JP2009270840A

JP2009270840A - 熱式流量計

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Publication number: JP2009270840A
Application number: JP2008119121A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川; Noboru Tokuyasu; 徳安　　昇; Hiroaki Hoshika; 浩昭星加; Shiro Yamaoka; 士朗山岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-19
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Abstract

【課題】流体温度が急速に変化する場合や、流体温度が高い場合においても精度良く流量を検出できる熱式流量計を提供することにある。
【解決手段】
プローブＰＲは、第１の主発熱抵抗体ＭＨ１と、第１の主発熱抵抗体ＭＨ１と異なった温度に設定された第２の主発熱抵抗体ＭＨ２と、二つの主発熱抵抗体ＭＨ１，ＭＨ２の支持体を加熱する副発熱抵抗体ＳＨとを備える。センサ制御回路ＳＣＵのＣＰＵは、二つの主発熱抵抗体を用いて流体温度を求め、二つの主発熱抵抗体の少なくとも一方を用いて流体の流量を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の質量流量を計量する熱式流量計に係り、特に、エンジンの排気ガスの流量を検出するに好適な熱式流量計に関する。

熱式計量方式としては、第１に、流体中に２つの抵抗体を配置し、一方は流体の温度を検出する測温抵抗体として、他方は流量を検出する発熱抵抗体として用い、それぞれの温度差（ΔＴｈ）を常に一定に保持することで流体の質量流量を計量するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

測温抵抗体としては、例えば白金線など、温度によって抵抗値の変化が大きいものが用いられる。白金線の温度と抵抗値には一定の関係があるため、測温抵抗体の抵抗を測ることで測温抵抗体の温度を検出できる。さらに、周囲流体と測温抵抗体の温度が等しいと仮定することで流体温度を得ることができる。

しかし、流体温度が急激に変化した場合には、測温抵抗体の熱容量等により測温抵抗体温度と流体温度にずれが生じ、流体温度を正しく検出できず、流量誤差が増大する。

それに対して、第２に、測温抵抗体を用いず、２つの発熱抵抗体を流体中に配置して、それぞれの発熱抵抗体から流体に供給される熱量の関係から、流体温度に無関係な流量を検出するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

この方式によれば、測温抵抗体を用いないため、流体温度が急激に変化した場合でも、精度良く流量計量が可能である。

国際公開ＷＯ０３／０１６８３３号明細書特開昭５９−１３６６２０号公報

しかしながら、特許文献２記載のものでは、流体流量Ｑｇは、２つの発熱抵抗体の温度差（Ｔｈ１−Ｔｈ２）の２乗に反比例するため、２つの発熱抵抗体の温度差（Ｔｈ１−Ｔｈ２）が小さい場合には、得られる流量に誤差が生じる。

一般に熱式流量計では、発熱抵抗体から周囲ガスへ充分な放熱を行うために、発熱抵抗体の温度を流体温度よりも２００℃程度高い温度に設定するのが望ましい。このため、例えば、エンジンの排ガス流量など高温流体の流量を測る場合には、発熱抵抗体の最低設定温度は高くなる。一方で、発熱抵抗体の上限温度は、一般には、発熱抵抗体の表面にコーティングされる保護ガラスの耐熱温度より低くする必要がある。保護ガラスの耐熱温度はガラス組成によって変化するが、例えば７００℃程度である。

したがって、エンジンの排ガス流量など高温流体の流量を測る場合には、発熱抵抗体の最低設定温度は高くなる場合は、２つの発熱抵抗体の温度差（Ｔｈ１−Ｔｈ２）が小さくなり、得られる流量に誤差が生じやすくなる。

本発明の目的は、流体温度が急速に変化する場合や、流体温度が高い場合においても精度良く流量を検出できる熱式流量計を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、第１の主発熱抵抗体と、該第１の主発熱抵抗体と異なった温度に設定された第２の主発熱抵抗体と、前記二つの主発熱抵抗体の支持体を加熱する副発熱抵抗体と、前記二つの主発熱抵抗体を用いて流体温度を求める温度算出手段と、前記二つの主発熱抵抗体の少なくとも一方を用いて流体の流量を求める流量算出手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、流体温度が急速に変化する場合や、流体温度が高い場合においても精度良く流量を検出できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記流量算出手段は、温度算出手段によって算出された流体温度と前記二つの主発熱抵抗体の少なくとも一方の温度を用いて流体の流量を求めるようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記流量算出手段は、設定温度が高い方の主発熱抵抗体の温度を用いて流体流量を求めるようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記二つの主発熱抵抗体のうち、設定温度が低い方の主発熱抵抗体は流体温度よりも所定の温度以上高い温度に設定され、設定温度が高い方の主発熱抵抗体は所定の上限温度よりも低い温度に設定されるようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記副発熱抵抗体は、前記第１の主発熱抵抗体の支持体を加熱する第１の副発熱抵抗体と、前記第２の主発熱抵抗体の支持体を加熱する第２の副発熱抵抗体からなり、前記第１の副発熱抵抗体の温度を前記第１の主発熱抵抗体の温度より高くし、かつ、前記第２の副発熱抵抗体の温度を前記第２の主発熱抵抗体の温度より高くするものである。

（６）上記（５）において、好ましくは、前記第１の主発熱抵抗体と前記第１の副発熱抵抗体が片側から支持された第１のプローブと、前記第２の主発熱抵抗体と前記第２の副発熱抵抗体が片側から支持された第２のプローブとが、流体の流れに対して並列に配置され、かつ、前記第１及び第２のプローブを流体通路の片側から流体内へ挿入したものである。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記第１と第２の２つのプローブの間に、流れ方向に沿って配置された遮蔽板を備えるようにしたものである。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記遮蔽板は、その厚さが流れの上流部で薄く、前記プローブの近傍で厚くなっているものである。

（９）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２の主発熱抵抗体と一つの副発熱抵抗体からなるプローブが支持体によって支持され、前記支持体がセンサ制御装置に接続されており、前記センサ制御装置側から見て副発熱抵抗体、第１の主発熱抵抗体、第２の主発熱抵抗体の順に配置されており、発熱抵抗体の設定温度が、副発熱抵抗体＞第１の主発熱抵抗体＞第２の主発熱抵抗体の関係である。

（１０）上記（９）において、好ましくは、前記第１の主発熱抵抗体と前記第２の主発熱抵抗体の正電極と負電極が主発熱抵抗間でそれぞれ共有化されており、前記第２の主発熱抵抗体の電気抵抗値が、前記第１の主発熱抵抗体の電気抵抗値よりも大きいものである。

（１１）上記（９）において、好ましくは、前記プローブは、流体の流れに対して並列に配置され、かつ、前記プローブを流体通路の片側から流体内へ挿入したものである。

本発明によれば、流体温度が急速に変化する場合や、流体温度が高い場合においても精度良く流量を検出できるものとなる。

以下、図１〜図１２を用いて、本発明の第１の実施形態による熱式流量計の構成及び動作について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による熱式流量計の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計の全体構成を示す部分断面の正面図である。図２は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計の全体構成を示す部分断面の平面図である。

図１及び図２は、本実施形態による熱式流量計をエンジンの排気流量計測に用いた場合の構成例を示している。

図１において、エンジンの排気通路ＰＩの内部には、流量計測用のプローブＰＲ１，ＰＲ２が挿入されている。プローブＰＲ１，ＰＲ２は、リード線ＬＤによって、排気通路ＰＩの外に設置されたセンサ制御装置ＳＣＵと電気的に接続されている。排気通路ＰＩに設けた開口部にプローブ台座ＰＢを挿入し、リード線がプローブ台座ＰＢを貫通することで、プローブＰＲ１，ＰＲ２が排気通路ＰＩの内部に固定される。プローブ台座ＰＢは、アルミナなど、耐熱性、電気絶縁性が高い材料で作られる。

プローブＰＲ１は、主発熱抵抗体ＭＨ１と、副発熱抵抗体ＳＨ１とを備えている。プローブＰＲ２は、主発熱抵抗体ＭＨ２と、副発熱抵抗体ＳＨ２とを備えている。

センサ制御装置ＳＣＵは、プローブＰＲ１，ＰＲ２への電力供給や、プローブＰＲ１，ＰＲ２の出力から流体の温度Ｔｇ及び流量Ｑｇの算出をして、その結果をエンジン制御ユニットＥＣＵに送信する。

図２は、図１を上部から見た平面図であり、ガス流れの方向ＧＦと２つのプローブＰＲ１，ＰＲ２の位置関係を示している。２つのプローブＰＲ１，ＰＲ２は、排気通路ＰＩの中心軸に対して左右対称に配置するのが望ましい。また、２つのプローブＰＲ１，ＰＲ２の間隔（ｒ１＋ｒ２）も、お互いの熱の影響、ガス乱れの影響を受けない範囲で、できるだけ近づけるのが望ましい。これはプローブＰＲ１とプローブＰＲ２の表面でのガス流量、ガス温度をほぼ同じにするためである。間隔（ｒ１＋ｒ２）は、排気ガスの流量，すなわち、エンジンの排気量に応じて変える必要があるが、例えば、２〜１０ｍｍである。

図２に示すように、２つのプローブＰＲ１，ＰＲ２を排気通路ＰＩの内部であって、排気ガスの流れる方向に直交する面内に並列に配置し、図１に示すように、プローブＰＲ１，ＰＲ２の片側から支持する構造にすることで、複数のプローブであってもリード線ＬＤがコンパクトにまとまり、排気通路ＰＩの一箇所のみに開口部を設けることでプローブを容易に取り付けられる。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブＰＲ１，ＰＲ２の構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。図４は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの支持基材の構成を示す正面図及び平面図である。

図３において、図３（Ａ）はプローブの平面形状を示し、図３（Ｂ）はプローブの温度分布を示している。なお、図１に示したプローブＰＲ１とプローブＰＲ２は同一構成であるので、ここでは、プローブＰＲとして説明する。

図３（Ａ）に示すように、プローブＰＲは、主発熱抵抗体ＭＨと、副発熱抵抗体ＳＨと、リード線ＬＤ１〜ＬＤ４と、主発熱抵抗体ＭＨと副発熱抵抗体ＳＨの表面をコーティングするコートガラスＣＧとから構成される。主発熱抵抗体ＭＨと副発熱抵抗体ＳＨは、支持基材ＢＡに白金線を複数回巻きつけた構成となっている。

図４に示すように、支持基材ＢＡは、周方向に９０度毎に半円形の溝ＨＯが設けられている。溝ＨＯの幅は、リード線ＬＤの直径よりもやや大きくなっている。また、支持基材ＢＡは、アルミナなどの、耐熱性と電気絶縁性が高い材料で作られる。

支持基材ＢＡの溝ＨＯにリード線ＬＤが挿入され、その上から白金線が巻かれる。白金線の両端がリード線ＬＤに溶接され、その外側をコートガラスＣＧで固めることによって、白金線及びリード線ＬＤが固定される。リード線ＬＤは白金イリジウム合金など、電気伝導性が高い素材で作られる。

図３のプローブの構成において、リード線ＬＤ１とリード線ＬＤ２の間に電圧を印加することで、主発熱抵抗体ＭＨに電流が流れ発熱する。同様に、リード線ＬＤ３とリード線ＬＤ４の間に電圧を印加することで、副発熱抵抗体ＳＨに電流が流れ発熱する。これら電流の制御は、図１に示したセンサ制御装置ＳＣＵによって行われる。センサ制御装置ＳＣＵの詳細構成については、図５を用いて後述する。

図３（Ｂ）は、プローブＰＲの軸方向の温度分布を示している。副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓは、主発熱抵抗体ＭＨの温度Ｔｍに比べ、やや高い温度に設定される。これは、主発熱抵抗体ＭＨとリード線ＬＤの間の熱伝導によって、リード線ＬＤから主発熱抵抗体ＭＨへの熱の出入りを防止するためである。熱伝導による移動熱量は、温度勾配ｄＴ／ｄｚに比例する。副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓを主発熱抵抗体ＭＨの温度Ｔｍよりやや高くすることで、主発熱抵抗体ＭＨとリード線ＬＤとの境界（Ａ点）での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨとリード線ＬＤの間との熱の流れが無くなる。副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓと主発熱抵抗体ＭＨの温度Ｔｍとの温度差ΔＴｓは、発熱抵抗体の設定温度やガス温度、主発熱抵抗体ＭＨと副発熱抵抗体ＳＨの間の距離などによって最適値が決まるが、発熱抵抗体温度が６００℃の場合で例えば１０〜５０℃程度である。

なお、副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓと主発熱抵抗体ＭＨの温度Ｔｍが同じ温度の場合には、周囲ガスへの放熱のため、主発熱抵抗体ＭＨと副発熱抵抗体ＳＨの間のリード線ＬＤの温度が下がり、Ａ点での温度勾配がゼロとならず、主発熱抵抗体ＭＨからリード線ＬＤへの熱流れが発生する。

詳細は後述するが、本実施形態においては、主発熱抵抗体とリード線間で熱の流れを無くすることで、ガス温度，ガス流量の検出精度を高めることができる。

次に、図５〜図１０を用いて、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵの構成及び動作について説明する。
最初に、図５を用いて、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵの構成について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置の構成を示すブロックである。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

センサ制御装置ＳＣＵは、マイコンＣＰＵと、２組の主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２と、２組の副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１，ＨＵＣＵＳ２とからなる。

マイコンＣＰＵは、主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２に対して、それぞれ設定温度要求値Ｔｍ１，Ｔｍ２を出力する。主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２は、主発熱抵抗体ＭＨ１，ＭＨ２への供給電力値Ｗｍを、マイコンＣＰＵに出力する。また、マイコンＣＰＵは、副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１，ＨＵＣＵＳ２に対して、それぞれ設定温度要求値Ｔｓ１，Ｔｓ２を出力する。副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１，ＨＵＣＵＳ２は、副発熱抵抗体ＳＨ１，ＳＨ２への供給電力値ＷｓをマイコンＣＰＵに出力する。マイコンＣＰＵは、ＥＣＵから検出要求を受け取り、ＥＣＵに対して、検出した流量値Ｑｇとガス温度Ｔｇを出力する。

ここで、排気ガスの最高温度を例えば４００℃とし、図３にて説明したコートガラスＣＧ（保護ガラス）の耐熱温度が例えば７００℃とすると、第２主発熱抵抗体ＭＨ２の設定温度要求値Ｔｍ２は、例えば６００℃であり、第１主発熱抵抗体ＭＨ１の設定温度要求値Ｔｍ１は、例えば６５０℃である。また、第２副発熱抵抗体ＳＨ２の設定温度要求値Ｔｓ２は、例えば６３０℃であり、第１副発熱抵抗体ＳＨ１の設定温度要求値Ｔｓ１は、例えば６８０℃である。

次に、図６を用いて、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵに用いる発熱抵抗体制御装置ＨＣＵの構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置に用いる発熱抵抗体制御装置の構成を示すブロックである。なお、図１及び図５と同一符号は、同一部分を示している。

図５に示した主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２と、副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１，ＨＵＣＵＳ２の構成は、全て同じであるので、ここでは、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵとして説明する。また、図１に示した主発熱抵抗体ＭＨ１と、副発熱抵抗体ＳＨ１と、主発熱抵抗体ＭＨ２と、副発熱抵抗体ＳＨ２とは、ここでは、発熱抵抗体Ｒｈとして説明する。

発熱抵抗体制御装置ＨＣＵは、温度制御ユニットＴＣと、ヒータ駆動ユニットＨＤと、ローパスフィルタＬＰＦと、アナログディジタル変換器Ａ／Ｄと、固定抵抗Ｒｃから構成される。
ヒータ駆動ユニットＨＤは、発熱抵抗体Ｒｈに電圧を印加する。ヒータ駆動ユニットＨＤは、温度制御ユニットＴＣからの指示によって、発熱抵抗体Ｒｈに印加する電圧値を変化させる。

発熱抵抗体Ｒｈと固定抵抗Ｒｃとは、直列に接続される。ヒータ駆動ユニットＨＤと発熱抵抗体Ｒｈの間のアナログ電圧値ＶＲｈと、発熱抵抗体Ｒｈと固定抵抗Ｒｃの間のアナログ電圧値ＶＲＣは、それぞれローパスフィルタＬＰを通った後、アナログディジタル変換器Ａ／Ｄに入力する。そして、アナログディジタル変換器Ａ／Ｄによってデジタル値変換された電圧値ＶＲｈと電圧値ＶＲＣは、それぞれ温度制御ユニットＴＣに入力する。

次に、図７及び図８を用いて、本実施形態による熱式流量計のヒータ駆動ユニットＨＤの動作について説明する。
図７及び図８は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のヒータ駆動ユニットの動作説明図である。

図７は、ヒータ駆動ユニットＨＤから発熱抵抗体Ｒｈに印加される電圧波形の一例を示している。ヒータ駆動回路ＨＤから発熱抵抗体Ｒｈに出力される電圧波形は、図７に示すように矩形波であり、電圧値はゼロもしくはＶｏｎの２値を取る。ここでは、１つの矩形波において電圧がゼロである期間をΔＴｏｆｆ、電圧がＶｏｎである期間をΔＴｏｎとする。また期間ΔＴｏｆｆ＋期間ΔＴｏｎは、常に一定であるとする。すなわち矩形パルスの周波数は常に一定であるとする。ここで、Ｄｕｔｙ比は、以下の式（１）により表される。

すなわち、Ｄｕｔｙ比は、１パルス周期間でのＶｏｎの時間割合を表す。Ｄｕｔｙ比は、温度制御ユニットＴＣからの指示によって、０から１の間で任意に設定される。

図８は、Ｄｕｔｙ比に対して、ヒータ駆動回路ＨＤから発熱抵抗体Ｒｈに印加されるヒータ供給電圧の時間平均値との関係の一例を示している。ここで、電圧の時間平均値とは、例えば矩形パルス１００個分の電圧平均値であり、また例えば１秒間の電圧平均値である。時間平均をとる間隔は、流量計に要求される応答速度や回路の時定数、マイコンの動作周波数など、種々の要因、要求仕様から適宜決定される。

図８に示すように、Ｄｕｔｙ比と平均電圧は比例関係にある。すなわち、温度制御ユニットＴＣは、ヒータ駆動ユニットに指示するＤｕｔｙ比を、０から１の範囲で適宜変えることにより、発熱抵抗体Ｒｈへの時間平均の印加電圧値を、０からＶｏｎの範囲で任意に変化させることができる。

次に、図９を用いて、本実施形態による熱式流量計の発熱抵抗体制御装置ＨＣＵにおける発熱抵抗体の温度設定方法について説明する。
図９は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計の発熱抵抗体制御装置ＨＣＵにおける発熱抵抗体の温度設定方法の内容を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵは、ヒータ制御ユニットＨＤに出力するＤｕｔｙ比の初期値を定め、ステップＳ２０２において、ヒータ制御ユニットＨＤにＤｕｔｙ比を出力する。ヒータ制御ユニットＨＤは、図８に示したように、入力されるＤｕｔｙ比に基づいた電圧が発熱抵抗体Ｒｈに対して印加される。

次に、ステップＳ２０３において、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵは、発熱抵抗体Ｒｈの両端電圧の時間平均値ＶＲｈと、固定抵抗Ｒｃの電圧値ＶＲＣを温度制御ユニットＴＣに読み込み、ステップＳ２０４において、現在の発熱抵抗体Ｒｈの温度Ｔｈ０を求める。

発熱抵抗体の抵抗値Ｒｈと、発熱抵抗体Ｒｈの温度Ｔｈとの間には、以下の式（２）に示すように、

一定の相関があるため、発熱抵抗体の抵抗値Ｒｈが判れば、発熱抵抗体の温度Ｔｈが求められる。なお、式（２）において、αは抵抗温度係数、Ｔ_０は基準温度、Ｒ_０は基準温度における抵抗値である。

発熱抵抗体の抵抗値Ｒｈは、オームの法則より導かれる以下の式（３）式により、電圧値ＶＲｈと電圧値ＶＲＣを用いて算出することができる。

次に、ステップＳ２０５において、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵは、目標設定温度Ｔｈと現在の発熱抵抗体温度Ｔｈ０との差δを求め、ステップＳ２０６において、差δの絶対値が予め設定された閾値ε（収束判定をするための微小値）と比較する。差δの絶対値が閾値εより大きい場合には、ステップＳ２０７において、現在のＤｕｔｙ比を、Ｄｕｔｙ＝Ｄｕｔｙ＋Ｇ・δとして、比例制御（Ｐ制御）により更新する。ここでＧは予め設定された比例制御のゲインである。

Ｄｕｔｙ比の更新後、ステップＳ２０２に戻り、以後、発熱抵抗体Ｒｈの温度が設定温度Ｔｈに収束するまで、ステップＳ２０２からステップＳ２０７を繰り返す。

なお、本実施形態では、ステップＳ２０７におけるＤｕｔｙ比の更新に比例制御（Ｐ制御）を用いたが、比例積分制御（ＰＩ制御）、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）などを用いることで、発熱抵抗体Ｒｈの温度を短時間で、精度良く設定温度に収束させることが可能である。

ステップＳ２０６において、差δの絶対値が閾値εより小さいと判断された場合には、発熱抵抗体Ｒｈが設定温度Ｔｈに収束したと見なし発熱抵抗体の温度設定を終了する。

なお、これらの処理は主発熱抵抗体ＭＨ１、主発熱抵抗体ＭＨ２、副発熱抵抗体ＳＨ１、副発熱抵抗体ＳＨ２に対して同じである。

次に、図１０を用いて、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵにおけるガス温度とガス流量の算出方法について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置におけるガス温度とガス流量の算出方法の内容を示すフローチャートである。

最初に、ステップＳ１０１において、センサ制御装置ＳＣＵは、エンジン制御ユニットＥＣＵからのガス温度Ｔｇ、ガス流量Ｑｇの検出要求を待ち、要求があった場合には、ステップＳ１０２において、センサ制御装置ＳＣＵは、主発熱抵抗体ＭＨ１の温度設定値Ｔｍ１、主発熱抵抗体ＭＨ２の温度設定値Ｔｍ２、副発熱抵抗体ＳＨ１の温度設定値Ｔｓ１、副発熱抵抗体ＳＨ２の温度設定値Ｔｓ２を、それぞれ、Ｔｍ１＝Ｔｇ＋ΔＴ１，Ｔｍ２＝Ｔｇ＋ΔＴ２，Ｔｓ１＝Ｔｍ１＋ΔＴｓ，Ｔｓ２＝Ｔｍ２＋ΔＴｓとして、求める。ここで、ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴｓは予め定めた温度差であり、ΔＴ１＞ΔＴ２の関係がある。主発熱抵抗体からガスへ充分な放熱を行わせるために、主発熱抵抗体はガス温度に対して２００℃程度以上高い温度とするのが望ましい。また一方で、主発熱抵抗体の温度は、プローブを構成する材料の耐熱温度よりも低くする必要がある。前述したように一般にプローブは白金、アルミナ、ガラスなどで構成されており、この中ではガラスの融点が最も低く７００℃程度である。従って、ΔＴ２は２００℃程度、ΔＴ１はΔＴ２より大きく、かつＴｓ１がガラス融点よりも低くなる範囲で、測定するガス温度に応じて予め定められる。従って、エンジンの排ガスのように測定する流体の温度が高い場合には、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２の温度差は小さくなる。

また、ステップＳ１０２において、ガス温度Ｔｇが必要であるが、これは１ステップ前のＥＣＵ要求があったときに求めたガス温度Ｔｇを用いる。ステップＳ１０２でのガス温度Ｔｇは発熱抵抗体の設定温度を決めるために使わるものであるため、現在のガス温度に対して偏差があっても算出されるガス温度、ガス流量の精度には殆ど影響しない。

次に、ステップＳ１０３において、センサ制御装置ＳＣＵは、主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２、副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１，ＨＣＵＳ２に、ステップＳ１０２で求めた設定温度値を送り、発熱体制御装置ＨＣによって、２組の主発熱抵抗体ＭＨ１，ＭＨ２、副発熱抵抗体ＳＨ１，ＳＨ２が所定温度に設定される。

次に、ステップＳ１０４において、センサ制御装置ＳＣＵは、２つの主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２から発熱体ＭＨ１，ＭＨ２への供給電力量Ｗｍ１，Ｗｍ２を受け取る。

そして、ステップＳ１０５において、センサ制御装置ＳＣＵは、以下の式（４）を用いて現在のガス温度Ｔｇを求める。

次に、ステップＳ１０６において、センサ制御装置ＳＣＵは、ステップＳ１０５で得られたガス温度Ｔｇを用いて、以下の式（５）もしくは式（６）によりガス流量Ｑｇを求める。

次に、ステップ１０７において、センサ制御装置ＳＣＵは、以上の処理で求めたガス温度Ｔｇ、ガス流量ＱｇをＥＣＵに送り、ステップ１０１に戻り、次の検出要求を待つ。

次に、ガス温度、ガス流量を算出する原理について説明する。

第１主発熱抵抗体ＭＨ１への供給電力Ｗｍ１とガスの質量流量Ｑｇ、発熱体温度Ｔｍ１、ガス温度Ｔｇの間には、以下の式（７）のエネルギバランス式が成立する。

同様に、第２主発熱抵抗体への供給電力Ｗｍ２とガスの質量流量Ｑｇ、発熱体温度Ｔｍ２、ガス温度Ｔｇの間には、以下の式（８）のエネルギバランス式が成立する。

なお、式（７）と式（８）は、発熱抵抗体の表面のガス流による熱伝達と発熱抵抗体への供給電力が釣り合うことを示した式であり、発熱抵抗体とリード線間の熱の移動が無い場合にのみ成立する式である。

本実施形態におけるプローブでは、図１にて説明したように、主発熱抵抗体と副発熱抵抗体を設け、副発熱抵抗体の温度が主発熱抵抗体の温度よりやや高くなるように設定する。これにより、主発熱抵抗体とリード線間の熱移動を無くしているため、式（７）と式（８）が成立する。

そして、式（７）を式（８）で除算することで、ガス温度Ｔｇを求める式（４）が導かれる。ガス温度Ｔｇが判れば、式（６）を変形した式（５）によってガスの質量流量Ｑｇが求められる。なお、式（４）〜（８）におけるＣ１、Ｃ２は定数である。

図５のＣＰＵは、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１，ＨＣＵＭ２から得られた供給電力Ｗｍ１，Ｗｍ２を用いて、式（４）により、ガス温度Ｔｇを算出する。すなわち、図５のＣＰＵが、二つの主発熱抵抗体を用いて流体温度を求める温度算出手段である。また、図５のＣＰＵは、ガス温度Ｔｇと、２つの主発熱抵抗体のどちらか一方の温度を用いて、式（５）もしくは式（６）により、ガスの質量流量Ｑｇを算出する。すなわち、図５のＣＰＵが、流量算出手段である。なおガスの質量流量Ｑｇを算出する式（５）もしくは式（６）は主発熱抵抗体とガス温度の差の２乗値による除算となっているため、温度が高く設定されている発熱抵抗体の温度用いて流量を算出した方が誤差が小さい。すなわち式（５）を用いてガス流量を算出することがより望ましい。
副発熱抵抗体を設けない場合、もしくは副発熱抵抗体の温度が主発熱抵抗体の温度に等しいか低い場合には、発熱抵抗体とリード線間の熱の移動が発生するため、ガス温度、ガス流量の算出に式（７）、式（８）を適用すると検出誤差が大きくなる。それは、発熱抵抗体とリード線間の熱の移動がある場合には、式（７），式（８）において、各式の右辺に、熱の移動に伴う補正項が必要となるからである。しかも、この補正項は、移動する熱量に応じて変化する値である。

本実施形態において、流量を求める式（５）もしくは式（６）は、発熱抵抗体供給電力の２乗値に比例し、発熱抵抗体温度とガス温度の差（Ｔｈ−Ｔｇ）の２乗値に反比例する形となっている。本実施形態において、発熱抵抗体温度は、ガス温度に対して充分に高い温度（一般に２００℃以上）に設定するため、式（５）もしくは式（６）の分母が０に近づくことは無い。即ち、式（５）もしくは式（６）による流量算出は、マイコンなどのデジタル演算によっても誤差が生じにくい。また、ガス温度を求める式（４）は、供給電力量の比Ｗｍ１／Ｗｍ２に対して高々１次のオーダーであり、Ｗｍ１とＷｍ２が近い値となっても発散しにくい形となっている。

一方、特許文献２において、質量流量（ｑｍ）は、特許文献２の第４頁右上欄に記載の、ｑ_ｍ＝Ｃ_Ａ・（Ｕ１^２−Ｕ２^２）^２として算出される。ここで、Ｃ_Ａは、発熱抵抗体の温度と抵抗値により求まる値である。そこで、特許文献２の質量流量（ｑｍ）の算出式を変換すると、以下の式（９）とすることができる。

即ち、特許文献２の方式では、式（９）で、２つの発熱抵抗体の温度差の２乗に反比例する式を用いていたため、発熱抵抗体の温度差が小さくなると計算誤差が生じやすいものである。

一方、本実施形態では、発熱抵抗体の温度差が小さい場合でも流量計算値に誤差が発生しにくいという特長がある。

次に、図１１を用いて、本実施形態による熱式流量計における流量計算誤差について、従来例と比較して説明する。
図１１は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計における流量計算誤差の説明図である。

図１１は、データ幅４ビットのデジタル計算機で演算した場合の量子化誤差（丸め誤差）を想定し、特許文献１に示される従来方法を、式（９）で計算した場合の流量誤差Ｐｒｉ−２と、本実施形態の方法の式（７）、式（８）を用いて計算した場合の流量誤差Ｉｎｖを、従来方法の誤差を１として相対比較したものである。

ここで、ガス温度Ｔｇ＝３００℃、主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１＝７００℃とし、主発熱抵抗体ＭＨ２の温度Ｔｍ２を６００℃から６５０℃まで０．１℃刻みで変化させた場合の流量の平均誤差を示している。

図１１の結果より、本実施形態による方法が、従来方法に対して誤差が低減できることがわかる。

前述したように、エンジンの排ガスなど、流体温度が高い場合には、耐熱温度限界による発熱抵抗体の温度上限と、熱式流量計としての要求温度下限から、主発熱抵抗体の設定温度範囲は狭くなり、２つの主発熱抵抗体間の温度差は小さくなる。特にこのような温度差が小さい場合において、本実施形態は、精度良く流量が求められる。なお、本実施形態の熱式流量計は、エンジンの吸入空気量の測定にも用いることができるものである。

次に、図１２を用いて、本実施形態による熱式流量計における検出温度の応答性について、従来例と比較して説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計における検出温度の応答性の説明図である。

本実施形態では、能動的に加熱した発熱抵抗体を使って流体温度を求めるため、本実施形態による検出温度の応答性Ｉｎｖは、受動的に温度検出を行う測温抵抗体方式（特許文献１記載の方式）の検出温度の応答性Ｐｒｉ−１に比べ、大幅に速くなる。

これによって、本実施形態による熱式流量計を用いると、例えば排ガス温度や流量の検出値を使ってリアルタイムにエンジン制御を行うことも可能となる。例えば、エンジンの外部ＥＧＲ（排ガス再循環）通路に本発明の流量計を取り付け、現在のＥＧＲガスの温度や流量を検出して、これらの検出値を元に燃料噴射量やタイミング、ＥＧＲバルブやスロットルバルブの開度を調整することで、排気を清浄化したり、燃費を向上したりすることが可能となる。

次に、図１３及び図１４を用いて、本実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態について説明する。
図１３は、本発明の第１の実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態を示す部分断面の側面図である。図１４は、図１３のＡ−Ａ断面図である。なお、図１や図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態による熱式流量計のプローブは、流体の乱れ（乱流）の影響、オイル、水、ダスト等による汚損、破損を防止するため、副通路内に設けるのが望ましい。図１３は、本実施形態のプローブを副通路内に取り付けエンジンの排気管に実装した状態を示している。

本実施形態による流量センサは、図３で示した構造であり、２本のプローブＰＲ１，ＰＲ２と、プローブのカバーＣＶから構成される。２本のプローブＰＲ１，ＰＲ２は、ガスの流れに対し、バイパス通路ＢＹの中心断面に対して対称に設けられている。バイパス通路ＢＹの中心には、遮蔽板ＩＰが設けられている。遮蔽板ＩＰは、バイパス内の流れＧＦを整流すると共にプローブＰＲ１とプローブＰＲ２の間の熱の授受を防止する役割を持つ。すなわち、プローブＰＲ１とプローブＰＲ２を近接配置すると、高温流体の流量を検出する場合には、プローブＰＲ１とプローブＰＲ２は高い温度（例えば５００℃以上）に設定されるため、熱輻射によってプローブＰＲ１とプローブＰＲ２の間に伝熱が生じる虞がある。また、片方のプローブで加熱された流体がもう片方のプローブの表面を通ることで熱干渉が発生する。これらの熱影響は、流量と温度の検出精度を低下させる。そこで、バイパスＢＹ内に遮蔽板ＩＰを設けることで、お互いのプローブ間の熱影響を遮断する。また、プローブによる流れの乱れを除去することも可能である。

図１４に示すように、遮蔽板ＩＰの断面形状は、両端部が細く、中心に向かうに従って滑らかに太くなる形状としている。これにより、遮蔽板ＩＰの端部で流れが剥離して乱れが発生するのを防止できると共に、プローブ部分での通路断面積を狭くすることで流れを加速し、Ｓ／Ｎ比を向上し、また、乱流の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、異なる温度に設定した２つの発熱抵抗体を用いて、流体温度を算出してから、その流体温度を使って流体流量を求めるようにすることで、流体温度算出、流量算出において２つの発熱抵抗体温度の差分を取る必要が無くなり、２つの発熱抵抗体の設定温度が近い場合にも検出される流量の誤差を低く抑えることが可能となる。

また、通電加熱されない測温抵抗体を用いて流体温度を求める必要が無いため、流体温度が急激に変化した場合においても、検出温度の応答遅れが小さく、応答遅れによる流量誤差を小さくすることができる。

さらに、主発熱抵抗体の支持体を加熱する副発熱抵抗体を設けることで、主発熱抵抗体から支持体間の熱伝導の影響を小さくし、流体温度、流体流量を簡便な処理で高精度に求めることができる。

また、２つの発熱抵抗体の間に遮蔽板を設けることで、発熱抵抗体間の熱干渉、流れ干渉を防ぐことができ、これらの干渉によって生じる測定精度の悪化を未然防止できる。

さらに、２つの主発熱抵抗体の抵抗値を変えることで、それぞれの発熱抵抗体に同一の電圧を印加しても、抵抗間に温度差を設けることができ、プローブ構造、制御装置の簡素化が可能となる。

次に、図１５〜図１７を用いて、本発明の第２の実施形態による熱式流量計の構成及び動作について説明する。
最初に、図１５を用いて、本実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブＰＲの構成について説明する。
図１５は、本発明の第２の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。

図１５において、図１５（Ａ）はプローブの平面形状を示し、図１５（Ｂ）はプローブの温度分布を示している。

本実施形態のプローブＰＲは、２つの主発熱抵抗体ＭＨ１，ＭＨ２と、１つの副発熱抵抗体ＳＨが同軸上に配置され、これらがリード線ＬＤによって連結され、コートガラスＣＧで覆われた一体構成となっている。

リード線ＬＤ１とリード線ＬＤ２の間に電圧を印加することで主発熱抵抗体ＭＨ１が加熱される。リード線ＬＤ３とリード線ＬＤ４の間に電圧を印加することで主発熱抵抗体ＭＨ２が加熱される。リード線ＬＤ５とリード線ＬＤ６の間に電圧を印加することで副発熱抵抗体ＳＨが加熱される。

図１５（Ｂ）は、プローブの軸方向温度分布を示している。主発熱抵抗体ＭＨ１の温度は、主発熱抵抗体ＭＨ２に比べやや高い温度に設定される。さらに、副発熱抵抗体ＳＨの温度は、主発熱抵抗体ＭＨ１に比べやや高い温度に設定される。例えば、第２主発熱抵抗体ＭＨ２の設定温度Ｔｍ２は、例えば６００℃であり、第１主発熱抵抗体ＭＨ１の設定温度Ｔｍ１は、例えば６５０℃である。また、副発熱抵抗体ＳＨの設定温度Ｔｓは、例えば６８０℃である。

これは、主発熱抵抗体ＭＨとリード線ＬＤの間の熱伝導によって主発熱抵抗体ＭＨへの熱の出入りを防止するためである。主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１を主発熱抵抗体ＭＨ２の温度Ｔｍ２よりやや高くすることで、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線との境界（Ａ点）での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線間との熱の流れが無くなる。同様に、副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓを主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１よりやや高くすることで、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線との境界（Ｂ点）での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線間との熱の流れが無くなる。

なお、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵの構成は、図５に示したものと同様である。但し、副発熱抵抗体は１個のみであるため、図５の第１副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１のみが用いられ、第２副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ２は不要である。

また、本実施形態による熱式流量計の発熱抵抗体制御装置ＨＣＵにおける発熱抵抗体の温度設定方法は、図９と同様である。さらに、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵにおけるガス温度とガス流量の算出方法は、図１０と同様である。

次に、図１６及び図１７を用いて、本実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態について説明する。
図１６は、本発明の第２の実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態を示す部分断面の側面図である。図１７は、本発明の第２の実施形態による熱式流量計のセンサの斜視図である。なお、図１５と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態におけるプローブは、流体の乱れ（乱流）の影響、オイル、水、ダスト等による汚損、破損を防止するため、副通路内に設けるのが望ましい。そこで、本実施形態のプローブは、副通路内に取り付けエンジンの排気管に実装している。

本実施形態における流量センサは、図１５に示した一体式のプローブＰＲと、プローブＰＲのカバーＣＶから構成される。プローブＰＲのカバーＣＶは、ガスの順流方向ＧＦに対向した面Ｓｉと、底面の一部Ｓｏが開口しており、順流方向のガスはＳｉから副通路ＢＹ内に入って、プローブＰＲの表面を通過して、底面の開口部Ｓｏから出て行く。ガスの流れ方向が逆流の場合には、開口部Ｓｏが底面にあるため副通路ＢＹ内にガスが入り難い。すなわち、プローブＰＲは順流方向のガス流れを感知し、逆方向の流れに対する感度は低下させることで、逆流によって流量の検出精度が悪化するのを防止する構造となっている。また、カバー内の狭い副通路にガスを導入することでガスの流れを整える効果があり、ガスの乱れや脈動を低減し精度向上を図ることができる。またガスの乱れを抑制することで、プローブへのオイルや水の付着、カーボン等のダスト衝突を減らすことができる。

また、ガス温度、ガス流量を検出するためのプローブが１個でよく、ガス通路へのプローブ設置が容易になる、投影面積が小さくなるため通路の圧損が減る、コストが低減する。

次に、図１８及び図１９を用いて、本発明の第３の実施形態による熱式流量計の構成及び動作について説明する。
最初に、図１８を用いて、本実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブＰＲの構成について説明する。
図１８は、本発明の第３の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。なお、図１５と同一符号は、同一部分を示している。

図１８において、図１８（Ａ）はプローブの平面形状を示し、図１８（Ｂ）はプローブの温度分布を示している。

本実施形態のプローブは、２つの主発熱抵抗体ＭＨ１，ＭＨ２と、１つの副発熱抵抗体ＳＨが同軸上に配置され、これらがリード線ＬＤによって連結され、コートガラスＣＧで覆われた一体構成となっている。

本実施形態におけるプローブは、リード線ＬＤ１とリード線ＬＤ２を主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２で共有している点が、図１５に示したプローブと異なる。即ち、リード線ＬＤ１とリード線ＬＤ２の間に電圧を印加することで主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２とに同じ電圧が印加され加熱される。リード線ＬＤ３とリード線ＬＤ４の間に電圧を印加することで副発熱抵抗体ＳＨが加熱される。

主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗巻線の巻数が異なっており、主発熱抵抗体ＭＨ２の巻数が発熱抵抗体ＭＨ１の巻数よりも多くなっている。抵抗巻線の断面積はどちらも同じである。この結果、主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗Ｒｍ２は主発熱抵抗体ＭＨ１の抵抗Ｒｍ１よりも大きくなっている。抵抗Ｒｍ１と抵抗Ｒｍ２の比ＣＲ＝Ｒｍ１／Ｒｍ２は予め定められた値になるように各抵抗値が調整されている。

主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２に印加される電圧Ｖｍと、主発熱抵抗体ＭＨ１の抵抗値Ｒｍ１、発熱量Ｗｍ１との間には、以下の式（１０）の関係がある。

同様に、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２に印加される電圧Ｖｍと、主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗値Ｒｍ２、発熱量Ｗｍ２との間には、以下の式（１１）の関係がある。

式（１０）、式（１１）から明らかなように、抵抗値が小さい主発熱抵抗体ＭＨ１の方が発熱量が大きくなる。その結果、図１８（Ｂ）に示すように、主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１は、主発熱抵抗体ＭＨ２の温度Ｔｍ２よりも高くなる。また、副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓは、主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１よりも高くなるように設定する。主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１が主発熱抵抗体ＭＨ２の温度Ｔｍ２より高くなることで、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線との境界（Ａ点）での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線間との熱の流れが無くなる。副発熱抵抗体ＳＨの温度Ｔｓを主発熱抵抗体ＭＨ１の温度Ｔｍ１よりやや高くすることで、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線との境界（Ｂ点）での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線間との熱の流れが無くなる。これによって主発熱抵抗体とリード線間の熱移動が無くなり、ガス温度、ガス流量の検出誤差が低減される。

なお、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗巻線の巻数を同じにして、主発熱抵抗体ＭＨ２の巻線の断面積を主発熱抵抗体ＭＨ１の巻線の断面積よりも小さくしても、主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗値Ｒｍ２を主発熱抵抗体ＭＨ１の抵抗値Ｒｍ１よりも大きくでき、同様の効果が得られる。

主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗値を主発熱抵抗体ＭＨ１より大きくする方法は、この他にも、抵抗巻線を巻く支持基材の直径を変える、発熱抵抗体の素材を電気抵抗の異なるものにするなどが考えられる。

なお、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵの構成は、図５に示したものと同様である。但し、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２とは、同一の電源から加熱されるため、図５の第１主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１のみが用いられ、第２主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ２は不要である。なお、主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭの構成は、図６に示したものとは多少異なるため、これについては、図１９を用いて後述する。また、副発熱抵抗体は１個のみであるため、図５の第１副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１のみが用いられ、第２副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ２は不要である。

次に、図１９を用いて、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵに用いる発熱抵抗体制御装置ＨＣＵの構成について説明する。
図１９は、本発明の第３の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置に用いる発熱抵抗体制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１８と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態において、ガス温度、ガス流量を算出するには主発熱抵抗体の温度を検出する必要がある。前述のように、発熱抵抗体の温度と抵抗値には、式（２）に示した関係があるので、発熱抵抗体の抵抗値を検出することで発熱抵抗体の温度を検出できる。

図１９に示すように、発熱抵抗体制御装置ＨＣＵは、ヒータ駆動ユニットＨＤからの出力電圧をＶｏ、主発熱抵抗体Ｒｍ１と主発熱抵抗体Ｒｍ２の両端電圧をＶｍ、固定抵抗Ｒｃの電圧をＶＲＣとすると、オームの法則を用いて、以下の式（１２）〜式（１６）より主発熱抵抗体１の抵抗値Ｒｍ１を求められる。

抵抗値Ｒｍ１を式（１４）に代入することで、主発熱抵抗体２の抵抗値Ｒｍ２が求まる。これらの抵抗値から主発熱抵抗体Ｒｍ１，Ｒｍ２の温度を求めることができる。

また、主発熱抵抗体への供給電力Ｗｍ１，Ｗｍ２は、それぞれ式（１７），（１８）で求めることができる。

また、本実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態は、図１６及び図１７と同様である。

さらに、２つの主発熱抵抗体に電圧を印加するためのリード線を共有化するため、リード線の本数が少なくなり、プローブの製作コストが低減できる。さらに２つの主発熱抵抗体を１つの発熱抵抗体制御装置で制御できるため、コスト低減、装置の小型化が可能となるなどの利点がある。

次に、図２０及び図２１を用いて、本発明の第４の実施形態による熱式流量計の構成及び動作について説明する。
図２０は、本発明の第４の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。図２１は、本発明の第４の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す側面図である。なお、図１５と同一符号は、同一部分を示している。

図２０に示すように、本実施形態では、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２を並列に配置している。主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２、副発熱抵抗体ＳＨは、それぞれアルミナなどの支持基材に白金抵抗線などを巻きつけ、ガラスでコーティングした構成である。導電性の支持体ＲＤ１，ＲＤ２に、主発熱抵抗体のリード線が溶接されている。主発熱抵抗体ＭＨ１の片側リード線ＬＤ１と主発熱抵抗体ＭＨ２の片側リード線ＬＤ２が、支持体ＲＤ１に接続される。同様に、主発熱抵抗体ＭＨ１の片側リード線ＬＤ３と主発熱抵抗体ＭＨ２の片側リード線ＬＤ４が、支持体ＲＤ２に接続される。支持体ＲＤ１と支持体ＲＤ２の間に電圧を印加することで、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２とに同じ電圧が印加され、加熱される。導電性の支持体ＲＤ３および支持体ＲＤ４に、副発熱抵抗体ＳＨのリード線ＬＤ５，ＬＤ６が、それぞれ溶接されている。支持体ＲＤ３と支持体ＲＤ４の間に電圧を印加することで、副発熱抵抗体ＳＨに電圧が印加され、加熱される。副発熱抵抗体ＳＨの温度は、主発熱抵抗体ＭＨ２の温度よりもやや高くなるように、支持体ＲＤ３と支持体ＲＤ４の間に印加される電圧値が定められる。

図２１に示すように、副発熱抵抗体ＳＨは、主発熱抵抗体の支持体ＲＤ１，ＲＤ２に接するように取り付けられている。即ち、副発熱抵抗体ＳＨを加熱することで、主発熱抵抗体の支持体ＲＤ１とＲＤ２を加熱することが可能となっている。

また、図２１に示すように、副発熱抵抗体ＳＨは、主発熱抵抗体の支持体より流れに対し下流側に設けられるのが望ましい。これは副発熱抵抗体ＳＨによって流れ方向を乱されたり、加熱された流体が主発熱抵抗体の表面を流れると流量や温度の検出誤差になるためである。

主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗巻線の巻数が異なっており、主発熱抵抗体ＭＨ２の巻数が発熱抵抗体ＭＨ１の巻数よりも多くなっている。抵抗巻線の断面積はどちらも同じである。この結果、主発熱抵抗体ＭＨ２の抵抗Ｒｍ２は、主発熱抵抗体ＭＨ１の抵抗Ｒｍ１よりも大きくなっている。

本実施形態におけるプローブでは、副発熱抵抗体によって主発熱抵抗体の支持体が加熱されることで、主発熱抵抗体からリード線、支持体を伝わって放熱する熱量を無くすことができる。また各発熱抵抗体の温度には、主発熱抵抗体ＭＨ２＜主発熱抵抗体ＭＨ１＜副発熱抵抗体ＳＨの関係が保たれる。主発熱抵抗体ＭＨ１の温度が主発熱抵抗体ＭＨ２の温度より高くなることで、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線との境界での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ２とリード線間との熱の流れが無くなる。副発熱抵抗体ＳＨの温度を主発熱抵抗体ＭＨ１の温度よりやや高くすることで、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線との境界での温度勾配がほぼゼロとなり、主発熱抵抗体ＭＨ１とリード線間との熱の流れが無くなる。これによって主発熱抵抗体とリード線間の熱移動が無くなり、ガス温度、ガス流量の検出誤差が低減される。

なお、本実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置ＳＣＵの構成は、図５に示したものと同様である。但し、主発熱抵抗体ＭＨ１と主発熱抵抗体ＭＨ２とは、同一の電源から加熱されるため、図５の第１主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ１のみが用いられ、第２主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭ２は不要である。なお、主発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＭの構成は、図１９に示したものと同様である。また、副発熱抵抗体は１個のみであるため、図５の第１副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ１のみが用いられ、第２副発熱抵抗体制御装置ＨＣＵＳ２は不要である。

また、２つの主発熱抵抗体に電圧を印加するためのリード線を共有化するため、リード線の本数が少なくなり、プローブの製作コストが低減できる。さらに２つの主発熱抵抗体を１つの発熱抵抗体制御装置で制御できるため、コスト低減、装置の小型化が可能となるなどの利点がある。

さらに、主発熱抵抗体、副発熱抵抗体が支持体によって両持ちで支持されるため、発熱抵抗体の機械的強度を高くできる。すなわち、流体力や振動などによって発熱抵抗体やリード線、支持体が変形したり破損しにくい構造である。特にエンジンの排ガスなどのように、高温でかつ、ガスの脈動やダストが多い流れ場の計測に対して高い信頼性を保つことが可能である。

本発明の第１の実施形態による熱式流量計の全体構成を示す部分断面の正面図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計の全体構成を示す部分断面の平面図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの支持基材の構成を示す正面図及び平面図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置の構成を示すブロックである。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置に用いる発熱抵抗体制御装置の構成を示すブロックである。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のヒータ駆動ユニットの動作説明図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のヒータ駆動ユニットの動作説明図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計の発熱抵抗体制御装置ＨＣＵにおける発熱抵抗体の温度設定方法の内容を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置におけるガス温度とガス流量の算出方法の内容を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態による熱式流量計における流量計算誤差の説明図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計における検出温度の応答性の説明図である。本発明の第１の実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態を示す部分断面の側面図である。図１３のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。本発明の第２の実施形態による熱式流量計のエンジンの排気管への実装状態を示す部分断面の側面図である。本発明の第２の実施形態による熱式流量計のセンサの斜視図である。本発明の第３の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。本発明の第３の実施形態による熱式流量計のセンサ制御装置に用いる発熱抵抗体制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す平面図である。本発明の第４の実施形態による熱式流量計に用いる流量計測用のプローブの構成を示す側面図である。

符号の説明

ＢＡ…支持基材
ＢＹ…副通路
ＣＧ…コートガラス
ＳＣＵ…センサ制御回路
ＣＶ…プローブのカバー
ＥＣＵ…エンジン制御ユニット
ＨＯ…支持基材に設けた溝
ＩＰ…遮蔽板
ＬＤ…リード線
ＭＨ…主発熱抵抗体
ＰＢ…プローブ台座
ＰＩ…排ガス通路
ＰＲ…プローブ
ＲＤ…支持体
ＳＨ…副発熱抵抗体
ＴＣ…温度制御ユニット
Ｔｍ…主発熱抵抗体の温度
Ｔｓ…副発熱抵抗体の温度
Ｗｍ…主発熱抵抗体の発熱量

Claims

第１の主発熱抵抗体と、
該第１の主発熱抵抗体と異なった温度に設定された第２の主発熱抵抗体と、
前記二つの主発熱抵抗体の支持体を加熱する副発熱抵抗体と、
前記二つの主発熱抵抗体を用いて流体温度を求める温度算出手段と、
前記二つの主発熱抵抗体の少なくとも一方を用いて流体の流量を求める流量算出手段を備えることを特徴とした熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記流量算出手段は、温度算出手段によって算出された流体温度と前記二つの主発熱抵抗体の少なくとも一方の温度を用いて流体の流量を求めることを特徴とする熱式流量計。
請求項２記載の熱式流量計において、
前記流量算出手段は、設定温度が高い方の主発熱抵抗体の温度を用いて流体流量を求めることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記二つの主発熱抵抗体のうち、設定温度が低い方の主発熱抵抗体は流体温度よりも所定の温度以上高い温度に設定され、設定温度が高い方の主発熱抵抗体は所定の上限温度よりも低い温度に設定されることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記副発熱抵抗体は、前記第１の主発熱抵抗体の支持体を加熱する第１の副発熱抵抗体と、前記第２の主発熱抵抗体の支持体を加熱する第２の副発熱抵抗体からなり、
前記第１の副発熱抵抗体の温度を前記第１の主発熱抵抗体の温度より高くし、かつ、前記第２の副発熱抵抗体の温度を前記第２の主発熱抵抗体の温度より高くすることを特徴とする熱式流量計。
請求項５記載の熱式流量計において、
前記第１の主発熱抵抗体と前記第１の副発熱抵抗体が片側から支持された第１のプローブと、前記第２の主発熱抵抗体と前記第２の副発熱抵抗体が片側から支持された第２のプローブとが、流体の流れに対して並列に配置され、かつ、前記第１及び第２のプローブを流体通路の片側から流体内へ挿入したことを特徴とする熱式流量計。
請求項６記載の熱式流量計において、
前記第１と第２の２つのプローブの間に、流れ方向に沿って配置された遮蔽板を備えることを特徴とする熱式流量計。
請求項７記載の熱式流量計において、
前記遮蔽板は、その厚さが流れの上流部で薄く、前記プローブの近傍で厚くなっていることを特徴とする熱式流量計。
請求項１記載の熱式流量計において、
前記第１及び第２の主発熱抵抗体と一つの副発熱抵抗体からなるプローブが支持体によって支持され、
前記支持体がセンサ制御装置に接続されており、
前記センサ制御装置側から見て副発熱抵抗体、第１の主発熱抵抗体、第２の主発熱抵抗体の順に配置されており、発熱抵抗体の設定温度が、副発熱抵抗体＞第１の主発熱抵抗体＞第２の主発熱抵抗体の関係であることを特徴とする熱式流量計。
請求項９記載の熱式流量計において、
前記第１の主発熱抵抗体と前記第２の主発熱抵抗体の正電極と負電極が主発熱抵抗間でそれぞれ共有化されており、
前記第２の主発熱抵抗体の電気抵抗値が、前記第１の主発熱抵抗体の電気抵抗値よりも大きいことを特徴とする熱式流量計。
請求項９記載の熱式流量計において、
前記プローブは、流体の流れに対して並列に配置され、かつ、前記プローブを流体通路の片側から流体内へ挿入したことを特徴とする熱式流量計。