JP4054655B2 - Hot wire flow meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気及びガス等の流量を計測する熱線式流量計に係り、特に、流量を計測する発熱抵抗体の過剰加熱を防止することのできる流量検出回路を備えた熱線式流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
空気及びガス等の流体の流量を計測する熱線式流量計には、従来から発熱抵抗体と流量検出抵抗の直列接続回路と、温度補償抵抗と固定抵抗の直列接続回路と、を並列に接続するホイートストンブリッジ回路を有する流量検出回路(熱線駆動回路)が用いられており、前記発熱抵抗体を空気及びガス等の流体の流れに曝して流れる流体の流量を計測している。
【0003】
このような熱線式流量計を用いて空気及びガス等の流体の流量を計測する時、前記流量検出回路が不具合を生じて故障等した場合に、前記ホイートストンブリッジ回路の発熱抵抗体が過剰加熱されることがあり、例えば、計測する流体が可燃性ガスのような流体である場合には、前記発熱抵抗体が過剰加熱されると発火する等の危険性も生じることが予想される。
【0004】
前記の如き発熱抵抗体が過剰加熱を防止し、高い安全性を実現するために、先行技術としては、流量検出回路にツェナーダイオードなどを用い、該ツェナーダイオードにより前記ホイートストンブリッジ回路の発熱抵抗体に印加される電圧を制限し、該発熱抵抗体が過剰に加熱されるのを防いでいる(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−281835号公報(4頁6欄48行〜5頁7欄19行、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
通常のホイートストンブリッジ回路の発熱抵抗体の温度は、発熱抵抗体が流体の流れに曝して流れる流体の流量を計測しているので、前記発熱抵抗体の発熱量と該発熱抵抗体からの放熱量との熱収支によって決まる。このため、前記発熱抵抗体に流れる電流が少なくても、測定される流体の流れが少ない場合は、前記発熱抵抗体は高温になり、該発熱抵抗体に流れる電流が少なくても、測定される流体の流れが多いと、発熱抵抗体の温度は、測定される流体の温度程度の低い温度に保たれるものである。
【0007】
ところで、前記先行技術は、ツェナーダイオードにより前記ホイートストンブリッジ回路の発熱抵抗体に印加される電圧を制限するものであるが、発熱抵抗体に印加される制限電圧の設定が難しく、制限電圧が低すぎると高流量までの測定ができず、制限電圧が高すぎると低流量時に故障が生じた場合、発熱抵抗体の過剰加熱を防ぐことができないと云う問題を生じさせてしまうものであって、熱式流量計の測定流量の範囲が狭くなってしまうと云う解決すべき課題を備えている。
【0008】
本発明の熱線式流量計は、前記課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、熱線式流量計の流量検出回路(熱線駆動回路)の故障等の異常時においても該流量検出回路(熱線駆動回路)の発熱抵抗体の過剰加熱を防止し、流量検出回路の損傷等を未然に防ぐと共に、広範囲の流量計測が可能な熱線式流量計を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するべく、本発明の熱線式流量計は、基本的には、流体通路内に配置され温度により抵抗値が変化する発熱抵抗体を有する熱線駆動回路と、該発熱抵抗体の抵抗値を検出し該発熱抵抗体の抵抗値変化を制限する過剰加熱防止回路と、を有する、流体の流量を検出するための流量検出回路を備えた熱線式流量計であって、前記熱線駆動回路は、発熱抵抗体と流量検出抵抗の第一直列接続回路と温度補償抵抗と固定抵抗(第一、第二)の第二直列接続回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成して前記発熱抵抗体の抵抗値を検出し、前記過剰加熱防止回路は、比較用固定抵抗(第一)と比較用固定抵抗(第二)と比較用固定抵抗(第三)との第三直列接続回路を備えると共に、比較器と該比較器の出力状態により活性状態となる第二パワートランジスタとを備え、前記第三直列接続回路の前記比較用固定抵抗(第一)と前記比較用固定抵抗(第二)とは、前記熱線駆動回路の前記発熱抵抗体と前記流量検出抵抗との前記第一直列接続回路に並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、前記比較器は、前記第一直列接続回路と前記第三直列接続回路とのブリッジ中間点の電圧の差を比較し、前記第二パワートランジスタは、前記電圧差がHighレベルになると活性状態となって該第二パワートランジスタから前記比較用固定抵抗(第三)に電流を流して前記発熱抵抗体に流れる電流を制限することを特徴としている。
また、本発明の熱線式流量計の具体的な態様は、前記第二パワートランジスタは、前記発熱抵抗体と並列に設けられていることを特徴としている。
【0010】
前記の如く構成された本発明の熱線式流量計は、流量検出回路に熱線駆動回路とは別に、新たに過剰加熱防止回路を備え、該過剰加熱防止回路により、熱線駆動回路の発熱抵抗体の抵抗値を検出する構成とし、該抵抗値の値の状態により発熱抵抗体の加熱状態を判断し、加熱状態が所定以上と判断された場合には、発熱抵抗体の抵抗値変化を制限するようにしたので、熱線式流量計の流量検出回路(熱線駆動回路)の故障(加熱電流を制御する回路やパワートランジスタ)等の異常時における発熱抵抗体の過剰加熱を防止し、流量検出回路の損傷等を未然に防ぐことができると共に、流量検出回路に新たに過剰加熱防止回路を備え構成としても、広範囲の流量計測が可能である。
【0011】
更に、前記の如く構成された本発明の熱線式流量計は、過剰加熱防止回路を比較用の固定抵抗(第三)と固定抵抗(第四)と固定抵抗(第五)を直列接続した回路とし、該直列接続した回路と前記熱線駆動回路の前記発熱抵抗体と前記流量検出抵抗の直列接続回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路に構成して、該ブリッジ回路のバランスにより発熱抵抗体の抵抗値を検出できるようにしたので、発熱抵抗体の抵抗値検出の構成が簡単であると共に、検出電流と電圧を測定して抵抗値を算出することや発熱抵抗体の温度を検出すること等他の手段に比べてより簡単に発熱抵抗体の抵抗値を検出することができ、該検出構成をホイートストンブリッジ回路としたので、該検出した電流値(抵抗値)により直ちに比較器とパワートランジスタにより発熱抵抗体に流れる電流を制限して発熱抵抗体の過剰加熱を防止することができる。
【0012】
そして、発熱抵抗体に流れる電流を制限する手段として、比較器とパワートランジスタを用いたので、電磁石のリレースイッチやヒューズ等を前記ホイートストンブリッジ回路に組み込んで、発熱抵抗体に流れる電流を制限するものに比べて、誤差の程度を低くでき精度の良い電流制限を実現できる。前記第二パワートランジスタを前記発熱抵抗体と並列に設けることにより、該第二パワートランジスタが活性状態になった場合には、前記発熱抵抗体を迂回して過剰加熱電流を流すことができ、第一パワートランジスタが故障して遮断されない通電状態のままになっているような場合にも、保護回路として機能する。
【0013】
また、本発明の熱線式流量計の他の具体的な態様は、前記熱線駆動回路は、前記発熱抵抗体に電源から電流を供給する第一パワートランジスタを備え、前記過剰加熱防止回路は、前記発熱抵抗体に流れる電流の制限を、前記比較器と前記第二パワートランジスタとの作動により前記第一パワートランジスタを遮断するべく構成されていることを特徴としている。
【0014】
前記の如く構成された本発明の熱線式流量計は、第二パワートランジスタを前記発熱抵抗体と並列に設けたものに比べて、該第二パワートランジスタを小さなもので、前記発熱抵抗体に流れる電流の制限することができる。しかし、この場合は、第一パワートランジスタが故障して遮断されない通電状態のままになっているような場合には、保護回路として働かない虞がある。
【0015】
更に、本発明の熱線式流量計の更に他の具体的な態様は、前記過剰加熱防止回路は、比較器と、IGBTもしくはサイリスタと、を備え、該比較器と、該IGBTもしくはサイリスタとにより前記発熱抵抗体に流れる電流を制限することを特徴としている。
【0016】
更にまた、本発明の熱線式流量計の更に他の具体的な態様は、前記流量検出回路は、前記熱線駆動回路に流れる電流を制限する保護抵抗を、電源側に備えていることを特徴とし、前記流量検出回路は、前記熱線駆動回路に許容最大定格電流以上の電流が流れた場合に、該電流を遮断するヒューズを電源側に備えていることを特徴としている。
【0017】
前記の如く構成された本発明の熱線式流量計は、発熱抵抗体への過剰加熱電流を回避した後も、大電流が第一パワートランジスタを流れ続けることになると、第一パワートランジスタや第二パワートランジスタ、比較用固定抵抗等が発熱する可能性があるので、これを回避するために、熱線駆動回路に流れる電流を制限する保護抵抗を電源側に設けて、入力電流を低減制御させることができる。また、ヒューズを電源側に設けることで、過剰加熱電流を回避した後も更に過剰電流が流れた場合に、該ヒューズが切断して電流を遮断することもできる。
【0018】
更にまた、本発明の熱線式流量計の更に他の具体的な態様は、前記流量検出回路は、前記発熱抵抗体の過剰加熱を診断し、故障診断信号を出力する構成を備えていることを特徴としている。
【0019】
前記の如く構成された本発明の熱線式流量計は、熱線式流量計の流量検出回路の故障等の異常時における発熱抵抗体の過剰加熱を防止することと併せて、発熱抵抗体の過剰加熱を診断し、故障診断信号を出力することで、熱線式流量計の使用者に発熱抵抗体の過剰加熱や熱線式流量計の故障を知らせることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の熱線式流量計の実施形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の第一の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100を示したものであり、該流量検出回路100は、基本流量検出回路(熱線駆動回路)101と過剰加熱防止回路102とを備えている。
【0021】
基本流量検出回路(熱線駆動回路)101は、発熱抵抗体1と流量検出抵抗2の直列接続回路と、温度補償抵抗9と第一、第二固定抵抗10、11の直列接続回路とを並列に接続するホイートストンブリッジ回路を備えると共に、該ホイートストンブリッジ回路の前記二つの直列接続回路の各ブリッジ中間点a、bの電位を入力する演算増幅器13と、該演算増幅器13の出力に応じて前記ホイートストンブリッジ回路に供給する電流量を制御する第一パワートランジスタ5とを備えた構成とされている。
【0022】
また、過剰加熱防止回路102は、比較用第一固定抵抗3と比較用第二固定抵抗4と比較用第三固定抵抗44を直列接続し、該直列接続した回路が、前記基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の発熱抵抗体1と流量検出抵抗2の直列接続回路に並列に接続してホイートストンブリッジ回路が構成されていると共に、該ホイートストンブリッジ回路の前記二つの直列接続回路の各中間点a、cの電位を入力する比較器12と、前記第一固定抵抗3と第二固定抵抗4と並列に接続されて前記比較器12の出力が高レベルになると活性化して発熱抵抗体1への電流量を制限するパワートランジスタ6と、比較器12の出力端子に接続されている電流制限抵抗14と、を備えた構成とされている。
【0023】
流量検出回路100は、その基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の前記ホイートストンブリッジ回路に、第一パワートランジスタ5を介して電源VBから電流(電圧V1)を供給するようになっている。前記基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の前記ホイートストンブリッジ回路は、電源VBからの電流供給により、そのブリッジ中間点a、bで電圧V2、V3となるが、演算増幅器13と第一パワートランジスタ5との作用によって、該ブリッジ中間点a、bでの電圧V2、V3が等しくなるように発熱抵抗体1に流れる電流を調整している。
【0024】
発熱抵抗体1は、温度上昇によりその抵抗値Rhを増加させるものであり、該抵抗値Rhは、発熱抵抗体の温度Thに比例しており、該温度Thは、測定する空気の温度Taより所定の温度ΔThだけ高くなるように、温度Th=Ta+ΔThに設定されている。即ち、抵抗値Rhは、次の式(1)で示される。
Rh = Rho(1+αTh) (1)
ここで、Rhoは、温度0℃のときの発熱抵抗体1の抵抗値、αは、温度係数である。
次に、前記の如く構成された本実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100の機能について説明する。
【0025】
基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の発熱抵抗体1を通過する空気の流量が増えると、該発熱抵抗体1から熱が奪われ、発熱抵抗体1の温度Thは下がり、ブリッジ中間点aの電圧V2の値が上昇する。すると、演算増幅器13の出力が上がり、第一パワートランジスタ5が発熱抵抗体1に供給する電流を増加させ、発熱抵抗体1の温度Thが所定の値に戻るように作用する。
【0026】
つまり、流量検出回路100の基本流量検出回路(熱線駆動回路)101のみの制御システムにおいては、空気の流量が増加する前と後とでは、発熱抵抗体1の温度Thは同じであるが、発熱抵抗体1に流れる電流、即ち、電圧V1と電圧V2の値は増加することとなる。このことは、基本流量検出回路(熱線駆動回路)101のみからなる流量検出回路100では、発熱抵抗体1に流れる電流や電圧V1の値を制限することでは、発熱抵抗体1の過剰加熱を防止することが困難であるを意味する。
【0027】
過剰加熱防止回路102は、基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の発熱抵抗体1が正常な抵抗値Rhのときは、比較用固定抵抗3と固定抵抗4とのブリッジの中間点cの電圧V4が、発熱抵抗体1と流量検出抵抗2の直列接続回路のブリッジ中間点aの電圧V2より低く設定されているために、比較器12の出力はLowレベルの状態にあり、第二パワートランジスタ6は、遮断状態にある。
【0028】
基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の温度補償抵抗9が断線したり、第一パワートランジスタ5がショートしたりして、基本流量検出回路(熱線駆動回路)101が故障して、発熱抵抗体1に過大電流が流れてその温度Thが上がって、発熱抵抗体1の抵抗値Rhが所定値Rhuを超えると、ブリッジ中間点aの電圧V2がブリッジ中間点cの電圧V4より低くなる。このため、比較器12の出力がHighレベルとなり、第二パワートランジスタ6が活性状態になる。
【0029】
これにより、発熱抵抗体1に流れていた過大電流は、第二パワートランジスタ6に流れ、発熱抵抗体1の過剰加熱を避けることができる。第二パワートランジスタ6に流れた電流は、比較用固定抵抗44に流れ込み電圧V4が上がる。これにより、発熱抵抗体1への過大電流が回避され、発熱抵抗体1の温度が下がっても比較器12の出力は、Highレベルを保ったままなので、第二パワートランジスタ6も活性状態を保持する。
【0030】
このように、本実施形態の過剰加熱防止回路102は、比較用の固定抵抗3と固定抵抗4と固定抵抗44を直列接続し、該直列接続した回路が、基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の発熱抵抗体1と流量検出抵抗2の直列接続回路に並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、発熱抵抗体1に過大電流が流れた場合には、第二パワートランジスタ6を活性状態とし、発熱抵抗体1に流れていた過大電流をパワートランジスタ6に流れるようにしたので、発熱抵抗体1の過剰加熱が防止される。
【0031】
本実施形態の過剰加熱防止回路102は、前記構成とすることにより、発熱抵抗体1に流れる電流値が電圧値によらずに、発熱抵抗体1の抵抗値の値、つまり、発熱抵抗体1の抵抗値が過剰加熱されたときの値、もしくは過剰加熱される少し手前の値になったときに、前記パワートランジスタ6が活性状態となり、発熱抵抗体1の過剰加熱が防止できる措置を取ることができる。
本実施形態の過剰加熱防止回路102のより具体的な動作について説明する。
【0032】
基本流量検出回路(熱線駆動回路)101の発熱抵抗体1の許容できる加熱上限温度を温度Thuとすると、この時の抵抗値Rhuは、次の式(2)のようになり、流量検出抵抗2の抵抗値R2と比較用第一、第二、第三固定抵抗3、4、44の抵抗値R3、R4、R44との抵抗比は、次の式(3)のようになる。
Rhu = Rh0(1+αThu) (2)
R3/(R4+R44) = Rhu/R2 (3)
【0033】
ただし、比較用第一、第二、第三固定抵抗3、4、44に流れる電流は、空気流量測定に影響を与えない程度に少なくする必要があるため、R3+R4+R44≫Rh+R2とする。また、比較器12の出力端子に接続されている電流制限抵抗14の抵抗値は、該電流制限抵抗14に流れる電流がコンパレータのシンク電流より大きくならないような値に設定する。
【0034】
図1に示す本実施形態の第二パワートランジスタ6は、バイポーラトランジスタであるが、MOSトランジスタなどの電界効果型トランジスタでも良い。
また、第二パワートランジスタ6の代わりに、IGBTやサイリスタを用いても本実施形態の流量検出回路100は、実現できる。
次に、本発明の第二の実施形態の熱線式流量計について説明する。
【0035】
図2は、第二の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100’を示したものであって、前記第一の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100とは、電源VB側に電流制限抵抗7を付加した点でのみ相違し、その他の構成は同じであるので、同じ部材には同じ符号を付してある。
【0036】
前記第一の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100において、発熱抵抗体1への過剰加熱電流を回避した後の動作において、その後も、大電流が第一パワートランジスタ5を流れ続けることになると、第一パワートランジスタ5や第二パワートランジスタ6、比較用固定抵抗44等が発熱する可能性がある。
【0037】
第二の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100’は、このため、これを回避するために、図2に示すように、電流制限抵抗7を電源VB側に設けて、入力電流を低減制御したものである。
【0038】
本実施形態の流量検出回路100’において、第二パワートランジスタ6の最大定格電流Ipmax、ベース・エミッタ間電圧Vbe6、バッテリーの最大電圧Vbmax、及び、比較用固定抵抗44の抵抗値R44と、電流制限抵抗7の抵抗値R7との関係は、次の式(4)のようになる。
R7 > (VBmax−Vbe6)/Ipmax−R44 式(4)
電流制限抵抗7の抵抗値R7の上限値は、熱式空気流量計の動作が確保できるように選ぶようにする。
【0039】
例えば、熱線式流量計の動作要求範囲が、“電源電圧VBのとき、空気流量Qを測定できること”である場合、空気流量Qを測定するのに必要な電流をIh、第一パワートランジスタ5のベース・エミッタ間電圧をVbe5、発熱抵抗体1の抵抗値をRh、流量検出抵抗2の抵抗値をR2とすると、電源電圧VBは、次の式(5)のようになり、電流制限抵抗7の抵抗値R7の上限値は、次の式(6)のようになる。
VB > Ih*(Rh+R2+R7)+Vbe5 式(5)
R7 < (VB-Vbe5)/Ih-(Rh+R2) 式(6)
【0040】
また、電流制限抵抗7で消費される電力Wr7は、式(7)のように、比較用固定抵抗44で消費される電力Wr44は、式(8)となる。
Wr7 = (VBmax-Vbe)2R7/(R4+R7)2 式(7)
Wr44 = (VBmax-Vbe)2R44/(R44+R7)2 式(8)
電流制限抵抗7と比較用固定抵抗44の最大定格消費電力は、それぞれ電力Wr7、電力Wr44より大きいものを選ぶのがよい。
過剰加熱電流を回避した後、熱線式流量計が故障していることを知らせる信号を比較器12から得ることができる。
【0041】
前記のように、熱線式流量計が正常に動作しており、発熱抵抗体1が正常な値のとき、比較器12の出力は、Lowレベルである。しかし、熱線駆動回路101が故障して過剰加熱電流が流れると、比較器12の出力は、Highレベルになる。比較器12の出力がHighレベルになった場合を異常信号と捕らえれば、故障診断を行なうことができる。
【0042】
図3は、本発明の第三の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100”を示したものであって、前記第一の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100とは、電源VB側にヒューズ8を付加した点でのみ相違し、その他の構成は同じであるので、同じ部材には同じ符号を付してある。
【0043】
図3に示すように、ヒューズ8を設け、過剰加熱電流を回避した後に、更に過剰電流が流れた場合にヒューズ8が切断して、熱式空気流量計の流量検出回路100”への電流供給を切断する方法がある。この場合、パワートランジスタ6はヒューズ8を遮断するのに必要な電流を所定の時間流せば良いことになる。
【0044】
図4は、本発明の第四の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100”’を示したものであって、前記第一の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100とは、第二パワートランジスタ6への配線を、演算増幅器13の出力側から接続した点でのみ相違し、その他の構成は同じであるので、同じ部材には同じ符号を付してある。
【0045】
第四の実施形態の熱線式流量計の流量検出回路100”’の構成とすることにより、第二パワートランジスタ6を活性状態とし、発熱抵抗体1に流れていた過大電流を第二パワートランジスタ6に流れるようにすることで、第一パワートランジスタ5を遮断して電流を制限し、発熱抵抗体1へ流れる過剰電流を制限することができる。
【0046】
以上、本発明の四つの実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種種々の変更ができるものである。
【0047】
【発明の効果】
前記説明から理解されるように、本発明の熱線式流量計は、流量検出回路(熱線駆動回路)の故障(加熱電流を制御する回路やパワートランジスタ)等の異常時における発熱抵抗体の過剰加熱を防止し、流量検出回路の損傷等を未然に防ぐことができると共に、流量検出回路に新たに過剰加熱防止回路を備え構成としても、広範囲の流量計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態であって、過剰加熱防止回路を備えた熱線式流量計の流量検出回路構成図。
【図2】本発明の第ニの実施形態であって、電流制限抵抗と過剰加熱防止回路を備えた熱線式流量計の流量検出回路構成図。
【図3】本発明の第三の実施形態であって、ヒューズと過剰加熱防止回路を備えた熱線式流量計の流量検出回路構成図。
【図4】本発明の第四の実施形態であって、変形の過剰加熱防止回路を備えた熱線式流量計の流量検出回路構成図。
【符号の説明】
1・・・発熱抵抗体、2・・・流量検出抵抗、3・・・比較用第一固定抵抗
4・・・比較用第二固定抵抗、5・・・第一パワートランジスタ、6・・・第二パワートランジスタ、7・・・電流制限抵抗、8・・・ヒューズ、9・・・温度補償抵抗、10・・・第一固定抵抗、11・・・第二固定抵抗、12・・・比較器、13・・・演算増幅器、14・・・電流制限抵抗、44・・・比較用第三固定抵抗、100・・・流量検出回路、101・・・基本流量検出回路(熱線駆動回路)、102・・・過剰加熱防止回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hot-wire flow meter that measures the flow rate of air, gas, and the like, and more particularly, to a hot-wire flow meter that includes a flow rate detection circuit that can prevent overheating of a heating resistor that measures the flow rate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a hot-wire flow meter that measures the flow rate of fluids such as air and gas, a series connection circuit of a heating resistor and a flow rate detection resistor and a series connection circuit of a temperature compensation resistor and a fixed resistor are connected in parallel. A flow rate detection circuit (heat line drive circuit) having a Wheatstone bridge circuit is used, and the flow rate of the fluid flowing by exposing the heating resistor to the flow of fluid such as air and gas is measured.
[0003]
When the flow rate of fluid such as air and gas is measured using such a hot wire type flow meter, the heating resistor of the Wheatstone bridge circuit is overheated when the flow rate detection circuit malfunctions and fails. For example, in the case where the fluid to be measured is a fluid such as a flammable gas, it is expected that there is a risk of ignition when the heating resistor is overheated.
[0004]
In order to prevent overheating of the heating resistor as described above and realize high safety, as a prior art, a Zener diode or the like is used in the flow rate detection circuit, and the Zener diode serves as a heating resistor of the Wheatstone bridge circuit. The applied voltage is limited to prevent the heating resistor from being excessively heated (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-281835 (
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The temperature of the heating resistor of a normal Wheatstone bridge circuit is measured by measuring the flow rate of the fluid that the heating resistor is exposed to the fluid flow, so the amount of heat generated by the heating resistor and the amount of heat released from the heating resistor It depends on the heat balance. For this reason, even if the current flowing through the heating resistor is small, if the flow of fluid to be measured is small, the heating resistor becomes high temperature, and even if the current flowing through the heating resistor is small, it is measured. When the flow of the fluid is large, the temperature of the heating resistor is maintained at a temperature as low as the temperature of the fluid to be measured.
[0007]
In the prior art, the voltage applied to the heating resistor of the Wheatstone bridge circuit is limited by a Zener diode. However, it is difficult to set the limiting voltage applied to the heating resistor, and the limiting voltage is too low. If the limit voltage is too high and a failure occurs at a low flow rate, it may cause a problem that overheating of the heating resistor cannot be prevented. There is a problem to be solved that the range of the measured flow rate of the flow meter becomes narrow.
[0008]
The hot-wire flow meter of the present invention has been made to solve the above-described problems, and the purpose thereof is to provide an abnormality such as a failure of the flow detection circuit (hot-wire drive circuit) of the hot-wire flow meter. An object of the present invention is to provide a hot-wire flow meter capable of measuring a flow rate over a wide range while preventing overheating of a heating resistor of the flow rate detection circuit (heat wire drive circuit), preventing damage to the flow rate detection circuit and the like.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the hot-wire flow meter of the present invention basically includes a heat-wire driving circuit having a heat-generating resistor that is disposed in a fluid passage and whose resistance value varies with temperature, and the resistance of the heat-generating resistor. An overheating prevention circuit that detects a value and restricts a change in the resistance value of the heating resistor, and includes a flow rate detection circuit for detecting a fluid flow rate, the hot wire drive circuit comprising: The Wheatstone bridge circuit is configured by connecting in parallel the first series connection circuit of the heating resistor, the flow rate detection resistance, the temperature compensation resistance, and the second series connection circuit of the fixed resistance (first and second). A resistance value of the heating resistor is detected, and the overheating prevention circuit is connected in a third series of a fixed resistor for comparison (first), a fixed resistor for comparison (second), and a fixed resistor for comparison (third). A circuit, and a comparator and an output state of the comparator The comparison fixed resistor (first) and the comparison fixed resistor (second) of the third series connection circuit include the heating resistor of the heat ray driving circuit. And a Wheatstone bridge circuit connected in parallel to the first series connection circuit of the flow rate detection resistor, and the comparator is a bridge intermediate between the first series connection circuit and the third series connection circuit The voltage difference between the points is compared, and the second power transistor becomes active when the voltage difference becomes a high level, and a current is passed from the second power transistor to the comparison fixed resistor (third). It is characterized by limiting the current flowing through the heating resistor .
Moreover, the specific aspect of the hot wire type flow meter of the present invention is characterized in that the second power transistor is provided in parallel with the heating resistor.
[0010]
The hot-wire flow meter of the present invention configured as described above is provided with a new overheating prevention circuit in the flow rate detection circuit in addition to the hot-wire driving circuit, and the overheating prevention circuit allows the heating resistor of the heating wire driving circuit to be The resistance value is detected, the heating state of the heating resistor is determined based on the state of the resistance value, and when the heating state is determined to be a predetermined value or more, the resistance value change of the heating resistor is limited. As a result, overheating of the heating resistor is prevented and the flow rate detection circuit is damaged when the flow rate detection circuit (heat line drive circuit) of the hot-wire flow meter malfunctions (heating current control circuit or power transistor). In addition, it is possible to measure a wide range of flow rates even if the flow rate detection circuit is newly provided with an overheating prevention circuit.
[0011]
Furthermore, the hot-wire flow meter of the present invention configured as described above is a circuit in which an overheating prevention circuit is connected in series with a comparative fixed resistor (third), fixed resistor (fourth), and fixed resistor (fifth). The series connected circuit, the heating resistor of the heat ray driving circuit, and the series connection circuit of the flow rate detection resistor are connected in parallel to form a Wheatstone bridge circuit, and the heating resistor is balanced by the balance of the bridge circuit. The resistance value of the heating resistor can be detected, so the resistance value detection configuration of the heating resistor is simple, the resistance value is calculated by measuring the detection current and voltage, and the temperature of the heating resistor is detected. The resistance value of the heating resistor can be detected more easily than other means, and the detection configuration is a Wheatstone bridge circuit. Therefore, the comparator and the power transformer are immediately detected by the detected current value (resistance value). Excess heating of the heating resistor to limit the current flowing through the heating resistor can be prevented by register.
[0012]
And, as a means to limit the current flowing through the heating resistor, a comparator and a power transistor are used. Therefore, a relay switch or a fuse of an electromagnet is incorporated in the Wheatstone bridge circuit to limit the current flowing through the heating resistor. Compared to the above, it is possible to reduce the degree of error and realize a current limit with high accuracy. By providing the second power transistor in parallel with the heating resistor, when the second power transistor is activated, an excessive heating current can be passed around the heating resistor, Even when one power transistor fails and remains in an energized state that is not cut off, it functions as a protection circuit.
[0013]
In another specific aspect of the hot-wire flow meter of the present invention, the hot-wire drive circuit includes a first power transistor that supplies current from a power source to the heating resistor, and the overheating prevention circuit includes the The current flowing through the heating resistor is limited so that the first power transistor is cut off by the operation of the comparator and the second power transistor.
[0014]
The hot-wire flow meter of the present invention configured as described above has a smaller second power transistor than the second power transistor provided in parallel with the heating resistor, and flows to the heating resistor. The current can be limited. However, in this case, if the first power transistor fails and remains in an energized state that is not cut off, it may not function as a protection circuit.
[0015]
Furthermore, in still another specific aspect of the hot-wire flow meter of the present invention, the overheat prevention circuit includes a comparator and an IGBT or thyristor, and the comparator and the IGBT or thyristor are used to It is characterized by limiting the current flowing through the heating resistor.
[0016]
Still further, still another specific aspect of the hot-wire flow meter of the present invention is characterized in that the flow rate detection circuit is provided with a protective resistor that limits a current flowing in the hot-wire drive circuit on the power supply side. The flow rate detection circuit is provided with a fuse on the power supply side that cuts off the current when a current exceeding an allowable maximum rated current flows in the hot wire drive circuit.
[0017]
The hot-wire flow meter of the present invention configured as described above is configured such that a large current continues to flow through the first power transistor even after avoiding excessive heating current to the heating resistor. Since power transistors, fixed resistors for comparison, etc. may generate heat, a protective resistor that limits the current flowing in the heat-wire drive circuit is provided on the power supply side to avoid this, and the input current can be controlled to be reduced. it can. In addition, by providing a fuse on the power supply side, when the excessive current flows even after the excessive heating current is avoided, the fuse can be cut off to interrupt the current.
[0018]
Furthermore, according to still another specific aspect of the hot-wire flow meter of the present invention, the flow rate detection circuit has a configuration for diagnosing overheating of the heating resistor and outputting a failure diagnosis signal. It is a feature.
[0019]
The hot-wire flow meter of the present invention configured as described above is used to prevent overheating of the heating resistor in the event of an abnormality such as a failure of the flow detection circuit of the hot-wire flow meter. By outputting the failure diagnosis signal, it is possible to notify the user of the hot-wire flow meter of overheating of the heating resistor or failure of the hot-wire flow meter.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the hot-wire flow meter of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a flow
[0021]
The basic flow rate detection circuit (heat line drive circuit) 101 includes a series connection circuit of the heating resistor 1 and the flow
[0022]
In addition, the
[0023]
The flow
[0024]
The heating resistor 1 increases its resistance value Rh with a rise in temperature. The resistance value Rh is proportional to the temperature Th of the heating resistor, and the temperature Th is determined from the temperature Ta of the air to be measured. The temperature is set to Th = Ta + ΔTh so as to increase by a predetermined temperature ΔTh. That is, the resistance value Rh is expressed by the following formula (1).
Rh = Rho (1 + αTh) (1)
Here, Rho is a resistance value of the heating resistor 1 at a temperature of 0 ° C., and α is a temperature coefficient.
Next, the function of the flow
[0025]
When the flow rate of the air passing through the heating resistor 1 of the basic flow rate detection circuit (heat line driving circuit) 101 increases, heat is taken from the heating resistor 1, the temperature Th of the heating resistor 1 decreases, and the bridge middle point a The value of voltage V2 increases. Then, the output of the
[0026]
In other words, in the control system of only the basic flow rate detection circuit (heat wire drive circuit) 101 of the flow
[0027]
When the heating resistor 1 of the basic flow rate detection circuit (heat line driving circuit) 101 has a normal resistance value Rh, the
[0028]
The
[0029]
Thereby, the excessive current that has flowed through the heating resistor 1 flows into the second power transistor 6, and overheating of the heating resistor 1 can be avoided. The current flowing through the second power transistor 6 flows into the comparison fixed
[0030]
As described above, the
[0031]
The
A more specific operation of the
[0032]
Assuming that the allowable heating upper limit temperature of the heating resistor 1 of the basic flow rate detection circuit (heat line drive circuit) 101 is the temperature Thu, the resistance value Rhu at this time is expressed by the following equation (2), and the flow
Rhu = Rh0 (1 + αThu) (2)
R3 / (R4 + R44) = Rhu / R2 (3)
[0033]
However, since the current flowing through the first, second, and third
[0034]
The second power transistor 6 of the present embodiment shown in FIG. 1 is a bipolar transistor, but may be a field effect transistor such as a MOS transistor.
Further, the flow
Next, the hot wire type flow meter of the second embodiment of the present invention will be described.
[0035]
FIG. 2 shows a flow
[0036]
In the
[0037]
In order to avoid this, the flow
[0038]
In the flow
R7> (VBmax−Vbe6) / Ipmax−R44 Formula (4)
The upper limit value of the resistance value R7 of the current limiting resistor 7 is selected so as to ensure the operation of the thermal air flow meter.
[0039]
For example, if the operating range of the hot-wire flow meter is “capable of measuring the air flow rate Q when the power supply voltage is VB”, the current required for measuring the air flow rate Q is Ih, and the
VB> Ih * (Rh + R2 + R7) + Vbe5 Formula (5)
R7 <(VB-Vbe5) / Ih- (Rh + R2) Equation (6)
[0040]
Further, the power Wr7 consumed by the current limiting resistor 7 is expressed by the following equation (8), and the power Wr44 consumed by the comparative fixed
Wr7 = (VBmax-Vbe) 2R7 / (R4 + R7) 2 Equation (7)
Wr44 = (VBmax-Vbe) 2R44 / (R44 + R7) 2 Equation (8)
The maximum rated power consumption of the current limiting resistor 7 and the comparative fixed
After avoiding the overheating current, a signal can be obtained from the
[0041]
As described above, when the hot-wire flow meter is operating normally and the heating resistor 1 has a normal value, the output of the
[0042]
FIG. 3 shows a flow
[0043]
As shown in FIG. 3, after providing a fuse 8 and avoiding an excessive heating current, if an excess current further flows, the fuse 8 is cut to supply a current to the
[0044]
FIG. 4 shows a flow
[0045]
With the configuration of the flow
[0046]
As mentioned above, although four embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the mind of this invention, a seed | species various change can be made. .
[0047]
【The invention's effect】
As understood from the above description, the hot-wire flow meter of the present invention overheats the heating resistor when a flow rate detection circuit (heat-wire drive circuit) malfunctions (a circuit for controlling the heating current or a power transistor) or the like is abnormal. In addition, the flow rate detection circuit can be prevented from being damaged, and a wide range of flow rate measurement is possible even if the flow rate detection circuit is newly provided with an overheating prevention circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a flow rate detection circuit of a hot-wire flow meter including an overheating prevention circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a flow rate detection circuit of a hot-wire flow meter including a current limiting resistor and an overheating prevention circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a flow rate detection circuit of a hot wire type flow meter including a fuse and an overheating prevention circuit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a flow rate detection circuit of a hot-wire flow meter including a modified overheating prevention circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heating resistor, 2 ... Flow detection resistance, 3 ... Comparison 1st fixed
Claims (7)
前記熱線駆動回路は、発熱抵抗体と流量検出抵抗の第一直列接続回路と温度補償抵抗と固定抵抗(第一、第二)の第二直列接続回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成して前記発熱抵抗体の抵抗値を検出し、
前記過剰加熱防止回路は、比較用固定抵抗(第一)と比較用固定抵抗(第二)と比較用固定抵抗(第三)との第三直列接続回路を備えると共に、比較器と該比較器の出力状態により活性状態となる第二パワートランジスタとを備え、
前記第三直列接続回路の前記比較用固定抵抗(第一)と前記比較用固定抵抗(第二)とは、前記熱線駆動回路の前記発熱抵抗体と前記流量検出抵抗との前記第一直列接続回路に並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、前記比較器は、前記第一直列接続回路と前記第三直列接続回路とのブリッジ中間点の電圧の差を比較し、前記第二パワートランジスタは、前記電圧差がHighレベルになると活性状態となって該第二パワートランジスタから前記比較用固定抵抗(第三)に電流を流して前記発熱抵抗体に流れる電流を制限することを特徴とする熱線式流量計。A heat ray driving circuit having a heating resistor disposed in the fluid passage and having a resistance value that varies with temperature; and an overheating prevention circuit that detects the resistance value of the heating resistor and limits the resistance value change of the heating resistor; A hot-wire flow meter having a flow rate detection circuit for detecting the flow rate of fluid,
The heat ray drive circuit comprises a Wheatstone bridge circuit in which a first series connection circuit of a heating resistor, a flow rate detection resistor, a temperature compensation resistor, and a second series connection circuit of a fixed resistor (first and second) are connected in parallel. To detect the resistance value of the heating resistor,
The overheat prevention circuit includes a third series connection circuit of a fixed resistor for comparison (first), a fixed resistor for comparison (second), and a fixed resistor for comparison (third), and the comparator and the comparator A second power transistor that is activated by the output state of
The comparison fixed resistor (first) and the comparison fixed resistor (second) of the third series connection circuit are the first series of the heating resistor and the flow rate detection resistor of the heat ray driving circuit. A Wheatstone bridge circuit is configured by connecting in parallel to a connection circuit, and the comparator compares a voltage difference at a bridge midpoint between the first series connection circuit and the third series connection circuit, and The power transistor is activated when the voltage difference becomes a high level, and the current flows from the second power transistor to the comparative fixed resistor (third) to limit the current flowing to the heating resistor. A hot-wire flow meter.
前記熱線駆動回路は、発熱抵抗体と流量検出抵抗の第一直列接続回路と温度補償抵抗と固定抵抗(第一、第二)の第二直列接続回路とを並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成して前記発熱抵抗体の抵抗値を検出し、
前記過剰加熱防止回路は、比較用固定抵抗(第一)と比較用固定抵抗(第二)と比較用固定抵抗(第三)との第三直列接続回路を備えると共に、比較器と該比較器の出力状態により活性状態となるIGBTもしくはサイリスタとを備え、
前記第三直列接続回路の前記比較用固定抵抗(第一)と前記比較用固定抵抗(第二)とは、前記熱線駆動回路の前記発熱抵抗体と前記流量検出抵抗との前記第一直列接続回路に並列に接続してホイートストンブリッジ回路を構成し、前記比較器は、前記第一直列接続回路と前記第三直列接続回路とのブリッジ中間点の電圧の差を比較し、前記IGBTもしくはサイリスタは、前記電圧差がHighレベルとなると活性状態となって該IGBTもしくはサイリスタから前記比較用固定抵抗(第三)に電流を流して前記発熱抵抗体に流れる電流を制限することを特徴とする熱線式流量計。 A heat ray driving circuit having a heating resistor disposed in the fluid passage and having a resistance value that varies with temperature; an overheating preventing circuit that detects the resistance value of the heating resistor and restricts a change in the resistance value of the heating resistor; A hot-wire flow meter having a flow rate detection circuit for detecting the flow rate of fluid,
The heat ray drive circuit comprises a Wheatstone bridge circuit in which a first series connection circuit of a heating resistor, a flow rate detection resistor, a temperature compensation resistor, and a second series connection circuit of a fixed resistor (first and second) are connected in parallel. To detect the resistance value of the heating resistor,
The overheat prevention circuit includes a third series connection circuit of a fixed resistor for comparison (first), a fixed resistor for comparison (second), and a fixed resistor for comparison (third), and the comparator and the comparator IGBT or thyristor which is activated by the output state of
The comparison fixed resistor (first) and the comparison fixed resistor (second) of the third series connection circuit are the first series of the heating resistor and the flow rate detection resistor of the heat ray driving circuit. A Wheatstone bridge circuit is configured by connecting in parallel with a connection circuit, and the comparator compares a voltage difference at a bridge midpoint between the first series connection circuit and the third series connection circuit, and the IGBT or The thyristor is activated when the voltage difference becomes a high level, and the current flows from the IGBT or thyristor to the comparative fixed resistor (third) to limit the current flowing to the heating resistor. Hot wire flow meter.
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