CN101243306A - 组合有湿度感测的超声波测量单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波测量装置(10)以及用于探测超声波渡越时间的方法。提出一种超声波测量装置(10)具有两个超声波换能器(14，16)用于将超声波信号(20)输入耦合到流动介质。一个分析单元(18)被容纳在流动管(12)内或该流动管上，流动介质例如环境空气在该流动管中流动。一个敏感单元(48)被容纳在流动管(12)内，为该敏感单元配置一个被绕流的温度敏感元件(44)，它的测量值被用于修正通过超声波感测的温度信号。

Description

组合有湿度感测的超声波测量单元

技术领域

本发明涉及一种具有组合有湿度感测的超声波测量单元，尤其是用于内燃机上的空气质量测量。

背景技术

由DE 44 42078 A1已知一种用于在测量管中测量流体温度的方法。按照该方法，在流体流动方向上向测量管中入射第一超声波信号并接收，其中测量第一超声波信号的渡越时间T_ab。此外向测量管中逆着流体流动方向入射第二超声波信号并接收，其中测量第二超声波信号的渡越时间T_auf。根据两个渡越时间T_ab和T_auf求得流体在测量管中的流动速度v。由声速C₀确定流体的流动速度v，并且由声速C反推在测量管中流动的流体的温度T。

由DE 42 37 907 A1已知一种质量流量计。用于测量质量流量的超声波流量计包括至少两个超声波换能器，它们安置在流动通道的一个壁上或多个壁中。为了测量体积流量，两个超声波换能器与一个分析单元连接。在流动通道的壁上或壁内设置有用于测量温度的热传感器。为了分析测量结果，该传感器与同一个或另一个分析单元连接，其中该分析单元至少原则上确定流动通道中的材料的密度。分析单元这样实现，使得在超声波换能器失效时热传感器能够有助于质量流量的至少近似的测量。

该热传感器可以构造为一组加热丝、构造为热膜、构造为NTC电阻、构造为PTC电阻或构造为微机械的热传感器。

按照DE 42 37 907 A1的解决方案的缺陷是，在超声波换能器失效时通过热传感器仅实现至少近似的质量流量测量，这对于以燃烧空气精确充注内燃机燃烧室导致不精确的结果。为了能够最佳地燃烧，需要关于在内燃机燃烧室中含有的空气量的极精确信息，以便以理想的化学计算的与燃烧室中存在的空气量的比例喷射与其协调的燃料量。

此外由现有技术已知超声波测量单元，其中在气体介质其中流动的测量管中设置两个相对置的超声波换能器。它们交替地或同时地发射超声波信号。沿着气体流动方向和逆着气体流动方向测量所出现的超声波信号渡越时间t₁和t₂，以便测量流动介质的流速。

发明内容

按照本发明建议的解决方案能够极精确地测量在汽车内燃机的吸气管中流动的空气量，由此可以实现精确的发动机控制，即很精确地将燃料输送给多缸内燃机燃烧室。由此保证，可以遵守目前的废气标准以及未来预计出现的更加严格的废气标准。

按照本发明，提出一种敏感元件，它包括一个超声波流动传感器，该超声波流动传感器密封地置入内燃机吸气管的流动管中。该敏感元件包括至少两个组合在其中的超声波换能器和一个温度传感器、一个用于分析超声波信号的分析电子装置以及一个反射面。所述温度传感器可以或者固定在反射面上或者固定在从属的保持架上。

通过敏感元件确定在管道中流动的介质、如空气的质量流量，其中通过超声波装置感测一个代表介质的体积流量的体积流量信号和一个代表流动介质的温度的超声波温度信号。通过压力感测装置还产生一个代表流动介质压力的压力信号并且根据所述体积流量信号、超声波温度信号和压力信号计算质量流量。与此无关地借助例如可以构造为NTC元件的温度敏感元件感测表征流动介质的介质温度的温度值并且将借助温度敏感元件感测的该值用于修正所计算的质量流量和/或用于修正超声波温度信号。

此外，借助该温度敏感元件确定的流动介质温度值可以用于求出代表流动介质含湿量的值。

通过上述方法可以以有利的方式将两种不同的温度测量方法的优点组合。这些优点是，一方面将例如构造为NTC元件的否则迟钝的温度敏感元件的与湿度无关性与否则与湿度相关的超声波温度信号的快速性和无接触性相结合。上述优点组合在一个唯一的敏感元件或传感器或连接在其后的分析装置内，导致与现有技术的解决方案相比明显更精确的质量流信号和温度信号以及附加的、可在发动机控制器内处理的湿度信号。

使用该超声波流体测量装置的主要优点首先在于，这种技术在污染情况下只具有小的漂移，即，超声波信号在其可信性和真实表达力方面与其它测量技术相比仅很少受到污染的影响。通过测量超声波渡越时间，除了气体介质在流动管中的流速还可以感测其声速。气体介质的声速主要取决于温度和空气湿度。因此，感测声速允许很快速地反推温度和/或空气湿度。与通过温度敏感元件测量不同，超声波温度测量完全与流动管管壁的温度脱离。

附图说明

下面借助于附图详细描述本发明。附图中示出：

图1由现有技术已知的超声波流量计，具有相互对置的超声波换能器，

图2以侧视图示出的本发明建议的敏感元件的剖面，具有反射面和超声波换能器以及组合的温度敏感元件，

图3本发明建议的具有超声波换能器和组合的温度敏感元件的敏感元件从前面看的一个视图，具有横剖的流动管。

具体实施方式

按照图1的视图示出一个由现有技术已知的超声波流量测量单元。在流动管M中相互对置地容纳一个第一超声波换能器P1以及一个第二超声波换能器P2。为此在流动管M中安置缺口，在其中置入第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2。按照图1的视图，第一超声波换能器P1与第二超声波换能器P2之间的距离通过L表示。不仅第一超声波换能器P1、而且第二超声波换能器P2相对于流动管M的对称轴线S倾翻一个角度α设置。在流动管M中流动的介质v沿图1中绘出的箭头的方向流动。第一超声波换能器P1和第二超声波换能器P2交替地发射和接收超声波信号。由获得的超声波信号在流动介质v的流动方向上的渡越时间(渡越时间t₁)和逆着流动方向的渡越时间(渡越时间t₂)确定渡越时间差，通过该渡越时间差在图1中未示出的分析电子装置中可以推断在流动管M中流动的介质的流速。

按照图2的视图以局部剖切的侧视图示出本发明建议的敏感元件。

超声波流动传感器10嵌入到流动管12的上侧面上的容纳孔46内。在图2中示出的超声波流动传感器包括一个第一超声波换能器14以及一个第二超声波换能器16。第一超声波换能器14和第二超声波换能器16设置在流动管12同一侧上，在它们之间有一个分析电子装置18。例如第一超声波换能器14相应受控地发射超声波信号20到反射面30，32上，这些超声波信号被第二超声波换能器16接收。当然也可以是，使第二超声波换能器16以发射模式运行并且第一超声波换能器14以接收模式运行。两个超声波换能器14以及16是敏感单元48的整体组成部分，该敏感单元被嵌入到流动管12的管壁22中的容纳孔46内。两个超声波换能器14以及16相对于敏感单元48内的面法线倾斜一个翻转角设置。第一超声波换能器14和第二超声波换能器16在敏感单元48的上部区域内限定一个缺口52。

图2中所示的敏感单元48除分析电子装置48、第一超声波换能器14和第二超声波换能器16外还包括一个保持架28。保持架28主要具有第一连接臂36和第二连接臂38，它们在流动介质v的流动方向26上看通过开口34相互分开。在背离第一超声波换能器14和第二超声波换能器16的端部上在保持架28上构成反射面30。该反射面30的上侧面用标记符号40表示，该反射面30的下侧面用标记符号42表示。

在反射面30的上侧面40上可以以有利的方式粘接上或以其它手段设置上一个有利于超声波信号20的反射特性的覆层32。该覆层32对超声波信号20的反射特性具有积极影响，该覆层也可以以插入或镶嵌的形式被设置到反射面30的上侧面40内。

在开口34的区域中，一个温度敏感元件44位于保持架28的第二连接臂38内。该温度敏感元件44被容纳在第二连接臂38的开口50内并且与敏感单元48的分析电子装置18连接。该温度敏感元件44涉及NTC元件。

出于完整性要指出，保持架28的入流侧用标记符号54表示，而敏感单元48的保持架28的出流侧用标记符号56表示。

从图2的视图还可以看出，第一超声波换能器14、分析电子装置18、第二超声波换能器16、保持架28连同反射面30可以构造为一个整体的构件，该构件可以在流动管12的上侧插入到在那里设置的容纳孔46内。重要的是，前入到保持架28的第二连接臂38内的温度敏感元件44与流动管12的管壁22在热脱耦。该温度敏感元件44集成到超声波测量装置10的保持架28内抑制了管壁22的温度对温度敏感元件44测量结果的温度影响。在流动管12中流动的流动介质流、例如空气穿过流动管12的整个通流横截面24并且在此绕流反射面30的上侧面40和下侧面42，该反射面安置在保持架28的下端部并且基本平坦地构成。

敏感单元48除了一体式结构外也可以多件式构成，即，带有第一超声波换能器14、第二超声波换能器16以及分析电子装置18的敏感单元48上部区域可以在一个单独的分隔部位与包括第一连接臂36、第二连接臂38以及反射面30的保持架28连接。

通过敏感单元48能够产生超声波温度信号以及借助温度敏感元件44感测代表流动介质温度的值，该温度敏感元件由于其定位与管壁22的温度脱耦。缓慢工作的与湿度无关的温度敏感元件44可以以有利的方式用于修正快速且无接触地、但与湿度有关的超声波温度信号。

通过将温度敏感元件44安置在反射面30的保持架28内部，能够实现温度敏感元件44在两侧被良好地绕流并由此实现明显更好的与流动介质的热耦合。而与将温度敏感元件44安置在流动管12的管壁22内或上面相比，明显减小了与流动管12管壁22的热耦合。此外通过本发明建议的解决方案无需用于温度敏感元件44的单独的附加保持架，它总体上会对超声波测量装置10上的压力降产生负面影响。

从图3的视图可看到本发明建议的具有超声波换能器的敏感元件旋转90°的视图。

由图3的视图看出，保持架28基本U形地构成，在保持架的下端部上容纳反射面30。在保持架的一个组成部分、即第一连接臂36或第二连接臂38内，组合有温度敏感元件44。该温度敏感元件在两侧被通过流动管12的通流横截面44的流动介质流绕流。由于温度敏感元件44布置在保持架28内，温度敏感元件44与流动管12的管壁22脱耦。用标记符号60表示使温度敏感元件44与分析电子装置18连接的电连接装置。在图3中还示出，在反射面30的上侧面40上安置了有利于超声波信号20的反射的覆层32。

在流动管12的上侧可以看到敏感单元48的上面部分。通过罩62保护第一超声波换能器14和第二超声波换能器16以及分析电子装置18免受污染和湿气影响。一个连接插头64在侧面位于罩62上，通过该插头可使敏感单元48被从外部以运行电压供电并且通过该插头使测量信号向外传送，例如传送给内燃机的中央发动机控制器。在内燃机的中央发动机控制器中，借助于传递的所超声波测量装置10信号计算与多缸内燃机的各个缸的充注状态相协调的燃料量，该燃料量相应于规定的点火时刻(根据点火顺序)喷射到燃烧室内。

下面以c表示声速。该声速c取决于气体的组分，在空气情况下尤其取决于空气湿度和温度，按照下面的关系式：

$c=\sqrt{\mathrm{\κRT}}$

其中，R是气体常数，κ是绝热指数，T是温度。绝热指数κ取决于流动介质的分子自由度。超声波路径的长度通过L表示，以α表示超声波路径相对于流动方向的倾翻角度。通过t₁，t₂表示逆着和沿着流动介质流动方向的超声波渡越时间，以p表示压力并且以T_NTC表示温度敏感元件44的温度。推导出的辅助参量例如是渡越时间差Δt＝t₁-t₂，渡越时间和∑t＝t₁+t₂以及修正系数s＝1-(Δt/∑t)²(在流速约为1的前提下)。

由上述参量可以直接作为

c＝2·L·(/∑t)·(1/s)确定声速c并且作为

v＝(2L/cosα)·(Δt/(∑t)²)·(1/s)确定平均流动速度v。

质量流信号m可以近似看作与分流率n和流动介质成比例。

通过

p·V＝nkT和

v～dV/dt(体积流量)

得到分流率n：

n＝(dn/dV)·(dV/dt)～(p/T)·v～p(v/c²)κ～p·Δt·s·κ

在进一步的近似中，n可以被估计为与p·Δt成比例，其中按照系数s·κ容忍误差。如果流动介质的气体组分只由于空气湿度而明显变化，则该误差系数是平均流动速度v、温度T和空气湿度h_rel的函数。在空气湿度方面未被修正的质量流信号和超声波温度信号的计算可以通过关系式

m_UFM～p·Δt

来描述。在空气湿度方面始终还未被修正的在较大流速时的计算可能性按照下面的关系式包括所述修正系数：

m_UFM～p·Δt·s

在空气湿度方面未被修正的超声波温度信号按照关系式

T_UFM～c²

来计算。

对于湿度修正的计算，未被修正的质量流信号用系数κ_湿/κ_干来修正：

m_korr＝m_UFM·korr＝m_UFM·κ_湿/κ_干＝m_UFM·T_UFM/T_NTC

要注意，温度敏感元件44在热方面不仅与流动介质、例如空气相联系，而且与流动管12的管壁22相联系。在流动管12的管壁22和流动介质之间存在温度差时，流动介质的流速越高，温度敏感元件44的温度信号越可靠。另一方面，绝对空气湿度一般变化不很快，因此不必不断地重新确定修正系数，而是只对于温度敏感元件44的温度信号T_NTC被估计为不足够可靠的情况才重新确定。要注意，潜在的空气湿度影响随着温度下降而减小，因为空气由于蒸气压力降低而可以接收更少的水。由于温度敏感元件44测量误差和上述的附加测量误差，在温度太低时湿度修正可能不能改善空气质量信号的精度。

为了在有意义的修正方面考虑这种极限情况，限例如可以总是在一旦流速或质量流信号超过事先确定的阈值例如m＝100kg/h时进行修正的更新：

korr＝T_UFM/T_NTC

在与对应的单个误差和可能的环境条件有关的、要事先确定极限温度(例如T＝20℃)以下，修正系数例如可以置为korr＝1。

借助超声波换能器14和16感测的超声波温度信号具有显著的优点：很快并且只感测流动介质，例如空气。而缺陷是，未修正的超声波温度信号与空气湿度有关。温度敏感元件44的情况则相反：它的温度信号是迟钝的并且在流速小的情况下由于温度敏感元件44与流动管12管壁22的热耦合而可能有误差。另一方面湿度影响可以忽略。

尤其在温度不太高时，对温度敏感元件44的温度信号的潜在的湿度影响太小，以致于不必修正其温度信号。在温度较高时，空气的吸水能力增大，由此，潜在的、归结于空气湿度的误差增大。在这种情况下可以至少在流动介质流速足够的情况下将温度敏感元件44的温度信号T_NTC视为可靠的。

则由T_KORR＝T_UFM/korr_T

得出湿度修正的温度信号，其中修正系数korr_T如上所述在超过所确定的质量流阈值m＝100kg/h时或在极限温度方面总是被更新。由此，两种测量原理即以超声波方法途经感测温度信号和通过温度敏感元件44感测温度信号的积极特性被组合在一个唯一的信号内。

在确定空气湿度方面，按照

κ_湿/κ_干＝korr

区别湿空气和干燥空气的绝热指数，其中korr取决于流速鉴于超过事先确定的质量流阈值例如m＝100kg/h或者鉴于事先确定的极限温度(例如T＝20℃)被置为等于1。

在气体组分基本上只在水含量(空气湿度)方面变化并且所有其它组分相互间总是处于相同的组分比例的前提下，可以根据实际绝热指数与干燥空气绝热指数的比例确定含水量。对于气体混合物绝热指数可以作为：

κ＝γ/M推导出，其中

γ＝1+R(X₁C_v1+X₂C_v2+...)^-1和M＝X₁M₁+X₂M₂+...，其中

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{X}_j=1$

其中C_v是体积恒定时的比热，M是摩尔质量。

它们是公知的参量并且可以从文献中得到。X_j是各个混合物组分各自的摩尔含量。对于干燥空气这些含量同样从文献中已知。由此可以根据湿空气的绝热指数直接确定含量X_j，它描述含水量，即在流动介质为空气情况下的空气湿度。

在内燃机中为了控制最佳燃烧，首先关注燃烧空气的氧含量。除了上面解释的关于流动介质总质量流的湿度修正外附加地可以根据事先推导的空气湿度确定来确定另一修正系数，它考虑到通过水、即流动介质的水份对氧含量的抑制。

干燥空气的摩尔含量X_j被假定为已知，尤其是氧含量X_O2 ^干。此外可以假设，这些含量的相互比例在湿空气情况下也保持恒定。如上所述，通过确定空气湿度已知含水量X_H2O，由根据该含水量可确定变化了的氧含量X_O2 ^湿。然后作为

m_O2～m_korr·X_O2 ^湿/X_O2 ^干得到涉及氧含量的质量流信号。

优选温度敏感元件44设置在入流棱边上，在按照图2的情况下在通过保持架28的开口34定义的第二连接臂38入流棱边上。由此保证，温度敏感元件44在两侧被要感测的流体绕流，由此保证与流动介质、例如空气最佳地热耦合，与流动管12的管壁22的热耦合被最小化。这样选择的温度敏感元件44位置保证比温度敏感元件44安置在流动管12管壁22上精确得多的流动介质温度测量。

作为变型可想到，附加地在敏感单元48的区域中也使用一个压力传感器或者将其组合到敏感单元48内。通过该压力传感器感测的压力测量值或者与该传感器另一测量值组合的测量参量可以通过敏感单元48传送给中央发动机控制器以便进一步分析。分析电子装置18被容纳在通过罩62保护的敏感单元48的上部区域内，在该分析电子装置18内部原则上也可以确定在流动管12中的流动的介质的密度。

安置在保持架28下侧面上的反射面30在按照图2的变型中可以具有弯曲或拱起或者其它不平坦，以使要被反射的超声波信号20成束、偏转、聚焦或者以其它方式改变超声波信号20的波前。尤其可以使保持架28和/或反射面30这样成形，使得不在真正的测量路径上延伸的超声波信号20由于保持架28或反射面30的形状而被吸收或发散，以避免干扰信号声或寄生信号路径。为此也可以在真正的反射区域以外使用例如基于其表面特性或多孔性而较差地反射所使用的超声波频率的材料。反射面30可以与保持架28一起例如构造为槽形，其中保持架28以及反射面30都可以具有从槽内部区域向着槽外部区域的孔。

按照图2和3的描述，温度敏感元件44集成于保持架28中，尤其是第二连接臂38上的缺口50内。替换地也可以是，温度敏感元件44集成于反射面30内，由此该温度敏感元件不仅在反射面30的上侧面40上而且在其下侧面42上被流动管12中的流动的介质绕流。

Claims (13)

1.用于确定在流动管(12)中流动的介质的质量流量的方法，在该方法中：

a)借助一个超声波装置(14，16)获得代表该流动介质的体积流量的体积流量信号和代表该流动介质的温度的超声波温度信号和

b)借助压力感测装置获得代表该流动介质的压力的压力信号并且

c)在该方法中根据所述体积流量信号、超声波温度信号和压力信号计算质量流量，其中

d)借助温度敏感元件(44)获得代表该流动介质的温度的温度值并将该值用于修正质量流量和/或用于修正按照方法步骤a)获得的超声波温度信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将借助温度敏感元件(44)确定的流动介质温度值用于求得代表该流动介质湿度的值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照方法步骤a)测量超声波逆着和沿着流动介质流动方向的超声波渡越时间t₁，t₂、压力p，并且借助温度敏感元件(44)测量流动介质的温度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照关系式

c＝2·L·(1/∑t)·(1/s)确定流动介质的声速，其中L＝超声波换能器(14，16)相互间的距离，并且按照

v＝(2L/cosα)·(Δt/(∑t)²)·(1/s)确定平均流动速度，

其中α＝超声波换能器(14，16)的倾翻角度。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据求得的流动介质平均声速c按照

c²＝κRT确定流动介质的温度T，

其中κ＝绝热指数并且R＝气体常数。

6.如权利要求1所述的方法，借助于修正系数

korr＝m_UFM·κ_湿/κ_干＝m_UFM·T_UFM/T_NTC

在空气湿度方面对流动介质质量流量信号进行修正，其中

κ_湿＝湿空气的绝热指数，κ_干＝干躁空气的绝热指数，T_UFM＝超声波温度信号，T_NTC＝温度敏感元件(44)的温度值。

7.如前一权利要求所述的方法，一旦质量流量信号低于一个事先确定的阈值或者低于T＝20℃的温度，进行修正系数的更新

korr＝T_UFM/T_NTC。

8.如上述权利要求之一项或几项所述的方法，其特征在于，按照关系式κ＝γ/M确定湿空气的绝热指数κ_湿，其中

γ＝1+R(X₁C_v1+X₂C_v2+...)^-1和

M＝X₁M₁+X₂M₂+...，其中

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{X}_j=1,$

C_v＝体积恒定时的比热，M＝摩尔质量，X_j＝各个混合物组分的摩尔含量。

9.如上述权利要求之一项或几项所述的方法，其特征在于，借助于关系式

m_o2～m_korr·X_O2 ^湿/X_O2 ^干

计算涉及氧含量的质量流量信号，其中

10.用于实施如权利要求1至9之一项或几项所述方法的超声波测量装置(10)，具有两个超声波换能器(14，16)用于将超声波信号(20)输入耦合到流动介质中以及一个分析单元(18)，其特征在于，一个敏感单元(48)被容纳在流动管(12)内，该敏感单元包括一个被绕流的温度敏感元件(44)，它保持与流动管(12)脱耦。

11.如前一权利要求所述的超声波测量装置，其特征在于，所述敏感单元(48)具有一个保持架(28)，在其上固定一个被自由绕流的反射面(30)。

12.如前一权利要求所述的超声波测量装置，其特征在于，所述反射面(30)平坦地、拱曲地或弯曲地构成并且温度敏感元件(44)集成于该反射面内。

13.如权利要求10所述的超声波测量装置，其特征在于，所述温度敏感元件(44)构造为NTC传感器，PCT传感器，热丝传感器或热膜传感器。

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