CN102435231A - 用于检测流体介质的特性的流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于检测流过流动管(122)的流体介质的至少一个特性、尤其是流动特性的流量计(110)。所述流量计(110)具有至少一个用于检测流体介质的至少一个第一流动特性的超声传感器(114)。所述流量计(110)还具有至少一个用于检测流体介质的至少一个第二流动特性的有效压力传感器(116)。

Description

用于检测流体介质的特性的流量计
技术领域
本发明涉及一种用于检测流体介质的特性的流量计。
背景技术
在技术和自然科学的很多领域中，流体介质必须被以预给定的或者说受控的速率输送给一个过程或者从该过程导出。为此目的，尤其允许使用流量计，流量计被设置用于测量流体介质的体积流量或质量流量。根据所测得的流量可以例如执行调节措施。机动车技术中的空气量测量领域是一个重要的应用领域，但是本发明不仅仅限于该应用领域。在此，可以例如在内燃机的进气歧管中测量以及必要时通过相应的调节装置例如节流阀调节输送给燃烧过程的吸入空气量。
除了用热学方法测量空气质量以外，长久以来在汽车制造或者在其它技术领域中存在用压力方法测量进气歧管中的空气量、尤其体积流量和/或质量流量的可能性。流量计的例子、如尤其所谓的流量孔板在Robert BoschGmbH：Sensoren im Kraftfahrzeug，2001版，96-103页中被描述。流量计的其它例子是普朗特探头(Prandtl-Sonde)或皮托管探头(Pitot-Sonde)，它们例如在飞机中用于确定飞机的速度。由现有技术已知的流量计的一个更现代的例子是德国Puchheim的Systec Controls公司的所谓德尔塔巴(Deltaflow)全压头探针。其它的空气流量计例如在Robert Bosch GmbH：Sensoren im Kraftfahrzeug，2007版，86-91页中被描述。
用于在机动车中测量空气量的很多传感器根据所谓的伯努利原理工作。这类传感器的一些例子在DE 10 2007 023 163中被描述。根据伯努利原理的空气流量计基本上基于以下基本原理：流动管的流动横截面局部地通过一个干扰元件从原始横截面A1变窄至较小的横截面A2。空气的体积流量或质量流量的测量通过以下方式实现：在干扰元件前面和后面测量压力p1或p2并且由其确定差压。为此，第一测量点安置在未变窄的区域中并且第二测量点安置在变窄的区域中。由所测得的压差Δp允许分析地或凭经验推断出体积流量或质量流量，例如根据以下公式：
Δp＝Qv 2·ρ·(1/A2 2-1/A1 2)
在此，Qv表示空气或流体介质的体积流量，ρ表示密度(它在此也被假设为常数)，以及A1或A2表示变窄的或未变窄的横截面。为了将体积流量换算成质量流量或将质量流量换算成体积流量或者为了改善结果的精度，可以附加地进行绝对压力或温度的测量，由此例如允许推断出流体介质的密度。然而，按照伯努利原理或其它有效压力测量原理工作的装置尤其在低空气流量时或者在剧烈变化的空气流量时具有显著的动态误差。
因此，对于低的空气流量通常使用超声测量原理，它在确定的流动范围内确保非常精确的测量。超声流量计(USD)借助声波测量流动的介质(气体、液体)的速度。这些流量测量装置包括至少一个传感器，该传感器不仅将声波发射器的功能而且将声波接收器的功能统一在自身中。声学的流量测量提供了相对于其它测量方法的优势。该测量在很大程度上与所使用的介质的特性、例如导电性、密度、温度和黏度无关。运动的机械部件的缺失减小了维护耗费并且不会形成通过横截面变窄的压力损失。所述方法的缺点是：它们分别具有一个有限的范围，在该有限的范围中它们能够足够精确地测量流动的介质的质量流量或体积流量。如果一个大的流动范围(该流动范围此外可以检测整个测量范围中的流动速度变化的高动态性)被覆盖，则各个测量原理要么在高的流动范围内要么在低的流动范围内具有高测量精度。
因此所希望的是一种流量计，它至少在很大程度上避免了现有技术的缺点。尤其是该流量计应当在宽的范围内可用于测量流体介质的体积流量和/或质量流量并且也应当可用于高的通流速度。
发明内容
本发明主要基于以下认知：通过使用至少一个另外的、与介质特性无关的测量原理，能够避免或者至少减小根据有效压力原理工作的装置的所描述的动态误差。因此，为了检测大的流量范围，至少两个测量原理、即超声测量原理和有效压力测量原理被结合。超声测量原理可以尤其用于检测低的流量范围以及由此尤其用于小的流量。相反，有效压力原理尤其可以用于高的流量范围并且因此用于高的流量。由此可以实现：两个相对于外来物体、例如灰尘、颗粒、脏水和油的污染比较不敏感的测量原理被结合，从而实现了通常仅能用热学的流量计达到的测量范围。
因此提出了一种用于检测流过流动管的流体介质的至少一个特性的流量计。所述至少一个特性可以尤其是至少一个流动特性。流量计具有至少一个用于检测流体介质的至少一个第一流动特性的超声传感器。流量计、还具有至少一个用于检测流体介质的至少一个第二流动特性的有效压力传感器。
流体介质的所述至少一个特性原则上可以包括流体介质和/或流体介质流的任意的物理和/或化学特性。流体介质的所述至少一个特性可以在使用第一流动特性和/或第二流动特性的情况下求得。例如，所述至少一个特性可以是第一流动特性、第二流动特性或第一和第二流动特性的组合。尤其地，流体介质的所述至少一个特性可以包括流体介质的至少一个流动特性。在本发明的范围中，流动特性指的是原则上任意的特性，它以任意方式表征流体介质的流动。例如，流动特性可以包括以下测量参数的一个或多个：流动速度、流体介质的质量流量、流体介质的体积流量。变换地或附加地，流体介质的所述至少一个特性也可以包括例如流体介质的密度和/或温度的特性。所提到的和/或其它的特性的任意组合也是可能的。流体介质可以是气体和/或液体或者也可以是两种物态的混合物。流体介质应当适合于流过该流动管，例如在泵送和/或抽吸过程的范围中。
作为流动管原则上可以使用所有任意的空腔，其适合于将流体介质容纳在其中，而在此不使介质与外界接触。流动管可以构造为封闭的或部分敞开的。优选地，流动管长形地成形，用以使至少两个地点相互连接，在这两个地点之间应当交换介质。在此所有的形状和/或横截面可以呈现例如圆形的、圆的或多边形的横截面。该流动管可以直线地构成，但是也可以具有弯曲部。在流体介质在流动管中从一个地点交换至另一个地点时，流体介质优选在主流动方向上运动。主流动方向理解为流体介质的局部主流动方向，例如在测量地点上的主流动方向。主流动方向可以自然地、例如通过流动管的相应弯曲部变化。
超声传感器在此指的是具有至少一个超声换能器、优选至少两个超声换能器的传感器元件。此外，超声传感器例如包括其它元件，尤其是至少一个被设置用于反射超声波的反射面。超声换能器指的是声电换能器元件，它适合用于发送和/或检测超声波。超声换能器的例子是压电换能器元件。这样的超声传感器原则上本身由现有技术公知。流量计可以例如具有超声换能器，它们彼此横向于主流动方向设置，使得它们能够彼此间交换超声波，该超声波具有至少一个平行于流体介质的主流动方向的速度分量。例如，超声换能器可以倾斜地沿着或逆着主流动方向入射到流动管中和/或检测超声波。超声波可以运动通过流体介质并且可以例如碰上至少一个反射面，该反射面可以设置在流动管中。变换地或附加地，超声传感器的至少一个反射面可以通过流动管本身构成，其方式是管内侧用作超声波的反射面。用超声波测量速度的一个例子是测量传播时间差。对于该测量方法，流体介质应尽可能均匀并且仅具有小的固体含量，如其在纯气体、纯液体和气体液体混合物时那样。例如至少两个传感器可以在主流动方向上设置在不同的点上，其中，传感器设置在流动管的同一侧还是设置在不同侧并不重要，因为超声信号的声波能够在所有方向上传播。这意味着，其中一个超声换能器的以主流动方向传播的信号比位于下游的超声换能器的信号更快地到达第二超声换能器，因为位于下游的超声换能器的超声波逆着主流动方向较缓慢地传播。超声波在流体介质的流动方向上比超声波在相反方向上传播得更快。传播时间可以连续地或也可以不连续地被测量。两个超声波的传播时间差因此例如与流体介质的平均流动速度成比例。每单位时间的通流体积可以例如作为平均流速与流动管的相应管横截面相乘的积计算。以该方式也可以例如直接通过超声波的传播时间测量识别测量物质。声音传播时间例如在水中小于在热油中。根据传播时间方法对流动速度的计算按照以下公式实现：
υ＝((T2-T1)/T1T2)＊(L/2cosα)
在此：
υ表示介质的平均流动速度
T1表示超声信号随着流动的传播时间
T2表示超声信号逆着流动的传播时间
L表示超声路径的长度
α表示超声信号相对于流动的角度
对于具有提高的固体含量的介质，例如存在按照多普勒方法执行超声波测量的可能性，在多普勒方法中由于介质中的颗粒的流动速度而检测到发出的信号的频移。其它方法和超声传感器在管系统中的其它布置在现有技术中充分地被提及，如以上所述的那样。
流量计还具有至少一个有效压力传感器。该有效压力传感器可以例如设置在流动管上和/或设置在流动管中和/或完全地或部分地集成在流动管中。该有效压力传感器同样被设置用于求得至少一个流动特性，该至少一个流动特性在下面称为第二流动特性。有效压力传感器原则上也本身由现有技术公知，例如由上述的现有技术公知。有效压力传感器在本发明的范围中指的是用于检测流体介质的至少一个特性的传感器元件，它基于至少一个压力的测量和/或基于至少一个压力传感器的使用，该压力传感器被设置用于检测流体介质的压力。有效压力传感器可以基于静态的和/或动态的测量原理。尤其地，有效压力传感器可以被设置用于检测流体介质在至少两个测量部位上的静态的和/或动态的压力，这两个测量部位在主流动方向上和/或横向于主流动方向相互错开地设置。例如，可以设有至少两个压力传感器和/或至少一个差压传感器，用以检测至少两个测量部位上的至少两个压力和/或检测至少两个测量部位之间的差压。
尤其地，有效压力传感器可以包括至少一个选自包括以下传感器的组的传感器：普朗特探头、皮托管探头、流量孔板、文丘里有效压力探测器、差压传感器。尤其地，有效压力传感器可以包括至少一个使流动变窄的元件，即至少一个被设置用于使流动管的被流体介质流过的横截面变窄的元件。有效压力传感器可以例如被设置用于检测流体介质在流动管的不同部位上的至少两个压力，所述不同部位具有不同的被流过的横截面。使流动变窄的元件可以尤其包括至少一个孔板，该孔板被设置用于使流动管的流动横截面变窄，例如圆形地或圆环形地变窄。所述至少一个孔板可以例如包括至少一个流量孔板，如其原则上对于压力测量而言本身由现有技术已知的那样。
一种优选的实施方式是这样一种流量计，其中超声传感器和有效压力传感器相对于主流动方向上基本上定位在流动管中或上的相同位置处。超声传感器或有效压力传感器的位置差别以相应的传感器在主流动方向上的位置的算术中心为参照。基本上在相同的位置处优选指的是，有效压力传感器在主流动方向上离超声传感器不超过20mm。例如，两个超声换能器的算术中心可以称为超声传感器的位置。对于有效压力传感器，例如至少两个压力传感器、至少两个压力测量部位的位置的算术中心和/或一个或多个绝对压力测量计和一个或多个差压测量计的位置的算术中心给出该有效压力传感器的位置。优选地，就流体介质在流动管中的最小传播时间而言，有效压力传感器和所述至少一个超声传感器应当相互离开不超过2ms，以避免两个传感器的测量值的大的变化。因此，所述至少一个超声传感器和所述至少一个有效压力传感器可以在主流动方向也完全地或部分地重叠。例如，超声传感器的一个超声换能器可以设置在有效压力传感器的上游，而超声传感器的第二超声换能器可以设置在有效压力传感器的下游。由此实现的是：两个测量信号来自流动管中的相同部位并且在两个测量信号之间不可能出现能够基于传感器的另一种定位产生的不精确性。以该方式可以使两个传感器的两个信号彼此相关联，以至于例如通过有效应力传感器检测到的压力测量值与超声传感器的传播时间测量值结合，用以例如确定流体介质的密度和/或温度。
根据本发明的流量计的一个例子是具有至少两个超声换能器的流量计，这些超声换能器参照主流动方向设置在不同的位置上。这两个超声换能器可以直接邻接所述至少一个有效压力传感器设置，或者甚至与有效压力传感器如上所述地重叠。
流量计包括所述至少两个传感器，即所述至少一个超声传感器和所述至少一个有效压力传感器的组合。该有效压力传感器和超声传感器可以完全相互分开地构造，但是也可以优选地具有至少一个共同的结构元件。该结构元件可以例如是保持装置，它例如不仅承载和/或具有用于有效压力传感器的一个或多个功能元件而且承载和/或具有用于超声传感器的一个或多个功能元件。这些功能元件可以对于有效压力传感器而言例如是用于绝对压力测量的开口。此外，该保持装置可以将有效压力传感器的一些部件相互连接和/或附加地具有或承载超声传感器的一个功能元件。变换地或附加地，该共同的结构元件可以例如是用于超声传感器的超声波的反射面或者具有一个这样的反射面。对于超声传感器可以尤其考虑将流体介质的绝对压力用于确定通流质量流量的知识。迄今为止，至少一个绝对压力传感器可以直接集成在超声传感器的控制和分析电子装置中或者与超声传感器的控制和分析电子装置连接。由此获得节省空间的基于两种不同测量原理的传感器。
本发明的另一个方面是用于检测流过流动管的流体介质的至少一个特性的方法，尤其在使用根据本发明的流量计的情况下，其中，借助至少一个超声传感器检测流体介质的至少一个第一流动特性，借助至少一个有效压力传感器检测流体介质的至少一个第二流动特性。
优选地，在至少一个第一值域中将所述第一流动特性用于确定所述至少一个特性，以及在至少一个第二值域中将所述第二流动特性用于确定所述至少一个特性。这些值域可以例如是第一流动特性和/或第二流动特性的测量值和/或可由这些流动特性导出的值的集合或范围。这些值域可以彼此分开，但是也可以在至少一个过渡区域中彼此重叠。因此，例如在第一值域中除过渡区域之外可以仅使用第一流动特性，在第二值域中除过渡区域之外可以仅使用第二流动特性，而在重叠区域中使用组合的特性，第一流动特性和第二流动特性流入到该组合的特性中。例如可以在过渡区域中也实现超声传感器的特征曲线和有效压力传感器的特征曲线的相互适配。这可以例如通过一个或多个校准值的适配来实现。这样可以例如在过渡区域中通过选择一个或多个校准值使有效压力传感器的特征曲线与超声传感器的特征曲线适配，反之亦然，例如通过相应地选择一个偏置量。
通过两个基于不同的检测机理的传感器的组合能够实现的是，在具有高动态的流动速度的流体介质中不仅在低的流动范围中而且在高的流动范围中进行速度的精确测量。例如可以借助超声传感器进行在1m/s至30m/s的范围中的测量，而借助有效压力传感器例如进行在20m/s至60m/s之间的范围中的测量。此外，可以通过确定两个传感器的特性在不同的速度范围中的特征曲线来识别一个传感器的功能故障。
附图说明
本发明的其它细节和优点由在附图中适宜地示出的优选实施例的以下描述给出。其中：
图1以平行于主流动方向的剖视图示出流量计的第一实施例；和
图2和3以平行于主流动方向的剖视图(图2)和垂直于主流动方向的剖视图(图3)示出流量计的第二实施例。
具体实施方式
在图1中以平行于流体介质的主流动方向112的剖视图示出根据本发明的流量计110的第一实施例。流量计110包括至少一个超声传感器114和至少一个有效压力传感器116的组合。超声传感器114在所示的实施例中举例地包括两个超声换能器118，它们例如以V形结构设置在由流体介质在主流动方向112上流过的流动管122的壁中。有效压力传感器116可以例如构造为文丘里探头124并且同样设置在流动管122中。对于文丘里探头124变换地或附加地，有效压力传感器116可以包括其它类型的有效压力传感器，例如流量孔板。
在根据图1的实施例中，超声换能器118、120例如在主流动方向112上彼此错开地设置，即第一超声换能器118设置在第二超声换能器120上游。这些超声换能器118、120可以被设置成：它们不仅能够发射而且能够接收超声波。因此，通过来自图1的布置能够实现的是：不仅能在主流动方向112的方向上发出超声波，如在图1中举例地借助超声波路径126示出的那样，而且能在相反的方向上、即逆着主流动方向112发出超声波，这在图1中未示出。超声波碰到反射面128并且在那里被反射。在所示的实施例中，流动管122的管内壁130举例地同时设置作为反射面128。不过其它布置也是可能的。因此例如能够实现的是，将超声换能器118、120布置在流动管122的彼此相对置的侧，使得超声波不必被反射，而是能够直接在两个超声换能器118、120之间交换。此外可能的是，反射面128与管内壁130分开地构成。具有至少一个反射面128的布置通常是优选的，例如超声换能器118、120设置在流动管122同一侧的布置，因为在该布置中流动速度通常由于较大的路程而能够更精确地被确定。
有效压力传感器116优选紧挨着超声传感器114设置。为了保证对于两个传感器、即超声传感器114和有效压力传感器116的测量结果而言条件尽可能相似，优选这两个传感器114和116之间的距离保持尽可能小。
在图1中所示的有效压力传感器116基于所谓的文丘里原理并且因此在流动管122的区域中具有至少两个取样部位或压力测量部位132、134，流动管122在这些区域中具有不同的流动横截面。例如在流动管122中可以设置至少一个使流动变窄的元件135。压力测量部位132、134可以例如分别设置在从管136、138至流动管122中的通口处。管136、138例如可以横向于流动管122设置并且可以与流动管122连通和/或彼此间连通。压力测量部位132、134可以单个地或者双双用于至少一个绝对压力测量和/或用于至少一个差压测量。举例地在图1中示出一种设计方案，在该设计方案中管136作为取样管用于以绝对压力测量计140测量绝对压力。变换地或附加地，在所示的实施例中，有效压力传感器116具有至少一个差压测量计142，该差压测量计例如能够执行在具有较宽流动横截面的压力测量部位132与具有较窄流动横截面的位于下游的压力测量部位134之间的差压测量。
在图2和3中以平行于主流动方向112的剖视图(图2)和垂直于主流动方向112的剖视图(图3)示出流量计110的第二实施例。根据图2的流量计110也具有一个带有两个超声换能器118、120的超声传感器114，这些超声换能器118、120在主流动方向112上相互错开地设置在流动管122的相同侧。在此，一个超声波路径126遇上反射面128，该反射面在该实施例中优选不是设置在流动管122的管内壁130上，而是该反射面优选是保持装置144的一部分。该保持装置144可以同时承载有效压力传感器116的一个组成部分和/或该有效压力传感器的一些组成部分。优选地，反射面128在流动管122中与超声换能器118、120相距适当距离。该保持装置144将反射面128优选与有效压力传感器116的组成部分连接。
该有效压力传感器116可以例如在该实施例中或者也在其他实施例中构造为普朗特探头146和/或包括普朗特探头146。为此目的，该有效压力传感器116例如又具有至少两个压力测量部位132、134。因此，例如在保持装置144中第一管136的与主流动方向112相反的开口设置作为第一压力测量部位132，该第一压力测量部位例如也可以具有扩宽部。第一压力测量部位132因此例如可以是全压头(Staudruck)测量部位。在第一压力测量部位132下游在保持装置144侧面上设置的另一开口可以用作第二压力测量部位134，该第二压力测量部位例如可以构造为第二管138至保持装置144的壁中的通口。有效压力传感器116又可以例如具有至少一个绝对压力测量计140和/或至少一个差压测量计142，该绝对压力测量计例如可以与第二管138连接，该差压测量计用于测量例如在管136与138之间的差压。
为了获得在整个测量范围上连续的测量信号，对于图1中的实施例、对于图2和3中的实施例或者对于根据本发明的其它实施例，所述至少一个超声传感器114的测量范围和所述至少一个有效压力传感器116的测量范围可以彼此接合。在这里，如上所述，可以利用：有效压力传感器116的测量误差通常主要包括差压测量计142的零点漂移。测量范围的彼此接合以及由此值域的确定可以例如通过以下方式进行，该方式在此举例地借助空气作为流动介质被说明：
首先可以例如求得通过至少一个超声传感器114(也被称为超声流量计，UDM)的空气质量：
m(UDM)＝D(UDM)×ρ，其中
m：空气质量
D：UDM的流量测量值(来自校准)
ρ：介质的密度
该密度ρ此外通过下式限定：
ρ＝pabs/R/T，其中
pabs：绝对压力
R：气体常数
T：绝对温度
温度可以例如由超声波的传播时间和/或通过附加的温度探测器确定。
对于有效压力传感器116(WDS)，流体质量的确定例如根据下式实现：
M(WDS)＝C＊√((p+poff)＊ρ)，其中
C：校准常数
p：有效压力
poff：偏置量
ρ：介质的密度
可以限定一些范围，在这些范围中各个信号被不同地使用。以下参数可以被使用：
mmin：最小地可由至少一个超声传感器114检测的介质质量流量
m1：过渡区域的开始
m2：过渡区域的结束
mmax：最大地可由至少一个超声传感器114检测的介质质量流量
两种传感器原理的可能用途在于：在mmin至m2的范围内可以使用超声信号。在m2至mmin的范围内可以使用有效压力传感器信号，以及在m1与m2之间的范围内可以通过m(UDM)和m(WDS)的等同来确定poff。
poff值可以被确定并且在m2与mmax之间的范围内被使用，直至重新到达m1与m2之间的范围。由此可以实现流量计110的连续的特征曲线。通过poff值的可信度测试可以检测所述至少一个超声传感器114或者所述至少一个有效压力传感器116的故障状态。

Claims (10)

1.用于检测流过流动管(122)的流体介质的至少一个特性的流量计(110)，其中，所述流量计(110)具有至少一个用于检测所述流体介质的至少一个第一流动特性的超声传感器(114)，所述流量计(110)还具有至少一个用于检测所述流体介质的至少一个第二流动特性的有效压力传感器(116)。
2.根据权利要求1所述的流量计(110)，其中，所述至少一个特性选自：流动速度、流体介质的质量流量、流体介质的体积流量、流体介质的温度、流体介质的密度。
3.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述有效压力传感器(116)是一选自包括以下传感器的组的传感器：普朗特探头(146)、皮托管探头、流量孔板、文丘里探头(124)、差压传感器(142)。
4.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述有效压力传感器(116)包括至少一个使流动变窄的元件(135)。
5.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述超声传感器(114)和所述有效压力传感器(116)相对于流体介质的主流动方向(112)基本上定位在所述流动管(122)中或上的相同位置处。
6.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述流量计(110)具有至少两个超声换能器(118，120)，这些超声换能器相对于流体介质的主流动方向(112)设置在不同的位置上。
7.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述有效压力传感器(116)和所述超声传感器(114)具有至少一个共同的结构元件。
8.根据以上权利要求之一所述的流量计(110)，其中，所述共同的结构元件具有用于所述超声传感器(114)的超声波的反射面(128)。
9.用于尤其在使用根据以上权利要求之一所述的流量计(110)的情况下检测流过流动管(122)的流体介质的至少一个特性的方法，其中，借助至少一个超声传感器(114)检测所述流体介质的至少一个第一流动特性，借助至少一个有效压力传感器(116)检测所述流体介质的至少一个第二流动特性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在至少一个第一值域中将所述第一流动特性用于确定所述至少一个特性，以及在至少一个第二值域中将所述第二流动特性用于确定所述至少一个特性。
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