DE102005038597A1

DE102005038597A1 - Heissfilmluftmassenmesser mit frequenzmodulierter Signalerfassung

Info

Publication number: DE102005038597A1
Application number: DE102005038597A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Opitz; Ulrich Wagner; Carsten Raudzis; Axel Franke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-02-22
Also published as: EP1917504A1; US7861586B2; US20090314079A1; WO2007020115A1; JP4934137B2; JP2009505086A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms vorgeschlagen sowie ein Heißfilmluftmassenmesser (110), mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann. Das Verfahren und der Heißfilmluftmassenmesser (110) sind insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine geeignet. Der Heißfilmluftmassenmesser (110) weist einen Sensorchip (112) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Die Chipoberfläche weist wiederum eine Messoberfläche (118) auf, wobei die Messoberfläche (118) eine zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung (122) mit mindestens einem zentralen Heizelement (124) und mindestens zwei Temperaturfühlern (126, 128) aufweist. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass das mindestens eine zentrale Heizelement (124) mit einer Frequenz omega periodisch aufgeheizt wird. Mittels der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) werden mindestens zwei Messsignale (142, 144) erfasst. Die Messsignale (142, 144) und/oder mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale (142, 144) werden mit der Frequenz omega demoduliert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms unter Verwendung einer frequenzmodulierten Signalerfassung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Heißfilmluftmassenmessers. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt.

Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.

Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensortyps auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Öl, andere Flüssigkeiten oder andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt. Die Ölkontamination kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine (und damit zum Beispiel auch in den Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers) abbaut. Dabei wird häufig Öldampf beziehungsweise Ölnebel mitgeführt. Die DE 101 11 840 C2 schlägt daher ein Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip unter Verwendung eines Zusatzheizers vor. Der Sensorchip weist einen Sensorbereich auf sowie einen außerhalb des Sensorbereichs angeordneten Zusatzheizer. Dieser Zusatzheizer wird elektrisch so erhitzt, dass im Bereich des Zusatzheizers Thermogradientenwirbel auftreten, welche zu Niederschlägen der Verschmutzungen des strömenden Mediums im Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereichs des Sensorbereichs führen.

Die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Anordnung und das offenbarte Verfahren sind jedoch in der Praxis bei verschiedenen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine mit Nachteilen verbunden. Ein Nachteil besteht beispielsweise darin, dass eine Lokalisierung der Thermogradientenwirbel, welche durch die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Vorrichtung bezweckt wird, in der Praxis kaum möglich ist. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Siliciums breitet sich die vom Zusatzheizer generierte Wärme leicht über den gesamten Chip aus, was zu einer „ausgeschmierten" Temperaturverteilung und somit zu einer Aufheizung des gesamten Chips führt.

Die Problematik der Verschmutzung der Membran beziehungsweise Sensoroberfläche wird durch thermodynamische Effekte verschärft. So ist es bekannt, dass Flüssigkeitstropfen, welche einen Gradienten in ihrer Oberflächenspannung aufweisen, eine Kraft in Richtung der höheren Oberflächenspannung erfahren. Dies führt in der Regel zu einer Bewegung des Tropfens von einer niedrigen zu einer hohen Oberflächenspannung. Insbesondere kann dieser Gradient durch einen Temperaturgradienten auf einer Oberfläche, auf welche der Flüssigkeitstropfen aufgebracht ist, hervorgerufen werden. Der Tropfen wird durch den Temperaturgradienten üblicherweise von einem wärmeren Bereich der Oberfläche in einen kälteren Bereich der Oberfläche bewegt. Dieser Effekt ist z. B. in V.G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics", Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 373 u. S. 380, beschrieben.

Wie oben beschrieben, sind typische Heißfilmluftmassenmesser derart aufgebaut, dass diese eine Sensormembran (beispielsweise eine Silicium-Membran) mit geringer thermischer Leitfähigkeit sowie ein umgebendes Chip-Festland aufweisen. Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers baut sich daher üblicherweise an den Rändern der Sensormembran, also an der Grenze zum umgebenden Chip-Festland, ein Temperaturgradient und dementsprechend ein Flüssigkeitswall auf. Durch die Luftströmung kann dieser Flüssigkeitswall ganz oder teilweise mitgerissen werden, so dass Öltröpfchen auf die Sensormembran gelangen und dort die Messung beeinflussen können. Weiterhin bewirkt der Flüssigkeitswall eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit am Rand der Sensormembran, was zu einer Verfälschung und Drift des Messsignals führen kann.

Vorteile der Erfindung

Es wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Heißfilmluftmassenmessers vorgeschlagen, welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren vermeiden.

Der Heißfilmluftmassenmesser weist einen Sensorchip mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche auf. Unter einer „Hauptströmungsrichtung" kann dabei z. B. eine Haupt-Transportrichtung des Luftmassenstromes am Ort des Heißfilmluftmassenmessers, beispielsweise am Ort eines Sensorchips, verstanden werden. Lokale Verwirbelungen können dabei zumeist vernachlässigt werden. Insbesondere ist der Heißfilmluftmassenmesser optimiert zur Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s. Bei dem Sensorchip kann es sich beispielsweise, wie. oben beschrieben, um einen Silicium-Chip handeln. Die Chipoberfläche wiederum weist eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche auf. Dabei sollte diese Aufteilung der Chipoberfläche insbesondere so erfolgen, dass der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine um mindestens eine Größenordnung geringere transversale Leitfähigkeit aufweist als im Bereich der Festlandsoberfläche. Diese Verringerung der transversalen Leitfähigkeit kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Beispielsweise können, wie aus dem Stand der Technik bekannt und oben beschrieben, Sensorchips mit einer Sensormembran eingesetzt werden, welche eine Dicke von lediglich wenigen μm aufweist. Hierbei wird die geringe thermische Leitfähigkeit (ca. 0,02 W/m K) der die Sensormembran umgebenden Luft ausgenutzt. Alternativ können als Messbereich mit einer dem Luftmassenstrom zugewandten Messoberfläche auch ein oder mehrere poröse Bereiche im Sensorchip ausgebildet sein, beispielsweise durch eine Porösifizierung eines Silicium-Chips. Auf diese Weise lassen sich Messbereiche herstellen, welche aufgrund der eingeschlossenen Luftkavernen transversale Leitfähigkeiten von 0,1 bis 2 W/m K haben, im Vergleich zu einem Silicium-Substrat mit einer thermischen Leitfähigkeit von ca. 156 W/m K.

Auf die Messoberfläche des Heißfilmluftmassenmessers ist eine zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung aufgebracht. Unter „aufgebracht" ist dabei eine Aufbringung unmittelbar auf die Messoberfläche oder, alternativ oder zusätzlich, auch eine Aufbringung unterhalb der vom Luftmassenstrom überströmten Oberfläche zu verstehen, wobei die Heißfilmluftmassenmesserschaltung beispielsweise ganz oder teilweise durch eine zusätzliche Schicht bedeckt ist. Die Heißfilmluftmassenmesserschaltung weist mindestens ein zentrales Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler auf. Beispielsweise können das mindestens eine zentrale Heizelement und die mindestens zwei Temperaturfühler als Leiterbahnen oder Leiterbahnschleifen ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich und sind dem Fachmann bekannt. Die äußeren Abmessungen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung können beispielsweise einen Sensorbereich auf der Messoberfläche definieren. Somit kann die Messober fläche in einen Sensorbereich und einen außerhalb des Sensorbereichs liegenden Bereich unterteilt sein.

Erfindungsgemäß wird der Heißfilmluftmassenmesser nach dem im Folgenden beschriebenen Verfahren betrieben, wobei der Heißfilmluftmassenmesser die zusätzlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner Ausgestaltungen erforderlichen zusätzlichen Vorrichtungen aufweist. Die beschriebenen Verfahrensschritte müssen nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können auch zusätzliche, nicht dargestellte Verfahrensschritte durchgeführt werden. Auch können Verfahrensschritte wiederholt oder zeitlich parallel durchgeführt werden.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben beschriebenen thermischen Verdrängungseffekte von Verschmutzungen infolge einer (zeitlich näherungsweise konstanten) Aufheizung der Messoberfläche vom eigentlichen Messen des Luftmassenstromes räumlich zu separieren. Dabei wird zum Messen des Luftmassenstromes ein periodisches Aufheizen mittels des zentralen Heizelementes eingesetzt, wobei sich das räumliche Aufheizen aufgrund der thermischen Trägheit der Messoberfläche nicht bis in den Bereich der Verschmutzungen erstreckt, sondern im Wesentlichen auf einen zentralen Bereich innerhalb der Messoberfläche beschränkt ist. Zur Auswertung der Messung wird ein Frequenzmodulationsverfahren eingesetzt, beispielsweise ein modifiziertes „Lock-In-Verfahren", welches zusätzlich Umgebungseinflüsse, beispielsweise die oben beschriebenen Störeinflüsse durch Verunreinigungen, auf die Signalerfassung zu minimieren. Zur eigentlichen Verdrängung der Verunreinigungen kann eine zusätzliche, zeitlich konstante Aufheizung der Messoberfläche erfolgen, welche Verschmutzungen an den Rand der Messoberfläche verdrängt. Somit kann ein thermischer „DC"-Anteil (zeitlich näherungsweise konstant) zur Verdrängung der Verschmutzungen und ein thermischer „AC"-Anteil (periodisch) zum Messen des Luftmassenstromes genutzt werden.

Die Grundidee dieses Modulationsverfahrens besteht also darin, die thermische Stimulation durch das mindestens eine zentrale Heizelement periodisch auszugestalten und bei der anschließenden Messsignalerfassung im Frequenzspektrum lediglich die Anteile zu berücksichtigen, welche im Frequenzbereich der periodischen Stimulierung liegen. Auf diese Weise werden Störsignale, beispielsweise Rauschen oder thermische Drift, weitgehend „ausgeblendet". Zu diesem Zweck wird das mindestens eine zentrale Heizelement mit einer Frequenz ω periodisch aufgeheizt. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass das mindestens eine zentrale Heizelement mindestens einen Heizwiderstand aufweist, wobei das periodische Aufheizen durch Anlegen einer Spannung mit Frequenz ω/2 an den mindestens einen Heizwiderstand erfolgt. Da die Heizleistung proportional zum Quadrat der Spannung ist, ergibt dies eine periodische Aufheizung mit einer Frequenz ω.

Dabei hat es sich, um die periodische Aufheizung durch das zentrale Heizelement auf einen Umgebungsbereich des zentralen Heizelementes zu beschränken, als vorteilhaft erwiesen, die Frequenz ☐ des Aufheizens in einem Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 100 Hz und 10 kHz zu wählen. Bei den typischen für Sensorchips verwendeten Materialien (beispielsweise Silizium) und typischen Dimensionen der Messoberfläche (z. B. mit einer Breite senkrecht zur Hauptströmungsrichtung von 300-800 μm, vorzugsweise ca. 450 μm, bei näherungsweise zentraler Anordnung des zentralen Heizelements) bewirkt diese Wahl der Frequenz, dass sich die Temperaturerhöhung durch das periodische Aufheizen nicht bis zum Randbereich der Messoberfläche erstreckt. Thermische Signale in diesem Frequenzbereich sind in den Chipmaterialien in diesem Frequenzbereich nicht oder nur schlecht ausbreitungsfähig bzw. werden stark gedämpft. Der räumliche Temperaturverlauf einer derartigen periodischen Aufheizung nimmt daher aufgrund dieser Dämpfung beispielsweise exponentiell mit dem Abstand vom thermischen Erreger (d. h. dem mindestens einen zentralen Heizelement) ab. Der genaue Verlauf dieses Abklingens hängt dabei stark vom verwendeten Chipaufbau ab, welcher sich in der Regel als komplexer Schichtaufbau darstellt.

Die Tatsache, dass sich die Temperaturerhöhung durch das periodische Aufheizen nicht oder nur schwach bis zum Randbereich der Messoberfläche erstreckt, hat zwei entscheidende Vorteile: Zum einen wird überlagert sich das Temperaturprofil der für die Messung des Luftmassenstromes verwendeten periodischen Aufheizung nicht oder nur geringfügig mit im Randbereich der Messoberfläche auftretenden, durch dort angesammelte Verunreinigungen verursachte Luftverwirbelungen, welche typischerweise eine Ausdehnung von ca. 100 ☐m parallel zur Hauptströmungsrichtung (also in den Bereich der Messoberfläche hinein) aufweisen. Somit erfasst die eigentliche Messung tatsächlich im Wesentlichen die Hauptströmung des Luftmassenstromes, ohne nennenswerte Beeinflussung durch Verwirbelungen durch Verunreinigungen. Zum anderen wird das Temperaturprofil der für die Messung des Luftmassenstromes verwendeten periodischen Aufheizung nicht oder nur unwesentlich beeinflusst durch Änderungen der thermischen Leitfähigkeit der Messoberfläche im Randbereich der Messoberfläche, welche ebenfalls durch die dort auftretenden Verunreinigungen verursacht werden. Sowohl strömungsmechanisch als auch thermisch ist die Aufheizung durch das mindestens eine zentrale Heizelement also weitgehend von den Störungen durch im Randbereich der Messoberfläche auftretenden Verunreinigungen entkoppelt.

Dies steht im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen, bei welchen in der Regel die Messung der Luftmassenströmung in der Mitte der Messoberfläche bei einer gleichmäßigen Aufheizung, beispielsweise mit 0 Hz, erfolgt. Derartige niederfrequente oder zeitlich konstante Aufheizungen bewirken, dass sich das Temperaturprofil bis in den Randbereich der Messoberfläche ausbreitet und dort durch Änderungen der thermischen Leitfähigkeit und durch Strömungsverwirbelungen beeinflusst wird. Beide Effekte wirken bei 0 Hz integral für die gesamte Messoberfläche.

Mittels der mindestens zwei Temperaturfühler werden mindestens zwei Messsignale erfasst. Wie oben beschrieben, kann es sich bei diesen mindestens zwei Temperaturfühlern beispielsweise um mindestens zwei Temperaturmesswiderstände handeln. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser mindestens zwei Temperaturfühler dem mindestens einen zentralen Heizelement bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstroms vorgelagert und mindestens ein zweiter der mindestens zwei Temperaturfühler dem mindestens einen zentralen Heizelement bezüglich der Hauptströmungsrichtung nachgelagert. Die Messsignale sind „Rohsignale", welche in der Regel mit Störungen überlagert sind, beispielsweise Störungen durch Temperaturdrift oder Rauschen. Somit ist eine unmittelbare Auswertung dieser mindestens zwei Messsignale, beispielsweise durch eine Differenzbildung, in der Regel mit Fehlern behaftet. Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung werden diese mindestens zwei Messsignale daher nun mit der Frequenz ω, d. h. derselben Frequenz, mit der auch die periodische Aufheizung des mindestens einen zentralen Heizelements erfolgt, demoduliert. Alternativ oder zusätzlich kann, anstelle der mindestens zwei Messsignale, auch mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale demoduliert werden. Dies bedeutet, dass die Messsignale unmittelbar demoduliert werden oder dass alternativ oder zusätzlich zunächst mindestens eine Differenz aus diesen Messsignalen gebildet wird, welche anschließend demoduliert wird. Dabei sei darauf hingewiesen, dass unter „Signale" hier nicht notwendigerweise unmittelbar die entsprechenden Signale verstanden werden müssen, sondern dass auch beispielsweise eine Verstärkung, eine Multiplikation mit einem Faktor, eine Glättung oder ähnliches erfolgen kann. So kann beispielsweise anstelle eines Differenzsignals auch ein zu dem Differenzsignal proportionales Signal verwendet oder erzeugt werden.

Unter einer „Demodulation" ist dabei ein Verfahren zu verstehen, bei welchem lediglich die Signale innerhalb des Frequenzbereichs der „Anregung", also hier der periodischen Aufheizung des mindestens einen zentralen Heizelements, erfasst und ausgewertet werden. Dabei ist unter „mit der Frequenz ω" nicht notwendigerweise zu verstehen, dass ein Frequenzbereich „der Breite Null" verwendet wird, sondern es kann ein Frequenzbereich endlicher Breite verwendet werden, wobei die Breite des Frequenzbereichs vom experimentellen Aufbau abhängt. Weiterhin kann neben einer Demodulation mit einer Frequenz, welche genau der Anregungsfrequenz der Aufheizung entspricht, auch eine analoge Demodulation unter Verwendung höherer Harmonischer eingesetzt werden. Derartige Verfahren sind dem Fachmann aus anderen Bereichen der Technik, z. B. der Hochfrequenztechnik, bekannt. Die Demodulation kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das bzw. die zu demodulierenden Signale mathematisch mit einem periodischen Signal mit einer Demodulationsfrequenz entsprechenden Frequenz multipliziert werden. Dieses „Multiplizieren" erfolgt in der praktischen Umsetzung z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Frequenzmischer. Bei dieser Multiplikation entstehen aus dem periodischen Messsignal zeitlich konstante, d.h. nicht periodische, Anteile sowie höherfrequente Anteile. Nicht periodische Störsignale hingegen oder Störsignale in einem anderen Frequenzbereich werden bei dieser Multiplikation ausschließlich in hochfrequente Anteile umgewandelt, nicht hingegen in nicht-periodische Anteile. Somit kann das eigentliche Messsignal unter Verwendung eines Tiefpassfilters herausgefiltert werden, wobei höherfrequente Anteile verworfen werden.

Die so erzeugten demodulierten Messsignale und/oder das mindestens eine demodulierte Differenzsignal können nun zur Auswertung verwendet werden, also beispielsweise zur Berechnung eines Luftmassenstroms. Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung können zusätzlich erfindungsgemäß vorteilhaft weitergebildet werden. So kann beispielsweise zusätzlich mindestens ein Summensignal gebildet werden, wobei das mindestens eine Summensignal mindestens eine Summe der mindestens zwei demodulierten Messsignale und/oder mindestens eine demodulierte Summe der mindestens zwei Messsignale aufweist. Wiederum kann also wahlweise zunächst eine Summenbildung und anschließend eine Demodulation oder zunächst eine Demo dulation und anschließend eine Summenbildung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn dieses mindestens eine Summensignal zur Regelung des mindestens einen zentralen Heizelements verwendet wird. So kann beispielsweise das Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements derart geregelt werden, dass das mindestens eine Summensignal im Wesentlichen zeitlich konstant ist. Beispielsweise kann dies durch eine Regelung der Amplitude der Aufheizung erfolgen, beispielsweise durch Regelung der Amplitude einer periodischen Heizspannung. Unter „im Wesentlichen zeitlich konstant" kann dabei beispielsweise verstanden werden, dass eine zeitliche Abweichung von nicht mehr als 10%, vorzugsweise nicht mehr als 7%, und besonders bevorzugt eine Regelabweichung kleiner als 1 % noch tolerierbar ist.

Das beschriebene Demodulationsverfahren allein weist bereits eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen auf. Als vorteilhaft zur Erhöhung des Nutzens des oben beschriebenen Verfahrens hat sich eine Weiterbildung des Verfahrens erwiesen, bei welcher das oben beschriebene Demodulationsverfahren zusätzlich unterstützt wird, in dem die Temperatur der Messoberfläche im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung zusätzlich geregelt wird. Zu diesem Zweck kann der Heißfilmluftmassenmesser zusätzlich mindestens ein Temperierelement aufweisen, welches erfindungsgemäß so betrieben wird, dass der Sensorchip im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers auf einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Grundtemperaturprofil gehalten wird. Wie oben beschrieben, bildet dieses zeitlich konstante Grundtemperaturprofil den „DC"-Anteil der thermischen Aufheizung der Messoberfläche, welcher für eine Verdrängung der Verunreinigungen in den Randbereich der Messoberfläche sorgt. Unter „im Wesentlichen" ist dabei beispielsweise wiederum zu verstehen, dass im Wesentlichen nur niederfrequente Veränderungen des Grundtemperaturprofils auftreten. Die Abweichungen von diesem Grundtemperaturprofil über die Zeit des Betriebs des Heißfilmluftmassenmessers sollten beispielsweise nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, betragen. Dieses „Grundtemperaturprofil" ist vorzugsweise ausschließlich durch das mindestens eine Temperierelement bedingt, wobei vorzugsweise durch das mindestens eine zentrale Heizelement verursachte periodische Temperaturschwankungen nicht oder nur geringfügig in das Grundtemperaturprofil einfließen sollen.

Beispielsweise kann das zusätzlich mindestens eine Temperierelement ein Peltierelement oder vorzugsweise mindestens einen zusätzlichen Heizwiderstand aufweisen. Das mindestens eine Temperierelement wird mit einer entsprechenden Regelschaltung derart geregelt, dass das im Wesentlichen konstante Grundtemperaturprofil eingehalten wird, wobei, wie oben beschrieben, durch das periodische Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements verursachte periodische Temperaturschwankungen beim Regeln des Grundtemperaturprofils im Wesentlichen unberücksichtigt bleiben sollen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zum Regeln des Grundtemperaturprofils, d. h. zum Regeln des mindestens einen Temperierelements, eines oder mehrere der mindestens zwei Messsignale der mindestens zwei Temperaturfühler und/oder mindestens ein zusätzliches Messsignal mindestens eines Regeltemperaturfühlers verwendet werden. Diese Messsignale können, um den Einfluss des periodischen Aufheizens des mindestens einen zentralen Heizelements „auszublenden", beispielsweise durch einen Tiefpass gefiltert werden, welcher eine Grenzfrequenz unterhalb der Aufheizfrequenz des mindestens einen zentralen Heizelements und/oder der Hälfte dieser Aufheizfrequenz (ω/2) aufweist. Durch dieses mindestens eine Temperierelement lassen sich Störeinflüsse durch Verunreinigungen, beispielsweise durch Abscheidung eines Ölfilms, im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung zusätzlich reduzieren. So kann insbesondere erreicht werden, dass der „Temperaturuntergrund" (also das Grundtemperaturprofil) zeitlich konstant ist und geringe Schwankungen im Frequenzbereich des oben beschriebenen Demodulationsverfahrens aufweist.

Prinzipiell kann ein beliebiger örtlicher Verlauf des im Wesentlichen konstanten Grundtemperaturprofils verwendet werden. Um die oben beschriebene Bildung von Differenzsignalen zu vereinfachen (d. h. insbesondere die elektronische Schaltung, welche zur Bildung der Differenzsignale erforderlich ist, zu vereinfachen), kann beispielsweise das Grundtemperaturprofil im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung einen im Wesentlichen konstanten Temperaturverlauf aufweist. Unter „im Wesentlichen konstant" ist in diesem Fall zu verstehen, dass sich der Temperaturverlauf zwischen den mindestens zwei Temperaturfühlern, welche für das Demodulationsverfahren eingesetzt werden, nicht oder nur unwesentlich ändert, beispielsweise um nicht mehr als 20%. Es lässt sich somit ein „Temperaturplateau" zwischen den mindestens zwei Temperaturfühlern einstellen. Die Messsignale dieser mindestens zwei Temperaturfühler weisen aufgrund dieses „Plateaus" einen gemeinsamen „Offset" auf, welcher bei einer Differenzbildung verschwindet.

Der Nachteil eines exakt ebenen „Plateaus" besteht jedoch darin, dass im Bereich dieses Plateaus auftretende Verunreinigungen keine Thermogradientenkraft mehr erfahren und somit nicht aus diesem Bereich verdrängt werden. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn auch im Bereich dieses „Plateaus" noch ein leichter Temperaturgradient (beispielsweise 10 K/100 μm) besteht, welcher Verunreinigungen zum Randbereich der Messoberfläche verdrängt. An den Plateaubereich können sich dann im Randbereich der Messoberfläche stärkere Temperaturgradienten anschließen, um Verunreinigungen wirkungsvoll vom Plateau fernzuhalten.

Vorzugsweise wird das Grundtemperaturprofil dabei derart eingestellt, dass die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (wobei Randbereiche außerhalb der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung unberücksichtigt bleiben können) über der Umgebungstemperatur liegt. Bei den oben beschriebenen Chipdimensionen mit einer typischen Breite des Messbereichs von ca. 450 μm hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (bzw. im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung) um mindestens 40 K, vorzugsweise um 80 K und besonders bevorzugt um mindestens 120 K über der Umgebungstemperatur liegt. Bei typischen Randbereichsbreiten (wobei unter Randbereichen die Bereiche zu verstehen sind, in denen verunreinigungsbedingte Strömungsverwirbelungen und verunreinigungsbedingte Änderungen der thermischen Leitfähigkeit auftreten) von ca. 150 μm bedeutet dies bevorzugte durchschnittliche Temperaturgradienten von mindestens ca. 0,2-0,3 K/μm, vorteilhafterweise von mindestens ca. 0,5 K/μm und besonders bevorzugt von mindestens ca. 0,8 K/μm. Unter der Umgebungstemperatur kann dabei beispielsweise eine Raumtemperatur verstanden werden oder vorzugsweise eine Betriebstemperatur, welche je nach Einsatzbereich des Heißfilmluftmassenmessers erheblichen Schwankungen gegenüber der Raumtemperatur unterworfen sein kann.

Diese Wahl Grundtemperatur auf einer „Übertemperatur" gegenüber der Umgebungstemperatur hat zahlreiche Vorteile. So werden auf diese Weise beispielsweise Störeinflüsse durch Schwankungen der Umgebungstemperatur minimiert. Ein Hauptvorteil besteht jedoch in dem bereits oben beschriebenen „Barriereneffekt": Um die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung wird ein „Temperaturwall" aufgebaut, welcher aufgrund des Thermogradienteneffektes verhindert, dass Verunreinigungen, insbesondere Öl, in den Bereich der Heißfilmluftmassenmesserschaltung gelangen können. Die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung wird durch diese Ausgestaltung des Heißfilmluftmassenmessers und das beschriebene Verfahren somit wirksam gegen Störeinflüsse geschützt.

Der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser und das beschriebene Verfahren in einer der beschriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren neben den bereits beschriebenen Vorteilen zahlreiche weitere Vorteile auf. So werden insbesondere keine Absolutwerte des Temperaturprofils erfasst, sondern lediglich relative Änderungen innerhalb eines gesondert geregelten Temperaturplateaus. Verschmutzungsablagerungen außerhalb dieses Bereiches haben daher keinen Einfluss auf das Messsignal. Des Weiteren kann der Heißfilmluftmassenmesser durch eine Normierung des Ausgangssignals auf die Summe der Eingangsspannungen (Summensignal) unempfindlich gegenüber einer Widerstandsdrift der Leiterbahnen ausgestaltet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Sensorchip des Heißfilmluftmassenmessers vergleichsweise klein und platzsparend ausgestaltet werden kann. So lässt sich der zur Messung minimal erforderliche Bereich, also beispielsweise die Messoberfläche oder der Sensorbereich, im Vergleich zum Stand der Technik stark verringern. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass, wie oben beschrieben, durch das im Wesentlichen konstante Grundtemperaturprofil ein „Temperaturwall" um die Messoberfläche oder um den Sensorbereich aufgebaut werden kann, so dass auch dicht an den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung angeordnete Verschmutzungen wirksam von der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung ferngehalten werden können.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiels eines Heißfilmluftmassenmessers;
2A einen Temperaturverlauf entlang der Linie A-A in 1 bei Strömungsgeschwindigkeit 0; und
2B den Temperaturverlauf gemäß 2A bei Strömungsgeschwindigkeit > 0.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers 110 schematisch dargestellt. Der Heißfilmluftmassenmesser 110 weist einen (nur ansatzweise dargestellten) Sensorchip 112 und eine (ebenfalls nur ansatzweise dargestellte) Ansteuer- und Auswerteschaltung 114 auf. Der Sensorchip 112 kann beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypasskanal zum Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus DE 196 01 791 A1 bekannt. Der Sensorchip gemäß der Ausgestaltung in 1 weist ein Chip-Festland mit einer Festlandsoberfläche 116 in der Zeichenebene (nur ansatzweise dargestellt) auf. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Sensorchip 112 um einen Silicium-Sensorchip handelt. Weiterhin weist der Sensorchip 112 einen Messbereich mit einer Messoberfläche 118 in der Zeichenebene auf. Die Messoberfläche 118 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Rechtecks ausgestaltet, dessen längere Seiten senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 120 eines Luftmassenstroms angeordnet sind. Der Sensorchip 112 weist im Bereich der Messoberfläche 118 eine thermische Leitfähigkeit auf, welche bei 0,5 bis 2 W/m K liegt, im Vergleich zum umgebenden Festland mit 156 W/m K.
Im Bereich der Messoberfläche 118 sind Leiterbahnen einer zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 angeordnet. Diese zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel aus einem zentralen Heizelement 124 und zwei Temperaturfühlern 126, 128 zusammen. Dabei ist das zentrale Heizelement 124 in diesem Ausführungsbeispiel mit R_h3 bezeichnet und als Leiterbahnschleife ausgestaltet. Alternativ kann das zentrale Heizelement 124 auch als Linienheizelement ausgestaltet sein. Die Temperaturfühler 126, 128 sind als Linienelemente ausgestaltet und mit R_hf1 bzw. R_hf2 bezeichnet. Dabei ist der Temperaturfühler 126 bezüglich der Hauptströmungsrichtung 122 zum zentralen Heizelement 124 „stromaufwärts" gelegen, der Temperaturfühler 128 „stromabwärts". Die Temperaturfühler 126, 128 sind dabei so angeordnet, dass diese dicht benachbart an einer Leiterbahn des zentralen Heizelements 124 angeordnet sind. Die zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 bedeckt dabei einen Sensorbereich 130 der Messoberfläche 118. Dabei ist zu erkennen, dass der Sensorbereich stromaufwärts und stromabwärts die Messoberfläche 118 nicht vollständig ausschöpft.
Außerhalb des Sensorbereichs 130 sind, parallel zu den Leiterbahnen der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung 122 und senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 120, zwei zusätzliche Heizelemente 132, 134 angeordnet. Diese zusätzlichen Heizelemente 132, 134 stellen Temperierelemente dar, mittels derer im Sensorbereich 130 der Messoberfläche 118 ein im Wesentlichen konstantes Grundtemperaturprofil eingestellt werden kann. Diese zusätzlichen Heizelemente 132, 134 sind in 1 auch mit R_h1 und R_h2 bezeichnet. Weiterhin ist in dem Heißfilmluftmassenmesser 110 noch ein Umgebungstemperatur-Messfühler 136 vorgesehen, welcher in 1 mit R_1f bezeichnet ist. Dieser Umgebungstemperatur-Messfühler 136 kann vorzugsweise auf dem Sensorchip 112 ausgestaltet sein oder, alternativ oder zusätzlich, auch als Messfühler im Bereich der Ansteuer- und Auswerteschaltung 114.
Im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers 110 werden die zusätzlichen Heizelemente 132, 134 mit Hilfe von Regelschaltungen 138, 140 auf eine Übertemperatur T* gegenüber der Umgebungstemperatur T_U aufgeheizt. Für die Regelschaltungen 138, 140 dienen dabei die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126 und 128 als Regelgrößen. Beispielsweise kann es sich bei den Regelschaltungen 138, 140 um PI-Regler handeln, z. B. PI-Regler mit einer Bandsperre. Auch zusätzliche elektronische Elemente können vorgesehen sein, wie beispielsweise Stromquellen und/oder Verstärker. Die Wirkung der Temperaturregelung gemäß 1 ist in den 2A und 2B dargestellt. Dabei zeigen die 2A und 2B ein Temperaturprofil entlang der Schnittlinie A-A in 1. 2A zeigt den Fall, in welchem die Luftmasse über dem Sensorchip 112 ruht (Luftmassengeschwindigkeit 0, insofern ist der Begriff „Hauptströmungsrichtung" 128 hier symbolisch zu verstehen). In 2B ist hingegen der Fall einer Strömungsgeschwindigkeit > 0 dargestellt.
Wie aus dem Vergleich der 2A und 2B erkennbar ist, fallen die Heiztemperaturen T* am Ort der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 lediglich im Fall eines Luftmassenstroms mit verschwindender Geschwindigkeit zusammen. Bei endlicher Strömungsgeschwindigkeit werden hingegen die zusätzlichen Heizelemente 132, 134 unterschiedlich beheizt, um den Abtransport durch den Luftmassenstrom auszugleichen und die Temperatur am Ort der Temperaturfühler 126, 128 konstant auf dem Wert T_P zu halten. Bei einer Umgebungstemperatur T_U von ca. 20°C wird üblicherweise mittels der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 die Temperatur T_P auf einen Wert von ca. 150°C aufgeheizt. Zwischen den Temperaturfühlern 126, 128 stellt sich ein Grundtemperaturprofil 146 ein, welches in diesem einfachen Ausführungsbeispiel näherungs weise flach, also konstant, verläuft. Somit hat dieses Grundtemperaturprofil 126 innerhalb des Sensorbereichs 130, welcher näherungsweise durch die Außenkanten der Temperaturfühler 126, 128 begrenzt wird, den konstanten Wert T_P. In der Praxis ist jedoch die Ausbildung eines absolut flachen Grundtemperaturprofils 126 technisch nur schwer zu realisieren und aufgrund des in diesem Bereich dann fehlenden Temperaturgradienten unvorteilhaft (siehe oben). Dementsprechend kann der Bereich zwischen den Temperaturfühlern 126, 128 beispielsweise mit einem leichten Temperaturanstieg zur Mitte der Messoberfläche 128 hin ausgestaltet werden, um auch hier einen Verdrängungseffekt zu erzielen.
Das zentrale Heizelement 124 wird nunmehr mit einer Wechselspannung U_ein = A·sin(ωt/2) beaufschlagt. Dadurch wird, da die Heizleistung des zentralen Heizelements 124 proportional zum Quadrat der beaufschlagten Spannung U_ein ist, das zentrale Heizelement 124 mit einer Heizleistung aufgeheizt, welche proportional zu sin(ωt) ist. Dieses periodische Aufheizen mit der Frequenz sin(ωt) ist in 1 symbolisch mit Bezugsziffer 148 bezeichnet. Die zur Beaufschlagung mit der Wechselspannung U_ein erforderliche Schaltung ist in 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet. Wie in 2A durch die Bezugsziffern 152, 154 angedeutet, führt die periodische Aufheizung 148 des zentralen Heizelements 124 zu lokalen Temperaturerhöhungen. Diese lokalen Temperaturerhöhungen „wachsen" periodisch mit einer Frequenz ω aus dem Grundtemperaturprofil 146 heraus und haben jeweils ihr Maximum am Ort der Leiterbahnen des zentralen Heizelements 124. Die Temperaturfühler 126, 128, welche den Leiterbahnen des zentralen Heizelements 124 unmittelbar außen benachbart angeordnet sind, erfassen diese lokalen Temperaturerhöhungen 152 bzw. 154. Dabei sind die Heizschaltung 150 und die Eingangsspannung, mit welcher das zentrale Heizelement 124 aufgeheizt wird, von ihrer Amplitude und ihrer Frequenz her so bemessen, dass die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 das Temperaturprofil vorwiegend innerhalb des von den zusätzlichen Heizelementen 132, 134 bestimmten Temperaturplateaus ändert. Da die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 gleichzeitig zur Messung der lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 und zur Regelung der Heizleistung der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 über die Regelschaltungen 138, 140 dienen sollen, können die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 vor Einspeisung in die Regelschaltung 138, 140 zusätzlich vor Einspeisung in die Regelschaltungen 138, 140 durch Tiefpassfilter 156, 158 gefiltert werden, um die hochfrequenten (Frequenz ω) Anteile, welche durch die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 bedingt sind, herauszufiltern.
Änderungen der lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 durch den Luftmassenstrom werden von den periodischen Änderungen der lokalen Temperaturerhöhung 152, 154 überlagert (vgl. 2A und 2B) und können zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Luftmassenstroms genutzt werden. Dieser Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Messsignale 142, 144 wird mittels eines Synchron-Demodulators 160, welcher mit einer Demodulationsfrequenz ω arbeitet, bestimmt. Der Synchron-Demodulator 160 ist in 1 stark vereinfacht dargestellt. In einer technischen Realisierung kann er beispielsweise komplexwertig aufgebaut werden. Der Synchron-Demodulator 160 weist zwei Frequenzmischer 162, 164 auf, in welchen die Messsignale 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 jeweils mit einem Demodulationssignal 166 der Frequenz ω gemischt werden. Anschließend werden in Tiefpassfiltern 168, 170 hochfrequente Anteile herausgefiltert, so dass demodulierte Messsignale 172, 174 aus den ursprünglichen Messsignalen 142, 144 der Temperaturfühler 126, 128 gebildet werden. Anschließend kann aus diesen demodulierten Messsignalen 172, 174 ein Differenzsignal gebildet werden (in 1 durch Bezugsziffer 176 bezeichnet) oder ein Summensignal (Bezugsziffer 178). Diese Ausführung ist gegenüber einer Ausführungsform, in welcher zunächst Differenz- bzw. Summensignale gebildet werden, mit anschließender Demodulation, bevorzugt.
Wie in 2B im Vergleich zur 2A dargestellt, verformen sich die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 infolge des Luftmassenstroms, welcher mit der Hauptströmungsrichtung 120 über den Sensorchip 112 strömt. Dies hat, wie aus 2B hervorgeht, den Effekt, dass am Ort des stromabwärts gelegenen Temperaturfühlers 128 eine höhere Temperatur gemessen wird als am Ort des stromaufwärts gelegenen Temperaturfühlers 126. Insofern spiegelt das Differenzsignal 176 die Strömungsgeschwindigkeit des Luftmassenstromes wider, und es kann aus diesem Differenzsignal 176 diese Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Dabei kann das Summensignal 178 zur Normierung des Differenzsignals 176 genutzt werden, beispielsweise indem das Differenzsignal 176 durch das Summensignal 178 dividiert wird. Auf diese Weise lassen sich gegebenenfalls vorhandene Driften der Widerstandswerte der Widerstände 126, 128 ausgleichen. Weiterhin lassen sich nicht-lineare Temperatureinflüsse durch eine in 1 nicht dargestellte Regelschleife zurückdrängen, welche das Summensignal 178 ausnutzt. So kann durch Nachregelung der Amplitude der Heizschaltung 150 unter Verwendung des Summensignals 178 als Eingangssignal eine Nachregelung der periodischen Aufheizung 148 dahingehend erfolgen, dass das Summensignal 178 konstant gehalten wird.
Weiterhin ist in den 1 und 2A symbolisch der Einfluss von Verunreinigungen durch Öltröpfchen 180 dargestellt. Diese Öltröpfchen 180 sammeln sich aufgrund des oben beschriebenen Temperaturgradienteneffektes überwiegend am Übergang zwischen Festlandsoberfläche 116 und Messoberfläche 118. In diesem Bereich, also an der Grenze der Messoberfläche 118, herrscht, wie in 2A dargestellt, ein besonders starker Temperaturgradient. Die Öltröpfchen 180 bewirken, dass sich die thermische Leitfähigkeit des Sensorchips 112 in diesem Bereich erhöht. Der Temperaturverlauf wird dadurch „ausgeschmiert", was in 2A durch den gestrichelten Temperaturverlauf 182 im Vergleich zum durchgezogenen Temperaturverlauf 184 ohne Kontamination durch Öltröpfchen 180 symbolisch dargestellt ist. Es zeigt sich jedoch, dass durch die Regelschaltungen 138, 140, welche erfindungsgemäß den Sensorbereich 130, wie oben beschrieben, temperaturstabilisieren, dieser Einfluss der Öltröpfchen 180 eliminiert wird. Die Öltröpfchen 180 haben somit keinen thermischen Einfluss auf die Messsignale 142, 144, solange der mit der Demodulationsfrequenz ω modulierte Bereich des Temperaturprofils (also die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154) nicht über den Sensorbereich 130 herausragt. Mit steigender Modulationsfrequenz ω wird der Bereich, in welchem sich die lokalen Temperaturerhöhungen 152, 154 bemerkbar machen, aufgrund der thermischen Trägheit der Messoberfläche 118 immer kleiner. Da sich flüssige Verschmutzungen wie die Öltröpfchen 180 vorwiegend am Rand der Messoberfläche 118 ansammeln, weist der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser 110 somit eine erheblich höhere Robustheit gegenüber Kontaminationen auf. Die Verdrängung der Verschmutzung von der Messoberfläche 118 erfordert einen gewissen Gleichanteil der Temperaturerhöhung auf der Messoberfläche 118, welcher, wie oben beschrieben, durch die Regelung der zusätzlichen Heizelemente 132, 134 auf die Temperatur T_P erreicht wird. Zusätzlich kann sich auch ein Gleichanteil der Verlustleistung des zentralen Heizelements 124 hier bemerkbar machen. Im Rahmen einer Designoptimierung können alle Widerstände und Leiterbahnen 124, 126, 128, 132, 134 sehr nahe zusammengerückt werden, so dass die insgesamt verschmutzungsempfindliche Fläche des Heißfilmluftmassenmessers 110 weiter verringert wird.

Claims

Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms mit einem Heißfilmluftmassenmesser (110), insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) einen Sensorchip (112) mit einer vom Luftmassenstrom überströmbaren Chipoberfläche aufweist, wobei die Chipoberfläche eine Messoberfläche (118) aufweist, wobei auf die Messoberfläche (118) eine zentrale Heißfilmluftmassenmesserschaltung (122) mit mindestens einem zentralen Heizelement (124) und mindestens zwei Temperaturfühlern (126, 128) aufgebracht ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – das mindestens eine zentrale Heizelement (124) wird mit einer Frequenz ω periodisch aufgeheizt; – mindestens zwei Messsignale (142, 144) der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) werden erfasst; und – die Messsignale (142, 144) und/oder mindestens ein Differenzsignal der mindestens zwei Messsignale (142, 144) werden mit der Frequenz ω demoduliert.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen mit einer Frequenz im Bereich von 100 Hz bis 100 kHz und vorzugsweise im Bereich von 1 kHz und 10 kHz erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) zusätzlich mindestens ein Temperierelement (132, 134) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (112) im Bereich der zentralen Heißfilmluftmassenmesserschaltung (122) im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers (110) durch das mindestens eine Temperierelement (132, 134) auf einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Grundtemperaturprofil (146) gehalten wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Regeln des Grundtemperaturprofils (146) eines oder mehrere der mindestens zwei Messsignale (142, 144) der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) und/oder mindestens ein zusätzliches Messsignal mindestens eines Regeltemperaturfühlers verwendet wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch das periodische Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements (124) verursachte periodische Temperaturerhöhungen (152, 154) beim Regeln des Grundtemperaturprofils (146) im Wesentlichen unberücksichtigt bleiben, insbesondere durch Verwendung mindestens eines Sperrfilters.
Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Umgebungstemperatur erfasst wird, wobei das Grundtemperaturprofil (146) so gewählt wird, dass die Temperatur im Bereich des Grundtemperaturprofils (146) und/oder im Bereich der mindestens zwei Temperaturfühler (126, 128) um mindestens 40 K, vorzugsweise um mindestens 80 K und besonders bevorzugt um mindestens 120 K über der Umgebungstemperatur liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein Summensignal (178) gebildet wird, wobei das mindestens eine Summensignal (178) mindestens eine Summe der mindestens zwei demodulierten Messsignale (142, 144) und/oder mindestens eine demodulierte Summe der mindestens zwei Messsignale (142, 144) aufweist.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des mindestens einen zentralen Heizelements (124) derart geregelt wird, dass das mindestens eine Summensignal (178) im Wesentlichen zeitlich konstant ist.
Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Summensignal (178) zur Normierung der Messsignale (142, 144) und/oder des mindestens einen demodulierten Differenzsignals (176) verwendet wird.
Heißfilmluftmassenmesser (110) zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche.