JP2003075223A

JP2003075223A - 流量計

Info

Publication number: JP2003075223A
Application number: JP2001266757A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Sugino; 正芳杉野; Shinpei Miura; 晋平三浦
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】被計測流体の容量流量を被計測流体の組成に
よることなく得る。【解決手段】被計測流体が流通する流路６に設けられ
た熱抵抗体１１と、熱抵抗体１１の加熱温度が所定値と
なるように熱抵抗体への供給電力を制御するとともに、
前記所定値を高低の２段階に切り替え自在な熱抵抗体制
御手段１３と、熱抵抗体１１よりも下流に設けられて被
計測流体の温度を検出する被計測流体温度検出手段１２
とを具備する構成とする。熱抵抗体１１から被計測流体
温度検出手段１２への温度変化伝達は、被計測流体を熱
輸送物質とする熱輸送の速度すなわち被計測流体の流速
で律速される。加熱温度が切り換えられてから検出温度
が加熱温度の切り替えに応じて変化するまでの時間をカ
ウントするカウント手段５と、熱抵抗体と被計測流体検
出手段との距離で除して被計測流体の流速を演算する被
計測流体流速演算手段５とを設けることで容量流量を得
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は容量流量を計測する
流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】流量計は流体の流量や流速の計測に用い
られるもので、特開平１１−２３３３５号公報には、被
計測流体が流通する流路の上流側と下流側とにそれぞれ
白金薄膜素子を設け、上流側白金薄膜素子には定電流を
流しておき、発生したジュール熱により被計測流体を介
して下流側の白金薄膜素子を加熱せしめる。上流側白金
薄膜素子への供給電力の測定により前記ジュール熱を求
め、両白金薄膜素子の電気抵抗値の測定により両白金薄
膜素子の温度を求め、求めた結果から所定の演算式によ
り流量を得るようにしている。特開平１１−２３３３５
号公報の技術では、特に、上流側白金薄膜素子を下流側
白金薄膜素子よりも上方位置に配置することで、被計測
流体の流量が少ないときに下流側白金薄膜素子の周囲に
熱が滞留して計測誤差が生じるのを防止している。

【０００３】ところで、前記演算式は被計測流体の組成
によって異なるため、燃焼後の排出ガスのように組成が
変化するものについては十分な精度が得られない。

【０００４】特開平９−３３４７３号公報には、ガス検
出センサにおいて、ガス検出部における検出結果が、ガ
ス濃度の変化によるものか、風の影響によるものかを判
別すべく、ガス検出部の近傍を通る風の流速を検出する
風速検出素子を設けたものがある。かかる技術を応用し
て、熱抵抗体流量計に、ガス濃度の検出部を付設して、
被計測流体の組成を検出流量に反映することが考えられ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単に容
量流量しか必要としない場合にまでガス濃度の検出部を
設けるとすれば、ガス濃度の検出部が追加されることで
構成が複雑化するとともに、そのことがコスト上昇とな
って跳ね返ってくる。

【０００６】また、ガス濃度の検出部付きの流量計とす
るにしても、被計測流体の成分ガスの種類によっては成
分ガスごとの濃度検出が困難な場合があり、ますます複
雑化する。例えば、燃料性のガスの場合、酸素の消費量
によりガス濃度を検出する方法があるが、炭化水素系の
ガスと水素とが混在するガスの場合には、さらに別の方
式で成分比を測定する必要がある。かかる測定用として
簡単で適当なものが存在しない。

【０００７】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
簡単に容量流量を検出することのできる熱抵抗体流量計
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、被計測流体が流通する流路に設けられた熱抵抗体
と、熱抵抗体の加熱温度が所定値になるように熱抵抗体
への供給電力を制御するとともに、前記所定値を高低の
２段階に切り換え自在な熱抵抗体制御手段と、熱抵抗体
よりも下流に設けられて被計測流体の温度を検出する被
計測流体温度検出手段と、加熱温度が切り換えられてか
ら、被計測流体温度検出手段の検出温度が前記加熱温度
の切り換えに応じて変化するまでの時間をカウントする
カウント手段と、熱抵抗体と被計測流体温度検出手段と
の距離をカウント時間で除して被計測流体の流速を演算
する被計測流体流速演算手段とを具備する構成とする。

【０００９】熱抵抗体の加熱温度が変化すると、温度変
化は下流に伝わる。この温度変化の伝達は、輻射や伝導
よりも、これらによる熱交換で温度変化した被計測流体
が熱輸送物質として下流に移動することに大きく依存す
る。カウント手段におけるカウント時間はこの移動時間
である。しかして、被計測流体の組成によらずに被計測
流体の流速が得られる。容量流量は、この流速や、被計
測流体が流通する流路の形状のデータに基づいて算出し
得る。

【００１０】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記熱抵抗体制御手段を、加熱温度が
２段階の前記所定値に交互に繰り返し切り換わるように
設定する。

【００１１】加熱温度が切り換わるごとに流量が得られ
るから、略リアルタイムでの計測が可能となり、流量が
経時変化する場合にも適用できる。

【００１２】請求項３記載の発明では、請求項１または
２の発明の構成において、前記熱抵抗体制御手段に、前
記供給電力の大きさに応じた信号を出力する出力手段を
具備せしめ、前記カウント手段を、前記出力手段からの
出力信号が予め設定した値になると加熱温度が切り換え
られたものと判断するように設定する。

【００１３】熱抵抗体は熱容量が比較的大きく、加熱温
度の切り換えの応答性が十分ではない場合が多い。熱抵
抗体の加熱温度が一方の所定値から他方の所定値に向か
って変化するとき、温度に依存する熱抵抗体の抵抗値も
漸変することになるから、供給電力も漸変する。熱抵抗
体に一定の温度変化が生じた時点で加熱温度が切り換え
られたとみることで、計測精度を向上することができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面にしたがい、本発明の
流量計について説明する。図１は、流量計の全体構成を
示すもので、流量計は、熱抵抗体である加熱ヒータ１１
および被計測流体温度検出手段である測温抵抗体１２
が、加熱ヒータ１１を上流側位置として、被計測流体が
流通する流路である配管６内に配設してある。配管６内
にはまた、加熱ヒータ１１よりも上流側に温度補償用抵
抗器２０１が配設してある。加熱ヒータ１１および温度
補償用抵抗器２０１は、白金線をセラミックスで被覆し
ガラスコーティングしたもので、実質的に同じものが用
いられており、共通のセンサホルダに互いに近接して取
り付けられ、この状態で配管６内に組付けられる。

【００１５】加熱ヒータ１１は、前記温度補償用抵抗器
２０１を含み構成される熱抵抗体制御手段であるヒータ
制御部１３により給電制御される。ヒータ制御部１３は
基本的な構成は熱抵抗体を用いた一般的な定温度型の流
量計のものである。すなわち、加熱ヒータ１１を含む抵
抗線路２１、温度補償用の抵抗器２０１を含む抵抗線路
２２、固定抵抗器２０２により構成された抵抗線路２
３、固定抵抗器２０４，２０５により構成された抵抗線
路２４の、４つの抵抗線路２１〜２４が実質的にブリッ
ジ回路２を形成しており、ブリッジ回路２は電流調整用
のトランジスタ２５を介して図示しない給電源に接続さ
れる。

【００１６】ブリッジ回路２は、高感度化のため、直列
に接続されて抵抗線路２２を構成する温度補償用抵抗器
２０１および抵抗器２０３に、オペアンプ２０８の出力
端子から給電されるようになっている。オペアンプ２０
８は（＋）入力端子に、加熱ヒータ１１の両端間電圧が
一対の電圧分割抵抗器２０６，２０７により分割されて
入力しており、オペアンプ２０８の（−）入力端子はオ
ペアンプ２０８の出力端子と導通し電圧フォロア回路を
構成している。

【００１７】ブリッジ回路２への供給電流はオペアンプ
２０９により制御され、オペアンプ２０９からは制御電
流がトランジスタ２５のベースに入力している。オペア
ンプ２０９の一対の入力端子にはブリッジ回路２の２つ
の電圧出力、すなわち、加熱ヒータ１１により構成され
た抵抗線路２１と抵抗器２０２により構成された抵抗線
路２３とで分割された電圧出力と、温度補償用抵抗器２
０１を有する抵抗線路２２と抵抗器２０４，２０５によ
り構成された抵抗線路２４とで分割された電圧出力とが
入力しており、これらの電圧出力の差が０となるよう
に、すなわち、加熱ヒータ１１の抵抗値が所定の値とな
るように供給電流がトランジスタ２５で調整される。具
体的には、ブリッジ回路２の対角位置にある抵抗線路２
１，２４の抵抗値の積と抵抗線路２２，２３の抵抗値の
積とが等しくなるように電流が流れる。加熱ヒータ１１
の抵抗値は温度により変化するから、加熱ヒータ１１の
温度が抵抗線路２４で規定されることになる。

【００１８】この抵抗線路２４は、前記のごとく抵抗器
２０４と抵抗器２０５との２つの抵抗器からなるが、一
方の抵抗器２０４は常時、抵抗線路２２と接地間に介設
されている。また、他方の抵抗器２０５は一端は抵抗線
路２２と接続されているが、他端は、リレー３１のスイ
ッチ部３１１がｂ接点に切り替わったときにのみ接地す
るようになっており、抵抗線路２４の抵抗値が、ａ接点
側の状態では、抵抗器２０４の抵抗値Ｒ1 となり、ｂ接
点側の状態では、並列接続された両抵抗器２０４，２０
５の合成抵抗値［（１／Ｒ1 ）＋（１／Ｒ2 ）］^-1とな
り、ａ接点側よりも低い値となる。したがって、リレー
スイッチ部３１１により、加熱ヒータ１１の温度が切り
換えられる。ａ接点のときよりもｂ接点のときの方が、
加熱ヒータ１１の温度は高い温度に制御されることにな
る。なお、温度補償用抵抗器２０１の作用で、被計測流
体の温度を基準とした加熱ヒータ１１の加熱温度が高低
２段階の所定値に切り換えられることになる。

【００１９】また、オペアンプ２０９によるトランジス
タ２５の制御で調整されるブリッジ回路２への電流は、
加熱ヒータ１１の加熱温度が所定値のときに被計測流体
が加熱ヒータ１１から吸熱する量に見合うだけのジュー
ル熱を加熱ヒータ１１が発生するような電流である。し
たがって、リレースイッチ部３１１の切り替えで加熱ヒ
ータ１１の加熱温度が切り換わると、抵抗線路２３の両
端間電圧も高低２段階に切り換わり、加熱ヒータ１１の
加熱温度が高くなるｂ接点側では大きな電圧値をとる。
抵抗線路２３の両端間電圧は加熱ヒータ１１への供給電
力に応じた信号となる。

【００２０】この抵抗線路２３の両端間電圧を増幅する
出力手段であるアンプ４１の出力電圧（以下、ブリッジ
出力信号）Ｆlow が、二値化回路４２にて所定のスレッ
ショルドレベルで二値化される。ブリッジ出力信号Ｆlo
w がスレッショルドレベルよりも高いときに「Ｈ」レベ
ルとなる。ここで、スレッショルドレベルはリレースイ
ッチ部３１１がａ接点時のブリッジ出力信号Ｆlow とｂ
接点時のブリッジ出力信号Ｆlow との間に設定される。
二値化信号ＳigＢはＥＣＵ５のＩ／Ｏポートに入力す
る。

【００２１】リレー３１は、そのソレノイド３１２への
通電のオンとオフとを切り換えるトランジスタ３２の制
御がＥＣＵ５のＩ／Ｏポートから出力される制御信号Ｓ
igＡでなされるようになっている。

【００２２】また、前記加熱ヒータ１１よりも下流位置
に設けられた測温抵抗体１２は、抵抗器４３，４４と直
列に接続されており、図示しない定電圧源から電圧が印
加されている。測温抵抗体１２の抵抗値は、測温抵抗体
１２位置を流れる被計測流体の温度に対応した抵抗値を
示し、被計測流体の温度の検出信号として、抵抗器４４
の両端間電圧がアンプ４５で増幅され、その出力信号は
温度検出信号Ｈ−Ｆlow として二値化回路４６にて所定
のスレッショルドレベルで二値化される。温度検出信号
Ｈ−Ｆlow がスレッショルドレベルよりも高いときに
「Ｈ」レベルとなる。ここで、スレッショルドレベルは
リレースイッチ部３１１がａ接点時の温度検出信号Ｈ−
Ｆlow とｂ接点時の温度検出信号Ｈ−Ｆlow との間に設
定される。二値化信号ＳigＣはＥＣＵ５のＩ／Ｏポート
に入力する。

【００２３】前記二値化回路４２，４６は一般的なコン
パレータにより構成し得る。

【００２４】本流量計の作動について説明する。図２、
図３、図４はＥＣＵ５のＣＰＵで実行される制御プログ
ラムを示し、図５は制御プログラムの作動中の装置各部
の状態を示すタイミングチャートである。メインルーチ
ンを示す図２においてステップＳ１０３以外の手順はブ
リッジ回路２、リレー３１、トランジスタ３２、アンプ
４１および二値化回路４２とともに構成する熱抵抗体制
御手段の一部としての手順である。

【００２５】メインルーチンのステップＳ１０１では制
御信号ＳigＡを出力して（「Ｈ」レベルにして）、リレ
ースイッチ部３１１をａ接点からｂ接点に切り替える。
これにより抵抗線路２４の抵抗値が減少するので、加熱
ヒータ１１の加熱温度が漸増する。ここで、加熱温度が
漸増するのは加熱ヒータ１１の熱容量が比較的大きいた
めである。一方、これに伴ってブリッジ出力信号Ｆlow
が二値化回路４２のスレッショルドレベルに向かって漸
増する。

【００２６】続くステップＳ１０２では、二値化信号Ｓ
igＢが入力したか否か（「Ｈ」レベルになったか否かを
判定する。肯定判断されるとステップＳ１０３でタイマ
カウントサブルーチンに移行する。

【００２７】タイマカウントサブルーチンはステップＳ
２０１，Ｓ２０２，Ｓ２０３がカウント手段としての手
順である。先ずステップＳ２０１でＴＯを０にリセット
し、続くステップＳ２０２でタイマＴＯを「１」インク
リメントする。

【００２８】ステップＳ２０３では二値化信号ＳigＣが
入力したか否か（二値化信号ＳigＣが「Ｈ」レベルにな
ったか否か）を判定する。否定判断されれば、所定周期
でタイマＴＯがインクリメントしていく。

【００２９】前記加熱ヒータ１１の温度上昇は測温抵抗
体１２により検出されることになるが、ここで、加熱ヒ
ータ１１から測温抵抗体１２への温度変化の伝達は、加
熱ヒータ１１の表面からの輻射、被計測流体中の熱伝
導、およびこれらの輻射、熱伝導で温度変化した被計測
流体を熱輸送物質とする熱輸送である。加熱ヒータ１１
表面からの輻射は加熱ヒータ１１の温度を常温（室温）
＋（１００〜２００）°Ｃと低めに設定することで、無
視することができる。また、熱伝導は、温度２００°Ｃ
からの１秒後の温度浸透深さを、空気の場合で式（１）
により概算すると、１６ｍｍ程度であり非常に低速であ
るから、１ｍ／ｓ程度の流速域ではやはり無視すること
ができる。ａは熱拡散率であり、ｔは時間である。な
お、ａは温度が３００Ｋにおいて２２．０７ｍｍ²／ｓ
である。したがって、加熱ヒータ１１から測温抵抗体１
２への温度変化の伝達は、被計測流体を熱輸送物質とす
る熱輸送により律速されることになる。 δ＝（１２×ａ×ｔ）^1/2＝（１２×２２．０７×１）^1/2・・・（１）

【００３０】このため、ブリッジ出力信号Ｆlow が漸増
するのと同様の傾向のカーブを描いて、温度検出信号Ｈ
−Ｆlow が漸減するが、加熱ヒータ１１と測温抵抗体１
２との距離に応じてブリッジ出力信号Ｆlow に対して遅
延が生じる。ステップＳ２０３が肯定判断された時点に
おけるＴＯは、この遅延時間に等しい。なお、二値化回
路４２，４６のそれぞれのスレッショルドレベルは予め
実験等により最適化しておく。図５にタイマがカウント
している期間をＴime により示している。

【００３１】ステップＳ２０４は被計測流体流速演算手
段としての手順で、式（２）により流速Ｖq を算出す
る。カウント値ＴＯはそのインクリメント周期を乗じた
時間の次元を有する値に変換しておくのは勿論である。
式中、Ｌは加熱ヒータ１１と測温抵抗体１２との距離で
あり、予めＲＯＭに格納されている。Ｖq ＝Ｌ／ＴＯ・・・（２）

【００３２】ステップＳ２０５では算出されたＶq を図
示しないディスプレイ装置や記憶装置に出力し、メイン
ルーチンにリターンする（ステップＳ２０６）。

【００３３】メインルーチンのステップＳ１０４ではウ
ェイトルーチンに移行する。

【００３４】ウェイトルーチンのステップＳ３０１では
ＴをＣountに設定する。Ｃountは予め設定したウェイト
時間に対応するカウント値である。

【００３５】続くステップＳ３０２でＴを「１」デクリ
メントする。

【００３６】ステップＳ３０３ではＴが負になったか否
かを判定する。否定判断されれば、所定周期でＴがデク
リメントしていく。

【００３７】ステップＳ３０３が肯定判断されると、す
なわち、Ｃountに相当する時間が経過するとメインルー
チンにリターンする（ステップＳ３０４）。

【００３８】メインルーチンのステップＳ１０５では、
制御信号ＳigＡを「Ｌ」にしてリレースイッチ部３１１
をａ接点に切り換える。これにより、抵抗線路２４の抵
抗値が増大して再び、加熱ヒータ１１の温度が低下する
とともに、ブリッジ出力信号Ｆlow も漸減する。そし
て、温度検出信号Ｈ−Ｆlow も応答遅れを伴うが、漸増
し、二値化信号ＳigＣも「Ｌ」に戻る。

【００３９】続くステップＳ１０６で再びウェイトルー
チン（図３）が実行されて、Ｃountに相当する時間が経
過するとメインルーチンにリターンする。そしてステッ
プＳ１０１以降の手順が繰り返される。このように、加
熱ヒータ１１の温度が低温側と高温側とに交互に繰り返
される。

【００４０】これにより、２×Ｃountに相当する時間に
温度変化の伝達時間を計測している時間を加えた程度の
時間で略周期的に容量流量が計測され、実質的にリアル
タイムでの計測が実現する。

【００４１】本発明では、加熱ヒータ１１から測温抵抗
体１２への温度変化の伝達が被計測流体を熱輸送物質と
する熱輸送により律速されることを利用しているから、
被計測流体の組成が変化しても容量流量を高精度に計測
することができる。

【００４２】なお、ＴＯのカウント開始時点をブリッジ
出力信号Ｆlow のスレッショルドレベルとの比較により
規定しているが、次の効果を奏する。加熱ヒータ１１の
加熱温度は熱容量のため立ち上がりが急峻ではないため
リレースイッチ部３１１の切り替え用の制御信号ＳigＡ
でＴＯのカウント開始時点を規定すると、誤差が大きく
なる。本実施形態のごとくＴＯのカウント開始時点をブ
リッジ出力信号Ｆlowのスレッショルドレベルとの比較
により規定することで、かかる加熱ヒータ１１の加熱温
度の立ち上がり遅延時間に基因した誤差を抑制すること
ができるので精度を向上することができる。勿論、要求
される仕様によっては制御信号ＳigＡが「Ｈ」レベルに
なった時点からＴＯのカウントを開始してもよい。

【００４３】また、各二値化回路４２，４６のスレッシ
ョルドレベルは一定値としているが、被計測流体の温度
や流量の変動幅が大きいときには、スレッショルドレベ
ルをリレースイッチ部３１１がａ接点側若しくはｂ接点
側にあるときのブリッジ回路出力信号Ｆlow の値に基づ
いてシフトするように構成してもよい。

【００４４】また、加熱ヒータ１１が低温側から高温側
に切り換わる温度変化の伝達を測温抵抗体１２で検出す
る構成としているが、加熱ヒータ１１が高温側から低温
側に切り換わる温度変化の伝達を測温抵抗体１２で検出
する構成としてもよい。

【００４５】また、本実施形態では熱抵抗体制御手段と
して定温度型流量計の構成を用いているが、加熱ヒータ
の加熱温度が所定値になるように熱抵抗体への供給電力
を制御するとともに、前記所定値を高低の２段階に切り
換え自在な構成であればよく、加熱ヒータの抵抗値をそ
の印加電圧と供給電流とに基づいて演算し、供給電流を
制御するようにしてもよい。

【００４６】被計測流体温度検出手段も、測温抵抗体に
限らず他の温度検出手段を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量計の構成図である。

【図２】前記流量計のＣＰＵで実行される制御プログラ
ムの第１のフローチャートである。

【図３】前記流量計のＣＰＵで実行される制御プログラ
ムの第２のフローチャートである。

【図４】前記流量計のＣＰＵで実行される制御プログラ
ムの第３のフローチャートである。

【図５】前記流量計の作動を説明するタイミングチャー
トである。

【符号の説明】

１１加熱ヒータ（熱抵抗体）１２測温抵抗体（被加熱流体温度検出手段）１３ヒータ制御部（熱抵抗体制御手段）２ブリッジ回路４１アンプ（出力手段）５ＥＣＵ（カウント手段、被加熱流体流速演算手段）６配管（流路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三浦晋平愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 2F035 EA04 EA05 EA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被計測流体が流通する流路に設けられた
熱抵抗体と、熱抵抗体の加熱温度が所定値になるように熱抵抗体への
供給電力を制御するとともに、前記所定値を高低の２段
階に切り換え自在な熱抵抗体制御手段と、熱抵抗体よりも下流に設けられて被計測流体の温度を検
出する被計測流体温度検出手段と、加熱温度が切り換えられてから、被計測流体温度検出手
段の検出温度が前記加熱温度の切り換えに応じて変化す
るまでの時間をカウントするカウント手段と、熱抵抗体と被計測流体温度検出手段との距離をカウント
時間で除して被計測流体の流速を演算する被計測流体流
速演算手段とを具備することを特徴とする流量計。
【請求項２】請求項１記載の流量計において、前記熱
抵抗体制御手段を、加熱温度が２段階の前記所定値に交
互に繰り返し切り換わるように設定した流量計。
【請求項３】請求項１または２いずれか記載の流量計
において、前記熱抵抗体制御手段に、前記供給電力の大
きさに応じた信号を出力する出力手段を具備せしめ、前記カウント手段を、前記出力手段からの出力信号が予
め設定した値になると加熱温度が切り換えられたものと
判断するように設定した流量計。