JPH0470519A - Semiconductor flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は半導体式流量計、特に流路中に設置された発熱
源から流体への熱伝達量に基づき流体流量を測定する半
導体式流量計に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a semiconductor flowmeter, particularly a semiconductor flowmeter that measures a fluid flow rate based on the amount of heat transferred from a heat source installed in a flow path to a fluid. Regarding.
[従来の技術]
現在、自動車のエンジンの多くは排気ガスの浄化および
燃費の向上のために、エレクトロニクスを用いた燃焼制
御が行われている。このシステムでは、燃焼に関する複
数の物理量(吸入空気量。[Prior Art] Currently, combustion control is performed in many automobile engines using electronics in order to purify exhaust gas and improve fuel efficiency. This system uses multiple physical quantities related to combustion (intake air volume,
排気ガス中の酸素濃度、吸入空気濃度、エンジン温度等
)をセンサを用いて検出し、この測定値をマイクロコン
ピュータを用いて演算処理し、この処理結果に基づいて
燃料の噴射時期および噴射量を制御している。The system detects the oxygen concentration in exhaust gas, intake air concentration, engine temperature, etc. using a sensor, processes these measured values using a microcomputer, and determines the fuel injection timing and amount based on the processing results. It's in control.
この種の目的に用いられるセンサの中で、吸入空気量を
検出するセンサとして各方式のセンサが現在使用されて
いる。例えば、可動ベーン方式流量計、カルマン渦方式
流量計、熱線式流量計および負圧センサを用いて圧力損
失により空気流量を求める方式の流量計等が現在使用さ
れている。Among the sensors used for this type of purpose, various types of sensors are currently used as sensors for detecting the amount of intake air. For example, movable vane flowmeters, Karman vortex flowmeters, hot wire flowmeters, and flowmeters that use a negative pressure sensor to determine air flow rate based on pressure loss are currently in use.
これらの各流量計は、現在の要求仕様に対しては十分で
ある。しかし、さらに高度な燃焼制御を行うためには、
精度、応答性等の一層の改善か必要である。上記各方式
の流量計は、いずれも一長一短かあるが、精度、応答性
の面からは熱線式流量計か最も期待される。Each of these flowmeters is sufficient for current requirements. However, in order to perform more advanced combustion control,
Further improvements in accuracy, responsiveness, etc. are required. Each of the above-mentioned types of flowmeters has advantages and disadvantages, but hot wire flowmeters are the most promising in terms of accuracy and responsiveness.
第13図には、前記熱線式流量計のように発熱源を用い
て流体流量を測定する熱式流量計の原理図が示されてい
る。温度Tfの流体10の流路に、流体温度より高い温
度Thに加熱された発熱体20を設置すると、発熱体2
0から流体10へ奪われる熱量QLは、一般に流体10
の質量流量(ρ・V)と、各温度Th、Tfの関数とし
て次式で表される。FIG. 13 shows a principle diagram of a thermal flowmeter that measures fluid flow rate using a heat source like the hot wire flowmeter. When the heating element 20 heated to a temperature Th higher than the fluid temperature is installed in the flow path of the fluid 10 at the temperature Tf, the heating element 2
The amount of heat QL removed from 0 to the fluid 10 is generally
It is expressed by the following equation as a function of the mass flow rate (ρ·V) and each temperature Th and Tf.
QIDCfL f (ρ・v)、Th、Tf)このよ
うな熱伝達系において、温度Tf、Thを流体10の物
性値の変化が小さい範囲に選ぶと(多くの場合には、こ
の条件下での測定になる)、前記熱量Q1は温度差(T
h−Tf)に比例するため、次式で表されるようになる
。QIDCfL f (ρ・v), Th, Tf) In such a heat transfer system, if the temperatures Tf and Th are selected within a range where the change in the physical property values of the fluid 10 is small (in many cases, under this condition measurement), the amount of heat Q1 is the temperature difference (T
h-Tf), it is expressed by the following equation.
Q1χf2 +ρ ・ v l X (T h
−T f )・・・ (2)
従って、温度差(Th−Tf)を一定に保った場合には
、前記熱量Q1は、単に流体10の質量流量(ρ・V)
の関数となる。Q1χf2 +ρ ・v l X (T h
-T f )... (2) Therefore, when the temperature difference (Th - Tf) is kept constant, the amount of heat Q1 is simply the mass flow rate (ρ・V) of the fluid 10.
becomes a function of
また、発熱体20の温度Thのみを一定に保った場合に
は、流体温度Tfを測定して補正を行うことにより、熱
量Q1と流体流量(ρ・V)との関係を求めることかで
きる。Further, when only the temperature Th of the heating element 20 is kept constant, the relationship between the amount of heat Q1 and the fluid flow rate (ρ·V) can be determined by measuring and correcting the fluid temperature Tf.
従って、発熱体20から流体10へ奪われる熱量Q1を
正確に測定することができれば、この熱量Q1に基づき
流体流量を検出することができる。Therefore, if the amount of heat Q1 taken from the heating element 20 to the fluid 10 can be accurately measured, the fluid flow rate can be detected based on this amount of heat Q1.
第14図には、このような測定原理に基づき作成された
従来の熱線式流量計の一例が示されている。この熱線式
流量計は、発熱体として機能するヒータ20Hの両端に
金属細線22を取付け、両金属細線22を流路側壁に設
けられた取付部24゜24に固定している。そして、金
属細線22を介しヒータ20aを通電加熱し、その発熱
量Qに基づき流体流量を測定している。FIG. 14 shows an example of a conventional hot wire flowmeter created based on such a measurement principle. In this hot wire type flowmeter, thin metal wires 22 are attached to both ends of a heater 20H that functions as a heating element, and both thin metal wires 22 are fixed to mounting portions 24.24 provided on the side walls of the flow path. Then, the heater 20a is energized and heated through the thin metal wire 22, and the fluid flow rate is measured based on the amount of heat generated Q.
しかし、ヒータ20aの発熱IQは、厳密にいうと次式
で表される。However, strictly speaking, the heat generation IQ of the heater 20a is expressed by the following equation.
Q=Ql +Q2 +Q3 ・・ (3)これ
において、前記Qlはヒータ20aから流体10へ直接
奪われる熱量であり、Q2は金属細線22を介し流体1
0へ奪われる熱量てあり、Q3はヒータ20aから金属
細線22を介し取付部24へ伝達される熱量である。従
って、前記Q2゜Q3が大きければ、発熱量Qと流体1
0へ奪われる熱量Qlとか一致せず、流体流量の測定精
度が低下してしまう。二のため、この熱線式流量計ては
、ヒータ20aを支持する部材として前述したように十
分細い金属細線22を用いその熱容量を小さくすること
で前記Q2.Q3を少なくし、測定精度を高めている。Q=Ql +Q2 +Q3 (3) In this, Ql is the amount of heat taken directly from the heater 20a to the fluid 10, and Q2 is the amount of heat taken from the fluid 10 through the thin metal wire 22.
Q3 is the amount of heat transferred from the heater 20a to the attachment portion 24 via the thin metal wire 22. Therefore, if Q2゜Q3 is large, the calorific value Q and fluid 1
The amount of heat Ql removed to zero does not match, and the measurement accuracy of the fluid flow rate decreases. For the purpose of Q2, this hot wire flowmeter uses a sufficiently thin thin metal wire 22 as the member supporting the heater 20a to reduce its heat capacity. Q3 is reduced to improve measurement accuracy.
[発明が解決しようとする課題]
このように、従来の熱線式流量計は、精度、応答性の面
では優れているが、ヒータ20aの支持に金属細線22
を用いているため強度的に弱いという致命的な問題があ
った。すなわち、エンジンの吸入空気量を計測するため
の流量計は、吸気管内に設けられる。このため前記流量
計にはエンジンの振動が直接伝わり、しかもバツクファ
イア時の衝撃があるため、十分な強度がないときには、
使用中に細線22が破損してしまうという問題があった
。従って、現在の熱線式流量計をエンジン制御に使用す
る場合には、吸気管にバイパスを設け、バイパス内に流
量計を設置したり、流量計の後方にプロテクタ等を設置
する等の対策をとる必要があり、熱線式流量計自体が有
する本来の高精度、高速応答性が著しく損なわれてしま
うという問題があった。[Problems to be Solved by the Invention] As described above, the conventional hot wire flowmeter is excellent in terms of accuracy and responsiveness, but the thin metal wire 22 is used to support the heater 20a.
Because it uses That is, a flow meter for measuring the intake air amount of the engine is provided within the intake pipe. For this reason, engine vibrations are directly transmitted to the flowmeter, and there is also the impact of backfires, so if the flowmeter is not strong enough,
There was a problem in that the thin wire 22 was damaged during use. Therefore, when using the current hot wire flowmeter for engine control, measures such as installing a bypass in the intake pipe and installing the flowmeter in the bypass, or installing a protector etc. behind the flowmeter are taken. However, there was a problem in that the inherent high precision and high-speed response characteristics of the hot wire flowmeter itself were significantly impaired.
また、このような問題を解決するために、ヒータ20a
を、例えばセラミックス等で形成された支持体上に設け
ることも考えられるが、このようにすると支持体の熱容
量が大きくなり、これにより前記Q2.Q3の値も大き
くなってしまい、精度、応答性が著しく低下してしまう
という問題があった。Moreover, in order to solve such a problem, the heater 20a
It is also conceivable to provide this on a support made of, for example, ceramics, but if this is done, the heat capacity of the support will increase, and this will result in the above-mentioned Q2. There was a problem in that the value of Q3 also increased, resulting in a significant decrease in accuracy and responsiveness.
[発明の目的]
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、熱線式流量計と同様に精度、応答
性かよく、しかも十分な機械的強度を有する半導体式流
量計を提供することにある。[Object of the Invention] The present invention has been made in view of such conventional problems, and its purpose is to provide a flowmeter with good accuracy and responsiveness, as well as sufficient mechanical strength, like hot wire flowmeters. Our objective is to provide a semiconductor flowmeter.
[課題を解決するための手段および作用]前記目的を達
成するため、本発明は、流体の流路に設置され、前記流
体の流量を測定する半導体式流量計において、
発熱源として形成された半導体素子と、この半導体素子
か取付固定された第1の支持部と、この第1の支持部を
半導体素子が前記流路に位置するよう支持する第2の支
持部とを有する支持体と、
前記第2の支持部に熱流を検出するよう取付られた少な
くとも一対の熱流検出用の温度センサと、前記流体の温
度に対する支持体温度が一定温度差となるよう前記半導
体素子の発熱量を制御する第1の演算制御手段と、
前記半導体素子を駆動し、その消費電力に対応した検出
信号を出力する第2の演算制御手段と、前記温度センサ
対を用いて検出された第2の支持部内の熱流に比例した
検出信号を出力する第3の演算制御手段と、
前記第2および第3の演算制御手段の出力に基づき、前
記半導体素子の発熱量から、支持体を介して放熱される
熱量を減算補正し、前記流体の流量を演算する第4の演
算制御手段と、
を含み、前記温度センサ対の取付けられた第2の支持部
の断面積を81支持体材料の熱伝導率をK、第2の支持
部から流体への最大流量時における単位長さ辺りの平均
熱伝達率をHとした場合、前記温度センサ対は、半導体
素子から(K−5/H)l/2の距離内となるよう第2
の支持部上に配置されたことを特徴とする。[Means and Effects for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor flowmeter that is installed in a fluid flow path and measures the flow rate of the fluid, including: a semiconductor formed as a heat generation source; a support body having an element, a first support part to which the semiconductor element is attached and fixed, and a second support part that supports the first support part so that the semiconductor element is located in the flow path; at least one pair of temperature sensors for detecting heat flow attached to the second support part to detect heat flow; a second arithmetic control means that drives the semiconductor element and outputs a detection signal corresponding to its power consumption; and a second arithmetic control means that drives the semiconductor element and outputs a detection signal corresponding to its power consumption; subtracting the amount of heat radiated through the support from the amount of heat generated by the semiconductor element based on the outputs of the second and third calculation and control means; a fourth calculation control means for correcting and calculating the flow rate of the fluid; If H is the average heat transfer coefficient per unit length at the maximum flow rate from the support part 2 to the fluid, the temperature sensor pair is within a distance of (K-5/H)l/2 from the semiconductor element. The second
It is characterized by being arranged on the support part of.
これにおいて、前記半導体式流量計は、流体温度を検出
する流体温度センサを含み、
前記第1の演算制御手段は、検出された流体温度に対し
前記支持体温度が一定温度差となるよう前記半導体素子
の発熱量を制御することが好ましい。In this, the semiconductor flow meter includes a fluid temperature sensor that detects fluid temperature, and the first calculation control means controls the semiconductor flowmeter so that the support body temperature has a constant temperature difference with respect to the detected fluid temperature. It is preferable to control the amount of heat generated by the element.
さらに、前記温度センサ対に、流体への熱伝導を妨げる
ための温度遮蔽部材を設けることが好ましい。Furthermore, it is preferable that the temperature sensor pair is provided with a temperature shielding member for preventing heat conduction to the fluid.
次に、本発明の半導体式流量計をより具体的に説明する
。Next, the semiconductor flowmeter of the present invention will be explained in more detail.
第1図には、本発明の半導体式流量計の素子部の構成か
示されている。FIG. 1 shows the structure of the element section of the semiconductor flowmeter of the present invention.
この半導体式流量計は、半導体素子として発熱用トラン
ジスタ3oを用いており、この発熱用トランジスタ30
を、支持体4o上に取付固定している。この支持体4o
は、棒状または板状またはそれらの組合せとして構成さ
れるものであり、図においては、発熱用トランジスタ3
oを支持する板状の第1の支持部42と、この第1の支
持部42から延設され取付部46上に固定される棒状の
第2の支持部44とから構成されている。This semiconductor flowmeter uses a heat generating transistor 3o as a semiconductor element, and this heat generating transistor 30
is mounted and fixed on the support 4o. This support 4o
is configured as a rod shape, a plate shape, or a combination thereof, and in the figure, the heat generating transistor 3
It is composed of a plate-shaped first support part 42 that supports the o, and a rod-shaped second support part 44 that extends from the first support part 42 and is fixed on the mounting part 46 .
また、前記第2の支持部44には、発熱トランシタ30
から取付部46へ向けた熱流を検出するために少なくと
も1組の温度センサ対32が設けられ、図においてこの
温度センサ対32は、発熱用トランジスタ30側に設け
られた温度センサ32aと、取付部46側に設けられた
温度センサ32bとから構成されている。Further, the second support portion 44 includes a heat generating transistor 30.
At least one pair of temperature sensors 32 is provided to detect the heat flow toward the mounting portion 46. In the figure, this temperature sensor pair 32 includes a temperature sensor 32a provided on the side of the heat generating transistor 30, and a temperature sensor 32a provided on the side of the heat generating transistor 30, and and a temperature sensor 32b provided on the 46 side.
このように構成された素子部100を、流体10の流路
上に配置し、発熱用トランジスタ30を通電加熱すると
、発熱用トランジスタ30から直接流体10へ奪われる
熱量Q1以外に、発熱用トランジスタ30から支持体4
0への熱伝導により支持体40から流体10へ奪われる
熱量Q2と、支持体40を介し取付部46への熱伝達に
より奪われる熱量Q3とがある。支持体40の熱容量が
大きいと、前記Q2.Q3の値も大きくなる。When the element section 100 configured as described above is placed on the flow path of the fluid 10 and the heat generating transistor 30 is heated by electricity, in addition to the amount of heat Q1 taken directly from the heat generating transistor 30 to the fluid 10, the heat generating transistor 30 is transferred to the heat generating transistor 30. Support 4
The amount of heat Q2 is taken away from the support body 40 to the fluid 10 by heat conduction to the fluid 10, and the amount of heat Q3 is taken away by heat transfer to the attachment part 46 via the support body 40. If the heat capacity of the support body 40 is large, Q2. The value of Q3 also increases.
支持体40から流体10へ奪われる熱量Q2のうち、第
1の支持部42から流体10へ奪われる熱量は、この部
分を発熱用トランジスタ30の形状に合せることにより
十分小さくできるが、第2の支持部44から流体10へ
奪われる熱量Q2は、この部分に十分な機械的強度が要
求されることから小さくすることは難しい。Of the amount of heat Q2 taken from the support body 40 to the fluid 10, the amount of heat taken from the first support portion 42 to the fluid 10 can be made sufficiently small by matching this portion to the shape of the heat generating transistor 30; It is difficult to reduce the amount of heat Q2 taken from the support portion 44 to the fluid 10 because this portion requires sufficient mechanical strength.
従って、発熱用トランジスタ30の発熱量をQとすると
、Ql、Ql、Q3の間には次式で表される関係か成立
し、Ql、Q3の値はQlに対し無視てきない値となる
。Therefore, when the amount of heat generated by the heat generating transistor 30 is Q, the relationship expressed by the following equation holds between Ql, Ql, and Q3, and the values of Ql and Q3 are values that cannot be ignored with respect to Ql.
Q−Ql +Q2 +Q3 、= (3)前述
したように、流体10の流量は、発熱用トランジスタ3
0から直接流体10へ奪われる熱量Q1から求まるもの
であるため、流体流量を検出するためには次式で示すよ
う発熱用トランジスタ30の発熱量Qから、前記Q2.
Q3の値を引いてやることが必要となる。Q-Ql +Q2 +Q3, = (3) As mentioned above, the flow rate of the fluid 10 is
0 directly transferred to the fluid 10, therefore, in order to detect the fluid flow rate, from the heat generation amount Q of the heat generating transistor 30, Q2.
It is necessary to subtract the value of Q3.
Ql =Q−02−Q3 ・・・(4)ここに
おいて、前記(Ql +Q3 )は、第2の支持部44
の熱伝導率をK、断面積を81第2の支持部44の発熱
用トランジスタ近傍での温度勾配をd T/d Lとす
ると、次式で表される。Ql = Q-02-Q3 (4) Here, the above (Ql + Q3) is the second support part 44
When the thermal conductivity of is K and the cross-sectional area is 81 and the temperature gradient near the heat generating transistor of the second support portion 44 is d T/d L, it is expressed by the following equation.
(Ql +Q3 )−−に−3−dT/dLQ3につい
ての検討
ここで、ます前記Q3について検討する。Consideration of (Ql +Q3)−−3−dT/dLQ3 Now, let us first examine the above-mentioned Q3.
例えば、流体10が流れる管12内に、第1の支持部4
2のみか露出するよう素子部100を取付けると、支持
体40から流体10へ奪われる熱量Q2はほとんど無視
てき、Ql−0と考えることかできる。For example, a first support portion 4 is provided in a tube 12 through which fluid 10 flows.
If the element part 100 is mounted so that only 2 is exposed, the amount of heat Q2 taken from the support body 40 to the fluid 10 is almost ignored and can be considered as Ql-0.
この条件の下で、第2の支持部44の温度分布は、第1
2図の特性曲線Aで示すようになり、その温度勾配dT
/dLは第2の支持部44内で定の値となる。Under this condition, the temperature distribution of the second support part 44 is the same as that of the first support part 44.
The temperature gradient dT becomes as shown by the characteristic curve A in Figure 2.
/dL has a constant value within the second support portion 44.
従って、支持体40を介し取付部46に熱伝導で奪われ
る熱量Q3は、一対の温度センサ32a。Therefore, the amount of heat Q3 taken away by heat conduction to the attachment part 46 via the support body 40 is the amount of heat Q3 taken away by the pair of temperature sensors 32a.
32bが第2の支持部44上に配置されている位置によ
ることなく、一対の温度センサ32a32b間の距離を
dL、温度差をdT、温度センサ対32が設けられた領
域44aにおける第2の支持部44の熱伝導率をK、断
面積をSとすると、次式で求められる。32b is arranged on the second support part 44, the distance between the pair of temperature sensors 32a32b is dL, the temperature difference is dT, and the second support in the area 44a where the pair of temperature sensors 32 is provided. Assuming that the thermal conductivity of the portion 44 is K and the cross-sectional area is S, it is determined by the following equation.
Q3−−に−5−dT/dL ・・・(6)これに
おいて、前記熱伝導率に1断面積Sは定数であり、また
温度センサ対32の距離dLも一定であるため、前記温
度センサ対32の温度差dTから、Q3は簡単に求める
ことができる。-5-dT/dL for Q3-- (6) In this, since the cross-sectional area S of the thermal conductivity is a constant and the distance dL between the temperature sensor pair 32 is also constant, the temperature sensor Q3 can be easily determined from the temperature difference dT between pair 32.
従って、このように求めたQ3を、前記(4)式に代入
してやることにより、発熱用トランジスタ30の発熱量
QからQlを正確に演算することかでき、これにより素
子部100全体の構造や、取付部46の温度の影響等を
受けることなく、広い流量範囲にわたって精度よくかつ
簡単に流体流量を計測することが可能となる。Therefore, by substituting Q3 obtained in this way into the above equation (4), it is possible to accurately calculate Ql from the heat generation amount Q of the heat generating transistor 30, and thereby the overall structure of the element section 100, It becomes possible to accurately and easily measure the fluid flow rate over a wide flow rate range without being affected by the temperature of the attachment part 46, etc.
Ql、Q3についての検討
しかし、前述したように熱伝導Q2が無いという条件の
下での流量測定は、液体流量の計測を行う場合等の一部
の場合であり、一般の計測においては、この第2の支持
部44が被測定流体中にさらされQlか無視てきない場
合が多い。Consideration of Ql and Q3 However, as mentioned above, flow rate measurement under the condition that there is no heat conduction Q2 is only possible in some cases, such as when measuring liquid flow rate. In many cases, the second support portion 44 is exposed to the fluid to be measured and Ql cannot be ignored.
第3図は、流体10が流れる管路12内に、支持体40
全体が露出するよう素子部100が配置される場合の一
例である。FIG. 3 shows a support 40 in the conduit 12 through which the fluid 10 flows.
This is an example in which the element section 100 is arranged so that the entire element section 100 is exposed.
前述したように、発熱用トランジスタ30の発熱量Qと
、前述したQl、Q3との間には次式で示す関係か成立
する。As described above, the relationship expressed by the following equation holds between the heat generation amount Q of the heat generating transistor 30 and the above-mentioned Ql and Q3.
Q−Ql +Q2 +03
従って、発熱用トランジスタ30から流体10への奪わ
れる熱量Q1は、
Ql −Q−(Q2 +03 )
で表されることは前述した。Q-Ql +Q2 +03 Therefore, as described above, the amount of heat Q1 taken from the heat generating transistor 30 to the fluid 10 is expressed as Ql -Q-(Q2 +03).
ここにおいて、(Q2 +03 )の値は第2の支持部
44の熱伝導率K、断面積Sと、その発熱用トランジス
タ近傍における温度勾配dT/dLを用いて次式で表さ
れる。Here, the value of (Q2 +03) is expressed by the following equation using the thermal conductivity K and cross-sectional area S of the second support portion 44, and the temperature gradient dT/dL in the vicinity of the heat generating transistor.
(Q2 +Q3 )−−に−5・ (d T/d L)
・・・(5)
ここにおいて、Q2が存在しない前記第2図に示す使用
例の場合には、温度勾配が一定となり、前述したように
簡単にQ3を求めることができる。(Q2 +Q3)−−5・(d T/d L)
(5) Here, in the case of the usage example shown in FIG. 2 where Q2 does not exist, the temperature gradient is constant and Q3 can be easily determined as described above.
これに対し、第2の支持部44から流体10への熱伝達
Q2がある場合には、第12図における特性曲線Bに示
すよう、第2の支持部40上における温度勾配は一定で
はなく複雑に変化する。On the other hand, when there is heat transfer Q2 from the second support part 44 to the fluid 10, the temperature gradient on the second support part 40 is not constant but complex, as shown in characteristic curve B in FIG. Changes to
従って、式(5)において、(Q2 +03 )を求め
るために必要となる発熱用トランジスタ近傍における第
2の支持部44の温度勾配dT/dLは、一般には求め
ることができない。Therefore, in equation (5), the temperature gradient dT/dL of the second support portion 44 in the vicinity of the heat generating transistor, which is necessary to obtain (Q2 +03), cannot generally be obtained.
ここにおいて、温度センサ32bから発熱用トランシタ
30間の領域44bにおける支持体40の形状かその長
さ方向に一様とみなせ、しかも長さ方向の温度分布に対
し横方向の温度分布が小さい場合を想定する。Here, the case where the shape of the support body 40 in the region 44b between the temperature sensor 32b and the heat generating transmitter 30 can be considered to be uniform in its length direction, and the temperature distribution in the lateral direction is smaller than the temperature distribution in the length direction. Suppose.
この場合、発熱用トランジスタ30から第2の支持部4
4へかけての温度分布T (X)は、発熱用トランジス
タ30の加熱温度Th、温度センサ32bの検出温度T
t(ただしT (X2 ) ) 、流体10の温度Tf
を用いて次式で表わされることが知られている。ここで
、Xは発熱用トランジスタ30からの距離を表す。In this case, from the heat generating transistor 30 to the second support portion 4
4, the temperature distribution T (X) is the heating temperature Th of the heat generating transistor 30, and the detection temperature T of the temperature sensor 32b.
t (however, T (X2) ), the temperature Tf of the fluid 10
It is known that it can be expressed by the following equation using . Here, X represents the distance from the heat generating transistor 30.
(以下余白)
T(X) −A −e”” +B −e−””+T
f但し、A、B、 αは次式で表すものとする。(Left below) T(X) −A −e”” +B −e−””+T
f However, A, B, and α shall be expressed by the following formula.
α−fH/ (K −S )l ”’ここにおいて
、前記Hは、単位長さ辺りの第2の支持部44から流体
10への温度差1℃辺りの平均熱伝達率を表し、Kは第
2の支持部44の熱伝導率を表し、Sは第2の支持部4
4の断面積を表し、XI、X2は、発熱用トランジスタ
からの温度センサ32a、32bの位置を表す。α-fH/(K-S)l''Here, H represents the average heat transfer coefficient per unit length of the temperature difference from the second support portion 44 to the fluid 10 of 1°C, and K is represents the thermal conductivity of the second support portion 44, and S represents the thermal conductivity of the second support portion 44;
4, and XI and X2 represent the positions of temperature sensors 32a and 32b from the heat generating transistor.
温度センサ32a、32b間の温度差[T(XI )
T (X2 )コは、第7式の指数項をティラー展開
することにより次式で表される。Temperature difference between temperature sensors 32a and 32b [T(XI)
T (X2 ) is expressed by the following equation by carrying out Tiller expansion of the exponential term of the seventh equation.
T (XI ) −T (X2 )−(XI
−x2 ) ・ T’ (0) + (rh
−T ()((α ・ XI)2 (α ・ X
2 )2 )+ (α2 ・ Xl 3
2 ・ Xl 3 )−α
・・・ (8)
ここで、α・Xl、α・X2〈1となるように、温度セ
ンサ32a、32bの位置X、、X2を設定すると、前
式中に含まれる高次の項は無視できる程度の値となる。T (XI) - T (X2) - (XI
-x2 ) ・T' (0) + (rh
−T ()((α ・XI)2 (α ・X
2)2)+(α2・Xl3
2 ・Xl 3 ) - α ... (8) Here, if the positions X, , The higher-order terms that occur have negligible values.
従って、発熱用トランジスタ30から第2の支持部40
への熱流(Q2 +Q3 )−−に−5−T−(0)は
近似的に次式で表されることになる。Therefore, from the heat generating transistor 30 to the second support portion 40
The heat flow (Q2 +Q3) to -5-T-(0) is approximately expressed by the following equation.
(Q2 +Q3 ) −
H
+ (Th−”rf) (X、 十X2
)・・・ (9)
開式において、第2項は、T(XI ) 。(Q2 +Q3) − H + (Th−”rf) (X, 10X2
)... (9) In the open equation, the second term is T(XI).
T(X2)から求まらない量のため、2点間の温度差か
ら(Q2 +03 )を求めることはこの場合でもでき
ない。しかし、当初求めようとしたQlの代りに
X2.Xlは全て定数であるため、この第2項の値は、
温度センサ32a、32bの検出温度差(T (X2
) T (XI )lから簡単に求めることができる
。このように、第10式に示すQl’の値は、温度セン
サ対32と取付部46間の支持体形状および取付部46
の温度の影響を受けることなく求めることができる。Even in this case, it is not possible to determine (Q2 +03) from the temperature difference between two points because it is a quantity that cannot be determined from T(X2). However, instead of Ql, which I originally tried to find, X2. Since all Xl are constants, the value of this second term is
Detected temperature difference between temperature sensors 32a and 32b (T (X2
) T (XI) can be easily obtained from l. In this way, the value of Ql' shown in Equation 10 is determined based on the shape of the support between the temperature sensor pair 32 and the mounting part 46 and the shape of the support between the temperature sensor pair 32 and the mounting part 46.
can be determined without being affected by the temperature.
また、前記第3式と、第9式を第10式に代入すること
により、前記第10式は、次式のように書き替えること
ができる。Furthermore, by substituting the third equation and the ninth equation into the tenth equation, the tenth equation can be rewritten as the following equation.
・・・ (10)
いう値を用いることによりこの問題を解決することがで
きる。... (10) This problem can be solved by using the value .
すなわち、この第10式の第1項は、発熱用トランジス
タ30の発熱量であり、発熱用トランジスタ30の消費
電力から簡単に求めることかできる。また、第10式の
第2項において、K、S。That is, the first term of this equation 10 is the amount of heat generated by the heat generating transistor 30, and can be easily determined from the power consumption of the heat generating transistor 30. Furthermore, in the second term of Equation 10, K, S.
ここにおいて、前記Q1は、加熱部(発熱用トランジス
タ30)から流体10への、単位長さ辺り、1℃辺りの
平均熱伝達率をH”とし、加熱部(トランジスタ30)
の長さをLhとすると、Ql −(Th−Tf)xLh
xH”
・・・ (12)
で表すことができる。このため、前記(11)式に示す
Ql”は次式で表されることになる。Here, Q1 is the average heat transfer coefficient per unit length and 1° C. from the heating section (heat generating transistor 30) to the fluid 10, and
If the length of is Lh, then Ql - (Th - Tf) x Lh
xH” (12) Therefore, Ql” shown in the above equation (11) can be expressed by the following equation.
Ql ” = xLhxH” −C−Ql ・・・ (13) 但し、Cは次式で表すものとする。Ql ”= xLhxH" -C-Ql ... (13) However, C shall be expressed by the following formula.
この式において、X、、X2は、温度センサ32a、3
2bの位置に関する値であり、HlH”は流体10およ
びトランジスタ30の支持体42、温度センサ対32.
設置部支持体44aの形状に関する値であり、Lhはト
ランジスタ30の長さである。このため、前記第14式
で示すCは定数となる。In this formula, X, , X2 are temperature sensors 32a, 3
2b, HlH'' is the value for the position of the fluid 10 and the support 42 of the transistor 30, the temperature sensor pair 32.
This is a value related to the shape of the installation part support 44a, and Lh is the length of the transistor 30. Therefore, C shown in the 14th formula becomes a constant.
従って、予め測定等によりCの値を求めておき、前記第
10式で求めたQl’の値を、次式に代入することによ
り、温度センサ32bと取付部46間の支持体の構造や
取付部46の温度等の影響を受けることなくQlの値を
求めることが可能となる。Therefore, by determining the value of C in advance by measurement, etc., and substituting the value of Ql' determined by the above-mentioned formula 10 into the following formula, it is possible to determine the structure of the support between the temperature sensor 32b and the mounting portion 46, It becomes possible to obtain the value of Ql without being affected by the temperature of the portion 46, etc.
Ql −Ql ’ /C・・・ (I5)このよ
うに本発明によれば、温度センサ32a。Ql-Ql'/C... (I5) Thus, according to the invention, the temperature sensor 32a.
32bか流体10中にさらされる場合においても、発熱
用トランジスタ30と取付部46間に位置した温度セン
サ32a、32bの位fWX+ 、X2が、発熱用トラ
ンジスタ30から(K −S /H) ”’の範囲内と
なるように配置することにより、十分精度よ<Qlの値
を求めることができるため、温度センサ32bと取付部
46間の支持体の構造や取付部46の温度等の影響を受
けることなく、つまり十分な強度の支持体を用いて広い
流量範囲にわたって精度よく流量測定を行うことが可能
となる。Even when the temperature sensors 32a and 32b located between the heat generating transistor 30 and the mounting portion 46 are exposed to the fluid 10, the temperature fWX+, By arranging the sensor so that it is within the range of , it is possible to obtain the value of <Ql with sufficient accuracy, so it is not affected by the structure of the support between the temperature sensor 32b and the mounting part 46, the temperature of the mounting part 46, etc. In other words, it becomes possible to accurately measure the flow rate over a wide flow rate range using a support with sufficient strength.
演算制御回路
第4図には、本発明の流量計に用いられる演算制御回路
が示されている。Arithmetic Control Circuit FIG. 4 shows an arithmetic control circuit used in the flowmeter of the present invention.
第1の演算制御回路50は、支持体40の第1の支持部
42の温度が一定、または流体10の温度Tfに対し一
定温度差となるよう発熱用トランジスタ30の発熱量を
制御している。The first arithmetic control circuit 50 controls the amount of heat generated by the heat generating transistor 30 so that the temperature of the first support part 42 of the support body 40 is constant or has a constant temperature difference with respect to the temperature Tf of the fluid 10. .
従って、第3図に示すようにして本発明の流量計を使用
する場合には、流体]0の温度を測定する流体温度セン
サを支持体40に近接して設けることか好ましい。Therefore, when using the flowmeter of the present invention as shown in FIG. 3, it is preferable to provide a fluid temperature sensor close to the support 40 for measuring the temperature of the fluid.
そして、第2の演算制御回路60は、発熱用トランジス
タ30を定電圧または定電流駆動することにより、発熱
用トランジスタ30で消費された電力Wに比例した検出
信号S1を第4の演算制御回路80へ向は制御する。こ
の信号Slは、前記第10式におけるQに対応した値と
なる。The second arithmetic control circuit 60 drives the heat generating transistor 30 at a constant voltage or constant current to send a detection signal S1 proportional to the power W consumed by the heat generating transistor 30 to the fourth arithmetic control circuit 80. Control the direction. This signal Sl has a value corresponding to Q in the tenth equation.
これにおいて、本発明では発熱源として、半導体素子、
特に発熱用トランジスタ30を用い、これを定電流また
は定電圧駆動しているため、発熱量に比例した信号S1
を簡単に出力することができる。これに対17、従来よ
り発熱源として抵抗白金等の抵抗発熱体を用いた場合に
は、発熱量は抵抗体に印加された電圧の二乗に比例する
ため、発熱量に比例した電気出力を得ることは極めて困
難であった。In this case, in the present invention, as a heat generation source, a semiconductor element,
In particular, since the heat generating transistor 30 is used and is driven at a constant current or constant voltage, the signal S1 proportional to the amount of heat generated
can be easily output. On the other hand, when a resistance heating element such as resistive platinum is conventionally used as a heat source, the amount of heat generated is proportional to the square of the voltage applied to the resistor, so an electrical output proportional to the amount of heat generated is obtained. This was extremely difficult.
また、第3の演算制御回路7oは、温度センサ対32を
用いて検出された第2の支持#44内の熱流に比例した
検出信号S2を演算し、第4の演算制御回路80へ向は
出力する。この検出信号S2は、fT (X2 )
T (XI ) l に比例した値となる。Further, the third calculation control circuit 7o calculates a detection signal S2 proportional to the heat flow in the second support #44 detected using the temperature sensor pair 32, and outputs a signal S2 to the fourth calculation control circuit 80. Output. This detection signal S2 is fT (X2)
The value is proportional to T (XI) l.
そして、第4の演算制御回路8oは、前記第2および第
3の演算制御回路60から入力される信号Sl、S2を
用い前記第10式の演算を行いQl”を求めると共に、
このQl”を前記第15式に代入しQlを演算出力する
。Then, the fourth arithmetic control circuit 8o calculates Ql'' by using the signals Sl and S2 inputted from the second and third arithmetic control circuits 60, and calculates Ql''.
This Ql'' is substituted into the above-mentioned formula 15, and Ql is calculated and output.
すなわち、まず第2の演算制御回路6oがら入力される
信号Stに基づき、発熱用トランジスタ30の発熱量Q
を演算すると共に、第3の演算制御回路70から出力さ
れる信号s2に基づき前記第10式の第2項を演算し、
これを前記第10式に代入しQl”を求める。That is, first, based on the signal St input from the second arithmetic control circuit 6o, the amount of heat generated Q of the heat generating transistor 30 is calculated.
and calculate the second term of the 10th equation based on the signal s2 output from the third calculation control circuit 70,
Substitute this into the above equation 10 to find Ql''.
そして、求めたQl”を前記第15式に代入しQlを演
算出力する。なお、前記第15式における定数Cは、流
体の種類と素子の構造によるものであるか、被測定流体
か空気と決っている場合には、単に素子の構造によるも
のであって、空気流量の影響を受けない定数であるため
、予め測定等によりその値を設定しておけばよい。Then, the obtained Ql'' is substituted into the above equation 15 to calculate and output Ql.The constant C in the above equation 15 may depend on the type of fluid and the structure of the element, or whether it is the fluid to be measured or air. If it is determined, the value may be set in advance by measurement or the like, since it simply depends on the structure of the element and is a constant that is not affected by the air flow rate.
このようにして本発明によれば、第4の演算制御回路8
0を用いて、発熱用トランジスタ30の発熱量QからQ
2.Q3を減算し、発熱用トランジスタ30から流体1
0へ直接奪われる熱量Q1を求め、このようにして求め
た熱量Q1に基づき流体流量を表す信号S3を出力する
ことができる。In this manner, according to the present invention, the fourth arithmetic control circuit 8
0, the heat generation amount Q of the heat generation transistor 30 is calculated from Q
2. Subtract Q3 and fluid 1 from heat generating transistor 30
It is possible to determine the amount of heat Q1 that is directly taken away by the fluid, and output a signal S3 representing the fluid flow rate based on the amount of heat Q1 thus determined.
なお、温度センサ対32問および温度センサ対32と発
熱用トランジスタ30間の支持体36が、長さ方向に一
様ではないが、長さ方向の温度分布に対して横方向の温
度分布が小さい場合には、単位長さ辺りの支持体40か
ら流体10への1℃辺の平均熱伝達率Hとして、温度セ
ンサ対32問および温度センサ対32と発熱用トランジ
スタ30間の支持体36ついての平均値H8を用い、支
持体の熱伝導率にとその断面積Sの積(K−5)として
、温度センサ対32問および温度センサ対32と発熱用
トラン/スタ3o間の支持体36についての平均値(K
−8)”を用いればよい。この場合には、同しような議
論により、発熱用トランジスタ30と取付部46の間に
配置した温度センサの位WX+ 、X2が、発熱用トラ
ンジスタ3゜から距M [(K −S) ’ /H”
] ”’ ノ範囲内ニなるように配置すれば、十分精度
良く熱伝導項の補正を行うことかでき、素子部全体の構
造や取付部の温度の影響等を受けることなく、広い流量
範囲にわたって精度良く流体流量を計測することが可能
となる。Although the temperature sensor pair 32 and the support body 36 between the temperature sensor pair 32 and the heat generating transistor 30 are not uniform in the length direction, the temperature distribution in the lateral direction is smaller than the temperature distribution in the length direction. In this case, as the average heat transfer coefficient H per unit length from the support 40 to the fluid 10 on a 1°C side, the temperature sensor pair 32 and the support 36 between the temperature sensor pair 32 and the heat generating transistor 30 Using the average value H8, as the product (K-5) of the thermal conductivity of the support and its cross-sectional area S, calculate 32 questions about the temperature sensor pair and the support 36 between the temperature sensor pair 32 and the heat generating transformer/star 3o. The average value of (K
-8)". In this case, based on a similar argument, the position WX+, [(K −S) '/H”
] By arranging it so that it is within the range, the thermal conduction term can be corrected with sufficient accuracy, and it can be used over a wide flow rate range without being affected by the overall structure of the element or the temperature of the mounting part. It becomes possible to measure the fluid flow rate with high accuracy.
さらに、温度センサ対32が設けられた支持体領域に流
れ方向の温度分布がある場合や、第11図に示すよう発
熱用トランジスタ3oが複数の第2の支持部44−1.
44−2・・・により取付部46に取付けられている場
合には、複数の温度センサ対312−1.32−2・・
・を各節2の支持部44−1.4’4−2・・に取付け
、これら各温度センサ対32−1.32−2・・・の出
力の平均を用いることにより上記と同し方法を用いてた
対応が可能である。Further, in cases where there is a temperature distribution in the flow direction in the support area where the temperature sensor pair 32 is provided, or as shown in FIG.
44-2..., the plurality of temperature sensor pairs 312-1, 32-2...
The same method as above can be achieved by attaching . It is possible to deal with this using
一方温度センサ対32が直接流体中にさらされ、上記条
件が満されなくなる場合には、温度センサ対32の周り
、または直接温度センサ対32上に、流体への熱伝導を
妨げるための囲いまたは熱絶縁物のコートを行えばよい
。この場合には、温度センサ対32が設けられた支持体
40の断面積をS、熱伝導率をK、最大流量時において
温度センサ対32が設けられた支持体40から流体10
への単位長さ辺りの平均熱伝達率をHとすると、温度セ
ンサ対32の位置が発熱用トランジスタ30から結果と
して距離(K −S /H) ”2内になるようにすれ
ばよい。On the other hand, if the temperature sensor pair 32 is directly exposed to the fluid and the above conditions are no longer satisfied, an enclosure or a All you have to do is coat it with a thermal insulator. In this case, the cross-sectional area of the support 40 on which the temperature sensor pair 32 is provided is S, the thermal conductivity is K, and at the maximum flow rate, the fluid 10 from the support 40 on which the temperature sensor pair 32 is provided is
Assuming that the average heat transfer coefficient per unit length is H, the temperature sensor pair 32 may be positioned within a distance (K - S /H) ''2 from the heat generating transistor 30.
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、流体流量を精度
よく、しかも応答性よく検出することができ、しかも十
分な機械的強度を有する半導体式流量計を得ることがで
きるという効果がある。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor flowmeter that can detect fluid flow rate with high accuracy and responsiveness, and has sufficient mechanical strength. There is an effect.
特に、本発明によれば熱源として用いられる半導体素子
の支持体として、充分な機械的強度を有する構造のもの
を用いることができるため、この支持体を例えば半導体
基板等を用いて形成する二とも可能であり、これにより
支持体上にIC等の信号処理回路を同時に組込むことが
でき、ノイスの低減、生産コストの低減、信頼性の向上
を図ることができる。In particular, according to the present invention, a structure having sufficient mechanical strength can be used as a support for a semiconductor element used as a heat source. This makes it possible to simultaneously incorporate a signal processing circuit such as an IC on the support, thereby reducing noise, production costs, and improving reliability.
[実施例コ
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。[Embodiment] Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.
第5図〜第8図には、本発明の好適な一例が示され、実
施例の半導体式流量計は、自動車用エンジンの吸入空気
流量の計測を目的として形成されている。このような目
的の下で計測すべき吸入吸気流量の範囲は、通常約0.
04tz /5−cd〜約8.0g1S−c−である。A preferred example of the present invention is shown in FIGS. 5 to 8, and the semiconductor flow meter of the embodiment is formed for the purpose of measuring the intake air flow rate of an automobile engine. The range of inspiratory flow rate to be measured for this purpose is usually about 0.
04tz/5-cd to about 8.0 glS-c-.
まず、本実施例にかかる半導体式流量計の素子部100
の構成を第5図および第6図に基づき説明する。First, the element section 100 of the semiconductor flowmeter according to this embodiment
The configuration will be explained based on FIGS. 5 and 6.
実施例の流量計は、支持体40として幅1市。In the flowmeter of the embodiment, the support 40 has a width of 1 city.
長さ5龍、厚さ01鰭の矩形形状をしたシリコン基板を
用い、その先端から0.5+n++の領域(第1の支持
部)に、0.4 mm X O,9milのバイポーラ
型トランジスタ30を発熱用の半導体素子として配置し
、さらにその先端から0.5顎の位置と、1.5龍の位
置(第2の支持部)に温度センサ対32として半導体の
p/nジャンクンヨンを用いたダイオードD2.D3を
配置した構成となっている。A rectangular silicon substrate with a length of 5mm and a thickness of 01mm is used, and a bipolar transistor 30 of 0.4 mm x O, 9 mil is installed in a region 0.5+n++ from the tip (first support part). It was arranged as a semiconductor element for heat generation, and semiconductor p/n jangkunyong was used as a temperature sensor pair 32 at a position of 0.5 chin and a position of 1.5 yen from the tip (second support part). Diode D2. It has a configuration in which D3 is arranged.
このように構成された素子部100は、支持体40の第
2の支持部44を、取付部46に対し第6図(A)、(
B)に示すよう接合部26を介して取付ける構成となっ
ている。このため、前記発熱用のトランジスタ30のみ
ならず、温度センサ対32も空気流10にさらされるこ
とになる。In the element section 100 configured in this way, the second support section 44 of the support body 40 is attached to the attachment section 46 in FIGS.
As shown in B), it is configured to be attached via a joint 26. Therefore, not only the heat generating transistor 30 but also the temperature sensor pair 32 are exposed to the air flow 10.
シリコン基板を用いて形成された支持体40の熱伝導率
と断面積の積(K−3)は、(K−5)−0,015V
/sw ・k テあり、最大流量(8,Og/5−cd
)時における長さ1顎辺りの空気流10への平均熱伝達
率ハH−5,5X 10−’W/sw・k テアルタめ
、(K−5/H)”の値は52となる。従って、第5図
、第6図において示される温度センサ用のダイオードD
2 D3は、発熱用トランジスタ30から(K−3/
H)”以内の距離、すなわち5.2m+e以内の距離に
設置されることとなる。The product (K-3) of the thermal conductivity and cross-sectional area of the support body 40 formed using a silicon substrate is (K-5)-0,015V.
/sw ・k Te, maximum flow rate (8, Og/5-cd
), the value of the average heat transfer coefficient to the air flow 10 per jaw length is 52. Therefore, the diode D for the temperature sensor shown in FIGS.
2 D3 is connected from the heat generating transistor 30 (K-3/
H)", that is, within 5.2m+e.
第7図には、前述したように形成された素子部100を
空気流10か流れる内径60關の管12内に配置した状
態が示されている。実施例において、素子部100は、
その素子面100aが空気流10に平行に、また素子部
100の長さ方向か空気流10に対し直交するように設
置されている。FIG. 7 shows a state in which the element portion 100 formed as described above is placed in a tube 12 having an inner diameter of 60 mm through which an air flow 10 flows. In the embodiment, the element section 100 includes:
The element surface 100a is installed parallel to the air flow 10, and the length direction of the element section 100 is orthogonal to the air flow 10.
そして、この素子部100の上流側に、空気温度を検出
するための温度センサとして、前記温度センサ対32と
同様な構成をもつダイオードDIが設置されている。A diode DI having a configuration similar to that of the temperature sensor pair 32 is installed upstream of this element section 100 as a temperature sensor for detecting air temperature.
第8図には、前記素子部100を用いて吸入空気流量を
測定するための回路構成が示されている。FIG. 8 shows a circuit configuration for measuring the intake air flow rate using the element section 100.
実施例において、第1の演算制御回路50は、演算増幅
器Atと、抵抗R1を用いて構成され、温度センサ対3
2として設けられたダイオードD2.Daのうち、発熱
用トランジスタ30側のダイオードD3を用いてDaが
配置されている部位の支持体の温度を検出している。そ
して、このダイオードD3を用いて検出された支持体温
度は、発熱用トランジスタ30が配置されている第1の
支持部の温度とほぼ等しいため、このDaにより検出さ
れた温度が、ダイオードD1を用いて検出された空気流
温度Tfに対し一定温度差(この場合には100℃)に
なるようにトランジスタ30の発熱量を制御している。In the embodiment, the first operational control circuit 50 is configured using an operational amplifier At and a resistor R1, and includes a temperature sensor pair 3.
A diode D2.2 provided as D2. Of Da, the temperature of the support body where Da is arranged is detected using the diode D3 on the heat generating transistor 30 side. Since the temperature of the support body detected using this diode D3 is approximately equal to the temperature of the first support portion where the heat generating transistor 30 is disposed, the temperature detected using this Da is The amount of heat generated by the transistor 30 is controlled so that there is a constant temperature difference (in this case, 100° C.) with respect to the air flow temperature Tf detected.
本実施例では、発熱用トランジスタ30の温度制御を、
温度センサ対32の発熱用トランジスタ側のダイオード
D3を用いて行っているが、発熱用トランジスタ30の
温度を制御するために、前記温度センサ対32とは別の
温度センサを用いても同等問題はない。In this embodiment, the temperature control of the heat generating transistor 30 is performed as follows.
Although this is done using the diode D3 on the heat generating transistor side of the temperature sensor pair 32, the same problem will not occur even if a temperature sensor other than the temperature sensor pair 32 is used to control the temperature of the heat generating transistor 30. do not have.
なお、本実施例の説明において、特に発熱用トランジス
タ30の温度均一性には触れなかったか、一般に発熱用
トランジスタの温度不均一性は測定誤差を与えるので、
必要に応じその均一性を確保しておく必要かある。本実
施例の場合には、単にダイオードD3の温度を用いて発
熱量を制御しているが、発熱用トランジスタ30内の温
度の不均一性による測定誤差が十分に小さくなる設計と
なっており、この点に問題はない。In the description of this embodiment, the temperature uniformity of the heat generating transistor 30 was not particularly mentioned, or since temperature non-uniformity of the heat generating transistor generally causes a measurement error.
It is necessary to ensure uniformity as necessary. In the case of this embodiment, the amount of heat generated is controlled simply by using the temperature of the diode D3, but the design is such that measurement errors due to non-uniformity of temperature within the heat generating transistor 30 are sufficiently small. There is no problem with this point.
また、第2の演算制御回路60は、定電圧ダイオードD
4 (ツェナー電圧Vt)と、演算増幅器A2と、抵
抗R2,R3を用いて構成され、発熱用トランジスタ3
0を定電圧駆動し、発熱用トランジスタ30ての発熱量
Qに比例した電圧成分を含む電圧(V t +QxR2
/V t)を検出信号S1として第4の演算制御回路8
0へ向は出力する。Further, the second arithmetic control circuit 60 includes a constant voltage diode D
4 (Zener voltage Vt), an operational amplifier A2, and resistors R2 and R3.
0 is driven at a constant voltage, and a voltage (V t +QxR2
/Vt) as the detection signal S1 and the fourth arithmetic control circuit 8.
Output towards 0.
また、第3の演算制御回路70は、演算増幅器A3.A
4.A5および抵抗R4,R5,R6等を用いて構成さ
れており、温度センサ対32を構成するダイオードD3
およびD2の検出温度差ΔTに比例した電圧[2X10
づXΔTX (1+2xR5/R4)]を検出信号S2
として第4の演算制御回路80へ向は出力する。ここで
は、ダイオードD2 Daの、すなわちp / n接
合温度センサの温度計数を−2X 10−3V/’Cと
した。Further, the third arithmetic control circuit 70 includes an operational amplifier A3. A
4. A5, resistors R4, R5, R6, etc., and a diode D3 that constitutes the temperature sensor pair 32.
and a voltage proportional to the detected temperature difference ΔT of D2 [2X10
zuXΔTX (1+2xR5/R4)] is detected as the signal S2
The signal is outputted to the fourth arithmetic control circuit 80 as a signal. Here, the temperature coefficient of the diode D2 Da, that is, the p/n junction temperature sensor, was set to -2X 10-3 V/'C.
第4の演算制御回路80は、演算増幅器A6と、抵抗R
6を用いて構成され、両演算制御回路60゜70から出
力される信号SL、S2に基づき前記第10式、第14
式の演算を行い、発熱用トランジスタ30がら空気流1
0へ奪われる熱量Q1に比例した電圧S3を出力する。The fourth operational control circuit 80 includes an operational amplifier A6 and a resistor R.
Based on the signals SL and S2 output from both arithmetic and control circuits 60 and 70, the 10th and 14th equations are
By calculating the formula, the air flow 1 from the heat generating transistor 30 is
0 outputs a voltage S3 proportional to the amount of heat Q1 taken away.
これにより、Q2゜Q3の影響を受けることなく、吸入
空気量を正確に測定することかできる。This makes it possible to accurately measure the amount of intake air without being influenced by Q2°Q3.
なお、前記第3の演算制御回路70に用いられている可
変抵抗R4は、無風状態の下での出力が0となるように
調整するための抵抗であり、熱伝導項と発熱量を調整す
るためのものである。Note that the variable resistor R4 used in the third arithmetic control circuit 70 is a resistor for adjusting the output to be 0 under no wind conditions, and adjusts the heat conduction term and the amount of heat generated. It is for.
(実験結果)
この実施例の流量計を用いて空気温度15℃の空気流量
を計測した場合の結果について以下に説明する。(Experimental Results) The results of measuring the air flow rate at an air temperature of 15° C. using the flowmeter of this example will be described below.
自動車エンジンの吸気壁の温度は運転時には100℃程
度まで上昇するため、取付部の温度が15℃、50℃、
100℃の条件において空気流量の測定を行った。The temperature of the intake wall of an automobile engine rises to about 100℃ during operation, so the temperature of the mounting part may be 15℃, 50℃,
The air flow rate was measured at 100°C.
第9図には、ダイオードD3の検出温度か115℃に保
たれるよう発熱用トランジスタ30を通電加熱し、この
とき発熱用トランジスタ30て消費された電力を測定電
圧から換算した値が示されている
第9図に示されるように、115℃に加熱するために必
要となる熱量は吸気管壁の温度により大きく異なってい
る。このため、従来方式のように発熱量から吸入空気量
を求める方式は、この実施例のように支持体40として
熱伝導率の大きなシリコン基板を用いた場合には適用で
きなかった。FIG. 9 shows the value of the power consumed by the heat generating transistor 30 converted from the measured voltage when the heat generating transistor 30 is energized and heated so that the detected temperature of the diode D3 is maintained at 115°C. As shown in FIG. 9, the amount of heat required to heat the air to 115° C. varies greatly depending on the temperature of the intake pipe wall. For this reason, the conventional method of determining the intake air amount from the calorific value cannot be applied when a silicon substrate with high thermal conductivity is used as the support 40 as in this embodiment.
第10図には、本発明を用いて発熱用トランジスタ30
の発熱量Qから熱伝導項Q2.Q3を補正減算した場合
の出力S3と空気流量との関係が示されている(第10
図の縦軸は出力電圧を熱量に換算しである)。FIG. 10 shows a heat generating transistor 30 using the present invention.
From the calorific value Q, the thermal conduction term Q2. The relationship between the output S3 and the air flow rate when Q3 is corrected and subtracted is shown (10th
The vertical axis in the figure is the output voltage converted to heat amount).
第10図より明らかなように、本発明を用いて得られる
出力S3は、吸気管壁の温度変動の影響をほとんど受け
ることなく、はぼ空気量に依存しているため、出力電圧
S3より吸入空気量が簡便に求まることは明らかであり
、本発明の優秀性が理解されよう。As is clear from FIG. 10, the output S3 obtained using the present invention is almost unaffected by the temperature fluctuation of the intake pipe wall, and is largely dependent on the amount of air. It is clear that the amount of air can be easily determined, and the superiority of the present invention will be understood.
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく本
発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である。Note that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
例えば、本実施例では電気回路部を素子部100とは別
に構成したが、本実施例では支持体40としてシリコン
基板を用いているため、支持体40中に電気回路部を含
むIC等を同時に組込むことにより、コストの低減、信
頼性の向上、コンパクト化がさらに可能である。For example, in this embodiment, the electric circuit section is configured separately from the element section 100, but since a silicon substrate is used as the support 40 in this embodiment, an IC or the like including the electric circuit section can be installed in the support 40 at the same time. By incorporating it, it is possible to further reduce costs, improve reliability, and make it more compact.
また、前記実施例では、本発明を空気流の流量測定に用
いた場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らず
、これ以外の気体、液体の流量測定に幅広く用いること
ができる。Further, in the embodiments described above, the present invention has been explained by taking as an example the case where the present invention is used to measure the flow rate of an air flow, but the present invention is not limited to this, and can be widely used for measuring the flow rate of other gases and liquids.
第1図は本発明にかかる半導体式流量計の素子部の構成
の説明図、
第2図および第3図は第1図に示す素子部を流路に取り
付けた状態の説明図、
第4図は第1図に示す素子部を用いて流体流量の測定を
行う演算制御回路のブロック図、第5図および第6図は
本発明の半導体式流量計の素子部における具体的な構成
の説明図、第7図は前記素子部をエンジンの空気供給管
に配設した状態の一例を示す説明図、
第8図は前記第4図に示す演算制御回路の具体的な構成
を示す回路図、
第9図は前記素子部に設けたトランジスタでの消費電力
と測定される空気流量との関係を示す特性図、
第10図は本発明の′半導体式流量計を用いて測定され
た空気流量測定値の特性図、
第11図は本発明の半導体式流量計の素子部の他の二側
を示す説明図、
第12図は支持体の温度分布の説明図、第13図は熱式
流量計の原理説明図、
第14図は従来の熱線式流量計の説明図である。
10・・・流体、
30・・・発熱用トランジスタ、
32・・・温度センサ対、40・・・支持体、42・・
・第1の支持部、44・・・第2の支持部、50・・・
第1の演算制御回路、
60・・・第2の演算制御回路、
70・・・第3の演算制御回路、
80・・・第4の演算制御回路、
Dl・・・流体温度センサ、
D2.D3・・・温度センサとしてのダイオード。
第1図
代理人 弁理士 布 施 行 夫(他1名)第
図
12管
第
図
第
図
tn(空気ヱ量(g/s))
加熱1こ必要な電力
第
図
Ln(空気流量(g/s))
本発明を用いて得た出力
第
図
第
図
第
図
発熱体20FIG. 1 is an explanatory diagram of the configuration of the element section of a semiconductor flowmeter according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are explanatory diagrams of the element section shown in FIG. 1 attached to a flow path, and FIG. 1 is a block diagram of an arithmetic and control circuit that measures fluid flow rate using the element section shown in FIG. 1, and FIGS. 5 and 6 are explanatory diagrams of the specific configuration of the element section of the semiconductor flowmeter of the present invention. , FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a state in which the element section is arranged in an air supply pipe of an engine, FIG. 8 is a circuit diagram showing a specific configuration of the arithmetic and control circuit shown in FIG. 4, and FIG. Figure 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the power consumption of the transistor provided in the element section and the measured air flow rate, and Figure 10 is the measured air flow rate measured using the 'semiconductor type flowmeter of the present invention. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the other two sides of the element part of the semiconductor flowmeter of the present invention, FIG. 12 is an explanatory diagram of the temperature distribution of the support, and FIG. 13 is a diagram of the thermal flowmeter of the present invention. Figure 14 is an explanatory diagram of a conventional hot wire flowmeter. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Fluid, 30... Heat generating transistor, 32... Temperature sensor pair, 40... Support body, 42...
- First support part, 44... Second support part, 50...
1st arithmetic control circuit, 60...2nd arithmetic control circuit, 70...3rd arithmetic control circuit, 80...4th arithmetic control circuit, Dl...fluid temperature sensor, D2. D3...Diode as a temperature sensor. Figure 1 Agent: Patent attorney Yukio Fuse (and 1 other person) Figure 12 Pipe diagram Figure tn (Air volume (g/s)) Power required for 1 heating Figure Ln (Air flow rate (g/s) s)) Output diagram diagram diagram diagram diagram diagram diagram heating element 20 obtained using the present invention
Claims (2)
る半導体式流量計において、 発熱源として形成された半導体素子と、 この半導体素子が取付固定された第1の支持部と、この
第1の支持部を半導体素子が前記流路に位置するよう支
持する第2の支持部とを有する支持体と、 前記第2の支持部に熱流を検出するよう取付られた少な
くとも一対の熱流検出用の温度センサと、前記流体の温
度に対する支持体温度が一定温度差となるよう前記半導
体素子の発熱量を制御する第1の演算制御手段と、 前記半導体素子を駆動し、その消費電力に対応した検出
信号を出力する第2の演算制御手段と、前記温度センサ
対を用いて検出された第2の支持部内の熱流に比例した
検出信号を出力する第3の演算制御手段と、 前記第2および第3の演算制御手段の出力に基づき、前
記半導体素子の発熱量から、支持体を介して放熱される
熱量を減算補正し、前記流体の流量を演算する第4の演
算制御手段と、 を含み、前記温度センサ対の取付けられた第2の支持部
の断面積をS、支持体材料の熱伝導率をK、第2の支持
部から流体への最大流量時における単位長さ辺りの平均
熱伝達率をHとした場合、前記温度センサ対は、半導体
素子から(K・S/H)1/2の距離内となるよう第2
の支持部上に配置されたことを特徴とする半導体式流量
計。(1) A semiconductor flow meter that is installed in a fluid flow path and measures the flow rate of the fluid, which includes a semiconductor element formed as a heat generation source, a first support part to which the semiconductor element is attached and fixed, and a semiconductor element formed as a heat generation source. a support body having a second support part that supports the first support part so that the semiconductor element is positioned in the flow path; and at least a pair of heat flow detectors attached to the second support part to detect heat flow. a first arithmetic control means for controlling the amount of heat generated by the semiconductor element so that the temperature of the support body with respect to the temperature of the fluid is a constant temperature difference; a second arithmetic control means that outputs a detection signal that is detected using the temperature sensor pair; a third arithmetic control means that outputs a detection signal that is proportional to the heat flow within the second support portion detected using the temperature sensor pair; and a fourth arithmetic control means that calculates the flow rate of the fluid by subtracting and correcting the amount of heat radiated through the support from the amount of heat generated by the semiconductor element based on the output of the third arithmetic control means. S, the thermal conductivity of the support material is K, the average per unit length at the time of maximum flow rate from the second support to the fluid. When the heat transfer coefficient is H, the temperature sensor pair is placed within a distance of (K S/H) 1/2 from the semiconductor element.
A semiconductor type flowmeter characterized in that it is arranged on a supporting part.
1の演算制御手段は、検出された流体温度に対し前記支
持体温度が一定温度差となるよう前記半導体素子の発熱
量を制御することを特徴とする半導体式流量計。(2) In claim (1), the first calculation control means includes a fluid temperature sensor that detects the fluid temperature, and the first calculation control means is configured to adjust the temperature of the support body to a constant temperature difference with respect to the detected fluid temperature. A semiconductor flowmeter characterized by controlling the amount of heat generated by a semiconductor element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2183809A JPH0470519A (en) | 1990-07-12 | 1990-07-10 | Semiconductor flowmeter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2183809A JPH0470519A (en) | 1990-07-12 | 1990-07-10 | Semiconductor flowmeter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0470519A true JPH0470519A (en) | 1992-03-05 |
Family
ID=16142259
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2183809A Pending JPH0470519A (en) | 1990-07-12 | 1990-07-10 | Semiconductor flowmeter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0470519A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018004661A (en) * | 2017-10-13 | 2018-01-11 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Physical quantity measurement device |
US10670440B2 (en) | 2012-02-21 | 2020-06-02 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Thermal airflow measuring device |
-
1990
- 1990-07-10 JP JP2183809A patent/JPH0470519A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10670440B2 (en) | 2012-02-21 | 2020-06-02 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Thermal airflow measuring device |
JP2018004661A (en) * | 2017-10-13 | 2018-01-11 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | Physical quantity measurement device |
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