JP2010236983A - Sensor assembly, and instrument for measuring physical property value of fluid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の一例である、天然ガス等の気体の物性値、例えば、熱伝導率や熱量、組成成分等を測定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring a physical property value of a gas such as natural gas, which is an example of a fluid, for example, a thermal conductivity, a calorific value, a composition component, and the like.
ガス等の気体の物性値、例えば、熱伝導率や熱量、成分等を測定する技術として、下記の特許文献1に記載された技術が知られている。特許文献1の記載によれば、センサチップに断熱性を有するダイアフラムを介して設けられたマイクロヒータに対して与えた電力と、そのときのヒータ温度とから放熱係数を求め、当該放熱係数を基に雰囲気ガスの熱伝導率を求めるに際して、センサチップに設けた補助ヒータによってセンサチップ周辺近傍の温度を一定化することができる。したがって、恒温層などを用いなくても、純粋ガスや混合ガスの熱伝導率を、その温度にかかわりなく簡易に計測することができる。
As a technique for measuring a physical property value of a gas such as a gas, for example, a thermal conductivity, a heat amount, a component, or the like, a technique described in
上述した従来技術において、測定精度をさらに向上させたい場合がある。上述した従来技術は、補助ヒータによってセンサチップ周辺近傍の温度を一定に制御しようとするが、センサチップの表面(マイクロヒータの設けられたダイアフラム)が露出しているため、センサチップ周辺近傍の気体の温度の変動が大きいと、その変動に応じてダイアフラムの温度、つまりはヒータ温度も変動する。 In the prior art described above, there are cases where it is desired to further improve the measurement accuracy. The above-described prior art tries to control the temperature in the vicinity of the sensor chip constant by the auxiliary heater. However, since the surface of the sensor chip (diaphragm provided with the micro heater) is exposed, the gas in the vicinity of the sensor chip is exposed. If there is a large variation in temperature, the temperature of the diaphragm, that is, the heater temperature also varies according to the variation.
例えば、周囲温度が10℃変動すると、ダイアフラムの温度は0.5℃程度変動する場合がある。このような温度変動は、熱伝導率の測定誤差の要因となり、アプリケーションによっては無視できない測定誤差が生じて要求される測定精度を満たせない場合がある。 For example, when the ambient temperature varies by 10 ° C., the temperature of the diaphragm may vary by about 0.5 ° C. Such a temperature fluctuation causes a measurement error of thermal conductivity, and a measurement error that cannot be ignored depending on the application may occur, and the required measurement accuracy may not be satisfied.
そこで、本発明の目的の一つは、ガス等の流体の物性値の測定精度を改善することにある。 Accordingly, one of the objects of the present invention is to improve the measurement accuracy of physical property values of fluids such as gas.
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。 In addition, the present invention is not limited to the above-described object, and other effects of the present invention can be achieved by the functions and effects derived from the respective configurations shown in the embodiments for carrying out the invention which will be described later. It can be positioned as one of
前記目的を達成し得る本発明の態様は、以下に示すセンサアセンブリ及び流体の物性値測定装置として把握される。 Aspects of the present invention that can achieve the above-described object can be grasped as a sensor assembly and a fluid property value measuring device described below.
すなわち、センサアセンブリの一態様は、基体と、前記基体の表面に配置された絶縁体と、前記絶縁体上に設けられた第1の抵抗体とを有し、前記第1の抵抗体に与えられる第1の駆動電力と前記第1の抵抗体の温度とに基づいて表面に接する流体の物性値を測定するのに用いられるセンサユニットと、前記絶縁体の表面に前記流体が流通することを許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆うように前記センサユニットに設けられたカバーと、与えられる第2の駆動電力に応じて前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方の温度を制御する第2の抵抗体と、を備える。 In other words, one aspect of the sensor assembly includes a base, an insulator disposed on the surface of the base, and a first resistor provided on the insulator, and is provided to the first resistor. A sensor unit used to measure a physical property value of the fluid in contact with the surface based on the first driving power and the temperature of the first resistor, and the fluid flows through the surface of the insulator. A cover provided on the sensor unit so as to cover the insulator while ensuring a permissible space, and a second for controlling the temperature of at least one of the sensor unit and the cover in accordance with the applied second driving power. A resistor.
このような構成を有するセンサアセンブリでは、前記カバーによって、前記流体の流通を許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆った状態で、前記第2の抵抗体の発熱によって前記基板及び前記カバーの少なくとも一方の温度が制御される。これにより、他方の温度も前記発熱の熱伝導によって制御することができ、前記センサユニット(第1の抵抗体)に触れる流体の温度を、一定に安定化することができる。 In the sensor assembly having such a configuration, the cover and the cover are heated by the heat generated by the second resistor in a state where the insulator is covered while the space allowing the fluid to flow is secured by the cover. At least one of the temperatures is controlled. Thereby, the other temperature can also be controlled by the heat conduction of the heat generation, and the temperature of the fluid touching the sensor unit (first resistor) can be stabilized constant.
ここで、前記物性値の測定は、さらに前記絶縁体の表面に接する前記流体の温度に基づいて実施することができる。 Here, the measurement of the physical property value can be further performed based on the temperature of the fluid in contact with the surface of the insulator.
また、前記第2の抵抗体は、前記流体の温度を検出する温度センサを兼ねてもよい。また、前記第2の抵抗体は、前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方に設けることとしてもよく、例えば、前記センサユニットに1つだけ設けるようにしてもよい。 The second resistor may also serve as a temperature sensor that detects the temperature of the fluid. The second resistor may be provided on at least one of the sensor unit and the cover. For example, only one second resistor may be provided on the sensor unit.
さらに、前記カバーは、前記基体の熱伝導率以上の熱伝導率を有するものとしてもよい。また、前記カバーは、カバー基体と、前記カバー基体に設けられた複数の凸部とを備え、前記空間は、前記カバー基体と前記凸部と前記絶縁体の表面とで形成される空間である、こととしてもよい。 Furthermore, the cover may have a thermal conductivity equal to or higher than the thermal conductivity of the substrate. The cover includes a cover base and a plurality of convex portions provided on the cover base, and the space is a space formed by the cover base, the convex portions, and the surface of the insulator. It's good.
さらに、前記測定される物性値は、前記流体の熱伝導率としてもよい。また、前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記流体の熱量としてもよい。さらに、前記流体は複数種類のガスを組成成分に含む混合ガスであり、前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記組成成分に関する値としてもよい。 Further, the measured physical property value may be the thermal conductivity of the fluid. Further, the measured physical property value may be the amount of heat of the fluid obtained based on the thermal conductivity. Further, the fluid may be a mixed gas containing a plurality of types of gases in the composition component, and the measured physical property value may be a value related to the composition component obtained based on the thermal conductivity.
また、流体の物性値測定装置の一態様は、上述したセンサアセンブリと、前記第2の抵抗体によって前記温度が一定に制御された状態で、前記流体の物性値を測定する測定ユニットと、を備える。 Further, one aspect of the fluid property value measuring apparatus includes the sensor assembly described above and a measurement unit that measures the property value of the fluid in a state where the temperature is controlled to be constant by the second resistor. Prepare.
このような構成を用いることで、上述したごとく絶縁体の表面に対する流体の流通を許容する空間において前記絶縁体に接する流体の温度を、一定に安定化した状態で、流体の物性値の測定を実施することができる。 By using such a configuration, the physical property value of the fluid can be measured in a state where the temperature of the fluid in contact with the insulator is constantly stabilized in the space allowing the fluid to flow to the surface of the insulator as described above. Can be implemented.
上述した本発明によれば、前記絶縁体、ひいては第1の抵抗体に触れる測定対象の流体の温度を、一定に安定化することができるので、前記空間における流体の温度が周囲温度の変動に応じて変動することを最小限に抑制することができる。したがって、流体の物性値の測定誤差を最小限に抑制して、前記測定の精度を向上することが可能となる。 According to the present invention described above, the temperature of the fluid to be measured that touches the insulator, and hence the first resistor, can be stabilized at a constant level. Accordingly, it is possible to suppress fluctuations to a minimum. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the measurement by minimizing the measurement error of the physical property value of the fluid.
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。 Embodiments of the present invention will be described below. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. The drawings are schematic. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in light of the following description. In addition, there may be a portion where the dimensional relationships and ratios are different between the drawings.
図1は一実施形態に係るセンサアセンブリ1を模式的に示す斜視図、図2は図1に例示するセンサアセンブリ1の分解斜視図、図3は図2に例示するセンサチップ6のII−II矢視断面図である。
1 is a perspective view schematically showing a
本実施形態のセンサアセンブリ1は、例示的に、平板状のセンサチップ(センサユニット)6と、センサチップ6を一方の面(裏面)から支持する台座5と、センサチップ6上に中空支持されてセンサチップ6の他方の面(表面)を覆うカバー7とを有する。
The
センサチップ6は、第1の抵抗体の一例としてのマイクロヒータ(発熱抵抗体)61を有し、その発熱量を基に流体の一例である気体(例えばガス)の熱伝導率を測定するのに用いられる。ガスは、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の純粋ガスでもよいし、これらのいずれかを組成成分に含む天然ガス等の混合ガスでもよい。
The
センサチップ6は、図2及び図3に例示するように、キャビティ(凹部)66が設けられた基体の一例である基板60と、基板60上に少なくともキャビティ66を覆うように設けられた絶縁体65と、を備える。絶縁体65は、例えば膜状の絶縁層として形成することができる。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, the
基板60の厚みは、例えば0.5mmであり、基板60の縦横の寸法は、例えばそれぞれ1.5mm程度である。ただし、基板60の寸法、形状は、これらに限られない。基板60の材料としては、例示的に、シリコン(Si)等が使用可能である。絶縁体65の材料としては、例示的に、酸化ケイ素(SiO2)等が使用可能である。
The thickness of the
キャビティ66は、基板60の一方の面の略中央部に異方性エッチングやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術等を用いて形成することができる。図2及び図3には、一例として舟形凹状のキャビティ66が形成された様子を例示している。
The
絶縁体65は、熱容量が小さく、基板60に対して断熱性を有する部材(断熱部)としても用いられ、また、キャビティ66を覆う部分の絶縁体65は、基板60に対して断熱性を有するダイアフラムをなす。ダイアフラムには、例示的に、複数の透孔67が設けられており、これらの透孔67を介してダイアフラムの両面が外気に開放されている。
The
センサチップ6の全体は、図1及び図2に例示するように、台座5によって支持される。台座5は、例示的に、平板状の基体50の四隅に、突出する4つの脚部(凸部)51(1つは図1及び図2において死角にある)を有する。
The
台座5は、これらの脚部51とセンサチップ6の四隅とが接合されることで、センサチップ6を実質的に空中(測定対象のガス中)に浮かした状態で支持(中空支持)、固定することができる。これにより、台座5の基体50とセンサチップ6との間には、台座5の基体50と台座5の各脚部51とセンサチップ6とで形成される十字状の空間52が確保され、当該空間52に対してガスの流通が許容される。つまり、空間52は、ガスの流路として位置付けられる。
The pedestal 5 is supported (hollow support) and fixed in a state where the
このような台座5は、支持するセンサチップ6の寸法、形状に応じた寸法、形状とすることができる。例えば、1辺の長さは約1.5mm、厚さは約0.3mm、脚部51の高さ(流路52の深さ)は約0.7mm、脚部51の一辺の長さは0.3mm程度とすることができる。
Such a pedestal 5 can have a size and shape corresponding to the size and shape of the
脚部51とセンサチップ6との固定(接合)には、既知の種々の接合手法を用いることができ、例えば、接着剤を用いてもよいし、嵌合、係止等の機械的な接続構造を用いてもよい。台座5の材料としては、例えばガラスやセラミック等が利用可能である。また、台座5には、熱伝導率の大きい部材、例えば10W/(m・K)以上の部材を用いることができる。熱伝導率の大きい部材を用いれば、センサチップ6全体を所定の温度に一定制御するのに用いる電流量を抑制でき、容量の小さな電源でも効率的な温度制御が可能となる。熱伝導率が10W/(m・K)以上の部材の一例としては、多孔性部材等が挙げられる。
For fixing (joining) the
なお、台座5には、例えば特許第3740026号公報、特許第3740027号公報、特開2002−29688号公報、特開2002−318148号公報、特開2002−318149号公報等にそれぞれ記載されているものを適宜採用することができる。 The pedestal 5 is described in, for example, Japanese Patent No. 3740026, Japanese Patent No. 3740027, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-29688, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-318148, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-318149, and the like. A thing can be employ | adopted suitably.
カバー7は、例示的に、平板状の基体(カバー基体)70と、基体70の四隅に突出して設けられた4つの脚部(凸部)71(1つは図1及び図2において死角にある)と、を有する。これらの脚部71とセンサチップ6の四隅とがそれぞれ接合されることで、カバー7は、センサチップ6(絶縁体65)のマイクロヒータ61が設けられた面と所定の空間72を保って当該センサチップ6を覆う。
The cover 7 exemplarily includes a flat substrate (cover substrate) 70 and four leg portions (convex portions) 71 protruding from the four corners of the substrate 70 (one is a blind spot in FIGS. 1 and 2). And). By joining these
これにより、マイクロヒータ61へ測定対象のガスが流通することを許容する空間72を確保しつつセンサチップ6がカバー7で覆われる。その結果、カバー7の基体70とカバー7の各脚部71とセンサチップ6(絶縁体65)の表面とで十字状の空間72が形成され、この空間72に対してガスの流通が許容されて、ガスをセンサチップ6の表面に触れさせることができる。したがって、空間72は、空間52と同様に、ガスの流路として位置付けられる。
Accordingly, the
換言すれば、カバー7は、センサチップ6(絶縁体65)のマイクロヒータ61の設けられた面がガスに露出した状態で覆うことのできる形状を有していれば足りる。例示すれば、カバー7は、ドーム状のものであってもよい。また、カバー7とセンサチップ6との接合箇所も、センサチップ6の四隅には限られない。センサアセンブリ1として必要な強度に応じて、接合箇所やその数は適宜変更してよい。
In other words, it is sufficient that the cover 7 has a shape that can be covered with the surface of the sensor chip 6 (insulator 65) where the
なお、脚部71とセンサチップ6との固定(接合)についても、既知の種々の接合手法を用いることができ、例えば、接着剤を用いてもよいし、機械的な嵌め合わせや係合構造を用いてもよい。また、カバー7の寸法、形状、材料は、台座5の寸法、形状と同じでもよいし、異なっていてもよい。仮に同じにすれば、カバー7と台座5とを共用化することもでき、センサアセンブリ1の部品点数を削減できる。
For fixing (joining) the
また、カバー7には、センサチップ6(基板60)と同じかそれよりも大きい熱伝導率を有する部材を用いることができる。熱伝導率の大きい部材を用いることで、後述するように周囲温度センサ(補助ヒータ)64が電圧供給を受けて駆動されることにより発熱した熱が効率的にカバー7にも伝わり、センサチップ6とカバー7の双方の温度を容易に所望の温度に制御できる。
The cover 7 can be made of a member having a thermal conductivity equal to or higher than that of the sensor chip 6 (substrate 60). By using a member having a high thermal conductivity, as will be described later, the ambient temperature sensor (auxiliary heater) 64 is driven by being supplied with a voltage, so that the heat generated is efficiently transmitted to the cover 7, and the
なお、センサチップ6とカバー7との接合に接着剤を用いる場合、接着剤にも熱伝導率の大きいものを用いれば、センサチップ6とカバー7との間の熱伝導を妨げずに効率的に行なうことが可能である。また、カバー7は、センサチップ6に専用のものでなくてもよく、例えば、測定対象のガスが流通する流路を形成する配管の側壁の一部をカバー7として利用(つまり兼用)してもよい。
In the case where an adhesive is used for joining the
センサチップ6は、絶縁体65に設けられた既述のマイクロヒータ61と、マイクロヒータ61から隔離されて絶縁体65に設けられた周囲温度センサ64と、を備える。
The
つまり、センサチップ6は、図3にその概略的な断面構造を例示するように、マイクロヒータ61を、断熱性を有する前記ダイアフラム上に設けることで実質的に空中に浮かした状態で支持する。これにより、センサチップ6は、ダイアフラムの両面、換言すれば、既述のように台座5及びカバー7と、センサチップ6とがそれぞれ成す空間(流路)52,72に沿って流通するガスに接することができる。なお、センサチップ6(センサアセンブリ1)を測定対象のガス中に配置する際の向きは、例えば、ガスの流通方向Fに対してマイクロヒータ61の長辺が交差する向きである。
In other words, the
マイクロヒータ61は、例示的に、キャビティ66を覆う絶縁体65の中心に配置され、マイクロヒータ61に接するガスを加熱する。周囲温度センサ64は、マイクロヒータ61から隔離した位置に配置することができる。これにより、周囲温度センサ64は、マイクロヒータ61の温度に影響されずに、センサチップ6の表面に接するガスの温度(周囲温度)を検出することができる。
For example, the
換言すれば、周囲温度センサ64は、マイクロヒータ61の放熱による影響を受けない位置に設けられていれば足り、また、その数も1つに限られない。周囲温度センサ64には、マイクロヒータ61と同様の発熱抵抗体(第2の抵抗体)を用いることができる。この場合、周囲温度センサ64は、絶縁体65の温度を制御してセンサチップ6(あるいはカバー7)全体を一定温度に加熱する補助的なヒータ(以下、「補助ヒータ」ともいう)としても機能し得る。つまり、第2の抵抗体は、補助ヒータとしての機能と周囲温度センサ64としての機能を兼ねている。
In other words, it is sufficient that the
なお、図2及び図3において、補助ヒータ64は、例示的に、センサチップ6(基板60)側に対して1つだけ設けられているが、カバー7側に設けることもできるし、カバー7側とセンサチップ6側の双方にそれぞれ1又は複数設けることもできる。
2 and 3, only one
補助ヒータ64による温度一定制御により、センサチップ6(センサアセンブリ1)の周辺近傍のガス温度の変動が、センサチップ6の表面(マイクロヒータ61)に接する気体に与える温度変動(ヒータ温度)の影響を抑制することが可能となる。しかも、本実施形態では、カバー7にセンサチップ6(基体60)と同じかそれよりも大きい熱伝導率の部材を用いることで、補助ヒータ64が発した熱をカバー7にも効率的に伝達してセンサチップ6とカバー7の双方を、効率良く所望の温度に制御できる。したがって、より効果的に、上記の周囲温度変化の影響を抑制することが可能である。
Due to the constant temperature control by the
なお、マイクロヒータ61及び周囲温度センサ64のいずれか一方又は双方は、白金(Pt)等を用いて形成可能であり、形成方法には、リソグラフィ法等を適用できる。
Note that one or both of the
ところで、マイクロヒータ61や補助ヒータ64に用いる白金等の発熱抵抗体(感熱抵抗体)は、温度によってその抵抗値が変化する性質を有する。例えば20℃の標準温度Tstdでのマイクロヒータ61の抵抗値をRstd、1次の抵抗温度係数をα、2次の抵抗温度係数をβとそれぞれ表す場合、温度Thでのマイクロヒータ61の抵抗値Rhは、次式(1)により求めることができる。
Rh=Rstd・[1+α(Th−Tstd)+β(Th−Tstd)2] …(1)
By the way, a heating resistor (thermal resistor) such as platinum used for the
Rh = Rstd · [1 + α (Th−Tstd) + β (Th−Tstd) 2 ] (1)
したがって、マイクロヒータ61の抵抗値Rhが特定されれば、上記式(1)により、抵抗値Rhからマイクロヒータ61の発熱温度(ヒータ温度)Thを求めることが可能となる。この点は、周囲温度センサ(補助ヒータ)64についても同様である。
Therefore, if the resistance value Rh of the
また、マイクロヒータ61の温度Thは、マイクロヒータ61の発熱と、マイクロヒータ61からガスへの放熱とが釣り合った状態(熱平衡状態)となったときに安定する。熱平衡状態において、ヒータ温度をTh、周囲温度をTo、マイクロヒータ61からガスへの放熱係数をCとそれぞれ表すとき、マイクロヒータ61の駆動電力Phは、次式(2)で表すことができる。
C・(Th−To)=Ph …(2)
The temperature Th of the
C · (Th−To) = Ph (2)
換言すれば、上記の式(2)を満たす条件が成立したとき、マイクロヒータ61とガスとが熱平衡状態となって安定する。したがって、この熱平衡状態の条件から、マイクロヒータ61からガスへの放熱係数Cを、次式(3)により求めることが可能となる。
C=Ph/(Th−To) …(3)
In other words, when the condition satisfying the above equation (2) is satisfied, the
C = Ph / (Th−To) (3)
一方、マイクロヒータ61の駆動電力Phは、マイクロヒータ61の両端間に印加される電圧をVhとし、そのときにマイクロヒータ61に流れる電流をIhとして、次式(4)により求めることができる。
Ph=Vh・Ih …(4)
On the other hand, the driving power Ph of the
Ph = Vh · Ih (4)
また、そのときのマイクロヒータ61の抵抗値Rhは、次式(5)により求めることができる。
Rh=Vh/Ih=Ph/Ih2 …(5)
Further, the resistance value Rh of the
Rh = Vh / Ih = Ph / Ih 2 (5)
したがって、マイクロヒータ61の駆動電力Phを求めれば、駆動電力Phとマイクロヒータ61に流れる電流Ihとに基づいて、マイクロヒータ61の抵抗値Rhを求めることができ、更には抵抗値Rhに基づいて、マイクロヒータ61の温度Thを求めることができる。
Therefore, if the driving power Ph of the
周囲温度Toについては、既述のように補助ヒータ64の発熱温度(周囲温度)To自体を一定制御する場合、その制御条件から求めることができる。マイクロヒータ61の駆動電力Ph、マイクロヒータ61のヒータ温度Th、その周囲温度Toがそれぞれ得られれば、前記の式(3)により、マイクロヒータ61からガスへの放熱係数Cを算出することが可能である。
As described above, the ambient temperature To can be obtained from the control conditions when the heat generation temperature (ambient temperature) To itself of the
一方、放熱係数Cは、マイクロヒータ61からガスへの平均熱伝達係数をhとし、マイクロヒータ61の放熱面積をSとして、例えば次式(6)で表すことができる。
C=2・h・S …(6)
なお、平均熱伝達係数hは、ガスの自然対流の状況やマイクロヒータ61の表面の状態によって変化し得る。また、上記係数[2]は、図4に模式的に示すように、マイクロヒータ61からガスへの熱伝達が、マイクロヒータ61の表裏の2面でそれぞれ行なわれることを考慮したものである。
On the other hand, the heat dissipation coefficient C can be expressed by, for example, the following equation (6), where h is the average heat transfer coefficient from the
C = 2 · h · S (6)
Note that the average heat transfer coefficient h may vary depending on the natural convection state of the gas and the surface state of the
マイクロヒータ61の素子面積(発熱面積)が微小であり、このマイクロヒータ61の発熱によって生じる温度変化の範囲が微小であってスポット的な温度変位しか生じることがなく、また、ガスの自然対流もないものと仮定すると、マイクロヒータ61の周囲の温度分布は、図4に例示するようにマイクロヒータ61から離れるに従って次第に低くなる。例えば、マイクロヒータ61に接する部位での温度はヒータ温度Thまで高められ、マイクロヒータ61から離れるに従ってその温度は次第に周囲温度Toまで低下する。
The element area (heat generation area) of the
このような温度分布を有するガスの温度がヒータ温度Thから周囲温度Toまで低下するまでの領域を温度境界層と定義し、その厚みをdとすると、平均熱伝達係数hは、ガスの熱伝導率λに比例し、且つ、温度境界層の厚みdに反比例すると考えられる。即ち、平均熱伝達係数hは、次式(7)によって決定できる。
h=λ/d …(7)
A region where the temperature of the gas having such a temperature distribution is lowered from the heater temperature Th to the ambient temperature To is defined as a temperature boundary layer, and the thickness is d, the average heat transfer coefficient h is the heat conduction of the gas. It is considered that it is proportional to the rate λ and inversely proportional to the thickness d of the temperature boundary layer. That is, the average heat transfer coefficient h can be determined by the following equation (7).
h = λ / d (7)
ここで、ガスの熱伝導率λは、温度が高くなるほど大きくなる傾向にあり、温度Tにおけるガスの熱伝導率λ(T)は、例えば次式(8)により表すことができる。
λ(T)=λo(1+γ・T) …(8)
ただし、λoは、基準温度(例えば0℃)におけるガスの熱伝導率を表し、γは1次の温度係数を表す。
Here, the thermal conductivity λ of the gas tends to increase as the temperature increases, and the thermal conductivity λ (T) of the gas at the temperature T can be expressed by the following equation (8), for example.
λ (T) = λo (1 + γ · T) (8)
Here, λo represents the thermal conductivity of the gas at a reference temperature (for example, 0 ° C.), and γ represents a first-order temperature coefficient.
前記温度境界層の厚みdは、ガスの熱伝導率λによって変化し、熱伝導率λが大きくなるほど熱伝導が速いので、その厚みdが薄くなる。逆に、ガスの熱伝導率λが小さい場合には、熱伝導が遅い分、その温度変化の勾配が緩やかとなって温度境界層の厚みdが厚くなる。 The thickness d of the temperature boundary layer varies depending on the thermal conductivity λ of the gas, and the greater the thermal conductivity λ, the faster the thermal conduction, so the thickness d becomes thinner. On the other hand, when the thermal conductivity λ of the gas is small, the gradient of the temperature change becomes gentle and the thickness d of the temperature boundary layer becomes thick because the thermal conduction is slow.
つまり、境界層の厚みdはガスの熱伝導率λによって変化し、また、ガスの熱伝導率λは温度によって変化する。したがって、温度Tにおける上記温度境界層の厚みd(T)は、次式(9)に示すように、温度Tにより変化するガスの熱伝導率λ(T)をパラメータαとする関数f[α]を用いて表すことができる。
d(T)=f[λ(T)] …(9)
That is, the thickness d of the boundary layer varies with the thermal conductivity λ of the gas, and the thermal conductivity λ of the gas varies with the temperature. Therefore, the thickness d (T) of the temperature boundary layer at the temperature T is a function f [α with the parameter α as the thermal conductivity λ (T) of the gas that changes with the temperature T, as shown in the following equation (9). ] Can be used.
d (T) = f [λ (T)] (9)
また、マイクロヒータ61の放熱面積Sは、例えば、マイクロヒータ61を設けたダイアフラムの全体の面積を指し、マイクロヒータ61の近傍におけるガスの温度分布はダイアフラム上での温度分布に依存して変化する。しかし、ガスの熱伝導率λが大きい場合には、その温度分布がシャープな形状となるので、その実効的なマイクロヒータ61の放熱面積Sは、ガスの熱伝導率λに応じて小さくなる。そのため、放熱面積Sは、ダイアフラムの面積Soよりも小さな面積として捉えることができる。
The heat radiation area S of the
この場合、マイクロヒータ61が微小であることと相俟って、マイクロヒータ61の放熱面積Sは、スポット状であり、実質的に点熱源をなしているとみることができる。したがって、実効的な放熱面積Sは、例えば次式(10)に示すように、温度Tにより変化するガスの熱伝導率λ(T)をパラメータαとする関数g[α]として表すことができる。
S(T)=g[λ(T)] …(10)
In this case, coupled with the
S (T) = g [λ (T)] (10)
以上から、マイクロヒータ61の放熱係数Cとガスの熱伝導率λ(T)との関係をまとめると、前述した各式から次式(11)で表される関係を導くことができる。
From the above, when the relationship between the heat dissipation coefficient C of the
C=2・h・S
=2・(λ(T)÷d(T))・S(T)
=2・(λ(T)÷f[λ(T)])・g[λ(T)] …(11)
C = 2 · h · S
= 2 ・ (λ (T) ÷ d (T)) ・ S (T)
= 2 · (λ (T) ÷ f [λ (T)]) · g [λ (T)] (11)
この式(11)に示される関係から、マイクロヒータ61の放熱係数Cは、温度Tによって変化するガスの熱伝導率λ(T)、つまりはガスの温度特性の影響を受けることが理解できる。
From the relationship shown in this equation (11), it can be understood that the heat dissipation coefficient C of the
図4に、成分が既知であるプロパンガスと空気との混合比率を変えた複数種のガスについて、その温度を0℃,20℃,40℃と変化させたときのマイクロヒータ61の放熱係数Cと上記ガスの熱伝導率λとの関係(特性)の一例を示す。
FIG. 4 shows the heat dissipation coefficient C of the
図4に示されるように、マイクロヒータ61の放熱係数Cと各ガスの熱伝導率λとの間には、或る程度の相関傾向があるものの、温度の影響を受けて放熱係数Cと熱伝導率λとの対応関係が変化する。したがって、マイクロヒータ61の放熱係数Cからガスの熱伝導率λを求める場合には、何らかの温度補正を行なうのが好ましい。
As shown in FIG. 4, although there is a certain correlation between the heat dissipation coefficient C of the
そこで、既述のように、マイクロヒータ61を有するセンサチップ6を周囲から断熱して支持した場合、ガスに伝達する熱は、センサチップ6の放熱によるものが支配的となる。したがって、補助ヒータ64の発熱温度を一定制御すれば、補助ヒータ64から発せられた熱は、ガスへの放熱分を除いて、センサチップ6に伝達することになる。
Therefore, as described above, when the
これにより、センサチップ6は、全体的に均一に加熱され、ガスとの間で熱平衡状態となることで温度が安定化する。つまり、センサチップ6の温度は、補助ヒータ64の発熱温度(センサチップ6の温度)Tで安定化すると考えてよい。
Thereby, the
一方、センサチップ6の周囲近傍のガスは、センサチップ6全体からの放熱を受けて加熱され、センサチップ6との間で熱平衡状態となったときに安定する。したがって、センサチップ6の周囲近傍におけるガスは、センサチップ6の温度に依存して部分的に安定化する。つまり、センサチップ6の周囲近傍において、ガスはセンサチップ6の温度(補助ヒータ64の発熱温度)Tに安定化すると考えてよい。
On the other hand, the gas in the vicinity of the
このように温度が安定化したセンサチップ6の周囲近傍におけるガスが、図4により前述したようにマイクロヒータ61からの放熱を受けて温度境界層を形成する。したがって、そのときの温度境界層の厚みdは、安定化された温度Tcnstにおけるガスの熱伝導率をλとしたとき、d=f[λ]として一意に決定することができる。
As described above with reference to FIG. 4, the gas in the vicinity of the
また、マイクロヒータ61の実効的な放熱面積Sも、S=g[λ]として、温度Tcnstにおけるガスの熱伝導率λに依存して一意に決定することができる。したがって、マイクロヒータ61の放熱係数Cと、一定温度Tcnstにおけるガスの熱伝導率λとの関係は、C=2・(λ÷f[λ])・g[λ]となり、これらはガスの温度特性に依存することなく1対1に対応付けられることになる。
Further, the effective heat radiation area S of the
以上のような考察に基づき、マイクロヒータ61を有するセンサチップ6を周囲から断熱してガス中に支持し、この状態で、例えば補助ヒータ64の抵抗値Rrを一定化して発熱温度を一定化することで、センサチップ6の全体を一定温度に保つことができる。また、補助ヒータ64の発熱は、カバー7にも伝達され、カバー7の全体も一定の温度に保つことができる。
Based on the above consideration, the
これにより、センサチップ6(絶縁体65)の表面とカバー7の内面(基体70)と脚部71とで形成される空間(流路)72における測定対象のガスの温度を、カバー7を設けない場合よりも高安定化した測定環境を提供することができる。
As a result, the temperature of the gas to be measured in the space (flow path) 72 formed by the surface of the sensor chip 6 (insulator 65), the inner surface of the cover 7 (base 70), and the
このようにガスの温度が安定化された測定環境において、マイクロヒータ61を駆動したときの駆動電力Phから放熱係数Cを求め、求めた放熱係数Cと熱伝導率λoとの相関関係を基にして、温度Tcnstにおけるガスの物性値の一例として熱伝導率λを求めれば、温度変動による測定誤差を最小限に抑制して高精度にガスの熱伝導率を求めることができる。
Thus, in the measurement environment in which the gas temperature is stabilized, the heat dissipation coefficient C is obtained from the driving power Ph when the
以下、以上のようにして熱伝導率λを求める装置(熱伝導率測定装置)の一例について、図6を用いて説明する。図6は、本実施形態に係る気体の物性値測定装置の一例としての熱伝導率測定装置の構成例を示すブロック図である。 Hereinafter, an example of a device (thermal conductivity measuring device) for obtaining the thermal conductivity λ as described above will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of a thermal conductivity measuring device as an example of a gas property value measuring device according to the present embodiment.
この図6に例示する熱伝導率測定装置(以下、単に「測定装置」ともいう)は、ガスの熱伝導率を測定する測定ユニットとして、例示的に、周囲温度センサ(補助ヒータ)64及びマイクロヒータ61のそれぞれに電流を供給して発熱駆動するヒータ駆動電源20及び30と、駆動電力検出部401と、ヒータ電流検出部402と、ヒータ温度検出部403と、周囲温度検出部404と、放熱係数算出部405と、熱伝導率算出部406と、メモリ407と、を備える。
The thermal conductivity measuring device (hereinafter also simply referred to as “measuring device”) illustrated in FIG. 6 exemplarily includes an ambient temperature sensor (auxiliary heater) 64 and a micro as a measuring unit for measuring the thermal conductivity of gas. Heater drive power supplies 20 and 30 that supply heat to each of the
ヒータ駆動電源30,20は、例えば図7に示すように、温度制御対象であるマイクロヒータ61または周囲温度センサ(補助ヒータ)64を1つのブリッジ辺とした抵抗ブリッジ回路30aと、この抵抗ブリッジ回路30aのブリッジ電圧V2に応じて上記抵抗ブリッジ回路30aに加える駆動電圧V1をフィードバック制御する電圧制御回路30bと、を備える。
For example, as shown in FIG. 7, the heater drive power supplies 30 and 20 include a
即ち、ヒータ駆動電源30,20は、抵抗値が既知の固定抵抗R1,R2,R3と、抵抗値Rhのマイクロヒータ61、又は抵抗値Rrの補助ヒータ64と、を用いた抵抗ブリッジ回路30aのブリッジ電圧V2a,V2bを、電圧制御回路30bの一例としての差動増幅器の入力電圧とし、マイクロヒータ61側のブリッジ電圧V2aが常に固定抵抗R2,R3側のブリッジ電圧V2bとなるように、ブリッジ駆動電圧V1をフィードバック制御する。これにより、マイクロヒータ61の抵抗値Rh、又は補助ヒータ64の抵抗値Rrが一定となるよう精度良く制御される。結果、熱伝導率λの測定精度も向上できる。
In other words, the heater drive power supplies 30 and 20 include a
このとき、マイクロヒータ61に流れる電流Ihは、Ih=(V1−V2a)/R1となる。また、マイクロヒータ61側のブリッジ電圧V2aは、V2a=V2b=V1・R3/(R2+R3)として求めることができる。
At this time, the current Ih flowing through the
したがって、ヒータ電流検出部402によって電流Ihを求めることで、駆動電力検出部401は、マイクロヒータ61の駆動電力PhをPh=Ih・V2aとして求めることができる。また、ヒータ抵抗Rhは、既述のように、Rh=Vh/Ihとして求めることができる。
Therefore, by obtaining the current Ih by the heater
ヒータ温度検出部403は、各検出部401及び402で検出された、駆動電力Phと通電電流Ihとに基づいて、マイクロヒータ61の温度Thを求める。周囲温度検出部404は、ヒータ駆動電源20が周囲温度センサ(補助ヒータ)64に与える駆動電力を基に、センサチップ6の周囲近傍におけるガスの温度(周囲温度)Toを求める。
The heater
放熱係数算出部405は、ヒータ温度Th、周囲温度To、および駆動電力Phに基づいて、マイクロヒータ61の放熱係数Cを、C=Ph/(Th−To)として求める。メモリ407は、例えば、成分が既知のガスの温度Toにおける熱伝導率λoと、マイクロヒータ61の放熱係数Cとの対応関係(C−λ0特性)をテーブル形式のデータ等として記憶しておく。
The heat
そして、熱伝導率算出部406は、放熱係数算出部405で求められた放熱係数Cに基づいて、メモリ407に記憶された上記のデータ(テーブル)を参照することで、放熱係数Cに対応する温度Toでのガスの熱伝導率λoを求めることができる。
The thermal
以上のように、本実施形態によれば、センサチップ6を基板60に対して断熱した状態でガス中に支持し、補助ヒータ64の発熱温度を一定制御することで、センサチップ6とカバー7の双方を一定温度に保つことができる。したがって、センサチップ6の表面とカバー7の内面とで形成される空間(測定空間)72におけるガスの温度をカバー7の無い場合よりも高度に安定化させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
例えば、カバー7を設けない場合、周囲温度が10℃変動するとセンサチップ6のダイアフラム近傍の温度が0.5度変動するものであったのが、カバー7を設けることで、同じ環境で半分(0.25度)程度の温度変動に抑えることができる。したがって、カバー7の無い場合よりも測定誤差を低減して、センサチップ6近傍のガスの熱伝導率λを精度良く求めることができる。ひいては、例えば、熱伝導率の計測精度がシビアなアプリケーションにも十分対応することが可能となる。
For example, when the cover 7 is not provided, if the ambient temperature fluctuates by 10 ° C., the temperature in the vicinity of the diaphragm of the
図8(a)に、ガスとして混合比率を異ならせたプロパンガスと空気との複数種の混合ガスを用い、その温度を変化させながら前述したようにして計測される放熱係数Cと熱伝導率λとの関係を例示する。 FIG. 8A shows a heat release coefficient C and a thermal conductivity measured as described above while changing the temperature using a plurality of types of mixed gas of propane gas and air having different mixing ratios as gas. The relationship with λ is illustrated.
図8(a)に示されるように、本実施形態の測定装置によれば、ガスの温度の違いにかかわらず、プロパンガスと空気との混合比率の違いに応じて、つまりはガスの成分比率に放熱係数Cと熱伝導率λとの関係を1対1に対応付けることができる。したがって、その対応関係を予め調べてメモリ407に記憶しておけば、マイクロヒータ61の放熱係数Cを求めることで、混合ガスの熱伝導率λを求めることができる。
As shown in FIG. 8A, according to the measuring apparatus of the present embodiment, regardless of the difference in gas temperature, depending on the difference in mixing ratio between propane gas and air, that is, the component ratio of gas. In addition, the relationship between the heat dissipation coefficient C and the thermal conductivity λ can be associated with one to one. Therefore, if the correspondence is checked in advance and stored in the
また、図8(b)に、上述した混合ガスにおけるプロパンガスと空気との混合比率から求められるプロパンガスの濃度とマイクロヒータ61の放熱係数Cとの関係を例示する。混合ガスの熱伝導率λmixは、プロパンガスの熱伝導率をλpg、空気の熱伝導率をλairとしたとき、その混合比率が[x:y]であるとして、λmix=x・λpg+y・λair(x+y=1)として表すことができる。
FIG. 8B illustrates the relationship between the concentration of propane gas obtained from the mixing ratio of propane gas and air in the mixed gas described above and the heat dissipation coefficient C of the
したがって、前述したごとくマイクロヒータ61の放熱係数Cを求めることで、ガスの物性値の他の例として、成分が既知の混合ガスの成分比率を、例えば混合ガスの場合にはそのプロパンガス濃度を図8(b)に示す放熱係数Cとの対応関係から容易に求めることが可能となる。
Therefore, by obtaining the heat dissipation coefficient C of the
また、上述したようにして混合ガスをなす複数のガスの組成成分の比率を求めれば、例えばガス密度と発熱量との関係から各ガスが有する発熱量を、ガスの物性値のさらに他の例として、混合ガスの総量とその組成比率に応じてそれぞれ求めることができる。したがって、混合ガスの発熱量を算出することが可能となる。例えば、単位体積当たりの混合ガスが有する発熱量(エネルギー量)を、上述したごとく求められる成分比率から簡易に、しかも正確に計算することが可能となる。 Further, if the ratio of the composition components of a plurality of gases constituting the mixed gas is obtained as described above, for example, the calorific value of each gas can be determined from the relationship between the gas density and the calorific value, still another example of the physical property value of the gas. As follows, depending on the total amount of the mixed gas and its composition ratio. Therefore, the calorific value of the mixed gas can be calculated. For example, the calorific value (energy amount) of the mixed gas per unit volume can be calculated easily and accurately from the component ratio obtained as described above.
このようにして混合ガスの成分比率を求め、更にはその発熱量を求める測定装置の一例を図9に示す。 FIG. 9 shows an example of a measuring apparatus for obtaining the component ratio of the mixed gas in this way and further obtaining the calorific value thereof.
図9に示す測定装置は、例示的に、図6に例示した構成に加えて、メモリ408と、成分比率演算部409と、メモリ410と、発熱量計算部411と、を備える。なお、メモリ407,408,410の一部又は全部は、共用メモリとして統合されていてもよい。
The measurement apparatus illustrated in FIG. 9 exemplarily includes a
メモリ408には、温度Tでの混合ガスの熱伝導率λ(T)と、当該混合ガスに含まれると思われる複数のガスについての温度Tでの熱伝導率λ(T)とを対応付けたデータが記憶される。当該データは、例えば、異なる複数の温度Tに対応する測定条件に従ってヒータ電源30の発熱温度を制御し、それぞれの測定条件下で熱伝導率算出部406にて求められる各温度Tでの熱伝導率λ(T)をメモリ408に書き込むことで設定できる。
The
成分比率演算部409は、メモリ408に記憶した混合ガス及び各ガスの熱伝導率λ(T)を基に前述した連立方程式を解くことで各ガスの成分比率を求めることができる。
The component
メモリ410は、ガスの種類に応じたガス密度と発熱量との関係を表すデータ(発熱量テーブル)を記憶する。
The
発熱量計算部411は、成分比率演算部409によって算出された成分比率に基づいて、メモリ410の発熱量テーブルを参照することで、混合ガスの組成成分ごとの発熱量及び/又は総発熱量を求めることができる。
The calorific
なお、測定対象のガスの物性値の他の例として、代替的あるいは付加的に、温度Tに対応するガスの湿度を求めてもよい。 As another example of the physical property value of the gas to be measured, the humidity of the gas corresponding to the temperature T may be obtained alternatively or additionally.
以上のように、本実施形態によれば、カバー7付きのセンサチップ6(センサアセンブリ1)を外部環境から熱的に遮断してセンサチップ6を補助ヒータ64によって一定温度に制御した状態で、マイクロヒータ61の放熱係数Cを求めることで、ガス(純粋ガス又は混合ガス)の熱伝導率λ(T)、付加的に成分比率、発熱量等を精度良く、また、簡易に求めることができる。しかも、恒温槽を設ける等の大掛かりな設備を用いなくても、簡易に測定対象とするガスの熱伝導率λ(T)を求めることができるので、コスト低減にも寄与する。
As described above, according to the present embodiment, the sensor chip 6 (sensor assembly 1) with the cover 7 is thermally cut off from the external environment and the
加えて、本実施形態では、センサチップ6にカバー7を設けることで、先に述べたとおり熱伝導率算出部406で求められる熱伝導率λ(T)の測定誤差を低減して測定精度を向上できるから、熱伝導率λ(T)を基に求められるガスの成分比率や発熱量の測定精度も、カバー7を設けない場合よりも向上できる。したがって、許容される測定誤差が微小でシビアな測定精度が要求されるアプリケーションに対しても十分に対応することが可能となる。
In addition, in this embodiment, by providing the
なお、本発明は上述した実施形態は、あくまでも例示であり、以上に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Note that the above-described embodiment of the present invention is merely an example, and there is no intention to exclude various modifications and technical applications that are not explicitly described above. That is, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、熱伝導率等の物性値の測定対象の流体が気体(ガス)である場合について説明したが、液体を測定対象とすることもできる。 For example, in the above-described embodiment, the case where the fluid to be measured for the physical property value such as the thermal conductivity is a gas (gas), but the liquid may be the measurement target.
また、測定装置における各演算機能は、マイクロコンピュータにおけるソフトウェアにより実現することも可能である。また、マイクロヒータ61の構造も特に限定されるものではなく、既存の熱式流量センサに設けられたヒータ素子を流用することも可能である。
In addition, each calculation function in the measuring apparatus can be realized by software in a microcomputer. Further, the structure of the
さらに、補助ヒータ64やマイクロヒータ61を駆動する手段についても、上述した抵抗ブリッジ回路30aと、そのブリッジ電圧をフィードバック制御する差動増幅器30bとを用いた例に限定されない。
Further, the means for driving the
1 センサアセンブリ
5 台座
20,30 ヒータ駆動電源
50 基体
51 脚部(凸部)
52 空間(流路)
6 センサチップ(センサユニット)
60 基板(基体)
61 マイクロヒータ(第1の抵抗体)
64 周囲温度センサ(補助ヒータ;第2の抵抗体)
65 絶縁体(断熱部)
66 キャビティ(凹部)
7 カバー
70 基体
71 脚部(凸部)
72 空間(流路)
401 駆動電力検出部
402 ヒータ電流検出部
403 ヒータ温度検出部
404 周囲温度検出部
405 放熱係数算出部
406 熱伝導率算出部
407,408,410 メモリ
409 成分比率演算部
411 発熱量計算部
DESCRIPTION OF
52 space (flow path)
6 Sensor chip (sensor unit)
60 Substrate (base)
61 Micro heater (first resistor)
64 Ambient temperature sensor (auxiliary heater; second resistor)
65 Insulator (heat insulation part)
66 Cavity (recess)
7 Cover 70
72 space (flow path)
401 Driving
Claims (11)
前記絶縁体の表面に前記流体が流通することを許容する空間を確保しつつ前記絶縁体を覆うように前記センサユニットに設けられたカバーと、
与えられる第2の駆動電力に応じて前記センサユニット及び前記カバーの少なくとも一方の温度を制御する第2の抵抗体と、
を備えた、センサアセンブリ。 A first resistor that is provided on the insulator; a first driving power that is applied to the first resistor; and a first resistor that is provided on the insulator. A sensor unit used to measure a physical property value of a fluid in contact with the surface based on the temperature of one resistor;
A cover provided on the sensor unit so as to cover the insulator while ensuring a space allowing the fluid to flow on the surface of the insulator;
A second resistor for controlling the temperature of at least one of the sensor unit and the cover in accordance with a second driving power applied;
A sensor assembly.
前記空間は、前記カバー基体と前記凸部と前記絶縁体の表面とで形成される空間である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサアセンブリ。 The cover includes a cover base and a plurality of convex portions provided on the cover base,
The sensor assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein the space is a space formed by the cover base, the convex portion, and a surface of the insulator.
前記測定される物性値は、前記熱伝導率に基づいて求められる前記組成成分に関する値である、請求項8記載のセンサアセンブリ。 The fluid is a mixed gas containing a plurality of types of gas in the composition component,
The sensor assembly according to claim 8, wherein the measured physical property value is a value related to the composition component determined based on the thermal conductivity.
前記第2の抵抗体によって前記温度が一定に制御された状態で、前記流体の物性値を測定する測定ユニットと、を備えた、流体の物性値測定装置。 A first resistor that is provided on the insulator; a first driving power that is applied to the first resistor; and a first resistor that is provided on the insulator. A sensor unit used to measure the physical property value of the fluid based on the temperature of one resistor, and covers the insulator while ensuring a space allowing the fluid to flow on the surface of the insulator; A sensor assembly including a cover provided on the sensor unit, and a second resistor for controlling a temperature of at least one of the sensor unit and the cover according to a second driving power applied thereto,
A fluid property value measuring apparatus comprising: a measurement unit that measures the property value of the fluid in a state where the temperature is controlled to be constant by the second resistor.
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