DE19650038A1

DE19650038A1 - Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelementes und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE19650038A1
Application number: DE19650038A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Peter; Kurt Ingrisch; Thomas Weigold; Guenther Riehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 1998-06-04
Also published as: EP0943077A1; US6307187B1; JP2001505690A; KR20000057321A; WO1998025114A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelementes und einer Vorrichtung zum Durchfuhren des Verfahrens. Es ist Stand der Technik, die für eine Regelung eines Widerstandsheizelementes notwendige Isttemperatur mittels eines separaten Sensors zu erfassen. Diese Sensorelemente können mit gleichbleibender Qualität hergestellt werden. Wird zur Temperaturerfassung der Widerstand des Widerstandsheizelementes verwendet, so weist dieser im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturfühlern hohe Streuungen auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, rationell und ggf. automatisierbar die für das Betreiben des Widerstandsheizelementes notwendigen Parameter bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelementes zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß während eines ersten Schritts ein Widerstand R_h des Widerstandsheizelementes bei einer bekannten Basistemperatur bestimmt wird, daß während eines zweiten Schritts ein Widerstandssollwert in Abhängigkeit von dem Widerstand R_h bei der bekannten Basistemperatur und einem bekannten Temperaturkoeffizienten ermittelt wird und daß die Ansteuerung des Widerstandsheizelementes durch näherungsweise Einstellung dieses Widerstandssollwertes erfolgt. Trotz in der Regel stark streuender Werte des Widerstandes R_h wird dieser Widerstand R_h unter bekannten Bedingungen genau erfaßt. Damit lassen sich die Parameter der Regelung der Steuerung des Widerstandsheizelementes speziell auf diesen Widerstand R_h abstimmen. Es läßt sich die gewünschte Solltemperatur erzielen, weil der Widerstandssollwert in Abhängigkeit von diesem stark schwankenden Widerstand R_h bestimmt wird. Dieser Abgleich läßt sich beispielsweise auch per Software ausführen, weshalb sich das erfindungsgemäße Verfahren leicht automatisieren läßt. Dies trägt somit insbesondere bei der Serienproduktion zu Kostenersparnis bei. Die Messung des Widerstandes R_h erhöht die Genauigkeit der Temperaturregelung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß als Basistemperatur die Raumtemperatur verwendet wird. Damit ist ein Parameterabgleich auf die bekannten Bedingungen in der Produktion zugeschnitten. Aufgrund des bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R_h erübrigt sich eine Aufheizung des Widerstandes R_h.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch. Eine Signalverarbeitung ermittelt unter Zuhilfenahme eines variablen Widerstandes den Widerstand R_h bei bekannter Basistemperatur. Durch denselben variablen Widerstand wird ein Widerstandssollwert eingestellt, der in Abhängigkeit von dem Widerstand R_h und dem bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R_h ermittelt ist. Signalverarbeitung und variabler Widerstand tragen somit sowohl zur Parametrierung als auch zum späteren Betrieb des Widerstandsheizelements bei. Der Aufwand für separate Justageeinrichtungen entfällt hiermit.

Gemäß einer zweckmäßigen Verbesserung ist der Widerstandssollwert in einem Speicher hinterlegt. Der Speicherinhalt kann wieder zu Regelungszwecken abgerufen werden.

Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß der Widerstand R_h Teil einer Brückenschaltung ist. Der Widerstand R_h kann beispielsweise durch Brückenabgleich leicht bestimmt werden.

In einer weiteren Maßnahme besteht der variable Widerstand aus einzelnen parallel geschalteten, einzeln aktivierbaren Widerständen. Bei hinreichender Genauigkeit ist somit eine kostengünstige Realisierung erreicht.

Bevorzugte Verwendung finden das Verfahren und die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens bei einem Kraftfahrzeug, das mit einem Luftgütesensor ausgestattet ist. Durch regelmäßiges Beheizen des Luftgütesensors reduziert sich dessen Verschleiß.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen aus abhängigen Ansprüchen ergeben sich aus der Beschreibung.

Zeichnung

Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 2 ein Flußdiagramm und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung als Ausführungsbeispiele.

Beschreibung

Ein Widerstandssollwert 12, der von einem variablen Widerstand 13 beeinflußt wird, gibt ein Sollsignal 14 an eine Steuerung/Regelung 15 ab. Die Steuerung/Regelung 15 gibt Steuersignale an ein Widerstandsheizelement 10 ab, das einen Widerstand R_h 11 besitzt.

Während eines ersten Schritts wird der Widerstand R_h 11 bei Basistemperatur bestimmt. Daran schließt sich in einem zweiten Schritt die Bestimmung des Widerstandssollwertes 12 an. In Schritt 3 wird das Widerstandsheizelement gemäß dem Widerstandssollwert 12 angesteuert. Dieser Schritt wiederholt sich.

Eine Meßbrücke 22 besteht aus den Meßbrückenwiderständen 16 und dem Widerstand R_h 11. Sie wird von einer Betriebsspannung U_B versorgt. Die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 wird einem Komparator 18 zugeführt. Zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators 18 und Ein-/Ausgängen einer Signalverarbeitung 19 liegt der variable Widerstand 13, der aus Einzelwiderständen 23 gebildet wird. Ein Transistor 17 wird von der Signalverarbeitung 19 angesteuert und versorgt den Widerstand R_h 11 mit der Betriebsspannung U_B. Mit der Signalverarbeitung 19 sind ein Speicher 20 und ein Rechner 21 verbunden.

Das Widerstandsheizelement 10 dient beispielsweise dazu, anfällige elektronische Bauteile vor Verschleiß zu bewahren. Insbesondere einen im Kraftfahrzeug angeordneten Luftgütesensor schützt regelmäßiges Beheizen davor, daß die porösen Strukturen durch Eindringen von Feuchtigkeit in Mitleidenschaft gezogen werden. Das Widerstandsheizelement 10 wird hierbei auf konstante Absoluttemperaturen von ca. 300°C aufgeheizt. Als Widerstand R_h 11 des
Widerstandsheizelements 10 kann beispielsweise ein Platinwiderstand dienen. Der Widerstand R_h 11 kann dabei sehr stark streuen, mit Fertigungstoleranzen bis zu ± 40% - be zogen auf den angestrebten Wert - muß gerechnet werden. Der Widerstand R_h 11 liegt in der Größenordnung von 50 Ohm. Daneben ist auch der Temperaturkoeffizient des Widerstands R_h 11 bekannt. Ist der Widerstand R_h 11 für eine bestimmte Temperatur bekannt, so läßt sich mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten der Widerstand R_h 11 bei Solltemperatur von beispielsweise 300°C bestimmen.

Mit Hilfe der Steuerung/Regelung 15 wird der Widerstand R_h 11 auf die gewünschte Solltemperatur aufgeheizt. Das Sollsignal 14, das der gewünschten Solltemperatur entspricht, läßt sich beispielsweise durch einen Widerstandssollwert 12, der von einem variablen Widerstand 13 gebildet werden kann, vorgeben. Als Sollsignale 14 könnten ebenfalls dem Widerstandssollwert 12 proportionale Spannungen oder Ströme vorgesehen sein. Als variabler Widerstand 13 kommen ein Potentiometer oder ein Widerstandsnetzwerk, bestehend aus mehreren Einzelwiderständen 23, zum Einsatz. Die Einzelwiderstände 23 eines Widerstandsnetzwerks lassen sich einzeln zu- oder abschalten. Damit wird der variable Widerstand über diskrete Stufen eingestellt. Ebenso läßt sich mit Hilfe gesteuerter Strom- oder Spannungsquellen ein analoges oder digitales Sollsignal 14 vorgeben.

Die Einstellung der zum Betreiben des Widerstandsheiz elements 10 notwendigen Parameter erfolgt in mehreren Schritten. Während eines ersten Schritts wird der Widerstand R_h 11 bei einer bekannten Basistemperatur ermittelt. Als Basistemperatur dienen beispielsweise Raumtemperatur oder die Temperatur, die am Ende des Produktionsprozesses des Widerstandsheizelements 10 herrscht. Die Vorgehensweise zur Widerstandsermittlung ist bekannt. Ist der Widerstand R_h 11 beispielsweise Teil einer Meßbrücke 22, so kann diese mittels eines variablen Widerstands 13 abgeglichen werden. Der Widerstand R_h 11 berechnet sich dann in Abhängigkeit von dem variablen Widerstand 13. Bei starken Schwankungen der Basistemperatur ist es sinnvoll, diese gesondert zu erfassen.

Ist der Widerstand R_h 11 bei Basistemperatur bestimmt, schließt sich Schritt 2 an. Mit Hilfe des bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstands R_h 11 wird der Widerstand R_h 11 berechnet, der sich theoretisch bei der gewünschten Solltemperatur einstellt. Hierzu können verschiedene Widerstands-Temperatur-Kennlinien hinterlegt sein, die als Parameter den Widerstand R_h 11 bei Basistemperatur aufweisen. Als Widerstandssollwert 12 ist somit der Wert gewählt, den der Widerstand R_h 11 bei Solltemperatur annimmt. Die Ansteuerung des Widerstandsheizelements 10 durch die Steuerung/Regelung 15 erfolgt so, daß dieser Widerstandssollwert 12 sich näherungsweise einstellt. Die Parametrierung der Steuerung/Regelung 15 des Widerstandsheizelements 10 ist damit abgeschlossen. Die Parameter können beispielsweise in einem Speicher 20 hinterlegt werden. Die Schritte 1 und 2 lassen sich beispielsweise am Bandende des Herstellungsprozesses der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vornehmen. Zu diesem Zeitpunkt ist auch auf Hilfsmittel zur Berechnung des Widerstandssollwertes 12 zurückzugreifen, die zum Betreiben des Widerstandsheizelements 10 nicht nötig sind.

Der dritte Schritt stellt den Regelbetriebsfall des Widerstandsheizelementes 10 dar und wird zyklisch wiederholt. Die Ansteuerung des Widerstandsheizelementes 10 gemäß des Widerstandssollwertes 12 kann beispielsweise mittels eines Transistors 17 erfolgen. Der temperaturabhängige Widerstand R_h 11 wird hierbei ständig erfaßt und mit seinem Widerstandssollwert 12 verglichen. Der Transistor 17 schaltet ein bzw. aus, wenn der Widerstand R_h 11 bestimmte Schwellen, die der Widerstandssollwert 12 vorgibt, unter- bzw. überschreitet. Dem Transistor 17 kann auch eine Einschaltdauer vorgegeben werden in Abhängigkeit von der vorher liegenden Meßperiode. In Abhängigkeit von dem Widerstand R_h 11 wird in Verbindung mit dem Widerstandssollwert 12 die Ansteuerdauer für die nächste Periode verändert. Dieser dritte Schritt wird im Normalbetrieb ausgeführt, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Beheizung eines Luftgütesensors.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist in Fig. 3 gezeigt. Der Widerstand R_h 11 ist zusammen mit den Meßbrückenwiderständen 16 Teil einer Meßbrücke 22. Die Meßbrückenwiderstände 16 werden im Vergleich zum Widerstand R_h 11 hochohmig gewählt. Die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 ist einem Komparator 18 zugeführt. Der Komparator 18 vergleicht die am Widerstand R_h 11 abfallende Spannung mit einer Spannung, die in Abhängigkeit von dem variablen Widerstand 13 einstellbar ist.

Während des ersten Schritts wird bei Basistemperatur die Meßbrücke 22 über den variablen Widerstand 13 abgeglichen. Der variable Widerstand 13 ist im Ausführungsbeispiel durch parallel geschaltete Einzelwiderstände 23 gebildet, deren Werte beispielsweise von 6 k bis hin zu 400 k exponentiell zunehmen. Jeder der Einzelwiderstände 23 kann durch die Signalverarbeitung 19 aktiviert werden, indem beispielsweise der zu aktivierende Einzelwiderstand 23 auf Masse gelegt wird. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators 18 werden die Einzelwiderstände 23 des variablen Widerstands 13 über die Steuerports der Signalverarbeitung 19 in gewünschter Weise parallel geschaltet. Ist die Meßbrücke 22 abgeglichen, so merkt sich die Signalverarbeitung 19 die aktivierten Steuerports, die den bekannten Einzelwiderständen 23 zugeordnet sind. Diese Informationen werden über eine serielle Schnittstelle dem Rechner 21 weitergegeben. Der Rechner 21 entschlüsselt in Abhängigkeit von der Aktivierung der Steuerports den variablen Widerstand 13. Unter Berücksichtigung der ebenfalls bekannten Meßbrückenwiderstände 16 läßt sich der aktuelle Widerstand R_h 11 bei Basistemperatur berechnen.

Daraufhin ermittelt der Rechner 21 den Widerstandssollwert 12, wie bereits oben erläutert. Bei dem für die Solltemperatur berechneten Widerstand R_h 11 soll der variable Widerstand 13 so gewählt werden, daß die Meßbrücke 22 abgeglichen ist. Unter Berücksichtigung der Meßbrückenwiderstände 16 läßt sich der variable Widerstand 13 und die zugehörige Ansteuerung der Steuerports bestimmen. Diese korrespondierende Aktivierung wird an die Signalverarbeitung 19 weitergegeben, ebenso wie der Widerstandssollwert 12, der wiederum in einem Speicher 20 hinterlegt werden kann. Dieser Speicher 20 ist beispielsweise als elektrisch beschreib- und löschbarer Speicher ausgelegt. Die Parametrierung ist mit der entsprechenden Ansteuerung der Steuerports der Signalverarbeitung 19 abgeschlossen.

Für den Normalbetrieb gemäß Schritt 3 ist der Rechner 21 nun nicht mehr erforderlich. Während einer Heizphase, hervorgerufen durch Durchsteuern des Transistors 17, erfolgt keine Messung der Diagonalspannung. Der Transistor wird für eine festgelegte Zeitspanne angesteuert. Daran schließt sich eine Heizpause an, die dazu verwendet wird, die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 zu erfassen. Ist die Meßbrücke 22 abgeglichen, so stimmt der Soll- mit dem Istwert überein. Den Abgleich stellt der Komparator 18 fest und teilt dies der Signalverarbeitung 19 mit. Bei unabgeglichener Meßbrücke 22 wird die Dauer der Heizphase verändert durch die Signalverarbeitung 19. Die nächste Heizphase verlängert oder verkürzt sich entsprechend. Somit ist eine adaptive Regelung auf eine Solltemperatur erreicht. Als Signalverarbeitung 19 kommt beispielsweise ein Mikrocontroller zum Einsatz.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelements (10) mit einem Widerstand R_h (11), wobei das Widerstandsheizelement (10) auf eine vorgegebene Solltemperatur zu heizen ist, mit den Merkmalen:

- während eines ersten Schritts wird der Widerstand R_h (11) des Widerstandsheizelements (10) bei einer bekannten Basistemperatur bestimmt,
- während eines zweiten Schritts wird ein Widerstandssoll wert (12) in Abhängigkeit von dem Widerstand R_h (11) bei bekannter Basistemperatur und einem bekannten Temperatur koeffizienten ermittelt,
- die Ansteuerung des Widerstandsheizelements (10) erfolgt durch näherungsweise Einstellung dieses Widerstandssoll wertes (12), um das Widerstandsheizelement (10) auf die vorgegebene Solltemperatur zu heizen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Basistemperatur Raumtemperatur verwendet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Signalverarbeitung (19), einem variablen Widerstand (13), dem Widerstands heizelement (10) mit dem Widerstand R_h (11), wobei das Widerstandsheizelement (10) auf die vorgegebene Solltemperatur zu heizen ist, und einer Steuerung/Regelung (15), die einen dieser Solltemperatur entsprechenden Widerstandssollwert (12) erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (19) den Widerstand R_h (11) des Widerstandsheizelementes (10) bei der bekannten Basistemperatur mittels variablen Widerstand (13) bestimmt, daß der Widerstandssollwert (12) in Abhängigkeit von dem Widerstand R_h (11) bei der bekannten Basistemperatur und dem bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R_h (11) ermittelt ist, und daß dieser Widerstandssollwert (12) durch den variablen Widerstand (13) einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandssollwert (12) in einem Speicher (20) hinterlegt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R_h (11) Teil einer Meßbrücke (22) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Widerstand (13) aus einzelnen parallel geschalteten Einzelwiderständen (23) besteht, die einzeln aktivierbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwiderstände (23) einzeln durch die Signalverarbeitung (19) aktivierbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung der Meßbrücke (22) einem Komparator (18) zugeführt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Eingang des Komparators (18) eine vom Widerstand R_h (11) beeinflußte Größe und an dem anderen Eingang des Komparators (18) eine vom variablen Widerstand (13) beeinflußte Größe anliegen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ansteuerung des Widerstandsheizelementes (10) mit der Zeit T1 eine Meßphase folgt, während der die Zeit T1 in Abhängigkeit von dem Widerstand R_h (11) festgelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandssollwert (12) am Ende des Produktionsprozesses ermittelt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Kraftfahrzeug zur Beheizung eines Luftgütesensors.