JPS6140923B2

JPS6140923B2 -

Info

Publication number: JPS6140923B2
Application number: JP54079807A
Authority: JP
Inventors: Piitaa Ueisutora Maruten
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1979-06-26
Publication date: 1986-09-11
Also published as: JPS556296A; FR2430001A1; DE2925007C2; FR2430001B1; US4272995A; SE7905477L; GB2024431B; NL7806827A; IT7923815A0; IT1121901B; DE2925007A1; GB2024431A; SE445073B

Description

【発明の詳細な説明】本発明は陽極と陰極との間に発生されたイオン
ビームをガス流により偏向させてガスの流量を測
定するイオン式ガス流量計に関するものであつ
て、このガス流量計は陽極と陰極に接続されてイ
オン電流を発生させる高電圧源と、イオン電流の
偏向量を測定しガス流量に比例する量を決定する
測定装置を具え、この測定装置は陽極と陰極との
間の電圧Ｖを測定する電圧測定装置と、全イオン
電流Ｉを測定する第１電流測定装置と、偏向量を
表わす差電流ｉを測定する第２電流測定装置と、
更に演算増幅器と乗算回路を含み、これら測定装
置により測定された量を受信し前記ガス流量に比
例する量を出力する計算ユニツトとを具える。

斯る流量計は米国特許第3648517号明細書によ
り既知である。ガス流は陽極と陰極が設けられた
管内を流れる。陽極と陰極は支持体により管の軸
線方向に支持された棒体上に取り付けられた円板
と、管の内壁に沿つて配置された抵抗材料の円筒
で構成される。円板はイオン源として作動し、円
筒はイオンコレクタとして作動する。高電圧源は
棒体と円筒との間に外部接続により接続する。電
圧は、コロナ放電が発生し、イオン電流が円板か
ら円筒に半径方向に流れるように選択しておく。
ガスの流速が零の場合、イオン電流の半分が円筒
の一端の接続線に現われ、残りの半分が円筒の他
端の接続線に現われる。ガスの流速が零でない場
合、イオンは軸線方向に偏向される。これがため
イオンビーム全体が移動され、ビームのイオンコ
レクタ上の衝突位置がシフトされる。両端の接続
線は同一電位に維持するので、イオンコレクタの
抵抗値により電流の分配が生じ、ガス流の上流側
の接続線への電流i₂が全イオン電流Ｉの半値より
大きくなり、下流側の接続線への電流i₁が全イオ
ン電流の半値より小さくなる。

イオンビームは同一の半径方向速度と軸線方向
速度を有する互に平行なイオン電流から成るもの
と仮定すると、ビームの偏向量Ｄは軸線方向速度
ｖ_ax÷半径方向速度ｖ_rad、即ちガスの流速÷電界
によるイオン速度に比例し、また差電流ｉ（＝i₂
−i₁）÷全電流Ｉに比例する。即ち、Ｄ＝１／２Ｌ・ｉ／Ｉ (1) 及びＤ＝ｒ・Ｖ_ａｘ／ｖ_ｒａｄ (2) ここで、Ｌはイオンコレクタの両端の接続線間
の長さ、ｒはイオン源とイオンコレクタとの間の
距離である。

実際上、式(1)及び(2)は、既知の装置の場合のよ
うにイオンビームが上記の仮定に従わない場合に
も高精度で適用し得ることが確かめられている。
上記の速度としては平均速度を取る。同様に、イ
オンの平均移動度ｍを用い、局部電界強度が印加
電圧Ｖに比例するものとすると、移動度の定義か
ら平均移動度ｍはｍ＝Ｃ_n・ｖ_ｒａｄ／Ｖ (3) となる。ここでＣ_nは定数である。

式(1)及び(2)から、ｉ＝C₁・Ｉ・ｖ_ａｘ／ｖ_ｒａｄ (4) となる。ここでC₁＝2r／Ｌである。

式(4)を式(3)と合成すると、ｉ＝C₁・Ｃ_n・１／ｍ・Ｉ／Ｖ・Ｖ_ax (5) 又はＶ_ax＝ｍ／Ｃ_１・Ｃ_ｎ・Ｖ／Ｉ・ｉ (6) となる。

式(6)にガス流路の横断面の実効面積Ｏを掛けれ
ば、体積流量Fvを表わす式(7)が得られる。

Ｆ_v＝Ｏ・ｍ／Ｃ_１・Ｃ_ｎ・Ｖ／Ｉ・ｉ (7) 式(7)にガスの密度ｄを掛ければ、ガスの重量流
量Fmを表わす式(8)が得られる。

Fm＝Ｏ・ｍ・ｄ／Ｃ_１・Ｃ_ｎ・Ｖ／Ｉ・ｉ (8) 移動度と密度の積ｍ・ｄが一定であり、更に比
Ｖ／Ｉが一定に維持されるものと仮定すると、式
(8)は電流ｉを測定することによりガスの重量流量
を測定できることを示す。

前記米国特許による重量流量計はこの原理に基
づいている。この目的のために、演算増幅器と、
正しく調整すると乗算器となるブリツジ回路を構
成する抵抗とから成る計算ユニツトを設け、電圧
Ｖ、全電流Ｉ及び差電流ｉを測定し、比Ｖ／Ｉを
高電圧源に接続された制御回路により一定に維持
すると共に、出力端子にはｉに比例し、従つて式
(8)に従つた重量流量を表わす電圧が得られるよう
にしている。

この流量計の使用は積ｍ・ｄが一定でなければ
ならないという条件により著しく制限される。こ
の積はガスの圧力、従つてガスの密度とは約１気
圧（10⁵パスカル）を中心に広範囲に亘り無関係
であるが、ガスの温度及び水蒸気等の不純物とは
無関係でない。密度は圧力に比例し、絶対温度に
逆比例し、また水蒸気の含有量に対し補正する必
要がある。他方、イオンの移動度は密度に逆比例
し、一定密度では温度の増大につれて増大すると
共に特定のガスでは含水量が増大するにつれて減
少する。例えば温度差が100℃で相対湿度が10〜
90％変化するような気候状態における大気に対し
ては移動度と密度の積は数拾パーセント変化し得
る。

本発明は、圧力、温度、含水量等のガス特性が
大きく変化する状態の下でガスの流速、体積流量
又は重量流量を高精度、例えば１％以下の誤差で
測定し得る流量計を得るためには移動度と、必要
に応じ密度を測定する必要があるという認織に基
づいて為したものである。

これらの測定を実現するために、本発明ではコ
ロナ放電に関する既知の式及び上記式(6)、(7)及び
(8)を利用する。

即ち、本発明は上述のイオン式ガス流量計にお
いて、前記測定装置に高電圧源に結合された変調
器を設け、これによりＩ−Ｖ曲線上の動作点の電
流Ｉ及び電圧Ｖをそれぞれ小量dI及びdVだけ変
化させると共に、dI／dVで定義される前記動作
点における傾きＳを表わす信号を前記計算ユニツ
トに供給し、該計算ユニツトにより、前記測定し
た緒量から電圧Ｖの関数としてのコロナ電流Ｉの
式及び偏向の関数としてのｉの偏向式を用いて、
ガスの流量に比例し圧力や温度等の物理的パラメ
ータと無関係の出力量を得るようにしたことを特
徴とする。

これがため、本発明は電子装置で簡単且つ安価
に製造し得る極めて精度の良い風速計を提供する
ものである。

本発明の他の例では計算ユニツト内に定数乗算
を含めることにより体積流量計が得られる。

本発明の更に他の例では、計算ユニツトをガス
の密度に比例する係数乗算を行なうようにして前
記出力量がガスの重量流量を表わすようにする。
この場合、密度は計算ユニツトにおいてガス定
数、温度及びガス圧から計算することができ、こ
の目的のために温度及び圧力のための適当なトラ
ンスジユーサをガス流内に配置することができ
る。

しかし、本発明は、密度をＶ及びＳのような測
定電気量からガス放電理論から導出し得る式を用
いて計算する計算ユニツトを具える重量流量計も
提供するものである。ガス放電理論は、コロナ放
電が開始する開始電圧Vsとガスの圧力、即ちガ
スの密度との間に幾分パラボラ状の関係があるこ
とを示す。印加電圧ＶもVsに関連するので、電
圧Ｖで表わされた密度の式を得ることができる。
この式に、傾きＳを用いて含水量及び温度に対す
る補正項を挿入して密度ｄと測定出力電気量との
間に誤差が１％以下の関係が得られるようにする
ことができる。

本発明の利点は、簡単な電子装置によつてガス
流量を決定する変数を既知の測定値Ｖ，Ｉ及びｉ
と本発明で提案する動作点におけるＩ−Ｖ曲線の
傾きＳを測定して得られる値とから計算すること
ができる点にある。この場合、移動度測定と密度
測定を両方とも行なうことができる。電圧Ｖと全
イオン電流Ｉの測定値を用いて高電圧源内の制御
回路を制御することもできること明らかである。
この場合イオン式流量計は一定の電圧Ｖ、一定の
電流Ｉ又は一定のＶ／Ｉで作動することができ
る。この場合計算ユニツトのこれら電気量の入力
は省略或は乗算係数と置換することができる。し
かし、定電圧制御は電流動作点がＩ−Ｖ曲線の傾
きのために相当変化し、コロナ放電が不安定とな
る欠点を有する。Ｖ／Ｉ制御は一層安定な動作範
囲を提供し、定電流制御を行なう。

本発明で用いる変調器には発振器を設け、これ
により高電圧源に、動作点の小変化（この変化は
電圧の水変化Ｖ±dVと電流の小変化Ｉ±dIで表
わすことができる）が得られるような信号を供給
する。この変調器は値dV及びdIを例えば前記発
生器で制御されるサンプルホールド回路により測
定することができる。次いで割算回路により傾き
Ｓを得る。この場合、一方の値を一定に維持し、
他方の値を測定することにより傾きＳの測定を簡
単とすることができる。これがため定電流制御の
場合には一定のdI変調を用いるのが有利である。
この場合１個のサンプルホールド回路を用いて
dVを測定し、これを計算ユニツトにＳの尺度、
即ち１／Ｓとして供給することができる。

高電圧源の変調は種々の方法、例えばDC−DC
変換器の二次回路内の内部抵抗値を変化させる、
変調器の発振器により制御される交流電圧源を
DC−DC変換器の二次回路と直列に接続する、又
はDC−DC変換器の一次回路のパラメータ、例え
ばパルス幅を変化させることにより達成すること
ができる。二次回路を制御する方法は高速にでき
るが、一次回路をスイツチングする方法は時間が
かゝる。変調器Ｍは、dI及びdVを測定し、傾き
Ｓの明確な値を得ることができるようにする必要
がある。この場合、同調フイルタと平滑装置を用
いる変調技術を用いることができる。或は又、サ
ンプルホールド回路を用いてピーク値を記憶する
こともできる。その理由は、Ｓ測定はガスパラメ
ータがステツプ状に変化した場合新しい値になる
までに数秒を要するためである。

測定された全ての電気量は変調によるリツプル
成分を含むので、フイルタ及び平滑回路を用いて
Ｖ，Ｉ及びｉの平均値を得ることもできる。それ
らの時定数は全ての測定値に対し同一に選択する
のが好適である。

しかし、ガスパラメータの急激な変化を検出
し、高精度の流量測定が必要な場合には、種々の
時定数をこれに適合させる必要があり、これが不
可能な場合は応答速度の速いデータ処理回路を用
いる測定方法を選択する必要がある。

この目的のために、本発明の他の例に従つて出
力電気量に対する式に含まれるフアクタと、ガス
イオンの移動度とガス密度の積の物理的特性を用
いるのが好適である。従つて、本発明のイオン式
流量計では、計算ユニツトに乗算器を設け、これ
により測定値Ｖ，Ｉ及びｉから測定すべき出力量
に１つのフアクタとして含まれる値Ｖ・ｉ／Ｉを
導出する。

式(6)、(7)及び(8)から明らかなように、値Ｖ・
ｉ／Ｉはこれら式内の１つのフアクタである。ガ
ス特性が一定で、その流れが一定の場合、このフ
アクタも一定となり、従つて電気的変化とは無関
係となる。このことはまた、dV及びdIによる変
調は前記フアクタの変化を生じないため、変調に
対する自動フイルタ作用が得られることを意味す
る。従つて、各別のフイルタ及び平滑装置は不要
で、前記フアクタはガス特性の変化に無視し得る
遅れで応答する。

この高速応答は重量流量計に対し特に有利であ
る。この場合移動度と密度の積の特性を用いるこ
とができる。この目的のために、本発明イオン式
流量計の一例においては、計算ユニツトに乗算機
を設け、これによりガスイオンの移動度ｍとガス
の密度ｄとの積に比例する値ｍ・ｄを決定すると
共に、測定装置にこれら量に対する時定数回路を
設けて測定装置におけるこれら量を測定する時定
数を実際上等しくし、その結果として値ｍ・ｄが
ガスの急激な圧力変化と略々無関係となるように
する。

更に、速い温度変化が予想され、流量測定にお
いて斯る温度変化を考慮する必要がある場合に
は、積ｍ・ｄをその温度依存量の関数である値で
割算することによりｍ・ｄ測定値をその温度依存
量について補正することができる。この目的のた
めには、測定ガス温度に応答してこの関数を発生
する関数発生器を用い、これにより上記値を有す
る信号を発生させる必要がある。この信号をｍ・
ｄ積と同一の時定数を有する遅延回路に通した後
にこの積の除数として用いると、その結果はガス
温度と無関係になる。次いで、上記の結果に上記
関数発生器からの遅延してない直接信号とを乗算
することにより重量流量測定値を補正することが
できる。斯くして、温度及び圧力変化に迅速に応
答する流量計が得られる。温度トランスジユーサ
を例えば半導体材料で造り、関数発生器を絶対温
度（〓）に比例する電圧を出力する増幅器とする
と、相当の改善が達成される。例えば大気に対し
てはｍ・ｄ／Ｔが適当な温度範囲に亘り一定とな
ることを確かめた。

温度関数がもつと複雑な場合には、関数発生器
に加算器、減算器及び乗算器を設けることができ
る。

本発明の他の例では、ガス流内に温度トランス
ジユーサを配置し、これを関数発生器に接続し、
これにより温度依存信号を乗算器の一方の入力端
子及び値ｍ・ｄの時定数に等しい時定数を有する
遅延回路に供給し、且つ遅延回路の出力端子を割
算器の除数入力端子に接続すると共に該割算器の
乗数入力端子に値ｍ・ｄを受信させ、該割算器の
出力端子を前記乗算器の他方の入力端子に接続し
てガス温度と無関係の信号を供給する。

本発明イオン式流量計の更に他の例は大気の重
量流量を測定するようにする。この目的のため
に、この例では高電圧源に全イオン電流Ｉを一定
に維持する制御装置を設け、変調器により高電圧
源の制御入力端子に周期的信号を供給して電流Ｉ
を一定量dIだけ変化させ、且つ該変調器は高電圧
Ｖを測定してこの高電圧からdIに対応する量dV
を導出し、dVに比例する信号を傾きＳの尺度と
して発生するよう構成し、計算ユニツトによりｄ
＝C₃・Ｖ（Ｖ＋ｙ＋ｘ／Ｓ）に従つて空気の密度ｄを計算して（ここで、C₃、ｙ及びｘは定数）、計算
ユニツトの出力端子に、空気の重量流量に比例し
前記物理的パラメータと略々無関係の信号が得ら
れるようにする。

上記の例では電子測定装置及び信号処理装置が
複雑でなく、且つ例えば内燃機関の空気／燃料混
合気の空気の重量流量を広い圧力、温度及び湿度
の変化範囲に亘つて高精度に測定できる利点があ
る。本発明が基づく原理、即ちコロナ放電のＩ−
Ｖ曲線が放電の動作点におけるその傾きに追加の
情報を含む事実に基づく原理を説明するために、
理論的に説明する。ガス放電理論に関する前記及
び後記の式については例えば“Dielectric
Phenomena electrical discharges in gasses”
S.whitehead著、1927年、Ernest Benn Lim.発
行、ロンドン、pp99−101及び134、135に記載さ
れている。

コロナ放電に使用される式はＩ＝Ｃ_i・ｍ・Ｖ・（Ｖ−Vs） (9) である。ここで、Ｉは全イオン電流、Ciは測定
放電装置の直径や長さ等の機械的量に依存する定
数、ｍはイオン移動度、Ｖは印加電圧、Vsは放
電開始電圧である。

電圧について微分すると、Ｓ＝ｄＩ／ｄＶ＝Ci・ｍ・（2V−Vs） (10) となる。ここでＳは値Ｉ及びＶの動作点における
傾きである。

式(9)及び(10)を合成すると、 Vs＝Ｖ・ＳＶ−２Ｉ／ＳＶ−Ｉ (11) となり、式(10)及び(11)を合成すると、ｍ＝１／Ｃｉ・Ｓ／Ｖ・ＳＶ−Ｉ／ＳＶ(12) となる。こうして、イオン移動度は測定量Ｓ，Ｖ
及びＩで表わされる。

式(12)を式(6)、(7)及び(8)に代入すると、その結果
は、前記量Ｓ，Ｖ及びＩを測定し、場合によつて
更に密度ｄ及びｉを測定することにより増幅器及
び乗算回路を含む計算ユニツトにより正しい式を
用いてガスの流速、体積流量及び重量流量を表わ
しガスの物理的特性と無関係の出力量を得ること
ができることを表わす。

定Ｉ−制御及び定Ｖ−制御の場合、大気に対し
てはフアクタ（SV−Ｉ）／SVは極く僅か変化す
るだけであるため、このフアクタを一定とみな
し、計算ユニツトを簡単としてもかなり高精度の
流量計を得ることができることを確かめた。

この場合、式(6)及び(7)は定数×Ｓ・ｉとなる。
今、Ｓ測定を一定のdIで行なうものとすると、こ
の値は定数×ｉ／ｄＶ（13）となるため、この場合にはｉ及びdVのみを測定
し、これらを互に割算するだけでよい。

図面につき本発明を説明する。

第１図は測定すべきガスが流れる管１と、高電
圧源２と、測定装置３を具えるイオン式ガス流量
計を示す。その流速、体積流量又は重量流量を測
定すべきガスは入口４から管１に入り、矢５で示
すように管の出口６へ流れる。棒体７を管１内に
薄い空気力学的形状の絶縁体８及び９により支持
する。軸線方向に延在する棒体７は絶縁体９及び
管壁を貫通する接続線１０及び端子１１を経て高
電圧源２に接続する。棒体７は円板１４を具え、
この円板は本例では陽極として作動し、イオン源
を構成する。陰極は２部分１５及び１６から成る
金属円筒で、これは絶縁スリーブ１７により管１
から絶縁される。部分１５及び１６はギヤツプ１
８により互に絶縁される。円板１４とギヤツプ１
８は管１の同一断面に位置する。高電圧Ｖの印加
により、円板１４は周囲のガス内に正イオンを発
生し、これらイオンはガス流速が零のときは棒体
１７、円板１４と円筒１５，１６との間の電界の
ために円筒１５及び円筒１６に矢１９及び２０で
示すように同数づつ移行する。円筒１５に到達し
たイオンは電流i₁を発生し、これが端子２１に得
られると共に、円筒１６に到達したイオンは電流
i₂を発生し、これが端子２２に得られる。全電流
Ｉはi₁とi₂の和に等しく、測定抵抗を経て大地に
戻される。

このように、本発明では陰極を前記既知の流量
計のように抵抗材料の単体の円筒で構成しない
で、幅狭ギヤツプ１８で互に絶縁された高導電材
料の２個の円筒で構成する。ギヤツプ１８は第１
図に示す形状に限らず断面１４−１８の両側に対
称に位置するジグザグ形状にしてもよい。どちら
の形でもイオン分布及びイオンビーム偏向に差は
生じない。

測定装置３は差電流ｉ、全電流Ｉ及び電圧Ｖの
各測定回路を具え、更に変調器Ｍと計算ユニツト
Ｃを具える。

差電流ｉの測定回路は端子２２からの電流i₂の
測定抵抗２３と、端子２１からの電流i₁の測定抵
抗２４（測定抵抗２３と同一値）と、減算器とし
て作動する演算増幅器２５とで構成する。抵抗２
６，２７，２８及び２９は同一値とする。抵抗２
３の両端間のi₂に比例する電圧を増幅器２５の非
反転入力端子３０に供給すると共に抵抗２４の両
端間のi₁に比例する電圧を増幅器２５の反転入力
端子３１に供給してi₂−i₁＝ｉに比例する電圧を
出力端子３２に得る。この信号ｉを計算ユニツト
Ｃの入力端子３３に供給する。

全電流Ｉの測定装置は抵抗３４とバツフア増幅
器３５で構成し、その出力端子にＩに比例する電
圧を発生させ、これを計算ユニツトＣの入力端子
３７及び変調器Ｍの入力端子３８に供給する。

高電圧Ｖの測定装置は分圧器３９，４０とバツ
フア増幅器４１で構成し、その出力端子にＶに比
例する電圧を発生させ、これを計算ユニツトＣの
入力端子４３及び変調器Ｍの入力端子４４に供給
する。更に、変調器Ｍを高電圧源２の制御入力端
子１３に接続して管１内のコロナ放電の動作点を
小量だけ周期的に変化させる。

高電圧源２は例えばＩを一定に制御するために
周波数又はパルス幅制御されるDC−DC変換器を
具えるタイプのものとすることができる。更に、
この制御は前記動作点の変調を達成するために用
いることができる。コロナ放電の適当な動作範囲
は例えば10〜30μＡの電流で７〜14KVである。
15μＡの定電流において電圧は例えば８〜13KV
に亘り変化し得る。例えば1.5μＡの変調を用い
ると、電圧は約１％変化する。これは陽極及び陰
極の機械的寸法及び測定すべきガスとそのパラメ
ータに依存すること勿論である。

上述のセツテイングの場合、傾きＳは10〜20μ
Ａ／ＫＶの範囲とすることができる。

変調器ＭはＩ及びＶに関するデータからＳ又は
１／Ｓに比例する量を取り出し、この量を出力端
子４６から計算ユニツトＣの入力端子４７に供給
する。流量に関する計算値は計算ユニツトＣの出
力端子４８に得られる。

第２図は計算ユニツトＣのブロツク図を示し、
この計算ユニツトは次の関係式に適応するもので
ある。

Ｆ_v＝Ｃ_v・ｉ／Ｖ・ＳＶ−Ｉ／Ｉ（14）ここで、Ｆ_vは体積流量、Ｃ_vはＯ／C₁・Cm・
Ciに等しい定数であり、式（14）は式(7)と(12)を
合成して得られる。

乗算器４９，５０，５１及び５２はＶ_a・Ｖ_b＝
定数×Ｖ_cの関係、即ち入力端子ａの電圧に入力
端子ｂの電圧を乗算した結果が出力端子Ｃの電圧
に比例する関係を満足するものである。これら乗
算器としてはアナログ装置のタイプAD534を用い
ることができ、これら乗算器は演算増幅器５３及
び５４と合体することができる。測定装置全体を
電流ミラーを用いる電流源を具える集積回路に構
成する場合には、Raytheon4200のようなI₁・I₂／
I₄＝定数×I₃型の乗算器を用いることができる。

動作は次の通りである。乗算器４９はその出力
端子ＣからK₁・Ｓ・Ｖに等しい電圧（ここでK₁
はＳ及びＶの係数と乗算器４９の係数を含む定
数）を増幅器５３の入力端子５５に供給する。増
幅器５３の出力端子５７から乗算器５０の入力端
子５０ａ、出力端子５０ｃ、抵抗５８を経て増幅
器５３の反転入力端子５６に至る負帰還の結果と
して入力端子５５及び５６の電圧は一定に維持さ
れて、入力端子５６は電圧K₁SVとなる。出力端
子５７の電圧がV₀の場合、出力端子５０ｃは電
圧K₂・V₀・Ｉ（ここでK₂は電流Ｉの定数及び増
幅器５０の定数を含む定数である）を供給する。
抵抗５８と５９の電流は同一であるから、（K₂・V₀・Ｉ−K₁・SV）／R₅₈＝（K₁・SV−K₃・Ｉ）／R₅₉ （15）となる。ここでK₃は電流Ｉの係数であり、K₃Iは
入力端子３７の電圧である。式（15）からK₄・
（SV−Ｉ）／Ｉに等しいV₀を得ることができる。

この目的のために、抵抗５８を例えば可変とし
てSV及びＩの乗算係数が等しくなるよう調整す
ることができるようにする。

乗算器５１はその出力端子５１ｃから増幅器５
４の非反転入力端子６０に積ｉ・V₀を供給す
る。増幅器５４の出力端子６２から乗算器５２の
入力端子５２ｂ、出力端子５２ｃを経て反転入力
端子６１に至る負帰還のため、入力端子６１の電
圧もｉ・V₀に比例する。ここで、出力端子６２
の出力電圧がU₀で、入力端子５２ａの電圧が
K₅・Ｖであるものと仮定すると、K₅・Ｖ・U₀＝
K₆・ｉ・V₀となるため、積ｉ・V₀がＶで割算さ
れてU₀が得られる。

端子４８に得られる電圧は式（14）で与えられ
る関係を満足すること明らかである。

第２図はガスの重量流量も測定することができ
るよう構成されている。式(7)及び(8)から明らかな
ように、重量流量は式（14）に密度ｄを乗算する
ことにより得ることもできる。密度ｄはガスの圧
力及び温度の物理量から、圧力値を温度値で割算
して計算する。

この目的のために、第１図のガス流内に圧力ト
ランスジユーサ１４９を設け、これを接続線１５
１を経て計算ユニツトＣの入力端子１５０に接続
すると共に、温度トランスジユーサ１５２を設
け、これを接続線１５３を経て計算ユニツトの入
力端子１５４に接続する。

第２図において、関数発生器１５５は入力端子
１５０の測定圧力値を、測定圧力範囲が直線性を
要求する場合は圧力Ｐに比例する値に変換する。
このＰ値を乗算器１５７と増幅器１５８から成る
割算器の乗数入力端子１５６に供給する。同様
に、入力端子１５４の測定温度値を関数発生器１
５９により直線化し、絶対温度Ｔに比例するその
出力値を割算器の除数入力端子１６０に供給し
て、その出力端子１６１にガス密度に比例する信
号を得る。出力端子６２に得られる体積流量を表
わす測定値を乗算器１６２に供給すると共に出力
端子１６１の密度値も供給する。この場合、両値
の積、即ち重量流量がスイツチ１６３を経て出力
端子４８に得られる。

第３図は第１図のブロツクＭ内に使用し得る変
調器のブロツク図を示す。変調器Ｍは発振器６
３、信号K₃Iに対するサンプルホールド回路
SHI、信号K₅・Ｖに対する同様のサンプルホール
ド回路SHV及びＳに比例する電圧を発生する割
算回路Diを具える。

発振器６３はマルチバイブレータで構成し、値
Ｖ_tと零との間で切り換わる矩形波電圧を発生す
る。零電圧のときは高電圧源２への出力端子４５
に何の信号も存在せず、この電圧源は電圧Ｖ及び
電流Ｉを供給する。マルチバイブレータ６３の出
力端子６４をSHI及びSHVのスイツチ６５に接続
する。これらスイツチはマルチバイブレータ６３
が零状態のとき開く。マルチバイブレータの反転
出力端子６６にはこのときＶ_tに対応する電圧が
発生するため、スイツチ６７が閉じ、Ｖ及びＩに
対応する電圧がSHI及びSHVのコンデンサ６８に
それぞれ現われる。

発振器６３が他方の状態に切り換わると、電圧
Ｖ_tが出力端子４５に現われ、高電圧源２が電圧
Ｖ＋dV及び電流Ｉ＋dIを供給する。このとき出
力端子６４が附勢され、出力端子６６が滅勢され
るため、スイツチ６５が閉じ、スイツチ６７が開
く。従つて、Ｉ＋dIに対応する電圧がSHIのコン
デンサ６９に現われ、Ｖ＋dVに対応する電圧が
SHVのコンデンサ６９に現われる。バツフア増
幅器７０及び７１をそれぞれコンデンサ６８及び
６９に接続する。バツフア増幅器７０の出力端子
をトランジスタ７２のベースに接続すると共にそ
の反転入力端子をトランジスタ７２のエミツタに
接続する。このエミツタと増幅器７１の出力端子
との間に抵抗７３を挿入する。トランジスタ７２
のコレクタを抵抗７４を経て接地する。

SHIにおいては、抵抗７３の一端の電圧がＩ＋
dIに比例し、他端の電圧がＩに比例するため、dI
に比例する電流がこの抵抗を経てトランジスタ７
２のエミツタに流れる。小ベース電流を無視すれ
ば、この電流は抵抗７４の両端間にdIに比例する
電圧を発生する。この電圧を割算器Ｄ_iに属する
増幅器７４の非反転入力端子７５に供給する。同
様にSHVはdVに比例する電圧をＤ_iの乗算器７８
の入力端子７７に供給する。乗算器７８及び増幅
器７６から成る割算器Ｄ_iはdI／dV、従つて傾き
Ｓに比例する電圧を出力端子４６に供給する。

dI値を一定に維持すれば、回路SHI及び割算器
Ｄ_iを省略することができるため、この場合には
変調器Ｍは発振器６３と回路SHVのみを具え、
端子７７を出力端子４６に接続すればよいだけと
なる。斯る変調器Ｍは第４図につき説明するよう
に計算ユニツトＣに用いられる。

第４図は大気の重量流量を測定する本発明によ
るイオン式流量計に用いるようにした計算ユニツ
トを示す。高電圧源をＩが一定となるように電流
制御すると共にＩを一定量dIだけ変化させること
により、計算ユニツトＣは簡単となる。Ｖに対す
る入力端子４３、ｉに対する入力端子３３及び
dVに対する入力端子４７が必要とされるだけと
なる。密度に対しては、次の式：ｄ＝C₃・Ｖ（Ｖ＋ｙ＋ｘ／Ｓ）（16）を用い、移動度に対しては式(12)を簡単化した式：ｍ＝１／Ｃ_ｉ・Ｓ／Ｖ・Ｃ_SV （17）を用いる。ここで、Ｃ_SVは値（SV−Ｉ）／SVを
表わし、これを定数とみなす。式（18）、（16）及
び（17）を適用すると、Fmは Fm＝Ｏ・Ｃ_ＳＶ・ｄＩ・Ｃ_３／Ｃ_１・Ｃ_ｎ・Ｃ_ｉ・Ｉ・１／ｄＶ・Ｖ・Ｖ（Ｖ＋ｙ＋ｘ／ｄＩ・dV）・Ｖ・ｉ
（18）または簡単化して Fm＝定数・（Ｖ＋ｙ／ｄＶ＋x₁）・Ｖ・ｉ（19）となる。

第４図において、抵抗７９及び８０は加算回路
を構成し、Ｖ＋ｙに比例する電圧が点８１に得ら
れる。この信号はdVに比例する電圧と共に乗算
器８２と増幅器８３から成る割算回路に供給す
る。出力端子８４には（Ｖ＋ｙ）／dVに比例す
る電圧が得られる。この電圧を定数x₁に対応する
可調整電圧と共に抵抗８５及び８６から成る加算
回路に供給する。量x₁は正及び負電源電圧間に接
続されたポテンシオメータ８７から得る。従つ
て、量x₁は値を調整できるだけでなく、その極性
も選択することができる。これがため、種々のガ
スに対し密度測定値を水分又は不純物の含有量及
び僅かな温度依存量について補正することができ
る。

大気に対してはx₁は一般に負である。（Ｖ＋
Ｙ）／dV＋x₁に対応する和電圧が点８８から得
られ、これを乗算器８９に供給する。この乗算器
は乗算器９０からｉとＶの積も受信する。

これがため、この計算ユニツトにより式（19）
の演算が実現され、その出力端子４８に、大気の
重量流量Fmに比例し大気の温度、密度及び含水
量と無関係の電圧が得られる。

第４図は重量流量測定の所望速度と関連する実
際上の問題を全測定回路内の時定数と関連してど
のように解決し得るかも示す。乗算器９０及び抵
抗９１，９２，９３及びスイツチ９４から成る回
路はＶ・ｉ／Ｉに従つた値Ｖ，Ｉ及びｉの積を発
生する。式（18）及び（19）において電流値Ｉは
定数項に含まれるため、この積は変調時に（Ｖ＋
dV）（ｉ＋di）／（１＋ｄＩ／Ｉ）に変化する。既知のようにＩとdIは一定である。これがため、前記積
は値（Ｖ＋dV）（ｉ＋di）に一定の係数を乗算し
たものとなる。この目的のために、スイツチ９４
を変調周期のＶ及びＩを発生する部分中開く。こ
の場合、抵抗９２及び９３により値ｉに対する最
大の分割比が得られる。変調周期の他の部分中、
即ちＶ＋dV及びＩ＋dIが発生するときはスイツ
チ９４を閉じて、抵抗９３を短絡して小さい分割
比が得られるようにして値ｉ＋diを得る。この場
合、第１分割比÷第２分割比はＩ＋dI／Ｉに等し
くする。例えばこの比を10％とする場合には、抵
抗９１は10キロオーム、抵抗９２は5.2キロオー
ム、抵抗９３は１キロオームとすることができる
スイツチ９４は発振器６３で制御する。

回路素子７９〜８７は移動度と密度の積を与え
る。傾きＳの充分に平滑された値を得るためには
第４図の回路内に抵抗９５とコンデンサ９６より
成る遅延回路を挿入するのが好適である。この場
合乗算器８２はＳの尺度としての値dVを傾きの
ステツプ変化に比較的ゆつくり追従する直流電圧
として受信する。遅延回路９５，９６は主に雑音
及び第３図のスイツチ６５及び６７のスイツチン
グトランジエントを抑圧する作用をなす。

この回路の遅延時定数と、コンデンサ６８及び
６９と関連回路の抵抗値による時定数との和が
dVに対する総合時定数となる。密度測定に対し
ては略々同時の値Ｖを用いる必要があり、この目
的のためにコンデンサ９７を接続点８１と大地と
の間に挿入し、これと抵抗７９及び８０とでＶに
対し前記総合時定数を与える。これにより点８１
の電圧も直流電圧となり、変調dVのリツプル成
分は最早存在しなくなる。このリツプル成分は極
めて小さいので電圧ＶとＶ＋dVから得られる平
均値は略々Ｖに等しくなる。

この設計の結果、積ｍ・ｄを正しく形成するこ
とができる。式（16）及び（17）においてＶの代
りにを代入することができ、式（18）において
積ｍ・ｄの分子のを分母のに対し除去するこ
とができるため、積ｍ・ｄに対し式（19）の括弧
内の項で示す簡単化が得られる。先に述べたよう
に、これらの手段はこの項をガス圧の急激な変化
と無関係にする。積ｍ・ｄ自体は予め圧力の絶対
値と無関係にされている。

これがため、第４図の装置は重量流量の変化に
迅速に応答する重量流量計を提供する。この装置
は温度の変化にも迅速に応答するようにすること
もできる。この目的のためには、上述のようにし
て得られた積ｍ・ｄを同じくゆつくり応答する温
度関数により割算し、次いでこれに高速に応答す
る同一の関数を乗算して、装置全体の安定状態に
おいて両関数が互に相殺し合うようにする。温度
関数は積ｍ・ｄの温度依存性を測定することによ
り得られる。

ガスの温度は第１図のトランスジユーサ１５２
により測定することができる。関数発生器９８を
第４図の入力端子１５４に接続し、この関数発生
器により測定値とその内蔵関数から所望の温度依
存性を有する信号を導出する。この信号を抵抗９
９及びコンデンサ１００から成り、素子７９，８
０，９７による時定数に等しい時定数を有する遅
延回路に通す。この遅延回路の出力端子１０１を
乗算器１０３及び増幅器１０４から成る割算器の
除数入力端子１０２に接続する。その乗数入力端
子１０５は接続点８８に接続して積ｍ・ｄの値を
受信させる。この割算器の出力端子１０６は乗算
器１０８の入力端子１０７に接続し、その他方の
入力端子は出力端子１１０に接続して温度信号を
受信させる。

乗算器１０８の出力端子はスイツチ１１１を経
て乗算器８９に接続する。

この場合、空気の圧力、温度及び含水量と無関
係で、且つガスパラメータの急激な変化に迅速に
応答する空気の重量流量が出力端子４８に極めて
高い精度で得られる。空気中の水分が数秒内で急
変することはありそうもないが、この急変が生じ
た場合には数秒間の間最大で数％の誤差を生じ得
る。

上述の空気の重量流量計は自動車の燃料噴射装
置内の変り易い気候状態の下で使用することがで
きる。その理由は、この流量計は簡単に集積回路
に製造し得る電子回路として実現し得ると共に高
い精度を有するためである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明イオン式ガス流量計の一例を示
す構成図、第２図は第１図の流量計に用いる計算
ユニツトの一例の回路図、第３図は本発明流量計
用変調器の一例の回路図、第４図は本発明による
大気流量計の計算ユニツトの回路図である。１……管、２……高電圧源、３……測定装置、
４……入口、６……出口、５……ガス流、７……
棒体、８，９……支持体、１４……円板（陽
極）、１５，１６……円筒（陰極）、１７……絶縁
スリーブ、１８……ギヤツプ、２１〜３２……ｉ
測定回路、３４〜３６……Ｉ測定回路、３９〜４
２……Ｖ測定回路、Ｍ……変調器、Ｃ……計算ユ
ニツト、３３……ｉ入力端子、３７……Ｉ入力端
子、４３……Ｖ入力端子、４７……Ｓ入力端子、
４８……出力端子、１４９……圧力トランスジユ
ーサ、１５２……温度トランスジユーサ、１５０
……圧力入力端子、１５４……温度入力端子、８
２，８９，９０，１０３，１０９……乗算器、８
３，１０４……演算増幅器、８６，８５……加算
回路、８７……ポテンシオメータ、９５，９６；
９７，７９，８０；９９，１００……遅延回路、
９８……関数発生器、１１１……スイツチ、６
５，６７……スイツチ、６８，６９……コンデン
サ、７０，７１……演算増幅器、７２……トラン
ジスタ、７３，７４……抵抗、７８……乗算器、
７６……演算増幅器、７９，８０……加算回路、
５０，５１，５２，１５７，１６２……乗算器、
５３，５４，１５８……演算増幅器、１５５，１
５９……関数発生器、１６３……スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】１陽極と陰極との間に発生されたイオンビーム
をガス流により偏向させてガスの流量を測定する
イオン式ガス流量計であつて、前記陽極と陰極に
接続されてイオン電流を発生させる高電圧源と、
イオン電流の偏向量を測定しガス流量に比例する
量を決定する測定装置を具え、該測定装置は陽極
と陰極との間の電圧Ｖを測定する電圧測定回路
と、全イオン電流Ｉを測定する第１電流測定回路
と、前記偏向量を表わす差電流ｉを測定する第２
電流測定回路と、更に演算増幅器と乗算回路を含
み、前記測定された電気量を受信する入力端子及
び前記流量に比例する量を出力する出力端子を有
する計算ユニツトとを具えて成るイオン式ガス流
量計において、前記測定装置に前記高電圧源に結
合された変調器を設け、これによりＩ−Ｖ曲線上
の動作点の電流Ｉ及び電圧Ｖをそれぞれ小量dI及
びdVだけ変化させると共に、dI／dVで定義され
る傾きＳを表わす信号を前記計算ユニツトの別の
入力端子に供給し、該計算ユニツトにより、前記
測定された諸量から電圧Ｖの関数としてのコロナ
電流Ｉの式及び偏向の関数としてのｉの偏向式を
用いて圧力や温度等の物理的パラメータと無関係
のガス流量に比例する量を導出するようにしたこ
とを特徴とするイオン式ガス流量計。２特許請求の範囲１記載のイオン式ガス流量計
において、前記計算ユニツトはガス流の横断面積
に比例する定数乗算を行なつて前記出力量がガス
の体積流量を表わすようにしたことを特徴とする
イオン式ガス流量計。３特許請求の範囲１記載のイオン式ガス流量計
において、前記計算ユニツトはガスの密度に比例
する係数乗算を行なつて前記出力量がガスの重量
流量を表わすようにしたことを特徴とするイオン
式ガス流量計。４特許請求の範囲３記載のイオン式ガス流量計
において、前記計算ユニツトにガス流内に配置さ
れた圧力トランスジユーサと温度トランスジユー
サの測定値を受信する入力端子を設け、該計算ユ
ニツトにより測定圧力値、測定温度値及びガス定
数からガス密度を計算するようにしたことを特徴
とするイオン式ガス流量計。５特許請求の範囲３記載のイオン式ガス流量計
において、前記計算ユニツトによりその入力端子
に供給される電気量から密度を計算するようにし
たことを特徴とするイオン式ガス流量計。６特許請求の範囲１、２、３、４又は５におい
て、前記計算ユニツトに、測定値Ｖ、Ｉ及びｉか
ら測定すべき前記出力量に１つのフアクタとして
含まれる値Ｖ・ｉ／Ｉを導出する乗算器を設けた
ことを特徴とするイオン式ガス流量計。７特許請求の範囲６において、前記計算ユニツ
トに、ガスイオンの移動度とガス密度ｄの積に比
例する値ｍ・ｄを決定する乗算器を設け、且つこ
れら量を測定する装置に時定数回路を設けてこれ
ら量を測定する測定装置の時定数が略々等しくな
るようにし、その結果として値ｍ・ｄがガスの急
激な圧力変化と略々無関係になるようにしたこと
を特徴とするイオン式ガス流量計。８特許請求の範囲７記載のイオン式ガス流量計
において、温度トランスジユーサをガス流内に配
置し、該トランスジユーサを関数発生器に接続
し、該関数発生器により温度依存信号を乗算器の
一方の入力端子と値ｍ・ｄの時定数に等しい時定
数を有する時間遅延回路とに供給し、且つ該遅延
回路の出力端子を割算器の除数入力端子に接続す
ると共に該割算器の乗数入力端子に値ｍ・ｄを受
信させ、該割算器の出力端子を前記乗算器の他方
の入力端子に接続してガスの温度と無関係の信号
を発生させるようにしたことを特徴とするイオン
式ガス流量計。９特許請求の範囲５、６、７又は８記載のイオ
ン式ガス流量計において、圧力、温度及び湿度が
変化する大気の流量を測定するために、前記高電
圧源に、全電流Ｉを一定に維持する制御ユニツト
を設け、前記変調器により前記高電圧源の制御入
力端子に周期的に信号を供給して電流Ｉを一定量
dIだけ変化させると共に該変調器に高電圧Ｖの測
定入力端子を設けてこの電圧からdIに対応する量
dVを導出し、dVに比例する信号を前記傾きＳの
尺度として発生させ、且つ前記計算ユニツトによ
りｄ＝C₃・Ｖ（Ｖ＋ｙ＋ｘ／Ｓ）（ただしC₃、ｙ及びｘは定数）に従つて大気の密度ｄを計算して、該
計算ユニツトの出力端子に大気の重量流量に比例
し大気の前記物理的パラメータと無関係の信号が
得られるようにしたことを特徴とするイオン式ガ
ス流量計。