DE3633192C2 - Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip, mit einem Meßrohr, in dem zum Zwecke einer Wirbelbildung zumindest ein Störkörper angeord­ net ist und in dem zumindest ein Druckaufnehmer zur Erzeugung von Wirbelimpulsen vorgesehen ist, wobei dem Druckaufnehmer eine Auswerteeinrichtung mit einer digitalen Zählschaltung nachgeordnet ist und wobei der Zählstand der digitalen Zähl­ schaltung in einen Analogwert umgewandelt wird, der eine Re­ gelgröße für eine nachgeordnete Regeleinrichtung darstellt.

Bei einem Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip ist die Anzahl der auftretenden Wirbel pro Zeiteinheit ein Maß für die Luftmenge, die das Meßrohr durchströmt. Mittels einer entsprechenden Auswerteschaltung werden die Wirbel in eine entsprechende Wechselspannung abgebildet. Das Meßsignal un­ terliegt jedoch sporadischen Einbrüchen, die durch aerodyna­ mische Effekte, besonders bei niedrigen Durchflußmengen, her­ vorgerufen werden.

Aus der DE 19 67 352 C3, nach der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gebildet ist, ist ein nach dem Wirbel­ strom-Prinzip arbeitender Durchflußmesser bekannt. Die Wirkungsweise dieses Durchflußmessers beruht auf der periodischen Ablösung von Wirbeln aus dem engeren Strömungsbereich des Wirkelkörpers, wobei die Wanderungsgeschwindigkeit der aufeinanderfolgenden Wirbel in der sich bildenden Wirbel­ straße von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums abhängt. Diese Strömungsgeschwindigkeit kann daher mit einer Einrich­ tung zum Messen der Frequenz der von dem Wirbelkörper erzeugten Strömungswirbel ermittelt werden. Die Meßeinrichtung ent­ hält ein im Wirkungsbereich der Wirbel bzw. der von ihnen ausgehenden Schwingungen ortsfest angeordnetes Fühlglied, an dem Schwingungssignale abgenommen werden, deren Frequenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Aus der DE 29 48 961 A1 ist ein Strömungsdetektor für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Durchflußmessung erfolgt mittels eines Zählers, der die Taktimpulse eines Taktoszillators zählt, die zwischen zwei Impulssignalen liegen, welche von einem im Meßrohr angeordneten Meßfühler geliefert werden. Der Meßfühler ist in Form eines Karman-Wirbelfühlers realisiert. Bei den in beiden Druckschriften beschriebenen Vorrichtungen konnte jedoch das Problem, daß das Meßsignal sporadischen Einrüchen unterliegt und somit zu falschen Meßergebnissen führt, nicht gelöst werden.

Die Umsetzung der mit Fehlern behafteten Wirbelfrequenz in eine proportionale Gleichspannung stellt das wesentliche Problem dar.

Die Anzahl der in einem Zeitfenster auftretenden Wirbelimpulse wurde bisher mittels einer digitalen Zählschaltung summiert. Der Zählerstand wurde in periodischen Zeitabständen abgefragt und in einen Analogwert umgewandelt. Der Meßfehler wurde dadurch klein gehalten, daß bei hohen Wir­ belfrequenzen sporadische Wirbelaussetzer relativ kleine Auswirkungen zeigen. Nachteil dieser Meßmethode sind Fehler bei niedrigen Wirbelfrequenzen, da hier die Meßzeit in die Größenordnung der Wirbeldauer fällt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Luftmengenmes­ ser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip zu schaffen, der sicher und mit einfachen Mitteln die dem Stand der Technik anhaf­ tenden Nachteile beseitigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip der eingangs genannten Art und nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale charakterisiert ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist durch die im Unteranspruch angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Figuren im einzelnen erläutert, wobei die gezeigte und be­ schriebene Schaltungsanordnung lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung für einen Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip, mit einem T/U-Converter mit Meßfehlerunterdrückung.

Fig. 2 zeigt in Form eines Diagramms den zeitlichen Verlauf eines typischen Modulationssignals sowie symbolisch die Art und Weise, in der das Modulationssignal gemessen und ausgewertet wird.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung für einen Luft­ mengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip, mit einem T/U- Converter mit Meßfehlerunterdrückung. In dieser Figur ist gezeigt, daß an eine Eingangsklemme der Schaltungsanordnung, der die zur Wirbelfrequenz proportionale Wechselspannung U_Phase zugeführt wird, ein Gleichrichter 1 und ein Null­ durchgangsdetektor 2 angeschlossen sind. Der Ausgang des Gleichrichters 1 ist mit einem Signaleingang eines Schwell­ wertentscheiders 8 verbunden, dessen Referenzeingang ein einer Schwellwertvorgabe entsprechendes Signal zugeführt wird. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 2 ist mit einem ersten retriggerbaren Monoflop 3, einem zweiten re­ triggerbaren Monoflop 10 und einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 11 verbunden, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang Q eines Flipflop 9 verbunden ist, das durch ein Ausgangssignal des Schwellwertentscheiders 8 gesetzt werden kann. Der Ausgang des ersten retriggerbaren Monoflop 3 ist an einen Aktivierungseingang eines Rechteckgenerators 4 für vorzugsweise 20 kHz geführt, dessen Signalausgang mit dem Zähleingang eines Zählers 5 verbunden ist. Der Zähler 5 und das Flipflop 9 sind jeweils durch ein Ausgangssignal des zweiten retriggerbaren Monoflop 10 rücksetzbar. Das UND- Glied 11 ist mit seinem Ausgang an einen Aktivierungseingang eines Speichers 6 angeschlossen, dem über einen Signalein­ gang Zählwerte aus dem Zähler 5 zuführbar sind. Ein Ausgang des Speichers 6 ist mit dem Eingang eines D/A-Wandlers 7 verbunden, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme ange­ schlossen ist, über die ein Ausgangssignal U_out ausgebbar ist.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird eine Impulsdauer- Messung mittels der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 durch­ geführt, wobei eine gute Meßfehlerunterdrückung verbunden mit größerer Auflösung erreicht wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung erläutert:

Die zur Wirbelfrequenz proportionale Wechselspannung wird mit Hilfe des Gleichrichters 1 gleichgerichtet. Dadurch steht ein Meßwert bereits nach einer halben Periodendauer zur Verfügung, und die Meßrate erhöht sich dadurch auf zwei Messungen pro Periodendauer.

Der Nulldurchgangsdetektor 2 erzeugt bei jedem Nulldurchgang der Phasenwechselspannung einen Nadelimpuls, mit dem der Zähler 5 rückgesetzt wird. Bis zum Auftreten des nächsten Nulldurchgangs werden dann die Impulse des Rechteckgenera­ tors 4 gezählt und abgespeichert. Mit dem anschließenden Reset-Signal beginnt der Zählvorgang von neuem. Der in dem Speicher 6 abgespeicherte Zählerstand wird mittels des D/A- Wandlers 7 in einen Spannungswert umgesetzt. Die Genauigkeit der Auswertung hängt von der Höhe der Generatorfrequenz ab, die im allgemeinen ausreichend hoch gewählt werden kann.

Um auszuwertende Impulse von fluktuationsbedingten Null­ punktschwankungen, vergl. Fig. 2, unterscheiden zu können, wird, sobald das Wechselsignal einen vorgegebenen Schwell­ wert erreicht, das Flipflop 9 gesetzt, das nach Beendigung des Zählvorgangs (anschließender Nulldurchgang) eine Spei­ cherung des gültigen Werts erlaubt. Das Flipflop 9 wird gleichzeitig mit dem Rücksetzen des Zählers 5 rückgesetzt.

In seltenen und ungünstigen Fällen kann es vorkommen, daß durch eine aerodynamische Störung ein Nulldurchgang mit anschließender Schwellwertüberschreitung vollzogen wird, und zwar in Verbindung mit stark verzögerter Nulldurchgangswie­ derkehr. Dieser möglichen Bereichsüberschreitung des Zäh­ lerbausteins wird durch Abschalten des Rechteckgenerators 4 entgegengewirkt. Das Abschalten erfolgt bei fehlenden Null­ durchgangsimpulsen nach dem Ablauf der Kippzeit des retrig­ gerbaren Monoflop 3. Die entsprechende Monoflop-Zeitkon­ stante wird so eingestellt, daß sie nicht kleiner als die größte auftretende Impulslänge ist.

Claims (2)

1. Luftmengenmesser nach dem Wirbelstraßen-Prinzip, mit einem Meßrohr, in dem zum Zwecke einer Wirbelbildung zumindest ein Störkörper angeordnet ist und in dem zumindest ein Druckaufnehmer zur Erzeugung von Wirbelimpulsen vorgesehen ist, wobei dem Druckaufnehmer eine Auswerteeinrichtung mit einer digitalen Zählschaltung nachgeordnet ist und wobei der Zählstand der di­ gitalen Zählschaltung in einen Analogwert umgewandelt wird, der eine Regelgröße für eine nachgeordnete Regeleinrichtung dar­ stellt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine zur Frequenz der Wirbelimpulse proportionale Wechsel­ spannung einem Gleichrichter (1) und einem Nulldurchgangsdetektor (2) zugeführt wird,
daß der Nulldurchgangsdetektor (2) bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung einen Nadelimpuls erzeugt, mit dem ein Zähler (5) rückgesetzt wird,
daß bis zum Auftreten des nächsten Nulldurchgangs der Wechsel­ spannung die Impulse eines Rechteckimpulsgenerators (4) im Zähler (5) abgezählt und in einem Speicher (6) abgespeichert werden,
daß mit dem anschließenden Rücksetzen des Zählers (5) der Ab­ zählvorgang von neuem beginnt,
daß die Wechselspannung mit Hilfe des Gleichrichters (1) gleichgerichtet wird, wobei die gleichgerichtete Wechselspannung die Speicherung eines gültigen Werts im Speicher (6) be­ wirkt, so daß ein Meßwert bereits nach einer halben Perioden­ dauer zur Verfügung steht und sich dadurch die Meßrate auf zwei Messungen pro Periodendauer erhöht,
daß der jeweils im Speicher (6) abgespeicherte Wert des Zählers (5) mittels eines A/D-Wandlers (7) in ein analoges Spannungssignal (U_out) umgesetzt wird, das die Regelgröße darstellt und daß in Sonderfällen, in denen - verursacht durch eine aerodyna­ mische Störung - ein Nulldurchgang der Wechselspannung mit einer sich anschließenden Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts in Verbindung mit einer gegenüber dem Regelfall stark verzögerten Nulldurchgangswiederkehr stattfindet, einer dadurch ermöglichten Bereichsüberschreitung des Zählers (5) da­ durch entgegengewirkt wird, daß der Rechteckimpulsgenerator (4) nach Ablauf der Kippzeit eines retriggerbaren Monoflop (3) ab­ geschaltet wird, welches mit dem Ausgangssignal des Nulldurch­ gangsdetektors (2) getriggert wird, wobei die Kippzeit des Mono­ flop (3) so eingestellt ist, daß sie nicht kleiner als die größte auftretende Impulslänge der Wechselspannung ist.

2. Luftmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um auszuwertende Wirbelimpulse von fluktuationsbedingten Nullpunktschwankungen der Wechselspannung unterscheiden zu können, mittels eines Schwellwertentscheiders (8) ermittelt wird, ob das durch die Wirbelimpulse gebildete Wechselspannungssignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, worauf ein ein Flipflop (9) gesetzt wird, das nach Beendigung des Abzählvor­ gangs, nämlich bei dem anschließenden Nulldurchgang, der Wechsel­ spannung die Speicherung des gültigen Werts im Speicher (6) erlaubt und
daß das Flipflop (9) gleichzeitig mit dem Rücksetzen des Zählers (5) rückgesetzt wird.