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Stand der Technik
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In
vielen Bereichen der Technik und Naturwissenschaften müssen
fluide Medien mit einer vorgegebenen beziehungsweise kontrollierten
Rate einem Prozess zugeführt oder von diesem abgeführt werden.
Zu diesem Zweck lassen sich insbesondere Durchflussmesser einsetzen,
welche eingerichtet sind, um einen Volumen- oder Massendurchfluss
des fluiden Mediums zu messen. Entsprechend dem gemessenen Durchfluss
können dann beispielsweise entsprechende Regelungsmaßnahmen
durchgeführt werden.
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Ein
wesentliches Anwendungsgebiet, auf welches die vorliegende Erfindung
jedoch nicht ausschließlich beschränkt ist, ist
das Gebiet der Luftmengenmessung in der Kraftfahrzeugtechnik. Hierbei kann
beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eine dem
Verbrennungsprozess zugeführte Ansaugluftmenge gemessen
und gegebenenfalls durch entsprechende Regelungen (wie beispielsweise
Drosselklappen) eingestellt werden.
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Derartige
Luft-Durchflussmesser sind beispielsweise in Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2001, Seiten 96–99 beschrieben.
Ein Beispiel eines derartigen Durchflussmessers für die
Luftmengenmessung im Kraftfahrzeug, welcher nach dem Bernoulli-Prinzip
arbeitet, ist in 1 dargestellt.
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Der
Luftmengenmesser 110 weist ein Strömungsrohr 112 auf,
welches in einer Hauptströmungsrichtung 114 von
dem fluiden Medium, in diesem Falle Luft, durchströmt wird.
Die Hauptströmungsrichtung 114 ist bei einem geraden
Strömungsrohr 112 beziehungsweise einem geraden
Abschnitt des Strömungsrohrs 112 beispielsweise
parallel zur Achse des Strömungsrohrs 112. Ist
das Strömungsrohr 112 gekrümmt, so verläuft
entsprechend auch die Hauptströmungsrichtung 114 gekrümmt. Durch
die Hauptströmungsrichtung 114 ist eine Ortskoordinate
definiert, welche beispielsweise als x-Koordinate bezeichnet werden
kann.
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Ein
wesentliches Grundprinzip des in 1 dargestellten
Luftmengenmessers besteht darin, dass lokal der Strömungsquerschnitt
des Strömungsrohrs 112 von einem ursprünglichen
Querschnitt A1 durch ein Störelement 116 lokal
auf einen kleineren Querschnitt A2 verengt wird. Zu diesem Zweck
kann das Störelement 116 beispielsweise, wie in 1 dargestellt,
eine Ringblende umfassen, welche üblicherweise senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung 114 in das Strömungsrohr 112 eingebracht
wird.
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Die
Messung des Volumen- oder Massenstroms der Luft erfolgt dadurch,
dass vor und hinter dem Störelement 116 der Druck
p1 beziehungsweise p2 gemessen
und daraus der Differenzdruck bestimmt wird. Zu diesem Zweck ist
bei dem Luftmengenmesser 110 gemäß 1 ein
Differenzdruckmesser 118 vorgesehen, welcher einen ersten
Messpunkt 120 im unverengten Bereich und einen zweiten Messpunkt 122 im
verengten Bereich aufweist. Die Messpunkte 120, 122 sind
dabei als Öffnungen in der Wand des Strömungsrohrs 112 ausgebildet,
welche über Druckleitungen mit dem Differenzdruckmesser 118 verbunden
sind.
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Aus
der gemessenen Druckdifferenz Δp lässt sich analytisch
oder empirisch auf den Volumen- oder Massenstrom schließen,
beispielsweise nach folgender Gleichung:
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Dabei
bezeichnet Qv den Volumenstrom der Luft
beziehungsweise des fluiden Mediums, ρ die Dichte (welche
hier als konstant angenommen wird), und A1 beziehungsweise
A2 die in 1 dargestellten verengten
beziehungsweise nicht verengten Querschnitte.
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Zur
Umrechnung des Volumenstroms in einen Massenstrom oder umgekehrt
beziehungsweise zur Verbesserung der Genauigkeit der Ergebnisse kann
zusätzlich noch eine Messung eines Absolutdruckes oder
einer Temperatur erfolgen, woraus sich beispielsweise auf die Dichte
des fluiden Mediums schließen lässt.
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Die
in 1 dargestellte, bekannte Vorrichtung weist jedoch
insbesondere bei schnellen Luftstromänderungen oder bei
ungleichförmiger, zum Beispiel schwingender Zuströmung
teilweise erhebliche Dynamikfehler auf. Diese Dynamikfehler ergeben
sich insbesondere daraus, dass bei schnellen Luftstromänderungen
die Strömungsverhältnisse im Strömungsrohr 112 stark
von der Ortskoordinate innerhalb des Strömungsrohrs 112 abhängen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung beruht wesentlich auf der Erkenntnis, dass der oben beschriebene
Dynamikfehler minimiert werden kann, indem der räumliche
Abstand zwischen den Druckmessbohrungen beziehungsweise Messpunkten 120, 122 bezüglich
der Ausbreitungsrichtung von Druckwellen im Strömungsrohr 112 (das
heißt entlang der oben beschriebenen Ortskoordinate parallel
zur Hauptströmungsrichtung 114) minimiert wird
beziehungsweise vollständig auf Null abgesenkt wird. Dabei
wird davon ausgegangen, dass sich in Strömungsrohren 112 die
Druckwellen im Allgemeinen senkrecht zur Rohrachse erstrecken. Es
ist somit erforderlich, den räumlichen Abstand, projiziert
auf die Rohrlängsachse, zu minimieren.
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Dementsprechend
wird ein Durchflussmesser zur Messung eines Durchflusses eines mit
einer Hauptströmungsrichtung durch ein Strömungsrohr strömenden
fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher ein den Strömungsquerschnitt
des Strömungsrohres teilweise verengendes Störelement,
einen ersten Druckmesspunkt stromaufwärts des Störelements
und einen zweiten Druckmesspunkt stromabwärts des Störelements
aufweist. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Durchflussmessern sind jedoch bei dem vorgeschlagenen Durchflussmesser
die Druckmesspunkte mit im Wesentlichen gleichen Ortskoordinaten
entlang der Hauptströmungsrichtung im Strömungsrohr
angeordnet.
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Unter „im
Wesentlichen gleich" ist dabei zu verstehen, dass die Mittelpunkte
der Messpunkte (wobei es sich beispielsweise um Druckmessbohrungen
handeln kann) um vorzugsweise nicht mehr als 0 bis 5% des Durchmessers
des Strömungsrohres voneinander entfernt sind.
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Diese
besondere Anordnung der Messpunkte lässt sich auf verschiedene
Weise realisieren. Beispielsweise können die Störelemente
selber mehrteilig angeordnet sein, wobei die Teile jeweils zueinander
bezüglich der Ortskoordinate entlang der Hauptströmungsrichtung
versetzt angeordnet sind. In diesem Fall können auch ein
Messpunkt vor einem ersten Teil und ein Messpunkt hinter einem ersten
Teil durch den Versatz der Teile wiederum im Wesentlichen bei der
gleichen Ortskoordinate angeordnet sein.
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Anstelle
einer mehrteiligen Ausbildung des Störelements kann auch
das Störelement selber mehrere Abschnitte aufweisen. Dabei
können beispielsweise ein erster Abschnitt und ein zweiter
Abschnitt mit unterschiedlichen Ortskoordinaten entlang der Hauptströmungsrichtung
angeordnet sein, wobei die Druckmesspunkte dann vor beziehungsweise hinter
dem jeweiligen zugehörigen Abschnitt angeordnet sind und
wiederum im Wesentlichen bei der gleichen Ortskoordinate angeordnet
sind.
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Das
Störelement kann insbesondere eine Stauscheibe mit mehreren
derartigen Stauscheibenabschnitten und/oder eine Ringblende mit
mehreren derart gestalteten Ringblendenabschnitten aufweisen.
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Zur
Erzeugung dieser bei unterschiedlichen Ortskoordinaten angeordneten
Abschnitten des Störelements kann das Störelement
beispielsweise als Scheibe oder Blende ausgestaltet sein, welche
in einem von 90° verschiedenen Winkel zur Hauptströmungsrichtung
in das Strömungsrohr einbringbar ist. Alternativ oder zusätzlich
kann das Störelement, insbesondere die Stauscheibe und/oder
die Ringblende, auch zur Erzeugung der Abschnitte „geknickt"
sein, das heißt eine nicht-ebene Form aufweisen, so dass einer
der Abschnitte stromaufwärts des anderen Abschnitts angeordnet
ist.
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Der
Durchflussmesser kann als Ganzes oder auch teilweise als Einsteckelement
ausgebildet sein. Insbesondere kann das Störelement als
solches als Einsteckstörelement ausgestaltet sein und eingerichtet
sein, um in das Strömungsrohr eingesteckt zu werden.
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Das
Einsteckstörelement kann dann beispielsweise eine im Wesentlichen
rechteckige, sich quer zur Hauptströmungsrichtung erstreckende
Störfläche aufweisen. Zusätzlich können
in das Einsteckelement auch die Messpunkte und/oder weitere Bestandteile
der beziehungsweise des Druckmessers integriert sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist das Störelement ein Störblech auf. Beispielsweise
kann es sich dabei um ein metallisches Blech handeln oder um ein
(im Vergleich zu seiner lateralen Ausdehnung) dünnes Kunststoff- oder
Keramikteil. Auch andere Werkstoffe sind denkbar. Vorzugsweise weist
dieses Störblech dann eine anströmseitige erste
Druckmessnut und eine abströmseitige zweite Druckmessnut
auf, derart, dass bei in das Strömungsrohr eingebrachtem
Störblech die Druckmessnuten im Wesentlichen gleiche Ortskoordinaten
entlang der Hauptströmungsrichtung im Strömungsrohr
aufweisen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass beispielsweise
die Druckmessnuten in ihrem Querschnitt kreisförmig ausgebildet
sind, wobei die Durchmesser dieser kreisförmigen Druckmessnuten
auf gleicher Ortskoordinate entlang der Hauptströmungsrichtung
angeordnet sind. Unter einer „Nut" kann dabei jedoch eine
beliebige Vertiefung im Störblech verstanden werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Durchflussmessers
lässt sich auf einfache und effektive Weise der Dynamikfehler,
welcher bei schnellen Luftstromänderungen auftreten kann,
reduzieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Minimierung
des Abstandes der Messpunkte in Richtung der Hauptströmungsrichtung
die Gesamtlänge des Durchflussmessers erheblich reduziert
werden kann. Auf diese Weise lassen sich kompaktere Durchflussmesser
konstruieren, welche beispielsweise auch vollständig als
Steckfühler ausgebildet sein können.
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Neben
den oben beschriebenen Komponenten kann der Durchflussmesser auch
weitere Komponenten aufweisen, beispielsweise weitere Druckmesser,
beispielsweise zur Bestimmung eines Absolutdrucks. Die Druckmesser
können als ein kombinierter Druckmesser, beispielsweise
ein Differenzdruckmesser, mit mindestens zwei Messpunkten, ausgestaltet sein.
Daneben können auch Temperaturmesser vorgesehen sein, beispielsweise
um Korrekturen an der Dichte des fluiden Mediums vorzunehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
dem Stand der Technik entsprechender Durchflussmesser in Querschnittsdarstellung
von der Seite;
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2A bis 2B ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Durchflussmessers in verschiedenen Schnittdarstellungen; und
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3A und 3B ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Durchflussmessers in verschiedenen Schnittdarstellungen.
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Ausführungsformen
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In
den 2A bis 2C ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen,
als Luftmengenmesser 110 ausgestalteten Durchflussmessers
dargestellt, bei welchem das Störelement 116 als
Ringblende ausgestaltet ist. Dabei zeigt 2A einen
Querschnitt durch das Strömungsrohr 112 mit Blickrichtung
in Richtung der Hauptströmungsrichtung 114, 2B eine
Schnittdarstellung von der Seite entlang der Schnittlinie A-A in 2A und 2C eine
Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 2A.
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Dabei
ist durch den Vergleich der Figuren zu erkennen, dass die Ringblende 116 im
Bereich der Druckmesspunkte 120, 122 einen nicht-ebenen
Verlauf aufweist und hier zwei Ringblendenabschnitte 124, 126 aufweist:
einen ersten Ringblendenabschnitt 124, welcher stromaufwärts
des zweiten Messpunkts 122 angeordnet ist, und einen zweiten
Ringblendenabschnitt 126, welcher stromaufwärts
des ersten Messpunkts 120 angeordnet ist.
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Somit
ist jeweils der zweite Ringblendenabschnitt 126 dem ersten
Messpunkt 120 zugeordnet, und der erste Ringblendenabschnitt 124 dem
zweiten Messpunkt 122, wobei der erste Ringblendenabschnitt 124 stromaufwärts
zum zweiten Ringblendenabschnitt 126 angeordnet ist. Die
Ringblende 116 verläuft also im Bereich der Messpunkte 120 in
einer „S"-Form um die Messpunkte 122 beziehungsweise die
Druckmessbohrungen herum.
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Dabei
sind die Druckmessbohrungen 120, 122 auf gleicher
Höhe entlang der Achse des Strömungsrohrs 112 angeordnet.
Nicht dargestellt sind entsprechende Druckmesser, welche mit den
Messpunkten 120, 122 verbunden sind, wobei es
sich bei diesen Druckmessern vorzugsweise wiederum, analog zu 1,
um einen Differenzdruckmesser 118 handeln kann.
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Der
Luftmengenmesser 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in den 2A bis 2C lässt sich
einfach implementieren und lässt sich beispielsweise als
Segment des Strömungsrohrs 112 ausgestalten, welches
beispielsweise mit entsprechenden Anschlüssen (zum Beispiel
Flanschen) versehen ist und so in ein Ansaugsystem eines Kraftfahrzeugs
implementiert werden kann. Die Dicke dieses Rohrsegments entlang
der Hauptströmungsrichtung 114 wird dabei im Wesentlichen
durch den Durchmesser der Messpunkte 120, 122,
durch die Dicke der Ringblende 116 und durch die Flansche
bestimmt, so dass insgesamt eine äußerst kompakte
Bauweise möglich ist.
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In
den 3A und 3B ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Luftmengenmessers 110 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Luftmengenmesser 110 als Steckfühler 128 ausgebildet
und weist als Störelement 116 eine Einsteck-Störfläche 130 auf,
welche die Oberfläche eines Störblechs 132 des
Steckfühlers 128 bildet.
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3A zeigt
einen Querschnitt durch das Strömungsrohr 112 in
Blickrichtung entgegen der Hauptströmungsrichtung 114,
wohingegen 3B eine Schnittdarstellung entlang
der Schnittlinie A-A in 3A zeigt.
Dabei ist erkennbar, dass das Störblech 132 eine
im Wesentlichen rechteckige Einsteck-Störfläche 130 aufweist
und im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 114 orientiert ist.
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In
das Störblech 132 sind, in diesem Fall symmetrisch
zueinander, zwei Druckmessnuten 134, 136 eingelassen.
Diese Nuten sind näherungsweise kreisbogenförmig
ausgestaltet, wobei jedoch auch andere Querschnitte der Nuten 134, 136 denkbar sind.
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Dabei
sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Druckmessnuten 134, 136 Druckmessröhrchen 138 eingelegt,
deren Ende ungefähr in der Mitte des Strömungsrohrs 112 angeordnet
ist, also näherungsweise auf der Linie A-A in 3A.
Die Enden dieser Druckmessröhrchen 138 bilden
somit die Messpunkte 120 beziehungsweise 122 (vergleiche 3A).
Durch den ebenfalls wiederum „S"-förmigen Verlauf
des Störblechs 132, wie er in 3B erkennbar
ist, ist wiederum gewährleistet, dass diese Messpunkte 120, 122 auf
gleicher Höhe, das heißt bei näherungsweise
der gleichen Ortskoordinate entlang der Hauptströmungsrichtung 114 liegen.
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Somit
bildet die Wand des Störblechs 132 im Bereich
der Nuten 134, 136 wiederum einen ersten Abschnitt 140 und
einen zweiten Abschnitt 142, wobei der erste Abschnitt 140 stromaufwärts
des zweiten Abschnitts 142 angeordnet ist und wobei der
erste Abschnitt 140 dem zweiten Messpunkt 122,
und der zweite Abschnitt 142 dem ersten Messpunkt 120 zugeordnet
ist. Insofern besteht von der Funktionsweise her eine Analogie zum
Ausführungsbeispiel gemäß den 2A bis 2C.
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Wiederum
lässt sich der Luftmengenmesser 110 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in den 3A und 3B äußerst
kompakt konstruieren, so dass ein vergleichsweise geringer Bauraum
im Ansaugtrakt erforderlich ist. Durch die Ausgestaltung als Steckfühler 128 ist
zudem gewährleistet, dass äußerst geringe
Modifikationen im Ansaugtrakt erforderlich sind, wobei in der Regel
lediglich eine entsprechende Bohrung im Strömungsrohr 112 ausreicht,
um den Steckfühler 128 zu integrieren.
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Wiederum
nicht dargestellt in den 3A und 3B sind
Druckmesser, welche vorzugsweise wiederum als ein einzelner Differenzdruckmesser 118 ausgebildet
sein können, sowie weitere Elemente, welche ebenfalls in
dem Steckfühler 128 integriert sein können.
So kann beispielsweise ein weiterer Absolutdruck-Messer in dem Steckfühler 128 integriert sein,
sowie beispielsweise ein Temperaturfühler.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2001, Seiten 96–99 [0003]
