JPH0422268Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案はガス流量検出装置に関する。

従来技術 ガス流量、例えば内燃機関の吸入空気量を検出
するために熱線風速計の原理を応用したガス流量
検出装置が例えば特開昭55−137321号公報に記載
されているように公知である。このガス流量検出
装置では抵抗ブリツジの隣接する辺に夫々に抵抗
を接続してこれら抵抗を吸入空気流内に配置し、
ブリツジがバランスするように一方の抵抗を加熱
して両抵抗の温度差を一定温度に維持するように
している。即ち、熱線風速計の原理を応用したこ
の種のガス流量検出装置では吸入空気流内に配置
された両抵抗の温度差を一定温度に維持すること
が必要であり、このとき温度差を一定に維持する
のに必要な一方の抵抗に供給すべき加熱用電流値
から吸入空気量が検出される。

しかしながら上述の如きガス流量検出装置にお
いてはブリツジがバランスするように一方の抵抗
を加熱制御すると両抵抗の温度差が実際には予め
定められた一定温度にならず、その結果吸入空気
量を正確に検出することができないという問題が
ある。

考案の目的 本考案はガス流内に配置された一対の抵抗の温
度を一定に維持することができ、それによつてガ
ス流量を正確に検出することのできるガス流量検
出装置を提供することにある。

考案の構成 本考案の構成は、抵抗ブリツジの隣接する辺に
夫々第１の抵抗R₁と第２の抵抗R₂を接続してこ
れら抵抗R₁，R₂をガス流内に配置し、第１抵抗
R₁と第２抵抗R₂が予め定められた抵抗温度係数
αを有すると共に基準温度において夫々一定の抵
抗値R₁₀，R₂₀を有し、ブリツジがバランスする
ように第２抵抗R₂を加熱して第２抵抗R₂の温度
を第１抵抗R₁の温度よりも一定温度ΔTだけ高く
維持するようにしたガス流量検出装置において、
第１抵抗R₁に抵抗値がR₁₀αΔTなる補償抵抗を直
列接続したことにある。

実施例 第１図および第２図を参照すると、１はガス流
通管、２はガス流通路、３は非導電性断熱性の合
成樹脂材料からなる検出素子ホルダ、４は流速検
出用素子、５はガス温検出用素子を夫々示す。本
考案を内燃機関に適用する場合にはガス流通路２
は吸気通路を示す。第１図から第３図に示される
ように流速検出用素子４はシリコンウエハのチツ
プからなる基板６からなり、この基板６の表面上
に後述のブリツジ回路の第２抵抗を形成する薄膜
の感熱抵抗体R₂と、この感熱抵抗体R₂を加熱す
るために感熱抵抗体R₂に隣接配置された薄膜の
感熱抵抗体R_Hとが形成される。流速検出用素子
４はこれら抵抗体R₂，R_Hのリード端子７によつ
て検出素子ホルダ３上において支持される。一
方、ガス温検出用素子５もシリコンウエハのチツ
プからなる基板８からなり、この基板８の表面上
に後述のブリツジ回路の第１抵抗を形成する薄膜
の感熱抵抗体R₁が形成される。ガス温検出用素
子５はこの感熱抵抗体R₁のリード端子９によつ
て検出素子ホルダ３上において支持される。ガス
はガス流通路２内を第１図の矢印Ｆに示す方向に
流れ、従つて加熱抵抗体R_Hの発する熱がガス流
による熱伝達作用によつて感熱抵抗体R₂に伝え
られるように加熱抵抗体R_Hは感熱抵抗体R₂の上
流側に配置される。

第４図は加熱抵抗体R_Hおよび感熱抵抗体R₁，
R₂によつてガス流速を検出するために当初用い
られていた検出回路を示す。第４図を参照すると
加熱抵抗体R_Hの一端は固定抵抗R_Sを介して接地
され、加熱抵抗体R_Hの他端はトランジスタT_rの
エミツタに接続される。また一対の半固定抵抗
r₁，r₂が設けられ、これら半固定抵抗r₁，r₂と感
熱抵抗体R₁，R₂によりブリツジ回路が形成され
る。半固定抵抗r₁，r₂の接続点Ｐはコンパレータ
Ｃの一方の入力端子に接続され、感熱抵抗体R₁，
R₂の接続点ＱはコンパレータＣの他方の入力端
子に接続される。また、コンパレータＣの出力端
子はトランジスタT_rのベースに接続される。感
熱抵抗体R₁，R₂は抵抗温度係数αの大きな材料
から形成されており、感熱抵抗体R₂の温度が感
熱抵抗体R₁の温度よりも一定温度ΔTだけ高いと
きに接続点Ｐ，Ｑの電圧が等しくなるように感熱
抵抗体R₁，R₂，r₁，r₂の抵抗値が定められてい
る。従つて感熱抵抗体R₁，R₂の温度差がΔTより
も小さくなると接続点Ｑの電圧は接続点Ｐの電圧
よりも高くなり、その結果コンパレータＣの出力
電圧は高レベルとなる。コンパレータＣの出力電
圧が高レベルになるとトランジスタT_rはオンと
なり、加熱抵抗体R_Hに電力が供給されるために
感熱抵抗体R₂の温度が上昇する。次いで感熱抵
抗体R₁，R₂の温度差がΔTに等しくなるとコンパ
レータＣの出力電圧は低レベルになり、その結果
トランジスタT_rがオフとなるために加熱抵抗体
R_Hへの電力の供給が停止される。このように加
熱抵抗体R_Hへの電力の供給を制御することによ
つて感熱抵抗体R₁，R₂の温度差ΔTが一定に保持
される。

一方、直径ｄの白金線を流速Ｖの流体内に配置
し、白金線を加熱したときに流体によつて持ち去
られる熱量Ｈは次のL.V.Kingの式によつて表わ
される。

Ｈ＝KT＋√2Ｔ ……(a) ここでＫ：流体の熱伝導率 Cv：流体の定容比熱 Ｐ：流体の密度 Ｔ：白金線の温度と流体の温度との温度差 この式を本考案に適用すると温度差Ｔは感熱抵
抗体R₁，R₂の温度差がΔTに等しくなる。また、
感熱抵抗体R₁，R₂の温度差ΔTを一定に保持する
ためには流体によつて持ち去られる熱量Ｈと等し
い熱量を感熱抵抗体R₂に加えなければならず、
従つて熱量Ｈは加熱抵抗体R_Hの発熱量i²Ｒ／Ｊに
等しくなる。ここでｉは加熱抵抗体R_Hを流れる
電流値、Ｒは加熱抵抗体R_Hの抵抗値、Ｊは熱の
仕事当量である。従って加熱抵抗体R_Hとして抵
抗温度係数が極めて小さい抵抗を用いれば上式は
次のように簡単に表わせる。

i²＝Ｂ√＋Ｃ ……(b) ここで、Ｂ，Ｃは流体の種類や加熱抵抗体R_H
の抵抗値から定まる定数である。

従つてこの式から加熱抵抗体R_Hに流れる電流
を検出すれば流体の速度νを検出できることがわ
かる。第４図に示す実施例では抵抗R_Sの一端の
電圧を検出器Ｄにより検出することによつて加熱
抵抗体R_Hを流れる電流を検出するようにしてい
る。従つて検出器Ｄによりガス流速を検出するこ
とができ、斯くしてガス流量を検出することがで
きる。

上式(b)のように流体の流速νと電流値ｉとの間
に一定の関係が生ずるのは上式(a)においてＴ、即
ち感熱抵抗体R₁，R₂の温度差ΔTが一定になると
きである。しかしながら第４図に示す当初用いら
れていた検出回路を用いても実際には感熱抵抗体
R₁，R₂の温度差ΔTは一定とならず、従つてこの
検出回路ではガス流量を正確に検出できないこと
が判明したのである。次にこのことについて説明
する。

説明を理解しやすくするために以下、感熱抵抗
体R₁を第１抵抗R₁と称し、感熱抵抗体R₂を第２
抵抗R₂と称する。従つて第４図に示す抵抗ブリ
ツジでは抵抗ブリツジの隣接する辺に夫々第１抵
抗R₁と第２抵抗R₂が接続され、第２抵抗R₂が加
熱抵抗体R_Hによつて加熱されることになる。更
に、第１抵抗R₁と第２抵抗R₂の抵抗温度係数を
α、半固定抵抗r₁，r₂の抵抗温度係数を０、第１
抵抗R₁と第２抵抗R₂の予め定められた基準温度
t₀℃、例えば０℃における抵抗値を夫々R₁₀，R₂₀
とする。

このように各因子の符号を定めると基準温度ｔ
＝t₀において第２抵抗R₂の温度が第１抵抗R₁の
温度よりもΔTだけ高くなつたときにブリツジ回
路がバランスする条件は次の式で表わされる。

R₁₀×r₂＝R₂₀（１＋αΔT）×r₁ ……(1) 即ち、上式(1)を満足するように半固定抵抗r₁，
r₂の抵抗値を調整すれば基準温度ｔ＝t₀において
ブリツジ回路はバランスし、このとき第１抵抗
R₁と第２抵抗R₂の温度差は一定値ΔTに維持され
る。

次に第１抵抗R₁の温度がt₁となり、第２抵抗
R₂の温度がt₂になつてブリツジ回路がバランスし
たときにt₂−t₁＝ΔTであれば問題はない。しか
しながらこのときt₂−t₁＝ΔTとならないので問
題を生ずる。即ち、このときブリツジ回路がバラ
ンスする条件は次の式で表わされる。

R₁₀｛１＋α（t₁−t₀）｝×r₂＝ R₂₀｛１＋α（t₂−t₀）｝×r₁ これを書き直すと次のようになる。

R₁₀×r₂＝R₂₀×r₁×１＋α（t₂−t₀）／１＋α（t₁−
t₀）……(2) 上記(1)，(2)式から第１抵抗R₁と第２抵抗R₂の
温度差の（t₂−t₁）は次のようになる。

t₂−t₁＝ΔT＋ΔTα（t₁−t₀） 上式からわかるようにブリツジ回路がバランス
したときには第１抵抗R₁と第２抵抗R₂の温度差
（t₂−t₁）はΔTとはならず、ΔTよりも更にΔTα
（t₁−t₀）だけ高くなつている。従つて第１抵抗
R₁と第２抵抗R₂の温度差が一定に維持されない
ためにガス流量を正確に計測できないことにな
る。

そこでまず始めに第１抵抗R₁および第２抵抗
R₂の温度が上昇した場合においてブリツジ回路
がバランスしたときに第１抵抗R₁と第２抵抗R₂
の温度差の（t₂−t₁）が予め定められた一定値
ΔTとなるように第１抵抗R₁の抵抗温度係数αを
α′に変えた場合を考えてみる。

この場合、ブリツジ回路がバランスする条件は
次のようになる。

R₁₀｛１＋α′（t₁−t₀）｝×r₂＝ R₂₀｛１＋α（t₁＋ΔT−t₀）｝×r₁ これを(2)式のように書き直すと次のようにな
る。

R₁₀×r₂＝R₂₀×r₁×１＋α（t₁＋ΔT−t₀）／１＋α
′（t₁−t₀） ……(3) 上式(1)，(3)式からα′を求めると次にようにな
る。

α′＝α×１／１＋α・ΔT ……(4) 即ち、第１抵抗R₁の抵抗温度係数をαとし、
第２抵抗R₂の抵抗温度係数を上式(4)から定まる
α′とすれば第１抵抗R₁および第２抵抗R₂が温度
上昇した場合であつてもブリツジ回路がバランス
したときに第１抵抗R₁と第２抵抗R₂との温度差
（t₂−t₁）が常に予め定められた一定値ΔTとな
る。

しかしながら実際問題として基準温度ｔ＝t₀に
おける抵抗値が予め定められたR₁₀であつて抵抗
温度係数が予め定められたα′である薄膜抵抗を作
るのは困難である。そこで本考案は第１抵抗R₁
の抵抗温度係数はαとしておき、その代りに第１
抵抗R₁と直列に補償抵抗を接続してこの補償抵
抗により第１抵抗R₁のみかけの抵抗温度係数を
α′に等しくなるようにしている。即ち、本考案に
よれば第５図に示されるように第１抵抗R₁と直
列に補償抵抗Rcが接続される。

第５図に示すように第１抵抗R₁と補償抵抗R_c
からなる合成抵抗の抵抗温度係数をα″とし、第
１抵抗R₁の抵抗温度係数をαとし、補償抵抗R_c
の抵抗温度係数α_cとして各抵抗R₁，R_cの温度が
基準温度に対してΔTだけ上昇したときを考える
と次式が成立する。

（R₁₀＋R_c）（１＋ΔTα″）＝ R₁₀（１＋αΔt）＋R_c（１＋α_cΔt） これを書き直すと合成抵抗の抵抗温度係数
α″は次にようになる。

α″＝R₁₀α＋R_cα_c／R₁₀＋R_c ここで補償抵抗R_cの抵抗温度係数α_cを０とす
れば上式は次のように表わされる。

α″＝α×R₁₀／R₁₀＋R_c ……(5) 即ち、抵抗温度係数α_c＝０なる補償抵抗R_cを
第１抵抗R₁に直列に接続すれば合成抵抗の抵抗
温度係数、即ち第１抵抗R₁のみかけの抵抗温度
係数は上式(5)に示されるα″となる。

従つて(5)式における抵抗温度係数α″が(4)式に
おける抵抗温度係数α′と等しくなるように補償抵
抗R_cの抵抗値を定めれば第１抵抗R₁および第２
抵抗R₂が温度上昇した場合であつてもブリツジ
回路がバランスしたときに第１抵抗R₁と第２抵
抗R₂との温度差（t₂−t₁）が常に予め定められた
一定値ΔTとなる。従つてα″＝α′とすると次式が
成立する。

α×R₁₀／R₁₀＋R_c＝α×１／１＋αΔT これを書き直すと補償抵抗R_cの抵抗値は次の
ようになる。

R_c＝R₁₀αΔT ……(6) 従つて抵抗値がR₁₀αΔTである補償抵抗R_cを第
１抵抗R₁に直列に接続すればブリツジ回路がバ
ランスしたときに第１抵抗R₁と第２抵抗R₂との
温度差（t₂−t₁）が常に予め定められた一定値
ΔTに等しくなり、斯くしてガス流量を正確に検
出できることになる。

次に第１抵抗R₁に補償抵抗R_cを直列接続した
場合のブリツジ回路の調整のしかたについて説明
する。この場合、基準温度ｔ＝t₀において第２抵
抗R₂の温度が第１抵抗R₁の温度よりもΔTだけ高
くなつたときにブリツジ回路がバランスする条件
は次の式で表わされる。

（R₁₀＋R_c）×r₂＝ R₂₀（１＋αΔT）×r₁ 上式に(6)式を代入してR_cを消去すると次のよ
うになる。

R₁₀×r₂＝R₂₀×r₁ ……(7) (7)式は第２抵抗R₂を加熱しないで第１抵抗R₁₀
と第２抵抗R₂₀を同一温度に保持し、R_c＝０とし
た状態でブリツジ回路のバランスをとればブリツ
ジ回路を調整できることを意味している。即ち、
第５図において加熱抵抗体R_Hを加熱させること
なく補償抵抗R_cの両端を短絡させ、この状態で
ブリツジ回路がバランスするように半固定抵抗
r₁，r₂を調整すればブリツジ回路の調整は完了す
ることになる。なお、補償抵抗R_cの値は、第１
抵抗R₁を10KΩ、αを3000ppm／℃、ΔTを20℃
とすると600Ωになる。

第５図に示す実施例は第２抵抗R₂を加熱抵抗
体R_Hによつて加熱するようした、いわゆる間接
加熱式のガス流量検出装置である。しかしながら
本考案は第２抵抗R₂を直接加熱するようにした
第６図に示すような自己加熱式のガス流量検出装
置にもそのまま適用することができる。第６図に
示す自己加熱式のガス流量検出装置では第１抵抗
R₁と第２抵抗R₂の接続点Ｌが制御回路１０の出
力端子に接続され、ブリツジ回路の検出端Ｍ，Ｎ
の電位差が零となるように制御回路１０から接続
点Ｌに電流が供給される。この場合でも第１抵抗
R₁に直列接続される補助抵抗R_cの抵抗値はR_c＝
R₁₀αΔTとなる。

考案の効果 第１抵抗および第２抵抗の温度によらずに、即
ちガスの流速によらずに第１抵抗と第２抵抗の温
度差を常時正確に予め定められた一定値に維持す
ることができるのでガス流量を正確に検出するこ
とができ、しかもブリツジ回路の調整を極めて簡
単に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガス流量検出装置の側面断面図、第２
図は第１図の−線に沿つてみた断面図、第３
図は第１図の流速検出用素子およびガス温検出用
素子の拡大平面図、第４図は当初用いられていた
検出回路図、第５図は本考案による検出回路図、
第６図は本考案による別の実施例の検出回路図で
ある。 ２……ガス流通路、４……流速検出用素子、５
……ガス温検出用素子、R₁……第１抵抗、R₂…
…第２抵抗、R_c……補償抵抗。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 抵抗ブリツジの隣接する辺に夫々第１の抵抗
   R₁と第２の抵抗R₂を接続してこれら抵抗R₁，R₂
   をガス流内に配置し、該第１抵抗R₁と第２抵抗
   R₂が予め定められた抵抗温度係数αを有すると
   共に基準温度において夫々一定の抵抗値R₁₀，
   R₂₀を有し、上記ブリツジがバランスするように
   第２抵抗R₂を加熱して第２抵抗R₂の温度を第１
   抵抗R₁の温度よりも一定温度ΔTだけ高く維持す
   るようにしたガス流量検出装置において、上記第
   １抵抗R₁に抵抗値がR₁₀αΔTなる補償抵抗を直列
   接続したガス流量検出装置。