JPH09145439A

JPH09145439A - 熱式流量計

Info

Publication number: JPH09145439A
Application number: JP7331048A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Mizoguchi; 和貴溝口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】流路内の流れを調整し、正確な測定ができる
熱式流量計とする。【解決手段】素子ユニット１１は、円筒体１２の略中
央部に挿入し円筒体１２を横切る形で固設される。素子
ユニット１１には、第１の抵抗線２および第２の抵抗線
３が円筒体１２の軸方向に並んで張装されている。円筒
体１２の素子ユニット１１の前後となる位置に、スリッ
ト１７が計４箇所設けられている。素子ユニット１１
は、円筒体１２とハウジング１３が同軸位置にくるよう
にハウジング１３に固定される。素子ユニットの上流側
にハニカム１５が配置される。第１の抵抗線と第２の抵
抗線が流量検出回路１４に接続される。これにより脈動
流時の不安定な流れは、円筒体内を流れる間に整えられ
るとともに、スリットからの流入、流出により円筒体内
を流れる流量が増大される。その結果、抵抗線を一定温
度に発熱させたときに抵抗線の発熱量変化から流量の検
出が正確に行なわれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、とくに自動車に用
いられ、エンジンに吸入される空気流量を計測する熱式
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車に用いられた熱式流量計と
しては、例えば特開昭６２−７３１２４号公報に開示さ
れているものがある。これは、円筒形セラミックボビン
上に白金薄膜を形成した発熱抵抗体２個を空気の流れ方
向に沿って並べ、一定の温度に発熱させたときの両抵抗
体における発熱量を比較することにより流れ方向を判別
し、いずれか一方の発熱抵抗体の発熱量から流量を求め
て、エンジンに吸入される空気流量を計測するものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エンジ
ンに吸入される空気の流れは、エンジンの構造上、脈動
を伴なったものとなっており、とくにスロットルバルブ
が全開で、かつエンジン回転数の低い領域ではその脈動
が最も大きくなる。このような脈動流の存在は、２個の
発熱抵抗体の間の熱の授受に影響し、発熱量と流量の一
意的な関係を変化させた結果をもたらす。

【０００４】すなわち、発熱量は２個の発熱抵抗体が相
互に及ぼす影響度に大きく依存しており、その影響度は
２つの抵抗体の周りの流れの安定度に左右される。した
がって、影響度が常に一定である定常流に対し、脈動流
や偏流などのような流れが不安定な状態では、影響度合
が変化するので、測定値に誤差が生じてしまう。また、
２個の発熱抵抗体は流れ方向に配置されているため、脈
動流のような流量が変動する場合には、２個の発熱抵抗
体の間に位相ずれが生じ、正確な測定ができなくなると
いう問題があった。

【０００５】さらには、上記の構成において、発熱抵抗
体は円筒形セラミックボビン上に形成される構造となっ
ていたため、熱容量の大きいセラミックボビンの影響で
発熱抵抗体の熱容量が大きく、電源を投入してから安定
した出力が得られるまでの時間がかかり過ぎるといった
問題も有している。本発明は、上記従来の問題点に鑑
み、抵抗体の周りの流れを調整し、安定化させることに
よって脈動流の測定を可能にした熱式流量計を提供する
ことを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の発明は、発熱抵抗を流路に配置し、該発熱抵抗の発熱
量または温度の変化から前記流路を通過する流量を計測
する熱式流量計において、前記流路に流路の中心軸と同
軸に円筒体を配設し、該円筒体内に流量を計測するため
の素子ユニットを設け、該素子ユニットは、それぞれ円
筒体の軸に直角でかつ所定の間隔で平行に取り付けられ
た第１の発熱抵抗および第２の発熱抵抗と、第１の発熱
抵抗と第２の発熱抵抗が作る平面に平行な壁面とからな
り、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗が前記円筒体の軸
方向に沿って前後に並ぶように配設されているものとし
た。

【０００７】また、上記流路には整流手段を配置するこ
ともできる。そして、前記円筒体の円周方向に、前記素
子ユニットの端部から一定の距離を隔てた前後位置に前
記円筒体のほぼ全周にわたってスリットを設けることが
できる。なお、第１の発熱抵抗の発熱量に相当する第１
の電圧値あるいは電流値と、第２の発熱抵抗の発熱量に
相当する第２の電圧値あるいは電流値との差を検出し
て、流体の流れ方向を含む流量信号を得ることもでき
る。

【０００８】

【作用】本発明によれば、流路に円筒体を設けることに
よって、脈動流時の不安定な流れは、円筒体内を流れる
間に整えられ安定した流れとなって、素子ユニットに導
かれる。これにより、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗
の周りの流れは安定になり、第１の発熱抵抗と第２の発
熱抵抗での熱の授受が確実に起こり、脈動流に対しても
正確な測定が行なえる。そして、流路に整流手段を設け
ると、流路内の流速分布の差が、脈動時でも定常流時で
も小さくなり、測定精度の向上が図られる。

【０００９】また、円筒体の円周方向に、スリットを設
けたときには、スリットが安定した流れに対し垂直であ
るために何の影響ももたらさないが、脈動流下ではスリ
ットからの流れの流入、流出が行なわれ、円筒体内を流
れる流量を増大させることになる。その結果、発熱抵抗
体の位相遅れに起因する出力の低下分が、流量の増大に
より償われ、測定誤差が低減される。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を実施例
により説明する。図１は本実施例の構成を示し、（ａ）
は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ部断面図であ
る。熱式流量計１は、エンジンの吸気量測定に用いられ
るものであり、大別して流量を検出するための素子ユニ
ット１１と、流れの調整を行なう円筒体１２と、流路の
一部をなすハウジング１３と、素子ユニット１１内の発
熱抵抗を適当に発熱させ、その発熱量の変化からハウジ
ング１３を通過する流量を検知する流量検出回路１４を
備え、さらにハウジング１３入口端には整流手段として
のハニカム１５を備えている。

【００１１】素子ユニット１１は、円筒体１２の略中央
部にその径方向から挿入して、円筒体１２を横切る形で
固設される。素子ユニット１１には、発熱抵抗としての
第１の抵抗線２および第２の抵抗線３が円筒体１２の軸
方向に並んで張装されている。円筒体１２は耐熱性の高
いＰＰＳ樹脂で製造され、円筒体１２の、素子ユニット
１１の前後となる位置に、スリット１７が計４箇所設け
られている。素子ユニット１１は、円筒体１２とハウジ
ング１３が同軸位置にくるようにハウジング１３に固定
される。

【００１２】素子ユニット１１内の第１の抵抗線２およ
び第２の抵抗線３と流量検出回路１４は半田付けにより
接続される。素子ユニット１１の上流側に設置されるハ
ニカム１５は、セルサイズが８分の１インチで、厚みが
１５ｍｍである。

【００１３】次に、素子ユニット１１の詳細な構造につ
いて、その製作プロセスを基に、図２および図３にした
がって説明する。なお、図２の（ａ）〜（ｄ）のそれぞ
れにおける左側は正面図、右側は上面図である。図２の
（ａ）は第１の抵抗線２および第２の抵抗線３を張装す
る本体３０の構成を示す。本体３０には、長手方向の両
端に真鍮からなるパイプ３１が計４本固定されている。
本体３０はＰＰＳ樹脂よりなり、パイプ３１を一体に埋
め込んで成型される。本体３０の両端近くにはそれぞれ
支持部３２が設けられており、支持部３２には上記長手
方向に直径０．２ｍｍの穴３３が形成されている。

【００１４】次に、（ｂ）のように、第１の抵抗線２と
第２の抵抗線３を個別にパイプ３１から交差せずに穴３
３に通す。従来の熱線式流量計には、抵抗線として白金
線やタングステン線を使用するのが一般的であるが、本
実施例では、抵抗線が加熱時に弛まないように大きい張
力を加えて張装するため、白金線に比べ約８倍の引っ張
り強度を持つＳＵＳ３１６線材を使用している。抵抗線
２、３の線径は、その引っ張り強度と抵抗値を考慮して
直径６５μｍとしている。

【００１５】パイプ３１と抵抗線２、３を（ｃ）のよう
に支持部３２の側でスポット熔接ｗにより固定する。そ
の際、３００ｇの張力を加えた状態で熔接を行なう。そ
して、ＰＰＳ樹脂からなるカバー３４を被せて、（ｄ）
のようなワイヤユニット３５が構成される。こうして、
２本の抵抗線２、３は、直径０．２ｍｍの穴３３によ
り、その間隔が正確に決定される。また、張装時に３０
０ｇの張力を加えており、加熱時においても抵抗線２、
３の弛みは起こらない。しかも、スポット熔接によりパ
イプ３１に確実に固定されており、パイプ３１は本体３
０に一体成型されているため、抜けも起こらない。

【００１６】上記のように構成されたワイヤユニット３
５を図３の（ｅ）のように側板３６に固定する。側板３
６からは、リード３７と端子３８が突出しており、リー
ド３７と端子３８は側板３６内部で接続している。側板
３６はＰＰＳ樹脂からなり、リード３７、端子３８と一
体的に製造される。パイプ３１とリード３７をスポット
熔接により接続する。このあと、（ｆ）のようにワイヤ
ユニット３５と側板３６に前後にワイヤユニット３５の
両側に対応する窓４１を有するケース３９を被せて接着
し、さらに（ｇ）のように基底部４０を一体成形して素
子ユニット１１が出来上がる。

【００１７】素子ユニット１１には、発熱体としてＳＵ
Ｓ３１６からなる直径６５μｍの細い抵抗線を使用して
おり、従来のセラミックボビン上での形成に比べて熱容
量が小さく、電源を投入して、非常に短い時間で出力が
正確な値に安定するようになる。

【００１８】次に、素子ユニット１１と円筒体１２およ
びスリット１７の位置関係について、図４を用いて説明
する。図４の（ａ）は素子ユニット１１と円筒体１２の
側面図で、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ部断面図であ
る。円筒体１２の内径Ｄは直径３０ｍｍであり、全長Ｌ
は４４ｍｍである。素子ユニット１１の流れ方向の長さ
ｓは１３ｍｍで、スリット１７は、素子ユニット１１の
端部から距離ｄ＝５ｍｍの位置に、幅ｔ＝２ｍｍで設け
られている。スリット１７の角度θは約１３０度で、軸
方向で素子ユニット１１と重なる箇所を除き、円筒体１
２の全周にわたって設けられている。

【００１９】図５は、流量検出回路１４の構成を示す。
第１の抵抗線２および第２の発熱線３はそれぞれ第１駆
動部１００と第２駆動部１２０に接続され、加熱され
る。第１駆動部１００において、第１の抵抗線２と抵抗
Ｒ１からなるブリッジ回路が抵抗Ｒ４によって電源供給
される。第１の抵抗線２の温度変化をブリッジ回路の不
均衡電圧としてコンパレータＥ１に出力される。抵抗Ｒ
２とコンデンサＣ１、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２はそれ
ぞれコンパレータＥ１の入力回路を構成している。

【００２０】コンパレータＥ１によって増幅された不均
衡電圧は抵抗Ｒ５を介してトランジスタＴ１に出力さ
れ、ここでさらにパワーアップされる。パワーアップさ
れた不均衡電圧信号は抵抗Ｒ６とＲ７によって電圧調整
されてトランジスタＴ２に印加される。この入力信号で
トランジスタＴ２は加熱温度の高いとき電流を下げ、加
熱温度の低いとき電流を上げるようにブリッジ回路電流
を制御するから、抵抗線はある一定の加熱温度に保たれ
る。第１駆動部１００と第２駆動部１２０は同じ構成
で、第２駆動部１２０については説明を省略する。

【００２１】差動増幅部１３０は第１駆動部１００と第
２駆動部１２０の駆動により第１の抵抗線２と第２の抵
抗線３に生ずる電圧降下を抵抗Ｒ８とＲ９によって入力
し、コンパレータＥ２で差動増幅をし、流れの方向を含
めた流量信号を検出して出力する。抵抗Ｒ１０はコンパ
レータＥ２の増幅率を調整している。オフセット電圧発
生部１４０は抵抗Ｒ１２とツェナダイオードＤによって
定電圧を作り、その定電圧は、抵抗Ｒ１３とＲ１４で電
圧調整されコンパレータＥ３によって抵抗Ｒ１１からコ
ンパレータＥ２の入力端子に印加され、コンパレータＥ
２のオフセット調整を行なう

【００２２】次に、図６にしたがって流量検出回路１４
の検知原理を説明する。図６は図５における第１駆動部
１００を簡略的に示した図で、抵抗線は上記のようにあ
る一定の加熱温度に保たれている。まず、抵抗線２が流
れの中に置かれた場合、抵抗線２の加熱温度をＴｗ、吸
気温度をＴａとすると、抵抗線２から奪われる熱量Ｈは
以下の式で与えられる。Ｈ＝（Ａ＋Ｂ・Ｑⁿ）（Ｔｗ−Ｔａ）ここで、Ａ、Ｂ、ｎは流体および抵抗線２により決定さ
れる定数、Ｑは流量である。

【００２３】一方抵抗線２の発熱量Ｐは以下の式で与え
られる。Ｐ＝Ｖｗ²／Ｒｗここで、Ｖｗは抵抗線２の両端電圧、Ｒｗは抵抗線２の
抵抗値である。抵抗線２の加熱温度Ｔｗは一定に保たれ
ているので、抵抗線２からの放熱量Ｈと抵抗線２の発熱
量Ｐが等しくなり、以下の式が導かれる。Ｖｗ²／Ｒｗ＝（Ａ＋Ｂ・Ｑⁿ）（Ｔｗ−Ｔａ）Ｖｗ＝［Ｒｗ（Ａ＋Ｂ・Ｑⁿ）（Ｔｗ−Ｔａ）］^0.5 （１）よって、抵抗線２の両端電圧Ｖｗを計測することで、流
量を測定することが可能となる。

【００２４】ところで、エンジンに吸入される空気の流
れは、エンジンの構造上、脈動を伴なったものとなって
いる。とくにスロットルバルブが全開で、かつ、エンジ
ン回転数の低い領域では脈動は最も大きく、運転条件や
吸気系のレイアウトによって逆流が発生する場合があ
る。このような逆流のある流体の流量を計測すると、上
述の式（１）から分かるように、熱式流量計は単独の抵
抗線では方向性を持たないため、図７の（ａ）のような
順流と逆流が混在した流量を測定すると、測定値は、
（ｂ）のように逆流も順流として計測され、逆流分Ｑ２
が誤差となる。

【００２５】そこで、抵抗線を２本備え、図８のように
第１の抵抗線５０と第２の抵抗線６０を流路の管壁７０
内に流れの方向に並べて配置すると流れの方向が検知で
きるようになる。これについては、まず、吸気温度がＴ
ａで、流量Ｑの安定した流れが存在する場合について考
える。順流８０方向の流れの場合、第１の抵抗線５０が
空気の流れを阻害して、第２の抵抗線６０近傍を流れる
流量は低下し、Ｑ２となる（Ｑ＞Ｑ２）。また、第１の
抵抗線５０から放熱された熱は下流へ流され、その結
果、第２の抵抗線６０近傍の吸気温度は上昇し、Ｔａ２
となる（Ｔａ＜Ｔａ２）。

【００２６】一方、第１の抵抗線５０の近傍も第２の抵
抗線６０の影響を受けて、近傍の流量、吸気温度はそれ
ぞれＱ１、Ｔａ１に変化するが、順流８０方向の流れの
上流側にある第１の抵抗線５０の変化は第２の抵抗線６
０より大きい。近傍の流量、吸気温度がそれぞれ変化す
ることにより、抵抗線５０、６０の両端の電圧Ｖｗｌ、
Ｖｗ２の関係は以下のようになる。すなわち、Ｑ１＞Ｑ
２、Ｔａ１＜Ｔａ２であるから、Ｖｗ１＞Ｖｗ２

【００２７】流れが逆流９０方向の場合、上述の関係は
逆転し（Ｑ１＜Ｑ２、Ｔａ１＞Ｔａ２）、Ｖｗ１＜Ｖｗ
２となり、Ｖｗ１とＶｗ２の大小関係が流れ方向により
反転する。したがって、Ｖｗ１とＶｗ２との差は、流れ
方向を含む流量信号となり、その信号を解析することに
よって流量の大小、方向を検出する。図９は図５に示し
た方向判別機能を備えた流量検出回路の出力特性の一例
を示す。図９によれば、流量検出回路の出力電圧は順流
と逆流のそれぞれと対応関係をもち、電圧の大小によっ
て逆流から順流まで幅広い範囲での測定ができる。な
お、流量Ｑが０のときの出力電圧はオフセット調整によ
るものである。

【００２８】最後に、上記の構成において、各部分の作
用について実験により検証した。図１０は実験装置の構
成を示す。脈動発生装置４１は、流路の途中に取り付け
られた回転弁４２を回転させることにより脈動流を発生
させる。時間的平均流量は、脈動流をサージタンク４３
で平滑化した後、層流流量計４４で計測する。熱式流量
計１の位置では、回転弁４２によって発生された脈動が
そのまま到達する。熱式流量計１の出力を信号処理して
熱式流量計１による測定流量に換算し、層流流量計４４
で計測された基準流量Ｑａとの誤差を求める。

【００２９】図１１は、回転数が１６００ｒｐｍ時の脈
動特性を評価した結果を示す。なお、図中の“○”は使
用、“−”は使用しないを意味する。図１１によれば、
素子ユニット１のみをハウジング１３に固定した構成ａ
の場合は、２０％近く出力が低下していたが、円筒体１
２を装着した構成ｂでは、誤差が小さくなり、Ｑａ＝１
２０ｋｇ／ｈでは２．０３％とほぼ正確な値が測定でき
ている。しかし、Ｑａ＝１８０ｋｇ／ｈではまだ誤差が
大きい。

【００３０】次に、構成ｃとして円筒体にスリット１７
を形成すると、円筒体１２内の流量が増大し、１８０ｋ
ｇ／ｈにおいても誤差は２．７８％となった。一方で、
スリット１７による流量増大の効果を受けて、Ｑａ＝１
２０ｋｇ／ｈでは逆に＋１３．８９％と誤差が大きくな
った。そこで、構成ｄのようにハニカム１５を装着する
と全体の流れが安定し、Ｑａ＝１２０ｋｇ／ｈでは−
０．０４％、Ｑａ＝１８０ｋｇ／ｈでは＋６．６７％と
誤差を７％以下まで低減できていることがわかる。

【００３１】以上説明したように、本実施例によれば、
流路のハウジング内に円筒体１２を設けることによっ
て、脈動流のような不安定な流れの場合でも、流れが円
筒体内を流れる間に整えられ安定した流れとなって、、
素子ユニット１１に導かれる。その結果、抵抗線２と抵
抗線３の周りの流れは安定になる。

【００３２】また、円筒体１２の円周方向にスリット１
７を設けることによって、安定した一定流量の場合には
スリット１７が流れに対し垂直であるために何の影響も
もたらさないが、脈動流下ではスリット１７からの空気
の流入、流出が行なわれ、円筒体１２内を流れる流量が
増大する。その結果、位相遅れに起因する出力の低下分
が、流量の増大により償われる。そして、ハウジング１
３全体にハニカム１５を設けると、ハウジング１３内の
流速分布の差が、脈動時と定常流時で小さくなり、さら
に測定誤差が低減される。さらに、素子ユニットは抵抗
線である２本の抵抗線を流れ方向に沿って張装して形成
するから、抵抗線の熱容量が低減され、電源投入して、
安定した出力が得られるまでの時間が短くなる。なお本
実施例では、温度を一定にしてその発熱量の変化から流
量の測定を示したが、これに限らず、発熱量を一定にし
て、その温度の変化からも流量測定ができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成さ
れ、以下に記載されるような効果を奏する。流路に円筒
体を設けることによって、脈動流時の不安定な流れで
も、その流れは円筒体内で整えられて、素子ユニットに
導かれるため、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗の周り
の流れは安定になり、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗
での熱の授受が確実に起こり、脈動流に対しても正確な
測定が行なえる。そして、流路にハニカムを設けること
により、流路内の流速分布の差が、脈動時でも定常流時
でも小さくなり、上記効果が一層高められる。

【００３４】また、円筒体の円周方向にスリットを設け
たときには、スリットが安定した流れに対し垂直である
ために何の影響ももたらさないが、脈動流下ではスリッ
トからの流れの流入、流出が行なわれ、円筒体内を流れ
る流量を増大させることになる。その結果、発熱抵抗体
の位相遅れに起因する出力の低下分が、流量の増大によ
り償われ、測定誤差は低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成を示す図である。

【図２】素子ユニットの製作プロセス図である。

【図３】素子ユニットの製作プロセス図である。

【図４】素子ユニットと円筒体の例を示す図である。

【図５】流量検出回路図である。

【図６】簡略化した流量検出回路図である。

【図７】真の流量と測定値の比較図である。

【図８】方向判別できる熱式流量計の原理モデルであ
る。

【図９】流量検出回路の出力と流量の関係を示す図であ
る。

【図１０】実験装置の構成を示す図である。

【図１１】実験結果を示す図である。

【符号の説明】

１熱式流量計２、３抵抗線（発熱抵抗）１１素子ユニット１２円筒体１３ハウジング１４流量検出回路１５ハニカム（整流手段）１７スリット３０本体３１パイプ３２支持部３３穴３４カバー３５ワイヤユニット３６側板３７リード３８端子３９ケース４０基底部４１窓５０第１の抵抗線（発熱抵抗）６０第２の抵抗線（発熱抵抗）７０管壁８０順流方向９０逆流方向１００第１駆動部１２０第２駆動部１３０差動増幅器１４０オフセット電圧発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱抵抗を流路に配置し、該発熱抵抗の
発熱量または温度の変化から前記流路を通過する流量を
計測する熱式流量計において、前記流路に流路の中心軸
と同軸に円筒体を配設し、該円筒体内に流量を検知する
ための素子ユニットを設け、該素子ユニットは、それぞ
れ円筒体の軸に直角でかつ所定の間隔で平行に取り付け
られた第１の発熱抵抗および第２の発熱抵抗と、第１の
発熱抵抗と第２の発熱抵抗が作る平面に平行な壁面とか
らなり、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗が前記円筒体
の軸方向に沿って前後に並ぶように配置されていること
を特徴とする熱式流量計。
【請求項２】発熱抵抗を流路に配置し、該発熱抵抗の
発熱量または温度の変化から前記流路を通過する流量を
計測する熱式流量計において、前記流路に流路の中心軸
と同軸に円筒体を配設し、該円筒体内に流量を検知する
ための素子ユニットを設け、該素子ユニットは、それぞ
れ円筒体の軸に直角でかつ所定の間隔で平行に取り付け
られた第１の発熱抵抗および第２の発熱抵抗と、第１の
発熱抵抗と第２の発熱抵抗が作る平面に平行な壁面とか
らなり、第１の発熱抵抗と第２の発熱抵抗が前記円筒体
の軸方向に沿って前後に並ぶように配置されて、かつ前
記流路に整流手段を配置させたことを特徴とする熱式流
量計。
【請求項３】前記円筒体の円周方向に、前記素子ユニ
ットの端部から一定の距離を隔てた前後位置に前記円筒
体のほぼ全周にわたってスリットを設けたことを特徴と
する請求項１また２記載の熱式流量計。
【請求項４】第１の発熱抵抗の発熱量に相当する第１
の電圧値あるいは電流値と、第２の発熱抵抗の発熱量に
相当する第２の電圧値あるいは電流値との差を検出し
て、前記流路を通過する流れの方向を含む流量の検出信
号を得ることを特徴とする請求項１、２または３記載の
熱式流量計。