JP2008524616A - 圧力センサを伴う超音波流量計 - Google Patents

Abstract

超音波流量計（１０）および超音波を用いて流量を測定する方法を開示する。これは、流通路（１６）内に、流れ方向においてずらして配置された少なくとも２つの超音波変換器(１２、１４)を有しており、当該超音波変換器は超音波パケットを送信および受信し、電子回路部分（２４）内で、超音波変換器（１２、１４）の一方の超音波変換器から他方の超音波変換器までの超音波伝播時間およびその逆の超音波伝播時間が定められる。さらに、流通路（１６）には流通路（１６）内の圧力を定めるための圧力センサ（２６）が割り当てられている。自動車内燃機関の吸気部内に流入する空気を精確に検出することによって、できるだけ精確なエンジン制御のための測定値が求められる。

Description

技術分野
流通路を通る流体、殊に気体、例えば空気の流量を超音波で測定するために、超音波パケットを送信および受信する少なくとも２つの超音波変換器が流れ方向において、ずらして配置される。このようにして、電子回路において、一方の超音波変換器から他方の超音波変換器までの、およびその逆の、流体を通って流れる超音波伝播時間が特定される。伝播時間の測定された信号値から、測定装置の幾何学形状的な大きさに関連して、流体内の音速と流体の平均流速が計算される。

従来技術
例えば文献ＥＰ０４７７４１８Ａ１号では、流体が流れる測定管内に組み込まれるのに適している超音波流量計が開示されている。これは殊に、自動車エンジン内のエアマス測定に適している。２つの超音波変換器は、送信側変換器または受信側変換器として交互に作動する。ここで送出された超音波は反射装置を介して、測定管を通る測定路に沿って、これらの超音波変換器の間で伝播する。個別の構造群は有利には、作動電子ユニットおよび測定電子ユニットとともに、支持プレート上に組み込まれ、構造ユニットとして構成されている。この構造ユニットは測定管の収容開口部内に気密性に取付可能である。

本発明の説明
本発明では、超音波流量計は少なくとも２つの超音波変換器を有している。ここでこれらの超音波変換器は、流体が流れる流通路内に、流れ方向においてずらして配置されている。これらの超音波変換器は交互に、または同時に超音波信号または超音波パケットを送出する。これによって、流体または（殊に気体の）媒体の流通率が測定される。
電子回路部分内では、一方の超音波変換器から他方の超音波変換器への超音波伝播時間、およびその逆の超音波伝播時間が、流通路内を流れる流体が通る経路に沿って特定される。流通路、正確には、超音波伝播時間が測定される流通路の空間領域には、流通路内の圧力を求めるための圧力センサが配置されている。言い換えれば、圧力センサは次のように配置される。すなわち、流れチャンネル、殊に超音波パケットが伝播する領域において、流通率、質量流量または粒子流（Teilchenstrom）が求められ、測定されるように配置される。殊に、圧力センサは超音波流量計の電子回路部分内に収容されるか、または電子回路に取り付けられるか、または固定されるか、または組み込まれる。
圧力センサには、チャネルまたは穿孔部を用いて、流通路内の圧力が伝えられる。従って近似的に、流体の密度が求められる。超音波流量計は、超音波流量センサとも称される。

本発明の超音波流量計ないし本発明による、流通路内での超音波を用いた流量測定方法は、有利には自動車内燃機関の吸気部内に流れ込む空気を正確に検出するために使用される。これによって、できるだけ正確なエンジン制御のために測定値を求めることができる。

割り当てられた、配置されたないしは組み込まれた圧力センサの別の利点は、求められた圧力値を既に超音波流量計の電子回路部分内または評価ユニット内で、少なくとも２つの超音波変換器間の２つの送信方向の間で求められた伝播時間差と乗算することができるということである。このように求められた測定量は、流通路を通って流れる流体の質量流量ないしは流れにおける粒子流に対する良好な近似である。
本発明による超音波流量計の特性曲線は実質的に線形なので、超音波伝播時間および圧力の組み込まれたまたは同時の測定および測定信号の計算のこの方法は、特に有利には、パルス状の流れの際にも使用可能である。既に電子回路部分内で、測定信号から求められた質量流量に対する測定量には、平均化するローパスフィルタリングが施され、低減された帯域幅で転送される。しかもこれによって、測定精度が低減されることはない。

チャネルまたは穿孔部を通って流通路と接続される圧力センサは引っ込んで配置されているので、圧力センサは有利には汚れないように保護される。

図面
本発明のさらなる利点および有利な実施形態および発展形態を以下の図面並びに明細書に基づいて説明する。詳細には、
図１は、本発明による超音波流量計における流体を通る超音波伝播時間に対する既知の測定装置の概略図であり、
図２は、本発明による超音波流量計の有利な実施形態であり、
図３は、図２に示された、本発明による超音波流量計の有利な実施形態の変形であり、これははめ込み型センサユニットとして構成されており、
図４は、流通路の断面図であり、ここでは図３に示された本発明による超音波流量計の択一的な有利な実施形態が取り付けられている。

実施形態
図１は、本発明による超音波流量計における流体を通る超音波伝播時間に対する既知の測定装置の概略図でを示している。本発明の超音波流量計の特別な利点および有利な構成を挙げる前に、まずは、既に従来技術から既知の、超音波伝播時間用測定装置自体について言及する：図１では管の形状である流通路１６内には、第１の超音波変換器および第２の超音波変換器１２，１４が流れ方向１８において相互にずらして取り付けられている。言い換えれば、第１の超音波変換器１２は上流側に位置し、第２の超音波変換器１４は下流側に位置する。流体、殊に気体、殊に混合気（例えば空気）は、流れ方向１８において速度ｖで流通路１６を貫流する。この流体は音速ｃを有している。２つの超音波変換器１２，１４は交互に、または同時に超音波パケットを、測定経路２０に沿って、流体を通って波長Ｌで送出する。測定経路２０は、少なくとも射影（Projektion）において、流れ方向１８に対して平行ないしは逆平行に延在する。図１では、測定経路２０と流れ方向１８は角度αを成す。第１の超音波変換器１２から第２の超音波変換器１４への超音波伝播時間t_１および第２の超音波変換器１４から第１の超音波変換器１２への超音波伝播時間ｔ_２が測定される。超音波伝播時間ｔ_１とｔ_２は、流れ方向１８における流体の運動によって、その算術平均の値と比較して僅かに異なる。

本発明ではここで、付加的に、超音波伝播時間が特定される、流通路１６内の領域において、流体の圧力が測定される（これは図１には詳細に示されていない。図２〜４を参照）。これによって、電子回路部分または評価ユニット内で（この電子回路部分は、有利なコンパクトまたは組み込まれた配置のためには、測定箇所から離れて位置してもよい。図２および図３を参照）伝播時間差に対する測定値Δｔ＝ｔ_１−ｔ_２、伝播時間総計Σ＝ｔ_１＋ｔ_２および圧力ｐが使用可能になる。修正ファクタｓ＝１ー（Δｔ／Σｔ）^２を短縮して書くことによって、短い計算の後に、流体内の音速ｃに対する関係

および平均流速ｖに対する関係

が生じる。

質量流量に比例する粒子流

は一般式ｐ^Ｖ＝ｎｋＴ（ここでＶは体積であり、ｎは粒子数であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度である）および流速ｖと体積流量率ｄＶ／ｄｔとの間の比率

によっても、

としてあらわされる。

次に式ｃ^２＝κＲＴによって（ここでκは断熱指数である）、

が得られる。

ここでｇ＝κｓは修正ファクタであり、これはｖ、Ｔおよび相対的な空気湿度の関数として示される。有利には修正ファクタｇは１として置き換えられる（または無視される）：粒子流ないし質量流量を求める際に、僅かな程度のエラーが生じる。このエラーは温度および空気湿度の上昇とともに増大する。しかし、多くの使用では重大な影響を与えない。言い換えれば、圧力と伝播時間差との積は良好な近似で粒子流に比例するので、同じよう、粒子流に比例する質量流量に対する尺度である。

測定された圧力ｐと伝播時間差Δｔが電子回路部分内（評価ユニット内でも）でそれぞれ、線形関係を介して電気信号として示される場合には、この２つの信号は相互に乗算されて、（図示されていない電子回路部分の乗算ユニット内の）結果として生じる１つの信号に処理される。この信号は近似的に質量流量を示す。この信号は、自動車内燃機関の吸気部内の質量流量が関連する場合には、有利にはその制御または調整に使用される。

図２には、本発明による超音波流量計１０の有利な実施形態が示されている。この実施形態では流通管である、流通路１６内には第１および第２の超音波変換器１２，１４が流れ方向１８においてずらして配置されている。超音波変換器１２、１４は、交互に超音波信号、殊に超音波パケットを送出する。超音波変換器１２、１４は送信にも受信にも適しており、電気信号を超音波に変換することも、超音波を電気信号に変換することもできる。各超音波変換器１２、１４は超音波パケットの送信後に、各他方の超音波変換器１２、１４から到来する超音波パケットを受信するのに用いられる。図１に示されているように、幾何学的形状に相応して、超音波パケットは直接的に超音波変換器１２，１４から他方の超音波変換器へ、流体を通って伝播する。図２に示された有利な実施形態では、超音波パケットは、流通路１６の管内壁３６の超音波反射面３４で反射される；超音波変換器１２，１４は流通路１６の片方の面上に位置している。超音波パケットが流れる測定経路２０は、ここでは流れ方向１８に対して垂直に延在していない。測定経路２０は基本的に流れ方向１８に対して平行ないし逆平行に延在するのにもかかわらず、本発明の有利な実施形態では、超音波流量計１０は次のように設けられる。すなわち、測定経路２０が少なくとも部分的に、流れ方向１８に対してある角度で傾斜して延在するように設けられる。測定経路２０が、流れ方向１８に対して種々異なる角度を成す多数の区間を有していてもよい。図２で示された実施形態では測定経路２０は、破線で示されたようにＶ字状に延在する。このＶ字は２つの区間を有しており、これらの区間は、流通路断面の面に対して、流れ方向に対して傾斜して鏡対象に位置している。点線は概略的に、その伝播方向に対してラテラル方向での超音波パケットのひろがりをあらわしている。

図２に示された有利な実施形態では、２つの超音波変換器がコンパクトな収容部内に組み込まれている。第１の（上流側に位置する）超音波変換器１２と第２の（下流側に位置する）超音波変換器１２、１４の間では、同じように、収容部２２に電子回路部分２４が収容されている。この電子回路部分２４は殊に、超音波変換器１２、１４に対する電気信号を形成するために用いられる。従って、超音波パケットが生成される。さらにこの電子回路部分２４は、受信された超音波パケットに基づいて生じた電気信号を処理するために用いられ、超音波パケットの伝播時間測定のために用いられ（少なくとも射影における、流れ方向１８での伝播時間および少なくとも射影における流れ方向１８に対向する伝播時間）、測定値を処理して、質量流量をあらわす電気信号を形成するために用いられる。流れ方向１８において、超音波変換器１２，１４がずらして配置されているので、第１の超音波変換器から第２の超音波変換器への伝播時間および、その逆の伝播時間は、流速ｖに依存して異なる。電子回路部分２４は回路担体２６を有しており、当該回路担体は圧力センサ２８（または圧力検出部）を含む。回路担体２６には、別の、有利には全ての必要な、超音波流量計１０の回路構成部分も取り付けられる、ないしは接続される。

コンパクトな収容部分は内部領域３２を有している。この内部領域内には、回路担体２６が圧力センサ２８とともに位置している。ここでこの内部領域３２は、この実施形態では穿孔部であるチャネル３０を介して、流通路１６と接続されている。この圧力センサ２８が内部領域３２内の圧力を測定すると、これによって、流通路１６内の圧力が定められる。図２に示されているように、チャネル３０は開放されたチャネル３０であるか、またはこれとは択一的に、可動膜によって閉成されるチャネル３０（図示されていない）である。従って、内部領域３２内の圧力は伝達されるが、電子回路部分２４および圧力センサ２８は汚れないように遮断される。

図３は、図２に示された、本発明による超音波流量計１０の有利な実施形態の変形であり、これははめ込み型センサユニット３８として構成されている。この形態の幾何学的形状は、実質的に、図２に示された実施形態のそれに等しい。従って、図３内に示された参照番号の説明には、図２の上述の説明を参照されたい。図３に示された本発明の超音波流量計は、はめ込み型センサユニット３８として構成されている。 はめ込み型センサユニット３８は、次のような幾何学的形状を有している。すなわち、これが、ここでは流通管４０である流通路内の相補的な切り欠け部内に密閉して、または気密性に、実質的にこの切り欠け部に対するカバーとして取り付けられるような幾何学的形状を有している。はめ込み式センサユニット３８は上述したコンパクトな収容部２２の他に、支持構造部４４も含む。この支持構造部は、組み込まれた状態において、流通管４０内で流体内に突出している。支持構造部４４は反射層４２を担っている。この反射層は超音波変換器１２、１４から送出された超音波パケットを測定経路２０に沿って反射する。

図４は、流通管４０の断面図を示している。この流通管内には、図３に示された本発明による超音波流量計１０の形態が取り付けられている。記載された参照符号の説明には、図３の上述の記載を参照されたい。

本発明による超音波流量計における流体を通る超音波伝播時間に対する既知の測定装置の概略図 本発明による超音波流量計の有利な実施形態 図２に示された、本発明による超音波流量計の有利な実施形態の変形（はめ込み型センサユニットとして構成されている） 図３に示された本発明による超音波流量計の択一的な有利な実施形態が取り付けられている流通路の断面図

符号の説明

１０ 超音波流量計、 １２ 第１の超音波変換器、 １４ 第２の超音波変換器、 １６ 流通路、 １８ 流れ方向、 ２０ 測定経路、 ２２ コンパクトな収容部、 ２４ 電子回路部分、 ２６ 回路担体、 ２８ 圧力センサ、 ３０ チャネル、 ３２ 内部領域、 ３４ 反射面、 ３６ 管内壁、 ３８ はめ込み型センサユニット、 ４０ 流通管、 ４２ 反射層、 ４４ 支持構造部、 ｖ 流速、 ｃ 流体内の音速、 Ｌ 経路長

Claims (10)

1. 超音波流量計（１０）であって、
   流通路（１６）内に、流れ方向においてずらして配置された少なくとも２つの超音波変換器(１２、１４)を有しており、当該超音波変換器は超音波パケットを送信および受信し、
   電子回路部分（２４）内で、前記超音波変換器（１２、１４）の一方の超音波変換器から他方の超音波変換器までの超音波伝播時間およびその逆の超音波伝播時間が定められる形式のものにおいて、
   前記流通路（１６）には流通路（１６）内の圧力を定めるための圧力センサ（２６）が割り当てられている、
   ことを特徴とする、超音波流量計。
2. 前記圧力センサ（２６）は超音波流量計（１０）の内部領域（３２）内に位置しており、
   当該内部領域（３２）は、オープンチャネル（２８）を通じて、または可動膜によって閉鎖されるチャネル（２８）を通じて、流通路（１６）と接続されている、請求項１記載の超音波流量計（１０）。
3. 少なくとも２つの超音波変換器（１２，１４）および圧力センサ（２６）は、電子回路部分（２４）とともに、コンパクトな収容部（２２）内にまたは収容部（２２）に組み込まれている、請求項１または２記載の超音波流量計（１０）。
4. 前記超音波パケットが流通路（１６）内の少なくとも１つの反射面（３４）を介して一方の超音波変換器（１２，１４）から他方の超音波変換器へ、およびその逆へ達するように、前記少なくとも２つの超音波変換器（１２，１４）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波流量計（１０）。
5. 前記反射面（３４）は流通路（１６）の管内壁（３６）の一部であり、管内壁（３６）に固定された反射層（４２）または反射プレートである、請求項４記載の超音波流量計（１０）。
6. 前記電子回路部分（２４）内で、測定された圧力をあらわす電気信号および超音波伝播時間の差をあらわす電気信号が形成され、
   前記電子回路部分は前記測定された圧力の電気信号と前記電気信号を処理して、近似的に質量流量をあらわす信号にするための乗算ユニットを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の超音波流量計（１０）。
7. 前記電子回路部分（２４）は、質量流量をあらわす信号に作用するローパスフィルタを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流量計（１０）。
8. 前記圧力センサ（２８）および超音波流量計（１０）の電子回路部分（２４）の他の回路部分は、支持担体（２６）上に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波流量計（１０）。
9. 前記超音波流量計は自動車内燃機関の吸気部用のはめ込み型センサユニット（３８）として構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の超音波流量計（１０）。
10. 流通路（１６）内で超音波を用いて流量を測定する方法であって、
    流れ方向（１８）においてずらして配置された少なくとも２つの超音波変換器（１２，１４）によって超音波パケットが送信および受信され、
    電子回路部分（２４）内で前記超音波変換器（１２，１４）の一方の超音波変換器から他方の超音波変換器への超音波伝播時間およびその逆の超音波伝播時間が求められる形式の方法において、
    圧力センサ（２８）によって流通路（１６）内の圧力が測定される、
    ことを特徴とする、流量を測定する方法。

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