JPS6013446B2 - 気体流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 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。 〔従釆技術〕 従来、例えば特開昭５０−１４４８２２号公報のように
、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、電熱ヒータの発熱
量を制御して両温度依存抵抗間の温度差△Ｔを一定値と
し、電熱ヒータに供給する電力量から吸入空気（被測定
気体）の流量を測定するようにした装置が提案されてい
る。 ところが、この装置は温度依存抵抗間の温度差△Ｔを一
定に制御する構成で、この制御を行う測定回路として電
圧比較回路と積分回路を用いる構成であるため、その出
力波形のリツプル分が大きくなり測定精度がやや悪く応
答性も十分でないという問題がある。 即ち、抵抗線を用いて温度計側をするガス流量計に於い
ては、センサの応答性を高めるには温度計の熱容量を小
さくする必要がある。 その方法として、抵抗線の長さを短くするかあるいは抵
抗線の径を４・さくする方法がある。前者の場合は、抵
抗値が小さくなり温度計を流れる電流が多くなり、その
結果ジュール熱により自己発熱が発生あるいは増加する
。後者の場合は、線の引張り強度が弱くなり信頼性の面
である限界より細くは出来ない。従って、温度計の自己
発熱を多少許して抵抗線の長さを短くする事で対処すれ
ば、熱容量が少なくなりしかも強度が確保でき、さらに
抵抗線が短くなっただけコストが有利となり、小型の装
置となり、一応流量計として使用できる。しかし、この
場合にジュール熱により温度計の溶断あるいは特性劣化
が生じないブリッジ印加電圧の限界値が存在し、第６図
の曲線Ａの如く、低流量側では流体への熱移動量が少な
い為に高い電圧は印加できないし、逆に、高流量側では
高い電圧がブリッジに印加できる。 この事は、ブリッジを一定に駆動する場合は低流量で決
定される電圧しか印加できず、高流量側で高い電圧が印
加できるにもかかわらず低流量側で制約されてしまいブ
リッジの感度は、低流量側で制約された値で一定となる
という問題があった。また、センサ部において電熱ヒー
タと下流の温度計は物理的に距離夕を持って配置せざる
を得なく、電熱ヒータから温度計への熱の伝達遅れはそ
こを通過する流体の流速に支配されます。 エンジンの吸入空気量計測範囲は４０〜５折音のダイナ
ミックレンジを有しているので、この熱伝達遅れは吸入
空気量に応じて４０〜５０倍変化します。しがつて、ブ
リッジを一定電圧で駆動するトーマスガスメータにおい
ては上述の熱伝達遅れのみが周波数特性を決定すること
になり自動車エンジンとしては問題があった。〔発明の
目的〕 そこでこの発明は、上記の点に鑑みなされたもので、測
定精度及び応答性を向上し得る気体流量測定装置を提供
することを目的とする。 つまり、上述の問題点に鑑み本願は高流量側でブリッジ
印加電圧に余裕が有る事に着目し、流量に応じて高流量
になる程ブリッジ印加電圧を高くすべく、電熱ヒータと
同時にブリッジ印加電圧を制御する事により、ブリッジ
の感度を高め計測範囲を広くし、精度の向上を図る。 また、電熱ヒータと同時にブリッジ印加電圧を制御する
ことにより、ブリッジ例のみのフィードバックループで
遅れなく見込み制御を行い周波数特性の向上、応答性・
安定性の向上を図ることを目的とする。〔実施例〕以下
この発明を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ェアクリ−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６から噴射供総合される。
吸入導管３には運転者により任意に操作されるスロット
ル弁６が設けられており、またェアクリーナ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とスロットル弁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
、図では榛式的に示すが白金抵抗線からなる電熱ヒータ
１０が設けられており、このの電熱ヒータ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２図に示
すようにリング形状のプリント板１０ａ．１ １ａ，１
２ａに格子状に白金抵抗線１０ｂ，１１ｂ，１２ｂを設
けた構造であり、特に第１、第２温度依存抵抗１１，１
２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１ １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ており、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温度依存抵
抗が受けないようになっている。電熱ヒータ１０及び第
１、第２温度依存抵抗１１，１２は、何れも測定回路１
５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依存抵抗１１，１
２と共にブリッジＢを構成する。 また、電圧制御回路１７は、ブリッジの対角点ａ，ｂの
電圧に応じてブリッジＢ及び電熱ヒータ１０１こ印加す
る電圧を制御する。燃料制御ユニットＵ‘ま、測定回路
１５の信号に応じて電磁式燃料噴射弁５の開閉時間を制
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５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１１，１２と共にブリッジＢを構成する第
１基準抵抗２１及び第２基準抵抗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７ｅ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３１，３
２、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、ブリッ
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３６，３７
、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３
９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４１，４２及びパワー
トランジスタ４３から構成されており、パワートランジ
スタ４３はバッテリ４４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
ッジ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１川こ直列接続されている。 上記構成において作動を説明する。 スロットル弁６の関度により決定されるある量の空気は
、ェアクリーナ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１０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、他方電熱ヒーター０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１０１こ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間には電熱ヒーター
０に供給した電力量Ｐ（Ｗ）と吸入空気流量Ｇ（ｇ／ｓ
ｅｃ）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。Ｋ
．・△Ｔ＝Ｐ／Ｇ……｛１ー（ただし、Ｋ，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、ブリッジＢの
ａ点とｂ点の間には‘２｝式で示すように温度差△Ｔと
ブリッジに印加される電圧Ｖとで決定される電位差△Ｖ
が生じる。 △Ｖ＝Ｋ２・△Ｔ・Ｖ・・・…

【２’（ただし、Ｋ２は
定数）したがって、ｔｌ｝式及び【２｝式から次式のよ
うな関係式が得られる。 Ｋ３．△Ｖ／Ｖ＝Ｐ／Ｇ……【３’（ただし、Ｋ３は定
数）．したがって、電熱ヒータ１０の供ｖ給電力Ｐとブ
リッジ印加電圧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、ブリッジ印加電圧Ｖの関係
は次式に示すようなものとなる。 Ｇ＝＆・Ｐ・Ｖ・・・・・・側（ただし、Ｋ４は定数）
ここで、出力抵抗７ｄの抵抗値を電熱ヒータ１０の抵抗
値に比べて小さな値とし、電熱ヒータ１０を流れる電流
を１とすれば、Ｐニ＆１２・・・・・・【５１（ただし
、＆は定数）ＶニＫ１・・・…■（ただし、公は定数）
■式及び６）式が成立し、これにより■式は次式のよう
に表される。 Ｇ：Ｋ１３・・・・・・【７｝（ただし、Ｋは定数）ニ
Ｋ′Ｖ３・・・・・・【８’（ただし、Ｋ′は定数）し
かして、吸入空気流量Ｇは、電流１（又は電圧Ｖ）の３
乗の関数となる。 ここで【７１式、■式は近似式ではあるが、測定上影響
が出ない程度の近似であり、実用上ほとんど問題はない
。そこで、電圧制御回路１６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「吸入空気量が増大すると、電熱ヒータ１０１こ
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
リッジ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Ｖ・は小さくなり、（Ｖ
ｒｅｆ−Ｖ，）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は露熱ヒ−夕１０への供給
電流を増加させ、電熱ヒータ】０の発熱量を増大させる
。したがって、第１、第２温度依存抵抗１１，１２間の
温度差△Ｔが増大してブリッジの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
った状態で、システム全体としては平衡状態で「ブリッ
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１０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Ｖ，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は電熱ヒーター０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。 したがって、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と等しくなった状
態でシステム、ブリッジ共に安定となる。 こうして、ブリッジの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、‘７〕式
が成立して吸入空気流量Ｇは電熱ヒータ１０を流れる電
流１の３乗の関数で表される。 この電流１は、出力抵抗７ｄをも流れるため、鰭流１と
出力抵抗７ｄの端子電圧Ｖｏとは比例し、この電圧Ｖｏ
の３乗は吸入空気流量Ｇに比例する。ここで、この電圧
Ｖｏを発生させるのに、ブリッジＢのａ−ｂ間電位差△
Ｖを一定にする方式であるため、測定回路１５には電圧
比較回路、積分回路を使用する必要がなく差動増幅回路
を使用するだけでよいので電圧ｙｏは正確に吸入空気流
量に対応し、測定精度、応答性が飛躍的に向上する。 そして、この電圧Ｖｏは吸入空気流量Ｇを示す信号とし
て燃料制御ユニットＵに入力され、燃料制御ユニットＵ
はこの信号、回転速度センサ２０の出力信号に基いて燃
料噴射弁５を関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の出力、燃費などが向上す
る。また電圧制御回路１７が一定の空気量で安定した動
作を行っている場合に、バッテリ４４の電圧が何らかの
理由により大きくなると第２差動増幅回路７ｂの出力電
圧は変化しないが電力増幅回路７ｃの出力電圧は大きく
なる。すると電熱ヒータ１０の発熱量は増大するので第
１温度依存抵抗１１の抵抗値は大きくなり、第１温度依
存抵抗１１と第２温度依存抵抗１２の接続点ｂの電位は
下がる。このため、第１差動増幅回路７ａの出力電圧は
大きくなり、基準電圧Ｖｒｅｆとの差が小さくなるので
、第２差動増幅回路７ｂの出力は小さくなり、電力増幅
回路７ｃの出力電圧は４・さくなり電圧変動前の安定し
た電圧まで下がる。 次にバッテリ４４の電圧が低くなった場合には第１差動
増幅回路７ａの出力電圧は小さくなり、第２差動増幅回
路７ｂの出力電圧は大きくなって電力増幅回路７ｃの出
力電圧は大きくするようになり、やはり電圧変動前の安
定した出力電圧に落ち着く。 このように、吸入空気流が一定ならば電力増幅回路７ｃ
の出力電圧は一種の安定化電源回路として作動するので
電圧制御回路１７の電源端子には一定電圧を供給する必
要がなく、バッテリー電源端子に直酸接続することが可
能となっている。 なお、上記実施例においては燃料噴射式エンジンに適用
した例を示したが、気化器式ェンジンンにおいて吸入空
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。 〔発明の効果〕 以上述べたようにこの発明によれば、被測定気体が流れ
る導管中に設けられる流量測定管と、この流量測定管内
に設けられた電熱ヒータと、流量制御管内でこの電熱ヒ
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、電熱ヒータ及び第１、第
２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、この測定回路が、第１、第２温
度依存抵抗と共にブリッジを形成する第１基準抵抗及び
第２基準抵抗と、前記ブリッジ及び電熱ヒータに電圧を
印加してブリッジの対角点の電位差が一定値になるよう
制御する電圧制御回路とを備え、電熱ヒータに印加する
電圧又は電流の３案が被測定気体の流量に比例するよう
構成したから、測定精度及び応答性を向上できるという
優れた効果を奏する。 つまり、上述の如く本願は、高流量側でブリッジ印加電
圧に余裕が有る事に着目し、流量に応じて高流量になる
程ブリッジ印加電圧を高〈すべく電熱ヒータと同時にブ
リッジ印加電圧を制御する事により、ブリッジの感度を
高め計測範囲を広くでき、測定精度が向上するという極
めて優れた効果がある。 また、電熱ヒータと同時にブリッジ印加電圧を制御する
ことにより、ブリッジ側のみのフィードバックループで
系の遅れなく見込み制御が出来るので周波数特性が向上
し、応答性、安定性の向上が図れるという自動車用とし
て極めて優れた効果を奏する。

【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
の測定回路を示すブロック図、第５図は第４図図示の測
定回路を示す電気回路図、第６図は温度計の温度と流量
の関係を示す流量特性図である。 ３…導管、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、１７・・・電圧制御回路、２１・
・・第１基準抵抗、２２・・・第２基準抵抗、Ｂ・・・
ブリッジ、ａ，ｂ・・・対角点、７ａ・・・第１差動増
幅回路、７ｂ・・・第２菱勤増幅回路、７ｃ・・・電力
増幅回路。 第２図 第３図 第１図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定気体が流れる導管中に設けられる流量測定管
   と、この流量測定管内に設けられた電熱ヒータと、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ない位置に設けられた第２温度依
   存抵抗と、前記電熱ヒータ及び第１、第２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、 この測定回路が、前記第１、第２温度依
   存抵抗と共にブリツジを形成する第１基準抵抗及び第２
   基準抵抗と、前記ブリツジ及び電熱ヒータに電圧を印加
   して前記ブリツジを不平衡状態で前記ブリツジの対角点
   の電位差が一定値になるよう制御する電圧制御回路とを
   備え、前記電熱ヒータに印加する電圧又は電流の３乗が
   被測定気体の流量に比例するようにしたことを特徴とす
   る気体流量測定装置。 ２ 前記測定回路が、前記ブリツジの対角点の電圧を差
   動増幅し、対角点の電位差に比例した電圧を出力する第
   １差動増幅回路と、この第１差動増幅回路の出力電圧と
   所定の基準電圧との差に応じた電圧を出力する第２差動
   増幅回路と、この第２差動増幅回路の出力を増幅し、前
   記ブリツジ及び電熱ヒータに印加する電圧を制御する電
   力増幅回路とを備えることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の気体流量測定装置。