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Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen (II).
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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 Hitzdrahtanemometer als Meßsonde
und einer Elektronikeinheit, wobei der Hitzdrahtanemometer durch besondere Maßnahmen
gegen eine Drift der Sondencharakteristik stabilisiert wird.
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Im Interesse der Reinhaltung der Luft ist es erforderlich, die von
Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen erzeugten, Schadstoffe zu
vermindern. Dieses Ziel wird u. a.
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durch eine Verbesserung des Verbrennungsablaufes erreicht. Dazu ist
es erforderlich, daß möglichst genaue Informationen über die jeweils angesaugten
Luftmengen zur Verfügung stehen, und zwar mit einer möglichst kleinen Zeitverzögerung.
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Diese Information wird, zusammen mit anderen Informationen, wie Drehzahl
und Motortemperatur, einer elektronischen Regeleinheit zugeführt, die die zur optimalen
Verbrennung benötigte Brennstoffmenge und den Zeitpunkt ihres Einsatzes ermittelt
und an entsprechende Stellorgane weiterleitet.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Durchflußmeßeinrichtungen
in Form von Meßblenden oder Venturi-Ddsen mit entsprechenden Differenzdruck-Neßgeräten
einzusetzen. In beiden Fällen ist es jedoch schwierig, aus dem geringen Differenzdruck
auf einfache Weise ein elektrisches Ausgangssignal zur Steuerung des Brennstoffs
zu gewinnen.
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Weiterhin ist bereits bekannt, zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
Meßgeräte einzusetzen, bei denen ein im Luftstrom befindlicher Körper durch den
Luftstrom seine Lage verändert.
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Dabei wird eine mit steigender Auslenkung stcigende Gegenkraft aufgebracht,
so daß sich der Körper für jede bestimmte Strömungsgeschwindigkeit an einer bestimmten
Stelle des Meßrohres befindet.
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Die Stellung des Körpers kann nun optisch oder mechanisch abgetastet
und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
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Bei diesem Verfahren ist die Abtastung und vor allem die dadurch verursachte
lange Ansprechzeit von Nachteil.
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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.
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Bekannt sind auch Hitzedrahtanemometer verschiedener Bauart, bei denen
zwei temperaturabhängige Widerstände, meist in Form von zwei Drähten, zusammen mit
zwei temperaturunabhängigen Widerständen in einer Brücke geschaltet werden. Der
eine temperaturabhängige Widerstand wird der Strömung des zu messenden Gases, der
andere nur der Temperatur 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.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist in der Hauptanmeldung P 26 49
040.4 ein Hitzedrahtanemometer zu verwenden, das 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.
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Die beiden Drähte sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei parallel
zu 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-Speisestromregelt. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie schnell
und genau die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen zu messen gestattet, unabhängig
von der Temperatur der Gase, wobei das Meßergebnis leicht in ein elektrisches Ausgangssignal
umgewandelt werden kann.
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In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß die Charakteristik der
Anemometersonde nicht stabil ist, sondern im Laufe der Zeit Abweichungen von der
Eichcharakteristik zeigt. Diese Drift ist vor allem auf die Staubabscheidung auf
den Drahtoberflächen zurückzuführen, die den Wärmeübergang verändert, außerdem auf
Erosion und Verformung der Meßdrahtoberflächen durch aufprallende, im Gasstrom enthaltende
Staubpartikel.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hitzdrahtanemometer
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, insbesondere für die Ansaugluft
von Verbrennungsmotoren gemäß dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 26 49 040.4) so
zu verbessern, daß die Sondencharakteristiken im Laufe der Zeit möglichst wenig
von der Eicheinstellung abdriften und dadurch keine größeren Meßfehler anzeigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Widerstand
R2 aus zwei oder mehreren elektrisch parallelgeschalteten Widerstandsdrähten R21,
R22 mit jeweils gleichen Durchmesser wie der Widerstandsdraht R1 besteht.
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Durch die Anordnung von drei oder mehr Meßdrähten gleichen Durchmessers,
wovon einer in einem Brückenzweig liegt (R1) und die anderen, parallelgeschalteten
(R2 bildend) im anderen Brückenzweig, wirken sich driftverursachende Einflüsse wie
Erosion, Anderungen des Wärmeübergangswiderstandes von den Meßdrahtoberflächen auf
das Gas und Verformungen der Maßdrahtoberflächen durch aufprallende Staubpartikel
auf beide zuückenwiderstände in gleicher Weise aus und heben sich dadurch gegenseitig
auf.
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Um eine bessere Integrationswirkung der Sonde über den zu messenden
Strömungsquerschnitt zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, sowohl den R1 bildenen
Meßdraht als auch die parallelgeschalteten, R2 bildenden Neßdrähte, in Form von
je zwei sich unter 900 kreuzenden Drahtstücken auszubilden.
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Anhand der Abbildungen I und II werden zwei beispielhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Hitzdrahtanemometers schematisch näher beschrieben, wobei
Abbildung I eine einfache Sonde mit insgesamt drei Meßdrähten und Abbildung II eine
ebenfalls aus drei Meßdrähten bestehende Sonde zeigt, bei der jeder Meßdraht aus
zwei in Reihe geschalteten und geometrisch um 900 gedrehten Drahtabschnitten besteht.
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Die zur Funktion der Anemometer-Anordnung erforderlichen unterschiedlichen
Werte für die spezifische Oberflächenbelastung von R1 und R2 werden hierbei nicht
durch unterschiedliche Drahtdurchmesser erzielt, sondern durch die Parallelschaltung
zweier Meßdrähte (R21 und R22), die untereinander gleichen Durchmesser und auch
gleichen Durchmesser wie Meßdraht R1 haben. Diese Meßdrähte (R1, R21, R22) sind
auf den elektrischleitenden, untereinander isolierten Teilen 3, 4 und 5 des Trägerkörpers
befestigt und über die Zuleitungen 6 mit der Elektronikeinheit verbunden.
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Werden die Meßdrähte R1, R21 und R22 eng nebeneinander angeordnet,
werden sie mit hoher statistischer Sicherheit durch aufprallende Staubpartikel in
gleichem Maße erodiert und ihre Oberfläche auch in gleichem Maße mechanisch verformt.
Alle diese Änderungen verschieben bei dieser Anordnung das Brückenverhältnis R1/R2
nicht d.h., eine Kennlinienverschiebung durch Änderung des Brückenverhältnisses
infolge unterschiedlicher Erosion von R1 und R2, wie sie bei zwei Meßdrähten unterschiedlichen
Durchmessers für R1 und R2 unvermeidlich ist, tritt hier nicht auf.
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Abbildung II zeigt die schematische Anordnung einer Sonde, bei der
zur besseren Integration über den zu messenden Strömungsquerschnitt der Meßdraht
R1 aus zwei gekreuzten Drähten R11 und R12 besteht, während der Meßdraht R2 aus
je 2 gekreuzten, also insgesamt 4 Drähten (R21, R22, R23, R24) besteht.
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Besonders stabil in bezug auf die Sondencharakteristik verhalten sich
Hitzdrahtanemometer, bei denen zusätzlich die Widerstandsdrähte R1 R21, R22 mit
einem Überzug aus einem im Vergleich zum Drahtwerkstoff schlechter wärmeleitenden,
elektrisch isolierenden Material versehen sind. als Beschichtungsmaterial hat sich
vor allem Polytetrafluoräthylen bewährt, doch können auch beispielsweise PVC, Al203
oder SiO2 verwendet werden.
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Da durch diese Beschicbtung der Neßdrähte der Warmeübergang zum Gas
schon im rJeuzustand der Sonde wesentlich geringer ist als bei der Verwendung unbeschichteter
eßdrähte, so hat eine Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes durch Staubbefall
bei der Sonde mit beschichteten Meßdrähten eine erhebliche geringere Drift der Sondencharakteristik
zur Folge als bei unbeschichteten.
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Ferner wird durch die Beschichtung der Meßdrähte sowohl eine Erosion
der Meßdrähte durch aufprallende Staubpartikel als auch eine Verformung der Oberfläche
der Meßdrähte stark abgeschwächt und somit auch diese Ursache für die Drift der
Sondencharakteristik erheblich reduziert.
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Als Drahtmaterialien können beispielsweise Platin, Kupfer, Aluminium,
Wolfram, Nickel, Eisen oder deren Legierungen verwendet werden, wobei Draht stärken
zwischen 20 und 250 pmzum Einsatz kommen. Die Beschichtungsstärke liegt vorzugsweise
zwischen 10 und 100 um.
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Eine noch bessere Stabilität der Sondencharakteristik erhält man,
wenn mit einem zusätzlichen Temperaturfühler, s. B.
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Widerstandsthermometer, Thermoelement oder NTC-Widerstand, die Gastemperatur
erfaßt und in einer zusätzlichen Elektronik Einheit die sich jeweils ergebende Differenz
zwischen der
Gastemperatur und der Temperatur der Meßdrähte R1 oder
R2, die ein Maß für den Wärmeübergangswiderstand der Meßdrähte R1 bzw.
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R2 ist, ermittelt und in Form eines elektrischen Signals ausgegeben
wird. Im Neuzustand der Sonde sei dieses Signal z.B.
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Null. Vergrößert sich durch Ansatz von Staub an dem dünneren Meßdraht
R1 dessen Übergangswiderstand, so wird die Temperatur von Meßdraht R1 sich ändern
und diese zusätzliche Elektronik-Einheit ein von Null abweichendes Ausgangssignal
aufweisen.
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Dieses Signal kann nun benutzt werden, um die aufgetretene Kennlinienänderung
zu kompensieren.