JPS61120016A - 自己加熱サ−ミスタを使用した平均流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 特にタクト内の気体のような温媒体の流量を計測する熱
型流量計で、該計測器は流れの方向に垂直に方向づけら
れた固定した矩形部の立下り区間に配置された電気的”
自己加熱パ型作用の複数サーミスタより成る。このサー
ミスタはダクトの横断面全体に配置される、各センサ（
サーミスタ）は直円柱の下流端の中央に配置される。流
れの方向に方向づけられた平面のアレー内に配置された
全 サーミスタ内の電圧降下は演算増幅器を用いて電気的に
総合される。センサの幾何学的配置及び自己加熱型サー
ミスタの特性により、各センサの電圧降下は流速度に直
線的に比例する。充分な数のセンサがダクト内の全部の
流量パターンを明らかにして全流量センサからの出力総
計によりダクト内の流量の真の平均値を示す。

従来の技術 本発明は流体、特にダクトの横断面を流れる流速度が変
化する流体の流量計測に関するものである。この装置全
体を形成する個々のセンサは流れに晒されている、又、
その増加温度による流れへの電熱の正確な均衡を保つ加
熱素子内で放散される電気エネルギーを計測することに
より流量を決定する公知方法である熱流体速度計型とし
て一般に参照される。熱流体速度計センサ及び通信回路
の前技術の例が米国特許第３．１３８．０２５号、３．
３３３．４７０号、３．３５２．２５４号、３，６０４
，２６１号、３，９００，８１９号、４，０２４，７６
１号、及び４，２０６．６３８号に米国特許第４，２７
９，１４７号で論じられた如く示されている。この基本
装置は何人かの発明者により改良されてきた０例えば、
米国特許第４，２１３．３３５号はその改良を流体速度
計に流線に略平行に配置する能動センサを配置して行な
うことを示す。主な改良は目盛を大幅に変化させる塵埃
からセンサを保護することである。

本発明は温媒体の速度を電気手段により信号で示すよう
にしたダクト内の複数センサ（サーミスタ）の配置に関
する。米国特許第４．２１３，３３５号では特に論じら
れていないが、他案では充分な有効範囲を呈するよラダ
クト内にアレーもしくは連接センサを配置することを考
えた。米国特許第１．２４０．７９７号は平均温度を供
給するため導管中に一律に感熱抵抗器を配置する有用性
を述べている。感熱抵抗器はこの概念の正確さを支える
線形伝達関数と通常−緒に見られることが指摘される。

しかし米国特許第１，２４０．７９７号装置で獲得され
た平均流速は導管内の流れがほぼ一定の時のみ確実であ
る。

該装置は円形ダクト内の矩形部支持部について論じてい
るが、下記に論じられる矩形ダクト内に配置された実施
例に示される如きそのような支持部は彼の言わんとする
所から容易に引出せる。同様に米国特許第３　、４７２
　。

０８０号は格子を形成するよう一列に流速感知感熱抵抗
器をそれぞれ垂直、水平に用いて平均流速を出すことを
論じている。

これら公知装置のうち、特に複数センサがダクト内の流
動の詳細を明らかにするのに用いられる場合、ダクト内
の″平均″流動出力はこれら前技術装置と関連する固有
の非線形伝達関数により実質的に誤差を生じ易い。他で
も示される如くいくつかの″非線形′”センサの出力の
線形代数の平均により得られる誤差はセンサーアレーを
通過する流域の不均等性によるより流れの歪によるもの
である。

本発明で説明されるサーミスタはセンサを流れる温媒体
の周囲の温度が変化すると他の熱流体速度計と同様目盛
の変動を受は易い。

米国特許第４，２７９，１４７号は一つのセンサから１
８０度方向に能動センサを配置したり二つのセンサから
の出力に差をつけて流方向を示すことの無益を述べてい
る０本発明に於いて、流媒体に晒されているセンサと流
れから完全に遮弊されているセンサの差異が周囲媒体の
温度の変化を補正するのに用いられる。

発引が解決しようとする問題点 本発明の第一の目的は熱流体速度計の電気出力（電圧）
が流体の流速と直線的に比例する該センサのアレーをダ
クト内に組み込んでダクト内の流量の真の平均値を出す
熱流体速度計を供給することである。

本発明の更なる目的は流れから遮弊された付加センサに
より周囲の温度変化に対しセンサ・アレーの出力を補償
する手段を提供することである。

これは流れの方向に方向づけられた直円柱の下流出口中
央にある支持部の立下り区間のダクト全体に配置された
基本サーミスタのアレーを使用して行なわれる。このサ
ーミスタは一定電流で加熱され、アレー内の個々のセン
サからの出力（電圧）は演算増幅機により総計される。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明の構造は熱流体速度計型であって数点で従来のも
のと異なる。一番重要な点は、能動センサとしてサーミ
スタを使用したことである。本発明使用の典型的なサー
ミスタの動程曲線は第１図に示される。ここで、抵抗は
温度関数として図示される。最も工業的な応用面はサー
ミスタが温度を計測するために用いられ、これは用いら
れる装置の”指数間数”性である０通常、熱流体速度計
と関連する感熱抵抗器は温度に抵抗して略直線変化を有
することが分かる。

もしかなりの量の電流（例えば数ミリアンペア）がサー
ミスタに流れると、その温度は上昇し、サーミスタ内で
放散される電気エネルギーと周囲の流体への伝熱との間
に均衡が生ずる。伝熱はサーミスタの周りの流れの機能
であり又それが°′自己加熱”サーミスタの速度感度で
ある。温度による抵抗の変化は通Ｔ　　　　Ｔ。

ここではＲは抵抗、Ｒｏは温度Ｔ、の基準抵抗、Ｂはサ
ーミスタの素材定数である。伝導伝熱は静止流体内の最
も重要なメカニズムであり、強制対流伝熱はサーミスタ
の周りに流れがある時である。どちらの場合もそのエネ
ルキーバランスは下記の通りである； Ｅ拳Ｉ＝Ｈ（Ｔ−Ｔ　　）　　　　　　　　　■ここで
はＥはサーミスタの電圧降下、■はそこに流れる電流、
Ｈは伝熱係数である。下書き文字のないＴはサーミスタ
の温度を示し。

下書き文字のついたＴは周囲の流体の温度である。強制
対流が考えられる場合、Ｈは流速の関数となる。伝導の
みが考えられる場合、Ｈはフーリエの法則の有限差異表
示の係数である。オームの法則（Ｅ＝Ｉ・Ｒ）と上記方
程式を用いると、電圧が上がるに従いサーミスタの動程
が観察される。第２図は電流の機能としての典型的なサ
ーミスタ動程電圧図を示す、わずか数ミリアンペアがサ
ーミスタに流れただけで最大電圧に達することが分かる
。これより大きい電流には低電圧が必要で、そのため抑
制されない無限電流がサーミスタを流れる。この現象は
一般に熱暴走と言われ又実際回路内の電流調整器はこれ
が起こらないよう阻止する０図面内でもしサーミスタが
最大電圧以上の電流で作用しても電流は常にその最大値
を保ち、′流体速度計″は一定電流モードで作用する。

同じケースでなくとも流量の変化もまた電流の変化とな
る。流れに晒されている加熱サーミスタ内で起こる大多
数の伝熱過程は強制対流である。上記伝熱係数は非次元
ナセルト数に比例し、次の如く限定される； Ｎｕ＝Ａ＋Ｂ　　　Ｒｅ　ｎ ■ ここでＡ及びＢは任意定数でＲｅは速度に直線的に比例
するレイノルズ数である。指数ｎは臨界で、流れ内の熱
されたシリンダではおよそ０．５であり、幾何学を含む
多くに多大に依存する。

本発明の基礎となる主な部分は流速と出力電圧（ｎ＝　
１）の間の直線関係がサーミスタ争アレー内で得られ、
そこではサーミスタはノツチ内にくぼみをつけ流れの方
向（第５図参照）に方向づけられた直円柱の出口の中央
にある支持部の下流立下り区間に配置される。サーミス
タを囲うシリンダーは実際にダクト内の流れは荒れて渦
巻いているので装置を全体的に直線にするための重要な
要因となる。この″自己加熱”サーミスタはどの方向か
らの流れにも感じ、直線シリンダの流れは下流方向に向
かう流れのみがセンサを横切ることになる。

実施例及び発明の効果 本発明の第一実施例に従い、装置は第３図の参照番号１
０で示され、矢印１２で示される方向に空気流が通過す
る一般に正方形もしくは長方形空気調整導管ｌｌ内に取
付けられる。

空気流１２の通路に配置されているのは複数のサーミス
タ１３である。サーミスタ１３は連接され、与えられた
周囲の温度まで加熱される。サーミスタ１３は電流調整
器２３により供給される制御振幅の正電流を伝える。

この制御電流は与えられた周囲温度に対し、ポイン）３
１に於いて正の電圧変化を起す回路網（サーミスタ１３
）を横切る一定抵抗値となる。温度補償サーミスタ１５
は導管１１内で空気流に０サーミスタ１５が直接晒され
ないよう遮弊１５ａが備えられるが、それにも拘らず周
囲温度の変化を感受する。このサーミスタ１５は又電流
調整器２４より供給される制御振幅の負電流により与え
られた周囲温度まで加熱される。この制御電流はポイン
ト３２で負電圧変化を起すサーミスタ１５を横切る一定
抵抗値となる。サーミスタ１３及び１５の一側はポイン
ト１６と接続し、他方は各電流調整器２３及び２４と接
続する。

サーミスタ１３が空気流を受けると、同じ抵抗が空気流
が作る冷却効果により生じる。

抵抗が空気流により生じるのでこの発生はポイント３１
で電圧変化を起こす、この電圧変化はそこを通過する空
気量に比例する。サーミスタ１５は周囲温度が一定であ
る限りポイント３２での電圧変化は起さない。周囲温度
が変化するとサーミスタ１５は周囲温度変化に比例する
電圧変化を起こす、これはサーミスタ１３で起こる周囲
温度による変化にも同様である。

ポイン）３１に於いて、導線１７が電圧変化をサーミス
タ１３から抵抗器２６の一側へ伝え、ポイント３２では
導線１８が電圧変化を抵抗器２７へ伝える。抵抗器２７
は一連続のサーミスタ１３の数により抵抗器２６に比例
する。斯くのごとく、もし三つのサーミスタ１３が連続
すると抵抗器２７は抵抗器２６の３分の１の大きさであ
る。もし四つのサーミスタが連続すると抵抗器２７は抵
抗器２６゜の４分の１の大きさである。

抵抗器２６及び抵抗器２７からの二つの電圧変化が集束
され抵抗器２８の一側番と接続される。電圧源３４は抵
抗器２９の一側に接続され、抵抗器２９は抵抗器２８の
他側に接続される。電圧源３４は空気流モニタ装置の下
方速度限界をセットするよう用いられ、目盛定メ時に予
定値にセットされる。抵抗器２８及び２９からの電圧が
集束された後演算増幅器２２に入力される。この入力電
圧は増幅され、抵抗器３０と共に空気流モニタ装置の上
方速度限界をセットするよう用いられる。抵抗器３０は
目盛定め時に予定値にセ・ントされる。この結果演算増
幅器２２からの出力は電圧計１９に接続される。電圧計
１９は導管１１内の空気流の速度に比例する信号を示す
。

第４図に示される第二実施例は主に電流調整器２３２及
び２４を除去し、抵抗器２９を電圧源３４を通さず直接
接地配置したところが異なる。

第５図をみると、支持部４０が上記共通出願で説明され
る如くノツチ４１内で複数センサ１３を支持する。セン
サ１３の周囲は空気流を平行にする筒状流動制御管であ
る。センサは管４２の下流端でわずかに内方に配置され
、これでセンサが部室気流から完°全に遮弊されること
が分かる。センサのいくつかはダクト内で他よりもより
荒れた空気流を受ける場所に配置されることが特に重要
である。

第６図は温度補償サーミスタの断面図である。

第７図は制御管４２がセンサの直線性を改良してその有
用性を大幅に改良する、特に複数のセンサが用いられた
場合の結果を示す。

排気実験により多くの結果が生じた。簡単に二つのデー
タをここに示す、この図面で示される二つの曲線でそれ
が示される。二曲線はどちらも同じ手順で行なわれたも
のの典型的な結果を示す、どちらも速やかな空気流が筒
内で発生せられサーミスタセンサの上を通過した場合の
ものである０図示データを得るため、筒内での流速は２
０回以上変えられパ自己加熱゛サーミスタ（説明実施例
のものと実質的に同じ回路を用いた電圧出力として示さ
れる）からの出力は流速秒速Ｏから３５０フイートの関
数で記録された。結果は電圧出力対速度のグラフで示さ
れる。

第一ケース（回内上方曲線）に於いてサーミスタは支持
部の立下り区間に於かれないで又直円柱に囲われないで
流れに完全に晒されたものである。第二ケース（回内下
方曲線）は上記実施例に従って配列された単一のサーミ
スタを用いて得られたもので、サーミスタは流れの方向
に配置された円筒の出口中央に配置された支持部の立下
り区間のノツチに配置されたものである。

実施例で説明された幾何学的に配置されたサーミスタは
流れに完全に晒されたサーミスタにより出される信号よ
り更に”直線”であるという結果が明白である。上方曲
線は約１５００ＦＰＭの値まで急カーブで上昇するが、
下方曲線は本発明で明らかにされた装置からの出力は４
００ＦＰＭの値以下で直線（木質的に直線）を保つこと
を示す、上方曲線は平方根型方程式によりより正確に明
確にされ、又下方曲線は直線で描かれる。この直線相関
の延長はダクト流動計測装置に有用な熱型流体速度計を
作るに必要である。

【図面の簡単な説明】

第１図はサーミスタの典型的な温度依存の線図である。 第２図は”自己加熱”サーミスタの電圧／電流特性の線
図である。第３図は本発明の第一実施例の配線路図であ
る。第４図は本発明の第二実施例の配線路図である。 第５図は第−及び第二実施例の部分を形成する流量制御
シリンダ囲い板にある支持部のノツチ内の立下り区間に
あるサーミスタ組立部の概略図である。第６図は第−及
び第二実施例の部分を形成する遮弊されたサーミスタ（
温度補償器）の概略図である。第７図は流量制御シリン
ダ囲い板使用又は非使用時に得られた動程の比較を示す
グラフである。 １０・・装置、１１・Φ導管、１２・・矢印（空気流）
、１３・φサーミスタ、１５・・温度補償サーミスタ、
１５ａ・・遮弊板、１７・・導線、１９・・電圧計、２
２・・演算増幅器、２３．２４・・電流調整器、２６゜
２７．２８，２９，３０・・抵抗器、３１゜３２０・ポ
イント、３４Φ・電圧源、４０・・支持部、４１・・ノ
ツチ、４２・・制御管。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）支柱部の下流端に配置された通過する電流が電流
   調整器により維持されて”自己加熱”するサーミスタ、
   流れ方向にその軸が方向づけられた直円柱の出口中央に
   配置され、そこではセンサからの出力は流速に関し略直
   線である該サーミスタよる成る熱による流体速度測定に
   より導管の大断面域を流動する気体の流量を計測する自
   己加熱サーミスタを使用した平均流量計測装置。
2. （２）連接され、略同抵抗を有するサーミスタを等間隔
   に導管断面域内に配置した複数のセンサ、各センサが速
   度変化に直線レスポンスする故ダクト内気体の真の平均
   値計測をする装置である全センサの電圧降下の合計を行
   う差動増幅器より成る特許請求の範囲第１項記載の熱流
   体速度計により導管の大断面域を流動する気体の流量を
   計測する自己加熱サーミスタを使用した平均流量計測装
   置。
3. （３）連接され、流体の流動方向に垂直な面に様々に配
   置された複数の第一感温電気抵抗器、該流体に晒された
   該抵抗器；温度センシティブのみが周囲温度で変化する
   ように流体から遮弊された第二感温抵抗器、電流が流れ
   ている間該第一と第二抵抗器の抵抗値を比較するための
   又、抵抗値の差を提示して電圧出力を行う差動増幅器；
   流体の抵抗値の該差を読む目盛りのついた検流計；導管
   の断面域と同形のそして互いに直角に交わる複数の支持
   部を含む枠組み、少なくともそのいくつかは一般に等間
   隔の該第一抵抗器を支持し；サーミスタ形体の該抵抗器
   、立上り区間及び立下り区間を有する該支持部、流動方
   向に関し、凹陥を有する該立下り区間、該支持部そ通過
   する流体内の微粒子から遮弊する該凹陥内に配置された
   該サーミスタより成る導管の大断面域を流動する気体の
   流量を計測する特許請求の範囲第１項記載の自己加熱サ
   ーミスタを使用した平均流量計測装置。