DE4124032A1

DE4124032A1 - Messelement

Info

Publication number: DE4124032A1
Application number: DE4124032A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Winter; Thomas Dipl Ing Schwegel; Bernd Dipl Ing Osswald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-01-21
Also published as: JPH05196486A; FR2679330A1; FR2679330B1; US5319971A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der An saugluft von Brennkraftmaschinen, der im Oberbegriff des Hauptan spruches definierten Gattung.

In solchen, auch als Heißfilm-Luftmassenmesser bekannten Vor richtungen bilden die Widerstandsbahnen von einem Temperaturfühler und einem Kompensationswiderstand einerseits und die Widerstandsbahn des Meßwiderstands andererseits zusammen mit zwei Abgleichwider ständen eine Wheatstonsche Brücke, deren Brückendiagonalspannung an einem Regelverstärker liegt. Die Ausgangsspannung des Regelver stärkers dient als Heizspannung für einen Heizwiderstand des Meß elements.

Bei einem bekannten Meßelement der eingangs erwähnten Art für die genannte Vorrichtung (DE 36 38 138 A1) ist die Verteilung der Wider standsbahnen auf dem Substrat so getroffen, daß die Widerstands bahnen parallel zueinander in Strömungsrichtung hintereinanderge reiht sind. Die Widerstandsbahn für den Kompensationswiderstand ist dabei zwischen der Widerstandsbahn für den Temperaturfühler und der Widerstandsbahn für den Meßwiderstand auf derselben Seite des Substrats und die Widerstandsbahn für den Heizwiderstand auf der anderen Seite des Substrats unmittelbar gegenüber der Widerstands bahn für den Meßwiderstand angeordnet. Die einzelnen Widerstands bahnen sind durch quer zur Strömungsrichtung verlaufende Schlitze im Substrat voneinander getrennt, wodurch eine Temperaturentkoppelung zwischen den einzelnen Widerstandsbahnen herbeigeführt wird. Durch diese Trennschlitze weist das Substrat drei gleich lange Finger auf, von welchen die in Strömungsrichtung ersten beiden Finger je eine Widerstandsbahn und der in Strömungsrichtung letzte Finger die Widerstandsbahn für den Meßwiderstand und den Heizwiderstand trägt.

Es hat sich gezeigt, daß die Kennlinie eines solchen Meßelements einen in einigen Bereichen ungünstigen Verlauf aufweist, deren Krümmung sich nicht gleichmäßig mit zunehmendem Massenstrom des Mediums ändert. Bereiche konstanter Steigung wechseln mit solchen veränderlicher Steigung.

Hervorgerufen wird diese Charakteristik durch die stromabwärts direkt hinter dem Meßwiderstand liegende Abströmfläche, an der die Strömung gestört wird. Hinter der Abströmfläche bildet sich ein Ablösungsgebiet aus, in dem instationäre Strömungsverhältnisse herrschen und das durch eine stabile Wirbelstraße, die Karmansche Wirbelstraße, gekennzeichnet ist. Eine durch den in den Wirbeln herrschenden Unterdruck entstehende, quer zur Hauptströmung oszillierende Strömung führt zu der erwähnten Verfälschung der Kennlinie.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Meßelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Meßelement eine Kennlinie mit konstant veränderlicher Krümmung bei zunehmendem Massenstrom des Mediums aufweist. Durch eine Meßelementverlängerung in Form eines zusätzlichen Fingers, der in Strömungsrichtung hinter dem Bereich des Meßwiderstandes angeordnet ist, liegt die Abström fläche an dem zusätzlichen Finger und um dessen Breite weiter vom Meßwiderstand entfernt. Die Einflüsse der Karmanschen Wirbelstrasse wirken nicht mehr auf den Bereich des Meßwiderstandes, so daß die Strömung in diesem Bereich annähernd störungsfrei verläuft.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Meßelement nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Meßelement.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Ein Heißfilm-Luftmassenmesser, der in Fig. 1 beispielhaft für eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums skizziert ist, weist ein Meßelement 1 auf, das in das strömende Medium, hier Luft, ragt und beispielsweise bei Brennkraft maschinen in einem Saugrohr oder in einem dazugehörigen Bypass an geordnet ist. Die Strömungsrichtung des Mediums ist mit einem Pfeil 2 gekennzeichnet. Das Meßelement 1 besteht aus einem rechteckigen Substrat 3, das quer zur Strömungsrichtung durch zwei parallel zu einer Anströmfläche 4 und einer Abströmfläche 5 verlaufende Schlitze 7, 8 in drei gleich lange Finger 9, 10, 11 unterteilt ist. Auf jedem der Finger 9, 10, 11 ist eine Widerstandsbahn 14 angeordnet, wobei der in Strömungsrichtung erste Finger 9 die Widerstandsbahn 14 für einen Temperaturfühler 15, der zweite Finger 10 die Widerstandsbahn 14 für einen Kompensationswiderstand 16 und der dritte Finger einer seits eine Widerstandsbahn 14 für einen Meßwiderstand 17 sowie andererseits eine Widerstandsbahn 14 für einen Heizwiderstand 20 auf der Oberfläche trägt. Der Temperaturfühler 15, der Kompensations widerstand 16 und der Meßwiderstand 17 sind auf ein- und derselben Seite des Substrats 3 angeordnet, während der Heizwiderstand 20 beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite liegt. Entlang der der geschlitzten Längsseite des Meßelementes 1 gegenüberliegenden Längsseite sind fünf Kontaktflächen 21 bis 25 aufgereiht, die mit Abstand voneinander auf der Oberseite des Substrates 3, die auch die Widerstandsbahnen 14 für den Temperaturfühler 15, Kompensations widerstand 16 und den Meßwiderstand 17 trägt, aufgebracht sind. Die Kontaktflächen 21 bis 25 sind über aufgedruckte Leiterbahnen 28 mit den einzelnen Widerstandsbahnen 14 verbunden, und zwar ist die Kon taktfläche 21 mit dem Temperaturfühler 15, die Kontaktfläche 22 mit dem Kompensationswiderstand 16 und dem Meßwiderstand 17, die Kon taktfläche 23 mit dem Meßwiderstand 17 und die beiden Kontaktflächen 24, 25 mit dem Heizwiderstand 20 verbunden. Außerdem verbindet eine Leiterbahn 28 den Temperaturfühler 15 mit dem Kompensationswider stand 16, die durch eine Kontaktfläche 26 abgegriffen werden kann. An den Kontaktflächen 21 bis 25 des Meßelements 1 sind die übrigen Schaltungsbauteile des Heißfilm-Luftmassenmessers gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Schaltplan angeschlossen. Dabei liegt die Reihen schaltung von Temperaturfühler 15 und Kompensationswiderstand 16 einerseits und der Meßwiderstand 17 andererseits mit zwei Wider ständen 29, 30 in einer Wheatstonschen Brückenschaltung, deren Brückendiagonalspannung an einen als Differenzverstärker ausge bildeten Regelverstärker 31 gelegt ist. Zur Stromversorgung der Wheatstonschen Brückenschaltung dient eine Gleichspannungsquelle 34. Die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 31 ist an den Heiz widerstand 20 gelegt.

Die Wirkungsweise des Heißfilm-Luftmassenmessers ist an sich bekannt und wird im folgenden kurz erläutert.

Durch den Ausgangsstrom des Regelverstärkers 31 erfolgt eine Auf heizung des Heizwiderstandes 20, wobei die Heizleistung an dem Heiz widerstand 20 im wesentlichen durch die Brückendiagonalspannung am Regelverstärker 31 bestimmt ist. Der Heizwiderstand 20, der in gutem Wärmekontakt mit dem Meßwiderstand 17 steht, wird damit auf eine weit oberhalb der Temperatur der strömenden Luft liegende Über temperatur gebracht. Ändert sich nun die das Meßelement 1 über strömende Luftmenge, so ändert sich aufgrund der veränderten kon vektiven Wärmeübertragung die Temperatur des Meßwiderstands 17, und die Wheatstonsche Brückenschaltung verstimmt sich. Der Regelver stärker 31 ändert daraufhin den Ausgangsstrom für den Heizwider stand 20. Über die geschlossene Regelschleife werden damit Änderungen des Meßwiderstandes 17 infolge einer ab- oder zufließen den Wärmemenge stets durch Änderungen der Heizleistung des Heiz widerstandes 20 kompensiert, so daß der Meßwiderstand 17 immer auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird. Der Heizstrom bzw. die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 31 ist damit ein Maß für die Masse der durchfließenden Luft. Temperaturschwankungen der strömenden Luft werden durch die Einschaltung von Temperaturfühler 15 und Kompensationswiderstand 16 ausgeglichen.

Wird das Substrat 3 in Richtung des Pfeils 2 angeströmt, trifft das Medium zuerst auf die stromaufwärts gerichtete Anströmfläche 4. In diesem Bereich bildet sich eine Anlaufstörung mit Wirbeln aus, so daß die Stromfäden nicht der Kontur des Meßelements 1 folgen. Nach einer kurzen Strecke klingen die Anlaufstörungen ab. Die Strömung legt sich an die Oberfläche des Meßelementes 1 an und ist im folgen den Bereich annähernd störungsfrei. Ab einer charakteristischen Geschwindigkeit bildet sich hinter der zwischen den Kanten 37 und 38 des Substrats 3 liegenden stromabwärts gerichteten Abströmfläche 5 ein Ablösungsgebiet in Form einer Karmanschen Wirbelstrasse aus, die eine periodische Ablösung von Wirbeln 35, 36 an den Kanten 37, 38 der Abströmfläche 5 bewirkt, wobei die Phasenlage der Wirbel 35, 36 um 180° gegeneinander verschoben ist, d. h. die Ablösung der Wirbel 35, 36 erfolgt abwechselnd z. B. an der Kante 37 und dann an der Kante 38. Durch den in den Wirbeln 35, 36 herrschenden Unterdruck bildet sich ein oszillierender Fluidstrom 39 in Richtung der Unter druckgebiete aus, der entsprechend der Lage der Wirbel 35, 36 ab wechselnd in Richtung der Kante 37 oder in Richtung der Kante 38 fließt und insbesondere die Strömungsverhältnisse im Bereich des Meßwiderstandes 17 beeinflußt. Infolge dieser lokalen Störung ändert sich auch der konvektive Wärmeübergang im Bereich des Meßwider standes 17, wodurch es zu einer Verfälschung der Meßwerte kommt.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Meßelement. Gegen über dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind gleichbleibende und gleichwirkende Bauteile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten drei Fingern 9, 10, 11 mit den Widerstandsbahnen 14 ist in Strömungsrichtung hinter dem Finger 11, der den Meßwiderstand 17 trägt eine Meßelementverlängerung in Form eines vierten Fingers 41 angeordnet, der keine Widerstands bahnen trägt und durch einen Schlitz 42, der parallel zu den Schlitzen 7, 8, 9 verläuft, vom dritten Finger 11 getrennt ist. Durch diese Anordnung ist die Abströmfläche 5 um die Breite des Fingers 41 weiter entfernt von dem Meßwiderstand 17.

Durch die Verlagerung der Abstromfläche 5 stromabwärts bilden sich die störenden Wirbel 35, 36 nicht mehr unmittelbar in Strömungs richtung hinter dem Meßwiderstand 17 sondern erst stromabwärts des vierten Fingers 41 aus. Somit bleibt die Strömung in der Nähe des Meßwiderstandes 17 annähernd störungsfrei.

Claims

Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft von Brennkraftma schinen mit wenigstens einer dem strömenden Medium ausgesetzten, als Meßwiderstand dienenden, temperaturabhängigen Widerstandsbahn und mit einem die wenigstens eine Widerstandsbahn tragenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Meßwiderstandes (17) das Substrat (3) einen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Schlitz (42) aufweist, der einen den Meßwiderstand (17) tragenden Finger (11) des Substrats (3) gegenüber einem weiteren Finger (41) des Substrats (3) begrenzt.