WO2007020115A1 - HEIßFILMLUFTMASSENMESSER MIT FREQUENZMODULIERTER SIGNALERFASSUNG - Google Patents

HEIßFILMLUFTMASSENMESSER MIT FREQUENZMODULIERTER SIGNALERFASSUNG Download PDF

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WO2007020115A1
WO2007020115A1 PCT/EP2006/063120 EP2006063120W WO2007020115A1 WO 2007020115 A1 WO2007020115 A1 WO 2007020115A1 EP 2006063120 W EP2006063120 W EP 2006063120W WO 2007020115 A1 WO2007020115 A1 WO 2007020115A1
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WO
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measuring
air mass
hot
frequency
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PCT/EP2006/063120
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Bernhard Opitz
Ulrich Wagner
Carsten Raudzis
Axel Franke
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G01F1/6986—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters with pulsed heating, e.g. dynamic methods
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • the invention relates to a hot film air mass meter for measuring an air mass flow flowing with a main flow direction using a frequency-modulated signal detection and a method for operating such a H strictlyukin-modulated signal detection and a method for operating such a H strictlyukin-modulated signal detection and a method for operating such a H strictlyukin-modulated signal detection.
  • Such H strictlyfiluuftmassenmesser be used in particular in the intake of an internal combustion engine.
  • gas mass in particular an air mass
  • gases which take place under controlled conditions.
  • An important example is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with subsequent catalytic emission control.
  • Various types of sensors are used to measure the air mass flow rate.
  • a sensor type known from the prior art is the so-called hot film air mass meter (HFM), which is described for example in DE 196 01 791 A1 in one embodiment.
  • HFM hot film air mass meter
  • Such a hot-film air mass meter usually uses a sensor chip which has a thin sensor membrane, for example a silicon sensor chip.
  • On the sensor membrane is typically arranged at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors).
  • the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors and can be evaluated by means of a control and evaluation circuit. So, for example, from a resistance difference the temperature measuring resistors, an air mass flow can be determined.
  • Various other variants of this type of sensor are known in the art.
  • a problem of this type of sensor which is known for example from DE 101 11 840 C2, is that contaminations of the sensor type can frequently occur, for example contamination by oil, other liquids or other types of contaminants.
  • the sensor chip is usually used directly in the intake tract of the internal combustion engine or in a bypass to the intake tract of the internal combustion engine.
  • oil may be deposited on the sensor chip and, in particular, on the sensor membrane. This oil precipitate can lead to an undesired influence of the measurement signal of the sensor chip, in particular since an oil film acts on the surface of the sensor chip on the thermal conductivity of the surface, which leads to the falsification of the measurement signals.
  • the oil contamination can also occur during or shortly after switching off the internal combustion engine, for example a diesel engine.
  • DE 101 11 840 C2 therefore proposes a method for preventing soiling on a sensor chip using an auxiliary heater.
  • the sensor chip has a sensor area and an additional heater arranged outside the sensor area. This additional heater is electrically heated so that in the area of the additional heater thermal gradient vortices occur, which lead to precipitation of the contaminants of the flowing medium in the region of the additional heater away from the region of the sensor area.
  • a disadvantage for example, is that a localization of the Thermogradientenwirbel, which is intended by the device disclosed in DE 101 11 840 C2, in practice is hardly possible. Due to the high thermal conductivity of the silicon, the heat generated by the additional heater spreads easily over the entire chip, resulting in a "Smeared" temperature distribution and thus leads to a Auflieizung the entire chip.
  • typical hot film air mass meters are constructed to include a sensor membrane (eg, a silicon membrane) of low thermal conductivity and a surrounding chip land.
  • a sensor membrane eg, a silicon membrane
  • a surrounding chip land e.g., a silicon membrane
  • a temperature gradient and, accordingly, a liquid wall usually builds up at the edges of the sensor membrane, ie at the boundary to the surrounding chip mainland. Due to the air flow, this liquid wall can be entrained in whole or in part, so that oil droplets can reach the sensor membrane and influence the measurement there. Furthermore, the liquid wall causes an increase in the thermal conductivity at the edge of the sensor membrane, which can lead to a distortion and drift of the measurement signal.
  • a hot-film air mass meter is therefore proposed for measuring an air mass flow flowing in a main flow direction, in particular in the intake tract of an internal combustion engine, and a method for operating such a hot-film air mass meter which avoids the disadvantages of the devices and methods known from the prior art.
  • the hot-film air mass meter has a sensor chip with a chip surface that can be overflowed by the air mass flow.
  • a "main flow direction" may be understood to mean, for example, a main transport direction of the air mass flow at the location of the hot air mass meter, for example at the location of a sensor chip
  • the sensor chip may be a silicon chip, the chip surface in turn has a measurement surface and a mainland surface, whereby this division of the chip surface should in particular be effected in such a way that that the sensor chip has at least an order of magnitude lower transverse conductivity in the area of the measuring surface than in the area of the mainland surface .
  • This reduction of the transverse conductivity can be achieved in various ways e known from the prior art and described above, sensor chips are used with a sensor membrane, which has a thickness of only a few microns.
  • the low thermal conductivity (about 0.02 W / m K) of the air surrounding the sensor membrane is utilized.
  • one or more porous regions may be formed in the sensor chip as a measuring region with a measuring surface facing the air mass flow, for example by a porosification of a silicon chip. In this way, measuring ranges can be produced which have transversal conductivities of 0.1 to 2 W / m K, due to the enclosed air cavities, compared to a silicon substrate with a thermal conductivity of about 156 W / m K.
  • a central H On the measuring surface of the hot-film air mass meter, a central H discloseinuftmassenmersserscnies is applied.
  • applied is meant an application directly to the measurement surface or, alternatively or additionally, an application below the surface overflowed by the air mass flow, the hot film air mass sensor circuit being completely or partially covered by an additional layer, for example
  • the at least one central heating element and the at least two temperature sensors may be designed as strip conductors or conductor loops
  • Other configurations are also possible and are known to the person skilled in the art
  • the outer dimensions of the central hot-film air mass meter circuit may be, for example, a transmitter Define the sensor area on the measurement surface.
  • the measurement surface may be divided into a sensor area and an area outside the sensor area.
  • the hot-film air mass meter is operated according to the method described below, wherein the hot-film air mass meter has the additional devices required in addition to carrying out the method according to the invention in one of its embodiments.
  • the described method steps do not necessarily have to be performed in the order shown. Furthermore, additional, not shown, process steps can be performed. Also, process steps can be repeated or parallel in time.
  • a basic idea of the present invention is to spatially separate the above-described thermal displacement effects of soiling as a result of heating the measuring surface (approximately temporally approximately constant) from the actual measuring of the air mass flow.
  • a periodic heating by means of the central heating element is used for measuring the air mass flow, wherein the spatial heating due to the thermal inertia of the measuring surface does not extend into the region of contamination, but is essentially limited to a central region within the measuring surface.
  • a frequency modulation method for example a modified "lock-in method", which additionally minimizes environmental influences, for example the above-described interference by impurities, on the signal detection
  • a thermal, "DC” component temporary approximately constant
  • a thermal "AC” component periodic
  • the basic idea of this modulation method is thus to periodically design the thermal stimulation by the at least one central heating element and to take into account only the portions which lie in the frequency range of the periodic stimulation in the subsequent measurement signal detection in the frequency spectrum. In this way, noise, such as noise or thermal drift, largely “hidden.”
  • the at least one central heating element with a frequency ⁇ periodically heated can take place in that the at least one central heating element has at least one heating resistor, wherein the periodic heating takes place by applying a voltage with frequency ⁇ / 2 to the at least one heating resistor. Since the heating power is proportional to the square of the voltage, this results in a periodic heating with a frequency ⁇ .
  • the central heating element In order to limit the periodic heating by the central heating element to an ambient region of the central heating element, it has proven to be advantageous to heat the frequency in a range of 100 Hz to 100 kHz and more preferably in a range between 100 Hz and 10 kHz to choose.
  • the typical materials used for sensor chips eg, silicon
  • typical dimensions of the measurement surface eg, having a width perpendicular to the main flow direction of 300-800 microns, preferably about 450 microns, with approximately central arrangement of the central heating element
  • Thermal signals in this frequency range are not or only poorly propagated in the chip materials in this frequency range or are strongly attenuated.
  • the spatial temperature profile of such a periodic heating therefore decreases exponentially, for example, with the distance from the thermal exciter (that is to say the at least one central heating element).
  • the exact course of this decay depends heavily on the chip structure used, which is usually a complex layer structure.
  • the temperature profile of the periodic heating used for the measurement of the air mass flow is not superimposed or marginally superimposed the air flow caused by contaminants accumulated there, which typically have an extent of approximately 100 m parallel to the main flow direction (ie into the region of the measurement surface).
  • the actual measurement actually detects substantially the main flow of the air mass flow, without significant influence by turbulence caused by impurities.
  • the temperature profile of the periodic heating used to measure the air mass flow tion is not or only insignificantly influenced by changes in the thermal conductivity of the measuring surface in the edge region of the measuring surface, which are also caused by the impurities occurring there. Both fluidically and thermally, the heating by the at least one central heating element is thus largely decoupled from the disturbances by impurities occurring in the edge region of the measuring surface.
  • At least two measuring signals are recorded by means of the at least two temperature sensors.
  • these at least two temperature sensors can be, for example, at least two temperature measuring resistors.
  • at least one of these at least two temperature sensors upstream of the at least one central heating element with respect to the main flow direction of the air mass flow and at least a second of the at least two temperature sensor downstream of the at least one central heating element with respect to the main flow direction.
  • the measurement signals are "raw signals" which are usually superimposed with disturbances, for example disturbances due to temperature drift or noise.Thus, an immediate evaluation of these at least two measurement signals, for example by a subtraction, is generally associated with errors according to the basic idea of the Er Therefore, at least two measuring signals are now demodulated with the frequency ⁇ , ie the same frequency with which the periodic heating of the at least one central heating element takes place.
  • the measuring signals are demodulated directly or that, alternatively or additionally, at least one difference is first formed from these measuring signals, which is subsequently demodulated, it being understood that under “Signals" here nic It is necessary to understand immediately the corresponding signals, but also that For example, a gain, a multiplication by a factor, a smoothing or the like can take place.
  • a signal proportional to the difference signal can also be used or generated.
  • a “demodulation” is to be understood as a method in which only the signals within the frequency range of the "excitation", in this case the periodic heating of the at least one central heating element, are detected and evaluated.
  • the term “at the frequency ⁇ ” does not necessarily mean that a frequency range of "zero width” is used, but a frequency range of finite width may be used, the width of the frequency range depending on the experimental setup.
  • an analog demodulation using higher harmonics can be used. Such methods are those skilled in other fields of technology, for. As the high frequency technology, known.
  • the demodulation can take place, for example, by mathematically multiplying the signal or signals to be demodulated by a periodic signal having a frequency corresponding to a decoding frequency.
  • the periodic measuring signal produces time-constant, ie non-periodic, portions as well as higher-frequency components
  • the other frequency range is converted exclusively into high-frequency components, but not into non-periodic components, so that the actual measurement signal can be filtered out using a low-pass filter, wherein higher-frequency components are discarded.
  • the demodulated measurement signals thus generated and / or the at least one demodulated difference signal can now be used for the evaluation, that is, for example, for calculating an air mass flow.
  • the described method and the device can additionally be developed according to the invention advantageously.
  • at least one sum signal may be formed, wherein the at least one sum signal has at least one sum of the at least two demodulated measurement signals and / or at least one demodulated sum of the at least two measurement signals.
  • the heating of the at least one central heating element can be regulated in such a way that the at least one sum signal is essentially constant over time.
  • this can be done by regulating the amplitude of the heating, for example by regulating the amplitude of a periodic heating voltage.
  • substantially constant over time it can be understood, for example, that a time deviation of not more than 10%, preferably not more than 7%, and particularly preferably a control deviation of less than 1%, is still tolerable.
  • the described demodulation method alone already has a high insensitivity to interference.
  • An improvement of the usefulness of the method described above has proven to be a further development of the method in which the demodulation method described above is additionally supported by additionally controlling the temperature of the measuring surface in the region of the central hot-air mass flow meter circuit.
  • the hot-film air mass meter may additionally comprise at least one tempering element, which is operated according to the invention such that the sensor chip is maintained in the region of the central hot-film air mass meter circuit during operation of the hot-film air-mass meter at a substantially constant basic temperature profile.
  • this time-constant basic temperature profile forms the "DC" component of the thermal heating of the measurement surface, which ensures that the contaminants are displaced into the edge region of the measurement surface only low-frequency changes in the basic temperature profile occur.
  • the deviations from this basic temperature profile over the time of operation of the H disclosers should be, for example, not more than 20%, preferably not more than 10%.
  • This "basic temperature profile” is preferably exclusively due to the at least one tempering element, wherein preferably not caused by the at least one central heating element caused periodic temperature fluctuations or only slightly in the basic temperature profile.
  • the additionally at least one tempering element may have a Peltier element or preferably at least one additional heating resistor.
  • the at least one Temperierelement is controlled with a corresponding control circuit such that the substantially constant Grundtemperaturprofll is maintained, which, as described above, by the periodic heating of at least one central heating element caused periodic temperature fluctuations in the regulation of the basic temperature profile should remain substantially unaccounted for.
  • This can be done, for example, by using one or more of the at least two measuring signals of the at least two temperature sensors and / or at least one additional measuring signal of at least one control temperature sensor to control the basic temperature profile, ie for controlling the at least one temperature control element.
  • These measuring signals can, in order to "hide” the influence of the periodic heating of the at least one central heating element, for example, be filtered by a low pass having a cutoff frequency below the heating frequency of the at least one central heating element and / or half of this heating frequency ( ⁇ / 2)
  • a low pass having a cutoff frequency below the heating frequency of the at least one central heating element and / or half of this heating frequency ( ⁇ / 2)
  • the basic temperature profile in the region of the central hot-film air mass meter circuit can, for example, have a substantially constant temperature profile.
  • substantially constant is to be understood as meaning that the temperature profile between the at least two temperature sensors used for the demodulation method does not change or changes only insignificantly, for example by no more than 20% set a "temperature plateau” between the at least two temperature sensors.
  • the measuring signals of these at least two temperature sensors have due to this "plateau” a common “offset", which disappears when forming a difference.
  • the basic temperature profile is preferably set in such a way that the temperature in the region of the basic temperature profile (edge regions outside of the central hot-film air mass meter circuit can be disregarded) is above the ambient temperature.
  • the temperature in the region of the basic temperature profile is at least 40 K, preferably 80 K, and especially preferably at least 120 K above ambient temperature.
  • edge area widths For typical edge area widths (where edge areas are those areas where contamination-induced flow turbulence and contamination-related changes in thermal conductivity occur) of about 150 ⁇ m, this means preferred average temperature gradients of at least about 0.2-0.3 K / ⁇ m, advantageously at least about 0.5 K / ⁇ m and more preferably at least about 0.8 K / ⁇ m.
  • the ambient temperature may be understood to mean, for example, a room temperature or preferably an operating temperature which, depending on the area of application of the hot-film air mass meter, may be subject to considerable fluctuations with respect to the room temperature.
  • the described hot-film air mass meter and the described method in one of the described embodiments have numerous further advantages over conventional devices and methods in addition to the already described advantages.
  • no absolute values of the temperature profile are detected, but only relative changes within a separately controlled temperature plateau. Contamination deposits outside this range therefore have no influence on the measuring signal.
  • the hot-film air mass meter can be made insensitive to a resistance drift of the printed conductors by normalizing the output signal to the sum of the input voltages (sum signal).
  • the sensor chip of the H thoroughlyfileinuftmassenmessers can be made comparatively small and space-saving. In this way, the minimum required area for the measurement, that is, for example, the measuring surface or the sensor area, can be greatly reduced in comparison with the prior art.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a H exertfileinuftmassenmessers
  • FIG. 2A shows a temperature profile along the line A-A in FIG. 1 at flow velocity 0;
  • FIG. 2B shows the temperature profile according to FIG. 2A at flow velocity> 0. embodiments
  • FIG. 1 schematically shows a preferred exemplary embodiment of a hot-film air knife 110 according to the invention.
  • the hot-film air mass meter 110 has a sensor chip 112 (only partially shown) and a (also only partially shown)
  • the sensor chip 112 can be used, for example, in the intake tract of a combustion machine or in a bypass channel to the intake tract of a combustion machine. Such devices are known for example from DE 196 01 791 Al.
  • the sensor chip according to the embodiment in FIG. 1 has a chip mainland with a mainland surface 116 in the plane of the drawing (only partially shown). In this embodiment, it is assumed that the sensor chip 112 is a silicon sensor chip. Furthermore, the sensor chip 112 has a measuring area with a measuring surface 118 in the drawing plane. The measuring surface 118 is configured in this embodiment in the form of a rectangle whose longer sides are arranged perpendicular to a main flow direction 120 of an air mass flow.
  • the sensor chip 112 has a thermal conductivity in the region of the measurement surface 118 which is 0.5 to 2 W / m K, compared to the surrounding mainland with 156 W / m K.
  • Conductor tracks of a central hot-film air mass meter circuit 122 are arranged in the region of the measurement surface 118.
  • This central H discloses this embodiment of a central heating element 124 and two temperature sensors 126, 128 together.
  • the central heating element 124 is designated in this embodiment with R h3 and designed as a conductor loop.
  • the central heating element 124 may also be designed as a line heating element.
  • the temperature sensors 126, 128 are designed as line elements and designated R M and R h ß. In this case, the temperature sensor 126 with respect to the main flow direction 122 to the central heating element 124 is located "upstream", the temperature sensor 128 "downstream".
  • the temperature sensors 126, 128 are arranged so that they are arranged closely adjacent to a conductor track of the central heating element 124.
  • the central hot-film air mass meter circuit 122 covers a sensor area 130 of the measurement surface 118. It can be seen that the sensor area upstream and downstream does not fully exhaust the measurement surface 118.
  • two additional heating elements 132, 134 are arranged parallel to the conductor tracks of the central hot-film air mass meter circuit 122 and perpendicular to the main flow direction 120. These additional heating elements 132, 134 constitute tempering elements, by means of which a substantially constant basic temperature profile can be set in the sensor region 130 of the measuring surface 118. These additional heating elements 132, 134 are also designated in FIG.
  • an ambient temperature sensor 136 which is denoted by Ri f in FIG. 1, is provided in the hot-film air mass meter 110.
  • This ambient temperature sensor 136 can preferably be configured on the sensor chip 112 or, alternatively or additionally, as a sensor in the area of the control and evaluation circuit 114.
  • the additional heating elements 132, 134 are heated by means of control circuits 138, 140 to an excess temperature T * relative to the ambient temperature Tu.
  • control circuits 138, 140 serve the measurement signals 142, 144 of the temperature sensors 126 and 128 as controlled variables.
  • the control circuits 138, 140 may be PI controllers, e.g. B. PI controller with a band-stop filter.
  • additional electronic elements may be provided, such as power sources and / or amplifiers.
  • FIGS. 2A and 2B show a temperature profile along the section line AA in Figure 1.
  • Figure 2A shows the case in which the air mass above the sensor chip 112 rests (air mass velocity 0, insofar the term "main flow direction" 128 is to be understood symbolically here).
  • FIG. 2B shows the case of a flow velocity> 0.
  • the heating temperatures T * at the location of the additional heating elements 132, 134 coincide with vanishing speed only in the case of an air mass flow.
  • the additional heating elements 132, 134 are heated differently to compensate for the removal by the air mass flow and to keep the temperature at the location of the temperature sensor 126, 128 constant at the value T P.
  • the temperature T P is usually heated to a value of approximately 150 ° C. by means of the additional heating elements 132, 134.
  • a basic temperature turprofil 146 which in this simple embodiment, approximately flat, so constant, runs.
  • this basic temperature profile 126 within the sensor region 130 which is approximately bounded by the outer edges of the temperature sensors 126, 128, has the constant value T P.
  • the formation of an absolutely flat basic temperature profile 126 is technically difficult to realize and unfavorable due to the lack of temperature gradient in this area (see above).
  • the area between the temperature sensors 126, 128 may be configured, for example, with a slight increase in temperature toward the center of the measurement surface 128, in order to achieve a displacement effect here as well.
  • This periodic heating with the frequency sin ( ⁇ t) is symbolically denoted by reference numeral 148 in FIG.
  • the circuit required to be charged with the alternating voltage U em is indicated symbolically in FIG. 1 by the reference numeral 150. As indicated by the reference numerals 152, 154 in FIG. 2A, the periodic Auflieizung 148 of the central heating element 124 leads to local temperature increases.
  • These local temperature increases “grow out” periodically with a frequency ⁇ from the basic temperature profile 146 and each have their maximum at the location of the tracks of the central heating element 124.
  • the heating circuit 150 and the input voltage with which the central heating element 124 is heated are dimensioned in terms of their amplitude and their frequency such that the local temperature increases 152, 154 predominantly determine the temperature profile within the temperature range from the additional heating elements 132, 134.
  • the measuring signals 142, 144 of the temperature sensors 126, 128 simultaneously serve to measure the local temperature increases 152, 154 and to regulate the heating power of the additional heating elements 132, 134 via the control circuits 138, 140 If the measuring signals 142, 144 of the temperature sensors 126, 128 are additionally fed before feeding into the control circuit 138, 140 before being fed into the control circuits 138, 140 by low-pass filters 156, 158 are filtered to filter out the high frequency (frequency ⁇ ) components caused by the local temperature increases 152, 154.
  • Changes in the local temperature increases 152, 154 by the air mass flow are superimposed by the periodic changes of the local temperature increase 152, 154 (see FIGS. 2A and 2B) and can be used to determine the flow velocity of the air mass flow.
  • This influence of the flow velocity on the measurement signals 142, 144 is determined by means of a synchronous demodulator 160, which operates with a demodulation frequency ⁇ .
  • the synchronous demodulator 160 is shown greatly simplified in FIG. In a technical realization, it can be constructed, for example, of complex value.
  • the synchronous demodulator 160 has two frequency mixers 162, 164 into which the measurement signals 142, 144 of the temperature sensors 126, 128 are respectively mixed with a demodulation signal 166 of the frequency ⁇ .
  • demodulated measurement signals 172, 174 are formed from the original measurement signals 142, 144 of the temperature sensors 126, 128.
  • a difference signal can be formed from these demodulated measuring signals 172, 174 (denoted by reference numeral 176 in FIG. 1) or a summation signal (reference numeral 178). This embodiment is preferred over an embodiment in which first difference or sum signals are formed, with subsequent demodulation.
  • the local temperature increases 152, 154 are deformed as a result of the air mass flow, which flows with the main flow direction 120 via the sensor chip 112.
  • the difference signal 176 reflects the flow velocity of the air mass flow and it may become out of this Difference signal 176, this flow rate can be calculated.
  • the summation signal 178 can be used to normalize the difference signal 176, for example by dividing the difference signal 176 by the summation signal 178.
  • FIGS. 1 and 2A the influence of contamination by oil droplets 180 is symbolically shown in FIGS. 1 and 2A. Due to the temperature gradient effect described above, these oil droplets 180 mainly accumulate at the transition between the mainland surface 116 and the measurement surface 118. In this region, ie at the boundary of the measurement surface 118, there is a particularly pronounced temperature gradient, as shown in FIG. 2A. The oil droplets 180 cause the thermal conductivity of the sensor chip 112 to increase in this range. The temperature profile is thereby "smeared out", which is shown symbolically in FIGURE 2A by the dashed temperature profile 182 in comparison to the continuous temperature profile 184 without contamination by oil droplets 180.
  • the sensor region 130 according to the invention is formed by the control circuits 138, 140 temperature stabilization as described above, this influence of the oil droplets 180 is eliminated, so that the oil droplets 180 have no thermal influence on the measurement signals 142, 144 as long as the temperature profile modulated with the demodulation frequency ⁇ (ie the local temperature increases 152, 154 ) does not protrude beyond the sensor region 130.
  • the modulation frequency ⁇ increases, the region in which the local temperature increases 152, 154 become noticeable decreases due to the thermal inertia of the measurement surface 118. Since liquid contaminants such as the oil droplets 180 accumulate predominantly on the edge of the measuring surface 118, the hot air mass meter 110 according to the invention thus has a considerably higher resistance to contamination.
  • the displacement of the contaminant from the measurement surface 118 requires a certain DC component of the temperature increase on the measurement surface 118, which, as described above, is achieved by controlling the additional heating elements 132, 134 to the temperature T P.
  • a DC component of the power loss of the central heating element 124 can be noticeable here.
  • all the resistors and printed conductors 124, 126, 128, 132, 134 can be brought very close together, so that the total contamination-sensitive area of the hot-air mass meter 110 is further reduced.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms vorgeschlagen sowie ein HeißfÊlmluftmassenmesser (110), mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann. Das Verfahren und der HeißfÊlmluftmas- senmesser (110) sind insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschi¬ ne geeignet. Der HeißfÊlmluftmassenmesser (110) weist einen Sensorchip (112) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Die Chipoberfläche weist wiederum eine Messoberfläche (118) auf, wobei die Messoberfläche (118) eine zentrale Heißfilmluftmassenmes- serschaltung (122) mit mindestens einem zentralen Heizelement (124) und mindestens zwei Tem- peraturfühlern (126, 128) aufweist. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass das mindestens eine zentrale Heizelement (124) mit einer Frequenz ω periodisch aufgeheizt wird. Mittels der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) werden mindestens zwei Messsignale (142, 144) erfasst. Die Messsignale (142, 144) und/oder mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale (142, 144) werden mit der Frequenz ω demoduliert.

Description

Hcißfilmluftmasscnmcsscr mit frcqucnzmodulicrtcr Signalerfassung
Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms unter Verwendung einer frequenzmodulierten Signalerfassung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Heißfllmlufhnassenmessers. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt.
Stand der Technik
Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 Al in einer Ausfuhrungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensortyps auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Öl, andere Flüssigkeiten oder andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormemb- ran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt. Die Ölkontamination kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine (und damit zum Beispiel auch in den Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers) abbaut. Dabei wird häufig Öldampf beziehungsweise Ölnebel mitgeführt. Die DE 101 11 840 C2 schlägt daher ein Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip unter Verwendung eines Zusatzheizers vor. Der Sensorchip weist einen Sensorbereich auf sowie einen außerhalb des Sensorbereichs angeordneten Zusatzheizer. Dieser Zusatzheizer wird elektrisch so erhitzt, dass im Bereich des Zusatzheizers Thermogradientenwirbel auftreten, welche zu Niederschlägen der Verschmutzungen des strömenden Mediums im Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereichs des Sensorbereichs führen.
Die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Anordnung und das offenbarte Verfahren sind jedoch in der Praxis bei verschiedenen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine mit Nachteilen verbunden. Ein Nachteil besteht beispielsweise darin, dass eine Lokalisierung der Thermogradientenwirbel, welche durch die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Vorrichtung bezweckt wird, in der Praxis kaum möglich ist. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Siliciums breitet sich die vom Zusatzheizer generierte Wärme leicht über den gesamten Chip aus, was zu einer „ausgeschmierten" Temperaturverteilung und somit zu einer Auflieizung des gesamten Chips fuhrt.
Die Problematik der Verschmutzung der Membran beziehungsweise Sensoroberfläche wird durch thermodynamische Effekte verschärft. So ist es bekannt, dass Flüssigkeitstropfen, welche einen Gradienten in ihrer Oberflächenspannung aufweisen, eine Kraft in Richtung der höheren Oberflächenspannung erfahren. Dies führt in der Regel zu einer Bewegung des Tropfens von einer niedrigen zu einer hohen Oberflächenspannung. Insbesondere kann dieser Gradient durch einen Temperaturgradienten auf einer Oberfläche, aufweiche der Flüssigkeitstropfen aufgebracht ist, her- vorgerufen werden. Der Tropfen wird durch den Temperaturgradienten üblicherweise von einem wärmeren Bereich der Oberfläche in einen kälteren Bereich der Oberfläche bewegt. Dieser Effekt ist z. B. in V. G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics", Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 373 u. S. 380, beschrieben.
Wie oben beschrieben, sind typische Heißfilmluftmassenmesser derart aufgebaut, dass diese eine Sensormembran (beispielsweise eine Silicium-Membran) mit geringer thermischer Leitfähigkeit sowie ein umgebendes Chip-Festland aufweisen. Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers baut sich daher üblicherweise an den Rändern der Sensormembran, also an der Grenze zum umgebenden Chip-Festland, ein Temperaturgradient und dementsprechend ein Flüssigkeitswall auf. Durch die Luftströmung kann dieser Flüssigkeitswall ganz oder teilweise mitgerissen werden, so dass Öltröpfchen auf die Sensormembran gelangen und dort die Messung beeinflussen können. Weiterhin bewirkt der Flüssigkeitswall eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit am Rand der Sensormembran, was zu einer Verfälschung und Drift des Messsignals führen kann.
Vorteile der Erfindung
Es wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Heißfilmluftmassenmessers vorgeschla- gen, welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren vermeiden. - A -
Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Unter einer , ,Hauptströmungsrichtung" kann dabei z. B. eine Haupt-Transportrichtung des Luftmassenstromes am Ort des Heißfϊlmluftmassenmessers, beispielsweise am Ort eines Sensorchips, verstanden werden. Lokale Verwirbelungen können dabei zumeist vernachlässigt werden. Insbesondere ist der Heißfilmluftmassenmesser optimiert zur Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s. Bei dem Sensorchip kann es sich beispielsweise, wie oben beschrieben, um einen Silicium-Chip handeln. Die Chipoberfläche wiederum weist eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche auf. Dabei sollte diese Aufteilung der Chipoberfläche insbesondere so erfolgen, dass der Sensor- chip im Bereich der Messoberfläche eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche. Diese Verringerung der transversalen Leitfähigkeit kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Beispielsweise können, wie aus dem Stand der Technik bekannt und oben beschrieben, Sensorchips mit einer Sensormembran eingesetzt werden, welche eine Dicke von lediglich wenigen μm aufweist. Hierbei wird die geringe thermische Leitfähigkeit (ca. 0,02 W/m K) der die Sensormembran umgebenden Luft ausgenutzt. Alternativ können als Messbereich mit einer dem Luftmassenstrom zugewandten Messoberfläche auch ein oder mehrere poröse Bereiche im Sensorchip ausgebildet sein, beispielsweise durch eine Porösifizierung eines Silicium-Chips. Auf diese Weise lassen sich Messbereiche herstellen, welche aufgrund der eingeschlossenen Luftkavernen transversale Leitfähigkeiten von 0,1 bis 2 W/m K haben, im Vergleich zu einem Silicium-Substrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von ca. 156 W/m K.
Auf die Messoberfläche des Heißfilmluftmassenmessers ist eine zentrale Heißfilmluftmassenmes- serschaltung aufgebracht. Unter „aufgebracht" ist dabei eine Aufbringung unmittelbar auf die Messoberfläche oder, alternativ oder zusätzlich, auch eine Aufbringung unterhalb der vom Luftmassenstrom überströmten Oberfläche zu verstehen, wobei die Heißfilmluftmassenmesserschal- tung beispielsweise ganz oder teilweise durch eine zusätzliche Schicht bedeckt ist. Die Heißfilm- luftmassenmesserschaltung weist mindestens ein zentrales Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler auf. Beispielsweise können das mindestens eine zentrale Heizelement und die mindestens zwei Temperaturfühler als Leiterbahnen oder Leiterbahnschleifen ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich und sind dem Fachmann bekannt. Die äußeren Abmessungen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung können beispielsweise einen Sen- sorbereich auf der Messoberfläche definieren. Somit kann die Messoberfläche in einen Sensorbereich und einen außerhalb des Sensorbereichs liegenden Bereich unterteilt sein.
Erfindungsgemäß wird der Heißfilmluftmassenmesser nach dem im Folgenden beschriebenen Verfahren betrieben, wobei der Heißfilmluftmassenmesser die zusätzlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen erforderlichen zusätzlichen Vorrichtungen aufweist. Die beschriebenen Verfahrensschritte müssen nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können auch zusätzliche, nicht dargestellte Verfahrensschritte durchgeführt werden. Auch können Verfahrensschritte wiederholt oder zeitlich parallel durchgeführt werden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen thermischen Verdrängungseffekte von Verschmutzungen infolge einer (zeitlich näherungsweise konstanten) Aufheizung der Messoberfläche vom eigentlichen Messen des Luftmassenstromes räumlich zu separieren. Dabei wird zum Messen des Luftmassenstromes ein periodisches Aufheizen mittels des zentralen Heizelementes eingesetzt, wobei sich das räumliche Aufheizen aufgrund der thermischen Trägheit der Messoberfläche nicht bis in den Bereich der Verschmutzungen erstreckt, sondern im Wesentlichen auf einen zentralen Bereich innerhalb der Messoberfläche beschränkt ist. Zur Auswertung der Messung wird ein Frequenzmodulationsverfahren eingesetzt, beispielsweise ein modifiziertes „Lock-In- Verfahren", welches zusätzlich Umgebungseinflüsse, beispielsweise die oben beschriebenen Störeinflüsse durch Verunreinigungen, auf die Signalerfassung zu minimieren. Zur eigentlichen Verdrängung der Verunreinigungen kann eine zusätzliche, zeitlich konstante Auflieizung der Messoberfläche erfolgen, welche Verschmutzungen an den Rand der Messoberfläche verdrängt. Somit kann ein thermischer , ,DC"-Anteil (zeitlich näherungsweise konstant) zur Verdrängung der Verschmutzungen und ein thermischer „AC"-Anteil (periodisch) zum Messen des Luftmassenstromes genutzt werden.
Die Grundidee dieses Modulationsverfahrens besteht also darin, die thermische Stimulation durch das mindestens eine zentrale Heizelement periodisch auszugestalten und bei der anschließenden Messsignalerfassung im Frequenzspektrum lediglich die Anteile zu berücksichtigen, welche im Frequenzbereich der periodischen Stimulierung liegen. Auf diese Weise werden Störsignale, beispielsweise Rauschen oder thermische Drift, weitgehend „ausgeblendet". Zu diesem Zweck wird das mindestens eine zentrale Heizelement mit einer Frequenz ω periodisch aufgeheizt. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass das mindestens eine zentrale Heizelement mindestens einen Heizwiderstand aufweist, wobei das periodische Aufheizen durch Anlegen einer Spannung mit Frequenz ω/2 an den mindestens einen Heizwiderstand erfolgt. Da die Heizleistung proportio- nal zum Quadrat der Spannung ist, ergibt dies eine periodische Aufheizung mit einer Frequenz ω.
Dabei hat es sich, um die periodische Aufheizung durch das zentrale Heizelement auf einen Umgebungsbereich des zentralen Heizelementes zu beschränken, als vorteilhaft erwiesen, die Frequenz des Auf heizens in einem Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 100 Hz und 10 kHz zu wählen. Bei den typischen für Sensorchips verwendeten Materialien (beispielsweise Silizium) und typischen Dimensionen der Messoberfläche (z. B. mit einer Breite senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von 300-800 μm, vorzugsweise ca. 450 μm, bei näherungsweise zentraler Anordnung des zentralen Heizelements) bewirkt diese Wahl der Frequenz, dass sich die Temperaturerhöhung durch das periodische Aufheizen nicht bis zum Randbereich der Messoberfläche erstreckt. Thermische Signale in diesem Frequenzbereich sind in den Chipmaterialien in diesem Frequenzbereich nicht oder nur schlecht ausbreitungsfähig bzw. werden stark gedämpft. Der räumliche Temperaturverlauf einer derartigen periodischen Aufheizung nimmt daher aufgrund dieser Dämpfung beispielsweise exponentiell mit dem Abstand vom thermischen Erreger (d. h. dem mindestens einen zentralen Heizelement) ab. Der genaue Verlauf dieses Abklingens hängt dabei stark vom verwendeten Chipaufbau ab, welcher sich in der Regel als komplexer Schichtaufbau darstellt.
Die Tatsache, dass sich die Temperaturerhöhung durch das periodische Aufheizen nicht oder nur schwach bis zum Randbereich der Messoberfläche erstreckt, hat zwei entscheidende Vorteile: Zum einen wird überlagert sich das Temperaturprofil der für die Messung des Luftmassenstromes verwendeten periodischen Aufheizung nicht oder nur geringfügig mit im Randbereich der Messoberfläche auftretenden, durch dort angesammelte Verunreinigungen verursachte Luftverwirbe- lungen, welche typischerweise eine Ausdehnung von ca. 100 m parallel zur Hauptströmungsrichtung (also in den Bereich der Messoberfläche hinein) aufweisen. Somit erfasst die eigentliche Messung tatsächlich im Wesentlichen die Hauptströmung des Luftmassenstromes, ohne nennenswerte Beeinflussung durch Verwirbelungen durch Verunreinigungen. Zum anderen wird das Temperaturprofil der für die Messung des Luftmassenstromes verwendeten periodischen Aufhei- zung nicht oder nur unwesentlich beeinflusst durch Änderungen der thermischen Leitfähigkeit der Messoberfläche im Randbereich der Messoberfläche, welche ebenfalls durch die dort auftretenden Verunreinigungen verursacht werden. Sowohl strömungsmechanisch als auch thermisch ist die Aufheizung durch das mindestens eine zentrale Heizelement also weitgehend von den Störungen durch im Randbereich der Messoberfläche auftretenden Verunreinigungen entkoppelt.
Dies steht im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen in der Regel die Messung der Luftmassenströmung in der Mitte der Messoberfläche bei einer gleichmäßigen Aufheizung, beispielsweise mit 0 Hz, erfolgt. Derartige niederfre- quente oder zeitlich konstante Aufheizungen bewirken, dass sich das Temperaturprofil bis in den Randbereich der Messoberfläche ausbreitet und dort durch Änderungen der thermischen Leitfähigkeit und durch Strömungsverwirbelungen beeinflusst wird. Beide Effekte wirken bei 0 Hz integral für die gesamte Messoberfläche.
Mittels der mindestens zwei Temperaturfühler werden mindestens zwei Messsignale erfasst. Wie oben beschrieben, kann es sich bei diesen mindestens zwei Temperaturfühlern beispielsweise um mindestens zwei Temperaturmesswiderstände handeln. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser mindestens zwei Temperaturfühler dem mindestens einen zentralen Heizelement bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstroms vorgelagert und mindestens ein zweiter der min- destens zwei Temperaturfühler dem mindestens einen zentralen Heizelement bezüglich der Hauptströmungsrichtung nachgelagert. Die Messsignale sind „Rohsignale", welche in der Regel mit Störungen überlagert sind, beispielsweise Störungen durch Temperaturdrift oder Rauschen. Somit ist eine unmittelbare Auswertung dieser mindestens zwei Messsignale, beispielsweise durch eine Differenzbildung, in der Regel mit Fehlern behaftet. Entsprechend dem Grundgedanken der Er- findung werden diese mindestens zwei Messsignale daher nun mit der Frequenz ω, d. h. derselben Frequenz, mit der auch die periodische Aufheizung des mindestens einen zentralen Heizelements erfolgt, demoduliert. Alternativ oder zusätzlich kann, anstelle der mindestens zwei Messsignale, auch mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale demoduliert werden. Dies bedeutet, dass die Messsignale unmittelbar demoduliert werden oder dass alternativ oder zusätz- lieh zunächst mindestens eine Differenz aus diesen Messsignalen gebildet wird, welche anschließend demoduliert wird. Dabei sei daraufhingewiesen, dass unter „Signale" hier nicht notwendigerweise unmittelbar die entsprechenden Signale verstanden werden müssen, sondern dass auch beispielsweise eine Verstärkung, eine Multiplikation mit einem Faktor, eine Glättung oder ähnliches erfolgen kann. So kann beispielsweise anstelle eines Differenzsignals auch ein zu dem Differenzsignal proportionales Signal verwendet oder erzeugt werden.
Unter einer , .Demodulation" ist dabei ein Verfahren zu verstehen, bei welchem lediglich die Signale innerhalb des Frequenzbereichs der „Anregung", also hier der periodischen Aufheizung des mindestens einen zentralen Heizelements, erfasst und ausgewertet werden. Dabei ist unter „mit der Frequenz ω" nicht notwendigerweise zu verstehen, dass ein Frequenzbereich „der Breite Null" verwendet wird, sondern es kann ein Frequenzbereich endlicher Breite verwendet werden, wobei die Breite des Frequenzbereichs vom experimentellen Aufbau abhängt. Weiterhin kann neben einer Demodulation mit einer Frequenz, welche genau der Anregungsfrequenz der Aufheizung entspricht, auch eine analoge Demodulation unter Verwendung höherer Harmonischer eingesetzt werden. Derartige Verfahren sind dem Fachmann aus anderen Bereichen der Technik, z. B. der Hochfrequenztechnik, bekannt. Die Demodulation kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das bzw. die zu demodulierenden Signale mathematisch mit einem periodischen Signal mit einer De- modulationsfrequenz entsprechenden Frequenz multipliziert werden. Dieses „Multiplizieren" erfolgt in der praktischen Umsetzung z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Frequenzmischer. Bei dieser Multiplikation entstehen aus dem periodischen Messsignal zeitlich konstante, d.h. nicht periodische, Anteile sowie höherfrequente Anteile. Nicht periodische Störsignale hinge- gen oder Störsignale in einem anderen Frequenzbereich werden bei dieser Multiplikation ausschließlich in hochfrequente Anteile umgewandelt, nicht hingegen in nicht-periodische Anteile. Somit kann das eigentliche Messsignal unter Verwendung eines Tiefpassfilters herausgefiltert werden, wobei höherfrequente Anteile verworfen werden.
Die so erzeugten demodulierten Messsignale und/oder das mindestens eine demodulierte Differenzsignal können nun zur Auswertung verwendet werden, also beispielsweise zur Berechnung eines Luftmassenstroms. Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung können zusätzlich erfindungsgemäß vorteilhaft weitergebildet werden. So kann beispielsweise zusätzlich mindestens ein Summensignal gebildet werden, wobei das mindestens eine Summensignal mindestens eine Summe der mindestens zwei demodulierten Messsignale und/oder mindestens eine demodulierte Summe der mindestens zwei Messsignale aufweist. Wiederum kann also wahlweise zunächst eine Summenbildung und anschließend eine Demodulation oder zunächst eine Demodulation und an- schließend eine Summenbildung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dieses mindestens eine Summensignal zur Regelung des mindestens einen zentralen Heizelements verwendet wird. So kann beispielsweise das Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements derart geregelt werden, dass das mindestens eine Summensignal im Wesentlichen zeitlich konstant ist. Beispielsweise kann dies durch eine Regelung der Amplitude der Aufheizung erfolgen, beispielsweise durch Regelung der Amplitude einer periodischen Heizspannung. Unter „im Wesentlichen zeitlich konstant" kann dabei beispielsweise verstanden werden, dass eine zeitliche Abweichung von nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 7%, und besonders bevorzugt eine Regelabweichung kleiner als 1% noch tolerierbar ist.
Das beschriebene Demodulationsverfahren allein weist bereits eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen auf. Als vorteilhaft zur Erhöhung des Nutzens des oben beschriebenen Verfahrens hat sich eine Weiterbildung des Verfahrens erwiesen, bei welcher das oben beschriebene Demodulationsverfahren zusätzlich unterstützt wird, in dem die Temperatur der Messober- fläche im Bereich der zentralen Heißfilrnluftmassenmesserschaltung zusätzlich geregelt wird. Zu diesem Zweck kann der Heißfilmluftmassenmesser zusätzlich mindestens ein Temperierelement aufweisen, welches erfindungsgemäß so betrieben wird, dass der Sensorchip im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers auf einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Grundtemperaturprofil gehalten wird. Wie oben beschrieben, bildet dieses zeitlich konstante Grundtemperaturprofil den , ,DC"-Anteil der thermischen Aufheizung der Messoberfläche, welcher für eine Verdrängung der Verunreinigungen in den Randbereich der Messoberfläche sorgt. Unter „im Wesentlichen" ist dabei beispielsweise wiederum zu verstehen, dass im Wesentlichen nur niederfrequente Veränderungen des Grundtemperaturprofils auftreten. Die Abweichungen von diesem Grundtemperaturprofil über die Zeit des Betriebs des Heißfilmluftmassenmessers sollten beispielsweise nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, betragen. Dieses „Grundtemperaturprofil" ist vorzugsweise ausschließlich durch das mindestens eine Temperierelement bedingt, wobei vorzugsweise durch das mindestens eine zentrale Heizelement verursachte periodische Temperaturschwankungen nicht oder nur geringfügig in das Grundtemperaturprofil einfließen sollen.
Beispielsweise kann das zusätzlich mindestens eine Temperierelement ein Peltierelement oder vorzugsweise mindestens einen zusätzlichen Heizwiderstand aufweisen. Das mindestens eine Temperierelement wird mit einer entsprechenden Regelschaltung derart geregelt, dass das im Wesentlichen konstante Grundtemperaturprofll eingehalten wird, wobei, wie oben beschrieben, durch das periodische Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements verursachte periodische Temperaturschwankungen beim Regeln des Grundtemperaturprofils im Wesentlichen un- berücksichtigt bleiben sollen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zum Regeln des Grundtemperaturprofils, d. h. zum Regeln des mindestens einen Temperierelements, eines oder mehrere der mindestens zwei Messsignale der mindestens zwei Temperaturfühler und/oder mindestens ein zusätzliches Messsignal mindestens eines Regeltemperaturfühlers verwendet werden. Diese Messsignale können, um den Einfluss des periodischen Aufheizens des mindestens einen zentralen Heizelements „auszublenden", beispielsweise durch einen Tiefpass gefiltert werden, welcher eine Grenzfrequenz unterhalb der Aufheizfrequenz des mindestens einen zentralen Heizelements und/oder der Hälfte dieser Aufheizfrequenz (ω/2) aufweist. Durch dieses mindestens eine Temperierelement lassen sich Störeinflüsse durch Verunreinigungen, beispielsweise durch Abscheidung eines Ölfilms, im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung zusätz- lieh reduzieren. So kann insbesondere erreicht werden, dass der „Temperaturuntergrund" (also das Grundtemperaturprofil) zeitlich konstant ist und geringe Schwankungen im Frequenzbereich des oben beschriebenen Demodulationsverfahrens aufweist.
Prinzipiell kann ein beliebiger örtlicher Verlauf des im Wesentlichen konstanten Grundtempera- turprofils verwendet werden. Um die oben beschriebene Bildung von Differenzsignalen zu vereinfachen (d. h. insbesondere die elektronische Schaltung, welche zur Bildung der Differenzsignale erforderlich ist, zu vereinfachen), kann beispielsweise das Grundtemperaturprofil im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung einen im Wesentlichen konstanten Temperaturverlauf aufweist. Unter „im Wesentlichen konstant" ist in diesem Fall zu verstehen, dass sich der Temperaturverlauf zwischen den mindestens zwei Temperaturfühlern, welche für das Demodula- tionsverfahren eingesetzt werden, nicht oder nur unwesentlich ändert, beispielsweise um nicht mehr als 20%. Es lässt sich somit ein „Temperaturplateau" zwischen den mindestens zwei Temperaturfühlern einstellen. Die Messsignale dieser mindestens zwei Temperaturfühler weisen aufgrund dieses , ,Plateaus" einen gemeinsamen „Offset" auf, welcher bei einer Differenzbildung verschwindet. Der Nachteil eines exakt ebenen „Plateaus" besteht jedoch darin, dass im Bereich dieses Plateaus auftretende Verunreinigungen keine Thermogradientenkraft mehr erfahren und somit nicht aus diesem Bereich verdrängt werden. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn auch im Bereich dieses „Plateaus" noch ein leichter Temperaturgradient (beispielsweise 10 K / 100 μm) besteht, welcher Verunreinigungen zum Randbereich der Messoberfläche verdrängt. An den Plateaubereich können sich dann im Randbereich der Messoberfläche stärkere Temperaturgradienten anschließen, um Verunreinigungen wirkungsvoll vom Plateau fernzuhalten.
Vorzugsweise wird das Grundtemperaturprofil dabei derart eingestellt, dass die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (wobei Randbereiche außerhalb der zentralen Heißfilmluft- massenmesserschaltung unberücksichtigt bleiben können) über der Umgebungstemperatur liegt. Bei den oben beschriebenen Chipdimensionen mit einer typischen Breite des Messbereichs von ca. 450 μm hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (bzw. im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung) um mindestens 40 K, vorzugsweise um 80 K und besonders bevorzugt um mindestens 120 K über der Umgebungstemperatur liegt. Bei typischen Randbereichsbreiten (wobei unter Randbereichen die Bereiche zu verstehen sind, in denen verunreinigungsbedingte Strömungsverwirbelungen und verunreinigungsbedingte Änderungen der thermischen Leitfähigkeit auftreten) von ca. 150 μm bedeutet dies bevorzugte durchschnittliche Temperaturgradienten von mindestens ca. 0,2-0,3 K/μm, vorteil- hafterweise von mindestens ca. 0,5 K/μm und besonders bevorzugt von mindestens ca. 0,8 K/μm. Unter der Umgebungstemperatur kann dabei beispielsweise eine Raumtemperatur verstanden werden oder vorzugsweise eine Betriebstemperatur, welche je nach Einsatzbereich des Heißfilm- luftmassenmessers erheblichen Schwankungen gegenüber der Raumtemperatur unterworfen sein kann.
Diese Wahl Grundtemperatur auf einer „Übertemperatur" gegenüber der Umgebungstemperatur hat zahlreiche Vorteile. So werden auf diese Weise beispielsweise Störeinflüsse durch Schwankungen der Umgebungstemperatur minimiert. Ein Hauptvorteil besteht jedoch in dem bereits oben beschriebenen „Barriereneffekt": Um die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung wird ein „Temperaturwall" aufgebaut, welcher aufgrund des Thermogradienteneffektes verhindert, dass Verunreinigungen, insbesondere Öl, in den Bereich der Heißfilmluftmassenmesserschaltung gelangen können. Die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung wird durch diese Ausgestaltung des Heißfilmluftmassenmessers und das beschriebene Verfahren somit wirksam gegen Störeinflüsse geschützt.
Der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser und das beschriebene Verfahren in einer der be- schriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren neben den bereits beschriebenen Vorteilen zahlreiche weitere Vorteile auf. So werden insbesondere keine Absolutwerte des Temperaturprofils erfasst, sondern lediglich relative Änderungen innerhalb eines gesondert geregelten Temperaturplateaus. Verschmutzungsablagerungen außerhalb dieses Bereiches haben daher keinen Einfluss auf das Messsignal. Des Weiteren kann der Heiß- filmluftmassenmesser durch eine Normierung des Ausgangssignals auf die Summe der Eingangsspannungen (Summensignal) unempfindlich gegenüber einer Widerstandsdrift der Leiterbahnen ausgestaltet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Sensorchip des Heißfilmluftmassenmessers vergleichsweise klein und platzsparend ausgestaltet werden kann. So lässt sich der zur Messung minimal erforderliche Bereich, also beispielsweise die Messoberfläche oder der Sensor- bereich, im Vergleich zum Stand der Technik stark verringern. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass, wie oben beschrieben, durch das im Wesentlichen konstante Grundtemperaturprofil ein „Temperaturwall" um die Messoberfläche oder um den Sensorbereich aufgebaut werden kann, so dass auch dicht an den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung angeordnete Verschmutzungen wirksam von der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung ferngehalten werden können.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiels eines Heißfilmluftmassenmessers;
Figur 2A einen Temperaturverlauf entlang der Linie A-A in Figur 1 bei Strömungsgeschwin- digkeit 0; und
Figur 2B den Temperaturverlauf gemäß Figur 2A bei Strömungsgeschwindigkeit >0. Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heißfilmluftmas- senmessers 110 schematisch dargestellt. Der Heißfilmluftmassenmesser 110 weist einen (nur ansatzweise dargestellten) Sensorchip 112 und eine (ebenfalls nur ansatzweise dargestellte)
Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 auf. Der Sensorchip 112 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskrafhnaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskrafhnaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 Al bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in Figur 1 weist ein Chip- Festland mit einer Festlandsoberfläche 116 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Sensorchip 112 um einen Silicium-Sensorchip handelt. Weiterhin weist der Sensorchip 112 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 118 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 118 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Rechtecks ausgestaltet, dessen längere Seiten senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 120 eines Luftmassenstroms angeordnet sind. Der Sensorchip 112 weist im Bereich der Messoberfläche 118 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei 0,5 bis 2 W/m K liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 156 W/m K.
Im Bereich der Messoberfläche 118 sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesser- Schaltung 122 angeordnet. Diese zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel aus einem zentralen Heizelement 124 und zwei Temperaturfühlern 126, 128 zusammen. Dabei ist das zentrale Heizelement 124 in diesem Ausführungsbeispiel mit Rh3 bezeichnet und als Leiterbahnschleife ausgestaltet. Alternativ kann das zentrale Heizelement 124 auch als Linienheizelement ausgestaltet sein. Die Temperaturfühler 126, 128 sind als Linien- elemente ausgestaltet und mit RM bzw. Rhß bezeichnet. Dabei ist der Temperaturfühler 126 bezüglich der Hauptströmungsrichtung 122 zum zentralen Heizelement 124 „stromaufwärts" gelegen, der Temperaturfühler 128 „stromabwärts". Die Temperaturfühler 126, 128 sind dabei so angeordnet, dass diese dicht benachbart an einer Leiterbahn des zentralen Heizelements 124 angeordnet sind. Die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 bedeckt dabei einen Sensor- bereich 130 der Messoberfläche 118. Dabei ist zu erkennen, dass der Sensorbereich stromaufwärts und stromabwärts die Messoberfläche 118 nicht vollständig ausschöpft. Außerhalb des Sensorbereichs 130 sind, parallel zu den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluft- massenmesserschaltung 122 und senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 120, zwei zusätzliche Heizelemente 132, 134 angeordnet. Diese zusätzlichen Heizelemente 132, 134 stellen Temperierelemente dar, mittels derer im Sensorbereich 130 der Messoberfläche 118 ein im Wesentlichen konstantes Grundtemperaturprofil eingestellt werden kann. Diese zusätzlichen Heizelemente 132, 134 sind in Figur 1 auch mit Ru und Rh2 bezeichnet. Weiterhin ist in dem Heißfilmluftmassen- messer 110 noch ein Umgebungstemperatur-Messfühler 136 vorgesehen, welcher in Figur 1 mit Rif bezeichnet ist. Dieser Umgebungstemperatur-Messfuhler 136 kann vorzugsweise auf dem Sensorchip 112 ausgestaltet sein oder, alternativ oder zusätzlich, auch als Messfühler im Bereich der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114.
Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers 110 werden die zusätzlichen Heizelemente 132, 134 mit Hilfe von Regelschaltungen 138, 140 auf eine Übertemperatur T* gegenüber der Umgebungstemperatur Tu aufgeheizt. Für die Regelschaltungen 138, 140 dienen dabei die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126 und 128 als Regelgrößen. Beispielsweise kann es sich bei den Regelschaltungen 138, 140 um PI-Regler handeln, z. B. PI-Regler mit einer Bandsperre. Auch zusätzliche elektronische Elemente können vorgesehen sein, wie beispielsweise Stromquellen und/oder Verstärker. Die Wirkung der Temperaturregelung gemäß Figur 1 ist in den Figuren 2A und 2B dargestellt. Dabei zeigen die Figuren 2A und 2B ein Temperaturprofil entlang der Schnittlinie A-A in Figur 1. Figur 2A zeigt den Fall, in welchem die Luftmasse über dem Sensorchip 112 ruht (Luftmassengeschwindigkeit 0, insofern ist der Begriff „Hauptströmungsrichtung" 128 hier symbolisch zu verstehen). In Figur 2B ist hingegen der Fall einer Strömungsgeschwindigkeit > 0 dargestellt.
Wie aus dem Vergleich der Figuren 2A und 2B erkennbar ist, fallen die Heiztemperaturen T* am Ort der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 lediglich im Fall eines Luftmassenstroms mit verschwindender Geschwindigkeit zusammen. Bei endlicher Strömungsgeschwindigkeit werden hingegen die zusätzlichen Heizelemente 132, 134 unterschiedlich beheizt, um den Abtransport durch den Luftmassenstrom auszugleichen und die Temperatur am Ort der Temperaturfühler 126, 128 konstant auf dem Wert TP zu halten. Bei einer Umgebungstemperatur Tu von ca. 200C wird üblicherweise mittels der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 die Temperatur TP auf einen Wert von ca. 1500C aufgeheizt. Zwischen den Temperaturfühlern 126, 128 stellt sich ein Grundtempera- turprofil 146 ein, welches in diesem einfachen Ausführungsbeispiel näherungsweise flach, also konstant, verläuft. Somit hat dieses Grundtemperaturprofil 126 innerhalb des Sensorbereichs 130, welcher näherungsweise durch die Außenkanten der Temperaturfühler 126, 128 begrenzt wird, den konstanten Wert TP. In der Praxis ist jedoch die Ausbildung eines absolut flachen Grundtem- peraturprofils 126 technisch nur schwer zu realisieren und aufgrund des in diesem Bereich dann fehlenden Temperaturgradienten unvorteilhaft (siehe oben). Dementsprechend kann der Bereich zwischen den Temperaturfühlern 126, 128 beispielsweise mit einem leichten Temperaturanstieg zur Mitte der Messoberfläche 128 hin ausgestaltet werden, um auch hier einen Verdrängungseffekt zu erzielen.
Das zentrale Heizelement 124 wird nunmehr mit einer Wechselspannung Uem = A-sin(ωt/2) beaufschlagt. Dadurch wird, da die Heizleistung des zentralen Heizelements 124 proportional zum Quadrat der beaufschlagten Spannung Uem ist, das zentrale Heizelement 124 mit einer Heizleistung aufgeheizt, welche proportional zu sin(ωt) ist. Dieses periodische Aufheizen mit der Fre- quenz sin(ωt) ist in Figur 1 symbolisch mit Bezugsziffer 148 bezeichnet. Die zur Beaufschlagung mit der Wechselspannung Uem erforderliche Schaltung ist in Figur 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet. Wie in Figur 2A durch die Bezugsziffern 152, 154 angedeutet, führt die periodische Auflieizung 148 des zentralen Heizelements 124 zu lokalen Temperaturerhöhungen. Diese lokalen Temperaturerhöhungen „wachsen" periodisch mit einer Frequenz ω aus dem Grundtemperaturprofil 146 heraus und haben jeweils ihr Maximum am Ort der Leiterbahnen des zentralen Heizelements 124. Die Temperaturfühler 126, 128, welche den Leiterbahnen des zentralen Heizelements 124 unmittelbar außen benachbart angeordnet sind, erfassen diese lokalen Temperaturerhöhungen 152 bzw. 154. Dabei sind die Heizschaltung 150 und die Eingangsspannung, mit welcher das zentrale Heizelement 124 aufgeheizt wird, von ihrer Amplitude und ihrer Fre- quenz her so bemessen, dass die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 das Temperaturprofil vorwiegend innerhalb des von den zusätzlichen Heizelementen 132, 134 bestimmten Temperaturplateaus ändert. Da die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 gleichzeitig zur Messung der lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 und zur Regelung der Heizleistung der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 über die Regelschaltungen 138, 140 dienen sollen, können die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 vor Einspeisung in die Regelschaltung 138, 140 zusätzlich vor Einspeisung in die Regelschaltungen 138, 140 durch Tiefpassfilter 156, 158 gefiltert werden, um die hochfrequenten (Frequenz ω) Anteile, welche durch die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 bedingt sind, herauszufiltern.
Änderungen der lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 durch den Luftmassenstrom werden von den periodischen Änderungen der lokalen Temperaturerhöhung 152, 154 überlagert (vgl. Figuren 2A und 2B) und können zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Luftmassenstroms genutzt werden. Dieser Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Messsignale 142, 144 wird mittels eines Synchron-Demodulators 160, welcher mit einer Demodulationsfre- quenz ω arbeitet, bestimmt. Der Synchron-Demodulator 160 ist in Figur 1 stark vereinfacht dar- gestellt. In einer technischen Realisierung kann er beispielsweise komplexwertig aufgebaut werden. Der Synchron-Demodulator 160 weist zwei Frequenzmischer 162, 164 auf, in welchen die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 jeweils mit einem Demodulationssignal 166 der Frequenz ω gemischt werden. Anschließend werden in Tiefpassfiltern 168, 170 hochfrequente Anteile herausgefiltert, so dass demodulierte Messsignale 172, 174 aus den ursprünglichen Mess- Signalen 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 gebildet werden. Anschließend kann aus diesen demodulierten Messsignalen 172, 174 ein Differenzsignal gebildet werden (in Figur 1 durch Bezugsziffer 176 bezeichnet) oder ein Summensignal (Bezugsziffer 178). Diese Ausführung ist gegenüber einer Ausführungsform, in welcher zunächst Differenz- bzw. Summensignale gebildet werden, mit anschließender Demodulation, bevorzugt.
Wie in Figur 2B im Vergleich zur Figur 2A dargestellt, verformen sich die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 infolge des Luftmassenstroms, welcher mit der Hauptströmungsrichtung 120 über den Sensorchip 112 strömt. Dies hat, wie aus Figur 2B hervorgeht, den Effekt, dass am Ort des stromabwärts gelegenen Temperaturfühlers 128 eine höhere Temperatur gemessen wird als am Ort des stromaufwärts gelegenen Temperaturfühlers 126. Insofern spiegelt das Differenzsignal 176 die Strömungsgeschwindigkeit des Luftmassenstromes wider, und es kann aus diesem Differenzsignal 176 diese Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Dabei kann das Summensignal 178 zur Normierung des Differenzsignals 176 genutzt werden, beispielsweise indem das Differenzsignal 176 durch das Summensignal 178 dividiert wird. Auf diese Weise lassen sich gegebenenfalls vorhandene Driften der Widerstandswerte der Widerstände 126, 128 ausgleichen. Weiterhin lassen sich nicht-lineare Temperatureinflüsse durch eine in Figur 1 nicht dargestellte Regelschleife zurückdrängen, welche das Summensignal 178 ausnutzt. So kann durch Nachrege- lung der Amplitude der Heizschaltung 150 unter Verwendung des Summensignals 178 als Eingangssignal eine Nachregelung der periodischen Aufheizung 148 dahingehend erfolgen, dass das Summensignal 178 konstant gehalten wird.
Weiterhin ist in den Figuren 1 und 2A symbolisch der Einfluss von Verunreinigungen durch Öl- tröpfchen 180 dargestellt. Diese Öltröpfchen 180 sammeln sich aufgrund des oben beschriebenen Temperaturgradienteneffektes überwiegend am Übergang zwischen Festlandsoberfläche 116 und Messoberfläche 118. In diesem Bereich, also an der Grenze der Messoberfläche 118, herrscht, wie in Figur 2A dargestellt, ein besonders starker Temperaturgradient. Die Öltröpfchen 180 be- wirken, dass sich die thermische Leitfähigkeit des Sensorchips 112 in diesem Bereich erhöht. Der Temperaturverlauf wird dadurch „ausgeschmiert", was in Figur 2A durch den gestrichelten Temperaturverlauf 182 im Vergleich zum durchgezogenen Temperaturverlauf 184 ohne Kontamination durch Öltröpfchen 180 symbolisch dargestellt ist. Es zeigt sich jedoch, dass durch die Regelschaltungen 138, 140, welche erfindungsgemäß den Sensorbereich 130, wie oben beschrieben, temperaturstabilisieren, dieser Einfluss der Öltröpfchen 180 eliminiert wird. Die Öltröpfchen 180 haben somit keinen thermischen Einfluss auf die Messsignale 142, 144, solange der mit der De- modulationsfrequenz ω modulierte Bereich des Temperaturproflls (also die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154) nicht über den Sensorbereich 130 herausragt. Mit steigender Modulationsfrequenz ω wird der Bereich, in welchem sich die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 be- merkbar machen, aufgrund der thermischen Trägheit der Messoberfläche 118 immer kleiner. Da sich flüssige Verschmutzungen wie die Öltröpfchen 180 vorwiegend am Rand der Messoberfläche 118 ansammeln, weist der erfindungsgemäße Heißfϊlmluftmassenmesser 110 somit eine erheblich höhere Robustheit gegenüber Kontaminationen auf. Die Verdrängung der Verschmutzung von der Messoberfläche 118 erfordert einen gewissen Gleichanteil der Temperaturerhöhung auf der Messoberfläche 118, welcher, wie oben beschrieben, durch die Regelung der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 auf die Temperatur TP erreicht wird. Zusätzlich kann sich auch ein Gleichanteil der Verlustleistung des zentralen Heizelements 124 hier bemerkbar machen. Im Rahmen einer Designoptimierung können alle Widerstände und Leiterbahnen 124, 126, 128, 132, 134 sehr nahe zusammengerückt werden, so dass die insgesamt verschmutzungsempfindliche Fläche des Heiß- fϊlmluftmassenmessers 110 weiter verringert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmas- senstroms mit einem Heißfϊlmluftmassenmesser (110), insbesondere im Ansaugtrakt einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) einen Sensorchip (112) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche aufweist, wobei die Chipoberfläche eine Messoberfläche (118) aufweist, wobei auf die Messoberfläche (118) eine zentrale Heiß- filmluftmassenmesserschaltung (122) mit mindestens einem zentralen Heizelement (124) und mindestens zwei Temperaturfühlern (126, 128) aufgebracht ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: das mindestens eine zentrale Heizelement (124) wird mit einer Frequenz ω periodisch aufgeheizt; mindestens zwei Messsignale (142, 144) der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) werden erfasst; und die Messsignale (142, 144) und/oder mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale (142, 144) werden mit der Frequenz ω demoduliert.
2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufhei- zen mit einer Frequenz im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und vorzugsweise im Bereich von 1 kHz und 10 kHz erfolgt.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) zusätzlich mindestens ein Temperierelement (132, 134) aufweist, dadurch gekennzeich- net, dass der Sensorchip (112) im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung
(122) im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers (110) durch das mindestens eine Temperierelement (132, 134) auf einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Grundtemperaturprofil (146) gehalten wird.
4. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Regeln des Grundtemperaturprofils (146) eines oder mehrere der mindestens zwei Messsignale (142, 144) der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) und/oder mindestens ein zusätzliches Messsignal mindestens eines Regeltemperaturfühlers verwendet wird.
5. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch das periodische Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements (124) verursachte periodische Temperaturerhöhungen (152, 154) beim Regeln des Grundtemperaturprofils (146) im Wesentli- chen unberücksichtigt bleiben, insbesondere durch Verwendung mindestens eines Sperrfilters.
6. Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Umgebungstemperatur erfasst wird, wobei das Grundtemperaturprofil (146) so gewählt wird, dass die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (146) und/oder im Bereich der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) um mindestens 40 K, vorzugsweise um mindestens 80 K und besonders bevorzugt um mindestens 120 K über der Umgebungstemperatur liegt.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu- sätzlich mindestens ein Summensignal (178) gebildet wird, wobei das mindestens eine Summensignal (178) mindestens eine Summe der mindestens zwei demodulierten Messsignale (142, 144) und/oder mindestens eine demodulierte Summe der mindestens zwei Messsignale (142, 144) aufweist.
8. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements (124) derart geregelt wird, dass das mindestens eine Summensignal (178) im Wesentlichen zeitlich konstant ist.
9. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Summensignal (178) zur Normierung der Messsignale (142, 144) und/oder des mindestens einen demodulierten Differenzsignals (176) verwendet wird.
10. Heißfilmluftmassenmesser (110) zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit Mitteln zur Durchfuhrung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche.
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