DE2933824A1 - Fuehler zum messen des durchsatzes von stroemungsmitteln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fühler zum Messen des Durchsatzes von Strömungsmitteln. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Fühler zur Durchsatzmessung von komprimierbaren Strömungsmitteln wie Luft.

Der präzisen Dosierung der Kraftstoffzuführung kommt bei Brennkraftmaschinen steigende Bedeutung zu, da man die Schadstoffkomponenten in den Abgasen erheblich vermindern muß und da sich die Notwendigkeit eines ökonomischen Umganges mit den Kraftstoffen verstärkt stellt. Man hat deshalb verhältnismäßig kompliziert aufgebaute KraftstoffVersorgungsanlagen entwickelt, welche die Zufuhr von Kraftstoff zu den Zylindern der Brennkraftmaschine sehr präzise in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Maschine steuern. Ein derartiger Faktor, der bei der Bemessung der richtigen Kraftstoffmenge, die der angesaugten Luft bei einem vorgegebenen Satz von Betriebsparametern zugefügt werden soll, eine wichtige Rolle spielt, ist der genaue Wert für den Massenstrom der Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine hinein.

Ein Weg zur Bestimmung des Massenstromes der Luft zu den Zylindern besteht gegenwärtig darin, daß man diesen Strom aus dem Absolutwert des Druckes in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine, aus der gemessenen Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Umgebungstemperatur berechnet. Diese Art des Vorgehens hat jedoch den Nachteil, daß notwendigerweise eine zeitliche Verzögerung auftritt. Außerdem ist das Resultat mit Ungenauigkeiten behaftet, da derjenige Punkt, an welchem man den Druck mißt, von demjenigen Punkt entfernt ist, bei dem die Luft wirklich vorbeiströmt, nämlich bei der Drosselklappe. Da man bei einem solchen Vorgehen auch nur lange Ansprechzeiten der Steuerung erhält, ist der Wirkungsgrad derarti-

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en

ger Kraftstoffzufuhrsteuerung sehr begrenzt, da die Arbeitsgenauigkeit eben nur mittelmäßig ist.

en Beim Konstruieren von Kraftstoffzufuhrsteuerung für Kraftfahrzeuge spielen natürlich die Kosten der Steuerung eine ganz wichtige Rolle. Außerdem stellen die Umgebungsbedingungen, unter welchen die Steuerung arbeiten soll, zusätzliche Erschwernisse dar: es treten große Temperaturunterschiede auf, es ist mit mechanischen Vibrationen zu rechnen, außerdem muß in Gegenwart von Schmutz, Wasser und Kohlenwasserstoffdämpfen gearbeitet werden. Diese Situation ist noch dadurch verschärft, daß man bei Kraftfahrzeugen davon ausgehen muß, daß die Wartung nur verhältnismäßig flüchtig und wenig intensiv durchgeführt wird.

Die klassische Methode zum Messen von Massenstromdurchsätzen besteht in der Verwendung von Pitot-Venturi-Messern. Diese ermitteln die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels, und zugleich wird dessen Temperatur und der statische Druck gemessen. Unter Verwendung der letztgenannten Meßwerte werden dann die dynamischen Druckmeßwerte in Werte für den Massenstrom umgerechnet. Diese Art des Vorgehens hat bei den oben angegebenen Einsatzfeldern den Nachteil, daß der bei geringen Werten des Massenstroms auftretende dynamische Druck ebenfalls recht gering ist und damit nur schwierig genau gemessen werden kann. Außerdem mißt das Pitotrohr nicht den gesamten Massenstrom aus, sondern ermittelt den mit der Geschwindigkeit des Strömungsmittels zusammenhängenden dynamischen Druck nur an einem einzigen Punkt des Durchströmquerschnittes, nämlich an dem, an dem es angebracht ist. Da man normalerweise lokale Änderungen des Durchsatzes über den Durchströmquerschnitt hinweg beob-

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achtet, führt diese Art der Messung notwendigerweise zu Ungenauigkeiten. Deshalb wurden auch schon Anordnungen aus einer Mehrzahl von Pitotrohren verwendet, und aus dem über den Durchströmquerschnitt hinweg an verschiedenen Stellen gemessenen Staudruck wurde dann der Massenstrom berechnet. Auch so erhält man aber nur einen nicht zufriedenstellenden Ausgleich für Durchsatzschwankungen über den Durchströmquerschnitt hinweg, das Meßergebnis ist immer noch mit Ungenauigkeiten behaftet.

Zur Messung von Massenströmen wurden auch schon verschiedene Durchsatzmesser verwendet, welche als aktives Teil ein Laufrad aufweisen. Bei einem derartigen Durchsatzmesser wird durch den Strömungsmittelstrom ein Laufrad in Drehung versetzt. Dieses Laufrad ist möglichst reibungsarm gelagert und so konstruiert, daß es nur ein geringes Trägheitsmoment hat. Damit ist die Drehzahl des Laufrades direkt proportional zur Geschwindigkeit des Strömungsmittels. Ist jedoch das Strömungsmittel komprimierbar und/oder ändern sich die Meßbedingungen erheblich derart, daß sich die Dichte des durchströmenden Mediums ändert, so muß man zusammen mit der Drehzahl des Laufrades auch den Druck des Strömungsmittels und dessen Temperatur messen und unter zusätzlicher Berücksichtigung dieser Meßwerte den Massenstrom berechnen. Diese Art des Vorgehens hat bei Massenstrombestimmungen in Kraftfahrzeugen einen erheblichen Nachteil, da man trotz geringem Trägheitsmoment des Laufrades insgesamt eine hohe Trägheit der Meßanordnung erhält, da das Laufrad infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Luft mit hoher Drehzahl läuft. Damit erhält man wiederum ein schlechtes dynamisches Ansprechverhalten, da das Laufrad durch Änderungen im Massenstrom verzögert oder beschleunigt werden muß. Bei der Messung von Massenströmen in Kraft-

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fahrzeugen sind die Unterschiede zwischen den auftretenden Werten für den Massenstrom verhältnismäßig groß, und deshalb muß man zur Messung des Massenstromes einen Fühler verwenden, der ein exzellentes dynamisches Ansprechverhalten hat. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, daß man die Lagerung für ein Laufrad zwar auf sehr geringe Reibung auslegen kann, daß man aber doch immer noch eine
endliche Reibung hat, die zwangsläufig zu Hysterese-Effekten führt und die Genauigkeit des Fühlers beeinträchtigt. Schließlich haben derartige Fühler mit besonders leichtgängig gelagerten Laufrädern bei den in Kraftfahrzeugen angetroffenen Umgebungsbedingungen nur eine geringe Standzeit, da ihr Aufbau sehr störanfällig ist.

Es sind ferner schon verschiedene Fühler zur Messung des Durchsatzes von Strömungsmitteln angegeben worden, welche ein nur begrenzt drehbares Laufrad enthalten, vergleiche die US-PS 29 75
635, die US-PS 31 64 017, die US-PS 33 06 105 und die US-PS 27 14 310. Bei diesen Durchsatzmessern erteilt man zunächst dem zu messenden Strom einen Drall, bevor er in ein Laufrad eintritt, welches nur begrenzt drehbar ist. Über die winkelmäßige Auslenkung des
Laufrades wird dann der Massenstrom ermittelt. Bei derartigen
Durchsatzmessern benötigt man jedoch neben dem nur begrenzt drehbaren Laufrad ein umlaufendes Laufrad, welches dem Strömungsmittel den Drall erteilt. Die Genauigkeit derartiger Durchsatzmesser ist dadurch begrenzt, daß man die Größe des durch das umlaufende Laufrad erteilten Dralles nicht genau einstellen kann. Darüber hinaus messen viele derartige Durchsatzmesser nicht den gesamten Massenstrom durch den Durchgang des Durchsatzmessers, führen vielmehr
nur eine repräsentative Messung an einem Teil des Stromes durch.
Auch hierdurch wird die Genauigkeit der Durchsatzbestimmung beein-

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trächtigt, da lokale, nicht vorhersehbare Änderungen des Strömungsbildes, welche zu einer ungleichen Verteilung des Durchsatzes über den gesamten Durchströmquerschnitt hinweg führen, durchaus häufig sind.

In der US-PS 30 92 994 ist ferner eine Anordnung beschrieben, durch welche das Ansprechverhalten eines Durchsatzfühlers mit einem begrenzt drehbaren Laufrad dadurch verbessert wird, daß man einen Schaltkreis vorsieht, welcher die Geschwindigkeit der Änderung des Laufrades mißt, so daß man das auf das Laufrad ausgeübte Drehmoment messen kann, bevor letzteres seine Endstellung erreicht. Hierzu muß man jedoch einen Schleifkontakt vorsehen, wie auch bei vielen anderen Durchsatzmessern, welche umlaufende Laufräder enthalten, und hierdurch wird die Reibung der gesamten Anordnung vergrößert, und man erhält Hysterese-Effekte. Darüber hinaus muß man für das Laufrad eine entsprechende Lagerung vorsehen, wodurch die Reibung und die Hysterese-Effekte weiter erhöht werden. Schließlich sind derartige Durchsatzmesser auch deshalb weniger zum Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet, da sie einen komplizierten und anfälligen Aufbau haben.

In der US-PS 16 65 141 ist eine verhältnismäßig einfache Anordnung zum Messen von Massenströmen beschrieben, welche eine beschaufelte Schraube aufweist. Diese ist mit dem gesamten Strom beaufschlagt und das auf diese Schraube ausgeübte Drehmoment, welches auf die Dralländerung des Strömungsmittels beim Durchströmen zurückzuführen ist, führt dazu, daß eine Schwenkwelle entgegen der Kraft einer Federanordnung verdreht wird. Die relative winkelmäßige Auslenkung der Schwenkwelle ist ein Maß für das erzeugte Drehmoment. Diese

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Vorrichtung eignet sich jedoch nicht für Einsatzfälle, bei denen mit in weiten Grenzen veränderlichen Temperaturen und Drücken gerechnet werden muß. Außerdem führt die beschaufelte Schraube zu einer erheblichen Drosselwirkung und damit zu einem verhältnismäßig großen Druckverlust. Hinzu kommt, daß die Schwenkwelle in Lagern läuft, die zu Reibungskräften führen, und daß die Schwenkwelle eine verhältnismäßig große Masse hat, so daß man kein besonders gutes dynamisches Ansprechen der Meßvorrichtung erhält. Außerdem wird die Genauigkeit der Messung durch Hysterese-Effekte beeinträchtigt. Das mechanische Ausgangssignal dieser Meßvorrichtung könnte man ansonsten natürlich direkt für eine elektronische Kraftstoffzufuhrsteuerung der oben beschriebenen Art verwenden.

Auch in der US-PS 28 00 79 4 ist ein mechanischer Durchsatzmesser beschrieben, bei welchem zwei Rohrteile, welche ein gewendeltes Bauteil enthalten, durch ein elastisches Kupplungsteil miteinander verbunden sind. Das beim Durchströmen durch das gewendelte Bauteil erzeugte Drehmoment führt zu einer Verdrehung der beiden Rohrteile gegeneinander, welche durch das elastische Kupplungsteil verbunden sind. Diese Meßvorrichtung hat die gleichen Nachteile wie die nach der US-PS 16 65 141, da ein mechanisches Ausgangssignal erhalten wird und hohe Reibungsverluste in Kauf zu nehmen sind. Außerdem läßt sich dieser Durchsatzmesser nicht in Anlagen verwenden, bei denen mit erheblichen Änderung im Druck und der Temperatur des Strömungsmittels gerechnet werden muß. Außerdem erhält man ein schlechtes dynamisches Ansprechen, da das gewendelte Bauteil hohe Trägheit aufweist.

Eine Abwandlung dieses Durchsatzmessers ist in der US-PS 28 11 855

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beschrieben, und bei dieser Anordnung ist in einem Rohrteil eine Umlenkplatte angeordnet. Diese Umlenkplatte erzeugt in dem Rohr eine Dehnung, welche über eine Dehnmeßstreifenanordnung gemessen wird, die so ein elektrisches Signal bereitstellt, welches dem durch die Dralländerung im Strömungsmittel erzeugten Drehmoment entspricht. Man erhält zwar so ein elektrisches Ausgangssignal, der Fühler ist aber externen Störeinflüssen ausgesetzt, da die Fühlrohre außen liegen und Fehlanzeigen dadurch entstehen können, daß das Rohr durch von außen ausgeübte Kräfte verformt wird.

Andere Durchsatzmesser, welche an sich ein ausreichend gutes Ansprechverhalten zeigen, sind z.B. Hitzdrahtanemometer. Diese eignen sich aber nur gut für den Einsatz im Labor, da sie eine teure und aufwendige Instrumentierung benötigen. Damit ist ihr Einsatz für die oben angegebenen Zwecke ausgeschlossen.

Die bekannten zur Durchsatzmessung verwendeten Fühler leiden somit alle unter einem oder mehreren der nachstehenden Nachteile, was den Einsatz bei Kraftfahrzeugen betrifft: schlechtes dynamisches Ansprechverhalten; unzulässig große Hysterese-Effekte und Reibungsverluste; Ungenauigkeiten, die darauf zurückzuführen sind, daß nicht der gesamte Strom gemessen wird, also nur repräsentative Punktmessungen durchgeführt werden; sehr komplizierter Aufbau und sehr teure Bauteile; sehr empfindlicher Aufbau, welcher einen Einsatz in den im Kraftfahrzeug angetroffenen Umgebungsbedingungen ausschließt; Ungenauigkeiten, die darauf zurückzuführen sind, daß temperaturbedingten Dichteänderungen und Druckänderungen nicht Rechnung getragen wird; und nicht hinnehmbare Druckverluste, die darauf zurückzuführen sind, daß der im Strömungsweg angeordnete

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Fühler eine zu starke Drosselwirkung hat.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Fühler zur Verwendung bei der Bestimmung eines Massenstromes geschaffen werden, welcher den Massenstrom eines Mediums in einem Kanal mißt und insbesondere für komprimierbare Strömungsmittel geeignet ist, welche bei den angetroffenen Betriebsbedingungen erhebliche Druckänderungen und Temperaturänderungen erfahren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Fühler gemäß Anspruch 1.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fühlers ist der, daß er den Massenstrom extrem genau mißt und direkt die Gesamtheit des Stromes ermittelt. Außerdem sind Hysterese-Effekte und Reibungsverluste sehr klein.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fühlers ist der, daß er sehr robust ist und nur einfach aufgebaute Teile enthält. Damit sind die Herstellungskosten sehr klein, und auch die Gefahr eines Ausfalles in den im Kraftfahrzeug angetroffenen Umgebungsbedingungen ist klein.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fühlers ist der, daß er ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das direkt bei elektronischen Kraftstoffzufuhrsteuerungen verwendet werden kann.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Fühler ist ferner, daß er ein elektrisches Ausgangssignal bereitstellt, das sich mit dem Massen-

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strom derart ändert, daß es optimal in derartigen elektronischen Kraftstoffzufuhrsteuerungen verwendet werden kann.

Schließlich zeichnet sich der erfindungsgemäße Fühler auch noch dadurch aus, daß die Anordnung der verschiedenen Komponenten derart optimiert ist, daß man eine maximale Empfindlichkeit des Fühlers erhält.

Der erfindungsgemäße Fühler läßt sich kurz folgendermaßen charakterisieren: Ein Laufrad ist in einem rohrförmigen Fühlergehäuse angeordnet und befindet sich in einem Kanal, durch welchen der zu messende Strom geleitet wird. Das Laufrad hat einen Nabenabschnitt, welcher in ümfangsrichtung verteilte Schaufeln trägt, durch welche der gesamte zu messende Strom geleitet wird. Die Schaufeln des Laufrades sind wendelförmig gekrümmt, so daß dem durch das Laufrad strömenden Strömungsmittels ein Drall erteilt wird. Es sind jedoch Vorkehrungen getroffen, damit sich das Laufrad unter den beim Erzeugen des Dralles in dem Strömungsmittel erzeugten Reaktionskräften nicht bewegen kann. Es werden diesen Reaktionskräften zugeordneten Signale erzeugt und mit dem Druck und der Temperatur des Strömungsmittels zugeordneten Signalen zusammengefaßt. Dies erfolgt in einem Rechenkreis, welcher dann ein Ausgangssignal bereitstellt, welches dem Massenstrom durch den Fühler entspricht. Dadurch, daß man die Winkelbewegung des Laufrades sehr klein hält, erhält man ein hohes dynamisches Ansprechverhalten. Das Laufrad ist in dem Fühlergehäuse so aufgehängt, daß man für alle auf das Laufrad einwirkenden Reaktionskräfte eine starre Halterung erhält, mit Ausnahme derjenigen Reaktionskraft, die gemessen wird, um so die Dralländerung im Strömungsmittel zu bestimmen. Für diese Reaktionskraft

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ist die Laufradaufhängung nachgiebig. Bei den meisten der nachstehend genauer beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die Messung der Reaktionskraft über die Messung des auf das Laufrad ausgeübten Drehmomentes. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Aufhängung des Laufrades durch eine reibungsfreie, flexible Zwangshalterung, welche eine winkelmäßige Auslenkung des Laufrades zuläßt. Diese Laufradhalterung kann zugleich Statorschaufeln aufweisen, die stromauf des Laufrades angeordnet sind und dazu dienen, in dem Strömungsmittel schon vor dem Einlaufen in das Laufrad angetroffenen Drall zu absorbieren.

Die Reaktionskräfte werden entweder direkt unter Verwendung von aus lenkungsfreien Kraftwandlern gemessen oder dadurch gemessen, daß man die Auslenkung des Laufrades entgegen der Kraft einer federnden Rückstelleinrichtung mißt. In den letztgenannten Fällen stellt die biegbare, eine begrenzte Drehung des Laufrades ermöglichende Laufradaufhängung zugleich auch die federnde Rückstellkraft bereit, welche dem auf das Laufrad durch die Drallerzeugung im Strömungsmittel ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt. Die Verformung der biegbaren Laufradaufhängung wird dann dazu verwendet, das auf das Laufrad durch die Reaktionskraft ausgeübte Drehmoment zu ermitteln. Die Verformung der Laufradaufhängung wird entweder direkt unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen oder durch Sputtern auf die flexible Laufradaufhängung aufgebrachten"; Widerstandsmaterial gemessen; stattdessen kann man auch einen Stellungsgeber verwenden, welcher durch einen Arm betätigt wird, der seinerseits mit dem Laufrad verbunden ist.

Bei einer anderen Aus führungs form v/ird der durch die Reaktionskraft

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ausgeübten Drehmomentkoniponente durch eine nichtlineare Feder ein Widerstand entgegengesetzt, derart, daß die notwendigerweise nichtlineare Abhängigkeit des Drehmomentes vom Massenstrom in eine lineare Auslenkung des Laufrades in Abhängigkeit vom Massenstrom umgesetzt wird, so daß man ein linear vom Massenstrom abhängendes Ausgangssignal erhält.

Stattdessen kann man die Reaktionskraft auch direkt unter Verwendung von auslenkungsfreien Kraftwandlern messen, welche mit einer Kraft beaufschlagt sind, welche von der auf das Laufrad einwirkenden Reaktionskraft abgeleitet ist. Bei derjenigen Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Reaktionsdrehmoment gemessen wird, wird dann vom Laufrad ein Arm angetrieben, der an dem Kraftwandler angreift.

In weiterer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die axiale Reaktionskraft dadurch gemessen wird, daß man das Laufrad im Inneren des Strömungsmittelkanals so lagert, daß es eine reibungsfreie Translationsbewegung ausführen kann.

Das elektrische Ausgangssignal des auf die Reaktionskraft ansprechenden Fühlers wird mit den vom Druckfühler und vom Temperaturfühler bereitgestellten Signalen zusammengefaßt, und auf diese Weise wird dann der Massenstrom berechnet.

Das optimale Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Nabe des Laufrades und dem Außendurchmesser des Laufrades ist gemäß vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung größer als 2,0. Auf diese Weise erhält man ein maximales dynamisches Ansprechverhalten des Fühlers

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für eine vorgegebene Dralländerung im durch das Laufrad strömenden Strömungsmittel bei denjenigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Reaktionsdrehmoment gemessen wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung,bei welcher das Drehmoment gemessen wird, ist eine spezielle, auf Biegung belastete Laufradschwenklagerung vorgesehen, die mit in axialer Richtung starren Statorschaufeln kombiniert ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Statorschaufeln bei Belastung in Drehrichtung federnd verformbar, so daß man die Biegbarkeit direkt über die Statorschaufeln erhält. Die besonders ausgebildete Biegelagerung für das Laufrad enthält einen mechanischen Anschlag, welcher die Verdrehung des Laufrades auf einen solchen Wert begrenzt, daß eine Beschädigung bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht möglich ist, wie sie z.B. bei Rückschlägen der Brennkraftmaschine auftreten können .

Das Laufrad kann mechanisch gedämpft sein, um Auswirkungen von Oszillationen zu begrenzen, welche auf die federnde Lagerung des Laufrades zurückzuführen sind. Zusätzlich oder stattdessen kann man das vom Kraftfühler abgegebene Ausgangssignal durch ein Sperrfilter führen und so solche oszillierenden Signalkomponenten entfernen, die durch In-Schwingung-Versetzen des federnd aufgehängten Laufrades durch den durchströmenden Luftstrom erzeugt werden.

Das Fühlergehäuse kann in einem Ansaugstutzen eines Luftfiltergehäuses angeordnet sein; es kann aber auch so angebracht werden, daß es mit dem radialen Luftstrom durch den Luftfilter und in das Drosselklappengehäuse beaufschlagt ist, so daß der Luftstrom unmit-

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telbar stromauf der Drosselklappe gemessen wird. In diesem Falle erhält dann der Fühler ein Radialstrom-Laufrad.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Fühler zum Messen des Luftdurchsatzes durch den Ansaugstutzen einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt durch einen abgewandelten

Fühler;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zweier Laufradschaufeln, welche aus dem gesamten Satz von Laufradschaufeln herausgegriffen sind, wobei zugleich einige Größen eingezeichnet sind, welche bei der nachstehenden mathematischen Analyse des Arbeitens der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Fühler verwendet werden;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Laufradaufhängung, mittels welcher das Laufrad im Fühlergehäuse gehaltert ist;

Fig. 5 einen transversalen Schnitt durch die in Fig. 4 gezeigte Laufradaufhängung längs der dortigen Schnittlinie 5-5, in welchem die Relativstellung zwischen Statorschaufeln und Laufradschaufeln und die Anbringung eines Drehmomentfühlers näher gezeigt ist; Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform

einer Laufradaufhängung;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der in Fig. 6 wiedergegebenen Laufradaufhängung, aus welcher Ein-

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zelheiten derselben ersichtlich sind;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Laufradaufhängung;

Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine nochmals abgewandelte Ausführungsform für die Laufradaufhängung;

Fig. 1Oa-IOd graphische Darstellungen, anhand welcher die Auswirkungen der Verwendung einer nichtlinearen Feder zusammen mit einer linearen, auf Biegung belastbaren und eine begrenzte Bewegung zulassenden Laufradaufhängung auf die Gesamtaus lenkung des Laufrades in Abhängigkeit von Änderungen des Massenstromes wiedergegeben sind;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform für eine nichtlineare Feder, welche zusammen mit dem linearen Laufradfühler verwendbar ist;

Fig. 12 eine graphische Darstellung der vom Massenstrom erzeugten Winkelbeschleunigung des Laufrades in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen dem Außenradius und dem Innenradius des Laufrades;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer Einlaßkammer einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, bei welcher ein Fühler zum Messen des Luftdurchsatzes in dem Ansaugstutzen angeordnet ist;

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer Ansaugkammer einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, bei welcher ein Fühler zum Messen des Luftmassenstromes in einem Einlaßschlauch angeordnet ist, welcher zum Anlaßstutzen der Ansaugkammer führt;

Fig. 15 einen axialen Schnitt durch einen Fühler zum Messen

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des Luft-Massenstromes, welcher in einem Luftfilter einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, wobei der radiale Luftstrom durch den Luftfilter nach dem Durchqueren des Filtereinsatzes umgelenkt wird, so daß er in axialer Richtung durch den Massenstromfühler strömt; und

Fig. 16 einen axialen Schnitt durch einen weiteren Luftfilter mit radialer Führung des Luftstromes mit einem Fühler zum Messen des Luftdurchsatzes, welcher ein Radial/Axialstrom-Laufrad aufweist.

Wie nachstehend noch genauer beschrieben werden wird, weist der erfindungsgemäße Fühler zum Messen des Durchsatzes eines Strömungsmittels ein Laufrad und ein Fühlergehäuse auf. In dem Fühlergehäuse ist ein kreisförmigen Querschnitt aufweisender Durchgang vorgesehen, innerhalb dessen das Laufrad gelagert ist. Das Laufrad ist mit Turbinenschaufeln versehen, die an einem Nabenabschnitt des turbinenähnlich ausgebildeten Laufrades befestigt sind. Das Laufrad ist der Geometrie des Fühlergehäuses derart angepaßt und so im Inneren des Durchganges des Fühlergehäuses angeordnet, daß der gesamte Strömungsmittelstrom die Schaufeln des Laufrades durchströmt. Durch die Krümmung und den Anstellwinkel der Laufradschaufeln wird dem Strömungsmittelstrom ein zusätzlicher Drall erteilt. Diese Dralländerung im durch das Laufrad strömenden Medium führt dazu, daß auf die Laufradschaufeln eine entsprechende Reaktionskraft ausgeübt wird, aus welcher ein Signal abgeleitet werden kann, das der Dichte und Geschwindigkeit des durch das Laufrad strömenden Mediums entspricht. Dieses Signal wird mit einem entweder stromauf oder stromab des Laufrades gemessenen Drucksignal und mit einem Tem-

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peratursignal kombiniert, und auf diese Weise können lokale Änderungen von Druck und Temperatur des durch den Fühler strömenden Mediums derart kompensiert werden, daß man letztlich ein dem Massenstrom zugeordnetes Signal erhält, das in einem Verbraucher, z. B. einer Kraftstoffzufuhrsteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, verwendet werden kann.

Um die auf das Laufrad ausgeübte Reaktionskraft messen zu können, ist das Laufrad im Fühlergehäuse mittels einer speziellen Laufradhalterung angebracht. Letztere stellt eine mit einer Ausnahme starre Halterung für das Laufrad dar, welche all denjenigen auf das Laufrad einwirkenden Kräften Widerstand leistet, mit Ausnahme der zu erfassenden Reaktionskräfte. Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Laufradschaufeln wendelförmig gekrümmt, derart, daß durch Anströmen axiale und in ümfangsrichtung verlaufende Reaktionskräfte erzeugt werden, welche auf das Laufrad einwirken. Die ümfangsrichtung verlaufenden Kräfte führen zu einem Reaktionsdrehmoment, das bei der bevorzugten Ausführung gemessen wird, um die zu erfassende Reaktionskraft zu messen.

Bei einer zweiten Ausführungsform werden die auf das Laufrad einwirkenden axialen Reaktionskräfte direkt gemessen.

Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen das Reaktionsdrehmoment gemessen wird, ist eine flexible, nur eine begrenzte Bewegung in Richtung des Reaktionsdrehmomentes zulassende Laufradaufhängung vorgesehen, welche ein axiales und radiales Bewegen des Laufrades verhindert, ein Verdrehen des Laufrades im Inneren des Fühlergehäuses dagegen zuläßt. Die Reaktionskraft wird entweder dadurch

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gemessen, daß man die Auslenkung des Laufrades entgegen einer dem Reaktionsdrehmoment entgegenwirkenden Federkraft mißt, oder dadurch, daß man das Drehmoment direkt unter Verwendung eines auslenkungsfrei arbeitenden Kraftwandlers mißt. Dieser wird dann mit einer Kraft beaufschlagt, welche dem auf das Laufrad einwirkenden Reaktionsdrehmoment entspricht. In denjenigen Fällen, in denen die Winkelauslenkung des Laufrades gemessen wird, stellt die flexible und nur eine begrenzte Verdrehung des Laufrades erlaubende Laufradaufhängung zugleich auch die Federkraft bereit, die bei der einen Art der Messung des Reaktionsdrehmomentes verwendet wird, und diese Federkraft wird mit der Kraft einer nichtlinearen Feder zusammengesetzt, wodurch die Auslenkungs-Charakteristik der Laufradaufhängung derart modifiziert wird, daß man für verhältnismäßig kleine Absolutwerte des Massenstromes bei vorgegebener Zunahme des Massenstromes Auslenkungen erhält, die größer sind als die demgegenüber kleineren Auslenkungen, welche man für gleiche Änderungen des Massenstromes bei verhältnismäßig großen Absolutwerten des Massenstroms durch den Fühler erhält. Man erhält auf diese Weise ein lineares Ausgangssignal, obwohl der Massenstrom und das auf das Laufrad ausgeübte Drehmoment zwangsläufig nicht linear voneinander abhängen.

Man kann somit das Laufrad auf eine Vielzahl unterschiedlicher Art und Weisen im Fühlergehäuse anbringen, je nach dem, wie man die Reaktionskraft mißt, d.h. ob man die axiale Kraft direkt oder das Drehmoment mißt. Außerdem hat man verschiedene Arten der Laufradaufhängung je nach dem, ob man zur Messung der Reaktionskraft die Auslenkung des Laufrades mißt oder ob man die Reaktionskraft direkt un1: (>r Verwendung e ines K r a Π: füll 1 e rs ermi tte It.

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Diese verschiedenen Typen der Laufradaufhängungen sind in der Zeichnung in den Fig. 1,2 und 4-9 wiedergegeben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines Fühlers zum Messen des Massenstromes eines gasförmigen Mediums wie Luft, wobei bei der einen Ausführungsform das Reaktionsdrehmoment und bei der anderen Ausführungsform die axiale Komponente der Reaktionskraft gemessen wird.

Fig. 1 zeigt einen Fühler zum Messen des Massenstromes von Luft zur Verwendung an einer Brennkraftmaschine, bei welchem das auf das Laufrad einwirkende Drehmoment gemessen wird. Das mit 12 bezeichnete Laufrad ist im Inneren eines kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Durchganges 18 angeordnet, welcher durch ein Fühlergehäuse 14 begrenzt ist. Letzteres ist durch ein Rohrstück gebildet und kann im Inneren desjenigen Kanales angeordnet werden, in dem der Massenstrom gemessen werden soll. Bei dem in Fig. I v/Ledergegebenen Ausführungsbeispiel ist dieser Kanal der Ansaugstutzen U> des Luftfilters oder einer Ansaugkammer einer Brennkraftmaschine.

Das ähnlich wie das Laufrad einer Turbine ausgebildete Laut rad 12 ist im Durchgang 18 des Fühlergehäuses 14 durch eine in FLg. 1 schematisch wiedergegebene Laufradaufhängung 20 angebracht, welche unter Verformung eine Bewegung des Laufrades in nur einer Richtung zulaßt. Die das Laufrad führende, flexibel '/or formbare Lauf radaufhängung 20 kann zugleich mit Statnrschaufcln versehen sein, .-/ie später unter Bezugnahme; auf die verschiedenen Aus fiih rungs formen der Lauf radaufhängung noch genauer beschrieben wird. In jeden-. E'al-Ie bildet jedoch die reibungsfrei arbeitende, flexibel rerfurmbara

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Laufradaufhängung 20 in axialer und in radialer Richtung eine starre Halterung für das Laufrad und läßt diesem nur noch eine einzige Möglichkeit der Bewegung, nämlich eine Drehung um seine Achse. Für eine derartige Drehung um die Laufradachse ist die Laufradaufhängung verhältnismäßig weich ausgelegt.

Das Laufrad 12 hat einen Nabenabschnitt 22, der über die flexible Laufradaufhängung 20 an einem Gehäuseabschnitt 24 befestigt ist. Das Laufrad 12 hat ferner in radialer Richtung verlaufende Schaufeln 26, die ähnlich wie Turbinenradschaufeln ausgebildet sind und wendelförmig gekrümmt sind. Auf diese Weise erzielt man den maximalen aerodynamischen Wirkungsgrad des Laufrades, wie dem Fachmann bekannt.

Die Schaufeln 26 können eine Querschnitts form haben, wie sie von Tragflächen her bekannt sind; man kann aber auch einfach entsprechend gebogene Blechabschnitte verwenden, die an dem Nabenabschnitt 22 befestigt sind. Der Außenradius des Laufrades 12 ist so gewählt, daß das Laufrad im wesentlichen den ganzen Querschnitt des Durchganges 18 ausfüllt. Darüber hinaus ist die Querschnittsüberdeckung so gewählt, daß sie größer als 1,0 ist. Unter QuerschnittsUberdekkung soll verstanden werden das Verhältnis zwischen der Gesamtfläche der mater Laierfül1 ten Bereiche des Laufradquerschnittes gesehen in axiaLer Richtung zum Verhältnis der dazwischenliegenden schaufeLradfre ion Bereiche, gesehen ebenfalls in axialer Richtung. Dieses Verhältnis entspricht dem Verhältnis zwischen der Sehnenabmessung der Laufschaufeln und dem Abstand der Laufschaufeln. Wählt man - wie angegeben - dieses Verhältnis gleich 1,0 oder größer, so wird durch die Schaufeln des Laufrades der gesamte Strom

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des ankommenden Mediums umgelenkt, wodurch dem Medium bezüglich des Fühlergehäuses ein Drall erteilt wird.

Der Laufradaufhängung 20 ist ferner ein Drehmomentfühler 28 zugeordnet, welcher das Reaktionsdrehmoment des Laufrades 12 mißt, welches durch das Umlenken des durch die Schaufeln 26 des Laufrades tretenden Stromes erzeugt wird. Die in Umfangsrichtung gerichteten Reaktionskräfte auf das Laufrad werden durch die wendelförmig gekrümmten Schaufeln 26 erzeugt, welche in dem zu messenden Strom einen Wirbel erzeugen, da die Strömungsrichtung im Laufrad 12 abgeändert wird. Diese Änderung der Strömungsrichtung führt also zu einer Änderung des Dralls (Drehimpulses) des Mediums. Die Schaufeln 26 des Laufrades übertragen die entsprechende Reaktionskraft auf den Nabenabschnitt 22.

Die Laufradaufhängung 20 erlaubt ein Verdrehen des Laufrades 12 entgegen Federkraft um einen begrenzten Winkel. Diese Federkraft gleicht bei denjenigen Ausführungsformen des Durchsatzfühlers, bei denen eine begrenzte Drehung des Laufrades möglich ist, das Reaktionsdrehmoment aus. Das auf das Laufrad 12 einwirkende Drehmoment entspricht somit der in Umfangsrichtung wirkenden Reaktionskraft, die deshalb auf das Laufrad 12 einwirkt, weil in dem strömenden Medium durch Umlenkung an den gekrümmten Schaufeln 26 ein zusätzlicher Drall erzeugt wird. Der Drehmomentfühler 28 erzeugt ein elektrisches Signal, das der Größe des in der Laufradaufhängung 2O erzeugten Drehmomentes entspricht.

Da die Laufradaufhängung 20 eine federnde Aufhängung für das Laufrad 12 darstellt, können bei der Resonanzfrequenz des durch das

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Laufrad 12 und die Laufradaufhängung 20 gebildeten schwingungsfähigen Systemes Oszillationen des Laufrades 12 auftreten. Dies gilt für diejenigen Ausführungsformen, bei denen das Laufrad winkelmäßig aus lenkbar ist. Sieht man in diesem Falle keine mechanische Dämpfung vor und reicht die aerodynamische Dämpfung des Laufrades nicht dazu aus, diese Oszillationen zu eliminieren, so kann man einen elektrischen Sperrkreis 29 vorsehen, welcher vom Ausgangssignal des Drehmomentfühlers diejenigen Signalkomponenten wegfiltert, welche bei der Resonanzfrequenz dieser Oszillationen liegen.

Es ist ferner ein Druckfühler 30 vorgesehen, der ein elektrisches Ausgangssignal bereitstellt, das dem stromab des Laufrades 12 gemessenen Druck des Mediums entspricht. Ein Temperaturfühler 32 mißt ebenfalls stromab des Laufrades 12 die Temperatur des durch das Laufrad strömenden Mediums.

Da die Druckverluste bei der hier beschriebenen Ausbildung des Laufrades 12 gering sind, sind auch die Druckänderungen und Temperaturänderungen innerhalb einer kurzen Zeitspanne nicht groß. Damit können verhältnismäßig billige Fühler als Druckfühler und Temperaturfühler verwendet werden.

Die elektrischen Ausgangssignale von Drehmomentfühler 28 (ggf. nach Filterung durch den Sperrkreis 29), Druckfühler 30 und Temperaturfühler 32 werden einem Rechenkreis 34 zugeführt, welcher ein integrierter Schaltkreis und/oder ein Mikroprozessor sein kann oder durch die elektronische Steuerschaltung der Kraftstoffzufuhrsteuerung gebildet sein kann. Der Rechenkreis 34 erzeugt ein elektri-

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sches Ausgangssignal, das dem Massenstrom durch den Durchsatzfühler entspricht. Dieses Ausgangssignal ist aus dem Drehmomentsignal, dem Drucksignal und dem Temperatursignal abgeleitet und wird einem Verbraucher 36 zugeführt, welcher bei der hier betrachteten Anwendung eine elektronische Steuerschaltung für eine Kraftstoffeinspritzanlage wäre.

Das Laufrad 12 erzeugt also ganz allgemein gesprochen in dem gesamten Strom des durch den Fühler strömenden Mediums eine Änderung des Drehimpulses, was dazu führt, daß auf das Laufrad eine in Umfangsrichtung gerichtete Reaktionskraft ausgeübt wird, welche bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsform zu einem entsprechenden Drehmoment führt. Die das Drehmoment erzeugende Komponente dieser Reaktionskraft wird entweder dadurch gemessen, daß man die Winkelauslenkung des Laufrades entgegen der federnden Rückstellkraft der Laufradaufhängung 20 mißt, oder dadurch, daß man einen Kraftfühler vorsieht, der direkt die Größe des Drehmomentes mißt. Die Änderung des Drehimpulses des Mediums ist ein Maß für die Masse und Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Mißt man zusätzlich den Druck und die Temperatur dieses Mediums zur Bestimmung seiner Dichte, so kann bei vorgegebener Geometrie des Laufrades leicht den Massenstrom für ein gegebenes Medium berechnen, da man über eine ausreichende Anzahl gemessener Signale verfügt, um den Massenstrom durch den Durchsatzfühler genau angeben zu können.

Dies wird nachstehend auch durch eine mathematische Analyse im einzelnen dargelegt. Dabei v/erden die nachstehenden Abkürzungen verwendet:

T Drehmoment, das von der in Umfangsrichtung gerichteten Reak-

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m r V R T P

tionskraft F (vgl. Fig.3) erzeugt wird, welche mit einem Hebelarm angreift, der durch den effektiven Radius der Krümmung der Laufradschaufeln vorgegeben ist; Massenstrom; effektiver Radius der Laufradschaufeln; Strömungsgeschwindigkeit des Mediums; allgemeine Gaskonstante; Temperatur in K; absoluter Druck des Mediums; Druck stromauf des Laufrades; Druck stromab des Laufrades; effektive Querschnittsfläche zwischen den Schaufeln auf deren Einlaßseite; effektiver Querschnitt zwischen den Schaufeln auf deren Auslaßseite; Dichte des Gases, welche gleich P/(RT) gesetzt wird.

Mit diesen Abkürzungen erhält man die nachstehenden Gleichungen;

T₀ = m

Setzt man

so erhält man

T = nn: (V sin 9 ) + γΡ*Αϊ sin θ ο

_{rP Λ sin θ}

ή5τ_ _sin

(P₂A₂

= ™llEi sin θ + rP.A, sin θ

PA ²

m = Γ P₂ ²A₂ ² sin θ + P;A; T _n

rRT sin O rRT sin

( A₂ ) _ P₂^ (A₂ ² ) (Rr sxn θ) T(R)

Rr sin

_R_

m =

= k.

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Damit kennt man für eine vorgegebene Geometrie und für ein vorgegebenes Medium den Massenstrom m, wenn man den Druck P~, die Temperatur T und das Drehmoment T kennt. Die oben angegebene Gleichung kann mittels eines geeigneten Rechenkreises oder mittels eines entsprechend programmierten Mikroprozessors gelöst werden, und man erhält dann ein Ausgangssignal, welches dem Massenstrom entspricht.

Da die Winkelbewegung des Laufrades bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen dessen Auslenkung gemessen wird, verhältnismäßig klein wird oder da das Laufrad überhaupt stationär ist (bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen man direkt die Kraft mißt, wie später noch genauer beschrieben wird), ist der Einfluß der Trägheitskräfte des Laufrades auf das Meßergebnis erheblich vermindert und nähert sich dem Wert Null mit gegen Null gehender Auslenkung des Laufrades.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, führt die Reaktionskraft, die durch Drallerzeugung im Medium beim Umlenken an den gekrümmten Schaufeln 26 des Laufrades erzeugt wird, auch zu einer in axialer Richtung verlaufenden Komponente der Reaktionskraft, die in Fig. 3 mit F bezeichnet ist.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Durchsatzmessers wiedergegeben, bei welcher von dieser axialen Komponente der Reaktionskraft Gebrauch gemacht wird. Hierzu ist der Nabenabschnitt 22 des Laufrades 12 in einer vorderen Lagernabe 38 und einer hinteren Lagernabe 39 reibungsfrei so gelagert, daß er sich in axialer Richtung verschieben kann, also eine Translationsbewegung ausführen kann. Die Lagernabe 38 kann zugleich einen Satz von Statorschaufeln 40 tra-

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gen, die stromauf des Laufrades 12 angeordnet sind und deren äußere Enden am Fühlergehäuse abgestützt sind. Diese Statorschaufeln 40 tragen dann eine eigentliche, zentral angeordnete Nabe 42, in welcher ein vorderer Nabenendabschnitt 44 des Nabenabschnitfces 22 angeordnet ist. Dabei ist die Nabe 42 und der Nabenabschnitt 44 so ausgebildet, daß eine Drehung des letzteren in der Nabe 42 nicht möglich ist und das Reaktionsdrehmoment des Laufrades 12 aufgenommen wird. Die stromab angeordnete, hintere Lagernabe 39 weist ebenfalls Statorschaufeln 41 auf, deren äußere Enden am Fühlergehäuse 14 festgelegt sind und eine eigentliche, mittig angeordnete Nabe 43 tragen, in welcher ein hinterer Nabenendabschnitt 44 des Nabenabschnittes 2 2 Aufnahme findet. Auf diese Weise erhält man insgesamt eine Laufradlagerung, welche jegliches radiale Bewegen des Laufrades 12 verhindert.

Die rein in axialer Richtung gerichtete Reaktionskraft wird durch einen auf axiale Kräfte ansprechenden Kraftfühler 47 gemessen, welcher mit dem Ende des hinteren Nabenendabschnittes 4 5 verbunden ist und über welchen die axiale Reaktionskraft aufgefangen wird. Der Kraftfühler 47 erzeugt ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal, während das Reaktionsdrehmoment von der Nabe 42 aufgenommen wird. Das Ausgangssignal des Kraftfühlers 47 wird in dem Rechenkreis 34 wieder mit den Ausgangssignalen des Druckfühlers 30 und des Druckfühlers 32 sowie eines weiteren stromauf des Laufrades angeordneten Druckfühlers 46 verarbeitet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird dieser stromauf angeordnete Druckfühler 46 deshalb benötigt, da die vom Kraftfühler 47 insgesamt gemessene axiale Kraft auch vom Druckabfall über die Schaufeln 26 des Laufrades 12 abhängt.

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Auch bei dem Durchsatzfühler nach Fig. 2 erhält man ein elektrisches Ausgangssignal, das direkt dem Massenstrom durch den Fühler zugeordnet ist. Dieses Ausgangssignal wird ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wieder dem Verbraucher 36 zugeführt.

Da man bei der Ausführungsform nach Fig. 2, bei welcher die axiale Kraftkomponente der Reaktionskraft des Laufrades 12 gemessen wird, den stromauf angeordneten Druckfühler 46 benötigt, wird diese Ausführungsform nicht bevorzugt; trotzdem ist sie ohne weiteres dazu geeignet, in der gewünschten Art und Weise ein direkt dem Massenstrom zugeordnetes Ausgangssignal bereitzustellen.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Laufradaufhängung 20, welche ein Bewegen des Laufrades nur in einer vorgegebenen Richtung unter elastischer Verformung zuläßt und so sowohl eine tragende Halterung für das Laufrad 12 als auch Statorflächen bildet, welche den Drall des Mediums vor seinem Hindurchlaufen durch das Laufrad 12 reproduzierbar einstellen. Hätte das in das Laufrad 26 einströmende Medium schon einen Drall, so wäre das Ausgangssignal des Durchsatzfühlers ungenau, da das Drehmoment nicht zur Gänze durch die Schaufeln des Laufrades erzeugt wäre.

Die Laufradaufhängung 20 stellt zugleich eine Rückstellfeder dar, welche einem Herausdrehen des Laufrades aus seiner Ruhestellung einen elastischen Widerstand entgegensetzt. Dies gilt für diejenigen Ausführungsbeispiele, bei denen ein Verdrehen des Laufrades zum Ermitteln des Reaktionsdrehmomentes verwendet wird. Infolgedessen ist dann die Laufradaufhängung auch mit einem Wandler versehen, der ein von der Verformung der Laufradaufhängung abhängendes elektrisches

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Ausgangssignal bereitstellt. Dies wird weiter unten noch genauer beschrieben. Ein derartiger Geber kann z.B. ein Dehnungsmesser sein, der direkt den die Zwangsführung besorgenden flexibel verformbaren Teilen der Laufradaufhängung zugeordnet ist.

In ihrer einfachsten Form, die in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben ist, weist die Laufradaufhängung 20 eine Mehrzahl verhältnismäßig dünner in radialer Richtung verlaufender Stege 50 auf, die zugleich als stromab des Laufrades angeordnete Statorschaufeln dienen, welche sicherstellen, daß das Medium streng laminar und drallfrei das Laufrad erreicht. Die Stege 50 sind flächig und erstrecken sich in radialer Richtung nach außen bis zur Innenwand des Fühlergehäuses 14, an welcher die außenliegenden Kanten der Stege 50 befestigt sind. Die innenliegenden Enden der Stege 50 sind über einen vorderen Nabenendabschnitt 51 am Laufrad 12 befestigt, und auf diese Weise ist das Laufrad 12 am Fühlergehäuse 14 angebracht. Die Statorschaufeln 50 haben verhältnismäßig kleine Wandstärke, so daß sie auf Biegung belastbar sind und einer Drehung des Laufrades 12 um kleine Winkel aus der Ruhelage heraus nur einen sehr kleinen Widerstand entgegensetzen. Auf diese Weise erhält man eine federnde Laufradaufhängung .

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, verlaufen die Statorschaufeln 50 parallel zur Achse des Laufrades und liegen vorzugsweise in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden der Schaufeln 26 des Laufrades. Auf diese Weise wird die Auswirkung von Turbulenzen sehr klein gehalten, die durch den Sog des zwischen den Statorschaufeln 50 hindurchtretenden Mediums erzeugt wird, welches dann an den Schaufeln 26 des Laufrades vorbeiströmt. Ein Dehnungsmeßstreifen 52 ist

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auf einer der Statorschaufeln 50 angeordnet. Stattdessen kann man auch eine Mehrzahl entsprechender Dehnungsmeßstreifen vorsehen, die jeweils von einer der Statorschaufeln 50 getragen sind. Der Dehnungsmeßstreifen 52 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das der Winkelaus lenkung des Laufrades 12 aus seiner Ruhestellung heraus entspricht, da die Laufradauslenkung zu einer entsprechenden Verbiegung der Statorschaufeln 50 führt. Diese Verbiegung der Statorschaufeln 50 wächst gut linear mit der Größe des Reaktionsdrehmomentes des Laufrades. Auf diese Weise erhält man eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignales des Dehnungsmeßstreifens 52 vom Massenstrom durch den Durchsatzfühler.

Die Statorschaufeln 50 dienen somit nicht nur als Statorschaufeln sondern zugleich als tragende Halterung für das Laufrad 12. Darüber hinaus stellen sie auf Biegung beanspruchbare Federn dar, welche das Laufrad 12 in eine Ruhestellung vorspannen und bei Auftreten eines Reaktionsdrehmomentes ein Verdrehen des Laufrades 12 entgegen Federkraft erlauben.

Die Statorschaufeln 50 sind zwar verhältnismäßig weich, was eine Verdrehung des Laufrades 12 anbelangt, sie stellen jedoch in axialer und in radialer Richtung eine starre Halterung für das Laufrad dar, und auf diese Weise ist sichergestellt, daß ihre Verformung direkt dem Reaktionsdrehmoment zugeordnet ist. Damit ist sichergestellt, daß die durch die Verformung der Statorschaufeln erhaltenen Signale nicht durch die axiale Belastung des Laufrades 12 verfälscht werden, denn wie schon dargelegt, führt die Erzeugung eines Dralles im durchströmenden Medium auch zu einer in axialer Richtung ausgerichteten Reaktionskraft.

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Man kann an dem hinteren Nabenendabschnitt 53 für den Nabenabschnitt 22 des Laufrades in gleicher Weise einen zweiten Satz auf Biegung beanspruchbarer Statorschaufeln vorsehen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind und ganz ähnlich am Fühlergehäuse 14 befestigt sind. Auf diese Weise erhält man dann eine symmetrisch ausgewogene Laufradaufhängung .

Bei der in den Fig. 6 und 7 gezeigten abgewandelten Ausführungsform sind ebenfalls vorne liegende Statorschaufeln 60 und hinten liegende Statorschaufeln 62 vorgesehen. Die Statorschaufeln 60 und 62 bestehen jedoch aus verhältnismäßig dicken Wänden und stellen so in allen Belastungsrichtungen eine verhältnismäßig steife Halterung dar.

Bei dieser Ausführungsform wird eine ebenfalls nach dem Biegeprinzip arbeitende Lagereinheit 72 verwendet, die im Inneren eines Nabenendabschnittes 6 4 und eines Nabenendabschnittes 66 angeordnet ist. Der Nabenendabschnitt 64 trägt die vorderen Statorschaufeln 60, der Nabenendabschnitt 66 die hinteren Statorschaufeln 62. Die Nabenendabschnitte 6 4 und 66 sind auf Endabschnitte 68 und 70 der Lagereinheit 72 aufgepreßt.

Derartige nach dem Biegeprinzip arbeitende Lagereinheitn 72 sind im Handel erhältlich und weisen zwei ringförmige Teile 74 und 76 auf. Der ringförmige Teil 74 besteht aus den Endabschnitten 68 und 70, welche durch einen angeformten mittleren Abschnitt 78 verbunden sind. Der andere ringförmige Teil 76 weist ein Nabenteil 8O auf, an welchem die Schaufeln 26 des Laufrades befestigt sind, von denen in Fig. 7 nur ein Teil wiedergegeben ist.

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Die ringförmigen Teile 74 und 76 sind über transversale, in radialer Richtung verlaufende Stege miteinander verbunden, welche sich senkrecht zur Längsachse des Fühlers erstrecken.

Ein Satz von Stegen 82 und 84 erstreckt sich parallel zueinander und diese Stege sind an einem Ende an dem ringförmigen Teil 74 und am anderen Ende an dem zentralen ringförmigen Teil 76 über Verlängerungen 86 und 88 befestigt. Letztere erstrecken sich in die Endabschnitte 68 und 70 hinein. Ein zentraler Steg 90 erstreckt sich in transversaler oder diagonaler Richtung bezüglich der Stege 82 und 84 und dient ebenfalls zur gegenseitigen Verbindung der ringförmigen Teile 74 und 76.

Die Verlängerungen 86 und 88 erstrecken sich in Ausnehmungen hinein, welche in den Endabschnitten 68 und 70 vorgesehen sind. Dabei verbleibt ein Zwischenraum 9 2 zwischen diesen Teilen und ein beim anderen Ende liegender, nicht wiedergegebener ähnlicher Zwischenraum. Auf diese Weise erhält man mechanische Anschläge, welche die Verdrehung der ringförmigen Teile 74 und 76 gegeneinander auf einen vorgegebenen Wert begrenzen und damit auch die winkelmäßige Auslenkung des Laufrades aus seiner Ruhestellung heraus begrenzen.

Die Stege 82,84 und 90 sind damit so angeordnet, daß sie einer radialen und axialen Belastung Widerstand entgegensetzen. Dagegen sind sie gegenüber Biegebelastung nachgiebig, und auf diese Weise erhält man eine nach dem Biegeprinzip arbeitende, nur eine Bewegung in einer Richtung erlaubende Verbindung zwischen den ringförmigen Teilen 74 und 76. Auf diese Weise erhält man eine Lagerung einer Nabe 80 des Laufrades auf feststehenden Nabenendabschnitten 64 und

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66, daß axiale und radiale Belastungen des Laufrades starr aufgenommen werden, während Drehmomentbelastungen unter elastischem Nachgeben aufgenommen werden.

Derartige Lagereinheiten sind im Handel erhältlich und zwar in den unterschiedlichsten Größen und zu verhältnismäßig geringen Kosten. Derartige Lagereinheiten sind mit den verschiedensten Arbeitskennlinien, insbesondere mit unterschiedlichen Federkonstanten erhältlich und eignen sich gut als auf dem Biegeprinzip arbeitende Lageraufhängung 20 für den Durchsatzfühler nach Fig. 1.

Wie schon dargelegt wurde, stellt die Laufradaufhängung 20 bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 4-7 ein schwingungsfähiges System bestehend aus einer Masse und einer Federanordnung dar, welches in Abwesenheit einer aerodynamischen oder mechanischen Dämpfung oszillieren kann. In diesem Falle oszilliert dann das Laufrad 12 besonders stark bei gewissen Werten des Massenstromes durch den Fühler. Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Sperrkreises 29 kann man den nachteiligen Effekt von Oszillationen des Laufrades auf das Ausgangssignal auch dadurch ausräumen, daß man einen geeigneten Dämpfer 100 (vgl. Fig. 8) vorsieht, der mit dem Laufrad 12 kraftschlüssig verbunden ist. Auf diese Weise werden dann die Oszillationen mechanisch weggedämpft.

Das dynamische Ansprechverhalten des oben beschriebenen Durchsatzfühlers kann man dadurch optimieren, daß man die Auslenkung des Laufrades 12 praktisch auf Null herabdrückt. Hierzu wird ein starrer Arm 102 (vgl. Fig. 9) vorgesehen, der mit dem hinteren Nabenabschnitt 24 des Laufrades 12 verbunden ist. Das Laufrad 12 ist an seinem vor-

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deren Nabenabschnitt 24 weiterhin von der nach dem Biegeprinzip arbeitenden Laufradaufhängung 20 getragen, wobei entweder die Ausführungsform nach Fig. 4 oder die Ausführungsform nach Fig. 6 verwendet werden kann. Der starre Arm 102 liegt mit seinem äußeren Ende an einem Kraftwandler 104 an, welcher z.B. durch einen schwingenden Quarzkristall gebildet sein kann. Ein derartiger Kraftwandler reagiert auf eine kräftemäßige Belastung seiner Kante mit einer Änderung seiner Arbeitsfrequenz, und diese Änderung ist direkt der auf den Kristall ausgeübten Kraft zugeordnet. Die mechanische Federkonstante ist bei einem derartigen Kraftwandler sehr hoch und man erhält nur Verformung von einigen hundertstel ,u. Damit ist auch die elastische Rückstellkonstante für das Laufrad sehr groß, was zu einem optimalen dynamischen Ansprechverhalten führt.

Anstelle des Kraftwandlers 104 kann man auch einen Stellungsgeber verwenden, z.B. einen Niederspannungs-Differentialtransformator; stattdessen kann man auch Dehnungsmeßstreifen direkt an der Laufradaufhängung 20 anbringen.

Die oben abgeleitete Gleichung, welche den Massenstrom in Abhän-

vom
gigkeit vom Laufrad bereitgestellten Drehmoment angibt, zeigt, daß die Abhängigkeit einem quadratischen Gesetz folgt. Dies ist aus der entsprechenden graphischen Darstellung nach Fig. 10a ebenfalls ersichtlich. Nimmt der Wert des Massenstromes um einen vorgegebenen Betrag zu, so nimmt das Drehmoment und bei den das Drehmoment messenden Ausführungsformen zugleich auch die Auslenkung des Laufrades um so stärker zu, je höher der Absolutwert des Massenstromes ist, zu dem der vorgegebene Betrag noch hinzukommt. Dies gilt dann, wenn man eine lineare Feder dazu verwendet, das Reaktionsdrehmoment des

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Laufrades aufzunehmen. Erfindungsgemäß kann eine nichtlineare Feder zur Aufnahme des Reaktionsdrehmomentes des Laufrades 12 verwendet werden. Die gemessene Auslenkung kann dann in andere Abhängigkeiten vom Laufraddrehmoment umgesetzt werden, indem man das Ausgangssignal so umsetzt, daß man eine vorteilhaftere Abhängigkeit vom Luft-Massenstrom erhält. Dies ist in der abgewandelten graphischen Darstellung von 10b gezeigt.

Eine derartige nichtlineare Feder kann man z.B. dadurch herstellen, daß man einen einseitig eingespannten biegbaren Träger mit variabler effektiver Länge verwendet, wie dies in Fig. 11 schematisch gezeigt ist. In diesem Falle ist dann an dem Nabenabschnitt 22 des Laufrades ein starrer Arm 106 befestigt, welcher mit seinem außen liegenden Ende das außen liegende Ende eines freitragenden Armes 108 berührt. Unterhalb des freitragenden Armes 108 ist dann eine Abstützung 110 vorgesehen, welche entweder durch einen einstückigen Körper mit gekrümmter Oberfläche oder durch eine Anordnung von Stützen mit unterschiedlicher Höhe gebildet ist. In jedem Falle liegen der Unterseite 112 des freitragenden Armes 108 mit wachsendem Abstand von der Einspannstelle zunehmend niedriger liegende Abstützflächen gegenüber. Wird der freitragende Arm 108 durch Verdrehen des starren Armes 106 nach unten gebogen, so nimmt die effektive Länge des freitragenden Armes 108 zu, da immer weitere Kontakte zu Stützen der Abstützung 110 hergestellt werden. Da die effektive Länge des freitragenden Armes 108 somit verkürzt wird, nimmt die Federkonstante entsprechend zu, und auf diese Weise erhält man eine in nichtlinearer Weise zunehmend steifer werdende Feder (zunehmende Federkonstante), die kraftschlüssig mit dem Nabenabschnitt 22 in der in der Zeichnung wiedergegebenen Art und Weise verbunden ist.

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Um ein Ausgangssignal zu erhalten, das der Biegung des freitragenden Armes 108 zugeordnet ist, ist ein Verbindungsarm 114 vorgesehen, der kraftschlüssig mit einem Arm 116 verbunden ist. Letzterer trägt an geeigneten Stellen an sich bekannte Dehnungsmeßstreifen 118. Stattdessen kann man auch einen Niederspannungs-Differentialtransformator oder einen anderen Stellungsgeber verwenden, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, das der Stärke der Verformung des freitragenden Armes 108 zugeordnet ist. Man erhält auf diese Weise eine nichtlinear zunehmende Federkonstante und damit auch eine nichtlineare Auslenkung des Armes 116 auf eine Auslenkung des Laufrades 12 hin, das ganze derart, daß man von dem die Auslenkung messenden Fühler ein Ausgangssignal erhält, das die an sich mit Zunahme des Massenstroms zunehmende Empfindlichkeit des Fühlers in eine mit Zunahme des Massenstromes abnehmende Empfindlichkeit des Fühlers umkehrt (vgl. Fig. 10b). Natürlich könnte man die Zunahme der Federkonstanten auch gerade so einstellen, daß man insgesamt ein lineares Ausgangssignal erhält. In diesem Falle müßte man dann die Charakteristik der Feder so auf die quadratische Abhängigkeit des Reaktionsdrehmomentes vom Massenstrom abstimmen, daß man die in den Fig.10c und 1Od wiedergegebenen mittleren Kurven erhält, welche im wesentlichen geradlinig verlaufen.

Eine derartige Anpassung ist jedoch nicht sehr oft notwendig, da man heutzutage über Rechenkreise und elektronische Schaltkreise verfügt, welche das elektrische Ausgangssignal leicht verarbeiten können, auch dann, wenn dieses nichtlinear zunimmt, solange die Nichtlinearität nur genau reprodzierbar und vorhersehbar ist, wie dies bei den hier betrachteten Durchsatzfühlern der Fall ist.

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Von den Erfindern wurde erkannt, daß es für das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Nabenabschnittes des Laufrades 12 und dem Außendurchmesser des Laufrades, welcher durch die Enden der Laufradschaufeln vorgegeben ist, kritische Beziehungen gibt, welche das dynamische Ansprechverhalten des Laufrades 12 beeinträchtigen. Dies läßt sich auch anhand der nachstehenden mathematischen Analyse verdeutlichen, bei welcher einige vereinfachende Annahmen gemacht werden und den verschiedenen Faktoren für die Praxis charakteristische Werte zugeordnet werden, um die Berechnung zu Erläuterungszwecken zu vereinfachen. Anhand der nachstehenden Berechnung soll gezeigt werden, daß es eine optimale Beziehung zwischen dem Durchmesser des Nabenabschnittes des Laufrades 12 und dem Außendurchmesser des Laufrades gib t.

IM das Drehmoment möglichst groß zu machen, das durch die Kräfte erzeugt wird, die beim Anströmen der Laufradschaufeln durch den Luftstrom entstehen, müßte man den Abstand zwischen der Laufradachse und dem effektiven, mittleren Radius der Laufradschaufeln möglichst groß wählen. Damit würde natürlich auch das Massenträgheitsmoment des Laufrades sehr groß, und hierdurch würde nur ein sehr schlechtes dynamisches Ansprechen des Laufrades erhalten. Man muß also insgesamt einen Kompromiß schließen, und dies erfolgt wie nachstehend im einzelnen angegeben:

Um das Verhältnis zwischen den Radien der von den Laufschaufeln eingenommenen Ringfläche in Abhängigkeit von der maximalen Winkelbeschleunigung des Laufrades ausdrücken zu können, werden die nachstehenden vereinfachenden Annahmen für die linearen Terme getroffen, um die Berechnung vereinfachen zu können. Diese numerisch

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festgelegten Werte beeinträchtigen in keiner Weise den Wert der Resultate, da auf diese Weise nur alle anderen Variablen außer denjenigen, deren Abhängigkeit studiert werden soll, ausgeräumt werden,

(1) Es wird von einem konstanten ringförmigen Durchströmquerschnitt

für die Luft von 32,3 cm (5,0 inch ) ausgegangen.

(2) Die resultierende effektive Gesamtkraft auf alle Laufschaufeln, welche durch den Luftstrom erzeugt wird, wird gesetzt zu F = 0,5 N (1 Ib) .

(3) Als vereinfachtes Modell für das Laufrad wird eine ringförmige Scheibe angenommen, deren Außenradius R und deren Innenradius R. ist. Die Dicke dieser Scheibe beträgt 1,3 mm (0,05 inch),

r> 3

die Dichte ihres Materials 7,84 g/cm (0,283 lb/in ).

Es ist darauf hinzuweisen, daß durch dieses Modell nur eine Simulation der Laufradschaufeln erhalten wird. Da aber die Laufradschaufeln den allergrößten Teil der Trägheit des Laufrades ausmachen, kann man zu Erläuterungszwecken den demgegenüber kleinen Beitrag der Nabe zum Trägheitsmoment einmal vernachlässigen.

In der nachstehenden Diskussion werden die folgenden Abkürzungen verwendet:

T. = Drehmoment
T„ = Drehmoment

F = effektive vom Luftstrom erzeugte Kraft c

R = effektiver Radius, bei welchem die effektive Kraft an einer Laufradschaufel erhalten wird, die durch Anströmen mit der

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Luft entsteht

R = äußerer Radius der für die Laufschaufeln stehenden ringförmigen Scheibe

R. = Innenradius der ringförmigen Scheibe M - M. = Masse der ringförmigen Scheibe /O = Dichte des Materials der Ringscheibe & = Winkelbeschleunigung t = für die Simulation angenommene Dicke der ringförmigen Scheibe.

Das Drehmoment, das man von einer resultierenden Gesamtkraft auf die Laufschaufeln erhält, welche unter einem Abstand R von der Drehachse erhalten wird, beträgt ^T1 ^{= F}C^RC

Dabei ist

R=R.+ 1/2(R - R.) Cl Ol

Infolgedessen gilt

T₁ = F (R. + 1/2 (R - R. ) ) (D

Das Drehmoment, das benötigt wird, um die ringförmige Scheibe mit einer Beschleunigung öd in Bewegung zu setzen beträgt

= IcV

Dabei gilt

I - 1/2 M₀R₀ ² - ₁₁

= 1/2 «pt<KR_o ⁴ - R₁ ⁴)

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Infolgedessen erhält man

T₂ = 1/2 *f>tA(R ⁴ - R₁ ⁴) (2)

Durch Gleichsetzung der obigen Gleichungen (1) und(2) erhält man F (R. + 1/2 (R - R.))

Cl Ol / o\

. = 2 j (3)

1/2 t (R - R. )

O 1

Hält man die Ringfläche konstant, so kann man ein Verhältnis zwischen den Radien einführen und R und R. eliminieren. Nimmt man die

ο ι

entsprechende Änderung an der Gleichung (3) vor, so erhält man eine eindeutige Lösung für die Winkelbeschleunigung C^ in Abhängigkeit vom Verhältnis der Radien R und R.. Wählt man einen vorgegebenen

oi ^ ^y

Bereich für das Verhältnis der Radien und löst man die obige Gleichung (3) für die Winkelgeschwindigkeit auf, so erhält man eine graphische Darstellung, wie sie in Fig. 12 wiedergegeben ist.

Nachstehend sei die Berechnung eines Wertes für die Winkelbeschleunigung <λ/ als Beispiel angegeben:

(a) Die Ringfläche (a) beträgt 32,3 cm (5 in )

ι/

(b) Ist R = 5 cm, so ist R. = JR - 16,3 = 3,94 cm.

(c) Damit ist R₀ZR₁ = 5,1/3,94 = 1,288.

(d) Damit erhält man R = R. + 0,5 (R - R.) = 8,46 cm

(e) Ferner ist I = 0,5 Tirt (R ⁴ - R.⁴) = 0,029687 gern²

(0,000587 Ib in²).

^F*^Rc 2

(f) X = —— = 3025,89 rad/min .

Die Ergebnisse bei wiederholt ausgeführter derartiger Rechnung sind in Fig. 12 graphisch ausgetragen.

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Die graphische Darstellung von Fig. 12 läßt eine drastische Verbesserung des Ansprechverhaltens, d.h. der Winkelbeschleunigung CL erkennen, wenn das Verhältnis R /R. von 1,0 auf etwa 2,0 anwächst, wobei man einen Maximalwert bei einem Wert des Verhältnisses von 4,0 erhält, an welchen sich ein langsamer aber stetiger Abfall der Kurve ans ch1ie ß t.

Man sollte daher das Verhältnis zwischen dem Außenradius und dem Innenradius der Laufradschaufeln bei einem Wert suchen, der größer ist als 2,0, wobei dieser Wert aus praktischen Gründen dann kleiner gewählt wird als 8,0.

In den Fig. 13-16 sind typische Anwendungsfälle eines insgesamt mit 10 bezeichneten Durchsatzfühlers 10 in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine wiedergegeben.

In Fig. 13 ist eine Ansaugkammer 120 einer Brennkraftmaschine gezeigt, welche einen Ansaugstutzen 122 aufweist. Im Inneren des letzteren ist der Durchsatzfühler 10 im Preßsitz angeordnet. Ein Luftfilter 124 filtert die angesaugte Luft und ist über einen flexiblen Schlauch 126 mit dem Ansaugstutzen 122 verbunden.

In Fig. 14 ist der Durchsatzfühler 10 in einem Verlängerungsrohr 128 angeordnet, das einerseits mit dem Luftfilter 124 und andererseits mit dem Ansaugstutzen 122 der Ansaugkammer 12Ο verbunden ist.

In Fig. 15 ist ein Durchsatzfühler gezeigt, dessen Geometrie speziell der Geometrie eines Luftfilters 130 angepaßt ist. In diesem Luftfilter strömt die Luft nach Durchsetzen des eigentlichen FiI-

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tereinsatzes 124 zunächst in radialer Richtung und wird dann in axiale Richtung umgelenkt und gelangt in einen zentralen Durchgang 132, in welchem ein Laufrad 134 angeordnet ist, das so ausgebildet und aufgehängt ist, wie dies weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1,2,4-7 und 8-10 im einzelnen erläutert worden ist. Das Laufrad 134 ist unmittelbar vor Drosselklappen 136 und 138 angeordnet, so daß der Durchsatzfühler so nahe wie nur irgend möglich bei demjenigen Punkt liegt, bei dem der Luftdurchsatz gemessen werden soll. Oberhalb des Laufrades 134 ist ein Drehmomentfühler 140 angeordnet.

In Fig. 16 ist das axial durchströmte Laufrad 134 durch ein Radialstrom-Laufrad 142 ersetzt, welches den noch in radialer Richtung verlaufenden Luftstrom direkt hinter dem Filtereinsatz 124 übernimmt.

Man erkennt, daß die oben beschriebenen Durchsatzfühler für gasförmige Medien aufgrund ihrer speziellen Ausbildung ein sehr hohes dynamisches Ansprechverhalten aufweisen, da das Laufrad nur sehr wenig oder überhaupt nicht aus seiner Ruhestellung ausgelenkt wird. Auf diese Weise erhält man eine sehr genaue Messung des Massenstromes, welcher in seiner Gesamtheit durch das Laufrad hindurchströmt und durch dessen Schaufeln umgelenkt wird. Auf diese Weise erhält auch der gesamte Strom des zu messenden Mediums einen Drall, und dies führt zu Reaktionskräften auf das Laufrad, die direkt von der Größe des Massenstromes abhängen. Darüber hinaus ist obenstehend eine Laufradaufhängung beschrieben, welche einerseits die Aufgabe von den ankommenden Strom vergleichmäßigenden Statorschaufeln erfüllt und zugleich als tragende Halterung für das Laufrad dient.

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Man erhält so insgesamt eine sehr robuste und zugleich mit gutem Wirkungsgrad arbeitende Fühlerkonstruktion, die sich ausgezeichnet zum Einsatz unter den in Kraftfahrzeugen angetroffenen Umgebungsbedingungen eignet. Die ausgangsseitig erhaltenen elektrischen Signale eignen sich sehr gut zur Weiterverarbeitung in den Steuerschaltungen elektronischer Kraftstoffzufuhrsteuerungen, so daß die oben beschriebenen Durchsatzfühler bestens für diese Anwendung geeignet sind. Da im Durchsatzfühler keine Reibungskräfte und Hysterese-Effekte auftreten, arbeiten die oben beschriebenen Durchsatzfühler sehr genau und reproduzierbar; sie haben darüber hinaus ein ausgezeichnetes dynamisches Ansprechverhalten.

Verwendet man bei Messung des Massenstromes über das Reaktionsdrehmoment des Laufrades nichtlineare Rückstellfedern, so kann man das elektrische Ausgangssignal für besondere Anwendungsfälle so modifizieren, daß es in gewünschter nichtlinearer oder auch in linearer Weise vom Massenstrom abhängt. Obenstehend wurde ferner ausgeführt, daß es ein optimales Verhältnis zwischen dem Nabendurchmesser und dem Außendurchmesser des Laufrades gibt, bei dessen Einhaltung ein bestmögliches dynamisches Ansprechverhalten des Laufrades erhalten wird, da bei Einhaltung dieses Verhältnisses ein optimaler Kompromiß zwischen dem Trägheitsmoment des Laufrades und der Erzeugung eines Drehmomentes inter möglichst großem Hebelarm geschlossen wird,

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wobei zum letztgenannten Zwecke und für sich eine radial außen liegende Stellung der Laufradschaufeln vorteilhaft wäre. Letztere würde aber ein großes Trägheitsmoment des Laufrades bedingen, und man erhielte dann kein gutes dynamisches Ansprechverhalten desselben. Bei Einhaltung des oben angegebenen Verhältnisses zwischen dem Außendurchmesser des Laufrades und dem Außendurchmesser der Laufradnabe

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sind dagegen sowohl das dynamische Ansprechverhalten als auch die Größe des erhaltenen Ausgangssignales absolut zufriedenstellend.

Man erkennt ferner, daß die oben beschriebenen Durchsatzfühler einen sehr kompakten Aufbau aufweisen, praktisch ohne äußere Hilfseinrichtungen auskommen und sich leicht in Kraftfahrzeugen anbringen lassen, sei es am Luftansaugstutzen selbst oder am Luftfilter.

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Claims (20)

The Bendix Corporation Executive Offices, Bendix Center, 16. August 1979 Southfield, Mich.48076, USA Anwaltsakte M-5OO2 Fühler zum Messen des Durchsatzes von S tromungsmitteIn Patentansprüche

1.fFühler zum Messen des Durchsatzes von Strömungsmitteln, gekennzeichnet durch ein Fühlergehäuse (14), welches einen Durchgang (18) aufweist, durch welchen das bezüglich seines Durchsatzes zu messende Strömungsmittel hindurchströmt; durch ein Laufrad (12), welches in dem Gehäuse (14) angeordnet ist und einen Nabenabschnitt sowie eine Mehrzahl von diesem getragener Schaufeln (26) aufweist und dessen Geometrie so gewählt ist, daß es dem gesamten Strömungsmittelstrom durch das Fühlergehäuse (14) ausgesetzt ist und diesen Strom ablenkt, so daß das Strömungsmittel eine Änderung seines Drehmomentes erfährt; eine Laufradhalterung (20), die in dem Fühlergehäuse (14) angeordnet ist und eine begrenzte Bewegung des Laufrades (12) bezüglich des Gehäuses (14) ermöglicht, wenn auf das Laufrad eine Reaktionskraft einwirkt, welche auf die Änderung des Drehimpulses des

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durch den Fühler strömenden Strömungsmittels zurückzuführen ist; durch einen Fühler (28), welcher die auf das Laufrad (20) infolge der Drehimpulsänderung des Strömungsmittels ausgeübte Kraft mißt und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt; durch einen Fühler (30,32), welcher die Dichte des durch das Fühlergehäuse (14) strömenden Strömungsmittels mißt und ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal bereitstellt; und durch einen Rechenkreis (34), welcher ein elektrisches Ausgangssignal bereitstellt, welches dem Massenstrom des Strömungsmittels durch den Fühler zugeordnet ist und aus den elektrischen Signalen abgeleitet ist, welche der Reaktionskraft auf das Laufrad und der Dichte des Strömungsmittels zugeordnet sind.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Reaktionskraft ansprechende Fühler (28) einen Geber (28) enthält, welcher auf das auf das Laufrad (12) bei Änderung des Drehimpulses des Strömungsmittels ausgeübte Drehmoment anspricht.

3. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Fühlergehäuse (14) stromauf des Laufrades (12) Statorschaufeln (50) befestigt sind, welche parallel zur Drehachse des Laufrades angeordnet sind und einen etwa im Strömungsmittel vor dem Eintreten in das Laufrad (12) vorhandenen Drehimpuls absorbieren.

4. Fühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (50) einen Teil der Laufradhalterung (20) darstellen.

5. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (26) schraubenförmig bezüglich der Achse des Laufrades

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(12) gekrümmt sind, so daß auf das Laufrad (12) eine Reaktionskraft ausgeübt wird, wenn in dem Strömungsmittel eine Änderung seines Drehimpulses herbeigeführt wird.

6. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradhalterung(20) eine eine begrenzte Drehbewegung erlaubende Biegelagerung ist, welche eine winkelmäßige Auslenkung des Laufrades (12) ermöglicht, einem axialen und radialen Verlagern des Laufrades (12) jedoch starren Widerstand entgegensetzt und welches auf das Laufrad (12) bei einer winkelmäßigen Auslenkung eine Federkraft ausübt, welche dem Reaktionsdrehmoment zugeordnet ist.

7. Fühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Reaktionskraft ansprechende elektrische Fühler (28) ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches der winkelmäßigen Auslenkung des Laufrades (12) zugeordnet ist.

8. Fühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die winkelmäßige Auslenkung des Laufrades (12) ansprechende Fühler (28) einen Dehnungsmeßstreifen (50) aufweist.

9. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradhalterung (20) ein eine begrenzte Bewegung zulassendes Biegelager ist, welches unter elastisch federnder Verformung eine winkelmäßige Auslenkung des Laufrades (12) ermöglicht, sich gegenüber den auf das Laufrad (12) ausgeübten axialen und radialen Kräften jedoch wie ein starrer Körper verhält, und daß der auf die Reaktionskraft ansprechende und ein entsprechendes

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elektrisches Signal bereitstellende Fühler (28) einen Kraftwandler (104) sowie ein Gestänge (102) aufweist, durch welches das Laufrad (12) und der Kraftwandler (104) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, so daß auf den Kraftwandler (104) eine Kraft ausgeübt wird, welche derjenigen entspricht, die durch das Drehmoment auf das Laufrad (12) ausgeübt wird, wenn das Strömungsmittel durch das Laufrad strömt.

10. Fühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kraftwandler (104) unter der auf ihn ausgeübten Kraft im wesentlichen wie ein starrer Körper verhält, so daß das Laufrad (12) dann, wenn durch erhöhte Massenströme des Strömungsmittels durch den Fühler erhöhte Drehmomente auf ihn ausgeübt werden, bei einer im wesentlichen unveränderlichen Winkelstellung verbleibt.

11. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradhalterung (20) eine auf Biegung belastbare, eine begrenzte Drehbewegung zulassende Biegelagerung ist, über welche das Laufrad (12) im Turbinengehäuse (14) gelagert ist und welche eine begrenzte winkelmäßige Auslenkung des Laufrades (12) zuläßt, und daß der auf die Reaktionskraft ansprechende und entsprechende elektrische Signale bereitstellende Fühler (28) aufweist: eine Feder (108) mit nichtlinearer Federkonstanten, welche derart gewählt ist, daß man mit Zunahme der auf die Feder (108) ausgeübten Kraft eine abnehmende Verformung der Feder erhält; ein Gestänge (106), durch welches das Laufrad (12) und die nichtlineare Feder (108) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, derart, daß die nichtlineare Feder (1O8) durch

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das auf das Laufrad ausgeübte Reaktionsdrehmoment verformt wird; und einen auf die Verformung der nichtlinearen Feder (108) ansprechenden elektrischen Wandler (118), welcher somit elektrische Signale bereitstellt, deren Änderung bei vorgegebener Änderung des Massenstromes abnimmt, wenn die Massenströme absolut zunehmen.

12. Fühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (50) radial in der Mitte zwischen denjenigen Winkeln liegen, bei welchen die Laufradschaufeln (26) angeordnet sind, wodurch die Auswirkungen von durch den Sog der Statorschaufeln

(50) erzeugten Turbulenzen so klein wie möglich gehalten werden.

13. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser (Ro) des Laufrades (12) und dem Durchmesser (Ri) des Nabenabschnittes (22) 2,0 oder mehr beträgt.

14. Fühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis im Bereich von 4,0 bis 8,0 liegt.

15. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (30,32) zum Messen der Dichte des Strömungsmittels Meßwertgeber aufweist, welche auf die Temperatur bzw. den Druck des Strömungsmittels ansprechen.

16. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradhalterung (20) eine Einrichtung (vgl. Fig.4) aufweist, welche ein axiales Verlagern des Laufrades (12) ermöglicht, während sie

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einer winkelmäßigen und einer radialen Verlagerung des Laufrades starren Widerstand entgegensetzt, und daß ein Fühler (47) vorgesehen ist, welcher auf die auf das Laufrad (12) ausgeübte Axialkraft anspricht und entsprechende elektrische Signale bereitstellt, wodurch sichergestellt ist, daß die gemessene Reaktionskraft mit der Achse des Laufrades (12) fluchtet.

17. Fühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Dämpfer (100) kraftschlüssig mit dem Laufrad (12) verbunden ist und so winkelmäßige Oszillationen des Laufrades beim Durchströmen von Strömungsmittel wegdämpft.

18. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem materialerfüllten Teil des Querschnittes und dem materialfreien Teil des Querschnittes (solidity ratio) des Laufrades, welches dem Verhältnis zwischen der Sehnenlänge und dem Abstand der Laufradschaufeln (26) entspricht 1,0 oder mehr beträgt, so daß der gesamte Strömungsmittelstrom eine Änderung seines Dralles erfäht, wenn er durch die Laufradschaufeln (26) hindurchströmt.

19. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (34), welcher das elektrische Ausgangssignal für den Massenstrom bereitstellt, einen Sperrkreis (29) aufweist, welcher mit dem Ausgangssignal des auf die Reaktionskraft auf die Laufradhalterung (20) ansprechenden Fühlers (28) beaufschlagt ist und Oszillationen in diesen elektrischen Signalen wegfiltert, die bei der Eigenschwingungsfrequenz der Laufradhalterung (20) liegen.

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20. Fühler nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (50) gegenüber Biegekräften verhältnismäßig
nachgiebig sind, welche durch die winkelmäßige Auslenkung des Laufrades (12) erzeugt werden.

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