(57)【要約】本発明は、導管（１０８）を通って流れる流体（１１０）の速度を測定するセンサシステム（１０２）であって、動作中に所定のレベルの電力を供給され、流体を加熱する加熱要素（１０４）を有するセンサシステムに関する。センサシステム（１０２）は、さらに、温度に依存する１次共振周波数を有する一次電子回路（１１４）を有する。ここで、一次電子回路（１１４）の温度は、加熱要素（１０４）から導管（１０８）を通って流れる流体（１１０）へ伝わる熱によって決定される。さらに、センサシステム（１０２）は、導管（１０８）を通って流れる流体（１１０）の速度を示す測定信号（１２８）を生成するよう構成されるトランスデューサ配置（１２６）を有する。ここで、測定信号（１２８）は一次共振周波数に基づく。トランスデューサ配置（１２６）は、１次共振周波数を決定するグリッドディップ発振器を有する。
2013508716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管を通って流れる流体の速度を測定するセンサシステムであって：
動作中に所定のレベルの電力を供給され、前記流体を加熱する加熱要素，
温度に依存する１次共振周波数を有する一次電子回路，
前記導管を通って流れる前記流体の速度を示す測定信号を生成するよう構成されるトランスデューサ配置
を有し、
前記一次電子回路の少なくとも一部の温度は、前記加熱要素から前記導管を通って流れる前記流体へ伝わる熱によって決定され、前記一部は、前記一次共振周波数を温度依存させることに関与し、
前記測定信号は、前記一次共振周波数に基づく、センサシステム。
【請求項２】
前記トランスデューサ配置は、前記一次電子回路の前記一次共振周波数を決定するグリッドディップ発振器を有する、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記加熱要素は、前記グリッドディップ発振器との誘導結合を介して電力を受ける抵抗を有する、
請求項２に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記一次電子回路は、直列に接続されたインダクタ及びキャパシタを有し、前記キャパシタは、温度に依存するキャパシタンスを有する、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記一次電子回路は、前記加熱要素と熱的にやり取りする、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項６】
前記加熱要素はキャパシタを有する、
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項７】
温度に依存する基準共振周波数を有する基準電子回路を有し、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置される、
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項８】
前記一次電子回路及び前記基準電子回路は、実質的に同じである、
請求項７に記載のセンサシステム。
【請求項９】
温度に依存する二次共振周波数を有する二次電子回路を有し、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記流体と熱的にやり取りする、
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項１０】
温度に依存する二次共振周波数を有する二次電子回路を有し、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記加熱要素と熱的にやり取りする、
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項１１】
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、実質的に同じである、
請求項９又は１０に記載のセンサシステム。
【請求項１２】
前記加熱要素と熱的にやり取りし且つ基準共振周波数を有する基準電子回路，及び
前記流体と熱的にやり取りし且つ二次共振周波数を有する二次電子回路，
前記流体と熱的にやり取りし且つ更なる共振周波数を有する更なる電子回路
を有し、
前記一次電子回路、前記二次電子回路、前記更なる電子回路及び前記基準電子回路は実質的に同じであり、
前記二次電子回路及び前記更なる電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記二次共振周波数と前記更なる共振周波数との間の数字上の差と、前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差との比に基づき、前記測定信号を生成するよう配置される、
請求項５に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
前記加熱要素に時間変化するレベルの電力を供給するよう構成される電源を有し、
前記一次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素から所定距離に置かれ、
前記一次電子回路は、前記流体と熱的にやり取りし、
前記トランスデューサ配置は、前記時間変化するレベルの電力に応答して前記一次共振周波数が変化する前の存続期間に基づき前記測定信号を生成するよう構成される、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項１４】
前記電源は、前記加熱要素に電力パルスを供給するよう構成される、
請求項１３に記載のセンサシステム。
【請求項１５】
前記電源は、前記加熱要素に正弦波状に変化するレベルの電力を供給するよう構成される、
請求項１３に記載のセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導管を通って流れる流体の速度を測定するセンサシステムに係る。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２００６／０１４４１５５（Ａ１）号明細書（特許文献１）は、フローにおける圧力差を検出するための上流及び下流圧力検知装置を有するフローセンサシステムを開示している。夫々の圧力検知装置は、ＬＣタンク回路を形成するよう振動板、キャパシタ及びインダクタを有する。キャパシタは、振動板に加えられる流体圧力に応じた振動板の偏位がＬＣタンク回路の共振周波数の変化を引き起こすように、振動板へ機械的に結合され得る。
【０００３】
特許文献１に開示されるセンサシステムの問題は、非定常の流体フロー状態、すなわち、明示的に時間に依存している流体フローの場合に流速を測定することができない点である。すなわち、特許文献１において、流速は、非圧縮性液体フローのための従来のベルヌーイ方程式に測定される圧力差を代入することによって、決定される。ベルヌーイ方程式は、空間的に変化する流体フローにとっては有効であるが、時間変化する、すなわち、非定常の流体フローに対しては有効ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１４４１５５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、定常及び非定常のいずれの流体フロー状態においても導管を通って流れる流体（すなわち、気体又は液体）の速度を正確に測定することができるセンサシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、本発明に従うセンサシステムによって達成される。本発明に従うセンサシステムは、動作中に所定のレベルの電力を供給され、前記流体を加熱する加熱要素を有する。本発明に従うセンサシステムは、さらに、温度に依存する１次共振周波数を有する一次電子回路を有し、前記一次電子回路の少なくとも一部の温度は、前記加熱要素から前記導管を通って流れる前記流体へ伝わる熱によって決定され、前記一部は、前記一次共振周波数を温度依存させることに関与する。本発明に従うセンサシステムは、さらに、前記導管を通って流れる前記流体の速度を示す測定信号を生成するよう構成されるトランスデューサ配置を有し、前記測定信号は、前記一次共振周波数に基づく。
【０００７】
動作の間に前記加熱要素へ供給される既知のレベル、すなわち、所定又は一定のレベルの電力を仮定すると、前記導管を通って流れる前記流体の速度の増大は、前記加熱要素によって前記流体へ伝えられる熱の量の増大をもたらす。結果として、流体フロー速度の増大は、前記加熱要素の温度の低下をもたらし、従って、熱が伝えられる前記流体の温度の増大をもたらす。前記一次電子回路を、その温度が前記加熱要素から伝えられる熱の量によって影響を受けるように、当該システムセンサに置かれることによって、前記一次電子回路の温度は、流体フロー速度に係る間接的な指標を提供する。流体フロー速度特と温度との上記の関係は、定常及び非定常いずれの流体フローについても等しく有効である。よって、前記一次電子回路の１次共振周波数を温度に依存させることによって、前記一次共振周波数は、前記導管を通って流れる前記流体の速度の時間依存する挙動に関してロバストである流体フロー速度について、指標を提供する。温度依存する共振周波数に基づいて流体の速度を示す測定信号を得ることにより、本発明に従うセンサシステムは、定常及び非定常のいずれの流体フロー状態についても前記流体の速度を正確に測定することができる。
【０００８】
結果として、本発明に従うセンサシステムは、特に、心臓に近接近して位置する血管と流体的にやり取りする噴霧器及び医療移植可能異物等の、呼吸系における成功した応用を可能にする。これらの応用は、非定常の流体フローを特徴とする。
【０００９】
すなわち、呼吸系においては、流体フローは、間近の患者の呼吸パターンに従って反復的に方向を変化させ、結果として、流体フローは非定常性を有する。さらに、心臓に近接近して位置する血管と流体的にやり取りする医療移植可能異物は、心周期により生じる拍動性の流体フローを受け、その流体フローは本質的に非定常である。さらに、静脈内療法のための重力駆動システムにおいて、流体フローは、通常、点滴筒の近くでの非定常動作から、点滴筒から落ちる液滴の蓄積が起こる針の前の貯液部における定常動作へと変化する。従って、本発明に従うセンサシステムは、有利に、そのための予防手段を取ることなしに、点滴筒から針へ延在する導管沿いのいずれの場合においても適切な適用を可能にする。
【００１０】
本願において、流体は、液体、気体、並びに液体及び気体の混合（例えば、エアゾール）を対象とすると解釈される。
【００１１】
本発明に従うセンサシステムの好ましい実施形態において、前記トランスデューサ配置は、前記一次電子回路の前記一次共振周波数を決定するグリッドディップ発振器を有する。グリッドディップ発振器は、誘導結合を介して前記一次電子回路によって受け入れられるＲＦ信号を生成するチューニング回路を有する。前記グリッドディップ発振器は、前記一次電子回路による受入量を記録する。該受入量は、前記ＲＦ信号の周波数が前記一次電子回路の１次共振周波数と一致する場合に、最大となる。この実施形態は、前記一次共振周波数、ひいては、前記導管を通って流れるフローの速度を、高度な複雑性を伴うことなく、無線により決定することができる点で有利である。すなわち、グリッドディップ発振器の使用は、一般的に無線センサシステムに付随する複雑性を防ぐ。すなわち、関心のある物理信号を電気領域へと変換し、その電気信号を増幅し、電気信号をサンプリングしてデジタル領域へと変換し、そのデジタル信号をＲＦキャリア信号におけるデータパッケージとして送信し、受信後にＲＦキャリア信号を復号化し、その復号化されたＲＦ信号を較正曲線と比較し、最終的にそれを関心のある物理量へ逆変換する必要性はない。
【００１２】
留意すべきは、Ｋ．Ｇ．Ｏｎｇ、Ｃ．Ａ．Ｇｒｉｍｅｓ、Ｃ．Ｌ．Ｒｏｂｂｉｎｓ及びＲ．Ｓ．Ｓｉｎｇｈ著、「Design  and  application  of  a  wireless,  passive,  resonance-circuit  environmental  monitoring  system」、Systems  and  Actuators  A93、２００１年、３３〜４３頁の刊行物が、温度依存の共振周波数を有する電子回路を手段として温度を測定するシステムを開示していることである。しかし、このシステムは、そのようなものとして温度を測定するシステムであるから、すなわち、サーモメータとして実行するから、流体フロー速度を測定することはできない。さらに、上記の刊行物において論じられているシステムは、受動型であるよう、すなわち、電力供給なしで動作するよう意図される。本発明に従うセンサシステムは、動作の間に前記流体を加熱するために電力を供給される。この電力供給は、本発明に従うセンサシステムを、上記の刊行物に従うセンサとは対照的に、能動型であるようにする。それに加えて、上記の刊行物において開示されているセンサは、２又はそれ以上のアンテナにより応答し例信号を送信され、グリッドディップ発振器の上記の利点を欠いている。
【００１３】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記加熱要素は、前記グリッドディップ発振器との誘導結合を介して電力を受ける抵抗を有する。この実施形態は、有利に、前記加熱要素及び前記一次電子回路を前記トランスデューサ配置から物理的に分離する。すなわち、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記トランスデューサ配置に関しては無線動作を可能にする。それによって、この実施形態は、有利に、煩わしい配線の使用を禁止する遠隔位置で流体フロー速度を測定することを可能にする。例えば、人体内のインプラントにおける又は該インプラントの周囲の流体フローの測定は、そのような配線の欠如から恩恵を得る。さらに、この実施形態は、前記導管が定期的に交換されるべき用途、例えば、静脈内注射、麻酔フロー制御、導尿カテーテル、呼吸制御、並びに腸内及び腸管外の栄養剤フロー測定等の滅菌医療用途における経済上魅力的な使用を可能にする点で、有利である。そのようなビジネスモデルにおいては、グリッドディップ発振器を有する前記トランスデューサ配置は、当該センサシステムの中で最も高価な部分であって、再利用可能であり、一方、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記導管とともに処分される。そのために、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記導管の壁内に組み込まれる。明らかに、前記一次電子回路及び前記加熱要素は必ずしも処分される必要はない。すなわち、それらは長期使用を認める。この実施形態は、当該センサシステムの処分部品から再利用可能なトランスデューサ配置を切り離すのに全く労力が必要とされないので、特に、上記のビジネスモデルに適する。
【００１４】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記一次電子回路は、直列に接続されたインダクタ及びキャパシタを有し、前記キャパシタは、温度に依存するキャパシタンスを有する。この実施形態は、ＬＣ回路、すなわち、キャパシタンスＣを有するキャパシタと、インダクタＬを有するインダクタとを有する回路を有効に実現する。そのＬＣ回路は、温度依存の共振周波数を特徴とする。すなわち、ＬＣ回路の共振周波数ω０は、次の式：
ω０＝１／√（ＬＣ）          ［１］
によって与えられる。
【００１５】
キャパシタンスＣを温度Ｔに依存させることによって（すなわち、Ｃ＝Ｃ（Ｔ））、温度依存の共振周波数は：
ω０＝ω０（Ｔ）＝１／√（ＬＣ（Ｔ））          ［２］
に従って、前記一次電子回路について求められる。
【００１６】
本発明に従うセンサシステムの実際の実施形態において、前記一次電子回路は、前記一次共振周波数の温度依存挙動に関与する部分の温度が前記加熱要素から前記流体へ伝えられる熱によって決定されることを達成するために、前記加熱要素と熱的にやり取りする。本願では、対象間の熱的やり取りは、それらの対象が熱伝達を介して接続されることを意味する。その熱伝達は対象の温度を相関させる。実際に、これは、温度の変動が他の温度によって同じように追随されることを意味する。対象間に導入される有意な熱抵抗、すなわち、熱絶縁は、それらの対象が熱的にやり取りすることを妨げる。従って、対象間の熱的やり取りは、それらの間に大きな熱抵抗がないことを要する。
【００１７】
本発明のセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記加熱要素はキャパシタを有する。キャパシタを前記加熱要素に組み込むことにより、前記加熱要素と、前記一次電子回路の少なくとも温度感知部分とは、近接近する。従って、この実施形態は、有利に、前記加熱要素と前記キャパシタとの間の優れた熱的やり取りを実現する。
【００１８】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、当該センサシステムは、温度に依存する基準共振周波数を有する基準電子回路を有し、前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置される。この実施形態は、周囲温度の変動による擾乱作用に関してよりロバストである点で、有利である。すなわち、前記測定信号を前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差に基づかせることによって、前記周囲温度の変動を補償する差測定が得られる。望ましくは、前記基準電子回路は、前記加熱要素から熱的に絶縁される。
【００１９】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記一次電子回路及び前記基準電子回路は、実質的に同じである。ここで、前記一次電子回路は、直列に接続された一次インダクタ及び一次キャパシタを有する。結果として、前記基準電子回路は、基準インダクタ及び基準キャパシタを有し、該基準キャパシタは、前記一次キャパシタ及び前記基準キャパシタが等しい温度にさらされる場合に、前記一次キャパシタの一次キャパシタンスと等しい基準キャパシタンスを有する。前記基準電子回路は、前記基準キャパシタと直列に組み込まれ、前記一次インダクタの一時インダクタンスと等しい基準インダクタンスを有する前記基準インダクタを更に有する。結果として、前記基準電子回路に関連する共振周波数、すなわち、前記基準共振周波数の温度依存挙動は、前記一次共振周波数の温度依存挙動を正確に映す。この実施形態は、有利に、キャパシタにおいて誘電体として使用される強誘電体材料のキュリー温度への依存を失効させる。すなわち、強誘電体材料に関連する比誘電率εｒは、キュリー・ワイスの法則に従う温度依存を見せる：
εｒ＝εｒ（Ｔ）＝ｃ／（Ｔ−Ｔｃ）          ［３］
ここで、ｃはキュリー定数を表し、Ｔｃはキュリー温度である。相転移が起こる、前記キュリー温度Ｔｃを下回る温度Ｔに関し、誘電体の比誘電率は、温度の低下とともに下がる。それにより、温度依存は、次の関係：
Ｃｐ（Ｔ）＝εｒ（Ｔ）ε０Ａｐ／ｄｐ          ［４］
に従って、誘電体として強誘電体を組み込むキャパシタの一次キャパシタンスＣｐについて、求められる。ここで、ε０は真空の誘電率であり、Ａｐは一次キャパシタの面積であり、ｄｐは一次キャパシタ板間の距離である。結果として、温度依存の１次共振周波数ωｐは、次の式：
ωｐ＝ωｐ（Ｔｐ）＝１／√（ＬｐＣｐ（Ｔｐ））
＝√（ｄｐ（Ｔｐ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｐＬｐ）          ［５］
によって与えられる。ここで、Ｔｐは、前記一次電子回路での温度を表す。望ましくは、この温度は、前記加熱要素自体の温度に等しい。同様に、温度依存の基準共振周波数ωｒｅｆは：
ωｒｅｆ＝ωｒｅｆ（Ｔｒｅｆ）＝１／√（ＬｒｅｆＣｒｅｆ（Ｔｒｅｆ））
＝√（ｄｒｅｆ（Ｔｒｅｆ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｒｅｆＬｒｅｆ）          ［６］
から得られる。
【００２０】
このとき、前記測定信号を前記一次共振周波数及び前記基準共振周波数の間の数字上の差に基づかせることによって、例えば、前記測定信号を差ωｐ２−ωｒｅｆ２に関連付けることによって、前記測定信号は、有利に、目先の強誘電体のキュリー温度とは無関係である。すなわち、前記一次電子回路及び前記基準電子回路は実質的に同じであるから：
ωｐ２−ωｒｅｆ２
＝ｄｐ（Ｔｐ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｐＬｐ−ｄｒｅｆ（Ｔｒｅｆ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｒｅｆＬｒｅｆ
＝ｄ（Ｔｐ−Ｔｒｅｆ）／Ｃε０ＡＬ          ［７］
が成立する。ここで、製造公差が無視される場合、ｄ＝ｄｐ＝ｄｒｅｆ、Ａ＝Ａｐ＝Ａｒｅｆ及びＬ＝Ｌｐ＝Ｌｒｅｆ。
【００２１】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、当該センサシステムは、温度に依存する二次共振周波数を有し、前記加熱要素と熱的にやり取りする二次電子回路を有し、前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管を通って流れる前記流体と熱的にやり取りする。この実施形態は、周囲温度の変化に対してロバストである点で、有利である。すなわち、周囲温度の変動の擾乱作用は、周囲温度の変動によって等しく影響を受ける前記測定信号が前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との差に基づくので、有効に相殺される。さらに、この実施形態は、前記流体が前記導管を通って流れている方向の変化を記録することができる点で、有利である。すなわち、流体フローが方向を変える場合に、前記測定信号は然るべく符号を変える。
【００２２】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、当該センサシステムは、温度に依存する二次共振周波数を有し、前記加熱要素と熱的にやり取りする二次電子回路を有し、前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記加熱要素と熱的にやり取りする。この実施形態は、周囲温度の変化に対してロバストであるという利点を有する。すなわち、前記測定信号を前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との差に基づかせることによって、周囲温度の変動の擾乱作用は、前記一次共振周波数及び前記二次共振周波数が周囲温度の変動によって等しく影響を受けるので、相殺される。さらに、この実施形態は、前記流体が前記導管を通って流れている方向の変化を記録することができる点で、有利である。すなわち、流体フローが方向を変える場合に、前記測定信号は然るべく符号を変える。
【００２３】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記一次電子回路は、一次インダクタと、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタとを有し、前記二次電子回路は、実質的に前記一次電子回路と同じである。流体フロー方向を記録することに加えて、この実施形態は、有利に、前記一次キャパシタ及び前記二次電子回路の二次キャパシタにおいて誘電体として用いられる強誘電体のキュリー温度への前記測定信号の依存を失効させる。すなわち、前記測定信号を前記一次共振周波数ωｐ及び前記二次共振周波数ωｓとの間の数字上の差に関連付けることによって、例えば、前記測定信号を差ωｐ２−ωｓ２に関連付けることによって、前記測定信号は、目先の強誘電体のキュリー温度に依存しない。すなわち、前記一次電子回路及び前記二次電子回路は実質的に同じであるから、目先の前記一次電子回路及び前記二次電子回路の構成に式［７］を同じように適用することによって：
ωｐ２−ωｓ２
＝ｄｐ（Ｔｐ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｐＬｐ−ｄｓ（Ｔｓ−Ｔｃ）／Ｃε０ＡｓＬｓ
＝ｄ（Ｔｐ−Ｔｓ）／Ｃε０ＡＬ          ［８］
が求められる。ここで、Ｔｐ及びＴｓは夫々、前記一次電子回路及び前記二次電子回路での温度であり、そして、実際には存在する製造公差が無視される場合、ｄ＝ｄｐ＝ｄｓ、Ａ＝Ａｐ＝Ａｓ及びＬ＝Ｌｐ＝Ｌｓ。
【００２４】
全器電子回路に含まれる望ましくは可変なキャパシタ及びインダクタは、従来のディスクリート素子を用いて実現されてよい。前記加熱要素等の、当該センサシステムに存在する他の部品は、同様に、ディスクリート素子から製造されてよい。静脈内の血流検出等の応用のために、小さなセンサシステムが強く望まれる。このため、例えば、電気的絶縁層が組み入れられている導電層の積層を有する強誘電体キャパシタと、シリコン基板上に集積されたインダクタとを有する集積型電子回路は、非常に有益である。
【００２５】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、当該センサシステムは、前記加熱要素と熱的にやり取りし且つ二次共振周波数を有する二次電子回路と、基準共振周波数を有する基準電子回路と、前記加熱要素と熱的にやり取りし且つ更なる共振周波数を有する更なる電子回路とを有する。ここで、前記一次電子回路は、一次インダクタと、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタとを有する。さらに、前記一次電子回路、前記二次電子回路、前記更なる電子回路及び前記基準電子回路は実質的に同じである。前記二次電子回路及び前記更なる電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれる。この実施形態において、前記トランスデューサ配置は、前記二次共振周波数（すなわち、ωｓ）と前記更なる共振周波数（すなわち、ωｆ）との間の数字上の差と、前記一次共振周波数（すなわち、ωｐ）と前記基準共振周波数（すなわち、ωｒｅｆ）との間の数字上の差との比に基づき、前記測定信号を生成するよう配置される。前記測定信号をそのような比、例えば、（ωｐ２−ωｒｅｆ２）／（ωｓ２−ωｆ２）に関連付けることによって、この実施形態は、有利に、電子回路の様々なパラメータとは無関係である測定信号を生成することができる。すなわち、前記測定信号は、キャパシタ板間の幅ｄ、キャパシタの面積Ａ、インダクタンスＬ及びキュリー温度Ｔｃのいずれにも依存しない。前記測定信号は、個々の電子回路の間のプロセス変動とは無関係であるから、信号ごとに電子回路を較正する必要性は有効に除かれる。さらに、前記測定信号は、前記加熱要素へ供給され又は前記加熱要素によって消費される電力の実際の量とは無関係であり、その性質は、電源と前記加熱要素との間の物理的な距離が前記測定信号に作用することなしに一定でないことを可能にする。それに加えて、電源とキャパシタとの間の距離の起こり得る変化によって引き起こされる電界強度の変化によるキャパシタのキャパシタンスの変動は、有効に、相殺される。すなわち、この実施形態に含まれる電子回路は同じであるから、式［７］を同じように用いることによって：
（ωｐ２−ωｒｅｆ２）／（ωｓ２−ωｆ２）
＝（Ｔｐ−Ｔｒｅｆ）／（Ｔｓ−Ｔｆ）          ［９］
が求められる。ここで、Ｔｐは前記一次電子回路での温度を表し、Ｔｒｅｆは前記基準電子回路での温度であり、Ｔｓは前記二次電子回路での温度を表し、Ｔｆは前記更なる電子回路での温度を示す。式［９］によって与えられる比の逆数、すなわち、（ωｓ２−ωｆ２）／（ωｐ２−ωｒｅｆ２）は、同様にうまく用いられてよい。
【００２６】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、当該センサシステムは、前記加熱要素に所定の時間変化するレベルの電力を供給するよう構成される電源を有し、前記一次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素から所定距離に置かれ、前記トランスデューサ配置は、前記時間変化するレベルの電力に応答して前記一次共振周波数が変化する前の存続期間に基づき前記測定信号を生成するよう構成される。この実施形態において、前記測定信号は、周波数シフトの値よりもむしろ周波数シフトのモーメントに関係する。従って、この実施形態においては、例えば、プロセス変動、比誘電率の電界依存、消費電力の量及び前記一次電子回路のパラメータ変動による擾乱作用は、有利に、相殺される。
【００２７】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記電源は、前記加熱要素に電力パルスを供給するよう構成される。この実施形態は、特に、高速の流体フローが期待される応用に適する。
【００２８】
本発明に従うセンサシステムの更なる好ましい実施形態において、前記電源は、前記加熱要素に正弦波状に変化するレベルの電力を供給するよう構成される。この実施形態は、正弦波状に変化するレベルの電力とそれに応答して正弦波状に変化する１次共振周波数との間の位相シフトを測定することを可能にする点で、有利である。
【００２９】
本発明の上記及び他の態様は、以下で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。それらの実施形態は、添付の図面を用いて一例として記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実質的に加熱要素から離して置かれた基準電子回路を有する本発明に従うセンサシステムの実施形態を図解的に表す。
【図２】一次及び二次電子回路が加熱要素の対向する位置に置かれ、一次及び二次電子回路が流体と熱的にやり取りする本発明に従うセンサシステムの実施形態を図解的に表す。
【図３】図２に表される実施形態に類似するが、一次及び二次電子回路が加熱要素と熱的にやり取りする本発明に従うセンサシステムの実施形態を図解的に表す。
【図４】一次、二次、基準及び更なる電子回路を有する本発明に従うセンサシステムの実施形態を図解的に表す。
【図５】所定の時間変化するレベルの電力を加熱要素へ供給するよう構成される電源を有する本発明に従うセンサシステムの実施形態を図解的に表す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図中における同じ参照符号は、同じ又は対応する構成要素を表す。
【００３２】
図１は、導管１０８を通って流れる流体１１０（すなわち、気体又は液体）の速度を測定するためのセンサシステム１０２を図解的に表す。センサシステム１０２は、流体１１０を加熱する加熱要素１０４を有する。この加熱要素１０４は、動作中に所定の、従って既知のレベルの電力を供給される。センサシステム１０２は、温度に依存する一次共振周波数を有する一次電子回路１１４をさらに有する。ここで、一次共振周波数の温度に依存する挙動に関与する一次電子回路１１４の部分の温度は、加熱要素１０４から流体１１０へ伝えられる熱によって決定される。
【００３３】
加熱要素の温度は、動作中に電源１１２によって加熱要素１０４へ供給される電力の量と、加熱要素１０４から流体１１０を含むその周囲へ伝えられる熱の量とに依存する。加熱要素１０４から流体１１０へ伝えられる熱の量は、流体１１０が導管１０８を通って流れている速度によって決定される。零フロー条件で、加熱要素１０４から流体１１０への熱伝達は、伝導のみにより起こる。非零フロー条件で、熱伝達は、主に、強制対流によって決定される。流体フロー速度の増大は、対流に基づく熱伝達を増大させる。従って、流体フロー速度は、反比例的に加熱要素の温度に作用する。結果として、加熱要素の温度は、含まれる流体の種類（すなわち、気体又は液体）に関わらず、零流体フローである場合に最大値に達する。動作中の加熱要素１０４への既知の電力供給を仮定すると、加熱要素の温度は流体フロー速度と直接的に相関する。すなわち、加熱要素１０４へ供給される電力の量における起こり得る変動によるもの以外の加熱要素の温度の変動は、流体１１０が導管１０８へ流れ込む速度の変動に起因する。それにより、加熱要素の温度は、流体フロー速度のための間接的な指標を提供する。
【００３４】
一次共振周波数を温度に依存させることに関与する一次電子回路１１４の少なくとも部分の温度は加熱要素１０４から流体１１０へ伝えられる熱によって決定されるので、一次電子回路１１４のその部分の温度は、同様に、流体フロー速度によって影響を及ぼされる。従って、一次電子回路１１４の一次共振周波数は、流体１１０が導管１０８を通って流れている速度の指標となる。
【００３５】
センサシステム１０２は、一次電子回路１１４に関連する一次共振周波数に基づき流体１１０の速度を示す測定信号１２８を生成するトランスデューサ配置１２６を有する。
【００３６】
センサシステム１０２の実施形態において、加熱要素１０４は、流体１１０が流れている導管１０８の壁１０６に組み込まれている。望ましくは、加熱要素１０４と流体１１０との間には、ほとんど熱抵抗が存在しない。それ自体知られている電源１１２（例えば、バッテリー）は、動作状態の間加熱要素１０４へ既知のレベルの電力を供給するよう構成される。
【００３７】
センサシステム１０２の実施形態においては、一次電子回路１１４は、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタ１１６と、一次インダクタンスを有する一次インダクタ１１８とを有する。一次共振周波数を温度に依存させることに関与する一次電子回路１１４の部分、すなわち、一次キャパシタ１１６と、加熱要素１０４から流体１１０へ伝えられる熱との間の相関を高めるために、一次キャパシタ１１６は加熱要素１０４と熱的にやり取りする。ここで、一次キャパシタ１１６は、一次キャパシタ１１６と加熱要素１０４との間の優れた熱的やり取りを保証するように、加熱要素１０４に含まれている。結果として、少なくとも一次キャパシタ１１６の温度は、加熱要素１０４の温度と同等である。すなわち、少なくとも一次キャパシタ１１６の温度は、加熱要素１０４の温度と実質的に等しい。便宜上、一次電子回路１１４も壁１０６に組み込まれている。なお、それは、少なくとも一次キャパシタ１１６が加熱要素１０４と熱的にやり取りするという条件で、導管１０８の外側に又は導管１０８から離して同じくうまく組み込まれてよい。
【００３８】
センサシステム１０２の具体的な実施形態は、基準電子回路１２０を有する。ここで、基準電子回路１２０は、加熱要素１０４から熱的に絶縁されている。結果として、基準電子回路１２０及び加熱要素１０４は熱的にやり取りしない。結果として、基準電子回路１２０の温度は、加熱要素１０４の温度と同等と言うよりも周囲温度と同等である。この特定の例において、便宜上、基準電子回路１２０も導管１０８の壁１０６に組み込まれている。しかし、それは、一次電子回路１１４と比較して等しい周囲温度にさらされることを条件として、同様に、導管１０８から離れて置かれてもよい。基準電子回路１２０を加熱要素１０４から熱的に絶縁するために、基準電子回路１２０は、加熱要素１０４から実質的に離して置かれる。この具体例において、測定信号１２８は、式［７］に従って、一次共振周波数と基準共振周波数との間の数字上の差に基づく。
【００３９】
センサシステム１０２の特定の実施形態において、トランスデューサ配置１２６は、一次共振周波数及び基準共振周波数を無線により決定するための、それ自体知られているグリッドディップ発振器１３０を有する。例えば、動作の間、一次共振周波数及び基準共振周波数は交互にサンプリングされている。信号１３２は一次共振周波数を表し、一方、更なる信号１３４は、グリッドディップ発振器１３０によって決定される基準共振周波数を表す。トランスデューサ配置１２６は、センサシステム１０２の残りの部分とは物理的に分離されている。この分離は、図１においてそのようなものとして意図的に示されている。測定信号１２８は、一次共振周波数と基準共振周波数との間の数字上の差に関連する信号であり、例えば比較器１３６を用いて生成される。それによって、測定信号１２８は、周囲温度の変動が測定信号１２８を基準共振周波数と関連付けることによって補償されるので、周囲温度の変動に関してロバストである。
【００４０】
検討されているセンサシステム１０２の特定の実施形態において、一次電子回路１１４及び基準電子回路１２０は実質的に同じである。すなわち、基準電子回路１２０は基準キャパシタ１２２を有し、その基準キャパシタンスは、一次キャパシタ１１６及び基準キャパシタ１２２が等しい温度にさらされる場合に一次キャパシタンスと等しい。なお、等しい温度は、この実施形態においては一般的な場合ではない。基準電子回路１２０は、一次インダクタンスに等しい基準インダクタンスを有する基準インダクタ１２４をさらに有する。結果として、基準電子回路１２０に関連する共振周波数、すなわち、基準共振周波数の温度に依存する挙動は、一次共振周波数の温度に依存する挙動を映す。
【００４１】
図２は、流体２１０が流れている導管２０８の壁２０６に組み込まれている加熱要素２０４を有するセンサシステム２０２を図解的に表す。センサシステム２０２は、一次電子回路２１４をさらに有する。この特定の例において、一次電子回路２１４は、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタ２１６と、一次インダクタンスを有する一次インダクタ２１８とを有する。結果として、一次電子回路２１４は、温度に依存する一次共振周波数によって特徴付けられる（式［２］を参照。）。この具体的な実施形態において、センサシステム２０２は、二次電子回路２２０をさらに有する。この特定の実施形態において、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は実質的に同じである。従って、二次電子回路２２０は二次キャパシタ２２２を有し、その二次キャパシタンスは、一次キャパシタ２１６及び二次キャパシタ２２２が等しい温度にさらされる場合に一次キャパシタンスと等しい。二次電子回路２２０は、一次インダクタンスに等しい二次インダクタンスを有する二次インダクタ２２４をさらに有する。結果として、二次電子回路２２０に関連する共振周波数、すなわち、二次共振周波数の温度に依存する挙動は、一次共振周波数の温度に依存する挙動に等しい。
【００４２】
一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、導管２０８の長手方向に平行な、従って、導管２０８を通る流体フローの方向に平行な成分を少なくとも有する軸２２５に沿って加熱要素２０４の対向する側の所定位置に置かれている。ここで、一次電子回路２１４と加熱要素２０４との間の距離ｄ１は、必ずしも、二次電子回路２２０と加熱要素２０４との間の距離ｄ２と等しくない。矢印によって示されるような本実施形態におけるフロー方向を考えると、一次電子回路２１４は加熱要素２０４から下流に位置し、二次電子回路２２０は加熱要素２０４に対して上流の位置にある。
【００４３】
この具体的な実施形態において、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、夫々、流体２１０と熱的にやり取りする。そのために、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、比較的流体２１０に近接近して壁２０６に組み込まれている。結果として、この例のフロー方向と仮定すれば、一次電子回路２１４の温度は、加熱要素２０４から下流の流体の温度と同等であり、一方、二次電子回路２２０の温度は、加熱要素２０４から上流の流体の温度と実質的に等しい。望ましくは、この具体例において、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、加熱要素２０４から熱的に絶縁される。
【００４４】
零フロー条件で、加熱要素２０４から流体２１０への熱伝達は伝導により起こり、加熱要素２０４に対して長手方向において流体２１０に対称的な温度分布をもたらす。非零フロー条件で、熱伝達は、主に、強制対流によって決定される。強制対流は、流体２１０の温度分布を、流体２１０のフロー方向に沿って非対称にさせる。すなわち、熱は加熱要素２０２に沿って流れる流体２１０へ伝えられているので、加熱要素２０４の下流で、流体２１０は、加熱要素２０４の上流よりも高い温度を有する。流体フロー速度の増大は、対流に基づく熱伝達を増大させ、それによって、上記の温度分布の非対称性を高める。流体２１０と、加熱要素の２０４から下流及び上流の夫々に置かれている一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０との間の熱的やり取りのために、温度に依存する一次及び二次キャパシタンスは、上記の温度非対称性を反映する（式［４］を参照。）。同様に、一次及び二次共振周波数は、上記の非対称温度分布に従って変化する。従って、一次共振周波数と二次共振周波数との間の数字上の差は、流体２１０が導管２０８を通って流れている速度の指標となる。
【００４５】
センサシステム２０２は、流体２０８の速度を示す測定信号２２８を生成するトランスデューサ配置２２６を有する。この具体例において、トランスデューサ配置２２６は、センサシステム２０２の動作中に無線により一次共振周波数及び二次共振周波数を決定するための、それ自体知られているグリッドディップ発振器２３０を有する。信号２３２は一次共振周波数を表し、一方、更なる信号２３４は、グリッドディップ発振器２３０によって決定される二次共振周波数を表す。この特定の例において、測定信号２２８は、例えば比較器２３６を用いて、式［８］に従って一次共振周波数と二次共振周波数との間の数字上の差に基づく。それによって、測定信号２２８の符号は、流体フロー方向の決定を可能にする。グリッドディップ発振器２３０は、加熱要素２０４に電気的に接続されている抵抗２１２との誘導結合を介して加熱要素２０４へ無線により電力を供給する。この特定の例において、抵抗２１２は、加熱要素２０４の上に取り付けられている。
【００４６】
図３は、流体２１０が流れている導管２０８の壁２０６に組み込まれている加熱要素３０４を有するセンサシステム３０２を図解的に表す。センサシステム３０２は、一次電子回路２１４をさらに有する。加熱要素３０４に電気的に接続されている電源２１２は、所定レベルの電力を加熱要素３０４へ供給するよう構成される。電源２１２は、無線により、例えば電磁放射を介して、電力を受けるよう配置されてよい。この特定の例において、一次電子回路２１４は、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタ２１６と、一次インダクタンスを有する一次インダクタ２１８とを有する。結果として、一次電子回路２１４は、温度に依存する一次共振周波数によって特徴付けられる（式［２］を参照。）。この具体的な実施形態において、センサシステム３０２は、二次電子回路２２０をさらに有する。この特定の実施形態において、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は実質的に同じである。従って、二次電子回路２２０は二次キャパシタ２２２を有し、その二次キャパシタンスは、一次キャパシタ２１６及び二次キャパシタ２２２が等しい温度にさらされる場合に一次キャパシタンスと等しい。二次電子回路２２０は、一次インダクタンスに等しい二次インダクタンスを有する二次インダクタ２２４をさらに有する。結果として、二次電子回路２２０に関連する共振周波数、すなわち、二次共振周波数の温度に依存する挙動は、一次共振周波数の温度に依存する挙動に等しい。
【００４７】
一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、導管２０８の長手方向に平行な、従って、導管２０８を通る流体フローの方向に平行な成分を少なくとも有する軸２２５に沿って加熱要素３０４の対向する側の所定位置に置かれている。矢印によって示されるような本例におけるフロー方向を考えると、一次電子回路２１４は加熱要素３０４から下流に位置し、二次電子回路２２０は加熱要素３０４に対して上流の位置にある。この具体的な実施形態において、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、加熱要素３０４と熱的にやり取りする。そのために、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は、加熱要素３０４に近接近して組み込まれている。すなわち、この例のフロー方向と仮定して、一次電子回路２１４は加熱要素３０４の下流側３０８の近くに置かれ、二次電子回路２２０は加熱要素３０４の上流側３０６の近くに置かれる。結果として、一次電子回路２１４の温度は加熱要素３０４の下流温度と同等であり、一方、二次電子回路２２０の温度は加熱要素３０４の上流温度と実質的に等しい。望ましくは、測定精度を高めるために、加熱要素３０４は、加熱要素３０４を流れ過ぎる流体２１０が加熱要素３０４にわたる有意な非対称の温度勾配を引き起こすことを可能にするように、導管２０８の長手方向に平行な方向において、比較的大きいサイズを有して設けられる。さらに望ましくは、一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０は加熱要素３０４から熱的に絶縁される。
【００４８】
図２に表された実施形態と同じく、零フロー条件で、加熱要素３０４から流体２１０への熱伝達は伝導により起こり、導管２０８の長手方向を含むがその方向に限定されない加熱要素にわたる対称的な温度プロフィールをもたらす。非零フロー条件に関し、熱伝達は、主に、強制対流によって決定される。強制対流は、加熱要素３０４の温度分布を非対称にさせる。すなわち、熱は加熱要素３０４を流れ過ぎた流体２１０へ伝えられているので、加熱要素３０４の下流側３０８は加熱要素３０４の上流側３０６よりも高い温度を有する。流体フロー速度の増大は、対流に基づく熱伝達を増大させ、それによって、上記の温度分布の非対称性を高める。加熱要素３０４と一次電子回路２１４及び二次電子回路２２０との間の熱的やり取りのために、温度に依存する一次及び二次キャパシタンスは、例えば式［４］に従って、上記の温度非対称性を反映する。従って、一次共振周波数と二次共振周波数との間の数字上の差は、流体２１０が導管２０８を通って流れている速度の指標となる。
【００４９】
センサシステム３０２は、流体２１０の速度を示す測定信号２２８を生成するトランスデューサ配置２２６を有する。この具体例において、トランスデューサ配置２２６は、センサシステム３０２の動作中に一次及び二次共振周波数を無線により決定するための、それ自体知られているグリッドディップ発振器２３０を有する。信号２３２は一次共振周波数を表し、一方、更なる信号２３４は、グリッドディップ発振器２３０によって決定される二次共振周波数を表す。この特定の例において、測定信号２２８は、例えば比較器２３６を用いて、式［８］に従って一次共振周波数と二次共振周波数との間の数字上の差に基づく。それによって、測定信号２２８の符号は、流体フロー方向の決定を可能にする。
【００５０】
図４は、流体４１０が動作中に流れている導管４０８の壁４０６に組み込まれている加熱要素４０４を有するセンサシステム４０２を図解的に示す。加熱要素４０４は、電磁放射を介して電力を受けるよう構成される。この例において、加熱要素４０４は、特定の波長の電磁放射（例えば、可視光）を吸収するよう構成される吸収装置４１２と熱的にやり取りする。センサシステム４０２は、同じ壁４０６に置かれている一次電子回路１１４をさらに有する。この特定の例において、一次電子回路１１４は、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタ１１６と、一次インダクタンスを有する一次インダクタ１１８とを有する。結果として、一次電子回路１１４は、温度に依存する一次共振周波数によって特徴付けられる。電子回路１１４に含まれる少なくとも一次キャパシタ１１６は、加熱要素４０４と熱的にやり取りする。
【００５１】
この具体例において、センサシステム４０２は、基準電子回路１２０、二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４をさらに有する。ここで、基準電子回路１２０は、図１において表された実施形態と同じく、例えば、基準電子回路１２０を加熱要素４０４から比較的離して置くことによって、加熱要素４０４から熱的に絶縁される。この具体的な実施形態において、二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４は、導管４０８の長軸に平行な成分を少なくとも有する軸４１６に沿って加熱要素４０４の対向する側の所定位置に置かれている。二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４は、流体４１０と熱的にやり取りする。そのために、二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４は、望ましくは、流体４１０に比較的近接近して壁４０６に組み込まれる。結果として、この例のフロー方向を考えると、更なる電子回路４１４の温度は加熱要素４０４から下流の流体の温度と同等であり、一方、二次電子回路２２０の温度は加熱要素４０４から上流の流体の温度と実質的に等しい。望ましくは、センサシステムの測定精度を高めるために、二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４は、加熱要素４０４から熱的に絶縁される。
【００５２】
上記の電子回路は、夫々、一次電子回路１１４と実質的に同じである。従って、更なる電子回路４１４は、同様に、温度に依存する更なるキャパシタンスを有する更なるキャパシタ４１８と、更なるインダクタンスを有する更なるインダクタ４２０とを有する。結果として、一次電子回路、基準電子回路、二次電子回路及び更なる電子回路に関連する共振周波数は、同じように温度に依存する挙動を示す。
【００５３】
センサシステム４０２は、導管４０８を通って流れる流体４１０の速度を示す測定信号４２４を生成するトランスデューサ配置４２２を有する。この例において、トランスデューサ配置４２２は、一次電子回路１１４、基準電子回路１２０、二次電子回路２２０及び更なる電子回路４１４に関連する共振周波数を無線により決定するための、それ自体知られているグリッドディップ発振器４２６を有する。第１の信号４２８は、動作中のグリッドディップ発振器４２６によって決定される一次共振周波数を表し、第２の信号４３０は、同様に、基準共振周波数を表し、第３の信号４３２は、同様に、二次共振周波数を表し、第４の信号４３４は更なる共振周波数を表す。この特定の例において、測定信号４２４は、測定信号１２８及び２２８の間の比に基づく。すなわち、測定信号４２４は、式［９］に従って、一次共振周波数と基準共振周波数との間の数字上の差と、二次共振周波数と更なる共振周波数との間の数字上の差との比に関連する。そのために、第１の比較器４３６は測定信号１２８を生成するよう構成され、一方、第２の比較器４３８は測定信号２２８を生成するよう配置される。トランスデューサ配置４２２に含まれるプロセッサ４４０は、測定信号１２８及び２２８に基づき測定信号４２４を計算するよう構成される。
【００５４】
図５は、導管５０８を通って流れている流体５１０を加熱する加熱要素５０４を有するセンサシステム５０２を図解的に表す。そのために、加熱要素５０４は、導管５０８の壁５０６に置かれてよい。センサシステム５０２は、所定の時間変化するレベルの電力を加熱要素５０４に供給するよう構成される電源５１２を有する。センサシステム５０２は、一次電子回路５１４をさらに有する。この特定の例において、一次電子回路５１４は、温度に依存する一次キャパシタンスを有する一次キャパシタ５１６と、一次インダクタンスを有する一次インダクタ５１８とを有する。結果として、一次電子回路５１４は、温度に依存する一次共振周波数によって特徴付けられる（式［２］を参照。）。ここで、一次電子回路５１４に含まれる少なくとも一次キャパシタ５１６は、流体５１０と熱的にやり取りする。そのために、一次キャパシタ５１６は、望ましくは、流体５１０に近接近して置かれる。
【００５５】
ここで、一次電子回路５１４は、導管５０８の長手方向に平行な成分を少なくとも有する軸５２０に沿って加熱要素５０４から所定距離ｄに置かれる。結果として、少なくとも一次キャパシタ５１６の温度は、加熱要素５０４から所定距離ｄでの流体の温度と実質的に等しい。
【００５６】
加熱要素５０４へ動作中に供給される電力のレベルは時間により変化するので、加熱要素５０４によって流体５１０へ伝えられる熱の量はそれに応答して時間により変化する。零フロー条件で、タイム・オブ・フライト（time  of  flight）、すなわち、一次電子回路５１４の位置で加熱要素５０４への電力供給の変動を記録するのにかかる時間は、流体５１０及び壁５０６の両方の熱拡散率に十分に依存する。非零フロー条件に関し、タイム・オブ・フライトは、主に、流体５１０が導管５０８を通って流れる速度によって決定される。明らかに、反比例関係が流体フロー速度と上記のタイム・オブ・フライトとの間には存在する。この特定の実施形態において、タイム・オブ・フライトは、一次共振周波数が加熱要素５０４へ供給される電力のレベルの変動に応答して変化する前の存続期間を測定することによって観測される。
【００５７】
センサシステム５０２は、導管５０８を通って流れる流体５１０の速度を示す測定信号５２４を生成するためのトランスデューサ配置５２２を有する。この具体的な実施形態において、トランスデューサ配置５２２は、一次共振周波数を無線により決定するための、それ自体知られているグリッドディップ発振器５２６を有する。一次共振周波数は、適切なサンプルレート、例えば、１ヘルツから１キロヘルツの範囲にあるサンプルレートでサンプリングされる。動作の間、比較器５２６は、測定信号５２４を計算するために、時間の関数として一次共振周波数を表す信号５２８を、時間の関数として加熱要素５０４へ供給される電力のレベルを表す信号５２０と比較する。
【００５８】
電源５１２は、一連の電力パルスを用いて時間変化するレベルの電力を加熱要素５０４に供給するよう構成されてよい。ここで、連続する電力パルスの間の周期は様々であってよい。代替的に、電源５１２は、正弦波状に変化するレベルの電力を加熱要素５０４に供給するよう構成される。
【００５９】
本発明は図面において及び上記の説明において図示及び記載されてきたが、図示及び記載は例示であって限定ではないと考えられるべきである。本発明は、開示される実施形態に制限されない。本発明に従うセンサ及び制御ユニット並びに全てのそれらの構成要素は、それ自体知られているプロセス及び材料を適用することによって作られてよいことが分かっている。特許請求の範囲及び明細書において、語「有する（comprising）」は他の要素を除外せず、不定冠詞「１つの（a又はan）」は複数個を除外しない。特許請求の半における参照符号はいずれも、本発明の技術的範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。さらに、特許請求の範囲において定義される特徴の全ての可能な組み合わせは、本発明の一部であることが分かっている。
【図１】
2013508716.tif 000003
【図２】
2013508716.tif 000004
【図３】
2013508716.tif 000005
【図４】
2013508716.tif 000006
【図５】
2013508716.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月24日(2012.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管を通って流れる流体の速度を測定するセンサシステムであって：
動作中に所定のレベルの電力を供給され、前記流体を加熱する加熱要素，
温度に依存する１次共振周波数を有する一次電子回路，
前記導管を通って流れる前記流体の速度を示す測定信号を生成するよう構成されるトランスデューサ配置
を有し、
前記一次電子回路の少なくとも一部の温度は、前記加熱要素から前記導管を通って流れる前記流体へ伝わる熱によって決定され、前記一部は、前記一次共振周波数を温度依存させることに関与し、
前記測定信号は、前記一次共振周波数に基づき、
前記トランスデューサ配置は、前記一次電子回路の前記一次共振周波数を決定するグリッドディップ発振器を有する、センサシステム。
【請求項２】
前記加熱要素は、前記グリッドディップ発振器との誘導結合を介して電力を受ける抵抗を有する、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記一次電子回路は、直列に接続されたインダクタ及びキャパシタを有し、前記キャパシタは、温度に依存するキャパシタンスを有する、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記一次電子回路は、前記加熱要素と熱的にやり取りする、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記加熱要素はキャパシタを有する、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項６】
温度に依存する基準共振周波数を有する基準電子回路を有し、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置される、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記一次電子回路及び前記基準電子回路は、実質的に同じである、
請求項６に記載のセンサシステム。
【請求項８】
温度に依存する二次共振周波数を有する二次電子回路を有し、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記流体と熱的にやり取りする、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項９】
温度に依存する二次共振周波数を有する二次電子回路を有し、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記一次共振周波数と前記二次共振周波数との間の差に基づき前記測定信号を生成するよう配置され、
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、前記加熱要素と熱的にやり取りする、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項１０】
前記一次電子回路及び前記二次電子回路は、実質的に同じである、
請求項８に記載のセンサシステム。
【請求項１１】
前記加熱要素と熱的にやり取りし且つ基準共振周波数を有する基準電子回路，及び
前記流体と熱的にやり取りし且つ二次共振周波数を有する二次電子回路，
前記流体と熱的にやり取りし且つ更なる共振周波数を有する更なる電子回路
を有し、
前記一次電子回路、前記二次電子回路、前記更なる電子回路及び前記基準電子回路は実質的に同じであり、
前記二次電子回路及び前記更なる電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素の対向する側の所定位置に置かれ、
前記トランスデューサ配置は、前記二次共振周波数と前記更なる共振周波数との間の数字上の差と、前記一次共振周波数と前記基準共振周波数との間の数字上の差との比に基づき、前記測定信号を生成するよう配置される、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項１２】
前記加熱要素に時間変化するレベルの電力を供給するよう構成される電源を有し、
前記一次電子回路は、前記導管の長軸に平行な成分を有する軸に沿って前記加熱要素から所定距離に置かれ、
前記一次電子回路は、前記流体と熱的にやり取りし、
前記トランスデューサ配置は、前記時間変化するレベルの電力に応答して前記一次共振周波数が変化する前の存続期間に基づき前記測定信号を生成するよう構成される、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
前記電源は、前記加熱要素に電力パルスを供給するよう構成される、
請求項１２に記載のセンサシステム。
【請求項１４】
前記電源は、前記加熱要素に正弦波状に変化するレベルの電力を供給するよう構成される、
請求項１２に記載のセンサシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の目的は、本発明に従うセンサシステムによって達成される。本発明に従うセンサシステムは、動作中に所定のレベルの電力を供給され、前記流体を加熱する加熱要素を有する。本発明に従うセンサシステムは、さらに、温度に依存する１次共振周波数を有する一次電子回路を有し、前記一次電子回路の少なくとも一部の温度は、前記加熱要素から前記導管を通って流れる前記流体へ伝わる熱によって決定され、前記一部は、前記一次共振周波数を温度依存させることに関与する。本発明に従うセンサシステムは、さらに、前記導管を通って流れる前記流体の速度を示す測定信号を生成するよう構成されるトランスデューサ配置を有し、前記測定信号は、前記一次共振周波数に基づき、前記トランスデューサ配置は、前記一次電子回路の前記一次共振周波数を決定するグリッドディップ発振器を有する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
グリッドディップ発振器は、誘導結合を介して前記一次電子回路によって受け入れられるＲＦ信号を生成するチューニング回路を有する。前記グリッドディップ発振器は、前記一次電子回路による受入量を記録する。該受入量は、前記ＲＦ信号の周波数が前記一次電子回路の１次共振周波数と一致する場合に、最大となる。この実施形態は、前記一次共振周波数、ひいては、前記導管を通って流れるフローの速度を、高度な複雑性を伴うことなく、無線により決定することができる点で有利である。すなわち、グリッドディップ発振器の使用は、一般的に無線センサシステムに付随する複雑性を防ぐ。すなわち、関心のある物理信号を電気領域へと変換し、その電気信号を増幅し、電気信号をサンプリングしてデジタル領域へと変換し、そのデジタル信号をＲＦキャリア信号におけるデータパッケージとして送信し、受信後にＲＦキャリア信号を復号化し、その復号化されたＲＦ信号を較正曲線と比較し、最終的にそれを関心のある物理量へ逆変換する必要性はない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に従うセンサシステムの好ましい実施形態において、前記加熱要素は、前記グリッドディップ発振器との誘導結合を介して電力を受ける抵抗を有する。この実施形態は、有利に、前記加熱要素及び前記一次電子回路を前記トランスデューサ配置から物理的に分離する。すなわち、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記トランスデューサ配置に関しては無線動作を可能にする。それによって、この実施形態は、有利に、煩わしい配線の使用を禁止する遠隔位置で流体フロー速度を測定することを可能にする。例えば、人体内のインプラントにおける又は該インプラントの周囲の流体フローの測定は、そのような配線の欠如から恩恵を得る。さらに、この実施形態は、前記導管が定期的に交換されるべき用途、例えば、静脈内注射、麻酔フロー制御、導尿カテーテル、呼吸制御、並びに腸内及び腸管外の栄養剤フロー測定等の滅菌医療用途における経済上魅力的な使用を可能にする点で、有利である。そのようなビジネスモデルにおいては、グリッドディップ発振器を有する前記トランスデューサ配置は、当該センサシステムの中で最も高価な部分であって、再利用可能であり、一方、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記導管とともに処分される。そのために、前記加熱要素及び前記一次電子回路は、前記導管の壁内に組み込まれる。明らかに、前記一次電子回路及び前記加熱要素は必ずしも処分される必要はない。すなわち、それらは長期使用を認める。この実施形態は、当該センサシステムの処分部品から再利用可能なトランスデューサ配置を切り離すのに全く労力が必要とされないので、特に、上記のビジネスモデルに適する。
【国際調査報告】
2013508716.tif 000008
2013508716.tif 000009
2013508716.tif 000010