Technisches
Gebiettechnical
area
Bei
Ultraschall-Strömungssensoren
werden üblicherweise
Laufzeitunterschiede von Ultraschallwellen in strömenden Medien
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
der Medien ausgenutzt. Gemäß heute
im Allgemeinen üblicher
Bauformen senden sich zwei Ultraschallwandler gegenseitig Ultraschallimpulse
zu. Die Ultraschallwandler sind im Allgemeinen direkt aufeinander
ausgerichtet.at
Ultrasonic flow sensors
become common
Transit time differences of ultrasonic waves in flowing media
for measuring the flow velocity
the media exploited. According to today
generally more common
Designs, two ultrasonic transducers send each other ultrasonic pulses
to. The ultrasonic transducers are generally directly on top of each other
aligned.
Bei
Ultraschall-Strömungssensoren
werden üblicherweise
Laufzeitunterschiede von Ultraschallwellen in strömenden Medien
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
ausgenutzt. Im Allgemeinen stehen sich zwei Ultraschallwandler,
die sich in einem definierten Abstand zueinander befinden gegenüber und
senden sich gegenseitig Ultraschallimpulse zu. Die gedachte Verbindungslinie
zwischen den Ultraschallwandlern kann um einen Winkel α gegenüber dem
Geschwindigkeitsvektor V des strömenden
Mediums verkippt sein, so dass eine Komponente der Strömungsgeschwindigkeit
parallel beziehungsweise antiparallel zur Schallausbreitung verläuft und
den Schall je nach Ausbreitungsrichtung verlangsamt oder beschleunigt.
Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus Ultraschall-Messanordnungen
bekannt, bei denen die Wandler direkt aufeinander ausgerichtet sind.
Durch Maßnahmen
innerhalb des Strömungsrohres,
wie zum Beispiel das Vorsehen von Wölbungen, werden Reflexionen
reduziert, die einen vom eigentlichen Nutzsignal abweichenden Ausbreitungsweg
haben.at
Ultrasonic flow sensors
become common
Transit time differences of ultrasonic waves in flowing media
for measuring the flow velocity
exploited. In general, there are two ultrasonic transducers,
which are located at a defined distance from each other and and
send each other ultrasonic pulses. The imaginary connecting line
between the ultrasonic transducers can by an angle α relative to the
Velocity vector V of the flowing
Medium can be tilted, so that a component of the flow velocity
runs parallel or anti-parallel to the sound propagation and
slows or accelerates the sound depending on the direction of propagation.
In addition, ultrasound measuring arrangements are known from the prior art
known, in which the transducers are directly aligned.
By measures
within the flow tube,
such as the provision of bulges become reflections
reduces, which differs from the actual useful signal propagation path
to have.
Aus DE 197 43 340 A1 ist
ein Durchflussmesser bekannt. Dieser ist in der Form eines von dem
zu messenden Medium durchflossenen Messrohres ausgebildet. Es ist
mindestens eine Ultra schall-Sende/Empfangs-Einheit vorgesehen, mit
der das Medium beschallt wird. Ferner ist mindestens ein im Messrohr
angeordneter Reflektor vorhanden, der der Reflexion eines von einer
Ultraschall-Sende/Empfangs-Einheit ausgesandten Ultraschallsignals
auf direktem Weg oder unter Reflexion an einer Messrohrwand in Richtung
auf die gleiche oder auf andere Ultraschall-Sende/Empfangs-Einheiten
dient. Zur Vermeidung von Oberflächenwellen
bei der Reflexion ist ein Einfallswinkel des Ultraschallsignals
an einem Reflektor, gemessen zwischen einer Flächennormalen auf einem Reflektor
und dem einfallenden Ultraschallsignal vorgegeben. Der Einfallswinkel
ist größer als
ein Rayleighwinkel. Ferner weisen die Materialeigenschaften der
Reflektoren eine entsprechend hohe Rayleighgeschwindigkeit auf oder
es liegt eine Kombination daraus vor. Die Reflektoren bestehen zumindest
an ihrer reflektierenden Oberfläche
aus Keramik, wobei die Keramik als Aluminiumoxid, Wolframkarbid,
Siliziumkarbid oder Borkarbid ausgebildet sein kann. Daneben ist
es möglich,
die Reflektoren aus einem metallischen Grundkörper mit einer darauf aufgebrachten
Keramikschicht auszubilden. Die Reflektoren können ebenfalls durch eine auf die
Messrohrinnenwand aufgebrachte Keramikschicht dargestellt werden.
Werden zwei Reflektoren eingesetzt, lassen sich die Reflektoren
aus jeweils unterschiedlichen Materialien fertigen.Out DE 197 43 340 A1 is a flow meter known. This is designed in the form of a measuring tube through which the medium to be measured flows. At least one ultrasonic transmitting / receiving unit is provided, with which the medium is sonicated. Furthermore, at least one reflector arranged in the measuring tube is present, which serves for the reflection of an ultrasonic signal emitted by an ultrasonic transmitting / receiving unit on a direct path or under reflection on a measuring tube wall in the direction of the same or other ultrasonic transmitting / receiving units , In order to avoid surface waves during the reflection, an angle of incidence of the ultrasonic signal at a reflector, measured between a surface normal on a reflector and the incident ultrasonic signal, is predetermined. The angle of incidence is greater than a Rayleigh angle. Furthermore, the material properties of the reflectors have a correspondingly high Rayleigh speed or there is a combination thereof. The reflectors are made of ceramic at least on their reflective surface, wherein the ceramic may be formed as aluminum oxide, tungsten carbide, silicon carbide or boron carbide. In addition, it is possible to form the reflectors from a metallic base body with a ceramic layer applied thereto. The reflectors can also be represented by a ceramic layer applied to the measuring tube inner wall. If two reflectors are used, the reflectors can be made of different materials.
Darstellung
der Erfindungpresentation
the invention
Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen parallelverschobenen
Anordnung einer Ultraschallwandleranordnung, welche ein Ultraschall-Sende- beziehungsweise
eine Ultraschall-Empfangsteil
umfassen, ist eine genaue, schnelle und driftfreie Bestimmung von
Durchflussraten insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine
möglich. Wird
die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ultraschallsensoranordnung im Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt, kann eine wesentlich genauere Füllungsmengenerfassung hinsichtlich der
in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft
erfolgen. Ist die Füllungserfassung für die einzelnen
Zylinder einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine bekannt,
kann eine zu einer optimalen Verbrennung erforderliche, von der
Füllungsmenge
der Ansaugluft in den Zylindern abhängige, optimierte Kraftstoffzumessung
erfolgen, so dass die Einhaltung von künftig zu erwartenden, noch strengeren
Abgasnormen gewährleistet
ist. Die genaue Erfassung der Füllung
der einzelnen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine hat zudem
erheblichen Einfluss auch auf das Verdichtungsverhältnis ε sowie den
Zündzeitpunkt,
mithin Betriebsparameter, die das Emissionsverhalten einer Verbrennungskraftmaschine
erheblich beeinflussen.With
the inventively proposed parallel-shifted
Arrangement of an ultrasonic transducer assembly which an ultrasonic transmitting or
an ultrasonic receiver
is an accurate, fast and drift-free determination of
Flow rates, especially in the intake of an internal combustion engine
possible. Becomes
the invention proposed
Ultrasonic sensor arrangement in the intake tract of internal combustion engines
used, a much more accurate Füllungsmengenerfassung in terms of
sucked in the cylinders of the internal combustion engine air
respectively. Is the filling detection for the individual
Cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine known
may be required for optimal combustion, from the
filling amount
the intake air in the cylinders dependent, optimized fuel metering
so that compliance with future, even more stringent
Ensures emission standards
is. The exact detection of the filling
the individual cylinder of an internal combustion engine also has
Significant influence on the compression ratio ε and the
ignition timing,
thus operating parameters that the emission behavior of an internal combustion engine
significantly influence.
Durch
eine Parallelverschiebung oder Verdrehung der einander gegenüberliegend
angeordneten Ultraschallwandler relativ zueinander wird erreicht,
dass das Nutzsignal störende
Ultraschallreflexionen gegenüber
dem eigentlichen Nutzsignal unterdrückt oder erheblich reduziert
werden. Neben einer Parallelverschiebung oder eine Verdrehung der Ultraschallwandler
können
diese auch in einem Abstand quer zur Strömungsrichtung verschoben sein. Ferner
ist eine Verdrehung sowohl in Strömungsrichtung des im Strömungskanal
strömenden
Mediums als auch quer dazu möglich
sowie eine Kombination aus Verdrehung und Verschiebung eines Ultraschallwandlers.
In Bezug auf den anderen lassen sich die Achsrichtungen für eine Verschiebung
und eine Verdrehung eines Ultraschallwandlers in Bezug auf den anderen
auch so auslegen, dass diese nicht genau parallel oder senkrecht
zur Strömungsrichtung
verlaufen und dann eine dazwischen liegende Orientierung annehmen.By a parallel displacement or rotation of the oppositely arranged ultrasonic transducer relative to each other is achieved that the useful signal disturbing ultrasonic reflections are suppressed or significantly reduced compared to the actual useful signal. In addition to a parallel displacement or a rotation of the ultrasonic transducer, they can also be displaced transversely to the flow direction at a distance. Furthermore, a rotation is possible both in the flow direction of the medium flowing in the flow channel and transversely thereto and a combination of rotation and displacement of an ultrasonic transducer. With respect to the other, the axial directions for displacement and rotation of one ultrasonic transducer with respect to the other can also be interpreted as not being exactly parallel or perpendicular to the flow direction run and then assume an intermediate orientation.
Dadurch
lässt sich
relativ kurz nach einem gesendeten Ultraschallsignal bereits das
nächste
Signal emittieren, ohne dass sich die einzelnen Signale oder deren
Reflexionen gegenseitig überlagern
und damit stören
und verfälschen
würden.
Dadurch wiederum lässt
sich eine höhere
Repititionsrate und damit eine bessere Messgenauigkeit bei gleichzeitig schneller
Ansprechzeit des Ultraschallsensors erzielen. Je höher die
Repititionsrate liegt, desto mehr Ultraschallsignale können zwischen
den beiden Ultraschallwandlern, die beispielsweise dem Ansaugrohr der
Verbrennungskraftmaschine zugeordnet sind, ausgetauscht werden,
so dass eine wesentlich höhere
Datendichte von die Füllungsmenge
der Zylinder repräsentierender
Information am zentralen Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine
vorliegt, somit lässt
sich die zuzumessende Kraftstoffmenge in optimaler Weise an die
tatsächliche,
zur Verbrennung zur Verfügung
stehende Luftmenge anpassen.Thereby
let yourself
relatively shortly after a transmitted ultrasonic signal already that
next
Signal emit without the individual signals or their
Superimpose reflections on each other
and interfere with it
and falsify
would.
This in turn leaves
a higher one
Repititionsrate and thus a better measurement accuracy at the same time faster
Achieve response time of the ultrasonic sensor. The higher the
Repititionsrate is, the more ultrasonic signals can between
the two ultrasonic transducers, for example, the intake manifold of the
Internal combustion engine are assigned to be exchanged,
so that a much higher
Data density of the filling quantity
representing the cylinder
Information on the central control unit of the internal combustion engine
is present, thus leaves
the metered amount of fuel in an optimal way to the
actual,
available for combustion
adjust the amount of air.
Zeichnungdrawing
Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.Based
In the drawings, the invention will be described below in more detail.
Es
zeigt:It
shows:
1 den
aus dem Stand der Technik bekannten Grundaufbau für Ultraschall-Durchflussmesser
mit diagonal gegenüberliegenden
Ultraschallwandlerelementen, 1 the known from the prior art basic structure for ultrasonic flowmeter with diagonally opposite ultrasonic transducer elements,
2 ein
erfindungsgemäß vorgeschlagener
Aufbau einer Ultraschallwandleranordnung, bei dem ein Ultraschallwandlerelement
gegenüber
dem anderen Ultraschallwandlerelement versetzt angeordnet ist, 2 an inventively proposed construction of an ultrasonic transducer assembly in which an ultrasonic transducer element is arranged offset relative to the other ultrasonic transducer element,
3 Abstrahl-
und Reflexionscharakteristika, welche mit einer Ultraschallwandleranordnung gemäß 2 erzielbar
sind, 3 Radiation and reflection characteristics, which with an ultrasonic transducer assembly according to 2 are achievable
4 bis 8 weitere
Ausführungsvarianten
von Ultraschallwandleranordnungen innerhalb eines Strömungskanals
und 4 to 8th Further variants of ultrasonic transducer assemblies within a flow channel and
9 einander
gegenübergestellte
Ultraschallsignale, die mit einem in 1 dargestellten
Ultraschallwandler erzeugt werden und Ultraschallsignale, die mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallwandleranordnung
erzielbar sind. 9 ultrasound signals facing each other, which are connected to an in 1 ultrasonic transducers are generated and ultrasonic signals that can be achieved with the ultrasonic transducer assembly proposed according to the invention.
Ausführungsvariantenvariants
Der
Darstellung gemäß 1 ist
eine aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallwandleranordnung
zu entnehmen, die zwei einander gegenüberliegend positionierte Ultraschallwandler
umfasst.The representation according to 1 is to be taken from a known from the prior art ultrasonic transducer assembly comprising two oppositely positioned ultrasonic transducer.
Ein
erster Ultraschallwandler 1 ist in einer ersten Kanalwand 7 eines
Strömungskanals 3 untergebracht.
Diesem ersten Ultraschallwandler 1 gegenüberliegend
ist in einer zweiten Kanalwand 8 ein zweiter Ultraschallwandler 2 angeordnet.
Der Strömungskanal 3,
der durch die erste Kanalwand 7 und die zweite Kanalwand 8 begrenzt
wird, ist symmetrisch zu einer Symmetrieachse 9 aufgebaut.
Der Geschwindigkeitsvektor des im Strömungskanal 3 strömenden Fluides,
wie zum Beispiel Luft oder ein anderes gasförmiges Medium, ist durch Bezugszeichen 6 gekennzeichnet.
Der erste Ultraschallwandler 1 und der zweite Ultraschallwandler 2 sind
im Strömungskanal 3 in
einem Wandlerabstand 4 (L) voneinander beabstandet aufgenommen.
Die Abstrahlcharakteristik des ersten Ultraschallwandlers 1 und
des zweiten Ultraschallwandlers 2 ist durch den mit Bezugszeichen 15 bezeichneten
Doppelpfeil charakterisiert. Aufgrund der Anordnung des ersten Ultraschallwandlers 1 und
des zweiten Ultraschallwandlers 2 in den Kanalwänden 7 beziehungsweise 8 des
Strömungskanals 3 besteht,
bezogen auf die Symmetrieachse 9, ein Kippwinkel 5 (α), um welchen
der Wandlerabstand 4 (L), bezogen auf die Symmetrieachse 9 des Strömungskanals 3 verkippt
ist.A first ultrasonic transducer 1 is in a first canal wall 7 a flow channel 3 accommodated. This first ultrasonic transducer 1 opposite is in a second channel wall 8th a second ultrasonic transducer 2 arranged. The flow channel 3 passing through the first canal wall 7 and the second channel wall 8th is limited, is symmetrical to an axis of symmetry 9 built up. The velocity vector of the flow channel 3 flowing fluid, such as air or other gaseous medium is denoted by reference numerals 6 characterized. The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are in the flow channel 3 in a transducer distance 4 (L) spaced apart. The emission characteristic of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 is by the reference numeral 15 characterized double arrow. Due to the arrangement of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 in the canal walls 7 respectively 8th of the flow channel 3 exists, based on the axis of symmetry 9 , a tilt angle 5 (α), by which the transducer distance 4 (L), relative to the axis of symmetry 9 of the flow channel 3 is tilted.
Da
der Wandlerabstand 4 (L) um den Kippwinkel 5 (α) gegenüber dem
Geschwindigkeitsvektor 6 (V) der Strömung verkippt ist, verläuft eine
Komponente der Strömungsgeschwindigkeit
parallel beziehungsweise antiparallel zur Schallausbreitung. Dadurch
wird der von den Ultraschallwandlern 1, 2 emittierte
Schall je nach Ausbreitungsrichtung verlangsamt oder beschleunigt.
In der in 1 dargestellten Ultraschallmessanordnung
sind die beiden Ultraschallwandler 1 und 2 direkt
aufeinander ausgerichtet. Durch Maßnahmen innerhalb des beispielsweise rohrförmig ausgebildeten
Strömungskanals 3,
wie zum Beispiel Wandungswölbungen,
werden lediglich solche Reflexionen reduziert, die einen vom eigentlichen
Nutzsignal abweichenden Ausbreitungsweg haben.Because the transducer distance 4 (L) around the tilt angle 5 (α) to the velocity vector 6 (V) of the flow is tilted, a component of the flow velocity runs parallel or anti-parallel to the sound propagation. This will be the one of the ultrasonic transducers 1 . 2 emitted sound slows or accelerates depending on the direction of propagation. In the in 1 shown ultrasonic measuring device are the two ultrasonic transducers 1 and 2 directly aligned. By measures within the example tubular flow channel 3 such as Wandungss bulges, only those reflections are reduced, which have a deviating from the actual useful signal propagation path.
2 ist
eine Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ultraschallmessanordnung zu entnehmen. 2 shows a variant of the invention proposed ultrasonic measuring device.
Der
Strömungskanal 3,
der beispielsweise rohrförmig
ausgebildet sein kann und symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 9 ausgebildet
ist, wird von der ersten Kanalwand 7 und der zweiten Kanalwand 8 begrenzt.
Im Querschnitt des Strömungskanals 3 strömt ein gasförmiges Medium,
wie zum Beispiel Luft. Die Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums, wie
zum Beispiel Luft, ist durch den Geschwindigkeitsvektor 6 gekennzeichnet.The flow channel 3 , which may for example be tubular and symmetrical to its axis of symmetry 9 is formed, is from the first channel wall 7 and the second channel wall 8th limited. In the cross section of the flow channel 3 flows a gaseous medium, such as air. The velocity of the gaseous medium, such as air, is through the velocity vector 6 characterized.
In
der ersten Kanalwand 7 befindet sich eine erste Ausnehmung 13,
in welcher der erste Ultraschallwandler 1 aufgenommen ist.
In der zweiten Kanalwand 8 des Strömungskanals 3 befindet
sich eine zweite Ausnehmung 14, in welcher der zweite Ultraschallwandler 2 aufgenommen
ist. In Bezug auf den ersten Ultraschallwandler 1 ist der
zweite Ultraschallwandler 2, der in der zweiten Kanalwand 8 des
Strömungskanals 3 aufgenommen
ist, um eine Strecke d parallelverschoben. Durch eine Parallelverschiebung der
beiden Ultraschallwandler 1 und 2 relativ zueinander
wird erreicht, dass störende
Ultraschallreflexionen gegenüber
dem eigentlich nutzbaren Signal unterdrückt werden. Dies wiederum erlaubt
es, relativ kurz nach einem gesendeten Ultraschallsignal bereits
das nächste
Signal zu senden, ohne dass sich die einzelnen Signale oder deren
Reflexionen überlagern
und somit gegenseitig stören.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene
versetzte Anordnen der beiden Ultraschallwandler 1, 2 relativ
zueinander wird einerseits eine höhere Repititionsrate der Ultraschallsignale
und andererseits eine bessere Messgenauigkeit bei gleichzeitig schnellerer
Ansprechzeit der Ultraschallmessanordnung erreicht.In the first canal wall 7 there is a first recess 13 in which the first ultrasonic transducer 1 is included. In the second canal wall 8th of the flow channel 3 there is a second recess 14 in which the second ultrasonic transducer 2 is included. With respect to the first ultrasonic transducer 1 is the second ultrasonic transducer 2 which is in the second canal wall 8th of the flow channel 3 is added to a distance d parallel. By a parallel displacement of the two ultrasonic transducers 1 and 2 relative to each other is achieved that disturbing ultrasonic reflections are suppressed compared to the actual usable signal. This in turn makes it possible to send the next signal relatively shortly after a transmitted ultrasound signal, without the individual signals or their reflections being superimposed and thus interfering with one another. By the invention proposed offset arrangement of the two ultrasonic transducers 1 . 2 Relative to one another, on the one hand, a higher repetition rate of the ultrasonic signals and, on the other hand, a better measuring accuracy with simultaneously faster response time of the ultrasonic measuring arrangement are achieved.
Bevorzugt
ist die Strecke d, um welche im in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
der zweite Ultraschallwandler 2 gegenüber dem ersten Ultraschallwandler 1 parallelverschoben
ist, so gewählt, dass
diese in etwa dem Durchmesser 12 der Ultraschallwandler 1, 2 entspricht.Preferably, the distance d to which in in 2 illustrated embodiment of the invention proposed solution of the second ultrasonic transducer 2 opposite the first ultrasonic transducer 1 is shifted in parallel, so chosen that this is approximately the diameter 12 the ultrasonic transducer 1 . 2 equivalent.
Aufgrund
der parallelverschobenen Anordnung des ersten Ultraschallwandlers 1 und
des zweiten Ultraschallwandlers 2 relativ zueinander sind auch
die Hauptschallausbreitungsachsen 10 beziehungsweise 11 der
beiden Ultraschallwandler 1, 2 um die Strecke
d parallel zueinander verschoben. Wie vorstehend bereits erwähnt, liegt
die Strecke d in der Größenordnung
des Durchmessers 12 eines jeweiligen Ultraschallwandlers 1, 2,
hängt aber
im Einzelfall von der Abstrahlcharakteristik der Ultraschallwandler 1, 2 und
dem Wandlerabstand 4 (L, L') ab, mit welchem die beiden Ultraschallwandler 1, 2 einander
gegenüberliegend
aufgenommen sind.Due to the parallel-shifted arrangement of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 relative to each other are also the main sound propagation axes 10 respectively 11 the two ultrasonic transducers 1 . 2 shifted by the distance d parallel to each other. As already mentioned above, the distance d is of the order of the diameter 12 a respective ultrasonic transducer 1 . 2 , but in individual cases depends on the emission characteristics of the ultrasonic transducers 1 . 2 and the transducer distance 4 (L, L ') from, with which the two ultrasonic transducers 1 . 2 are taken opposite each other.
Ein
vom ersten Ultraschallwandler 1 emittiertes Ultraschallsignal
läuft von
diesem zum zweiten Ultraschallwandler 2 und wird von diesem
sowohl detektiert als auch reflektiert. Aufgrund der Parallelverschiebung
der Hauptschallausbreitungsachse 10, 11 um die
Strecke d werden reflektierte Wellen aus der Bahn des Nutzsignals
abgelenkt und gelangen nicht mehr als Störsignal zurück zu den jeweiligen Ultraschallwandlern 1, 2.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass die Hauptschallausbreitungsachse 10 des ersten
Ultraschallwandlers 1 senkrecht auf der Emissions- und
Detektionsfläche errichtet
ist; analoges gilt für
die Hauptschallausbreitungsachse 11 des zweiten Ultraschallwandlers 2. Aufgrund
der parallelverschobenen Anordnung des zweiten Ultraschallwandlers 2 relativ
zum ersten Ultraschallwandler 1 gemäß der Darstellung in 2 ergibt
sich ein modifizierter Wandlerabstand 17 (L'). Aufgrund der Parallelverschiebung
der beiden Ultraschallwandler 1, 2 um die Strecke
d ergibt sich im Vergleich zur Ultraschallmessanordnung gemäß der Darstellung
in 1 ferner ein modifizierter Kippwinkel 18 (α'). Aus der Darstellung
gemäß 2 geht
einerseits hervor, dass die Abstrahlcharakteristik 15, angedeutet
durch den Doppelpfeil, zwischen den die Ultraschallsignale detektierenden
beziehungsweise emittierenden Seiten der Ultraschallwandler 1, 2 im Vergleich
zur Darstellung in 1 schräg verläuft und durch Bezugszeichen 16 angedeutete
Reflexionen an den jeweiligen Ultraschallwandlern 1 beziehungsweise 2 vorbeilaufen.
Die reflektierten Wellen 16 werden somit aus der Bahn des
nutzbaren Ultraschallsignals 15 ausgelenkt und werden nicht
mehr zurück
zu den Ultraschallwandlern 1, 2 reflektiert, so dass
eine Störung
des Nutzsignals durch die reflektierten Wellen 16 unterbleibt.One from the first ultrasonic transducer 1 emitted ultrasonic signal passes from this to the second ultrasonic transducer 2 and is both detected and reflected by it. Due to the parallel shift of the main sound propagation axis 10 . 11 Reflected waves are deflected from the path of the useful signal by the distance d and no longer reach the respective ultrasonic transducers as interference signals 1 . 2 , From the illustration according to 2 shows that the main sound propagation axis 10 of the first ultrasonic transducer 1 is erected perpendicular to the emission and detection surface; the same applies to the main sound propagation axis 11 of the second ultrasonic transducer 2 , Due to the parallel-shifted arrangement of the second ultrasonic transducer 2 relative to the first ultrasonic transducer 1 as shown in 2 results in a modified transducer distance 17 (L '). Due to the parallel displacement of the two ultrasonic transducers 1 . 2 the distance d results in comparison to the ultrasonic measuring arrangement as shown in FIG 1 also a modified tilt angle 18 (Α '). From the illustration according to 2 on the one hand shows that the radiation characteristics 15 Indicated by the double arrow, between the ultrasound signals detecting or emitting sides of the ultrasonic transducer 1 . 2 in comparison to the illustration in 1 runs obliquely and by reference numerals 16 indicated reflections on the respective ultrasonic transducers 1 respectively 2 pass. The reflected waves 16 thus become out of the path of the useable ultrasonic signal 15 deflected and will not go back to the ultrasonic transducers 1 . 2 reflected, causing a disturbance of the useful signal due to the reflected waves 16 omitted.
Der
Darstellung in 3 sind stark schematisiert Abstrahlcharakteristika
und Reflexionscharakteristika der Ultraschallwandler zu entnehmen.The representation in 3 are highly schematic emission characteristics and reflect reflection characteristics of the ultrasonic transducer.
Wie
aus der Darstellung gemäß 3 hervorgeht,
verlaufen die jeweiligen Hauptschallausbreitungsachsen 10, 11 parallel
zueinander. Aufgrund der parallelverschobenen Anordnung der Ultraschallwandler 1 und 2 gemäß deren
Anordnung in den Kanalwänden 7 und 8,
wie aus 2 hervorgehend, verlaufen auch
die Hauptschallausbreitungsachsen 10, 11 – dargestellt
als Flächennormale – auf die
Abstrahl- beziehungsweise Reflexionsflächen der Ultraschallwandler 1, 2,
um die Strecke d parallel zueinander verschoben. Aus der Darstellung
gemäß 3 wird
deutlich, dass reflektierte Ultraschallwellen 16, die von
einem der Ultraschallwandler 1, 2 reflektiert werden,
nicht auf den jeweils gegenüberliegend,
parallelverschoben angeordneten Ultraschallwandler 1, 2 auftreffen,
sondern an diesen vorbeilaufen.As shown in the illustration 3 shows, the respective main sound propagation axes run 10 . 11 parallel to each other. Due to the parallel displacement of the ultrasonic transducers 1 and 2 according to their arrangement in the channel walls 7 and 8th , like out 2 evidently, the main sound propagation axes also run 10 . 11 - Shown as surface normal - on the emission or reflection surfaces of the ultrasonic transducer 1 . 2 to move the distance d parallel to each other. From the illustration according to 3 it becomes clear that reflected ultrasonic waves 16 that of one of the ultrasonic transducers 1 . 2 are reflected, not on the respectively opposite, parallel displacement arranged ultrasonic transducer 1 . 2 but strike past them.
Die
Abstrahlcharakteristika – dargestellt durch
Bezugszeichen 15 -, d.h. die nutzbaren Signale verlaufen
jedoch unmittelbar aufeinander zu, so dass diese nicht von den reflektierten
Ultraschallwellen 16 beeinträchtigt werden.The emission characteristics - represented by reference numerals 15 However, that is, the usable signals are directly adjacent to each other so that they are not affected by the reflected ultrasonic waves 16 be affected.
Während jeder
Reflexion wird der entsprechende Ultraschallwandler 1 oder 2 auch
selbst zu Eigenschwindungen angeregt, was Auswirkungen auf das empfangene
Ultraschallsignal hat. Diese Eigenschwingungen führen zu einer Abstrahlung gemäß der normalen
Abstrahlcharakteristik 15 des jeweiligen Ultraschallwandlers 1, 2 und überlagern
sich mit den direkt (elastisch) an der Wandleroberfläche reflektierten
Wellen 16. Aufgrund der großen Unterschiede der Schallkennimpedanzen
zwischen dem strömenden
Medium wie zum Beispiel Luft und der jeweiligen Oberfläche der
Ultraschallwandler 1, 2, fällt die elastische Reflexion
wesentlich stärker
aus als die Eigenschwingungsanregung. Aus diesem Grunde ist die
Abstrahlung aufgrund von Eigenschwingungsanregung der jeweiligen
Ultraschallwandler 1, 2 vernachlässigbar
gegenüber
den direkt an der Wandleroberfläche
reflektierten Wellen 16.During each reflection, the corresponding ultrasonic transducer 1 or 2 Also stimulated to self-shrinkage, which has an impact on the received ultrasonic signal. These natural vibrations lead to a radiation according to the normal radiation characteristic 15 of the respective ultrasonic transducer 1 . 2 and overlap with the directly (elastically) reflected at the transducer surface waves 16 , Due to the large sub Differences in the sound characteristic impedances between the flowing medium such as air and the respective surface of the ultrasonic transducer 1 . 2 , the elastic reflection is much stronger than the natural vibration excitation. For this reason, the radiation due to self-oscillation excitation of the respective ultrasonic transducer 1 . 2 negligible with respect to the waves reflected directly on the transducer surface 16 ,
Neben
der in den 2 und 3 dargestellten
Parallelverschiebung der Ultraschallwandler 1, 2 relativ
zueinander könnte
einer der Ultraschallwandler 1, 2 auch in Bezug
auf die Kanalwand 7, 8 verkippt werden oder auch
beide Ultraschallwandler 1, 2 verkippt angeordnet
werden. Entscheidend ist, dass die beiden Ultraschallwandler 1, 2 in
einer Weise angeordnet werden, dass die Hauptschallausbreitungsachsen 10, 11 der
Wandler einander nicht mehr überlagern.In addition to the in the 2 and 3 illustrated parallel displacement of the ultrasonic transducer 1 . 2 relative to each other could be one of the ultrasonic transducers 1 . 2 also in relation to the canal wall 7 . 8th be tilted or both ultrasonic transducers 1 . 2 be arranged tilted. It is crucial that the two ultrasonic transducers 1 . 2 be arranged in such a way that the main sound propagation axes 10 . 11 the converter no longer overlap each other.
4 ist
eine Ultraschallwandleranordnung zu entnehmen, bei der die beiden
Wandler quer zur Strömungsrichtung
verschoben sind. 4 an ultrasonic transducer arrangement can be seen, in which the two transducers are displaced transversely to the flow direction.
Aus
der Darstellung gemäß 4 geht
hervor, dass der Geschwindigkeitsvektor ν → (vgl. Bezugszeichen 6)
senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
In Bezug auf den Geschwindigkeitsvektor ν → 6 ist der zweite
Ultraschallwandler 2 in Bezug auf den ersten Ultraschallwandler 1 und
den Abstand h im Strömungskanal
verschoben. Dadurch tangieren sich die erste Hauptschallausbreitungsachse 10 des
ersten Ultraschallwandlers 1 sowie die Hauptschallausbreitungsachse 11 des
zweiten Ultraschallwandlers 2 nicht. Die Reflexionswellen 16 laufen
aneinander vorbei und beeinträchtigen
das zwischen den Ultraschallwandlern 1 und 2 ausgetauschte
Nutzsignal nicht.From the illustration according to 4 shows that the velocity vector ν → (see reference numeral 6 ) runs perpendicular to the plane of the drawing. With respect to the velocity vector ν → 6 is the second ultrasonic transducer 2 with respect to the first ultrasonic transducer 1 and shifted the distance h in the flow channel. As a result, the first main sound propagation axis is affected 10 of the first ultrasonic transducer 1 as well as the main sound propagation axis 11 of the second ultrasonic transducer 2 Not. The reflection waves 16 Run past each other and interfere with that between the ultrasonic transducers 1 and 2 exchanged useful signal not.
Der
Darstellung gemäß 5 ist
eine weitere Ausführungsvariante
einer Ultraschallwandleranordnung zu entnehmen.The representation according to 5 shows a further embodiment of an ultrasonic transducer assembly.
Gemäß der Darstellung
in 5 ist der zweite Ultraschallwandler 2 um
einen Winkel von mehr als 90° in
der in 5 nicht dargestellten zweiten Kanalwand 8 verdreht
angeordnet. Dadurch tangieren die Reflexionen 16 des ersten
Ultraschallwandlers 1 und des zweiten Ultraschallwandlers 2 einander
nicht. Zudem ist der zweite Ultraschallwandler 2 bezogen auf
die Hauptschallausbreitungsachse 10 des ersten Ultraschallwandlers 1 um
den Abstand h in der in 5 nicht dargestellten zweiten
Kanalwand 8 nach unten versetzt. Ist der zweite Ultraschallwandler 2 in Bezug
auf den ersten Ultraschallwandler 1 zu diesem verdreht,
so lässt
sich eine weitere Verbesserung des Intensitätsverhältnisses zwischen dem Nutzsignal und
den Reflexionen 16 erreichen. Eine Verschiebung quer zur
Strömungsrichtung
bringt zusätzlich den
Vorteil, dass die bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit zunehmende
Strahlverwehung den erwünschten
Effekt nicht so stark kompensieren kann.As shown in 5 is the second ultrasonic transducer 2 by an angle of more than 90 ° in the in 5 not shown second channel wall 8th arranged twisted. This affects the reflections 16 of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 not each other. In addition, the second ultrasonic transducer 2 related to the main sound propagation axis 10 of the first ultrasonic transducer 1 by the distance h in the in 5 not shown second channel wall 8th offset down. Is the second ultrasonic transducer 2 with respect to the first ultrasonic transducer 1 twisted to this, so can a further improvement of the intensity ratio between the useful signal and the reflections 16 to reach. A shift transversely to the direction of flow additionally brings with it the advantage that the beam drift increasing with increasing flow velocity can not compensate the desired effect so strongly.
Der
Darstellung gemäß 6 ist
eine weitere Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ultraschallwandleranordnung zu entnehmen.The representation according to 6 shows a further embodiment of the invention proposed ultrasonic transducer assembly.
Gemäß der in 6 dargestellten
Anordnung ist der zweite Ultraschallwandler 2 um einen Winkel
von mehr als 90° in
der zweiten Kanalwand 8 verdreht. In der Darstellung gemäß 6 wird
der Strömungskanal
vom strömenden
Medium mit der Geschwindigkeit, angedeutet durch den Geschwindigkeitsvektor ν → 6 durchströmt. Durch
die Anordnung – wie
in 6 dargestellt – verlaufen die Hauptschallausbreitungsachse 10 des
ersten Ultraschallwandlers 1 und die Hauptschallausbreitungsachse 11 des
zweiten Ultraschallwandlers 2 verkippt zueinander, so dass
eine Beeinträchtigung
des Nutzsignals durch die Reflexionen 16 unterbleibt.According to the in 6 The arrangement shown is the second ultrasonic transducer 2 by an angle of more than 90 ° in the second channel wall 8th twisted. In the illustration according to 6 is the flow channel of the flowing medium with the velocity, indicated by the velocity vector ν → 6 flows through. By the arrangement - as in 6 shown - run the main sound propagation axis 10 of the first ultrasonic transducer 1 and the main sound propagation axis 11 of the second ultrasonic transducer 2 tilted towards each other, causing an impairment of the useful signal due to the reflections 16 omitted.
7 ist
eine weitere Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Ultraschallwandleranordnung
zu entnehmen. 7 shows a further embodiment of the ultrasonic transducer assembly according to the invention.
In
Bezug auf den in der Zeichenebene eingetragenen Geschwindigkeitsvektor ν →(vgl.
Bezugszeichen 6) ist der zweite Ultraschallwandler 2 in
der zweiten Kanalwand 8 des Strömungskanals 3 sowohl um
einen Winkel von mehr als 90° verkippt
als auch in Bezug auf den ersten Ultraschallwandler 1,
der in der ersten Kanalwand 7 aufgenommen ist, um einen Abstand
d verschoben. Der Abstand d entspricht vorzugsweise dem Durchmesser
der Ultraschallwandler 1 beziehungsweise 2. Aus
der Darstellung gemäß 7 geht
hervor, dass die Hauptschallausbreitungsachse 10 des ersten
Ultraschallwandlers 1 und die Hauptschallausbreitungsachse 11 des
zweiten Ultraschallwandlers 2 sowohl verkippt zueinander verlaufen
als auch voneinander um den Abstand d beabstandet sind.With regard to the velocity vector ν → entered in the plane of the drawing (cf. 6 ) is the second ultrasonic transducer 2 in the second channel wall 8th of the flow channel 3 both tilted by an angle of more than 90 ° and with respect to the first ultrasonic transducer 1 which is in the first canal wall 7 is added, shifted by a distance d. The distance d preferably corresponds to the diameter of the ultrasonic transducers 1 respectively 2 , From the illustration according to 7 shows that the main sound propagation axis 10 of the first ultrasonic transducer 1 and the main sound propagation axis 11 of the second ultrasonic transducer 2 both tilted to each other and spaced from each other by the distance d.
Der
Darstellung gemäß 8 ist
entnehmbar, dass der zweite Ultraschallwandler 2 in Bezug auf
die Strömungsrichtung
des durch den Strömungskanal 3 transportierten
Mediums verkippt aufgenommen ist. Der Winkel, um welchen der zweite Ultraschallwandler 2 in
der zweiten Kanalwand 8 verkippt ist, liegt bei > 90°. Dadurch verlaufen die Hauptschallausbreitungsachse 10 des
ersten Ultraschallwandlers 1 und die Hauptschallausbreitungsachse 11 des
zweiten Ultraschallwandlers 2 ebenfalls entsprechend dem
Kippwinkel des zweiten Ultraschallwandlers geneigt zueinander.The representation according to 8th is removable, that the second ultrasonic transducer 2 with respect to the flow direction of the through the flow channel 3 transported medium is recorded tilted. The angle about which the second ultrasonic transducer 2 in the second channel wall 8th tilted is> 90 °. As a result, the main sound propagation axis run 10 of the first ultrasonic transducer 1 and the main sound propagation axis 11 of the second ultrasonic transducer 2 also according to the tilt angle of the second ultrasonic transducer inclined to each other.
Aus
der Darstellung gemäß 9 geht
eine Gegenüberstellung
eines Ultraschallsignalverlaufs ohne und mit zueinander relativ
versetzten Ultraschallwandlern hervor.From the illustration according to 9 is a comparison of an ultrasonic waveform without and with each other relatively staggered Ultra sound converters.
Im
oberen Teil der 9 ist der Signalverlauf eines
Ultraschallsignals über
die Zeitachse wiedergegeben. Gemäß der Darstellung
im oberen Teil von 9 weist der Ultraschallsignalverlauf über die
Zeitachse gesehen zunächst
ein Ultraschall-Hauptsignal 30 auf. Diesem folgen ein erstes
Ultraschall-Reflexionssignal 31 sowie ein weiteres, zweites
Ultraschall-Reflexionssignal 32.
Im Vergleich zum Ultraschall-Hauptsignal 30 weist zumindest
das erste Ultraschall-Reflexionssignal 31 eine dem Ultraschall-Hauptsignal 30 entsprechende
Form, bei jedoch erheblich reduzierter Signalausprägung auf.
Im Vergleich zum ersten Ultraschall- Reflexionssignal 31 ist das
diesem nachgeschaltete zweite Ultraschall-Reflexionssignal 32 erheblich
kleiner.In the upper part of the 9 the waveform of an ultrasonic signal over the time axis is reproduced. As shown in the upper part of 9 For example, the ultrasonic signal waveform initially has an ultrasonic main signal, as seen along the time axis 30 on. This is followed by a first ultrasonic reflection signal 31 and another, second ultrasonic reflection signal 32 , Compared to the ultrasonic main signal 30 has at least the first ultrasonic reflection signal 31 an ultrasonic main signal 30 corresponding form, but with significantly reduced signal severity. Compared to the first ultrasonic reflection signal 31 is the downstream of this second ultrasonic reflection signal 32 considerably smaller.
Im
unteren Teil der 9 ist der Ultraschallsignalverlauf über der
Zeitachse t aufgetragen, der sich mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ultraschallmessanordnung erreichen lässt. Der im unteren Teil von 9 dargestellte
Ultraschallsignalverlauf ist durch das Ultraschall-Hauptsignal 30 gekennzeichnet.
An dieses schließt
sich in einem zeitlichen Abstand folgend ein erstes Ultraschall-Reflexionssignal 31 an,
was jedoch im Vergleich zur Ausprägung des ersten Ultraschall-Reflexionssignals 31 gemäß des oberen
Teils von 9 eine vernachlässigbar kleine
Ausprägung
hat. Gleiches gilt für
das zweite Ultraschall-Reflexionssignal 32, welches im
unteren Teil von 9 dem ersten Ultraschall-Reflexionssignal 31 nachfolgt.In the lower part of the 9 the ultrasonic signal waveform is plotted over the time axis t, which can be achieved with the ultrasonic measuring arrangement proposed according to the invention. The one in the lower part of 9 shown ultrasonic signal waveform is by the ultrasonic main signal 30 characterized. This is followed at a time interval following a first ultrasonic reflection signal 31 which, however, compared to the expression of the first ultrasonic reflection signal 31 according to the upper part of 9 has a negligible expression. The same applies to the second ultrasonic reflection signal 32 , which in the lower part of 9 the first ultrasonic reflection signal 31 follows.
Aus
der Gegenüberstellung
der beiden Ultraschallsignalverläufe
gemäß 9 ergibt
sich, dass sich die Ultraschall-Reflexionssignale 31 beziehungsweise 32 mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ultraschallmessanordnung selektiv unterdrücken lassen, ohne das Ultraschall-Hauptsignal 30 im Vergleich
zum Ultraschall-Hauptsignal 30 im oberen Teil der 9 nennenswert
zu beeinflussen. Aufgrund der Schwingungsanregung der Ultraschallwandler 1, 2 während einer
Reflexion enthält
die Reflexionscharakteristik auch einen Faltungsanteil, bezogen
auf die Abstrahlcharakteristik. Dieser Anteil ist jedoch vernachlässigbar
klein. Es sei noch darauf hingewiesen, dass während jeder Reflexion der entsprechende
Ultraschallwandler 1, 2 auch selbst in seinem
Eigenschwingungsspektrum angeregt wird, was im empfangenen Signal
sichtbar wird. Diese Eigenschwingungen führen zu einer Abstrahlung gemäß der normalen
Abstrahlcharakteristik 15 der Ultraschallwandler 1, 2 und überlagern
sich mit den direkt (elastisch) an der Emissions- beziehungsweise Detektionsoberfläche reflektierten
Wellen 16. Aufgrund der großen Unterschiede der Schallkennimpedanzen
zwischen Luft und den Detektionsbeziehungsweise Emissionsoberflächen der
Ultraschallwandler 1, 2 fällt die elastische Reflexion
wesentlich stärker
aus als die Eigenschwingungsanregung. Daher ist die Abstrahlung
aufgrund von Schwingungsanregung vernachlässigbar gegenüber der
direkten Reflexion der Reflexionswellen 16.From the comparison of the two ultrasonic signal waveforms according to 9 it follows that the ultrasonic reflection signals 31 respectively 32 can be selectively suppressed with the ultrasonic measuring device proposed according to the invention, without the ultrasonic main signal 30 compared to the ultrasonic main signal 30 in the upper part of the 9 significantly influence. Due to the vibration excitation of the ultrasonic transducer 1 . 2 During a reflection, the reflection characteristic also contains a convolution component, based on the emission characteristic. However, this proportion is negligibly small. It should be noted that during each reflection of the corresponding ultrasonic transducer 1 . 2 Even in its natural vibration spectrum is excited what is visible in the received signal. These natural vibrations lead to a radiation according to the normal radiation characteristic 15 the ultrasonic transducer 1 . 2 and overlap with the directly (elastically) reflected at the emission or detection surface waves 16 , Due to the large differences in the acoustic characteristic impedances between air and the detection or emission surfaces of the ultrasonic transducers 1 . 2 the elastic reflection is much stronger than the natural vibration excitation. Therefore, the radiation due to vibration excitation is negligible compared to the direct reflection of the reflection waves 16 ,
-
11
-
erster
Ultraschallwandlerfirst
ultrasound transducer
-
22
-
zweiter
Ultraschallwandlersecond
ultrasound transducer
-
33
-
Strömungskanalflow channel
-
44
-
Wandlerabstand
(L)transducer distance
(L)
-
55
-
Kippwinkel
(α)tilt angle
(Α)
-
66
-
Geschwindigkeitsvektor
(ν →)velocity vector
(ν →)
-
77
-
erste
Kanalwandfirst
channel wall
-
88th
-
zweite
Kanalwandsecond
channel wall
-
99
-
Symmetrieachse
Strömungskanalaxis of symmetry
flow channel
-
1010
-
Hauptschallausbreitungsachse
erster UltraschallwandlerMain sound propagation axis
first ultrasonic transducer
-
1111
-
Hauptschallausbreitungsachse
zweiter UltraschallwandlerMain sound propagation axis
second ultrasonic transducer
-
dd
-
Parallelverschiebungs-StreckeParallel shift range
-
1212
-
Durchmesser
Ultraschallwandlerdiameter
ultrasound transducer
-
1313
-
erste
Ausnehmung Strömungskanalfirst
Recess flow channel
-
1414
-
zweite
Ausnehmung Strömungskanalsecond
Recess flow channel
-
1515
-
Abstrahlcharakteristik
Ultraschallwandler (dunkelblau)radiation
Ultrasonic transducer (dark blue)
-
1616
-
Reflexionscharakteristik
Ultraschallwandler (hellblau)reflection characteristic
Ultrasonic transducer (light blue)
-
1717
-
modifizierter
Wandlerabstand (L')modified
Transducer distance (L ')
-
1818
-
modifizierter
Kippwinkel (α')modified
Tilt angle (α ')
-
3030
-
Ultraschall-HauptsignalUltrasound main signal
-
3131
-
erstes
Ultraschall-Reflexionssignalfirst
Ultrasonic reflection signal
-
3232
-
zweites
Ultraschall-Reflexionssignalsecond
Ultrasonic reflection signal