DE2804850A1

DE2804850A1 - Vorrichtung zur messung der stroemungsgeschwindigkeit von gasen

Info

Publication number: DE2804850A1
Application number: DE19782804850
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Phys Dr Eiermann; Franz Ing Grad Kolb
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1978-02-04
Filing date: 1978-02-04
Publication date: 1979-08-09
Also published as: GB2013898A; GB2013898B; JPS54111860A; DE2804850C2; US4245502A; JPS6342206B2; US4366709A

Description

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DEUTSCHE GOLD- UND SILBER-SCHEIDEANSTALT VORMALS ROSSSLER 6 Frankfurt am Main, Vfeissfrauenstr'asse 9

Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen, insbesondere zur Messung der Luft für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem dem zu messenden Kediuia ausgesetzten Hitzdrahtanemometer als Meßsonde und einer Elektroiiikeinheit, wobei der Hitzdraht anemometer durch besondere Massiiahmen gegen eine Drift der Sondencharakteristik stabilisiert wird.

Im Interesse der Reinhaltung der Luft ist es erforderlich, die von Verbrennungsmotor on, insbesondere von Kraftfahrzeug e:i erzeugten, Schadstoffe ku vermindern« Dieses Ziel wird u.a. durch eine Verbesserung des Verbrennungsablaufes erreicht. Dasu ist es erforderlich, dass möglichst genaue Informationen über die jeweils angesaugten L-af tmoxigen zur Verfügung stehen, und » mit einer mögliebst kleinen Zeitverzögerung.

Diese Information wird, auftami-jon mit anderen Ini'ormationen, wie Drehzahl und ί·ίο to !"temperatur, einer eloktronischon Regeleinhoit zugeführt, die die aur optimalen Verbrennung benötigte Brennstoffmenge und den Zei't£nmkt ihres Einsatzes ermittelt und an entsprechenden Stellorgane weiterleitet.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, für diesen Zweck Durehflur.c-messeinrichtungen in Fora von Messblenden oder Venturi-Düsen mit entsprechenden Differensdruck-Hessgeräten einzusetzen. In beiden Fällen ist es ,jedoch schwierig, aus dem geringen Differenzdruck auf einfache V/eise ein elektrisches Aasgangssignal zur Steuerung des Brennstoffs zu gewinnen.

Weiterhin ist bereits bekannt, zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit Messgex"äte eiwsuoetzen, bei den en ein im Luftstrom befindlicher Körper durch den Luft st rein seine Lage verändert. Da.oei wird eine mit steigender Auslenkung steigende Gegenkraft aufge™

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bracht, 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 abgetastet 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 Hitzdrahtanemometer verschiedener Bauart, bei denen zwei temperaturabhängige Widerstände, meist in Form von zwei Drähten, zusammen mit zwei temperaturunabliängigen Widerständen in einer Brücke gescheltet werden. Der eine temperaturabhängige Widerstand wird der Strömung des zu messenden Gases _f 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 buss, Trotzdem ist die Strömungsmessung bei dieser Anordnung noch in gewissem Umfang temperaturabhängig.

Zur Vermeidung dieser Hachteile ist bereits vorgeschlagen worden, (DS-OS 26 49 040), ein Hitzdrahtanemometer zu verwenden, das zwei Widerstandsdrähte von unterschiedlichem Durchmesser aus dem gleichen Werkstoff mit möglichst hohem Temperaturkoeffizientcn enthält, die zusammen mit zwei Pestwiderständen zu einer Brücke p.usammengeschaltet und mit dem Eingang eines Differenzverstärker verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Brückeneingang gekoppelt ist.

Die Ausgangsspannung dieser Brückenscbaltung wird einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal den Brücken-Speisestrom regelt. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie schnell und genau die Strömungsgeschwindigkeit von Ga3on zu rcoscen gestattet,. unabhängig von der Temperatur der Gase, wobei das Hessergebnis

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leicht in ein elektrisches Ausgangs signal umgewandelt v/erden kann.

In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass die Charakteristik diesel¹ 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 Mecsdrahtoberflächen durch aufprallende, im Gasstrom enthaltende Staubpartikel.

Ein solches Hitzdrahtanemometer hat ausserdem die Eigenschaft, lediglich den Betrag der Strömungsgeschindigkeit unabhängig von der Strömungsrichtung zu erfassen. Bei vielen Anwendungsfällen - z.B. auch im Ansaugsystem von Verbrennungsmotoren - ist die Strömungsgeschwindigkeit von kurzzeitigen Schwankungen überlagert. Diese Schwankungen können so gross werden, dass sich die Strömungsrichtung kurzzeitig umkehren kann. In solchen Pällen zeigt ein solches Hitzdrahtanemometer einen verfälschten Mittelwert .

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen zu schaffen_s insbesondere für die Ansaugluft von Verbrennungsmotoren^bestehend im wesentliehen aus einer Elektronikeinheit und einem Hitzdrahtanemometer mit zwei oder mehreren temperaturabhängigen ^Tv.^ridez'-ständen, die zusammen mit zwei Pestwiderständen zu einer Brücke geschaltet sind, bei dem die Sondencharakteristik im Laufe der Zeit möglichst wenig von der Eicheinstellung abdriftet und bei stark schwankender Strömungsgeschwindigkeit ein richtiger Mittelwert der Strömung angezeigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die temperaturabhängigen Widerstände jeweils aus einer dünnen Metallschicht bestehen, die auf elektrisch isolierenden Trägern aufgebracht sind.

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Abbildung I zeigt schematisch einen erfindungsgemässen temperaturabhängigen Widerstand, bestehend aus einem elektrisch isolierenden Träger (1) und einer dünnen Metallschicht (2), die über Anschluss (3) mit der Brückenschaltung verbunden ist. Die Metallschicht (2) besitzt beispielsweise eine Dicke von 0,5 - IO um.

Die Widerstandsschicht wird vorteilhafterweise mit einem Schutzüberzug versehen. Dadurch ist eine Ablagerung von Staub oder sonstigem Fremdmaterial direkt auf der Metallschicht und die Erosion der Metallschicht durch aufprallende Fremdkörperpartikel ausgeschlossen. Diese Schutzschicht ist jedoch nicht in allen Anwendungsfällen nötig.

Um den Einfluss von Staubablagerungen auf dem Messelement auf die Kennlinie der Sonde zu verhindern, ist es oft vorteilhaft, die Metallschicht gegenüber dem Strömungsmedium durch eine in Dimension und thermische Eigenschaften exakte definierte und reproduzierbare Schicht aus elektrisch isolierendem Material zu schützen. Diese Forderung wird vorzugsweise dadurch erfüllt, dass die temperaturabhängigen Widerstände in der Sonde so angeordnet werden, dass sich die Metallschicht auf der der Strömung abgewandten Seite und der Träger auf der Strömungsseite befindet. Die Abbildung II zeigt in Längs- und Querschnitt schematisch in beispielhafter Ausführungsform eine solche Torrichtimg. In einem zweiseitig offenen Gehäuse (11) sind elektrisch isoliert zwei mit Anschlussleitungen (12) versehene Widerstände (IJ, 14) angebracht, wobei der elektrisch isolierende Träger (15) der Strömungsseite zugewandt ist, während die MetallSchicht (16) auf der der Strömung abgewandten Seite liegt. Der der Strömungsrichtung zugewandt angeordnete elektrisch isolierende Träger (15) hat bei Messelementen dieser Art immer eine sehr genau definierte Stärke und sehr gleichmässige Materialeigenschaften und erfüllt somit die gestellten Forderungen. Es ist allerdings auch möglich, die Widerstände (13, 14) mit der Stirnseite der Strömung auszusetzen.

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Es ist oft von Vorteil, die Erfassung von Stromungs3eomponej.iten zu vermeiden, die der Hauptströmungsrichtung entgegengerichtet sind. Dies kann man erreichen, indem man die Schutsschicht auf der der Strömungsrichtung abgewandten Seite eine wesentlich stärkere Wärmeisolation verleiht, als sie der elektrisch isolierende Träger besitzt. Dies wird vorzugsweise dadurch gelöst, dass die Schutzschicht (21), die die Metallschicht (22) auf dem Träger (23) abdeckt, aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht und verhältnismässig dick ist (Abbildung III). In einer anderen Ausführungsform wird über die der Strömung abgewandte· Seite der Widerstände (31) ein Gehäuse (32) angebracht, in der ΐ/eise, dass zwisehen der Schutzschicht (33) der Widerstände (31) und der Innenwand des Gehäuses (32) ein Luftraum (34) bestehen bleibt. (Abbildung IY)

Als Material für den elektrisch isolierenden Träger haben sich besonders keramische Werkstoffe, wie z.B. AlpO·*, MgO, ZrOp:oder metallische Werkstoffe mit einer isolierenden Zv/ischenschicht aus z.B. AIpO., bewährt. Auch Kunst stoff träger, wie z.B. faserverstärkte Leiterplattenmaterialien, können Verwendung finden. Pur die temperaturempfindliche Meßschicht kommen Metalle infrags, die aus der Widerstandsthermometrie bekannt sind, wie z.B. Pt, Cu, Ni oder entsprechende Legierungen, die im Arbeitstemperatur™ bereich eine stetige und reproduzierbare Veränderung des spezifischen Widerstandes über der Temperatur erfahren. I¹Ur die Schutzschicht haben sich organische Verbindungen.wie Kunstharze, anorganische Zemente, ggf. mit organischen Bindemitteln, besonders bewährt. Pur das Gehäuse kommen sowohl Metalle als auch temperaturbeständige Kunststoffe infrage.

PAT/Dr.Br-mi
30.1.78

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Claims

DEUTSCHE GOLD- UHD SILBER-SCHEIDSAiTSTALT VORMALS RUESSLE 6 Prankfurt aa Main, V>^reissfrauenstrasse 9

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Pat entan spräche

!./Vorrichtung zur Messimg der Strömungsgeschwindigkeit yon Gasen insbesondere für die Ansaugluft von Verbrennungsmotoren, bestehend im wesentlichen aus einer Elektrcnikeinhei"c und einem Hitzdrahtanemometer, mit 2v.^rei oder mehreren temperaturabhängiges Widerständen mit möglichst hohem Temperaturkoeffizient en, die zusammen mit zwei Pestv/iäerständen su einer Brücke geschaltet sindj dadurch gekennzeichnet, dass die teaperaturabhängigen Widerständen aus jeweils einer dünnen Metallschicht bestehen, die auf elektrisch isolierenden Trägern aufgebracht sind«
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metal !schichten mit einem Schutzüberzug versehen siir-d.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dedurch gekennzeichnet, dass die Ketallschicht auf dor der Strömung abgfcvaudt-En Seite des Trägers aufgebracht ist,
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 bis 2, dadurch gekeaiuso-ichnf dass auf der Meta 11gchioht eine Schutzschicht odsr· ein Go-hau se aufgebracht, ist, deren thermische Isolationsv/irkung e.in mehrfaches der des jsolierfnden Trägers beträgt.

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