DE3908868A1

DE3908868A1 - Wirbelstroemungsmesser

Info

Publication number: DE3908868A1
Application number: DE3908868A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Tada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1989-09-28
Also published as: US4938074A; JPH01140128U; KR890019671U; KR920002275Y1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelströmungsmesser, in dem Membrane derart angeordnet sind, daß die Richtung, in der die Membrane beweglich sind, nicht mit jener der Hauptkomponente einer Schwingungskraft zusammenfällt.

Zum Stand der Technik: Es gibt verschiedene Arten von Wirbeldruckerfassungssystemen. Die japanische Patentanmeldung Nr. 36 776/75 oder die japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 3 725/79 offenbaren ein Wirbeldruckerfassungssystem, in dem der Druck der Wirbel an eine rechte und linke Kammer übertragen werden, die voneinander durch eine Membran getrennt sind, um den Unterschied im Druck der Wirbel zu erfassen.

Bei einem bekannten Wirbeldruckerfassungssystem dieser Art muß die Empfindlichkeit einer Membran sehr hoch gemacht werden, um den Druck von Wirbeln in einem Bereich sehr niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu erfassen. Wird jedoch die Empfindlichkeit hoch gemacht, so spricht die Membran nicht nur auf den Druck der Wirbel an, sondern ebenfalls auf eine externe Kraft, wie beispielsweise eine Schwingungskraft. Dies stellt ein Problem dar.

Die vorliegende Anordnung wurde entworfen, um dieses Problem zu lösen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelströmungsmesser zu schaffen, der eine sehr niedrige Strömungsrate mit sehr geringem Wirbeldruck messen kann und hochbeständig gegenüber einer externen Schwingung ist.

Der erfindungsgemäße Wirbelströmungsmesser umfaßt eine erste Membran, die eine erste und zweite Druckkammer voneinander trennt; eine zweite Membran, die eine dritte und eine vierte Druckkammer voneinander trennt und derart angeordnet ist, daß die Richtung, in der die zweite Membran beweglich ist, mit jener zusammenfällt, in der die erste Membran beweglich ist, und daß die Richtung nicht mit der Maximalkomponente einer externen Kraft zusammenfällt, die auf die Membrane einwirkt; eine erste und zweite Brückenschaltung, die Ausgangssignale, jeweils abhängig von der Wirkung der ersten und der zweiten Membran erzeugen; und Differentialverstärker, die eine Differentialverstärkung der Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung durchführen.

In dem Wirbelströmungsmesser wirken die erste und die zweite Membran kumulativ zusammen, um den Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Druckkammer und jenem zwischen der dritten und vierten Druckkammer zu ermitteln, um den Druck von Karman-Wirbeln zu erfassen. Jedoch wirken die erste und die zweite Membran differentiell gegen die externe Kraft. Die Richtung, in der die erste und die zweite Membran beweglich sind, fallen nicht mit jener der Maximalkomponente der externen Kraft zusammen, die auf die Membranen einwirkt. Die Ausgangssignale, die von der ersten und der zweiten Brückenschaltung, abhängig von jeweils der Wirkung der ersten und zweiten Membran, erzeugt werden, werden differentiell durch die Differentialverstärker verstärkt, so daß der Wirbelströmungsmesser ein Ausgangssignal liefert.

Zusammenfassend wird die erfindungsgemäße Aufgabenstellung durch einen Wirbelströmungsmesser gelöst, der erfindungsgemäß umfaßt: eine Wirbelgeneratoranordnung, die in einer Leitung vorgesehen ist, durch welche ein zu messendes Fluid zur Erzeugung von Karman-Wirbeln fließt; eine erste Druckkammer; eine zweite Druckkammer; eine dritte Druckkammer; eine vierte Druckkammer; einen ersten und zweiten Druckauslaß zur Entnahme des Drucks der Wirbel; einen ersten Druckdurchtrittsweg zur Übertragung der am ersten Druckauslaß erzeugten Druckänderung zur ersten und zweiten Druckkammer; einen zweiten Druckdurchtrittsweg zur Übertragung der am zweiten Druckauslaß erzeugten Druckänderung zur zweiten und dritten Druckkammer; eine erste Membran, die zwischen der ersten und zweiten Druckkammer vorgesehen ist, um abhängig vom Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Druckkammer zu arbeiten; eine zweite Membran, die zwischen der dritten und vierten Druckkammer vorgesehen ist, um abhängig vom Druckunterschied zwischen der dritten und vierten Druckkammer zu arbeiten, wobei die zweite Membran in einer ersten Richtung beweglich ist, die mit jener zusammenfällt, in der die erste Membran beweglich ist, und die erste Richtung nicht mit einer zweiten Richtung einer Maximalkomponente einer externen Kraft zusammenfällt, die auf die erste und zweite Membran einwirkt; eine erste und zweite Brückenschaltung, die jeweils auf der ersten und zweiten Membran vorgesehen ist, um jeweils abhängig von der Wirkung der ersten und zweiten Membran ein Paar Ausgangssignale zu erzeugen, die umgekehrte Polarität und gleich großen Absolutwert aufweisen; und eine Differentialverstärkeranordnung zur Differentialverstärkung der Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Periode einer Schwingung angibt.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Wirbelströmungsmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Wirbelerzeugungsabschnittes des Wirbelströmungsmessers;

Fig. 3 und 4 jeweils Schnittansichten des Wirbeldruckdetektors des Wirbelströmungsmessers;

Fig. 5 ein Schaltbild des Steuerabschnittes des Wirbelströmungsmessers; und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Verwendung des Wirbelströmungsmessers, gemäß welchem dieser in einem Kraftfahrzeug installiert ist.

Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen, und zwar in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.

Fig. 1 stellt eine Schnittdarstellung eines Wirbelströmungsmessers gemäß einer Ausführungsform dar. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Wirbelerzeugerabschnittes des Wirbelströmungsmessers. Ein zu messendes Fluid (1) strömt durch eine Leitung (2). Ein Wirbelgenerator (3) ist in der Leitung (2) vorgesehen und erstreckt sich senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids (1), so daß Karman-Wirbel (4) stromabwärts des Wirbelgenerators erzeugt werden. Der Druck der Karman-Wirbel wird durch die Druckauslässe (5, 6) erfaßt, die in der Wand der Leitung (2) vorgesehen sind. Ein Wirbeldruckdetektor (8) steht mit den Druckauslässen (5, 6) in Verbindung.

Die Fig. 3 und 4 zeigen relativ zueinander senkrecht geführte, vergrößerte Schnittdarstellungen des Wirbeldruckdetektors (8). Druckströmungswege (85, 86) stehen mit den Druckauslässen (5, 6) in Verbindung. Druckkammern (81, 82, 83, 84) sind im Wirbeldruckdetektor (8) derart vorgesehen, daß die erste Druckkammer (81) und die vierte Druckkammer (84) mit dem Druckströmungsweg (85) in Verbindung stehen, und daß die zweite Druckkammer (82) und die dritte Druckkammer (83) mit dem anderen Druckströmungsweg (86) in Verbindung stehen. Eine Grundplatte (88) ist zwischen der ersten und zweiten Druckkammer (81, 82) und zwischen der dritten und vierten Druckkammer (83, 84) angeordnet, und wird zwischen den Gehäuseelementen (89, 90) gehalten. Ein Halbleiterchip (87) ist an der Grundplatte (88) vorgesehen und hat eine erste und eine zweite Membran (87 a, 87 b). Die erste Membran (87 a) trennt die erste und die zweite Druckkammer (81, 82) voneinander. Die zweite Membran (87 b) trennt die dritte und die vierte Druckkammer (83, 84) voneinander. Die Gehäuseelemente (89, 90) bilden die Druckströmungswege (85, 86) und die Druckkammern (81, 82, 83, 84), und halten die Grundplatte (88). Anschlüsse (91) sind mit Drähten (92) verbunden, die an die Klemmen der Halbleiterbrückenschaltungen (101, 102) angeschlossen sind, die auf der Oberfläche der ersten und der zweiten Membran (87 a, 87 b) vorgesehen aber in den Fig. 3 und 4 nicht angegeben sind.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild des Steuerabschnittes des Wirbelströmungsmessers. Die erste und die zweite Brückenschaltung (101, 102) besteht jeweils aus vier druckelektrischen Widerständen. Das Ausgangssignal aus der ersten Brückenschaltung (101) wird der Plus- und Minus-Eingangsklemme des ersten Differentialverstärkers (103) zugeführt. Das Ausgangssignal der zweiten Brückenschaltung (102) wird der Plus- und Minus-Eingangsklemme eines zweiten Differentialverstärkers (104) zugeführt. Die Ausgangssignale vom ersten und zweiten Differentialverstärker (103, 104) werden der Plus- und Minus-Eingangsklemme eines dritten Differentialverstärkers (105) zugeführt, dessen Ausgangssignal einer Wellenformerschaltung (106) zugeführt wird, die das Ausgangssignal formt und einen Ausgang des Wirbelströmungsmessers darstellt. Eine Stromversorgung (107) ist für die erste und die zweite Brückenschaltung (101, 102) vorgesehen.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verwendung des Wirbelströmungsmessers, gemäß welchem dieser in einem Kraftfahrzeug installiert ist, das einen Motor (201), einen Einlaßverteiler (202), einen Zwischenbehälter (203), ein Drosselklappengehäuse (204), ein Rohr (205) zur Verbindung des Strömungsmessers mit dem Drosselklappengehäuse und ein weiteres Rohr (207) zur Verbindung eines Luftfilters (208) mit dem Strömungsmesser aufweist.

Der Betrieb des Wirbelströmungsmessers wird nunmehr im einzelnen beschrieben. Fließt das Fluid (1) durch die Leitung (2), so werden Wirbel (4) im Uhrzeigersinn und Gegenzeigersinn abwechselnd stromabwärts des Wirbelgenerators (3) gebildet, wie in Fig. 2 angegeben ist. Die Wirbel (4) werden im allgemeinen als Karman-Spur bezeichnet. Die Erzeugung der Karman-Wirbel (4) ist von Druckänderungen begleitet. Aus diesem Grund werden Druckänderungen an der Innenfläche der Leitung (2) längs des Durchtrittes für die Karman-Wirbel (4) verursacht, so daß einige derDruckänderungen abwechselnd an den Druckauslässen (5, 6) erfolgen, die in der Leitung (2) dem Durchtrittsweg für die Wirbel gegenüberliegend angeordnet sind. Der Druck der Wirbel (4) ist im wesentlichen ein Unterdruck. Wird der im Uhrzeigersinn verlaufende Wirbel (4) am Druckauslaß (5) erzeugt, so wird ein Unterdruck am Auslaß erzeugt und der ersten und der vierten Druckkammer (81, 84) über den Druckdurchtrittsweg (85) zugeführt, so daß die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) jeweils gegen die erste und die vierte Druckkammer hin ausgelenkt werden. Wird der im Gegenzeigersinn verlaufende Wirbel (4) am anderen Druckauslaß (6) erzeugt, so wird ein Unterdruck am Auslaß erzeugt und auf die zweite und dritte Druckkammer (82, 83) über den anderen Druckdurchtrittsweg (86) übertragen, so daß die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) jeweils gegen die zweite und dritte Druckkammer hin ausgelenkt werden. Es wird hier zugrunde gelegt, daß, wenn die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) jeweils gegen die erste und dritte Druckkammer (81, 83) hin ausgelenkt werden, die Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung (101, 102) eine Polarität aufweisen, wie sie durch die Pfeile (VB) in Fig. 5 angegeben wird. Aus diesem Grund liefert die erste Brückenschaltung (101) zum Zeitpunkt der Erzeugung des im Uhrzeigersinn verlaufenden Wirbels (4) ein Ausgangssignal (VB) und die zweite Brückenschaltung (102) liefert das Ausgangssignal (-VB). Zum Zeitpunkt der Erzeugung des im Gegenzeigersinn verlaufenden Wirbels (4) liefert die erste Brückenschaltung (101) das Ausgangssignal (-VB) und die zweite Brückenschaltung (102) liefert das Ausgangssignal (VB). Die Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung (101, 102) werden jeweils durch den ersten und zweiten Differentialverstärker (103, 104) mit vorgeschriebenen Verstärkungsfaktoren verstärkt, so daß die Verstärker Ausgangssignale (VB, -VB) liefern, die dem dritten Differentialverstärker (105) zugeführt werden. Werden die Ausgangssignale (VB, -VB) jeweils der Plus- und Minus-Eingangsklemme des dritten Differentialverstärkers (105) zugeführt, liefert dieser einen Ausgang (2 VB). Werden die Ausgangssignale (-VB, VB) jeweils der Plus- und der Minus-Eingangsklemme des dritten Differentialverstärkers (105) zugeführt, so liefert der Verstärker den gleichen Ausgang (2 VB). Aus diesem Grund wirken die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) kumulativ auf den Druck der Wirbel (4), so daß der Druck erfaßt werden kann, selbst wenn er sehr klein ist.

Es wird nunmehr der Betrieb des Wirbelströmungsmessers für den Fall beschrieben, daß ein externer Druck außer dem Druck der Wirbel (4) auf die erste und zweite Membran (87 a, 87 b) einwirkt. Beispielsweise ist der externe Druck der Druck, der in einer Schwingung schwankt, die in der Leitung (2) als Folge einer Strömungsänderung des Fluids (1) auftritt. Da die Schwingung sich durch eine verhältnismäßig große Wegstrecke zum Ort des Wirbelgenerators (3) von stromaufwärts oder stromabwärts kommend ausbreitet, ist die Schwingung eine Art völlig ebener Wanderwelle in der Leitung (2). Aus diesem Grunde erfolgen Druckänderungen gleicher Anzahl gleichzeitig an den Druckauslässen (5, 6) und werden auf die erste und vierte Druckkammer (81, 84) über den Druckdurchtrittsweg (85) und auf die zweite und dritte Druckkammer (82, 83) über den Druckdurchtrittsweg (86) übertragen. Da die Druckänderungen gleicher Größe gleichzeitig auf die erste und die zweite Druckkammer (81, 82) übertragen werden, wird die erste Membran (87 a) nicht gegen irgendeine der Druckkammern hin ausgelenkt, so daß die erste Brückenschaltung (101) den Druckänderungen keinerlei Ausgangssignal liefert. Infolgedessen liefert der Steuerabschnitt des Wirbelströmungsmessers keinerlei Ausgangssignal aus den Druckänderungen. Da die Druckänderungen gleicher Menge gleichzeitig auf die dritte und vierte Druckkammer (83, 84) übertragen werden, wird die zweite Membran (87) nicht gegen irgendeine der Druckkammern hin ausgelenkt, so daß die zweite Brückenschaltung (102) keinerlei Ausgangssignal aus den Druckänderungen liefert. Infolgedessen liefert der Steuerabschnitt keinerlei Ausgangssignal aus den Druckänderungen.

Es wird nunmehr der Betrieb des Wirbelströmungsmessers für den Fall beschrieben, bei welchem der Wirbeldruckdetektor (8) einer Schwingung unterliegt. Schwingt der Wirbeldruckdetektor (8) in einer derartigen Richtung, dass die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) nicht auslenkbar sind, so werden die Membranen durch die Schwingung nicht ausgelenkt, so daß der Steuerabschnitt keinerlei Ausgangssignal aus der Schwingung liefert. Schwingt der Wirbeldruckdetektor (8) in solcher Richtung, daß die Membranen (87 a, 87 b) auslenkbar sind, so werden die Membranen als Folge der Schwingung um die gleiche Größe in gleicher Richtung gleichzeitig ausgelenkt, so daß die erste und die zweite Brückenschaltung (101, 102) aus der Schwingung den Ausgang (VB) liefert. In diesem Falle werden die Ausgangssignale (VB) durch den ersten und zweiten Differentialverstärker (103, 104) mit den vorgeschriebenen Verstärkungsfaktoren verstärkt, so daß die Verstärker die Ausgangssignale (VB) Liefern, die dem dritten Differentialverstärker (105) zugeführt werden, der ein Ausgangssignal liefert, das die Schwingungsperiode anzeigt. Da die Ausgangssignale (VB), die einander gleich sind, der Plus- und Minus-Eingangsklemme, in diesem Fall dem dritten Differentialverstärker (105), zugeführt werden, liefert der Verstärker aus der Schwingung keinerlei Ausgangssignal.

Es ist schwierig, die Eigenschaften der ersten und der zweiten Membran (87 a, 87 b) bei der Herstellung derselben völlig gleich zu machen. Falls eine starke Schwingungskraft auf die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) einwirkt, die geringfügig bezüglich der Masse oder druckelektrischen Konstante voneinander abweichen, wird ein nicht vernachlässigbares Störsignal im Ausgang des dritten Differentialverstärkers (105) verursacht. Falls die Schwingungskraft nicht groß ist, ist das Störsignal vernachlässigbar.

Die vom Motor gemäß Fig. 6 benötigte Luft fließt über den Luftfilter (208) und das Rohr (207) zum Wirbelströmungsmesser (206) und wird durch diesen gemessen. Anschliessend fließt die Luft durch das Rohr (205) und das Drosselklappengehäuse (204) zum Zwischenbehälter (203) und gelangt über den Einlaßverteiler (202) zum Zylinder des Motors (201). Eine Schwingungskraft, die in diesem Anwendungsbeispiel auf den Wirbelströmungsmesser (206) einwirkt, besteht aus Komponenten in den zueinander senkrechten Richtungen (X, Y, Z). Die Komponenten sind gewöhnlich nicht gleich groß. In diesem Beispiel ist die Komponente in Richtung (Y) die stärkste und jene in Richtung (X) die kleinste. Wird daher die Richtung, in der die erste und die zweite Membran (87 a, 87 b) auslenkbar sind, mit der Richtung (Y) nicht-zusammenfallend gemacht oder, wenn möglich, mit der Richtung (X) zusammenfallend gemacht, so kann die Kraft, die auf die Membrane in der Richtung einwirkt, in der diese auslenkbar sind, so gering gemacht werden, daß das Störsignal das im Ausgang des dritten Differentialverstärkers (105) erzeugt wird, vernachlässigbar ist, obwohl die Eigenschaften der Membrane nicht völlig übereinstimmen.

Erfindungsgemäß werden die erste und zweite Druckkammer des Wirbeldruckdetektors eines Wirbelströmungsmessers durch eine erste Membran unterteilt, und die dritte und vierte Druckkammer des Wirbelströmungsdetektors werden durch eine zweite Membran unterteilt, so daß die Membrane kumulativ zur Erfassung des Druckes der Karman-Wirbel zusammenwirken, aber unterschiedlich bezüglich einer externen Kraft, wie beispielsweise einer Schwingungskraft, wirken. Außerdem wird die Richtung der Maximalkomponente der externen Kraft nicht-zusammenfallend mit jener gewählt, in der die Membrane auslenkbar sind. Infolgedessen wird die Fähigkeit des Wirbelströmungsmessers zur Erfassung des Drucks der Karman-Wirbel in einem Bereich sehr kleiner Strömungsrate verbessert, und der Widerstand des Wirbelströmungsmessers bezüglich der externen Kraft wird sehr hoch gemacht.

Claims

1. Wirbelströmungsmesser, gekennzeichnet durch:
eine Wirbelgeneratoranordnung (3), die in einer Leitung (2) vorgesehen ist, durch welche ein zu messendes Fluid zur Erzeugung von Karman-Wirbeln fließt;
eine erste Druckkammer (81);
eine zweite Druckkammer (82);
eine dritte Druckkammer (83);
eine vierte Druckkammer (84);
einen ersten und zweiten Druckauslaß (5, 6) zur Entnahme des Drucks der Wirbel;
einen ersten Druckdurchtrittsweg (85) zur Übertragung der am ersten Druckauslaß erzeugten Druckänderung zur ersten und zweiten Druckkammer;
einen zweiten Druckdurchtrittsweg (86) zur Übertragung der am zweiten Druckauslaß (6) erzeugten Druckänderung zur zweiten und dritten Druckkammer;
eine erste Membran (87 a), die zwischen der ersten und zweiten Druckkammer (81, 82) vorgesehen ist, um abhängig vom Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Druckkammer zu arbeiten;
eine zweite Membran (87 b), die zwischen der dritten und vierten Druckkammer (83, 84) vorgesehen ist, um abhängig vom Druckunterschied zwischen der dritten und vierten Druckkammer zu arbeiten, wobei die zweite Membran (87 b) in einer ersten Richtung beweglich ist, die mit jener zusammenfällt, in der die erste Membran beweglich ist, und die erste Richtung nicht mit einer zweiten Richtung einer Maximalkomponente einer externen Kraft zusammenfällt, die auf die erste und zweite Membran einwirkt;
eine erste und zweite Brückenschaltung (101, 102), die jeweils auf der ersten und zweiten Membran vorgesehen ist, um jeweils abhängig von der Wirkung der ersten und zweiten Membran ein Paar Ausgangssignale zu erzeugen, die umgekehrte Polarität und gleich großen Absolutwert aufweisen; und
eine Differentialverstärkeranordnung (103, 104) zur Differentialverstärkung der Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung (101, 102) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Periode einer Schwingung angibt.

2. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialverstärkeranordnung (103, 104) einen ersten und zweiten Differentialverstärker zwecks Differentialverstärkung der beiden Ausgangssignale aus der ersten und zweiten Brückenschaltung (101, 102) umfaßt, sowie einen dritten Differentialverstärker (105) zur Differentialverstärkung der Ausgangssignale aus dem ersten und zweiten Differentialverstärker.

3. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wellenformerschaltung (106) zur Wellenformung des Ausgangssignals aus dem dritten Differentialverstärker (105).