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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren und einen entsprechenden
Massensensor.
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Die
vorliegende Erfindung ist generell in Bezug auf fluide Stoffe anwendbar,
wird jedoch aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung nachfolgend
nur im Hinblick auf Luftmassenmessungen im Kraftfahrzeugbereich
betrachtet werden, ohne dass die Erfindung auf diesen speziellen
Bereich beschränkt ist. In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen
ein Luft-Treibstoffgemisch unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht.
Die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine hängt vom
Verhältnis von Treibstoffmasse zu Luftmasse ab. Die Messung
einer jeweiligen Luftmasse wird mit einem Luftmassensensor durchgeführt,
der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine sitzt. Aufgrund
der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Kraftfahrzeugbereiches
wird nachfolgend ohne Beschränkung der Verwendung erfindungsgemäßer und
allgemein einsetzbarer Strömungssensoren nur auf die Anwendung
zur Bestimmung einer angesaugten oder in sonstiger Weise einer Verbrennungskraftmaschine
zugeführten Luftmasse eingegangen.
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Zahlreiche
moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader
ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt.
Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen
der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine
zuzuführenden Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der
Motorleistung durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes
pro Arbeitstakt durchgeführt, so wird heute die Aufladung
von Otto-Verbrennungskraftmotoren nicht mehr primär unter
dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung
von Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in
bekannter Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des
Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit
daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so
dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern
als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5
bar oder gar 2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem
Schadstoffausstoß arbeitet. Hierzu ist selbstverständlich
einer jeweiligen Treibstoffmasse eine Luftmasse in einem vorgegebenen
Verhältnis zuzugeben, so dass einem Luftmassensensor eine
wesentliche Bedeutung bei der Wirtschaftlichkeit und Schadstoffreduktion
einer Verbrennungskraftmaschine zukommt.
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Da
es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in jedem Betriebszustand
einer Verbrennungskraftmaschine auf die Massenverhältnisse
von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massendurchfluss der Ansaug-/Ladeluft
auch fortlaufend möglichst genau zu messen. Der maximal
zu messende Luftmassenstrom liegt je nach Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine
im Bereich von 400 bis ca. 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner
Verbrennungskraftmaschinen beträgt das Verhältnis
eines minimalen zu einem maximalen Luftdurchsatz zwischen 1:90 bis
etwa 1:100.
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Ein
Luftmassensensor kann als Massenstromsensor nach einem thermischen
Prinzip arbeiten, wobei eine Abgabe von Wärmeleistung eines durch
den Fluss elektrischen Stroms erhitzten Sensormessdrahtes im Vergleich
zu einem thermisch isolierten baugleichen Sensordraht über
eine Widerstandbrückenschaltung als Maß für
eine jeweilige Durchflussmenge ausgewertet wird. Aus der
DE 44 07 209 ist ein Luftmassenmesser
bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung einer Luftmasse eingesteckt
wird, wobei ein definierter Anteil der Gesamtströmung den
Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Einsteckkanal-Luftmassenmessvorrichtung
ausgebildet und umfasst einen in einem Messkanal angeordneten Sensor,
eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik für
diesen Sensor sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements.
Für eine platzsparende An ordnung in einem Ansaugrohr werden
die genannten Kanäle bzw. Luftführungswege U-,
S- oder C-förmig ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakt
als Einsteckelement bauende Vorrichtung gebildet wird. Eine gemäß der Lehre
der
WO 03/089884
A1 ausgebildete Luftmassenmessvorrichtung unter Verwendung
eines als Heißfilmanemometer ausgebildeten Sensors unter Nutzung
einer Temperaturdifferenzmessung hat sich prinzipiell bewährt.
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Ein
alternativer Ansatz, der gegenüber der elektrothermischen
Messung deutlich an elektrischer Energie einspart, ist allgemein
in dem Aufsatz
"Durchflussmesstechnik – Eine Übersicht",
in der Fachzeitschrift "Technisches Messen tm", 1979, Heft 4, Seiten
145–149, beschrieben worden. Dazu ist es bekannt,
eine Durchflussmessung auf Basis des sog. Verwehungsprinzips unter
Verwendung eines sendenden und eines empfangenden Ultraschallmesskopfs
aufzubauen. Die beiden Ultraschallmessköpfe dienen dabei
einer als Sender und einer als Empfänger und benötigen
vor einer Signalauswertung eine entsprechende Sende-/Empfangseinrichtung.
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Ferner
ist aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch/Bosch, 23.,
aktualisierte und erweitere Auflage, Verlag Vieweg, 1999,
ISBN 3-528-03876-4, Seite 115, ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung
bekannt, nach dem sich eine Laufzeit t eines Schallimpulses durch
ein Messmedium, wie zum Beispiel Luft, unter dem Schrägungswinkel α mit
derselben Messstrecke 1 einmal gegen eine Luftströmung
und einmal in Luftströmungsrichtung messen lässt.
Eine resultierende Laufzeitdifferenz des Schallimpulses ist dem
Volumendurchfluss direkt proportional.
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Um
die Luftströmung möglichst wenig zu beeinflussen
und auch den Bauraum gegenüber anderen bekannten Anordnungen
zu minimieren, werden die Ultraschallwandler in bekannten Anordnungen koaxial
und schräg gegenüberliegend angeordnet, wie z.
B. in der
DE 33 31
519 C2 offenbart. Dies führt jedoch bei stei gendem
Anstellwinkel der Wandler zur Horizontalen zu einer Verringerung
des Messeffekts. Daraus ergibt sich ein Kompromiss aus einer vom Winkel
der Wandler zur Horizontalen abhängigen Einbaulänge
und dem Messeffekt der Anordnung. Die schräg gegenüberliegende
Anordnung der Wandler bietet den Vorteil der Mittelung der Verwehung über
eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des gesamten Rohrquerschnitts.
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Nach
dem Stand der Technik wird die Durchflussmessung mittels Ultraschallwandlern
realisiert, indem zwei koaxial ausgerichtete Wandler an den Rohrwänden
schräg gegenüber angeordnet werden. Da der eine
Wandler auf der einen Seite, und der andere Wandler auf der gegenüberliegenden
Seite des Rohres angebracht ist, sind unterschiedlich lange Kabel
von der Elektronik zu den Wandlern nötig. Die dabei auftretenden
Kabellängen zwischen der Ansteuerelektronik und den jeweiligen
Ultraschallwandlern führt zu zusätzlichen Laufzeitunterschieden
der Empfangssignale. Außerdem besteht in diesen Kabeln
die Gefahr von elektrischen bzw. elektromagnetischen Einstreuungen,
welche das Messergebnis zusätzlich verfälschen.
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Rein
auf einer Signaldrift aufbauend, die durch die Verwehung des Schalls
durch die Fluidströmung auftritt, sind beispielsweise in
der
DE 103 44 895
A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung
mittels Ultraschall offenbart worden. Hierbei werden Schallimpulse
von einem Ultraschallsender zu einem Ultraschallempfänger übertragen,
die gemeinsam als Wandlerarray ausgebildet und parallel ausgerichtet
in einer Rohrwandung angeordnet sind. Die Schallwellen durchlaufen
den gesamten Rohrquerschnitt bei Reflexion an der gegenüberliegenden
Rohrwandung zweimal. Die von einem Senderteil des Wandlerarrays
ausgesandte Schallkeule ist zudem so gebündelt, dass sie auf
dem Empfängerbereich des Arrays im Wesentlichen in einem
Punkt fokussiert wird. In Abhängigkeit von einer jeweiligen
typischen mittleren Strömungsgeschwindigkeit ab ca. 0,5
m/s bis etwa 50 m/s treten unterschiedlich weite Verwehungen auf,
die durch eine Auftei lung des Empfängerbereichs in einzelne kleine
Empfangszellen des Arrays detektiert werden.
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Bei
Messgeräten im Allgemeinen und den im vorliegenden Fall
betrachteten Durchflussmessgeräten im Speziellen werden
häufig Periodendauer- und/oder Frequenzausgänge
gewählt, um Messergebnisse an eine nachfolgende oder übergeordnete Auswerteschaltung
zu übertragen. So ist man zur Übertragung von
Messergebnissen nicht auf eine hochgenaue Referenzspannung angewiesen,
oder erhält durch Übergangswiderstände
von Leitungen verfälschte Ergebnisse. Bei bidirektionalen
Durchflussmessgeräten ist es jedoch notwendig, zusätzlich zu
einer jeweiligen Flussgröße auch die aktuelle Flussrichtung
zu übermitteln.
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Aufgrund
von erwünschten und auch gezielt hervorgerufenen Pulsationen
im Ansaugtrakt kommt es auch bei modernen Verbrennungskraftmotoren mindestens
zeitweise zu einer Umkehrung der Flussrichtung in der Frischluftzuführung,
die ohne Bestimmung einer Flussrichtung durch eine rein betragsmäßige
Weiterverarbeitung in einer Motorsteuerung zu fehlerhaften Gemischeinstellungen
führen könnte. Eine grundsätzliche Unterscheidung
der beiden prinzipiell in einem Ansaugtrakt auftretenden Flussrichtungen
ist bei ultraschall-basierten Flusssensoren schon heute aufgrund
des prinzipiellen, direkten Einflusses auf eine Laufzeitänderung
je Laufrichtung ohne weiteres möglich. Eine Ausrüstung
bekannter Anemometer bzw. Heißfilmsensoren, wie z. B. in
der
WO 03/089884
A1 offenbart, mit mehr als einem Sensorelement würde
auch hier bei entsprechender Signalverarbeitung einer derartige
Richtungsunterscheidung ermöglichen. Eine sehr einfache
und dem Fachmann eventuell sogar naheliegende Lösung zur zusätzlichen
Codierung einer Richtungsinformation können darin bestehen,
die Periodendauer des Messwertes "Null" auf die Hälfte
einer maximalen Periodendauer zu legen. Ein Wertebereich für
die Messergebnisse beider Flussrichtungen wäre dann gleich
groß und würde symmetrisch zu einem Nullwert liegen.
Dadurch ver liert man allerdings die Hälfte der maximal
verfügbaren Auflösung.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie
zuverlässig arbeitendes Messverfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zur bidirektionalen Durchflussmessung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Eine
Basis der vorliegenden Erfindung bildet die Erkenntnis, dass bekannte
Lösungen auf Periodendauer-Signalen aufbauen, deren Zuverlässigkeit i.
d. R. als ausreichend betrachtet wird. Ein erfindungsgemäßes
Verfahren zur Messung bidirektionaler Durchflussmassen baut darauf
auf, dass bei Periodendauersignalen zusätzlich zu einer
Periodendauer auch das Verhältnis zwischen high- und low-time bzw.
duty cycle zur Codierung einer aktuellen Flussrichtung zur Verfügung
steht. Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe sind in einem
erfindungsgemäß aufgebauten Luftmassensensor Mittel
zur Umkehr bzw. Umschaltung von high- und low-time möglich,
ohne die Periodendauer eines zur Übermittlung eines Messergebnisses
verwendeten Periodendauersignals zu verändern. Bei dieser
Codierung der Flussgröße als Messergebnis steht
somit zusätzlich zur Information der Flussrichtung der
volle Auflösungsbereich zur Verfügung.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung
von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen
der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter
Darstellung:
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1:
einen Schnitt in axialer Richtung durch ein Ansaugrohr mit zwei
zueinander geneigt in einer Ebene angeordneten und über
einen Schallausbreitungsweg miteinander verbundenen Ultraschallwandlern;
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2:
zwei Diagramme zur exemplarischen Darstellung einer Codierung einer
Flussrichtungsänderung durch Vorzeichenänderung
bei Umkehr von high- und low-time zur Kennzeichnung entgegengesetzter
Flussrichtungen.
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Über
die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich
gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions-
bzw. Baugruppen verwendet.
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Die
Erfindung wird ohne Beschränkung eines Einsatzes auch im
Zusammenhang mit Anemometern und insbesondere mit Heißfilmanemometern nachfolgend
nur unter Verwendung von ultraschallbasierten Flusssensoren zur
Luftmassenmessung in einem Kraftfahrzeug dargestellt, da ultraschallbasierte
Flusssensoren bereits in bekannten Bauformen eine Unterscheidung
der beiden Flussrichtungen prinzipiell zulassen. Die Abbildung von 1 zeigt
einen vereinfachten Längsschnitt durch eine Vorrichtung 1 mit
einem Ansaugrohr 2, in dem zwei Ultraschallwandler 3, 4 unter
einem Winkel α zu einer Rohrmittelachse M einander koaxial
gegenüberliegend und gegeneinander gerichtet angeordnet
vorgesehen sind. Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind
mit einer Elektronik 5 verbunden.
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Die
Strömung durch ein Rohr weist insbesondere bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumenströmen über
einen Rohrquerschnitt gesehen i. d. R. keinen konstanten Wert auf.
Das ist vorstehend durch die Angabe der Geschwindigkeit v(y, z)
mit den Abhängigkeiten von den zueinander orthogonalen
Koordinaten y, z angedeutet. Aus der Bahn des Ultraschalls ergibt
sich eine Messung eines Mittelwerts der ortsabhängigen
Geschwindigkeit v(y, z) der im Wesentlichen in x-Richtung entlang
einer Mittelachse M des Ansaugrohrs 2 gerichteten Strömung.
Um diesen Effekt zu verstärken sind die beiden Ultraschallwandler 3, 4 hinsichtlich
ihrer mit gepunkteter Line eingezeichneten Sende-/Empfangsachsen 6 zueinander
in einem Winkel α schräg zu der Rohrmittenachse
M so angeord net, dass die von einem zu einem folgenden Zeitabschnitt als
Sender fungierenden Ultraschallwandler 3, 4 ausgesendeten
Ultraschallwellen 7 aus dem Bereich einer jeweiligen Halterung 8 heraus
in einen jeweils als Empfänger fungierenden Ultraschallwandler 3, 4 übertragen
werden. Die Laufstrecke des Schalls liegt dabei überwiegend
in unmittelbarem Kontakt mit der Strömung. Die den Schall
weitgehenden abschattenden Halterungen 8 sind fluid- und
gasdicht an dem Ansaugrohr 2 angeordnet.
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Die
Ultraschallwandler 3, 4 sind mit der Elektronik 5 zur
Ansteuerung und Signalauswertung verbunden. Durch diese Elektronik
werden die Ultraschallwandler 3, 4 in angedeuteter
Weise abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben. Es
bildet sich damit immer ein Paar aus einem Sender und einem Empfänger
bei jeweils umgekehrtem Lauf des Schallsignals, wie anhand der beiden
Pfeile in 1 angedeutet. Die Ergebnisse
einer in der Elektronik 5 auf Basis der Ausgangssignale
der Ultraschallwandler 3, 4 vorgenommen Auswertung
werden über eine nicht weiter dargestellte Stecker-Schnittstelle
an ein nachfolgendes Motormanagement weitergeleitet.
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Auf
diese an sich bekannte Vorrichtung baut die vorliegende Erfindung
auf, da in Frischluft- bzw. Ansaugsystemen moderner Verbrennungskraftmotoren
beispielsweise durch erwünschte und gezielt hervorgerufene
Pulsationen neben einer Strömung mit der Geschwindigkeit
v(y, z) zeitweise auch eine entgegengesetzt gerichtete Strömung
mit einer Geschwindigkeit vr(y, z) auftritt.
Eine nur betragsmäßige Messung der Geschwindigkeit
einer durch das Ansaugrohr 2 hindurchtretenden Strömung
würde also mindestens in Intervallen mit teilweise oder
vollständig entgegengesetzt gerichteter Strömung
eine Frischluftfüllung in einem Zylinder annehmen lassen, die
prinzipiell fehlerhaft wäre. Bei entgegengesetzt gerichteter
Strömung wird ein Zylinder von einem Abgastrakt her mindestens
teilweise mit Inertgas gefüllt, was bei einer Gemischaufbereitung
und Steue rung einer Gemischzusammensetzung durch eine Motorsteuerung
genau zu berücksichtigen ist.
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Dementsprechend
wird die vorliegende, anhand der Prinzipskizze von 1 beschriebene
Vorrichtung nach dem Stand der Technik dadurch zu einer bidirektionalen
Messvorrichtung ausgebaut, dass in der Elektronik 5 ein
zusätzliches Umschaltmittel 9 vorgesehen wird.
Die Funktion des Umschaltmittels 9 besteht darin, eine
Umkehr bzw. eine Umschaltung von high- und low-time zu ermöglichen,
ohne die Periodendauer selber zu verändern.
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Der
vorstehend beschriebene Aufbau ist einschließlich der Elektronik 5 mit
Umschaltmittel 9 in Form eines kompakten Moduls 10 aufgebaut,
wie in 1 anhand der gestrichelten Linien und der unterschiedlichen
Schraffuren angedeutet. Dabei werden die elektrischen Versorgungs-
und Signalleitungen in der Wandung eines Kunststoff-Spritzgussteils
integriert, so dass die Elektronik 5 mit dem Umschaltmittel 9 unter
Minimierung und Ausgleich von Leitungslängen in dem Modul 10 abdichtend
umschlossen angeordnet ist, insbesondere in einem Fußteil
oder Wandungsbereich bzw. Bereich der Rohrwandung des Moduls 10.
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Die
Abbildung von 2 zeigt in Form zweier Diagramme
an einem exemplarischen Fall eine Codierung einer Flussrichtungsänderung
durch Vorzeichenänderung bei Umkehr von high- und low-time bei
gleichen Betrag des Durchflusses. Bei im Wesentlichen gleichem gemessenem
Betrag des Durchflusses ist nur die Flussrichtung zwischen beiden
Diagrammen verschieden.
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Im
Ergebnis sind die vorstehend beschriebenen Anordnungen sehr kompakt.
Sie können vollständig als Einsteckfinger ausgeführt
und schnell über eine vergleichsweise kleine Öffnung
in einem Ansaugrohr 2 abdichtend angeordnet werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Rohr/Ansaugrohr
- 3
- Ultraschallwandler
- 4
- Ultraschallwandler
- 5
- Elektronik
- 6
- Sende-/Empfangsachse
- 7
- Ultraschallwelle
- 8
- Halterung
- 9
- Umschaltmittel
- 10
- Modul
- α
- Neigungswinkel
der Sendeachsen gegenüber der Mittelachse M des Ansaugrohrs 2
- M
- Rohrmittenachse
- v
- Strömungsgeschwindigkeit
- Vr
- Strömungsgeschwindigkeit
in entgegengesetzter Richtung
- x
- x-Koordinate
Rechtshandsystem, parallel zu M laufend
- y
- y-Koordinate,
in der Ebene des Rohrquerschnitts
- z
- z-Koordinate,
in der Ebene des Rohrquerschnitts
- T
- Eintauchtiefe
einer fingerförmigen Anordnung in 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4407209 [0005]
- - WO 03/089884 A1 [0005, 0012]
- - DE 3331519 C2 [0008]
- - DE 10344895 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "Durchflussmesstechnik – Eine Übersicht",
in der Fachzeitschrift "Technisches Messen tm", 1979, Heft 4, Seiten
145–149 [0006]
- - Kraftfahrtechnischen Taschenbuch/Bosch, 23. [0007]
- - Verlag Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 115 [0007]