CN105431716A - 空气质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气质量流量计，其具有：用于检测空气质量流量且用于生成信号的传感器元件；和用于处理所述传感器元件的信号的电子电路，其中所述传感器元件生成非线性的信号特征曲线。为了给出一种在处理信号时具有尽可能小的误差的快速式空气质量流量计，所述电子电路（7）首先具有用于将所述传感器元件（1）的非线性的信号特征曲线（9）转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线（10）的元件（2），随后所述电路具有：滤波器元件（3）；用于将所述校正的、至少部分非线性的信号特征曲线（10）转换成非线性的信号特征曲线（9）的转换元件（4）；和转发元件（5），其用于转发由所述传感器元件（1）检测的且通过线性化元件（2）、滤波器元件（3）和转换元件（4）处理的信号（S）。

Description

空气质量流量计

技术领域

本发明涉及一种空气质量流量计，其具有：用于检测空气质量流量且用于生成信号的传感器元件；和用于处理所述传感器元件的信号的电子电路，其中所述传感器元件生成非线性的信号特征曲线。此外，本发明涉及一种用于处理空气质量流量计的信号的方法，其中所述空气质量流量计具有用于检测空气质量流量且用于生成信号的传感器元件，并且具有用于处理所述传感器元件的信号的电子电路，其中所述传感器元件生成非线性的信号特征曲线。

背景技术

空气质量流量计适用于检测在流动通道中的流体的流量（空气质量流量）。这种流动通道例如可以是内燃机的吸气管。与通过空气质量流量计检测的质量流相关地，不仅可以诊断例如内燃机的运行，而且还可以控制内燃机。为此目的下述情况是重要的：即使在不同的运行条件下仍可靠地且尽可能精确地检测实际质量流量。

DE19724659A1公开了一种质量流传感器装置，其包括传感器元件。所述传感器元件布置且集成在特有的芯片上。此外公开了一种评估电子元件，其单独地构成，但是与传感器单元电耦联。

例如以微系统（MEMS）-技术构造的现代的空气质量流量计非常快且检测空气质量流量中的几乎每次变化。此外所述空气质量流量计可以在吸气管中流动至内燃机的空气和从所述内燃机回流的空气之间进行区分。而且在吸气管中由活塞式内燃机的循环工作方式形成的脉动由快速式空气质量流量计来检测并且由传感器元件转换成信号。然而这种脉动恰好可能导致平均的空气质量流量的测量值的明显失真。

发明内容

本发明的目的在于，给出一种快速式空气质量流量计，所述空气质量流量计具有在处理信号时尽可能小的误差。此外，本发明的目的在于，给出一种用于处理空气质量流量计的信号的方法，其中出现尽可能少的处理误差。

所述目的通过独立权利要求的特征来实现。

因为所述电子电路首先具有用于将所述传感器元件的非线性的信号特征曲线转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线的元件，所以在形成滤波器元件中的空气质量流量的平均值时显著减小了误差。就具有第一和第二温度传感器的传感器元件而言——在所述第一和第二温度传感器之间布置了加热元件——所述第一温度传感器元件、所述第二温度传感器元件和所述加热元件具有通常不同的响应性能。例如，所述第一温度传感器元件仅由空气质量流量来冷却并且不由加热元件来加热。而所述第二温度传感器元件首先由加热元件来加热并且然后总是继续利用逐渐增加的空气质量流量来冷却。所述加热元件仅由空气质量流量来冷却。此外所有这些构件都具有制造公差。这些方面可以在将所述传感器元件的非线性的信号特征曲线转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线时加以考虑。所述校正的、至少部分非线性的信号特征曲线于是可以针对各个空气质量流量计基于一系列专门的信息高精度地进行调整。这些专门的信息可以存储在所述空气质量流量计的电子存储器中。所述第一温度传感器、所述第二温度传感器和所述加热元件的响应性能以及这些构件的制造公差属于所述专门的信息。所述滤波器元件执行积分用于在空气质量空间中且不在信号空间中形成平均值。通过用于将线性信号特征曲线转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线的转换元件，可以有效避免特别是在较小的质量流量时出现的错误的信号再处理。因此，由用于转发由所述传感器元件检测的且通过所述用于转换的元件、所述滤波器元件和所述转换元件来处理的信号的转发元件来处理的信号是尤其高精度的信号，所述信号描述了在空气质量流量计中的空气质量流量。这种高精度信号被发送给所述发动机控制装置。因此公开了一种特别精确的空气质量流量计，利用所述空气质量流量计能最佳地调节燃料在内燃机的气缸中的燃烧。这一点有助于最佳地使用化石燃料储备并且有助于保护环境。刚刚所述的情况还适合用于处理空气质量流量计的信号的方法。

在一种改进方案中，所述传感器元件和所述电子电路在唯一一个半导体元件上构成。其具有的优点在于，所述构件可以成本经济地且尤其无误差地构成。此外，所述传感器元件和所述电子电路能以微系统-技术来制造。

下述情况是有利的，所述传感器元件具有第一温度传感器元件和第二温度传感器元件。利用所述第一和第二温度传感器元件能以所谓的温差法来简单且精确地确定空气质量流量。此外下述情况是有利的，所述传感器元件具有加热元件，所述加热元件布置在所述第一温度传感器元件和所述第二温度传感器元件之间。

附图说明

借助下面的附图详细阐述本发明。其中：

图1示出了燃烧发动机，

图2示出了根据本发明的具有传感器元件的空气质量流量计，

图3示意性地示出了根据本发明的空气质量流量计的组成部分，

图4a示出了与时间相关的、在吸气管中脉动的空气质量流量，

图4b示出了传感器元件的非线性的信号特征曲线，

图4c示出了未线性化的基于时间的信号，

图5a示出了与时间相关的、在吸气管中脉动的空气质量流量，

图5b示出了传感器元件的非线性的信号特征曲线，

图5c示出了传感器元件的线性化的信号特征曲线，

图5d示出了线性化的、基于时间的信号，

图6a示出了错误信号的实例，

图6b示出了传感器元件的与实际空气质量流量相关的被转换的信号，

图7示出了空气质量流量计的传感器元件。

具体实施方式

图1示出了燃烧发动机11。燃烧发动机11不仅可以是用汽油来驱动的燃烧发动机11，而且还可以是用柴油燃料来驱动的燃烧发动机11。还可以考虑，所述燃烧发动机11用气体来驱动。在燃烧发动机11上可以看到吸管14，所述吸管与空气过滤器15连接。通过所述空气过滤器15将外部空气吸入到吸气管14中并且输送至所述燃烧发动机11。对于燃料的最佳燃烧来说必要的是，精确地确定在所述吸气管14中输送的空气质量流量Q。所述空气质量流量Q的这种确定通过空气质量流量计6来进行，所述空气质量流量计将其信号S转发给发动机控制装置8。所述发动机控制装置8根据由所述空气质量流量计6提供的信号S例如控制喷射泵13和喷嘴12。以这种方式和方法，根据吸取的空气质量Q通过所述喷嘴12为所述燃烧发动机11的每个气缸16输送精确计量的燃料量。精确地了解输送至所述气缸16的空气质量流量Q能够实现经由所述喷射泵13和所述喷嘴12输送至所述燃烧发动机11的燃料的最佳燃烧。这一点能够实现所述燃烧发动机11的最佳效率，且进而能节省地消耗燃料并且能保护环境。

因为已知的燃烧发动机11是循环式的内燃机，其中所述气缸16交替地被填充新鲜空气，据此来燃烧所喷入的燃料，并且紧接着废气从所述气缸16离开，输送至所述燃烧发动机的空气质量流量Q不能连续地实现，而是所述空气质量流量与所谓的脉动相关。所述脉动之所以形成，是因为在每次燃烧过程中向每个气缸16仅输送一定的离散量的新鲜空气。在将新鲜空气输入到所述气缸16中之后，所述气缸16的进气阀关闭，并且所述空气质量流量Q被突然中断。这种脉动明确地在快速的且现代的空气质量流量计6的信号S中表明。然而，发动机控制装置8不能处理所述空气质量流量计6的快速脉动的信号S。然而，现代的以微机械的方式构造的空气质量流量计6几乎完全对所述脉动作出反应并且将其转换成输出信号S。对于所述发动机控制装置8来说仅关注平均的空气质量流量Q，而且所述发动机控制装置8仅能处理这个值，以便例如相应地控制所述喷射泵13和所述喷嘴12。此外，现代发动机控制设备利用一种信号来操控，所述信号由数字单脉冲形成，其中在数字单脉冲之间的时间间隔作为用于空气质量流量Q的尺度来评估。在这种时间差测量中，在开始信号的边沿和停止信号的边沿之间的时间利用某种解法来确定。使用上升沿还是下降沿取决于在所述发动机控制装置中所使用的电子元件。

不仅在空气质量流量Q中的脉动含有误差源而且向所述发动机控制装置8传输时间信号ΔS也含有误差源，所述误差源不仅由电子噪声信号形成而且还由特征曲线形成，它们是现代微机械的空气质量流量计6所特有的。就具有第一和第二温度传感器的传感器元件而言，在所述第一和第二温度传感器之间布置了加热元件，所述第一温度传感器元件、所述第二温度传感器元件和加热元件具有通常不同的响应性能。例如，所述第一温度传感器元件仅由空气质量流量来冷却并且不由加热元件来加热。而所述第二温度传感器元件首先由加热元件来加热并且然后总是继续利用逐渐增加的空气质量流量进行冷却。所述加热元件仅由空气质量流量来冷却。此外所有这些构件都具有制造公差。所述误差源例如使得在将时间信号ΔS传输给所述发动机控制装置8期间在时间差测量时的解法变差。

为了应对这个问题，图2示出了一种空气质量流量计6，其具有用于检测空气质量流量Q且用于生成信号S的传感器元件1。传感器元件是指一种快速的传感器元件，其例如以微系统（MEMS）-技术来构造。所述空气质量流量计6具有用于处理传感器元件1的信号的电子电路7。所述传感器元件1显示了非线性的信号特征曲线。所述信号特征曲线9相应于可以针对相应的空气质量流量Q由所述传感器元件1生成的所有信号S。在所述空气质量流量Q和所述传感器元件1的信号S之间的非线性的关系稍后在图3中以所述传感器元件1的Q-S-图表来示出并解释。

在图2中示出的电子电路7首先包含用于将所述传感器元件1的非线性的信号特征曲线9转换成修正的、至少部分非线性的信号特征曲线10的元件2。然后将如此生成的修正的、至少部分非线性的信号S转发给滤波器元件3。所述滤波器元件3对由用于转换非线性的信号特征曲线9的元件2接收的信号S求积分。在时间t上进行求积分。因此，在滤波器元件3中，根据dt（∫S（t）dt）来构造积分函数S（t）。在此，所述信号S正如空气质量流量Q那样是基于时间t的函数。积分∫S（t）dt相应于平均的空气质量流量Q，其中所述脉动现在已经由滤波器元件3滤出。由所述滤波器元件3如此生成的信号S然后被传送给用于将现在求积分的校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10转换成非线性的信号特征曲线9的转换元件4。现有又完全非线性的信号然后被传送给用于转发由传感器元件1检测的且通过所述用于转换的元件2、所述滤波器元件3和所述转换元件4来处理的信号S的转发元件5。从所述转发元件5将数字时间信号ΔS发送给所述发动机控制装置8。在这种数字时间信号ΔS的两个单脉冲之间的时间间隔于是相应于由所述空气质量流量计6利用所述传感器元件1测量的且利用电子电路7处理的、特别是求平均的、用于空气质量流量Q的信号值S。

在图2中示出的空气质量流量计6可以利用根据本发明的用于处理信号的方法来运行。在此，所述空气质量流量计6具有用于检测空气质量流量Q且用于生成信号S的传感器元件1。此外，所述空气质量流量计6具有用于处理传感器元件1的信号S的电子电路7，其中所述传感器元件1生成非线性的信号特征曲线9。在根据本发明的方法中，首先将传感器元件1的非线性的信号特征曲线9转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10。然后例如在对函数进行的积分∫S（t）dt中对所述校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10进行滤波，其中求得平均的空气质量流量Q。然后将被滤波的校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10转换成非线性的信号特征曲线9，据此转发由所述传感器元件1检测的且通过所述用于转换的元件2、所述滤波器元件3和所述转换元件4处理的信号。

图3示意性地示出了根据本发明的空气质量流量计6的组成部分的功能。首先可以看出所述传感器元件1，其通常以MEMS-技术（微系统-技术）来构造并且对空气质量流量Q进行检测。所述传感器元件1和所述电子电路7在唯一一个半导体元件上构成。快速的传感器元件1生成非线性的信号特征曲线9，该信号特征曲线在属于此的空气质量流量Q-信号S-图表中示出。所述非线性的信号特征曲线9由用于转换的元件2以电子的方式转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线，其中离开由所述传感器元件1产生的信号空间，并且过渡回到实际的空气质量流量空间内。在用于转换的元件2旁示出的、空气质量流量Q和信号S的图表示出了校正的、至少部分非线性的特征曲线。在所述校正的、至少部分非线性的特征曲线上，滤波器元件3能以电子的方式求积分并且形成积分∫S（t）dt，以此求得平均的空气质量流量Q并且滤出在吸气管14中存在的脉动。通过所述校正的、至少部分非线性的信号特征曲线这一点几乎无误差地实现。在所述滤波器元件3之后可以看到用于生成非线性的信号特征曲线9的元件4。所述非线性的信号特征曲线9又以电子的方式由用于生成非线性的信号特征曲线9的元件4生成。在所述非线性的信号特征曲线9的基础上，所述转发元件5生成了电子的时间信号ΔS，该时间信号被传送给所述发动机控制装置8。在所述电子的转发元件5旁可以看到由所述转发元件5生成的时间信号ΔS。上述功能展示了理想的信号特征曲线，由所述信号特征曲线可以将清晰的时间信号ΔS传输给所述发动机控制装置8。可是，所述时间信号实际上总是以电子的方式受到噪声污染或者说干扰或者说消逝，这一点在下面的时间信号ΔS中示出。由于电子噪声，为所述时间信号ΔS加上了误差+-ΔT，该误差被转发给所述发动机控制装置8。为了尽可能小地保持这种误差ΔT，通过用于生成非线性的信号特征曲线9的元件4将被积分的校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10转换成非线性的信号特征曲线9。稍后阐述在各个信号S和时间信号ΔS中的误差传播问题。

在附图系列4和5中将详细阐述在下述情况下产生的问题，即以MEMS-技术制造的快速的传感器元件1在测量技术方面检测在吸气管14中脉动的空气质量流量Q。

在图4a中示出了基于时间t的、在吸气管14中脉动的空气质量流量Q。在此示例性地示出了理想的正弦形的脉动。在此，实际的空气质量流量Q于是在所述吸气管14内在最大值Q_max和最小值0之间波动，所述最小值在燃烧发动机11的所有进气阀闭合时出现，并且在所述吸气管14中的空气质量流量Q停止。然而对于所述发动机控制装置8来说，仅关注平均的空气质量流量Q。为了形成空气质量流量Q的平均值，必须使对函数Q（t）的积分变为零，即等于零。这一点通过下述方式在图4a中示出：在t₁和t₂之间具有相反符号的阴影面大小相同。然而可以不直接对空气质量流量Q（t）求积进行所述积分，而是仅对由所述传感器元件1生成的信号S（t）求积分。在图4b中示出了以MEMS-技术制成的快速的传感器元件1的典型的信号特征曲线。在空气质量流量Q-信号S-图表中可以明确看出非线性的信号特征曲线9。在根据在图4b中示出的信号特征曲线9利用非线性的传感器元件1来转换在图4a中示出的空气质量流量Q（t）之后，获得了在图4c中示出的基于时间的信号S（t）。通过非线性的信号特征曲线9，所述函数S（t）现在明显与理想的正弦形不同有出入。这一点在图4c中示出。在此还示出了，在具有相反符号的周期性信号的两个半波之下的面积应该大小相同，以便形成关于周期性信号的平均值。因此，从t₁至t₂关于∫S（t）dt的积分为零。这一点以连续的水平线在图4c中示出。此外可以看出，所述平均值线现在相对于实际平均值通过非线性的信号特征曲线9提高了值δS。δS为误差，其由以MEMS-技术制成的快速的传感器元件1的非线性得出。可以避免这种误差。对此，在图5a中又示出了针对在所述吸气管14中的基于时间的空气质量流量Q的理想的正弦形的函数Q（t）。下述情况又适用于在空气质量流量空间中形成平均值：t_l至t₂的积分∫Q（t）dt必须等于零。为了利用所述传感器元件1将实际空气质量流量Q转换成信号S，如已经由图4b中看到的那样，使用在图5b中示出的非线性的信号特征曲线9。根据现有技术，所述非线性的信号特征曲线9然后由用于转换的元件2转换成线性信号特征曲线10a。可以针对每个处于所述传感器元件1的测量范围内的空气质量流量Q和每个处于测量范围内的管横截面，根据空气质量流量计的使用者的要求利用特征曲线族来调整从非线性的信号特征曲线9向线性的信号特征曲线10a的转变。所述特征曲线族例如可以存储在用于转换的元件2内的电子存储器中。在利用所述滤波器元件3对非线性的信号S进行线性化之后现在对信号函数S（t）进行电子积分∫S（t）dt时，所述平均值没有偏离于在实际的空气质量空间中存在的用于所述空气质量流量Q的平均值。由所述传感器元件1的非线性的传感器特征曲线9形成的积分误差通过利用用于转换的元件2使所述信号线性化来剔除。然而，如此求得的用于平均的空气质量流量Q的测量值必须以时间信号的形式转发给所述发动机控制装置8。因为在时间信号中的电子噪声特别是在空气质量流量Q的小的信号值时能明确地被察觉，所以需要在通过所述滤波器元件3执行积分之后由用于生成非线性的信号特征曲线10的元件4来转换根据图5c的线性的信号特征曲线。这种现在再次为非线性的信号特征曲线特别好地适用于：将与在所述吸气管14中的空气质量流量Q成比例的基于时间的信号转发给所述发动机控制装置8，而不会在时间信号ΔS中产生较大的误差ΔT。

然而根据现有技术的信号处理方法不考虑传感器元件1的构件的不同的响应性能。就例如具有第一和第二温度传感器的传感器元件1中而言，在所述第一和第二温度传感器之间布置了加热元件，所述第一温度传感器元件、所述第二温度传感器元件和所述加热元件具有通常不同的响应性能。所述第一温度传感器元件例如仅由空气质量流量来冷却并且不由所述加热元件来加热。相反，所述第二温度传感器元件首先由所述加热元件来加热并且然后总是继续利用逐渐增加的空气质量流量进行冷却。所述加热元件仅由空气质量流量来冷却。此外，所有这些构件都具有制造公差。所述误差源又使得在将时间信号ΔS传输给所述发动机控制装置8期间在时间差测量时的解法变差。

因此本发明的主要构思在于，不仅仅简单地使非线性的传感器特征曲线9线性化，而是所述传感器特征曲线设置有关于所述传感器元件1的专门的特性的信息并且因此实现了校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10，该信号特征曲线考虑了所述温度传感器元件和所述加热元件的构件公差和不同的响应时间。

图6a示出了错误信号的实例，所述错误信号可能由温度传感器元件18、19和所述加热元件20的构件公差和不同的响应时间形成。Q在这里示出的图表中表示空气质量流量。相应于构件公差和不同的响应时间形成的误差以百分比给出。首先在较小的空气质量流量Q时形成正误差，因为仅所述第一温度传感器元件18被冷却，所述第二温度传感器元件19由于较小的空气质量流量Q仅少量地被冷却并且由此以比例过大的程度由所述加热元件20来加热。在空气质量流量Q逐渐增加时，总是继续校正误差，其中例如在一百个相关单位的空气质量流量Q的情况下完全补偿了刚才所描述的误差。然而现在更多的空气质量流量Q开始在第二温度传感器元件19上起主导作用并且以比例过大的程度来冷却所述第二温度传感器元件，紧接着出现负误差，所述负误差在直至大约四百个相关单位的空气质量流量Q的情况下形成。然后，在空气质量流量计中由构件公差和不同的响应时间引起的误差叠加，由此接近了用于空气质量流量的最佳的无误差范围。

在图6b中示出了所述传感器元件1的与实际空气质量流量Q相关的被转换的信号。虚线10a示出了在其简单的线性化之后的非线性的传感器特征曲线9。然而，具有附图标记10的曲线示出了校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10，该信号特征曲线10由非线性的传感器特征曲线9在考虑构件公差和不同的响应时间的情况下生成。在第一范围内，图6a中的正误差相应地记录到校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10中，其中在大约一百个相关单位的质量流量的范围内实现了所述传感器元件1的无误差的范围，其中校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10尽可能相应于线性的信号特征曲线，紧接着就加入了负误差的一部分，其又导致了校正的、至少部分非线性的信号特征曲线10过大地偏离于线性的信号特征曲线10a。

图7示出了空气质量流量计6的传感器元件1。所述传感器元件1具有基底17，在所述基底上布置了第一温度传感器元件18和第二温度传感器元件19。在所述第一温度传感器元件18和所述第二温度传感器元件19之间在所述基底17上布置了加热器20。空气质量流量Q的方向利用箭头标出。

Claims (6)

1.空气质量流量计（6），其具有：用于检测空气质量流量（Q）且用于生成信号（S）的传感器元件（1）；和用于处理所述传感器元件（1）的信号（S）的电子电路（7），其中所述传感器元件（1）生成非线性的信号特征曲线（9），其特征在于，所述电子电路（7）：

首先具有用于将所述传感器元件（1）的非线性的信号特征曲线（9）转换成校正的、至少部分非线性的信号特征曲线（10）的元件（2）；

接下来具有滤波器元件（3）；

接下来具有转换元件（4），其用于将所述校正的、至少部分非线性的信号特征曲线（10）转换成非线性的信号特征曲线（9）；并且

接下来具有转发元件（5），其用于转发由所述传感器元件（1）检测的且通过线性化元件（2）、滤波器元件（3）和转换元件（4）来处理的信号（S）。

2.根据权利要求1所述的空气质量流量计（6），其特征在于，所述传感器元件（1）和所述电子电路（7）在唯一一个半导体元件上构成。

3.根据权利要求1或2所述的空气质量流量计（6），其特征在于，所述传感器元件（1）和所述电子电路（7）以微系统-技术来制造。

4.根据权利要求1、2或3所述的空气质量流量计（6），其特征在于，所述传感器元件（1）具有第一温度传感器元件和第二温度传感器元件。

5.根据权利要求4所述的空气质量流量计（6），其特征在于，所述传感器元件（1）具有加热元件（20），所述加热元件布置在所述第一温度传感器元件和所述第二温度传感器元件（18、19）之间。

6.用于处理空气质量流量计（6）的信号（S）的方法，其中所述空气质量流量计（6）具有用于检测空气质量流量（Q）且用于生成信号（S）的传感器元件（1）并且具有用于处理所述传感器元件（1）的信号（S）的电子电路（7），其中所述传感器元件（1）生成非线性的信号特征曲线（9），其特征在于，

首先将所述传感器元件（1）的非线性的信号特征曲线（9）转换成校正的非线性的信号特征曲线（10），

然后对所述校正的非线性的信号特征曲线（l0）进行滤波，

然后将被滤波的校正的非线性的信号特征曲线（10）转换成非线性的信号特征曲线（9），并且

然后转发由所述传感器元件（1）检测的且通过线性化元件（2）、滤波器元件（3）和转换元件（4）处理的信号（S）。