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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflussmesselement und Massendurchflussmesser zur Messung eines Massendurchflusses von Fluid.
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Die
JP-2004-125804 A offenbart einen Ultraschall-Durchflussmesser zur Messung eines Betrags eines in einer Leitung strömenden Fluids mit Hilfe einer Ultraschallwelle. Der Ultraschall-Durchflussmesser weist eine erste Ultraschalleinheit und eine zweite Ultraschalleinheit auf. Die erste Ultraschalleinheit ist an einer Stromaufwärtsseite eines Durchflussmessteils der Leitung angeordnet, und die zweite Ultraschalleinheit ist an einer Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils der Leitung angeordnet. Die erste und die zweite Ultraschalleinheit liegen sich über die Leitung gesehen schräg gegenüber. Der Betrag des in der Leitung strömenden Fluids wird auf der Grundlage einer Differenz der Übertragungszeiten berechnet, die zur Übertragung der Ultraschallwelle zwischen der ersten und der zweiten Ultraschalleinheit benötigt werden. D. h., die von der ersten Ultraschalleinheit gesendete Ultraschallwelle benötigt eine erste Übertragungszeit, um von der zweiten Ultraschalleinheit empfangen zu werden, und die von der zweiten Ultraschalleinheit gesendete Ultraschallwelle benötigt eine zweite Übertragungszeit, um von der ersten Ultraschalleinheit empfangen zu werden. Die Geschwindigkeit des Fluids wird auf der Grundlage der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Übertragungszeit berechnet. Ein Volumendurchfluss des Fluids wird berechnet, indem die Geschwindigkeit des Fluids mit einer Querschnittsfläche des Durchflussmessteils der Leitung multipliziert wird.
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Obgleich der obige Ultraschall-Durchflussmesser den Volumendurchfluss von Fluid messen kann, ist er nicht dazu ausgelegt, den Massendurchfluss von Fluid zu messen. Um den Massendurchfluss eines Fluids zu berechnen, muss der Druck des Fluids gemessen werden. Wenn eine solche Druckerfassungseinheit im Durchflussmessteil der Leitung angeordnet werden soll, um den Fluiddruck im Durchflussmessteil der Leitung zu messen, wird der entsprechende Raum zur Anordnung der Druckerfassungseinheit benötigt.
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Aus der
US 2006/0 080 048 A1 ist ferner ein Beschädigungserfassungssensor bekannt, der dazu ausgelegt ist, die Erfassung einer Beschädigung unter Verwendung von mehreren Sensoren und Messverfahren zu vereinfachen. Zu diesem Zweck weist ein Sensorknoten
5 einen Sensor
50, einen Aktuator
51 und eine Leiterplatte
22 auf, wobei der Sensor
50 und der Aktuator
51 nicht zusammen auf der Leiterplatte
22 angeordnet sind.
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Weitere Sensorvorrichtungen sind aus den Druckschriften
DE 10 2005 004 877 A1 ,
DE 196 48 424 C1 ,
EP 0 979 992 A1 ,
US 4 860 593 A ,
DE 100 62 875 A1 ,
US 5 421 212 A ,
DE 199 22 967 A1 ,
DE 196 43 893 A1 ,
WO 03/092 915 A2 ,
DE 199 28 547 A1 ,
US 2003/0068 838 A1 ,
DE 101 61 915 A1 und
DE 197 31 329 C1 bekannt.
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Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchflussmesselement und Massendurchflussmesser bereitzustellen, die dazu ausgelegt sind, einen Massendurchfluss von Fluid zu messen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchflussmesselement nach dem Anspruch 1, einen Massendurchflussmesser nach dem Anspruch 4 und einen Massendurchflussmesser nach dem Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Massendurchflussmesssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A eine schematische Draufsicht eines Durchflussmesselements gemäß der Ausführungsform und 2B eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmesselements entlang der Linie IIB-IIB in der 2A;
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3 ein Zeitdiagramm eines Zeitpunkts einer Volumendurchflussmessung und eines Zeitpunkts einer Druckmessung;
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4 eine schematische Darstellung eines Massendurchflussmesssystems gemäß einer ersten Modifikation der vorliegenden Erfindung;
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5A eine schematische Draufsicht eines Durchflussmesselements gemäß einer zweiten Modifikation der vorliegenden Erfindung und 5B eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmesselements entlang der Linie VB-VB in der 5A;
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6A ein Zeitdiagramm eines Ausgangs eines Durchflussmesselements gemäß einer dritten Modifikation der vorliegenden Erfindung, 6B ein Zeitdiagramm eines Ausgangs einer Druckerfassungseinheit des Durchflussmesselements und 6C ein Zeitdiagramm eines Ausgangs einer Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements; und
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7A eine schematische Querschnittsansicht eines Durchflussmesselements der Bauart mit einer Membran gemäß einer vierten Modifikation der vorliegenden Erfindung und 7B eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Durchflussmesselements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Massendurchflussmesssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Steuerung eines Motors verwendet wird. Das Massendurchflussmesssystem 100 wird insbesondere zur Messung eines Massendurchflusses von Luft verwendet, die beispielsweise in einer Brennkammer des Motors aufgenommen wird.
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Ein Paar von Durchflussmesselementen 10, 20 ist, wie in 1 gezeigt, an einem Durchflussmessteil 30 angeordnet und elektrisch mit einer Steuereinheit 40 verbunden. Die Steuereinheit 40 misst den Massendurchfluss von Fluid, indem sie die von den Elementen 10, 20 ausgegebenen Signale verwendet. Ein Massendurchflussmesser weist insbesondere die Durchflussmesselemente 10, 20, das Durchflussmessteil 30 und die Steuereinheit 40 auf, und das Massendurchflussmesssystem 100 weist insbesondere den Massendurchflussmesser und eine mit dem Massendurchflussmesser verbundene Energieversorgungsvorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Motorsteuervorrichtung, auf.
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Das Durchflussmessteil 30 entspricht einer Luftansaugleitung der Motorsteuervorrichtung, und Fluid, wie beispielsweise Luft, strömt in das Durchflussmessteil 30. Das aus den Elementen 10, 20 bestehende Paar ist derart in dem Durchflussmessteil 30 angeordnet, dass es sich über eine Strömung des Fluids gesehen gegenüberliegt. D. h., das erste Durchflussmesselement 10 ist an einer Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnet, und das zweite Durchflussmesselement 20 ist derart an einer Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnet, dass es dem Element 10 gegenüberliegt. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmessteils 30 der Luftansaugleitung.
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Das Durchflussmesselement 10, 20 weist eine Membranform auf und ist aus einer Halbleiterplatine, einer Ultraschalleinheit und einer Druckerfassungseinheit aufgebaut. Die Ultraschalleinheit sendet und empfängt eine Ultraschallwelle, und die Druckerfassungseinheit erfasst den Druck eines Fluids. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind integral an der Halbleiterplatine befestigt. Eine Seitenwand des Durchflussmessteils 30 weist ein Loch auf, und das Durchflussmesselement 10, 20 ist beispielsweise über ein Versiegelungselement in dem Loch angeordnet. Das Durchflussmesselement 10, 20 wird nachstehend näher beschrieben.
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Die Steuereinheit 40 ist als Mikrocomputer mit einer CPU 41, einem Speicher 42 und dergleichen aufgebaut. Die Steuereinheit 40 wird über eine externe Vorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Motorsteuervorrichtung, mit Strom versorgt. Die Steuereinheit 40 führt eine vorbestimmte Berechnung auf der Grundlage eines im Speicher 42 gespeicherten Programms aus und gibt das Rechenergebnis an die Motorsteuervorrichtung. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 aktiviert insbesondere die Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements 10, 20, um eine Ultraschallwelle auszusenden und zu empfangen. Die Steuereinheit 40 erfasst ferner den Druck des Fluids auf der Grundlage eines von der Druckerfassungseinheit des Durchflussmesselements 10, 20 ausgegebenen Signals.
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Die CPU 41 der Steuereinheit 40 berechnet ferner eine Übertragungszeit, die zur Übertragung der Ultraschallwelle zwischen den Elementen 10, 20 benötigt wird, und einen Volumendurchfluss des Fluids auf der Grundlage der berechneten Übertragungszeit. Die Steuereinheit 40 berechnet ferner einen Massendurchfluss des Fluids auf der Grundlage des berechneten Volumendurchflusses und des Fluiddrucks und überprüft, ob das Element 10, 20 normal arbeitet oder nicht.
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Der Speicher 42 der Steuereinheit 40 wird zur Überprüfung des Elements 10, 20 verwendet. An eine piezoelektrische Membran 8, die, wie in 2B gezeigt, zwischen Elektroden 9a, 9b angeordnet ist, wird eine Spannung gelegt. Bei angelegter Spannung gibt der in der 2B gezeigte Dehnungsmesser ein Ausgangssignal aus. Die Spannung und das Ausgangssignal werden miteinander verknüpft und als Diagnoseabbildung im Speicher 42 gespeichert.
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Nachstehend wird das Durchflussmesselement 10 näher unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben. Das Durchflussmesselement 20 weist annähernd den gleichen Aufbau wie das Durchflussmesselement 10 auf, so dass das Durchflussmesselement 20 nachstehend nicht näher beschrieben wird.
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Das Durchflussmesselement 10 ist, wie in den 2A und 2B gezeigt, aus einer Halbleiterplatine mit einer SOI-(Silicon on insulator)-Struktur aufgebaut. Die Halbleiterplatine weist eine erste Halbleiterschicht 1 aus Si, einen eingebetteten Oxidfilm 2 aus SiO2, eine zweite Halbleiterschicht 3 aus Si und einen schützenden Oxidfilm 4 aus SiO2 auf. Die Halbleiterplatine weist einen Membranteil 5 auf, der über ein mikroelektromechanisches Verfahren dünn ausgebildet ist. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind integral auf dem Membranteil 5 gebildet. Die Ultraschalleinheit weist eine Schichtstruktur auf, in welcher die aus einem piezoelektrischen Material aufgebaute piezoelektrische Membran 8 zwischen den Elektroden 9a, 9b angeordnet ist. Die Druckerfassungseinheit weist den Dehnungsmesser 6 und eine mit dem Dehnungsmesser 6 verbundene Elektrode 7 auf. Die piezoelektrische Membran 8 ist über ein Sol-Gel-Verfahren oder Sputtern dünn ausgebildet.
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D. h., die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind auf demselben Membranteil 5 angeordnet, so dass ein einziges Halbleiterelement, d. h. das Element 10, 20, zwei Funktionen, d. h. Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle und Erfassen eines Drucks, ausführen kann. Hierdurch kann das Element 10 kleiner ausgebildet werden und das Einbauvolumen zur Befestigung des Elements 10 an dem Durchflussmessteil 30 verringert werden. Ferner sind die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit integral auf der Halbleiterplatine angeordnet, um das Element 10 zu bilden. Hierdurch wird für die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit nur ein Halbleiterprozess benötigt, so dass die Fertigungskosten zur Fertigung des Elements 10 und die Materialkosten des Elements 10 verringert werden können.
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Das die Ultraschalleinheit bildende piezoelektrische Material ist nicht auf die piezoelektrische Membran 8 beschränkt. Anstelle der piezoelektrischen Membran 8 kann beispielsweise ein massives (bulk) piezoelektrisches Material verwendet werden. In diesem Fall kann eine vom Element 10 ausgesendete Ultraschallwelle einen verhältnismäßig hohen Schalldruck aufweisen, so dass die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Das piezoelektrische Material kann aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Lanthan-dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT), Niob-dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat ((PZT)Nb), ZnO oder AlN aufgebaut sein.
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Die CPU 41 der Steuereinheit 40 legt eine Wechselspannung an die Elektroden 9a, 9b, um eine Ultraschallwelle vom Element 10 aus zu senden. Hierdurch schwingt das Membranteil 5 derart mit den Elektroden 9a, 9b und der piezoelektrischen Membran 8, dass es eine vorbestimmte Frequenz im Ultraschallwellenbereich aufweist. Ferner schwingt das Membranteil 5 bedingt durch die vom Element 10 aus gesendete Ultraschallwelle derart mit der piezoelektrischen Membran 8 und den Elektroden 9a, 9b, dass es die Ultraschallwelle empfangen kann. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 veranlasst die piezoelektrische Membran 8 und die Elektroden 9a, 9b dazu, die empfangene Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal zu wandeln.
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Demgegenüber wird das Membranteil 5 des Elements 10 durch den Fluiddruck verzerrt, wobei der Betrag der Verzerrung durch eine Widerstandsänderung des Dehnungsmessers 6 definiert wird. Auf diese Weise erfasst die CPU 41 der Steuereinheit 40 den Fluiddruck.
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Nachstehend wird der Betrieb des Massendurchflussmesssystems 100 beschrieben. Zunächst wird eine vom System 100 ausgeführte Eigendiagnose beschrieben. Wenn die Steuereinheit 40 über die Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, versorgt die CPU 41 der Steuereinheit 40 die piezoelektrische Membran 8 (Elektroden 9a, 9b) mit Strom, um das Membranteil 5 zusammen mit der piezoelektrischen Membran 8 und den Elektroden 9a, 9b zu verzerren. Anschließend erfasst die CPU 41 der Steuereinheit 40 ein vom Dehnungsmesser 6 während der Verzerrung ausgegebenes Ausgangssignal. Die an die piezoelektrische Membran 8 (Elektroden 9a, 9b) gelegte Spannung und das vom Dehnungsmesser 6 ausgegebene Ausgangssignal werden von der CPU 41 der Steuereinheit 40 mit der im Speicher 42 gespeicherten Diagnoseabbildung verglichen. Auf diese Weise überprüft die Steuereinheit 40, ob das Element 10, 20 normal arbeitet oder nicht. Wenn die Steuereinheit 40 bestimmt, dass das Element 10, 20 normal arbeitet, beginnt die Steuereinheit 40 damit, den Massendurchfluss des Fluids gemäß obiger Beschreibung zu messen. Wenn die Steuereinheit 40 demgegenüber bestimmt, dass das Element 10, 20 nicht normal arbeitet, zeigt die Steuereinheit 40 über eine Alarmvorrichtung (nicht gezeigt) an, dass das Element 10, 20 fehlerhaft arbeitet.
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Der Zeitpunkt, an welchem die Eigendiagnose von der CPU 41 der Steuereinheit 40 ausgeführt wird, ist nicht auf den Zeitpunkt beschränkt, an welchem die Motorsteuervorrichtung mit der Stromversorgung beginnt. Während der Stromversorgung über die Motorsteuervorrichtung wird die Eigendiagnose jede vorbestimmte Periode ausgeführt, da es stets möglich ist, dass bei dem Element 10, 20 ein Fehler auftritt. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
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Nachstehend wird die Messung des Massendurchflusses durch das Massendurchflussmesssystem 100 beschrieben. Wie in der 1 gezeigt, ist ein Abstand L zwischen einem annähernd in der Mitte befindlichen Teil des Elements 10 und einem annähernd in der Mitte befindlichen Teil des Elements 20 definiert. Zwischen einer die Elemente 10, 20 verbindenden Linie und einer Wand des Durchflussmessteils 30, dass sich von dem Element 10 in Richtung einer Stromabwärtsseite des Elements 10 erstreckt, ist ein Winkel θ definiert. Fluid weist im windstillen Zustand die Schallgeschwindigkeit C und im Durchflussmessteil 30 die Geschwindigkeit V auf.
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Die CPU 41 der Steuereinheit 40 aktiviert das an der Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 10, um eine Ultraschallwelle auszusenden. Die vom Element 10 ausgesendete Ultraschallwelle wird schräg über das Durchflussmessteil 30 zum Element 20 übertragen. Die Steuereinheit 40 steuert das an der Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 20, um die vom Durchflussmesselement 10 gesendete Ultraschallwelle zu empfangen. Die Steuereinheit 40 misst eine erste Übertragungszeit t1 = L/(C + Vcosθ). Die erste Übertragungszeit beginnt an dem Zeitpunkt, an welchem die Ultraschallwelle vom Element 10 gesendet wird, und endet an dem Zeitpunkt, an welchem die gesendete Ultraschallwellen vom Element 20 empfangen wird.
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Anschließend aktiviert die CPU 41 der Steuereinheit 40 das an der Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 20, um eine Ultraschallwelle auszusenden. Die vom Element 20 gesendete Ultraschallwelle wird schräg über das Durchflussmessteil 30 zum Element 10 übertragen. Die Steuereinheit 40 steuert das an der Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 10, um die vom Element 20 gesendete Ultraschallwelle zu empfangen. Die Steuereinheit 40 misst eine zweite Übertragungszeit t2 = L/(C – Vcosθ). Die zweite Übertragungszeit beginnt an dem Zeitpunkt, an welchem die Ultraschallwelle vom Element 20 gesendet wird, und endet an dem Zeitpunkt, an welchem die gesendete Ultraschallwellen vom Element 10 empfangen wird.
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Aus den beiden obigen Gleichungen wird die Schallgeschwindigkeit C gekürzt, und die Steuereinheit 40 berechnet die Geschwindigkeit V = L(1/t1 – 1/t2)/(2cosθ). Da der Abstand L und der Winkel θ bekannt sind, kann die Steuereinheit 40 den Volumendurchfluss Q = SV berechnen, wenn das Durchflussmessteil 30 die Querschnittsfläche S aufweist.
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Die Steuereinheit 40 erfasst (misst) über die Druckerfassungseinheit ferner den Fluiddruck P. Da das Element 10 integral die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit aufweist, müssen ein von der Ultraschalleinheit ausgegebenes Signal und ein von der Druckerfassungseinheit ausgegebenes Signal voneinander unterschieden werden. Folglich kann sich ein Zeitpunkt zum Messen des Drucks P, wie in 3 gezeigt, von einem Zeitpunkt zum Messen des Volumendurchflusses, d. h. einem Zeitpunkt zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle, unterscheiden.
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Anschließend berechnet die Steuereinheit 40 den Massendurchfluss Qm = QP über den Volumendurchfluss Q und den von der Druckerfassungseinheit des Elements 10, 20 erfassten Druck P. Auf diese Weise kann das Massendurchflussmesssystem 100 den Massendurchfluss eines Fluids bestimmen. Die Steuereinheit 40 gibt den berechneten Massendurchfluss des Fluids an die Motorsteuervorrichtung.
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Gemäß der Ausführungsform weist das Durchflussmesselement 10, 20 integral die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit auf. Die Übertragungszeit, die zur Übertragung der Ultraschallwelle benötigt wird, der Volumendurchfluss und der Massendurchfluss werden unter Verwendung der Elemente 10, 20 berechnet. Folglich kann der Massendurchfluss berechnet werden, ohne dass das Einbauvolumen zur Befestigung des Elements 10, 20 an dem Durchflussmessteil 30 erhöht werden muss.
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(Erste Modifikation)
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Gemäß einer ersten Modifikation kann ein Sendeelement zum Senden einer Ultraschallwelle getrennt von einem Massendurchflussmesser vorgesehen werden. Die weiteren Teile der ersten Modifikation können denen der obigen Ausführungsform entsprechen.
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Der Massendurchflussmesser weist, wie in 4 gezeigt, ein erstes Durchflussmesselement 10a, ein zweites Durchflussmesselements 20a, ein erstes Sendeelement 200a und ein zweites Sendeelement 200b auf. Das Durchflussmesselement 10a, 20a weist eine Halbleiterplatine mit einer Membranstruktur auf, und eine piezoelektrische Membran und ein Dehnungsmesser sind auf der Membranstruktur angeordnet. Das Durchflussmesselement 10a, 20a empfängt eine Ultraschallwelle und erfasst einen Fluiddruck. Das Sendeelement 200a, 200b weist ein massives (bulk) piezoelektrisches Material auf und sendet eine Ultraschallwelle aus. Ein flacher Bereich des massiven piezoelektrischen Materials des Sendeelements 200a, 200b ist größer als der der piezoelektrischen Membran des Durchflussmesselements 10a, 20a.
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Gemäß der ersten Modifikation weist der Massendurchflussmesser die Sendeelemente 200a, 200b mit dem massiven piezoelektrischen Material zusätzlich zu den Durchflussmesselementen 10a, 20a auf. Das Durchflussmesselement 20a empfängt eine vom Sendeelement 200a gesendete Ultraschallwelle und das Durchflussmesselement 10a empfängt die vom Sendeelement 200b gesendete Ultraschallwelle.
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Gewöhnlich kann die Empfindlichkeit verbessert werden, wenn ein Sendeelement eine Ultraschallwelle mit einem verhältnismäßig hohen Schalldruck ausgibt. Folglich kann die Empfindlichkeit gemäß der ersten Modifikation verbessert werden, da die Sendeelemente 200a, 200b getrennt vorgesehen sind. Ferner kann das Einbauvolumen dann, wenn die Empfindlichkeit bei einem annähernd gleichen Pegel gehalten wird, verglichen mit einem Fall, bei dem ein Ultraschallwellensendeelement, ein Ultraschallwellenempfangselement und ein Druckerfassungselement einzeln bzw. getrennt voneinander in einem Massendurchflussmesser vorgesehen werden, verringert werden.
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(Zweite Modifikation)
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Gemäß einer zweiten Modifikation kann, wie in den 5A und 5B gezeigt, ein kapazitives Durchflussmesselement 50 anstelle des das Membranteil 5 aufweisenden Durchflussmesselements 10, 20 verwendet werden. Die weiteren Teile der zweiten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
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Das kapazitive Durchflussmesselement 50 weist, wie in den 5A und 5B gezeigt, eine erste Elektrode 53a und eine zweite Elektrode 53b auf, die zur Erfassung einer zwischen beiden auftretenden Kapazität verwendet werden. Die erste Elektrode 53a ist über einen Isolierfilm 52 auf einer Halbleiterplatine 51 angeordnet. Die zweite Elektrode 53b ist derart über einen Luftspalt 59 von der ersten Elektrode 53a beabstandet angeordnet, dass sie der ersten Elektrode 53a gegenüberliegt. Ein Teil der zweiten Elektrode 53b, welcher dem Luftspalt 59 gegenüberliegt, weist ein Luftloch 58 auf.
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Ein Isolierfilm 54, eine erste Luftspaltsteuerelektrode 55a, ein Isolierfilm 56, eine zweite Luftspaltsteuerelektrode 55b und ein Isolierfilm 57, die jeweils ein Durchgangsloch zum Bilden des Luftspalts 59 aufweisen, sind in dieser Reihenfolge zwischen den Elektroden 53a, 53b angeordnet.
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Die Halbleiterplatine 51 ist beispielsweise aus Si aufgebaut. Die erste Elektrode 53a, die zweite Elektrode 53b, die erste Luftspaltsteuerelektrode 55a und die zweite Luftspaltsteuerelektrode 55b sind aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise polykristallinem Silizium, Aluminium oder Gold aufgebaut. Die Isolierfilme 52, 54, 56, 57 sind beispielweise aus SiO2 aufgebaut.
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Wenn eine Spannung an die Elektroden 53a, 53b des kapazitiven Durchflussmessers 50 gelegt wird, wird die Elektrode 53b verzerrt. Hierdurch wird der Luftspalt 59 verändert, so dass das Element 50 eine Ultraschallwelle aussendet. Ferner wird die Elektrode 53b dann, wenn das Element 50 eine Ultraschallwelle empfängt oder durch das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, verzerrt. Hierdurch wird der Luftspalt 59 zwischen den Elektroden 53a, 53b verändert. Folglich wird die Kapazität zwischen den Elektroden 53a, 53b verändert. Die geänderte Kapazität wird als Ausgangssignal ausgeben.
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Gemäß der zweiten Modifikation können eine Ultraschalleinheit zum Senden und Empfangen einer Ultraschallwelle und eine Druckerfassungseinheit zur Erfassung eines Fluiddrucks integral auf der Halbleiterplatine 51 angeordnet werden, so dass das Einbauvolumen verringert werden kann.
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Nachstehend wird eine vom kapazitiven Durchflussmesselement 50 ausgeführte Eigendiagnose beschrieben. Wenn die Steuereinheit 40 über die Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, legt die CPU 41 der Steuereinheit 40 eine Spannung an die Elektroden 55a, 55b, um den Luftspalt 59 zwischen den Elektroden 53a, 53b zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt erfasst die Steuereinheit 40 die Kapazität zwischen den Elektroden 53a, 53b.
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Die an die Elektroden 55a, 55b gelegte Spannung und die Kapazität werden von der Steuereinheit 40 mit der im Speicher 42 gespeicherten Diagnoseabbildung verglichen, um zu bestimmen, ob das Element 50 normal arbeitet oder nicht. Die Spannung und die Kapazität werden im Voraus als die Diagnoseabbildung bzw. Diagnosekennlinie miteinander verknüpft, und die Diagnoseabbildung wird im Voraus im Speicher 42 gespeichert.
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Wenn die Steuereinheit 40 bestimmt, dass das Element 50 normal arbeitet, beginnt die Steuereinheit 40 mit der Messung eines Fluidmassendurchflusses. Wenn die Steuereinheit 40 demgegenüber bestimmt, dass das Element 50 fehlerhaft arbeitet, zeigt sie dies über eine Alarmvorrichtung (nicht gezeigt) an.
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Der Zeitpunkt, an welchem die Steuereinheit 40 die Eigendiagnose ausführt, ist nicht auf den Zeitpunkt beschränkt, an welchem die Motorsteuervorrichtung mit der Stromversorgung beginnt. Während der Stromversorgung über die Motorsteuervorrichtung wird die Eigendiagnose jede vorbestimmte Periode ausgeführt, da es stets möglich ist, dass bei dem Element 50 ein Fehler auftritt. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit verbessert werden
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Da der Schalldruck einer vom kapazitiven Durchflussmesselement 50 gesendeten Ultraschallwelle verhältnismäßig gering ist, wird das Element 50 hauptsächlich für den Empfang einer Ultraschallwelle und zur Erfassung des Fluiddrucks verwendet und kann ein Ultraschallwellensendeelement getrennt vorgesehen werden. D. h., das kapazitive Durchflussmesselement 50 kann als das Durchflussmesselement 10a, 20a der ersten Modifikation verwendet werden, und das Sendeelement 200a, 200b der ersten Modifikation kann in diesem Fall als das Ultraschallwellensendeelement verwendet werden.
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(Dritte Modifikation)
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Bei der obigen Ausführungsform ist der Zeitpunkt zur Druckmessung, wie in 3 gezeigt, auf einem vom Zeitpunkt zur Messung des Volumendurchflusses verschiedenen Zeitpunkt gelegt, da die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit beide in dem Durchflussmesselement 10, 20 integriert sind. Gemäß einer dritten Modifikation können das Messen des Volumendurchflusses, d. h. das Senden und Empfangen der Ultraschallwelle, und die Messung des Fluiddrucks annähernd gleichzeitig ausgeführt werden. Die weiteren Teile der dritten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
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Die Volumendurchflussmessung und die Fluiddruckmessung können annähernd gleichzeitig ausgeführt werden, da die Frequenz zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle gewöhnlich bekannt ist.
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Ein von der Druckerfassungseinheit ausgegebenes Signal und ein von der Ultraschalleinheit ausgegebenes Signal überlappen sich wie in 6A gezeigt gegenseitig, wenn die Volumendurchflussmessung und die Fluiddruckmessung annähernd gleichzeitig ausgeführt werden. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 nimmt eine Frequenztrennung vor, so dass das Überlappungssignal in ein in der 6B gezeigtes Signal von der Druckerfassungseinheit und in ein in der 6C gezeigtes Signal von der Ultraschalleinheit getrennt wird. Hierdurch kann die Ansprechempfindlichkeit verbessert werden, so dass die vom Massendurchflussmesser und vom Massendurchflussmesssystem benötigte Zeit zur Messung des Massendurchflusses verringert werden kann.
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(Vierte Modifikation)
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Gemäß einer vierten Modifikation ist ein Temperatursensor 80 zur Erfassung der Fluidtemperatur in ein in der 7A gezeigtes Membran-Durchflussmesselement 60 oder in ein in der 7B gezeigtes kapazitives Durchflussmesselement 79 integriert. Auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Temperatursensors 80 kann eine Temperaturkorrektur bezüglich der Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle und des Fluiddrucks ausgeführt werden. Die weiteren Teile der vierten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
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Das Volumen eines Fluids ändert sich mit der Temperatur des Fluids. Folglich ändern sich die Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle und der Druck, mit welchem die Druckerfassungseinheit beaufschlagt wird, mit der Temperatur des Fluids.
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Der Temperatursensor 80 ist, wie in 7A gezeigt, an dem Membran-Durchflussmesselement 60 befestigt. Der Temperatursensor 80 ist, wie in 7B gezeigt, an dem kapazitiven Durchflussmesselement 70 befestigt. Ferner wird die Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle oder der Fluiddruck mit der Temperatur verknüpft und das verknüpfte Verhältnis beispielsweise als Temperaturabbildung im Voraus im Speicher 42 gespeichert. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 führt die Temperaturkorrektur bezüglich der Geschwindigkeit und des Drucks unter Verwendung des Erfassungsergebnisses des Temperatursensors 80 und der Temperaturabbildung aus.
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Hierdurch kann der Massendurchfluss des Fluids genau berechnet werden, so dass die Zuverlässigkeit des Massendurchflussmessers und des Massendurchflussmesssystems 100 verbessert werden kann. Ferner kann das Einbauvolumen klein gehalten werden, da der Temperatursensor 80 mit dem Durchflussmesselement 60, 70 kombiniert ist.
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(Weitere Modifikation)
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Bei der obigen Ausführungsform und den Modifikationen ist das Durchflussmesselement aus der Ultraschalleinheit und der Druckerfassungseinheit aufgebaut, die mit der Halbleiterplatine kombiniert sind.