Delta-R GmbH

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D-68229 Mannheim        
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Luftmassenmesser und Bauteile 

Delta-R bietet nachfolgende Auswahl an Heizelementen, Heissfilmanemometern und Luftmassenmessereinsätzen an:

Bezeichnung

Art.-Nr.

Heizelement Pt6,8

10x2 Pt6,8

kunststoffumspritzter Heizer und Kompensationswiderstand

Flow Sens

microflowSens

microflow

Luftmassenmesser Pierburg

PB-LMS

Einführung in die Luftmassenmessung

Die präzise Luftmassenmessung ist eine charakteristische Eingangsgröße zur Bestimmung des Lastzustandes eines Motors. Dabei ist es unerheblich, ob es sich hierbei um einen Diesel- oder Ottomotor handelt. Das Funktionsprinzip eines Heißfilmanemometers ist einfach und hat den Vorteil mit keinerlei mechanisch bewegten Teilen auszukommen. Im Ansaugrohr nach dem Luftfilter ist ein elektrisch beheiztes Heizelement in Strömungsrichtung angebracht. Einströmende Luft wird dem Heizer Energie entziehen, so dass die Stromstärke zum Beheizen erhöht werden muss, um eine konstante Bauteiltemperatur beizubehalten. Der Heizstrom ist das Maß für die einströmende Luftmasse unabhängig von der Dichte der Luft.

Kfz-Luftmassenmesser: rot eingefärbt das Heizelement; blau der Temperaturkompensationswiderstand

Beim Betrieb wird die Heizertemperatur auf einen konstanten Widerstands- und Temperaturwert eingeregelt. Beschleunigt der Motor, wird die schneller strömende Luft die Temperatur und damit den Widerstandswert sinken lassen. Die Brücke wird verstimmt und veranlasst die Regelelektronik zum Erhöhen des Heizstromes. Aufgrund der geringen thermischen Masse des Heizers erfolgt diese Regelung innerhalb weniger Millisekunden.

Die analoge Auswerteschaltung wird dadurch vereinfacht, dass sowohl der Temperaturkompensationswiderstand als auch das Heizelement beide aus Pt-Messwiderständen mit identischem Temperaturkoeffizient Tk=3850 ppm/K bestehen. (Nimmt man den Widerstandswert von 0°C als Ausgangswert, dann wird jedes Grad Temperaturänderung eine Anpassung des elektrischen Widerstandes nach sich ziehen. Diese sind für ein Grad ungefähr 0,385 % des Widerstandswertes R0 d.h. der Wert gemessen bei 0°C. Dieser Wert wird mit Tk=3850 ppm/K bezeichnet und bleibt über den  gesamten Arbeitsbereich des Pt-Sensors konstant.) Dadurch, dass sowohl das Heizelement als auch der Temperatursensor prozentual der gleichen Signaländerung unterliegen, wird der Aufbau einer analogen Brückenschaltung wesentlich erleichtert. Um die Stromaufnahme des Heizelementes möglichst niedrig zu halten, wird dieser Messwiderstand als niederohmiger, schnell ansprechender Temperatursensor mit einem Nennwiderstand von 6,8 Ohm bei 0°C ausgelegt.

Um eine möglichst gute Aufheizung der gesamten zur Verfügung stehenden Fläche zu ermöglichen, wurden Leiterbahnen mit extrem breiten Strukturen gewählt. Dieses Heizelement vertreibt Delta-R zum Aufbau von Heissfilmanemometern in vielen Bereichen. Der Temperaturkompensationswiderstand ist üblicherweise ein herkömmlicher Pt100 oder Pt1000. 

Elektrische Auslegung 

Der Signalverlauf folgt dem King´schen Gesetz, wonach zwischen dem Ausgangssignal und dem Luftmassenstrom ein nichtlinearer Zusammenhang besteht (siehe Abbildung King´sche Kurve). Aufgrund der physikalischen Zusammenhänge ergibt sich eine degressive Kennlinie bezüglich Massenstrom und Signalpegel. Der Kennlinienverlauf kann mit folgender Formel annähernd beschrieben werden:

Formel:             Ua ˜ K1 *ML + K2
                       
mit:
                        Ua Ausgangsspannung
                        ML Luftmassenstrom
                        K1 Konstante 1
                        K2 Konstante 2

Das Ausgangssignal ist stark von der Einbausituation und den Strömungsbedingungen abhängig. Zwangsläufig muss die Auswerteschaltung an jede einzelne Applikation angepasst werden.  Delta-R vertreibt fertig aufgebaute Heizer und Kompensationswiderstände unter der Art.-Nr. FlowSens.

Jüngste Generation: Pulsationsdetektion

 Kleinvolumige Motoren mit drei oder vier Zylindern neigen in manchen Drehzahlbereichen zu Rückströmungen im Ansaugbereich. Die angesogene Luft trifft auf ein bereits geschlossenes Einlassventil, wird aufgrund des hohen Strömungsimpulses reflektiert und strömt zurück. Dieses Phänomen wird mit Pulsation bezeichnet. Herkömmliche Heissfilmanemometer sind nicht in der Lage Rückströmungsverhältnisse zu erkennen und das Signal entsprechend zu korrigieren.

Bislang wurde im Bereich bekannter Pulsation das Sensorsignal ausgeblendet und eine Kraftstoffzumessung nach abgespeichertem Kennfeld durchgeführt. Um höchste Anforderungen an Emissionen und Treibstoffeffizienz zu erfüllen, ist dies heute nicht mehr ausreichend. Hierzu waren einige technische Meilensteine zu erreichen: Abgesehen von extrem schnell ansprechenden Heizelementen war auch die Anordnung des Heissfilmanemometers prinzipiell zu überdenken. Seit mehreren Jahren ist es Stand der Technik zur Erkennung der Pulsation zwei Heissfilmanemometer gegenüberliegend anzuordnen. Bei Vorströmung liefert der vordere Sensor ein höheres Signal als der im „Schatten“ liegende hintere Sensor. Bei Umkehr der Strömungsrichtung verhält

es sich genau umgekehrt. Ein Vergleich der Signalhöhe beider Sensoren führt zu einer eindeutigen Zuordnung der gegenwärtigen Strömungsrichtung.

Der Wechsel von Vor- zu Rückströmung erfolgt innerhalb weniger Millisekunden. Die Auswertung erfolgt wiederum mit einer Brückenschaltung, die es erforderlich macht, dass sowohl das Heizelement als auch der Temperatursensor den gleichen Tk-Wert aufweisen. Die so gewonnen Rohsignale werden .

nach heutigem Stand der Technik digitalisiert und dergestalt aufbereitet, dass dem Motorsteuergerät ein linearisiertes Arbeitssignal von 0 – 5 V zur Verfügung steht. Delta-R vertreibt mit “MicroflowSens” pulsationsfähige Sensorelemente und einen einbaufertigen Luftmassenmessereinsatz. Abgesehen von der Automobilindustrie sind insbesondere in der Medizintechnik zur Atemgasüberwachung, aber auch in der Lüftungstechnik Anwendungen bekannt.