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Ing. grad Horst Hölzl
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7140 Ludwigsburg-Oßweil Aalener Straße 11 Ing. grad Max Roßkopf 7141
Möglingen Hohenstaufenstraße 25 Ing. grad Ulrich Stabernack 7121 Walhein; Am Schalkstein
23 DURCHFLUßMENGENMEBGRÄT, INSBESONDERE ZUR KRAFTSTOFFVERBRAUCHS-MESSUNG VON FAERZEUGEIQ
Die Erfindung betrifft ein Durchflußmengenmeßgerät für flüssige sowie gasförmige
Medien, insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsmessung von Fahrzeugen, bei dem ein
von dem strömenden Medium beaufschlagter Körper in einer Kammer bewegbar angeordnet
ist und dessen Lage zur Bestimmung der Durchflußmenge elektrisch abtastbar ist.
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Geräte zur Messung der Durchflußmenge sindgrundsätzlich bekannt. Bei
Inkaufnahme eines vergleichsweise hohen Aufwandes sind Meßgeräte großer Genauigkeit
auch für vergleichsweise geringe Durchflußmengen erhältlich. Aufgrund ihrer hohen
Gestehungskosten scheiden derartige Durchflußmengenmeßgeräte für einen
Einsatz
als Kraftstoffverbrauchsmesser in Kraftfahrzeugen jedoch praktisch aus. Bekannte
Kraftstoffverbrauchsmesser für Kraftfahrzeuge arbeiten aber andererseits als Folge
einer gezielt preisgünstigen Herstellung zu ungenau, um befriedigende Meßergebnisse
zu erzielen.
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Aus der DT-PS 824 111 ist ein Kraftstoffverbrauchsmesser für Motorfahrzeuge
bekannt. Dort wird als eigentliches Meßorgan ein Kraftstoffdurchlaufzähler verwendet,
der bekanntermaßen für eine niedrige Durchflußmenge von z.B. 3 - 25 Liter/Stunde
zu ungenau arbeitet.
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In der DT-AS 2 236 598 ist ein Schwebekörper-Durehflußmesser erläutert.
Dieser besteht im wesentlichen aus einer von dem zu erfassenden Medium durchströmten
Kaipjner, in der ein Schwimmer angeordnet ist. Entsprechend der Strömung des Mediums
verstellt sich der Schwimmer; seine Lage wird als Maß für den augenblicklichen Kraftstoffverbrauch
bezeichnet. Die Lage wird mittels eines im Schwimmer angeordneten Magneten und einer
außerhalb der Meßkammer angeordneten Zeigereinrichtung mit einer nachgeschalteten
Induktionsspule bestimmt. In einer weiterhin erforderlichen elektrisch Signalwandleranlage
muß das erhaltene Signal in eine funktionale Abhängigkeit vom Durchfluß durch die
Meßkammer gebracht werden.
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Dieser bekannte Durchflußmengenmesser dürfte prinzipbedingt bei einem
ständigen Stoßen, Beschleunigungen und Verzögerungen sowie Neigungsänderungen ausgesetzten
Kraftfahrzeug nicht eingesetzt
werden können. Die erwähnten Einflüsse
wirken sich auch auf den Schwebekörper aus, so daß das gewünschte Meßergebnis hierdurch
ganz erheblich verfälscht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Durchflußrnengenmeßgerät
der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei Durchflußmengen von etwa 3 - 25
Liter/Stunde gesteigerte Genauigkeit aufweist und darüberhinaus gegenüber bekannten
Geräten dieser Art preisgünstig herstellbar ist. Diese beiden Teilaspekte sind insbesondere
im Hinblick auf die beabsichtigte Verwendung des zu schaffenden Durchflußmengenmessers
als Kraftstoffverbrauchsmesser von Bedeutung.
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Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Körper
im wesentlichen formschlüssig in der Kammer vorgesehen und im Bereich einer rechteckigen,
in einer Wandung der Kammer vorgesehenen Blende eine Schließkante für diese Blende
aufweist, daß eine der Symmetrieachsen der Blende parallel zur Bewegungsrichtung
des Körpers angeordnet ist und daß der Druck des Mediums stromabwärts von der Blende
auf die der Kainrr gegenüberliegenden Seite des Körpers leitbar ist, der entgeyen
dem anströmenden Medium mit einer Federkraft beaufschlayt ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchflußmessung basiert auf
der physikalischen Grundformel
g = Erdbeschleunigung ##= Druckabfall an der Blende ##= spez. Gewicht
der Flüssigkeit # = Einschnürungsziffer abhängig von der Reynoldschen Zahl # = Geschwindigkeitsziffer
Bei dem vorliegenden Bedarfsfall kann :)Q t als konstant angenommen werden. Faßt
man alle konstanten bzw. quasi konstanten Größen in obiger Gleichung 1 zusammen,
so ergibt sich
Sorgt man dafür, siehe unten, daß auch A i Bereich der Blende konstant bleibt, so
ergibt sich Q = d.h., F ist ein Maß für den Durchfluß. Für einen Rechteckschlitz,
die erfindungsgemäße Blende, ailt (siehe Fig. 1 a der Zeichnung) F = b h.
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Damit ist h linear abhängig von Q, da b über den Hub H, dies ist der
Betriebsbereich der Schließkante des Kolben, konstant ist.
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Gemäß Fig. 1 der Zeichnung ist die Durchflußrichtung des strömenden
euiu..is durch das schematisch dargestellte Meßgerät mit9 bezeichnet.
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Vor einer Blende 12 herrscht der Systemdruck, der auf einen Kolben
2 wirkt. Die Flüssigkeit tritt nach der Blende 12 in Pfeilrichtung 13 aus. An dieser
Stelle stellt sich ein Druck p2 ein. Dieser Druck p2 wira auf eine obere Kolbenfläche
4 geleitet. Auf den kolben 2 wirkt die Kraft pl von unten und die Kraft p2 plus
Kolbengewicht plus Federkraft PF von oben (bei horizontalem Einbau entfällt das
Sxolbengewicht).
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Somit ergibt sich p1 . F - p2 . F - PF = O; F = Fläche des Kolbens
oder (pl - p2) = PF F oder P =PF/F d.h., hp ist definiert durch die Federkraft.
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Durch die Wahl einer niedrigen Federsteifigkeit im Betriebsbereich
ist die Federkraft im Betriebsbereich mit ausreichender Genauigkeit konstant. Auf
der Basis der Gleichgewichtsbedingungen am Kolben hält das erfindungsgemäße Meßgerät
den Druckabfall # p bei unterschiedlichen Durchflußmengen konstant.
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ine Veränderung der Durchflußmenge hat somit eine Veränderung
des
Blendenquerschnitts und damit eine Lageanderung des Kolbens zur Folge. Damit sind
alle Bedingungen erfüllt, um über die Höhe h einer rechteckigen Blende, deren eine
Symmetrieachse in Richtung der Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft, den Durchfluß
durch das erfindungsgemäße Meßgerät zu messen.
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Die Vorteile dieses erfindungsemsßen Durchflußmessers sind vor allem:
minimaler Druckabfall, Ap konstant, unabhängig von Durchflußänderungen, geeignet
für kleinste Durchflußmengen, weiter meßbereich auch nach größeren Durchflußmengen
hin, unempfindlich gegen Verschmutzung und relativ sehr einfacher Aufbau. Aussenden
ist von besonderem Vorteil, daß das erfindungsgemäße Meßgerät in Kraftstoffleitungen
von Kraftfahrzeugen eingebaut werden kann. Auch mit dem dort zur Verfügung stehenden
Systemdruck von kleiner als o,5 bar ist das Meßgerät voll betriebsfäh-ig. Der durch
das Meßgerät selbst erzeugte Druckabfall ist sehr yering und macht sich beim Betrieb
des Fahrzeugs nicht nachteilig bemerkbar.
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Im Sinne der angestrebten Vereinfachung der konstruktiven Ausbildung
des erfindungsgemäßen Meßgeräts liegt es, daß der Körper ein in einer zylindrischen
Kammer vorgesehener zylindrischer Kolben ist. Eine solche rotationssymmetrische
Ausbildung läßt sich vergleichsweise einfach herstellen.
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Der Genauigkeit des Meßergebnisses der erfindungsgemäßen Einrichtung
dient es, wenn nach einem anderen Merkmal der Erfindung
das Kolbengewicht
sowie die Steifigkeit der die Federkraft erzeugenden Feder im Betriebsbereich des
erfindungsgemäßenMeßgerätes vergleichsweise gering sind.
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In Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführungsform des erfindungsgeraGßen
Meßgerätes kann es ebenfalls empfehlenswert sein, in der Nanuner in beiden Bewegungsrichtungen
des Kolbens dessen Bewegung begrenzende Anschläge vorzusehen.
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Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn die Blende für überdurchschnittlichen
Durchfluß eine Fcrtsetzung größerer Öffnung aufeist, Diese Ausbildung ist besonders
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Kraftstoffverbrauchsmesser
in Fahrzeugen aus Sicherheitsgründen von Bedeutung. Z.B. im Falle eines erforderlich
werdenden Beschleunigens des Fahrzeuges steht somit genügend Strömungsquerschnitt
für den notwendig werdenden überproportionalen Kraftstoffzufluß zur Verfügung; in
derartigen Situationen ist ein genaues Meßergebnis von untergeordneter Bedeutung.
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In weiterer Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Kolben mit mindestens einem Magneten versehen ist, dessen Lage mittels mindestens
einer Feldplatte abtastbar ist.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht eine vergleichsweise
einfache Umsetzung der in Abhängigkeit von der Strömung des zu messenden Mediums
durch die Blende in seiner Höhe bzw. Lage verstellbaren Kolbens in analoge elektrische
Signale. Diese Signale
sind dann direkt ein Maß für die Menge des
durch die Blende strömenden Mediums bzw. bei Einsatz des erfindungsgemäßen Gerätes
als Kraftstoffverbrauchsmesser des jeweiligen KraftstoffverbrauclleE Es liegt weiterhin
im Rahmen der Erfindung, die so gewonnenen elektrischen Signale der Feldplatte mit
elektrischen Signalen für eine zurückgelegte Wegstrecke und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit
zu verarbeiten. Hierbei kann vor allein mit den elektrischen Signale der Feldplatte
und den der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen elektrischen Signalen eine uotientenbildung
erfolgen und zwar derart, daß bei Anzeige des gebildeten Quotienten, z.B. in einem
Drehspuleninstrument, der quotient raftstoffverbrauc pro loo km anzeigbar ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale wand Vorteile der Erfindung, ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie
anhand der schematischen Zeichnung. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein Prinzipbild des erfindungsgemäßen
Durchflußmengenmeßgerätes; der Fig. 1a ein Prinzipbild gemäß Fig. 1 zur Anwendunggelangenden
Blende; Fig. 2 das erfindungsgemäße Gerät im Schnitt in Längsrichtung des Kolbens;
Fig. 2a zeigt einen Ausschnitt in Pfeilrichtung A von Fig. 2 Fig. 3 einen Schnitt
des Gegenstandes der Fig. 2 nach Linie 3-3; Fig. 4 einen Geschwindigkeitsmesser
im Längsschnitt und Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Verarbeitung der mit dem erfindungsgemäßen
Meßgerät und dem Geschwindigkeitsmesser gewonnen Signale.
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Der Gegenstand der Fig. 1 wurde bereits vorstehend im Zusammenhang
mit der Erläuterung der Grundlage der Erfindung behandelt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
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Hierbei weist das erfindungsgemäße Durchflußmengengerät ein Gehäuse
1 mit daran angeordneten Zu- und Abflußstutzen 30 bzw. 40 für die zu messende, strömende
Flüssigkeit, z.B. Kraftstoff, auf. Bei der Kraftstoffverbrauchsessung wird das erfindungsgemäße
Gerät in die Araftstoffzufuhrleitung zu einer Verbrennungskraftmaschine eingeschaltet.
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In dem Gehäuse 1 ist weiterhin eine Ausnehmung 21 vorgesehen, in der
ein Kolben 2 verschiebbar angeordnet ist. Dieser liegt an den Want-i-n3:r£ der Bohrung
21 eng an, so daß sich eine Dichtwirkung zwischen den durch ihn definierten beiden
Kammern der Bohrung 21 einstellt.
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Der Kolben 2 ist dem Einfluß einer Feder 3 ausgesetzt, deren Federsteifigkeit
so gewählt ist, daß die Federkraft im Betriebsbereich für den vorgesehenen Anwendungsfall,
also z.B. zur Kraftstoffverbrauchsmessung, mit ausreichender Genauigkeit konstant
ist. Als Betriebsbereich ist im wesentlichen der Weg bezeichnet, den sich der Kolben
2 bei seiner Auf- und Abwärtsbewegung bei vertikalem Einbau - wie dargestellt -
mit seiner Schließkante 22 längs der Höhe H einer rechteckigen Blende 12 bewegt.
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In dem Gehäuse 1 sind weiterhin zwei Anschläge 6 und 6a zur Begrenzung
des Betriebsbereiches des Kolbens 2 angeordnet.
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Wie bereits vorstehend dargelegt, strömt das zu messende Medium über
den Zuflußstutzen 30 in Richtung des Pfeiles 9 in die entsprechend der gewählten
Darstellungsweise unter einem Boden des Kolbens 2 definierte Kammer der Bohrung
oder Ausnehmung 21 ein und durch die Blende 12 über einen Raum 14 durch den Abflußstutzen
40 in Richtung des Pfeiles 13 wieder ab. Der Zufluß zum Zuflußstutzen 30 erfolgt
z.B. aus einem nicht dargestellten Kraftstofftanl der Abflußstutzen 40 führt dann
z.B. zu einem Automobilmotor. Vor dz Zuflußstutzen 30 ist in der Regel eine Kraftstoffpumpe
eingebaut.
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Dadurch stellt sich in dem Raum oder der Kammer lo unter dem Boden
Kolbens 2 mit seiner Schließkante 22 der Systemdruck pl ein.
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Bei der Strömung durch die Blende 12 ergibt sich, wie vorstehend näher
erläutert, ein Druckabfall, so daß hinter der Blende in dem Raum 14 ein Druck p2
vorherrscht. Dieser Druck p2 wird über einen Ranal 15 auf die obere Kolbenfläche
4 geleitet. Es stellen sich dann die oben abgeleiteten Druckverhältnisse in dem
erfindungsgemäß Meßgerät ein. Der Raum 14 ist zur Umlenkung des aus der Blende 12
ankommenden Mediums strömungsgünstig ausgebildet.
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Wie ebenfalls bereits erläutert, hat eine Veränderung der Durchflußmenge
an strömendem Medium, die sich durch unterschiedliche Entnahme über den Abflußstutzen
40 ergibt, eine Veränderung des Querschnitts der Blende 12 zur Folge, der sich bei
dem erfindungsgemäßen Gerät durch eine Lageänderung des Kolbens längs der Höhe h
der
Blende 12 ausdrückt. In Fig. 1a ist die maximale Höhle, dh.
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der maximale Öffnungsquerschnitt der rechteckigen Blende 12 mit H
angegeben. In Fig. 2a ist die Blende 12 gemaß Fig. 2 als Ansicht in Richtuny des
Pfeiles A in vergrößerter Darstellung wiedergegeben.
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Hierbei weist sie im Anschluß an die rechteckige Blende zur weiteren
und überproportionalen Vergrößerung des Querschnitts eine kreisrunde Fortsetzung
23 auf. Bei überproportionalen Durchflußmengen kann dann über diese Fortsetzung
dem überproportionalen Bedarf entsprochen werden.
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Die Lage des Kolbens 2 und mithin seiner Schließkante 22, welche durch
die erfindungsgenäße Ausbildung des vorliegenden Meßgerätes ein Maß für das durchströmende
Medium, also den Kraftstoffverbrauch ist, wird über einen Differenzfühler, beispielsweise
24, 24a, aus zwei Feldplaten abgetastet. Die Feldplatten sind mittels einer Halterung
16 verschiebbar und justierbar an dem Gehäuse 1 gelagert.
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Durch den Einsatz von zwei Feldplatten ist es möglich, Temperatureinflüsse
zu kompensieren. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz von nur einer oder mehreren
Feldplatten mglich.
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Beim gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Feldplatten 24 und
24a durch mindestens einen am Boden des Kolbens 2 yelagerten Magneten 25 angesteuert,
so daß das über die Feldplatten erhaltene elektrische Signal Droportional zur Lage
des Kolben ist. Dieses Analogsignal wird über Leitungen 18 der Feldplatten 24 und
24a übertragen; es ändert
sich, wenn sich der Kolben, wie beschrieben,
entsprechend der Durchflußmenge an der Blende 12 in Richtuna eines Pfeiles 5 bewegt
und die Feldlinien des 5¢saneten 25 auf die Feldplatten 24 und 24a des Differenz
fühlers 17 wirken. Wenn der Kolben 2 aus ferromagnetischenl Material besteht, ist
das Vorhandensein der Magnete 25 grundsätzlich nicht erforderlich.
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Wie eingangs beschrieben, kann das erhaltene Meßsignal der Durchflußmessung
mit dem Signal einer Geschwindigkeitsmessung gekoppelt werden, so daß man z.B. den
Quotienten Kraftstoffverbrauch/Geschwindigkeit erhält.
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In Fig. 4 ist ein im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeter
Geschwindigkeitsmesser gezeigt. Hierbei ist in einem Gehäuse 40 eine zelle 41, die
einen Innenvierkant 42 aufweist, drehbar gelagert.
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In diesen Innenvierkant kann die hertragungswelte des Kraftfahrzeugs
mittels einer überwurfmuttert die dann auf ein Gewinde 43 aufgeschraubt wird, eingesetzt
werden, nachdem der Geschwindigkeitsmesser z.B. über ein Innengewinde 48 an einen
handelsüblichen Tachometer angeschraubt werden kann. Eine wiederum als Vierkant
ausgebildete Abtriebswelle 49 wirkt mit dem Tachometer zusammen und treibt diesen
an.
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Die Welle 41 ist mit einer weiteren Welle 44 fest verbunden, auf der
ein Magnet 45 beispielsweise mit zwölf Polpaaren angeordnet ist, der bei Drehung
in einer Spule 46 eine der Drehzahl und mithin der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionale
Spannung erzeugt. Das
Gehäuse 40 ist mit einem Deckel 47 verschlossen,
über den dann der bereits beschriebene Anschluß an den Tachometer erfolgt.
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Das mit dem Geschwindigkeitsmesser nach Fig. 4 erzeugte Signal wird
dann zusammen mit dem Signal aus der Durchflußmessung in einer Schaltung gemäß Fig.
5 verarbeitet. Hierbei wird das Signal der Geschwindigkeitsmessung an einer Stelle
50 eingeleitet und z.B. in einem Operationsverstärker 51 verstärkt sowie anschließend
in einem Gleichrichter 52 gleichgerichtet. Das elektrische Signal der Durchflußmessung
nach Fig. 2 wird an einer Stelle 53 zugeführt und über eine Meßbrücke 59 z.B. an
einen Operationsverstärker 54 weitergeleitet. Die beiden so gewonnen Gleichspannungssignale
werden der Quotientenbildung, die aus beispielsweise den Operationsverstärkern 55
und 56 sowie einem Transistor 57 besteht, zugeführt.
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Das Ergebnis dieser Quotientenbildung wird durch das Drehspulinstrument
58 angezeigt. Es kann so geeicht sein, daß der Kraftstoffverbrauch z.B. in Liter/loo
km angezeigt wird.