DE3037340A1

DE3037340A1 - Treiber fuer hitzdraht-luftmengen-messer

Info

Publication number: DE3037340A1
Application number: DE19803037340
Authority: DE
Inventors: Shinichi Hitachi Sakamoto; Takao Sasayama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1981-04-23
Also published as: US4334186A; DE3037340C2

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Treiber für Hitzdraht-Luftmengen-Messer

Die Erfindung betrifft einen Ansaugluft-Mengen-Messer für Brennkraftmaschinen, insbesondere einen Treiber für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer für Brennkraftmaschinen.

Im allgemeinen beruht die Messung der Luftmenge (des Luftdurchsatzes) mittels eines Hitzdraht-Luftmengen-Messers auf einer nichtlinearen Beziehung zwischen dem Wärmeverlust des Hitzdrahts und der Luftmenge. Bisher ist weitverbreitet ein sog. Konstanttemperaturdifferenz-Analog-Treiber, bei dem eine Brückenschaltung wie gemäß Fig. 1 verwendet wird. Danach wird eine Brückenschaltung 20 aus Festwiderständen 3 und 4, einem Stellwiderstand 5 und einem Hitzdraht 6 mit Wechselstromleistung von einer Wechselstromquelle 1 über einen Halbleiterschalter 2 versorgt, wie im einzelnen aus Fig. 1 ersichtlich ist. Ein Anschluß, diametral entgegengesetzt zum Wechselspannungsquellen-Eingangsanschluß, ist geerdet. Ein Differenz-Ver-

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stärker 7 ist mit den Signalausgangsanschlüssen der Brückenschaltung 20 verbunden und dient zum Verstärken einer Differenzspannung an den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung 20, wenn diese nicht mehr abgeglichen ist. Das Ausgangssignal des Differenz-Verstärkers wird in ein Tiefpaßfilter 8 eingekoppelt, dessen Ausgang seinerseits mit einem Eingang eines Vergleichers 9 verbunden ist. Der andere Eingang des Vergleichers 9 wird mit einem Bezugsspannungssignal von Dreieckform von einem Integrierer 11 beaufschlagt, dessen Eingang mit einem Impulsoszillator 10 verbunden ist und der dazu dient, das Dreieck-Bezugsspannungssignal durch Integration der Impulse einer vorbestimmten Dauer, erzeugt vom Impulsoszillator 10, zu erzeugen. Das Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 8 entsprechend der Differenzspannung an den Signalausgängen der Brückenschaltung 20 wird mit dem Dreieck-Bezugsspannungssignal am Ausgang des Integrierers 11 über den Vergleicher 9 verglichen. Wenn das Dreieck-Bezugs spannungs signal größer als das Differenzspannungssignal ist, wird ein Signal mit "HOCH"-Pegel vom Vergleicher 9 abgegeben. Andererseits, wenn das Dreieck-Bezugsspannungssignal niedriger als das Differenzspannungssignal ist, wird ein Signal mit "NIEDRIG"-Pegel vom Vergleicher abgegeben. Das Ausgangssignal vom Vergleicher 9 wird einem Pulsleistungsverstärker 12 zugeführt, dessen Tastverhältnis vom Ausgangssignal des Vergleichers 9 abhängt. Der Leistungsverstärker 12 erzeugt ein Signal zum Schließen oder Öffnen des Halbleiterschalters 2 in Abhängigkeit vom so bestimmten Tastverhältnis. Ferner werden die Ausgangssignale vom Tiefpaßtfilter 8 und vom Pulsleistungsverstärker 12 an entsprechenden Ausgangsanschlüssen OUT 1 bzw. OUT 2 an einen Elektronenrechner abgegeben, um arithmetisch zu Größen verarbeitet zu werden, die zum Steuern des Zündzeitpunkts der zugehörigen Brennkraftmaschine, der Kraftstoffzufuhr zu dieser od, dgl. dienen.

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₁ +	C	2
= K	•A	• a
= K	• A	•b

Beim oben beschriebenen Hitzdraht-Luftmengen-Messer existiert eine Wärmeübergangsgröße zwischen dem Hitzdraht im Luftstrom und der Luft in bezug auf den Massenfluß Q, (genauer: eine Durchflußmenge, bestimmt im Hinblick auf die Dichte der Luft und dargestellt als Massenfluß unter der Annahme konstanten StrömungsquerSchnitts):

K = C₁ + C₂ v"q^ (1)

K = Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Hitzdraht und Luft

A = Oberfläche des Hitzdrahts und a, b = Konstanten.

Das Verfahren zum Messen des Luftdurchsatzes oder der Luftmenge auf der Grundlage der obigen "Gleichungen ist seit langem bekannt und in Mengen- sowie in Strömungs Messern angewendet. Wenn die elektrische Leistung oder Energie, die dem Hitzdraht zugeführt wird, im Gleichgewicht mit der Wärmeübergangsgröße in bezug auf Luft ist, gilt die folgende Gleichung:

I²R_H/4.2=(C₁ + C₂ /CT_A) (T_H - T_a) (2)

mit T„ = Temperatur des Hitzdrahts,

T = Temperatur der Luft,
a

R^ = Widerstandswert des Hitzdrahts, und I = elektrischer Strom durch den Hitzdraht.

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um die Luftmenge Q₂. als Funktion nur des Stroms I

zu erfassen, ist es wünschenswert, daß der Term (T„ - T,)

Ji a

in der Gleichung (2), d. h. die Temperaturdifferenz zwischen dem Hitzdraht und der Umgebungsluft, konstant ist, was auch insoweit vorteilhaft ist, als eine Änderung des Warmeubergangskoeffizients auf ein mögliches Minimum reduziert werden kann. Unter diesen Voraussetzungen werden gegenwärtig am meisten die Messungen durchgeführt. Genauer gesagt, der Hitzdraht wird in einen Zweig der Brückenschaltung eingesetzt, während ein temperaturabhängiger Widerstand aus demselben Werkstoff wie der Hitzdraht in den anderen Zweig der Brückenschaltung eingefügt ist, wobei die an der Brücke angelegte Spannung so gesteuert ist, daß die Brücke abgeglichen bleibt. Zum Messen der zugeführten Wärmemenge muß der Strom I erfaßt werden, der anschließend quadriert wird. Ferner ist es zur Ermittlung

2 der Luftmenge O__A notwendig, das Quadrat des Stroms I

mit dem Widerstandswert IL, des Hitzdrahts zu multiplizieren, wobei das resultierende Produkt quadriert wird, wie aus Gleichung (2) ersichtlich ist. D. h., zum Ermitteln der Luftmenge Q, muß ein biquadratischer Wert des Stroms I bestimmt werden, selbst wenn die Temperatur des Hitzdrahts und damit des Widerstands E^ konstantgehalten werden.

Beim Betrieb des oben beschriebenen bekannten Hitzdraht-Luftmengen-Messers wird das Signal entsprechend der Luftmenge als Stärke eines elektrischen Stroms erfaßt. Daher muß, wenn der Hitzdraht-Luftmengen-Messer mit einem digitalen Steuergerät für eine Brennkraftmaschine einschließlich eines Mikroprozessors zusammengeschaltet werden soll, irgendein Analog/Digital-Umsetzer vorgesehen sein. Ferner ist die der Brennkraftmaschine zugeführte Ansaugluft von zyklischen Schwankungen synchron zu den Kolbenhüben der Brenn-

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kraftmaschine begleitet, und sie unterliegt nachteiligerweise einer beträchtlichen Schwankung, insbesondere bei niedriger Drehzahl und hoher Last.

Da außerdem das Ausgangssignal vom Hitzdraht-Luftmengen-Messer typischerweise in nichtlinearer Beziehung zur Luftmenge steht, muß das Messer-Ausgangssignal linearisiert werden. Eine derartige Linearisierung ist jedoch schwierig, da das Messer-Ausgangssignal in Form eines biquadratischen Werts des Stroms I erhalten wird, wie oben beschrieben wurde. Ferner kommt es durch das Mitteln des Ausgangssignals vom Messer, das Schwankungen aus den oben genannten Gründen unterliegt, als auch durch ein verzögertes Ansprechen des Messers zu unerwünschten Meßfehlern.

Bei einem bekannten Luftmengen-Messer (vgl. GB-PS 1 397 113) ist ein Thermistor in einem Brückenzweig vorgesehen, wobei die vom Thermistor abgegebene Wärmemenge erfaßt wird, um so die Luftmenge über geeignete Signalverarbeitungen zu ermitteln. Dieser bekannte Stand der Technik sieht jedoch keine Einrichtung vor, um die von einem Elektronenrechner durchzuführenden Rechenoperationen zu verringern. Im übrigen ist es weiter bekannt (vgl. US-PS 3 796 198 und 4 058 089), eine Einrichtung zum Verringern des vom Rechner zu treibenden Aufwands zum Verarbeiten des Ausgangssignals vom Luftmengen-Messer vorzusehen. Der dabei jedoch beschriebene Messer besitzt den Hitzdraht und einen Widerstand zur Temperaturkompensation in einer Widerstandsbrücke. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der Temperaturkompensationswiderstand, der aus demselben Werkstoff wie der Hitzdraht besteht und im wesentlichen denselben Widerstand wie letzterer hat, Wärme erzeugt (spontane Wärmeabgabe), was

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eine sehr genaue Erfassung der Luftmenge erschwert. Zwar könnte die Wärmeerzeugung des Temperaturkompensationswiderstands durch Wahl eines hohen Widerstandswerts für den Kompensationswiderstand vermieden werden, jedoch würde dadurch das Volumen des Temperaturkompensation widerstands beträchtlich ansteigen, was ein anderer Nachteil wäre.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Treiber für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer zu schaffen, der die Luftmenge mit verbesserter Genauigkeit mißt und den Aufwand des Elektronenrechners zum Verarbeiten des Messer-Signals reduziert.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe ein abgetasteter und gespeicherter Wert eines Spannungsabfalls am Hitzdraht, dessen Widerstandswert mit dem elektrischen Strom durch den Hitzdraht variiert, mit einer Spannung an einem Temperaturkompensationswiderstand verglichen, wobei die resultierende Spannungsdifferenz integriert wird. Die integrierte Spannung wird dann mit einer Ausgangsspannung von einem Sägezahngenerator verglichen. Auf der Grundlage des durch den zweiten Vergleich erhaltenen Ergebnisses wird ein Tastverhältnis, mit dem die Dauer eines konstanten Stroms, der durch den Hitzdraht fließt, gesteuert wird, so variiert, daß die Differenz zwischen der Temperatur des Hitzdrahts und der Umgebungstemperatur, erfaßt durch den Temperaturkompensationswiderstand, konstantgehalten wird.

Die Erfindung gibt also einen Treiber für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer von Konstanttemperaturdifferenz-Bauweise an, der einen Hitzdraht und einen Widerstand zur Lufttemperaturkompensation besitzt. Der Hitzdraht und der Widerstand sind durch identische Bauelemente gebildet.

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Ein Puls-Signal mit einer Impuls-Dauer, die mit der Differenz zwischen Spannungsabfällen am Hitzdraht bzw. am Kompensationswiderstand, beaufschlagt mit einem Konstantstrom, variiert, wird zur Unterbrechnung der Stromzufuhr zum Hitzdraht erzeugt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Treibers für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer nach bekanntem Stand der Technik;

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Treibers für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 graphisch die Beziehungen zwischen Tastverhältnis und Luftmenge mit der Lufttemperatur als Parameter;

Fig. 4 das Blockschaltbild einer Abwandlung des Treibers von Fig. 2;

Fig. 5 das Blockschaltbild eines Treibers für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer, versehen mit einer Signalverarbeitungsschaltung zur Verringerung des Verarbeitungsaufwands eines nachgeschalteten Elektronenrechners gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6a und 6b Signal-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der Treiber von Fig. 2 und 5;

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Fig. 7 das Blockschaltbild einer Abwandlung des Treibers von Fig. 5;

Fig. 8 das Blockschaltbild eines Treibers für einen Hitzdraht-Luftmengen-Messer mit einer Signalverarbeitungsschaltung zur Verringerung des Verarbeitungsaufwands eines nachgeschalteten Elektronenrechners gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 9 ein Signal-Zeit-Diagramm zur Erläuterung des Betriebs des Treibers von Fig. 8.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, insbesondere mit einer Konstantstromquelle 101 , von der ein Ende geerdet und das andere Ende mit einem Hitzdraht

103 über einen Halbleiterschalter 102 verbunden ist. Die Konstantstromquelle 101 gibt einen Konstantstrom I„ an den Hitzdraht 103 über den Halbleiterschalter 102 ab. Eine Reihenschaltung eines Temperaturkompensationswiderstands 104 zum Erfassen der Umgebungstemperatur und einer Konstantstromquelle 105 zur Abgabe eines KonstantStroms I_ an den Temperaturkompensationswiderstand 104 liegt parallel zur Reihenschaltung der Konstantstromquelle 101, des Halbleiterschalters 102 und des Hitzdrahts 103.

Das andere Ende des Hitzdrahts 103 ist ferner mit einem Widerstand 107 über einen Halbleiterschalter 106 verbunden, der mit dem Halbleiterschalter 102 verriegelt ist. Der Widerstand 107 ist mit seinem anderen Ende an einen negativen Eingangsanschluß eines Integrierers 108 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen der Konstantstromquelle 105 und dem Temperaturkompensationswiderstand

104 ist mit einem positiven Eingangsanschluß des Integrie-

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rers 108 über einen Verstärker 109 verbunden. Der Integrierer 108 dient so zum Integrieren der Differenz zwischen den Klemmenspannungen am Hitzdraht 103 bzw. am Temperaturkompensationswiderstand 104. Der Ausgang des Integrierers 108 ist mit einem negativen Eingangsanschluß eines Vergleichers 110 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiterschalter 106 und dem Widerstand ist mit dem Eingang eines Trenn-Verstärkers 115 verbunden, dessen Ausgang über einen Kondensator 112 geerdet ist.

Ein Sägezahngenerator 110 ist mit seinem Ausgang an einen positiven Eingangsanschluß des Vergleichers 110 angeschlossen. Der Vergleicher dient so zum Vergleich der Ausgangsspannung vom Integrierer 108 mit der Ausgangsspannung vom Sägezahngenerator 113. Wenn die Sägezahnspannung vom Sägezahngenerator 113 größer als die Ausgangsspannung vom Integrierer 108 ist, erzeugt der Vergleicher 110 ein Ausgangssignal mit "HOCH"-Pegel. Andererseits, wenn die Sägezahnspannung niedriger als die Ausgangsspannung vom Integrierer 108 ist, hat das Ausgangssignal vom Vergleicher 110 "NIEDRIG"-Pegel. D. h., der Vergleicher 110 erzeugt ein Impulssignal, das an einer Schnittstelle zwischen der Sägezahnspannung und der Ausgangsspannung vom Integrierer 108 ansteigt und eine Dauer entsprechend einem Zeitintervall hat, während dem die Sägezahnspannung größer als die Ausgangsspannung vom Integrierer 108 bleibt. Auf diese Weise wird das Tastverhältnis des Signals zum Steuern sowohl des Halbleiterschalters 102 als auch gleichzeitig durch den Vergleicher 110 ermittelt. Ein Mikrorechner 114 ist ebenfalls mit dem Ausgang des Vergleichers 110 verbunden, um ein Signal entsprechend der Luftmenge vom Ausgangssignal des Vergleichers 110 abzuleiten und zum Steuern des Zündzeitpunkts und der Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine zu verwenden.

Bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung wird, wenn der Halbleiterschalter 102 eingeschaltet ist, ein pulsartiger Konstantstrom dem Hitzdraht 103 zugeführt. Da der Schalter 106 mit dem Schalter 102 verriegelt ist, wird der erstere gleichzeitig mit dem letzteren geschlossen. Infolgedessen wird ein Spannungsabfall, bedingt durch den Widerstandswert des Hitzdrahts 103, abgetastet und gespeichert im Kondensator 112 über den Trennverstärker 115. Der Wert der abgetasteten Spannung wird verglichen mit der Klemmenspannung am Temperaturkompensationswiderstand 104 bei Durchfluß des Konstantstroms I_v, und anschließend wird die resultierende

ix

Differenz integriert, um eine Spannung V eines Signals gemäß Fig. 6a bei (A) zu erhalten. Die Ausgangsspannung V vom Integrierer 108 wird mit der Sägezahnspannung ST (vgl. Fig. 6a bei (A)) vom Sägezahngenerator 113 verglichen, wodurch das Puls-Signal P₁ mit einem Tastverhältnis von T^/T erhalten wird (vgl. Fig. 6a bei (B)). Die Schalter 102 und 106 werden angesteuert oder gesteuert durch dieses Puls-Signal P.. Die Periode der Sägezahnspannung ist konstant, während das Tastverhältnis variabel ist.

Wenn nunmehr angenommen wird, daß die Luftmenge ansteigt, wenn der Wärmeverlust am Hitzdraht entsprechend größer wird, verringert sich der Widerstandswert IL·., da der Hitzdraht abgekühlt wird, so daß der Spannungsabfall, bedingt durch den Widerstandswert R„ des Hitzdrahts, kleiner wird im Vergleich zum Spannungsabfall am Temperaturkompensationswiderstand 104 mit dem Widerstandswert R^. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung vom Integrierer 113 entsprechend kleiner, so daß die Dauer oder Impulsbreite des Ausgans-Impulses vom Vergleicher zunimmt, was bedeutet, daß das Zeitintervall, während dem die Schalter

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102 und 106 geschlossen sind, verlängert wird, um dadurch entsprechend die Durchflußdauer des Stroms I„ zu erhöhen. Auf diese Weise wird die vom Hitzdraht erzeugte Wärmemenge erhöht, so daß ein Temperaturabfall des Hitzdrahts verhindert wird. D. h., der Hitzdraht wird auf einer konstanten Temperatur gehalten.

Die oben beschriebenen Abgleichbedingungen können durch die folgenden Gleichungen unter der Annahme beschrieben werden, daß sowohl der Hitzdraht als auch der Temperaturkompensationswiderstand aus demselben Werkstoff bestehen und daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts von beiden durch eine lineare Funktion angenähert werden kann. D. h.:

+ «'Tg) (3)

^RK

mit R^₀ = Wert von R für T = 0,

= Wert von R für T_a = 0 und = Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts.

Die dem Hitzdraht mit dem Widerstandswert R₀. zugeführte Leistung ist gegeben durch das Produkt des Widerstandswerts R-j und des Quadrats des Mittelwerts (Effektiv- oder RMS-Werts) des Puls-Stroms i„ durch den Hitzdraht, wie aus

.ti

der Gleichung (6) weiter unten ersichtlich ist. Genauer gesagt, der Sffektivwert i_. ,_..„, das Stroms i_TT beträgt:

rl (Ki-io } ti

1 3

¹H(RMS) "J™ ' ^lH '^dfc

= τ \/—L

mit T = Periode des Puls-Stroms,
T₁ = Dauer des Puls-Stroms und D = Tastverhältnis des Puls-Stroms.

Entsprechend kann die dem Hitzdraht zugeführte Leistung folgendermaßen ausgedrückt werden:

^wh ⁼

= R_HO(1 +aT_H) · I_H ² -D (6)

Da der Wert des Spannungsabfalls am Hitzdraht und der verstärkte Wert des Spannungsabfalls am Temperaturkompensationswiderstand gegenseitig abgeglichen sind, gilt:

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^Τ/Λ \ -L "*" Ot J. J Xy V / )

mit K = Verstärkungsfaktor für den Spannungsabfall am Temperaturkompensationswiderstand.

Daraus folgt:

T„-T_ =-(1 -
ri a α

„-T_ =(1 -
ri a α is. · -tiTr-Q · I™-

-I)(I + αΤ ) (δ)"

4(
^{α R}H0 ¹H

Mit Hilfe der Gleichungen (6) und (8) kann die Glei chung (2) wie folgt umgeschrieben werden:

4.2

KO K

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^r-u-asLS

(10)

C, = '■ —(1 -

4.2 ^RHD·¹

Da R_HQf ^Rko' ^tr' ¹K' ^{K un<}^ ^ Konstanten sind, sind C₁ und C- ebenfalls Konstanten. Das Tastverhältnis D des Puls-Stroms ist ausgedrückt als lineare Funktion der Quadratwurzel der Luftmenge Q, unabhängig von der Umgebungstemperatur oder der Lufttemperatur T . Daher kann die Luftmenge durch Ermitteln des Tastverhältnisses gemessen werden.

Da das Tastverhältnis D als lineare Funktion der Quadratwurzel der Luftmenge Q, ermittelt wird, kann letztere ermittelt werden durch Quadrieren, was im Mikrorechner 114 derart erfolgt, daß die Differenz (D - C₁) bestimmt und anschließend quadriert wird zum Ermitteln der Luftmenge Q,.

Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß das Luftmengensignal als Tastverhältnis erfaßt wird. Daher ist kein Umsetzer wie ein A/D-Umsetzer erforderlich, um den Treiber für den Luftmengen-Messer mit einem digita-

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len Steuergerät für die Brennkraftmaschine einschließlich eines Mikroprozessors zu koppeln.

Beim oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel können der Hitzdraht und der Temperatürkompensationswiderstand aus demselben Werkstoff und mit demselben Widerstandswert vorgesehen werden, was nicht nur aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft ist, sondern auch insoweit, als die Temperatur-Kennlinien für den Hitzdraht und den Temperaturkompensationswiderstand einander angepaßt werden können. Da ferner die Konstantstromquellen getrennt für den Hitzdraht und den Temperaturkompensationswiderstand vorgesehen sind, kann eine spontane Wärmeabgabe des letzteren im wesentlichen vermieden werden durch Einsatz einer Stromquelle, die den Konstantstrom I„ mit kleiner Stromstärke dem Temperaturkompensationswiderstand zuführt .

Fig. 3 zeigt graphisch, wie die Kennlinien-Beziehung zwischen dem Tastverhältnis und der Quadratwurzel aus der Luftmenge \iQ_a mit der Lufttemperatur variiert. In dieser Figur bedeutet A die Kennlinie bei einer Lufttemperatur von 28 C, die Kurve B die Kennlinie bei einer Lufttemperatur von 48 C und die Kurve C bei 68 C. Der Umstand, daß das Tastverhältnis verschiedene Werte bei derselben Luftmenge annehmen sollte, kann damit erklärt werden, daß der Wärmeübergangskoeffizient temperaturabhängig ist.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung, mit der die eben beschriebene Temperaturabhängigkeit kompensiert werden kann. Die Schaltung von Fig. 4 unterscheidet sich von der in Fig. 2 darin, daß ein Widerstand RS in Reihe mit dem Temperaturkompensationswiderstand 104 liegt. In Fig. 4 haben die Bau-

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elemente oder Baugruppen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2, soweit sie mit dieser übereinstimmen.

Gleichung (10) kann mit

Γ^ _KR^I HO ^α *· ^KK0 ¹K

¹H

^f-K₁-C₂ (13)

umgeformt werden.

Da der Widerstand RS in Reihe mit dem Temperaturkompensationswiderstand (RK) 104 liegt, kann die Gleichung (11) wie folgt umgeschrieben werden:

HT) " ^-

(i β )J

HO KO K ₁₊ K0_{(1 +}

^Rs

mit RS = Widerstandswert des Reihenwiderstands RS.

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Aus der obigen Untersuchung ist ersichtlich, daß die Größe K. einen negativen Temperaturkoeffizienten in bezug auf die Lufttemperatur T wegen der Reihenschaltung des Widerstands RS zeigt. Daher kann der Wärmeübergangskoeffizient, der einen positiven Temperaturkoeffizienten zeigt, durch den Reihenwiderstand RS in der Weise gemäß Fig. 4 korrigiert werden.

Fig. 5 und 7 zeigen Weiterentwicklungen von Fig. 2, wobei - soweit Übereinstimmung herrscht - dieselben Bezugszeichen verwendet sind, um den Rechenaufwand des Elektronenrechners zu verringern, indem eine Schaltung zum Erhöhen des Tastverhältnisses im Treiber für den Hitzdraht-Luftmengen-Messer vorgesehen ist.

Gemäß Fig. 5 ist der Ausgang des Integrierers 108, der identisch mit dem von Fig. 2 ist, an einen positiven (Plus)Eingangsanschluß eines Verstärkers 220 angeschlossen, dessen negativer (Minus)Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß desselben Verstärkers 220 verbunden ist. Ferner ist der Ausgangsanschluß des Verstärkers 220 mit einem positiven Eingangsanschluß eines Trenn-Verstärkers 222 über einen Widerstand 221 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Trenn-Verstärkers 222 ist mit seinem negativen Eingangsanschluß und gleichzeitig mit einem negativen Eingangsanschluß eines Vergleichers 224 über ein Tiefpaßfilter 223 verbunden. Der Vergleicher 224 ist mit seinem positiven Eingangsanschluß an den Ausgang des Sägezahngenerators 113 angeschlossen.

Andererseits ist der Ausgangsanschluß des Vergleichers 110 mit einem Monoflop (Univibrator) 225 verbunden, dessen Ausgangsanschluß an einen Eingangsanschluß eines ODER-Glieds 226 angeschlossen ist. Der andere Eingangsanschluß des ODER-

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Glieds 226 ist mit dem Ausgangsanschluß des Vergleichers 110 verbunden. Ferner ist ein NICHT-Glied 227 mit dem Ausgang des Vergleichers 110 verbunden, während der Ausgangsanschluß des NICHT-Glieds 227 mit einer Basiselektrode eines Transistors 228 verbunden ist, dessen Kollektorelektrode an den Widerstand 221 angeschlossen und dessen Emitter geerdet ist.

Mit der eben beschriebenen Schaltung wird eine Gleichspannung V.. wie gemäß Fig. 6a bei (C) vom Integrierer am negativen Eingangsanschluß des Vergleichers 110 angelegt. Der positive Eingangsanschluß des Vergleichers 110 wird mit der Sägezahnspannung ST mit vorbestimmter konstanter Periode beaufschlagt. Der Vergleicher 11O vergleicht so die Gleichspannung V₁ vom Integrierer 108 mit der Sägezahnspannung ST, um so ein Puls-Signal P₂ mit einem Tastverhältnis ^T2^//'^T1 9^emä^ß Fig. 6a bei (D) zu erzeugen. Das Puls-Signal P₂ (Fig. 6a, (D)) wird an dem einen Eingangsanschluß des ODER-Glieds 226 angelegt. Ferner erzeugt bei Anstieg des Ausgangs-Pulses P₂ vom Vergleicher 110 das Monoflop 225 einen Trigger-Puls TP mit einer Impuls-Dauer t₁ vgl. Fig. 6a bei (E). Der Trigger-Puls TP wird am anderen Eingangsanschluß des ODER-Glieds 226 angelegt. Infolgedessen wird ein Puls-Signal P-. mit einem Tastverhältnis T₂VT wie gemäß Fig. 6a bei (F) vom ODER-Glied 226 erzeugt. Dieses Puls-Signal P₃ wird OUT I genannt und zum Betrieb der Halbleiterschalter 102 und 106 verwendet, um Strom dem Hitzdraht 103 bzw. dem Temperaturkompensationswiderstand gemäß Fig. 2 zuzuführen.

Das Puls-Signal P-, ist inhärent äquivalent dem Puls-Signal P. zum Betrieb der Halbleiterschalter 102 und 106 in der Schaltung von Fig. 2. D. h-, daß die Brennkraftmaschinen, die mit den Luftmengen-Messer-Treibern gemäß Fig.

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bzw. Fig. 5 versehen sind, von der gleichen Bauweise sind und mit derselben Drehzahl betrieben werden, wobei die Puls-Signale P₁ und P₃ für die entsprechenden Halbleiterschalter 102 äquivalent oder sogar gleich sind. Ein Vergleich des Puls-Signals P₂ vom Vergleicher 110 gemäß Fig. 5 mit dem Puls-Signal P₁ vom entsprechenden Vergleicher 110 der Schaltung von Fig. 2 zeigt, daß die Dauer T-des Puls-Signals P₂, das im Treiber von Fig. 5 verfügbar ist, kürzer als die Dauer T₁ des Pulses P- im Treiber von Fig. 2 um ein Zeitintervall t₁ ist, wie aus Fig. 6a bei (B), (D) und (E) ersichtlich ist. In diesem Zusammenhang ist, wenn der Term C^ des Ausdrucks D = D₁ +C₂ VoT ^so gewählt ist, daß er t₁ entspricht, das Ausgangssignal V₁ vom Integrierer 108 und ebenso der Ausgangsimpuls vom Vergleicher 110 im Treiber von Fig. 5 entsprechend dem Term C₂ \fo7 des obigen Ausdrucks.

Damit ergibt sich, daß im Fall des Treibers von Fig. 5, der das Monoflop 225 aufweist, die Ausgangssignale vom Integrierer 108 und vom Vergleicher 110 nur dem Term C₂ vQ_A entsprechen. D. h., daß die Subtraktion von (D - C₁) im Treiber gemäß Fig. 5 ohne die Hilfe des Elektronenrechners durchgeführt wird, der deshalb für andere Rechenoperationen mit entsprechend erhöhter Geschwindigkeit verwendet werden kann.

Zwischenzeitlich wird das Gleichspannungssignal V₁ (Fig. 6a, (C)) vom Integrierer 108 an dem Exngangsanschluß des Verstärkers 220 und damit am Trenn-Verstärker 222 über den Widerstand 221 angelegt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Gleichspannung V₁ vom Integrierer 108 nicht unmittelbar dem Trenn-Verstärker 222 zugeführt

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wird. Genauer gesagt, da das Ausgangs-Puls—Signal P„ (Fig. 6a, (D)) vom Ausgang des Vergleichers 110 durch das NICHT-Glied 227 negiert und der Basis des Transistors 228 zugeführt wird, wird der positive Eingangsanschluß des Trennverstärkers 222 mit einem Puls-Signal P. beaufschlagt, das einen Spannungspegel V₁ und ein Tastverhältnis T₂/T besitzt, wie in Fig. 6a bei (G) abgebildet ist. Das Puls-Signal P- vom. Trenn-Verstärker 222 wird durch das Tiefpaßfilter 223 geglättet, so daß ein Gleichspannungssignal V₂ wie in Fig. 6b bei (H) erhalten und als Analogsignal vom Ausgangsanschluß OUT II abgenommen wird.

Das Ausgangsspannungssignal V2 entspricht also einem Produkt des Scheitel- oder Spitzenwerts V₁ und der Dauer T₂ des Pulses P₄ gemäß Fig. 6a bei (G). Da der Wert V₁ und die Dauer T„ des Pulses P₂ dem Term C₂ ν CL entsprechen, wie oben definiert, stellt das Signal P. den quadratischen Wert von C₂ \f&* dar, d. h. die Luftmenge selbst, aus der nicht die Wurzel gezogen werden muß.

Auf diese Weise kann vom Ausgangsanschluß OUT 2 das Signal entsprechend der Luftmenge unmittelbar, d. h. ohne Zwischenrechnung auf einem Elektronenrechner, abgenommen und damit direkt von letzterem weiterverarbeitet werden.

Ferner kann die Gleichspannung V₂ vom Tiefpaßfilter 223 mit der Sägezahnspannung ST vom Sägezahngenerator 113 über den Vergleicher 224 in der Weise gemäß Fig. 6b bei (I) verglichen werden, um ein Puls-Signal P₅ mit einem Tastverhältnis T_Q/T gemäß Fig. 6b bei (J) zu erzeugen. Das Puls-Signal P₅ kann vom Anschluß OUTTH abgeleitet werden, um dem Mikrorechner zugeführt zu werden.

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Auf diese Weise kann vom Aus gangs ans chluß OUT III ein Puls-Signal mit einer Impuls-Dauer erhalten werden, die in Abhängigkeit vom Analogsignal V₂ bestimmt ist. Andererseits kann durch arithmetische Ermittlung der Impuls-Dauer T des Puls-Signals P₅ oder der Anzahl der Impulse je vorgegebenes Zeitintervall im Mikrorechner eine Quadratwurzel der Luftmenge erhalten werden.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbexspiel gemäß der Erfindung, wobei für entsprechende Baugruppen und Bauelemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 bzw. 5 verwendet sind. Ein spannungsabgestimmter Frequenz-Umsetzer 230 ist mit dem Ausgang des Integrierers 108 anstelle der Analogausgangsschaltung verbunden, um das Analogsignal entsprechend der Luftmenge Q₇. zu erzeugen, und auch anstelle der Schaltung zur Abgabe des Signals entsprechend dem Tastverhältnis. Der Ausgangsanschluß des Umsetzers 230 ist mit einem Eingangsanschluß eines UND-Glieds 231 verbunden, dessen anderer Eingangsanschluß mit dem Ausgang des Vergleichers verbunden ist.

Bei der Schaltung von Fig. 7 wird die Gleichspannung V- (Fig. 6a, CC)), vom Integrierer 108 in ein Puls-Signal PS. vorbestimmter Frequenz gemäß Fig. 6b bei (K) umgesetzt. Dieses Puls-Signal PS- wird dem UND-Glied 231 zugeführt, das seinerseits ein Signal PS- (Fig. 6b, (M)) am Ausgangsanschluß OUT IV in Abhängigkeit vom Signal (Fig. 6a, C oder L) vom Vergleicher 110 entsprechend dem Tastverhältnis erzeugt. Mit dem Mikrorechner kann die Luftmenge ermittelt werden durch Zählen der Anzahl der Impulse PS₃ während einer Tastspeicherzeit (sample-and-hold-Zeit), da die Anzahl der Impulse PS₂ proportional der Luftmenge ist.

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Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche oder ähnliche Bauelemente und Baugruppen in bezug auf Fig. 2 und 4 dieselben Bezugszeichen besitzen. Der Ausgangsanschluß des Integrierers 108 ist mit einem Eingangsanschluß eines Subtrahierers aus Widerständen 232 bis 235 und einem Operationsverstärker 236 verbunden. Außerdem ist der andere Eingangsanschluß des Subtrahierers mit dem Ausgangsanschluß eines Tiefpaßfilters 238 verbunden, während der Ausgangsanschluß des Subtrahierers an den spannungsabgestimmten Frequenz-Umsetzer 230 angeschlossen ist. Der Ausgang eines Oszillators 237 ist mit den Eingängen eines Sägezahngenerators 239, dem Tiefpaßfilter 238 bzw. einem NICHT-Glied 240 und mit einem Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden ODER-Glieds 242 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Sägezahngenerators 239 ist mit einem positiven oder Plus-Eingangsanschluß des Vergleichers 110 verbunden, während der Ausgang des NICHT^Glieds 240 mit einem Eingangsanschluß eines Antivalenz(Exklusiven ODER)-Glieds 241 verbunden, dessen anderer Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Vergleichers 110 und dessen Ausgangsanschluß mit den anderen Eingängen des ODER-Glieds 242 bzw. des UND-Glieds 231 verbunden sind.

Der Betrieb der Schaltung von Fig. 8 sei nun anhand des Signal-Zeit-Diagramms von Fig. 9 erläutert.

Der Integrierer 108 erzeugt eine Gleichspannung V-wie gemäß Fig. 6a bei (A), die beschrieben werden kann durch den Ausdruck V^'C. + C„ /q7 und so den Term C^ enthält. Es ist daher notwendig, den Term oder die Komponente C₁ zu eliminieren, um das endgültige Ausgangssignal als direkt proportional zu Q_A zu gewinnen. Zwei Beispiele von

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Einrichtungen zum Eliminieren des Terms C₁ sind anhand von Fig. 5 und 7 beschrieben worden. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 wird ein Puls-Signal N mit einer Impuls-Breite oder -Dauer t₂/ die dem Term C, entspricht, vgl. Fig. 9 bei (A), vom Oszillator 237 erzeugt. Das Puls-Signal N hat ein Tastverhältnis von t~/T. Durch Glätten des Puls-Signals N über das Filter 238 wird eine Gleichspannung V äquivalent zu t2 und damit zu C₁ erhalten. D. Yi., die Spannung V" ist proportional der Dauer t₉ des Pulses N. Daher entspricht die Ausgangsspannung V_n vom Subtrahierer dem Term C₂ vQj_f und sie wird in ein Puls-Signal f_n vorbestimmter Frequenz (vgl. Fig. 9 bei (B)) über den Frequenz-Umsetzer 230 umgesetzt, um in das UND-Glied 231 eingespeist zu werden. Die Beziehung zwischen f_n und Q, kann ausgedrückt werden durch f_n -■ C₂ 4 Qa"

Andererseits: Der positive Eingangsanschluß des Vergleichers 110 wird mit einer Sägezahnspannung P_n beaufschlagt, die auf Null-Pegel während der Dauer t₂ des Ausgangssignals N vom Oszillator 237 ist und synchron mit dem Beginn der Dauer t~ ansteigt, wie in Fig. 9 bei (C) abgebildet ist. Der Vergleicher 110 dient so zum Vergleich dieses Signals P mit der Ausgangsspannung V vom Integrierer 108, so daß ein Signal Q mit einem Tastverhältnis proportional zur Größe C₁ + C- ^x[Q*r wie in Fig. 9 bei (D) gezeigt, vom Vergleicher 110 erzeugt wird. Wenn die Dauer t₂ entsprechend dem Term C₁ von der Impulsdauer des Signals Q subtrahiert wird, kann vom Ausgang des Antivalenz-Glieds 241 ein Puls-Signal R mit einer Impuls-Dauer t₃ entsprechend dem Term C₂ ·γ Q ~ erzeugt werden, wie in Fig. 9 bei (E) abgebildet ist. Dieses Puls-Signal R wird dann dem UND-Glied zugeführt.

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Vom Ausgangsanschluß OUT VI des UND-Glieds 231 kann auch ein Puls-Signal S gemäß Fig. 9 bei (F) erhalten werden. Durch Zählen der Anzahl der Impulse dieses Signals S innerhalb einer vorgegebenen Tastspeicherzeit (sample-andhold-Periode) kann die Luftmenge, die proportional der
gezählten Impuls-Anzahl ist, ermittelt werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.1 Treiber für Hitzdraht-Luftmengen-Messer mit —'

- einem Hitzdraht zum Abstrahlen von Wärme in den Luftstrom und

- einem Widerstands-Glied zur Temperaturkompensation, gekennzeichnet durch

- Konstantstromquellen (101, 105) zum Einspeisen konstanter Ströme (I„, I_xJ in den Hitzdraht (103) bzw. das Widerstands-Glied (104),

- eine elektronische Schalt-Einheit (102) zum unterbrechen des KonstantStroms von der einen Konstantstromquelle (101) zum Hitzdraht (103),

- einen Tastspeicher zum Abtasten und Speichern der Klemmenspannung am Hitzdraht (103) bei Einspeisung des Konstantstroms (I„),

- einen Integrierer (108) zum Integrieren einer Spannungsdifferenz zwischen einer Klemmenspannung am Widerstands-Glied (104) und der Ausgangsspannung vom Tastspeicher; und

- einen Tastverhältnis-Ermittler zum Erzeugen eines Pulses mit einer Pulsdauer entsprechend der Ausgangsspannung des Integrierers (108),

- wobei die elektronische Schalt-Einheit (102) vom Puls am Ausgang des Tastverhältnis-Ermittlers steuerbar ist

(Fig. 2).

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2. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Hitzdraht (103) und das temperaturkompensierende Widerstands-Glied (104) Widerstandselemente aus demselben Werkstoff und mit im wesentlichen gleichem Widerstandswert sind.

3. Treiber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- einen zusätzlichen Widerstand (RS) in Reihe mit dem temperaturkompensierenden Widerstands-Glied (104)

(Fig. A).

4. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Tastspeicher die Reihenschaltung eines Trenn-Verstärkers und eines Widerstands ist, wobei die Reihenschaltung parallel zum Hitzdraht (103) liegt.

5. Treiber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Tastverhältnis-Ermittler aufweist:

- einen Vergleicher (110), von dem ein Eingang das AusgangsSignal des Integrierers (108) empfängt, und

- einen Sägezahngenerator (113) zum Erzeugen eines Sägezahnsignals, das dem anderen Eingang des Vergleichers (110) zugeführt wird

(Fig. 2).

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037340

6. Treiber für Hitzdraht-Luftmengen-Messer mit

- einem Hitzdraht zum Abstrahlen von Wärme in den Luftstrom und

- einem Widerstands-Glied zur Temperaturkompensation, gekennzeichnet durch

- Konstantstromquellen (101, 105) zum Einspeisen konstanter Ströme (I„, l_v ) in den Hitzdraht (103) bzw. das

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Widerstands-Glied (104),

- einen Tastspeicher zum Abtasten und Speichern der Klemmenspannung am Hitzdraht (103) bei Einspeisung des Konstant Stroms (I_TT) ,

Il

- wobei der Tastverhältnis-Ermittler eine Schaltung zur Erhöhung der Impulsdauer aufweist, und

(Fig. 5).

7. Treiber nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Tastverhältnis-Ermittler aufweist:

- einen Vergleicher (110), von dem ein Eingang das Ausgangssignal vom Integrierer (108) empfängt,

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- einen Sägezahngenerator (113) zum Erzeugen eines Sägezahnsignals, das in den anderen Eingang des Vergleichers (110) eingespeist wird,

- ein Monoflop (Univibrator) (225), das mit dem Ausgang des Vergleichers (110) verbunden ist, und

- ein ODER-Glied (226) zum Empfang des Ausgangssignals vom Monoflop (225) und des Ausgangssignals vom Vergleicher (110), um seinerseits ein logisches Summen-Signal abzugeben

(Fig. 5).

8. Treiber nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch

- eine Schaltung (220, 227, 222), die aus den Ausgangsspannungs-Signalen vom Integrierer (108) und dem Vergleicher (110) ein Ausgangs-Puls-Signal mit einem Tast verhältnis gleich dem des Puls-Signals vom Vergleicher

(110) und einem Scheitelwert gleich dem der Ausgangsspannung vom Integrierer (108) erzeugt, und

- ein Glättungs-Glied (223) zum Glätten des Ausgangs-Puls-Signals

(Fig. 5).

9. Treiber nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch

- einen Vergleicher (224), von dem ein Eingangsanschluß das Ausgangssignal vom Glättungs-Glied und der andere Eingangsanschluß das Ausgangssignal vom Sägezahngenerator (113) empfängt, um ein Puls-Ausgangs-Signal mit einer Impuls-Dauer entsprechend dem Ausgangssignal (V₂) vom Glättungs-Glied zu erzeugen

(Fig. 5).

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10. Treiber nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch

- einen spannungsabgestimmten Frequenz-Umsetzer (230) zum Erzeugen einer Frequenz entsprechend der Ausgangsspannung vom Integrierer (108), und

- ein UND-Glied (231) zum Erzeugung eines logischen Produkts der Ausgangssignale vom Vergleicher (110) und vom Frequenz-Umsetzer (230)

(Fig. 7).

11. Treiber für Hitzdraht-Luftmengen-Messer mit

- einem Hitzdraht zum Abstrahlen von Wärme in den Luftstrom und

- einem Widerstands-Glied zum Temperaturkompensation, gekennzeichnet durch

- Konstantstromquellen (101, 105) zum Einspeisen konstanter Ströme (I₁₁, I_xJ in den Hitzdraht (103) bzw. das Widerstands-Glied (104),

χι

- eine Vergleichs-Einheit zum Vergleich einer Klemmenspannung am Widerstands-Glied (104) mit dem Ausgangssignal vom Tastspeicher;

- einen Tastverhältnis-Ermittler zum Erzeugen eines Pulses mit einer Pulsdauer entsprechend der Ausgangsspannung der Vergleichs-Einheit,

- wobei die elektronische Schalt-Einheit (102) vom Puls am Ausgang des Tastverhältnis-Ermittlers steuerbar ist,

- wobei der Tastverhältnis-Ermittler aufweist:

- einen Vergleicher mit einem Eingang zum Empfang des Ausgangssignals von der Vergleichs-Einheit,

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- einen Oszillator zum Erzeugen eines Puls-Signals mit vorbestimmter Impuls-Dauer, und

- einen Sägezahngenerator zum Erzeugen eines Sägezahnsignals mit einem Pausen-Intervall entsprechend der vorbestimmten Impuls-Dauer, wobei das Ausgangssignal des Sägezahngenerators in den anderen Eingang des Vergleichers eingespeist wird

(Fig. 8).

12. Treiber nach Anspruch 11,
gekennzeichnet durch

- einen ersten Subtrahierer zum Substrahieren des Ausgangssignals des Oszillators vom Ausgangssignal des Vergleichers ,

- einen zweiten Subtrahierer zum Subtrahieren des Ausgangssignals des Oszillators vom Ausgangssignal des Integrierers , und

- ein Glied zum Ermitteln des Produkts der Ausgangssignale von den beiden Subtrahierern

(Fig. 8) .

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