JPS5834320A - 気体流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、エンジンの吸入空気流量を測定するものと
して有用な気体流量測定装置に関する。

エンジンの吸入空気流量測定装置として、エンジンの吸
入導管に流量測定管を設け、この流量測定管内に電熱ヒ
ータ及びその前後に位置する温度依存抵抗を設け、これ
らの出力信号により吸入空気流量を測定する形式のもの
が、従来より提案されている。この装置ａによれば、小
型かつ簡潔な構造で正確な流量測定が可能となり、また
装置の取付姿勢によっても測定精度が変化しない等の利
点が得られる。

しかし従来のこの種の装置は、２つの温度依存抵抗と２
つの基準抵抗とで構成されるブリッジの対角点電圧を差
動増幅器を用いて増幅し、その出力電圧が一定値になる
様に電熱ヒータに印加する電圧を制御する構成であるが
故に、差動増幅器の温度特性や経年変化に対し高精度を
実現するため（２） １つ には、チョッパアンプや高精度の抵抗、コンデンサ等の
素子を必要としていた。又差動増幅器の入力信号源のイ
ンピーダンスを等しくする為にプＩＪツジを構成する２
個の基準抵抗は第１．第２の温度依存抵抗に近い抵抗値
に設定する必要があり、発熱やパワー損失の問題があり
高精度（抵抗値、温度係数）なものが要求されていた。

そのため装置のコストが高価となり、量産を考えた実用
化力（困難であった。

この発明は、上記の点に鑑みなされたもので、回路素子
数が少なく、安価に生産でき、それ番こよっても精度良
く流量を測定し得る気体流量測定装置を提供することを
特徴とする 特にこの発明は、第１．第２の温度依存抵抗はブリッジ
を構成せずに、単に直列回路を構成し、この直列回路に
電熱ヒータを並列に接続してセンサ部回路を構成し、第
１．第２の湿度依存抵抗の接続点の電圧を増幅する増幅
回路と、この増幅回路の出力電圧と前記センサ部回路へ
の印加電圧の差を増幅する誤差増幅回路と、この誤差増
幅回路の出力電圧を電力増幅してセンサ部回路に印加す
る電圧を制御し電熱ヒータの発熱量を制御する電力増幅
回路とを備える測定回路を用いる事で、上記問題に対処
するものである。

以下、この発明をエンジンの吸入空気量測定装置に適用
した場合を例にとり、図に示す実施例により説明する。

第１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及び吸入
導管３，４を経て、吸気弁４／の開弁時に吸入する。燃
料は、吸入導管４に設置された周知の電磁式燃料噴射弁
５から、吸入空気量に見合った垣だけ噴射供給される。

吸入導管３には運転者により任意に操作されて吸入空気
量を制御するスロットル弁６が設けられる。また、後述
の測定装置による測定精度の向上のため、吸入導管３の
エアクリーナ２との連結部に、吸入空気流を整流するハ
ニカム状の整流格子７が設けられる。

上記吸入導管３において整流格子とスロットル弁６との
間には、吸入空気流量の測定のために導管３の軸方向と
ほぼ平行に小型の流量測定ｆｆ９が支柱８により設置さ
れる。そしてこの流量測定管９内に、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、この電熱ヒータ１０の下流側で近接した位置に
温度に応じて抵抗値の変る白金抵抗線からなる第１の温
度依存抵抗１１が設けられ、また電熱ヒータ１０の上流
側でやや離れた位置に同様な白金抵抗線からなる第２の
温度依存抵抗１２が設けられる。

これらの電熱ヒータ１０及び第１．第２の両温度依存抵
抗１１．１２は、何れも、第２図に示すようにリング形
状のプリント板１０ａ、ｌｌ［Ｌ。

１２ａに白金ロジウム又は白金抵抗ｆ／ｌＡ１０ｂ、１
１’ｂ、１２ｂを格子状に保持した構造を持つ。このう
ち第１．第２の温度依存抵抗１１．１２としては同一の
抵抗温度特性を有する白金抵抗線が用いられる。また、
電熱ヒータ１０と第１の温度依存抵抗１１とは、正面（
あるいは背面）から見た場合第３図に示すように互いの
抵抗線が交差するよう配置され、これにより流量測定管
９内の微少な熱分布の影響を第１の温度依存抵抗１１が
受けないようになされる。

上記電熱ヒータ１０及び第１．第２の温度依存抵抗１１
．１２は、何れも測定回路１５に接続される。測定回路
〕５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ｔに応じた電気信号を出力し、これを燃料制御ユ
ニット１６に与える。

燃料制御ユニット１６は、主として測定回路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ｌの回転速度。

冷却水温、排出ガス中の酸素濃度などを検出する各種セ
ンサの信号なども、必要に応じて入力される。この燃料
制御ユニット１６は、公知のものを適用すればよく、詳
細な説明は省略する。

次に測定回路１５について第４図により詳細に説明する
。この測定回路１５はバッテリ等の直流？！源１７に接
続され、この電源１７によって電力の供給を受けるもの
で、電源１７の電源線に重畳するノイズを吸収するため
のノイズ吸収Ｕ路２０を有する。この回路はダイオード
２１、ツエナ−ダイオード２２及びコンデンサ２３から
構成される。しかして、エンジン１の点火装置、スター
タモータ等が作動した場合、電源線にノイズ電圧が重畳
するが、これらのノイズのうち２０　（ｖ）以上のノイ
ズはツェナーダイオード２２により吸収され、２０　（
ｖ）未満のノイズはダイオード２１とコンデンサ２３と
により吸収される。したがって、端子２４からはノイズ
がほとんどない直流電圧が出力されるＯ なお、電源１７の極性を逆に接続した場合、ダイオード
２１は電流が流れるのを阻止し、以下述べる各回路を保
護する。

測定回路１５において、増幅回路３０はオペアンプ３１
、抵抗３２，３３、コンデンサ３４から構成され、第１
の温度依存抵抗１１と第２の温度依存抵抗の接続点ａの
電圧を増１１ａ　Ｌ、て出力する。

コンデンサ３４は本装置の発振防止用に設けられる０ 誤差増幅回路４０はオペアンプ４１から構成され、増幅
回路３０の出力電圧と、電熱ヒータ１０と第１の温度依
存抵抗１１の接続点すの電圧との差を増幅して出力する
。

ｔｆＬ力増幅回路５０は、入力抵抗５１及びパワートラ
ンジスタ５２から構成され、誤差増幅回路４０の出力電
圧を？−１ｆ、力増幅して電熱ヒータ１０及び第１、第
２の温度依存抵抗１１．１２の直列回路に信号線６０を
介して与える。なお８０はアース線である。

上記構成において、エンジン１にはスロットル弁６の開
度により決定されるある皿の空気がエアクリーナ２から
吸入導管３を通って吸入される。

この総吸入空気のうちある一定割合の空気は流量測定管
９内に通過する。

したがって、流量測定管９内において電熱ヒータ１０の
上流側に設けられた第２の温度依存抵抗１２は吸入空気
の湿度のみの影響を受け、他方、ｉＩｎ熱ヒータ１０の
下流側に設けられた第１の温度依存抵抗１１は吸入空気
の温度と電熱ヒータ］、０により加熱された空気の温度
との影響を受ける。

これにより、面温度依存抵抗１１．１２間には電熱ヒー
タ１０に供給した電力ｉｔ　ｐ　（ｗ）と吸入空気流量
Ｇ（ｇ／ｓθｄ）とに関係した温）ヴ差へＴが生じる。

ここで、Ｐ、Ｇ、△Ｔには次式のような関係式が成立す
る。

Ｋ１・△Ｔ　＝　Ｐ　／　ａ　　・・・・・・・・・・
・・・・・　（１）（ただし、Ｋ１は定数） しかして、両湿度依存抵抗１１．１２は、それぞれ空気
の温度に応じて電気抵抗値ＲＳ　ｌ　、　ＲＥ２が変化
するため、センサ部回路のｂ点に電圧ｖｂ゛　　を印加
すると、第１．第２温度依存抵抗１１．１２の接続点ａ
の電圧７ａは（２）式で示される様に温度差へＴと電圧
’ｖｂとで決定される。

そこで増幅回路３０で一定ゲインＡで増幅すると増幅回
路３０の出力電圧Ｖａは（３）式で示される。

（ただし人は増幅回路３０のゲインで定数）この電圧Ｖ
ｃとセンサ部回路印加電圧ｖｂとの差を増幅する誤差増
幅回路４０のゲインをオペアンプ４］、が備えているオ
ープンループゲインとして］、　ＯＯｄ　Ｂ以上とする
と次式が成立する。

ｑ　ｂ　＝　Ｖ　ｃ　　　　　　　　・・・・・・・・
・・・・　（４）従って（３）式より次式が成立する。

即ち（５）式はＲＳ　１　／　ＲＳ　２　＝　Ａ　　］
、・・・・・・　（６）となり第１．第２の温度依存抵
抗の比が一定値となる。

（６）式に於いて第１．第２の温度依存抵抗１１．１２
の各抵抗値Ｒ６Ｉ、Ｒ８２は共に温度の関数で表わせ、
同一材料を用いると次式となる。

Ｒ８１＝＝Ｒｏｔ＊　（１−４−α＊Ｔａ−１−ａｓ△
Ｔ）−（７）ＲＳ　２　＝　ＲＯ２・　（１＋α・Ｔ　
ａ　）−＜８）（但しＲＯＩ、ＲＯ；！は第１１第２の
温度依存抵抗１’ｌ、ＩＰの０°Ｃに於ける抵抗（ｉ１
’ｆ　、αは両温度依存抵抗１．１．１２の抵抗温度係
数、Ｔａは大気温度、△Ｔは電熱ヒータ１０により加熱
された空気の温度上昇） 従って（６）　ｌ　（７）　ｌ　（８）式より空気の湿
度上昇△Ｔは次式となる。

ここで（１）式における電熱ヒータ１０の供給ｍ力Ｐは
電熱ヒータ１０の抵抗値１（Ｈと流れる電流ＩＨで表現
でき Ｐ＝ＲＨｓｌＨ２・・・・・・・・・・・・・・・００
）となる。又電熱ヒータ１０の抵抗値ＲＨは第１゜第２
の温度依存抵抗１１．１２と同一の材料とすると次式で
表わせる。

ＲＨ＝ＲＯＨ・（１＋α・Ｔａ−１−αｓ△Ｔ　Ｈ）　
・−・−（１１）（但し、ＲＯＨは電熱ヒータのＯ’Ｃ
に於ける抵抗値、αは抵抗温度係数、Ｔａは大気温、△
Ｔ　Ｈは電熱ヒータ１０の表面温度の大気温からの上昇
分）従って（：Ｌ）　、　（９）　ｌ　（１０）　ｌ　
（１１）式より次式が成立する。

・・・・・・（１２） （１１） （１２）式は増幅回路３０のゲインＡを適当に設定する
事で、電熱ヒータ１０を流れる電流ＩＨと空気量Ｇとの
関係が誤差を生じない近似式（１３）で表わす事ができ
る。

Ｇ≠に・Ｉｎ２　　（但しＫは定数）・・・・・・　（
１３）つまり、吸入空気財Ｇは電流１Ｈの２乗の関数と
なる。この（１３）式は近似式であるが、測定上影響が
出ない程度の近似であり、実用上まったく問題は無い。

そこで、測定回路１５は電熱ヒータ１０の発熱量を制御
して電熱ヒータ１０により加熱される空気の温度上昇△
Ｔを一定値に制御し上記（１３）式から１吸入空気１汁
Ｇを求める。

今、成る空気流１１↓に対してこの制御系が安定し、信
号線６０に電圧ｖｂが生じているとすると、電熱ヒータ
１０及び第１．第２の；都度依存抵抗の直列回路にはｔ
ｔｆ、圧ｖｂが印加される。この時、第１゜第２の温度
依存抵抗１１，１．２の接続点ａには電圧Ｖ’ａが発生
する。電圧Ｖａは増幅回路３０に入力され、あらかじめ
設定された適当なゲイン人で増１９．１され、その出力
端子である０点の電圧Ｖａは（１２） 次式で表わせる。

ｙ　ｃ＝　Ｖ　ａ　Ｘ　Ａ　　　　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・　（１４）この電圧Ｖａと、印加電
圧ｖｂとは誤差増幅回路４０に入力され、誤差増幅回路
４ｏは電圧Ｖｏと電圧ｖｂの差を増幅し、ｄ点の電圧Ｖ
ｄとして出力する。

ここで誤差増幅回路４０はオペアンプのみで構成しであ
る為に直流的には増幅度は無限大となり、次式が成立す
る。

Ｖ　ｃ　＝　Ｖ　ａ　Ｘ　Ａ　＝　Ｖ　ｂ　　・・・・
・・・・・・・・・・・　（１１５）即ち増幅回路３０
の出力電圧とセンサ部回路の印加電圧が等しくなる様に
誤差増幅回路４ｏの出力信号は電力増幅回路５０により
電力増幅されて電熱ヒータ１０及び第１．第２の温度依
存抵抗１１゜１２の直列回路に印加され熱的バランスを
もって制御される。

このような状態から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の温度依存抵抗１１．１２！間の温度差△Ｔは小さ
くなり、第１の温度依存抵抗（１３） １１の抵抗値が減少し、第１．第２の温度依存抵抗１１
．１２の接続点ａの電圧Ｖａは大きくなる。

この為増幅回路３０の出力電圧ｖｃはセンサ部回路印加
電圧ｖｂよりも大きくなる。これにより電力増幅回路５
０のパワートランジスタ５２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
。

したがって、第１．第２の温度依存抵抗１１．１２間の
温度差ΔＴが増大して第１の温度依存抵抗１１の抵抗値
が大きくなり、第１．第２の温度依存抵抗１１．１２の
接続点ａの電圧Ｖ’ａが小さくなり増幅回路３０の出力
電圧Ｔｏがセンサ部回路印加電圧ｖｂに等しくなった状
態で、言い換えると第１、第２の温度依存抵抗１１．，
１２の抵抗比が増幅回路３０で決定される成る値になっ
た状態でシステムは安定となる。

また吸入空気流量が減少すると、電熱ヒータ１０により
加熱される空気の温度上昇が増加し、第１゜第２の温度
依存抵抗１１．１２間の温度差△Ｔが増大して、第１の
温度依存抵抗１１の抵抗値が増７　　　　　　　　　　
　α４） 太し、接続点８の電圧Ｖａが小さく　ｆ、ｘる。この為
増幅回路３０の出力電圧ＶＱはセンサ部回路印加電圧ｖ
ｂよりも小さく　７１ｒる。これにより電力増幅回路６
０のトランジスタ６２は電熱ヒー々１０への供給電流を
減少させ、電熱ヒータ］−〇の発熱ｈ１全減少させる。

したがって、温度差△Ｔが減少して第１の温度依存抵抗
１１の抵抗値が減少して第１．第２の温度依存抵抗１１
．１２の接続点ａの〒ｔｔ　＋Ｅｖ　ａが大きくなる。

従って増幅回路３０の出力電圧ｖＯがセンサ部回路印加
電圧ｖｂに等しくなった状態で言い換えると、第１．第
２の温度依存抵抗１］。

１２の抵抗比が成る一定値になった状態でシステムは安
定となる。

こうして第１．第２の温度依存抵抗間の温度差△Ｔは、
吸入空気量によらず常に正確に一定値に保持され、（１
３）式が成立して吸入空気量Ｇは電熱ヒータ１０に流れ
る電流ＩＨの２乗の関数となり電流ＩＨを測定する事で
吸入空気量を測定できる。

そしてこの電流ＩＨは吸入空気量Ｇを示す信号と（１５
） して燃料制御ユニット１６に入力され、燃料制御ユニッ
ト］６はこの信号、回転速度センサ２０の出力信号など
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。

なお、上記実施例に才５いては溶料噴射式Ｊンジンの吸
入空気流量測定用にこの発明を適用した例を示したが、
この発明は例えば気化器式エンジンにおいて吸入空気流
量により排気ガス再循環量、点火時期進角附などを制御
する場合にも適用できる。士だ、エンジンのみに限らず
、他の工業計測分野に１５ける気体流用の測定にも適用
し得るものである。

以−１−述べたようにこの発明は、被測定気体が流れる
導管中に電熱ヒータと第１及び第２の温度依存抵抗とを
設け、これらの信号を用いて被測定気体の流量を測定す
る装置において、第１及び第２の温度依存抵抗を直列回
路とし、この直列回路に１１ｔ、熱ヒータを並列に接続
してセンサ部（す１路を構成し、測定回路には第１．第
２の温度依存抵抗の接続点の電圧を増幅する増幅回路と
、この増幅回路（１６） の出力電圧とセンサ部回路印加電圧との差を増幅する誤
差増幅回路と、この誤差増幅回路の出力信号を電力増幅
してセンサ部回路に印加する電圧を制御する電力増幅回
路とを設けたσ）で、第１．第２の温度依存抵抗はブリ
ッジを構成しておらず高精度の基準抵抗は必要でなく、
又第１．第２の温度依存抵抗の接続点の電圧をΦ、−人
力の増幅器を用いて増幅でき、部品数が少なくコストが
安価な回路構成で、流量を精度良く測定できるというす
ぐれた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す全体構成図、第２図
及び第３図は第１図図示の電熱ヒータ、第１、第２の温
度依存抵抗を示す斜視図及び正面図、第４図は第１図図
示の測定回路を示す電気回路図である。 ３・・・導管、１０・・・電熱ヒータ、１．１・・・第
１の温度依存抵抗、１２・・・第２の温度依存抵抗、１
５・・・測定回路、３０・・・増幅回路、４０・−・誤
差増幅回路。 ５０・・・電力増幅回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定気体が流れる導管中に設けられた電熱ヒーターと
   、前記導管内でこの電熱ヒータの下流側に設けられた温
   度に応じて抵抗値の変る第１の温度依存抵抗と、前記導
   管内で前記電熱ヒータからの熱的影響を受けない位置に
   設けられた温度に応じて抵抗値の変る第２の温度依存抵
   抗と、前記電熱ヒータ及び第１．第２の温度依存抵抗の
   出力信号を用いて被測定気体の流量を測定する測定回路
   とを備える気体流量測定装置において、前記第１゜第２
   の温度依存抵抗を直列に接続し、この直列回路と並列に
   前記電熱ヒータを接続してセンサ部回路を形成し、前記
   測定回路が前記第１．第２の温度依存抵抗の接続点の電
   圧を増幅する増幅回路と、この増幅回路の出力電圧と前
   記センサ部回路の印加電圧との差を増幅する誤差増幅回
   路と、この誤差増幅回路の出力を電力増幅して前記セン
   サ部面（１） １１ 路に印加する霜１圧を制御する電力増幅回路とを備える
   事を特徴とする気体流量測定装置。