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Dokumentenidentifikation DE2954202C2 03.09.1987
Titel Elektrisches Widerstands-Meßelement zur Durchsatzmessung von Luftströmungen
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Oyama, Yoshishige;
Yamauchi, Teruo, Katsuta, JP;
Fujieda, Mamoru, Ibaraki, JP;
Nishimura, Yutaka, Katsuta, JP;
Sasayama, Takao;
Sakamoto, Shinichi, Hitachi, JP;
Moriya, Hisanori;
Atago, Takeshi;
Sato, Kanemasa, Katsuta, JP;
Hoshi, Yoshikazu, Ibaraki, JP;
Ueno, Sadayasu;
Otani, Tadahiko;
Kashiwaya, Mineo, Katsuta, JP
Vertreter Beetz sen., R., Dipl.-Ing.; Beetz jun., R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Timpe, W., Dr.-Ing.; Siegfried, J., Dipl.-Ing.; Schmitt-Fumian, W., Privatdozent, Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 09.04.1979
DE-Aktenzeichen 2954202
File number of basic patent 29142754
Offenlegungstag 18.10.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.09.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.09.1987
IPC-Hauptklasse G01P 5/12
IPC-Nebenklasse G01F 1/68   G01F 5/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft elektrische Widerstands-Meßelemente zur Durchsatzmessung von Luftströmungen der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Gattungen.

Aus der US-PS 38 24 966 ist ein Durchflußmesser für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem als eigentliches Meßinstrument ein dünner blanker Metalldraht quer im Luftstrom des Lufttrichters gespannt ist. Die Ansaugluft übt eine ihrem Durchsatz entsprechende Kühlwirkung auf den Draht aus, die eine Änderung des elektrischen Widerstandes und damit eine Änderung des Stromflusses bzw. der Spannung zur Folge hat. Dieser im Lufttrichter frei gespannte Widerstandsdraht unterliegt erheblichen mechanischen und thermischen Beanspruchungen z. B. bei Fehlzündungen der Brennkraftmaschine, die seine Lebensdauer verkürzen. Darüber hinaus können sich auch Staub und sonstige im Luftstrom enthaltene Partikel an diesem Draht anlagern, was zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führt.

Aus der US-PS 19 02 427 ist ein Meßelement der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung bekannt, dessen hohlzylindrischer Keramik-Tragkörper sich diametral durch ein Meßrohr erstreckt und mit seinen jeweils verdickten Enden direkt in der Meßrohrwandung eingespannt ist. Auf diesem Tragkörper befindet sich eine schraubenlinienförmige Wicklung aus einem Heizdraht und einem gesonderten Meßdraht, die sich über nahezu die gesamte Länge des Tragkörpers erstreckt. Mit den Enden des Meß- und Heizleiters sind gesonderte Anschlußdrähte elektrisch leitend verbunden, die durch Radialbohrungen im Tragkörper in dessen Hohlraum eingeführt sind und sich durch abdichtende Endstopfen hindurch nach außen erstrecken. Eine zylindrische Isolierstoffschicht umgibt den Tragkörper mit den beiden Heiz- und Meßdrähten und schützt diese gegen mechanische und thermische Beanspruchungen. Der Tragkörper besteht aus einem thermisch sensitiven Material und wird elektrisch bis auf eine Temperatur oberhalb der des zu messenden Gases erwärmt. Die durch das strömende Medium hervorgerufene Abkühlung des Tragkörpers wird mit Hilfe des Meßdrahtes und einer Wheatstoneschen Brückenschaltung erfaßt und bildet ein Maß für den Gasdurchsatz im Meßrohr. Diese bekannte Meßvorrichtung hat eine Reihe von Nachteilen. So kann sie in mechanisch höher beanspruchten Systemen, z. B. im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine, nicht eingesetzt werden, weil die auftretenden Schwingungen und Vibrationen direkt auf den in den Wänden des Meßrohrs starr befestigten spröden Tragkörper und damit auch auf die empfindlichen Heiz- und Meßdrähte übertragen werden, was deren frühzeitige Zerstörung zur Folge hat. Ferner ist das Aufbringen und Fixieren der für dieses Meßsystem erforderlichen zwei gesonderten Drahtwicklungen incl. der Anschlußleiterpaare auf sehr kleinen Tragkörpern von nur einigen Millimetern Länge praktisch nicht möglich.

Seit längerem werden zur Temperaturmessung auch Halbleiter-Widerstandselemente (Thermistoren) als Heiß- und Kaltleiter eingesetzt, bei denen die Leitfähigkeit mit höheren Temperaturen exponentiell zunimmt (vgl. Handbuch der industriellen Meßtechnik, Vulkan-Verlag, 1974, S. 516 bis 519). Die aufgrund ihrer günstigeren Widerstandskennlinie bevorzugt verwendeten Heißleiter bestehen in der Regel aus Mischungen von zu Kügelchen, Plättchen und Stäbchen gesinterten Metalloxiden. Nachteilig wird jedoch allgemein die hohe Streuung der Materialkonstanten angesehen, die nur auf aufwendige Weise durch temperaturabhängige Widerstandsmeßwerte kompensiert werden kann. Diese Nachteile standen bisher einer Anwendung von Halbleiter- Widerstandselementen zur Durchsatzmessung der Luftströmung im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine entgegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, elektrische Widerstands-Meßelemente zur Durchsatzmessung von Luftströmungen zu schaffen, die aufgrund ihrer kleinen Abmessungen und robusten Bauweisen in einen schmalen Zweigkanal im mechanisch und thermisch hochbeanspruchten Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine eingebaut werden können und deren Meßergebnisse nur mit kleinen von thermischen Nebeneinflüssen herrührenden Meßfehlern behaftet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst.

Bei der Lösung nach Patentanspruch 1 hat die feste Verbindung der Anschlußdrähte einerseits mit dem Widerstandsdraht sowie daneben mit dem Tragkörper und andererseits mit der in der Wandung des Strömungskanals befestigten Halterung die Wirkung, daß die Anschlußdrähte neben ihrer Funktion als elektrische Heiz- und Meßstrom-Leiter auch die Tragfunktion für die Festlegung des Meßelements im Strömungskanal übernehmen. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Anschlußdrähte würden die vom Betrieb der Brennkraftmaschine herrührenden Schwingungen und die von Straßenunebenheiten auf das Kraftfahrzeug übertragenen harten Stöße nur stark vermindert auf das - gewissermaßen federnd aufgehängte - Meßelement, was dessen Lebensdauer und Betriebszuverlässigkeit bei gleichbleibend hoher Meßgenauigkeit vorteilhaft erhöht. Die bisher nicht erreichte hohe Meßgenauigkeit auch unter schwierigen thermodynamischen Betriebsbedingungen wird erfindungsgemäß u. a. bewirkt durch die Anordnung des Meßelements nur im Mittelbereich des Zweig-Strömungskanals, weil in diesem Kanalbereich die Luftströmung am intensivsten ausgeprägt ist und sich somit Strömungsänderungen am besten erfassen lassen. Die Anordnung des Meßelementes im Mittelbereich des Zweigkanals entzieht dem Meßelement auch die Wärmeeinflüsse durch die ggf. wechselhaft erwärmten Wandungen des Zweigkanals. Als weiterer Vorteil ermöglicht die Verwendung nur eines Widerstandsdrahtes als Heiz- und Meßleiter eine Miniaturisierung des Meßelementes, dessen Tragkörper aufgrund seiner Halterung sicher und stabil in einem Zweigkanal von entsprechend kleinem Durchmesser, z. B. in einem Bypaßkanal eines Lufttrichters, angeordnet werden kann. Der sehr dünne Widerstandsdraht bewirkt ein äußerst schnelles Ansprechvermögen des Meßelements, so daß sich bei Änderungen der Ansaugluftmengen nur sehr geringe Signalverzögerungen von wenigen ms ergeben.

Eine besonders widerstandsfähige Befestigung der beiden Anschlußdrähte an den stirnseitigen Enden des hohlzylindrischen Tragkörpers ergibt sich gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung durch an den Enden der Anschlußdrähte angeformten Ansätzen, die in den Innenraum des hohlzylindrischen Tragkörpers eingesteckt und festgelötet sind, wobei an den Stirnkanten des Tragkörpers je ein Ringwulst des Anschlußdrahtes anliegt, an dem auch der Widerstandsdraht angeschweißt ist.

Ein wirksamer Schutz gegen Beschädigungen insbesondere der Verbindungsbereiche zwischen dem Tragkörper und den Anschlußdrähten incl. der Schweißstellen des Widerstandsdrahtes wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß eine widerstandsfähige Schutzschicht nicht nur auf dem die Drahtwicklungen enthaltenden Bereich des Tragkörpers, sondern auch über dessen Enden, über die Ringwulste und die Schweißstellen aufgebracht ist.

Eine besonders günstige Anordnung des Meßelements im Zeigkanal läßt sich dadurch erreichen, daß die freien äußeren Enden der Anschlußdrähte über Bimetallplättchen oder -drähte mit Elektroden verschweißt sind, welche an der Isolierstoff-Halterung befestigt und mit der äußeren Steuerschaltung verbunden sind.

Die im Patentanspruch 5 angegebene Lösung der Erfindungsaufgabe hat vergleichbare Wirkungen mit der des Patentanspruchs 1 und bietet den weiteren Vorteil einer besonders günstigen Großserien-Fertigung durch Anwendung der Planartechnik sowie ggf. auch einer längeren Lebensdauer des Meßelementes aufgrund der hochfesten Haftung der Leiterschicht und der Anschlußleiter auf dem Tragkörper.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 im Axialschnitt einen Lufttrichter mit Bypaßkanal und daran angeordnetem Meßelement;

Fig. 2 im Axialschnitt ein Meßelement mit dem hohlzylindrischen Tragkörper, dem aufgewickelten Widerstandsdraht und den stirnseitig befestigten Anschlußdrähten;

Fig. 3 in Seitenansicht einen Teil des Tragkörpers und im Schnitt eine der Tragkörper-Halterungen;

Fig. 4 ein anderes Meßelement in perspektivischer Darstellung.

Im folgenden wird das Funktionsprinzip des Hitzdraht-Meßelements kurz erläutert. Die elektrische Kennlinie des Heiz- und Meßdrahtes ändert sich mit dem Durchsatz oder der Geschwindigkeit der Luftströmung. Der diesen Draht durchfließende Strom wird von einer Steuerschaltung so eingestellt, daß die Temperatur und damit der Widerstandswert des Heiz- und Meßdrahtes konstant bleiben. Infolgedessen hat der Strom zum Luftdurchsatz eine durch die Kingsche Gleichung bestimmte Beziehung, so daß die strömende Luftmenge durch Erfassen des Stromes gemessen werden kann. Alternativ kann jedoch auch eine Luftmengenmessung mit konstanter Stromstärke angewandt werden, was jedoch mit einem längeren Ansprechvermögen verbunden ist.

Nach Fig. 1 ist ein Lufttrichter 7 mit einer Ansaugleitung 8 verbunden, in der eine Primär-Drosselklappe 8A und eine Sekundär-Drosselklappe 8B angeordnet sind und in die Kraftstoff durch eine Einspritzvorrichtung stromab der Primär-Drosselklappe 8A eingespritzt wird. Ein geringer Teil der angesaugten Luft strömt in Richtung der Pfeile in Fig. 1 durch einen Bypaßkanal 10, der in dem den Lufttrichter 7 enthaltenden Bauteil 7A ausgebildet ist. Die durch den Bypaßkanal 10 strömende Luft tritt in den Lufttrichter 7 durch eine Ringöffnung 11 aus, die in der Trichterinnenwand eingeschnitten ist, da zwischen der Einströmöffnung des Bypaßkanals 10 und der Ringöffnung 11 eine Druckdifferenz besteht. Zum Schutz eines im Bypaßkanal 10 angeordneten Meßelements 2 gegen Staubablagerungen ist die Einströmöffnung des Bypaßkanals 10 durch einen Staubschutzdeckel 12 abgedeckt. Im Bypaßkanal sind ferner ein Leitglied 22, ein Distanzstück 10A und ein Drosselglied angeordnet.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist ein hohlzylindrischer Tragkörper 42 z. B. aus Glas oder Keramik stirnseitig mit je einem Anschlußdraht 44 z. B. aus einer Platin-Iridium-Legierung (sog. Zweimetalldraht, "dumet wire") befestigt. Jeder Anschlußdraht 44 hat an seinem Ende einen Ansatz 44A von geringfügig kleinerem Durchmesser als der Innendurchmesser des Tragkörpers 42 sowie einen daran anschließenden Ringwulst 44B von etwas größerem Durchmesser als der Tragkörper 42. Der Ansatz 44A ist in den Innenraum des hohlzylindrischen Tragkörpers 42 eingesetzt und der Anschlußdraht 44 ist mit dem Tragkörper 42 durch Löten oder durch eine Schmelzverbindung fest verbunden. Ein dünner Heiz- und Meßdraht 45 aus z. B. Platin, einer Ni-Cr- oder einer Wo- Ag-Legierung ist schraubenlinienförmig um die Zylinderfläche des Tragkörpers 42 gewickelt. Jedes Ende dieses Heiz- und Meßdrahtes 45 ist an einer Stelle S z. B. durch Punktschweißen mit dem jeweiligen Anschlußdraht 44 verbunden. Bevorzugt ist die Oberfläche des Tragkörpers 42, des Heiz- und Meßdrahtes 45 und jeweils ein Endteil der Zuleitung 44 mit einem anorganischen Isolierstoff, z. B. Glas, beschichtet, der wärme-, feuchtigkeits- und oxidationsfest ist. Die Anschlußdrähte 44 und der hohlzylindrische Tragkörper 42 haben praktisch den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, weil der den Zuleitungsdraht 44 berührende Teil des Tragkörpers 42 gegen hohe Wärmespannung geschützt werden muß, welche aus wiederholten Temperaturänderungen im Motorbetrieb resultieren und eine Beschädigung des Meßelements 2 hervorrufen können.

Gemäß Fig. 3 sind die Anschlußdrähte 42 über eine durch Druckschweißen von zwei Metallplättchen hergestellte Verbundmetallplatte 47 mit einer Elektrode 34 leitend verbunden und an einer wärmeisolierenden Halterung 30 festgelegt. Die Verbundmetallplatte 47 besteht aus einem oberen Metallplättchen 48, z. B. aus Platin, Wolfram oder rostfreiem Stahl, und aus einem unteren Metallplättchen 50 z. B. aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder nickelplattiertem Eisen. Die Zuleitungen 44 sind jeweils mit der Verbundmetallplatte 47 punktverschweißt. Das untere Plättchen 50 ist auf der Elektrode 34 aus Kupfer oder nickelplattiertem Aluminium aufgelötet. Die Verbundmetallplatte kann durch einen Zweimetalldraht (dumet wire) ersetzt werden.

Das in Fig. 4 dargestellte Meßelement weist einen Heißleiter 70 auf, der aus einer in Planartechnik hergestellten gesinterten Schicht aus vorzugsweise Platin oder Silber besteht. Der Heißleiter 70 ist auf einer Trägerplatte 73 aus Keramik oder Glas ausgebildet und seine Enden sind mit Elektroden 71, 72 elektrisch verbunden. Eine wärmeisolierende Halterung 74besteht z. B. aus Keramik oder einem geeigneten Kunstharz. Bevorzugt werden die Trägerplatte 73 und die Halterung 74 als Einheit ausgebildet. Die Elektroden 71 und 72 sind in die Halterung 74 eingebettet und mit äußeren Anschlüssen 71A und 72A verbunden. Ein breiter Pfeil bezeichnet die Richtung der Luftströmung. Die Halterung 74 wird zweckmäßig in eine Durchgangsbohrung in der Wand des Bypaßkanals 10 so eingesetzt, daß der Heißleiter 70 in der Kanalmitte liegt.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrisches Widerstands-Meßelement zur Durchsatzmessung von Luftströmungen, insbesondere zur Durchsatzmessung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, das quer zum Luftstrom in einem Strömungskanal angeordnet ist,

    1. - mit einem langgestreckten Tragkörper aus einem warmfesten Isolierstoff,
    2. - mit einem auf dem Tragkörper fest angeordneten elektrischen Meßleiter, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert,
    3. - mit einer in der Wandung des Strömungskanals befestigten Halterung und
    4. - mit metallischen Anschlußdrähten, die mit den Enden des Meßleiters elektrisch leitend verbunden und an eine außerhalb des Strömungskanals befindliche elektrische Meßschaltung anschließbar sind,


  2. dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (42) mittels der Anschlußdrähte (44) im Mittelbereich eines den Strömungskanal bildenden Zweigkanals (10) im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine positionierbar und mit seinen Stirnseiten an den im Luftstrom freiliegenden Endabschnitten der beiden Anschlußdrähte (44) befestigt ist.
  3. 2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschlußdraht (44) an seinem einen Ende einen in den hohlzylindrischen Tragkörper (42) eingreifenden Ansatz (44A) aufweist.
  4. 3. Meßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende jedes Anschlußdrahtes (44) mit einem an der Halterung (30) befestigten Leiter (34) fest verbunden ist.
  5. 4. Meßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Meßleiter ein spiralförmig auf dem Tragkörper angeordneter elektrischer Widerstandsleiter ist, der zumindest teilweise von einer Isolierbeschichtung überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem jeweiligen Anschlußdraht (44) elektrisch leitend verbundenen Enden des spiralförmigen Widerstandsleiters (45) von der Isolierstoffbeschichtung (46) mit überdeckt sind.
  6. 5. Elektrisches Widerstands-Meßelement für die Durchsatzmessung von Luftströmungen, insbesondere zur Durchsatzmessung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, das quer zum Luftstrom in einem Strömungskanal angeordnet ist,

    1. - mit einem Tragkörper aus warmfestem Isolierstoff,
    2. - mit einem auf dem Tragkörper fest angeordneten elektrischen Meßleiter, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert,
    3. - mit einer in der Wandung des Strömungskanals befestigten Halterung und
    4. - mit metallischen Anschlußleitern, die mit den Enden des Meßleiters elektrisch leitend verbunden und an eine außerhalb des Strömungskanals angeordnete elektrische Meßschaltung anschließbar sind,


  7. dadurch gekennzeichnet,

    daß der Tragkörper eine Trägerplatte (73) ist,

    daß der Meßleiter (70) im Mittelbereich eines den Strömungskanal bildenden Zweigkanals (10) im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine positionierbar und als platinhaltige Schicht auf der Trägerplatte (73) ausgebildet ist und

    daß die Anschlußleiter (71, 72) auf der Trägerplatte (73) verlaufen und in der aus einem wärmeisolierenden Werkstoff bestehenden Halterung (74) eingebettet sind.
  8. 6. Meßelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßleiter als Platin-Dickschicht auf der Trägerplatte (70) aufgesintert ist.
  9. 7. Meßelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (73) und die Halterung (74) als eine Baueinheit ausgebildet sind.
  10. 8. Meßelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Platinschicht (70) in Richtung der Luftströmung verläuft.






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