DE3623262A1 - Durchflussmesssystem mit einem karman-wirbeldurchflussmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchflußmeßsystem, bei dem ein Karman-Wirbeldurchflußmesser Verwendung findet. Ein derartiges Durchflußmeßsystem kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Durchflußleistung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine zu messen.

Bei einer Brennkraftmaschine wird die Menge der Ansaugluft als einer der wichtigsten Parameter zur Steuerung der Brennstoffeinspritzung, des Zündzeitpunkts und dergleichen angesehen und daher mittels eines Luftströmungsmessers gemessen. Einer der im Stand der Technik gebräuchlichsten Luftströmungsmesser arbeitet mit Windflügeln. Dieser ist jedoch bezüglich seines Meßbereichs, seiner Ansprechcharakteristik und dergleichen mehr von Nachteil. Kürzlich wurden nach dem von Karman entdeckten Prinzip arbeitende Wirbeldurchflußmesser- oder -sensoren entwickelt, die bezüglich ihres Meßbereichs, ihrer Ansprechgeschwindigkeit und dergleichen diesen überlegen sind.

Bei einem aus den ungeprüften JP-OSen 58-80 524 und 58- 80 525 bekannten Karman-Wirbeldurchflußmesser wird ein Karman- Wirbelerzeuger bzw. ein Prallkörper in ein von einem Fluid durchströmtes Rohr eingefügt. Abwechselnd auf beiden Seiten des Prallkörpers erzeugte Druckschwankungen werden über zwei Druckübertragungspfade zu einer außerhalb des Rohrs befindlichen Vibrations- bzw. Schwingungsplatte übertragen, deren Drehverschiebung fotoelektrisch erfaßt wird und ein Maß für die Durchflußmenge des Fluids ist. In diesem Fall erhält man ein sinusförmiges elektrisches Signal aus der Drehverschiebung der Schwingungsplatte, das der Durchflußmenge- bzw. -leistung des Fluids entspricht.

Wenn die Durchflußmenge des Fluids aus der Frequenz des sinusförmigen elektrischen Signals bestimmt wird, ist es üblich, die Durchflußmenge des Fluids zusätzlich in Übereinstimmung mit der Frequenz zu korrogieren, da die Durchflußmenge des Fluids nicht ganz proportional zur Frequenz des Signals des Wirbeldurchflußmessers ist, wie aus der JP-OS 56-616 bekannt ist. Darüber hinaus benötigt man in einem Bereich geringer Strömung bzw. Durchflußmenge aufgrund der niedrigen Frequenz lange Zeit, um die Durchflußmenge genau zu bestimmen. Da die Durchflußmenge des Fluids darüber hinaus gewichtet und über den gesamten Frequenzbereich ein gleichförmiger Durchschnitt gebildet wird, wird die Ansprechgeschwindigkeit verringert und die Genauigkeit der Korrektur in einem Bereich geringen Durchflusses zu klein und in einem Bereich starken Durchflusses zu groß. Hierbei ist anzumerken, daß insbesondere bei Luftströmungsmessern für Brennkraftmaschinen sowohl eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit bei der Erfassung der Durchflußmenge als auch eine genaue Korrektur der Durchflußmenge, vor allem in einem Bereich mit geringem Durchfluß, erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflußmeßsystem mit einem Karman-Wirbeldurchflußmesser zu schaffen, mit dem eine hohe Korrekturgenauigkeit der erfaßten Durchflußmenge in einem Bereich geringen Durchflusses unter gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Ansprechgeschwindigkeit erzielbar ist, um dadurch das Luft/Brennstoffverhältnis mit hoher Genauigkeit steuern zu können, wenn das System für eine Brennkraftmaschine verwendet wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Durchflußmenge des Fluids in Übereinstimmung mit der Schwingungs- bzw. Periodendauer des Ausgangssignals des Karman-Wirbeldurchflußmessers berechnet und die Durchflußmenge in Abhängigkeit von der Periodendauer korrigiert wird. Als Folge davon ist die Durchflußmenge des Fluids umgekehrt proportional zur Periodendauer des Ausgangssignals des Karman-Wirbeldurchflußmessers. Wenn daher ein Fehler in der erfaßten Durchflußmenge des Fluids in Übereinstimmung mit dieser Periodendauer korrigiert wird, ist die Genauigkeit der Korrektur der Durchflußmenge des Fluids selbst dann hoch, wenn die Durchflußmenge des Fluids relativ gering ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Durchflußmeßsystems mit einem Karman-Wirbeldurchflußmesser,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Karman-Wirbeldurchflußmesser gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht einer in Fig. 2 gezeigten Schwingungsplatte,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Beispiels eines Steuerungsablaufs einer in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm eines Ausgangssignals einer in Fig. 1 gezeigten Wellenformungsschaltung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung von Koeffizienten K in einem Schritt 405 der Fig. 4,

Fig. 7 und 8 Flußdiagramme weiterer Beispiele des Steuerungsablaufs der Steuerschaltung der Fig. 1, und

Fig. 9 ein Hilfs-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Steuerungsabläufe der Fig. 7 und 8.

Gemäß Fig. 1 ist ein Karman-Wirbeldurchflußmesser 1 mit zwei säulenförmigen Teilen bzw. Prallkörpern 11 und 12 senkrecht in einem Ansaugluftkanal 2 angeordnet. Stromauf des Wirbeldurchflußmessers 1 sind zwei Vergleichmäßigungsgitter 3 und 4 vorgesehen, um den Luftstrom zu vergleichmäßigen und dadurch die Proportionalität der Durchflußmenge Q zur Frequenz f eines Ausgangssignals des Wirbeldurchflußmessers 1 zu verbessern.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind in dem säulenförmigen Prallkörper 12 Wirbeldruck-Einlaßkanäle 4 vorgesehen, die über zwei Druckübertragungsdurchlässe 5 zu einer außerhalb des Ansaugluftkanals 2 angeordneten Schwingungsplatte 6 führen. Aufgrund der Druckschwankungen zwischen den Druckübertragungsdurchlässen 5 wird daher an der Schwingungsplatte 6 ein Winkelmoment erzeugt.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß die den Schwerpunkt beinhaltende Drehachse der Schwingungsplatte 6 von zwei Spannbändern 6 a und 6 b abgestützt ist, welche an einem Rahmen 7 befestigt sind. Die Schwingung der Schwingungsplatte 6 wird daher etwas von der Auf- und Abbewegung des Rahmens 7 überlagert, so daß die Schwingungsplatte 6 alleine von den Druckschwankungen innerhalb der Druckübertragungsdurchlässe 5 zu einer Drehschwingung angeregt wird.

Fig. 2 zeigt weiterhin eine Leuchtdiode bzw. LED 8 und eine Fotodiode 9. Die Schwingungsplatte 6 dient daher in diesem Fall auch als Lichtreflektionsplatte. Wenn die Schwingungsplatte 6 von dem Druck der Karman-Verwirbelungen zu einer Drehschwingung angeregt wird, erzeugt die Fotodiode 9 ein sinusförmiges elektrisches Signal, das einer in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung 10 zugeführt wird, welche z. B. einen Mikrocomputer aufweisen kann. Anstelle der Leuchtdiode 8 und der Fotodiode 9 kann auch eine Ultraschall- Übertragungsvorrichtung verwendet werden.

Gemäß Fig. 1 weist die Steuerschaltung 10 eine Wellenformungsschaltung 101 zur Umsetzung des sinusförmigen elektrischen Ausgangssignals des Wirbeldurchflußmessers 1 in ein Rechtecksignal auf, das einem Unterbrechungs- bzw. Interrupteingang einer Zentraleinheit bzw. CPU 102 zugeführt wird. Die Zentraleinheit 12 daher bei jeder steigenden Flanke des Rechtecksignals der Wellenformungsschaltung 101 einen der in den Fig. 4 und 8 gezeigten Steuerungsabläufe durch. Die Steuerschaltung 10 hat ferner einen Taktsignalgenerator 103, einen Freilaufzähler 104 zum Empfang des Taktsignals des Taktsignalgenerators 103 und zur Erzeugung eines Zeitsignals CNT, einen Festwertspeicher bzw. ein ROM 105 zur Speicherung der Steuerungsabläufe, von Konstanten und dergleichen, einen Schreib/Lesespeicher bzw. ein RAM 106 zur Speicherung von Zwischendaten sowie eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 107, an die ein Kurbelwinkelsensor 13, ein Brennstoff-Einspritzventil 14 und dergleichen angeschlossen sind.

Der von der Steuerschaltung 10 durchgeführte Steuerungsablauf wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher erläutert, die eine Routine zur Berechnung einer Ansaugluftmenge Q zeigt und bei jeder steigenden Flanke des in Fig. 5 gezeigten Rechtecksignals der Wellenformungsschaltung 101 gestartet wird. In einem Anfangsschritt 401 wird mittels des Zeitsignals CNT des Freilaufzählers 104 die augenblickliche Zeit ermittelt, woraufhin in einem Schritt 402 ein Zeitabschnitt bzw. eine Periodendauer Ti, während der Verwirbelungen erzeugt werden, gemäß der Beziehung

Ti←CNT - CNTO

berechnet wird, wobei mit CNTO die zuvor ermittelte Zeitgabe des Freilaufzählers bezeichnet ist. In einem Schritt 403 wird CNTO durch die augenblickliche Zeit CNT ersetzt und im RAM 106 für den nächsten Durchlauf gespeichert.

In einem Schritt 404 wird aus einer in Fig. 6 gezeigten und im ROM 105 gespeicherten eindimensionalen Tabelle unter Verwendung des Parameters bzw. der berechneten Periodendauer Ti ein Korrekturkoeffizient K errechnet, woraufhin in einem Schritt 405 die Ansaugluftmenge gemäß der Beziehung

Q←k / Ti

berechnet wird. Der in Fig. 4 gezeigte Ablauf ist damit beendet.

Die auf die beschriebene Weise errechnete Ansaugluftmenge Q sowie die unter Verwendung des Kurbelwinkelsensors 13 berechnete Motordrehzahl Ne können zur Berechnung einer Brennstoff-Einspritzzeitdauer TAU verwendet werden, um das Brennstoff-Einspritzventil 14 mit einer entsprechenden Zeitsteuerung zu betätigen.

Da die in Fig. 6 gezeigte Tabelle der Korrekturkoeffizienten K in regelmäßigen Intervallen bezüglich der Periodendauer Ti angeordnet ist, wird die Genauigkeit der Korrekturkoeffizienten K im Bereich niedriger Durchflußmenge verbessert. Würde die Tabelle der Korrekturkoeffizienten K in regelmäßigen Abständen bezüglich der Frequenz f der Verwirbelungen angeordnet werden, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 6 angedeutet ist, würde im Bereich niedriger Durchflußmenge ein Fehler auftreten, der durch eine Schraffierung angedeutet ist.

Wenn die gemäß dem Steuerungsablauf der Fig. 4 berechnete Ansaugluftmenge Q daher zur Steuerung der Brennstoff-Einspritzventile der Brennkraftmaschine verwendet wird, wird die Steuerung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses verbessert, so daß die Leerlaufeigenschaften stabilisiert werden.

Bei dem in der Fig. 4 gezeigten Steuerungsablauf ist eine Schwankung in der (erfaßten) Ansaugluftmenge Q stark von einer Schwankung in der Periodendauer Ti abhängig. Um eine von einer Schwankung in der Periodendauer Ti hervorgerufene Schwankung der Ansaugluftmenge zu verringern, ist es vorteilhaft, bezüglich der Periodendauer Ti eine Rundung oder eine Mittelwertbildung durchzuführen. Da bei einer Rundung der Rundungswert jedoch durch Gewichtung und Durchschnittswertbildung der augenblicklichen Periodendauer Ti und des vorangegangenen Rundungswerts gebildet wird, wird die Erneuerung des Rundungswerts in schnellerer Folge durchgeführt, wenn die Ansaugluftmenge Q zunimmt, so daß der Rundungseffekt geschmälert wird. Wenn demgegenüber eine Mittelwertbildung für eine definierte Zeitspanne durchgeführt wird, um einen stabilen Wert für eine geringe Ansaugluftmenge Q zu erhalten, muß diese definierte Zeitspanne verlängert werden, wodurch jedoch die Ansprechgeschwindigkeit entsprechend verringert wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 ein weiterer Steuerungsablauf der Steuerschaltung 10 näher erläutert, mittels dem eine Rundung und eine Mittelwertbildung bezüglich der Periodendauer Ti durchgeführt wird.

Fig. 7 ist eine Routine zur Erneuerung eines Impulszahlzählers CKRMN und eines Gesamtimpulsdauerzählers STQF, die bei jeder steigenden Flanke des Rechtecksignals der Impulsformungsschaltung 101 durchgeführt wird. In einem Anfangsschritt 701 wird der Zählstand des Impulszahlzählers CKRMN um eins erhöht. Schritte 702 bis 704 entsprechen den Schritten 401 bis 403 der Fig. 4 und dienen zur Berechnung der Periodendauer Ti, während der Verwirbelungen erzeugt werden. In einem Schritt 705 wird die Impuls- bzw. Periodendauer Ti zum Inhalt des Gesamtimpulsdauerzählers STQF addiert, woraufhin der Ablauf in einem Schritt 706 beendet ist.

Fig. 8 zeigt eine Routine zur Berechnung der Ansaugluftmenge Q, die jedesmal nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, wie beispielsweise 4 ms, durchgeführt wird. In einem Anfangsschritt 801 wird die Durchführung einer anderen als dieser Unterbrechungsroutine gesperrt, so daß kein Fehler aufgrund einer Unterbrechung der Erfassung der Karman- Verwirbelungen oder dergleichen während einer Haupt- Zeitdauer T auftreten kann. In einem Schritt 802 wird entschieden, ob der Zählstand des Impulszahlzählers CKRMN Null ist oder nicht. Wenn dies der Fall ist, bedeutet dies, daß keine Unterbrechung für eine Erfassung der Karman- Verwirbelungen vorliegt, so daß der Ablauf zu einem Schritt 809 verzweigt, bei dem andere Unterbrechungen erlaubt bzw. freigegeben werden. Anschließend wird zu einem Schritt 810 verzweigt. Wenn der Zählstand des Impulszahlzählers CKRMN nicht Null ist, springt der Ablauf zu einem Schritt 803, bei dem die Haupt-Zeitdauer T für alle 4 ms gemäß der Beziehung

T ← STQF / CKRMN

berechnet wird. In einem Schritt 804 werden die Zähler STQF und CRKMN gelöscht und in einem Folgeschritt 805 werden andere Unterbrechungen erlaubt. In einem Schritt 806 wird ein Rundungswert TQF des Mittelwerts bzw. der Haut- Zeitdauer T gemäß der Beziehung

T ← (TQF + T) / 2

berechnet, wobei der Rundungswert TQF auch durch Gewichtung und Durchschnittswertbildung der Werte TQF und T gemäß der Beziehung

TQF ← (3 TQF + T) / 4

berechnet werden kann. Dies ist nützlich zur Stabilisierung des Rundungswerts TQF.

In einem Schritt 807 wird der Korrekturkoeffizient K auf gleiche Weise wie im Schritt 404 der Fig. 4 berechnet. In einem Schritt 807 wird die Ansaugluftmenge schließlich gemäß der Beziehung

Q ← K / TQF

berechnet. Die Ansaugluftmenge Q wird daraufhin im RAM 106 gespeichert, worauf der Ablauf im Schritt 810 beendet ist.

Gemäß den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Steuerungsabläufen werden der Mittelwert T der Periodendauer Ti und der Rundungswert TQF nur dann aktualisiert, wenn zumindest ein Anstieg bzw. eine ansteigende Flanke des Karman-Verwirbelungssignals auftritt. Als Folge davon wird selbst dann, wenn sich die Ansaugluftmenge Q erhöht, die Anzahl der Rundungsvorgänge nicht erhöht. Trotzdem kann der Rundungseffekt durch die Mittelwertbildung in gewissem Maße aufrechterhalten werden. In einem Bereich geringer Durchflußmenge werden die Zahl der Rundungsvorgänge und die Zahl der Mittelwertbildungen hingegen beide herabgesetzt, so daß der Zeitabstand zur Berechnung des Mittelwerts T entsprechend wesentlich verlängert wird.

Vorstehend wurde ein Durchflußmeßgerät mit einem Karman- Wirbeldurchflußmesser beschrieben, der ein der Durchflußmenge eines Fluids entsprechendes Signal erzeugt, wobei die Durchflußmenge des Fluids in Übereinstimmung mit der Periodendauer des Signals des Karman-Wirbeldurchflußmessers berechnet und in Abhängigkeit von der errechneten Periodendauer korrigiert wird.

Claims (3)

1. Durchflußmeßsystem, gekennzeichnet durch einen Karman- Wirbeldurchflußmesser (1) zur Erzeugung eines Signals mit einer einer Durchflußmenge (Q) eines Fluids entsprechenden Periodendauer (Ti), eine Einrichtung (10) zur Berechnung der Periodendauer des Signals, eine Einrichtung (102) zur Berechnung eines Korrekturkoeffizienten (K) in Übereinstimmung mit der Periodendauer des Signals, sowie durch eine Einrichtung (102) zur Berechnung der Durchflußmenge (Q) des Fluids in Übereinstimmung mit der Periodendauer des Signals und dem Korrekturkoeffizienten.

2. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (102) zur Berechnung des Korrekturkoeffizienten diesen aus einer eindimensionalen Tabelle (Fig. 6) berechnet, die in regelmäßigen Intervallen der Periodendauer (Ti) des Signals angeordnet ist.

3. Durchflußmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Berechnung der Periodendauer eine Einrichtung (101) zur Umformung des Signals in ein impulsförmiges Signal (Fig. 5), eine Einrichtung (CKRMN) zum Zählen der Anzahl der Impulse des impulsförmigen Signals innerhalb eines definierten Zeitabschnitts, eine Einrichtung zur Berechnung einer Gesamt-Zeitdauer (STQF) der Impulse des impulsförmigen Signals innerhalb des definierten Zeitabschnitts, eine Einrichtung zur Berechnung eines Mittelwertes (T) durch Division der Gesamt- Zeitdauer durch die Anzahl der Impulse innerhalb des definierten Zeitabschnitts, falls die Anzahl der Impulse ungleich Null ist, sowie eine Einrichtung zur Berechnung eines Rundungswerts (TQF) des Mittelwerts aufweist, wobei der Rundungswert die Periodendauer des Signals darstellt.