DE19603346A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums, beispielsweise der angesaugten Luftmasse einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Sensoren, mit denen der Durchsatz eines strömenden Mediums ermittelt werden kann, sind beispielsweise aus der DE OS 43 24 040 bekannt. Bei solchen bekannten Massenstromsensoren wird der Sensor dem strömenden Medium, beispielsweise dem Luftstrom im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine ausgesetzt. Der Sensor umfaßt dabei üblicherweise einen Heizer, der durch Zufuhrung eines geregelten Stromes auf eine Übertemperatur gegenüber dem zu erfassenden Medium gebracht wird. Dem Heizer ist ein Heizertemperaturfühler zugeordnet sowie ein Temperaturfühler, der die Temperatur des strömenden Mediums erfaßt. In räumlicher Nähe zum Heizer befinden sich zwei temperaturabhängige Widerstände, die vom Heizer gleichmäßig erwärmt werden. Vom strömenden Medium werden sie jedoch unterschiedlich stark abgekühlt, da der zuerst angeströmte Widerstand stärker abgekühlt wird als der andere. Die beiden Widerstände sind Bestandteil einer Brückenschaltung. Die sich durch die unterschiedlich starke Abkühlung ergebende Temperaturdifferenz ergibt eine Meßspannung an einer Diagonalen der Brücke, die in einer Auswerteschaltung, beispielsweise einem Mikrocomputer, zur Bestimmung der Masse des strömenden Mediums ausgewertet wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber der bekannten Vorrichtung den Vorteil, daß die üblicherweise für die Temperaturregelung des Heizkreises benötigten Schaltungsbestandteile eingespart werden können, ohne daß die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Auswertung beeinträchtigt wird. Damit ist eine spürbare Kostenreduzierung bei gleichbleibender Zuverlässigkeit möglich.

Erzielt wird dieser Vorteil, indem dem Heizer lediglich eine konstante Spannung oder eine zumindest abschnittsweise konstante Heizspannung zugeführt wird und die dadurch möglicherweise auftretenden Unzulänglichkeiten, beispielsweise eine zu geringe Kennliniensteilheit in der nachfolgenden Auswerteschaltung des Steuergerätes korrigiert wird, indem bei der Ermittlung des Durchsatzes des strömenden Mediums eine Kennlinie bzw. Kennlinien berücksichtigt werden, die einen Zusammenhang zwischen der Meßspannung und der Masse des strömenden Mediums herstellen.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Wert der abschnittsweise konstanten Heizspannung durch Umschaltung des Heizspannungswertes in Abhängigkeit von der Luftmasse bzw. der Masse des strömenden Mediums beeinflußt werden kann. Es ist somit in vorteilhafter Weise eine stufenweise Nachführung möglich. Im einfachsten Fall erfolgt die Nachführung der Heizspannung, indem die Meßspannung mit einer vorgebbaren Schwellenspannung verglichen wird und bei Überschreiten dieser Schwelle durch die Meßspannung auf eine höhere Heizspannung umgeschaltet wird und gleichzeitig bei der Auswertung auf eine entsprechende Kennlinie umgeschaltet wird. Bei Unterschreiten der Schwellenspannung wird wieder auf den ursprünglichen Zustand zurückgeschaltet. Damit lassen sich in vorteilhafter Weise die für eine optimale Auswertung notwendigen Kennliniensteilheiten erzielen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird sowohl die Auswertung der Meßspannung als auch der Vergleich der Meßspannung mit einer oder mehreren Schwellenspannungen sowie die gegebenenfalls erforderliche Umschaltung im Steuergerät der Brennkraftmaschine selbst durchgeführt. Die benötigten Kennlinien sind dann in Speichern des Steuergerätes selbst abgelegt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur stellt dabei eine Schaltung dar, von der aus der DE S 43 24 040 bekannten Schaltung ausgeht, jedoch den dort erforderlichen Heizregelkreis durch eine einfache Heizungsanordnung ersetzt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums dargestellt, wobei sich die gesamte Anordnung auf einem Träger 10, beispielsweise einem Substrat, befindet und in geeigneter Weise dem zu ermittelnden Medium, beispielsweise dem Luftstrom im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine ausgesetzt wird.

Der Heizkreis umfaßt einen Widerstand RH, der über einen Umschalter UMS sowie einen Widerstand R1 an der Klemme liegt, an der beispielsweise die Batteriespannung UB der Fahrzeugbatterie liegt. Eine Zenerdiode D1 sowie ein Kondensator C1 dienen als Schutzbeschaltung.

Der Umschalter UMS weist wenigstens einen Schalter, beispielsweise einen Transistor oder ähnliches auf, der über Klemme SC ansteuerbar ist und in einer ersten Schaltstellung den Heizwiderstand RH über den Widerstand R1 an die Spannung UB legt, während er in einer zweiten Stellung den Heizwiderstand RH über den Widerstand R2 mit der Klemme verbindet, an der eine wählbare Spannung U1 liegt. In einer ergänzten Version umfaßt der Umschalter UMS mehrere Anschlüsse, über die jeweils eine geeignete Spannung an den Heizwiderstand RH legbar ist.

Die eigentliche Meßschaltung ist eine als Temperaturdifferenzbrücke (δ T-Brückenschaltung) DT-bezeichnete Widerstandsbrückenschaltung mit den Widerständen RAB1, RAB2, RAU1, RAU2, sowie RP. Diese Widerstände sind temperaturabhängige Widerstände, die sich ebenso wie der Heizwiderstand RH, auf Übertemperatur gegenüber dem Medium befinden. Die Widerstände RAB1 und RAB2 sind dabei, bezogen auf die Strömungsrichtung des zu erfassenden Mediums, abwärts vom Heizwiderstand angeordnet, die Widerstände RAU1 sowie RAU2 dagegen aufwärts. Sie werden vom Heizwiderstand gleichmäßig aufgeheizt, jedoch durch das strömende Medium ungleichmäßig stark abgekühlt, wobei die abwärts gelegenen Widerstände RAB1 und RAB2 weniger stark abgekühlt werden, da sich das strömende Medium, bevor es sie erreicht, bereits etwas erwärmt hat.

Die Widerstandsbrücke des δ T-Schaltkreises DT liegt mit einer Diagonalen am Ausgang eines Operationsverstärkers OP1, dessen invertierender Eingang ebenfalls mit dem Ausgang verbunden ist und dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand R3 eine Referenzspannung UR zugeführt wird. Zwischen dem Widerstand R3 und Masse liegt noch ein Widerstand R4. Die andere Seite der erwähnten Brückendiagonale liegt ebenfalls auf Masse.

Die Spannung, die sich an der anderen Brückendiagonale einstellt, wird mit Hilfe eines Potentiometers P1, das parallel zum Widerstand RP liegt, ausgekoppelt. Der Schleiferanschluß des Potentiometers P1 führt auf den nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers OP2, dessen invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen RAB1 und RAU1 angeschlossen ist. Der Verstärker OP2 ist ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung. Der digitale Verstärkungsabgleich wird mit Hilfe des Schaltungsblocks VA durchgeführt, der über die drei Anschlüsse PR, DA, TA, von einer externen Auswerteeinrichtung die erforderlichen Ansteuersignale erhält, dabei wird über PR das Programm für die Verstärkungsregelung zugeführt, DA ist der Dateneingang und über TA wird die Taktfrequenz zugeführt. Die Anschlüsse können mit dem Steuergerät SG verbunden sein.

Der Verstärker OP2 ist im übrigen noch über einen Spannungsteiler R5, R6 mit dem Ausgang sowie dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers OP2, an dem die Meßspannung UM abgreifbar ist, ist über einen Widerstand R7 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP3 verbunden und über den Widerstand R8 mit Masse. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP3 ist über einen Widerstand R9 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 bzw. dem Verbindungspunkt der Widerstände RAB1 sowie RAU2 verbunden. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3 und dem nicht invertierenden Eingang liegt noch ein Widerstand R10. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 wird die Spannung UA ausgekoppelt, die als Ausgangsspannung weiterverarbeitet wird. Über den Anschluß GRD liegt der Träger 10 auf Masse. Der mit IC1 bezeichnete Schaltungsteil ist z. B. ein ein integrierter Schaltkreis.

Der Widerstand RH, also der Heizwiderstand, sowie die Widerstände RAU und RAB, die beim gewählten Ausführungsbeispiel als getrennte Widerstände RAU1, RAU2, RAB1, RAB2 ausgebildet sind, sind auf dem Träger 10, beispielsweise einem Substrat oder einer Membran angeordnet. Die Widerstände RAU1, RAU2 und RAB1, RAB2, sind jeweils seitlich vom Widerstand RH, jedoch in unmittelbarer Nähe angeordnet. Die Anströmung des Mediums ist in der Figur durch einen Pfeil sowie die Bezeichnung m angedeutet. Sie erfolgt derart, daß die Strömung zunächst über die Widerstände RAU1, RAU2 und dann über den Widerstand RH und anschließend über die Widerstände RAB1, RAB2 strömt. Dadurch werden die zunächst angeströmten Widerstände stärker abgekühlt, die unterschiedliche Abkühlung der Widerstände wird zur Ermittlung des strömenden Mediums ausgewertet.

Wird der Heizwiderstand RH mit eine festen Konstantspannung UB betrieben, erhöht sich die an der δ T entstehende und dem Operationsverstärker OP2 Zuge führte Meßspannung Um mit steigender Strömung. Die Verarbeitung der Meßspannung bzw. der aufbereiteten Meßspannung UM in die entsprechende Masse des strömenden Mediums, beispielsweise Luftmasse, erfolgt im Steuergerät unter Berücksichtigung von ebenfalls im Steuergerät abgelegten Kennlinien. Diese Kennlinien stellen einen Zusammenhang her zwischen der Meßspannung UM und der Masse des strömenden Mediums. Der Verlauf der Kennlinien ist abhängig von der Spannung, die dem Heizwiderstand zugeführt wird. Da dem Steuergerät bekannt ist, welche Spannung dem Heizwiderstand zugeführt wird, kann es auch die geeignete Kennlinie, die zur jeweils verwendeten Heizspannung gehört, auswählen.

Da bei der Heizung mittels einer einzigen vorgebbaren Spannung UB unter Umständen das Erreichen der meßtechnisch notwendigen Kennliniensteilheit problematisch wird, kann in einer Ausgestaltung die Heizspannung in vorgebbarer Weise verändert werden. Diese Veränderung wird vom Steuergerät durchgeführt, wobei durch eine geeignete Ansteuerung der Umschalter UMS so umgeschaltet wird, daß unter vorgebbaren Bedingungen dem Heizwiderstand RH eine andere Spannung als die Spannung UB zugeführt wird, beispielsweise die Spannung U1.

Die Festlegung der Umschaltbedingung und damit die Wahl des geeigneten Spannungswertes erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von der Masse des strömenden Mediums. Dazu wird die aufbereitete Ausgangsspannung der Meßbrücke UM oder die noch weiter aufbereitete Spannung UA in einer Vergleichsstufe des Steuergerätes SG mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen. Überschreitet die Spannung UA den Schwellwert, wird die Heizspannung, die zunächst auf UB festgelegt wird, umgeschaltet auf die höhere Spannung U1. Durch Umschaltung der Heizspannung von einer niedrigen auf eine höhere Spannung ändert sich selbstverständlich auch die an der Meßbrücke entstehende Spannung und somit auch die Spannung UM bzw. die Spannung UA. Bei der Berechnung der Masse des strömenden Mediums aus der Spannung UA muß also auf die der höheren Spannung entsprechende Kennlinie umgeschaltet werden, damit die richtige Masse ermittelt wird. Unterschreitet die Ausgangsspannung UA diese Schwelle wieder, wird in den ursprünglichen Zustand zurückgeschaltet, es wird also die Heizspannung auf die Spannung UB reduziert und bei der Auswertung wird die zur Heizspannung UB gehörende Kennlinie verwendet.

Mit der vorstehend beschriebenen Umschaltung der Heizspannung in Abhängigkeit von der Masse des strömenden Mediums erfolgt somit eine Nachführung der Heizspannung, die im einfachsten Fall mittels einer vorgewählten Schwelle für das Meßsignal der δ T-Brücke erfolgt. Gegebenenfalls können mehrere Schaltschwellen eingeführt werden, um die optimalen Verhältnisse von Medienstrom zu Kennliniensteilheit zu erzielen. Es müssen dann Mittel vorgesehen werden, die es ermöglichen, die Heizspannung in mehreren Stufen zu verändern, es kann dann die Heizspannung jeweils um eine Stufe erhöht werden, wenn die Ausgangsspannung UA jeweils den nächsten Grenzwert erreicht bzw. überschreitet.

Das Erkennen der Schwellenüber- bzw. der Schwellenunterschreitung sowie das Auslösen der Umschaltung der Heizspannung von einem Wert zum anderen und die Wahl der zugehörigen Kennlinie erfolgt im Steuergerät SG selbst.

Mit der beschriebenen Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums kann bei kleinen Medienströmen mit einem niedrigen Heizspannungswert gearbeitet werden, der bei höheren Medienströmen vergrößert wird. Es ist somit eine für den Sensor schonende Betriebsweise möglich, dies gilt insbesondere für Sensoren, die die von einer Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse bestimmen. Beim Start der Brennkraftmaschine und der damit verbundenen Aufheizphase kann zunächst mit einer niedrigen Heizspannung gearbeitet werden. Somit kann während des Startvorgangs zum einen der Sensor selbst geschont werden, zum anderen wird während des Startvorganges weniger elektrische Energie benötigt, wodurch die Versorgung mit elektrischer Energie für die übrigen Verbraucher des Fahrzeugs verbessert werden kann.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes eines strömenden Mediums mit einem dem strömenden Medium aussetzbaren Träger, auf dem eine Widerstandsanordnung angeordnet ist, die als eine mit einer diagonalen, zwischen einer Versorgungsspannung und Masse liegenden Brücke beschaltet ist und wenigstens zwei temperaturabhängige Widerstände umfaßt, die bezogen auf die Strömungsrichtung des zu erfassenden Mediums oberhalb und unterhalb wenigstens eines Heizwiderstandes, dem eine Heizspannung zugeführt wird, angeordnet sind, so daß sie von diesen gleichmäßig erhitzt werden, während sie vom strömenden Medium unterschiedlich stark abgekühlt werden und die sich infolge des Temperaturunterschiedes einstellende Meßspannung an der anderen Brückendiagonale einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Durchsatzes zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung konstant oder abschnittsweise konstant ist und die Meßspannung in der Auswerteeinrichtung mittels wenigstens einer abgelegten Kennlinie, die einen Zusammenhang zwischen Meßspannung und Durchsatz des strömenden Mediums herstellt, ausgewertet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Medium die von einer Brennkraftmaschine angesaugte Luft ist, daß der Träger mit der Widerstandsanordnung und dem Heizer an einer wählbaren Stelle des Saugrohrs der Brennkraftmaschine angeordnet ist und die Auswerteeinrichtung das Steuergerät der Brennkraftmaschine ist, das die Masse der angesaugten Luft ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter vorhanden ist, über den dem Heizwiderstand RH die Heizspannung zugeführt wird und der Umschalter vom Steuergerät umschaltbar ist, so daß wenigstens 2 unterschiedliche Heizspannungen an den Heizwiderstand RH anlegbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl der zugeführten Heizspannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Meßbrücke und damit in Abhängigkeit von der Stärke des strömenden Mediums erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung UA im Steuergerät mit wenigstens einer Schwellspannung verglichen wird und bei überschreiten der Schwellspannung vom Steuergerät ein Ansteuersignal an den Umschalter UMS weitergeleitet wird und diesen von der niedrigen auf die höhere Spannung umschaltet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter zwischen mehreren Spannungen umschaltbar ist, daß eine Umschaltung jeweils beim Über- oder Unterschreiten einer Schwellspannung ausgelöst wird und die niederste Heizstufe gewählt wird bei kleiner Ausgangsspannung UA und damit kleinem Durchsatz des zu erfassenden strömenden Mediums.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Inbetriebnahme, während der Aufheizphase ein Betrieb mit der niedrigsten Heizspannung durchgeführt wird.