JP2012052808A - 熱式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発熱抵抗体をそれぞれＰＷＭ制御を行い、所定温度に制御する熱式流量測定装置において、温度検出時に１つでもＰＷＭ制御をしていると、ノイズの混入により精度の高い温度検出ができない。そこで本発明は、上記課題に鑑み、ノイズに影響されない高精度の温度検出ができるようにした熱式流量測定装置を提供するものである。
【解決手段】発熱抵抗体２０，３０の加熱電流１０３，１０９を制御するＰＷＭ制御を中断して、ともに中断している期間に、温度検出することにより、ＰＷＭ制御によって発生するノイズの影響を排除し、温度検出の精度を向上させることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発熱抵抗体の温度を所定値に制御して、流体流量を測定する熱式流量測定装置に関する。

自動車などの内燃機関における吸入空気量や排気ガス流量を測定する流量測定装置として、発熱抵抗体を加熱する熱式のものが多数使われている。

流量の検出方法として、一つは被流体中に発熱抵抗体を配置して、発熱抵抗体を一定温度に加熱して、流れが生じた際に流れる電流変化を直接あるいは間接的に検出する方法がある。また、別の方式として、発熱抵抗体と測温抵抗体を配置し、発熱抵抗体と測温抵抗体の温度差を一定に保持するよう加熱して、流れが生じた際に流れる電流変化を直接あるいは間接的に検出する方法がある。

そして、発熱抵抗体に通電する加熱電流を制御する方法として直流電流を通電する制御方法と、パルス状の電流によるＰＷＭ（Pules Width Modulation）制御方法がある。現在は駆動素子の消費電力を低減できるＰＷＭ制御方法が多用されるようになってきた。

ＰＷＭ制御における流量測定では、一動作周期内で駆動素子のオン期間とオフ期間の比、いわゆるデューティ比を可変しており、発熱抵抗体の熱が被流体の流れに応じて失われると、通電電流を大きくしてさらに加熱するためにデューティ比も増加する。

この関係から、デューティ比は被流体の流量に応じて変化するので、デューティ比を計測することにより流量を検出するものである。

ところで、ＰＷＭ制御では、電圧を一定周期内でオン，オフして裁断したパルス電圧を発熱抵抗体に印加して加熱電流を通電するので、時間に対して電圧と電流の変化が急峻になりノイズ発生の要因となる。

そのため、発熱抵抗体に温度検出の測温電流を重畳させて通電すると、ノイズが混入して温度検出の精度が低下し、流量測定の誤差が大きくなる。

この対策として、発熱抵抗体の加熱電流を中断、すなわちＰＷＭ制御を中断して、その間に測温電流による温度検出をする技術が、特許文献１に開示されている。

一方、自動車などのエンジン吸気や排気システムに使用される従来の熱式流量測定装置において、２つの発熱抵抗体に挟持されるように測温抵抗体を配置し、２つの発熱抵抗体を所定温度に加熱し、測温抵抗体で温度検出する構成の熱式流量測定装置の技術が特許文献２に開示されている。

特開昭６１−１０５４２２号公報では、感温抵抗器２，３とブリッジ抵抗器４，５の温度差のフィードバック制御において、ＰＩＤ補償要素１０により温度差を補償するように感温抵抗器２，３のＰＷＭ制御と、温度検出時には計測制御回路１１から感温抵抗器２，３の計測電流の通電をタイマー７によって切替えることに、正確な温度計測を行い、この温度から流量を測定している。

特開２００８−０３２５０１号公報では、第１発熱抵抗体１の温度Ｔｍａｉｎを一定温度に加熱制御すると共に、第１発熱抵抗体１と第２発熱抵抗体６に挟持された温度検出手段により、第２発熱抵抗体６を所定温度に加熱制御し、第１発熱抵抗体に接合される支持体４の温度が微粒状物質２を蒸発できるようにしている。

ところで、第１発熱抵抗体１と第２発熱抵抗体６の加熱制御は、共に電力損失を小さくするためにＰＷＭ制御による加熱電流を通電することが多用されている。

特開昭６１−１０５４２２号公報 特開２００８−０３２５０１号公報

特開昭６１−１０５４２２号公報では、発熱すべき抵抗体が１つの場合であり、複数の抵抗体で構成したＰＷＭ制御による加熱電流の通電方法、および温度の検出方法については開示されていない。

一方、特開２００８−０３２５０１号では、第１，第２発熱抵抗体の加熱電流の通電方法について具体的な技術は開示されていないが、共にＰＷＭ制御によって加熱電流を通電した時、一方のみの加熱電流を中断して温度検出をした場合、他方の発熱電流がＰＷＭ制御されて通電していると、温度検出回路にノイズが混入し正確な温度検出ができない問題がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはノイズに影響されない高精度の温度検出ができるようにした熱式流量測定装置を提供するものである。

本発明の熱式流量測定装置は、第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体に流れる加熱電流がともに中断されている期間に発熱抵抗体の温度検出を行うようにした。

本発明の熱式流量測定装置は、ＰＷＭ中断中に温度検出をするので、ノイズの影響を受けない高精度の温度検出ができる効果がある。

本発明の一実施例を示す熱式流量測定装置。 本発明の一実施例における温度制御図。 本発明の一実施例における制御回路構成図。 本発明の一実施例における制御フロー図。 本発明の一実施例における動作波形図。 本発明の他の実施例における動作波形図。

以下、本発明の実施例について図１乃至図６を参照して説明する。

（実施例１）
図１は熱式流量測定装置の構成図を示した図である。内燃機関の排気環境に適用するため、排気雰囲気内のガス流量の検出する流量センサでは、流量センサが排気ガス雰囲気にさらされ、内燃機関から排気された煤や灰分などの微粒子状物質に含まれる不揮発成分が、流量センサの汚損の対象となる。

汚損は、微粒子状物質の可溶性有機成分や炭化水素などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生し、この汚損が流量検出値の精度を低下させる。

このような汚損の回避には、揮発成分を蒸発させるため発熱抵抗体の温度を約３５０℃以上にすることが有効な方法である。

ところで、発熱抵抗体に接合される支持体は、発熱抵抗体の温度より低く、揮発成分の蒸発に時間がかかるため、完全に汚損を除去できず、堆積が進行すると流量検出値の精度を低下させることになる。

そこで、図１に示されるように、支持体５０を約３５０℃以上に維持するため、第１の発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０の２つの発熱抵抗体に挟んで測温抵抗体４０を配置し、２つの発熱抵抗体の加熱制御を行う構成としている。

そして、第１発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０に挟持された測温抵抗体４０が流体１０中に配置され、それぞれの発熱抵抗体に接合された導電性の支持体５０が制御回路１００に接続されている。

図２は各抵抗体の温度を制御した変化を示している。図２において、第１発熱抵抗体２０の温度制御は、目標温度ＴＨ２０ｓを設定し、加熱電流をＰＷＭ制御することにより温度ＴＨ２０がＴＨ２０ｓに一定となるように制御する。

一方、第２発熱抵抗体３０は、測温抵抗体４０の温度ＴＨ４０を検出して、第１発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０間の部分の温度が、第１発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０に近づくように加熱電流をＰＷＭ制御する。

定常状態の流量が高流量では加熱電流は大きく、低流量では加熱電流を小さくして、第１発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０の変化が生じないように制御される。

この結果、第１発熱抵抗体で必要となる発熱量と支持体への伝熱分を切り離すことができるので、支持体の汚損とは無関係に第１発熱抵抗体の温度変化は流量に応じた変化のみとして検出することが可能となる。

図３は、第１発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０の温度を制御する制御回路１００の構成図である。

第１発熱抵抗体２０には、加熱制御時は電源１０１からトランジスタ１０２でＰＷＭ制御された電圧を印加し、目標温度Ｔ２０ｓになるように加熱電流１０３を通電し、温度検出時は、定電流回路１０４から測温電流１０５を通電する。

測温抵抗体４０は温度検出時のみ、定電流回路１０６から測温電流１０７を通電する。

第２発熱抵抗体３０には、加熱制御時は電源１０１からトランジスタ１０８でＰＷＭ制御された電圧を印加し、所定温度になるように加熱電流１０９を通電し、温度検出時は、定電流回路１１０から測温電流１１１を通電する。

測温電流１０５による発熱抵抗体２０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１２で取り込み、比較要素１１３に入力する。

比較要素１１３は、測温電流１０５による発熱抵抗体２０の電圧降下と、発熱抵抗体２０の目標温度ＴＨ２０ｓを設定する目標温度ＴＨ２０ｓ設定要素１１４の偏差を出力して、発熱抵抗体２０の温度が目標温度ＴＨ２０ｓと等しくなるようにフィードバック制御される。

フィードバック制御系は、偏差を補償要素１１５により演算し、その結果をＤｕｔｙ変換要素１１６により、動作周期中のオン時間とオフ時間を設定してトランジスタ１０２のＰＷＭ動作を行うと同時に、Ｄｕｔｙ（オン時間／動作周期）が被流体の流量に応じて変化するので、Ｄｕｔｙを計測して流量変換要素により流量の測定をする。

一方、測温電流１１１による第２発熱抵抗体３０の電圧降下は、Ａ／Ｄ変換器１１７で取り込み監視要素１１８の入力として、第２発熱抵抗体３０の温度が上限値を越えないように監視している。

比較要素１２０は、測温電流１０７による測温抵抗体４０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１９で取り込んで一方の入力、第１発熱抵抗体２０のＡ／Ｄ変換器１１２の出力を他方の入力として偏差を出力し、第２発熱抵抗体３０の温度ＴＨ３０が所定値になるようにフィードバック制御される。

フィードバック制御系は、偏差を補償要素１２１により演算し、その結果をＤｕｔｙ変換要素１２２により、動作周期中のオン時間とオフ時間を設定してトランジスタ１０８のＰＷＭ動作を行う。

図３は、制御回路１００の動作をブロック図で示して説明したが、実用的にはマイクロコンピュータを使用したデジタル回路で構成される。

図４はマイクロコンピュータで制御する場合の制御フローであり、図５に示す動作波形と共に説明する。

第１，第２発熱抵抗体２０，３０と測温抵抗体４０に測温電流１０５，１１１，１０７を通電して温度検出し、補償演算によってＤｕｔｙを算出する処理は、図５に示すように一定時間毎の測温周期ＴＨｔｉｍｅの周期処理であり、時点ｔ０から処理が開始される。

図５の時点ｔ０において、ステップＳ１０はトランジスタ１０２と１０８のＰＷＭ制御を中断するため、たとえば、マイクロコンピュータに内蔵されるＰＷＭモジュールのＤｕｔｙレジスタの値を０にセットすることで、Ｄｕｔｙ変換要素１１６と１２２の出力をローレベルにセットする。

図５の時点ｔ０以前では、前回算出されたＤｕｔｙ値でＰＷＭ制御が行われ、第１発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０は、目標温度ＴＨ２０ｓに、第２発熱抵抗体３０は温度ＴＨ２０に近づくように制御されている。

なお、ＰＷＭ制御による温度制御では、ＰＷＭ制御周期でトランジスタ１０２がオン，オフ動作すると、発熱抵抗体２０の温度ＴＨ２０の変化は、発熱抵抗体２０固有の熱時定数により脈動が生ずるが、ＰＷＭ制御周期を熱時定数より十分小さく設定することにより、脈動を小さくして、流量検出に影響されないようにしている。

前述のように、ＰＷＭ制御されるトランジスタ１０２，１０８のオン，オフは、直流電圧を裁断するため、ノイズの発生要因となるので、第１，第２発熱抵抗体２０，３０と測温抵抗体４０の温度検出、すなわち抵抗体の電圧降下の取り込みを安定して得るために、トランジスタ１０２と１０８の動作を同時に中断するようにしている。

ステップＳ１１では、ＰＷＭ制御の中断中に、定電流回路１０４と１０６と１１０から測温電流１０５と１０７と１１１を通電し、ステップＳ１２で発熱抵抗体２０と３０と測温抵抗体４０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１２と１１７と１１９で取り込んでＡ／Ｄ変換を開始させ、ステップＳ１３でＡ／Ｄ変換の終了を判定し、終了前はＮＯ、終了後はＹＥＳが判定される。

終了前のＮＯ判定では、ステップＳ１３が繰返され、終了後はＹＥＳ判定でステップＳ１３に進む。

ステップＳ１４では、電圧降下を温度変換して、第１，第２発熱抵抗体２０と３０と測温抵抗体４０の温度ＴＨ２０とＴＨ３０とＴＨ４０を算出して確定し、ステップＳ１５で補償要素を演算するための温度偏差ＴＨ２０ｓ−ＴＨ２０と温度偏差ＴＨ２０−ＴＨ４０を算出する。

ステップＳ１６は、第１発熱抵抗体２０の補償演算処理であり、温度偏差値ＴＨ２０ｓ−ＴＨ２０から、たとえばＰＩＤ補償の演算処理により得られた結果をステップＳ１７でＤｕｔｙ変換してＰＷＭモジュールのＤｕｔｙレジスタに書き込むことにより、ステップＳ１８においてトランジスタ１０２のＰＷＭ駆動が開始される。

ステップＳ１９は、第２発熱抵抗体３０の補償演算処理であり、温度偏差値ＴＨ２０−ＴＨ４０から、たとえばＰＩＤ補償の演算処理により得られた結果をステップＳ２０でＤｕｔｙ変換してＰＷＭモジュールのＤｕｔｙレジスタに書き込むことにより、ステップＳ２１においてトランジスタ１０８のＰＷＭ駆動が開始される。

ステップＳ２０が終了した時点で、測温周期ＴＨｔｉｍｅの処理が終了する。

ステップＳ１７とＳ２０のＤｕｔｙ変換は、異なる２つのＰＷＭモジュールであり、第１，第２発熱抵抗体２０，３０の温度脈動が流量測定に影響を与えないように設定されるが、同一でも異なった動作周期でも設定することもできる。

図４に示す制御フローが時系列で処理される場合は、図５に示す時点ｔ０からｔ１までが、トランジスタ１０２と１０８のＰＷＭ制御を中断し、ステップＳ１２のＡ／Ｄ変換処理が終了するまでの期間、時点ｔ１からｔ２までが、ステップＳ１７のＤｕｔｙ変換処理を終了して、トランジスタ１０２がＰＷＭを開始するまでの期間、時点ｔ２からｔ３までがステップＳ２０のＤｕｔｙ変換処理を終了してトランジスタ１０８がＰＷＭを開始するまでの期間、時点ｔ０からｔ４までが測温周期ＴＨｔｉｍｅの期間である。

第１発熱抵抗体２０の温度制御の補償演算結果によるＤｕｔｙ値は時点ｔ２からｔ４まで、第２発熱抵抗体３０の温度制御の補償演算結果によるＤｕｔｙ値は時点ｔ３からｔ４まで出力されて、温度ＴＨ２０がＴＨ２０ｓに温度ＴＨ３０がＴＨ３０ｓに制御される。

本発明の一実施例によれば、第１発熱抵抗体２０を加熱制御するトランジスタ１０２と第２発熱抵抗体３０を加熱制御するトランジスタ１０８のＰＷＭ動作を同時に中断し、測温電流１０５，１０７，１１１を通電してそれぞれの抵抗体の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１２，１１７，１１９で取り込むので、ノイズの混入を防止し、制度の高い温度検出ができる効果がある。

実施例１において、図５は第１発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０の温度制御がそれぞれ独立に時系列で処理されるので、ＰＷＭ制御の開始の時点が異なっている。

しかし、２つの処理を混在させて補償演算を行い、直列に補償演算をさせる制御にすると、トランジスタ１０２と１０８は、ほぼ同時にＰＷＭ制御を開始させることもでき、効果は同等のものが得られる。

さらに、図５では、トランジスタ１０２と１０８のＰＷＭ動作周期を同一として示しているが、これに限定されなくてもよい。

２つのトランジスタのオン、あるいはオフを、同一時点にすると電源回路１０１からの時間に対する電流変化が大きくなりノイズ発生の要因となり、内燃機関の制御装置全体に影響が及ぶ場合や、第１発熱抵抗体２０、または第２発熱抵抗体３０の固有の熱時定数が大きい場合には、動作周期を低くしてトランジスタのスイッチングロスを低減する場合などに、ＰＷＭ動作周期を意図的にずらしても、効果は同等である。

さらに、測温周期ＴＨｔｉｍｅは常に一定周期として説明したが、第１，第２発熱抵抗体２０，３０が所定の温度に制御できる周期であれば一定周期である必要はない。

すなわち、エンジン制御における燃料制御や点火制御などは、エンジン回転数や負荷に応じて制御周期が異なるので、その制御周期に応じて流量値が必要となる。

測温周期ＴＨｔｉｍｅは流量算出周期とほぼ同じ周期であるので、エンジン制御周期に応じて測温周期ＴＨｔｉｍｅを可変して流量算出をすることにより、その時点のエンジンの動作状態に最適な流量を算出することができる。

（実施例２）
次に、本発明の他の実施例について図６を用いて説明する。本実施例において、先の実施例１で説明した構成と同様の部分は同じ符号を付し、説明は省略する。

実施例１では、測温周期ＴＨｔｉｍｅの１つの周期内で、２つのトランジスタ１０２，１０８のＰＷＭ制御を同時に中断して温度検出後、第１発熱抵抗体２０と第２発熱抵抗体３０のＤｕｔｙ値を算出するようにしているが、補償演算に要する時間が長くなると、どちらか一方加熱電流の中断時間が長くなり、その抵抗体の温度低下が大きくなる。

この低下した温度から設定値までの温度差が大きくなると、発熱体の熱応力が大きくなり、これの繰返しにより信頼性が損なわれる原因になることがある。

実施例２は、加熱電流の中断時間での温度低下を小さくするよう制御するものであり、図６の動作波形により説明する。

最初の測温周期ＴＨｔｉｍｅ（期間ｔ００〜ｔ１０）の最初の時点ｔ００でトランジスタ１０２と１０８を同時に中断して、測温電流１０５を通電し、期間ｔ００〜ｔ０１で第１発熱抵抗体２０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１２で取り込んで補償要素１１５の演算処理を実行して、その結果のＤｕｔｙ値により、トランジスタ１０２のＰＷＭ制御を行う。

期間ｔ０１〜ｔ０２が演算処理時間であり、時点ｔ０２からトランジスタ１０２のＰＷＭ制御が開始され、加熱電流１０３を通電する。

第２発熱抵抗体は、期間ｔ００〜ｔ０１で加熱電流１０９を中断し、時点ｔ０１から１周期前の測温周期ＴＨｔｉｍｅで演算されたＤｕｔｙ値により、トランジスタ１０８のＰＷＭ制御が開始され、加熱電流１０９を通電する。

最初の測温周期ＴＨｔｉｍｅ（期間ｔ００〜ｔ１０）が経過すると、時点ｔ１０でトランジスタ１０２と１０８を同時に中断して、測温電流１０７と１１１を通電し、期間ｔ１０〜ｔ１１で第２発熱抵抗体３０と測温抵抗体４０の電圧降下をＡ／Ｄ変換器１１９と１１７で取り込んで補償要素１２１の演算処理を実行して、その結果のＤｕｔｙ値により、トランジスタ１０８のＰＷＭ制御を行う。

期間ｔ１１〜ｔ１２が演算処理時間であり、時点ｔ１２からトランジスタ１０８のＰＷＭ制御が開始され、加熱電流１０９を通電する。

第１発熱抵抗体は、期間ｔ１０〜ｔ１１で加熱電流１０３を中断し、時点ｔ１１から１周期前の測温周期ＴＨｔｉｍｅで演算されたＤｕｔｙ値により、トランジスタ１０２のＰＷＭ制御が開始され、加熱電流１０３を通電する。

実施例２では、実施例１の効果以外に、測温周期ＴＨｔｉｍｅの補償要素の演算が１回だけ実行されるので、第１，第２発熱抵抗体２０，３０の温度ＴＨ２０とＴＨ３０の温度低下が小さくできるので、温度脈動が低減でき熱応力が低減できる効果がある。

本発明の熱式流量検出装置は、実施例１，実施例２示す発熱抵抗体が２つで、それぞれの加熱電流をＰＷＭ制御する構成に限られるものではなく、２つ以上の発熱抵抗体の加熱電流をＰＷＭ制御する構成においても作用，効果は同等である。

また、実施例１，実施例２は温度検出時に同一時点でＰＷＭ制御を中断し、この期間で発熱抵抗体の電圧降下を取り込むようにしたが、同一時点でＰＷＭ制御が中断されなくても、中断時間が重なり、ＰＷＭ制御をしない範囲が存在する期間内で、発熱抵抗体の電圧降下を取り込むようにすることもできる。

１０ 流体
２０ 第１発熱抵抗体
３０ 第２発熱抵抗体
４０ 測温抵抗体
１００ 制御回路
１０１ 電源回路
１０２，１０８ トランジスタ
１０３，１０９ 加熱電流
１０４，１０６，１１０ 定電流回路
１０５，１０７，１１１ 測温電流
１１２，１１７，１１９ Ａ／Ｄ変換器
１１３，１２０ 比較要素
１１４ 目標温度設定要素
１１５，１２１ 補償要素
１１６，１２２ Ｄｕｔｙ変換要素
ＴＨ２０ 第１発熱抵抗体の温度
ＴＨ２０ｓ 第１発熱抵抗体の目標温度
ＴＨ３０ 第２発熱抵抗体の温度
ＴＨ４０ 測温抵抗体の温度
ＴＨｔｉｍｅ 測温周期

Claims (4)

1. 抵抗体の温度を制御するための制御回路部と、被測定流体の流れに配置され前記制御回路部に電気的に接続された第一の発熱抵抗体と第二の発熱抵抗体と測温抵抗体と、を有し、前記測温抵抗体は前記第一の発熱抵抗体と前記第二の発熱抵抗体との間に設けられ、前記第一および第二の発熱抵抗体には前記制御回路部で制御される加熱電流が通電され、さらに、前記第一の発熱抵抗体および前記第二の発熱抵抗体にはそれぞれの抵抗体の温度検出のための前記制御回路部で制御される測温電流が通電される熱式流量測定装置において、
   前記第一および第二の発熱抵抗体に通電される前記加熱電流は、それぞれ、前記第一および第二の発熱抵抗体が所定の温度となるようにＰＷＭ制御により電流制御が行われており、
   前記温度検出は、前記第一および第二の発熱抵抗体における前記加熱電流の前記ＰＷＭ制御がともに中断した期間に行うことを特徴とする熱式流量測定装置。
2. 請求項１に記載の熱式流量測定装置において、
   前記ＰＷＭ制御は、前記第一および第二の発熱抵抗体における前記加熱電流の前記ＰＷＭ制御が同時に中断し、
   前記温度検出は、前記ＰＷＭ制御が同時に中断した期間に行うことを特徴とする熱式流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の熱式流量測定装置において、
   前記温度検出は、所定の時間周期で繰返されることを特徴とする熱式流量測定装置。
4. 請求項１または２に記載の熱式流量測定装置において、
   前記温度検出は、前記所定の時間周期毎に前記第一あるいは第二の発熱抵抗体の単一の温度を順次検出することを特徴とする熱式流量測定装置。

Images