JPH05172835A - 熱式流れ方向判別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発熱抵抗体相互間の放散熱量の影響や乱流によ
る流量測定誤差がなく、流体の通路に設けた流量計など
と併用するに好適な熱式流れ方向判別装置を提供する。 【構成】筐体７内に両端開口５、６、流体の流れ方向に
直角の流路４ａ、流体の流れ方向に平行の流路４ｂから
なる円形断面のＳ字状に成形したバイパス体４を設け、
流路４ａに配設した２個の発熱抵抗体は、流路４ａと直
交する平面上にあり、かつ流路４ａの中心軸心に関して
互いに対称の内壁４ｃ近傍位置に１個ずつ配置した熱式
流れ方向判別装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は流体の流量を測定する
熱式流れ方向判別装置に係り、特に流体の同一流路に配
置して流体の流れの方向を判別する熱式流れ方向判別装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱式流れ方向判別装置としては、
例えば特開昭６２−７３１２４号公報に開示されたもの
があり、これは空気流路中の上流側と下流側に発熱抵抗
体を対向して配置し、それぞれの発熱抵抗体の発熱量の
差を電気的に計測して空気の流れ方向を判別するもので
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の熱式流れ方向判別装置にあっては、２つの発
熱抵抗体が流体流路の上流側と下流側に対向し、かつ２
つの発熱抵抗体の配置位置が近接する構成となっている
ため、一方の発熱抵抗体により発生する乱流が他方の発
熱抵抗体に与える影響及び発熱抵抗体からの放散熱量の
影響により流れ方向の判別や流量測定値に誤差を生じや
すいという問題点があった。本発明は、このような従来
技術の問題点に着目してなされたもので、流量測定誤差
がなく、例えば流体の通路に設けた流量計などと併用す
るに好適な、発熱抵抗体を利用してなる熱式流れ方向判
別装置を提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段は特許請求の範囲に記載されている。すなわ
ち、本発明の目的は、温度変化による電気抵抗の変化を
利用する発熱抵抗体を流体の流路内に設けてなる熱式流
れ方向判別装置において、前記流体の流路に沿って設け
た筐体と、該筐体内に設けられ、両端が開口し、前記流
体の流れ方向に直角の流路部分と流体の流れ方向に平行
の流路部分とからなる円形断面のＳ字状流路を有するバ
イパス体と、該バイパス体内の前記流れ方向に直角の流
路に配設した２個の発熱抵抗体とを備え、前記２個の発
熱抵抗体は、前記流れ方向に直角の流路と直交する平面
上にあり、かつ前記流れ方向に直角の流路の中心軸に関
して互いに対称のバイパス体内壁近傍位置に、１個ずつ
配置されていることを特徴とする熱式流れ方向判別装置
によって達成される。

【０００５】

【作用】上記の構成により、バイパス体の曲管部の外側
近傍に配置された発熱抵抗体による測定流速は内側近傍
に配置された発熱抵抗体による測定流速よりも大きく、
流体の流れが逆方向に変換したときは、上記２個の発熱
抵抗体はそれぞれ内側と外側とが逆転する。したがっ
て、２個の発熱抵抗体の流速を比較することにより筐体
内に流入する流体の流れの方向を判別することができ、
しかも一方の発熱抵抗体による流れの乱れや放散熱量の
影響が他方の発熱抵抗体に及ぶことがない。

【０００６】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。

【０００７】〔第１実施例〕図１（ａ）は本発明の一実
施例である流れ方向判別装置の縦断面図、図１（ｂ）は
図１（ａ）の矢印Ａ方向から見た流れ方向判別装置の正
面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面
図、図２（ａ）は、図２（ｂ）に示す流体の流れが転換
した曲管部の位置と、前記位置に対する流速分布を示す
図である。図３は発熱抵抗体からの信号を流速対応信号
に変換する回路図である。

【０００８】まず本実施例の流れ方向判別装置８の構成
を説明すると、１はセラミックボビンに白金線を巻回し
その上にガラス材をコーティングしてなる円筒形の第１
の発熱抵抗体、２は１と同一形状、同一特性を有する第
２の発熱抵抗体、３は発熱抵抗体１、２からの信号を受
け、第１の発熱抵抗体１、第２の発熱抵抗体２のそれぞ
れの位置における流速を求めて流れの方向を判別し、こ
れに対応する信号を出力する方向判別回路部、４は内部
に発熱抵抗体１、２を有するバイパス体、４ａはバイパ
ス体４の流体の流れ方向に直角の流路、４ｂは同流体の
流れ方向に平行の流路、４ｃはバイパス体の内壁、５、
６はバイパス体４の開口で５は空気入口、６は空気出口
となっており、７は筐体、７ａは主空気通路であって、
矢印Ａ方向は主空気通路７ａ内を流れる空気流の順流方
向、矢印Ｂ方向は空気流の逆流方向を示す。

【０００９】方向判別回路部３は、図３に示す回路図に
基づいて発熱抵抗体１、２からの信号を流速対応信号に
変換する。図３において、１１は発熱抵抗体１または２
とともにブリッジを構成する固定抵抗であり、１２はブ
リッジの中点の電位を比較しこの電位差に比例した電圧
を出力する差動増幅器、１３は増幅器１２からの電圧を
受けてブリッジに流す電流を制御するトランジスタであ
る。

【００１０】図４は本発明を用いた流量測定システムを
示す図、図５は図４の流量測定システムによって平均実
流量を求めるためのフロー図である。図４において、１
４はベンド式流量計、１５、１６は曲管の内側と外側の
圧力差を取り出す差圧取り出し口、１７は差圧取り出し
口１５、１６における圧力差を測定し、その差圧に応じ
た出力を出す差圧伝送器、１８は方向判別部３と差圧伝
送器１７からの信号を受けて平均実流量を演算する流量
演算器である。図５において、１９は発熱抵抗体１、２
により測定した流速ｖ₁とｖ₂を比較する比較ステップ、
２０は差圧伝送器１７からの信号より瞬時流量を演算し
て求める瞬時流量演算ステップ、２１は瞬時流量演算ス
ッテップ２０によって求めた瞬時流量を加算する流量加
算ステップ、２２は流量加算部２１で求めた加算流量か
ら平均流量を求める平均流量演算ステップを示す。

【００１１】次に実施例の作用を説明する。まず熱線式
流速計の検出原理について説明する。図３において、ブ
リッジの平衡条件より発熱抵抗体１または２の抵抗値Ｒ
_Hは以下の式で与えられる。

【００１２】

【数１】

【００１３】抵抗値がＲ_Hとなるように増幅器１２、ト
ランジスタ１３でブリッジの電流を制御し、発熱抵抗体
１または２の温度を一定値に保つ。空気の流れによっ
て、発熱抵抗体１または２から熱が奪われると、ブリッ
ジの平衡条件がくずれる。そこでブリッジの平衡を維持
するために増幅器１２、トランジスタ１３によって電流
を変化させるが、その時の電流値をＩをすると発熱抵抗
体１または２の発熱量Ｈは Ｈ＝Ｉ²Ｒ_H＝Ｖ²／Ｒ_H 一方、空気の流れによって発熱抵抗体１または２から奪
われる熱量Ｐは、発熱抵抗体１または２の形状が円筒形
のとき以下の式で与えられる。

【００１４】

【数２】

【００１５】ここで Ｔw：発熱抵抗体の温度 Ｔa：流体温度 Ａ、Ｂ：発熱抵抗体および流体の性質に依存する定数 ｖ：流速 定常的な流れの場合には、Ｈ＝Ｐすなわち発熱量Ｈと奪
われる熱量Ｐが等しくなるから次の関係が成立する。

【００１６】

【数３】

【００１７】すなわち、電位Ｖを測定することにより流
速ｖを求めることができる。

【００１８】次に流れの方向判別原理について述べる。
発熱抵抗体１、２はバイパス体４に垂直な平面上に、バ
イパス体４の軸心に関して対称なバイパス体４の壁面近
くに配置されている。対称中心から発熱抵抗体１、２ま
での距離ｄとバイパス体４の半径Ｄとの比はｄ／Ｄ≧
０．７に設定することが好ましい。また発熱抵抗体１、
２を中間位置として上流側と下流側にほぼ等長の中管部
流路４ａが設けられており、流路４ａの両端は互いに逆
向きに設けた曲管部を介してそれぞれ等長で空気の流れ
方向と平行な直管部流路４ｂが設けられ、入口５および
出口６は筐体７の主空気通路７ａに沿って開口してい
る。

【００１９】ところで、流入した流体−本実施例の空気
の流れは、曲管部分で方向転換すると共に管の内側と外
側では流速が変化し、曲管部の内側近傍よりも外側近傍
の流速の方が速くなる。図２は（ａ）はこのような管の
断面位置における流速分布を示す特性図であって、横軸
に管の軸心点に対する測定点の流速比、縦軸に管壁から
の測定点までの距離の比（ｙ／Ｄ）をとり、測定点の流
速分布をプロットした特性図である。同図に示すように
管の軸心点に対して流速比は内側から外側へ約０．４〜
１．１の範囲に分布している。

【００２０】そこで図１の実施例図において、まず矢印
Ａ方向の順流が発生したとき、バイパス体４の曲管部の
外側近傍に配置された発熱抵抗体１により測定した流速
ｖ₁と、内側近傍に配置された発熱抵抗体２により測定
された流速ｖ₂を比較するとｖ₁＞ｖ₂となり、矢印Ｂ方
向の逆流が発生したときは、逆に発熱抵抗体１が曲がり
の内側近傍に、発熱抵抗体２が外側近傍に変わるため、
流速ｖ₁とｖ₂を比較するとｖ₁＜ｖ₂となる。このよう
に、流速ｖ₁とｖ₂との比較により流体の流れの方向を判
別することができる。

【００２１】また、発熱抵抗体１、２の配設位置をｄ／
Ｄ≧０．７と設定すると、図２に示すように、測定点は
少なくともｄの範囲より管壁側にあることになるるか
ら、管の軸心点に対する流速比は、内側では少なくとも
Ｍ≒０．５〜０．７、外側では少なくともＮ≒１．１の
値となるから、測定誤差が±５％程度あったとしても内
側（Ｍ）と外側（Ｎ）の判別、すなわち、流れの方向判
別を誤ることはない。

【００２２】ベンド式流量計は、曲管部分を流れる流体
に働く遠心力を利用し、曲管部の外側と内側との圧力差
から流量を求めるものであって流量Ｑは次の式で示され
る。

【００２３】

【数４】

【００２４】Ｃ：流量係数 Ｂ：ベンド係数 ΔＰ：差圧 このような方式の流量計においては流れの方向判別は不
可能であるから、矢印Ｂ方向の逆流が流路内に発生して
も逆流方向の流量を測定することができず、実際の流量
とは異なった値を測定してしまう。本発明はこのような
流れの方向判別のできない流量計と組み合わせて用いる
ことにより、正確な実流量を測定することができる点に
特徴を有するものである。

【００２５】次に平均実流量の求め方について説明す
る。差圧伝送器１７で求められたΔＰに対応する信号を
受けて、流量演算器１８内に設けた図示しない瞬時流量
演算部によるステップ２０で瞬時流量Ｑを演算で求め
る。一方、方向判別回路部３内では発熱抵抗体１、２か
らの信号より求めた流速ｖ₁、ｖ₂を図示しない比較部に
よるステップ１９で比較し、矢印Ａ方向の順流の場合に
はｋ＝１、矢印Ｂ方向の逆流の場合にはｋ＝−１という
信号を流量演算器１８へ送る。流量演算器１８内では方
向判別回路３からの信号ｋと瞬時流量演算部２０からの
信号Ｑを計測し実瞬間流量Ｑ′をＱ′＝Ｑ・ｋにより求
める。これにより、 矢印Ａ方向の順流のときはＱ′＞０ 矢印Ｂ方向の逆流のときはＱ′＜０となり実瞬時流量が
求められ、加算ステップ２１によって、それまでの累積
加算流量Ｑｎに実瞬時流量Ｑ′が加算される。上記加算
ループを所定回数ｍ回繰り返し、平均流量演算ステップ
２２で時間平均流量を求め信号として出力する。このよ
うにして逆流分を差し引いた平均実流量を求めることが
できる。

【００２６】また上記実施例の流れ方向判別装置８は、
ベンド式流量計以外にもオリフィス流量計やベンチュリ
流量計などのような、流れ方向の判別不能な流量計と組
み合わせて平均実流量を求めることができる。上記実施
例では２つの発熱抵抗体を同一形状、同一特性としたた
めに流速を測定する回路の構成が全く同じとなり、信号
処理並びに製造工程も簡単となり製造原価を低減するこ
とが可能である。

【００２７】〔第２実施例〕図６（ａ）は本発明の流れ
方向判別装置を付設した空気流量計の一実施例の縦断面
図、図６（ｂ）は図６（ａ）の矢印Ａ方向から正面図、
図７はバイパス体４の入口付近の拡大図、図８は本発明
を用いた内燃機関の燃料噴射制御システムを示す図、図
９は図８の内燃機関の燃料噴射制御システムから平均実
流量を求めるためのフローチャートである。図６、図７
において、３０は空気流量計、１、２は第１の発熱抵抗
体及び第２の発熱抵抗体、４は内部に発熱抵抗体１、２
を配置するバイパス体、４ａはバイパス体の流体の流れ
方向に直角の流路、４ｂは同流体の流れ方向に平行の流
路、４ｃはバイパス体の内壁、５、６はバイパス体４の
開口で、５は空気入口、６は空気出口となっており、７
は筐体、７ａは主空気通路であって、矢印Ａ方向は主空
気通路７ａ内を流れる空気流の順流方向、矢印Ｂ方向は
空気流の逆流方向を示す。２３は入口５に配置された整
流用のハニカム、２４は出口６に配置された整流用ハニ
カム、２５は流体の流れの方向を判別し実流量を求める
実流量演算回路部、２６は温度に依存して抵抗値の変化
する温度補償抵抗、２７は白金細線からなる熱線、２８
は熱線２７を支持する支持ピン、２９は熱線と電気的に
接続されたＮiからなるリード線である。

【００２８】また、図８において、３１はエアクリー
ナ、３２は吸気管、３３はエンジン、３４は吸気管内に
配置され吸入空気量を調節するスロットルバルブ、３５
は水温センサ、３６はクランク角センサ、３７は排気ガ
ス中の酸素濃度を測定するＯ₂センサ、３８は制御装置
であって、空気流量計３０、スロットルバルブ３４、水
温センサ３５、クランク角センサ３６、Ｏ₂センサ３７
からの信号を受けて燃料噴射量を決定する。３９は制御
装置３８からの信号を受けて燃料を噴射するインジェク
ション、Ｅは吸入空気、Ｆは排気ガスの流れを示す。

【００２９】図９において、４２は熱線２７から求めた
流速ｖから瞬時流量を求める瞬時流量演算ステップ、４
３は前回までの流量に瞬時流量を加算する流量加算ステ
ップ、４４は平均流量を求める平均流量演算ステップで
ある。

【００３０】次に本実施例の作用を説明する。流れの方
向判別の原理は前の実施例で説明した通りであるから省
略する。本実施例においてはバイパス体４の入口５と出
口６に設けたハニカム２３と２４により、吸気管３２の
構造による不安定な空気流の影響がバイパス体４内に及
ばないようになり、正確に方向判別を行うのに有効であ
る。平均流量の求め方について説明すると、まず熱線２
７は空気通路７断面全体にわたるように張設されている
ので、断面の平均流速ｖ_mに近い値を測定できる。熱線
２７からの流速ｖを求めるには、熱線２７の抵抗値を図
３に示したブリッジ回路図中のＲ_Hとして測定し変換さ
れることはいうまでもない。熱線２７で測定した平均流
速ｖ_mから瞬時流量演算ステップ４２でＱ＝Ｓｖ_mｅによ
り瞬時流量Ｑを求める。ここでＳは通路７の断面積、ｅ
は空気の密度で、瞬時流量Ｑに対し、順流時にはｋ＝
１、逆流時にはｋ＝−１を乗じ、実瞬時流量Ｑ′＝Ｑ・
ｋを求める。次の加算ステップ４３で前回までに加算さ
れた流量ＱnにＱ′を加える。この手順をＦ＝１となる
まで繰り返す。但しＦは、クランク角センサ３６で測定
した角度θと基準角度θ₀を比較してθ＝θ₀の時はＦ＝
Ｌ、θ≠θ₀の時はＦ＝０となるように設定されてお
り、平均流量演算ステップ４４で平均流量を求め、それ
に対応した信号を出力する。

【００３１】したがってこのような構成とすることによ
り、逆流分を差し引いた平均実流量を求めることができ
る。上記の通り、第２実施例では整流格子を設けたこと
により、不安定な流れが発生しやすい状況でも安定した
流れをバイパスに導入できるので確実に方向判別ができ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、２個の発熱抵抗体を流
体の流れに対し直角方向の平面内に配置すると共に、２
個の発熱抵抗体の上流側と下流側に流体の流れに対して
互いに正逆の異なる方向の曲管部を有するＳ字型のバイ
パス体を筐体内に配設する構造としたことにより、バイ
パス体の曲管部の外側近傍に配置された発熱抵抗体によ
る測定流速は内側近傍に配置された発熱抵抗体による測
定流速よりも大きく、流体の流れが逆方向に変換したと
きは、上記２個の発熱抵抗体はそれぞれ内側と外側とが
逆転する。したがって、２個の発熱抵抗体の流速を比較
することにより筐体内に流入する流体の流れの方向を判
別することができ、しかも一方の発熱抵抗体による流れ
の乱れや放散熱量の影響が他方の発熱抵抗体に及ぶこと
がなく、測定精度の優れた流体の熱式流れ方向判別装置
を提供することができ、流れ方向の判別不能な流量計と
組み合わせることにより、流体の平均実流量を確定する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の流れ方向判別装置の縦
断面図（ａ）、（ａ）における矢印Ａ方向から見た流れ
方向判別装置の正面図（ｂ）、（ａ）におけるＢ−Ｂ矢
視断面図（ｃ）である。

【図２】 第１実施例における曲管部により流体の流れ
方向が変換した位置での流速分布を示す図である。

【図３】第１実施例の発熱抵抗体からの信号を流速対応
信号に変換する回路図である。

【図４】 図４は本発明を用いた流量測定システムを示
す図である。

【図５】 図４の流量測定システムから平均実流量を求
めるためのフロー図である。

【図６】 本発明の第２実施例の流れ方向判別装置付空
気流量計の縦断面図（ａ）、（ａ）における矢印Ａ方向
から見た流れ方向判別装置付空気流量計の正面図（ｂ）
である。

【図７】 第２実施例のバイパス体の入口付近の拡大図
である。

【図８】 第２実施例の内燃機関の燃料噴射制御システ
ムを示す図である。

【図９】 第２実施例の内燃機関の燃料噴射制御システ
ムから平均実流量を求めるためのフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１…第１の発熱抵抗体 ２…第２の発熱抵抗体 ３…方向判別回路部 ４…バイパス体 ４ａ、４ｂ…流路 ４ｃ…内壁 ５、６…開口 ７…筐体 ８…流れ方向判別装置 １１…固定抵抗 １２…差動増幅器 １３…トランジスタ １４…流量計 １５、１６…差圧取出口 １７…差圧伝送器 １８…流量演算器 １９…比較ステップ ２０…瞬時流量演算ス
テップ ２１…流量加算ステップ ２２…平均流量演算ス
テップ ２３、２４…ハニカム ２５…実流量演算回路
部 ２６…温度補償抵抗 ２７…熱線 ２８…支持ピン ２９…リード線 ３０…空気流量計 ３１…エアクリーナ ３２…吸気管 ３３…エンジン ３４…スロットルバルブ ３５…水温センサ ３６…クランク角センサ ３７…Ｏ₂センサ ３８…制御装置 ３９…インジェクショ
ン ４２…瞬時流量演算ステップ ４３…流量加算ステッ
プ ４４…平均流量演算ステップ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度変化による電気抵抗の変化を利用する
   発熱抵抗体を流体の流路内に設けてなる熱式流れ方向判
   別装置において、 前記流体の流路に沿って設けた筐体と、 該筐体内に設けられ、両端が開口し、前記流体の流れ方
   向に直角の流路部分と流体の流れ方向に平行の流路部分
   とからなる円形断面のＳ字状流路を有するバイパス体
   と、 該バイパス体内の前記流れ方向に直角の流路に配設した
   ２個の発熱抵抗体とを備え、 前記２個の発熱抵抗体は、前記流れ方向に直角の流路と
   直交する平面上にありかつ、前記流れ方向に直角の流路
   の中心軸に関して互いに対称のバイパス体内壁近傍位置
   に、１個ずつ配置されていることを特徴とする熱式流れ
   方向判別装置。