JPS64652B2

JPS64652B2 -

Info

Publication number: JPS64652B2
Application number: JP55048191A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Egami; Hisashi Kawai; Tokio Kohama; Hideki Oohayashi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1980-04-11
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1989-01-09
Also published as: US4409828A; JPS56143915A

Description

【発明の詳細な説明】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。

従来、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、これにより吸入空気（被測定気体）流量を検
出するようにした装置が提案されている。

この装置は、小型かつ簡潔な構造で重量流量を
測定し得るという利点があるが、電熱ヒータ及び
温度依存抵抗は共に同一の抵抗温度係数を持つ抵
抗線で構成されていた為に吸入空気温度の影響を
完全にキヤンセルしていなかつた。

即ち、第１図図示の構成において、１０は抵抗
値R_H（Ω）の電熱ヒータ、１１は抵抗値R₁（Ω）
の第１温度依存抵抗、１２は抵抗値R₂（Ω）の第
２温度依存抵抗（Ω）、２１および２２は第１、
第２温度依存抵抗と共にブリツジ回路を成す抵抗
値R₃，R₄（Ω）の基準抵抗である。電熱ヒータ１
０及び第１、第２温度依存１１，１２は共に同一
の抵抗温度係数αを有する抵抗線で構成されお
り、吸入空気温度Ta（℃）の空気が電熱ヒータで
加熱せられて温度上昇△Ｔ（℃）が生じ、第１、
第２温度依存抵抗の温度は各々（Ta＋△Ｔ）、
TaとなりR_H，R₁，R₂は次式にて表わされる。

R_H＝R_OH（１＋α・Ta＋α・△T_H） …(1) R₁＝R_O1（１＋α・Ta＋α・△Ｔ） …(2) R₂＝R_O2（１＋α・Ta） …(3) （但し、R_OH，R_O1，R_O2は℃の時のR_H，R₁，R₂の
値、△T_Hは電熱ヒータの吸気温Taよりの温度上
昇）ブリツジの対角点Ａ点及びＢ点の電位をそれぞ
れV₁，V₂とすると、ブリツジの出力電圧△Ｖは
次式で表わせる。

△Ｖ＝Ｖ・（R₄／R₃＋R₄−R₂／R₁＋R₂） …(4) （但しＶはブリツジ及び電熱ヒータに印加する電
圧）式(1)〜(4)よりR₃＝R₄、R_O1＝R_O2とすると温度
差△Ｔは △Ｔ＝４（１＋α・Ta）・△Ｖ／α・（Ｖ−２・
△Ｖ）…(5) となる。一方吸入空気量Ｇ（ｇ／sec）と温度差△
Ｔと印加電圧Ｖの関係は、電熱ヒータから空気以
外の熱伝導を無視すると次式になる。

Ｇ・Cp・△Ｔ＝K₁・I²・R_H …(6) （但しCpは空気の定圧比熱、K₁は定数、Ｉは電
熱ヒータに流れる電流）式(5)、(6)により△Ｔを消去して次式を得る。

Ｇ＝K₂・Ｖ−２・△Ｖ／（１＋α・Ta）・△ＶI²・R_H…(7) 本装置の動作は△Ｖ≪Ｖでかつ△Ｖ＝一定に制
御するから式(7)は次式となる。

Ｇ＝K₃・R_H ²／（１＋α・Ta）・I³ …(8) （但しK₃は定数）Ｇ＝K₃′・１／（１＋α・Ta）・R_H・V³ …(9) （但しK₃′は定数）しかして、吸入空気量は電熱ヒータを流れる電
流の３乗又は電熱ヒータに印加する電圧の３乗と
なるが、その係数には吸入空気温度Taの項があ
り、高精度な吸入空気量の測定の場合には吸入空
気温度を完全になくしていないため測定誤差が生
じてしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、
気体の温度の影響を無くし、高精度な気体流量測
定装置を提供す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２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
スロツトル弁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とスロツトル弁
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内には図では模式的に示すが、白
金低抗線からなる電熱ヒータ１０が設けられてお
り、この電熱ヒータ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３図に示すようにリ
ング形状のプリント板１０ａ，１１ａ，１２ａ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１
１，１２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１１は、正面（あるいは背面）から見
た場合第４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
けないようになつている。

電熱ヒータ１０及び第１、第２温度依存抵抗１
１，１２は、何れも測定回路１５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５図に示すように基準
抵抗回路１６、電圧制御回路１７、及び出力演算
回路１８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温度依存抵抗１１，１２
と共にブリツジＢを構成する。また、電圧制御回
路１７は、ブリツジの対角点ａ，ｂの電圧に応じ
てブリツジＢ及び電熱ヒータ１０に印加する電圧
を制御する。

燃料制御ユニツトＵは、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６図により測定回路１５の回路１６，１
７、及び１８について説明する。基準抵抗回路１
６は、互いに直列接続され、第１、第２温度依存
抵抗１１，１２と共にブリツジ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７ｄ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，
３２、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、ブリツジ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３６，３
７、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３９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及びパワートラ
ンジスタ４２から構成されており、パワートラン
ジスタ４２はバツテリ４３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、
その出力をブリツジ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１０に直
列接続されている。

出力演算回路１８は概略的には差動増幅回路７
ｅ、及び加算増幅回路７ｆから構成されている。
このうち差動増幅回路７ｅは入力抵抗４４，４
５、接地抵抗４６、負帰還抵抗４７及びOPアン
プ４８から構成されており、出力抵抗７ｄの両端
電圧V_Oを差動増幅してｅ端子より出力する。

加算増幅回路７ｆは入力抵抗４９，５０、接地
抵抗５１、負帰還抵抗５２、及びOPアンプ５３
から構成されており、ｅ端子電圧とｆ端子電圧を
加算して増幅しｇ端子から電圧V_Sを出力する。

上記構成において作動を説明する。スロツトル
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内において電熱ヒータ１
０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１０
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１０に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１０に供給した電力量Ｐ（Ｗ）と吸入空気
流量Ｇ（ｇ／sec）に関係した温度差△Ｔが生じ
る。ここで、Ｐ，Ｇ，△Ｔには次式のように関係
がある。

K₄・△Ｔ＝Ｐ／Ｇ …(10) （但し、K₄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、ブリツジＢのａ点とｂ点の間には(11)式で示す
ように温度差△Ｔとブリツ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＝α／４（１＋α・Ta）・△Ｔ・Ｖ …(11) （但しTaは吸入空気温度、αは白金の抵抗温度
係数）したがつて、(10)式及び(11)式から次式のように関
係式が得られる。

K₅・（１＋αTa）・△Ｖ／Ｖ＝Ｐ／Ｇ…(12) （但しK₂は定数）したがつて、電熱ヒータ１０の供給電力Ｐとブ
リツジ印加電圧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、ブリツジ印加
電圧Ｖの関係は次式に示すようなものとなる。

Ｇ＝K₆・Ｐ・Ｖ …（13）（ただし、K₆は定数）ここで、出力抵抗７ｄの抵抗値を電熱ヒータ１
０の抵抗値に比べて小さな値とし、電熱ヒータ１
０の抵抗温度係数をα_H、流れる電流をＩとすれ
ば、Ｐ＝R_OH（１＋α_H・T_H）・I² …（14）Ｖ＝R_OH（１＋α_H・T_H）・Ｉ …（15）（14）式及び（15）式が成立し、これにより
（13）式は次式のように表わされる。

Ｇ＝K₇・（１＋α_HT_H）²／（１＋αTa）・I³…（
16）（K₇は定数）Ｇ＝K₇・１／（１＋αTa）（１＋α_HT_H）・V³ …（17）しかして、吸入空気流量Ｇは、電流Ｉ（又は電
圧Ｖ）の３乗の関数となる。ここで（16）式、
（17）式は係数に吸気温Taが含まれている為共に
吸気温度の影響を受けるのである。（16）式及び
（17）式における電熱ヒータ温度T_Hは電熱ヒータ
のパワーがすべて吸入空気に伝達されるとすると
T_H＝Taとなり、又電熱ヒータと温度依存抵抗の
抵抗温度係数を等しくすると次式を得る。

Ｇ＝K₈・（１＋α・Ta）・I³ …（18）（K₈は定数）Ｇ＝K₈・１／（１＋α・Ta）²・V³ …（19）（18）、（19）式を各々Ｉ，Ｖについて書くと次
式を得る。

ここで（20）、（21）式の３乗根を近似式におき
かえて次式を得る。

今出力演算回路１８の出力電圧V_Sを次式で定
義すると V_S＝１／ｌ＋ｍ・（ｌ・Ｉ＋ｍ・Ｖ） …（24）（ｌ、ｍは定数）（22）、（23）、（24）式よりとなる。ここでｍ／ｌ＝２に選ぶ事により（25）
式は次式となる。

即ち、Ｇ≒K₁₁・V_S ³ …（27）となり電圧V_Sの３乗は吸入空気量にのみ比例し、
吸入空気温度Taの影響は無くなる。

なお、（22）、（23）式は近似式であるが、測定
上影響の出ない程度の近似であり、実用上まつた
く問題はない。

そして、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温度依存抵抗１１，１２間の温度差△Ｔ
は小さくなり、ブリツジの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V₁
は小さくなり、（Vref−V₁）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。

したがつて、第１、第２温度依存抵抗１１，１
２間の温度差△Ｔが増大してブリツジのａ−ｂ間
電位差△Ｖが大きくなり、電位差△Ｖが基準電圧
Vrefと等しくなつた状態で、システム全体とし
ては平衡状態で、ブリツ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１
０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
V₁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１０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。

したがつて、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
しくなつた状態でシステム、ブリツジ共に安定と
なる。

こうして、ブリツジの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、（18）、（19）式ぎ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Ｉ及び電熱ヒータ
に印加される電圧Ｖの３乗の関数で表わされる。

この電流Ｉは、出力抵抗７ｄをも流れるため、
電流Ｉと出力抵抗７ｄの端子電圧V₀とは比例し、
この電圧V₀の３乗は吸入空気流量Ｇに比例する。

さらにこの電圧Ｖ及び電流Ｉに比例した電圧
V₀は出力演算回路１８に入力され、差動増幅回
路７ｅでV₀は増幅される。この信号とＶは加算
増幅回路７ｆにおいて（25）式でｍ／ｌ＝２を満
たすように加算増幅され、その出力端子ｇとアー
ス端子ｈ間に生ずる電圧V_Sは（27）式を満足し、
吸入空気量のみを表わしている。

そして、この電圧V_Sは吸入空気流量Ｇを示す
信号として燃料制御ユニツトＵに入力され、燃料
制御ユニツト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。

なお本実施例においては電熱ヒータ及び第１、
第２温度依存抵抗は抵抗線で構成した例を示した
が、フイルム抵抗や他のプロセスによる抵抗体で
あつてもその抵抗温度係数を利用する場合にはす
べて適用できる。さらに本実施例では燃料噴射式
エンジンに適用した例を示したが、気化器エンジ
において吸入空気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１のみに限らず他の燃料機構
において気体流量を測定する場合にも適用し得
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
るよう構成することも可能である。

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、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、電熱ヒータに
印加する電圧と電熱ヒータに流れる電流の各々に
比例した信号を加算して流量に関係した信号を出
力する出力演算回路とを有する構成としたから、
被測定気体の温度に関係なく、高精度に流量を重
量流量で測定できるというすぐれた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の気体流量測定装置の原理説明
図、第２図は本発明の一実施例を示す全体構成
図、第３図及び第４図は第２図図示の電熱ヒー
タ、第１、第２温度依存抵抗の設置構造を示す斜
視図及び正面図、第５図は第２図図示の測定回路
を示すブロツク図、第６図は第５図図示の測定回
路を示す電気回路図である。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、
１８……出力演算回路、２１……第１基準抵抗、
２２……第２基準抵抗、Ｂ……ブリツジ、ａ，ｂ
……対角点。

Claims

【特許請求の範囲】１被測定気体が流れる流量測定管と、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、前記電熱
ヒータに印加する電圧およびこの電熱ヒータに流
れる電流の各々に比例した信号を加算して被測定
気体の温度に無関係な流量を表わす信号を出力す
る出力演算回路とを備えたことを特徴とする気体
流量測定装置。