專利名稱：熱式空氣流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用具有溫度依賴性加熱電阻元件(溫度敏感電阻元件)檢測空氣流量的熱式空氣流量計。
此外，對于除了空氣流量計以外的傳感器也進行輸出調整，例如在日本專利申請公開出版物特開平No.11-153503所描述了壓力傳感器中，通過計算來校正輸出特性和機器差值的變化，而不是采用激光微調調整。這種常規(guī)的實例具有微型計算機以執(zhí)行用于校正的計算表達式并事先校驗和存儲在計算表達式過程中使用的校正系數(shù)(常數(shù)a至f)。在這種已有技術中，通過六個系數(shù)(例如溫度系數(shù))校正傳感器的變化系數(shù)，這六個系數(shù)都是基本的系數(shù)。
空氣流量計的輸出表示非線性(曲線)特征。作為當前的調整方法的零間距調整方法(電阻激光微調)是一種線性二點調整，因此產生了這樣的誤差由于在除了調整點以外的特征彎曲引起的誤差(相對于目標輸出特性的誤差)。
這種誤差是一種幾乎滿足當前的汽車發(fā)動機的廢氣再循環(huán)的誤差。然而，考慮到在將來對廢氣再循環(huán)要求越來越嚴格，因此希望使輸出特性更接近目標特性，改善熱式空氣流量計的精度，并且也要改善空氣-燃油比的控制。
本發(fā)明的目的是通過不采用激光微調并以小型電阻構成的方法實現(xiàn)熱式空氣流量計的高精度。
(1)本發(fā)明的一方面是一種熱式空氣流量計，具有溫度依賴性的加熱電阻元件設置在氣流通道中，從具有加熱電阻元件的儀表電路的輸出中測量空氣流量，通過高于二次表達式的多項表達式(例如三次表達式到五次表達式中的一個多維多項表達式)應用計算電路校正輸出特性。
此外，對于前述的計算電路，提出了這樣的一種計算電路，該計算電路由通過計算表達式順序地或同時地執(zhí)行零點調整、間距調整和非線性調整或者在執(zhí)行零點調整之后同時執(zhí)行間距調整和非線性調整的電路組成，并具有存儲在上述的每次調整之后所確定的校正系數(shù)的裝置。
(2)在本發(fā)明的另一方面，提出了一種熱式空氣流量計的方法，該熱式空氣流量計具有關于空氣流量(輸出特性)的映射數(shù)據(jù)，劃分映射數(shù)據(jù)的區(qū)段，并準備對于每個空氣流量區(qū)段要改變的輸出特性校正表達式，由此計算了空氣流量。
對附圖的簡要說明

圖1為關于本發(fā)明的熱式空氣流量計的第一實施例的電路方塊圖，圖2為在圖1所示的電路中執(zhí)行輸出調整和輸出校正的計算電路的功能方塊圖，圖3為關于第一實施例的輸出調整的流程圖，圖4為在第一實施例中使用的空氣流量計的分解透視圖，圖5為在輸出調整之前和之后第一實施例的輸出特性的曲線圖，圖6為在通過常規(guī)的激光微調方法輸出之前和之后的輸出特性的曲線圖，圖7為與本發(fā)明的另一實施例相關的執(zhí)行輸出調整和輸出校正的計算電路的功能方塊圖，圖8為本發(fā)明的輸出調整的原理說明圖，
圖9為關于本發(fā)明的另一實施例的輸出調整方法(輸出校正方法)的映射數(shù)據(jù)的附圖，圖10為在圖9中所示的輸出調整的流程圖，圖11為常規(guī)的熱式空氣流量計的輸出特性圖，圖12為說明串聯(lián)輸出調整的特性的附圖，圖13為說明并聯(lián)輸出調整的特性的附圖。
對優(yōu)選實施例的描述參考附圖解釋本發(fā)明的實施例。
在圖1中所示的空氣流量計的儀表電路1具有由加熱電阻元件2、用于進氣溫度校正的溫度測量電阻元件3和電阻元件4至6組成的橋路。此外，電路1具有運算放大器7和用于電流控制的晶體管8。
加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3由具有所謂的隨著溫度改變電阻的溫度依賴性的溫敏電阻元件組成，這些電阻元件具有各種類型的金屬絲、薄膜和半導體。加熱電阻元件2具有低于溫度測量電阻元件3的電阻的電阻以使加熱電流流動。
通過固定的固定的電阻元件5檢測加熱電阻元件2的輸出并輸入到運算放大器7的+(正)端，而通過固定的電阻元件6檢測溫度測量電阻元件3的輸出，并輸入到運算放大器7的-(負)端。運算放大器7的輸出輸入到晶體管8的基極。通過使用這種電路構成，控制在加熱電阻元件2中流動的加熱電流以使在加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3之間的溫差(電阻差)保持恒定。
在發(fā)動機的進氣通道中設置加熱電阻元件2，因此經過進氣通道的空氣吸收熱量，檢測與隨空氣流量變化的加熱電流作為電信號，因此可以測量了空氣流量。
通過電阻元件5將加熱電流的電信號轉換為V2的輸出值。例如，通過由King’表達式得出的表達式(1)表示檢測信號V2。V2=R1Ih=R11Rh(A+BQ)ΔTh...(1)]]>其中，R1表示電阻元件5的電阻。Ih是在加熱電阻元件2中流動的加熱電流，Rh是加熱電阻元件2的電阻，A和B是熱常數(shù)，Q是空氣流量，以及ΔTh是在加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3之間的溫差。
檢測信號V2是空氣流量Q的四次方根并以在附圖11中所示的特性曲線表示。
檢測信號V2的特性隨每個電路變化，因此需要調整它以使其接近目標輸出特性。如上文已經描述，檢測信號(輸出)V2的特性是空氣流量Q的四次方根，因此在要通過計算調整或校正該輸出特性時，優(yōu)選通過四次表達式或接近它的三次表達式或五次表達式的多項表達式調整輸出特性的校正系數(shù)。通過計算多維多項表達式調整本實施例的輸出特性，并在安裝空氣流量計之前執(zhí)行它。輸出調整是要獲得校正輸出的計算表達式的校正系數(shù)。
通過將在下文中描述的校正電路單元10的計算執(zhí)行在本實施例中的檢測信號V2的輸出調整和校正。
此外，在調整時通過連接到外部計算機的校正電路單元10執(zhí)行這種調整(即，設定校正系數(shù))。
校正電路單元10是一種具有計算功能的LSI電路，該電路具有驅動整個電路的振蕩器11、檢測電路芯片的溫度的溫度傳感器12、有選擇性地獲取溫度傳感器12的信號和在上游側上的加熱電阻元件1的電壓V1(在晶體管8的發(fā)射極和加熱電阻元件1之間的電壓)的多路器13、從模擬到數(shù)字轉換多路器13的輸出的A-D轉換器14、從模擬到數(shù)字轉換空氣流量檢測信號(輸出)V2的轉換器、用于調整和校正輸出V2的計算電路(數(shù)字信號處理器，在下文中稱為DSP)16、將通過DSP16計算的數(shù)字輸出值Vout轉換為頻率的自由振蕩計數(shù)器(在下文中稱為FRC)17、從數(shù)字到模擬轉換數(shù)字輸出值的D-A轉換器18、選擇頻率轉換信號或D-A信號的多路器19、與外部計算機相連接以執(zhí)行輸出調整(計算空氣流量的校正系數(shù))的調整數(shù)據(jù)寫通信電路(串行通信接口，在下文中稱為SCI)20以及寫調整數(shù)據(jù)(校正系數(shù))的存儲電路(例如，PROM)21。校正電路單元10的驅動電源是一種恒壓源22。
在本實施例中的DSP16具有如在圖2中所示的輸出調整功能。
在圖2中所示的輸出調整功能基本是一種在零點調整之后同時執(zhí)行間距調整和非線性調整的計算電路，它獲取熱式空氣流量計的模塊溫度(校正電路單元10的溫度)和進氣溫度作為輸出特性的調整要素(模塊溫度的零調整和模塊溫度的間距調整)。獲取這些溫度作為調整要素的原因在于空氣流量計的輸出特性受到這些溫度的不利影響。
在本實施例中的輸出調整意味著獲得在用于校正輸出的計算表達式中使用的校正系數(shù)。
接著，參考圖8描述本發(fā)明所采用的熱式空氣流量計的調整計算表達式(校正計算表達式)的基本原理。
圖8(a)所示為順序地執(zhí)行零點調整、間距調整和非線性調整的串型附圖，圖8(b)所示為同時執(zhí)行這些調整的并型圖，以及圖8(c)是在零點調整之后同時執(zhí)行間距調整和非線性調整的串并型附圖。在圖2中所示的實施例基本采用串并型。
在圖8(a)中所示的串型通過首先執(zhí)行從來自儀表電路的輸出值V2的零點調整獲得Vout1，接著通過執(zhí)行間距調整(輸出的斜度調整)獲得Vout2，然后通過執(zhí)行非線性調整(NL調整)獲得最后的Vout。這可以通過如下的計算式(2)表示。
Vout1＝V2+k1Vout2＝k2*Vout1Vout＝Vout2+k3*Vout2*Vout2+k4*Vout2*Vout2*Vout2......(2)其中，K1表示零點調整的系數(shù)(校正系數(shù))，K2表示間距調整的系數(shù)(校正系數(shù))，K3和K4表示非線性調整的系數(shù)(校正系數(shù))。這種計算采用三維多項表達式。在計算表達式中的符號*表示相乘。
在圖8(b)中所示的并型同時執(zhí)行零點調整、間距調整和非線性調整，因此通過表達式3的三維多項表達式表示在調整之后的輸出值。
Vout＝k1+k2*V2+k3*V2*V2+k4*V2*V2*V2................(3)在圖8(c)中所示的串并型首先通過執(zhí)行輸出值V2的零點調整獲得Vout1，然后從間距調整和非線性調整的計算表達式中獲得Vout。以表達式(4)的三維多項表達式表示在這種情況下調整之后的輸出值Vout。
Vout1＝V2+k1Vout＝k2*Vout1+k3*Vout1*Vout1+k4*Vout1*Vout1*Vout1....(4)在參考附圖3解釋輸出特性的調整方法之后描述這些調整方法的特性。
在調整輸出V2的特性時，計算表達式的系數(shù)(例如，在表達式(2)至(4)中的系數(shù)K1至K4)仍然沒有確定，并且目前存在這些系數(shù)的初始值(初始系數(shù))。
因此，基于計算表達式應用初始系數(shù)熱式空氣流量計的輸出V2變成輸出Vout(在圖1中，DSP16執(zhí)行計算)，并且將輸出Vout輸入到外部計算機(在附圖中沒有示出)以通過FRC17或DA18和多路器19進行輸出調整(用于校正系數(shù)的計算)。
僅僅在輸出調整時外部計算機連接到熱式空氣流量計的電路。在調整時，在四個點上使空氣以已知的空氣流量流過，并采樣在四個點上的輸出V2(采樣在四個點上的數(shù)據(jù)的原因在于校正計算表達式是三維多項表達式)，外部計算機基于采樣數(shù)據(jù)(下文中可以稱為最初特性輸出)獲得最接近目標輸出特性的校正系數(shù)(在圖8中所示的實例中，校正系數(shù)K1至K4)。
在本實施例中，如圖3所示，首先在步驟(1)中設定正常溫度，DSP16計算在四個點(Q1，Vout1)，(Q2，Vout2)，(Q3，Vout3)和(Q4，Vout4)上的空氣流量計的輸出V2的初始特征輸出Vout，然后考慮在電路溫度和進氣溫度變化時的輸出特性的變化，DSP16計算輸出V2′的最初特性輸出Vout′，在步驟(2)中與前述相同的方式在四個點上設定較高的溫度時，按照要求執(zhí)行步驟(3)，DSP16計算輸出V2″的最初特性輸出Vout″，在四個點上設定較低的溫度時，外部計算機基于所計算的值(采樣數(shù)據(jù))計算最接近目標特性的最適合的校正系數(shù)。通過SCI20將所計算的最適合的校正系數(shù)數(shù)據(jù)存儲在外部計算機的EPROM21中。此后，分開外部計算機，并且在空氣流量計的安裝過程中，基于存儲在EPROM21中的校正數(shù)據(jù)，通過在圖8和2中所示的調整功能的計算表達式校正輸出V2。
在多個溫度條件下基于最初特性輸出Vout、Vout′和Vout″(采樣數(shù)據(jù))類似地調整輸出，在圖8(a)中所示的串型首先執(zhí)行零點調整，因此，如在圖12中所示，一個優(yōu)點是將相應的最初特性輸出Vout、Vout′和Vout″很難鉗位在該電路的最大輸出極限上。然而，串型計算的優(yōu)點在于獲得校正系數(shù)的計算很難收斂。
在另一方面，在圖8(b)中所示的并型并不首先執(zhí)行零點調整，因此相應的最初特性輸出Vout、Vout′和Vout″如圖13所示地發(fā)散，因此，一個優(yōu)點是他們容易鉗位在該電路的最大輸出極限上。然而，并型計算的優(yōu)點在于獲得校正系數(shù)的計算容易收斂。
在圖8(c)中所示的串并型具有的優(yōu)點在于它應用串型和并型的優(yōu)點，因此很難鉗位在最大極限上，但容易收斂。
在本實施例中，應用串并型作為基礎并進一步實現(xiàn)熱式空氣流量計的較高精度的調整和輸出特性的校正，如圖2所示，增加電路溫度(模塊溫度)和進氣溫度作為調整要素。如上文已經描述通過溫度傳感器12檢測電路溫度Tm并通過多路器13和A-D14輸入到DSP16中。應用加熱電阻元件2的兩端的輸出值V1和V2作為變量應用計算表達式(例如，表達式(5))通過DSP16計算進氣溫度Ta。
Ta＝{(V1-V2)/V2*R1/Rh0-1}/α-ΔTh..............(5)其中α表示加熱電阻元件的溫度系數(shù)，并Th表示在加熱電阻元件和溫度測量電阻元件之間的溫度差值，Rh0表示在0℃時加熱電阻元件的電阻。
在圖2中，首先執(zhí)行輸出V2的零點調整和模塊溫度的零點調整(假設這種調整輸出為Vout1)，此后執(zhí)行模塊溫度的間距調整(假設這種調整輸出為Vout2)，然后同時執(zhí)行輸出間距調整、進氣溫度調整和非線性調整。通過下式(6)表示執(zhí)行這種調整功能的計算表達式。
Vout1＝V2+(k1+k2*Tm+k3*Tm*Tm)Vout2＝(1+k4*Tm+k5*Tm*Tm)*Vout1
Vout＝k6*Ta+(k7*Ta+k8)*Vout2+(k9)*Vout2*Vout2+(k10)*Vout2*Vout2*Vout2..................(6)其中，k1表示零點調整的校正系數(shù)，K2和K3表示用于零點調整的模塊溫度的校正系數(shù)，K4和K5表示用于間距調整的模塊溫度的校正系數(shù)，K6和K7表示用于間距調整和非線性調整的進氣溫度的校正系數(shù)，K8和K10表示用于非線性調整的校正系數(shù)。
在輸出調整之后，K1至K10的校正系數(shù)都存儲在PROM21中。在進行輸出調整之后將空氣流量計安裝在汽車中。在校正空氣流量計的輸出V2時，將存儲在PROM21中的校正系數(shù)K1至K10應用到在圖2中所示的調整函數(shù)(表達式(6)的計算表達式)并執(zhí)行校正。
將在這種校正之后的輸出通過D-A電路18、多路器19和在附圖中沒有示出的A-D電路輸入到發(fā)動機控制單元中，并用作燃油噴射率的計算表達式的參數(shù)。
在本實施例的空氣流量計中，如在圖4中所示，傳感器殼體30和連接器外殼31都整體地形成，具有在圖1中所示的電路元件(不包括加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3)的電路基片32安裝在傳感器殼體30內，并且傳感器殼體30以封蓋31覆蓋。加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3由從傳感器殼體30的底部突出的支架插銷支撐并存放在構成進氣通道的子通道的部件34中。標號35表示傳感器殼體30的基底。具有這種構造的空氣流量計本體通過與傳感器殼體30形成在一起的法蘭36安裝在發(fā)動機的進氣通道中，并對其進行設置以使傳感器殼體30、子通道34、加熱電阻元件2和溫度測量電阻元件3都設置進氣通道中。傳感器殼體30可以設置在進氣通道的外壁上，作為通過計算表達式獲得進氣溫度Ta的替代，還可以應用傳感器實際地檢測進氣溫度Ta。在這種情況下，例如，將進氣溫度傳感器設置在加熱電阻元件2的上游側上。
根據(jù)本實施例，作為激光微調方法的替代，基于多維多項表達式的計算表達式執(zhí)行輸出調整(校正系數(shù)的計算)和在調整之后的輸出校正，因此如圖5所示，可以使輸出特性非常接近目標特性，可以實現(xiàn)比常規(guī)的輸出特性(圖6)更加精確的調整，因此可以改善空氣流量計的測量精度。
此外，與模擬調整電路相比可以減少調整元件，并且可以簡化電路構成。
此外，在前述的實施例中，如圖2所示，給輸出V2的調整函數(shù)中增加模塊溫度Tm和進氣溫度Ta。然而，在具有電路調整溫度傳感器12的校正電路單元10設置在進氣通道中時，實際上模塊溫度Tm幾乎等于進氣溫度，因此即使從輸出調整元件中檢測進氣溫度Ta，仍然可以實現(xiàn)較高精度的空氣流量計。在這種情況下，可以如附圖7所示地表示DSP16的輸出調整功能。
通過表達式(7)表示在這種情況下的計算表達式。
Vout1＝V2+(k1+k2*Tm+k3*Tm*Tm)Vout2＝(1+k4*Tm+k5*Tm*Tm)*Vout1Vout＝k6*Vout2+k7*Vout2*Vout2+k8*Vout2*Vout2*Vout2...(7)其中，K1表示零點調整的校正系數(shù)，K2和K3表示用于零點調整的模塊溫度的校正系數(shù)，K4和K5表示用于間距調整的模塊溫度的校正系數(shù)，K6至K8表示用于非線性調整的校正系數(shù)。
此外，在前述的實施例中，通過多維多項表達式調整并校正空氣流量計的輸出特性。然而，如在圖9中所示，作為它的替代，即使準備了關于空氣流量的映射數(shù)據(jù)(輸出特性)，劃分映射數(shù)據(jù)的區(qū)段，并準備對每個空氣流量區(qū)段要改變輸出特性的校正表達式，計算空氣流量，因此可以實現(xiàn)比常規(guī)的流量計更精確的空氣流量計。
圖9所示為這種方法的原理圖(區(qū)段劃分方法)，在附圖中的實線表示目標輸出特性，虛線表示初始輸出特性。將空氣流量區(qū)段劃分為在X1和X2之間的區(qū)間、在X2和X3之間的區(qū)間、在X3和X4之間的區(qū)間和X4和X5之間的區(qū)間(區(qū)段數(shù)量并不限制到這些)，例如，通過Vout＝aV2+b的線性表達式表示在這種情況下的輸出調整和校正計算表達式，a和b都是校正系數(shù)。a等于間距校正系數(shù)，b等于零點校正系數(shù)。
通過前述的計算表達式，根據(jù)在每個劃分區(qū)段中的輸出特性的趨勢計算最適合的校正系數(shù)a和b，例如，在X1和X2之間的區(qū)段中，通過Vout1＝a1V2+b1表示計算表達式，在X2和X3之間的區(qū)段中，通過Vout2＝a2V2+b2表示計算表達式，在X3和X4之間的區(qū)段中，通過Vout3＝a3V2+b3表示計算表達式，在X4和X5之間的區(qū)段中，通過Vout4＝a4V2+b4表示計算表達式，并且將這些校正系數(shù)存儲在如圖1中所示的相同電路的PROM21中，在這種情況下，DSP16改變每個空氣流量區(qū)段的輸出特性校正表達式(校正系數(shù)a和b)并計算空氣流量。
此外，關于輸出調整(校正系數(shù)a和b)，在與在圖3中所示的流程圖相同的方式中，首先，將在調整之前通過初始系數(shù)a和b所計算的初始輸出數(shù)據(jù)作為在每個劃分區(qū)段中的兩個點之間的采樣數(shù)據(jù)輸入到外部計算機中，計算在每個劃分的區(qū)段中最適合的校正系數(shù)(a1，b1)、(a2，b2)、(a3，b3)和(a4，b4)，將這些校正系數(shù)作為與區(qū)段決定數(shù)據(jù)(Q1，Y1)、(Q2，Y2)、(Q3，Y3)和(Q4，Y4)…相關的映射數(shù)據(jù)存儲在PROM21中。
此外，關于映射數(shù)據(jù)的區(qū)段劃分，在低流量區(qū)段中的空氣流量的輸出特性的變化率高于在高流量區(qū)段中的變化率，因此，將低流量區(qū)段劃分得比高流量區(qū)段更細以使輸出特性的調整和校正更加細微。
在本實施例中的編排好的電路構造基本與在圖1中所示的電路相同，但DSP16的計算方法不同。在圖10中示出了在這種情況下通過DSP16所執(zhí)行的校正操作。
關于在調整之后用于空氣流量計的校正表達式中的校正系數(shù)，根據(jù)輸出V2是否處于在Y1和Y2之間、在Y2和Y3之間、在Y3和Y4之間或者超過Y4的決定區(qū)段中，計算對應的校正系數(shù)(a1，b1)、(a2，b2)、(a3，b3)或(a4，b4)。
工業(yè)實用性如上文所描述，根據(jù)本發(fā)明，通過替代激光微調的方法和小型電路構造，可以實現(xiàn)熱式空氣流量計的高精度。
權利要求
1.一種熱式空氣流量計，具有溫度依賴性的加熱電阻元件設置在氣流通道中，從具有所述加熱電阻元件的儀表電路的輸出中測量空氣流量，其中，所述流量計具有通過高于二次表達式的多項表達式校正輸出特性的計算電路。
2.如權利要求1所述的熱式空氣流量計，其中用于校正的所述多項表達式是三次表達式至五次表達式中的一種表達式的多維表達式。
3.如權利要求1或2所述的熱式空氣流量計，其中，所述計算電路由通過計算表達式順序地或同時地執(zhí)行零點調整、間距調整和非線性調整或者在執(zhí)行零點調整之后同時執(zhí)行間距調整和非線性調整的電路組成；所述計算電路具有存儲在所述每次調整之后所確定的校正系數(shù)的裝置。
4.如權利要求3所述的熱式空氣流量計，其中，所述計算電路獲取所述熱式空氣流量計的模塊溫度和進氣溫度中的至少一個溫度作為所述輸出特性的調整要素。
5.如權利要求4所述的熱式空氣流量計，其中，檢測芯片溫度的溫度傳感器內置在所述計算電路的IC芯片中，應用所述的芯片溫度執(zhí)行所述電路的溫度校正和空氣溫度校正。
6.如權利要求4所述的熱式空氣流量計，其中，應用在所述加熱電阻元件的兩端上具有輸出值作為變量的計算表達式通過所述計算電路計算所述進氣溫度。
7.一種熱式空氣流量計，具有溫度依賴性的加熱電阻元件設置在氣流通道中，從具有所述加熱電阻元件的儀表電路的輸出中測量空氣流量，其中，所述熱式空氣流量計具有關于空氣流量即輸出特性的映射數(shù)據(jù)，劃分映射數(shù)據(jù)的區(qū)段，以及所述流量計具有對于每個空氣流量區(qū)段改變輸出特性校正表達式的計算電路，由此計算所述空氣流量。
8.如權利要求7所述的熱式空氣流量計，其中，在所述映射數(shù)據(jù)區(qū)段劃分中，比高流量區(qū)段更加細微地劃分所述流量的低流量區(qū)段。
全文摘要
熱式空氣流量計在空氣通道中設置具有溫度依賴性的加熱電阻元件并從具有加熱電阻元件的儀表電路的輸出V2中測量空氣流量。此外，熱式空氣流量計具有通過高于二次表達式的多項表達式校正輸出特性的計算電路。通過應用這種計算電路，通過不采用激光微調并且具有小型的電路構成的方法實現(xiàn)熱式空氣流量計的高精度。
文檔編號G01F1/696GK1451093SQ00819323
公開日2003年10月22日 申請日期2000年9月4日 優(yōu)先權日2000年9月4日
發(fā)明者半澤惠二, 五十嵐信彌, 松本昌大 申請人:株式會社日立制作所, 株式會社日立汽車工程