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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Momentantemperatur
eines Mediums mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Stand der
Technik
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Es
ist bekannt, daß für eine Vielzahl
von Steuer-, Regel- und Überwachungsvorgängen eine Umgebungstemperatur,
beispielsweise eines Aggregates eines Kraftfahrzeugs, als Hilfsgröße von Bedeutung
ist. Um diese Hilfsgröße zu verarbeiten,
sind Meßanordnungen
bekannt, mittels denen eine momentane Umgebungstemperatur ermittelt
werden kann. Hierzu sind Temperatursensoren bekannt, die beispielsweise
auf Basis von temperaturabhängigen Widerständen ein
der Ist-Temperatur proportionales Signal liefern.
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Bekannt
ist ferner der Einsatz von Gassensoren, mittels denen eine Gaszusammensetzung
eines Mediums, beispielsweise der Umgebungsluft, gemessen werden
kann. Diese Gassensoren arbeiten zum Beispiel nach dem Prinzip veränderlicher
Widerstände
auf zum Bei spiel Metalloxid-Basis und benötigen hierfür eine Betriebstemperatur.
Daher ist bekannt, den Gassensoren ein Heizelement zuzuordnen, mittels
dem diese auf die benötigte
Betriebstemperatur aufheizbar sind.
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Derartige
Gassensoren werden beispielsweise in Klimatisierungsanlagen eingesetzt.
Um neben der Gaszusammensetzung gleichzeitig eine Temperaturmessung
durchführen
zu können,
ist bekannt, ein kombiniertes Sensorelement einzusetzen, das einerseits
den Gassensor und andererseits einen Temperaturmeßsensor
umfaßt.
Hierbei ist nachteilig, dass durch die Anordnung von zwei, auf unterschiedlichen
Wirkprinzipien basierenden Sensoren aufwendige Anpassungsarbeiten
hinsichtlich der Anordnung, der Ansteuerung und dergleichen notwendig
sind.
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Aus
der
DE 38 063 08 A1 ist
ein Temperaturfühler
bekannt, bei dem ein Dünnschichttemperaturmeßelement
auf einem Träger
aufgebracht ist. Der Widerstand des Temperaturelements ändert sich
mit der Temperatur. Aus der
DD
250 576 A1 ist ein metallisches Temperaturmeßelement
bekannt, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Aus
der
DE 27 57 334 A1 ist
ein Heizelement bekannt, welches getaktet mit Heizleistung versorgt
wird. In den Phasen, in denen keine Heizleistung angelegt wird, erfolgt
durch Messung des Widerstandes des Heizelements eine Temperaturmessung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen löst die Aufgabe, dass in einfacher
Weise eine Momentantemperatur erfaßbar ist. Dadurch, dass ein
zumindest zeitweise auf eine konstante, bekannte Temperatur elektrisch aufheizbares
Element derart ausgenutzt wird, dass aus einer dem Element zugeführten Heizleistung
die Momentantemperatur des das Element umgebenden Mediums bestimmt
wird, ist vorteilhaft möglich,
auf die zusätzliche
Anordnung eines Temperaturmeßsensors
zu verzichten. Der Aufbau derartiger Sensorelemente wird somit wesentlich
vereinfacht. Neben den hiermit verbundenen Materialeinsparungen
und einer Reduzierung des Herstellungsaufwandes sind derartige Sensoren
einfacher aufgebaut, so daß diese
in vielfältigen
Anwendungen ohne großen
Anpassungsbedarf eingesetzt werden können.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die zur
Bestimmung der Momentantemperatur herangezogene Heizleistung aus
einer gemessenen Heizspannung und einem gemessenen Heizstrom ermittelt
wird. Somit wird in einfacher Weise aufgrund bekannter Beziehungen,
wonach die Heizleistung das Produkt aus Heizspannung und Heizstrom
ist, ein Betriebsparameter zur Verfügung gestellt, der proportional
zur Umgebungstemperatur ist. Durch vorzugsweise mittels Mikroprozessoren
abarbeitbarer Algorithmen kann aufgrund bekannter Ausgangstemperatur
des die Heizleistung aufnehmenden Sensors und bekannter Geometriekonstanten,
wie insbesondere Wärmeübergangswiderstand
zum Medium, die zum Erreichen der notwendigen, bekannten konstanten
Betriebstemperatur des Heizelementes heranzuführende Heizleistung als Maß für die Momentantemperatur
des Mediums ausgewertet werden. In besonders bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung kann in einem dem Mikroprozessor zugeordneten Speichermittel
die Beziehung von Heizleistung zu Umgebungstemperatur tabellarisch
abgelegt sein, so daß beim
Messen einer bestimmten Heizleistung sofort eine Zuordnung zu der
hierzu gegebenen Momentantemperatur des Mediums möglich ist.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Heizleistung aus einem Tast verhältnis
einer Einschaltfrequenz der Heizspannung ermittelt wird. An sich
bekannt ist, zum Erreichen einer konstanten Heiztemperatur die Heizspannung
getaktet zuzuschalten, so daß durch
das sich ergebende Tastverhältnis
eine der zugeführten Heizleistung
proportionale Größe zur Verfügung steht.
Dieses Tastverhältnis
der Heizspannung ist zur Temperaturregelung des Heizelementes bekannt
und kann somit in einfacher Weise abgegriffen und für die Bestimmung
der Momentantemperatur des Mediums herangezogen werden.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Heizleistung aus einer Zeitspanne ermittelt wird, die sich zwischen
einem Ausschaltzeitpunkt, einer Heizspannung und einem Wiedereinschaltzeitpunkt
der Heizspannung bei einer Zweipunktregelung des Heizelementes ergibt. An
sich bekannt ist, eine bestimmte Heiztemperatur einzustellen, indem über eine
Zweipunktregelung das Überschreiten
beziehungsweise Unterschreiten von Grenztemperaturwerten gemessen
wird und bei Überschreiten
die Heizspannung abgeschaltet und bei Unterschreiten die Heizspannung
zugeschaltet wird. Hierdurch wird eine Heiztemperatur in dem durch
die Grenztemperaturwerte vorgegebenen Bereich eingehalten. Die sich
ergebende Zeitspanne zwischen dem Ausschalten der Heizspannung und dem
Wiedereinschalten der Heizspannung ist ein der zuzuführenden
Heizleistung zum Konstanthalten der Heiztemperatur proportionales
Signal, das in einfacher Weise ausgewertet und als Maß für die Momentantemperatur
des Mediums herangezogen werden kann.
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Es
wird deutlich, daß mittels
der erfindungsgemäßen Verfahren
in einfacher Weise der Heizleistung proportionale Meßgrößen abgegriffen
werden und hieraus aufgrund bekannter Konstanten der Anordnung ein
der Momentantemperatur des umgebenden Mediums proportionales Signal
ermittelt werden kann. Diese Lösung
läßt sich
in einfacher Weise in vorhandene Steuergeräte oder dergleichen implementieren,
so daß ein
zusätzlicher
Bauelementeaufwand nicht notwendig ist.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Momentantemperatur in einer
ersten Ausführungsvariante;
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2 eine
Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Momentantemperatur in einer
zweiten Ausführungsvariante;
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3 ein
Signalverlauf einer Heizspannung;
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4 ein
Temperaturverlauf einer bekannten Heiztemperatur und
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5 ein
sich aus dem Temperaturverlauf gemäß 4 ergebender
Verlauf einer Heizspannung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
nachfolgend erläuterten
Ausführungsbeispiele
gehen von einem Gassensorelement 10 aus, dem zur Erreichung
einer Betriebstemperatur des Gassensorelementes 10 eine
interne Heizeinrichtung 12 zugeordnet ist. Die Heizeinrichtung 12 wird
von einem elektrischen Heizwiderstand RH gebildet.
Aufbau und Wirkungsweise derartiger Gassensorelemente 10 sind
allgemein bekannt, so daß im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen
werden soll.
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Das
Gassensorelement 10 ist einem Medium 14, beispielsweise
der Luft in einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs, dem Innenraum
eines Gebäudes oder
allgemein gesagt einer beliebigen Meßstelle zugeordnet. Dieses
Medium 14 besitzt eine momentane Umgebungstemperatur TU. Bei der nachfolgenden Erläuterung
der Ausführungsbeispiele
wird davon ausgegangen, daß ein
der momentanen Umgebungstemperatur TU entsprechendes Meßsignal
ermittelt werden soll, das als Hilfsgröße für weitere Steuer-, Regel- oder Überwachungsfunktionen
eingesetzt werden soll.
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Das
Gassensorelement 10 besitzt einen bekannten Aufbau und
ist so ausgelegt, daß eine
optimale Ankopplung an das Medium 14 mit seinen gassensitiven
Bereichen gegeben ist. Hierdurch ergibt sich ein bekannter thermischer Übergangswiderstand
RTH zwischen dem Gassensorelement 10 und dem
Medium 14. Das Heizelement 12 ist den gassensitiven
Bereichen des Gassensorelementes 10 zugeordnet, so daß eine möglichst
minimale Heizleistung PH notwendig ist,
damit das Gassensorelement 10 auf die notwendige Betriebstemperatur,
von beispielsweise größer 300 °C, gebracht
werden kann. Um dies zu erreichen, ist eine thermische Kapazität des Gassensorelementes 10 möglichst
gering und ein thermischer Ableitungswiderstand des Gassensorelementes 10 möglichst
groß.
Hierdurch wird ein schnelles Erreichen der benötigten Betriebstemperatur möglich, während die
an das umgebende Medium abgestrahlte Verlustwärme des Gassensorelementes 10 gering
ist.
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Aus
diesen Ausgangsüberlegungen
ergibt sich, daß die
dem Gassensorelement 10 zugeführte Heizleistung PH in unmittelbarem Zusammenhang mit der Umgebungstemperatur
TU des Mediums 14 zu sehen ist.
Aufgrund der bekannten Geometrie des Gassensorelementes 10 sind
dessen thermische Kapazität,
dessen thermischer Ableitungswiderstand und der thermische Übergangswiderstand
zum Medium 14 bekannt und können als Konstanten bei der Bestimmung
der Umgebungstemperatur TU herangezogen
werden.
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Dem
Gassensorelement 10 ist ein Temperaturfühler 16 zugeordnet,
mittels dem eine Ist-Temperatur Tist des
Gassensorelementes 10 gemessen wird. Diese Ist-Temperatur
Tist wird einem Heizungsregler 18 zur
Verfügung
gestellt. Der Heizungsregler 18 vergleicht die Temperatur
Tist mit einer Temperatur Tsoll für das Gassen sorelement 10 und
liefert in Abhängigkeit
einer Differenz Tsoll – Tist ein
Steuersignal S, mit dem eine Spannungsquelle 20 ansteuerbar
ist. Über
das Steuersignal S wird eine Höhe
der Versorgungsspannung UV für das Heizelement 12 des
Gassensorelementes 10 geregelt. Aus dieser momentanen Versorgungsspannung
UV kann kontinuierlich über im einzelnen nicht dargestellte
Meßmittel
die Heizspannung UH und der Heizstrom IH, der über
einen Meßwiderstand
RM fließt,
ermittelt werden. Aufgrund der bekannten Beziehung Heizleistung
PH = Heizspannung UH·Heizstrom
IH, kann die momentane Heizleistung PH ermittelt werden. Diese momentane Heizleistung
PH ist – wie
oben erläutert – eine Funktion
der Momentantemperatur TU. Mittels eines
hier angedeuteten Steuergerätes 22,
das als Eingangsgrößen die
momentane Heizleistung PH, die Solltemperatur
TS des Gassensorelementes 10 und
den thermischen Übergangswiderstand
RTH zwischen Gassensorelement 10 und
Medium 14 erhält,
kann aufgrund der Beziehung TU = Tsoll – RTH·PH ein Steuersignal STU zur
Verfügung
gestellt werden, das der momentanen Umgebungstemperatur TU des Mediums 14 entspricht.
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Die
Berücksichtigung
der Temperatur Tsoll des Gassensorelementes 10 unterstellt,
daß über die Heizungsregelung 18 die
Ist-Temperatur Tist des Gassensorelementes 10 im
wesentlichen der Soll-Temperatur Tsoll entspricht.
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2 verdeutlicht
eine zweite Ausführungsvariante
zum Bestimmen der momentanen Umgebungstemperatur T
U des
Mediums
14. Gleiche Teile wie in
1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Gemäß der an sich bekannten, in
2 gezeigten
Schaltungsanordnung ist die Versorgungsspannungsquelle
20 mit
einer konstanten Versorgungsspannung U
V betrieben.
Die Regelung der Heizspannung U
H zum Halten
des Gassensorelementes
10 auf der Solltemperatur T
soll erfolgt hierbei durch ein getaktetes
Ansteuern eines Schaltelementes
24 über den Heizungsregler
18. Entsprechend
einem Tastverhältnis
des Heizungsreglers
18 ergibt sich, wie
3 zeigt,
daß die
Heizspannung U
H für eine Heizdauer t
H anliegt.
Während des
Anlegens dieser Heizspannung U
H heizt das
Heizelement
12 auf, bis der Temperaturmeßfühler
16 signalisiert,
daß die
Temperatur T
soll erreicht ist. Je nachdem,
ob die Umgebungstemperatur T
U des Mediums
14 sinkt
beziehungsweise ansteigt, ist eine mehr oder weniger große Heizleistung
P
H des Heizelementes
12 notwendig,
damit das Gassensorelement
10 auf seine bekannte konstante
Betriebstemperatur eingeregelt werden kann. Diese Heizleistung ergibt
sich. aus dem Tastverhältnis
der Heizzeit t
H zu einer Gesamtheizperiode
T. Diese Heizungsregelung ist an sich bekannt. Ein sich ergebendes
Tastverhältnis
ist somit direkt abhängig von
der Umgebungstemperatur T
U. Das Tastverhältnis
wird abgegriffen und dem
Steuergerät
22 zugeführt. Dem
Steuergerät
22,
dem als weitere bekannte konstante Eingangsgrößen die Versorgungsspannung U
V, der Heizwiderstand R
H,
die Solltemperatur T
soll und der thermische Übergangswiderstand
R
TH zur Verfügung.
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Aufgrund
der Beziehung
lassen sich aufgrund der
bekannten Größen und
des aktuellen Tastverhältnisses
ein Steuersignal S
TU bereitstellen, das direkt proportional
der momentanen Umgebungstemperatur T
U ist.
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Die
Schaltungsanordnung gemäß
2 läßt sich
in an sich bekannter Weise mittels einer sogenannten Zweipunktregelung
betreiben. Hierbei wird über
den Heizungsregler
18 durch Ansteuerung der Heizspannung
U
H die Sensortemperatur T
S zwischen einem
oberen Grenzwert T
GO und einem unterem Grenzwert
T
GU geregelt. Die Temperatur T
ist wird über den
Temperaturmeßfühler
16 ermittelt
und dem Heizungsregler
18 zugeführt. Dieser vergleicht die
Temperatur T
ist mit dem oberen Grenzwert
T
GO beziehungsweise dem unteren Grenzwert
T
GU. Erreicht die Temperatur T
ist den
oberen Grenzwert T
GO, wird das Schaltelement
24 durch
den Heizungsregler
18 ausgeschaltet, während bei Erreichen des unteren Grenzwertes
T
GU durch die Ist-Temperatur T
ist das Schaltelement
24 eingeschaltet
wird. Hierdurch ergibt sich der in
4 skizzierte Verlauf
der Sensortemperatur T
S. Durch Definition
des oberen Grenzwertes T
GO und des unteren
Grenzwertes T
GU ergibt sich eine Temperaturhysterese Δ T des Heizelementes
12.
Hierdurch ergeben sich die in
5 dargestellten
Ausschaltzeiten t
aus des Schaltelementes
46 und
entsprechende Einschaltzeiten t
ein des Schaltelementes
24.
Die Heizspannung U
H ist demnach ebenfalls
getaktet entsprechend dem Verlauf der Temperaturhysterese Δ T. Für die Zeit
t
aus gilt die Beziehung
wobei
τ eine thermische
Zeitkonstante des Gassensorelementes
10 ist. Aufgrund der
bekannten Zeitkonstante τ und
der bekannten Temperaturhysterese ΔT sowie der bekannten oberen
Grenztemperatur T
GO ist die Ausschaltzeit
T
aus direkt abhängig von der momentanen Umgebungstemperatur
T
U des Mediums
14. Über das
Steuergerät
22 kann
somit wiederum ein Signal S
TU bereitgestellt
werden, das der Umgebungstemperatur T
U entspricht.
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Es
wird deutlich, daß mittels
einfacher Verfahrensschritte aus an sich bekannten Meßwerten beziehungsweise
Konstanten eines Gassensorelementes 10 eine benötigte Heizleistung
PH beziehungsweise Heizspannung UH unmittelbar zum Ermitteln der Umgebungstemperatur
TU herangezogen werden kann.
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Die
Erfindung beschränkt
sich selbstverständlich
nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel.
So ist bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels davon ausgegangen
worden, daß das
Gassensorelement 10 mit einer zeitlich konstanten Heiztemperatur
betrieben wird. Diese Heiztemperatur kann auch zeitlich variabel
sein. Durch Berücksichtigung
der Temperatur Tsoll beziehungsweise des
dann geänderten
oberen Grenzwertes TGO kann auch eine über der
Zeit veränderliche
Solltemperatur bei der Bestimmung der momentanen Umgebungstemperatur
TU in einfacher Weise erreicht werden. Ferner
ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen
der Umgebungstemperatur TU nicht auf Gassensorelemente
beschränkt.
Entscheidend ist, daß ein
zumindest zeitweise auf eine konstante, bekannte Temperatur auf
heizbares Element, beispielsweise eine Spannungsreferenz, ein Zeit/Frequenznormal
oder dergleichen vorhanden ist. Die zuzuführende Heizleistung, um die
zumindest zeitweise, konstante, bekannte Temperatur zu erreichen,
dient dann als Ausgangsgröße zum Bestimmen
der momentanen Umgebungstemperatur TU.
wird abgegriffen und dem Steuergerät
ein Steuersignal STU bereitstellen, das direkt proportional der momentanen Umgebungstemperatur TU ist.
