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Title:
OPERATING PROCEDURE RELATED TO A RESISTANCE HEATING ELEMENT AND DEVICE FOR APPLYING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/025114
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed are an operating procedure related to a resistance heating element (10) and the device for applying same. In a first step, the resistance R�h? (11) of the heating element concerned (10) is determined at a given base temperature. In the second step, a set resistance value (12) is determined as compared with the resistance R�h? (11) for a given base temperature and temperature coefficients which are also known. The resistance heating element (10) is actuated by setting an approximate resistance value (12) so that said element operates at the set value.

Inventors:
PETER CORNELIUS (DE)
INGRISCH KURT (DE)
WEIGOLD THOMAS (DE)
RIEHL GUENTHER (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/002316
Publication Date:
June 11, 1998
Filing Date:
October 10, 1997
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
PETER CORNELIUS (DE)
INGRISCH KURT (DE)
WEIGOLD THOMAS (DE)
RIEHL GUENTHER (DE)
International Classes:
G01K7/20; G01K15/00; G05D23/24; H05B1/02; (IPC1-7): G01K15/00; G01K7/20; G05D23/24
Foreign References:
EP0743516A11996-11-20
EP0492670A21992-07-01
GB2191292A1987-12-09
US4881057A1989-11-14
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 96, no. 3 29 March 1996 (1996-03-29)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelements (10) mit einem Widerstand Rh (11), wobei das Widerstandsheizelement (10) auf eine vorgegebene Solltemperatur zu heizen ist, mit den Merkmalen : während eines ersten Schritts wird der Widerstand Rh (11) des Widerstandsheizelements (10) bei einer bekannten Basistemperatur bestimmt, während eines zweiten Schritts wird ein Widerstandssoll wert (12) in Abhängigkeit von dem Widerstand Rh (11) bei bekannter Basistemperatur und einem bekannten Temperatur koeffizienten ermittelt, die Ansteuerung des Widerstandsheizelements (10) erfolgt durch näherungsweise Einstellung dieses Widerstandssoll wertes (12), um das Widerstandsheizelement (10) auf die vorgegebene Solltemperatur zu heizen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Basistemperatur Raumtemperatur verwendet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Signalverarbeitung (19), einem variablen Widerstand (13), dem Widerstands heizelement (10) mit dem Widerstand Rh (11), wobei das Widerstandsheizelement (10) auf die vorgegebene Solltemperatur zu heizen ist, und einer Steuerung/Regelung (15), die einen dieser Solltemperatur entsprechenden Widerstandssollwert (12) erhält, dadurch gekennzeichnet, da : 9 die Signalverarbeitung (19) den Widerstand Rh (11) des Widerstandsheizelementes (10) bei der bekannten Basistemperatur mittels variablen Widerstand (13) bestimmt, daß der Widerstandssollwert (12) in Abhängigkeit von dem Widerstand Rh (11) bei der bekannten Basistemperatur und dem bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes Rh (11) ermittelt ist, und daß dieser Widerstandssollwert (12) durch den variablen Widerstand (13) einstellbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das der Widerstandssollwert (12) in einem Speicher (20) hinterlegt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand Rh (11) Teil einer Meßbrücke (22) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Widerstand (13) aus einzelnen parallel geschalteten Einzelwiderständen (23) besteht, die einzeln aktivierbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da : E die Einzelwiderstände (23) einzeln durch die Signalverarbeitung (19) aktivierbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung der Meßbrücke (22) einem Komparator (18) zugeführt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Eingang des Komparators (18) eine vom Widerstand Rh (11) beeinflusste Größe und an dem anderen Eingang des Komparators (18) eine vom variablen Widerstand (13) beeinflusste Grole anliegen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ansteuerung des Widerstandsheizelementes (10) mit der Zeit T1 eine Meßphase folgt, während der die Zeit T1 in Abhängigkeit von dem Widerstand Rh (11) festgelegt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandssollwert (12) am Ende des Produktionsprozesses ermittelt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Kraftfahrzeug zur Beheizung eines Luftgütesensors.
Description:
VerfahrenzumBetreibeneinesWiderstandsheizelementesund Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelementes und einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Es ist Stand der Technik, die für eine Regelung eines Widerstandsheizelementes notwendige Isttemperatur mittels eines separaten Sensors zu erfassen.

Diese Sensorelemente können mit gleichbleibender Qualität hergestellt werden. Wird zur Temperaturerfassung der Widerstand des Widerstandsheizelementes verwendet, so weist dieser im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturfühlern hohe Streuungen auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, rationell und gegebenenfalls automatisierbar die für das Betreiben des Widerstandsheizelementes notwendigen Parameter bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Widerstandsheizelementes zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß während eines ersten Schritts ein Widerstand Rh des Widerstandsheizelementes bei einer bekannten Basistemperatur

bestimmt wird, daß während eines zweiten Schritts ein Widerstandssollwert in Abhängigkeit von dem Widerstand Rh bei der bekannten Basistemperatur und einem bekannten Temperaturkoeffizienten ermittelt wird und daß die Ansteuerung des Widerstandsheizelementes durch näherungsweise Einstellung dieses Widerstandssollwertes erfolgt. Trotz in der Regel stark streuender Werte des Widerstandes Rh wird dieser Widerstand Rh unter bekannten Bedingungen genau erfaßt. Damit lassen sich die Parameter der Regelung der Steuerung des Widerstandsheizelementes speziell auf diesen Widerstand Rh abstimmen. Es läßt sich die gewünschte Solltemperatur erzielen, weil der Widerstandssollwert in Abhängigkeit von diesem stark schwankenden Widerstand Rh bestimmt wird. Dieser Abgleich läßt sich beispielsweise auch per Software ausführen, weshalb sich das erfindungsgemäße Verfahren leicht automatisieren läßt. Dies trägt somit insbesondere bei der Serienproduktion zu Kostenersparnis bei. Die Messung des Widerstandes Rh erhöht die Genauigkeit der Temperaturregelung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß als Basistemperatur die Raumtemperatur verwendet wird. Damit ist ein Parameterabgleich auf die bekannten Bedingungen in der Produktion zgueschnitten. Aufgrund des bekannten Temmperaturkoeffizienten des Widerstandes Rh erübrigt sich eine Aufheizung des Widerstandes Rh.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch. Eine Signalverarbeitung ermittelt unter Zuhilfenahme eines variablen Widerstandes den Widerstand Rh bei bekannter Basistemperatur. Durch denselben variablen Widerstand wird ein Widerstandssollwert eingestellt, der in Abhängigkeit von dem Widerstand Rh und dem bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes Rh

ermittelt ist. Signalverarbeitung und variabler Widerstand tragen somit sowohl zur Parametrierung als auch zum späteren Betrieb des Widerstandsheizelements bei. Der Aufwand für separate Justageeinrichtungen entfällt hiermit.

Gemäß einer zweckmäßigen Verbesserung ist der Widerstandssollwert in einem Speicher hinterlegt. Der Speicherinhalt kann wieder zu Regelungszwecken abgerufen werden.

Eine Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß der Widerstand Rh Teil einer Brückenschaltung ist. Der Widerstand Rh kann beispielsweise durch Brückenabgleich leicht bestimmt werden.

In einer weiteren Maßnahme besteht der variable Widerstand aus einzelnen parallel geschalteten, einzeln aktivierbaren Widerständen. Bei hinreichender Genauigkeit ist somit eine kostengünstige Realisierung erreicht.

Bevorzugte Verwendung finden das Verfahren und die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens bei einem Kraftfahrzeug, das mit einem Luftgütesensor ausgestattet ist. Durch regelmäßiges Beheizen des Luftgütesensors reduziert sich dessen Verschleiß.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen aus abhängigen Ansprüchen ergeben sich aus der Beschreibung.

Zeichnung Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild, Figur 2 ein Flußdiagramm und Figur 3 eine Schaltungsanordnung als Ausführungsbeispiele.

Beschreibung Ein Widerstandssollwert 12, der von einem variablen Widerstand 13 beinflußt wird, gibt ein Sollsignal 14 an eine Steuerung/Regelung 15 ab. Die Steuerung/Regelung 15 gibt Steuersignale an ein Widerstandsheizelement 10 ab, das einen Widerstand Rh 11 besitzt.

Während eines ersten Schritts wird der Widerstand Rh 11 bei Basistemperatur bestimmt. Daran schließt sich in einem zweiten Schritt die Bestimmung des Widerstandssollwertes 12 an. In Schritt 3 wird das Widerstandsheizelement gemäß dem Widerstandssollwert 12 angesteuert. Dieser Schritt wiederholt sich.

Eine Meßbrücke 22 besteht aus den Meßbrückenwiderständen 16 und dem Widerstand Rh 11. Sie wird von einer Betriebsspannung Ug versorgt. Die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 wird einem Komparator 18 zugeführt. Zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators 18 und Ein- /Ausgängen einer Signalverarbeitung 19 liegt der variable Widerstand 13, der aus Einzelwiderständen 23 gebildet wird.

Ein Transistor 17 wird von der Signalverarbeitung 19 angesteuert und versorgt den Widerstand Rh 11 mit der Betriebsspannung UB. Mit der Signalverarbeitung 19 sind ein Speicher 20 und ein Rechner 21 verbunden.

Das Widerstandsheizelement 10 dient beispielsweise dazu, anfällige elektronische Bauteile vor Verschleiß zu bewahren.

Insbesondere einen im Kraftfahrzeug angeordneten Luftgütesensor schützt regelmäßiges Beheizen davor, daß die porösen Strukturen durch Eindringen von Feuchtigkeit in Mitleidenschaft gezogen werden. Das Widerstandsheizelement 10 wird hierbei auf konstante Absoluttemperaturen von ca.

300°C aufgeheizt. Als Widerstand Rh 11 des

Widerstandsheizelements 10 kann beispielsweise ein Platinwiderstand dienen. Der Widerstand Rh 11 kann dabei sehr stark streuen, mit Fertigungstoleranzen bis zu 40%- bezogen auf den angestrebten Wert-muß gerechnet werden.

Der Widerstand Rh 11 liegt in der Größenordnung von 50 Ohm.

Daneben ist auch der Temperaturkoeffizient des Widerstands Rh 11 bekannt. Ist der Widerstand Rh 11 für eine bestimmte Temperatur bekannt, so läßt sich mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten der Widerstand Rh 11 bei Solltemperatur von beispielsweise 300°C bestimmen.

Mit Hilfe der Steuerung/Regelung 15 wird der Widerstand Rh 11 auf die gewünschte Solltemperatur aufgeheizt. Das Sollsignal 14, das der gewünschten Solltemperatur entspricht, läßt sich beispielsweise durch einen Widerstandssollwert 12, der von einem variablen Widerstand 13 gebildet werden kann, vorgeben. Als Sollsignale 14 könnten ebenfalls dem Widerstandssollwert 12 proportionale Spannungen oder Ströme vorgesehen sein. Als variabler Widerstand 13 kommen ein Potentiometer oder ein Widerstandsnetzwerk, bestehend aus mehreren Einzelwiderständen 23, zum Einsatz. Die Einzelwiderstände 23 eines Widerstandsnetzwerks lassen sich einzeln zu-oder abschalten. Damit wird der variable Widerstand über diskrete Stufen eingestellt. Ebenso läßt sich mit Hilfe gesteuerter Strom-oder Spannungsquellen ein analoges oder digitales Sollsignal 14 vorgeben.

Die Einstellung der zum Betreiben des Widerstandsheiz- elements 10 notwendigen Parameter erfolgt in mehreren Schritten. Während eines ersten Schritts wird der Widerstand Rh 11 bei einer bekannten Basistemperatur ermittelt. Als Basistemperatur dienen beispielsweise Raumtemperatur oder die Temperatur, die am Ende des Produktionsprozesses des Widerstandsheizelements 10 herrscht. Die Vorgehensweise zur

Widerstandsermittlung ist bekannt. Ist der Widerstand Rh 11 beispielsweise Teil einer Meßbrücke 22, so kann diese mittels eines variablen Widerstands 13 abgeglichen werden.

Der Widerstand Rh 11 berechnet sich dann in Abhängigkeit von dem variablen Widerstand 13. Bei starken Schwankungen der Basistemperatur ist es sinnvoll, diese gesondert zu erfassen.

Ist der Widerstand Rh 11 bei Basistemperatur bestimmt, schließt sich Schritt 2 an. Mit Hilfe des bekannten Temperaturkoeffizienten des Widerstands Rh 11 wird der Widerstand Rh 11 berechnet, der sich theoretisch bei der gewünschten Solltemperatur einstellt. Hierzu können verschiedene Widerstands-Temperatur-Kennlinien hinterlegt sein, die als Parameter den Widerstand Rh 11 bei Basistemperatur aufweisen. Als Widerstandssollwert 12 ist somit der Wert gewählt, den der Widerstand Rh 11 bei Solltemperatur annimmt. Die Ansteuerung des Widerstandsheizelements 10 durch die Steuerung/Regelung 15 erfolgt so, daß dieser Widerstandssollwert 12 sich näherungsweise einstellt. Die Parametrierung der Steuerung/Regelung 15 des Widerstandsheizelements 10 ist damit abgeschlossen. Die Parameter können beispielsweise in einem Speicher 20 hinterlegt werden. Die Schritte 1 und 2 lassen sich beispielsweise am Bandende des Herstellungsprozesses der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vornehmen. Zu diesem Zeitpunkt ist auch auf Hilfsmittel zur Berechnung des Widerstandssollwertes 12 zurückzugreifen, die zum Betreiben des Widerstandsheizelements 10 nicht nötig sind.

Der dritte Schritt stellt den Regelbetriebsfall des Widerstandsheizelementes 10 dar und wird zyklisch wiederholt. Die Ansteuerung des Widerstandsheizelementes 10 gemäß dem Widerstandssollwert 12 kann beispielsweise mittels

eines Transistors 17 erfolgen. Der temperaturabhängige Widerstand Rh 11 wird hierbei ständig erfaßt und mit seinem Widerstandssollwert 12 verglichen. Der Transistor 17 schaltet ein bzw. aus, wenn der Widerstand Rh 11 bestimmte Schwellen, die der Widerstandssollwert 12 vorgibt, unter- bzw. überschreitet. Dem Transistor 17 kann auch eine Einschaltdauer vorgegeben werden in Abhängigkeit von der vorher liegenden Meßperiode. In Abhängigkeit von dem Widerstand Rh 11 wird in Verbindung mit dem Widerstandssollwert 12 die Ansteuerdauer für die nächste Periode verändert. Dieser dritte Schritt wird im Normalbetrieb ausgeführt, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Beheizung eines Luftgütesensors.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist in Figur 3 gezeigt. Der Widerstand Rh 11 ist zusammen mit den Meßbrückenwiderständen 16 Teil einer Me$brücke 22. Die Meßbrückenwiderstände 16 werden im Vergleich zum Widerstand Rh 11 hochohmig gewählt. Die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 ist einem Komparator 18 zugeführt. Der Komparator 18 vergleicht die am Widerstand Rh 11 abfallende Spannung mit einer Spannung, die in Abhängigkeit von dem variablen Widerstand 13 einstellbar ist.

Während des ersten Schritts wird bei Basistemperatur die Meßbrücke 22 über den variablen Widerstand 13 abgeglichen.

Der variable Widerstand 13 ist im Ausführungsbeispiel durch parallel geschaltete Einzelwiderstände 23 gebildet, deren Werte beispielsweise von 6 k bis hin zu 400 k exponentiell zunehmen. Jeder der Einzelwiderstände 23 kann durch die Signalverarbeitung 19 aktiviert werden, indem beispielsweise der zu aktivierende Einzelwiderstand 23 auf Masse gelegt wird. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators 18 werden die Einzelwiderstände 23 des variablen Widerstands 13

über die Steuerports der Signalverarbeitung 19 in gewünschter Weise parallel geschaltet. Ist die Meßbrücke 22 abgeglichen, so merkt sich die Signalverarbeitung 19 die aktivierten Steuerports, die den bekannten Einzelwiderständen 23 zugeordnet sind. Diese Informationen werden über eine serielle Schnittstelle dem Rechner 21 weitergegeben. Der Rechner 21 entschlüsselt in Abhängigkeit von der Aktivierung der Steuerports den variablen Widerstand 13. Unter Berücksichtigung der ebenfalls bekannten Meßbrückenwiderstände 16 läßt sich der aktuelle Widerstand Rh 11 bei Basistemperatur berechnen.

Daraufhin ermittelt der Rechner 21 den Widerstandssollwert 12, wie bereits oben erläutert. Bei dem für die Solltemperatur berechneten Widerstand Rh 11 soll der variable Widerstand 13 so gewählt werden, daß die Meßbrücke 22 abgeglichen ist. Unter Berücksichtigung der Meßbrückenwiderstände 16 läßt sich der variable Widerstand 13 und die zugehörige Ansteuerung der Steuerports bestimmen.

Diese korrespondierende Aktivierung wird an die Signalverarbeitung 19 weitergegeben, ebenso wie der Widerstandssollwert 12, der wiederum in einem Speicher 20 hinterlegt werden kann. Dieser Speicher 20 ist beispielsweise als elektrisch beschreib-und löschbarer Speicher ausgelegt. Die Parametrierung ist mit der entsprechenden Ansteuerung der Steuerports der Signalverarbeitung 19 abgeschlossen.

Für den Normalbetrieb gemäß Schritt 3 ist der Rechner 21 nun nicht mehr erforderlich. Während einer Heizphase, hervorgerufen durch Durchsteuern des Transistors 17, erfolgt keine Messung der Diagonalspannung. Der Transistor wird für eine festgelegte Zeitspanne angesteuert. Daran schließt sich eine Heizpause an, die dazu verwendet wird, die Diagonalspannung der Meßbrücke 22 zu erfassen. Ist die

Meßbrücke 22 abgeglichen, so stimmt der Soll-mit dem Istwert überein. Den Abgleich stellt der Komparator 18 fest und teilt dies der Signalverarbeitung 19 mit. Bei unabgeglichener Meßbrücke 22 wird die Dauer der Heizphase verändert durch die Signalverarbeitung 19. Die nächste Heizphase verlängert oder verkürzt sich entsprechend. Somit ist eine adaptive Regelung auf eine Solltemperatur erreicht.

Als Signalverarbeitung 19 kommt beispielsweise ein Mikrocontroller zum Einsatz.