DE10161574B4 - Thermosensitive Durchflusserfassungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Thermosensitive Durchflusserfassungsvorrichtung mit
einem ersten temperaturerfassenden Widerstand (3) zum Erfassen einer Temperatur der zu messenden Strömung, die in Übereinstimmung mit dem Durchfluss verändert wird;
einem wärmegenerierenden Widerstand (4), der in der zu messenden Strömung angeordnet ist zum Generieren von Wärme durch Verbrauch elektrischer Energie in Übereinstimmung mit einem zu messenden Durchfluss der Strömung; und
einem zweiten temperaturerfassenden Widerstand (5) zum Erfassen der Temperatur des wärmegenerierenden Widerstandes (4);
wobei der erste temperaturerfassende Widerstand (3) und der zweite temperaturerfassende Widerstand (5) zusammen mit festen Widerständen (9a, 9b, 9c) in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind,
wobei der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes (4) derart gesteuert wird, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten temperaturerfassenden Widerstand (3) und dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand (5) konstant gehalten wird,
wobei der Durchfluss innerhalb der zu messenden Strömung erfasst wird unter Verwendung des Heizstromes, und
wobei eine Spannung proportional zu dem Heizstrom des...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermosensitive Durchfluss- bzw. Massendurchsatzerfassungseinrichtung und insbesondere eine thermosensitive Durchflusserfassungseinrichtung, die zur Erfassung eines Durchflusses von Ansaugluft in beispielsweise einem Automobilverbrennungsmotor verwendet wird und insbesondere zum Verbessern der Erfassungsgenauigkeit für eine Motorpulsationsströmung.
  • Thermosensitive Durchflusserfassungseinrichtungen sind im allgemeinen zum Messen des Durchflusses von Ansaugluft zu einem Automobilmotor bekannt mit einem Erfassungsschaltungsaufbau, wie er in 4 gezeigt ist. 4 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt einen Aufbau einer konventionellen thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung, wie er in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. Hei 11-351936 offenbart ist. Der in 4 gezeigte Aufbau wird nun beschrieben werden. Die Schaltung in 4 schließt einen ersten Temperaturerfassungswiderstand 3 zum Erfassen einer Temperatur von Ansaugluft ein, einen wärmegenerierenden Widerstand 4, einen zweiten Temperaturerfassungswiderstand 5, der in der Nähe des wärmegenerierenden Widerstandes 4 angeordnet ist zum Erfassen einer Temperatur der generierten Wärme, eine Energiequelle 8, einen festen Widerstand 9, Transistoren 12a und 12b, eine Konstantspannungsenergiequelle 13 zum Zuführen einer konstanten Spannung an eine Brückenschaltung, einen Durchflusserfassungsanschluss 14 und einen Differenzverstärker 16a. Eine Ziffer 15 bezeichnet ein Durchflussratenausgangssignal.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Brückenschaltung aus dem ersten Temperaturerfassungswiderstand 3 zum Erfassen der Temperatur der Ansaugluft gebildet ist, dem zweiten Temperaturerfassungswiderstand 5, der in der Nähe des wärmegenerierenden Widerstandes 4 angeordnet ist zum Erfassen einer Temperatur der generierten Wärme und dem festen Widerstand 9. Eine Konstantspannung wird der Brückenschaltung von der Konstantspannungsquelle 13 zugeführt. Ein Ausgangsanschluss der Brückenschaltung ist mit einem Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 16a verbunden. Ein Ausgang des Differenzverstärkers 16a ist mit dem wärmegenerierenden Widerstand 4 durch die Transistoren 17a und 17b verbunden.
  • Jede Schaltungskonstante der Brückenschaltung ist derart eingestellt, dass der zweite temperaturerfassende Widerstand 5 abgeglichen ist unter der Bedingung, dass er eine konstante Temperatur hat, die höher ist als der erste Temperaturerfassungswiderstand 3. Entsprechend wird ein Heizstrom dem wärmegenerierenden Widerstand 4 derart zugeführt, dass die Eingangsspannungsdifferenz des oben erwähnten Differenzverstärkers 16a im wesentlichen zu Null wird. Folglich wird eine Konstanttemperaturdifferenzschaltung gebildet, in der der zweite Temperaturerfassungswiderstand 5 und der wärmegenerierende Widerstand 4 bei einer Temperatur gehalten werden, die eine konstante Temperatur höher als die Temperatur der Ansaugluft ist.
  • Wie oben beschrieben, hat die Konstanttemperaturdifferenzschaltung eine Charakteristik, einer Veränderung des Durchflusses mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu folgen, weil der Rückkoppelschaltkreis ausgebildet ist. Falls der Durchfluss erhöht wird, werden zum Beispiel der zweite Temperaturerfassungswiderstand 5 und der wärmegenerierende Widerstand 4 abgekühlt und wenn der Widerstandswert etwas abgenommen hat, steigt die Spannung am nicht invertierenden Eingangsanschluss des Differenzverstärkers 16a an. Als Ergebnis hiervon wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers angehoben und damit der Emitterstrom der Transistoren 12a und 12b ebenfalls angehoben. Außerdem nimmt der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes 4 zu, um die Temperatur des wärmegenerierenden Widerstandes zu erhöhen.
  • Die Temperaturänderung dieses wärmegenerierenden Widerstandes 4 wird auf den zweiten temperaturerfassenden Widerstand 5 durch Wärmeleitung übertragen. Die Temperatur (der Widerstandswert) des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 wird auch angehoben zu der Ursprungstemperatur (dem ursprünglichen Widerstandswert), um die Brückenschaltung abzugleichen.
  • Während der Zeitdauer, bis die Temperatur des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 zurückgekehrt ist zu der ursprünglichen, nachdem der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes 4 angehoben worden ist, gibt es übrigens nur ein Wärmeleitphänomen von dem wärmegenerierenden Widerstand 4 zu dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand 5 und es gibt keinerlei elektrischen Effekt zwischen dem wärmegenerierenden Widerstand 4 und dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand 5. Wenn die Durchflussänderungsfrequenz hoch ist, wird demnach die Ansprechverzögerung von dem Zeitpunkt, zu dem der temperaturerfassende Widerstand 5 abgekühlt wird durch den Fluss, um seine Temperatur herabzusetzen bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Temperatur zur ursprünglichen zurückgekehrt ist durch Heizen des wärmegenerierenden Widerstandes 4 problematisch. Da die Stromänderungsfähigkeit der Konstanttemperaturdifferenzschaltung von der Stromverstärkungsrate der Transistoren 12a und 12b abhängt, besteht auch das Problem, dass, wenn die Stromverstärkungsrate geändert wird, sich die Ansprechempfindlichkeit ändert.
  • Wie vorstehend beschrieben, gibt es beim Stand der Technik ein Problem des verzögerten Ansprechens, wenn die Durchflussratenänderungsfrequenz hoch ist. Im Falle der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine gilt im allgemeinen, dass mit zunehmender Motordrehzahl die Durchflussrate größer wird. Entsprechend wird, selbst wenn eine gute Ansprechfähigkeit mit exzellentem Nachführverhalten bei einer geringen Durchflussrate und im niedrigen Drehzahlbereich beobachtet wird, eine Ansprechverzögerung für den pulsierenden Motordurchfluss beobachtet bei höheren Durchflussraten und in höheren Drehzahlbereichen. Als Ergebnis hiervon gibt es ein Problem des Erfassungsdurchflussfehlers. Die Frequenzansprecheigenschaft bzw. die Frequenzgangeigenschaft hängt auch ab von der Temperatur und zusätzlich wird die Stromverstärkungsrate der Transistoren umso höher, je höher die Temperatur wird. Demnach ist in diesem Hochtemperaturbereich die Ansprechempfindlichkeit hoch und eher mitschwingend, wohingegen im Niedrigtemperaturbereich die Ansprechempfindlichkeit bedämpft ist und abhängig von der Situation resultiert eine Ansprechverzögerung in einem Erfassungsfehler, wie oben beschrieben.
  • Im Falle einer Energiequellenänderung neigt die Energiequellenänderung auch dazu, als mit dem Ausgangssignal zusammenhängend zu erscheinen über den Heizstrom zuführenden Transistor 12a. Wenn die Energieversorgungsänderung spürbar wird, gibt es ein Problem, dass ein Erfassungsdurchflussfehler auftritt.
  • Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu überwinden, ist es ein Anliegen der vorliegenden Erfindung, eine thermosensitive Durchflusserfassungseinrichtung bereitzustellen, in der keine Ansprechverzögerung bewirkt wird, selbst wenn die Durchflussratenänderungsfrequenz hoch ist und kein Fehler bei der Erfassungsdurchflussrate auftritt, selbst wenn die Energieversorgungsänderung auftreten würde.
  • Um dieses und andere Anliegen zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine thermosensitive Durchflusserfassungseinrichtung vorgeschlagen mit einem ersten temperaturerfassenden Widerstand zum Erfassen einer Temperatur der zu messenden Strömung, die in Übereinstimmung mit dem Durchfluss verändert wird; einem wärmegenerierenden Widerstand, der in der zu messenden Strömung angeordnet ist zum Generieren von Wärme durch Verbrauch elektrischer Energie in Übereinstimmung mit einem zu messenden Durchfluss der Strömung; und einem zweiten temperaturerfassenden Widerstand zum Erfassen der Temperatur des wärmegenerierenden Widerstandes; wobei der erste temperaturerfassende Widerstand und der zweite temperaturerfassende Widerstand zusammen mit festen Widerständen in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes derart gesteuert wird, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten temperaturerfassenden Widerstand und dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand konstant gehalten wird, wobei der Durchfluss innerhalb der zu messenden Strömung erfasst wird unter Verwendung des Heizstromes, und wobei eine Spannung proportional zu dem Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes an der Brückenschaltung angelegt wird.
  • Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen näher erläutert, wobei zeigt:
  • 1 eine Draufsicht eines Durchflusserfassungselementes in einer thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Schaltungsdiagramm des Aufbaus der thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Schaltungsdiagramm eines Aufbaus einer thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 ein Schaltungsdiagramm eines Aufbaus einer konventionellen Durchflusserfassungseinrichtung.
  • Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • 1 ist eine Draufsicht eines Durchflusserfassungselementes in einer thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel (Ausgestaltung 1) der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das Durchflusserfassungselement, die Bezugszeichen 2a und 2b kennzeichnen Membranen, das Bezugszeichen 3 kennzeichnet einen ersten temperaturerfassenden Widerstand, Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen wärmegenerierenden Widerstand, Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen zweiten temperaturerfassenden Widerstand und Bezugszeichen 6 kennzeichnet eine Leiterbahnanordnung.
  • Wie in 1 gezeigt, sind der wärmegenerierende Widerstand 4, der erste temperaturerfassende Widerstand 3 zum Erfassen der Temperatur der Ansaugluft und der zweite temperaturerfassende Widerstand 5 zum Erfassen der Temperatur der generierten Wärme auf einer Isolationsschicht auf der Oberseite eines Siliziumsubstrates ausgebildet.
  • Um die Wärmekapazität des wärmegenerierenden Widerstandes 4 zu verringern, ist ein Teil des Siliziumsubstrates, das sich auf der Rückseite des Abschnittes befindet, in dem der wärmegenerierende Widerstand 4 und der zweite erfassende Widerstand 5 ausgebildet sind, durch Ätzen entfernt, um dadurch eine Membran 2b zu bilden mit einer Dicke von einigen Mikrometern.
  • Hier sollte beachtet werden, dass die Widerstandswerte des wärmegenerierenden Widerstandes 4, des ersten temperaturerfassenden Widerstandes 3 und des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Beispielsweise wird ein Film mit einer Dicke von etwa 0,2 Mikrometern, der hergestellt wird aus beispielsweise einer Platin-Dünnschicht, auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet, das auf seiner Oberfläche eine durch Bedampfen und Besprühen gebildete Isolationsschicht hat und dann einer Mustergebung unterzogen worden ist.
  • Nachdem eine aus einem Isolationsfilm hergestellte Schutzschicht durch Aufsprühen nach der Musterbildung ausgebildet worden ist, wird die Schutzschicht für einen Elektrodenabschnitt 7 entfernt und derart geöffnet, dass dieser elektrisch verbunden werden kann mit der oben erwähnten Platin-Dünnschicht.
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt einen Aufbau der thermosensitiven Durchflusserfassungsschaltung in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel. In 2 ist der Schaltungsaufbau aus den Transistoren 12a und 12b zum Zuführen des Heizstromes zu dem wärmegenerierenden Widerstand 4, dem wärmegenerierenden Widerstand 4 und dem festen Widerstand 9e der gleiche wie in der Erfassungsschaltung der konventionellen Durchflusserfassungseinrichtung. Als ein neues Bezugszeichen kennzeichnet das Zeichen 11a einen Operationsverstärker zur Differenzbildung und Verstärkung der Ausgangsgröße der Brückenschaltung. Auch kennzeichnen die Symbole 10a und 10b Teilwiderstände, das Symbol 11b kennzeichnet einen Differenzverstärker zum Teilen der Spannung des wärmegenerierenden Widerstandes 4 durch die Teilwiderstände 10a und 10b und speisen der Energieversorgungsspannung zur oben beschriebenen Brückenschaltung durch den Differenzverstärker 11b. Ein Potential des festen Widerstandes 9e ist eine Spannung in Proportion zu dem Heizstrom des oben beschriebenen wärmegenerierenden Widerstandes 4 und diese Spannung wird ein Durchflussratensignal 15.
  • Der Betrieb der derart aufgebauten Konstanttemperaturdifferenzschaltung wird nun beschrieben. Beispielsweise werden, falls der Durchfluss erhöht wird, der zweite temperaturerfassende Widerstand 5 und der wärmegenerierende Widerstand 4 abgekühlt. Wenn der Widerstandswert des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 etwas verringert worden ist, wird die Spannung des nicht invertierenden Eingangsanschlusses des Differenzverstärkers 11a angehoben. Entsprechend steigt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 11a. Der Emitterstrom der Transistoren 12a und 12b wird erhöht und der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes 4 wird auch erhöht, so dass die Temperatur des wärmegenerierenden Widerstandes 4 angehoben wird. Die Temperaturänderung des wärmegenerierenden Widerstandes 4 wird zu dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand 5 durch thermische Leitung übertragen und zur selben Zeit wird auch die Brückenspannung durch den Differenzverstärker 11b angehoben. Die Temperatur (der Widerstandswert) des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 wird auch erhöht auf die ursprüngliche Temperatur (den ursprünglichen Widerstandswert), dadurch die Brückenschaltung ausgleichend.
  • Durch den oben beschriebenen Schaltungsbetrieb wird der zweite temperaturerfassende Widerstand 5 immer auf einer Temperatur gehalten, die eine konstante Temperatur oberhalb der des ersten temperaturerfassenden Widerstandes 3 ist und außerdem wird der wärmegenerierende Widerstand 4 im wesentlichen auf der selben Temperatur gehalten wie der des vorstehend beschriebenen zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5. Da die von dem wärmegenerierenden Widerstand 4 verbrauchte elektrische Energie eine Funktion der Durchflussrate ist, wird zu dieser Zeit die Spannung 15 in Proportion zu dem Heizstrom oder der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes 4 erfasst, um dadurch die Durchflusserfassung durchzuführen.
  • In der Konstanttemperaturdifferenzschaltung gemäß der ersten Ausgestaltung wird ein durch Teilen der Spannung des wärmegenerierenden Widerstandes erhaltenes Potential, das zunimmt mit einer Zunahme des Durchflussrate, der Brückenschaltung zugeführt. Daher ist die Rückkopplungsverstärkung größer als die der konventionellen Temperaturdifferenzschaltung. Entsprechend ist die Abhängigkeit des Transistors 12 von der Stromverstärkung gering und je höher der Durchfluss ist, desto schneller wird das Ansprechen. Es ist dadurch möglich, dem Pulsieren des Motors zu folgen ohne Zeitverzögerung. Darüber hinaus kann der negative Effekt der Spannungsänderung der Energiequelle 8 auf den Heizstrom unterdrückt werden.
  • Außerdem wird, je größer das Widerstandsverhältnis zwischen dem zweiten Temperaturwiderstand 5 und dem festen Widerstand 9a und das Widerstandsverhältnis zwischen dem Teilwiderstand 10b und dem Teilwiderstand 10a ist, die Rückkopplungsverstärkung umso größer werden. Das Ansprechen ist schneller und die Selbstheiztemperatur des zweiten temperaturerfassenden Widerstandes 5 ist ebenfalls erhöht. Diese Widerstandsverhältnisse werden derart eingestellt, dass das Anheben der selbstheizgenerierenden Temperatur etwa 0,1% verglichen mit der Temperaturerhöhung des wärmegenerierenden Widerstandes 4 ist und die Ansprechempfindlichkeit nicht gestört wird bei maximalem Durchfluss und maximaler Pulsationsfrequenz.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist in der thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung die Rückkopplungsverstärkung der Konstanttemperaturdifferenzschaltung erhöht und der Frequenzgang hängt nicht ab von der Stromverstärkungsrate der Transistoren zum Speisen des Heizstromes. Darüber hinaus ist es, da mit zunehmendem Durchfluss die Ansprechempfindlichkeit zunimmt, möglich, den Durchfluss mit hoher Erkennung zu erfassen, selbst für pulsierende Strömung.
  • 3 ist ein Schaltungsdiagramm und zeigt einen Aufbau einer thermosensitiven Durchflusserfassungsschaltung in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. In 3 ist der Aufbau gleich dem des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispieles mit Ausnahme der Art der Verbindung des Teilwiderstandes 10b. In der zweiten Ausgestaltung ist ein Anschluss des Teilwiderstandes 10b auf Masse geschaltet, so dass der durch die Widerstände 10a und 10b fließende Strom nicht zu dem Festwiderstand 9e fließen wird.
  • In der zweiten Ausgestaltung ist es, da die Energieversorgungsspannung zu der Brückenschaltung in Proportion zu dem Heizstrom in gleicher Weise wie in der ersten Ausgestaltung zugeführt wird, auch möglich, denselben Effekt sicherzustellen.
  • Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Rückkopplungsverstärkung der Brückenschaltung erhöht, so dass, selbst wenn die Durchflussänderungsfrequenz hoch ist, der zweite Temperaturerfassungswiderstand die Fähigkeit hat, den Änderungen zu folgen und es ist möglich, den Erfassungsdurchflussfehler zu unterdrücken, ohne irgendwelche Ansprechverzögerungen für große Strömungen, beispielsweise die pulsierende Strömung des Motors im Bereich hoher Durchflüsse und hoher Drehzahlen. Darüber hinaus gibt es entsprechend diesem Aufbau, da die Frequenzansprecheigenschaft bzw. die Frequenzgangeigenschaft nicht temperaturabhängig ist, keine Ansprechverzögerung, ungeachtet von hoher Temperatur und niedriger Temperatur. Es ist auch möglich, den Durchfluss mit hoher Präzision selbst zu detektieren, wenn die Energieversorgungsspannung geändert wird.

Claims (1)

  1. Thermosensitive Durchflusserfassungsvorrichtung mit einem ersten temperaturerfassenden Widerstand (3) zum Erfassen einer Temperatur der zu messenden Strömung, die in Übereinstimmung mit dem Durchfluss verändert wird; einem wärmegenerierenden Widerstand (4), der in der zu messenden Strömung angeordnet ist zum Generieren von Wärme durch Verbrauch elektrischer Energie in Übereinstimmung mit einem zu messenden Durchfluss der Strömung; und einem zweiten temperaturerfassenden Widerstand (5) zum Erfassen der Temperatur des wärmegenerierenden Widerstandes (4); wobei der erste temperaturerfassende Widerstand (3) und der zweite temperaturerfassende Widerstand (5) zusammen mit festen Widerständen (9a, 9b, 9c) in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei der Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes (4) derart gesteuert wird, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten temperaturerfassenden Widerstand (3) und dem zweiten temperaturerfassenden Widerstand (5) konstant gehalten wird, wobei der Durchfluss innerhalb der zu messenden Strömung erfasst wird unter Verwendung des Heizstromes, und wobei eine Spannung proportional zu dem Heizstrom des wärmegenerierenden Widerstandes (4) an der Brückenschaltung angelegt wird.
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