DE4237907A1 - Massendurchflußmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Massendurchflußmesser auf der Basis eines Ultraschall-Volumendurchflußmessers gemäß den Merkmalen des Anspruches 1.

Ultraschall-Durchflußmesser (USD) werden z. B. bei der Messung der Ansaugluft von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Durchflußmesser werten in der Regel Laufzeitunterschiede des Ultraschalles in Richtung der Strömung und entgegen der Strömung aus. Zu dem Zweck sind in den Wandungen eines Strömungskanales Ultraschall-Wandler eingebaut, die über ent­ sprechende Ansteuereinheiten alternativ als Sender oder als Empfänger betrieben werden können. Diese Ultraschall-Wandler senden z. B. pulsartig Schall, d. h. periodische Dichte­ schwankungen in die strömende Materie aus. Der jeweilige Em­ pfänger detektiert das Signal, so daß die Laufzeit der einzelnen Schallpulse bestimmt werden kann. Bei Vertauschen der Rollen von Sender und Empfänger kann diese Laufzeit in der entgegengesetzten Richtung bestimmt werden. Aus der Differenz der gemessenen Laufzeiten ergibt sich die Geschwindigkeit der Strömung, ohne daß allerdings die Dichte und damit der Massen­ durchfluß bestimmt wird. Die mittlerweile in vielen Varianten und mit Verbesserungen und mit Vereinfachungen versehenen Ultraschall-Durchflußmesser eignen sich daher bisher nicht, dem Massendurchfluß zu messen, was für eine Zahl von Anwendern allerdings die primär interessierende Größe darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Massendurch­ flußmesser anzugeben, der über die Vorzüge bisheriger Ultra­ schall-Durchflußmesser verfügt.

Diese Aufgabe wird mit dem Durchflußmesser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser basiert auf dem Prinzip des Ultraschall-Durchflußmessers. Um auch den Massendurchfluß bestimmen zu können, wird eine zusätzliche Messung durchge­ führt, aus der sich die Dichte der strömenden Materie und da­ mit deren Masse bestimmen läßt. Diese zusätzliche Meßein­ richtung ist ein an oder in der Wandung des Strömungskanales integrierter thermischer Sensor als Hilfssensor für eine Temperaturmessung. Für einen solchen Sensor kommt z. B. Hitz­ draht, Heißfilm, PTC-Widerstand, NTC-Widerstand oder ein mikromechanischer thermischer Sensor in Frage. Dieser er­ findungsgemäßen Anordnung liegt die Vorstellung zugrunde, daß sich die Dichte der strömenden Materie aus der Kenntnis der Temperatur ableiten läßt, wenn die mit dem Ultraschall-Durch­ flußmesser gewonnenen Meßergebnisse bekannt sind.

Eine solche Anordnung ist in der Figur im Schema dargestellt. An den Wänden eines Strömungskanales 1 sind mindestens zwei in alternierender Folge als Sender und Empfänger zu betreibende Ultraschall-Wandler 2 angeordnet. Zusätzlich dazu befinden sich an den Wänden in Verbindung mit der strömenden Materie thermische Sensoren 3, die entsprechend den jeweiligen Er­ fordernissen angeordnet sein können. Bei den meisten An­ wendungen wird ein einzelner Sensor 3 ausreichen. Die von den Ultraschall-Wandlern (2) zu liefernden Signale und die empfangenen Signale werden von und zu einer Auswerteeinheit 4 geleitet. Diese Auswerteeinheit 4 dient dazu, den Volumen­ durchfluß zu bestimmen. Für die Auswertung der von den hilfs­ weise vorgesehenen thermischen Sensoren 3 gelieferten Temperaturwerte ist eine weitere Auswerteeinheit 5 vorhanden. Diese Auswerteeinheiten 4, 5 können auch gemeinsam als elektronische Schaltung realisiert sein.

Aus den mittels Ultraschall gemessenen Anströmbedingungen, insbesondere der Geschwindigkeit der strömenden Materie, kann aus der Kenntnis der Temperatur dieser Materie deren Dichte zumindest in einer so guten Näherung abgeleitet werden, wie für die vorgesehene Anwendung ausreicht. Die Berechnung der Dichte kann z. B. auf einem empirischen oder physikalisch begründeten Modell beruhen, das den Zusammenhang zwischen den Anströmparametern, der Temperatur und der Dichte beschreibt und das geeignet ist, die Dichte als Größe der übrigen Para­ meter darzustellen. Alternativ oder ergänzend zu einem theoretischen Modell, das an die betreffende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Durchflußmessers angepaßt ist, kann auch auf eine Wissensbasis in der Auswerteeinheit zurückgegriffen werden. Eine solche Wissensbasis besteht z. B. in einer Sammlung von einander zugeordneten Größen, die mit den je­ weils gemessenen Größen verglichen werden können und denen aus dieser Wissensbasis Dichtewerte zugeordnet werden können. Diese Wissensbasis kann aus den aktuell gemessenen Werten je­ weils ergänzt und erweitert werden (update). Daraus ergibt sich auch die Möglichkeit eines Notbetriebes, der bei einem Ausfall des Ultraschallmessers auf den thermischen Sensor allein gestützt ist. Die Meßgenauigkeit und der Meßbereich sind dann eventuell eingeschränkt, aber mit einer vor dem Aus­ fall adaptierten Wissensbasis kann die Funktion des Massen­ durchflußmessers ersatzweise durch den thermischen Sensor allein übernommen werden.

Der Vergleich des Ausgangssignals des thermischen Sensors mit den Werten für die Dichte, die aufgrund von Modellvor­ stellungen oder bekannten Werten aus der Messung mit Ultra­ schall zu erwarten sind, liefert an ausgewählten Punkten des Strömungskanales den richtigen Wert für die Dichte und er­ möglicht so die Bestimmung des Massendurchflusses. Es ist da­ her vorteilhaft, wenn nicht nur an einem Punkt des Strömungs­ kanals, sondern an mehreren Stellen in der Wandung, und zwar so, daß die strömende Materie möglichst wenig beeinflußt wird, thermische Sensoren installiert sind. Die Anforderungen an diese Sensoren und die angeschlossene Elektronik (Auswerteein­ heit 5) sind wegen der bereits mit hoher zeitlicher Auflösung bekannten Volumendurchflußgeschwindigkeit (aus der Ultraschall­ messung) und der zu berücksichtigenden nur relativ langsamen Änderungen der Dichte der strömenden Materie sehr gering und gestatten deshalb eine einfache und wenig aufwendige Realisierung. Einflüsse von Abrasionen oder Ablagerungen können durch Aus­ wertung an mehreren Meßpunkten erfaßt und rechnerisch eliminiert werden. Da man sich bei der Messung auf die Be­ rücksichtigung langsamer Änderungen der Dichte beschränken kann (schnelle Änderungen der Dichte werden auch durch den Ultraschall-Durchflußmesser direkt erfaßt) und zudem die Anströmbedingungen an den Meßpunkten der thermischen Sensoren sowie die Volumendurchflußgeschwindigkeit bekannt sind, er­ geben sich weitere substantielle Vereinfachungen für die Realisierung dieser Sensoren. Es ist insbesondere keine Er­ mittlung der Temperaturen über den gesamten Querschnitt der Strömung erforderlich, so daß geeignet gewählte Punkte an den Wandungen des Strömungskanales für die Messung ausreichen. Da­ mit ist auch sichergestellt, daß der Durchfluß der Materie durch die zusätzlich angebrachten Sensoren praktisch nicht be­ einflußt wird und daher auch keine Verfälschung der Meß­ ergebnisse zu erwarten sind. Es ist nicht erforderlich, daß die thermischen Sensoren rasch ansprechen, weswegen die An­ ordnung robust und mit einfachen Betriebsschaltungen (beispielsweise mit konstantem Strom oder konstanter Spannung) ausgeführt werden können. Es können daher Sensoren eingesetzt werden, die gegenüber Verschmutzung und Abrasion nur wenig empfindlich sind. Die Funktion dieser Sensoren muß nicht über den gesamten Bereich der Durchflußgeschwindigkeit genau sein. Es genügt, wenn die Messung bei einer oder einigen günstig ausgewählten Durchflußgeschwindigkeiten bzw. in einem engen Bereich ausreichend präzise ist. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht außerdem weitere rechnerische Auswertungen, mit denen z. B. die Einflüsse von Verschmutzungen oder Abrasionen erfaßt und eliminiert werden können. Zu diesem Zweck wird z. B. bei mehreren verschiedenen Durchflußgeschwindigkeiten oder in verschiedenen Bereichen der Durchflußgeschwindigkeit die Messung ausgewertet, oder es werden die Meßergebnisse für testweise durchströmende nichtstationäre (z. B. pulsierende) Strömungen mit unterschiedlichem zeitlichen Verlauf, auf die sich die vorgenannten Einflüsse auf vorhersagbare Weise unter­ schiedlich auswirken, ausgewertet.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser ist einfach herstellbar und kann wegen der zahlreichen Möglichkeiten rechnerischer Auswertung der Meßergebnisse auf vielen Gebieten der Gas­ durchflußmessung, wie z. B. der Messung der Ansaugluft bei Verbrennungsmotoren oder in der Klimatechnik, vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Ultraschall-Durchflußmesser zur Messung des Massendurch­ flusses mit mindestens zwei Ultraschall-Wandlern (2), die an oder in den Wänden eines Strömungskanals (1) angebracht sind und die zur Messung des Volumendurchflusses mit einer Aus­ werteeinheit (4) verbunden sind, und mit mindestens einem thermischen Sensor (3) an oder in den Wänden des Strömungs­ kanals (1), der zur Temperaturmessung vorgesehen ist und für die Auswertung des Meßergebnisses mit derselben oder einer weiteren Auswerteeinheit (5) verbunden ist, wobei diese Aus­ werteeinheit (5) zumindest prinzipiell die Dichte der Materie in dem Strömungskanal (1) bestimmt.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinheiten (4, 5) so ausgelegt sind, daß der thermische Sensor (3) bei Ausfall der Ultraschallwandler (2) hilfsweise eine zumindest näherungsweise Messung des Massendurchflusses erlaubt.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1, bei dem jeder thermische Sensor (3) eine Vorrichtung aus der Gruppe von Hitzdraht, Heißfilm, NTC-Widerstand, PTC-Widerstand oder mikromechanischer thermischer Sensor ist.