DE3606057A1

DE3606057A1 - Direkt beheizte stroemungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3606057A1
Application number: DE19863606057
Authority: DE
Inventors: Tadashi Okazaki Aichi Hattori; Seizi Anjo Aichi Huzino; Kenji Aichi Kanehara; Kazuhiko Aichi Miura; Minoru Okazaki Aichi Ohta
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1986-08-28
Also published as: GB8603872D0; JPS61194317A; GB2171800A; GB2171800B; JPH0476415B2

Description

Case 5311 ^-

Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung mit einem Schichtwiderstand, der als Temperaturdetektoreinrichtung sowie als elektrische Heizung dient. Eine solche direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung kann beispielsweise zum Messen des Durchsatzes der in eine Brenn· kraftmaschine angesaugten Luft verwandt werden.

Bei einer Brennkraftmaschine ist im allgemeinen die angesaugte Luftmenge einer der wichtigsten Parameter zum Steuern der eingespritzten Kraftstoffmenge, des Zündzeitpunktes und ähnlichem. Eine Gasströmungsmeßvorrichtung, d.h. ein Luftströmungsmesser ist zum Messen der angesaugten Luftmenge vorgesehen. Einer der üblichen bekannten Luftströmungsmesser ist der sogenannte Flügelluftströmungsmesser, der jedoch hinsichtlich seines Maßstabs, seiner Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem nachteilig ist. In der jüngsten Zeit sind Luftströmungsmesser mit temperaturabhängigen Widerständen entwickelt worden, die hinsichtlich ihres Maßstabes, ihrer charakteristischen Ansprechgeschwindigkeit und ähnlichem vorteilhaft sind.

Es gibt zwei Arten von Luftströmungsmessern mit temperaturabhängigen Widerständen, nämlich den Luftströmungsmesser mit Heizung und den direkt beheizten Luftströmungsmesser. Der Luftströmungsmesser mit Heizung kann aus einem elektrischen Heizwiderstand, der im Luftansaugkanal einer Maschine angeordnet wird,und zwei temperaturabhängigen Widerständen bestehen, die stromaufwärts und stromabwärts von dem elektrischen Heizwiderstand angeordnet sind. In diesem Fall dient der temperaturabhängige Widerstand auf der stromabwärts liegenden Seite dazu, die Temperatur der

durch den Heizwiderstand erwärmten Luft aufzunehmen, während der temperaturabhängige Widerstand auf der stromaufwärts liegenden Seite dazu dient, die Temperatur der nicht erwärmten Luft aufzunehmen. Der durch den Heizwiderstand fließende Strom wird auf einen konstanten Temperaturunterschied zwischen den beiden temperaturabhängigen Widerständen geregelt, um dadurch die am Heizwiderstand liegende Spannung als Luftmengendurchsatz zu erfassen.

Wenn bei einem derartigen Luftströmungsmesser mit Heizung kein temperaturabhängiger Widerstand stromaufwärts vorgesehen ist und der Strom des Heizwiderstandes auf eine konstante Temperatur des stromabwärts liegenden temperaturabhängigen Widerstandes geregelt wird, wird die am Heizwiderstand liegende Spannung als Luftvolumendurchsatz erfaßt.

Ein direkt beheizter Luftströmungsmesser kann andererseits aus einem Schichtwiderstand bestehen, der nicht nur als elektrische Heizung sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung zum Aufnehmen der Temperatur der erwärmten Luft dient. Der direkt beheizte Luftströmungsmesser kann gleichfalls einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen, der die Temperatur der nicht erwärmten Luft aufnimmt. Der durch den Schichtwiderstand fließende Strom wird somit auf einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand und dem temperaturabhängigen Widerstand geregelt, um dadurch die am Schichtwiderstand liegende Spannung als Lufmengendurchsatz zu erfassen. Wenn kein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen ist und der Strom des Schichtwiderstandes auf eine konstante Temperatur des Schichtwiderstandes geregelt wird, wird auch bei diesem direkt beheizten Luftströmungsmesser die am Schichtwiderstand liegende Spannung als Luftvolumendurchsatz erfaßt.

Da der Schichtwiderstand des direkt beheizten Luftströmungsmessers als Temperaturdetektoreinrichtung für die erwärmte Luft dient, d.h. keine zusätzliche Temperaturdetektoreinrichtung für die erwärmte Luft benötigt wird, hat der direkt beheizte Luftströmungsmesser eine geringere Größe als der Luftströmungsmesser mit Heizung.

Bei dem direkt beheizten Luftströmungsmesser kann der Schichtwiderstand aus einem isolierenden Substrat, beispielsweise einem Keramiksubstrat oder einem Substrat aus einkristallinem Silizium, einem Widerstandsmuster aus Platin Pt, Gold Au, usw. auf dem isolierenden Substrat und einem wärmebeständigen Harz auf dem Widerstandsmuster bestehen.

Üblicherweise hängen das charakteristische Ansprechvermögen und der dynamische Bereich des direkt beheizten Luftströmungsmessers von der Heizmasse und dem adiabatischen Wirkungsgrad des Widerstandsmusters ab, das nicht nur als Heizeinrichtung sondern auch als Temperaturdetektoreinrichtung dient. Um ein möglichst gutes charakteristisches Ansprechvermögen und den größten dynamischen Bereich zu erzielen, sollte das Widerstandsmuster im idealen Fall sich in einem vollständig schwebenden Zustand im Luftstrom befinden. Bei bekannten Luftströmungsmessern hat der Schichtwiderstand, der das Widerstandsmuster einschließt, jedoch eine begrenzte Breite in Längsrichtung. Der adiabatische Wirkungsgrad ist daher gering, was das charakteristische Ansprechvermögen und den dynamischen Bereich des direkt beheizten Luftströmungsmesser verringert.

Es gibt zwei Arten von Substraten für den oben erwähnten Schichtwiderstand, nämlich das flexible Substrat, beispielsweise aus einer dünnen Harzschicht, und das feste Substrat aus Siliziumglas oder einem keramischen Material. Das flexible Substrat wird durch Alterung beeinflußt, wobei es

schwierig ist, Maßnahmen dagegen zu treffen. Im Gegensatz dazu sollte das feste Substrat verglichen mit dem flexiblen Substrat stärker ausgebildet sein und hat das feste Substrat verglichen mit dem flexiblen Substrat eine gute Wärmeleitfähigkeit. Das feste Substrat hat dementsprechend einen kleinen adiabatischen Wirkungsgrad. Das hat zur Folge, daß bei einem festen Substrat zur Erhöhung seines adiabatischen Wirkungsgrades ein Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise ein keramisches Material, für die Halteelemente verwandt wird.

Unter den festen Substraten kann für Glas oder ein keramisches Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0.01 cal/cm.s.⁰C, die kleiner als die des Siliziums ist, ein kleiner adiabatischer Wirkungsgrad erwartet werden. Es gibt daher den Vorschlag, Glas und ein keramisches Material für die Substrate der Schichtwiderstände von Luftströmungsmessern zu verwenden. Ein Material mit einer schlechen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Glas oder ein keramisches Material, zeigt jedoch einen großen Wärmeverlust (gesamte Wärmemenge, die vom Schichtwiderstand erzeugt wird) - (Wärmemenge, die vom Schichtwiderstand an den Luftstrom abgestrahlt wird), wodurch das charakteristische Ansprechvermögen der Luftströmungsmesser beeinträchtigt wird.

Durch die Erfindung soll eine direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung mit verbessertem charakteristischem Ansprechvermögen geschaffen werden.

Die erfindungsgemäße direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung umfaßt ein Substrat mit einem Schichtwiderstandsmuster und eine Halteelement zum Halten des Substrates, wobei das Substrat aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht, während das Halteelement aus einem Material

mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht. Durch das Halteelement wird gleichfalls eine Drosselung der Wärmeübertragung bewirkt. Die Wärme, die nicht vom Substrat des Schichtwiderstandsmusters selbst an den Luftstrom abgegeben wird, wird daher sicher vom Halteelement an das Fluid abgestrahlt. Da durch das Halteelement eine Drosselung der Wärmeübertragung bewirkt wird, nimmt die gesamte Strömungsmeßvorrichtung einschließlich des Substrates, des Schichtwiderstandsmusters und des Halteelementes an der Wärmeabstrahlung teil. Das hat zur Folge, daß die Heizmasse verringert ist und das charakteristische Ansprechvermögen der Vorrichtung

verglichen mit dem Fall verbessert ist, in dem ein Substrat, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und ein Halteelement mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit verwandt werden.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Gesamtaufbau einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßen direkt beheizten Strömungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 und 3 eine Längs- und eine Querschnittsansicht

jeweils der in Fig. 1 dargestellten Gasströmungsmeßvorrichtung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Schichtwiderstandsteil von Fig. 3,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht von Fig. 4 und

Fig. 6 das Schaltbild der Sensorschaltung von Fig. 1.

In den Fig. 1, 2 und 3, die den Gesamtaufbau einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strömungsmeßvorrichtung zeigen, ist eine Maschine 1 mit Funkenzündung zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges dargestellt, in die Luft zur Verbrennung durch ein Luftfilter 2, ein Richtgitter 3 zum Vergleichmäßigen der Luftströmung und einen Luftansaugkanal 4 angesaugt wird. Im Luftansaugkanal 4 ist ein Drosselventil 5 vorgesehen, das willkürlich durch einen Fahrer betätigt wird. Die Strömungsmeßvorrichtung ist im Luftansaugkanal 4 zwischen dem Richtgitter 3 und dem Drosselventil 5 angeordnet.

Die Strömungsmeßvorrichtung umfaßt einen Sensorteil im Inneren des Luftansaugkanals 4 und eine Sensorschaltung 10 außerhalb des Luftansaugkanals 4. Der Sensorteil enthält ein Meßrohr oder eine Meßleitung 6, die über einen Steg 7 am Luftansaugkanal 4 befestigt ist. Im Inneren der Leitung 6 ist ein Schichtwiderstand 8 vorgesehen, während ein temperaturabhängiger Widerstand 9 zum Aufnehmen der Temperatur der nicht erwärmten Luft außerhalb der Leitung 6 vorgesehen ist. Der Schichtwiderstand 8 und der temperaturabhängige Widerstand 9 sind mit der Sensorschaltung 10 verbunden, die in eine Hybridplatte eingeschlossen ist. Der temperaturabhängige Widerstand 9 kann innerhalb der Leitung 6 unter der Bedingung angeordnet sein, daß er im wesentlichen durch die Wärme unbeeinflußt bleibt, die vom Schichtwiderstand 8 erzeugt wird. Die Sensorschaltung 10 regelt den zum Schichtwiderstand 8 fließenden Strom derart, daß dieser Wärme für einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 erzeugt. Die Sensorschaltung 10 erzeugt auch eine Ausgangsspannugn V_Q) die an einer Steuerschaltung 11 liegt, die beispielsweise einen Mikrocomputer aufweist. Die Steuerschaltung 11 empfängtauch verschiedene Arten von

Detektorsignalen, wie beispielswiese ein nicht dargestelltes Maschinendrehzahlsignal Ne und ein gleichfalls nicht dargestelltes Maschinenkühlmitteltemperatursignal THW und steuert das Ventilöffnungszeitintervall eines Kraftstoffeinspritzventils 12 und ähnliches.

In Fig. 3 ist ein Schutzelement 13 gegenüber einer Rückzündung dargestellt.

In Fig. 4, die eine Draufsicht auf den Schichtwiderstandsteil von Fig. 3 in Richtung des Pfeiles IV von Fig. 3 zeigt, besteht der Schichtwiderstand 8 aus einem Material wie beispielsweise Glas oder einem keramischen Material mit einer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit, die unter 0,01 cal/cm. s.⁰C liegt, wie es später im einzelnen beschrieben wird. Die Enden des Schichtwiderstandes 8 sind durch Halteelemente 14a und 14b gehalten, die aus einem Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer bestehen, das eine zehnmal größere Wärmeleitfähigkeit als der Schichtwiderstand 8 hat, so daß die vom Schichtwiderstand 8 auf die Halteelemente 14a udn 14b übertragene Wärme sofort von den Haltemeneten 14a und 14b an den Luftstrom abgegeben wird. Es sind gleichfalls Öffnungen 15a und 15b in den Halteelementen 14a und 14b vorgesehen, so daß durch die Halteelemente 14a und 14b eine Drosselung der Wärmeübertragung erfolgt, um dadurch den adiabatischen Wirkungsgrad der Halteelemente 14a und 14b zu erhöhen. Die Halteelemente 14a und 14b sind über ein Element 13, beispielsweise aus Polyimid befestigt, das eine Wärmeleitfähigkeit hat, die in ausreichendem Maße niedriger als die der Halteelemente 14a und 14b ist, um weiter den adiabatischen Wirkungsgrad der Halteelemente 14a und 14b zu erhöhen. Das Element 13 dient auch als Schutz gegenüber einer Rückzündung, wie es oben beschrieben wurde.

Der Schichtwiderstand 8 und die Halteelemente 14a und 14b

befinden sich daher in einem schwebenden Zustand im Luftstrom, so daß dementsprechend der größte Teil der vom Schichtwiderstand 8 erzeugten Wärme direkt vom Schichtwiderstand 8 oder über die Halteelemente 14a und 14b an den Luftstrom abgegeben wird.

Die Drosselung der Wärmeübertragung kann auch über andere Maßnahmen, beispielsweise dadurch erzielt werden, daß die Breite des Wärmedurchgangs der Halteelemente 14a und 14b herabgesetzt wird. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, die eine Vergrößerung von Fig. 4 zeigt, ist ein Schichtwiderstandsmuster 82 aus Platin Pt, Nickel Ni oder Nickelchrom Ni-Cr durch Aufdampfen und Ätzen auf einem Glassubstrat mit einer Stärke von 100 \im ausgebildet. Der Teil 82a, der durch einen gestrichelten Kreis umgeben ist, dient als Heizung sowie als Temperaturdetektoreinrichtung. Da in diesem Fall für die Halteelemente 14a und 14b ein Metall verwandt ist, ist das Signalausgangskissen 82b des Schichtwiderstandes 8 direkt mit dem Halteelement 14a verbunden.

Das Schichtwiderstandsmuster, beispielsweise das Muster 82 kann auf beiden Seiten des Glassubstrates 81 ausgebildet sein. Als Substrat 81 kann auch ein keramisches Material wie Tonerde ALO,, MuI1 it 3AIpOg.2SiO₂ oder ein ähnliches Material verwandt werden. Der Schichtwiderstand 8 kann weiterhin durch nur ein Halteelement gehalten sein.

Im folgenden wird anhand von Fig. 6 die in Fig. 1 dargestellte Sensorschaltung beschrieben. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, umfaßt die Sensorschaltung 10 Widerstände und 102, die mit dem Schichtwiderstand 8 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 eine Brückenschaltung bilden, einen Komparator 103, einen Transistor 104, der vom Komparator angesteuert wird, und einen Spannungspuffer 105. Die Sensorschaltung 10 arbeitet in der folgenden Weise, wenn die durch den

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Luftansaugkanal 4 strömende Luftmenge zunimmt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 8 abnimmt, der in diesem Fall als Thermistor arbeitet, nimmt sein Widerstandswert ab, so daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

^V1 < V

wobei V₁ das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 101 und dem Schichtwiderstand 8 bezeichnet, während V_R das Potential am Knotenpunkt zwischen dem Widerstand

102 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9 ist. Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators 103 abnimmt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 104 zunimmt. Die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme nimmt daher zu und gleichzeitig steigt das Kollektorpotential des Transistors 104 an, so daß die Ausgangsspannung V_Q des Spannungspuffers 105 gleichfalls zunimmt.

Wenn im Gegensatz dazu die durch den Luftansaugkanal 4 strömende Luftmenge abnimmt, so daß die Temperatur des Schichtwiderstandes 8 zunimmt, nimmt sein Widerstandswert zu, so daß die folgende Bedingugn erfüllt ist:

V₁ > V_R.

Das hat zur Folge, daß das Ausgangspotential des Komparators

103 ansteigt, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors

104 abnimmt. Die durch den Schichtwiderstand 8 erzeugte Wärme nimmt daher ab und gleichzeitig fal It auch das Kollektorpotential des Transistors 104 ab, so daß gleichfalls die Ausgangsspannung V_Q des Spannungspuffers 105 abnimmt.

In dieser Weise erfolgt eine Regelung mit Rückführung der Temperatur des Schichtwiderstandes 8 auf einen konstanten Temperaturunterschied zwischen dem Schichtwiderstand 8 und dem temperaturabhängigen Widerstand 9, der in diesem Fall

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die Temperatur der Umgebungsluft aufnimmt. Die Ausgangsspannung Vq des Spannungspuffers 105 zeigt daher die Luftmenge an, die durch den Luftansaugkanal 4 strömt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann auch bei anderen Durchsatzsensoren als Luftströmungsmessern, beispielsweise an Flüssigkeitsdurchsatzsensoren angewandt werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung kann gleichfalls auf einen digitalen Durchsatzsensor angewandt werden, der von einem Auslöseimpuls gesteuert wird. Wenn bei einem derartigen Sensor ein Auslösepuls gegeben wird, wird das Heizen eines Heizwiderstandes ausgelöst. Das Heizen des Heizwiderstandes wird dann fortgesetzt, bis ein konstanter Temperaturunterschied zwischen zwei temperaturabhängigen Widerständen erreicht ist oder bis der stromabwärts liegende temperaturabhängige Widerstand einen konstanten Temperaturwert erreicht. In diesem Fall wird das Heizzeitintervall als Luftmengendurchsatz oder als Luftvolumendurchsatz erfaßt. Eine derartige Auslöseimpulssteuerung hat den Vorteil eines günstigen Energieverbrauchs. Eine derartige Auslöseimpulssteuerung ist bei einem direkt beheizten Durchsatzsensor möglich.

Wie es oben beschrieben wurde, kann in dieser Weise eine Strömungsmeßvorrichtung mit gutem charakteristischen Ansprechvermögen erhalten werden.

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Claims

3/40/my
Case 5311

NIPPON SOKEN, INC. - Japan

Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

Direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung zum Messen des Durchsatzes in einem Kanal,
gekennzeichnet durch

ein Substrat, ein Schichtwiderstandsmuster, das auf einer Substratoberfläche ausgebildet ist, ein Halteelement, das am Kanal befestigt ist und ein Ende des Substrates hält, wobei das Halteelement aus einem Material besteht, das eine um mehr als zehnmal größere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Substrates hat, eine Einrichtung zum Drosseln der Wärmeübertragung durch das Halteelement und eine Regeleinrichtung für die elektrische Leistung, die mit dem Schichtwiderstandsmuster verbunden ist und die Wärme regelt.die vom Schichtwiderstandsmuster erzeugt wird.

ORIGINAL INSPECTED
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Glas mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,01 cal/cm.s.°C besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem keramischen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,01 cal/cm.-s. ⁰C besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement aus einem Metall besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Halteelement zum Halten des anderen Endes des Substrates.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drosseln der Wärmeübertragung ein Harzelement an der Außenseite des Halteelementes umfaßt, das eine Wärmeleitfähigkeit hat, die in ausreichendem Maße niedriger als die des Halteelementes ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drosseln der Wärmeübertragung eine Öffnung ist, die im Halteelement ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drosseln der Wärmeübertragung in einer verminderten Breite des Wärmedurchgangs des

Halteelementes besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

ein Schichtwiderstandsmuster, das auf der anderen Oberfläche des Substrates ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen temperaturabhängigen Widerstand, der die Temperatur des nicht erwärmten Fluids im Fluidstrom aufnimmt, wobei der temperaturabhängige Widerstand im wesentlichen durch die Wärme beeinflußt bleibt, die vom Schichtwiderstandsmuster erzeugt wird,und die Regeleinrichtung für die elektrische Leistung die Wärme, die vom Schichtwidersstandsmuster und vom temperaturabhängigen Widerstand erzeugt wird, regelt.