Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Saugluftmengenmeßvorrichtung für einen Motor mit
einem Karmanschen-Wirbelstraßen-Durchflußsensor zum Auffinden eines
Wirbelsignals in Erwiderung auf Betriebszustände eines Motors und mit
Geräuschdämpfungsmitteln zur Beseitigung von Geräuschkomponenten des Sensorsignals, die
die Betätigung einer Klappenventileinrichtung mit sich bringt.
Hintergrund der Erfindung
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Es sind bereits verschiedene Vorschläge für ein Verfahren zum Messen einer
Durchflußmenge eines fluids aus einer frequenz von Karmanschen-Wirbelstraßen
gemacht worden, die stromabwärts einer Wirbelstraßen generierenden
Einrichtung erzeugt werden, welche in einer Rohrleitung angeordnet ist. Diese
Vorschläge sind z.B. in der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr.
54-41 665, der japanischen Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 57-160 625
oder in der japanischen Patentanmeldung 54-123 973 offenbart.
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Die japanische Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 54-41 665 offenbart ein
Verfahren, welches von der Tatsache Gebrauch macht, das
Ultraschallsignalwellen, die quer über eine Leitung abgestrahlt werden, durch in dem fluid
erzeugte Karmansche-Wirbelstraßen phasenmoduliert werden. Demgegenüber macht
die japanische Gebrauchsmusteroffenlegungsschrift Nr. 57-160 625 Gebrauch von
der Tatsache, daß sich der Widerstand eines Thermistors, der in einer Leitung
angeordnet und mit einem konstanten Stromfluß erhitzt wird, in Erwiderung der
Karmanschen-Wirbelstraßen verändert.
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Bei beiden bekannten Verfahren liegt das elektrische Ausgangssignal in der
form eines analogen Signals vor, welches in Erwiderung der Karmanschen-
Wirbelstraßen variiert. Es wird deshalb dort, wo eine der bekannten
Vorrichtungen verwendet wird, beispielsweise als ein Saugluftmengenmeßsensor für die
Kraftstoffeinspritzsteuerung eines Motors, das elektrische Ausgangssignal
normalerweise in binär digitalisierte Karmansche-Wirbelstraßen-Impulse für
seine Anwendung umgesetzt. Ein bekanntes Verfahren zum Umsetzen eines
analogen Signals in solche Impulse ist z.B. in der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 58-70 131 offenbart.
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Wenn ein solcher Karmanscher-Wirbelstraßen-Durchflußsensor als ein
Saugluftmengenmeßsensor für einen Motor verwendet wird, entstehen darüber hinaus die
folgenden Probleme, wie sie in einem Teil der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 58-70 131 beschrieben sind.
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Wenn sich insbesondere ein Klappenventil bzw. Drosselventil in einer weit
geöffneten Stellung befindet, werden Luftpulsationen, die durch den
Luftansaugvorgang der Maschine erzeugt werden, zu einem Luftansaugweg übertragen,
so daß sich der Ausgangspegel des Durchflußmengensensors signifikant in
Erwiderung auf diese Pulsationen verändert.
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Wenn sich demgegenüber das Klappenventil bzw. Drosselventil in einer nur
gering geöffneten Stellung befindet, werden sogenannte "Windpfiffe" (wind
whistles) infolge der durch das Ventil mit hoher Geschwindigkeit
hindurchgehende Saugluft erzeugt. Diese haben einen Einfluß auf den Karmanschen-
Wirbelstraßen-Sensor in dem Saugluftpfad, so daß der Sensor einen Ausgang
zeigt, bei dem hochfrequenter Lärm überlagert ist.
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Wenn ein solches Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Spannung an einem
Spannungskomperator verglichen wird, um dieses zur Erzeugung Karmanscher-
Wirbelstraßen-Impulse binär zu digitalisieren, wie dies beispielsweise in der
vorstehend erwähnten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 58-70 131
offenbart ist, tritt ein sogenannter "Abfall" (falling off) der Impulse bei einem
weitgeöffneten Klappenventil auf. Im Gegensatz hierzu beinhaltet der Ausgang
bei einem gering geöffneten Ventil Impulse, die von überlagertem
hochfrequentem Lärm herrühren.
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In der JP-A-54-123 973 ist ein filterkreis zum Entfernen der durch das
Klappenventil bzw. Drosselventil verursachten Lärmkomponenten vorgesehen.
Jedoch ist diese Lösung noch nicht vollständig zufriedenstellend.
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Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die vorstehenden Probleme
zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Saugluftmengenmeßvorrichtung für einen Motor zu schaffen, welche immer korrekte
Impulse der Karmanschen-Wirbelstraßen unabhängig von einem Betriebszustand
des Motors ausgibt.
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Da darüber hinaus digitale Schaltkreistechniken in den vergangenen Jahren
entwickelt worden sind, haben sich die hierzu gehörenden Einrichtungen, wie
beispielsweise Mikroprozessoren, Gate-Arrays und Speicher in ihren Preisen
erheblich reduziert und sind in ihrer funktion verbessert worden.
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Im Hinblick auf diese vorstehend beschriebenen Umstände ist es wünschenswert,
für ein Karmansches-Wirbelstraßen-Durchflußmeßinstrument den Preis zu
reduzieren, eine funktionsverbesserung herbeizuführen und die Baugröße sowie das
Gewicht durch Bildung von Signalverarbeitungsschaltungen hierzu aus digitalen
Schaltkreisen zu verringern.
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Jedoch können die bekannten Techniken oder Mittel, wie sie vorstehend
beschrieben worden sind, nicht in geeigneter Weise aus digitalen Schaltkreisen
gebildet werden. Wenn es beispielsweise beabsichtigt ist, eine
Phasenverschiebeschaltung der bekannten Technik, die einen prinzipiellen Teil einer
Signalverarbeitungsschaltung bildet, aus einem digitalen Schaltkreis zu
bilden, entsteht das Problem, daß ein Register für eine sehr große Anzahl von
Bits notwendig ist.
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Die vorliegende Erfindung ist deshalb ebenso ausgeführt worden, um auch ein
solches Problem zu lösen, wie es gerade vorstehend beschrieben worden ist,
und es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Saugluftmengenmeßvorrichtung zu schaffen, bei der ein Signalverarbeitungssystem
verwendet wird, welches in geeigneter Weise aus digitalen Schaltkreisen gebildet
sein kann.
Offenbarung der Erfindung
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Eine Saugluftmengenmeßvorrichtung für einen Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält einen Ultraschallwellen erzeugenden Vibrator und einen
Ultraschallwellen empfangenden Vibrator, die sich beidseits eines
Saugluftweges des Motors in Strömungsrichtung nach einem eine Wirbelstraße
erzeugenden Glied einander gegenüberliegen, welches in einem innerhalb des Saugweges
zu messenden fluid eingesetzt ist, eine Resonanzpunktfühlerschaltung zum
Erfassen, ob der Ultraschallwellen erzeugende Vibrator an seinem
Resonanzpunkt erregt ist oder nicht, einen spannungsgeregelten Oszillator, der derart
angeschlossen ist, daß er von der Resonanzpunktfühlerschaltung gesteuert
wird, einen Zähler zum Teilen von Ausgangsimpulsen des spannungsgeregelten
Oszillators, indem die Impulse gezählt werden, eine Ansteuerschaltung zum
Erregen des Ultraschallwellen erzeugenden Vibrators mit den vom Zähler
geteilten Impulsen, eine Verriegelungsschaltung zum Abrufen der Inhalte des
Zählers nach einem Timing jedes der Impulse, die durch Wellenformung eines
Ausgangs des Ultraschallwellen empfangenden Vibrators erzeugt werden, und
Mittel zur binären Digitalisierung zum Feststellen einer Steigerung oder
Verringerung der Verriegelungsschaltung.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Inhalte eines Zählers nach dem Timing
bzw. nach den Zeitmessungen der Impulse, die durch formen der Wellenform
empfangener Wellen erzeugt werden, welche durch Karmansche-Wirbelstraßen
phasenmoduliert sind, um die empfangenen Wellen zu phasendemodulieren,
gelatcht bzw. gespeichert werden und dann die Phase binär digitalisiert wird,
können die meisten Teile eines Signalverarbeitungsmittels als ein digitaler
Signalpegel verarbeitet werden. Demgemäß kann ein Effekt erreicht werden, der
darin besteht, daß eine Saugluftmengenmeßvorrichtung erzielbar wird, welche
bereits aus einem digitalen IC gebildet ist und welche kostengünstig, klein
in der Größe und leicht im Gewicht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer
Durchflußmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung
zeigt, und
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Figuren 2 bis 5 sind Timingtafeln, die Signale bei verschiedenen
Abschnitten der Durchflußmeßvorrichtung nach Figur 1
zeigen.
Beste Ausführungsform für die Durchführung der Erfindung
Anschließend wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung
näher beschrieben, bei dem ein binär digitalisierter Schaltkreis aus
digitalen Schaltkreisen gebildet ist.
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm, das die Ausführungsform zeigt. In Figur 1
bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Saugluftweg, welcher eine Leitung für ein zu
messendes Fluid ist. Ein Wirbel erzeugendes Teil 21 ist in der Leitung 1
angeordnet und ein Ultraschall erzeugender Vibrator 22 sowie ein Ultraschall
empfangender Vibrator 23 sind stromabwärts des Wirbelstraßen erzeugenden
Teils 21 einander gegenüberliegend quer zum Strömungsverlauf in der Leitung
1 angeordnet.
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Der Ultraschall erzeugende Vibrator 22 wird über eine Antriebsschaltung bzw.
Ansteuerschaltung 10 durch eine Ausgabe eines Zählers 9 erregt. Eine
Resonanzpunkterfassungsschaltung bzw. Resonanzpunktfühlerschaltung 11 erfaßt, ob
oder ob nicht der Ultraschall erzeugende Vibrator 22 an seinem Resonanzpunkt
erregt ist.
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Ein spannungsgesteuerter Oszillator bzw. Schwinger 12 wird in Erwiderung zu
einer Ausgabe der Resonanzpunkterfassungsschaltung 11 gesteuert. Eine Ausgabe
des spannungsgesteuerten Oszillators 12 wird gezählt und so durch den Zähler
9 geteilt.
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Die Antriebsschaltung 10 wird durch Impulse angetrieben, die durch Division
an dem Zähler 9 erhalten werden.
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Eine Ausgabe des Ultraschall empfangenden Vibrators 23 wird zu einer die Form
von Wellen verändernden Schaltung 13 geführt, der daraufhin Impulse mit
veränderter Wellenform erzeugt. Bei einem Timing der ansteigenden Flanke jedes
der Impulse ruft eine Verriegelungs- bzw. Latchschaltung 14 einen Zählwert
des Zählers 9 ab und latcht bzw. speichert ihn ab.
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Eine Ausgabe der Verriegelungsschaltung 14 wird zu einem ersten digitalen
Tiefpaßfilter 31 geführt. Der digitale Tiefpaßfilter 31 ist vorgesehen, um
Lärmkomponenten hoher frequenz aus der Ausgabe der Verriegelungsschaltung 14
zu entfernen. Eine Ausgabe des ersten digitalen Tiefpaßfilters 31 wird zu
einem zweiten digitalen Tiefpaßfilter 32 geführt. Der zweite digitale
Tiefpaßfilter 32 ist vorgesehen, um den Durchschnitt aus der Ausgabe des ersten
digitalen Tiefpaßfilters zu bilden.
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Die Ausgaben des ersten und zweiten digitalen Tiefpaßfilters 31, 32 werden in
ihrer Größe miteinander an einem Größenkomperator 33 verglichen. Eine Ausgabe
des Größenkomperators 33 wird einem Puffer 15 zugeführt.
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Anschließend wird der Betrieb erläutert. Figur 2 und 3 sind Timingtafeln, die
Signale an verschiedenen Abschnitten der Figur 1 zeigen. Figur 2 gibt eine
Vorgehensweise der Zählung der Impulse durch den Zähler 9 und eine
Vorgehensweise der Phasendemodulation durch die Verriegelungsschaltung 14 wieder,
wogegen Figur 3 eine Vorgehensweise der binären Digitalisierung einer Phase
e, die durch den Größenkomperator 33 demoduliert ist, wiedergibt.
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Es ist zu bemerken, daß eine Beziehung zwischen den Figuren 2 und 3 in der
Weise besteht, daß ein demoduliertes Signal e in Figur 2 eine mikroskopische
Wiedergabe eines phasendemodulierten Signal e in Figur 3 ist.
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Bezugnehmend auf Figur 1 oszilliert der spannungsgesteuerte Oszillator 12
beispielsweise bei ungefähr 20 MHz. Die Frequenz wird durch die
Resonanzpunkterfassungsschaltung 11 in der Weise gesteuert, daß der Ultraschall
erzeugende Vibrator 22 an dem Resonanzpunkt angeregt werden kann.
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Ausgangsimpulse (a der Figur 2) des spannungsgesteuerten Oszillators 12
werden in einer periodischen Weise, wie dies durch b in Figur 2 gezeigt ist,
durch den Zähler 9 gezählt, welcher beispielsweise als binärer Aufwärtszähler
für neun Bits ausgebildet sein kann.
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Wenn nun das am meisten signifikante Bit betrachtet wird, zeigt es Impulse,
welche durch Teilung der Ausgangsimpulse a des spannungsgesteuerten
Oszillators 12 durch 512 erhalten werden, d.h. Impulse von ungefähr 40 MHz (c der
Figur 2).
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Der Ultraschall erzeugende Vibrator 22 wird über die Antriebsschaltung 10
durch die Impulse c angeregt. Die durch den Ultraschall erzeugenden Vibrator
22 erzeugten Ultraschallwellen werden zunächst phasenmoduliert durch die
Karmanschen-Wirbelstraßen innerhalb der Leitung 1 und anschließend zu dem
Ultraschall empfangenden Vibrator 23 übertragen. Daraufhin wird eine Ausgabe
des Ultraschall empfangenden Vibrators 23 durch die
Wellenformveränderungsschaltung 13 verändert, um phasenmodulierte Impulse zu erzeugen (d der Figur
2).
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Anschließend werden die Inhalte des Zählers 9 in die Verriegelungsschaltung
14 nach einem Timing der ansteigenden Flanke jedes der Impulse d übernommen.
Auf diese Weise erzeugt die Ausgabe der Verriegelungsschaltung 14 (e der
Figur 2) ein phasendemoduliertes Signal.
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Mit anderen Worten, da der Zähler 9 als ein Teiler und ebenso als ein
Phasenzähler arbeitet, welcher eine Phase eines Zyklus der übertragenen Wellen c
durch 512 teilt und sie zählt, wenn die Zählerinhalte nach einem Timing der
empfangenen Wellen d übernommen werden, erzeugt die Ausgabe des Zählers
selbst ein phasendemoduliertes Signal e.
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Danach wird das phasendemodulierte Signal e zu dem ersten digitalen
Tiefpaßfilter 31 geführt, bei dem die Lärmkomponenten aus dem phasenmodulierten
Signal e (f der Figur 2) entfernt werden.
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Kurz gesagt, da nicht nur die Karmanschen-Wirbelstraßen, wie vorstehend
beschrieben, sondern auch beispielsweise Geräuschquellen außerhalb der
Leitung usw. eine Modulation der Phase der Ultraschallwellen bewirken und den
Lärm in einem demodulierten Signal erzeugen, muß solcher Lärm mittels filter
entfernt werden.
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Ein demoduliertes Signal f, aus dem Lärm in dieser Weise entfernt worden ist,
wird daraufhin durch den zweiten digitalen Tiefpaßfilter 32 als
Durchschnittswert bzw. Mittelwert bestimmt (g der Figur 3). Daraufhin werden die
in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltenen beiden Signal f, g in ihrer
Größe miteinander durch den Größenvergleicher 33 verglichen, um ein binär
digitalisiertes Impulssignal h zu erhalten. Die Frequenz der Impulse h
entsprechen der Frequenz der Karmanschen-Wirbelstraßen.
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Es ist zu bemerken, daß alle Elemente innerhalb eines Blocks der vorstehend
beschriebenen Verarbeitungsschaltung, der durch die unterbrochenen Linien in
Figur 1 dargestellt ist, Signale in der Form von digitalen Signalen
verarbeiten und demgemäß bereits in einem digitalen IC bei geringen Kosten durch
eine Technik beispielsweise der Gate-Arrays gebildet werden können.
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Da die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend
beschrieben, nicht solche Festlegungen auf einen Durchschnittswert der
Phasenunterschiede zwischen den übertragenen und empfangenen Seiten durch eine
Phasenschiebeschaltung beinhalten, wie dies bei der bekannten Technik der Fall ist,
können die Phasen der übermittelten und empfangenen Wellen manchmal so eine
Beziehung aufweisen, wie sie beispielsweise in Figur 4 gezeigt ist.
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Insbesondere wird in Figur 4 eine solche Phasenmodulation ausgeführt, daß
Timings der ansteigenden Flanken der empfangenen Impulse d vor und nach dem
Zählen der Werte b von dem maximalen Zählwert 511 zu dem minimalen Zählwert
0 schwanken.
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In diesem Fall gibt das phasendemodulierte Signal e einen Sprung von dem
maximalen Wert 511 des Zählers zu dem minimalen Wert 1 wieder, wie dies in
Figur 5 dargestellt ist. Jedoch wird das Zählen des Zählers in einer
periodischen Weise hervorgerufen, wenn der Vergleich hinsichtlich der Größe an dem
Größenkomperator 13 durchgeführt wird. Wenn auf diese Weise bestimmt wird,
daß der maximale Wert 511 und der minimale Wert 0 aneinander angrenzen, kann
binäre Digitalisierung in ähnlicher Weise zu dem fall der Figur 3, wie es
durch die Wellenformkurven f, g, h der figur 5 gezeigt ist, bewirkt werden.
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Solche Bestimmungen können bereits bei digitaler Verarbeitung durchgeführt
werden. Mit anderen Worten erfordert die Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine Phasenschiebeschaltung, die ein prinzipielles Teil einer
bekannten Verarbeitungsschaltung ist.