DE112017002858T5

DE112017002858T5 - Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät

Info

Publication number: DE112017002858T5
Application number: DE112017002858.2T
Authority: DE
Inventors: Ryo Ando; Hiroshi Onuki; Hiroshi Nakano; Takeo Hosokawa; Masayuki Hio; Shigenobu Komatsu
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2018037721A1; US20190310212A1; US11092559B2; JP6592200B2; JPWO2018037721A1

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts, das ein erstes Heizelement und ein zweites Heizelement aufweist und in der Lage ist, durch effektive Nutzung jedes der Heizelemente eine Vielzahl von Messwerten einschließlich der vom ersten Heizelement gemessenen Feuchtigkeit zu erhalten.Ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät 1 umfasst eine erste Brückenschaltung 2, die ein erstes Heizelement 4 aufweist, das die Feuchtigkeit erkennt; und eine zweite Brückenschaltung 3, die ein zweites Heizelement 10 aufweist, das Luft in der Umgebung des ersten Heizelements 4 erwärmt. Im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 wird ein erstes Ausgangssignal Va5 aus der ersten Brückenschaltung 2 extrahiert, und die Feuchtigkeit wird erkannt. Ein zweites Ausgangssignal Va15 wird aus der zweiten Brückenschaltung 3 extrahiert, und das zweite Ausgangssignal Va15 enthält Information in Bezug auf mindestens eines vom Druck, vom Durchsatz und von der Temperatur der Luft.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät, das die Feuchtigkeit auf der Basis einer luftfeuchtigkeitsbedingten Änderung der Wärmeleitung erkennt.
Stand der Technik
Als Stand der Technik, der dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung angehört, ist der in JP 2011-137679 A (PTL 1) beschriebene thermische Gassensor bekannt.
Der thermische Gassensor, der in PTL 1 beschrieben wird, umfasst ein Substrat mit einem Hohlraum, einen Dünnschichtträger, der im Hohlraum gestapelt ist und aus einer Vielzahl von Isolationsschichten konfiguriert ist, und ein erstes Heizelement und ein zweites Heizelement, die zwischen den Isolationsschichten des Dünnschichtträgers angeordnet sind. Das zweite Heizelement ist in der Umgebung des ersten Heizelements angeordnet. Das erste Heizelement wird auf eine Temperatur geregelt, die höher ist als die Temperatur des zweiten Heizelements, und misst die Konzentration des Umgebungsgases auf der Basis des am ersten Heizelement anliegenden Stroms (siehe Zusammenfassung). In diesem thermischen Gassensor kann das zweite Heizelement eine Gastemperatur in der Umgebung des ersten Heizelements auf eine Solltemperatur halten, und ein Einfluss einer Änderung der Gastemperatur kann reduziert werden. Zudem müssen die Heizelemente nicht mit Zeitteilung auf verschiedene Temperaturen erwärmt werden, und die Ansprechgeschwindigkeit kann erhöht werden (siehe Absatz 0012). Eine Treiberschaltung des in PTL 1 beschriebenen thermischen Gassensors umfasst eine erste Brückenschaltung, die derart konfiguriert ist, dass eine Reihenschaltung, in der das erste Heizelement und ein vierter Festwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind, mit einer Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, in der ein fünfter Festwiderstand und ein sechster Festwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind, und eine zweite Brückenschaltung, die derart konfiguriert ist, dass eine Reihenschaltung, in der das zweite Heizelement und ein erster Festwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind, mit einer Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, in der ein zweiter Festwiderstand und ein dritter Festwiderstand miteinander in Reihe geschaltet sind (siehe Absatz 0029).
Liste der Bezugsliteratur
Patentliteratur
PTL 1: JP 2011-137679 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die Treiberschaltung des in PTL 1 beschriebenen thermischen Gassensors umfasst die erste Brückenschaltung, die das erste Heizelement enthält, um die Konzentration des Umgebungsgases zu messen, und die zweite Brückenschaltung, die das zweite Heizelement enthält, um eine Gastemperatur in der Umgebung des ersten Heizelements auf eine Solltemperatur zu halten, sodass eine auf den Einfluss der Gastemperatur zurückzuführende Änderung des durch das erste Heizelement gemessenen Werts der Konzentration des Umgebungsgases unterdrückt wird. In der Treiberschaltung dieses thermischen Gassensors werden die zweite Brückenschaltung und das zweite Heizelement, das als Komponente der zweiten Brückenschaltung dient, nur verwendet, um die Gastemperatur in der Umgebung des ersten Heizelements auf eine Solltemperatur zu halten, und tragen nicht dazu bei, Information (im Folgenden als physikalische Größen bezeichnet) in Bezug auf Zustand (wie z.B. den Druck, den Durchsatz oder die Temperatur) des Gases zu messen. Im Folgenden wird ein thermischer Gassensor als thermisches Feuchtigkeitsmessgerät bezeichnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts, das eine Konfiguration mit einem ersten Heizelement und einem zweiten Heizelement hat und in der Lage ist, durch effektive Nutzung jedes der Heizelemente eine Vielzahl von Messwerten einschließlich der vom ersten Heizelement gemessenen Feuchtigkeit zu erhalten.
Lösung des Problems
Um die oben beschriebene Aufgabe zu erreichen, umfasst ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste Brückenschaltung, die ein erstes Heizelement aufweist, das die Feuchtigkeit erkennt; und eine zweite Brückenschaltung, die ein zweites Heizelement aufweist, das die Luft in der Umgebung des ersten Heizelements erwärmt.
Im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät wird aus der ersten Brückenschaltung ein erstes Ausgangssignal extrahiert, und die Feuchtigkeit wird erkannt.
Ein zweites Ausgangssignal wird aus der zweiten Brückenschaltung extrahiert, und das zweite Ausgangssignal enthält Information in Bezug auf mindestens eines von einem Druck, einem Durchsatz und einer Temperatur der Luft.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung gemäß können durch Messen der Information in Bezug auf mindestens eines von einem Druck, einem Durchsatz und einer Temperatur der Luft durch das zweite Heizelement eine Vielzahl von Messwerten erhalten werden, einschließlich der vom ersten Heizelement gemessenen Feuchtigkeit. Probleme, Konfigurationen und Wirkungen, die oben nicht beschrieben wurden, gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor.
Figurenliste

[1] 1 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[2] 2 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
[3] 3 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts darstellt, die eine Luftdurchsatzkorrektur durchführt.
[4] 4 ist eine schematische Darstellung, der die Anordnung eines ersten Heizelements und eines zweiten Heizelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
[5] 5 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts darstellt, die eine Druckkorrektur durchführt.
[6] 6 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts darstellt, die ein Temperatursignal ausgibt.
[7] 7 ist eine Konfigurationszeichnung eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[8] 8 stellt die Druckabhängigkeit eines Feuchtigkeitsmesswerts dar.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Wärmeabstrahlungsmenge eines Heizelements hängt vom Feuchtigkeitsgehalt der Luft ab. Ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät verwendet die Wärmeabstrahlungsmenge vom Heizelement als Erkennungssignal (Messsignal). Die Wärmeabstrahlungsmenge ändert sich den folgenden vier Faktoren entsprechend, und daher können Faktoren mit Ausnahme der Luftfeuchtigkeit (Faktor 4) einen Fehler in der Feuchtigkeitsmessung verursachen.

(Faktor 1) Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und der Luft
(Faktor 2) Luftdruck in der Umgebung des Heizelements
(Faktor 3) Luftströmung in der Umgebung des Heizelements
(Faktor 4) Luftfeuchtigkeit

In einem herkömmlichen thermischen Feuchtigkeitsmessgerät werden gegen die Faktoren (1) bis (3) die folgenden Gegenmaßnahmen getroffen:

(Gegenmaßnahme 1) Die Luft in der Umgebung des Heizelements wird unter Verwendung eines anderen Heizelements auf eine konstante Temperatur gehalten.
(Gegenmaßnahme 2) Ein Drucksensor ist in der Nähe eines Heizelements angeordnet, der Druck wird gemessen, und ein Erkennungssignal wird korrigiert.
(Gegenmaßnahme 3) Ein Heizelement wird an einer Stelle angeordnet, an des es keine Luftströmung gibt.

In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät als (Gegenmaßnahme 1) mit einem ersten Heizelement 4 versehen, das die Feuchtigkeit erkennt, und mit einem zweiten Heizelement 10, das die Lufttemperatur in der Umgebung des ersten Heizelements 4 konstant hält.
4 stellt ein Beispiel für die Anordnung des ersten Heizelements 4 und des zweiten Heizelements 10 dar.
Das zweite Heizelement 10 ist so angeordnet, dass es den Umfang des ersten Heizelements 4 umgibt. Elektroden 21 und 22 sind an beiden Enden des ersten Heizelements 4 vorgesehen. Elektroden 23 und 24 sind an beiden Enden des zweiten Heizelements 10 vorgesehen.
Eine Beziehung zwischen der Wärmeübertragungsrate von Luft und der Feuchtigkeit weist eine Temperaturabhängigkeit auf. Bei einer Lufttemperatur von 500 °C weist die Wärmeübertragungsrate eine Feuchtigkeitsabhängigkeit auf, bei 350 °C (bevorzugt 300 °C) weist sie jedoch nahezu keine Feuchtigkeitsabhängigkeit auf. Daher wird das erste Heizelement 4 auf 500 °C bis 600 °C erhitzt, und das zweite Heizelement wird auf 250 °C bis 350 °C erhitzt. In der vorliegenden Erfindung wird das erste Heizelement 4 auf 500 °C erhitzt, und das zweite Heizelement auf 300 °C.
Durch Anordnen des ersten Heizelements 4 und des zweiten Heizelements 10, wie oben beschrieben, und Durchführen einer Temperaturregelung an jedem der Heizelemente 4 und 10, wie oben beschrieben, wird eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Heizelement 4 und der Luft unabhängig von der Temperatur der Außenluft auf eine konstante Temperatur (200 °C) gehalten.
1 stellt die Konfiguration eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Ein erstes Heizelement 4 ist ein Element, das die Feuchtigkeit erkennt, und das erste Heizelement 4 wird durch eine Brückenschaltung 2 (erste Brückenschaltung), die aus dem ersten Heizelement 4, einem Festwiderstand 5 (erster Festwiderstand), einem Festwiderstand 6 (zweiter Festwiderstand) und einem Festwiderstand 7 (dritter Festwiderstand) konfiguriert ist, auf eine Solltemperatur erwärmt.
In diesem Vergleichsbeispiel ist eine erste Reihenschaltung, in welcher das erste Heizelement 4 und der Festwiderstand 5 miteinander in Reihe geschaltet sind, mit einer zweiten Reihenschaltung parallelgeschaltet, in welcher der Festwiderstand 6 und der Festwiderstand 7 miteinander in Reihe geschaltet sind, wodurch die Brückenschaltung 2 gebildet wird. Ein Potenzial Va1 einer Anschlussstelle a1 zwischen dem ersten Heizelement 4 und dem Festwiderstand 5 und ein Potenzial Va2 einer Anschlussstelle a2 zwischen dem Festwiderstand 6 und dem Festwiderstand 7 werden in einen Differenzialverstärker 8 eingegeben, eine Potenzialdifferenz Va1a2 zwischen dem Potenzial Va1 und dem Potenzial Va2 wird auf geeignete Weise verstärkt, und ein Strom, der der Potenzialdifferenz Va1a2 entspricht, wird einer Anschlussstelle a3 zwischen dem ersten Heizelement 4 und dem Festwiderstand 6 in der Brückenschaltung 2 zugeführt. Eine Anschlussstelle a4 zwischen dem Festwiderstand 5 und dem Festwiderstand 7 ist geerdet und mit einem Erdpotenzial verbunden. Dadurch wird das erste Heizelement 4 auf eine Solltemperatur erwärmt.
In einem Zustand, in welchem das erste Heizelement 4 auf die Solltemperatur gehalten wird, kann ein Potenzial Va5 einer Anschlussstelle a5 zwischen dem ersten Heizelement 4 und dem Festwiderstand 5 als ein der Feuchtigkeit entsprechendes Feuchtigkeitssignal (Feuchtigkeitssignal vor der weiter unten beschriebenen Anpassung) extrahiert werden. Die Anschlussstelle a5 ist eine Stelle, die im Wesentlichen der Anschlussstelle a1 entspricht, und das Potenzial Va5 entspricht dem Potenzial Va1.
Ein Feuchtigkeitssignal des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 kann erhalten werden, indem ein Spannungssignal Va5 des Anschlusspunkts a5 zwischen dem ersten Heizelement 4 und dem Festwiderstand 5 in eine Ausgabeanpassungsschaltung 9 eingegeben (verbunden) wird und das Spannungssignal Va5 durch die Ausgabeanpassungsschaltung 9 angepasst wird. Das durch Anpassung des Spannungssignals Va5 erhaltene Feuchtigkeitssignal wird von einer Ausgangsklemme 15 ausgegeben. Die Ausgabeanpassungsschaltung 9 dient der Anpassung einzelner Abweichungen eines Spannungssignals des Anschlusspunkts a1 zwischen dem ersten Heizelement 4 und dem Festwiderstand 5.
Ein zweites Heizelement 10 ist ein Element, das Luft in der Umgebung des ersten Heizelements 4 erwärmt, und das zweite Heizelement 10 wird durch eine Brückenschaltung 3 (zweite Brückenschaltung), die aus dem zweiten Heizelement 10, einem Festwiderstand 11 (vierter Festwiderstand), einem Festwiderstand 12 (fünfter Festwiderstand) und einem Festwiderstand 13 (sechster Festwiderstand) konfiguriert ist, auf eine Solltemperatur erwärmt.
In diesem Vergleichsbeispiel ist eine dritte Reihenschaltung, in welcher das zweite Heizelement 10 und der Festwiderstand 11 miteinander in Reihe geschaltet sind, mit einer vierten Reihenschaltung parallelgeschaltet, in welcher der Festwiderstand 12 und der Festwiderstand 13 miteinander in Reihe geschaltet sind, wodurch die Brückenschaltung 3 gebildet wird. Ein Potenzial Va11 einer Anschlussstelle a11 zwischen dem zweiten Heizelement 10 und dem Festwiderstand 11 und ein Potenzial Va12 einer Anschlussstelle a12 zwischen dem Festwiderstand 6 und dem Festwiderstand 7 werden in einen Differenzialverstärker 14 eingegeben, eine Potenzialdifferenz Va11a12 zwischen dem Potenzial Va11 und dem Potenzial Va12 wird auf geeignete Weise verstärkt, und ein Strom, der der Potenzialdifferenz Va11a12 entspricht, wird einer Anschlussstelle a13 zwischen dem zweiten Heizelement 10 und dem Festwiderstand 11 in der Brückenschaltung 3 zugeführt. Die Anschlussstelle a5 entspricht im Wesentlichen der Anschlussstelle a1, und das Potenzial Va5 entspricht dem Potenzial Va1. Dadurch wird das erste Heizelement 4 auf eine Solltemperatur erwärmt.
In einem Zustand, in welchem das zweite Heizelement 10 auf die Solltemperatur gehalten wird, wird die vom zweiten Heizelement 10 erzeugte Wärme an die Umgebungsluft abgegeben, und die Wärmeabstrahlungsmenge ändert sich einem Zustand (wie z.B. einem Druck, einem Durchsatz oder einer Temperatur) der Umgebungsluft entsprechend. Eine Änderung in der Wärmeabstrahlungsmenge, die auf eine Zustandsänderung der Luft zurückzuführen ist, ändert ein Potenzial Va15 einer Anschlussstelle a15 zwischen dem zweiten Heizelement 10 und dem Festwiderstand 11. Daher kann das Potenzial Va15 der Anschlussstelle a15 als Information (nachstehend als physikalische Größe bezeichnet) in Bezug auf den Zustand (wie z.B. dem Druck, dem Durchsatz oder der Temperatur) der Luft verwendet werden.
Ferner bedeutet die Extraktion des Potenzials Va15 der Anschlussstelle a15, dass ein Strom (Stromwert), der durch das zweite Heizelement 10 fließt, erkannt wird.
2 stellt die Konfiguration eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1' in einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
Im Vergleichsbeispiel von 2 ist als Maßnahme gegen einen luftströmungsbedingten Luftfeuchtigkeitsausgabefehler ein erstes Heizelement 4 an einer Stelle angeordnet, an der es keine Strömung der Umgebungsluft gibt, (oben beschriebene (Gegenmaßnahme 3)). Außerdem ist ein Drucksensor 17 als Maßnahme gegen einen druckbedingten Luftfeuchtigkeitsausgabefehler angeordnet, und eine Signalverarbeitungsschaltung 18 führt anhand eines Umgebungsluft-Drucksignals und eines Feuchtigkeitssignals von einer Ausgangsklemme 15 einen Korrekturvorgang durch.
Im Vergleichsbeispiel von 2 wird kein Signal aus einer Brückenschaltung 3 des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 extrahiert. Demnach ist die Brückenschaltung 3 nur dazu vorgesehen, die Luft in der Umgebung des ersten Heizelements auf eine Solltemperatur zu erwärmen.
Demgegenüber wird im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 der in 1 dargestellten Ausführungsform ein Signal aus der Brückenschaltung 3 extrahiert und an der Ausgangsklemme 16 vom thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 ausgegeben. Das Signal von der Brückenschaltung 3 enthält Information in Bezug auf eine Strömung (Durchsatz), einen Druck und eine Temperatur der Luft in der Umgebung des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1, und daher kann das Signal von der Brückenschaltung 3 als Signal genutzt werden, das diese Information ausgibt.
Beispiele, in denen ein von der Ausgangsklemme 16 erhaltenes Signal (Information) als Korrektursignal verwendet wird, das ein von der Brückenschaltung 2 erhaltenes Feuchtigkeitssignal korrigiert, werden im Folgenden in Ausführungsformen 1 bis 5 separat beschrieben. In manchen Fällen wird das von der Brückenschaltung 2 erhaltene Feuchtigkeitssignal als erstes Ausgangssignal bezeichnet, und ein von der Brückenschaltung 3 erhaltenes (an der Ausgangsklemme 16 erhaltenes) Signal wird als zweites Ausgangssignal bezeichnet.
[Ausführungsform 1]
3 stellt eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 dar, das eine Luftdurchsatzkorrektur durchführt.
Das thermische Feuchtigkeitsmessgerät 1 von 3 stellt eine Ausführungsform in einem Fall dar, in welchem ein luftströmungsbedingter Einfluss (Fehler), der in einem Feuchtigkeitssignal enthalten ist, das von der Brückenschaltung 2 erhalten wird, unter Verwendung einer Spannungsausgabe Va15 (Potenzial einer Anschlussstelle a15) von einer Brückenschaltung 3 als Signal für die Luftströmung in der Umgebung des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 korrigiert wird.
Zusätzlich zum thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 von 1 umfasst die vorliegende Ausführungsform einen Drucksensor 17, der einen Umgebungsdruck erkennt, eine Signalverarbeitungsschaltung (Signalprozessor) 18, die einen im Feuchtigkeitssignal enthaltenen Fehler korrigiert, und einen Temperatursensor 25, der eine Umgebungstemperatur erkennt. Es kann auch eine Konfiguration verwendet werden, in welcher eines vom Drucksensor 17 und der Signalverarbeitungsschaltung 18 oder vom Temperatursensor 25 oder beides davon im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 verwendet wird.
Ein von einer Ausgangsklemme 15 ausgegebenes Feuchtigkeitssignal, ein vom Drucksensor 17 ausgegebenes Drucksignal, ein von einer Ausgangsklemme 16 ausgegebenes Signal und ein vom Temperatursensor 25 ausgegebenes Temperatursignal werden in die Signalverarbeitungsschaltung 18 eingegeben. Wie oben beschrieben, enthält das von der Ausgangsklemme 16 ausgegebene Signal Information (Komponenten) in Bezug auf einen Durchsatz, einen Druck und eine Temperatur der Luft. Die Signalverarbeitungsschaltung 18 führt unter Verwendung des vom Drucksensor 17 ausgegebenen Drucksignals und des vom Temperatursensor 25 ausgegebenen Temperatursignals eine Korrektur durch, um eine Druckkomponente und eine Temperaturkomponente, die im von der Ausgangsklemme 16 ausgegebenen Signal (zweites Ausgangssignal) enthalten sind, zu entfernen. Dadurch ist es der Signalverarbeitungsschaltung 18 möglich, eine im zweiten Ausgangssignal enthaltene Luftdurchsatzkomponente (Luftdurchsatzsignal) zu extrahieren.
Die Signalverarbeitungsschaltung 18 korrigiert unter Verwendung des Drucksignals und des extrahierten Luftdurchsatzsignals einen Feuchtigkeitsausgabefehler (Fehler eines ersten Ausgangssignals), der auf eine Druckänderung und einen Luftstrom zurückzuführen ist, und gibt an einer Ausgangsklemme 19 ein Feuchtigkeitssignal aus, an welchem eine Korrekturverarbeitung durchgeführt wurde. Nicht nur das Feuchtigkeitssignal, sondern auch das Drucksignal und das Temperatursignal können gleichzeitig oder mit Zeitteilung über die Ausgangsklemme 19 ausgegeben werden.
8 stellt die Druckabhängigkeit eines Feuchtigkeitsmesswerts dar.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt das thermische Feuchtigkeitsmessgerät 1 eine absolute Feuchte als Messwert aus. Hier wird die absolute Feuchte als ein Gewichtsverhältnis des Feuchtegehalts zur zu messenden Luft definiert, und insbesondere als die Masse an Feuchte, die in 1 kg zu messender Luft enthalten ist.
Ein Feuchtigkeitsmesswert, der vom thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 ausgegeben wird, weist eine Druckabhängigkeit auf. Wenn der Druck sich bei gleichbleibender absoluter Feuchte ändert, ändert sich daher auch der Feuchtigkeitsmesswert, wie in 8 dargestellt. Als Verfahren zur Bestimmung (Korrektur) der absoluten Feuchte lässt sich ein Verfahren des Berechnens der absoluten Feuchte anhand einer Näherungsformel der in 8 dargestellten Druckabhängigkeit des Feuchtigkeitsmesswerts und des Auslesens der auf zweidimensionalen Koordinaten gespeicherten absoluten Feuchte anführen.
Die Näherungsformel und die zweidimensionalen Koordinaten zur Speicherung der absoluten Feuchte, die im obigen Verfahren verwendet werden, sind in einer Speicherschaltung (Speicher) 26 gespeichert. Es kann auch eine Konfiguration verwendet werden, in welcher die Speicherschaltung 26 im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 integriert ist.
Der Feuchtigkeitsmesswert weist auch eine Abhängigkeit von der Temperatur und dem Durchsatz der Luft auf. Daher sind, wie bei der Druckabhängigkeit, auch für diese Abhängigkeiten Näherungsformeln der Abhängigkeiten und zweidimensionale Koordinaten in der Speicherschaltung 26 gespeichert, und es wird eine Korrektur durchgeführt, um die absolute Feuchte in Bezug auf jede Temperatur und jeden Luftdurchsatz zu bestimmen.
In der vorliegenden Ausführungsform kann ein durch die Luftströmung in der Umgebung des ersten Heizelements 4 verursachter Messfehler korrigiert werden. Daher kann das erste Heizelement 4 an einer Stelle angeordnet werden, an der eine Luftströmung auftritt. Deshalb kann das erste Heizelement 4 an einer Stelle angeordnet sein, an der ein Austausch von Umgebungsluft stattfindet, und es ist möglich, ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät 1 mit hoher Genauigkeit und schnellem Ansprechverhalten zu realisieren. In 3 ist auch eine Konfiguration, in der kein Temperatursensor 25 angeordnet ist, Gegenstand der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Einfluss der Temperatur vernachlässigbar ist.
[Ausführungsform 2]
5 stellt eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 dar, das eine Druckkorrektur durchführt.
Das thermische Feuchtigkeitsmessgerät 1 von 5 stellt eine Ausführungsform für den Fall dar, in welchem ein Einfluss (Fehler) des Drucks, der in einem Feuchtigkeitssignal enthalten ist, das von einer Brückenschaltung 2 erhalten wird, unter Verwendung einer Spannungsausgabe Va15 (Potenzial einer Anschlussstelle a15) als Signal des Drucks der Umgebungsluft des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 von einer Brückenschaltung 3 korrigiert wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass ein erstes Heizelement 4 und ein zweites Heizelement 10 in einer Umgebung (einem Raum) angeordnet sind, in der die Luftströmung vernachlässigbar ist. Ein derartiger Raum kann durch einen Hohlraum wie dem in PTL 1 beschriebenen realisiert werden.
Zusätzlich zum thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 von 1 umfasst die vorliegende Ausführungsform eine Signalverarbeitungsschaltung (Signalprozessor) 18, die einen im Feuchtigkeitssignal enthaltenen Fehler korrigiert, und einen Temperatursensor 25, der eine Umgebungstemperatur erkennt. Es kann auch eine Konfiguration verwendet werden, in welcher eines von der Signalverarbeitungsschaltung 18 oder vom Temperatursensor 25 oder beides davon im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät 1 verwendet wird.
Ein Feuchtigkeitssignal, das von einer Ausgangsklemme 15 ausgegeben wird, ein Signal, das von einer Ausgangsklemme 16 ausgegeben wird, und ein Temperatursignal, das von dem Temperatursensor 25 ausgegeben wird, werden in die Signalverarbeitungsschaltung 18 eingegeben. Wie oben beschrieben, enthält das von der Ausgangsklemme 16 ausgegebene Signal Informationen (Komponenten) in Bezug auf einen Durchsatz, einen Druck und eine Temperatur der Luft. Die Signalverarbeitungsschaltung 18 führt eine Korrektur durch, um unter Verwendung des vom Temperatursensor 25 ausgegebenen Temperatursignals eine Temperaturkomponente zu entfernen, die im Signal (zweites Ausgangssignal) enthalten ist. Dadurch kann die Signalverarbeitungsschaltung 18 eine im zweiten Ausgangssignal enthaltene Druckkomponente (Drucksignal) extrahieren.
Die Signalverarbeitungsschaltung 18 korrigiert unter Verwendung des Temperatursignals und des extrahierten Drucksignals einen Feuchtigkeitsausgabefehler (Fehler eines ersten Ausgangssignals), der auf eine Temperaturänderung und eine Druckänderung zurückzuführen ist, und gibt an einer Ausgangsklemme 19 ein Feuchtigkeitssignal aus. Nicht nur das Feuchtigkeitssignal, sondern auch das Drucksignal und das Temperatursignal können gleichzeitig oder mit Zeitteilung von der Ausgangsklemme 19 ausgegeben werden.
In der vorliegenden Ausführungsform muss das erste Heizelement 4 an einer Stelle angeordnet sein, an der keine Luftströmung vorhanden ist, ein Drucksensor 17 kann jedoch entfallen. Dadurch kann ein kostengünstiges thermisches Feuchtigkeitsmessgerät realisiert werden. In 5 ist auch eine Konfiguration, in welcher kein Temperatursensor 25 angeordnet ist, Gegenstand der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Einfluss der Temperatur vernachlässigbar ist.
[Ausführungsform 3]
6 stellt eine Ausführungsform eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts 1 dar, das ein Temperatursignal ausgibt.
Das thermische Feuchtigkeitsmessgerät 1 von 6 ist eine Ausführungsform für den Fall, in welchem eine Spannungsausgabe Va15 (Potenzial einer Anschlussstelle a15) von einer Brückenschaltung 3 als Signal für die Lufttemperatur in der Umgebung des Feuchtigkeitsmessgeräts 1 verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass ein erstes Heizelement 4 und ein zweites Heizelement 10 in einer Umgebung (einem Raum) angeordnet sind, in welchem die Luftströmung vernachlässigbar ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das erste Heizelement 4 an einer Stelle angeordnet, an der es keine Luftströmung gibt, und ein Drucksensor 17 ist vorgesehen. Durch Korrigieren eines Feuchtigkeitsausgabefehlers (Fehler eines ersten Ausgangssignals) unter Verwendung eines vom Drucksensor 17 ausgegebenen Drucksignals kann an einer Ausgangsklemme 19 ein hochpräzises Feuchtigkeitssignal ausgegeben werden, in welchem ein Feuchtigkeitsausgabefehler korrigiert wurde, der auf eine Druckänderung zurückzuführen ist. Da ein Feuchtigkeitsausgabefehler, der auf eine Änderung des Luftdurchsatzes zurückzuführen ist, in diesem Fall nicht vorhanden oder vernachlässigbar klein ist, muss dieser nicht korrigiert werden.
In diesem Fall ist es nicht notwendig, ein Signal (zweites Ausgangssignal) von einer Ausgangsklemme 16 zur Korrektur eines Feuchtigkeitssignals zu verwenden. Das Signal von der Ausgangsklemme 16 enthält jedoch auch ein Temperatursignal, weshalb das Signal von der Ausgangsklemme 16 als Lufttemperatursignal genutzt werden kann, statt als Signal zur Korrektur des Feuchtigkeitssignals. Das zweite Ausgangssignal enthält jedoch auch eine Komponente (ein Signal) einer Druckänderung. Daher wird das zweite Ausgangssignal in eine Signalverarbeitungsschaltung 18 eingegeben, die Druckänderungskomponente wird aus dem zweiten Ausgangssignal entfernt, und das Temperatursignal wird extrahiert. Dadurch können das Feuchtigkeitssignal, das Drucksignal und das Temperatursignal gleichzeitig oder mit Zeitteilung von der Ausgangsklemme 19 ausgegeben werden.
In den thermischen Feuchtigkeitsmessgeräten 1 von 1 und der Ausführungsformen 1 bis 3 wird ein Signal von der Brückenschaltung 2 an der Anschlussstelle a5 zwischen dem zweiten Heizelement 10 und dem Festwiderstand 11 genommen, doch wie in 7 dargestellt, kann auch ein Signal (Va6) von einer Ausgangsklemme a6 eines Differenzialverstärkers 14 genommen werden.
Eine Ausgabe eines thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts ändert sich neben dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft oder der Temperaturdifferenz zwischen einem die Feuchtigkeit messenden Heizelement und der Luft auch der Luftströmung und dem Druck der Umgebungsluft entsprechend, was zu einem Fehler in der Feuchtigkeitsmessung führt. Daher sind im thermischen Feuchtigkeitsmessgerät Maßnahmen erforderlich, z.B. durch Anordnen des Feuchtigkeitsmessgeräts an einer Stelle, an der es keine Luftströmung gibt, oder durch Messen des Drucks der Umgebungsluft mit einem in der Nähe des thermischen Feuchtigkeitsmessgeräts angeordneten Drucksensor, um ein Ausgangssignal (Messwert) zu korrigieren.
In Anbetracht des oben beschriebenen Problems beschreibt PTL 1 einen Kombinationssensor, in welchem ein thermischer Gassensor mit einem thermischen Luftmengensensor integriert ist, wobei der thermische Gassensor in einem Hohlraum eines Gehäuses vorgesehen ist, der mit einem Nebenkanal in Verbindung steht, in welchem der thermische Luftmengensensor vorgesehen ist (siehe Absatz 0088). Das heißt, im Kombinationssensor, der in PTL 1 beschrieben wird, ist der thermische Gassensor im Hohlraum des Gehäuses angeordnet, wodurch er an einer Stelle (dem Hohlraum) angeordnet ist, wo keine Luftströmung vorhanden ist.
Doch wenn ein Heizelement, das die Feuchtigkeit misst, an einer Stelle angeordnet ist, an der es keine Luftströmung gibt, wird der Luftaustausch erschwert, was zu einem Problem führt, dass die Ansprechempfindlichkeit auf eine Änderung der Luftfeuchtigkeit abnimmt.
Ein thermisches Feuchtigkeitsmessgerät, das die Umgebung eines Ansaugkanals einer Brennkraftmaschine misst, muss die Feuchtigkeit des Gases in Echtzeit messen. Daher ist es wünschenswert, dass das thermische Feuchtigkeitsmessgerät ein schnelles Ansprechverhalten (nachstehend als schnelle Reaktion bezeichnet) aufweist. Um die schnelle Reaktion zu erreichen, ist es wünschenswert, dass ein Feuchtigkeitssensor im Ansaugkanal freiliegt. Wenn der Feuchtigkeitssensor im Ansaugkanal freiliegt, wird die Feuchtigkeitsmessung jedoch durch Turbulenzen beeinträchtigt, da die Ansaugluft aufgrund des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl pulsiert. Deshalb muss ein Heizelement, das die Feuchtigkeit misst, an einer Stelle angeordnet sein, wo keine Luftströmung vorhanden ist oder wo der Luftdurchsatz gering ist, und es ist schwierig, im thermischen Gassensor, der in PTL 1 beschrieben wird, sowohl eine hochpräzise Messung mit weniger Rauschen als auch eine schnelle Reaktion zu erreichen.
Darüber hinaus liegt ein Problem vor, dass ein Produktpreis steigt, wenn eine Konfiguration verwendet wird, in der ein Drucksensor vorgesehen ist, der einen Einfluss des Drucks auf ein Feuchtigkeitssignal korrigiert.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsformen, in welchen ein erstes Ausgangssignal (Feuchtigkeitssignal) unter Verwendung eines zweiten Ausgangssignals korrigiert wird, ist es möglich, selbst in einer Umgebung, in der die Ansaugluft zum Beispiel aufgrund des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl pulsiert, ein Feuchtigkeitsmessgerät bereitzustellen, das in der Lage ist, die Feuchtigkeit mit hoher Genauigkeit und schnellem Ansprechverhalten zu messen, und zugleich ein kostengünstiges thermisches Feuchtigkeitsmessgerät bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und schließt verschiedene Varianten ein. Zum Beispiel wurden die obigen Ausführungsformen ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung leicht verständlich zu machen, und die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf eine Ausführungsform, die die Gesamtheit einer Konfiguration aufweist. Ferner kann ein Teil einer Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform durch eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, oder eine Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform kann zu einer Konfiguration einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner ist es möglich, einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform hinzuzufügen, zu streichen oder zu durch eine andere zu ersetzen.
Bezugszeichenliste

1: thermisches Feuchtigkeitsmessgerät
2: Brückenschaltung zur Ansteuerung des ersten Heizelements
3: Brückenschaltung zur Ansteuerung des zweiten Heizelements
4: erstes Heizelement
5, 6, 7: Festwiderstand
8: Differenzialverstärker
9: Ausgabeanpassungsschaltung
10: zweites Heizelement
11, 12, 13: Festwiderstand
14: Differenzialverstärker
15, 16: Ausgangsklemme
17: Drucksensor
18: Signalverarbeitungsschaltung
19: Ausgangsklemme
20: Substrat
21, 22, 23, 24: Elektrode
25: Temperatursensor
26: Speicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011137679 A [0002, 0004]

Claims

Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät, umfassend: eine erste Brückenschaltung, die ein erstes Heizelement aufweist, das die Feuchtigkeit erkennt; und eine zweite Brückenschaltung, die ein zweites Heizelement aufweist, das die Luft in der Umgebung des ersten Heizelements erwärmt, wobei ein erstes Ausgangssignal aus der ersten Brückenschaltung extrahiert wird und die Feuchtigkeit erkannt wird, und ein zweites Ausgangssignal aus der zweiten Brückenschaltung extrahiert wird, wobei das zweite Ausgangssignal Information in Bezug auf mindestens eines von einem Druck, einem Durchsatz und einer Temperatur der Luft enthält.
Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät nach Anspruch 1, außerdem umfassend: einen Signalprozessor, der einen im ersten Ausgangssignal enthaltenen Fehler korrigiert; einen Drucksensor, der den Umgebungsdruck erkennt; und einen Temperatursensor, der die Umgebungstemperatur erkennt, wobei der Signalprozessor unter Verwendung einer Ausgabe des Drucksensors und einer Ausgabe des Temperatursensors ein Luftdurchsatzsignal aus dem zweiten Ausgangssignal extrahiert und das erste Ausgangssignal unter Verwendung der Ausgabe des Drucksensors und des Luftdurchsatzsignals korrigiert.
Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät nach Anspruch 1, wobei das erste Heizelement und das zweite Heizelement in einem Raum angeordnet sind, in welchem eine Luftströmung vernachlässigbar ist, ein Signalprozessor zur Korrektur eines im ersten Ausgangssignal enthaltenen Fehlers und ein Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorgesehen sind, und der Signalprozessor unter Verwendung einer Ausgabe des Temperatursensors ein Drucksignal aus dem zweiten Ausgangssignal extrahiert und das erste Ausgangssignal unter Verwendung des Drucksignals korrigiert.
Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät nach Anspruch 1, wobei das erste Heizelement und das zweite Heizelement in einem Raum angeordnet sind, in welchem eine Luftströmung vernachlässigbar ist, ein Signalprozessor zur Korrektur eines im ersten Ausgangssignal enthaltenen Fehlers und ein Drucksensor zur Erfassung des Umgebungsdrucks vorgesehen sind, und der Signalprozessor unter Verwendung einer Ausgabe des Drucksensors den im ersten Ausgangssignal enthaltenen Fehler korrigiert und unter Verwendung der Ausgabe des Drucksensors ein Temperatursignal aus dem zweiten Ausgangssignal extrahiert.