KR830001632B1 - 열선식 유속계측 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열선식 유속계측 장치

제1도는 본 발명의 전형적인 적용예인 내연기관의 주요부의 단면도.

제2도는 제1도의 내연기관의 동작을 나타낸 타이밍챠드.

제3도는 제1도의 내연기관의 전자제어장치의 회로도.

제4도는 제3도의 제어장치의 I/O 인터페이스의 회로도.

제5도는 본 발명에 의한 열선식 유량측정장치의 제1실시예의 회로도.

제6도는 본 발명에 의한 열선식 유량측정장치의 제2실시예의 회로도.

제7도는 제5도, 제6도의 실시예의 출력전압의 처리방법을 나타낸 플로우챠트.

제8도는 제1, 제2 실시예의 출력특성을 나타낸 도면.

제9도는 제5도, 제6도의 출력데이터에서 유량값을 얻기위한 변확특성도.

제10도는 제5도, 제6도의 실시예의 출력전압의 다른 처리방법을 나타낸 플로우챠트.

제11도는 제5도, 제6도의 출력 AMP의 입력특성을 나타낸 도면.

제12도는 출력보정회로의 전형예의 회로도.

제13도는 출력보정회로의 제1예의 회로도.

제14도는 제13도의 회로에 의해 유량값을 구하기 위한 플로우챠트.

제15도는 출력보정회로의 제2, 제3예의 회로도.

제16도는 제15도의 회로에 의해 유량값을 구하기 위한 플로우챠트.

본 발명은 열선식 유량측정 장치에 관한 것이며, 특히 보상성에 우수한 회로방식에 관한 것이다.

유체(流體)의 유로중에 감온(感溫)저항첼르 두어 동(同)저항체의 발생 열량과 유체의 유량과의 관계에서 유체의 단위시간당의 유량을 전기적으로 계측하는 기술은 공지이며, 열선식 유량측정 장치로서 일반적으로 사용되고 있다.

종래의 열선식 유량측정장치로서는, 정온도형(定溫度形)과 정온도차형(定溫度差形)이 있는데 이들의 전형예는 예컨대, H. MAUCH등에 의한 미국특허 제3,747,577호에 개시되어 있다. 정온도형의 열선식유량측정 장치는 유체의 유로중에 놓여진 하나의 감온저항체를 가진 브리지 회로와 증폭기를 구비하고 있는데, 브리지 회로는 제1 대각점과 제2 대각점을 가지며, 증폭기의 입력은 제1대각점에 접속되고 출력은 제2 대각점에 접속된다. 증폭기는 브리지 회로가 항상 형행상태가 되도록 브리지 회로의 인가전압을 제어한다. 이에 의해 감온저항체를 흐르는 전류는 유량에 따라 제어되어 감온 저항체의 온도는 일정하게 유지된다. 따라서 유체의 유량은 감온저항체를 흐르는 전류의 함수(函數)로서 구할 수 있다.

이 방식은 유체의 온도가 일정한 비율인 경우에는 좋지만 변화한 경우에는 그 변화값에 따라 측정값의 보정이 필요하였다.

정온도 차형의 열선식 유량측정 장치는 이와 같은 결점을 제거하는 것으로서 브리지 회로의 제1 지로(支路)에 유체의 유로중에 놓여진 제1의 감온저항체를 배치하고 ,제1지호에 직열된 제2지로에 온도 보상용의 제2의 감온저항체를 배치하여 제1, 제2 감온소자의 직열체에 병열로 증폭기의 두입력을 접속한 것이다. 이에 의해 유체의 온도변화는 유로중에 놓여진 온도보상용의 제2의 감온소자에 의해 검지되어 제1의 감온 저항체의 표면온도와 제2의 감온저항체의 표면온도 즉, 주위온도와의 차가 항상 일정하게 되도록 제어된다. 그래서 유체중의 제1 감온저항체의 발영량과 유체에 의해 운반되어지는 열량과의 관계는 다음과 같은 신으로 나타난다.

여기서 Q는 감온저항체의 발생열량, I는 1 감온저항체를 흐르는 전류^RH는 제1감온저항체의 저항값, C₁, C₂는 정수 qam은 유체의 단위시간당의 질량유량, ΔT는 제1 감온저항체의 표면온도가 주위온도와의 온도차를 나타낸다. 따라서 온도차(ΔT)가 일정하면 유체의 유량은 제1 감온저항체를 흐르는 전류의 함수로서 검출된다.

그래서 이 회로구성에 있어서 제1 , 제지로의 각각에는 같은 전압이 인가되지만 유량의 검출감도를 높히는 데는 제1지로 즉, 제1 감온저항체를 흐르는 전류를 제2 감온저항체의 전류에 비해 크게할 필요가 있다.

특히 이 유량측정장치가 자동차등에 사용된 경우, 축전지 전원전압은 12V 정도여서 흐르는 전류의 량이 적기 때문에 위에서 언급한 점(제1 감온 저항체를 흐르는 전류를 제2 감온저항체의 전류에 비해크게 할 필요)이 해결되어져야 할 것이다. 또 제2 감온저항체의 자체발생열이 높으면 유체온도에 대한 검지(儉知) 정밀도가 떨어지므로 장치의 유량검출정밀도가 떨어지는 결점이있다.

따라서 제2 감온저항체의 자체발열량을 억제하기 위해 제2 감온저항체를 흐르는 전류를 매우작게 할 필요가 있었다.

이렇게 하기 위해서는 제2 지로의 저항값을 제1 지로 보다 크게 할 필요가 있다. 즉, 제2감온저항체의 저항값을 제1 감온저항체에 비하여 크게할 필요가 있다. 그러나 제1, 제2감온저항체는 동일한 온도계수를 가지며 동일재료인 예컨대, 백금으로 되어 있어 그 저항값을 크게 하는 데는 백금 저항선을 가늘고 길게할 필요가 있다.

그러나 백금 저항선을 균일하고 가늘게 하는 것은 매우 곤란하며 전체적으로 저항율이 불균일해질 결점이 있었다. 이롸같은 저항률이 불균일을 보상하는 데는 브리지회로의 다른 저항체의 저항값을 조정할 필요가 있어 매우 복잡하여 장치의 생산성이 좋지 못했다. 또 감온저항체로서 2종의 저항체를 구비하므로 생산성이 좋지 못했던 것이다. 본 발명의 목적은 상기한 종래장치의 결점을 제거하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 유량변화에 대한 감도가 좋고 유체온도 변화에 대한 보장성이 양호한 정밀도가 높은 열선식 유량측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 특징은 유체중에 놓여진 측정용의 감온저항체와 저항과의 직열체를 설치하여 측정용 감온저항체의 단자간 전압의 분압과, 온도 보상용 감온저항체의 단자간 전압과의 차를 구해 이 차 전압에 의해 상기 직열체에의 공급전류를 제어하도록 한 점에 있다. 본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명이 적용되는 전형예를 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 열선식 유량측정장치의 전형적인 적용예를 나타낸 개략도이며 자동차의 내연기관의 흡입공기흐름의 유량을 측정하는 장치로서 사용한 경우의 본 장치 및 그 주변부의 단면도이다. 흡입공기는 에어클리너(102), 드로틀챔버(104), 흡기관(106)을 통해 실린더(108)에 공급된다. 실린더(108)에서 연소한 가스는 실린더(108)로 부터 배기관(110)을 통해 대기로 배출된다.

드로틀챔버(104)에는 연료를 분사하기 위한 인젝터(112)가 설치되어 있고 이 인젝터(112)에서 분출된 연료는 드로틀챔버(104)의 공기통로내에서 무확(霧化)되고 흡입공기와 혼합하여 혼합기를 형성하여 흡기관(106)을 지나 흡기밸브(102)의 개변(開辯)에 의해 실린더(108)의 연소실에 공급된다. 인젝터(112)의 출구 근방에는 드로틀밸브(114),(116)가 설치되어 있다. 드로틀밸브(114)는 가속페달과 기계적으로 접속되어 운전자에 의해 구동된다. 한편 드로틀밸브(116)는 다이아프램(118)에 의해 구동되도록 배치되어 공기유량이 적은 영역에서 전폐상태로 되고 공기유량이 증대됨에 따라 다이아프램(118)에의 부압(負壓)이 증대되면 드로틀밸브(116)는 열리기 시작하여 흡입저항의 증대를 억압정지 시킨다.

드로틀챔버(104)의 드로틀밸브(116),(114)의 상류에 공기통로(122)가 설치되어 이 공기통로(122)에 본 발명에 의한 열선식 공기유량계를 구성하는 전기적 발열체 즉, 감온저항(124)을 배설하여 공기유량과 감온저항의 전열량의 관계에서 정해지고 공기유량에 따라 변하는 전기신호가 취출된다.

감온저항(124)은 공기통로(122)내에 설치되어 있으므로 실린더(108)의 역화(backfire)시에 생기는 고온 가스로부터 보호됨과 동시에 흡입공기중의 먼지등에 의해 오염되는 것으로부터도 보호된다. 이 공기통로(122)의 출구는 벤츄리의 최협부(最狹部)근방에 개구하고, 그 입구는 벤츄리의 상류측에 개구한다.

인젝터(112)에 공급된는 연료는 연료탱크(130)에서 연료펌프(132), 연료탬퍼(134), 필터(136)를 거쳐 연압(燃壓) 레귤레이터(138)에 공급된다. 연압 레귤레이터(138)에서는 인젝터에 파이프(140)를 거쳐 가압연료가 공급되어 그 인젝터에서 연료가 분사되는 흡기관의 압력과 상기 인젝터(112)에의 연량(燃量)압의 차가 항상 일정하게 되도록 연압레귤레이터(138)에서 연료탱크(130)에 리턴 파이프(142)를 거쳐연료가 되돌려진다.

흡기밸브(120)에서 흡입된 혼합기는 피스톤(150)에 의해 압축되고 점화플러그(152)에서의 스파아크에 의해 연소되어 운동 에너지로 변환된다. 실린더(108)는 냉각수(154)에 의해 냉각되고, 이 냉각수의 온도는 수온 센서(156)에 의해 계측된다. 점화플러그(152)에는 점화코일(158)로부터 점화 타이밍에 맞춰 고전압이 공급된다.

실린더(108)에서 연소한 가스는 배기밸브(도시않음)에서 배기관(110)을 거쳐서 대기로 배출된다. 이 배기관(110)에는 배기가스상태를 검출하는 λ 센서(160) 및 배기온 센서(도시않음)가 설치되어 있다. 또 엔진의 회전에 동기하여 기준 크랭크 각마다, 일정 크랭크 각도(에컨대 0.5도)마다 기준각 신호 및 포지션 신호를 내는 크랭크각 센서(도시않음)가 설치되어 있다.

이들의 센서 출력은 제어회로(170)에 입력되어 연산처리 되고, 이 제어회로(170)의 출력에 의해 인젝터(112) 및 점화코일(158)이 구동된다. 제2도는 4기통 엔진에 있어서의 인젝터로 부터의 연료의 분사 타이밍을 나타낸 것이다. 횡축은 엔진 크랭크축의 회전각도로서, 제2(a)도에서는 각기통의 흡입행정을 해칭(Hatching)으로 나타내고 있다. 도면으로서 이해되는 바와 같이 크랭크각의 180도마다 흡입행정이 존재하며 그들은 0도~180도의 사이는 제1기통, 180도~360도의 사이는 제3기통, 360도~540도의 사이는 제4기통, 540도~720도의 사이는 제2기통이다.

제2(b)도에 나타낸 바와 같이 크랭크 각180도 마다 기준 크랭크각 펄스를 발생시켜 이 펄스에 의하여 인젝터(112)를 개변시켜 이미 계측된 데이터에 의해 제어회로(170)에서 처리된 연산결과에 따라 인젝터(112)의 개변시간이 결정된다. 이 인젝터(112)의 개변 시간인 연료분사 시간을 제2(c)도에 나타낸다. 제3도는 제1도의 제어회로(170)의 상세도이다. 입력신호를 대별하면 3종류로 나눌 수 있다.

우선 흡입공 기량을 검출하기 위한 센서(124), 엔진 냉각수를 검출하는 센서(156)등에서 보내져오는 아날로그 입력이 있다. 이들 아날로그 입력중 센서(124)로 부터의 입력은 처리회로(180)에서 처리되어 멀티플렉서(181)로 보내지고, 다른 아날로그 입력은 멀티플렉서(이하 MPX라고 약함 181)에 직접 입력되어, 시분활적으로 각 센서의 출력이 선택되어져, 아날로그디지틀 변환기(ADC라고 약함)(182)에 보내진다. 이 ADC(182)에서 디지틀 값으로 변환된다. 그리고 ON_OFF 신호로서 입력되는 정보가 있다. 이것은 예컨대 드로틀밸브의 전폐상태등을 나타내는 신호(OTH)로서 드로틀밸브와 연동하여 작동하는 스위치(174)로부터 보내져 온다. 이들 신호는 1비트의 디지틀 신호로서 취급할 수 있다.

그리고 3번째로 고려되는 입력신호는 펄스열로서 입력되는 신호로 예컨대, 기준 크랭크각 신호(이하 CRP라고 기재한다)나 포지션 펄스신호(이하 CPP라고 기재한다.)가 있는데, 크랭크각 센서(176)로부터 이들의 신호가 보내져 온다. CRP는 4기통의 경우 크랭크각 180도마다 출력되고, 6기통의 경우 120도마다 8기통의 경우 90도마다 출력된다. CPP는 예컨대, 크랭크각 0.5도마다 출력된다.

CPU(196)는 디지틀-연산처리를 행하는 센트럴 프로세싱유니트(Central Processing Unit)이고, ROM(190)은 제어프로그램 및 고정데이터를 격납하기 위한 기억소자이며, RAM(192)은 독출 및 기입가능한 기억소자이다.

입출력인터페이스 회로(194)는 입력신호를 ADC(182) 및 센서(174),(176)에서 신호를 받아, CPU(196)에 신호를 보낸다. 또 CPU(196)로 부터의 신호를 신호 INJ나 IGN으로 연료 인젝터(112)나 점화코일(158)에 보낸다. ROM, CPU, RAM, I/O 사이는 각각 컨트럴버스(197), 데이터 버스(198), 어드레스 버스(199)로 접속된다.

그리소 상기 제어회로를 구성하는 각 회로 및 소자에전원 단자(178)로 부터 전압이 인가되어 있는 것은 당연하지만 도면에는 그 기재를 생략한다. 그리고 인젝터(112) 및 점화코일(158)에 각각 밸브를 구동하기 위한 전자코일 및 전자 에너지를 축적하기 위한 1차쿄일이 설치되어 있는데 이들 코일의 일단은 전원단자(178)에 접속되고, 타단은 입출력 인테페이스 회로(194)에 접속되어 인젝터(112)나 점화코일(158)에 흘러들어가는 전류를 제어한다.

제4도는 I/O 인터페이스회로(194)의 제어에 관련하는 회로의 블럭도이다. CPU(196)가 아날로그 데이터(AF, TW)등에 의해 연산한 점화시기 데이터는 레지스터(202)(이하 ADV-레지스터라 한다)에 설정된다. 점화시기 데이터와 함께 점화코일의 1차전류의 통전 개시 시기 데이터가 연산되어 이 통전 개시 시기 데이터는 레지스터(204)(이하 DWL-레지스터라 한다)에 설정된다.

ADV-레지스터(2020)의 출력은 콤파레이터(Comparator)(206)에 입력되고, 또 DWL-레지스터(204)의 출력은 콤파레이터(208)에 입력되고, 콤파레이터(206)는 제1의 카운터 레지스터(210)의 계수값이 ADV-레지스터(202)의 설정값에 달할 때 출력 펄스를 발생하고, 또 콤파레이터(208)는 제2의 카운터레지스터(212)의 계수값이 DWL-레지스터(204)의 설정값에 달한때 출력펄스를 발생한다.

콤파레이터(206)는 점화시기 펄스를 출력하며 또 콤파레이터(208)는 통전개시 시기 펄스를 출력한다. RS 플립플롭(214)은 각 콤파레이터(206),(208)의 출력에 응동하여 "1", "0"출력을 반복하고,

출력에서 점화신호(IGN)이 얻어진다. 이 신호에 따라 점화코일이 구동된다.

제1의 카운터 레지스터(210)는 AND 게이트(216)를 지나입력되는 포지션 펄스신호(CPP)를 계수하도록 되어 있고, AND 게이트(216)는 기준크랭크각신호(CRP)에서 세트되는 RS 플립플롭(218)의 Q 출력으로 열리도록 설정되어 있다. 제1카운터 레지스터(210)는 기준 크랭크각 신호(CRP)로 리세트되고, 또 RS 플립플롭(218)은 콤파레이터(206)의출력으로 리세트된다. 즉, 콤파레이터(206)에서 RS 플립플롭(218)이 리세트되어 있는 상태에서 기준 크랭트각 신호(CRP)에서 RS 플립플롭(218)이 세트상태에서 들어오면 AND 게이트(216)가 열려 제1의 카운터(210)는 그 계수치가 ADV-레지스터(202)의 설정값과 일치하여 콤파레이터(206)가 출력을 발생할 때까지 포지션 펄스신호(CPP)를 계수한다.

제2의 카운터 레지스터(212)도 포지션 펄스신호(CPP)를 AND 게이트(220)를 거쳐 계수하지만 AND 게이트(220)의 열리는 조건이 AND 게이트(216)와는 다르다. 즉, RS 플립플롭(218)이 리세트하는 콤파레이터(206)의 출력으로 세트되는 RS 플립플롭(222)의 Q출력의 성립으로 AND 게이트(220)가 열리도록 설정되어 RS 플립플롭(222)의 리세트는 콤파레이터(208)의 출력으로 행해진다.

따라서 콤파레이터(206)가 출력을 발생한 후 DWL-레지스터(204)에 설정된 값까지, 제2의 카운터 레지스터(212)는 포지션 펄스신호(CPP)를 계수하게 된다. 카운터(212)의 계수값이 DWL-레지스터(204)의 설정값과 일치하면 콤파레이터(208)의출력에 의해 콤파레이터(206)의 출력에 따라 "0"레벨로 되어 있던 신호(IGN)이 "1"레벨로되어 이에 의해 점화코일의 1차전류의 통전이 개시된다. 크랭크 회전각 180°에 1회 출력되는 펄스 신호(CRP)는 분주기(分周器)(224)에서 1/2분주된다. 따라서 분주기(224)의 출력은 크랭크 회전각 360°에 하나의 펄스 신호로 된다. 분주기(224)의 외출력펄스는 RS 플립플롭(226)의 세트단자, 카운터(228)의 리세트 단자에 가해짐과 동시에, RS플립플롭(230)의 세트단자에 가해진다.

RS플립플롭(230)의 Q출력은 연료분사신소(INJ)로서 연료인젝터를 구동하여 연료분사가 행해진다. 분주기(224)의 출력펄스가 RS플립플롭(226)에 입력되면 그 Q출력에 의해 AND게이트(232)가 열려 카운터(228)는 클록신호를 받는다. 이때 카운터(228)는 분주기(224)의 출력펄스에 의해 리세트되어 있다. 클루신호는 도시하지 않은 발진기(發振器)에 의해 발생된다. 레지스터(234)(이하 INJ-레지스터라고 한다)에는 연료분사데이터가 설정된다.

INJ-레지스터(234)의 출력은 콤파레이터(236)에 보내진다. 카운터(228)는 AND 게이트(232)를 거쳐 입력되는 클록신호를 계수하여 그 출력을 콤파레이터(236)에 보낸다. 카운터(228)의 계수값이 INJ-레지스터(234)의 설정값에 일치하면 콤파레이터(236)는 출력을 발생하여 이 출력은 RS 플립플롭(230)의 리세트 단자에 가해져, INJ신호가 "0"레벨이 되어 연료분사가 정지된다. 다음에본 발명에 의한 열선식 유량측정장치에 관하여 설명한다.

이하 도면에 있어서 동일 번호는 동일물로 나타낸 것이다. 제5도는 본 발명에 의한 열선식 유량 측정장치의 제1실시예의 회로도를 나타낸다. 참조번호(3)는 유체의 유로중 즉, 제1도의 공기통로(122)중에 놓여진 유량측정용 감온저항(제1도의 124에 대응)인데, 감온저항(3)에 직열로 저항(4)이 접속되어 있다.

저항(9),(10)의 직열체는 감온저항(3)에 병열로 접속되어 감온저항(3)의 단자간 전압을 분압하는 분압회로를 구성한다. 참조번호(6)는 제1도의 공기통로(122) 즉, 유체의 유로중에 놓여진 온도 보상용 감온저항인데, 저항(11)가 직열로 접속되어 있다. 감온저항(3)과 저항(4)과의 접속점은 증폭기 예컨대, 연산증폭기(12)의 비반전 입력에 접속되고, 또 감온저항(6)과 저항(11)과의 접속점은 반전입력에 접속되고, 감온저항(6)은 증폭기(12)의 반전입력과 입력과의 사이에 접속된다. OP AMP(12)의 출력은 증폭기 예컨대, 연산증폭기(8)의 비반전 입력에 접속되며, 그 반전 입력은 저항(9),(10)의 접속점에 접속된다. OP AMP(8)의 출력은 바이어스 전압으로서 전류제어소자 예컨대, 트랜지스터(2)의 베이스에 부여된다. 트랜지스터(2)의 콜렉터는 저항(5)을 거쳐 도시하지 않은 직류전원에 접속되어 전압(V)를 인가한다.

에미터는 감온저항(3)과 저항(9)의 접속점(25)에 접속된다. 직류전원과 OP AMP(8)의 비반전 입력에 접속된 저항(17)과, 다이오드(18)의 직열체와, 다이오드(18)의 애노드와 접지간에 접속된 다이오드(19),(20)의 직열체와는 기동 회로(23)를 구성하며 그것은 전원투입에 응답하여 본 장치를 기동시키는 것인데, 그 동작은 후술한다.

OP AMP(12)의 비반전 입력은 증폭기 예컨대, OP AMP(13)의 비반전 입력에 접속되며 OP AMP(13)의 반전 입력과 접지사이에는 저항(14)이 접속되고 그 반전 입력과 출럭과의 사이에는 귀환 저항(15)이 접속되어 있다. 그리고 트랜지스터(2)의 에미터어와 OP AMP(13)의 반전입력의 사이에는 정전압소자 예컨대, 제너다이오드가 접속되어 있다.

제5도이 회로중 감온저항(3),(6)을 제외한 회로는 제3도의 처리회로(180)에 상당한다. 감온저항(3),(6)은 동일 재료예컨대, 백금으로 되어 있고 균등한 온도계수 2를 가진 것으로 한다. 감온저항(6)은 유체의 유로중에 놓여져 유체 온도를 검지한다.

우선 기동회로(23)의 동작에 관하여 설명한다. 이것은 전원투입시에 OP AMP(8)에 출력전압을 일시적으로 강제 발생시켜 트랜지스터(2)를 도통시켜 본 회로를 기동하는 것이다.

우선 전원이 투입되어 있지 않은 상태에서는 트랜지스터(2)를 OFF이며, OP AMP(12),(8)의 출력은 0이다. 전원이 투입되면, 전원 전압(V)은 저항(5)를 거쳐서 트랜지스터(2)의 콜렉터 및 회로(23)에 인가된다.

다이오드(18),(19),(20)는 각각 순전압(順電壓) 강하(Vd)를 가지므로 다이오드(18)의 애노드 전위는 2Vd로 되며 따라서 OP AMP(8)의 비반전 입력전위는 다이오드(18)의 순전압 강하에 의해 V_d로 된다.

이때 반전 입력의 전위는 0이므로, OP AMP(8)의 출력은 고레벨 전압이 되어 트랜지스터(2)는 도통한다.

그후 감온저항(3),(6)을 포함한 회로가 평행상태에 달하면 OP AMP(8)의 비반전, 반전 입력은 어떠한 경우에도 다이오드의 순방향 전압강하(V_d)보다 커지고, 다이오드(18)는 역바이어스 되어 기동회로(23)는 OP AMP(8)로 부터 전기적으로 단락된다.

그리고 트랜지스터(2)로서 제5도의 NPN형 트랜지스터 대신 PNP트랜지스터를 사용한 경우에는 다이오드(18)의 캐소드를 OP AMP(8)의 반전 입력에 접속하면 좋다.

기동회로에 의해 트랜지스터(2)가 도통하면 트랜지스터(2)의 에미터 전류는 저항(3),(4)의 직열회로에 흐름과 동시에 저항의 (9),(10)분압회로에 흐른다.

지금 저항(3),(4),(6),(9),(10),(11)의 각 저항값을, (R₃),(R₄),(R₆),(R₉) ,(R₁₀),(R₁₁)로 하여, 저항(4)의 전압강하를 V₄, 저항(3)의 전압강하를 V₃로 한다.

OP AMP(12)는 그 반전 입력, 비반전 입력의 전위 즉, 저항(3),(4)의 접속점의 전위와 저항(6),(11)의 접속점의 전위를 비교하여 그것들이 균등하게 되도록 그 출력전위를 제어한다.

따라서 OP AMP(12)의 출력전위는

가 된다. 또 OP AMP(8)는 저항(9),(10)의 접속점의 전위 즉, 저항(3)의 단자간 전압의 분압비

와 OP AMP(12)의 출력전위가 균등하게 되도록 트랜지스터(2)의 베이스 바이어스 전압을 제어한다. 즉, OP AMP(8)는 감온저항(3)과 (6)의 각각의 단자간 전입이 균등하게 되도록 제어하는 것이 아니고 감온저항(3)의 단자간 전압의 분압과 감온저항(6)의 단자간 전압을 비교하여 그것들이 균등하게 되도록 제어하는 것이다. 따라서 저항(6)의 단자간 전압을 저항(3)에 비해 매우 적게할 수 없다.

이와같이 하여 평행상태가 유지되어 있을 때의 본 장치의 출력을 구한다.

본 장치에 있어서, 저항(9),(10)의 저항값의 합은 감온저항(3)의 저항값에 비하여 매우 크게 선정되어 있는 것으로 하면, 감온저항(3),(6)의 저항은 다음식으로 나타내진다.

R₃=R₃₀(1+αT₃) (1) T₆: 저항(6)의 기준 온도에서의 저항

R₆=R₆₀(1+αT₆) (2) 제5도의 회로의 평행조건은

여기서 R₃₀: 저항(3)의 기준온도에서의 저항 R₄·R₆=kR₁₁·R₃(3)

R₆₆: 저항(6)의 "

T₃: 저항(3)의 표면온도

여기서 (1),(2)식의 관계를 (3)식으로 대입하면

(4)

가 얻어진다.

그래서 유체중의 감온 저항의 발열량과 유체에 의해 운반되어져 가는 열량과의 사이의 관계는

(5)

여기서, I : R₃에 흐르는 전류,

₁C,C₂: 정수,

q_am: 유체의 단위시간당의 질량유량, Q : 감온저항(3)의 발열량.

그래서, (1)식과 (5)식에서

(6)

(4)식, (6)식에 의해

(7)

따라서

(7')

여기서

즉, (4)식에서 온도차(ΔT)는 T₃만의 함수이므로 특히 회로의 소자의 값을 조정할 필요는 없다. 이와같은 ΔT에 의해, (7')식의 관계가 만족되고 감온저항(3)에 흐르는 전류는 유량(q_am)만을 포함한 함수가 된다.

따라서 회로의 평행상태에 있어서는 감온저항(3)과 저항(4)을 흐르는 전류는 균등하므로 저항(4)의 단자간 전압을 계측하면 유체의 유량측정이 가능하게 된다.

즉, 본 실시예에서는 저항(4)의 단자간 전압은 OP AMP(13)를 거쳐서 출력된다.

OP AMP(13)의 증폭율이 1이 되도록 저항(14),(15)이 선택되어 있으므로 OP AMP(13)의 출력단자(24)의 전압(E₀)은,

(8)

이 되어 유량의 함수가 된다.

따라서 q_am은 E₀의 함수로서 얻어진다.

여기서 R₁₄,R₁₅는 각각 저항(14),(15)의 저항값이다.

다음에 감온저항(3),(6)의 각각의 단자간 전압(V₃,V₆)의 비는,

(9)

가 된다. 감온저항(3),(6)이 동일할지라도

(10)

이 된다.

따라서 저항(4)에 비하여 저항(11)의 저항값을 매우 크게 설정하면 감온저항 (6)에 가해지는 전압을 감온저항(3)에 가해지는 전압보다 매우 작게 할 수 있다. 따라서 감온 저항(6)은 자체가열을 발생하지 않고 유체온도를 정밀양호하게 검지할 수 있어 유체 온도변화에 대한 정확한 온도보상이 가능하다.

그리고 감온저항(3)에 흐르는 전류값은 크게되므로 유량에 대한 감도는 양호해저, 자동차에 탑재된경우 축전지 전원이 12V 정도로 낮아도 양호한 감도가 얻어진다. 그리고 감온 저항으로서 동일물을 사용할 수 없으며 측정밀도의 향상, 경제적, 생산성이 좋은 결과가 얻어진다.

다음에 제너다이오드(16)의 작용에 관하여 설명한다.

본 회로가 정상으로 동작하고 있을때는 감온저항(3)과 저항(4)의 직열 회로의 단자전압 즉, 단자(25)의 전위와 저항(4)의 단자 전압 즉, OP AMP(12)의 비반전 입력의 전위와는 비례적으로 변화한다.

그러나 감온저항(3)이 단선된다든가 트랜지스터(2)가 파괴하여 도통상태가 된다면 이 비례관계는 상실되어 저항(4),(9),(10)에 커다란 전류가 흐르고 단자(25)의 전압이 상승함과 동시에 저항(4)의 전압도 상승한다.

그러나 단자(25)의 전위가 제너다이오드(16)의 브레이크 오우버 전압에 달하여 도통하여, OP AMP(13)의 반전 입력의 전위가 상승하므로 그 출력전압은 감소하며 출력값은 유체유량이 0 또는 매우 낮은 값인 것을 나타내게 된다. 이 때문에 연료분사 제어회로 즉, 제1도의 인젝터(112)가 잘못하여 과대한 연료를 방출하는 것을 방지하고 또 감온저항에 과대전류가 흘려서 과열되어 화재등의 2차재해가 발생하게 되는 것이 방지된다.

제6도는 열선식 유량측정장치의 제2 실시예를 나타내며, 제5도의 실시예에 다시 30으로 나타낸 고속응답회로를 부가한 것이다. 이 회로는 2개의 증폭기 예컨대, OP AMP(31),(32)를 가지며, OP AMP(31)에 있어서 그 비반전 입력은 저항(9),(10)의 접속점에 접속되고, 출력은 OP AMP(8)의 반전 입력에 접속되며 반전 입력과 출력간에는 저항(35)이 접속된다. OP AMP(32)에 있어서는 비반전 입력은 OP AMP(12)의 출력에, 출력은 OP AMP(8)의 비반전 입력에, 반전 입력은 콘덴서(33)와 저항(34)의 병열회로를 거쳐 OP AMP(31)의 반전 입력에 접속되어 출력과 반전 입력간에 저항(36)이 접속된다.

지금, 감온저항(3),(6)을 포함한 회로가 평행 상태에 있다고 했을 때, 저항(3),(4)의 단자간 전압을 각각 e₃, e₄로 하면, 저항(9),(10)의 접속점의 전위(e_a), OP AMP(12)의 출력전위(e_b)는 각각 다음과 같이 된다.

(11)

(12)

제5도의 회로에서는 OP AMP(8)는 직접 전압(e_a), (e_b)을 입력하므로 그 출력전압(e₀)은,

(13)

여기서 G는 OP AMP(8)의 이득, 그래서 제5도의 회로에서는 OP AMP(8)의 2입력신호는 다같이 공통된 전압성분(e₄)을 가지므로, OP AMP(8)가 처리하는 입력신호 성분의 크기는 G. e₄로서 점유된다.

그러나 제6도의 회로구성에 있어서는 전압신호(e_a),(e_b)는 고속응답회로(30)에 부여되고, OP AMP(31),(32)의 출력전압(e_a'),(e_b')은 각각

(14)

(15)

(여기서 R₃₄, R₃₅, R₃₆은 각각 저항 34,35,36의 저항값)가 되고 동상 신호성분(e₄)은 소거된다. 따라서 e_a', e_b'를 입력하는 OP AMP(8)는 오차신호만을 입력신호로서 처리하게 되어 본 장치의 루우프 이득이 커지며, 따라서 유량변화에 대한 응답속도도 높아진다.

그리고 콘덴서(33)는 입력전압(e_a),(e_b)의 변동에 대해 저항(34)을 일시적으로 단락하고 OP AMP(31),(32)의 이득을 순간적으로 크게하는 작용을 하며 따라서 유량변화에 대한 추종성을 고속으로 한다. 다음에 제5도, 제6도, 장치의 출력단자(24)에서 얻어진 유량을 나타낸 출력전압(E₀)의 제3도의 제어회로(170)에 따른 처리에 관하여 설명한다.

제5도, 제6도의 출력단자(24)는 제3도의 멀티플렉서(181)의 입력단자에 접속되며, 유체 유량은 제어회로(170)에 의해 산출된다. 제7도는 ROM(190)에 저항되어 있는 프로그램에 따른 출력단자(24)로 부터의 출력데이터에 의해 제어회로에서 직접 유량을 나타낸는 값(f)을 산출하는 경우의 플로우챠트의 전형예를 나타낸다.

제(8)식으로서 명캑해진바와 같이 유량(q_am)은 단자(24)에서 얻어지는 출력전압(E₀)의 함수이다.

즉,

(16)

여기서 k, C₃은 정수 따라서, (E₀ ²-C₃)²를 산출하면 유량에 대응한 값이 구해진다.

우선 스텝(300)에서는, CPU(196)는 I/O 인터페이스(194)를 지나 선(線)을 거쳐 멀티플렉서(186)의 처리장치(181)에 대한 입력게이트를 열어, 처리장치(180)의 출력(E₀)을 ADC(182)에 부여한 후, 이어서 ADC(182)는 아날로그 데이터(E₀)의 AD변환을 행한다.

스텝(305)에서는, ADC(182)에 의한 AD 변환이 종료되었다는 플래그(flag)가 I/O인터페이스에 세트되어 있는지의 여부를 체크한다.

AD 변환이 완료되어 있지 않는 때는, 스텝(310)에서 다른 데이터 처리를 행하고, AD변환이 완료되어 있을 때는, 스텝(315)에서 ADC로부터 AD 변환결과 데이터(X)를 취입한다. 다음에 스텝(320)에서는, ROM(190)에 세트되어 있는 데이터(C₃)와, 데이터(X)에 의해 유량에 대응하는 값 f=(X²-C₃)²를 산출한다

이 처리 방법에서는 입력데이터(XF)마다 유량을 산출하고 있으나, 미리 복수개의 입력데이터 샘플값 (X₁)……(X_n)을 설정하여, 그 값에 대한 변환데이터(유량설정값)를 구하여 ROM(190)에 저장하여 입력데이터(X)에 대한 유량설정값을 이들 변환 데이터에 의해 근사계산하여 구하는 방법이 있다.

그래서 유량(q_am)에 대한 출력전압(E₀)의 변화는, (8)식에 나타낸 바와 같이 함수형 즉, 제8도에 나타낸 관계가 되어 유량(q_am)이 증가하는 만큼(E₀)의 변화율은 작아진다. 따라서 출력데이터(E₀)에 의거하여 (8)식에 의해 유량을 산출하면 유량이 증가하는 만큼 오차가 크게된다. 그래서 유량(q_am)에 대하여 측정 출력데이터를 직선화하는 것은 가능하다. 특히 자동차의 흡입공기유량을 측정하는 경우에는 흡입행정에 유입하는 공기유량을 평균화할 필요가 있으나 유량은 복잡하게 진동한다. 따라서 출력데이터(E₀)인 그대로를 사용하여, (8)식에 의해 유량값을 산출한 경우 오차를 발생한다. 따라서 측정출력데이터를 유량에 선형화(線形化)하면 정확한 유량을 검출할 수 있다.

제10도의 플로우챠트에 나타낸 유량의 산출방법은 표순람(Table Look-Up)방법으로서 알려지며, 그것은 미리복수개의 입력데이터 샘플값 (X₁)(X_n)에 대하여 실제의 유량(q_am)과 직선관계에 있는 유량 설정값(f₁)……(f_n)을 구해두어 이들 유량값(f₁)……(f_n)을 ROM에 저장해 둔다.

이어서 ADC(182)로 부터의 입력데이터(X)가 입력데이터 샘플값 (X₁)……(X_n)의 어느 범위에 있는지를 찾아 근사 계산을 행하는 것이다.

즉, 제9도에 나타낸 바와 같이 n개의 입력데이터 샘플값 (X₁)……(X_n)(출력전압 E₀AD변화값)에 대한 유량(q_am)과 직선관계에 있는 유량값(f₁)……(f_n)를 미리 산출하여 ROM에 저장하고 있는 것이다.

이 처리방법을 제10도의 플로우챠트에 따라 설명한다. 스텝(400~415)은 제7도의 스텝(300~315)과 같으므로 그 설명은 생략한다. 스텝(420)에서는 RAM(192)에 샘플링 변호 1즉, N=1을 설정한다.

스텝(425)에서는 N=1에 대응 하는 입력데이터 샘플값(X₁)과 스텝(415)에서 취입된 입력데이터(X)를 비교하여 X>X₁의 여부를 체크한다.

X

X₁이라면 스텝(430)으로 진행하여 N의 값을 현재의 값에 1을 더한 즉, N=2로 한다. 다시 스텝(425)에서 입력데이터 샘플값(X₂)과 입력데이터(X)를 비교한다. 425,430의 스텝을 반복하고 있는 동안에 X>X_N이 된다. 이로써 X_N-1>X>X_N임을 알았다.

다음에 스텝(435)에서는 샘플링번호를 X_N-1>X>X_N을 충족시키는 N으로 결정한다.

예컨대, 제9도의 예에서는 입력데이터(X)는 입력데이터 샘플링값(X₃)과 (X₄)의 사이에 있어, N=4로 결정된다. 스텝(440)에서는, 입력데이터 샘플링값(X_N)에 대응한 유량설정값(f_N)을 ROM으로부터 찾아서 취출한다. 마찬 가지로 스텝(445)에서, 입력에이터 샘플값(X_N-1)에 대응한 유량설정값(f_N-1)을 ROM으로 부터 취출한다. 스텝(450)에서는, 이들 유량설정값(f_N),(f_N-1)과 입력데이터(X), 입력데이터 샘플값(X_N),(X_-1)에 의해 유량(f)를 ROM에 저장된 다음과 같은 식에 따라 산출한다.

(17)

(17) 식은 직선 보간(補間) 계산이므로, 입력데이터 샘플링값의수, 유량설정값의 수는 직선근사(近似)에 필요한 정밀도를 확보할 수 있는 정도로 좋다.

이렇게 해서 얻어진 유량(f)은 실제 유량(q_am)의 선형(線形)적인 관계가 되어 정확한 유량을 얻을 수가 있다.

그래서 제5도 또는 제6도의 실시예에 있어서 저항(4)을 흐르는 전류(I)는, (7')식으로서

(18)

따라서, OP AMP(13)의 비반전 입력에 인가되는 전압(ei)은

(19)

가 된다. 따라서 유량(q_am)이 0 이라도 ei=R₄" t-23 "이 되고, OP AMP(13)의 비반전 입력전압은 유량이 0이라도 일정전압이 입력되므로 OP AMP(13)의 유량(q_am)에 대한 동적 영역이 제한된다.

그리고 OP AMP(13)은 유량 0이라도, (8)식에서

여서

을 출력하므로 ADC(182)의 동적영역도 제한된다.

그래서 제12도에 나타낸 바와 같이 OP AMP(13)의 반전입력에 전압(V_R)을 부여함으로써 출력(e₀)을 부여하기 전에 비해 V_R만큼 낮게 한다. 즉, e₀=e_i-V_R로 한다. 유량(q_am)이 0인때 즉,

때 e₀가 작은 값이 되도록 직류전원 전압(V_R)을 설정하면 좋다.

제13도는 이와 같은 방법에 의해 구성된 저항(42)과 정전압소자예컨대, 제너다이오드(43)의 직열회로로 된 출력보정회로(50)를 가진회로도이고, 제너다이오드(43)의 단자간전압 즉, 단자(41)의 전압이 불명한 경우의 구성을 나타낸다. 단자(41)의 전압(V_R)은 직류전원(V)에 접속된 저항(42)과 제너다이오드(43)의 직열회로에 의해 설정되며, 이 전압이 OP AMP(13)의 반전입력에 부여되는 전압(V_R)을 MPX(181)에서 독입(read in)하고 OP AMP(13)의 출력데이터(e₀)에 V_R을 더하여 이 보정값에서서 유량값을 산출하는 것이다.

제14도는 이와 같은 처리를 나타낸 플로우챠트이다. 먼저 스텝(500)에서 MPX(181)의 입력게이트 번호(M)를 1로하여 MPX의 어드레스지 정번지에 설정한다. 스텝(505)에서 MPX의 입력게이트 번호 M=1을 읽어선(線)을 거쳐 MPX(181)에 게이트 선택신호를 보내 입력게이트(C₁)를 열어서 단자(41)의 전압(V_R)을 취입하여 ADC(182)에 부여한다. 스텝(510)에서는 ADC(182)를 기동하여 전압(V_R)을 AD변환 한다. 스텝(515)에서 AD변환이 완료되었다는 플래그가 세트되었는지의여 부를 체크하여 완료되어 있지 않으면 스텝(520)에서 그외의 계산을 행하고, 완료되어 있으면 스톱(525)으로 진행한다.

스텝(525)에서는 전압(V_R)의 AD변환 결과(X₀)를 ADC(182)에서 취입한다. 스텝(530)에서는 MPX의 입력게이트의 설정번호 M=1인지의 여부를 체크한다. M=1이라면 스텝(540)으로 진행하여 스텝(525)에서 취입된 데이터(X₀)를 RAM에 기억한다. 스텝(545)에서 MPX입력게이트 번호 M=2를 설정하여 스텝(550)에서 입력게이트 번호 M=2를 읽어 MPX의 입력게이트(G₂)를 열어 OP AMP(13)의 출력전압(e₀)을 ADC(182)에 보낸다.

스텝 (510~525)에서 출력전압(e₀)의 AD변환값(X)을 산출하여 취입한다. 스텝9330)에서 입력게이트 번호 M=1인지 여부를 체크하여 지금, M=2 이므로 스텝(555)으로 진행한다. 여기서 RAM에 기억되어 있는 데이터(X₀)를 독출하여 출력데이터(X)와의 합을 산출해서 X=X+X₀로서 RAM에 저장한다.

이 처리결가 X=X+X₀에 의해 유량값을 산출하면 좋다. 제15도는 이미 알려진 적절한 설정전압(V_R)을 사용하여 전압(e₀)을 보정하는 것으로서 두가지의 방법이 있다.

제1의 방법은 저항(44), 제너다이오드(45)의 직열회로로된 출력보정회로(51)를 설치하여 제너다이오드(45)의 단자간 전압(V_R)을 적절한 값으로 설정해서 OP AMP(13)의 반전입력에 부여한다. 이 방법에 의한 데이터 처리를 제16도의 플로우챠트에 따라 설명한다. 먼저, 제7도의 스텝(300~315)과 같이하여 스텝(605),(610),(615),(620)에서 OP AMP(13)의 출력전압(e₀)을 AD변환하여 그 결과(X)를 취입한다. 다음에 스텝(625)에서는 미리 RAM에 저장되어 있는 설정전압(V_R)의 디지틀 값(X₀)을 찾아서 취출한다. 스텝(630)에서 데이터(X)와 설정값(X₀)을 더하여 X=X+X₀로써 RAM에 저장한다.

이 저장된 보정값(X)에 의해 유량이 연산된다. 제2방법은 I/O 인터페이스(194)를 거쳐 적절한 디지틀 값을 DA변환기(183)에 부여하여 그 아날로그 출력을 전압(V_R)으로서 OP AMP(13)의 반전 입력으로 부여하는 것이다. 이 방법을 제16도의 플로우챠트에 따라서 설명한다.

우선, 스텝(600)에서 I/O 인터페이스(194)를 지나서 미리 RAM 에 저장된 디지틀 설정값(X₀)을 DA변환기(183)에 부여하여 그 아날로그 출력을 설정전압(V_R)으로서 OP AMP(13)의 반전입력에 부여한다.

다음에 스텝(605~620)에서 OP AMP(13)의 출력전압(e₀)의 AD변환값(X)을 산출하여 취입한다. 최후에 스텝(630)에서는 스텝(620)에서 취입한 데이터(X)와 RAM 에 저장되어 있는 설정값(X₀)와의 합을 구하여 그것을 유량 데이터로서 RAM에 저장한다.

이상과 같이 OP AMP(13)에의 입력전압(e_i)을 소정값만큼 줄여 출력전압(e₀)을 얻음으로써 ADC(182)는 입력데이터에 대하여 모든 동적영역을 사용하게 되어 AD변환결과로서 정밀도 양호한 것을 얻을수가 있다.

이상 본 발명에 의한 열선식 유량측정 장치를 내연기관의 공기유량을 측정하는 경우에 관하여 설명했으나 다른 분야에는적용할 수 있음을 말할 필요조차 없다.

Claims (1)

1. 유체의 유로중에 놓여진 제1감온 저항체와, 제1저항체와의 제1직열 회로와, 상기 제1감온 저항체의 출력전압을 분압하는 회로와, 유체의 유로중에 놓여진 온도 보상용의 제2 감온 저항체와, 상기 분압회로의 출력전압과 상기 온도보상용 감온 저항체의 출력전압과의 차(差) 전압을 검지하는 수단과, 상기 검지수단의 검지 전압에 따라서 상기 직열회로에의 공급전류를 제어하는 수단과, 상기 저항체의 단자간 전압에 따른 전압을 출력하는 출력수단을 구비하고, 상기 출력수단의 출력전압이 유체의 유량을 나타냄을 특징으로 하는 열선식 유량 측정장치.

Images