DE4404505A1 - Reduzierung der Rückströmungsempfindlichkeit bei Massenstromsensoren nach dem Prinzip des Heißfilm- oder Heizdraht-Anemometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere Luft, nach dem Prinzip des Heißfilm- oder Hitzdraht-Anemometers mittels einer geregelten Meßbrücke gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der Druckschrift DE-OS 38 02 422 bekannt. Das Meßprinzip besteht darin, einen temperaturabhängigen Luftstrommeß­ widerstand sowie ebenfalls einen temperaturabhängigen Temperatur-Kompensationswiderstand im Luftstrom eines Ansaugrohres einer für Kraftfahrzeuge vorgesehenen Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Otto- oder Dieselmotor, anzuordnen, wobei diese beiden genannten Widerstände den Teil einer Brückenschaltung darstellen. Eine solche Brückenschaltung zeigt die Fig. 7, wonach in dem einen Brückenzweig der schon genannte, vom Luft­ strom umspülte Luftstrommeßwiderstand R_L in Reihe zu einem Strommeßwiderstand R₁ und in dem anderen Brücken­ zweig der schon o. g., ebenfalls vom Luftstrom umspülte und die Lufttemperatur kompensierende Temperatur-Kom­ pensationswiderstand R_T in Reihe zu einem Korrekturwi­ derstand R_K und einem Festwiderstand R₂ geschaltet ist. Die Größe der einzelnen Brückenwiderstände wird so ge­ wählt, daß die an ihnen abfallenden Spannungen norma­ lerweise etwa der halben Brückenversorgungsspannung entsprechen. Die Brückendifferenzspannung wird einem Differenzverstärker U₁ zugeführt, der in Abhängigkeit des Wertes der Differenzspannung die Brückenversor­ gungsspannung so beeinflußt, daß die Brückendifferenz­ spannung den Wert Null erreicht und somit die Meßbrücke abgeglichen ist. Aufgrund des den Luftstrommeßwider­ stand R_L durchfließenden Stromes erwärmt sich dieser auf eine durch die Wahl der Brückenwiderstände bestimm­ te Temperatur.

Durch Temperaturänderungen des Luftstromes erfolgt kei­ ne Brückenverstimmung, da die Widerstände R_L und R_T gleiche Temperaturgänge haben. Durch einen Luftmassen­ strom tritt jedoch eine Kühlung des Luftstrommeßwider­ standes R_L auf, so daß dessen Widerstandswert abnimmt. Die hierdurch bedingte Verstimmung der Meßbrücke führt zu einer Brückendifferenzspannung, wodurch der Diffe­ renzverstärker U₁ die Brückenversorgungsspannung ver­ größert, bis der Luftstrommeßwiderstand R_L durch erhöh­ te Aufheizung wieder ausreichend angestiegen ist, also bis erneut Brückenabgleich vorliegt. Der den Luftstrom­ meßwiderstand R_L durchfließende Strom wird durch das Auswerten der Spannung U_m über dem Meßwiderstand R₁ ausgewertet und dient als Maß für die von der Brenn­ kraftmaschine angesaugte Luftmasse.

In Fig. 4 ist ein stark vereinfachter, prinzipieller Aufbau eines Hitzdraht- oder Heißfilm-Massenstromsen­ sors dargestellt. In ein medienführendes Rohr 5 ist ein Meßrohr 4 integriert, das einen Halter 3 aufweist, der sich in der Strömung, angedeutet durch einen Pfeil A, befindet und auf dem sich zwei, von dem Medium mög­ lichst vollständig umgebenen temperaturabhängigen Wi­ derstände R_L und R_T gemäß Fig. 7 befinden. Wie im Zu­ sammenhang mit der Fig. 7 erläutert wurde, sind die Widerstände in der Meßbrücke so gewählt, daß sich der Luftstrommeßwiderstand R_L durch den hindurchfließenden Strom I erwärmt und damit seinen Widerstandswert er­ höht. Der Temperatur-Kompensationswiderstand R_T ist ge­ genüber dem Luftstrommeßwiderstand R_L so hochohmig, daß seine Eigenerwärmung unerheblich ist. Er stellt somit einen Bezug des Systems zur Medientemperatur her. Im eingeschwungenen Zustand der Brückenschaltung hat der Luftstrommeßwiderstand R_L eine Temperatur, die in der Regel ca. 130 K über der Medientemperatur liegt. Je nachdem wieviel Leistung von diesem Luftstrommeßwider­ stand R_L an das strömende Medium abgegeben werden kann, stellt sich durch die Regelung mittels des Differenz­ verstärkers U₁ der Strom I durch diesen Luftstrommeßwi­ derstand R_L ein. Das Ausgangssignal U_m des Massenstrom­ sensors ist also proportional dem Strom durch diesen Luftstrommeßwiderstand R_L und folgt im wesentlichen dem sogenannten King′schen Gesetz.

Ein Nachteil des nach Fig. 4 beschriebenen Aufbaues besteht darin, daß bei pulsierender Strömung mit Rich­ tungsumkehr im Ansaugrohr 5 Meßfehler entstehen, da auch die von den Pulsationen erzeugten Gegenströmungen entgegengesetzter Hauptstromrichtung Meßsignale erzeu­ gen, die jedoch falsche Meßwerte darstellen.

In Fig. 6a ist der Verlauf einer Luftströmung 7 in ei­ nem die beiden temperaturabhängigen Widerstände R_L und R_T aufnehmenden Meßrohr 4 schematisch dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß bei einer Pulsation eine Richtungsumkehr der Strömung den Meßeffekt kaum beein­ flußt. Das heißt, ein entsprechend aufgebauter Hitz­ draht- oder Heißfilm-Massenstromsensor ist in der einen wie der anderen Richtung etwa gleich empfindlich. Die Pulsationen im Ansaugrohr von Brennkraftmotoren in Kraftfahrzeugen beruhen darauf, daß diese Motoren die Luft über gesteuerte Ventile diskontinuierlich ansau­ gen, so daß die im Saugrohr angesaugte Luftsäule zu Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen können im Verhältnis zur mittleren Strömung so groß werden, daß es hierdurch zu den o. g. Rückströmungen kommt. Da das Saugrohr einer Brennkraftmaschine im wesentlichen eine Röhre mit akustischen Eigenschaften darstellt, kommt es zusätzlich auch noch zu Reflexionen und damit zu einer mehrfachen Messung ein und derselben Luftmas­ se. Eine nachträgliche Zuordnung des Meßsignals zur mo­ mentanen Stellung der Kurbelwelle ist durch Zeitverzö­ gerungen und Phasenverschiebungen vom Einlaßventil bis zur Meßstelle im Saugrohr außerordentlich schwierig. Da die Strömung mit den beschriebenen Massenstromsensoren im allgemeinen nur betragsmäßig und nicht richtungsmä­ ßig mit Vorzeichen erfaßt wird, erhält man deswegen falsche Meßwerte. Der Fehler wird umso größer, je höher der Anteil der Rückströmung ist.

Ein weiterer Nachteil des in Fig. 6a gezeigten Auf­ baus, insbesondere bei Gasströmen, ist seine Empfind­ lichkeit gegenüber Querströmungen. Diese unerwünschten Strömungen können durch Einbauten ins Meßrohr 4, den Halter 3, oder durch thermische Effekte entstehen. Die­ ser Sachverhalt ist in Fig. 6a durch die Wirbel 8 schematisch dargestellt.

Um die Querströmungsempfindlichkeit zu vermindern, ist es bekannt, die aus dem Halter 3 und den beiden Wider­ ständen R_L und R_T bestehende Anordnung in einem Strö­ mungskanal 6 anzuordnen, wie es in den Fig. 5 und 6b schematisch dargestellt ist. Dieser Strömungskanal 6 sorgt dafür, daß Querströmungen 8 die strömungsempfind­ lichen Teile des Sensors schlechter erreichen können, wodurch hauptsächlich die Hauptströmungsrichtung mit der Messung erfaßt wird, jedoch weiterhin die Rückströ­ mungen zu falschen Meßwerten führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Masse eines strömenden Medi­ ums der eingangs genannten Art anzugeben, deren Meßemp­ findlichkeit in Gegenstromrichtung wesentlich vermin­ dert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 erzielt. Hiernach wird in Hauptströmungsrichtung des Mediums hinter dem Strö­ mungskanal eine Strömungssperre angeordnet, deren wirk­ samer Querschnitt derart ausgebildet ist, daß der Luft­ strommeßwiderstand als auch der Temperatur-Kompensati­ onswiderstand in Hauptrichtung des Mediums vollständig anströmbar sind, jedoch in Gegenstromrichtung im Strö­ mungsablösungsbereich der Strömungssperre liegen. Hier­ durch wird das Nutzsignal der Vorrichtung in Haupt­ stromrichtung kaum gemindert, während jedoch in Gegen­ richtung ein stark vermindertes Meßsignal vorliegt, d. h. in dieser Richtung ist die Meßempfindlichkeit we­ sentlich reduziert.

Vorzugsweise ist für die Strömungssperre eine solche Form vorgesehen, die den für die Strömung zur Verfügung stehenden effektiven Querschnitt - der annähernd dem Querschnitt des Strömungskanals entspricht - kaum min­ dert, jedoch in Gegenstromrichtung den freien Quer­ schnitt des Strömungskanals verdeckt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung stellt die Strömungssperre ein Prisma mit dreieckiger Grundfläche dar, die im Strö­ mungsmeßrohr hinter dem Strömungskanal so angeordnet ist, daß in Hauptstromrichtung die Strömung zunächst auf eine die Grundflächen verbindende Kante auftrifft. Das durch den Strömungskanal fließende Medium teilt sich somit stromabwärts an dieser Kante der Strömungs­ sperre auf, so daß der zur Verfügung stehende effektive Querschnitt kaum reduziert wird. In Gegenstromrichtung liegen dagegen der Luftstrommeßwiderstand als auch der Temperatur-Kompensationswiderstand im Strömungsablö­ sungsbereich dieser Strömungssperre, wird also durch die Seitenfläche der prismenförmigen Strömungssperre, die der genannten Kante gegenüberliegt, abgeschattet. Das Zusammenfließen der Strömung erfolgt damit haupt­ sächlich hinter dem Strömungskanal. Bei dieser Ausfüh­ rungsform kann der Querschnitt des Strömungskanals rechteckig ausgebildet sein, wobei auch abgerundete Ecken vorgesehen werden können. Vorteilhaft ist es da­ bei, einen ellipsenförmigen Querschnitt für den Strö­ mungskanal vorzusehen, wobei dann die Strömungssperre so anzuordnen ist, daß eine die Grundfläche verbindende Kante parallel zum Hauptdurchmesser des ellipsenförmi­ gen Querschnittes liegt.

Eine weitere vorteilhafte Geometrie für die Strömungs­ sperre liegt auch bei einem Kegel vor, der in Strö­ mungsrichtung so anzuordnen ist, daß die Strömung zu­ nächst auf dessen Kegelspitze auftrifft. Vorzugsweise ist dann für den Strömungskanal ein kreisförmiger Quer­ schnitt vorzusehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung können die o. g. Geometrien für die Strömungs­ sperre im Hinblick auf das Verhältnis von Nutzsignal­ größe in Vorwärtsrichtung und der erzielbaren Dämpfung in Gegenstromrichtung strömungstechnisch optimiert wer­ den.

Querschnitt aufweisen, wobei auch deren Ecken abgerun­ det werden können. Ebenso ist ein kreisförmiger oder ovaler Querschnitt denkbar.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen darge­ stellt und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vor­ richtung im Zustand der Hauptstromrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Zustand der Gegenstromrichtung und

Fig. 3 verschiedene Ausführungsbeispiele der erfin­ dungsgemäßen Strömungssperre.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Meßrohr 4, in dem ein Strömungskanal 6 angeordnet ist, in dessen Innenraum ein Halter 3 den im Zusammenhang mit der Fig. 7 be­ schriebenen Luftstrommeßwiderstand R_L und den Tempera­ tur-Kompensationswiderstand R_T trägt. Die Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt eine Strömung 7 in Hauptstromrich­ tung, während in Fig. 2 die Strömung 7a in Gegenstrom­ richtung fließt.

Ferner zeigen die beiden Figuren eine Strömungssperre 9 mit dreiecksförmigem Querschnitt. Nach Fig. 1 ist die­ se Strömungssperre 9 in Hauptstromrichtung hinter dem Strömungskanal 6 so angeordnet, daß die Strömung 7 zu­ nächst auf eine Spitze der Dreiecksform auftrifft und anschließend aufgeteilt wird. Dadurch wird der zur Ver­ fügung stehende effektive Querschnitt kaum reduziert, die beiden Widerstände R_L und R_T trotzdem vollständig von der Strömung 7 umspült. In diesem Zustand wird das Nutzsignal U_m (vgl. Fig. 7) kaum reduziert.

Ändert dagegen die Strömung 7 ihre Richtung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, trifft diese auf eine senk­ recht zur Strömungsrichtung stehende Seitenfläche der Strömungssperre 9. Die Strömung 7a muß dann um diese Strömungssperre 9 herumfließen, wobei sie an den Kanten abreißt und z. T. Wirbel 8 bildet, die mit dem Haupt­ strom aber wieder mitgerissen werden. Dadurch wird ver­ mieden, daß die beiden Widerstände R_L und R_T von der Strömung 7a umströmt werden. Das Zusammenfließen der Strömung erfolgt dabei hauptsächlich erst hinter dem Strömungskanal 6 (vgl. Pfeile 7b). Hierdurch wird das Meßsignal U_m stark vermindert, so daß in umgekehrter Strömungsrichtung die Meßempfindlichkeit wesentlich ge­ ringer als in Hauptstromrichtung ist.

Die im Querschnitt dargestellte Strömungssperre 9 nach den Fig. 1 und 2 stellt einen prismenförmigen Körper mit einer Dreiecksgrundfläche dar. Der Strömungskanal 6 kann dabei einen rechteckförmigen Querschnitt aufwei­ sen, dessen Ecken auch abgerundet werden können. Ferner ist für den Strömungskanal 6 auch ein ellipsenförmiger Querschnitt denkbar, wobei die prismenförmige Strö­ mungssperre so angeordnet ist, daß die zum Strömungska­ nal 6 benachbarte Kante parallel zum Hauptdurchmesser des elliptischen Querschnittes liegt.

Ferner kann die Strömungssperre 9 nach den Fig. 1 und 2 auch als Kegel ausgebildet sein, wobei dann die Kegelspitze zum Strömungskanal 6 benachbart ist. Ein entsprechend angepaßter Strömungskanal 6 erhält einen kreisförmigen Querschnitt.

Querschnitt denkbar, wobei die prismenförmige Strö­ mungssperre so angeordnet ist, daß die zum Strömungska­ nal 6 benachbarte Kante parallel zum Hauptdurchmesser des elliptischen Querschnittes liegt.

Ferner kann die Strömungssperre 9 nach den Fig. 1 und 2 auch als Kegel ausgebildet sein, wobei dann die Kegelspitze zum Strömungskanal 6 benachbart ist. Ein entsprechend angepaßter Strömungskanal 6 erhält einen kreisförmigen Querschnitt.

Die bisher beschriebenen Geometrien für die Strömungs­ sperre 9 können strömungstechnisch optimiert werden, wie beispielsweise in Fig. 3a dargestellt ist. Diese Form weist zwei in einer Ecke zusammenstoßende Seiten auf, die jeweils konkav geformt sind. Bei einer solchen strömungstechnischen Optimierung muß in der Regel ein Kompromiß zwischen der Nutzsignalgröße in Hauptstrom­ richtung und der erzielbaren Dämpfung des Nutzsignals in Gegenstromrichtung geschlossen werden. Die Optimie­ rung einer erfindungsgemäßen Strömungssperre hängt von den Randbedingungen und den vorliegenden Entwicklungs­ zielen ab und kann nur mittels komplizierter FEM (Finite Element Method)-Berechnungen bzw. empirisch er­ folgen.

Neben den bisher strömungsgünstigen Formen für eine Strömungssperre können auch weniger strömungsgünstige Formen eingesetzt werden. So kann nach Fig. 3b als Strömungssperre eine ebene Prallplatte verwendet wer­ den, deren Fläche den Querschnitt des Strömungskanals 6 überdeckt. Dabei kann der Strömungskanal 6 einen drei- oder mehreckigen Querschnitt aufweisen, wobei auch die Ecken abgerundet sein können. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung einer runden oder ovalen Quer­ schnittsfläche für die Strömungssperre. Praktische Ver­ suche mit einer solchen ebenen Prallplatte lieferten für die Dämpfung des Meßsignals in Gegenstromrichtung gute Ergebnisse. Sie lagen, bezogen auf den Massen­ strom, bei einer Reduzierung auf ca. 30% des Nutzsi­ gnals in Hauptstromrichtung.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Messen der Masse eines strömenden Mediums nach dem Prinzip des Hitzdraht- oder Heißfilm- Anemometers mittels einer geregelten Meßbrücke, deren vom Medium umströmbarer Luftstrommeßwiderstand (R_L) und Temperatur-Kompensationswiderstand (R_T) in einem Strö­ mungskanal (6) angeordnet sind, wobei sich dieser Strö­ mungskanal (6) in einem Strömungsmeßrohr (4), insbeson­ dere im Ansaugrohr einer für Kraftfahrzeuge vorgesehe­ nen Brennkraftmaschine, befindet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) in Hauptstromrichtung des Mediums befindet sich hinter dem Strömungskanal (6) eine Strömungssperre (9) und
• b) die Strömungssperre (9) ist derart ausgebildet, daß der Luftstrommeßwiderstand (R_L) und der Tempe­ ratur-Kompensationswiderstand (R_T) in Hauptstrom­ richtung vom Medium vollständig anströmbar sind, jedoch in Gegenstromrichtung im Strömungsablö­ sungsbereich der Strömungssperre (9) liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Strömungssperre (9) in Haupt­ stromrichtung eine solche Form aufweist, daß der für die Strömung zur Verfügung stehende effektive Quer­ schnitt im wesentlichen nicht reduziert wird, während jedoch in Gegenstromrichtung der freie Querschnitt des Strömungskanals (6) verdeckt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungssperre (9) ein Prisma mit dreieckigen Grundflächen verwendet wird und daß diese Strömungs­ sperre (9) derart im Strömungsmeßrohr (4) angeordnet ist, daß in Hauptstromrichtung die Strömung zunächst auf eine die Grundflächen verbindende Kante der Strö­ mungssperre auftrifft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (6) abgerundete Ecken aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (6) einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweist und daß die Strö­ mungssperre (9) so angeordnet ist, daß eine die Grund­ flächen verbindende Kante parallel zum Hauptdurchmesser des ellipsenförmigen Querschnittes liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungssperre (9) kegelförmig aus­ gebildet ist und daß die Strömungssperre (9) derart im Strömungsmeßrohr (4) angeordnet ist, daß die Strömung zunächst auf die Kegelspitze der Strömungssperre (9) auftrifft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (6) einen kreisförmigen Quer­ schnitt aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssperre (9) strömungstechnisch optimiert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömungssperre (9) die Form einer ebenen Prallplatte aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strömungskanal (6) einen drei- oder mehr­ eckigen Querschnitt aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strömungskanal (6) abgerundete Ecken auf­ weist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strömungskanal (6) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist.