JPH0133763B2

JPH0133763B2 -

Info

Publication number: JPH0133763B2
Application number: JP55046478A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Egami; Hisashi Kawai; Tokio Kohama; Hideki Oohayashi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1980-04-09
Filing date: 1980-04-09
Publication date: 1989-07-14
Also published as: JPS56142414A; US4384484A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、気体流量測定装置に関し、例えば
エンジンの吸入空気流量を測定する装置に関す
る。

従来、エンジンの吸入導管に電熱ヒータを設け
ると共に、このヒータの前後に温度依存抵抗を設
け、これにより吸入空気（被測定気体）流量を検
出するようにした装置が提案されている。

この装置は、小型かつ簡潔な構造で重量流量を
測定し得るという利点があるが、電熱ヒータ及び
温度依存抵抗は共に同一の抵抗温度係数の抵抗線
で構成されていた為に吸入空気温の影響をキヤン
セルすることはできなかつた。

即ち、第１図図示の構成において、１０は抵抗
値R_H（Ω）の電熱ヒータ、１１は抵抗値R₁（Ω）
の第１温度依存抵抗、１２は抵抗値R₂（Ω）の第
２温度依存抵抗、２１及び２２は第１、第２温度
依存抵抗と共にブリツジ回路を成す抵抗値R₃、
R₄（Ω）の基準抵抗である。電熱ヒータ及び基準
抵抗は共に同一の抵抗温度係数αを有する抵抗線
で構成されており、吸入空気温度Ta（℃）の空気
が電熱ヒータ１０で加熱せられて温度上昇△Ｔ
（℃）が生じ、第１、第２の温度依存抵抗１１，
１２の温度は各々（Ta＋△Ｔ）、TaとなりR_H、
R₁、R₂は次式にて表わされる。

R_H＝R_OH（１＋α・Ta＋α・△T_H） ……(1) R₁＝R_O1（１＋α・Ta＋α・△Ｔ） ……(2) R₂＝R_O2（１＋α・Ta） ……(3) （但しR_OH、R_O1、R_O2は０℃の時のR_H、R₁、R₂の
値、△T_Hは電熱ヒータの吸気温Taよりの温度上
昇）ブリツジの対角点Ａ点及びＢ点の電位をそれぞ
れV₁、V₂とすると、ブリツジの出力電圧△Ｖ＝
V₁−V₂は次式で表わせる。

△Ｖ＝Ｖ・（R4／R3＋R4−R2／R1＋R2） ……(4) （但しＶはブリツジ及び電熱ヒータに印加する電
圧）式(1)〜(4)よりR₃＝R₄、R_O1＝R_O2とすると温度
差△Ｔは △Ｔ＝４（１＋α・Ta）・△Ｖ／α・（Ｖ−２・△Ｖ）
……(5) となる。一方吸入空気量Ｇ（ｇ／sec）と温度差△
Ｔと印加電圧Ｖの関係は、電熱ヒータから空気以
外への熱伝導を無視すると次式となる。

Ｇ・Cp・△Ｔ＝K₁・I²・R_H ……(6) （但しCpは空気の定圧比熱、K₁は定数、Ｉは電
熱ヒータに流れる電流）式(5)、(6)より△Ｔを消去して次式を得る。

Ｇ＝K₂・Ｖ−２・△Ｖ／（１＋α・Ta）・△Ｖ・I²・R_H……(7) 本装置の動作は△Ｖ≪Ｖでかつ△Ｖ＝一定に制
御するから式(7)は次式となる。

Ｇ＝K₃・RH²／（１＋α・Ta）・I³ ……(8) （但しK₃は定数）Ｇ＝K₃′・１／（１＋α・Ta）・RH・V³ ……(9) （但しK₃′は定数）しかして、吸入空気量は電熱ヒータを流れる電
流の３乗又は電熱ヒータに印加する電圧の３乗の
関数となるが、その係数には吸入空気温度Taの
項があり、高精度な吸入空気量の測定の場合には
吸入空気温の項を完全になくしていないため測定
誤差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、
被測定気体の温度の影響を実質上無くし、高精度
な気体流量測定装置を提供する事を目的とする。

以下この発明を図に示す実施例により説明す
る。第２図において、エンジン１は自動車駆動用
の火花点火式エンジンで燃焼用の空気をエアクリ
ーナ２、吸入導管３及び吸気弁４を経て吸入す
る。燃料は、吸入導管３に設置された電磁式燃料
噴射弁５から噴射供給される。

吸入導管３には運転者により任意に操作される
スロツトル弁６が設けられており、またエアクリ
ーナ２との連結部には空気流を整流する整流格子
７が設けられている。

吸入導管３において整流格子７とスロツトル弁
６の間には、導管３の軸方向とほぼ平行に小型の
流量測定管９が支柱８により設置されている。こ
の流量測定管９内には図では模式的に示すが、白
金ロジウム抵抗線からなる電熱ヒータ１０が設け
られており、この電熱ヒータ１０の下流側で近接
した位置に白金抵抗線からなる第１温度依存抵抗
１１が設けられており、さらに電熱ヒータ１０の
上流側でやや離れた位置に白金抵抗線からなる第
２温度依存抵抗１２が設けられている。

これらの電熱ヒータ１０及び第１、第２温度依
存抵抗１１，１２は何れも第３図に示すようにリ
ング形状のプリント板１０ａ，１１ａ，１２ａに
格子状に白金ロジウム抵抗線１０ｂ、白金抵抗線
１１ｂ，１２ｂを設けた構造であり、特に第１、
第２温度依存抵抗１１，１２は同一の抵抗温度特
性を有する白金抵抗線を用いている。また、電熱
ヒータ１０と第１温度依存抵抗１１は、正面（あ
るいは背面）から見た場合第４図に示すように互
いの抵抗線が交差するよう配置されており、これ
により流量測定管９内の微小な熱分布の影響を第
１温度依存抵抗１１が受けないようになつてい
る。

電熱ヒータ１０及び第１、第２温度依存抵抗１
１，１２は、何れも測定回路１５に接続されてお
り、測定回路１５はこれらの出力信号を用いて吸
入空気の流量を測定し、流量に応じた電気信号を
出力する。

この測定回路１５は、第４図に示すように基準
抵抗回路１６、及び電圧制御回路１７から構成さ
れており、このうち基準抵抗回路１６は、第１、
第２温度依存抵抗１１，１２と共にブリツジＢを
構成する。また、電圧制御回路１７は、ブリツジ
の対角点ａ，ｂの電圧に応じてブリツジＢ及び電
熱ヒータ１０に印加する電圧を制御する。

燃料制御ユニツト１８は、測定回路１５の信号
に応じて電磁式燃料噴射弁５の開弁時間を制御す
るもので、この他にエンジン１の回転速度を検出
する回転速度センサ２０などの検出信号が入力さ
れている。この回転速度センサ２０は、例えば点
火パルス信号を発生する点火回路を利用すればよ
い。

次に第６図により測定回路１５の回路１６及び
１７について説明する。基準抵抗回路１６は、互
いに直列接続され、第１、第２温度依存抵抗１
１，１２と共にブリツジＢを構成する基準抵抗２
１及び２２から構成されている。

電圧制御回路１７は、概略的には第１差動増幅
回路７ａ、第２差動増幅回路７ｂ、電力増幅回路
７ｃ及び出力抵抗７ｄから構成されている。この
うち、第１差動増幅回路７ａは、入力抵抗３１，
３２、接地抵抗３３、負帰還抵抗３４及び演算増
幅器（以下OPアンプという）３５から構成され
ており、ブリツジＢの対角点ａ，ｂの電圧を差動
増幅してｃ端子から出力する。

第２差動増幅回路７ｂは、入力抵抗３６，３
７、コンデンサ３８、基準電圧源３９及びOPア
ンプ４０から構成されており、ｃ端子の出力電圧
と基準電圧源３９の一定基準電圧Vrefとを差動
増幅してｄ端子から出力する。なお、コンデンサ
３８は、本装置の発振防止用に設けてある。

電力増幅回路７ｃは、抵抗４１及びパワートラ
ンジスタ４２から構成されており、パワートラン
ジスタ４２はバツテリ４３から電力が供給されて
いて第２増幅回路７ｂの出力電圧を電力増幅し、
その出力をブリツジＢ及び電熱ヒータ１０に付与
する。

出力抵抗７ｄは、吸入空気の流量に関係した電
圧を出力するためのもので、電熱ヒータ１０に直
列接続されている。

上記構成において作動を説明する。スロツトル
弁６の開度により決定されるある量の空気は、エ
アクリーナ２から吸入導管３を通りエンジン１に
吸入される。この総吸入空気のうちある一定割合
の空気が流量測定管９内を通過してエンジン１に
吸入される。

そして、流量測定管９内において電熱ヒータ１
０の上流側にある第２温度依存抵抗１２は吸入空
気の温度のみの影響を受け、他方電熱ヒータ１０
の下流側にある第１温度依存抵抗１１は吸入空気
の温度と電熱ヒータ１０の発熱量、つまり電熱ヒ
ータ１０により加熱された空気の温度の影響を受
ける。

この結果両温度依存抵抗１１，１２間には電熱
ヒータ１０に供給した電力量Ｐ（ｗ）と吸入空気
流量Ｇ（ｇ／sec）に関係した温度差△Ｔが生じ
る。ここで、Ｐ、Ｇ、△Ｔには次式のような関係
がある。

K₄・△Ｔ＝Ｐ／Ｇ ……(10) （ただし、K₄は定数）しかして、両温度依存抵抗１１，１２は、それ
ぞれ空気の温度に応じて電気抵抗値が変化するた
め、ブリツジＢのａ点とｂ点の間には(11)式で示す
ように温度差△Ｔとブリツヅに印加される電圧Ｖ
とで決定される電位差△Ｖが生じる。

△Ｖ＝α／４（１＋α・Ta）・△Ｔ・Ｖ……(11) （但しTaは吸入空気温度、αは白金の抵抗温度
係数）したがつて、(10)式及び(11)式から次式のような関
係式が得られる。

K₅・（１＋αTa）・△Ｖ／Ｖ＝Ｐ／Ｇ ……(12) （但しK₅は定数）したがつて、電熱ヒータ１０の供給電力Ｐとブ
リツジ印加電圧Ｖを制御して△Ｖを一定値にすれ
ば、吸入空気流量Ｇ、供給電力Ｐ、ブリツジ印加
電圧Ｖの関係は次式に示すようなものとなる。

Ｇ＝K₆・Ｐ・Ｖ ……（13）（但しK₆は定数）ここで、出力抵抗７ｄの抵抗値を電熱ヒータ１
０の抵抗値に比べて小さな値とし、電熱ヒータ１
０の抵抗温度係数をα_H、流れる電流をＩ、電熱ヒ
ータ１０の平均温度をT_HとすればＰ＝R_OH（１＋α_H）・I² ……（14）Ｖ＝R_OH（１＋α_H・T_H）・Ｉ ……（15）この（14）式及び（15）式により(12)式は次式の
ように表される。

Ｇ＝K₇・（１＋αHTH）²／（１＋αTa）・I³……（16）（K₇は定数）Ｇ＝K₇・１／（１＋αTa）（１＋αHTH）・V³ ……（17）しかして、吸入空気流量Ｇは、電流Ｉ（又は電
圧Ｖ）の３乗の関数となる。ここで（16）式、
（17）式は係数に吸入空気温度Taが含まれている
為共に吸入空気温度の影響を受けるのであるが、
電熱ヒータ１０の熱がすべて空気に伝達したとし
てヒータ温度T_HをT_H＝Taとすると（16）式はＧ≒K₈・（１＋2αHTa）／（１＋αTa）・I³……（18）（但しK₈は定数）となる。従つてα_H＝１／２αに設定すると、（17）式からＧ≒K₈・I³ ……（19）となつて、吸入空気温度Taをキヤンセルするこ
とができる。

なお、上記説明では電熱ヒータ１０の抵抗温度
係数α_Hを第１、第２温度依存抵抗１１，１２の抵
抗温度係数αの1/2にすることにより、吸入空気
流量Ｇの式から吸入空気温度Taの項を消去する
ことができたが、実験的にはα_Hがαよりも小さい
値（極端に小さい値は除く）であれば流量Ｇに対
する吸入空気温度の影響は実際上問題にならない
程度に小さく押えることができる。

そして、電圧制御回路１７は電熱ヒータ１０の
発熱量を制御して△Ｖを一定値に制御する。つま
り、吸入空気流量が増大すると、電熱ヒータ１０
により加熱される空気の温度上昇が減少し、第
１、第２温度依存抵抗１１，１２間の温度差△Ｔ
は小さくなり、ブリツジのａ−ｂ間の電位差△Ｖ
も小さくなる。

このため第１差動増幅回路７ａの出力電圧V₁
は小さくなり、（Vref−V₁）に応じた電圧を発生
する第２差動増幅回路７ｂの出力電圧V₂は大き
くなる。これにより電力増幅回路７ｃは電熱ヒー
タ１０への供給電流を増加させ、電熱ヒータ１０
の発熱量を増大させる。

したがつて、第１、第２温度依存抵抗１１，１
２間の温度差△Ｔが増大してブリツジのａ−ｂ間
電位差△Ｖが大きくなり、電位差△Ｖが基準電圧
Vrefと等しくなつた状態で、システム全体とし
ては平衡状態で、ブリツジとしては不平衡状態で
安定になる。

また吸入空気流量が減少すると、電熱ヒータ１
０により加熱される空気の温度上昇が増加し、第
１、第２温度依存抵抗１１，１２間の温度差△Ｔ
が増大して電位差△Ｖが大きくなる。

このため、第１差動増幅回路７ａの出力電圧
V¹は大きくなり、第２差動増幅回路７ｂの出力
電圧V₂は小さくなり、これにより電力増幅回路
７ｃは電熱ヒータ１０への供給電流を減少させ、
電熱ヒータ１０の発熱量を減少させる。

したがつて、温度差△Ｔが減少して電位差△Ｖ
が小さくなり、電位差△Ｖが基準電圧Vrefと等
しくなつた状態でシステム、ブリツジ共に安定と
なる。

こうして、ブリツジのａ−ｂ間電位差△Ｖは、
吸入空気流量によらず常に一定値Vrefに保持さ
れ、（19）式が成立して吸入空気流量Ｇは吸入空
気温度Taの影響を無くして電熱ヒータ１０を流
れる電流Ｉの３乗の関数で表される。

この電流Ｉは、出力抵抗７ｄをも流れるため、
電流Ｉと出力抵抗７ｄの端子電圧V_Oとは比例し、
この電圧V_Oの３乗は吸入空気流量Ｇに比例する。

そして、この電圧V_Oは吸入空気流量Ｇを示す
信号として燃料制御ユニツト１８に入力され、燃
料制御ユニツト１８はこの信号、回転速度センサ
２０などの出力信号に基いて燃料噴射弁５を開弁
させる噴射パルス信号を出力する。これによりエ
ンジン１には正確な空燃比Ａ／Ｆの空気と燃料が
供給されエンジン１の排気ガス浄化性、出力、燃
費などが向上する。

なお、本実施例においては電熱ヒータ１０及び
第１、第２温度依存抵抗１１，１２は抵抗線で構
成した例を示したが、フイルム抵抗や他のプロセ
スによる抵抗体であつてもよく、その抵抗温度係
数を利用する場合にはすべて適用できる。さらに
本実施例では燃料噴射式エンジンに適用した例を
示したが、気化器エンジンにおいても吸入空気量
により排気ガス再循環量、点火時期進角量などを
制御する場合にも適用できる。また、エンジンの
みに限らず他の燃焼機構において気体流量を測定
する場合にも適用し得る。

またエンジンのみに限らず他の工業計測分野に
おける気体流量の測定にも適用し得る。

また、測定回路１５にアナログ直線化回路ある
いはROM（リードオンリイメモリイ）などを用
いて吸入空気流量にリニアな出力信号を発生させ
るように構成することも可能である。

以上述べたようにこの発明によれば、被測定気
体が流れる流量測定管と、この流量測定管内に設
けられた温度依存抵抗からなる電熱ヒータと、流
量測定管内でこの電熱ヒータの下流側に設けられ
た第１温度依存抵抗と流量測定管内で電熱ヒータ
からの熱的影響を受けない位置に設けられた第２
温度依存抵抗と、前記第１、第２温度依存抵抗と
共にブリツジを形成する基準抵抗と、前記ブリツ
ジ及び電熱ヒータに電圧を印加して流量を測定す
る測定回路とを備え、電熱ヒータの抵抗温度係数
を第１、第２温度依存抵抗の抵抗温度係数の約1/
２程度としたことから、被測定気体の温度の影響
を実質上無くせるようになり、従つて被測定気体
の温度に関係なく、高精度に流量を重量流量で測
定できるというすぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の気体流量測定装置原理説明図、
第２図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第
３図及び第４図は第２図図示の電熱ヒータ、第
１、第２温度依存抵抗の設置構造を示す斜視図及
び正面図、第５図は第２図図示の測定回路を示す
ブロツク図、第６図は第５図図示の測定回路を示
す電気回路図である。９……流量測定管、１０……電熱ヒータ、１１
……第１温度依存抵抗、１２……第２温度依存抵
抗、１５……測定回路、２１，２２……基準抵
抗、Ｂ……ブリツジ。

Claims

【特許請求の範囲】

１被測定気体が流れる流量測定管と、この流量
測定管内に設けられた温度依存抵抗からなる電熱
ヒータと、前記流量測定管内でこの電熱ヒータの
下流側に設けられた第１温度依存抵抗と、前記流
量測定管内で前記電熱ヒータからの熱的影響を受
け難い位置に設けられた第２温度依存抵抗と、前
記第１、第２温度依存抵抗と共にブリツジを形成
する基準抵抗と、前記ブリツジ及び電熱ヒータに
電圧を印加して流量を測定する測定回路とを備
え、前記電熱ヒータの抵抗温度係数を前記第１、
第２温度依存抵抗の抵抗温度係数の約1/2程度と
したことを特徴とする気体流量測定装置。