JP2013524254A - 流量計プローブ - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体またはセラミックサーミスタを利用する種々の流量測定装置に利用され得る流量計のためのプローブを提供する。本発明は、低い熱電導率を有する材料から作製された導管を流れる液体の流量を測定するための装置であって、導管の壁内に少なくとも部分的に配置され、壁の内面と実質的に並べられているプローブの一部である封入されたコンポーネントの表面を突出しているプローブを備え、そのプローブは、制御およびディスプレイユニットに作動可能に接続される、装置を含む。プローブはプリント基板（ＰＣＢ）を備え、そのプリント基板（ＰＣＢ）上に少なくとも２つのサーミスタが取り付けられ、上流のサーミスタはベースライン測定として機能し、間隔をあけた下流のサーミスタは自己発熱する。制御およびディスプレイユニットは、流量を示すために制御およびディスプレイユニットによって電気的に処理される信号を生成するためにサーミスタの電気抵抗を反復して測定する。
【選択図】図７

Description

本発明は流量計に関する。より具体的には、本発明は、半導体またはセラミックサーミスタを利用する種々の流量測定装置に利用され得る流量計のためのプローブを提供する。本明細書は電磁波に基づくもののような他の種類の流量計には関連しない。

温度感受性抵抗素子の応答の原理に基づいた熱流体流量測定技術は、公知であり、長年利用されてきている。現在、この種類の測定がなされ、その測定において、機器のプローブが、流体が流れる導管の内側または外側のいずれかに配置される。

導管の外側に検出要素を配置することによって流体の流量を測定するための装置が、特許文献１および特許文献２に記載されている。この種類の装置は、プローブが、測定される流体から保護されるという利点を有する。しかしながら、この種類のプローブは、特定の基板に基づいた検出チップの開発および生産を必要とする。導管の壁は熱に抵抗があるので、流体の流速の変化に対してセンサの応答の遅延を生じ、さらに、この種類の装置は、測定が開始し得るまで長い整定時間を必要とする。

導管内にプローブまたは検出要素を配置することによって流体の流量を測定するための装置は、多くの米国特許および特許出願に記載されている。例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６、特許文献７および特許文献８。このような従来技術のサーミスタに基づいた流量プローブは、金属管により覆われたリード線を有する直接または間接的に加熱されるサーミスタから構成される。気体流量測定においてさえセラミックサーミスタは、サーミスタ性能に悪影響を与える水蒸気を容易に吸収するので、管は、その管の外部の流体からサーミスタを分離する。液体流量を測定する場合、液体を、サーミスタまたはその電気回路と直接接触させることは防がれなければならない。

管の内部容積は、熱伝導性樹脂に封入された２つのワイヤを有するサーミスタを適合するのに十分大きくする必要がある。管は流体の流れに直接配置される。管内部のサーミスタは、管の外側を流れる流体によって運び出される熱の量に応答してその抵抗を変化させ、管の外側の流体温度と管の内側のサーミスタの温度との間の温度勾配に起因していくらかの時間の遅延を有する。

導管の外側に配置されたプローブより速い応答を提供するが、このようなサーミスタプローブは、多くの不都合な点を有する。従来技術のサーミスタプローブにおいて、サーミスタ本体は、サーミスタと、管の外側の媒体との間に温度勾配を生じさせるために流量測定の点から十分に離れた金属管の内側で分離される。さらに、流路の内側の管の存在は、導管内の流体の流れに対する障害物を構成するので、流路パターンおよび速度を変化させる。小さな導管内できれいでないまたは脂肪の多い液体の低い流速を測定する場合、導管を流れる流体の流量パターンおよび速度に対するその影響以外にプローブは、その露出された表面上の物質の蓄積で覆われ、測定の正確さに影響を与え、洗浄のために固定物を分解する必要を課す。最終的に、管を所定の位置に保持するために複雑な機械的固定具を必要とするので、このようサーミスタプローブの製造コストは比較的高くなる。

米国特許出願公開第２００４／００００１９６号明細書 米国特許出願公開第２００３／００４９８７７号明細書 米国特許第３，０８５，４３１号明細書 米国特許第４，０２８，６８９号明細書 米国特許第７，３０２，８４４号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８００５０号明細書 米国特許出願公開第２００８／００８０５８８号明細書 米国特許出願公開第２００９／００７１２４４号明細書

従って、本発明の目的の１つは、従来技術の流量計の不都合な点をなくし、迅速に応答できるプローブを提供することである。

本発明のさらなる目的は、メンテナンスを必要とせずに連続的に作動するプローブを提供することである。

本発明は、低い熱電導率を有する材料から作製された導管を流れる液体の流量を測定するための装置を提供することによって上記の目的を達成する。その装置は、前記導管の壁内に少なくとも部分的に配置され、前記壁の内面と実質的に並べられているプローブの一部である封入されたコンポーネントの表面を突出している、プローブを備え、前記プローブは制御およびディスプレイユニットに作動可能に接続され、前記プローブはプリント基板（ＰＣＢ）を含み、前記プリント基板上に、少なくとも２つのサーミスタが取り付けられ、上流のサーミスタはベースライン測定として機能し、間隔をあけた下流の自己発熱サーミスタは、前記導管を流れる前記液体によって冷却される前記下流のサーミスタの表面から得られる温度の変化を測定し、
前記制御およびディスプレイユニットは、流量を示すために前記制御およびディスプレイユニットにより電気的に処理される信号を生成するために前記サーミスタの電気抵抗を反復して測定する。

本発明の好ましい実施形態において、前記装置の校正データを保存するためのメモリコンポーネントをさらに含む装置が提供される。

本発明のさらに好ましい実施形態において、流体（液体）と接触する前記サーミスタが、熱伝導性の電気的に絶縁された化合物中に封入される装置が提供される。

本発明の別の好ましい実施形態において、前記下流のサーミスタの自己発熱は重要な価値はなく、前記プローブは、前記下流のサーミスタに近接して熱的に近くに配置される加熱素子をさらに含み、前記下流のサーミスタは、１ＫΩ（２５℃にて）より高い抵抗を有し、前記レジスタは１００Ωより低い抵抗を有する、低電圧装置が提供される。

本発明のさらに好ましい実施形態において、前記加熱素子は、前記サーミスタと同じＰＣＢの表面に取り付けられ、共通に土台の銅製のはんだ付けパッドおよび前記熱伝導性の化合物により前記下流のサーミスタに隣接し、かつ熱的に結合される、低電圧装置が提供される。

本発明のさらに好ましい実施形態において、前記加熱素子は、前記液体から離れた方向の前記ＰＣＢの表面に取り付けられ、フレキシブルなＰＣＢの２つの表面を接続する共通の土台の銅製のはんだ付けパッドにより前記第２の下流のサーミスタに隣接し、かつ熱的に結合される、低電圧装置が提供される。

本発明のなおさらに好ましい実施形態において、前記プローブは、接続ケーブル、電子回路、および電磁トランスミッタ／レシーバを含む群の１つにより前記制御およびディスプレイユニットに作動可能に接続される、装置が提供される。

本発明の最も好ましい実施形態において、前記ＰＣＢはフレキシブルであり、コンポーネントは、表面取り付け技術により前記ＰＣＢに取り付けられる、装置が提供される。

プローブは多くの構造物で組み立てられてもよく、３つのモードのうちの１つまたはそれらの組み合わせで制御ユニットにより起動されてもよい。例えば、プローブに定電力を与え、流体（液体）とサーミスタの１つとの間の一定の温度差を維持し、またはサーミスタの１つにおいて検出される加熱素子から熱パルスを生成する（「飛行時間（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）」）。次いで制御ユニットにおけるマイクロコントローラが、プローブから流量まで、流量に応じた信号に変換し、必要に応じて流体の累積量を計算する。

フレキシブルなＰＣＢの使用は、電気部品の各々を配線するための必要性およびそれらの必要な位置に電気部品を位置決めするためのさらなる機械的固定具の必要性を排除する。そうするための特定の基板に基づいた検出チップを開発する必要性もまた排除し、それにより、市販の特別あつらえでない電気部品も使用できる。フレキシブルなプリント基板はまた、フレキシブルなＰＣＢをオーバーモールドするためのポリマーまたはエラストマー製の導管の設計を可能にする。

非常に小さな熱質量により特徴付けられる、ＳＭＤコンポーネントの使用は、コンポーネントの急速な加熱および冷却を可能にするので、流量変化に迅速に応答する。本発明の開発の目的に関して、ＳＭＤサーミスタは、プローブ１４の製造プロセスの間に少しの変化が生じるので、また、プローブにおける各々の電子部品は本質的に異なるので、装置の校正は最適な精度を必要とされる。メモリコンポーネント３６（例えばＥＰＲＯＭ）が校正データを保存するために使用されてもよい。校正データはプローブにおけるコンポーネントの実際の抵抗温度データを表す。

本発明をここで、本発明の例示的な好ましい実施形態によって表される添付の図面を参照してさらに記載する。構造的な詳細はその基本的な理解に必要な範囲のみを示す。図面と共に記載される例により、本発明のさらなる形態をどのように具現化できるかが当業者に明らかとなるだろう。

本発明に係る装置の好ましい実施形態の詳細でない概略図である。 流導管の壁に配置されるサーミスタを示す詳細な断面図である。 ＥＰＲＯＭチップを含むプローブの概略的な立面図である。 流導管の壁に配置される封入されたサーミスタを示す詳細な断面図である。 サーミスタおよび加熱素子の両方を示す詳細な断面図である。 加熱素子がＰＣＢの対向（反対）面に見られることを除いて図５と同じである。 プローブならびに制御およびディスプレイユニットが無線周波数リンクにより相互接続されている、装置の実施形態の詳細でない概略図である。 ユーザが選択した時間の間、プローブを通過する流体の容積を記録するために配置される制御およびディスプレイユニットの概略図である。

導管１２を通過する液体の流体の流速を測定するための装置１０が図１において見られ、導管１２は好ましくは、低い熱伝導率を有する材料から作製される。

図２により明確に見られるように、プローブ１４は導管１２の壁内に部分的に配置される。封入されたサーミスタ２０、２２の突出している表面１６は、プローブ１４の一部であり、導管１２の内面２４と実質的に並んでいる。

プローブ１４は制御およびディスプレイユニット２６にケーブル１８により作動可能に接続される。プローブ１４はプリント基板（ＰＣＢ）２８を備え、その上に２つのサーミスタ２０、２２が取り付けられる。上流のサーミスタ２０はベースライン測定として機能するのに対して、間隔をあけた下流の自己発熱サーミスタ２２は、導管を流れる液体３０により冷却される下流のサーミスタの表面から得られる温度の変化を測定するように機能する。冷却効果は、流量が多い場合、より大きく、下流のサーミスタ２２は、流れがない状況と比べてその電気抵抗を変化させる。変化の方向は、サーミスタがＮＴＣかまたはＰＣＴ種類かどうかに依存する。いずれが使用されてもよい。

制御およびディスプレイユニット３２は、サーミスタ２０、２２の電気抵抗を繰り返し測定する。これらの値は、流速を示すために制御およびディスプレイユニット３２により受信される信号を生成するために電気的に処理される。図面の残りを参照すると、同じ参照番号は同じ部分を識別するために使用されている。

ここで図３を参照すると、装置の校正データを保存するために、例示したようにプローブ３４に必要に応じて配置され得るか、または図１に見られる制御およびディスプレイユニット２６に配置され得るメモリコンポーネント３６をさらに備える装置のプローブ３４が見られる。

必然的に、電子部品のいずれかのバッチにおける各々の電子部品は、通常、部品に記される公称値からいくらかの偏差を有するので、プローブ３４の製造プロセスの間、わずかの変化が生じる。この装置の校正は、出荷前に必要な精度を与えることを必要とされる工場で実施される。これは、好適にはＥＰＲＯＭ種類であり得る、メモリコンポーネント３６の一次タスクである。校正データは、各々の特定のプローブに使用され、プローブ自体と組み合わせられる特定のコンポーネントの実際の抵抗温度関係を表す。

図４は、この図において見られる２０の方のサーミスタが、導管１２により運ばれる流体３０に露出される、プローブの詳細を示す。見られるサーミスタ２０は、熱伝導性の電気的に絶縁された保護化合物３８に封入される。通常、熱の良導体は電気も通すことが知られているが、本発明の要件を満たす特別なエポキシおよびシリコン接着剤の生成はこの目的のために商業的に利用可能である。

図５に見られるのは、典型的に１５ボルト未満である、低電圧装置４０の一部である。本発明の実施形態において、下流のサーミスタ４２の自己加熱は重要な価値はない。しかしながら、本開示において、加熱は、下流のサーミスタ４２に近接して熱的に近くに配置される電気抵抗器コンポーネント４４により提供される。本開示において、下流のサーミスタ４２は１ｋΩ（２５℃にて）より高い抵抗を有し、レジスタ４４は１００Ωより低い抵抗を有する。

レジスタ４４は、下流のサーミスタ４２に隣接して、共通の土台である銅製のはんだ付けパッド５０、および熱伝導性の化合物３８により熱的に結合した、サーミスタ４２、４８と同じＰＣＢ２８の面４６に取り付けられる。非常に小さな熱質量により特徴付けられる、ＳＭＤコンポーネントの使用により、コンポーネントの急速な加熱および冷却、それによる流量変化に対する迅速な応答が可能となる。本発明のプロトタイプの開発の目的のために、使用されるＳＭＤサーミスタは、４０５０Ｋおよび４７００Ｋの対応するＢ_２５／_５０値を有する、０６０３および０４０２サイズの３３ＫΩ（Ｍｕｒａｔａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎｏｒｔｈ ＡｍｅｒｉｃａのＰＮ ＮＣＰ１８ＷＢ３３３Ｊ０３ＲＢ）または４７ＫΩ（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ−ＥＣＧのＰＮｓ ＥＲＴ−Ｊ０ＥＶ４７３ＪまたはＥＲＴ−Ｊ１ＶＶ４７３Ｊ）ＮＴＣサーミスタであった。使用されるレジスタは、０８０５サイズの１０Ωまたは２０Ω、２５０ｍＷレジスタ（それぞれ、Ｒｏｈｍ ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒのＰＮｓ ＥＳＲ１０ＥＺＰＪ１００およびＥＳＲ１０ＥＺＰＪ２００）であった。

ここで図６を参照すると、プローブ５４を示すさらなる流量計の詳細を示す。発熱レジスタ５８は流体３０から離れた方向のＰＣＢ６０の表面５６に取り付けられる。レジスタ５８は、フレキシブルな回路基板６０の２つの表面５６、６６を接続する共通の土台の銅製はんだ付けパッド６４により第２の下流のサーミスタ６２に隣接して配置され、熱的に結合される。

図７は、プローブ７０が、電磁トランスミッタ／レシーバ７６によって制御およびディスプレイユニット７２に作動可能に接続される、装置６８の実施形態を示す。この構成は、制御およびディスプレイユニット７２を位置決めするのに十分な自由度を与えるが、電源としてバッテリ７８を含むことをプローブは必要としない。

図８は、制御およびディスプレイユニット８２もまた、流量を積分し、計算し、表示するように装置８０がプログラムされている任意選択の構成を示す。導管を通過する流量は、ユーザが制御およびディスプレイユニット８２上の「流量を計算する」ボタン８４を押すことにより選択された時間から開始して計算され、表示される。代替として、計算は、「開始」条件を既定することによって、ソフトウェアを用いて、自動的に開始してもよい。

電源インレットケーブル８６はユニット８２の端部に見られる。ユーザは、追加データ、例えばキーボード８８を使用することにより、移動する流体を後で識別するために「酢酸、バッチ７３９」を入力してもよい。

記載した本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の意味の範囲内で全ての実施形態を含むことを意図する。上述の例は本発明の有用な形態を示すが、その範囲を限定するものとみなされるべきではなく、当業者は、本発明のさらなる変形および修飾が添付の特許請求の範囲の意味から逸脱せずに容易になされ得ることを理解するだろう。

Claims (10)

1. 低い熱伝導率を有する材料から作製された導管を通過する液体の流量を測定するための装置であって、前記装置は、
   前記導管の壁内に少なくとも部分的に配置され、前記壁の内面と実質的に並べられているプローブの一部である封入されたコンポーネントの表面を突出している、プローブを備え、
   前記プローブは制御およびディスプレイユニットに作動可能に接続され、前記プローブはプリント基板（ＰＣＢ）を含み、前記プリント基板上に、少なくとも２つのサーミスタが取り付けられ、上流のサーミスタはベースライン測定として機能し、間隔をあけた下流の自己発熱サーミスタは、前記導管を流れる前記液体によって冷却される前記下流のサーミスタの表面から得られる温度の変化を測定し、
   前記制御およびディスプレイユニットは、流量を示すために前記制御およびディスプレイユニットにより電気的に処理される信号を生成するために前記サーミスタの電気抵抗を反復して測定する、装置。
2. 前記装置の校正データを保存するためのメモリコンポーネントをさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記液体と接触する前記サーミスタが、熱伝導性の電気的に絶縁された化合物中に封入される、請求項１に記載の装置。
4. 前記下流のサーミスタの自己発熱は重要な価値はなく、前記プローブは、前記下流のサーミスタに近接して熱的に近くに配置される加熱素子をさらに含み、前記下流のサーミスタは、１ＫΩ（２５℃にて）より高い抵抗を有し、前記レジスタは１００Ωより低い抵抗を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記加熱素子は、前記サーミスタと同じＰＣＢの表面に取り付けられ、共通の土台の銅製のはんだ付けパッドおよび熱伝導性の化合物により前記下流のサーミスタに隣接し、かつ熱的に結合される、請求項４に記載の装置。
6. 前記加熱素子は、前記液体から離れた方向の前記ＰＣＢの表面に取り付けられ、ＰＣＢの２つの表面を接続する共通の土台の銅製のはんだ付けパッドにより前記第２の下流のサーミスタに隣接し、かつ熱的に結合される、請求項４に記載の装置。
7. 前記プローブは、接続ケーブル、電子回路、および電磁トランスミッタ／レシーバを含む群の１つにより前記制御およびディスプレイユニットに作動可能に接続される、請求項１に記載の装置。
8. 前記制御およびディスプレイユニットは、ユーザが前記制御およびディスプレイユニット上の「流量を計算する」ボタンを押すことにより選択される時間から開始して流量を積分し、計算し、表示するように配置される、請求項１に記載の装置。
9. 前記制御およびディスプレイユニットは、「開始」条件を既定することにより、ソフトウェアを用いて、自動的に開始して流量を積分し、計算し、表示するように配置される、請求項１に記載の装置。
10. 前記基板面は、フレキシブルであり、コンポーネントは、表面取り付け技術により前記基板に取り付けられる、請求項１に記載の装置。

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