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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachstehend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen
näher erläutert, wobei
zeigt:
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1 eine
Draufsicht eines Durchflusserfassungselementes in einer thermosensitiven
Durchflusserfassungseinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schaltungsdiagramm des Aufbaus der thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung
in Übereinstimmung
mit der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Schaltungsdiagramm eines Aufbaus einer thermosensitiven Durchflusserfassungseinrichtung
in Übereinstimmung
mit einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein
Schaltungsdiagramm eines Aufbaus einer konventionellen Durchflusserfassungseinrichtung.
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Nachstehend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 ist
eine Draufsicht eines Durchflusserfassungselementes in einer thermosensitiven
Durchflusserfassungseinrichtung in Übereinstimmung mit einem ersten
Ausführungsbeispiel
(Ausgestaltung 1) der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.