JPS6116026B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱線式流速計測装置に係り、特に温度
補償性のすぐれた回路方式に関する。

流路中に感温抵抗体を置き、同抵抗体の発生熱
量と流中と流速の関係から流速を電気的に計測す
る技術は例えば米国特許3747577により既に公知
であり、今日広く一般に使用されている。第１図
にその一般的な原理構成図を示す。図において１
は直流電源であり、トランジスタ２のコレクタ、
エミツタ間を通して感温抵抗体３、抵抗４を通り
電流を供給する。抵抗５、温度補償用感温抵抗体
６および抵抗体７の直列回路はトランジスタ２の
エミツタと直流電源１の陰極の間に接続される。
抵抗体３と４、および抵抗体６と７の接続点はそ
れぞれ増幅器８の逆相、正相入力となり、増幅器
８の出力はトランジスタ２のベースと接続され
る。感温抵抗体３は気流中に置かれる。抵抗およ
び感温抵抗体３〜７の抵抗値をそれぞれR₃〜R₇
であらわす。感温抵抗体３，６はともに等しい温
度係数αを有すると仮定したとき、 R₃＝R₃₀（１＋αT₃） ……(1) R₆＝R₆₀（１＋αT₆） ……(2) ただし T₃：R₃の温度 T₆：R₆の温度 となる。またこのブリツジ回路の平衡条件は、 R₇・R₃＝R₄・（R₅＋R₆） ……(3) であるから、(1)〜(3)より次式が求められる。

（１―Ｒ_４・Ｒ_６０／Ｒ_７・Ｒ_３０）T₆＋△Ｔ ＝１／α〔Ｒ_４（Ｒ_５＋Ｒ_６０）／Ｒ_７Ｒ_３０―１〕
……(4) ここで △Ｔ＝T₃―T₆ ところで流体中の発熱体の発熱量と流体によつ
た運び去られる熱量との間の収支関係は、 Ｑ＝I²R₃＝（C₁＋C₂√）・△Ｔ ……(5) ここで C₁，C₂：定数 ｕ：流速 Ｉ：R₃に流れる電流 の関係にあることが広く知られている。すなわち
発生熱量は、発熱体と周囲との温度差△Ｔが一定
状態にあるとき、流速の平方根の１次関数とな
る。そこで(4)式においてT₆の係数をゼロとする
と、△Ｔは回路条件で決まる一定値となり、発生
熱量Ｑを検出することにより流速を求めることが
可能である。このとき、 △Ｔ＝Ｒ_５／α・Ｒ_６０＝一定 ……(6) となる。

この方法において第１の問題点として温度補償
抵抗の自己加熱影響があげられる。R₃・R₆で消
費される熱量はそれぞれの端子電圧に依存する
が、回路構成上抵抗体３、および５と６に印加さ
れる電圧は等しく、抵抗体３に発熱の十分な電
圧、抵抗体６には発熱がほとんど無視できる電圧
を印加する必要がある。ところが抵抗体５と６の
抵抗比は(6)式で規定されるため抵抗体６の発熱抑
制を十分にするにはその抵抗を抵抗体３に比して
十分に大きく作る必要がある。しかし抵抗差が大
きい同一材料を用いた感温抵抗体（たとえば、白
金線抵抗）を別々に作製することは一般に不経済
であるばかりでなく、製作上のばらつき（たとえ
ばαの）を生じさせる原因となる。

本発明の目的は、感温抵抗体を含む回路を改良
し、正確な温度補償を同一仕様の素子で実現する
にある。

本発明は、感温抵抗体と温度補償用抵抗の端子
電圧比と十分大ならしめる構成とすることにより
上記欠点を解消したものである。

第２図に本発明の実施例を示す。図において第
１図と同符号のものは等価物である。感温抵抗３
と並列に抵抗９，１０の直列回路を接続し、抵抗
９，１０の接続点と増巾器の逆相入力端子とを接
続する。また、３，４の接続点を増巾器１２の正
相入力端子に接続する。また、電源１，と抵抗４
の接続点と増巾器１２の逆相入力端子間に抵抗１
１を、トランジスタ２の出力端子と増巾器１２の
逆相入力端子間に温度補償用感温抵抗６を接続
し、トランジスタ１２の出力端子を増巾器８の正
相入力端子と接続する。

増巾器１２は、正相，逆相端子の入力電圧を比
較する。すなわち、抵抗３と４の中点の電位と、
抵抗６と１１の中点の電位を比較し、両電位が等
しくなるように制御する。したがつて、増巾器８
の正相端子には、抵抗４の両端電気V₄と、抵抗
R₆の両端電圧、すなわち、増巾器１２の逆相端
子に接続されて抵抗６と１１の比による電圧の和
であるV₄＋（（R₆/R₁₁）×V₄）が入力される。ま
た、増巾器８の逆相端子には、抵抗４の電圧V₄
と、抵抗３の電圧V₃を抵抗９と１０で分圧して
電圧の和であるV₄＋（（R₁₀/(R₉+R₁₀)）×V₃）が入
力される。増巾器８は、正相，逆相端子への両入
力が等しくなるように制御する。したがつて、
（（R₆/R₁₁）×V₄）と（（R₁₀/(R₉+R₁₀)×V₃）が等し
くなるように制御される。

本構成において、低抗９，１０の抵抗値の和は
抵抗３の抵抗値に比し十分大きく選定する。この
とき、回路の平衡条件は、 R₄・R₆＝kR₁₁・R₃ ……(7) ただし ｋ＝Ｒ_１０／Ｒ_９＋Ｒ_１０ となる。ここで(1)，(2)式の関係を(7)式に代入する
と、 △Ｔ＝１／α〔１―ｋＲ_１１・Ｒ_３０／Ｒ_４・Ｒ_６０
〕（１＋αT₃） ……(8) の関係が得られる。

ところで熱量の収支関係(5)式に代入すると、 Ｑ＝I²R₃₀（１＋αT₃）＝（C₁＋C₂√）△Ｔ ……(9) (8)，(9)より Ｑ＝I²R³⁰（１＋αT₃） ＝１／α（C₁＋C₂√）〔１―ｋＲ_１１・Ｒ_３０／
Ｒ_４・Ｒ_６０〕 （１＋αT₃） ……(10) ∴I²＝１／αＲ_３０（C₁＋C₂√） 〔１―ｋＲ_１１・Ｒ_３０／Ｒ_４・Ｒ_６０〕 ＝ｋ（C₃＋C₂√） ……(11) ここでｋ：定数（＝１／αＲ_３０〔１―ｋＲ_１１・Ｒ_３
０／Ｒ_４・Ｒ_６０〕） が得られる。すなわち、抵抗３に流れる電流Ｉは
流速側ｕのみを含む関係となり、したがつて抵抗
４の端子電圧のみで流速測定が可能となる。

次に感温抵抗R₃，R₆の端子電気V₃，V₆の比を
計算すると、 Ｖ_３／Ｖ_６＝Ｒ_３・Ｒ_１１／Ｒ_６・Ｒ_４ ……(12) となり、もし、抵抗R₃，R₆に同一仕様の抵抗器
を使用しても、Ｖ_３／Ｖ_６＝Ｒ_１１／Ｒ_４となるから、
抵抗R₄に比 しR₁₁を十分大きく設計すれば、抵抗R₆に加わる
電圧を抵抗R₃のそれより十分小さくでき、した
がつて自己加熱を生ぜしめずに正確な温度補償が
可能である。それより十分小さくでき、抵抗R₆
を流れる電流が小さくなる。さらに、抵抗R₃の
両端電圧を分圧したものと、抵抗R₆と両端電圧
を等しくなるように制御しているため、抵抗R₉
とR₁₀の分圧比を大きくすれば、抵抗R₆に加わる
電圧を十分小さくでき、流れる電流も十分小さく
なる。したがつて、自己加熱を生ぜしめずに正確
な温度補償が可能である。

さらに、(7)式より(8)式を導出した結果明らかな
ように、温度差△Ｔは特別の条件調整をするまで
なく（１＋αT₃）に比例し、これが(11)式の関係を
満すため、従来のごとき調整操作を必要としな
い。

本発明の実施例によれば、流速を検知する感温
抵抗体の抵抗値を、同抵抗と流体との温度差に比
例させることができるので、同抵抗に流れる電流
のみを測定することにより流速が測定可能であ
り、測定精度を高めることができる。また測定用
感温抵抗体と温度補償用抵抗体との端子電圧比を
十分大きくとれるため、温度補償用抵抗体の自己
発熱を僅少にでき、周囲温度に対する補償を正確
に実現できるほか、両抵抗体に同一仕様品を使用
可能となり、経済的となり、生産性にすぐれたも
のが得られる。さらに温度条件を満足させるため
の特別な調整を必要としないので生産性，補修性
を良くすることができる効果がある。

感温抵抗体（ホツトワイヤ）３と直列に接続さ
れた抵抗４の端子電圧を直接、あるいは第３図に
示すように増巾器１４を介して電流Ｉを検出し、
流速Ｕを求める。このことにより次の効果があ
る。

１ 電流の変化を直接知ることが可能で応答が速
い。ブリツジそのものの構成以外の付加回路が
最小になる。

２ ホツトワイヤが何らかの原因で断線した際、
出力はゼロとなり高い流速値を示すことがな
い。このため燃料制御回路が過大な燃料を誤つ
て放出することがなく、ホツトワイヤによつて
火災等の２次災害が発生するのを防止できる。

さらにまた抵抗４の端子電圧を正相増巾器１４
で増巾する回路において、正相増巾器の逆相入力
とブリツジの電圧供給端子の間に定電圧ダイオー
ドZDを設ける。このことにより次の効果があ
る。

正常に動作しているときはブリツジの電圧供給
端子と抵抗４の端子すなわち、増巾器１４の正相
入力端子との電位は比例的に変化する。ホツトワ
イヤが断線したり、トランジスタ２が破壊し、不
通状態になつた場合にはこの比例関係が失なわ
れ、ブリツジ電圧が上昇し、定電圧ダイオードの
ブレークオーバー電圧をこえ、増巾器１４の逆相
入力を高めるため、出力を減少し、上記同様フエ
イル，セーフとなる。次に第４図を用いてされに
他の実施例を説明する。

ホツトワイヤ３に流れる電流を抵抗４の端子電
圧で検出、増巾する回路において、正相増巾器１
４の帰還抵抗R₀のほかに、一定に制御された電
源Ｖ_Rと逆相入力の間に接続した直列抵抗回路Ｒ_i
２，Ｒ_i１、それらの接続点から出力端子へ、同
方向を順方向とするごとくダイオードＤ_iを接続
する。Ｒ_i２，Ｒ_i１の接続点電位V₁は、ダイオー
ドＤ_iがカツトオフの場合、 Ｖ_i＝（Ｖ_R―ｅ_iＲ_ｉ１／Ｒ_ｉ１，Ｒ_ｉ２）＋ｅ_i……
(14) ここでｅ_i：増巾器１４の入力電圧となる。ま
だダイオードＤ_iがカツトオフでないときは、 Ｖ_i＝e₀ ……(15) ここで、e₀：増巾器の出力電圧 となる。

いま、ｅ_i＜V₁＜V₂＜……＜Ｖ_oとするとき、e₀
＜V₁の範囲ではD₁〜Ｄ_oはすべてONとなり、増
巾器の帰還抵抗r₀₁は、R₀，R₁₁，R₂₁……Ｒ_o１の
並列となり、 r₀₁＝Ｒ_０・Ｒ_１１・Ｒ_２１……・Ｒ_ｏ１／Ｒ_０＋Ｒ
_１１＋Ｒ_２１＋……＋Ｒ_ｏ１……(16) であらわされる。

したがつて増巾器の入出力関係は、 e₀₁＝（１＋ｒ_０１／Ｒ）e₁ ……(17) となる。

次にV₁＜e₀＜V₂の範囲では、D₁がカツトオフ
になるほかは他のダイオードはすべてONとな
り、帰還抵抗r₀₁は、 r₀₂＝Ｒ_０・Ｒ_２１・Ｒ_３１・……・Ｒ_ｏ１／Ｒ_０＋
Ｒ_２１＋Ｒ_３１＋……＋Ｒ_ｏ１……(18) したがつて、入出力関係は、 e₀₂＝（１＋ｒ_０１／Ｒ）e₁ ……(19) となる。r₀₁，r₀₂を比べると、r₀₁＜r₀₂であるから
(17)，(18)式のゲイン比較では、 １＋ｒ_０１／Ｒ＜１＋ｒ_０２／Ｒ ……(20) となる。

以下同様にして出力レベルが増すにつれてカツ
トオフとなるダイオードの数は増加し、ゲイン （１＋ｒ_０ｉ／Ｒ）は大きくなつてゆく。

ところで、流速ｕに対しての電流Ｉの変化は、
(13)式に示すごとき関数係であり、流速が増すほ
ど変化率は小さくなる。ｅ_iはＩに比例するか
ら、上記構成の増巾回路を用いることによつて、
流速ｕに対して、出力e₀を線形化するよう設定す
ることが可能である。ホツトワイヤに流れる電流
を増巾する回路にあつて、その出力レベルにより
帰還抵抗を切換える単一の増巾器を有する場合次
の効果がある。

(13)式のような複雑な関係形出力でも容易に任
意の出力形態に合わせることができる。自動車の
吸入空気流量を測定するには、吸気行程に流入す
る空気流量を平均する必要があるが、流量は複雑
に脈動する。このとき(13)式の出力のまま平均化
すると誤差を生じる。従つて直線化して後の処理
が必須となり、上記の線形化が効果を果たす。

単一の増巾器の増巾の連続的に可変できるので
精度が高く低コストに実現できる。

第５図はホツトワイヤ３に流れる電流を抵抗４
の端子電圧降下で検出し、増巾器１４で増巾し
て、A/D変換器２０でデイジタル化して後、
ROM２１に入力する。ROM２１は入力デイジタ
ル値に対し、任意の出力デイジタル値を設定記憶
できるので、線型化を含め、任意の出力形態に変
換可能である。このようにすると次の如く効果が
ある。

第４図と同様、デイジタル値であるため、電
源，電圧や温度影響を受けにくい。

第６図において、第５図と同様、ホツトワイヤ
３の電流を低抗４の出力としてて電流増巾器１４
に入力して、その出力をA/D変換器２０でA/D変
換してデイジタル値に変換し、これをマイクロプ
ロセツサ２２に導びき次の第７図に示す計算をす
る。ステツプ３１でA/D変換出力を取り込み、ス
テツプ３２で変換出力ｘがROM中に納められた
変換データテーブルのどの範囲にあるか判定す
る。その答えとして今XnとＸ_o+1の間にあるもの
とする。ステツプ３３で先ず、Ｘ_o，Ｘ_o，Ｘ_o+1
に対してそれぞれ記録されている出力量ｆ_o，ｆ_o
＋１を読み出し、次に補間を行なうために、 ｆ＝ｘ―Ｘ_ｏ／Ｘ_ｏ＋１―Ｘ_ｏ（ｆ_o+1―ｆ_o）＋ｆ_o
……(21) の計算を実行して結果ｆを求める。この効果とし
て第21式は直線補間計算であるから、データ、テ
ーブルのデータ数は直線近似で必要精度を保障で
きればよく、データ数は少くて良い。またROM
からは任意な出力が得られるので抵抗４の出力に
対し、簡単にリニヤライズが可能となる。ここで
ROM２１にはリニヤライズの為のデータと第７
図のフローを実行するためのプログラムが入つて
いる。第８図の回路においてA/D変換前の増巾回
路を図の構成とすると、その入出力関係は、 e₀＝（１＋ｒ_１／ｒ_２）（１＋ｒ_４／ｒ_３）e₁―ｒ_４
／ｒ_３VR ……(22) となる。

e₁は流速ｕ＝Ｏにおいても√₁の出力を示すた
め、（22）式の第２項をこれに近い値に設定し、
同時に最大流続時の出力A/D変換器の入力の最大
値近くに設定する。流速の計算の際は上記した
（22）式第２項に等しいデイジタル値をROM中に
蓄えておき、これをA/D変換出力に加算した後、
処理を行なう。この回路では次のような効果があ
る。

A/D変換器２０のダイナミツク，レンジをフル
に利用できるので精度が高くなる。

第９図はさらに他の実施例である。

ブリツジ回路中に温度補償用抵抗を設けず、ブ
リツジ回路のR₂は温度依存性の少ない抵抗にす
る。このときホツトワイヤ３は定温度Twに制御
され、このときの電流値は、 ここで Tw：ホツトワイヤの温度 Ta：周囲温度 となる。この値を上記同様の手段でマイクロプロ
セツサ２２のA/D変換器２０を介して取込む。こ
の際A/D変換器２０の前にマルチプレクサ２５を
設け、他の入力として定電流回路２４により駆動
される温度補償抵抗２３の端子電圧を導く。温度
補償抵抗２３の端子電圧から周囲温度Taを知
り、既知のホツトワイヤの温度Twを用いて、マ
イクロプロセツサ２２により、 ｕ＝１／Ｃ_２ ^２・（Ｉ^２／Ｔｗ―Ｔａ―C₁）²……(24
) の値を求めて流速の精度を得る。ここでC₂は定
数であるので上記の計算中に含めなくとも流量と
比例した信号を得ることが可能である。

この回路図では、ブリツジ回路中で温度補償を
行なうことがなく、演算で補償計算を行なうため
補償方法に任意性が生じ、例えば、温度係数が非
線型で（13）式の関係が非直線性を持つ場合でも
対応でき、精度が向上する。

さらに上記（23）式の計算式を用いず、第６図
に示したごとき、ｕとＩとのデータ、テーブルを
用いて、直線補間計算することも可能である。こ
の場合データ数が少くて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の流速計の原理図、第２図は本発
明の１実施例を示す回路図、第３図，第４図，第
５図，第６図は本発明の他の実施例を示す回路
図、第７図は第６図の回路の処理フロー図、第８
図と第９図は本発明のさらに他の実施例を示す回
路図である。 １…直流電流源、２…トランジスタ、３，６…
感温抵抗体、４，９，１０，１１…抵抗、８，１
２…増巾器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流路中におかれた第１の感温抵抗体３および
   第１の抵抗体４からなる直列回路と、上記第１の
   感温抵抗体３の両端電圧を分圧する分圧回路９，
   １０と、流路中におかれた第２の感温抵抗体６お
   よび第２の抵抗体１１からなる直列回路と、上記
   第２の感温抵抗体６をその帰還回路に含むととも
   に第１の抵抗体４と第２抵抗体１１の両端電圧が
   等しくなるように制御する増巾器１２と、上記分
   圧回路の分圧電圧と上記第２の感温抵抗体６の両
   端電圧が等しくなるように上記第１の感温抵抗体
   ３を流れる電流を制御する手段２，８を有し、上
   記第１の感温抵抗体３を流れる電流により流路中
   を流れる流体の流速を計測することを特徴とする
   感温抵抗体を用いた流速計測装置。