DE2649040A1

DE2649040A1 - Vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit von gasen

Info

Publication number: DE2649040A1
Application number: DE19762649040
Authority: DE
Inventors: Franz Ing Grad Kolb
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1978-05-03
Also published as: JPS5381159A; DE2649040B2

Description

Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, insbesondere zur Messung der Luft für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem dem zu messenden Medium ausgesetzten llitzdrahtanemometer als Meßsonde und einer Elektronikeinheit.
Im Interesse der Reinhaltung der Luft ist es erforderlich, die von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen erzeugten, Schadstoffe zu vermindern. Dieses Ziel wird u. a. durch eine Verbesserung des Verbrennungsablaufes erreicht. Dazu ist es erforderlich, dass möglichst genaue Informationen über die jeweils angesaugten Luftinengen zur Verfiigung stehen, und zwar mit einer möglichst kleinen Zeitverzögerung.
Diese Information wird, zusammen mit anderen Informationen, wie Drehzahl und Motortemperatur, einer elektronischen Regeleinheit zugeführt, die die zur optimalen Verbrennung henötigte Brennstoffmenge und den Zeitpunkt ihrcs Einsatzes ermittelt und an entsprechende Stellorgane weiterleitet.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Durchflussmesseinrichtungen in Form von Messblenden oder Venturi-Düsen mit entsprechenden Differenzdruck-Messgeräten einzusetzen. In beiden Fällen ist es jedoch schwierig, aus dem geringen Differenzdruck auf einfache Weise ein elektrisches Ausgangssignal zur Steuerung des Brennstoffs zu gewinnen.
Weiterhin ist bereits bekannt, zur Messung der Stromungsgeschwindigkeit Messgeräte einzusetzen, bei denen ein im Luftstrom befindlicher Körper durch den Luftstrom seine Lage verändert. Dabei wird eine mit steigender Auslenkung steigende Gegenkraft aufgebracht, so dass sich der Körper für jede bestimmte Strömungsgeschwindigkeit an einer bestimmten Stelle des Messrohres befindet. Die Stellung des Körpers kann nun optisch oder mechanisch ahgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Bei diesem Verfahren ist die Abtastung und vor allem die dadurch verursachte lange Ansprechzeit von Nachteil.
Auch sind schon Anordnungen verwendet worden, bei denen ein im Luftstrom befindlicher Propeller optisch, mechanisch oder elektrisch (magnetisch) abgetastet wird. Auch in diesem Falle bewirkt die Masseträgheit des Propellers eine erhebliche Verzögerung der Ansprechzeit.
Bekannt sind auch Hitzedrahtanemometer verschiedener Bauart, bei denen zwei temperaturabhängige !iderstände, meist in Form von zwei Drähten, zusammen mit zwei temperaturunabhängigen Widerständen in einer nrcke geschaltet werden. Der eine temperaturabhängige Widerstand wird der Strömung des zu messenden Gases, der andere nur der Tcmperatur des Gases ausgesetzt. Von Nachteil ist hierbei, dass der die Temperatur des Gases messende Widerstand von der Gasströmung abgeschirmt werden muss. Trotzdem ist die Strömungsmessung bei dieser Anordnung noch in gewissem Umfang temperaturabhängig.
Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu finden, die es bei den im Kraftfahrzeugbetrieb bedingten Umgebungseinfltlssen gestattet, die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft und damit das Volumen unabhängig von der Temperatur des Gases genügend schnell und genau zu erfassen und das Messergebnis auf möglichst einfache Art und Weise in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man eine Vorrichtung verwendet, im wesentlichen bestehend aus einem Hitzdrahtanemometer und einer Elektronikeinheit, wobei erfindungsgemäss das Hitzedrahtanemometer zwei Widerstandsdrähte von unterschiedlichem Durchmesser aus dem gleichen Werkstoff mit möglichst hohem Temperaturkoeffizienten enthält, die zusammen mit zwei Festwiderständen zu einer Brücke zusammengeschaltet und mit dem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Brückeneingang gekoppelt ist.
Die beiden Drähte sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei parallel zii diesen Drähten ein elektrischer Spannungsteiler angeordnet ist, der zusammen mit den beiden Drähten eine Brückenschaltung bildet. Die Ausgangsspannung dieser Brückenschaltung wird einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal den Brücken-Speisestrom regelt.
Im folgenden wird anhand der Abbildungen I und II eine beispiel hafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung näher beschrieben: Abbildung I zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Messanordnung.
Die Abbildungen IIA, IIB,und IIC zeigen verschiedene Ausführungsformen der rfindungsgemassen Meßsonde.
In Abbildung I ist die gesamte Anordnung der erfindungsgemässen Messvorrrichtung schematisch dargestellt. R 1 und R 2 sind die beiden Messdrähte der Sonde, die der zu messenden Luftströmung ausgesetzt werden. R 3 und R 4 bilden einen festen Spannungsteiler. Die Brücken-Diagonalspannung wird über die Begrenzungswiderstände R 5 und R 6 einem Operationsverstärker 8 zugefiihrt.
Der 4usgang-dieses Operationsverstärkers 8 steuert über die Entkopplungsdiode 9 den Transistor 10 an. Dieser Transistor 10 regelt den Brückenspeisestrom, der zum grössten Teil iiber die Widerstände R 1 und R 2 und nur zu einem ganz geringen Teil über die wesentlich hochohmigeren Widerstände des Spannungsteilers R 3 und R 4 fliesst. Die Zenerdiode 11 sorgt dafür, dass die am invertierenden und nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 liegenden Spannungen eine gewisse Mindesthöhe nicht unterschreiten. Am Widerstand R 5 ruft der die Messbrücke durchfliessende Strom einen Spannungsabfall hervor, der zwischen den Klemmen 12 und 13 als Ausgangsspannung abgenommen werden kann.
Die Betriebsspannllng wird zwischen den Klemmen 14 und 13 zugeführt.
In den Xbbildungen IIA, B und C ist R 1 der dünnere Messdraht, R 2 der dickere Messdraht, die beide mit ihren verstärkten Enden 21 mit den elektrisch leitenden, untereinander isolierten Teilen 22, 23 und 22w des Trägerkörpers 26 mechanisch verbunden sind.
In Abbildung IIA sind die Widerstände R1 und R 2 parallel angeordnet, in Abbildung TIB in V-Form und in Abbildung IIC in Y-Form, wobei der untere Teil (26) des Y durch die erforderliche Stromzuleitung zu R 1 und R 2 gebildet wird. Die Anschaltung an die Elektronikeinheit erfolgt über die Zuleitungen 25.
Die Wirkungsweise der Anordnung kann wie folgt erklärt werden: Der Spannungsteiler R 3 und R 4 ist so dimensioniert, dass schon bei einer Strömungsgeschwindigkeit von1= 0 ein Ruhestrom durch die Widerstände R 1 und R 2 fliesst. Der Widerstand R 1 wird dadurch stärker aufgeheizt als der aus dickerem Draht bestehende Widerstand lt 2. Der Ruhestrom stellt sich automatisch so ein, dass die Brücke im Gleichgewicht ist, d.h.: lt 1 : lt 2 = R 3 : R 4.
An R 5 entsteht dabei ein bestimmter Sj)annungsabfall.
Werden nun die Widerstände R 1 und R 2 mit strömender Luft beaufschlagt, so kiihlt sich der heissere Widerstand lt 1 stärker ab als der kältere Widerstand R 2, die Brücke gerät aus dem Gleichgewicht und der Operationsverstärker 8 liefert einen höheren Ausgangsstrom, der den Transistor 10 stärker durchsteuert. Dadurch wird der Strom, der in die Brücke hineinflicsst, so erhöht, dass das Verhältnis R 1 lt 2 = lt 3 : R 4 wieder hergestellt wird. An R 5 stellt sich nun ein höherer Spannungsabfall ein.
Temperaturänderungen der zu messenden Luft haben keinen Einfluss auf das Messergebnis, da die beiden Widerstände lt 1 und R 2 den gleichen Temperaturkoeffizienten haben und das Brtickengleichgewicht dadurch nicht gestört wird.
Ferner weist diese Anordnung noch den besonderen Vorteil auf, dass die Ausgangsspannung (Klemmen 12 und 13) in sehr weiten Grenzen unabhängig von der zwischen den Klemmen 14 und 13 angelegten Betriebsspannung ist. Diese Anordnung hält den flir das Brückengleichgewicht nötigen Strom automatisch konstant, unabhängig von der jeweils anliegenden Betriebsspannung, solange die angelegte Versorgungsspannung nur genügend gross ist, um die Spannungsabfälle am Widerstand fl 5, an der Diode 11, den Widerständen R 1, R 2 sowie den Mindestspannungsabfall am Transistor 10 zu decken.
Bei hohen Luftströmungsgeschwindigkeiten fliesst durch den Widerstand R 1 ein sehr starker Strom. Wird der Widerstand R 1 als einfacher Draht quer iiber den gesamten durchströmten Querschnitt gespannt, so kann es in-den wandnahen Abschnitten des Drahtes in Bereich der waninahen, sich viel langsamer oder fast gar nicht mehr bewegenden Luftschichten dadurch zu einer Überhitzung des Widerstandes R 1 an diesen Stellen kommen. Um dies zu vermeiden, ist es orteilhaft, die Enden beider Widerstände R 1 und lt 2 im Bereich der wandnahen, langsamer strömenden Luftschichten zu verstärken und so ihren Widerstand und ihre Wirksamkeit in diesem Bereich weitgehend zu reduzieren, bzw. ganz auszuschalten. Diese Massnahme bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass der unsaubere Strömungsverlauf der wandnahen Luftschichten die Messung nicht beeinflusst.
Das Material fiir die Widerstände lt 1 und R 2 kann beispielsweise aus Platin-, Nickel-, Eisen- oder Wolframdraht bestehen, vorzugsweise in gewendelter Form. Die Verstärkung der Enden der Widerstandsdrähte R 1 und R 2 besteht vorteilhafterweise aus einem gut leitenden Material, wie Silber oder Kupfer, und kann beispielsweise galvanisch aufgebracht werden. Die Drähte haben vorzugsweise eine Stärke von 20 - 150 µm ftir lt 1 und 50 - 250 /um für R 2.
L e e r s e i t e

Claims

PATENTANS PRÜCIIE 1. Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, insbesondere fur die Ansaugluft von Verhrennungsmotoren, bestehend im wesentlichen aus einem Hitzdrahtanemometer und einer Elektronikeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzdrahtanemometer zwei Widerstandsdrähte (R 1 und R 2) von unterschiedlichem Durchmesser aus dem gleichen Werkstoff mit möglichst hohem Temperaturkoeffizienten enthält, die zusammen mit zwei Festwiderständen (R 3 und R 4) zu einer Brücke zusanniengeschaltet und mit dem Eingang eines Differenzverstärkers (8) verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Druckeneingang gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Sekennzeichnet, dass die wandnahen Abschnitte (21) der Widerstandsdrähte (R 1 und R 2) einen grösseren Durehmesser aufweisen als der übrige Draht.