DE3003671A1 - Vorrichtung zur messung der masse eines stroemenden mediums - Google Patents
Vorrichtung zur messung der masse eines stroemenden mediumsInfo
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Description
κ. 6019
7.1.1980 Kh/Wl
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Es ist schon eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums bekannt, bei der als
temperaturabhängiger Widerstand ein Hitzdraht verwendet
wird, der in einem Sondenring über mehrere Einspannstellen straff ausgespannt ist und senkrecht zur Mediumströmungsrichtung
verläuft. Es hat sich gezeigt, daß feinkörniger, trockener Silikatstaub, wie er z.B. bei Fahrten
in staubreichen Gegenden auftritt, zu einem unerwünschten Belag auf dem Kitzdraht führt, durch den die Meßgenauigkeit
beeinträchtigt wird und der auch zu einer Zerstörung des Drahtes führen kann. Selbst das zur Beseitung von Belägen
auf Hitzdrähten bekannte Preibrennen führt hierbei zu keiner befriedigenden Lösung, sondern sogar eher zu
einer Verschlechterung, da Staubpartikel auf dem Draht festsintern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
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6 0
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine unerwünschte Belagbildung durch Trockenstaub
an einem Hitzdraht bzw. an einem Hitzband so klein wie möglich gehalten wird, wobei die Vorteile eines insbesondere
bei organischen Belägen wirksamen Freibrennvorganges voll erhalten bleiben.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums,
insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
V-förmig geführten Hitzdrahtes durch drei Stützpunkte, Fig. 3 eine schlaufenförmige Ausbildung eines Hitzbandes bzw.
Hitzdrahtes im Bereich eines mittleren Stützpunktes, Fig. λ
einen Querschnitt eines Hitzbandes, Fig. 5 eine vom Stand der Technik her bekannte rechtwinklige Anordnung eines
Hitzdrahtes zur Mediumströmungsrichtung, Fig. 6 eine erfindungsgemäß zur Mediumströmungsrichtung geneigte
Anordnung eines Hitzdrahtes.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung
der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen ist eine
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-*-
κ. 6019'
Brückenschaltung aus einem temperaturabhängigen Widerstand
10, einem temperaturabhängigen Widerstand 11 bzw. 11', einem
Widerstand 12 und aus Widerständen 13 und 14 vorgesehen.
An die Brückendiagonale ist ein Regelverstärker 15 einer Regeleinrichtung 16 angeschlossen. Dabei ist der invertierende
Eingang des Regelverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand 17 mit dem Kopplungspunkt der Widerstände
11, 11' und 12 verbunden,·während der nichtinvertierende
Eingang des Regelverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand 18 an den Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14
angeschlossen ist. Der Regelverstärker 15 ist über zwei Versorgungsleitungen 19 und 20 mit einer Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Dieser Gleichspannungsquelle 21 ist
ein Glättungskondensator 22 parallelgeschaltet. Der Ausgang des Regelverstärkers 15 ist mit der Reihenschaltung
von zwei Widerständen 23 und 24 verbunden, wobei der Widerstand
24 an die gemeinsame Versorgungsleitung 19 angeschlossen ist. Diese beiden Widerstände 23 und 24 bilden einen
Spannungsteiler für eine Darlingtonstufe 25, die zusammen mit einem Widerstand 26 eine spannungsgesteuerte Stromquelle
zur Stromversorgung der Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 11', 12, 13 und 14 bildet. Zwischen die
gemeinsamen Versorgungsleitungen 19 und 20 ist ein Spannungsteiler aus Widerständen 27 und 28 geschaltet. An den
Kopplungspunkt der Widerstände 27 und 28 ist die Anode einer Diode 37 angeschlossen, deren Kathode mit dem invertierenden
Eingang des Regelverstärkers 15 verbunden ist. Zwischen den invertierenden Eingang des Regelverstärkers
15 und die gemeinsame Versorgungsleitung 20 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 29 und eines Kondensators 30
geschaltet, wobei diese Widerstands-Kondensator-Kombination zur PrequenzabStimmung des Regelkreises auf das Zeitverhalten
der temperaturabhängigen Widerstände dient.
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-X- R.
60 1 β1
Mit dem Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14 ist ein Widerstand 31 verbunden, der über die Schaltstrecke eines
Schalttransistors 32 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 20 verbindbar ist. Die Basis des Schalttransistors
32 ist mit dem Ausgang einer monostabilen Kippstufe 33 verbunden, die über ein Differenzierglied 3^ von einem
bei 35 angedeuteten Zündschalter für die Zündanlage der Brennkraftmaschine oder einem von einem anderen Mittel
gelieferten Impuls auslösbar ist.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende,
über den temperaturabhängigen Widerstand 11, 11' der
Brückenschaltung fließt ein bestimmter Strom und heizt diesen Widerstand 11, 11' auf seine normale Betriebstemperatur
auf. In einem anderen Brückenzweig nimmt der temperaturabhängige Widerstand 10 einen Widerstandswert ein, der
die Temperatur des strömenden Mediums beispielsweise die der eingesaugten Luft der Brennkraftmaschine charakterisiert.
Dadurch wird erreicht, daß als Referenzsignal für die Heizstromregelung der Vorrichtung zur Luftmassenmessung
immer die Temperatur der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Je nach der Masse der vorbeiströmenden
Ansaugluft wird der temperaturabhängige Widerstand 11, 11' mehr oder weniger abgekühlt. Dies führt zu einer Verstimmung
der Brückenschaltung. Diese Verstimmung der Brükkenschaltung wird dadurch ausgeregelts daß der Regelverstärker
über die spannungsgesteuerte Stromquelle 23, 24, und 26 einen höheren Speisestrom für die Brückenschaltung
liefert, so daß die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 11, 11' und damit" dessen Widerstandswert auf
einem wenigstens annähernd konstanten Wert gehalten wird. Der durch die Brückenschaltung fließende Strom ist ein Maß
für die an dem temperaturabhängigen Widerstand 11, 11' in
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-,Ι κ. 6019'
Pfeilrichtung 56 vorbeiströmende Luftmasse. Ein entsprechendes
elektrisches Signal kann zwischen einer Klemme und einer Klemme 39 abgenommen werden.
Zur Erleichterung des Anlaufens der Regeleinrichtung dient der Spannungsteiler 27, 28 mit der Diode 37. Beim Einschalten
der Regeleinrichtung wird am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 eine Spannung von etwa
0,5 Volt erzwungen, die ein sicheres Anlaufen der Regeleinrichtung erlaubt. Im normalen Betriebsfall wird dagegen die Spannung am invertierenden Eingang des Regelverstärkers
15 wesentlich über dieser Anfangsspannung liegen, so daß die Diode 37 gesperrt ist und damit über
den Spannungsteiler 27, 28 kein Einfluß auf die Regelvorgänge genommen werden kann.
Damit der, wie im folgenden beschrieben, als Hitzband 11 oder Hitzdraht 11' ausgebildete temperaturabhängige Widerstand von Zeit zu Zeit von Ablagerungen auf seiner Oberfläche
befreit wird, soll nach einem bestimmten Meßzyklus ein erhöhter Strom über diesen temperaturabhängigen Widerstand
11, 11' fließen. Als·Meßzyklus kann dabei beispielsweise jeweils eine bestimmte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine
gewählt werden. So kann auch der Ausglühvorgang mit jedem Abschalten der Zündanlage der Brennkraftmaschine
ausgelöst werden. Dies geschieht beim Ausschalten des Zündschalters 35· Das entsprechende Signal wird differenziert
und steuert die monostabile Kippstufe 33 in ihren instabilen Schaltzustand. Während dieses instabilen Schaltzustandes der
monostabilen Kippstufe 33 wird, der Schalttransistor 32 leitend und schaltet den Widerstand 31 zu dem Widerstand 14 der
Brückenschaltung parallel. Dadurch wird die Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 11', 12, 13 und Ik stark verstimmt
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und zwar in dem Sinne, daß der Regelverstärker 15 zur Kompensation
dieser Verstimmung einen erhöhten Strom für die Brückenschaltung liefert. Dieser höhere Strom heizt den
temperaturabhängigen Widerstand'11, 11' für die Dauer des
instabilen Schaltzustandes der monostabilen Kippstufe auf eine über der normalen Betriebstemepratur liegende Temperatur
auf, so daß Rückstände an der Oberfläche des temperaturabhängigen Widerstandes verbrennen.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn das Material des temperaturabhängigen Widerstandes H3 11'
aus .strukturstabilisiertem Platin besteht, weil dieses Material besonders gut geeignet ist, auf hohe Temperaturen
erhitzt zu werden. Dies ist für den Abbrennvorgang besonders wichtig.
Der Referenzwiderstand .12 ist zweckmäßigerweise ebenfalls in dem durch eine unterbrochene Linie 38 angedeuteten
Strömungsquerschnitt, beispielsweise dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine untergebracht, da dann die Verlustwärme
des Referenzwiderstandes 12 durch die in Pfeilrichtung 56 strömende Luft abgeführt werden kann. Die Widerstände
13 und lh sind zweekmäßigerweise als einstellbare
Widerstände ausgebildet, damit das Temperaturverhalten des Regelkreises eingestellt werden kann.
In Fig. 2 ist schematisch ein Sondenring 4O5 der natürlich
auch eine andere zweckmäßige Form haben kann, mit drei parallel zueinander verlaufenden Stützpunkten hl, 42 und 43 dargestellt.
Mit Hilfe der Stützpunkte 4l, 42 und 43 ist der
als sogenannter Hitzdraht 11' ausgebildete temperaturabhängige Widerstand 11 V-förmig ausgespannt. Dabei ist der Hitzdraht
11' mit seinen Enden nur an den beiden Endstützpunkten hl
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Mt
-*- R. 60i
und 42 befestigt, beispielsweise gelötet oder geschweißt, während er über den Stützpunkt 43 nur lose geführt ist.
Anstelle des Hitzdrahtes 11' könnte auch ein Hitzband 11 in der beschriebenen Weise im Sondenring 40 geführt sein.
Dabei erfolgt die Befestigung des Hitzbandes 11 an den Endstützpunkten 41 j 42 vorzugsweise linienförmig parallel zu
den Stützpunkten, so daß sich das Hitzband 11 nicht verwinden kann, was eine Änderung des Wärmeüberganges und damit
der Kennlinie zur Folge hätte.
Der Sondenring 40 ist mit seinem Wärmeausdehungskoeffizienten auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hitzbandes
11 abgestimmt, so daß durch Wärmedehnung bedingte Längenänderungen des Hitzdrahtes 11' bzw. des Sondenringes
40 nahezu keine Zug- oder Druckspannungen in dem Hitzband 11 hervorrufen, sondern durch Abstandsänderungen zwischen
den Stützpunkten 4l, 42, 43 weitgehend ausgeglichen werden.
Die zug- und druckspannungsfreie Einspannung des Hitzdrahtes 11' ist außerordentlich wichtig, wenn der Hitzdraht beispielsweise
als Luftmassenmesser im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine verwendet werden soll. Der dabei zu berücksichtigende
Temperaturgang beträgt üblicherweise - 30° C bis + 120° C. Hinzu-kommt noch eine weitere Temperaturänderung,
die durch die Betriebsweise des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes 11 bedingt ist. Außerdem wird der Hitzdraht
bzw. das Hitzband noch, wie beschrieben, zum Preibrennen auf eine hohe Temperatur erhitzt, damit an seiner Oberfläche
sich festsetzende Rückstände abgebrannt werden können. Auch diese kurzzeitige Temperatur führt zu Längenänderungen des
Drahtes bzw. Bandes, die bei einer starren Einspannung zu Zug- und Druckspannungen führen können. Die V-förmige Aufspannung
des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes Il und die An-
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-/- κ. 8019'
passung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sondenrings 40 und·des Hitzdrahtes II1 bzw. Hitzbandes 11 verhindern
weitgehend die Einleitung von Zug- oder Druckspannungen in den Hitzdraht 11' bzw. das Hitzband 11. Zweckmäßigerweise
ist der Sondenring 40 bei einem aus Platin bestehenden Hitzdraht 11' bzw. Hitzband 11 aus einer Nickel-Eisen-Legierung
hergestellt, deren Wärmeausdehungskoeffizient etwa dem von Platin entspricht. Es ist auch möglich, den Sondenring
aus Glas, insbesondere aus sogenanntem Platin-Glas herzustellen. Auch der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Glases
entspricht weitgehend dem des Platins, so daß weitgehend Zug- oder Druckspannungen bei Temperaturänderungen von dem
Hitzdraht 11' bzw. Hitzband 11 abgehalten werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können die parallel zueinander
verlaufenden Stützpunkte 41, 42, 43 hakenförmig abgebogen
sein. Zumindest die Endstützpunkte, die zur Stromzuführung dienen, sind gegenüber dem Sondenring 40 elektrisch
isoliert in ihm befestigt. Der mittlere Abschnitt des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes 11, der um den Stützpunkt 43 geführt
ist, bildet dabei eine Schlaufe 44, wobei die vom Stützpunkt 43 fortlaufenden Abschnitte des Hitzdrahtes 11'
bzw. Hitzbandes 11 in einem Berü>rungsbereich bei 45 elektrisch
leitend miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Verschweißen oder Verlöten. Dadurch wird die Schlaufe
44 stromlos und nicht durch Strom erwärmt. Probleme mit einer Undefinierten Wärmeabfuhr vom Hitzdraht 11' bzw. Hitzband
11 zum Stützpunkt 43 treten bei Längenänderungen bzw.
bei Verschiebungen des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes 11 an dem Stützpunkt 43 nicht mehr auf. Durch die besondere
Aufhängung an dem Stützpunkt 43 ist es auch ohne Bedeutung, wenn der Hitzdraht 11' bzw. das Hitzband 11 infolge von
Wärmeausdehnungen geringfügig vom Stützpunkt 43 abhebt, sich
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in seiner Lage verändert oder sich verdreht.
Besonders zweckmäßig ist es, der Schlaufe 44 für die Anbringung des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes 11 die in
Fig. 3 dargestellte Form zu geben. Gemäß Fig. 3 ist der Umschlingungswinkel
der Schlaufe 44 kleiner als l80°. Außerdem ist die Form der Schlaufe 44 so gewählt, daß zwischen zwei
Anlagepunkten 46 und 47 der Schlaufe 44 an dem Stützpunkt
43 und zwei Punkten 48 und 49, von denen an die Abschnitte
der Schlaufe 44 zum Berührungsbereich 45 hin zusammenlaufen,
ein ausreichend großer Abstand besteht, der gewährleistet, daß bei Dehnungen der Schlaufe 44 bzw. des Hitzdrahtes
11' bzw. Hitzbandes 11 keine mechanischen Spannungen in den Hitzdraht 11' bzw. das Hitzband 11 eingeleitet werden,
sondern daß vielmehr entsprechend dem mit a eingezeichneten Abstand eine freie Beweglichkeit der Schlaufe 44 auf dem
Stützpunkt 43 gewährleistet ist.
Im wesentlichen an der der Luftströmung entgegengerichteten Anströmfläche des temperaturabhängigen Widerstandes 11, 11'
setzen sich während des Betriebes in der Luft schwebende Partikel ab und bilden Ablagerungen, die nach kurzer
Betriebszeit die Kennlinie der Meßsonde ändern mit der Folge von Falschmessungen oder sogar zu einer Zerstörung
des temperaturabhängigen Widerstandes führen. Der temperaturabhängige
Widerstand 11 kann, wie in Fig. 4 dargestellt, bandförmig ausgebildet sein, beispielsweise mit einem langlochförmigen
Querschnitt, dessen Schmalflächen 50, 51 halbkreisförmig
verlaufen. Die Schmalflächen 50, 51 können ebenfalls
beispielsweise konisch gestaltet sein. Die Dicke d der Schmalflächen 50, 51 ist dabei klein im Verhältnis zur
Breite b der Breitflächen 52 des Hitzbandes 11. In einem speziellen Fall ist das Verhältnis von d:b wie 1:10 mit
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λ*
R. 6 0
den Maßen 0,02 mm : 0,2 mm. Um nun die Verschmutzungsempfindlichkeit
des Hitzbandes so klein wie möglich zu halten, ist das Hitzband so in dem Sondenring 40 über die Stützpunkte
4l, 42, 43 geführt, daß eine der Schmalflächen 50, 51,
nämlich im vorliegenden Fall die Schmalfläche 50 als Anströmfläche
der Luftströmung 56 entgegengerichtet angeordnet ist, während die Breitflächen 52 im wesentlichen in
Strömungsrichtung verlaufen. Hierdurch wird die Möglichkeit der Verschmutzung der Sonde so stark vermindert, daß
eine Konstanz des Meßsignales der Meßsonde über lange Zeit gewährleistet ist und Zerstörungen des Hitzbandes vermieden
werden können.
Eine weitere Verminderung des sich infolge von Staub in der Luft auf dem Hitzdraht 11' oder dem Hitzband 11 bildenden
Belages ist dadurch möglich, daß der Hitzdraht II1
bzw. das Hitzband 11 gegenüber der Luftströmung 56 geneigt
wird. Eine derart geneigte Anordnung eines Hitzbandes 11 ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 5 ist ein \n bekannter
Weise ausgebildeter Hitzdraht 11' dargestellt, der in bekannter
Weise so in der Mediumströmung angeordnet ist, daß die Mediumströmung 56 senkrecht zur Achse des Hitzdrahtes
11' verläuft.
In Fig. 6 ist ein erfindungsgemäß angeordneter Hitzdraht
11' gezeigt, der unter einem WinkeloL geneigt zur Luftströmungsrichtung
56 verläuft. Vorzugsweise liegt der Winkel
in einem Eereich zwischen etwa 45° und kleiner 90°. Durch die Neigung des Hitzdrahtes 11' bzw. Hitzbandes 11 wird
erreicht, daß die mit einer Geschwindigkeit ν in Strömungsrichtung 56 sich fortbewegenden Staubpartikel nur mit einer
geringeren, senkrecht zur Hitzbandachse 11 bzw. Hitzdrahtachse 11' gerichteten Geschwindigkeit V1 auf den Hitz-
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draht 11' bzw. das Hitzband 11 auftreffen, während die in
Achsrichtung verlaufende Komponente Vp zu einer Ablösung
der Staubteilchen vom Hitzdraht 11' bzw. Hitzband 11 führt.
Die Neigung des Hitzbandes 11 bzw. Hitzdrahtes 11' gegenüber
der Mediumströmungsrichtung führt zu einer Verminderung der Aufprallenergie der Staubteilchen und damit zu einer
Verringerung der sich festsetzenden Staubteilchen.
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7.I.198O Kh/Wl
Es wird eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse
von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, die einen im Mediumstrom angeordneten temperaturabhängigen Widerstand
(11, 11') aufweist, dessen Temperatur und/oder Widerstand in Abhängigkeit von der Mediummasse geregelt wird, wobei
die Stellgröße ein Maß für die Mediummasse ist. Der temperaturabhängige Widerstand ist als Hitzband (11) bzw. Hitzdraht
(II1) ausgebildet und über wenigstens drei Stützpunkte
(41, 42, 43) geführt. Zur Verbesserung der Meßgenauigkeit
des Hitzbandes (11) bzw. des Hitzdrahtes (H') sind diese gegenüber der Mediumströmung geneigt verlaufend geführt.
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Claims (5)
1.J Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden
Mediums, insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen, mit mindestens einem in der
Strömung des Mediums angeordneten temperaturabhängigen Widerstand, dessen Temperatur und/oder Widerstand in Ab-.hängigkeit
von der strömenden Masse geregelt wird und die Stellgröße ein Maß für die Masse des strömenden Mediums
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (11, 11') als Hitzdraht (II1) oder bandförmig
als sogenanntes Hitzband (11) ausgebildet und von einem zum anderen Ende über wenigstens drei in einem Sondenring
(40) gelagerte Stützpunkte (Hl, 42, 43) so geführt ist,
daß der Hitzdraht (II1) bzw. das hitzband (11) gegenüber
der Mediumströmung um einen Winkel (<£,) geneigt verläuft,
der etwa zwischen 45° und kleiner 90° liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Führung mindestens an einem zwischen den den
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Enden zugeordneten Endstützpunkten (41, 42) befindlichen
Stützpunkt (43) durch eine Schlaufe (44) des Hitzdrahtes (H1) bzw. des Hitzbandes (11) erfolgt, deren
vom Stützpunkt (43) fortlaufende Abschnitte in einem Berührungsbereich (45) leitend miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hitzband (11) so in der Mediumströmung angeordnet ist, daß als der Strömung entgegengerichtete Anströmfläche
des Hitzbandes (11) eine der Schmalflächen (50) dient, während die Breitflächen (52) im wesentlichen in
Strömungsrichtung verlaufen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Verbindung der Abschnitte im Berührungsbereich (45) der Schlaufe (44)
durch Schweißung oder Hartlötung erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Umschlingungswinkel der Schlaufe (44) an dem zugeordneten Stützpunkt (43) kleiner als oder gleich l8O°
ist und zwischen den Anlagepunkten (46, 47) der Schlaufe (44) an dem Stützpunkt (43) und den Punkten (48, 49),
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-r-
κ.
von denen ab die Abschnitte der Schlaufe (44) zusammenlaufen, ein Abstand besteht, der eine spannungsfreie Ausdehnung
des Hitzbandes (11) bzw. des Hitzdrahtes (U1) erlaubt. ,!, /
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