JP5210588B2 - 熱式流量計、熱式流量計の制御方法、及び熱式流量計のセンサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、熱式流量計、熱式流量計の制御方法、及び熱式流量計のセンサ素子に係り、特に、エンジンの吸気や排気ガスの流量を検出するのに適した熱式流量計、熱式流量計の制御方法、及び熱式流量計のセンサ素子に関する。

従来、この種の熱式流量計としては、図２８に示すように、流体中に少なくとも２つの抵抗体を配置し、一つは流体の温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用い、それぞれの温度差（ΔＴｈ）を常に一定に保持することで流体の質量流量の計量を実現している。

また、従来の熱式流量計として、流体中に配置される少なくとも２つの温度依存性抵抗を用いて流体の流量、特に内燃機関の燃焼に必要な空気流量を測定する流体の流量測定装置において、温度依存性抵抗を接続した抵抗測定回路、特にブリッジ回路を２つ設け、各ブリッジ回路に接続された温度依存性抵抗をそれぞれ所定の異なる温度に発熱させる流体の流量測定装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５９−１３６６２０号公報

ところで、前記構造の熱式流量計、及び特許文献１に記載の流量測定装置を用いて、エンジンの排ガスの流量を測定すると、エンジンの排気ガス中には、オイル、未燃燃料、水などの液体成分が含まれることが多く、これら液体成分が熱式流量計の発熱抵抗体に付着すると、大きな流量検出誤差が発生する。即ち、発熱抵抗体に付着した液体成分は、発熱抵抗体から熱を受け取り、気化する。このとき気化潜熱を発熱抵抗体から奪うため、これが流量誤差の発生原因となる。

まず、従来の熱式流量計を示す図２８と図２９を用いて、熱式流量計の原理について簡単に説明する。図２８は一般的な熱式流量計の構成を示す。熱式計量方式は、流体中に少なくとも２つの抵抗体が配置され、一つは流体の温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用いられ、それぞれの温度差（ΔＴｈ）を常に一定に保持することで流体の質量流量の計量を実現している。ΔＴｈは例えばエンジンの吸気流量計の場合、計量精度・応答性・埃等による汚損防止・使用材料の耐久性あるいは耐熱性など総合的な判断により、ΔＴｈを１００〜２００℃程度に設定するのが一般的である。

図２９はブリッジ制御回路の構成を示す。発熱抵抗体と測温抵抗体はブリッジ回路抵抗として配置されている。発熱抵抗体の抵抗をＲｈ、発熱抵抗体を流れる電流をIｈとすると、発熱抵抗体の全発熱量Pｈと発熱抵抗体に流れる流体の質量流量ρＵ及びΔＴｈは、（１）式で表される。

Ａは発熱抵抗体から支持体への熱伝導分（熱漏れ）であり、またＢは流体に奪われる熱伝達分で、熱的定数としてまとめられる。この（１）式から、発熱抵抗体Ｒｈと固定抵抗Ｒ１の中点の電圧Ｖｓは、（２）式で表され、流体の質量流量に依存する電圧であることが分かる。センサ出力ＶｏｕｔはＶｓを増幅しアナログ電圧値として出力される。

センサ出力Ｖｏｕｔと流体の質量流量Ｑ（＝ρＵ）の関係を示した一例を図３０に示す。（２）式で示されるように、流体の質量流量Ｑはセンサ出力Ｖｏｕｔの４乗に比例する。よって、センサ出力電圧Ｖｏｕｔを測定することで、（２）式、もしくは図３０の関係を用いてセンサ表面を流れる流体の質量流量Ｑを求めることができる。これが熱式流量計の測定原理である。

次に、熱式流量計の誤差発生要因について説明する。被測定ガス中に液滴や未気化燃料などの液相成分が含まれている場合、図３１に示すように発熱抵抗体Ｒｈの表面にガス中の液相成分が付着する。発熱抵抗体は一般に被測定ガスより１００〜２００℃程度高い温度に保たれているため、発熱抵抗体の表面に付着した液相成分は発熱抵抗体からの熱を受けて蒸発する。このとき、発熱抵抗体の表面から気化潜熱を奪い、発熱抵抗体Ｒｈが冷却される。前記のように、熱式流量計は流体の熱伝達による冷却熱量から流量を検出するため、気化潜熱によって余分な冷却が起こると、熱式流量計は実際の流量よりも大きな流量値を示す。これが熱式流量計の誤差発生の一要因である。

次に、エンジンの排ガス流量を熱式流量計で検出することを想定した場合の具体的な誤差発生メカニズムを説明する。エンジン制御では、燃焼室内の空燃比（空気と燃料の比）を理論混合比より燃料リッチにして運転する場合がある。これは、例えば排気の後処理のためにＮＯｘ吸着触媒を備えたエンジンにおいて、ＮＯｘ吸着触媒を再生する場合、もしくは冷機始動において低温での始動性確保のために燃料を増量する制御をした場合などである。この場合、排ガスには燃焼室内で燃えきらなかった燃料成分が含まれる。この排ガスの温度が排気管での放熱などによって燃料の沸点より下がった場合には、排ガス中の未燃燃料が液相成分として排ガス中へ凝縮して出てくる。これが熱式流量計の発熱抵抗体に付着して気化することで、前述した流量検出誤差が発生する。

図３２は、熱式流量計を用いたエンジンの排気流量計測において、空燃比に対する流量検出誤差を示した実験結果の一例である。本実験結果において、理論空燃比より燃料リッチ側で大きな流量検出誤差が生じることが示されている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、流量を測定しようとする流体中に液体成分が含まれていても、その流量を正確に測定することができる熱式流量計と、熱式流量計の制御方法、及び熱式流量計のセンサ素子を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る熱式流量計は、被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を所定の温度状態に設定し、該設定した所定の温度状態における前記被測定ガス流の流量値を検出する熱式流量計であって、前記流量値は、複数の異なる所定の温度状態で検出された複数の流量値であり、該複数の流量値から算出された値に基づき、前記流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を補正することを特徴とする。

また、本発明に係る熱式流量計の制御方法は、被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を所定の温度状態に設定し、該設定した所定の温度状態における前記被測定ガス流の流量値を検出する熱式流量計の制御方法であって
、該制御方法は、複数の異なる所定の温度状態で複数の流量値を検出し、検出された複数の流量値から算出された値に基づき、前記流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を補正制御することを特徴とする。

前記のごとく構成された本発明の熱式流量計、及び熱式流量計の制御方法は、被測定ガス流中に含まれる液体成分が発熱抵抗体に付着して気化し、気化潜熱を発熱抵抗体から奪うため流量検出誤差が発生するが、この流量検出誤差は所定の温度状態で検出されて算出された値に基づき、補正手段によって実際の流量値方向に補正されるため、被測定ガスの流量を精度良く測定することができる。

本発明に係る熱式流量計の好ましい具体的な態様としては、前記複数の流量値から算出された値は、前記複数の流量値の比であることを特徴とする。また、熱式流量計の制御方法の好ましい具体的な態様としては、前記制御方法は、前記複数の比から前記値を算出し、算出された値に基づいて前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする。この構成によれば、複数の異なる所定の温度状態で検出された複数の流量値の比から前記値を算出し、算出された値に基づいて流量検出誤差を補正するため、精度の高い流量を測定することができる。

本発明の係る熱式流量計では、前記複数流量値から算出された値は、前記複数の流量値の比のべき乗値であることが好ましい。また、本発明に係る熱式流量計の制御方法では、前記複数の流量値の比のべき乗値から前記値を算出し、該値に基づいて前記流量検出誤差を補正制御することが好ましい。この構成によれば、複数の流量値の比のべき乗値、例えば４乗値に基づく補正量により、被測定ガス中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を補正して、被測定ガスの流量をより正確に測定することができる。

前記した熱式流量計において、前記複数の異なる所定の温度状態は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより生じる温度状態であることが好ましい。また、前記した熱式流量計の制御方法で、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより、前記複数の異なる温度状態を設定し、設定された温度状態における流量値により算出された前記値に基づき前記流量検出誤差を補正制御することが好ましい。この構成によれば、例えば、単一の発熱抵抗体に印加時期をずらして電圧を印加することで複数の異なる温度状態を設定でき、異なる温度状態で検出された各流量値に基づいて前記値を算出して流量検出誤差を補正するため、検出された流量値の精度を高めることができる。この場合、発熱抵抗体が１つであるため、構成が簡単となり、スペースを削減することができる。

さらに、前記した熱式流量計において、前記複数の異なる所定の温度状態は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により生じる温度状態であることが好ましい。また、前記した熱式流量計の制御方法で、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により前記複数の異なる温度状態を設定し、設定された温度状態における流量値により算出された前記値に基づき前記流量検出誤差を補正制御することが好ましい。この構成によれば、複数に構成した発熱抵抗体のそれぞれに、異なる電圧を印加することで複数の異なる温度状態を設定でき、異なる温度状態で検出された各流量値に基づいて前記値を算出して流量検出誤差を補正するため、測定された流量値の精度を高めることができる。

本発明に係る熱式流量計の他の態様としては、被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を第一の温度状態と第二の温度状態に設定し、該設定した前記第一の温度状態における前記被測定ガス流の第一の流量値及び前記第二の温度状態における前記被測定ガス流の第二の流量値を検出する熱式流量計であって、前記第一の流量値もしくは前記第二の流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を、前記第一の流量値と前記第二の流量値との比に基づいて補正することを特徴とする。

本発明に係る熱式流量計の制御方法の他の態様としては、被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を第一の温度状態と第二の温度状態に設定し、該設定した前記第一の温度状態における前記被測定ガス流の第一の流量値及び前記第二の温度状態における前記被測定ガス流の第二の流量値を検出する熱式流量計の制御方法であって、該制御方法は、前記第一の流量値もしくは前記第二の流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を、前記第一の流量値と前記第二の流量値との比に基づいて補正制御することを特徴とする。

このように構成された熱式流量計、及び熱式流量計の制御方法では、発熱抵抗体の第一の温度状態における被測定ガス流の第一の流量値と、第二の温度状態における被測定ガス流の第二の流量値を検出し、被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を、第一の流量値と第二の流量値との比に基づいて補正制御するため、検出された流量の測定精度を高めることができる。

本発明に係る熱式流量計の具体的な好ましい他の態様としては、前記第一の温度状態と前記第二の温度状態は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより生じる温度状態であることを特徴とする。また、本発明に係る熱式流量計の制御方法の具体的な好ましい他の態様としては、前記制御方法は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより前記第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする。この構成によれば、発熱抵抗体への電圧の印加時期をずらすことにより、第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、これらの温度状態における第一の流量値と、第二の流量値との比に基づいて流量検出誤差を補正制御するため、被測定ガスの正確な流量測定が可能となる。

さらに、本発明に係る熱式流量計の具体的な好ましい他の態様としては、前記第一の温度状態と前記第二の温度状態は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により生じる温度状態であることを特徴とする。また、本発明に係る熱式流量計の制御方法の具体的な好ましい他の態様としては、前記制御方法は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により前記第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする。この構成によれば、複数に構成した発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により、第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、これらの温度状態における第一の流量値と、第二の流量値との比に基づいて流量検出誤差を補正制御するため、被測定ガスの正確な流量測定が可能となる。

本発明に係る熱式流量計の好ましい具体的な態様としては、軸体と、該軸体に巻回された第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、前記軸体の軸方向に沿って形成された溝と、該溝内に配置された支持体とを備え、前記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体は前記支持体に接続固定され、該支持体を介して通電されるセンサ素子を備えることを特徴としている。

そして、前記の熱式流量計のセンサ素子は、前記軸体に巻回された測温抵抗体をさらに備え、該測温抵抗体は前記支持体に接続固定され、該支持体を介して通電されることが好ましい。この構成によれば、センサ素子をユニット化できるため、設置が容易であり、異常発生時には交換も容易に行える。

本発明の熱式流量計、熱式流量計の制御方法は、流量を測定しようとするガス中に液相成分が含まれており、熱式流量計で流量を測定するとき、ガス中の液相成分が気化して流量誤差が発生しても、その流量を精度良く測定することができる。また、本発明の熱式流量計のセンサ素子は、小型化が可能で設置が容易であり、交換も容易に行える。

先ず、本発明の第一の実施形態を説明する前に、本発明による流量誤差の補正原理について図３３、図３４を用いて説明する。本発明においては、図３３に示すように被測定ガス中に２つの発熱抵抗体（それぞれＲｈ１、Ｒｈ２）を並列に設置する。発熱抵抗体Ｒｈ１の温度とガスとの温度差をΔＴｈ１、発熱抵抗体Ｒｈ２の温度とガスとの温度差をΔＴｈ２とし、ΔＴｈ１とΔＴｈ２は異なる温度に設定されている。これら発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２にはそれぞれ図示しないブリッジ回路等が接続されており、発熱抵抗体Ｒｈ１からは流量検出値Ｑ１、発熱抵抗体Ｒｈ２からは流量検出値Ｑ２がそれぞれ検出される。２つの発熱抵抗体は同一の流れの中に並行に設置されるため、流量検出誤差が無い場合にはそれぞれの流量検出値は同じ（Ｑ１＝Ｑ２）である。一方、被測定ガス中に燃料や水滴などの液相成分が含まれた場合には、前述した気化潜熱効果によって流量検出値Ｑ１、Ｑ２にはそれぞれ誤差が生じる。

図３４は、２つの発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２によって検出された流量値の比（Ｑ１／Ｑ２）と、Ｑ１に対する流量誤差との関係を示した例である。２つの発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２の設定温度が異なるため、気化潜熱効果によって流量誤差が生じたときに、流量値の変化幅がＲｈ１とＲｈ２で異なる。このとき流量誤差と検出流量比Ｑ１／Ｑ２との間には、図３４に示すような相関がある事が実験により明らかとなった。すなわち、２つの発熱抵抗体の温度とガスとの温度差ΔＴｈ１、ΔＴｈ２が決まれば、測定するガス流量が変化しても、流量検出誤差と流量比(Ｑ１／Ｑ２)とには一定の関係があることが判った。このことから、発熱抵抗体の温度とガスとの温度差ΔＴｈ１、ΔＴｈ２と、発熱抵抗体Ｒｈ１が検出する流量Ｑ１、発熱抵抗体Ｒｈ２が検出する流量Ｑ２が判れば、図３４の関係から現在の検出流量にどれだけの誤差が生じているかを求めることができ、その流量誤差分を検出流量から減算もしくは検出流量に加算することで流量誤差を低減することができる。これが本発明における流量誤差補正原理である。

次に、本発明の第一の実施形態を図１を用いて説明する。
図１では、発熱抵抗体Ｒｈ１、測温抵抗体Ｒｃ１、図示しない固定抵抗等から構成されたブリッジ回路１の出力がリニアライザ３に連結されている。また、発熱抵抗体Ｒｈ２、測温抵抗体Ｒｃ２、図示しない固定抵抗等から構成されたブリッジ回路２の出力がリニアライザ４に入力されている。２つのリニアライザ３，４の出力が流量補正回路５００に入力されている。ブリッジ回路１及びブリッジ回路２はそれぞれ図２９に示すように、発熱抵抗体Ｒｈ、測温抵抗体Ｒｃ、固定抵抗、トランジスタＴＲ等から構成され、測温抵抗体Ｒｈの温度が被測定ガス温度から一定温度ΔＴだけ高い温度になるように発熱抵抗体Ｒｈに流れる電流がフィードバックにより調整される。発熱抵抗体Ｒｈ１の温度と被測定ガスとの温度差ΔＴｈ１と、発熱抵抗体Ｒｈ２の温度と被測定ガスとの温度差ΔＴｈ２には、ΔＴｈ２＞ΔＴｈ１の関係となるように、それぞれのブリッジ回路を構成する抵抗値等が設定されている。

リニアライザ３，４は、図２に示すようにブリッジ回路から出力されるセンサ出力Ｖｏｕｔとセンサが検出する質量流量Ｑとの線形化を行い、質量流量Ｑに比例した電圧値を出力するものである。すなわちリニアライザ３からは発熱抵抗体Ｒｈ１によって検出された流量に比例した出力Ｑ１が出力される。同様に、リニアライザ４からは発熱抵抗体Ｒｈ２によって検出された流量に比例した出力Ｑ２が出力される。

流量補正回路５００は、除算器５、乗算器６、減算器７，７１から構成される。リニアライザ３及びリニアライザ４の出力は除算器５に入力され、発熱抵抗体Ｒｈ１とＲｈ２で検出された流量Ｑ１、Ｑ２の比に比例した電圧値（Ｑ１／Ｑ２）が出力される。減算器７１によって、（Ｑ１／Ｑ２）−１が求められ、これが乗算器６に入力される。乗算器６のもう片方の入力値Ｃと（Ｑ１／Ｑ２）−１の積、Ｃ｛（Ｑ１／Ｑ２）−１｝が乗算器６から出力される。

流量比Ｑ１／Ｑ２と流量誤差との間には図３４で示したように、ほぼ線形の関係がある。したがって、図３に示すように流量比（Ｑ１／Ｑ２）−１と流量補正値ΔＱとの関係を、発熱抵抗体の温度とガスとの温度差ΔＴｈ１、ΔＴｈ２の組合せ毎に求めておき、現在のΔＴｈ１、ΔＴｈ２に対応したグラフの傾きｄ（ΔＱ）／d｛（Ｑ１／Ｑ２)−１｝をＣとして乗算器６の入力に設定する。

乗算器６によって求められた流量補正値ΔＱは減算器７へ入力され、減算器７によって、発熱抵抗体Ｒｈ１によって検出された流量値Ｑ１と流量補正値ΔＱの差が、本熱式流量計の検出流量値Ｑとして減算器７から出力される。

本実施形態によれば、被測定ガス中に含まれた液相成分が発熱抵抗体の表面で気化した場合において、気化潜熱効果によってＱ１に生じる流量変化量ΔＱ（流量誤差）が図３に示す（Ｑ１／Ｑ２）と補正量ΔＱとの関係から求められる。そして、ΔＱをＱ１から差し引くことで、気化潜熱効果によって、算出されたＱ１に生じる流量誤差を補正することができる。あるいは、ΔＱをＱ２に加算することで、算出されたＱ２に生じる流量誤差を補正することができる。

前記した実施形態では、異なる２つの発熱抵抗体から検出される流量値の比（Ｑ１／Ｑ２）に比例する量として流量補正値ΔＱを求めた。しかし、図３４で示されるように（Ｑ１／Ｑ２）と流量誤差とは完全な線形関係ではなく、流量補正値が大きい場合には流量補正値に誤差を生じる虞がある。

図４は、２つの発熱抵抗体から検出される流量値の比（Ｑ１／Ｑ２）の４乗値と、流量検出誤差の関係を示した例である。（Ｑ１／Ｑ２）の４乗値と流量検出誤差とは、図３４に示す（Ｑ１／Ｑ２）と流量検出誤差との関係に比べ、より直線性の高い関係となっていることが示されている。これは（２）式で示されるように、熱式流量計で検出される流量が、センサ出力電圧の４乗根の関係になっているためである。よって、図４の関係を使うことによって、流量補正幅の大きい場合においてもより精度良く流量を補正することができる。

これを実現するための、本発明の第二の実施形態を図５に示す。本実施形態は図１に示した本発明の第一の実施形態において、補正回路５００内の除算器５と乗算器６の間に乗算器８，９を直列に挿入した補正回路５００Ａとした点が異なる。その他の構成については、図１に示す第一の実施形態と同様である。本発明の第二の実施形態においては、除算器５によって２つの発熱抵抗体で検出された流量の比（Ｑ１／Ｑ２）が得られる。（Ｑ１／Ｑ２）が直列に繋がった２つの乗算器８，９に入力されることで、流量比の４乗値（Ｑ１／Ｑ２）^４が得られ、減算器７１によって（Ｑ１／Ｑ２）^４−１が得られる。これが乗算器６へ入力される。乗算器６のもう片方の入力値Ｃと（Ｑ１／Ｑ２）の積、Ｃ（Ｑ１／Ｑ２）が乗算器６から出力される。

流量比の４乗値（Ｑ１／Ｑ２）^４と流量誤差との間には図４に示したように、ほぼ線形の関係がある。したがって、図６に示すように、流量比の４乗値（Ｑ１／Ｑ２）^４−１と流量補正値ΔＱとの関係を、発熱抵抗体の温度とガスとの温度差ΔＴｈ１、ΔＴｈ２の組合せ毎に求めておき、現在のΔＴｈ１、ΔＴｈ２に対応したグラフの傾きｄ（ΔＱ）／ｄ｛（Ｑ１／Ｑ２）^４−１｝をＣとして乗算器６の入力に設定する。

乗算器６によって求められた流量補正値ΔＱは減算器７へ入力され、減算器７によって、発熱抵抗体Ｒｈ１によって検出された流量値Ｑ１と流量補正値ΔＱの差が、熱式流量計の検出流量値Ｑとして減算器７から出力される。

本実施形態によれば、被測定ガス中に含まれた液相成分が発熱抵抗体の表面で気化した場合において、気化潜熱効果によってＱ１に生じる流量変化量ΔＱ（流量誤差）が図６に示す（Ｑ１／Ｑ２）の４乗値と補正量ΔＱとの関係から求められる。そして、ΔＱをＱ１から差し引くことで、気化潜熱効果によってＱ１に生じる流量誤差を補正することができる。（Ｑ１／Ｑ２）の４乗値と流量検出誤差の関係は、（Ｑ１／Ｑ２）と流量検出誤差の関係に比べより線形に近いため、流量の補正量が大きい場合にも、本発明の第一の実施形態に比べより適正な流量補正を行うことができる。

前記した第一の実施形態、第二の実施形態では、いずれもアナログ回路を用いた流量補正の方法を示したが、アナログ回路の代わりにマイコンを用いて補正してもよい。

図７は、本発明の第三の実施形態で、マイコンを用いた流量補正の実施形態を示す。
本実施形態では、発熱抵抗体Ｒｈ１にヒータ駆動回路１０によって電圧が印加される。ヒータ駆動回路１０はマイコン１２からの指示によって、発熱抵抗体Ｒｈ１に印加する電圧値を変化させるものである。

発熱抵抗体Ｒｈ１と固定抵抗Ｒ１が直列に接続される。ヒータ駆動回路１０と発熱抵抗体Ｒｈ１の間のアナログ電圧値Ｖ_Ｒｈ１と、Ｒｈ１とＲ１間のアナログ電圧値Ｖ_Ｒ１がそれぞれローパスフィルタＬＰ１を通った後、Ａ／Ｄ変換器１３に入力される。そしてＡ／Ｄ変換器１３によってデジタル値変換されたＶ_Ｒｈ１とＶ_Ｒ１がそれぞれマイコン１２に入力される。

発熱抵抗体Ｒｈ２にヒータ駆動回路１１によって電圧が印加される。ヒータ駆動回路１１はマイコン１２からの指示によって、発熱抵抗体Ｒｈ２に印加する電圧値を変化させるものである。

発熱抵抗体Ｒｈ２と固定抵抗Ｒ２が直列に接続される。ヒータ駆動回路１１と発熱抵抗体Ｒｈ２の間のアナログ電圧値Ｖ_Ｒｈ２と、Ｒｈ２とＲ２間のアナログ電圧値Ｖ_Ｒ２がそれぞれローパスフィルタＬＰ２を通った後、Ａ／Ｄ変換器１４に入力される。そしてＡ／Ｄ変換器１４によってデジタル値変換されたＶ_Ｒｈ２とＶ_Ｒ２がそれぞれマイコン１２に入力される。

さらに、測温抵抗体Ｒｃと固定抵抗Ｒ３が直列に接続されＲｃとＲ３間のアナログ電圧値がＡ／Ｄ変換器１５によってデジタル値Ｖｃｏｕｔに変換された後、マイコン１２に入力される。測温抵抗体Ｒｃには電源ＶＢから一定の電圧が印加されている。ここで、測温抵抗体Ｒｃに流れる電流値はきわめて小さな値となるよう、測温抵抗体Ｒｃと固定抵抗Ｒ３の抵抗値、測温抵抗体に印加される電圧値ＶＢが定められる。測温抵抗体Ｒｃに流れる電流が微小であることから、測温抵抗体Ｒｃによるジュール発熱量は小さく、測温抵抗体Ｒｃの温度は被測定ガスの温度とほぼ一致する。

ヒータ駆動回路１０，１１の動作例について、図８、図９を用いて説明する。
図８は、ヒータ駆動回路から発熱抵抗体に印加される電圧波形の一例を示している。ヒータ駆動回路から発熱抵抗体へ出力される電圧波形は図８に示すように矩形波であり、電圧値はゼロもしくはＶｏｎの２値を取る。ここでは１つの矩形波において、電圧がゼロである期間をΔＴｏｆｆ、電圧がＶｏｎである期間をΔＴｏｎとする。また、ΔＴｏｆｆ＋ΔＴｏｎは常に一定であるとする。すなわち、矩形パルスの周波数は常に一定であるとする。ここで、Ｄｕｔｙ比を（３）式で定義する。
Ｄｕｔｙ比＝ΔＴｏｎ／（ΔＴｏｎ＋ΔＴｏｆｆ） …（３）

すなわち、Ｄｕｔｙ比は、１パルス周期間でのＶｏｎの時間割合を表す。このＤｕｔｙ比は、マイコンからの指示によって０から１の間で任意に設定されるものである。図９は、Ｄｕｔｙ比に対してヒータ駆動回路から発熱抵抗体へ印加される電圧の時間平均値との関係の一例を示す。ここで、電圧の時間平均値とは、例えば矩形パルス１００個分の電圧の平均値であり、また、例えば１秒間の電圧平均値である。時間平均をとる間隔は、流量計に要求される応答速度や回路の時定数、マイコンの動作周波数など、種々の要因、要求仕様から適宜決定される。図９に示すように、Ｄｕｔｙ比と平均電圧は比例関係にある。すなわち、マイコンはヒータ駆動回路に指示するＤｕｔｙ比を０から１の範囲で適宜変えることにより、発熱抵抗体への時間平均の印加電圧値を０からＶｏｎの範囲で任意に変化させることができる。

図１０に、マイコンによる流量の補正手順を示す。ステップＳ１において、測温抵抗体Ｒｃと固定抵抗Ｒ３間の電圧値Ｖ_Ｒ３を読み込み、ステップＳ２でＶ_Ｒ３から被測定ガスの温度Ｔｇを算出する。

マイコン内での被測定ガスの温度Ｔｇの算出方法について、図１１と（４）式を用いて説明する。測温抵抗体Ｒｃの温度と測温抵抗体Ｒｃの抵抗値の間には、図１１に示すように、ほぼ線形の関係がある。前述したように、測温抵抗体Ｒｃに流れる電流は微小であるため、測温抵抗体Ｒｃ自身のジュール発熱量は小さく、測温抵抗体Ｒｃの温度と、被測定ガスの温度Ｔｇはほぼ一致する。このため、図１１の関係より測温抵抗体Ｒｃの抵抗値が判れば被測定ガスの温度Ｔｇを求めることができる。測温抵抗体Ｒｃの抵抗値はオームの法則より（４）式により算出される。
Ｒｃ＝（Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ｒ３）Ｒ３／Ｖ_Ｂ …（４）

すなわち、マイコンでは固定抵抗Ｒ３の電圧値Ｖ_Ｒ３から（４）式を用いて測温抵抗体Ｒｃの抵抗値を求め、Ｒｃと図１１の関係から被測定ガスの温度Ｔgを求めることができる。

図１０のステップＳ３では、式（５）、式（６）によって、発熱抵抗体Ｒｈ１とＲｈ２の設定温度、Ｔｈ１、Ｔｈ２をそれぞれ求める。
Ｔｈ１＝Ｔｇ＋ΔＴ１ ・・・（５）
Ｔｈ２＝Ｔｇ＋ΔＴ２ ・・・（６）

ここで、ΔＴ１、ΔＴ２は被測定ガス温度Ｔgに対する発熱抵抗体の設定温度差であり、ΔＴ１＜ΔＴ２となるように予め設定されている。またΔＴ１は１００℃以上に設定するのが望ましい。これは被測定ガスの温度と発熱抵抗体温度の差が小さいと、発熱抵抗体からガスへの伝熱量が小さくなり、Ｓ／Ｎ比の悪化により流量の検出精度が低下するためである。また、エンジンの排ガスなど、被測定ガス中にオイルやカーボンなどの汚損物質が含まれている場合には、発熱抵抗体の温度が６００℃以上になるようにΔＴ１を設定するのが望ましい。これは発熱抵抗体の温度が高いと発熱抵抗体に付着したオイル等を短期間で気化させることが可能であり、発熱抵抗体の表面に汚損物質が堆積することを未然に防止できる。

続いてステップＳ４では、発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２の温度がステップＳ３で求めた設定温度Ｔｈ１、Ｔｈ２になるように、発熱抵抗体の駆動回路に出力するＤｕｔｙ比、Ｄｕｔｙ１、Ｄｕｔｙ２をそれぞれ制御する。

図１２に、ステップＳ４の詳細フローの一例を示す。ステップＳ１０において、ヒータ駆動回路１に出力するＤｕｔｙ比、Ｄｕｔｙ１の初期値を定め、ステップＳ１１でヒータ駆動回路１にＤｕｔｙ１を出力する。ヒータ駆動回路１では図９に示したように入力されるＤｕｔｙ比に基づいた電圧が発熱抵抗体１に対して印加される。次に、ステップＳ１２で発熱抵抗体Ｒｈ１の両端電圧の時間平均値ＶＲｈ１とＶＲ１がマイコンに読み込まれ、ステップＳ１３で現在の発熱抵抗体Ｒｈ１の温度Ｔｈ１０が求められる。発熱抵抗体の温度算出の原理は、前述した測温抵抗体の温度算出原理と同様である。即ち、図１３に示すように発熱抵抗体の抵抗値と温度には線形の関係があるため、発熱抵抗体Ｒｈ１の抵抗値が判れば、図１３の関係より発熱抵抗体Ｒｈ１の温度Ｔｈ１０が求められる。発熱抵抗体Ｒｈ１の抵抗値は、オームの法則より導かれる式（７）式により、ＶＲｈ１とＶＲ１を用いて算出することができる。
Ｒｈ１＝（ＶＲｈ１−ＶＲ１）Ｒ１／ＶＲｈ１ …（７）

ステップＳ１４により、目標設定温度Ｔｈ１と現在の発熱抵抗体温度Ｔｈ１０との差δ１が求められ、ステップＳ１５によりδ１の絶対値が予め設定された閾値ε（収束判定をするための微小値）と比較される。δ１の絶対値が閾値εより大きい場合には、ステップＳ１６により現在のＤｕｔｙ値、Ｄｕｔｙ１を比例制御（Ｐ制御）により更新する。ここで、Ｇは予め設定された比例制御のゲインである。
Ｄｕｔｙ１＋Ｇ・δ１ → Ｄｕｔｙ１

Ｄｕｔｙ１の更新後、ステップＳ１１に戻り、以後、発熱抵抗体Ｒｈ１の温度が設定温度Ｔｈ１に収束するまで、ステップＳ１１からステップＳ１６が繰り返される。

なお、本実施形態では、ステップＳ１６におけるＤｕｔｙ比の更新に比例制御（Ｐ制御）を用いたが、比例積分制御（ＰＩ制御）、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）などを用いることで、発熱抵抗体Ｒｈ１の温度を短時間で、精度良く設定温度に収束させることが可能である。

ステップＳ１５において、δ１の絶対値が閾値εより小さいと判断された場合には、発熱抵抗体Ｒｈ１が設定温度Ｔｈ１に収束したと見なし、引き続いて、ステップＳ１７によりＤｕｔｙ２の制御に移行する。Ｄｕｔｙ２の制御については、ステップＳ１０からステップＳ１６で示したＤｕｔｙ１の制御と同様の方法により、発熱抵抗体Ｒｈ２の温度が設定温度Ｔｈ２になるようにＤｕｔｙ２が設定される。

以上で説明したように、Ｄｕｔｙ１、Ｄｕｔｙ２の制御により発熱抵抗体が所定の温度に設定されると、引き続いて、図１０、ステップＳ５により、発熱抵抗体Ｒｈ１による流量検出値Ｑ１と発熱抵抗体Ｒｈ２による流量検出値Ｑ２が求められる。発熱抵抗体１の検出電圧値ＶＲ１、発熱抵抗体温度Ｔｈ１、ガス温度Ｔgと発熱抵抗体１で検出される流量Ｑ１の間には（８）式の関係がある。
Ｑ_１＝α_１Ｖ_Ｒ１ ^４／（Ｔ_Ｒｈ１-Ｔ_ｇ）^２ …（８）

ここに、α１は発熱抵抗体の構造や、物性値などによって決まる係数である。同様に発熱抵抗体Ｒｈ２の検出電圧値ＶＲ２、発熱抵抗体温度Ｔｈ２、ガス温度Ｔgと発熱抵抗体Ｒｈ２で検出される流量Ｑ２の間には（９）式の関係がある。
Ｑ_２＝α_２Ｖ_Ｒ２ ^４／（Ｔ_Ｒｈ２-Ｔ_ｇ）^２ …（９）

なお、ガス物性値は温度によって変化するため、α１、α２は一般に温度の関数となる。被測定ガスの温度変化範囲が比較的小さい場合には、α１、α２を定数としてもよい。また、被測定ガスの温度変化範囲が広い場合には、あらかじめα１、α２の温度変化特性を関数またはテーブル等で与えることで、より精度の高い流量検出が可能となる。

次に、図１０、ステップＳ６により、流量の補正値ΔＱを求める。流量の補正値ΔＱの求め方の一例としては、図４で示したように、流量比Ｑ１／Ｑ２の４乗と、流量誤差の間にほぼ線形の関係があることから、（１０）式に示す近似関数で求められる。
ΔＱ＝Ｋ｛（Ｑ１／Ｑ２）^４−１｝ ・・・（１０）
ここに、Ｋは係数であり、発熱抵抗体の温度Ｔｈ１、Ｔｈ２の関数である。
Ｋ＝Ｋ（Ｔｈ１、Ｔｈ２） ・・・（１１）

Ｋについては、予め種々の検定実験により、図１４に示すように発熱抵抗体温度Ｔｈ１、Ｔｈ２の２次元マップデータとしてマイコン内に記憶されており、Ｔｈ１、Ｔｈ２を与えることで本マップから容易に係数Ｋの値を得ることができる。

図１０、ステップＳ７において、（１０）式で得られた流量補正値ΔＱを発熱抵抗体Ｒｈ１の流量検出値Ｑ１から差し引くことで、補正後の流量値Ｑが求められ、マイコンから検出流量値として出力される。

本実施形態によれば、被測定ガス中に含まれる液相成分が発熱抵抗体の表面で気化した場合において、気化潜熱効果によって流量値Ｑ１に生じる流量変化量ΔＱ（流量誤差）が図６に示す（Ｑ１／Ｑ２）の４乗値と補正量ΔＱとの関係から求められる。そして、ΔＱをＱ１から差し引くことで、気化潜熱効果によってＱ１に生じる流量誤差を補正することができる。流量の検出、補正をマイコンで行うことで、発熱抵抗体の設定温度をマイコンによって柔軟に変化させることができる。

エンジンの排ガスのように、ガス温度が比較的低温（例えば常温）から高温（例えば５００℃以上）に変化する場合には、発熱抵抗体の温度とガスとの温度差ΔＴを、ガス温度に応じて変化させるのが良い。即ち、ガス流量検出のＳ／Ｎ比を高くするには、ガス温度と発熱抵抗体の温度差はある程度大きい方が良い（例えばΔＴ＝２００℃）。一方で、ガス温度が高温なった場合には、ΔＴを大きくすると、発熱抵抗体自身の温度が非常に高温になり、耐熱限界を超える虞がある。そこで、ガス温度が高い場合にはΔＴを小さくとることでセンサの熱破損を未然防止できる。

また、例えばエンジンの排ガス中に多量のオイル、カーボン等の汚損物質が含まれる運転状態の場合には、一時的に発熱抵抗体の温度を高温にして汚損を未然に防いだり、発熱抵抗体に付着したカーボン等の汚損物質を焼損させたりするなど、マイコンを用いることで多様な温度制御が可能となる。さらに、マイコンを用いると、（１０）式で示される流量補正関数を（Ｑ１／Ｑ２）の多項式としたり、式（１０）の係数Ｋに物性値の温度依存性を考慮したりすることで、補正流量の算出精度をより高めることが可能となる。

前記の実施形態では、２つの発熱抵抗体を用いて流量の誤差を補正する実施形態について説明したが、１つの発熱抵抗体を用いても流量補正が可能である。

図１５は、単一の発熱抵抗体Ｒｈ１での構成例による本発明の第四の実施形態を示す。
本実施形態においては、発熱抵抗体Ｒｈ１の温度を図１６に示すように変化させる。すなわち、Ｒｈ１の温度を低温Ｔｈ１と高温Ｔｈ２の２つの状態に交互に切り替える。このように時間的に発熱抵抗体の温度を変化させ、それぞれの温度設定状態での流量値Ｑ１、Ｑ２を検出することで、２つの発熱抵抗体を用いた場合と同様に、Ｑ１、Ｑ２を用いて流量補正を行うことができる。

本実施形態での処理フローを図１７に示す。ステップＳ１、ステップＳ２からガス温度Ｔｇを求め、ステップＳ３により発熱抵抗体Ｒｈ１の設定温度Ｔｈ１、Ｔｈ２を求める。ここで、ΔＴ１＜ΔＴ２であり、ΔＴ１は１００〜２００℃程度とするのが望ましい。ステップＳ２０でヒータ駆動回路に出力するＤｕｔｙ比を制御することで、発熱抵抗体の温度をＴｈ１に設定する。ステップＳ２１で設定温度Ｔｈ１の状態での流量検出値Ｑ１を求める。ステップＳ２２でヒータ駆動回路に出力するＤｕｔｙ比を制御することで、発熱抵抗体の温度をＴｈ２に設定し、ステップＳ２３で設定温度Ｔｈ２の状態での流量検出値Ｑ２を求める。ステップＳ６でＱ１とＱ２から補正流量ΔＱを求める。補正流量の求め方については、前述した２つの発熱抵抗体を用いる場合と同様である。続いて、ステップＳ７でＱ１からΔＱを引くことで補正後の流量値Ｑを求める。

流れが定常状態にある場合、または流量の時間変動が比較的遅い場合には、本実施形態のように、単一の発熱抵抗体を用いて、時間をずらして流量値Ｑ１、Ｑ２を検出しても、流量検出精度に対する影響は小さい。また、本実施形態では、２つの発熱抵抗体を用いる場合に比べて、単一の発熱抵抗体を用いることで、センサの構造が簡単になり製造コストが低減できる。また、センサ素子が小型化することで設置スペースが小さくて済むという利点がある。

図１８〜図２０に、２つの発熱抵抗体を用いる場合のセンサ素子の構成の一例を示す。図１８，１９は、エンジンの吸気用流量計に使用されている巻線式の素子を基本としたセンサ素子構成の例である。センサ素子３０の先端から第１発熱抵抗体Ｒｈ１、測温抵抗体Ｒｓ、第２発熱抵抗体Ｒｈ２の順に配置されており、アルミナパイプ２０に導線が複数回巻きつけて配置され、さらに、その表層に導体を絶縁保護するガラス２１でコーティングされている。

好適なアルミナパイプ２０形状の例を図１９に示す。アルミナパイプ２０の外周には支持体２３，２３…を配置する溝２２が複数形成されている。図１９では、６溝の例を示すが、この場合は一つの抵抗体に対して２溝を利用する構造となる。各溝２２に対して支持体２３を側面から挿入した後、各抵抗体となる導体を巻きつける。したがって、支持体挿入溝の深さＸは支持体の外形より十分に大きくとる必要がある。巻線からなる第１発熱抵抗体Ｒｈ１、測温抵抗体Ｒｓ、第２発熱抵抗体Ｒｈ２の両端は、各抵抗体と支持体２３，２３…の接続点２５，２５…を溶接等により接続固定する。また、測温抵抗体の配置の仕方であるが、生産性を考慮すると、第１発熱抵抗体Ｒｈ１と測温抵抗体Ｒｓを近接させガラス２１で一塊にした構成が有効と考えるが、汚損が発生しない程度に距離を保ち、それぞれをガラスでコートしてもよい。

このように構成された熱式流量計のセンサ素子は、第１の発熱抵抗体Ｒｈ１、測温抵抗体Ｒｓ、第２発熱抵抗体Ｒｈ２がユニット化され、支持体２３，２３…を介して通電することができるため、設置が極めて容易となる。また、センサ素子に異常が発生した場合、容易に交換することもできる。

別の構成としては、積層基板技術の応用も考えられる。図２０に積層基板式センサ素子の構造例を示す。積層された絶縁基板２６の間に、複数の抵抗体（導体）を形成した構造である。図２０には４層の例を示すが、各抵抗体で必要となる抵抗値に応じて、積層数を増減してもよい。積層間を跨いで抵抗体を形成する場合は、基板２６に形成されたビアホール２７を利用して電気的な接続を行う。特に注意点としては、高温に加熱された発熱部（第２発熱抵抗体Ｒｈ２）からの伝熱により、筐体との接続点となるパッド部２８が劣化する可能性がある。発熱部Ｒｈ２とパッド部２８の距離は十分に確保などの工夫が必要である。

図２１は、本発明の流量センサをエンジンに実装した例を示す。エンジンの排気系配管３１の側面から流量センサを挿入し、エンジンの排気ガス流量を計測する例を示している。流量センサは、図１８で示した熱線式のセンサ素子３０と、測温抵抗体３０ｃ、センサ素子のカバー３２、支持体２３等から構成される。なお、本図ではセンサ素子３０内の測温抵抗体Ｒｓの代わりに、測温抵抗体３０ｃを外部に分けて取り付けている。

図２１には、センサの斜視図を示す。センサ素子のカバー３２は、ガスの順流方向に対向した面Ｓ１と、底面の一部Ｓ２が開口しており、順流方向のガスはＳ１からセンサ内に入って、センサ素子３０の表面を通過して、底面の開口部Ｓ２から出て行く。ガスの流れ方向が逆流の場合には、開口部Ｓ２が底面にあるためセンサ内にガスが入って行き難い。すなわち、センサは順流方向のガス流れを感知し、逆方向の流れに対する感度は低下させることで、逆流によって流量の検出精度が悪化するのを防止する構造となっている。また、カバー内の狭い通路にガスを導入することでガスの流れを整える効果があり、ガスの乱れや脈動を低減し精度向上を図ることができる。

測温抵抗体３０ｃは、ガスの温度を検出する素子である。センサ素子３０の熱によってガス温度が上昇するため、測温抵抗体３０ｃはセンサ素子３０の上流側で、かつ、センサ素子３０の表面を流れるガス流を阻害しない位置に設けることが望ましい。また本例では、センサ素子３０と測温抵抗体３０ｃを１つの素子カバー３２内に設置したが、測温抵抗体３０ｃを素子カバー３２外に出して、ガス流路内のいずれかに独立して設けてもよい。

図２３は、本発明による流量センサを実装したエンジンの構成例である第４の実施形態を示す。本構成例はディーゼルエンジンの排気再循環ガス（ＥＧＲガス）の流量計測に、本発明の流量センサを適用した例である。内燃機関４０は、４サイクル４気筒のディーゼルエンジンであり、ターボチャージャ４１を備えており、エアクリーナ４２、インタークーラ４３、吸気マニホルド、コレクタ４４、などからなる吸気経路４５が接続されている。また、内燃機関４０には、排気マニホルド、触媒４６、などからなる排気経路４７が接続されている。

内燃機関４０には、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ４８が設けられている。インジェクタ４８は、燃料を燃焼室へ供給する燃料噴射手段であり、内燃機関４０に形成されるシリンダごとに設置されている。ＥＧＲガスを環流する還流配管４９の途中にはＥＧＲクーラ５０が設けられている。

ＥＧＲクーラ５０は還流配管４９の内部を流通するＥＧＲガスを冷却する冷却手段である。ＥＧＲクーラ５０としては、例えば、水冷式のものが用いられ、冷却水の循環により還流配管４９を流通するＥＧＲガスを冷却する。また、ＥＧＲクーラ５０は、積層型、多管型など何れの型式のものを用いてもよい。

還流配管４９の途中であってＥＧＲクーラ５０の下流側には、ＥＧＲ制御弁５１が設けられている。ＥＧＲ制御弁５１は、還流配管４９を開閉する弁体であり、弁体の開閉によりＥＧＲガスの還流量を調整する。本構成例では、ＥＧＲクーラ５０が排気側に配置された構成例を示しているが、ＥＧＲクーラ５０とＥＧＲ制御弁５１の配置関係については特に制約はない。

吸気経路４５と還流配管４９は、スロットル弁５２の下流で接続されている。還流配管４９の途中には、流量センサ５３が設けられている。また、エアクリーナ４２の下流には流量センサ５４が設けられている。流量センサ５３は還流配管４９を流れるＥＧＲガスの質量流量を測るためのセンサであり、その構成は例えば図１８、図２１に示したように、２つの発熱抵抗体を有するセンサ素子と測温抵抗体が素子カバー内に設置された構成となっている。一方、流量センサ５４は吸気経路を通過する新気の質量流量を検知するものであり、その構成として、広くエンジンの吸気流量計で用いられている、単一の発熱抵抗体と測温抵抗体が素子カバー（バイパス通路）に設置された構成などが考えられる。また、流量センサ５４は流量センサ５３と同様に、２つの発熱抵抗体を有するセンサ素子と測温抵抗体が素子カバー内に設置された構成であってもよい。

本構成例では、流量センサ５３をＥＧＲクーラ５０の下流に設置したが、ＥＧＲクーラ５０の上流側に流量センサ５３を設置してもよい。ＥＧＲクーラ５０の下流側に流量センサ５３を設置した場合は、ＥＧＲガス温度がＥＧＲクーラ５０によって冷却されるため、流量センサ５３の耐熱性が比較的低くてもよい利点がある。一方で、ＥＧＲガス温度が低下するため、ガス中に凝縮水やオイルミストが発生しやすく、凝縮水の中に溶け込んだ種々の物質（例えばＥＧＲクーラのろう付けに用いる金属材）やオイルによって流量センサが汚損しやすい。一方、ＥＧＲクーラ５０の上流に流量センサを設置した場合には、センサの耐熱性は厳しくなるがセンサは汚損しにくい利点がある。

流量センサ５３は流量センサコントローラ５５に接続される。ここに、流量センサコントローラ５５は図７に示す流量算出、補正用マイコン１２と、ヒータ駆動回路（１０，１１）、固定抵抗（Ｒ１〜Ｒ３）、ローパスフィルタ（ＬＰ１、ＬＰ２）、Ａ／Ｄ変換器（１３〜１５）を含んだ回路で構成される。流量センサコントローラ５５によって、発熱抵抗体の加熱温度制御や流量値、ガス温度の読み込みと流量補正等が行われ、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６０へ流量検出値、ガス温度検出値が送られる。また、ＥＣＵ６０から流量センサコントローラ５５に制御指令が送られる。

また、ＥＣＵ６０は、流量センサ５４による吸気流量検出、クランク角センサ５６による回転速度、クランク角の検出等を行う。ＥＣＵ６０は、これらＥＣＵ内に取り込まれたＥＧＲガス流量、ＥＧＲガス温度、吸気流量、回転速度等の検出量を基にインジェクタ４８による燃料噴射量や噴射タイミング制御、スロットル弁５２やＥＧＲ弁５１の開度制御などエンジン全体の統括制御を行う。

本発明の効果を検証するための試験設備の構成として、本発明の第５の実施形態を図２４を用いて説明する。図２４において、ガソリンエンジン７０の排気管７１に流量センサ６５が取り付けられており、流量センサコントローラ６６によって発熱抵抗体の温度制御や流量値、ガス温度の読み込みと本発明による流量補正等が行われる。排気管７１内の排ガスはガスクーラ７２によって冷却される。ガスクーラ７２は冷却水路、冷却水を循環するポンプ７３から構成される。排気ガスの温度は温度センサ７６によって検出され、排ガス温度は、水の沸点以上かつガソリン中の高沸点成分の沸点温度以下で一定に保たれるように、クーラコントローラ７５によってガスクーラ７２に循環する冷却水の流量が制御される。

表１にガソリンに含まれる代表成分と沸点を示す。ガソリンの高沸点成分であるデカンの沸点は１７４℃、ノナンが１５１℃であることから、排ガス温度はこれら高沸点成分の沸点より低い例えば１４０℃に設定する。

ガソリンエンジンの吸気管７７には、エアフロセンサ７８が設けられ、エンジン７０に吸入される空気量が検出される。ガソリンエンジン７０はエンジンコントローラ７９によって、エンジンの回転数をほぼ一定に保ちつつ、燃料の噴射量を増減することでエンジンシリンダ内の燃空比（燃料と空気の比）が種々に設定される。

図２４に示したエンジンシステムによって、エンジンの燃空比（燃料と空気の比）を種々に変えて流量センサ６５によって流量が計測される。エアフロセンサ７８、及びエンジンコントローラ７９によって指令された燃料噴射量から真の排ガス流量が求められる。これらから、流量センサ６５によって測定された流量の誤差が求められる。

図２５は燃空比に対して、流量センサ６５によって計測された流量誤差の関係を示す。本発明の流量補正を行わない従来の方法では、燃空比が理論燃空比より大きくなる（燃料リッチになる）と燃空比の増加に従いほぼ線形に流量誤差が増大する。これは、排ガス温度がガソリンの高沸点成分の沸点より低い温度に維持されているため、ガソリン内に含まれる高沸点成分が凝縮して、ミスト状の液体成分となって現れ、これが流量センサ６５の発熱抵抗体の表面で蒸発するためである。発熱抵抗体の表面でガソリンの液体成分が蒸発することで発熱抵抗体から気化潜熱が奪われ、流量が実流量より大きく検出される。

燃空比が大きくなるにつれ、排ガス中の未燃燃料の割合が高くなり、結果として排ガス中の液相燃料成分の濃度が高くなるため、発熱抵抗体表面での液体成分の蒸発量が増え、流量検出誤差が増大する。一方、本発明では、気化潜熱によって生じる量誤差が補正されるため、燃空比が理論混合比より燃料リッチになった場合でも流量誤差が増大せず、ほぼ一定の誤差に抑えることができる。

次に、本発明の第６の実施形態として、水蒸気／空気の混合気を用いた試験設備の構成を図２６を用いて説明する。図２６において、ガス配管８０内にポンプ８７によって導入された空気はチャンバ８２に入り、インジェクタ８３によって空気中に水が噴射される。ここで、インジェクタ８３はポンプ８５によってタンク８６から送り込まれた水を高圧で噴射することで、空気中に微細な液滴を供給するものである。インジェクタからの水の噴射量は、インジェクタコントローラ８４によって制御される。

水／空気二相流は加熱器９７によって水の沸点以上に加熱され、空気中の液滴は完全に気化し、蒸気／空気の混合気が形成される。その後、混合気はガスクーラ７２によって冷却される。混合気の温度は温度センサ７６によって検出され、混合気の温度が一定に保たれるように、クーラコントローラ７５によってガスクーラ７２に循環する冷却水の流量が制御される。ガスクーラ７２の下流で流量センサ６５によって混合気の流量が検出され、流量センサコントローラ６６によって発熱抵抗体の温度制御や流量値、ガス温度の読み込みと本発明による流量補正等が行われる。

図２６に示したガス流量計測システムによって、混合気の温度を種々に変えて流量センサ６５によって混合気の流量が計測される。エアフロセンサ７８、及びインジェクタコントローラ８４によって指令された水の噴射量から真の混合気流量が求められる。これらから、流量センサ６５によって測定された流量の誤差が求められる。

図２７は混合気温度に対して、流量センサ６５によって計測された流量誤差の関係を示す。本発明の流量補正を行わない従来の方法では、混合気温度が水の沸点より低くなると混合気温度低下に従い流量誤差が増大する。これは、混合気温度が水の沸点より低くなることで、混合気中の蒸気が凝縮して、ミスト状の液相成分となって現れ、これが流量センサ６５の発熱抵抗体の表面で蒸発するためである。発熱抵抗体の表面で液体成分が蒸発することで発熱抵抗体から気化潜熱が奪われ、流量が実流量より大きく検出される。混合気温度が低くなるにつれ混合気中の液相成分の濃度が高くなるため、発熱抵抗体表面での蒸発量が増え、流量検出誤差が増大する。一方、本発明では、気化潜熱によって生じる流量誤差が補正されるため、混合気温度が水の沸点よりも低くなった場合でも流量誤差が増大せず、ほぼ一定の誤差に抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、補正量は、第１の流量値と第２の流量値との比のべき乗値に比例する例として４乗の例を示したが、３乗、５乗等のべき乗値でもよいことは勿論である。

本発明の活用例として、この熱式流量計、滅し気流量計の制御方法、及び熱式流量計のセンサ素子を用いて、あらゆる流体の流量を正確に測定することができ、これらを各種の流体の流れる配管等を取り付けることによって、精度良い流量測定が可能となる。

本発明の熱式流量計の第一の実施形態を示す構成図。 本発明の第一の実施形態におけるリニアライザと流量の関係を示すグラフ。 図１の熱式流量計の流量比と流量補正値との関係を示すグラフ。 図１の熱式流量計の流量比の４乗値と流量補正値との関係を示すグラフ。 本発明の熱式流量計の第二の実施形態を示す構成図。 流量比の４乗値と流量補正値との関係を示すグラフ。 本発明の熱式流量計の第三の実施形態を示す構成図。 ヒータ駆動回路に印加される電圧波形図。 Ｄｕｔｙ比と印加電圧との関係を示すグラフ。 本発明の第三の実施形態におけるマイコンの処理フロー。 測温抵抗体の抵抗値と温度との関係を示すグラフ。 ヒータ駆動回路に対するマイコンの処理フロー。 発熱抵抗体の抵抗値と温度との関係を示すグラフ。 （１０）式における係数Ｋの補正マップの例。 本発明の熱式流量計の第四の実施形態を示す構成図。 図１５の熱式流量計における発熱抵抗体の温度変化を示すグラフ。 図１５の熱式流量計におけるマイコンの処理フロー。 本発明の熱式流量計のセンサ素子の一実施形態の正面図。 図１８のセンサ素子を構成するアルミナパイプの平面図と正面図。 本発明の熱式流量計のセンサ素子の他の実施形態を示す積層基板式センサ素子の分解状態の斜視図と、組立状態の斜視図。 本発明の流量センサをエンジンに実装した断面図。 図２１の流量センサの要部斜視図。 本発明による流量センサを実装したエンジンを示す第４の実施形態の構成図。 本発明の効果を検証するための試験設備の構成として、本発明の流量センサをガソリンエンジンに適用した本発明の第５の実施形態の構成図。 燃空比に対する流量誤差の関係を示すグラフ。 本発明の効果を検証するための試験設備の構成として、本発明の流量センサを水蒸気／空気の混合気を噴射する装置に適用した本発明の第６の実施形態の構成図。 混合気温度に対する流量誤差の関係を示すグラフ。 従来の熱式流量計の概略構成図。 図２８の熱式流量計のブリッジ制御回路構成図。 熱式流量計におけるセンサ出力電圧と質量流量の関係を示すグラフ。 熱式流量計の誤差発生要因図。 エンジンの排気流量計測結果であり、空燃比に対する流量検出誤差を示した実験結果を示すグラフ。 本発明による流量誤差の補正原理図であり、２つの発熱抵抗体の配置した構成図。 本発明による流量誤差の補正原理図であり、流量比と流量補正値との関係を示すグラフ。

符号の説明

１，２・・・ブリッジ回路、３，４・・・リニアライザ、５・・・除算器、６・・・乗算器、７・・・減算器、１０，１１・・・ヒータ駆動回路、１２・・・マイコン、２０・・・アルミナパイプ、２１・・・ガラス、２２・・・溝、２３・・・支持体、３０・・・センサ素子、３２・・・センサ素子カバー、５３，５４，６５・・・流量センサ、５００，５００Ａ・・・補正回路、Ｒｃ，Ｒｓ・・・測温抵抗体、Ｒｈ１・・・第一の発熱抵抗体、Ｒｈ２・・・第二の発熱抵抗体、Ｑ１，Ｑ２・・・流量値、ΔＱ・・・流量補正値

Claims (18)

1. 被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を所定の温度状態に設定し、該設定した所定の温度状態における前記被測定ガス流の流量値を検出する熱式流量計であって、
   前記流量値は、複数の異なる所定の温度状態で検出された複数の流量値であり、該複数の流量値から算出された値に基づき、前記流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を補正することを特徴とする熱式流量計。
2. 前記複数の流量値から算出された値は、前記複数の流量値の比であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記複数の流量値から算出された値は、前記複数の流量値の比のべき乗値であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記複数の異なる所定の温度状態は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより生じる温度状態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱式流量計。
5. 前記複数の異なる所定の温度状態は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により生じる温度状態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱式流量計。
6. 被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を第一の温度状態と第二の温度状態に設定し、該設定した前記第一の温度状態における前記被測定ガス流の第一の流量値及び前記第二の温度状態における前記被測定ガス流の第二の流量値を検出する熱式流量計であって、
   前記第一の流量値もしくは前記第二の流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を、前記第一の流量値と前記第二の流量値との比に基づいて補正することを特徴とする熱式流量計。
7. 前記第一の温度状態と前記第二の温度状態は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより生じる温度状態であることを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
8. 前記第一の温度状態と前記第二の温度状態は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により生じる温度状態であることを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
9. 軸体と、該軸体に巻回された第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体と、前記軸体の軸方向に沿って形成された溝と、該溝内に配置された支持体とを備え、前記第１の発熱抵抗体及び第２の発熱抵抗体は前記支持体に接続固定され、該支持体を介して通電されるセンサ素子を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱式流量計。
10. 前記センサ素子は、前記軸体に巻回された測温抵抗体をさらに備え、該測温抵抗体は前記支持体に接続固定され、該支持体を介して通電されることを特徴とする請求項９に記載の熱式流量計。
11. 被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を所定の温度状態に設定し、該設定した所定の温度状態における前記被測定ガス流の流量値を検出する熱式流量計の制御方法であって、
    該制御方法は、複数の異なる所定の温度状態で複数の流量値を検出し、検出された複数の流量値から算出された値に基づき、前記流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を補正制御することを特徴とする熱式流量計の制御方法。
12. 前記制御方法は、前記複数の流量値の比から前記値を算出し、該値に基づいて前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１１に記載の熱式流量計の制御方法。
13. 前記制御方法は、前記複数の流量値の比のべき乗値から前記値を算出し、該値に基づいて前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１１に記載の熱式流量計の制御方法。
14. 前記制御方法は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより、前記複数の異なる温度状態を設定し、設定された温度状態における流量値により算出された前記値に基づき前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の熱式流量計の制御方法。
15. 前記制御方法は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により前記複数の異なる温度状態を設定し、設定された温度状態における流量値により算出された前記値に基づき前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の熱式流量計の制御方法。
16. 被測定ガス流中に配置されたセンサ素子の発熱抵抗体に電圧を印加して該発熱抵抗体を第一の温度状態と第二の温度状態に設定し、該設定した前記第一の温度状態における前記被測定ガス流の第一の流量値及び前記第二の温度状態における前記被測定ガス流の第二の流量値を検出する熱式流量計の制御方法であって、
    該制御方法は、前記第一の流量値もしくは前記第二の流量値の被測定ガス流中に含まれる液相成分の気化によって生じる流量検出誤差を、前記第一の流量値と前記第二の流量値との比に基づいて補正制御することを特徴とする熱式流量計の制御方法。
17. 前記制御方法は、前記発熱抵抗体への電圧の印加時期を異にすることにより前記第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流量計の制御方法。
18. 前記制御方法は、複数に構成した前記発熱抵抗体のそれぞれへの異なる電圧の印加により前記第一の温度状態及び第二の温度状態を設定し、前記流量検出誤差を補正制御することを特徴とする請求項１６に記載の熱式流量計の制御方法。

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