DE4442078A1 - Verfahren zur Messung der Temperatur eines Fluids in einem Meßrohr - Google Patents

Verfahren zur Messung der Temperatur eines Fluids in einem Meßrohr

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Valentin Dipl Phys Magori
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Siemens AG
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G01K11/24—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of the velocity of propagation of sound
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves

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Description

Aus der Zeitschrift für Feinwerktechnik & Meßtechnik, S. 95-98, Carl Hanser Verlag, München, 1992 ist ein Luftmassen­ messer bekannt, der die Ansaugströmung eines Kraftfahrzeugmo­ tors nach dem Ultraschall-Lauf Zeitprinzip erfaßt. Dazu wird auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Meßrohrs jeweils ein Ultraschallwandler angeordnet. Die Ultraschallwandler, die einen seitlichen Versatz zueinander aufweisen, werden ab­ wechselnd als Sender und Empfänger betrieben. Der geneigt zur Strömungsrichtung sich ausbreitende Ultraschall weist eine erste Komponente quer zur Strömungsrichtung und entweder eine zweite Komponente in Richtung oder entgegen der Richtung der Strömung auf. Diese zweite Komponente wird zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und der Luftmasse herangezogen, ohne dabei die Temperatur des strömenden Fluids zu berück­ sichtigen.
Eine exakte Bestimmung beispielsweise der Luftmasse im Brenn­ raum von Kraftfahrzeugmotoren, der Gasmasse bei Gasdurchfluß­ messern in Haushaltsgaszählern oder der Flüssigkeitsmasse in der industriellen Durchflußmessung erfordert unter anderem die Kenntnis über die Temperatur des Fluids.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur schnellen Messung der Temperatur eines Fluids in einem Meßrohr anzuge­ ben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt ein Meßrohr MR, das von einem Fluid F durchströmt wird. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Meßrohres MR sind zwei Ultraschallwandler USW1 und USW2 derart angeordnet, daß ihre Verbindungslinie mit der Längs­ achse des Meßrohres MR einen von 90° abweichenden Winkel α, Abstrahlwinkel genannt, einschließt. Der Abstand der beiden Wandler USW1, USW2 wird mit L bezeichnet. Die beiden Ultra­ schallwandler USW1, USW2 werden nach dem Ultraschall-Lauf­ zeitprinzip betrieben. Das heißt, während einer der beiden Ultraschallwandler sendet, ist der andere Ultraschallwandler in Empfangsbereitschaft und umgekehrt. Aus der in Fig. 1 dargestellten Geometrie ergibt sich für die gemittelte Strö­ mungsgeschwindigkeit v längs des Meßwegs:
v = L/(2 cosα) · (1/tauf - 1/tab) (1)
mit tab = Laufzeit stromabwärts
tauf = Laufzeit stromaufwärts
L = Abstand der Ultraschallwandler USW1 und USW2 zu­ einander
α = Abstrahlwinkel.
Die Schallgeschwindigkeit c₀ läßt sich mittels Gleichung (2) bestimmen:
c₀² = v² + L²/(tab · tauf) (2)
Aus Gleichung (3) ist unter Verwendung der Schallgeschwindig­ keit c₀, die aus Gleichung (2) ermittelt werden kann, die Temperatur T bestimmbar:
mit K = Adiabatenkoeffizient
M = Molmasse
R = Gaskonstante.
Die Anzahl der Temperaturbestimmungen pro Zeiteinheit ist lediglich durch die Ultraschallaufzeiten tab und tauf be­ grenzt.
Das Verfahren ist beispielsweise anwendbar für die Bestimmung der Temperatur der Luft im Ansaugtrakt eines Kraftfahrzeug­ verbrennungsmotors. Das Verfahren ist weiterhin geeignet zur Bestimmung der Temperatur des durch einen Gaszähler fließen­ den Gases.
Voraussetzung für die Verwendung des Verfahrens ist die Kenntnis über die Art des durch das Meßrohr MR fließenden Gases.

Claims (6)

1. Verfahren zur schnellen Messung der Temperatur eines Fluids in einem Meßrohr,
  • - bei dem ein erstes Ultraschallsignal in das Meßrohr (MR) in Richtung der Strömung des Fluids eingestrahlt und em­ pfangen wird,
  • - bei dem die Laufzeit tab des ersten Ultraschallsignals gemessen wird,
  • - bei dem ein zweites Ultraschallsignal in das Meßrohr (MR) entgegen der Richtung der Strömung des Fluids eingestrahlt und empfangen wird,
  • - bei dem die Laufzeit tauf des zweiten Ultraschallsignals gemessen wird,
  • - bei dem aus den beiden Laufzeiten tauf, tab die Strö­ mungsgeschwindigkeit v bestimmt wird,
  • - bei dem aus der Strömungsgeschwindigkeit v die Schallge­ schwindigkeit c₀ bestimmt wird,
  • - bei dem aus der Schallgeschwindigkeit c die Temperatur T des Fluids bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
  • - bei dem die Strömungsgeschwindigkeit v mittels der Glei­ chung v = L/cosα (1/tauf - 1/tab) bestimmt wird,
  • - bei dem α der Winkel ist, unter dem die Ultraschall­ signale in das Meßrohr (MR) eingestrahlt werden und L der Abstand der beiden die Ultraschallsignale erzeugenden Ultraschallwandler (USW1, USW2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
  • - bei dem die Schallgeschwindigkeit c₀ mittels der Gleichung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
  • - bei dem die Temperatur T mittels der Gleichung bestimmt wird,
  • - bei dem K der Adiabatenkoeffizient, M die Molmasse und R die Gaskonstante ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
  • - bei dem die Schallgeschwindigkeit c₀ mittels der Glei­ chung bestimmt wird,
  • - bei dem L der Abstand der beiden die Ultraschallsignale erzeugenden Ultraschallwandler (USW1, USW2) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
  • - bei dem die Temperatur T mittels der Gleichung bestimmt wird,
  • - bei dem K der Adiabatenkoeffizient, M die Molmasse, R die Gaskonstante und c₀ die Schallgeschwindigkeit ist.
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