JPS604815A - 流量測定装置 - Google Patents

流量測定装置

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JPS604815A
JPS604815A JP58113978A JP11397883A JPS604815A JP S604815 A JPS604815 A JP S604815A JP 58113978 A JP58113978 A JP 58113978A JP 11397883 A JP11397883 A JP 11397883A JP S604815 A JPS604815 A JP S604815A
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JP
Japan
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flow rate
junction
group
heater
substrate
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JP58113978A
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English (en)
Inventor
Norihito Tokura
戸倉 則仁
Hisashi Kawai
寿 河合
Tokio Kohama
時男 小浜
Kenji Kanehara
賢治 金原
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Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845Micromachined devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/6888Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters

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、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。
従来自動車用エンジンの吸入導管に流量測定管を設けこ
の流量測定管内に白金抵抗線からなる電熱ヒータと温度
依存抵抗を設け、これらの出力信号により吸入空気(被
測定流体)流量を測定するようにした装置が提案されて
いる。
この装置は、小型かつ簡単な構造で正確に流量を測定し
得るという利点があるが、従来においては温度依存抵抗
に非常に細い白金抵抗線を使用し、しかも吸気流中に浮
かせて使用していたため、バンクファイアにより白金抵
抗線に衝撃が加わった際には強度上の問題が生じる。
また電気的には電熱ヒータの上流と下流に設置した温度
依存抵抗と2つの固定抵抗によりブリッジ回路を構成し
、前記上流と下流の温度により前記温度依存抵抗の抵抗
値の変化を電圧で検出して流量を測定している。しかし
この場合ブリッジを構成する2つの温度依存抵抗と2つ
の固定抵抗の相対温度係数が非常に小さいことが要求さ
れる。
そのため調整工数がかかり、コストアップになる。
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので複数個の
薄膜集積化した熱電対を用いることによりブリッジを構
成する2つの固定抵抗をなくすことと強度を向上させる
ことを目的とする。
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、吸入導管3及
び吸気弁を経て吸入する。
燃料は吸入導管に報知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ット
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電流格子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7)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の中央
には検出基板9が空気の流れ方向に平行に固定されてい
る。
第2図に検出基板9の構造を示す。検出基@9は0.2
 *mの厚さのセラミック板である。M1〜M+00は
白金薄膜線状体であり、蒸着により基板9上に形成され
、熱電対手段を構成している。第2の金属からなる薄膜
線状体N1の一端はスルポール11に接続され、他端は
第2接合群10B内の接合100Bで第1金属線状体M
+の一端と接合されている。第1金属線状体M+の他端
は第1接合群10A内の接合100Aで第2金属線状体
N2の一端と接合される。第2金属線状体N2の他端は
第2接合群10B内の接合101Bで第1金属線状体M
2に接合される。このようにして第1金属線状体Mと第
2金属線状体Nは直列に接合される。
第2金属線状体N100の他端は第2接合群10B内の
接合199Bで第1金属線状体Ml(、。
と接合される。第1金属線状体M 10 oの他端は第
1接合群10A内の接合199Aで第2金属線状体Nl
0Iの一端と接合される。第2金属線状体Nl0Iの他
端はスルーホール12に接続される。スルーボール11
は裏面にて金の線状体で端子13に接続される。同様に
スルーホール12は裏面にて金の線状体によた端子14
に接続される。
以」二のようにして白金とロジウムからなる薄膜線状体
群は第1接合群10A及び第2接合群10Bでそれぞれ
100個の接合部を持つ。なお検出基板9は端子13,
14,15.16を除いて両面とも1μの厚さの窒化シ
リコンでコーティングされている。
17は白金蒸着体である。白金蒸着体17の一端はスル
ーホール31に他端はスルーホール32に接続される。
スルーホール18は裏面にて端子パターン15に、スル
ーホール]9は裏面にて端子パターン16にそれぞれ金
の線状体により接続される。
ここで、端子15と16から白金蒸着体17に電流を流
ずことによりこれば電熱ヒータとして作動する。一方矢
印のように検出基板9に平行に空気が流れるとヒータ1
7により熱せられた空気は下流の第2接合群10Bに影
響を与え、上流の第1接合群10Aには影響を与えない
ので第2接合群10Bと第1接合群10Aの間には温度
差が生じる。
白金−白金合金(10%ロジウム含有)接合では1℃温
度差当り0.00645mVの電圧を出力するので金属
線状体の100個の接合部がある場合には100倍とな
り、1℃当り0.645mVの起電力を出力する。
第3図にセンサ制御回路20を示す。このセンサ制御回
路20は概略的には増幅回路20a、差動増幅回路20
b1電力増幅回路20c及び出力抵抗20eから構成さ
れている。
増幅回路20aはバッファ回路と増幅回路で構成されて
おる。オペアンプ21の非反転入力は前記検出基板9の
端子14に接続してあり、反転入力は出力に接続しであ
る。オペアンプ21の出力番よ抵抗22を介してオペア
ンプ24の非反転入力に接続しである。オペアンプ24
の反転入力は抵抗23と25の一端が共通にして接続し
である。
抵抗23の他端は接地してあり、抵抗25の他端はオペ
アンプ24の出力に接続しである。バッファを構成する
オヘアンブ21により白金−ロジウムににる起電力を高
いインピーダンスで変換し、119幅器を構成するオペ
アンプ24で増幅する。増輸率は抵抗25と抵抗23の
比率で決まる。
差動増幅回路20bは、入力抵抗26.27、コンデン
サ30、基準電圧源28およびオペアンプ29から構成
されており、増幅回路24の出力電圧と基準電圧源28
の一定基準電圧Vrとを差動増幅して出力する。コンデ
ンサ30は本回路の発振防止用に設けである。
電力増幅回路20e1抵抗31及びパワートランジスタ
32から構成されており、パワートランジスタ32には
バッテリ33から電力が供給されており、差動増幅回路
20dの出力電圧を増幅し、その出力を検出基板9の端
子14に印加して、電熱ヒータ17を発熱させる。
出力抵抗20dの一端は検出基板9の端子16に、他端
はバッテリ33の負極に接続される。出力抵抗20dの
一端の電圧が出力信号として燃料制御回路30に入力さ
れる。
」1記構成において作動を説明する。スロットル弁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内においてヒータ17の影響を受
けない位置にある第1接合1〇八は吸入空気の温度のみ
の影響を受け、他方ヒータ17の下流に配置された第2
接合10Bは吸入空気の温度とヒータ17の発熱量、つ
まりヒータ17により加熱された空気の温度の影響を受
ける。
この結果用1.第2接合10A、IOBの間にはヒータ
17に供給した電力量P (W)と吸入空気流量G(g
/5ec)に関係した温度差へTが生じる。ここで1)
、G1ΔTには次式のような関係がある。
KI・ΔT=P/G・・・(1)(ただし、Klは定数
)しかして、第1接合10Aと第2接合10Bの両端の
起電力Δ■と温度差Δ′Fとの関係は(2)式となる。
Δ]”−に2・Δ■・・・(2)(ただし、K2は定数
)従って、(1)式及び(2)式から次式のような関係
式が得られる。
K3・ΔV=P/G・・・(3)(ただし、K3は定数
)したがって、ヒータ17の供給電力Pを制御して熱電
対の起電力Δ■を一定値にすれば、吸入空気流量G、供
給電力Pの関係は次式となる。
G = K 4・P・・・(4)(ただし、K4は定数
)ここで、出力抵抗20dの抵抗値をヒータ17の抵抗
値に比べて小さな値とし、ヒータ17に流れる電流を1
とすると P=Ks・■2・・・(5)(ただし、K5は定数)が
得られる。(4)と(5)式により G=K I 2・・・(7) となる。出力抵抗20dの抵抗値が温度により変わらな
いとし、両端の電圧を■とするとG=に’V2・・・(
8)(ただし、K′は定数)しかして、吸入空気流量G
は、電流I (又は電圧■)の2乗の関数となる。ここ
で(7)式、(8)式は近似式ではあるが、測定上影響
が出ない程度のものであり、実用上はとんど問題はない
そこで、センサ制御回路20はヒータ17の発熱量を制
御してΔ■を一定値に制御する。つまり、吸入空気量が
増大すると、ヒータ17により加熱される空気の温度上
昇が減少し、第1.第2接合群10Δ、108間の温度
差へTは小さくなり、起電力Δ■も小さくなる。このた
め増幅回路20aの出力は■1は小さくなり (Vr−
V+)に応じた電圧を発生する差動増幅回路20bの出
力電圧は大きくなる。これにより電力増幅回路20Cは
ヒータ17への供給電流を増加させ、ヒータ1′tの発
熱量を増大させる。
従って、第1、第2接合群10A、108間の温度差Δ
Tが増大して起電力ΔVが基準電圧Vrと等しくなった
状態でシステム全体としては平衡状態に達する。
吸入空気流量が減少すると、今度は逆に八Tが増大して
起電力Δ■が大きくなるのでヒータ17への供給電流を
減少させ、その発熱量を減少させる。従って温度差ΔT
が減少して起電力Δ■が小さくなり、起電力ΔVが基準
電圧Vrと等しくなる。
このようにして第1、第2接合群10A、10Bの起電
力Δ■は吸入空気流量によらず常に一定値Vrに保持さ
れ、(7)式が成立して吸入空気流量Gはヒータ17を
流れる電流Iの2乗の関数で表される。
この電流Iは、出力抵抗20dをも流れるため、電流■
と出力抵抗20dの両端電圧■とは比例し、この電圧■
の2乗は吸入流量Gに比例する。
この出力電圧を燃料制御回路30により直線化される。
燃料制御回路30はこの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。
なお検出基板9の電熱ヒータ用としての白金線状体を温
度係数のないニッケルクロムで構成すると、出力抵抗2
0dは不要になる。ニッケルクロム線状体の抵抗値をR
1印加される電圧■とすると(4)式は次式となる。
G=K”・■2・・・(9)(ただしに=に’/R)(
9)式から空気流ff1Gは正確に印加電圧■の2乗に
比例することになる。
なお検出基板としてセラミックを用いたが、雲母1Kを
用いても良い。
また熱電対材料としての金属パターンに白金と白金ロジ
ウムを用いたが、他の材料を用いても良いことは当然で
ある。
また接合数を100組にしたが、これは組数が多い方が
良いが構造的寸法とパターンの極細技術により制約され
る。
以」二述べたように本発明によれば、 本発明は基板上に熱雷対としての2種類の金属綿状体を
交互に直列に複数個接合し、その第1の接合群と第2の
接合群に分類し、第1の接合群を電熱ヒータ17の上流
に、第2の接合群を下流に配置し、第1の接合群と第2
の接合群との温度差を直接熱起電力信号として取出こと
により、従来のよ・)に温度差を抵抗変化として出し、
ブリッジ回路を介して電力変化として取出す必要がなく
なり、回118を簡素化できるという優れた効果がある
また、基板上にと熱電対としての2種類の金属パターン
を配設することにより、バンクファイア等の衝撃波に対
して強くなり、信頼性を大きく向上させることが可能と
なる。
【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
は第1図図示の検出基板を示す平面図、第3図は第1図
図示のセンサ制御回路を示す回路図である。 9・・・基板、IOA・・・第1の接合群、IOB・・
・第2の接合群、17−・・ヒータ、M + 〜M +
 o o 、N 1〜N100・・・薄膜線状体。 代理人弁理士 岡 部 隆 第 1 図 第 2 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 +11流路内に設けられた基板と、この基板上に設りら
    れた電熱ヒータと、前記流路内に設けられた熱電対手段
    とを備え、この熱電対手段は交互に直列に第1の接合群
    と第2の接合群において接合された2種の熱起電力材料
    からなる複数の薄膜線状体を具備し、前記第1の接合群
    を前記電熱ヒータの上流に配置し、前記第2の接合群を
    下流に配置したことを特徴とする流量測定装置。 (2)前記金属線状体が設けられている基板上に前記電
    熱ヒータが設けられている特許請求の範囲第1項記載の
    流量測定装置。
JP58113978A 1983-06-23 1983-06-23 流量測定装置 Pending JPS604815A (ja)

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US06/622,554 US4587843A (en) 1983-06-23 1984-06-20 Thermocouple-type gas-flow measuring apparatus

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