DE102011119673A1

DE102011119673A1 - Akustischer Wellenleiter-Sensor zur Bestimmung von Eigenschaften einer Flüssigkeit sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE102011119673A1
Application number: DE102011119673A
Authority: DE
Inventors: Sandro KREMPEL; Wolfgang Diller; Josefine SCHLEMMER; Winfried Markert; Ulrich-Dieter Standt; Jörg Lenkowski; Stefan Schmerbeck; Hans-Georg Nitzke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen akustischer Wellenleiter-Sensor (10) zur Bestimmung von Eigenschaften einer Flüssigkeit (16), sowie die Verwendung des Sensors (10), umfassend – ein von der Flüssigkeit (16) durchströmbares Gehäuse (12) mit einer Gehäusewand (14), – einen, auf einer Außenseite der Gehäusewand (14) angeordneten Sender (20) zur Anregung von ersten akustischen Oberflächenwellen (24) in der Gehäusewand (14) des Gehäuses (12) derart, dass die ersten akustischen Oberflächenwellen (24) an einem Auskopplungsort einen Teil ihrer Energie in Form von Kompressionswellen (26) an die Flüssigkeit abgeben und dass die Kompressionswellen (26) an einem von dem Auskopplungsort unterschiedlichen Einkopplungsort zumindest einen Teil ihrer Energie in Form von zweiten akustischen Oberflächenwellen an die Gehäusewand (14) wieder abgeben, und – zumindest einen, auf der Außenseite der Gehäusewand (14) mit einem axialem Versatz (d) zum Sender (20) angeordneten Empfänger (22) zur Erfassung der zweiten akustischen Oberflächenwellen in der Gehäusewand (14) und zur Erzeugung eines mit zumindest einer Eigenschaft der zweiten akustischen Oberflächenwellen korrelierenden Ausgangssignals. Es ist vorgesehen, dass die Gehäusewand (14) eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt aufweist derart, dass ein erster Durchmesser (D1) in einer ersten radialen Richtung größer als ein zweiter Durchmesser (D2) in einer zweiten radialen Richtung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen akustischen Wellenleiter-Sensor zur Bestimmung von Eigenschaften einer Flüssigkeit sowie seine Verwendung zur Bestimmung von Kraftstoffeigenschaften für Verbrennungskraftmaschinen.
Die Zusammensetzung von Motorkraftstoffen für Kraftfahrzeuge wird beispielsweise durch die Zumischung von Ethanol und anderen Biokraftstoffen variabler. Viele Funktionen der Motorsteuerung und der Steuerung des Abgasreinigungssystems hängen jedoch von verschiedenen Eigenschaften des Kraftstoffs ab, wie seiner Zündwilligkeit, seinem Brennwert etc.. Durch die Varianz der Kraftstoffzusammensetzung können diese Steuerungsfunktionen derzeit nicht immer optimal angepasst werden.
WO 2008/034878 A2 beschreibt einen Sensor zur Ermittlung von Eigenschaften flüssiger oder pastöser Medien mittels akustischer Oberflächenwellen. Der Sensor ist aus zwei planparallel beabstandet voneinander angeordneten Platten aufgebaut, welche ein Volumen definieren, in dem sich das zu vermessende Medium befindet. Auf der äußeren Oberfläche einer der Platten ist ein Sender angeordnet, der piezoelektrisch durch kurze Impulse in dieser Platte eine akustische Oberflächenwelle anregt, welche einen Teile ihrer Energie an das zu vermessende Medium in Form von Kompressionswellen abgibt. Durch eine weitere Modenkonversion regen die im Medium laufenden Kompressionswellen in der gegenüberliegenden Platte wiederum akustische Oberflächenwellen an, welche von einem dort positionierten Empfänger detektiert werden. In diesem Sensor sind die beiden Platten schalltechnisch so voneinander entkoppelt, dass Schallwellen nur durch das Medium vom Sender zum Empfänger gelangen können.
Problematischer ist die Situation, wenn eine Flüssigkeit in der oben beschriebenen Weise in einer Rohrleitung vermessen werden soll. Hier ergibt sich bei gleichartiger Anordnung von Sender und Empfänger das Problem, dass Schallwellen nicht nur durch die Flüssigkeit, sondern auch über die Rohrwand vom Sender zum Empfänger gelangen können. Dadurch kann es am Empfänger zu einer Überlagerung beider Schallwellen kommen, nämlich der durch zweifache Modenkonversion über das flüssige Medium laufenden Welle (Nutzsignal) und der durch die Rohrwand (ohne Modenkonversion) laufende Welle (Störsignal). Letztere enthält keine nutzbare Information der zu vermessenden Flüssigkeit und führt durch Überlagerung des Nutzsignals zu einem hohen Störanteil im Empfängersignal. Ohne eine aufwändige mathematische Dekonvolution (Entfaltung) ist damit keine zuverlässige und genaue Messung der Flüssigkeitseigenschaften möglich.
EP 0 212 470 A2 beschreibt eine Apparatur zur akustischen Vermessung von Flüssigkeiten in Rohren, wobei die Apparatur von außen auf das Rohr aufgeklemmt wird. Die Apparatur umfasst einen Sendewandler, der einen Ultraschallimpuls auf das Rohr gibt, und einen Empfangswandler, der auf der gegenüberliegenden Rohrseite radial versetzt zum Sendewandler angeordnet ist. Zur Entkopplung der Rohrwände im Bereich der Wandler voneinander ist eine Dämpfungsmanschette um das Rohr zwischen den Wandlern angebracht. Um die im Rohr angeregten Oberflächenwellen auf Rayleigh-Wellen zu beschränken, weist das Rohr eine Wandstärke auf, die größer als ungefähr eine halbe Rayleigh-Wellenlänge ist. Damit soll verhindert werden, dass der Bereich der Lamb-Wellen erreicht wird, in welchem Dispersion auftritt, d. h. eine Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von Frequenz und Wandstärke. Falls dispersive Lamb-Wellen entstehen, können nämlich bei unbekannter Wandstärke die Flüssigkeitseigenschaften nicht mehr eindeutig bestimmt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Sensor bereitzustellen, der basierend auf akustischen Oberflächenwellen Eigenschaften von Flüssigkeiten zu erfassen vermag, wobei das beschriebene Problem der Überlagerung der Nutzwelle durch Störwellen weitgehend überwunden wird. Der Sensor sollte insbesondere für die Messung von Eigenschaften von Kraftstoffen geeignet sein.
Diese Aufgabe wird durch einen akustischen Wellenleiter-Sensor zur Bestimmung von Eigenschaften einer Flüssigkeit sowie eine Verwendung des Sensors mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Der erfindungsgemäße akustische Wellenleiter-Sensor umfasst:

– ein von der Flüssigkeit durchströmbares Gehäuse mit einer Gehäusewand,
– einen, auf einer Außenseite der Gehäusewand angeordneten Sender zur Anregung von ersten akustischen Oberflächenwellen in der Gehäusewand des Gehäuses derart, dass die ersten akustischen Oberflächenwellen an einem Auskopplungsort einen Teil ihrer Energie in Form von Kompressionswellen an die Flüssigkeit abgeben (erste Modenkonversion) und dass die Kompressionswellen an einem von dem Auskopplungsort unterschiedlichen Einkopplungsort zumindest einen Teil ihrer Energie in Form von zweiten akustischen Oberflächenwellen an die Gehäusewand wieder abgeben (zweite Modenkonversion), und
– zumindest einen, auf der Außenseite der Gehäusewand mit einem axialem Versatz zum Sender angeordneten Empfänger zur Erfassung der zweiten akustischen Oberflächenwellen in der Gehäusewand und zur Erzeugung eines mit zumindest einer Eigenschaft der zweiten akustischen Oberflächenwellen korrelierenden Ausgangssignals.

Erfindungsgemäß weist die Gehäusewand eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt derart auf, dass ein erster lichter Durchmesser in einer ersten radialen Richtung größer als ein zweiter lichter Durchmesser in einer zweiten radialen Richtung ist. Auf diese Weise wird erreicht dass die zweiten akustischen Oberflächenwellen, d. h. die durch die zweifache Modenkonversion hervorgerufene Nutzwelle, und eine direkt über die Gehäusewand ohne Modenkonversion übertragene akustische Oberflächenwelle (Störwelle) zeitlich versetzt den Empfänger erreichen, so dass die Störwelle die Nutzwelle nicht oder nur geringfügig überlagert und letztere leichter und mit geringerer Unsicherheit ausgewertet werden kann. Im Ergebnis wird somit eine genauere Bestimmung der gewünschten Eigenschaft der Flüssigkeit erreicht. Die Erfindung ermöglicht somit die Vermessung von Flüssigkeiten, die ein rohrartiges Gehäuse durchströmen (oder in einem solchen stehen), wodurch insbesondere eine kontinuierliche Erfassung von Kraftstoffeigenschaften in Kraftstoffleitungen oder Bypässen von solchen an Bord von Kraftfahrzeugen ermöglicht wird.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem rotationssymmetrischen dreidimensionalen Objekt ein Objekt verstanden, welches bei einer Drehung um jeden beliebigen Winkel um seine Achse (die Symmetrieachse) auf sich selbst abgebildet wird. Rotationssymmetrie ist somit bei einem Rohr mit kreisrundem Querschnitt gegeben. Rotationssymmetrie um eine Achse wird gelegentlich auch als Zylindersymmetrie bezeichnet. Auf der anderen Seite wird dementsprechend unter einem nicht-rotationssymmetrischen Objekt ein Körper verstanden, bei dem die vorstehende Definition nicht zutrifft. Das heißt das erfindungsgemäße nicht-rotationssymmetrische Gehäuse weist einen Querschnitt dergestalt auf, dass bei einer Drehung des Gehäuses um seine in Strömungsrichtung verlaufende Längsachse das Gehäuse nicht, zumindest nicht bei jedem Drehwinkel, auf sich selbst projiziert wird.
Weiterhin versteht es sich, dass die Bezeichnung Gehäuse ein Bauteil bezeichnet, das in axialer Richtung von der zu vermessenden Flüssigkeit durchströmt werden kann, wobei die Flüssigkeit in radialem Umfang, also quer zur axialen Strömungsrichtung, von einer durchgehenden oder zumindest miteinander verbundenen Gehäusewand umgeben wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt des Gehäuses sowie die relative Anordnung des Senders und Empfängers derart gewählt sind, dass die zweiten akustischen Oberflächenwellen (also die Nutzwelle) zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt den Empfänger erreichen als ein Anteil der ersten akustischen Oberflächenwellen (der Störwelle), die direkt über die Gehäusewand im Wege der Schalltransmission zum Empfänger übertragen werden. Besonders bevorzugt erreicht die Störwelle den Empfänger zu einem späteren Zeitpunkt als die Nutzwelle. Hintergrund dieser Ausgestaltung ist, dass der Sender nach Abstrahlung eines Wellenpulses und der Empfänger nach Empfang eines Wellenpulses jeweils für eine gewisse Zeit nachschwingen und sich somit die Ausgabe eines Empfängersignals über einen entsprechenden Zeitraum erstreckt, wodurch sich eine gewisse Totzeit für den Empfang weiterer Signale während dieses Ausschwingzeitraums ergibt. Kommt also die Störwelle innerhalb der Totzeit vor der Nutzwelle am Empfänger an, kann die Nutzwelle nicht oder nur schlecht erfasst werden. Kommt andererseits die Nutzwelle vor der Störwelle an, existiert dieses Problem nicht.
Um eine ausrechende Separierung der am Empfänger ankommenden Wellen zu erzielen, hat sich eine Laufzeitdifferenz zwischen den zweiten akustischen Oberflächenwellen (Nutzwelle) und den direkt übertragenen, ersten akustischen Oberflächenwellen (Störwelle) von mindestens 1 Mikrosekunde (1 μs) bewährt. Bei einer Anregungsfrequenz von circa 1 MHz hat sich eine Laufzeitdifferenz von mindestens 5 μs als vorteilhaft erwiesen. Die Nutzwelle kann noch störungsfreier erfasst und ausgewertet werden, wenn die Laufzeitdifferenz zwischen Nutzwelle und Störwelle mindestens 2 μs, vorzugsweise mindestens 3 μs beträgt. Bei einer Anregungsfrequenz von circa 1 MHz wird eine Laufzeitdifferenz von mindestens 10 μs, insbesondere von mindestens 15 μs bevorzugt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäusewand eine ovale oder elliptische Querschnittsgestalt aufweist. Derartige Konturen lassen sich einfach aus üblichen kreisrunden Rohren erzeugen. Dabei können einander gegenüberliegende Abschnitte der Querschnittskontur eben und parallel zueinander ausgerichtet sein, um eine einfache Anbringung von Sender und Empfänger auf den entsprechenden planen Abschnitten des Gehäuses zu ermöglichen. Grundsätzlich ist auch eine rechteckige Querschnittsform im Sinne der Erfindung einsetzbar, jedoch ist diese strömungstechnisch weniger vorteilhaft. Auf der anderen Seite werden bei einer rechteckigen Querschnittsform mit abgerundeten Ecken (bzw. Kanten) die erfindungsgemäßen vorteilhaften Effekte bei ausreichenden Strömungscharakteristika ebenfalls erzielt.
Eine grundsätzlich bei der Anordnung von Sender und Empfänger einzuhaltende Bedingung ist, dass über die beschriebene Modenkonversion ein Schallpfad vom Sender zum Empfänger durch die Flüssigkeit ermöglicht wird. Mit besonderem Vorteil sind der Sender und der zumindest eine Empfänger auf einander gegenüber liegenden Seiten des Gehäuses (mit dem axialen Versatz) angeordnet, um somit den Übertragungsweg über die Gehäusewand und damit die Laufzeit der Störwelle im Verhältnis zur Nutzwelle zu verlängern. Dieser Effekt kann noch dadurch vorteilhaft verstärkt werden, wenn Sender und Empfänger entlang des kleineren Durchmessers des Gehäuses auf einander gegenüber liegenden Seiten angebracht sind, da in diesem Fall der Übertragungsweg und die Laufzeit der Nutzwelle verkürzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensor zwei Empfänger, von denen ein erster Empfänger auf der dem Sensor gegenüber liegenden Seite des Gehäuses angeordnet ist, insbesondere entlang des kleineren Durchmessers des Gehäuses, und ein zweiter Empfänger auf derselben Seite des Gehäuses wie der Sender angeordnet ist. Mit anderen Worten ist in dieser Ausgestaltung zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konfiguration ein zusätzlicher Empfänger auf der Senderseite angeordnet. Mit dieser Variante wird die Nutzwelle wie zuvor beschrieben durch den gegenüberliegenden ersten Empfänger detektiert. Der zweite Empfänger registriert auf der Senderseite die direkt in der Gehäusewand transmittierte Störwelle, woraus die Temperatur der Gehäusewand und der Flüssigkeit abgeleitet werden kann.
Es wurde bereits erwähnt, dass Sender und Empfänger mit einem axialen Versatz zueinander am Gehäuse angeordnet sind, d. h. bezüglich einer in Strömungsrichtung verlaufenden Achse des Gehäuses versetzt. Bevorzugt entspricht der axiale Versatz zwischen Sender und Empfänger mindestens einem axialen Schallversatz zwischen dem Auskopplungsort der ersten akustischen Oberflächenwelle in die Flüssigkeit und dem Einkopplungsort, an dem die in der Flüssigkeit induzierten Kompressionswellen auf die gegenüberliegende Gehäusewand auftreffen. Der axiale Schallversatz lässt sich nach den Regeln der Trigonometrie mit f = ø·tan Θ_R beschreiben, worin ø der lichte Durchmesser des Gehäuses am Auskopplungsort ist und Θ_R der Auskopplungswinkel, mit dem die ersten akustischen Oberflächenwellen im Wege der ersten Modenkonversion Kompressionswellen in der Flüssigkeit induzieren. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass am Ort der Messung die Kompressionswellen auftreffen oder sich bereits über eine gewisse Strecke als (zweite) akustische Oberflächenwellen in der Wand fortgesetzt haben.
Die mit dem Empfänger erfasste Eigenschaft der zweiten akustischen Oberflächenwellen umfasst vorzugsweise eine Laufzeit zwischen dem Sender und dem Empfänger und/oder eine Amplitude.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensor ferner eine Auswerteeinrichtung, die zur Ermittlung zumindest einer Eigenschaft der Flüssigkeit in Abhängigkeit vom dem zumindest einen Ausgangssignal des zumindest einen Empfängers eingerichtet ist. Vorzugsweise wird eine Dichte der Flüssigkeit und/oder eine Kompressibilität der Flüssigkeit oder eine Größe, die durch Kombination von Dichte und Kompressibilität der Flüssigkeit gebildet wird, bestimmt. Demnach werden aus dem durch den Empfänger bereitgestellten Ausgangssignal die Messgrößen Laufzeit und/oder Amplitude der Nutzwelle ermittelt und hieraus insbesondere die Schallgeschwindigkeit und/oder die akustische Impedanz der Flüssigkeit abgeleitet, die jeweils eine Kombination von Dichte und Kompressibilität der Flüssigkeit darstellen.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors zur Bestimmung von Eigenschaften eines Kraftstoffs für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Diesel oder Benzin. Dabei wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der ermittelten Eigenschaft des Kraftstoffs, vorzugsweise von der Dichte und/oder Kompressibilität oder einer Kombination dieser beiden Größen, zumindest eine Steuergröße zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder zur Steuerung eines Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Bevorzugte Beispiele für derartige Steuerungen sind in den Ausführungsbeispielen genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen akustischer Wellenleiter-Sensor nach einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, (a) Querschnitt senkrecht zur Längsachse, (b) Außenansicht, (c) Aufsicht und (d) Querschnitt parallel zur Längsachse;
2 geometrische Modellangaben für einen erfindungsgemäßen akustischen Wellenleiter-Sensor, (a) Querschnitt senkrecht zur Längsachse zur Ermittlung des Laufwegs der Nutzwelle und (b) Unteransicht und (c) Querschnitt zur Ermittlung des Laufwegs der Störwelle;
3 berechnete Laufzeiten für die Störwelle sowie die Nutzwelle in einem erfindungsgemäßen akustischen Wellenleiter-Sensor nach 2 sowie für einen herkömmlichen Sensor mit Rundrohr;
4 Versuchsanordnung mit einem erfindungsgemäßen akustischen Wellenleiter-Sensor mit Ovalgehäuse;
5 Abstrahlcharakteristik (Lamb-Wellen) eines Senders (Interdigitalwandlers) auf Edelstahl und
6 ein akustischer Wellenleiter-Sensor nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung im Querschnitt senkrecht zur Längsachse.
Der grundsätzliche Aufbau eines akustischen Wellenleitersensors gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1a bis 1d erläutert. Dabei stellt 1a einen Querschnitt des Sensors senkrecht zu seiner Längsachse dar, 1b eine perspektivische teilweise transparent dargestellte Außenansicht, 1c eine teilweise transparent dargestellte Aufsicht und 1d eine Querschnittsansicht in einer Ebene parallel zur Längsachse des Sensors.
Der erfindungsgemäße akustische Wellenleitersensor 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Gehäusewand 14, welche eine zu vermessende Flüssigkeit 16 zumindest in radialem Umfang umschließt, so dass das Gehäuse 12 von der Flüssigkeit 16 durchströmbar ist. Das Gehäuse 12 weist ferner zwei Anschlussstellen 18 auf, mit denen der Sensor an eine Rohrleitung, beispielsweise eine Kraftstoffleitung zur Versorgung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, verbindbar ist. Alternativ kann das Gehäuse 12 auch direkt mit einer solchen Kraftstoffleitung unlösbar verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen.
Als Materialien für das Gehäuse kommen grundsätzlich alle Materialien infrage, welche in der Lage sind, akustische Oberflächenwellen (Lamb-Wellen oder Wellen im Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen) weiterzuleiten. Aus diesem Grunde darf die Absorption von Schallwellen nur gering sein. Es kommen einige Kunststoffmaterialien infrage, wobei jedoch die Verwendung von Metallen bevorzugt ist. Bei Metallen können Lamb-Wellen mit einer Schallgeschwindigkeit angeregt werden, welche grundsätzlich größer ist als die in der Flüssigkeit 16, insbesondere im Kraftstoff. Dies ist die Voraussetzung, um die Modenkonversion zu ermöglichen. Zudem können die nicht rotationssymmetrischen Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise aus herkömmlichen Rundrohren hergestellt werden, beispielsweise durch Pressen.
Der erfindungsgemäße Sensor 10 umfasst ferner einen auf der Außenseite der Gehäusewand 14 angeordneten Sender 20 sowie einen Empfänger 22, der ebenfalls auf der Außenseite der Gehäusewand 14 mit einem axialen Versatz bezüglich einer Längsachse 36 des Sensors 10 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Empfänger 22 auf der gegenüber liegenden Seite der Gehäusewand 14 bezüglich des Senders 20 positioniert.
Der Sender 20 ist ausgebildet, akustische Oberflächenwellen 24 in der Gehäusewand 14 anzuregen, insbesondere Lamb-Wellen oder Wellen im Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen Zu diesem Zweck kann der Sender 20 beispielsweise ein piezoelektrisches Element umfassen, das mit Elektroden, insbesondere Interdigitalelektroden, verbunden ist. Bei Beaufschlagung der Elektroden mit einer alternierenden Spannung oder einem alternierenden Strom erzeugt das Piezoelement Schwingungen, die auf die Gehäusewand 14 übertragen werden. Ein solcher aus Piezoelement und Interdigitalelektroden bestehender Aufbau wird auch als Interdigitalwandler bezeichnet. Falls auf der anderen Seite die Gehäusewand 14 selbst aus einem piezoelektrischen Material besteht, kann auf das Piezoelement im Sender 20 verzichtet werden und dieser stattdessen lediglich geeignete Elektroden umfassen, welche die Oberflächenwellen 24 direkt in der Wand 14 anregen. Der Empfänger 22 kann grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der Sender 20 aufweisen.
Nach Induktion der akustischen Oberflächenwellen 24 in der Gehäusewand 14 durch den Sender 20 geben diese einen Teil ihrer Energie an einem Auskopplungsort der Wand 14 unmittelbar am Ort des Senders 20 im Wege einer ersten Modenkonversion in Form von Kompressionswellen 26 an die Flüssigkeit 16 ab. Diese werden mit einem definierten Auskopplungswinkel in die Flüssigkeit 16 abgestrahlt, setzen sich durch diese fort und treffen auf die gegenüberliegende Wand 14 des Gehäuses 12 auf, wo sie im Wege einer zweiten Modenkonversion einen Teil ihrer Energie wiederum als akustische Oberflächenwellen an die Gehäusewand 14 abgeben. Diese zweiten akustischen Oberflächenwellen breiten sich wiederum innerhalb der Gehäusewand 14 aus und werden von dem Empfänger 22 als Nutzwelle 28 detektiert. Die Eigenschaften der erfassten Nutzwelle hängen von bestimmten Eigenschaften der Flüssigkeit 16 ab. Insbesondere werden die Laufzeit, das heißt die Zeitdifferenz zwischen Anregung der akustischen Oberflächenwelle durch den Sender 20 und der Erfassung durch den Empfänger 22, sowie die Wellenamplitude von der chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit 16 beeinflusst, insbesondere von deren Kompressibilität und deren Dichte. Durch Auswertung der Messgrößen Laufzeit und/oder Amplitude der Nutzwelle 28 kann somit Information über die Kompressibilität und/oder die Dichte und/oder über Kombinationen aus Dichte und Kompressibilität der Flüssigkeit 16 erhalten werden, um hieraus wiederum auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit 16 zu schließen. Zur Durchführung dieser Auswertungsschritte umfasst der Sensor 10 eine Auswerteeinrichtung 32 (angedeutet in 1d), die über Steuer- und Signalleitungen mit dem Sender 20 und dem Empfänger 22 verbunden ist und die geeignete Kennfelder enthält.
Bei derartigen Messaufbauten, bei welchen Sender 20 und Empfänger 22 auf einer gemeinsamen Gehäusewand 14 angeordnet sind, entsteht das Problem, dass die angeregten akustischen Oberflächenwellen 24 teilweise direkt durch die Gehäusewand 14 bis zum Empfänger 22 propagiert werden und von dem Empfänger 22 als so genannte Störwelle 30 erfasst werden. Sofern die Nutzwelle 28 und die Störwelle 30 einander zeitlich überlagern, wird die Auswertung der Nutzwelle 28 erschwert oder sogar weitgehend unmöglich. Das gleiche trifft zu, wenn die Störwelle 30 den Empfänger 22 mit kurzem zeitlichem Abstand vor der Nutzwelle 28 erreicht. In diesem Fall kann aufgrund einer durch das Nachschwingen verursachten empfängerspezifischen Totzeit die Nutzwelle 28 nicht oder nur unzureichend detektiert und ausgewertet werden.
Zur Abhilfe dieses Problems weist die Gehäusewand 14 gemäß der vorliegenden Erfindung eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt auf. Dabei ist ein erster lichter Durchmesser D₁ größer als der zweite lichte Durchmesser D₂ (s. 2c). Aufgrund der nicht vorhandenen Rotationssymmetrie führt eine imaginäre Drehung des Gehäuses 12 um seine Längsachse 36 dazu, dass im dargestellten Beispiel nur bei einem Drehwinkel von 180° oder 360° das Gehäuse 12 beziehungsweise die Gehäusewand 14 auf sich selbst projiziert wird. Insbesondere wenn Sender 20 und Empfänger 22 entlang des kleinen Durchmessers D₂ einander gegenüberliegend angeordnet sind, wie dies in 1a dargestellt ist, wird durch die erfindungsgemäße Rotationsasymmetrie des Gehäuses 12 erreicht, dass der Schallweg der Störwelle 30 gegenüber der Nutzwelle 28 verlängert wird und später den Empfänger 22 erreicht. Die Laufzeiten in Abhängigkeit von der Gehäusegeometrie wird nachfolgend in einer Modellrechnung anhand der 2a bis 2c am Beispiel eines Gehäuses 12 mit einem Ovalrohr als Gehäusewand 14 näher erläutert.
Bestimmung der Laufzeit von Nutz- und Störwelle
Die Querschnittsfläche des Gehäuses 12 ist am besten in 2c erkennbar, welche den Querschnitt senkrecht zur Längsachse 36 des Sensors 10 darstellt. Die Querschnittsgestalt entspricht einem Oval mit zwei ebenen Wandabschnitten der Breite a, die seitlich begrenzt von zwei gekrümmten oder halbrunden Wandabschnitten der Breite b werden. Der erste, größere Durchmesser ist hier mit D₁ bezeichnet und der zweite, kleinere Durchmesser mit D₂. Auf der Grundlage dieses vereinfachten geometrischen Modells wurden Berechnungen der Laufzeiten der Nutzwelle 28 durch die Flüssigkeit 16 und der Störwelle 30 über die Gehäusewand 14 durchgeführt.
Laufzeit der Nutzwelle
Die Laufzeit t₁ der durch zweifache Modenkonversion (erste akustische Oberflächenwelle in Gehäusewand 14 → Kompressionswelle in Flüssigkeit 16 → zweite akustische Oberflächenwelle in Gehäusewand 14) zum Empfänger 22 propagierten Nutzwelle 28 kann gemäß nachstehenden Gleichungen (1) bis (4) anhand der geometrischen Festlegungen nach 2a bestimmt werden.
Gemäß Gleichung (4) setzt sich die Laufzeit t₁ aus zwei Anteilen zusammen, nämlich der Laufzeit auf dem Schallweg y₁ durch die Flüssigkeit 16 sowie der Laufzeit auf dem Schallweg y₂ durch die Gehäusewand 14 bis zum Erreichen des Empfängers 22. Dabei propagieren die Kompressionswellen 26 durch die Flüssigkeit 16 mit der Schallgeschwindigkeit ν_Fluid, während die akustischen Oberflächenwellen (Lamb-Wellen) entlang der Gehäusewand 16 mit der Schallgeschwindigkeit ν_Wand propagiert werden.
In geometrischer Hinsicht ist somit die Laufzeit t₁ der Nutzwelle 28 abhängig von dem zweiten lichten Durchmesser D₂ sowie dem axialen Versatz d zwischen Sender 20 und Empfänger 22. Weiterhin hängt die Laufzeit t₁ der Nutzwelle von der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ν_Fluid, von der Schallgeschwindigkeit in der Gehäusewand ν_Wand sowie von dem Auskoppelwinkel Θ_R der ersten Modenkonversion ab.
Laufzeit der Störwelle
Die Laufzeit t₂ der über die Gehäusewand 14 propagierten akustischen Oberflächenwellen (Lamb-Welle) kann anhand der Gleichungen (5) bis (7) unter Verwendung der in den 2b und 2c definierten Maße bestimmt werden.
Setzt man die Zusammenhänge der Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (7) ein, so zeigt sich, dass die Laufzeit t₂ der Störwelle 30 letztendlich von den lichten Durchmessern D₁ und D₂ und dem axialen Versatz d von Sender 20 und Empfänger 22 sowie der Schallgeschwindigkeit in der Gehäusewand ν_Wand abhängt.
Unter Verwendung der nachfolgenden Parameter wurde die Laufzeit t₁ der Nutzwelle 28 sowie die Laufzeit t₂ für die Störwelle 30 für die in den 2a bis 2c gezeigte Geometrie unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen bestimmt. In materieller Hinsicht wurde von Diesel als zu vermessender Flüssigkeit 16 sowie von Edelstahl als Material für die Gehäusewand 14 ausgegangen. Mit Ausnahme der Breite a des ebenen Abschnitts (und somit des ersten lichten Durchmessers D₁ = a + 2b) wurden sämtliche geometrischen Parameter konstant gehalten.
Geometrische Parameter: a = variabel, b = 0,75 cm, D₂ = 1,5 cm, d = 5 cm Physikalische Konstanten: ν_Fluid (Diesel) = 1.250 m/s, ν_Wand (Edelstahl) = 2.652 m/s Die Ergebnisse sind in 3 in Abhängigkeit von dem größeren Durchmesser D₁ dargestellt. Die Laufzeit t₁ der Nutzwelle 28, die nicht von der Breite D₁ des Gehäuses abhängig ist, errechnet sich unter den oben genannten Bedingungen zu 29,16 μs. Demgegenüber nimmt die Laufzeit t₂ der über die Rohrwand propagierten Störwelle 30 in Abhängigkeit von D₁ zu. Beispielsweise beträgt sie für einen lichten Durchmesser D₁ von 3 cm (a = 1,5 cm) 23,81 μs. Verbreitert man das Rohr auf einen lichten Durchmesser von 5,5 cm (a = 4 cm), so verlängert sich die Laufzeit t₂ der Störwelle auf 30,49 μs.
Als Vergleich ist in 3 ferner die Laufzeit der Störwelle für ein herkömmliches Rundrohr mit D₁ = D₂ = 1,5 cm dargestellt.
Aus 3 ist ersichtlich, dass für die gegebene beispielhafte Geometrie nach 2a–c der bevorzugte Effekt, wonach die Störwelle 30 den Empfänger 22 später als die Nutzwelle 28 erreicht, für Durchmesser D₁ > 5,15 cm erzielt wird. Bei kleineren Durchmessern D₁ erreicht die Störwelle 30 den Empfänger 22 früher als die Nutzwelle 28. In diesem Fall ist eine Störung des Nutzsignals durch Überlagerung mit dem Störsignal möglich. Erst bei sehr kleinen Durchmessern D₁ würde theoretisch eine Zeitdifferenz zwischen Stör- und Nutzwelle erzielt werden, die eine ungestörte Erfassung der Nutzwelle erlauben würde. Bei der gegebenen Geometrie nach 2 ist diese Variante jedoch unpraktikabel.
Einfluss des axialen Versatzes
Bei den vorstehenden Berechnungen wurde die Laufzeit t₂ der Störwelle 30 für den geometrischen Winkel φ (siehe 2b) bestimmt. Tatsächlich werden akustische Oberflächenwellen (Lamb-Wellen) jedoch mit einer kegelförmigen Abstrahlcharakteristik erzeugt. Um dies näher zu untersuchen, wurde mit dem in 4 gezeigten Versuchsaufbau die Abstrahlcharakteristik eines hier verwendeten Interdigitalwandlers als Sender 20 vermessen. Dabei wurde ein Ovalrohr gemäß 2c als Gehäuse 12 verwendet. Zu sehen ist insbesondere der Digitalwandler, der als Sender 20 eingesetzt wurde, sowie seinen Kabelanschluss.
Die Abstrahlcharakteristik des Interdigitalwandlers 20 wurde mittels Laser-Dopplervibrometrie vermessen. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt. Die Messung ergab einen maximalen Divergenzwinkel der Abstrahlung der akustischen Oberflächenwellen 24 im Edelstahlmantel 14 von 18°. Daneben lässt sich eine vergleichsweise schwache Nebenkeule mit einem maximalen Abstrahlwinkel von 45° beobachten. Unter Verwendung von Gleichung (8) lässt sich der effektive axiale Versatz d_eff berechnen, mit dem der Empfänger 20 vom Sender 22 theoretisch angeordnet werden müsste, um die Störwelle zu erfassen. d_eff = a + π·b / tanφ (8)
Dabei ergibt sich aus dem maximalen Divergenzwinkel φ = 18° des zentralen Abstrahlbereichs der akustischen Oberflächenwellen ein effektiver Versatz d_eff von 9,23 cm. Bei dem in 2 angenommenem Versatz von d = 5 cm erreicht der zentrale Abstrahlbereich der Störwelle 30 den Empfänger 22 aus geometrischen Gründen somit nicht. Ein Störbeitrag vom zentralen Abstrahlbereich der Störwelle ist somit für die gegebene Geometrie nicht zu erwarten.
Auf der anderen Seite ergibt Gleichung (8) für einen Nebenbereich der Abstrahlung mit dem maximalen Abstrahlwinkel von 45° einen effektiven Versatz d_eff von 3,86 cm. Der Nebenbereich der Abstrahlung wird von der konstruktiv bedingten geringfügigen Abweichung der verwendeten Interdigitalwandler von einer Spiegelungssymmetrie zur Längsachse des Ovalrohrs verursacht. Bei dem in 2 gewählten Versatz von d = 5 cm ist somit eine Erfassung der Störwelle 30 durch den Sensor 22 zu erwarten. Sofern durch die erfindungsgemäß gewählte Rotationsasymmetrie des Gehäuses 12 des Sensors 10 nicht für einen zeitlichen Versatz der Laufzeiten von Störwelle 28 und Nutzwelle 30 gesorgt wäre, wäre eine Überlagerung von Nutz- und Störwelle möglich.
Das Ergebnis zeigt jedoch, dass durch eine geeignete Auswahl des axialen Versatzes d zwischen Sender 20 und Empfänger 22 unter Berücksichtigung der Abstrahlcharakteristik des verwendeten Sensors 20 in die Gehäusewand 14 ein zusätzlicher, geometrischer Parameter gegeben ist, der zur Verhinderung der Störung der Nutzwelle am Empfänger 22 durch die Störwelle genutzt werden kann. Da der axiale Versatz d somit sowohl Einfluss auf die Laufzeiten von Nutzwelle 28 und Störwelle 30 hat als auch auf die geometrische Erreichbarkeit des Empfängers 22 durch die Störwelle 30, ist die geeignete Festlegung des axialen Versatzes d unter Berücksichtigung der Rotationsasymmetrie der Querschnittsgestalt des Gehäuses 12 von Vorteil.
Auf der anderen Seite sollte der axiale Versatz d zwischen Sender 20 und Empfänger 22 so gewählt werden, dass er zumindest der Strecke f in 2a entspricht, das heißt einem axialen Schallversatz zwischen dem Auskopplungsort der Lamb-Wellen in die Flüssigkeit 16 und dem Einkopplungsort der Kompressionswellen 26 in die gegenüberliegende Gehäusewand 14 am Einkopplungsort. Ursache ist, dass die Kompressionswellen 26 mit einem scharf definierten Auskopplungswinkel Θ_R in die Flüssigkeit 16 abgestrahlt werden. Dabei ergibt sich der Auskopplungswinkel Θ_R eindeutig aus dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Kompressionswellen 26 (ν_Fluid) und der akustischen Oberflächenwellen im Gehäuse (ν_Wand). Aus der vorstehenden Diskussion ergibt sich, dass der axiale Versatz d bevorzugt ≥ dem axialen Schallversatz f gewählt wird und ≤ als der effektive den, der sich für den maximalen Abstrahlwinkels der durch den Sender 20 erzeugten akustischen Oberflächenwellen 24 im Gehäuse 12 ergibt, zumindest für den zentralen Abstrahlbereich desselben.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung der Störwellen am Empfänger 22 ergibt sich durch die Nutzung von Sendern, die eine möglichst schmale Abstrahlcharakteristik mit geringen maximalen Abstrahlwinkeln von Zentral- und Nebenbereich der Abstrahlung aufweisen.
Eine weitere alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen akustischen Wellenleiter-Sensors zeigt 6 in einer analogen Darstellung zur 1d. Hier sind für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren verwendet. Der Sensor 10 gemäß 6 umfasst zusätzlich zu dem ersten Empfänger 22, der auf der gegenüberliegenden Gehäusewand des Senders 20 angeordnet ist, einen zweiten Empfänger 38. Der zweite Empfänger 38 ist auf der gleichen Gehäuseseite wie der Sender 20 angeordnet. Während der erste Empfänger 22 wie auch in den vorstehenden Ausführungsbeispielen der Detektion der Nutzwelle 28 dient, wird durch den zweiten Empfänger 38 die direkt über die Gehäusewand 14 propagierte akustische Oberflächenwelle 24, das heißt die Störwelle 30, erfasst. Da die Laufzeit der Störwelle von der Temperatur der Gehäusewand 14 abhängt, gleichzeitig aber praktisch nicht durch die Flüssigkeit 16 beeinflusst wird, kann die Laufzeitermittlung der Störwelle 30 durch den zusätzlichen Empfänger 38 zur Temperaturbestimmung verwendet werden, ohne dass dieses einen zusätzlichen Temperatursensor erfordert. Auf diese Weise kann die Präzision des Sensors 10 hinsichtlich der Bestimmung der Eigenschaften der Flüssigkeit 16 erhöht werden.
Der erfindungsgemäße Sensor 10 wird bevorzugt verwendet, um Eigenschaften von Kraftstoffen für Verbrennungskraftmaschinen zu bestimmen, um in Abhängigkeit von der Eigenschaft des Kraftstoffs zumindest eine Steuergröße zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder zur Steuerung ihres Abgassystems zu bestimmen. Zu diesem Zweck kann der Sensor 10 über seine Anschlussstellen 18 mit einer nicht dargestellten Kraftstoffleitung oder einem Bypass einer Kraftstoffleitung eines Kraftfahrzeugs verbunden werden.
Im Betrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise nach bestimmten zurückgelegten Fahrstrecken oder nach jedem Tankvorgang, wird bei mit dem Kraftstoff befülltem Gehäuse 12 der Sender 20 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, um geeignete akustische Oberflächenwellen in der Gehäusewand 14 zu erzeugen, insbesondere Lamb-Wellen oder Wellen im Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen. Nach der beschriebenen zweifachen Modenkonversion trifft die Nutzwelle 28 auf den Empfänger 22 und wird dort detektiert. Der Empfänger 22 gibt ein amplitudenabhängiges Signal an die Auswerteeinrichtung 32 weiter. Diese ermittelt vorzugsweise sowohl die Laufzeit der Nutzwelle 28 als auch ihre Amplitude. Aus abgespeicherten Kennfeldern können aus diesen Informationen sowohl Aussagen in Bezug auf die Kompressibilität als auch auf die Dichte des Kraftstoffs oder auf eine Kombination dieser beiden Größen erhalten werden. Hieraus wiederum kann die Kraftstoffzusammensetzung ermittelt werden, beispielsweise ein Anteil an Ethanol. Diese Eigenschaft des Kraftstoffs wird an die Motorsteuerung übergeben, welche Steuergrößen zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder eines Abgassystems einer solchen bestimmt. Durch die vollständige Unterdrückung der Störung des Messsignals durch die Störwelle wird eine hohe Präzision der Bestimmung des Kraftstoffs erzielt.
Beispiele für motorische Kenngrößen, die in Abhängigkeit von der Kraftstoffeigenschaft, insbesondere der Kraftstoffzusammensetzung, bestimmt werden, sowie ihre Verwendung für die Motor- und Abgassystemsteuerung, werden nachfolgend beschrieben.

– Ermittlung einer stoffspezifischen Kenngröße mit Hilfe des Sensors, welche typisch ist für das Brennverhalten des Kraftstoffs in Abhängigkeit von seiner Dichte und seinem Heizwert,
– Vergleich dieser stoffspezifischen Größe mit in einem Kennfeld abgelegten Daten,
– Ermittlung einer Korrekturgröße für die Kraftstoffeigenschaften aus diesem Vergleich,
– Einsatz dieser Korrekturgröße für mindestens eine der folgenden Anwendungen: – zur Vorgabe einer Änderung einer Einspritzmenge (für Voreinspritzung, Haupteinspritzung und/oder Nacheinspritzung), – zur Vorgabe einer Änderung einer Einspritzlage (für Voreinspritzung, Haupteinspritzung und/oder Nacheinspritzung), – als Grundlage für die Bemessung eines Inkrementes für Adaptionsprozesse, die kraftstoffspezifisch ablaufen (Nullmengenkorrektur und Mengenkorrektur unter Last), – als Grundlage für die Richtungsvorgabe dieser Adaptionsprozesse, die das Motorsteuergerät bewirkt, – für die Anpassung der Art und Größe der Druckwellenkorrektur der Einspritzmengen in Abhängigkeit von Last und Betriebszustand des Motors, – für eine adaptive Anpassung der Druckwellen-Korrektur der Einspritzmengen in Abhängigkeit von Last und Betriebszustand des Motors, – als Maß für die Anpassung des stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnisses an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die adaptive Anpassung des stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnisses an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung einer Einspritzmenge an den Bedarf an Reduktionsmitteln oder an den Heizbedarf zur Temperaturerhöhung einer Komponente eines Abgasnachbehandlungssystems, z. B. eines Oxidationskatalysators, eines Dreiwege-Katalysators, eines Dieselpartikelfilters oder eines NO_X-Speicherkatalysators oder eines SCR-Katalysators, um diese zu regenerieren oder während einer Kaltlaufphase schnell aufzuheizen, um das beschleunigte Anspringen des Abgasnachbehandlungssystems zu erreichen, – als Maß für die Anpassung von Mengengrenzen für Einspritzungen, oberhalb derer eine Bauteile-Sicherheitsfunktion einsetzt, in Abhängigkeit von kraftstoffspezifischen Eigenschaften, die die Aufheizung von sicherheitsrelevanten Bauteilen wie Abgasturbolader, Dieselpartikelfilter und NO_X-Speicherkatalysator definieren, – als Maß für die Anpassung der Regenerationsintervalle eines Dieselpartikelfilters, indem beispielsweise der typische Rußeintrag in den Dieselpartikelfilter aus dem Vergleich der stoffspezifischen Kenngrößen mit im Steuergerät abgelegten Erfahrungswerten für den Rußeintrag eines Kraftstoffes ermittelt wird und dieser Wert für die Integration der eingetragenen Rußmenge verwendet wird, – als Maß für die Anpassung der Wartungsintervalle aufgrund des kraftstoffabhängigen Rußeintrages sowie des Eintrages von höher-siedenden Kohlenwasserstoff-Anteilen aus dem Kraftstoff ins Schmieröl, – für die Erkennung und/oder Meldung von Fehlbetankungen und deren Speicherung im Steuergerät, um Schäden an Bauteilen, die mit Kraftstoff in Berührung kommen, später plausibel erklären zu können, – als Maß für die Anpassung eines Zündzeitpunktes an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung eines Startkennfeldes an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung eines Abgasrückführung-Kennfeldes an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung eines Ladedruck-Kennfeldes an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung eines Raildruck-Kennfeldes an den geänderten Kraftstoff, – als Maß für die Anpassung eines Zylinderdruckgradienten-Kennfeldes der Verbrennung an den geänderten Kraftstoff, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Klopfsensor, – als Maß für die Anpassung der Betriebsart (Anzahl und Lage der Voreinspritzungen) an den geänderten Kraftstoff, in Abhängigkeit von den akustischen Eigenschaften, die mit der Kraftstoffverwendung einhergehen, – als Maß für die Anpassung von kraftstoffspezifischen Vorsteuergrößen, die auf einen verbrauchsoptimalen Betrieb des Motors orientiert sind, wie z. B. die Schwerpunktlage der Verbrennung, in Abhängigkeit von abgelegten Kennwerten von bekannten Kraftstoffkomponenten, aus denen eine Mischung des Kraftstoffs besteht, – als Maß für die Anpassung des berechneten und dem Fahrer angezeigten momentanen beziehungsweise durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs sowie der darauf basierenden berechneten restlichen Reichweite des Fahrzeuges.

Bezugszeichenliste

10: akustischer Wellenleiter-Sensor
12: Gehäuse
14: Gehäusewand
16: Flüssigkeit
18: Anschlussstelle
20: Sender
22: (erster) Empfänger
24: akustische Oberflächenwellen
26: Kompressionswellen
28: Nutzwelle
30: Störwelle
32: Auswerteeinrichtung
36: Längsachse
38: zweiter Empfänger
a: ebener Wandabschnitt
b: gekrümmter Wandabschnitt
b': Abwicklungslänge eines gekrümmten Wandabschnitts, b' = π / 2 ·b
D₁: größerer lichter Durchmesser
D₂: kleinerer lichter Durchmesser
d: axialer Versatz zwischen Sender und Empfänger
f: axialer Schallversatz
y₁: Schallweg durch Flüssigkeit
y₂: Schallweg durch Gehäusewand
Θ_R: Auskoppelwinkel erste Modenkonversion
ν_Fluid: Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit
ν_Wand: Schallgeschwindigkeit Lamb-Wellen in Gehäusewand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/034878 A2 [0003]
EP 0212470 A2 [0005]

Claims

Akustischer Wellenleiter-Sensor (10) zur Bestimmung von Eigenschaften einer Flüssigkeit (16), umfassend – ein von der Flüssigkeit (16) durchströmbares Gehäuse (12) mit einer Gehäusewand (14), – einen, auf einer Außenseite der Gehäusewand (14) angeordneten Sender (20) zur Anregung von ersten akustischen Oberflächenwellen (24) in der Gehäusewand (14) derart, dass die ersten akustischen Oberflächenwellen (24) an einem Auskopplungsort einen Teil ihrer Energie in Form von Kompressionswellen (26) an die Flüssigkeit abgeben und dass die Kompressionswellen (26) an einem von dem Auskopplungsort unterschiedlichen Einkopplungsort zumindest einen Teil ihrer Energie in Form von zweiten akustischen Oberflächenwellen an die Gehäusewand (14) wieder abgeben, und – zumindest einen, auf der Außenseite der Gehäusewand (14) mit einem axialem Versatz (d) zum Sender (20) angeordneten Empfänger (22) zur Erfassung der zweiten akustischen Oberflächenwellen in der Gehäusewand (14) und zur Erzeugung eines mit zumindest einer Eigenschaft der zweiten akustischen Oberflächenwellen korrelierenden Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (14) eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt aufweist derart, dass ein erster Durchmesser (D₁) in einer ersten radialen Richtung größer als ein zweiter Durchmesser (D₂) in einer zweiten radialen Richtung ist.
Sensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-rotationssymmetrische Querschnittsgestalt des Gehäuses sowie die relative Anordnung des Senders (20) und Empfängers (22) derart gewählt sind, dass die zweiten akustischen Oberflächenwellen zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt den Empfänger (22) erreichen als ein Anteil der ersten akustischen Oberflächenwellen (24), der direkt über die Gehäusewand (14) zum Empfänger (22) übertragen wird, insbesondere zu einem späteren Zeitpunkt.
Sensor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeitdifferenz zwischen den zweiten akustischen Oberflächenwellen und den direkt übertragenen, ersten akustischen Oberflächenwellen (24) mindestens 1 μs beträgt, insbesondere mindestens 2 μs, vorzugsweise mindestens 3 μs.
Sensor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeitdifferenz zwischen den zweiten akustischen Oberflächenwellen und den direkt übertragenen, ersten akustischen Oberflächenwellen (24) bei einer Anregungsfrequenz von circa 1 MHz mindestens 5 μs, insbesondere mindesten 10 μs, vorzugsweise mindestens 15 μs beträgt.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des größeren Durchmessers (D₁) und des kleineren Durchmessers (D₂) mindestens 2:1, insbesondere mindestens 3:1, vorzugsweise mindestens 3,5:1, besonders bevorzugt mindestens 4:1 beträgt.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (14) eine ovale oder elliptische Querschnittsgestalt aufweist.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (20) und der Empfänger (22) auf einander gegenüber liegenden Seiten des Gehäuses (12) mit dem axialem Versatz (d) angeordnet sind, insbesondere entlang des kleineren Durchmessers (D₂) des Gehäuses (12).
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) zwei Empfänger (22, 38) umfasst, von denen ein erster Empfänger (22) auf der dem Sensor (20) gegenüber liegenden Seite des Gehäuses (12) angeordnet ist, insbesondere entlang des kleineren Durchmessers (D₂) des Gehäuses (12), und ein zweiter Empfänger (38) auf derselben Seite des Gehäuses (12) wie der Sender (20) angeordnet ist.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Versatz (d) zwischen Sender (20) und Empfänger (22) mindestens einem axialen Schallversatz (f) zwischen dem Auskopplungsort und dem Einkopplungsort entspricht, mit dem die in der Flüssigkeit (16) induzierten Kompressionswellen (26) auf die gegenüberliegende Gehäusewand (14) auftreffen, mit f = 0·tan Θ_R, worin ø der lichte Durchmesser des Gehäuses am Auskopplungsort ist und Θ_R der Auskopplungswinkel der ersten akustischen Oberflächenwellen (24) in die Flüssigkeit (16).
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) eine Auswerteeinrichtung (32) umfasst, die zur Ermittlung zumindest einer Eigenschaft der Flüssigkeit (16) in Abhängigkeit vom dem zumindest einen Ausgangssignal des zumindest einen Empfängers (22) eingerichtet ist.
Sensor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eigenschaft der Flüssigkeit eine Dichte der Flüssigkeit (16) und/oder eine Kompressibiliät der Flüssigkeit (16) umfasst.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine, mit dem Empfänger (22) erfasste Eigenschaft der zweiten akustischen Oberflächenwellen eine Laufzeit zwischen dem Sender (20) und dem Empfänger (22) und/oder eine Amplitude umfasst.
Verwendung eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Bestimmung von Eigenschaften von einem Kraftstoff für Verbrennungskraftmaschinen.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei in Abhängigkeit von der Eigenschaft des Kraftstoffs zumindest eine Steuergröße zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine und/oder zur Steuerung eines Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird.