DE19537466A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur eines den Durchsatz eines strömenden Mediums erfassenden Meßwiderstandes - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines den Durchsatz eines strömenden Mediums erfassenden Meßwiderstandes, insbesonders eines Heißfilmes eines Luftmassenmessers einer Brennkraft­ maschine, dem ein geregelter Heizstrom zugeführt wird zur Erzeugung einer Übertemperatur gegenüber dem strömenden Medium.

Zur Ermittlung des Durchsatzes eines strömenden Mediums, beispielsweise der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse werden üblicherweise temperaturgeregelte Meßwider­ stände eingesetzt, die vom vorbeiströmenden Medium, also beispielsweise der vorbeiströmenden Luft, gekühlt werden. Der Meßwiderstand ist dabei üblicherweise Teil einer elektrischen Brückenschaltung, er wird durch einen elektri­ schen Strom auf eine konstante Betriebstemperatur geregelt. Der zur Konstanthaltung der Temperatur benötigte Heizstrom ist ein Maß für das strömende Medium, beispielsweise für die vom Motor angesaugte Luftmasse.

In Abhängigkeit von der ermittelten Luftmasse werden im Steuergerät der Brennkraftmaschine die für die optimale Regelung der Zündung oder Einspritzung benötigten Steuer­ signale ermittelt.

Aus der DE-OS 39 38 286 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Durchsatzes einer strömenden Fluidmasse bekannt, bei denen die Temperaturregelung des Meßwider­ standes mit Hilfe eines Microcontrollers erfolgt. Diesem Microcontroller wird die Sensorausgangsspannung, eine temperaturabhängige Referenzspannung sowie die Versorgungs­ spannung zugeführt. Unter Berücksichtigung dieser Spannungen generiert der Microcontroller Ansteuersignale für einen Schalttransistor, der den effektiven Strom durch den Heiz­ widerstand regelt, indem er die Versorgungsspannung in einem änderbaren Tastverhältnis an den Heizwiderstand weiterlei­ tet. Aus den Werten des Tastverhältnisses ermittelt der Microcontroller den Wert des strömenden Mediums, beispiels­ weise die von einer Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat gegenüber dem bekannten den Vorteil, daß die Temperaturrege­ lung sehr flexibel ist und eine Anpassung der Regelkreis­ parameter auf einfache Weise erfolgen kann, wobei auch eine adaptive Regelung durchführbar ist. Dabei ist besonders vor­ teilhaft, daß eventuelle Sensorungenauigkeiten mit Hilfe von Kennfeldkorrekturen im Rechner selbst korrigiert werden kön­ nen. Durch die erfindungsgemäße Verarbeitung der sensorrele­ vanten Spannungen in einem eigenen Rechner, beispielsweise einem Mikrocomputer wird ein nachfolgendes Steuergerät, das aus den ermittelten Durchflußdaten Steuerparameter für eine Brennkraftmaschine berechnet, entlastet.

Erzielt werden diese Vorteile durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines den Durchsatz eines strömenden Mediums erfassenden Meßwiderstandes mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei ist der heizbare Meßwider­ stand Bestandteil einer Brückenschaltung, die den eigentli­ chen Sensor darstellt. Dieser Meßwiderstand wird von einem Heizwiderstand beheizt. Letzterem wird ein geregelter Heiz­ strom zugeführt zur Erzeugung einer Übertemperatur. Die Regelung dieses Heizstromes wird mit Hilfe eines Rechners durchgeführt, dem sensorrelevante Spannungen zugeführt werden, beispielsweise eine aus der Sensorspannung gebildete Regelspannung, eine Temperaturspannung sowie eine die Versorgungsspannung charakterisierende Spannung. Anhand dieser Spannungen bildet der dem Sensor zugeordnete Rechner eine Regelabweichung anhand derer die eigentliche Regelung des Heizstromes erfolgt.

Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der in den unter Ansprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der der Erfindung ist in der einzi­ gen Figur der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfol­ genden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In der Figur ist ein Luftmassenmesser dargestellt, bei dem das eigentliche Sensorelement eine in üblicher Weise als wheatstonesche Brücke verschaltete Widerstandskombination umfaßt. Im einzelnen sind dies die Widerstände R1 und R2 sowie der Widerstand RS und der Widerstand RT, wobei der Widerstand RS mit Hilfe des in räumlicher Nähe angeordneten Heizwiderstandes RH auf Heizertemperatur gebracht wird. Der Widerstand RT ermittelt die Temperatur der angesaugten Luft bzw. des strömenden Mediums, dem er ausgesetzt wird. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände RS und RT sind temperaturabhängig.

Die Brückenschaltung der Widerstände R1, R2, RS, RT liegt zwischen einer Referenzspannung Uref und Masse. Die Referenzspannung wird mit Hilfe einer Zenerdiode D1 stabilisiert. Der Heizwiderstand RH kann über den Schalter S1 mit der Batteriespannung UB verbunden werden, wobei die Öffnung oder Schließung das Schalters S1 in später noch zu erläuternder Weise vom Mikrocomputer MC durchgeführt wird. Die andere Seite des Widerstandes RH liegt auf Masse.

Die Versorgungsseite des Heizwiderstandes RH ist über zwei Widerstände R5, R6 mit Masse verbunden. Zwischen den Wider­ ständen R5 und R6 kann eine Spannung UB′ abgegriffen werden, die bei geeigneter Dimensionierung der Widerstände R5, R6 weitgehend der Batteriespannung UB entspricht. Unter Berück­ sichtigung der Werte der Widerstände R5 und R6 läßt sich gegebenenfalls der exakte Zusammenhang zwischen UB und UB′ bestimmen.

Die Sensorspannung ist mit US bezeichnet. Sie wird zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand RS abgegriffen und über einen Widerstand R3 auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OPV geführt, dessen Ausgang über einen weiteren Widerstand R4 ebenfalls mit dem invertierenden Eingang verbunden ist. Dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPV wird die Spannung UT zugeführt, die zwischen dem Widerstand R2 und dem Widerstand RT abgegriffen wird. Diese Spannung UT ist von der Temperatur der angesaugten Luft abhängig, da sich der Widerstandswert des Widerstandes RT in Abhängigkeit von der Temperatur dieser Luft ändert.

Am Ausgang des Operationsverstärkers OPV entsteht eine Spannung UR, die ebenso wie die Spannungen UT und UB über einen Analog-/Digitalwandler A/D dem Mikrocomputer MC zugeführt werden. Dieser bildet aus den Spannungen UR und UT die Regelabweichung Delta UR, die dem Regler RE ebenso zugeführt wird wie die Spannung UB, die zur Batteriespan­ nungskorrektur im Regler mitberücksichtigt wird.

Der Regler RE kann als P, PI, PID oder sonstiger Regler aus­ gebildet sein. Er gibt einerseits ein Ansteuersignal für den Schalter S1 ab und liefert andererseits Werte für die ange­ saugte Luftmasse LM. Da auch die Spannung UT, die ein Maß für die Temperatur des strömenden Mediums ist, durch den Mikrocomputer UC weitergeleitet wird, steht an einem Ausgang des Mikrocomputers MC auch der Temperaturwert z. B. der Ansaugluft bereit.

Mit der in der Figur dargestellten Schaltungs- bzw. Auswer­ teanordnung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Temperatur durchführen. Die Funktionsweise läßt sich wie folgt erläutern:

Der Widerstand RS wird durch den Heizwiderstand RH in vor­ gebbarer Weise erwärmt. In Abhängigkeit von der vorbeiströ­ menden Luft wird der Widerstand RS gekühlt. Es stellt sich letztendlich die Sensorspannung RS ein, die im weiteren aus­ gewertet werden soll. Wird die Sensorspannung US auf den invertierenden Eingang des Verstärkers OPV gegeben und wird die von der Temperatur der angesaugten Luft abhängige, mit Hilfe des Widerstandes RT gemessene Spannung UT auf den anderen Eingang des Operationsverstärkers OPV geführt, stellt sich am Ausgang des Operationsverstärkers OPV die Spannung UR = UT + v×(UT - US) ein, wobei der Faktor v gleich dem Widerstandsverhältnis R4/R3 ist und der Verstär­ kung des Operationsverstärkers entspricht.

Die Spannungen UR, UT und UB werden im Analog-/Digitalwandler A/D in Digitalwerte gewandelt, die erhaltenen Digitalwerte werden im Mikrocomputer MC ausgewertet. Dabei laufen Rechenvorgänge ab, die mit Hilfe von geeigneten Rechenprogrammen durchgeführt werden. Ein erster Rechenvorgang besteht darin, daß von der Spannung UR die Spannung UT subtrahiert wird. In der Figur ist dies als Summationspunkt SUM dargestellt. Als Ergebnis wird die Regelabweichung Delta UR erhalten, es gilt UR - UT = Delta UR = v×(UT - US). Diese Regelabweichung kann durch Variieren der Heizleistung beeinflußt werden.

Wird eine geringe Wandlergenauigkeit des Analog-/Digitalwandlers gewünscht, läßt sich dies kompensie­ ren, indem die Verstärkung des Operationsverstärkers OPV entsprechend angepaßt wird. Die erhaltene Reglerabweichung Delta UR wird als Eingangsgröße für den digitalen Regler REG verwendet. Dieser digitale Regler REG kann beliebig struktu­ riert sein. Es kann sich, wie bereits erwähnt, um einen P-, PI-, PID- usw. handeln. Die Reglerparameter können grund­ sätzlich auch je nach Arbeitspunkt variiert werden, so daß sich eine adaptive Regelung erzielen läßt. Die Steuergröße, die vom Regler REG abgegeben wird und den Schalter S1 betä­ tigt, ist bei indirekter Heizung, also bei der in der Figur dargestellten Heizung mittels eines Heizwiderstandes RH, der den Widerstand RS erhitzt, vorzugsweise ein pulsmoduliertes Signal. Der Schalter S1 ist beispielsweise ein Transistor, dessen Kollektor-Emitterstrecke zwischen der Batteriespan­ nung und dem Heizwiderstand liegt und dessen Basis vom Reg­ ler REG angesteuert wird.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Heiz­ widerstand RH mit einer getakteten Spannung beaufschlagt, deren Höhe versorgungsabhängig ist. Die Spannung selbst ist dabei mit UB bezeichnet. Die Information über die Höhe der Versorgungsspannung UB liegt über dem Pfad R5, R6 sowie den zugehörigem Eingang des A/D-Wandlers im Mikrocomputer MC vor. Sie kann zur Korrektur der ermittelten Luftmassen be­ nutzt werden. Das korrigierte Signal wird vom Mikrocomputer MC weitergeleitet. Eventuell erforderliche weitere Korrektu­ ren sind je nach Bedarf im Mikrocomputer selbst möglich. Das vom Mikrocomputer bereitgestellte Ausgangssignal, das die Ansaugluftmasse LM darstellt, wird beispielsweise dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt, das daraus die für die Steuerung der Brennkraftmaschine erforderlichen Steuersignale ermittelt.

Aus der Spannung UT, die nach der Analog-/Digital-Wandlung im Mikrocomputer als digitales Signal vorliegt, läßt sich die Information über die Ansauglufttemperatur TL berechnen. Sie kann vom Mikrocomputer nach außen weitergegeben werden und steht dann dem nachfolgenden Steuergerät ebenfalls zur Verfügung.

Die Regelung soll im Normalfall so arbeiten, daß die Regel­ abweichung Delta UR zu Null wird. Es ergibt sich dann aus der obengenannten Beziehung für Delta UR die Brückenab­ gleichbedingung für Konstanttemperaturanemometer, für die gilt:

Delta UR = 0 - US = UT.

Bei Verwendung eines Analog-/Digitalwandlers mit sehr hoher Auflösung kann die Verstärkung entsprechend geringer gemacht werden. Es kann dann ein Abgleich dahingehend realisiert werden, daß Delta UR nicht auf Null, sondern auf eine nach Bedarf wählbare Regelkreisabweichung eingestellt wird. Dies gilt auch, wenn kein A/D-Wandler mit sehr hoher Auflösung verwendet wird, wenn jedoch vorausgesetzt werden kann, daß die Schalterparameter nicht allzu sehr streuen. In beiden Fällen kann eine nach Bedarf wählbare Regelkreisabweichung eingestellt werden, für die gilt:

Delta UR = konstant - US = UT + Konstante/v.

Hierdurch ist ein Softwareabgleich definiert, d. h. die Toleranzen der Schaltungsbauteile bzw. des Sensors können beim Endabgleich durch Programmierung einer Speicherzelle eliminiert werden. Diese Speicherzelle ist Bestandteil des Mikrocomputers MC.

Claims (6)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur eines den Durchsatz eines strömenden Mediums erfassenden Meßwiderstandes, insbesonders eines Heißfilmes eines Luftmassenmessers einer Brennkraftmaschine, dem ein geregelter Heizstrom zugeführt wird zur Erzeugung einer Übertemperatur, wobei die Regelung des Heizstromes mittels eines Rechners durchgeführt wird, dem sensorrelevante Spannungen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine der sensorrelevanten Spannungen die Spannung (UR) ist, die am Ausgang eines Operationsverstärkers (OPV) entsteht, dessen einem Eingang die Sensorspannung (US) und dessen anderem Eingang eine von der Temperatur des strömenden Mediums abhängige Spannung (UT) zugeführt wird und daß der Rechner (MC) aus den Spannungen (UR und KT) die Regelabwei­ chung (Delta UR) ermittelt.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (MC) einen digitalen Regler (REG) umfaßt, dem die Regelabweichung (Delta UR) zugeführt wird und der entsprechend der Regelabweichung (Delta UR) die Spannungsversorgung für den Heizwiderstand (RH) beeinflußt und ein Signal abgibt, das der ermittelten Ansaugluftmasse entspricht.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Heizstromes so erfolgt, daß die Regelabweichung (Delta UR) zu Null wird.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so erfolgt, daß die Regel­ kreisabweichung (Delta UR) einen wählbaren, konstanten Wert einnimmt.

5. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (MC) die Batteriespannung (UB) zugeführt wird und daß der Regler (REG) eine Batteriespannungskorrektur durchführt.

6. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (MC) aus der von der Temperatur des strömenden Mediums abhängigen Spannung (UT) die Temperatur berechnet und nach außen wei­ terleitet.