KR20120107940A - 유체에 사용하기 위한 초음파 유량 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체에 사용하기 위한 초음파 유량 센서(110)에 관한 것이다. 초음파 유량 센서(110)는 유체의 유동관(112) 내에 유동에 대해 길이방향으로 서로 오프셋되어 배치된 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서(120, 122)를 포함한다. 또한 초음파 유량 센서(110)는 반사면(126)을 갖고, 이 경우 초음파 트랜스듀서(120, 122)는 반사면(126)에서 간단한 반사에 의해 서로 초음파 신호를 교환하도록 구성된다. 또한 초음파 트랜스듀서(120, 122) 사이에 편향 장치(132)가 배치되고, 상기 편향 장치는 반사면(126)으로부터 반사되어 편향 장치(132)에 부딪히는 기생 초음파 신호를 편향에 의해 초음파 트랜스듀서(120, 122)로부터 멀어지게 실질적으로 억제하도록 구성된다.

Description

유체에 사용하기 위한 초음파 유량 센서{ULTRASONIC FLOW SENSOR FOR USE IN A FLUID MEDIUM}
본 발명은 유체에 사용하기 위한 초음파 유량 센서에 관한 것이다.
선행기술에 유체의 유량을 검출하기 위한 다수의 유량 센서가 공지되어 있다. 상기와 같은 초음파 유량 센서는 예컨대 질량 유량, 체적 유량 또는 예컨대 유동관에서 유체의 속도를 검출한다. 일반적으로 2개 이상의 초음파 트랜스듀서가 사용되고, 상기 초음파 트랜스듀서들은 유체의 유동에 대해 길이방향으로 서로 오프셋 되어 유동에 배치되고, 초음파 신호를 서로 교환할 수 있다. 유동 방향 성분과 유동 방향과 반대 방향 성분을 포함하는 초음파 신호들 사이의 전파 시간 차로부터 유속 및/또는 유동을 특징짓는 다른 값들이 추론될 수 있다.
본 발명의 범주에서 본 발명에 따라 변형될 수 있는 상기와 같은 초음파 유량 센서의 예는 DE 39 41 544 A1호에 기술되어 있다. 상기 간행물은 초음파 트랜스듀서들 사이의 초음파 신호를 다중 반사하는 초음파 유량계를 제시한다. 이로써 측정관에서 W 형태의 초음파 경로가 형성되고, 이는 더 긴 음향 경로 및 벽과 동일 평면으로 트랜스듀서 장착의 장점을 제공한다.
그러나 상기 공지된 반사 장치의 단점은, DE 39 41 544 A1호에서 여러 개를 필요로 하는 반사면들이 시스템의 안정성을 감소시킬 수 있다는 것이다. 특히 전술한 구성에서 3배가 필요한 반사면들은 진동에 대해 민감하고, 유동 상태에 영향을 미칠 수 있고, 오염과 그에 따른 반사율의 변화 또는 열적 변형에 민감하다.
본 발명의 과제는 공지된 초음파 유량 센서의 단점들을 적어도 거의 방지하는 초음파 유량 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 초음파 유량 센서에 의해 해결된다.
초음파 유량 센서는 반사 원리에 기초하지만, 확실한 초음파 전달 경로를 이용한다. 초음파 유량 센서는 유체에 사용하기 위해 구성된다. 예컨대 상기 유체는 유동관을 통해 흐를 수 있고, 상기 유동관의 부분은 예컨대 유동관 내에 삽입되고 및/또는 유동관의 부분인 측정관일 수 있다. 초음파 유량 센서는 특히 자동차 분야에서, 예컨대 차량 내연기관에서, 특히 내연기관의 신선한 공기 섹션에서, 특히 상용차 분야에서는 터보 과급기 후방에서 사용될 수 있다. 대안적인 응용 분야는 거리 센서, 충전 레벨 센서, 예를 들어 재료 가공 기술에서 예를 들어 공정 제어시 기체 또는 액체를 위한 센서들, 예를 들어 화학 및/또는 제약 산업에서 유량 센서로서 이용, 의료 기술에서 예컨대 호흡 가스 모니터링시 센서로서 또는 에너지 관리 기술에서 예컨대 발전소 또는 가전 기기의 열량계로서 이용이다.
초음파 유량 센서는 유체의 유동관 내에 유체의 유동에 대해 길이방향으로 서로 오프셋되어 배치된 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서들을 포함한다. 예컨대 초음파 트랜스듀서들은 전체적으로 또는 부분적으로 유동관의 측정관의, 즉 예컨대 유동관의 섹션의 또는 유동관에 별도로 삽입된 측정관의 벽 내로 삽입될 수 있다. 초음파 트랜스듀서들은 하나의 하우징 부분에 수용될 수 있고, 상기 하우징 부분은 플러그인 센서로서 기존의 유동관 또는 측정관에 부착될 수 있거나 또는 이들 내로 삽입될 수 있다. 이러한 경우에 하우징 부분의 벽은 유동관 또는 측정관의 일부일 수 있다. 유동에 대해 길이방향으로 오프셋된 배치란 하나의 초음파 트랜스듀서가 다른 하나의 초음파 트랜스듀서의 상류측에 배치되는 것이고, 이 경우 배치는 정확히 유동 방향으로 이루어질 수 있거나 또는 아래에서 설명되는 바와 같이 유동 방향에 대해 가로방향으로 서로 오프셋되어 이루어질 수도 있다.
초음파 트랜스듀서란 본 발명의 범주에서 일반적으로 전기 신호를 초음파 신호로 및/또는 그 반대로 변환하는 장치이다. 예컨대 초음파 트랜스듀서는 적어도 하나의 트랜스듀서 코어를 포함하고, 상기 트랜스듀서 코어 내에 적어도 하나의 전기 음향 트랜스듀서 부재가 수용된다. 상기와 같은 전기 음향 트랜스듀서 부재의 예는 압전 부재이다. 그러나 다른 전기 음향 트랜스듀서 부재도 사용될 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 가능한 실시예와 관련해서 예컨대 전술한 선행기술 또는 다른 공지된 초음파 트랜스듀서가 참조될 수 있다.
또한 초음파 유량 센서는 반사면을 포함한다. 반사면이란 초음파 신호를 전체적으로 또는 부분적으로 반사하도록 구성된 면이다. 예컨대 상기 반사면은 유동관의 부분, 예컨대 측정관의 부분일 수 있거나 또는 측정관 내에 별도로 예컨대 반사면으로서 삽입될 수 있고, 상기 반사면은 유체의 유동 내에 배치된다. 반사면은 하우징 부분에 고정될 수도 있고, 상기 하우징 부분은 초음파 트랜스듀서를 수용하고, 플러그인 센서로서 원래의 유동관 또는 측정관에 부작착되거나 또는 이들 내로 삽입된다. 초음파 트랜스듀서는 반사면에서 간단한 반사에 의해 초음파 신호들을 서로 교환하도록 구성된다. 다시 말해서, DE 39 41 544 A1호에 설명된 배치의 W형태의 경로와 달리, 본 발명의 범주에서는 초음파 트랜스듀서들 사이의 초음파 신호의 V형 프로파일이 바람직한 전달 경로로서 제공된다. 초음파 트랜스듀서들은, 바람직한 V형 프로파일에 대해 약간 틸팅되도록 장착될 수 있고, 이로써 예컨대 유동 하에서 빔 드리프트에 대한 이동 거리가 주어질 수 있고 및/또는 2개의 트랜스듀서 표면 사이의 다중 반사가 감소될 수 있다.
또한 초음파 트랜스듀서들 사이에 편향 장치가 배치된다. 상기 편향 장치는 예컨대 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 측정관의 부분 및/또는 초음파 트랜스듀서가 삽입된 측정관 벽의 부분일 수 있다. 그러나 기본적으로 다른 배치도 가능하다. 편향 장치는 반사면으로부터 반사되어 편향 장치에 부딪히는 기생 초음파 신호들이 초음파 트랜스듀서로부터 멀어지게 편향됨으로써 실질적으로 억제되도록 구성된다. 다시 말해서 편향 장치는, 예를 들어 초음파 트랜스듀서들 사이에 측정관 표면을 포함한 가운데 다중 반사에 의해 W형 신호 프로파일 또는 다른 신호 프로파일이 억제되도록 구성된다. "실질적으로" 억제란, 기생 초음파 신호의 음향 에너지가 편향 장치가 없는 배치에 비해, 즉 예컨대 초음파 트랜스듀서들 사이의 평탄한 측정관 표면에 비해 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 50%, 특히 바람직하게는 적어도 80% 또는 적어도 90% 억제되는 것을 의미한다.
편향 장치는 특히 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 경로의 적어도 중간 1/3에 배치될 수 있다. 그러나 편향 장치는 초음파 트랜스듀서들 사이의 전체 경로에 걸쳐 연장될 수 있거나 또는 상기 경로의 다른 부분에 걸쳐 연장될 수 있다. 특히 W 형 신호 프로파일을 억제하기 위해, 특히 바람직하게 편향 장치는 초음파 트랜스듀서에 대해 실질적으로 대칭으로 배치된다.
편향 장치는 바람직하게 거시적 척도로 형성될 수 있다. 즉, 편향 장치는 바람직하게 측정관 표면의 최대 돌출부 및/또는 홈에서 일정 크기 만큼 측정관 내로 및/또는 상기 측정관으로부터 돌출하고, 상기 돌출 크기는 초음파 신호의 파장보다 크고, 바람직하게 0.1 mm보다 크고, 특히 0.5 mm보다 크고, 바람직하게 1.0 mm보다 크고, 특히 바람직하게 2.0 mm보다 크거나 또는 4.0 mm보다 크다. 대안으로서 또는 추가로 편향 장치는 거시적 척도보다 작은 일정 척도의 하나 이상의 구조를 포함할 수도 있다. 따라서 편향 장치는 거시적 구조에 대한 대안으로서 또는 바람직하게 추가로 거칠기(roughness)를 포함할 수 있다.
즉 기본적으로 두 가지 척도들이 구분될 수 있고, 즉 하기에서 거시 구조라고도 하는 상기 규정에 따른 거시적 범위에서의 척도의 편향 장치의 구조와 미시적 범위에서의 전술한 척도의, 예컨대 돌출 크기가 1.0 mm 미만일 때, 특히 표면 거칠기의 척도의 구조가 구분될 수 있다. 상기 구조들은 이하에서 미세 구조라고도 한다.
바람직하게 편향 장치는 거시 구조를 갖는다. 상기 거시 구조는 유체 내의 초음파 파장에 이르기까지 척도와 관련될 수 있다. 실온에서 공기 중의 340 m/s의 음향 속도와 340 kHz의 주파수에서 이것은 예컨대 1 mm의 초음파 파장을 형성한다.
편향 장치는 특히 적어도 하나의 편향면, 바람직하게는 적어도 2개 이상의 편향면을 포함할 수 있다. 편향면이란 적어도 부분적으로 반사하는 및/또는 흡수하는 초음파 신호에 대한 특성을 갖는 면이고, 편향 장치의 기능에 따라 초음파의 편향이 보장되도록 구성된다. 또한 더 많은 개수의 편향면, 예컨대 편향 장치의 프리즘 또는 피라미드 형태 디자인에서 형성되는 것처럼 4개의 편향면도 가능하다. 편향 장치는 평평하게 또는 휘어져 형성될 수 있다. 다양한 예들은 하기에서 상세히 설명된다.
적어도 하나의 편향면은 특히 반사면에 대해 기울어질 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 적어도 하나의 편향면은 특히 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 대해 기울어진 적어도 하나의 편향면을 포함할 수 있다. 바람직하게 적어도 하나의 편향면은, 편향면이 유체의 유동 방향에 의해 및 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 의해 형성된 평면과 교차하는, 상기 편향면의 기본 라인이 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 대해 90˚가 아닌 각도로, 예컨대 0˚내지 70˚의 각도로 및/또는 110˚내지 180˚의 각도로 배치되도록 형성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 적어도 하나의 편향면은 법선 벡터를 가질 수 있고, 상기 법선 벡터는 반사면에 대해 수직인, 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인을 포함하는 평면에 대해 평행하지 않거나 또는 역평행이다. 이로써 예컨대 반사면에 대해 수직인, 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인을 포함하는 평면으로부터 초음파 신호들이 반사되는 것이 보장될 수 있다.
대안으로서 또는 추가로 편향면의 면 법선들은 특히 반사면의 면 법선들과 각을 형성할 수 있고, 상기 각도는 평균 10˚보다 크고, 바람직하게는 15˚보다 크고, 특히 바람직하게는 20˚보다 크다. 편향 장치는 특히 부분적으로 초음파 트랜스듀서들 사이의 측정관 표면에 의해 형성될 수 있다. 예컨대 초음파 트랜스듀서들 사이의 측정관 표면은 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인의 방향으로 3개의 면 영역들로 분할될 수 있다. 연결 라인에 대해 길이방향으로 및 가로방향으로 3개의 면 영역들 중 하나의 폭은 연결 라인의 길이의 대략 1/3일 수 있다. 상기 3개의 면 영역들의 평균값에 의해 계산된 반사면의 면 법선과 측정관 표면의 면 법선 사이의 각도는 바람직하게 10˚보다 크게 선택될 수 있고, 특히 15˚보다 크게, 특히 바람직하게는 20˚보다 크게 선택될 수 있다.
편향 장치는 특히 적어도 하나의 형태를 포함할 수 있고, 상기 형태는 루프 형태, 피라미드 형태, 편향면으로서 만곡된 루프면을 가진 루프 형태, 편향면으로서 만곡된 피라미드 면을 가진 피라미드 형태, 편향면으로서 볼록하거나 또는 오목한 원통형 면을 갖는 피라미드 형태, 유동 방향으로 돌출하는 피크, 톱니 형태, 웨이브 형태, 노브 형태, 덴트 형태, 버클 형태, 스텝 형태, 리브 형태, 예컨대 상기 형태의 네거티브 프린트에 의해 형성될 수 있는, 상기 형태들 중 적어도 하나에 대한 역형태들 중 하나로 선택된다. 상기 형태 및/또는 다른 형태의 조합도 제공될 수 있다. 또한 상기 다수의 형태들이 결합되거나 또는 조합될 수 있다. 즉 예컨대 다수의 피라미드 형태들이 결합되어 예컨대 허니컴을 형성한다. 다수의 피라미드 형태들이 하나 또는 2개의 방향으로 결합되는 경우에, 상기 피라미드의 기본 라인이 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 대해 0˚내지 90˚가 아닌 각도로 연장되면 특히 바람직하다. 예컨대 기본 라인은 연결 라인에 대해 20˚내지 70˚ 및/또는 110˚내지 160˚의 각도로 연장될 수 있다. 그러나 다른 형상도 기본적으로 가능하다. 전술한 형태들은 상기 정의에 따라 특히 거시 구조로서 형성될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 예컨대 편향면에서 하나 이상의 상기 형태는 미세 구조로서도 형성될 수 있다. 따라서 예컨대 거시 구조의 하나 이상의 면이, 예컨대 하나 이상의 편향면이 하나의 이상의 미세 구조에 의해 언더스트럭처링 되는 경우에 거시 구조와 미세 구조가 서로 조합될 수 있다.
따라서 편향 장치는 특히 전술한 바와 같이 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개 이상의 편향면을 포함할 수 있다. 상기 편향면들은 특히 언더스트럭처링(understructuring) 및/또는 미세 구조를 포함할 수 있다. 미세 구조란 전술한 척도에서 스트럭처링, 예컨대 적어도 하나의 편향면의 언더스트럭처링이다. 편향면의 전체 형태가 거시 구조를 규정할 수 있거나 또는 거시 구조의 부분일 수 있고, 이 경우 적어도 하나의 편향면은 바람직하게 미세 구조에 의해 또는 다른 방식의 언더스트럭처링, 예컨대 적어도 하나의 더 작은 거시 구조에 의해 다수의 부분 면으로 분할된다. 상기 언더스트럭처링, 예컨대 미세 구조 또는 더 작은 거시 구조는 특히 유체 내 초음파의 5개의 파장보다 작은 범위, 바람직하게 2개의 파장보다 작은 범위 그리고 특히 바람직하게 하나의 파장보다 작은 범위, 예컨대 1/4 파장의 범위의 깊이를 가질 수 있다. 언더스트럭처링은 특히 다음 구조들 중 하나 이상의 구조를 가질 수 있다:다수의 리브;다수의 홈;하나의 격자;다수의 면을 가진 언더스트럭처링;상기 방식의 다수의 형태를 갖는 언더스트럭처링.
전술한 바와 같이, 초음파 트랜스듀서들은 유동 방향에 대해 길이방향으로 오프셋 외에 추가로 또한 유체의 유동에 대해 가로방향으로 서로 오프셋될 수 있다. 이로 인해 예컨대 상류측에 배치된 초음파 트랜스듀서에 의해 형성되는 유동 불규칙성이 하류에 배치된 초음파 트랜스듀서에 영향을 미치는 것이 방지될 수 있다.
또한, 특히 유체의 유동에 대해 가로방향으로 서로 오프셋된 초음파 트랜스듀서들의 배치는 물론 다른 배치시에도 편향 장치는 적어도 하나의 반사 배리어를 포함할 수 있다. 반사 배리어란 측정관 표면으로부터 비교적 가파르게 유체의 유동 방향으로 연장되는 배리어이다. 예를 들어 상기 반사 배리어는 박층 형태로 형성될 수 있다. 예컨대 반사 배리어는 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인을 중간 1/3에서, 바람직하게 1/2에서 교차할 수 있다.
특히 반사 배리어는, 다음 특성을 갖는 박층을 포함하도록 형성될 수 있다:박층은 초음파 트랜스듀서들 사이의 직접적인 연결 라인에 대해 가로방향으로 사라지지 않는 벡터 성분으로 메인 확장 방향을 가지므로, 음파는 초음파 트랜스듀서로부터 제 1 반사면에서 제 1 반사에 의해, 드물게는 편향 장치에서 한 번 이상의 반사에 의해 및 반사면에서의 제 2 반사에 의해 다른 트랜스듀서에 도달할 뿐만 아니라, 재반사되거나 또는 측면으로 멀리 반사된다. 초음파 트랜스듀서는 유동 방향에 대해 가로방향으로 오프셋되어 배치되므로 박층은 대안으로서 또는 추가로 유동 방향에 대해 평행하게 또는 거의 평행하게 배치될 수 있고, 따라서 박층은 유동 안내를 방해하지 않는다. 편향 장치의 메인 구조를 이렇게 유동 방향으로 배치함으로써 해당 구조 깊이는 상응하게 더 크게 선택될 수 있고, 이 경우 유동 안내를 방해하지 않으므로 W형 음향 프로파일에 대한 적절한 배리어가 구현될 수 있다.
편향 장치는 특히 전술한 바와 같이 적어도 2개의 편향면을 포함할 수 있다. 상기 편향면들은 예컨대 전술한 바와 같이 교차 라인에서 루프 형태로 교차할 수 있다. 교차 라인은 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 대해 특히 90˚가 아닌 각도로 배치될 수 있고, 이로써 다른 경우에는 W형 음향 프로파일이 편향면의 루프 경사에 의해 감소되거나 또는 제거될 뿐만 아니라, 음향이 반사면에 대해 수직으로 및 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인에 대해 평행하게 연장된 평면으로부터 반사되어 나온다. 상기 평면은 일반적으로 유효 신호의 주요 성분에 의해 또는 편향 장치가 없는 경우에는 W형 성분에 의해 형성되는 평면과 일치한다. 편향면들의 교차 라인과 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인 사이의 90˚가 아닌 각도는, 편향면의 법선 벡터들이 유효 신호의 주요 성분에 의해 형성된 평면에 대해 평행하지 않은 특성과 동일한 의미로 볼 수 있다. 편향면에서 나타나는 음향 성분이 상기 평면으로부터 적절하게 편향됨으로써, 상기 편향된 음향 성분은 대부분 반사면에 의해 송출 초음파 트랜스듀서로 재반사되는 것이 방지되고, 이는 기생 음향 경로(예를 들어 반대 측정 방향에 대한)로 간주될 수 있다. 예컨대 80˚보다 작은, 예를 들어 70˚보다 작은 각도가 제공될 수 있다. 편향면들은 예컨대 90˚가 아닌 각도로, 예컨대 90˚보다 큰 각도로, 예컨대 100˚보다 큰 각도로 그리고 특히 110˚보다 큰 각도로 교차할 수 있다. 그러나 다른 실시예도 가능하다.
제안된 초음파 유량 센서는 공지된 초음파 유량 센서와 달리 여러 장점을 갖는다. 즉 특히 기생 초음파 경로가 거의 억제되는 가운데 확실한 초음파 전달 경로가 보장될 수 있다. 초음파 유량 센서는 전술한 바와 같이, 특히 측정될 유동 내에 오프셋 되어 배치된 2개의 초음파 트랜스듀서로 형성될 수 있고, 상기 초음파 트랜스듀서들은 반사면에 의해 초음파 신호를 서로 교환한다. 반사면의 정렬은 특히 상기 반사면의 주법선 벡터(Nh)에 의해 반사 영역에서 정해질 수 있다. 측정관 표면은 전술한 바와 같이 초음파 트랜스듀서들 사이에, 상기 초음파 트랜스듀서들 사이의 연결 라인의 방향으로 3개의 면 영역으로 분할될 수 있고, 상기 면 영역들은 전술한 바와 같이 상기 연결 라인에 대해 길이방향 및 가로방향 폭이 상기 연결 라인의 길이(L)의 적어도 거의 1/3폭을 갖는다. 예컨대 전술한 바와 같이, 상기 3개의 면 영역들(M)의 평균으로 계산된, 측정관 표면의 면 법선(N)과 반사면의 주법선 벡터(Nh)에 대해 역평행하게 정렬된 벡터 사이의 각도는 15˚보다 크게 선택될 수 있다. 초음파 유량 센서는 특히 초음파 트랜스듀서들 사이의 편향 장치로서 표면 구조, 특히 측정관 표면의 표면 구조를 가질 수 있다. 상기 표면 구조는 특히, W형 기생 음향 경로가 반사면, 초음파 트랜스듀서들 사이의 영역 그리고 재차 반사면에 의해 반사함으로써 반사면에 걸쳐 한 번만 연장된 V형의 소정의 유효 음향 경로에 대해 표면 구조에 의해 실질적으로 억제되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의해 특히 간섭 신호가 억제된다. 이것은 본 발명에 의해서가 아니라도 추후에 유효 신호로서 수신부에 대략 2배의 전파 시간으로 도달할 수 있다. 따라서 상기 간섭 신호는 대기할 수 있거나 또는 적절히 선택된 분석-타임 슬롯에 의해 제거될 수 있다. 그러나, 반복 측정시 새로운 측정이 실행될 수 있거나 또는 반대 음향 방향으로 측정이 이루어질 수 있을 때까지 더 오래 대기해야 한다. 그와 달리 본 발명에 의해 추가의 측정 센서 없이 예컨대 내연기관의 흡입 공기 영역, 신선한 공기 영역 또는 배기 가스 영역에 펄스식 유동의 충분한 샘플링을 위해 필요한 범위로 측정 반복율이 제공될 수 있다. DE 39 41 544 A1호에 기술된 장치와는 달리 특히 한 번의 반사만을 필요로 하는 V형 메인 음향 경로에 장점이 있다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되고 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 간단한 반사면을 갖는 공지된 초음파 유량 센서의 기본 구성을 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 초음파 트랜스듀서 상의 초음파 신호들의 시간에 따른 프로파일을 도시한 도면.
도 3 내지 도 5는 기생 초음파 경로가 억제되지 않는 또는 충분하게 억제되지 않는, 도 1에 대한 대안 배치를 도시한 도면.
도 6a 내지 도 7은 편향 장치를 가진 본 발명에 따른 초음파 유량 센서의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 초음파 유량 센서의 대안 실시예를 도시한 도면.
도 17 내지 도 19f는 편향 장치의 표면 윤곽의 다양한 실시예를 도시한 도면.
도 20a 내지 도 22b는 본 발명에 따른 초음파 유량 센서의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 1은 본 특허 출원의 출발점으로서 공지된 초음파 유량 센서(110)를 도시한다. 상기 초음파 유량 센서는 유동관(112)을 포함하고, 상기 유동관을 통해 유동 방향(114)으로 도 1에서 v로 표시된 속도로 유체, 예컨대 내연기관의 배기 가스 및/또는 내연기관의 흡기 시스템 내의 공기 유량이 (예컨대 터보 과급기에 의한 압축 후에도) 흐른다. 유동관(112)은 측정관(116)을 포함하고, 상기 측정관은 예컨대 유동관(112)의 부분을 형성할 수 있거나 또는 유동관(112) 내에 플러그인 센서로서 장착된 하우징에 의해서도 형성될 수 있다. 측정관(116)의 측정관 표면(118)에 2개의 초음파 트랜스듀서들(120, 122)이 유동 방향(114)에 대해 길이방향으로 서로 오프셋되어 배치된다. 상기 트랜스듀서들(120, 122)은 도 1에서 A와 B로 표시된다. 초음파 트랜스듀서들(120, 122)은 반사면(126)을 가진 반사기(124)를 통해 초음파를 서로 교환한다. 이 경우 V형의 소정의 음향 경로(128)가 형성되고, 상기 음향 경로는 도 1에서 일점쇄선으로 도시된다. 또한 도 1에서 점선으로 도시된 기생적 W형 음향 경로(130)가 도시되고, 상기 음향 경로는 반사면(126)에서 다중 반사에 의해, 그 사이의 측정관 표면(118)에서의 반사와 함께 형성된다. A부터 B로 및 그와 반대로 음파의 전파 시간에 의해 평균 유동 속도(V)와 그로부터 체적 유량 및/또는 질량 유량이 결정된다. 초음파 트랜스듀서(120, 122)의 방향 특성에 따라 그리고 유동하는 매체로 인한 빔 드리프트에 따라 V형 음향 경로(128)에 추가하여 예컨대 도시된 W형 또는 M형의 하나 이상의 기생 음향 경로(130)가 형성된다.
도 2a 및 도 2b는 초음파 측정의 가능한 시간에 따른 시퀀스를 도시한다. 상기 도면에서 2개의 초음파 트랜스듀서(120, 122)에서 각각의 음향 강도 I가 시간 t의 함수로서, 초음파 트랜스듀서 A에서 검출된 음파(도 2a) 또는 초음파 트랜스듀서 B에서 검출된 음파(도 2b)로 나누어 도시된다. 먼저 초음파 트랜스듀서 A에서 방사된(도 2a, 진하게 도시된 곡선) 후에, 음향은 V형 음향 경로(128)를 지나 B로 전달된다(도 2a에서 흐리게 도시된 곡선). 일반적으로 B에서 수신된 음향이 완전히 전기 신호로 변환되는 것이 아니라, 음향 에너지의 많은 부분이 수신 초음파 트랜스듀서에서 다시 재반사된 후에 다시 A에 부딪히고(점으로 도시됨), 거기에서 다시 반사되어 B에 도달한다. A로부터 방사되어 B에서 반사된 음향이 바로 다시 A로 되돌아오는 동안 B에서 방사되는 경우에(도 2b, 진하게 도시된 곡선), A에 최종 방사 과정(A)이 아닌 끝에서 두 번째 방사 과정(B)의 반사된 교란 음향이 존재하는 동안 B에서 방사된 음향이 A로 들어온다. 이때 해당 교란 음향은 초음파 트랜스듀서(120, 122)에서 네 번 반사되어 약화된다. 추가로, 예컨대 초음파 주기의 변동 폭 내에서 약간 상이한 시간 간격으로 실시된 여러 번의 측정에 대한 평균이 계산됨으로써, 가변적 측정 반복률에 의해 상기 네 번 반사된 교란 음향 작용은 더 감소될 수 있다. 이로써 도 2a 및 도 2b에서처럼 측정 반복률은 비교적 높게 선택될 수 있고, 이 경우 개별 측정 동안 이전의 방사로부터 야기된 모든 반향이 사라질 때까지 오래 대기하지 않아도 된다.
그러나 도 2a 및 도 2b에서 기생 W형 또는 M형 음향 경로 또는 다른 기생 음향 경로는 고려되지 않는다. 상기 경로들은 예컨대 V 형 음향 경로(128)보다 대략 두 배의 길이이므로, 짧은 시간 간격으로 계속해서 반복 측정시 도 2a 및 도 2b에서처럼 추가 교란 신호가 발생하고 측정 오류를 야기한다. 특히 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이에 반사 표면, 예컨대 반사 측정 표면(118)이 존재하면 이러한 기생 음향 경로가 형성된다. 이는 도 1과 달리, 예컨대 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 다른 형상으로도 나타날 수 있다. 상기 도면들은 다시 도 1에 도시된 본 발명의 출발점과 유사하게 초음파 유량 측정기(110)를 도시하므로, 계속해서 상기 설명이 참조될 수 있다. 도시된 형상들의 공통적인 특성은 특히 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 대략 중간에 법선 방향을 갖는 면이 제공되는 것이고, 상기 법선 방향은 반사면(126)의 주법선 벡터에 대해 대략 역평행하다. 도 5에는 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이에 아치가 제공된 실시예를 도시하고, 상기 아치는 예컨대 공기 역학적 장점도 제공할 수 있는 동시에 음향도 약하게 산란시킨다. 물론 법선 벡터는 특히 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 대략 중간의 임계 범위에서 여전히 반사면(126)의 법선 벡터에 대해 역평행하다. 이는 일반적으로 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 측정관 표면(118)이 일반적으로 낮은 곡률 또는 아치를 갖는 경우이다.
도 6a 내지 도 8에는 그와 달리 초음파 유량 측정기(110)의 본 발명에 따른 제 1 실시예가 도시된다. 여기에서 리브는 도면부호 140으로 표시된다. 유동관(112)의 바닥에까지 이를 수 있거나 또는 부분적으로만 편향면(134, 136) 내로 삽입될 수 있는 리브(140)의 리브 구조에 의한 편향면(134, 136)의 이러한 세분은 예를 들어 초음파 유량 측정기(110)의 공기 역학적 특성들을 지원할 수 있고, 또한 개별 리브(140)에서 산란된 또는 반사된 음파의 간섭으로 인한 추가 음 산란 또는 부분적인 음향 감쇠를 야기할 수 있다.
도 9a 및 도 9b에는 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 윤곽이 등고선 형태로 상징적으로 도시된다. 초음파 트랜스듀서들(120, 122)은 유동 방향(114)에 대해 가로방향으로 측면으로 서로 오프셋되어 배치될 수 있는 것이 도시된다. 편향 장치(132)의 윤곽의 연장선은 적어도 부분적으로 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 옆 측면까지 연장될 수 있다. 이 경우에도 초음파 트랜스듀서들(120, 122)은 유동 방향(114)에 대해 가로방향으로 나란히 오프셋되어 배치될 수 있고(도 9a) 및/또는 상기 초음파 트랜스듀서들의 상호 직접적인 정렬과 관련해서 변위되고 또는 서로 틸팅될 수 있다(도 9b). 이러한 실시예는 한편으로는 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이에서 여러 번 반사된 반향을 감소시킬 수 있고, 다른 한편으로는 하나의 초음파 트랜스듀서(120)의 후류(wake)가 다른 초음파 트랜스듀서(122)에 미치지 않게 할 수 있다.
도 10a 및 도 10b에는 초음파 유량 측정기(110)의 다른 실시예가 도시되고, 상기 실시예에서 편향 장치(132)는 적어도 하나의 반사 배리어(152)을 포함한다. 도 10a는 초음파 트랜스듀서(120, 122)가 수용된 측정관 표면(118)의 평면도를 도시하고, 도 10b는 상기 배치의 부분 사시도를 도시한다.
상기 도면에는 반사 배리어(152)가 기본적으로 측정관 표면(118)으로부터 돌출하고 측정관 표면(118)에 대해 매우 가파르게 연장된 2개의 편향면(134, 136)을 포함하는 구조인 것이 도시된다. 예를 들어 상기 편향면(134, 136)은 측정관 표면(118)에 대해 70˚내지 110˚, 특히 80˚내지 90˚의 각도로 연장될 수 있다. 반사 배리어(152)는 예를 들어 1.0 mm 내지 20 mm의 높이 H 만큼 유체의 유동 내로 연장될 수 있다. 또한 반사 배리어(152)는 예컨대 유동 방향(114)으로 길이 I를 가질 수 있고, 상기 길이는 예컨대 1.0 mm 내지 50 mm일 수 있다.
또한 반사 배리어(152)는 특히 도 10a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 유동 방향(114)에 대해 실질적으로 평행하게 배치될 수 있다. "실질적으로 평행하게"란 평행과의 편차가 20˚를 넘지 않는, 바람직하게는 10˚를 넘지 않는 그리고 특히 바람직하게는 5˚를 넘지 않는 것을 의미할 수 있다. 반사 배리어(152)는 전체적으로 매우 좁게, 예를 들어 유동 방향(114)에 대해 수직인 폭 b을 갖도록 형성될 수 있고, 상기 폭은 5.0 mm를 넘지 않고, 예컨대 0.5 내지 3.0 mm이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 반사 배리어(152)는 특히 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인에 대해 경사지게 연장될 수 있고, 상기 연결 라인은 도 10a 및 도 10b에서 L로 도시된다. 예컨대 도 10a 및 도 10b에서 도면부호 154로 표시된 유동 배리어의 길이 방향은 5˚내지 60˚, 특히 20˚내지 45˚로 연결 라인 L과 교차할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 예컨대 박층인 리브(140)를 갖는 루프 형태의 구조 또는 박층을 갖지 않는 배치가 선택되는 경우에, 편향 장치(132)의 상기 "루프"는 추가로 상기 루프의 "융기선"으로서 형성된 편향면들(134, 136) 사이의 교차 라인(130)이 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인(L)에 대해 수직이 되지 않도록 틸팅될 수도 있다. 이러한 형상은 본 발명의 나머지 실시예에서, 예컨대 도 11 내지 도 14에 따른 실시예에서 구현될 수 있다. 즉 도 11의 실시예는 도 9b의 실시예와 유사하게 설명되고, 이 경우 편향면들(134, 136)은 추가로 예컨대 리브 또는 홈 형태, 더 작은 거시 구조 또는 미세 구조 형태의 언더스트럭처링(142)을 포함할 수 있다. 도 12는 도 11의 실시예의 변형을 도시하고, 상기 실시예에서도 예컨대 스텝 형태의 언더스트럭처링(142)이 제공된다. 도 13에서 실시예가 도 9a의 실시예와 유사하게 도시되고, 상기 실시예에서 마찬가지로 다시 선택적으로 스텝 형태의 언더스트럭처링(142)이 제공된다. 예컨대 더 작은 척도의 거시 구조 형태 또는 미세 구조 형태의 언더스트럭처링(142)은 일반적으로 본 발명의 모든 실시예에서 선택적으로 편향면(134, 136)에 배치될 수 있다. 상기 언더스트럭처링(142)은 편향면(134, 136)에 미리 주어진 거시 구조를 더 작은 면으로, 예컨대 부분 면, 리세스, 홈 또는 이와 유사한 것으로 세분한다. 상기 언더스트럭처링(142)의 깊이는 바람직하게 유체 내의 초음파 파장의 크기, 바람직하게 3배 또는 2배이고, 예컨대 상기 유체에서 언더스트럭처링(142)의 깊이는 상기 파장의 5배를 초과하지 않는다.
도 14에는 편향 장치(132)의 루프 형태 구성의 기본 구조가 다시 한 번 도시된다. 전술한 바와 같이, 상기 편향 장치(132)의 편향면들(134, 136)에 의해 미리 주어진 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 거시 구조는 표면 언더스트럭처링(142)으로서 추가로 홈(144)을 가질 수 있고, 이는 도 15에 따른 실시예에 예시적으로 도시된다. 상기 홈(144)은 면 섹션(146), 예컨대 홈들(144) 사이의 브리지 상의 면 섹션(146) 및 상기 브리지 사이의 면 섹션(146)을 규정할 수 있다. 인접한 면 섹션들(146)은 예컨대 도 15에 따른 실시예와 적어도 거의 유사한 경우처럼, 오히려 서로 수직으로 만나거나 또는 도 16에 따른 실시예에 도시된 바와 같이 서로 경사지게 만난다. 서로 경사지게 만나는 면 섹션들은 기생 음향과 관련해서 산란 작용을 개선한다. 이것은 도 17에 도시된다. 도 17은 편향면들(134, 136) 중 하나의 횡단면을 도시하고, 상기 횡단면으로부터 상기 면 섹션(146)이 나타난다. 이 경우 특히 언더스트럭처링(142)이 바람직하며, 상기 언더스터럭처링은 유체 내 음향 파장의 크기의, 예컨대 λ/4 크기의 깊이 치수 및/또는 측면 치수를 갖는다. 이는 도 18을 참고로 다시 설명되고, 상기 도면은 도 17에 대한 면 섹션(146)의 대안 실시예를 도시한다. 상기 치수 설정시 적어도 부분적으로 간섭에 의해 서로 감쇠되는 반사된 음향 성분의 위상 변이가 나타난다. 도 17에 도시된 루프 형태의 언더스트럭처링 또는 도 18에 도시된 언더스트럭처링에 대한 대안으로서 도 19a 내지 도 19f에 다양한 다른 실시예들이 도시된다. 하나의 주방향으로 정렬된 언더스트럭처링(142), 예컨대 전술한 홈 구조 외에 다수의 주방향 설정축을 가진 언더스트럭처링(142) 또는 거의 전 방향성으로 면 분할된 구조, 예컨대 격자 형태의 구조 또는 정렬되지 않은 것처럼 배치된 돌출부 및/또는 홈이 고려될 수도 있다. 상기 언더스트럭처링의 선택과 무관하게 도 20a(사시도) 및 도 20b(평면도)에 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 거시 구조가 도시되고, 상기 거시 구조는 편향 장치(132)로 작용하고, "융기선" 대신 피크(148)를 포함한다. 상기 피크(148)는 예컨대 피라미드 구조를 3개, 4개 또는 그 이상의 편향면(150)으로 끝나게 할 수 있다. 도 20a 및 도 20에 도시된 구조가 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인 L에 대해 정렬되는 경우에, W형 기생 음향 성분은 유동 방향으로 또는 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인(L)의 방향으로뿐만 아니라, 이에 대해 가로 방향 분력에 의해서도 편향된다.
도 21에는 도 20b에 도시된 배치의 변형예가 도시된다. 상기 변형예에서 피라미드면 형태의 4개의 편향면들(150) 중 2개에서만 가로방향 편향이 나타나지만, 대부분의 경우에는 충분한 편향 효과가 나타난다. 도 21에 따른 후자의 형상은 추가로, 일반적으로 경사지게 장착된 초음파 트랜스듀서들(120, 122)을 위한 장착 포켓에 의해 측정관 표면(118)에 특히 양호하게 결합할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 경우에 피라미드 구조는 휘어지고 및/또는 뒤틀리므로, 상기 구조는 피크(148)에서만 실제로 피라미드 형태를 갖는다. 이는 도 22a의 사시도에 의해 도시되고, 도 22b는 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인(L)에 대해 수직인 측정관 표면(118)의 단면도를 도시한다. 이 경우 편향 장치(132)의 피라미드 구조는 측정관 표면(118)의 교차하는 원통형 표면에 의해 형성된다. 대안으로서 원추형면 또는 다른 직선 또는 만곡된 면들이 사용될 수도 있고, 상기 면들은 서로 교차하고 따라서 바람직하게 피크(148)와 함께 편향 장치(132)를 형성한다. 도 22a에 도시된 구성에서도 편향면(150)을 형성하는 4개의 모든 "루프면"은 유동 방향으로 및/또는 유동 방향에 대해서 및/또는 유동 방향에 대해 가로방향으로 반사면(126)의 법선 방향에 대해 역평행하게 벡터와의 편차를 가진 법선 방향을 갖는 방향 설정을 갖고, 이로써 기생 음향 발생이 방지될 수 있다.
110 초음파 유량 센서
112 유동관
120, 122 초음파 트랜스듀서
126 반사면
132 편향 장치

Claims (10)

  1. 유체에 사용하기 위한 초음파 유량 센서(110)로서, 유체의 유동관(112) 내에 유동에 대해 길이방향으로 서로 오프셋되어 배치된 적어도 2개의 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 및 반사면(126)을 포함하고, 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122)은 상기 반사면(126)에서 간단한 반사에 의해 초음파 신호를 서로 교환하도록 구성되고, 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이에 편향 장치(132)가 배치되고, 상기 편향 장치(132)는 반사면(126)에 의해 반사되어 상기 편향 장치(132)에 부딪히는 기생 초음파 신호를 편향에 의해 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122)로부터 멀어지게 실질적으로 억제하도록 구성되는 초음파 유량 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 적어도 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 경로의 중간 1/3에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 적어도 하나의 편향면(134, 136; 150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향면(134, 136; 150)의 면 법선들은 상기 반사면(126)의 면 법선들과 각을 형성하고, 상기 각의 평균은 10˚보다 큰 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 적어도 부분적으로 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 측정관 표면(118)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 상기 측정관 표면(118)은 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인의 방향으로 3개의 면 영역으로 분할될 수 있고, 상기 연결 라인에 대해 길이방향으로 및 가로방향으로 3개의 면 영역들의 폭은 각각 상기 연결 라인의 1/3 길이이고, 반사면(126)의 면 법선과 측정관 표면(118)의 면 법선 사이의 상기 3개의 면 영역들에 걸쳐 계산된 평균 각도는 10˚보다 큰 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는, 루프 형태, 피라미드 형태, 편향면(134, 136; 150)으로서 휘어진 루프면을 갖는 루프 형태, 편향면(134, 136; 150)으로서 휘어진 피라미드 면을 갖는 피라미드 형태, 편향면(134, 136; 150)으로서 원통형 면을 갖는 피라미드 형태, 유동 방향으로 돌출한 피크, 톱니 형태들 중 하나로부터 선택된 적어도 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 언더스트럭처링을 갖는 적어도 하나의 편향면(134, 136; 150)을 갖고, 상기 언더스트럭처링은 다수의 리브, 다수의 홈, 격자, 다수의 면을 가진 언더스트럭처링, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 형태를 갖는 언더스트럭처링 구조들 중 하나의 이상의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  9. 재 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 적어도 하나의 반사 배리어(152)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 장치(132)는 적어도 2개의 편향면들(134, 136; 150)을 포함하고, 상기 편향면들은 적어도 하나의 교차 라인에서 교차하고, 상기 교차 라인은 상기 초음파 트랜스듀서들(120, 122) 사이의 연결 라인에 대해서 90˚가 아닌 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 유량 센서.
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