-
Meßanordnung zur Errfassung von Strömungsgeschwindigkeiten
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Meßanordnung zur
Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen in einer Leitung
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer solchen, aus der DE-OS 26 39 729
bekannten Meßanordnung wird durch eine im Flüssigkeitsstrom der Leitung liegenden
Heizspirale in bestimmten Zeitabständen ein Wärmeimpuls abgegeben. Ein Signalfühler,
der in Strömungsrichtung der Heizspirale nachgeornet ist, fühlt den von der strömenden
'üssigkeit transportierten Wärme impuls ab und gibt ein entsprechendes Meßsignal
an eine Auswerteschaltung ab. Die zwischen der Abgabe des Wärmeimpulses der Heizspirale
und der Messung des Wärmeimpulses am Fühler gemessene Zeit ist dabei ein ß für die
Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
Derartige oder ähnliche
Meßsysteme, bei denen an einer Stelle eine Slgnalfolge an das strömende Medium abgegeben
und an einer nachgeschalteten Stelle diese Signale im strömenden Medium wieder abgefühlt
werden, arbeiten nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich der strömenden
Flüssigkeit mit optimaler Genauigkeit. Bei zu kleiner Strömungsgeschwindigkeit zerfließen
die abgegebenen Signale in der Flüssigkeit, so daß das später abgefühlte Signal
nur noch sehr schwach ist. Bei zu hoher Str5mungsgeschwindigkeit ist der Signalfühler
zu träge, um die rasch an ihm vorbeifließenden Signale mit ausreichender Sicherheit
zu erfassen. In beiden Fällen sind folglich die vom signalfühler abgegebenen Meßwerte
fr eine genaue Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit zu schwach.
-
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, eine Meßan-Ordnung zu
schaffen, bei der die zu messende Strömungsbescaindig'ieiw über den gesamten zu
messenden Bereich nit optimaler Genauigkeit angezeigt wird.
-
Vorteile der Erfindung -- erfindungsgemäße Meßanordnung mit den kennzeichnenden
erkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß durch e Verwendung mehrerer gleicher
Meßsysteme in einer Meßanordnung jeweils der ungünstige Meßbereich eines jeden Meßsystems
durch einen günstigen Meßbereich eines anderen Meßsystems abgedeckt werden kann
und dadurch eine optimale Meßwertgenauigkeit über den gesamten Meßbereich erzielist.
Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Meßbereich für die Durchflußgeschuindigkeit
durch die An-^rqnuna mehrerer hintereinander angeordneter Meßsysteme
in
dem strömenden Medium bei entsprechend gewähltem Leitungsquerschnitt nahezu unbegrenzt
erweitert werden kann.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen merkmale möglich.
Besonders vorteilhaft bzw. einfach ist es, bei Verwendung von zwei hintereinanderliegenden
Meßsystemen die Signalfühler an eine Auswerteschaltung anzuschließen, die im unteren
Bereich der Strömungsgeschwindigkeit das Meßsystem im kleineren Leitungsquerschnitt
und im oberen Bereich der Strömungsgeschwindigkeit das Meßsystem im größeren Leitungsquerschnitt
auf eine Meßwertausgabe gibt. Je nach Größe des Meßbereiches bzw. nach der gewünschten
Genauigkeit der Meßwerte ist es vorteilhaft, mehr als zwei Meßsystem hintereinander
in einem Leitungsabschnitt anzuordnen und den Leitungsquerschnitt im Bereich dieser
Meßsysteme stufenweise oder kontinuierlich in Strömungsrichtung zu verengen.
-
Zeichnung In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 eine Meßanordnung zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit mtt zwei Meß-Systemen
für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten, Figur 2 zeigt die Meßanordnung
nach Figur 1 im Querschnitt und Figur 3 zeigt das Blockschaltbild der Meßanordnung
mit einer Auswerteschaltung. Figur zeigt eine Meßanordnung mit drei hintereinanderliegenden
Meßsystemen für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeitenu Figur 5 zeigt eine
Auswerteschaltung für die Meßanordnung nach Figur 4 und Figur 6 zeigt eine andere
Auswerteschaltung für die Meßanordnung nach Figur 4
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele Die erfindungsgemäße Meßanordnung nach Figur 1 ist als
Leitungsabschnitt 10 in der Kraftstoffleitung einer Brennkraftmaschine angeordnet.
Mit der Meßanordnung soll die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung
und folglich die Durchflußmenge pro Zeiteinheit gemessen werden. Bei Verwendung
einer solchen Meßanordnung im Kraftfahrzeug kann dabei abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit
der Kraftstoffverbrauch in Litern pro 100 m angezeigt werden. Der Kraftstoff fließt
in Richtung der Pfeile v1 und v2 durch den Leitungsabschnitt . Aus Figur 2 ist erkennbar,
S das der Leitungsabschnitt 10 einen rechteckigen Querschnitt hat. Bei gleicher
Durchlaßbreite B ist die Durchlaßhöhe H am Austritt des Kraftstoffes 1/10 der Höhe
H am Kraftstoffeintritt des Leitungsabschnittes 10. Zwei @eßsysteme 11 und 12 sind
in Strömungerichtung des Kraftstoffes in dem Leitungsabschnitt 10 mit Abstand hintereinander
angeordnet. Jedes meßsystem 11, 12 besteht aus einem Signalgeber 11a, 12a und einem
Signalfühler 11b, 12b. Die signalfühler 11b, 12b sind @@bei ihren Signalgebern 11a,
12a in Strömungsrichtung des Kraftstoffes nachgeordnet. An den Signalgebern werden
in wahlloser oder in bestimmter Folge durch elektrische Stromimpulse entsprechende
Wärmeimpulse erzeugt, die an den umgebenden Nraftstoff abgegeben werden. Diese @ärmeimpulse
g en mit dem strömenden Kraftstoff zu @@@ jeweils nachgeordneten Signalfühler 11b,
12b. Die @ignalfühler 11b, 12b sind aus einem temperaturabhänhgigen @idarstandselement
gebildet welches beispielsweise in einer Brückenschaltung angeordnet ist. Beim Auftreffen
eines Wärmeimpulses auf einen Signalfühler 11b, 12b ändert sich dessen widerstandswert
und an der Brückenschaltung erscheint ein Meßsignal.
-
In Figur 3 ist eine Auswerteschaltung der Meßanordnung nach Figur
1 und 2 als Blockschaltbild dargestellt.
-
Über einen Schalter 13, z.B. den Zündschalter eines Kraftfahrzeuges
wird ein Impulsgenerator 14 an die Pulsklemme einer Gleichspannung angeschlossen.
Die Impulse an Ausgang des Impulsgenerators 14 werden auf die Signalgeber 11a, 12a
der beiden Meßsysteme 11 und 12 im Leitungsabser.= 10 gegeben. Gleichzeitig werden
die Impulse auf eine Meßschaltung 15 gegeben. Außerdem werden die Signalfübler 1lb,
12b der beiden Meßsysteme 11 und 12 au zwei Eingange der Meßschaltung 15 gelegt.
Ein Tachogenerator 16, der die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges erfaßt, ist mit
der Meßschaltung 15 verbunden. Der Ausgang der Meßschaltung 15 ist mit an ein Anzeigegerät
17 angeschlossen, welches bei stillstehendem Fahrzeug den Kraftstoffverbrauch pro
Stunde und bei fahrendem Fahrzeug den Kraftstoffverbrauch pro 100 km anzeigt.
-
Durch die Abmessungen des Rohrabschnittes 20 ist der Leitungsquerschnitt
tE=B) im Bereich des vorderen Meßsystems 11 zehnmal so groß wie der Leitungsquerschnitt
(HxB) im Bereich des zweiten Meßsystems 12. Daraus ergibt sich, daß die Strömungsgeschwindigkeit
v2 des Kraftstoffes am Meßsystem 12 zehnmal so groß ist wie vi am Meßsystem 11.
Die Meßgenauigkeit der beiden Meßsysteme 11 und 12 ist über einen großen Bereich
der Strönungsgeschwindiglieit unterschiedlich. Bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
verläuft der vom Signalgeber abgegebene Wärmeimpuls im Kraftstoff so weit, daß er
vom Signalfühler nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit erfaßt werden kann. Bei
zu hoher Strömungsgeschwindigkeit ist die Empfindlichkeit des Signalfühlers nicht
ausrichen, um bei einer hohen Folge
von Wärmeimpulsen diese voneinander
unterscheiden zu können. Die Meßsysteme 11 und 12 arbeiten daher nur in einem bestimmten
Bereich der Strömungsgeschwindigkeit ausreichend genau. Um dennoch einen großen
Meßbereich erfassen zu können, werden in dem Leitungsabschnitt 10 unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt. Dadurch werden bei kleinen Durchflußmengen des
Kraftstoffes im kleinen Leitungsquerschnitt am Meßsystem 12 ausreichend große Strömungsgeschwindigkeiten
v2 erzeugt, bei denen das Meßsystem 12 mit optimaler Genauigkeit arbeitet. Bei größeren
Durchflußmengen treten am Meßsystem 11 Strömungsgeschwindigkeiten v1 auf, bei denen
das Meßsystem 11 mit optimaler Genauigkeit arbeitet.
-
Durch die Meßschaltung 15 wird die Laufzeit der Wärmeimpulse an den
Meßsystemen 11 und 12 ermittelt und abhängig davon wird im unteren Bereich der Strömungsgeschwirdigkeit
das Meßsystem 12 im kleineren Leitungsquerschnitt und im oberen Bereich der Strömungsgeschwindigkeit
das Meßsystem 11 im größeren Leitungsquerschnitt auf eine Meßwertausgabe gegeben,
welche nit den Signalen des Tachogenerators 16 verknüpft am Anzeigegerät 17 den
Kraftstoffverbrauch anzeigt. Um on den Meßgeräten 11 und 12 eine möglichst gleichmäßige,
virhelfreie Strömung zu erzielen, ist das Meßsystem 12 im hleineren Zeitungsquerschnitt
in Strömungsrichtung hin@e@ dem Meßsystem 11 im größeren Leitungsquerschnitt @@@ecrdnet.
Durch eine solche Meßanordnung ist es möglich, durch zwei Meßsysteme 11 und 12 mit
einem Dynamikbereich @@@ 1:10 bei einer Aufweitung des Leitungsquerschnittes @@
den Fahter 10 den Meßbereich auf einen gesamten Dynazikbereich von 1:100 zu erböhen.
Ein Meßbereich von 0,6 bis 60 1/h kann durch die beiden Meßsysteme 11 und 12 erfaßt
werden, indem das Meßsystem 11 den Meßbereich zwischen 6 und 60 l/h und das Meßsystem
12 den Meßbereich
zwischen 0,6 und 6 l/h mit optimaler Genauigkeit
erfaßt. Der Druckabfall in der Meßanordnung kann bei einer Durchflußmenge von 60
llh auf 0,1 bar begrenzt werden, wenn der Leitungsabschnitt 10 eine Breite B = 10
mm, eine Höhe H = 10 mm am Meßsystem 11 und eine Höhe h = 1 mm im Bereich des Meßsystems
12 hat. Die Umschaltung der Meßwertausgabe vom Meßsystem 11 auf das Meßsystem 12
oder umgekehrt, erfolgt in der Auswerteschaltung in einfacher Weise durch einen
Schwellwertschalter, der in der Meßschaltung 15 durch den Meßwert des gerade eingeschalteten
Signalgebers 11b, 12b gesteuert wird. Zuer Stuerung des Schwellwertschalters kann
in einfacher Weise ein RC-Glied verwendet werden, welches ein von der Laufzeit der
Wärmeimpulse abhängiges Steuersignal abgibt.
-
Durch eine Einschränkung des Meßbereiches an jedem einzelnen Meßsystem
kann die Meßgenauigkeit noch weiter verbessert werden. Dies kann bei einem gleichgroßen
gesamten Meßbereich der Meßanordnung dadurch erreicht werden, daß sich der Leitungsquerschnitt
in der Meßanordnung in mehreren Stufen in der Strömungsrichtung verkleinert und
daß in jeder Stufe ein Meßsystem mit einem Signalgeber und einem Signalfühler angeordnet
ist. In gleicher Weise kann auch der gesamte Meßbereich durch Hinzufügen weiterer
Meßsysteme erweitert werden, wenn das Verhältnis der Leitungsquerschnitte am Eingang
und am Ausgang der Meßanordnung entsprechend vergrößert wird. Ausgehend von einem
gesamten Meßbereich von 1:100 verringert sich der Meßbereich bei zwei gleichartigen
Meßsystemen für jedes Meßsystem auf 1:10 und bei drei Meßsystemen auf 1:4ao für
jedes Meßsystem.
Um eine möglichst gleichmäßige Strömung des Kraftstoffes
zu erreichen, ist es jedoch vorteilhaft, wenn sich der Leitungsquerschnitt in der
Meßanordnung kontinuierlich ändert.
-
Figur 4 zeigt eine Meßanordnung, deren Leitungsabschnitt 20 mit einer
stufenlosen, kontinuierlichen Verengung des Leitungsquerschnittes in der Strömungsrichtung
des Kraftstoffes versehen ist. Dort sind mehrere Meßsysteme 21 an der Wandung des
eitungsabschnittes 30 angeordnet, die jeweils aus einem Signalgeber und einem Signalfühler
gemäß Figur 1 aufgebaut sein können. In Figur 4 sind drei solcher Systeme 21 dargestellt,
ein weiteres ist gestrichelt angedeutet.
-
Figur 5 zeigt eine Auswerteschaltung der Meßanordnung nach Figur 4,
bei der die Meßwerte der einzelnen Meßsysteme 21 auf einen Multiplexer 22 gegeben
werden.
-
Über eine Steuerlogik 23 wird jeweils nur das Meßsystem 21 eingeschaltet,
welches bei der gemessenen Zurchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit mit opti-oder
Genauigkeit arbeitet. Der Meßwert dieses Meßsystems @1 melange über die Multiplexer
22 zyklisch in einen Speicher 24. Durch Signale der Steuerlogik @@ wird der @nhalt
des Speichers 24 zyklisch in eine @LU 25 (Arithmetie Logie Unit) gegeben, an der
auch noch ein Korrekturwertspeicher 26 angeschlossen ist. Am Aus-@@@g der ALU 25
ist ein Anzeigegerät 27 angezchlossen.
-
Beim Nultiplexbstrieb der Auswerteschaltung nach Figur @ ist jeweils
dur das Meßsystem 21 eingeschaltet, das im Vergleich zu den übrigen Meßsystemen
mit der größten
Genauigkeit für die jeweils gemessene Durchflußmenge
arbeitet. Da eine Durchflußänderung nicht sprunghaft erfolgen kann, entscheidet
die Steuerlogik 23 aufgrund des augenblicklichen Meßwertes bei jedem Durchlaufzyklus,
ob mit dem augenblicklich eingeschalteten Meßsystem weiter gemessen werden soll
oder ob auf ein anderes, benachbartes System umgeschaltet werden muß.
-
Erlauben die Meßsysteme sehr kurzzeitige Meßzyklen, so besteht die
Möglichkeit, bei der Erkennung einer .Ießbereichs-0berschreitung auf einen anderen
Bereich umzuschalten und dort die Messung zu wiederholen. Erlaubt dagegen das Meßsystem
sehr kurzzeitige Meßzyklen nicht, so kann der den Meßbereich überschreitende Meßwert
noch ausgegeben werden und erst im nächsten Zyklus wird das benachbarte Meßsystem
aktiviert.
-
Die Auswerteschaltung nach Figur 5 läßt sich ebenso wie die nach Figur
6 in einem Mikroprozessor reaiisieren.
-
Dabei können eventuelle Nichtlinearitäten der einzelnen Meßsysteme
mit Hilfe von im Korrekturspeicher 26 abgelegten Daten ausgeglichen werden. 3ei
einer Auswerteschaltung nach Figur 6 sind alle Meßsysteme 21 der Meßanordnung im
Leitungsabschnitt 20 über den gesamten 3ereich der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit
eingeschaltet und die von ihnen gemessenen Werte gelangen jeweils in einen Zwischenspeicher
28. Die von den Signalfühlern gemessenen Werte werden dann über die Zwischenspeicher
28 vom Multiplexer 22 abgerufen und über die Steuerlogik 23 wird der Meßwert von
dem Meßsystem 21, welches gerade im Bereich seiner optimalen Meßgenauigkeit arbeitet,
über die ALU 25 auf die Meßwertausgabe bzw. auf das Anzeigegerät 27 geschaltet.
-
Alle Meßsysteme 21 arbeiten daher im gesamten Meßbereich gleichzeitig.
Jedes Meßsystem hat jedoch einen Bereich in dem es genauer arbeitet als die übrigen
De e Steuerlogik l; 23 schaltet nun bei Überschreitung der systembedingten und festliegenden
Meßbereichsschwellen jeweils auf das t4eßsystem 21 um, welches an genauesten arbeitet
Bei einer solchen Auswerteschaltung ist zwar durch das Einschalten sämtlicher Meßsysteme
ein höherer Energieverbrauch erforderlich die Umschaltung der einzelnen Meßbereiche
erfolgt dadurch jedoch ohne Verzögerung.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschrankt, da anstelle der mit Wärmeimpulsen arbeitenden eß-s£steme auch andere
Meßsysteme verwendet werden können, die ohne mechanisch bewegte Teile die Strömungsgeschwindigkeit
eines gasförmigen oder flüssigen @ediums in einem Leitungssystem messen Durch die
Aneinanderreihung mehrerer derartiger Meßsystem in einem Leitungsabschnitt, dessen
Leitungsquerschnitt im Bereich eines Meßsystems mindestens doppelt so groß als im
Bereich eines anderen Meßsystems ist, kann auf einfache und @ostengünstige Weise
ein relativ großer Meßbereich @it der gewünschten Genauigkeit erfaßt werden. Durch
eine solche Meßanordnung ist es auch möglich, den Meßbereich un den z.B. am häufigsten
vorkommenden Verbrauchsvert eines Kraftfahrzeuges feiner aufzulösen und diesen Bereich
für mehrere Meßsysteme aufzuteilen, so daß der @effehler weiber vorringert wird.
Die einzelnen Meßsysteme können dabei aufgrund unterschiedlicher AbmessX und Eigenschaften
für einen besonderen Meßbereich optimiert werden. Dadurch können Durchflußmengen
oder B. die Berechnung des verbleibenden Tankinhaltes im aftfahrzoug mit großer
Genauigkeit ermittelt werden.