DE3036457A1

DE3036457A1 - Ultraschall-messanordnung zur differential-durchflussmessung, insbesondere zur kraftstoffverbrauchsmessung in kraftfahrzeugen mit einer kraftstoff-ruecklaufleitung

Info

Publication number: DE3036457A1
Application number: DE19803036457
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1982-05-13
Also published as: JPS5794616A; DE3036457C2; US4409847A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA

P 7 H. 6 OE.

Ultraschall-Meßanordnung zur Differential-Durchflußmessung, insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsmessung in Kraftfahrzeugen mit einer Kraftstoff-Rücklaufleitung - -

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßan-Ordnung zur Differential-Durchflußmessung, insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsmessung in Kraftfahrzeugen mit einer Kraftstoff-Rücklaufleitung.

Bei Kraftfahrzeugen ist die Ermittlung des momentanen KraftstoffVerbrauches von Interesse. Zur Messung des Kraftstoffverbrauches werden herkömmlicherweise Turbinendurchflußmesser eingesetzt, die magnetisch oder optisch abgetastet werden. Es sind auch bereits Ultraschallverfahren für die Messung des Kraftstoffverbrauches vorgeschlagen worden. 20

Eine Schwierigkeit für die Anwendung bekannter Meßanordnunggen zur Messung des Kraftstoffverbrauches besteht bei solchen Kraftfahrzeugen, bei denen vor dem Vergaser eine Kraftstoff-Rücklaufleitung angeordnet ist. Hier muß der Verbrauch als Differenz von Vor- und Rücklauf gebildet werden. Dazu werden herkömmlicherweise zwei separate Durchflußgeber und eine elektronische Einrichtung zur Differenzbildung benötigt, vergl.

Pap ,

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beispielsweise "Neuartiger Turbo-Sensor mißt Benzinverbrauch", "Elektronik" -(1979), H. 24, S. 24. Abgesehen von dem Aufwand ist dabei nachteilig, daß sich die Fehler der gemessenen Vor- und Rücklaufgeschwindigkeiten im ungünstigen Fall addieren, was insbesondere bei kleinen Verbrauchswerten (Differenz zweier fast gleicher Größen) zu hohen relativen Fehlarn führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,eine zuverlässige und wartungsarme Meßanordnung zu schaffen, die wenig aufwendig betreffend die Kosten, insbesondere jedoch den Platzbedarf, ist und bei der sich tolaranzbedingte Meßfehler nicht addieren können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Ultraschall-Meßanordnung zur Differential-Durchflußmessung, insbesondere zur KraftstoffVerbrauchsmessung in Kraftfahrzeugen mit einer zwischen dem Vergaser oder dar Einspritzpumpe und dem Kraftstofftank verlaufenden Kraftstoff-Rücklauf Leitung, gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Ultraschallmeßstrecke derart angeordnet ist, daß Ultraschallwellen von einem ersten Ultraschallwandler zu einem zweiten Ultraschallwandler oder umgekehrt nacheinander in einem Rohrsystem gleich lange Wege in einer ersten Ultraschallausbreitungsrichtung in Richtung mit einer Vorlaufströmung und gegen οine Rücklaufströmung und in einer zweiten Ultraschallausbreitungsrichtung in Richtung mit der Rücklaufströmung und gegen die Vorlaufströmung durchlaufen, daß das Rohrsystem derart ausgebildet ist, daß die Flüssigkeitsströme, deren Durchflußmengen zu messen sind, durch eine ultraschalldurchlässige Wand in den Ultraschallwellen-Ausbreitungswegen voneinander getrennt sind und daß die jeweiligen Ultraschallwandler-Ausgangsslgnale zum Bestimmen des Flüssigkeitsverbrauches je Zeiteinheit einer Differenzbildung unterzogen werden.

Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, daß eine einfach·*, wartungsarme Meßanordnung mit ©Lrmr g©<jenUb».r bekannten Meßanordnungen der genannten Art erhöhten Meßgenauigkeit

V-

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geschaffen worden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. 5

Im folgenden wird die Erfindung an Hand mehrerer, den Stand der Technik und Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.

Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung einer bekannten Meßanordnung für den Kraftstoffverbrauch mit einem Tank T, einer Kraftstoffpumpe P, einer Meßeinrichtung M und einem Vergaser V.

Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung einer bekannten Meßanordnung für den Kraftstoffverbrauch für Kraftfahrzeuge, die eine Kraftstoffvorlaufleitung VL und eine Kraftstoffrücklaufleitung RL mit in diese eingefügten .separaten Meßeinrichtungen MVL bzw. MRL aufweisen.

Fig.3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.

Fig.4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.

Fig.5 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.

In einer Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung nach einem der bekannten Schallmitführungsprinzipien, ^ergl. beispielsweise Bonfig, K.W.: "Technische Durchflußmessung", Vulkan-Verlag (1977), S. 131-138, wird die Schallmeßstrecke derart angeordnet, daß die von dem Ultraschallwandler 1 zu dem Ultraschallwandler 2 oder umgekehrt laufenden Ultraschallwellen nacheinander gleich lange Wege in der Vorlaufströmung und in der Rücklaufströmung durchlaufen. Die Trennung der beiden Wege.

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erfolgt durch eine ultraschalldurchlässige Zwischenwand. Die Querschnitte der Vorlauf- und Rücklaufleitung müssen selbstverständlich gleich groß sein. In diesem Falle ergibt sich auf dem Weg von dem Wandler 1 zu dem Wandler 2 eine andere Laufzeit als in umgekehrter Richtung, sofern die Vor- und Rücklaufgeschwindigkeit unterschiedlich sind.

Bei der Messung an "einsinnigen" Strömungen entsprechen den Reziprokwerten der Laufzeiten der beiden unterschiedlichen Richtungen Frequenzen, die sich als sogenannte "Sing-Around"-Frequenzen beim "Sing-Around"-Verfahren und dessen Varianten vergl. Bonfig, K.W.: "Technische Durchflußmessung", Vulkan-Verlag (1977), S. 131-138 und Müller, H.: "Ultraschall-Durchflußmesser für das Erfassen auberer und hochverschmutzter Flüssigkeiten" in "Technisches Messen" (1979), H.3, S. 113-116, oder als "Einrast"-Frequenzen beim "Lambda-Locked-Loop"-Verfahren, vergl. Deutsche Patentanmeldung P 28 28 937.4, automatisch ergeben. Die Differenz dieser beiden Frequenzen ist bei der einfachen Ultraschall-Strömungsmessung (d. h. bei der Messung an einsinnig fließenden Flüssigkeiten) unabhängig von der Schallgeschwindigkeit des strömenden Mediums dessen Strömungsgeschwindigkeit proportional. Für die Strömungsgeschwindigkeit gilt:

v= KAf

mit ν = Strömungsgeschwindigkeit,

K = Apparatekonstante (von geometrischen Abmessungen und vom Verfahren 3ü abhängig) und

Af = Frequenzdifferenz.

Mit dar ürf indungsgamäßan Dl££©rtmtialmolJkanun©r laasen sich die Ultraschallmeßverfahren direkt zur Messung der Differenz aus Vor- und Rücklaufzeit einsetzen. Hierbei gilt:

mit V = Verbrauch/Zeiteinheit, V₁ = Vorlaufgeschwindigkeit, v~ = Rücklaufgeschwindigkeit, K' = Apparatekonstante und Af = Frequenzdifferenz.

Dies bedeutet - formal praktisch identisch mit der einfachen-Ultraschall-Strömungsmessung -, daß die Differenz aus Vor- und Rücklaufgeschwindigkeit bis auf einen Störterm einer Frequenzdifferenz porportional ist. Dieser bei der erfindungsgemäßen Differenzmessung auftretende Störterm enthält das Quadrat der Schallgeschwindigkeit und die (von der Messung nicht erfaßten) Vorlauf- und Rücklaufgeschwindigkeiten. Für den daraus zu erwartenden maximalen Fehler gilt folgende Ab-

Schätzung: . ■

lass,.

mit F = maximaler prinzipbedingter Fehler

max

und

v. =maximale Vorlaufgeschwindigkeit. , 25

Im Falle der KraftstoffVerbrauchsmessung bedeutet dies, daß selbst bei einer angenommenen Vorlaufgeschwindigkeit von 1m/sec {= 1001/h bei 6mm Rohrnennweite) ein maximaler zusätzlicher

—6
systembedingter Fehler von <10 auftritt. Das heißt, daß durch das Prinzip der erfindungsgemäßen Ultraschall-Differential-Strömungsmessung bei der Kraftstoffverbrauchsmessung kein zusätzlicher systembedingter Fehlereinfluß berücksichtigt werden muß, durch das Differenzverfahren der Aufwand an Wandlern und elektronischen Schaltungen jedoch erheblich (fast um den Faktor 2) vermindert wird.

Fig.3 zeigt, wie bereits erläutert, schematisch ein erstes

8OP 7 H BDE

Ausführungsbeispiel für ein Rohrsystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist vorgesehen, daß zwei Rohre achsengleich zueinander und direkt an einer vorzugsweise um 45° gegen die Achse geneigte Endschräge zusammenstoßend hintereinander angeordnet sind. Jeweils das außenliegende Ende jedes der beiden Rohre ist mit einem ersten bzw. zweiten Ultraschallwandler 1 bzw. 2 abgeschlossen. Jedes der beiden Rohre hat an seinem äußeren Ende einen vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigten Einlaßstutzen und an seinem anderen Ende, nämlich an dem Ende, an dem es mit dem jeweils anderen Rohr zusammenstößt, einen ebenfalls vorzugsweise um 45° geneigten Auslaßstutzen. Die erste Ultraschallausbreitungsrichtung 3 verläuft von dem ersten Ultraschallwandler 1 in Richtung auf den zweiten Ultraschallwandler 2. Die zweite Ultraschallausbreitungsrichtung 4 verläuft umgekehrt dazu. Die Vorlaufströmung 5, verläuft von dem Einlaßstutzen zu dem Auslaßstutzen des mit dem ersten Ultraschallwandler 1 abgeschlossenen Rohres. Die Rücklaufströmung 6 verläuft von dem Einlaßstutzen zu dem Auslaßstutzen des mit dem zweiten Ultraschallwandler 2 abgeschlossenen Rohres. Die beiden Rohre sind an ihren abgeschrägten Stoßstellen durch eine ultraschalldurchlässige Wand 7 voneinander getrennt.

Diese Anordnung ist besonders für Anwendungsbereiche geeignet, bei denen kleine Mengen von Flüssigkeit durch Rohre kleinen Querschnitts mit geringer Strömungsgeschwindigkeit fließen.

Fig.4 zeigt, wie bereits erläutert, ein zweites Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung, bei dem die beiden Rohre nicht hintereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind, und bei der die beiden Rohre über eine bestimmte Strekke hinweg aneinanderstoßend und durch eine ultraschalldurchlässige Wand 7' voneinander getrennt angeordnet sind. Die Ultraschallmeßstrecke ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, daß ein erster, vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigter und durch einen ersten Ultraschallwandler 1' abgeschlossener Meßstutzen in dem Vorlaufrohr und ein zwei-

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ter, vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigter, koaxial mit dem ersten Meßstutzen angeordneter und durch einen zweiten Ultraschallwandler 2' abgeschlossener .Meßstutzen vorgesehen ist. Die erste Ultraschallausbreitungsrichtung 3' und die zweite Ultraschallausbreitungsrichtung 4' verlaufen in diesem Ausführungsbeispiel unter dem genannten. Neigungswinkel von vorzugsweise 45° durch die Vqrlaufströmung 5' und die Rücklaufströmung 6'.

Diese Anordnung ist besonders für Anwendungsbereiche geeignet, bei denen große Mengen von Flüssigkeit durch Rohre mit großen Querschnitten fließen. Es ist jedoch jeweils ein bestimmter vorgegebener Mindestquerschnitt der Rohre erforderlich, damit die Ultraschall-Meßstrecke eine erforderliche Mindestlänge aufweist.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in Fig.5 gezeigt, bei dem die beiden Rohre achsenparallel zueinander angeordnet und durch einen vorzugsweise zylindrischen schallführenden Koppelkörper 8, der jeweils an Meßausschnitte in den Rohrwandungen angesetzt ist, verbunden sind. Die Anordnung ist derart ausgebildet, daß sich die beiden Ultraschallwandler 1", 2" koaxial gegenüberstehen. Der Koppelkörper 8 kann auch rohrförmig ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die Meßausschnitte in den Rohrwandungen jeweils mit einer "Trennwand abgeschlossen sind.

Die Trennwand 7 bzw. 7' kann als Blech oder als eine Platte aus einem nichtmetallischen Material bestehen. In jedem Fall sollte für eine optimale Ultraschall-Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Material für die Trennwand 7 bzw. 7' verwendet werden, das die gleiche akustische Impedanz (Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit) wie die durchströmende Flüssigkeit hat.

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Die Kombination des erfindungsgemäßen Prinzipes mit dem "Lambda-

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Locked-Loop"-Verfahren ist zwar bei kleinen Nennweiten und kleinen Strömungsgeschwindigkeiten besonders vorteilhaft, schließt jedoch seine Kombination mit den anderen Ultraschall-Durchflußmeßverfahren nicht aus.
5

Es kann vorteilhaft sein, die jeweiligen Ausgangssignale der Ultraschallwandler 1 bzw. 2 vor deren Verarbeitung zum Bestimmen des Flüssigkeitsverbrauches je Zeiteinheit unterschiedlich zu wichten.
10

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Querschnitte der beiden Rohre zumindest im Bereich der Ultraschall-Meßanordnung gleich groß sind.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Meßanordnung ist nicht auf die Kraftstoffverbrauchsmosüung beschränkt. Sie 1st auch in anderen Fällen, in denen das Verhältnis von maximaler Strömungstjeaehwindicjkelfc und Schallgeschwindigkeit Un Nahmen dor erforderlichen Meßgenauigkeit klein ist, zur Messung von Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen vorteilhaft anzuwenden. Eine vorteilhafte Anwendung ist beispielsweise auch für die Messung des Warmwasserverbrauches in Gebäuden gegeben. Ferner kann vorteilhaft der Verbrauch von Tndustrieflüssigkeiten abmessen werden.

9 Patentansprüche
5 Figuren

ORIGINAL

Claims

ι» « a* <* · β β

8OP 7 1*606

Patentansprüche:

Ultraschall-Meßanordnung zur Differential-Durchflußmessung, insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsmessung in Kraftfahrzeugen mit einer zwischen dem Vergaser oder der Einspritzpumpe und dem Kraftstofftank verlaufenden Kraftstoffrücklaufleitung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Ultraschallmeßstrecke derart angeordnet ist, daß Ultraschallwellen von einem ersten Ultraschallwandler (1 bzw. 1') zu einem zweiten Ultraschallwandler (2 bzw. 2') oder umgekehrt nacheinander in einem Rohrsystem gleich lange Wege in einer ersten Ultraschall· ausbreitungsrichtung (3 bzw. 3') in Richtung mit einer Vorlaufströmung (5 bzw. 5').und gegen eine Rücklaufströmung (6 bzw. 6') und in einer zweiten Ultraschallausbreitungsrichtung (4 bzw. 4') in Richtung mit der Rücklaufströmung (6 bzw. 6') und gegen die Vorlaufströmung (5 bzw. 5') durchlaufen, daß das Rohrsystem derart ausgebildet ist, daß die Flüssigkeitsströme, deren Durchflußmengen zu messen sind, durch eine ultraschalldurchlässige Wand (7 bzw. 7') in den Ultraschallwellen- Ausbreitungswegen voneinander getrennt sind und daß die jeweiligen Ultraschallwandler-Ausgangssignale zum Bestimmen des Flussigkeitsverbrauch.es je Zeiteinheit einer Differenzbildung unterzogen werden.
2. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zum Erzeugen von Eingangssigna- len für den ersten Ultraschallwandler (1) bzw. den zweiten Ultraschallwandler (2) eine Lambda-Locked-Loop (XLL)-Anordnung vorgesehen ist.
3. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangssignale des ersten Ultraschallwahdlers (1) und des zweiten Ultraschallwandlers (2) zum Bestimmen des Flüssigkeitsverbrauches je Zeiteinheit unterschiedlich gewichtet werden.
4. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -

ORIGINAL INSPECTED

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kennzeichnet , daß das die Vorlaufströmung (5) führende Rohr und das die Rücklaufströmung (6) führende Rohr achsengleich zueinander und direkt an einer vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigte Endschräge zusammenstoßend hintereinander angeordnet sind, daß jeweils das außenliegende Ende jedes der beiden Rohre mit dem ersten Ultraschallwandler (1) bzw. dem zweiten Ultraschallwandler (2) abgeschlossen ist, daß jedes der beiden Rohre an seinem äußeren Ende einen vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigten Einlaßstutzen und an seinem anderen Ende, nämlich an dem Ende, an dem es mit dem jeweils anderen Rohr zusammenstößt, einen ebenfalls vorzugsweise um 45° geneigten Auslaßstutzen hat und daß die Trennwand (7) in der Stoßstelle zwischen beiden Rohren angeordnet ist.
5. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Vorlaufströmung (5') führende Rohr und das die Rücklaufströmung (6') führende Rohr achsenparallel nebeneinander und aneinanderstoßend angeordnet sind, daß die jeweilige Rohrwandung in dem Bereich der Meßstrecke fehlt und durch die Trennwand (7') ersetzt ist,, daß an jedem der beiden Rohre ein vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigter Meßstutzen derart angebracht ist, daß die Achsen dieser Meßstutzen hintereinander liegen, und daß jeder der Meßstutzen mit dem ersten bzw.. zweiten Ultraschallwandler (1'bzw. 2') abgeschlossen ist.
6. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das die Vorlaufströmung (5") führende Rohr und das die Rücklaufströmung (6") führende Rohr achsenparallel zueinander angeordnet sind, daß jedes der beiden Rohre einen vorzugsweise um 45° gegen die Rohrachse geneigten Meßstutzen hat, der mit dem ersten bzw. zweiten Ultraschallwandler (1" bzw. 2") abgeschlossen ist, daß jedes der beiden Rohre einen in bezug auf den Meßstutzen achsenrichtig angeordneten Meßausschnitt in der Rohrwandung aufweist und daß die beiden Rohre derart mit einem vorzugsweise zylindri-

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3 ■vrT- 80 P 7 H 6 DE

sehen schallführenden Koppelkörper (8) miteinander verbunden sind, daß sich die ültraschallwandler (1", 2") koaxial gegenüberstehen.
7. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der schallführende Koppelkörper (8) rohrförmig ist und daß die Meßausschnitte in den Rohrwandungen jeweils durch eine Trennwand abgeschlossen sind.
8. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 4,5.oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Trennwand (7 bzw. 7') aus einem Material besteht, das die gleiche akustische Impedanz wie die durchströmende Flüssigkeit hat.
9. Ultraschall-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnitte der beiden Rohre zumindest im Bereich der Ultraschall-Meßanordnung gleich groß sind.