JP5001020B2

JP5001020B2 - 熱式ガス質量流量計

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Publication number: JP5001020B2
Application number: JP2007025621A
Authority: JP
Inventors: 光晴逢阪; 利樹大槻; 義寛助川; 香織樫尾; 浩昭星加; 徳安　　昇
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: JP2008190999A

Description

本発明は、気体の質量流量を測定するガス流量計、とりわけ、エンジンの吸入空気及び排気ガス等の流量計測に適した熱式ガス質量流量計に関するものである。

近年、排気ガスの規制が各国において厳密になってきている。ディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘ低減を図るためにエンジン本体から排気される排気ガスの一部を吸気に環流させて再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）が使用されてきている（特許文献１）。そして、排気ガスの環流量を制御するＥＧＲ制御の具体例として、特許文献２に示されるものがある。この特許文献２に示されるものでは、吸気管に設けられたガス流量計によって吸気管に流入する新気空気量を計測し、また、排気ガスを吸気管に環流させる還流管路に設けたガス流量計によってＥＧＲガス量を計測し、それぞれのガス流量計によって計測した新気空気量とＥＧＲガス量とから、ＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気空気量＋ＥＧＲガス量））を求め、このＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ制御を行っている。エンジンでの燃焼の安定度や、排気有害物質であるＮＯｘ、煤とのバランスをとるためには、高精度なＥＧＲ制御を行う必要がある。高精度なＥＧＲ制御を行うためには、ガス流量計によって新気空気量およびＥＧＲガス量を正確に測定してＥＧＲ率を高精度に求めなければならない。

従来、エンジンへの吸気量を測定するためのガス流量計としては、図７に示すような熱式ガス質量流量計が広く用いられている（特許文献３）。この熱式ガス質量流量計は、ホットワイヤ５と流体感温素子２２がボディ２６内部に設置され、ホットワイヤ５、流体感温素子２２及び抵抗２４、２７でブリッジ回路２５が構成されている。また、オペアンプ２３等で構成されたフィードバック回路は、ホットワイヤ５の温度(Ｔｈ)が流体感温素子２２の抵抗値変化によって求めたガス温度（Ｔｅ）より一定温度差（固定ΔＴｈ方式）だけ高く保たれるようにホットワイヤ５に流れる加熱電流をパワートランジスタ２１を介してアナログでフィードバック制御している。そして、ガスの流速が速い場合にはホットワイヤ５から奪われる熱量が多いため加熱電流が多く流されることになり、これに対して流速の遅い場合にはホットワイヤ５から奪われる熱量が少ないため加熱電流も少なく流されることになるから、この加熱電流を計測することにより空気の質量流量を計測できる。

従来の熱式ガス質量流量計は、ホットワイヤ５と流体感温素子２２が吸気ガスまたは排気ガスの流れに設置されており、ホットワイヤ５と流体感温素子２２が常に吸気ガスや排気ガスの流れにさらされている。

吸入空気を測定する場合には、エアクリーナ通過後の空気を測定するためホットワイヤ５や流体感温素子２２への付着物はほとんど無いが、排気ガスを測定する場合には、排気ガスに含まれる煤やオイル等の付着が問題となる。これらがホットワイヤ５や流体感温素子２２に付着すると、排気ガス等の流れがホットワイヤ５や流体感温素子２２に直接触れなくなる。そのため、排気ガス等の温度が流体感温素子２２に伝わりにくくなるし、また、ホットワイヤ５からの放熱が少なくなってガスの質量流量の測定に誤差が生じてしまう。

そこで、この問題に対処するためにホットワイヤ５に関しては、特許文献４、特許文献５に示されるように、ホットワイヤ５の加熱温度を高くすることで、ホットワイヤ５に付着するオイル等を揮発させ、汚損物を付着させなくする方法が考えられている。

特開２００６−１２５３８２号公報特表２００３−５１６４９６号公報特開２００４−２０５５２８号公報特開昭５９−２０６７１４号公報特開２００６−１７０８０４号公報

上述した従来の熱式ガス質量流量計は、ホットワイヤ５とガス温度を計測する流体感温素子２２とが吸気ガスまたは排気ガスの流れに設置されて常に吸気ガスや排気ガスの流れにさらされており、ホットワイヤ５と流体感温素子２２に排気ガス等に含まれる煤やオイル等が付着することになる。ホットワイヤ５に付着した煤やオイル等はホットワイヤ５の加熱温度を高くすることで、ホットワイヤ５に付着するオイル等を揮発させ、汚損物を付着させなくすることができるが、ガス温度を計測する流体感温素子２２は高温にすることができず、煤やオイル等が付着することになり、正確なガス流量を測定できなくなる。

また、流体感温素子２２より一定温度差（固定ΔＴｈ方式）だけ温度が高くされるホットワイヤ５は、高温のガスの流量を測定する場合には、更に高温になり、ホットワイヤ５をコーティングしているガラスの融点を超えてガラスが融解することがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、煤、オイルを含む温度範囲の広い（−４０〜６００℃）排気ガス中において常に正確なガス質量流量を測定することができる熱式ガス質量流量計を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、加熱した発熱センサ素子からの放熱量に基づいてガス流量を測定するものであり、前記発熱センサ素子を加熱するための駆動電圧を発熱センサ素子に印加させる手段と、前記発熱センサ素子への駆動電圧をＯＮ・ＯＦＦする電流制御手段と、前記発熱センサ素子に流れる電流を検知するための電流検出用抵抗と、前記発熱センサ素子に駆動電圧が印加されていないときに、前記発熱センサ素子に微小の定電流を流す定電流手段と、前記電流制御手段のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記駆動電圧が印加されて発熱センサ素子が加熱されているときの発熱センサ素子の温度と前記発熱センサ素子に微小の定電流が流されているときの発熱センサ素子の温度とからガス温度を算出するとともに、前記発熱センサ素子の温度が、算出したガス温度より所定の温度差だけ高くなるように前記電流制御手段をＯＮ・ＯＦＦして駆動電圧の印加時間を制御し、該印加時間に基づいてガス流量を計測することを特徴としている。

また、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、制御装置が、前記発熱センサ素子の温度をガス温度より所定の温度差だけ高くするための駆動電圧の印加時間とガス流量との関係が示された流量変換テーブルを有することを特徴としている。

本発明では、駆動電圧を発熱センサ素子に印加して発熱センサ素子を加熱させたときの発熱センサ素子の温度と発熱センサ素子に微小の定電流を流したときの発熱センサ素子の温度とによってガス温度を算出し、従来の熱式ガス質量流量計で必要としていた流体感温素子を不要とすることができ、流体感温素子に煤等が付着することによるガス流量の誤差をなくすことができ、そして、ガス温度より所定の温度差だけ高くなるように発熱センサ素子に印加する駆動電圧の印加時間に基づいて常に正確なガス流量を測定することができる。

本発明に係る熱式ガス質量流量計は、制御装置が、発熱センサ素子の温度をガス温度より高くする温度差が複数の設定温度に変更可能であり、駆動電圧の印加時間とガス流量との関係が示された流量変換テーブルを温度差毎に有することを特徴とし、また、流量変換テーブルが３次元テーブルであることを特徴としている。

本発明では、発熱センサ素子の温度をガス温度より高くする温度差を複数の設定温度に変更可能であるため、ガス温度が低い場合には温度差を大きくして発熱センサ素子を高温に加熱させることができるので、発熱センサ素子に煤等が付着するのを防止することができるし、また、ガス温度が高温の場合には温度差を小さくして発熱センサ素子を加熱させたときの発熱センサ素子の温度を低くすることができるので、発熱センサ素子をコーティングしているガラス等の融解を防止できる。また、流量変換テーブルを３次元テーブルにしたものではＣＰＵにおける流量算出処理時間を短くすることができる。

また、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、定電流手段が、前記電流制御手段からの電流が該定電流手段に逆流するのを防止するダイオードを備えていることを特徴としており、駆動電圧を発熱センサ素子に印加させる手段からの電流が定電流手段に逆流するのを防止できるので、定電流手段の電気的な破壊を防止できる。

また、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、制御装置が、発熱センサ素子への駆動電圧の印加時間を、電流制御手段のＯＮとＯＦＦの時間比であるＤｕｔｙ比で制御し、前記流量変換テーブルは、前記Ｄｕｔｙ比とガス流量との関係が示されていることを特徴としており、また、制御装置が、発熱センサ素子の加熱温度を電流制御手段のＤｕｔｙ比によって決まるパルス幅変調（Pulse Width Modulation）で制御することを特徴としている。

本発明では、発熱センサ素子への駆動電圧の印加時間を、パルス幅変調（Pulse Width Modulation）で制御しており、発熱センサ素子をほとんど電力損失なく駆動電圧で加熱することができ、また、車載のバッテリ電圧で熱式ガス質量流量計を動作することができる。

さらに、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、制御装置が、Ａ／Ｄコンバータを有し、発熱センサ素子の両端の電圧が差動増幅器を介して前記Ａ／Ｄコンバータに入力され、該差動増幅器のオフセット電圧が変更可能であることを特徴している。本発明では、発熱センサ素子の両端の電圧が差動増幅器を介してＡ／Ｄコンバータに入力され、差動増幅器のオフセット電圧が変更可能であるため、差動増幅器のオフセット電圧を変更することによりＡ／Ｄコンバータに入力する電圧の幅を変更することができ、発熱センサ素子に高い駆動電圧を印加しても、その駆動電圧をＡ／Ｄコンバータに入力して検出することができる。また、オフセット電圧を変更するオフセット出力回路としてＤ／Ａコンバータを使用すると、ホットワイヤの基準抵抗値のばらつきにより変わるオフッセット電圧値を任意に複数設定及び切替えすることができ、量産時には有用である。

さらに、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、前記制御装置、前記電流制御手段、前記定電流手段及び前記電流検出用抵抗は１チップＬＳＩで構成されていることを特徴としており、本発明では、熱式ガス質量流量計を小型で安価に製造することができる。

さらに、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、温度検出手段が、電流制御手段がＯＦＦになる直前の発熱センサ素子の温度を検出することを特徴としており、本発明では、ホットワイヤを加熱しているときの最も高い温度である、ガス温度より所定の温度差だけ高い温度を正確に検出できる。

さらに、本発明に係る熱式ガス質量流量計は、電流検出用抵抗が、抵抗値精度が高く、温度係数が小さい固定抵抗であることを特徴としており、本発明では、ホットワイヤに流れる電流をガス温度が変更しても常に正確に検出することができる。

本発明は、駆動電圧を発熱センサ素子に印加して発熱センサ素子を加熱させたときの発熱センサ素子の温度と発熱センサ素子に微小の定電流を流したときの発熱センサ素子の温度とによってガス温度を算出し、従来の熱式ガス質量流量計で必要としていた流体感温素子を不要とすることができるので、流体感温素子に煤等が付着することによるガス流量の測定誤差をなくし、ガス温度より所定の温度差だけ高くなるように発熱センサ素子に印加する駆動電圧の印加時間に基づいて正確なガス流量を常に測定することができる。

以下、本発明に係る熱式ガス質量流量計について図面を用いて説明する。
図１は本発明に係る熱式ガス質量流量計の一実施形態の概略構成図を示している。１は電源であり、車載のバッテリが用いられている。電源１は発熱センサ素子であるホットワイヤ５に駆動電圧を印加して加熱させるとともに、定電流回路２を介してホットワイヤ５に電流を供給する。ホットワイヤ５に印加される駆動電圧は、電流制御手段であるＭＯＳ形電界効果形トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）３によってＯＮ・ＯＦＦされ、ホットワイヤ５に供給される電流のＯＮとＯＦＦの時間比（以下、Ｄｕｔｙ比）が制御されて、ホットワイヤ５の温度が流量を測定しようとするガス温度Ｔｇより所定の温度差ΔＴｈだけ高くなるように制御されている。

定電流回路２は、電源１からの電流をホットワイヤ５が加熱されない程度の微小の定電流にし、電圧逆流防止用ダイオード４を介してホットワイヤ５に供給する定電流手段を構成している。電圧逆流防止用ダイオード４は、ＭＯＳ−ＦＥＴ３がＯＮのときに電源１からの駆動電圧が定電流回路２に逆流しないためのものであり、これにより定電流回路２に逆流電流が流れるのを防止して定電流回路２の電気的破壊を防ぐことができる。

６は電流を検出するための電流検出用抵抗であり、ホットワイヤ５の下流側の電圧Ｖ２により電流検出用抵抗６を流れている電流を算出することができる。電流検出用抵抗６は、抵抗値精度が高く、温度変化によっても抵抗値の変化の少ない温度係数が小さい固定抵抗が用いられている。

差動増幅器７は、Ａ／Ｄコンバータ１８に入力される電圧を補正するためのものである。例えば、差動増幅器７へのオフッセット電圧値が５００ｍＶのときのＡ／Ｄコンバータ１８の取込み電圧が取込み可能上限値が５Ｖであり、取込み電圧Ｖ１が高くてＡ／Ｄコンバータ１８に取り込めない場合には、オフセット入力を１ＶにしてＡ／Ｄコンバータ１８に取り込み可能な電圧に補正することができる。したがって、ホットワイヤ５に高い駆動電圧を印加しても、差動増幅器７へのオフッセット電圧値を調整することにより、駆動電圧をＡ／Ｄコンバータ１８に取り込むことができるので、ホットワイヤ５の温度をより幅広くすることができ、ガス流量をより正確に、より微細に検出することができる。また、オフセット出力回路としてＤ／Ａコンバータを使用することにより、ホットワイヤ５の基準抵抗値ばらつきにより変わるオフッセット電圧値を任意に複数設定し、オフッセット電圧値を切替えすることができ、量産時には有用である。差動増幅器８は、Ａ／Ｄコンバータ１９に入力される電圧を補正するためのものである。

９は、ＭＯＳ−ＦＥＴ３のＯＮ・ＯＦＦを制御するとともに、ガス流量を算出する制御装置（ＣＰＵ）であり、非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１、加熱時ホットワイヤ温度検出手段１２、ガス温度演算手段１３、印加時間制御手段１４及びガス流量算出手段１５を有している。

非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１は、ホットワイヤ５に駆動電圧を印加しておらず、定電流回路２から微小の定電流がホットワイヤ５に流されているときのホットワイヤ５の温度を検出するものである。定電流回路２から流される定電流とホットワイヤ５によって降下する電圧とからホットワイヤ５の抵抗値を算出することができ、この抵抗値によってホットワイヤ５の温度を検知することができる。非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１には、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１とホットワイヤ５の温度との関係が示された非加熱時温度変換テーブルを備えている。非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１は、この非加熱時温度変換テーブルを用いてホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１に基づいてホットワイヤ５の温度を検出し、ガス温度演算手段１３、印加時間制御手段１４に出力する。

加熱時ホットワイヤ温度検出手段１２は、駆動電圧をホットワイヤ５に印加してホットワイヤ５を加熱しているときのホットワイヤ５の温度を検出するものであり、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１とホットワイヤ５の下流側の電圧Ｖ２とホットワイヤ５の温度との関係が示された加熱時温度変換テーブルを備えている。ホットワイヤ温度検出手段１２は、この加熱時温度変換テーブルを用いてホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１とホットワイヤ５の下流側の電圧Ｖ２とに基づいてホットワイヤ５の温度を検出し、ガス温度演算手段１３、印加時間制御手段１４に出力する。

ガス温度演算手段１３は、加熱時ホットワイヤ温度検出手段１２からのホットワイヤ温度と非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１からのホットワイヤ温度とから、すなわち、加熱したホットワイヤ５の温度から非加熱時のホットワイヤ５の温度への温度変化に基づいてガス温度を演算する。

ここで、ガス温度の求め方について詳述する。
ホットワイヤの温度変化は次の式（１）によって表わされる。

ここで、ｍ：ホットワイヤ質量、Ｃ_ｐ：ホットワイヤ比熱
Ｓ：ホットワイヤ表面積、ｈ：熱伝達率
Ｔ_ｈ：ホットワイヤ温度、Ｔ_ｇ：ガス温度
そして、式（１）をＴｇについて解くと、式（２）になる。

この式（２）を離散近似で表すと式（３）になる。

ここで、
Ｔ(V1)：ホットワイヤを加熱していないときの電圧Ｖ１から求まるホットワイヤ温度
Ｔ(V2)：ホットワイヤを加熱しているときの電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とから求まるホットワイヤ温度
Δｔ：Ｔ(V2)とＴ(V1)の時間間隔

また熱伝達率ｈはガス流量Ｑの関数として以下の式（４）のように表せる。

ここで、λ：ガスの熱伝導率、μ：ガスの粘性係数、Ｑ：ガス流量
Ｒｅ：レイノルズ数、Ｎｕ：ヌッセルト数、ｄ：ホットワイヤの直径、

そして、式（３）と式（４）により時間の異なる２つのホットワイヤ温度Ｔ(V2)、Ｔ(V1)、２つのホットワイヤ温度の時間間隔Δｔとその時のガス流量Ｑが解ればガス温度Ｔｇを求めることができる。

印加時間制御手段１４は、ホットワイヤ５の温度がガス温度Ｔｇより所定の温度差ΔＴｈだけ高い温度となるようにホットワイヤ５へ印加する駆動電圧の印加時間を制御している。印加時間制御手段１４には、ガス温度Ｔｇよりホットワイヤ５の温度を高くする温度差ΔＴｈが複数設定されている。例えば、ガス温度Ｔｇより１００℃高くする温度差ΔＴｈ_１、ガス温度Ｔｇより３００℃高くする温度差ΔＴｈ_２、ガス温度Ｔｇより５００℃高くする温度差ΔＴｈ_３が設定されている。そして、印加時間制御手段１４は、複数の設定された温度差から温度差ΔＴｈ_１が選択されて設定された場合には、ホットワイヤ５の温度Ｔｈがガス温度Ｔｇより温度差ΔＴｈ_１だけ高くするために必要な印加時間を、ＯＮとＯＦＦの時間比であるＤｕｔｙ比で演算しＰＷＭ信号１０としてＭＯＳ−ＦＥＴ３等に出力する。また、印加時間制御手段１４にはガス温度演算手段１３と加熱時ホットワイヤ温度検出手段１２からのホットワイヤ５の温度とが入力されており、ＰＩ制御によってフィードバック制御されている。

本実施形態では、ガス温度Ｔｇよりホットワイヤ５の温度Ｔｈを高くする温度差ΔＴｈが複数設定されており、例えば、ガス温度が常温（２０℃）である場合には、５００℃の温度差ΔＴｈ_３を選択することにより、ホットワイヤ５を高温（４００℃以上）に加熱することができるので、付着するオイル等を揮発させ、汚損物を付着させなくできる。また、ガス温度が６００℃である場合には、１００℃の温度差ΔＴｈ_１を選択することにより、ホットワイヤ５の温度が９８０℃以上となることがないので、ホットワイヤ５をコーティングしているガラス等が融解してしまうことがない。

ガス流量算出手段１５は、ホットワイヤ５に駆動電圧を印加する印加時間に基づいてガス流量を算出するものであり、ガス流量算出手段１５には、Ｄｕｔｙ比とガス流量との関係が示されたＤｕｔｙ−流量変換テーブルが備えられている。図４に示すように、ガス温度より高くする温度差ΔＴｈによりＤｕｔｙ比とガス流量との関係は異なるので、設定された温度差ΔＴｈ毎のＤｕｔｙ比−流量変換テーブルが備えられている。ガス流量算出手段１５は、設定した温度差ΔＴｈによってＤｕｔｙ−流量変換テーブルを選択し、選択したＤｕｔｙ比−流量変換テーブルを用いてＤｕｔｙ比に基づいてガス流量を算出する。
Ｄｕｔｙ−流量変換テーブルは、図５に示す３次元テーブルを用いることにより１つのＤｕｔｙ−流量変換テーブルでＤｕｔｙとΔＴｈからガス流量を算出することができ、ＣＰＵ９の付加を軽減できる。

一般に気体は温度により粘性度が変わり高温になると粘性度が高まりその流量は低下する。ガス流量算出手段１５で算出したガス流量を、物性補正テーブル１６で、ガス温度Ｔｇに基づいて補正して最終ガス流量１７を出力する。

図２は図１の熱式ガス質量流量計における制御装置（ＣＰＵ）９での処理手順例を示しており、これにより熱式ガス質量流量計による流量測定について説明する。電源１を入れると、ステップ１では、ホットワイヤ５をガス温度Ｔｇより高くする所定の温度差ΔＴｈ（初期値は温度差ΔＴｈを３００℃としている。）を設定する。ステップ２では、ホットワイヤ５の温度Ｔｈをガス温度Ｔｇより３００℃だけ高い温度（Ｔｇ＋３００℃）にするためのＤｕｔｙ比を演算し、ＰＷＭ信号１０としてＭＯＳ−ＦＥＴ３に出力し、ＭＯＳ−ＦＥＴ３がＤｕｔｙ比よって決まる時間だけＯＮされてホットワイヤ５に駆動電圧が印加される。ステップ３では、ＭＯＳ−ＦＥＴ３がＯＮされ、駆動電圧をホットワイヤ５に印加してホットワイヤ５を加熱しているときにおける、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１とホットワイヤ５の下流側の電圧Ｖ２とを測定する。このとき、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１を図３に示されるようにＰＷＭ信号１０がＯＦＦされる直前のタイミングで測定する。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ３がＯＦＦされ、定電流回路２から微少の定電流がホットワイヤ５に流されているときには、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１を測定する。このとき、ホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１は、図３に示されるようにＰＷＭ信号１０がＯＦＦされてΔｔ時間経過したタイミングで測定する。

ステップ４では、加熱時ホットワイヤ温度検出手段１２を用い、ステップ３で測定したホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１と下流側の電圧Ｖ２とに基づいて加熱時のホットワイヤ５の温度Ｔｈを検出し、また、非加熱時ホットワイヤ温度検出手段１１を用い、ステップ３で測定したホットワイヤ５の上流側の電圧Ｖ１に基づいて非加熱時のホットワイヤ５の温度Ｔｈを検出する。ステップ５で、ステップ４で検出した加熱時のホットワイヤ５の温度Ｔｈと非加熱時のホットワイヤ５の温度Ｔｈと１周期前のガス流量Ｑからガス温度Ｔｇを演算する。

ステップ６では、設定した所定温度差ΔＴｈ（３００℃）によってＤｕｔｙ−流量変換テーブルを選択し、選択したＤｕｔｙ比−流量変換テーブルを用いてＤｕｔｙ比に基づいてガス流量を算出する。ステップ７では、ステップ６で算出したガス流量を物性補正テーブル１６で温度補正して最終的なガス流量を算出する。

また、図６に示すようにホットワイヤ５以外の回路を全て１チップＬＳＩ２０で構成すると、熱式ガス質量流量計を小型で安価に製造することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明に係る熱式ガス質量流量計の一実施形態を示す概略構成図。本発明に係る熱式ガス質量流量計における制御装置（CPU）での処理手順例を示す図。ホットワイヤ温度算出に必要な電圧値を測定するタイミングを示す図。本発明に係る熱式ガス質量流量計において、ホットワイヤの温度とガス温度との温度差ΔＴｈ毎にＤｕｔｙ比とガス流量との関係が異なることを示す図。本発明に係る熱式ガス質量流量計において、ホットワイヤの温度とガス温度との温度差ΔＴｈ、Ｄｕｔｙ比、ガス流量との関係を３次元で示した流量テーブルを示す図。本発明に係る熱式ガス質量流量計における制御装置の他の実施形態を示し、制御装置を１チップＬＳＩで構成したブロック図。従来の熱式ガス質量流量計の構成例を示す図。

符号の説明

１…電源
２…定電流回路
３…ＭＯＳ−ＦＥＴ
４…逆流防止用ダイオード
５…ホットワイヤ
６…電流検出用抵抗
７…差動増幅器
８…差動増幅器
９…制御装置（ＣＰＵ）
１０…ＰＷＭ信号
１１…非加熱時ホットワイヤ温度検出手段
１２…加熱時ホットワイヤ温度検出手段
１３…ガス温度演算手段
１４…印加時間制御手段
１５…ガス流量算出手段
１６…物性補正テーブル
１７…最終流量出力
１８…Ａ／Ｄコンバータ
１９…Ａ／Ｄコンバータ
２０…１チップＬＳＩ

Claims

加熱した発熱センサ素子からの放熱量に基づいてガス流量を測定する熱式ガス質量流量計であって、
前記発熱センサ素子を加熱するための駆動電圧を発熱センサ素子に印加させる手段と、前記発熱センサ素子への駆動電圧をＯＮ・ＯＦＦする電流制御手段と、前記発熱センサ素子に流れる電流を検知するための電流検出用抵抗と、前記発熱センサ素子に駆動電圧が印加されていないときに、前記発熱センサ素子に微小の定電流を流す定電流手段と、前記電流制御手段のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記駆動電圧が印加されて発熱センサ素子が加熱されているときの発熱センサ素子の温度と前記発熱センサ素子に微小の定電流が流されているときの発熱センサ素子の温度とからガス温度を算出するとともに、前記発熱センサ素子の温度が、算出したガス温度より所定の温度差だけ高くなるように前記電流制御手段をＯＮ・ＯＦＦして駆動電圧の印加時間を制御し、該所定の温度差における該印加時間に基づいてガス流量を計測することを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１に記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置は、前記発熱センサ素子の温度をガス温度より所定の温度差だけ高くするための駆動電圧の印加時間とガス流量との関係が示された流量変換テーブルを有することを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項２に記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置は、
前記発熱センサ素子の温度をガス温度より高くする温度差が複数の設定温度に変更可能であり、前記駆動電圧の印加時間とガス流量との関係が示された前記流量変換テーブルを温度差毎に有することを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項３に記載の熱式ガス質量流量計において、前記流量変換テーブルは３次元テーブルであることを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱式ガス質量流量計において、前記定電流手段は、前記電流制御手段からの電流が該定電流手段に逆流するのを防止するダイオードを備えていることを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１乃至５のいずれかに記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置は、前記発熱センサ素子への駆動電圧の印加時間を、前記電流制御手段のＯＮとＯＦＦの時間比であるＤｕｔｙ比で制御し、前記流量変換テーブルは、前記Ｄｕｔｙ比とガス流量との関係が示されていることを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項６に記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置は、前記発熱センサ素子の加熱温度を電流制御手段のＤｕｔｙ比によって決まるパルス幅変調（Pulse Width Modulation）で制御することを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１に記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置は、Ａ／Ｄコンバータを有し、前記発熱センサ素子の両端の電圧が差動増幅器を介して前記Ａ／Ｄコンバータに入力され、該差動増幅器のオフセット電圧が変更可能であることを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１乃至８のいずれかに記載の熱式ガス質量流量計において、前記制御装置、前記電流制御手段、前記定電流手段及び前記電流検出用抵抗は１チップＬＳＩで構成されていることを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１乃至９のいずれかに記載の熱式ガス質量流量計において、前記温度検出手段は、前記電流制御手段がＯＦＦになる直前の前記発熱センサ素子の温度を検出することを特徴とする熱式ガス質量流量計。
請求項１乃至１０のいずれかに記載の熱式ガス質量流量計において、前記電流検出用抵抗は抵抗値精度が高く、温度係数が小さい固定抵抗であることを特徴とする熱式ガス質量流量計。