DE4442427A1

DE4442427A1 - Lufttemperatursensor

Info

Publication number: DE4442427A1
Application number: DE4442427A
Authority: DE
Inventors: Gregory H Gipp; Ronald R Gustin
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 1995-06-01
Also published as: US5449234A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Temperatursensor, der in der Lage ist, eine elektrische Anzeige einer abgefühlten Temperatur vorzusehen und ins besondere auf einen Lufttemperatursensor mit einem Abfüh lelement und einer Konditionierschaltung, die in einem nicht-metallischen Gehäuse eingepackt sind.

Ausgangspunkt

Temperatursensoren besitzen zahlreiche Anwendungen, wie zum Beispiel die Feststellung der Temperatur von Gasen, zum Beispiel in Automotoranwendungen. Traditionell besit zen die meisten Sensoren die Form von Abfühlelementen, wie zum Beispiel Thermostaten mit geschalteten Ausgangs signalen. Mit dem Auftreten von komplexen elektronischen Motorsteuerungen ist es jedoch wünschenswert, eine abso lute Anzeige der abgefühlten Temperatur anstatt eines nur geschalteten Ausgangssignals vorzusehen.

Somit besitzen moderne Sensore typischerweise passive Vorrichtungen, wie zum Beispiel Thermistoren, Vorrichtun gen mit negativem thermischem Koeffizient (NTC = negative thermal coefficient devices) oder Vorrichtungen mit einem positiven thermischen Koeffizient (PTC = positive thermal coefficient devices). Das Ausgangssignal dieser passiven Vorrichtungen ist typischerweise in Form eines Wider stands, der sich mit der Temperatur verändert. Extremzu stände, wie zum Beispiel Wasser, thermische Zyklen und Vibration können zu einer Verschlechterung des Kabelbaums oder der Verdrahtung führen, der bzw. die verwendet wird, um den Sensor mit der Motorsteuerung zu verbinden. Zum Beispiel kann Feuchtigkeit eine Leitfähigkeit zwischen in dividuellen Kabeln oder Drähten in dem Kabelbaum induzie ren, und über die Zeit hinweg kann sich der Widerstand der individuellen Drähte oder Kabel verändern. Eine solche Verschlechterung des Kabelbaums kann Ungenauigkei ten in dem Signal induzieren, das durch die Motorsteue rung empfangen wird.

Sensoren des Standes der Technik leiden an weiteren Nachteilen, da sie typischerweise mit Metallgehäusen auf gebaut sind. Bekannte Vorrichtungen beinhalten das Einpassen der Abfühlelemente in ein Gehäuse, das aus Mes sing oder anderen ähnlichen Metallen aufgebaut ist. Das Gehäuse umfaßt typischerweise ein Außengewinde und einen hexagonalen Teil, der es der Vorrichtung ermöglicht, zum Beispiel in eine umgekehrte Gewindeapertur bzw. -öffnung in einem Motorblock geschraubt zu werden. Ein erheblicher Nachteil von Metallgehäusen und insbesondere denen, die mit einem hexagonalen Mutterteil ausgebildet sind, ist, daß das Metall als ein Kühlkörper dient, und Wärme von dem Abfühlelement wegzieht, wodurch ungenaue Temperatur ablesungen bewirkt werden. Ein weiterer erheblicher Nachteil ist, daß, wenn Wärme an das Hinterende des Sen sors angelegt wird, Energie zu dem Temperaturabfühl element geleitet wird, was noch größere Ungenauigkeiten erzeugt.

Typischerweise ist das Temperaturabfühlelement mit einer Lage oder Schicht aus Epoxyharz überzogen oder beschich tet, und dann dem Gasmedium ausgesetzt. Das Epoxyharz dient dazu, das Element gegenüber Beschädigung beispiels weise durch Feuchtigkeit zu schützen, während es das An sprechverhalten des Elements nicht beeinflußt. Jedoch ha ben Tests gezeigt, daß Feuchtigkeit der Oberfläche der Kabel oder Drähte, die mit dem Element verbunden sind, "folgt". Eine Beschädigung infolge der Feuchtigkeit folgt daher unvermeidbar.

Temperatursensoren, die aufgebaut sind, um die Temperatur von Gasen abzufühlen, sind insbesondere anfällig oder in tolerant gegenüber externer Wärme. Wärme in anderen Anwendungen, wo der Sensor mit einer Flüssigkeit umgeben ist, wird auf die umgebende Flüssigkeit übertragen. Somit muß ein Sensor, der geeignet ist zur Verwendung in einer gasförmigen Umgebung in der Lage sein, die zusätzliche Energie, die nicht von dem Sensor weg oder zu dem Sensor hin übertragen wird, zu handhaben, ohne einen Verlust der Genauigkeit. Mit anderen Worten, ein Gastemperatursensor muß stärker ansprechen und weniger Energieaufwand benötigen, um das Element zu heizen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur der Umgebungsluft vorgesehen. Die Vorrichtung umfaßt eine Temperaturabfühl vorrichtung, dessen Widerstand sich mit der Temperatur verändert und eine Konditionierschaltung zum Messen des Widerstands und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das gegenüber externer Widerstandsbelastung unempfindlich ist und das eine Größe besitzt, die auf den abgefühlten Widerstand anspricht. Die Vorrichtung umfaßt ein nicht metallisches Gehäuse, das die temperaturansprechende Vor richtung und die Konditionierschaltung einkapselt. Das Gehäuse bildet einen Käfigteil, der die Temperaturabfühl vorrichtung umgibt und in der Lage ist, die Tempe raturabfühlvorrichtung zu schützen und eine Luftströmung daran vorzusehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer weggeschnitte nen Ansicht eines Lufttemperatursensors mit einem Abfühlelement und einer Konditionierschaltung, die in einem Gehäuse eingepackt sind,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Gehäuses in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Querschnittsan sicht des Gehäuses in Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Ansicht des Abfühlelements in Fig. 1, das einen rohrförmigen Teil, ein thermo plastisches Durchführelement bzw. eine thermopla stische Durchführdichtung und ein Kompressions durchführelement bzw. eine Kompressionsdurchführ dichtung aufweist;

Fig. 5 eine schematische Ansicht des rohrförmigen Teils des Abfühlelements in Fig. 4 mit einem Thermistor;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht des Durchführelements bzw. der Durchführdichtung in Fig. 4;

Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm eines Lufttemperatursensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung; und

Fig. 8 ein Funktionsblockdiagramm eines Lufttemperatur sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Gemäß der Zeichnung wird nachfolgend die vorliegende Er findung oder der Lufttemperatursensor 100 beschrieben.

Der Temperatursensor 100 umfaßt eine Temperaturabfühlvor richtung 102 mit einem Parameter, der sich mit der Temperatur verändert. Vorzugsweise umfaßt die Tempera turabfühlvorrichtung 102 einen Thermistor (siehe unten), der einen elektrischen Widerstand besitzt, der sich mit der Temperatur verändert. Der Temperatursensor 100 weist auch eine Konditionierschaltung 104 auf, die elektrisch mit einer Temperaturabfühlvorrichtung 102 verbunden ist. Die Konditionierschaltung 104 ist in der Lage, einen Wi derstand an der Vorrichtung 102 zu messen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das auf externe Wider standsbelastung unempfindlich ist, und daß eine Größe an sprechend auf den abgefühlten Widerstand besitzt. Die Konditionierschaltung wird im größeren Detail in Verbin dung mit den Fig. 7 und 8 beschrieben.

Die Konditionierschaltung 104 und die Temperaturabfühl vorrichtung 102 sind auf einer Schaltungsplatte 106 ange bracht. Vorzugsweise ist die Konditionierschaltung 104 durch oberflächenangebrachte Bauteile (SMD) implementiert und so aufgebaut, daß sie bekannte Verfahren verwendet, und zwar in einer Art und Weise, die die Plattengröße mi nimiert und das Abstoßen von bzw. den Schutz gegen elektromagnetischer Interferenz (EMI) maximiert. Das Schaltungsplattenlayout koppelt mit der Verwendung von Ferritinduktoren ermöglicht es dem Sensor korrekt zu ar beiten, und zwar bei Feldstärken von bis zum 100 V/m von 15 KHz bis 1 GHz.

Der Temperatursensor 10 weist ferner ein nicht-metalli sches, flüssigkeitswiderstehendes Gehäuse 114 auf. Die Konditionierschaltung 104 und die Temperaturabfühlvor richtung 102 sind in dem nicht-metallischen Gehäuse 114 eingeschlossen. Das Gehäuse 114 umfaßt einen Hauptkörper teil 116 und einen integral verbindbaren Kappenteil 118. Das gesamte Gehäuse 114 ist durch Spritzguß geformt.

Das Gehäuse 114 ist vorzugsweise aus einem Nylonmaterial, das Glasfasern enthält, aufgebaut. Andere Fasermateriali en, wie zum Beispiel Graphitfasern, können für die Glasfasern substituiert werden, was sich für den Fachmann deutlich ergibt. Der Prozentsatz der Fasern wird ausge wählt, basierend auf dem Gehäuseaufbau und den ge wünschten Gehäusecharakteristika und in der vorliegenden Anwendung enthält das Gehäuse zwischen 28 und 33% Faser material. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 114 aus 70% Nylon und 30% Glasfasern aufgebaut.

Nun wird das Gehäuse 114 unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Das Gehäuse umfaßt einen Käfigteil 202. Der Käfigteil 202 umfaßt eine Anzahl von Luftöff nungen oder Anschlüssen, die eine adequate Luftströmung zu der Temperaturabfühlvorrichtung 102 ermöglichen, um sicherzustellen, daß das Ansprechverhalten an die tat sächliche Lufttemperatur angepaßt ist. Der Käfigteil 204 sieht auch einen Schutz der Temperaturabfühlvorrichtung während der Versendung, der Installierung und der Wartung vor. Zusätzlich verhindert der Käfigteil 202, daß sich die Temperaturabfühlvorrichtung 102 lockert oder von dem Sensor 100 löst bzw. trennt, in dem Fall, daß ein Teil davon abbricht.

Gemäß Fig. 3 bildet das Gehäuse 114 einen Raum oder Hohlraum in dem vorderen Teil des Sensors 304 und einen Raum oder Hohlraum in dem inneren Teil des Sensors 302. Der Hohlraum in dem inneren Teil des Sensors 302 ist so aufgebaut, daß er die Schaltungsplatte 106 aufnimmt. Wäh rend des Zusammenbaus wird die Schaltungsplatte 106 in den Innenteil 302 eingeführt. Um einen rascheren Zusam menbau zu erleichtern, besitzt der Innenteil 302 erste und zweite nicht gezeigte Nuten, die in der Lage sind, die gedruckte Schaltungsplatte 106 aufzunehmen. Darüber hinaus sind die Kanten der Schaltungsplatte 106 abge schrägt oder gefast, was bei der Führung der Schal tungsplatte 106 in die Nuten während des Zusammenbaus hilft.

Während des Zusammenbaus wird eine vorbestimmte Menge an Guß- bzw. Vergußmaterial in den Innenteil 302 injiziert. Ein "weiches" Vergußmaterial, wie zum Beispiel 1265 Eccogel, wie es von Emerson Cummings hergestellt wird, kann verwendet werden. Vorzugsweise ist das Innere des Sensors mit einem "weichen" Epoxyharz eingekapselt, um einen Schutz gegen Vibrationen vorzusehen. Silikongel oder Epoxygel sind auch geeignete Vergußmaterialien. Es ist wichtig, daß ein "weiches", Vergußmaterial verwendet wird, da ein "hartes" Vergußmaterial die auf der Oberflä che angebrachte Elektronik während des Durchlaufens thermischer Zyklen zerbrechen oder beschädigen kann. Zu sätzlich könnte ein "hartes" Vergußmaterial Belastungen an dem Gehäuse während des Durchlaufens thermischer Zyklen bewirken. Das Vergußmaterial dient dazu, die Bewegung der Elektronik während Vibrationen einzuschrän ken und reduziert infolgedessen mit Vibrationen in Beziehung stehende Probleme.

Gemäß Fig. 1 sieht ein thermoplastisches Durchführelement bzw. eine thermoplastische Durchführdichtung 108 eine Ab dichtung zwischen dem Vorderteil des Sensors 304 (vorde rer Hohlraum), der der Luft ausgesetzt ist, und dem Innenteil des Sensors 302 (innerer Hohlraum) vor, der die elektrische Schaltung enthält. Ein geeignetes thermopla stisches Material ist von Advanced Elastomer Systems aus Akron OH unter dem Warennamen Santoprene erhältlich. Das Durchführelement 108 macht den Sensor auch sehr robust bzw. widerstandsfähig in einer Umgebung mit starken Vibrationen infolge der Vibrationsdämpfungscharakteri stika von Santoprene.

Das thermoplastische Durchführelement 108 isoliert auch thermisch das Temperaturabfühlelement gegenüber dem Rest des Sensors, wodurch thermische Leitung von der Spitze (Kühlkörper) minimiert wird, was die Ansprechzeit maxi miert. Zusätzlich minimiert das thermoplastische Durch führelement 108 die thermische Leitung von dem hinteren Ende des Gehäuses zu der Spitze (Kühlkörper), wodurch die Temperaturablesung zu einer genaueren Darstellung der Gastemperatur anstelle der Temperatur der externen Umgebung gemacht wird.

Das hintere Ende des Sensors ist gegenüber Feuchtigkeit durch ein Kompressionsdurchführelement bzw. eine Kom presssionsdurchführdichtung 110 und ein Halteelement 112 abgedichtet. Das Kompressionsdurchführelement 110 ist aus Gummi oder ähnlichem Material, wie zum Beispiel Santo prene aufgebaut und ist in den Hohlraum hinter der Schaltungsplatte 106 eingeführt. Das Kompressionsdurch führelement 110 ist so aufgebaut, daß es zu der Kon figuration des Hohlraums konform ist und bildet drei ra diale Abdichtungen gegen das Eintreten von Feuchtigkeit. Das Durchführelement 110 wird durch das Haltelement 112 unter Kompression gehalten, das an dem Gehäuse 114 befestigt wird, nachdem das Vergußmaterial injiziert ist (siehe unten). Es ist vorhersehbar, daß das Gehäuse 114 und das Halteelement 112 unter Verwendung eines Verbin dungsmaterials, wie zum Beispiel einem Epoxyharz oder ei nem Kleber befestigt werden kann; die zwei Teile sind je doch vorzugsweise unter Verwendung von Ultraschall schweißen miteinander verbunden. Dieses Verfahren stellt eine vollständige und permanente Verbindung zwischen den zwei Teilen sicher und ist in einer Herstellungsumgebung leicht anzuwenden. Das Schweißen des Halteelements er zeugt eine Kompressionsdichtung an der Außenumfangsober fläche des Kompressionsdurchführelements 110 und eine Kompressionsabdichtung an dem Außendurchmesser, der elektrischen Verbinder 120, 122, 124. Der Pfosten bzw. der Ständer des Halteelements 112 wird in die Apertur oder Öffnung des Durchführelements eingeführt, um den Durchlaß abzudichten, durch den das Vergußmaterial injiziert wird.

Um das Vergußmaterial zu injizieren, werden das thermo plastische Durchführelement 108 und das Kompressions durchführelement 110 an der Schaltungsplatte 106 pla ziert. Die Schaltungsplatte 106 und das thermoplastische Durchführelement 108 werden dann in das Innere des Hohl raums 302 plaziert. Das Kompressionsdurchführelement 110 wird auch an seinen Platz getan. Eine nicht gezeigte Zu meßöffnung in dem Kompressionsdurchführelement 110 er laubt das Injizieren des weichen Vergußmaterials. Die Durchführelemente 108, 110 halten das Vergußmaterial im Inneren des Hohlraums 302. Ein nicht gezeigter Stopfen ragt von dem Haltelement 112 vor und dichtet die Zumeß öffnung ab.

Mindestens ein elektrischer Verbinder 120, 122, 124 erstreckt sich durch das Kompressions- oder Durchführele ment 110 zum Verbinden der Konditionierschaltung 104 mit einer nicht gezeigten externen elektrischen Schaltung, wie zum Beispiel einer Motorsteuerung. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind drei elektrische Verbinder 120, 122, 124 vorgesehen. Ein erster elektrischer Verbinder 120 liefert ein vorgewähltes Spannungspotential an den Sensor 100. Ein zweiter elektrischer Verbinder 122 ist mit Systemerde verbunden. Der dritte elektrische Verbin der 124 ist mit der Konditionierschaltung 104 verbunden zum Übertragen des Sensorausgangssignals zur externen elektrischen Schaltung. Die Verbindungen 120, 122, 124 sind als isolierte Kupferkabel oder Drähte dargestellt; die Leiter 120, 122, 124 könnten jedoch auch als elektri sche Anschlüsse ausgebildet sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die bevorzugten Leiter verwenden einen Silikonblock, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit über einen unabgedichteten Leiter in den Sensor eintritt.

Die Leiter 120, 122, 124 erstrecken sich durch individu elle nicht gezeigte Aperturen oder Öffnungen in dem Kompressionsdurchführelement 110. Die Aperturen sind so aufgebaut, daß sie einen geringeren Durchmesser besitzen, wie der Außendurchmesser der Leiter 120, 122, 124, wo durch eine ordnungsgemäße Abdichtung gegen das Eintreten von Feuchtigkeit sichergestellt wird. Während des Zusam menbaus werden die Leiter 120, 122, 124 durch die Apertu ren eingeführt und mit der Schaltungsplatte verbunden. Das Kompressionsdurchführelement 110 und die Schaltungs platte 106 werden dann simultan in den inneren Teil 302 eingeführt. Vor dem Einführen wird die Position des Durchführelements 110 eingestellt, indem das Durchführe lement 110 entlang der Leiter 120, 122, 124 geschoben wird, so daß eine weitere Einstellung nach dem Einführen nicht notwendig ist. Vergußmaterial wird dann in einer speziellen oder festgelegten Menge injiziert. Der Kappen teil 118 wird dann mit dem Gehäuse 114 verbunden, wie zu vor beschrieben. Die Kompression oder das Zusammendrücken des Durchführelements 110 während dieses Schrittes verhindert, daß Feuchtigkeit durch die Aperturen oder Öffnungen und zwischen dem Durchführelement 110 und dem Gehäuse 114 eintritt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4-6 wird die Temperaturab fühlvorrichtung 102 in größerer Einzelheit beschrieben. Gemäß Fig. 4 umfaßt die Temperaturabfühlvorrichtung 102 einen rohrförmigen Teil 402. Der rohrförmige Teil 402 ist an der Schaltungsplatte 106 angebracht, und zwar über das Durchführelement 108.

Ein Teil der Schaltungsplatte 106 paßt in das Durchführe lement 108. Der rohrförmige Teil 402 erstreckt sich durch und ragt aus einer Zumeßöffnung 602 in dem Durchführele ment 108 heraus. Vorzugsweise ist das Durchführelement an der nicht gezeigten inneren Oberfläche und der Außenober fläche (siehe Fig. 6) gerippt, um die Abdichtung zu bewirken. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Zumeßöffnung einen Durchmesser von 0,030 Zoll (30/1000 Zoll). Gemäß Fig. 5 besteht der rohrförmige Teil aus einem Thermistor 502. Vorzugsweise ist der Thermistor 502 in einem starren Rohr 504 unter Verwendung von Epo xyharz mikroeingekapselt. Das starre Rohr 504 sieht eine Oberfläche zur Anbringung an der Schaltungsplatte 106 vor. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das starre Rohr aus Polyimid aufgebaut.

Die Rohr- und Thermistoranordnung ist mittels Epoxyharz in einem dünnwandigen metallischen Rohr 506 befestigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das metallische Rohr 506 aus Messing aufgebaut. Ein geeignetes Epoxyharz ist von Emerson & Cuming aus Woburn Mass. unter der Pro duktnummer 2850FT erhältlich. Emerson & Cuming 2850FT Epoxyharz besitzt hervorragende thermische Leitfähigkeit scharakteristika. Zusätzlich paßt sein thermischer Ausdehnungskoeffizient eng mit dem von Messing zusammen. Infolgedessen wird das Beschädigungspotential der Spitze der Temperaturabfühlvorrichtung infolge mehrfacher thermischer Zyklen minimiert. Das dünnwandige Messingrohr 506 schützt den Thermistor gegenüber Beschädigung infolge von Feuchtigkeit oder chemischer Reaktion. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein ungeschütztes Element leicht beschä digt werden kann, insbesondere durch Feuchtigkeit.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Längen-zu- Durchmesserverhältnis des rohrförmigen Teils 402 ein Ma ximum. Das maximale Längen-zu-Durchmesserverhältnis des rohrförmigen Teils 402 ist typischerweise durch die Grenzen bestehender Herstellungstechnologie beschränkt. Ein geeignetes Verfahren wird "Tiefziehen" genannt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt das Messing rohr somit einen Außendurchmesser von im wesentlichen 0,060 Zoll (60/1000 Zoll), einen Innendurchmesser von im wesentlichen 0,045 Zoll (45/1000 Zoll) und eine Länge von mindestens 0,5 Zoll. In dem bevorzugten Ausführungsbei spiel besitzt das starre Rohr 504 einen Durchmesser von 0,040 Zoll (40/1000 Zoll).

Die Maximierung des Längen-zu-Durchmesserverhältnisses des rohrförmigen Teils erhöht das Ansprechverhalten der Temperaturabfühlvorrichtung 102. Somit stellt das An sprechverhalten der Sensorablesungen genauer oder akkura ter die tatsächliche Temperatur der Umgebungsluft dar.

Das Gehäuse 114 kann so geformt und konfiguriert sein, daß es in einer nicht gezeigten Apertur oder Öffnung ei nes nicht gezeigten Motorblocks aufgenommen werden kann. Sobald der Sensor 100 in der Apertur positioniert ist, steht der Käfigteil 202 des Gehäuses 114 und somit die Temperaturabfühlvorrichtung 102 in thermischer Verbindung mit dem Inneren der Apertur zum Abfühlen einer Temperatur darinnen. Die elektrischen Leiter oder Verbindungen 120, 122, 124 erstrecken sich aus der Apertur nach außen zur elektrischen Verbindung mit einer Schaltung, die außer halb der Apertur liegt.

Zu diesem Zweck umfaßt das Gehäuse 114 einen zylindri schen Teil 126, der in einem Schulterteil 128 endet. Der Schulterteil 128 ist so aufgebaut, daß er im Durchmesser größer ist wie die Apertur. Das Gehäuse 114 ertreckt sich in die Apertur bis zu einer Tiefe, die durch den Schul terteil 128 gesteuert wird. Um eine ordnungsgemäße Ab dichtung sicherzustellen, sollte ein nicht gezeigter Gummi O-Ring zwischen dem Schulterteil 128 und dem Motor block plaziert werden.

Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dem Sensor 100 in eine umgekehrt mit Gewinde versehene Aper tur gewindemäßig in Eingriff zu bringen. Bei solchen An wendungen umfaßt der zylindrische Teil 40 einen nicht ge zeigten äußeren mit Gewinde versehenen Teil. Der äußere mit Gewinde versehene Teil erlaubt, daß das Gehäuse 114 in eine umgekehrt mit Gewinde versehene Apertur in dem Motorblock geschraubt wird. Das Gehäuse 114 weist auch einen hexagonalen Teil 130 auf, der es erlaubt, daß das Gehäuse 114 mit ausreichendem Drehmoment über einen Drehmomentschlüssel in die Apertur geschraubt wird, um eine Leckage und das Lösen infolge von Vibrationen zu verhindern.

Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dem mit Gewinde versehenen Teil zu eliminieren und den zylin drischen Teil 126 mit einer glatten Außenoberfläche (wie gezeigt) auszubilden. Bei einer solchen Anwendung würde die Tiefe, mit der der Sensor 100 in die Apertur einge führt wird, durch den Schulterteil 128 gesteuert. Eine ordnungsgemäße Abdichtung kann erreicht werden durch Si cherstellen, daß die glatte Außenoberfläche einen Durchmesser besitzt, der es notwendig macht, daß das Ge häuse 100 unter Kraft in eine weiche Öffnung oder Apertur eingepaßt werden muß oder durch die Verwendung einer ra dialen O-Ringdichtung.

Anhand der Fig. 7 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung 700 zur Durchführung bzw. Verwendung des vorliegenden Temperatursensors 100 be schrieben. Ein erster Anschluß 702 des Thermistors 502 ist mit dem ersten elektrischen Verbinder verbunden über einen induktiven Filter 704 zum Empfangen des vorgewähl ten Spannungspotentials V_S. Der induktive Filter 704 ist vorgesehen zum Herausfiltern elektromagnetischer Interfe renz (EMI) und Hochfrequenzinterferenz oder Störungen (RFI = radio frequency interference). Ein zweiter An schluß 706 des Thermistors 502 ist mit Systemerde verbun den, und zwar über einen ersten Kondensator 708.

Der Widerstand zwischen den ersten und zweiten An schlüssen 702 und 704 des Thermistors variiert als eine Funktion der abgefühlten Temperatur. Eine Konditionier schaltung 710 ist vorgesehen zum Abfühlen des Widerstands an dem Thermistor 502 und zum Erzeugen eines Ausgangssi gnals, das gegenüber externer Widerstandsbelastung unempfindlich ist und auf den abgefühlten Widerstand an spricht. Die Konditionierschaltung 710 umfaßt ein Spannungsteilernetzwerk 712, das in der Lage ist, den Wi derstand an dem Thermistor 502 abzufühlen und darauf an sprechend ein Signal mit einer Spannung zu erzeugen, die proportional zu dem abgefühlten Widerstand ist. Das Spannungsteilernetzwerk 712 umfaßt erste und zweite Wi derstände 714, 716, die zwischen dem vorgewählten Span nungspotential V_S und Systemerde in Serie verbunden sind. Darüber hinaus ist der Thermistor 502, wie gezeigt, elektrisch parallel geschaltet zu dem ersten Widerstand 714. Somit ist der Spannungsabfall an dem ersten Wider stand 714 proportional zu dem Widerstand des Thermistors 502 und das nicht-lineare Ansprecheverhalten des Thermi stors wird in ein recht lineares Ansprechverhalten abge glättet, was eine gute Auflösung des Signals über einen breiten Bereich von Temperaturen vorsieht.

Die Verbindung bzw. eine Schnittstelle der ersten und zweiten Widerstände 714, 716 ist mit einem nicht-inver tierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers (Op-Amp) 718 zum Empfang der Ausgangsspannung des Span nungsteilernetzwerks 712 verbunden. Ein invertierender Eingangsanschluß des Op-Amp 718 ist mit einem Ausgangsan schluß des Op-Amp verbunden, und zwar über eine Span nungsfolgeschaltung 720. Der Op-Amp 718 ist ein "Schiene zu-Schiene" (rail-to-rail) CMOS Op-Amp. Dies ist wichtig, da herkömmliche Op-Amps einen typischen "Kopfraum" von 1,5 V benötigen (d. h. maximale Ausgangsgröße = V_S - 1,5), was die Sensorauflösung reduziert, wenn eine kleine Versorgungsspannung V_S verwendet wird. Die Spannungsfol geschaltung 720 umfaßt einen zweiten Kondensator 722, der zwischen dem Op-Amp-Ausgangsanschluß und Systemerde verbunden ist. Ein dritter Kondensator 724 ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß des Op-Amps und Sy stemerde verbunden. Die Folgeschaltung 720 umfaßt ferner einen dritten Widerstand 726, der zwischen dem invertie renden Eingangsanschluß des Op-Amps und dem Ausgangsan schluß des Op-Amps verbunden ist. Der Op-Amp-Ausgangsan schluß ist mit dem dritten elektrischen Leiter 124 verbunden, und zwar durch einen zweiten induktiven Filter 728.

Der Op-Amp 718 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Größe proportional zu der Temperatur besitzt, die durch den Thermistor 502 abgefühlt wurde und das gegenüber den Pro blemen, die mit der Verschlechterung des Kabelbaums bzw. der Verkabelung assoziiert sind, unempfindlich ist. Ins besondere sieht der Op-Amp 718 ein Ausgangssignal mit ei nem ausreichenden Strom vor, um eine Widerstandsbelastung des Kabelbaums zu überwinden. Darüber hinaus reduzieren die induktiven Filter 704, 728 die Probleme, die mit EMI und HFI (RFI) assoziiert sind. Schlußendlich ist die "aktive" Konditionierschaltung 710 gegenüber passiven Sensoren vorteilhaft, da die Steuerung leicht program miert werden kann, um fehlerhafte Betriebszustände in dem Sensor zu detektieren. Wenn zum Beispiel die Signallei tung in einem passiven Sensor unterbrochen ist, könnte der Widerstand des Kabels bzw. der Verdrahtung als ein gültiges Temperatursignal interpretiert werden. Selbst wenn das Kabel bzw. der Draht nicht unterbrochen ist, kann darüber hinaus eine Widerstandsbelastung des Kabelbaums bzw. der Verdrahtung nachteilig das Ausgangs signal des Sensors beeinflussen durch Nebenschließen bzw. Ausschließen des Widerstands des Sensors. Die Konditio nierschaltung 710 des ersten Ausführungsbeispiels arbeitet jedoch in einem vordefinierten Spannungsbereich und eine Steuerung kann leicht programmiert werden, um Spannungen außerhalb des Bereichs als Fehler zu interpre tieren.

Gemäß Fig. 8 wird nun eine Konditionierschaltung 800 ge mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung be schrieben. Gleiche Bauteile in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen besitzen dieselben Bezugszeichen und werden nicht in weiterer Einzelheit beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Konditionier schaltung 800 in der Lage, ein im Pulsbreiten moduliertes Ausgangssignal mit einer konstanten Frequenz und einem Tastverhältnis vorzusehen, und zwar ansprechend auf die abgefühlte Temperatur.

Die Konditionierschaltung 800 umfaßt den Spannungsteiler 712, einen Rechteckwellengenerator 802, einen Integrator oder eine Integriervorrichtung 804 und einen Komparator 806. Der Rechteckwellengenerator 802 besitzt einen Ein gangsanschluß 808, der mit dem ersten elektrischen Leiter 120 verbunden ist und der in der Lage ist, das erste vor gewählte Spannungspotential V_S zu empfangen. Der Recht eckwellengenerator 802 erzeugt darauf ansprechend ein Rechteckwellensignal mit einer vorbestimmten Amplitude und Grundfrequenz, wie es in der Technik üblich ist. Ein Eingangsanschluß 810 des Integrators ist mit einem Ausgangsanschluß 812 des Rechteckwellengenerators 802 verbunden und ist in der Lage, das Rechteckwellensignal zu empfangen. Der Integrator 804 integriert das Rechteck wellensignal und erzeugt darauf ansprechend ein Sägezahn wellenformsignal mit einer vorbestimmten Amplitude und einer Grundfrequenz, wie es in der Technik üblich ist.

Ein Ausgangsanschluß 814 des Integrators 804 ist mit ei nem nicht-invertierenden Einganganschluß des Komparators 806 verbunden zum Liefern eines Rechteckwellensignals. Der Komparator 806 besitzt ferner einen invertierenden Eingangsanschluß, der mit den ersten und zweiten Wider enden 714, 716 verbunden ist und der in der Lage ist, das Spannungsteilerausgangssignal zu empfangen. Ein vierter Kondensator 816 ist zwischen dem Ausgangsanschluß des Komparators und dem nicht invertierenden Eingangsan schluß des Komparators verbunden, um eine Wechelstromhy sterese für eine Immunität gegenüber Rauschen oder Stö rungen vorzusehen. Der Komparator 806 erzeugt ein Signal seinem Ausgangsanschluß ansprechend auf das Ausgangs signal des Spannungsteilers und die Sägezahnwellenformsi gnale. Noch genauer erzeugt der Komparator 806 ein impulsbreiten moduliertes (PWM = pulse-width-modulated) Signal mit einer konstanten Frequenz und einem Tastver hältnis (Verhältnis zwischen Betriebsstrom bzw. Spannung zu Vollaststrom bzw. Spannung) ansprechend auf die Größe des Ausgangssignals des Spannungsteilers und somit ansprechend auf die abgefühlte Temperatur. Ein Hochziehwi derstand 818 ist zwischen dem Ausgangsanschluß des Komparators und einem vorgewählten Spannungspotential V₁ verbunden. Der Hochziehwiderstand 818 spannt den Aus gangsanschluß des Komparators 806 auf "hoch" vor, und zwar immer dann, wenn er nicht intern auf "tief" gezogen wird.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Primäranwendung dieser Erfindung liegt wohl in der Au tomobilindustrie, aber es ist wahrscheinlich, daß viele andere Anwendungen bestehen, wo es notwendig ist, daß ei ne Abfühlvorrichtung in einer Apertur angebracht wird, zum Abfühlen der Lufttemperatur innerhalb der Apertur. Bei einer solchen Anwendung kann das Gehäuse so aufgebaut und konfiguriert sein, daß es entweder einen glatten oder mit Gewinde versehenen Außenteil besitzt, und zwar abhän gig von den Designkriterien. Der Sensor 100 wird in eine umgekehrte Apertur in dem Motorblock eingesetzt, so daß der Käfigteil 202 des Gehäuses 114 der Luft ausgesetzt ist, deren Temperatur gemessen werden soll. Das Gehäuse 114 ist aus einer Komposition oder Zusammensetzung aus Nylon oder ähnlichem Material und Glasfaser aufgebaut. Sobald er an seinem Platz ist, erzeugt der Sensor 100 be triebsmäßig ein elektrisches Signal, das auf die abge fühlte Lufttemperatur anspricht und gegenüber externer Widerstandsbelastung unempfindlich ist. Dies wird erreicht durch Vorsehen einer Konditionierschaltung 700, 800, die den Widerstand des Thermistors abfühlt und ein elektrisches Ausgangssignal an den dritten Leiter 124 "vorsieht". Der dritte Verbinder 124 ist wiederum mit ei ner externen elektrischen Schaltung verbunden, wie zum Beispiel einer Motorsteuerung, die das Ausgangssignal für eine weitere Verarbeitung verwendet.

Weitere Aspekte, Vorteile und Ziele ergeben sich aus ei ner Studie der Zeichnung, der Offenbarung und der Ansprü che. Während die vorliegende Erfindung für die Verwendung als ein Lufttemperatursensor in einem Motor beschrieben wurde, sei bemerkt, daß eine solche Vorrichtung für die Bestimmung der Lufttemperatur in zahlreichen anderen An wendungen angepaßt werden kann.

Zusammenfassend sieht die vorliegende Erfindung eine Vor richtung zum Abfühlen der Temperatur von Umgebungsluft vor. Die Vorrichtung ist thermisch von der externen Umgebung isoliert und sieht noch genauer eine Anzeige der Temperatur des Mediums vor, während es ein schnelles An sprechverhalten besitzt. Die Vorrichtung weist eine Temperaturabfühlvorrichtung auf, deren Widerstand mit der Temperatur variiert sowie eine Konditionierschaltung zum Messen des Widerstands und zum Erzeugen eines elek trischen Signals, das gegenüber externer Widerstandsbela stung unempfindlich ist und daß eine Größe ansprechend auf den gemessenen Widerstand besitzt. Die Vorrichtung weist ein nicht-metallisches Gehäuse auf, das die tempe raturempfindliche Vorrichtung und die Konditionier schaltung einkapselt. Das Gehäuse bildet einen Käfigteil, der die Temperaturabfühlvorrichtung umgibt und der in der Lage ist, die Temperaturabfühlvorrichtung zu schützen und eine Luftströmung daran vorzusehen.

Claims

1. Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur eines Gasme diums, wie zum Beispiel Luft, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Temperaturabfühlvorrichtung mit einem Wider stand, der sich mit der Temperatur verändert;
eine Konditionierschaltung, die elektrisch mit der Temperaturabfühlvorrichtung verbunden ist und die in der Lage ist, einen Widerstand an der Temperaturab fühlvorrichtung zu messen und ein elektrisches Si gnal zu erzeugen, das gegenüber externer Wider standsbelastung unempfindlich ist und das eine Größe ansprechend auf den abgefühlten Widerstand besitzt;
einen rohrförmigen Teil, der an der Konditionier schaltung angebracht ist, wobei die Temperaturabfühl vorrichtung darinnen eingekapselt ist; und
ein nicht-metallisches Gehäuse, das die temperatur empfindliche Vorrichtung und die Konditionierschal tung einkapselt, wobei das Gehäuse einen inneren Hohlraum und einen vorderen Hohlraum bildet, wobei die Konditionierschaltung innerhalb des inneren Hohlraums abgedichtet ist und die Temperaturabfühl vorrichtung in dem vorderen Hohlraum ist und wobei das Gehäuse einen Käfigteil besitzt, der die Tempe raturabfühlvorrichtung umgibt, wobei der Käfigteil in der Lage ist, die Temperaturabfühlvorrichtung zu schützen und eine Gasströmung dazu vorzusehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse so ausgebildet und konfiguriert ist, daß es in einer Öffnung oder Apertur aufgenommen werden kann, so daß die temperaturempfindliche Vorrichtung in thermi scher Verbindung mit dem Inneren der Apertur steht zum Abfühlen der Temperatur darinnen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Schaltungsplatte, die mit dem Gehäuse verbunden ist und innerhalb des inneren Hohlraums positioniert ist, wobei der rohrförmige Teil mit der Schaltungs platte verbunden ist; und
eine Durchführdichtung oder ein Durchführelement, das zusammendrückbar zwischen der Temperaturabfühl vorrichtung und dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Durchführelement eine Abdichtung zwischen dem inne ren Hohlraum und dem vorderen Hohlraum vorsieht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturabfühlvorrichtung einen Thermi stor aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der rohrförmige Teil ein starres Rohr und ein metallisches Rohr aufweist, wobei der Thermistor in nerhalb des starren Rohrs mikroeingekapselt ist, wo bei das starre Rohr durch das Metallrohr einge schlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das starre Rohr aus Polyimid aufgebaut ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das metal lische Rohr aus Messing aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse aus Nylon aufgebaut ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Gehäuse ferner aus Glasfasern aufgebaut ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse aus 2833% Glasfasern aufgebaut ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturabfühlvorrichtung und die Kon ditionierschaltung auf einer Schaltungsplatte auf gelötet bzw. an der Oberfläche angebracht sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse folgendes aufweist:
einen Hauptkörperteil, einen Kappenteil und eine Kompressionsdurchführdichtung oder ein Kompressions durchführelement, wobei der Hauptkörperteil den in neren Hohlraum bildet, wobei der innere Hohlraum in der Lage ist, die Schaltungsplatte und die Konditio nierschaltung aufzunehmen, wobei das Kompressions durchführelement zum Einführen in den Hohlraumteil hinter der Schaltungsplatte geeignet ist, wobei der Kappenteil mit dem Hauptkörperteil verbunden wird und in der Lage ist, das Kompressionsdurchführele ment an seinem Platz zu halten, und zwar mit einer ausreichenden Kompression oder einem ausreichenden Druck, um eine Abdichtung gegen Feuchtigkeitsein dringen zwischen dem Kompressionsdurchführelement und dem Hauptkörperteil zu bilden.

13. Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur eines Gasme diums, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen Thermistor mit einem Widerstand, der sich mit der Temperatur verändert;
eine Konditionierschaltung, die elektrisch mit dem Thermistor verbunden ist und die in der Lage ist, einen Widerstand an dem Thermistor zu messen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das gegenüber ex terner Widerstandsbelastung unempfindlich ist und das eine Größe ansprechend auf den abgefühlten Wi derstand besitzt;
einen rohrförmigen Teil, der mit der Konditionier schaltung verbunden ist, wobei der rohrförmige Teil ein starres Rohr und ein metallisches Rohr aufweist, wobei der Thermistor innerhalb des starren Rohr mi kroeingekapselt ist, wobei das starre Rohr durch das metallische Rohr eingeschlossen ist; und
ein nicht-metallisches Gehäuse, das die temperatur empfindliche Vorrichtung und die Konditionierschal tung einkapselt, wobei das Gehäuse einen inneren Hohlraum und einen vorderen Hohlraum bildet, wobei die Konditionierschaltung innerhalb des inneren Hohlraums abgedichtet ist und die Temperaturabfühl vorrichtung innerhalb des vorderen Hohlraums ist und wobei das Gehäuse einen Käfigteil besitzt, der die Temperaturabfühlvorrichtung umgibt, wobei der Käfig teil in der Lage ist, die Temperaturabfühlvorrich tung zu schützen und eine Luftströmung dazu vorzuse hen.

14. Vorrichtung zum Abfühlen der Temperatur eines Gasme diums, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen Thermistor mit einem Widerstand, der sich mit der Temperatur verändert;
eine Konditionierschaltung, die elektrisch mit dem Thermistor verbunden ist und die in der Lage ist, einen Widerstand an dem Thermistor zu messen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das gegenüber ex terner Widerstandsbelastung unempfindlich ist und daß eine Größe ansprechend auf den abgefühlten Wi derstand besitzt;
einen rohrförmigen Teil, der mit der Konditionier schaltung verbunden ist, wobei der rohrförmige Teil ein starres Rohr und ein metallisches Rohr aufweist, wobei der Thermistor innerhalb des starren Rohrs mi kroeingekapselt ist, wobei das starre Rohr durch das metallische Rohr eingeschlossen ist; und
ein nicht-metallisches Gehäuse, das die temperatu rempfindliche Vorrichtung und die Konditionierschal tung einkapselt, wobei das Gehäuse einen inneren Hohlraum und einen vorderen Hohlraum bildet, wobei die Konditionierschaltung innerhalb des inneren Hohlraums abgedichtet ist und die Temperaturabfühl vorrichtung innerhalb des vorderen Hohlraums ist und wobei das Gehäuse einen Käfigteil besitzt, der die Temperaturabfühlvorrichtung umgibt, wobei der Käfigteil in der Lage ist, die Temperaturabfühlvor richtung zu schützen und eine Luftströmung dazu vor zusehen.