DE10012926C2 - Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung, Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium und Verfahren zur Bestimmung von Strömungsparametern - Google Patents

Abstract

Eine von einem Medium durchströmte Vorrichtung (10) hat eine Wandung (11), die einen durchströmbaren Innenraum (12) umschließt, sowie eine Sensoreinrichtung (13) zur Erfassung von Vibrationen bzw. Schwingungen, die auf einer Außenseite (14) der Wandung (11) angeordnet ist. Im Betrieb erzeugt die Sensoreinrichtung (13) Signale, die Vibrations- oder Schwingungsgrößen repräsentieren. Eine Auswerteeinheit dient zur Auswertung der Signale, wobei die Auswerteeinheit aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen die Strömungsparameter ermittelt. Beispielsweise umfasst die Sensoreinrichtung (13) einen PVDF-Piezofoliensensor, der auf eine Rohraußenwand geklebt ist. Durch Messung der Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen an einer Außenseite der Leitung oder des Leitungsdrahtes werden aus den entsprechenden Größen die Strömungsparameter für ein Medium ermittelt, das die Leitung durchströmt. Durch Filterung und RMS-Wertbildung wird z. B. die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Massendurchsatz ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung gemäß dem Ober­ begriff von Patentanspruch 1, eine Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium ge­ mäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6, und ein Verfahren zur Bestimmung von Strö­ mungsparametern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.

Bei den bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Strömungsda­ ten werden mit Messgeräten bzw. Sensoren, die sich direkt in einem Medienstrom befin­ den, Strömungsdaten wie beispielsweise Massendurchsatz oder Geschwindigkeit inner­ halb einer Leitung oder Rohrleitung bestimmt. Die Sensoren können z. B. Flügelräder auf­ weisen, die durch den Medienstrom angetrieben werden, wobei über die Drehzahl die Durchströmungsgeschwindigkeit und weitere Strömungsparameter bestimmt werden kön­ nen. Bei einem anderen Messverfahren werden Schwebekörper in den Strom eingebracht, wobei über deren Bewegung die Strömungsparameter ermittelt werden.

Bei einem anderen bekannten Verfahren sind Hitzdrahtsensoren im Medienstrom ange­ ordnet. Dabei werden ein oder mehrere Drähte durch einen elektrischen Strom erhitzt und auf einer konstanten Temperatur gehalten. Die Leistung, die hierzu benötigt wird, ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Auch kann über eine Änderung des elektrischen Widerstands der Drähte die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Die Druckschrift US 3,218,852 zeigt beispielsweise ein Gerät zur Strömungsmessung mit einem Schwingungssensor, der innerhalb einer Rohrleitung angeordnet ist, die im Betrieb von einem Medium durchströmt wird. Daran ist eine außengelegene Auswerteeinheit ge­ koppelt, mit der die Störungsparameter ausgelesen werden können. Um den direkten Kon­ takt des Schwingungssensors mit dem Medium zu gewährleisten, ist ein zylindrischer Hohlkörper zur Aufnahme eines Geräuschsignals durch die Wandung der Rohrleitung ge­ führt, so dass der Kopf des Hohlkörpers in Kontakt mit der Strömung steht.

Die Druckschrift US 4,445,389 zeigt die Messung einer Flussrate innerhalb eines Rohres von außen. Dabei wird an einer Stelle des Rohres Schall mit einer bestimmten Wellenlänge eingebracht, während an einer anderen Stelle des Rohres in Strömungsrichtung der Schall mit zwei Mikrophonen abgegriffen wird. Durch die Schallquelle wird dem Medium eine bestimmte Wellenlänge eingeprägt, die sehr viel größer ist, als der Rohrdurchmesser.

In der Druckschrift WO 99/22245 ist eine Einrichtung zur Strömungsmessung gezeigt, bei der ein Hohlkörper in seinem Innenraum mit einem Mikrophon versehen ist. Dabei wird der akustische Druck in ein oder mehreren Hohlkörpern gemessen und durch eine Schaltung in Frequenzbändern gefiltert.

Die bekannten Verfahren zur Bestimmung von Strömungsdaten haben jedoch einige Nachteile. Beispielsweise können in der Strömung lokale Störungen vorhanden sein, was zu Messfehlern führt. Diese lokalen Störungen werden z. B. durch einen Übergang von la­ minarer zu turbulenter Strömung verursacht. Weiterhin verursachen die Sensoren selbst eine Verwirbelung, so dass sich hieraus ebenfalls Messfehler ergeben. Hinzu kommt eine Verschmutzung der Sensoren, die durch chemisch oder mechanisch wirksame Anteile im zu untersuchenden Medium verursacht wird. Derartige Verschmutzungen, können sogar zur Zerstörung der sensierenden Elemente führen. Besonders im Bereich der Kraftfahr­ zeugtechnik ist dies ein erheblicher Nachteil, da z. B. im Ansaugstrang eines Verbren­ nungsmotors sehr genaue Messungen erforderlich sind, um die erforderliche Einspritz­ menge an Kraftstoff in idealer Weise an die zugeführte Luftmenge anzupassen. Besonders im Winter können die Sensoren aufgrund von Salzanteilen im Luftstrom in ihrer Funktion beeinträchtigt oder sogar zerstört werden. Aber auch im Sommer kann z. B. staubhaltige Luft die Sensoren verschmutzen und eventuell sogar zerstören.

Darüber hinaus erfordern die bekannten Vorrichtungen und Verfahren eine äußerst kom­ plexe Aufbau- und Verbindungstechnik, da z. B. Wanddurchführungen und Flansche not­ wendig sind. Gegebenenfalls müssen auch Lager und Membranen an der Rohrinnenwand integriert werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium zu schaffen und ein Verfahren zur Bestimmung von Strömungsparame­ tern eines Mediums in einer durchströmten Leitung anzugeben, wobei mit relativ einfachen gerätetechnischem Aufwand ohne größere Konstruktion Änderungen an einer durchström­ ten Vorrichtung Strömungsparameter bestimmt werden können. Auch sollen Messfehler reduziert oder vermieden werden können, wobei die Lebensdauer der Messeinrichtung erhöht wird. Weiterhin soll eine Sensoreinrichtung geschaffen werden, mit der eine genaue Strömungsmessung bei geringem konstruktiven Aufwand dauerhaft durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung gemäß Patentanspruch 1, durch die Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium gemäß Patentanspruch 6 und durch das Verfahren zur Bestimmung von Strömungsparametern eines Mediums gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeich­ nungen.

Gemäß der Erfindung wird eine Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung geschaffen, die einen Vibrations- oder Schwingungssensor aufweist, der von außen an eine Vorrichtung ankoppelbar oder angekoppelt ist, welche im Betrieb von einem Medium durchströmt wird, wobei die Sensoreinrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit aufweist, die an den Vibrati­ ons- oder Schwingungssensor koppelbar oder gekoppelt ist und aus Vibrations- oder Schwingungsgrößen der Vorrichtung Strömungsparameter des strömenden Mediums er­ mittelt, wobei der Vibrations- oder Schwingungssensor ein Piezofoliensensor ist, der von außen an die Vorrichtung ankoppelbar oder angekoppelt ist.

Dadurch können ohne größeren konstruktiven Aufwand genaue Messungen der Strö­ mungsparameter erfolgen, ohne dass ein Messfühler in der Strömung das Ergebnis ver­ fälscht. Weiterhin kann keine Beeinträchtigung des Messfühlers durch das strömende Me­ dium erfolgen, weshalb seine Lebensdauer erhöht ist. Der Vibrations- oder Schwingungs­ sensor ist bevorzugt fest mit der Vorrichtung bzw. mit einer Wandung der Vorrichtung ver­ bunden, sodass sich eine besonders gute Ankoppelung bezüglich der Schallübertragung ergibt.

Vorteilhafterweise ist der Piezofoliensensor aus Polyvinylidenfluorid gefertigt. Damit kön­ nen auf besonders kostengünstige Weise genaue Messungen erfolgen.

Beispielsweise umgibt eine Abschirmung bzw. ein Gehäuse die Sensoreinrichtung, bevor­ zugt in der Art eines Deckels. Dadurch ist eine wirksame Abschirmung gegen Störungen des Sensors von außen gegeben. Anstatt eines Deckels kann auch ein Rohr vorgesehen sein, das koaxial bzw. konzentrisch zu einem ersten Rohr angeordnet ist, welches durch­ strömt wird und auf welchem der Vibrations- oder Strömungssensor befestigt ist. Der Sen­ sor ist in diesem Fall durch das konzentrische Rohr nach außen abgeschirmt.

Der Vibrations- oder Schwingungssensor ist also von der Umwelt bzw. vom Außenraum entkoppelt, d. h., durch die schwache Ankoppelung zur Umwelt ergibt sich eine gute Schall- und strömungsmäßige Abschirmung.

Die Sensoreinrichtung ermöglicht beispielsweise die Bestimmung vom Durchfluss und/oder Geschwindigkeit des Mediums in der Vorrichtung.

Bevorzugt ist die Auswerteeinheit zur Filterung der Signale und insbesondere zur Bildung von RMS-Werten aus den Signalen ausgestaltet. Damit können sehr schnelle und sehr ge­ naue Auswertungen erfolgen, so dass die Messgenauigkeit noch erhöht wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium geschaffen, die eine Wandung aufweist, welche einen durchströmbaren Innenraum umschließt, wobei die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem Piezofo­ liensensor umfasst, die zur Erfassung von Vibrationen und/oder Schwingungen dient und auf einer Außenseite der Wandung angeordnet ist, und die im Betrieb Signale erzeugt, die Vibrations- oder Schwingungsgrößen repräsentieren, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale aufweist, die aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen die Strömungsparameter ermittelt. Durch die Vorrichtung werden insbesondere betriebsdauerabhängige Messfehler vermieden und die Lebensdauer der Vorrichtung wird deutlich erhöht. Als weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich ein einheitli­ ches Messverfahren für Gase, Flüssigkeiten und prinzipiell auch für feinkörnige Schüttgüter, beispielsweise Sand, als strömende Medien. Durch die Applikation der Sensorik au­ ßerhalb des Medienstroms, d. h. an der Außenwand der Leitung bzw. des Rohres, bleibt die Strömung von der Messung unbeeinflusst, was zu genaueren Messergebnissen führt. Die Sensoreinrichtung bleibt frei von einer Verschmutzung durch das Medium, was zu einer höheren Zuverlässigkeit und einer verlängerten Lebensdauer führt, wobei auch hierdurch zur erhöhten Messgenauigkeit beigetragen wird.

Hinzu kommt, dass die Konstruktion vereinfacht wird, was die Kosten reduziert. Komplexe Aufbau- und Verbindungstechniken, Wanddurchführungen, Flansche sowie Lager und Membranen oder ähnliches können eingespart werden. Bevorzugt umfasst die Sensorein­ richtung einen Piezofoliensensor, oder sie ist als Piezofoliensensor ausgestaltet, wobei der Piezofoliensensor insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) gefertigt ist. Damit lässt sich die Sensoreinrichtung auf besonders kostengünstige Weise herstellen, wobei eine besonders hohe Zuverlässigkeit gegeben ist.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Abschirmung bzw. ein Gehäuse, das die Sen­ soreinrichtung umgibt. Dadurch wird die Sensoreinrichtung nach außen hin abgeschirmt, was die Lebensdauer noch weiter erhöht und zu noch genaueren Messergebnissen führt.

Mit der Vorrichtung kann z. B. der Durchfluss und/oder die Geschwindigkeit des Mediums, das in der Vorrichtung fließt, als Strömungsparameter ermittelt werden. Damit lässt sich der genaue Massendurchsatz bestimmen, so dass beispielsweise exakte Mischungen aus verschiedenen Stoffen hergestellt werden können.

Insbesondere ist die Auswerteeinheit zur Filterung der Signale und zur Bildung von RMS- Werten aus den Signalen ausgestaltet. Die RMS-Werte bzw. Roote Mean Square Werte ermöglichen eine besonders genaue Bestimmung der Strömungsparameter aus den ge­ messenen Signalen.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung eine Leitung bzw. Rohrleitung zur Zufuhr von Luft in einer Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Ansaugrohr oder Ansaugstrang eines Verbrennungsmotors. Somit können auch bei ungünstigen Witterungen oder bei Vorhandensein von Staub oder auch aggressiven Stoffen in der Luft sehr genaue Luftzufuhrmen­ gen zuverlässig ermittelt bzw. bestimmt werden. Damit ist es möglich, beispielsweise die Einspritzmenge von Kraftstoff und die einem Brennraum zugeführte Luftmenge in einem idealen Verhältnis aufeinander abzustimmen, so dass der Treibstoffverbrauch gesenkt wird und darüber hinaus die Umweltfreundlichkeit noch erhöht wird. Insbesondere für die Kraft­ fahrzeugtechnik, aber auch für Flugzeuge und andere Fahrzeuge ist die erfindungsgemäße durchströmte Vorrichtung und die Sensoreinrichtung in vorteilhafterweise anwendbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Strömungsparameter eines Mediums in einer durchströmten Leitung bestimmt, wobei auf einer Außenseite der Leitung Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen der Leitung mittels eines Piezofoliensensors gemessen werden und aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen der Leitung die Strömungspa­ rameter innerhalb der Leitung ermittelt werden. Dadurch können Strömungsparameter, wie beispielsweise Geschwindigkeit oder Durchsatz, sehr genau bestimmt werden, ohne dass in der Strömung selbst oder innerhalb der Leitung eine Sensoreinrichtung angebracht werden muss. Das Verfahren lässt sich kostengünstig durchführen, bietet eine hohe Zu­ verlässigkeit und erfordert einen geringen konstruktiven Aufwand. Die Messergebnisse werden nicht verfälscht, beispielsweise durch Messfühler in der Strömung, und es müssen keine Löcher oder andere Durchführungen in einer Leitung angebracht werden, um die Messung ausführen zu können.

Die Messung wird mit einem Piezofoliensensor durchgeführt; vorteilhafterweise mit einem PVDF-Piezofoliensensor. D. h., die Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen an der Leitung werden insbesondere mit dem Piezofoliensensor erfasst. Damit kann das Verfahren zur Bestimmung von Strömungsparametern an bestehenden Vorrichtungen durchgeführt wer­ den, ohne dass diese in großem Umfang konstruktiv verändert werden müssen. Der Piezo­ foliensensor lässt sich einfach an der Außenseite der Vorrichtung oder Leitung anbringen und liefert zuverlässige Messergebnisse.

Bevorzugt werden die gemessenen Werte einer Filterung, sowie insbesondere der Bildung von RMS-Werten unterzogen. Durch diese spezielle Ausgestaltung des Verfahrens lassen sich aus den gemessenen Größen auf sehr genaue Art und Weise die Strömungsparameter innerhalb der Leitung ermitteln.

Die Messung erfolgt bevorzugt in zeitlichen Abständen, beispielsweise mit einer Frequenz von mindestens 1 kHz, insbesondere 10 und mehr kHz. Mit diesen Abtastraten bzw. Mess­ abständen kann eine Auswertung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen, die dennoch zuver­ lässige Ergebnisse liefert.

Vorteilhafterweise werden als Strömungsparameter Massendurchsatz, Geschwindigkeit oder Durchflussrate einzeln oder in Kombination ermittelt.

Das Medium, dessen Strömungsparameter gemessen werden, ist flüssig oder gasförmig, oder es kann auch ein feinkörniges, festes Material sein, beispielsweise ein Schüttgut, insbesondere Sand.

Insbesondere ist das Medium ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff, der einem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Somit kann das optimale Gemisch zur Zufuhr in eine Brennkammer und zur dortigen Verbrennung aufbereitet werden, so dass die Leistung des Verbrennungsmotors bzw. der Brennkraftmaschine erhöht wird, die Abgase reduziert werden, und der Treib- oder Brennstoffverbrauch gesenkt wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a eine durchströmbare Vorrichtung bzw. Leitung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, schematisch als Längsschnitt dargestellt;

Fig. 1b einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 1a;

Fig. 2 eine Schnittansicht, in der die Sensoreinrichtung als Detail der Vorrichtung vergrößert schematisch dargestellt ist;

Fig. 3 ein Beispiel einer Strömungsmessung an einem PU-Schlauch;

Fig. 4 ein Beispiel für eine Messreihenanalyse, wobei den Messdaten Saugrohrmessungen mit Piezofolien-Sensoren zugrundeliegen;

Fig. 5 eine Frequenzanalyse gefilterter Drucksignalreihen; und

Fig. 6 dynamikreduzierte Piezosignale zweier Sensoren als Funktion der Motordrehzahl eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine durchströmbare Vorrichtung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Leitung oder Rohrleitung, die durch eine Wandung 11 gebildet wird. Die Wandung 11, die hier als zylindrisches Rohr ausgestaltet ist, hat eine Eingangsöffnung 11a und eine Ausgangsöffnung 11b zum Ein- bzw. Austritt eines bevorzugt flüssigen oder gasförmigen Mediums. Die Wandung 11 umschließt einen Innenraum 12, durch den im Betrieb das Medium von der Eingangsöffnung 11a zur Ausgangsöffnung 11b strömt. An die Wandung 11 der Vorrichtung 10 ist eine Sensoreinrichtung 13 in Form eines Piezofoliensensors gekoppelt. Die Sensoreinrichtung 13 ist zur Erfassung von Vibrationen und/oder Schwingungen ausgestaltet und auf einer Außenseite 14 der Wandung 12 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 13 bzw. der Piezofoliensensor erzeugt im Betrieb Signale, die Vibrations- oder Schwingungsgrößen repräsentieren. Eine Auswerteeinheit, die in der Figur nicht dargestellt ist, dient zur Auswertung der von der Sensoreinrichtung 13 erzeugten Signale, wobei die Auswerteeinheit aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen die Strömungsparameter ermittelt.

Der Piezofoliensensor ist im vorliegenden Fall ein PVDF-Piezofoliensensor, d. h., er ist aus Polyvinylidenfluorid gefertigt. Der Piezofoliensensor liefert Spannungssignale, welche durch die Vibrationen oder Schwingungen der Wandung 11 aufgrund der Wechselwirkung des strömenden Mediums mit dieser Wandung erzeugt werden. Die Schwingungen oder Vibrationen werden durch die Strömung verursacht, die sich im Innenraum 12 der Vorrichtung 10 befindet. D. h., bei Durchströmung der Vorrichtung 10 mit einem Medium wird über den außen an der Wandung 11 angebrachten Piezofoliensensor die Schwingung oder Vibration aufgrund der Strömung im Innenraum 12 gemessen.

In Fig. 1b ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung 10 mit dem Piezofoliensensor bzw. der Sensoreinrichtung 13 gezeigt. Der Foliensensor bzw. Piezofoliensensor ist flächig auf einem Teilbereich der Wandung 11 an deren Außenseite 14 angeordnet. Ein Gehäuse 15 bildet eine Abschirmung der Sensoreinrichtung 13 nach außen. Das Gehäuse 15 ist als Deckel ausgebildet und umgibt die Sensoreinrichtung 13, zusammen mit einem Teilstück der Wandung 11. Damit wird die Sensoreinrichtung 13 gegen Einflüsse von außen, beispielsweise mechanische oder chemische Einflüsse, geschützt. Als Abschirmung bzw. Gehäuse kann auch ein zur Wandung 11 konzentrisches Rohr vorgesehen sein, das die Sensoreinrichtung 13 nach außen abschirmt.

Der Foliensensor bzw. der Piezofoliensensor ist auf der Wandung 11 von außen aufgeklebt. Die Wandung 11 hat hier einen kreisrunden Querschnitt, sie kann jedoch auch andere Formen haben, in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen. Ein Segment der im Querschnitt kreisförmigen Wandung 11 ist von dem Sensor bzw. Piezofoliensensor belegt, d. h. in direktem Kontakt mit diesem.

Fig. 2 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt den Sensoraufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 von Fig. 1a und 1b. Die Sensoreinrichtung 13 umfasst den Foliensensor als Vibrations- oder Schwingungssensor 9, der durch eine Klebeschicht 16 mit der Wandung 11 bzw. Rohrwand fest verbunden ist. Der Vibrations- oder Schwingungssensor 9 hat sensible Bereiche 13a, die eine piezoelektrische Eigenschaft haben und bei einem auftretenden Druck elektrische Signale erzeugen. Die sensiblen Bereiche 13a sind über die Außenseite 14 der Wandung 11 verteilt, um flächenartig auftretende Drücke, Vibrationen oder Schwingungen der Wandung 11 zu messen.

Eine Verstärkerplatine 17 mit Verstärkerelementen 18 ist auf der Rückseite der PVDF-Folie angeordnet und dient zur Verstärkung der von der Sensorfolie mit den einzelnen sensiblen Bereichen 13a erzeugten Signale. Das Gehäuse 15 umschließt deckelartig die Sensoreinrichtung 13 mit dem Foliensensor bzw. Vibrations- oder Schwingungssensor 9 und der Verstärkerplatine 17.

Über Signalleitungen oder durch Funkübertragung werden die von der Sensoreinrichtung 13 erzeugten elektrischen Signale an eine Auswerteeinheit gegeben, die aus den Messgrößen bzw. Vibrationen oder Schwingungen, die Strömungsparameter ermittelt.

Fig. 3 zeigt als Beispiel die Ergebnisse einer an einem PU-Schlauch durchgeführten Strömungsmessung, mit einem Piezofoliensensor an der Schlauchoberfläche. Der PU- Schlauch, an dem die Messung durchgeführt wurde, hat einen Außendurchmesser von 10,5 mm und einen Innendurchmesser von 8 mm. Die Messung wurde mit einer Abtastfrequenz von 10 kHz durchgeführt. Dabei wurden Körperschallsignale aufgenommen bzw. gemessen und als elektrische Signale an die Auswerteeinheit übergeben. Die Messungen wurden bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. bei verschiedenen Strömungsdrücken oder Strömungsvordrücken durchgeführt.

Die von der Sensoreinrichtung 13 gelieferten Messsignale wurden gefiltert und anschließend wurde eine RMS-Wert-Bildung durchgeführt. Der RMS-Wert bzw. Roote Mean Square Wert ergibt sich nach der Formel:

Dabei ist Signal (t_n) das zum Zeitpunkt t_n gemessene Signal und Signal der Mittelwert der Messsignale. N ist beispielsweise 500 oder 1000, d. h. es werden 500 bzw. 1000 Messsignale ermittelt und zur Bildung eines RMS-Wertes herangezogen. Über den Term

erfolgt eine Normierung, so dass man bei der Auswertung einen normierten RMS- Wert erhält.

Zur Auswertung kann in vorteilhafterweise auch der Wert RS herangezogen werden, der nach der Formel:

ermittelt wird. Diese Art der RMS-Wert-Bildung hat den Vorteil, dass die absolute Höhe eines zuvor gebildeten Hochpasssignals keine Rolle spielt und sich eine stabilere Eichung ergibt. Der Wert RS ist darüber hinaus unempfindlich gegenüber Temperatur­ schwankungen, da er beispielsweise unbeeinflusst bleibt, wenn sich das E-Modul der Piezofolie mit der Temperatur linear ändert.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der so ermittelten RMS-Signale in mV vom Strömungsvordruck in bar. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen den RMS- Signalen und dem Strömungsvordruck. Das Auswerteintervall für einen Messwert in Fig. 3 beträgt 100 ms, wobei 1000 Messpunkte in die Auswertung miteinbezogen sind. Aus dem linearen Zusammenhang zwischen den RMS-Signalen und dem Strömungsvordruck kann - bei laminarer Strömung - über die bekannte Hagen-Poiseuille-Gleichung eine Durchflussmenge zugeordnet werden. Der Messwert bei einem Strömungsvordruck P = 0 ergibt das Rauschsignal. Dieses Rauschsignal wird z. B. erzeugt, wenn der Sensor bzw. die PVDF-Folie nicht nach außen abgeschirmt ist.

Fig. 4 zeigt eine Analyse von Messreihen, die mit Piezofolien-Sensoren an einem Saugrohr eines Verbrennungsmotors durchgeführt wurden. Dabei zeigen die Fig. 4a, 4b und 4c die Analyse der Messsignale im Stand beim Leerlauf des Motors bei 700 U/min. Die Fig. 4d, 4e und 4f zeigen die Messsignale im Stand bei 3000 U/min.

In den Fig. 4a und 4d sind die korrigierten Drucksignalreihen bzw. Drucksignale dargestellt. Diese Signale werden durch die oben beschriebene Sensoreinrichtung an der durchströmten Vorrichtung erzeugt.

Die Signale werden nun einem Tiefpassfilter zugeführt, um den niederfrequenten Anteil der Schwingungen zu erhalten (Fig. 4b bzw. Fig. 4e). Die niederfrequenten Schwingungen zeigen die Motorfrequenz bzw. Kurbelwellenfrequenz des 4-Takt-Motors, an dem die Messung durchgeführt wurde.

Nun werden die niederfrequenten Signale von den ursprünglichen Signalen gemäß Fig. 1a bzw. Fig. 1d abgezogen. Somit ergibt sich ein hochfrequenter Anteil in den Signalen, der in den Fig. 4c und 4f dargestellt ist.

Aus diesen Werten wird nun, wie oben erläutert, der RMS-Wert gebildet. Dabei werden von den Signalen die Mittelwerte abgezogen, von dem Ergebnis das Quadrat gebildet und anschließend über das gewählte Zeitfenster summiert. Die optionale Normierung ermöglicht die Bildung normierter RMS-Werte.

Je nach den entsprechenden Anforderungen kann die Bildung der nach Formel 2 gebildeten RS-Werte vorteilhaft sein.

Die hochfrequenten Signalanteile gemäß den Fig. 4c und 4f sind auf die Reibung des strömenden Mediums an der Innenseite der Rohrwand zurückzuführen. Zwischen den RMS-Werten und der Reibung an der Rohrwand besteht ein monotoner Zusammenhang, durch den auf die Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Innenraum der Vorrichtung 10 geschlossen werden kann. Beispielsweise wird in Versuchsreihen für verschiedenartige Stoffe, Leitungsgeometrien und Materialien der Zusammenhang ermittelt. Die Werte können gespeichert werden und später zur Bestimmung der Strömungsparameter aus gemessenen Werten herangezogen werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Analyse von Messreihen, die bei Saugrohrmessungen mit Piezofolien-Sensoren erhalten wurden. Bei der Analyse der Messreihen wurden die niederfrequenten und die hochfrequenten Anteile voneinander getrennt.

In Fig. 5 ist die Frequenzanalyse der gefilterten Drucksignalreihen gezeigt, wobei direkt am Ansaugrohr gemessen wurde. Aus Fig. 5 ist der direkte bzw. lineare Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Motors und der Frequenz ersichtlich.

Fig. 6 zeigt dynamikreduzierte Piezosignale zweier Sensoren als Funktion der Motordrehzahl wobei sich das Fahrzeug im Stand befindet. Der Sensorabstand bei der Messung betrug 2 cm, wobei ebenfalls am Ansaugrohr gemessen wurde. Der Zusammenhang zwischen der Drehzahl und den RMS-Werten ist aus Fig. 6 ersichtlich. Die sich so ergebende Kurve ist charakteristisch für die jeweilige Strömung im Ansaugrohr. Bei einer anderen Belastung des Motors bzw. bei einer andersartigen Strömung ergibt sich eine andere charakteristische Kurve. Über eine Eichmessung, die z. B. an einem Prüfstand mit entsprechenden Sensoren durchgeführt wird, wird der Zusammenhang zwischen dem Durchfluss und den RMS-Werten ermittelt. Aus der Eichmessung resultieren dann beispielsweise Eichkurven, die in einem Speicher der Auswerteeinrichtung abgelegt werden und über die nach Messung, Filterung und RMS-Wertbildung die Strömungsparameter wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit oder Durchfluss bzw. Massendurchfluss ermittelt werden.

Die als Sensoreinrichtung 13 bzw. als Vibrations- oder Schwingungssensor verwendete PVDF-Folie hat beispielsweise eine Dicke von 50 µ und kann sich auf einer kupferkaschierten Leiterplatine befinden.

Durch das Integrations- und Auswerteverfahren, wie es oben beschrieben wurde, werden Rohrströmungen von Gasen und Flüssigkeiten charakterisiert und quantitativ bestimmt. Dabei wird eine Piezofolien-Sensorik verwendet, die zur gleichzeitigen Erfassung von Vibrations- und Schwingungsgrößen an Rohr- oder Leitungsstrukturen dient.

Durch Applikation der Sensorik außerhalb des Medienstroms bzw. an der Rohraußenwand werden betriebsdauerabhängige Messfehler vermieden und die Lebensdauer deutlich erhöht. Als wesentlicher weiterer Vorteil ergibt sich ein einheitliches Messverfahren für Gase, Flüssigkeiten und prinzipiell auch für feinkörnige Schüttgüter, beispielsweise in einer Korngröße von Sand oder darunter.

Claims (16)

1. Sensoreinrichtung zur Strömungsmessung, gekennzeichnet durch einen Vibrations- oder Schwingungssensor (9), der an eine Vorrichtung (10) ankoppelbar oder angekop­ pelt ist, welche im Betrieb von einem Medium durchströmt wird, und eine Auswerte­ einheit, die an den Vibrations- oder Schwingungssensor (9) koppelbar oder gekoppelt ist und aus Vibrations- oder Schwingungsgrößen der Vorrichtung (10) Strömungspara­ meter des strömenden Mediums ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibra­ tions- oder Schwingungssensor (9) ein Piezofoliensensor ist, der von außen an die Vor­ richtung (10) ankoppelbar oder angekoppelt ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrations- oder Schwingungssensor (9) ein PVDF-Piezofoliensensor ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (15), welche die Sensoreinrichtung umgibt.

4. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass Durchfluss und/oder Geschwindigkeit des Mediums in der Vorrichtung (10) als Strömungsparameter ermittelbar sind oder ermittelt werden.

5. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Auswerteeinheit zur Filterung der Signale und zur Bildung von RMS- Werten aus den Signalen ausgestaltet ist.

6. Vorrichtung zur Durchströmung mit einem Medium, mit einer Wandung (11), die einen durchströmbaren Innenraum (12) umschließt, mit einer Sensoreinrichtung (13) zur Er­ fassung von Vibrationen und/oder Schwingungen, die im Betrieb Signale erzeugt, die Vibrations- oder Schwingungsgrößen repräsentieren, und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale, die aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen die Strö­ mungsparameter ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (13) einen Piezofoliensensor umfasst und auf einer Außenseite (14) der Wandung (11) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Leitung zur Zufuhr von Brennstoff in einer Brennkraftmaschine ist oder umfasst, insbesondere ein Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors.

9. Verfahren zur Bestimmung von Strömungsparametern eines Mediums in einer durch­ strömten Vorrichtung oder Leitung, bei dem Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen der Leitung gemessen werden und aus den Vibrations- oder Schwingungsgrößen der Leitung (10) die Strömungsparameter innerhalb der Leitung (10) ermittelt werden, da­ durch gekennzeichnet, dass die Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen auf einer Außenseite (14) der Leitung (10) mittels eines Piezofoliensensors (9) erfasst werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Werte einer Filterung unterzogen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Werte einer RMS-Bildung unterzogen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mes­ sung in zeitlichen Abständen erfolgt, mit einer Frequenz von mindestens 1 kHz, insbe­ sondere 10 und mehr kHz.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsparameter Massendurchsatz, Geschwindigkeit oder Durchflussrate ermittelt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Me­ dium flüssig oder gasförmig ist, oder ein feinkörniges Schüttgut ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Me­ dium ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff ist, der einem Verbrennungsmotor zuge­ führt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrations- und/oder Schwingungsgrößen an der Leitung (10) mittels eines Strö­ mungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erfasst werden.