DE19509535C2

DE19509535C2 - Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors sowie Vorrichtung zur Einstellung zur Einstellung eines Luftmassenstrommeters

Info

Publication number: DE19509535C2
Application number: DE19509535A
Authority: DE
Inventors: James Matthew Sherman
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2015-03-17
Also published as: JPH0843176A; US5504681A; DE19509535A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstrommeters.

Allgemein bezieht sich die Erfindung also auf die Messung von Gasmassenströmen mit Sensoren.

Konventionelle Luftmassenstromsensoren auf Basis anemometrischer Hitzdrahtin strumente (MAFS) besitzen zwei kleine temperaturabhängige Widerstandsele mente, die im Luftstrom angeordnet sind. Ein Element (als heißes Element bezeich net) wird durch Dissipation elektrischer Energie auf hohe Temperatur aufgeheizt. Das andere Element (als kaltes Element bezeichnet) wird dazu verwendet, die Um gebungslufttemperatur zu messen. Der mit diesen Elementen verwendete Schalt kreis wird üblicherweise mit Dickfilmwiderständen hergestellt, die dem Herstellungs verfahren Flexibilität verleihen. Diese Widerstände können mit Laser zur Optimie rung der Sensorfunktion bearbeitet werden. Der Strom durch die Elemente wird über einen Widerstand, der eine Spannung V_sig hervorruft, überwacht. Die Spannung V_sig schafft die Eingabe für einen Ausgang einer Luftmassenstromsensorschalt kreisanordnung, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine Spannung V_out befindet sich am Aus gang des Ausgabeabschnitts und ist mit den Ausgabewiderständen R₁, R₂, R₃, und R₄ gekoppelt.

Bei Einstellung eines Luftmassenstromflußsensors ist es bekannt, die Ausgangswi derstände einzustellen, um die Transferfunktion für die Luftmassenstromausgangs spannung auf den zu messenden Luftstrom (siehe Fig. 2) einzustellen. Nach Ein stellung der Widerstände wird eine neue Ausgangsspannung gemessen. Wenn die Ausgangsspannung immer noch unterhalb der erwünschten Ausgangsspannung (entsprechend der erwünschten Transferfunktion) liegt, wird das Widerstandsele ment wiederum nachgestellt und eine Messung der Ausgangsspannung durchge führt (s. Fig. 3). Diese Spannungsmessungen sind relativ instabil, da sie eine Funk tion des Luftflusses sind. Dies bedeutet, daß es etwa zwei Sekunden dauert, um einen Mittelwert des Spannungsausgangs zu erhalten, der als sehr genau betrach tet werden kann (s. Fig. 4). Auf Grund des Zeitverzugs von zwei Sekunden nach je der Unterbrechung zur Einstellung des Widerstandes ist das Verfahren zum Erhalt einer endgültigen Unterbrechung im Widerstands-Einstellverfahren unerwünscht lang. Es ist daher erwünscht, das Verfahren des Einstellens der Widerstände abzu kürzen, das einen Teil des Luftmassenstromsensorsystems bildet.

Allgemein müssen auf Grund der von Teil zu Teil variierenden Luftmassenstromsen soranordnungen die Luftmassenstrom-Ausgangsstufen-Widerstände R₁, R₂, R₃ und R₄ mit Laser bearbeitet werden, um den Sensortransferfunktionsanforderungen zu genügen. Ein typischer Transferfunktions-Einstellprozeß setzt den Sensor einem geringen Luftstrom aus und stellt die Widerstände R₁ und/oder R₂ so ein, daß die Spannung V_out auf den erwünschten Wert eingestellt ist und eine Verschiebungs einstellung erzielt wird. Der Sensor wird einem hohen Luftstrom ausgesetzt, wäh rend die Widerstände R₃ und/oder R₄ eingestellt werden, um V_out auf eine er wünschte Transferfunktion bei starkem Luftstrom einzustellen und eine Verstär kungseinstellung zu erzielen. Die V_out bei schwachem Luftstrom wird sodann wie derum überprüft, um sicherzustellen, daß diese sich während der Einstellung des hohen Luftstroms nicht zu weit verschoben hat. Falls die Spannung V_out bei gerin gem Luftstrom inakzeptabel ist, müssen beide Verfahrensschritte wiederholt wer den. Das Verfahren ist auf Grund von zwei Ursachen zeitaufwendig. Zunächst wird die gesamte Widerstandseinstellung dann durchgeführt, wenn sich ein Luftstrom durch das Luftmassenstrommeter bewegt und V_sig hervorruft. Diese Spannung V_sig ist auf Grund der inhärenten Dynamik des Luftstroms mit Rauschen versehen. Demzufolge muß zur Sicherstellung der Genauigkeit eine längere Messung von V_out während der Laserbearbeitung durchgeführt werden. Zweitens muß, da die Einstellung der Widerstände bei starkem Luftfluß die Verschiebung des V_out bei niedrigen Luftfluß erzwingt, das Verfahren des Übergangs von Laserbearbeitung bei niederer Flußgeschwindigkeit auf eines bei hoher Flußgeschwindigkeit häufig wie derholt werden, was wiederum das Einstellverfahren verlängert. Dies sind einige der Probleme, die erfindungsgemäß überwunden werden sollen.

Abgleichverfahren für Hitzdraht-Luftmassenstromsensoren sind aus der DE 35 20 392 A1 bekannt, wo das Ausgleichverfahren unter Bearbeitung von Widerständen wäh rend des Luftstromes stattfindet. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und daher ver besserungsfähig. Aus der DE 42 36 559 A1 ist ein Kalibrierverfahren für Strömungs wächter beschrieben, bei dem die Widerstände nicht eingestellt werden können. Aus der US 4,254,961 ist allgemein ein Strömungsmeßverfahren bekannt, ebenso aus der WO 93/06441 A1.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, ein schnell durchzuführendes Einstell verfahren für Luftmassenstromsensoren zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrich tung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Einstellverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schafft ein ex aktes Verfahren der Transferfunktionseinstellung, während die Herstellungszyklus zeit reduziert wird. Dies führt zu einer Erhöhung der gesamten Herstellungsge schwindgkeit einer Erniedrigung der Werkzeugkosten und einer Reduktion der Pro duktionsfläche. Die Einstellzykluszeit wird um über 50% verkürzt.

Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nimmt eine erste Transferfunktion, die einer Luftmassenstromsensorausgangsspannung und einem Luftstrom entspricht und bestimmt, welche Änderungen notwendig sind, um die ersten Transferfunktion auf eine erwünschte Transferfunktion zu ändern. Dies wird dadurch erzielt, indem die Ausgangsspannung bei niedrigem und hohem Luftstrom gemessen wird. Jede Messung benötigt Zeit (bspw. zwei Sekunden), um eine Durchschnitts-Ausgangsspannung bei einem fluktuierenden Luftstrom zu erhalten. Eine erwünschte Luftmassenstromausgangsspannung wird bei niedrigem Luftstrom und bei hohem Luftstrom bestimmt. Eine Luftmassenstromsensorsignalspannung wird als Eingangsspannung zu einer Ausgangsstufe des Luftmassenstrommeters verwendet. Derartige Signalspannungen entsprechen der Ausgangsspannung bei niedrigem Luftfluß und es wird auch die Ausgangsspannung bei hohem Luftfluß gemessen. Die Luftmassenstrommeterausgangsstufe umfaßt Widerstände, die ein gestellt werden können, um Spannungsgrößen und Verschiebungen einzustellen. Sodann wird eine Spannungsquelle auf eine gemessene Signalspannungsgröße eingestellt und an die Ausgangsstufe angelegt. Die Widerstände der Ausgangsstufe sind sodann eingestellt, um eine erwünschte Ausgangsspannung entsprechend der erwünschten Transferfunktion herzustellen. Demzufolge wird die Einstellung ent sprechend einer stabilen Eingabespannung durchgeführt, die sich nicht entspre chend Luftströmungsfluktuationen ändert und das Einstellen kann schnell beendet werden. Ohne die Erfindung kann die Dynamik der Luftstrom- und Lasereinstellung der Widerstände das Einstellen des Luftmassenstromsensors sehr aufwendig ge stalten. Um genaue Resultate zu erzielen, wenn sich der Ausgang seinem Zielwert nähert, müssen ganz kleine Laserschnitte von langen Mittelungs-Messungen gefolgt werden. Das obenbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren trennt die Messung des Luftstromes und die Laserbearbeitung der Widerstände, um eine größere Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erzielen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, auf die diese keinesfalls beschränkt ist.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Ausgangsstufen schaltkreises für ein Luftmassenstrommeter;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Luftmassenstrom sensorausgangsspannung gegen die Luftmassenstromgröße gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung gegen die Zeit während des Einstellens des Widerstands mittels Laser gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Ausgangsspannung gegen die Zeit, die die Spannungsfluktuation während des Luftflusses entsprechend einer Ausgangsführungsform der Erfindung zeigt; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Luftmassenstromsensorproduk tionsstraße mit Widerstandseinstellung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt ein Testsystem für Produktions straßen 10 für Luftmassenstromsensoren einen Sensorträger 11 zum Fördern des Luftmassenstromsensors zu einer Einstell station 12. Einstellstation 12 umfaßt ein Luftströmungssystem zum Vorsehen einer bekannten Luftströmungsgröße. In typischer Weise liefern verschiedene Düsen 21 einen exakt bekannten Luftfluß. Eine Luftflußpumpe 16 wird über eine Luftleitung 17 mit den Luftmassenstromdüsen 21 und über eine Luftleitung 18 mit dem zu testenden Luftmassenstromsensor verbunden. Wenn die bekannte Luftströmungsgröße eingestellt ist, liefert die Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors am Träger 11 ein Signal an den Computer 13, das der bekannten Größe des Luftstroms entspricht. Wenn die Ausgabespannung vom Luftmas senstromsensor nicht dem erwünschten Wert entspricht, kann die Ausgangsspannung durch Laserbearbeitung der Ausgangs widerstände der Ausgangsstufe des zu testenden Luftmassen stromsensors geändert werden.

Um das Einstellen der Widerstände zu vervollständigen, emp fängt der Computer 13 ein Signal von der Station 12, das die Luftströmungsgröße angibt. Der Computer 13 empfängt auch ein Signal vom Luftmassenstromsensor, das die Signalspannung des Luftmassenstromsensors und das Ausgabesignal der Ausgangs stufe des Luftmassenstromsensors angibt. Falls dieses Ausga besignal nicht der erwünschte Spannung entsprechend dem durch die Einstellstation 12 geschaffenen Luftstrom entspricht, wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung 14 eingesetzt, um die Ausgangswiderstände R₁, R₂, R₃ und R₄ der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensory zu bearbeiten, um das Ausgabespan nungssignal auf den erwünschten Wert einzustellen. Während des Einstellens wird kein Luftfluß benötigt und der Träger wird aus der Einstellstation heraus bewegt.

Ein Einstellverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die nachfolgenden drei Schritte:

1. Einstellung des Luftstroms auf niedrige Fließge schwindigkeit
- - Messung V_out und Name als V_out1
- - Messung V_sig und Name als V_lo
2. Einstellung des Luftstroms auf hohe Fließgeschwindigkeit
- - Messung von V_out und Aufzeichnen als V_out2
- - Messung von V_sig und Aufzeichnen als V_hi
3. Einstellung:
V_outhi ⇒ erwünschte V_out bei hoher Fließgeschwindigkeit
V_outlo ⇒ erwünschte V_outbei niedriger Fließgeschwindigkeit
wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor der Ein stellung sind und G_i die Anfangs-Systemverstärkung ist;
- a) Berechne:
  V_span = V_outhi- V_outlo
  V_spanI = V_out2 - V_out1
  wobei G_f die endgültige Systemverstärkung ist
Unter Verwendung einer computergesteuerten Präzisions spannungsquelle wird V_hi in den Schaltkreis bei V_sig eingespeist;
- a) Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daß
  V_out - V_out1 + V_span + V_out
- b) Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Er halt der gewünschten Größe, so daß
  V_out = V_outhi

Da eine Präzisionspannungsquelle eine Aufwärmzeit benötigt, ist es erwünscht, sowohl die Verstärkungs-Widerstände R₃ und R₄ als auch die Kompensations-Widerstände R₁ und R₂ einzustellen, während lediglich eine Spannung eingespeist wird. Durch Durchführung der Berechnung im obigen Schritt 3 kann der erwünschte Wert V_out für die Einstellung der Verstärkung in Schritt 3b bestimmt werden. Schließlich können die Kompensationswiderstände R₁ und R₂ im Schritt (3c) eingestellt werden. Die Kompensationswiderstände sind kleiner als die Verstärkungswiderstände und beeinflussen daher nicht die Verstärkungseinstellung.

Verschiedene Modifikationen und Variationen der Erfindung sind dem Fachmann offensichtlich. Derartige Variationen, die grundsätzlich auf der Lehre dieser Offenbarung beruhen, sollen somit konsquenterweise unter den Schutzumfang der Ansprüche fallen.

Bezugszeichenliste

10

Testsystem für Produktionsstraßen

11

Sensorträger

12

Einstellstation

13

Computer

14

Laserbearbeitungsvorrichtung

16

Luftpumpe

17

Luftleitung

18

Luftleitung

21

Luftmassenstromdüsen

Claims

1. Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimmbaren Ausgangsstufe, gekennzeichnet durch die Schritte:
Führen eines vorbestimmten Luftmassenstroms durch den Luftmassenstromsensor;
Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors;
Bestimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangs stufe entsprechend der gemessenen Eingangsspannung;
Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und
Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Ein gangsspannung unter Einstellung der Widerstände in der Ausgangsstufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Abstimmens der Ausgangsstufe umfaßt:
Einstellung eines niedrigen Luftstromes;
Messen einer Eingangs- und Ausgangsspannung der Ausgangsstufe bei niedrigem Luftstrom;
Einstellung eines hohen Luftstromes; und
Messen der Eingangs- und Ausgangsspannung der Ausgangsstufe bei hohem Luftstrom.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:
Berechnen der erwünschten Verstärkung der Ausgangsstufe, um die erwünschte Ausgabespannung bei einer gemessenen Eingangs spannung zu erzielen.

4. Verfahren zum Abstimmen eines Luftmassenstromsensors mit einer abstimmbaren Ausgangsstufe mit Widerständen R₁, R₂, R₃, R₄ mit den Schritten:
Einstellung des Luftstromes zum Luftmassenstromsensor auf niedrige Fließgeschwindigkeit;
Messen einer Ausgangsspannung der Ausgangsstufe Vout und Aufzeichnung als V_out1;
Messen der Eingangsspannung V_sig der Ausgangsstufe und Auf zeichnung als V_lo;
Einstellung des Luftflusses auf hohe Fließgeschwindigkeit;
Messen der Ausgangsspannung der Ausgangsstufe V_out und Aufzeichnung als V_out2;
Messen von V_sig und Aufzeichnung als V_hi;
Einstellen einer V_outhi gleich dem erwünschten V_out bei hoher Fließgeschwindigkeit;
Einstellung einer V_outhi auf eine erwünschte V_out bei hoher Luft-Fließgeschwindigkeit;
Einstellen eines V_outlo auf einen erwünschten V_out bei nied riger Luft-Fließgeschwindigkeit;
Berechnen eines Anfangs-Verstärkungswertes G_i nach:
wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor der Ein stellung sind und Gi die Anfangs-Systemverstärkung ist;

a) Berechnen von:
V_span = V_outhi-V_outlo und eines V_spanI = V_out2 - V_out1 Berechnen der End-Verstärkung nach:
wobei Gf die endgültige Systemverstärkung ist
Berechnen eines

Anlegen von V_hi an die Ausgangsstufe mit V_sig;

a) Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daß
V_out - V_out1 + V_span + ΔV_out

und

a) Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Er halt der erwünschten Verstärkung, so daß
V_out = V_outhi

5. Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstrommeters mit einer einstellbaren Ausgangsstufe, gekennzeichnet durch
Führen eines Luftmassenstroms durch den Luftmassenstromsen sor;
Messen der stabilisierten Ein- und Ausgangsspannungen der Ausgangsstufe des Luftmassenstromsensors;
Bestimmen einer erwünschten Ausgangsspannung der Ausgangs stufe entsprechend der gemessenen Eingangsspannung;
Anlegen der gemessenen Eingangsspannung an die Ausgangsstufe; und
Abstimmen der Ausgangsstufe zur Herstellung der erwünschten Ausgangsspannung entsprechend der angelegten gemessenen Ein gangsspannung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmittel 12 für die Verstärkungsstufe Mittel zur Bearbeitung der Widerstände 14 in der Ausgangsstufe aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung einer erwünschten Ausgangsspannung umfassen:
Mittel zur Einstellung einer niedrigen Luftfließgeschwindig keit;
Einrichtungen zur Messung einer Eingangs- und einer Ausgangs spannung der Ausgabestufe bei hoher Luftfließgeschwindigkeit;
Mittel zur Einstellung einer hohen Luftfließgeschwindigkeit; und
Mittel zur Messung einer Eingangs- und einer Ausgangsspannung der Ausgabestufe bei hoher Luftfließgeschwindigkeit.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Berechnung der erwünschten Verstärkung der Ausgangsstufe, um die erwünschte Ausgabespannung ensprechend einer gemesse nen Eingangsspannung zu erhalten.

9. Vorrichtung zur Einstellung eines Luftmassenstromsensors nach Anspruch 6 mit einer einstellbaren Ausgangsstufe mit Wi derständen R₁, R₂, R₃ und R₄, gekennzeichnet durch:
Mittel zur Einstellung des Luftstromes zum Luftmassenstrom sensor auf niedrige Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Messen einer Ausgangsspannung der Ausgangsstufe V_out Aufzeichnung als V_out1;
Mittel zum Messen der Eingangsspannung V_sig der Ausgangsstufe und Aufzeichnung als V_lo;
Mittel zur Einstellung des Luftflusses auf hohe Fließge schwindigkeit;
Mittel zum Messen von V_out und Aufzeichnung als V_out2;
Mittel zum Messen von V_sig und Aufzeichnung als V_hi;
Setzen einer V_outhi gleich der erwünschten V_out bei hoher Fließgeschwindigkeit;
Mittel zur Einstellung eines V_outhi auf eine erwünschte V_out bei hoher Luft-Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Einstellen einer V_outlo auf eine erwünschte V_out bei niedriger Luft-Fließgeschwindigkeit;
Mittel zum Berechnen einer Anfangs-Verstärkung G_i nach:
wobei R₁, R₂, R₃, R₄ auf ihren bekannten Werten vor Ein stellung sind und G_i die Anfangs-Systemverstärkung ist;
Mittel zum Berechnen von:
Vspan = V_outhi - V_outlo und einer V_spanI = V_out2 - V_out1
Mittel zum Berechnen einer End-Verstärkung G_f nach:
wobei G_f die endgültige Systemverstärkung ist;
Mittel zur Berechnung von:
Mittel zum Anlegen von V_hi an die Ausgangsstufe bei V_sig;
Mittel zur Laserbearbeitung der Widerstände R₃ und/oder R₄ zum Erhalt der erwünschten Verstärkung, so daß
V_out - V_out1 + V_span + ΔV_out; und
Mittel zur Laserbearbeitung der Widerstände R₁ und/oder R₂ zum Erhalt der gewünschten Verstärkung, so daß
V_out = V_outhi.