DE3732856C2

DE3732856C2 -

Info

Publication number: DE3732856C2
Application number: DE3732856A
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1992-06-25
Also published as: DE3732856A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmengenmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Luftmengenmesser der genannten Art ist aus der DE 33 09 404 A1 bekannt. Bei diesem Luftmengenmesser, der eine gekrümmte, bei kleinen Massendurchsätzen steil und bei hohen flach verlaufende Kennlinie aufweist, wird bei kleinen Massendurchsätzen von einer Konstant-Temperatur-Regelung auf eine Konstant-Strom-Regelung umgeschaltet. Dabei wird der Umschaltpunkt bevorzugt in einen solchen Bereich gelegt, in dem die relative Empfindlichkeit des Konstant-Strom-Betriebs der des Konstant-Temperatur-Betriebs überlegen ist. Dadurch soll in Verbindung mit einer Subtrahierstufe eine Erweiterung des Meßbereichs und somit eine erhöhte Auflösung gewährleistet sein.

Aus der DE 31 44 230 A1 ist ein Luftmengenmesser zum Messen der Geschwindigkeit des Luftstroms in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der in einem Strömungskanal ein Element vorgesehen ist, das Wirbel in der durch den Strömungskanal strömenden Luft bildet. Zwei Hitzdrähte, die sich im Strömungskanal befinden, werden abwechselnd den vom Wirbel bildenden Element gebildeten Wirbeln ausgesetzt. Die Hitzdrähte sind mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die Änderungen in den Widerstandswerten der Hitzdrähte wahrnimmt und die Frequenz bestimmt, mit der die Wirbel in der an die Wirbel bildenden Element vorbeiströmenden Luft gebildet werden. Diese Frequenz hängt linear von der Luftgeschwindigkeit ab, so daß dieser Luftmengenmesser eine lineare Kennlinie aufweist.

Bei Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messern (HLM) mit stark nichtlinearer Kennlinie ergeben sich Probleme durch seine Anfälligkeit gegen Veränderung der Kalibrierungskonstanten bei Ablagerungen oder Abrasion, seine Empfindlichkeit gegenüber Strömungsprofileinflüssen und insbesondere die Tatsache, daß Strömungen unabhängig von ihrer Richtung bewertet werden, was bei transienten Rückströmungen zu starken Verfälschungen der Meßresultate führen kann. Des weiteren erweist sich die stark nichtlineare Kennlinie, die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sehr flach verläuft und bei pulsierenden Strömungen zu Mittelungsfehlern führt, als problematisch.

Demgegenüber besteht bei einem Wirbelstraßen-Luftmengen-Messer (WLM) das Problem, daß er nur auf Strömungen in einer Richtung anspricht und ohne besonderen Maßnahmen nur die Geschwindigkeit des Luft-Volumenflusses, nicht aber die eigentlich interessante Geschwindigkeit des Luft-Mengenflusses zu messen vermag.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftmengenmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die beiden Meßverfahren in einem gemeinsamen guten Arbeitsbereich kalibrierbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sowie Verfahren zur Kalibrierung und Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Luftmengenmessers gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Durch die Erfindung ist ein Luftmengenmesser geschaffen, der die unterschiedlichen Nachteile der Luftmengenmesser HLM und WLM auf relativ kostengünstige Weise zuverlässig und mit einfachen Mitteln durch Zusammenwirken der unterschiedlichen Meßverfahren aufhebt.

Die vorliegende Erfindung besteht im Grunde genommen darin, die beiden Prinzipien, "WLM" und "HLM", zu einem "Smart-Sensor" (= "Intelligenter Sensor") zu kombinieren. Dabei wird von dem Gedanken ausgegangen, daß die Probleme der einzelnen Prinzipien unterschiedlicher Natur sind und daß außerdem die problematischen Betriebsbereiche, die aufwendige Präzision erfordern, bei den Meßprinzipien unterschiedlich liegen. Somit ergibt sich durch die Kombination der Meßprinzipien die Möglichkeit, die Probleme der Einzelmeßprinzipien zu eliminieren und den Aufwand für die notwendige Präzision erheblich zu vermindern. Ein erfindungsgemäß ausgeführter Luftmengenmesser könnte gegenüber einem nach einem der Einzel-Verfahren ausgeführten neben verbesserter Funktion u. U. sogar noch Preisvorteile bieten. Die elektronische Schaltung des erfindungsgemäßen intelligenten Luftmassenmessers ist z. B. mittels eines integrierten Mikrokontrollers zu verwirklichen, z. B. mit einem des Typs SAB 80 535 der Siemens AG. Bei entsprechender Stückzahl könnte die intelligente elektronische Auswertung auch als "ASIC" (Application Specific IC) ausgeführt werden.

Denkbare Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend stichpunktartig beschrieben:

a) Kalibration des HLM durch den WLM in einem gemeinsamen guten Arbeitsbereich.
b) Durch Kalibration an zwei oder mehreren Arbeitspunkten und Berücksichtigung der Form der Kennlinien (WLM linear, HLM gekrümmt) wird zusätzlich eine gegenseitige Kalibration nach Luftmenge ermöglicht.
c) Kalibrationskonstanten werden in einem RAM oder EEPROM gespeichert und bei Abweichung zu aus aktuellen Messungen ermittelten Werten (evtl. adaptiv) erneuert.
d) Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten wird mit hoher Auflösung (steiler Kennlinie) mit dem HLM gemessen; dies ermöglicht einfache Auswerteverfahren (z. B. FM-Demodulation) beim WLM.
e) Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten wird die Auswertung vorwiegend auf den WLM wegen dessen linearer Kennlinie und dessen hoher zeitlichen Auflösung gestützt. Die problematische präzise Auswertung der in diesem Bereich sehr flachen Kennlinie des HLM wird dann normalerweise überflüssig.
f) Durch Vergleich mit WLM kann beim HLM die Richtung der Strömung unterschieden werden.
g) Während einer Rückströmung und evtl. während des "Anfahrens" der Wirbelstraße gilt der vom HLM gemessene Wert.
h) Die Luftdichte ergibt sich als Quotient der Meßwerte von HLM und WLM. Die Temperatur der Luft kann auch aus der Schallgeschwindigkeit, die sich bei der Ultraschall-Abtastung der Wirbel als Laufzeit oder Phase äußert, ermittelt werden. Aus Dichte und Temperatur folgt Luftdruck.
i) Auf Grund der fortwährenden Kalibrierung und Überwachung kann beim HLM u. U. auf die analoge Differenzbildung einer Brückenanordnung verzichtet werden. Es können einfache beheizte Leiter - von einer Spannungs- oder Stromquelle gespeist - oder in einer Spannungsteilerschaltung verwendet werden. Die an bzw. in der Meßanordnung auftretenden Spannungs- oder Stromwerte können nach Analog-Digital-Wandlung in einen µC eingespeist werden und gegenseitig sowie mit anderen Werten (Temperatur, WLM-Wert) verrechnet werden.
j) Die Detektion der Wirbel könnte u. U. mit dem Hitzdraht bzw. den Hitzdrähten (Heißfilm(en)) des HLM erfolgen; auf der Ultraschall-Detektion der Wirbel könnte dann verzichtet werden.
k) der Hitzdraht (Heißfilm) und/oder auch die Anordnung der elektronischen Auswerteschaltung ist mit dem Störkörper mechanisch verbunden oder als gemeinsame mechanische Einheit, eventuell auch als in einen Luftansaugtrakt einführbare Sonde ausführbar. Dabei kann bedarfsweise ein Temperatursensor in den Störkörper integriert werden.

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Durchflußmeßeinrichtung nicht auf die Anwendung als Luftmengenmesser für Ottomotoren beschränkt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise in der industriellen Durchflußmeßtechnik.

Claims

1. Luftmengenmesser zur Ermittlung eines Luftmengendurchsatzes nach zwei unterschiedlichen Meßverfahren, insbesondere zur Anwendung bei KFZ-Verbrennungsmotoren,

- mit einer in einem Luftströmungskanal angeordneten Strömungsmeßeinrichtung (WLM, HLM) und
- mit einer elektronischen Schaltungsanordnung (C) zur Weiterverarbeitung der nach beiden Meßverfahren erhaltenen Signale,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmeßeinrichtung (WLM, HLM)

- einen Wirbelstraßen-Luftmengen-Messer (WLM) mit linearer Kennlinie zur Durchführung eines der beiden Meßverfahren und
- einen Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messer (HLM) mit gekrümmter, bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten steil und bei hohen flach verlaufender Kennlinie zur Durchführung des anderen Meßverfahrens aufweist.

2. Luftmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (C) einen Mikrokontroller aufweist.

3. Luftmengenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hitzdraht (W) des Hitzdraht-Luftmengenmessers (HLM) mit einem im Luftströmungskanal angeordneten Störkörper (S) mechanisch verbunden ist.

4. Luftmengenmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (C) in Form eines gekapselten Bausteins ausgebildet ist und daß der gekapselte Baustein mechanisch mit einem im Luftströmungskanal angeordneten Störkörper (S) verbunden ist.

5. Luftmengenmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hitzdraht (W) des Hitzdraht-Luftmengen-Messers (HLM) in Form einer in den Luftströmungskanal einführbaren Sonde ausgebildet ist.

6. Luftmengenmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (C) in Form einer in den Luftströmungskanal einführbaren Sonde ausgebildet ist.

7. Luftmengenmesser nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzdraht (W) und die elektronische Schaltungsanordnung (C) eine gemeinsame mechanische Einheit bildet.

8. Luftmengenmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftströmungskanal ein Störkörper (S) angeordnet ist, in den ein Temperatursensor integriert ist.

9. Verfahren zur Kalibrierung eines Luftmengenmessers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelstraßen-Luftmengen-Messer (WLM) und der Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengenmesser (HLM) in einem gemeinsamen Arbeitsbereich kalibriert werden und daß zur Kalibrierung Kalibrierungskonstanten in einem der elektronischen Schaltungsanordnung (C) zugeordneten RAM oder EEPROM abgelegt und bei einer Abweichung von aus aktuellen Messungen ermittelten Werten aktualisiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung an zumindest zwei Arbeitspunkten und unter Berücksichtigung der Form der Kennlinie des Wirbelstraßen-Luftmengen-Messers (WLM) und des Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messers (HLM) durchgeführt wird.

11. Verfahren zum Betrieb eines Luftmengenmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten mit dem Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messer (HLM) und bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten mit dem Wirbelstraßen-Luftmengen-Messer (WLM) gemessen wird.

12. Verfahren zum Betrieb eines Luftmengenmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Richtung der Strömung durch einen Vergleich von Meßergebnissen des Wirbelstraßen-Luftmengen-Messers (WLM) und des Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messers (HLM) ermittelt wird.

13. Verfahren zum Betrieb eines Luftmengenmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Rückströmung oder während eines Entstehens einer Wirbelstraße nur der von dem Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmengen-Messer (HLM) gemessene Wert bei einer Bewertung berücksichtigt wird.