CN101084415B - 具有压力传感器的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

公开一种超声波流量计(10)和一种用于通过超声波测量流量的方法，所述超声波流量计具有：至少两个在一个流体通道(16)中在流动方向上错开设置的用于发出和接收超声波波包的超声波换能器(12，14)，从而可以在一个电子部件(24)中确定从一个超声波换能器(12，14)到另一超声波换能器和相反情况下的超声波传输时间；一个配属于所述流体通道(16)的用于确定所述流体通道(16)中的压力的压力传感器(26)。通过精确地测量在机动车内燃机的进气装置中的流入的空气，可以确定测量值，用于尽可能精确地控制发动机。

Description

具有压力传感器的超声波流量计

技术领域

为了通过超声波测量流体、尤其是气体例如空气通过一个流体通道的流量，使至少两个用于发射和接收超声波波包的超声波换能器在流动方向上错开地设置，由此可以在一个电子部件中确定超声波穿过流动的流体从一个超声波换能器到另一超声波换能器和相反情况下的传输时间。由传输时间的测量信号值可以结合测量装置的几何参数计算在流体中的超声波速度和流体的平均流速。

背景技术

例如由文献EP 0477418A1已知一个超声波流量计，它适合于安装在一个流过流体的测量管里面，尤其是用于在机动车发动机中的空气质量测量。两个超声波换能器交替地作为发射或接收换能器工作，其中发出的超声波通过一个反射装置沿着一个通过测量管的测量路径在超声波换能器之间传播。各个结构组件优选通过一个运行和测量电子单元集成在一个支承板上构成安装单元，它可以密封地装配在测量管的一个容纳孔里面。

发明内容

根据本发明，超声波流量计具有至少两个在被流体穿流的流体通道中在流动方向上错开设置的超声波换能器，它们相互交替地或同时地发出超声波信号或超声波波包，用于测量流体或介质(尤其是气态的)的流速。在一个电子部件中可以确定超声波沿着一个路径穿过在流体通道中的流动的流体从一个超声波换能器到另一超声波换能器和相反情况下的传输时间。流体通道，确切地说流体通道的在其中测量超声波传输时间的空间区域配设有一个压力传感器，用于确定流体通道中的压力。换言之，这样设置压力传感器、测量流体通道中的、尤其是在其中传播超声波波包的区域中的压力，即确定流速、质量流或粒子流。尤其是可以将压力传感器容纳、装配、固定或集成在超声波流量计的电子部件里面或上面。可以通过一个通道或一个孔将在通流通道中存在的压力传递到压力传感器上，由此可以近似地求得流动的流体的密度。所述超声波流量计也可以称为超声波流体传感器。

本发明的超声波流量计或本发明的用于通过超声波测量流体通道中的流量的方法可以以有利的方式用于精确地测量在机动车内燃机的进气装置中的流入的空气，以便确定测量值，用于尽可能精确地控制发动机。

配设的、设置的或集成的压力传感器的另一优点是，所求得的压力值在超声波流量计的电子部件或评价单元中已经与所求得的在至少两个超声波换能器之间的两个发射方向之间的传输时间差相乘。通过这种方式求得的测量参数非常近似于流过流体通道的流体流中的质量流或粒子流。

由于本发明的超声波流量计的很大程度上呈线性的特征曲线，该流量计和用于集成地或同时地测量超声波传输时间信号和压力信号并计算所测量的信号的方法也可以特别有利地用于脉动的流体：已经可以在电子部件中对从测量信号求得的用于质量流的测量参数进行低通滤波-该低通滤波导致求平均，然后以变窄的带宽继续传递所述测量参数，而不会由此降低测量精度。

由于压力传感器-其通过一个通道或一个孔而与流体通道连接-的被后拉的位置，以有利的方式使压力传感器免受污染。

附图说明

对照下面的附图以及其描述说明本发明的其它优点和有益的实施方式和进一步设计。图中详细示出：

图1为一个常用的在本发明的超声波流量计中用于通过流动的流体的超声波传输时间的测量装置的示意图，

图2示出一个本发明的超声波流量计的有益的实施方式，

图3示出按照有益的对图2的变型实施方式的本发明的超声波流量计，该流量计被设计为插式传感器单元，和

图4为一个流体通道的横剖视图，在该流体通道中装配有按照可替代图3的有益的实施方式的本发明的超声波流量计。

具体实施方式

图1为一个常见的在本发明的超声波流量计中用于通过流动的流体的超声波传输时间的测量装置的示意图。在说明本发明的超声波流量计的许多特殊优点和有益的实施方式之前，将首先说明由现有技术已知的用于超声波传输时间的测量装置：在一个流体通道16中(这里在图1中为管的形式)，在流动方向18上相互错开地安置第一和第二超声波换能器12，14。换言之，第一超声波换能器12位于上游，而第二超声波换能器14位于下游。所述流体通道16被流体、尤其是气体、气体混合物如空气朝向流动方向18以速度v穿流。该流体具有声速c。两个超声波换能器12，14交替地或同时地沿着测量路径20穿过流动的流体以波长L发射超声波波包。该测量路径20至少在一个投影中与流动方向18平行或反向平行地延伸。这里在图1中测量路径20与流动方向18形成一个角度α。测量从第一超声波换能器12到第二超声波换能器14的超声波传输时间t₁和从第二超声波换能器14到第一超声波换能器12的超声波传输时间t₂。所述超声波传输时间t₁和t₂由于流体朝向流动方向18的运动而与其数学平均值相比略微不同。

于是根据本发明附加地在流体通道16的在其中确定超声波传输时间的区域中测量流体的压力(在图1中未详细示出，见图2至4)。由此在电子部件或评价单元(而且所述电子部件可以远离开测量现场，其有利的紧凑的或集成的布置方式见图2和3)内部传输时间差Δt＝t₁-t₂、传输时间和∑t＝t₁+t₂和压力p的测量值可供使用。通过一个简化描述的校正因子s＝1-(Δt/∑t)²按照简化的计算得到下面的在流体中的声速c的关系式

$c=2L\frac{1}{\mathrm{\Σt}}\frac{1}{s}---\left(1\right)$

和平均流速v

$v=\frac{2L}{\cos \mathrm{\α}}\frac{\mathrm{\Δt}}{{\left(\mathrm{\Σt}\right)}^2}\frac{1}{s}---\left(2\right)$

与质量流成比例的粒子流dV/dt也可以借助于通常的气体等式pV＝nkT(其中V是体积，n是粒子数，k是玻尔兹曼常数，而T是温度)和流速v与体积速率dV/dt之间的比例v∝dV/dt被表示为

$\stackrel{\·}{n}\∝v(p/T)---\left(3\right)$

通过关系式c²＝κRT，其中κ是绝热指数，得到

$\stackrel{\·}{n}\∝p\·\mathrm{\Δt}\·g---\left(4\right)$

其中g＝κs是一个校正因子，它可以表示为v、T和相对空气湿度的函数。以有利的方式可以使校正因子g置于1(或者忽略)：在求得粒子流或质量流时只产生一定误差，它随着温度的升高和空气湿度的增大而增大，但是在许多应用中无明显作用。换言之，压力与传输时间差的乘积非常近似地与粒子流成比例，并因此是又与粒子流成比例的质量流的尺度。

如果所测量的压力p和传输时间差Δt在电子部件(也在评价单元)内部分别通过线性关系以电气信号来表示，则一项乘法的两个信号可以被相应地共同处理成一个生成的信号(在电子部件的一个乘法单元中未示出)，该信号近似表示质量流。当涉及到机动车内燃机的进气装置中的质量流时，这个信号可以以有利的方式用于所述质量流的控制或调节。

图2示出本发明的超声波流量计10的一个有利的实施方式。在一个流体通道16(在这里根据本实施方式为一个流体管)中在流动方向18上错开地设置第一和第二超声波换能器12，14。该超声波换能器12，14相向地发射超声波信号，尤其是超声波波包。所述超声波换能器12，14既适合于发射又适合于接收，因此既可以将电气信号转换成超声波，又可以将超声波转换成电气信号。每个超声波换能器12，14在发出一个超声波波包以后，用于接收分别来自另一超声波换能器12，14的超声波波包。对应于在图1中所示的几何形状，所述超声波波包可以穿过流动的流体直接从一个超声波换能器12，14传输到另一超声波换能器。根据图2的有利的实施方式，超声波波包在流体通道16的管内壁36上的一个反射超声波的表面34上被反射；超声波换能器12，14位于流体通道16的一侧。其中超声波波包传播的测量路径20不垂直于流动方向18延伸。虽然测量路径20原则上可以平行或反向平行于流动方向18延伸，但是根据本发明的超声波流量计10的一个优选实施方式规定，所述测量路径20至少逐段地以一个角度相对于流动方向18倾斜地延伸。该测量路径20也可以具有许多区段，它们与流动方向18形成不同的角度。根据图2所示的实施方式，如虚线所示，所述测量路径20呈V形地以两个区段延伸，这两个区段相对于通流通道横截面的一个平面镜像对称地倾斜于流动方向。点线示意地示出超声波波包相对于其传播方向在侧面方向上的扩展。

根据图2的有利的实施方式，两个超声波换能器集成在一个紧凑的容纳部件里面。在第一(位于上游)与第二(位于下游)超声波换能器12，14之间同样在紧凑的容纳部件22上容纳一个电子部件24。该电子部件24另外用于产生用于超声波换能器24的电气信号，从而产生超声波波包，用于根据接收的超声波波包处理产生的电气信号，以便对超声波波包的传输时间(至少在流动方向18上的投影上的传输时间和至少在与流动方向18相反的投影上的传输时间)进行测量和将测量值处理成表示质量流的电气信号。通过在流动方向18上错开地布置超声波换能器12，14，使第一和第二超声波换能器的传输时间根据流速v有所不同，并且反之亦然。所述电子部件24具有一个电路载体26，它包括一个压力传感器28(或压力接收器)。在电路载体26上还安置或连接其它的、优选所有必需的超声波流量计10的电路部件。

所述紧凑的容纳部件具有一个内部区域32，所述电路载体26与压力传感器28位于该区域中，其中该内部区域32通过一个通道30(根据本实施方式所述通道为一个孔)与流体通道16连接。当压力传感器28测量内部区域32中的压力时，由此确定流体通道16中的压力。如图2所示，所述通道30可以是一个敞开的通道30或者替代地可以是一个被活动的薄膜封闭的通道30(未示出)，从而尽管压力继续传导到内部区域32中，但是使电子部件24和压力传感器28免受污染。

图3示出对图2的有利实施方式变型的本发明超声波流量计10，它被设计为插式传感器单元。该变型的几何形状基本与图2所示的实施方式的几何形状相同，因此为了解释图3所示的附图标记可参阅上述对图2的说明。图3所示的本发明的超声波流量计被设计为插式传感器单元38：该插式传感器单元38具有这样的几何形状，它可以密封地或被密封地装配在流体通道(此处为一个流体管40)中的一个互补的空隙里面，犹如一个用于所述空隙的盖一样。该插式传感器单元38除了上述的紧凑容纳部件22以外还包括一个保持结构44，它在安装状态下伸进流体管40中的流动的流体里面。该保持机构44承载着一个反射层42，该反射层沿着测量路径20反射由超声波换能器12，14发出的超声波波包。

图4示出流体管40的横截面，在该流体管中装配有根据对图3的变型方案的本发明的超声波流量计10。为了解释附图标记，参阅上述对图3的说明。

附图标记表

10    超声波流量计        12    第一超声波换能器

14    第二超声波换能器    16    流体通道

18    流动方向            20    测量路径

22    紧凑的容纳部件      24    电子部件

26    电路载体            28    压力传感器

30    通道                32    内部区域

34    反射的面            36    管内壁

38    插式传感器单元      40    流体管

42    反射层              44    保持结构

v     流速                c     在流体中的声速

L     波长

Claims (6)

1.一种超声波流量计(10)，具有至少两个在一个流体通道(16)中在流动方向上错开设置的用于发射和接收超声波波包的超声波换能器(12，14)，具有一个用于确定从一个超声波换能器(12，14)到另一超声波换能器和相反方向的超声波传输时间的电子部件(24)，并且具有一个用于确定所述流体通道(16)中的压力的压力传感器(28)，其特征在于，所述超声波流量计被构建成用于机动车内燃机的进气装置的插式传感器单元(38)，并且该插式传感器单元具有一个紧凑的容纳部件(22)，在该容纳部件中集成了所述至少两个超声波换能器(12，14)和所述压力传感器(28)，其中，所述压力传感器(28)位于所述紧凑的容纳部件(22)的一个内部区域(32)中并且该内部区域(32)通过一个敞开的通道(30)或一个被一个活动的薄膜封闭的通道(30)与所述流体通道(16)连接。

2.如权利要求1所述的超声波流量计(10)，其特征在于，这样设置所述至少两个超声波换能器(12，14)，使得所述超声波波包通过所述流体通道(16)中至少一个反射的面(34)从一个超声波换能器(12，14)到达另一超声波换能器，反之亦然。

3.如权利要求2所述的超声波流量计(10)，其特征在于，所述反射的面(34)是所述流体通道(16)的管内壁(36)的一部分、一个固定在所述管内壁(36)上的反射层(42)或一个反射板。

4.如上述权利要求中任一项所述的超声波流量计(10)，其特征在于，在所述电子部件(24)中可产生一个表示所测量的压力的电气信号和一个表示所述超声波传输时间差值的电气信号，并且该电子部件具有一个乘法单元，用于将所测量的压力的电气信号和所述超声波传输时间差值的电气信号处理成近似地表示质量流的信号。

5.如权利要求4所述的超声波流量计(10)，其特征在于，所述电子部件(24)具有一个作用于表示所述质量流的信号的低通滤波器。

6.如权利要求1至3中任一项所述的超声波流量计(10)，其特征在于，所述压力传感器(28)和所述超声波流量计(10)的电子部件(24)的其它电路部件设置在一个电路载体(26)上。

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