DE3248603A1

DE3248603A1 - Einrichtung zur messung des massendurchsatzes eines stroemenden mediums

Info

Publication number: DE3248603A1
Application number: DE19823248603
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 7032 Sindelfingen Handtmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-12-30
Filing date: 1982-12-30
Publication date: 1984-07-12
Also published as: GB2132775B; GB8334584D0; JPS59136620A; US4587842A; FR2538898A1; FR2538898B1; GB8408173D0; GB2132775A; GB2135062B; GB2135062A

Description

OiHUUUJ

H. 18291

13.12.1982 Vb/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Einrichtung zur Messung des Massendurchsatzes eines

strömenden Mediums

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsvorgang benötigen Luftmassendurchsatzes. Derartige Einrichtungen sind schon seit längerer Zeit beispielsweise aus der DE-PS 20 U2 983 bekannt. In dieser Schrift ist eine Einrichtung beschrieben, bei der zwei temperaturabhängige Widerstände in unterschiedlichen Zweigen einer Meßbrücke angeordnet sind. Die Brücke ist derart dimensioniert, daß der einetemperaturabhängige Widerstand aufgrund des großen durch ihn fließenden Stromes auf einen hohen, oberhalb des Temperaturwertes des strömenden Mediums liegenden Temperaturwert aufgeheizt wird. Das Meßprinzip dieser

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(θ-

Einrichtung beruht auf der Tatsache, daß das an dem Widerstand vorbeiströmenden Medium dem Widerstand eine bestimmte, von der Strömungsgeschwindigkeit und der Dichte abhängige Wärmemenge entzieht. Der zweite temperaturabhängige Widerstand dient zur Kompensation des Einflusses der schwankenden Temperatur des strömenden Mediums. Dazu wird der durch diesen temperaturabhängigen Widerstand fließende Strom so klein gewählt, daß die Temperatur des Widerstandes ausschließlich durch die Temperatur des strömenden Mediums bestimmt wird. Der durch die Brücke fließende Strom wird mit Hilfe einer Regeleinrichtung in der Weise geregelt, daß der aufgeheizte temperaturabhängige Widerstand eine konstante Temperaturdifferenz bezüglich der Ansauglufttemperatur aufweist. Als Maß für die an diesem Widerstand pro Zeiteinheit vorbeiströmende Masse kann z.B. der durch die Brücke fließende Strom herangezogen werden. Um ein schnelles Ansprechen der Anordnung auf Strömungsänderungen zu gewährleisten, ist der aufgeheizte Widerstand als Widerstand mit einer kleinen thermischen Zeitkonstanten, beispielsweise als Hitzdraht ausgebildet. Der temperaturabhängige Kompensationswiderstand, der Widerstandswerte besitzt, die um einige Größenordnungen über dem Hitzdrahtwiderstandswert liegen, weist aufgrund seiner geometrischen Beschaffenheit und seiner größeren Masse eine wesentlich größere thermische Zeitkonstante auf.

3s besteht nun das Problem, daß bei schnellen Temperaturänderungen des strömenden Mediums die Einrichtung solange falsche Meßwerte liefert, bis die Temperatur des Kompensationswiderstandes wieder im Gleichgewicht mit der Temperatur des strömenden Mediums steht. Weiter-

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hin besteht unter gewissen Bedingungen, wenn z.B. das strömende Medium mit festen Partikel verunreinigt ist, der Wunsch, den aufgeheizten temperaturabhängigen Widerstand, der aufgrund seiner geringen Masse in der Regel mechanisch sehr empfindlich ist, durch einen robusteren Widerstand zu ersetzen. Bei der vorliegenden Einrichtung, bei der die Temperatur des Hitzdrahtes der Temperatur des strömenden Mediums nachgeführt wird, wäre die Verwendung eines massiveren Widerstandes mit dem großen Nachteil einer erheblichen Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit verbunden. Des weiteren resultiert aus der speziellen, durch verschiedene Randbedingungen vorgegebenen Dimensionierung der Brückenwiderstände eine nur massige Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Heizleistung, die nur zu ca. 30 % zur Aufheizung des Hitzdrahtes verwendet wird. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit, die Empfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen, um den wachsenden Anforderungen an die Meßgenauigkeit derartiger Einrichtungen gerecht zu werden.

Ss sind Weiterentwicklungen und Verbesserungen dieser Einrichtung bekannt, die einige der aufgeführten Unzulänglichkeiten vermeiden, dafür aber neue Probleme aufwerfen bzw. andere Wachteile aufweisen. In der DE-OS 29 29 ^27 wird beispielsweise eine Einrichtung zur Luftmassenmessung im Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei der die beiden "cemperaturabhängigen Widerstände als Hitzdrähte ausgebil^ ·■-■■ det sind, für beide Hitzdrähte eine Temperatur oberhalb der Ansauglufttemperatur gewählt und die Differenz der Hitzdrahttemperaturen auf einen konstanten Wert gehalten wird. Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß die thermischen Zeitkonstanten der beiden bau-

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6.

gleichen temperaturabhängigen Widerstände gleiche Werte aufweisen, so daß TemperaturSchwankungen des strömenden Mediums keine auf unterschiedlichen Ansprechgeschwindigkeiten der Widerstände beruhenden Meßfehler hervorrufen. Um jedoch eine Abhängigkeit des Meßsignals von der jeweils herrschenden Temperatur des strömenden Mediums zu vermeiden, ist es erforderlich, die.Temperaturkoeffizienten der beiden Brückenzweiggesamtwiderstände, in denen die temperaturabhängigen Widerstände angeordnet sind, in ein ganz bestimmtes, Verhältnis zu setzen. Diese Forderung läßt sich insbesondere bei einer Massenherstellung dieser Einrichtung nur mit mäßiger Genauigkeit oder mit einem hohen technischen Aufwand erfüllen. Auch bei dieser Einrichtung, bei der alleine die Differenz der Hitzdrahttemperaturen auf einen konstanten Wert gehalten wird, würde eine massivere, mechanisch unempfindlichere Ausführung der temperaturabhängigen Widerstände zu einer Vergrößerung der Ansprechzeiten der Brücke führen.

In einer weiteren, in der DE-OS 29 Oh 15^· beschriebenen Vorrichtung zur Messung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums wird anstelle eines Hitzdrahtes ein auf einem Substrat angebrachter, temperaturabhängiger Filmwiderstand verwendet. Damit der zu einer Verringerung der 'Ansprechgeschwindigkeit des Filmwiderstandes führende Wärmestrom zwischen dem Filmwiderstand und dem Substrat auf Null oder auf nur sehr kleine Werte beschränkt werden kann, ist zusätzlich zur ersten, die Filmwiderstandstemperatur regelnden aktiven Brücke eine weitere aktiv geregelte Brückenschaltung erforderlich. Diese Brückenschaltung dient alleine zur Aufheizung des Substrats auf einen zur Filmwiderstandstemperatur annähernd gleichen Wert. Mit dieser Maßnahme wird zwar

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dafür gesorgt, daß der temperaturabhängige, als Filmwiderstand auf einem Substrat ausgebildete Meßwiderstand ein zum Hitzdraht ähnlich schnelles, zeitliches Ansprechverhalten aufweist, aber alle anderen, bereits oben erwähnten Nachteile bleiben trotz des wesentlich erhöhten Schaltungsaufwandes erhalten.

Als letztes seien einige Maßnahmen erwähnt, die zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit von Brückenschaltungen führen. So ergibt sich für die bei den beschriebenen Einrichtungen benutzten Wheatstone-Brücken dann die Maximalempfindlichkeit, wenn die Brückenwiderstände eines jeden Brückenzweiges die gleichen Werte annehmen, wenn also eine symmetrische Brücke vorliegt. Eine weitere Verdopplung der Empfindlichkeit läßt sich dadurch erreichen, daß statt eines Meßwiderstandes zwei Meßwiderstände in gegenüberliegende Zweige der Brücke gelegt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsvorgang benötigten Luftmassendurchsatzes mit wenigstens zwei temperaturabhängigen, den strömenden Medium ausgesetzten Widerständen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung einer Konstant-Temperatur-Doppelbrücke die genannten Nachteile bekannter Einrichtungen vermieden werden. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung erweist es sich als vorteilhaft, daß die Temperaturkoeffizienten der beiden temperaturabhängigen Widerstände nicht aufeinander abgestimmt werden müssen und ihre Werte streuen können.

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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich insbesondere aus der geänderten Betriebsart der temperaturabhängigen Widerstände, die durch jeweils einen Regelkreis unabhängig von der Ansauglufttemperatur und der Ansaugluftmenge auf einen konstanten Temperaturvert aufgeheizt werden. Die Ansprechgeschwindigkeit dieser Einrichtung wird durch die thermischen Zeitkonstanten der temperaturabhängigen Widerstände bei Änderungen der Lufttemperatur nicht verringert, da aufgrund der konstanten Betriebstemperatur der temperaturabhängigen Widerstände die thermischen Zeitkonstanten-nicht in das Meßergebnis eingehen.

Aus diesem Grund ist auch der Einsatz von Widerständen mit kleinen thermischen Zeitkonstanten, wie z.B. Hitzdrähten nicht erforderlich, so daß vorteilhafterweise ebenso mechanisch unempfindliche Widerstände, wie z.B. Filmwiderstände eingesetzt werden können. Auch alle anderen Brückenwiderstände können .beispielsweise als Filmwiderstände ausgebildet werden, so daß die gesamte Brücke in einer einheitlichen Technologie gefertigt werden kann. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Brücke besteht darin, alle vier Brückenwiderstände gemeinsam auf einem Substrat anzubringen.

Aus der Vermeidung des Einsatzes von Hitzdrähten als temperaturabhängige Widerstände ergeben sich durch den Wegfall einiger Randbedingungen größere Freiheiten bei der Dimensionierung der Brücken. Der dann mögliche Aufbau der Brücke als symmetrische Brücke führt zu weiteren Vorteilen der erfindungsgemäßen Einrichtung. Heben einer Erhöhung der Empfindlichkeit läßt sich auch die zur Verfügung stehende Heizleistung bei geeigneter Anord-

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nung der Brückenwiderstände optimal nützen. Der temperaturabhängige Meßwiderstand kann von den anderen Brükkenwiderständen, an denen die gleiche Heizleistung auftritt, eingerahmt bzw. eingepackt werden, so daß das Temperaturprofil am Meßwiderstand einen ebenen Verlauf aufweist. Bei dieser Methode, bei der die Brückenwiderstände vorteilhafterweise als Heißfilmwiderstände ausgebildet sind, wird ein Wärmestrom vom temperaturabhängigen Meßwiderstand auf das Substrat verhindert und damit eine sehr hohe Ansprechgeschwxndigkeit erreicht .

Die Tatsache, daß in jeder Brücke der erfindungsgemäßen Einrichtung jeweils nur ein Brückenzweig mit einem temperaturabhängigen Widerstand versehen ist, läßt sich zu einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit der Brücke sowie zum Erkennen der Strömungsrichtung des strömenden Mediums ausnutzen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen und Hebenansprüchen aufgeführten Maßnahmen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1, 2 und 3 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung einschließlich der Auswerteschaltungen, Figur h zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Konstanttemperaturbrücke Figur 5s 6, und 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Brückenwiderstände .und Figur 8 eine mögliche Anordnung zur Bestimmung des Vorzeichens der Strömungsgeschwindigkeit.

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/ft.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 sind die temperaturabhängigen, auf die Temperaturen T₁ und Tp aufgeheizten Widerstände R. und R_? mit 10 und 11 bezeichnet. Diese Widerstände 10 und sind jeweils Bestandteil einer Brückenschaltung, die durch drei weitere, temperaturunabhängige Widerstände vervollständigt wird. Die Brückenzweige der beiden baugleichen Einzelbrücken der Doppelbrückenanördnung werden aus der Serienschaltung der Widerstände 10 und 12 bzw. 13 und lh sowie 11 und 15 bzw. 16 und 17 gebildet. Die Fußpunkte der Brücken, die Verbindungspunkte der Widerstände 12 und \\ bzw. 17 und 15 sind über die Widerstände 18 bzw. 19 auf Massepotential gelegt. Der Ausgang eines Reglers 20 bz.w. 21 ist mit den Widerständen 10 und 13 bzw. 16 und 11 verbunden. Diesen, im Ausführungsbeispiel als Differenzverstärker ausgelegten Reglern 20 bzw. -21 wird die Brückendiagonalspannung als Potentialdifferenz der Verbindungspunkte der Widerstände 10, 12 und 13, 1U bzw. Τβ, 17 und 11, 15 an den Eingängen zugeführt. Die Einrichtung wird vervollständigt durch einen Mikroprozessor 22, dem als Eingangsgröße der Spannungsabfall über den Widerständen 18 und 19 zugeführt wird und dessen Ausgangsgröße eine zum Massendurchfluß des strömenden Mediums proportionalen Wert annimmt.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt: Durch die in die beiden Brücken fließenden Ströme I₁ bzw. ip werden die temperaturabhängigen, in das strömende Medium der Temperatur T eingebrachten Widerstände 10 bzw. 11 auf Temperaturen T₁ bzw. T_p aufgeheizt. Im Gleichgewicht stellt sich der Strom i "bzw. i_o in der Weise ein, daß die Brückendiagonalspannung

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den Wert UuIl annimmt. Ändert sich die Luftmasse des strömenden Mediums pro Zeiteinheit, so gerät die Brücke aus dem Gleichgewicht bis der Regler 20 bzw. 21 den Brückenstrom auf solche Werte ändert, daß die Widerstände 10, 11 wieder die Temperaturen T₁, T besitzen. Dieser Regelvorgang setzt auch dann ein, wenn die Masse des strömenden Mediums pro Zeiteinheit konstant, aber die Temperatur T des strömenden Mediums variiert. Die dem Mikroprozessor 22 zugeführten Größen U , Up, die ein Maß für die durch die beiden Brücken fließenden Gesamtströme i , i_p darstellen, variieren somit als Funktion der Masse pro Zeiteinheit als auch der Temperatur T des strömenden Mediums. Die folgende kurze Rechnung soll nun zeigen, daß der Einfluß der Temperatur des strömenden Mediums bei Verwendung der beschriebenen Einrichtung durch einfache arithmetische Manipulation der Werte der beiden Brückenströme eliminiert werden kann:

Mit den Größen

T₁ J₀ = Temperatur der temperaturabhängigen Widerstände 10,

I₁ ,_ = Brückenströme

α = Massendurchfluß

^ΔΤ1/2 ^{= T}1/2 ~ ^Tu
C₁ = Konstante

gilt für die funktionale Abhängigkeit der Brückenströme von q. und AT₁,ρ in Näherung

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Bildet man die Differenz dieser Ausdrücke, so ergibt sich eine von der
unabhängige Größe:

sich eine von der Temperatur T des strömenden Mediums

Auflösen nach der gesuchten Größe α liefert folgenden Ausdruck

% - ^CA ■ <^U1² - ^U2²⁾²'

wobei .C. eine von den Temperaturen T , T , von den Widerstands-werten der Widerstände 18 und 19, von physikalischen Parametern der Filmwiderstände 10 und 11 sowie des strömenden Mediums abhängige Apparatekonstante darstellt.

Durch eine geeignete Verarbeitung der Brückenströme bzw. der dazu proportionalen Spannungen U , M beispielsweise mit einem Mikroprozessor 22 läßt sich somit eine von der Temperatur T des strömenden Mediums unabhängige Bestimmung des Massendurchsatzes des strömenden Mediums durchführen.

Eis weiteres Ausführungsbeispiel für die Auswerteschaltung der Brückensignale ist in Figur 2 gezeigt. Die Schaltungsanordnung der 3rücken sowie der Regler unterscheidet sich von der in Figur 1 nur dadurch, daß der Fußpunkt der Brücken zwischen den Widerständen I^ und 12 bzw. 15 und 17 direkt mit Massepotential verbunden ist. In diesem Fall dient die Ausgangsspannung der Regler 20 und 21 als Maß für die Brückenströme i., i_?. Diese Signale werden über einen Analog-Digital-Wandler 23, dem mit Hilfe eines Schalters 2U die Ausgangsspannung U bzw. U_n wechselweise zugeführt werden, an einen Mikroprozessor 22 weitergeleitet, der die gewünschte Ausgangsgröße q aus den Spannungen U und Up berechnet.

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/15.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausverteschaltung der Brückensignale ist in Figur 3 gezeigt. Die Brükkenschaltung an sich ist identisch mit der aus Figur Als Regler werden in d'iesem Fall Amplitudenfrequenzkonverter 26, 27 mit nachfolgenden Impulsformerstufen 28, 29 verwendet. Die Regelkreise werden so ausgelegt, daß die Brückendiagonalspannung von den Amplitudenfrequenzkonvertern 2β, 27 in eine dazu proportionale Frequenz gewandelt wird. Die Impulsformer 28 und 29 formen aus dieser Frequenz Impulse konstanter Amplitude und Dauer, so daß die temperaturabhängigen Widerstände 10, 11 mit Hilfe von Impulsen konstanten Energieinhalts aufgeheizt werden. Die an den Impulsformern 28 und 29 auftretenden Frequenzen f.. und f_p sind somit unmittel-

2 2 bar proportional zu den von I₁ bzw. i„ abhängigen Heizleistungen. Auf diese Weise wird eine der schaltungstecjhniseh aufwendigen Quadrierungen vermieden, so daß im vorliegenden Fall ein Vor-Rückwärtszähler als Differenz der Frequenzen f.. - f_Q direkt die Größe 2 2

Ci₁ - ip ) bildet. Ein mit diesem Signal beaufschlagter Quadrierer 31 liefert die gesuchte Ausgangsgröße q . Des weiteren läßt sich bei dieser Einrichtung gemäß Figur 3 auch auf einfache Weise die Temperatur des strömenden Mediums bestimmen. Ein■Verhältniszähler 32, dem die Frequenzen f. und f. als Eingangsgrößen zugeführt werden, bildet das Verhältnis S dieser Frequenzen. Mit der Apparatekonstanten A = T /T ergibt sich das Verhältnis der Ansauglufttemperatur zur Temperatur T des temperaturabhängigen Widerstandes 10 zu:

u⁷ 1 T - S *

Durch einfache arithmetische Umformungen läßt sich die Temperatur des strömenden Mediums, beispielsweise die Änsauglufttemperatur bei einer Brennkraftmaschine berechnen und für verschiedene Steuer- und Regelmechanismen als Korrekturgröße verwenden.

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AU.

In Figur k ist ein Ausführungsbeispiel einer Einzel--"brücke gezeigt, bei der das Ausgangssignal bezüglich der Temperatur des strömenden Mediums durch eine -weitere, nicht näher bezeichnete Einrichtung kompensiert wird. Insbesondere kann diese Einzelbrücke Bestandteil der in den vorigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Konstanttemperatur-Doppelbrücken sein. Die grundsätzliche Anordnung der Brücke, bestehend aus den Widerständen 10, 12, 13 und 1U sowie dem Regler 20, entspricht einer der beiden Brückenschaltungen von Figur 2. Im Unterschied dazu weist auch der Widerstand 1h neben dem Widerstand. 10 einen großen Temperaturkoeffizienten auf und beide Widerstände 10 und 1U sind dem strömenden Medium ausgesetzt. Von den beiden temper"aturunabhängigen Widerständen 13 und 12 ist der Widerstand 12 unterteilt in zwei Widerstände 12' und 12", wobei der Widerstand 12" zum Abgleich der 3rücke dient. Durch die Ausbildung des Widerstands 1U als weiterer temperaturabhängiger Meßwiderstand wird zum einen die Empfindlichkeit der Brücke erhöht und zum· anderen die Voraussetzung geschaffen, durch eine geeignete geometrische Anordnung der Widerstände eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsrichtung zu schaffen.

Sorgt man beispielsweise durch spezielle, weiter unten beschriebene Ausführungsformen der Brückenwiderstände dafür, daß für eine bestimmte Strömungsrichtung die Arbeitstemperatur an Widerstand ' 1k leicht erniedrigt und an Widerstand 10 leicht erhöht wird, so ergibt sich unter der Voraussetzung von Temperaturkoeffizienten gleichen Vorzeichens am Plus- und Minuseingang des Reglers 20 eine gleichsinnige Verschiebung in Richtung kleinerer Werte. Im entgegengesetzten Fall, bei einer Umkehr der Strömungsrichtung, tritt eine gleichsinnige

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Erhöhung der "beiden Spannungen" auf. Aus dem Sp-annungs verhältnis der Spannung ¹J am Pluseingang und U am Ausgang des Reglers 20 läßt sich das Vorzeichen der Strömungsrichtung des Mediums ableiten. Insbesondere beim Einsatz einer symmetrischen Brücke, bei der alle Widerstände 10, 12, 13, 1U die gleichen Werte annehmen, bestimmt sich das Vorzeichen der Strömungsrichtung aus der Abfrage, ob das Spannungsverhältnis U /U größer oder kleiner als 0,5 ist.

Aus der Vervendung dieser Konstanttemperatur-Brücken ergibt sich die Möglichkeit, ohne eine Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeiten dieser Brücken massivere Widerstände wie z.B. Wickelwiderstände oder auch auf einem Substrat angebrachte Filmwiderstände als temperaturabhängige Meßwiderstände einzusetzen. Da die Meßwiderstände in dieser Schaltungsanordnung nicht der Temperatur des strömenden Mediums nachgeführt werden, ist alleine dafür Sorge zu tragen, daß ein Wärmestrom zwischen dem Widerstand und seinem Träger unterbunden wird. Dann besitzen diese relativ voluminösen Widerstände thermische Zeitkonstanten in der gleichen Größen ordnung oder besser wie solche Meßwiderstände, die beispielsweise als Hitzdraht mit sehr geringer Masse auf hohe Ansprechgeschwindigkeiten getrimmt sind. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil einer großen mechanischen Unempfindlichkeit, einer möglichen hohen Arbeitstemperatur sowie der Aufbau der Brücke in einer einheitlichen Technologie.

In Abbildung 5, einem Ausführungsbeispiel des Widerstan des 10, ist ein massiver Träger Uo in einem Luftansaugrohr 1+1 befestigt. Der als Hitzdraht ausgebildete Wider stand 10 ist auf diesen massiven Träger k0 in mehreren Windungen aufgewickelt. Zur Vermeidung eines Tempera-

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turgefälles entlang des Widerstandes 10 ist an "beiden Enden des Widerstandes 10 eine Wärmeschutzheizung k2 angebracht, die separat auf die gleiche Temperatur wie der Meßwiderstand geregelt wird. Hierdurch wird weitestgehend ein Wärmeübergang vom Widerstand 10 auf den Träger kO vermieden und trotz der großen Masse ein schnelles Ansprechverhalten des Meßwiderstandes 10 gewährleistet. Der zweite temperaturabhängige Meßwiderstand 11 der anderen Brücke kann beispielsweise auf einem zweiten identischen Träger angebracht sein, der stromaufwärts senkrecht zum ersten Träger im Ansaugrohr U1 angebracht ist und auf die andere Temperatur T. geregelt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Anordnung der temperaturabhängigen Meßwiderstände ist in Figur 6 gezeigt. In Figur 6a, einer Draufsicht der Widerstandsanordnung, ist mit H 3 ein Substrat bezeichnet. Der temperaturabhängige Meßwiderstand 10 ist auf diesem Substrat beispielsweise als rechteckförmiger Filmwiderstand angebracht. Zur Unterstützung der Heizleistung des Widerstandes 10 ist dieser vom ebenfalls als Filmwiderstand ausgebildeten Widerstand 12 über den gesamten Umfang eingerahmt. Diese geometrische Anordnung der Widerstände kommt besonders vorteilhaft dann zum Tragen, wenn die Widerstände gleiche Widerstandswerte und in etwa gleiche Heizleistung pro Flächeneinheit aufweisen.. Zum einen wird die in diesem Brückensweig auftretende Wärmeleistung im wesentlichen zur Aufheizung des Widerstandes 10 verwendet, was bei den bekannten Einrichtungen nicht der Fall ist, und zum anderen gewährleistet die spezielle Anordnung des Widerstandes 12 ein ebenes Temperaturprofil über die gesamte Widerstandsfläche von 10. Der in Figur k mit 12" bezeichnete Brückenabgleiehwider-

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stand ist im Ausführungsbeispiel der Figur 6a nicht als getrennter Widerstand ausgebildet, da hier beispielsweise die Möglichkeit besteht, den Widerstand 12 durch Laserabgleich auf den gewünschten Wert einzustellen.

In Figur βΐ>, eine Schnittdarstellung der Figur a, ist gezeigt, daß auch die beiden anderen Widerstände 13, Ik der Brücke auf dem Substrat It-3 angebracht sind. Von der geometrischen Form her ist Widerstand 11t- wie Widerstand 10 und Widerstand 13- wie Widerstand 12 ausgebildet. Der eine Brückenzweig, bestehend aus den Widerständen 1U und 13 ist auf der Substratunterseite, der andere Brückenzweig bestehend aus den Widerständen 10 und 12 ist auf der Substratoberseite angebracht. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist die Tatsache, daß alle Brückenwiderstände nach einer einheitlichen Technologie gefertigt und komprimiert auf einem einzigen Substrat angebracht sind.

Sin weiteres Ausführungsbeispiel zur Anordnung der Brückenwiderstände auf einem Substrat ist in Figur T dargestellt. In diesem Fall bedecken die Widerstände 12 und 13j die beispielsweise als Filmwiderstände ausgelegt sind, die gesamte Oberfläche (Ober- und Unterseite) des Substrats U3. Auf diesen Widerständen sind die temperaturabhängige Meßwiderstände 10 und 1U, getrennt durch Isolierschichten It-5, angeordnet. Zum Schutz vor mechanischen Schaden sind alle Widerstände einschließlich der Substratplatte von einer .Schutzschicht kS umgeben. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Heizleistung der Widerstände 13 und 12 insbesondere bei Verwendung einer symmetrischen Brücke dazu genutzt werden, die Meßwiderstände 10 und 1U

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thermisch vom Substrat . k-3 zu isolieren und eine hohe Ansprechgesch-windigkeit der temperaturabhängigen Widerstände 10 und 1 it- zu gewährleisten.

Eine mögliche Anordnung der Brücke, die beispielsweise entsprechend den Ausführungsbeispielen Figur β oder Figur 7 ausgebildet ist, in einem strömenden Medium, z.3. in der durch ein Ansaugrohr k6 strömenden Luftmasse ist in der Figur 8 gezeigt. Das Substrat U 3 mit den darauf angerodneten Filmwiderständen 10, "12, 13 und ~\k wird leicht geneigt zur durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung im Ansaugrohr k6 angebracht. Im eingeschwungenen Zustand der Brücke tritt durch eine Art "Windschatteneffekt" eine leichte Erhöhung der Arbeitstemperatur am Widerstand 10 und eine leichte Erniedrigung der Arbeitstemperatur am Widerstand 1k auf. Wie schon beim Ausführungsbeispiel Figur h beschrieben, läßt sich aus einem Vergleich der Gesamtbrückenspannung und dem Spannungsabfall über dem Widerstand 12 das Vorzeichen der Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Bei einer Umkehr der Strömungsrichtung tritt, nämlich genau der entgegengesetzte Effekt auf, nämlich daß die Temperatur am Widerstand 10 erniedrigt und am Widerstand il· erhöht wird und dadurch eine Änderung dieser Spannungsverhältnisse auftritt.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung, bei der zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums eine Konstant-Temperatur-Doppelbrücke verwendet wird, läßt sich der Einfluß der Temperatur des strömenden Mediums auf das Meßergebnis in idealer Weise eliminieren. Durch die konsequente Weiterverfolgung des Prinzips der Konstant-Temperatur-Brücke in Verbindung mit Mitteln zur Kompensation der Temperatur des strömenden Mediums ergeben sich weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltungen

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und Verbesserungen der bekannten Einrichtung. So läßt sich der allgemein übliche, als Meßwiderstand verwendete Hitzdraht durch eine mechanisch stabilere Anordnung ohne Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit des Meßwiderstandes ersetzen. Durch die Ausführung der Brücke als symmetrische Brücke und der Einführung eines zweiten temperaturabhängigen Widerstandes läßt sich die Brückenempfindlichkeit wesentlich verbessern. Darüber hinaus kann mit verschiedenen Ausführungsformen dieser Brücke auch das Vorzeichen der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

η.

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Claims

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Ansprüche
Emrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsvorgang benötigten Luftmassendurchsatzes, mit wenigstens zwei temperaturabhängigen, dem strömenden Medium ausgesetzten Widerständen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden temperaturabhängigen Widerstände (10, 11) jeweils in einer Widerstandsmeßschaltung, insbesondere einerBrückenschaltung angeordnet sind und daß die Widerstände auf verschiedene, konstante Temperaturen aufgeheizt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltungen jeweils einen Regler (20, 21) beinhalten, dessen Eingänge mit den Brückendiagonalpunkten verbunden sind und dessen Ausgang über die Brücke an Massepotential angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,, daß ein von den durch die Brücken fließenden Strömen . j abhängiges Signal" einer Signalverarbeitungseinheli?_;;((_i22 )·' zugeführt wird, deren Ausgangsgröße ein von der Temperatur des strömenden Mediums unabhängiges Maß für den Massendurchsatz des strömenden Mediums darstellt.

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h. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltungen «jeweils einen Analog-Digital-Wandler, insbesondere einen Amplituden-Freq.uenz-Konverter (26, 27) und eine nachfolgende Xin— pulsformerstufe (28, 29) beinhalten, dessen Ausgangsgröße Werte in Abhängigkeit τοπ der den Eingängen des Analog-Digital-Wandlers zugeführten Brückendiagonalspannung annimmt und dessen Ausgang über eine Serienschaltung von Impulfsformerstufe und Brücke mit Massepotential verbunden ist.

5. Einrichtung nach- Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß jede Impulsformerstufe (28, 29) ausgangsseitig Impulse bestimmter Dauer und Amplitude liefert, so daß die von den temperaturabhängigen Widerständen (10, 11) in Wärme umgesetzte Leistung proportional zur PuIsfolgefrepenz ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden Impulfsformerstufen (28, 29) mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden sind, die die beiden Frequenzen (f , t ) gemäß dem Ausdruck (f.. - f_?)^ und/oder dem Ausdruck

- V^f1

auswertet.

7. Einrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des von der Brennkraftmaschine beim Verbrennungsvorgang benötigten Luftmassendurchsatzes, die Mittel zur Kompensation des Einflusses der Temperatur des strömenden Mediums umfaßt, insbesondere Mittel nach den Ansprüchen 1 bis 6, mit einem auf konstanter Temperatur aufgeheizten, in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordneten temperaturabhängigen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der temperatur-

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abhängige Widerstand einen möglichst großen Temperaturkoeffizienten aufweist und alle anderen Brückenwiderstände als Filmviderstände mit möglichst kleinem oder gegenläufigen Temperaturkoeffizienten ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand mit großem Temperaturkoeffizienten in den anderen Brückenz-we,ig der Brücke eingebracht ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Widerstände der Brücke als Filmwiderstände ausgebildet und gemeinsam auf einem Substrat angebracht sind.

10. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche

8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Widerstände der Brücke gleich groß dimensioniert sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände des einen Brückenzweiges auf der Unterseite und die Widerstände des anderen Brückenzweiges auf der Oberseite des Substrats angebracht sind.

12. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung pro Fläche an allen Widerständen identisch ist.

13. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche

9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände mit kleinem Temperaturkoeffizienten so angebracht sind, daß sie die Widerstände mit großen Temperaturkoeffizienten einrahmen oder diesen, getrennt durch eine Isolierschicht unterlagert sind.

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1^. Einrichtung nach -wenigstens einem der Ansprüche 11, 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in der Weise zum strömenden Medium angeordnet ist, daß seine Flächennormale (n) mit dem Geschwindigkeitsvektor (v) der Strömung einen Winkel <* zwischen 0 - o< < 90 ■bildet.

15· Einrichtung nach Anspruch 1l·, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer die an der Gesamtbrücke sowie einzelnen Brückenzweigen auftretenden Spannungsverhältnisse vergleichenden Auswerteschaltung die Strömungsrichtung des strömenden Mediums bestimmt werden kann.