DE102016112678A1

DE102016112678A1 - Method and arrangement for analyzing gas properties

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Publication number: DE102016112678A1
Application number: DE102016112678.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-11

Abstract

Erfassung von Gaseigenschaften, insbesondere die Erfassung der Gaszusammensetzung, der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit eines Gases, durch Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem Schallsender (1) und einem Schallempfänger (2), die beide auf einem gemeinsamen Körper (3) befestigt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Atmosphäre in einem Garraum eines Gargeräts. Die Erfindung betrifft ferner eine schallgeschwindigkeitsgestützte Gassensoranordnung, die so eingerichtet ist, dass sie Gaseigenschaften, insbesondere die Gaszusammensetzung, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit eines Gases, misst und die einen Sender (1), einen Empfänger (2) und eine Signalverarbeitungseinheit umfasst. Die Schallgeschwindigkeit wird bestimmt, indem der Sender (1) und der Empfänger (2) in unterschiedlichen Arbeitszyklen angesteuert werden, um zwischen den verschiedenen Laufzeiten des Schalls durch das Gas und den aus einem Feststoff bestehenden gemeinsamen Körper (3) zu unterscheiden.Detection of gas properties, in particular the detection of the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, by measuring the speed of sound with a sound transmitter (1) and a sound receiver (2), both of which are mounted on a common body (3). The invention further relates to a method for determining the humidity of the atmosphere in a cooking chamber of a cooking appliance. The invention further relates to a sound-velocity-based gas sensor arrangement which is adapted to measure gas properties, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, and which comprises a transmitter (1), a receiver (2) and a signal processing unit. The speed of sound is determined by driving the transmitter (1) and the receiver (2) in different working cycles to distinguish between the different transit times of the sound through the gas and the solid body (3) made of a solid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung von Gaseigenschaften, insbesondere die Erfassung der Gaszusammensetzung, der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit eines Gases, durch Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem Schallsender und einem Schallempfänger, die beide auf einem gemeinsamen Körper befestigt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Atmosphäre im Inneren eines Garraums eines Gargeräts. Die Erfindung betrifft ferner eine schallgeschwindigkeitsgestützte Gassensoranordnung, die so eingerichtet ist, dass sie Gaseigenschaften, insbesondere die Gaszusammensetzung, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit eines Gases, misst und die einen Sender, einen Empfänger und eine Signalverarbeitungseinheit umfasst.The present invention relates to the detection of gas properties, in particular the detection of the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, by measuring the speed of sound with a sound transmitter and a sound receiver, both of which are mounted on a common body. The present invention further relates to a method for determining the humidity of the atmosphere inside a cooking chamber of a cooking appliance. The invention further relates to a sound velocity-based gas sensor assembly adapted to measure gas properties, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, and comprising a transmitter, a receiver and a signal processing unit.

Die Verwendung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas zur Messung seiner Temperatur/Feuchtigkeit oder seiner Zusammensetzung ist wohlbekannt, da sich nur seine Temperatur und seine Zusammensetzung auf die Schallgeschwindigkeit auswirken. Durch Messung der Schallgeschwindigkeit kann deshalb die Temperatur für ein Gas mit bekannter Zusammensetzung oder die Zusammensetzung eines Gases bei der bekannten Temperatur erhalten werden. Die Messung kann mittels Ultraschall oder eines Schalls, der kein Ultraschall ist, durchgeführt werden. Der Begriff „Schall” schließt damit beide Arten von Schall ein. Wenn die Temperatur des Gases bekannt ist, ist es auch möglich, die Feuchtigkeit zu bestimmen. Die Schallgeschwindigkeit wird üblicherweise gemessen, indem die Zeit bestimmt wird, die ein akustisches Signal benötigt, um die Strecke zwischen einem Sender und einem Empfänger zurückzulegen. Dies kann durch Aussenden gepulster Signale und Messen der Laufzeit des Signals bis zur Erfassung am Empfänger oder durch Aussenden eines Dauersignals und Messen des Phasenwinkels zwischen der Anregung des Senders und dem Signal des Empfängers erfolgen.The use of the velocity of sound in a gas to measure its temperature / humidity or its composition is well known because only its temperature and composition affect the speed of sound. By measuring the speed of sound, therefore, the temperature for a gas of known composition or the composition of a gas at the known temperature can be obtained. The measurement can be carried out by means of ultrasound or sound that is not ultrasound. The term "sound" includes both types of sound. If the temperature of the gas is known, it is also possible to determine the humidity. The speed of sound is usually measured by determining the time it takes for an acoustic signal to travel the distance between a transmitter and a receiver. This can be done by emitting pulsed signals and measuring the propagation time of the signal to the detection at the receiver or by emitting a continuous signal and measuring the phase angle between the excitation of the transmitter and the signal of the receiver.

Bei bestimmten Messfühlanwendungen ist es vorteilhaft, wenn der Sender und der Empfänger auf einem gemeinsamen Körper befestigt sind, um einen in sich abgeschlossenen Sensor zu erhalten. Sender und Empfänger können einander gegenüber oder parallel zueinander angebracht sein, wobei der Schall vom Sender über einen Reflektor zum Empfänger läuft. In einem solchen Fall überträgt dieser gemeinsame Körper einen Teil der Schallenergie direkt vom Sender zum Empfänger, ohne das Messgas zu durchlaufen. Aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit in Festkörpern, insbesondere Metallen, ist die Wellenlänge von Schall in Festkörpern um etwa eine Größenordnung größer als in Gasen, so dass der über den Körper laufende Schall am Empfänger einen anderen Phasenwinkel als der durch das Gas laufende Schall hat. Üblicherweise ist die Änderung der Schallgeschwindigkeit bei sich ändernder Temperatur in einem Festkörper verglichen mit der Schallgeschwindigkeit in einem Gas verhältnismäßig gering und weist ein umgekehrtes Vorzeichen auf.In certain sensor applications, it is advantageous if the transmitter and the receiver are mounted on a common body to obtain a self-contained sensor. Transmitter and receiver may be mounted opposite to each other or parallel to each other, with the sound from the transmitter passing through a reflector to the receiver. In such a case, this common body transmits part of the sound energy directly from the transmitter to the receiver without passing through the measurement gas. Due to the high speed of sound in solids, especially metals, the wavelength of sound in solids is about one order of magnitude greater than in gases, so that the sound passing through the body at the receiver has a different phase angle than the sound passing through the gas. Usually, the change in the speed of sound with changing temperature in a solid compared to the speed of sound in a gas is relatively low and has a reverse sign.

Da sowohl der Körperschall als auch der Gasschall die gleiche Frequenz aufweisen, erzeugt der Empfänger ein Signal, dessen Amplitude und Phase aus beiden Komponenten zusammengesetzt sind. Ohne Zusatzinformationen ist es daher nicht möglich, das durch das Gas übertragene Signal zu trennen.Since both the structure-borne sound and the gas sound have the same frequency, the receiver generates a signal whose amplitude and phase are composed of both components. Without additional information, it is therefore not possible to separate the signal transmitted by the gas.

Solange die durch den Körper übertragene Amplitude weniger als einige Prozent der gesamten Schallamplitude am Empfänger beträgt, hat sie eine geringe Auswirkung auf die Qualität der Messung. Aber vor allem dann, wenn beide Messwandler nahe beieinander parallel angebracht sind, ist die Amplitude des Körperschalls beträchtlich. Sie kann mit mechanischen Mitteln verringert werden, d. h. einem Aufbau des Körpers, mit dem die Schallübertragung begrenzt und/oder gedämpft wird. Eine solche handwerksmäßige Lösung ist jedoch aufwändig und/oder bereitet bei erhöhten Temperaturen Probleme.As long as the amplitude transmitted through the body is less than a few percent of the total sound amplitude at the receiver, it has little effect on the quality of the measurement. But especially when both transducers are mounted close to each other in parallel, the amplitude of the structure-borne sound is considerable. It can be reduced by mechanical means, i. H. a structure of the body with which the sound transmission is limited and / or attenuated. However, such a handcrafted solution is laborious and / or causes problems at elevated temperatures.

Deshalb liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine andere Möglichkeit zur Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas zur Erfassung von Gaseigenschaften, insbesondere der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit, vorzuschlagen, bei der ein Sender und ein Empfänger verwendet werden, die beide auf einem gemeinsamen Körper befestigt sind, wodurch die oben genannten Nachteile vermieden sind.Therefore, an object of the present invention is to propose another possibility for measuring the speed of sound in a gas for detecting gas properties, in particular the temperature and / or humidity, in which a transmitter and a receiver are used, both on a common Body are fixed, whereby the above-mentioned disadvantages are avoided.

Diese Aufgabe wird gemäß der beanspruchten Erfindung gelöst. Im Hauptanspruch 1 ist ein Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit beansprucht, und in Anspruch 11 ist eine schallgeschwindigkeitsgestützte Gassensoranordnung beansprucht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beansprucht.This object is achieved according to the claimed invention. In the main claim 1, a method for measuring the speed of sound is claimed, and in claim 11, a sound velocity-based gas sensor assembly is claimed. Advantageous embodiments are claimed in the respective subclaims.

Erfindungsgemäß wird der Einfluss von Körperschall auf die Messungen der Schallgeschwindigkeit durch eine zeitliche Signaltrennung unterdrückt. Das Verfahren umfasst die folgenden Merkmale:

– Bereitstellen eines Körpers, dessen Schallgeschwindigkeit höher als die Schallgeschwindigkeit in dem Gas ist,
– Anordnen des Senders und des Empfängers auf diesem Körper,
– Betreiben des Senders während wenigstens eines Zeitraums in einem „Ein”-Zustand, derart, dass der Sender ein akustisches Signal sendet, und Betreiben des Senders während wenigstens eines Zeitraums in einem „Aus”-Zustand, derart, dass der Sender kein akustisches Signal sendet,
– Betreiben des Empfängers in einem „Aus”-Zustand über wenigstens einen Zeitraum während des „Ein”-Zustands des Senders und Betreiben des Empfängers in einem „Ein”-Zustand über wenigstens einen Zeitraum während des „Aus”-Zustands des Senders,
– Integrieren des Signals des Empfängers durch einen Verstärker, Berechnen der Schallgeschwindigkeit und Bestimmen der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit des Gases anhand der Schallgeschwindigkeit.

According to the invention, the influence of structure-borne noise on the measurements of the speed of sound is suppressed by a temporal signal separation. The method comprises the following features:

Providing a body whose speed of sound is higher than the speed of sound in the gas,
Arranging the transmitter and the receiver on this body,
Operating the transmitter in an "on" state for at least a period of time such that the transmitter sends an audible signal, and operating the transmitter in an "off" state for at least a period of time such that the transmitter does not emit an audible signal sends,
Operating the receiver in an "off" state for at least a period during the "on" state of the transmitter and operating the receiver in an "on" state for at least a period of time during the transmitter's "off" state,
- Integrating the signal of the receiver by an amplifier, calculating the speed of sound and determining the temperature and / or the humidity of the gas based on the speed of sound.

Der gemeinsame Körper kann allgemein aus jedem Feststoff bestehen, der eine Schallgeschwindigkeit bietet, die höher als die Schallgeschwindigkeit im Gas ist. Diese Anforderung wird besonders von Metall erfüllt. Ein bevorzugtes Material ist Stahl, dessen Schallgeschwindigkeit etwa 4000 m/s beträgt. Der Sender und der Empfänger können auf dem Körper unter Verwendung eines zusätzlichen Reflektors parallel zueinander oder aber einander gegenüber angeordnet sein. Durch Betreiben des Senders in dem oben genannten „Ein”-Zustand, während der Empfänger gleichzeitig in einem „Aus”-Zustand betrieben wird, und umgekehrt, können die durch das Gas übertragenen und die durch den Körper übertragenen Beiträge zeitlich getrennt werden. Auf der Grundlage der Schallgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Materialien wird zum Beispiel der Sender während einer ersten Zeitspanne betrieben, während der Eingang vom Empfänger zum Verstärker ausgeschaltet ist. Während der nächsten Zeitspanne, die in ihrer Dauer von der ersten Zeitspanne verschieden sein kann, ist der Sender ausgeschaltet, während das Signal des Empfängers vom Verstärker gemessen wird. Da der letzte Körperschall je nach der Schallgeschwindigkeit den Empfänger fast unmittelbar erreicht, nachdem der Sender abgeschaltet worden ist, wird der durch den Körper übertragene Beitrag zum Empfängersignal auf einen bestimmten Betrag verringert, der von der Art des Materials und der Anordnung des Senders und des Empfängers abhängt. Der durch den Körper übertragene Beitrag kann durch Einführen einer Verzögerung einiger weniger Mikrosekunden zwischen dem Ausschalten des Senders und dem Einschalten des Empfängers weiter verringert werden. Eine solche Verzögerung könnte erforderlich sein, wenn innere Reflexionen des Schalls innerhalb des Körpers die Laufzeit des Körperschalls verzögern.The common body may generally be any solid that provides a speed of sound higher than the speed of sound in the gas. This requirement is met especially by metal. A preferred material is steel whose sound velocity is about 4000 m / s. The transmitter and the receiver may be disposed on the body using an additional reflector parallel to each other or facing each other. By operating the transmitter in the above-mentioned "on" state while the receiver is simultaneously operating in an "off" state, and vice versa, the contributions transmitted by the gas and those transmitted by the body can be separated in time. For example, based on the velocities of sound in the different materials, the transmitter is operated for a first time while the input from the receiver to the amplifier is off. During the next period of time, which may be different in duration from the first period, the transmitter is turned off while the receiver's signal is being measured by the amplifier. Since the last structure-borne noise, depending on the speed of sound, reaches the receiver almost immediately after the transmitter has been switched off, the contribution to the receiver signal transmitted by the body is reduced to a certain amount, depending on the type of material and the arrangement of the transmitter and the receiver depends. The contribution transmitted by the body can be further reduced by introducing a delay of a few microseconds between turning off the transmitter and turning on the receiver. Such a delay could be required if internal reflections of the sound within the body delay the duration of the structure-borne noise.

Da der Gesamtschallpegel der Messung in hohem Maße von der Anzahl der Signalschwingungen abhängt, die zu integrieren der Verstärker in der Lage ist, sollte die „Ein”-Zeit des Empfängers der Laufzeit des Gasschalls entsprechen. Aus demselben Grund sollte sich die „Ein”-Zeit des Senders über dieselbe Zeitspanne erstrecken, so dass die Einschaltdauer von Sender und Empfänger jeweils 50% mit einer Phasenverschiebung von π beträgt. Mit einem Lock-in-Verstärker ist die kontinuierliche Integrierung des Empfängersignals über längere Zeiträume möglich. Die von dem Lock-in-Verstärker gemessene Amplitude beträgt die Hälfte eines Dauersignals, während die Phasenwinkelinformationen vollständig aufrechterhalten werden. In diesem Fall muss der Referenzkanal zwischen dem Funktionsgenerator, der den Sender ansteuert, und dem Lock-in-Verstärker die ganze Zeit offen sein.Since the total sound level of the measurement depends to a great extent on the number of signal vibrations that the amplifier is capable of integrating, the "on" time of the receiver should correspond to the duration of the gas sound. For the same reason, the "on" time of the transmitter should extend over the same period of time, so that the duty cycle of transmitter and receiver is 50% each with a phase shift of π. A lock-in amplifier allows continuous integration of the receiver signal over extended periods of time. The amplitude measured by the lock-in amplifier is one half of a continuous signal while the phase angle information is fully maintained. In this case, the reference channel between the function generator that drives the transmitter and the lock-in amplifier must be open all the time.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beginnt im Falle von inneren Reflexionen der „Ein”-Zustand des Empfängers mit einer Verzögerung nach dem Ende des „Ein”-Zustands des Senders, wie oben erwähnt.According to a preferred embodiment of the invention, in the case of internal reflections, the "on" state of the receiver begins with a delay after the end of the "on" state of the transmitter, as mentioned above.

Es ist auch möglich, dass der Sender und der Empfänger nie gleichzeitig in ihrem jeweiligen „Ein”-Zustand betrieben werden, oder mit anderen Worten, dass der Sender und der Empfänger abwechselnd betrieben werden.It is also possible that the transmitter and the receiver are never operated simultaneously in their respective "on" state, or in other words, that the transmitter and the receiver are operated alternately.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stimmt die Dauer des „Ein”-Zustands des Empfängers mit der Laufzeit des Schalls durch das Gas überein. Die Laufzeit des Schalls hängt von der Strecke, die der Schall zwischen dem Sender und dem Empfänger zurücklegen muss, und von der Schallgeschwindigkeit in dem Gas ab. Mit einem „Ein”-Status, der mit der Laufzeit übereinstimmt, steht ein optimaler Betrag des Signals zur weiteren Bestimmung zur Verfügung. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Dauer des „Ein”-Status des Senders mit der Laufzeit des Schalls durch das Gas übereinstimmt.According to a further preferred embodiment of the invention, the duration of the "on" state of the receiver coincides with the transit time of the sound through the gas. The duration of the sound depends on the distance the sound has to travel between the transmitter and the receiver and on the speed of sound in the gas. With an "on" status that matches the runtime, an optimal amount of the signal is available for further determination. Accordingly, it is advantageous if the duration of the "on" status of the transmitter coincides with the transit time of the sound through the gas.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ferner die Einschaltdauer im „Ein”-Status des Empfängers und im „Ein”-Status des Senders über die gleiche Zeitspanne aufrechterhalten, um optimale Bestimmungsbedingungen zu erhalten, wobei die Einschaltdauer des Senders und des Empfängers jeweils 50% mit einer Phasenverschiebung von π beträgt.Further, according to a further advantageous embodiment, the on-time in the "on" state of the receiver and in the "on" state of the transmitter is maintained for the same period of time to obtain optimum determination conditions, the duty cycle of the transmitter and the receiver being 50% each a phase shift of π is.

Wie oben erwähnt, ermöglicht der Verstärker, dass das Signal des Empfängers über mehrere Schaltperioden integriert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal des Empfängers durch den Verstärker über längere Zeiträume integriert.As mentioned above, the amplifier allows the signal of the receiver to be integrated over several switching periods. In a preferred embodiment, the signal from the receiver is integrated by the amplifier for extended periods of time.

Insgesamt ist es möglich, die Differenz in den Laufzeiten oder die Phasenwinkeldifferenz zwischen der Anregung des Senders und dem Signal des Empfängers zu bestimmen.Overall, it is possible to determine the difference in the transit times or the phase angle difference between the excitation of the transmitter and the signal of the receiver.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Eigenschaften des Gases, insbesondere die Gaszusammensetzung, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit, zumindest aus der Phasenwinkeldifferenz zwischen der Anregung des Senders und dem Signal des Empfängers berechnet.According to a preferred embodiment, the properties of the gas, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity, at least calculated from the phase angle difference between the excitation of the transmitter and the signal of the receiver.

Zur Erzielung der erforderlichen zeitlichen Trennung, die die Bestimmung der Änderungen der Schallgeschwindigkeiten mit hoher Auflösung gemäß der ersten vorteilhaften Ausführungsform ermöglicht, umfasst die Erfindung einen mechanischen Körper, dessen Schallgeschwindigkeit mindestens fünfmal, vorzugsweise zehnmal höher als die Schallgeschwindigkeit in dem Gas ist.In order to obtain the required time separation which enables the determination of the changes in the high-resolution sound velocities according to the first advantageous embodiment, the invention comprises a mechanical body whose speed of sound is at least five times, preferably ten times, higher than the speed of sound in the gas.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Sender und der Empfänger so auf diesem Körper angeordnet, dass der vom Sender ausgesendete Schall den Empfänger über einen akustischen Reflektor erreicht. Dadurch ergibt sich verglichen mit einer Anordnung, bei der der Sender und der Empfänger einander gegenüberliegen, ein wesentlich kürzerer Laufweg des Körperschalls, was die zeitliche Trennung leichter macht.In a further preferred embodiment of the invention, the transmitter and the receiver are arranged on this body so that the sound emitted by the transmitter reaches the receiver via an acoustic reflector. As a result, compared to an arrangement in which the transmitter and the receiver face each other, a much shorter path of the structure-borne noise, which makes the time separation easier.

Diese Wirkung wird weiter verbessert, indem der Sender und der Empfänger gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einem Abstand von weniger als 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 4 mm, angeordnet werden.This effect is further improved by arranging the emitter and the receiver at a distance of less than 10 mm, preferably in the range of 4 mm, according to another preferred embodiment.

Eine besondere Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens besteht in der Messung der Feuchtigkeit der Atmosphäre in einem Garraum eines Gargeräts, insbesondere eines Kombidämpfers, d. h. eines Gargeräts, bei dem die Speisen unter Verwendung von Heißluft und/oder Dampf gegart werden. Die Heizvorrichtung und der Dämpfer werden von einer Steuereinheit gesteuert. Für einen präzisen Betrieb des Gargeräts, d. h. zur Erzielung zufriedenstellender Garergebnisse, muss die Feuchtigkeit der Atmosphäre im Inneren des Gargeräts bestimmt und der Steuereinheit zugeführt werden. Bei bekannten Verfahren wird eine Druckdifferenz längs eines Elements des Gargeräts, zum Beispiel eines Ventilators, gemessen. Diese Messung wird jedoch von äußeren Parametern wie etwa dem Barometerdruck beeinflusst und somit gestört. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist das oben beschriebene Verfahren von derartigen Störungen unabhängig. Zur Bestimmung der Feuchtigkeit muss lediglich die Temperatur der Atmosphäre in dem Garraum bekannt sein, zum Beispiel gemessen werden. Der ermittelte Wert der Feuchtigkeit wird dann der Steuereinheit zugeführt.A particular application of the method described above is the measurement of the humidity of the atmosphere in a cooking chamber of a cooking appliance, in particular a combi steamer, d. H. a cooking device in which the food is cooked using hot air and / or steam. The heater and the damper are controlled by a control unit. For a precise operation of the cooking appliance, d. H. to achieve satisfactory cooking results, the humidity of the atmosphere inside the cooking appliance must be determined and fed to the control unit. In known methods, a pressure difference along an element of the cooking appliance, for example a fan, is measured. However, this measurement is influenced by external parameters such as the barometric pressure and thus disturbed. According to the preferred embodiment, the method described above is independent of such disturbances. To determine the humidity, only the temperature of the atmosphere in the oven must be known, for example measured. The determined value of the humidity is then supplied to the control unit.

Die Sensoranordnung, die so eingerichtet ist, dass sie Gaseigenschaften anhand der Schallgeschwindigkeit misst, insbesondere die Gaszusammensetzung, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit eines Gases, umfasst Einrichtungen, die zur Durchführung des oben beanspruchten und beschriebenen Verfahrens ausgebildet sind.The sensor assembly, which is adapted to measure gas properties based on the speed of sound, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, comprises means configured to carry out the method claimed and described above.

Insbesondere umfasst die Sensoranordnung, die so eingerichtet ist, dass sie Gaseigenschaften, insbesondere die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit eines Gases, anhand der Schallgeschwindigkeit misst, einen Sender, einen Empfänger und eine Signalverarbeitungseinrichtung, wie bekannt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung einen Schallsender und einen akustischen Empfänger, die beide auf einem gemeinsamen Körper befestigt sind, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung den Sender über wenigstens einen Zeitraum in einem „Ein”-Zustand so betreibt, dass der Sender ein akustisches Signal sendet, und die Signalverarbeitungseinrichtung den Empfänger über wenigstens einen Zeitraum in einem „Aus”-Zustand so betreibt, dass der Sender kein akustisches Signal sendet, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung den Empfänger in einem „Aus”-Zustand über wenigstens einen Zeitraum während des „Ein”-Zustands des Senders und in einem „Ein”-Zustand über wenigstens einen Zeitraum während des „Aus”-Zustands des Senders betreibt, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere ein Mikroprozessor der Signalverarbeitungseinrichtung, das Signal des Empfängers integriert, die Schallgeschwindigkeit berechnet und anhand der Schallgeschwindigkeit die Gaseigenschaften, wie etwa die Gaszusammensetzung, die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit des Gases, bestimmt und ein entsprechendes Ausgangssignal zur weiteren Bearbeitung liefert.In particular, the sensor assembly, which is adapted to measure gas properties, in particular the temperature and / or the humidity of a gas, based on the speed of sound, comprises a transmitter, a receiver and a signal processing device, as is known. According to the invention, the arrangement comprises a sound transmitter and an acoustic receiver, both of which are mounted on a common body, wherein the signal processing means operates the transmitter in an "on" state for at least a period of time such that the transmitter sends an acoustic signal and the signal processing means operates the receiver in an "off" state for at least a period of time such that the transmitter does not transmit an audible signal, the signal processing device suspending the receiver in an "off" state for at least a period of time during the "on" state of the transmitter and in an "on" state for at least a period of time during the "off" state of the transmitter, and wherein the signal processing means, in particular a microprocessor of the signal processing means, integrates the signal of the receiver, calculates the speed of sound and based on the speed of sound the Gas properties, such as the gas composition, the temperature and / or the humidity of the gas determined, and provides a corresponding output signal for further processing.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Gassensoranordnung erreicht das akustische Signal vom Sender den Empfänger über einen akustischen Reflektor, wobei der akustische Reflektor vorzugsweise eine Wand einer Leitung, eine Wand eines Luftleitblechs oder eine Wand eines Gehäuses einer Kammer/eines Garraums ist und das zu messende Gas sich in dieser Leitung, dieser Kammer oder diesem Garraum befindet.According to a preferred embodiment of the gas sensor arrangement, the acoustic signal from the transmitter reaches the receiver via an acoustic reflector, wherein the acoustic reflector is preferably a wall of a duct, a wall of a baffle or a wall of a housing of a chamber / cooking chamber and the gas to be measured located in this line, this chamber or this cooking chamber.

Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich deshalb der Einfluss des Körperschalls auf eine Messung der Schallgeschwindigkeit mit geringen Kosten und hoher Beständigkeit unterdrücken. Dies ermöglicht die Anwendung des Verfahrens bzw. der Anordnung bei Anwendungen, bei denen die Bestimmung von Gaseigenschaften, wie etwa der Gaszusammensetzung, der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit, entweder nicht möglich war oder nicht mit der erforderlichen Empfindlichkeit oder Genauigkeit funktionierte.With the present invention, therefore, the influence of the structure-borne noise can be suppressed to a measurement of the speed of sound with low cost and high durability. This allows the application of the method or assembly in applications where the determination of gas properties, such as gas composition, temperature and / or humidity, either was not possible or did not work with the required sensitivity or accuracy.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in Verbindung mit den Zeichnungen beschriebenen Beispiele beschränkt und schließt sämtliche von den Ansprüchen und der Beschreibung allein oder in Verbindung miteinander abgedeckten Ausführungsformen ein. In den Figuren zeigen:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail in conjunction with the drawings. However, the invention is not limited to the examples described in connection with the drawings and excludes all from the claims and the description alone or in conjunction with each other covered embodiments. In the figures show:

1 eine Prinzipdarstellung einer Gassensoranordnung mit einem Sender und einem Empfänger auf einem gemeinsamen Körper sowie Reflexionseinrichtungen, die von dem Sender und dem Empfänger beabstandet derart angeordnet sind, dass der von dem Sender angeregte Schall über die Reflexionseinrichtungen durch das Gas zum Empfänger läuft, um ein durch Gas übertragenes Signal zu liefern, 1 a schematic diagram of a gas sensor assembly having a transmitter and a receiver on a common body and reflection means spaced from the transmitter and the receiver are arranged such that the sound stimulated by the transmitter via the reflection means through the gas to the receiver runs to a gas by a gas to deliver transmitted signal,

2 eine weitere Prinzipdarstellung einer Gassensoranordnung mit einem Sender und einem Empfänger auf einem gemeinsamen Körper, wobei der Sender und der Empfänger so angeordnet sind, dass der Schall direkt vom Sender zum Empfänger durch das Gas zwischen dem Sender und dem Empfänger läuft, um ein durch Gas übertragenes Signal zu liefern, 2 another schematic diagram of a gas sensor assembly with a transmitter and a receiver on a common body, wherein the transmitter and the receiver are arranged so that the sound passes directly from the transmitter to the receiver by the gas between the transmitter and the receiver to a gas-transmitted To deliver signal

3 die Prinzipdarstellung aus 2 gemeinsam mit einem Blockdiagramm einer Signalverarbeitungseinheit, die Signalverarbeitungseinrichtungen umfasst, und 3 the schematic representation 2 together with a block diagram of a signal processing unit comprising signal processing means, and

4 ein Diagramm der Taktzeiten des Senders und des Empfängers bei unterschiedlichen Empfängertaktzeiten. 4 a diagram of the clock times of the transmitter and the receiver at different receiver clock times.

Das Prinzip des gemeinsamen Körpers mit dem Sender und dem Empfänger mit oder ohne Reflexionseinrichtungen lässt sich bei allen Anwendungen einsetzen, bei denen für Systeme bei extremen Umgebungsverhältnissen ein zuverlässiges System erforderlich ist, wie zum Beispiel bei Anwendungen für Verbrennungsmotorabgasanlagen oder bei Anwendungen, bei denen Messungen über große Temperaturbereiche erforderlich sind.The principle of the common body with the transmitter and the receiver with or without reflectors can be used in all applications where a reliable system is required for systems in extreme environmental conditions, such as in applications for internal combustion engine exhaust systems or in applications where measurements on large temperature ranges are required.

In 1 ist ein Montagekörper 3 mit einem Sender 1 und einem Empfänger 2 gezeigt, die auf diesem Körper 3 angebracht sind. Der Sender 1 und der Empfänger 2 sind so angebracht, dass der sich ausbreitende Schall 4 vom Sender 1 zum Empfänger 2 über einen akustischen Reflektor 6 läuft, bevor er den Empfänger 2 erreicht. Dieser Schall liefert ein durch das Gas übertragenes Signal. Der vom Sender 1 bereitgestellte, sich ausbreitende Schall 5 läuft über den Körper 3 zum Empfänger 2 und liefert dadurch ein durch den Körper übertragenes Signal.In 1 is a mounting body 3 with a transmitter 1 and a receiver 2 shown on this body 3 are attached. The transmitter 1 and the receiver 2 are so appropriate that the propagating sound 4 from the transmitter 1 to the recipient 2 via an acoustic reflector 6 runs before he gets the receiver 2 reached. This sound provides a signal transmitted by the gas. The one from the transmitter 1 provided, propagating sound 5 runs over the body 3 to the recipient 2 and thereby provides a signal transmitted through the body.

In 2 ist ein Montagekörper 3 gezeigt, bei dem der Sender 1 und der Empfänger 2, die auf diesem Körper 3 angebracht sind, in einer Stellung einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Schallausbreitung 4 unmittelbar vom Sender 1 zum Empfänger 2 ohne einen Reflektor im Schallweg erfolgt. Im Gegensatz zur Anordnung von 1 sind der Sender 1 und der Empfänger 2 mit einem viel größeren Abstand voneinander angeordnet. Der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 2 bei der Anordnung gemäß 1 beträgt weniger als 10 mm, vorzugsweise ungefähr 4 mm, wohingegen der Abstand bei der Anordnung aus 2 in der Größenordnung von 50–100 mm liegt. Es ist wesentlich, dass sich die Ausbreitungszeiten, d. h. die Zeit, die der Schall vom Sender 1 über die unterschiedlichen Medien (Gas oder Feststoff) zum Empfänger 2 benötigt, erheblich unterscheiden, um die Schallgeschwindigkeit des Gases nach der Verarbeitung der empfangenen Signale mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Ähnlich wie in 1 liefert der Schall, der direkt durch das Gas vom Sender 1 zum Empfänger 2 läuft, das über das Gas übertragene Signal und liefert der sich vom Sender 1 zum Empfänger 2 durch den Körper ausbreitende Schall 5 das durch den Körper übertragene Signal. Der akustische Reflektor 6 kann eine Wand einer Leitung, eine Wand eines Gehäuses einer Kammer/eines Garraums oder ein sich innerhalb des Garraums befindendes Luftleitblech sein. Das zu messende Gas befindet sich innerhalb dieser Leitung, dieser Kammer oder dieses Garraums (nicht dargestellt).In 2 is a mounting body 3 shown where the transmitter 1 and the receiver 2 that on this body 3 are mounted, are arranged in a position opposite to each other, wherein the sound propagation 4 directly from the transmitter 1 to the recipient 2 without a reflector in the sound path. In contrast to the arrangement of 1 are the transmitter 1 and the receiver 2 arranged at a much greater distance from each other. The distance between the transmitter 1 and the receiver 2 in the arrangement according to 1 is less than 10 mm, preferably about 4 mm, whereas the spacing in the arrangement is 2 is on the order of 50-100 mm. It is essential that the propagation times, ie the time that the sound from the transmitter 1 via the different media (gas or solid) to the receiver 2 significantly different to determine the speed of sound of the gas after processing the received signals with sufficient accuracy. Similar to in 1 The sound delivered directly by the gas from the transmitter 1 to the recipient 2 runs, the signal transmitted via the gas and delivers itself from the transmitter 1 to the recipient 2 sound propagating through the body 5 the signal transmitted through the body. The acoustic reflector 6 may be a wall of a conduit, a wall of a housing of a chamber / a cooking chamber or located within the cooking chamber air baffle. The gas to be measured is located within this line, this chamber or this cooking chamber (not shown).

In 3 ist ein Blockdiagramm gezeigt, in dem eine Signalverarbeitungseinheit 7 dargestellt ist, die einen Mikroprozessor 13 und einen Schallfunktionsgenerator 8 umfasst, der bei dieser Ausführungsform einen Ultraschall bereitstellt. Der Schallfunktionsgenerator 8 ist mit dem Sender 1 verbunden. Der Empfänger 2 ist mit einem Empfängervorverstärker/AD-Wandler 10 der Signalverarbeitungseinheit 7 verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit 7 umfasst auch einen Schaltfunktionsgenerator 9, der den Schallfunktionsgenerator 8 und den Empfängervorverstärker/AD-Wandler 10 hinsichtlich deren Einschaltdauer steuert. Der Schallfunktionsgenerator 8 ist mit einem Lock-in-Verstärker 11 sowie mit dem Empfängervorverstärker/AD-Wandler 10 verbunden. Der Schallfunktionsgenerator 8 führt dem Lock-in-Verstärker 11 ein entsprechendes Referenzsignal zu. Der Lock-in-Verstärker 11 bestimmt den Phasenwinkel zwischen dem vom Schallfunktionsgenerator 8 gelieferten Referenzsignal und dem Empfängersignal von dem Empfängervorverstärker/AD-Wandler 10. Der Mikroprozessor 13 der Signalverarbeitungseinheit 7 liest das Ausgangssignal vom Lock-in-Verstärker 11 sowie von einer externen Temperaturmessvorrichtung 12 und liefert einen Feuchtigkeitswertausgang 14 in Form eines entsprechenden Signals zur weiteren Verarbeitung. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Lock-in-Verstärker 11 digital in dem Mikroprozessor 13 integriert sein.In 3 a block diagram is shown in which a signal processing unit 7 shown is a microprocessor 13 and a sound function generator 8th which provides ultrasound in this embodiment. The sound function generator 8th is with the transmitter 1 connected. The recipient 2 is with a receiver pre-amplifier / AD converter 10 the signal processing unit 7 connected. The signal processing unit 7 also includes a switching function generator 9 , which is the sound function generator 8th and the receiver pre-amplifier / AD converter 10 in terms of their duty cycle controls. The sound function generator 8th is with a lock-in amplifier 11 as well as with the receiver pre-amplifier / AD-converter 10 connected. The sound function generator 8th leads the lock-in amplifier 11 a corresponding reference signal. The lock-in amplifier 11 determines the phase angle between that of the sound function generator 8th supplied reference signal and the receiver signal from the receiver pre-amplifier / AD converter 10 , The microprocessor 13 the signal processing unit 7 reads the output signal from the lock-in amplifier 11 as well as from an external temperature measuring device 12 and provides a humidity output 14 in the form of a corresponding signal for further processing. In a further advantageous embodiment, the lock-in amplifier 11 digital in the microprocessor 13 be integrated.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind der Sender 1 und der Empfänger 2, die in 1 gezeigt sind, sehr nahe beieinander (Abstand von 4 mm) parallel zueinander auf dem aus Stahl bestehenden Körper 3 angebracht. Die Schallgeschwindigkeit in Stahl beträgt etwa 4000 m/s, was bedeutet, dass jeder Körperschall 1 μs benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu laufen.In an exemplary embodiment, the transmitter is 1 and the receiver 2 , in the 1 are shown very close to each other (4 mm apart) parallel to each other on the steel body 3 appropriate. The speed of sound in steel is about 4000 m / s, which means that every structure-borne noise 1 μs needed to run from the sender to the receiver.

Durch das Gas läuft der Schall über den akustischen Reflektor 6 über eine Gesamtstrecke von 40 mm. Bei einer Schallgeschwindigkeit im Gas in der Größenordnung von 400 m/s benötigt der durch das Gas übertragene Schall 100 μs, um vom Sender 1 zum Empfänger 2 zu laufen.Through the gas, the sound passes over the acoustic reflector 6 over a total distance of 40 mm. At a speed of sound in the gas of the order of 400 m / s, the sound transmitted by the gas needs 100 μs to transmit from the transmitter 1 to the recipient 2 to run.

Die beiden Beiträge können daher zeitlich getrennt werden, wie in 4 gezeigt. In dieser Figur zeigt das erste Diagramm die Einschaltdauern des Senders 1 über der Zeit. Das zweite, mittlere Diagramm zeigt die Einschaltdauer des Empfängers 2 ohne Verzögerung bezüglich eines „Ein”-Status des Senders 1, während im dritten, untersten Diagramm die Einschaltdauer des Empfängers 2 gezeigt ist, die gegenüber dem Ausschalten des Senders 1 verzögert ist. Bei dem obigen Beispiel mit den erwähnten Maßen und dem erwähnten Material wird der Sender 1 während 100 μs betrieben, während der Eingang vom Empfänger 2 zum Verstärker 10 ausgeschaltet ist. Während der nächsten 100 μs ist der Sender 1 ausgeschaltet, während das Signal des Empfängers 2 vom Verstärker 10 gemessen wird. Da der letzte Körperschall den Empfänger 2 1 μs nach dem Ausschalten des Senders 1 erreicht, ist der durch den Körper übertragene Beitrag zum Empfängersignal auf 1% reduziert worden, wenn beide Beiträge die gleiche Amplitude haben. Der durch den Körper übertragene Beitrag kann weiter verringert werden, indem eine Verzögerung von einigen wenigen Mikrosekunden zwischen dem Ausschalten des Senders 1 und dem Einschalten des Empfängers 2 eingeführt wird, wie im untersten Diagramm von 4 gezeigt. Eine solche Verzögerung könnte nötig sein, wenn innere Reflexionen des Schalls innerhalb des Körpers 3 die Übergangszeit des Körperschalls verzögern.The two contributions can therefore be separated in time, as in 4 shown. In this figure, the first diagram shows the switch-on durations of the transmitter 1 over time. The second, middle diagram shows the duty cycle of the receiver 2 without delay regarding an "on" status of the transmitter 1 while in the third, bottom diagram the duty cycle of the receiver 2 shown is the opposite to turning off the transmitter 1 is delayed. In the above example with the mentioned dimensions and the mentioned material becomes the transmitter 1 while operating 100 μs, while the input from the receiver 2 to the amplifier 10 is off. During the next 100 μs is the transmitter 1 switched off while the signal of the receiver 2 from the amplifier 10 is measured. Because the last structure-borne noise is the receiver 2 1 μs after switching off the transmitter 1 reached, the contribution to the receiver signal transmitted by the body has been reduced to 1% if both contributions have the same amplitude. The contribution transmitted by the body can be further reduced by having a delay of a few microseconds between turning off the transmitter 1 and turning on the receiver 2 is introduced as in the bottom diagram of 4 shown. Such a delay might be necessary if internal reflections of the sound within the body 3 delay the transitional period of structure-borne noise.

Da der Gesamtschallpegel der Messung in hohem Maße davon abhängt, über wie viele Signalschwingungen der Verstärker eine Integrierung ausführen kann, sollte die „Ein”-Zeit des Empfängers 2 mit der Laufzeit des über das Gas übertragenen Schalls übereinstimmen. Aus dem gleichen Grund sollte sich die „Ein”-Zeit des Senders 1 über die gleiche Zeitspanne erstrecken, so dass die Einschaltdauer von Sender 1 und Empfänger 2 jeweils 50% mit einer Phasenverschiebung von π beträgt.Since the overall sound level of the measurement depends largely on how many signal oscillations the amplifier can perform integration, the "on" time of the receiver should be 2 coincide with the duration of the transmitted via the gas sound. For the same reason should be the "on" time of the sender 1 extend over the same period of time, so that the duty cycle of transmitter 1 and receiver 2 each 50% with a phase shift of π.

Bei einer Betriebsfrequenz von 50 kHz erfolgt somit eine Integrierung des Signals des Empfängers durch den Verstärker 11 über 5 Perioden. Bei Verwendung eines Lock-in-Verstärkers 11 ist jedoch eine kontinuierliche Integrierung des Empfängersignals über längere Zeiträume möglich. Die von dem Lock-in-Verstärker 11 gemessene Amplitude beträgt die Hälfte eines Dauersignals, während die Phasenwinkelinformationen vollständig aufrechterhalten werden. In diesem Fall muss der Funktionsgenerator 8, der den Sender 1 ansteuert, dem Lock-in-Verstärker 11 ständig ein Referenzsignal liefern.At an operating frequency of 50 kHz thus takes place an integration of the signal of the receiver by the amplifier 11 over 5 periods. When using a lock-in amplifier 11 However, a continuous integration of the receiver signal over long periods is possible. The one from the lock-in amplifier 11 measured amplitude is one half of a continuous signal while the phase angle information is fully maintained. In this case, the function generator 8th who is the sender 1 controls, the lock-in amplifier 11 constantly provide a reference signal.

Claims

Method for measuring the speed of sound in a gas for detecting gas properties, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity, with a sound transmitter ( 1 ) and a sound receiver ( 2 ), both on a common body ( 3 ), characterized by - providing a body ( 3 ) whose speed of sound is higher than the speed of sound in the gas, - arranging the transmitter ( 1 ) and the recipient ( 2 ) on this body ( 3 ), - operating the transmitter ( 1 ) during at least one period in an "on" state, such that the transmitter ( 1 ) sends an acoustic signal, and operating the transmitter ( 1 ) during at least one period in an "off" state, such that the transmitter ( 1 ) does not send an acoustic signal, - operating the receiver ( 2 ) in an "off" state for at least a period during the "on" state of the transmitter ( 1 ) and operating the receiver ( 2 ) in an "on" state for at least a period during the "off" state of the transmitter ( 1 ), - integrating the signal of the receiver ( 2 ) through an amplifier ( 11 ), Calculating the speed of sound and determining the properties of the gas based on the speed of sound.

Method according to claim 1, characterized by starting the "on" state of the receiver ( 2 ) with a delay after the end of the "on" state of the transmitter ( 1 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of the "on" state of the receiver ( 2 ) with the duration of the sound from the transmitter ( 1 ) to the recipient ( 2 ) by the gas and / or the duration of the "on" state of the transmitter ( 1 ) with the duration of the sound from the transmitter ( 1 ) to the recipient ( 2 ) matches by the gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized by integrating the signal of the receiver ( 2 ) through the amplifier ( 11 ) for longer periods.

Method according to one of the preceding claims, characterized by calculating the Properties of the gas, in particular the temperature and / or the humidity, from the phase angle difference between the excitation of the transmitter ( 1 ) and the signal of the receiver ( 2 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized by the provision of a mechanical body ( 3 ) whose sound velocity is at least five times, preferably ten times, higher than the speed of sound in the gas.

Method according to one of the preceding claims, characterized by arranging the transmitter ( 1 ) and the recipient ( 2 ) on this body ( 3 ), such that the transmitter ( 1 ) emitted sound the receiver ( 2 ) via an acoustic reflector ( 6 ) reached.

Method according to one of the preceding claims, characterized by arranging the transmitter ( 1 ) and the recipient ( 2 ) at a distance of less than 10 mm.

Method for determining the humidity of the atmosphere in a cooking chamber of a cooking appliance according to one of the preceding claims 1 to 8.

Gas sensor assembly adapted to measure gas properties based on the speed of sound, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, according to the method of any one of claims 1 to 8.

Gas sensor arrangement adapted to measure gas properties based on the speed of sound, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of a gas, with a transmitter ( 1 ), a recipient ( 2 ) and a signal processing device, characterized by a sound transmitter ( 1 ) and an acoustic receiver ( 2 ), both on a common body ( 3 ), the signal processing device ( 7 ) the transmitter ( 1 ) operates for at least one period in an "on" state such that the transmitter ( 1 ) sends an acoustic signal, and the signal processing device ( 7 ) the receiver ( 2 ) operates for at least one period in an "off" state such that the transmitter ( 1 ) does not send an acoustic signal, the signal processing device ( 7 ) the receiver ( 2 ) in an "off" state for at least a period during the "on" state of the transmitter ( 1 ) and in an "on" state for at least a period during the "off" state of the transmitter ( 1 ), and wherein the signal processing device ( 7 ), in particular a microprocessor ( 13 ) of the signal processing device ( 7 ), the signal of the receiver ( 2 ), calculates the speed of sound and, based on the speed of sound, determines gas properties, in particular the gas composition, the temperature and / or the humidity of the gas, and delivers a corresponding output signal.

Gas sensor arrangement according to claim 11, characterized in that the acoustic signal from the transmitter ( 1 ) the receiver ( 2 ) via an acoustic reflector ( 6 ), wherein the acoustic reflector is preferably a wall of a conduit or a wall of a housing of a chamber, and that the gas to be measured is located in this conduit or chamber.

Gas sensor arrangement according to claim 11 or 12, characterized by a sound transmitter ( 1 ) and an acoustic receiver ( 2 ), both side by side on a common body ( 3 ) preferably as close to each other as mechanically possible and / or fixed at a distance of less than 10 mm.