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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Ein Luftmassenmesser kann einem Luftfilter in einem Luftsystem eines Fahrzeugs nachgeschaltet sein, um eine genaue Bestimmung eines Luftmassenstroms vorzunehmen. Als Messelemente werden üblicherweise mikromechanische, siliziumbasierte Sensorelemente verwendet. In bestimmten Betriebszuständen kann es dazu kommen, dass sich Ölkondensat auf dem Sensorelement bildet, was zu Fehlmessungen führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Luftmassensensorsystem für ein Fahrzeug sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Vergleichen eines Messwerts, der einen von dem Sensorelement gemessenen Luftmassenstrom repräsentiert, mit einem Vergleichswert, der einen vorgegebenen Mindestluftmassenstrom repräsentiert; und
- Erzeugen eines Einschaltsignals zum Einschalten des Heizelements abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens.
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Unter einem Heizelement kann beispielsweise eine Chipheizung, beispielsweise in Form einer Widerstandsheizung, verstanden werden. Unter einem Sensorelement kann beispielsweise ein mikromechanisches Sensorelement zum Messen eines Luftmassenstroms verstanden werden. Unter einem Luftmassensensor kann beispielsweise ein im Ansaugsystem eines Diesel- oder Ottomotors des Fahrzeugs platzierter Heißfilm- oder Hitzdrahtluftmassenmesser verstanden werden. Der Vergleichswert kann einen fest vorgegebenen Wert oder einen beispielsweise in Abhängigkeit vom Vorhandensein bestimmter Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchte oder -druck variierbaren Wert repräsentieren.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Sensorelement eines Luftmassensensors eines Fahrzeugs ohne Zuhilfenahme einer externen Steuerung oder Aktivierung von Gegenmaßnahmen vor Kontamination wie etwa Ölkondensat oder Tau geschützt werden kann, indem ein vom Sensorelement gemessener Luftmassenstrom kontinuierlich mit einem Schwellenwert verglichen wird und bei Unterschreiten des Schwellenwerts ein Heizelement zum Beheizen des Sensorelements aktiviert wird. Somit kann die Bildung von Kondensat am Sensorelement frühzeitig verhindert werden. Dabei können zusätzliche Kommunikationsleitungen für eine externe Steuerung durch ein Steuergerät des Fahrzeugs vorteilhafterweise entfallen.
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Ein derartiger Kontaminationsschutz insbesondere mikromechanischer Sensorelemente mittels einer automatisiert ansteuerbaren integrierten Chipheizung bietet den Vorteil, dass kritische Betriebszustände bezüglich Kontamination durch einen entsprechenden Algorithmus frühzeitig und zuverlässig erkannt werden können. Durch eine entsprechend frühzeitige Aktivierung einer Schutzfunktion, durch die das Sensorelement erwärmt wird, können Messfehler bei der Luftmassenstrommessung wirksam verhindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Erzeugens das Einschaltsignal erzeugt werden, wenn sich beim Vergleichen ergibt, dass der Messwert kleiner als der Vergleichswert ist. Dadurch kann die Gefahr einer möglichen Kontamination des Sensorelements durch Ölnebel, der beispielsweise durch Belüftung eines Kurbelgehäuses des Fahrzeugs zum Luftmassensensor gelangen kann, deutlich verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Erzeugens das Einschaltsignal erzeugt werden, wenn sich beim Vergleichen ergibt, dass der Messwert zumindest für eine vorgegebene Mindestdauer kleiner als der Vergleichswert ist. Beispielsweise kann die Mindestdauer zwischen 10 und 200 Millisekunden liegen. Dadurch kann ein unnötiges Einschalten des Heizelements, beispielsweise infolge eines kurzzeitigen Unterschreitens des Schwellenwerts, verhindert werden, was die Effizienz des Verfahrens erhöht.
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Es ist vorteilhaft, wenn im Schritt des Erzeugens ein Sensorausschaltsignal zum Ausschalten des Sensorelements erzeugt wird, wenn das Einschaltsignal erzeugt wird. Dadurch kann die Luftmassenmessung beim Erwärmen des Sensorelements unterbrochen werden, womit fehlerhafte Messergebnisse vermieden werden können. Speziell ist eine periodische Überwachung der Luftmasse denkbar. Allerdings sollte in diesem Fall dann sichergestellt sein, dass in passenden Abständen das Sensorelement eingeschaltet wird.
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Des Weiteren kann im Schritt des Erzeugens ein Heizungsausschaltsignal zum Ausschalten des Heizelements erzeugt werden, wenn sich beim Vergleichen ergibt, dass der Messwert größer als der Vergleichswert ist. Dadurch kann das Heizelement abhängig vom gemessenen Luftmassenstrom automatisch ein- und ausgeschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in einem Schritt des Aufbereitens ein von dem Sensorelement erzeugtes und den Luftmassenstrom repräsentierendes Sensorsignal aufbereitet werden, um den Messwert zu erhalten. Dabei kann das Sensorsignal tiefpassgefiltert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Messwert anhand einer Mittelung, einer Standardabweichung oder eines Maximums des Sensorsignals oder auch anhand einer Kombination aus zumindest zwei der genannten Berechnungsmethoden ermittelt werden. Durch diese Ausführungsform kann eine hohe Robustheit des Verfahrens sichergestellt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn im Schritt des Vergleichens der Messwert und/oder ein weitere Messwert mit zumindest einem weiteren Vergleichswert, der eine andere Messgröße als der Vergleichswert repräsentiert, verglichen wird. Dementsprechend kann im Schritt des Erzeugens das Einschaltsignal abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens des Messwerts mit dem weiteren Vergleichswert erzeugt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden. Als weiterer Messwert kann beispielsweise ein die Sensorelementtemperatur betreffenden Messwert verstanden werden. Beispielsweise kann auch abhängig vom HFM der Sensortemperaturfühler (Rlf), der Drucksensor oder auch der Temperaturfühler (NTC) den Messwert liefern.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Schritt des Vergleichens der Messwert mit einem einen Luftdruck repräsentierenden Wert als dem weiteren Vergleichswert verglichen wird. Dadurch kann eine größtmögliche Zuverlässigkeit des Verfahrens gewährleistet werden. Speziell kann eine Drucksignalüberwachung ebenfalls auf eine Änderung der Luftmassenströmung hindeuten, wobei hier speziell als Voraussetzung eine schnelle Abtastung sowie eine ausreichende Auflösung des Drucksensorsignals günstig ist.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung des Fahrzeugs. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Luftmassensensorsystem für ein Fahrzeug, wobei das Luftmassensensorsystem folgende Merkmale aufweist:
- einen Luftmassensensor mit einem Sensorelement zum Messen eines Luftmassenstroms und einem Heizelement zum Beheizen des Sensorelements; und
- eine Vorrichtung gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugluftsystems mit einem Luftmassensensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Luftmassensensors aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines Sensorelements aus 2;
- 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugluftsystems 100 mit einem Luftmassensensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrzeugluftsystem 100 umfasst einen Luftfilter 104, durch den Luft in das Fahrzeugluftsystem 100 eingesaugt wird. Der Luftmassensensor 102, hier beispielhaft als Heißfilmluftmassenmesser realisiert, ist dem Luftfilter 104 nachgeschaltet und ausgebildet, um einen über den Luftfilter 104 eingesaugten Luftmassenstrom zu erfassen. Der Luftmassenstrom wird über einen Verdichter eines Variable-Turbinengeometrie-Laders 106 verdichtet und gelangt von dort in einen Ladeluftluftkühler 108. Der Ladeluftluftkühler 108 ist ausgangsseitig mit einem Lufteinlass eines Motors 110 des Fahrzeugs verbunden. Eine Drosselklappe 112 ist ausgebildet, um den aus dem Ladeluftluftkühler 108 ausströmenden Luftmassenstrom zu steuern. Ein Luftauslass des Motors 110 ist über einen Abgasrückführungskühler 114 mit nachgeschaltetem Abgasrückführungsventil 116 mit dem Lufteinlass koppelbar. Die vom Motor 110 ausgestoßenen Abgase gelangen zurück zum Variable-Turbinengeometrie-Laders 106, wo sie eine Turbine antreiben, die auf der gleichen Welle wie der Verdichter sitzt und diesen somit antreibt. Ein weiterer Abgasrückführungskühler 118 mit nachgeschaltetem weiterem Abgasrückführungsventil 120 dient zur Abgasrückführung zwischen einer Turbinenseite und einer Verdichterseite des Variable-Turbinengeometrie-Laders 106. Ein nicht rückgeführter Anteil der Abgase gelangt über eine Abgasklappe 122 in eine Auspuffanlage 124 des Fahrzeugs.
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Der Luftmassensensor 102 ist Teil eines Luftmassensensorsystems 126 mit einer Vorrichtung 128, die mit dem Luftmassensensor 102 gekoppelt ist, um ein vom Luftmassensensor 102 erzeugtes Sensorsignal 130, das einen von einem beispielsweise mikromechanischen Sensorelement des Luftmassensensors 102 gemessenen Luftmassenstrom repräsentiert, zu empfangen und unter Verwendung des Sensorsignals 130 den gemessenen Luftmassenstrom mit einem vorgegebenen Mindestluftmassenstrom zu vergleichen. Unterschreitet der gemessene Luftmassenstrom den Mindestluftmassenstrom, so erzeugt die Vorrichtung 128 ein Einschaltsignal 132 zum Einschalten einer Chipheizung, durch die das Sensorelement zur Vermeidung von Kondensatbildung erwärmt werden kann.
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Die Vorrichtung 128 dient dazu, die für eine Kontamination des Sensorelements kritischen Betriebsbedingungen zu identifizieren und die Chipheizung automatisiert zu aktivieren. Kritische Betriebsbedingungen herrschen vorwiegend im Abstellfall des Motors 110 oder wenn keine Luft durch das Luftfiltersystem in Richtung des Brennraums des Motors 110 angesaugt wird. In diesem Fall können schädliche Gase wie etwa Ölnebel aus einer Kurbelgehäuselüftung, auch Blow-By genannt, oder aus der Abgasrückführungseinleitung zum Sensorelement gelangen und dieses kontaminieren. Die Kondensation von Ölnebel am Sensorelement kann durch automatisches Erwärmen des Sensorelements bei erkanntem niedrigem oder nicht vorhandenem (etwa bei abgestelltem Motor) Luftmassenstrom wirksam verhindert werden. Dementsprechend ist die Vorrichtung 128 beispielsweise ausgebildet, um die Chipheizung bei abgestelltem Motor oder nicht vorhandenem Luftmassenstrom zu aktivieren. Bei der Vorrichtung 128 handelt es sich beispielsweise um ein Steuergerät des Fahrzeugs.
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Die kritischen Betriebsbedingungen zeichnen sich durch einen sehr geringen oder nicht vorhandenen Luftmassenstrom aus. Sobald der gemessene Luftmassenstrom eine zuvor definierte Luftmassenschwelle, insbesondere für eine definierte Mindestdauer, unterschreitet, schaltet die Vorrichtung 128 die Chipheizung ein. Je nach Ausführungsbeispiel erfolgt die Aktivierung der Chipheizung hierbei entweder ohne oder mit Abschaltung der Luftmassenmessung. Bei gleichzeitiger Abschaltung der Luftmassenmessung wird der Luftmassenstrom beispielsweise periodisch mittels des Sensorelements überwacht.
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Optional wird bei Aktivierung der Chipheizung eine entsprechende Aktivierungsinformation erzeugt und an einen Empfänger der Luftmassenmessdaten gesendet, etwa an ein Steuergerät des Fahrzeugs.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein mittels der Vorrichtung 128 ausgeführter Erkennungsalgorithmus folgenden Ablauf auf.
- 1. Messung der Luftmasse.
- 2. Filterung des Sensorsignals 130, beispielsweise mittels eines Tiefpassfilters.
- 3. Berechnung einer (gemittelten) Luftmasse oder auch weiterer Kenngrößen wie beispielsweise Standardabweichung oder Maximum der Luftmasse während einer gewissen Zeit.
- 4. Bewertung der Luftmasse oder der abgeleiteten Kenngrößen, beispielsweise über einen definierten Schwellenwert oder eine Kombination aus mehreren Parametern wie etwa Schwellenwert und Luftdruck. Hierzu weist der Luftmassensensor 102 einen entsprechenden Drucksensor auf.
- 5. Einschalten der Chipheizung.
- 6. Kontinuierliche oder periodische Überwachung der Luftmasse oder auch weiterer Signale.
- 7. Ausschalten der Chipheizung.
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Kriterien für das Ausschalten der Chipheizung sind beispielsweise ein Überschreiten eines definierten Luftmassenschwellenwertes oder ein Überschreiten definierter Werte wie aktuelle Luftmasse, Luftdruck, Anfangstemperatur des Sensorelements, aktuelle Temperatur des Sensorelements oder auch ein Überschreiten von zumindest zwei der genannten Messgrößen. Alternativ erfolgt das Ausschalten der Chipheizung mittels Zeitsteuerung, d. h. nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeit.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftmassensensors 102 aus 1. Der Luftmassensensor 102 ist als Einsteckfühler realisiert und umfasst ein Sensorgehäuse 200 mit einem Bypasskanal 202 zum Leiten von Luft zu einem mikromechanischen Sensorelement 204 zum Erfassen des Luftmassenstroms und ein elektronisches Modul 206 zur Signalverarbeitung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorelements 204 eines Luftmassensensors aus 2. Gezeigt sind ein mit dem Sensorelement 204 thermisch gekoppeltes Heizelement 300, das als Chipheizung zum Beheizen des Sensorelements 204 fungiert, etwa um Ölkondensat auf dem Sensorelement 204 zu verhindern, ein Temperaturfühler 302 zum Erfassen der Temperatur des Sensorelements 204 sowie eine Sensormembran 304 des Sensorelements 204.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 128 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung 128 umfasst eine Vergleichseinheit 410 zum Vergleichen eines unter Verwendung des Sensorsignals 130 ermittelten und den vom Sensorelement gemessenen Luftmassenstrom repräsentierenden Messwerts mit einem Vergleichswert, der den vorgegebenen Mindestluftmassenstrom repräsentiert. Die Vergleichseinheit 410 stellt einen ein Ergebnis des Vergleichs repräsentierenden Ergebniswert 412 bereit, der von einer Erzeugungseinheit 420 der Vorrichtung 128 zur Erzeugung des Einschaltsignals 132 verarbeitet wird.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug kann beispielsweise von einer vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 510 der den vom Sensorelement gemessenen Luftmassenstrom repräsentierende Messwert mit dem Vergleichswert verglichen. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird in einem weiteren Schritt 520 das Einschaltsignal zum Einschalten des Heizelements erzeugt, insbesondere wenn im Schritt 510 festgestellt wurde, dass der Messwert einen geringeren Luftmassenstrom als der Vergleichswert repräsentiert.
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Die Schritte 510, 520 können fortlaufend bei laufendem oder abgestelltem Motor des Fahrzeugs ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
