CN103080703A - 气体流量测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体流量测量装置，当气体温度检测元件的特性为非线性时也能提高高温以及低温的分辨率，扩大高精度下能够使用的温度范围，具有更高精度且高可靠性。该气体流量测量装置具有：多个电阻体，配置在气体流路中；气体流量检测电路，通过检测流过多个电阻体的电流或者根据该电流所产生的电压来输出与在气体流路中流通的气体流量相应的气体流量检测信号；以及气体温度检测元件（1），用于检测气体流路中的气体温度，其中，气体流量检测电路具备信号变换单元，该信号变换单元变换输出信号以使得从气体温度检测元件输出的信号具有规定的最大输出和最小输出、且在规定的温度范围内成为线性。

Description

气体流量测量装置
技术领域
本发明涉及一种引擎（内燃机）的吸入空气流量测量用的气体流量测量装置，特别是涉及一种不仅是获得气体流量时优选的、而且是获得气体温度检测信号时优选的气体流量测量装置。
背景技术
在汽车用引擎中，为了控制燃料喷射量而需要测量吸入空气流量。作为测量该吸入空气流量的装置的一种，有发热电阻体式气体流量测量装置。希望该发热电阻式气体流量测量装置的输出信号如下：即使温度发生变化其输出信号的变化也小、即温度依赖误差小。为了减小该温度依赖误差，需要根据气体温度、基板温度检测信号来校正气体流量检测信号的温度依赖误差。
其中，气体温度的依赖误差的校正有日本特开平11-37815号公报所述的技术。该技术如下：在吸入空气流路内配置热敏电阻等独立的温度传感器，使用其温度检测信号通过数字运算来进行气体温度依赖误差的校正。一般作为温度传感器而使用的热敏电阻具有廉价这样的优点，但是电阻值是温度的倒数的指数函数，因此导致温度检测信号相对于温度成为非线性，导致高温以及低温下的分辨率变粗。因此，导致测量精度变低。
另外，还能够代替热敏电阻而使用其输出特性中的线性良好的Pt（白金）电阻体，但是昂贵，因此导致装置价格上升。
在日本特开2003-75266号公报中记载有如下构成的技术：为了提高气体温度检测精度，通过并联连接电阻和热敏电阻、或者并联以及串联连接多个电阻来使气体温度信号成为线性的输出。但是，在这种模拟电路的电阻组合的结构中线性不理想，输出范围也窄，因此导致方便性变低。
在日本特开2010-7530号公报中记载有如下技术：为了高精度地诊断气体温度传感器的故障，在外部设置用于高精度地诊断气体温度传感器的故障的装置。但是，如果设置这种外部装置，则无法避免成本上升。
专利文献1：日本特开平11-37815号公报
专利文献2：日本特开2003-75266号公报
专利文献3：日本特开2010-7530号公报
发明内容
（发明要解决的问题）
在上述的以往的技术中，为了获得气体温度检测信号而设置由多个电阻体构成的电路、或在外部设置用于进行故障诊断的装置，因此存在增加调整工作量的可能。
另外，根据气体温度检测元件的特性，当气体温度的输出为非线性时，噪声的影响导致精度恶化，高温以及低温的分辨率变粗，高精度下能够使用的温度范围变窄。而且，通过多个电阻体的组合，即使气体温度信号具有线性也难以完全地设为直线。另外，即使具有线性也无法最大程度地利用输出范围。
而且，当气体温度检测元件处于断线、或者短路等的故障状态时，使用诊断电路，因此会导致成本上升。
因此，本发明的目的在于，当气体温度的输出为非线性时，也提高高温以及低温的分辨率来扩大高精度下能够使用的温度范围，从而提供更高精度且可靠性高的气体流量测量装置。
（解决问题的方案）
为了解决上述课题，使用数字电路校正气体温度检测信号使得非线性输出成为线性输出。由此，能够提高高温以及低温的分辨率来扩大高精度下能够使用的温度范围。另外，在极高温以及极低温中通过成为固定的输出，能够不设置诊断电路地进行气体温度检测元件的断路、短路的故障诊断。而且，能够通过校正公式的优化来减小运算处理容量。另外，还能够校正因电路的温度不同导致的特性偏差，因此能够减小气体温度检测信号的偏差。
（发明效果）
根据本发明，能够提供一种容易扩大温度检测范围且为高精度的气体流量测量装置，该气体流量测量装置具备能够根据气体温度输出来进行气体温度检测元件的断路、短路的故障诊断的具有高精度且高可靠性的数字电路。另外，还能够校正因电路的温度不同导致的特性偏差，因此能够减小气体温度检测信号的偏差。
附图说明
图1是将气体流量测量装置安装到主体的安装图。
图2是图1的A-A′截面图。
图3是第1实施方式的气体流量测量装置的电路图。
图4是气体温度检测元件1的电阻值的温度特性。
图5是第1实施方式中的模拟-数字变换器AD3 14的输入电压的输出特性。
图6是温度变换时的噪声导致的误差影响特性。
图7是第1实施方式中的特性变换图。
图8是第4实施方式的气体流量测量装置的电路图。
图9是第4实施方式中的模拟-数字变换器AD3 14的输入电压的输出特性。
图10是第4实施方式中的特性变换图。
图11是第5实施方式的气体流量测量装置的电路图。
图12是第6实施方式的气体流量测量装置的电路图。
图13是第6实施方式中的模拟-数字变换器AD3 14的输入电压的输出特性。
图14是第6实施方式中的特性变换图。
图15是使用了表格的校正的流程图。
图16是将气体流量测量装置安装到主体的安装图。
（附图标记说明）
1：气体温度检测元件；2：气体流量测量装置；3：气体通路主体；4：气体流量检测元件；5：基板；6：主通路；7：副通路；8：空气的流通；9：固定电阻；10：数字信号处理DSP；11：模拟-数字变换器AD1；12：集成电路内的温度传感器；13：模拟-数字变换器AD2；14：模拟-数字变换器AD3；15：PROM；16：数字-模拟变换器DA1；17：自运行计数器FRC1；18：数字-模拟变换器DA2；19：自运行计数器FRC2；20：发送器；21：集成电路；22：气体温度检测电路；23：调节器；24：多路复用器MUX1；25：多路复用器MUX2；26：恒流源；27：引擎控制单元ECU；28：副通路入口；29：副通路出口。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的气体流量测量装置的一个实施方式。
首先，使用图1~图7说明本发明的第1实施方式。图1是表示将作为本发明的第1实施方式的气体流量测量装置2安装在气体通路主体3的状态的图。图2是表示作为第1实施方式的气体流量测量装置2的A-A′截面的图。图3是表示作为第1实施方式的气体流量测量装置2的流量检测电路以及气体温度检测电路22的概要结构的图。
在图2中，气体流量测量装置2具有安装在形成内燃机的吸气流路的气体通路主体3中而被流过气体流路的气体吹到的结构。因此，气体温度检测元件（也称为热敏电阻或者气体温度测量电阻体）1以被吸气流体直接吹到的方式设置在气体流量测量装置2的上游侧，气体流量检测元件4设置在副通路7内。另外，气体流量检测元件4安装在基板5上，只有安装了气体流量检测元件4的部分设置在副通路7内。在基板5中还具备图3所示的气体温度检测电路22，并与副通路7隔离。由气体温度检测元件1检测出的气体温度通过基板5上的气体温度检测电路22变换为电压信号，并输入到模拟-数字变换器AD314。另外，在集成电路21内为了检测用于检测与基板5相当的温度的基板温度而安装有集成电路内的温度传感器（基板温度传感器）12。由此，能够检测出气体温度和气体流量测量装置2各自的温度。
在图3中，气体温度检测电路22是将配置在吸气流路中的气体温度检测元件1和固定电阻9串联连接而构成的，对气体温度检测电路22提供调节器（基准电源）23输出的恒定电压。此时，气体温度检测元件1的特性如图4所示那样表示对数函数的特性。
并且，将由气体温度检测元件1和固定电阻9对调节器23输出电压进行分压得到的分压值，作为气体温度检测信号而取入到数字电路。该输入电压成为如图5所示那样的非线性特性。因此，如以往那样在分压值保持原样时为非线性特性，因此在高温以及低温中分辨率粗，精度下降。而且，在如图6所示那样的非线性特性的情况下，在引擎控制单元ECU27中的温度变换时，当输出中重叠有噪声时，由于传感器的非线性而导致输出的平均值和温度变换后的平均值发生偏移，导致变换为温度时的噪声变大。因此，无法确保由引擎控制单元ECU27所处理的温度信号的精度。
因此，进行气体温度信号的特性校正。首先，将由气体温度检测元件1和固定电阻9对调节器23的输出电压进行分压得到的分压值，通过模拟-数字变换器AD3 14从模拟值变换为数字值。该变换了的数字值以预先保存在PROM15内的常数为基础通过数字信号处理DSP10进行校正运算处理，校正为如图7所示那样的输出特性。具体地说，在保证温度范围（具有规定的最大输出和最小输出、且规定的温度范围）内校正为向右上升的线性的输出特性。此时，当将输入到模拟-数字变换器AD3 14的电压的数字信号（进行校正的值）设为X，校正后的值设为Y，用于校正的各校正系数设为kt0~kt5时，能够通过使用（1）式所示的校正公式校正为图7所示的调整后的输出特性。
Y=kt5X5+kt4X4+kt3X3+kt2X2+4（kt1+0.25）（X/2+kt0）   …（1）
这里，kt0~kt5预先保存在PROM15内。
这样校正了的数字值使用数字-模拟变换器DA2 18进行模拟变换，并作为电压信号而输出。另一方面，当使用将数字信号变换为频率信号的自运行计数器（free running counter）FRC2 19来进行模拟变换时，将气体温度信号作为频率信号而输出。数字-模拟变换器DA218和自运行计数器FRC2 19的选择能够通过多路复用器MUX2 25的设定来选择实施。
另外，在实施方式1中，不仅是轴向部件而且使用如片式热敏电阻那样的半导体也能够实施。在这种情况下，通过将热敏电阻设置在基板5上，不需要用于设置轴向部件的引线的焊接，能够实现成本降低。
这样，通过使用数字电路来校正气体温度信号的输出以使非线性输出成为线性输出，能够提高高温以及低温的分辨率来扩大高精度下能够使用的温度范围。另外，由此在极高温以及极低温中，通过成为固定的输出，能够不设置诊断电路地进行气体温度检测元件的断路、短路的故障诊断。而且，能够通过校正公式的优化来减小运算处理容量。另外，还能够校正因电路的温度不同导致的特性偏差，因此能够减小气体温度检测信号的偏差。
另外，在实施方式1中，副通路的结构为如图2所示的副通路7那样与主通路6平行的形状，但是也可以是如下结构：以如图16所示的副通路7那样的漩涡状，从副通路入口28进入的气体沿着副通路7通过气体流量检测元件4并从副通路出口29出来。而且，除了漩涡状以外也能够以コ字形、α字形等的副通路来实施。
接着，说明第2实施方式。在能够检测气体流量且将气体流量检测信号通过数字电路进行校正的气体流量测量装置2中，通过气体温度检测元件1来检测吸入气体温度，在为了高精度化而通过数字电路进行校正的情况下，通过简化数字电路内的运算来使PROM15内的保存数据量为最小，能够防止成本上升。因此，在气体温度信号的数字电路中，为了降低运算处理负荷，代替实施方式1中的校正处理式（1）而使用式（2）时，能够使运算次数为最小限度。
Y=16（kt5*X/2+kt4）[X（X/2+kt3）{X（X/2+kt2）+kt1}+kt0]-X  …（2）
这里，将输入到模拟-数字变换器AD3 14的数字信号（进行校正的值）设为X，校正后的值设为Y，用于校正的各校正系数设为kt0~kt5。kt0~kt5预先保存在PROM15内。
（2）式与（1）式相比，运算次数大幅地减少，作为校正精度能够以与（1）式同等地校正为图7所示的调整后的输出。
另外，除了上述的校正式（1）以及（2）以外，还能够使用任意的函数来进行校正。这是当将从调节器23提供的电压进行分压时，在串联设置或并联设置固定电阻9的情况下，根据多个电阻的组合的不同，输入到模拟-数字变换器AD3 14的电压的特性不同。用于进行这些校正的最优的校正式也根据输入到模拟-数字变换器AD3 14的电压的特性不同而不同。但是，当加大用于校正的函数的次数时，运算处理量的增大以及PROM容量增大，导致成本上升。另外，当用于校正的函数的次数小时，难以校正为图7所示的调整后的特性，无法确保足够的精度。因此，通过使用用于将图7所示的调整前的非线性的特性校正为调整后的特性的最优且任意的函数，能够进行用于高精度地输出气体温度信号的校正。
接着，说明第3实施方式。在能够检测气体流量且将气体流量检测信号通过数字电路进行校正的气体流量测量装置2中，通过气体温度检测元件1来检测吸入气体温度，在为了高精度化而通过数字电路进行校正的情况下，气体温度信号的校正能够使用图15所示的表格来进行校正。该表格如下：表示作为输入而被输入到模拟-数字变换器AD3 14的数字值X与吸气温度的目标输出电压为止的变换量Y的相关关系的表格由多个数据（输入为x1~xn的n个、变换量为y1~yn的n个）构成。变换后的输出T是通过对输入X加上通过表格算出的变换量Y而算出。但是，如果表格的数据数量n增多，虽然校正精度提高，但是写入PROM15内的数据容量增大，成本上升。相反地，如果数据数量n减少，虽然写入PROM15内的数据容量小，因此能够防止成本上升，但是校正精度下降。因此，表格中使用的数据数量n需要根据所使用的温度范围设定为最优的数据数量。通过设为使用了该表格的方法，与使用了函数的校正方法相比能够减小运算处理量。
接着，根据图8说明第4实施方式。此外，图8所示的基板5上的电路与第1实施方式所示的电路同等。在图8中，将气体温度检测元件1和固定电阻9串联连接，向气体温度检测电路22提供调节器23输出的恒定电压。并且，将作为由气体温度检测元件1和固定电阻9对调节器23的输出电压进行分压得到的分压值的、模拟-数字变换器AD3 14的输入电压，作为气体温度检测信号而取入到数字电路。此时，与实施方式1不同之处在于气体温度检测元件1和固定电阻9的位置。在实施方式1中，在调节器23的输出侧连接气体温度检测元件1、在GND侧连接固定电阻9，与此相对，在实施方式5中，在调节器23输出侧连接固定电阻9，在GND侧连接气体温度检测元件1。由此，作为气体温度输出的输入到模拟-数字变换器AD3 14的电压成为虽然是非线性但是如图9所示那样的向右上升的特性。如图10所示，调整后的目标输出特性与实施方式1同等，但是通过模拟-数字变换器AD3 14的输入电压成为向右上升的特性，因此，调整后的目标输出与调整前的输出之差变小。因此，还能够减小校正量，因此能够降低运算处理内的负荷，并且能够降低运算处理内的溢出，因此能够降低运算误差以及有效数字位数减少的误差。
接着，根据图11说明第5实施方式。在图11中，将气体温度检测元件1和固定电阻9串联连接，向气体温度检测电路22提供调节器23输出的恒定电压。并且，将作为由气体温度检测元件1和固定电阻9对调节器23的输出电压进行分压得到的分压值的、模拟-数字变换器AD3 14的输入电压，作为气体温度而取入到数字电路。即，在第5实施方式中，将产生在气体温度检测元件1的两端的电位差设为输出信号。此时，固定电阻9不在基板5上、位于集成电路21内。特性与第1实施方式同等，但是将固定电阻9不设置在基板5上而是设置在集成电路21内部，由此能够实现成本降低。
接着，根据图12、图13说明第6实施方式。相对于第1实施方式，不使用固定电阻9，而使用恒流源26来将模拟-数字变换器AD3 14的输入电压作为气体温度信号而读取，进行数字校正。此时的模拟-数字变换器AD3 14的输入电压的特性成为与如图13所示那样的对数函数的特性。将作为该调整前的气体温度信号的模拟-数字变换器AD314的输入电压如图14所示那样通过数字校正来变换为调整后的输出。当提供定恒定电压时，与气体温度检测元件1的电阻值对应地，流过气体温度检测元件1的电流改变，气体温度检测元件1的自发热的影响变大，但是通过使用恒流源26，能够使流过气体温度检测元件1的电流为固定，即使气体温度检测元件1的电阻值改变，流过气体温度检测元件1的电流也不会改变，因此能够减小自发热的影响。
接着，根据图3说明第7实施方式。在能够检测气体流量且将气体流量检测信号通过数字电路进行校正的气体流量测量装置2中，通过气体温度检测元件1检测出吸入气体温度，在为了高精度化而通过数字电路内的数字信号处理DSP10进行校正的情况下，校正检测电路的温度特性影响。能够通过搭载在基板5上的集成电路21内的集成电路内的温度传感器12来获得基板5的温度信息。而且，使用（3）式在数字信号处理DSP10中进行校正。
Y=kt5X5+kt4X4+kt3X3+kt2X2+4（ktsT+kt1+0.25）（X/2+ktzT+kt0）…（3）
这里，将输入到模拟-数字变换器AD3 14的数字信号（进行校正的值）设为X，集成电路内的温度传感器12的输出（基板5的温度）设为T，校正后的值设为Y，用于校正的各校正系数设为kt0~kt5、kts、ktz。kt0~kt5、kts、ktz预先保存在PROM15内。
由此，不仅能够校正气体温度信号，而且还能够校正检测电路的温度特性影响，因此能够实现进一步的高精度化。

Claims (8)

1.一种气体流量测量装置，其特征在于，具有：
多个电阻体，配置在气体流路中；
气体流量检测电路，通过检测流过所述多个电阻体的电流或者根据该电流所产生的电压来输出与在所述气体流路中流通的气体流量相应的气体流量检测信号；以及
气体温度检测元件，用于检测所述气体流路中的气体温度，
其中，所述气体流量检测电路具备信号变换单元，该信号变换单元变换输出信号以使得从所述气体温度检测元件输出的信号具有规定的最大输出和最小输出、且在规定的温度范围内成为线性。
2.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，
所述气体温度检测元件与固定电阻串联连接到基准电源，所述基准电源的电源电压被上述气体温度检测元件和所述固定电阻分压，将所述分压了的电压信号设为输出信号。
3.根据权利要求2所述的气体流量测量装置，其特征在于，
所述固定电阻设置在与设置有所述气体流量检测电路的基板相同的基板上。
4.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，
所述气体温度检测元件连接到恒流源，将产生在所述气体温度检测元件的两端的电位差设为输出信号。
5.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，
所述气体温度检测元件由热敏电阻构成。
6.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，
由所述信号变换单元所变换的输出信号是由模拟-数字变换器变换了的数字信号，
所述模拟-数字变换器设置在集成电路中，
所述集成电路具备将由所述信号变换单元所变换了的输出信号变换为模拟信号的数字-模拟变换器。
7.根据权利要求6所述的气体流量测量装置，其特征在于，
在所述集成电路中设置有测量基板的温度的基板温度传感器，
根据由所述模拟-数字变换器变换了的数字信号以及所述基板温度传感器的信号通过所述信号变换单元来变换输出信号。
8.根据权利要求6所述的气体流量测量装置，其特征在于，
所述固定电阻设置在所述集成电路中。
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