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Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmesser
kommen zum Beispiel in Kraftfahrzeugen zum Einsatz, wie zum Beispiel
im Ansaug- bzw. im Ladetrakt der Verbrennungskraftmaschine. Beim
chemischen Vorgang der Verbrennung kommt es auf die Massenverhältnisse
von Kraftstoff und zur Verbrennung benötigter Luft in hohem Maße an. Daher
wird im Ansaugtrakt/Ladetrakt der Verbrennungskraftmaschine der Massendurchfluß der Ansaugluft/Ladeluft
bestimmt. Neben volumen- oder staudruckmessenden Verfahren kommen
auch den Massen-Durchfluß des
Luftstromes messende Verfahren zur Anwendung.
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Im
Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen werden heute zum Teil
auch nach dem thermischen Prinzip arbeitende mikromechanische Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmesser
eingesetzt. Diese bauen sehr klein und beanspruchen wenig Bauraum. Heiz-
und Meßwiderstände sind
bei diesen sehr kleinbauenden Durchflußmessern als dünne Pt-Schichten
auf einem Chip, der aus Silicium bestehen kann und als Träger dient,
aufgebracht. Auf dem Chip wird bei solcherart ausgebildeten Durchflußmessern
zur thermischen Entkopplung ein mechanisch ausgedünnter Bereich
in Form einer Trägermembran
aufgebracht. Der Chip wird durch Zersägen eines Siliciumwafers hergestellt.
Der Chip umfaßt
einen Siliciumrahmen gegebenenfalls unter Ausbildung von Auflagern
und eine Meßmembran
mit Meßwiderständen und
Heizwiderständen.
Der mittlere Flächenbereich
der Membran stellt das Meßelement
dar.
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Ein
Heizwiderstand des Durchflußmessers wird
durch einen oder mehrere eng benachbart untergebrachte Heiztemperatursensoren
sowie einen Lufttemperatursensor, der sich in einem Randbereich des
Si-Chips mit größerer Materialstärke befindet, geregelt.
Bei diesen Heiß film-Luftmassen-Durchflußmessern
wird nicht der Heizstrom als Ausgangssignal genutzt, sondern die
von zwei Temperatursensoren festgestellte Temperaturdifferenz des
zu messenden gasförmigen
Mediums, wie zum Beispiel die Verbrennungsluft. Einer der Temperatursensoren
liegt vor, d.h. stromaufwärts
und einer der Temperatursensoren liegt hinter dem Heizwiderstand
in Strömungsrichtung
des zu messenden Gasstroms gesehen. Im Gegensatz zum Heizstrom gibt
diese Ausgangsgröße den Durchfluß vorzeichenrichtig
wieder, wenn auch in nicht linearer Weise.
DE 29 27 378 C2 bezieht
sich auf eine Einrichtung zum frei brennen eines zu Messzwecken
dienenden Widerstandes. Ein beheizbares Element innerhalb einer
Verbrennungskraftmaschine ist als Hitzdraht bzw. als Hitzfilm ausgebildet
und wird über
ein Steuergerät
oder eine Steuereinrichtung periodisch intervallweise oder impulsweise
bestromt.
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Aus
DE 38 72 715 D2 ist
ein auf Silizium basierender Massen-Luftstromsensor bekannt. Gemäß dieser
Lösung
ist ein Messelement in Form von Widerstandsfilmen auf dünnen Membranmaterialien aufgetragen,
welche schwingfähig
angeordnet sind.
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Aus
JP 11287681 A ist
ein Ultraschall-Durchflussmesser bekannt. Mittels einer Durchflussmesseinrichtung
wird die Durchwanderungszeit einer Ultraschallwelle gemessen, innerhalb
der die Ultraschallwelle durch eine Messpassage eines Ultraschallsensors
hindurchtritt. Da sich die Durchwanderungszeit abhängig von
der Fliessgeschwindigkeit des zu messenden Fluides verhält, wird
innerhalb der Durchflussmesseinrichtung die Durchflussrate durch Bestimmung
der Fliessgeschwindigkeit des zu messenden Fluides und der Durchwanderungszeit
bestimmt und dieses mit einem Flächenanteil
der Messpassage multipliziert. Ein Steuerteil erzeugt ein Ausgangssignal
zu einer Schwingungssteuerungseinrichtung, welche eine Schwingeinrichtung
betätigt. Die
Schwingung eines Motors der Schwingeinrichtung wird an den Ultraschallsensor
durch die Messpassage übertragen.
Im Ultraschallsensor werden durch diese Vibrationen Staub- oder
Wassertröpfchen,
die sich auf dessen Oberfläche
befinden, abgeschüttelt,
so dass die Ablagerungen auf der Oberfläche des Ultraschallsensors
entfernt werden und die Durchflussmessung präziser und stabiler erfolgen kann.
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Bei
Applikationen eines mikromechanischen Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmessers
kann es unter bestimmten Umständen
zu einer Kontamination des Meßchips
mit Wasser, Staubpartikeln oder im Falle des Einsatzes an einer
Verbrennungskraftmaschine mit Motoröl kommen. Diese Kontaminationen können das
Meßsignal
des Sensorelementes so stark beeinflussen, daß es nicht mehr im Bereich
der spezifizierten Toleranzen liegt und ein vorzei tiger Austausch
des Meßelementes
oder des gesamten Gerätes
erforderlich werden kann. Bei beengten Bauraumverhältnissen
an Verbrennungskraftmaschinen, die zu einer geringen Entfernung
zwischen der Mündungsstelle
einer Kurbelgehäuseentlüftung in den
Ansaugtrakt und der Position des Heißfilm-Luftmassen-Messers führen, wird
versucht, eine Kontamination des Sensorelementes des Heißfilm-Luftmassen-Messers
durch anströmseitige
Abweisegitter und abströmseitige Ölkondensationsgitter
zu erreichen. Mit diesen Maßnahmen
läßt sich
zwar eine Robustheitssteigerung des Meßelementes des Heißfilm-Luftmassen-Messers
erreichen, die jedoch eine Kennliniendrift am Meßelement des Heißfilm-Luftmassen-Messers
aufgrund von Verschmutzung durch Ölbeaufschlagung nicht völlig auszuschließen vermag.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einer
periodischen, intervallweise erfolgenden Bestromung eines Heizelementes
des Sensorelementes läßt sich
die als Träger
dienende Membran, wie zum Beispiel eine dielektrische Membran von Kontaminationen,
wie anhaftenden Staubpartikeln, Motorölrückständen, Wassertröpfchen und
dergleichen auf einfache Art und Weise reinigen, ohne daß es einer
separaten Reinigungsvorrichtung bedarf. Der auf dem Membranträger angeordnete
Meßchip und
damit auch das Messelement kann durch eine periodische Bestromung
des Heizelementes zu Schwingungen angeregt werden. Durch die bei
Aufgabe des Heizstromes erfolgende Temperaturerhöhung kommt es zu einer thermischen
Ausdehnung des sehr dünnen
Membrankörpers,
auf welchem die Meßelemente
(Widerstände)
angeordnet sind. Da die Membran auf dem Meßchip sehr dünn ist,
kann durch verschiedene Maßnahmen,
die mit ihrem inneren Aufbau zusammenhängen, eine kurz andauernde Wölbung dieser
Membran hervorgerufen werden. Eine Möglichkeit, eine kurz andauernde
Wölbung
der Membran herbeizuführen
besteht darin, daß die Membran
aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufgebaut ist. Eine Temperaturänderung
wird bei einer solcherart aufgebauten Membran durch die Beheizung der
Widerstände
sofort zu einer lokalen Verwölbung führen. Da
das Membranmaterial sehr dünn
ausgebildet ist, weist es eine sehr kleine Wärmekapazität auf, so daß die Wölbung und
deren Zurückbildung sehr
schnell abläuft
und abhängig
von den Bestromungsintervallen und den Bestromungspausen der Bestromung
im Millisekundenbereich abläuft.
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Das
die Meßelemente
innerhalb eines Meßbereiches
aufnehmende Membranmaterial kann daneben auch mittels Ultraschallwellen
in Schwingungen angeregt werden, die mechanisch in das Membranmaterial
bzw. den Meßchip
eingekoppelt werden können.
Auch bei Einkopplung von Ultraschallwellen in das Sensorelement
bzw. dessen Meßchip
und Trägermaterial
läßt sich
ein Reinigungseffekt erzielen. Diese Ultraschallschwingungen können auch
durch separate Strukturen, die zusätzlich zu den Widerständen auf
dem Meßbereich
des Membranmaterials aufgebracht werden, angeregt werden. Dafür sind zum
Beispiel piezoelektrische Schichten geeignet.
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Die
erzeugte mechanische Ausdehnung des den Meßchip aufnehmenden Membranmaterials – hervorgerufen
durch periodische, intervallweise erfolgende Bestromung eines Heizelementes
oder sämtlicher
Leiterbahnen auf der Oberseite des Meßchips oder durch Einkopplung
oder interne Erzeugung von Ultraschallwellen – bewirkt eine Beschleunigung
des Membranmaterials mit darin aufgenommenen Meßwiderständen in Richtung der Oberflächennormalen. Beschleunigungen
in diese Richtung bewirken eine Ablösung anhaftender Verschmutzungen
vom Membranmaterial wie auch vom Bereich der Meßwiderstände. Durch die Reinigung des
Membranmaterials mit in diesem befestigtem Meßwiderständen wird über die Lebensdauer eines mikromechanischen Heißfilm-Luftmassensensors
gesehen die Abweichung des Meßsignales
deutlich reduziert. Die Verschmutzungsgeschwindigkeit des Meßchips auf
der Oberseite des Membranmaterials läßt sich erheblich herabsetzen,
wodurch ein frühzeitig
durchzuführender
Austausch des Luftmassen-Messers aufgrund der Drift, d.h. einer
Kennlinienverschiebung, vermieden werden kann.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen Schnitt durch einen
Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmesser,
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2 eine Ausführungsvariante
eines intervallweise bestrombaren Meßelementes, welches in einen
Heißfilm-Luftmassen-Messer
integriert ist und am Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine aufgenommen
ist und
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3 Bestromungsintervalle
und Bestromungspausen eines oder mehrerer bestrombarer Heizelemente
am Meßelement.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist ein Meßelement 1 dargestellt,
welches einen mikromechanischen Heißfilm-Luftmassen-Durchflußmesser
repräsentiert.
Das Meßelement 1 ist
der innere Bereich einer Membran 5, der auf der Oberfläche eines
Meßchips 26 aufgebracht
ist, wobei zwischen der Unterseite des Meßelementes 1 bzw.
von dessen Membranmaterial 5 und der Montageaufnahme 2 ein Schwingungen
ermöglichender
Freiraum ausgebildet ist. Der Meßchip 26 ist innerhalb
einer Montageaufnahme 2 angeordnet. Mit Bezugszeichen 4 ist
die senkrecht auf die Oberfläche
des Membranmaterials 5 errichtete Oberflächennormale
bezeichnet. Auf der Oberseite des Meßelementes 1, welches
einem durch den Pfeil 12 symbolisierten Gasstrom wie zum Beispiel
dem Ansaugluftmassenstrom für
eine Verbrennungskraftmaschine zugewandt ist, befindet sich ein
Heizwiderstand 6.
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Der
Heizwiderstand 6 kann über
ein Steuergerät 20,
welches mit einer extern angeordneten Spannungsquelle, wie zum Beispiel
der Fahrzeugbatterie in Verbindung steht, mit Spannung versorgt werden.
Beiderseits des Heizwiderstandes 6 innerhalb des Meßelementes 1 sind
ein erster Heiztemperatursensor 7 sowie ein zweiter Heiztemperatursensor 8 aufgenommen.
Zur möglichst
genauen Erfassung der erzielten Heiztemperatur, die im Betrieb des Durchflußmessers
auf Temperaturen von über
180°C über der
Temperatur der angesaugten Luft erhitzt werden können, bis hin zu Maximalwerten
von ca. 300°C
sind der erste Heiztemperatursensor 7 sowie der zweite
Heiztemperatursensor 8 möglichst nah benachbart zum
Heizwiderstand 6 des Meßelementes 1 angeordnet.
Die erzielte Heiztemperatur wird demnach stromauf in Bezug auf die
Position des Heizwiderstandes 6 und stromab in Bezug auf
die Position des Heizwiderstandes 6 des Meßelementes 1 aufgenommen.
In einem etwas größer bemessenen
Abstand sind beidseits der ersten und zweiten Heiztemperaturen 7 bzw. 8 Temperatursensoren 10 bzw 11 angeordnet.
Analog zur Anordnung der Heiztemperaturen 7 bzw. 8 befindet
sich einer der Temperatursensoren 10 stromauf in Bezug
auf die Position des Heizwiderstandes 6, während der
andere der Temperatursensoren 11 stromab des Heizwiderstandes 6 angeordnet
ist. Darüber
hinaus umfaßt
das Meßelement 1 einen
an der dem zu messenden Luftmassenstrom 12 zugewandten
Seite des Membranmaterials 5 angeordneten Lufttemperatursensor 9.
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Das
Membranmaterial 5, in welchem der Heizwiderstand 6,
der erste Heiztemperatursensor 7 sowie der zweite Heiztemperatursensor 8 aufgenommen
sind, kann in unterschiedlicher Materialstärke – wie in 1 dargestellt – ausgebildet sein; daneben läßt sich
das Membranmaterial 5 (vgl. 2)
auch in einer durchgängigen,
gleichmäßigen ersten
Materialstärke 15 ausbilden.
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Während der
Heizwiderstand 6 sowie die benachbart zu diesem angeordneten
Heiztemperatursensoren 7 bzw. 8 und die in einem
weiteren Abstand zu diesem angeordneten Temperatursensoren 10 bzw. 11 in
einem Bereich des Membranmaterials 5 aufgenommen sind,
der in einer höheren,
zweiten Materialstärke 16 ausgebildet
ist, hat das Membranmaterial 5, welches zum Beispiel aus
einem dielektrischen Werkstoff gefertigt sein kann, zwischen seinen Abstützflächen 17 bzw. 18 an
der Montageaufnahme 2 eine erste Materialstärke 15,
die deutlich geringer ist als die zweite Materialstärke 16 im
Bereich des Heizwiderstandes 6, der ersten und zweiten
Heiztemperatursensoren 7 bzw. 8 sowie der Temperatursensoren 10 bzw. 11,
die in Bezug auf den Heizwiderstand 6 stromab und stromauf
an der Oberfläche
des Membranmaterials 5 angeordnet sind.
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Der
Freiraum 3 zwischen der Montageaufnahme 2 des
Membranmaterials 5 ermöglicht
dessen Auslenkung in Richtung der Oberflächennormalen 4 des
Membranmaterials 5 bei periodischer, intervallweise erfolgender
Bestromung der Leiterbahnelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11,
die in einem Bereich mit zweiter Materialstärke 16 des Membranmaterials 5 angeordnet
sind. Darüber
hinaus kann auf der Oberseite des Membranmaterials 5 an
der dem zu messenden Luftmassenstrom 12 zuweisenden Seite
eine sensoreigene Schaltung 22a, 22b aufgenommen sein.
Während
mit Bezugszeichen 22a eine sensoreigene Schaltung bezeichnet
ist, die auf der Oberseite des Membranmaterials 5 angeordnet
ist, kann die sensoreigene Schaltung 22b auch abgesetzt
vom Membranmaterial 5 angeordnet werden.
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Über das
Steuergerät 20,
welches mit einer externen Spannungsversorgung in Verbindung steht und
einen Ein-/Ausschalter 21 enthält, ist eine periodische, intervallweise
erfolgende Bestromung des Heizwiderstandes 6 bzw. der Temperatursensoren 6, 7 bzw. 10, 11 möglich. Dabei
kann eine periodische, intervallweise erfolgende Bestromung sowohl
nur des Heizelementes 6 erfolgen, als auch eine periodische,
intervallweise erfolgende Bestromung aller über Leiterbahnen an der Oberfläche des
Membranmaterials 5 mit Spannung versorgbaren Temperaturfühler 7, 8 bzw. 10 und 11.
Eine periodische, intervallweise erfolgende Bestromung der Leiterbahnelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 kann
beispielsweise über
sequentielles Ein- und Ausschalten des Ein-/Ausschalters 21 am
Steuergerät 20 erfolgen. Dadurch
werden die in das Membranmaterial 5 an dessen Oberseite
aufgebrachten, mit Spannung beaufschlagbaren Elemente, d.h. der
Heizwiderstand 6 bzw. der Heiztemperatursensoren 7 und 8 sowie
die Temperatursensoren 10 und 11 mit periodisch
sich ändernder
Spannung beaufschlagt. Die auf das Membranmaterial 5 aufgebrachten,
mit Spannung beaufschlagbaren Elemente wie Heizwiderstand 6 sowie
die Heiztemperatursensoren 7 und 8 und die Temperatursensoren 10 und 11 können zum
Beispiel über
einen Sputterprozeß aufgebracht
werden.
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Neben
einem sequentiell erfolgenden Ein- bzw. Ausschalten über den
Ein-/Ausschalter des Steuergerätes 20 kann
eine periodische, intervallweise erfolgende Bestromung der aufgedampften
Leiterbahnelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 dadurch
erreicht werden, daß mittels
eines am Steuergerät 20 angeordneten
Spannungsmodulators eine periodische, intervallweise erfolgende
Bestromung erreicht wird. Über
das Steuergerät 20 können die
Leiterbahnelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 an
der Oberseite des Meßelementes 1 entweder
einzeln oder gruppenweise mit Spannung versorgt werden, so daß die periodische,
intervallweise erfolgende Bestromung auf verschiedene Bereiche des
in der zweiten Materialstärke 16 ausgebildeten
Membranmaterials 5 begrenzt bzw. erweitert werden kann.
Anstelle des Spannungsmodulators 23 kann innerhalb des
Steuergerätes 20 ein
Frequenzmodulator 24 vorgesehen werden, mit dem ebenfalls
eine periodische, intervallweise erfolgende Bestromung der Leiterbahnelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 an
der Oberseite des Membranmaterials 5 erreicht werden kann.
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Die
in der 1 innerhalb des
Steuergerätes 20 angeordneten
Bauteile, nämlich
der Spannungsmodulator 23 bzw. der Frequenzmodulator 24,
lassen sich auch in der sensoreigenen Schaltung 22a, 22b an
der Oberseite des Membranmaterials 5 im Bereich des ersten
Auflagers bzw. des zweiten Auflagers integrieren oder abgesetzt
daneben unterzubringen (vgl. Position 22b in 1). In einer Ausgestaltungsvariante
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens kann die sensoreigene Schaltung 22 so beschaffen
sein, daß in
ihr ein Timer integriert ist, mit welchem eine periodische, intervallweise
erfolgende Bestromung eines oder mehrerer der Bauelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 des
Meßelementes 1 erzielt werden
kann. Eine Schwingungsanregung des Membranmaterials 5 kann
somit in zyklischen, vorwählbaren
Abständen
erfolgen, um Kontaminierungen von der dem zu messenden Luftmassenstrom 11 zuweisenden
Seite des Membranmaterials 5 und damit von der Oberfläche des
Meßelementes 1 zu
entfernen.
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Der
erste Heiztemperatursensor 7 sowie der zweite Heiztemperatursensor 8 können beispielsweise
als Leiterbahnen innerhalb des Meßelementes 1 ausgebildet
werden, die einen temperaturabhängig sich ändernden
Ohm'schen Widerstand
aufweisen. Der erste Heiztemperatursensor 7 und der zweite Heiztemperatursensor 8 sind
eng benachbart zum Heizwiderstand 6 des Meßelementes 1 angeordnet. Im
Betrieb, d.h. bei einer Spannungsversorgung des Heizwiderstandes 6 des
Meßelementes 1 erreicht der
Heizwiderstand 6 eine Temperatur von 180°C über der
Temperatur des angesaugten Luftmassenstromes 12. In der
Spitze werden am Heizwiderstand 6 Temperaturen von ca.
300°C erreicht. Über eine
periodische, intervallweise erfolgende Bestromung eines, mehrerer
oder aller als Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Ohm'schen Widerstand ausgebildeten Komponenten
kann eine thermische Ausdehnung des in den Bereichen beidseits des
Meßelementes 1 in
einer ersten, sehr dünnen
Materialstärke 15 ausgeführten Membranmaterials 5 erreicht
werden. Durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten
innerhalb eine geschichteten Aufbaus des Membranmaterials 5 sind
lokale Wölbungsänderungen
zwischen der Membranoberseite und den dort angeordneten bestrombaren
Heizelementen 6, 7, 8, 10, 11 gegenüber der
Membranunterseite möglich.
Es stellt sich demzufolge eine Wölbung
bzw. eine Auslenkung des Membranmaterials 5 in Richtung
der Oberflächennormalen 4 ein.
Beim Ausschalten der Spannungsversorgung zu einem oder mehreren
der als Leiterbahnen mit temperaturabhängigen Ohm'schen Widerstand ausgebildeten Bauelemente 6, 7, 8 bzw. 10 und 11 bildet
sich die Wölbung
sofort wieder zurück.
Aufgrund der geringen Wärmekapazität des Membranmaterials 5 in
seinen Bereichen mit sehr dünner
Materialstärke 15 verlaufen
die Auslenkungen des Membranmaterials 5 in Richtung der Oberflächennormalen 4 sehr
schnell, d.h. im Bereich von Millisekunden ab. Dadurch werden mit
Bezugszeichen 19 angedeutete Beschleunigungen in Richtung
der Oberflächennormalen 4,
die auf die Oberseite des Membranmaterials 5 errichtet
wurde, erzielt.
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Aufgrund
der periodischen, intervallweise erfolgenden Bestromung des Heizwiderstandes 6 sowie
eines oder mehrerer der als Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Ohm'schen Widerstand
ausgebildeten Bauelemente 7, 8 bzw. 10 und 11 stellen sich
am Membranmaterial 5 im Bereich mit der Materialstärke 15 periodische
Schwingungen ein. Aufgrund der sich einstellenden Beschleunigungen 19 in Richtung
der Oberflächennormalen 4 auf
das Membranmaterial 5 bewirkt die Auslenkung des Membranmaterials 5 eine
Ablösung
von Verschmutzungen. Durch eine Auslenkung des Membranmaterials 5 können anhaftende
Schmutzpartikel bzw. Motorölrückstände oder
Wasserströpfchen
abgelöst
werden und durch den das Meßelement 1 passierenden
Luftmassenstrom 12 abgeführt werden.
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In
einer weiterführenden
Ausführungsvariante
kann das komplette Aufheizen sowohl der als Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Ohm'schen Widerstand
ausgebildeten Tempe ratursensoren 7, 8 bzw. 10 und 11 sowie
die Spannungsversorgung des Heizwiderstandes 6 über eine
sensoreigene Schaltung 22 initiiert werden. Die sensoreigene
Schaltung 22 wird im Steuergerätenachlauf aktiviert, d.h.
nach dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine und der mit dem
Abstellzeitpunkt beginnenden Abkühlphase
im Ansaugtrakt. Die sensoreigene Schaltung 22a bzw. 22b kann
im Luftmassen-Messer innerhalb eines separaten Schaltungsraumes
untergebracht sein und dient zum Betrieb des Heizers und zur Verstärkung von
Temperaturdifferenzsignalen, die dem Luftmassenstromsignal während des
Betriebes der Verbrennungskraftmaschine entsprechen. Nach dem Abschalten
der Verbrennungskraftmaschine ist das kombinierte, zentrale Zündungs-
und Einspritzsteuergerät
noch in Betrieb und wickelt verschiedene Aufgaben ab. Es bleibt
dazu noch eine gewisse Zeit nach Abschalten mit dem Zündschlüssel in
Betrieb. Diese Zeitspanne kann sich von einigen Sekunden bis zu
mehreren Minuten erstrecken. Der Luftmassen-Messer kann in diesem
Zeitraum – initiiert
durch das Motorsteuergerät – ebenfalls
in Betrieb gehalten werden und innerhalb eines Reinigungsmodus' seine interne Reinigungsschaltung
aktivieren.
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Eine
Periodizität
der Spannungsversorgung kann – wie
bereits angesprochen – durch
einen Spannungsmodulator 23 innerhalb des Steuergerätes 20 bzw.
innerhalb der sensoreigenen Schaltung 22 herbeigeführt werden.
Eine Periodizität
der Spannungsversorgung kann gleichfalls über einen im Steuergerät 20 bzw.
der sensoreigenen Schaltung 22 aufgenommenen Frequenzmodulator 24 erreicht werden.
Beiden Implementierungsmöglichkeiten
gemeinsam ist der Umstand, daß sich
durch periodische, intervallweise erfolgende Bestromung des Heizwiderstandes 6 bzw.
der Temperaturerfassungselemente 7, 8 bzw. 10 und 11,
die als Leiterbahnen aus einem Material mit temperaturabhängigem Ohm'schen Widerstand
gefertigt sind, Temperatursprünge
im Millisekundenbereich ermöglichen
lassen. Aufgrund der auf diese Weise erzielten Temperatursprünge im Membranmaterial 5,
insbesondere in dessen Bereich, der in der dünnen, ersten Materialstärke 15 ausgebildet
ist, können
Anregungsfrequenzen des Membranmaterials 5 erreicht werden,
die im Bereich von einigen hundert Hertz liegen. Insbesondere lassen
sich Temperatursprünge
erreichen, die im Millisekundenbereich liegen, d.h. eine Auslenkung des
Membranmaterials 5 in Richtung der auf dieses errichteten
Oberflächennormalen 4 erfolgt
innerhalb von Sekundenbruchteilen, ebenso wie die Rückstellung
des dünnen
Membranmaterials 5 aus seiner ausgelenkten Lage in seine
ursprüngliche
Lage bei Abschaltung der periodischen, intervallweise erfolgende
Bestromung. Die größte Schwingungsamplitude,
der die Membrane ausgesetzt werden kann, liegt im Bereich der Resonanzfrequenz
des Membranmaterials 5 bei etwa 200 kHz.
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Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Reinigungsverfahren
unter Applikation einer periodischen, intervallweise erfolgenden
Bestromung eines Heizwiderstandes 6 bzw. von Temperatursensoren 7 bzw. 8 und 10 bzw. 11,
die als Leiterbahnen mit temperaturabhängigem Ohm'schen Widerstand ausgebildet sind, läßt sich
eine Reinigung eines Meßelementes 1 von
Staubpartikeln, Motorölrückständen bzw.
Wassertröpfchen,
wenn dieses im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommt,
erzielen. Mit einer auf diese Weise vorgenommenen Reinigung läßt sich über die
Lebensdauer des Luftmassen-Messers gesehen, die Abweichung des Meßsignals
deutlich reduzieren. Da sich die Verschmutzungsgeschwindigkeit unter
Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahrens erheblich herabsetzen läßt, kann ein frühzeitiger Austausch
des Luftmassen-Messers vermieden werden.
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2 ist eine Ausführungsvariante
eines bestrombaren Meßelementes
zu entnehmen, welches – in
einen Heißfilm-Luftmassen-Messer
integriert – im Ansaugtrakt
einer Verbrennungskraftmaschine aufgenommen ist.
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Ein
Ansaugtrakt 30 einer Verbrennungskraftmaschine ist in der
Darstellung gemäß 2 schematisch als Ausschnitt
einer Ansaugrohrleitung dargestellt. An dieser ist ein Heißfilm-Luftmassen-Messer 31 aufgenommen,
der ein integriertes Steuergerät 20 mit
einer sensoreigenen Schaltung 22 umfaßt. Am unteren Ende des Steuergerätes 20 ist
die Montageaufnahme 2 aufgenommen, an welchem das Meßelement 1 aufgenommen
ist. Die das Meßelement 1 umströmende Ansaugluftströmung ist
mit Bezugszeichen 32 versehen.
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An
einer Anströmseite 34 des
hier rohrförmig dargestellten
Ansaugtraktes 30 ist eine Gitterstruktur 33 aufgenommen.
Am hier nicht dargestellten abströmseitigen Querschnitt 35 des
rohrförmig
konfigurierten Ansaugtraktes 30 kann ebenfalls ein der
Gitterstruktur 33 entsprechendes Einsatzelement in den Strömungsquerschnitt
des Ansaugtraktes 30 eingelassen sein.
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Oberhalb
der in 2 wiedergegebenen Darstellung
des im wesentlichen rohrförmig
ausgebildeten Ansaugtraktes 30 der Verbrennungskraftmaschine
ist das Meßelement 1 in
erheblich vergrößertem Maßstab wiedergegeben.
Mit Bezugszeichen 36 ist die Heizzone bezeichnet, die zwischen
einem ersten Heiztemperatursensor 7 und einem weiteren Heiztemperatursensor 8 liegt.
In Bezug auf die Strömungsrichtung
des Luftmassenstromes QLM liegt der erste
Heiztemperatursensor 7, der bevorzugt als Leiterbahn am
Sensorelement ausgebildet ist, stromauf in Bezug auf die Strömungsrichtung,
während
der zweite Heiztemperatursensor 8, der ebenfalls als Leiterbahn
ausgebildet ist, stromab der Heizzone 36 liegt. Das Membranmaterial 5,
auf welchem die als Leiterbahnen ausgebildeten ersten und zweiten
Temperatursensoren 7 und 8 sowie der Heizwiderstand angeordnet
sind, ist im Bereich dieser bestrombaren Komponenten in einer reduzierten
Materialstärke,
einen Frei raum 3 begrenzend, ausgebildet. Am ersten Auflager 17 und
am zweiten Auflager 18 hingegen weist das Membranmaterial 5 eine
höhere
Materialstärke
auf. Die durch den ersten Temperatursensor 7 erfaßbare Temperatur
ist mit T1 bezeichnet; die durch den zweiten
Heiztemperatursensor 8, der stromab des Heizwiderstandes 6 angeordnet
ist, erfaßbare Temperatur
mit T2.
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3 sind die Bestromungsintervalle
sowie die Bestromungspausen eines oder mehrerer, im Meßelement
ausgebildeter Heizelemente dargestellt.
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Der
Bestromungsverlauf ist über
der Zeitachse aufgetragen. Eine Bestromung des Heizwiderstandes 6 des
Meßelementes 1 erfolgt
während
eines Bestromungsintervalles 40, welches eine zeitliche
Dauer 41 aufweist. Die Heizdauer des Heizelementes 6 während einer
Bestromungsphase 40 beträgt beispielsweise 40 Millisekunden.
An die Bestromungsphase 40 schließt sich eine Bestromungspause
an, die bevorzugt die doppelte Dauer der Bestromungsdauer aufweist.
Die Dauer der Bestromungspause ist durch Bezugszeichen 42 auf
der Zeitachse dargestellt. An das Abschaltintervall 42,
welches näherungsweise
dem doppelten Wert der Dauer 41 der Bestromungsphase 40 entspricht,
schließt
sich wiederum ein Bestromungsintervall 40 an, dessen Dauer 41 etwa
40 Millisekunden beträgt.
Danach folgt wiederum ein Abschaltintervall von doppelter Dauer 42, verglichen
mit der Dauer 41 des Bestromungsintervalles. Während der
Bestromungsintervalle 40, während der der Heizwiderstand 6 des
Meßelementes 1 bestromt
wird, liegt an diesen ein mit Bezugszeichen 43 identifiziertes
Bestromungsniveau an. Dieses ist über alle Bestromungsphasen 40 gesehen
identisch.
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Das
kurzzeitige, intervallweise Bestromen 41, 42 des
Heizwiderstandes 6 des Meßelementes 1 führt zu einer Übertemperatur
innerhalb der Heizzone 36 gegenüber der Umgebung von etwa 180°C. Dadurch
wird eine Temperaturschichtung eines einen Bypasskanal passierenden
Luftstroms 12 erreicht. Dadurch werden die in der Luft
vorhandenen Öltröpfchen bzw.
der in der Luft vorhandene Ölnebel
von dem intervallweise bestromten Heizwiderstand 6 wegtransportiert
bzw. vor dem Meßelement 1 verdampft.
Dadurch wird eine Ansaugung der in der Luft befindlichen Ölpartikel
auf die Oberfläche
des Meßelementes 1 bei
bislang üblicher,
längerer
ununterbrochener Bestromung des Heizwiderstandes 6 vermieden,
welche beim bisherigen Heißfilm-Luftmassen-Sensor
durch den beim Abschalten der Verbrennungskraftmaschine aktivierten
Steuergerätenachlauf
zwischen 1 und 30 Minuten erfolgte. Die sich bei längerer Bestromung
einstellenden Konvektionswirbel links und rechts neben dem bestrombaren
Heizwiderstand 6 treten bei einer periodischen, intervallweise
erfolgenden Bestromung 41, 42 des Heizwiderstandes 6 hingegen
nicht auf. Aufgrund der bei kontinuierlicher, längerer Bestromung sich einstellenden
Konvektionsspira len wurde die Verschmutzung der Oberfläche des
Meßelementes 1 eher
befördert. Eine
intervallweise erfolgende Bestromung 41, 42 des
Heizwiderstandes 6 innerhalb der Heizzone 36 des
Meßelementes 1 erfolgt
bis zur vollständigen Auskondensierung
der Öltröpfchen aus
der Luft in einem Zeitraum von 10 Minuten, beginnend unmittelbar
mit dem Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine. Die Länge der
Abschaltintervalle 42 ergibt sich aus der Abkühldauer
des Heizwiderstandes 6 und somit dem Zeitpunkt, ab dem
eine vorhe- rige Bestromungsphase 40 die in der Luft enthaltenen Öltröpfchen nicht
mehr vom Heizwiderstand 6 bzw. der Oberfläche des
Meßelementes 1 fernhalten
kann. Die Dauer 42 des Abschaltintervalles zwischen den Bestromungsphasen 40 entspricht
in etwa dem doppelten Wert der Dauer 41 der Bestromungsphase 40.
-
Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
läßt sich
mit wenig Aufwand die Kontamination der Oberfläche eines Meßelementes 1 durch Öl oder sonstige
in der Ansaugluft transportierten Partikel während der Abstellphase einer
Verbrennungskraftmaschine vermeiden. Dadurch wird eine aufgrund
einer Verschmutzung der dem Luftmassenstrom 12 QLM zugewandten Oberfläche des Meßelementes 1 und damit
eine unzulässige
Kennliniendrift des Meßelementes 1 vermieden.
-
- 1
- Meßelement
(mittlerer Flächenbereich
-
- Membran)
- 2
- Montageaufnahme
für den
Meßchip
- 3
- Freiraum
- 4
- Oberflächennormale
- 5
- Membranmaterial
- 6
- Heizwiderstand
- 7
- erster
Heiztemperatursensor (Leiterbahn)
- 8
- zweiter
Heiztemperatursensor (Leiterbahn)
- 9
- Lufttemperatursensor
- 10
- Temperatursensor
stromauf (Leiterbahn)
- 11
- Temperatursensor
stromab (Leiterbahn)
- 12
- Luftmassenstrom
(QLM)
- s
- Meßort
- t
- Temperaturverlauf
- 15
- erste
Materialstärke
Membranmaterial 5
- 16
- optionale
weitere Materialstärke
Membranmaterial 5
- 17
- erstes
Auflager
- 18
- zweites
Auflager
- 19
- Beschleunigungsrichtung
- 20
- Steuergerät
- 21
- Ein-/Ausschaltung
- 22a
- sensoreigene
Schaltung auf Membranmaterial
- 22b
- abgesetzte,
sensoreigene Schaltung
- 23
- Spannungsmodulator
- 24
- Frequenzmodulator
- 25
- Spannungsversorgung
- 26
- Meßchip
- 30
- Ansaugtrakt
- 31
- Heißfilm-Luftmassen-Messer
- 32
- Luftumströmung Meßelement 1
- 33
- Gitterstruktur
- 34
- Anströmseite
- 35
- Abströmseite
- 36
- Heizzone
- 40
- Bestromungsintervall
- 41
- Dauer
Bestromungsintervall
- 42
- Dauer
Abschaltintervall
- 43
- Heizstromstärke