DE102007037512B4

DE102007037512B4 - Air mass sensor

Info

Publication number: DE102007037512B4
Application number: DE102007037512A
Authority: DE
Inventors: Thomas Erl; Hans-Peter Landgraf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: DE102007037512A1

Abstract

Luftmassensensor mit zwei Ultraschallwandlern (3, 4), die in einem Rohr (2) unter einem Winkel (α) zu einer Rohrmittelachse (M) einander koaxial gegenüberliegend angeordnet sind, wobei mindestens einer der Ultraschallwandler (3, 4) über einen Ankopplungs-Schallkanal (9) an die Umgebung angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ankopplungs-Schallkanal (9) vom Wandler her eine Druckkammer (11) vorgeschaltet ist.Air mass sensor with two ultrasonic transducers (3, 4) in a tube (2) at an angle (α) to a pipe center axis (M) are arranged coaxially opposite each other, wherein at least one of the ultrasonic transducers (3, 4) via a coupling sound channel (9) is coupled to the environment, characterized in that the coupling sound channel (9) from the converter forth a pressure chamber (11) is connected upstream.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassensensor.The The present invention relates to an air mass sensor.

In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen ein Luft-Treibstoffgemisch unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht. Die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine hängt vom Verhältnis von Treibstoffmasse zu Luftmasse ab. Die Messung einer jeweiligen Luftmasse wird mit einem Luftmassensensor durchgeführt, der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine sitzt. Aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Kraftfahrzeugbereiches wird nachfolgend ohne Beschränkung der Verwendung erfindungsgemäßer und allgemein einsetzbarer Strömungssensoren nur auf die Anwendung zur Bestimmung einer angesaugten oder in sonstiger Weise einer Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmasse eingegangen.In known manner in internal combustion engines, an air-fuel mixture brought under compression to combustion. The power output the internal combustion engine hangs from the relationship from fuel mass to air mass. The measurement of a respective Air mass is performed with an air mass sensor, the sitting in the intake of the internal combustion engine. Due to the high economic importance of the motor vehicle sector hereafter without limitation the use according to the invention and generally applicable flow sensors only to the application for the determination of a sucked or in other Way received an internal combustion engine air mass supplied.

Zahlreiche moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt. Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der Motorleistung durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt durchgeführt, so wird heute die Aufladung von Otto-Verbrennungskraftmotoren nicht mehr primär unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung von Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in bekannter Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5 bar oder gar 2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem Schadstoffausstoß arbeitet. Hierzu ist selbstverständlich einer jeweiligen Treibstoffmasse eine Luftmasse in einem vorgegebenen Verhältnis zuzugeben, so dass einem Luftmassensensor eine wesentliche Bedeutung bei der Wirtschaftlichkeit und Schadstoffreduktion einer Verbrennungskraftmaschine zukommt.numerous Modern internal combustion engines are today with an exhaust turbocharger equipped, which causes a pre-compression of the air mass. Was already at the beginning of the development of internal combustion engines the attempt of precompression of an internal combustion engine supplied Air with the aim of raising the engine power by increasing the air volume and fuel flow rate per stroke, so Today, the charging of Otto internal combustion engines is no longer primary seen from the performance aspect, but as a way to save Fuel and to reduce pollutants. It is in known Way a respective exhaust gas flow energy for pre-compression of the Air mass flow through a turbine running in the exhaust stream with deprived of mechanically coupled fresh air compressor, so that, for example, a diesel engine is no longer considered a naturally aspirated engine, but as a supercharged engine with charge air pressures of up to 1.5 bar or even 2.5 bar with significant increase in output and reduced pollutant emissions works. This is of course a respective fuel mass an air mass in a given relationship admit, so that an air mass sensor is essential in the economy and pollutant reduction of an internal combustion engine due.

Da es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in jedem Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine auf die Massenverhältnisse von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massendurchfluss der Ansaug-/Ladeluft auch fortlaufend möglichst genau zu messen. Der maximal zu messende Luftmassenstrom liegt je nach Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine im Bereich von 400 bis ca. 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner Verbrennungskraftmaschinen beträgt das Verhältnis eines minimalen zu einem maximalen Luftdurchsatz zwischen 1:90 bis etwa 1:100.There it in the chemical process of combustion in any operating condition an internal combustion engine on the mass ratios of fuel and air is the mass flow rate of the intake / charge air also continuously as possible to measure exactly. The maximum air mass flow to be measured is ever according to engine power of the internal combustion engine in the range of 400 to approx. 1000 kg / h. Due to the low idle demand modern Internal combustion engines amounts The relationship a minimum to a maximum air flow between 1:90 to about 1: 100.

Ein Luftmassensensor kann als Massenstromsensor nach einem thermischen Prinzip arbeiten, wobei eine Abgabe von Wärmeleistung eines durch den Fluss elektrischen Stroms erhitzten Sensormessdrahtes im Vergleich zu einem thermisch isolierten baugleichen Sensordraht über eine Widerstandbrückenschaltung als Maß für eine jeweilige Durchflussmenge ausgewertet wird.One Air mass sensor can be used as a mass flow sensor after a thermal Working principle, with a release of heat output by the one Flow of electric current heated sensor wire in comparison to a thermally insulated sensor wire over a Resistance bridge circuit as a measure of a particular Flow rate is evaluated.

Ein alternativer Ansatz, der gegenüber der elektrothermischen Messung deutlich an elektrischer Energie einspart, ist allgemein in dem Aufsatz "Durchflussmesstechnik – Eine Übersicht", in der Fachzeitschrift "Technisches Messen tm", 1979, Heft 4, Seiten 145–149, beschrieben worden. Dazu ist es bekannt, eine Durchflussmessung auf Basis des sog. Verwehungsprinzips unter Verwendung eines sendenden und eines empfangenden Ultraschallmesskopfs aufzubauen. Die beiden Ultraschallmessköpfe dienen dabei einer als Sender und einer als Empfänger und benötigen vor einer Signalauswertung eine entsprechende Sende-/Empfangseinrichtung.One alternative approach to the opposite the electrothermal measurement clearly in electrical energy is generally noted in the article "Flow Measurement - An Overview", in the journal "Technical Measurement tm ", 1979, issue 4, pages 145-149, been described. For this it is known, a flow measurement on the basis of the so-called drift principle using a sending and a receiving ultrasonic transducer. The two Ultrasound Probes serve one as a sender and one as a receiver and require before a signal evaluation, a corresponding transmitting / receiving device.

Ferner ist aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch/Bosch, 23., aktualisierte und erweitere Auflage, Verlag Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 115, ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflussmessung bekannt, nach dem sich eine Laufzeit t eines Schallimpulses durch ein Messmedium, wie zum Beispiel Luft, unter dem Schrägungswinkel α mit derselben Messstrecke 1 einmal gegen eine Luftströmung und einmal in Luftströmungsrichtung messen lässt. Eine resultierende Laufzeitdifferenz des Schallimpulses ist dem Volumendurchfluss direkt proportional.Further is from the Automotive Handbook / Bosch, 23rd, updated and extended edition, Verlag Vieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, Page 115, a method for ultrasonic flow measurement known after a running time t of a sound pulse through a measuring medium, such as air, under the helix angle α with the same Measuring section 1 once against an air flow and once in the air flow direction can measure. A resulting transit time difference of the sound pulse is the Volume flow directly proportional.

Um die Luftströmung möglichst wenig zu beeinflussen und auch den Bauraum gegenüber anderen bekannten Anordnungen zu minimieren, werden die Ultraschallwandler in bekannten Anordnungen koaxial und schräg gegenüberliegend angeordnet, wie z. B. in der DE 33 31 519 02 offenbart. Dies führt jedoch bei steigendem Anstellwinkel der Wandler zur Horizontalen zu einer Verringerung des Messeffekts. Daraus ergibt sich ein Kompromiss aus einer vom Winkel der Wandler zur Horizontalen abhängigen Einbaulänge und dem Messeffekt der Anordnung. Die schräg gegenüberliegende Anordnung der Wandler bietet den Vorteil der Mittelung der Verwehung über eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des gesamten Rohrquerschnitts.In order to influence the air flow as little as possible and to minimize the space compared to other known arrangements, the ultrasonic transducers are arranged in known arrangements coaxially and obliquely opposite, such. B. in the DE 33 31 519 02 disclosed. However, this leads to a reduction in the measuring effect with increasing angle of attack of the transducer to the horizontal. This results in a compromise of an installation length that depends on the angle of the transducers to the horizontal and the measurement effect of the arrangement. The diagonally opposite arrangement of the transducers offers the advantage of averaging the drift over a flow velocity distribution of the entire tube cross section.

Rein auf einer Signaldrift aufbauend, die durch die Verwehung des Schalls durch die Fluidströmung auftritt, sind beispielsweise in der DE 103 44 895 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung mittels Ultraschall offenbart worden. Hierbei werden Schallimpulse von einem Ultraschallsender zu einem Ultraschallempfänger übertragen, die gemeinsam als Wandlerarray ausgebildet und parallel ausgerichtet in einer Rohrwandung angeordnet sind. Die Schallwellen durchlaufen den gesamten Rohrquerschnitt bei Reflexion an der gegenüberliegenden Rohrwandung zweimal. Die von einem Senderteil des Wandlerarrays ausgesandte Schallkeule ist zudem so gebündelt, dass sie auf dem Empfängerbereich des Arrays im Wesentlichen in einem Punkt fokussiert wird. In Ab hängigkeit von einer jeweiligen typischen mittleren Strömungsgeschwindigkeit ab ca. 0,5 m/s bis etwa 50 m/s treten unterschiedlich weite Verwehungen auf, die durch eine Aufteilung des Empfängerbereichs in einzelne kleine Empfangszellen des Arrays detektiert werden. Beide vorstehend genannten Anordnungsprinzipien sind auch in E. Schrüfer "Elektrische Messtechnik", 6. Auflage, Carl Hanser Verlag München, Wien, 1982, Seiten 455–457 zusammenfassend dargestellt.Reinstating on a signal drift, which occurs due to the drift of sound through the fluid flow, are for example in the DE 103 44 895 A1 a method and apparatus for ultrasonic flow velocity measurement has been disclosed. Here, sound pulses are transmitted from an ultrasonic transmitter to an ultrasonic receiver, which are formed together as a transducer array and arranged in parallel aligned in a pipe wall. The sound waves pass through the entire pipe cross-section twice when reflected on the opposite pipe wall. The sound beam emitted by a transmitter part of the transducer array is also bundled so that it is focused on the receiver region of the array substantially at one point. Dependent on a respective typical mean flow velocity from about 0.5 m / s to about 50 m / s occur at different levels of drift, which are detected by a division of the receiver area into individual small receiving cells of the array. Both arrangement principles mentioned above are also summarized in E. Schrüfer "Electrical Measurement", 6th edition, Carl Hanser Verlag Munich, Vienna, 1982, pages 455-457.

Alle vorstehend genannten Lösungen haben als Problem gemeinsam, dass die niedrige Signalstärke des empfangenen Ultraschallsignals zu geringer Zuverlässigkeit des Messprinzips führt, vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Um einen ausreichenden Signalpegel beim empfangenen Signal zu erreichen, werden senderseitig zum Treiben der Piezowandler Impulse hoher elektrischer Spannung von z. B. 200 V verwendet. Ein prinzipielles Problem bei der Verwendung von Piezowandlern besteht jedoch in ihrem geringen Wirkungsgrad: Bekannte piezoelektrische Materialien haben einen Wellenwiderstand, der um mehr als sechs Zehnerpotenzen von dem Wellenwiderstand der umgebenden Luft abweicht: Medium Akustische Impedanz Z [kg/(m²·s)] Luft (20°C) 416 Wasser 1,48·10^–6 Quarz 15,2·10^–6 PZT-5 28,0·10^–6 All of the abovementioned solutions have in common the problem that the low signal strength of the received ultrasonic signal leads to low reliability of the measuring principle, especially at high flow velocities. In order to achieve a sufficient signal level in the received signal, the transmitter side to drive the piezo transducers pulses high electrical voltage of z. B. 200 V used. However, a fundamental problem with the use of piezoelectric transducers is their low efficiency: Known piezoelectric materials have a characteristic impedance that differs by more than six orders of magnitude from the characteristic impedance of the surrounding air: medium Acoustic impedance Z [kg / (m ² · s)] Air (20 ° C) 416 water 1.48 · 10 ^-6 quartz 15.2 x 10 ^-6 PZT-5 28.0 · 10 ^-6

Mit PZT-5 wird hierbei ein in der Technik für Ultraschall-Volumenschwinger besonders häufig eingesetztes Zusammensetzungsverhältnis von Bleizirkonattitanat bezeichnet. Damit ist an einer Grenzschicht zwischen PZT-5 und Luft eine so gravierende Fehlanpassung des akustischen Strahlungswiderstandes Z_L an die akustische Impedanz Z_W des Wandlers gegeben, dass nur eine sehr geringer Teil der in dem piezoelektrische Material erzeugten Schwingungen über die Grenzschicht an die Luft transmittiert wird, nämlich nur ein Anteil

von T ≈ 6·10^–5. Der weit überwiegende Teil des erzeugten Ultraschallfalls wird also an der Grenzschicht in das piezoelektrische Material reflektiert und ist für die eigentliche Messung verloren.With PZT-5, a composition ratio of lead zirconate titanate which is particularly frequently used in the art for ultrasonic volume oscillators is referred to here. Thus, at a boundary layer between PZT-5 and air such a serious mismatch of the acoustic radiation resistance Z _{L given} to the acoustic impedance Z _{W of} the transducer that only a very small part of the vibrations generated in the piezoelectric material transmits via the boundary layer to the air becomes, namely only a portion

of T ≈ 6 · 10 ^-5 . The vast majority of the ultrasound generated is thus reflected at the boundary layer in the piezoelectric material and is lost for the actual measurement.

Um bei den Piezowandlern selbst eine verbesserte Effektivität zu erreichen, werden die Wandlerkristalle in Form der üblichen Volumenschwinger mit einer Anpassungsschicht aus Kunststoffen mit einer angepassten akustischen Impedanz versehen, die dann wenigstens als λ/4-Transformator bei einer festen Frequenz f_o = c/λ eine ausreichend gute Anpassung des akustischen Strahlungswiderstandes Z_L an die akustische Impedanz Z_W des Wandlers bewirkt. Trotzdem ist die Signalstärke des empfangenen Signals, vor allem bei hohen Massenströmen, derzeit so gering, dass die Messung noch nicht zuverlässig arbeitet.In order to achieve an improved effectiveness in the piezoelectric transducers themselves, the transducer crystals are provided in the form of the usual volume oscillator with a matching layer of plastics with a matched acoustic impedance, which then at least as a λ / 4 transformer at a fixed frequency f _o = c / λ causes a sufficiently good adaptation of the acoustic radiation resistance Z _L to the acoustic impedance Z _{W of} the transducer. Nevertheless, the signal strength of the received signal, especially at high mass flows, currently so low that the measurement is not yet reliable.

Die FR 2 077 827 A1 offenbart einen Ultraschalldurchflussmesser mit zwei Ultraschallwandlern. Die zwei Ultraschallwandler sind in einem Rohr unter einem Winkel zur Mittelachse des Rohres einander koaxial gegenüberliegend angeordnet. Dabei sind die beiden Ultraschallwandler jeweils über ein als Horn ausgebildeten Ankopplungsschallkanal an die Umgebung angekoppelt.The FR 2 077 827 A1 discloses an ultrasonic flowmeter having two ultrasonic transducers. The two ultrasonic transducers are coaxially opposed to each other in a tube at an angle to the central axis of the tube. The two ultrasonic transducers are each coupled to the environment via a coupling sound channel designed as a horn.

Die EP 1 316 780 A2 offenbart ein Durchflussmessgerät mit einem Messrohr, einem Ultraschallwandler, einem Ultraschallwellenleiter und einer Dichtung. Der Ultraschallwandler ist außerhalb des Messrohres mit dem Ultraschallwellenleiter verbunden. Diese Verbindung erfolgt derart, dass von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen auf den Ultraschallwellenleiter übertragbar sind bzw. von dem Ultraschallwellenleiter empfangene Ultraschallwellen auf den Ultraschallwand ler übertragbar sind und der Ultraschallwellenleiter wenigstens teilweise in das Messrohr eingeführt ist.The EP 1 316 780 A2 discloses a flow meter having a measuring tube, an ultrasonic transducer, an ultrasonic waveguide and a gasket. The ultrasonic transducer is connected outside of the measuring tube with the ultrasonic waveguide. This connection is made such that ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer can be transmitted to the ultrasonic waveguide or from the ultrasonic waveguide received ultrasonic waves are transferable to the ultrasonic wall ler and the ultrasonic waveguide is at least partially inserted into the measuring tube.

Die DE 198 12 458 C2 offenbart einen Sende- und/oder Empfangskopf eines Ultraschalldurchflussmessgerätes. Dieses Durchflussmessgerät arbeitet nach dem Laufzeitverfahren, wobei ein Ultraschallsignale in das strömende Medium aussendender und empfangender Ultraschalltransducer mit einem Ultraschallwellenleiter gekoppelt ist. Der Ultraschallwellenleiter ist ein länglicher Schalltrichter mit einem großen Wärmeleitwiderstand.The DE 198 12 458 C2 discloses a transmitting and / or receiving head of an ultrasonic flowmeter. This flowmeter operates according to the transit time method wherein an ultrasonic signal is coupled into the flowing medium transmitting and receiving ultrasonic transducer with an ultrasonic waveguide. The ultrasonic waveguide is an elongated horn with a large thermal resistance.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine preiswerte sowie zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Durchflussmessung auch im Bereich hoher und sehr hoher Volumenströme zu schaffen.It The object of the present invention is a low-cost as well as reliable working device for flow measurement even in the high range and very high volume flows to accomplish.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.These The object is solved by the features of the independent claim. advantageous Further developments are the subject of the dependent claims.

Eine Basis der vorliegenden Erfindung bildet die Erkenntnis, dass noch weitere konstruktive Maßnahmen zur Impedanzanpassung für den Luftbetrieb von im Ultraschall-Bereich betriebenen piezoelektrischen Wandlermaterialien vorzusehen sind. Erfindungsgemäß wird daher in einem Luftmassensensor mit zwei in einem Rohr unter einem Winkel zur Rohrmittelachse, einander koaxial gegenüberliegend angeordneten Ultraschallwandlern mindestens einer der Ultraschallwandler über einen Schallka nal an die Umgebung angekoppelt. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei diesem Ankopplungs-Schallkanal um ein Horn, insbesondere ein Exponentialhorn. Dem Horn ist von dem Wandler her gesehen eine Druckkammer vorgeschaltet. Volumenschwinger bei Ankopplung an Luft erreichen bei einer Frequenz von ca. 500 kHz ihre Grenze, da hier die Dämpfung in der Luft beträchtlich zunimmt und dieser Einfluss durch gewöhnliche Mittel zur Luftanpassung nicht mehr kompensierbar ist oder aber unverhältnismäßige Anforderungen an einen Herstellungsprozess derartiger Ultraschallwandler stellt. Dabei ist bei Einsatz von HF-Ultraschall mit Frequenzen von vorzugsweise f ≥ 400 kHz nur eine minimale charakteristische Länge von 1 ≤ 0,135 mm auszuführen, was zu einer sehr praktikablen Bauform führt, die als Form auch gut in ein Spritzgusswerkzeug integrierbar ist.A Basis of the present invention is the realization that still further constructive measures for impedance matching for the air operation of operated in the ultrasonic range piezoelectric transducer materials to be provided. Therefore, according to the invention in an air mass sensor with two in a pipe at an angle to the tube center axis, coaxial with each other arranged ultrasonic transducers at least one of the ultrasonic transducers via a Schallka signal to the Environment coupled. In one embodiment of the invention acts it is in this coupling sound channel to a horn, in particular an exponential horn. The horn is seen from the converter ago Upstream of the pressure chamber. Volume oscillator when coupled to air reach their limit at a frequency of about 500 kHz, because here the damping in the air considerably increases and this influence by ordinary means of air adaptation is no longer compensable or disproportionate requirements for a Manufacturing process of such ultrasonic transducer provides. there is when using RF ultrasound at frequencies of preferably f ≥ 400 kHz to perform only a minimum characteristic length of 1 ≤ 0.135 mm, resulting in a very practical design that also performs well as a shape can be integrated in an injection mold.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:Further Features and advantages of the invention will be described below of exemplary embodiments with reference to the figures of the drawing. In the Drawing show in a schematic representation:

1: einen Schnitt in axialer Richtung durch ein Ansaugrohr mit zwei zueinander geneigt in einer Ebene gegenüberliegend angeordneten und über einen Schallausbreitungsweg miteinander verbundenen Ultraschallwandlern mit Ankopplungs-Schallkanal in Form eines Exponentialhorns; 1 a section in the axial direction through an intake pipe with two mutually inclined in a plane opposite and arranged interconnected via a Schallausbreitungsweg ultrasonic transducers with coupling sound channel in the form of an exponential horn;

2: eine Darstellung einer bekannten Vorrichtung analog der Anordnung von 1. 2 : An illustration of a known device analogous to the arrangement of 1 ,

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen verwendet.About the different illustrations will become consistent below same reference numbers and designations for the same functional or assembly groups used.

Die Abbildung von 2 zeigt einen vereinfachten Längsschnitt durch eine bekannte Vorrichtung 1 mit einem Ansaugrohr 2, in dem zwei Ultraschallwandler 3, 4 unter einem Winkel α zu einer Rohrmittelachse M einander koaxial gegenüberliegend angeordnet vorgesehen sind. Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind im Weiteren mit einer nicht weiter dargestellten Elektronik 5 verbunden. Die Strömung durch ein Rohr weist insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Volumenströmen über einen Rohrquerschnitt gesehen i. d. R. keinen konstanten Wert auf. Das ist vorstehend durch die Angabe der Geschwindigkeit v(y, z) mit den Abhängigkeiten von den zueinander orthogonalen Koordinaten y, z angedeutet. Aus der Bahn des Ultraschalls ergibt sich eine Messung eines Mittelwerts der ortsabhängigen Geschwindigkeit v(y, z) der im Wesentlichen in x-Richtung entlang einer Mittelachse M des Ansaugrohrs 2 gerichteten Strömung. Um diesen Effekt zu verstärken sind die beiden Ultraschallwandler 3, 4 hinsichtlich ihrer mit gepunkteter Line eingezeichneten Sende-/Empfangsachsen 6 zueinander in einem Winkel α schräg zu der Rohrmittenachse M so angeordnet, dass die von einem zu einem folgenden Zeitabschnitt als Sender fungierenden Ultraschallwandler 3, 4 ausgesendeten Ultraschallwellen 7 aus dem Bereich einer jeweiligen Halterung 8 heraus in einen jeweils als Empfänger fungierenden Ultraschallwandler 3, 4 übertragen werden. Die Laufstrecke des Schalls liegt dabei überwiegend in unmittelbarem Kontakt mit der Strömung. Die den Schall weitgehenden abschattenden Halterungen 8 sind fluid- und gasdicht an dem Ansaugrohr 2 angeordnet.The picture of 2 shows a simplified longitudinal section through a known device 1 with a suction pipe 2 in which two ultrasonic transducers 3 . 4 are provided at an angle α to a pipe center axis M arranged coaxially opposite one another. The two ultrasonic transducers 3 . 4 are hereinafter with an electronics not shown 5 connected. The flow through a pipe generally has no constant value, in particular at higher flow velocities and / or high volume flows over a pipe cross-section. This is indicated above by the indication of the velocity v (y, z) with the dependencies on the mutually orthogonal coordinates y, z. From the path of the ultrasound results a measurement of an average value of the location-dependent speed v (y, z) of the substantially in the x-direction along a center axis M of the intake pipe 2 directed flow. To amplify this effect are the two ultrasonic transducers 3 . 4 in terms of their dotted line drawn transmission / reception axes 6 to each other at an angle α obliquely to the pipe center axis M arranged so that the acting of a to a subsequent period as a transmitter ultrasonic transducer 3 . 4 emitted ultrasonic waves 7 out of the range of a respective holder 8th out into each acting as a receiver ultrasonic transducer 3 . 4 be transmitted. The running distance of the sound is predominantly in direct contact with the flow. The sound largely shading mounts 8th are fluid and gas tight at the intake manifold 2 arranged.

Die Ultraschallwandler 3, 4 sind mit der Elektronik 5 zur Ansteuerung und Signalauswertung verbunden. Durch diese Elektronik werden die Ultraschallwandler 3, 4 in angedeuteter Weise abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben. Es bildet sich damit immer ein Paar aus einem Sender und einem Empfänger bei jeweils umgekehrtem Lauf des Schallsignals, wie anhand der beiden Pfeile in 1 angedeutet. Die Ergebnisse einer in der Elektronik 5 auf Basis der Ausgangssignale der Ultraschallwandler 3, 4 vorgenommen Auswertung werden über eine nicht weiter dargestellte Stecker-Schnittstelle an ein nachfolgendes Motormanagement weitergeleitet.The ultrasonic transducers 3 . 4 are with the electronics 5 connected to the control and signal evaluation the. Through this electronics, the ultrasonic transducers 3 . 4 operated in the manner indicated alternately as a transmitter and receiver. It always forms a pair of a transmitter and a receiver in each case reversed course of the sound signal, as shown by the two arrows in 1 indicated. The results of one in electronics 5 based on the output signals of the ultrasonic transducers 3 . 4 Evaluation performed are forwarded via a connector interface not shown to a subsequent engine management.

Da bekannte piezoelektrische Materialien einen Wellenwiderstand haben, der um mehr als sechs Zehnerpotenzen von dem Wellenwiderstand der umgebenden Luft abweicht, tritt an einer Grenzschicht zwischen PZT-5 und Luft eine so gravierende Fehlanpassung des akustischen Strahlungswiderstandes Z_L an die akustische Impedanz Z_W des Wandlers 3, 4 auf, dass nur eine sehr geringer Teil der in dem piezoelektrische Material erzeugten Schwingungen über die Grenzschicht an die Luft transmittiert wird. Ein prinzipielles Problem bei der Verwendung von Piezowandlern besteht also in ihrem geringen Wirkungsgrad. Als Gegenmaßnahme werden hohe elektrische Spannungen von z. B. 200 V angelegt.Since known piezoelectric materials have a characteristic impedance which differs by more than six orders of magnitude from the characteristic impedance of the surrounding air, such a serious mismatch of the acoustic radiation resistance Z _L occurs at an interface between PZT-5 and air to the acoustic impedance Z _{W of} the transducer 3 . 4 in that only a very small part of the vibrations generated in the piezoelectric material is transmitted via the boundary layer to the air. A fundamental problem with the use of piezo transducers is thus their low efficiency. As a countermeasure, high voltages of z. B. created 200V.

Weiter sind Messanordnungen bekannt, bei denen die Ultraschallwandler sehr nahe an einer Auswertungselektronik angeordnet sind. Durch eine möglichst geringe Kabellänge zwischen den Ultraschallwandlern 3, 4 und der Elektronik 5 wird der zusätzliche Einfluss der elektrischen Signaldämpfung verringert.Furthermore, measuring arrangements are known in which the ultrasonic transducers are arranged very close to an evaluation electronics. By the smallest possible cable length between the ultrasonic transducers 3 . 4 and the electronics 5 the additional influence of the electrical signal attenuation is reduced.

Um bei den Piezowandlern selbst eine verbesserte Effektivität zu erreichen, werden vereinzelt die Wandlerkristalle in Form der üblichen Volumenschwinger mit einer Anpassungsschicht aus Kunststoffen mit einer angepassten akustischen Impedanz versehen, die dann wenigstens als λ/4-Transformator bei einer festen Frequenz f_o = c/λ eine ausreichend gute Anpassung des akustischen Strahlungswiderstandes Z_L an die akustische Impedanz Z_W des Wandlers bewirkt. Dieser Ansatz ist jedoch ver hältnismäßig aufwändig und kommt technisch daher so gut wie nie zum Einsatz.In order to achieve improved efficiency in the piezoelectric transducers themselves, the transducer crystals in the form of the usual volumetric oscillators are occasionally provided with a matching layer made of plastics with a matched acoustic impedance, which then at least as λ / 4 transformer at a fixed frequency f _o = c / λ causes a sufficiently good adaptation of the acoustic radiation resistance Z _L to the acoustic impedance Z _{W of} the transducer. However, this approach is ver relatively expensive and is therefore technically almost never used.

Erfindungsgemäß werden nun noch weitere konstruktive Maßnahmen zur Impedanzanpassung für den Luftbetrieb von im Ultraschall-Bereich betriebenen piezoelektrischen Wandlermaterialien vorgesehen. Vom zugrunde liegenden Wandlerprinzip sind nachfolgend neben den verbreiteten Volumenschwingern auch Biege- oder Membranschwinger und insbesondere kapazitive mikromechanische Membran-Wandler zur Ultraschallerzeugung einsetzbar.According to the invention now more constructive measures for impedance matching for the Air operation of operated in the ultrasonic range piezoelectric Conversion materials provided. From the underlying transducer principle In addition to the common volumetric oscillators, these are also or membrane vibrators and in particular capacitive micromechanical Membrane transducer can be used for ultrasonic generation.

1 zeigt hierzu exemplarisch einen Schnitt in axialer Richtung durch das Ansaugrohr 2 mit zwei zueinander geneigt in einer Ebene gegenüberliegend angeordneten und über einen Schallausbreitungsweg 6 miteinander verbundenen Ultraschallwandlern 3, 4 gemäß 2 mit einem Ankopplungs-Schallkanal 9 in Form eines Exponentialhorns 10. Ultraschall ist zwar in einem Bereich ab 20 kHz bis 1 GHz definiert, wobei zur Durchflussmessung ein Bereich zwischen 20 kHz und 10 MHz genutzt wird. Bei Einsatz von HF-Ultraschall mit einer Frequenz von hier f = 400 kHz ergibt sich eine minimale charakteristische Länge von l ≈ 0,135 mm, was zu einer Hornlänge von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern und damit zu einer sehr praktikablen Bauform führt, die auch gut in ein Spritzgusswerkzeug für ein in ein Ansaugrohr 2 einzusetzendes Modul integrierbar ist. 1 shows an example of a section in the axial direction through the intake manifold 2 with two inclined to each other in a plane opposite and arranged over a sound propagation path 6 interconnected ultrasonic transducers 3 . 4 according to 2 with a coupling sound channel 9 in the form of an exponential horn 10 , Although ultrasound is defined in a range from 20 kHz to 1 GHz, a range between 20 kHz and 10 MHz is used for flow measurement. When using HF-ultrasound with a frequency of here f = 400 kHz results in a minimum characteristic length of l ≈ 0.135 mm, resulting in a horn length of a few millimeters to a few centimeters and thus to a very practical design, which is also good in an injection mold for a in a suction pipe 2 module to be inserted can be integrated.

Als zusätzlich oder alternativ einsetzbare Maßnahme ist an den Wandler 4 anschließend und dem Exponentialhorn 10 vorgeschaltet noch eine Druckkammer 11 vorgesehen worden. Von der Wirkung her schließt dieser Ansatz an das Prinzip der sog. Schalldose des Grammophons an.As an additional or alternative usable measure is to the converter 4 subsequently and the exponential horn 10 upstream of a pressure chamber 11 been provided. In terms of effect, this approach follows the principle of the so-called sound box of the gramophone.

Im Ergebnis sind die vorstehend beschriebenen Maßnahmen in einer Anordnung integrierbar, die sehr kompakt ist. Ein dem vorstehenden Ausführungsbeispiel entsprechendes Schallhorn, z. B. als Kunststoff-Spritzgussteil gefertigt, ist deutlich billiger als eine Elektronik, die eine vergleichbare Wirkung erzielt.in the The result is the above-described measures in one arrangement integrable, which is very compact. A the above embodiment corresponding sound horn, z. B. manufactured as a plastic injection molded part, is significantly cheaper than electronics that have a comparable Achieved effect.

Es ergeben sich ferner die folgenden Vorteile:
Die verbesserte Anpassung führt zu einer Verstärkung des übertragenen Signals, so dass die Zuverlässigkeit der Messung verbessert und eventuell die elektronische Generierung des Sendesignals und die elektronische Aufbereitung des Empfangssignals vereinfacht werden können, da mit geringeren elektrischen Sendeleistungen bzw. mit geringeren Empfangsverstärkungen gearbeitet werden kann. Zusätzlich ist folgender Nebeneffekt zu beobachten: Die verbesserte Anpassung des akustischen Strahlungswiderstandes an den Wandler erhöht die mechanische Dämpfung des Wandlers infolge der Schallabstrahlung, was zu zeitlich gesehen kürzeren An- und Ausschwing-Phasen des Wandlers und somit zu einer verbesserten Detektierbarkeit der Signallaufzeit führt.There are also the following advantages:
The improved matching leads to an amplification of the transmitted signal, so that the reliability of the measurement can be improved and possibly the electronic generation of the transmission signal and the electronic processing of the received signal can be simplified, since it is possible to work with lower electrical transmission powers or with lower reception amplifications. In addition, the following side effect is observed: The improved adaptation of the acoustic radiation resistance to the transducer increases the mechanical attenuation of the transducer as a result of the sound radiation, resulting in temporally shorter turn-on and Ausschwing phases of the transducer and thus to an improved detectability of the signal propagation time.

Vorzugsweise ist in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform das Ansaugrohr mit mindestens einem Ankopplungs-Schallkanal 9 als Spritzgussteil einstückig und sehr kompakt ausgebildet. Es sind damit nur noch die Ultraschallwandler 3, 4 sowie die Elektronik 5 zu montieren und miteinander sowie einer externen Logik bzw. einem Motormanagement elektrisch zu verbinden. Bei im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziertem Aufwand in der Fertigung und gleichzeitiger Begrenzung der elektrischen Leistung werden mit einer Anordnung gemäß vorliegender Erfindung also bessere und insbesondere zuverlässigere Ergebnisse geliefert.Preferably, in one embodiment of the invention, the intake pipe with at least one coupling sound channel 9 designed as an injection molded part in one piece and very compact. It is only the ultrasonic transducers 3 . 4 as well as the electronics 5 to mount and electrically connect with each other and an external logic or a motor management. In comparison to the prior art significantly reduced effort in the production and simultaneous limitation of electrical power so better and in particular more reliable results are delivered with an arrangement according to the present invention.

11: Vorrichtungcontraption
22: Rohr/AnsaugrohrPipe / intake
33: Ultraschallwandlerultrasound transducer
44: Ultraschallwandlerultrasound transducer
55: Elektronikelectronics
66: Sende-/EmpfangsachseTransmission / reception axis
77: Ultraschallwelleultrasonic wave
88th: Halterungbracket
99: Ankopplungs-SchallkanalSource attach sound channel
1010: Exponentialhornexponential
1111: Druckkammerpressure chamber
αα: Neigungswinkel der Sendeachse 6 gegenüber der Mittelachse M des Ansaugrohrs 2 Inclination angle of the transmission axis 6 with respect to the center axis M of the intake pipe 2
ff: Frequenz Wellenlängefrequency wavelength
MM: RohrmittenachsePipe center axis
vv: Strömungsgeschwindigkeitflow rate
xx: x-Koordinate Rechtshandsystem, parallel zu M laufendx-coordinate Right-hand system, parallel to M running
yy: y-Koordinate, in der Ebene des Rohrquerschnittsy coordinate in the plane of the pipe cross-section
zz: z-Koordinate, in der Ebene des Rohrquerschnittsz-coordinate, in the plane of the pipe cross-section

Claims

Air mass sensor with two ultrasonic transducers ( 3 . 4 ) in a pipe ( 2 ) are arranged coaxially opposite one another at an angle (α) to a pipe central axis (M), at least one of the ultrasonic transducers ( 3 . 4 ) via a coupling sound channel ( 9 ) is coupled to the environment, characterized in that the coupling sound channel ( 9 ) from the converter forth a pressure chamber ( 11 ) is connected upstream.

Air mass sensor according to claim 1, characterized in that the coupling sound channel ( 9 ) is designed as a horn, in particular as an exponential horn ( 10 ).

Air mass sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling sound channel ( 9 ) is designed for frequencies (f) of approximately 400 kHz ≦ f ≦ 500 kHz.

Air mass sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one coupling sound channel ( 9 ) is manufactured as a plastic injection molded part.