DE4036110A1

DE4036110A1 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE4036110A1
Application number: DE4036110A
Authority: DE
Inventors: Gregory Paul Gee
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1991-05-16
Anticipated expiration: 2010-11-14
Also published as: US4987549A; CA2018435C; JPH03172717A; GB2238131A; DE4036110C2; JPH0754264B2; GB2238131B; GB9023463D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgröße eines Fluids, z. B. einen Strömungsmesser des "Hitzdraht"-Typs und ein Verfahren zur Temperatur-Kompensation bei einem solchen Strömungsmesser.

Typischerweise enthält ein "Hitzdraht"-Strömungsmesser einen selbstheizenden Fühlerwiderstand mit einem Widerstandswert Rh, der von seiner Temperatur abhängt. Die Temperatur des geheizten Widerstandes wird zumindest teilweise durch die Differenz zwischen der innerhalb des geheizten Widerstandes in Abhängigkeit von der an dem Widerstand angelegten Spannung erzeugten Wärme und der von dem geheizten Widerstand in Abhängigkeit von der Strömungsgröße eines an dem Widerstand vorbeifließenden Kühlfluides fortgetragenen Wärme bestimmt. Zusätzlich ist es üblich, bei einem "Hitzdraht"-Strömungsmesser einen Umgebungstemperatur-Fühlerwiderstand beizufügen mit einem Widerstandswert Ra, der durch die Umgebungstemperatur des strömenden Fluids bestimmt wird.

Bei einem Brücken-"Hitzdraht"-Strömungsmesser sind der selbstheizende Widerstand und der Umgebungstemperatur-Widerstand innerhalb einer Brückenschaltung angeschlossen, über der eine Spannung Vb entwickelt wird. Nach ihrem Grundaufbau enthält die Brückenschaltung einen Signalzweig zum Ableiten einer Signalspannung Vs, die eine spannungsgeteilte Funktion der Brückenspannung Vb ist, die zumindest teilweise durch den Widerstandswert Rh des Fühlwiderstands im Verhältnis zum Widerstandswert Rp eines Verlustleistungs-Widerstandes bestimmt wird. Die Brückenschaltung enthält weiter einen Referenzzweig zur Bestimmung einer Referenzspannung Vr, die eine spannungsgeteilte Funktion der Brückenspannung Vb ist, mindestens teilweise bestimmt durch die Summe (Ra + Rb) des Widerstandswertes Ra des Umgebungs-Widerstandes plus des Widerstandswertes Rb eines Last-Widerstands im Verhältnis zum Widerstandswert Rc eines Eich-Widerstands.

Es ist üblich, bei einem Brücken-Strömungsmesser die Brückenschaltung mit einem Operationsverstärker anzusteuern, der die Signalspannung Vs mit der Referenzspannung Vr vergleicht. Insbesondere spricht der Verstärker auf die Differenz zwischen den beiden Spannungen Vs und Vr so an, daß er die Brückenspannung Vb ändert und dadurch entsprechend die am Selbstheiz-Widerstand angelegte Spannung ändert, um so die innerhalb des Widerstands erzeugte Wärme zu ändern. Dadurch werden die Temperatur des Heizwiderstandes und sein zugehöriger Widerstandswert Rh so modifiziert, daß die Signalspannung Vs gleich der Referenzspannung Vr wird. Damit wird die Brückenspannung Vb ein bezeichnendes Maß für die Größe der Fluidströmung.

In einem Strömungsdurchmesser der angeführten Art ist es erwünscht, die Brückenspannung Vb im Umgebungstemperatur-Bereich zu kompensieren. Das bedeutet, daß bei irgendeiner Strömungsgröße die Änderung der Brückenspannung Vb in einer vorgeschriebenen Weise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur gesteuert wird. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, daß die Änderung der Brückenspannung Vb im Umgebungstemperatur-Bereich Null ist. Alternativ kann es wünschenswert sein, daß sich die Brückenspannung Vb in einer vorbestimmten Weise im Umgebungstemperatur-Bereich ändert, um so eine von der inversen Temperatur abhängige Änderung zu beseitigen oder auszugleichen, die sonst in die Brückenspannung Vb induziert wird. Ein Beispiel dafür ist dann gegeben, wenn die Brückenspannung Vb durch eine nachfolgende Spannungsaufbereitungs- Schaltung zugeführt wird, die ein Ausgangssignal erzeugt, das eine temperaturabhängige Funktion der Brückenspannung ist.

Für eine ideale Temperatur-Kompensation bei einer bestimmten Umgebungstemperatur Ta sollte der Selbstheiz-Widerstand auf eine Idealtemperatur Ti aufgeheizt werden, aber der Selbstheiz- Widerstand wird bei einer bestimmten Umgebungstemperatur Ta tatsächlich auf eine Realtemperatur Tr aufgeheizt, die normalerweise nicht gleich der Idealtemperatur Ti ist. Deswegen muß zur optimalen Temperatur-Kompensation im Umgebungstemperatur- Bereich die Abweichung zwischen Realtemperatur Tr und Idealtemperatur Ti so klein wie möglich gehalten werden.

Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Temperatur-Kompensation eines Brückenströmungsmessers im Umgebungstemperatur- Bereich gerichtet.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgröße eines Fluides geschaffen mit einer Brückenschaltung, über der im Gebrauch eine Brückenschaltung (Vb) entwickelt wird, wobei die Brückenschaltung einen Signalzweig umfaßt einschließlich eines ersten Widerstandes (Rh), der im Gebrauch einen Widerstandswert aufweist, der sich auf den Unterschied zwischen der infolge einer darüber angelegten Spannung erzeugten Wärme und der durch das Fluid davon mitgenommenen Wärme bezieht, und eines Leistungs-Widerstandes (Rp), der an einem ersten Knotenpunkt in Reihe mit dem ersten Widerstand (Rh) angeschlossen ist; einen Referenzzweig mit einem Umgebungs-Widerstand (Ra), der im Gebrauch einen auf die Fluidtemperatur bezogenen Widerstandswert besitzt, und einen in Reihe mit dem Umgebungs-Widerstand (Ra) an einem zweiten Knoten angeschlossenen Eich-Widerstand (Rc), worin im Gebrauch eine auf die Spannung am ersten Knoten bezogene Signalspannung (Vs) und eine auf die Spannung am zweiten Knoten bezogene Referenzspannung (Vr) erhalten werden, und einem Verstärker, der auf die Differenz zwischen der Signalspannung (Vs) und der Referenzspannung (Vr) anspricht, und die sich dadurch auszeichnet, daß der Leistungs-Widerstand (Rp) und der Eich-Widerstand (Rc) Werte besitzen, die durch die Gleichungen beherrscht werden:

0 = C5*Ti⁵ + C4*Ti⁴ + C3*Ti³ + C2*Ti² + C1*Ti + C0; und

0 = K2*Tr² + K1*Tr + K0,

deren Terme später definiert werden, wobei die tatsächliche Temperatur (Tr), auf die der erste Widerstand (Rh) im Gebrauch aufgeheizt wird, bezüglich der Idealtemperatur (Ti) optimiert wird, die für die Temperatur repräsentativ ist, auf die der erste Widerstand (Rh) zur idealen Temperatur-Kompensation aufgeheizt werden sollte.

Weiter schafft die Erfindung ein Verfahren zum Eichen einer Vorrichtung zum Messen der Strömungsmenge eines Fluides, wobei die Vorrichtung umfaßt eine Brückenschaltung, über der im Gebrauch eine Brückenspannung (Vb) entwickelt wird, die Brückenschaltung einen Signalzweig umfaßt einschließlich eines ersten Widerstands (Rh), der im Gebrauch einen Widerstandswert aufweist, der auf die Differenz zwischen der durch eine daran angelegte Potentialdifferenz erzeugten Wärme und der durch das Fluid davon mitgenommenen Wärme bezogen ist, und eines Leistungs-Widerstands (Rp), der an einem ersten Verbindungspunkt in Reihe mit dem ersten Widerstand (Rh) angeschlossen ist; und einen Referenzzweig umfaßt mit einem Umgebungs-Widerstand (Ra), der im Gebrauch einen auf die Fluidtemperatur bezogenen Widerstandswert besitzt, und einem in Reihe mit dem Umgebungs-Widerstand (Ra) an einem zweiten Knoten angeschlossenen Eich-Widerstand (Rc), worin im Gebrauch eine auf die Spannung am ersten Knoten bezogene Signalspannung (Vs) und eine auf die Spannung am zweiten Knoten bezogene Referenzspannung (Vr) erhalten werden, und einen Verstärker, der auf die Differenz zwischen der Signalspannung (Vs) und der Referenzspannung (Vr) anspricht, das sich dadurch auszeichnet, daß der Leistungs-Widerstand (Rp) und der Eich-Widerstand (Rc) Werte besitzen, die durch die Gleichungen beherrscht werden:

0 = C5*Ti⁵ + C4*Ti⁴ + C3*Ti³ + C2*Ti² + C1*Ti + C0; und

0 = K2*Tr² + K1*Tr + K0,

deren Terme später definiert werden, wobei die tatsächliche Temperatur (Tr), auf die der erste Widerstand (Rh) im Gebrauch aufgeheizt wird, bezüglich der Idealtemperatur (Ti) optimiert wird, die für die Temperatur repräsentativ ist, auf die der erste Widerstand (Rh) zur idealen Temperaturkompensation aufgeheizt werden sollte.

Bevorzugt werden die Werte der Widerstände (Rp, Rb und Rc) durch eine iterative numerische Lösung der angegebenen Polynome fünfter bzw. dritter Ordnung bestimmt, in denen die Idealtemperatur Ti und die Realtemperatur Tr so festgelegt sind, daß sie bei drei vorbestimmten Werten der Umgebungstemperatur Ta im Umgebungstemperatur-Bereich gleich sind, über den die Temperatur-Kompensation des Strömungsmessers erwünscht ist.

Vorzugsweise liegen die drei festgelegten Werte der Umgebungstemperatur annähernd in der Mitte und in der Nähe der jeweiligen Enden des Umgebungstemperatur-Bereichs.

Die Erfindung kann eine präzisere Temperatur-Kompensation für irgendeinen bestimmten Umgebungstemperatur-Bereich schaffen, eine zufriedenstellendere Temperatur-Kompensation über einen breiteren Bereich von Umgebungstemperaturen und eine wirksame Temperatur-Kompensation trotz der Verwendung eines weniger genauen (Niedrigpreis-)Selbstheiz-Fühlerwiderstands.

Vorzugsweise sind der Leistungs-Widerstand Rp, der Last-Widerstand Rb und der Eich-Widerstand Rc veränderbare Widerstände, die auf die entsprechend der iterativen numerischen Lösung der vorher beschriebenen Polynome fünfter bzw. dritter Ordnung errechneten Werte eingestellt werden können. Zum Beispiel können die Widerstände Rp, Rb und Rc in Form von Dickfilm- oder Dünnfilm-Widerständen vorliegen, die auf die erwünschten Werte lasergetrimmt werden.

Ein Fein-Widerstand oder mehrere solcher Widerstände können parallel zu dem Selbstheiz-Widerstand angeschlossen sein. Diese Fein-Widerstände können als Hilfs-Widerstände für den Selbstheiz-Widerstand und den Leistungs-Widerstand angesehen werden, und ergeben eine Feinabstimmung oder eine Einstellung. Deshalb kann dadurch eine größere Flexibilität bei der Bestimmung angemessener Widerstandswerte Rp, Rb und Rc geschaffen werden, da der Selbstheiz-Widerstand in seinem Wert angehoben werden kann mit dem Ergebnis, daß ein größerer Anteil der Brückenspannung über dem Selbstheiz-Widerstand und weniger über dem Leistungs-Widerstand anliegt, wodurch der Leistungs-Wirkungsgrad der Brückenschaltung verbessert wird.

Bei einer Ausführung sind ein oder mehrere Fein-Widerstände einstellbar, und der Leistungs-Widerstand ist im wesentlichen in seinem Wert festgelegt.

Bei einer anderen Ausführung ist eine Reihe von zwei Fein-Widerständen parallel zum Selbstheiz-Widerstand angeschlossen und die Signalspannung Vs wird zwischen den beiden Widerständen abgegriffen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema einer Ausführung eines Strömungsmessers,

Fig. 2 ein zur Erläuterung des Betriebs des Strömungsmessers aus Fig. 1 nützliches Diagramm, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung bestimmter Herstell- Aspekte des Strömungsmessers aus Fig. 1.

In der nachfolgenden Beschreibung wird das Symbol (0) für Null und das Symbol (*) für Multiplikation verwendet.

In Fig. 1 ist ein Strömungsmesser 10 zum Messen des Wertes einer Fluidströmung durch eine Leitung 12 schematisch dargestellt. Der Pfeil 14 zeigt die Strömungsrichtung von links nach rechts in der Zeichnung an. Das Fluid kann beispielsweise Luft und die Leitung 12 kann beispielsweise ein Teil eines Einlasses einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine sein. Im letzteren Fall mißt der Strömungsmesser 10 die Luftmassenströmung durch die Leitung 12 in die Maschine.

Der Strömungsmesser 10 gehört zum "Hitzdraht"-Typ, d. h. er enthält einen selbstgeheizten Fühler-Widerstand 16, dessen Widerstandswert Rh von seiner Temperatur abhängt. Der Heizwiderstand 16 ist, wie gezeigt, innerhalb der Leitung 12 so angebracht, daß er der darin herrschenden Fluidströmung ausgesetzt ist. Die Temperatur des Heizwiderstands 16 und sein darauf bezogener Widerstandswert Rh wird mindestens teilweise durch die Differenz bestimmt zwischen der im Widerstand 16 infolge der daran anliegenden Spannung erzeugten Wärme und der Wärme, die vom Widerstand 16 durch den herrschenden Kühlfluidstrom weggetragen wird.

Der Strömungsmesser 10 enthält auch einen Fühlerwiderstand 18 für die Umgebungstemperatur, der innerhalb der Leitung 12 angebracht ist. Dieser Umgebungs-Widerstand 18 besitzt einen Widerstandswert Ra, der durch die Umgebungstemperatur Ta des durch die Leitung 12 strömenden Fluides bestimmt wird.

Zusätzlich enthält der Strömungsmesser 10 eine Brückenschaltung 20, zu denen der Selbstheiz-Widerstand 16 und der Umgebungstemperatur- Fühlwiderstand 18 gehören. Im Betrieb wird eine Spannung Vb über der Brückenschaltung 20 entwickelt, und die Größe dieser Brückenspannung Vb ist für die Größe der Fluidströmung durch die Leitung 12 bezeichnend.

Insbesondere enthält die Brückenschaltung einen Signalzweig 22 zum Ableiten einer Signalspannung Vs, die eine spannungsuntersetzte Funktion der Brückenspannung Vb ist, welche teilweise durch den Widerstandswert Rh des Heizwiderstands 16 im Verhältnis zu dem Widerstandswert Rp eines Leistungsverbrauchs- oder Verlustleistungs-Widerstands 24 bestimmt wird.

Der Signalzweig 22 der Brückenschaltung 20 enthält erste und zweite Fein-Widerstände 26 und 28 mit jeweiligen Widerstandswerten Rv1 und Rv2. Die Fein-Widerstände 26 und 28 sind in Reihe parallel zum Heiz-Widerstand 16 angeschlossen. Die Signalspannung Vs wird zwischen den Widerständen 26 und 28 abgegriffen.

Die Brückenschaltung 20 enthält auch einen Referenzzweig 30 zur Erzeugung einer Referenzspannung Vr, die eine Spannungsteilungs- Funktion der Brückenspannung Vb ist, bestimmt durch die Summe (Ra + Rb) der Widerstandswerte Ra des Umgebungs-Widerstandes 18 plus Rb eines Last-Widerstandes 32 im Verhältnis zu einem Widerstandswert Rc eines Eich-Widerstandes 34. Die Referenzspannung Vr wird zwischen den Widerständen 32 und 34 abgegriffen.

Zusätzlich enthält der Strömungsmesser 10 einen Operations- Verstärker 36 zum Ansteuern der Brückenschaltung 20. Der Verstärker 36 reagiert auf die Differenz zwischen der Signalspannung Vs und der Referenzspannung Vr, um in Abhängigkeit davon die Brückenspannung Vb zu ändern und dadurch entsprechend die an dem Selbstheiz-Widerstand 16 anliegende Spannung so zu ändern, daß die darin erzeugte Wärme sich ändert. Als Ergebnis wird die Temperatur des geheizten Widerstandes 16 und damit sein entsprechender Widerstandswert Rh so abgewandelt, daß die Signalspannung Vs gleich der Referenzspannung Vr wird (d. h. die Differenz zwischen den zwei Spannungen Vs und Vr wird bei Null gehalten).

Bei dem Strömungsmesser 10 ist es erwünscht, daß die Brückenspannung Vb im Umgebungstemperatur-Bereich des strömenden Fluides temperaturkompensiert ist. Das bedeutet, daß bei irgendeiner bestimmten Strömungsgröße die Brückenspannung Vb in einer vorgeschriebenen Weise geändert wird, wenn sich die Umgebungstemperatur Ta des Fluides ändert. Wenn z. B. die Brückenspannung Vb selbst das Ausgangssignal des Strömungsmessers 10 ist, kann es wünschenswert sein, daß die Änderung der Brückenspannung Vb bei gleichen Strömungswerten in einem Umgebungstemperatur-Bereich Null ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, daß, wenn die Brückenspannung Vb durch einen nachfolgenden Spannungs-Aufbereitungskreis 38 zugeleitet wird (d. h. durch einen Spannungsversatz- und -Gewinnkreis) zur Erzeugung einer Ausgangsspannung Vo, die in gewisser Weise eine temperaturabhängige Funktion der Brückenspannung Vb ist. In diesem Fall ist es zur Temperatur-Kompensation des Strömungsmessers 10 erwünscht, daß sich die Brückenspannung Vb als Funktion der Umgebungstemperatur Ta in solcher Weise ändert, daß die inverse Änderung der Brückenspannung Vb als Funktion der Umgebungstemperatur Ta durch den Spannungs- Aufbereitungskreis 38 ausgeglichen wird.

Es hat sich gezeigt, daß die Idealtemperatur Ti für den Selbstheiz-Widerstand 16 auf die Umgebungstemperatur Ta durch das folgende Polynom fünfter Ordnung bezogen wird:

0 = C5*Ti⁵ + C4*Ti⁴ + C3*Ti³ + C2*Ti² + C1*Ti + C0; (1)

während die Realtemperatur Tr des Selbstheiz-Widerstands 16 auf die Umgebungstemperatur Ta durch das folgende Polynom dritter Ordnung bezogen ist:

0 = K2*Tr² + K1*Tr + K0, (2)

wobei die Größen C5, C4, C3, C2, C1 und C0 und die Größen K2, K1 und K in folgender Weise definiert sind:

C5 = Ka*B4
C4 = Ka*(B3-Ta*B4)
C3 = Ka*(B2-Ta*B3)
C2 = Ka*(B1-Ta*B2)-Vb²*Z
C1 = Ka*(B0-Ta*B1)-Vb²*Y
C0 = Ka*(0-Ta*B0)-Vb²*X
Ka = Leistung W/°C vom Selbstheiz-Widerstand 16
B4 = G²*Z²
B3 = G²*2*Y*Z
B2 = 2*G*Rp*Z + G²*(2*X*Z + Y²)
B1 = 2*G*Rp*Y + G²*(2*X*Y)
B0 = 2*G*Rp*X + G²*X²*Rp²
G = [Rp + (Rv1 + Rv)]/(Rv1 + Rv2)
K2 = Z
K1 = Y
K0 = X-[H1/(H2-H3)]
H1 = (Ra + Rb)*Rp*(Rv1 + Rv2)
H2 = Rc*(Rv1 + Rv2)*(1-Q)
H3 = (Ra + Rb)*[Rp + Q*(Rv1 + Rv2)]
Q = Rv2/(Rv1 + Rv2)
Ra = Ra0*(1 + α*Ta + β*Ta²)
Rh = Rh0*(1 + α*Th + β*Th²)
X = Rh0
Y = Rh0*α
Z = Rh0*β
Ra0 = Ra bei 0°C
Rh0 = Rh bei 0°C
Th = Temperatur des Selbstheiz-Widerstandes 16.

Ka ist die Wärme-Übertragungsrate des Selbstheiz-Widerstands 16 in W/°C. Ein typischer Ausdruck für Ka ist

Ka = 30 mW/°C*(1 + 1500 ppm/°C*Ta-0,8 ppm/°C/°C*Ta²).

Infolge der komplizierten Art einiger Fluidströmungen (einschließlich der Luftströmung) kann es sein, daß die Errechnung von Ka nicht genau genug möglich ist, und in diesen Fällen kann es notwendig sein, Ka empirisch durch Labormessungen zu bestimmen.

Weiter sind α und β Konstanten, welche durch die jeweiligen für den Selbstheiz-Widerstand 16 und für den Umgebungstemperatur- Fühlerwiderstand 18 verwendeten Metalle definiert sind. Beispielsweise kann ein typischer Selbstheiz-Widerstand 16 aus Platin die Charakteristiken

Rh0 = 20 Ω
α = 3975 ppm/°C
β = -0,59 ppm/°C₂

besitzen, während ein typischer Umgebungstemperatur-Fühlerwiderstand 18 aus Platin die Charakteristiken

Rh0 = 1000 Ω
α = 3975 ppm/°C
β = -0,59 ppm/°C₂

besitzen kann.

Zusätzlich ist anzuerkennen, daß die Widerstandswerte Rp, Rb, Rc, Rv1 und Rv2 jeweils eine separate Funktion der Umgebungstemperatur Ta sein können. Beispielsweise kann der Widerstandswert Rp des Leistungs-Widerstands 24 die Form

Rp = Rp0*f(Ta)_Rp,

besitzen, wobei f(Ta)_Rp eine Funktion ist, welche die Änderung des Widerstands Rp mit der Umgebungstemperatur beschreibt, z. B.

f(Ta)_Rp = (1 + J1*Ta + J2*Ta² + . . . Jn*Taⁿ),

wobei die Terme J1, J2 . . . Jn Temperaturdrift-Terme für den Widerstandswert Rp des Leistungs-Widerstands 24 sind. Gleichartige von der Umgebungstemperatur abhängige Ausdrücke können für die Widerstandswerte Rb, Rc, Rv1 und Rv2 gelten.

Die minimale Abweichung zwischen der Idealtemperatur Ti, auf welche der selbstgeheizte Widerstand 16 aufgeheizt werden sollte, und der Realtemperatur Tr, auf die der Selbstheiz- Widerstand 16 tatsächlich aufgeheizt wird, kann durch richtige Berechnung der Widerstandswerte Rp des Leistungs-Widerstands 24, Rb des Last-Widerstands 32 und Rc des Eich-Widerstands 34 erzielt werden. Insbesondere können die erwünschten Widerstandswerte der Widerstände 24, 32 und 34 durch eine iterative numerische Lösung der vorher beschriebenen polynomen Funktionen fünfter und dritter Ordnung bestimmt werden. Zu diesem Zweck kann irgendein numerisches Lösungsverfahren aus einer Anzahl gut bekannter solcher Verfahren benutzt werden, beispielsweise das Verfahren der sukzessiven Approximation oder das Newton-Raphson-Verfahren.

Zum Finden der numerischen Lösung werden die Idealtemperatur Ti und die Realtemperatur Tr so festgelegt, daß sie bei drei vorbestimmten Werten der Umgebungstemperatur Ta innerhalb des Umgebungstemperatur-Bereichs gleich sind, in dem die Temperatur- Kompensation des Strömungsmessers 10 erwünscht ist. Es gibt eine maximale Anzahl von Punkten, an denen die Funktion dritter Ordnung für die Realtemperatur Tr an die Funktion fünfter Ordnung für die Idealtemperatur Ti angepaßt werden kann. Bevorzugt werden die drei angegebenen Werte der Umgebungstemperatur Ta annähernd in die Mitte und in die Nähe der beiden Enden des Umgebungstemperatur-Bereichs gelegt.

In Fig. 2 zeigt die stark durchgezogene Linie 40 die allgemeine Form der Relativbewegung (Tr-Ti), die zwischen der Realtemperatur Tr und der Idealtemperatur Ti erwartet werden kann, wobei die drei festgelegten Werte der Umgebungstemperatur Ta die Niedrigtemperatur Tlo, die Hochtemperatur Thi und die Zwischentemperatur Tmid sind. Wenn der Strömungsmesser 10 zur Bestimmung der Massenluftströmung in einer Brennkraftmaschine angewendet wird, können typische festgelegte Werte sein:

Tlo = -40°C, Thi = +120°C und Tmid = +20°C.

Wenn die ausgewählten hohen und niedrigen Umgebungstemperaturwerte Thi und Tlo weiter von dem ausgewählten Zwischen-Umgebungstemperaturwert Tmid weggerückt werden, wachsen die positiven bzw. negativen Spitzenwerte der Abweichungskurven an, während die Steigung in den Außenbereichen der Kurven abnimmt. Zur Darstellung entspricht die gestrichelte Kurve 42 ausgewählten hohen bzw. niedrigen Umgebungstemperaturen über bzw. unter Thi bzw. Tlo, während die gestrichelte Kurve 44 ausgewählten Hoch- und Niedrigtemperaturwerten unter bzw. über Thi und Tlo entspricht.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Erzielen einer iterativen numerischen Lösung des Polynoms fünfter Ordnung für die Idealtemperatur Ti und des Polynoms dritter Ordnung für die Realtemperatur Tr enthält einen über zehn Schritte verlaufenden Vorgang in folgender Weise:

Schritt 1

Man wählt die drei Umgebungstemperaturwerte Ta (d. h. den Hochtemperaturwert Thi, den Niedrigtemperaturwert Tlo und den Zwischentemperaturwert Tmid) aus, bei denen die Realtemperatur Tr und die Idealtemperatur Ti gleich sein sollen.

Schritt 2

Man wählt einen Anfangs-Widerstandswert Rp für den Leistungs-Widerstand 24 aus (z. B. gleich dem Widerstandswert Rh des Selbstheiz-Widerstandes 16 bei 0°C).

Schritt 3

Man wählt einen Wert für Q (typischerweise zwischen Null und 0,1) für das Spannungs-Abgreifverhältnis parallel zum Selbstheiz-Widerstand 16 durch die Fein-Widerstände 26 und 28.

Schritt 4

Man wählt Widerstandswerte Rv1 und Rv2 für den ersten und zweiten Fein-Widerstand 26 bzw. 28.

Schritt 5

Man wählt entweder einen Wert für die Brückenspannung Vb bei Tmid (z. B. 9 V bei einer Luftströmung von 140 g/s) oder wählt (Ti-Ta), bei Tmid entwickelt, und errechnet dann die andere Größe aus dem Ausdruck

der aus dem Polynom fünfter Ordnung entwickelt ist.

Schritt 6

Unter Benutzung der vorher ausgewählten und errechneten Werte wird die Idealtemperatur Ti des Selbstheiz- Widerstands 16 bei dem ausgewählten Mitteltemperaturwert Tmid errechnet unter Benutzung des Polynoms fünfter Ordnung.

Schritt 7

Unter Benutzung der vorher ausgewählten und errechneten Werte wird die Idealtemperatur Ti des Selbstheiz- Widerstands 16 am ausgewählten Hochtemperaturwert Thi unter Benutzung des Polynoms fünfter Ordnung errechnet.

Schritt 8

Unter Benutzung der vorher errechneten Werte für Ti bei Tmid und Ti und Thi errechnet man die Widerstandswerte Rb und Rc unter Benutzung des Polynoms dritter Ordnung unter den zwei Bedingungen Tr=Ti bei Ta=Tmid und Tr=Ti bei Ta = Thi.

Schritt 9

Unter Benutzung der in Schritt 8 errechneten Widerstandswerte Rb und Rc errechnet man die Idealtemperatur Ti bei dem ausgewählten Tieftemperaturwert Tlo unter Benutzung des Polynoms fünfter Ordnung und errechnet die Realtemperatur Tr bei dem ausgewählten Tieftemperaturwert Tlo unter Benutzung des Polynoms dritter Ordnung.

Schritt 10

Wenn die in Schritt 9 berechneten Werte für die Idealtemperatur Ti und die Realtemperatur Tr nicht gleich sind, wählt man einen neuen Widerstandswert Rp unter Benutzung eines numerischen Verfahrens (z. B. sukzessive Approximation oder Newton-Raphson) und wiederholt das Verfahren von Schritt 6 bis Schritt 9, bis die in Schritt 9 errechneten beiden Werte gleich sind. Die schließlich errechneten Werte für Rp, Rb und Rc sind die für die Temperatur-Kompensation des Strömungsmessers 10 erforderlichen Werte.

Durch diese Erfindung ist eine präzisere Temperatur-Kompensation für jeden angenommenen Umgebungstemperatur-Bereich, eine zufriedenstellende Temperatur-Kompensation über einem breiteren Bereich von Umgebungstemperaturen (z. B. -40°C bis +120°C) und eine wirksame Temperatur-Kompensation bei Benutzung eines Selbstheiz-Widerstands 16 mit weniger genauen (und damit weniger kostspieligen) Temperaturcharakteristiken möglich. In letzterer Hinsicht sind typische für den Selbstheiz- Widerstand 16 anwendbare Toleranzen nach dem Stand der Technik

Rh0 bei 0°C, ± 2%
α, ± 2%
β, < 1 ppm,

während typische Toleranzen bei dieser Erfindung

Rh0 bei 0°C, ± 20%
α, ± 20%
β, < 20 ppm

sind. Die bei dem Stand der Technik benötigten engeren Toleranzen machen die Verwendung eines Selbstheiz-Widerstands 16 aus einem kostspieligen Edelmetall wie massivem Platin nötig. Die breiteren Widerstands-Toleranzen, die durch diese Erfindung ermöglicht werden, können fast mit jedem geringerwertigen Material wie Nickel, Kupfer, oder verschiedenen Legierungen erreicht werden, die in aufgesprühter oder Folienform statt in Massivform verwendet werden können.

Bei einer anderen Ausführung sind die Widerstandswerte Rp des Leistungs-Widerstands 24, Rb des Last-Widerstands 32 und Rc des Eich-Widerstands 34 variable Widerstände, die auf die errechneten Werte entsprechend der vorher beschriebenen Ausführung eingestellt werden. Wie beispielsweise schematisch in Fig. 3 gezeigt, können die Widerstände 24, 32 und 34 in Form von Dickfilm- oder Dünnfilm-Widerständen vorgesehen werden, die auf einem Substrat 46 ausgebildet und durch Leitbahnen 48 verbunden werden. Die entsprechenden Widerstandswerte Rp, Rb und Rc der Widerstände 24, 32 und 34 werden einzeln durch eine Lasertrimmvorrichtung 50 auf die gewünschten Werte abgestimmt, die einen Laser 52 zum Trimmen der Widerstände 24, 32 und 34 enthält (z. B. durch Verdampfen eines Schlitzes im Widerstand), einem Paar Sonden 54 und 56 zum Überwachen der Widerstandswerte Rp, Rb und Rc während des Trimmvorgangs, und eine Steuereinheit 58 zum Steuern des Lasers 52 beim Trimmen der Widerstände 24, 32 und 34 auf die erwünschten Widerstandswerte Rp, Rb und Rc.

Bei einer weiteren Ausführung sind der Last-Widerstand 32 und der Leistungs-Widerstand 24 variable Widerstände wie Potentiometer o. ä.

Weiter ist zu bemerken, daß die Fein-Widerstände 26 und 28 drei Optionen bezüglich Schaltungsvereinfachungen gegen Flexibilität bei der Temperatur-Kompensation ergeben. Die erste Option benutzt beide Fein-Widerstände 26 und 28 in der Brückenschaltung 20. Bei der zweiten Option wird Rv2 auf Null gesetzt und dadurch der zweite Fein-Widerstand 28 eliminiert, so daß der verbleibende Fein-Widerstand 26 parallel zum Selbstheiz-Widerstand 16 geschaltet und die Signalspannung Vs zwischen dem Selbstheiz-Widerstand und dem Leistungs-Widerstand 24 abgegriffen wird. Die dritte Option, die mit der zweiten Option zusammen ausgeführt werden kann, besteht darin, Rv1 unendlich zu machen, wodurch der erste Fein-Widerstand 26 ebenfalls eliminiert wird. Jede dieser aufeinanderfolgenden Optionen bietet den Vorteil der Vereinfachung der Schaltung, reduziert jedoch die sonst durch die Fein-Widerstände 26 und 28 geschaffene Flexiblität in Hinblick auf die Bestimmung geeigneter Widerstandswerte Rp, Rb und Rc. Die angegebene erhöhte Flexibilität leitet sich von der Wirkung der Fein-Widerstände 26 und 28 her beim Ändern des effektiven Spannungsteiler-Verhältnisses zwischen dem Selbstheiz- Widerstand 16 und dem Leistungs-Widerstand 14 in Abhängigkeit von der Temperatur des Selbstheiz-Widerstands 16.

Ein Vorteil des Entfernens des Widerstands 28 bei der zweiten Option oder des ersten Widerstands 26 bei der dritten Option besteht darin, daß der Widerstandswert Rh des Selbstheiz- Widerstands 16 mit Bezug auf den Widerstandswert Rp des Leistungs-Widerstands 24 so erhöht werden kann, daß ein größerer Anteil der Brückenspannung Vb über den Widerstand 16 und weniger über den Leistungs-Widerstand 24 abfällt. Damit wird weniger Leistung durch die Brückenschaltung 20 verschwendet, weil ein größerer Anteil der Leistung durch den Fühler-Widerstand 16 nutzbringend verwendet und ein geringerer Anteil der Leistung nutzlos im Leistungs-Widerstand 24 verschwendet wird.

Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Widerstandswert Rp des Leistungs-Widerstands 24 festgelegt und beide Widerstandswerte Rv1 und Rv2 oder eine der beiden Widerstandswerte eingestellt werden können bzw. kann, statt den Widerstandswert Rp einzustellen. In diesem Fall wird der Widerstandswert Rp angegeben und die Widerstandswerte Rv1 und Rv2 werden berechnet, und dann werden die Widerstände 26 und 28 auf die errechneten Werte eingestellt oder getrimmt. Das kann vom Standpunkt der Herstellung oder in anderer Weise vorteilhafter sein, als den Verlustleistungs-Widerstand 24 einzustellen.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Strömungsgröße eines Fluides mit einer Brückenschaltung (20), über der beim Gebrauch eine Brückenspannung (Vb) entwickelt wird, wobei die Brückenschaltung umfaßt einen Signalzweig (22) mit einem ersten Widerstand (Rh), der im Gebrauch einen auf die Differenz zwischen der dadurch entwickelten Wärme infolge einer daran angelegten Spannungsdifferenz und der von dem Fluid mitgeführten Wärme bezogenen Widerstandswert ist, und einem Leistungs-Widerstand (Rp), der mit dem ersten Widerstand (Rh) an einem ersten Knotenpunkt in Reihe verbunden ist; einen Referenzzweig (30) mit einem Umgebungs- Widerstand (Ra), der im Gebrauch einen auf die Temperatur des Fluides bezogenen Widerstandswert besitzt, und mit einem mit dem Umgebungs-Widerstand (Ra) an einem zweiten Knotenpunkt in Reihe verbundenen Eich-Widerstand (Rc), wobei im Gebrauch eine auf die Spannung an dem ersten Knoten bezogene Signalspannung (Vs) und eine auf die Spannung an dem zweiten Knoten bezogene Referenzspannung (Vr) erhalten werden, und einen auf die Differenz zwischen der Signalspannung (Vs) und der Referenzspannung (Vr) ansprechenden Verstärker (36), dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs-Widerstand (Rp) und der Eich-Widerstand (Rc) durch die nachfolgenden Gleichungen beherrschte Werte besitzen: 0 = C5*Ti⁵ + C4*Ti⁴ + C3*Ti³ + C2*Ti² + C1*Ti + C0; und0 = K2*Tr² + K1*Tr + K0,deren Terme hierin definiert sind, wobei die tatsächliche Temperatur (Tr), auf die der erste Widerstand (Rh) im Gebrauch aufgeheizt wird, mit Bezug auf die Idealtemperatur (Ti) optimiert wird, die für die Temperatur repräsentativ ist, auf die der erste Widerstand (Rh) zur idealen Temperatur- Kompensation aufgeheizt werden sollte.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Fein-Widerstand (Rv1) parallel zum ersten Widerstand (Rh) und zu einem ersten Eingang des Verstärkers (36) angeschlossen ist, wobei der Leistungs-Widerstand (Rp) und der Eich-Widerstand (Rc) auf dem Widerstandswert des ersten Fein-Widerstands bezogene Widerstandswerte besitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Fein-Widerstand (Rv2) an dem ersten Knoten und dem ersten Eingang des Verstärkers angeschlossen ist und daß der Leistungs-Widerstand (Rp) und der Eich-Widerstand (Rc) auf den Widerstandswert des zweiten Fein-Widerstands bezogene Widerstandswerte besitzen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Last-Widerstand (Rb) in Reihe zwischen dem Umgebungs-Widerstand (Ra) und dem Eich-Widerstand (Rc) angeschlossen sind, wobei der zweite Knoten zwischen dem Last-Widerstand und dem Eich-Widerstand gelegen ist, und der Last-Widerstand einen durch die genannten Gleichungen beherrschten Widerstandswert besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der durch die Gleichungen beherrschten Widerstandswerte als variabler Widerstand ausgeführt ist bzw. sind.

6. Verfahren zum Eichen einer Vorrichtung zum Messen der Strömungsgröße eines Fluides, welche Vorrichtung umfaßt eine Brückenschaltung (20), über der beim Gebrauch eine Brückenspannung (Vb) entwickelt wird, wobei die Brückenschaltung umfaßt einen Signalzweig (22) mit einem ersten Widerstand (Rh), der im Gebrauch einen auf die Differenz zwischen der durch ihn infolge einer daran angelegten Spannungsdifferenz entwickelten Wärme und der von dem Fluid mitgenommenen Wärme bezogenen Widerstandswert hat, und einen Leistungswiderstand (Rp), der mit dem ersten Widerstand (Rh) an einem ersten Knotenpunkt in Reihe verbunden ist; einen Referenzzweig (30) mit einem Umgebungs-Widerstand (Ra), der im Gebrauch einen auf die Temperatur des Fluids bezogenen Widerstandswert besitzt, und mit einem mit dem Umgebungs-Widerstand (Ra) an einem zweiten Knotenpunkt in Reihe verbundenen Eich-Widerstand (Rc), wobei im Gebrauch eine auf die Spannung an dem ersten Knoten bezogene Signalspannung (Vs) und eine auf die Spannung an dem zweiten Knoten bezogene Referenzspannung (Vr) erhalten werden, und einen auf die Differenz zwischen der Signalspannung (Vs) und der Referenzspannung (Vr) ansprechenden Verstärker (36), dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahren der Widerstandswert von einem oder beiden der Widerstände, Leistungs-Widerstand (Rp) und Eich-Widerstand (Rc) mit Bezug auf die Gleichungen: 0 = C5*Ti⁵ + C4*Ti⁴ + C3*Ti³ + C2*Ti² + C1*Ti + C0; und0 = K2*Tr² + K1*Tr + K0errechnet wird bzw. werden, wobei die Terme der Gleichungen hierin definiert sind, und daß die tatsächliche Temperatur (Tr), auf welche der erste Widerstand (Rh) im Gebrauch aufgeheizt wird, mit Bezug auf die Idealtemperatur (Ti) optimiert wird, welche für die Temperatur repräsentativ ist, auf die der erste Widerstand (Rh) zur idealen Temperatur-Kompensation aufgeheizt werden sollte.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorrichtung einen ersten, parallel zum ersten Widerstand (Rh) und zum ersten Eingang des Verstärkers (36) angeschlossenen Fein- Widerstand (Rv1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandswert für den ersten Fein-Widerstand mit Bezug auf die genannten Gleichungen erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Vorrichtung einen an dem ersten Knoten und dem ersten Eingang des Verstärkers angeschlossenen zweiten Fein-Widerstand (Rv2) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandswert für den zweiten Fein-Widerstand mit Bezug auf die Gleichungen erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Vorrichtung einen in Reihe zwischen dem Umgebungs-Widerstand (Ra) und dem Eich-Widerstand (Rc) angeschlossenen Last-Widerstand (Rb) umfaßt, wobei der zweite Knoten zwischen dem Last-Widerstand und dem Eich-Widerstand gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Last-Widerstands festgesetzt wird und der Widerstandswert nur eines oder beider Fein-Widerstände, des ersten und des zweiten Fein- Widerstands, mit Bezug auf die Gleichungen errechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung für jede der beiden Gleichungen so erreicht wird, daß die Idealtemperatur (Ti) als der tatsächlichen Temperatur (Tr) an drei vorbestimmten Umgebungstemperaturen gleich vorgegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Umgebungstemperaturwerte im wesentlichen in der Mitte bzw. an den Enden des Umgebungstemperatur-Bereichs liegen, über den die Vorrichtung zu eichen ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung für jede Gleichung iterativ erzielt wird.