DE19710539C1

DE19710539C1 - Sensor arrangement for measuring mass of flowing medium using principle of heated film anemometer

Info

Publication number: DE19710539C1
Application number: DE1997110539
Authority: DE
Inventors: Thomas Bennoehr; Michael Daetz; Dieter Rintelen; Peter Bierschwale; Matthias Dr Hoffmann; Thorsten Schuettler
Original assignee: Daug Deutsche Automobil Gmbh
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2017-03-15

Abstract

The arrangement has a carrier substrate (T) parallel to the flow direction to form inflow and outflow sides and with film resistance layers (Ro,Ru) on its upper and lower sides. Each film resistance layer consists of two spatially separate resistance tracks perpendicular to the flow direction (S) so that one tracks is on the inflow side and one on the outflow side. Each inflow track is electrically separate from the corresp. outflow track. The resistance tracks on the inflow side and the tracks on the outflow side are connected to form at least two separate measurement bridges corresp. to separate constant flow controllers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Messen der Masse eines strö menden Mediums nach dem Prinzip des Heißfilm-Anemometers, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to a sensor arrangement for measuring the mass of a stream medium based on the principle of the hot film anemometer, especially for Motor vehicles with an internal combustion engine, according to the preamble of the patent claim 1.

Aus der JP 08 219 836 ist ein derartiger Masseflußsensor zu entnehmen, der auf einem Trägersubstrat beidseitige und in eine An- und Abströmseite unterteilte Widerstandsbahnanordnung aufweist, die jedoch alle miteinander in Form einer Wheatstone-Brücke verbunden sind.JP 08 219 836 shows such a mass flow sensor, which is based on a carrier substrate on both sides and divided into an upstream and downstream side Resistor track arrangement, but all of them together in the form of a Wheatstone Bridge are connected.

Aus der Druckschrift DE 44 08 270 A1 ist eine Sensoranordnung bekannt, die auf der Ober- und Unterseite des Trägersubstrates jeweils eine Filmwiderstands schicht (vgl. Fig. 2: R_o, R_u) aufweist. Um die Strömungsrichtung des Mediums zu erfassen, wird dabei, wie in Fig. 2 dargestellt, nach dem Prinzip der Split-Film- Sonde das Trägersubstrat schräg in einem Winkel zur Strömungsrichtung (S) ein gebracht, wodurch bezogen auf die jeweilige Strömungsrichtung ein meßbarer Temperaturunterschied zwischen anströmseitiger (R_o) und abströmseitiger (R_u) Widerstandsschicht auftritt. Dieser Temperaturunterschied ermöglicht zwar, die Richtung des strömenden Mediums zu ermitteln, weist jedoch den Nachteil auf, daß die Grenzfrequenz der Sensoranordnung bei schnellen Strömungsrichtungs wechseln, wie sie insbesondere durch Pulsationen in Brennkraftmaschinen auftre ten, nicht ausreicht, da dieser Temperaturunterschied jeweils überwunden werden muß.From the document DE 44 08 270 A1 a sensor arrangement is known which has a film resistance layer on the top and bottom of the carrier substrate (cf. FIG. 2: R _o , R _u ). In order to detect the direction of flow of the medium, the carrier substrate is introduced at an angle to the direction of flow (S), as shown in FIG. 2, according to the principle of the split-film probe, which means that a measurable temperature difference with respect to the respective direction of flow occurs between the upstream (R _o ) and the downstream (R _u ) resistance layer. Although this temperature difference enables the direction of the flowing medium to be determined, it has the disadvantage that the cut-off frequency of the sensor arrangement changes in the case of rapid flow directions, such as those which occur in particular due to pulsations in internal combustion engines, is not sufficient since this temperature difference must be overcome in each case.

Als Sensorelemente werden, wie bspw. der Druckschrift DE 38 02 422 A1 bereits zu entnehmen, üblicherweise Dünnfilmwiderstände auf verschiedenen Substraten, z. B. Keramik oder Glas, verwendet. Eine entscheidende Größe für die Anwen dung von Heißfilm-Anemometern im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist die Ansprechgeschwindigkeit. Eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit ist erfor derlich, damit der Sensor den Pulsationen des angesaugten Luftstromes folgen und so den wahren Luftstrom anzeigen kann. Ein üblicher Weg, die Ansprechge schwindigkeit von thermischen Anemometern zu erhöhen, ist, das Sensorelement zu miniaturisieren, um so die thermischen Energiespeicher zu verkleinern.As sensor elements, such as DE 38 02 422 A1 can be seen, usually thin-film resistors on different substrates, e.g. B. ceramic or glass used. A crucial size for users of hot film anemometers in the intake tract of an internal combustion engine the response speed. A fast response speed is required necessary for the sensor to follow the pulsations of the intake air flow and so it can show the true airflow. A common way to respond To increase the speed of thermal anemometers is the sensor element to miniaturize so as to reduce the thermal energy storage.

Dies hat folgende Nachteile:
Die Verschmutzungsempfindlichkeit des Sensorelementes steigt. Bei Verringe rung der Länge des Sensorelementes quer zur Strömungsrichtung wird der Luft strom nur über eine kurze Länge gemittelt, was zu einer Erhöhung der Rauschan teile im Meßsignal führt.This has the following disadvantages:
The sensitivity of the sensor element to dirt increases. When reducing the length of the sensor element transversely to the direction of flow, the air flow is averaged only over a short length, which leads to an increase in Rauschan parts in the measurement signal.

Die Dünnfilmwiderstände werden üblicherweise strukturiert, um einen gewünsch ten Widerstandswert zu erreichen. Das hat den Vorteil, daß die Schichtdicke des Widerstandsmaterials so gewählt werden kann, wie es für die verwendete Techno logie optimal im Hinblick auf die Stabilität des Meßelementes ist. Üblicherweise ist das Widerstandslayout ein Mäander aus gleich breiten hintereinandergeschalte ten Stromlaufbahnen. Es sind aber auch andere Geometrien bekannt. In der Druckschrift DE 31 27 081 wird ein Widerstandslayout angegeben, bei dem die Breite der hintereinandergeschalteten Stromlaufbahnen so gewählt ist, daß der re sultierende elektrische Widerstand pro Flächeneinheit in einem konstanten Ver hältnis zur örtlichen Wärmeübergangszahl steht. Die Breite der Stromlaufbahnen nimmt dann von der Anströmseite her gesehen nach hinten kontinuierlich zu.The thin film resistors are usually patterned to a desired one to reach the resistance value. This has the advantage that the layer thickness of the Resistor material can be selected as it is for the techno used logic is optimal with regard to the stability of the measuring element. Usually the resistance layout is a meander made up of equally wide series electrical circuits. However, other geometries are also known. In the Document DE 31 27 081 specifies a resistance layout in which the Width of the series-connected current paths is selected so that the right resulting electrical resistance per unit area in a constant ver ratio to the local heat transfer coefficient. The width of the electrical tracks then increases continuously from the upstream side towards the rear.

Ein Nachteil dieser Anordnungen ist, daß sich durch die Serienschaltung der Stromlaufbahnen thermische Mitkopplungen ergeben:
Bei einer Erhöhung des Luftstromes werden die nahe zur Anströmkante des Sen sors hin gelegenen Stromlaufbahnen relativ stärker gekühlt. Dadurch verringert sich dort die Temperatur relativ zu den nicht so stark gekühlten Stromlaufbahnen. Ein Mitkopplungseffekt entsteht dadurch, daß in den kühleren Stromlaufbahnen wegen des geringeren elektrischen Widerstandes auch weniger elektrische Lei stung umgesetzt wird, was zu einer weiteren Abkühlung führt. Durch die Kon stanttemperaturregelschaltung wird die Temperatur nur im Mittel konstant gehal ten. Diese lokalen Temperaturverschiebungen sind für Verlängerungen der An sprechgeschwindigkeit verantwortlich, da sie langsam stattfinden. Von Bedeutung ist dabei auch, daß sich, bei den üblicherweise verwendeten Sensorelementen mit einseitiger Widerstandsbeschichtung, eine Hintereinanderschaltung von Zeitkon stanten ergibt, da sich die statische Temperaturverteilung auf der Unterseite des Meßelementes erst einstellt, wenn sich die Temperaturverteilung auf der Wider standsseite eingestellt hat. A disadvantage of these arrangements is that thermal positive feedback results from the series connection of the current paths:
With an increase in the air flow, the current paths close to the leading edge of the sensor are cooled relatively more. As a result, the temperature there decreases relative to the not so strongly cooled current paths. A positive feedback effect arises from the fact that less electrical power is implemented in the cooler current paths because of the lower electrical resistance, which leads to further cooling. Due to the constant temperature control circuit, the temperature is only kept constant on average. These local temperature shifts are responsible for extending the response speed because they take place slowly. It is also important that there is, in the commonly used sensor elements with one-sided resistance coating, a series connection of Zeitkon constants, since the static temperature distribution on the underside of the measuring element only occurs when the temperature distribution on the opposing side has been set.

Wie aus der Literatur (H. Strickert: "Hitzdraht- und Hitzfilm-Anemometrie", 1974) bekannt, wird die Ansprechgeschwindigkeit von Anemometern dadurch er höht, daß das Konstanttemperaturprinzip verwendet wird. Das Konstanttempera turprinzip hat sich daher auch gegenüber dem Konstantstromprinzip allgemein durchgesetzt.As from the literature (H. Strickert: "Hot wire and hot film anemometry", 1974), the response speed of anemometers becomes known increases that the constant temperature principle is used. The constant tempera The principle of the door has therefore also become general compared to the principle of constant current enforced.

Ein ideales Heißfilm-Sensorelement hätte zu jedem Zeitpunkt an allen Punkten seiner Oberfläche die gleiche konstante Temperatur, die gegenüber der Mediums temperatur um einen festen Wert erhöht ist. Für Heißfilm-Sensorelemente in in dustriellen Anwendungen oder Anwendungen in Meßaufbauten, bei denen die Herstellkosten nicht so kritisch sind wie bei Heißfilm-Sensorelementen für den Serieneinsatz in Brennkraftmaschinen, werden üblicherweise rundum metallisierte miniaturisierte Sensorelemente verwendet, die dem Ideal recht nahe kommen. Die metallisierte Widerstandsbeschichtung ist nicht strukturiert.An ideal hot film sensor element would have at all points at all times its surface has the same constant temperature as that of the medium temperature is increased by a fixed value. For hot film sensor elements in in industrial applications or applications in test setups in which the Manufacturing costs are not as critical as for hot film sensor elements for the Series use in internal combustion engines are usually completely metallized miniaturized sensor elements are used that come very close to the ideal. The metallized resistance coating is not structured.

Die in Brennkraftmaschinen eingesetzten Heißfilm-Sensorelemente haben typi scherweise Abmessungen von ca. 0,2 mm×2 mm×10 mm. Sie sind auf einseitig mit strukturiertem Widerstandsmaterial beschichteten Glas- oder Keramikträgern aufgebaut. Die Ausdehnung des Sensorelementes in Strömungsrichtung S von ca. 2 mm hat zur Folge, daß sich der lokale Wärmeübergangskoeffizient von der An ström- zur Abströmkante des Sensorelementes hin deutlich ändert. Dadurch treten die im Stand der Technik beschriebenen thermischen Mitkopplungseffekte auf, welche die Ansprechgeschwindigkeit des Sensorelementes herabsetzen.The hot film sensor elements used in internal combustion engines are typi dimensions of approximately 0.2 mm × 2 mm × 10 mm. You are on one side glass or ceramic supports coated with structured resistance material built up. The expansion of the sensor element in the flow direction S of approx. 2 mm has the consequence that the local heat transfer coefficient from the An flow to the trailing edge of the sensor element changes significantly. Step through it the thermal positive feedback effects described in the prior art, which reduce the response speed of the sensor element.

Des weiteren ist eine Konstruktion mit zwei getrennten Widerständen auf einem Trägerkörper unter der Bezeichnung "Split-Film-Sonde" bekannt. Sie ist zum Bei spiel im Technical Bulletin No. 20 der Firma TSI Inc., St. Paul, Minnesota USA oder im Artikel von Olin (Olin, J. G.: "Split-Film Anemometer Sensors", In: In struments and Control Systems, June 1970, S. 106-108) beschrieben. Sie wird zur Erkennung der Strömungsrichtung durch Vergleich der Signale der beiden Wi derstände eingesetzt.Furthermore, there is a construction with two separate resistors on one Carrier body known under the name "split film probe". It is an accessory game in Technical Bulletin No. 20 from TSI Inc., St. Paul, Minnesota USA or in the article by Olin (Olin, J.G .: "Split-Film Anemometer Sensors", In: In struments and Control Systems, June 1970, pp. 106-108). It becomes Detection of the flow direction by comparing the signals of the two Wi used.

Aus der DE 31 35 793 A1 ist des weiteren eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums zu entnehmen, bei der der Widerstand auf der Anströmseite getrennt von dem Widerstand auf der Abströmseite geregelt wird. Diese sind jedoch stirnseitig angeordnet.DE 31 35 793 A1 also describes a device for measuring the Mass of a flowing medium, in which the resistance on the The upstream side is regulated separately from the resistance on the downstream side. However, these are arranged on the face.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Ansprechgeschwindigkeit erhöht, aber Nachteile, wie sie durch eine Miniaturisierung des Meßelementes auftreten, vermieden werden. The present invention is based on the object of a sensor element specify the type mentioned at the beginning, in which the response speed increases, but disadvantages, such as those caused by miniaturization of the measuring element, be avoided.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished with a sensor arrangement Features solved according to claim 1.

Indem die auf der Ober- und Unterseite des Trägersubstrats befindlichen Wider standsschichten parallel zur Strömungsrichtung angeordnet werden, verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen diesen Widerstandsschichten. Die Sen soranordnung kann deutlich schneller auf Änderungen der Massenstromge schwindigkeit des strömenden Mediums bzw. der Strömungsrichtung reagieren. Des weiteren sind die Filmwiderstandsschichten auf der Ober- und Unterseite in jeweils mindestens zwei Widerstandsbahnen unterteilt, die senkrecht zur Strö mungsrichtung angeordnet sind, so daß jeweils eine der Widerstandsbahnen an der Anströmseite des Trägersubstrats und die anderen Widerstandsbahnen an der Ab strömseite liegen. Durch die elektrische Trennung der anströmseitigen von den abströmseitigen Widerstandsbahnen können diese getrennt voneinander geregelt und ausgewertet werden. Die anströmseitigen und abströmseitigen Widerstands bahnen bilden somit eine Strömungsmeßwiderstandsanordnung nach dem Prinzip der Split-Film-Sonde. Indem zumindest die anströmseitigen und abströmseitigen Widerstandsbahnen in getrennten Regelkreisen auf vorgegebene Solltemperaturen geregelt werden, denen entsprechende Widerstandswerte zuordenbar sind, ist die Erkennung der Strömungsrichtung auch bei den schnellen Pulsationen, wie sie im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine vorkommen, mit einer guten zeitlichen Auflösung möglich.By the on the top and bottom of the carrier substrate standing layers are arranged parallel to the direction of flow, reduced the temperature difference between these resistance layers. The sen Sensor arrangement can be much faster on changes in the mass flow react speed of the flowing medium or the direction of flow. Furthermore, the film resistance layers on the top and bottom are in each divided at least two resistance tracks that are perpendicular to the current direction are arranged so that each one of the resistance tracks on the Upstream side of the carrier substrate and the other resistance tracks on the Ab upstream. Due to the electrical separation of the upstream from the downstream resistance tracks can be controlled separately and be evaluated. The upstream and downstream resistance tracks thus form a flow measuring resistor arrangement based on the principle the split film probe. By at least the upstream and downstream sides Resistance tracks in separate control loops at specified target temperatures are regulated, to which the corresponding resistance values can be assigned, is the Detection of the direction of flow even in the case of rapid pulsations such as those in Intake tract of an internal combustion engine occur with a good temporal Resolution possible.

Durch die Parallelschaltung der anströmseitigen und/oder abströmseitigen Wider standsbahnen gemäß Patentanspruch 2 entsteht ein Gegenkoppelungseffekt, der ungleiche Strömungsbedingungen auf der Ober- und Unterseite des Trägermate rials ausgleicht.By connecting the upstream and / or downstream side in parallel a steady state according to claim 2, a negative feedback effect arises uneven flow conditions on the top and bottom of the carrier mat balances rials.

Gemäß Patentanspruch 3 ist es jedoch auch möglich, die anströmseitigen und/oder abströmseitigen Widerstandsbahnen untereinander in Reihe zu schalten, was den Vorteil hat, daß das Sensorelement nur von einer Seite kontaktiert werden muß. Dadurch würden sich die Herstellungskosten reduzieren.According to claim 3, it is also possible, however, the upstream and / or downstream resistance tracks in series with each other, which the The advantage is that the sensor element only has to be contacted from one side. This would reduce manufacturing costs.

Die getrennte Regelung von Widerstandsbahnen gemäß Patentanspruch 4 ist zwar aufwendiger, kann aber dann von entscheidendem Vorteil sein, wenn sich die Strömungsverteilung zwischen der Ober- und Unterseite während des Betriebes ändert. Die Temperaturen auf der Ober- und Unterseite würden dann trotz dieser ungünstigen Verhältnisse konstant bleiben, wodurch eine hohe Ansprechge schwindigkeit auch unter diesen widrigen Bedingungen gewährleistet wird.The separate regulation of resistance tracks according to claim 4 is true more complex, but can be of decisive advantage if the Flow distribution between the top and bottom during operation changes. The temperatures on the top and bottom would then be despite this unfavorable conditions remain constant, resulting in a high response speed is guaranteed even under these adverse conditions.

Bei allen Sensoranordnungen gemaß den Patentansprüchen 2 bis 4 werden die je weils voneinander getrennten Widerstandsbahnen auf entsprechend definierte Wi derstandswerte getrennt durch eine entsprechende Anzahl von Meßbrücken gere gelt, die jeweils eine Konstantwiderstandsregelung durchführen.In all sensor arrangements according to claims 2 to 4, each because separate resistance paths on correspondingly defined Wi resistance values separated by a corresponding number of measuring bridges applies, each carry out a constant resistance control.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 sind die Wi derstandsbahnen mäanderförmig strukturiert, wodurch der Widerstandswert ferti gungstechnisch sehr leicht an das zur Verfügung stehende Spannungsniveau ange paßt werden kann.In a preferred development of the invention according to claim 5, the Wi derstandsbahnen meandering structured, whereby the resistance value ferti technically very easy on the available voltage level can be fitted.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung lehrt der Patentanspruch 6, wonach mindestens eine, vorzugsweise alle Widerstandsbahnen in sich so strukturiert sind, daß mindestens zwei zueinander parallelgeschaltete Teilwider standsbahnen entstehen. Dadurch wird bewirkt, daß Änderungen der Strömungs geschwindigkeit eine deutlich geringere Änderung der Temperaturumverteilung in Strömungsrichtung bewirkt.The patent claim teaches a particularly preferred development of the invention 6, according to which at least one, preferably all, resistance tracks in itself are structured in such a way that at least two parts connected in parallel with one another railways are created. This causes changes in the flow speed a significantly smaller change in temperature redistribution in Flow direction causes.

Zur Temperaturkompensation der Anordnung wird die auftretende Temperaturdif ferenz zwischen der Solltemperatur der Widerstandsbahn und der Temperatur des zu messenden Mediums näherungsweise konstant zu halten. Dazu kann die Medi umstemperatur gemäß Anspruch 7 mittels eines separaten Filmwiderstandes be stimmt werden.The temperature difference occurring is used to compensate for the temperature of the arrangement reference between the target temperature of the resistance track and the temperature of the medium to be measured is kept approximately constant. The Medi ambient temperature according to claim 7 by means of a separate film resistor be true.

Die Ermittlung des Wertes der Masse des strömenden Mediums kann durch Mit telwertbildung der Signale der vorderen, anströmseitigen und der hinteren, ab strömseitigen Widerstandsbahnen erfolgen. Dies hat den Vorteil, daß sich Meßfeh ler durch Wärmeströme, die innerhalb des Trägerkörpers vom anströmseitigen zum abströmseitigen Teil fließen, kompensieren. Diese Mittelwertbildung kann besonders einfach dadurch erfolgen, daß die Spannung über den jeweiligen Wi derstandsbahnen gemittelt wird. Eine andere Variante der Mittelwertbildung ist, die über den anströmseitigen und abströmseitigen Widerstandsbahnen umgesetz ten Leistungen jeweils zu mitteln. Vorteil dieser Variante ist, daß sich die Meß abweichungen durch Wärmeströme innerhalb des Trägersubstrats ohne Lineari tätsfehler kompensieren lassen. Außerdem können dynamische Korrekturen mit tels Filterfunktionen angewendet werden. Darüber hinaus kann die Mittelwertbil dung auch durch die Bildung des Mittelwertes, der vorab von den Signalen der anströmseitigen und abströmseitigen Widerstandsbahnen abgeleiteten Geschwin digkeiten des strömenden Mediums, erfolgen. Generell kann auch zur Ermittlung der Masse des strömenden Mediums nur das größere der beiden Meßsignale ver wendet werden. Dieses kann dann von Vorteil sein, wenn bei Rückströmung die in der aktuellen Strömungsrichtung jeweils abströmseitigen Widerstandsbahnen eine größere Zeitverzögerung aufweisen als die jeweils anströmseitigen Widerstands bahnen. Entsprechend umgekehrt ist es vorteilhaft, nur das kleinere Meßsignal zu verarbeiten, wenn die abströmseitigen Widerstandsbahnen eine größere Zeitverzö gerung aufweisen als die anströmseitigen Widerstandsbahnen.The value of the mass of the flowing medium can be determined using Mit averaging of the signals of the front, upstream and rear, from flow-side resistance paths take place. This has the advantage that Meßfeh ler by heat flows within the support body from the upstream flow to the downstream part, compensate. This averaging can can be done particularly simply in that the voltage across the respective Wi the averages are averaged. Another variant of averaging is which converts over the upstream and downstream resistance tracks to average services. The advantage of this variant is that the measuring deviations due to heat flows within the carrier substrate without lineari have the mistake compensated. You can also use dynamic corrections by means of filter functions. In addition, the mean bil also by forming the mean value, which is determined in advance by the signals of the upstream and downstream resistance paths derived speed flow medium. Generally can also be used to determine the mass of the flowing medium ver only the larger of the two measurement signals be applied. This can be advantageous if the in the current flow direction each downstream resistance paths have greater time delay than the respective upstream resistance pave the way. Conversely, it is advantageous to switch only the smaller measurement signal process if the downstream resistance tracks have a larger time delay exhibit resistance than the upstream resistance paths.

Üblicherweise kann dem größeren Meßwert die Anströmseite und somit die ak tuelle Strömungsrichtung zugeordnet werden. Der Vergleich der Meßwerte kann in einer Recheneinheit oder aber in einer analogen Schaltung durchgeführt wer den.Usually the upstream side and thus the ak current flow direction can be assigned. The comparison of the measured values can who performed in a computing unit or in an analog circuit the.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Fig. näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and FIGS . Show it:

Fig. 1 Sensoranordnung, Fig. 1 sensor arrangement,

Fig. 2 Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 sensor arrangement according to the prior art,

Fig. 3 Zeitverhalten bei Sprunganregung bei verschiedenen Sensoranord nungen und Fig. 3 timing behavior with jump excitation at different Sensoranord voltage and

Fig. 4 elektrisches Schaltbild einer Sensoranordnung sowie zugeordneter Auswerteschaltung. Fig. 4 electrical circuit diagram of a sensor arrangement and an associated evaluation circuit.

Die Fig. 1 zeigt eine Sensoranordnung, bei der auf einem Trägersubstrat T, wel ches z. B. aus Glas sein kann, auf der Ober- und Unterseite Filmwiderstands schichten (R_o; R_u) angeordnet sind. Diese sind jeweils in mindestens zwei Wi derstandsbahnen unterteilt, die derart senkrecht zur Strömungsrichtung S angeord net sind, daß jeweils eine der Widerstandsbahnen (R_ov; R_uv) an der Anströmseite des Trägersubstrates T und die andere Widerstandsbahn (R_oh; R_uh) an der Ab strömseite liegt. Ändert sich die Luftmassengeschwindigkeit in Strömungsrich tung S, so wird diese Änderung zuerst auf der Anströmseite, also an den anström seitigen Widerstandsbahnen (R_ov; R_uv) wirksam. Selbstverständlich dient die sprachliche Formulierung als An- und Abströmseite in Bezug auf die jeweils ak tuelle Strömungsrichtung und nur dem besseren Verständnis der Anordnung; bei entsprechender Strömungsrichtungsänderung treten dann die Erscheinungen an den entgegengesetzten Widerstandsbahnen auf, die dann bezüglich der aktuellen Strömungsrichtung wieder als an- und abströmseitige zu unterscheiden sind. Fig. 1 shows a sensor arrangement in which on a carrier substrate T, wel ches z. B. can be made of glass, layers on the top and bottom film resistance layers (R _o ; R _u ) are arranged. These are each divided into at least two resistance paths, which are arranged perpendicular to the flow direction S such that one of the resistance paths (R _ov ; R _uv ) on the upstream side of the carrier substrate T and the other resistance path (R _oh ; R _uh ) the downstream side. If the air mass velocity changes in the direction of flow S, this change is first effective on the upstream side, i.e. on the upstream resistance paths (R _ov ; R _uv ). Of course, the linguistic wording serves as the upstream and downstream side in relation to the current flow direction and only for a better understanding of the arrangement; with a corresponding change in flow direction, the phenomena then appear on the opposite resistance paths, which are then again to be distinguished as upstream and downstream on the current flow direction.

Die Filmwiderstandsschicht auf der Unterseite ist in Fig. 1 nicht zu erkennen, je doch identisch mit der Filmwiderstandsschicht auf der Oberseite.The film resistance layer on the underside cannot be seen in FIG. 1, but is identical to the film resistance layer on the top side.

In diesem Ausführungsbeispiel weist jede der Widerstandsbahnen eine besonders bevorzugte mäanderförmige Struktur auf, bei der darüber hinaus zwei zueinander parallelgeschaltete Teilwiderstandsbahnen (z. B. R_ov1 parallel zu R_ov2) ausgebildet sind. Die entsprechende Strukturierung der Filmwiderstandsschichten ist dabei mit bekannten Mitteln der Dick- und Dünnfilmtechnik möglich, indem entsprechende Isolationsgebiete nicht mit Filmwiderstandsmaterial geschichtet werden oder die ses an den Punkten nachträglich entfernt wird. Die Teilwiderstände entstehen durch sich spiegelsymmetrisch aufzweigende parallele Strompfade, die in den An schlußbereichen zu beiden Enden (rechts- und linksseitig bzgl. der Strömungsrich tung) hin wieder zusammengeführt werden. Es ist möglich jedoch nicht zwingend erforderlich, die anströmseitigen und/oder abströmseitigen Widerstandsbahnen (R_vu mit R_vo; R_hu mit R_ho) miteinander zu verbinden. Eine solche Verbindung wurde in Fig. 1 nicht dargestellt. Diese kann bspw. durch seitliche Metallisierung des Trägersubstrats T im Bereich der Anschlußbereiche oder durch metallische Klemmen erfolgen. Dadurch können die an- und abströmseitigen Wider standsbahnen untereinander parallel oder in Reihe geschaltet werden. Das elek trische Schaltbild in Fig. 4 zeigt eine Parallelschaltung sowohl der anströmseiti gen als auch der abströmseitigen Widerstandsbahnen auf der Ober- und Unterseite des Trägersubstrates.In this exemplary embodiment, each of the resistance _tracks has a particularly preferred meandering structure, in which, in addition, two partial resistance _{tracks connected in} parallel with one another (for example R _ov1 parallel to R _ov2 ) are formed. The corresponding structuring of the film resistance layers is possible with known means of thick and thin film technology, in that corresponding insulation areas are not layered with film resistance material or that is subsequently removed at the points. The partial resistances are created by mirror-symmetrically branching parallel current paths, which are brought together in the connection areas at both ends (right and left side with respect to the flow direction). It is possible but not absolutely necessary to connect the upstream and / or downstream resistance tracks (R _vu with R _vo ; R _hu with R _ho ). Such a connection was not shown in FIG. 1. This can be done, for example, by lateral metallization of the carrier substrate T in the region of the connection areas or by metallic clamps. As a result, the upstream and downstream resistance paths can be connected in parallel or in series with one another. The electrical circuit diagram in FIG. 4 shows a parallel connection of both the upstream side and the downstream side resistance tracks on the top and bottom of the carrier substrate.

Fig. 3 zeigt das Zeitverhalten verschiedener Sensoranordnungen auf eine sprunghafte Änderung der Massenstromgeschwindigkeit des strömenden Medi ums. Funktion 1 zeigt den tatsächlichen Zeitverlauf der Massenstromgeschwin digkeit, der mit einem Labor-Anemometer mit einer Grenzfrequenz von ca. 100 kHz, gemessen wurde. Die Anstiegszeit der Sprungfunktion beträgt ca. 10 ms. Aus Kostengründen ist jedoch die Verwendung eines derartigen Labor- Anemometers für einen Serieneinsatz nicht möglich. Die Funktion 2 zeigt den zu messenden Luftmassenstrom bei einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik, wobei bereits eine besonders leistungsfähige Sensoranordnung aus dem Stand der Technik zum Vergleich ausgewählt wurde. Auffällig ist bei der Funkti on 2, daß der gemessene Wert dem durch die Funktion 1 repräsentierten Istwert in einem ersten Zeitbereich zunächst mit einer niedrigeren Zeitkonstanten bis auf ca. 60% des Endwertes folgt, danach aber erst mit einer hohen Zeitkonstanten den Endwert erreicht. Die zweite, hohe Zeitkonstante ist gemäß durchgeführten Mo dellrechnungen durch eine Wärmediffusion zwischen Ober- und Unterseite der Sensoranordnung zu erklären, da zwischen diesen ein Temperaturunterschied auf tritt. In dem jedoch gemäß der Erfindung auf der Ober- und Unterseite des Träger substrates parallel zur Strömungsrichtung die Widerstandsschichten angeordnet sind tritt quasi kein bzw. ein vernachlässigbarer Temperaturunterschied in der Temperaturverteilung auf der Ober- und Unterseite des Trägersubstrates auf (Funktion 3 in Fig. 3). Bezüglich der Strömungsrichtung treten jedoch zwischen den jeweils anströmseitigen Widerstandsbahnen und den abströmseitigen Wider standsbahnen Amplitudenunterschiede derart auf, daß die Amplituden der an strömseitigen Widerstandsbahnen jeweils um einen Betrag ΔA höher als der in Funktion 3 (Fig. 3) gezeigte Mittelwert sind, die Werte der abströmseitigen Wi derstandsbahnen um den Betrag ΔA kleiner. Fig. 3 shows the time behavior of various sensor arrangements on a sudden change in the mass flow rate of the flowing medium. Function 1 shows the actual time course of the mass flow rate, which was measured with a laboratory anemometer with a cut-off frequency of approx. 100 kHz. The rise time of the step function is approx. 10 ms. For cost reasons, however, the use of such a laboratory anemometer for series production is not possible. Function 2 shows the air mass flow to be measured in a sensor arrangement according to the prior art, a particularly powerful sensor arrangement from the prior art having already been selected for comparison. It is striking in function 2 that the measured value follows the actual value represented by function 1 in a first time range with a lower time constant down to approx. 60% of the final value, but only then reaches the final value with a high time constant. The second, high time constant can be explained according to model calculations carried out by a heat diffusion between the top and bottom of the sensor arrangement, since a temperature difference occurs between them. However, according to the invention, in that the resistance layers are arranged on the top and bottom of the carrier substrate parallel to the direction of flow, there is virtually no or a negligible temperature difference in the temperature distribution on the top and bottom of the carrier substrate (function 3 in FIG. 3) . With regard to the direction of flow, however, amplitude differences occur between the upstream resistance tracks and the downstream resistance paths in such a way that the amplitudes of the upstream resistance tracks are each greater by an amount ΔA than the mean value shown in function 3 ( FIG. 3), the values of the downstream side Wi derstandsbahnen smaller by the amount ΔA.

Ein elektrisches Schaltbild einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Sensoranordnung zeigt Fig. 4, wobei die sonstigen elektrischen Bauelemente er gänzt wurden. Wie aus dem Schaltbild gemäß Fig. 4 zu entnehmen, sind die an strömseitigen Widerstandsbahnen R_vo und R_vu sowie die entsprechenden abström seitigen Widerstandsbahnen jeweils parallelgeschaltet. Außerdem sind auf dem Trägersubstrat, welches als Strich-Punkt-Linie angedeutet ist, noch die separaten Filmmeßwiderstände R_2;v und R_2;h für die Bestimmung der Temperatur des strö menden Mediums angeordnet, die jeweils einem Temperaturregelkreis zugeordnet sind. Alle anderen gezeigten elektrischen Bauelemente sind vorzugsweise nicht im Strömungskanal angeordnet.An electrical circuit diagram of a particularly preferred embodiment of a sensor arrangement is shown in FIG. 4, the other electrical components having been added. As can be seen from the circuit diagram according to FIG. 4, the resistance paths R _vo and R _{vu on} the upstream side and the corresponding downstream resistance paths are each connected in parallel. In addition, the separate film measuring resistors R _{2; v} and R _{2; h} for determining the temperature of the flowing medium are arranged on the carrier substrate, which is indicated by a dash-dot line, each of which is assigned to a temperature control circuit. All other electrical components shown are preferably not arranged in the flow channel.

Je einen temperaturkompensierten Konstantwiderstandsregelkreis bilden die Ope rationsverstärker in Verbindung mit den entsprechenden Widerstandselementen jeweils für die anströmseitigen und für die abströmseitigen Widerstandsbahnen, wobei die Beschaltung exakt spiegelsymmetrisch ist und im folgenden für die an strömseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu) beschrieben wird.The operational amplifiers each form a temperature-compensated constant resistance control loop in conjunction with the corresponding resistance elements for the upstream and downstream flow paths, the circuitry being exactly mirror-symmetrical and described below for the flow resistance paths (R _vo , R _vu ).

Der Operationsverstärker C1 wirkt als Meßwertverstärker der am ersten Eingang des C1 anliegenden Spannung U_sv und erzeugt die Ausgangsspannung U_v, die der Recheneinheit 1 zugeführt wird. Außerdem wird U_v über den Widerstand R_v1 auf den zweiten Eingang rückgekoppelt, der wiederum über den Widerstand R_v2 auf Masse geschaltet ist. Der erste Eingang von C1 ist über R_v3 mit dem ersten An schluß der anströmseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu) verbunden, über R_v4 mit dem zweiten Anschluß der anströmseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu). Somit werden zur Optimierung der Temperaturkompensation die Meßspannungen U_SV bzw. U_SH über Spannungsteiler (R_v3, R_v4) abgegriffen. Außerdem ist der erste An schluß der Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu) über R_v5 mit Masse verbunden. Die Temperaturkompensation erfolgt mittels des Operationsverstärkers C3 für die an strömseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu), dessen erster Eingang mit R_v6 auf Masse geschlossen und über R_v7 und den separaten Filmmeßwiderstand R_2;v, der die Temperatur des strömenden Mediums mißt, mit dem zweiten Anschluß der anströmseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu) verbunden ist. Der Ausgang des C3 ist als Regelkreis ebenfalls auf den zweiten Anschluß der anströmseitigen Wider standsbahnen (R_vo, R_vu) geschaltet. Die Beschaltung für die abströmseitigen Wi derstandsbahnen (R_ho, R_hu) spiegelsymmetrisch zu der oben beschriebenen, wobei auch die Bezugszeichen entsprechend symmetrisch gewählt wurden, so daß R_v1 für die anströmseitigen Widerstandsbahnen (R_vo, R_vu) gleichwirkend ist wie R_h1 für die abströmseitigen Widerstandsbahnen (R_ho, R_hu).The operational amplifier C1 acts as a measured value amplifier of the voltage U _{sv present} at the first input of the C1 and generates the output voltage U _v which is fed to the computing unit 1 . In addition, U _{v is} fed back via resistor R _v1 to the second input, which in turn is connected to ground via resistor R _v2 . The first input of C1 is connected via R _v3 to the first connection of the upstream resistance paths (R _vo , R _vu ), via R _v4 to the second connection of the upstream resistance paths (R _vo , R _vu ). In order to optimize the temperature compensation, the measuring voltages U _SV or U _{SH are} tapped via voltage dividers (R _v3 , R _v4 ). In addition, the first connection to the resistance tracks (R _vo , R _vu ) is connected to ground via R _v5 . The temperature compensation takes place by means of the operational amplifier C3 for the resistance paths on the flow side (R _vo , R _vu ), the first input of which is closed to ground with R _v6 and via R _v7 and the separate film measuring resistor R _{2; v} , which measures the temperature of the flowing medium, is connected to the second connection of the upstream resistance tracks (R _vo , R _vu ). The output of the C3 is also connected as a control loop to the second connection of the upstream resistance paths (R _vo , R _vu ). The circuitry for the downstream resistance paths (R _ho , R _hu ) is mirror-symmetrical to that described above, the reference numerals also being chosen accordingly, so that R _v1 for the upstream resistance paths (R _vo , R _vu ) has the same effect as R _h1 for the downstream resistance tracks (R _ho , R _hu ).

Durch die Konstantwiderstandsregelkreise mit C3 und C4 in Verbindung mit den Temperaturmeßwiderständen (R_2;v, R_2;h) wird die Temperaturkompensation der Anordnung gewährleistet. Die von den Operationsverstärkern C1 und C2 aus gangsseitig bereitgestellten Steuergrößen U_V und U_H können in der Recheneinheit weiter ausgewertet werden. So ist es möglich, aus dem Mittelwert der Meßspan nungen U_V und U_H die Masse des strömenden Mediums abzuleiten. Die Mittel wertbildung der Meßspannung könnte aber auch in einer vorgeschalteten analogen Schaltungsanordnung erfolgen, die den Mittelwert dann der Recheneinheit zur Verfügung stellt. Dieses hätte Vorteile in Sensorausführungen, bei denen kein di rekter Anschluß zur Recheneinheit möglich ist. Die Mittelwertbildung könnte auch direkt aus den am Sensor vorliegenden Spannungen U_SV und U_SH durchge führt werden. Soll die Mittelwertbildung der über den Widerstandsbahnen umge setzten Leistungen erfolgen, so ist in der Recheneinheit eine Quadrierung der Meßspannungen U_V und U_H erforderlich. Der arithmetische Mittelwert der Qua drate der Meßspannungen kann dann beispielsweise mittels einer Kennlinie einer Masse des strömenden Mediums zugeordnet werden. Vorteil dieser Methode ist, daß sich die Meßabweichungen durch Wärmestrome innerhalb des Trägerkörpers ohne Linearitätsfehler kompensieren. Auch lassen sich in der Recheneinheit Filterfunktionen und dynamische Korrekturen realisieren. The temperature compensation of the arrangement is ensured by the constant resistance control circuits with C3 and C4 in connection with the temperature measuring resistors (R _{2; v} , R _{2; h} ). The control variables U _V and U _H provided by the operational amplifiers C1 and C2 on the output side can be further evaluated in the computing unit. It is possible to derive the mass of the flowing medium from the mean value of the measuring voltages U _V and U _H. The averaging of the measuring voltage could, however, also take place in an upstream analog circuit arrangement which then makes the mean value available to the computing unit. This would have advantages in sensor designs in which no direct connection to the computing unit is possible. The averaging could also be carried out directly from the voltages U _SV and U _SH present at the sensor. If the averaging of the powers converted across the resistance tracks is to take place, then a squaring of the measuring voltages U _V and U _{H is} required in the computing unit. The arithmetic mean of the square of the measuring voltages can then be assigned to a mass of the flowing medium, for example by means of a characteristic curve. The advantage of this method is that the measurement deviations are compensated by heat flows within the carrier body without linearity errors. Filter functions and dynamic corrections can also be implemented in the computing unit.

Die Vorzeichenerkennung beschränkt sich auf Meßsignale, die kleiner als ein vor gegebener Schwellwert sind. Diese Beschränkung ist wichtig, weil sich die Kenn linie der anströmseitigen und abströmseitigen Widerstandsbahnen bei großen Strömungsgeschwindigkeiten annähern. Die Unterscheidung der Strömungsrich tung kann daher bei diesen großen Strömungsgeschwindigkeiten nicht mehr ein deutig getroffen werden. Da aber im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschi ne die Spitzenwerte der Rückströmungen immer kleiner sind als die Spitzenwerte der Vorwärtsströmungen, kann die Vorzeichenerkennung ohne Funktionsnachteil auf den Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt werden. Dem kleineren Meßspannungswert kann dann eindeutig die Abströmseite zugeordnet und damit die Strömungsrichtung erkannt werden.The sign recognition is limited to measurement signals that are smaller than one given threshold. This limitation is important because the characteristics line of upstream and downstream resistance tracks for large Approach flow velocities. The distinction of the flow direction tion can therefore no longer at these high flow rates be clearly hit. But since in the intake tract of an internal combustion engine ne the peak values of the backflows are always smaller than the peak values of forward currents, the sign recognition can have no functional disadvantage be limited to the range of low flow velocities. The a smaller measurement voltage value can then be clearly assigned to the outflow side and thus the flow direction can be recognized.

Claims

1. Sensor arrangement for measuring the mass of a flowing medium according to the principle of the hot film anemometer, in particular for motor vehicles with an internal combustion engine, in the

a) a carrier substrate (T) is arranged parallel to the flow direction (S), so that an inflow and an outflow side are formed,
b) on the upper side of the carrier substrate (T) an upper film resistance layer (R _o ) and on the underside a lower film resistance layer (R _u ) are angeord net and
c) the film resistance layers (R _u , R _o ) each consist of at least two spatially separate resistance tracks (R _vu , R _vo , R _hu , R _ho ), which are arranged so perpendicular to the direction of flow (S) that one of the Wi derstandsbahnen (R _vu , R _vo ) on the inflow side of the carrier substrate (T) and the other resistance tracks (R _hu , R _ho ) on the outflow side, as characterized in that
d) at least the upstream resistance tracks (R _vu , R _vo ) are electrically separated from the upstream resistance tracks (R _hu , R _ho ), and
e) the upstream resistance tracks (R _vu , R _vo ) and the downstream resistance tracks (R _hu , R _ho ) are connected in at least two separate measuring bridges which belong to separate constant current controls.

2. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the upstream and / or downstream resistance tracks are each connected in parallel (R _vu parallel to R _vo ; R _hu parallel to R _ho ) and the parallel circuits are each separately regulated to a defined resistance value will.

3. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the upstream and / or downstream resistance tracks are each connected in series (R _vu in series to R _vo ; R _hu in series to R _ho ) and the series circuits are each separately connected to one another defined resistance value can be regulated.

4. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that each upstream and / or downstream resistance tracks all individually are switched separately from each other and each separately to a defined one Resistance value can be regulated.

5. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the resistance tracks (R _vu , R _vo , R _hu , R _ho ) is structured in a meandering manner.

6. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the resistance tracks (R _vu , R _vo , R _hu , R _ho ) is structured in such a way that at least two partial resistance tracks (R _uv1 , R _uv2 ) arise.

7. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the medium by means of a separate film resistor (R _{2, v} ; R _{2, h} ) is determined.