DE19636097C2

DE19636097C2 - Luftmengendurchflußmesser und -meßverfahren

Info

Publication number: DE19636097C2
Application number: DE19636097A
Authority: DE
Inventors: Michel Farid Sultan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1995-09-06
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: DE19636097A1; US5629481A

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmengendurchflußmesser sowie ein Luft mengendurchflußmeßverfahren.

In vielen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind Luftmengendurch flußmesser erforderlich, die stromaufwärts des Verbrennungsmotors an geordnet sind, um die in den Motor einströmende Luftmenge zu messen. In Abhängigkeit von der über den Luftmengendurchfluß erhaltenen Infor mation steuert die Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs den Treibstofffluß in den Motor, um das Verschmutzungsemissionsniveau zu reduzieren, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Motorleistung zu erhöhen. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit ist ein hinreichend schnelles Ansprechen des Luftmengendurchflußmessers wünschenswert, um Informationen zu liefern, die für die Messung des Luftmengendurchflusses in jeden Zylinder des Motors repräsentativ ist.

Der Versuch, den Luftmengendurchfluß in dem Motor zu messen, stellt insbesondere in Vierzylindermotoren eine Herausforderung dar. Diese Herausforderung besteht in Luftimpulsen in der Ansaugleitung, die durch das Motorventilspiel während der Ansaug- und Ausstoßhübe verursacht werden. Vierzylindermotoren können Oszillationen mit einer signifikanten Amplitude im Ansaugluftstrom erzeugen, und eine Motorventilüberlap pung kann kurze Perioden eines Ausströmens aus der Zylinderansauglei tung erzeugen, was kurze Perioden einer entgegengesetzten Strömung in den Ansaugleitungen bewirkt. Diese bidirektionale Luftmengendurchfluß pulsation kann signifikante Luftmengendurchflußmeßfehler verursachen, wenn der Luftmengendurchflußmesser und/oder die Meßtechnik für die Strömungsrichtung unempfindlich sind. Deshalb ist eine bidirektionale Luftmengendurchflußsensorvorrichtung von Vorteil, um insbesondere die Brennstoffzufuhr von Vierzylindermotoren zu steuern, bei denen der Luftmengendurchfluß zu erfassen ist. Ein für die Massenproduktion ge eigneter Luftmengendurchflußmesser mit Steuerschaltung ist in den Pa tentschriften US-A-4 576 050, US-A-4 713 970, US-A-4 782 708, US-A-5 086 650 und US-A-5 263 380 beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht eine typische bidirektionale Luftmengendurchflußsensorvorrichtung gemäß diesen Patentschriften. Die Sensorvorrichtung 14 ist auf einem ebenen Substrat wie einem Sili konchip zentriert, und sie besteht aus einer zentralen Heizvorrichtung 16 und zwei temperaturempfindlichen Widerständen oder Thermistoren 18, 20, die äquidistant stromaufwärts und stromabwärts von der Heizvor richtung 16 angeordnet sind. Die beiden Thermistoren 18, 20 besitzen bei fehlendem Durchfluß die gleiche Temperatur. Sie weisen jedoch unter schiedliche Temperaturen auf, wenn Fluid an der Sensorvorrichtung 14 vorbeiströmt. Insbesondere veranlaßt die Elektronikschaltung 26 die Heiz vorrichtung 12, Wärme zu erzeugen, die sich mehr zum stromabwärts ge legenen Thermistor 18, 20 ausbreitet als zum stromaufwärts gelegenen Thermistor 20, 18, was eine positive Temperaturdifferenz zwischen den stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Thermistoren 18, 20 bewirkt. Das Sensorausgangssignal ist proportional zur augenblicklichen Tempe raturdifferenz zwischen den Thermistoren 18, 20, und es erhöht sich mo noton mit der Strömungsgröße. Eine negative Differenz zwischen den stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Thermistoren 18 und 20 tritt bei entgegengesetzten Strömungsbedingungen auf. Deshalb spricht die Sensorvorrichtung 14 dann, wenn sie im Strömungspfad 12 der Röhre oder Leitung 10 angeordnet ist, sowohl auf den Fluß in der Richtung ge mäß dem Fall 22 als auch auf den Fluß in der umgekehrten Richtung ge mäß dem Pfeil 24 an.

Bidirektionale Luftmengendurchflußsensoren, die auf Stromabwärts- Minus-Stromaufwärts-Temperatur-Messungen basieren, erfassen die ent gegengesetzten Strömungsbedingungen genauer als solche typischen Sen soren, die auf Hitzedrahtmeßvorrichtungen basieren. Solche Sensoren be sitzen jedoch eine begrenzte Frequenzbandbreite, die durch die physikali sche Ausbildung des Sensors und durch die Substratmaterialauswahl be stimmt ist. Die begrenzte Bandbreite kann Fehler in die Sensormeßsignale einführen, die signifikant unter den Hochfrequenzpulsationen des durch die Röhre gehenden Luftstromes liegen können.

Bei höheren Frequenzen, z. B. bei Frequenzen über 55 bis 60 Hz, kann der Fehler, der über einen vollen Luftstromimpulszyklus integriert wird, über 10% des aktuellen Luftmengenstroms erreichen. Wünschenswert wäre ein Sensor, dessen integrierter Fehler für einen Frequenzbereich, der sich von 0 bis über 100 Hz erstreckt, unter 10% liegt, da viele Motoren unter ge wissen Betriebsbedingungen Rückströmungsimpulse der Luft durch das Rohr mit Frequenzen von mehr als 100 Hz erzeugen können. Mißt eine typische bidirektionale Vorrichtung der in der Fig. 1 dargestellten be kannten Art Luftimpulse, die Frequenzen von über 100 Hz aufweisen, so liefern die entstehenden Meßsignale Fehler, die signifikant über 10% des aktuellen Luftmengendurchflußwertes liegen, was für eine präzise Festle gung des Luftmengendurchflußwertes nicht annehmbar ist.

Ziel der Erfindung ist es, einen Luftmengendurchflußmesser sowie ein Luftmengendurchflußmeßverfahren zu schaffen, mit denen die Fehler quote insbesondere bei mit höheren Frequenzen pulsierenden Strömungen auf ein Minimum reduziert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der erfindungsgemäße Luftmengen durchflußmesser eine thermische Sensorvorrichtung, die in einer Luftan saugleitung angeordnet ist und deren ideales Ausgangssignal dem Betrag des an ihr vorbeiströmenden Luftmengendurchflusses entspricht, deren tatsächliches Ausgangssignal jedoch aufgrund einer inhärenten Sensoran sprechzeitkonstanten der Sensorvorrichtung bei Luftmengendurchflüssen, die mit Zeitperioden von der Größenordnung der inhärenten Sensoran sprechzeitkonstanten oder darunter pulsieren, gegenüber dem idealen Ausgangssignal wie tiefpaßgefiltert verändert ist, und eine erste Filterstu fe, die mit dem Ausgang der Sensorvorrichtung verbunden ist, deren Aus gangssignal empfängt, ein Hochpaßfilter mit einer im wesentlichen der Sensoransprechzeitkonstanten gleichenden ersten Filterzeitkonstanten bildet und ein Hochpaßfilterausgangssignal liefert, bei dem die genannten Veränderungen des tatsächlichen gegenüber dem idealen Ausgangssignal der Sensorvorrichtung kompensiert sind.

Das erfindungsgemäße Luftmengendurchflußmeßverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß eine thermische Sensorvorrichtung in einer Luftansau gleitung angeordnet wird, deren ideales Ausgangssignal dem Betrag des an ihr vorbeiströmenden Luftmengendurchflusses entspricht, deren tat sächliches Ausgangssignal aber aufgrund einer inhärenten Sensoran sprechzeitkonstanten der Sensorvorrichtung bei Luftmengendurchflüssen, die mit Zeitperioden von der Größenordnung der inhärenten Sensoran sprechzeitkonstanten oder darunter pulsieren, gegenüber dem idealen Ausgangssignal wie tiefpaßgefiltert verändert ist, und das Ausgangssignal der Sensorvorrichtung von einer ersten Filterstufe, die ein Hochpaßfilter mit einer im wesentlichen der Sensoransprechzeitkonstanten gleichenden ersten Filterzeitkonstanten bildet, empfangen und in ein Hochpaßfilter ausgangssignal verwandelt wird, bei dem die genannten Veränderungen des tatsächlichen gegenüber dem idealen Ausgangssignal der Sensorvor richtung kompensiert sind.

Die erfindungsgemäßen Lösungen beruhen insbesondere auf der Er kenntnis, daß ein bidirektionaler Stromaufwärts-Minus-Stromabwärts- Temperaturdurchflußsensor eine inhärente Zeitkonstante benötigt, die auf der Struktur und Konfiguration des Sensors beruht. Für den Luftmengen durchfluß, der mit Taktzeiten pulsiert, die etwa der Sensorzeitkonstanten entsprechen oder darunterliegen, verzögert der Sensorausgang die aktu elle Luftdurchlfußmenge durch die Röhre, und es wird ein Mittelwert er zeugt, der unter dem aktuellen Mittelwert liegt, den eine korrekte Luft mengendurchflußmessung liefern würde. Der Fehler des Mittelwerts wird mit ansteigender Frequenz der Luftdurchflußimpulse größer.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung werden die Auswirkungen der inhärenten Zeitkonstanten kompensiert.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Luftmengen durchflußmessers sowie des erfindungsgemäßen Luftmengendurchfluß meßverfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen un ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Grundaufbau eines Sensors mit Schaltung,

Fig. 2 eine allgemeine Kalibrierungskurve für einen Sensor,

Fig. 3 ein ideales Ausgangssignal eines Sensors,

Fig. 4 ein ideales und ein tatsächliches Luftmengendurchfluß sensorausgangssignal,

Fig. 5 ein tatsächliches und ein ermitteltes Luftmengendurch flußmeßsignal in Echtzeit und im Mittelwert,

Fig. 6 den Sensorfehler bezüglich Amplitude und Frequenz der Luftdurchflußpulsation,

Fig. 7 den reduzierten Sensorfehler bei der Verwendung von Sensoren mit einer schnelleren Ansprechzeit,

Fig. 8 einen reduzierten Sensorfehler, den man dann erhält, wenn der Sensor in einem linearen Bereich betrieben wird,

Fig. 9 einen Luftmengendurchflußmesser mit elektronischer Kompensation zur Reduzierung des Sensorfehlers,

Fig. 10 beispielhafte Ergebnisse der elektronischen Kompensa tion gemäß Fig. 9,

Fig. 11 die beispielhafte Reduktion des Sensorfehlers durch Verwendung der elektronischen Kompensation gemäß Fig. 9 und

Fig. 12 ein Schaltungsbeispiel zur Ausführung der elektroni schen Kompensation gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Kalibrierungskurve 60 für den stabilen Zustand eines typischen massengefertigten Stromabwärts-Minus-Stromaufwärts- Luftmengendurchflußsensors. Die Kurve 60 zeigt die Nichtlinearität, wel che durch die folgende logarithmische Beziehung angenähert werden kann:

V_out = α . sign(Q) . ln(1 + β . |Q|), (1)

in welcher V_out die Ausgangsspannung ist, Q der Luftmengendurchfluß ist und α und β Konstanten sind, die mit der Luftmengendurchflußsensorvor richtung variieren.

Nunmehr wird die Annahme eines gering variierenden harmonischen Luftmengendurchflusses mit einem konstanten Mittelwert dargestellt durch die Gleichung:

Q = Q_dc + Q_ac . cos(ω₀t), (2)

Ein Beispiel eines solchen Signals ist in der Kurve 66 der Fig. 3 darge stellt, in der der Meßwert über der Zeit aufgetragen ist. Die resultierende Ausgangsspannung des Sensors ist durch die Kurve 64 dargestellt, welche zeigt, daß das Spannungsausgangssignal keine reine harmonische Wel lenform besitzt, sondern statt dessen ein verzerrtes Signal mit einem Hochfrequenzgehalt bei Vielfachen einer Grundfrequenz ist. Diese Verzer rung wird durch die inhärente Nichtlinearität des Sensors erzeugt, wie die Kalibrierungskurve 60 zeigt. Unter Verwendung der Kalibrierungskur ve 60 können die Spannungsausgangssignale, die durch Kurve 64 darge stellt werden, leicht im Motorsteuerungsmodul in ein reines harmonisches Signal umgewandelt werden, das repräsentativ zum Luftmengendurchfluß ist, was durch Kurve 66 darstellt ist. Diese Umwandlung kann in einer präzisen Luftmengendurchflußmeßinformation resultieren, wenn das ak tuelle Luftmengendurchflußsignal verglichen mit der Zeitkonstante des Sensors geringfügig variiert.

Wenn die Pulsationsfrequenz vergleichbar wird zur Bandbreite des Sen sors oder diese übertrifft, spiegelt das Sensorausgangssignal nur einen Teil der Luftmengendurchflußinformation nach dem Sensor wieder, weil der Sensor selbst eine Tiefpaßfilterfunktion ausführt. Deshalb repräsen tiert der Spannungsausgangs des Sensors die Hochfrequenzkomponenten der Luftmengendurchflußimpulse nach dem Sensor nicht genau, stellt aber eine abgeschwächte Antwort auf die Hochfrequenzkomponenten dar.

Angenommen, der Sensor verhält sich wie ein einfaches Tiefpaßfilter erster Ordnung, so kann die Laplace-Transformation für die Ausgangsspannung angenähert werden durch:

Fig. 4 zeigt, daß der vorausgesagte Verlauf (Kurve 72) des Spannungs ausgangs für einen aktuell abgetasteten Luftmengendurchfluß eine Har monische von 60 Hz aufweist, bei Verwendung eines Sensors mit einer Zeitkonstante von 2,7 Millisekunden. Wie man sehen kann, verzögert sich der Spannungsausgang vom Sensor 72 zum idealen Spannungsaus gang 70, und der Hochfrequenzgehalt der Ausgangsspannung in Kurve 72 ist wesentlich besser gefiltert als der des idealen Signals 70.

Nach Fig. 5 zeigt die Kurve 78 die Luftmengendurchflußmessung, be rechnet unter Verwendung des Sensorausgangssignals (Kurve 72, Fig. 4) und der Kalibrierungskurve des Ruhezustandes (Kurve 60, Fig. 2). Die Kurve 78 wurde sowohl durch die Simulation als auch durch die experi mentellen Ergebnisse bestätigt. Die Kurve 74 stellt die aktuelle Menge des Mengenluftdurchflusses durch das Rohr dar. Die Kurve 78 ist gegenüber dem aktuellen Luftmengendurchfluß, Kurve 74, um 0,015 Sekunden ver zögert, und der Mittelwert der Kurve 78, dargestellt durch die Kurve 82, liegt 3 g/s (30%) unter dem mittleren Luftmengendurchfluß 80.

Fig. 5 zeigt, daß der Sensorausgang für einen Luftdurchfluß, der mit 60 Hz pulsiert, den aktuellen Luftmengendurchfluß wesentlich verzögert und das Mittelwert-Meßsignal, das der Sensor bewirkt, nur ein Teilpro zentsatz des aktuellen Luftmengendurchflusses ist. Wie im Beispiel ge zeigt, beträgt der gemessene Wert nur 70% des richtigen Wertes. Die Ver zögerung und der niedrige Mittelwert des Sensorausgangs sind der Ab schwächung der Hochfrequenzsignale durch die inhärente Tiefpaßfilter funktion des Sensors, die durch die inhärente Zeitkonstante des Sensors verursacht wird, zuzuschreiben. Wie auch in Fig. 5 gezeigt, ist die Amplitude des Meßsignals 78 kleiner als die des aktuellen Luftmengen durchflusses 74 und ist, verglichen mit dem aktuellen Luftmengendurch fluß 74, verzerrt.

Der signifikanteste aller oben erwähnten Effekte ist, daß der gemessene Mittelwert 82 kleiner ist als der tatsächliche Mittelwert 80, weil das Motor steuerungsmodul ansprechend Kraftstoff zum Motor in unzureichender Menge steuert, wodurch sich eine Betriebsbedingung mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis ergibt, was aus vielerlei Gründen nicht wün schenswert sein kann.

Der Prozentfehler des Mittelwertes der Luftmengendurchflußmessungen hängt von der Größenordnung des tatsächlichen mittleren Durchflus ses (Q_dc) und der Frequenz und der Amplitude der Strömungspulsationen (Q_ac) ab. Fig. 6 zeigt den Prozentfehler (vertikale Achse) von drei Mittel wertluftmengendurchflußmeßsignalen als Antwort auf einen Luftdurch fluß von 10 g/s, der mit drei verschiedenen Frequenzen als eine Funktion des Amplitudenverhältnisses (Q_ac/Q_dc) (horizontale Achse) pulsiert. Der verwendete Sensor hat eine Zeitkonstante von 2,7 Millisekunden und ist in der Hauptluftstromröhre angeordnet. Kurve 90 zeigt den Prozentfehler des Luftdurchflusses, der mit 20 Hz pulsiert, Kurve 92 stellt den Prozent fehler des Luftdurchflusses dar, der mit 40 Hz pulsiert, und Kurve 94 stellt den Prozentfehler für den Luftdurchfluß dar, der mit 60 Hz pulsiert. Der Graph zeigt die Beziehung zwischen Fehler und Pulsationsfrequenz, und Kurve 94 zeigt, daß für ein Amplitudenverhältnis von 5 der Meßfehler -36% ist.

Viele Verbesserungen der Ergebnisse in Fig. 5 und 6 können dadurch erreicht werden, daß das Sensorelement so konstruiert wird, daß es ein schnelleres Ansprechvermögen hat, was eine kleinere Zeitkonstante be deutet, und daß es außerdem ein lineares Ansprechen hat. Ein schnelle res Ansprechen kann erreicht werden durch kleinere Elemente und einen geringeren Abstand zwischen der Heizvorrichtung und den Temperatur detektoren, um die Wärmekapazität des Sensors zu reduzieren. Die Wär mekapazität kann auch durch die Auswahl von Substratmaterialien mit größerem thermalem Diffusionsvermögen reduziert werden. Werden sol che Anpassungen gemacht, kann dies Abstriche in der Sensorhaltbarkeit verlangen und kann die Ausgangssignalfehler anheben, was dem Effekt der Wärmeausbreitung durch das Sensorsubstrat zuzuschreiben ist.

Fig. 7 zeigt Simulationen des Meßprozentfehlers als Funktion des Amplitudenverhältnisses für eine Sensorvorrichtung mit einem Zeitan sprechen von 1 Millisekunde. Kurve 96 stellt den Fehler in Abhängigkeit von einem Luftdurchfluß von 10 g/s und bei einer 20-Hz-Pulsation dar, Kurve 98 stellt den Fehler in Abhängigkeit von dem Luftdurchfluß bei ei ner 40-Hz-Pulsation dar, und Kurve 100 stellt das Fehleransprechen auf den Luftdurchfluß bei einer Pulsation von 60 Hz dar. Kurve 100 zeigt, daß für einen Luftdurchfluß von 10 g/s, der mit 60 Hz pulsiert und ein Amplitudenverhältnis von 5 hat, der Meßfehler nur ungefähr bei -8,7% liegt. Dies verglichen zu den -36% für den Sensor mit einer Zeitkonstante von 2,7 ms.

Einen Weg, um das Sensoransprechen zu linearisieren und den Sensor fehler weiter zu reduzieren, ist, den Sensor in einer Bypaßröhre anzuord nen, wo ein Prozentsatz des Luftdurchflusses durch die Hauptleitung (zum Beispiel ungefähr 10%) durch den Bypaß strömt und am Sensor vorbei fließt. Der Vorteil von dem kann an Fig. 2 gesehen werden. Kurve 60 in Fig. 2 stellt das Sensoransprechen des Luftmengendurchflusses von -140 bis 140 g/s dar und zeigt, daß das Ansprechen stark nichtlinear ist. Wenn der Sensor jedoch nur im Bereich zwischen -a und a, zum Beispiel -14 bis 14 g/s , betrieben wird, bleibt es in der Region 62, welche viel nä her an einem linearen Verlauf ist, als der ganze Betriebsbereich des Sen sors. Das Ergebnis ist, daß der Koeffizient β (Gleichung 3) um einen Fak tor von 10 reduziert wird.

Fig. 8 zeigt den Nutzen, wenn ein Sensor mit einer Zeitkonstante von 2,7 ms im linearen Betriebsbereich betrieben wird. Die Kurven 102, 104 und 106 zeigen den Prozentfehler für eine Mittelwertsmessung mit 10 g/s Luftdurchfluß, der mit 20 Hz, 40 Hz bzw. 60 Hz pulsiert über einen Amplitudenbereich von 0-5. Die Figur zeigt, daß der Luftmengendurch fluß von 10 g/s, der mit 60 Hz pulsiert und ein Amplitudenverhältnis von 5 hat, nur einen Fehler von 13,5% besitzt, verglichen mit den -36% von Fig. 6. Bei Verwendung eines Sensors mit schnellerer Ansprechzeit und wenn der Sensor im linearen Bereich betrieben wird, können Fehler noch weiter reduziert werden, als in Fig. 7 und 8 separat gezeigt. Zum Bei spiel zeigen die Simulationen für einen Luftmengendurchfluß von 10 g/s, der mit 60 Hz pulsiert und ein Amplitudenverhältnis von 5 hat, daß der Prozentfehler im Meßsignal auf -3,6% reduziert ist.

Die obigen Vorschläge müssen nicht für alle Implementationen passend sein. Zum Beispiel verhindern für manche Luftdurchflußimplementatio nen umgebende Zwänge die Anwendung eines Sensors, der eine Zeitkon stante kleiner als 1 Millisekunde hat oder einen größeren Ausgangssignal bereich benötigt, als mit dem linearen Betriebsbereich des Sensors er reicht wird. Daher wird, nach einer Beispielimplementation dieser Erfin dung, ein elektronisches Kompensationssystem und -verfahren eingeführt, um sowohl die Realzeit, als auch die integrierten Fehler im Sensoraus gangssignal zu reduzieren.

Durch Umformulieren der Gleichung 3 kann der abgetastete Luftmengen durchfluß dargestellt werden durch:

Gleichung 4 zeigt den Effekt einer inhärenten Tiefpaßfilterfunktion des Sensors auf den abgetasteten Luftmengendurchfluß. Wie Gleichung 4 zeigt, ist, wenn τ_sensor im Bereich von oder größer ist als die Pulsationspe riode des Luftmengendurchflusses, der nachteilige Effekt auf das gemes sene Luftmengendurchflußsignal deutlich. Um das abgetastete Luftmen gendurchflußsignal genauer zu machen, minimiert ein Vorteil dieser Er findung den Effekt von τ_sensor am Sensorausgang, sogar wenn τ_sensor in der Größenordnung von oder größer als die erwarteten Pulsationsperioden ei nes Ansaugsystems eines Verbrennungsmotors ist, zum Beispiel 2,7 ms oder größer.

Anhand der Fig. 9 wird beispielhaft ein erfindungsgemäßer Luftmengen durchflußmesser mit elektrischer Kompensation sowie ein erfindungsge mäßes Luftmengendurchflußmeßverfahren beschrieben. Die durch die Be zugszahl 40 dargestellte Sensorvorrichtung umfaßt das Heizelement 42, das Wärme erzeugt, wenn es Energie von der Stromquelle 44 bekommt. Die durch die Bezugszahl 50 dargestellten Sensorelemente der Sensorvor richtung 40 sind Teil einer Brückenschaltung 48, die einen Ausgang zu einem Differentialverstärker 52 schafft, dessen Ausgangssignal in Relation steht zur Differenz zwischen der Temperatur, die an den stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Thermistoren gemessen wird. Nach einem Beispiel dieser Erfindung ist der Ausgang des Differentialverstärkers 52 mit einem eine erste Filterstufe bildenden Hochpaßfilter 54 versehen, der einen Nullpunkt mit der Zeitkonstante τ₁ hat, wobei τ₁ = τ_sensor ist. Das Hochpaßfilter 54 gibt den Nullpunkt 1 + sτ₁ für das Ausgangssignalan sprechen in die Gleichung ein. Dadurch, daß die Zeitkonstante des Hoch paßfilters 54 im wesentlichen gleich der Zeitkonstante der Sensorvorrich tung 40 gemacht ist, hebt der Nullpunkt des Hochpaßfilters 54 den Pol der Sensorvorrichtung 40 auf, um den Tiefpaßfiltereffekt der Sensorvor richtung 40 zu eliminieren.

Ein Nachteil des Hochpaßfilters 54 ist, daß er das Sensorrauschen durchläßt, wobei ein effektives Ansteigen des Sensor-Rausch/Signal- Verhältnisses bewirkt wird. Um das stärkere Rausch/Signal-Verhältnis zu kompensieren, ist ein eine zweite Filterstufe bildendes Tiefpaßfilter 56 nach dem Hochpaßfilter 54 eingefügt, um einen Pol 1 + sτ₂ in der Schal tung zu schaffen, in dem τ₂ die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters 56 ist. Allgemein gilt, τ₂ ist viel kleiner als τ₁ und τ_sensor, zum Beispiel im Bereich von ungefähr 0,1 × τ₁ (typische Beispiele von τ₂ können in den Bereich von 0,1-0,6 ms fallen). Deshalb filtert der Tiefpaßfilter 56 das Rauschen ef fektiv heraus, das durch den Hochpaßfilter 54 gelangt, wobei das Rausch/ Signal-Verhältnis vermindert wird und ein brauchbareres Sen sorausgangssignal geschaffen wird.

Mit den Hoch- und Tiefpaßfiltern 54 bzw. 56 in der Sensorausgangs schaltung kann beispielsweise das kompensierte Ausgangssignal an der Leitung 58 beschrieben werden als:

Wie man sehen kann, wird, wenn der Pol der Sensorvorrichtung τ₁ ≅ τ_sensor durch τ₁, dem Nullpunkt des Hochpaßfilters 54, aufgehoben wird, das Sensoransprechen aus der Gleichung eliminiert. Deshalb ist die Gesamt zeitkonstante des Systems τ₂, welche durch richtiges Auswählen der Tief paßfilterausbildung klein gemacht werden kann. Der kompensierte Spannungsausgang ist proportional zu:

und wenn τ₂ sehr klein ist, ist dies ungefähr gleich F(Q(s)).

Nach Fig. 10 sind die Kurven 74, 78 und 82 wieder gezeigt, welche den aktuellen Luftmengendurchfluß, den Luftmengendurchfluß, der durch die Sensorvorrichtung abgetastet wird, bzw. den Mittelwertsensorausgang darstellen. Kurve 110 zeigt den kompensierten Spannungsausgang, der mit dem tatsächlichen Luftmengendurchfluß, der an der Sensorvorrich tung 40 vorbeiströmt, besser übereinstimmt, und Kurve 114 zeigt den mittleren Luftmengendurchfluß, der durch Kurve 110 dargestellt wird. Die Figur zeigt, daß der kompensierte mittlere Luftmengendurchfluß, Kur ve 114, näher an dem aktuellen Luftmengendurchfluß von 10 g/s liegt, als der unkompensierte Mittelwert 82.

Fig. 11 vergleicht den Prozentfehler für die Mittelwerte der unkompen sierten und der kompensierten Sensorausgänge, wobei ein Mengenluft strom von 10 g/s mit Pulsationen von 20, 40 und 60 Hz gemessen wird. Der verwendete Sensor hat eine Zeitkonstante von 2,7 ms. Die Kurven 120, 122 und 124 stellen die Verläufe der Prozentfehler gegenüber dem Amplitudenverhältnis für die unkompensierten Luftdurchflußmessungen bei 60 Hz, 40 Hz bzw. 20 Hz dar, und die Kurven 126, 128 und 130 zeigen für die gleiche Luftdurchflußmessung das Prozentfehler-gegen- Amplituden-Verhältnis des kompensierten Sensorausgangs gemäß einem Beispiel dieser Erfindung. Die Figur zeigt die drastische Fehlerreduktion des abgetasteten mittleren Luftmengendurchflusses bei Verwendung des Kompensationssystems und -verfahrens gemäß einem Beispiel dieser Er findung. Sogar für ein Amplitudenverhältnis von 5 hat das 60-Hz-Signal, das durch die Kurve 126 dargestellt ist, nur einen -5%-Fehler. In Fig. 11 ist die Zeitkonstante des Hochpaßfilters zweckmäßigerweise auf 2,5 ms gesetzt, leicht unter der Zeitkonstante des Sensors von 2,7 ms, um zu zeigen, daß, sogar wenn die Zeitkonstante des Hochpaßfilters nicht ex akt zu der des Sensors paßt, drastische Verbesserungen im Signalausgang immer noch erreicht werden. Ähnliche Variationen können in massenge fertigten Systemen auftreten, was den Fertigungstoleranzen des Sensors und/oder der Schaltungselemente zuzuschreiben ist. Der Fehler, der durch die Kurven 126, 128 und 130 dargestellt ist, ist weiterhin reduziert durch noch weiteres Annähern der Zeitkonstante des Hochpaßfilters an die der Sensorvorrichtung. Dies kann durch Abstimmen des Hochpaßfil ters auf die individuell verwendete Sensorvorrichtung erreicht werden.

Nach Fig. 12 ist eine Beispielschaltung zum Betreiben des Luftmengen durchflußsensors gemäß dieser Erfindung gezeigt. Die Schaltung umfaßt zwei Sektionen, eine Heizungsschaltung 150 und eine Abtastschal tung 193. Die Heizungsschaltung erhält durch die Leitung 152 Energie und sorgt dafür, daß die Energie durch den Kondensator 154 zur Strom regelungsschaltung 156 gelangt, welche durch den Widerstand 158 das Heizungselement der Abtastvorrichtung 160 mit Energie versorgt. Das Heizungselement erzeugt ansprechend Wärme, die durch zwei Thermisto ren 172 und 178 abgetastet wird.

Die Thermistoren 172 und 178 sind Teil einer Brückenschaltung, die zwi schen der Energieversorgungsleitung 152 und der Erde angeschlossen ist und die auch die Widerstände 164, 166, 170, 174 und 176 enthält. Der Widerstand 166 beinhaltet einen abstimmbaren Widerstand für Kalibrie rungszwecke.

Die Brückenschaltung hat zwei Ausgangsleitungen 182 und 184, deren Signale sich in Abhängigkeit von den Temperaturen der Thermistoren 178 bzw. 172 verändern. Der Differentialverstärker 180 empfängt die Signale der Leitungen 182 und 184 an den nichtinvertierenden bzw. invertieren den Eingängen. Der Differentialverstärker 180 erhält seine Energie durch die +V- und -V-Spannungsversorgungsleitungen 152 und 190 und hat ei ne Eingangsversetzung, die durch Einstellen des Widerstands 186 kali brierbar ist. Ein für das Beispiel geeigneter integrierender Schaltungsver stärker zur Verwendung als Verstärker 180 ist ein AD624BD-Differential verstärker, erhältlich bei Analog Devices (eingetragene Marke).

Der einzelne Ausgang des Verstärkers 180 an der Leitung 192 stellt die Differenz zwischen den Signalen der Leitungen 182 und 184 dar und kor respondiert zum Beispiel mit Kurve 72 in Fig. 4. Die Hochpaß- und Tiefpaßfilterstufen gemäß einem Beispiel dieser Erfindung sind durch den Operationsverstärker 200, die Widerstände 196 und 202 und die Konden satoren 198 und 204 implementiert. Der Widerstand 196 und der Kon densator 198 haben Beispielwerte von 17,43 K bzw. 0,103 µF und setzen die Zeitkonstante des Hochpaßfilteranteils des Verstärkers mit R₁₉₆ . C₁₉₈ gleich, was in diesem Beispiel gleich 1,8 ms ist. Der Widerstand 202 und der Kondensator 204, die die Beispielwerte von 23,3 K bzw. 0,010 µF ha ben, umfassen die Beispieltiefpaßfilterstufe, die eine Beispielzeitkonstante von 0,24 ms hat.

Die Verstärkerstufe 194 verstärkt deshalb das Signal auf der Leitung 192 mit einer Hochpaßfilterfunktion, um die Hochfrequenzkomponente des Sensorausgangssignals auf der Leitung 192 dadurch wieder aufzubauen, indem dafür gesorgt wird, daß die Zeitkonstante τ₁ im wesentlichen gleich zur Sensorzeitkonstante τ_sensor ist, um die Tiefpaßfilterfunktion des Sen sors im wesentlichen aufzuheben. Durch das Einbeziehen der Tiefpaßfil terstufe mit der Zeitkonstante τ₂, gleich 0,24 ms, welche wesentlich klei ner als τ₁ oder τ_sensor ist, wird das Rauschen vom Sensorausgang abge schwächt, anstatt verstärkt zu werden. Da τ₂ so klein ist, hat dies einen kleinen Effekt auf den Sensorausgang der Luftmengendurchflußmessun gen mit Frequenzkomponenten in den Bereichen, die in Verbrennungs motorinduktionssystemen erprobt worden sind. Deshalb ist das Aus gangssignal auf Leitung 206 das kompensierte Sensorausgangssignal, das im wesentlichen eine genaue Messung des Luftmengendurchflusses, der durch den Sensor abgetastet wird, repräsentiert.

Das Ausgangssignal auf Leitung 206 kann in bekannter Weise verarbeitet werden, zum Beispiel durch Verwenden eines Funktionsgenerators, der mit einer statischen Kalibrierungskurve Kurve 16, Fig. 2, programmiert ist, um das Signal auf Leitung 206 in eine Luftmengendurchflußmessung wie in Kurve 110, Fig. 10, dargestellt, umzuwandeln. Der Funktionsge nerator kann eine einfache Nachschlagetabelle sein oder kann in Schal tungs- oder Microprozessor-Algorithmusform in einer den Fachleuten be kannten Weise implementiert werden, wie es der Systemkonstrukteur wünscht, und deshalb braucht hier eine detaillierte Beschreibung nicht weiter geführt zu werden.

Die Kontrollschaltung zum Versorgen des Heizungselements 160 kann in einer den Fachleuten bekannten Weise implementiert werden, so daß die Heizungsvorrichtungstemperatur konsistent eine vorbestimmte Tempera turdifferenz ΔT über der Umgebungstemperatur ist. Durch das Imple mentieren einer solchen bekannten Heizungselementkontrolle in die Schaltung, wie in Fig. 12 gezeigt, stellt sich das System automatisch auf Änderungen der Umgebungstemperatur ein, so daß das Ausgangssignal ungeachtet der Umgebungstemperatur der Luft, die am Sensor vorbei strömt, genau ist.

Claims

1. Luftmengendurchflußmesser mit
einer thermischen Sensorvorrichtung (40), die in einer Luftansaug leitung (12) angeordnet ist und deren ideales Ausgangssignal dem Betrag des an ihr vorbeiströmenden Luftmengendurchflusses ent spricht, deren tatsächliches Ausgangssignal jedoch aufgrund einer inhärenten Sensoransprechzeitkonstanten (τ_s) der Sensorvorrich tung (40) bei Luftmengendurchflüssen, die mit Zeitperioden von der Größenordnung der inhärenten Sensoransprechzeitkonstanten (τ_s) oder darunter pulsieren, gegenüber dem idealen Ausgangssignal wie tiefpaßgefiltert verändert ist, und
einer ersten Filterstufe (54), die mit dem Ausgang der Sensorvor richtung (40) verbunden ist, deren Ausgangssignal empfängt, ein Hochpaßfilter mit einer im wesentlichen der Sensoransprechzeit konstanten (τ_s) gleichenden ersten Filterzeitkonstanten (τ₁) bildet und ein Hochpaßfilterausgangssignal liefert, bei dem die genannten Veränderungen des tatsächlichen gegenüber dem idealen Ausgangs signal der Sensorvorrichtung (40) kompensiert sind.

2. Luftmengendurchflußmesser nach Anspruch 1, bei dem die erste Filterzeitkonstante (τ₁) im Bereich von 1 bis 3 ms liegt.

3. Luftmengendurchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zweiten Filterstufe (56), die mit dem Ausgang der ersten Filter stufe (54) verbunden ist, deren Hochpaßfilterausgangssignal emp fängt, ein Tiefpaßfilter mit einer zweiten Filterzeitkonstanten (τ₂) bil det, die wesentlich kleiner ist als die inhärente Sensoransprechzeit konstsante (τ_s), und ein kompensiertes Sensorausgangssignal liefert, wobei die zweite Filterstufe (56) das Rauschen in dem Hochpaßfil terausgangssignal abschwächt, während insgesamt eine erhöhte Betriebsbandbreite aufrechterhalten wird, und wobei das kompen sierte Sensorausgangssignal den an der Sensorvorrichtung (40) vor beiströmenden Luftmengendurchfluß sowohl hinsichtlich einer Echtzeitwiedergabe als auch bezüglich des Mittelwertes mit hoher Genauigkeit präsentiert.

4. Luftmengendurchflußmesser nach Anspruch 3, bei dem die zweite Filterzeitkonstante (τ₂) im Bereich von 0,1 bis 0,6 ms liegt.

5. Luftmengendurchflußmeßverfahren, bei dem
eine thermische Sensorvorrichtung (40) in einer Luftansaugleitung (12) angeordnet wird, deren ideales Ausgangssignal dem Betrag des an ihr vorbeiströmenden Luftmengendurchflusses entspricht, deren tatsächliches Ausgangssignal aber aufgrund einer inhärenten Sen soransprechzeitkonstanten (τ_s) der Sensorvorrichtung (40) bei Luft mengendurchflüssen, die mit Zeitperioden von der Größenordnung der inhärenten Sensoransprechzeitkonstanten (τ_s) oder darunter pulsieren, gegenüber dem idealen Ausgangssignal wie tiefpaßgefil tert verändert ist, und
das Ausgangssignal der Sensorvorrichtung (40) von einer ersten Filterstufe (54), die ein Hochpaßfilter mit einer im wesentlichen der Sensoransprechzeitkonstanten (τ_s) gleichenden ersten Filterzeitkon stanten (τ₁) bildet, empfangen und in ein Hochpaßfilterausgangs signal verwandelt wird, bei dem die genannten Veränderungen des tatsächlichen gegenüber dem idealen Ausgangssignal der Sensorvor richtung (40) kompensiert sind.

6. Luftmengendurchflußmeßverfahren nach Anspruch 5, bei dem das Hochpaßfilterausgangssignal in einem Tiefpaßfilter (56) gefiltert wird, das einen Pol bei einer Filterzeitkonstanten (τ₂) besitzt, die we sentlich kleiner ist als die Sensoransprechzeitkonstante (τ_s) und das Sensorrauschen abschwächt, das durch das Hochpaßfilter (54) wirksam verstärkt wird.