JP5080020B2 - 熱式流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、発熱抵抗体を用いて流体の質量流量を計測する熱式流量センサに関する。

従来の代表的な熱式流量センサは、ブリッジ回路に温度依存性を有する２つの抵抗体を組み込んでいる。それらの抵抗体のうち、一方は、流量測定のための発熱抵抗体として使用され、発熱電流を流すために、抵抗値を比較的小さくしてある。他方は、被測定流体の温度補償抵抗体として使用され、常温で使用するために、発熱抵抗体に比べて抵抗値を大きくしている。このようなブリッジ回路においては、ブリッジ回路の２つの中間点電位が演算増幅器に入力され、発熱抵抗体の熱が流体の流量（換言すれば流速）に応じて奪われても、発熱抵抗体と温度補償抵抗体との温度差が所定値を保つように（中間点電位差が零になるように）、発熱抵抗体に流れる電流が制御される。

さらに、従来の公知例には、特許文献１（特開昭５９−１３６６２０号公報）に示すように、温度補償抵抗体を使用せずに、発熱抵抗体と複数の固定抵抗体のみからなるブリッジ回路を２つ用い、双方のブリッジ回路の発熱抵抗体の発熱温度が互いに異なるように設定した流量測定装置が提案されている。この装置では、２つのブリッジ回路の発熱抵抗体に流れる発熱電流に関する出力の差をマイクロコンピュータ（マイクロプロセッサ）に入力して、流量を演算する。

この公知例によれば、温度補償抵抗体を使用しなくても、流体の温度による影響を除去した流量測定を可能にしている。この特許文献１に記載される流量測定装置は、次の見地から提案されている。すなわち、発熱抵抗体と温度補償抵抗体の熱時定数が異なり、これが流量測定精度に悪影響を及ぼすことから、そのような影響を除去するために、温度補償抵抗体を使用しない装置を提案している。

さらに、特許文献１では、発熱抵抗体の支持体（基板）に、支持体を専ら加熱するための保護ヒータを配置した技術を提案している。この保護ヒータは、流量測定用の発熱抵抗体（測定用発熱抵抗体）と別系統で、測定用発熱抵抗体と同じ温度Ｔ１に調節されるように設定されている。この保護ヒータは、測定用発熱抵抗体から支持体に至る熱の移動（熱流出）を防止して、測定用発熱抵抗体の応答性を高めるために用いられる。

特開昭５９−１３６６２０号公報

流量測定用発熱抵抗体の支持体は、例えば発熱抵抗体が熱線の場合には、少なくともその熱線を巻くための筒状の絶縁心材（例えばアルミナチューブ）により構成される。

この支持体は、発熱抵抗体からの伝熱によって或る温度レベルに保持されている。すなわち、支持体は発熱抵抗体の巻線領域以外の部分が被測定流体中に晒され、被測定流体の雰囲気中に支持体の熱が放熱されるので、発熱抵抗体の温度よりも低い或る温度レベルに保持される。

この支持体の温度レベルが常に略一定のレベルに保持されるならば（換言すれば、支持体から被測定流体雰囲気への放熱レベルが略一定のレベルに保持されるならば）、発熱抵抗体の支持体を介しての放熱レベルもほぼ一定となり、この放熱によって流量測定精度に悪影響を及ぼすことはない。

発熱抵抗体を用いた流量測定装置は、一般に自動車用内燃機関の吸入空気流量を測定するために用いられている。さらに、最近では、自動車用内燃機関のＥＧＲ（排気ガス再循環）システムにおけるＥＧＲ流量を測定するために、排気ガス雰囲気で使用される場合もある。

このような排気ガス雰囲気で流量測定用の発熱抵抗体が使用される場合においては、排気中に含まれる煤を主体とする不揮発成分が流量測定用発熱抵抗体を支持する支持体へ次第に堆積する。このような煤の体積度合いが経時的に増大していくと、支持体と被測定流体（被測定ガス）間の熱伝達が堆積前に比べて変化し出力に悪影響を及ぼす。即ち、煤の堆積度合いによって支持体から被測定ガス雰囲気への放熱量が変化すると、流量測定用発熱抵抗体から支持体への放熱量も変化するため、煤が堆積する前と堆積後では、ガス流量に対する流量測定用発熱抵抗体の出力値が変化し、検出誤差となる。

これを防止するには、流量測定用発熱抵抗体から支持体への熱の流れを無くすのが有効である。

前述した特許文献１に記載された構成では、流量測定用発熱抵抗体（以下、「第１発熱抵抗体」と称することもある）の支持体に保護ヒータ（以下、「第２発熱抵抗体」と称することもある）を巻き、第２発熱抵抗体の温度を第１発熱抵抗体の温度と同じにすることで、第１発熱抵抗体から支持体への熱の移動を防止し、流量測定の応答性を早くしている。

このように、第２発熱抵抗体を第１発熱抵抗体と同じ温度に設定した場合には、第１発熱抵抗体から支持体への熱の移動を或る程度は防止できるが、実際には、完全な熱移動防止はできない。より詳細には、支持体における第１、第２発熱抵抗体間の部位は、被測定ガス雰囲気に晒されるために、支持体から雰囲気ガスへの放熱がある。したがって、第２発熱抵抗体の温度を第１発熱抵抗体の温度を同じにすると、支持体温度は流量を検出する第１発熱抵抗体より低くなる。このため、第１発熱抵抗体から支持体への熱流が生じる。

このような熱流が生じたとしても、被測定流体がエアフィルタを通した空気のような場合には、支持体への煤の堆積がなく、支持体から空気中への放熱レベルは、略一定のレベルに保持され、流量検出精度に悪影響を及ぼさず、所期の応答性向上を達成できる。

しかしながら、特許文献１のような流量測定装置であっても、流量測定素子（支持体に第１発熱抵抗体、第２発熱抵抗体を設けたもの）を排気ガス雰囲気に配置した場合には、支持体への煤の堆積により、支持体から排気ガス雰囲気への放熱レベルが変化し、流量検出精度に悪影響が及ぼされる。

本発明の目的は、このような発熱抵抗体支持体への汚損によって生じる流量検出センサ（流量測定装置）の出力特性への悪影響をなくすことにある。

本発明は、上記課題を解決するために、基本的には次のように構成される。

すなわち、発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、流量を測定するための第１発熱抵抗体と、第１発熱抵抗体の支持体を加熱する第２発熱抵抗体とを備え、且つ第２発熱抵抗体の温度が第１発熱抵抗体の温度よりも高くなるよう設定する。

上記構成よりなれば、支持体における第１、第２発熱抵抗体間の領域に温度の極小点（温度勾配が零になる点）を設定することが可能となり、第１、第２発熱抵抗体の支持体を介して被測定ガス雰囲気中での熱移動を防止できる。

本発明によれば、発熱抵抗体支持体への汚損によって生じる出力特性への悪影響をなくすことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施例に係る熱式流量センサの測定素子（検出部）を一部断面して示す外観正面図、図１（ｂ）はその縦断面図である。

流量測定素子１は、発熱抵抗体を支持するための筒状の支持体（第１支持体）５、支持体５の外周に巻かれる温度依存性を有する流量測定用熱線（第１発熱抵抗体）７、同じく支持体５の外周に筒状体（第２支持体）９を介して巻かれる温度依存性を有する支持体加熱用熱線（第２発熱抵抗体）１０、支持体５の両端に設けた第１発熱抵抗体用のリード線６、筒状体９の外周に設けた第２発熱抵抗体用のリード線１２などで構成される。

支持体５及び筒状体９は、耐熱性を有する電気的絶縁材料、例えばアルミナチューブ（心材）により構成される。以下、本実施例では、支持体５及び筒状体９をアルミナチューブと賞することもあるが、材料は、これに限定されるものではない。このアルミナチューブ５とリード線６とが、耐熱性の高い材料、たとえば耐熱ガラスにより接合されている。リード線６は、ピン状のものであり、流量測定素子を支持する機能も有する。

アルミナチューブ５の外周上の中央領域には、第１発熱抵抗体７となるＰｔ線（白金線）がコイル状に巻かれる。アルミナチューブ５の外周上で第１発熱抵抗体７の左右両側の領域には、一対の筒状体（支持体：アルミナチューブ）９が密着嵌合している。これらのアルミナチューブ９の外周には、第１発熱抵抗体７の支持体５を加熱するための第2発熱抵抗体（Ｐｔ線）１０が巻かれている。以下、本実施例では、第１発熱抵抗体７及び第２発熱抵抗体１０をＰｔ巻線と称することもあるが、材料はこれに限定されるものではなく、温度依存特性を有するものであれば他の材料も使用可能である。

第1発熱抵抗体（Ｐｔ巻線）７の左右の引出し線７´は、アルミナチューブ９に形成した案内溝９´を通してそれぞれのリード線６の位置まで導かれる。Ｐｔ巻線７の各一端１３（引出し線７´の各一端）は、リード線６に溶接にて接続され、Ｐｔ巻線７はリード線６と物理的、電気的に結合している。

本実施例において、案内溝９´は、例えばアルミナチューブ９の内周に形成される。案内溝９´は、Ｐｔ巻線７とＰｔ巻線１０との電気的絶縁を保てるならば、アルミナチューブ９の外周に形成してもよく、或いはスリット状にしてもよい。また、本実施例の案内溝９´は、アルミナチューブ９の軸方向に対して斜めになるラインに沿って形成されているが、チューブの軸方向と平行なラインに沿って形成してもよい。第１、第２の発熱抵抗体のリード線６、１２は略直交して配置され、互いに干渉するのを防いでいる。

第１発熱抵抗体（Ｐｔ巻線）７の左右両側に配置される各第２発熱抵抗体（Ｐｔ巻線）１０の端部１１は、第２発熱抵抗体用のリード線１２に溶接により固定され、Ｐｔ巻線１０とリード線１２とは、物理的、電気的に結合している。支持体５の左右両側にあるＰｔ巻線１０同士は、この巻線と一体の中間接続線１４を介して繋がっている。中間接続線１４は、第１発熱抵抗体（Ｐｔ巻線）７をブリッジ状に跨いで左右の第２発熱抵抗体（Ｐｔ巻線）１０と繋がる。これらのＰｔ巻線７とＰｔ巻線１０とは、お互いに電気的に絶縁されている。さらに、その上からガラス被膜８ａ，８ｂにより覆われている。

上記構成よりなる流量測定素子１の第１、第２の発熱抵抗体の結線図を模式的に表すと図２に示すようになる。すなわち、第１発熱抵抗体７のリード線６（支持体５を含む）上に第２発熱抵抗体１０が、第１発熱抵抗体７を挟んで配置された構成となっている。

なお、図１に示すように、第１発熱抵抗体７のガラス被膜８ａと第２発熱抵抗体１０のガラス被膜８ｂとの間には、次のような不具合を避けるために空隙５０があることが望ましい。すなわち、第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０の被膜同士が繋がっていると、第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０の間で、ガラス被膜を介しての熱伝導により熱の授受が行われ、流体の流量検出精度に悪影響を及ぼすおそれがある。このような事態は、空隙５０の存在により解消できる。

空隙５０の代わりに、図３に示すように第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０の間に、ガラス被膜８ａ、８ｂよりも熱伝導率の小さな材料（耐熱樹脂、耐熱ゴム、珪酸カルシウム等）からなる隔壁５１を介在させてもよい。

図４に本実施例による流量センサの回路構成を示す。

本実施例における流量センサの回路１００は、大別すると、流量測定用の第１発熱抵抗体７の発熱電流（発熱抵抗体供給電流）を制御して流量測定信号を出力する流量測定回路（メイン回路）１０１と、支持体加熱用の第２発熱抵抗体１０の発熱電流を制御するサブ回路１０２とからなる。

メイン回路としての流量測定回路１０１は、第１発熱抵抗体７（抵抗値Ｒｈ１）及び発熱電流検出抵抗２３（抵抗値Ｒ３）の分岐直列回路と、温度補償抵抗体２４（抵抗値Ｒｃ１）、固定抵抗２５（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗２６（抵抗値Ｒ２）の分岐直列回路とを、並列に接続してなるホイートストンブリッジ回路（Ａ）を備える。また、ホイートストンブリッジ回路（Ａ）を構成する２つの分岐直列回路の中間点ａ及びｂの電位（ブリッジ中間点電位）を入力する演算増幅器ＯＰ１と、演算増幅器ＯＰ１の出力に応じて、ホイートストンブリッジ回路（Ａ）に供給する電流量を制御するパワートランジスタＴＲ１とを備える。

サブ回路１０２は、第２発熱抵抗体１０（抵抗値Ｒｈ２）と固定抵抗２７（抵抗値Ｒ６）の分岐直列回路と、温度補償抵抗体２８（抵抗値Ｒｃ２）、固定抵抗２９（抵抗値Ｒ４）、固定抵抗３０（抵抗値Ｒ５）の分岐直列回路とが並列に接続されたホイートストンブリッジ回路（Ｂ）を備える。また、このホイートストンブリッジ回路（B）を構成する２つの分岐直列回路の中間点ｃ及びｄの電位を入力する演算増幅器ＯＰ２と、演算増幅器ＯＰ２の出力に応じて、ホイートストンブリッジ回路（Ｂ）に供給する電流量を制御するパワートランジスタＴＲ２とを備える。

ここで、流量測定回路（メイン回路）１０１及びサブ回路１０２の動作について説明する。なお、流量測定回路１０１とサブ回路１０２の基本的回路構成は略同一である。ただし、それぞれの発熱抵抗体７及び１０の温度設定値が異なる。また、前者は抵抗２３を介して発熱電流測定値（流量測定値）Ｖ２を取り出し外部制御回路（図示省略）に入力しているが、後者は、そのようになっていない。

まず、流量測定回路１０１について説明する。

流量測定回路１０１のホイートストンブリッジ回路（Ａ）には、パワートランジスタＴＲ１を介して電源ＶＢからの電流（電圧Ｖ１）が供給される。ホイートストンブリッジ回路（Ａ）の中間点ａ及びｂにおける電位は、それぞれＶ２及びＶ３となる。また、演算増幅器ＯＰ１とパワートランジスタＴＲ１との作用によって、ブリッジ中間点ａ及びｂでの電位Ｖ２及びＶ３が等しくなるように、第１発熱抵抗体７に流れる電流が制御される。

第１発熱抵抗体７は、温度が上昇するとその抵抗値Ｒｈ１が増加する温度特性を有する。抵抗値Ｒｈ１は、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ１にほぼ比例する。

温度Ｔｈ１は、温度補償抵抗体２４により測定される流体の温度Ｔｇより所定の温度ΔＴｈ１だけ高くなるように、温度Ｔｈ１＝Ｔｇ＋ΔＴｈ１に設定されている。ここで、ΔＴｈ１は、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ１が被測定流体中のダストに含まれる揮発成分の沸騰温度よりも高くなるように設定される。

第１発熱抵抗体７の抵抗値Ｒｈ１は、式（１）で示される。

ここで、R_h10は、温度０℃における第１発熱抵抗体７の抵抗値、α₁は、温度係数である。

流量測定回路（熱線駆動回路）１０１の第１発熱抵抗体７を通過する流体の流量（流速）が増えると、発熱抵抗体７から熱が奪われ、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ1（抵抗値Ｒ_h1）は下がり、ブリッジ中間点ａの電圧Ｖ２の値が上昇する。すると、演算増幅器ＯＰ１の出力が上がり、パワートランジスタＴＲ１が第１発熱抵抗体７に供給する電流Ｉｈ１を増加させ、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ1（抵抗値Ｒ_h1）が所定の値に戻るように作用する。

ブリッジ中間点ａの電圧Ｖ２と被測定流体の質量流量Ｑの間には式（２）の関係があるので、式（２）より被測定流体の流量Ｑが求められる。

式２におけるＡ，Ｂは定数である。

次にサブ回路１０２の動作について説明する。

サブヒータ温度制御回路１０２のホイートストンブリッジ回路（Ｂ）には、パワートランジスタＴＲ２を介して電源ＶＢからの電流（電圧Ｖ４）が供給される。ホイートストンブリッジ回路（Ｂ）のブリッジ中間点ｃ及びｄにおける電位は、それぞれ電圧Ｖ５及びＶ６となる。また、演算増幅器ＯＰ２とパワートランジスタＴＲ２との作用によって、ブリッジ中間点ｃ及びｄでの電圧Ｖ５及びＶ６が等しくなるように、第２発熱抵抗体１０に流れる電流が制御される。

第２発熱抵抗体１０は、温度が上昇するとその抵抗値Ｒｈ２が増加する温度特性を有する。抵抗値Ｒｈ２は、第２発熱抵抗体１０の温度Ｔｈ２に比例する。

温度Ｔｈ２は、温度補償抵抗体２８により測定される流体の温度Ｔｇより所定の温度ΔＴｈ２だけ高くなるように、温度Ｔｈ２＝Ｔｇ＋ΔＴｈ２に設定されている。ここでΔＴｈ２は、流量測定回路１０１の第１発熱抵抗体７の温度設定値ΔＴｈ１に比べ大きく設定されている。例えば、ΔＴｈ１＝１００℃に対し、ΔＴｈ２＝１５０℃である。上記温度設定に加えて、支持体加熱用サブ回路１０２は、基本的には、流量測定回路１０１と同様のブリッジ回路、演算増幅器、パワートランジスタを用いるので、流量変化及び被測定流体温度の変化があっても、第２発熱抵抗体１０の温度Ｔｈ２は、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ１に対して常に高い温度に設定される。

被測定流体中に本実施例に係る流量センサの流量測定素子１を設置した場合の、素子１の軸方向の温度分布、熱流束分布を図５に示す。

前述のように、第１発熱抵抗体７は、流体温度よりもΔＴｈ１だけ高い温度、第２発熱抵抗体１０は流体温度よりもΔＴｈ２だけ高い温度に設定される。すなわち、第２発熱抵抗体１０は、第１発熱抵抗体７に比べΔＴｈ２−ΔＴｈ１だけ高い温度に設定される。

第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０の間は、巻線による発熱が殆ど無く、この部分で流量測定素子１の支持体５から被測定流体への放熱が起こる。したがって、図５（ｂ）に示すように、第１発熱抵抗体７の左右両側の直ぐ外側の温度は、第１発熱抵抗体７の温度Ｔｈ１より低くなる。さらに外側寄りの左右両側では、第２発熱抵抗体１０による発熱があるため、第１発熱抵抗体の温度Ｔｈ１より高い温度まで上昇する。このようにして、第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０の間には、図５（ｂ）に示すように、温度の極小点Ｆ０が存在する。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の熱流速分布の勾配（微分値）を示す。その極小点Ｆ０では温度勾配がゼロになるため、流量測定素子１を流れる熱流束はゼロになる。

なお、本実施例では、流量測定回路（メインヒータ制御回路）１０１とサブ回路１０２とは、共にブリッジ回路を使用している。既述の公知例（特開昭５９−１３６６２０号公報）においても、２個のブリッジ回路を流量センサに用い、双方のブリッジ回路の発熱抵抗体の発熱温度が互いに異なるように設定している。しかしながら、その用途及び回路構成は以下に述べるように異なる。

すなわち、前記公知例では、既述のように２つのブリッジ回路の発熱抵抗体（第１発熱抵抗体、第２発熱抵抗体）に流れる発熱電流の出力の差をマイクロプロセッサに入力して、流量を演算する。この公知例は、このような構成をなすことにより、温度補償抵抗体を使用しなくても、流体の温度による影響を除去した流量測定を可能にしている。すなわち、前記公知例で提示された２つのブリッジ回路は、いずれも流量測定用であり、本発明のような支持体を加熱するものではない。なお、この公知例では、それぞれの発熱抵抗体（第１発熱抵抗体、第２発熱抵抗体）を巻くための筒状基板（支持体）に、第３発熱抵抗体（保護ヒータ）を設ける。この第３発熱抵抗体（保護ヒータ）の回路構成については何ら開示されていない。この第３発熱抵抗体は、本発明の第２発熱抵抗体同様にその支持体（筒状基板）を加熱するが、上記第１発熱抵抗体、第２発熱抵抗体と同じ温度に設定される点で本発明と異なる。このような温度設定条件では、第３発熱抵抗体の周辺が、第１発熱抵抗体及び第２発熱抵抗体よりも支持体を介しての放熱条件が良いために、支持体上に極小点を設定することは困難である。

図９に本実施例における流量センサの全体概要を示す。

制御モジュール９２は、流量センサにおける回路構成において、発熱抵抗体及び温度補償抵抗体を除く回路要素（図４或いは後述の図１０に示すもの）を備える。制御モジュール６２の導電性を有する支持ピン９１に、第１発熱抵抗体７のリード線６が溶接により結合される。また、支持ピン９０に、流量測定素子１のリード線１２が溶接により結合される。広い概念では、支持ピン９０、９１も、既述したアルミナチューブ５及びリード線６同様に流量測定素子１の支持体、流量測定素子を構成する。本実施例では、極小点をアルミナチューブに形成することにより、流量測定用の発熱抵抗体７からリード線６及び支持ピン９０への熱流束を実質ゼロにすることができる。

図６は、エンジンの排ガス中に本実施例に用いる流量測定素子を配置した場合の状況を示す。一般にエンジンの排ガス中にはエンジン気筒内の燃焼によって生成されるカーボン粒子やオイルミストが含まれる。カーボン粒子は直径が数ナノメートルから数ミクロン程度の微細粒子であり、ＳＯＦ（可燃性有機成分）やＨＣ（炭化水素）などの揮発成分を含むことが知られている。これらの揮発成分は、粘着力を持つため、排ガス中のカーボン粒子は固体壁に付着、堆積しやすい性質を持つ。カーボン粒子が衝突する壁面温度が、揮発成分の沸騰温度よりも充分高い場合には、カーボン粒子が壁面に衝突した後、短期間で揮発成分が沸騰、蒸発するためカーボン粒子の粘着力が失われ、カーボンは衝突位置に留まることなくガス流れによって運び去られる。よって、排ガス中に本実施例に係る流量測定素子１を配置した場合には、第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０は、カーボン粒子に含むSOFやHC等の揮発成分の沸騰温度より高い温度に設定されているため、発熱抵抗体上にはカーボン粒子が堆積しない。一方、リード線６、１２は排ガス中への放熱のために、カーボン粒子に含むＳＯＦやＨＣ等の揮発成分の沸騰温度より低くなり、これら揮発成分の粘着力によりリード線６、１２上にカーボン粒子Ｃが付着、堆積する。リード線に堆積したカーボン粒子は、リード線と被測定ガス間の熱抵抗として働くため、カーボン堆積厚さが厚いほど、リード線から被測定ガスへの放熱がし難くなる。

このため、リード線６のカーボン粒子の堆積厚さによって、発熱抵抗体７からリード線６を介して被測定ガスへ放熱する熱量が変化し、流量の検出誤差の要因となる。

しかし、本実施例では、上記した構成によって、支持体５における第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０間に熱流束を零にする極小点を設定することで、第１発熱抵抗体７からリード線６及び１２への放熱がほぼゼロになる。この結果、第１発熱抵抗体７とリード線６及び１２とは熱的に絶縁されるので、リード線６及び１２上にカーボンが堆積してリード線とガス間の熱抵抗が変化しても、第１発熱抵抗体７によるガス流量検出にはなんら影響を及ぼさない。

図７は第１発熱抵抗体のリード線へのカーボン堆積厚さに対する流量検出誤差の推移を示す。第２発熱抵抗体が無い場合、もしくは第２発熱抵抗体を設けてもその設定温度が第１発熱抵抗体の温度と同じ、もしくは低い場合には（従来技術）、流量を検出する第１発熱抵抗体からリード線への熱の流れがあるため、リード線へのカーボン堆積厚さの増加とともに流量検出誤差が増大する。一方、本実施例では、前述のようにリード線と流量を検出する発熱抵抗体とは熱的に絶縁されているため、リード線へのカーボン堆積厚さが増えても流量検出には影響が無く、誤差は増大しない。

次に熱収支による理論解析により本発明を説明する。図８は、本発明による熱式流量センサの熱解析モデルである。本熱解析モデルは、被測定流体の流量を検出するための第１発熱抵抗体とそのリード線、リード線上に設置した一対の第２発熱抵抗体から成る。第１発熱抵抗体の温度を一定と仮定し、その温度をＴｈ１とする。同様に、第２発熱抵抗体の温度を一定と仮定し、その温度をＴｈ２とする。第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体間のリード線長さをＬとし、その代表温度ＴＬをリード線の中央で定義する。また、センサ周りの被測定流体温度は一定として、その温度をＴＧとする。

図８に示す熱モデルを用いると、第１発熱抵抗体からリード線への熱伝導による伝熱量はフーリエの法則により（３）式で表される。

（３）式において、P１は第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量、Ｔｈ１は第１発熱抵抗体の温度、ＴＬはリード線の温度、Ｌは第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体間の距離、ＳＬはリード線の断面積、λはリード線の熱伝導率である。

同様に、第２発熱抵抗体からリード線への伝熱量は（４）式で表される。

（４）式において、Ｐ２は第２発熱抵抗体からリード線への伝熱量、Ｔｈ２は第２発熱抵抗体の温度である。

リード線から被測定流体への放熱量は、リード線と流体との温度差及びリード線表面での熱伝達率を使って（５）式で表される。

（５）式において、ＰＬはリード線から流体への放熱量、Ｓａはリード線の表面積、ｈはリード線と流体間の熱伝導率、ＴＧは流体温度である。

定常状態では、第１発熱抵抗体及び第２発熱抵抗体からリード線への伝熱量と、リード線から流体への放熱量は等しくなるため（６）式で示す熱バランス式が成立する。

第１発熱抵抗体とリード線間の伝熱量がゼロであれば、第１発熱抵抗体とリード線は熱的に絶縁された条件になるため、リード線の熱的状態が変化しても第１発熱抵抗体への影響が無い。すなわち、リード線の表面にカーボン等が堆積して、リード線と流体間の伝熱量が変化しても、第１発熱抵抗体による検出流量値に影響が無くなる。（３）式より明らかなように、第１発熱抵抗体とリード線間の伝熱量がゼロになる条件は（７）式で表される。

（３）式から（７）式より、第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量をゼロにするための第２発熱抵抗体の温度は（８）式で表される。

ここで、本実施例においては、第１発熱抵抗体の温度Ｔｈ１は、流体温度ＴＧよりも常に高く設定されるため、（８）式の右辺第１項は常に正の値を取る。従って、第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量をゼロにするには、第２発熱抵抗体の温度Ｔｈ２は常に第１発熱抵抗体の温度Ｔｈ１よりも高い温度にする必要があることが証明できる。

前述したように、第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量をゼロにするための発熱抵抗体２の温度は（８）式で表され、第２発熱抵抗体をこの温度にすることで、リード線が汚損したときの流量誤差を最小にできる。ただし本発明においては、必ずしも第２発熱抵抗体温度は（８）式で求まる温度に限定されるものではなく、流量センサの要求精度によって、第２発熱抵抗体の設定温度範囲に幅を持たせても良い。

図１２は、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の温度比に対して、第１発熱抵抗体のリード線の汚損による流量誤差を理論計算により求めた結果である。本計算では、代表的な自動車用のＥＧＲガス流量センサを想定し、第１発熱抵抗体の直径を０．５ｍｍ、長さを２ｍｍ、第１発熱抵抗体のリード線長さを１ｍｍ、直径を０．１５ｍｍ、ガス流量を１００ｋｇ／ｈ、ガス温度を２００℃としている。エンジンのＥＧＲガスの検出精度については、一般的に誤差±１０％以内程度が必要精度である。図１２から、誤差±１０％以内に収めるための第２発熱抵抗体温度は、第１発熱抵抗体温度の１．０５〜１．１７倍の範囲である。

ところで（８）式は、第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量をゼロにするための第２発熱抵抗体の温度Ｔｈ２は、リード線と流体間の熱伝達率ｈに比例することを示している。ここで熱伝達率ｈは流体の質量流量Ｑの関数として（９）式で表される。

（９）式において、λｇは流体の熱伝導率、μｇは流体の粘性係数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｑは流体の質量流量、ＤＬはリード線の直径である。

従って、第１発熱抵抗体からリード線への伝熱量をゼロにするための第２発熱抵抗体の温度Ｔｈ２には第２発熱抵抗体の設定温度は流体流量Ｑへの依存性がある。よって、第２発熱抵抗体の温度を被測定流体の流量或いは流速に関係づけて変更するのが望ましい。以上の点を考慮して、第２の実施例では、流量（或いは流速）の検出値に基づき、第２発熱抵抗体の温度を制御する。図１０に第２の実施例に係る流量センサの回路を示す。

図１０において１０１は流量測定回路（メイン回路：熱線駆動回路）であり、回路構成及び動作は前記第１の実施例と同じである。１０３はサブ回路であり、前記第１の実施例におけるサブ回路１０２との差異は、測温抵抗体（温度補償抵抗体）２８が可変抵抗３１（抵抗値Ｒｖ２）に置き換わっていることである。

可変抵抗３１は外部からの制御信号に従い、その抵抗値Ｒｖ２を任意に変更できるものである。流量測定回路１０１の第１発熱抵抗体７の電位（電圧Ｖ１）と、流量検出抵抗２３の電位（電圧Ｖ２）とが、Ａ／Ｄ変換器４０によってデジタル値に変換され、マイコン４１に入力される。マイコン４１は、これらの電圧値Ｖ１、Ｖ２を用いて、サブ回路１０３の可変抵抗３１の設定抵抗値Ｒｖ２を求め、可変抵抗３１が設定抵抗値Ｒｖ２になるように、可変抵抗３１に指示信号４２を出力する。

次にマイコン４１での可変抵抗値Ｒｖ２の決め方について説明する。

マイコン４１では、Ａ／Ｄ変換器４０から入力された第１発熱抵抗体７の電圧値Ｖ１と流量検出抵抗２３の電圧Ｖ２、流量検出抵抗２３の抵抗値Ｒ３を用いて、（１０）式により第１発熱抵抗体の抵抗値Ｒｈ１を求める。

一般に抵抗Ｒと抵抗温度Ｔの間には、（１）式で示す線形の関係があるので、抵抗値Ｒｈ１が分かると（１）式より、第１発熱抵抗体の温度Ｔｈ１が求まる。

次に、（２）式により流量検出抵抗２３の電圧Ｖ２から流体の流量Ｑが求まる。

流量Ｑが求まると、（９）式によりリード線と流体間の熱伝達率ｈが計算される。さらに、既に求まった第１発熱抵抗体の温度Ｔｈ１と熱伝達率ｈを用いて、（８）式より第２発熱抵抗体Ｒｈ２の設定温度Ｔｈ２が求まる。

第２発熱抵抗体Ｔｈ２の温度が求まると、抵抗温度と抵抗値との関係を表す（１１）式を用いて第２発熱抵抗体の抵抗値Ｒｈ２が求まるので、サブ回路１０３のブリッジを平衡状態にするための（１２）式から、可変抵抗３１の抵抗値Ｒｖ２が求まる。

（１１）式において、Ｒｈ２０は温度０℃における第２発熱抵抗体の抵抗値、α２は温度係数である。

なお本実施例によれば、第２発熱抵抗体１０の温度Ｔｈ２は、被測定流体の流量、温度によって決められるため、流体の流量が非常に大きい場合、または、流体の温度が非常に高い場合に、発熱抵抗体の設定温度がセンサの耐熱温度よりも高くなることが想定される。そこで、センサを過熱から防止するために、マイコン４１で（８）式によって求められる第２発熱抵抗体１０の温度Ｔｈ２が所定温度を超える場合には、Ｔｈ２を所定温度以下に設定する処理を入れることが望ましい。

上記各実施例によれば、流体の流量を検出する第１発熱抵抗体から本抵抗体のリード線への放熱量を無くすことができるため、リード線がカーボンダストの堆積により汚損しても、流量検出誤差が発生しにくい。このため本実施例の熱式流量センサでは、特に汚損物質を多く含む流体の流量計測を高い信頼性で行うことができる。

なお、前述した実施例では、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体を共通の支持体（アルミナチューブ）上に形成したが、これに限定されるものではない。その他の態様として、例えば、図１１（ａ）に示すように、支持体（アルミナチューブ）を別々に切り離して、第１発熱抵抗体７と第２発熱抵抗体１０を切り離されたアルミナチューブに分けて設け、図１１（ｂ）に示すように、この第２発熱抵抗体１０に接するように第１発熱抵抗体７のリード線６を配置する方法も考えられる。この場合、第２発熱抵抗体１０は被測定流体の流れ方向に対し、第１発熱抵抗体７の上流側を避けるように配置するのが望ましい。これは、第２発熱抵抗体１０が第１発熱抵抗体７の上流側にあると、第２発熱抵抗体１０によって加熱された流体が、流量を検出する第１発熱抵抗体７に届くため、流量検出精度の悪化を招くおそれがあるためである。

また、上記実施例では、熱線式流量センサを例示したが、これに限定されるものではなく、絶縁基板に発熱抵抗体を設ける流量センサに適用することも可能である。図１３にその一例に係る流量測定素子の平面図を例示する。

本例では、支持体に相当する絶縁基板１３１上に流量測定用の第１発熱抵抗体１３２と、支持体加熱用の第２発熱抵抗体１３３とをパターン印刷により形成する。第１発熱抵抗体１３２は既述した実施例の第１発熱抵抗体７に相当し、第２発熱抵抗体１３３は第２発熱抵抗体１０に相当する。絶縁基板１３１の一辺寄りには、各発熱抵抗体の電極１３４が形成されている。電極１３４の形成領域と第１発熱抵抗体１３２の形成領域との間には、第２発熱抵抗体１３３が形成される。各発熱抵抗体は、例えばニッケル膜、白金膜、タングステン膜、ニクロム膜などで形成される。また、基板１３１は、例えばアルミナを用いる。

本実施例の流量センサの回路自体は、既述した実施例のものと同様である。

本実施例においても、第１発熱抵抗体１３２よりも第２発熱抵抗体１３３の発熱温度が高くなるように設定し、基板１３１上における第１発熱抵抗体１３２と第２発熱抵抗体１３３との間に極小点が生じるように設定する。それにより、基板１３１からそれを保持する部材（図示省略）などへの熱流動を抑制して、基板保持部材などにカーボンダストが堆積して汚損しても、流量検出誤差が発生しにくい流量センサを提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の一実施例に係る熱式流量センサの測定素子（検出部）を一部断面して示す外観正面図、図１（ｂ）はその縦断面図。 図１における流量測定素子の第１、第２の発熱抵抗体の結線図を模式的に表す図。 上記実施例における流量測定素子の別の態様を示す模式図。 本実施例による流量センサの回路構成を示す図。 被測定流体中に本実施例に係る流量センサの流量測定素子を設置した場合の、素子の軸方向の温度分布、熱流束分布を示す図。 エンジンの排ガス中に本実施例に用いる流量測定素子を配置した場合の汚損状況を示す図。 発熱抵抗体のリード線へのカーボン堆積厚さに対する流量検出誤差の推移を示す図。 本実施例における熱式流量センサの熱解析モデルを示す図。 上記実施例における流量センサの全体概要を示す図。 本発明の他の実施例に係る流量センサの回路を示す図。 上記実施例の流量測定素子の他の態様を示す模式図。 第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の温度比に対して、第１発熱抵抗体のリード線の汚損による流量誤差を理論計算により求めた結果を示す図。 本発明に係る流量測定素子の他の態様を示す平面図。

符号の説明

１…流量測定素子、５…支持体（アルミナチューブ）、６…リード線、７…第１発熱抵抗体、９…筒状体、１０…第２発熱抵抗体、１２…リード線、１０１…流量測定用回路（メイン回路）、１０２…支持体加熱用回路（サブ回路）。

Claims (8)

1. 発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、
   流量を検出するための第１発熱抵抗体と、前記第１発熱抵抗体の支持体を加熱するための第２発熱抵抗体と、前記第２発熱抵抗体の温度が前記第１発熱抵抗体の温度よりも高くなるよう発熱抵抗体供給電流を制御する電流制御回路と、を備えることを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１記載の熱式流量センサにおいて、
   前記電流制御回路は、前記第２発熱抵抗体の温度を被測定流体の流量もしくは流速に関連させて変化させる熱式流量センサ。
3. 発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、
   流量を検出するための第１発熱抵抗体と、前記第１発熱抵抗体の支持体を加熱するために第１発熱抵抗体の両側に配置される第２発熱抵抗体と、前記第２発熱抵抗体の温度が前記第１発熱抵抗体の温度よりも高くなるよう発熱抵抗体供給電流を制御するとともに、前記第１発熱抵抗体の支持体における第１発熱抵抗体両側の部位の温度が極小点になるよう前記第２発熱抵抗体に流れる電流を制御する電流制御回路とを備えることを特徴とする熱式流量センサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記電流制御回路は、前記第２発熱抵抗体の温度が所定温度を超えないように温度制限する熱式流量センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の熱式流量センサにおいて、
   前記第１発熱抵抗体と前記第２発熱抵抗体とは、心材に巻かれ表面が保護材で被覆された構造であり、前記第１発熱抵抗体の保護被膜と前記第２発熱抵抗体の保護被膜との間には、空隙を介在、もしくは保護被膜よりも熱伝導率の低い材料を介在させてなる熱式流量センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の熱式流量センサにおいて、
   前記第２発熱抵抗体は、被検出流体の流れにおける前記第１発熱抵抗体の上流側以外の場所に配置される熱式流量センサ。
7. 請求項１ないし６記載のいずれか１項記載の熱式流量センサにおいて、
   前記第２発熱抵抗体の設定温度が、前記第１発熱抵抗体の設定温度の１．０５倍から１．１７倍である熱式流量センサ。
8. 発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱式流量センサにおいて、
   流量を検出するための第１発熱抵抗体と、前記第１発熱抵抗体を支持する第１支持体と、前記第１支持体を加熱するための第２発熱抵抗体と、前記第２発熱抵抗体を支持する第２支持体と、前記第２発熱抵抗体の温度が前記第１発熱抵抗体の温度よりも高くなるよう発熱抵抗体供給電流を制御する電流制御回路とを備え、
   前記第１及び第２発熱抵抗体は熱線であり、前記第１発熱抵抗体が前記第１支持体における中央領域の外表面に巻かれ、
   前記第２支持体は、前記第１発熱抵抗体の両側に位置するように前記第１支持体の外表面に嵌合固定される一対の筒状体よりなり、これらの筒状体に前記第２発熱抵抗体となる一対の巻線が巻かれ、この一対の巻線同士を接続する中間線が前記第１発熱抵抗体上でブリッジ状に掛け渡され、
   前記第１発熱抵抗体の両側の導線が、前記第１支持体上で前記第２の支持体に設けた溝或いはスリットを通して第１支持体の両端に設けたリード線に接続されていることを特徴とする熱式流量センサ。

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