JP4993311B2 - 空気流量測定装置、空気流量補正方法、および、プログラム - Google Patents
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Description
このような空気流量測定装置は流量センサを具備している。ところが、流量センサは、1台毎に測定ばらつきがあるため、空気流量測定装置は、当該測定ばらつきを補正して、その補正値を車両の制御部(ECU)に出力するようになっている。一例として、発熱抵抗体と感温抵抗体とで構成された流量センサの測定値を補正して、その補正値を出力する空気流量測定装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
なお、この流量に応じた出力電圧値と温度との関係が、測定流量毎に同じであれば、例えば図5に示す例で電圧VD1を電圧VD2に補正するときも、電圧VD3を電圧VD4へ補正するときも、その比率(補正係数)は同一になる。ところが、流量に応じた出力電圧値と温度との関係が、測定流量毎に異なる場合がある。この場合には、補正係数が流量に依存することになり、吸気温度だけの情報に基づいて温度補正係数を決定することはできない、という問題があった。
ここで特に、補正係数記憶手段には、流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値と空気の流量との、空気の温度及び空気の流量によって異なる対応関係に基づいて、流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値を空気の温度が所定の基準温度の時における電圧値に補正するための補正係数が記憶されている。このとき、補正演算手段によって、補正係数により流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値が基準温度の時における電圧値に補正演算される。また、ECUは、補正演算手段が補正演算して得られた基準温度の時における電圧値を空気流量に変換する。このようにすれば、流量毎に異なる温度特性を考慮した高精度な温度補正が可能になる。
第1マップは、温度センサにて測定される測定温度(Ta)と流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値(VD)とを軸にした空気の流量(Gi)を記憶するためのものである。また、第2マップは、温度センサにて測定される測定温度(Ta)と流量(Gi)とを軸にした基準温度の時における電圧値(VDr)に補正するための補正係数(Ki)を記憶するためのものである。
補間計算とは、離散的にプロットされた点の集合を、一次関数式、あるいは、それ以上の次数の関数式で近似し、離散的に現れる点間の値を当該関数式から求めることをいう。
このようにすれば、第1マップの容量が小さくなり、これに合わせて、補正係数記憶手段の記憶容量を小さくすることができる。結果として、回路規模の小型化に寄与する。
このようにすれば、第2マップの容量が小さくなり、これに合わせて、補正係数記憶手段の記憶容量を小さくすることができる。結果として、回路規模の小型化に寄与する。
このとき、請求項3に示すように、マップでは、測定温度および流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値の離散的部分集合に、補正係数が対応しており、補正演算手段は、マップに基づく補間計算を行うことによって補正係数を算出することとしてもよい。例えば、上記同様、空気の温度をT1、T2、T3、T4、・・・というように離散的に設定し、流量センサの出力電圧値をVD1、VD2、VD3、VD4、・・・というように離散的に設定して、これらの組み合わせにそれぞれ対応させるという具合である。このときは、補正演算手段によって、マップに基づく補間計算が行われる。補間計算の定義については、上述した定義と同様である。
このようにすれば、マップの容量が小さくなり、これに合わせて、補正係数記憶手段の記憶容量を小さくすることができる。結果として、回路規模の小型化に寄与する。
請求項5に記載の発明では、さらに、補正演算手段にて算出された補正測定値を周波数変換する周波数変換手段を備えている。例えば、1kHz〜10kHzの周波数のパルス波に変換されるという具合である。このようにすれば、例えば空気流量測定装置を車両に適用する場合、出力先である車両の制御部における処理が高精度になるという点で有利である。また、請求項6に示すように、補正演算手段として、デジタル信号処理回路を用いることとしてもよい。
以上、空気流量測定装置の発明として説明してきたが、本発明は、時系列の補正手順にも特徴を有するものであるため、次に示すような空気流量補正方法の発明として実現することもできる。
ここではまず、(1)流量センサの空気流量に変換する前段の出力電圧値と空気の流量との、空気の温度及び空気の流量によって異なる対応関係に基づいて、温度センサにて測定される測定温度を用い、流量センサの空気流量に変換する前段の電圧値を空気の温度が所定の基準温度の時における電圧値に補正するための補正係数を求め、この補正係数を用いて流量センサの空気流量に変換する前段の電圧値を補正し補正測定値として算出する。次に、(2)補正測定値を周波数変換する。
手順(1)では、上述した空気流量測定装置と同様、対応関係にマップを用いることが例示される。これにより、流量と測定値とを対応付ける温度特性に基づく補正が可能となる。また、手順(2)では周波数変換を行うため、例えば空気流量測定装置を車両に適用する場合、出力先である車両の制御部における処理が高精度になるという点で有利である。
すなわち、請求項8に記載のプログラムは、上記空気流量測定装置の補正演算手段として、または上記空気流量補正方法として、コンピュータを機能させることを特徴とする。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の空気流量測定装置1の概略構成を示すブロック図である。この空気流量測定装置1は、車両に搭載されて吸気流量を測定するために用いられる。
空気流量測定装置1は、補正ブロック10と、流量センサ(空気流量計)20と、温度センサ30と、ECU40とを備えている。
流量センサ20は、例えば熱線式のセンサであり、シリコン半導体で構成される(不図示)。シリコン基板に薄膜部を形成し、その薄膜部の中央にヒータ抵抗体を設置し、さらにヒータ抵抗体を中心にして空気吸入方向に沿った上下流側に、流量検出用の温度センサ1,2を配置する。動作としては、ヒータ抵抗体を、吸入空気温度に対してある一定温度ΔTだけ高くなるように設定し、薄膜部分にヒータを中心に上下流対称の温度分布を生成する。空気が流入すると上流、下流側の温度分布に温度差が生じる。測定流量はこの温度差の関数となることから、薄膜部分の上下流の温度を流量検出用の温度センサで検出し、温度差を算出して流量を測定するものである。なお、逆流の場合は、上流、下流側の温度分布が逆になり、算出される温度差の符号も逆転するため、流量の方向性を判別できる。、ここでの流量Gは、質量流量(g/s)である。
温度センサ30は、前述した流量検出用の温度センサ1,2とは別に設置された吸気温度を測定するセンサであり、温度に対応する電圧Vtを出力する。図示していないが、電源電圧からプルアップ抵抗を経由して接続されている。
オペアンプ11は増幅回路を形成しており、オペアンプ11の一方の入力端子には、流量センサ20の出力端子が抵抗器19bを介在させて接続されている。また、この入力端子は、帰還抵抗である抵抗器19aを介在させてオペアンプ11の出力端子と接続されている。また、他方の入力端子は、抵抗器11aを経由して一定電位となっている。かかる構成により、オペアンプ11は、流量センサ20の出力する電圧Vを増幅して出力する。オペアンプ11の出力となる増幅された電圧Vは、ADC13へ入力される。
ADC13は、入力されたアナログ値をデジタル値へ変換して出力する。ここでは、流量に対応する電圧Vをデジタルの電圧VDに変換して補正部14へ出力する。また、温度に対応する電圧Vtをデジタルの電圧VDtに変換して補正部14へ出力する。
補正部14は、電圧VDを補正して補正電圧VDrを出力する。ここでは、DSP17が、調整ROM18に記憶されたマップに基づいて補正を行う。詳しい、補正方法については後述する。
出力変換部15は、補正部14からの補正電圧VDrを、周波数変換して出力する。具体的には、補正電圧VDrに対応する1kHz〜10kHzの範囲で周波数fのパルス波VDfを出力する。この出力は、ECU40に入力される。
クロック発生部16は、DSP17をはじめ、補正ブロック10全体を動作させるための動作クロックを発生する。なお、この動作クロックは、補正ブロック10全体が同期して動作するように各部へ入力されるのであるが、煩雑になることを避けるため、動作クロックの入力経路については図示していない。
流量センサ20から出力される電圧Vは、同じ流量であっても、吸気温度によって変化する。したがって、本実施形態では、ADC13によってAD変換した後の電圧VDを、温度センサ30からのVDtを用い、基準温度(例えば20℃)での流量を示す補正電圧VDrに補正する。例えば、図5に示すように、吸気温度130℃の場合の電圧VD1を、基準温度20℃の補正電圧VD2に補正するという具合である。このような補正は、流量センサ20に固有の温度特性に基づいて行われる。
この補正係数Kiは
ある流量点での基準温度の電圧をVaとし、ある任意温度Tbでの電圧をVbとすると、補正係数は以下の式で表される。
Ki=Vb/Va
これらのマップは、流量センサ20の温度特性に基づいて作成されるものであり、補正部14の調整ROM18(図1参照)に、予め記憶されている。ここで流量センサ20の温度特性とは、流量センサ20の1台ごとの温度特性である。同種製品の間でも温度特性にばらつきがあるために、流量センサ20の一台ごとの温度特性をマップ化して調整ROM18に記憶しておく。
VDr(基準温度電圧)= VD(補正前の電圧)/Ki
補正し、補正電圧VDrを出力する。この補正電圧VDrは、上述したように、出力変換部15で周波数変換されて、ECU40へ出力される。
本実施形態では、流量センサ20が、測定値として電圧VDを出力する。また、温度センサ30が、吸気温度Ta(対応する電圧Vt)を出力する。このとき、調整ROM18には、入力電圧(V)および吸気温度(℃)に対応する流量Gを示す第1マップが記憶されている。この第1マップを参照することにより、電圧VDで吸気温度Taのときの流量Giを求める。また、調整ROM18には、流量(g/s)および吸気温度(℃)に対応する補正係数Kを示す第2マップが記憶されている。この第2マップを参照することにより、流量Giで吸気温度Taのときの補正係数Kiを求める。そして、この補正係数Kiを用いて電圧VDを補正する。これにより、流量と電圧とを対応付ける温度特性に基づく補正が可能となる。
第2実施形態は、上記第1実施形態と同様の構成となっているが、調整ROM18に記憶されているマップが、上記第1実施形態と異なっている。ここでは、調整ROM18に記憶されているマップについてのみ説明する。なお、上記第1実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して示す。
図4は、入力電圧(V)および吸気温度(℃)に対応する補正係数Kを示すマップ(以下、「第3マップ」という)である。すなわち、上記実施形態は2つのマップ(第1マップおよび第2マップ)から補正係数Kを求めるものであったが、これらマップを統合させたものが、本実施形態の第3マップである。この第3マップによると、入力電圧VDで吸気温度Taのとき、直接的に(流量Gを算出せず)、補正係数Kiを求めることができる。上記実施形態と同様、入力電圧および吸気温度は、5〜10点程度とすることが例示される。したがって、補正係数Kiは、通常、マップに基づく補間計算によって取得される。なお、本実施形態では、近傍の2点を用いた線型補間を行う。ただし、2点以上を用いた2次以上の補間計算を行うようにしてもよい。
本実施形態では、第1および第2マップに代え、第3マップを用いた(図4参照)。この第3マップを参照することで流量Gの算出過程がなくなるため、補正処理がさらに簡単になる。また、この第3マップでは、入力電圧および吸気温度がいずれも複数の離散的な値(離散的部分集合)となっている。これにより、第3マップの容量が小さくなり、これに合わせて、調整ROM18の記憶容量を、上記実施形態と比べ、さらに小さくすることができる。結果として、回路規模の小型化に寄与する。
上記実施形態では、補正ブロック10が出力変換部15を備えており、この出力変換部15にて周波数変換を行っていた。これに対し、DSP17からの補正電圧VDrを直接ECU40へ出力してもよい。
ところで、異なる製品間(例えば製品Aと製品B)においても、温度特性は異なっている。したがって、同一の流量Gに対し、基準温度(例えば20℃)の場合の製品Aの電圧と製品Bの電圧とにばらつきがある。この基準温度での流量に対する電圧値のばらつきを、予め流量センサ内の記憶装置に記憶されたばらつきの補正係数を参照することにより、基準温度でのばらつきを補正するようにしてもよい。このようにすれば、出力先であるECU40に対する出力が、異なる製品間であっても同一の電圧値を出力することができ、ECU40側から見た場合、流量センサ20の個体間ばらつきを低減され高精度に流量信号を検出できる。
以上、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々なる形態で実施可能である。
Claims (8)
- 流量測定の対象となる空気の流量に応じた空気流量に変換する前段の出力電圧値を出力する流量センサと、前記流量測定の対象となる空気の温度を測定温度として出力する温度センサとを備え、前記空気流量に変換する前段の出力電圧値及び前記測定温度に基づき、前記空気の温度に基づいて補正をした空気の流量を算出する空気流量測定装置であって、
前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧値と前記空気の流量との、前記空気の温度及び前記空気の流量によって異なる対応関係に基づいて、前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧値を前記空気の温度が所定の基準温度の時における電圧値に補正するための補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、
前記補正係数により前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧値を前記基準温度の時における電圧値に補正演算する補正演算手段と、
前記補正演算手段が補正演算して得られた前記基準温度の時における電圧値を空気流量に変換するECUと、
を備えていることを特徴とする空気流量測定装置。 - 請求項1に記載の空気流量測定装置において、
前記補正係数記憶手段は、前記温度センサにて測定される測定温度(Ta)と前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧値(VD)とを軸にした、前記空気流量に変換する前段の出力電圧値(VD)を前記基準温度の時における電圧値(VDr)に補正するための前記補正係数(Ki)を対応させたマップを有していることを特徴とする空気流量測定装置。 - 請求項2に記載の空気流量測定装置において、
前記マップでは、前記測定温度および前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧値の離散的部分集合に、前記補正係数が対応しており、
前記補正演算手段は、前記マップに基づく補間計算を行うことによって前記補正係数を算出することを特徴とする空気流量測定装置。 - 請求項2または3に記載の空気流量測定装置において、
前記マップに記憶されている補正係数Kiは、ある流量点での基準温度Taのセンサ電圧をVa、温度Tbのセンサ電圧をVbとしたときKi=Vb/Vaで計算され、基準温度Taのセンサ電圧値に対する温度Tbでのセンサ電圧値の比率となっていることを特徴とする空気流量測定装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の空気流量測定装置において、
さらに、前記補正演算手段にて算出された前記補正測定値を周波数変換する周波数変換手段を備えていることを特徴とする空気流量測定装置。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の空気流量測定装置の補正演算手段として、デジタル信号処理回路を用いることを特徴とする空気流量測定装置。
- 空気の流量に応じた空気流量に変換する前段の出力電圧値を流量センサから取得すると共に流量測定の対象となる前記空気の温度を測定温度として温度センサから取得し、次の手順(1)、(2)によって前記空気流量に変換する前段の出力電圧値を補正する空気流量補正方法。
(1)前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の出力電圧と前記空気の流量との、前記空気の温度及び前記空気の流量によって異なる対応関係に基づいて、前記温度センサにて測定される前記測定温度を用い、前記流量センサの前記空気流量に変換する前段の電圧値を前記空気の温度が所定の基準温度の時における電圧値に補正するための補正係数を求め、この補正係数を用いて前記流量センサの空気流量に変換する前段の電圧値を補正し補正測定値として算出する。
(2)前記補正測定値を周波数変換する。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の空気流量測定装置の補正演算手段として、または、請求項7に記載の空気流量補正方法として、コンピュータを機能させるプログラム。
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