JPS63140921A - 流動媒体の測定量検出方法及び測定回路 - 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 本発明は、加熱される測定センサの温度変化を、電子的
回路測定回路にて評価して測定量、例えば流速および／
″またけ物質特性の検出を行なう流動媒体の測定量検出
方法、及びその方法を実施するための測定回路に関する
。

公知の従来技術 ドイツ連邦共昶国特許出願公開第２９３３１１６号公報
により、呼吸空気流を測定する装置が公知である。この
装置では、２つの相互に間隔を置いて設けられた測定セ
ンサが用いられ、これらのセ／すは調整回路により一定
の温度に加熱される。その際この加熱に必要とされる加
熱エネルギーが測定量を表わす。

別の従来公知の、混合ガスの熱伝導度を測定するための
測定装置がドイツ連邦共和国特許第２５０５６６９号明
細書に記載されている。この装置により流速およびガス
組成の測定が可能である。この目的のために抵抗測定セ
ンサが電流により所定の温度に加熱される。この温度は
相応の調整回路により維持される。一定の温度を維持す
るために、その都度測定センサ内に現わされる電流が測
定量を形成する。流れ管路内のガス案内は間欠的に行わ
れる。その電流れの生じているインタバルおよび流れの
ないインタバルは同じ間隔で交番する。流れの生じてい
るインタバルでは、測定量は流動媒体の熱伝導度および
流速の尺度を形成する。流れのないインタバルでは、流
動媒体、例えば混合ガスの熱伝導度が測定される。

発明の目的 本発明は次のことを課題とする。即ち、定温熱線流速測
定法の公知の欠点を回避し、例えば流体の流速および／
または物質特性の測定時に測定精度、特に流速が低い時
の測定精度を改善することである。

発明の構成 この課題は本発明に従って、測定センサを少なくとも１
つの測定区間内で１つの加熱パルスより加熱し、測定量
として、測定センサが少なくとも１つの所定の温度に冷
却される時間を測定することにより解決される。

従来公知の定温方法とは対照的に、測定の問題点は、費
用が嵩み、種々のノイズの影響全骨ける温度測定から、
より精密な実施が可能な時間測定に移行している。障害
となる附随現象、例えば本来の測定センサから給電線路
またはセンサ支持装置への熱伝導などは僅かな影響しか
有しない。さらにパルスを用いた加熱により電流の消費
が著しく少なくなる。

具体的実施例ではそれぞれ一連の加熱パルスが使用され
、その際本測定方法の有利な実施例では、測定センサが
所定の温度に達した時に、その都度（達する度に）加熱
パルスがトリガされる。したがって測定量が変動する場
合には、例えば流れ速度が異なっている際パルス間隔が
変化する。本測定方法の別の、場合によっては有利な実
施例では、一連の加熱パルスを等間隔で使用することが
できる。その際パルス間隔を、検出すべき測定量の限界
値、例えば最低の流れ速度が、なお１つの測定区間内に
あるような大きさに選定しなければならない。

加熱時間、即ち加熱パルスの持続時間を、測定区間の長
さに比較して非常に短くするのが有利であることが実証
された。加熱時間は１５０μｓｅｃ以下であるのが有利
であり、測定区間は１ｒｒＬｓｅＣ〜５０ｍ５ｅｃに設
定するのが有利である。加熱時間を非常に短くすること
により、障害的な附随現象による、加熱されるセンサの
熱放出への妨害は著しく低減され、更には回避さ行なわ
れないからである。

周期的な加熱および冷却により、流動媒体の物質特性が
既知の場合には、一義的に流速が推定できる。何故なら
ば、理論的および実験的に、強制対流による温度の低下
は指数的に行われることが実証されているので、該指数
の値は流速の尺度となるからである。

流速および物質特性を同時測定するためには、線型には
依存しない複数の測定が通常は必要とされる。これは例
えば構成の異なる複数の測定センサにより、温度低下特
性を同時測定することにより行うことができる。この従
来公知の測定方法は、測定センサの複雑な構造ならびに
プロセッサ制御で評価処理を行なう場合には、長い計算
時間を必要とする。さらに多くの適用事例で、流動媒体
の組成が異なる場合も、流速の誤差のない測定が必要と
される。そのため、流動媒体の組成の変化が及ぼす影＃
を補償するために、常時較正測定する必要がある。ガス
特性の影響を求めるためのこのような補償測定は、定め
られた速度状態で、通常は流速が零値の時打なうことが
できる。このような間欠的な測定方法は１イツ連邦共和
国特許第２５０５６６９号明細書に記載されている。こ
の測定の重要な前提は、流速の正確な零値を知ることで
ある０本発明の別の実施例では、流れの零値を検出する
ために、温度曲線の指数的経過からの偏差量を検出する
。この場合流れの零値が現われる度毎に、指数的経過か
らの偏差量がその実験的に定められた限界値に達する。

指数的低下特性からの偏差量は、流れの速度が零の場合
に最大であり、速度が増加するにつれて減少し、最後に
、流れの速度が熱放出による拡散速度よりも大きくなる
時消失する。その結果冷却曲線が再び指数的経過に移行
する。

温度曲線の指数的経過からの偏差量に対する尺度として
、冷却温度曲線の指数的経過に従えば同じ時間差Δｔｌ
　＝　ｔ２−　ｔｌおよびΔｔ２　＝　ｔ３−ｔ２が得
られることとなるような温度を選択すると有利である。

その際、前記温度に達するまでの実際に測定された時間
差Δｔ１とΔｔ２との比が求められ、この比の限界値が
流れの零値を確定する。

つまり低下時間の比Δｔ１／Δｔ２の測定によシ、この
比の限界値、つまり流れの零値に達することが確定する
時、冷却温度曲線の経過は自由対流によってのみ規定さ
れる。センサ特性が体 固定されている場合、冷却速度は流動媒体の物質特性に
のみ依存する。従って測定量として所定の物質特性が、
例えばガス組成が検出される。

このような測定値は、場合によっては基準値として、流
動媒体の組成の変動が速度測定に対して及ぼす影響を補
償するために利用することができる。

本発明の方法を実施するための有利な測定回路は、電子
的スイッチング素子が設けられており、このスイッチン
グ素子がパルス発生器に接続されており、測定センサが
その一方のスイッチング位置で加熱電圧源に、その他方
のスイッチング位置で抵抗測定装置に接続されており、
またタイミングパルスで周期的に同じ間隔、ないしは測
定センサが所定の抵抗値に達した時に、両スイッチング
状態の間の切り替えが行われ、さらに加熱パルスと所定
の抵抗値に達するまで間の時間間隔を測定するためにコ
ンパレータが設けられているように構成することができ
る。

加熱電圧源のパルス系列に依存してそれぞれ等間隔で並
ぶ一連の間隔パルスを形成し、この場合測定すべき測定
量は、加熱パルスと所定の抵抗値に達するまでの間に存
在する間隔パルスの個数を計算することにより検出され
るように、有利に構成することができる。

実施例の説明 図面で本発明による測定方法の実施例および相応の測定
回路の構成が説明される。

第１図に、相互に等間隔に続く一連の加熱パルスＪ□、
Ｊ２．Ｊ３が示されている。これらのパルスは測定区間
Ｍ工、　Ｍ２．　Ｍ３の始端にそれぞれ位置している。

これらの加熱パルスＪ１＋　　５２＋Ｊ３により、測定
センサは周囲温度ＴＯより高い温度Ｔ−Ｔｏに、例えば
３００℃に加熱される。

加熱パルスの終了後、最初の加熱温度Ｔ−Ｔ０は所定の
値Ｔｌ−Ｔｏまで低下する。それに必要とされる時間ｔ
ｘは測定センサにおける流速に依存する。時間測定によ
り求められる時間ｔｘ。

ｔｙから、測定センサの周囲を流れる媒体の流速を高い
精度で推定することができる。ｔｘは測定区間Ｍ工にお
ける流速がより小さいことを意味し、−力測定区間Ｍ２
およびＭ３では、流速はそれぞれ同じであるが、しかし
より高い流速が存在することがｔ、により表わされる。

測定センサの内部熱抵抗は、測定を完壁に実施するため
、周囲の媒体への熱伝達に対する抵抗よりも大幅に小さ
くなければならない。これはガスの場合には、測定セン
サが通常の材料、例えば直径口、０５龍以下の白金また
はタングステン線からなる時に、高い精度で達成される
。

加熱パルスＪ工・・・の持続時間が充分に短く選定され
ているならば、測定センサの最高温度は流速および物質
特性に依存しないままに留まる。

測定区間Ｍよ・・・の全長は充分に長いものであり、従
って冷却時に、測定センサは所定の温度Ｔｌ−Ｔｏを取
ることが常に保証される。

第１図による実施例では、それぞれ同じ長さの測定区間
Ｍ工＋　Ｍ２＋　　Ｍ３が示されている。これは、測定
区間全体の経過後に初めて加熱が新たに開始されること
を意味する。しかし多くの使用目的にとって（測定周波
数の引き上げ）、測定区間の長さを可変にして、所定の
温度Ｔよ−Ｔ。

に達した時に、それぞれ加熱パルスをトリガするほうが
更に適切と思われる。

第２図による測定回路はパルス発生器１を有し、このパ
ルス発生器によりトランジスタスイッチ２を介して、第
１図に示された、測定区間の長さが等しいパルス列およ
び加熱パルスＪ工。

Ｊ２・・のトリガが制御される。パルス発生器１は各パ
ルス毎にトランジスタスイッチ２を閉成し、したがって
このスイッチング位置で、加熱電圧Ｕｎが測定センサ４
に印加される。パルス休止期にはトランジスタスイッチ
２は遮断し、このスイッチング位置では、測定センサに
おける抵抗の測定が実施される。抵抗３を介して測定セ
ンサ４に供給される測定電流はその大きさが、一方では
測定センサの明確な温度上昇が起こらず、しかし他方で
は測定センサに評価可能な電圧降下が生じて、抵抗に対
する、従って温度に対する尺度となるように選定されて
いる。

測定センサ４の出力信号は、増幅器５で増幅され、補償
装置６により周囲温度の作用を補償した後、評価装置に
供給される。この評価装置は６つのコンパレータ７．８
．９を有スる。それに後続する時間測定装置１０は、測
定量として用いる時間の長さｔ工Ｊ　　ｔ２・・を検出
する。

次に続く計算装置１１は、時間値を相応の流速ないしは
物質特性の値に換算するのに用いられる。これらの換算
された値は表示装置１２で読み取られる。

第３図は、加熱温度がＴ　−Ｔｏから６つのそれぞれ所
定の温度値Ｔ１−　ＴＯ＋　　Ｔ２−　ＴＯ＋　　Ｔ３
−　ＴＯに低下することを示す。そのために必要とされ
る時間はコンパレータ７．８．９により検出される。コ
ンパレータ７．８は時間差Δｔ１＝ｔ２−１１を検出し
、一方コンパレータ８，９は時間差Δｔ２＝ｔ３−ｔ２
を検出する。

流速の他、流速が零値の際の流れのないインタバルにお
ける物質特性もまた付加的に検査および測定できるよう
に、冷却曲線の時間経過が監視される。流速が高い場合
には冷却曲線の低下特性は、冷却曲線ａが示すように、
厳密に指数的である。流速が消失する際には、冷却曲線
は冷却曲線すによる非指数的経過にしたがって変化する
（第４図）。

指数的温度低下曲線からの偏差量の尺度として、２つの
時間差ΔｔよおよびΔｔ２が測定される。つまり温度Ｔ
工から周囲温度Ｔ。を介して温度Ｔ２−Ｔｏに低下する
ために測定センサが必要とする時間が測定される。その
さい指数的経過では次ぎの関係 に’（ＴＩ　　Ｔｏ）＝Ｔ２　　Ｔ。

ならびにさらに温度Ｔ２−　’ｒｏから温度Ｔ３−　’
ｒ。

へは同じ係数にで、 Ｔ３　　Ｔｏ＝Ｋ・（Ｔ２Ｔｏ）＝に２・（Ｔｔ　　Ｔ
ｏ）が成シ立つ。

指数的経過（曲線ａ）の場合には、時間Δｔ１（ａ）お
よびΔｔ２（ａ）は同じ大きさである。その比は１にな
る。速度が流れの零値の領域にある場合には、異なる時
間差が生じ、その商Δｔ工：Δｔ２が監視されねばなら
ない。比Δｔよ（ｂ）／Δｔ２（ｂ）が指数的に測定可
能な限界値に到達すると、流れの零値が存在することが
推定される。この存在が確認されると、即ち測定センサ
と周囲の媒体との間の熱交換がもはやガスの熱伝導度に
のみ依存し、つまり物質特性にのみ依存して流れにより
強制される対流には依存しなくなると、所定の温度に冷
却するまでの時間を測定することにより物質特性が推定
できる。

本測定方法の有利な実施例では、例えば複数の測定区間
Ｍ１・・・の経過後に、測定すべき媒体の流れの遮断を
流れ管路で行ない、指数的低下特性からの偏差に留意し
て、流れの零値を前記と同様に確定することができる。

その場合には、次に続く測定区間で物質特性が、例えば
ガス流の変化しない組成が検査され、必要な場合にはさ
らに後続の流速の測定に対し、計算的に考慮することが
できる。

流れの零値を検出するためのこの新しい測定方法の有利
な適用例は、例えば呼吸の監視である。例えば呼吸時の
ような周期的な流れ現象では規則的に零速度期が現われ
るため、指数的低下特性からの偏差量を定期的に検査す
ることにより、無速度状態が自動的に確認できる。その
際必要に応じて、ガス組成に生じる変化を同時に検出す
ることが可能である。

本測定方法は、存在する条件に応じて、同じまたは異な
る構成の、複数の測定センサを用いても適切に実施する
ことができる。

発明の効果 本発明により、定温熱線流速測定方法の公知の欠点が回
避され、例えば流体の流速および／または物質特性の測
定時に、流速が特に小さい場合でも、測定精度を改善す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一連の加熱パルスの波形図、第２図は本測定方
法を実施するための測定回路図、第６図は該測定回路に
形成される信号の波形図、第４図は速度零における温度
低下曲線を示す線図である。 １・・・パルス発生器、２・・・電子的スイッチング素
子、３・・・抵抗測定装置、４・・・測定センサ、５・
・・増幅器、６・・・補償装置、７，８．９・・・コン
パレータ、１０・・・時間測定装置、１１・・計算装置
、１２・・・表示装置 第１図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加熱される測定センサの温度変化を、電子的測定回
   路にて評価して測定量検出を行なう流動媒体の測定量検
   出方法において、測定センサを少なくとも１つの測定区
   間内で１つの加熱パルスにより加熱し、測定量として時
   間、即ち当該時間後に前記測定センサが少なくとも所定
   温度に冷却される時間を求めることを特徴とする流動媒
   体の測定量検出方法。 ２、測定センサが所定の温度に達すると、加熱パルスを
   その都度トリガする特許請求の範囲第１項記載の流動媒
   体の測定量検出方法。 ３、一連の加熱パルスを同じ間隔で用いる特許請求の範
   囲第１項記載の流動媒体の測定量検出方法。 ４、流れの零値を検出するために、冷却温度曲線の指数
   的経過からの偏差量を求め、該指数的経過からの偏差量
   が最大値に達する時、零値を検出するようにした特許請
   求の範囲第１項記載の流動媒体の測定量検出方法。 ５、冷却温度曲線の指数的経過からの偏差量に対する尺
   度として、指数的経過に従えば同じ時間差Δｔ＿１＝ｔ
   ＿２−ｔ＿１およびΔｔ＿２＝ｔ＿３−ｔ＿２の生じる
   温度（Ｔ＿１、Ｔ＿２、Ｔ＿３）を選択し、前記温度（
   Ｔ＿１、Ｔ＿２、Ｔ＿３）に達するまでの、実際に測定
   された時間差Δｔ＿１およびΔｔ＿２の比を求め、その
   際該比の限界値が流れの速度零を確定する特許請求の範
   囲第４項記載の流動媒体の測定量検出方法。 ６、加熱パルスが測定区間の長さに比較して短いように
   した特許請求の範囲第１項記載の流動媒体の測定量検出
   方法。 ７、加熱時間が１５０μｓｅｃ以下であり、測定区間の
   長さが１〜５０μｓｅｃであるようにした特許請求の範
   囲第１項記載の流動媒体の測定量検出方法。 ８、電子的スイッチング素子（２）が設けられており、
   該スイッチング素子がパルス発生器（１）に接続されて
   おり、かつその一方のスイッチング位置で、温度に依存
   する抵抗を有する測定センサ（４）が加熱電圧源（Ｕ）
   に接続されており、その他方のスイッチング位置で抵抗
   測定装置（３）に接続されており、またタイミングパル
   スで周期的に同じ間隔、ないしは測定センサが所定の抵
   抗値に達した時に、両スイッチング状態間の切り替えが
   行われ、さらに加熱パルスと所定の抵抗値に達するまで
   の間の時間間隔を測定するためにコンパレータ（７、８
   、９）が設けられていることを特徴とする、加熱される
   測定センサの温度変化を、電子的測定回路にて評価して
   測定量検出を行なう流動媒体の測定量検出方法を実施す
   るための測定回路。 ９、加熱電圧源のパルス列に依存して、等間隔で並ぶ一
   連の間隔パルスがその都度形成され、加熱パルスと所定
   の抵抗値に達するまでの間にある間隔パルスの個数を計
   算することにより、検出すべき測定量が求められる特許
   請求の範囲第８項記載の、流動媒体の測定量検出方法を
   実施するための測定回路。