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Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen
Mediums, insbesondere des Luftdurchsatzes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines
gasförmigen Mediums mit einem einen temperaturabhängigen Widerstandswert besitzenden
elektrischen Bauelement als Strömungssonde und einer die dieser zugeführte, zur
Gewinnung einer Meßgröße dienende elektrische Leistung zur Erzielung einer vorgegebenen
Abhängigkeit des Widerstandswertes der Strömungssonde beeinflussenden Regelschaltung.
Bei konstantem Strömungsquerschnitt ist die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen
Mediums ein Maß für den Durchsatz. Der bevorzugte Anwendungsfall der Erfindung ist
die Messung des Luftdurchsatzes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine. Eine Aussage
über den Luftiurchsatz benötigt man beispielsweise bei Einrichtungen zur elektronischen
Eraftstoffeinspritsung.
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Bekannte Anordnungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
des lurchsatzes machen von dem bekannten meßtechnischen
Prinzip
Gebrauch, die zur Behebung einer Beeinflussung durch die zu messende Größe erforderliche
Leistungszufuhr als Maß für diese Größe auszunutzen. Analog spannungsgesteuerte
Schaltungen dieser Art haben infolge des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Leistung
und Spannung den Nachteil, daß die als Meßgröße abgegriffene analoge Spannung eine
stark nichtlineare Ehnktion der zu ermittelnden Leistung ist. Diesen Nachteil zu
vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Die erfindungsgemäße Lösung der definierten
Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungssonde in einem der Zweige einer
Widerstandsmeßschaltung mit Anschlüssen liegt, von denen ein Anschlußpaar mit den
Eingängen eines auf einen Schalter arbeitenden Komparators verbunden und ein weiterer
Anschluß für die Leistungszufuhr zu der Strömungssonde mit zumindest einer Leistungsquelle
über den Schalter verbindbar ist, dessen Tastverhältnis als Meßgröße abgegriffen
wird.
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Die Erfindung liefert ein quasi-digitales Meßsignal für die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. den Durchsatz. Bedarf an einem in digitaler bzw. quasi-digitaler Form vorliegenden
Meßsignal besteht beispielsweise bei dem erwähnten bevorzugten Anwendungsrall der
Erfindung, nämlich zur Messung des Luftdurchsatzes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine,
da die Einrichtung zur grraftstoffeinspritsung digital aufgebaut ist. Ferner muß
die Anordnung so ausgelegt sein, daß die Strömungssonde für die Regelung beispielsweise
auf konstanten Mittelwert des Widerstands nur wenig Leistungszufuhr benötigt und
mechanisch unempfindlich ist. Beide Gesichtspunkte sind wiederum für den bevorzugten
Anwendungsfall der Erfindung wichtig, da bei einem mit einer elektronischen Xraftstoffeinspritzung
versehenenBahrzeug die mitgeführte Leitung (Batterie) begrenzt ist und der Fahrbetrieb
mit Erschütterungen verbunden ist.
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Bei der Erfindung erfolgt also die geregelte Leistungszufuhr zur Strömungssonde
beispielsweise zwecks zumindest weitgehender
Konstanthaltung ihres
mittleren Widerstandswerte 5 diskontinuierlich über einen Schalter, der in Abhängigkeit
von dem Komparator arbeitet; der Komparator wird seinerseits über die Brückenschaltung
angesteuert, so daß er ein Signal erhält, das der Differenz zwischen dem Sollwert
des Widerstandswertes und dem von der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit abhängigen
Istwert des Widerstandswertes der Strömungssonde entspricht. Erfolgt die Leistungszufuhr
mit konstantem Strom bzw.
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konstanter Spannung, so ist also die als Tastverhältnis bezeichnete
Relation zwischen der Zeit, während der Leistung an die Strömungssonde geliefert
wird, und der übrigen Zeit, in der entweder keine Leistung oder Leistung nur in
verringertem Maße geliefert wird, eine Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. die Strömungsmenge pro Zeiteinheit (Strömungsdurchsatz). Unter den Begriff
des Tastverhältnisses im Sinne der Erfindung soll auch die Betätigungsfrequenz des
erwähnten Schalters fallen, der die Leistungszufuhr in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal
eines Komparators steuert.
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Eine im Aufbau besonders einfache Ausführungsform der Erfindung arbeitet
mit einer spannungsgesteuerten Zeitpunkt-Regelung und zeichnet sich dadurch aus,
daß der Schalter zwischen zwei von den Ausgangs signalen des Komparators bestimmten
Spannungen umschaltet. Beispielsweise enthält der Schalter einen als Impedanzwandler
geschalteten Transistor im Kreise der Leistungsquelle und des weiteren Anschlusses
der Widerstandsmeßschaltung und eine an eine mit den Ausgangs signalen des Komparators
beaufschlagte Steuerelektrode des Transistors angeschlossene Zenerdiode. Hier wird
also die der Widerstandsmeßschaltung und damit der in ihr liegenden Strömungssonde
zugeführte Spannung zwischen zwei konstanten Werten umgeschaltet. In einer ersten
Phase wird die Strömungssonde geheizt, so daß, wenn sie einen NTC-Widerstand enthält,
ihr Widerstandswert
abnimmt, bis eine erste Brückenbedingung erfüllt
ist.
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Dann wird der Komparator umgeschaltet, so daß der Schalter die der
Brücke zugeführte Spannung auf den niedrigeren Wert umschaltet; der ETC-Widerstand
kühlt sich ab, so daß sein Widerstandswert zunimmt, und sobald eine zweite Brückenbedingung
erfüllt ist, erfolgt wieder die Umschaltung auf Zuführung der höheren Spannung.
Das Tastverhältnis des Schalters bzw.
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der ihm zugeführten Ausgangssignale des Komparators ist also ein Maß
für die Strömungsgeschwindigkeit.
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Die Erfindung kann jedoch auch als spannungs- oder stromgesteuerte
Einpunktregelung mit konstanter Heizzeit oder konstanter Abkühlzeit für die Strömungssonde
aufgebaut sein.
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Eine Ausführungsform für eine spannungsgesteuerte Einpunktregelung
zeichnet sich dadurch aus, daß der Schalter eine von den Ausgangssignalen des Komparators
angesteuerte monostabile Kippstufe mit konstanter Rückstellzeit sowie einen von
der Kippstufe bei ihrer Ansteuerung betätigten Kurzschließer für einen Vorwiderstand
der Strömungssonde enthält. Während hier also ein Kurz schließer vorhanden ist,
der gleichsam während der konstanten Rückstellzeit der monostabilen Kippstufe betätigt
ist, sieht eine Ausführungsform mit stromgesteuerter Einpunktregelschaltung eine
von der monostabilen Kippstufe in ihrem rückgestellten Zustand betätigte Konstantstromeinspeisung
für die Strömungssonde vor. Hier erfolgt also die Stromeinspeisung und damit die
Aufheizung der Strömungssonde während einer von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen
Zeitspanne.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in
der Widerstandsmeßschaltung zumindest ein weiteres Bauelement mit temperaturabhängigem
Widerstandswert zur Kompensation des Einflusses der Temperatur des Mediums auf die
Messung
liegt. Eine derartige Ergänzung ist dann erforderlich,
wenn die Temperatur des strömenden Mediums, also beispielsweise der angesaugten
Luft einer Brennkraftmaschine, starken Anderungen unterworfen ist, da das Meßprinzip
auf der Einregelung bestimmter Differenzen zwischen den Temperaturen von strömendem
Medium und Strömungssonde beruht.
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Eine Verbesserung der Linearität des Zusammenhanges zwischen dem Tastverhältnis
und der Strömungsgeschwindigkeit läßt sich durch eine Gegenkopplung erzielen, die
als Rückführung zu einem Eingang des Komparators ausgebildet ist. In diesem Falle
erfolgt also nicht mehr eine Regelung auf konstanten mittleren Widerstandswert der
Strömungssonde.
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Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Schaltung anhand der Figuren 1 bis 4 sowie eine konstruktive Ausführungsform der
Strömungssonde anhand Figur 5 erläutert.
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Betrachtet man zunächst Figur 1, so bezieht sie sich auf eine spannungsgesteuerte
Zweipunktregelung. Die Strömungssonde ist, wie auch in den anderen Figuren, als
Widerstand dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Sie liegt in
einer Brückenschaltung, die die temperaturunabhängigen Widerstände 2, 3 und 4 enthält.
An dem einen Anschlußpaar 5, 6 wird eine Eingangsspannung für den Komparator 7 abgegriffen,
der in miniaturisierter Form handelsüblich ist. Sein Ausgang 8, an dem also ein
der Differenz der Potentiale zwischen den Anschlüssen 5 und 6 entsprechendes Signal
steht, ist verbunden mit der die Steuerelektrode des als Impedanzwandler geschalteten
Transistors 9 darstellenden Basis 10 desselben. Außerdem ist zwischen die Basis
10 und die Spannungsquelle U die Zenerdiode 11 geschaltet. Unter Ausnutzung der
Hysterese des Komparators 7
arbeitet die Schaltung so, daß die der
Brücke 1 bis 4 zugeführte Spannung durch Ein- und Ausschalten des Transistors 9
über die Zenerdiode 11 zwischen zwei konstanten Werten hin- und hergeschaltet wird.
Geht man davon aus, daß der Widerstandswert der Strömungssonde 1 hoch, d.h. die
Strömungssonde abgekühlt ist, so ist der Transistor 9 durchgeschaltet, und die Strömungssonde
1, die in diesem wie in den anderen Ausführungsbeispielen einen WGC-Widerstand enthält,
wird aufgeheizt. Sobald nun ein bestimmter Widerstandswert erreicht, d.h. eine bestimmte
Brückenbedingung erfüllt ist, erfolgt eine Umschaltung des durch die Elemente 9
und 11 gebildeten Schalters, so daß die Strömungsonde 1 sich wieder abkühlt. Sobald
eine zweite Brükkenbedingung, d.h. ein relativ hoher Widerstandswert des Bauelementes
1, erreicht ist, erfolgt wiederum eine Umschaltung auf den zuerst beschriebenen
Zustand, so daß der Widerstandswert der Strömungssonde 1 innerhalb vorgegebener
Grenzen gehalten wird. Die Zahl dieser Umschaltvorgänge pro Zeiteinheit oder auch
das Tastverhältnis wird über das Signal f am Ausgang 8 des Komparators 7 abgegriffen
und über die Klemme 12 einem entsprechenden Meßgerät zugeführt.
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Figur 2 zeigt eine Schaltung mit spannungsgesteuerter Einpunktregelung
und konstanter Heizzeit für die Strömungssonde 1, die wiederum innerhalb einer die
weiteren Widerstände 2, 3 und 4 enthaltenden Brückenschaltung liegt. Jetzt ist aber
die Brükkenspeisespannung Ul konstant. Wiederum ist ein Komparator 13 vorgesehen,
der aber jetzt auf einen anders aufgebauten Schalter arbeitet. Dieser enthält nämlich
die monostabile Kippstufe 14, d.h. eine Kippstufe mit konstanter, nämlich durch
ihre Zeitkonstante bestimmter Rückstellzeit, sowie den Schalt transistor 15, der
über den Spannungsteiler 16, 17 angesteuert wird. Der Schalttransistor 15 bildet
für den einen Vorwiderstand für die Strömungssonde 1 darstellenden Widerstand 2
einen Kurz schließer, der aber nur im angesteuerten Zustand der
monostabilen
Kippstufe 14 wirksam ist. Demgemäß erfolgt die Aufheizung der Strömungssonde 1 mit
der konstanten Spannung U während einer konstanten Zeitspanne, an deren Ende der
Widerstandswert der Strömungssonde seinen kleinsten Wert erreicht hat. Nach Beendigung
dieser konstanten Aufheizzeit nimmt der Widerstandswert infolge Abkühlung des N?C-Widerstandes
wieder zu, bis eine Brückenbedingung erfüllt ist, die zur erneuten Triggerung der
monostabilen Kippstufe 14 und damit zur Durch schaltung des Transistors 15 führt.
Das Tastverhältnis des Signals an der Ausgangsklemme 18 der Kippstufe 14 bzw. die
Frequenz dieses Signals als demgemäß eine Meßgröße für die Strömungsge schwindigkeit.
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Zur Verbesserung der Linearität des Zusammenhanges zwischen diesem
Uastvernältnis einerseits und der Strömungsgeschwindigkeit andererseits dient die
zu einem der Eingänge des Komparators 13 zurückführende, die Widerstände 19 und
20 sowie die Kapazität 21 enthaltende Gegenkopplung. Über den Tiefpaß 20, 21 wird
ein analoges Signal gewonnen, das eine vorgegebene Regelfunktion bewirkt.
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Eine weitere, mit spannungsgesteuerter Einpunktregelung, konstanter
Heizzeit und Linearisierung arbeitende Schaltung zeigt Figur 3.Wiederum arbeitet
die Brückenschaltung 1 bis 4 auf einen Komparator 22, der seinerseits Ausgangssignale
an die mono stabile Kippschaltung 23 abgibt. Der Schalter enthält hier ferner zwei
Transistoren 24 und 25, die eine Überbrückung des Widerstandes 2 während des rückgestellten
Zustandes der Kippstufe 23 bewirken. Auch hier liegt also eine konstante Heizzeit
der Strömungssonde 1 vor. Die Gegenkopplung zur Linearisiersulg erstreckt sich jetzt
aber von dem das Ausgangssignal liefernden Ausgang 26 der Kippstufe 23 bis zu einem
der Eingänge des Komparators 22; sie enthält den Widerstand 27
und
den Tiefpaß 28, 29.
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Während die Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 mit spannungsgesteuerter
Einpunktregelung und konstanter Heizzeit der Strömungssonde arbeiten, erfolgt bei
der Schaltung nach Figur 4 eine stromgesteuerte Einpunktregelung mit konstanter
Abkühlzeit. Wiederum arbeitet die Meßschaltung 1 bis 4 auf einem Komparator 30,
der Ausgangssignale ebenfalls auf eine monostabile Kippschaltung 31 abgibt. Der
den Schalttransistor 32 steuernde Transistor 33 ist über den Spannungs teiler 34,
35 an denjenigen Ausgang 36 der Kippstufe 31 angeschaltet, der ein den Transistor
32 durchschaltendes Signal führt, wenn der Widerstandswert der Strömungssonde 1
oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Liegt dagegen dieser Widerstandswert unterhalb
eines weiteren vorgegebenen Wertes, so erfolgt eine Abkühlung während einer konstanten
Zeit, die durch die Zeitkonstante der Kippstufe 31 festgelegt ist.
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Figur 5 schließlich zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel für
die Strömungssonde. Man erkennt den eigentlichen NTO-Widerstand 37, der mit seinen
Anschlußdrähten 38 und 39, die in Isolierhüllen 40 und 41 verlaufen, an der Gewindehülse
42 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt so, daß die Anschlußdrähte mit den Isolierhülsen
durch den Hohlraum der Gewindehülse 42 verlaufen und den eigentlichen Widerstand
37 außerhalb der Hülse halten. Im eingebauten Zustand ist die Gewindehülse 42 beispielsweise
in die Wand eines Saugrohres einer Brennkraftmaschine eingeschraubt, und das aktive
Element 37 ragt in den von der angesaugten Luft durchströmten Innenraum des Saugrohres
frei hinein.
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Die Ausführungsformen nach den Figuren 2, 3 und 4 bieten den Vorteil,
daß die Referenzspannung des Komparators konstant ist.
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Es genügt zur Einstellung des Betriebspunktes des NTC-Widerstandes
die Referenzspannung zu variieren.
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Die Schaltung nach Figur 4 wird man einsetzen, wenn man eine Frequenz
als Meßgröße haben will, die reziprok zu der zugeführten Leistung ist.