DE3424642A1

DE3424642A1 - Festkoerper-luftstroemungsfuehler

Info

Publication number: DE3424642A1
Application number: DE19843424642
Authority: DE
Inventors: Daniel Howard Peru Ind. Hopper
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1985-01-31
Also published as: US4487063A; CA1213448A; JPH0349374B2; JPS6038619A

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftmassen-Strömungsschaltung unter Verwendung von Festkörpersensoren und insbesondere eine derartige Schaltung, die für funktionelle Temperaturkompensationseichung geeignet ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Massenströmung von Luft durch Heißelement-Anemometrie zu messen, wobei als Heißelement ein Draht, eine Folie oder ein integrierter Festkörperschaltkreis Verwendung findet. In jedem Fall ist eine spezielle Schaltanordnung erforderlich, um die Auswirkungen der Temperatur auf das Meßergebnis auszugleichen. Temperaturänderungen ergeben sich in erster Linie infolge der sich mit der Temperatur ändernden thermischen Leitfähigkeit der Luft, jedoch entstehen zusätzliche Temperaturauswirkungen auch von vielen Quellen innerhalb der Schaltung selbst. Es ist dann wünschenswert, eine Massenluftströmungs-Erfassungsschaltung zu besitzen, die genaue und zuverlässige Resultate unabhängig von der anliegenden Lufttemperatur ergibt. Das ist eine besonders wichtige Eigenschaft bei einer Schaltung zum Messen der Ansaugströmung bei einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, bei der extreme Temperaturbereiche auftreten und genaue Luftmassenströmungswerte erforderlich sind, um die Brennstoffzuführsteuerung zuverlässig zu ermöglichen.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine Luftströmungs-Meßschaltung mit Festkörpersensoren zu schaffen, bei der eine funktionelle Temperaturkompensationseinstellung möglich ist. Als weiteres Ziel der Erfindung wird angesehen, eine derartige Luftströmungs-Meßschaltung zu schaffen, bei der die funktionelle Eichung sehr einfach ausgeführt werden kann und keine kritischen Temperatureteuerungen nötig sind. Dazu kommt, daß durch die Erfindung eine Luftströmungs -Meßschaltung dieser Art geschaffen werden soll, bei der die Temperaturauswirkungen der Schaltung wie auch die Auswirkungen der sich ändernden

thermischen Leitfähigkeit der Luft kompensiert sind.

Durch die Erfindung wird eine Luftströmungs-Meßschaltung unter Verwendung von Festkörperfühlern für die Umgebungslufttemperatur und für den aufgeheizten Luftmassen-Strömungsfühler geschaffen, mit einer Stromquelle in Reihe mit jedem Sensor, einem Widerstand in Reihenschaltung mit dem Luftströmungs-Fühler, mit einem Komparator, der die über den Fühlern und dem Widerstand abfallenden Spannungen erhält, um sowohl ein Ausgangssignal zu schaffen als auch eine Steuerung für die Temperatur des Luftströmungs^Fühlers, und mit einem Eichnetzwerk, das eine widerstandsmäßig mit einem der Sensoren gekoppelte dritte Stromquelle enthält, um eine funktioneile Einstellung des Sensorstromes zu ermöglichen zum Ausgleich für die Auswirkungen der Temperaturänderungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Figur 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Luftströmung smeß schaltung, und

Figur 2 eine Darstellung der Diodencharakteristiken zur Verdeutlichung der Auswirkungen der funktionellen Eichung erfindungsgemäßer Art.

Heißelement-Anemometrie erfordert zwei Fühler, von denen einer die Umgebungsluft-Temperatur erfaßt und der andere auf eine bestimmte Temperatur über der Umgebungstemperatur aufgeheizt wird und die Luftmassen-Strömungsgeschwindigkeit entsprechend der Leistungsgröße mißt, die erforderlich ist, um den Fühler bei einer bestimmten Temperaturhöhe über der Umgebungstemperatur zu halten. Es ist dabei vorteilhaft, wenn diese beiden Fühler gleichartige Eigenschaften besitzen, so daß sie sich in

breiten Bereichen unterschiedlicher Temperaturen gleichartig verhalten. Die sehr weit entwickelte Technologie integrierter Schaltungen auf Siliciumbasis ergibt temperaturempfindliche Elemente, die als Umgebungstemperatur-Fühler und auch als Luftströmungs-Fühler benutzt werden können. Insbesondere besitzen Siliciumdioden eine sehr lineare Spannungsänderung mit der Temperatur bei einem bestimmten Strom, und derartige Dioden können leicht mit einander angepaßten Eigenschaften hergestellt werden. Für die beabsichtigte Anwendung werden bevorzugt IC-Chips auf Siliciumbasis mit vier in Reihe geschalteten Dioden verwendet und mit einem Heizwiderstand, der thermisch mit den Dioden gekoppelt, jedoch elektrisch ihnen gegenüber isoliert ist. Bei der Verwendung als Luftströmungsmesser wird der Heizwiderstand über eine Steuerschaltung beaufschlagt, um die Temperatur der Dioden anzuheben. Ein gleichartiger Chip wird als Umgebungstemperatur-Fühler verwendet, jedoch bleibt der auf diesem Chip befindliche Widerstand inaktiv, d.h. er wird nicht an eine Schaltung angeschlossen, so daß die Dioden die Lufttemperatur annehmen.

Wie in Figur 1 dargestellt, enthält die Luftmassen-Strömungsfühlerschaltung einen Umgebungstemperaturzweig 10 und einen Luftströmungs-Meßzweig 12, die jeweils zwischen einer Spannungsversorgung B+ und Masse liegen. Der Zweig 10 enthält eine an einem Chip 15 befindliche Siliciumdiode 14, wobei die in Reihe geschalteten vier Dioden"in der Zeichnung als eine einzige Diode dargestellt sind und nachfolgend einfach als "Diode" oder "Diodenfühler" bezeichnet werden. Der Heizwiderstand an dem Chip 15 ist inaktiv, so daß die Diode 14 als Umgebungsluft-Temperaturfühler dient. Die Diode 14 ist in Reihe an einer Verbindungsstelle 16 an eine Konstantstromquelle 18 angeschlossen. Der Luftströmungsmeßzweig 12 enthält einen im wesentlichen identisch zum Chip 15 ausgeführten Chip 19 mit einer Diode (Reihenschaltung von Dioden) 20, die als Luftströmungsfühler dient und mit in einer Schaltung so angeschlos-

senem Widerstandsheizer 32, da/3 die Temperatur des Chips über die der Umgebungsluft angehoben werden kann. Die Diode 20 ist in Reihe mit einem, einstellbaren Widerstand 22 und einer Kon stantstromguelle 24 geschaltet, welche an einer Verbindungsstelle 26 mit dem Widerstand 22 verbunden ist. Vorzugsweise besitzt die Stromquelle 24 die gleichen Stromwerte wie die Stromquelle 18. Ein Operationsverstärker 28 ist mit seinen beiden Eingängen an die Verbindungsstellen 16 und 26 angeschlossen, so daß er die dort herrschenden Spannungen vergleicht und ein Ausgangssignal auf Leitung 30 abgibt, das ein für die Luftmassen-Strömungsgeschwindigkeit repräsentatives Spannungssignal ist. Der Widerstandsheizer 32 an dem Diodenchip 19 ist mit einem Ende an die Spannungsversorgung B+ gelegt und mit dem anderen Ende über den Reihenwiderstand 33 mit dem Ausgang 30 des Funktionsverstärkers 28 verbunden, so daß der Operationsverstärker die dem Widerstandsheizer 32 zugeführte Leistung steuert. Dabei JLst es erforderlich, daß die dem Widerstandsheizer 32 zugeführte Leistung nur eine Funktion des Ausgangssignals an Leitung 30 unabhängig von Temperaturänderungen ist. Der Reihenwiderstand 33 ist in seinem Widerstandswert gleich dem Nennwiderstand des Widerstandsheizers, um Leistungsabweichungen infolge des Temperatur-Widerstandskoeffizienten des Widerstandsheizers 32 möglichst klein zu halten. Der Spannungsabfall an dem Umgebungsdiodenfühler 14 wird mit dem Spannungsabfall an dem Luftstrom-Diodenfühler und dem Widerstand 22 verglichen, und die Stromstärke durch den Widerstandsheizer 32 wird so lange nachgestellt, bis diese Widerstandsabfälle ausgeglichen sind. Da die Dioden, ohne den Widerstand 22 betrachtet, im wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweisen, sollten die Spannungsabfälle bei der gleichen Temperatur und gleicher Stromstärke den gleichen Wert einnehmen. Deshalb macht die Anwesenheit des Widerstandes 22 einen Unterschied der Diodentemperatur erforderlich, um die Spannungsabfälle auszugleichen, und der Widerstandswert bestimmt die Nenntemperaturdifferenz der beiden Fühler.

Ein dritter Schaltungszweig 34 der Fühlerschaltung ist für den Temperaturausgleich oder die Temperaturkompensation vorgesehen und enthält eine dritte Konstantstromquelle 36 und einen einstellbaren Verschiebewiderstand 38 in Reihe zwischen B+ und Masse angeschlossen. Die Verbindungsstelle 40 zwischen der Stromquelle 36 und dem Widerstand 38 ist über einen einstellbaren Steilheitswiderstand und eine normalerweise geschlossene eingelötete Brücke 44 mit der Verbindungsstelle 16 an dem Umgebungstemperaturzweig 10 verbunden. So können die Widerstände 38 und 42 zum Abgleich der Stromstärke durch den Widerstand 42 eingestellt werden, wodurch die Stromstärke in dem Umgebungsdioden-Fühler 14 geändert wird.

Als bevorzugte Bestandteile werden Kleinflächen-Siliciumdioden für die Diodenfühler, Konstantstromquellen 18 und 24 mit 0,4 mA Nennstromstärke, eine Stromquelle 36 mit 0,8 itiA Nennstromstärke und Dickschicht-Widerstände 22, 38 und 42 mit Nennwerten von 1,0 Ω , 2,8 Ω bzw. 4kΩ verwendet, wobei die Widerstände bei der Schaltungseichung mit La erstrahlen auf höhere Werte getrimmt werden.

Zur Analyse der Schaltung wird die Stromstärke durch die Stromquelle 24 mit i^, die Stromstärke durch die Stromquelle 18 mit ±2 und der durch den Steilheitswiderstand 42 zu der Verbindungsstelle 40 hin mit X3, wie durch die entsprechenden Pfeile in Figur 1 bezeichnet, angegeben. Wenn der Luftströmungs-Diodenfühler 20 so aufgeheizt wird, daß die Spannung an der Verbindungsstelle 26 gleich der an der Verbindungsstelle 16 ist, dann ist V gleich V +I₁R, wobei V der Spannungsab-

el SI α

fall an dem Umgebungsfühler 14, V der Spannungsabfall an dem Luftströmungsfühler 20 und R der Widerstandswert des Widerstandes 22 ist.

Die Diodeneigenschaften sind in Figur 2 dargestellt, welche eine graphische Darstellung des Diodenstromes über der

jeweiligen Durchlaßspannung der Diode ist, wobei jede Kurve die Diodeneigenschaften bei einer bestimmten Temperatur darstellt und sich auf jeden Fühler bezieht, da die Diodencharakteristiken gleich sind. Die Dioden werden in einem Bereich betrieben, in welchem die Diodenströme viel größer als irgendwelche Leckströme sind, jedoch klein genug, um eine vernachlässigbare Aufheizung der Dioden zu erzeugen. Bei einem bestimmten Diodenstrom nimmt die charakteristische Spannung im wesentlichen linear mit dem Temperaturanstieg ab. So zeigen die vier Kurven 50, 52, 54 und 56 die Diodencharakteristiken für die angeschriebenen Temperaturwerte 20° C, 80° C, 100° C und 158° C. Figur 2 .zeigt den Betrieb des Systemes in dem bevorzugten Fall mit i^ = ±2 und i, = 0, wenn die Umgebungstemperatur 20° beträgt und die Nenntemperaturdifferenz zwischen dem Umgebungsfühler und dem Luftstromfühler 60° ist. Die Kurve 50 gilt dann für den Umgebungstemperatur-Fühler 14, wenn die Umgebungstemperatur 20° C beträgt, und die Kurve 52 gilt in diesem Fall für den Luftstromsensor 20, der sich dann bei 80 C befindet. Die ausgewählten Ströme i.. und i^ definieren den Spannungsabfall V_a an Kurve 50 und den Spannungsabfall

V_ an Kurve 52. Da V, = V" + iiR, stellt der Horizontalabstand ο as¹

zwischen den Punkten ν₌ und V den Wert I₁R dar. Dadurch wird

=> a ι

dargestellt, daß bei einem bestimmten Strom der Widerstand R die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren bestimmt.

Wegen des Anstieges der thermischen Leitfähigkeit der Luft bei höherer Temperatur läßt man gewöhnlich die Temperaturdifferenz der Fühler bei höheren Temperaturen zum Ausgleich der Änderung der thermischen Leitfähigkeit abnehmen. Damit wird, wie in den Kurven 54 und 56 dargestellt, dann, wenn die Temperatur des Umgebungsfühlers 100° C beträgt, die Temperatur des Luftstromfühlers in der Größenordnung von 158° C liegen, oder 2° weniger betragen als beim strikten Einhalten einer Temperaturdifferenz von 60 C. Durch Hinzufügen des Stromes i~ bei von 20° Umge-

bungstemperatur abweichenden Temperaturen bewegt sich der Spannungsabfall V_a an der Charakteristik der Diode 14 entlang, und, wie in Kurve 54 dargestellt, befindet sich der Punkt V_a an einer höher und weiter rechts gelegenen Stelle, als es bei L^=O der Fall wäre. Da i-j ein konstanter Wert ist, bleibt der Horizontalabstand I₁R zwischen V und V kon-

■ a s

stant und das Luftstrom-Fühlerchip wird so aufgeheizt, daß die Kurve 56 mit ihrer Stelle V_s im festen Abstand i-|R von der Stelle V_a liegt, und das tritt dann ein, wenn die Temperatur etwa 58 C höher als Umgebungstemperatur liegt. Diese Temperaturabgleichung kompensiert nicht nur die Auswirkung der sich ändernden thermischen Leitfähigkeit der Luft, sondern auch weitere andere Temperaturauswirkungen, die aus einer Anzahl von Quellen innerhalb der Schaltung selbst herrühren. Es ist zu bemerken, daß bei ansteigender Umgebungstemperatur, wenn der Spannungsabfall V bei be-

GL

stimmtem Strom abnimmt, die Spannung an der Stelle 16 dazu neigt ..anzusteigen, so daß der Strom I^ auch um einen zur Temperaturänderung proportionalen Betrag anzusteigen neigt. So bewegt sich, wie in Figur 2 gezeigt, die Spannung V"_a längs einer Lastlinie 58.

Die Eichung der Schaltung ist notwendig, um die Nennspannungsdifferenz der beiden Fühler einzustellen und die Verschiebung oder den Versatz und die Neigung der Lastlinie festzusetzen. Die erfindungsgemäße Luftmassen-Strömungsfühlerschaltung erfordert keine genaue Kenntnis der Fühlereigenschaften, sondern beruht auf einem funktioneilen Eichtest zur Bestimmung der Temperaturcharakteristiken. Der Eichtest erfordert eine bekannte Luftmassen-Strömungsrate bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Die Temperaturen brauchen dabei nicht genau gesteuert zu werden. Es ist jedoch wichtig, daß die Luftströmungsgeschwindigkeit genau eingestellt wird. Der Eichvorgang besteht zunächst darin, den Fühler einem Strömungstest bei 20° C oder Raumtemperatur mit nicht eingelöteter Brücke 44 zu unterwerfen. Der Wider-

stand 22 wird bei dieser Gelegenheit so getrimmt, daß eine Differenz 0 V zwischen den Verbindungsstellen 16 und 40 erreicht wird. Dadurch wird die Verschiebung oder die Schwenkpunktstelle der ümgebungslastlinie 58 bei dem Punkt V an Kurve 50 in Figur 2 eingestellt. Zweitens wird der Fühler einem Strömungstest bei einer höheren Temperatur von z.B. 100° C mit der gleichen Luftströmung wie im ersten Test unterworfen und zwar mit eingelöteter Brücke 44. Der Steilheitswiderstand 42 wird dann so getrimmt, daß sich die gleiche Ausgangssignalspannung an der Leitung 30 wie beim ersten Test ergibt. Dadurch wird die Steigung der Umgebungslastlinie festgesetzt und es werden alle Temperaturauswirkungen der Sensoren und der Schaltung an diesen Testpunkten berücksichtigt. Soweit irgendwelche Temperaturauswirkungen in der Schaltung linear sind, ist die Schaltung dann für alle diese Auswirkungen kompensiert.

Es ist so zu sehen, daß die erfindungsgemäße Schaltung sehr einfach aufgebaut ist und nach Eichung gemäß einem einfachen Strömungstest und dem Trimmvorgang für die Widerstände ist die Schaltung in einem breiten Temperaturänderungsbereich kompensiert.

- Leerseite -

Claims

- Patentansprüche -

\ 1 .yLuftströmungs-Mengenfühlerschaltung mit Festkörper-Strömungserfassungs- und Temperaturkompensations-Elementen, die den Auswirkungen einer zu messenden Luftströmung unterworfen sind und jeweils einen Spannungsabfall zeigen, der von der jeweiligen Temperatur und der durchfließenden Stromstärke abhängt, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung umfaßt:

ein erstes, thermisch mit einer Heizeinrichtung (32) zum Aufheizen auf eine gesteuerte Temperatur gekoppeltes Festkörperelement (20) ,

MANlTZ · FINSTERWALD · HEYN · MORGAN · 8000 MÜNCHEN 22 · ROBERT-KOCH-STRASSE I · TEL. (089) 224211 ■ TELEX 529672 PATMF ■ FAX (089) 29 75 75 n»· -*ίλ «λτγπμιιμπ _ 7ηηηοτιιττπΛθτ er - ■— -ammqtattv . ccci dcopctq oiirtc τ~ » cc70«;i

einen ersten Widerstand (22) und eine erste Konstantstromguelle (24) in Reihe mit dem ersten Element, ein zweites Festkörperelement (14) in Reihe mit einer zweiten Konstantstromquelle (18), wobei das zweite Element auf der Umgebungstemperatur der Luftströmung gehalten ist,

Mittel (28) zum Vergleichen des Spannungsabfalls über der Serienkombination aus dem ersten Element (20) und dem ersten Widerstand (22) mit dem Spannungsabfall an dem zweiten Element (14) zur Erzeugung eines Ausgangs- - signals und zum Angleichen der Spannungsabfälle durch Beaufschlagen der Heizeinrichtung (32), um dadurch den Spannungsabfall über dem ersten Element (20) zu steuern, wodurch das Ausgangssignal bei einer bestimmten Luftströmung und die nominelle Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Element durch den Wert des ersten Widerstandes (22) bestimmt sind, und Mittel zum Einstellen der Temperaturdifferenz zum Ausgleich für Temperatureffekte der Luft und der Erfassungsschaltung, mit Stromänderungsmitteln (34), die mit einem der Elemente (20, 14) oder dem ersten Widerstand (22) gekoppelt sind zum Ändern der Temperaturdifferenz bei sich ändernder Umgebungstemperatur.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und das zweite Festkörperelement Diodenmittel (20, 14) sind, und daß die Mittel zum Einstellen der Temperaturdifferenz zum Ausgleich für Temperaturauswirkungen der Luft und der Erfassungsschaltung eine dritte, mit den zweiten Diodenmitteln (14) über veränderbare Widerstandsmittel (38, 42) gekoppelte Konstantstromquelle (36) ist zum Ändern der Temperaturdifferenz bei sich ändernder Umgebungslufttemperatur.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten Diodenmittel (20) in Serie geschaltet mit dem ersten Widerstand (32) und der ersten Konstantstromquelle (24) an einer Spannungsversorgung liegen, daß die zweiten Diodenmittel· (14) in Reihe an einer Verbindungsstelle (16) mit der zweiten Konstantstromquelle (18) verbunden sind und daß beide über der Spannungsversorgung liegen, und daß die veränderbaren Widerstände einen an einer Verbindungsstelle (40) in Reihe mit der dritten Konstantstromquelle (36) über der Spannungsversorgung verbundenen Verschiebe-Widerstand (38) und einen zwischen den Verbindungsstellen (16, 40) angeschlossenen Steilheitswiderstand (42) umfassen, wobei der Verschiebe-Widerstand (38) bei einer niedrigen Testtemperatur so nachgestellt ist, daß an den zwei Verbindungsstellen (16, 40) gleiches Potential erreicht ist und der Steilheitswiderstand (42) bei einer hohen Testtemperatur eingestellt ist, um das gleiche Ausgangssignal bei einer bestimmten Luftströmung zu erzielen wie bei der niedrigen Testtemperatur.