JPH05223835A

JPH05223835A - 流速検出装置

Info

Publication number: JPH05223835A
Application number: JP6655492A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Aoshima; 滋青島; Shoji Jounten; 昭司上運天
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1993-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】低流速における流体検出素子の流速検出感度
を向上させ、流体の主流の速度の方向成分が同じ大きさ
の時の流速検出装置の出力が流体の主流の速度に影響さ
れないようにする。【構成】流速検出装置のたがいに対向して配設した一
対の流体案内板５、６の間において、流速検出素子１１
の表面に、これと並行に一枚以上の仕切り板４２を設置
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は流体の所定の方向にお
ける速度成分の大きさを検出する流速検出装置に関する
ものである。

【０００２】従来、この種の流速検出装置として、図
１、図２、および図３に示すものがある。即ち、この流
速検出装置は流速検出部２および制御部３とから構成さ
れる。まず、流速検出部２の構成について説明する。図
１、図２または図３において、支持管４の一端は制御部
３に固定され、その他端側すなわち自由端部側には一対
の流体案内板５、６が設けられる。そして第１の流体案
内板５は支持管４に固定され、また第１の流体案内板の
前方には流れを乱さないように考慮してあらかじめ太さ
と本数および長さが決められた複数のスペーサ７、７に
よって第２の流体案内板６が固定される。したがってそ
の一対の流体案内板はたがいに所定の間隔をおいて平行
に固定される。そして両流体案内板のたがいに対向する
面はそれぞれの周辺から中央部に向かうにしたがってた
がいに接近するように山形の曲面８、９が形成される。
これによって流速検出部２が構成される。そして、一対
の流体案内板５または６のうちのいずれか一方の流体案
内板、たとえば第１の流体案内板５の他方の流体案内板
６と対向する曲面８に一つの流速検出素子１１が設置さ
れる。

【０００３】つぎにこの流速検出装置１に用いられる流
速検出素子１１の構成について説明する。すなわち図４
において、基板２１はたとえば単結晶シリコンからなる
約１．７ミリ角、厚さ約０．７ミリの基板であり、この
基板２１の中央部には空隙部２２が形成されており、こ
の空隙部２２の上部には基板２１から空間をもって隔離
され、結果的に基板２１から熱的に絶縁されたダイアフ
ラム部２３が形成されている。そして、このダイアフラ
ム部２３の表面には薄膜のヒータエレメント２４とそれ
を鋏むように薄膜の測温抵抗エレメント２５、２６とが
配列されている。また、空隙部２２の形成されてない基
板２１上の表面には薄膜の測温抵抗エレメント２７、お
よび電気配線取り出しのためのボンディングパッド２８
が形成されている。

【０００４】また図５は図４に示す流速検出素子１１の
Ｖ−Ｖ断面を示している。なお、図５中、符号３０は基
板２１上に形成されるヒータエレメント２４などの素子
を保護するための保護膜である。ダイアフラム部２３は
保護膜３０を含めてたとえば厚さ１ミクロン程度に形成
されており、端部からの熱伝導による損失は極めて小さ
く、流速検出部の熱絶縁が実現されている。

【０００５】また図６は図５におけるヒータエレメント
および測温抵抗エレメントの温度分布を示している。こ
こで、ヒータエレメント２４を、周囲温度にある測温抵
抗エレメント２７を用いて周囲温度よりもある一定の高
い温度ｔｈ（たとえば６０℃：周囲温度基準）に制御す
ると、測温抵抗エレメント２５、２６の温度ｔ１、ｔ２
は図６に示すようにほぼ等しくなる。このとき、たとえ
ば図４に示す測温抵抗エレメント２５、ヒータエレメン
ト２４、および測温抵抗エレメント２６の配設方向、す
なわち矢印Ａ方向に流体が移動して流速検出素子表面と
流体との間に速度勾配が生じると、上流側の測温抵抗エ
レメント２５は冷却されΔｔ１だけ温度が下がる。一方
下流側の測温抵抗エレメント２６は温度がΔｔ２だけ上
昇する。この結果、上流側の測温抵抗エレメント２５と
下流側の測温抵抗エレメント２６との間に温度差が生じ
る。これにより、測温抵抗エレメント２５、２６をホイ
ートストンブリッジ回路に組み込み、その温度差を電圧
に変換することにより、流体の流速に応じた電圧が得ら
れ、これによって流体の流速を検出することができる。
この素子の流体の流れ方向Ｂに対する特性は、方向Ａと
方向Ｂとのなす角度をθ、流体の主流の大きさをＶとす
ると、この流速検出素子はＶ・ｃｏｓθを検出する。し
たがって、測温抵抗エレメント２５、ヒータエレメント
２４、および測温抵抗エレメント２６の配設方向、すな
わち矢印Ａ方向は流速検出素子１１の検出感度が最大と
なる方向であり、この明細書においては、これを流速検
出素子の最大検出感度の方向とする。なお、この流速検
出素子１１の特徴は、熱絶縁された非常に薄いダイアフ
ラム状の検出部を持つため、高感度、応答速度が速い、
かつ非常に低消費電力で動作することである。

【０００６】このようにして構成された流速検出素子１
１を搭載し電気接続をワイヤボンド３１によって行なっ
た取付け基体３３、たとえばセラミック製の取付け基体
が図２に示すように流体案内板５または６の山形の曲面
８または９の頂部付近に設置される。流体案内板５また
は６は流れを整流して流速検出素子に導く働きをし、そ
の結果流速検出素子からノイズの少ない安定した出力が
得られる。

【０００７】さて、流速検出素子１１の最大検出感度の
方向を方向Ａとし、流体の流れの方向を方向Ｂとしたと
き、方向Ａと方向Ｂとのなす角をθとし、流体の主流の
速度をＶとすると、流速検出素子１１の測温エレメント
２５、２６を含むホイートストンブリッジの出力ｑから
ｆ（ｑ）＝Ｖ・ｃｏｓθが検出される。つまりこの流速
検出装置は流体の主流の速度のＡ方向成分を測定できる
装置である。

【０００８】しかし主流の速度Ｖが非常に小さいばあ
い、とくにＶが０．３ｍ／ｓ以下のときには流体案内板
５、６の表面に層流境界層が発達し、流速検出素子上の
速度勾配が緩くなってしまい出力が低下してしまう事実
が発見された。このため流体の主流の速度のＡ方向成分
が同じ大きさでも流速検出装置の出力は流体の主流の速
度Ｖの影響を受けてしまい、速度Ｖが小さいときには出
力するべき値よりも小さな値を出力してしまう欠点があ
った。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする課題は、低流速における検出素子の流速検出感度
を向上させ、流体の主流の速度のＡ方向成分が同じ大き
さの時の流速検出装置の出力が流体の主流の速度Ｖに影
響されないようにすることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明における流速検
出装置は、従来の流速検出装置のたがいに対向して配設
した一対の流体案内板の間に流速検出素子表面に並行に
一枚以上の仕切り板を設置した。

【００１１】

【作用】この仕切り板は低流速において流速検出素子上
の流速勾配を急峻にするので、低流速における検出素子
の流速検出感度が向上する。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して、この発明における流速
検出装置１の一実施例を説明する。すなわち、図７およ
び図８に示すように、流速検出部２において、たがいに
対向して配設した一対の流体案内板５、６の間に、２枚
の仕切り板４２を流速検出素子１１の表面と並行に、か
つその中央部において、仕切り板支持４３によって固定
して設置した。その他の構成は従来の流速検出装置と同
じであるのでその説明を省略する。

【００１３】次に仕切り板４２の効果を説明する。図９
には流速Ｖが非常に小さいときの従来の流速検出素子上
の流速分布４４が表されている。ここでは流速Ｖが非常
に小さいために流体案内板５、６の曲面８、９に沿って
層流境界層が発達し、その結果流速分布４４は流体案内
板５、６の間隔いっぱいに広がったゆるい二次曲線の形
となり、流速検出素子上の速度勾配の接線角度θ１は小
さな値になっている。一方図１０に示したこの発明にお
ける流速検出素子上の流速分布４４を見ると、仕切り板
４２で区切られた間隔で速度分布が形成されるため、流
速検出素子上の速度勾配の接線角度θ２が大きな価にな
ることがわかる。図１１は従来の流速検出素子とこの発
明の流速検出素子とを同じ実験装置において、主流の速
度Ｖを変化させ、主流のＡ方向成分が０．１ｍ／ｓにな
る時の出力を測定したデータを示している。このグラフ
からわかるように従来の流速検出素子では主流の速度Ｖ
が０．３ｍ／ｓ以下になると顕著な出力低下が見られた
が、この発明の流速検出装置ではそれが改善され、流体
の主流の速度のＡ方向成分が同じ大きさの時の流速検出
装置の出力が流体の主流の速度Ｖに影響されないように
なった。

【００１４】この発明における仕切り板の枚数は１枚以
上何枚でも構わない。但し、速い流速では仕切り板が流
体抵抗となって外部の流れがこの流速検出素子に流れ込
みにくくなるため、目的によって最適な枚数を設定する
べきである。たとえば、非常に遅い流速だけを測定する
ような応用では仕切り板の枚数を多くして低流速での感
度を向上させるようにできる。また、遅い流速から速い
流速まで測定する必要のある応用では仕切り板の枚数は
少なくして速い流速においても十分に流れがこの流速検
出素子に流れ込むようにできる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明における流
速検出装置は低流速における感度を向上することがで
き、流体の主流の速度のＡ方向成分が同じ大きさの時の
流速検出装置の出力が流体の主流の速度Ｖに影響されな
い利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の流速検出装置の検出部の外観斜視図であ
る。

【図２】従来の流速検出装置の検出部の断面図である。

【図３】従来の流速検出装置を一部断面をもって示す構
成図である。

【図４】流速検出装置に用いられる流速検出素子の斜視
図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿って切断し、これを矢印方
向に見た断面図である。

【図６】第５図に示す流速検出素子のヒータエレメント
および測温抵抗エレメントの温度分布を示す動作説明図
である。

【図７】この発明における流速検出装置の検出部の外観
斜視図である。

【図８】この発明における流速検出装置の検出部の断面
図である。

【図９】従来の流速検出素子上の流速勾配を表した流速
勾配図である。

【図１０】この発明における流速検出素子上の流速勾配
を表した流速勾配図である。

【図１１】従来の流速検出素子とこの発明における流速
検出素子の、流体の主流の速度のＡ方向成分が０．１ｍ
／ｓの時の主流の速度Ｖに対する出力をプロットした特
性図である。なお図中、同一符号は同一または相当部分
を示す。

【符号の説明】

１流速検出装置２流速検出部３制御部４支持管５流体案内板６流体案内板７スペーサ８曲面９曲面１１流速検出素子２１基板２２空隙部２３ダイアフラム部２４ヒータエレメント２５測温抵抗エレメント２６測温抵抗エレメント２７測温抵抗エレメント２８ボンディングパッド２９スリット３０保護膜３１ワイアボンド３３取付け基体３５リード線４１パソコン４２仕切り板４３仕切り板支持４４流速分布Ａ流速検出素子の最大検出感度の方向Ｂ流体の流れ方向 θ２接線角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一部に所定の空間を設けて薄肉状
に形成されたダイアフラム部を形成するとともに、この
ダイアフラム部に発熱部と測温抵抗部とを設けることに
より流速検出素子を構成し、一方、一対の流体案内板を
たがいに所定の間隔をおいて対向させ、この流体案内板
の中、少なくともいずれか一方の流体案内板において、
他方の案内板と対向する面をこの他方の案内板に向かっ
て突出する曲面とし、この曲面の頂部に上記流速検出素
子を配設し、上記一対の案内板の間に置いて、上記流速
検出素子表面に並行に一枚以上の仕切り板を設置したこ
とを特徴とする流速検出装置。