DE3237839A1

DE3237839A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung einer temperaturdifferenz

Info

Publication number: DE3237839A1
Application number: DE19823237839
Authority: DE
Inventors: Masaharu Fujisawa Kanagawa Asano; Yoshihisa Kawamura; Toyoaki Yokosuka Kanagawa Nakagawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-11-02
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1983-05-19
Also published as: JPS5877630A; US4609292A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur verbesserten Messung einer Temperaturdifferenz und, genauer gesagt, eine Temperaturdifferenzmeßvorrichtung^und ■ -methode, die ein temperaturempfindliches Element verwendet, ' das ein ungünstiges Einwirken der charakteristischen Ungleichmäßigkeit und Alterungsabweichung des temperaturempfindlichen Elements und der Meßvorrichtung selbst bei einer genauen Temperaturdifferenzmessung eliminiert.

Eine konventionelle Temperaturdifferenzmeßvorrichtung enthält: (a) ein temperaturempfindliches Element, wie beispielsweise ein Thermoelement; (b) eine Bearbeitungsschaltung, die zahlreiche Operationsverstärker und Widerstände besitzt, das ein von dem temperaturempfindlichen Element erzeugtes Signal, z.B. eine thermoelektromotorische Kraft, die von dem Thermoelement entsprechend der gemessenen Temperaturdifferenz erzeugt wird, empfängt und verstärkt, und die eine der gemessenen Temperaturdifferenz entsprechende Spannung ausgibt; und (c) ein Meßinstrument, das die gemessene Temperaturdifferenz beispielsweise mittels eines Zeigers entsprechend dem Ausgangsspannungswert der Bearbeitungsschaltung anzeigt.

Die oben beschriebene Bearbeitungsschaltung enthält: (a) einen ersten Operationsverstärker, der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit einem Anschluß des Thermoelements zur Aufnahme einer negativen Seite V_ einer thermoelektromotorischen Kraft, welche von dem Thermoelement erzeugt wird, und mit einer konstanten Spannungsversorgung V über einen ersten Widerstand R verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluß, der mit der konstanten Spannungsversorgung V über einen zweiten Widerstand verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß besitzt, der mit dem invertierenden Eingangsanschluß über einen dritten Widerstand R- verbunden ist; (b) einen zweiten Operationsver- ·

stärker, der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit dem anderen Anschluß des Thermoelementes zur Aufnahme einer positiven Seite V der thermoelektromotorischen Kraft, einen invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit dem Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers über einen vierten Widerstand R_, und einen Ausgangsanschluß besitzt, welcher mit' dessen invertierenden Eingangsanschluß über einen fünften Widerstand R. verbunden ist; und (c) einen dritten Operationsverstärker, der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit dem Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluß, welcher über einen sechsten Widerstand R an Masse gelegt ist, und einen Ausgangsanschluß besitzt, welcher mit dem invertierenden Eingangsanschluß über einen siebten Widerstand R_ verbunden ist.

Drückt man das jeweilige Widerstandsverhältnis in der oben beschriebenen Bearbeitungsschaltung mit W=^J. = ~Ä, ß = _£

*2 ^R3 5

aus und sind w., w~ und w_ die jeweiligen Verlagerungsspannungen des ersten, zweiten und dritten Operationsverstärkers, so werden jeweils die Ausgangsspannung u/ des ersten Operationsverstärkers und die Ausgangsspannung u_? des zweiten ■ Operationsverstärkers in den folgenden Gleichungen ausgedrückt:

U₁ = ^-(V_-V_o + W₁) + V_ -+ W₁ (!)

U₂ = cA (V₊ - U₁ + W₂) + V₊ + W₂ (2)

Weiterhin wird die Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung wie folgt ausgedrückt:

E = (1 +B)(U₁ + W₃) (3)

Aus diesen drei Gleichungen (1), (2) und (3) kann die Ausgangsspannung E in einer Gleichung wie folgt formuliert werden:

E =

= (1 +*) Π + β) (V₊-VJ + (1+ß)[(1+<X) (W₂-W₁)

^+W3^+VoS ---(4)

worin (1 +σί ) und (1 + ß) Verstärkungsfaktoren der zugeordneten Operationsverstärker sind.

In der oben formulierten Gleichung (4) bezeichnet der rechte erste Ausdruck eine unverfälschte verstärkte Spannung, die der thermoelektromotorischen Kraft gemäß der Temperaturdifferenz entspricht, und der rechte zweite Ausdruck eine Spannung, in der jede Verlagerungsspannung der Operationsverstärker enthalten ist. Es ist festzuhalten, daß wegen der Ungleichmäßigkeit der Kennlinie der thermoelektromotorischen Kraft, die jedes Thermoelement besitzt, der rechte erste Ausdruck einen weiteren Verlagerungsspannungsfaktor in der Weise enthält, daß die Differenz zwischen den positiven und negativen Seiten der thermoelektromotorischen Kraft (V -V_) nicht N.ull ergibt, wenn die Umgebungstemperatur bei 0 C liegt.

Eine derartige konventionelle. Temperaturdifferenzmeßvorrichtung verwendet jedoch einen absoluten Wert der thermomotorischen Kraft des Thermoelements, d. h. V - V_. Weiterhin ändert sich die Arbeitskennlinie der Bearbeitungsschaltung in Abhängigkeit von der Vorgabe der oben beschriebenen Schaltungsparameter oC, ß, und V , und die jeweiligen Verlagerungsspannungen w , w und w der ersten, zweiten und dritten Operationsverstärker, die durch die Arbeitskennlinien jedes in der Bearbeitungsschaltung verwendeten Schaltungsbauteils bestimmt werden, beeinflußen die Ausgangsspannung E in der Bearbeitungsschaltung. Demzufolge verursachen die folgenden drei Faktoren eine Änderung des gemessenen Ergebnisses einer Temperaturdifferenz: (x) eine Ungleichmäßigkeit und Alterungsabweichung in einer Ausgangs-

kennlinie des als temperaturempfindliches Element verwendeten Thermoelements; (y) Ungleichmäßigkeit und Streuung bei den Schaltkreisvorgabeparametern während der Massenproduktion; und (z) eine Ungleichmäßigkeit und Alterungsabweichung bei einer Ausgangskennlinie der Schaltungsbauteile. . Insbesondere der bei (y) beschriebene Faktor beeinträchtigt leicht den gemessenen Wert derart, daß große Verschiebungen in der Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung auftreten, bei denen die Wirkung der zuvor beschriebenen Verlagerungsspannungen eingeschlossen ist. Demzufolge kann eine genaue Temperaturdifferenzmessung nicht vorgenommen werden.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Problem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen Temperaturdifferenzmessung zu schaffen.

Erfindungsgemäß sind zur Lösung die in den Ansprüchen genannten Merkmale vorgesehen.

Danach werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verlagerungsfehlspannung, die durch ein temperaturempfindliches Element verursacht wird, das derart in der Vorrichtung verwendet wird, daß ein Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elements nicht den Nullpegel anzeigt, wenn eine Temperatur in der Umgebung des temperaturempfindlichen Elements bei 0 C liegt, und eine weitere Verlagerungsfehlspannung, die durch eine Bearbeitungsschaltung verursacht wird, die das Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elements aufnimmt und verstärkt und eine Spannung abgibt, die der gemessenen Temperaturdifferenz entspricht, durch Subtraktion eines Spannungswertes der Bearbeitungsschaltung gelöscht, welcher abgegeben wird, wenn das Ausgangssignal des temperatur-

empfindlichen Elements als nullpegelig von dem augenblicklichen Ausgangsspannungswert der Bearbeitungsschaltung angenommen wird, um einen modifizierten Ausgangsspannungswert zu schaffen, der exakt der gemessenen Temperaturdifferenz entspricht.

Erreicht werden kann dies durch Vorsehen einer Einrichtung für die Beurteilung, daß das Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elements durch Abfühlen eines Zustands, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Meßstellen Null ist, als nullpegelig angenommen wird, durch eine Einrichtung zum Speichern der Ausgangsspannung der Bearbeitungsschaltung, wenn die Beurteilungseinrichtung beurteilt, daß das Ausgangssignal des temperaturempfindlichen Elements als nullpegelig angenommen wird, und durch eine Einrichtung zum Subtrahieren der gespeicherten Ausgangsspannung von der augenblicklichen Ausgangsspannung.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind auch in den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthalten, in der unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltkreis, der eine Bearbeitungsschaltung einer konventionellen Temperaturdifferenzmeßvorrichtung darstellt;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das ein ' erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Temperaturdifferenzmeßvorrichtung darstellt;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das ein

zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 4 u. 5 vereinfachte Blockdiagramme, die zwei Beispiele eines in den Fig. 2 und 3 dargestellten Wählers zeigen;

Fig. 6 ein Bearbeitungsflußdiagramm, in dem ein ' Mikrocomputer arbeitet, der alternativ anstelle der in Fig. 2 dargestellten Schaltungen, ausgenommen eine Bearbeitungsschaltung 1, verwendet wird; und

Fig. 7 ein weiteres Bearbeitungsflußdiagramm, in

dem ein Mikrocomputer arbeitet, der alternativ anstelle der in Fig. 5 dargestellten Schaltungen, ausgenommen die beiden Bearbeitungsschaltungen 1 und 1', verwendet wird. 20

Fig. 1 zeigt zunächst eine Bearbeitungsschaltung einer konventionellen Temperaturdifferenzmeßvorrichtung.

In Fig. 1 ist ein (nicht dargestelltes) Thermoelement, das als temperaturempfindliches Element verwendet wird, mit einer Bearbeitungsschaltung 1 verbunden. Eine thermoelektromotorische Kraft wird erzeugt, wenn zwischen den beiden Verbindungsstellen der unterschiedlichen Metallarten eine Temperaturdifferenz vorhanden ist. Eine negative Seite der thermoelektromotorischen Kraft V_ ist mit der Bearbeitungsschaitung 1 bei einem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers OP₁ verbunden. Eine positive Seite der thermoelektromotorischen Kraft V ist ebenfalls mit der Bearbeitungsschaltung 1 an einem nicht

invertierenden Eingangsanschluß eines zweiten Operationsverstärkers OP „ verbunden. Auf diese Weise wird die thermöelektromotorische Kraft V-V auf den nicht invertierenden Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP₁ und auf den nicht invertierenden Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers OP₂ gegeben.Eine konstante Spannung V wird ebenfalls auf den invertierenden Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP₁ über einen zweiten Widerstand R₁ und dessen nicht invertierenden Eingangsanschluß über einen ersten Widerstand R gegeben. Ein dritter Widerstand R_ ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP₁ geschaltet. Der erste Operationsverstärker OP₁ arbeitet als Differentialverstärker. Ein invertierender Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers OP„ ist mit dem Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers über -einen vierten Widerstand R_ und mit dessen Ausgangsanschluß über einen fünften Widerstand R. verbunden. Der zweite Operationsverstärker OP _ arbeitet ebenso als weiterer Differentialverstärker. Der Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers OP _ ist mit einem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines dritten Operationsverstärkers 0P_ verbunden.

Ein invertierender Eingangsanschluß des dritten Operationsverstärkers 0P_ liegt über einen sechsten Widerstand R_n. an Masse und ist mit dessen Ausgangsanschluß über einen siebten Widerstand R, verbunden. Der dritte Operations-

verstärker OP _ gibt eine Spannung E ab, die der mittels des (nicht in Fig. 1 dargestellten) Thermoelements gemessenen Temperaturdifferenz entspricht. Der dritte Operationsverstärker 0P_ arbeitet als nicht invertierender Verstärker. Die ersten, zweiten und dritten Operationsverstärker OP₁, OP- und OP- weisen jeweils eigene Verlagerüngsspannungen

w^, W₂ und W₃ auf. Bei dem oben beschriebenen Aufbau der Bearbeitungsschaltung 1 kann eine Ausgangsspannung u des ersten Operationsverstärkers OP durch eine erste Gleichung wie folgt formuliert werden:

^R2 ^R1 + ^R

f ^

^U1 =

ίο = "^Γ^(ν--^νο ^{+ W}1* ^{+ ν}- ^{+ w}i ⁽¹⁾

worin ο( = ^- ist.
2

Eine Ausgangsspannung u„ des zweiten Operationsverstärkers kann durch eine zweite Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:

u₉ =oUV. - U₁ +w„) + V, + W₉ (2)

^R4
worin c< =-— ist.

^R3

Die Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung 1 kann durch eine dritte Gleichung wie folgt formuliert werden:

E = (1 + ß) (U₂ +W₃) (3)

worin ß = -— ist.
^R5 ·

Weiterhin kann die dritte Gleichung (3) auch durch Substitution der ersten und zweiten Gleichung in diese umformuliert werden, um folgende vierte Gleichung zu erhalten:

E = (1+oQ (1+ß) (V₊-V_) + (1+ß) { (I+0O (W₂-W₁ ^+W3^+VoS (4)

In der oben beschriebenen vierten Gleichung entspricht der rechte erste Ausdruck einer gemessenen Temperaturdifferenz, und der zweite rechte Ausdruck einem Verlagerungs-■ spannungsfehler. Die konventionelle Temperaturdifferenzmeßvorrichtung arbeitet nach der vierten Gleichung. Es ist festzuhalten, daß der rechte erste Ausdruck der vierten Gleichung (4) einen weiteren Verlagerungsspannungsfehler in der Weise enthält, daß eine Differenz zwischen der positiven und negativen Seite der thermoelektromotorischen Kraft (V- V ) aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Kennlinie der thermoelektromotorischen Kraft des darin verwendeten Thermoelements nicht Null ergibt, wenn eine das Thermoelement umgebende Temperatur bei 0 C liegt.

Fig. 2 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem die Temperaturdifferenzmeß- · vorrichtung bei einem Verbrennungsmotor zur Steuerung einer Abgasrückleitungsmenge eingesetzt ist.

In Fig. 2·bezeichnet 1 die Bearbeitungsschaltung, deren · innerer Aufbau in Fig. 1 dargestellt ist, die Ziffer 2 bezeichnet ein Einlaßrohr eines Verbrennungsmotors, Ziffer 3 einen Wähler, Ziffer 4 einen angetriebenen Schalter, Ziffer 5 einen Speicher, Ziffer 6 einen Subtrahierer, Symbole M₁ und M_ zwei unterschiedliche Metallarten, die das Thermoelement bilden, d.ie Symbole T₁ und T„ bezeichnen die Temperaturen der Einlaßluft des Motors von dessen Umgebung und der Einlaßluft, die mit Abgas gemischt,ist, das Symbol A mit einem Pfeil kennzeichnet eine Richtung der Einlaßluft innerhalb des .Einlaßrohrs 2, das Symbol B mit einem Pfeil bezeichnet eine Richtung der Abgasrückleitung, und das Symbol C mit einem Pfeil kennzeichnet eine Richtung der Einlaßluft, die mit Abgas in Richtung der Motorzylinder vermischt ist. Eine erste Verbindungsstelle des

Thermoelements ist stromaufwärts an dem Lufteinlaßrohr zum Messen der Temperatur T-, d. h. der Einlaßluft aus einer Umgebung, angeordnet. Eine zweite Verbindungsstelle desselben ist stromabwärts an dem Lufteinlaßrohr zum Messen der Temperatur T-# d. h. der Einlaßluft, die mit Abgas aus dem Motor vermischt ist, angeordnet. Eine thermoelektromotorische Kraft (V - V_) wird entsprechend einer Temperaturdifferenz ^T zwischen der ersten und zweiten Verbindungsstelle dos Thermoelements (δΤ = T_ - T ) erzeugt. Aufgrund der Temperaturdifferenz wird die Menge der Abgasrückleitung gesteuert. Jedes Ende des Metalls M ist mit der Bearbeitungsschaltung 1 zur Erzeugung der Ausgangsspannung E, wie zuvor beschrieben, verbunden. Die Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung 1 wird daraufhin auf den Subtraktor 6 und den Schalter 4 gegeben. Detailliert beschrieben beurteilt der Wähler 3, daß die thermoelektromotorische Kraft (V - V_) des Thermoelements als Null angenommen wird, indem ein Motorparametersignal D empfangen wird, welches anzeigt, daß eine Bedingung erfüllt ist, daß die Temperaturdifferenz AT Null ist, und gibt entsprechend ein Wählsignal S ab. Der Schalter 4, der normalerweise öffnet, wird geschlossen, wenn das Wählsignal S empfangen wird. Zu diesem Zeitpunkt liest und speichert der Speicher 5 einen augenblicklichen Spannungswert E , der von der Bearbeitungsschaltung 1 abgegeben wird. Danach übernimmt der Subtraktor 6 den gespeicherten augenblicklichen Wert E aus dem Speicher und nimmt eine Subtraktion mit der augenblicklichen Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung 1 vor, die in einer Gleichung wie folgt ausgedrückt wird:

E-E=V
ο

wobei V einen modifizierten Spannungswert kennzeichnet. Demzufolge zeigt der Wert V eine Spannung an, die genau der gemessenen Temperaturdifferenz AT entspricht.

Wie in Fig. 4 dargestellt, weist der Wähler 3 eine Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 und eine Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung 8 auf. Die Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 beurteilt, daß der Motor steht, nach einem öldruckschalter des Motors, dessen Zündung eingestellt ist, nach einem elektromotorischen Kraftwert einer Wechselstromlichtmaschine, nach einem primären Spannungswert einer Zündspule, usw (nicht dargestellt). Die gleiche Wirkung kann erzielt werden, indem einfach ein Beleuchtungssignal einer Ladekontrolllampe (die eine elektromotorische Kraft der Wechselstromlichtmaschine anzeigt) verwendet wird. Die Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung 8 ist derart ausgelegt, daß eine Widerstandsänderung in einem Heißleiter zum Abfühlen der Motorkühlwassertemperatur eine entsprechende Spannung ändert, und die Spannung wird mit einer vorbestimmten Referenzspannung verglichen. Alternativ kann ein Kühlwassertemperaturschalter verwendet werden. Wenn der Motor steht, wird eine Ausgangsspannung N aus der Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 auf einen hohen Pegel gebracht. Wenn die Kühlwassertemperatur unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, wird eine Ausgangsspannung F- auf einen hohen Pegel gebracht. Demzufolge erhält man das oben beschriebene Wählersignal S durch eine UND-Gitter-Schaltung 9, wenn die beiden hochpegeligen Spannungen N und F gemeinsam anliegen bzw. übereinstimmen.

Andererseits besteht ein anderer Wähler 3 , wie in Fig. 5 dargestellt, aus: (a) einer Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung 10 mit einem unterschiedlichen Aufbau gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten; (b) einer Lufttemperatur-Ermittlungsschaltung 11; (c) einem Komparator 12, der eine Ausgangsspannung G, welche einer Motorkühlwassertemperatur entspricht, aus der Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung 10 mit einer Ausgangsspannung H der Lufttemperatur-Ermitt-

lungsschaltung 11, welche einer Lufttemperatur entspricht, vergleicht; (d) der Motorstop-Beurt'eilungsschaltung 7, und (e) der UND-Gatter-Schaltung 9, die diese Ausgangssignale von dem Komparator 12 und der Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 empfängt. Die Funktion der Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 ist dieselbe wie .in Fig. 4 gezeigt. Jede der Kühlwassertemperatur- und Lufttemperaturermittlungsschaltungen 10 und 11. besitzt beispielsweise einen Heißleiter. Demzufolge wird eine Widerstandsänderung in dem Heißleiter, der eine negative Widerstandscharakteristik besitzt, in die entsprechende Spannungsänderung umgesetzt.

Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Kühlwassertemperatur und der Lufttemperatur mittels des Komparators 12 als unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegend beurteilt wird, liefert der Komparator 12 ein hochpegeliges Spannungssignal J. Der UND-Gatter-Schaltkreis 9 gibt seinerseits das Wählsignal· S ab, wenn das Spannungssignal N der Motorstop-Beurteilungsschaltung 7 und das·- Spannungssignal J des Komparators 12 miteinander übereinstimmen. Dementsprechend wird die thermoelektromotorische Kraft V - V_ als Null angenommen.

Fig. 3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei temperaturempfindliche Elemente, beispielsweise zwei Thermoelemente an entsprechenden Stellen, d. h. an denselben Stellen wie in Fig. 2 dargestellt, angeordnet, um die Temperaturen T.

und T„ unabhängig zu messen. Eine thermoelektromotorische Kraft, die an jedem Thermoelement erzeugt wird, wird in die jeweils zugehörige Bearbeitungsschaltung 1 und"T' gegeben, um eine entsprechende Ausgangsspannung E und E_ zu be-

kommen. Der Subtraktor 6 erhält die beiden Ausgangsspannungen E₁ und E_. von den entsprechenden Bearbeitungsschaltungen 1 und 1 ' . Die Ausgangsspannung E von der zugehörigen Bearbeitungsschaltung 1 wird weiterhin auf einen Schalter 4 eines Schalterpaars gegeben. Die andere Ausgangsspannung E„ von der zugehörigen Bearbeitungsschaltung 1' wird in gleicher Weise auf den anderen Schalter 4' des Schalterpaars gegeben. Der Wähler .3 empfängt das Motorbetriebsparametersignal D und gibt das Fehlersignal S ab, um gleichzeitig das Schalterpaar 4 und 4¹ zu schließen. Die AusgangsSpannungen E₁ und E„ werden in dem Speicher 5 gespeichert, wenn der Wähler 3 beurteilt, daß eine Differenz zwischen den beiden thermoelektromotorischen Kräften als Null angenommen wird, indem das Motorbetriebsparametersignal D empfangen wird, das angibt, daß ein Zustand erfüllt ist, bei dem die Temperaturdifferenz Δτ Null ist, und das Wählersignal S liefert·. Wenn das Wählersignal S abgegeben wird, werden die Ausgangsspannungen E und E in dem Speicher 5, wie jeweils durch E₁- und E„ , bezeichnet über die entsprechenden Schalter 4 und 4' gespeichert.

Andererseits wird eine Differenz zwischen den beiden Span— nungswerten, d. h. E, = (E₁ , - E_ ,) , die mittels des Subtraktors 6 subtrahiert ist, in dem Speicher 5 gespeichert. Danach rechnet der Subtraktor 6 gemäß folgender Gleichung:

E₁ - E₀ - E . = V.
12 0

Es ist festzuhalten, daß das Wählersignal S erzeugt werden kann, w.enn die Lufttemperatur und die thermoelektrische Kraft, die an dem ersten Thermoelement, welches in dem Einlaßrohr zur Messung der Einlaßlufttemperatur T von der Umgebung des Motors angeordnet ist, als innerhalb eines vorgegebenen Wertes liegend, ermittelt werden.

■m · ·

- 23 -

Figuren 6 und 7 zeigen Bearbeitungsflußdiagranune für den Fall, daß andere Schaltungen als die Bearbeitungsschaltung.

1 bzw. die Bearbeitungsschaltungen 1 und 1', die in Fig.

2 und 3 dargestellt sind, d. h. der Wähler 3, der Schalter bzw. die Schalter 4 und 4¹, der Speicher 5 und der Subtraktor 6 durch einen Mikrocomputer ersetzt sind.

Der Mikrocomputer weist einen Taktgeber, eine I/O-Interfaceschaltung, Speicher (ROM und/oder RAM) und eine zentra-Ie Rechnereinheit in bekannter Weise auf.

Das Wählersignal S wird in jedem Fall in einem Einleitungsprogramm erzeugt (ein Programm, das vor dem Anlassen des Motors durchgeführt wird). Bei (1) in Fig. 6 wird die Ausgangsspannung E der Bearbeitungsschaltung 1 eingelesen und für die nachfolgende Subtraktionsrechnung in den Computerspeicher als E in einem Schritt SP₂ gespeichert, wenn die Kühlwassertemperatur 25° C oder weniger beträgt und der Motor in einem Schritt SP₁ steht.

Bei (1) in Fig. 7 wird die Subtraktion der Ausgangsspannungen E₁ und E„ der jeweiligen Bearbeitungsschaltungen 1und 1' in Form von E₁ - E^ berechnet und das berechnete Ergebnis als E , in einem Schritt SP₁ in dem Computerspeicher gespeichert, wenn die Differenz zwischen den Kühlwasser- und Lufttemperaturen 5 C oder weniger beträgt und der Motor in einem Schritt SP steht. Es ist festzuhalten, daß die Subtraktoroperation bei einem Schritt SP eines regulären Bearbeitungsprogramms, wie in jeder der Fig. 6 und 7 gezeigt (2), ausgeführt wird, und danach die zuvor beschriebene Temperaturdifferenz aufgrund des modifizierten Wertes V in einem Schritt SP„ bei (2) der beiden Fig. 6 und 7 bestimmt wird. Es ist wirkungsvoll, daß ein leistungsloser Speicher, d. h. ein Speicher, dessen Inhalt nicht gelöscht

wird, wenn seine Stromversorgung abgestellt wird, für den zuvor beschriebenen Speicher 5 verwendet wird. Eine leistungslose Halbleiterspeichervorrichtung kann als Speicher 5 verwendet werden. Andererseits kann eine weitere Gleichspannungsversorgung ausschließlich als Stromversorgung für den Speicher 5 verwendet werden, der mit einer üblichen leistungslosen Halbleiterspeichervorrichtung gebildet ist.

Wie zuvor beschrieben, liest die Temperaturdifferenzmeßvorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung automatisch eine Ausgangsspannung der Bearbeitungsschaltung(en) ein, die Verlagerungsfehlerspannungen des temperaturempfindlichen Elements bzw. der Elemente und der Bearbeitungsschaltung(en) enthält, und die Ausgangsspannung wird zur Modifizierung des nachfolgend gemessenen Temperaturwertes benutzt, wodurch eine Ungleichmäßigkeit bei dem bzw. den temperaturempfindlichen Elementen -und der Temperaturmeßvorrichtung und eine Alterungsabweichung innerhalb der Vorrichtung kompensiert werden können und eine stabile und genaue Temperaturmessung erreicht werden kann.

Selbstverständlich ist für den Durchschnittsfachmann klar, daß die obige Beschreibung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele vorgenommen wurde und Modifikationen möglieh sind, ohne den Bereich und den Gedanken der in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung zu verlassen.

Leerseite

Claims

i : ·:": ".PATENTANWÄLTE DR. KADO(R & DR. KLUNKER

K 14 727

Nissan Motor Company, Ltd. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi,
Kanagawa-ken, JAPAN

Vorrichtung und Verfahren zur Messung einer Temperaturdifferenz

Patentansprüche

/ 1 .") Vorrichtung zur Messung einer Temperaturdifferenz an "—" verschiedenen Stellen, gekennzeichnet durch

(a) eine Einrichtung (M., M) zum. Abfühlen einer Temperaturdifferenz (T-T ) an verschiedenen Stellen und zum

Erzeugen eines der Temperaturdifferenz entsprechenden Signals;

(b) eine Einrichtung (1, 1') zum Empfangen und Verstärken des Ausgangssignals (V_, V) das von der Abfühleinrichtung (M₁, M_?) erzeugt wird und zum Abgeben einer Spannung (E, E₁, E_), die der abgefühlten Temperaturdifferenz (T₃-T₁) entspricht;

(c) eine Einrichtung (3) zur Beurteilung, ob das Ausgangssignal (V₊, V_) der Abfühleinrichtung (M ,M) durch Abfühlen eines Zustandes, ob die Temperaturdifferenz (T₃-T₁) Null ist, als nullpegelig angenommen wird; (d) eine Einrichtung (5) zum Speichern der Spannung der Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1¹), die abgegeben wird, wenn die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, ob das Ausgangssignal (V , V_) der Fühleinrichtung (M., M) als nullpegelig angenommen wird; und

(e) eine Einrichtung (6), die die gespeicherte Spannung in der Speichereinrichtung.(5) von der augenblicklichen Ausgangsspannung (E, E , E) der Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1') zum Erhalten einer modifizierten Ausgangsspannung (V) subtrahiert, die genau der augenblicklichen Temperaturdifferenz (T- T₁) entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η .η zeichnet, daß die Abfühleinrichtung (M , M„) zwei unterschiedliche Metallarten, die ein Thermoelement bilden, aufweist, wobei deren erste Verbindungsstelle innerhalb eines Einlaßrohrs eines Verbrennungsmotors zur Ermittlung einer Temperatur der Einlaßluft (A) von der Umgebung desselben und wobei deren zweite Verbindungsstelle stromabwärts von deren erster Verbindungsstelle angeordnet und mit einer Abgasrückleitung (B) zum Ermitteln einer Temperatur der Einlaßluft (A) von dessen Umgebung, die mit Abgas (B) vermischt ist, derart verbunden ist, daß eine thermoelektromotorische Kraft, die einer Temperaturdifferenz (T₅-T₁) zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsstelle der Thermoelemente (M₁, Mp) entspricht, erzeugt und auf die Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1') gegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1¹) einen Bearbeitungsschaltkreis mit folgenden Merkmalen aufweist:
(a) eine Referenzspannungsversorgung (V );

(b) einen ersten Operationsverstärker (OP ), der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit der ersten Verbindungsstelle der Thermoelemente (M₁, M_?) zum Aufnehmen einer negativen Seite der thermoelektromotorischen Kraft (V_) und mit der Referenzspannungsversorgung über einen ersten Widerstand (R ) verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluß, der mit der Referenzspannungsversorgung über einen zweiten Widerstand (R₁) verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß aufweist, der mit dem invertierenden Eingangsanschluß über einen dritten Widerstand (R-) derart verbunden ist, daß eine Ausgangs spannung (u..) wie folgt ausgedrückt werden kann:

U₁=SC (V--V₀ ⁺W₁) +V.+w.,

R₁
worin c*=—L und W₁ eine Verlagerungsspannung des ersten

R2 '
Operationsverstärkers (OP ) bezeichnet;

(c) einen zweiten Operationsverstärker (0P_), der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit der zweiten Verbindungsstelle des Thermoelements (M₁, M~) zum Aufnehmen einer positiven Seite der thermoelektromotorischen Kraft (V ) verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers (OP₁) über einen vierten Widerstand (R_) verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß besitzt, der mit dessen invertierenden Eingangsanschluß über einen fünften Widerstand (R.) derart verbunden ist, daß eine Ausgangsspannung (u„) wie folgt ausgedrückt werden kann: U^=(V -u₁+w_?)+V

^R4

worin ©<=■=— und w„ eine Verlagerungsspannung des zweiten R₃ 2.

Operationsverstärkers (0P->) bedeutet;

(d) einen dritten Operationsverstärker (OP-), der einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers (OP₉) verbunden ist, einen invertierenden Eingangsanschluß, der über einen sechsten Widerstand (R ) an Masse liegt, und einen Ausgangsanschluß besitzt, der mit dem invertierenden Eingangsanschluß über einen siebten Widerstand (**fi) ^zum Ab9^eken der Spannung, die der abgefühlten Temperaturdifferenz (T-T-) an der ersten und der zweiten Verbindungsstelle der Thermoelemente (M , M) entspricht, derart verbunden ist, daß die Ausgangsspannung (E) wie folgt ausgedrückt werden kann:

E=(1+ß) (u~+w_)

Rc
worin ß_s__£ und w„ eine Verlagerungsspannung des dritten Operationsverstärkers (OP,) bezeichnet, wodurch die Ausgangsspannung (E) des Bearbeitungsschaltkreises in einer Gleichung wie folgt angesetzt werden kann:

. E= (1+*) (1+ß) (V₊-VJ +(1+ß)
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:

(a) eine Motorstop-Beurteilungsschaltung (7), die beurteilt, ob der Motor anhält, und ein erstes Signal (N) abgibt, wenn der Motor steht;

(b) eine Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung (8), die beurteilt, ob die Motorkühlwassertemperatur unterhalb eines ersten vorgegebenen Temperaturwertes ist, und die ein zweites Signal (F) abgibt, wenn die Motorkühlwassertemperatur unterhalb des ersten vorgegebenen Wertes liegt; und

(c) eine UND-Gatter-Schaltung (9), die die ersten und

zweiten Signale (N, F) aufnimmt und ein UND-Signal (S) in die Speichereinrichtung (5) zum Speichern der Spannung der Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1') abgibt, wenn die ersten und zweiten Signale (N, F) zusammentreffen, wodurch die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, daß die thermoelektromotorische Kraft (V -V_) als Null angenommen wird, wenn der Motor steht und die Motorkühlwassertemperatur unterhalb des ersten vorbestimmten Wertes liegt. 10
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (3) folgende Merkmale aufweist:

(a) eine Motorstop-Beurteilungsschaltung (7), die beurteilt, ob der Motor anhält, und die ein erstes Signal (N) abgibt, wenn der Motor steht;

(b) eine Lufttemperatur-Ermittlungsschaltung (11), die eine Lufttemperatur ermittelt und ein drittes Signal (H) abgibt, das der ermittelten Lufttemperatur entspricht;

(c) eine Motorkühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltung (10), die eine Motorkühlwassertemperatur ermittelt und ein viertes Signal (G) abgibt, das der ermittelten Motorkühlwassertemperatur entspricht;

(d) einen Komparator (12), der die beiden Pegel des dritten und vierten Signals (G, H) von.den Luft- und Kühlwassertemperatur-Ermittlungsschaltungen (11, 10) vergleicht und der ein fünftes Signal (J) abgibt, wenn eine Differenz zwischen den Pegeln des dritten und vierten Signals (G, H) unterhalb eines vorgegebenen Levels liegt, der einem zweiten vorbestimmten Temperaturwert entspricht; und
(e) eine UND-Gatter-Schaltung, die die ersten und fünften

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Signale (N bzw. J) empfängt und ein UND-Signal (S) in die Speichereinrichtung (5) zum Speichern der Spannung der Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (1, 1¹) abgibt, wenn das erste und fünfte Signal (N bzw. J) zusammentreffen, wodurch die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, ob die thermoelektromotorische Kraft (V -V_) als Null angenommen wird, wenn der Motor steht, und die Differenz zwischen den Luft- und Kühlwassertemperaturen unterhalb des zweiten vorgegebenen Wertes liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung zwei jeweils unterschiedliche Metallarten aufweisende Thermoelemente (M₁, M) enthält, wobei eine erste Verbindungsstelle eines Thermoelements innerhalb eines Einlaßrohrs eines Verbrennungsmotors zum Ermitteln einer Einlaßlufttemperatur (T ) iri dem Einlaßrohr von dessen Umgebung und eine zweite Verbindungsstelle des anderen Thermoelements stromabwärts von der ersten Verbindungsstelle angeordnet ^un(3 innerhalb eines Einlaßrohrs, das mit einer Abgas-Rückleitung verbunden ist, zum Ermitteln einer Temperatur (T_), der mit Abgas vermischten Einlaßluft derart positioniert ist, daß jedes Thermoelement (M₁, M„) eine thermoelektromotorische Kraft (V -V_) entsprechend der Temperaturdifferenz (T₃-T₁) der Lufttemperatur erzeugt und die thermoelektromotorische Kraft in die Aufnahme-' und Verstärkungseinrichtung (1, 1¹) sendet, und daß die Aufnahme- und Verstärkungseinrichtung (2) Bearbeitungsschaltungen (1, 1') gleichen Aufbaus aufweist, wobei jede Bearbeitungsschaltung (1, 1¹) mit dem zugehörigen Thermoelement (M₁, M) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (5) die Ausgangs-

spannung (E₁, E₂) jeder der beiden Bearbeitungsschaltungen (1, 1¹) speichert, wenn die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, daß eine Differenz zwischen den thermoelektromotorischen Kräften, die von den beiden Thermoelementen erzeugt werden, als Null angenommen wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (5) eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen (E₁, E) der beiden Bearbeitungsschaltungen (1, 1¹) speichert, wenn die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, daß eine-Differenz zwischen den thermoelektromotorischen Kräften, die von den beiden Thermoelementen erzeugt werden, als Null angenommen wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (3) beurteilt, ob eine Differenz zwischen den thermoelektromotorischen Kräften, die von den beiden Thermoelementen (M₁, M_) erzeugt werden, als Null angenommen wird, wenn eine Lufttemperatur und die thermoelektromotorische Kraft, die von der ersten Verbindungsstelle eines der Thermoelemente erzeugt wird, unter einem'vorgegebenen Wert liegen.
10.. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (5) einen leistungslosen Speicher aufweist. 30
11. Verfahren zur Messung einer Temperaturdifferenz zwischen der Einlaßluft von der Umgebung eines Verbrennungsmotors und Einlaßluft aus dessen Umgebung, die mit Abgas aus einer Abgasrückleitung gemischt ist, g e k e η n-

BAD ORiGlNAL

zeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Erzeugen einer thermoelektromotorischen Kraft entsprechend der dazwischenliegenden Temperaturdifferenz (T -T) unter Verwendung zweier unterschiedlicher Arten von Metall, die ein Thermoelement (M., M_) bilden, wobei deren erste Verbindungsstelle stromaufwärts innerhalb des Einlaßrohrs zur Messung der Einlaßluft (A) von der Umgebung des Motors und deren zweite Verbindungsstelle stromabwärts (C) innerhalb des Einlaßrohrs zur Messung der Einlaßluft aus der Umgebung und des Abgases aus der Abgasrückleitung (B) angeordnet sind;

(b) Verstärken (1) der thermoelektromotorischen Kraft und Abgeben einer Spannung (E), die der Temperaturdifferenz (T -T) entspricht;

(c) Speichern (5) der Ausgangsspannung, wenn der Motor anhält- und eine Kühlwassertemperatur des Motors unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt; und (d) Subtrahieren (6) der gespeicherten Ausgangsspannung von der augenblicklichen Ausgangsspannung (E), um eine modifizierte Ausgangsspannung (V) zu erhalten, die genau der augenblicklichen Temperaturdifferenz (T-T ) entspricht.
12. Verfahren zur Messung einer Temperaturdifferenz zwischen Einlaßluft aus der Umgebung eines Verbrennungsmotors und Einlaßluft aus dessen Umgebung, die mit Abgas aus einer Abgasrückleitung gemischt ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: (a) Erzeugen zweier unterschiedlicher thermoelektromotorischer Kräfte (V₊, V_) entsprechend der Temperaturdifferenz (T₉-T₁) zwischen der Einlaßluft (A) von der Umgebung des Motors und der Einlaßluft von dessen Umgebung, die mit Abgas (B)gemischt ist, unter Verwendung von zwei verschiedenen Arten von Metallen, die zwei Thermoelemente

(M., Μ_) bilden, wobei eine erste Verbindungsstelle einer der Thermoelemente (M-.., M₃) stromaufwärts innerhalb des Einlaßrohres zur Messung der Einlaßluft (A) aus der Umgebung des Motors und eine zweite Verbindungsstelle des anderen Thermoelements stromabwärts (C) innerhalb des Einlaßrohrs zur Messung der Einlaßluft von der Umgebung und des Abgases (B) aus der Abgasrückleitung angeordnet sind;

(b) Verstärken (1,1') der beiden thermoelektromotorischen Kräfte (V , V_) unabhängig voneinander und Abgeben von zwei jeweiligen Ausgangsspannungen (E., E₉), die jeweils der Temperaturdifferenz (T - T) der Luft entsprechen;

(c) Subtrahieren der verstärkten Ausgangsspannung (E , E^), die einer der thermoelektromotorischen Kräfte entspricht, die an der zweiten Verbindungsstelle eines Thermoelements erzeugt werden, von der verstärkten Ausgangsspannung, die der anderen thermoelektromotorischen Kraft entspricht, die an der ersten Verbindungsstelle des anderen Thermoelements erzeugt wird, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser- und Lufttemperaturen unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt;

(d) Speichern der subtrahierten Ausgangsspannung (Ej);

(e) Subtrahieren einer Ausgangsspannung (E₁ bzw. E„), die augenblicklich entsprechend einer der thermoelektromotorischen Kräfte abgegeben wird, welche an der zweiten Verbindungsstelle erzeugt werden, von der anderen Ausgangsspannung (E bzw. E), die augenblicklich entsprechend der anderen thermoelektromotorischen Kraft abgegeben wird, die an der ersten Verbindungsstelle erzeugt wird; und

(f) Subtrahieren der gespeicherten subtrahierten Ausgangsspannung beim Verfahrensschritt (d)· von der subtrahierten Ausgangsspannung (E.-E_ bzw. E₃- E₁) bei dem Verfahrensschritt (e).