁性部材、14:露出
部、15:エポキシ樹脂、16:貫通孔、17:細線、18:細線、
19:エポキシ樹脂、20:エポキシ樹脂。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長さ方向基端に端子を有し、内部中空であ
   る基台と、 該基台の先端に取付けられる内部中空の支持体と、 該支持体の先端に配される単結晶ゲルマニウムの小片で
   なるセンサと、 該センサの長さ方向両端から引き出されるリード線と、 該リード線に接続され、前記支持体及び前記基台の中空
   部に配設される配線材と、 センサ挿入孔を有する金属製の球体でなり、前記センサ
   が該挿入孔に挿通される被覆部材と、 該被覆部材と前記支持体との間に設け、配線材を合成樹
   脂で固定して形成した弾性を有する細い露出部と、 前記センサを前記露出部、前記配線材及び前記被覆部材
   内面と離間した状態で固定する合成樹脂製の絶縁性部材
   と、 よりなり、前記センサに電圧を印加して一定温度を維持
   し、流体が被覆部材に接触することによるセンサの抵抗
   値の変化を、電圧、電流または電力に変換し、その出力
   に基づいて流体速度を測定してなり、プローブの長さ方
   向と流体の流れとがなす角度が±50度の範囲内で出力の
   変化率を３％以内に抑制してなることを特徴とする流体
   速度測定用プローブ。
2. 【請求項２】被覆部材として、銅、アルミニウム、金、
   銀から選択した金属製の球体を利用してなる特許請求の
   範囲第１項記載の流体速度測定用プローブ。
3. 【請求項３】絶縁性部材として、エポキシ樹脂を利用し
   てなる特許請求の範囲第１項または第２項記載の流体速
   度測定用プローブ。
4. 【請求項４】配線材として、リン青銅の細線を利用して
   なる特許請求の範囲第１項または第２項または第３項記
   載の流体速度測定用プローブ。