DE4115040A1 - Messelement - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, inbesondere der Ansaugluft in Brennkraftmaschinen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

In solchen, auch als Heißfilm-Luftmassenmesser bekannten Vorrichtungen bilden die Widerstandsbahnen von einem Temperaturfühler und einem Kompensationswiderstand einerseits und die Widerstandsbahn des Meßwiderstands andererseits zusammen mit zwei Abgleichwiderständen eine Wheatstonsche Brücke, deren Brückendiagonalspannung an einem Regelverstärker liegt. Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers dient als Heizspannung für einen Heizwiderstand des Meßelements. Die Widerstandsbahnen für Meß- und Heizwiderstand des Meßelements sind dabei so auf dem Substrat angeordnet, daß ein guter Wärmekontakt zwischen ihnen vorhanden ist. Dadurch wird der Meßwiderstand auf eine weit oberhalb der Mediumtemperatur liegende Übertemperatur gebracht. Ändert sich nun die über das Meßelement hinwegströmende Strömungsmenge, so ändert sich aufgrund der veränderten konvektiven Wärmeübertragung die Temperatur des Meßwiderstands, und es wird, da der Meßwiderstand einen von Null verschiedenen Temperaturkoeffizienten aufweist, die Wheatstonsche Brücke verstimmt. Der Regelverstärker verändert daraufhin den Ausgangsstrom für den Heizwiderstand. Über die geschlossene Regelschleife werden also Änderungen des Meßwiderstandes infolge einer ab- oder zufließenden Wärmemenge durch Änderung der Heizleistung des Heizwiderstands kompensiert. Der Heizstrom bzw. die Ausgangsspannung des Regelverstärkers ist damit ein Maß für die Durchflußmasse des strömenden Mediums. Temperaturschwankungen des Strömungsmediums werden durch die Reihenschaltung von Temperaturfühler und Kompensationswiderstand ausgeglichen.

Bei einem bekannten Meßelement der eingangs genannten Art für die beschriebene Vorrichtung (DE 36 38 138 A1) ist die Verteilung der Widerstandsbahnen auf dem Substrat so getroffen, daß die Widerstandsbahnen parallel zueinander in Strömungsrichtung hintereinandergereiht sind. Die Widerstandsbahn für den Kompensationswiderstand ist dabei zwischen der Widerstandsbahn für den Temperaturfühler und der Widerstandsbahn für den Meßwiderstand auf derselben Seite des Substrats und die Widerstandsbahn für den Heizwiderstand auf der anderen Seite des Substrats unmittelbar gegenüber der Widerstandsbahn für den Meßwiderstand angeordnet. Die einzelnen Widerstandsbahnen sind durch quer zur Strömungsrichtung verlaufende Schlitze im Substrat voneinander getrennt, wodurch eine Temperaturentkopplung zwischen den Widerstandsbahnen herbeigeführt wird. Durch diese Trennschlitze weist das Substrat drei gleich lange Finger auf, von welchen die in Strömungsrichtung ersten beiden Finger je eine Widerstandsbahn und der in Strömungsrichtung letzte Finger die Widerstandsbahnen für Meßwiderstand und Heizwiderstand trägt.

Es hat sich gezeigt, daß trotz sorgfältigster Fertigung und optimierter Klebung eine Verspreizung der Finger nicht ausgeschlossen werden kann und Abweichungen der Finger von der optimalen Fluchtung relativ häufig und vor allem unterschiedlich groß sind. Bei der Umströmung des Meßelements durch das Strömungsmedium hat diese Fingerspreizung großen Einfluß auf die Form der Grenzschicht und führt zu erhöhtem Ausschuß bezüglich der geforderten Kennlinie des Meßelements.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Meßelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 4 hat demgegenüber den Vorteil, daß die mit der Fingerspreizung verbundene Unzuträglichkeiten vermieden werden.

Im ersten Fall (Anspruch 1) sind die quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Schlitze entfallen und die für eine kompaktes Layout erforderliche Temperaturentkopplung der Widerstandsbahn des Meßwiderstands von den übrigen Widerstandsbahnen ist durch einen Schlitz parallel zur Strömungsrichtung vorgenommen. Dadurch und durch das Vorsehen einer unbedruckten ebenen Anströmfläche vor der Widerstandsbahn des Meßwiderstands ist das Meßelement unempfindlich gegen Fingerspreizung. Bevorzugt werden die Widerstandsbahnen von Meßwiderstand und einem erforderlichen Heizwiderstand auf verschiedenen Seiten des Substrats einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Widerstandsbahnen des Meßwiderstandes mit den übrigen Widerstandsbahnen auf derselben Seite des Substrats liegt.

Im anderen Fall (Anspruch 4) werden durch die treppenartige Abstufung des Meßelements die einzelnen Widerstandsbahnen direkt von dem Strömungsmedium angeströmt. Dadurch ist das Meßelement unempfindlich gegen Fingerspreizung, selbst wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform, der Erfindung bei Bedarf zur weiteren Temperaturentkopplung Schlitze quer zur Strömungsrichtung in das Substrat eingebracht werden, die mit den Anströmkanten der einzelnen Widerstandsbahnen fluchten.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßelement entfällt der aufwendige Prüfvorgang für eine Verspreizung der Finger, wodurch der Herstellungsprozeß kostengünstiger wird. Die Außenkontur des Substrats wird mittels Laser aus dem Großsubstrat herausgeschnitten, in der ersten Variante der Erfindung als einfache Rechteckform, in der zweiten Variante der Erfindung als Rechteckform mit einer längs seiner einen in Strömungsrichtung weisenden Längskante verlaufenden Treppenkontur.

Bei beiden Varianten der Erfindung können zur Anpassung der Umströmung des Meßelements die Anströmkante des Substrats bzw. die Anströmkanten der einzelnen Treppenstufen strömungsgünstig geformt werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 4 angegebenen Meßelements möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Meßelements für einen Heißfilm-Luftmassenmesser, sowie dessen elektrische Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Meßelements für einen Heißfilm-Luftmassenmesser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 skizzierte Heißfilm-Luftmassenmesser als Beispiel für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines allgemeinen strömenden Mediums, weist ein Meßelement 10 auf, das dem strömenden Medium, hier Luft, ausgesetzt und bei Brennkraftmaschinen in einem Bypaß zum Luftansaugstutzen angeordnet ist. Die Strömungsrichtung der strömenden Luft ist mit Pfeil 37 gekennzeichnet. Das Meßelement 10 besteht aus einem Substrat 11, das mittels Laser aus einem Großsubstrat herausgeschnitten ist, und einer Mehrzahl von Widerstandsbahnen 20, die auf der Oberfläche des Substrats 11 angeordnet sind. Das Substrat 11 weist Rechteckform auf, wobei die eine in Strömungsrichtung liegende Längsseite treppenartig ausgeschnitten ist, so daß in Strömungsrichtung gesehen von der in Strömungsrichtung vordersten Anströmkante 12 zu der in Strömungsrichtung hinteren Abströmkante 13 des Substrats 11 drei Stufen 14, 15, 16 entstehen, wobei jede nachfolgende Stufe 15, 16 über die jeweils vorhergehende Stufe 14, 15 übersteht. Die erste Stufe 14 ist von der vordersten Anströmkante 12 begrenzt, während die beiden nächsten Stufen 15,16 Anströmkanten 17 bzw. 18 aufweisen. In jeder Stufe 14-16 ist eine Widerstandsbahn 20 angeordnet, wobei die erste Stufe 14 die Widerstandsbahn 20 für einen Temperaturfühler 21, die zweite Stufe 15 die Widerstandsbahn 20 für einen Kompensationswiderstand 22, die dritte Stufe 16 einerseits eine Widerstandsbahn 20 für einen Meßwiderstand 23 und andererseits eine Widerstandsbahn 20 für einen Heizwiderstand 24 trägt. Der Meßwiderstand 23 ist dabei auf derselben Seite des Substrats 11, hier auf der Substratoberseite, angeordnet wie Temperaturfühler 31 und Kompensationswiderstand 22, während der Heizwiderstand 24 auf der gegenüberliegenden Substratseite, der Substratunterseite, der dritten Stufe 16 liegt. Die Breite der Stufen 14-16 und damit die Breite der Widerstandsbahnen 20 nimmt von der vorderen Anströmkante 12 zur Abströmkante 13 des Substrats 11 ab. Mit den Anströmkanten 17 und 18 fluchtend sind zwei Schlitze 25, 26 quer zur Strömungsrichtung 11 eingebracht, die der Temperaturentkopplung zwischen den Widerstandsbahnen 20 dienen.

Entlang der der gestuften Längsseite des Meßelements 10 gegenüberliegenden Längsseite sind fünf Kontaktflächen 31-35 aufgereiht, die mit Abstand voneinander auf der Oberseite des Substrats 11, die auch die Widerstandsbahnen 20 für Temperaturfühler 21, Kompensationswiderstand 22 und Meßwiderstand 23 trägt, aufgebracht sind. Die Kontaktflächen 31-35 sind über aufgedruckte Leiterbahnen 19 mit den einzelnen Widerstandsbahnen 20 verbunden, und zwar ist die Kontaktfläche 31 mit dem Temperaturfühler 21, die Kontaktfläche 32 mit dem Kompensationswiderstand 22 und dem Meßwiderstand 23, die Kontaktfläche 33 mit dem Meßwiderstand 23 und die beiden Kontaktflächen 34, 35 mit dem Heizwiderstand 24 verbunden. Außerdem verbindet eine Leiterbahn 19 den Temperaturfühler 21 mit dem Kompensationswiderstand 22, die durch eine Kontaktfläche 36 abgegriffen werden kann. An den Kontaktflächen 31-35 des Meßelements 10 sind die übrigen Schaltungsbausteine des Heißfilm-Luftmassenmessers gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Schaltplan angeschlossen. Dabei liegt die Reihenschaltung von Temperaturfühler 21 und Kompensationswiderstand 22 einerseits und der Meßwiderstand 23 andererseits mit zwei Widerständen 27, 28 in einer Wheatstonschen Brückenschaltung, deren Brückendiagonalspannung an einen als Differenzverstärker ausgebildeten Regelverstärker 29 gelegt ist. Zur Stromversorgung der Wheatstonschen Brückenschaltung dient eine Gleichspannungsquelle 30. Die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 29 ist an den Heizwiderstand 24 gelegt.

Die Wirkungsweise des Heißfilm-Luftmassenmessers ist an sich bekannt und ist kurz wie folgt:

Durch den Ausgangsstrom des Regelverstärkers 29 erfolgt eine Aufheizung des Heizwiderstandes 24, wobei die Heizleistung an dem Heizwiderstand 24 im wesentlichen durch die Brückendiagonalspannung am Regelverstärker 29 bestimmt ist. Der Heizwiderstand 24, der in gutem Wärmekontakt mit dem Meßwiderstand 23 liegt, wird damit auf eine weit oberhalb der Temperatur der strömenden Luft liegende Übertemperatur gebracht. Ändert sich nun die das Meßelement 10 überströmende Luftmenge, so ändert sich aufgrund der veränderten konvektiven Wärmeübertragung die Temperatur des Meßwiderstands 23, und die Wheatstonsche Brückenschaltung verstimmt sich. Der Regelverstärker 29 verändert daraufhin den Ausgangsstrom für den Heizwiderstand 24. Über die geschlossene Regelschleife werden damit Änderungen des Meßwiderstandes 23 infolge einer ab- oder zufließenden Wärmemenge stets durch Änderung der Heizleistung des Heizwiderstandes 24 kompensiert, so daß der Meßwiderstand 23 immer auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Der Heizstrom bzw. die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 29 ist damit ein Maß für die Durchflußmasse der Luft. Temperaturschwankungen der strömenden Luft werden durch die Reihenschaltung von Temperaturfühler 21 und Kompensationswiderstand 22 ausgeglichen.

Da jede Widerstandsbahn 20 von Temperaturfühler 21 bzw. Kompensationswiderstand 22 bzw. Meß- und Heizwiderstand 23, 24 eine eigene Anströmkante 12 bzw. 17 bzw. 18 aufweist, ist das beschriebene Meßelement 10 unempfindlich gegen eine Spreizung der einzelnen Stufen quer zur Ober- bzw. Unterseite des Substrats 11, die nach der Einbringung der Schlitze 25, 26 auftreten kann, da auch bei der Verspreizung der einzelnen Stufen 14-16 die Anströmung der einzelnen Widerstandsbahn 20 nahezu unbeeinflußt von der vorhergehenden Stufe 14 bzw. 15 bleibt. Zur Anpassung der Umströmung können die Anströmkanten 12, 17, 18 nach Bedarf geformt werden.

Das Meßelement 10′ gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem Meßelement 10 gemäß Fig. 1 durch die äußere Kontur, die hier rechteckförmig ist, und durch eine andere Verteilung der Widerstandsbahnen 20 auf der Oberfläche des Substrats 11. Soweit gleiche Bauteile mit denen in Fig. 1 übereinstimmen, sind sie mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Widerstandsbahn 20 für den Temperaturfühler 21 ist wiederum nahe der Anströmkante 12 des Substrats 11 und die Widerstandsbahnen 20 für Meßwiderstand 23 und Heizwiderstand 24 sind nahe der Abströmkante 13 des Substrats 11 angeordnet. Die Widerstandsbahn 20 für den Kompensationswiderstand 22 liegt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Widerstandsbahn 20 des Temperaturfühlers 21. Die beiden Widerstandsbahnen 20 von Meß- und Heizwiderstand 23 bzw. 24, die wiederum auf Ober- bzw. Unterseite des Substrats 11 aufgebracht sind, liegen seitlich versetzt zu den beiden anderen Widerstandsbahnen 20, so daß der in Strömungsrichtung 37 vor dem Meßwiderstand 23 liegende Oberflächenbereich 38 des Substrats 11 unbelegt ist. Außerdem ist der von den Widerstandsbahnen 20 von Heiz- und Meßwiderstand 24, 23 gebildete "heiße Bereich" des Meßelements 10′ durch einen Schlitz 39, der parallel zur Strömungsrichtung 37 und ausgehend von der Abströmkante 13 in das Substrat 11 eingebracht ist, von den beiden anderen Widerstandsbahnen 20 für Temperaturfühler 21 und Kompensationswiderstand 22 getrennt, wodurch eine Temperaturentkopplung zu diesen Widerstandsbahnen 20 hergestellt ist. Die Anströmkante 12 des Meßelements 10′ ist strömungsgünstig, hier keilförmig, geformt. Die einzelnen Widerstandsbahnen 20 sind wiederum über die Leiterbahnen 19 mit den Kontaktflächen 31-35 verbunden, an die in der gleichen Weise wie in Fig. 1 die dort dargestellte Schaltungsanordnung anzuschließen ist.

Auch diese Ausführungsform des Meßelements 10′ hat den Vorteil, unempfindlich gegenüber Spreizung der durch den Schlitz 39 getrennten Substratbereiche zu sein, da der Schlitzverlauf parallel zur Luftströmungsrichtung 37 gelegt ist und damit die Anströmung der einzelnen Widerstandsbahnen 20 auch bei Verspreizung unbeeinflußt bleibt. Da die Anströmung sich auch bei Spreizung nicht verändert, bleibt die Kennlinie des Temperaturelements 10′ unverändert. Das Meßelement 10′ hat gegenüber dem Meßelement 10 den Vorteil einer einfachen Außenkontur, die günstig aus dem Großsubstrat herstellbar ist. Es ist schwingungs- und stoßresistenter als das Meßelement 10 gemäß Fig. 1, da die Schwingungslänge kurz und eine quadratische Ausbildung von Meß- und Heizwiderstand 23, 24 möglich ist.

Claims (9)

1. Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft in Brennkraftmaschinen, mit mehreren, dem strömenden Medium ausgesetzten Widerstandsbahnen und mit einem die Widerstandsbahnen tragenden Substrat, auf dessen Oberfläche die Widerstandsbahnen so verteilt sind, daß die Widerstandsbahn für einen Meßwiderstand in Strömungsrichtung nahe der hinteren Abströmkante des Substrats liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (38) des Substrats (11) zwischen der in Strömungsrichtung (37) vorderen Anströmkante (12) und der Widerstandsbahn (20) für den Meßwiderstand (23) unbelegt ist und daß der die Widerstandsbahn (20) für den Meßwiderstand (23) tragende Substratbereich durch einen in Strömungsrichtung (37) verlaufenden, von der Abströmkante (13) des Substrats (11) ausgehenden Schlitz (39) von jeder anderen Widerstandsbahn (20) getrennt ist.

2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (20) für den Meßwiderstand (23) und einen Heizwiderstand (24) auf Ober- und Unterseite des Substrats (11) angeordnet sind, wobei die Widerstandsbahn (20) für den Meßwiderstand (23) mit den übrigen Widerstandsbahnen (20) auf derselben Oberseite des Substrats (11) liegt.

3. Meßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (20) für einen Temperaturfühler (21) und einen Kompensationswiderstand (22) in Strömungsrichtung (37) hintereinander angeordnet sind und daß die Widerstandsbahnen (20) für Meß- und Heizwiderstand (23, 24) seitlich versetzt zu der Widerstandsbahn (20) für den Kompensationswiderstand (22) jenseits des Schlitzes (39) liegen.

4. Meßelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (20) in Strömungsrichtung (37) hintereinander treppenartig mit gegenüber der jeweils vorhergehenden Widerstandsbahn (20) überstehenden Stufen (15, 16) angeordnet sind und daß das Substrat (11) entsprechend der Treppenform der Widerstandsbahnen (20) derart ausgebildet ist, daß längs jeder Stufe (14-16) der Widerstandsbahnen (20) eine Anströmkante (12, 17, 18) ausgebildet ist.

5. Meßelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Verlängerung der Anströmkanten (17, 18) Schlitze (25, 26) zur Temperaturentkopplung der Widerstandsbahnen (20) eingebracht sind, die parallel zueinander quer zur Strömungsrichtung (37) verlaufen.

6. Meßelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung (37) gesehene Breite der hintereinander gereihten Widerstandsbahnen (20) von der in Strömungsrichtung (37) vorderen Anströmkante (12) zur hinteren Abströmkante (13) des Substrats (11) abnimmt, daß die Widerstandsbahn (20) für einen Kompensationswiderstand (22) zwischen der Widerstandsbahn (20) für einen Temperaturfühler (21) und der Widerstandsbahn (20) für den Meßwiderstand (23) und zusammen mit diesem auf derselben Oberseite des Substrats (11) liegt.

7. Meßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (20) für einen Heizwiderstand (24) auf der Unterseite des Substrats (11), der Widerstandsbahn (20) für den Meßwiderstand (23) unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.

8. Meßelement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (20) mit auf der Oberseite des Substrats (11) angeordneten Kontaktflächen (31-35) elektrisch leitend verbunden sind, die zum Anschließen der Vorrichtung dient.

9. Meßelement nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmkanten (12; 12, 17, 18) des Substrats (11) strömungsgünstig, z. B. keilförmig, gestaltet sind.