DE19727960C2 - Vorrichtung zur zeitlich hochauflösenden Messung eines gasförmigen Volumenstromes, insbesondere eines Abgas-Volumenstromes eines Verbrennungsmotors, in einem von diesem durchströmten Rohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zeitlich hochauflösenden Messung eines gasförmigen Volumenstromes in einem von diesem durchströmten Rohr gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise im Bereich der Abgasmeßtechnik von Verbrennungsmotoren dazu eingesetzt, den zeitlichen Verlauf des von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgas- Volumenstromes während verschiedener Testzyklen, in welchen z. B. unterschiedliche Fahrzustände eines Kraftfahrzeuges simuliert werden, zu bestimmen.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 93/03334 ist eine gattungsgemäße Volumenstrommeßvorrichtung bekannt, bei der ein erster und ein zweiter Ultraschallwandler in U-förmigen, schräg zum zu messenden Volumenstrom angeordneten Schenkeln aufgenommen sind. Die Ausrichtung der Ultraschallwandler ist dabei derart, daß die ausgesandten Schallwellen an den Seitenflächen der Schenkel reflektiert werden, bevor sie schräg durch den Volumenstrom hindurchtreten und nach einer erneuten Reflexion an der entsprechenden Seitenfläche des jeweils anderen Schenkels auf den in diesem angeordneten Ultraschallwandler treffen.

Die DE-OS 195 30 807 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Volumenstrommeßeinrichtung, bei der die Ultraschallsignale durch Ultraschalltransducer erzeugt werden, die die Signale über wärmeisolierende Ultraschallwellenleiter in das zu untersuchende strömende Medium eingekoppeln. Durch Messen des an den Endflächen der Ultraschallwellenleiter reflektierten Anteils der Ultraschallsignale wird eine Korrektur der temperaturabhängigen Laufzeiten der Ultra­ schallsignale in den einzelnen Ultraschallwellenleitern vorgenommen.

In der Zeitschrift "Technisches Messen", 51. Jahrgang, 1984, Heft 2, Seiten 47 bis 51, wird ein Ultraschall-Meßgerät beschrieben, welches die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen nach der Laufzeitdifferenz­ methode mißt. Die Ultraschallwandler sind bei der beschriebenen Vorrichtung längs einer schräg durch den zu messenden Gasstrom verlaufenden Geraden auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gasstromes angeordnet.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 195 48 882 A1 ist ferner ein Schallsender zur Erzeugung von kurzen, deltapeakförmigen Schallpulsen bekannt, bei welchem die Ultraschallpulse durch eine elektrische Funkenentladung erzeugt werden. Die Schrift beschreibt weiterhin einen Schallempfänger, bei dem die Schallsignale mittels einer durch die Schallsignale modulierten Glimmentladung in elektrische Signale überführt werden. Zudem wird vorgeschlagen, den Sender und/oder den Empfänger in einer gattungsgemäßen Volumenstrommeßeinrichtung als Ultraschallwandler einzusetzen.

Die nicht vorveröffentlichte DE-OS 196 48 784 beschreibt einen Ultraschall-Durchflußmesser, bei welchem die Ultraschallwandler in einander gegenüberliegenden Wandlertaschen untergegebracht sind, welche jeweils durch ein Maschen aufweisendes Gitter vom zu messenden Gasstrom getrennt sind.

Das Deutsche Gebrauchsmuster G 92 01 533 beschreibt eine gattungsgemäße Volumenstrommeßvorrichtung zum Messen eines staubbeladenen Gasstromes, bei dem die Ultraschallwandler zurückgesetzt in Wandlertaschen untergebracht sind, um eine direkte Kontamination mit Staubteilchen zu vermeiden.

Aus der Diplomarbeit von Herrn Andreas Hess, Langstr. 18, 7526 Weiher, Deutschland, mit dem Thema "Sensor zur dynamischen Volumenstrom­ bestimmung im verdünnten Autoabgas", in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule für Technik, Mannheim, Fachbereich Nachrich­ tentechnik, aus dem Jahre 1993, ist es bekannt, die Größe eines Abgas- Volumenstromes durch Messen der unterschiedlichen Laufzeiten von im Winkel zum Volumenstrom von einem ersten Schallsender zu einem ersten Schallempfänger sowie in im wesentlichen umgekehrter Richtung von einem zweiten Schallsender zu einem zweiten Schallempfänger laufenden Ultraschallsignalen nach der sog. Laufzeitdifferenzmethode zu bestimmen. Aus den gemessenen Laufzeitunterschieden, welche sich durch die Addition bzw. Subtraktion der Strömungsgeschwindigkeit mit den jeweiligen Komponenten der Schallgeschwindigkeit der Schallsignale ergeben, wird dann unter Heranziehung des Winkels und der Länge der durchlaufenen Strecke die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Rohr bestimmt. Durch Multiplikation mit dem Wert für den Rohrquerschnitt wird hieraus der momentane mittlere Volumenstrom des Abgases ermittelt. Bei der in der Diplomarbeit beschriebenen Vorrichtung werden zur Erzeugung und zum Empfang der Schallsignale zwei einander gegenüberliegende Piezokristalle eingesetzt, von denen ein jeder gleichzeitig als Sender sowie als Empfänger betrieben wird. Aufgrund der durch die mechanische Trägheit der Piezokristalle bedingten Einschwingvorgänge, welche zu einem vergleichsweise großen Fehler bei der Bestimmung des genauen Meßzeitpunkts, zu dem ein Schallsignal ausgesandt oder empfangen wird führt, weist die beschriebene Vorrichtung eine vergleichsweise geringe Genauigkeit bei der Bestimmung des Volumenstromes auf. Zudem ist es mit der Vorrichtung infolge des ungünstigen Schwingungsverhaltens der Piezokristalle nicht möglich, eine zeitlich hochauflösende Messung des Volumenstromes durchzuführen, wie sie heutzutage bei der Überprüfung und Festlegung der während eines Meßzyklus erzeugten Schadstoffmengen erforderlich ist. Weiterhin ist es bei der beschriebenen Vorrichtung problematisch, daß die Piezokristalle unmittelbar mit dem aggressiven und heißen Abgas in Kontakt gelangen, wodurch ihre Lebensdauer stark verkürzt wird und ihr ohnehin schon kritisches Temperaturverhalten zu einem weiteren Meßfehler führt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Genauigkeit und die zeitliche Auflösung bei der Bestimmung des Volumenstromes von Gasen, insbesondere Abgasen von Verbrennungsmotoren, in einem durchströmten Rohr nach der Laufzeitdifferenzmethode verbessert wird. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche es ermöglicht, bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases in einem durchströmten Rohr nach der Methode der Laufzeitdifferenzmessung die Messgenauigkeit ohne den Einsatz zusätzlicher Sensorelemente weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere den Vorteil auf, daß Temperaturänderungen des Abgases, wie sie während der verschiedenen Lastzustände eines Testzyklus bei einem Verbrennungsmotor auftreten, nahezu keinerlei störenden Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben. Weiterhin ist es ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die im Abgas enthaltenen aggressiven Schad- und Schwebestoffe nicht mit den empfindlichen Bauteilen zur Erzeugung und zum Empfang der Schallsignale in Kontakt gelangen, wodurch sich ein geringer Verschleiß, eine geringe Verschmutzung sowie eine erhöhte Lebensdauer der Bauteile ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Volumen­ strommeßvorrichtung,

Fig. 2 eine schematisierte räumliche Darstellung der in den Schallsendern der Vorrichtung eingesetzten selbstnach­ stellenden Elektrodenanordnung,

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung der Elektrodenanordnung von Fig. 2 mit einem zugehörigem Funkenausbreitungsbereich sowie einem sich daran anschließenden trichterförmigen Schalleitabschnitt,

Fig. 4 einen Blockschaltplan der bei der Vorrichtung eingesetzten Elektronikkomponenten,

Fig. 5 ein Flußdiagramm, welches die Arbeitsweise der in der Vorrichtung eingesetzten elektronischen Auswerteinrichtung verdeutlicht,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Laufzeitdifferenzmeßprin­ zips mit den darin verwendeten Größen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Messung des Volumenstromes J eines gasförmigen Mediums 2 in einem von dem Medium 2 durchströmten Rohr 4 umfaßt einen ersten Schallsender 6 zur Erzeugung erster Schallsignale 8 sowie einen zweiten Schallsender 10 zur Erzeugung zweiter Schallsignale 12. Die Vorrichtung 1 umfaßt weiterhin einen ersten Umlenkspiegel 14, der die vom ersten Schall­ sender 6 ausgesandten ersten Schallsignale 8 entlang einer in einem Winkel α zum Volumenstrom J verlaufenden Strecke 16 umlenkt. Am Ende der Strecke 16 ist ein erster Schallempfänger 18 angeordnet, der die ersten Schallsignale 8 in entsprechende elektronische Signale um­ wandelt und diese einer elektronischen Steuerungs- und Meßein­ richtung 20 zuführt.

Die Vorrichtung 1 enthält ferner einen zweiten Umlenkspiegel 22, der die zweiten Schallsignale 12 des zweiten Schallsenders 10 in Richtung eines zweiten Schallempfängers 24 umlenkt. Der zweite Schallempfän­ ger 24 ist dabei auf der dem zweiten Schallsender 10 gegenüberliegenden Seite des Rohres 4 am Anfang der Strecke 16 angeordnet, so daß die zweiten Schallsignale 12 die Strecke 16 im Gegensatz zu den ersten Schallsignalen 8 in einer im wesentlichen umgekehrten Richtung durch­ laufen, bevor sie auf den zweiten Schallempfänger 24 treffen. Der zweite Schallempfänger 24 wandelt die zweiten Schallsignale 12 in entsprechende elektronische Signale um und leitet diese der elektronischen Steuerungs- und Meßeinrichtung 20 zu.

Der erste und zweite Schallempfänger 18, 24 werden durch einen bekannten Piezokristall gebildet, welcher, wie in Fig. 1 dargestellt, vorzugsweise im Zentrum der Umlenkspiegel 14, 22 angeordnet ist und eine Größe im Bereich von wenigen mm aufweist. Aufgrund der mit der geringen Größe des Piezokristalls einhergehenden hohen Resonanz­ frequenz desselben ergeben sich hierbei in vorteilhafter Weise äußerst kurze Ein- und Ausschwingzeiten. Obwohl die von einem solchen Piezokristall abgegebenen elektrischen Signale im allgemeinen eine vergleichsweise geringe Amplitude aufweisen, ist es beim Einsatz der weiter unten beschriebenen Schallerzeuger aufgrund der damit erzeugbaren extrem hohen Schalldrücke/Amplituden ohne weiteres möglich, die mit diesen erzeugten Schallsignale zweifelsfrei zu erkennen. Fremdschall sowie sonstige Störsignale treten dabei infolge ihrer vergleichsweise kleinen Amplitude nahezu nicht in Erscheinung. Weiterhin kann es vorgesehen sein, die von den Schallempfängern erzeugten elektrischen Signale z. B. durch unmittelbar an diesen angeordnete, in den Zeichnungen nicht gezeigten Feldeffekt-Transistor (FET) zu verstärken, bevor die Signale an einen weiteren Verstärker weitergeleitet werden.

Der erste und/oder zweite Umlenkspiegel 14, 22 werden durch Parabolspiegel oder Teilflächen von Parabolspiegeln gebildet, um die erzeugten sphärischen Wellenfronten in im wesentlichen planoparallele Wellenfronten umzuwandeln. Die Erzeugung der ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 durch den ersten und zweiten Schallsender 6, 10 erfolgt dabei im Fokus der Parabolspiegel 14, 22. In gleicher Weise ist jedoch auch der Einsatz anderer bekannter Spiegelformen denkbar, so daß die Vorrichtung nicht auf den Einsatz von Parabolspiegeln beschränkt ist. Die Umlenkspiegel 14, 22 können beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein.

Die ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 werden mit Hilfe von ersten und zweiten elektrischen Funkenstrecken 25, 27 erzeugt, welche durch in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellte Elektroden 26a, 26b des ersten Schallsenders 6, bzw. Elektroden 28a, b des zweiten Schallsenders 10 gebildet werden. Die durch die Funkenüberschläge erzeugten Schallsignale besitzen die Form von ultrakurzen, deltapeakförmigen Schallpulsen mil einem ersten Peak, der gegenüber den ebenfalls auftretenden nachfolgenden Schallpulsen deutlich überhöht ist und der sich aufgrund seiner explosionsartigen Entstehung anfänglich auf den ersten 0,5 bis 0,7 cm seines Ausbreitungsweges mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die größer ist als die Schallgeschwin­ digkeit im gasförmigen Medium 2.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, werden bei einer Ausführungsform des Funkenschallsenders 6, 10 zumindest eine, vorzugsweise jedoch zwei stabförmige Elektroden 26a, 26b; 28a, 28b eingesetzt, welche z. B. aus Graphit, Platin, Wolfram oder einem ähnlichen Werkstoff bestehen können. Die Spitzen 38a, 38b der Elektroden 26a, 26b; 28a, 28b werden durch an den Elektroden angreifende federelastische Elemente 30a, 30b, wie beispielsweise in den Figuren gezeigte Spiralfedern, gegen Vorsprünge 32a, 32b aus Isolatormaterial gedrängt, in denen Ausnehmungen 34a, 34b gebildet sind, durch welche ein erzeugter Funke 36 hindurchtreten kann.

Zur Erzeugung eines sowohl räumlich, als auch zeitlich wohl definierten Funkenüberschlages zwischen den Elektroden kann es hierbei vorgesehen sein, daß die Spitzen 38a, 38b der Elektroden 26a, b, 28a, b des ersten und/oder zweiten Schallsenders 6, 10 unterhalb einer zwischen den Elektroden gebildeten Entladungsebene 40 angeordnet sind, in der Weise, daß eine definierte Funkenentladung ausschließlich über die Entladungsebene 40 hinweg erfolgt. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, wird die Entladungsebene 40 durch eine V-förmige Vertiefung in einem Block 41 aus Isolatormaterial, z. B. Quarz, gebildet. Anstelle einer V-förmig ausgestalteten Entladungsebene 40 kann diese jedoch auch in gleicher Weise als in den Figuren nicht gezeigte plane Fläche oder als gewölbte Fläche mit einer beispielsweise U-förmigen oder sonstigen Gestalt ausgebildet sein. Durch den Einsatz einer Entladungsebene 40 ist sichergestellt, daß ein Abbrand der Elektroden, wie er gewöhnlich an der Kathode beobachtet wird, nicht zu einer räumlichen Verlagerung des Funkens 36 führt, durch welche ein zusätzlicher Meßfehler auftreten kann. Weiterhin ergibt sich durch den Einsatz von federbelasteten Elektroden 26a, 26b, 28a, 28b, deren Spitzen 38a, 38b durch die federelastischen Mittel 30a, 30b gegen die Vorsprünge 32a, 32b gedrängt werden, der Vorteil, daß Elektrodenmaterial, welches von der jeweiligen Spitze durch Abbrand entfernt wurde, automatisch in ausreichender Weise wieder nachgeführt wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß sich die Form und Lage des Funkens 36 auch über einen längeren Zeitraum hinweg nicht dadurch ändert, daß die Entfernung zwischen den beiden Elektrodenspitzen 38a, 38b infolge von Elektrodenabbrand vergrößert wird.

Weiterhin kann es vorgesehen sein, lediglich die Kathode mit einer automatischen Nachführung auszustatten und aus Graphit zu fertigen, die Anode hingegen als feste NiCr-Elektrode auszubilden.

Darüber hinaus kann der Vorschub der Elektroden 26a, 26b, 28a, 28b in gleicher Weise durch einen motorischen Antrieb oder auf pneumatischem Wege erfolgen, wobei beispielsweise ein in den Raum hinter den Elektroden 26a, 26b, 28a, 28b mit einem leichten Überdruck eingebrachtes Gas, z. B. ein inertes Gas oder ein Spülgas, unmittelbar auf die Elektroden, bzw. einen mit diesen verbundenen, in den Zeichnungen nicht dargestellten Kolben einwirken und die Elektroden mit einem konstanten Druck in Richtung zu den Vorsprüngen 32a, 32b hin drängen kann.

Wie in den Figuren schematisch dargestellt ist, sind die Elektroden 26a, 26b des ersten Schallsenders 6 sowie die Elektroden 28a, 28b des zweiten Schallsenders 10 mit zugeordneten ersten und zweiten Hochspannungserzeugern 42, 44 verbunden, die über nicht näher bezeichnete Leitungen durch die elektronische Steuerungs- und Meßeinrichtung 20 gesteuert werden.

Die Schallsender 6 und 10 sind mit zugehörigen trichterförmigen Schalleiteinrichtungen 46 und 48 versehen, welche die ersten und zweiten Schallsignale 8 und 12 in Richtung der ersten und zweiten Umlenkspiegel 14, 22 leiten.

Weiterhin kann es vorgesehen sein, daß in den Schalleiteinrichtungen 46, 48 feinmaschige Gitter 50, z. B. aus Kunststoff oder Metall, eingesetzt sind, die für Schallwellen durchlässig sind und die die Funkenstrecken 25 und 27 des ersten und zweiten Schallsenders 6, 10 insbesondere beim Einsatz von aggressiven Gasen, wie z. B. Abgasen von Verbren­ nungsmotoren, vor einer Verschmutzung und Beschädigung schützen. Hierbei kann es zusätzlich vorgesehen sein, daß im Bereich der Funkenstrecken 25, 27, vorzugsweise im Bereich der Elektroden 26a, 26b; 28a, 28b, ein Spülgas, z. B. ein inertes Gas oder Luft, zugeführt wird, welches durch die Gitter 50 hindurchtritt und beispielsweise mit dem Volumenstrom J abgeführt wird. Die zugeführte Gasmenge und die Maschenweite des Gitters sind in der Weise aufeinander abgestimmt, daß der Raum im Bereich der Funkenstrecken 25, 27 stets unter einem leichten und konstanten Überdruck steht, so daß mit Sicherheit keine Bestandteile des zu messenden Volumenstromes J in diesen Bereich eindringen können.

Um einen zusätzlichen Schutz gegen ein Eindringen von Teilen des Volumenstromes J in den Bereich der ersten und zweiten Schallsender 6, 10 und Schallempfänger 18, 24 zu erhalten, können die Öffnungen in den Wänden des Rohres 4, durch die die ersten und zweiten Schallsigna­ le 8, 12 entlang der Strecke 16 durch den Volumenstrom J hindurch­ treten, zusätzliche Gitter 52, 54 aufweisen, welche ebenfalls für die Schallsignale 8, 12 durchlässig sind, für den Volumenstrom J im Rohr 4 hingegen eine Barriere darstellen. In gleicher Weise, wie zuvor im Zusammenhang mit den Gittern 50 beschrieben, kann auch der Bereich zwischen den Gittern 50 und 52 des ersten Schallsenders 6 und/oder den Gittern 50 und 54 des zweiten Schallsenders 10 mit einem Spülmedium beaufschlagt werden, welches ebenfalls unter einem leichten, jedoch konstanten Überdruck steht.

Meßprinzip

Das der Vorrichtung zugrunde liegende Meßprinzip, welches in der Fachliteratur auch als Laufzeitdifferenzmethode bezeichnet wird, wird nachfolgend näher erläutert. Wie in Fig. 6 gezeigt, sind quer zu einem von einem Volumenstrom J durchströmten Rohr 4 einander gegenüber­ liegende erste und zweite Schallsende- und Empfangseinheiten SE₁, SE₂ in einem Abstand L voneinander angeordnet. Die Sende- und Empfangseinheiten SE₁, SE₂ senden zu etwa gleichen Zeiten Schallpulse aus, die unter einem Winkel α durch das Rohr 4 hindurchtreten und auf die jeweils gegenüberliegende Einheit SE₂, SE₁ auftreffen, von welcher sie in ein entsprechendes elektronisches Signal umgewandelt werden. Aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit V des Volumenstromes J im Rohr 4 und der vektoriellen Überlagerungen der in Strömungsrichtung weisenden Komponenten der Schallgeschwindigkeit c im gasförmigen Medium 2 ergeben sich je nach Laufrichtung der Schallsignale Laufzeitunterschiede T₊; T_-, die folgende Größe besitzen:

T₊ = L/(c - V . cos α) und
T_- = L/(c - V . cos α),

wobei L die Länge der durchlaufenen Strecke 16 innerhalb des Volumenstromes J ist.

Hieraus ergibt sich durch Umformung unter Elimination der Schallge­ schwindigkeit c die über den Querschnitt des Rohres 4 gemittelte Strö­ mungsgeschwindigkeit V des gasförmigen Mediums 2 zu

V = L . (1/T₊ - 1/T_-)/(2 . cos α)

Durch Messung der Laufzeiten T₊ und T_- der ersten und zweiten Schallpulse kann hieraus unmittelbar die Strömungsgeschwindigkeit V des Mediums 2 und aus dieser durch Multiplikation mit dem Querschnitt des Rohres 4 der Volumenstrom J bestimmt werden.

In der Praxis werden die gemessenen Laufzeiten T₊ und T_- der Schallsignale vorzugsweise jedoch zusammen mit den durch eine Kalibration bestimmten zugehörigen Werten für den Volumenstrom J als feste Werte in einem elektronischen Speicher gespeichert, aus dem sie dann während eines Meßlaufs von einem Rechner in bekannter Weise ausgelesen werden.

Weiterhin unterscheidet sich die tatsächliche Laufzeit in der Regel genaugenommen noch durch einen im wesentlichen konstanten Offsetwert von den gemessenen Werten für T₊ und T_-, welcher sich dadurch ergibt, daß die Sende-Empfangseinheiten SE₁ und SE₂ (wie auch bei der Vorrichtung) im Abstand vom Rohr 4, bzw. vom Volumenstrom J angeordnet sind. Da der Offsetwert eine Konstante darstellt, kann er bei der Bestimmung des Volumenstromes J auf einfache Weise (z. B. durch Subtraktion) berücksichtigt werden, so daß auf diesen nachfolgend nicht weiter eingegangen wird.

Das Funktionsprinzip der elektronischen Steuerungs- und Meßein­ richtung 20 wird nachfolgend anhand der Fig. 4 und 5 näher beschrieben.

Wie in Fig. 4 schematisch gezeigt, umfaßt die elektronische Steuerungs- und Meßeinrichtung 20 einen Multiplexer 60, dessen erste Eingänge 60a, 60b über einen ersten und zweiten Verstärker 62, 64 mit den ersten und zweiten Schallempfängern 18 und 24 verbunden sind. Die ersten und zweiten Schallempfänger 18, 24 führen den ersten Eingängen 60a, 60b des Multiplexers 60 erste und zweite elektronische Signale zu, die den von den Schallempfängern 18, 24 empfangenen ersten und zweiten Schall­ signalen 8, 12 im wesentlichen entsprechen. Die Ausgänge 60d, 60e des Multiplexers 60 sind mit ersten Eingängen 66a und 68a eines ersten und zweiten Triggers 66, 68 verbunden. Ein weiterer Steuereingang 60c des Multiplexers 60 ist mit einem Mikroprozessor 72 verbunden, welcher dem Multiplexer 60 Steuersignale zuführt, in Abhängigkeit von welchen dieser die ersten Eingänge 60a, 60b des Multiplexers 60 wechselweise den ersten und zweiten Ausgängen 60d, 60e des Multiplexers 60 zuordnet. Die zweiten Eingänge 66b, 68b der ersten und zweiten Trigger 66, 68 sind über eine gemeinsame Steuerleitung 70 an den Mikroprozessor 72 angeschlossen, der die ersten und zweiten Eingänge 66b, 68b der ersten und zweiten Trigger 66, 68 mit entsprechenden Schwellenwert-Signalen zur Festlegung einer vorbestimmten Triggerschwelle beaufschlagt. Die Ausgänge 66c, 68c des ersten und zweiten Triggers 66, 68 sind elektrisch mit Eingängen 74a und 76a eines ersten und zweiten elektronischen Zählers 74, 76 verbunden, die von den Triggern 66, 68 entsprechende Startsignale erhalten, wenn die Größe der von den Schallempfängern 18, 24 gemessenen ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 einen durch die jeweilige Triggerschwelle vorgegebenen Wert übersteigt. Die zweiten Eingänge 74b, 76b der ersten und zweiten Zähler 74, 76 sind über eine gemeinsame Leitung 78 mit einem Taktgeber 80 verbunden, der z. B. normierte Pulse mit einer Taktfrequenz von 100 MHz erzeugt und diese den zweiten Eingängen 74b, 76b des ersten und zweiten Zählers 74, 76 zuführt.

Das Verfahren, nach welchem die elektronische Steuerungs- und Meßeinrichtung 20 die Strömungsgeschwindigkeit V des Volumenstro­ mes J im Rohr 4 bestimmt, wird nachfolgend anhand des in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramms sowie der in Fig. 4 gezeigten elektroni­ schen Schaltung beschrieben.

Nach dem Start des Meßvorgangs in Stufe 100 sendet die Steuerungs- und Meßvorrichtung 20 in Stufe 110 über die in Fig. 4 gezeigte Steuer­ leitung 82 ein Signal an die ersten und zweiten Hochspannungserzeuger 42, 44, welches diese veranlaßt, auf der ersten und zweiten Funken­ strecke 25, 27 jeweils einen elektrischen Funkenüberschlag zu generieren. Aus den Funkenüberschlägen werden dann zu im wesent­ lichen gleichen Zeitpunkten die ersten und zweiten Schallsignale 8, 12, erzeugt, die sich in Richtung zu den zugehörigen ersten und zweiten Umlenkspiegeln 14, 22 hin als im wesentlichen ebene Schallwellen ausbreiten, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallsignale aufgrund ihrer explosionsartigen Entstehung und ihrer Größe anfäng­ lich größer ist als die Schallgeschwindigkeit c im gasförmigen Medium.

Im Anschluß daran legt der Mikroprozessor 72 in Stufe 120 eine vorgegebene Warteschleife ein, bis die ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 kurz vor den ersten und zweiten Umlenkspiegeln 14, 22, bzw. den zweiten und ersten, in den Umlenkspiegeln 14, 22 angeordneten Schallempfängern 24, 18 angelangt sind. Die Länge der Warteschleife hängt von der Entfernung zwischen den Funkenstrecken 25, 27 und den zugehörigen Empfängern 24, 18 ab und ist vorzugsweise softwaremäßig einstellbar. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Abstand zwischen Funkenstrecke 27, 25 und zugehörigem Schallempfänger 18, 24 beispielsweise ca. 5-7 cm beträgt, liegt die Zeitdauer im Bereich von 100 bis 150 µs. Die Warteschleife in Stufe 120 dient dazu, eine Störung der Messung durch Störsignale zu minimieren, die zwischen dem Aussenden eines Schallsignals 8, 12 an der Funkenstrecke 25, 27 und dem Eintreffen desselben am zugehörigen Schallempfänger 24, 18 auftreten können.

In einer nächsten Stufe 130 aktiviert der Mikroprozessor 72 den ersten und zweiten Trigger 66, 68. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß ein Triggerschwellensignal vorbestimmter Größe an die zweiten Eingänge 66b und 68b des ersten und zweiten Triggers 66, 68 anlegt wird. Die kurze Zeit darauf auf den zweiten und ersten Schallempfänger 24, 18 auftreffenden ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 werden dann von den Schallempfängern in entsprechende zweite und erste elektronische Signale umgewandelt, die dem ersten und zweiten Trigger 66, 68 zugeführt werden. Da die ersten und zweiten Schallsignale aufgrund ihrer Größe die vom Mikroprozessor 72 gesetze Triggerschwelle an den zweiten Eingängen 66b, 68b der Trigger 66, 68 übersteigen, schalten die Trigger 66, 68 durch und führen den Eingängen 74a, 76a des ersten und zweiten Zählers 74, 76 entsprechende Startsignale zu, wodurch diese beginnen, die Anzahl der Pulse des Taktgebers 80 zu zählen.

Als nächstes weist der Mikroprozessor 72 den Multiplexer 60 in Stufe 140 beispielsweise durch Anlegen eines entsprechenden Steuersignals an den Steuereingang 60c des Multiplexers an, den ersten Eingang 60a des Multiplexers 60 mit dessen erstem Ausgang 60d und den zweiten Eingang 60b des Multiplexers 60 mit dessen zweitem Ausgang 60e zu verbinden. Hierdurch werden Signale des ersten Schallempfängers 18 dem zweiten Trigger 68 und Signale des zweiten Schallempfängers 24 dem ersten Trigger 66 zugeführt.

In der sich anschließenden Stufe 150 legt der Mikroprozessor 72 eine weitere vorgegebene Warteschleife ein, bis die ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 kurz vor dem ersten und zweiten Schallempfänger 18, 24 angelangt sind. Die Länge der Warteschleife ist vorzugsweise einstellbar und beträgt bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Abstand zwischen den Umlenkspiegeln 14, 22 in etwa 20 cm beträgt, ca. 600 µs. In gleicher Weise, wie zuvor in Zusammenhang mit Stufe 120 beschrieben, dient die weitere Warteschleife des Mikroprozessors 72 dazu, eventuell auftretende Störsignale zu eliminieren, wie sie z. B. von einem Verbrennungsmotor, dessen Abgasstrom untersucht werden soll, erzeugt werden können. Durch den Einsatz von vorgegebenen Warteschleifen in den Stufen 120 und 140 lassen sich daher die Störsicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sowie die Meßgenauigkeit derselben erheblich verbessern. Der Einsatz einer Warteschleife in den Stufen 120 und 140 ist jedoch nicht zwingend erforderlich.

In einer sich an die Stufe 150 anschließenden Stufe 160 weist der Mikroprozessor 72 den Multiplexer 60 durch Zuführen eines entsprechenden Steuersignals am Steuereingang 60c des Multiplexers 60 an, den zweiten Eingang 60b des Multiplexers 60 mit dem ersten Ausgang 60d desselben und den ersten Eingang 60a des Multiplexers 60 mit dem zweiten Ausgang 60e desselben zu verbinden, so daß die Signale des ersten Empfängers 18 dem ersten Trigger 66 und die Signale des zweiten Empfängers 24 dem zweiten Trigger 68 zugeführt werden. Die kurze Zeit darauf vom ersten und zweiten Empfänger 18, 24 nach Durchlaufen des Volumenstromes J empfangenen ersten und zweiten Schallsignale 8, 12 und die damit einhergehenden elektronischen Signale werden vom ersten und zweiten Trigger 66, 68 mit den an deren zweiten Eingängen 66b, 68b anliegenden Schwellenwert-Signalen verglichen und führen aufgrund ihrer Größe dazu, daß der erste und zweite Trigger 66, 68 durchschaltet und den ersten Eingängen 74a und 76a des ersten und zweiten Zählers 74, 76 ein jeweiliges Stoppsignal zuführt, welches den Zählvorgang des jeweiligen Zählers 74, 76 beendet.

In einer weiteren Stufe 170 liest der Mikroprozessor 72 die den gemessenen Laufzeiten T+ und T- entsprechenden Werte des ersten und zweiten Zählers 74, 76 aus und bestimmt aus diesen den Volumenstrom J im Rohr 4. Die Bestimmung kann dabei beispielsweise durch Umrechnen der Werte der ersten und zweiten Zähler 74, 76 in unmittelbare Werte für die Laufdauern T+ und T- und Einsetzen derselben in die zuvor beschriebene Formel erfolgen. Hierbei ist jedoch vorgesehen, den Wert für den Volumenstrom J unmittelbar dadurch zu bestimmen, daß der Mikroprozessor 72 die Werte der Zähler 74, 76 mit in einem Speicher beispielsweise in Form einer Wertetabelle abgelegten Werten für den Zählerstand und den zugehörigen, durch Kalibration bestimmten Werten für den Volumenstrom J vergleicht.

In einer weiteren Stufe 180 springt der Mikroprozessor 72 dann zur Stufe 110 zurück, falls die Messung nicht beendet wird, wobei es beispielsweise ebenfalls vorgesehen sein kann, daß die ersten und zweiten Zähler 74, 76 wieder auf null zurückgesetzt werden.

Schließlich kann es vorgesehen sein, daß die gemessenen Werte für die Laufzeiten T₊, T_-, bzw. die diesen entsprechenden Werte der ersten und zweiten Zähler 74, 76 mit einem Korrekturwert korrigiert werden, welcher die zwar geringe, jedoch nicht vernachlässigbare Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit c von der nicht stets konstanten Amplituden­ größe der Schallsignale berücksichtigt, die zu einem Meßfehler von bis zu 0,15% führen kann. Hierzu werden die Amplituden des ersten einlaufenden Schallpulses des ersten und zweiten Schallsignals 8, 12 durch die zweiten und ersten Schallempfänger 24, 18 gemessen. Die gemessenen Amplitudenwerte werden dann z. B. mit Werten für die Amplitude verglichen, die zusammen mit ihren zugehörigen, durch Kalibration bestimmten Korrekturwerten als Tabelle in einem Speicher der Steuerungs- und Meßeinrichtung 20 abgelegt sind. Durch Addition der Korrekturwerte zu den zuvor bestimmten Laufzeiten T₊, T_-, bzw. den aus den Zählern 74, 76 ausgelesenen Werten, werden dann die neuen korrigierten Werte bestimmt und mit Hilfe von diesen der korrigierte Wert für den Volumenstrom J ermittelt.

Obwohl bei der Vorrichtung 1 ein eine Funkenstrecke 25, 27 enthaltender erster und zweiter Schallsender 6, 10 eingesetzt wird, kann es ebenfalls vorgesehen sein, einen herkömmlichen Schallerzeuger, z. B. in Form eines Piezokristalls oder eines herkömmlichen Lautsprechers zu verwenden. Auch kann es vorgesehen sein, die Schallempfänger als herkömmliche Mikrophone oder aber als Glimmentladungsstrecken auszubilden, bei denen die Schallsignale durch Messen der Änderungen des Glimmentladungsstromes und/oder des von der Glimmentladungsstrecke ausgesandten Lichts in elektrische Signale überführt werden.

Obwohl die Vorrichtung und das Funktionsprinzip zuvor am Beispiel der Bestimmung des Volumenstromes J von Abgasen in einem von diesen durchströmten Rohrquerschnitt beschrieben wurde, ist das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip hierauf nicht beschränkt.

So ist es in gleicher Weise denkbar, das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip und die der Erfindung zugrundeliegende Vorrichtung ebenso zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit V von Gasen allgemein, z. B. in Abluftsytemen, in der Analysetechnik, zur Messung der Windge­ schwindigkeit, zur Bestimmung der Austrittsgeschwindigkeit von Treib­ gasen aus Strahltriebwerken, in physikalischen Experimenten etc., zu verwenden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur zeitlich hochauflösenden Messung des Volumenstromes eines gasförmigen Mediums in einem von diesem Medium durchströmten Rohr mit einem ersten Schallsender zur Erzeugung von ersten Schallsignalen, welche das Rohr entlang einer vorbestimmten, im Winkel zum Volumenstrom angeordneten Strecke von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Strecke hin durchlaufen, mit einem zweiten Schallsender zur Erzeugung von zweiten Schallsignalen, welche die vorgegebene Strecke vom zweiten Ende aus zum ersten Ende hin durchlaufen, mit ersten und zweiten Schallempfängern zum Empfang der ersten und zweiten Schallsignale nach Durchlaufen der Strecke und Überführung derselben in erste und zweite elektronische Signale sowie mit einer Steuerungs- und Auswerteinrichtung, welche die Laufzeiten der ersten und zweiten Schallsignale mit Hilfe der ersten und zweiten elektronischen Signale bestimmt und mit Hilfe von diesen die Geschwindigkeit des Volumenstromes ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schallsender (6) und der zweite Schallempfänger (24) in der Weise zueinander angeordnet sind, daß zumindest ein Teil der ersten Schallsignale (8) vor dem Durchlaufen der Strecke (16) auf den zweiten Schallempfänger (24) trifft und dort ein erstes Triggersignal erzeugt, welches von der Steuerungs- und Auswerteinrichtung (20) zur Bestimmung der Laufzeit (T₊, T_-) der ersten Schallsignale (8) herangezogen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schallsender (10) und der erste Schallempfänger (18) in der Weise zueinander angeordnet sind, daß ein Teil der zweiten Schallsignale (12) vor dem Durchlaufen der Strecke (16) auf den ersten Schallempfänger (18) trifft und dort ein zweites Triggersignal erzeugt, welches von der Steuerungs- und Auswerteinrichtung (20) zur Bestimmung der Laufzeit (T₊, T_-) der zweiten Schallsignale (12) herangezogen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Umlenkspiegel (14) im Abstand vom ersten Schallsender (6) vorgesehen ist, der die ersten Schallsignale (8) in Richtung zum ersten Schallempfänger (18) hin umlenkt und daß der zweite Schallempfänger (24) innerhalb der Reflexionsebene des ersten Umlenkspiegels (14) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umlenkspiegel (14) durch einen Parabolspiegel gebildet wird und der erste Schallsender (6) im Fokus des ersten Umlenkspiegels (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Umlenkspiegel (22) im Abstand vom zweiten Schallsender (10) vorgesehen ist, der die zweiten Schallsignale (12) in Richtung des zweiten Schallempfängers (24) hin umlenkt und daß der erste Schallempfänger (18) innerhalb der Reflexionsebene des zweiten Umlenkspiegels (22) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umlenkspiegel (22) durch einen Parabolspiegel gebildet wird und der zweite Schallsender (10) im Fokus des zweiten Umlenkspiegels (22) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten und/oder zweiten Ende der durchlaufenen Strecke (16) Gitternetze (52, 54) vorgesehen sind, welche für die verwendeten Schallsignale (8, 12) durchlässig sind, für den Volumenstrom (J) hingegen eine Barriere bilden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Schallsender (6, 10) durch eine elektrische Funkenstrecke (25, 27) gebildet wird, auf welcher die Schallsignale (8, 12) durch einen Funkenüberschlag erzeugt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Funkenstrecke (25, 27) eine erste und zweite Elektrode (26a, 26b; 28a, 28b) aufweist, deren Elektrodenspitzen (38a, 38b) unterhalb einer zwischen den Elektroden (26a, 26b; 28a, 28b) gebildeten Entladungsebene (40) angeordnet sind, in der Weise, daß eine definierte Funkenentladung ausschließlich über die Entladungsebene (40) hinweg erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff, aus welchem die Entladungsebene (40) gebildet ist, aus Quarz besteht oder solchen enthält.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden (26a, 26b; 28a, 28b) der Funkenstrecke (25, 27) als federbelastete (30a, 30b) Elektrode ausgebildet ist, deren Elektrodenspitze (38a, 38b) an einem Vorsprung (32a, 32b) aus Isolatormaterial anliegt, in der Weise, daß bei einem Abbrand der Elektrodenspitze (38a, 38b) automatisch ein Nachschub an Elektrodenmaterial erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Schallsender (6) und dem zweiten Schallempfänger (24) und/oder zwischen dem zeiten Schallsender (10) und dem ersten Schallempfänger (18) ein Gitter (50) angeordnet ist, welches für die erzeugten Schallsignale (8, 12) durchlässig ist, für den gasförmigen Volumenstrom (J) hingegen eine Barriere darstellt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Gitter (50) und dem Schallsender (6, 10) mit einem Spülmedium (2) beaufschlagt wird.