DE2858353C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums nach der Gattung des Anspruchs. Es ist schon eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Me­ diums bekannt (DE-OS 21 51 774), bei der als temperaturabhängiger Widerstand ein Hitzdraht verwendet wird, der in einem Sondenring über mehrere Einspannstellen straff ausgespannt ist. In einer Brückenschaltung mit dem Hitzdraht geschaltet sind stromaufwärts des Sondenringes ein temperaturabhängiger Widerstand zur Temperaturkom­ pensation und in der Wandung des Strömungsquerschnittes ein die Brückenschaltung ergänzender Referenzwiderstand angeordnet. Dabei ist nicht ausreichend sichergestellt, daß die am Referenzwiderstand entstehende Wärme ausreichend schnell abgeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der be­ kannten Art zu entwickeln, bei der es nicht zu durch die Betriebs­ weise des Hitzdrahtes bedingten Meßfehlern bzw. Meßungenauigkeiten kommt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des An­ spruches gelöst, indem entstehende Wärme möglichst gut durch die Me­ diumströmung abgeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein­ facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere zur Messung der An­ saugluftmasse von Brennkraftmaschinen, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines V-förmig geführten Hitzdrahtes durch drei Stütz­ punkte, Fig. 3 eine schlaufenförmige Ausbildung des Hitzdrahtes im Bereich eines mittleren Stützpunktes, Fig. 4 eine Gesamtansicht ei­ ner Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, inbesondere Messung der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen ist eine Brückenschaltung aus einem temperatur­ abhängigen Widerstand 10, einem temperaturabhängigen Widerstand 11, einem Widerstand 12 und aus Widerständen 13 und 14 vorgesehen. An die Brückendiagonale ist ein Regelverstärker 15 einer Regeleinrich­ tung 16 angeschlossen. Dabei ist der invertierende Eingang des Re­ gelverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand 17 mit dem Kopp­ lungspunkt der Widerstände 11 und 12 verbunden, während der nicht­ invertierende Eingang des Regelverstärkers 15 über einen Eingangs­ widerstand 18 an den Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14 ange­ schlossen ist. Der Regelverstärker 15 ist über zwei Versorgungslei­ tungen 19 und 20 mit einer Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Die­ ser Gleichspannungsquelle 21 ist ein Glättungskondensator 22 paral­ lelgeschaltet. Der Ausgang des Regelverstärkers 15 ist mit der Rei­ henschaltung von zwei Widerständen 23 und 24 verbunden, wobei der Widerstand 24 an die gemeinsame Versorgungsleitung 19 angeschlossen ist. Diese beiden Widerstände 23 und 24 bilden einen Spannungsteiler für eine Darlingtonstufe 25, die zusammen mit einem Widerstand 26 eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Stromversorgung der Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 12, 13 und 14 bildet. Zwischen die gemeinsamen Versorgungsleitungen 19 und 20 ist ein Spannungsteiler aus Widerständen 27 und 28 geschaltet. An den Kopp­ lungspunkt der Widerstände 27 und 28 ist die Anode einer Diode 37 angeschlossen, deren Kathode mit dem invertierenden Eingang des Re­ gelverstärkers 15 verbunden ist. Zwischen den invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 und die gemeinsame Versorgungsleitung 20 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 29 und eines Kondensators 30 geschaltet, wobei diese Widerstands-Kondensator-Kombination zur Fre­ quenzabstimmung des Regelkreises auf das Zeitverhalten der tempera­ turabhängigen Widerstände dient.

Mit dem Kopplungspunkt der Widerstände 13 und 14 ist ein Widerstand 31 verbunden, der über die Schaltstrecke eines Schalttransistors 32 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 20 verbindbar ist. Die Basis des Schalttransistors 32 ist mit dem Ausgang einer monostabilen Kippstufe 33 verbunden, die über ein Differenzierglied 34 von einem bei 35 angedeuteten Zündschalter für die Zündanlage der Brennkraft­ maschine auslösbar ist.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende. Über den temperaturabhängigen Widerstand 11 der Brückenschaltung fließt ein bestimmter Strom und heizt diesen Widerstand 11 auf seine nor­ male Betriebstemperatur auf. In einem anderen Brückenzweig nimmt der temperaturabhängige Widerstand 10 einen Widerstandswert ein, der die Temperatur des strömenden Mediums beispielsweise die der eingesaug­ ten Luft der Brennkraftmaschine charakterisiert. Dadurch wird er­ reicht, daß als Referenzsignal für die Heizstromregelung der Vor­ richtung zur Luftmassenmessung immer die Temperatur der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Je nach der Masse der vor­ beiströmenden Ansaugluft wird der temperaturabhängige Widerstand 11 mehr oder weniger abgekühlt. Dies führt zu einer Verstimmung der Brückenschaltung. Diese Verstimmung der Brückenschaltung wird da­ durch ausgeregelt, daß der Regelverstärker über die spannungsge­ steuerte Stromquelle 23, 24, 25 und 26 einen höheren Speisestrom für die Brückenschaltung liefert, so daß die Temperatur des temperatur­ abhängigen Widerstandes 11 und damit dessen Widerstandwert auf einem wenigstens annähernd konstanten Wert gehalten wird. Der durch die Brückenschaltung fließende Strom ist ein Maß für die an dem tempera­ turabhängigen Widerstand 11 vorbeiströmende Luftmasse. Ein entspre­ chendes elektrisches Signal kann zwischen einer Klemme 36 und einer Klemme 39 abgenommen werden.

Zur Erleichterung des Anlaufens der Regeleinrichtung dient der Span­ nungsteiler 27, 28 mit der Diode 37. Beim Einschalten der Regelein­ richtung wird am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 eine Spannung von etwa 0,5 Volt erzwungen, die ein sicheres Anlaufen der Regeleinrichtung erlaubt. Im normalen Betriebsfall wird dagegen die Spannung am invertierenden Eingang des Regelverstärkers 15 wesent­ lich über dieser Anfangsspannung liegen, so daß die Diode 37 ge­ sperrt ist und damit über den Spannungsteiler 27, 28 kein Einfluß auf die Regelvorgänge genommen werden kann.

Damit der als Hitzdraht dienende temperaturabhängige Widerstand 11 von Zeit zu Zeit von Ablagerungen auf seiner Oberfläche befreit wird, soll nach einem bestimmten Meßzyklus ein erhöhter Strom über diesen temperaturabhängigen Widerstand 11 fließen. Als Meßzyklus kann dabei beispielsweise jeweils eine bestimmte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine gewählt werden. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Ausglühvorgang mit jedem Abschalten der Zündan­ lage der Brennkraftmaschine auszulösen. Dies geschieht beim Aus­ schalten des Zündschalters 35. Das entsprechende Signal wird diffe­ renziert und steuert die monostabile Kippstufe 33 in ihren instabi­ len Schaltzustand. Während dieses instabilen Schaltzustandes der mo­ nostabilen Kippstufe 33 wird der Schalttransisotr 32 leitend und schaltet den Widerstand 31 zu dem Widerstand 14 der Brückenschaltung parallel. Dadurch wird die Brückenschaltung aus den Widerständen 10, 11, 12, 13 und 14 stark verstimmt und zwar in dem Sinne, daß der Re­ gelverstärker 15 zur Kompensation dieser Verstimmung einen erhöhten Strom für die Brückenschaltung liefert. Dieser höhere Strom heizt den temperaturabhängigen Widerstand 11 für die Dauer des in­ stabilen Schaltzustandes der monostabilen Kippstufe auf eine über der noramlen Betriebstemperatur liegende Temperatur auf, so daß Rückstände an die Oberfläche des temperaturabhängigen Widerstandes verbrennen.

Der Referenzwiderstand 12 ist zweckmäßigerweise ebenfalls in dem durch eine unterbrochene Linie 38 angedeuteten Strömungsquerschnitt, beispielsweise dem Ansaugrohr der Brennkraftmaschine untergebracht, da dann die Verlustwärme des Referenzwiderstandes 12 durch die in Pfeilrichtung strömende Luft abgeführt werden kann. Die Widerstände 13 und 14 sind zweckmäßigerweise als einstellbare Widerstände ausge­ bildet, damit das Temperaturverhalten des Regelkreises eingestellt werden kann.

In Fig. 2 ist schematisch ein Sondenring 40 mit drei Stützpunkten 41, 42 und 43 dargestellt. Mit Hilfe der Stützpunkte 41, 42 und 43 ist der Hitzdraht 11 V-förmig ausgespannt. Dabei ist der Hitzdraht 11 mit seinen Enden nur an den beiden Endstützpunkten 41 und 42 be­ festigt, beispielsweise gelötet oder geschweißt, während er über den Stützpunkt 43 nur lose geführt ist.

Der Sondenring 40 ist mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hitzdrahtes 11 abgestimmt, so daß durch Wärmedehnung bedingte Längenänderungen des Hitzdrahtes 11 bzw. des Sondenringes 40 nahezu keine Zug- oder Druckspannungen in dem Hitzdraht 11 hervorrufen, sondern durch Abstandsänderungen zwi­ schen den Stützpunkten 41, 42, 43 weitgehend ausgeglichen werden.

Der Sondenring 40 ist mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Hitzdrahtes 11 abgestimmt, so daß durch Wärmedehnung bedingte Längenänderungen des Hitzdrahtes 11 bzw. des Sondenringes 40 nahezu keine Zug- oder Druckspannungen in dem Hitzdraht 11 hervorrufen, sondern durch Abstandsänderungen zwi­ schen den Stützpunkten 41, 42, 43 weitgehend ausgeglichen werden.

Die zug- und druckspannungsfreie Einspannung des Hitzdrahtes ist au­ ßerordentlich wichtig, wenn der Hitzdraht beispielsweise als Luft­ massenmesser im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine verwendet werden soll. Der dabei zu berücksichtigende Temperaturgang beträgt übli­ cherweise -30°C bis +120°C. Hinzu kommt noch eine weitere Tem­ peraturänderung, die durch die Betriebsweise des Hitzdrahtes 11 be­ dingt ist. Außerdem wird der Hitzdraht noch, wie beschrieben, zum Freibrennen auf eine hohe Temperatur erhitzt, damit an seiner Ober­ fläche sich festsetzende Rückstände abgebrannt werden können. Auch diese kurzzeitige Erhöhung der Temperatur führt zu Längenänderungen des Drahtes, die bei einer starren Einspannung des Drahtes, zu Zug- und Druckspannungen führen können. Die V-förmige Ausspannung des Hitzdrahtes 11 und die Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizien­ ten des Sondenringes 40 und des Hitzdrahtes 11 verhindern weitgehend die Einleitung von Zug- oder Druckspannungen in den Hitzdraht 11. Zweckmäßigerweise ist der Sondenring 40 bei einem aus Platin beste­ henden Hitzdraht 11 aus einer Nickel-Eisen-Legierung hergestellt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient etwa dem von Platin entspricht. Es ist auch möglich, den Sondenring aus Glas, insbesondere aus soge­ nanntem Platin-Glas herzustellen. Auch der Wärmeausdehnungskoeffi­ zient dieses Glases entspricht weitgehend dem des Platindrahtes, so daß weitgehend Zug- oder Druckspannungen bei Temperaturänderungen von dem Hitzdraht 11 abgehalten werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können die Stützpunkte 41, 42, 43 hakenförmig abgebogen sein. Zumindest die Endstützpunkte, die zur Stromzuführung dienen, sind gegenüber dem Sondenring 40 elektrisch isoliert in ihm befestigt. Der mittlere Abschnitt des Hitzdrahtes 11, der um den Stützpunkt 43 geführt ist, bildet dabei eine Schlaufe 44, wobei die sich kreuzenden Drahtabschnitte des Hitzdrahtes 11 bei 45 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch wird die Schlaufe 44 stromlos und nicht durch Strom erwärmt. Probleme mit ei­ ner undefinierten Wärmeabfuhr vom Hitzdraht 11 zum Stützpunkt 43 treten bei Längenänderungen bzw. bei Verschiebungen des Hitzdrahtes 11 an dem Stützpunkt 43 nicht mehr auf. Durch die besondere Aufhän­ gung an dem Stützpunkt 43 ist es auch ohne Bedeutung, wenn der Hitz­ draht 11 infolge von Wärmedehnungen geringfügig vom Stützpunkt 43 abhebt, sich in seiner Lage verändert oder sich verdreht.

Besonders zweckmäßig ist es, der Schlaufe 44 für die Anbringung des Hitzdrahtes 11 die in Fig. 3 dargestellte Form zu geben. Gemäß Fi­ gur 3 ist der Umschlingungswinkel der Schlaufe 44 kleiner als 180°. Außerdem ist die Form der Schlaufe 44 so gewählt, daß zwischen zwei Anlagepunkten 46 und 47 der Schlaufe 44 an dem Stützpunkt 43 und zwei Punkten 48 und 49, von denen an die Drahtabschnitte der Schlau­ fe 44 zum Verbindungspunkt 45 hin zusammenlaufen, ein ausreichend großer Abstand besteht, der gewährleistet, daß bei Dehnungen der Schlaufe 44 bzw. des Hitzdrahtes 11 keine mechanischen Spannungen in den Hitzdraht 11 eingeleitet werden, sondern daß vielmehr entspre­ chend dem mit a eingezeichneten Abstand eine freie Beweglichkeit der Schlaufe 44 auf dem Stützpunkt 43 gewährleistet ist.

Die elektrisch leitende Verbindung der beiden sich kreuzenden Draht­ abschnitte erfolgt zweckmäßigerweise durch Schweißen oder Hartlöten.

Wie in Fig. 2 darstellt ist, sind die Drahtenden des Hitzdrahtes 11 ebenfalls als Schlaufen 50, 51 ausgebildet, deren sich kreuzende Drahtabschnitte in den Verbindungspunkten 52, 53 elektrisch leitend, vorzugsweise durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden sind und die die zugeordneten Endstützpunkte 41, 42 umschlingen. Die Schlaufen 50, 51 sind elektrisch leitend mit den jeweiligen End­ stützpunkten 41 bzw. 42 verbunden. Durch die Ausbildung des Hitz­ drahtes 11 mit Schlaufen 50, 51 an den Endstützpunkten 41, 42 und der Schlaufe 44 am Stützpunkt 43 ergibt sich der Vorteil, daß zwi­ schen den Verbindungspunkten 52 45, 53 eine genau definierbare ak­ tive Länge des Hitzdrahtes 11 festgelegt wird, die im mittleren Be­ reich der Strömung liegt und damit keine Strömungsunregelmäßigkeiten im Wandbereich des Sondenrings 40 erfaßt. Bei bekannten Hitz­ draht-Luftmassenmessern ergibt sich einerseits der Nachteil, daß durch einen sich ändernden Wärmeübergang zwischen dem Hitzdraht und den Stützpunkten Meßungenauigkeiten auftreten und andererseits bei einem Freibrennvorgang die Wärmeableitung vom Hitzdraht 11 im Be­ reich der Stützpunkte so groß ist, daß der Hitzdraht im Bereich die­ ser Stützpunkte keine ausreichend hohe Temperatur erreicht und somit nicht von Rückständen freigebrannt wird, was für eine einwandfreie Funktion des Luftmassenmessers erforderlich ist. Als weiterer Vor­ teil ist deshalb anzusehen, daß durch die Ausbildung des aktiven Hitzdrahtes 11 zwischen den Verbindungspunkten 45, 52, 53 die Wärme­ ableitung vom aktiven Hitzdraht zu den Schlaufen so gering ist, daß die gesamte aktive Hitzdrahtlänge auf die für das Freibrennen erfor­ derliche Temperatur erwärmt wird. Die Schlaufen 50 und 51 erwärmen sich während des Meßvorganges des Hitzdrahtes 11 nicht so stark, wie die aktive Hitzdrahtlänge zwischen den Verbindungspunkten 52, 45, 53, so daß sich auf diesen Schlaufen 50, 51 auch kaum Ablagerungen bilden. Auch wenn während des Freibrennvorganges an den Schlaufen 50, 51 eventuell vorhandene Ablagerungen nicht völlig entfernt wer­ den, ergibt sich hierdurch keine Beeinträchtigung des Meßverhaltens der aktiven Hitzdrahtlänge.

Fig. 4 zeigt vereinfacht dargestellt die Anordnung einer Vorrich­ tung zur Messung der Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine in ei­ nem an das Ansaugrohr angefügten Meßrohr 38, das in Pfeilrichtung durchströmt wird. Dabei ist der Sondenring 40 in einem Trägerkörper 69, der über mindestens einen Verbindungssteg 70 mit dem Meßrohr verbindbar ist, angeordnet. Stromaufwärts des im Sondenring 40 ge­ führten Hitzdrahtes 11 ist in der Luftströmung der temperaturabhän­ gige Widerstand 10 zur Kompensation der Ansauglufttemperatur an ei­ nem Trägerelement 71 befestigt. Stromabwärts des Hitzdrahtes 11 ist der beispielsweise aus Manganindraht oder -folie ausgebildete Refe­ renzwiderstand 12 so am Trägerkörper 69 angeordnet, daß die an ihm entstehende Wärme möglichst gut durch die vorbeiströmende Luft abge­ führt wird. Der Referenzwiderstand 12 kann dabei beispielweise im Inneren eines im Trägerkörper 69 gelagerten Ringes 72 oder wie dar­ gestellt, in einer Nut 73 des Ring-Außenumfanges angeordnet sein. Verbindungsdrähte 74 der Widerstände 10, 11, 12 führen zur elektri­ schen Regeleinrichtung 16. Stromaufwärts des Trägerkörpers 69 kann ein rasterförmig ausgebildetes Berührungsschutzelement 75 und strom­ abwärts ein rasterförmig ausgebildetes Schutzelement 76 zur Vermei­ dung von Beschädigungen des Hitzdrahtes 11 bei Saugrohrrückschlägen im Saugrohr 38 vorgesehen sein.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums in einem Strömungsquerschnitt, insbesondere zur Messung der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen, mit mindestens einem in der Strömung des Mediums angeordneten temperaturabhängigen Widerstand, dessen Tempe­ ratur und/oder Widerstand in Abhängigkeit von der strömenden Masse geregelt wird und die Stellgröße ein Maß für die Masse des strömen­ den Mediums ist, wobei der temperaturabhängige, als Hitzdraht ausge­ bildete Widerstand von einem zum anderen Drahtende über wenigstens drei in einem im Strömungsquerschnitt gelagerten Sondenring gela­ gerte Stützpunkte geführt ist und stromaufwärts ein in einer Brücken­ schaltung mit dem Hitzdraht geschalteter temperaturabhängiger Wider­ stand zur Temperaturkompensation und stromabwärts des Hitzdrahtes mindestens ein die Brückenschaltung ergänzender Referenzwiderstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem im Strömungs­ querschnitt (38) gelagerten Trägerkörper (69) der Sondenring (40) mit dem Hitzdraht (11) und der temperaturabhängige Widerstand (10) zur Temperaturkompensation angeordnet sind und der mindestens eine Referenzwiderstand (12) im oder am Trägerkörper (69) befestigt ist.