JPH1068646A - 流体熱質量流量センサー - Google Patents
流体熱質量流量センサーInfo
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- JPH1068646A JPH1068646A JP9147054A JP14705497A JPH1068646A JP H1068646 A JPH1068646 A JP H1068646A JP 9147054 A JP9147054 A JP 9147054A JP 14705497 A JP14705497 A JP 14705497A JP H1068646 A JPH1068646 A JP H1068646A
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】一度に多く製造することができる熱質量流量計
を提供する。 【解決手段】流体熱質量流量計が、比較的低熱伝導性を
有する材料で作られた管の一部に形成された高熱伝導性
の、四つの管状部分を有する流れ管、四つの管状部分の
それぞれの周りに伸長し、表面に形成される薄膜の要
素、ブリッジ回路を要素に組み入れるための回路、なら
びに流れ管、要素および回路を包含するハウジングを含
む。
を提供する。 【解決手段】流体熱質量流量計が、比較的低熱伝導性を
有する材料で作られた管の一部に形成された高熱伝導性
の、四つの管状部分を有する流れ管、四つの管状部分の
それぞれの周りに伸長し、表面に形成される薄膜の要
素、ブリッジ回路を要素に組み入れるための回路、なら
びに流れ管、要素および回路を包含するハウジングを含
む。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に質量流量
測定装置に関し、特に薄膜感知要素を用いた、毛管質量
流量測定装置に関する。
測定装置に関し、特に薄膜感知要素を用いた、毛管質量
流量測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】毛管
熱質量流量計が提案され、様々な形状にして製造されて
きた。これらの流量計は、肉薄の管内の流体流に管壁か
ら移動した熱が流体の質量流量、流体温度と壁温度との
差、および流体の特定の熱に関連するということを利用
する。いろいろなタイプの構成がこれらの流量計に使用
された。一つのタイプの構成はステンレススチールの流
量管で、その管の外側には二つ以上のワイヤー巻き線要
素を有する。ワイヤーは通常は非常に細く、高抵抗温度
係数を有する。要素はヒーターまたは検出器またはその
両方の機能を果たす。一つ以上の要素は電流により付勢
され、熱を管を通して流体流れに与える。ヒーターに一
定に電流が供給されると、管を流れる流体質量流量は、
要素における温度差から導出され得る。流体質量流量は
また、管にそった一定の温度のプロフィールを維持する
ために、ヒーターに流れる電流を変化させることにより
導出され得る。質量流量は次に、この一定の温度のプロ
フィールを維持するために必要な電力から導出される。
これら熱質量流量計の典型的なワイヤー巻き線構造は満
足のいくものであるが、しかし、これらの流量計を製造
することは困難で、そのため多くの欠点がある。
熱質量流量計が提案され、様々な形状にして製造されて
きた。これらの流量計は、肉薄の管内の流体流に管壁か
ら移動した熱が流体の質量流量、流体温度と壁温度との
差、および流体の特定の熱に関連するということを利用
する。いろいろなタイプの構成がこれらの流量計に使用
された。一つのタイプの構成はステンレススチールの流
量管で、その管の外側には二つ以上のワイヤー巻き線要
素を有する。ワイヤーは通常は非常に細く、高抵抗温度
係数を有する。要素はヒーターまたは検出器またはその
両方の機能を果たす。一つ以上の要素は電流により付勢
され、熱を管を通して流体流れに与える。ヒーターに一
定に電流が供給されると、管を流れる流体質量流量は、
要素における温度差から導出され得る。流体質量流量は
また、管にそった一定の温度のプロフィールを維持する
ために、ヒーターに流れる電流を変化させることにより
導出され得る。質量流量は次に、この一定の温度のプロ
フィールを維持するために必要な電力から導出される。
これら熱質量流量計の典型的なワイヤー巻き線構造は満
足のいくものであるが、しかし、これらの流量計を製造
することは困難で、そのため多くの欠点がある。
【0003】まず、ワイヤーは通常非常に薄く、その結
果取り扱いが難しく容易に壊れてしまう。第二に、各要
素の特性は非常に反復可能性がない。すなわち、流量計
の抵抗はワイヤーの直径、絶縁および張力の変化による
影響を受ける。第三に、管から出ていくリードワイヤー
のいくつかは管と接触せず、そのため周囲の状態に対し
て敏感となり、熱的遅延が増加する。さらに、コイルの
特性が常にドリフトする。たとえば、コイルの張力は弛
緩し、またはワイヤーの絶縁体の質が熱の周期とともに
悪くなる。さらに、ワイヤーは管と良好な接触をせず、
ワイヤーと管とが基本的に線で接触する。このことは感
度を悪くし、応答速度を低下させる。さらに、この従来
技術の欠点は、要素の最大の抵抗が、管に取り付けでき
る巻き線の回数により、さらにワイヤーのサイズにより
物理的に制限を受けることである。このことは、より高
い抵抗の要素がより高度の信号出力を形成するために望
ましいことから、欠点となる。また、上記ワイヤー巻き
線に関連した困難性により、これら流量計をバッチ(一
度に多量に製造できる)タイプで製造することが、抵抗
性のワイヤーの端部から接続部を取り出すように作るこ
とが難しく、ワイヤーのサイズおよび絶縁性により組立
が非常に面倒なものとなることから、困難となる。
果取り扱いが難しく容易に壊れてしまう。第二に、各要
素の特性は非常に反復可能性がない。すなわち、流量計
の抵抗はワイヤーの直径、絶縁および張力の変化による
影響を受ける。第三に、管から出ていくリードワイヤー
のいくつかは管と接触せず、そのため周囲の状態に対し
て敏感となり、熱的遅延が増加する。さらに、コイルの
特性が常にドリフトする。たとえば、コイルの張力は弛
緩し、またはワイヤーの絶縁体の質が熱の周期とともに
悪くなる。さらに、ワイヤーは管と良好な接触をせず、
ワイヤーと管とが基本的に線で接触する。このことは感
度を悪くし、応答速度を低下させる。さらに、この従来
技術の欠点は、要素の最大の抵抗が、管に取り付けでき
る巻き線の回数により、さらにワイヤーのサイズにより
物理的に制限を受けることである。このことは、より高
い抵抗の要素がより高度の信号出力を形成するために望
ましいことから、欠点となる。また、上記ワイヤー巻き
線に関連した困難性により、これら流量計をバッチ(一
度に多量に製造できる)タイプで製造することが、抵抗
性のワイヤーの端部から接続部を取り出すように作るこ
とが難しく、ワイヤーのサイズおよび絶縁性により組立
が非常に面倒なものとなることから、困難となる。
【0004】従来の技術のワイヤー巻き線型流量計の巻
き線の詳細が図1に一部破断斜視図として示されてい
る。測定されるべきガスが、ワイヤー12が巻かれている
流量管10を流れる。符号11で示されたワイヤー巻き線の
拡大図が、ワイヤー12が周りに電気絶縁コーティング13
を有することを示す。図から明らかなように、“接触
線”14、すなわちワイヤー12を取り囲む絶縁外表面が管
10の外表面と係合する点の位置は、実際上ワイヤー12の
直径の一部分の幅をもつ非常に狭い線である。このこと
は、管とワイヤーとの間の熱の移動を著しく限定する。
き線の詳細が図1に一部破断斜視図として示されてい
る。測定されるべきガスが、ワイヤー12が巻かれている
流量管10を流れる。符号11で示されたワイヤー巻き線の
拡大図が、ワイヤー12が周りに電気絶縁コーティング13
を有することを示す。図から明らかなように、“接触
線”14、すなわちワイヤー12を取り囲む絶縁外表面が管
10の外表面と係合する点の位置は、実際上ワイヤー12の
直径の一部分の幅をもつ非常に狭い線である。このこと
は、管とワイヤーとの間の熱の移動を著しく限定する。
【0005】図2aおよび2bは、従来技術の流量計の構
造の他の欠点を示す。管壁を介して、要素Iから要素II
への伝導による熱の移動を防止するために、管壁15は低
熱伝導性を有しなければならない。このことは、熱の移
動、すなわち要素とガスとの間で管壁を介した伝導によ
る移動を促進するために、高熱伝導性を有しなければな
らないことと矛盾する。自由な対流および管の外側で、
要素から要素への熱の移動を妨げるために、絶縁体16は
センサー管の外部に位置する。絶縁体16は外部対流の効
果を減らすが、反復性がなくなり、センサーの応答が遅
くなる。絶縁体の移動は要素の安定した温度を変化さ
せ、流れに対する感度を変化させる。
造の他の欠点を示す。管壁を介して、要素Iから要素II
への伝導による熱の移動を防止するために、管壁15は低
熱伝導性を有しなければならない。このことは、熱の移
動、すなわち要素とガスとの間で管壁を介した伝導によ
る移動を促進するために、高熱伝導性を有しなければな
らないことと矛盾する。自由な対流および管の外側で、
要素から要素への熱の移動を妨げるために、絶縁体16は
センサー管の外部に位置する。絶縁体16は外部対流の効
果を減らすが、反復性がなくなり、センサーの応答が遅
くなる。絶縁体の移動は要素の安定した温度を変化さ
せ、流れに対する感度を変化させる。
【0006】これら熱質量流量計を構成するための、よ
り改良された技術は、管上に薄膜センサーを使用するこ
とである。従来の薄膜技術はこのような流量計の巻き線
構造を超える利点を有するが、しかし、現技術とともい
くつかの欠点がある。その一つは、ブリッジ回路に関連
する周囲温度における変化を補償しないことである。他
の欠点は、互いに整合するように調節できる正確で、反
復性があり、安定な要素を得ることが難しいことであ
る。
り改良された技術は、管上に薄膜センサーを使用するこ
とである。従来の薄膜技術はこのような流量計の巻き線
構造を超える利点を有するが、しかし、現技術とともい
くつかの欠点がある。その一つは、ブリッジ回路に関連
する周囲温度における変化を補償しないことである。他
の欠点は、互いに整合するように調節できる正確で、反
復性があり、安定な要素を得ることが難しいことであ
る。
【0007】したがって、本発明の目的は、一度に多く
製造することができる熱質量流量計を提供することであ
る。
製造することができる熱質量流量計を提供することであ
る。
【0008】本発明の他の目的は、断熱された要素を有
する熱質量流量計を提供することである。
する熱質量流量計を提供することである。
【0009】さらに、本発明の目的は、流量管と密に接
触する要素をもつ熱質量流量計を提供することである。
触する要素をもつ熱質量流量計を提供することである。
【0010】さらに、本発明の他の目的は、容易に調節
でき、外部回路に取り付けられる抵抗性要素を有する熱
質量流量計を提供することである。
でき、外部回路に取り付けられる抵抗性要素を有する熱
質量流量計を提供することである。
【0011】さらにまた、本発明の他の目的は、流量の
変化に対して実質的に瞬時の応答をし、流れの変化に対
して実質的に良好な感度をもち、周囲の温度変化に対し
て実質的な感度をもたず、姿勢感度を実質的にもたな
い、熱質量流量計を提供することである。
変化に対して実質的に瞬時の応答をし、流れの変化に対
して実質的に良好な感度をもち、周囲の温度変化に対し
て実質的な感度をもたず、姿勢感度を実質的にもたな
い、熱質量流量計を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】要約すると、本発明の好
適実施例は、比較的低い熱伝導性を有する材料からつく
られる管に形成される高熱伝導性の、四つの管状部分、
四つの管状部分のそれぞれの表面上に形成され、その周
りに伸長する薄膜要素、ブリッジ回路に要素を組み込む
ための回路を有する複合流れ管、ならびに流れ管、要素
および回路を包含するハウジングを含む。
適実施例は、比較的低い熱伝導性を有する材料からつく
られる管に形成される高熱伝導性の、四つの管状部分、
四つの管状部分のそれぞれの表面上に形成され、その周
りに伸長する薄膜要素、ブリッジ回路に要素を組み込む
ための回路を有する複合流れ管、ならびに流れ管、要素
および回路を包含するハウジングを含む。
【0013】本発明のこれら目的、他の目的および利点
は、同業者には、図示した好適実施例の詳細を読むこと
により明らかになろう。
は、同業者には、図示した好適実施例の詳細を読むこと
により明らかになろう。
【0014】
【発明の実施の形態】図3において、本発明にしたがっ
た流量計が符号20で示され、これは分解図で示された保
護ハウジング22の要素を有する。装置は、逆U字型セン
サー管24を有し、その端部27には、破線28により示され
た管状の導管のような流体源に管を連結するためのフィ
ッティング26が、鑞付けまたは溶接により取り付けられ
ている。センサー管24はU字型を示しているが、直線
状、弓状、ループ状または他の形状をしていてもよい。
以下で説明するように、管24は、熱伝導性が管の残部よ
りも高い四つの管状の部片を含む複合構造から成る。部
片30-33の周りにそれぞれ形成された抵抗要素34、36、4
0は以下で詳説する。要素は、ステンレススチール製リ
ードワイヤーとして示されているリードワイヤー(後述
のように柔軟性回路であってもよい)を介してプリント
回路基板に接続されている。
た流量計が符号20で示され、これは分解図で示された保
護ハウジング22の要素を有する。装置は、逆U字型セン
サー管24を有し、その端部27には、破線28により示され
た管状の導管のような流体源に管を連結するためのフィ
ッティング26が、鑞付けまたは溶接により取り付けられ
ている。センサー管24はU字型を示しているが、直線
状、弓状、ループ状または他の形状をしていてもよい。
以下で説明するように、管24は、熱伝導性が管の残部よ
りも高い四つの管状の部片を含む複合構造から成る。部
片30-33の周りにそれぞれ形成された抵抗要素34、36、4
0は以下で詳説する。要素は、ステンレススチール製リ
ードワイヤーとして示されているリードワイヤー(後述
のように柔軟性回路であってもよい)を介してプリント
回路基板に接続されている。
【0015】センサー管24および回路をケース入れする
ために、二つのアルミニウム製ハウジング部44および46
が備えられる。ハウジング部44および46は、管24を収納
し、整合的に取り囲むチェンバーを形成するように形成
された半円筒状チャネル48を有する。さらに、リリーフ
(relief)ポケット50が各ハウジング44および46に形成さ
れ、それは管の要素34-40を含む領域から離れている。
さらに、ほぼ矩形の凹所52がまた、各ハウジング部44お
よび46に形成され、回路基板42を収容する。開口53が、
外部からPC回路基板42へ電気的接続を行わしめるもので
ある。ハウジング組立体は互いにネジ54により取り付け
られるが、プリント回路基板42はソケット頭部付きネジ
56を使用してハウジング22に取り付けられている。
ために、二つのアルミニウム製ハウジング部44および46
が備えられる。ハウジング部44および46は、管24を収納
し、整合的に取り囲むチェンバーを形成するように形成
された半円筒状チャネル48を有する。さらに、リリーフ
(relief)ポケット50が各ハウジング44および46に形成さ
れ、それは管の要素34-40を含む領域から離れている。
さらに、ほぼ矩形の凹所52がまた、各ハウジング部44お
よび46に形成され、回路基板42を収容する。開口53が、
外部からPC回路基板42へ電気的接続を行わしめるもので
ある。ハウジング組立体は互いにネジ54により取り付け
られるが、プリント回路基板42はソケット頭部付きネジ
56を使用してハウジング22に取り付けられている。
【0016】PC回路基板42の回路(図示せず)は当業者
には公知のタイプのホイートストンブリッジを形成する
ためにリードワイヤー58を介して四つの要素34-40に接
続されている。一定電流が外部電流源(図示せず)から
ブリッジに与えられる。センサー管24に形成された要素
34-40は、高抵抗温度係数を有する抵抗であり、以下で
議論するように外部電流源から与えられる電流により加
熱される。
には公知のタイプのホイートストンブリッジを形成する
ためにリードワイヤー58を介して四つの要素34-40に接
続されている。一定電流が外部電流源(図示せず)から
ブリッジに与えられる。センサー管24に形成された要素
34-40は、高抵抗温度係数を有する抵抗であり、以下で
議論するように外部電流源から与えられる電流により加
熱される。
【0017】センサー管24を通って流れる流体がないと
き、要素34-40のすべては同じ温度であり、したがって
同じ抵抗を有する。ブリッジの出力はしたがってゼロで
ある。管を流れる流体があると、要素から差分的に熱が
除去され、要素34-40によりおおわれる管の部分にそっ
て温度勾配が生じる。その結果、流体質量の流量に比例
する信号が生ずるブリッジ回路に不均衡が生ずる。
き、要素34-40のすべては同じ温度であり、したがって
同じ抵抗を有する。ブリッジの出力はしたがってゼロで
ある。管を流れる流体があると、要素から差分的に熱が
除去され、要素34-40によりおおわれる管の部分にそっ
て温度勾配が生じる。その結果、流体質量の流量に比例
する信号が生ずるブリッジ回路に不均衡が生ずる。
【0018】図4は図3の矢印4-4にそってみた側面図
で、チャネル48内に収納された管24を示す。PC回路基板
42はまた図示のように凹所52に配置され、そのパッド59
が導体58により管に巻かれた要素34-40に接続されてい
る。回路基板42のいずれかの面にある導電性回路は、開
口53(図3)を介してハウジングから外に伸長する適切
なコネクターに接続されている。
で、チャネル48内に収納された管24を示す。PC回路基板
42はまた図示のように凹所52に配置され、そのパッド59
が導体58により管に巻かれた要素34-40に接続されてい
る。回路基板42のいずれかの面にある導電性回路は、開
口53(図3)を介してハウジングから外に伸長する適切
なコネクターに接続されている。
【0019】図5は、図4の矢印5-5の方向からみた一
部斜視図であり、リリーフポケット50内に配置された高
熱伝導性部分30-33(図3を参照)を除いた実質的にすべ
ての管部分の間の熱シンク接触を図示する。
部斜視図であり、リリーフポケット50内に配置された高
熱伝導性部分30-33(図3を参照)を除いた実質的にすべ
ての管部分の間の熱シンク接触を図示する。
【0020】図6はセンサー24の管状の部分32および33
の表面に形成された第1および第2の抵抗性要素38および
40を示す。要素38-40はニッケル、プラチナ、または高
抵抗温度係数をもつ他の適切な材料の薄膜からなり、ポ
リイミド(またはアルミナ若しくは他の電気絶縁体)の
絶縁層60に付着される。絶縁層60は管24を浸せきコーテ
ィング(またはスパタリングまたは蒸着など)すること
により適用される。ニッケル、プラチナまたは他のフィ
ルムは次に、スパタリングまたは他の同様の処理により
絶縁層60の上および管24の周りに適用される。ニッケル
(または他の)層は要素34-40のようにパターン化さ
れ、各要素は管24の外側の周りにぐるりと伸びている。
ニッケル層のパターンそれ自身は、個々の要素の抵抗を
調節するためを除いて、必ずしも重要ではない。好適実
施例において使用されるパターンは縦に曲がりくねった
パターンである。しかし、上述のように、パターンは流
量計の性能に必ずしも問題となることではない。薄膜ニ
ッケル層の表面のほとんど50%が管24の表面と(絶縁層
60のみによってそこから分離されている)密着すること
は重要なことである。さらに、薄膜の要素34-40の質量
は非常に低く、このことは温度変化に対する応答時間を
減少させるとき、重要である。さらに、要素34-40は同
じ面積で広い範囲の抵抗性をもつように、容易に作るこ
とができる。
の表面に形成された第1および第2の抵抗性要素38および
40を示す。要素38-40はニッケル、プラチナ、または高
抵抗温度係数をもつ他の適切な材料の薄膜からなり、ポ
リイミド(またはアルミナ若しくは他の電気絶縁体)の
絶縁層60に付着される。絶縁層60は管24を浸せきコーテ
ィング(またはスパタリングまたは蒸着など)すること
により適用される。ニッケル、プラチナまたは他のフィ
ルムは次に、スパタリングまたは他の同様の処理により
絶縁層60の上および管24の周りに適用される。ニッケル
(または他の)層は要素34-40のようにパターン化さ
れ、各要素は管24の外側の周りにぐるりと伸びている。
ニッケル層のパターンそれ自身は、個々の要素の抵抗を
調節するためを除いて、必ずしも重要ではない。好適実
施例において使用されるパターンは縦に曲がりくねった
パターンである。しかし、上述のように、パターンは流
量計の性能に必ずしも問題となることではない。薄膜ニ
ッケル層の表面のほとんど50%が管24の表面と(絶縁層
60のみによってそこから分離されている)密着すること
は重要なことである。さらに、薄膜の要素34-40の質量
は非常に低く、このことは温度変化に対する応答時間を
減少させるとき、重要である。さらに、要素34-40は同
じ面積で広い範囲の抵抗性をもつように、容易に作るこ
とができる。
【0021】本発明の重要な態様は、薄膜の要素の対34
-40が形成される管24の構成にある。管34の主要な材料
は、比較的低い伝導性金属をもつ316ステンレススチー
ルである。要素の対20の一つの要素から他のものに、管
を介する熱伝導により、熱の移動を妨げるために低熱伝
導性が要求される。管の低伝導性は、各要素の温度効果
を他のものから分離することを助ける。
-40が形成される管24の構成にある。管34の主要な材料
は、比較的低い伝導性金属をもつ316ステンレススチー
ルである。要素の対20の一つの要素から他のものに、管
を介する熱伝導により、熱の移動を妨げるために低熱伝
導性が要求される。管の低伝導性は、各要素の温度効果
を他のものから分離することを助ける。
【0022】管5の軸線にそった伝導は望ましくなく、
要素34-40の位置で、同じ所を通る放射的な伝導は、流
体の流れの伝導を辿るために非常に望ましい。すなわ
ち、流量の変化を素早く測定するために、管の内側から
外側への急速な伝導が望ましい。上述したように、要素
34-40の下で良好な放射伝導と低い軸線方向伝導を与え
るために、ニッケルや他の適切な熱伝導性材料の短い部
分32および33(図3の30、31)が、複合管24を形成する
ために316ステンレススチール25の長さにそって挿入さ
れるところに、図7で示す複合管構成を利用することが
できる。管24はしたがって、ここの部品を製造し、組立
体を互いに鑞づけまたは溶接により形成することができ
る。
要素34-40の位置で、同じ所を通る放射的な伝導は、流
体の流れの伝導を辿るために非常に望ましい。すなわ
ち、流量の変化を素早く測定するために、管の内側から
外側への急速な伝導が望ましい。上述したように、要素
34-40の下で良好な放射伝導と低い軸線方向伝導を与え
るために、ニッケルや他の適切な熱伝導性材料の短い部
分32および33(図3の30、31)が、複合管24を形成する
ために316ステンレススチール25の長さにそって挿入さ
れるところに、図7で示す複合管構成を利用することが
できる。管24はしたがって、ここの部品を製造し、組立
体を互いに鑞づけまたは溶接により形成することができ
る。
【0023】ホイートストンブリッジ80の回路図は図8
に示されている。センサー管24上に位置する四つの要素
34-40のそれぞれは、抵抗R1、R2、R3およびR4の一つと
してそれぞれ示されている。一定の電流が電流源82から
ブリッジ80に与えられる。電流源82は抵抗R1およびR2の
一端に、抵抗R1およびR4の他端に接続されている。抵抗
R3およびR4は84で互いに接続され、そこでは電流の供給
のない接続部となっている。同様に、抵抗R2およびR1は
86で互いに接続され、そこでは電流の供給のない接続部
となっている。
に示されている。センサー管24上に位置する四つの要素
34-40のそれぞれは、抵抗R1、R2、R3およびR4の一つと
してそれぞれ示されている。一定の電流が電流源82から
ブリッジ80に与えられる。電流源82は抵抗R1およびR2の
一端に、抵抗R1およびR4の他端に接続されている。抵抗
R3およびR4は84で互いに接続され、そこでは電流の供給
のない接続部となっている。同様に、抵抗R2およびR1は
86で互いに接続され、そこでは電流の供給のない接続部
となっている。
【0024】ブリッジターミナル84と86の間の電圧また
は電位は88で出力信号として計測される。一般的に、ホ
イートストンブリッジに関連した電圧は以下の式により
表される。
は電位は88で出力信号として計測される。一般的に、ホ
イートストンブリッジに関連した電圧は以下の式により
表される。
【0025】 V= I (R1R3-R2R4) / (R1+R2+R3+R4) (1) センサー管24の90、91および92でハウジング22への熱の
吸い込み(sink)があり、要素34-40のすべてが互いに非
常に整合するように調節されていると、式(1)は以下
のように単純となる。
吸い込み(sink)があり、要素34-40のすべてが互いに非
常に整合するように調節されていると、式(1)は以下
のように単純となる。
【0026】 ΔV= I (ΔR upstream−ΔR downstream)/2 (2)
【0027】四つの要素のすべての抵抗が等しく、周囲
条件の変化による影響を等しく受ける限り、ブリッジ
は、流量の変化が生じたときのみ平衡でなくなる。周囲
条件は自動的に補償される。この仮定は、最初の二つの
抵抗の流体への影響が、流体が第3および第4の抵抗に到
達するときまでになくなるならば妥当なものである。
条件の変化による影響を等しく受ける限り、ブリッジ
は、流量の変化が生じたときのみ平衡でなくなる。周囲
条件は自動的に補償される。この仮定は、最初の二つの
抵抗の流体への影響が、流体が第3および第4の抵抗に到
達するときまでになくなるならば妥当なものである。
【0028】動作中に、導管28を通る流体の流れは図3
に示した流量計に(70のところで)入り、センサー管24
に入って通過し、下流27で出ていき、導管28に再度入っ
ていく。流体が流れる前に、すべての抵抗は等しく、各
要素を通過する電流は等しく、したがって、ホイートス
トンブリッジ80(図8)の出力88において電圧変化はな
い。さらに、動作中、どのような流体にもかかわらず、
各要素の対は、上記した電流源としての外部電流からの
一定の電流により自己加熱される。要素の安定温度およ
び要素が安定するまでの時間は、要素がどれほど良好に
断熱されているかによる。外部電流源82が要素34-40に
熱を加えることは、前述したプリント回路基板42を介し
て要素に一定の電流を供給することで行っている。リー
ドワイヤーや柔軟性回路がこの接続を行うために使用さ
れる。リードワイヤーを接続に使用するときは、可能な
限り要素から熱を伝導しないリードワイヤーを使用する
ことが重要である。低熱伝導性を有する(ただし良い電
気伝導性をもつ)直径の小さなワイヤーを使用すること
によりこのことは達成される。この目的のために、ステ
ンレススチールまたは、良好な導体でコーティングされ
た非電気伝導であり、かつ非熱伝導性である材料により
作られたリードワイヤーを採用できる。コートされたワ
イヤーは伝導性材料の体積を減少させ、このことは、前
述したように好ましく、より大きく、より強くそしてよ
り扱いやすい導体となる。リードワイヤー58は電気伝導
性のあるエポキシ、リフロー(reflow)半田または他の適
切な手段によりプリント回路基板42に接続される。
に示した流量計に(70のところで)入り、センサー管24
に入って通過し、下流27で出ていき、導管28に再度入っ
ていく。流体が流れる前に、すべての抵抗は等しく、各
要素を通過する電流は等しく、したがって、ホイートス
トンブリッジ80(図8)の出力88において電圧変化はな
い。さらに、動作中、どのような流体にもかかわらず、
各要素の対は、上記した電流源としての外部電流からの
一定の電流により自己加熱される。要素の安定温度およ
び要素が安定するまでの時間は、要素がどれほど良好に
断熱されているかによる。外部電流源82が要素34-40に
熱を加えることは、前述したプリント回路基板42を介し
て要素に一定の電流を供給することで行っている。リー
ドワイヤーや柔軟性回路がこの接続を行うために使用さ
れる。リードワイヤーを接続に使用するときは、可能な
限り要素から熱を伝導しないリードワイヤーを使用する
ことが重要である。低熱伝導性を有する(ただし良い電
気伝導性をもつ)直径の小さなワイヤーを使用すること
によりこのことは達成される。この目的のために、ステ
ンレススチールまたは、良好な導体でコーティングされ
た非電気伝導であり、かつ非熱伝導性である材料により
作られたリードワイヤーを採用できる。コートされたワ
イヤーは伝導性材料の体積を減少させ、このことは、前
述したように好ましく、より大きく、より強くそしてよ
り扱いやすい導体となる。リードワイヤー58は電気伝導
性のあるエポキシ、リフロー(reflow)半田または他の適
切な手段によりプリント回路基板42に接続される。
【0029】流体がセンサー管24を流れると、要素34-4
0に関連した抵抗は変化し、ホイートストンブリッジ80
(図8)に非平衡状態が生じる。四つの要素の抵抗が等
しく、それらが周囲の状態の変化による影響を等しく受
ける限り、ブリッジ80は流れが変化したときのみ非平衡
になる。かくして、周囲の状態が自動的に補償される。
0に関連した抵抗は変化し、ホイートストンブリッジ80
(図8)に非平衡状態が生じる。四つの要素の抵抗が等
しく、それらが周囲の状態の変化による影響を等しく受
ける限り、ブリッジ80は流れが変化したときのみ非平衡
になる。かくして、周囲の状態が自動的に補償される。
【0030】整合するように調節された、繰り返し可能
で安定な要素とするために、センサーハウジング22は調
和した材料で作られなければならないことは分かるであ
ろう。したがって、ファイバーまたは発泡タイプのもの
による絶縁体は使用できない。なぜならば、絶縁体の合
成における、または交換におけるわずかな変化でも、個
々の要素の安定な状態温度を変化させ、したがって四つ
の要素の抵抗についての整合性に影響を与える。
で安定な要素とするために、センサーハウジング22は調
和した材料で作られなければならないことは分かるであ
ろう。したがって、ファイバーまたは発泡タイプのもの
による絶縁体は使用できない。なぜならば、絶縁体の合
成における、または交換におけるわずかな変化でも、個
々の要素の安定な状態温度を変化させ、したがって四つ
の要素の抵抗についての整合性に影響を与える。
【0031】要素の対の独立性を達成するために、要素
34-40が位置する領域を除いて、センサー管24からセン
サーハウジング22へと熱吸収が行われるべきである。図
8において91のところに示されているように、管からハ
ウジングへの熱吸収により、流体温度は、要素の第1の
セットを通った後に、周囲温度にもどることができる。
次に、ガスは最初の要素の対に入ったときの温度で要素
の第2のセットに入る。そして、第2のセットは第1のセ
ットと正確に同様にふるまう。要素に部分的に影響を与
えるホットスポットを防止するために、センサーハウジ
ング22は高熱伝導性材料から作られるべきである。さら
に、ハウジング22はハウジングのあらゆる点を同じ温度
に維持するのに十分な質量および十分な伝導性をもつべ
きである。これにより、周囲の温度変化は同様に各要素
に影響をおよぼす。これらの条件を満たすために、セン
サーハウジング22はアルミニウムからき機械削りされる
か、まず鋳入みされ、そして機械削りされる。
34-40が位置する領域を除いて、センサー管24からセン
サーハウジング22へと熱吸収が行われるべきである。図
8において91のところに示されているように、管からハ
ウジングへの熱吸収により、流体温度は、要素の第1の
セットを通った後に、周囲温度にもどることができる。
次に、ガスは最初の要素の対に入ったときの温度で要素
の第2のセットに入る。そして、第2のセットは第1のセ
ットと正確に同様にふるまう。要素に部分的に影響を与
えるホットスポットを防止するために、センサーハウジ
ング22は高熱伝導性材料から作られるべきである。さら
に、ハウジング22はハウジングのあらゆる点を同じ温度
に維持するのに十分な質量および十分な伝導性をもつべ
きである。これにより、周囲の温度変化は同様に各要素
に影響をおよぼす。これらの条件を満たすために、セン
サーハウジング22はアルミニウムからき機械削りされる
か、まず鋳入みされ、そして機械削りされる。
【0032】図3に示されているように、ハウジング構
造物は、センサー管を挟む(“クラムシェル”)二つに
なった半分ずつまたは部分44および46から形成される。
管24が位置するハウジングのチャネルは、最大の反復性
および最適な熱状態とするための正確な仕様にそうよう
に機械削りされる。組立の際、両ハウジングの部分44お
よび46は要素34-40が位置するリリーフポケット50を除
いて、管24のすべての点でその長さにそって接触する。
ポケット50は、要素の周りに薄い管状の空気領域が形成
されるように機械削りされる。この領域のわずかな空気
により、自由な対流が制限される。空気区画は、要素34
-40からセンサーハウジング22への熱の移動がなされる
のに非常に都合のよいものとなる。これにより、絶縁の
不所望の影響が除去され、エラーを引き起こす要素の熱
的な分離および自由な対流が改良される。改良された断
熱により、応答が高められ、効率が増す(すなわち、あ
る動作パワーに対してよりよい出力信号が得られる)。
造物は、センサー管を挟む(“クラムシェル”)二つに
なった半分ずつまたは部分44および46から形成される。
管24が位置するハウジングのチャネルは、最大の反復性
および最適な熱状態とするための正確な仕様にそうよう
に機械削りされる。組立の際、両ハウジングの部分44お
よび46は要素34-40が位置するリリーフポケット50を除
いて、管24のすべての点でその長さにそって接触する。
ポケット50は、要素の周りに薄い管状の空気領域が形成
されるように機械削りされる。この領域のわずかな空気
により、自由な対流が制限される。空気区画は、要素34
-40からセンサーハウジング22への熱の移動がなされる
のに非常に都合のよいものとなる。これにより、絶縁の
不所望の影響が除去され、エラーを引き起こす要素の熱
的な分離および自由な対流が改良される。改良された断
熱により、応答が高められ、効率が増す(すなわち、あ
る動作パワーに対してよりよい出力信号が得られる)。
【0033】上記したように、柔軟性回路90が、その柔
軟性回路の回路92が薄膜の要素34-40をPC回路基板42に
接続するように、(図9に示されているように)図3の
リードワイヤー58と交換できる。この実施例において、
複数の接触パッド94が、一つ以上の回路92により選択的
に制御するために、要素34-40上に設けられている。こ
のような特徴により、組立の際に抵抗要素を選択でき、
整合させることができ、そして流れがないときに要素の
対を整合させ、ブリッジを平衡にさせることができる。
そのときブリッジは周囲温度における変化を補償する。
軟性回路の回路92が薄膜の要素34-40をPC回路基板42に
接続するように、(図9に示されているように)図3の
リードワイヤー58と交換できる。この実施例において、
複数の接触パッド94が、一つ以上の回路92により選択的
に制御するために、要素34-40上に設けられている。こ
のような特徴により、組立の際に抵抗要素を選択でき、
整合させることができ、そして流れがないときに要素の
対を整合させ、ブリッジを平衡にさせることができる。
そのときブリッジは周囲温度における変化を補償する。
【0034】センサー管24はいろいろな形状に構成でき
る。上述したように、好適実施例は図3に示された逆
“U”字型管である。しかし、直線状管のような他の形
状も、対応するハウジングとともに利用できる。さら
に、四つの要素ブリッジではなく、二つの要素ブリッジ
も、助長した測定になるけれども形成することができ
る。さらにまた、複数の要素が、複数の要素を有する一
つ以上のブリッジを形成するために形成することができ
る。この製造技術では、サイズの異なる複数の要素をコ
スト増を招くことなく管に配置できる。
る。上述したように、好適実施例は図3に示された逆
“U”字型管である。しかし、直線状管のような他の形
状も、対応するハウジングとともに利用できる。さら
に、四つの要素ブリッジではなく、二つの要素ブリッジ
も、助長した測定になるけれども形成することができ
る。さらにまた、複数の要素が、複数の要素を有する一
つ以上のブリッジを形成するために形成することができ
る。この製造技術では、サイズの異なる複数の要素をコ
スト増を招くことなく管に配置できる。
【0035】本発明を特に好適実施例を参照しながら説
明してきたけれども、当業者であればいろいろな変形、
変更をなし得るであろう。したがって、特許請求の範囲
は本発明の思想内の変形例、変更例を包含する。
明してきたけれども、当業者であればいろいろな変形、
変更をなし得るであろう。したがって、特許請求の範囲
は本発明の思想内の変形例、変更例を包含する。
【図1】ステンレススチール流管の外側にある巻き線要
素を有する、従来技術の熱質量流量計に使用される、典
型的な線が巻かれた管の一部切り取りである。
素を有する、従来技術の熱質量流量計に使用される、典
型的な線が巻かれた管の一部切り取りである。
【図2】図2aおよび図2b図は図1の従来技術の流量計
の構造における、管壁の熱伝導特性を示す断面図であ
る。
の構造における、管壁の熱伝導特性を示す断面図であ
る。
【図3】薄膜要素を使用する本発明にしたがった、流量
計の好適な実施例の拡大斜視図である。
計の好適な実施例の拡大斜視図である。
【図4】管の周りにある要素の対の好適実施例、および
薄膜要素の抵抗層および絶縁体を示す。
薄膜要素の抵抗層および絶縁体を示す。
【図5】好適実施例に使用したブリッジ回路を示す。
【図6】要素の対に接続された柔軟性回路を有する好適
な実施例の抵抗対の平面図である。
な実施例の抵抗対の平面図である。
【図7】複合管の構造を示す一部切り取りされた部分側
面図である。
面図である。
【図8】ホイートストンブリッジのの回路図である。
20 流量計 22 ハウジング 24 センサー管 26 フィッティング 27 端部 28 導管 30 部片 31 部片 32 部片 33 部片 34 要素 36 要素 38 要素 40 要素 42 回路基板 44 ハウジング部 46 ハウジング部 48 チャネル 50 リリーフポケット 52 凹所 53 開口 54 ネジ 56 ネジ 58 ワイヤー
【手続補正書】
【提出日】平成9年9月11日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】ステンレススチール流管の外側にある巻き線要
素を有する、従来技術の熱質量流量計に使用される、典
型的な線が巻かれた管の一部切り取りである。
素を有する、従来技術の熱質量流量計に使用される、典
型的な線が巻かれた管の一部切り取りである。
【図2】図2aおよび図2b図は図1の従来技術の流量
計の構造における、管壁の熱伝導特性を示す断面図であ
る。
計の構造における、管壁の熱伝導特性を示す断面図であ
る。
【図3】薄膜要素を使用する本発明にしたがった、流量
計の好適な実施例の拡大斜視図である。
計の好適な実施例の拡大斜視図である。
【図4】管の周りにある要素の対の好適実施例、および
薄膜要素の抵抗層および絶縁体を示す。
薄膜要素の抵抗層および絶縁体を示す。
【図5】好適実施例に使用したブリッジ回路を示す。
【図6】要素の対に接続された柔軟性回路を有する好適
な実施例の抵抗対の斜視図である。
な実施例の抵抗対の斜視図である。
【図7】複合管の構造を示す一部切り取りされた部分側
面図である。
面図である。
【図8】ホイートストンブリッジのの回路図である。
【図9】柔軟性回路が接続された実施例の部分側面図で
ある。
ある。
【符号の説明】 20 流量計 22 ハウジング 24 センサー管 26 フイッテイング 27 端部 28 導管 30 部片 31 部片 32 部片 33 部片 34 要素 36 要素 38 要素 40 要素 42 回路基板 44 ハウジング部 46 ハウジング部 48 チャネル 50 リリーフポケット 52 凹所 53 開口 54 ネジ 56 ネジ 58 ワイヤー
Claims (24)
- 【請求項1】 流体流量を測定する熱質量流量計であっ
て、 ハウジングと、 測定されるべき流体を導き、表面に少なくとも二つの抵
抗性薄膜要素を有し、該薄膜要素が配置されるところを
除いて、全表面でハウジングへと熱吸収が行われるセン
サー管と、 前記要素の少なくともいくつかに一定の電流を与える電
流源と、 前記一定の電流源から電流を適用する間に、前記要素に
かかる電圧変化を測定するための、前記要素に接続され
た電気回路と、を含み、 前記電圧変化は、要素における電流変化に応答し、流体
流量に比例し、 前記要素は、熱質量流量計の組立の際に、関連した抵抗
性を選択し、調節できる手段を有する、ところの熱質量
流量計。 - 【請求項2】 前記要素のそれぞれが、前記管上に形成
された電気絶縁層に付着されたニッケル層から形成され
る、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項3】 前記管が316ステンレススチール材から
形成される、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項4】 前記管が、前記要素の下に位置するニッ
ケルまたは他の適切な伝導性材料の部分および管の残部
を形成する316ステンレススチールの部分を含む複合物
である、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項5】 前記電気回路が柔軟性回路を介して前記
要素に連結される、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項6】 前記電気回路が複数のリードワイヤーを
介して前記要素に連結される、請求項1に記載の熱質量
流量計。 - 【請求項7】 前記リードワイヤーが非電気伝導性でか
つ非熱伝導性の材料から形成され、良好な導体でコート
される、請求項6に記載の熱質量流量計。 - 【請求項8】 前記柔軟性回路が電気伝導性エポキシに
より前記電気回路に接続される、請求項5に記載の熱質
量流量計。 - 【請求項9】 前記リードワイヤーが電気伝導性エポキ
シにより前記電気回路に接続される、請求項6に記載の
熱質量流量計。 - 【請求項10】 前記柔軟性回路がリフロー半田により
前記要素に接続される、請求項5に記載の熱質量流量
計。 - 【請求項11】 前記リードワイヤーがリフロー半田に
より前記要素に接続される、請求項6に記載の熱質量流
量計。 - 【請求項12】 前記ハウジングが、熱伝導性があり、
前記熱吸収の表面の全領域で同じ温度に維持するのに十
分な質量をもつ、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項13】 前記ハウジングが、アルミニウム材か
ら形成される、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項14】 前記ハウジングが、前記要素を取り囲
む薄い管状または空気充満領域を形成するように形状つ
けられている、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項15】 前記電気回路が四つの有効ブリッジを
含む、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項16】 前記電気回路が二組の二有効ブリッジ
を含む、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項17】 前記管が一般的に、逆“U”字形をし
ている、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項18】 前記管が、伸長した、ほぼ直線上の管
である、請求項1に記載の熱質量流量計。 - 【請求項19】 前記ハウジングが少なくとも二つの組
み合う部分を含み、前記部分の少なくとも一つが、前記
要素を支持するところを除いて、前記管の長さ全体を実
質的に収納するために形成された溝を有する、請求項1
に記載の熱質量流量計。 - 【請求項20】 前記薄膜の要素が、ニッケル層の布線
を行うフォトリソグラフ技術により形成され、請求項1
に記載の熱質量流量計。 - 【請求項21】 熱質量流量計を用いて質量流量を測定
する方法であって、ハウジングを設ける工程と、 少なくとも二つの抵抗性薄膜の要素を有し、前記ハウジ
ング内に包含され、前記要素が位置するところを除いて
すべての領域で前記ハウジングへと熱吸収が行われるセ
ンサー管を設ける工程と、 一定の電流を前記要素の少なくとも一つに与える工程
と、 流体を前記センサー管に通過させる工程と、 前記一定の電流を与える間、前記要素における温度変化
を表す電圧変化を測定する工程と、 前記測定された電圧変化を流体質量流量の変化として使
用する工程と、を含む測定方法。 - 【請求項22】 前記要素のそれぞれが、熱質量流量計
の組立の間に、前記要素と関連した抵抗を選択でき、調
節できるようにするために複数の経路を有する、請求項
21に記載の測定方法。 - 【請求項23】 前記ハウジングが、ハウジングのすべ
ての点で同じ温度に維持するために、伝導性となってい
る、請求項21に記載の測定方法。 - 【請求項24】 前記薄膜の要素が前記管の長さの一部
にわたってニッケルを付着し、前記要素の境界を画成す
るために、フォトリソグラフ技術を使用することで形成
される、請求項21に記載の測定方法。
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