DE3225690C2

DE3225690C2 -

Info

Publication number: DE3225690C2
Application number: DE3225690A
Authority: DE
Inventors: Ermanno Ansaldi; Stefano Turin/Torino It Re Fiorentin
Original assignee: Weber SRL
Current assignee: Weber SRL
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1992-04-09
Also published as: US4475406A; FR2509460B1; IT8167961A0; IT1144295B; FR2509460A1; DE3225690A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Strömungsmittels in einer Leitung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 34 73 378 bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind in der Wandung der Leitung zwei elektroakustische Wandler entlang einer Geraden im Abstand voneinander angeordnet, die schräg zur Achse der Leitung geneigt ist. Die Wandler setzen jeweils abwechselnd und zyklisch während eines ersten Zyklusabschnittes ein aus einem Oszillator an sie angelegtes elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle um und wandeln während eines zweiten Zyklusabschnittes eine von dem jeweils anderen Wandler herkommende, das Strömungsmittel durchquerende Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal um. Die von den Wandlern abgegebenen elektrischen Signale werden einem Phasendiskriminator zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators wird durch eine Auswerteschaltung ausgewertet, die eine Anzeigeeinrichtung ansteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der oben angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß sie über eine gesteigerte Meßgenauigkeit verfügt und sich besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Messen des Luftdurchsatzes von Motoren mit direkter Einspritzung eignet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine dieser Weiterbildungen besteht darin, daß ein Kollimatorelement in der Leitung angeordnet ist, welches deren Querschnitt einnimmt und in Strömungsrichtung vor den Wandlern angeordnet ist. Dieses Kollimatorelement weist zahlreiche, parallel zur Achse der Leitung verlaufende Durchgangsöffnungen oder Kanäle auf. Dieser Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim Einsatz der Meßvorrichtung in Kraftfahrzeugen zum Messen des Luftdurchsatzes von Motoren mit direkter Einspritzung die Werte des zu messenden Massendurchsatzes typischerweise zwischen 0 und 150 g in der Sekunde liegen und sich unvorhergesehen plötzlich ändern können. Es besteht ein guter Zusammenhang zwischen der Abweichung der Phase der Ultraschallwellen und dem Massendurchsatz der Luft nur dann, wenn eine geringe, stationäre Strömung (20 g/s) vorliegt. Diese Bedingung ist nicht mehr zuverlässig erfüllt, wenn die Strömung im Inneren der Leitung turbulent ist und die Radialkomponenten proportional wesentlich größer sind als die Axialkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren. Die Kollimatoreinrichtung schafft hier Abhilfe.

Es ist an sich bereits aus der US-PS 40 80 837 bekannt gewesen, bei einer Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Strömungsmittels durch ein Meßrohr mittels Ultraschallwellen eine Kollimatoreirichtung in Strömungsrichtung vor den Wandlern anzuordnen. Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch zur Strömungsmessung eines Öl-Wasser-Gemisches vorgesehen und beruht auf der Auswertung von Frequenzdifferenzen.

Weitere Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführugsbeispiele darstellenden, zum Teil schematisch vereinfachten Figuren beschrieben. In diesen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und es sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Einzelheiten fortgelassen worden. Es zeigt

Fig. 1 die vektorielle Darstellung der Geschwindigkeit des Strömungsmittels in einer Meßröhre und der Ausbreitungsgeschwindigkeit zweier Ultraschallwellen in jener Meßröhre,

Fig. 2 ein Schema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zusammen mit einem Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der an verschiedenen Meßpunkten des Blockschaltbildes von Fig. 2 entnommenen Signale,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von schräg oben einer bevorzugten Ausführungsform eines bestimmten Teiles der Meßvorrichtung von Fig. 2.

In Fig. 1 ist schematisch die Wechselwirkung zwischen einem mit der Geschwindigkeit sich bewegenden Strömungsmittel 5 und zwei Ultraschallwellen 3, 4 dargestellt, die von zwei Wandlern 1, 2 erzeugt werden, deren beide Wandler verbindende Linie einen Winkel ϑ mit der Fließrichtung der Strömungsmittel bildet. Jeder der zwei Wandler 1, 2 ist derart ausgebildet, daß jeder einen Teil der vom anderen Wandler erzeugten und längs dieser die beiden Wandler verbindenden Linie abgestrahlten Ultraschallwelle empfangen kann. Die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der Ultraschallwelle 3 bzw. 4 könnte aus dem in dieser Figur dargestellten Vektordiagramm entnommen sein, dessen kreisförmiger Verlauf (durch gestrichelte Linie dargestellt) als Radius den Betrag der Schallgeschwindigkeit in dem Strömungsmittel in der dargestellten Ansicht hat.

In Fig. 2 ist eine insgesamt mit 33 bezeichnete Meßvorrichtung zur Messung des Strömungsmitteldurchflusses beim Durchgang durch das Innere der Meßröhre 6, genaugenommen vom Eingangsbereich 6a bis zum Ausgangsbereich 6b, dargestellt.

Die Meßvorrichtung 33 enthält im wesentlichen ein Strömungsmeßgerät 11 der die Meßröhre 6 durchlaufenden Meßflüssigkeit, eine Übertragungseinheit 12, eine Eingangs- und Auswerteeinheit 14 und eine Zeitsteuereinheit 13.

In dem Strömugsmeßerät 11 sind das Paar elektroakustische Wandler 1, 2 (s. Fig. 1) enthalten, von denen jeder in der Wand 7 eines die Meßröhre 6 bildenden Rohres 8 angeordnet ist. Die Wandler 1, 2 sind gegenüberliegend mit einer geneigten Achse angeordnet, die um einen vorgegebenen Winkel (vorteilhaft der Winkel ϑ in Fig. 1) in bezug auf die Achse der Meßröhre 6 geneigt ist. Das Strömungsmeßgerät 11 enthält ein Kollimatorelement 9 (besser beschrieben in der Ausführungsform der Fig. 4), das den Querschnitt einer Zone 10 der Meßröhre 6 einnimmt, die zwischen dem Eingangsbereich 6a und dem Ausgangsbereich 6b der Meßröhre 6, jedoch in Strömungsrichtung vor dem Paar der elektroakustischen Wandler 1, 2 liegt.

Die Übertragungseinheit 12 enthält nacheinander in Kaskadenschaltung verbunden einen Oszillator 22 und einen Verstärker 21. Der Oszillator 22 erzeugt während der Zeitintervalle von vorgegebener Dauer ein sinusförmiges oder rechteckförmiges elektrisches Signal, dessen Frequenz im Falle einer Messung eines vergasten bzw. gasförmigen Strömungsmitteldurchflusses eine Größenordnung von einigen hundert KHz hat und im Falle der Messung eines flüssigen Strömungsmitteldurchflusses vorzugsweise eine Größenordnung von einigen MHz hat.

Die Eingangs- und Auswerteeinheit enthält in Kaskadenschaltung verbunden, beginnend beim Ausgang der beiden Schalter 15, 16, ein Paar Verstärker 23, 24, einen Phasen- Diskriminator 25 und eine Torschaltung 26. Der Ausgang der Torschaltung 26 ist mit dem Eingang einer Auswerteschaltung 27 verbunden, deren Aussgang eine Anzeigeeinheit 28 speist, z. B. eine mehrstellige Sieben-Segment- Ziffernanzeige.

Die Zeitsteuereinheit 13 enthält drei Zeitglieder bzw. Bauteile 30, 31 und 32, deren jeweiliger Eingang von einem Pulsgenerator 29 gespeist wird. Der Ausgang des Pulsformers 30 ist mit dem Eingang des Oszillators 22, der Ausgang des Pulsformers 31 ist mit einem Eingang von der Torschaltung 26 und der Ausgang des Pulsformers 32 ist mit je einem Eingang der Schalter 15, 16 verbunden.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Signale V₁, V₂, V₃, V₄, V₅, V₆ in entsprechender zeitlicher Zuordnung dargestellt, die an verschiedenen Meßpunkten des Blockschaltbildes aus Fig. 2 entnommen sind.

Wie aus Fig. 1 und 4 ersichtlich, besitzt das Kollimatorelement 9 eine Struktur, deren Querschnitt im wesentlichen einer Bienenwabe entspricht, welche die gleichen Außenabmessungen wie der Querschnitt der Meßröhre 6 der dazugehörigen Zone 10 hat, sowie eine Vielzahl von zueinander parallelen und zur Achse der Meßröhre 6 parallelen Durchgangsöffnungen bzw. Kanälen 34. Das Kollimatorelement 9 kann aus einem ausreichend festen und widerstandsfähigen Material hergestellt sein, so daß das Verhältnis der vom Material in Anspruch genommenen Teilfläche zur freien Fläche aller Durchgangslöcher 34 sehr gering ist.

Bevor nachfolgend die Beschreibung der Funktion der Meßvorrichtung 33 erfolgt, werden vorher kurz die theoretischen Grundlagen des Zusammenhanges zwischen der Phasendifferenz der von den Wandlern 1, 2 empfangenen Ultraschallwellen und der in der Meßröhre 6 enthaltenen Strömungsmitteldurchfluß angegeben. Zur Einführung wird die im allgemeinen gut zutreffende Hypothese aufgestellt, daß die Geschwindigkeit der Strömungsmittel in Betrag und Richtung in allen Punkten der Meßröhre 6 konstant sei.

In Verbindung mit Fig. 1 gilt für den Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer vom Wandler 1 ausgesandten und sich in Richtung zum Wandler 2 längs der Verbindungslinie ausbreitenden Ultraschallwelle folgende Formel:

und analog gilt für den Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit C₂ einer vom Wandler 2 ausgesandten und sich in Richtung zum Wandler 1 längs der Verbindungslinie ausbreitenden Ultraschallwelle folgende Formel:

Bezeichnet man mit "ν" die Frequenz der Ultraschallwellen und mit "d" den inneren Durchmesser der Meßröhre 6, so ergibt sich die Phasenänderung der vom Wandler 1 abgestrahlten und zum Wandler 2 laufenden Ultraschallwelle durch folgende Formel:

Analog ergibt sich für die Phasenänderung der vom Wandler 2 abgestrahlten und zum Wandler 1 laufenden Ultraschallwelle folgende Formel:

Die Differenz zwischen der Phasenänderung aus Formel (3) und (4) ergibt sich zu

und unter Verwendung der Abkürzung

ergibt sich diese zu

Im größten Teil der Anwendungen kann der Term vernachlässigt werden, so daß der Zusammenhang der Phasendifferenz δϕ und des Strömungsmittelmengendurchsatzes linear wird. Bezeichnet man mit "G" den Massendurchfluß und mit "ρ" die Dichte des Strömungsmittels, so gilt:

Durch Einsetzen von Formel (7) in Formel (6) ergibt sich:

Für alle Strömungsmittel ist das Produkt ρc² charakteristisch für das Strömungsmittel in Abhängigkeit von ihren thermodynamischen Bedingungen; für Strömungsmittel gilt:

ρc² = 1/x ,

wobei x die adiabatische Kompressibilität ist, für Gase ergibt sich:

ρc² = γp ,

wobei γ das Verhältnis der spezifischen Wärmen C_p und C_v ist und p der Gasduck ist.

Nachfolgend wird die Funktion der Meßvorrichtung 33 beschrieben.

Das Strömungsmittel, dessen Durchflußmenge gemessen werden soll, wird im Eingangsbereich 6a der Meßröhre 6 eingespeist, durchfließt das Kollimatorelement 9 und den Bereich, in dem die elektroakustischen Wandler 1, 2 angeordnet sind und strömt anschließend durch den Ausgangsbereich 6b aus der Meßröhre 6. Durch die besondere Struktur des Kollimatorelementes 9 können die Radialkomponenten des Geschwindigkeitsvektors der im Eingangsbereich 6a eingespeisten Strömungsmittel vernachlässigt werden. Die Funktion der elektronischen Schaltung wird in zwei Schaltzustände unterteilt. Beim ersten Schaltzustand sind die elektroakustischen Wandler über die Anschlußklemmen 17 und 19 des Schalters 15 bzw. 16 mit dem Ausgang der Übertragungseinheit 12 verbunden. Im zweiten Schaltzustand sind die elektroakustischen Wandler 1, 2 über die Anschlußklemmen 18 und 20 des Schalters 15 bzw. 16 mit je einem Eingang der Eingangs- und Auswerteeinheit 14 verbunden.

Die jeweils eingenommene Schaltstellung der Schalter 15 und 16 ist abhängig vom Pegel des Signals V₅, das vom Pulsformer 32 geformt wird und in Fig. 3 dargestellt ist; die Torschaltung 26 wird durch den Pegel des Signals V₆ aktiviert, das vom Pulsformer 31 geformt wird und in Fig. 3f dargestellt ist; und schließlich wird der Oszillator 22 durch den Pegel des Signals V₄ aktiviert, das vom Pulsformer 30 geformt wird.

Diese Pulsformer 30, 31, 32 werden, wie schon oben angeführt, durch den Pulsgenerator 29 aktiviert, dessen Ausgangsspannung V₃ in Fig. 3c dargestellt ist. Somit wird durch die positive Pulsanstiegsflanke des Signals V₃ das erforderliche Triggersignal für die durch die Pulsformer 30, 31, 32 erzeugten Pulsfolgen der Signale V₄, V₅ und V₆ geliefert.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltstellung der Schalter 15 und 16 entspricht dem vorgeschriebenen ersten Schaltzustand.

Während des ersten Schaltzustandes wird das vom Oszillator 22 erzeugte Signal über den Verstärker 21 und die Anschlußklemmen 17 und 19 des Schalters 15 bzw. 16 beiden elektroakustischen Wandlern 1, 2 zugeführt, die wiederum jeweils eine durch die Strömungsmittel sich ausbreitende Ultraschalldruckwelle aussenden, die vom gegenüberliegenden Wandler empfangen wird. Die Zeitdauer, während der das Signal dem Wandler zugeführt wird, ist in Fig. 3a mit To bezeichnet.

Der erste Schaltzustand wird somit durch die Umschaltung der Schalter 15 und 16 in Richtung auf die Anschlußklemmen 18 bzw. 20 beendet. Jede stattgefundene Umschaltung wird durch die Signale V₅ am Ende der Zeitdauer T₄ veranlaßt, wie in Fig. 3e dargestellt.

Hierdurch wird der zweite Schaltzustand eingeleitet, während dessen der jeweils gegenüberliegende Wandler die mittels seiner Empfangselemente empfangenen Signale an den jeweils zugeordneten Eingang der Eingangs- und Auswerteeinheit 14 zuführt. Die Empfangssignale der Wandler 1, 2 werden über den jeweiligen Verstärker 23 bzw. 24 dem Phasen-Diskriminator 25 zugeführt, durch den die Phasendifferenz gemessen wird. Das Ausgangssignal des Phasen-Diskriminators 25 wird nur während der Zeitdauer T₆, wie in Fig. 3a gezeigt, zur Auswerteschaltung 27 weitergeleitet und durch letztere gemäß dem Zusammenhang zwischen der gemessenen Phasendifferenz und dem Strömungsmitteldurchsatz ausgewertet. Der Ausgang der Auswerteschaltung 27 steuert schließlich die Anzeigeeinheit 28.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausbildung der Meßvorrichtung 33 zeigt deutlich, wie die Nachteile der bisher bekannten Meßvorrichtungen vermieden werden.

Die Verwendung des Kollimatorelementes 9 erlaubt auch eine recht zuverlässige Messung des Strömungsmitteldurchsatzes bei stärkeren Turbulenzen, wie es bei Gasen der Fall ist.

Aufgrund der Schnelligkeit der Messung bzw. der kurzen Meßzeit eignet sich die Meßvorrichtung 33 besonders zum Messen des Strömungsmitteldurchsatzes in der Automobiltechnik, insbesondere bei Motoren mit direkter Einspritzung. In der Tat senden die zwei elektroakustischen Wandler während einer Meßzeit ungefähr 40 Ultraschallwellen aus (z. B. während 160 µ bei einer Frequenz von 250 kHz), die von den gleichen elektroakustischen Wandlern nacheinander empfangen werden, so daß man Meßzeiten in der Größenordnung von 400 µs erzielt, während bekannte Meßvorrichtungen keine Meßzeiten unterhalb einiger ms erreichen können.

Die Verwendung des Pulsformers 30 begrenzt die Zeitdauer, in der die Signale zu den Wandlern 1, 2 ausgesandt werden, wodurch das die elektromagnetischen Signale begleitende unerwünschte Hintergrundrauschen eliminiert wird.

Bei einigen der obigen Motoren kommt es auch vor, daß zu vorgegebenen Zeiten umgekehrte Strömungen einer gewissen Größe vorkommen. Daher kann es günstig sein, ein zweites Kollimatorelement bevorzugt, nicht weit entfernt vom Kollimatorelement 9, unmittelbar nach (bezogen auf die normale Strömungsrichtung) den Wandlern 1, 2 und vor dem Ausgangsbereich 6b der Meßröhre 6 anzuordnen. Dadurch ist es möglich, den Flüssigkeitsdurchsatz der oben erwähnten umgekehrten Strömungsrichtung und den effektiven Luftdurchsatz bei Motoren genau zu messen.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Strömungsmittels in einer Leitung, mit zwei in der Wandung der Leitung angeordneten elektroakustischen Wandlern, die auf einer zur Achse der Leitung schräg geneigten Geraden einander gegenüberliegen und jeweils ein von einem Oszillator angelegtes elektrisches Signal in eine durch das Strömungsmittel auf den anderen Wandler zulaufende Ultraschallwelle umsetzen oder eine von dem anderen Wandler ausgehende Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal umsetzen, mit einem Phasendiskriminator zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen den von den Wandlern abgegebenen elektrischen Signale, einer eine Anzeigeeinrichtung ansteuernden Auswerteschaltung, die das Ausgangssignal des Phasendiskriminators auswertet, einer Zeitsteuerungseinrichtung und einer durch diese gesteuerten Schalteinrichtung, welche die Wandler abwechselnd und zyklisch während eines ersten Zyklusabschnitts an den Oszillator und während eines zweiten Zyklusabschnitts an den Phasendiskriminator anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Phasendiskriminator (25) und der Auswerteschaltung (27) eine Torschaltung (26) eingefügt ist, die durch die Zeitsteuerungseinrichtung in solcher Weise angesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Phasendiskriminators (25) nur während einer Zeitspanne (T₆) an die Auswerteschaltung (27) weitergeleitet wird, die kürzer ist als der zweite Zyklusabschnitt (T₂-T₄).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerungseinrichtung (30, 31, 32) eine Zeitsteuerschaltung (30) enthält, welche den Oszillator (22 jeweils während des ersten Zyklusabschnitts (T₄) eines Zyklus (T₂) für eine Zeitspanne (T₀) freigibt, die kürzer als der erste Zyklusabschnitt (T₄) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerschaltungen (30, 31) der Zeitsteuerungseinrichtung durch einen getrennten Oszillator (29) synchron angesteuert werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (28) eine mehrstellige Ziffernanzeige ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollimatoreinrichtung (9) im Strömungsweg des Strömungsmittels strömungsaufwärts von den Wandlern (1, 2) angeordnet ist und den Querschnitt der Leitung (7) einnimmt sowie mit mehreren, parallel zur Achse der Leitung verlaufenden Kanälen (34) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (34) der Kollimatoreinrichtung (9) im Querschnitt bienenwabenförmig sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Kollimatorelement im Strömungsweg des Strömungsmittels strömungsabwärts von den Wandlern (1, 2) angeordnet ist.