JP2010107328A - 熱式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
発熱抵抗体をＰＷＭ制御して所定温度に制御する熱式流量測定装置で、ＰＷＭ制御を中断して温度を検出し、当該周期で再びＰＷＭ制御を開始する時、発熱抵抗体の温度変化が大きく、熱応力が大きくなる。
【解決手段】
ＰＷＭ制御を中断して、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０を検出し、この偏差値でＰＩＤ演算をしてＤｕｔｙ変換をした結果により再びＰＷＭ制御を開始する場合、当該周期のＰＩＤ演算結果が得られる前に、１周期前のＰＩＤ演算結果に基づくＤｕｔｙ値によりＰＷＭ制御を開始し、その後当該周期のＰＩＤ演算結果のＤｕｔｙ値によりＰＷＭ制御に切り替えることにより、ＰＷＭ制御の中断時間が短くなるので、発熱抵抗体２０の低下分ＴＨ２０ｄが小さくでき、発熱抵抗体の温度脈動が小さくなるので熱応力を低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発熱抵抗体の温度を所定値に制御して、流体流量を測定する熱式流量測定装置に関する。

自動車などの内燃機関における吸入空気量や排気ガス流量を測定する流量測定装置として、発熱抵抗体を加熱する熱式のものが多数使われている。

流量の検出方法として、以下の方法が知られている。第１の方法としては、被測定流体中に配置した発熱抵抗体を一定温度に加熱して、発熱抵抗体に流れる電流の変化を直接的に、或いは間接的に検出する方法がある。第２の方法としては、被測定流体中に配置した発熱抵抗体と測温抵抗体の温度差を一定に保持するように発熱抵抗体を加熱して、発熱抵抗体に流れる電流の変化を直接的に、或いは間接的に検出する方法がある。

そして、発熱抵抗体に通電する加熱電流を制御する方法として、直流電流を通電する制御方法と、パルス状の電流によるＰＷＭ（Pules Width Modulation）制御方法があるが、発熱抵抗体への加熱電力を大きくしても駆動素子の消費電力が大きくならないＰＷＭ制御方法が多用されるようになってきた。

ＰＷＭ制御における流量測定では、一動作周期内で駆動素子のオン期間とオフ期間の比、いわゆるデューティ比を可変しており、発熱抵抗体の熱が被測定流体の流れに応じて失われると、通電電流を大きくしてさらに加熱するためにデューティ比も増加する。

この関係から、デューティ比は被測定流体の流量に応じて変化するので、デューティ比を計測することにより流量を検出することができる。

ところで、ＰＷＭ制御では、電圧を一定周期内でオン，オフして裁断したパルス電圧を発熱抵抗体に印加して加熱電流を通電するので、時間に対して電圧と電流の変化が急峻になりノイズ発生の要因となる。

そのため、発熱抵抗体に温度検出の測温電流を重畳させて通電すると、ノイズが混入して温度検出の精度が低下し、流量測定の誤差が大きくなる。

この対策として、発熱抵抗体の加熱電流を中断、すなわちＰＷＭ制御を中断し、その間に測温電流による温度検出を行う技術が、特許文献１，２に開示されている。

特許文献１では、感温抵抗器２，３とブリッジ抵抗器４，５の温度差のフィードバック制御において、ＰＩＤ補償要素１０により温度差を補償するように感温抵抗器２，３のＰＷＭ制御と、温度検出時には計測制御回路１１から感温抵抗器２，３の計測電流の通電をタイマー７によって切り替えることにより、正確な温度計測を行い、この温度から流量を測定している。

また、特許文献２では、加熱体１４にパルス列３４により電子スイッチ２２をＰＷＭ制御して加熱制御をし、パルス列３４の立下りに同期して一定幅のパルス列１０２を通電し、加熱電流と分離して温度の測定をするようにしている。

上記のように発熱体の熱容量が大きく、温度低下の時定数が大きな加熱体であればＰＷＭ制御を一時的に中断してこの間に測温を行う手段は、加熱電流制御回路の発熱を抑えることができるため、合理的な方法である。

特開昭６１−１０５４２２号公報 特開２００１−１２４６０８号公報

特許文献１，２の方法では、ＰＷＭ制御をしない範囲で温度計測用の電流を通電するので、ノイズの影響がなく精度の高い温度検出ができるが、発熱抵抗体の温度制御に関して、次のような問題がある。

ＰＷＭ制御による加熱電流の制御は、回路規模の低減のため、マイクロコンピュータなど演算機能を有するデジタル化が推奨されるが、所定の加熱電流を流すためには、温度をフィードバックした閉ループ演算が必要で、この閉ループの代表的な制御がＰＩＤ制御（比例：Proportional，積分：Integral，微分：Differrential）である。

加熱電流のＰＷＭ制御中は発熱抵抗体の温度は、放熱量と加熱量がバランスしながら緩やかに推移する。温度検出を行うためにＰＷＭ制御を中断し、検出した温度と設定温度との差から次のＰＩＤ演算を行って新たな制御量を求め、次のＰＷＭ制御を再開するまでには、一定の時間が必要である。この間は加熱されずに放熱だけが継続されるため、発熱抵抗体の温度は急速に低下する。

発熱抵抗体の熱時定数がマイクロコンピュータなどの演算時間に比べ、十分に大きければ、この測温時間および演算時間による発熱抵抗体の温度低下は小さいため、無視しても良い。しかし、発熱抵抗体の熱時定数が極めて小さい場合は、この間の温度低下が大きくなる。このため、発熱抵抗体の平均温度が設定値になるよう制御するためのＰＩＤ制御量、つまりＰＷＭデューティ比は、温度が大きく低下している分を補償しなければならないために大きな値となる。

このため、発熱抵抗体が大きく温度変化することによって熱応力が増大し、さらにこれが繰返し発生すことにより発熱抵抗体の信頼性が低下する原因となる。

また、発熱抵抗体の放熱量をもとに流量を計測している場合は、温度変化が大きいことによる計測誤差が大きくなってしまう。

上記は、測温のためのＡ／Ｄ変換器を高速化したり、マイクロコンピュータを高速なものにしてＰＩＤ補償の演算時間を短縮すれば、ＰＷＭ制御の中断を短縮できるので一定の改善が見られるが、価格が上昇してしまう問題がある。

本発明の目的は、発熱抵抗体の温度低下を小さくすることにより、繰返される発熱抵抗体の温度変化を小さくして、発熱抵抗体の熱応力を低減した熱式流量測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量測定装置は、少なくとも１つの発熱抵抗体を有し、前記発熱抵抗体を温度設定値に制御する加熱電流はＰＷＭ制御により通電し、前記発熱抵抗体の温度検出は前記加熱電流の通電を休止して測温電流を通電する構成の熱式流量測定装置において、所定周期内において、ＰＷＭ制御は、温度検出のために加熱電流の通電を休止する期間を除く期間に、少なくとも２つのデューティ値を切り替える。

このとき、加熱電流の休止期間は、加熱電流を休止するためのデューティ値によりＰＷＭ制御されるとよい。

また、発熱抵抗体を２つ以上備え、前記所定周期は２つ以上の発熱抵抗体の温度検出が同期して繰返される周期となるようにするとよい。

また、温度検出のために加熱電流の通電を休止する期間を除く期間に行う、少なくとも２つのデューティ値の切り替えは、前記所定周期以前に前記温度設定値と前記発熱抵抗体の温度差とから算出された第１デューティ値と、前記所定周期に前記温度設定値と前記発熱抵抗体との温度差から算出された第２デューティ値とを、第１デューティ値，第２デューティ値の順で切り替えて行うとよい。

また、前記第１デューティ値は、前記所定周期の１周期前の第２デューティ値、または前記所定周期の１周期前の第２デューティ値を補正したデューティ値、または推定したデューティ値、または異なる時点での動作状態から学習したデューティ値であるとよい。

また、前記第１デューティ値は、前記所定周期の前記発熱抵抗体の温度と１周期前の前記発熱抵抗体の温度と前記発熱抵抗体に印加する直流電圧から算出されたデューティ値であるとよい。

また、前記発熱抵抗体の温度はＡ／Ｄ変換器で検出され、前記温度を検出する期間は、少なくとも前記Ａ／Ｄ変換器のサンプルホールド期間または、Ａ／Ｄ変換終了までの期間であるとよい。

また、前記第１デューティ値によるＰＷＭ制御期間は、少なくとも当該所定周期のデューティ値の算出が終了するまでの期間であるとよい。

また、前記第２デューティ値によるＰＷＭ制御期間は、前記第１デューティ値によるＰＷＭ制御期間の終了後、当該所定周期が終了するまでの期間であるとよい。

また、前記所定周期は可変であるとよい。

また、前記デューティ値の算出は、フィードバック制御系で構成されており、補償要素が比例分補償（Ｐ）と積分分補償（Ｉ）と微分分補償（Ｄ）とを組み合わせたＰＩＤ補償、またはＰＩ補償と微分分補償（Ｄ）とを組み合わせたＰＩＤ補償であるとよい。

また、第１の発熱抵抗体と、第２の発熱抵抗体と、前記２つの発熱抵抗体に挟まれた測温抵抗体とを有し、前記第１の発熱抵抗体の温度はあらかじめ設定された設定値と検出温度の差によって制御され、前記第２の発熱抵抗体の温度は前記第１の発熱抵抗体の温度と前記測温抵抗体の温度の差で制御されるとよい。

また、上記目的を達成するために、本発明の熱式流量測定装置は、少なくとも１つの発熱抵抗体を有し、前記発熱抵抗体を温度設定値に制御する加熱電流をＰＷＭ制御して通電する加熱電流通電期間と、前記加熱電流の通電を休止して前記発熱抵抗体の温度を検出する測温電流を通電する測温電流通電期間とを交互に設け、測温電流通電期間に検出した前記発熱抵抗体の温度に基づいて前記測温電流通電期間に続く加熱電流通電期間のデューティ値を決定し、前記加熱電流通電期間の加熱電流を前記デューティ値でＰＷＭ制御する熱式流量測定装置において、前記加熱電流通電期間に、前記デューティ値とは別のデューティ値で加熱電流をＰＷＭ制御し、その後前記加熱電流通電期間に対して決定された前記デューティ値で加熱電流をＰＷＭ制御する。

本発明の熱式流量測定装置は、発熱抵抗体の温度検出時間が経過した後、検出した温度に基づいて加熱電流のデューティ値が決定されるまでの間、他のデューティ値で加熱電流を通電するようにしたので、発熱抵抗体の温度低下が小さく、熱応力を低減できるため信頼性を高めることができ、流量測定の精度を向上させることができ、加熱のためのマイクロコンピュータ等も安価なものが使える効果がある。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の熱式流量測定装置の構成を示す図であり、流体中１０に発熱抵抗体２０が配置され、制御回路１００によって制御される。

この構成では、発熱抵抗体２０は所定温度に加熱されており、被測定流体の流量に応じて変化する加熱電流を通電するデューティ比を計測することで流量を検出するようになっている。

図２は制御回路１００の構成をブロック図で示している。

発熱抵抗体２０には、加熱制御時はスイッチ１０１をオンにして、電源１０２からトランジスタ１０３でＰＷＭ制御された電圧を印加して、所定温度になるように加熱電流１０４を通電し、温度検出時は、スイッチ１０５をオンにして定電流回路１０６から測温電流１０７を通電する。

なお、スイッチ１０１がオンの時はスイッチ１０５がオフ、スイッチ１０５がオンの時はスイッチ１０１がオフに制御される。

スイッチ１１０は温度検出時にオンされ、測温電流１０７による発熱抵抗体２０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１１で取り込み、比較要素１１２に入力する。

比較要素１１２は、測温電流１０７による発熱抵抗体２０の電圧降下と、発熱抵抗体２０の目標温度ＴＨ２０ｓを設定する目標温度ＴＨ２０ｓ設定要素１１３の偏差を出力して、発熱抵抗体２０の温度が目標温度ＴＨ２０ｓと等しくなるようにフィードバック制御をする。

フィードバック制御系の補償要素はＰＩＤ補償であり、ＰＩＤ演算要素１１４によりＰＩＤ演算を実行し、スイッチ１１５を介してＰＩＤ演算結果のＤｕｔｙ変換要素１１６により、動作周期中のオン時間とオフ時間を設定してトランジスタ１０３のＰＷＭ動作を行うと同時に、Ｄｕｔｙ（オン時間／動作周期）が被測定流体の流量に応じて変化するので、Ｄｕｔｙを計測して流量変換要素１１７により流量の測定をする。

スイッチ１１５は、当該周期のＰＩＤ演算の終了前は下側にあって前回周期のＰＩＤ演算結果を、終了後は上側にあって当該周期のＰＩＤ演算結果を出力するようになっている。

図２は、制御回路１００の動作をブロック図で示して説明したが、実用的にはマイクロコンピュータを使用したデジタル回路で構成される。

図３はマイクロコンピュータで制御する場合の制御フローであり、図４（Ａ）の本発明に示す動作波形と共に説明する。

発熱抵抗体２０に測温電流１０７を通電して温度検出し、ＰＩＤ演算によってＤｕｔｙを算出する処理は、図４（Ａ）に示すように一定時間毎の測温周期ＴＨｔｉｍｅの周期処理であり、時刻ｔ０から処理が開始される。

図４（Ａ）の時刻ｔ０において、ステップＳ１０によりＰＷＭ制御の中断が実行されるが、ＰＷＭ制御の中断は図２に示したスイッチ１０１をオフするようなハード的な方法もあるが、マイクロコンピュータで制御する場合は、ＰＷＭモジュールのＤｕｔｙレジスタの値を０にセットすることで処理することができる。

図４（Ａ）の時刻ｔ０以前では、前回算出されたＰＩＤ演算値でＰＷＭ制御が行われ、発熱抵抗体２０の温度は、目標温度ＴＨ２０ｓに一定制御されている。

なお、ＰＷＭ制御による温度制御では、ＰＷＭ制御周期でトランジスタ１０３がオン，オフ動作すると、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０の変化は、発熱抵抗体２０固有の熱時定数により脈動が生ずるが、ＰＷＭ制御周期を熱時定数より十分小さく設定することにより、脈動を小さくして、流量検出に影響されないようにしている。

ＰＷＭ制御されるトランジスタ１０３のオン，オフは、直流電圧を裁断するため、ノイズの発生源となり誤動作や誤検出の要因となるので、発熱抵抗体２０の温度検出、すなわち電圧降下にノイズが重畳しないように、トランジスタ１０３の動作を中断している。

ステップＳ１１では、スイッチ１０５と１１０をオンして、定電流回路１０６から測温電流１０７を通電して、測温電流１０７による発熱抵抗体２０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１１で取り込み、Ａ／Ｄ変換を開始させ、ステップＳ１２でＡ／Ｄ変換の終了を判定し、終了前はＮＯ、終了後はＹＥＳが判定される。終了前のＮＯ判定では、ステップ１２が繰返され、終了後はＹＥＳ判定でステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、電圧降下を温度変換して、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０を算出して確定し、ステップＳ１４でＰＩＤ演算の入力となる目標温度ＴＨ２０ｓと温度ＴＨ２０の温度偏差値ＴＨ２０ｓ−ＴＨ２０を算出する。

次にステップＳ１５により、スイッチ１０１をオン、スイッチ１０５，１１０をオフして、ＰＷＭ制御による発熱抵抗体２０の加熱電流１０４の通電準備をする。

ここまでが、図４（Ａ）に示す期間Ｔ０１であり、この間はＰＷＭ制御が中断され、発熱抵抗体２０に加熱電流１０４が通電されないので、時刻ｔ１においては、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０は設定値ＴＨ２０ｓに対してＴＨ２０ｄだけ低下している。

ステップＳ１６では、前回のＰＩＤ演算結果をＤｕｔｙ変換したＤｕｔｙ値をＤｕｔｙレジスタに書き込むことにより、図４（Ａ）の時刻ｔ１からステップＳ１７のトランジスタ１０３がＰＷＭ駆動されて加熱電流１０４が通電し、温度ＴＨ２０が上昇し始める。

ステップＳ１８では、ステップＳ１４で算出された温度偏差値ＴＨ２０ｓ−ＴＨ２０により、今回のＰＩＤ演算を開始する。

ステップＳ１９は、今回のＰＩＤ演算の終了を判定しており、終了前のＮＯ判定ではステップＳ１９が繰返され、終了後はＹＥＳ判定でステップＳ２０に進む。

ステップＳ１９でＹＥＳが判定されるまでの期間、すなわち図４の時刻ｔ１からｔ２までの期間Ｔ１２が前回のＤｕｔｙ値で発熱抵抗体２０の温度制御を行っている期間である。

ステップＳ１９でＰＩＤ演算の終了後のＹＥＳが判定されると、ステップＳ２０のＰＩＤ演算結果がステップＳ２１でＤｕｔｙ変換される。

Ｄｕｔｙ変換されたＤｕｔｙ値がＤｕｔｙレジスタに書き込まれ、ステップＳ１７のトランジスタ１０３がＰＷＭ駆動されて加熱電流１０４が通電すると共に、ステップＳ２２において、Ｄｕｔｙ値から被測定流体の流量を算出する。

図４（Ａ）の時刻ｔ２からｔ３までの期間Ｔ２３が、今回のＤｕｔｙ値で制御される発熱抵抗体２０の温度制御期間であり、温度ＴＨ２０は目標温度ＴＨ２０ｓとなるように一定制御される。

そして最後にステップＳ２３は今回のＰＩＤ演算結果を前回の演算結果として記憶させ、測温周期ＴＨｔｉｍｅの処理が終了する。

なお、図４（Ｂ）は、今回のＰＩＤ演算が終了する時刻ｔ２まで、Ｄｕｔｙ値を０にしたまま待機し、時刻ｔ２で今回のＤｕｔｙ値で発熱抵抗体２０の温度を制御した場合の波形である。

図４（Ｂ）では、温度制御が開始される時刻ｔ２までに、発熱抵抗体２０の温度低下がＴＨ２０ｄＢと図４（Ａ）のＴＨ２０ｄに対して大きくなり、この結果、温度設定値Ｔ２０ｓに達するまでの時間が長くなることから前述したような問題が生ずる原因となる。

本発明に係る一実施例によれば、発熱抵抗体２０の温度検出時に、ＰＷＭ制御される加熱電流の通電を中断することにより、ノイズによる温度検出の精度の低下を防止できる。

また、期間Ｔ１２では、今回の温度偏差値によるＤｕｔｙ値ではないので、発熱抵抗体２０の温度が目標温度ＴＨ２０ｓと異なる値になるが、温度の低下がＴＨ２０ｄと小さくでき、発熱抵抗体２０で繰返される温度変化が小さくなるので、発熱抵抗体の熱応力を低減することができる。

また、温度検出のためのＡ／Ｄ変換終了と同時に、発熱抵抗体２０に加熱電流を通電することができるので、今回のＰＩＤ演算で得られるＤｕｔｙ値による目標温度ＴＨ２０ｓに達する時間が速くなり、測温周期ＴＨｔｉｍｅを短縮して制御の繰返しが速くできるため、流量算出および発熱抵抗体２０の温度制御の精度を向上することができる。

また、測温周期ＴＨｔｉｍｅが短縮できることにより、前回のＰＩＤ演算結果と今回の演算結果の差、すなわちＤｕｔｙ値の差が小さくなり、時刻ｔ２での温度変化が小さくなるので、さらに発熱抵抗体の熱応力を低減できると共に、温度制御の精度を向上することができる。

また、図３の制御フローでは、ステップＳ１２でＡ／Ｄ変換の終了を待機するようにしているが、上述のように、目標温度ＴＨ２０ｓに達する時間を速くする方法として次のような制御にすることもできる。

一般にＡ／Ｄ変換器の入力には、取り込む電圧変動の影響がないようにサンプルホールド回路があり、Ａ／Ｄ変換の時間より速く入力電圧のホールドができるようになっている。

そこで、ステップＳ１１のＡ／Ｄ変換開始と同時にステップＳ１６の前回のＰＩＤ演算結果をＤｕｔｙ値に変換を実行して、トランジスタ１０３のＰＷＭ制御を開始する。

ＰＷＭ制御が開始されると加熱電流１０４が通電するので、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０の低下がさらに小さくでき、目標温度への到達時間が速くなるので、上述の効果をさらに上回る効果を得ることができる。

また、図３の制御フローは、マイクロコンピュータにＰＷＭモジュールを有し、Ｄｕｔｙレジスタにデータを書き込むことで、１ＰＷＭ周期の始まりからトランジスタ１０３がＰＷＭ制御されるが、ＰＷＭモジュールを外部に設け、データを書き込むのと同時にＰＷＭ制御を開始させることで、目標温度への到達時間が速くなるので、上述の効果をさらに上回る効果を得ることができる。

実施例１では、図３のステップＳ１６において、今回のＰＩＤ演算結果が算出されるまで、前回のＰＩＤ演算結果をそのままＤｕｔｙ値に変換するようにした。

ところで、ステップＳ１６までの既知の値、すなわち前回のＤｕｔｙ値と今回の発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０が算出されていると、今回のＰＩＤ演算結果の近似値を算出することができる。

近似値を算出する１方法を以下に説明する。

ＰＷＭ制御では、発熱抵抗体２０に印加される平均電圧Ｖ２０は、電源１０２の電圧Ｖ１０２にＤｕｔｙ値を乗算した値であり、温度ＴＨ２０を一定制御すると、電圧Ｖ１０２が低い時にはＤｕｔｙ値は大きく、電圧Ｖ１０２が高い時にはＤｕｔｙ値は小さく制御される。

一方、電圧Ｖ１０２が一定であれば、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０と設定温度ＴＨ２０ｓとの差温度が大きい時にＤｕｔｙ値は大きく、小さい時に小さく制御される。

そこで、測温期間Ｔ０１に計測した前回と今回の電圧Ｖ１０２の電圧差、前回と今回の温度ＴＨ２０の温度差から、例えば温度差が０の場合には、電圧差分だけＤｕｔｙ値を増減し、また、例えば電圧差が０の場合には、温度差分だけＤｕｔｙ値を増減することにより、近似値として今回のＰＩＤ演算結果を算出することができる。

今回のＰＩＤ演算結果の近似値からＤｕｔｙ変換してトランジスタ１０３をＰＷＭ制御することにより、図４（Ａ）に示した期間Ｔ１２とＴ２３の発熱抵抗体２０の温度差をさらに小さくして、設定値ＴＨ２０ｓに制御することができるので、期間Ｔ１２における発熱抵抗体２０における電力消費の無駄を低減することができる。

さらに、設定温度ＴＨ２０ｓに達する発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０を速くすることができ、前述した効果をさらに上回る効果を得ることができる。

実施例１では、図２に示したように加熱制御と温度検出を、スイッチ１０１，１０５，１１０，１１５で切り替える構成とし、図３の処理もこれに基づいて説明したが、ＰＷＭ制御をしない場合はスイッチ１０１をオフに代えてＰＩＤ演算結果を０、すなわちＤｕｔｙレジスタを０に、測温電流１０７の通電はスイッチ１０５に代えて定電流源１０６の駆動と非駆動に、抵抗体の電圧降下取り込みはスイッチ１１０に代えてＡ／Ｄ変換器の駆動と非駆動に、前回と今回のＰＩＤ演算結果の切り替えは、Ｄｕｔｙレジスタの書き換えで行うことができ、マイクロコンピュータによる制御では、この方法が実用的である。

さらに本実施例では、発熱抵抗体２０の温度検出は、スイッチ１０５により測温電流１０７の通電をオン，オフするようにしたが、加熱電流１０４が通電中も測温電流１０７を通電し続けておくこともできる。

ところで、被測定流体の流量は、Ｄｕｔｙ変換要素１１６のＤｕｔｙ値から算出しているが、被測定流体の温度が高くなると流量とＤｕｔｙ値の関係が比例しなくなる。

そこで、図１に示すように流体中１０に測温抵抗体３０を配置し、流体の温度を検出して流量変換要素１１７に入力し、温度による補正によって精度の高い流量の測定ができる。

図２の回路３１は測温抵抗体３０の温度検出をする回路構成であり、発熱抵抗体２０の温度検出に同期して、すなわち図４の時刻ｔ０において、測温抵抗体３０に定電流回路１１８から測温電流１１９を通電し、測温抵抗体３０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１２０で取り込み、流量変換要素１１７に入力するようにしている。

図３の制御フロー上では、ステップＳ１３で温度が確定し、ステップＳ２２において流量の算出処理が実行される。

内燃機関の排気環境に適用するため、排気雰囲気内のガス流量の検出する流量センサでは、流量センサが排気ガス雰囲気にさらされ、内燃機関から排気された煤や灰分などの微粒子状物質に含まれる不揮発成分が、流量センサの汚損の対象となる。

汚損は、微粒子状物質の可溶性有機成分や炭化水素などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生し、この汚損が流量検出値の精度を低下させる。

このような汚損の回避には、揮発成分を蒸発させるため発熱抵抗体の温度を約３５０℃以上にすることが有効な方法であるが、発熱抵抗体の温度を上昇させると、これに印加する電力も増大するため、ＰＷＭによる加熱制御は、回路の発熱や価格や信頼性を向上させるために大変有効な手段である。

ところで、発熱抵抗体に接合される支持体は、発熱抵抗体の温度より低く、揮発成分の蒸発に時間がかかるため、完全に汚損を除去できず、堆積が進行すると流量検出値の精度を低下させることになる。

そこで、支持体を約３５０℃以上に維持するため、第１と第２の２つの発熱抵抗体に挟んで測温抵抗体を配置し、２つの発熱抵抗体の加熱制御をするようにした熱式流量測定装置が、筆者等により提案されている。

図５はその熱式流量測定装置の構成図、図６は各抵抗体の温度を制御した変化を示している。

図５において、流体中３００に第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２とに挟まれた状態で支持体３０４によって支持された測温抵抗体３０３が配置され、それぞれの発熱抵抗体に接合された導電性の支持体３０４で制御回路４００に接続されている。

図６において、第１発熱抵抗体３０１は、実施例１と同じように目標温度Ｔ３０１ｓを設定し、加熱電流をＰＷＭ制御することにより温度Ｔ３０１がＴ３０１ｓに一定となるように制御する。

一方、第２発熱抵抗体３０２は、測温抵抗体３０３の温度Ｔ３０３を検出して、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２間の部分の温度が、第１発熱抵抗体３０１の温度Ｔ３０１に近づくように加熱電流をＰＷＭ制御する。

定常状態の流量が高流量では加熱電流は大きく、低流量では加熱電流を小さくして、第１発熱抵抗体３０１の温度Ｔ３０１変化が生じないように制御される。

この結果、第１発熱抵抗体３０１で必要となる発熱量と支持体３０４への伝熱分を切り離すことができるので、支持体３０４の汚損とは無関係に第１発熱抵抗体３０１の温度変化は流量に応じた変化のみとして検出することが可能となる。

図７は、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２の温度制御回路４００の構成図であり、実施例１の図２に対して、スイッチ部分は省略し、同一部分は同一符号で示している。

以下、図７の構成について、図２と同一部分１０２〜１１６、すなわち第１発熱抵抗体３０１の構成部分については省略して説明する。

第２発熱抵抗体３０２は、設定温度になるようにトランジスタ４０１により加熱電流４０２を通電し、温度検出時は定電流回路４０３から測温電流４０４を通電する。

測温電流４０４による第２発熱抵抗体３０２の電圧降下をＡ／Ｄ変換器４０５で取り込み監視要素４０６の入力とし、第２発熱抵抗体３０２の温度が上限値を越えないように監視している。

測温抵抗体３０３は、定電流回路４０７から測温電流４０８を通電し、電圧降下をＡ／Ｄ変換器４０９でＡ／Ｄ変換することにより温度検出をしている。

なお、この測温抵抗体３０３は、実施例１で示した流体の温度を検出する測温抵抗体３０とは異なる作用をするものである。

比較要素４１０は、一方の入力として第１発熱抵抗体３０１の電圧降下のＡ／Ｄ変換器１１１の温度検出値Ｔ３０１、他方の入力として、測温抵抗体３０３の電圧降下のＡ／Ｄ変換器４０９の温度検出値Ｔ３０３であり、温度偏差値Ｔ３０１−Ｔ３０３を得る。

温度偏差値Ｔ３０１−Ｔ３０３により、第２発熱抵抗体３０２の温度Ｔ３０２が測温抵抗体３０３の温度Ｔ３０３と一定の関係になるようにフィードバック制御されるが、補償要素はＰＩＤ補償であり、ＰＩＤ演算要素４１１によりＰＩＤ演算を実行し、結果をＤｕｔｙ変換要素４１２のＤｕｔｙ値により、トランジスタ４０１をＰＷＭ制御する。

図７は回路構成で示したが、実用的にはマイクロコンピュータを使用したデジタル回路で構成するのが回路規模として小さくできる。

図８，図９，図１０はマイクロコンピュータで制御する場合の制御フローであり、図１１の動作波形と共に説明する。

まず図８は全体の制御フローであり、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２と測温抵抗体３０３に測温電流１０７，４０４，４０８を通電して温度検出し、ＰＩＤ演算によってＤｕｔｙを算出する処理は、一定時間毎の測温周期ＴＨｔｉｍｅの周期処理であり、図１１に示す時刻ｔ０から処理が開始される。

図８において、ステップＳ３０からステップＳ３３までは、トランジスタ１０３と４０１のＰＷＭ制御を中断し、第１と第２と測温抵抗体３０１と３０２と３０３の温度Ｔ３０１とＴ３０２とＴ３０３を検出するＡ／Ｄ変換器１１１，４０５，４０９の開始と終了に関するステップである。

ステップＳ３４は、第１発熱抵抗体３０１の目標温度Ｔ３０１ｓと温度Ｔ３０１との温度偏差値Ｔ３０１ｓ−Ｔ３０１と、第２発熱抵抗体３０２の温度設定値となる第１発熱抵抗体の温度Ｔ３０１と測温抵抗体３０３の温度Ｔ３０３との温度偏差値Ｔ３０１−Ｔ３０３を算出する。

ここまでが、図１１に示す期間Ｔ０１であり、この間はＰＷＭ制御が中断され、第１発熱抵抗体３０１の加熱電流１０４と第２発熱抵抗体３０２の加熱電流４０２が通電されないので、時刻ｔ１においては第１発熱抵抗体３０１の温度Ｔ３０１は設定値Ｔ３０１ｓに対してＴ３０１ｄ、第２発熱抵抗体３０２の温度Ｔ３０２は設定値Ｔ３０２ｓに対してＴ３０２ｄだけ低下している。

ステップＳ３５とＳ３７では、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２の温度制御において、前回のＰＩＤ演算結果をＤｕｔｙ変換したＤｕｔｙ値をＤｕｔｙレジスタに書き込むことにより、図１１の時刻ｔ２からステップＳ１７（図３と同一符号）とＳ３７により、トランジスタ１０３と４０１がＰＷＭ駆動されて加熱電流１０４と４０２が通電され、温度Ｔ３０１とＴ３０２が上昇し始める。

ステップＳ３４で算出された温度偏差値Ｔ３０１ｓ−Ｔ３０１により、ステップＳ３８で第１発熱抵抗体３０１のＰＩＤ演算処理、温度偏差値Ｔ３０１−Ｔ３０３によりステップＳ３９の第２発熱抵抗体３０２のＰＩＤ演算処理を実行して、測温周期ＴＨｔｉｍｅ処理が終了する。

図９はステップＳ３８で示した第１発熱抵抗体３０１のＰＩＤ演算処理の制御フローで、図３で説明したステップＳ１６からステップＳ２３までの処理と同一であり、動作波形としては図１１のトランジスタ１０３がＰＷＭ制御されて、第１発熱抵抗体３０１の温度Ｔ３０１の波形となり、温度設定値Ｔ３０１ｓになるように制御される。

図１０はステップＳ３９で示した第２発熱抵抗体３０２のＰＩＤ演算処理の制御フローである。

図９と異なる処理内容は、温度偏差値Ｔ３０１ｓ−Ｔ３０１が温度偏差Ｔ３０１−Ｔ３０３になることで、ＰＩＤ演算とその結果の処理は図９と同一であり、動作波形としては図１１に示すようにトランジスタ４０１がＰＷＭ制御されて、第２発熱抵抗体３０２の温度Ｔ３０２が、第１発熱抵抗体３０１の温度Ｔ３０１に近づくように制御される。

図８の制御フローは、時系列的には第１発熱抵抗体３０１の温度制御が最初に処理され、その後、第２発熱抵抗体３０２の温度制御が処理される。

図１１において、第１発熱抵抗体３０１の加熱を制御するトランジスタ１０３は、時刻ｔ１からｔ２の期間Ｔ１２では前回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御され、時刻ｔ２でＰＩＤ演算処理が終了すると、時刻ｔ３までの期間Ｔ２３は今回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御される。

一方、第２発熱抵抗体３０２の加熱を制御するトランジスタ４０１は、時刻ｔ１からｔ２２の期間Ｔ１２２では前回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御され、時刻ｔ２２でＰＩＤ演算処理が終了すると、時刻ｔ３までの期間Ｔ２２３は今回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御される。

図８は第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２の温度制御がそれぞれ独立に時系列で処理されるので、ＰＩＤ演算要素１１４の演算が終了後、ＰＩＤ演算要素４１１の演算を始める例であるが、２つの処理を混在させて直列にＰＩＤ演算をさせる制御フロー、２つの処理を並列に演算させる制御フローであっても作用，効果は同等である。

これらの例では、トランジスタ１０３と４０１は、期間Ｔ１２でほぼ同時に前回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御され、期間Ｔ２３でほぼ同時に今回のＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御される。

実施例２において、第２発熱抵抗体３０２の温度Ｔ３０２は無制限に高くすることはできないので、測温抵抗体３０３の温度Ｔ３０３に上限値を設定し、検出温度がＴ３０３を越える場合には、第２発熱抵抗体３０２の加熱電流４０２を減少させることが実用的な制御方法である。

さらに、第２発熱抵抗体３０２の温度Ｔ３０２を図７に示す監視要素４０６で検出し、破損の防止機能として、加熱電流４０２を増加させない制御を付加することもできる。

実施例２では、第１発熱抵抗体３０１の加熱制御するトランジスタ１０３と第２発熱抵抗体３０２を加熱制御するトランジスタ４０１のＰＷＭ動作を同時に中断してＡ／Ｄ変換を開始するので、自身のＰＷＭ動作によるノイズだけではなく、他のＰＷＭ動作によるノイズの影響を受けなくすることができるので、温度検出の精度を向上することができる。

また、期間Ｔ１２では、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２の温度低下Ｔ３０１ｄとＴ３０２ｄが小さくできるので、共に発熱抵抗体の熱応力を低減することができる。

また、温度検出のためのＡ／Ｄ変換終了と同時に、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２に同時に加熱電流を通電することができるので、今回のＰＩＤ演算で得られるＤｕｔｙ値による目標温度Ｔ３０１ｓやＴ３０１に近づく温度に達する時間が早くなり、測温周期ＴＨｔｉｍｅを短縮して制御の繰返しが速くできるため、流量算出および抵抗体の温度制御の精度を向上することができる。

なお、図１１において、トランジスタ１０３と４０１のＰＷＭ動作周期を同一として示しているが、これに限定されない。

トランジスタ１０３と４０１のオン、あるいはオフを、同一時点にすると時間に対する電圧，電流変化が大きくなりノイズ発生の要因となり、内燃機関の制御装置全体に影響が及ぶ場合や、第１発熱抵抗体３０１、または第２発熱抵抗体３０２の固有の熱時定数が大きい場合には、動作周期を低くしてトランジスタのスイッチングロスを低減する場合などに、ＰＷＭ動作周期を意図的にずらしても、実施例２の効果は同等である。

図５〜図７の構成では、測温抵抗体３０３の温度Ｔ３０３を検出して、第２発熱抵抗体３０２の温度を制御したが、流量測定の精度が一定範囲内でも十分実用的な場合や、流体による汚損の程度が小さい場合には、測温抵抗体３０３を省略し、第１発熱抵抗体３０１と第２発熱抵抗体３０２の構成にすることができる。

すなわち、第１発熱抵抗体３０１から支持体３０４への伝熱量をあらかじめ推定し、第２発熱抵抗体３０２の目標温度を設定して温度制御をする方法で、図７の比較要素４０６の入力がＡ／Ｄ変換器４０５の入力と目標温度の入力の構成となる。

また、実施例１で示した測温抵抗体３０を付加する構成にして流体の温度を測定すれば、この結果により流量変換の補正ができ、全温度範囲において正確な流量の計測が可能である。

以上実施例１，実施例２は、測温周期ＴＨｔｉｍｅは常に一定周期として説明したが、ＰＩＤ演算結果によるＤｕｔｙ値により発熱抵抗体２０，３０１，３０２が所定の温度に制御できる周期であれば一定周期である必要はない。

すなわち、エンジン制御における燃料制御や点火制御などは、エンジン回転数や負荷に応じて制御周期が異なるので、その制御周期に応じて流量値が必要となる。

測温周期ＴＨｔｉｍｅは流量算出周期とほぼ同じ周期であるので、エンジン制御周期に応じて測温周期ＴＨｔｉｍｅを可変して流量算出をすることにより、その時点のエンジンの動作状態に最適な流量を算出することができる。

このことからも、今回のＤｕｔｙ値が確定する前に前回のＤｕｔｙ値、あるいは前回のＤｕｔｙ値を補正したＤｕｔｙ値により、発熱抵抗体２０，３０１，３０２の温度低下を小さくすることは、今回のＤｕｔｙ値により制御される発熱抵抗体２０の温度が目標温度ＴＨ２０ｓ，Ｔ３０１ｓ，Ｔ３０１に近づく温度に達する時間を大幅に短縮できることは重要な効果である。

また、本発明の熱式流量検出装置は、実施例１，実施例２の構成に限られたものではなく、発熱抵抗体の温度制御をＰＷＭ制御とし、発熱抵抗体または測温抵抗体、または両方の抵抗体の温度を検出して、所定の温度に制御するフィードバック制御において、ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ値を算出する構成についても適用することができる。

この例として、発熱抵抗体と温度補償抵抗と２つの固定抵抗で構成したブリッジ回路と、発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を配置してブリッジ回路の構成とした流量計がある。

発熱抵抗体側のブリッジ回路の出力端子が、常に同じ温度差になるように発熱抵抗体をＰＷＭ制御して、そのＤｕｔｙから算出した流量と、温度検出抵抗体のブリッジ回路の出力端子から温度差から算出した流れの方向に応じた流量の２つの流量から精度の高い流量を計測するものである。

このような熱式流量測定装置においても、温度検出時のＰＷＭ制御のノイズを低減するため、ＰＷＭ制御を中断する方法は有効であり、中断後の温度の上昇を速くするため、本発明の温度制御を適用することができる。

さらに、実施例１，実施例２の温度のフィードバック制御は、補償要素がＰＩＤ要素の場合で説明したが、これに限定されるものではなく、Ｐ，Ｉ，Ｄ要素の単独や、これらの組み合わせ、また（Ｐ＋一次遅れ要素）などの補償要素を使用することができる。

さらに、実施例１，実施例２では、発熱抵抗体と測温抵抗体の温度検出のため、定電流源１０６，１１８，４０３を単独に構成しているが、単独に構成することに限定されるものではなく、測温時には、１つの定電流源でそれぞれの抵抗体を直列に、または並列に接続する構成にすることにより、定電流源回路の数を少なくすることもできる。

さらに、実施例１，実施例２ではマイクロコンピュータを使った場合で説明したが、ロジックデバイス等の演算処理手段であっても作用，効果は同等である。

さらに、実施例１，実施例２では、１つから２つの発熱抵抗体で構成された熱式流量測定装置であるが、発熱抵抗体の数には限定されず、３つ以上の発熱抵抗体や３つ以上の発熱抵抗体の内、選択されたものだけＰＷＭ制御による温度制御される構成される熱式流量測定装置であっても作用，効果は同等である。

本発明の一実施例を示す熱式流量測定装置。 本発明の一実施例における制御回路構成図。 本発明の一実施例における制御フロー図。 本発明の一実施例で制御された動作波形図。 本発明の他の実施例を示す熱式流量測定装置。 本発明の他の実施例における温度制御図。 本発明の他の実施例における制御回路構成図。 本発明の他の実施例における制御フロー図。 本発明の他の実施例における制御フロー図。 本発明の他の実施例における制御フロー図。 本発明の他の実施例で制御された動作波形図。

符号の説明

１０ 流体
２０ 発熱抵抗体
３０，３０３ 測温抵抗体
３１，１００ 制御回路
１０１，１０５，１１０，１１５ スイッチ
１０２ 電源
１０３，４０１ トランジスタ
１０４，４０２ 加熱電流
１０６，１１８，４０７ 定電流回路
１０７，１１９，４０４，４０８ 測温電流
１１１，４０５，４０９ Ａ／Ｄ変換器
１１２，４１０ 比較要素
１１３ 目標温度設定要素
１１６，４１２ Ｄｕｔｙ変換要素
１１７ 流量変換要素
ＴＨ２０ 発熱抵抗体の温度
ＴＨ２０ｓ 発熱抵抗体の目標温度
ＴＨ３０ 測温抵抗体の温度
ＴＨｔｉｍｅ 測温周期
３０１ 第１発熱抵抗体
３０２ 第２発熱抵抗体
４０３ 定電流源
４０６ 監視要素
４１１ ＰＩＤ演算要素
Ｔ３０１，Ｔ３０２，Ｔ３０３ 抵抗体の温度
Ｔ３０１ｓ 第１発熱抵抗体の目標温度

Claims (13)

1. 少なくとも１つの発熱抵抗体を有し、前記発熱抵抗体を温度設定値に制御する加熱電流はＰＷＭ制御により通電し、前記発熱抵抗体の温度検出は前記加熱電流の通電を休止して測温電流を通電する構成の熱式流量測定装置において、
   所定周期内において、ＰＷＭ制御は、温度検出のために加熱電流の通電を休止する期間を除く期間に、少なくとも２つのデューティ値を切り替えることを特徴とする熱式流量測定装置。
2. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
   加熱電流の休止期間は、加熱電流を休止するためのデューティ値によりＰＷＭ制御されることを特徴とする熱式流量測定装置。
3. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
   発熱抵抗体を２つ以上備え、前記所定周期は２つ以上の発熱抵抗体の温度検出が同期して繰返される周期であることを特徴とする熱式流量測定装置。
4. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
   温度検出のために加熱電流の通電を休止する期間を除く期間に行う、少なくとも２つのデューティ値の切り替えは、前記所定周期以前に前記温度設定値と前記発熱抵抗体の温度差とから算出された第１デューティ値と、前記所定周期に前記温度設定値と前記発熱抵抗体との温度差から算出された第２デューティ値とを、第１デューティ値，第２デューティ値の順で切り替えて行うことを特徴とする熱式流量測定装置。
5. 請求項４に記載の熱式流量測定装置において、
   前記第１デューティ値は、前記所定周期の１周期前の第２デューティ値、または前記所定周期の１周期前の第２デューティ値を補正したデューティ値、または推定したデューティ値、または異なる時点での動作状態から学習したデューティ値であることを特徴とする熱式流量測定装置。
6. 請求項４に記載の熱式流量測定装置において、
   前記第１デューティ値は、前記所定周期の前記発熱抵抗体の温度と１周期前の前記発熱抵抗体の温度と前記発熱抵抗体に印加する直流電圧から算出されたデューティ値であることを特徴とする熱式流量測定装置。
7. 請求項４に記載の熱式流量測定装置において、
   前記発熱抵抗体の温度はＡ／Ｄ変換器で検出され、前記温度を検出する期間は、少なくとも前記Ａ／Ｄ変換器のサンプルホールド期間または、Ａ／Ｄ変換終了までの期間であることを特徴とする熱式流量測定装置。
8. 請求項４に記載の熱式流量測定装置において、
   前記第１デューティ値によるＰＷＭ制御期間は、少なくとも当該所定周期のデューティ値の算出が終了するまでの期間であることを特徴とする熱式流量測定装置。
9. 請求項４に記載の熱式流量測定装置において、
   前記第２デューティ値によるＰＷＭ制御期間は、前記第１デューティ値によるＰＷＭ制御期間の終了後、当該所定周期が終了するまでの期間であることを特徴とする熱式流量測定装置。
10. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
    前記所定周期は可変されることを特徴とする熱式流量測定装置。
11. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
    前記デューティ値の算出は、フィードバック制御系で構成されており、補償要素が比例分補償（Ｐ）と積分分補償（Ｉ）と微分分補償（Ｄ）とを組み合わせたＰＩＤ補償、またはＰＩ補償と微分分補償（Ｄ）とを組み合わせたＰＩＤ補償であることを特徴とする熱式流量測定装置。
12. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
    第１の発熱抵抗体と、第２の発熱抵抗体と、前記２つの発熱抵抗体に挟まれた測温抵抗体とを有し、
    前記第１の発熱抵抗体の温度はあらかじめ設定された設定値と検出温度の差によって制御され、前記第２の発熱抵抗体の温度は前記第１の発熱抵抗体の温度と前記測温抵抗体の温度の差で制御されることを特徴とする熱式流量測定装置。
13. 少なくとも１つの発熱抵抗体を有し、前記発熱抵抗体を温度設定値に制御する加熱電流をＰＷＭ制御して通電する加熱電流通電期間と、前記加熱電流の通電を休止して前記発熱抵抗体の温度を検出する測温電流を通電する測温電流通電期間とを交互に設け、測温電流通電期間に検出した前記発熱抵抗体の温度に基づいて前記測温電流通電期間に続く加熱電流通電期間のデューティ値を決定し、前記加熱電流通電期間の加熱電流を前記デューティ値でＰＷＭ制御する熱式流量測定装置において、
    前記加熱電流通電期間に、前記デューティ値とは別のデューティ値で加熱電流をＰＷＭ制御し、その後前記加熱電流通電期間に対して決定された前記デューティ値で加熱電流をＰＷＭ制御することを特徴とする熱式流量測定装置。

Images