DE10005706A1 - Luftmassensensor - Google Patents

Luftmassensensor

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DE10005706A1
DE10005706A1 DE2000105706 DE10005706A DE10005706A1 DE 10005706 A1 DE10005706 A1 DE 10005706A1 DE 2000105706 DE2000105706 DE 2000105706 DE 10005706 A DE10005706 A DE 10005706A DE 10005706 A1 DE10005706 A1 DE 10005706A1
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Thomas Wienecke
Karl-Heinrich Loesing
Johann Blaszczyk
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Texas Instruments Holland BV
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Pierburg GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftmassensensor zur Messung der Strömungsrichtung und/oder der Masse eines strömenden Mediums. DOLLAR A Luftmassensensoren (1) bestehen herkömmlich aus einem Heizsensor (5) und mindestens einem Temperatursensor, die zu je einer Wheatstonschen-Brückenschaltung verschaltet sind. Beim Strömen eines Mediums (S) wird abhängig von dessen Geschwindigkeit und Temperatur der Heizsensor (5) abgekühlt. Der zum Halten der eingestellten Übertemperatur erforderliche zusätzliche Energiebetrag bzw. eine hiervon abhängige Größe ist dann ein Maß für die durchgesetzte Masse des Mediums. DOLLAR A Mit der vorliegenden Lösung wird nun vorgeschlagen, Thermopiles (TP) in den Luftmassensensor (1) zu integrieren, wobei diese mit dem Heizsensor (5) thermisch kontaktieren. Die örtliche Plazierung der Thermopiles (TP) ist dabei abhängig von der Meßaufgabe. DOLLAR A Durch die Verwendung der Thermopiles (TP¶1-n,¶ TP1¶1-n,¶ TP2¶1-n¶) zur Strömungsrichtungserkennung und der Thermopiles (TPܶ1-n¶) zur Massenmessung können die Wheatstonschen-Brückenschaltungen entfallen. Die Auswertung erfolgt direkt in einer Auswerteeinheit 9.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmassensensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Luftmassensensoren werden insbesondere zur Bestimmung der Anlaufsaugluftmassen einer Brennkraftmaschine verwendet.
Für die Ausführung von Luftmassensensoren werden dazu in bekannter Art und Weise Heißelement-Anemometer, auch als thermische Luftmassensensoren bezeichnet, verwendet. Zwei Sensoren bzw. Fühler, von denen einer die Temperatur der angesaugten Luft erfaßt und der andere auf eine bestimmte Übertemperatur zur Umgebungstemperatur aufgeheizt wird, liegen in verschiedenen Zweigen einer Brückenschaltung. Der als Meßsonde dienende aufgeheizte Fühler wird durch den Luftstrom abhängig von dessen Geschwindigkeit und Temperatur abgekühlt. Der zum Halten der eingestellten Übertemperatur erforderliche zusätzliche Energiebetrag bzw. eine hiervon abhängige Größe ist dann ein Maß für die durchgesetzte Luftstrommasse.
Einen derartigen Meßsensor offenbart die DE 198 08 249 A1. Hierbei wird die Strömungsrichtung einer Luftstrommasse durch eine weitere Brückenschaltung mit Heiz- und Temperatursensor ermittelt.
Es ist bekannt, zur Messung von Temperaturen und Temperaturänderungen Thermopiles zu verwenden. So beschreibt die DE 197 10 946 A1 einen Thermopilesensor mit Thermopiles. Dieser Thermopilesensor wird hierbei in einem Strahlungsthermometer oder in einem Bewegungsmelder eingesetzt.
Einen Thermopile-Durchflußsensor offenbart die US 5,831,159, wobei die Thermopiles am Umfang verteilt auf der Oberfläche eines Rohres angebracht sind.
Den Aufbau von Thermopiles beschreiben die US 5,045,123 sowie die US 5,081,359.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luftmassensensor anzugeben, mit dem sich in einfacher Weise eine Strömungsrichtung und/oder eine Masse eines strömenden Mediums bestimmen lassen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Anspruchs 6.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, Thermopiles in einen Luftmassensensor einzusetzen, durch die Spannungsänderungen bedingt durch Temperaturänderungen am Luftmassensensor beim Strömen eines Mediums detektiert und zur Auswertung gebracht werden.
Dazu werden Thermopiles im Luftmassenmesser integriert. Die örtliche Plazierung der Thermopiles wird durch die Meßaufgabe bestimmt. Der Meßsensor weist mindestens eine Membran mit einem Heizsensor und einen Träger auf.
Für eine Strömungsrichtungserkennung werden die Thermopiles entweder einseitig auf der Membran des Heizsensors und mit der anderen Seite auf dem Träger oder übergreifend beidseitig auf der Membran angebracht, wodurch diese miteinander thermisch verbunden sind. Vorteilhaft ist hierbei, das ein sonst notwendiger Brückenzweig entfällt, was auch einen Brückenabgleich nicht mehr notwendig macht.
In einer vorteilhaften Ausführung sind die Thermopiles in Multilayeraufbau in der Membran mit dem Heizsensor integriert und mit einer Seite mit dem Träger des Meßsensors verbunden, wodurch eine absolute Übertemperatur des Heizsensors gemessen werden kann. Ohne einen entsprechenden, somit notwendigen, Temperatursensor und eine bisher hierfür notwendige Brückenschaltung, werden diese Signale von einem Vergleicher mit einer Sollübertemperatur des Heizsensors verarbeitet, so daß ein daraus resultierendes Signal als Information über die durchgesetzte Masse und zur direkten Heizung des Heizsensors herangezogen wird.
In Kombination beider Varianten entfallen beide Brückenzweige und die komplizierte Abgleichelektronik. Der Luftmassensensor wird kostengünstig, da neben der Reduzierung der Elektronik auch die Herstellung des Meßsensors einfacher wird. Die Thermopiles können bereits beim Herstellen des Meßsensors integriert werden.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine Ausschnittsdarstellung eines Luftmassensensors mit Meßsensor
Fig. 2 eine Draufsichtdarstellung eines erfindungsgemäßen Meßsensors mit Thermopiles für eine Stromrichtungsdetektion
Fig. 3 eine weitere Draufsichtdarstellung einer Variante des Meßsensors mit Thermopiles für die Strömungsrichtungsdetektion
Fig. 4 eine Draufsichtdarstellung des Meßsensors mit Thermopiles für die Strömungsrichtungsdetektion und eine Luftmassendurchsatzermittlung
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Luftmassendurchsatzermittlung aus Fig. 4
In Fig. 1 ist ein Luftmassensensor 1 mit einem Meßsensor 2 perspektivisch als Ausschnittsdarstellung dargestellt. Der Meßsensor 2 ist dabei in einer unteren Gehäusehälfte 1.2 des Luftmassensensors 1 integriert. Die untere Gehäusehälfte 1.2 bildet zusammen mit einer oberen Gehäusehälfte 1.1 einen Strömungsdurchbruch 10, dessen Geometrie unterschiedlich sein kann. Mit einem Pfeil ist die Strömungsrichtung eines strömenden Mediums, hier des Luftstromes S, gekennzeichnet.
In Fig. 2 ist eine erste Variante des Meßsensors 2 dargestellt. Der Meßsensor 2 besteht dabei aus einem Träger 3, auf dem eine Membran 4 mit einem darin befindlichen meanderförmigen Heizsensor 5 aufgebracht ist. Die Membran 4 ist vorzugsweise mittig angeordnet. Oberhalb dieser Membran 4 befindet sich auf dem Träger 3 eine weitere Membran 6, in der sich ein Temperatursensor 7 befindet. Der Träger 3 besteht vorzugsweise aus Silicium. Der Heizsensor 4 und der Temperatursensor 7 sind in bekannter Art und Weise zu einer Wheatstonschen-Brückenschaltung (nicht näher dargestellt) verschaltet. Vorzugsweise befinden sich die zur Brückenschaltung notwendigen Widerstände gleichfalls auf dem Träger 3, was aber der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Durch die Wheatstonschen-Brückenschaltung wird in herkömmlicher Art und Weise der Luftmassenstromdurchsatz ermittelt, was durch eine Auswerteinheit 9 erfolgt. Zur Bestimmung der Strömungsrichtung des Luftmassenstroms S sind Thermopiles TP mit dem Träger 3 und der Membran 4 des Heizsensors 5 verbunden, wobei die Thermopiles TP11-n auf dem vorderen Trägerteil 3.1 und mit der Membranseite 4.1 und die Thermopiles TP21-n mit dem hinteren Trägerteil 3.2 und der Membranseite 4.2. thermisch kontaktieren. Dabei erhalten die Thermopiles TP mit der Seite auf der Membran 4 die Temperatur des Heizsensors 5 und mit der Seite auf dem Träger 3 die Umgebungstemperatur. Über die Thermopiles TP11-n wird eine Spannung U1 und die Thermopiles TP21-n eine Spannung U2 abgegriffen. Dabei wird die Proportionalität zwischen Temperatur- und Spannungsänderung der Thermopiles TP ausgenutzt. Je nach Material liegt diese bei 1 µVolt/°K. Bei n = 100 Thermopiles TP entspräche dies einer Änderung von 100 µVolt/°K. Ändert sich also die Temperatur der Membran 4 über dem Heizsensor 5, werden proportional dazu die Spannung an U1 und/oder U2 an den Thermopiles TP verändert.
Ohne Strömung des Luftmassenstroms S sind, unter der Voraussetzung, daß die Anzahl n der Thermopiles bei beiden Thermopilegruppen TP1 und TP2 gleich groß ist, die Spannungen U1 = U2. Das Meßsystem liegt im Gleichgewicht. Eine Strömung wird nicht detektiert.
Mit Strömungsbeginn des Luftmassenstromes S in Pfeilrichtung wird die vordere Membranseite 4.1 mehr abgekühlt, als die hintere Membranseite 4.2. Dadurch erfolgt eine Spannungsveränderung an den Thermopiles TP1 durch die Temperaturänderung zwischen dem Träger 3 und der Membran 4, was zu einem Ungleichgewicht zwischen den Spannungen U1 und U2 führt, da die Temperaturänderung zwischen dem Träger 3 und der Membranseite 4.1 anders stattfindet, als zwischen der Membranseite 4.2 und dem Träger 3, was wiederum zu unterschiedlich hohen Thermosprüngen und damit zu Spannungsunterschieden, innerhalb der Thermopiles TP11-n sowie TP21-n führt. Diese Spannungen U1 und U2 werden zusammen auf die Auswerteinheit 9 gegeben, in der aus dem Vergleich der beiden Spannungen U1 und U2 die Strömungsrichtung des Luftmassenstromes S ermittelt wird. Ist die Spannung U1 kleiner als die Spannung U2, strömt der Luftmassenstrom S in Pfeilrichtung des Beispieles. Ist dagegen U2 kleiner als die Spannung U1, strömt der Luftmassenstrom S entgegengesetzt der Pfeilrichtung im Beispiel.
Die Thermopiles TP1-n können aber auch, wie in Fig. 3 dargestellt, über die Membran 4 greifen und auf den Membranseiten 4.1 und 4.2 kontaktiert sein. Hierbei wird die Temperaturdifferenz zwischen der Membranseite 4.1 und der Membranseite 4.2 gemessen und zur Auswertung gebracht. Bei Strömung eines Luftmassenstroms S wird je nach Strömungsrichtung entweder die Membranseite 4.1 oder die Membranseite 4.2 mehr abgekühlt, als die jeweils andere. Somit ist eine Seite der Thermopiles TP1-n je nach Stromrichtung heißer als die andere, wodurch es zu der bekannten Thermospannung kommt. Je nach Vorzeichen der Temperaturdifferenz läßt sich die Strömungsrichtung des Luftmassenstromes S bestimmen.
Bei der Variante in Fig. 2 ist eine bessere Meßauswertung möglich, da hierbei mehr Thermopiles TP verwendet werden, als in Fig. 3.
Eine weitere Variante ist in Fig. 4 aufgezeigt. Hierbei sind Thermopiles TPÜ einseitig in der Membran 4 integriert und greifen mit ihrer anderen Seite auf den Träger 3. Mit dieser Anbringung wird eine absolute Übertemperatur des Heizsensors 5 als Spannung UÜ gemessen, wobei sich diese aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Träger 3 und dem Heizsensor 5 bestimmt. Diese gemessene Spannung UÜ wird zusammen mit einer Sollübertemperatur als Sollspannung UÜsoll, die beispielsweise aus der Auswerteeinheit 9 vorgegeben wird, einem Vergleicher 8 zugeführt und im Vergleicher 8 verglichen, wie in Fig. 5 dargestellt. Ein daraus resultierendes Ausgangssignal UH wird einmal zur Regelung der Übertemperatur des Heizsensors 5 verwendet und dient zum anderen zur Auswertung für den Luftmassendurchsatz.
Die Thermopiles TPÜ1-n sind dabei einseitig vorzugsweise in einer Schicht der Membran 4 eingebettet, wobei zwischen dem Heizsensor 5 und den Thermopiles TPÜ1-n eine Form der Nitridschicht als elektrische Isolierung eingebracht ist, die jedoch ein thermisches Übersprechen gewährleistet. Zur Erhöhung der Ansprechzeit, d. h. für ein schnelleres Ansprechverhalten auf Temperaturunterschiede, können die Thermopiles TPÜ1-n mit der anderen Seite in eine auf den Träger 3 zusätzlich angebrachte Membran 11 eingebettet sein. Diese Membran 11 besitzt dabei den selben Aufbau wie die Membran 6.
In einer bevorzugten Variante sind beide Ausführungsbeispiele, wie in Fig. 4 dargestellt, miteinander kombiniert. Mit diesem Meßsensor 2 wird die durchgesetzt Luftstrommasse S sowie die Strömungsrichtung der Luftstrommasse S erkannt und gemessen. Es versteht sich, daß auch die Variante aus Fig. 2 zur Strömungsrichtungserkennung hierbei verwendet werden kann.
Es versteht sich, daß im Rahmen des Erfindergedankens Änderungen möglich sind.
So können auch zwei Heizsensoren 5 in der Membran 4 eingebettet sein. Die Thermopiles TP11-n oder TP11-n und TP21-n greifen dann in beschriebener Art und Weise auf die Membran 4, wobei die Membranseite 4.1 den ersten Heizsensor 5 und die Membranseite 4.2 den zweiten Heizsensor 5 einschließen.
Auch die Nutzung von zwei Temperatursensoren 7 ist möglich, jedoch nicht nötig, da die Strömungsrichtung des stömenden Mediums S durch die Thermopiles TP11-n bzw. TP21-n bestimmbar ist.
Die Auswerteeinheit 9 kann direkter Bestandteil des Luftmassensensors 1 sein.

Claims (8)

1. Luftmassensensor zur Messung der Strömungsrichtung und/oder der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen, mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit und wenigstens einem auf eine bestimmte Temperatur gegenüber der Umgebungstemperatur aufgeheizten Heizsensor sowie wenigstens einem die Temperatur des strömenden Mediums erfassenden weiteren Sensor, wobei der wenigstens eine Heizsensor auf einem Träger in einer Membran integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Strömungsrichtung Thermopiles (TP11-n, TP21-n, TP1-n) in den Luftmassensensor (1) integriert werden, die einseitig oder beidseitig mit der Membran (4) kontaktieren.
2. Luftmassensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der einseitigen Kontaktierung die Thermopiles (TP11-n, TP21-n) zwischen dem Träger (3) und der Membran (4) eingebunden sind, wobei eine Gruppe der in Reihe verschalteten Thermopiles (TP11-n) von einem vorderen Trägerteil (3.1) des Trägers (3) auf eine vordere Membranseite (4.1) der Membran (4) und die andere Gruppe der in Reihe geschalteten Thermopiles (TP21-n) von einer hinteren Membranseite (4.2) auf ein hinteres Trägerteil (3.2) greifen.
3. Luftmassensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Thermopiles (TP11-n) eine erste Spannung (U1) und von den Thermopiles (TP21-n) eine zweite Spannung (U2) abgegriffen werden, diese der Auswerteeinheit (9) zugeführt und aus der Differenz der beiden Spannungen (U1, U2) die Strömungsrichtung erkannt wird.
4. Luftmassensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der beidseitigen Kontaktierung die Thermopiles (TP1-n) von der vorderen Membranseite (4.1) auf die hintere Membranseite (4.2) über die Membran (4) greifen.
5. Luftmassensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung in der Auswerteeinheit (9) aus dem Vorzeichen der Spannung (UT) ermittelt wird.
6. Luftmassensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weiterer Sensor durch Thermopiles (TPÜ1-n) gebildet wird, wobei eine Seite der Thermopiles (TPÜ1-n) auf dem Träger (3) kontaktiert und die andere Seite in der Membran (4) integriert ist.
7. Luftmassensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine von den Thermopiles (TPÜ1-n) abgegriffene Spannung (UÜ) und eine eine Sollübertemperatur definierende Sollspannung (UÜsoll) auf einen Vergleicher (8) der Auswerteeinheit (9) gegeben werden, wobei ein daraus resultierende Spannung (UH) das Maß für die Masse des strömenden Mediums (S) ist
8. Luftmassensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser keine Brückenschaltung zur Messung der Strömungsrichtung und/oder der Masse des strömenden Mediums (S) aufweist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1477781A1 (de) * 2003-05-13 2004-11-17 Berkin B.V. Massendurchflussmesser
WO2020158155A1 (ja) * 2019-01-31 2020-08-06 オムロン株式会社 検出装置

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