DE4018016C2

DE4018016C2 - Hitzdraht-Luftmengenmesser

Info

Publication number: DE4018016C2
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: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2010-06-06
Also published as: KR0168043B1; JPH0315722A; US5181420A; DE4018016A1; KR910001360A; JPH06105176B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Hitzdraht-Luftmengenmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Hitzdraht-Luftmengenmesser ist aus der EP 0 103 312 B1 bekannt.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmli chen Hitzdraht-Luftmengenmessers, bei dem der Hitzdraht auf konstanter Temperatur gehalten wird. Mit 1 ist ein 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 auf den 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 zugleich eine konstante Temperatur). Eine an dem Widerstand 3 ab fallende Spannung wird in Abhängigkeit von der Luftmenge 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 weitere Bauelemente. Eine Spannungsquelle 256 liefert eine durch die Schaltungsanordnung definierte Spannung V_OF. Der Spannungswert V_OF ist ein Maß, das angibt, wie weit die Schaltung nichtlinear arbeitet. Dieser Spannungswert V_OF wird wie folgt angegeben und als eine allgemeine Offsetspannung bezeichnet:

V₁ = (V₂ + V_OF) G (1)

darin ist V₂ eine an dem Verzweigungspunkt zwischen den Widerständen 1 und 3 anliegende Spannung und V₁ die 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 unabhängig von 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 der Operationsverstärker 5 und 6, durch die Widerstände 24 und 28 und durch eine Spannung V_CC mitbestimmt. Um den Wert V_OF konstantzuhalten, kann eine äußere aus den Widerständen 24, 28 bestehende Schaltung einge setzt werden.

Auch wenn diese äußere Schaltung zum Konstanthalten des Werts von V_OF 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 JP-A-64-8828 ist ein Beispiel eines solchen bekannten Hitzdraht- Luftmengenmessers beschrieben.

Aus der schon eingangs genannten EP 0 103 212 B1 ist ebenfalls ein Hitzedraht-Luftmengenmesser bekannt mit einem Hitzdraht, einem stromsteuernden Transistor, elektrischen Widerständen zum Abgriff der Stärke des durch den Hitzdraht fließenden Stroms und einem Operationsverstärker, dessen nichtinvertierendem Eingangsanschluß ein der Stärke des durch den Hitzdraht fließenden Stroms entsprechendes, an einem der elektrischen Widerstände abgegriffenes Signal zugeführt wird und dessen Ausgangsanschluß ein die Luftmenge angebendes Signal abgibt.

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

Diese Aufgabe wird von einem Hitzdraht-Luftmengenmesser mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst.

Der Hitzdraht-Luftmengenmesser enthält eine Phasenkompensationsschaltung in der Steuerschaltung und eine Gegenkopplungsschaltung, die sich stabilisierend auf die Eingangs-Offsetspannung V_OP des Operationsverstärkers auswirkt, die sonst durch die Steuerschaltung selbst verstärkt würde.

Die Kombination der Phasenkompensationsschaltung mit der Gegenkopplungsschaltung stabilisiert die Steuerschaltung bei der Verarbeitung eines die Luftmenge dar stellenden Signals. Deshalb kann die Steuerschaltung stabil arbeiten ohne daß sie, wenn die allgemeine Offsetspannung V_OF Null oder kleiner als Null 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 Ausführungsform eines Hitzdraht-Luftmengen messers nach dem Patentanspruch 1;

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

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

In Fig. 3, die eine erste Ausführungsform 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 Luftmengensignals 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 (-). So kann die Steuerschaltung selbst die Eingangs-Offsetspannung - die Gleichspannung zwischen dem nichtinvertierenden (+) und dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Ope rationsverstärkers 5 - nicht verstärken. Daher resultiert die Stabilisierung der Steuerschaltung.

Fig. 4 zeigt Stabilitätskennwerte der in Fig. 3 darge stellten und oben beschriebenen Ausführungsform 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 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 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 Ausführungsform 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 Phasenkompensations- und Gegenkopplungsschaltung bewirken gemeinsam eine Phasen kompensation und eine Stabilisierung eines im Hitzdraht- Luftmengenmesser auftretenden Signals. Dadurch arbeitet ein solcher Hitzdraht-Luftmengenmesser stabil, auch wenn die allgemeine Offsetspannung V_OF negativ wird.

Claims

1. Hitzdraht-Luftmengenmesser mit

- einem Hitzdraht (1), der in einem Luftströmungsweg liegt, durch den die zu messende Luftmenge strömt,
- einem Transistor (7), mit dem der Stromfluß durch den Hitzdraht (1) gesteuert wird;
- einem Widerstand (3), durch den der Strom des Hitzdrahts fließt, wobei die an ihm dadurch abfallende Spannung als Maß für diesen Stromfluß dient;
- einem ersten Operationsverstärker (5), an dessen nicht invertierendem Eingang (+) die über den Widerstand (3) abfallende Spannung liegt und dessen Ausgangssignal ein die Luftmenge angegebendes Signal abgibt; und
- einer Gegenkopplungsschaltung (6, 27, 7, 21, 22), die einen weiteren Operationsverstärker (6) aufweist, der in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers (5) die Temperatur des Hitzdrahts (1) konstant regelt:
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Gegenkopplungsschaltung (6, 27, 7, 21, 22) das Gegenkopplungssignal dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des ersten Operationsverstärkers (5) zuführt oder dessen Ausgangsanschluß für den nachfolgenden, in Kaskade geschalteten zweiten Operationsverstärker (6); und
- eine Phasenkompensationsschaltung (17, 18, 19) vorgesehen ist, um eine Phasenlage eines Ausgangssignals des in der Gegenkopplungsschaltung (6, 27, 7, 21, 22) vorgesehenen zweiten Operationsverstärkers (6) zu kompensieren.

2. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung (6, 27, 7, 21, 22) eine Temperaturkompensationsschaltung (2, 9, 23) mit einem temperaturabhängigen Widerstand (2) aufweist, der im Luftströmungsweg liegt.

3. Hitzdraht-Luftmengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung (6, 27, 7, 21, 22) von der Phasenkompensationsschaltung (17, 18, 19) durch einen Impedanzwandler (40) getrennt ist.