DE4426308C2

DE4426308C2 - Schaltungsanordnung für die der Ausgangsspannung eines Sensors, die daraus eine korrigierte Ausgangsspannung bildet

Info

Publication number: DE4426308C2
Application number: DE19944426308
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Kleinhans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: DE4426308A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Ausgangsspannung eines Sensors, insbesondere eines Luftmassenmessers, die daraus eine korrigierte Ausgangsspannung bildet.

Zur Erfassung der von Brennkraftmaschinen angesaugten Luftmasse werden Luftmassenmesser, die beispielsweise nach dem Heißfilmprinzip arbeiten, eingesetzt. Solche Luftmassenmesser, auch HFM-Sensoren genannt, weisen üblicherweise nichtlineare Kennlinien auf, wobei unter Kennlinie der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und strömender Luftmasse zu verstehen ist. Damit eine genaue Auswertung möglich ist, ist es erforderlich, einen Kennlinienabgleich durchzuführen. Ein solcher Kennlinienabgleich wird üblicherweise durch Beeinflussung der Verstärkung des Ausgangssignales sowie des Offsets, der praktisch immer vorhanden ist, durchgeführt. Ein solcher Kennlinienabgleich, der bisher nur an zwei Punkten durchgeführt wurde, hat zur Folge, daß die Kennlinie zwar an den beiden Abgleichspunkten korrekt ist, daß aber im Bereich zwischen den Punkten sowie außerhalb dieser Punkte beträchtliche Abweichungen möglich sind.

Ein Verfahren zur Korrektur des Ausgangssignales eines Luftmassenmessers, bei dem die Kennlinie in zwei Bereiche unterteilt wird, die unterschiedlich korrigiert werden, ist aus der älteren deutschen Patentanmeldung mit Offenlegungsschrift DE 44 10 789 A1 bekannt. Die Bereichsunterteilung erfolgt dabei so, daß im Rückströmbereich eine modifizierte Kennlinie und im Normalbereich die übliche Kennlinie zur Auswertung herangezogen wird.

Aus der DE 25 16 559 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines von einem Sensor gelieferten elektrischen Analog-Eingangssignals in ein korrigiertes Ausgangssignal bekannt, die zu- oder abschaltbare Verstärker umfaßt, mit deren Hilfe das korrigierte Ausgangssignal gebildet wird. Die Zu- oder Abschaltung der Verstärker mit individuell einstellbarer Charakteristik erfolgt abhängig davon, in welchem von wenigstens drei Spannungsbereichen das vom Sensor gelieferte Signal liegt. Ein Aufbau der Verstärker aus wenigstens je einem Operationsverstärker, der einen Transistor ansteuert, ist der genannten Druckschrift nicht entnehmbar.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine weitere Verbesserung der Genauigkeit erhalten wird. Weiterhin sind besonders einfache Abgleichmöglichkeiten vorhanden. Ermöglicht werden diese Vorteile durch einen Mehrfachabgleich der Kennlinie, die einen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung der Schaltungsanordnung darstellt, wobei wenigstens drei Spannungsbereiche definiert werden. Der Abgleich erfolgt dann in jedem Bereich unabhängig vom Abgleich in einem anderen Bereich, wobei eine Abgleichreihenfolge eingehalten werden sollte.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Abgleiche in den einzelnen Bereichen mit Hilfe von zuschaltbaren Stromquellen über charakteristische Widerstände durchgeführt werden. Damit können auch deutlich mehr als drei Bereiche unabhängig voneinander abgeglichen werden. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit sowie der Zuverlässigkeit wird erreicht, indem der möglicherweise vorhandene Massefehler ausgeglichen wird. Dazu wird am Ausgang der Schaltung ein zusätzlicher Massefehlerausregelverstärker eingesetzt, womit die Gesamtschaltung auf eine einzige Masse bezogen werden kann, womit eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erhalten wird.

Weitere Vorteile der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen zu erzielen.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine herkömmliche Schaltungsanordnung zum Abgleich der Kennlinie eines Heißfilmluftmassenmessers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des möglicherweise auftretenden Fehlers bei einem Zweipunktabgleich.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung über der Eingangsspannung bei wenigstens dreifachem Kennlinienabgleich an einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stufe einer Schaltungsanordnung zum Kennlinienabgleich und in

Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung zum Mehrfachabgleich für wenigstens drei Bereiche bzw. Punkte dargestellt, einschließlich einer Massefehlerausregelung.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung für einen Abgleich bei einem Heißfilmluftmassenmesser dargestellt, wie sie derzeit verwendet wird. Dabei erfolgt der Abgleich über eine Verstärkungsregelung und eine Offsetkompensation. Die Schaltung nach Fig. 1 umfaßt einen Operationsverstärker OP1, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Spannungsteiler R1, R2 in Verbindung steht, wobei R2 ein variabler Widerstand ist. Im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers OP1 liegt der Widerstand R4, der weiterhin über einen Widerstand R3 mit einer Spannungsquelle, die die Spannung US liefert, mit Masse in Verbindung steht. Die Eingangsspannung ist UE, die Ausgangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers OP1 ist mit UA bezeichnet.

Die Einstellung der Verstärkung erfolgt durch Variation des Wertes des Widerstandes R2, der Verstärkungsfaktor, der erzielt werden kann, ist mit V bezeichnet. Die Offsetkompensation wird mit Hilfe der Spannung US, die subtrahiert wird, durchgeführt. Mit einer solchen Schaltungsanordnung kann ein Kennlinienabgleich an zwei Punkten stattfinden. Ein solcher Kennlinienabgleich kann zu Fehlern führen, die in Fig. 2 angegeben sind. In Fig. 2 ist der Fehler Δλ in Prozent angegeben. Dieser Fehler ist in den Abgleichspunkten P1, P2 gleich 0, da zwischen P1 und P2 sowie links und rechts von P1 bzw. P2 kein eindeutiger Kennlinienverlauf vorliegt, sind Verläufe denkbar, die mit 1 bis 7 bezeichnet sind, wobei 1 bzw. 7 die Verläufe mit den größten Fehlern darstellen.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Ausgangsspannung UA über der Eingangsspannung UE für den Fall dargestellt, daß ein dreifacher Abgleich stattfindet. Die Abgleichpunkte sind mit P3, P4, P5 bezeichnet, die zugehörigen Abgleichbereiche sind mit 1. Abgl. sowie 2. Abgl. und 3. Abgl. bezeichnet. Die zugehörigen Ströme, die durch das Zuschalten von Stromquellen erzeugt werden, sind I1, I2, I3.

In Fig. 4 ist eine Stufe einer Schaltungsanordnung dargestellt, mit der ein Mehrfachabgleich durchgeführt werden kann, wobei dazu in jedem Luftmassenbereich unabhängig abgeglichen werden kann, unter der Voraussetzung, daß eine Abgleichreihenfolge eingehalten wird und Stromquellen zugeschaltet werden. Im einzelnen umfaßt die Schaltung nach Fig. 4: Einen Operationsverstärker OP2, dessen nicht invertierendem Eingang die Spannung UE zugeführt wird und dessen Ausgang mit der Basis eines Transistors T1 in Verbindung steht, dessen Emitter mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 verbunden ist und über einen variablen Widerstand R7, der als Abgleichwiderstand dient, mit einer Spannungsquelle, die die Spannung U0 liefert, in Verbindung steht.

Am Kollektor des Transistors T1 entsteht die Ausgangsspannung UA. Zusätzlich zu den genannten Bauteilen liegt zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 und dem Kollektor des Transistors T1 ein Widerstand R5, dessen ausgangsseitiger Anschluß über einen variablen Widerstand R6 auf Masse liegt.

Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 4:

Ist die Eingangsspannung UE kleiner als die Spannung UO, sperrt sowohl der Operationsverstärker OP2 als auch der Transistor T1. Die Ausgangsspannung ist dann: UA = R6/(R6 + R5) × UE = V1 × UE.

Ist die Eingangsspannung UE größer als UO gilt:

UA = UE - R5 × (UA/R6 + (UE - UO)/R7)

daraus folgt:

UA = (V1 - V2) × UE + V2 × UO, wobei gilt
V1 = R6/(R6 + R5) und
V2 = R6/(R6 + R5) × R5/R7

Dieser Zusammenhang gilt für beliebig viele Stufen. Dabei wird am Ausgang der Schaltung ein Massefehlerausregelverstärker eingesetzt, damit die Gesamtschaltung auf eine Masse bezogen ist, wodurch sie eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit erhält.

In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit der ein Dreipunkt-Abgleich möglich ist und eine Massefehlerausregelung erfolgt. Die gesamte Schaltungsanordnung unterteilt sich in einen ersten Teil 8, in dem der Dreipunkt-Abgleich erfolgt und einen Schaltungsteil 9, der zur Massefehlerausregelung dient.

Die auszuwertende Spannung UH (entspricht UE), die am Heizwiderstand RH liegt, wird den nicht invertierenden Eingängen der beiden Operationsverstärker OP3 und OP4 zugeführt. Die Ausgänge dieser Operationsverstärker führen jeweils auf die Basis der Transistoren T2 und T3, deren Emitter mit den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker verbunden sind und über Widerstände R11 bzw. R12 mit zwei als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkern OP5 und OP6 verbunden sind.

Die nichtinvertierenden Eingänge dieser Operationsverstärker OP5 und OP6 sind über eine Serienschaltung von Widerständen R15, R16, R17 zwischen einen Referenzspannungsanschluß R und Masse geschaltet, wobei die Referenzspannung UR über eine Zenerdiode D1 stabilisiert wird. Die am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP6 anstehende Spannung ist mit US1 bezeichnet, US2 ist die entsprechende Spannung am OP5.

Der Referenzspannungsanschluß liegt über einen Widerstand R8 an Versorgungsspannung und über einen Widerstand R13 am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP7, in dessen Rückkopplungszweig der Widerstand R14 liegt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP17 ist über den Widerstand R9 mit dem Heizwiderstand RH verbunden. Ein abgleichbarer Widerstand R10 liegt zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP7 und Masse. Der Referenzspannungsanschluß R führt auch noch auf Steuergeräteanschlüsse RK, TF.

Der beschriebene Teil der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ermöglicht den Dreipunkt-Abgleich. Dieser Schaltungsteil ist mit 8 bezeichnet. Der Schaltungsteil 9 zur Massefehlerausregelung umfaßt die Serienschaltung der Widerstände R18 und R19, wobei der Widerstand R19 einerseits mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP7 und andererseits mit dem nicht invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers OP8 verbunden ist. Im Rückkopplungszweig dieses Operationsverstärkers OP8 liegt ein Widerstand R20 und parallel zu diesem ein Kondensator C2. Über die Widerstände R21 und R23 ist der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP8 auf Masse gelegt. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP8 entsteht die Spannung +UA, am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R21 und R23 die Spannung -UA.

Die Schaltung für den Dreifachabgleich funktioniert prinzipiell gleich wie die Schaltung nach Fig. 4. Für die Spannungszusammenhänge gilt:

a) UH < US1: UA = V1' × UH - US
b) US1 < UH < US2: UA = V1' × UH - V2' × (UH - US1) - US
c) UH < US2: UA = V1' × UH - V2' × (UH - US1) - V3 × (UH - US2) - US

wobei V1', V2' und V3 Widerstandsverhätnisse sind. Die Spannung US wird jeweils subtrahiert (Offsetkompensation).

Für das Abgleichverfahren gilt: Es wird zunächst m1 im Bereich a) angefahren, es wird dann der Widerstand R10 abgeglichen. Im nächsten Schritt wird der Massedurchsatz m2 im Bereich b) angefahren und R11 abgeglichen und im dritten und letzten Schritt der Massedurchsatz m3 angefahren und der widerstand R12 abgeglichen. Damit ist der Dreipunktabgleich beendet. Wegen des weichen Einsetzens der Spannungsdifferenz UH - US1 entstehen keine Kennlinienknicke sondern fließende Übergänge. Durch geeignete Dimensionierung der Bauelemente des Schaltungsteiles 9 kann ein einheitlicher Massebezug der Schaltung auf Leistungsmasse erzielt werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung für die Ausgangsspannung eines Sensors, insbesondere eines Luftmassenmessers mit einer von einer vorbeiströmenden Luftmasse abhängigen Ausgangsspannung,

1. - die die Ausgangsspannung des Sensors als Eingangsspannung UE zugeführt erhält,
2. - die daraus über zu- oder abschaltbare Stromquellen eine korrigierte Ausgangsspannung UA bildet, wobei die Zu- oder Abschaltung der Stromquellen abhängig davon erfolgt, in welchem von mindestens drei Spannungsbereichen die Eingangsspannung UE liegt,
3. - die solche Stromquellen aufweist, die mit Hilfe wenigstens je eines Operationsverstärkers, der einen Transistor ansteuert, gebildet sind, und
4. - die in jedem der mindestens drei Spannungsbereiche einen unabhängigen Abgleich mit Wirkung auf die Bildung der Ausgangsspannung UA mittels charakteristischer Widerstände erlaubt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungsteil vorgesehen ist, der als Massefehlerausregelverstärker wirkt und wenigstens einen Operationsverstärker umfaßt, an dessen Ausgang eine Spannung entsteht, die auf eine einzige Masse bezogen ist.

3. Verfahren zum Abgleichen einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 im Falle eines Luftmassenmessers als Sensor, bei dem für jeden der Spannungsbereiche ein passender Massedurchsatz vorgegeben und der zugehörige charakteristische Widerstand so lange verändert wird, bis das gewünschte Abgleichsergebnis vorliegt, wobei dieser Abgleich im niedrigsten Spannungsbereich beginnend zu größer werdenden Eingangsspannungen hin vorgenommen wird.