DE3309404A1 - Einrichtung zur messung des massendurchsatzes eines stroemenden mediums - Google Patents

Description

• 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 benötigten Luftmassendurchsatzes. Bei- spielsweise aus der US-PS 3 747 577 sind derartige Einrichtungen schon seit längerer Zeit bekannt. Der dort beschriebenen Einrichtung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kraftstoffeinspritzanlage für eine Brennkraftmaschine zu erreichen, daß die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmenge sehr genau bei schnellen Änderungen der Luftmenge praktisch verzögerungsfrei gemessen werden kann und eine exakte, für die saubere Verbrennung erforderliche Kraftstoffzumessung ermöglicht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der zwei temperaturabhängige Widerstände in unterschiedlichen Zweigen einer Meßbrücke angeordnet sind. Die Brücke ist derart dimensioniert, daß der eine temperaturabhängige Widerstand aufgrund des großen durch ihn fließenden Stromes auf einen hohen, oberhalb des Temperaturwertes des strömenden Mediums liegenden Temperaturwert aufgeheizt wird. Der zweite temperaturabhängige Widerstand dient zur Kompensation des Einflusses der schwankenden Temperatur des strömenden Mediums. 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 Luftmasse kann z.B. der durch die Brücke fließende Strom herangezogen werden. In Näherung ergibt sich, daß der Brückenstrom proportional zur vierten Wurzel aus dem Luftmassendurchsatz ist.
• Obwohl diese Anordnung im Bereich hoher Luftmassendurchsätze zufriedenstellend arbeitet, besteht im Bereich kleiner Luftmassendurchsätze der Wunsch nach einer Erhöhung der Empfindlichkeit bzw. Auflösung dieser bekannten Einrichtung. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, daß der im Experiment bestimmte Zusammenhang zwischen Massendurchsatz und Brückenstrom von dem oben genannten theoretischen Zusammenhang abweicht. Für einen Luftmassendurchsatz von Null oder von sehr kleinen Werten nimmt der Brückenstrom nicht len Wert Null an, sondern beträgt ca. ein Viertel des maximalen Brückenstroms. Aufgrund dieses experimentiellen Zusammenhangs tritt eine erhebliche Einengung des ausnutzbaren Meßbereichs des Brückenstroms auf, die sich insbesondere bei kleinen Luftmassendurchsätzen in Verbindung mit dem hier vorliegenden großen Gradienten der Kennlinie negativ auf den Meßfehler auswirkt.
• Des weiteren ist beispielsweise aus "Hitzdraht- und Heißfilmanemometrie", H. Strickert, VEB Verlag Technik Berlin, 1974 eine weitere Grundschaltung der Hitzdraht-Meßtechnik bekannt, bei dem die Widerstandsmeßbrücke von einem konstanten Strom durchflossen wird.
• Wie der auf Seite 68 ff durchgeführte Vergleich zwischen dem Konstant-Strom-Betrieb und Konstant-Temperatur-Betrieb der Meßbrücke zeigt, ist im Bezug auf die Absolutempfindlichkeit, unter der der Differentialquotient aus Brückenausgangsspannung und Luftmassendurchsatz zu yerstehen ist, der Konstant-Temperatur-Betrieb dem Konstant-Strom-Betrieb im gesamten Luftmassendurchsatzbereich überlegen. Diese Aussage gilt jedoch nicht für die relative EmpSindlichkeit beider Methoden, unter der der Differentialquotient aus Brückenausgangsspannung und Luftmassendurchsatz bezogen auf die Brückenausgangsspannung zu verstehen ist. Es zeigt sich, daß diese relative Empfindlichkeit für den Konstant-Temperatur-Betrieb erst oberhalb eines bestimmten Luftmassendurchsatzes größere Werte annimmt als für den Konstant-Strom-Betrieb. Unterhalb dieser Schwelle erweist sich dagegen die relative Empfindlichkeit des Konstant-Strom-Betriebes als überlegen.
• Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsprozeß benötigten Luftmassendurchsatzes mit einer wenigstens einen temperaturabhängigen, dem strömenden Medium ausgesetzten Widerstand enthaltenden Brückenschaltung und einer Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine Umschaltung der Regeleinrichtung bei kleinen Massendurchsätzen von Konstant-Temperatur-Regelung auf Konstant-Strom-Regelung umgeschaltet wird und hiermit die genannten Nachteile bekannter Einrichtungen vermieden werden. Dabei wird der Umschaltpunkt bevorzugt in einen solchen Bereich gelegt, in dem die relative Empfindlichkeit des Konstant-Strom-Betriebes der des Konstant-Temperatur-Betriebs überlegen ist. Durch diese Maßnahme ist in Verbindung mit einer Subtrahierstufe eine Erweiterung des Meßbereichs der das Luftmassensignal charakterisierenden Spannung bis hinab auf Brückenausgangsspannungen von ca.
• O Volt möglich und somit eine erhöhte Auflösung gewährleistet.
• Besonders vorteilhaft erweist sich auch die Tatsache, daß die Auskopplung der vom Luftmassendurchsatz abhängigen Meßspannung in einheitlicher Form für beide Betriebsarten der Brücke vorgenommen wird.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den tjnteransprüchen und Nebenansprüchen aufgetitirtcn Maßnahmen sowie aus der nachfolgenden Besc'lreibung der Zeichnung.
• Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung und Figur 2 einen Vergleich des Kennlinienverlaufs einer bekannten und der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Brückenschaltung des Ausführungsbeispieles der Figur 1 umfaßt die Widerstände 10, 11, 12 und 13, wobei die beiden Brückenzweige jeweils als Serienschaltung die Widerstände 10, 11 sowie 12, 13 enthalten. Der Fußpunkt der beiden Brückenzweige als Verbindungspunkt der Widerstände 51 und 13 liegt auf Massepotential, während der andere Verbindungspunkt 14 zwischen den Widerständen 10 und 12 der beiden Brückenzweige mit dem Emitter eines npn-Transistors 15 verbunden ist.
• Die Brückendiagonalspannung wird zwischen den Punkten 16 bzw. 17 als Verbindungspunkte der Widerstände 12 und 13 bzw. 10 und 11 abgegriffen und den Eingängen eines Regelverstärkers 18, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Operationsverstärker mit einem Open-Kollektorausgang ausgebildet ist, zugeführt. Der Ausgang des Regelverstärkers 18 ist über einen Widerstand 19 mit der Basis des Transistors 15 und über einen Widerstand 20 mit der Versorgungsspannung verbunden.
• Der Emitter des Transistors 15 steht mit invertierenden Eingang einer Vergleichseinrichtung 21, die ebenfalls vom Open-Kollektortyp ist1 sowie über einen Widerstand 22 mit der Versorgungsspannung in Verbindung. Der nichtinvertierende Eingang der Vergleichseinrichtung 21 wird mit einer auf die Versorgungsspannung bezogenen Referenzspannung 23 beaufschlagt und das Ausgangssignal dieser Vergleichseinrichtung 21 der Basis des Transistors 15 zugeführt.
• An den Brückendiagonalpunkten 16 und 17 ist eine Subtrahierstufe 24 angeschlossen, 24 angeschlossen, deren Ausgangssignal den Meßwert für den Massendurchsatz des strömenden Mediums darstellt. Diese Subtrahierstufe 24 beinhaltet in an sich bekannter Weise einen Differenzverstärker 25, dessen Minuseingang über einen Widerstand 26 mit dem Brückendiagonalpunkt 16 sowie über einen Widerstand 27 mit dem Ausgang in Verbindung steht. Der Piuseingang des Differenzverstärkers 21 steht mit dem Brückendiagonalpunkt 17 in Verbindung.
• Diese Einrichtung weist folgende Funktionsweise auf.
• Ausgehend von hohen Massendurchsätzen des strömenden Mediums1 bei denen die Einrichtung im Konstant-Temperatur-Betrieb arbeitet, übertrifft der Spannungsabfall am Widerstand 22 aufgrund des hohen, zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Meßwiderstands 10 erforderlichen Stromes IH den Wert der Referenzspannungsquelle 23. Aufgrund der Ausführung der Vergleichseinrichtung 21 als Open-Kollektortyp, dessen Ausgang für positive Eingangsspannungsdifferenzen (U+ U-)gesperrt wird, hat diese Vergleichseinrichtung 21 für hohe Massendurchsätze keinen Einfluß auf die an der Basis des Transistors 15 liegende Spannung. Diese Spannung wird dann alleine durch das Ausgangssignal des Regelv^rstärkers 18 bestimmt, und zwar in der Weise, daß di} BrSiketltiiagorlalspannung zwischen den Punkten @@ und 17 identiscil Null wird.
• Nimmt dagegen der Massendurchsatz des strömenden Mediums so kleine Werte an, daß der durch den Brückenstrom IHam Widerstand 22 verursachte Spannungsabfall kleinere Werte als die Referenzspannung 23 annimmt, so wird der Ausgang der Vergleichseinrichtung 21 niederohmig geschaltet und die Basis des Transistors 15 mit einer Spannung angesteuert, so daß ein konstanter, durch das Verhältnis aus Referenzspannung und Widerstandswert des Widerstandes 22 gegebener Strom durch die Brücke fließt. Dieser Brückenstrom, der im wesentlichen durch den rechten Brückenzweig mit den Widerständen 10, 11 fließt, verursacht am Widerstand 11 einen konstanten Spannungsabfall U11, der am Minuseingang des Regelverstärkers 18 anliegt. Mit sinkendem Massendurchsatz verringert sich gleichzeitig die dem Meßwiderstand 10 entzogene Wärmemenge, so daß sich dieser aufheizt. Hieraus resultiert eine Temperaturerhöhung des Widerstandes 10, die ihrerseits einen Spannungsanstieg am Kollektor des Transistors 14 zur Folge hat. Dieser Spannungsanstieg am Punkt 14 wird dem Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 12 und 13 entsprechend auch zum Punkt 16, dem Pluseingang des Regelverstärkers 18, übertragen. Sobald U+ (Punkt 16) größere Werte annimmt als U (Punkt 17) wird der Ausgang des Regelverstärkers 18 in den Sperrzustand geschaltet. Bei Erreichen eines durch den Widerstand 22 und die Referenzspannung 23 gegebenen Schwellwertes tritt eine automatische Umschaltung auf, so daß die Basis des Transistors 15 entweder vom Ausgang der Vergleichseinrichtung 21 oder vom Ausgang des Regelverstärkers 18 angesteuert wird.
• Die vom Massendurchsatz des strömenden Mediums abhängige Ausgangsgröße am Ausgang der Subtrahierstufe 24 ergibt sich für die beiden Regelbetriebsarten in folgender Weise: Im Falle des Konstant-Temperatur-Betriebes nimmt die Diagonalspannung der Brücke zwischen den Punkten 16 und 17 im eingeschwungenen Zustand den Wert Null an, an/ so daß der Spannungsabfallen den Widerständen 11 bzw. 13 gleich groß ist. Entsprechend der Funktionsweise eines gegengekoppelten Differenzverstärkers stellt sich in seinem linearen Arbeitsbereich die Ausgangsspannung in der Weise ein, daß die Spannungsdifferenz an den Eingängen (Minus und Plus) identisch Null wird. Infolge der nur gleichtaktmäßigen Ansteuerung des Differenzverstärkers 25 ergibt sich damit sofort, daß die Ausgangsspannung UA genau den Wert der an dem Widerstand 11 abfallenden Spannung U11 annimmt, die normalerweise im Konstant-Temperatur-Betrieb als Ausgangsgröße verwendet wird.
• Schaltet die Einrichtung von Konstant-Temperatur-Betrieb auf Konstant-Strom-Betrieb um, so ergibt sich aufgrund dieser Betriebsart ein Brückenungleichgewicht, d.h., lie Brückendiagonalspannung zwischen den Punkten 16 und 17 nimmt Werte ungleich Null an. Aufgrund seiner Beschaltung arbeitet der Differenzverstärker 25 dann als Subtrahierstufe und die Ausgangs spannung ergibt A zu: UA = U11 + R27/R26 x (U11-U13) wobei die anOegebenen Zahlen sich auf die Spannungsabfälle bzw.
• Widerstandswerte der entsprechend bezeichneten Widerstände besiehent. Durch eine geeignete Wahl des Widerstandsverhältnisses die Widerstände R27 und R26 R kann die Ausgangsspannung in der Art eingestellt werden, daß bei einem Massendurchfluß von Null auch die Ausgangsspannung UA den Wert Null annimmt.
• Figur 2 zeigt ein Diagramm, bei dem die Ausgangsspannung UA gegen den Massendurchsatz Q aufgetragen m ist. Gestrichelt eingezeichnet ist die Kennlinie IZ-bekannter Einrichtungen, die über den gesamten Massendurchsatzbereich im Konstant-Temperatur-Betrieb geregelt werden. Selbst für Massendurchsätze im Bereich Null nimmt die Ausgangsspannung recht hohe Werte an, so daß der ausnutzbare Meßbereich UA um ca. 25 % bis 30 ß eingeengt ist. Die zweite, durchgezogen eingezeichnete KennlinieIgibt das Verhalten einer im Konstant-Strom-Betrieb geregelten Einrichtung wieder.
• Durch geeignete Widerstandswahl der Widerstände R 27 und R26 läßt sich in diesem Fall erreichen, daß die Ausgangsspannung UA für Q = 0 den Wert UA = 0 annimmt.
• Der zur Verfügung stehende Meßbereich läßt sich durch diese Betriebsart erheblich erweitern, ebenso wie die Empfindlichkeit aufgrund des größeren Dlfferentialquotienten der Kennlinie für kleine Massendurchsätze erhöht wird. Der Umschaltpunkt JA SX der einem Massendurchsatz &m, S entspricht, zwischen diesen beiden 3etriebsarten läßt sich durch eine geeignete Wahl des Widerstandes 22 sowie der Referenzspannung 23 unabhängig einstellen.
• Durch diese erfindungsgemäße Einrichtung ergibt sich aufgrund des größeren, ausnutzbaren Meßbereichs eine erhöhte Empfindlichkeit in der Massendurchsatzbestimmung sowie eine größere relative Empfindlichkeit insbesondere für kleine Massendurchsätze. Darüber hinaus wird durch die erschiedenartigkeit der beiden Regelbetriebe ein Freiheitsgrad zur Einstellung der Parameter gewonnen.
• Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nicht nur für Brückenschaltungen im herkömmlichen Sinn, wie sie im Ausführungsbeispiel dargestellt sind, sondern auch für solche Schaltungsanordnungen, die zumindest von der Funktion als Widerstandsmeßanordnung her eine Brückenschaltung nachbilden, Verwendung findet.

Claims (12)

1. Ansprüche 0.Verfahren zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des Luftmassendurchsatzes, der von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsprozeß benötigt wird, mit einer wenigstens einen temperaturabhängigen, dem strömenden Medium ausgesetzten Widerstand enthaltenden Brückenschaltung und einer Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur eines temperaturabhängigen Widerstandes oder der Temperaturdifferenz bezüglich eines zweiten temperaturabhängigen Widerstandes, dadurch gekennzeichnet, daß für unterhalb eines wählbaren Schwellwertes liegende Massendurchsätze des strömenden Mediums die Regeleinrichtung von Konstant-Temperatur-Betrieb auf Konstant-Strom-Betrieb umgeschaltet und dieser Umschaltvorgang bei einem Wiederansteigen des Massendurchsatzes des strömenden Mediums rückgängig gemacht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert zum Umschalten der Regelung von Konstant-Temperatur-Betrieb auf Konstant-Strom-Betrieb im Bereich solcher Massendurchsätze des strömenden Mediums liegt, in dem die relative Empfindlichkeit einer Konstant-Strom-Regelung die einer Konstant-Temperatur-Regelung übertrifft.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltvorgang von Konstant-Temperatur-Betrieb auf Konstant-Strom-Betrieb mit Hilfe einer Vergleichseinrichtung (21) durchgeführt wird, die auf den durch die Brücke fließenden Gesamtstrom in Relation zu einem einstellbaren Referenzwert empfindlich ist.
4. 4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Massendurchsatzes des strömenden Mediums das Ausgangssignal einer Subtrahierstufe (24) herangezogen wird, deren Eingänge mit den Brückendiagonalpunkten (16, 17) verbunden sind.
5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums, insbesondere des Lurtmassendurchsatzes, der von einer Brennkraftmaschine beim Verbrennungsprozeß benötigt wird, mit einer wenigstens einen temperaturabhängigen, dem strömenden Medium ausgesetzten Widerstand enthaltenden Brückenschaltung und einer Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur des temperatur abhängigen Widerstandes oder der Temperaturdifferenz bezüglich eines zweiten temperaturabhängigen Widerstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines den Brückenstrom steuernden Transistors (15) im Falle der Konstant-Strom-Regelung mit dem Ausgangssignal einer Vergleichseinrichtung (21) beaufschlagt wird, deren Eingängen ein zum Brückenstrom proportionales Signal und ein konstanter Referenzwert zugeführt wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des den Brückenstrom steuernden Transistors (15) nach einem Umschalten von Konstant-Strom-Regelung auf Konstant-Temperatur-Regelung mit dem Ausgangssignal eines an die Brückendiagonalpunkte (16, 17) angeschlossenen Regelverstärkers (18) beaufschlagt wird.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von Konstant-Temperatur-Regelung auf Konstant-Strom-Regelung und zurück in Abhängigkeit vom Massendurchsatz des strömenden Mediums durchgeführt wird.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (18) und die lergleichseinrichtung (21) Open-Kollektor-Ausgänge aufweisen, die für eine Eingangsspannungsdifferenz (U+-U ) größer Null an den (+)- und (-)-Eingängen im Sperrzustand verweilen.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Brückendiagonale (16, 17) ein mit einem Widerstand (26) als Eingangswiderstand und einem Widerstand (27) als Rückkoppelwiderstand als Subtrahierstufe (24) beschalteter Differenzverstärker (25) angeschlossen ist.
10. 10. E-inrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Brückendiagonale (16, 17) ein mit dem Widerstand (26) als Eingangswiderstand und dem Widerstand (27) als Rückkoppelwiderstand als Subtrahierstufe (24) geschalteter Differenzverstärker (25) angeschlossen ist, dessen Ausgangs spannung für den Fall der Konstant-Strom-Regelung bis auf eine Konstante (U11) proportional zur Spannungsdifferenz (U11 - U 13 ist und daß der Proportionalitätsfaktor duroh das Widerstandsverhältnis der Widerstände (R26, R27) einstellbar ist.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren für Schaltungsanordnungen Anwendung findet, die zumindest von der Funktion als Widerstandsmeßanordnung her eine Brückenschaltung nachbilden.
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche S bistO, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für Schaltungsanordnungen Anwendung findet, die zumindest von der Funktion als Widerstandsmeßanordnung her eine Brückenschaltung nachbilden.