JPS58501094A - 流体中に浸漬された探査子の熱交換と関連する該流体の少なくとも１つの瞬時的パラメ−タを算定する方法及び該方法を実行するための装置 - 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】 流体中に浸漬さへた探査子の熱交換と関連する該流体の少なくとも１つの瞬時的 パラメータを算定する方法及び該方法を実行するだめの装置 本発明は液体中に浸漬された探査子の熱交換に関連するこの流体の少なくとも１ つの瞬時的・母うメータを算定する方法及びこの方法を実行するための装置に係 わる。

例えば電気抵抗が温度に依存する探査子がこの流体の流れに浸漬されるとジュー ル効果で加熱されるように構成された流量計は公知である。流量の変化は探査子 の電気抵抗変化に従って検知される。

このような流量計は特に英国特許第１，３４５，３２４号に開示されている。こ の特許では探査子を加熱するエネルギは探査子の温度を各パルスの開始時におい て流体と温度平衡させるのに充分な長さの間隔によって分離された全く同じパル スから成る・ぐルス列によって供給される。流量変化は１ノぐルスの時間中に現 われる探査子電気抵抗の変化速度が・やルスごとに変動することが検知される。

この抵抗変化速度は流体中に浸漬されているサーミスタから得られる電圧変動に よって与えられる。電圧変動曲線の勾配または各ｉｅルスの前後縁の高さの差が 検知される。サーミスタの端子電圧は電圧が漸減するに従って周波数が連続的に 減少する電圧／周波数変換器に送られる。次いでこの変換された周波数がノ？ル ス長にわたって計数され、流量が算定される。

電子的には信号処理の大部分は比較的複雑な、従って高価な電子回路で行われる のと同じである。また、電圧／可変周波数変換を利用すると測定できる範囲がか なシ狭くなる。このことは一定エネルギの加熱ｉ４ルスに関しても同様である。

流体とこれに浸漬された探査子との間の熱交換に関連するこの流体の瞬時的・ぐ ラメータを算定する種種の装置及び方法が提案されている。例えばフランス特許 第２，１６８，４５８号、ドイツ特許公告第１、２５２．４３７号、スイス特許 第４９１．３７５号及び米国特許第４，０６８，５２６を挙げることができる。

これらの文献はいずれも第１温度を表わす電気量を測定し、与えられた時間間隔 後に第２温度を表わす電気量を測定することによって上記・ぐラメータを算定す る装置または方法に係わる。測定される電気量、例えば電圧がいかなるものであ っても、このパラメータを算定するようにプログラムされた演算回路において利 用できるためにはこのアナログ量は必らずデジタル量に変換されねばならぬ。こ のようなアナログ／デジタル変換を達成するには処理回路が比較的複雑に、従っ て高価にならざるを得ない。特にマイクロ情報処理技術の進歩を組込んだ電子測 定システムを利用できる用途は少なく々い。このような測定を特に広く普及させ るような低コストで実施するためには演算回路にデジタル・データを直接導入可 能でなければならない。従って、上記文献に記載されている解決はそのまま演算 回路による処理に適応できず、回路コストを著しく高くするインターフェースを 必要とする。

本発明の目的は温度探査子の熱交換に関連する流体の瞬時的パラメータの純粋に デジタル方式による計算を可能にする解決を提供することにある。

このため、本発明は流体中に浸漬された探査子の熱交換に関連するこの流体の少 なくとも１つの瞬時的パラメータを算定する方法において、この流体中に浸漬さ れた該探査子の温度を第１設定値に調整し、この探査子の少なくとも１つの第２ 温度値を設定し、第１温度値から第２温度値に移行するまでの経過時間を測定し 、該瞬時的パラメータを計算することを特徴とする方法を提供する。

本発明は捷た前記探査子がノＲラメータの少なくとも１つが温度に応じて変化す る電気的測定素子であることと、該探査子の温度を前記第１値に調整するだめの 手段、及び該探査子と接続する一方、表示手段に接続している演算回路とも接続 する少なくとも２レベルの限界検知器を含むことを特徴とする上記方法を実行す るための装置をも提供する。

熱交換に関連する多くのパラメータを考慮し、本発明は特にエネルギ節約の領域 に利用できる瞬時的流量測定に関する多くの用途を提供する。

添付図面は本発明の方法を実行する装置の一実施態様及び変形実施態様を簡略に かつ実施例として図解する。

第１図はこの装置の概略ブロック・線図である。

第２図は種々の信号の線図である。

第３図はこの装置の変形実施態様の概略ブロック・線図である。

第４図はこの装置の他の変形実施態様の概略ブロック・線図である。

第５図はこの変形実施態様において記録される電圧変動の線図である。

本発明の方法は流体中において探査子が第１温度Ｔｏにあるならば、この探査子 の温度が第２．さらには第３の温度限界ＴＩ、Ｔ２に達するのに必要な時間はこ の探査子の熱伝達に影響を及ぼすと考えられる流体のすべての・ぐラメータ、即 ち：流体の温度Ｔｆ　、速度Ｖ、粘度μ、密度ρ、比熱Ｃ９熱伝導率λ及び熱交 換係数の函数であるという事実に基づく。

温度Ｔｏから温度Ｔ１に、温度Ｔｌから温度Ｔ２に移行する間にそれぞれ経過す る時間Δｔ１及びΔｔ２は後述するように上記・母うメータの１つまたは２つ以 上を計算することのできるマイクロプロセッサを利用して測定できる。

利用される探査子としては抵抗率が温度の函数である電気抵抗が好ましい。この 探査子を探査子の端子電圧測定によって温度Ｔｏが得られるまで周期的に加熱し 、次いで定電圧に対応する温度１で、さらに他の定電圧と対応する温度Ｔ２まで 冷却させる。

マイクロプロセッサに組込まれた時間軸を利用して上記３つの探査子端子電圧限 界間の経過時間Δ１．及びΔｔ２がカウントされる。次いで下記方程式により流 体温度Ｔｆ及び熱交換係数りを計算することができる： （Ｔ１−Ｔｆ）／（Ｔｏ　−Ｔｆ）−（−ｈｓΔｔｌ／ｍＢｅＢ）（Ｔ２　Ｔｆ ）／（Ｔｔ　Ｔｆ）＝（−ｈｓΔｊ２／ｍＢＣＢ）ただし、ｍｓ−探査子の質量 、 ｃ８−探査子の比熱、 Ｓ−探査子／流体交換面積、である。

この式では探査子が流体とだけ熱交換すると仮定する。

直径ｄの円筒形探査子の場合熱交換係数りはヌツセルト数によって与えられる： ＶＤＩ　（ドイツ技術者協会）の熱地図によれば：粘度μ、密度ρ、比熱Ｃ及び 熱伝導率λが既知の流体については熱交換係数は流速Ｖのみに依存し、従って、 流路断面積が判れば、この断面から流量が算出される。

流動流体の場合、２つの時間間隔の測定によって流量及び温度を同時に計算する ことができる。

速度が零の流体の場合、熱伝導率が既知なら２つの温度限界間の時間間隔を測定 することにより温度を計算できる。

速度が零の流体の場合、３つの温度限界間の２つの間隔を測定することによシ、 流体の熱伝導率及び温度を同時に測定できる。

実際には温度に対する抵抗率変化が既知である探査子を使用し、この探査子の端 子抵抗を測定することによって探査子の温度を算定できる。

第１図に略示した測定装置は電気抵抗、特に端子がスイッチＣを介して発電機Ｇ に接続しているサーミスタで構成された探査子Ｓを含み、前記スイッチＣｖｉ探 査子Ｓを直接またはその値が探査子Ｓの値よりもはるかに高い抵抗Ｒを介して発 電機Ｇに接続することができる。この探査子の端子は探査子の３つの抵抗レベル 、従って３つの温度レベルに対応する３つの電圧限界を検知する３レベル限界検 知器りとも接続している。この限界検知器りは探査子Ｓの温度が１つの限界から 他の限界に移行する間に経過する時間の関数である必要な・母うメータを計算す るためのマイクロプロセッサＭと接続している。マイクロプロセッサＭの出力は スイッチＣと接続してこれを任意に一方または他方の位置にセットすると共に、 限界検知器り及び表示素子Ａとも接続している。マイクロプロセッサによって瞬 時的流量を積分することにより総消費量を表示するため第２表示素子ＡＣを設け ることができる。

使用に際しては時点ｔｏにおいてスイッチＣＫより直接探査子Ｓの端子に接続さ れている発電機Ｇからこの探査子に電流・ぐルスＢが送られる。探査子の電気抵 抗が所定の温度Ｔｏに対応する限界値Ｒ１に達すると、マイクロプロセッサＭが スイッチｃ−１、探査子Ｓを加熱するには不充分な極めて微弱な電流を供給する ように設定された抵抗Ｒｉ介して探査子Ｓに給電するようにスイッチＣを傾動さ せる。この瞬間にマイクロプロセッサＭが限界検知器りに対して、探査子の内部 抵抗に起因する電圧低下を考慮するため加熱時間ｔｏ−ｔｌの終りに対応するレ ベルＲ１にするにはｔｉに始まる測定曲線をいがなる初期レベルまで上げねばな らなりかを指示する。捷だ、探査子Ｓにおける加熱電流通過と測定電流通過の間 に起こる電圧降下を避けるため、マイクロプロセッサＭが探査子に測定電流が供 給されるようにスイッチＣを傾動させる短かい測定同期を区切シとする増分の形 で加熱パルスＢを分割してもよい。このようにすれば探査子端子で測定される電 圧は常に比較可能となる。さらに、限界Ｔｏ　ｋ加熱周期の終シと一致させるの ではなく冷却曲線上の任意の点に来るように設定することも可能である。・ぐル スＢの終了後、抵抗変化曲線が調定されている第１限界値Ｒ，と交差するのを検 知した限界検知器りはパルスＢの終りに対応する時点ｔ１においてマイクロプロ セッサＭにカウント動作をリリーノするパルスＰ１を供給し、探査子において測 定される抵抗変化が値Ｒ２に相当する第２限界値と交差すると限界検知器がマイ クロプロセッサに第２パルスＰ２を送り、これに呼応してマイクロプロセッサは ｔｌからｔ、４での経過時間Δｔ１をカウントする。最後に、探査子Ｓの抵抗変 化が限界検知器りの第３限界値Ｒ３と交差する時点ｔ３において、限界検知器り はマイクロプロセッサにパルスＰａｋ送り、これに呼応してマイクロプロセッサ はｔ２からｔ３までの経過時間Δｔ２をカウントシ、上記演算プロセスに従って 、あらかじめプログラムされている・ぐラメータを計算する。計算値は表示素子 Ａによって表示される。次いで、必要とする情報に応じた一定インターバルで同 様のプロセスが反復される。測定プロセスを繰返えすために探査子が流体温度を 記憶していなくてもよい。３つの温度限界に基づいて測定する場合なら、第３の 温度限界を過ぎたところで測定プロセスを開始することができる。第２図のグラ フは２通シの測定サイクルを例示したものであシ、一方は流量が小さい場合、他 方は流量が大きい場合である。グラフから明らかなように、流量が小さい場合に はインター・クルｔ。〜ｔ１に対応する加熱周期が短かいのに対して冷却周期ｔ １−ｔ３は長い。逆に流量が大きい場合には加熱周期が長く、冷却周期が短かい 。目安としてｉ９ルスＢの周波数は数１０Ｈｚ程度、・ぐルスＢの長さは数ミリ セコンド程度であればよい。従って、瞬時的流量または温度または探査子の熱交 換係数に関連する他のすべてのパラメータを正確にかつ高感度で表示することが できる。

本発明は流体の質量流景品の計算をも可能にし、このことは密度ρが温度または 晶＝ρｖｓ に依存する気体の場合に特に重要である。ただしＳは気体の流路断面積、 ■は速度である。

交換係数りを測定することによってＶを、温度Ｔを測定することによってρをそ れぞれ計算する。

上記装置はコストが安いから多様な用途が考えられる。以下にいくつかの応用例 を挙げるがこれは本発明を限定するためのものではなく、あくまでも例として紹 介するに過ぎない。

多様な応用例の１つとして自動車の瞬時的燃料消費量表示を挙げることができる 。この表示によりドライバーはいかなる時点に瞬時的燃料消費量が増大するか理 解することで燃料消費量を軽減するような運転を選ぶことができる。周知のよう に最近は自動車メーカーが例外なくマイクロプロセッサを導入している。従って 瞬時的燃料消費量表示装置は３レベル検知器及び表示器を主要構成部分とする極 めて低コストの装置でしかない。流体の温度と流量を測定するのであるから、暖 房設備に瞬時的燃料消費量表示装置として組込むことも考えられる。例えば消費 したエネルギに応じて各利用者が支払う共同集中暖房設備の場合熱エネルギＱを 計算するのに質量流量の測定を利用することができる： Ｑ＝ホｅｐΔＴ ただしＣ９は冷却流体の比熱であり、ΔＴは入口と出口の温度差である。マイク ロプロセッサを利用することによシ同−住居の部屋ごとの暖房を管理及びプログ ラムすることも可能である。この場合表示装置は部屋ごとにまたは住居全体につ いてこの消費量の値を例えば］（ｃａｌ単位で刻々と表示することができる。

すでに述べたように、探査子の熱交換に関連する瞬時的パラメータの計算はこの 探査子の質量に依存する。従って、少なくとも１つの）Ｅラメータを計算したい 流体の性質によっては探査子に種々の物質が付着してその質量を変化させ、その 結果、比熱をも変化させ、ひいては・やラメータ計算値に誤差を生ずるおそれが ある。このような場合には流体の流速を零にしたｔ−ｉであらかじめ特定温度に おける２回の測定を実施すれば測定プロセスを較正して探査子の本来の意味のエ ンジン作動の前の、即ち、タンクとキャブレターの間をガンリンが流れる前の、 ドライバーがキーを回す瞬間に前記較正が行われる。

第３図の変形実施態様は第１図の実施態様に関連して述べたようなマイクロプロ セッサＭによって制御されるスイッチＩ’ｚ介して加熱抵抗に接続された発電機 Ｇ。から給電される加熱抵抗Ｒｃによシ探査子Ｓが間接的に加熱されるように構 成されている回路図である。測定に際しては探査子Ｓが探査子の値よりもはるか に大きい値の抵抗Ｒｍを介して発電機Ｇｍから給電される。加熱用の電流及び電 圧は探査子Ｓから絶縁されているから、マイクロプロセッサＭはもはや第１図の 場合のように限界検知器りに作用することはない。

第４図は他の変形実施態様を示し、探査子Ｓ、は２つの接点Ａ及びＢを被測定流 体中に浸漬させ、マイクロプロセッサＭによって制御されるスイッチＩを介して 発電機Ｇから給電されるベルチェ素子から成る。第１図の例と同様に、このベル チェ素子の内部抵抗に起因する電圧降下を考慮して測定曲線起点をイルチェ素子 の冷却終了時の電圧に対応する電圧レベルＵｌ　（第５図）に調定するためマイ クロプロセッサＭを限界検知器りに接続しである。

この変形実施態様の動作は下記の通りである二発接点Ａ及び熱接点Ｂのそれぞれ 冷却後及び加熱後の端子間電圧を測定する。グラフで示すように、先ず１：３ 第１温度限界♀表わす電圧に対応する第１限界Ｕ　。

に達する。これと同時に限界検知器りがマイクロプロセッサＭに情報を送ると、 マイクロプロセッサがスイッチＩを開路する。循環する流体は接点Ａ及びＢの温 度をこの流体の温度に相当する共通値に戻し、電位差を零に戻すように作用する 。接点Ａ及びＢの温度差がこのように低下することで電圧が零に向って変化し、 ゼーベック効果によるこの電圧変化の過程で、限界検知器によってあらかじめ設 定された電圧変化Ｕ、から電圧変化Ｕ２に、さらにＵ３に移行するまでの経過時 間Δｔ１及びΔｔ２が測定される。演算処理は上述したものと全く同様である。

この変形実施態様は高温流体の測定に特に好適である。

ＦＩＧ、　５ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　流体中に浸漬された探査子の熱交換に関連する該流体の少なくとも１つの瞬 時的パラメータを算定する方法において、該流体中に浸漬された該探査子の温度 を第１設定値に調整し、該探査子の少なくとも１つの第２温度値を設定し、第１ 温度値から第２温度値に移行する１での経過時間を測定し、瞬時的・ぐラメータ を計算することを特徴とする方法。 ２　該探査子の第３温度値を設定し、第１温度値から第２温度値、第２＠度値か ら第３温度値に移行する寸での経過時間を測定し、流体の熱交換係数及び温度に 関連する少なくとも１つのパラメータを計算することを特徴とする特許請求の範 囲第１項に記載の方法。 ３　最終設定温度限界から同じ測定プロセスを反復することを特徴とする特許請 求の範囲第１項及び第２項に記載の方法。 ４　前記測定子が・ぐラメータの少なくとも１つが温度に応じて変化する電気的 測定素子であることと、該探査子の温度を該第１値に調整するだめの手段、及び 該探査子と接続する一方、表示手段に接続している演算回路とも接続する少なく とも２つのレベルの限界検知器を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に 記載の方法を実行するだめの装置。 ５　該探査子が抵抗が温度に応じて変化するジュール効果による加熱素子である ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の装置。 ６、該探査子がサーミスタであることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載 の装置。 ７　該探査子が熱接点及び冷接点が該流体中に配置され、その端子電圧の変化が 測定される熱電素子であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の装置 。