DE102010014599A1

DE102010014599A1 - Air-flow meter for measuring mass flow rate of fluid in air intake manifold of e.g. diesel engine, has transfer element transferring signals processed by linearization element, filter element and conversion element

Info

Publication number: DE102010014599A1
Application number: DE201010014599
Authority: DE
Inventors: Stephan Schürer; Thorsten Dr. Knittel
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-11-18
Also published as: WO2011124609A1

Abstract

The air-flow meter (6) has a sensor element (1) producing a non-linear signal characteristic curve. An electronic circuit (7) comprises a linearization element (2) for converting the non-linear signal characteristic curve from the sensor element into a linear signal characteristic curve. A conversion element (4) converts the linear signal characteristic curve into the non-linear signal characteristic curve. A transfer element (5) transfers signals processed by the linearization element, a filter element (3) and the conversion element. An independent claim is also included for a method for processing signals of an air-flow meter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und zur Erzeugung eins Signals und mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement, wobei das Sensorelement eine nichtlineare Signalkennlinie erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers, wobei der Luftmassenmesser ein Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und zur Erzeugung eines Signals aufweist und eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement eine nichtlineare Signalkennlinie erzeugt.The The invention relates to an air mass meter with a sensor element for detecting an air mass flow and for generating a signal and with an electronic circuit for processing the signal from the sensor element, the sensor element having a nonlinear signal characteristic generated. Furthermore, the invention relates to a method for processing of signals of an air mass meter, wherein the air mass meter a sensor element for detecting an air mass flow and for generating a signal and an electronic circuit for processing the signal from the sensor element, wherein the sensor element generates a non-linear signal characteristic.

Luftmassenmesser sind geeignet zum Erfassen eines Massenstroms eines Fluids (Luftmassenstroms) in einem Strömungskanal. Ein derartiger Strömungskanal kann beispielsweise ein Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine sein. Abhängig von dem durch den Luftmassenmesser erfassten Massenstrom können sowohl Diagnosen beispielsweise des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt werden als auch eine Steuerung der Brennkraftmaschine erfolgen. Zu diesen Zwecken ist ein auch unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässiges und möglichst präzises Erfassen des tatsächlichen Massenstroms wichtig.Air flow sensor are suitable for detecting a mass flow of a fluid (air mass flow) in a flow channel. Such a flow channel For example, an air intake pipe of an internal combustion engine be. Depending on the mass flow detected by the air mass meter can diagnose, for example, the operation of the Internal combustion engine are performed as well as a controller the internal combustion engine. For these purposes one is also under different operating conditions reliable and as accurately as possible recording of the actual Mass flow important.

DE 197 24 659 A1 offenbart eine Massenstromsensorvorrichtung, die ein Sensorelement umfasst. Das Sensorelement ist auf einem eigenen Chip angeordnet und integriert. Ferner ist eine Auswerteelektronik offenbart, die separat ausgebildet ist, aber mit der Sensoreinheit elektrisch gekoppelt ist. DE 197 24 659 A1 discloses a mass flow sensor device comprising a sensor element. The sensor element is arranged and integrated on a separate chip. Furthermore, a transmitter is disclosed, which is formed separately, but is electrically coupled to the sensor unit.

Moderne in zum Beispiel Mikrosystem(MEMS)-Technik gebaute Luftmassenmesser sind sehr schnell und erfassen nahezu jede Änderung im Luftmassenstrom. Zudem können sie zwischen im Luftansaugrohr zur Brennkraftmaschine strömender Luft und von der Brennkraftmaschine zurück strömender Luft unterscheide. Auch Pulsationen im Luftansaugrohr, die durch die zyklische Arbeitsweise von Kolbenbrennkraftmaschinen entstehen, werden von schnellen Luftmassenmessern erfasst und vom Sensorelement in ein Signal umgewandelt. Gerade diese Pulsationen können jedoch zur erheblichen Verfälschung des Messwertes für den mittleren Luftmassenstrom führen.modern in, for example, microsystem (MEMS) technology built air mass meters very fast and detect almost every change in the air mass flow. In addition, they can flow between in the air intake pipe to the internal combustion engine Air and streaming back from the engine Air is different. Also, pulsations in the air intake pipe, by The cyclic operation of reciprocating internal combustion engines arise detected by fast air mass meters and the sensor element in a signal is converted. Just these pulsations can However, the significant distortion of the measured value for lead the average air mass flow.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnellen Luftmassenmesser anzugeben, der einen möglichst geringen Fehler bei der Verarbeitung des Signals aufweist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers anzugeben, bei dem ein möglichst geringer Verarbeitungsfehler auftritt.Of the Invention is based on the object, a fast air mass meter indicate the lowest possible error in the Processing the signal has. In addition lies The invention is based on the object of a method for processing indicate signals of an air mass meter, in which a possible low processing error occurs.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöstThe Tasks are characterized by the features of the independent claims solved

Da die elektronische Schaltung zunächst ein Linearisierungselement zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie vom Sensorelement in eine lineare Signalkennlinie aufweist, werden Fehler bei der Bildung des Mittelwertes für den Luftmassenstrom in dem Filterelemente wesentlich reduziert. Das Filterelement führt die Integration zur Mittelwertbildung im Luftmassenraum aus und nicht im Signalraum, der durch die nichtlineare Signalkennlinie zu einer fehlerhaften Mittelwertbildung führt. Durch ein Umwandlungselement zur Umwandlung der linearen Signalkennlinie in eine nichtlineare Signalkennlinie aufweist, lassen sich fehlerhafte Signalweiterverarbeitungen, die besonders bei geringen Massenströmen auftreten, effektiv vermeiden. Die vom Weitergabeelement zur Weitergabe der vom Sensorelement erfassten und durch das Linearisierungselement, das Filterelement und das Umwandlungselement verarbeiteten Signale, stellen damit besonders genaues Signale dar, die den Luftmassenstrom im Luftmassenmesser abbilden. Diese hochgenauen Signale werden an die Motorsteuerung gesendet. Damit ist ein besonders genauer Luftmassenmesser offenbart, mit dessen Hilfe die Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern einer Brennkraftmaschine optimal eingestellt werden kann. Dies ist ein Beitrag zur Schonung von fossilen Brennstoffreserven und der Umwelt. Auch für das Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers gelten die soeben genannten Vorteile.There the electronic circuit initially a linearization element for converting the nonlinear signal characteristic from the sensor element in a linear signal characteristic, errors in the Forming the mean value for the air mass flow in the Filter elements significantly reduced. The filter element leads the integration for averaging in the air mass area from and not in signal space, due to the non-linear signal characteristic leads to a faulty averaging. Through a conversion element for converting the linear signal characteristic to a nonlinear one Signal characteristic, can be faulty signal processing, which occur especially at low mass flows, effectively avoid. The of the relay element for passing the detected by the sensor element and by the linearization element, the filter element and the Transform element processed signals, so special accurate signals that represent the air mass flow in the air mass meter. These highly accurate signals are sent to the engine controller. This is a particularly accurate air mass meter disclosed with whose help is the combustion of fuel in the cylinders of a Internal combustion engine can be optimally adjusted. This is a Contribute to the conservation of fossil fuel reserves and the environment. Also for the method for processing signals of a Air mass meter apply the benefits just mentioned.

Bei einer Weiterbildung sind das Sensorelement und die elektronische Schaltung auf einem einzigen Halbleiterelement ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil kostengünstig und besonders fehlerfrei aufgebaut werden kann. Dazu kann das Sensorelement und die elektronische Schaltung in Mikrosystem-Technologie hergestellt sein.at a development are the sensor element and the electronic Circuit formed on a single semiconductor element. This has the advantage that the component cost-effective and special can be established error-free. For this purpose, the sensor element and the electronic circuit manufactured in microsystem technology be.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:

1 einen Verbrennungsmotor, 1 an internal combustion engine,

2 einen erfindungemäßen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement, 2 an air mass meter according to the invention with a sensor element,

3 schematisch die Bestandteile des erfindungsgemäßen Luftmassenmessers, 3 schematically the components of the air mass meter according to the invention,

4a den im Luftansaugrohr pulsierende Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Zeit, 4a the air mass flow in the air intake pipe as a function of time,

4b die nichtlineare Signalkennlinie des Sensorelementes, 4b the nonlinear signal characteristic of the sensor element,

4c ein nicht linearisiertes zeitabhängiges Signal, 4c a non-linearized time-dependent signal,

5a den im Luftansaugrohr pulsierende Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Zeit, 5a the air mass flow in the air intake pipe as a function of time,

5b die nichtlineare Signalkennlinie des Sensorelementes, 5b the nonlinear signal characteristic of the sensor element,

5c die linearisierte Signalkennlinie des Sensorelementes, 5c the linearized signal characteristic of the sensor element,

5d ein linearisiertes zeitabhängiges Signal. 5d a linearized time-dependent signal.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 11. Bei diesem Verbrennungsmotor 11 kann es sich sowohl um einen mit Benzin angetriebenen Verbrennungsmotor 11 als auch um einen mit Dieselkraftstoff angetriebenen Verbrennungsmotor 11 handeln. Denkbar ist auch, dass der Verbrennungsmotor 11 mit Gas angetrieben wird. Am Verbrennungsmotor 11 ist ein Ansaugrohr 14 zu erkennen, das mit einem Luftfilter 15 verbunden ist. Durch den Luftfilter 15 wird Außenluft in das Luftansaugrohr 14 gesaugt und zu dem Verbrennungsmotor 11 transportiert. Für eine optimale Verbrennung des Kraftstoffes ist es notwendig, den im Luftansaugrohr 14 transportierten Luftmassenstrom Q genau zu bestimmen. Diese Bestimmung des Luftmassenstromes Q erfolgt mit dem Luftmassenmesser 6, der sein Signal S an die Motorsteuerung 8 weitergibt. Die Motorsteuerung 8 steuert in Abhängigkeit von dem vom Luftmassenmesser 6 gelieferten Signal S zum Beispiel die Einspritzpumpe 13 und die Einspritzdüsen 12. Auf diese Art und Weise wird jedem Zylinder 16 des Verbrennungsmotors 11 entsprechend der angesaugten Luftmasse Q eine genau dosierte Kraftstoffmenge über die Einspritzdüsen 12 zugeführt. Die genaue Kenntnis des Luftmassenstromes Q hin zu den Zylindern 16 ermöglicht eine optimale Verbrennung des über die Einspritzpumpe 13 und die Einspritzdüsen 12 zu dem Verbrennungsmotor 11 zugeführten Kraftstoffes. Dies ermöglicht einen optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 11 und damit einen sparsamen Verbrauch von Kraftstoffen und eine Entlastung der Umwelt. 1 shows an internal combustion engine 11 , In this internal combustion engine 11 It can be both a gasoline-powered internal combustion engine 11 as well as a combustion engine driven by diesel fuel 11 act. It is also conceivable that the internal combustion engine 11 is driven by gas. At the internal combustion engine 11 is an intake pipe 14 to recognize that with an air filter 15 connected is. Through the air filter 15 Outside air is in the air intake pipe 14 sucked and to the internal combustion engine 11 transported. For optimum combustion of the fuel, it is necessary that in the air intake pipe 14 accurately determined transported air mass flow Q. This determination of the air mass flow Q takes place with the air mass meter 6 that sends its signal S to the engine control 8th passes. The engine control 8th controls depending on the air mass meter 6 supplied signal S, for example, the injection pump 13 and the injectors 12 , In this way, every cylinder 16 of the internal combustion engine 11 in accordance with the intake air mass Q a precisely metered amount of fuel through the injectors 12 fed. The exact knowledge of the air mass flow Q towards the cylinders 16 enables optimal combustion of the over the injection pump 13 and the injectors 12 to the internal combustion engine 11 supplied fuel. This allows optimum efficiency of the internal combustion engine 11 and thus an economical consumption of fuels and a relief of the environment.

Da die bekannten Verbrennungsmotoren 11 zyklische Brennkraftmaschinen sind, bei denen die Zylinder 16 abwechselnd mit Frischluft befüllt werden, wonach es zur Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes kommt, und woraufhin die Abgase aus den Zylindern 16 entfernt werden, erfolgt der Luftmassenstrom Q hin zu dem Verbrennungsmotor nicht kontinuierlich, sondern er ist mit einer sogenannten Pulsationen gekoppelt. Die Pulsationen entstehen, weil jedem Zylinder 16 pro Verbrennungsvorgang nur eine bestimmte diskrete Menge Frischluft zugeführt wird. Nach der Zuführung der Frischluft in den Zylinder 16 wird das Lufteinlassventil des Zylinders 16 geschlossen, und der Luftmassenstrom Q wird abrupt unterbrochen. Diese Pulsationen zeigen sich deutlich im Signal S eines schnellen und modernen Luftmassenmessers 6. Die Motorsteuerung 8 kann jedoch ein schnell pulsierendes Signal S des Luftmassenmessers 6 nicht verarbeiten. Moderne mikromechanisch aufgebaute Luftmassenmesser 6 nehmen diese Pulsation jedoch fast vollständig auf und wandeln sie in ein Ausgangssignal S um. Für die Motorsteuerung 8 ist lediglich der mittlere Luftmassenstrom Q von Interesse, und auch nur diesen Wert kann die Motorsteuerung 8 verarbeiten, um zum Beispiel die Einspritzpumpe 13 und die Einspritzdüsen 12 entsprechend zu steuern. Zudem werden moderne Motorsteuergeräte mit einem Signal angesteuert, das aus digitalen Einzelpulsen besteht, wobei der zeitliche Abstand zwischen den digitalen Einzelpulsen als Maß für den Luftmassenstrom Q gewertet wird. Bei dieser Zeitdifferenzmessung wird die Zeit zwischen der Flanke eines Startsignals und der Flanke eines Stoppsignals mit einer gewissen Auflösung bestimmt. Ob die steigende oder die fallende Flanke benutzt wird, hängt von der verwendeten Elektronik in der Motorsteuerung ab.As the known internal combustion engines 11 Cyclic internal combustion engines are where the cylinders 16 be alternately filled with fresh air, after which it comes to the combustion of the injected fuel, and whereupon the exhaust gases from the cylinders 16 are removed, the air mass flow Q is not continuous to the engine, but it is coupled with a so-called pulsations. The pulsations arise because every cylinder 16 only a certain discrete amount of fresh air is supplied per combustion process. After feeding the fresh air into the cylinder 16 becomes the air inlet valve of the cylinder 16 closed, and the air mass flow Q is abruptly interrupted. These pulsations are clearly visible in signal S of a fast and modern air mass meter 6 , The engine control 8th However, a fast pulsating signal S of the air mass meter 6 do not process. Modern micromechanical air mass meter 6 However, they absorb this pulsation almost completely and convert it into an output signal S. For the engine control 8th is only the average air mass flow Q of interest, and only this value, the engine control 8th process, for example, the injection pump 13 and the injectors 12 to control accordingly. In addition, modern engine control units are controlled with a signal consisting of digital single pulses, wherein the time interval between the digital single pulses is taken as a measure of the air mass flow Q. In this time difference measurement, the time between the edge of a start signal and the edge of a stop signal is determined with a certain resolution. Whether the rising or falling edge is used depends on the electronics used in the motor control.

Sowohl die Pulsation im Luftmassenstrom Q als auch die Übertragung des Zeitsignals ΔS an die Motorsteuerung 8 beinhalten Fehlerquellen, sowohl aus elektronischen Rauschsignalen als auch aus den Kennlinien, die modernen mikromechanischen Luftmassenmessern 6 zu eigen sind. Diese Fehlerquellen verschlechtern zum Beispiel die Auflösung bei der Zeitdifferenz messung während der Übertragung des Zeitsignals ΔS an die Motorsteuerung 8.Both the pulsation in the air mass flow Q and the transmission of the time signal .DELTA.S to the engine control 8th contain sources of error, both from electronic noise signals and from the characteristic curves, the modern micromechanical mass air flow meters 6 to own. These sources of error, for example, degrade the resolution in the time difference measurement during the transmission of the time signal .DELTA.S to the motor controller 8th ,

Um dieser Problematik zu begegnen zeigt 2 einen Luftmassenmesser 6 mit einem Sensorelement 1 zur Erfassung eines Luftmassenstromes Q und zur Erzeugung eines Signals S. Bei dem Sensorelement handelt es sich um ein schnelles Sensorelement, das zum Beispiel in Mikrosystem(MEMS)-Technik gebaut ist. Der Luftmassenmesser 6 weist eine elektronische Schaltung 7 zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement 1 auf. Das Sensorelement 1 zeigt eine nichtlineare Signalkennlinie. Die Signalkennlinie 9 entspricht allen Signalen S, die zu den entsprechenden Luftmassenströmen Q vom Sensorelement 1 erzeugt werden können. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Luftmassenstrom Q und den Signalen S Sensorelements 1 wird spätern in 3 in dem Q-S-Diagramm des Sensorelementes 1 dargestellt.To counter this problem shows 2 an air mass meter 6 with a sensor element 1 for detecting an air mass flow Q and for generating a signal S. The sensor element is a fast sensor element constructed, for example, in microsystem (MEMS) technology. The air mass meter 6 has an electronic circuit 7 for processing the signal from the sensor element 1 on. The sensor element 1 shows a non-linear signal characteristic. The signal characteristic 9 corresponds to all signals S, to the corresponding air mass flows Q from the sensor element 1 can be generated. The non-linear relationship between the air mass flow Q and the signals S sensor element 1 will be in later 3 in the QS diagram of the sensor element 1 shown.

Die in 2 gezeigte elektronische Schaltung 7 beinhaltet zunächst ein Linearisierungselement 2 zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie 9 vom Sensorelement 1 in eine lineare Signalkennlinie 10. Das so erzeugte lineare Signal S wird dann an ein Filterelement 3 weitergegeben. Dieses Filterelement 3 integriert über das von dem Linearisierungselement 2 empfangene Signal S. Diese Integration erfolgt über die Zeit t. Damit wird im Filterelement 3 die Funktion Integral S(t) nach dt (∫S(t)dt) gebildet. Das Signal S ist hierbei genauso wie der Luftmassenstrom Q eine von der Zeit t abhängige Funktion. Das Integral ∫S(t)dt entspricht dem mittleren Luftmassenstrom Q, wobei nun die Pulsationen vom Filterelement 3 herausgefiltert wurden. Das so vom Filterelement 3 erzeugte Signal S wird dann einem Umwandlungselement 4 zur Umwandlung der linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9 zugeleitet. Das nun wieder nichtlineare Signal wird dann einem Weitergabeelement 5 zur Weitergabe der vom Sensorelement 1 erfassten und durch das Linearisierungs element 2, das Filterelement 3 und das Umwandlungselement 4 verarbeiteten Signal S zugeleitet. Vom Weitergabeelement 5 wird ein digitales Zeitsignal ΔS an die Motorsteuerung 8 gesendet. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Einzelpulsen dieses digitalen Zeitsignals ΔS entspricht dann dem vom Luftmassenmesser 6 mit dem Sensorelement 1 gemessenen und mit der elektronischen Schaltung 7 weiterverarbeiteten, insbesondere gemittelten, Signalwertes S für den Luftmassenstrom Q.In the 2 shown electronic circuit 7 initially contains a linearization element 2 for converting the non-linear signal characteristic 9 from the sensor element 1 in a linear signal characteristic 10 , The linear signal S thus generated is then applied to a filter element 3 passed. The this filter element 3 integrated via that of the linearization element 2 received signal S. This integration takes place over the time t. This will be in the filter element 3 the function integral S (t) is formed after dt (∫S (t) dt). The signal S is here as well as the air mass flow Q dependent on the time t function. The integral ∫S (t) dt corresponds to the mean air mass flow Q, where now the pulsations from the filter element 3 were filtered out. The so from the filter element 3 generated signal S is then a conversion element 4 for converting the linear signal characteristic 10 in a non-linear signal characteristic 9 fed. The now nonlinear signal then becomes a relay element 5 for passing the sensor element 1 detected and element through the linearization 2 , the filter element 3 and the conversion element 4 processed signal S supplied. From the passing element 5 A digital time signal ΔS is sent to the motor controller 8th Posted. The time interval between two individual pulses of this digital time signal ΔS then corresponds to that of the air mass meter 6 with the sensor element 1 measured and with the electronic circuit 7 further processed, in particular averaged, signal value S for the air mass flow Q.

Der in 2 gezeigte Luftmassenmesser 6 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung von Signalen betrieben werden. Dabei weist der Luftmassenmesser 6 ein Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstromes Q und zur Erzeugung eines Signals S auf. Weiterhin weist der Luftmassenmesser 6 eine elektronische Schaltung 7 zur Verarbeitung des Signals S vom Sensorelement 1 auf, wobei das Sensorelement 1 eine nichtlineare Signalkennlinie 9 erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst die Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie 9 vom Sensorelement 1 in eine lineare Signalkennlinie 10. Dann erfolgt die Filterung der linearen Signalkennlinie 10 zum Beispiel in einer Integration über die Funktion ∫S(t)dt, wobei der mittlere Luftmassenstrom Q ermittelt wird. Dann erfolgt eine Umwandlung der gefilterten linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9, wonach eine Weitergabe der von dem Sensorelement 1 erfassten und durch das Linearisierungselement 2, das Filterelement 3 und das Umwandlungselement 4 verarbeiteten Signale erfolgt.The in 2 shown air mass meter 6 can be operated with the inventive method for processing signals. In this case, the air mass meter 6 a sensor element for detecting an air mass flow Q and for generating a signal S. Furthermore, the air mass meter 6 an electronic circuit 7 for processing the signal S from the sensor element 1 on, wherein the sensor element 1 a non-linear signal characteristic 9 generated. In the method according to the invention, the conversion of the non-linear signal characteristic first takes place 9 from the sensor element 1 in a linear signal characteristic 10 , Then the filtering of the linear signal characteristic takes place 10 for example, in an integration via the function ∫S (t) dt, wherein the average air mass flow Q is determined. Then a conversion of the filtered linear signal characteristic takes place 10 in a non-linear signal characteristic 9 , after which a transfer of the from the sensor element 1 detected and by the linearization element 2 , the filter element 3 and the conversion element 4 processed signals takes place.

3 zeigt schematisch die Bestandteile des erfindungsgemäßen Luftmassenmessers 6 mit ihren Funktionen. Zunächst ist das Sensorelement 1 zu erkennen, das in der Regel in MEMS-Technologie (Mikrosystem-Technologie) aufgebaut ist und den Luftmassenstrom Q erfasst. Das Sensorelement 1 und die elektronische Schaltung 7 sind auf einem einzigen Halbleiterelement ausgebildet. 3 schematically shows the components of the air mass meter according to the invention 6 with their functions. First is the sensor element 1 which is usually built in MEMS technology (micro-system technology) and the air mass flow Q detected. The sensor element 1 and the electronic circuit 7 are formed on a single semiconductor element.

Das schnelle Sensorelement 1 erzeugt eine nichtlineare Signalkennlinie 9, die im dazugehörigen Luftmassenstrom Q-Signal S-Diagramm dargestellt ist. Diese nichtlineare Signalkennlinie 9 wird vom Linearisierungselement 2 elektronisch linearisiert, wobei wir den vom Sensorelement 1 erzeugten Signalraum verlassen und uns zurück in den realen Luftmassenstromraum begeben. Das neben dem Linearisierungselement 2 gezeigte Diagramm des Luftmassenstromes Q und des Signals S zeigt eine lineare Kennlinie. Auf dieser linearen Kennlinie kann das Filterelement 3 elektronisch integrieren und das Integral ∫S(t)dt bilden, womit ein mittlerer Luftmassenstrom Q ermittelt wird und die im Luftansaugrohr 14 vorhandenen Pulsationen heraus gefiltert werden. Nach dem Filterelement 3 ist das Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signalkennlinie 9 zu erkennen. Die nichtlineare Signalkennlinie 9 wird wiederum elektronisch vom Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signalkennlinie 9 erzeugt. Ausgehend von dieser nichtlinearen Signalkennlinie 9 erzeugt das Weitergabeelement 5 ein elektronisches Zeitsignal ΔS, das der Motorsteuerung 8 zugeführt wird. Neben dem elektronischen Weitergabeelement 5 ist das Zeitsignal ΔS zu erkennen, das von dem Weitergabeelement 5 erzeugt wird. Die obere Funktion zeigt die ideale Signalkennlinie, aus der ein scharfes Zeitsignal ΔS an die Motorsteuerung 8 übermittelt werden könnte. Leider sind die Zeitsignale in der Realität immer elektronisch verrauscht, was in dem unteren Zeitsignal ΔS dargestellt ist. Durch das elektronische Rauschen wird dem Zeitsignal ΔS ein Fehler von +–ΔT hinzugefügt, der an die Motorsteuerung 8 weitergegeben wird. Um diesen Fehler ΔT möglichst gering zu halten, erfolgte die Umwandlung der linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9 mit dem Element 4 zur Erzeugung der nichtlinearen Signalkennlinie 9. Die Problematik der Fehlerfortpflanzung beim den einzelnen Signalen S und beim Zeitsignal ΔS wird später erläutert.The fast sensor element 1 generates a non-linear signal characteristic 9 , which is shown in the associated air mass flow Q signal S diagram. This nonlinear signal characteristic 9 is from the linearization element 2 linearized electronically, taking the from the sensor element 1 leave the signal space generated and go back into the real air mass flow space. This is next to the linearization element 2 shown diagram of the air mass flow Q and the signal S shows a linear characteristic. On this linear characteristic, the filter element 3 integrate electronically and form the integral ∫S (t) dt, whereby a mean air mass flow Q is determined and in the air intake pipe 14 existing pulsations are filtered out. After the filter element 3 is the element 4 for generating a non-linear signal characteristic 9 to recognize. The non-linear signal characteristic 9 in turn is electronically from the element 4 for generating a non-linear signal characteristic 9 generated. Based on this non-linear signal characteristic 9 creates the relay element 5 an electronic time signal ΔS, the engine control 8th is supplied. In addition to the electronic transfer element 5 is the time signal .DELTA.S to recognize that of the relay element 5 is produced. The upper function shows the ideal signal characteristic, from which a sharp time signal ΔS to the motor control 8th could be transmitted. Unfortunately, in reality, the time signals are always electronically noisy, as shown in the lower time signal ΔS. The electronic noise adds to the time signal ΔS an error of + -ΔT, which is sent to the motor control 8th is passed on. In order to keep this error ΔT as low as possible, the conversion of the linear signal characteristic was carried out 10 in a non-linear signal characteristic 9 with the element 4 for generating the non-linear signal characteristic 9 , The problem of error propagation in the individual signals S and in the time signal ΔS will be explained later.

In der Figurenfolge 4 und 5 soll die Problematik näher erläutert werden, die entsteht, wenn schnelle, in MEMS-Technologie gefertigte, Sensorelemente 1 einen im Luftansaugrohr 14 pulsierenden Luftmassenstrom Q messtechnisch erfassen.In the sequence of figures 4 and 5 The problem will be explained in more detail, which arises when fast, manufactured in MEMS technology, sensor elements 1 one in the air intake pipe 14 Measure the pulsating air mass flow Q metrologically.

In 4a ist der im Luftansaugrohr 14 pulsierende Luftmassenstrom Q in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Beispielhaft ist hier eine ideale sinusförmige Pulsation gezeigt. Der reale Luftmassenstrom Q bewegt sich hier also im Luftansaugrohr 14 zwischen einem Maximalwert Q_max und einem Minimalwert 0, der dann eintritt, wenn alle Lufteinlassventile des Verbrennungsmotors 11 geschlossen sind, und der Luftmassenstrom Q im Luftansaugrohr 14 zum Stillstand kommt. Für die Motorsteuerung 8 ist jedoch nur der gemittelte Luftmassenstrom Q von Interesse. Um den Mittelwert des Luftmassenstromes Q zu bilden, muss das Integral über die Funktion Q(t) verschwinden, also gleich Null werden. Dies ist in 4a dargestellt, indem die schraffierten Flächen zwischen t₁ und t₂ mit entgegengesetztem Vorzeichen gleich groß sind. Diese Integration kann aber nicht direkt am Luftmassenstrom Q(t) vorgenommen werden, sondern nur an dem vom Sensorelement 1 erzeugten Signal S(t). Die typische Signalkennlinie eines schnellen in MEMS-Technologie gefertigten Sensorelementes 1 ist in 4b dargestellt. Im Luftmassenstrom-Q-Signal-S-Diagramm ist die nichtlineare Signalkennlinie 9 deutlich zu erkennen. Nach der Umsetzung des in 4a dargestellten Luftmassenstromes Q(t) mit dem nichtlinearen Sensorelement 1 nach der in 4b dargestellten Signalkennlinie 9 erhält man das in 4c dargestellte zeitabhängige Signal S(t). Durch die nichtlineare Signalkennlinie 9 weicht die Funktion S(t) nun deutlich von der idealen Sinusform ab. Dies wird in 4c dargestellt. Auch hier ist dargestellt, dass die Flächen unter den zwei Halbwellen des periodischen Signals mit entgegengesetztem Vorzeichen gleich groß sein sollen, um den Mittelwert über das periodische Signal zu bilden. Die Integration von t₁ bis t₂ über ∫S(t)dt ist demnach Null. Dies ist in der durchgehenden horizontalen Linie in 4c dargestellt. Weiterhin ist zu erkennen, dass diese Mitteiwertlinie nun gegenüber dem realen Mittelwert durch die nichtlinea re Signalkennlinie 9 um den Wert δS angehoben wurde. δS stellt den Fehler dar, der sich aus der Nichtlinearität des schnellen, in MEMS-Technologie gefertigten, Sensorelementes 1 ergibt. Diesen Fehler gilt es zu vermeiden. Dazu ist in 5a wiederum die ideale, sinusförmige Funktion Q(t) für den von der Zeit abhängigen Luftmassenstrom Q im Luftansaugrohr 14 dargestellt. Für die Mittelwertbildung im Luftmassenraum gilt wiederum, dass das Integral t1 bis t2 ∫Q(t)dt gleich Null werden muss. Zur Umsetzung des realen Luftmassenstromes Q mithilfe des Sensorelementes 1 in ein Signal S wird, wie schon aus 4b bekannt, die in 5b dargestellte nichtlineare Signalkennlinie 9 eingesetzt. Erfindungsgemäß wird diese nichtlineare Signalkennlinie 9 dann von einem Linearisierungselement 2 in eine lineare Signalkennlinie 10 umgesetzt. Den Übergang von der nichtlinearen Signalkennlinie 9 zur linearen Signalkennlinie 10 kann für jeden im Messbereich des Sensorelementes 1 liegenden Luftmassenstrom Q und jeden im Messbereich liegenden Rohrquerschnitt, entsprechend der Anforderungen der Nutzer des Luftmassenmessers mithilfe eines Kennfeldes angepasst werden. Dieses Kennfeld kann in einem elektronischen Speicher im Linearisierungselement 2 abgelegt sein. Wenn man nun nach der Linearisierung des nichtlinearen Signals S mithilfe des Filterelementes 3 eine elektronische Integration ∫S(t)dt über die Signalfunktion S(t) vornimmt erhält man keinerlei Abweichung des Mittelwertes von dem im realen Luftmassenraum vorliegenden Mittelwert für den Luftmassenstrom Q. Der durch die nichtlineare Sensorkennlinie 9 des Sensorelementes 1 entstehende Integrationsfehler wurde durch die Linearisierung des Signals mit dem Linearisierungselement 2 ausgemerzt. Der so ermittelte Messwert für den mittleren Luftmassenstrom Q muss jedoch in Form eines Zeitsignals an die Motorsteuerung 8 weitergegeben werden. Da sich das elektronische Rauschen im Zeitsignal besonders bei kleinen Signalwerten für den Luftmassenstrom Q deutlich bemerkbar macht, ist die Umwandlung der linearen Signalkennlinie nach 5c nach der Ausführung der Integration durch das Filterelement 3 durch das Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signalkennlinie 10 notwendig. Diese nun wieder nichtlineare Signalkennlinie eignen sich besonders gut, um ein zeitabhängiges Signal, das proportional zum Luftmassenstrom Q in dem Luftansaugrohr 14 ist, an die Motorsteuerung 8 weiterzugeben, ohne einen großen Fehler ΔT im Zeitsignal ΔS zu erzeugen.In 4a is in the air intake pipe 14 pulsating air mass flow Q as a function of the time t shown. By way of example, an ideal sinusoidal pulsation is shown here. The real air mass flow Q thus moves here in the air intake pipe 14 between a maximum value Q _max and a minimum value 0, which then occurs when all the air intake valves of the internal combustion engine 11 are closed, and the air mass flow Q in the air intake pipe 14 comes to a standstill. For the engine control 8th however, only the average air mass flow Q is of interest. In order to form the mean value of the air mass flow Q, the integral must disappear via the function Q (t), ie equal to zero. This is in 4a represented by the hatched areas between t ₁ and t _{2 are} opposite in magnitude with the same sign. However, this integration can not be made directly on the air mass flow Q (t), but only on that of the sensor element 1 generated signal S (t). The typical signal characteristic of a fast sensor element made in MEMS technology 1 is in 4b shown. In the air mass flow Q signal S diagram is the non-linear signal characteristic 9 clearly visible. After the implementation of in 4a shown air mass flow Q (t) with the non-linear sensor element 1 after the in 4b represented signal characteristic 9 you get that in 4c shown time-dependent signal S (t). Due to the non-linear signal characteristic 9 The function S (t) now deviates significantly from the ideal sinusoidal shape. This will be in 4c shown. Again, it is shown that the areas under the two half-waves of the periodic signal of opposite sign should be equal in size to form the average over the periodic signal. The integration of t ₁ to t ₂ over ∫S (t) dt is therefore zero. This is in the solid horizontal line in 4c shown. Furthermore, it can be seen that this mean value line is now compared to the real mean value by the non-linear signal characteristic 9 was raised by the value δS. δS represents the error resulting from the nonlinearity of the fast sensor element fabricated using MEMS technology 1 results. This error should be avoided. This is in 5a again the ideal, sinusoidal function Q (t) for the time dependent air mass flow Q in the air intake pipe 14 shown. For averaging in the air mass space, again, the integral t1 to t2 ∫Q (t) dt must be equal to zero. To implement the real air mass flow Q using the sensor element 1 into a signal S, as already out 4b known in 5b illustrated non-linear signal characteristic 9 used. According to the invention, this non-linear signal characteristic 9 then from a linearization element 2 in a linear signal characteristic 10 implemented. The transition from the non-linear signal characteristic 9 to the linear signal characteristic 10 can be for anyone in the measuring range of the sensor element 1 air mass flow Q and any pipe cross-section in the measuring range, according to the requirements of the users of the mass air flow sensor can be adjusted using a map. This map can be stored in an electronic memory in the linearization element 2 be filed. If one now after the linearization of the nonlinear signal S using the filter element 3 an electronic integration ∫S (t) dt via the signal function S (t) makes no deviation of the mean value of the present in the real air mass space average for the air mass flow Q. By the non-linear sensor characteristic 9 of the sensor element 1 The resulting integration error was caused by the linearization of the signal with the linearization element 2 eradicated. However, the measured value for the mean air mass flow Q thus determined must be in the form of a time signal to the engine control 8th be passed on. Since the electronic noise in the time signal, especially at low signal values for the air mass flow Q makes clearly noticeable, the conversion of the linear signal characteristic is after 5c after performing the integration through the filter element 3 through the element 4 for generating a non-linear signal characteristic 10 necessary. This again non-linear signal characteristic is particularly well suited to a time-dependent signal, which is proportional to the air mass flow Q in the air intake pipe 14 is, to the engine control 8th pass without generating a large error ΔT in the time signal ΔS.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19724659 A1 [0003]

Claims

Air mass meter ( 6 ) with a sensor element ( 1 ) for detecting an air mass flow (Q) and for generating a signal (S) and with an electronic circuit ( 7 ) for processing the signal (S) from the sensor element ( 1 ), wherein the sensor element ( 1 ) a non-linear signal characteristic ( 9 ), characterized in that the electronic circuit ( 7 ) first a linearization element ( 2 ) for converting the non-linear signal characteristic ( 9 ) from the sensor element ( 1 ) into a linear signal characteristic ( 10 ), then a filter element ( 3 ), then a conversion element ( 4 ) for converting the linear signal characteristic ( 10 ) into a non-linear signal characteristic ( 9 ) and then a relay element ( 5 ) for passing the sensor element ( 1 ) and by the linearization element ( 2 ), the filter element ( 3 ) and the conversion element ( 4 ) has processed signals (S).

Air mass meter ( 6 ) according to claim 1, characterized in that the sensor element ( 1 ) and the electronic circuit ( 7 ) are formed on a single semiconductor element.

Air mass meter ( 6 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor element ( 1 ) and the electronic circuit ( 7 ) are manufactured in microsystem technology.

Method for processing signals (S) of an air mass meter ( 6 ), the air mass meter ( 6 ) a sensor element ( 1 ) for detecting an air mass flow (Q) and for generating a signal (S) and an electronic circuit ( 7 ) for processing the signal (S) from the sensor element ( 1 ), wherein the Sen sorelement ( 1 ) a non-linear signal characteristic ( 9 ), characterized in that first the conversion of the non-linear signal characteristic ( 9 ) from the sensor element ( 1 ) into a linear signal characteristic ( 10 ), then a filtering of the linear signal characteristic ( 10 ), then a conversion of the filtered linear signal characteristic ( 10 ) into a non-linear signal characteristic ( 9 ) and then a transfer of the from the sensor element ( 1 ) and by the linearization element ( 2 ), the filter element ( 3 ) and the conversion element ( 4 ) processed signals (S) takes place.