DE19803197C2 - Thermosensitiver Flußmesser - Google Patents

Thermosensitiver Flußmesser

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermosensitiven Flußmesser (flowmeter) zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchsatzes (flow rate) eines Fluids unter Verwendung eines ersten thermosensitiven Widerstands zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchsatzes und eines zweiten thermosensitiven Widerstands zur Kompensation der Fluidtemperatur, und genauer gesagt auf einen thermosensitiven Flußmesser, dessen Anschlußstruktur vereinfacht ist, und der zuverlässiger ist, indem der Effekt aufgrund der Erwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes unterdrückt wird.
Konventionell gibt es bekannte thermosensitive Flußmesser, welche thermosensitive Widerstände verwenden, und beispielsweise als Luftsensoren in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen angewendet werden.
Im allgemeinen sind die thermosensitiven Strömungsmesser dieses Typs so angeordnet, daß ein erster thermosensitiver Widerstand zur Erfassung einer Strömungsgeschwindigkeit und ein zweiter thermosensitiver Widerstand zur Erfassung der Fluidtemperatur, um die Fluidtemperaturänderungen zu kompensieren, in einem Fluiddurchgang angeordnet sind, und über eine Brückenschaltung mit einer Vielzahl von Elementen, einschließlich der ersten und zweiten thermosensitiven Widerstände, verschaltet sind.
Die Steuerschaltung des thermosensitiven Strömungsmessers ist so, daß die Temperatur des ersten thermosensitiven Widerstandes um eine vorbestimmte Temperatur höher eingestellt ist als die Fluidtemperatur, indem ein Erwärmungsstrom dem ersten thermosensitiven Widerstand zugeführt wird und die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchsatz eines Fluids erfaßt wird, indem die abgegebene Wärmemenge in Übereinstimmung mit der Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem Durchsatz des Fluids erfaßt wird, auf der Grundlage der Erhöhung oder Absenkung des zugeführten Erwärmungsstromes.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, welche schematisch die Struktur eines konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt.
In Fig. 4 enthält die Sensoreinheit 100 des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers einen thermosensitiven Widerstand Rh, welcher auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, und einen zweiten thermosensitiven Widerstand Rk zur Kompensierung der Fluidtemperatur, und ist beispielsweise in einem Fluiddurchgang 19 angeordnet, welcher aus dem Ansaugrohr usw. eines Verbrennungsmotors besteht.
Der thermosensitive Widerstand Rh und der zweite thermosensitive Widerstand Rk, welche die Sensoreinheit 100 bilden, sind an einer bedruckten Verdrahtungstafel 20 angeordnet und werden von dieser gehalten, wobei die Platte an einer Seitenwand des Fluiddurchgangs 19 festgemacht ist, und die Anschlüsse 21 der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk mit der bedruckten Verdrahtungsplatte 20 verbunden sind.
Eine Bienenwabe 23 ist auf dem sich der Ansaugseite öffnenden Ende des Fluiddurchgangs 19 angeordnet, um die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchsatz des Fluids gleichmäßig zu machen.
Die Anschlüsse 21 der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk, welche in dem Fluiddurchgang 19 angeordnet sind, werden in eine gemeinsame Richtung herausgeleitet und zu der bedruckten Verdrahtungsplatte 20 auf dem Fluiddurchgang 19 als Drei- oder Vierverbindungsanschlüsse geführt (hier wird ein Fall von vier Anschlüssen gezeigt).
Eine Steuerschaltung (welche später beschrieben wird) ist auf der bedruckten Schaltplatte 20 angeordnet, um den ersten und zweiten thermosensitiven Widerständen Rh und Rk Energie zuzuführen.
Fig. 5 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel einer spezifischen Anordnung des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt.
In Fig. 5 besteht die Sensoreinheit 100 aus dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh und dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk, welche zueinander parallel geschaltet sind und denen eine Spannung VB aus einer am Fahrzeug montierten Energiequelle bzw. einer Batterie 1 zugeführt wird.
In diesem Fall, da die einen Enden der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk gemeinsam miteinander verbunden sind, ist die Zahl der herauszuleitenden Anschlüsse 3.
Ein fester Widerstand Rm zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchsatzes ist zwischen dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh und der Erde angeschlossen, wohingegen eine Reihenschaltung, welche aus einem Temperaturkompensations-Festwiderstand R1 und einem Stromregelungs-Festwiderstand Rt besteht, zwischen dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk und der Erde eingefügt. Diese festen Widerstände Rm, R1 und Rt bilden zusammen mit den jeweiligen thermosensitiven Widerständen Rh und Rk die Brückenschaltung.
Eine Steuerschaltung ist zwischen der Batterie 1 und der Sensoreinheit 100 eingefügt, um einen Strom i zu steuern, welcher der Sensoreinheit 100 zugeführt wird, und sie steuert die Ströme ih und ik, welche dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh und dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk zugeführt werden (zugeführte Ströme, d. h. verbrauchte Ströme).
Die Steuerschaltung besteht aus einem Emitter-geerdeten NPN- Transistor 9, festen Widerständen R2 und R3, welche mit dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 9 jeweils verbunden sind, einem PNP-Transistor 10, welcher zwischen der Batterie 1 und den einen Enden der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk eingefügt ist, und einem Operationsverstärker 11, welcher mit der Basis des Transistors 9 verbunden ist, um den Transistor 9 zu steuern.
Die Basis des Transistors 10 ist mit dem Kollektor des Transistors 9 durch den festen Widerstand R3 verbunden.
Der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 11 ist mit dem Knoten verbunden, an welchem der erste thermosensitive Widerstand Rh mit dem festen Widerstand Rm über die Spannungsversorgung 12 einer Ausgangsspannung Ei verbunden ist, wohingegen der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand Rk mit dem festen Widerstand Rt verbunden ist.
Die Energieversorgung 12 wird dafür verwendet, die Frequenzcharakteristiken der Brückenschaltung zu regeln, und die Spannung Ei der Energieversorgung 12 wird auf einen sehr kleinen Wert eingestellt.
Der Operationsverstärker 11 steuert linear den Transistor 9 ansprechend auf die Spannung, welche von der Brückenschaltung ausgegeben wird, und steuert den der Sensoreinheit 100 zugeführten Strom i.
Mit dieser Anordnung wird die Erwärmungstemperatur bzw. Heiztemperatur des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh auf einer Temperaturgehalten, welche um die vorbestimmte Temperatur höher ist als die Fluidtemperatur.
Konventionell wird ein thermosensitiver Strömungsmesser bzw. Flußmesser vorgeschlagen, welcher die Erwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstands Rk unterdrückt, man siehe beispielsweise "Technical Development of New Sensors and How They are Most Properly Selected and Used", Seiten 424 und 426 (Publication Division of Management Development Center, General Technical Data, Upper Volume, 31. Juli 1978).
Fig. 6 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel der Anordnung des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt, welcher angeordnet ist, um die Erwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk zu unterdrücken. In Fig. 6 werden die gleichen Komponenten wie die oben beschriebenen durch die gleichen Ziffern bezeichnet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.
In diesem Fall ist der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 mit dem Knoten verbunden, an welchem der erste thermosensitive Widerstand Rh mit dem festen Widerstand Rm verbunden ist, wohingegen der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 11 mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand Rk mit dem festen Widerstand Rt verbunden ist, und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 11 ist mit den jeweiligen einen Enden der festen Widerstände Rm und Rt verbunden.
Ferner ist ein Operationsverstärker 16 angeordnet, um die Erwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk im Verhältnis zu einer Brückenschaltung zu unterdrücken.
Der Operationsverstärker 16 bildet eine zweite Steuerschaltung zur Steuerung des Stroms ik, welcher von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbraucht wird.
Die Basis eines Emitter-geerdeten NPN-Transistors 15A ist mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 16 verbunden, und der Knoten, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand Rk mit dem Kollektor des Transistors 15A verbunden ist, ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 16 verbunden.
Ferner ist der Knoten, an welchem die Spannungsteilerwiderstände miteinander verbunden sind, d. h. ein fester Widerstand R4 ist mit einem festen Widerstand R5 verbunden, mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 16 verbunden.
Ein Ende des festen Widerstands R4 ist mit dem Knoten verbunden, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand Rk mit dem festen Widerstand Rt verbunden ist, und ein Ende des festen Widerstands R5 ist geerdet.
Die festen Widerstände R4 und R5 bilden zusammen mit dem erste thermosensitiven Widerstand Rh und dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk, und mit den festen Widerständen Rm und Rt zusammen die Brücke.
Die Brückenschaltung, welche die festen Widerstände R4 und R5 enthält, hält die Erwärmungstemperatur des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh auf einer vorbestimmten Temperatur und reduziert die von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbrauchte Leistung, um dadurch die Selbsterwärmung des zweite thermosensitiven Widerstands Rk zu unterdrücken.
Das bedeutet, daß der Operationsverstärker 16 linear den Transistor 15A ansprechend auf die geteilte Spannung der Spannung über beide Enden des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk steuert.
Da jedoch gemäß der in Fig. 6 gezeigten Schaltungsanordnung die Spannungsteilungs-Festwiderstände R4 und R5 über dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk angeschlossen sind, sind die Impedanzen (Widerstandswerte) der festen Widerstände R4 und R5 auf große Werte eingestellt, um den Strom ik zu unterdrücken, der von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbraucht wird.
Da sich der erste und zweite thermosensitive Widerstand Rh und Rk sich auf die zwei Operationsverstärker 11 und 16 beziehen, werden beide Anschlüsse der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk individuell herausgeleitet, und dementsprechend sind als Ganzes vier Verbindungsanschlüsse 21 erforderlich, wie in Fig. 4 gezeigt.
Ferner wird konventionell ein thermosensitiver Flußmesser vorgeschlagen, welcher die Spannungsteilungs-Festwiderstände R4 und R4 über dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh hat, um den Fehlereffekt aufgrund der Impedanzen der festen Widerstände R4 und R5 zu unterdrücken, siehe beispielsweise die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 61-16026.
Fig. 7 zeigt den konventionellen thermosensitiven Strömungsmesser, welcher den Fehlereffekt aufgrund der Impedanzen der festen Widerstände R4 und R5 unterdrückt. Die gleichen Komponenten wie die oben beschriebenen werden durch die gleichen Ziffern beschrieben und ihre Beschreibung in Fig. 7 wird weggelassen.
In diesem Fall besteht die Brückenschaltung aus dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh, dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk, und den festen Widerständen Rm, Rt, R4 und R5.
Der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 11 ist mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 16 verbunden, der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 ist mit dem Knoten verbunden, an welchem die festen Widerstände R4 und R5 miteinander verbunden sind, und der Ausgangsanschluß der Operationsverstärkers 11 ist mit der Basis eines Transistors 10 verbunden.
Der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 16 ist mit dem Knoten verbunden, an welchem der erste thermosensitive Widerstand Rh mit dem festen Widerstand Rm verbunden ist, wohingegen der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 16 mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand Rk mit dem festen Widerstand Rt verbunden ist.
Die Brückenschaltung hält die Erwärmungstemperatur des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh auf einer vorbestimmten Temperatur, und unterdrückt die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstands Rk, ähnlich wie beim oben beschriebenen. Ferner sind die festen Widerstände R4 und R5 zur Beschränkung des Strom ik, welcher von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbraucht wird, über dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh angeschlossen, um dadurch den Fehlereffekt aufgrund der Impendanzen der festen Widerstände R4 und R5 zu verringern.
Gemäß der Schaltungsanordnung der Fig. 7, da sowohl die Anschlüsse der jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk individuell herausgeleitet werden, da sie mit den zwei Operationsverstärkern 11 und 16 in Beziehung stehen, ähnlich wie im Fall der Fig. 6, sind jedoch insgesamt vier Verbindungsanschlüsse erforderlich, wie in Fig. 4 gezeigt.
Wie oben beschrieben, haben die konventionellen thermosensitiven Flußmesser darin ein Problem, daß sie nicht eine ausreichende Zuverlässigkeit im Beispiel der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsanordnung erzielen können, da sie Gefahr laufen, durch die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk beeinflußt zu werden.
Um die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk in dem Beispiel der in Fig. 5 gezeigten Schaltungsanordnung zu verringern, muß der Widerstandswert des zweiten thermosensitiven Widerstands Rk wesentlich höher eingestellt werden als jener des ersten thermosensitiven Widerstands Rh.
Wenn beabsichtigt ist, den Effekt der Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk zu verringern, indem die Schaltungsanordnung wie in Fig. 6 oder 7 gezeigt, aufgebaut wird, da die Zahl der Verbindungsanschlüsse zwischen dem Fluiddurchgang 19 und der bedruckten Verdrahtungsplatte 20 erhöht ist, und beispielsweise die Gesamtzahl von vier Anschlüssen 21 erforderlich ist für beide der Anschlüsse des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh und beide der Anschlüsse des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk (siehe Fig. 4), besteht das Problem, daß die Struktur komplex wird.
Ferner, da in der Schaltungsanordnung der Fig. 6 die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 16 auf einen großen Wert eingestellt werden muß, da die Eingangsimpedanzen der festen Widerstände R4 und R5 auf große Werte eingestellt werden müssen, um den von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbrauchten Strom ik zu beschränken, besteht das Problem, daß der Operationsverstärker 16 teuer ist.
Aus der US-5,181,420 ist ein Heißdraht-Strömungsmesser bekannt, bei welchem einem Draht von außen Strom zugeführt wird und eine Schaltung zur Messung des durch den Draht fließenden Stroms vorgesehen ist. Eine Verstärkerschaltung mit einem Operationsverstärker und eine Rückkopplungsschaltung sind vorgesehen, um die Temperatur des Drahts stabil zu halten.
Aus der US-5,237,868 ist ein thermischer Strömungssensor bekannt, welcher Kennliniengradienten modifiziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, welche zur Lösung der obigen Probleme gemacht wurde, ist die Schaffung eines thermosensitiven Flußmessers, welcher eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufweist, ohne Erhöhung der Kosten, indem die Selbsterwärmung eines zweiten thermosensitiven Widerstandes unterdrückt wird, durch Verringerung des von ihm verbrauchten Stroms, und durch Verringerung der Zahl der Verbindungsanschlüsse zu einer bedruckten Verdrahtungsplatte auf einem Fluiddurchgang durch eine einfache Anordnung.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Flußmesser mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1.
Die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes wird unterdrückt, indem der durch den zweiten thermosensitiven Widerstand fließende Strom reduziert wird, auf der Grundlage der Spannung, welche dem ersten thermosensitiven Widerstand auferlegt wird.
Ferner wird die Zahl der Verbindungsanschlüsse zu einer bedruckten Verdrahtungsplatte verringert, indem der erste und zweite thermosensitive Widerstand gemeinsam verbunden sind, um sie dadurch außerhalb der bedruckten Verdrahtungsplatte in Reihe zu schalten.
Zur Steuerung des thermosensitiven Flußmessers gemäß Anspruch 2 ist ein Schaltelement vorgesehen, welches in Reihe mit dem zweiten thermosensitiven Widerstand verbunden ist, ein Spannungsteiler, welcher parallel zum ersten thermosensitiven Widerstand angeschlossen sind, und einen Operationsverstärker, welcher ansprechend auf den geteilten Spannungswert des Spannungsteilers arbeitet, wobei der Operationsverstärker das Schaltelement so steuert, daß der zweite Strom ein konstantes Verhältnis zum ersten Verbrauchsstrom hat.
Daher wird die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes unterdrückt, indem die Spannung, welche dem ersten thermosensitiven Widerstand auferlegt wird, geteilt wird, um dadurch den durch den zweiten thermosensitiven Widerstand fließenden Strom auf der Grundlage eines Spannungsteilungsverhältnisses zu verringern.
Das Schaltelement des thermosensitiven Flußmessers gemäß Anspruch 3 besteht aus einem PNP-Transistor, wobei der nicht- invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit dem Spannungsteiler verbunden ist; der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand mit dem Emitter des Transistors verbunden ist; und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers mit der Basis des Transistors verbunden ist.
Das Schaltelement des thermosensitiven Flußmessers nach Anspruch 4 besteht aus einem NPN-Transistor, wobei der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit dem Spannungsteiler verbunden ist; der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist; und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers mit der Basis des Transistors verbunden ist.
Daher wird der Effekt der Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers, welcher den zweiten thermosensitiven Widerstand steuert, unterdrückt, indem ein Spannungsverhältnis durch den NPN-Transistor bestimmt wird.
Ferner wird der Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers, welcher die dem zweiten thermosensitiven Widerstand zugeführte Leistung steuert, auf ein Erdpotential erweitert, so daß die Rauschfestigkeit verbessert wird, und ein Ausgangs-Dynamikbereich mit geringeren Kosten geschaffen wird.
Nach Anspruch 5 wird der gemeinsame Anschlußpunkt von erstem und zweitem thermosensitiven Widerstand mit positiver Spannung versorgt, und zur Steuerung des zweiten Stroms ist eine Diode vorgesehen, deren Anode mit dem nicht- invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und deren Kathode mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt von erstem und zweitem thermosensitiven Widerstand verbunden ist.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, welche schematisch die Einbausituation eines Strömungs- oder Flussmessers mit drei Anschlüssen zeigt;
Fig. 2 ist ein Schaltbild, welches speziell eine Brückenschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist ein Schaltbild, welches speziell eine Brückenschaltung gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, welche schematisch die Struktur eines konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt;
Fig. 5 ist ein Schaltbild, welches speziell ein erstes Beispiel einer Brückenschaltung gemäß des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt;
Fig. 6 ist ein Schaltbild, welches speziell ein zweites Beispiel einer Brückenschaltung gemäß des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt; und
Fig. 7 ist ein Schaltbild, welches speziell ein drittes Beispiel einer Brückenschaltung gemäß des konventionellen thermosensitiven Strömungsmessers zeigt.
Ausführung 1
Eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, welche schematisch die Einbausituation der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die gleichen Komponenten wie jene der oben erwähnten (siehe Fig. 4) durch die gleichen Ziffern bezeichnet werden. Deren ausführliche Beschreibung wird weggelassen.
In Fig. 1 ist die Zahl der Anschlüsse 21, welche von einer Sensoreinheit 100A an einer bedruckten Verdrahtungsplatte 20 angeschlossen sind, im Vergleich mit der oben beschriebenen verringert, und die Zahl der Anschlüsse 21 beträgt 3.
Fig. 2 ist ein Schaltbild, welches ein Beispiel einer spezifischen Anordnung der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt, und die gleichen Komponenten wie die oben beschriebenen (siehe Fig. 5-7) werden durch die gleichen Ziffern bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird weggelassen.
Ein zweiter thermosensitiver Widerstand Rk und ein fester Widerstand R1 kompensieren eine Temperatur, indem eine Fluidtemperatur erfaßt wird. Ferner regelt ein fester Widerstand Rt den Strom ih, welcher einem ersten thermosensitiven Widerstand Rh zugeführt wird, in Zusammenarbeit mit den Operationsverstärkern 11 und 16.
In Fig. 2 bildet der Operationsverstärker 11, welcher ansprechend auf die Spannungen der jeweiligen einen Enden eines festen Widerstandes Rm und des festen Widerstandes Rt arbeitet, eine erste Steuerschaltung zur Steuerung des Stromes ih, welcher dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh zugeführt wird, zusammen mit den Transistoren 9 und 10 und den festen Widerständen R2 und R3.
Der Operationsverstärker 16, welcher ansprechend auf die Spannung arbeitet, welche von den festen Widerständen R4 und R5 geteilt wird, und die Emitterspannung eines Transistors 15, bildet eine zweite Steuerschaltung zur Steuerung des Stroms ik, welcher dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk zugeführt wird, in Zusammenarbeit mit dem Transistor 15, welcher linear gesteuert wird.
Eine Energieversorgung 12, welche eine Ausgangsspannung Ei hat, ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 11 verbunden, und die Spannung Vm des Knotens, bei welchem der erste thermosensitive Widerstand Rh mit dem festen Widerstand Rm verbunden ist, wird dem negativen Pol der Energieversorgung 12 auferlegt.
Die Kollektorspannung Vr des Transistors 10 wird auch dem negativen Pol der Energieversorgung 12 auferlegt, durch die Spannungsteilerwiderstände (feste Widerstände R4 und R5), zum Betreiben des Operationsverstärkers 16 als der zweiten Steuerschaltung.
Wie später beschrieben, wird der erste thermosensitive Widerstand Rh durch den Operationsverstärker 11 ansprechend auf den regelnden festen Widerstand Rt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt.
Der so erwärmte erste thermosensitive Rh ist in einem Fluiddurchgang 19 angeordnet, und die Wärmemenge, welche in Übereinstimmung mit der Fließgeschwindigkeit eines Fluids abgezogen wird, wird elektrisch extrahiert, um dadurch die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Durchsatz des Fluids, ähnlich wie oben erwähnt, zu erfassen.
Als nächstes wird die Gleichgewichtsbedingung durch Einstellung des ersten thermosensitiven Widerstands Rh auf die vorbestimmte Temperatur in der ersten Ausführung der Erfindung, welche in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, beschrieben.
In Fig. 2 wird die Spannung V11a, welche dem nicht- invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 11 auferlegt wird, durch die folgende Formel (1) ausgedrückt
V11a = rm . Vr/(rh + rm) + Ei (1),
wobei rm der Widerstandswert des festen Widerstands rm ist, Vr die Kollektorspannung des Transistors 10, rh der Widerstandswert des ersten thermosensitiven Widerstands Rh, Ei die Ausgangsspannung der Energieversorgung 12, und Vm die Spannung über dem festen Widerstand Rm.
Die geteilte Spannung 16a, welche dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 16 auferlegt wird, ist der von den festen Widerständen R4 und R5 geteilte Spannungswert, und wird durch die folgende Formel (2) ausgedrückt.
V16a = (r4 . Vm + r5 . Vr)/(r4 + r5) = {r4 . rm + r5(rh + rm)} × Vr/{(r4 + r5) × (rh + rm)} (2),
wobei r4 und r5 die Widerstandswerte der festen Widerstände R4 und R5 sind.
Die Spannung 11b, welche dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 auferlegt wird, wird durch die folgende Formel (3) aus der Formel (1) und der Formel (2) ausgedrückt.
V11b = (Vr - V16a) × rt/(rk + r1) = {(r4 . rh)/(r4 + r5) × (rh + rm)} × {rt/(rk + r1)} × Vr (3)
Die Gleichgewichtsbedingung der Brückenschaltung wird durch die folgende Formel (4) ausgedrückt.
V11a = V11b (4)
Daher wird die Formel (4), welche die Gleichgewichtsbedingung der Brückenschaltung zeigt, durch die folgende Formel (5) aus den Formeln (1) und (3) ausgedrückt.
rh = {rm(rk + r1)/r1} × {(r4 + r5)/r4} (5)
Es wird jedoch angenommen, daß das Verhältnis zwischen der Spannung Ei der Energieversorgung 12 und der Spannung Vm über dem festen Widerstand Rm die folgende Formel (6) erfüllt.
Ei << Vm (6)
Wenn angenommen wird, daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes rh des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh den Wert α1 hat, der Temperaturkoeffizient des zusammengesetzten Widerstandswertes (rk + r1) des zweiten thermosensitiven Widerstandes rk und des festen Widerstandes r1 den Wert α2 hat, die atmosphärische Temperatur den Wert Ta hat und die Temperatur des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh, welcher von dem Widerstandswert rh erwärmt wird, den Wert Ta + ΔT hat (ΔT ist eine Temperaturzunahme), wird die Formel (5) so modifiziert, wie in der folgenden Formel (7) gezeigt.
rho{1 + α1(Ta + ΔT)} = {rm(rko + r1)/rt} × {(r4 + r5)/r4} × (1 + α2 . Ta) (7)
wobei rho der Widerstandswert des ersten thermosensitiven Widerstands rh bei einer atmosphärischen Temperatur Ta von 0°C ist.
Wenn der Widerstandswert rt des regelnden festen Widerstandes Rt auf der Grundlage der atmosphärischen Temperatur Ta eingestellt wird, wird er durch die folgende Formel (8) ausgedrückt.
rt = [rm{rk(Ta) + r1}/rh(Ta + ΔT)] × (r4 + r5)/r4 (8)
Zu der Zeit wird die Ausgangsleistung Prk, welche sich aus dem Widerstandswert rk des zweiten thermosensitiven Widerstands Rk ergibt, durch die folgende Formel (9) ausgedrückt.
Prk = {(Vr - V16a)/rk}2 × rk = {rh/(rh + rm)}2 × (1/rk) × {r4/(r4 + r5)}2 (9)
Wie aus der Formel (9) hervorgeht, da die Ausgangsleistung Prk des zweiten thermosensitiven Widerstands Rk um {r4/(r4 + r5)}2 im Vergleich mit jener der konventionellen Schaltung verringert wird, kann der Effekt des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk aufgrund seiner Selbsterwärmung verringert werden.
Ferner, wie aus der Formel (8) hervorgeht, da der Widerstandswert rt des festen Widerstands Rt um {(r4 + r5)/r4} erhöht wird, wird die Regelungsgenauigkeit verbessert.
Als nächstes wird die Temperaturstabilität der Spannung Vm in der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie bekannt ist, wird das Verhältnis zwischen dem Strom ih des ersten thermosensitiven Widerstands Rh und einer Massenflußgeschwindigkeit (einem Massendurchsatz) Qm durch die folgende Formel (10) ausgedrückt.
ih2 = (Ka + Kb√Qm) × ΔT/rh (10),
wobei Ka und Kb Konstanten sind.
Wenn die Spannung Vm zur konstanten Massenflußgeschwindigkeit Qm nicht von der atmosphärischen Temperatur Ta abhängt, ergibt sich die folgende Formel (11).
∂(ΔT/rh)/∂Ta = 0 (11)
Der Widerstandwert rh des ersten thermosensitiven Widerstandes rh wird durch die folgende Formel (12) ausgedrückt, unter Verwendung der Erwärmungstemperatur (Ta + ΔT).
rh = rho{1 + α1(Ta + ΔT)} = rho{(1 + α1 . Ta) + α1 . ΔT}} (12)
Daher wird das Verhältnis der Temperaturerhöhungsstärke \T zum Widerstandswert rh des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh durch die folgende Formel (13) ausgedrückt.
T/rh = 1/(α1 . rho) - (1 + α1 . Ta)/α1 . rh (13)
Ferner kann die Formel (13) durch die folgende Formel (14) unter Verwendung der Formel (7) ausgedrückt werden, welche die Gleichgewichtsbedingung des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh zeigt.
ΔT/rh = 1/(α1 . rho) - [rt . r4/{α1 . rm(rko + r1) × (r4 + r5)}] × {(α1 - α2)/(1 + α2 . Ta)} (14)
Daher kann die linke Seite der obigen Formel (11) durch die folgende Formel (15) ausgedrückt werden.
∂(ΔT/rh)/∂Ta = -[rt . r4/{α1 . rm(rko + r1) × (r4 + r5)}] × {(α1 - α2)/(1 + α2 . Ta)2} (15)
Daher wird die Bedingung, welche die obige Formel (11) erfüllt, durch die folgende Formel (16) ausgedrückt.
α1 = α2 (16)
Wie oben beschrieben, da die Temperaturcharakteristik der Brückenschaltung durch die Schaltungsanordnung der Fig. 2 ausgelöscht wird, kann eine Temperaturstabilität erhalten werden, und die Zuverlässigkeit des thermosensitiven Strömungsmessers bzw. Flußmessers kann verbessert werden.
Der durch die Selbsterwärmung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk verursachte Fehler kann verringert werden unter Verwendung des weniger teuren Operationsverstärkers 16 als zweiter Steuerschaltung, indem die Spannung über dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh, welche von dem von ihm verbrauchten Strom abhängt, durch die festen Widerstände R4 und R5 geteilt wird, und der Strom ik, welcher von dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbraucht wird, auf der Grundlage des obigen Spannungsteilungsverhältnis verringert wird.
Die Zahl der Anschlüsse 21A, welche die jeweiligen thermosensitiven Widerstände Rh und Rk mit der bedruckten Verdrahtungsplatte 20 verbinden, kann z. B. auf insgesamt drei verringert werden, indem die jeweiligen einen Enden des ersten thermosensitiven Widerstandes Rh und des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk, welche in dem Fluiddurchgang 19 angeordnet sind, gemeinsam angeschlossen und herausgeleitet werden, und sie mit der bedruckten Verdrahtungsplatte 20 verbunden werden (siehe Fig. 1), so daß die Zuverlässigkeit und Verarbeitbarkeit verbessert werden können, indem die Struktur eines Anschlußverbindungsabschnittes vereinfacht wird.
Ferner können die Impedanzen der festen Widerstände R4 und R5 auf einen niedrigen Wert unterdrückt werden, indem die festen Widerstände R4 und R5, welche sich auf die Steuerung des zweiten thermosensitiven Widerstandes Rk beziehen, über dem ersten thermosensitiven Widerstand Rh angeschlossen werden, dem der relativ hohe Verbrauchsstrom ih zugeführt wird, so daß eine Kostenverringerung des Operationsverstärkers 16 erzielt werden kann.
Ausführung 2
Obwohl in der ersten Ausführung ein PNP-Transistor als Transistor 15 verwendet wird, welcher mit dem zweiten thermosensitiven Widerstand Rk verbunden ist, kann ein NPN- Transistor 15A verwendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt.
In diesem Fall sind die Polaritäten der Eingangsanschlüsse (+) und (-) des Operationsverstärkers 16 umgekehrt zu den in Fig. 2 gezeigten angeschlossen.
Ferner ist eine Diode 18 zwischen dem Kollektor des Transistors 15A und den jeweiligen einen Enden der thermosensitiven Widerstände Rh und Rk eingefügt.
Der Betrieb der Diode 18 wird nun beschrieben.
In Fig. 3 sind zwei Dioden zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 15A angeordnet, und zwischen seiner Basis und seinem Kollektor, von dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 16 aus betrachtet.
Daher, wenn die Ausgangsspannung VO16 des Operationsverstärkers 16 durch den Einfluß von Rauschen auf einen hohen Pegel (H) gestellt wird, wird die Basisspannung (= VO16) des Transistors 15A erhöht und seine Kollektorspannung VC und Emitterspannung VE werden durch die folgenden Formeln (17) und (18) ausgedrückt.
VC = VO16 - VBC (17)
VE = VO16 - VBE (18),
wobei VBC und VBE in den Formeln (17) und (18) die Spannungen zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 15A und zwischen seiner Basis und seinem Emitter sind, und einen Wert von ungefähr 0,7 Volt haben.
Wenn die Diode 18 nicht eingefügt wird, da die Spannung V16A, welche dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 16 auferlegt wird, höher als die Kollektorspannung Vr des Transistors 10 ist, wie aus den Formeln (17) und (18) hervorgeht, ist die Ausgangsspannung VO16 des Operationsverstärkers 16 immer auf einem hohen Pegel und der Transistor 15A kann nicht gesteuert werden.
Die Diode 18, welche zur Bewältigung der obigen Probleme vorgesehen ist, macht jedoch das Verhältnis zwischen der Spannung 16A, welche dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers (16) auferlegt wird und der Kollektorspannung Vr des Transistors 10 so, wie es in der folgenden Formel (19) gezeigt ist. Als Ergebnis kann der Transistor 15A sicher in einem intrinsischen Nicht­ sättigungsbereich arbeiten.
V16A ≦ Vr (19)
Obwohl die Spannung 11b, welche dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 auferlegt wird, dem Emitterpotential des Transistors 15A entspricht, da der Transistor 15A ein NPN-Transistor ist, kann der Minimalwert des Operationsverstärkers 11 durch die Ausgangsspannung VO16 (< 0 Volt) des Operationsverstärkers 16 bis zu einem Erdpotential (ungefähr 0-Pegel) gesteuert werden, wodurch der Eingangsspannungsbereich (Steuerbereich) des Operationsverstärkers 11 erweitert wird.
Man beachte, daß wenn der PNP-Transistor 15 wie oben beschrieben verwendet wird (siehe Fig. 2), da die Spannung 11b, welche dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 11 auferlegt wird, zur Kollektorausgangsspannung des Transistors 15 gemacht wird, und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 16 nicht unter 0 Volt gemacht werden kann, beträgt der Minimalwert der steuerbaren Spannung 11b ungefähr 0,6 Volt.
Da das Verhältnis der Spannung ik von der durch den NPN- Transistor 15A erhaltenen Spannung bestimmt wird, wie in Fig. 3 gezeigt, wird es weniger durch die Anstiegsgeschwindigkeit des Operationsverstärkers 16 beeinflußt, und der Steuerbereich der Spannung 11b, welche dem Operationsverstärker 11 auferlegt wird, wird bis zum Erdpotential erweitert, eine Rauschwiderstandsfähigkeits- Eigenschaft kann erhöht werden und ein Ausgangs- Dynamikbereich kann mit niedrigen Kosten erweitert werden.

Claims (5)

1. Thermosensitiver Flußmesser, umfassend:
einen ersten thermosensitiven Widerstand (Rh), welcher in einem Fluiddurchgang (19) angeordnet ist, um die Flußgeschwindigkeit eines Fluids in dem Fluiddurchgang (19) zu messen;
einen zweiten thermosensitiven Widerstand (Rk), welcher in dem Flußdurchgang (19) angeordnet ist, um die Fluidtemperatur in dem Flußdurchgang (19) zu erfassen;
eine Regelschaltung zur Steuerung des ersten Stroms (ih), welcher durch den ersten thermosensitiven Widerstand (Rh) fließt, so daß der erste thermosensitive Widerstand (Rh) auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, und zur Steuerung des zweiten Stroms (ik), welcher durch den zweiten thermosensitiven Widerstand (Rk) fließt, so daß der zweite Strom (ik) um ein vorbestimmtes Verhältnis kleiner ist als der erste Strom (ih),
wobei die Steuerung des zweiten Stroms (ik) auf die Spannung über den ersten thermosensitiven Widerstand (Rh) anspricht, und
der erste und der zweite thermosensitive Widerstand (Rh, Rk) an mindestens einem gemeinsamen Punkt angeschlossen sind.
2. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des zweiten Stroms vorgesehen ist:
ein Schaltelement (15, 15A), welches in Reihe mit dem zweiten thermosensitiven Widerstand (Rk) verbunden ist;
ein Spannungsteiler (R4, R5), welcher parallel zum ersten thermosensitiven Widerstand (Ra) angeschlossen ist; und
ein Operationsverstärker (16), welcher ansprechend auf den geteilten Spannungswert (V16a) des Spannungsteilers (R4, R5) arbeitet,
wobei der Operationsverstärker (16) das Schaltelement (15, 15A) so steuert, daß der zweite Strom (ik) ein konstantes Verhältnis zum ersten Strom (ih) hat.
3. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schaltelement (15) aus einem PNP-Transistor besteht;
der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers (16) mit dem Spannungsteiler (R4, R5) verbunden ist;
der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers (16) mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand (Rk) mit dem Emitter des Transistors (15) verbunden ist; und
der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (16) mit der Basis des Transistors (15) verbunden ist.
4. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Schaltelement (15A) aus einem NPN-Transistor besteht;
der invertierende Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers (16) mit dem Spannungsteiler (R4, R5) verbunden ist;
der nicht-invertierende Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers (16) mit dem Knoten verbunden ist, an welchem der zweite thermosensitive Widerstand (Rk) mit dem Kollektor des Transistors (15A) verbunden ist; und
der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (16) mit der Basis des Transistors (15A) verbunden ist.
5. Thermosensitiver Flußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der gemeinsame Anschlußpunkt von erstem und zweitem thermosensitiven Widerstand (Rh, Rk) mit positiver Spannung versorgt wird;
zur Steuerung des zweiten Stroms eine Diode (18) vorgesehen ist, deren Anode mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers (16) und deren Kathode mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt von erstem und zweitem thermosensitiven Widerstand (Rh, Rk) verbunden ist.
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