ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК G01F1/68 

Изобретение касается измерительного элемента устройства для определения массы поточной среды, в частности засасываемого воздуха двигателей внутреннего сгорания в соответствии с идеей главного пункта патентной формулы.

Известно устройство (DE-OS 36 38 137), у которого сопротивления и жильные линии нанесены на носитель, так называемый субстрат. В таких устройствах, именуемых также воздухомерами, измерительное и компенсирующее сопротивление со своим заданным сопротивлением вместе с двумя уравнительными сопротивлениями образуют мостик Уитстона, диагональное напряжение которого лежит на регулирующем усилителе. Выходное напряжение регулирующего усилителя служит для настройки сопротивления накала. Мощность накала рассчитана таким образом, что измерительное сопротивление имеет постоянную температуру, причем мощность сопротивления накала является мерой массы поточной среды.

У названного устройства субстрат удерживается в креплении с диаметром одной стороны и вырезом разделяется на два выступа. Вырез ориентирован поперек направления потока и проходит, начиная от свободной, обращенной от крепления, торцевой поверхности, от первого и второго выступа вблизи крепления, причем ширина выреза примерно соответствует толщине субстрата. Первый выступ своей обтекаемой поверхностью противостоит потоку, а на своей оборотной стороне несет компенсирующее сопротивление. На передней стороне второго выступа предусмотрено сопротивление накала, а на оборотной стороне - измерительное сопротивление.

При замере массы на участке засасывания двигателя внутреннего сгорания имеют место колебания потока, вызываемого открыванием и закрыванием впускных клапанов отдельных поршней. Сила колебания потока или пульсации его скорости зависит от частоты всасывания отдельных поршней. Колебания потока значительно ухудшают результат замеров устройства первоначально названного вида, в частности, при сильных колебаниях потока с частичным обратным течением в измеряемом канале.

Преимущества изобретения.

Измерительный элемент, согласно изобретению с отличительными признаками главного пункта формулы имеет то преимущество, что почти независимо от колеблющегося потока достигается равномерный точный результат измерения. В частности, по сравнению с известными до сих пор измерительными элементами значительно улучшен результат измерений при сильных колебательных потока с частичным обратным течением.

Путем мер, указанных в подпунктах формулы изобретения, возможны другие удачные модификации и усовершенствования измерительного элемента, указанного в главном пункте.

Пример исполнения изобретения упрощенно изображен на чертеже и более подробно пояснен в последующем описании.

Фиг. 1 дает пример электрической схемы изобретения;
Фиг. 2 - измерительный элемент согласно изобретению, вид спереди.

Фиг. 3 - измерительный элемент согласно фиг. 2, вид сзади.

Описание примера исполнения.

На фиг. 1 показана в перспективе трубка 1, через которую проходит среда. Направление потока среды отмечено стрелкой 2. Трубка 1 может быть, например, всасывающей трубкой, по которой воздух поступает в двигатель внутреннего сгорания. В трубку 1 и в поточную среду помещены четыре сопротивления. Температурозависимое сопротивление служит для замера массы поточной среды и далее обозначено как сопротивление R_S. Другие сопротивления, в составе которых сопротивление накала R_H, температурозависимое компенсирующее сопротивление R_K и заданное сопротивление R₁, установлены в поточной среде.

Указанные сопротивления R_S, R_H, R_K и R₁ - являются частью схемы сопротивлений, образующей мостик Уитстона, которая дополняется двумя уравнительными сопротивлениями, обозначенными далее индексами R₂ и R₃. Схема 3 сопротивлений может быть реализована не только схемой Уитстона, но и с помощью других измерительных или аналогичных мостовым схем.

Начиная от базовой точки 5, соответственно на одном ответвлении моста последовательно подключены сопротивления R₂, R_K и R₁ или R₃ и R_S. Замыкался мост в точке 6, причем линии питания сопротивлений R₁ и R_S сводятся вместе в точке 6. Диагональное напряжение моста подается на регулирующий усилитель 7. Усилитель 7 может быть выполнен как дифференциальный усилитель. Соединительный провод регулирующего усилителя 7 соединен с точкой 9 первого ответвления моста с сопротивлениями R₁, R₂ и R_K. Другой провод усилителя 7 соединен в точке 10 второго ответвления моста с сопротивлениями R₃ и R_S. Выходная величина регулирующего усилителя 7 в точке 11 подается на сопротивление накала R_H, другой питающий провод которого соединен с точкой 6, так что в целом образуется замкнутая регулировочная петля. Между точкой 6, нулевым проводом и базовой точкой 5 схема 3 сопротивлений соединена с источником постоянного напряжения, который дает выходное напряжение U_K, необходимое для работы измерительного элемента или схемы 3 сопротивлений.

Способ действия воздухомера для определения массы поточной среды, в частности, засасываемого воздуха двигателей внутреннего сгорания, сам по себе известен и в последующем будет пояснен только кратко. Путем использования выходного тока регулирующего усилителя 7 происходит нагрев сопротивления R_H, накала причем отданная мощность накала сопротивления R_H определена в основном диагональным напряжением моста на регулирующем усилителе 7. Сопротивление накала R_H, находящееся в хорошем тепловом контакте с измерительным сопротивлением R_S, доводится до сверхтемпературы, значительно более высокой, чем температура поточной среды. Если теперь изменится проходящая через трубку 1 масса среды, то вследствие измененной конвективной теплоотдачи изменится температура измерительного сопротивления R_S и расстроится схема 3 сопротивлений, так как измерительное сопротивление в большой степени зависимо от температуры. Затем регулирующий усилитель 7 сопротивлением накала R_H меняет ток. Посредством замкнутой регулирующей петли постоянно компенсируются изменения (отклонения) измерительного сопротивления R_S из-за подходящего или отходящего количества тепла путем изменения модности сопротивления накала R_H, так что сильно температурозависимое измерительное сопротивление R удерживается на постоянной температуре или на константной величине сопротивления. Ток нагрева или выходное напряжение U_A регулирующего усилителя 7 является, следовательно, величиной массы поточной среды. Компенсирующее сопротивление R_K вместе с последовательно подключенным заданным сопротивлением R₁ способствует тому, что выходное напряжение U_A регулирующего усилителя 7 не зависит от температуры поточной среды.

Не нужно подвергать воздействию поточной среды уравнительное сопротивление R₂, находящееся между базовой точкой 5 и точкой 9, и такое же сопротивление R₃ между точками 5 и 10. Однако выгодно, если располагать сопротивления R₂ и R₃ в максимально тесном тепловом контакте, чтобы избежать установления узких допусков температурных коэффициентов сопротивлений R₂ и R₃.

Как показано на фиг. 2 и 3, сопротивления R_H, R_S, R_K, R₁ располагаются в форме тонких прямоугольных слоев на пластинообразном субстрате 15, который служит носителем. Сопротивление начала R_H измерительное R_S и компенсирующее R_K сопротивления выполнены преимущественно как непроволочные или пленочные. Заданное сопротивление R₁ выполнено преимущественно как толстослойное. С помощью (меандрических прорезей на поверхности отдельных слоев сопротивлений можно индивидуально регулировать их величину). Слой измерительного сопротивления R_S и слой компенсирующего сопротивления R_K преимущественно путем лазерного резания можно снабдить меандрическими структурами. В качестве материала для слоев сопротивлений пригодна платина.

Пластинообразный субстрат 15 имеет примерно прямоугольную форму и с одной стороны прикреплена напр., к торцевой поверхности 33 на участке крепления 25. Для крепления субстрата 15 можно предусмотреть, например, дополнительный держатель на трубке 1, чтобы ориентировать субстрат 15 по возможности в середину трубки 1, так что субстрат (15) будет обтекаем, не подвергаясь влияниям потока по краям.

Субстрат 15 имеет вырез 50, который делит субстрат 15 на два выступа, причем первый выступ 40 развернут в направлении 2 потока, а второй (41) обращен от него. Вырез 50 проходит, начиная от свободной, обращенной от участка крепления 25, торцевой поверхности 30 первого выступа 40, или от свободной торцевой поверхности 31 второго выступа 41 преимущественно вблизи участка крепления 25. Первый выступ 40 обтекаемой поверхностью противостоит направлению 2 потока. Это направление 2 на фиг. 2 отмечено стрелкой 2. Обтекаемая поверхность 28 субстрата 15 соединена с закрепленной торцевой поверхностью 33 и свободной торцевой 30 первого выступа 40, которые обе идут в направлении 2 потока. Первый выступ 40 частично ограничен обтекаемой поверхностью 28, закрепленной торцевой 33 и свободной торцевой поверхностью 30, а также боковой поверхностью 44 первого выступа 40, который на удалении от обтекаемой поверхности 28 соединяется со свободной торцевой поверхностью 30 и ориентирован как обтекаемая 28 поперек направления 2 потока.

Второй выступ 41 имеет обтекаемую поверхность 29, проходящую поперек потока и обращенную от направления 2 потока. Обращенная от участка крепления 25, свободная торцевая поверхность 31 второго выступа 41 соединяется с обтекаемой поверхностью 29 в направлении 2 потока. Второй выступ 41 частично отделен обтекаемой поверхностью 29, закрепленной торцевой поверхностью 33 и свободной торцевой 31, а также боковой поверхностью 45, которая на удалении от обтекаемой поверхности 29 соединяется с торцевой поверхностью 30 и как обтекаемая поверхность 29 ориентирована поперек направления 2 потока.

Боковая поверхность 44 первого выступа 40 проходит, начиная от свободной торцевой поверхности 30, насквозь по меньшей мере, частично через середину субстрата 15, а боковая поверхность 45 второго выступа 41 идет примерно до середины субстрата 15, так что, начиная от соответствующих концов, конечными точками 47, 48 боковых поверхностей 44, 45 проходящая дугообразно или по кривой поверхность 46 соединяет вместе обе конечных точки 47, 48, чтобы совместно с боковыми поверхностями 44, 45 разграничить вырез 50. Преимущественным образом оба выступа 40, 41 или по меньшей мере одно из них, начиная от соответствующих конечных точек 47, 48 в направлении участка крепления 25, имеют замеренное в направлении 2 потока постоянное расширение, чтобы повысить статическую и в частности динамическую прочность отдельных выступов 40, 41. Измерительный элемент согласно изобретению выглядит поэтому внешне габаритно и нечувствительно к знакопеременному возбуждению, которое возникает, например, в измерительном процессе двигателя внутреннего сгорания, и к ударному возбуждению, происходящему при изготовлении или монтаже данного элемента. Для простоты производства выреза 50 обе боковые поверхности 44, 45 могут быть выполнены с таким же прохождением поперек направления 2 потока, причем соединительная поверхность 46, связующая друг с другом обе конечных точки 47, 48, ради простоты исполнения проходит прямолинейно в направлении 2 потока, как показано штриховой линией, так что вырез 50 имеет прямоугольную форму. Боковые поверхности 44, 45 могут быть тоже выполнены так, что они в направлении участка крепления 25 будут сходиться друг с другом под небольшим наклоном.

Согласно изобретению первый выступ 40 и вырез 50 имеют соответственно ширину в направлении 2 потока, которая соответствует, минимально 30% и максимально 50% общей ширины субстрата 15, измеренной в направлении 2 потока, которая состоит из ширины первого выступа 40, ширины выреза 50 и ширины второго выступа 41 в направлении 2 потока, причем ширина второго выступа 41 будет составлять по меньшей мере 10% общей ширины субстрата 15. Начиная от торцевой поверхности 30 или от торцевой поверхности 31, вырез 50 проходит преимущественно далее в направлении участка крепления 25 в качестве предусмотренного измерительного сопротивления R_S, которое нанесено на второй выступ 41 в форме прямоугольного слоя. Относительное широкое, согласно изобретению, расположение выреза 50 снижает погрешности измерений элемента при пульсирующем потоке, характеризуемом его колебаниями. Часто колебания скорости потока или величины его пульсаций приобретают такую силу, что в измерительном канале возникают частично обратные потоки среды.

При пульсирующем потоке без обратных течений конвективная теплопередача измерительного сопротивления R_S зависит главным образом от силы пульсации потока, причем постоянно изменяющаяся термическая инертность измерительного элемента не полностью позволяет производить точный замер имеющейся в данным момент сильно меняющейся скорости потока. Напротив, путем сообщающегося перехода тепла в поток отмечен слишком малый поток материала. В целях компенсации погрешностей измерений вследствие термической инертности служит относительно широкий вырез 50 в сочетании с относительно широким, стоящим против потока, первым выступом 40. Из-за выступа 40 происходит известным образом ограничение потока, так что идущее в направлении потока 2 измерительное сопротивление R_S по меньшей мере частично, лежит в аэродинамической тени первого выступа 40, так что в зависимости от пульсации потока меняется обтекание и конвективная теплопередача измерительного сопротивления R_S, чтобы целенаправленно противодействовать термической инертности измерительного элемента.

При сильно пульсирующем потоке с частичным обратным течением, в частности при исполнении измерительного элемента с относительно узким вырезом, есть завышение показаний потока материала вследствие дополнительно обратнотекущей массы. Путем относительно широкого выреза 50, согласно изобретению, в сочетании с первым, относительно широким, выступом 40 можно и при возникающих обратных потоках в измерительном канале достичь четкого улучшения результата измерений. Путем широкого выреза 50 по сравнению с относительно узким шлицем (вырезом) образуется меньшая толщина граничного слоя вдоль слоя измерительного сопротивления R_S, так что завышение показаний измерительного элемента при обратном течении соответственно понижается благодаря этой меньшей толщине граничного слоя.

Для подсоединения измерительного элемента, например, на участке крепления 25 на субстрат 15 нанесены контактные поверхности 55, 56, 57 и 58, которые посредством образованных на субстрате 15 соединений сопротивлений в форме жильных линий 36 связаны с сопротивлениями R₁, R_K, R_H и R_S. Контактная поверхность 55 соединена с компенсирующим сопротивлением R_K и точкой 9, указанной на фиг. 1. Контактная поверхность 56 соединена с заданным сопротивлением R_I, а также с точкой 6. Контактная поверхность 57 соединена с измерительным сопротивлением R_S и точкой 10, а контактная поверхность 58 соединена с сопротивлением R_H накала и в точке 11 с выходом регулирующего усилителя 7.

Как показано на фиг. 2, слой компенсирующего сопротивления R_K нанесен на переднюю сторону 16 субстрата 15 на первом выступе 40, вблизи торцевой поверхности 30, причем прямоугольный слой компенсирующего сопротивления R_K проходит в направлении участка крепления 25 примерно до конечной точки 48 боковой поверхности 45. Соответствующим образом на передней стороне 16 второго выступа 41 вблизи торцевой поверхности 31 нанесено измерительное сопротивление R_S, прямоугольный слой которого идет в направлении участка крепления 25 примерно до конечной точки 48 боковой поверхности 45. Как изображено на фиг. 3, напротив измерительного сопротивления R_S на оборотной стороне 17 субстрата 15 на втором выступе 41 помещен прямоугольный слой сопротивления R_H накала, который, проходит вблизи торцевой поверхности 31 примерно до конечной точки 48 боковой поверхности 45 или же несколько дальше. Сопротивление накала R_H, например, может находиться изолированно на участке выступа 41, перекрытом измерительным сопротивлением R_S, чтобы получить возможно большее эффективное связывание обоих сопротивлений R_H и R_S, вернее, эффективное термическое связывание. Большое удаление участка крепления 25 понижает образующийся от сопротивления накала R_H к участку 25 тепловой поток, который снижает скорость срабатывания измерительного элемента относительно массы поточной среды.

Прямоугольный слой заданного сопротивления R₁ нанесен, например, на передней стороне 17 субстрата 15 на промежуточном участке между соединительной поверхностью 46 и участком крепления 25.

Изобретение предназначено для использования в устройствах для измерения массы потока, преимущественно сильнопульсирующего воздушного потока с частичным обратным течением на участке всасывания двигателей внутреннего сгорания. Измерительный элемент включает в себя подложку с участком ее крепления, разделенную вырезом на два выступа. Вырез и первый выступ, обращенный к потоку, имеют в направлении потока ширину, составляющую не менее 30% и не более 50% общей ширины подложки. На втором выступе размещен слой температурозависимого измерительного сопротивления, в частном случае выполнения также слой нагревательного сопротивления. Изобретение обеспечивает высокую точность измерений. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Измерительный элемент устройства для определения массы потока среды, в частности засасываемого воздуха двигателей внутреннего сгорания, с подложкой, которая удерживается на участке крепления и имеет вырез, проходящий от свободной торцевой поверхности, смещенной от участка крепления, в направлении этого участка для разделения подложки на первый выступ, обращенный к потоку, и второй выступ, имеющий слой температурозависимого измерительного сопротивления R_S, отличающийся тем, что вырез и первый выступ имеют в направлении потока ширину, которая составляет не менее 30% и не более 50% общей ширины подложки, измеренной в направлении потока и состоящей из ширины первого выступа, ширины выреза и ширины второго выступа, причем ширина второго выступа составляет не менее 10% общей ширины подложки. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что вырез проходит в направлении участка крепления далее, чем измерительное сопротивление R_S. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что вырез проходит в направлении участка крепления до непосредственной близости с этим участком. 4. Элемент по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что измерительное сопротивление R_S предусмотрено рядом со свободной торцевой поверхностью второго выступа. 5. Элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что измеренная в направлении потока ширина первого выступа увеличивается в сторону участка крепления. 6. Элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что измеренная в направлении потока ширина второго выступа увеличивается в сторону участка крепления. 7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что второй выступ имеет слой нагревательного сопротивления R_Н, регулируемого в зависимости от массы потока среды. 8. Элемент по п.5 или 6, отличающийся тем, что вырез оканчивается у дугообразной соединительной поверхности между первым и вторым выступом.