DE4142450A1 - Thermischer durchflusssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Durchfluß­ sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein thermischer Durchflußsensor wird beispielsweise zur Messung der Ansaugluftmenge einer Verbrennungs­ maschine eines Kraftfahrzeugs verwendet.

Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2 63 417/1987 offenbart einen thermischen Durchflußsen­ sor, der in ausreichendem Maße jede Änderung der Aus­ gangscharakteristiken aufgrund einer Adhäsion von in der Luft schwebenden Teilchen unterdrückt. Dieser Durchflußsensor ist in Form eines L gebogen und ein Wärmeerzeugungsabschnitt ist in Richtung der Strömung von einem gasförmigen Körper stromabwärts vorgesehen.

Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2 16 214/1989 offenbart ein Luftdurchflußmeßgerät zur Verhinderung der Ablagerung von luftgetragenen Teil­ chen auf einem Stützkörper sowie ein Verfahren zu Herstellung desselben. Dieses Gerät weist einen Stützkörper auf, dessen der Luftströmung gegenüber­ stehendes Ende mit einer Platte aus Metall oder Kunststoff bedeckt ist.

Die japanische Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 1 08 930/1986 beschreibt einen thermischen Wider­ stand eines thermischen Durchflußmessers mit einer Platin-Dünnfilmschicht auf einem Umfang eines kerami­ schen Rohrs, in welches an beiden Enden ein Zulei­ tungsdraht eingeführt ist.

In einem derartigen thermischen Durchflußsensor wurde ein System zur Erfassung einer Durchflußgeschwindig­ keit auf der Grundlage eines Gleichgewichtszustands einer Brückenschaltung mit einem thermischen Wider­ stand in einem Fluid verwendet. Fig. 1 enthält eine schematische Darstellung, die die Ausbildung eines solchen thermischen Durchflußsensors zeigt. Hierzu ist ein Erfassungsrohr 2 mit einem konstanten inneren Durchmesser an einer vorgegebenen Stelle innerhalb eines Gehäuses 1, das den Hauptpfad eines in Richtung des Pfeils strömenden Fluids bildet, vorgesehen. Das Erfassungsrohr 2 ist in Strömungsrichtung des Fluids angeordnet.

Ein temperaturabhängiger thermischer Widerstand 3, der bei Zuführung von elektrischer Leistung Wärme erzeugt, und ein Fluidtemperatur-Sensor 4 zur Erfas­ sung der Temperatur des Fluids, wie ein Temperatur­ kompensationswiderstand, sind in vorgegebenen Posi­ tionen im Erfassungsrohr 2 angeordnet. Der thermische Widerstand 3 ist in Serie mit einem Widerstand 5 ge­ schaltet, während der Fluidtemperatur-Sensor 4 eben­ falls mit einem Widerstand 6 in Serie geschaltet ist. Diese Widerstandsserienschaltungen sind parallel an­ geordnet zur Bildung einer Brückenschaltung.

Die beiden Eingänge eines Differentialverstärkers 101 sind jeweils mit einem mittleren Verbindungspunkt b bzw. f dieser Brückenschaltung verbunden und der Aus­ gang des Differentialverstärkers 101 ist mit der Ba­ sis eines Transistors 102 verbunden. Der Kollektor des Transistors 102 ist mit dem positiven Anschluß einer Gleichspannungsquelle 103, deren negativer An­ schluß geerdet ist, verbunden und der Emitter des Transistors 102 ist mit einem Endabschnitt der Brücken­ schaltung verbunden. Die am entgegengesetzten End­ abschnitt der Brückenschaltung liegenden Anschlüsse der Widerstände 5 und 6 sind geerdet. Der thermische Durchflußsensor mit dieser Struktur ist bekannt und daher wird auf eine detaillierte Beschreibung von diesem verzichtet. Jedoch ist festzustellen, daß, wenn die elektrischen Potentiale der Verbindungspunk­ te b und f gleich sind, die Brückenschaltung sich im Gleichgewichtszustand befindet, wodurch ein Strom I_H entsprechend einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch den thermischen Widerstand 3 fließt. Das Potential V_o des Verbindungspunktes b wird ausge­ drückt durch I_H × R₁, worin R₁ den Wert des Wider­ stands 5 darstellt. Die Spannung V_o wird als Durch­ flußgeschwindigkeitssignal verwendet.

Das Ansprechverhalten, d. h. eine Nachführungscharak­ teristik eines Durchflußsensors in einem Fall, in welchem eine Durchflußgeschwindigkeit stufenartig von einem Wert auf einen anderen geändert wird, ist eine der Charakteristiken eines Durchflußsensors.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für das Ansprechverhalten eines Durchflußsensors in Beziehung zu einer Änderung der Durchflußgeschwindigkeit zeigt. Wenn die Durchflußgeschwindigkeit Q eines Fluids zu einer bestimmten Zeit t_o von Q₁ auf Q₂ erhöht wird, wie durch den Verlauf α angedeutet ist, spricht der Sensor hierauf in der durch den Verlauf β angedeute­ ten Weise an.

Der Ausgang des Sensors steigt von der Zeit t_o bis zu einer Zeit t_n steil an, wodurch angezeigt wird, daß eine große Änderung der Durchflußgeschwindigkeit er­ folgt ist, und steigt dann während einer Periode Δt_o von der Zeit t_n bis zu einer Zeit t₁₀₀ langsam an, wodurch angezeigt wird, daß eine Änderung ΔQ_o der Durchflußgeschwindigkeit klein ist. Somit weist der bekannte thermische Durchflußsensor während der Peri­ ode von t_o bis t_n ein relativ schnelles Ansprechen auf, jedoch dauert das Ansprechen während der Periode von t_n bis t₁₀₀ eine lange Zeit, zum Beispiel eine Sekunde. Diese Charakteristik wird bewirkt durch die Halterung eines isolierenden Substrats des thermi­ schen Widerstands 3.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Durchflußsensor zu schaffen, der ein verbessertes Ansprechverhalten bei einer Änderung der Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Durchflußsensors ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem thermischen Durchflußsensor nach der Erfin­ dung wird das Verhältnis der Fläche eines wärmeerzeu­ genden Abschnitts des thermischen Widerstands zur gesamten mit dem Fluid in Berührung stehenden Fläche des thermischen Widerstands auf einen Wert im Bereich von 0,6 bis 0,85 eingestellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung der Struktur eines bekannten thermischen Durchflußsensors,

Fig. 2 ein das Ansprechverhalten bei einer Änderung der Durchflußgeschwindigkeit für den bekannten thermischen Durch­ flußsensor zeigendes Diagramm,

Fig. 3 die Struktur eines flachen thermischen Widerstands, der für einen thermischen Durchflußsensor nach der Erfindung verwendet wird, und die Halterung für diesen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Struktur des thermischen Widerstands nach Fig. 3, und

Fig. 5 experimentell erhaltene charakteristi­ sche Kurven eines thermischen Durch­ flußsensors, wenn das Verhältnis einer Fläche eines Wärmeerzeugungsabschnitts zu der gesamten in Berührung mit einem Fluid stehenden Fläche des thermischen Widerstands nach Fig. 4 geändert wird.

Der thermische Widerstand 3 in Fig. 3 weist einen temperaturabhängigen Widerstandsfilm 32 auf, der eine Oberfläche eines Stabes 31 aus isolierendem Material bedeckt. Ein Basisbereich des thermischen Widerstands 3 ist nicht mit einem Widerstandsfilm versehen. Die­ ser Basisbereich wird von einem Stützteil 7 getragen und dabei von dem Erfassungsrohr 2 gehalten. Ein mit dem Stützteil 7 in Eingriff stehender Anschluß 8 ist mit einem Zuleitungsdraht 34 verbunden zur Zuführung von elektrischer Leistung zum thermischen Widerstand 3.

Fig. 4 zeigt schematisch den thermischen Widerstand nach Fig. 3. Hierin ist ein thermischer Widerstand HR zusammengesetzt aus einem Wärmeerzeugungsabschnitt A der Länge l₁, einem keine Wärme erzeugenden Abschnitt B der Länge l₂ und einem Basisabschnitt C der Länge l₃, und ist gebildet auf einem stabartigen isolieren­ den Substrat mit der Breite W. Der Basisabschnitt C wird von einem Stützteil S getragen.

Eine vom Wärmeerzeugungsabschnitt A erzeugte Wärme­ menge P ist gleich der Summe einer Wärmemenge P₁, die vom Wärmeerzeugungsabschnitt A an das Fluid abgegeben wird, einer Wärmemenge P₂, die vom keine Wärme erzeu­ genden Abschnitt B an das Fluid abgegeben wird, und einer Wärmemenge P₃, die durch den Basisabschnitt C an das Stützteil S abgegeben wird, so daß die folgen­ de Gleichung aufgestellt werden kann:

P=P₁+P₂+P₃.

Wenn die erzeugte Wärmemenge P gleich der abgegebenen Wärmemenge P₁ ist, d. h. die Wärmemengen P₂ und P₃ sind gleich Null, dann kann ein idealer thermischer Durch­ flußsensor realisiert werden. Da jedoch der Wärmeer­ zeugungsabschnitt mechanisch gestützt werden muß, tritt in der Praxis auch eine Wärmeabgabe über die Abschnitte B und C auf.

Darüber hinaus bestimmt das Verhältnis einer Summe der abgegebenen Wärmemengen P₂ und P₃ zur abgegebenen Wärmemenge P₁ eine Ansprechverzögerung während der Periode von t_o bis t_n in Fig. 2 und das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge P₃ zur abgegebenen Wärme­ menge P₁ bestimmt eine Ansprechverzögerung während der Periode von t_n bis t₁₀₀.

Fig. 5 zeigt experimentell ermittelte charakteristi­ sche Kurven einer Ansprechverzögerung ΔQ/Q eines Sen­ sorausgangs während der Periode von t_o-t_n und einer Ansprechverzögerung Δt eines Sensorausgangs während der Periode von t_n-t₁₀₀, die erhalten wurden durch Änderung des Verhältnisses l₁/(l₁+l₂), d. h. das Ver­ hältnis der Wärmeerzeugungsfläche zur in Berührung mit dem Fluid stehenden Gesamtfläche des thermischen Widerstands HR, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wie in Fig. 2 gezeigt geändert wird.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, kann die Ansprechver­ zögerung ΔQ/Q (durch eine ausgezogene Linie darge­ stellt) während der Periode von t_o-t_n verbessert werden, wenn die Wärmeerzeugungsfläche S relativ zur mit dem Fluid in Berührung stehenden Gesamtfläche des thermischen Widerstands zunimmt. Andererseits zeigt die Ansprechverzögerung Δt (durch die strichlierte Linie dargestellt) während der Periode von t_n-t₁₀₀ den besten Punkt. Dies folgt daraus, daß die Zeit, die erforderlich ist für die Temperatursättigung des Stützteils S, zunimmt, da die vom Wärmeerzeugungsab­ schnitt A übertragene Wärmemenge bei einer hohen Tem­ peratur ansteigt, wenn der Wärmeerzeugungsabschnitt A zu nahe am Stützteil S liegt.

Die vordere Hälfte (von der Zeit t_o bis zur Zeit t_n in Fig. 2) der Ansprechverzögerung des thermischen Durchflußsensors hängt ab von dem Verhältnis der Sum­ me der abgegebenen Wärmemenge P₂ des keine Wärme er­ zeugenden Abschnitts und der abgegebenen Wärmemenge P₃ des Stützteils zu der abgegebenen Wärmemenge P₁, des Wärmeerzeugungsabschnitts, während die nachfol­ gende Hälfte (von der Zeit t_n bis zur Zeit t₁₀₀ in Fig. 2) der Ansprechverzögerung von dem Verhältnis P₃ zu P₁ abhängt. Daher steigt die vordere Hälfte der Ansprechverzögerung steil an, wenn das Verhältnis der Fläche des Wärmeerzeugungsabschnitts zur Gesamtfläche des thermischen Widerstands kleiner wird als 0,6, indem die Fläche des Wärmeerzeugungsbereichs klein gemacht wird, und die nachfolgende Hälfte der An­ sprechverzögerung steigt steil an, wenn dieses Ver­ hältnis größer als 0,85 gemacht wird. Demgemäß kann ein erwünschtes Ansprechverhalten erzielt werden, indem dieses Flächenverhältnis in einen Bereich von 0,6 bis 0,85 gelegt wird.

Aus diesem Grund wird gemäß der vorliegenden Erfin­ dung das Verhältnis der Fläche S des Wärmeerzeugungs­ abschnitts zur gesamten mit dem Fluid in Berührung stehenden Fläche S_o eines thermischen Widerstands auf einen Wert im Bereich von 0,6 bis 0,85 gesetzt, wie in Fig. 5 gezeigt ist, wodurch die Ansprechcharakte­ ristik eines thermischen Durchflußsensors verbessert werden kann.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde ein flacher thermischer Widerstand beschrieben, jedoch können gleiche Vorteile auch bei Verwendung eines stabförmi­ gen thermischen Widerstands erhalten werden.

Wie dargestellt wurde, kann nach der vorliegenden Erfindung dadurch, daß das Verhältnis der Fläche des Wärmeerzeugungsabschnitts zur gesamten mit dem Fluid in Berührung stehenden Fläche des thermischen Wider­ stands in einem thermischen Durchflußsensor auf einen Wert im Bereich von 0,6 bis 0,85 eingestellt wird, eine gute Ansprechcharakteristik des thermischen Durchflußsensors erhalten werden, selbst wenn die zu messende Fluidmenge plötzlich geändert wird.

Claims (6)

1. Thermischer Durchflußsensor mit einem thermi­ schen Widerstand, der einen auf einem isolieren­ den Basisteil gebildeten wärmeerzeugenden Ab­ schnitt aufweist, zur Erfassung einer Durchfluß­ geschwindigkeit eines zu messenden Fluids, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis der Fläche des wärmeerzeugen­ den Abschnitts zur gesamten mit dem zu messenden Fluid in Berührung stehenden, den wärmeerzeugen­ den Abschnitt einschließenden Fläche des thermi­ schen Widerstands (3) in einem Bereich von 0,6 bis 0,85 liegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Widerstand (3) einen wärmeer­ zeugenden Abschnitt (A), einen keine Wärme er­ zeugenden Abschnitt (B) und einen Basisabschnitt (C) aufweist, daß der Basisabschnitt (C) von einem Stützteil (S) getragen wird und daß der wärmeerzeugende Abschnitt (A) und der keine Wär­ me erzeugende Abschnitt (B) im gemessenen Fluid angeordnet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der thermische Widerstand (3) flach ausgebildet ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen durch l₁/(l₁+l₂) ausgedrückt ist, worin l₁ die Länge des wärmeer­ zeugenden Abschnitts (A) und l₂ die Länge des keine Wärme erzeugenden Abschnitts (B) bedeuten.

5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der thermische Sensor stabförmig ausgebildet ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen durch l₁/(l₁+l₂) ausgedrückt ist, worin l₁ die Länge des wärmeer­ zeugenden Abschnitts und l₂ die Länge des keine Wärme erzeugenden Abschnitts bedeuten.