JP4813867B2 - 流体の流速センサおよびその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は流体の流速センサおよびその動作方法に関する。

流体伝送システムは広い範囲の種々の応用を有し、計量された給水器、製氷機、食器洗い器、洗濯機のような多くの家庭用機器で一般的なものとなっている。このようなシステムでは、分配される流体の量は典型的に弁を開き、予め定められた時間の経過後、閉じるように動作可能なタイミング機構によって制御される。

これらの流体伝送システムは、流体ラインの圧力及び対応する流体の流速が知られており、静止的であると推定された状態下で動作する。しかしながら、多くは流体伝送システムは流体ラインの圧力の変動の影響を受けやすく、結果として流体の流速は変化する。このような場合には、流体ライン圧力が予測されるよりも低いとき、満杯に満たない状態が典型的に生じる。反対に、流体ライン圧力が予測されるよりも高いとき、満杯を超える状態が生じる。

したがって、流体伝送システムが流体の流速を監視するインラインセンサを含み、そのシステムがしたがって流体の伝送時間を補償することを可能にすることが望ましい。

流体流動センサの別の望ましい特徴は、例えばパドルホイールまたはタービンのような可動部分が何もないことである。これは汚染物質、堆積する破片またはその他の小さい粒子物質が流体中に存在する可能性があるためである。その機能は可動部分とは無関係であり、流体の流動センサはそれによってこのような動作状態下において更に信頼性がある。

熱線風速計は可動部分を全く動作させる必要のないタイプの流速センサである。熱線風速計は熱伝導の原理に基づいて機能する。このような流速センサはよく知られているが、伝統的に、家庭用機器の水転送システムのような多くの通常の機器に対して適切にするための必要な応答時間に欠けている。

伝統的な熱線風速計は典型的に２つの温度センサ、即ち流体の下流の流体温度を測定するために流体路の下流の位置に配置されている１つの温度センサと、流体の上流の流体温度を測定するために流体路の上流位置に配置されている別の温度センサとを含んでいる。上流の温度を測定するセンサは下流の温度を測定するセンサの読取りを偏らせる水温の変動を補償する。熱線風速計は下流の温度から上流の温度を減算する。種々の既知の等式とゼーベック効果のような熱感知原理を使用することによって、温度差が流体の流速に相関されることができる。

基本的に熱力学の原理に基づく流体の流速を決定する他の技術も知られている。例えば１つの方法は流体の流速に露出されている既知の熱源の熱損失を時間にわたって測定することである。温度降下として表される熱損失は流体の流速に相関されることができる。しかしながら、この方法は使用可能な結果を与えるためには比較的長時間の期間がかかる。その理由は主として、流体の流動に露出された後、熱源の温度が定常状態に到達するまでに数秒かかるからである。しかしながら例えば製氷機のような幾つかの応用では、この応答時間は遅過ぎる。

図１は１つのこのような既知のシステムの典型的な応答曲線（温度（Ｔ）対時間（ｔ））の例示的なグラフを示している。温度（Ｔ）が時間（ｔ）に対して描かれるとき、温度の定常状態値は流体の流動が開始された後約１．５から２．０秒では到達しないことが認められる。示されている例では、温度は毎分０．１５ガロン（ＧＰＭ）および０．７５ＧＰＭの両者の水の流速状態で測定された。

それ故、何等の可動部分も含まず、高速度の応答時間を有し、種々の流体伝送システム中に容易に一体化される流体流動センサが必要とされている。

本発明によれば、改良された流体流速センサ及びその動作方法が提供される。本発明は従来知られている流体流速センサの応答時間の制限を克服する熱線風速計タイプの流体流速センサ設計とその動作方法を含んでいる。

本発明の１つの特徴では、流体流速センサは流体の流動の存在に応答して状態を変更するように構成された検出モジュールを有するプローブと、そのプローブに電気的に接続され、時間にわたって検出モジュールの状態（例えば温度）を監視し、時間にわたるその状態の変化率を決定し、流体の流速を示す出力を生成する制御モジュールと、この制御モジュールに接続され、制御モジュールの出力を別の装置またはユーザに通信するＩ／Ｏモジュールとを具備している。

本発明の別の特徴では、流体流速センサを動作するための方法が提供される。

熱線風速計タイプのセンサとして、本発明の流体流速センサは何等の可動部分を含んでいない。本発明のセンサ設計とその動作方法によって、センサは従来技術の流体流速センサよりも高速度の応答時間を有し、従来の熱線風速計タイプの流体流速センサに対して有効ではなかった多くの感知応用に対して適すようにする。本発明の流体流速センサは種々の流体伝送システム中に容易に一体化されることができる。

本発明の更に別の応用可能な領域は以下の詳細な説明から明白になるであろう。本発明の好ましい実施形態を示しているが、詳細な説明及び特定の例は単なる例示の目的を意図しており、本発明の技術的範囲を限定することを意図していないことを理解すべきである。

本発明は以下の詳細な説明および添付図面から更に十分に理解されよう。
以下の好ましい実施形態の説明は本質的に単なる例示であり、本発明と、その応用または使用を限定する意図はない。

本発明は改良された流体流速センサと、そのセンサの有効な検出応答時間を改良し、種々の流体伝送または監視システムへ容易に一体化することのできる関連する動作方法とを提供する。

図２は本発明の流体流速センサ10の主要なコンポーネントを全体的に示している。センサ10は制御モジュール14に結合されているプローブ12を含んでいる。Ｉ／Ｏモジュール16もまたセンサ10中に含まれることができる。この説明で使用されているように、用語「モジュール」は用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、１以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するプロセッサ（共有、専用、またはグループ）およびメモリ、組合せ論理回路および／または説明する機能を行う他の適切なコンポーネントを示している。

プローブ12は熱線風速計タイプであり、可動部分をもたない。プローブ12は典型的に流体24の流速を検出するために流体環境22中に配置されている。これが流体24の流動を受けるとき、プローブ12は信号18（例えば電圧）により表される状態の変化を検出する。

プローブ12からの信号18は連続的に制御モジュール14により監視される。制御モジュール14は本発明の方法に従って信号18を処理し、流体の流速を示す出力20を生成する。Ｉ／Ｏモジュール16はセンサ10がその出力20を他の装置またはユーザへ通信できる手段を提供する。

流体流速センサ10は給水器または自動製氷機の水の流動を監視するために、冷蔵庫のような家庭用機器中で使用できると現在考えられている。

本発明のセンサ10で使用するためのプローブ100の１実施形態が図３乃至６で示されている。プローブ100は通常本体102および検出モジュール104を具備している。

本体102は、示されているように縦軸107に沿ってその全長にわたって延在する通路106を有する円筒形の管状部材である。流体24は縦軸107に沿った方向で本体102の通路106を通って流れることができる。環状のフランジ108と110が本体102の対向する端部部分112、114に位置し、例えば給水器のフレキシブルな供給ホースのような流体供給源に対するプローブ100の接続を容易にしている。

本体102の端部部分112、114の中間にはハウジング116が位置している。このハウジング116は縦軸107にほぼ垂直の方向で本体102を通して延在している。ハウジング116は通路106内に配置されている。ハウジング116の形状は、通路106を通り、ハウジング116の表面を横切って移動する流体の流動の層流を促進するように設計されている。検出モジュール104はハウジング116が検出モジュール104の一部をカプセル化してそれを流体環境と物理的に接触することから保護するようにハウジング116内に受入れられている。しかしながらハウジング116は熱エネルギを流体環境から検出モジュール104へ伝導することができる。

本体102とハウジング116との両者は例えばポリプロペレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリピロール、ポリアニリンのような熱伝導のポリマーから製造されることが好ましい。これらのベースポリマーと混合されているセラミックおよび／またはガラス充填剤は材料の熱伝導性を非常に強化することが示されている。１つのこのような材料は商品名Ｋｏｎｄｕｉｔ ＭＴ−２１０−１４で知られており、ＧＥ／ＬＮＰから入手可能である。

検出モジュール104は検出回路118と加熱回路120とを具備し、図６に示されている。検出モジュール104は高い熱伝導性で、低い熱質量を有することが好ましい。検出回路118と加熱回路120とは熱的に伝導性のガラスエポキシの印刷回路板（ＰＣＢ）基板124上に配置されている。

例示的な検出回路118は共に４つのワイヤのブリッジ回路を形成している１対の負の温度係数（ＮＴＣ）のサーミスタＴ₁、Ｔ₂および１対の抵抗Ｒ₃、Ｒ₄を具備している。図６を参照すると、サーミスタＴ₁は抵抗Ｒ₄と直列に結合されてブリッジの１つの脚部を形成し、サーミスタＴ₂は抵抗Ｒ₃と直列に結合されてブリッジの他の脚部を形成している。サーミスタＴ₁と抵抗Ｒ₄の直列回路はサーミスタＴ₂と抵抗Ｒ₃の直列回路と並列に結合されている。

示されているように、検出回路118はＰＣＢ基板124上に位置されている複数のピンコネクタＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₄、Ｐ₅に導かれる配線トレース126、128、130、132を含んでいる。配線トレース130はピンＰ₄で終端し、基準電圧Ｖ_refが検出回路118へ供給される。配線トレース126、128はそれぞれ検出回路118の対向する脚部に結合され、ピンＰ₁、Ｐ₂で終端している。技術でよく知られているように、サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度（Ｔ）を表すように較正されることのできる出力電圧Ｖ_outはピンＰ₁、Ｐ₂で読取られることができる。配線トレース132は接地電位に接続されているピンＰ₅で終端している。

本発明の検出回路118中に２個のサーミスタを有することによって回路の感度が増加され、それによって電圧出力Ｖ_outを得るために付加的な信号調整の必要性を除去することが認識されることができる。

検出モジュール104の加熱回路120は１対の加熱抵抗Ｒ₁、Ｒ₂を具備している。加熱回路120の配線トレース134はピンＰ₃で終端している。加熱回路120を付勢するための電圧Ｖ_HがＰ₃に与えられる。加熱回路120は電気的に検出回路118から絶縁されているが、熱的には絶縁されていない。加熱抵抗Ｒ₁、Ｒ₂はそれぞれサーミスタＴ₁、Ｔ₂に近接してＰＣＢ基板上に位置され、それによって加熱抵抗Ｒ₁、Ｒ₂からの熱エネルギはサーミスタＴ₁、Ｔ₂に伝導される。加熱抵抗には約４から６ワットを与えることが考えられている。

サーミスタと加熱抵抗の数は流体流速センサの応用に応じて変化できることが認識されるべきである。例えば検出回路118の抵抗Ｒ₃、Ｒ₄はサーミスタで置換されることができる。また、加熱抵抗は電気的に直列または並列であるか、または単一の加熱抵抗だけが設けられてもよい。さらに、加熱抵抗とその（それらの）対応する電圧源はサーミスタが内部で自己加熱されることができる応用では共に省略されてもよい。

検出モジュール104は通常ハウジング116内に受入れられ、それにおいてこれは通路106を通る流体の流動方向Ｆに垂直である。図４を参照すると、検出モジュール104のＰＣＢ基板124の一部がハウジング116内に位置され、それは本体102の通路106内に位置されている。ＰＣＢ基板124の別の部分は通路106の上方でハウジング116を超えて延在し、ＰＣＢ基板124のさらに別の部分は通路106の下方に延在している。

検出回路118および加熱回路120は、サーミスタＴ₁、Ｔ₂と加熱抵抗Ｒ₁、Ｒ₂とが本体102の通路106内にあるＰＣＢ基板124部分に存在するように配置されている。検出回路118の抵抗Ｒ₃、Ｒ₄と全てのピンコネクタＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₄、Ｐ₅は図４および５で最良に見られるようにハウジング116の外部に延在するＰＣＢ基板124の部分に位置している。全てのピンコネクタＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₄、Ｐ₅が本体102の１側面に位置するように示されているが、ピンコネクタの形態は所望によって本体102の対向側面へ幾つかまたは全てのピンコネクタを再配置するように変更されることができることが理解されよう。

センサ10の動作を以下説明する。流体流速センサ10のプローブ100は制御モジュール14に結合されている。特に、制御モジュール14はプローブ100からのＶ_outを測定して解析し、これをセンサ10により測定されている流体の流速に相関させて出力20を発生する。Ｉ／Ｏモジュール16は出力20を他の装置またはユーザへ転送するためのインターフェースを提供するために制御モジュール14に結合されることができる。

図７は、プローブ100を含んでいる流体流速センサ10の動作を説明するフローチャートを示している。プロセスは140で開始し、流速が測定される流体は静止しており、即ち流体弁は閉じており、流体はプローブ100の通路106を通って流れていない。

次に、サーミスタＴ₁、Ｔ₂はステップ142で予め加熱される。このステップでは、Ｖ_Hが制御モジュール14によって加熱回路120へ与えられ、それによって加熱抵抗Ｒ_1a、Ｒ_2aが付勢されて、サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度を最初の開始温度（Ｔ₀）から上昇させる。基準電圧Ｖ_refが検出回路118に与えられる。

検出回路118の出力電圧Ｖ_outはディスクリートな時間間隔（例えば２５ｍ秒）でサンプリングされる。サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度（Ｔ_i）はよく知られた方法で以下説明するように出力電圧Ｖ_outから決定される。このプロセスはサーミスタＴ₁、Ｔ₂の予め定められた温度変化のしきい値（例えばＴ_i−Ｔ₀＞２５℃）に到達するまで反復される。Ｖ_outの値はその後記憶され、動作は継続する。Ｖ_Hはセンサの応用にしたがって一定に保持され、減少され（ここで更に説明するように）、または除去される。

流体の流動が開始され、例えば流体弁が開かれ、流体がプローブ100の通路106を通って流れ、ハウジング116上またはその周辺を通り、結果としてハウジング116内に収納されている検出モジュール104の部分を通過する。流体がハウジング116を通って流れるとき、熱はサーミスタＴ₁、Ｔ₂からハウジング116を通って流体へ転送される。対応して、両サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度（Ｔ）と出力電圧Ｖ_outは時間（ｔ）の経過と共に変化する。

ステップ144で、サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度（Ｔ）が監視される。検出回路118からの出力電圧Ｖ_outは制御モジュール14によって再度ディスクリートな時間間隔（例えば１００ｍ秒）でサンプリングされる。再度、サーミスタＴ₁、Ｔ₂の温度（Ｔ_j）がよく知られた方法で出力電圧Ｖ_outから決定される。

ステップ146で、制御モジュール14は技術でよく知られているように時間にわたって温度（Ｔ_j）の変化率を決定する（ｄＴ_j／ｄｔを計算する）。このプロセスは予め定められた反復数（例えば１０）だけ反復される。ステップ148で、ｄＴ_j／ｄｔの最小値はその後、流体の流速と相関される。制御モジュール14は対応する出力20をステップ150で発生する。

Ｉ／Ｏモジュール16はその後、例えば流体の流動制御装置（図示せず）に対して制御モジュール14の出力20を利用可能にすることができ、流体流動制御装置はセンサ10によって感知された流体の流速に基づいて、弁が開かれた状態であるべきである時間の長さを決定する。

センサ10は流体の流動が継続している間でさえも出力20を逐次的に更新するように動作し続けることができることが理解されるべきである。これは流体の流速が一定ではない応用で特に有効である。この方法で動作するとき、抵抗ヒータへのパワーは最初の予め加熱するサイクル142の後に減少されることが考慮されてもよい。例えば５０％のパワーの減少が十分であると考えられているが、他のパワー減少もセンサ10の応用にしたがって適切であろう。パワーの減少は既知の方法による加熱抵抗への入力を変調することによって実現されることができる。

センサ10はその後、先に説明したように動作を継続する。第１の出力20が150で発生された後、プロセスは152で反復される。加熱抵抗はそれ故、再度ステップ142で予め加熱される。プロセスは継続し、第２の出力20が150で発生される。各連続的な動作ループはそれ故、時間にわたって変化し得る流体の流速を示す逐次的な出力20を提供する。図１５は前述の逐次的な予め加熱する動作を示すグラフである。

先に参照したディスクリートな時間間隔の数及び期間は与えられた例から変化し、例えば制御モジュール14の処理速度と分解能を含めた制御モジュール14の処理能力にしたがってもよいことが理解されるであろう。

先の説明で示されたように、サーミスタＴ_1aとＴ_2aの温度が検出回路118の出力電圧（Ｖ_out）から決定されることのできる方法はよく知られている。

最初に、次式にしたがって、出力電圧（Ｖ_out）はサーミスタＴ_1aとＴ_2aの抵抗値（Ｒ_ntc）に相関されることができる。
Ｒ_ntc＝Ｒ_fixed*（Ｖ_ref−Ｖ_out）／（Ｖ_ref＋Ｖ_out）
本発明の目的で、両サーミスタＴ₁とＴ₂はプロセスを通して同一の温度であり、即ちＴ＝Ｔ₁＝Ｔ₂であり、Ｒ₃＝Ｒ₄＝Ｒ_fixedであることが仮定される。絶対温度値（Ｔ）は次式に従って計算される。
Ｔ＝（１／Ｔ₀＋Ｉｎ（Ｒ_ntc／Ｒ₀）／β）^-1
ここで温度Ｔ₀＝２９８．１５゜Ｋであり、Ｒ₀は温度Ｔ₀におけるサーミスタＴ_1aとＴ_2aの抵抗であり、βはサーミスタの温度感度を示す固有のパラメータである。

温度測定（Ｔ）はよく知られているようにｄＴ／ｄｔを発生するために制御モジュール14により微分される。前述の例では、ｄＴ／ｄｔは次式のように計算される。
（Ｔ_j−Ｔ_j-1）／（ｔ_j−ｔ_j-1）
微分演算は１次導関数の文脈で説明されるが、温度対時間曲線の高次の導関数が使用されてもよいことが更に理解すべきである。高次の導関数の使用はさらにセンサの応答時間を改良することが考えられている。

検出回路118の動作の妥当性は技術でよく知られている種々の等式と原理を使用して論理的に評価されることができることが理解されるべきである。特に、熱伝導論理は流体の流動が開始するとすぐに、サーミスタの温度（Ｔ）が急速に低下し始めることを予測している。温度の低下が指数関数的、即ち次式のように表されることができることが示されている。
Ｔ−Ｔ_final＝（Ｔ_start−Ｔ_final）ｅｘｐ（−Ｋｔ）
ここでＴ_startは、流体の流動の開始におけるサーミスタの温度であり、Ｔ_finalは流体の流動を受けるときのサーミスタの定常状態の温度であり、ｔは流動開始後の時間である。Ｋは定数であり、流体による冷却速度を表し、センサの感度の尺度であると考えられる。センサは流体の流動により対流的に冷却されるので、Ｋは流速の平方根に比例する。

時間にわたる温度変化率（ｄＴ／ｄｔ）に関して、ｄＴ／ｄｔの最小値は流体の流動の開始後すぐに生じる。先の等式から最大値はＫ（Ｔ_start−Ｔ_final）に比例することが示される。温度の低下（Ｔ_start−Ｔ_final）は流体の流速と共に僅かに増加する。（Ｔ_start−Ｔ_final）間の差が無視されるならば、センサの感度はＫと共に増加し、これは感度がほぼ流速の平方根として変化することを意味している。

図８を参照すると、流体流速センサ10の検出回路118中のサーミスタの時間にわたる温度変化率の例示的なグラフが示されている。制御モジュール14により行われた温度測定の数的な導関数を計算することによって、流体流速センサ10が短い時間量（この例では流体の流動の開始後、約２００ｍ秒）内で最小のｄＴ／ｄｔに到達することを可能にする。この時間期間は従来技術の装置の定常状態値に到達するための温度（Ｔ）の時間期間の約１０分の１である。このように本発明の動作方法は従来技術よりも流体流動センサ10の応答時間において一桁分、改良していることが示されている。約２００ｍ秒の応答時間が示されているが、応答時間は異なる応用と異なる動作条件下で動作する異なるタイプのセンサによって変化できることが理解されるべきである。

本発明の方法の一部として決定された最小のｄＴ／ｄｔは流体の流速センサを任意の特定のセンサ応用の実際の流体流速に較正するために正規化されることができる。１例が図９に示されている。この正規化プロセスは種々の流体の流速におけるｄＴ／ｄｔの特性曲線を生成することを含んでいる。図９に示されているように、この例のデータ点の数は１３である。次に、各種々の流速における最小のｄＴ／ｄｔが決定される。各流速に対する最小のｄＴ／ｄｔはその後、センサ10が使用される装置で生じることが予測されている最高の流速の最小値ｄＴ／ｄｔにより割算される。結果として、正規化された流速値は０乃至１のスケールで表されることができ、１は最高の予測される流速に等しい。

さらに、検出モジュール104の熱質量を最適化するための改良は高い熱的に伝導性のセラミック基板を使用することを含んでおり、この基板上にサーミスタＴ₁とＴ₂を形成するセラミックが充填されたカーボンのペースト材料がスクリーン印刷されている。このような材料はＨｅｒａｅｕｓ社の回路材料部門からＲ１００シリーズの名称で入手可能である。このような構造は検出回路118中のディスクリートなサーミスタコンポーネントを完全に除去し、検出モジュール104の熱質量を減少する助けをする。この構造にしたがって構成され、前述したように動作する流体流速センサ10は製氷機用では０．５乃至１秒程度の応答時間を示している。この応答時間は従来技術よりも応答時間において５０％程度またはそれ以上の減少である。

また、熱伝導特性とプローブの耐久性を改良するため、ハウジング116は除去され、熱伝導性の誘電体ポリマーまたはガラス材料の薄層が検出モジュール104をカプセル化して湿度および／または摩擦から保護するために、上薬として直接的に検出モジュール104へ与えられることが考えられている。

本発明のセンサ10で使用するためのプローブ200の別の実施形態が図１０乃至１２に示されている。このプローブ200もまたプローブ100のように、通常本体202と検出モジュール204を具備している。本体202は実質的に本体102と類似しており、同様のコンポーネントは同様の参照符号で示されている。

検出モジュール104と同様に、検出モジュール204は検出回路218と加熱回路220とを具備している。しかしながら、検出モジュール204は通常（図１０で認められるように）ほぼ長方形の構造を有し、高さと幅の比は約３対２であり、検出モジュール204の幅はプローブ本体202の縦軸208に沿って測定される。

検出回路218はセラミック基板224に配置されている複数のＮＴＣサーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aを具備している。これらのサーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aは共に４ワイヤのブリッジ回路を形成している。図１２を参照すると、サーミスタＴ_1aはサーミスタＴ_3aと直列に結合され、ブリッジの１つの脚部を形成しており、サーミスタＴ_2aはサーミスタＴ_4aと直列に結合されてブリッジの他の脚部を形成している。サーミスタＴ_1aとサーミスタＴ_3aはサーミスタＴ_2aとサーミスタＴ_4aに並列に結合されている。随意選択的なトリム抵抗Ｒ_trimが技術で知られているように、ブリッジ回路の平衡を可能にするために、サーミスタＴ_1aとサーミスタＴ_3aに直列に含まれる。サーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aはセラミック基板224上に直接スクリーン印刷されていることが好ましい。

検出回路118と同様に、検出回路218はセラミック基板224上に配置された複数のピンコネクタＰ_1a、Ｐ_2a、Ｐ_3a、Ｐ_4aに導かれる配線トレース226、228、230、232を含んでいる。配線トレース230はピンＰ_4aで終端し、それにより基準電圧Ｖ_ref2が検出回路218に与えられる。配線トレース226、228はそれぞれ検出回路218の対向する脚部に結合され、ピンＰ_1a、Ｐ_2aで終端されている。技術でよく知られているように、ブリッジを横切り、サーミスタＴ_1a、Ｔ_3aとサーミスタＴ_2a、Ｔ_4a間の温度差（ΔＴ）を表すように較正されることのできる出力電圧Ｖ_out2はピンＰ_1a、Ｐ_2aで読取られることができる。配線トレース232は接地電位に接続されているピンＰ_5aで終端している。

検出モジュール204の加熱回路220は加熱抵抗Ｒ_1aを備えている。加熱回路220の配線トレース234はピンＰ_3aで終端している。加熱回路220を付勢するための電圧Ｖ_H2がＰ_3aに与えられる。加熱回路220は検出回路218から電気的に絶縁されているが、熱的には絶縁されない。加熱抵抗Ｒ_1aはサーミスタＴ_1a、Ｔ_2aに近接してセラミック基板に位置され、それによって加熱抵抗Ｒ_1aからの熱エネルギはサーミスタＴ_1a、Ｔ_2aに伝導される。しかしながら、加熱抵抗Ｒ_1aからの熱エネルギはサーミスタＴ_3a、Ｔ_4aには伝導されない。熱抵抗は約４から６ワットの定格を有することができる。

検出モジュール204は通常ハウジング216内に受入れられ、それは通路206を通る流体の流動Ｆ方向に垂直である。図１０および１１を参照すると、検出モジュール204のセラミック基板224がハウジング216内に位置され、それにおいて本体202の通路206内に位置している。しかしながら、全てのピンコネクタＰ_1a、Ｐ_2a、Ｐ_3a、Ｐ_4aはハウジング216から外方に延在する。検出回路218および加熱回路220はサーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aおよび加熱抵抗Ｒ_1aが全て本体202の通路206内のセラミック基板224の部分上に位置するように構成されている。さらに、サーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aの配置は加熱されていないサーミスタＴ_3a、Ｔ_4aが加熱されたサーミスタＴ_1a、Ｔ_2aからの流体の上流に位置するように配置されている。

検出回路218の４個のサーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aおよび本体202の通路206におけるサーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｔ_3a、Ｔ_4aの物理的な配置は更に利点を与える。１つの大きな利点は出力電圧Ｖ_out2が自動的に周囲温度変化、即ち流体の温度の変化に対して補償されることである。これは流体温度の大きなおよび／または急速な変化が生じた場合に、これらはセンサ10の出力を歪ませて、センサ10に不正確な結果を与えさせるので重要である。

例えば、第１に静止流体（即ち流動の開始前）の温度が２５℃であると仮定する。この環境で、センサ10は図７を参照して前述したようにその動作を開始する。その後、流体が流動を開始したとき、流体の温度が１０℃に低下したと仮定する。所定の速度で流れる１０℃の流体が同一の速度で流れる２５℃の流体よりも、サーミスタから熱を除去する能力が大きいことは当業者には容易に理解されるであろう。このような場合に、補償されていないセンサは測定する温度の変化と、決定する温度の変化率が流体の温度の減少のために少なくとも部分的に生じることを識別することはできない。

しかしながら、検出回路208の出力電圧Ｖ_out2はブリッジを横切る温度差（ΔＴ）を表し、絶対温度（Ｔ）を表さない。これは検出回路208のブリッジの反対側の加熱されていないサーミスタＴ_3a、Ｔ_4aが流体の温度変化により生じる出力電圧Ｖ_out2に反対の作用をして影響するためである。その結果として、補償されたセンサは相対的な温度の変化を測定し、相対的な温度の変化率を計算する。

図１３および１４はプローブ302を本発明のセンサと共に使用するために一体化した例示的な弁アセンブリ300を示している。プローブ302は固定手段306と密封手段308とにより弁アセンブリ300の本体304に取付けられている。応用にしたがって、プローブ302は弁アセンブリ300の入口側または出口側に取付けられることができる。ピンコネクタ310はプローブ302を制御モジュールと接続することができる。

当業者は前述の説明から、本発明の広い教示が種々の形態で実行されることができることを認識するであろう。それ故、本発明をその特定の例と共に説明したが、その他の変形も図面、明細書、特許請求の範囲を考察して当業者には明白になるであろう。したがって本発明の技術的範囲はそれに限定されるべきではない。

２つの別々の水の流速についての従来技術の流体流速センサにおける時間にわたる温度応答特性を示している例示的なグラフ。 本発明による流体流速センサの概略ブロック図。 本発明の流体流速センサによって使用されるプローブの１実施形態の斜視図。 部分的に断面で示している図３のプローブの正面図。 図３のプローブの端面図。 図３のプローブと共に使用される検出回路の１実施形態の概略図。 本発明の流体流速センサの動作を説明しているフローチャート。 本発明の流体流速センサにおける時間にわたる温度応答特性の変化率を示す例示的なグラフ。 実際の流体流速を有する本発明の流体流速センサの正規化された出力を相関する例示的なグラフ。 部分的に断面で示している本発明の流体流速センサにより使用されるプローブの別の実施形態の正面図。 図１０のプローブの端面図。 図１０のプローブによって使用される検出回路の１実施形態の概略図。 本発明による流体流速センサを含んでいる弁アセンブリの斜視図。 図１３の弁アセンブリの端面図。 逐次的に更新された出力を与えるモードで動作するときの、本発明の流体流速センサの時間にわたる温度応答特性を示す例示的なグラフ。

Claims (16)

1. 流体の温度変化を自動的に補償する流体速度センサにおいて、
   検出モジュールを具備するプローブと、
   前記プローブに電気的に接続されている制御モジュールと、
   前記制御モジュールに接続され、前記制御モジュールの出力を別の装置またはユーザに転送するＩ／Ｏモジュールとを具備し、
   前記検出モジュールは、加熱されている第１のサーミスタと、加熱されている第２のサーミスタと、加熱されていない第３のサーミスタと、加熱されていない第４のサーミスタとを有する検出回路と、加熱抵抗を有している加熱回路とを具備し、
   前記検出回路の第１のサーミスタは第３のサーミスタと直列に結合されて４ワイヤのブリッジ回路の第１の脚部を形成し、第２のサーミスタは第４のサーミスタと直列に結合されて４ワイヤのブリッジ回路の第２の脚部を形成し、第１のサーミスタと第３のサーミスタはそれぞれ第２のサーミスタと第４のサーミスタと並列に結合され、第３と第４のサーミスタは、第１と第２のサーミスタに対して流体の上流に配置され、
   前記検出回路はサーミスタの温度の変化に応答して変化する電圧を出力するように構成され、その電圧は第１と第３のサーミスタとの間および第２と第４のサーミスタの間の温度差を表しており、
   前記加熱回路は、前記検出回路から電気的に絶縁されているが、前記検出回路と熱的には絶縁されておらず、加熱エネルギは前記加熱抵抗から前記加熱されている第１と第２のサーミスタに伝達されるが、前記加熱抵抗から前記加熱されない第３と第４のサーミスタには伝達されないように構成され、
   前記制御モジュールは、時間にわたって前記検出モジュールの検出回路の出力電圧を監視し、時間にわたる前記検出回路の出力電圧の変化率を決定し、流体の流速を示す出力を生成するように構成されている流体速度センサ。
2. 前記制御モジュールは時間にわたってサーミスタの温度の変化率を決定する請求項１記載の流体速度センサ。
3. 前記検出モジュールは熱伝導ポリマーのカプセルに収容されている請求項１記載の流体速度センサ。
4. 前記プローブは流体通路を含むプローブ本体を有しており、
   前記検出回路と前記加熱回路は、プローブ本体の前記流体通路内において前記検出モジュールのセラミック基板の部分上に前記第１乃至第４の全てのサーミスタと加熱抵抗とが配置されるように構成されている請求項１記載の流体速度センサ。
5. 検出モジュールは方形形状であり、その長さと幅の比率は３対２であり、検出モジュールの幅はプローブ本体の縦軸に沿って測定された長さである請求項４記載の流体速度センサ。
6. 検出モジュールは前記流体通路中を流れる流体の方向に対して垂直であり、検出モジュールは熱伝導のポリマーで構成されているハウジングに収容されている請求項４記載の流体速度センサ。
7. 流体の温度変化を自動的に補償する流体速度センサのためのプローブにおいて、
   管状部材で構成され、その縦軸に沿って延在する流体通路を有する本体と、
   検出回路と加熱回路を具備している検出モジュールとを具備し、
   前記検出回路は、前記縦軸に沿って延在する流体通路内に位置する基板の部分上に配置されている第１、第２、第３、および第４のサーミスタを具備し、第１のサーミスタは第３のサーミスタと直列に結合されて４ワイヤのブリッジ回路の第１の脚部を形成し、第２のサーミスタは第４のサーミスタと直列に結合されて４ワイヤのブリッジ回路の第２の脚部を形成し、第１のサーミスタと第３のサーミスタはそれぞれ第２のサーミスタと第４のサーミスタと並列に結合され、
   前記検出回路は、４ワイヤのブリッジ回路を横切る第１と第３のサーミスタの間と第２と第４のサーミスタの間との温度差を表しており、
   前記加熱回路は、前記流体通路内に位置する基板の部分上の第１および第２のサーミスタに近接して配置された加熱抵抗を具備し、
   前記加熱回路は、前記検出回路からは電気的に絶縁されているが、前記検出回路と熱的には絶縁されておらず、加熱エネルギは前記加熱抵抗に近接して配置されることにより前記加熱抵抗から第１および第２のサーミスタに伝達されるが、前記加熱抵抗からの加熱エネルギは第３とおよび第４のサーミスタには伝達されないように構成され、
   前記第３および第４のサーミスタは加熱されておらず、第１と第２のサーミスタに対して流体の上流に配置されている流体速度センサのプローブ。
8. 前記基板はセラミックで構成されている請求項７記載のプローブ。
9. 前記検出モジュールは熱伝導性のポリマーのカプセルに収容されている請求項７記載のプローブ。
10. 前記本体はさらに、前記流体通路内に配置されているハウジングを具備し、前記検出モジュールはその一部が通路内に位置するようにハウジング内に受入れられている請求項７記載のプローブ。
11. 前記検出モジュールの全てのサーミスタは前記流体通路内に位置されている請求項１０記載のプローブ。
12. 前記本体は熱伝導性のポリマーで構成されている請求項７記載のプローブ。
13. 流体ライン中の流体の温度変化を自動的に補償するように構成された流体の流速センサにおいて、
    流体ラインと連通して流体を流す通路を有している請求項７記載のプローブと、
    前記プローブに電気的に接続されている制御モジュールとを具備し、
    前記制御モジュールは、ブリッジ回路を横切る温度差を監視して、時間にわたってその温度差の変化率を決定し、流体の流速を示す出力を生成するように構成されている流体速度センサ。
14. 請求項１記載の流体流速センサの動作方法において、
    前記プローブを通って流体を流すのに先立って、加熱される第１のサーミスタと加熱される第２のサーミスタとを予め加熱し、
    前記第１のサーミスタと第２のサーミスタとが予め加熱されて加熱された状態になった後に流体の流動を開始し、
    時間にわたって前記複数のサーミスタの温度を測定し、
    前記複数のサーミスタの温度の変化率を決定し、
    決定された前記サーミスタの温度変化率を流体の流速に相関させるステップを含んでいる方法。
15. さらに、流体の流速を表す出力信号をＩ／Ｏモジュールへ提供するステップを含んでいる請求項１４記載の方法
16. 温度の変化は、４ワイヤのブリッジ回路の第１の脚部のサーミスタと４ワイヤのブリッジ回路の第２の脚部のサーミスタとの間の温度差を識別することにより測定される請求項１４記載の方法。

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