KR19990067365A

KR19990067365A - 유체의 유동률을 측정하는 장치

Info

Publication number: KR19990067365A
Application number: KR1019980703375A
Authority: KR
Inventors: 조셉 클라인한스
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1995-11-11
Filing date: 1996-07-24
Publication date: 1999-08-16
Also published as: CN1202241A; CN1107221C; EP0859943B1; JP2000512734A; DE59608162D1; DE19542143A1; KR100436611B1; WO1997018444A1; US6047597A; EP0859943A1

Abstract

본 발명은 유체의 유동률을 측정하는 장치에 관한 것으로, 이 장치에서는 필라멘트 저항이 유체가 흐르는 아랫쪽과 위쪽에 놓인 최소한 하나의 온도 의존적 저항을 가열하되, 이때 유체에 의해 각기 다른 정도로 냉각되는 저항들이, 대각 전압이 저항들의 온도차에 따라 좌우되는 브리지에 회로화되어 있다. 이 전압(UM)을 처리해서 결국 유체의 질량을 파악한다. 저항의 온도는 고유의 필라멘트 제어 회로에 의해 조정되는데, 이 필라멘트 제어 회로는 필라멘트 저항에 의해 전류를 조정함으로써 필라멘트 저항의 온도가 지정가능한, 유체 온도의 함수가 되도록 한다. 고온 평형 단계(DT)와 컨버터 회로(UMS)를 이용해서 온도가 평형 상태가 되도록 하고, 온도 평형 상태를 이용해서 온도가 높을 때 측정 전압(UM)이 보정되도록 한다.

Description

유체의 유동률을 측정하는 장치

센서 및 이에 부속되어 유체의 유동률을 파악하는 감지 회로(detection circuit)는 예를 들어 DE-OS 43 24 040으로부터 소개되었다. 종래 이같은 질량 유동률 센서의 경우 센서 요소가 기류 등의 유체에 노출된다. 이때 센서 요소는 제어되는 흐름을 전달함으로써 파악할 유체에 비해 초과 온도(excess temperature)가 되는 가열 필라멘트(heating filament)를 포함한다. 가열 필라멘트에 필라멘트 온도 탐침(heating filament temperature probe) 및 유체의 온도를 파악하는 온도 탐침이 있다. 가열 필라멘트와 공간적으로 인접한 곳에 두 개의 온도 의존적 저항(temperature-dependent resistance)이 위치한다. 이 저항들은 파악할 매체가 흐르는 방향을 기준으로 가열된 저항의 측면에 위치함으로써 온도 의존적 저항들이 가열된 저항과 같은 정도로 가열되도록 한다. 그러나 온도 의존적 저항들이 유체에 의해 냉각되는 정도는 각기 다르다. 먼저 흘러오는 저항이 나머지 저항보다 더 냉각되기 때문이다. 이로부터 야기되는 온도차로 인해 여기서 제안되는 브리지 회로의 경우 브리지의 대각선에 측정 전압이 생긴다. 이 측정 전압에 따라 유체의 질량이 파악된다.

본 발명은 독립 청구항의 유형에 따른, 내연기관에 흡입된 기체의 양과 같이 유체의 유동률을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 장치의 회로 전체를 도시한 회로도.

본 발명은 유체의 유동률을 측정하는 장치에 관한 것이며, 본 발명에 따른 이 장치는 필라멘트 제어 회로의 구성 요소인 제 1 저항 구성(resistance arrangement)이 배치되고 유체에 노출할 수 있는 기판 및 지정가능한 초과 온도로 가열할 수 있는 최소한 하나의 저항 및 대각 브리지가 공급 전압과 접지 사이에 놓인 브리지로서 연결되고 최소한 두 개의 온도 의존적 저항을 포함하는 제 2 저항 구성이 포함되며, 이때 온도 의존적 저항이 측정할 매체가 흐르는 방향을 기준으로 필라멘트 저항의 위와 아래에 배치됨으로써 필라멘트 저항에 의해 균일하게 가열되고, 반면 흐르는 매체에 의해 각기 다른 정도로 냉각되며, 온도차로 인해 나머지 브리지 대각에 나타나는 측정 전압이 유동률 측정을 위해 검출되고,

브리지 회로에 온도 의존적 저항들을 가지고, 측정 전압과 중복되는 온도 의존적 대각 전압을 파악하는 제 3 저항 구성(HTA)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 한 실시예가 도면에 그려져 있고, 다음 설명 부분에서 보다 자세히 설명된다. 도 1은 본 발명에 의한 장치의 회로 전체를 도시하며. 장치에는 필라멘트 제어 회로 및 최소한 일부는 DE-OS 43 24 040에서 소개된 소위 ΔT 브리지 회로가 설치되어 있다. 또한 도면에 따른 회로는 추가된 고온 평형 단계(high-temperature balancing stage)도 포함한다.

도면은 유체의 유동률을 측정하는, 본 발명에 의한 장치를 도시하며, 전체 구성이 기판(10) 위에 놓이고, 내연기관의 흡입관 안의 기류 등 파악할 매체에 적절한 방법으로 노출된다.

필라멘트 제어 회로(HK)는 저항(R1, R2, R3, RHF, RLF)을 갖는 브리지 회로를 포함하는데, 여기서 RHF는 필라멘트 온도 탐침이고, RLF는 기체 및 매체의 온도 탐침이며, 이 저항들의 값은 온도에 따라 달라진다. 필라멘트 제어 회로(HK)의 저항 브리지는 전압(UK)과 접지 사이에 놓인다.

트랜지스터(T1)의 컬렉터 이미터 구간 및 저항(R10)을 거쳐 배터리 전압(UB)에 접하는 필라멘트 저항(RH)에 의해 가열이 이루어지는데, 이때 전압 안정화를 위해 저항(R10)과 접지 사이에서 10진 다이오드(D1)가 추가로 켜진다. 필라멘트 저항(RH)의 다른 면은 저항(R5)을 거쳐 접지와 연결된다.

필라멘트 제어 회로의 브리지 회로의 두 번째 대각선은 연산 증폭기(OP1)의 두 입력과 연결된다. 연산 증폭기(OP1)의 출력은 트랜지스터(T1)의 베이스 전극으로 이어진다. 연산 증폭기(OP1)의 반전 입력과 필라멘트 저항(RH) 내지 트랜지스터(T1)의 이미터 사이에 또 하나의 저항(R4)이 위치한다.

본래의 측정 회로는 저항(RAB1, RAB2, RAU1, RAU2, RP)을 갖는 저항 브리지 회로인데, 온도차 브리지(ΔT 브리지 회로)(DT)라고 일컫는다. 이 저항들은 온도 의존적인 저항들로서, 필라멘트 저항(RH) 및 필라멘트 온도 탐침(RHF)과 마찬가지로 매체의 온도에 비해 초과 온도에 위치한다. 이때 저항(RAB1, RAB2)은 파악할 매체가 흐르는 방향을 기준으로 필라멘트 저항의 아랫쪽에 배치되는 반면, 저항(RAU1, RAU2)은 윗쪽에 배치된다.

ΔT 회로(DT)의 저항 브리지의 대각선은 연산 증폭기(OP1)의 출력에 접하고, 연산 증폭기(OP2)의 비반전 입력에는 저항(R20)을 거쳐 참조 전압(UR)이 전달되며, 저항(R20)과 접지 사이에는 또 하나의 저항(R14)이 위치한다. 상기 브리지 대각선의 나머지 면 역시 접지 위에 놓인다

나머지 브리지 대각선에서 나타나는 전압은 저항(RP)과 평행하게 놓인 포텐셔미터(P1)에 의해 분리된다. 포텐셔미터(P1)의 연삭기 결선(grinder connection)은 증폭기(OP3)의 비반전 입력으로 이어지는데, 증폭기(OP3)의 반전 입력은 저항(RAB1)과 저항(RAU1) 사이의 결합점과 연결된다. 증폭기(OP3)는 증폭률을 조정할 수 있는 증폭기이다. 디지털 증폭률 평형(digital balancing of amplification rate)은 세 개의 결선(PR, DA, TA)을 갖는 회로 블록(VA)에 의해 이루어지는데, 이 세 개의 결선을 거쳐 외부의 검출기로부터 필요한 트리거 신호들이 전달된다.

증폭기(OP3)는 분압기(R21, R22)를 거쳐 연산 증폭기(OP2)의 출력 및 반전 입력과도 연결된다. 측정 전압(UM)을 연결할 수 있는 증폭기(OP3)의 출력은 앞으로 설명할 컨버터 회로(UMS)의 구성 요소인 저항 조합(resistance combination)(R7, R6, R13)으로 이어진다.

컨버터 회로(UMS)에는 앞서 언급한 저항들 외에 연산 증폭기(OP4)도 포함하는데, 연산 증폭기(OP4)의 비반전 입력은 저항(R6, R7, R13)들 사이의 결합점과 연결되어 있고, 출력은 저항(R9)을 거쳐 반전 입력과 연결된다. 연산 증폭기(OP4)의 출력에서 출력 전압(UA)이 생성되는데, 출력 전압(UA)은 유체의 질량을 측정하는데 고려된다. 저항(R8)을 거쳐 고온 평형 단계(HTA)로 이어지는 컨버터 회로(UMS)에 의해 고온 평형 단계에서 생성된 평형 전압이 측정 브리지로부터 전달된 전압(UM)과 중복된다. 고온 평형 단계(HTA)는 저항(R11, R12) 및 온도 의존적 저항(R15, R16)을 포함하는데, 이 저항들은 브리지로서 회로화되고, 한편으로는 연산 증폭기(OP2)의 출력 및 DT 브리지의 해당 결선과 연결되는 반면, 브리지의 나머지 면은 접지에 놓인다.

나머지 브리지 대각선에 두 개의 포텐셔미터(P2, P3)가 위치하는데, 이때 포텐셔미터의 한 쪽 결선은 고정되고, 다른 한 쪽은 조정이 가능하다. 포텐셔미터(P3)의 고정된 결선은 저항(R8)을 거쳐 컨버터 회로(UMS)로 이어진다. 가변적인 연삭기 결선은 컨버터 회로(UMS)의 저항(R6, R7)을 거쳐 측정 전압(UM)이 놓인 연산 증폭기(OP3)의 출력으로 이어진다.

도면에서 볼 수 있는 전체 배치 중에서 고온 평형 단계(HTA)와 컨버터 회로가 본 발명의 주요 구성 요소이다. 반면 필라멘트 제어 회로(HK)와 DT 브리지는 대개 DE-OS 43 24 040으로부터 소개된 바 있다.

전체 장치의 작동 방식을 설명하기 위해서는 우선 필라멘트 제어 회로(HK) 및 DT 브리지를 다루어야 한다. 그런 다음 고온 평형 단계 및 컨버터 회로(UMS)를 설명하기로 한다.

저항(RH), 즉, 필라멘트 저항 및 필라멘트 저항의 온도를 파악하는 저항(RHF), 실시예에서 분리된 저항(RAU1, RAU2, RAB1, RAB2)으로서 형성되는 저항(RAU 및 RAB)은 멤브레인 등의 기판(S) 위에 배치된다. 이때 필라멘트 저항(RH)은 저항(RHF)에 의해 완전히 둘러싸이고, 저항(RAU 및 RAB 내지 RAU1, RAU2 및 RAB1, RAB2)은 각각 저항(RH, RHF)의 측면에 배치된다. 도면에서 화살표와 기호m으로 표시된 매체의 흐름은 우선 저항(RAU 내지 RAU1, RAU2)을 거치고 저항(RH)를 거친 다음 저항(RAB 내지 RAB1, RAB2)을 거쳐 흐른다. 그 결과 저항(RAU)이 저항(RAB)보다 더 냉각된다. 이같은 냉각의 차이를 검출해서 유체를 파악한다.

필라멘트 저항(RH) 가까이에서 기판 내지 멤브레인의 온도를 측정하는 저항(RHF)은 도면에서 볼 수 있듯이 브리지 회로 안에 위치한다. 저항(RHF)이 배치되어 있는 브리지 분기(bridge branch)는 연산 증폭기(OP1)의 반전 입력과 접속된다. 연산 증폭기(OP1)의 출력 전압은 트랜지스터(T1)의 베이스 전극에 영향을 주어, 필라멘트 저항(RH)에 반작용(retroaction)이 일어남으로써 저항(RHF)이 가열되어 저항(RH)으로의 흐름이 감소되도록 한다.

나머지 브리지 분기에는 저항값이 기체의 온도에 따라 달라지는 저항(RLF)이 위치한다. 이 저항 분기는 연산 증폭기(OP1)의 비반전 입력에 영향을 미치기 때문에, 기체 내지 유체의 온도가 올라가면 필라멘트 저항(RH)에 의해 흐름이 증가하는 것이 일반적이다. 따라서 양쪽 브리지 분기가 필라멘트 저항에 영향을 주어, 기체의 온도에 비해 일정한 초과 온도, 즉, 기체의 온도와 가열 필라멘트의 온도 간에 일정한 온도차가 발생하도록 한다.

마찬가지로 연산 증폭기의 반전 입력에 반작용하는 브리지 분기에 위치하는 저항(R1 및 R3)을 적절하게 선택함으로써 초과 온도도 온도에 따라 좌우되도록 할 수 있다. 그렇게 되면 기체의 온도와 비교할 때 가열 필라멘트(RH)의 초과 온도가 기체 온도의 함수가 되어 일정하지 않게 된다. 이때 저항(R1 및 R3)은 백금 저항의 형태를 갖도록 함으로써, 기체 내지 매체의 온도에 따라 저항값이 변하도록 해야 한다. 필라멘트 저항의 온도가 주변 온도에 따라 달라지는 성질은 열전도율이나 밀도의 온도 의존성과 같은 이차 효과 또는 이와 유사한 효과를 보정하는데 이용할 수 있다. 저항(R1, R3, RHF)의 저항값을 적절하게 선택함으로써 센서의 출력 특성이 직선이 되도록 할 수 있다.

질량 유동률을 검출하기 위해서는 두 개의 저항〔RAU(유체가 흐르는 윗방향) 및 RAB(유체가 흐르는 아랫 방향)〕내지 도면에서 볼 수 있는 배치의 경우 RAU1, RAU2 및 RAB1, RAB2가 있어야 한다. 기판의 윗면에 어떠한 흐름도 스치지 않는 경우 저항(RAB 및 RAU)이 필라멘트 저항(RH)에 의해 균일하게 가열된다. 기판의 윗면에 흐름이 있으면 윗쪽에 놓인 하나 또는 그 이상의 저항(RAU1, RAU2)이 아랫쪽에 놓인 하나 또는 그 이상의 저항(RAB 내지 RAB1, RAB2)보다 더 강하게 냉각된다. 또한 흐름이 열을 필라멘트 저항(RH)으로부터 유체가 흐르는 아랫쪽에 놓인 저항을 향해 운반하기 때문에, 유체가 흐르는 아랫쪽에 위치한 저항(RAB)의 온도가 흐름에 의해 상승하도록 할 수도 있다.

저항(RAU1과 RAB1 및 RAU2과 RAB2)은, 저항(RP) 및 이와 병렬로 연결되고 연산 증폭기(OP3)에 의해 트리거되는 포텐셔미터(P1)에 의해 평형 상태가 되는 브리지 회로에 위치한다. 포텐셔미터(P1)의 저항비를 외부에 있는 연산 증폭기(OP3)가 영향을 주어 언제라도 외부로부터 변경할 수 있기 때문에 최적의 평형 상태를 이룰 수 있다. 증폭기(OP3)는 디지털 증폭률 평형을 이룰 수 있도록 하는 평형 단계(VA)를 거쳐 영향을 미친다. 이를 위해 입력〔PR(프로그램)과 DA(데이터)〕을 거쳐 평형 단계(VA)에 신호들이 전달되고, TA를 거쳐 타이밍 신호들이 VA에 도달한다.

지금까지 설명한 회로 배치의 특성을 보다 개선하기 위해 고온 평형 단계(HTA)가 사용된다. 고온 평형 단계의 주요 구성 요소는 저항(R11, R12, R15, R16)을 가진 저항 브리지 회로로서, 저항들 중 저항(R15와 R16)은 예를 들어 동일한 온도 의존성을 갖는다. 이때 실온에서는 저항비(R11/R15)가 저항비(R12/R16)과 같아야 한다. 따라서 브리지의 대각 전압은 실온에서 0 밀리볼트와 같게 된다.

저항(R15 및 R16)의 온도 의존성 때문에 다른 온도에서는 0과 같지 않고 온도에 비례하는 대각 전압(UD)이 발생한다.

고온 평형 단계(HTA)의 두 포텐셔미터(P2 및 P3)는 저항 브리지의 분로(shunt arm)에 배치된다. 이때 P3는 중립 위치로 조정된다. 즉, 연삭기 좌우의 포텐셔미터 저항이 같게 된다.

포텐셔미터(P2)에서 연삭기의 위치는 가변적이다. 이 포텐셔미터(P2)로 온도 오차를 보정하기 위해 필요한 부분을 조정할 수 있다. 이같은 조정은 연산 증폭기(OP3)에서 출력 전압(UM)에서 시작된다. 저항(R8과 R6)을 최적으로 분리할 경우 온도 의존적 전압이 생성되고, 이때 앞서 언급한 것처럼 다음이 충족되면 고온에서의 평형이 실온에서의 평형 과정에 영향을 미치지 않게 된다: 실온에서 R11/R15 = R12/R16. 저항(R8과 R6)은 고임피던스 저항(R8, R6)이나 전압 추종 회로를 이용해서 분리할 수 있다.

특히 흐름이 적을 때 고온 평형 단계로 매체의 온도가 측정 결과에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 이때 고온 평형 상태를 이루는 과정에서 온도가 일정할 필요는 없다. 단지, 실온과 비교해 온도가 충분히 높아야 한다. 도면에서 볼 수 있는 회로 배치, 특히 필라멘트 제어 회로(HK) 또는 온도차 브리지(DT) 부분은 예시적으로 나타낸 것이다. 이와 비슷한 효과가 있는 다른 회로 배치도 가능하다. 앞서 언급한 것처럼, 예를 들어, 저항(RAB1과 RAB2) 및 저항(RAU1과 RAU2)을 각 하나의 저항으로 통합할 수 있다. 또한 필라멘트 온도 탐침(RHF)에 보정 저항들(compensation resistances)을 직렬로 연결할 수도 있다. 이때 보정 저항들은 각각 브리지 분기 이전과 이후에 위치할 수 있다.

DT 브리지 회로에서 예를 들어 저항(RP)을 생략하고 포텐셔미터(P1)만 대체할 수 있다. 전체 배치 가운데 IC1이라고 불리는 이 부분은 예를 들어 하이브리드 회로로서, 다수의 연산 증폭기 및 전원, 트랜지스터를 비롯하여 온도 계수를 선택할 수 있는, 일정한 수의 하이브리드 저항을 포함한다.

도면에 그려진 전체 구성을 하나의 칩에 통합할 수 있는데, 이 칩에는 다음 수치들이 전달 또는 인수되는 결선이 있다:

독립청구항의 특징들을 가지고 유체의 유동률을 측정하는, 본 발명에 의한 장치는 종래의 장치에 비해 온도 반응이 대폭 개선되는 장점이 있다. 특허청구된 장치의 고온 반응 측면에서 특히 개선효과가 크다. 종래 회로 구성(circuit arrangement)에서 고온 평형 상태에 도달하게 하는 저항 브리지 회로(resistance bridge circuit)를 추가함으로써 이같은 장점이 얻어진다.

본 발명이 가진 그밖의 장점들은 하위 청구항들에 설명된 조치를 통해 얻어진다.

UB: 배터리 전압

UR: 참조 전압

PR: 증폭기 제어를 위한 프로그램

DA: 데이터 입력

TA: 클록 주파수

UA: 출력 전압

GND: 접지

Claims

필라멘트 제어 회로의 구성 요소인 제 1 저항 구성(resistance arrangement)이 구성되고 유체에 노출할 수 있는 기판 및 지정가능한 초과 온도로 가열할 수 있는 최소한 하나의 저항 및 대각 브리지가 공급 전압과 접지 사이에 놓인 브리지로서 연결되고 최소한 두 개의 온도 의존적 저항을 포함하는 제 2 저항 구성이 포함되며, 이때 온도 의존적 저항이 측정할 매체가 흐르는 방향을 기준으로 필라멘트 저항의 위와 아래에 구성됨으로써 필라멘트 저항에 의해 균일하게 가열되고, 반면 흐르는 매체에 의해 각기 다른 정도로 냉각되며, 온도차로 인해 나머지 브리지 대각에 나타나는 측정 전압이 유동률 측정을 위해 검출되는, 유체의 유동률을 측정하는 장치에 있어서,

브리지 회로에 온도 의존적 저항들을 가지고, 측정 전압과 중복되는 온도 의존적 대각 전압을 파악하는 제 3 저항 구성(HTA)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 제 3 저항 구성이, 브리지의 분로에 위치하는 최소한 두 개의 포텐셔미터를 포함하는데, 포텐셔미터 중 하나는 고정되고, 나머지 하나는 가변적인 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서, 조정가능한 포텐셔미터가 측정 전압(UM)에 따라 가변적이고, 이때 포텐셔미터의 저항비가 측정 전압(UM)이 놓인 연산 증폭기(OP3)의 출력 신호에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 온도 보정 출력 신호(UA)를 생성하기 위해 제 3 저항 구성의 대각 전압(UD)과 측정 전압(UM)이 컨버터 회로(UMS)에서 중복되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 제 3 저항 구성(HTA)의 저항들이 실온에서 R11/R15 = R12/R16이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 가변적인 포텐셔미터를 조정해서 온도가 비교적 높을 때 온도 오차를 최적으로 보정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 저항들(R6과 R8)이 고임피던스 저항이거나 연산 증폭기(OP4)가 전압 추종자로서 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.