DE19509535A1 - Verfahren zur Einstellung von Luftmassenstromsensoren sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents

Verfahren zur Einstellung von Luftmassenstromsensoren sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimmbaren Ausgangsstufe sowie eine Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstrom­ meters mit einer einstellbaren Ausgangsstufe.
Allgemein bezieht sich die Erfindung also auf die Messung von Gasmassenströmen mit Sensoren.
Konventionelle Luftmassenstromsensoren auf Basis anemometri­ scher Hitzdrahtinstrumente (MAFS) besitzen zwei kleine tem­ peraturabhängige Widerstandselemente, die im Luftstrom ange­ ordnet sind. Ein Element (als heißes Element bezeichnet) wird durch Dissipation elektrischer Energie auf hohe Temperatur aufgeheizt. Das andere Element (als kaltes Element bezeich­ net) wird dazu verwendet, die Umgebungslufttemperatur zu messen. Der mit diesen Elementen verwendete Schaltkreis wird üblicherweise mit Dickfilmwiderständen hergestellt, die dem Herstellungsverfahren Flexibilität verleihen. Diese Wider­ stände können mit Laser zur Optimierung der Sensorfunktion bearbeitet werden. Der Strom durch die Elemente wird über einen Widerstand, der eine Spannung Vsig hervorruft, über­ wacht. Die Spannung Vsig schafft die Eingabe für einen Ausgang einer Luftmassenstromsensorschaltkreisanordnung, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine Spannung Vout befindet sich am Ausgang des Ausgabeabschnitts und ist mit den Ausgabe­ widerständen R₁, R₂, R₃, und R₄ gekoppelt.
Bei Einstellung eines Luftmassenstromflußsensors ist es be­ kannt, die Ausgangswiderstände einzustellen, um die Transfer­ funktion für die Luftmassenstromausgangsspannung auf den zu messenden Luftstrom (siehe Fig. 2) einzustellen. Nach Einstel­ lung der Widerstände wird eine neue Ausgangsspannung gemes­ sen. Wenn die Ausgangsspannung immer noch unterhalb der erwünschten Ausgangsspannung (entsprechend der erwünschten Transferfunktion) liegt, wird das Widerstandselement wiederum nachgestellt und eine Messung der Ausgangsspannung durchgeführt (s. Fig. 3). Diese Spannungsmessungen sind relativ instabil, da sie eine Funktion des Luftflusses sind. Dies bedeutet, daß es etwa zwei Sekunden dauert, um einen Mittelwert des Spannungsausgangs zu erhalten, der als sehr genau betrachtet werden kann (s. Fig. 4). Auf Grund des Zeitverzugs von zwei Sekunden nach jeder Unterbrechung zur Einstellung des Widerstandes ist das Verfahren zum Erhalt einer endgültigen Unterbrechung im Widerstandeinstellver­ fahren unerwünscht lang. Es ist daher erwünscht, das Verfahren des Einstellens der Widerstände abzukürzen, das einen Teil des Luftmassenstromsensorsystems bildet.
Allgemein müssen auf Grund der von Teil zu Teil variierenden Luftmassenstromsensoranordnungen die Luftmassenstromausgangs­ stufen-Widerstände R₁, R₂, R₃ und R₄ mit Lasers bearbeitet werden, um den Sensortransferfunktionsanforderungen zu genügen. Ein typischer Transferfunktions-Einstellprozeß setzt den Sensor einem niedrigen Luftstrom aus und stellt die Widerstände R₁ und/oder R₂ so ein, daß die Spannung Vout auf den erwünschten Wert eingestellt ist und eine Verstärkungs­ einstellung erzielt wird. Der Sensor wird einem hohen Luft­ strom ausgesetzt, während die Widerstände R₃ und/oder R₄ ein­ gestellt werden, um Vout auf eine erwünschte hohe Luftstrom­ transferfunktion einzustellen, und eine Verstärkungsein­ stellung zu erzielen. Der niedrige Luftstrom Vout wird sodann wiederum überprüft, um sicherzustellen, daß dieser sich während der Einstellung des hohen Luftstroms nicht zu weit verschoben hat. Falls die Spannung Voutt bei niedrigem Luft­ strom inakzeptabel ist, müssen beide Verfahrensschritte wiederholt werden. Das Verfahren ist auf Grund von zwei Ursachen zeitaufwendig. Zunächst wird die gesamte Wider­ standseinstellung dann durchgeführt, wenn sich ein Luftstrom durch das Luftmassenstrommeter bewegt und Vsig hervorruft. Diese Spannung Vsig ist auf Grund der inhärenten Dynamik des Luftstroms mit Rauschen versehen. Demzufolge muß zur Sicherstellung der Genauigkeit eine längere Messung von Vout während der Laserbearbeitung durchgeführt werden. Zweitens muß, da die Einstellung der Widerstände bei hohem Luftstrom den niederen Luftstrom Vout zur Verschiebung zwingt, das Verfahren des Übergangs von Niederfließgeschwindigkeits- auf Hochfließgeschwindigkeits-Laserbearbeitung häufig wiederholt werden, was wiederum das Einstellverfahren verlängert. Dies sind einige der Probleme, die erfindungsgemäß überwunden werden sollen.
Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, ein schnell durch­ zuführendes Einstellverfahren zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimm­ baren Ausgangsstufe, mit den Schritten: Führen eines Luftmas­ senstroms durch den Luftmassenstromsensor; Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors; Bestimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangsstufe entsprechend der gemesse­ nen Eingangsspannung; Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Eingangsspannung.
Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstrommeter mit einer ein­ stellbaren Ausgangsstufe, mit: Mitteln zum Führen eines Luft­ massenstroms durch den Luftmassenstromsensor; Mitteln zum Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors; Mitteln zum Be­ stimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangsstufe entsprechend der gemessenen Eingangsspannung; Mitteln zum Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und Mitteln zum Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Eingangsspannung.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Ein Einstellverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung schafft ein exaktes Verfahren der Transferfunktions­ einstellung, während die Herstellungszykluszeit reduziert wird. Dies führt zu einer Erhöhung der gesamten Herstellungs­ geschwindigkeit einer Erniedrigung der Werkzeugkosten und einer Reduktion der Produktionsfläche. Die Einstellzykluszeit wird um über 50% verkürzt.
Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nimmt eine erste Transferfunktion, die einer Luftmassenstrom­ meterausgangsspannung und einem Luftstrom entspricht und bestimmt, welche Änderungen notwendig sind, um die ersten Transferfunktion auf eine erwünschte Transfunktion zu ändern. Dies wird dadurch erzielt, indem die Ausgangsspannung bei niedrigem und hohem Luftstrom gemessen wird. Jede Messung benötigt Zeit (bspw. zwei Sekunden), um eine Durchschnitts- Ausgangsspannung bei einem fluktuierenden Luftstrom zu erhalten. Eine erwünschte Luftmassenstromausgangsspannung wird bei niedrigem Luftstrom und bei hohem Luftstrom bestimmt. Eine Luftmassenstromsensorsignalspannung wird als Eingangsspannung zu einer Ausgangsstufe des Luftmassenstrom­ meters verwendet. Derartige Signalspannungen entsprechen der Ausgangsspannung bei niedrigem Luftfluß und es wird auch die Ausgangsspannung bei hohem Luftfluß gemessen. Die Luft­ massenstromausgangsstufe umfaßt Widerstände, die eingestellt werden können, um Spannungsgrößen und Verschiebungen ein­ zustellen. Sodann wird eine Spannungsquelle auf eine gemessene Signalspannungsgröße eingestellt und an die Ausgangsstufe angelegt. Die Widerstände der Ausgangsstufe sind sodann eingestellt, um eine erwünschte Ausgangsspannung entsprechend der erwünschten Transferfunktion herzustellen. Demzufolge wird die Einstellung entsprechend einer stabilen Eingabespannung durchgeführt, die sich nicht entsprechend Luftströmungsfluktuationen ändert und das Einstellen kann schnell beendet werden. Ohne die Erfindung kann die Dynamik der Luftstrom- und Lasereinstellung der Widerstände das Ein­ stellen des Luftmassenstromsensors sehr aufwendig gestalten. Um genaue Resultate zu erzielen, wenn sich der Ausgang seinem Zielwert nähert, müssen ganz kleine Laserschnitte von langen Mittelungs-Messungen gefolgt werden. Das obenbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren trennt die Messung des Luftstromes und die Laserbearbeitung der Widerstände, um eine größere Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erzielen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, auf die diese keinesfalls beschränkt ist.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Ausgangsstufen­ schaltkreises für ein Luftmassenstrommeter;
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Luftmassenstrom­ sensorausgangsspannung gegen die Luftmassenstromgröße gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung gegen die Zeit während des Einstellens des Widerstands mittels Laser gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung gegen die Zeit, die die Spannungsfluktuation während des Luftflusses entsprechend einer Ausgangsführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Luftmassenstromsensorproduk­ tionsstraße mit Widerstandseinstellung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt ein Testsystem für Produktions­ straßen 10 für Luftmassenstromsensoren einen Sensorträger 11 zum Fördern des Luftmassenstromsensors zu einer Einstell­ station 12. Einstellstation 12 umfaßt ein Luftströmungssystem zum Vorsehen einer bekannten Luftströmungsgröße. In typischer Weise liefern verschiedene Düsen 21 einen exakt bekannten Luftfluß. Eine Luftflußpumpe 16 wird über eine Luftleitung 17 mit den Luftmassenstromdüsen 21 und über eine Luftleitung 18 mit dem zu testenden Luftmassenstromsensor verbunden. Wenn die bekannte Luftströmungsgröße eingestellt ist, liefert die Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors am Träger 11 ein Signal an den Computer 13, das der bekannten Größe des Luftstroms entspricht. Wenn die Ausgabespannung vom Luftmas­ senstromsensor nicht dem erwünschten Wert entspricht, kann die Ausgangsspannung durch Laserbearbeitung der Ausgangs­ widerstände der Ausgangsstufe des zu testenden Luftmassen­ stromsensors geändert werden.
Um das Einstellen der Widerstände zu vervollständigen, emp­ fängt der Computer 13 ein Signal von der Station 12, das die Luftströmungsgröße angibt. Der Computer 13 empfängt auch ein Signal vom Luftmassenstromsensor, das die Signalspannung des Luftmassenstromsensors und das Ausgabesignal der Ausgangs­ stufe des Luftmassenstromsensors angibt. Falls dieses Ausga­ besignal nicht der erwünschte Spannung entsprechend dem durch die Einstellstation 12 geschaffenen Luftstrom entspricht, wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung 14 eingesetzt, um die Ausgangswiderstände R₁, R₂, R₃ und R₄ der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensor zu bearbeiten, um das Ausgabespan­ nungssignal auf den erwünschten Wert einzustellen. Während des Einstellens wird kein Luftfluß benötigt und der Träger wird aus der Einstellstation heraus bewegt.
Ein Einstellverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die nachfolgenden drei Schritte:
  • 1. Einstellung des Luftstroms auf niedrige Fließge­ schwindigkeit
    - Messung Vout und Name als Vout1
    - Messung Vsig und Name als Vlo
  • 2. Einstellung des Luftstroms auf hohe Fließgeschwindigkeit
    - Messung von Vout und Aufzeichnen als Vout2
    - Messung von Vsig und Aufzeichnen als Vhi
  • 3. Einstellung:
    Vouthi ⇒ erwünschte Vout bei hoher Fließgeschwindigkeit
    Voutlo ⇒ erwünschte Vout bei niedriger Fließgeschwindigkeit wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor der Ein­ stellung sind und Gi die Anfangs-Systemverstärkung ist;
  • a) Berechne:
    Vspan = Vouthi-Voutlo
    VspanI = Vout2-Vout1 wobei Gf die endgültige Systemverstärkung ist
Unter Verwendung einer computergesteuerten Präzisions­ spannungsquelle wird Vhi in den Schaltkreis bei Vsig eingespeist;
  • b) Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daß Vout-Vout1 + Vspan + Vout
  • c) Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Er­ halt der gewünschten Größe, so daß Vout = Vouthi
Da eine Präzisionspannungsquelle eine Aufwärmzeit benötigt, ist es erwünscht, sowohl die Verstärkungs-Widerstände R₃ und R₄ als auch die Kompensations-Widerstände R₁ und R₂ einzustellen, während lediglich eine Spannung eingespeist wird. Durch Durchführung der Berechnung im obigen Schritt 3 kann der erwünschte Wert Vout für die Einstellung der Verstärkung in Schritt 3b bestimmt werden. Schließlich können die Kompensationswiderstände R₁ und R₂ im Schritt (3c) eingestellt werden. Die Kompensationswiderstände sind kleiner als die Verstärkungswiderstände und beeinflussen daher nicht die Verstärkungseinstellung.
Verschiedene Modifikationen und Variationen der Erfindung sind dem Fachmann offensichtlich. Derartige Variationen, die grundsätzlich auf der Lehre dieser Offenbarung beruhen, sollen somit konsequenterweise unter den Schutzumfang der Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
10 Testsystem für Produktionsstraßen
11 Sensorträger 11
12 Einstellstation 12. E
13 Computer
14 Laserbearbeitungsvorrichtung 14
16 Luftflußpumpe
17 Luftleitung
18 Luftleitung
21 Luftmassenstromdüsen

Claims (10)

1. Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimmbaren Ausgangsstufe, gekennzeichnet durch die Schritte:
Führen eines Luftmassenstroms durch den Luftmassenstromsen­ sor;
Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors;
Bestimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangs­ stufe entsprechend der gemessenen Eingangsspannung;
Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und
Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Ein­ gangsspannung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abstimmens der Ausgangsstufe den Schritt der Einstellung der Widerstände in der Ausgangsstufe umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abstimmens der erwünschten Ausgabespannung umfaßt:
Einstellung eines niedrigen Luftstromes;
Messen einer Eingangs- und Ausgangsspannung der Ausgangsstufe bei niedrigem Luftstrom;
Einstellung eines hohen Luftstromes; und
Messen der Eingangs- und Ausgangsspannung der Ausgangsstufe bei hohem Luftstrom.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: Berechnen der erwünschten Verstärkung der Ausgangsstufe, um die erwünschte Ausgabespannung bei einer gemessenen Eingangs­ spannung zu erzielen.
5. Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimmbaren Ausgangsstufe mit Widerständen R₁, R₂, R₃, R₄ mit den Schritten:
Einstellung des Luftstromes zum Luftmassenstromsensor auf niedrige Fließgeschwindigkeit;
Messen einer Ausgangsspannung der Ausgangsstufe Vout und Aufzeichnung als Vout2;
Messen der Eingangsspannung Vsig der Ausgangsstufe und Auf­ zeichnung als Vhi;
Einstellung des Luftflusses auf hohe Fließgeschwindigkeit;
Messen von Vout und Aufzeichnung als Vout2;
Messen von Vsig und Aufzeichnung als Vhi;
Setzen eines Vouthi gleich dem erwünschten Vout bei hoher Fließgeschwindigkeit;
Einstellung eines Vouthi auf ein erwünschtes Vout bei hoher Luft-Fließgeschwindigkeit;
Einstellen eines Voutlo auf einen erwünschten Vout bei nied­ riger Luft-Fließgeschwindigkeit;
Berechnen eines Anfangs-Verstärkungswertes Gi nach: wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor der Ein­ stellung sind und Gi die Anfangs-Systemverstärkung ist;
  • a) Berechnen von:
    Vspan = Vouthi-Voutlo und eines VspanI = Vout2-Vout1
    Berechnen der End-Verstärkung nach: wobei Gf die endgültige Systemverstärkung ist Anlegen von Vhi an die Ausgangsstufe mit Vsig;
  • b) Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daß Vout-Vout1 + Vspan + Vout
  • c) Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Er­ halt der gewünschten Verstärkung, so daß Vout = Vouthi
6. Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstrommeters mit einer einstellbaren Ausgangsstufe, gekennzeichnet durch:
Führen eines Luftmassenstroms durch den Luftmassenstromsen­ sor;
Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors;
Bestimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangs­ stufe entsprechend der gemessenen Eingangsspannung;
Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und
Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Ein­ gangsspannung.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel (12) für die Verstärkungsstufe Mittel zur Bearbeitung der Widerstände (14) in der Ausgangsstufe aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung einer erwünschten Ausgangsspannung umfassen:
Mittel zur Einstellung einer niedrigen Luftfließgeschwindigkeit;
Einrichtungen zur Messung einer Eingangs- und einer Ausgangs­ spannung der Ausgabestufe bei hoher Luftfließgeschwindigkeit;
Mittel zur Einstellung einer hohen Luftfließgeschwindigkeit; und
Mittel zur Messung einer Eingangs- und einer Ausgangsspannung der Ausgabestufe bei hoher Luftfließgeschwindigkeit.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel zur Berechnung der erwünschten Verstärkung der Ausgangsstufe, um die erwünschte Ausgabespannung entsprechend einer gemessenen Eingangsspannung zu erhalten.
10. Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstromsensors nach Anspruch 6 mit einer einstellbaren Ausgangsstufe mit Wi­ derständen R₁, R₂, R₃ und R₄, gekennzeichnet durch:
Mittel zur Einstellung des Luftstromes zum Luftmassenstrom­ sensor auf niedrige Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Messen einer Ausgangsspannung der Ausgangsstufe Vout und Aufzeichnung als Vout1;
Mittel zum Messen der Eingangsspannung Vsig der Ausgangsstufe und Aufzeichnung als Vlo;
Mittel zur Einstellung des Luftflusses auf hohe Fließge­ schwindigkeit;
Mittel zum Messen von Vout und Aufzeichnung als Vout2;
Mittel zum Messen von Vsig und Aufzeichnung als Vhi;
Setzen einer Vouthi gleich der erwünschten Vout bei hoher Fließgeschwindigkeit;
Mittel zur Einstellung eines Vouthi auf ein erwünschtes Vout bei hoher Luft-Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Einstellen einer Voutlo auf eine erwünschte Vout bei niedriger Luft-Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Berechnen einer Anfangs-Verstärkung Gi nach: wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor Ein­ stellung sind und Gi die Anfangs-Systemverstärkung ist;
Mittel zum Berechnen von:
Vspan = Vouthi-Voutlo und einer VspanI = Vout2-Vout1;
Mittel zum Berechnen einer End-Verstärkung Gf nach: wobei Gf die endgültige Systemverstärkung ist;
Mittel zur Berechnung von: Mittel zum Anlegen von Vhi an die Ausgangsstufe bei Vsig;
Mittel zur Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daßVout-Vout1 + Vspan + Vout; undMittel zur Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Erhalt der gewünschten Verstärkung, so daßVout = Vouthi.
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