-
Meßvorrichtung zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
-
von Flüssigkeiten und Gasen Stand der Technik Die Erfindung geht aus
von einer Meßvorrichtung zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten
und Gasen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Meßvorrichtung
dieser. Art (DE-OS 26- 39729) wird über eine Stromspule wiederholt ein Wärmeimpuls
an die strömende Flüssigkeit abgegeben. Der Wärmesensor, wel-ne.r der Stromspule
in einem bestimmten Abstand in Strömungsrichtung nachgeordnet ist, gibt ein Spannungssignal
ab, sobald die durch den Wärmeimpuls erwärmte Flüssigkeit an ihm vorbeiströmt. Die
Laufzeit der strömenden Flüssigkei zwischen der Stromspule als Signalgeber und dem
Temperaturfühler als Signalaufnehmer wird elektrisch ermittelt und bildet unmittelbar
eine Größe für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
-
Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß während der Laufzeit eines
Wärmeimpulses zwischen Signalgeber und Signalaufnehmer kein weiterer Wärmeimpllls
erzeugt werden darf,.da sonst die Laufzeitmessung verfälscht wird.
-
Dieses System kann daher nur mit sehr geringer Impulsfolge arbeiten
und außerdem lassen sich kleine Strömungsgeschwindigkeiten nicht mehr erfassen,
sobald die Wärme impulse auf dem Weg vom Signalgeber zum Signalfühler zu sehr zerfließen.
Da durch die Stromspule auch noch eine Verwirbelung der strömenden Flüssigkeit hervorgerufen
wird, werden die Wärmeimpulse in der strömenden Flüssigkeit noch verwirbelt, so
daß die am Signalfühler ankommenden Wärme impulse stark verzerrt sind und ein entsprechend
verzerrtes Auswertesignal erzeugen. Die Meßeinrichtung arbeitet daher sehr ungenau.
Die Meßergebnisse können beispielsweise auch durch Wärmeimpulse, die von anderer
Stelle in die Flüssigkeit gelangt sind, beeinflußt werden. Die Meßvorrichtung ist
daher insbesondere zur Messung von stark veränderlichen Geschwindigkeiten des strömenden
Mediums, wie beispielsweise in der Kraftstoffleitung eines Kraftfahrzeuges ungeeignet.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit den
kenn3eichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß Störimpulse im
strömenden Medium den Meßwert nicht verfalschen können und daß insbesondere mehrere
vom Signalgeber an das strömende Medium abgegebene Signale glelchzeitig über die
beiden Signalfühler ohne Verfälschung des Meßergebnisses hinwegfließen , so daß
die Signalfrequenz am Signalgeber erheblich erhöht werden kann.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
Dabei ist es zur Erzielung eines gut auswertbaren Meßsignales vorteilhaft, die F4ihlerbahnen
eines jeden Signalfühiers mäanderförmig miteinander elektrisch zu verbinden.
-
Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 die erfindungsgemäße MeBvorrichtung als flachen Leitungsabschnitt mit einem Signalgeber
und zwei nachgeordneten Signalfühlern im gleichen Ortsbereich sowie das Blockschaltbild
der angeschlossenen Auswerteschaltung, Figur 2 zeigt einen Tragkörper für den Signalgeber
und den beiden Signalfühlern mit kammartig ineinandergreifenden Fuhlerbahnen.
-
In Figur 3 sind die an verschiedenen Stellen der Me3-vorrichtung nach
Figur 1 auftretenden Signale dargestellt und Figur 4 zeigt einen Tragkörper mit
sich kreuzenden Signalfühlern.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist die Meßvorrichtung
zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchflußmenge des Kraftstoffs
in der Kraftstoffleitung eines Kraftfahrzeuges mit 10 bezeichnet. Die Meßvorrichtung
10 bildet einen Leitungsabschnitt in der nicht dargestellten Kraftstoffleitung des
Fahrzeugs. Die Strömungsrichtung des Kraftstoffes ist dabei durch die Pfeile 11
angedeutet. Im vorderen Abschnitt der Meßvorrichtung 10 befindet sich ein gestrichelt
angedeuteter Signalgeber 12, welcher Wärmeimpulse an den strömenden Kraftstoff
abgibt.
Zwei ineinander verschachtelte Signalfühler 13 und 14 sind in Strömungsrichtung
dem Signalgeber 12 nachgeordnet und ebenfalls in Figur 1 gestrichelt angedeutet.
Die MeMvorrichtung 10 hat vier Anschlüsse 15 bis 18, von denen der Anschluß i5 als
gemeinsame Spannungsversorgung für den Signalgeber 12 und die Signalfühler 13 und
14 an eine Plusklemme des Bordnetzes anzuschließen ist. 3er andere Anschluß 16 des
Signalgebers 12 ist mit einem Signalgenerator 19 verbunden, der eine stochastisch
verteilte Stromimpulsfolge abgibt. Die beiden Signalfühler 13 und 14 sind über die
Anschlüsse 17 und 18 an eine Auswerteschaltung angeschlossen. Sie sind jeweile über
Signalverstärker 20, 21 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 22 verbunden.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 22 ist über ein Bandpaßfilter 23 an eine Frequenzmeßstufe
24 angeschlossen. Die Frequenzmeßstufe 24 ist einerseits mit einem Anzeigegerät
25 verbunden sowie über eine Verbindung 26 mit dem Signalgenerator 19, gekoppelt.
Damit sind die von den Signalfühlern 13, 14 aufgenommenen Signale über die Auswerteschaltung
auf den Slgnalgeber 12 zurückgekoppelt.
-
Figur 2 zeigt die Anordnung des Signalgebers 12 und der Signalfühler
13 und 14 auf einem flachen Isolierstoffkörper 27. Der Signalgeber 12 ist dabei
in Form einer Heizbahn aus Platin auf den Isolierstoffkörper 27 aufgedampft. In
gleicher Weise sind auch die Fühlerbahnen 13a und 14a der Signalfühler 13 und 14
auf den Isolierstoffkörper 27 als Platinbahnen aufgedampft. Die Heizbahn des Signalgebers
12 liegt mit Abstand A vor der vorderen Fühlerbahn des Signalfühlers 14. Bei dieser
Ausführung sind die Fühlerbahnen 13a und 14a der Signalfühler 13 und 14 aus nebeneinanderliegenden
Fühlerbahnabschnitten 13a' und 1ka' gebildet, die jeweils paarveise mäandeförmig
miteinander
verbunden sind. Die so gebi'deten Fühlerbahnen der beiden Signalfühler 13 und 14
greifen kammartig ineinander.
-
Die Wirkungsweise der Meßvorrichtung nach Figur 1 soll nun mit Hilfe
des Signalverlaufes an verschiedenen Punkten der Meßanordnung erläutert werden.
Die Signale sind in Figur 3 dargestellt. Dabei ist ein vom Signalgeber an den Kraftstoff
abgegebener Wärmeimpuls 28 idealisiert als Rechteckimpuls dargestellt, der über
die Fühlerbahnen der Signalfühler 13 und 14 hinwegwandert. Die aus Platin aufgedampften
Fühlerbahnen haben einen hohen Temperaturkoeffizienten, so daß sich beim Anlegen
einer Meßspannung ein Meßsignal an den Anschlüssen 17 und 18 abgreifen läßt, das
von der Temperatur an den Fühlerbahnen abhängig ist.
-
Auf der Achse s1 sind nun die Fühlerbahnen 13a mit ihren raumlichen
Abständen gemäß Figur 2 aufgetragen. Wandert nun der Wärmeimpuls 28 über den Fühler
13 hinweg, so entsteht das auf der Achse sl aufgetragene Meßsignal S1, welches am
Ausgang 13b des Fühlers 13 abgegriffen werden kann. Schiebt sich die vordere Flanke
des Wärmeimpulses 28 über eine Fühlerbahn 13a hinweg, so nimmt das Signal zu und
umgekehrt nimmt das Signal ab, sobald die hintere Flanke des Wärmeimpulses 28 über
die Fühlerbahn 13a hinwegwandert. Auf der Achse s2 sind nun in gleicher Weise die
Fühlerbahnen 14a des zweiten Fühlers 14 aufgetragen und zwar gemäß Figur 2 entsprechend
yersetzt zu den Fühlerbahnen 13a des hlers 13. Folglich erzeugt der Warmeimpuls
28 auch an diesen Fühlerbahnen bzw. am Ausgang 14b des Fühlers 14 ein entsprechendes,
auf der Achse s2 aufgetragenes, vellenförmiges eßsignal 52. Da die Auswerteschaltung
gemäß Figur 1 huber die
Anschlüsse 17 und 18 mit den Signalfühern
13 und 14 verbunden ist, werden die Signale auf den Achsen sl und s2 über die Signalverstärker
20 und 21 dem Differenzverstärker 22 zugeführt, an dessen Ausgang nun ein Signal
53 auftritt, welches über den örtlichen Bereich der beiden Signalfühler 13 und 14
auf der Achse s3 aufgetragen ist.
-
Das Signal J3 ergibt sich aus 51-S2.
-
Je größer nun die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes ist, umso
schneller bewegt sich der Wärmeimpuls 28 über die Signalfühler 13 und 14 hinweg.
Entsprechend erhöht sich auch die Frequenz des Meßsignales 53 am Ausgang des Differenzverstärkers
20. Wenn nun durch die möglichst zufällige Verteilung der vom Signalgeber 12 abgegebenen
Warmeimpulse mehrere Wärme impulse 28 gleichzeitig über die Signalfühler 13 und
14 hinweg wandern, ergibt sich eine Überlagerung der Meßsignale an den Signalfühlern
13 und 14. Auf der Achse talin Figur 3 ist nun der Signalverlauf MS am Ausgang des
Differenzverstärkers 22 dargestellt, der sich durch die Überlagerung mehrerer Wärmeimpulse
an den Signalfühlern 13 und 14 ergeben kann. Dabei sind im Meßsignal Ms ein hochfrequenter
und ein niederfrequenter Anteil überlagert. Durch Bandpaßfilterung wird ein Signal
erzeugt, dessen Frequenz in der Frequenzmeßstufe 24 vermittelt wird und das als
Nutzsignal s auf der Zeitachse t2 dargestellt ist. tin der gemessenen Frequenz entsprechendes
Signal wird an das Anzeigegerät 25 abgegeben. Mit dem Anzeigegerät 25 kann nun sowohl
die Durchflußgeschwindigkeit des Kraftstoffes oder die Durchflußmenge pro Zeiteinheit
angezeigt werden. AuSerdem kann bei entsprechender Umrechnung über die Fahrzeuggeschwindigkeit
auch der Kraftstoffverbrauch je 100 km angezeigt werden.
-
Zur Erzeugung der Grundschwingung S am Ausgang des Differenzverstärkers
22 ist wesentlich, daß die beiden Signalfühler 13 und 1 mit ihren Fühlerbahnen 13a
und 14a zueinander parallel angeordnet sind und dabei in Strömungsrichtung 11 des
Kraftstoffes mit jeweils gleichen Abständen hintereinanderliegen. Die Fühlerbahnen
sind dabei so anzuordnen, daß jeweils abwechselnd eine Fühlerbahn 13a des einen
Signalfühlers 13 mit gleichem Abstand a eine Fühlerbahn 14a des anderen Signalfühlers
14 folgt.
-
Beide Signalfühler 13 und 14 haben einen gemeinsamen elektrischen
Eingang 12a sowie zwei voneinander getrennte, mit der Auswerteschaltung verbundene
Ausgänge 13b und 14b.
-
Figur k zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anordnung der
Fühlerbahnen 13a und ika der Signalfühler 13 und 14 auf dem Isolierstoffkörper 27.
Wie in Figur 2, ist auch hier der Signalgeber 12 als Heizbahn vorn auf dem Isolierstoffkörper
27 angeordnet. Er hat gemeinsam mit den Signalfühlern 13 und 1k einen elektrischen
Eingang 12a, der mit dem Anschluß 15 der Meßvorrichtung aus Figur 1 verbunden ist.
Sein elektrischer Ausgang 12b ist über den Anschluß 16 mit dem Signalgenerator 19
zu verbinden. Auch hier bestehen die Signalfühler 13 und 1k aus mehreren, zueinander
parallelen Fühlerbahnen 13a und ika, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet
sind, so daß jeweils abwechselnd einer Fühlerbahn 13a des Signalfühlers 13 mit gleichem
Abstand a eine Fühlerbahn ika des Signalfühlers 14 folgt. Da die Fühlerbahnen 13a
und 1ka eines jeden Signalfühlers 13 und 1 mäanderfarbig miteinaner elektrisch verbunden
sind, ergibt sich eine räumlIche Uberlagerung der beiden Signalfühler 13 und 1,
indem sich die Signalfühler abwechselnd auf der einen und der anderen Seite der
Fühler bahnen 13a und '4a elektrisch isoliert kreuzen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die'Ausführungsbeispiele beschränkt, da
sich mit der Meßvorrichtung nicht nur die Strömungsgeschwinaigkeit und Durchflußzenge
des Eraftstoffes in einer Kraftstoffleitung erfassen läßt, sondern da in gleicher
Weise auch andere strömende Flüssigkeiten oder Gase erfaßt- werden können. Die Meßvorrichtung
kann daher auch zur Luftmengenmessung verwendet werden. Das gleiche-eßprinzip kann
auch bei optisch arbeitenden Systemen angewendet werden. In all diesen Fällen wird
durch die Fühleranordnung ein Meßsignal Mt er-zeugt, das nach dem Ausfiltern von
Überlagerungen eine Frequenz aufweist, die sich proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
ändert.
-
Da die 3reite des an das strömende Medium abgegebenen Signales, z.3.
des Wärmeimpulses 28 in Figur 3, mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit zunimmt,
ist es zweckmäßig, die Impulsdauer am Signalgeber der Strömungsgeschwindigkeit derart
anzupassen, daß das Signal 28 in seiner 3reite nahezu unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit
ist. Dies wird dadurch erreicht,'daß die Frequenz des gemessenen Signales Ms über
die Rückkopplung 26 gemäß Figur 1 derart auf den Signalgenerator 19 einwirkt, daß
sich die Impulsdauer der Signale am Signalgenerator 19 in Abhängigkeit bn der Dtrömungsgeschwindigkeit
des Mediums ändert, indem die Impulsdauer bei abnehmender Strömungsgeschwindigkeit
zunimmt und umgekehrt.
-
Außerdem kann durch diese Rückkopplung sichergestellt werden, daß
die Impulse 28 unabhängig von der Impulsdauer jeweils gleiche Wärmemengen an das
strömende Medium abgeben. Dadurch ist es möglich, bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
am Signalgenerator, 19 relativ lange Impulse
- mit kleiner Leistung
und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit kurze Impulse mit großer Leistung zu erzeugen.
Eine zu starke Aufheizung des Kraftstoffes, insbesondere bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit
wird so zuverlässig verhindert. Bei der Anwendung von Wärmeimpulsen 28 ist allerdings
davon auszugehen, daß in der praktischen Ausführung der Impuls eine möglichst steile
Anstiegsflanke haben muß, was z.3. durch einen entsprechenden Sinschaltstromstoß
realisierbar ist. Die Abfallflanke des Impulses 28 ist jedoch durch die relativ
langsame Abkühlung des Gebers 12 flacher. Aber selbst bei einer sehr flachen Abfallflanke
des Wårmeimpulses 28 wird bereits durch die Anstiegsflanke ein Meßsignal erzeugt,
das einen genauen Wert für die Durchflußgeschwindigkeit bzw. Durchflußmenge dargestellt.
-
Leerseite