CN100510654C - 热式流量传感器 - Google Patents

Abstract

一种热式流量传感器，在待测量流体中配置热式流量传感器的流量测量元件(1)。流量测量元件(1)具备：用于检测流量的第一发热电阻体(7)；用于加热第一发热电阻体(7)的支撑体(5)的第二发热电阻体(9)；和按第二发热电阻体(9)的温度比第一发热电阻体(7)的温度高的方式对发热电阻体供给电流进行控制的电流控制电路(101、102)。从而在热式流量传感器中，降低传感器污损时的流量检测误差。

Description

热式流量传感器

技术领域

本发明涉及使用发热电阻体计测流体的质量流量的热式流量传感器。

背景技术

以往具有代表性的热式流量传感器，在桥电路中安装了具有温度依赖性的两个电阻体。在这些电阻体中，一方作为流量测量用的发热电阻体使用，由于流过发热电流，因此将电阻值设为比较小。另一方，作为待测量流体的温度补偿电阻体使用，由于在常温下使用，因此与发热电阻体相比将电阻值设为更大。在这样的桥电路中，桥电路的两个中间点电位被输入到运算放大器，即使发热电阻体的热量对应流体的流量(换而言之流速)被夺走，也可以按照使发热电阻体和温度补偿电阻体之间的温度差保持规定值(中间点电位差为零)的方式，控制流入发热电阻体的电流。

进而，在现有公知例中，如专利文献1(日本特开昭59—136620号公报)所示，提出不使用温度补偿电阻体，使用两个仅由发热电阻体和多个固定电阻体构成的桥电路，两个的桥电路的发热电阻体的发热温度按照互相不同的方式进行设定的流量测量装置。在该装置中，发热电流流入两个桥电路的发热电阻体，将与该发热电流相关的输出之差输入微型计算机(微处理器)，计算流量。

根据该公知例，即使不用温度补偿电阻体，也可以进行除去流体温度影响的流量测量。从以下的角度提出了在该专利文献1中记载的流量测量装置。即，发热电阻体和温度补偿电阻体的热时间常数不同，由于这对流量测量精度会带来不良影响，所以为了除去这样的影响，提出不使用温度补偿电阻体的装置的方案。

进而，在专利文献1中，提出在发热电阻体的支撑体(基板)配置用于专门加热支撑体的保护加热器的技术方案。该保护加热器，用与流量测量用发热电阻体(测量用发热电阻体)不同的***，按照调节成与测量用发热电阻体相同的温度T1的方式设定。该保护加热器，防止热量从测量用发热电阻体传递到支撑体的热传递(热流出)，用于提高测量用发热电阻体的响应性。

流量测量用发热电阻体的支撑体，例如在发热电阻体为热线的情况下，至少由缠绕该热线用的筒状绝缘芯材(例如氧化铝管)构成。

该支撑体，利用发热电阻体传热保持在某个温度水平。即，支撑体在发热电阻体的线圈区域以外的部分暴露在待测量流体中，因为支撑体的热量放出到待测量流体的气氛中，所以保持在比发热电阻体的温度低的某个温度水平。

如果该支撑体的温度水平始终保持为大致恒定的水平，(换而言之，如果从支撑体向待测量流体气氛的放热水平保持为大致恒定的水平)，则通过发热电阻体的支撑体的放热水平也为大致一定，由该放热不会对流量测量精度带来不良影响。

使用了发热电阻体的流量测量装置，一般用于测量汽车用内燃机的吸入空气流量。进而，在最近，为了测量汽车用内燃机的EGR(排气再循环)***中的EGR流量，有时也在排气气氛中使用。

在这样的排气气氛中使用测量用发热电阻体的情况下，作为以包含在排气中的煤尘为主体的不挥发成分，逐渐堆积在支撑流量测量用放热电阻体的支撑体上。这样的煤尘体积程度随时间增大时，支撑体和待测量流体(待测气体)间的热传递与堆积前相比变化很大，对输出带来不良影响。即根据煤尘的堆积体积程度，从支撑体向待测气体气氛的放热量变化时，从流量测量用发热电阻体向支撑体的放热量也变化，因此在煤尘堆积前和堆积后，流量测量用发热电阻体的输出值相对于气体流量变化，造成检测误差。

为了防止上述情况，有效的方式是截断热量从流量测量用发热电阻体向支撑体的传导。

在上述专利文献1记载的结构中，将保护加热器(以下也称为“第二发热电阻体”)缠绕在流量测量用发热电阻体(以下也称为“第一发热电阻体”)的支撑体上，通过使第二发热电阻体的温度与第一发热电阻体的温度相同，来防止热量从第一发热电阻体向支撑体传递，加快流量测量的响应性。

这样，在第二发热电阻体设定在与第一发热电阻体相同温度时，可以在某种程度上防止热量从第一发热电阻体向支撑体的传递，但是，实际上，不能完全防止热传递。更详细地说，因为支撑体中的第一、第二发热电阻体间的部位暴露在待测量气体气氛中，存在从支撑体向环境气体的放热。因此，第二发热电阻体的温度与第一发热电阻体的温度相同时，支撑体温度比检测流量的第一发热电阻体低。因此，发生从第一发热电阻体向支撑体的放热。

即使产生这样的热流，待测量流体为通过空气过滤器后的空气的时候，没有煤尘堆积在支撑体上，从支撑体向空气中放热的水平保持为大致一定的水平，对流量检测精度不会带来不良影响，可以实现期望的响应性。

但是，即使是专利文献1那样的流量测量装置，在流量测量元件(在支撑体上设置了第一发热电阻体、第二发热电阻体的流量测量元件)配置在排气的环境中时，通过煤尘堆积在支撑体上，从支撑体向排气的放热水平变化，对流量检测精度带来不良影响。

专利文献1：日本专利公开特开昭59—136620号公报。

发明内容

本发明的目的在于，消除由于这样对发热电阻体支撑体的污损而发生的对流量检测传感器(流量测量装置)的输出特性的不良影响。

本发明为了解决上述问题，基本上按照以下构成。

即，使用发热电阻体测量流体的流量的热式流量传感器中，包括：用于检测流量的第一发热电阻体；对第一发热电阻体的支撑体进行加热的第二发热电阻体，且按照第二发热电阻体的温度比第一发热电阻体的温度高的方式进行温度设定。

根据上述构成，可以将温度极小点设定在支撑体中的第一、第二发热电阻体间的区域(温度梯度为零的点)，可以防止通过第一、第二发热电阻体的支撑体在待测量气体气氛中的热传递。

根据本发明，可以消除因发热电阻体的污损而发生的对输出特性的不良影响。

附图说明

图1(a)是本发明的一实施例相关的热式流量传感器的测量元件(检测部)部分剖面的外观主视图，图1(b)是其纵剖面图。

图2是示意地表示图1中的流量测量元件的第一、第二发热电阻体的连线图。

图3是上述实施例中的流量测量元件的另一方式的示意图。

图4是表示本实施例的流量传感器的电路结构图。

图5是表示在待测流体中设置本实施例相关的流量传感器的流量测量元件时的、元件的轴方向的温度分布、热通量分布的图。

图6是在发动机的排气中配置本实施例中所使用的流量测量元件的情况的污损状况的图。

图7是表示流量检测误差相对于在发热电阻体导线上的碳堆积厚度的变化曲线。

图8是表示本实施例中的热式流量传感器的热分析模型的图。

图9是表示上述实施例中的流量测量元件的整体概况的图。

图10是表示本发明的另一实施例相关的流量传感器的电路图。

图11表示上述实施例的流量测量元件的另一方式的示意图。

图12是表示对于第一发热电阻体和第二发热电阻体的温度比，根据理论计算求得由于第一发热电阻体的导线污损引起流量误差的结果的图。

图13是表示本发明相关的流量测量元件的另一方式的俯视图。

图中：1—流量测量元件，5—支撑体(氧化铝管)，6—引线，7—第一发热电阻体，9—筒状体，10—第二发热电阻体，12—引线，101—流量测量用电路(主电路)，102—支撑体加热用电路(副电路)。

具体实施形式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1(a)是表示本发明的一实施例相关的热式流量传感器的测量元件(检测部)部分剖面外观主视图，图1(b)是其纵剖面图。

流量测量元件1包括：用于支撑发热电阻体的筒状的支撑体(第一支撑体)5；缠绕在支撑体5的外周的、具有温度依赖性的流量测量用热线(第一发热电阻体)7；介由筒状体9(第二支撑体)同样缠绕在支撑体5的外周、具有温度依赖性的支撑体加热用热线(第二发热电阻体)10；设置在支撑体5两端的第一发热电阻体用的引线6；设置在筒状体9外周的第二发热电阻体用的引线12等。

支撑体5和筒状体9，由具有耐热性的电绝缘材料，例如氧化铝管(芯材)构成。以下，在本实施例中，有时也将支撑体5和筒状体9称为氧化铝管，但材料不局限于此。该氧化铝管5和引线6通过耐热性高的材料例如耐热玻璃接合。引线6为针(pin)状，也具有支撑流量测量元件的功能。

在氧化铝管5外周上的中央区域，第一发热电阻体7和Pt线(铂金线)缠绕成线圈状。氧化铝管5的外周上在第一发热电阻体7的左右两侧的区域，密接嵌合一对筒状体(支撑体：氧化铝管)9。在该氧化铝管9的外周，缠绕用于加热第一发热电阻体7的支撑体5的第二发热电阻体(Pt线)10。以下，在本实施例中，有时也将第一发热电阻体7和第二发热电阻体10称为Pt线圈，但是材料并不局限于此，只要是具有温度依赖特性的材料也可以使用其它材料。

第一发热电阻体(Pt线圈)7的左右引出线7通过形成在氧化铝管9中的引导槽9分别引导到各自的引线6的位置。Pt线圈7的各一端13(引出线7的各一端)通过焊接与引线6连接，Pt线圈7与引线6在物理上、电结合。

在本实施例中，引导槽9例如形成在氧化铝管9的内周。引导槽9如果能保持Pt线圈7和Pt线圈10之间的电绝缘，则可以形成在氧化铝管9的外周，或也可以做成狭缝状。另外，本实施例的引导槽9沿着相对于氧化铝管9的轴方向倾斜的线而形成，但是也可以沿着与管的轴方向平行的线形成。第一、第二发热电阻体的引线6、12大致垂直配置，防止互相干涉。

配置在第一发热电阻体(Pt线圈)7的左右侧的各第二发热电阻体(Pt线圈)10的端部11，通过焊接固定在第二发热电阻体用的引线12上，Pt线圈10和引线12在物理上、电结合。在支撑体5左右两侧的Pt线圈10彼此之间，通过与该线圈一体的中间连接线14连接。中间连接线14，桥状跨过第一发热电阻体(Pt线圈)7，连接左右的第二发热电阻体(Pt线圈)10。这些Pt线圈7和Pt线圈10互相电绝缘。进而，在其外面由玻璃覆膜8a、8b覆盖。

图2示意地表示了如上构成的流量测量元件1的第一、第二发热电阻体的连线图。即被构成为在第一发热电阻体7的引线6(包括支撑体5)之上，夹持第一发热电阻体7配置第二发热电阻体10。

另外，如图1所示，第一发热电阻体7的玻璃覆膜8a和第二发热电阻体10的玻璃覆膜8b之间，为了避免以下的不良情况，优选存在间隙50。即第一发热电阻体7和第二发热电阻体10的覆膜彼此之间连接时，在第一发热电阻体7和第二发热电阻体10之间，通过玻璃覆膜的热传导进行热交换，可能对流体的流量检测精度带来不良影响。这种状况可以通过间隙50的存在而消除。

代替空隙50也可以如图3所示，将热导率比玻璃覆膜8a、8b小的材料(耐热树脂、耐热橡胶、硅酸钙等)构成的间壁51，介于第一发热电阻体7和第二发热电阻体10之间。

图4表示本实施例的流量传感器的电路结构。

本实施例中的流量传感器的电路100，大致上包括：控制流量测量用的第一发热电阻体7的发热电流(发热电阻体供给电流)输出流量测量信号的流量测量电路(主电路)101；和控制支撑体加热用的第二发热电阻体10的发热电流的副电路102。

作为主电路的流量测量电路101，具备惠斯登(wheatstone)桥电路(A)，其由第一发热电阻体7(电阻值Rh1)和发热电流检测电阻23(电阻值R3)的串联支路与温度补偿电阻体24(电阻值Rc1)、固定电阻25(电阻值R1)和固定电阻26(电阻值R2)的串联支路并联连接而成。另外，还具备：被输入了构成惠斯登桥电路(A)的两个串联支路的中间点a和b的电位(电桥中间点电位)的运算放大器OP1；按照运算放大器的OP1的输出，控制对惠斯登桥电路(A)供给的电流量的功率晶体管TR1。

副电路102具备惠斯登桥电路(B)，该惠斯登桥电路(B)由第二发热电阻体10(电阻值Rh2)和固定电阻27(电阻值R6)的串联支路，与温度补偿电阻体28(电阻值Rc2)、固定电阻29(电阻值R4)和固定电阻30(电阻值R5)的串联支路并联连接而成。另外，还具备：被输入了构成该惠斯登桥电路(B)的两个串联支路的中间点c和d的电位的运算放大器OP2；和按照运算放大器OP2的输出、控制对惠斯登桥电路(B)供给的电流量的功率晶体管TR2。

在这里，对流量测量电路(主电路)101和副电路102的动作进行说明。另外，流量测量电路101和副电路102的基本电路结构大致相同。其中，不同的是各个发热电阻体7和10的温度设定值。另外，前者通过电阻23取得发热电流测量值(流量测量值)V2输入到外部控制电路(图示省略)，而后者不是那样。

首先，对流量测量电路101进行说明。

来自电源VB的电流(电压V1)，通过功率晶体管TR1供给到流量测量电路101的惠斯登桥电路(A)。惠斯登桥电路(A)的中间点a和b中的电位，分别为V2和V3。另外，通过运算放大器OP1和功率晶体管TR1之间的作用，控制流入第一发热电阻体7的电流，以使电桥中间点a和b的电位V2和V3相等。

第一发热电阻体7，具有在温度上升时其电阻值Rh1增加的温度特性。电阻值Rh1与第一发热电阻体7的温度Th1大致成正比。

温度Th1设定在温度Th1＝Tg+ΔTh1，由此比温度补偿电阻体24测量的流体温度Tg高规定的温度ΔTh1。这里，按照第一发热电阻体7的温度Th1比待测量流体中的尘埃中所包含的挥发性成份的沸腾温度高的方式设定ΔTh1。

第一发热电阻体7的电阻值Rh1用式(1)表示。

(式1)

R_h1＝R_h10(1+α₁T_h1)          ……(1)

这里，R_h10为温度0℃下的第一发热电阻体7的电阻值，α₁为温度系数。

在通过流量测量电路(热线驱动电路)101的第一发热电阻体7的流体流量(流速)增加时，从发热电阻体7夺走热量，第一发热电阻体7的温度Th1(电阻值R_h1)下降，电桥中间点a的电压V2的值上升。于是，运算放大器OP1的输出上升，功率晶体管TR1按照增加对第一发热电阻体7供给的电流Ih1，使第一发热电阻体7的温度Th1(电阻值R_h1)回到规定值的方式发挥作用。

因为电桥中间点a的电压V2和待测量流体的质量流量Q之间存在式(2)的关系，所以根据式(2)可以求得待测量流体的流量Q。

(式2)

$V_2=R_1{I}_{h_1}=R_1\sqrt{\frac{1}{R_{h1}}(A+B\sqrt{Q}){\mathrm{\ΔT}}_{h1}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

在式(2)中的A、B为常数。

接着，对副电路102的动作进行说明。

来自电源VB的电流(电压V4)，通过功率晶体管TR2供给到副加热温度控制电路102的惠斯登桥电路(B)。惠斯登桥电路(B)的桥中间点c和d中的电位，分别为电压V5和V6。另外，通过运算放大器OP2和功率晶体管TR2的作用，按照使桥中间点c和d的电压V5和V6相等的方式，对流入第二发热电阻体10的电流进行控制。

第二发热电阻体10，具有在温度上升时其电阻值Rh2增加的温度特性。电阻值Rh2与第二发热电阻体10的温度Th2成正比。

温度Th2设定在温度Th2＝Tg+ΔTh2，由此比由温度补偿电阻体28测量的流体温度Tg高规定的温度ΔTh2。这里，ΔTh2设定得比流量测量电路101的第一发热电阻体7的温度设定值ΔTh1大。例如，对于ΔTh1＝100℃，ΔTh2＝150℃。除上述温度设定之外，支撑体加热用副电路102，基本上使用与流量测量电路101同样的桥电路、运算放大电路、功率晶体管，所以即使发生流量的变化和待测量流体温度的变化，也将第二发热电阻体10的温度Th2始终设定在相对于第一发热电阻体7的温度Th1高的温度。

图5表示在待测量流体中设置了本实施例相关的流量传感器的流量测量元件1时的、元件1的轴方向的温度分布、热通量分布。

如上所述，第一发热电阻体7设定在比流体温度高ΔTh1的温度，第二发热电阻体10设定在比流体温度高ΔTh2的温度。即第二发热电阻体10与第一发热电阻体7相比设定在高ΔTh2—ΔTh1的温度。

第一发热电阻体7和第二发热电阻体10之间，几乎没有线圈的发热，在该部分，从待测流量测量元件1的支撑体5生成对待测流体的放热。因此，如图5(b)所示，第一发热电阻体7的左右两侧的仅靠外侧的温度变为比第一发热电阻体7的温度Th1低。进而，在靠外侧的左右两侧，存在第二发热电阻体10的发热，所以上升到比第一发热电阻体Th1高的温度。这样，在第一发热电阻体7和第二发热电阻体10之间，如图5(b)所示，存在温度极小点F0。图5(c)表示图5(b)的热通量分布的梯度(微分值)。在其极小点F0温度梯度为零，所以流过流量测量元件1的热通量为零。

另外，在实施例中，流量测量电路(主加热控制电路)101和副电路102均使用桥电路。在已经叙述的公知例(特开昭59—136620号公报)中，在流量传感器中也使用两个桥电路，两个桥电路的发热电阻体的发热温度按照互相不同的方式进行设定。但是，其用途和电路结构按照如下所述不同。

即，在所述公知例中，如已经叙述过那样，流入两个桥电路的发热电阻体(第一发热电阻体、第二发热电阻体)的发热电流的输出之差被输入到微处理器，计算流量。该公知例，通过使用这样的构成，即使不使用温度补偿电阻体，也使消除流体温度的影响的流量测量成为可能。即在所述公知例中提示了两个桥电路，均是进行流量测量用，不是加热本发明的支撑体。另外，在该公知例中，在用于缠绕各个发热电阻体(第一发热电阻体、第二发热电阻体)的筒状基板(支撑体)中设置第三发热电阻体(保护加热器)。对于该第三发热电阻体(包含加热器)的电路结构没有任何公开。该第三发热电阻体，与本发明的第二发热电阻体同样加热其支撑体(筒状基板)，但是与本发明的不同点在于，上述第一发热电阻体、第二发热电阻体设定在同一温度。在这样的温度设定条件下，第三发热电阻体的周围，因为与第一发热电阻体和第二发热电阻体相比经由支撑体的放热条件良好，所以在支撑体上设定极小点更为困难。

图9表示本实施例中的流量传感器的整体概要。

控制模块92在流量传感器中的电路结构中，具有除了发热电阻体和温度补偿电阻体的电路要素(图4和后述的图10所示的电路要素)。在具有控制模块62的导电性的支撑引脚91中通过焊接与第一发热电阻体7的引线6结合。另外，支撑引脚90通过焊接与流量测量元件1的引线12结合。在广义的概念中，与已经叙述的氧化铝管5和引线6同样，支撑引脚90、91也构成流量测量用元件1的支撑体、流量测量元件。在本实施例中，通过将极小点形成在氧化铝管中，可以将自流量测量用的发热电阻体7向引线6和支撑引脚90的热通量实质上设为零。

图6表示发动机排气中配置本实施例中所使用的流量测量元件时的状况。一般的在发动机的排气中包含由发动机气缸内的燃烧所生成的碳粒子或油雾。众所周知，碳粒子为直径数纳米到数微米左右的微小颗粒，包含SOF(可燃性有机成份)或HC(碳化成份)等挥发成份。因为这些挥发成份具有粘着力，所以排气中的碳粒子具有易粘附、堆积在固体壁上的性质。碳粒子所碰到壁面温度比挥发成份的沸腾温度足够高时，在碳粒子碰到壁面之后，短期内挥发成份沸腾蒸发，所以碳粒子失去粘着力，碳不残留在碰撞位置由气流带走。因此，在排气中配置与本实施例相关的流量测量元件1的时候，因为第一发热电阻体7和第二发热电阻体10设定在比碳粒子中所包含的SOF或HC等挥发成份的沸腾温度高的温度，所以在发热电阻体上未堆积碳粒子。另一方面，因为引线6、12向排气中放热，其温度比碳粒子中所包括的SOF或HC等的挥发成份的沸腾温度低，因这些挥发成份的粘着力而碳粒子C附着、堆积在引线6、12上。堆积在引线上的碳粒子，起到引线和待测量气体间的热阻抗的作用，碳堆积厚度越厚，自引线向待测量气体的放热越难。

因此，由于引线6的碳粒子的堆积厚度，自发热电阻体7经由引线6向待测量气体放热的热量变化，是导致流量检测误差的主要原因。

但是，在本实施例中，根据上述构成，通过将热通量为零的极小点设定在支撑体5中的第一发热电阻体7和第二发热电阻体10之间，可以使从第一发热电阻体7向引线6和12的放热大致变为零。其结果，第一发热电阻体7和引线6和12之间热绝缘，所以即使在引线6和12上堆积碳而使引线和气体间的热阻抗变化，对第一发热电阻体7所进行的气体流量检测也没有任何影响。

图7表示流量检测误差相对于第一发热电阻体的引线的碳堆积厚度的变化曲线。在没有第二发热电阻体时、或即使设置第二发热电阻体其温度与第一发热电阻体的温度相同、或比其低时(现有技术)，因为存在从用于检测流量的第一发热电阻体向引线的热传递，所以流量检测误差与引线的碳堆积厚度增加一起增大。另一方面，在本实施例中，如上所述引线和检测流量的发热电阻体被热绝缘，因此，即使引线的碳堆积厚度增加，对流量检测也没有影响，误差也不会增大。

接着，根据热平衡的理论分析来说明本发明。图8是本发明的热式流量传感器的热分析模型。本热分析模型，包括用于检测待测量流体的流量的第一发热电阻体和其引线、和设置在引线上的一对第二发热电阻体。设第一发热电阻体的温度假设为恒定，并将其温度设为Th1。同样，设第二发热电阻体的温度假设为恒定，并将其温度设定为Th2。设在第一发热电阻体和第二发热电阻体间的引线长度设为L，并将其代表温度TL定义在引线的中央。另外，传感器周围的待测流体温度为恒定，并将其温度设为TG。

使用图8所示的热模型时，根据傅立叶法则，用式(3)表示从第一发热电阻体向引线的热传导的热传递量。

(式3)

在式(3)中，P1是从第一发热电阻体到引线的热传递量，Th1是第一发热电阻体的温度，TL是引线的温度，L是第一发热电阻体和第二发热电阻体间的距离，SL是引线的剖面面积，λ是引线的热导率。

同样，从第二发热电阻体到引线的热传递量用式(4)表示。

(式4)

在式(4)中，P2是从第二发热电阻体到引线的热传递量，Th2是第二发热电阻体的温度。

从引线到待测量流体的放热量，使用引线和流体之间的温度差和引线表面的热导率由式(5)表示。

(式5)

P_L＝S_ah(T_L-T_G)          ……(5)

在式(5)中，PL是从引线到流体的放热量，Sa是引线的表面积，h是引线和流体间的热导率，TG是流体温度。

在稳定状态下，因为从第一发热电阻体和第二发热电阻体到引线的热传递量与从引线到流体的放热量相等，所以用式(6)表示的热平衡式成立。

(式6)

P_L＝P₁+P₂              ……(6)

如果第一发热电阻体和引线间的热传递量为零，则达到第一发热电阻体和引线热绝缘的条件，所以即使引线的热状态变化，也不会对第一发热电阻体产生影响。也就是说，即使在引线表面堆积碳等，引线和流体间的热传递量变化，对第一发热电阻体的检测流量值也没有影响。根据式(3)可知，第一发热电阻体和引线间的热传递量为零的条件，用(7)式表示。

(式7)

T_h1＝T_L             ……(7)

根据式(3)到式(7)，为了使第一发热电阻体向引线的热传递量为零的第二发热电阻体的温度用式(8)表示。

(式8)

$T_{h2}=\frac{{\mathrm{LS}}_a}{{2S}_L}\frac{h}{\mathrm{\λ}}(T_{h1}-T_G)+T_{h1}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

这里，在本实施例中，第一发热电阻体的温度Th1设定得始终比流体温度TG高，因此式(8)的右边第一项始终取正数。因此，可以证明，为了自第一发热电阻体向引线的热传递量为零，第二发热电阻体的温度Th2需要始终设定在比第一发热电阻体的温度Th1高的温度。

如上所述，用于使从第一发热电阻体向引线的热传递量为零的发热电阻体2的温度用式(8)表示，通过将第二发热电阻体设定在该温度，可以使引线污损时的流量误差最小。但是，在本发明中，第二发热电阻体温度未必限定在由式(8)所求得的温度，根据流量传感器的精度要求，也可以使第二发热电阻体的温度设定范围具有幅度。

图12是相对于第一发热电阻体和第二发热电阻体的温度比，根据理论计算求得第一发热电阻体引线的污损所引起的流量误差的结果。在本计算中，假设具有代表性的汽车用EGR气体流量传感器，设第一发热电阻体的直径为0.5mm、长度为2mm、第一发热电阻体的引线长度为1mm，直径为0.15mm，气体流量100Kg/h，气体温度为200℃。对于发动机的EGR气体的检测精度一般要求精度为误差±10％以内的程度。根据图12，处于误差±10％以内的第二发热电阻体温度为第一发热电阻体温度的1.05～1.17倍的范围。

但是，式(8)表示了使从第一发热电阻体向引线的热传递量为零的第二发热电阻体的温度Th2与引线和流体间的热导率h成正比。这里，热导率h作为流体的质量流量Q的函数由式(9)表示。

(式9)

h＝λ_g(0.24+0.56Re^0.45)/D_L        ……(9)

Re＝QD_L/μ_g

在式(9)中，λg流体的热导率，μg流体的粘度系数，Re雷诺数(Reynolds number)，Q为流体的质量流量，DL引线直径。

因此，对用于使自第一发热电阻体向引线的热传递量为零的第二发热电阻体的温度Th2而言，第二发热电阻体的设定温度存在对流体流量Q的依赖性。因此，优选将第二发热电阻体的温度与待测量流体的流量或流速相关联地变更。基于以上考虑，在第二实施例中，根据流量(或流速)的检测值控制第二发热电阻体的温度。图10表示与第二实施例相关的流量传感器电路。

图10中101是流量测量电路(主电路：热线驱动电路)，电路结构和动作与上述第一实施例相同。103是副电路，与上述第一实施例中的副电路102区别在于，测温电阻体(温度补偿电阻体)28被更换为可变电阻31(电阻值Rv2)。

可变电阻31按照来自外部的控制信号，可以任意地改变其电阻值Rv2。流量测量电路101的第一发热电阻体7的电位(电压V1)和流量检测电阻23的电位(电压V2)由A/D转换器40转换为数字值，并输入微型计算机41。微型计算机41使用这些电压值V1、V2，求得副电路103的可变电阻31的设定电阻值Rv2，并按照使可变电阻31成为设定电阻值Rv2的方式将指示信号42输出到可变电阻31。

接着，对微型计算机41中的可变电阻值Rv2的决定方法进行说明。

微型计算机41中，使用自A/D转换器40输入的第一发热电阻体7的电压值V1、流量检测电阻23的电压V2和流量检测电阻23的电阻值R3，根据式(10)求得第一发热电阻体的电阻值Rh1。

(式10)

$R_{h1}=\frac{(V_1-V_2)R_3}{V_2}\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

一般在电阻R和电阻温度T之间，因为存在式(1)表示的线性关系，所以如果电阻值Rh1已知，则由式(1)求得第一发热电阻体的温度Th1。

接着，根据式(2)由流量检测电阻23的电压V2求得流体流量Q。

如果求得流量Q，则根据式(9)计算引线和流体间的热导率h。进而，使用已求得的第一发热电阻体的温度Th1和热导率h，根据式(8)求得第二发热电阻体Rh2的设定温度Th2。

如果求得第二发热电阻体Th2的温度，则使用表示电阻温度和电阻值之间关系的式(11)求得第二发热电阻体的电阻值Rh2，所以根据用于使副电路103的电桥处于平衡状态的式(12)，求得可变电阻31的电阻值Rv2。

(式11)

R_h2＝R_h20(1+α₂T_h2)          ……(11)

在式(11)中，Rh₂₀是温度0℃下的第二发热电阻体的电阻值，α₂是温度系数。

(式12)

R_V2R₆＝R_h2R₅        ……(12)

另外，根据本实施例，第二发热电阻体10的温度Th2，根据待测量流体的流量、温度决定，所以流体的流量非常大时，或者流体温度非常高时，假设发热电阻体的设定温度比传感器的耐热温度高。因此，为了防止传感器过热，在微型计算机41中，根据式(8)求得的第二发热电阻体10的温度Th2超过规定温度时，优选引入将Th2设定在规定温度以下的处理。

根据上述各实施例，可以使用于检测流体流量的第一发热电阻体向本电阻体的引线的放热量为零，所以引线即使由于碳煤尘的堆积而污损，也不易发生流量检测误差。因此，在本实施例的热式流量传感器中，特别是能以高可靠性进行包含污损物质多的流体的流量测量。

另外，在所述的实施例中，第一发热电阻体和第二发热电阻体形成在共同的支撑体(氧化铝管)上，但是并不局限于此。作为其它方式，例如，如图11(a)所示，将支撑体(氧化铝管)分别分离，分成将第一发热电阻体7和第二发热电阻体10分离的氧化铝管而设置，如图11(b)所示，可以考虑按照与该第二发热电阻体10接触的方式，配置第一发热电阻体7的引线6的方法。此时，优选第二发热电阻体10相对于待测量流体的流动方向，避开第一发热电阻体7的上游侧的方式进行配置。这样，在第二发热电阻体10处于第一发热电阻体7的上游侧时，由第二发热电阻体10加热的流体到达检测流量的第一发热电阻体7，所以有可能导致流量检测精度的恶化。

另外，在上述实施例中，例示了热式流量传感器，但是，并不局限于此，也可以适用于在绝缘基板上设置发热电阻体的流量传感器。图13例示了其一例的流量测量元件的俯视图。

在本例中，相当于支撑体的绝缘基板131上通过图案印刷形成流量测量用的第一发热电阻体132、支撑体加热用的第二发热电阻体133。第一发热电阻体132相当于已经叙述过的实施例的第一发热电阻体7，第二发热电阻体133相当于第二发热电阻体10。在靠近绝缘基板131的一边，形成各个发热电阻体的电极134。在形成电极134的区域和形成第一发热电阻体132的区域之间，形成第二发热电阻体133。各个发热电阻体，例如用镍膜、铂金膜、钨膜、镍铬合金膜等形成。另外，基板131例如使用氧化铝。

本实施例的流量传感器的电路本身与已经说明的实施例同样。

在本实施例中，第二发热电阻体133的发热温度比第一发热电阻体132高的方式进行温度设定，并且设定为使得基板131上的第一发热电阻体132和第二发热电阻体133之间产生极小点。由此提供一种抑制自基板131向保持其的构件(图示省略)等的热流动，即使在基板保持构件等堆积碳煤尘而污损，也难以发生流量测量误差的流量传感器。

Claims (9)

1、一种热式流量传感器，使用发热电阻体检测流体的流量，

所述热式流量传感器具备：

第一发热电阻体，其用于检测流量；

第二发热电阻体，其用于加热所述第一发热电阻体的支撑体；及

电流控制电路，其按照使所述第二发热电阻体的温度高于所述第一发热电阻体的温度的方式，对发热电阻体供给电流进行控制。

2、根据权利要求1所述热式流量传感器，其特征在于，

所述电流控制电路，使所述第二发热电阻体的温度与待测量流体的流量或流速相关联地变化。

3、一种热式流量传感器，使用发热电阻体检测流体的流量，

所述热式流量传感器具备：

第一发热电阻体，其用于检测流量；

第二发热电阻体，其用于加热所述第一发热电阻体的支撑体；及

电流控制电路，其使所述第二发热电阻体的设定温度与待测量流体的流量或流速相关联地变化。

4、一种热式流量传感器，使用发热电阻体检测流体的流量，

所述热式流量传感器具备：

第一发热电阻体，其用于检测流量；

第二发热电阻体，其用于加热所述第一发热电阻体的支撑体，配置在第一发热电阻体的两侧；及

电流控制电路，其按照使所述第一发热电阻体的支撑体中的第一发热电阻体两侧部位的温度成为极小点的方式，对流入所述第二发热电阻体的电流进行控制。

5、根据权利要求1～4中的任一项所述热式流量传感器，其特征在于，

所述电流控制电路，按照所述第二发热电阻体的温度不超过规定温度的方式进行温度限制。

6、根据权利要求1～4中的任一项所述热式流量传感器，其特征在于，

所述第一发热电阻体和所述第二发热电阻体为，缠绕在芯材上、表面由保护材料覆盖的结构，在所述第一发热电阻体的保护覆膜与所述第二发热电阻体的保护覆膜之间，具有空隙、或介入热导率比保护覆膜低的材料。

7、根据权利要求1～4中的任一项所述热式流量传感器，其特征在于，

所述第二发热电阻体，配置在待检测流体的流动中的所述第一发热电阻体的上游侧以外的位置。

8、根据权利要求1～4中的任一项所述热式流量传感器，其特征在于，

所述第二发热电阻体的设定温度为所述第一发热电阻体的设定温度的1.05倍到1.17倍。

9、一种热式流量传感器，使用发热电阻体检测流体的流量，

所述热式流量传感器具备：第一发热电阻体，其用于检测流量；第一支撑体，其支撑所述第一发热电阻体；第二发热电阻体，其用于加热所述第一支撑体；及第二支撑体，其支撑所述第二发热电阻体，

所述第一和第二发热电阻体是热线，所述第一发热电阻体缠绕在所述第一支撑体的中央区域的外表面，

所述第二支撑体，按照位于所述第一发热电阻体的两侧的方式形成为嵌合固定在所述第一支撑体的外表面的一对筒状体，在这些筒状体上缠绕了作为所述第二发热电阻体的一对线圈，将该一对线圈彼此连接的中间线以桥状架设在所述第一发热电阻体上，

所述第一发热电阻体的两侧的导线，在所述第一支撑体上经过设置在所述第二支撑体上的槽或狭缝，与设置在第一支撑体的两端的引线连接。

Images