핫-필름 공기유량센서의 작동원리

[카닥터]

◎ 핫-필름 공기유량센서의 작동원리 ◎

그림 1. 핫 와이어식 에어 플로우미터의 원리

그림 2. 핫 와이어식 에어 플로우미터의 검출방법

검출회로는 [그림 2]에 나타난 것과 같이 핫 와이어 (RH)에는 기준저항 (RA)이, 온도보상 저항 (RK)에는 기준저항 (RS)가 직렬로 접속되며, 각각의 양단에 제어전압 (E)가 걸려 중간 접속점으로부터 검출전압 (VA, VB)을 끌어내어 제어회로의 입력이 된다.   핫 와이어 (RH) 및 온도보상 저항 (RK)에는 온도변화에 대한 저항치 변화가 작은 것을 사용하고 있다.   제어회로에는 다음에 설명한 것 같이 VA 와 VB가 동일하게 되도록 전압(E)를 제어하고, 그 때 핫 와이어에 흐르는 전류 (I)로부터 흡입 공기량을 검출하는 기능이 있다.   먼저 흡입 공기의 온도가 일정하고 흡입공기량이 변화하는 경우를 생각할 수 있다.    최초 , RH = 5 (Ω), RK = 500 (Ω), RB = 1(㏀), E = 3V이라고 하면,

가 되어, VA, VB가 같다.   또 핫 와이어 (RH)에 흐르는 전류 (I)는 기준저항 (RA)에 흐르는 전류와 동일하기 때문에

가 된다.   또 이때의 핫 와이어 (RH)의 전력소비 (P)는 P = I²RH = 0.2² × 5 = 0.2 (W) 가되고 핫 와이어의 발열량은 이 전력소비 (P)에 비례한다.    이 상태에서 흡입공기량이 증가하면 핫 와이어 (RH)가 빼앗기는 열량이 증가하기 때문에, 온도가 내려가고 저항치가 작아진다. 만약 제어전압 (E)가 변화하지 않고 핫 와이어 (RH)의 저항치가 RH = 4.9 (Ω)으로 내려갔다고 하면,

가 된다.   VB는 흡입공기의 온도가 변하지 않기 때문에 VB = 2 (v)의 그대로 , VA = VB는 되지 않는다.   여기서 제어회로는 제어전압을 올려 핫 와이어 (RH)의 발열량을 증가시키고 저항치를 크게 하여 VA = VB가 되도록 한다.   예를 들어 제어전압 (E)를  E = 4.5(V)로 올렸을 때 ,RH가 4.9Ω에서 5.0Ω으로 되었다고 하면, (RK로 흐르는 전류는 매우 작기 때문에 전류에 의한 온도 변화는 없고 RK의 저항치는 변하지 않는다.)

가 되어 VA = VB가 된다.   이때의 핫 와이어 (RH)의 전류 (I)와 전력소비 (P)는,

가 된다.   즉 핫 와이어 (RH)의 전력소비 (P)를 0.2W에서 0.45W로 올려 흡입공기에 의해 빼앗긴 열이 증가해도 일정온도를 유지하려고 하고 있다.   그 때 전류 (I)는 0.2A에서 0.3A로 증가하고 있고 이 값에 의해 흡입 공기량을 알 수 있다.   제어회로는 검출전압 (VA)와 기준저항 (RA)의 값으로부터 전류 (I)를 판정하여 에어 플로우 미터의 출력으로 한다.   다음으로 이 상태에서 흡입공기의 온도가 상승한 경우를 생각할 수 있다.   흡입공기의 온도가 상승하면 핫 와이어 (RH)로부터 빼앗긴 열량이 감소하고 핫 와이어 (RH)의 온도가 올라가고 저항치도 크게된다. RH= 5.1Ω이 된 경우 제어전압 (E)이 변화하지 않으면

가 된다.   그런데 흡입공기 온도가 변화하면 온도보상 저항 (RK)의 저항치가 변화한다.   RK= 513 (Ω)이 됐다고 하면,

가 되고 VA = VB는 되지 않는다.   여기서 제어회로는  VA = VB가 되도록 제어전압 (E)를 올려 핫 와이어 (RH)에 흐르는 전류 (I)를 증가시켜 핫 와이어 (RH)의 저항치를 올린다.   E = 4.54 (V)일 때 RH = 5.13 (Ω)이 됐다고 하면,

가 되고, VA =VB가 된다.   또 이 값 (VA,VB)은 흡입공기 온도가 오르기 전과 동일하고, 흡입공기량이 일정하면 온도보상 저항의 작용에 의해 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다.   또 핫 와이어로부터 빼앗긴 열량은 흡입공기의 체적유량이 아니고 질량 유량에 의해 결정되기 때문에, 기압등 공기밀도의 변화에 영향을 받지 않는 이점이 있다.   (발열량은 통과하는 공기의 유량에 비례한다.)

※ 주의 : 여기서 예를 든 수치는 설명을 위해 이해하기 쉬운값이기 때문에 실제와는 다르다.