DE3006766C2 - Karman-Wirbelströmungsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Karman-Wirbel-Strömungsmeßgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der US-PS 39 82 434 bekannten Wirbelströmungsmeßgerät werden die Halteschaltungen für die höchste und niedrigste Spitze des ^b5 von der Erfassungseinrichtung abgegebenen elektrischen Ausgangssignals durch einen Kondensator gebildet, der über abwechselnd leitend geschaltete Transistoren aufgeladen oder entladen wird. Dadurch wird ein Bezugspegelsignal gewonnen, das zum Beseitigen der niederfrequenten Rauschkomponenten in dem elektrischen Ausgangssignal der Erfassungseinrichiung benutzt wird.

Wenn ein solches Wirbelströmungsmeßger^t zum Messen der Strömungsgröße der Ansaugluft bei einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine benutzt werden soll, ergeben sich Schwierigkeiten, da die Strömungsgröße der Ansaugluft sich in einem relativ großen Bereich sehr schnell ändert und damit die Wirbelbildung instabil wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wirbelströmungsmeßgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß auch bei einer instabilen Wirbelbildung eine möglichst genaue Messung der Strömungsgröße der Ansaugluft möglich ist

Bei einem Wirbelströmungsmeßgerät der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Das erfindungsgemäöe Wirbefströmungsmeßgerät zeichnet sich dadurch aus, daß die Zeitkonstanten der beiden Halteschaltungen wechselseitig unterschiedlich sind und in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geändert werden, um sie jeweils an die stark unterschiedlichen Frequenzen der Wirbelbildung anzupassen, die bei stark unterschiedlichen Strcmungsgrößen der Ansaugluft auftreten. Dadurch ergibt sich eine stabile Ansprechempfindlichkeit der Einrichtung zum Bestimmen des Bezugspegels, so daß das nach Maßgabe der Fluktuationen des umgeformten elektrischen Signals der Erfassungseinrichtung erzeugte Bezugspegelsignal auch bei stark unterschiedlichen Frequenzen der Wirbelbildung mit großer Genauigkeit erzeugt werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele von Wirbelströmungsmeßgeräten werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig.! eine schematische Darstellung eines Ansaugsystems einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft mit Hilfe eines Karman-Wirbelströmungsmeßgerätes gemessen wird,

F i g. 2 einen Schnitt eines Karman-Wirbelströmungsmeßgerätes,

Fig.3 ein Signaldiagramm, das die Erf.issungsweise der Wirbelablösung bei einem solchen Wirbelströmungsmeßgerät zeigt,

Fig.4 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung des Wirbelströmungsmeßgerätes,

F i g. 5 Ausgangssignale der in F i g. 4 gezeigten Schaltung,

Fig.6 ein der Fig. 5 ähnliches Signaldiagramm, wobei jedoch das Karman-Ursprungssignal eine niedrigere Frequenz hat,

Fig. 7 die Frequenzkennlinien der in Fig. 4 benutzten Wechselspannungsverstärker bei einer erfindungsgemäßen Ausführung,

F i g. 8 einen Stromlaufplan eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,

Fig. 9 einen Stromlaufplan eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels,

Fig. 10 einen Schnitt der in F i g. 9 gezeigten änderbaren Widerstände,

Fig. 11 eine perspektivische Teilansicht der in Fig. 10 gezeigten änderbaren Widerstände, wobei das Gehäuse entfernt ist, und

Fig. 12 ein Beispiel einer Kennlinie des in Fig. 9

gezeigten änderbaren Widerstandes.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Wirbelströmungsmeßgerätes, das zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine benutzt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Luftfilter 1 mit einer Brennkraftmaschine 8 über eine Ansaugleitung 2 verbunden, in der ein säulenförmiges Wirbelablöseteil 3 quer zur Strömungsrichtung der Ansaugluft angeordnet ist, während eine Drosselklappe 4 stromab vom Wirbelablöseteil 3 angeordnet ist In Fig.2 ist die Anordnung des Wirbelablöseteils 3 im einzelnen gezeigt, das zentrisch in der Ansaugleitung 2 angeordnet ist wodurch Karman-Wirbel 5 stromab von ihm an entgegengesetzten Seiten abwechselnd erzeugt werden, d.h. ^n den oberen und unteren Seiten in der Figur. Da die Wirbelablöse-Frequenz der Wirbel 5 proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ist, kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Erfassung dieser Frequenz gemessen werden. Die Wirbelablöse-Frequenz kann auf verschiedene Weise erfaßt werden, z. B. mit Hilfe eines Hitzdrahtes, dem ein Heizstrom zugeführt ist.

Wie es in F i g. 2 gezeigt ist ist das Wirbelablöseteil 3 mit einer Durchgangsbohrung 7 versehen, die zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Teils 3 angeordnet ist an denen die Wirbel gebildet werden, so daß die Ansaugluft abwechselnd durch die Durchgangsbohrung 7 in entgegengesetzten Richtungen nach Maßgabe der Bildung und Ablösung der Wirbel fließt. Innerhalb der Durchgangsbohrung 7 ist ein Hitzdraht 6 vorgesehen, der z. B. aus Platin oder Wolfram besteht dem ein Heizstrom zugeführt ist Da die abwechselnd in unterschiedliche Richtung fließende Strömung innerhalb der Durchgangsbohrung 7 den Hitzdraht 6 kühlt ändert sich der Widerstand des Hitzdrahtes 6 entsprechend. Die Änderung des Widerstandes findet synchron mit der Frequenz der abwechselnden Strömungsrichtung und damit der Wirbelablösung statt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Erfassung der Frequenz der Widerstandsänderung des Hitzdrahtes 6 gemessen werden. Die Widerstandsänderung des Hitzdrahtes 6 wird in ein Spannungssignal umgeformt das an einen der Eingangsanschlüsse eines Vergleichers gegeben wird. Durch Abschneiden des Spannungssignals bei einem bestimmten Abschneidepegel, der dem anderen der Eingangsanschlüsse des Vergleichers zugeführt wird, wird ein Impulssignal erhalten, das synchron der Wirbelablösung ist

Gewöhnlich ist der Abschneidepegel festgelegt und konstant. Obwohl stabile Karman-Wirbel erhalten werden können, wenn die zu messende Strömungsgeschwindigkeit stabil ist kann sich eine instabile Strömungsgeschwindigkeit dadurch ergeben, daß die Wirbel nicht in einer stabilen Weise abgelöst werden, weil eine örtliche Strömungsänderung um das Wirbelablöseteil auftritt Wie in F i g. 3 gezeigt ist, enthält daher das Spannungssignal 9 der Erfassungseinrichtung eine Änderungskomponente niedriger Frequenz, die den örtlichen Strömungsänderungen zugeordnet ist Das Spannungssignal 9, das der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Ausgangsleitung 2 entspricht, gibt die Wirbelablöse-Frequenz an und wird nachfolgend auch als ein »Karman-Ursprungssignal« bezeichnet. Bei dem herkömmlichen Wirbelströmungsmeßgerät, bei dem das Karman-Ursprungssignal 9 eine Änderungskomponente niedriger Frequenz enthält die einem Vergleicher zugeführt wird, und mit einem festen konstanten Abschneidepegel verglichen wird, um rechteckige. Ausgangsimpulse zu erzeugen, können die Ausgangsimpulse nicht genau synchron mit der Wirbelablösung erzeugt werden. Dieses ergibt einen Frequenzverlust, durch den eine genaue Messung der Strömungsgeschwindigkeit nicht möglich ist So gibt z. B, wie es in Fig.3 gezeigt ist das Karman-Ursprungssignal 9 an. daß während des gezeigten Zeitintervalls neun Wirbel erzeugt wurden, während das Ausgangsimpulssignal iO, das durch Vergleich des Karman-Ursprungssignais mit einem bestimmten Abschneidepegel 11 erhalten wird, angibt daß nur fünf Wirbel erzeugt wurden.

Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung für ein solches Wirbelströmungsmeßgerät Eine Speiseschaltung 12 gibt einen Heizstrom an den Hitzdraht 6, die von einer Gleichstromquelle 13 gespeist ist Die Speiseschaltung 12 hält den Hitzdraht 6 auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur, die zur Erfassung der Wirbelablösung geeignet ist.

Das durch die Änderung des Widerstandes des Hitzdrahtes 6 sich ebenfalls ändernde Spannungssignal wird zu seiner Verstärkung einem Wechselspannungsverstärker 14 2;ugeführt und dann als ein verstärktes Signal (14) an einen der Eingangsanschlüsse eines Vergleichers 20 gegeben. Das Spannungssignal des Hitzdrahtes 6 wird zu seiner Verstärkung auch an einen Wechselspannungsverstärker 15 gegeben, der gleichzeitig als ein Hochpaßfilter wirkt und wird anschließend als ein verstärktes Signal (15) an eine Halteschaltung 16 für die höchste Spitzenamplitude und an eine Halteschaltung 17 für die niedrigste Spitzenamplitude gegeben. Die Ausgangsspannungssignale (16), (17) der Halteschaltungen 16 und 17 werden jeweils durch Widerstände 18,19 geteilt, um ein mittleres Spannungssignal (21) zu erzeugen. Dieses mittlere oder durchschnittliche Spannungssignal (21) wird an den anderen der Eingangsarischlüsse des Vergleichers 20 air ein Abschneidepegclsignal gegeben. Das Ausgangssignal (14) des Wechselspannungsverstärkers 14 wird mit dem Abschneidepegelsignal verglichen, um ein Ausgangsimpulssignal (20) zu erzeugen, das genau der Wirbelablöse-Frequenz entspricht

Die Halteschaltungen 16, 17 bestehen jeweils aus einer Verzögerungsschaltung, die eine Integrationsschaltung aus einem Kondensator C und einem Widerstand R enthalten. Im Hinblick darauf, daß die Wirbelablöse-Frequenz bei einer hohen Strömungsgröße relativ hoch ist sollte zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit einer jeden der Halteschaltungen für hohe Geschwindigkeitsänderungen die Zeitkonstante der CTMntegrationsschaltungen klein genug sein. Jedoch ist in diesem Fall, da die Signalfrequenz bei niedrigen Strömungsgrößen niedrig ist, das Abschneidepegelsignal (21) und das Ausgangssignal (14) des Wechselspannungsverstärkers 14 im wesentlichen gleich, wie dieses in F i g. 6 gezeigt ist, so daß diese beiden Signale miteinander nicht verglichen werden können. Um diesen Nachteil zu beseitigen, sind die Wechselspannungsverstärker 14 und 15 so ausgelegt, daß sie zueinander unterschiedliche Frequenzkennlinien haben, wie dieses in F i g. 7 gezeigt ist, so daß der Wechselspannungsverstärker 15 auch als ein Hochpaßfilter wirkt. Durch diese Maßnahmen werden im ⁶S niedrigen Frequenzbereich der Wirbelablösung die .Ausgangsspannungssignale (14) und (15) zueinander unterschiedlich, und das Abschneidepegelsignal ändert sich, wie dieses bei (21') in Fig.6 gezeigt ist. Der

Vergleicher 20 kann daher einen positiven Vergleich der Signale (14) und (21') selbst bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit durchführen, und die Karman-Wirbel können innerhalb eines breiten Bereichs der Strömungsgeschwindigkeit genau erfaßt werden.

F i g. 8 zeigt einen der Schaltung der F i g. 4 entsprechenden Stromlaufplan. Eine aus Widerständen R₂, Ri und Ra sowie aus dem Widerstand /?₅ des Hitzdrahtes gebildete BrückenschaUung erhält von einem Transistor Tr einen Heizstrom. Ein Widerstand Ki speist die BrückenschaUung mit einem kleinen Strom beim Anlassen einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine. Der Transistor Tr wird von einer Differenzspannung der nicht abgeglichenen BrückenschaUung gespeist, und er steuert den Heizstrom so, daß die Differenzspannung vermindert wird, um damit den Hitzdraht auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten. Die Differenzspannung der BrückenschaUung wird von einem Operationsverstärker OPi verstärkt. Parallel geschaltete Operationsverstärker OP₂ und OPj, die jeweils die Wechselspannungsverstärker 14 und 15 bilden, sind mit dem Operationsverstärker OPi verbunden. Dabei ist der negative Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP\ über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator Ci und einem Widerstand Rt verbunden. Außerdem sind der Ausgangsanschluß und der negative Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP₂ über einen Widerstand Ri miteinander verbunden. In gleicher Weise ist der Operationsverstärker OP3 mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator C₂ und einem Widerstand Re sowie mit einem Widerstand R₉ verbunden. Die Verstärkung eines jeden Operationsverstärkers wird durch das Verhältnis der zugeordneten Widerstände R₇ZR₆ oder R₉ZRs bestimmt, die im wesentlichen so abgeglichen werden, daß sie einander gleich sind. Die Zeitkonstante QRh oder C₂Rs einer jeden der Reihenschaltungen bestimmt jede Frequenzkennlinie des Operationsverstärkers OP2 oder OP3. Die Zeitkonstante CiRt, wird so eingestellt, daß sie größer als die Zeitkonstante C₂Rg ist, so daß die Grenzfrequenz des Operationsverstärkers OPj größer als die des Operationsverstärkers OP2 ist. Eine Diode Di, ein Kondensator C3 und ein Widerstand R_i2 bilden zusammen die Halteschaltung für die höchste Spitze, während eine Diode Eh, ein Kondensator G und ein Widerstand A_n zusammen die Halteschaltung für die niedrigste Spitze bilden. Widerstände Ru und Ä15. die im wesentlichen den gleichen Widerstand haben, teilen jeweils die Ausgangsspannung der Halteschaltungen, um ein mittleres oder durchschnittliches Spitzer.spannungssignal zu erzeugen, das als das Abschneidepegelsignal an einen Operationsverstärker OP4 gegeben wird, der den Vergleicher bildet, um es mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP2 zu vergleichen. Die Zeitkonstante einer jeden der Halteschaltungen wird durch C₃^u oder C₄Rn bestimmt Die Widerstände Ru und Ais haben einen höheren Widerstand als die Widerstände R\₂ und /?i₃.

F i g. 9 zeigt einen Stromlaufplan eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der Halteschaltungen für die höchste und die niedrigste Spitze durch den verstärkten Unterdruck in der Ansaugleitung geregelt wird. Beim Messen der Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft, die einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine zuzuführen ist, ändert sich die Pulsation der Ansaugluftströmung innerhalb der Ansaugleitung nach Maßgabe der Drosselöffnung und der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Diese Pulsation der Ansaugluftströmung wird erheblich bei einem Ansaugunterdruck von etwa -133 mbar und wenn der Unterdruck über —66,6 mbar bis zur vollen öffnung der Drosselklappe abnimmt, ändert sich die Signalform des Ausgangssignals allmählich mit der verstärkten Instabilität der Karman-Wirbelablösung. Um daher die Ansprecheigenschaften des Abschneidepegeleinstellvorganges zu verbessern, sollte die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der Halteschaltungen mit der Verminderung des verstärkten Ansaugunterdruckes vermindert werden. In F i g. 9 bezeichnen gleiche Bezugszeächen gleiche oder entsprechende Bauteile. Wie in dieser Figur gezeigt ist, bestimmen Widerstände /?i8 und /?i9 jeweils die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der Halteschaltungen für die höchste und niedrigste Spitze, die jeweils aus änderbaren Widerständen bestehen, deren Widerstand sich mit der Verminderung des verstärkten Ansaugunterdruckes vermindert.

Die Fig. 10 und 11 zeigen ein Beispiel einer Einrichtung, die die änderbaren Widerstände Rw und /?i9 entsprechend dem verstärkten Ansaugunterdruck steuert, wie dieses in Fig. 9 gezeigt ist. Die Einrichtung weist ein Gehäuse 22 auf, das eine mit der Ansaugleitung 2 verbundene Kammer hat. Die Kammer nimmt eine Feder 23 auf, die einen Balg 24 gegen den Ansaugunterdruck vorspannt. Der Balg 24 ist mit einem geschlossenen oberen Ende versehen, der auf diesem einen Abgriff 25 der änderbaren Widerstände R\s und Λ19 trägt, der aus einem elastischen Material hergestellt ist und mit drei Vorsprüngen ausgebildet ist. Jeder dieser Vorsprünge des Abgriffs 25 befindet sich in einem gleitenden Kontakt mit Widerstandskörpern 26, 26 und einer leitenden Platte 27. Die leitende Platte 27 ist über einen Anschluß a mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OPj verbunden, während die Widerstandskörper 26,26 jeweils über Anschlüsse b und c mit den Kondensatoren C₃ und Ci verbunden sind. Diese Anordnung arbeitet derart, daß bei einer Änderung des Ansaugunterdruckes innerhalb der Ansaugleitung 2 und bei einer entsprechenden Verschiebung des oberen Endes des Balges 24 der Widerstand der Widerstände Rm und R\₉ sich entsprechend ändert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat jeder der Widerstände R\s und R\₉ einen Widerstandswert, der im wesentlichen konstant bei dem verstärkten Unterdruck von —266 mbar oder mehr ist, und der bei dem verstärkten Ansaugunterdruck von weniger als — 256 mbar plötzlich abnimmt. Selbst wenn das Karman-Wirbelerfassungssignal infolge von Pulsationen der Ansaugluftströmung bei einer plötzlichen Beschleunigung des Fahrzeuges oder bei im wesentli-

chen voller Drosselöffnung schwankt, kann dadurch der Abschneidepegel mit einer stabilen Ansprechempfindlichkeit geändert werden, und der Verlust von Impulsen in der Ausgangsimpulsfolge kann erheblich vermindert werden. Die Zeitkonstante der Widerstandsänderung nach Maßgabe des verstärkten Ansaugunterdruckes kann in bezug auf die Kolbenverschiebung und/oder die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Statt der in den Fig. 10 und 11 gezeigten mechanisch betätigten, änderbaren Widerstände kön-

nen auch elektrisch änderbare Widerstände benutzt werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Karman-Wirbelströmungsmeßgerät mit einem Kanal, durch den ein Strömungsmittel strömt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, s und mit einem säulenförmigen Wirbelablöseteil, das sich innerhalb des Kanals quer zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels erstreckt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit durch Erfassen der Frequenz der auftretenden Wirbel gemessen wird, mit einer Erfassungseinrichtung für die Frequenz der Wirbelbildung zum Umformen der erfaßten Frequenz in ein elektrisches Signal,

einem Vergleicher mit einem Paar von Eingangsanschlüssen, von denen einer das umgeformte elektri- sehe Signal und der andere ein einen Abschneidepegel bestimmendes Bezugspegeisignal erhält, mit dem das elektrische Signal verglichen wird, und einer Einrichtung zum Bestimmen des Bezugspegels derart, daß er nach Maßgabe der Fluktuation des umgeformten elektrischen Signals geändert wird, wobei die Einrichtung zum Bestimmen des Bezugspe gels eine Halteschaltung für die höchste Spitze und eine Halteschaltung für die niedrigste Spitze aufweist, die jeweils die höchsten und niedrigsten Spitzenspannungspegel des elektrischen Ausgangssignals der Erfassungseinrichtung halten, und ein Ausgangsspannungssignal erzeugt, das zwischen den Spitzenspannungspegeln liegt, die jeweils von den Halteschaltungen gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltungen (16,17; D₁, C₃, K₁₂, Ai₈; D2, G, Ki₃, R\g) jeweils eine Verzögerungsschaltung (R_u, Q, R\»; G, /?i₉) aufweisen, die eine wechselseitig unterschiedliche Lade- und Entlade-Zeitkonstante haben, die in Abhängigkeit von der Änderung eines Betriebsparameters einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, wie der Drehzahl der Brennkraftmaschine, der Drosselöffnung oder des verstärkten Unterdruckes in einem Ansaugrohr (2), geändert wird.

2. Wirbelströmungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltungen (R_n, Q, R\s, Rw) einen Kondensator (Q, G) und einen Widerstand (R\b, Rw) aufweisen, die beide die Lade- und Entlade-Zeitkonstante bestim- "5 men, und von denen mindestens einer änderbar und von einem Balg (24) oder einer Membran einstellbar ist, die von dem verstärkten Ansaugunterdruck in dem Ansaugrohr (2) verschoben werden.

3. Wirbelströmungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (16, 17) zum Bestimmen des Bezugspegels an ihrer Eingangsseite ein Hochpaßfilter (C₂, R») aufweist, das die Bezugspegeländerung im Niedrigfrequenzbereich der Wirbelbildung unterdrückt.