CN106461613A

CN106461613A - 用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法及设备

Info

Publication number: CN106461613A
Application number: CN201580015969.9A
Authority: CN
Inventors: T.赖特迈尔; S.海因里希; S.科尔贝克
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-07-03
Also published as: US10151730B2; CN106461613B; WO2016005293A1; US20170168019A1; DE102014213216A1

Abstract

用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法和设备。用于确定流体室（FR）中的流体混合物（FG）的成分（B）的浓度的方法，其中，以预定第一频率（F1）操作第一声音转换单元用于发射并接收第一声音信号（SS1）并且以预定第二频率（F2）操作用于发射并接收第二声音信号（SS2），确定第一声音信号（SS1）的第一传播时间（L1）并确定第二声音信号（SS2）的第二传播时间（L2），以及基于第一传播时间（L1）和第二传播时间（L2）确定第一特征值（K1），该特征值表示流体混合物（FG）的成分（B）的浓度。以第三频率（F3）操作用于发射并接收第三声音信号（SS3）的第二声音转换单元并且其被用于确定第三声音信号（SS3）的第三传播时间（L3）。表示流体混合物（FG）的质量流动的第二特征值（K2）从第一传播时间（L1）和第三传播时间（L3）得以确定。

Description

用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法及设备

本发明涉及用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法及对应设备。

DE 35 44 786 A1描述一种通过利用声速的分散来确定气体的浓度的布置，其中，两个不同测量频率的相位在相位检测器中彼此直接比较并且相位差用作气体浓度的测量。

US 2011/0314897 A1描述用于气体的传感器芯片，其包括用于发射并接收超声波的单元并且被设计成覆盖宽范围的频率并基于所述范围内的至少两个响应来测量至少一种气体成分的浓度。

DE 29 45 172 A1描述一种用于确定气体混合物中的气体的浓度（尤其是二氧化碳含量）的方法，其中，分散区域中的气体的急剧修改的声速借助于对气体混合物的分散测量被用于确定气体含量。

US 6 487 916 B1描述一种用于确定流体的流动速率的方法。提供在给定方向上流动的流体。在流体内的第一已知距离上垂直于给定方向发送第一脉冲并接收第一脉冲。在流体内的第二已知距离上以相对给定方向倾斜的角度发送第二脉冲并接收第二脉冲。确定第一脉冲和第二脉冲的相应速度及其差值。该差值被用于确定流动速率。将流动速率与目标流动速度相比较。

本发明的目标是创建一种用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法及对应设备，其有助于可靠地确定成分的浓度的目标。本发明的另一目标是创建促进同时确定质量流动的方法及对应设备。

本目标通过独立专利权利要求的特征来实现。本发明的有利延伸在从属权利要求中给出。

根据第一方面，本发明的特征在于一种用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法，其中，操作第一声音转换单元，用于发送并接收在预定第一频率的第一声音信号并且用于发送并接收在预定第二频率的第二声音信号。

确定第一声音信号的第一传播时间并确定第二声音信号的第二传播时间。基于第一传播时间和第二传播时间，确定第一特征值，所述第一特征值表示流体混合物的成分的浓度。

声音信号的声速对声音信号的频率的依赖性可还被称为声频散。就这一点，利用以下事实：声频散作用取决于流体混合物和流体混合物中的成分的浓度。这使得用可靠的方法确定流体混合物中的成分的浓度成为可能，例如基本独立于流体混合物的质量流动。此外，用于实施所述方法的设备是稳健的并且生产成本低廉。

为此目的，第一频率不等于第二频率。

在根据第一方面的一个实施例中，第一特征值表示流体室中的二氧化碳浓度。尤其在二氧化碳浓度高的情况下，声频散的作用尤其显著。

在根据第一方面的另外的实施例中，内燃机的进气道包括流体室。因此，以有利方式促进可靠且廉价的排气再循环，这是因为例如与使用氧传感器的氧浓度的依赖温度的非稳健测量相比，借助于声频散基于超声波的二氧化碳浓度的确定更可靠。此外，为确定二氧化碳浓度，加热器的使用只是可选的。

在根据第一方面的另外的实施例中，流体室被布置在与排气再循环单元的接合处的下游的进气道中。在有利的方式中，空气混合物进气的二氧化碳浓度因此被确定并使用以有助于精确的排气再循环。

在根据第一方面的另外的实施例中，操作第二声音转换单元，用于发送并接收在预定第三频率的第三声音信号。

确定第三声音信号的第三传播时间。基于第一传播时间和第三传播时间，确定第二特征值，所述第二特征值表示流体混合物的质量流动。

由于额外的声音转换单元，覆盖了额外的频率范围，例如，其中声频散的作用以能测量的方式发生。这意味着，例如，能够以高水平的可靠性来确定流体混合物的成分的浓度。

如果流动流体混合物的成分的浓度被确定，并且第一声音信号的第一主辐射方向的第一分量被定向成在与第三声音信号的第三主辐射方向的第一分量在相对的方向上，并且第一主辐射方向的第一分量和第三主辐射方向的第一分量平行于流体混合物的主流动方向，则这样的布置实现质量流动的同时确定。

例如，额外地操作第二声音转换单元用于发送并接收在预定第四频率的第四声音信号，确定第四声音信号的第四传播时间。基于第四传播时间，能够确定冗余特征值，其表示例如第一特征值或第二特征值，这有利于所述方法的高度可靠性。

根据第二方面，本发明的特征在于一种用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的设备，其包括第一声音转换单元，第一声音转换单元被设计成用于发送并接收第一声音信号和第二声音信号。

所述设备还包括控制单元，其被设计成用于实施根据第一方面的方法。

在有利的方式中，这实现流体混合物的成分的浓度的可靠确定。这样的设备还是稳健的并且生产成本低廉。

用于发送第一声音转换单元的相应声音信号的发射器能够例如布置在具有用于接收相应声音信号的对应接收器的组件中，或布置成与对应接收器在空间上分开。

在根据第二方面的一个实施例中，第一声音转换单元包括至少一个第一声音换能器。

这促进廉价的、节省空间的布置，其中，所述至少一个第一声音换能器例如在一个时间充当发射器并在另一时间充当接收器。

例如，第一声音转换单元具有单个第一声音换能器，其被设计为例如CMUT声音换能器或压电声音换能器，并且其被设计为用于发送并接收第一和第二声音信号。替代地，第一声音转换单元具有例如一个第一声音换能器，每个均被设计成用于相应地发送并接收第一声音信号或第二声音信号。

例如，第一声音转换单元被设计为MEMS模块，其包括两个CMUT声音换能器。

相比于塑料电路板，这样的MEMS模块能够在单件硅上包括例如高达四个声音换能器并且能够廉价且以节省空间的设计被生产。

在根据第二方面的另外的实施例中，所述至少一个第一声音换能器被设计为CMUT。

CMUT是微加工生产的超声换能器，其能量转换基于其电容的变化。

由于其短的衰减时间，所以CMUT设计的声音换能器（CMUT声音换能器）比压电声音换能器更快速地准备接收，使得能够保持短的测量路径。在有利的方式中，短的预定距离实现紧凑设计。此外，CMUT声音换能器的特征在于尤其宽的带宽、耐高温和有成本效益且节省空间的生产。

在根据第二方面的另外的实施例中，所述设备具有反射器元件。所述反射器元件还被设计成在每种情况下反射第一声音信号和第二声音信号，使得第一声音转换单元接收反射的第一声音信号和反射的第二声音信号。

在有利的方式中，这实现用于确定流体混合物的成分的浓度的尤其有成本效益且节省空间的布置。

在根据第二方面的另外的实施例中，所述设备包括第二声音转换单元，其被设计成用于发送并接收第三声音信号。

例如，第二声音转换单元额外地被设计成用于发送并接收在预定第四频率的第四声音信号。

额外的第二声音转换单元覆盖例如额外的频率范围。这意味着，例如，能够以更高水平的可靠性来确定流体混合物的成分的浓度。

流体混合物具有，例如，主流动方向。

例如，第一声音信号的第一主辐射方向和第三声音信号的第三主辐射方向各自具有第一分量，其被定向成彼此在相对的方向上并平行于流体混合物的主流动方向。在该情况下，实现了在主流动方向上的流体混合物的质量流动的同时确定。

在根据第二方面的一个实施例中，第二声音转换单元包括至少一个第二声音换能器。

在根据第二方面的另外的实施例中，所述至少一个第二声音换能器被设计为CMUT。

下面通过参考示意图更详细地描述本发明的示例性实施例。示出的是：

图1是用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的设备的第一示例性实施例，

图2是声音分散曲线的示例，

图3是CMUT声音换能器的频谱和压电声音换能器的频谱，

图4a是用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的第一模块的实施例，

图4b是根据图4a的第一模块的频谱，

图5a是用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的第二模块的实施例，

图5b是根据图5a的第二模块的频谱，

图6是用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的设备的第二示例性实施例，

图7是用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的设备的第三示例性实施例，以及

图8是用于实施用于确定流体室中的流体混合物的成分的浓度的方法的程序的流程图。

相同设计或功能的元件贯穿所有附图被标识有相同的参考数字。

在与排气再循环单元的接合处的下游的内燃机的进气道中，布置具有流体室FR的进气歧管ASR（图1）。

流体混合物FG流过流体室FR并流到内燃机的燃烧室中。在流体室FR中，布置用于确定流体混合物FG的成分B的浓度的设备，例如以控制排气再循环。

设备具有第一声音转换单元SE1，其包括用于发送在预定第一频率F1的第一声音信号SS1的第一发射器S1和用于发送在预定第二频率F2的第二声音信号SS2的第二发射器S2。第一声音转换单元SE1还包括用于接收第一声音信号SS1的第一接收器E1和用于接收第二声音信号SS2的第二接收器E2。例如，第一声音转换单元SE1为此包括至少一个第一声音换能器SW1。例如，流体室FR中的该至少一个第一声音换能器SW1被布置在进气歧管ASR的壁W上，使得第一发射器S1的和第二发射器S2的主辐射方向指向远离进气歧管ASR的壁W到流体室FR中。

第一接收器E1和第二接收器E2被布置成例如在与第一发射器S1和第二发射器S2相距预定距离A处在进气歧管ASR的壁W上彼此相对并且面向第一发射器S1和第二发射器S2。

设备包括例如第二声音转换单元SE2，其包括用于发送在预定第三频率F3的第三声音信号SS3的第三发射器S3和用于发送在预定第四频率F4的第四声音信号SS4的第四发射器S4。第二声音转换单元SE2还包括用于接收第三声音信号SS3的第三接收器E3和用于接收第四声音信号SS4的第四接收器E4。例如，第二声音转换单元SE2为此包括至少一个第二声音换能器SW2。

在该背景中，利用以下事实：取决于流体混合物FG和流体混合物FG中的成分B的浓度，发生不同程度的声音分散作用。

流体混合物FG包括例如氧气和二氧化碳。预定第一频率F1的第一声音信号SS1例如在流体混合物FG中具有第一声速C1。预定第二频率F2的第二声音信号SS2例如在流体混合物FG中具有第二声速C2。

取决于流体混合物FG中的二氧化碳浓度，第一声速C1相对于第二声速C2的差值可高达至第一声速C1的10%，在很大程度上独立于流体混合物FG中的氧浓度或其他流体的浓度。在图2中示出对于给定二氧化碳浓度的该类型的声音分散曲线。

为确定声速C1、C2，装置还被设计成确定流体室FR中的声音信号SS1,SS2的相应传播时间。例如，设备还被设计成确定第三声音信号SS3和第四声音信号SS4的声速，使得在每种情况下针对不同频率的两个声音信号确定声速，由此能够推断二氧化碳浓度。

例如，第一预定频率F1等于第三预定频率F3。此外，例如，第二预定频率F2等于第四预定频率F4，使得至少一个第一声音换能器SW1和至少一个第二声音换能器SW2相同地被设计。

声音换能器SW1、SW2被设计为例如电容性的、微加工超声换能器（CMUT，此后CMUT声音换能器）。

CMUT声音换能器是超声换能器，其能量转换基于其电容的变化。CMUT声音换能器包括硅衬底中的腔，其用作第一电极并且由用作第二电极的薄的金属化膜覆盖。如果交流信号被施加到这两个电极，则膜被激发至振动并且产生超声波，使得CMUT声音换能器用作发射器。如果超声波敲打膜，则CMUT声音换能器的电容产生变化、产生交替信号并且CMUT声音换能器用作接收器。

CMUT声音换能器的几何结构（尤其其基部表面的尺寸）限定声音换能器的频谱。图3示出示例性CMUT声音换能器的频谱SP_C。为了对比目的，还通过虚线示出示例性压电声音换能器的频谱SP_P。为了确保二氧化碳浓度的可靠确定，需要声音信号的最小声压P0。

CMUT声音换能器在第一频率F1_C时达到最小声压P0并且超过最小声压P0直到第二频率F2_C。相比之下，压电声音换能器的频谱SP_P大体更窄，使得例如压电声音换能器达到最小声压P0的第一频率F1_P高于第一频率F1_C，并且例如直到其最小声压P0被超过的第二频率F2_P低于第二频率F2_C。

由于CMUT声音换能器能够在F1_C和F2_C之间的宽频率范围内（在此达到所需的最小声压P0）进行调频，故在仅利用单个CMUT声音换能器的情况下可能够诱发声频散的能测量水平以用于确定二氧化碳浓度。例如，CMUT声音换能器的第一频率F1_C等于第一声音信号SS1的预定第一频率F1，并且CMUT声音换能器的第二频率F2_C等于第二声音信号SS2的预定第二频率F2。

因此，替代在每种情况下两个单独声音换能器，在有利方式中，第一发射器S1和第二发射器S2例如由单个第一声音换能器SW1实现，并且第三发射器S3和第四发射器S4由单个第二声音换能器SW2实现。

在预定第一频率F1等于预定第三频率F3并且预定第二频率F2等于预定第四频率F4的情况下，接收器E1，E2和发射器S3、S4有利地例如由设计为CMUT声音换能器的第一组件BEI实现，并且发射器S1，S2和接收器E3，E4由设计为CMUT声音换能器的第二组件BE2实现（图1）。

图4a示出具有高度H的第一模块BS1，其被设计为例如MEMS模块并且其高度为1mm。第一模块BS1包括第二组件BE2，其被设计为例如CMUT声音换能器并且其频谱SP_BE2在图4b中示出。

SP_BE2的频谱在第一声音信号SS1的预定第一频率F1达到最小声压P0并且持续直到第二声音信号SS2的预定第二频率F2。

替代地，在图5a中示出具有高度H的第二模块BS2，其类似于第一模块BS1被设计为例如MEMS模块并且其高度为1 mm。第二模块BS2包括第三组件BE3和第四组件BE4，其被设计为例如CMUT声音换能器并且其频谱SP_BE3、SP_BE4各自在图5b中示出。

借助于第四组件BE4的较大基部表面（相比于第二组件BE2），第四组件BE4的频谱SP_BE4向较低频率范围移动，使得频谱SP_BE4例如在预定第一频率F1到达最大。借助于第三组件BE3的较大基部表面（相比于第二组件BE2），第三组件BE3的频谱SP_BE3向较高频率范围移动，使得频谱SP_BE3例如在预定第二频率F2达到最大。

借助于该类型的布置，处于最小声压P0的第二模块BS2的频谱尤其宽。此外，处于预定第一频率F1和预定第二频率F2的声压最大。因此，在有利方式中，这有助于流体混合物FG中的成分B的浓度的可靠确定。

图6示出用于确定流体室FR中的流体混合物FG的成分B的浓度的设备的第二示例性实施例，其与图1的第一示例性实施例的不同之处在于：替代第一组件BE1，例如在进气歧管ASR的壁W上布置了反射器元件R，使得第一发射器S1的第一声音信号SS1被反射到第一接收器E1上并且第二发射器S2的第二声音信号SS2被反射到第二接收器E2上。

反射器元件R在该情况下被布置成与发射器S1，S2相距预定距离A。在有利方式中，这样的布置实现流体室FR中的流体混合物FG中的成分B的浓度的可靠确定且生产成本低廉。

图7示出用于确定流体室FR中的流体混合物FG的成分B的浓度的设备的第三示例性实施例，其与图1的第一示例性实施例的不同之处在于：第二组件BE2被布置成在流体混合物FG的主流动方向HSR上相对于第一组件BE1偏置V。

声音信号SS1和SS2每个均具有与主流动方向HSR相对的第一分量。声音信号SS3和SS4每个均具有在主流动方向HSR上的第一分量。例如，第一声音信号SS1包括与主流动方向HSR相对的第一分量SS1_1和垂直于主流动方向HSR的第二分量SS1_2。

例如，预定第一频率F1等于预定第三频率F3，使得借助于第一声音信号SS1和第三声音信号SS3的不同传播时间，能够免于声音分散来确定流体混合物FG的质量流动。

类似地，例如，预定第二频率F2等于预定第四频率F4，使得借助于第二声学信号SS2和第四声音信号SS4的不同传播时间，能够免于声音分散来确定流体混合物FG的质量流动。

图1、图6和图7的设备包括未详细示出的控制单元，在其数据和程序存储器中，存储用于确定流体混合物FG的成分B的浓度的程序，其此后通过参考图8的流程图被更详细地描述。

例如，该程序始于程序步骤PS1，其中，初始化变量。

在程序步骤PS3中，确定第一声音信号SS1的第一传播时间L1和第二声音信号SS2的第二传播时间L2。然后程序在程序步骤PS5中继续。

在程序步骤PS5中，基于第一传播时间L1和第二传播时间L2，确定传播时间L1、L2的第一差值D1。程序在程序步骤PS7中继续。

在程序步骤PS7中，确定第三声音信号SS3的第三传播时间L3和第四声音信号SS4的第四传播时间L4。程序然后在程序步骤PS9中继续。

在程序步骤PS9中，基于第三传播时间L3和第四传播时间L4，确定传播时间L3、L4的第四差值D4。程序然后在程序步骤PS11中继续。

在程序步骤PS11中，基于第一差值D1和第四差值D4，确定第一特征值K1，其表示流体混合物FG的成分B的浓度。程序在程序步骤PS13中继续。

在程序步骤PS13中，基于第一传播时间L1和第三传播时间L3，确定传播时间L1、L3的第二差值D2。程序在程序步骤PS15中继续。

在程序步骤PS15中，基于第二传播时间L2和第四传播时间L4，确定传播时间L2、L4的第三差值D3。程序在程序步骤PS17中继续。

在程序步骤PS17中，基于第一差值D2和第三差值D3，确定第二特征值K2，其表示流体混合物FG的质量流动。

Claims

1.一种用于确定流体室（FR）中的流体混合物（FG）的成分（B）的浓度的方法，其中

- 操作第一声音转换单元用于发送并接收在预定第一频率（F1）的第一声音信号（SS1）并且用于发送并接收在预定第二频率（F2）的第二声音信号（SS2），

- 确定所述第一声音信号（SS1）的第一传播时间（L1）并确定所述第二声音信号（SS2）的第二传播时间（L2），

- 基于所述第一传播时间（L1）和所述第二传播时间（L2），确定第一特征值（K1），所述第一特征值（K1）表示所述流体混合物（FG）的所述成分（B）的所述浓度，

- 操作第二声音转换单元用于发送并接收在预定第三频率（F3）的第三声音信号（SS3），

- 确定所述第三声音信号（SS3）的第三传播时间（L3），以及

- 基于所述第一传播时间（L1）和所述第三传播时间（L3），确定第二特征值（K2），所述第二特征值（K2）表示所述流体混合物（FG）的质量流动。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一特征值（K1）表示所述流体室（FR）中的二氧化碳浓度。

3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，内燃机的进气道包括所述流体室（FR）。

4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述流体室（FR）布置在与排气再循环单元的接合处的下游的进气道中。

5.一种用于确定流体室（FR）中的流体混合物（FG）的成分（B）的浓度的设备，其包括

- 第一声音转换单元，所述第一声音转换单元被设计成用于发送并接收第一声音信号（SS1）和第二声音信号（SS2），

- 第二声音转换单元，所述第二声音转换单元被设计成用于发送并接收第三声音信号（SS3），以及

- 控制单元，所述控制单元被设计成用于实施如前述权利要求1到4中的任一项所述的方法。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述第一声音转换单元包括至少一个第一声音换能器（SW1）。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述至少一个第一声音换能器（SW1）被设计为CMUT。

8.如权利要求5到7中的任一项所述的设备，其具有反射器元件（R），所述反射器元件（R）被设计成在每种情况下反射所述第一声音信号（SS1）和所述第二声音信号（SS2），使得所述第一声音转换单元接收所述反射的第一声音信号（SS1）和所述反射的第二声音信号（SS2）。

9.如前述权利要求5到8中的任一项所述的设备，其中，所述第二声音转换单元包括至少一个第二声音换能器（SW2）。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述至少一个第二声音换能器（SW2）被设计为CMUT。