-
Die
Erfindung geht aus von einem Durchflusssensor mit zwei Heizwiderständen und
mindestens einem Referenztemperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur.
-
Ein
solcher Durchflusssensor ist aus der
EP 0 955 524 A2 bekannt. Er wird zur Ermittlung
der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse eingesetzt.
Der in der
EP 0 955
524 A2 beschriebene Durchflusssensor weist zwei Heizwiderstände auf
sowie zwei Referenztemperatursensoren. Mit Hilfe der Referenztemperatursensoren
wird die Umgebungstemperatur beziehungsweise die Temperatur der
am Durchflusssensor vorbeiströmenden
Luft erfasst und zwar ohne Beeinflussung durch die Heizwiderstände. Die
beiden Heizwiderstände
werden zur Messung der über
den Durchflusssensor strömenden
Luftmasse eingesetzt. Dabei nutzt man den Effekt aus, dass der in
Strömungsrichtung
erste Heizwiderstand die über
ihn strömende
Luft erwärmt
und infolgedessen der in Strömungsrichtung
zweite Heizwiderstand weniger Heizenergie benötigt, um eine vorgegebene Temperatur
zu erreichen. Die unterschiedliche Abkühlung des in Strömungsrichtung
ersten Heizwiderstandes und des zweiten Heizwiderstands führt zu einer
Differenz der elektrischen Widerstände der Heizwiderstände. Diese
unterschiedlichen Widerstände sind
ein Maß für den an
dem Durchflusssensor vorbeiströmenden
Luftmassenstrom.
-
Die
zu messenden temperaturabhängigen Widerstände R(T)
der Heizwiderstände
ergeben sich nach der Formel: R(T) =R0(1 + a·T)mit
R0: Widerstandswert bei Raumtemperatur
a:
Temperaturkoeffizient des Heizwiderstands und
T: Temperatur.
-
Aus
dieser Gleichung wird deutlich, dass der temperaturabhängige Widerstand
R(T) stark abhängig
ist vom Widerstand R0. Um eine ausreichende elektrische
Heizleistung zu erzielen, ist es notwendig, die Widerstände der
Heizwiderstände
klein zu halten. Dieses Erfordernis steht aber im Widerspruch zu
dem Wunsch, eine möglichst
hohe Empfindlichkeit und Messgenauigkeit des Durchflusssensors zu
erzielen, da ein kleiner Widerstandswert bei Raumtemperatur nur
zu einer kleinen temperaturinduzierten Widerstandsänderung
führt.
-
Außerdern
treten beiden von relativ großen Strömen durchflossenen
Heizwiderständen
wegen deren erhöhter
Temperatur Struktur- und Elektromigrationseffekte und/oder Umkristallisationseffekte
auf. Beide führen
zu einer irreversiblen Änderung
des Widerstandswerts und damit zu einem Messfehler bei der Bestimmung
des Luftmassenstroms.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Durchflusssensor
mit zwei Heizwiderständen
und mindestens einem Referenztemperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur
ist vorgesehen, dass jedem Heizwiderstand ein weiterer Temperatursensor
zur Ermittlung der Temperatur des Heizwiderstandes zugeordnet ist,
und dass die Temperatursensoren in unmittelbarer Nähe der Heizwiderstände angeordnet sind.
-
Durch
diese Maßnahme
wird eine Funktionstrennung vorgenommen. Der Heizwiderstand hat
nur noch die Aufgabe, eine vorgegebene Temperatur zu erreichen,
während
der ihn umgebende Temperatursensor die Temperatur des Heizwiderstands
misst. Somit ist es möglich,
Temperaturmessung mit einem Temperatursensor mit einem hohen elektrischen
Widerstand durchzuführen,
was die Messgenauigkeit des Durchflusssensors erhöht. Außerdem treten
die genannten strominduzierten Struktur- und Umkristallisierungseffekte
nicht an den Temperatursensoren auf, so dass die Messgenauigkeit
des Durchflusssensors während über die
Lebensdauer des Durchflusssensors nahezu gleichbleibend ist.
-
Dabei
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatursensoren
und die Heizwiderstände
einander weitgehend umschließen,
so dass die von den Temperatursensoren ermittelten Temperaturen
weitgehend identisch mit der Temperatur der Heizwiderstände sind
und die Verzögerungszeit
zwischen einer Temperaturänderung
des Heizwiderstands und der daraus resultierenden Temperaturänderung
des Temperatursensors möglichst
gering ausfällt.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflusssensors
ist vorgesehen, dass der Strom durch jeden Heizwiderstand separat
geregelt wird und dass die Differenz der Ströme oder Spannungen durch die
Temepratursensoren zur Durchflussmessung und zur Erkennung der Strömungsrichtung
herangezogen wird. Dadurch ist eine schnelle und genauere Messung
des Durchflusses möglich,
da die Strom- bzw. Spannungsregelung der Heizwiderstände sehr
schnell erfolgt und die Differenz der durch die Temperatursensoren
fließenden Ströme beziehungsweise
die Differenz der an den Temperatursensoren anliegenden Spannungen
groß ist.
Das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Durchflusssensors ist somit
groß und
kann gut in der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine ausgewertet
und weiterverarbeitet werden.
-
Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strom durch die Heizwiderstände in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur beziehungsweise der Temperatur der über den
Durchflusssensor strömenden Luft
geregelt wird, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Temperatur
der Heizwiderstände
um einen festen Betrag ΔT über der
Umgebungstemperatur liegt.
-
Die
Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Durchflusssensors wird
weiter erhöht,
wenn die Temperatursensoren einen sehr viel größeren Widerstand als die Heizwiderstände haben.
-
Ein
besonders vorteilhafter Aufbau des erfindungsgemäßen Durchflusssensors sieht
vor, dass das Messelement des Durchflusssensors ein Substrat aufweist,
dass durch das Substrat eine Membran gehalten wird, und dass auf
dem Substrat und der Membran eine Widerstandsschicht vorhanden ist, aus
der die Heizwiderstände,
die Temperatursensoren und mindestens ein Referenztemperatursensor herausstrukturiert
sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Referenztemperatursensor über dem
Substrat angeordnet ist und sowohl die Heizwiderstände als auch
die Temperatursensoren im Wesentlichen über oder in der Membran angeordnet
sind.
-
Durch
diese Ausgestaltung des Messelements kann die Herstellung des erfindungsgemäßen Durchflusssensors
vereinfacht und kostengünstig
gestaltet werden, ohne nachteilige Auswirkungen auf das Betriebsverhalten
des Durchflusssensors.
-
Selbstverständlich können auch
die Zuleitungen zur Kontaktierung der Heizwiderstände und
der Temperatursensoren sowie des oder der Referenztemperatursensoren
aus der Widerstandsschicht herausstrukturiert werden. Die Breite
der die Heizwiderstände
bildenden Leiterbahnen kann verschieden sein, um eine möglichst
gleichmäßige und
günstige Wärmeabgabe
zu erreichen.
-
Die
Auswertung der Temperatursensoren kann durch eine Vierpunktmessung
oder eine Wheatstone'sche
Brücke
ausgewertet werden.
-
Es
kann weiter vorteilhaft sein, wenn ein zweiter Referenztemperatursensor
vorgesehen ist und die Heizwiderstände, und/oder die Temperatursensoren
durch je eine gemeinsame Leiterbahn mit Strom versorgt werden. Durch
die letztgenannte Maßnahme
kann der Platzbedarf des Messelements verringert und der Herstellungsaufwand
reduziert werden.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
-
Es
zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Messelements
eines Durchflusssensors mit innen liegenden Temperatursensoren;
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel
mit außen
liegenden Temperatursensoren;
-
3 und 4 Varianten der in den 1 und 2 dargestellten
Messelemente;
-
5 ein Messelement mit einem
gemeinsamen Masseanschluss der Heizwiderstände;
-
6 ein Messelement mit einer
gemeinsamen Masse der Temperatursensoren;
-
7 eine Variante mit lokal
unterschiedlicher Breite der Heizwiderstände;
-
8 ein Messelement mit einer
Anordnung der Temperatursensoren für eine 4-Punkt-Messung,
-
9 ein Messelement mit Temperaturmesssensoren,
welche in einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet
werden können;
und
-
10 ein Schaltplan eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Durchflusssensors.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Messelements eines erfindungsgemäßen Durchflusssensors
in einer Ansicht von oben und einer Schnittdarstellung entlang der
Linie A-A schematisch dargestellt. Das Messelement des Durchflusssensors
besteht aus einem Substrat 1, welches beispielsweise aus
Silizium hergestellt werden kann. Auf dem Substrat 1 ist
ein Referenztemperatursensor RFamb angeordnet.
-
Das
Substrat 1 weist eine Aussparung 3 auf, welche
von einer dünnen
und schlecht wärmeleitenden
Membran 5 überspannt
wird. Über
die Membran 5 erstrecken sich zwei U-förmig
ausgebildete Heizwiderstände
RH1 und RH2 bis
auf das Substrat 1. Die Heizwiderstände RH1 und
RH2 sind mit einer geregelten Spannungs-
beziehungsweise Stromquelle (nicht dargestellt) elektrisch verbunden.
-
Innerhalb
der U-förmigen
Heizwiderstände RH1 und RH2 sind Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 angeordnet.
Die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 dienen dazu, die Temperatur der Heizwiderstände RH1 und RH2 zu bestimmen.
Um die Temperatur der Heizwiderstände RH1 und
RH2 bestmöglich und mit geringer Zeitverzögerung bestimmen
zu können, sind
die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 in unmittelbarer Nähe der Heizwiderstände RH1 und RH2 angeordnet.
Die elektrischen Widerstände
der Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 sind sehr viel größer als die elektrischen Widerstände der
Heizwiderstände RH1 und RH2. Die Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 sind
elektrisch mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden.
-
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die Heizwiderstände
RH1 und RH2 sowie
die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 über
die Membran 5 hinaus. Dort wo die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 über die
Membran 5 hinausragen, sind sie, zumindest im Bereich eines
Querriegels 7, sehr viel breiter ausgeführt als im Bereich der Membran 5,
so dass die Heizwiderstände
RH1 und RH2 sowie
die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 in den Abschnitten 7 einen
nur sehr geringen Widerstand haben und somit das Messergebnis durch
den außerhalb
der Membran 5 liegenden Teil der Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 nur
wenig beeinflusst wird.
-
Die
Anschlüsse
der Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 und der Heizwiderstände RH1 und
RH2 sind mit dem Bezugszeichen 9 versehen
worden.
-
Durch
einen Pfeil 11 ist die Strömungsrichtung der über das
Messelement strömenden
Luft angedeutet. Dies bedeutet, dass der Referenztemperatursensor
RFamb die Temperatur der anströmenden Luft
ohne Beeinflussung durch die Heizwiderstände RH1 und
RH2 misst. Der in Strömungsrichtung der Luft erste
Heizwiderstand RH1 wird von der Luft angeströmt und abgekühlt. Gleichzeitig
nimmt die Luft Wärme
vom ersten Heizwiderstand RH1 auf und erwärmt infolgedessen
den zweiten Heizwiderstand RH2.
-
Durch
eine nicht dargestellte Regelung wird die Temperatur des ersten
Heizers RH1 auf einen vorgegebenen Wert
eingeregelt. Dieser Sollwert ist in der Regel um eine konstante
Temperaturdifferenz ΔT höher als
die vom Referenztemperatursensor RFamb ermittelte Umgebungstemperatur
Tamb. Der zweite Heizwiderstand RH2 wird auf die gleiche Temperatur wie der
erste Heizwiderstand, nämlich
Tamb + ΔT
eingeregelt. Da nun der zweite Heizwiderstand RH2 von erwärmter Luft überstrichen
wird, ist die erforderliche Heizleistung am zweiten Heizwiderstand
RH2 geringer als die am ersten Heizwiderstand
RH1 erforderliche Heizleistung. Diese Differenz
der Heizleistungen, die sich bei den Temperatursensoren in Form
einer Spannungsdifferenz oder einer Stromdifferenz oder einer Kombination
von beidem ausdrücken
kann, ist ein Maß für den Massenstrom
der über
das Messelement strömenden
Luft. Gleichzeitig kann aus dem Vorzeichen dieser Differenz auch
die Strömungsrichtung
der Luft bestimmt werden.
-
Der
Referenztemperatursensor RFamb, die Heizwiderstände RH1 und RH2 sowie
die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 sind aus einer Widerstandsschicht, welche
auf das Substrat 1 und die Membran 5 aufgebracht
wurde, herausgeätzt.
Dadurch ist es möglich,
auf einfache Weise und in an sich bekannter Weise die notwendigen
elektrischen Bauteile auf dem Substrat 1 und der Membran 3 herzustellen.
-
Der
prinzipielle Aufbau der in den 1 – 9 dargestellten Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Messelemente
von Durchflusssensoren ist im wesentlichen gleich, so dass nachfolgend
nur die Unterschiede erwähnt
werden und auch gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
-
In
der 2 ist eine alternative
Ausführungsform
dargestellt, bei der im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 außerhalb
der Heizwiderstände
RH1 und RH2 angeordnet
sind.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 sind die Heizwiderstände RH1 und RH2 sowie
die Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2, mit Ausnahme ihrer Anschlüsse 9,
auf die Membran 5 beschränkt. Infolgedessen ist auch
die Breite der Temperatursensoren RF,H1 und
RF,H2 über
deren gesamte Länge
konstant. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 sind die Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 innerhalb
der Heizwiderstände
RH1 und RH2 angeordnet.
-
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem die Temperatursensoren RF,H1 und
RF,H2 außerhalb der Heizwiderstände RH1 und RH2 angeordnet
sind.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 sind die Heizwiderstände RH1 und RH2 bezüglich ihrer Masse
zusammengeführt
worden, so dass ein Anschluss weniger benötigt wird. Hierbei muß der gemeinsame
Massepunkt nicht zwoingend im Membranbereichliegen, sondern kann
sich optional auch außerhalb
der Membran 5 befinden.
-
In 6 sind die Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 in
der Mitte zusammengelegt worden, so dass auch hier ein Anschluss
eingespart werden kann. Auch hier muss der gemeinsame Massepunkt nicht
im Bereich der Membran 5 liegen.
-
In
der 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei dem die beiden Schenkel der U-förmigen Heizwiderstände RH1 und RH2 unterschiedliche Breiten
haben. Bei dem ersten Heizwiderstand RH1 ist der
aufwärts
gelegene Schenkel breiter als der Schenkel, welcher dem zweiten
Heizwiderstand RH2 zugewandt ist. Beim zweiten
Heizwiderstand RH2 ist der dem ersten Heizwiderstand
RH1 zugewandte Schenkel schmaler als der
stromabwärts
gelegene zweite Schenkel des zweiten Heizwiderstands RH2. Durch diese
Maßnahme
kann eine verbesserte Symmetrie der Temperaturverteilung in der
Membran 5 erreicht werden.
-
Es
liegt auf der Hand, dass die Breite und Form der Heizwiderstände RH1 und RH2, ebenso
wie die Breite und Form der Temperatursensoren RF,H1 und
RF,H2 an verschiedene Anforderungen, wie
beispielsweise eine gleichmäßige Temperaturentwicklung
und anderes mehr angepasst werden können.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 8 sind die Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 im
Bereich der Membran 5 zwar getrennt, jedoch werden die
Anschlüsse 9a und 9b mit
dem gleichen Strom versorgt. Diese Ausführungsvariante ist besonders geeignet,
um die Widerstände
der Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 durch 4-Punkt-Messungen zwischen den
Anschlüssen 9c und 9d bzw. 9d und 9e zu ermitteln.
-
In 9 ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem die Auswertung der Widerstände der Temperatursensoren
RF,H1 und RF,H2 durch
eine Wheatstone'sche
Brücke
(nicht dargestellt) erfolgen kann. Zu diesem Zweck sind zusätzlich zu
den Temperatursensoren RF,H1 und RF,H2 noch weitere Widerstände 13 und 15 vorgesehen,
die über
einen gemeinsamen Anschluss 9b mit Spannung versorgt werden.
-
In 10 ist ein Schaltplan einer
Schaltung zur Auswertung der in den 1 – 9 dargestellten Messelemente
dargestellt. Geregelt wird die am erster Heizwiderstand RH1 anliegende Spannung UH1 sowie
die am zweiten Heizwiderstand anliegende Spannung UH2.
Dies geschieht über
eine erste Brückenschaltung 17 und über einen
ersten Differenzverstärker 19.
Mit dieser Schaltung wird die am ersten Heizwiderstand RH1 anliegende Spannung UH1 so geregelt,
dass der Heizwiderstand RH1 die gewünschte Temperatur
T = Tamb + ΔT hat. In gleicher Weise wird über eine
zweite Brückenschaltung 21 und
einen zweiten Differenzverstärker 23 die
am zweiten Heizwiderstand RH2 anliegende
Spannung UH2 geregelt. Die Spannungen UH1 und UH2 werden
einem Subtraktionsglied 25 zugeführt, welches daraus eine Ausgangsspannung
UA generiert. Diese Ausgangsspannung UA ist ein Maß für den über das Messelement strömenden Luftmassenstrom
und das Ausgangssignal des Durchfldsssensors und kann in einer Auswerteschaltung
oder von der Motorsteuerung (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine
verarbeitet werden.
-
Es
versteht sich, dass alle in der Beschreibung, den Abbildungen und
den Patentansprüchen genannten
Merkmale sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein können.