DE4018016A1

DE4018016A1 - Hitzdraht-luftmengenmesser

Info

Publication number: DE4018016A1
Application number: DE4018016A
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Suzuki; Masuo Akamatsu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2010-06-06
Also published as: KR0168043B1; JPH0315722A; US5181420A; DE4018016C2; KR910001360A; JPH06105176B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Hitzdraht-Luftmengenmesser.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Beispiels eines herkömmli chen Hitzdraht-Luftmengenmessers, bei dem der Hitzdraht auf konstanter Temperatur gehalten wird. Mit 1 ist ein aus Platin od. dgl. bestehender Hitzdraht bezeichnet. Der Hitzdraht 1 wird durch eine Schaltung, die aus Ope rationsverstärkern 5 und 6, einem Transistor 7 und Wider ständen 3, 9, 21 und 22 besteht, auf konstanter Temperatur gehalten. Ein zum Hitzdraht 1 gerichteter Luftstrom ver ändert dessen Widerstandswert. Entsprechend dieser Änderung regelt die Schaltung den Widerstandswert, so daß dieser konstant ist (der konstante Widerstandswert bedeutet eine konstante Temperatur). Eine an dem Widerstand 3 ab fallende Spannung wird als Funktion einer Luftmengenänderung erfaßt. Ein Widerstand 2 ist ein Kaltdraht, der zur Kompen sation bezüglich der Temperatur der zu messenden Luft verwendet wird.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 darge stellten Luftmengenmessers. Widerstände 1 und 3 in Fig. 2 sind in derselben Weise wie sie in Fig. 1 angeordnet sind, geschaltet. Ein Verstärker 56 ist eine Ersatzverstärker schaltung für die Operationsverstärker 5, 6, die Wider stände 2, 9, 21, 22 und dergleichen. Eine Spannungsquelle 256 liefert eine durch die Schaltungsanordnung definierte Spannung. Der Spannungswert ist ein Index, der angibt, wie weit die Schaltung nichtlinear arbeitet. Dieser Spannungswert wird wie folgt angegeben, wobei dieser Wert als eine allgemeine Offsetspannung bezeichnet wird:

V₁ = (V₂ + V_OF) G₂ (1)

darin ist V₂ eine an einem Verzweigungspunkt zwischen den Widerständen 1 und 3 anliegende Spannung und V₁ eine Ausgangsspannung des Verstärkers 56. G ist die Verstärkung des Verstärkers 56.

Außerdem stehen die Spannungen V₁ und V₂ in folgender Beziehung:

V₂ = R₃/(R₁ + R₃) · V₁ (2)

Aus den Gleichungen (1) und (2) lassen sich die Spannungen V₁ und V₂ wie folgt ausrechnen:

Die Gleichungen 3 und 4 zeigen, daß sich keine der Spannungen V₁ und V₂ ohne den Wert V_OF ergibt.

Das bedeutet, daß die betrachtete Schaltung eine allgemeine Offsetspannung V_OF erzeugt, d. h. eine durch die Schaltungs funktion selbst definierte Spannung. Durch die geeignete Auslegung dieses Spannungswerts läßt sich ein optimaler Betrieb des Luftmengenmessers erreichen.

Der Wert von V_OF ist durch eine Eingangs-Offsetspannung V_OPF der Operationsverstärker 5 und 6, der Widerstände 24 und 28, einer Spannung V_CC u. dgl. definiert. Um den Wert V_OF konstantzuhalten, kann eine äußere aus den Widerständen 24, 28 u. dgl. bestehende Schaltung einge setzt werden.

Auch wenn diese äußere Schaltung zum Konstanthalten des Werts von V_OP verwendet wird, ist dieser Spannungswert unvermeidbaren Veränderungen unterworfen, da er ver schiedenen äußeren Einflüssen unterworfen ist, die beispiels weise durch die Umgebungstemperatur und die Versorgungsspannung hervorgerufen sind. Insbesondere kann der Spannungswert V_OF Null oder kleiner als Null werden, wenn der Tempera tureinfluß groß ist und sich die Temperatur stark ändert. Dann kann es geschehen, daß die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ihre Funktion als Luftmengenmesser nicht mehr erfüllt und zu Schwingungen angeregt wird.

In der ungeprüften JP-A-64-8828, Anmeldungsnummer 62-2 44 096, die am 30. 11. 1987 von Hitachi, Ltd. ange meldet wurde, ist ein Beispiel eines bekannten Hitzdraht- Luftmengenmessers beschrieben.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hitzdraht- Luftmengenmesser zu ermöglichen, der eine Steuerschaltung aufweist, die stabil arbeitet, auch wenn die oben be schriebene allgemeine Offsetspannung V_OF zu Null oder kleiner Null wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Hitzdraht-Luftmengenmesser eine Phasenkompen sationsschaltung in der Steuerschaltung und eine Gegen kopplungsschaltung enthält, die sich stabilisierend auf die Eingangs-Offsetspannung V_OP des Operationsverstärkers auswirkt, die sonst durch die Steuerschaltung selbst ver stärkt würde.

Die Kombination der Phasenkompensationsschaltung mit der Gegenkopplungsschaltung stabilisiert die Steuerschaltung bei der Verarbeitung eines die Luftmengenänderung dar stellenden Signals. Deshalb kann die Steuerschaltung stabil arbeiten ohne daß sie, wenn die allgemeine Offsetspannung V_OF 0 V oder kleiner als 0 V ist, Schwingungen erzeugt.

Dieser stabile Betrieb der Steuerschaltung resultiert aus zwei Ursachen, nämlich durch die Phasenkompensations schaltung bewirkte Kompensation der Signalphasenlage und die Stabilisierung der allgemeinen Offsetspannung V_OF, die durch die Steuerschaltung definiert ist, die sonst durch die Schaltung selbst verstärkt würde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Hitzdraht- Luftmengenmessers;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung;

Fig. 3 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Hitzdraht-Luftmengen messers;

Fig. 4 graphisch die Stabilitätskennwerte der in den Fig. 1 und 3 dargestellten Schaltungen; und

Fig. 5, 6 und 7 Schaltbilder anderer erfindungsgemäßer Ausführungsarten des vorgeschlagenen Hitz draht-Luftmengenmessers.

In Fig. 3, die eine erste Ausführungsart der Erfindung zeigt, sind Komponenten, die mit denen in Fig. 1 überein stimmen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Eine Phasenkompensationsschaltung besteht aus Widerständen 17 und 18 und einem Kondensator 19 und kompensiert die Phase eines Luftmengenratensignals in einem bestimmten Zeitbereich (d. h. einem Frequenzbereich).

Eine Gegenkopplungsschaltung für den Operationsverstärker 6 besteht aus einem Transistor 7 und Widerständen 21 und 22. Anders als in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung liegt der Verbindungspunkt dieses Gegenkopplungszweigs nicht am nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Operations verstärkers 5, sondern an dessen invertierendem Eingangs anschluß (-). Bei dieser Verwendung kann die Steuerschaltung selbst die Eingangs-Offsetspannung V_OPF1 nicht verstärken, das ist die Gleichspannung zwischen dem nichtinvertierenden (+) und dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Ope rationsverstärkers 5. Daher resultiert die Stabilisierung der Steuerschaltung.

Fig. 4 zeigt Stabilitätskennwerte der in Fig. 3 darge stellten und oben beschriebenen Ausführungsart der Erfin dung. Auf der x-Achse ist die allgemeine Offsetspannung V_OF und auf der y-Achse die Stabilität aufgetragen.

Diese graphische Darstellung zeigt, daß die in Fig. 1 gezeigte bekannte Schaltung einen bestimmten Spannungswert V_Of beibehalten muß, da die Schaltung sonst in einen un stabilen Zustand übergeht, wie der Graph l₀ zeigt. Die in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Schaltung hat dagegen die durch den Graph l₁ dargestellte Stabilitätscharakte ristik. Dies rührt daher, daß bei dem erfindungsgemäßen Hitzdraht-Luftmengenmesser ein Gegenkopplungssignal dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 5 zugeführt wird und daß die Phase des Ausgangssignals des Operationsverstärkers kompensiert wird. Als Ergebnis gibt es einen Bereich, wo die Steuerschaltung stabil ar beitet auch wenn die Offsetspannung V_OF negativ wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Phasenkompensationsschaltung aus einem Widerstand 18, einem Kondensator 19 und Widerständen 22 und 23. Die letzteren Widerstände 22 und 23 übernehmen die Funktion des Widerstands 17 der in Fig. 3 gezeigten Phasenkompen sationsschaltung. Dadurch ist die Anzahl der in der Schal tung nötigen Widerstände verringert.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem der Gegenkopplungszweig mit dem Wider stand 22 am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 angelegt ist. Der Widerstand des Operationsverstärkers ist so klein, daß sich die Widerstandswerte der Wider stände 21, 22 und 23 leicht festlegen lassen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsart der Erfindung, bei der ein zusätzlicher Operationsverstärker 40 vorge sehen ist, dessen Ausgang mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes 22 im Gegenkopplungszweig sowie mit dem in vertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 5 verbunden ist. Diese Ausführungsart trennt die Phasen kompensationsschaltung 17, 18 und 19 von der Gegenkopplungs schaltung 21 und 22 durch den zwischen den Widerständen 21 und 22 und den Widerständen 17 und 18 liegenden Opera tionsverstärker 40. Dadurch ist die Stabilisierungswirkung weiter gesteigert, da keine gegenseitige Beeinflussung zwischen dem durch die Kompensationsspannung gegebenen Kompensationspegel und dem durch die Gegenkopplungsschal tung gegebenen Gegenkopplungspegel stattfindet.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Phasenkompensations- und Gegenkopplungsschaltung bewirken gemeinsam eine Phasen kompensation und eine Stabilisierung eines im Hitzdraht- Luftmengenmesser auftretenden Signals. Dadurch arbeitet der erfindungsgemäße Hitzdraht-Luftmengenmesser stabil, auch wenn die allgemeine Offsetspannung negativ wird.

Claims

1. Hitzdraht-Luftmengenmesser mit

- einem Hitzdraht (1), der in einem Luftströmungsweg liegt, durch den die zu messende Luftmenge strömt,
- Stromzuführungsmitteln (7), die einen Strom durch den Hitzdraht fließen lassen,
- Stromerfassungsmitteln (3, 24, 28), die die Stärke des durch den Hitzdraht fließenden Stroms erfassen,
- einem Operationsverstärker (5), der einen invertieren den Eingangsanschluß (-), einen nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+), dem ein der Stromstärke, die die Stromerfassungsmittel erfaßt haben, entsprechendes Signal zugeführt wird, und einen Ausgangsanschluß aufweist, der ein die Luftmengenänderung angebendes Signal abgibt, und
- einer Gegenkopplungsschaltung (2, 9, 17, 26, 6, 27, 7, 21, 22, 23), die eine Verstärkerschaltung (6) aufweist und die dem Operationsverstärker (5) ein Gegenkopplungssignal zuführt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung das Gegenkopplungssignal dem invertierenden Eingangsanschluß (-) oder dem Aus gangsanschluß des Operationsverstärkers (5) zuführt und die in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers (5) die Temperatur des Hitzdrahts konstant regelt, und daß Phasenkompensationsmittel (18, 19) vorgesehen sind um eine Phasenlage eines Ausgangssignals der in der Gegenkopplungsschaltung vorgesehenen Verstärkerschaltung (6) zu kompensieren.

2. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung eine Temperaturkompensations schaltung, die im Luftströmungsweg liegt und einen temperaturabhängigen Widerstand enthält, der für eine Kompensation bezüglich der Temperatur der zu messenden Luftströmung dient und eine Spannungsteilerschaltung enthält, die mit der Temperaturkompensationsschaltung verbunden ist und die eine Spannung an einem Ende des Hitzdrahts (1) erfaßt.

3. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkompensationsmittel (17, 18, 19) mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (5) verbun den sind.

4. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkompensationsmittel (18, 19) mit der Temperatur kompensationsschaltung verbunden sind.

5. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Spannungsteilerschaltung mit dem inver tierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers verbunden ist.

6. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Spannungsteilerschaltung mit dem Ausgangs anschluß des Operationsverstärkers (5) verbunden ist.

7. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pufferschaltung (40) zwischen der Gegenkopplungs schaltung und der Spannungsteilerschaltung eingeschaltet ist.