JPH0862008A

JPH0862008A - 熱式流量センサ

Info

Publication number: JPH0862008A
Application number: JP6217878A
Authority: JP
Inventors: Yoji Nagata; 揚二永田; Mikio Sugioka; 幹生杉岡; Tsuneaki Hashimoto; 常明橋本
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JP2771949B2

Abstract

(57)【要約】【目的】液体の温度の影響を受けないで、温度の異な
るすべての液体に対して、一定の同じ出力電圧が検出さ
れ、それにより、流れの有無を安定して検出可能な熱式
流量センサを提供すること。【構成】熱式流量センサ１は、液体通路中に配設され
た流量検知用抵抗素子３と水温検知用抵抗素子２とを含
んで形成されたブリッジ回路を有する熱式流量センサ１
であって、液体通路外にあってブリッジ回路を構成する
水温検知用抵抗素子２と直列に接続した温度上昇補正抵
抗素子８を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体の流れの有無等を
測定する熱式流量センサに関し、さらに詳細には、流体
の流れにより冷却され、変化する熱式流量検知用抵抗素
子の抵抗値をブリッジ回路から得られる出力電圧により
判定し、作動する熱式流量センサにおいて、液体温度が
変化したときでも安定して作動できる熱式流量センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流体の流れを検出する熱式流
量センサとして、流量を逐次計測する流量計と、所定の
流れの有無だけを単純に検出する流水スイッチとが使用
されている。そして、流量計及び流水スイッチとして
は、流体が流れる管路内にヒーター及び一対の熱電対を
取り付け、ヒーターにより加熱した流体の温度降下を熱
電対により計測することにより、液体の流速および流体
の流量を計測する熱式流量計が使用されている。しか
し、熱電対を使用する熱式流量計は、応答速度が遅いと
いう問題があった。そこで、速い応答性を必要とする場
合には、熱式流速計により流速および流量を計測するこ
とが行われている。一方、熱式流速計を流水スイッチと
して利用することも行われており、この場合は、流量検
知用抵抗素子を流体中に配置して加熱し、流体の流れに
より冷却され、変化する流体検知用抵抗素子の抵抗値
を、ブリッジ回路で出力電圧として検出し、その出力電
圧をある一定のしきい値と比較し判定することにより、
ＯＮ−ＯＦＦスイッチとして作動させている。

【０００３】すなわち、従来の熱式流速計においては、
ブリッジ回路を形成している抵抗素子のうちの一つを流
量検知用抵抗素子として、流体が流れる管路内に配置
し、常時、その抵抗素子に電流を流し加熱している。こ
こで、流体の流速が変化した場合、流体が抵抗素子から
奪い去る熱量が変化するので、流量検知抵抗素子の抵抗
値が変化する。熱式流速計は、抵抗値が変化した流量検
知用抵抗素子を流れる電流の変化をブリッジ回路から出
力電圧として検出して流速および流量を計測している。
熱式流速計によれば、正確かつ応答性よく流量を計測す
ることができるため、最近広く使用されている。

【０００４】しかし、管路内を通過する流体の温度が変
化した場合に、同じ流量であっても流量検知用抵抗素子
の温度が変化し、流体が流量検知用抵抗素子から奪い去
る熱量が異なることとなる。それに伴って、抵抗値が変
化した流量検知用抵抗素子を流れる電流の変化をブリッ
ジ回路により検出した出力電圧も、流量が同じでも流体
の温度により異なることとなる。すなわち、流体の温度
変化により、流量計測に誤差が発生する問題があった。
すなわち、図４に、従来からの１素子式の熱式流量セン
サにより測定した出力電圧と流量の関係を示している。
ここで、１素子式の熱式流量センサとは、流体が流れて
いる管路内に、流量検知用抵抗素子を一つだけ配置した
ものである。

【０００５】この１素子式の熱式流量センサを用いて、
測定に使用した液体は、水である。液体の温度（水温）
は、０，１０，２０，３０，４０，５０（℃）の６種類
で実験している。すべての水温において、流量の変化
（増加）に対する出力電圧の変化は小さいことがわか
る。しかしながら、この図４からわかるように、同一流
量に対する出力電圧の値は、水温により大きく異なって
おり、出力電圧に対する液体の温度の影響が、大きいこ
とがわかる。それゆえ、温度の異なる液体の流量を測定
する際においては、液体の温度によって出力電圧が変化
して、温度の異なるすべての液体に対して、一定の同じ
出力電圧にならないために、一定のしきい値を定めるこ
とができず、流水スイッチとして作動することができな
い。

【０００６】流体の温度変化による計測誤差を解消する
ため、熱式流速計では、ブリッジ回路を形成している流
量検知用抵抗素子の温度補正を行うために、流量検知用
抵抗素子と水温検知用抵抗素子を流路内に取り付け、ブ
リッジ回路を構成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱式流量センサには、次のような問題があった。すなわ
ち、流量検知用抵抗素子が自己加熱することにより発生
する流量検知用抵抗素子自体の抵抗値の変化が考慮され
ていなかった。そして、ブリッジ回路が平衡する状態
（ブリッジ回路の検流計に電流が流れなくなった状態）
からずれた状態で、ブリッジ回路が作動していた。その
ため、流水スイッチとしての作動に誤動作が発生する問
題があった。

【０００８】すなわち、図５に、従来の流量検知用素子
と水温検知用素子とを用いた２素子式の流水スイッチに
より測定した出力電圧と流量の関係を示す。この２素子
式の熱式流量センサを用いて、測定に使用した液体は、
水である。液体の温度（水温）は、０，１０，２０，３
０，４０，５０（℃）の６種類で実験している。この図
５からわかるように、この２素子式の熱式流量センサに
おいては、図４の１素子式の流量式センサの場合と比較
して、同一流量に対する出力電圧の値は、すべての水温
において、１素子式の流量式センサの場合ほど大きくな
い。すなわち、出力電圧に対する液体の温度の影響は、
それほど大きくはないことがわかる。

【０００９】しかし、まだ温度の異なる液体の流量を測
定する際においては、液体の温度によって出力電圧が少
し変化して、温度の異なるすべての液体に対して、一定
の同じ出力電圧にならないために、一定のしきい値を定
めることができず、流水スイッチとして作動することが
できない問題があった。その理由は、流量検知用抵抗素
子が自己加熱することにより、流量検知用抵抗素子自体
の抵抗値が変化するためである。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、液体の温度の影響を受けない
で、温度の異なるすべての液体に対して、一定の同じ出
力電圧が検出され、それにより、流れの有無を安定して
検出可能な熱式流量センサを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の熱式流量センサは、液体通路中に配設され
た流量検知用抵抗素子と水温検知用抵抗素子とを含んで
形成されたブリッジ回路を有する熱式流量センサであっ
て、液体通路外にあってブリッジ回路を構成する水温検
知用抵抗素子と直列に接続した温度上昇補正抵抗素子を
有している。また、上記熱式流量センサにおいて、温度
上昇補正抵抗素子の抵抗値が、ブリッジ回路に通電され
流量検知用抵抗素子の抵抗値が温度上昇により変化した
ときに、ブリッジ回路を電気的に平衡にする抵抗値であ
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記の構成よりなる本発明の熱式流量センサ
は、液体通路中に配設され、液体の流れの有無を検出す
る。ここで、ブリッジ回路を構成している流量検知用抵
抗素子は、常時、流体温度より２０〜３０度程度高い温
度に加熱されている。流路内で加熱された流量検知用抵
抗素子は、流体により熱を奪われる。ここで、流体に奪
われる熱量は、流速に比例している。そして、流速の増
加に伴い熱が奪われ、流量検知用抵抗素子の温度が下が
る。そして、流量検知抵抗素子の抵抗値が下がり、流量
検知抵抗素子でのブリッジの分圧比が変わり、ブリッジ
電圧が発生する。この電圧の変化を出力電圧として検出
することにより、流速を測定している。

【００１３】流体の温度が変化した場合、水温検知用抵
抗素子が、流体と同じ温度になり、ブリッジ回路により
流体の温度変化に対する温度補正が行われる。また、一
定温度に加熱されることにより発生する流量検知用抵抗
素子の抵抗値の微小変化は、ブリッジ回路の流量検知用
抵抗素子と対抗する位置にある水温検知用抵抗素子に直
列に接続された温度上昇補正抵抗素子が、流量検知用抵
抗素子が通電され所定の温度に加熱されたときに、ブリ
ッジ回路が平衡状態にするため、流量検知用抵抗素子が
加熱されることにより発生する誤差は補正される。それ
により、流体の温度が変化しても、流量検知用抵抗素子
での平衡状態が一定するため、しきい値を容易に採るこ
とができ、安定して作動する熱式流量センサを得ること
ができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例である熱式
流量センサ１について図面を参照して説明する。図１に
熱式流量センサ１の構成を示している。熱式流量センサ
１は、流体Ｆが流れる通路内に水温検知用抵抗素子２お
よび流量検知用抵抗素子３が検出部が流体Ｆに接するよ
うに、流体Ｆの流れる方向に直列に配設されている。そ
して、水温検知用抵抗素子２及び流量検知用抵抗素子３
は、保護部材である保護用カバー４で覆われている。水
温検知用抵抗素子２、流量検知用抵抗素子３と保護用カ
バー４との間には、モールド材５が満たされている。モ
ールド材５は、水温検知用抵抗素子２、流量検知用抵抗
素子３等を固定し、また、熱の伝達を行い、空気側外部
からの水滴、湿気を進入防止する。

【００１５】また、保護用カバー４は、漏れ止め用のＯ
リング６を介してボディ部７に付設されている。ボディ
部７は、円筒状の管であり、流体Ｆが流入する入口と流
体Ｆが流出する出口は、若干直径が大きめに形成されて
いる。流体Ｆは、左方向から流入して、右方向へ流出す
る。本実施例では、水温検知用抵抗素子２と流量検知用
抵抗素子３とを流れに対して直列に配置しているが、並
列に配置してもよく、また、各々を別流路に配置しても
よい。

【００１６】ボディ部７において、管内を流体Ｆが流れ
る流路の断面積は、一定に形成されている。また、ボデ
ィ部７の内部において、流体Ｆの流れは層流状態となる
ように構成されている。水温検知用抵抗素子２及び流量
検知用抵抗素子３は流路のほぼ中央に付設されているた
め、流体Ｆの最も速度の速い位置で流体Ｆと接触してい
る。従って、熱式流量センサとして、流体Ｆの最大速度
を検出している。

【００１７】図２に、この流量検知用抵抗素子３の電流
変化を測定するブリッジ回路を示している。ブリッジ回
路は、水温検知用抵抗素子２（抵抗値Ｒ４）及びそれと
直列に接続する温度上昇補正抵抗素子８（抵抗値Ｒ５）
と、流量検知用抵抗素子３（抵抗値Ｒ３）と、流体通路
の外にある二つの固定抵抗素子（抵抗値Ｒ１，抵抗値Ｒ
２）とにより構成されている。ここで、温度上昇補正抵
抗素子８（抵抗値Ｒ５）は、水温検知用抵抗素子２（抵
抗値Ｒ４）に、流体通路の外で直列に接続されている。
二つの固定抵抗素子（抵抗値Ｒ１および抵抗値Ｒ２）
は、それぞれ、流量検知用抵抗素子３（抵抗値Ｒ３）お
よび水温検知用抵抗素子２（抵抗値Ｒ４）に対するもの
である。また、Ｖｓは、電源電圧であり、Ｖｂは、出力
電圧である。

【００１８】ブリッジ回路において、流体Ｆが流れてい
ない場合は、水温検知用抵抗素子２は流体Ｆと同じ温度
であり、流量検知用抵抗素子３は加熱されている。ここ
で、水温検知用抵抗素子２と流量検知用抵抗素子３と
は、温度が異なるため、抵抗値が微小に相違し、Ｖ１と
Ｖ２とに微小の電位差がある。本発明では、この微小電
位差を補正するために、水温検知用抵抗素子２と直列に
温度上昇補正抵抗素子８を接続している。

【００１９】次に、温度上昇補正抵抗素子８の抵抗値の
求め方を説明する。数１式は、図２のブリッジ回路から
検出される出力電圧Ｖｂを算出する計算式である。

【数１】図２のブリッジ回路において、出力電圧Ｖｂは、ブリッ
ジ回路の接続点における電圧Ｖ２とＶ１との差によって
求められる。しかし、実際には、抵抗値に温度係数（Ｔ
ＣＲ）があるために、その補正を加える必要がある。ゆ
えに、実際の出力電圧は、補正した補正出力電圧Ｖｂ′
により算出される。ここで、Ｒ１’及びＲ２’は、流体
通路の外に取り付けられているため、周囲温度ＴＲによ
り補正される。また、Ｒ３’は、流体通路にあるため、
水温ＴＷにより補正され、さらに、所定の温度に加熱さ
れるため、通電により加熱される温度上昇ＴＯ分補正さ
れる。また、Ｒ４’は、流体通路内にあるため、水温Ｔ
Ｗにより補正される。また、Ｒ５’は、流体通路の外に
取り付けられているため、周囲温度ＴＲにより補正され
る。

【００２０】次に、上記構成を有する熱式流量センサ１
の作用について説明する。本実施例では、流体Ｆの一つ
である水の流量を測定している。流体Ｆが左方向からボ
ディ部７に流入する。ボディ部７の内部において、流体
Ｆの流れは層流状態となっている。水温検知用抵抗素子
２及び流量検知用抵抗素子３は、流体通路の中央位置に
取り付けられているため、流体Ｆの最高速度を検出して
いる。ここで、流量検知用抵抗素子３は、常時、所定の
温度に加熱されている。この所定の温度は、流体Ｆの温
度より２０度から３０度程高く設定されている。

【００２１】そして、流路内で加熱された流量検知用抵
抗素子３、流体により熱を奪われる。ここで、流体に奪
われる熱量は、流速に比例している。そして、流速の増
加に伴い熱が奪われ、流量検知用抵抗素子３の温度が下
がる。そして、流量検知抵抗素子３の抵抗値Ｒ３が下が
り、流量検知抵抗素子３の抵抗値Ｒ３とＲ１による分圧
比が変わり、Ｖ１が下がる。そして、ブリッジ出力電圧
Ｖｂが発生する。この電圧の変化を出力電圧として検出
することにより、流速を測定している。ここで、流体Ｆ
の温度が変化した場合は、流量検知用抵抗素子３と同様
に水温検知用抵抗素子２が温度変化するため、流体Ｆの
温度変化による誤差はブリッジ回路により補正されてい
る。また、流量検知用抵抗素子３を所定の温度に加熱し
た場合、流量検知用抵抗素子３の抵抗値が微小変化する
が、この変化による誤差は、温度上昇補正抵抗素子８が
補正している。

【００２２】次に、本発明を具体化した実施例である熱
式流量センサ１の実験結果を図３に示す。この図３は、
流量と出力電圧の関係を示したものである。横軸に流量
を、縦軸に出力電圧を示している。この図３では、液体
として水を使用した例を示している。そして、水の温度
は、０，１０，２０，３０，４０，５０（℃）であり、
６種類の水を使用している。図３からわかるように、従
来の図４及び図５と比較して、すべての水温において、
出力電圧値は、ほぼ同じであることがわかる。すなわ
ち、出力電圧に対する液体の温度の影響は、ほとんど無
いことがわかる。

【００２３】このことは、上述した数１式における補正
出力電圧Ｖｂ′の値からも確認される。すなわち、補正
出力電圧Ｖｂ′を求める場合、補正出力電圧Ｖｂ′を算
出する式に補正抵抗値（Ｒ１′，Ｒ２′，Ｒ３′，Ｒ
４′，Ｒ５′）および抵抗値の温度係数（ＴＣＲ）、周
囲温度などを代入して計算する。例えば、水温が０℃の
ときの補正出力電圧Ｖｂ′を算出する場合は、各々の抵
抗素子の抵抗値（Ｒ１＝１００Ω，Ｒ２＝１０００Ω，
Ｒ３＝１００Ω，Ｒ４＝１０００Ω，Ｒ５＝４８Ω）お
よび各々の抵抗素子の抵抗値の温度係数（ＴＣＲ１＝
０．０００１，ＴＣＲ２＝０．０００１，ＴＣＲ３＝
０．００５，ＴＣＲ４＝０．００５，ＴＣＲ５＝０．０
００１）および周囲温度＝２０℃および水温＝０℃など
を、各々の抵抗素子の補正抵抗値を求める式に代入する
ことによって、各々の抵抗素子の補正抵抗値（Ｒ１′＝
１００．２Ω，Ｒ２′＝１００２Ω，Ｒ３′＝１００
Ω，Ｒ４′＝１０００Ω，Ｒ５′＝４８．０９６Ω）が
得られる。更に、これらの値を補正出力電圧Ｖｂ′を算
出する式に代入して計算すると、Ｖｂ′＝０．１７５５
Ｖが算出される。

【００２４】また、水温が５０℃のときの補正出力電圧
Ｖｂ′を算出する場合は、各々の抵抗素子の抵抗値（Ｒ
１＝１００Ω，Ｒ２＝１０００Ω，Ｒ３＝１００Ω，Ｒ
４＝１０００Ω，Ｒ５＝４８Ω）および各々の抵抗素子
の抵抗値の温度係数（ＴＣＲ１＝０．０００１，ＴＣＲ
２＝０．０００１，ＴＣＲ３＝０．００５，ＴＣＲ４＝
０．００５，ＴＣＲ５＝０．０００１）および周囲温度
＝２０℃および水温＝５０℃などを、各々の抵抗素子の
補正抵抗値を求める式に代入することによって、各々の
抵抗素子の補正抵抗値（Ｒ１′＝１００．２Ω，Ｒ２′
＝１００２Ω，Ｒ３′＝１２５Ω，Ｒ４′＝１２５０
Ω，Ｒ５′＝４８．０９６Ω）が得られる。更に、これ
らの値を補正出力電圧Ｖｂ′を算出する式に代入して計
算すると、Ｖｂ′＝０．１３９５Ｖが算出される。

【００２５】この水温が０℃と５０℃のときの両者の補
正出力電圧Ｖｂ′の差は、０．０３６Ｖであり、極めて
小さい。すなわち、出力電圧に対する液体の温度の影響
は、ほとんど無いことがわかる。このことからも、すべ
ての水温に対して、出力電圧値をほぼ同じにできている
ことがわかる。

【００２６】以上詳細に説明したように、本実施例の熱
式流量センサ１によれば、液体通路中に配設された流量
検知用抵抗素子３と水温検知用抵抗素子２とを含んで形
成されたブリッジ回路を有する熱式流量センサ１におい
て、液体通路外にあって、ブリッジ回路を構成する水温
検知用抵抗素子２と直列に接続した温度上昇補正抵抗素
子８を有しているので、流体Ｆの温度変化のみならず、
流量検知用抵抗素子３を加熱することにより発生する抵
抗値の変化も補正されるため、流体Ｆの温度に関係の少
ない出力電圧を得ることができ、容易に適正なしきい値
を選択でき、安定した動作をする熱式流量センサ１を得
ることができる。また、複雑な温度補正回路を必要とし
ないため、低コストの熱式流量センサ１を提供すること
ができる。

【００２７】また、本実施例の熱式流量センサ１は、温
度上昇補正抵抗素子８の抵抗値が、ブリッジ回路に通電
され流量検知用抵抗素子３の抵抗値が温度上昇により変
化したときに、ブリッジ回路を電気的に平衡にする抵抗
値であるので、流量検知用抵抗素子３を所定の温度に加
熱することにより発生するも補正されるため、流体Ｆの
温度に関係の少ない出力電圧を得ることができ、容易に
適正なしきい値を選択でき、安定した動作をする熱式流
量センサ１を得ることができる。

【００２８】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明は、上記実施例に限定されることなく、色々な応
用が可能である。例えば、本実施例では、温度上昇補正
抵抗素子８の抵抗値を計算により求めているが、温度上
昇補正抵抗素子８の抵抗を可変抵抗にして、実験により
温度上昇補正抵抗素子８の値を定めても良い。また、本
実施例では、流水スイッチについて説明したが、流量を
計測することを目的とする熱式流量計で利用することも
可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の液体通路中に配設された流量検知用抵抗素子と水
温検知用抵抗素子とを含んで形成されたブリッジ回路を
有する熱式流量センサにおいて、液体通路外にあって、
ブリッジ回路を構成する水温検知用抵抗素子と直列に接
続した温度上昇補正抵抗素子を有しているので、流体の
温度変化のみならず、流量検知用抵抗素子を所定の温度
に加熱することにより発生するも補正されるため、流体
の温度に関係の少ない出力電圧を得ることができ、容易
に適正なしきい値を選択でき、安定した動作をする熱式
流量センサを得ることができる。また、複雑な温度補正
回路を必要としないため、低コストの熱式流量センサを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である熱式流量センサ１の構成
を示す断面図である。

【図２】熱式流量センサ１の流量計測部のブリッジ回路
図である。

【図３】熱式流量センサ１の実験結果を示すデータ図で
ある。

【図４】従来の１素子式の熱式流量計の実験結果を示す
データ図である。

【図５】従来の２素子式の熱式流量計の実験結果を示す
データ図である。

【符号の説明】

１熱式流量センサ２水温検知用抵抗素子３流量検知用抵抗素子４保護用カバー８温度上昇補正抵抗素子Ｆ流体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体通路中に配設された流量検知用抵抗
素子と水温検知用抵抗素子とを含んで形成されたブリッ
ジ回路を有する熱式流量センサにおいて、前記液体通路外にあって、前記ブリッジ回路を構成する
前記水温検知用抵抗素子と直列に接続した温度上昇補正
抵抗素子を有することを特徴とする熱式流量センサ。
【請求項２】請求項１に記載するものにおいて、前記温度上昇補正抵抗素子の抵抗値が、前記ブリッジ回
路に通電され前記流量検知用抵抗素子の抵抗値が温度上
昇により変化したときに、前記ブリッジ回路を電気的に
平衡にする抵抗値であることを特徴とする熱式流量セン
サ。