DE3809110C2

DE3809110C2 - Einrichtung zur Gasmassenstrommessung

Info

Publication number: DE3809110C2
Application number: DE19883809110
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Sass
Original assignee: Individual
Current assignee: Sass Wolfgang Dipl-Ing 5012 Bedburg De
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2008-03-19
Also published as: DE3809110A1; GB2217019B; GB8906203D0; FR2632063A1; GB2217019A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 30 16 923 A1 bekannt.

Insbesondere bei Motorsteuerungen für Kraftfahrzeuge besteht das Problem, daß nur eine relativ kleine Batteriegleichspannung von bei spielsweise 12 Volt bei einem relativ großen leitungsgebundenen Störnebel von bei spielsweise 2 Volt (von Spitze zu Spitze) zur Verfügung steht. Dieser Störnebel ist im Vergleich zu der Betriebsspannung zu groß, als daß eine besonders genaue Auswertung des Gasmassen stroms möglich wäre. Eine Spannungsstabilisierung genügt nicht, da Streuungseinflüsse, beispielsweise über Kapazitäten vorliegen und somit der Störnebel wieder eindringen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß der schädliche Einfluß des Störnebels weitgehend unterdrückt wird und sich bei relativ einfachem Aufbau genauere Meßergebnisse er zielen lassen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Einrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art erfindungs gemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, mittels des DC/DC-Spannungswandlers nur das Niveau der kleinen Gleichspannung U_B auf eine erhöhte Gleichspannung U_V anzuheben, wobei der Störnebel im Unterschied zu einer Transformator-Spannungswandlung nicht in den Umsetzungsvorgang eingeht. Selbst wenn der Störnebel über Streukapazitäten oder dergleichen wieder in mit der er höhten Gleichspannung U_V betriebene Schaltungsteile eindringt, genügt der größere Störabstand dennoch, um eine genauere Auswertung des Gasmassenstroms vornehmen zu können. Wichtig ist dabei, daß die erhöhte Gleichspannung U_V die maximale, jedoch nach Bedarf absenk bare Steuergröße für die Steuerelektrode des Transistorventils darstellt. Somit wird der eigentliche Kern der Einrichtung wesent lich störunanfälliger. Der DC/DC-Spannungswandler zerhackt die eingangsseitig anstehende Gleichspannung U_B, um dann nach Erhöhung des Spannungsniveaus eine Gleichrichtung und eine nachfolgende Siebung vorzunehmen, wie es bei bekannten Gliedern dieser Art der Fall ist.

Mit der Weiterbildung nach Anspruch 2 können zunächst Überspannun gen und sonstige Störungen von der Einrichtung abgehalten werden, ehe der DC/DC-Spannungswandler seine Spannungstransformation vor nimmt und die Gleichspannung zu verschiedenen Teilen der Einrich tung, wie zu dem Transistorventil, gelangt.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ist besonders bevorzugt, weil ein Feldeffekttransistor praktisch leistungslos gesteuert werden kann und deshalb Störungen am Ausgang des Transistorventils weit gehend unterdrückt werden. Immer dann, wenn der Gasmassenstrom ansteigt, muß das Transistorventil möglichst schnell vollständig durchgesteuert werden, damit wieder erneutes Brückengleichgewicht mit dem Ergebnis einer genauen Anzeige des neuen Gasmassenstroms erreicht wird. Dieser Vorgang läßt sich sehr viel störunanfälli ger als mit einem herkömmlichen Transistor mit einem MOSFET erzie len, und zwar insbesondere in Verbindung mit der störfreien er höhten Gleichspannung U_V des DC/DC-Spannungswandlers.

Mit den Weiterbildungen nach den Ansprüchen 4 und 5 lassen sich sehr genaue gasstromabhängige Meßergebnisse in Form einer Ausgangsspan nung und/oder eines Ausgangsstroms erzielen. Die hierzu erforder lichen Baueinheiten können zur Erhöhung der Genauigkeit ebenfalls mit der erhöhten Gleichspannung des DC/DC-Spannungswandlers versorgt werden.

Mit den Weiterbildungen nach den Ansprüchen 6 und 7 läßt sich der Brüc kenabgleich stets schnell und exakt erzielen. Dabei hat der in Kollektorschaltung betriebene pnp-Transistor am Ausgang des in tegrierten Differenzverstärkers den Vorteil, daß dessen Offset- Spannung keinen nachteiligen Einfluß hat. Andere Verhältnisse lägen dann vor, wenn der Transistor ein in Emitterschaltung be triebener npn-Transistor wäre, weil dann beim Sperren desselben, das heißt zum Durchsteuern des Transistorventils, stets die Off set-Spannung des Differenzverstärkers hinderlich entgegensteht.

Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 8 und 9 ermöglichen es, daß beim Einschalten der Einrichtung der Gasstrommeßwiderstand in einer sehr kurzen Zeitspanne von beispielsweise 100 msec geringfügig überheizt wird, damit er sich dann im Luftstrom bis zum Brücken gleichgewicht abkühlen kann, um dann den normalen Betriebseinsatz der Einrichtung vorzunehmen. Durch diese Maßnahme kann die Gas strommessung bereits sehr kurzzeitig nach Einschalten der Ein richtung erfolgen.

Die Weiterbildung nach Anspruch 10 hat den Vorteil, daß zumindest die nicht leistungsintensiven Komponenten der Einrichtung eben falls mit der erhöhten Versorgungsgleichspannung beaufschlagt und somit störfreier betrieben werden können.

Die Weiterbildung nach Anspruch 11 zeigt, daß eine Spannungserhöhung von ca. 33% gegebenenfalls ausreicht, um sich deutlich vom Störnebel abzuheben und zu we sentlich genaueren Meßergebnissen zu führen.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Gesamtansicht und

Fig. 2 die Einrichtung aus Fig. 1 in einer detaillierteren Ansicht.

Gemäß Fig. 1 erzeugt eine Gleichspannungsquelle 10, beispiels weise die Batterie eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor, eine positive Gleichspannung +U_B, die über ein Störfilter 12, vor zugsweise ein EMI-Filter, zu einem Leistungsverstärker 13, einem DC/DC-Spannungswandler 20 und einer Startschaltung 22 gelangt. Die Gleichspannung beträgt beispielsweise 12 Volt, und der lei tungsgebundene Störnebel kann 2 Volt (Spitze zu Spitze) betragen. Der Leistungsverstärker 13 versorgt eine Meßbrücke 16. In dieser sind in einem Brückenzweig ein vom Gasstrom kühlend umspülter Gasstrommeßwiderstand R_L und ein erster Festwiderstand R_M in Reihe geschal tet, während in dem anderen Brückenzweig ein die Gastemperatur erfassender Kompensationswiderstand R_K und ein zweiter Festwiderstand R_F in Reihe geschaltet sind. Die Brückendifferenzspannung, das heißt die Spannung im Nullzweig der Meßbrücke 16, gelangt zu den posi tiven und negativen Eingängen eines integrierten Differenzver stärkers 18, dessen ausgangsseitige Steuergröße S zum Leistungs verstärker 13 geleitet wird.

Der DC/DC-Spannungswandler 20 erzeugt aus der Gleichspannung +U_B von beispielsweise 12 Volt eine erhöhte Gleichspannung +U_V von beispielsweise 16 Volt, die unter anderem dem Leistungsverstärker 13 zugeführt wird, um mit Hilfe der Steuergröße S vom Differenzverstärker 18 mehr oder weniger stark abgesenkt und so als effektive Steuergröße für den Leistungsverstärker 13 verwen det zu werden. Dieser kann somit entsprechend der effektiven Steuergröße den direkten Brückenversorgungspfad von den Gliedern 10, 12 zur Meßbrücke 16 mehr oder weniger stark durchsteuern. Wie es aus Fig. 2 näher ersichtlich ist, umfaßt der Leistungsverstärker 13 einerseits ein Transistorventil 14 in Form eines MOSFET und ande rerseits einen in Kollektorschaltung betriebenen pnp-Transistor 32.

Gemäß Fig. 1 sorgt die Steuerschaltung 22 dafür, daß nach dem Einschalten der Einrichtung einerseits der Leistungsverstärker 13 während einer kurzen Zeitspanne von beispielsweise 100 msec voll durchgesteuert wird und andererseits eine Überbrückung des ersten Fest widerstands R_M durch einen parallelgeschalteten Schalter 24 er folgt. Dadurch kann praktisch die gesamte Gleichspannung +U_B von bei spielsweise 12 Volt zur Meßbrücke 16 durchgeschaltet und zum Be heizen des Gasstrommeßwiderstands R_L auf Übertemperatur verwendet werden. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne erfolgt eine voll ständige Abschaltung und Verriegelung der Startschaltung 22, so daß sich der Gasstrommeßwiderstand R_L im Luftstrom abkühlen kann, bis Brückengleichgewicht vorliegt. Durch dieses kurzzeitige Über heizen und nachfolgende Abkühlen läßt sich die Betriebsbereit schaft schneller erzielen.

Die am ersten Festwiderstand R_M nach Brückenabgleich anstehende Spannung wird einem Meßverstärker 26 mit angeschlossener Referenzspannungs quelle 28 zugeführt, um eine dem momentanen Gasstrom genau ent sprechende Ausgangsspannung U_A von beispielsweise 0 bis 5 Volt zu erzeugen. Diese wiederum wird einer Präzisionsstromquelle 30 zu geführt, um einen dem Gasstrom entsprechenden Ausgangsstrom von beispielsweise 4 bis 20 mA zu erzeugen, wodurch eine Ankopplung an industrielle Meßsysteme und Kfz-Steuergeräte möglich ist. Das Stromsignal ist gerade bei niederohmigem Abschluß störunempfind lich.

Wie es aus Fig. 1 ferner ersichtlich ist, versorgt der DC/DC- Spannungswandler 20 im vorliegenden Fall auch verschiedene wei tere Baueinheiten der Einrichtung mit Ausnahme der Eingangselektrode des Transistorventils im Brückenversorgungspfad zu deren jeweiliger Spannungsversorgung mit der erhöhten Gleich spannung +U_v als einer sehr stabilen, störfreien Gleichspannung, wobei es sich im vorliegenden Fall um den Differenzverstärker 18, die Startschaltung 22, den Meßverstärker 26, die Referenzspan nungsquelle 28 und die Präzisionsstromquelle 30 handelt.

Fig. 2 beinhaltet eine detailliertere Darstellung der Einrich tung aus Fig. 1 und wird deshalb nur bezüglich einiger Details näher erläutert.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Filterstufe 12 beispielswei se mittels einer Diode vor Überspannungen schützt und im übrigen Störungen ausfiltert, ehe die Gleichspannung +U_B zum DC/DC-Span nungswandler 20 gelangt, der seinerseits die erhöhte, störfreie Gleichspannung +U_V an die verschiedenen Teile der Ein richtung liefert. Insbesondere gelangt diese erhöhte Gleich spannung +U_V über einen Widerstand 34 zur Gate-Elektrode des als MOSFET ausgebildeten Transistorventils 14 und zum Emitter des in Kollektorschaltung betriebenen pnp-Transistors 32. Der letztere ist über einen Widerstand mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 18 verbunden. Je nach Betriebszustand des Transistors 32 wird so mit die erhöhte Gleichspannung +U_V der Gate-Elektrode des Tran sistorventils 14 unverändert oder mehr oder weniger vermindert zugeführt. Sobald der Gasstrom steigt, sinkt der Wert des Gasstrommeßwider stand R_L, so daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 18 ansteigt und den Transistor 32 weiter schließt, wodurch das Tran sistorventil 14 weiter aufgesteuert wird, um den Gasstrommeßwider stand R_L wieder bis zum Brückengleichgewicht aufzuheizen. Die nach Brückenabgleich am ersten Festwiderstand R_M anstehende Spannung wird den weiteren Auswertegliedern zugeführt, um daraus die Aus gangsspannung U_A und den Ausgangsstrom I_A zu erzeugen.

Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, daß der während der Start phase den ersten Festwiderstand R_M kurzschließende Schalter 24 wie das Transistorventil 14 ebenfalls als Feldeffekttransistor ausgebil det ist.

Die vorliegende Einrichtung eignet sich vor allem dann, wenn bei der Gasstrommessung nur relativ niedrige Versorgungsspannungen bei vergleichsweise großem Störnebel vorliegen und dennoch exakte Meßergebnisse erwünscht sind.

Claims

1. Einrichtung zur Gasmassenstrommessung, insbesondere zur Luftmassenstrommessung bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, mit

- einer Meßbrücke, in deren einem Zweig ein vom Gasstrom umspülter temperaturabhängiger Gasstrommeßwiderstand in Reihe zu einem ersten Festwiderstand und in derem anderen Zweig ein die Gastemperatur erfassender Kompensationswiderstand in Reihe zu einem zweiten Festwiderstand liegen,
- einer Gleichspannungsquelle, die über ein Transistorventil die Meßbrücke versorgt, wobei am Transistorventil die Ausgangsspannung U_B der Gleichspannungsquelle anliegt,
- einer Steuereinrichtung, die eine Brückendifferenzspannung im Nullzweig der Meßbrücke erfaßt und eine Steuergröße zur Ansteuerung der Steuerelektrode des Transistorventils ausgibt, um Brückengleichgewicht herzustellen,
- einer Meßeinrichtung, die bei Brückengleichgewicht die am ersten Festwiderstand anstehende Spannung als Maß für den Gasmassenstrom auswertet, gekennzeichnet durch einen DC/DC-Spannungswandler,
- der an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, um aus deren Ausgangsspannung (U_B) eine erhöhte Spannung (U_V) zu erzeugen, und
- dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des Transistorventils derart verschaltet ist, daß an der Steuerelektrode die erhöhte Spannung (U_V) als maximale Steuergröße anliegen kann, die nach Maßgabe des Ausgangs der Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Gasstrom verringert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein der Gleichspannungsquelle (10) nachgeschaltetes, Überspannungen und Störungen ausfilterndes Störfilter (12), vorzugsweise ein EMI-Filter.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Transistorventil (14) als MOSFET ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Meßeinrichtung einen Meßverstärker (26) mit angeschlossener Referenz spannungsquelle (28) zum Erzeugen einer von der Spannung am ersten Festwiderstand (R_M) abhängigen Ausgangs spannung aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Präzi sionsstromquelle (30) zum Erzeugen eines von der Ausgangsspan nung abhängigen Ausgangsstroms.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuereinrichtung als Differenzverstärker (18) ausgebildet und ausgangsseitig mit der Basis eines in Kollektorschaltung betriebenen pnp-Transistors (32) verbunden ist, dessen Emitter mit der Steuerelektrode des Transistorven tils (14), bei einem MOSFET-Transistorventil mit dessen Gate-Elektrode, und einem zum Ausgang des DC/DC-Spannungswandlers (20) führenden Widerstand (34) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (18) ein integrierter Baustein ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Startschaltung (20), die beim Einschalten der Ein richtung zum Überheizen des Gasstrommeßwiderstands (R_L) für ein bestimmtes Zeitintervall den ersten Festwiderstand (R_M) der Meßbrücke (16) kurzschließt und/oder das Transistorventil (14) voll durchsteuert, die sich danach voll ständig abschaltet und die einen dann erfolgenden normalen Betriebseinsatz der Regel- und Meßglieder zum Erreichen eines gasstromabhängigen Brückengleichgewichts erlaubt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Startschaltung (20) einen parallel zum ersten Festwiderstand (R_M) ge schalteten Transistorschalter (24), vorzugsweise einen MOSFET- Schalter, aufweist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des DC/DC-Spannungswandlers (20) auch mit an deren Baueinheiten der Einrichtung, mit Ausnahme der Eingangselektrode des Transistorventils im Brückenversorgungspfad, zu deren jeweiliger Spannungsversorgung verbunden ist, vorzugsweise mit dem die Brückendifferenzspannung erfassenden Differenzverstärker (18) und/oder dem die Spannung am ersten Festwiderstand (R_M) auswertenden Meßverstärker (26, 28) und/oder der hiermit gekoppelten Prä zisionsstromquelle (30).

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine erhöhte Spannung (+U_V) des DC/DC- Spannungswandlers von etwa 16 Volt bei einer Spannung der Gleichspannungsquelle (10) von etwa 12 Volt.