JPH10142249A

JPH10142249A - フローセンサ

Info

Publication number: JPH10142249A
Application number: JP8298427A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Sato; 英紀佐藤
Original assignee: Sunpot Co Ltd
Current assignee: Sunpot Co Ltd
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: JP3486511B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単且つ安価な構成で流体温度の幅広い温度範
囲にわたって流速あるいは流量の測定を精度よく行うこ
とができるフローセンサを提供する。【解決手段】流体の流路中に配置する二つの感熱抵抗素
子１，２をこれに接続した電圧付与回路６，７により、
各感熱抵抗素子１，２の温度が互いに異なる一定温度に
保持されるように通電・加熱し、この状態で電圧付与回
路６，７の出力電圧を直線化回路８，９によりそれぞれ
直線化して各感熱抵抗素子１，２への供給電力に応じた
レベルの信号を生成する。各直線化回路８，９の出力を
差動増幅回路５に入力し、この差動増幅回路５から流体
の温度の影響を受けずに流体の流量又は流速に応じたレ
ベルの信号を出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流速や流量
を測定するためのフローセンサに関し、より詳しくは熱
式のフローセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱式のフローセンサにあっては、サーミ
スタや白金等の感熱抵抗素子を流体の流路に配置すると
共に、該感熱抵抗素子を一定の温度で発熱させるように
（感熱抵抗素子の抵抗値が一定に維持されるように）ブ
リッジ回路や帰還回路を用いた検出回路により該感熱抵
抗素子に通電するものが一般的に知られている。このフ
ローセンサは、感熱抵抗素子の放熱量が、該素子に接触
する流体の流量によって変化して、該素子を一定の温度
に保持するための該素子への供給電力が流体の流量に応
じて変化することを利用し、その供給電力を印可電圧や
通電電流によって検出することで、流体の流量や流速
（流体の流路の単位断面積当たりの流量）を測定するも
のである。

【０００３】さらに詳細には、感熱抵抗素子の単位時間
当たりの放熱量をＱとしたとき、次の関係式（１）が一
般的に成り立つ。

【０００４】Ｑ＝Ｋ・ΔＴ・ΦRe ……（１）ここで、Ｋは熱伝達関数で、基本的には流体の熱伝導率
や感熱抵抗素子の形状等に基づく定数である。また、Δ
Ｔは感熱抵抗素子の温度ＴH と流体の温度ＴLとの温度
差（ＴH −ＴL ）である。また、ΦRe は感熱抵抗素子
に接触する流体のレイノルズ数の関数で、単位時間当た
りに感熱抵抗素子に接触する流体の質量に比例し、基本
的には流体の流量（単位時間当たりの体積流量）もしく
は流速に依存した関数である。以下、流体の流量もしく
は流速をＶとして、ΦRe をΦ（Ｖ）と表し、式（１）
を次式（２）により表す。

【０００５】Ｑ＝Ｋ・ΔＴ・Φ（Ｖ） ……（２）一方、感熱抵抗素子への供給電力をＷとしたとき、Ｗ＝
Ｑであるから、これと式（２）とにより、Ｗ＝Ｋ・ΔＴ・Φ（Ｖ） ……（３）が得られる。

【０００６】従って、前述の如く感熱抵抗素子の温度Ｔ
H を一定に保持したとき、流体の温度ＴL が一定であれ
ば、それらの温度差ΔＴが一定となって、感熱抵抗素子
への供給電力Ｗは流体の流量あるいは流速Ｖに応じたも
のとなり、感熱抵抗素子への供給電力Ｗを測定すること
で、流体の流量又は流速Ｖを検出することができる。

【０００７】しかるに、種々の状況において、流量や流
速を測定しようとする流体の温度ＴL は一般には、一定
温度に保持されているとは限らず、このように流体の温
度が変化する場合には、前記式（３）から明らかなよう
に、感熱抵抗素子への供給電力Ｗは流体の流速あるいは
流量のみならず、流体の温度ＴL にも依存する。

【０００８】このような流体の温度変化の影響を排除す
るために、種々のフローセンサが提案されており、例え
ば特開平５−１４９７６８号公報や、特公昭５９−４８
３４１号公報に開示されたものが知られいる。

【０００９】特開平５−１４９７６８号公報に開示され
ているものでは、二個の感熱抵抗素子を同一の一定温度
に保持するようにそれぞれの感熱抵抗素子に対応した定
抵抗回路により通電・加熱すると共に、一方の感熱抵抗
素子を流体の通路に配置し、他方の感熱抵抗素子を流体
の流れが遮断されたダミー流路に配置したものである。
そして、流体通路の感熱抵抗素子側の定抵抗回路の出力
（これは流体の流量と温度とに応じたものとなる）と、
ダミー通路の感熱抵抗素子側の定抵抗回路の出力（これ
は流体の温度に応じたものとなる）とを差動アンプに入
力して、それらの差分をとることで、流体の温度変化の
影響を排除したものである。

【００１０】また、特公昭５９−４８３４１号公報のも
のでは、流体の流路中に配置した流速測定用の感熱抵抗
素子と定抵抗値の抵抗体とを直列に接続した直列回路に
通電して、感熱抵抗素子を加熱すると共に、該直列回路
の出力から、感熱抵抗素子への供給電力を測定してそれ
を流速値に変換する一方、流体の温度をサーミスタによ
り測定し、その流体温度と、前記感熱抵抗素子の抵抗値
により示される該感熱抵抗素子の温度との差を一定に保
持するように前記直列回路への通電電流をフィードバッ
ク制御するようにしたものである。そして、このように
流体温度と、感熱抵抗素子の温度との差を一定に保持す
る（これは前記式（３）のΔＴを一定値にすることを意
味する）ことで、流体の温度変化の影響を排除するよう
にしたものである。

【００１１】しかしながら、これらの従来のフローセン
サでは、流体の温度変化の影響を排除することは可能で
あるものの、次のような不都合を生じるものであった。

【００１２】すなわち、特開平５−１４９７６８号公報
のものでは、流体の流れを遮断したダミー流路が必要と
なるため、流速あるいは流量測定のための装置構成が大
型化すると共に、部品点数が増大し、コスト的に不利な
ものとなっていた。

【００１３】また、特公昭５９−４８３４１号公報のも
のでは、流体温度と感熱抵抗素子の温度との差を一定に
保つため、流体温度の変化に追従して感熱抵抗素子の温
度が変化することとなる。このため、流体温度の幅広い
範囲にわたって流量や流速を精度よく測定するために
は、感熱抵抗素子の温度−抵抗値特性を幅広い温度範囲
で高精度に保つ必要があるが、このような感熱抵抗素子
は高価なものとなりやすく、また、感熱抵抗素子の耐熱
性の面から、その加熱温度を高めることが難しい。従っ
て、同号公報のものでは、流体温度の幅広い範囲にわた
って流量や流速測定する上では、コスト的あるいは性能
的に不利なものとなりやすいという不都合があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる背景に
鑑み、簡単且つ安価な構成で流体温度の幅広い温度範囲
にわたって流速あるいは流量の測定を精度よく行うこと
ができるフローセンサを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のフローセンサは
かかる目的を達成するために、流体の流速又は流量を測
定すべき流路に配置される一組の感熱抵抗素子と、各感
熱抵抗素子に対応してそれぞれ設けられ、各感熱抵抗素
子を互いに異なる一定温度に保持するよう各感熱抵抗素
子に電力を供給ししつつ、そのそれぞれの供給電力値に
応じたレベルの信号を出力する一組の検出回路と、両検
出回路の出力のレベル差に応じたレベルの信号を前記流
体の流速又は流量の値を示す信号として出力する差動増
幅回路とから成ることを特徴とする。

【００１６】かかる本発明において、前記流体の流路に
配置した一組の感熱抵抗素子に前記各検出回路から供給
される電力をそれぞれＷ1 、Ｗ2 、各感熱抵抗素子に対
応した前記一定温度をそれぞれＴH1、ＴH2（ＴH1≠ＴH
2）とすると、前記式（３）によって、Ｗ1 ＝Ｋ・（ＴH1−ＴL ）・Φ（Ｖ） ……（４）Ｗ2 ＝Ｋ・（ＴH2−ＴL ）・Φ（Ｖ） ……（５）（但し、Ｋ：定数、ＴL ：流体温度、Ｖ：流量又は流
速）従って、各感熱抵抗素子への供給電力の差（Ｗ1 −Ｗ2
）は、Ｗ1 −Ｗ2 ＝Ｋ・（ＴH1−ＴH2）・Φ（Ｖ） ……（６）となる。そして、各感熱抵抗素子の温度ＴH1，ＴH2は前
記検出回路によって、一定に保持されるので、各感熱抵
抗素子への供給電力の差（Ｗ1 −Ｗ2 ）は、流体の温度
ＴL の影響を受けずに、流量又は流速Ｖに応じたものと
なる。

【００１７】従って、各感熱抵抗素子に対応した各検出
回路から出力される各感熱抵抗素子への供給電力に応じ
たレベルの信号を前記差動増幅回路に入力してそれらの
レベル差に応じたレベルの信号を生成することで、該差
動増幅回路の出力レベルは、流体の温度ＴL の影響を受
けずに、流量又は流速Ｖに応じたものとなり、該差動増
幅回路の出力レベルにより、流体の流量又は流速Ｖを流
体の温度変化によらずに測定することができることとな
る。

【００１８】この場合、本発明では、各感熱抵抗素子は
それぞれ一定温度ＴH1，ＴH2に保持するため、流体の流
量又は流速Ｖを前記差動増幅器の出力により精度よく測
定するためには、各感熱抵抗素子に対応した固定的な温
度ＴH1，ＴH2における抵抗値が高精度であればよく、従
って、各感熱抵抗素子の温度−抵抗値特性の精度は要求
されず、このような感熱抵抗素子は比較的安価なものを
使用することができる。また、測定に際しては、各感熱
抵抗素子を同じ流路内に配置すればよいため、ダミー流
路等の特別な構造物を設ける必要がない。

【００１９】よって本発明のフローセンサによれば、簡
単且つ安価な構成で流体温度の幅広い温度範囲にわたっ
て流速あるいは流量の測定を精度よく行うことができ
る。

【００２０】かかる本発明のより具体的な構成では、前
記各検出回路は、前記各感熱抵抗素子をそのそれぞれに
対応した前記一定温度に保持するよう各感熱抵抗素子に
電圧を付与する電圧付与回路と、該電圧付与回路の付与
電圧を前記流体の温度変化に対して直線的にレベルが変
化する信号に直線化して各感熱抵抗素子への供給電力値
に応じたレベルの信号を前記差動増幅回路に出力する直
線化回路とから成る。

【００２１】すなわち、各検出回路の電圧付与回路によ
って、前記各感熱抵抗素子をそのそれぞれに対応した前
記一定温度に保持するよう各感熱抵抗素子に電圧を付与
した場合、その付与電圧を基に、各感熱抵抗素子への供
給電力Ｗ1 ，Ｗ2 に応じたレベルの信号を生成すること
が好ましい。この場合、供給電力Ｗ1 ，Ｗ2 は、前記式
（４）、（５）から明らかなように流体の温度ＴL の変
化に対して直線的に変化する特性をもつ一方、前記電圧
付与回路による各感熱抵抗素子への付与電圧は、供給電
力Ｗ1 ，Ｗ2 の平方根に比例するため、流体の温度ＴL
の変化に対して非線形な変化（平方根関数的な変化）を
有する特性となる。従って、前記直線化回路によって、
電圧付与回路の付与電圧を前記流体の温度変化に対して
直線的にレベルが変化する信号に直線化することで、該
付与電圧から各感熱抵抗素子への供給電力値に応じたレ
ベルの信号を生成することができ、それを前記差動増幅
器に出力することで、該差動増幅器から前述の如く、流
体温度の影響を受けずに流速又は流量に応じたレベルの
信号を出力することができる。

【００２２】尚、電圧付与回路の付与電圧を直線化する
ためには、該付与電圧のレベルを自乗すればよい。

【００２３】あるいは、本発明のより具体的な構成で
は、前記各検出回路は、前記各感熱抵抗素子をそのそれ
ぞれに対応した前記一定温度に保持するよう各感熱抵抗
素子に電圧を付与する電圧付与回路を具備すると共に、
前記各感熱抵抗素子に対応した前記一定温度は、前記電
圧付与回路の付与電圧が前記流体の温度変化に対して略
直線的に変化する温度域に設定され、該電圧付与回路の
付与電圧又は該付与電圧に比例したレベルの信号を各感
熱抵抗素子への供給電力値に応じたレベルの信号として
前記差動増幅回路に出力する。

【００２４】すなわち、各感熱抵抗素子への付与電圧を
それぞれＥ1 、Ｅ2 、各感熱抵抗素子のそれぞれの保持
温度における抵抗値をＲ1 、Ｒ2 とすると、Ｗ1 ＝Ｅ1²
／Ｒ1 、Ｗ2 ＝Ｅ2²／Ｒ2 であるので、前記式（４）、
（５）から、Ｅ1²／Ｒ1 ＝Ｋ・（ＴH1−ＴL ）・Φ（Ｖ） ……（７）Ｅ2²／Ｒ2 ＝Ｋ・（ＴH2−ＴL ）・Φ（Ｖ） ……（８）が得られ、さらに、これらの式（７）、（８）の平方根
をとることで、Ｅ1 ／（Ｒ1 )^1/2＝（Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH1−ＴL ）^1/2 ……（９）Ｅ2 ／（Ｒ2 )^1/2＝（Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH2−ＴL ）^1/2 ……（１０）が得られる。ここで、各感熱抵抗素子の一定の保持温度
ＴH1，ＴH2を流体の温度ＴL よりも十分に高い温度に設
定し、ＴH1≫ＴL 、ＴH2≫ＴL とすると、近似的に（Ｔ
H1−ＴL ）^1/2≒ＴH1−ＴL ／２、（ＴH2−ＴL ）^1/2
≒ＴH2−ＴL ／２となるので、前記式（９）、（１０）
は近似的に次式（１１）、（１２）により表される。

【００２５】Ｅ1 ／（Ｒ1 )^1/2≒（Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH1−ＴL ／２） ……（１１）Ｅ2 ／（Ｒ2 )^1/2≒（Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH2−ＴL ／２） ……（１２）従って、各感熱抵抗素子の一定の保持温度ＴH1，ＴH2を
流体の温度ＴL よりも十分に高い温度に設定しておけ
ば、各感熱抵抗素子への付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 は流体の温
度ＴL の変化に対してほぼ直線的に変化し、このとき、
式（９）、（１０）の各辺の差をとると、Ｅ1 ／（Ｒ1 )^1/2−Ｅ2 ／（Ｒ2 )^1/2 ＝（Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH1−ＴH2） ……（１３）となり、これは、流体の温度ＴL の影響を受けずに、流
量又は流速Ｖに応じたものとなる。

【００２６】よって、各感熱抵抗素子に対応した一定の
保持温度ＴH1，ＴH2を、前記電圧付与回路の付与電圧Ｅ
1 ，Ｅ2 が流体の温度変化に対して略直線的に変化する
温度域に設定しておき、該電圧付与回路の付与電圧Ｅ1
，Ｅ2 あるいは該付与電圧に比例したレベルの信号を
各感熱抵抗素子への供給電力値に応じたレベルの信号と
して前記差動増幅回路に出力することで、該差動増幅回
路から、流体温度の影響を受けずに流速又は流量に応じ
たレベルの信号を出力することができる。そして、この
場合には、付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 を直線化する回路を省略
することができるため、フローセンサの構成をさらに簡
略で且つ安価なものとすることができる。

【００２７】ところで、前述のように各感熱抵抗素子へ
の付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 を基に流速又は流量に応じたレベ
ルの信号を前記差動増幅回路から出力するためには、各
感熱抵抗素子のそれぞれの保持温度における抵抗値Ｒ1
，Ｒ2 が互いに異なるものである場合には、前記直線
化回路を備えたものでは、前記式（６）のＷ1 、Ｗ2 を
付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 により表してなる次式（１４）を参
照して明らかなように、直線化回路の出力を差動増幅回
路に入力するに際して付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 のレベルを各
感熱抵抗素子の抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 に応じて調整する必要
がある。

【００２８】Ｅ1²／Ｒ1 −Ｅ2²／Ｒ2 ＝Ｋ・（ＴH1−ＴH2）・Φ（Ｖ） ……（１４）同様に、直線化回路を省略した場合にあっても、各感熱
抵抗素子のそれぞれの保持温度における抵抗値Ｒ1 ，Ｒ
2 が互いに異なるものである場合には、前記式（１３）
を参照して明らかなように、付与電圧Ｅ1 ，Ｅ2 のレベ
ルを各感熱抵抗素子の抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 に応じて調整す
る必要がある。

【００２９】一方、各感熱抵抗素子のそれぞれの保持温
度における抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 を同じにして、Ｒ1 ＝Ｒ2
＝Ｒ（一定値）とした場合には、直線化回路を備えたも
のに対応する前記式（１４）は、Ｅ1²−Ｅ2²＝Ｒ・Ｋ・（ＴH1−ＴH2）・Φ（Ｖ） ……（１５）となり、この式（１５）から明らかなように、付与電圧
Ｅ1 ，Ｅ2 をそのまま直線化した信号を差動増幅回路に
入力することで、流体の温度ＴL の影響を受けずに流速
又は流量に応じた出力を得ることができることが判る。

【００３０】同様に、Ｒ1 ＝Ｒ2 ＝Ｒ（一定値）とした
場合、直線化回路を省略したものに対応する前記式（１
３）は、Ｅ1 −Ｅ2 ＝（Ｒ・Ｋ・Φ（Ｖ））^1/2・（ＴH1−ＴH2） ……（１６）となり、この式（１６）から明らかなように、付与電圧
Ｅ1 ，Ｅ2 をそのまま差動増幅回路に入力することで、
流体の温度ＴL の影響を受けずに流速又は流量に応じた
出力を得ることができることが判る。

【００３１】そこで、本発明ではさらに、前記各感熱抵
抗素子は、それぞれに対応した前記一定温度において、
同一の抵抗値を有する感熱抵抗素子を用いる。

【００３２】このようにすることで、前述の如く、各感
熱抵抗素子への付与電圧のレベル調整を行うための増幅
回路や分圧回路等の回路構成が不要となって、フローセ
ンサをより一層簡略で且つ安価なものとすることができ
る。特に、直線化回路を省略したものでは、前記電圧付
与回路の出力をそのまま差動増幅回路に入力するだけ
で、流体の流速又は流量に応じたレベルの信号を流体の
温度の影響を受けずに出力することができるので、極め
て簡略且つ安価なフローセンサを提供できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態を図１乃
至図４を参照して説明する。図１は本実施形態のフロー
センサの回路ブロック図、図２は図１の要部の回路図、
図３及び図４は図１のフローセンサの作動を説明するた
めの実測データを示す線図である。

【００３４】図１を参照して、このフローセンサは、例
えばサーミスタからなる二つの感熱抵抗素子１，２と、
これらの感熱抵抗素子１，２にそれぞれ接続された検出
回路３，４と、これらの検出回路３，４の出力を入力す
る差動増幅回路５とにより構成されている。両感熱抵抗
素子１，２は、その形状や熱伝導率がほぼ同一のものを
使用し、流体の流量又は流速（以下、これらを総称的に
流量と称する）を測定しようとする流路中の測定箇所に
固定・配置される。

【００３５】各検出回路３，４は、それぞれに対応する
感熱抵抗素子１，２を一定の温度に保持するように各感
熱抵抗素子１，２に電圧を付与する電圧付与回路６，７
と、この各電圧付与回路６，７の出力電圧を直線化し
て、各電圧付与回路６，７による各感熱抵抗素子１，２
への供給電力に応じたレベルの信号を生成し、それを前
記差動増幅回路５に出力する直線化回路８，９とにより
構成されている。

【００３６】電圧付与回路６，７は、それらの基本的回
路構成が同一のものであり、図２に示すような回路構成
を有している。

【００３７】すなわち、図２を参照して、各電圧付与回
路６（７）は、感熱抵抗素子１（２）に固定抵抗値の抵
抗体１０を直列に接続してなる直列回路１１と、二つの
固定抵抗値の抵抗体１２，１３を直列に接続してなる直
列回路１４とを並列に接続してブリッジ回路１５を構成
している。そして、このブリッジ回路１５の直列回路１
１の中点の電位を負入力、直列回路１４の中点の電位を
正入力として該ブリジ回路１５に接続されたオペアンプ
１６を備え、このオペアンプ１６の出力電圧をブリッジ
回路１５に付与して、該ブリッジ回路１５の両直列回路
１１，１４に通電すると共に、該オペアンプ１６の出力
電圧を感熱抵抗素子１（２）への付与電圧を示すものと
して前記直線化回路８（９）に出力するようにしてい
る。

【００３８】このような構成の電圧付与回路６（７）で
は、オペアンプ１６に電源電圧Ｖccを与えると、オペア
ンプ１６の出力電圧は、直列回路１１の中点の電位と直
列回路１４の中点の電位とが等しくなるように、換言す
れば、直列回路１１の感熱抵抗素子１（２）の温度に応
じた抵抗値と抵抗体１０の固定抵抗値との比が、直列回
路１４の抵抗体１２の固定抵抗値と抵抗体１３の固定抵
抗値との比（一定値）に等しくなるように調整され、こ
れにより、感熱抵抗素子１（２）が一定温度に保持され
るように通電・加熱される。

【００３９】この場合、本実施形態では、例えば直列回
路１４の抵抗体１２，１３の固定抵抗値を同一とし、感
熱抵抗素子１（２）の抵抗値が抵抗体１０の固定抵抗値
に等しくなる温度に該感熱抵抗素子１（２）を加熱する
ようにしている。そして、感熱抵抗素子１に対応する電
圧付与回路６と、感熱抵抗素子２に対応する電圧付与回
路７とでは、各感熱抵抗素子１，２をそれぞれ互いに異
なる温度に保持するように抵抗体１０の固定抵抗値を設
定し、例えば、感熱抵抗素子１を２５０°Ｃの一定温度
に保持し、感熱抵抗素子２を２００°Ｃの一定温度に保
持するようにしている。

【００４０】尚、これらの電圧付与回路６，７におい
て、各オペアンプ１６の出力電圧は、各感熱抵抗素子１
（２）への付与電圧に比例し、例えば前述のように各感
熱抵抗素子１（２）をその抵抗値が抵抗体１０の固定抵
抗値に等しくなる温度に保持したときには、各オペアン
プ１６の出力電圧は、各感熱抵抗素子１（２）への付与
電圧の２倍となる。そして、各オペアンプ１６の出力電
圧は、各感熱抵抗素子１（２）に接触する流体の温度変
化に対して平方根関数的に変化する特性となると同時
に、各感熱抵抗素子１（２）に接触する流体の流量に応
じたものとなる（前記式（１１）、（１２）を参照）。

【００４１】前記各直線化回路８（９）は、図１に示す
ように各電圧付与回路６（７）のオペアンプ１６の出力
電圧を自乗する自乗回路１７と、この自乗回路１７の出
力を増幅もしくは分圧してレベル調整を行うレベル調整
回路１８とを具備し、該レベル調整回路１８の出力を差
動増幅回路５に出力する。

【００４２】この場合、自乗回路１８に入力するオペア
ンプ１６の出力電圧は、各感熱抵抗素子１（２）への供
給電力の平方根に比例するため、該出力電圧を自乗回路
１７により自乗することで、各感熱抵抗素子１（２）へ
の供給電力に比例したレベルの信号が生成される。そし
て、各感熱抵抗素子１（２）への供給電力は、前記式
（４）、（５）から明らかなように、流体の温度変化に
対して直線的に変化するため、自乗回路１７の出力レベ
ルも、流体の温度変化に対して直線的に変化するものと
なる。

【００４３】実際、感熱抵抗素子１，２としてサーミス
タを用い、それぞれの保持温度を２５０°Ｃ（３０
Ω）、２００°Ｃ（６０Ω）としたとき、図３に示すよ
うに、自乗回路１７の出力レベルは、流体（この場合、
空気）の温度変化に対して直線的に変化するものとなっ
た。

【００４４】レベル調整回路１８は、次のように自乗回
路１７の出力レベルを調整する。すなわち、本実施形態
のフローセンサは、各直線化回路８，９の出力を差動増
幅回路５に入力して、該差動増幅回路５から流体の温度
によらずに、流量に応じたレベルの信号を出力させるよ
うにするものであるが、この場合、前記式（６）を参照
して明らかなように、基本的には、各直線化回路８，９
の出力レベルの差を各感熱抵抗素子１，２への供給電力
の差に比例したものとする必要がある。

【００４５】ここで、各感熱抵抗素子１，２に対応する
自乗回路１７の出力レベルは、各感熱抵抗素子１，２へ
の付与電圧の自乗に比例するため、各感熱抵抗素子１，
２への付与電圧をそれぞれ前述の如くＥ1 ，Ｅ2 とし、
各感熱抵抗素子１，２に対応する自乗回路１７の出力レ
ベルをＬ1 、Ｌ2 とすると、Ｅ1²＝ｋ・Ｌ1 、Ｅ2²＝ｋ・Ｌ2 ……（１７）（但し、ｋは定数）となる。また、各感熱抵抗素子１，２への供給電力をＷ
1 ，Ｗ2 とし、各感熱抵抗素子１，２のそれぞれの保持
温度における抵抗値をＲ1 ，Ｒ2 とすると、Ｗ1−Ｗ2
＝Ｅ1²／Ｒ1 −Ｅ2²／Ｒ2 であるから、この式と前記式
（１７）とから、Ｗ1 −Ｗ2 ＝ｋ（Ｌ1 ／Ｒ1 −Ｌ2 ／Ｒ2 ） ……（１８）が得られる。さらに、各レベル調整回路１８による各自
乗回路１７の出力レベルＬ1 ，Ｌ2 の変換倍率をそれぞ
れＡ，Ｂとし、各レベル調整回路１８の出力レベルをＬ
1'，Ｌ2' とすると、Ｌ1 ＝Ｌ1'／Ａ、Ｌ2 ＝Ｌ2'／Ｂ
であるから、これと式（１８）とからＷ1 −Ｗ2 ＝ｋ［Ｌ1'／（Ａ・Ｒ1 ）−Ｌ2'／（Ｂ・Ｒ2 ）］ ……（１９）が得られる。従って、この式（１９）から明らかなよう
に、Ａ・Ｒ1 ＝Ｂ・Ｒ2（Ａ／Ｂ＝Ｒ2 ／Ｒ1 ）となる
ように、各レベル調整回路１８の変換倍率を設定すれ
ば、各レベル調整回路１８の出力レベルの差（Ｌ1'−Ｌ
2'）が、各感熱抵抗素子１，２への供給電力の差（Ｗ1
−Ｗ2 ）に比例したものとなることが判る。

【００４６】本実施形態における各レベル調整回路１８
は、このようなレベル調整を行うものである。

【００４７】尚、上記のようなレベル調整は理論上のも
ので、実際には、各自乗回路１７の実際の出力レベル
が、流体の温度変化に対して同じ比率で変化するように
（図３の各自乗回路１８の出力特性を示す直線が同じ傾
きになるように）各レベル調整回路１８の変換倍率を調
整しておくことでなされる。また、本実施形態では、各
直線化回路８，９にレベル調整回路１８を備えたが、上
記のようなレベル調整は、必ずしも直線化回路８，９の
両者について行う必要はなく、いずれか一方の直線化回
路８，９についてのみ行うようにしてもよく（これは、
前記変換倍率Ａ，Ｂの一方を「１」とする場合に相当す
る）、さらには、各自乗回路１８のゲイン調整により行
うようにしてもよい。また、レベル調整回路１８を省く
こともできるのであるが、これについては後述する。

【００４８】以上のように構成された本実施形態のフロ
ーセンサでは、各感熱抵抗素子１，２を流量を測定しよ
うとする流体の流路中に配置したとき、各電圧付与回路
６，７から、流体の流量と温度とに応じたレベルの電圧
が出力され、さらに、これらの出力電圧を入力する各直
線化回路８，９から、各感熱抵抗素子１，２への供給電
力に相当するレベルの信号が出力され、それらの信号の
レベル差は、各感熱抵抗素子１，２への供給電力の差に
比例したものとなる。そして、この各直線化回路８，９
の出力を差動増幅回路５に入力することで、該差動増幅
回路５から、各直線化回路８，９の出力のレベル差、換
言すれば、各感熱抵抗素子１，２への供給電力の差に応
じたレベルの信号が出力される。このとき、該差動増幅
回路５の出力レベルは、各感熱抵抗素子１，２への供給
電力の差に応じたものであり、また、各感熱抵抗素子
１，２は互いに異なる一定温度に保持されているので、
前記式（６）を参照して明らかなように、流体の流量に
応じたものとなり、且つ、流体の温度には依存しないも
のとなる。従って、差動増幅回路５の出力により流体の
流量を流体の温度の影響を受けずに測定することができ
る。実際、感熱抵抗素子１，２としてサーミスタを用
い、それぞれの温度を２５０°Ｃ、２００°Ｃに保持し
た状態で、該感熱抵抗素子１，２に種々の温度の空気を
送風ファン（図示せず）によって、送風したとき、図４
に示すような差動増幅回路５の出力特性が得られた。同
図４に見られるように、送風ファンの同じ回転数（同じ
送風量）では、流体（空気）の温度によらずに、差動増
幅回路５の出力レベルは高精度で一定となり、また、該
出力レベルは、送風量に応じたレベルとなる。

【００４９】また、かかるフローセンサでは、各感熱抵
抗素子１，２はそれぞれ一定温度に保持するため、その
それぞれの温度における各感熱抵抗素子１，２の抵抗値
が高精度なものとしておくことで、差動増幅回路５の出
力により流体の幅広い温度範囲にわたって精度よく流体
の流量を測定できる。そして、各感熱抵抗素子１，２
は、その保持温度のみにおける抵抗値が高精度なもので
あればよいので、そのような感熱抵抗素子１，２は安価
なものを採用することができる。また、測定に際して
は、各感熱抵抗素子１，２を同じ流路内に配置すればよ
いため、ダミー流路等の特別な構造物を設ける必要がな
い。

【００５０】従って、本実施形態のフローセンサによれ
ば、簡単且つ安価な構成で流体温度の幅広い温度範囲に
わたって流量の測定を精度よく行うことができる。

【００５１】次に、本発明の第２の実施形態を図５を参
照して説明する。図５は本実施形態のフローセンサの回
路ブロック図である。尚、本実施形態の基本構成は図１
のものと同一であり、同一部分については図１のものと
同一の参照符号を付して説明を省略する。

【００５２】図５を参照して、本実施形態のフローセン
サが図１のものと相違する点は、感熱抵抗素子１，２と
して、そのそれぞれの保持温度（例えば２５０°Ｃ、２
００°Ｃ）における抵抗値Ｒ1 ，Ｒ2 が同一の抵抗値Ｒ
となる感熱抵抗素子を採用すると共に、図１のものに備
えたレベル調整回路１８を省略し、各感熱抵抗素子１，
２に対応する自乗回路１７の出力をそのまま差動増幅回
路５に入力する構成とした点である。他の構成は、図１
のものと同一である。

【００５３】かかる構成のフローセンサでは、感熱抵抗
素子１，２のそれぞれの保持温度における抵抗値Ｒ1 ，
Ｒ2 が同一の抵抗値Ｒであるため、前記式（１８）を参
照して明らかなように、各感熱抵抗素子１，２に対応す
る自乗回路１７の出力レベルの差（Ｌ1 −Ｌ2 ）は、各
感熱抵抗素子１，２への供給電力の差（Ｗ1 −Ｗ2 ）に
比例したものとなる。従って、自乗回路１７の出力をそ
のまま差動増幅回路５に入力することで、該差動増幅回
路５から、前記図１のものと同様に、流体の温度によら
ずに、流体の流量に応じたレベルの出力を得ることがで
きる。

【００５４】そして、かかるフローセンサでは、図１の
ものと同様の作用効果を奏することはもちろん、さら
に、レベル調整回路を設ける必要がなくなるため、回路
構成がさらに簡単なものとなると同時に安価なものとす
ることができる。

【００５５】次に、本発明の第３の実施形態を図６及び
図７を参照して説明する。図６は本実施形態のフローセ
ンサの回路ブロック図、図７は図６のフローセンサの作
動を説明するための実測データを示す線図である。尚、
本実施形態の説明においても、図１のものと同一構成部
分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

【００５６】図６を参照して、本実施形態のフローセン
サでは、各感熱抵抗素子１，２の保持温度を後述の如く
設定した上で、各感熱抵抗素子１，２に対応する電圧付
与回路６，７の出力電圧（∝各感熱抵抗素子１，２への
付与電圧）を図１のものと同様のレベル調整回路１８’
を介して差動増幅回路５に入力する構成とし、図１のも
のに備えた自乗回路１７を省略した構成としている。

【００５７】この場合、各感熱抵抗素子１，２の保持温
度は、流量を測定しようとする流体の温度よりも十分に
高い温度に設定され、例えば流体の温度範囲が、−３０
°Ｃ〜９０°Ｃとした場合、各感熱抵抗素子１，２の保
持温度はそれぞれ２５０°Ｃ、２００°Ｃに設定されて
いる。このように各感熱抵抗素子１，２の保持温度を設
定すると、前記式（１１）、（１２）により示したよう
に、各感熱抵抗素子１，２への付与電圧、さらには、こ
れに比例する各電圧付与回路６，７の出力電圧は、流体
の温度変化に対してほぼ直線的に変化する特性をもつ。

【００５８】実際、感熱抵抗素子１，２として例えばサ
ーミスタを用い、それぞれの温度を各電圧付与回路６，
７により２５０°Ｃ、２００°Ｃに保持した状態で、感
熱抵抗素子１，２を例えば風量「０」（無風状態）の空
気中に配置したとき、各電圧付与回路６，７の出力電圧
は、図７に示すように、少なくとも−３０°Ｃ〜９０°
Ｃの温度範囲で、温度に対して直線的に変化する特性と
なった。

【００５９】尚、本願発明者等の各種検討によれば、各
電圧付与回路６，７の出力電圧が、流体温度に対して直
線的に変化する特性を得るためには、感熱抵抗素子１，
２の保持温度を流体温度よりも、１００°Ｃ以上、高く
することが好ましい。

【００６０】このように、各電圧付与回路６，７の出力
電圧が流体温度に対して直線的に変化するような温度域
に各感熱抵抗素子１，２の保持温度を設定すると、前述
したように前記式（１３）の関係式が成り立ち、従っ
て、各電圧付与回路６，７の出力電圧を、図１のもので
レベル調整を行った場合と同様に、各感熱抵抗素子１，
２の保持温度における抵抗値に応じて各レベル調整回路
１８’によりレベル調整して、それを差動増幅回路５に
入力することで、該差動増幅回路５から、流体の温度に
よらずに流量に応じたレベルの信号を得ることができ
る。

【００６１】この場合、各感熱抵抗素子１，２に対応す
るレベル調整回路１８’の変換倍率をそれぞれＡ’、
Ｂ’としたとき、理論上は、前記式（１３）から明らか
なように、Ａ’・Ｒ1^1/2＝Ｂ’・Ｒ2^1/2 ……（２０）となるように、各レベル調整回路１８’の変換倍率を設
定することで、各レベル調整回路１８の出力レベルの差
が、流体の温度によらずに流量に応じたものとなる。す
なわち、各レベル調整回路１８’の出力レベルをＬａ、
Ｌｂとし、各感熱抵抗素子１，２への付与電圧をＥ1 、
Ｅ2 、各感熱抵抗素子１，２のそれぞれの保持温度にお
ける抵抗値をＲ1 、Ｒ2 とすると、前記式（２０）のよ
うに各レベル調整回路１８’の変換倍率Ａ’，Ｂ’を設
定したとき、各レベル調整回路１８の出力レベルをＬ
ａ、Ｌｂの差（Ｌａ−Ｌｂ）は［Ｅ1 ／（Ｒ1 )^1/2−Ｅ
2 ／（Ｒ2 )^1/2］（＝各感熱抵抗素子１，２への供給電
力の平方根の差）に比例し、このことと、前記式（１
３）とから、各レベル調整回路１８の出力レベルの差
（Ｌａ−Ｌｂ）が流体の温度によらずに流量に応じたも
のとなることが判る。

【００６２】本実施形態のフローセンサにおける各レベ
ル調整回路１８’はこのようなレベル調整を行うもので
ある。

【００６３】尚、実際上は、各電圧付与回路６，７の実
際の出力電圧が、流体の温度変化に対して同じ比率で変
化するように（図７の各電圧付与回路６，７の出力特性
を示す直線が同じ傾きになるように）各レベル調整回路
１８’の変換倍率を調整しておくことで、上記のような
レベル調整がなされる。また、図１のものと同様に、こ
のようなレベル調整は、各電圧付与回路６，７の出力電
圧のいずれか一方のみに対して行うようにしてもよい。

【００６４】かかる本実施形態のフローセンサでは、前
述したことから明らかなように、各感熱抵抗素子１，２
の保持温度を流体の温度よりも十分に高い温度に設定し
た上で、各電圧付与回路６，７の出力電圧を直線化する
ことなく、レベル調整回路１８’によりレベル調整を行
って、差動増幅回路５に入力することで、図１のものと
同様に、流体の幅広い温度範囲において、流体の温度に
よらずに、流体の流量の応じたレベルの出力を精度よく
得ることができる。そして、この場合、図１のものに備
えた直線化回路を設ける必要がないため、フローセンサ
の構成を極めて安価で簡単な構成とすることができる。

【００６５】次に、本発明の第４の実施形態を図８を参
照して説明する。図８は本実施形態のフローセンサの回
路ブロック図である。尚、本実施形態のものは、図６の
ものと基本構成が同一のものであるので、同一構成部分
については、図６のものと同一の参照符号を付して説明
を省略する。

【００６６】図８を参照して、本実施形態のフローセン
サが図６のものと相違する点は、感熱抵抗素子１，２と
して、前記図５のものと同様に、それぞれの保持温度
（例えば２５０°Ｃ、２００°Ｃ）における抵抗値Ｒ1
，Ｒ2 が同一の抵抗値Ｒとなる感熱抵抗素子を採用す
ると共に、図６のものに備えたレベル調整回路１８’を
省略し、各感熱抵抗素子１，２に対応する電圧付与回路
６，７の出力をそのまま差動増幅回路５に入力する構成
とした点である。他の構成は、図６のものと同一であ
る。

【００６７】かかる構成のフローセンサでは、感熱抵抗
素子１，２のそれぞれの保持温度における抵抗値Ｒ1 ，
Ｒ2 が同一の抵抗値Ｒであるため、前記式（１６）を参
照して明らかなように、各感熱抵抗素子１，２に対応す
る電圧付与回路６，７の出力電圧の差（∝Ｅ1 −Ｅ2 ）
が、流体の温度によらずに、流体の流量の応じたものと
なる。従って、電圧付与回路６，７の出力電圧をそのま
ま差動増幅回路５に入力することで、図６のものと同様
に、該差動増幅回路５から、流体の温度によらずに、流
体の流量の応じたレベルの信号を得ることができ、その
レベルにより流体の流量を測定することができる。

【００６８】そして、かかるフローセンサでは、図６の
ものと同様の作用効果を奏することはもちろん、さら
に、レベル調整回路を設ける必要がなくなるため、回路
構成がさらに簡単なものとなると同時に安価なものとす
ることができる。尚、前記第１及び第２の実施形態で
は、電圧付与回路６，７の出力電圧を直線化すること
で、各感熱抵抗素子１，２への供給電力に応じたレベル
の信号を生成して、それを差動増幅回路５に入力するよ
うにしたが、例えば電圧付与回路６，７の抵抗体１０
（図２参照）の電圧により感熱抵抗素子１（２）に流れ
る電流を把握し、それと電圧付与回路６，７のの出力電
圧とを乗算することで、各感熱抵抗素子１，２への供給
電力に応じたレベルの信号を生成するようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフローセンサの第１の実施形態の回路
ブロック図。

【図２】図１の要部の回路図。

【図３】図１のフローセンサの作動を説明するための実
測データを示す線図。

【図４】図１のフローセンサの作動を説明するための実
測データを示す線図。

【図５】本発明のフローセンサの第２の実施形態の回路
ブロック図。

【図６】本発明のフローセンサの第３の実施形態の回路
ブロック図。

【図７】図６のフローセンサの作動を説明するための実
測データを示す線図。

【図８】本発明のフローセンサの第４の実施形態の回路
ブロック図。

【符号の説明】

１，２…感熱抵抗素子、３，４…検出回路、５…差動増
幅回路、６，７…電圧付与回路、８，９…直線化回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の流速又は流量を測定すべき流路に配
置される一組の感熱抵抗素子と、各感熱抵抗素子に対応
してそれぞれ設けられ、各感熱抵抗素子を互いに異なる
一定温度に保持するよう各感熱抵抗素子に電力を供給し
しつつ、そのそれぞれの供給電力値に応じたレベルの信
号を出力する一組の検出回路と、両検出回路の出力のレ
ベル差に応じたレベルの信号を前記流体の流速又は流量
の値を示す信号として出力する差動増幅回路とから成る
ことを特徴とするフローセンサ。
【請求項２】前記各検出回路は、前記各感熱抵抗素子を
そのそれぞれに対応した前記一定温度に保持するよう各
感熱抵抗素子に電圧を付与する電圧付与回路と、該電圧
付与回路の付与電圧を前記流体の温度変化に対して直線
的にレベルが変化する信号に直線化して各感熱抵抗素子
への供給電力値に応じたレベルの信号を前記差動増幅回
路に出力する直線化回路とから成ることを特徴とする請
求項１記載のフローセンサ。
【請求項３】前記各検出回路は、前記各感熱抵抗素子を
そのそれぞれに対応した前記一定温度に保持するよう各
感熱抵抗素子に電圧を付与する電圧付与回路を具備する
と共に、前記各感熱抵抗素子に対応した前記一定温度
は、前記電圧付与回路の付与電圧が前記流体の温度変化
に対して略直線的に変化する温度域に設定され、該電圧
付与回路の付与電圧又は該付与電圧に比例したレベルの
信号を各感熱抵抗素子への供給電力値に応じたレベルの
信号として前記差動増幅回路に出力することを特徴とす
る請求項１記載のフローセンサ。
【請求項４】前記各感熱抵抗素子は、それぞれに対応し
た前記一定温度において、同一の抵抗値を有する感熱抵
抗素子であることを特徴とする請求項２又は３記載のフ
ローセンサ。