EP1537389A1 - Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren eines massenstromsensors - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren eines massenstromsensors

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EP1537389A1
EP1537389A1 EP03797166A EP03797166A EP1537389A1 EP 1537389 A1 EP1537389 A1 EP 1537389A1 EP 03797166 A EP03797166 A EP 03797166A EP 03797166 A EP03797166 A EP 03797166A EP 1537389 A1 EP1537389 A1 EP 1537389A1
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EP
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mass flow
section
flow
sensor
mass
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EP03797166A
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Rudolf Bierl
Manfred Schweimeier
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Continental Automotive GmbH
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Siemens AG
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    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G01F25/13—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters using a reference counter
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/72—Devices for measuring pulsing fluid flows

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for calibrating a mass flow sensor.
  • the device is sometimes referred to as a flow bench.
  • Mass flow sensors are therefore used that sense the mass of a flowing gas.
  • a sensed measurement signal in the form of a current and voltage value or period value for clocked signals is subsequently assigned a value for the mass flow, for example in kilograms / hour.
  • the mass flow sensor must be calibrated so that the sensed measurement signals correctly reflect the mass flowing past.
  • a flow bench and a method for testing and calibrating a mass flow sensor are known.
  • a mass flow sensor to be calibrated and a reference mass flow sensor are arranged one behind the other in a flow channel.
  • a pump generates an air mass flow in the flow channel, the two mass flow sensors being positioned upstream of a throttle valve. A position downstream is also possible.
  • a controller places the throttle valve in the flow channel so that the mass flow is of different strengths.
  • the values for the mass flow sensor to be calibrated are determined from the measured values of the reference mass flow sensor. When determining the values for the mass flow sensor to be calibrated, pressure losses at the upstream sensor must be taken into account.
  • German patent application DE 101 49 292.8 describes how to work without a reference mass flow sensor.
  • a mass flow-time profile is specified in the flow channel via a standard valve.
  • the mass flow sensor to be calibrated is calibrated in the air mass flow provided by the standard valve on the basis of a predetermined mass-time profile.
  • a disadvantage of this method, also called masterless calibration is that the temperature and pressure curve on the suction side of the pump must be kept absolutely constant. Any changes due to the ambient temperature and / or the ambient pressure can falsify the values of the calibration.
  • the object of the invention is to provide a device and a method for calibrating a mass flow sensor, which avoids the disadvantages mentioned above and allows the mass flow sensor to be calibrated particularly quickly and reliably.
  • the device according to the invention has a flow channel and a holder for a mass flow sensor to be calibrated in the flow channel.
  • the flow channel is connected at one end to a pump which conveys gas, in particular air, through the flow channel.
  • An adjustable throttle device is provided between the bracket and the pump. hen.
  • the throttle device is designed such that when the pump is operating, a flow is generated in the narrowest cross section of the throttle device at the speed of sound.
  • a control device adjusts the throttle device during the calibration process in accordance with a predetermined time-distance profile.
  • the adjustable throttle device is operated in supercritical mode by achieving a certain pressure ratio between the inlet pressure and the suction side pressure. In supercritical operation of the throttle device, the speed in the narrowest cross section of the nozzle does not change when the suction side pressure changes, and thus the mass flow through the throttle device remains constant. Monitoring of the suction-side pressure can be omitted.
  • the adjustable throttle device is a variable nozzle. It has proven to be an advantage that the mass flow for a supercritically operated nozzle can be calculated very precisely from pressure, temperature and relative air humidity.
  • variable nozzle has a conically widening section and a mandrel arranged in the section, the position of which can be adjusted in the section via a drive in order to change the free cross section in the section.
  • the mandrel preferably has the shape of a cone or a truncated cone, which is arranged centrally in the section.
  • the mandrel is preferably adjustable along its longitudinal axis via the drive.
  • sensors for detecting state variables of the mass Stroms arranged. These are sensors for temperature, relative humidity and pressure. These values are used to determine the mass flow passing through.
  • a mass flow sensor to be calibrated is arranged in the flow channel.
  • a mass flow is generated in the flow channel, the values of which vary with time.
  • the mass flow which is specified, for example, in units of kilograms / hour, changes in the flow channel.
  • a throttle device is provided in the flow channel, through which the narrowest cross-section flows through at the speed of sound. Compared to the conventional ramp flow bench, pressure and temperature on the suction side are irrelevant, so that calibration is more stable and can be carried out faster.
  • the method according to the invention is largely independent of the stability of the pump suction power.
  • an adjustable nozzle is provided as a throttle device, which guides the mass flow past the mass flow sensor to be calibrated according to a predetermined time curve.
  • the invention can also be used for checking and / or diagnosing the mass flow sensors.
  • a preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the figures. It shows:
  • Fig. 1 is a flow bench in a schematic view
  • FIG. 2 shows a flow diagram of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows a flow bench 10 in a schematic view. Air enters the flow bench in the flow direction A via a funnel-shaped receiving opening 12. Downstream of the inlet opening 12, the head of a plug-in air mass sensor can be seen, the measuring range of which is flowed around by the air flow.
  • the flow bench is by no means limited to plug-in air mass sensors, but any air mass sensors in the flow channel can also be calibrated.
  • the air mass sensor to be calibrated can already be placed in the flow channel together with a pipe section 16.
  • FIG. 1 Further downstream sensors for temperature 18, relative humidity 20 and pressure 22 are provided. There is an adjustable nozzle 24 downstream of the sensors.
  • the nozzle shown in FIG. 1 is a so-called Laval nozzle, the flow conditions of which are particularly well analyzed. If the speed of sound is reached in the narrowest cross-section, the outflow quantity is not influenced even if the suction-side pressure drops (downstream of the nozzle). The outflow quantity is also not influenced by an increase in the suction-side pressure as long as the supercritical operation is maintained. If the Laval nozzle 24 is operated in the supercritical range, then the outflow quantity striking the mass flow sensor to be calibrated is the Nozzle regardless of fluctuations in the pump delivery rate as long as the critical pressure ratio is not exceeded
  • the mass flow through the nozzle 24 is set dynamically via a mandrel 26 which can be moved in the direction of the double arrow B.
  • the mandrel 26 is set via the drive 28, which is controlled by the control device (not shown).
  • a pressure sensor 30 is provided in the flow channel on the suction side. The pressure sensor 30, together with the pressure sensor 22, makes it possible to determine which pressure ratio is present at the nozzle 24 and to infer whether the supercritical operation has already been achieved.
  • the air flow through the flow channel is generated by the pump 32.
  • the position of the mandrel 26 is changed according to a predetermined time-distance profile. The change takes place continuously. Since the mass flow from the nozzle 24 is independent of the suction-side pressure in the supercritical range, the mass flow sensor 14 to be calibrated can be calibrated and / or checked particularly reliably.
  • FIG. 2 shows the individual process steps of the method according to the invention.
  • step 34 the sensor to be calibrated is inserted into the flow channel.
  • step 36 a current is built up through the nozzle.
  • step 38 the mandrel 26 is continuously pulled out according to a predetermined path-time profile, which defines the mass flow-time profile through the nozzle.
  • the measurement signals of the mass flow sensor to be calibrated are recorded in step 40.

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren eines Massenstromsensors. Um für das Kalibrieren von Massenstromsensoren gut reproduzierbare Strömungsverhältnisse zu erzielen, wird eine Drosseleinrichtung überkritisch betrieben, so dass im engsten Querschnitt mindestens Schallgeschwindigkeit vorliegt. Hierdurch wird eine weitgehende Unabhängigkeit von saugseitigen Druckschwankungen erzielt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren eines Massenstrom- sensors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Massenstromsensors . Die Vorrichtung wird gelegentlich auch als Fließbank bezeichnet.
Der Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine hängt ganz wesentlich von der Menge der zugeführten Luft ab. Es werden daher Massenstromsensoren eingesetzt, die die Masse eines strömenden Gases fühlen. Einem gefühlten Messsignal in Form eines Strom- und Spannungswertes bzw. Periodendauerwer- tes bei getakteten Signalen wird nachfolgend ein Wert für den Massenstrom, beispielsweise in Kilogramm/Stunde, zugeordnet. Damit die gefühlten Messsignale die vorbeiströmende Masse korrekt wiedergeben, ist es erforderlich, den Massenstromsensor zu kalibrieren.
Aus DE 198 57 329 AI ist eine Fließbank und ein Verfahren zum Prüfen und Kalibrieren eines Massenstromsensors bekannt. Bei der Fließbank werden ein zu kalibrierender Massenstromsensor und ein Referenz-Massenstr msensor hintereinander in einem Strömungskanal angeordnet. Eine Pumpe erzeugt einen Luftmassenstrom in dem Strömungskanal, wobei die beiden Massenstromsensoren stromaufwärts von einer Drosselklappe positioniert sind. Eine Position stromabwärts ist auch möglich. Eine Steuerung stellt die Drosselklappe in dem Strömungskanal, so dass der Massenstrom unterschiedlich stark ist. Aus den Messwerten des Referenz-Massenstromsensors werden die Werte für den zu kalibrierenden Massenstromsensor bestimmt. Bei der Bestimmung der Werte für den zu kalibrierenden Massenstromsensor müssen Druckverluste an dem stromaufwärts liegenden Sensor berücksichtigt werden. In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 101 49 292.8 ist beschrieben, ohne Referenz- Massenstromsensor zu arbeiten. Hierbei wird über ein Standardventil in dem Strömungskanal ein Massenstrom-Zeit-Profil vorgegeben. Der zu kalibrierende Massenstromsensor wird in dem durch das Standardventil gestellten Luftmassenstrom anhand eines vorbestimmten Massen-Zeit-Profils kalibriert. Nachteilig an diesem, auch als masterlose Kalibrierung bezeichneten Verfahren ist, dass Temperatur- und Druckverlauf auf der Saugseite der Pumpe absolut konstant gehalten werden müssen. Etwaige Änderungen aufgrund der Umgebungstemperatur und/oder des Umgebungsdrucks können die Werte der Kalibrierung verfälschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung eines Massenstromsensors bereitzustellen, das bzw. die oben genannte Nachteile vermeidet und besonders schnell und zuverlässig die Kalibrierung des Massenstromsensors gestattet.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Massenstromsensors mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden den Gegenstand der Unteransprüche .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen Strömungskanal und eine Halterung für einen zu kalibrierenden Massenstromsensor in dem Strömungskanal. Der Strömungskanal ist an einem Ende mit einer Pumpe verbunden, die Gas, insbesondere Luft durch den Strömungskanal fördert. Zwischen der Halterung und der Pumpe ist eine verstellbare Drosseleinrichtung vorgese- hen. Die Drosseleinrichtung ist derart ausgelegt, dass bei einem Betrieb der Pumpe eine Strömung in dem engsten Querschnitt der Drosseleinrichtung mit Schallgeschwindigkeit erzeugt wird. Eine Steuereinrichtung verstellt die Drosseleinrichtung während des Kalibriervorganges gemäß einem vorbestimmten Zeit-Weg-Profil. Die verstellbare Drosseleinrichtung wird im überkritischen Betrieb betrieben, indem ein bestimmtes Druckverhältnis zwischen Eingangsdruck und Saugseitendruck erzielt wird. Im überkritischen Betrieb der Drosseleinrichtung gilt, dass bei einer Änderung des Saugseitendrucks sich die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt der Düse nicht ändert, und somit der Massenstrom durch die Drosseleinrichtung konstant bleibt. Eine Überwachung des saugseitigen Drucks kann entfallen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt sich bei der verstellbaren Drosseleinrichtung um eine variable Düse. Als Vorteil hat sich herausgestellt, dass für eine überkritisch betriebene Düse der Massenstrom sehr genau aus Druck, Temperatur und relativer Luftfeuchte berechenbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besitzt die variable Düse einen sich konisch erweiternden Abschnitt und einen in dem Abschnitt angeordneten Dorn, dessen Position über einen Antrieb in dem Abschnitt verstellbar ist, um den freien Querschnitt in dem Abschnitt zu verändern. Der Dorn besitzt hierbei bevorzugt die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfs, der zentral in dem Abschnitt angeordnet ist. Der Dorn ist bevorzugt entlang seiner Längsachse über den Antrieb verstellbar.
Bevorzugt sind zwischen Luftmassensensor und Drosseleinrichtung Sensoren zum Erfassen von Zustandsgrößen des Massen- Stroms angeordnet. Hierbei handelt es sich um Fühler für Temperatur, relative Luftfeuchte und Druck. Diese Werte werden verwendet, um den durchtretenden Massenstrom zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 8 gelöst. Eine bevorzugte Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand von Anspruch 9.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zu kalibrierender Massenstromsensor in dem Strömungskanal angeordnet. In dem Strömungskanal wird ein Massenstrom erzeugt, dessen Werte mit der Zeit variieren. Der Massenstrom, der beispielsweise in den Einheiten von Kilogramm/Stunde angegeben wird, ändert sich in dem Strömungskanal. In dem Strömungskanal ist zusätzlich eine Drosseleinrichtung vorgesehen, die im engsten .Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit durchströmt wird. Gegenüber der herkömmlichen Rampenfließbank spielen hierbei Druck und Temperatur auf der Saugseite keine Rolle, so dass die Kalibrierung stabiler wird und schneller erfolgen kann. Hinzu kommt, dass das erfindungsgemäße Verfahren weitestgehend unabhängig von der Stabilität der Pumpsaugleistungs ist.
In einer bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahren, ist als Drosseleinrichtung eine verstellbare Düse vorgesehen, die entsprechend einer vorgegebenen Zeitkurve den Massenstrom mit vorbestimmten Werten an dem zu kalibrierenden Massenstromsensor vorbeiführt.
Neben der vorstehend beschriebenen Kalibrierung kann die Erfindung auch zum Überprüfen und/oder zur Diagnose der Massen- stromsensoren eingesetzt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Fließbank in schematischer Ansicht und
Fig. 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt eine Fließbank 10 in einer schematischen Ansicht. Über eine trichterförmige Aufnahmeöffnung 12 tritt Luft in Strömungsrichtung A in die Fließbank ein. Stromabwärts von der Einlassöffnung 12 ist der Kopf eines Einsteck- Luftmassensensors zu erkennen, dessen Messbereich von dem Luftstrom umspült wird. Die Fließbank ist jedoch keineswegs auf Einsteck-Luftmassensensoren beschränkt, sondern es können auch beliebige Luftmassensensoren in dem Strömungskanal kalibriert werden. Hierbei kann beispielsweise der zu kalibrierende Luftmassensensor bereits zusammen mit einem Rohrabschnitt 16 eingesetzt in dem Strömungskanal platziert werden.
Weiter stromabwärts sind Sensoren für Temperatur 18, relative Luftfeuchte 20 und Druck 22 vorgesehen. Stromabwärts der Sensoren befindet sich eine verstellbare Düse 24. Bei der in Figur 1 dargestellten Düse handelt es sich um eine sogenannte Lavaldüse, deren Strömungsverhältnisse besonders gut analysiert sind. Ist im engsten Querschnitt die Schallgeschwindigkeit erreicht, so wird die Ausflussmenge auch bei einem Sinken des saugseitigen Drucks (stromabwärts der Düse) nicht be- einflusst. Auch durch ein Steigen des saugseitigen Drucks wird die Ausflussmenge nicht beeinflusst, solange der überkritische Betrieb beibehalten wird. Wird die Lavaldüse 24 im überkritischen Bereich betrieben, so ist die auf den zu kalibrierenden Massenstromsensor treffende Ausflussmenge der Düse unabhängig von Schwankungen in der Pumpförderleistung, solange das kritische Druckverhältnis nicht überschritten wird.
Der Massenstrom durch die Düse 24 wird über einen Dorn 26 dynamisch eingestellt, der entlang der Richtung des Doppelpfeils B verfahrbar ist. Gestellt wird der Dorn 26 über den Antrieb 28, der von der Steuereinrichtung (nicht dargestellt) angesteuert wird. Saugseitig ist in dem Strömungskanal ein Drucksensor 30 vorgesehen. Der Drucksensor 30 ermöglicht es, zusammen mit dem Drucksensor 22 festzustellen, welches Druckverhältnis an der Düse 24 vorliegt und daraus zu folgern, ob bereits der überkritische Betrieb erreicht wurde. Der Luftstrom durch den Strömungskanal wird von der Pumpe 32 erzeugt.
Während des Kalibrierens des Luftmassensensors 14 wird nach einem vorgegebenen Zeit-Wegprofil die Stellung des Dorns 26 geändert. Die Änderung erfolgt kontinuierlich. Da im überkritischen Bereich der Massenstrom aus der Düse 24 unabhängig von dem saugseitigen Druck ist, kann der zu kalibrierende Massenstromsensor 14 besonders zuverlässig kalibriert und/oder überprüft werden.
Figur 2 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 34 wird der zu kalibrierende Sensor in den Strömungskanal eingesetzt. In Schritt 36 wird ein Strom durch die Düse aufgebaut. In Schritt 38 wird der Dorn 26 kontinuierlich herausgezogen nach einem vorbestimmten Weg-Zeit-Profil, das das Massenstrom-Zeit-Profil durch die Düse festlegt. Gleichzeitig werden in Schritt 40 die Messsignale des zu kalibrierenden Massenstromsensors er- fasst .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kalibrieren eines Massenstromsensors
(14), mit einem Strömungskanal und einer Halterung für einen Massenstromsensor in dem Strömungskanal, der an einem Ende mit einer Pumpe (32) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Halterung und Pumpe eine verstellbare Drosseleinrichtung (24, 26) vorgesehen ist, die über eine Steuereinrichtung während des Kalibrierungsvorganges nach einem vorbestimmten Zeit-Weg-Profil verstellbar ist und bei Betrieb der Pumpe eine überkritische Strömung erzeugt, bei der im engsten Querschnitt der Drosseleinrichtung das strömende Medium Schallgeschwindigkeit besitzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als verstellbare Drosseleinrichtung eine variable Düse vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Düse (24) ein sich konisch erweiternden Abschnitt und einen in dem Abschnitt angeordneten Dorn (26) aufweist, der über einen Stellantrieb (28) in dem Abschnitt verstellbar ist, um den freien Querschnitt in dem Abschnitt zu verändern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (26) die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes aufweist, der zentral in dem Abschnitt angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn entlang einer Längsachse (B) verstellbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Luftmassensensor und Drosseleinrichtung Sensoren (18, 20, 22) zum Erfassen von Zu- standsgrößen des Luftstroms vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Messen von Temperatur, relativer Luftfeuchte und/oder Druck vorgesehen sind.
8. Verfahren zum Kalibrieren eines Luftmassensensors (14), das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
ein zu kalibrierender Massenstromsensor wird in einem Strömungskanal angeordnet, in dem Strömungskanal wird ein Massenstrom entsprechend einem Massenstrom-Zeit-Profil erzeugt, wobei der Massenstrom durch eine Drosseleinrichtung mit einer überkritischen Strömung tritt, bei der im engsten Querschnitt der Drosseleinrichtung das strömende Medium Schallgeschwindigkeit besitzt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Drosseleinrichtung eine verstellbare Düse vorgesehen ist, die entsprechend einer vorgegebenen Zeitkurve den Massenstrom an dem zu kalibrierenden Massenstromsensor vorbei variiert.
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