WO2005031370A2 - Ultraschallströmungssensor mit zweiseitig abstrahlendem ultraschallwandler - Google Patents

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WO2005031370A2
WO2005031370A2 PCT/EP2004/052182 EP2004052182W WO2005031370A2 WO 2005031370 A2 WO2005031370 A2 WO 2005031370A2 EP 2004052182 W EP2004052182 W EP 2004052182W WO 2005031370 A2 WO2005031370 A2 WO 2005031370A2
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flow
flow sensor
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PCT/EP2004/052182
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Tobias Lang
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • the air throughput is measured in the intake or loading section of a combustion juicer. Since the mass ratio of fuel and air is important in the chemical process of combustion, the mass flow rate of the intake charge air must be measured. Methods that measure volume or dynamic pressure are also used for this.
  • the maximum air mass flow to be measured is in the range from 400 to 1000 kg / h, depending on the engine power of the internal combustion engine. Due to the low idling requirements of modern engines, the ratio of minimum to maximum air flow is between 1:90 to 1: 100.
  • page 115 shows the ultrasound flow measurement method.
  • the transit time t of a sound pulse can be measured once upstream and once downstream by a measuring medium such as air at the helix angle ⁇ with the same measuring section 1.
  • the resulting transit time difference of the sound pulse is directly proportional to the volume flow.
  • the two transmitters / receivers 1 and 2 are arranged opposite one another. The two sensors emit or receive sound on one side.
  • the solution known from the prior art has overall larger dimensions due to attachments attached to the flow channel on both sides. The same applies to the remedies shown above. Furthermore, at least two transducers are required in the solution known from the prior art. Due to the asymmetry that arises, the measurement accuracy is poor.
  • the solution proposed according to the invention of assigning a measurement volume to an ultrasound transducer laterally next to the actual flow channel permits precise quantitative detection of a volume flow flowing through a pipe or a flow channel.
  • the charge detection of the combustion chambers of internal combustion engines can be advantageously realized.
  • the proposed solution is characterized in particular by good signal quality and a compact design.
  • a volume adjacent to or embedded in the flow channel without a substantial internal flow is proposed, an ultrasonic transducer radiating and receiving on both sides being arranged in this volume.
  • the ultrasound transducer emits short ultrasound pulses on both sides, which are passed through reflections on inclined wall surfaces of the flow channel through the medium flowing in the flow channel and are detected again on the other side of the ultrasound transducer.
  • the time or phase difference of the detected signals is used to determine the flow velocity or the flow rate of the medium flowing in the flow channel.
  • the ultrasonic transducer which can be accommodated in a blind channel to the side of the actual flow channel, for example, simultaneously divides the volume received in the blind channel and prevents its flow.
  • the subject matter of the present invention makes it possible to implement two opposite signal paths without requiring a larger radiation angle on the ultrasound transducer.
  • a larger beam angle would inevitably lead to an increase in size.
  • High-frequency and directional ultrasound pulses are preferably used as the sound pulses emitted by the ultrasound transducer, which generally can be bundled better, so that diffraction effects and false signals can be prevented.
  • This advantageously means that only a single ultrasonic transducer is required.
  • the transmitter and the receiver have the same resonance frequencies right from the start, and the design is very compact.
  • a phase correlation method is used as part of the signal evaluation of the received ultrasound signals, the signal difference is already determined in the ultrasound transducer, so that an external mixing stage is no longer required and this can therefore be omitted.
  • a volume with an ultrasonic transducer is arranged on the side of the actual flow channel. Ultrasound waves emanating from the ultrasound transducer, which are emitted in pulses, are reflected several times, pass through the flowing medium and hit again on the opposite side of the ultrasound transducer.
  • the ultrasound transducer for example, which can be accommodated in the middle of the blind channel, wets the blind channel. This prevents flow through this channel. A flow through the lateral channel would otherwise compensate for the difference in transit time and thus reduce the signal swing, which would result in reduced signal quality.
  • Figure 1 is a schematic representation of the proposed ultrasonic transducer according to the invention as part of an ultrasonic flow sensor embedded in a lateral blind channel and
  • Figure 2 shows the signal amplitudes of the ultrasonic signals.
  • a flow channel 1 for example in the form of a tube, is flowed through in the flow direction 5 by a flowing medium, such as air.
  • the flow channel 1 is delimited by a channel wall 2.
  • a parabolic velocity profile 4 of the flowing medium is formed in a tubular flow channel 1, the maximum flow rate being in the region of the axis of symmetry 6 of the flow channel 1.
  • An embedded air volume 7 is located laterally of the flow channel 1 within a blind channel 8.
  • the blind channel 8 is shielded from the actual flow channel 1 by a shield 9.
  • an ultrasonic transducer 14 emitting on both sides is accommodated within the blind channel 8.
  • the blind channel 7 is connected to the actual flow channel 1 via a first opening (10) and a second opening 11.
  • Deflection walls 12 and 13 are formed on the blind channel 8, on which are reflected ultrasound waves emanating from the ultrasound transducer 14 emitting on both sides or received by the latter. Inclination angle 30, 31 of Deflection walls 12 and 13 are selected such that the ultrasound waves emerging through the first opening 10, after reflection on a reflection wall 3 of the flow channel 1, again meet a deflection wall 13 via the second opening 11 and from there on one side of the ultrasound transducer emitting on both sides 14 are thrown back.
  • the ultrasonic pulses 17 are sent from the first transducer side 15 to the first deflection wall 12.
  • the first deflecting wall 12, which is arranged at an angle of inclination 30, reflects the ultrasound pulses 17 being transmitted in the running direction, cf. Reference numeral 32 "to the reflection wall 3.
  • the reflected ultrasound pulses are received in the direction of travel, cf. Reference numeral 33, and reflected on the second deflection wall 13.
  • the second deflection wall 13 is also arranged at an angle of inclination 31 relative to the channel wall 2 of the flow channel 1.
  • the reflected pulses are transmitted from the second deflection wall 13 to the second converter side 16.
  • the ultrasound pulses received there are transmitted in the receiving direction 21 via line 19 into the transmitting / receiving unit 18.
  • ultrasound signals coupled in via the transceiver 18 are also transmitted from the second transducer side 16 to the second deflection wall 13 arranged at an inclination angle 31 to the duct wall 2.
  • the ultrasonic signals are sent in the running direction from the second deflection wall 13, cf. Reference numeral 34, and thrown on the reflection wall 3.
  • the ultrasonic signals are received in the running direction from the reflection wall 3, cf. Reference numeral 35, and reflected on the first deflection wall 12, which is also arranged at an angle of inclination 30 relative to the channel wall 2.
  • the received ultrasound signals are transmitted from the second deflection wall 12 to the first transducer side 15 of the ultrasound transducer 14, from where they are coupled back into the transmitting / receiving unit 18 in the receiving direction 21.
  • Running directions 33 and 35 on the first transducer side 15 and the second transducer side 16 of the ultrasound transducer 14 serve to determine the flow velocity or the flow rate of a medium flowing through the flow channel 1, such as air.
  • the ultrasound transducer 14 proposed according to the invention With the ultrasound transducer 14 proposed according to the invention and arranged in a blind channel 8, two opposite signal paths - as shown above - can be formed without a larger radiation angle being required on the ultrasound transducer 14, which is the design of the ultrasound sensor proposed according to the invention favorably influenced.
  • the ultrasound pulses 17 can be both high-frequency and directional ultrasound pulses that can be bundled better, so that diffraction effects and False signals can be suppressed.
  • only a single ultrasonic transducer 14 is required, as a result of which the transmitter and receiver have the same resonance frequency from the outset and a very compact design can be selected.
  • the arrangement of the ultrasonic transducer 14 within the blind channel 8 next to the actual flow channel 1 prevents flow through this channel.
  • a flow through the blind channel 8 of the medium flowing through the flow channel 1, the flow rate or flow rate of which is to be determined, would otherwise compensate for the transit time difference and thus reduce the signal swing, which would significantly impair the signal quality obtained.
  • the transmitter / receiver unit 18 feeds a signal which causes a transducer signal 22 to be emitted into the ultrasound transducer 14.
  • This transmitted converter signal 22 has a first signal amplitude 23.
  • reference numeral 28 indicates a considerably weaker oscillation, i. H. a significantly lower amplitude 29.
  • the phase shift is indicated by reference number 27.
  • From the amplitude 29 of the mixed signal, ie the superposition of the received ultrasound signal 28 and the first ultrasound wave and the second ultrasound wave 25 results in a measure of the flow velocity or flow rate of the flowing medium, which causes the phase shift 27 between the first ultrasound wave 24 and the second ultrasound wave 25.
  • phase shift 27 is due to the flow speed of the medium flowing in the flow channel 1, the lower the speed of the flowing medium corresponding to the speed profile 4 in the flow channel 1.
  • ultrasound transducer 14 shown in FIG. 1 two separate ones could also be located within the blind channel 8 ultrasonic transducers mounted on top of each other can be used.
  • a phase evaluation ie a detection of the phase shift 27 between the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave 25, which are respectively emitted by different transducers, an electronic mixture of the two signals is required in this case for evaluating the received ultrasonic pulses 28.
  • the ultrasound flow sensor 14 shown schematically in FIG. 1 can be used on internal combustion engines instead of the hot film air mass meters used today, which do not allow the hot film air mass meter to be used for reasons of tolerance or due to increased robustness requirements.
  • the arrangement proposed according to the invention is characterized in particular by good signal quality and an extremely compact design.
  • the solution proposed according to the invention avoids falsification of the measurement by virtue of the fact that the individual ultrasonic transducer 14 emitting on both sides or two transducers mounted adjacent to one another close the blind channel 8, in which the stored volume 7 is accommodated. Due to the prevention of the flow through the blind channel 8, a falsification of the measurement of the flow rate or the flow rate of the flowing medium in the actual flow channel 1 is avoided since there is no bypass channel available via which a partial flow of the flowing medium stretches the measuring section between the first opening 10, the reflection wall 3 and the second opening 11 between the shield 9 and the channel wall of the actual flow channel 1 can pass. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • Flow channel 32 Direction of transmission channel wall (from 1st transducer side 15) Reflection wall 33 Direction of reception speed profile flowing medium (from 2nd transducer side 16) Flow direction 34 Direction of transmission symmetry line (from 2nd transducer side 16) Embedded volume 35 Direction of reception blind channel (from 1st transducer side 15 ) Closure 1. Opening 2. Opening 1. Deflection wall 2. Deflection wall Ultrasonic transducer emitting on both sides 1. Transducer side 2. Transducer side Ultrasound pulses Transmitting / receiving unit Line Transmitting direction Receiving direction Transmitted signal 1. Signal amplitude 1. Ultrasound wave 2. Ultrasound wave Amplitude Phase shift Received ultrasound signal Amplitude Received ultrasound signal Tilt angle 1st deflection wall 12 Tilt angle 2nd deflection wall 13 Direction of shipment (from 1st transducer side 15)

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Strömungssensor zur Erfassung des Volumenstromes durch einen Strömungskanal (1). Mit einer Sende-/Empfangseinheit (18) werden mittels eines Ultraschall-Wandlers (14) erzeugte Ultraschallimpulse (17) in den Strömungskanal (1) eingekoppelt. Dem Strömungskanal (1) ist ein Volumen (7) zugeordnet. In dem Volumen (7) ist ein Ultraschall-Wandler (14) aufgenommen. Dieser sendet oder empfängt an seinen beiden Seiten (15, 16) Ultraschallsignale (22, 28).

Description

Ultraschallströmungssensor mit zweiseitig abstrahlendem Ultraschallwandler
Technisches Gebiet
Im Ansaug- bzw. Ladetrakt einer Verbrennungslσaftmaschine wird der Luftdurchsatz gemessen. Da es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung auf die Massenverhältnisse von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massendurchfluss der Ansa g- Ladeluft zu messen. Hierfür kommen auch Volumen- oder Staudruck messende Verfahren zum Einsatz. Der maximal zu messende Luftmassenstrom liegt je nach Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine im Bereich von 400 bis 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner Motoren beträgt das Verhältnis von minimalem zu maximalem Luftdurchsatz zwischen 1 : 90 bis l : 100.
Stand der Technik
Aus dem Kiafrfahrtechnischen Taschenbuch/Bosch, 23., aktualisierte und erweitere Auflage - Braunschweig; Wiesbaden: Nieweg, 1999, ISBN 3-528-03876-4, Seite 115 geht das Ult- raschall-Durchflussmessverfahren hervor. Gemäß dieses Verfahrens lässt sich die Laufzeit t eines Schallimpulses durch eine Messmedium wie zum Beispiel Luft unter dem Schrä- gungswinkel α mit derselben Messstrecke 1 einmal strömungsaufwärts und einmal strö- mungsabwärts messen. Die resultierende Laufzeitdifferenz des Schallimpulses ist dem Vo- lumendurchfluss direkt proportional. Seite 115, rechte Spalte der vorstehend zitierten Literaturstelle ist entnehmbar, dass die beiden Sender/Empfänger 1 bzw. 2 einander gegenüber- liegend angeordnet sind. Die beiden Sensoren strahlen einseitig Schall ab bzw. empfangen diesen.
Die Nachteile dieser Lösung sind darin zu erblicken, dass Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit auftreten, da die Ultraschalhrohsignale relativ klein sind und über größere Wege zu einer gemeinsamen Elektronik geleitet werden müssen. Zwar könnte Abhilfe dadurch geschaffen werden, dass eine Abschirmung vorgenommen würde, die jedoch relativ aufwändig und für eine Großserie zu teuer wäre. Ferner ließe sich die Auswerteelektronik aufteilen, so dass eine lokale Vorverstärkung stattzufinden hätte. Dies setzt jedoch ebenfalls eine aufwändigere Fertigung voraus und vergrößert die Abmessungen der Elektronik nicht unerheblich.
Die aus dem Stand der Technik bekannt Lösung weist insgesamt gesehen größere Abmes- sungen durch beidseitig am Strömungskanal angebrachte Anbauten auf. Gleiches gilt für die oben aufgezeigten Abhilfemöglichkeiten. Ferner sind bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösung mindestens zwei Wandler erforderlich. Aufgrund der sich einstellenden Asymmetrie ergibt sich eine schlechte Messgenauigkeit.
Darstellung der Erfindung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, ein Messvolumen einem Ultraschallwandler seitlich neben dem eigentlichen Strömungskanal zuzuordnen, erlaubt eine genaue quantitative Erfassung einer durch ein Rohr oder einen Strömungskanal strömenden Volumenströ- mung. Damit lässt sich zum Beispiel in vorteilhafter Weise die Füllungserfassung der Brennräume von Verbrennungskraftmaschinen realisieren. Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich insbesondere durch eine gute Signalqualität sowie eine kompakte Bauform aus.
Es wird ein dem Strömungskanal benachbartes oder eingelagertes Volumen ohne wesentli- ehe Innenströmung vorgeschlagen, wobei in dieses Volumen ein beidseitig abstrahlender und empfangender Ultraschallwandler angeordnet ist. Der Ultraschallwandler strahlt beidseitig kurze Ultraschallpulse ab, die über Reflexionen an schräg gestellten Wandungsflächen des Strömungskanales durch das im Strömungskanal strömende Medium geleitet werden und auf der jeweils anderen Seite des Ultraschallwandlers wieder detektiert werden. Die Zeit- oder Phasendifferenz der detektierten Signale dient zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Durchfiussrate des im Strömungskanal strömenden Mediums. Der Ultraschallwandler, der beispielsweise in einem Blindkanal seitlich des eigentlichen Strömungskanales untergebracht werden kann, unterteilt das im Blindkanal aufgenommene Volumen gleichzeitig und verhindert dessen Durchströmung.
In vorteilhafter Weise wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ermöglicht, zwei gegenläufige Signalwege zu realisieren, ohne dass am Ultraschallwandler ein größerer Abstrahlwinkel benötigt wird. Ein größerer Abstrahlwinkel würde zwangsläufig zu einer Erhöhung der Baugröße führen. Als vom Ultraschallwandler abgestrahlte Schallimpulse werden bevorzugt hochfrequente und gerichtete Ultraschallimpulse verwendet, die sich im Allgemeinen besser bündeln lassen, so dass Beugungseffekten und Fehlsignalen vorgebeugt werden kann. In vorteilhafter Weise ergibt sich daraus, dass lediglich ein einzelner Ultraschallwandler benötigt wird. Dadurch haben der Sender und der Empfänger von vornherein die gleichen Resonanzfrequenzen und es stellt sich ein sehr kompakte Bauform ein. Wird im Rahmen der Signalauswertung der empfangenen Ultraschallsignale ein Phasenkorrelationsverfahren eingesetzt, erfolgt die Bestimmung der Signaldifferenz bereits im Ultraschallwandler, so dass keine externe Mischstufe mehr benötigt wird und diese demzufolge entfallen kann. Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist ein Volumen mit Ultraschallwandler seitlich des eigentlichen Strömungskanales angeordnet. Von dem Ultraschallwandler ausgehende Ultraschallwellen, die impulsweise ausgesandt werden, werden mehrfach reflektiert, verlaufen durch das strömende Medium und treffen wieder auf der entgegengesetzten Seite des Ultraschallwandlers auf. Der inmitten des Blindkanales beispielsweise auf- nehmbare Ultraschallwandler verschKeßt den Blindkanal. Dadurch wird eine Durchströmung dieses Kanales verhindert. Eine Durchströmung des seitlichen Kanales würde andernfalls eine Kompensation des Laufzeitunterschiedes und damit eine Reduzierung des Signalhubs bewirken, wodurch sich eine verminderte Signalqualität ergäbe.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallwandlers als Teil eines Ultraschall-Strömungssensors eingelassen in einen seitlichen Blindkanal und
Figur 2 die Signalamplituden der Ultraschallsignale.
Ein beispielsweise in Rohrform ausgebildeter Strömungskanal 1 wird in Strömungsrichtung 5 von einem strömenden Medium, wie zum Beispiel Luft durchströmt. Der Strömungskanal 1 ist durch eine Kanalwand 2 begrenzt. In einem rohrfδrmig ausgebildeten Strömungskanal 1 bildet sich ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil 4 des strömenden Mediums aus, wobei die maximale Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Symmetrieachse 6 des Strömungskanales 1 liegt. Seitlich des Strömungskanales 1 befindet sich innerhalb eines Blindkanales 8 ein eingelagertes Luftvolumen 7. Der Blindkanal 8 ist gegen den eigentlichen Strömungskanal 1 durch eine Abschirmung 9 abgeschirmt. Ferner ist innerhalb des Blindka- nales 8 ein beidseitig abstrahlender Ultraschallwandler 14 aufgenommen. Der Blindkanal 7 steht über eine erste Öffnung (10) sowie eine zweite Öffnung 11 mit dem eigentlichen Strömungskanal 1 in Verbindung. Am Blindkanal 8 sind Umlenkwände 12 bzw. 13 ausgebildet, an welchen vom beidseitig abstrahlenden Ultraschall-Wandler 14 ausgehende bzw. von diesem empfangende Ultraschallwellen reflektiert werden. Neigungswinkel 30, 31 der Umlenkwände 12 bzw. 13 ist so gewählt, dass die durch die erste Öffnung 10 austretenden Ultraschallwellen nach Reflexion an einer Refiexionswand 3 des Strömungskanales 1 über die zweite Öffnung 11 wieder auf eine Umlenkwand 13 treffen und von dieser an eine Seite des beidseitig abstrahlenden Ultraschall-Wandlers 14 zurückgeworfen werden.
Über die Sende-/Empfangseinheit 18, d. h. deren Leitung 19, werden in Senderichtung 20 wirkende Signale in den Ultraschallwandler 14 eingekoppelt. Die Ultraschallimpulse 17 werden von der ersten Wandlerseite 15 an die erste Umlenkwand 12 gesandt. Die in einem Neigungswinkel 30 angeordnete erste Umlenkwand 12 reflektiert die Ultraschallimpulse 17 in Laufrichtung senden, vgl. Bezugszeichen 32„ an die Reflexionswand 3. Von dieser werden die reflektierten Ultraschallimpulse in Laufrichtung empfangen, vgl. Bezugszeichen 33, und an die zweite Umlenkwand 13 reflektiert. Auch die zweite Umlenkwand 13 ist in einem Neigungswinkel 31 relativ zur Kanalwand 2 des Strömungskanales 1 angeordnet. Von der zweiten Umlenkwand 13 werden die reflektierten Impulse an die zweite Wandlerseite 16 übertragen. Die dort empfangenen Ultraschallimpulse werden in Empfangsrichtung 21 via Leitung 19 in die Sende-/Empfangseinheit 18 übertragen.
Umgekehrt werden auch von der zweiten Wandlerseite 16 aus über die Sende- /Empfangseinheit 18 eingekoppelte Ultraschallsignale an die zweite, unter einem Neigungs- winkel 31 zur Kanalwand 2 angeordnete Umlenkwand 13 ausgesandt. Von der zweiten Umlenkwand 13 werden die Ultraschallsignale in Laufrichtung gesendet, vgl. Bezugszeichen 34, und an die Reflexionswand 3 geworfen. Von der Reflexionswand 3 werden die Ultraschallsignale in Laufrichtung empfangen, vgl. Bezugszeichen 35, und an die erste Umlenkwand 12, die ebenfalls unter einem Neigungswinkel 30 relativ zur Kanalwand 2 angeordnet ist, reflektiert. Von der zweiten Umlenkwand 12 aus werden die empfangenen Ultraschallsignale an die erste Wandlerseite 15 des Ultraschall-Wandlers 14 übertragen, von wo aus sie in Empfangsrichtung 21 wieder in die Sende-/Empfangseinheit 18 eingekoppelt werden.
Die Zeit- oder Phasendifferenz der empfangenen Signale, vgl. Laufrichtungen 33 bzw. 35 an der ersten Wandlerseite 15 bzw. der zweiten Wandlerseite 16 des Ultraschall- Wandlers 14 dienen zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit oder der Durchflussrate eines den Strömungskanal 1 durchströmenden Mediums, wie beispielsweise Luft.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, in einem Blindkanal 8 angeordneten Ultra- schall-Wandler 14 lassen sich zwei gegenläufige Signalwege - wie oben dargestellt - ausbilden, ohne dass am Ultraschall- Wandler 14 ein größerer Abstrahlwinkel benötigt würde, was die Bauform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Sensors günstig beeinflusst. Bei den Ultraschallimpulsen 17 kann es sich sowohl um hochfrequente als auch gerichtete Ultraschallimpulse handeln, die sich besser bündeln lassen, so dass Beugungseffekte und Fehlsignale unterdrückt werden. In vorteilhafter Weise wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lediglich ein einzelner Ultraschall-Wandler 14 benötigt, wodurch Sender und Empfänger von vornherein die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen und eine sehr kompakte Bauform gewählt werden kann. Wird bei der Signalauswertung der an der ersten Wandlerseite 15 bzw. der zweiten Wandlerseite 16 des Ultraschall-Wandlers 14 eine Phasenkorrelation zur Auswertung der in den Empfangslaufrichtungen 33 bzw. 35 reflektierten Signale gewählt, so kann eine Signalinterferenz bereits im Ultraschall-Wandler 14 erfolgen, was eine externe Mischstufe entbehrlich macht.
Durch die Anordnung des Ultraschall- Wandlers 14 innerhalb des Blindkanales 8 neben dem eigentlichen Strömungskanal 1 wird eine Durchströmung dieses Kanales verhindert. Eine Durchströmung des Blindkanales 8 von dem den Strömungskanal 1 durchströmenden Medium, dessen Durchflussgeschwindigkeit bzw. Durchflussrate ermittelt werden soll, würde andernfalls eine Kompensation des Laufzeitunterschiedes und damit eine Reduzierung des Signalhubes bewirken, was die erhaltene Signalqualität erheblich beeinträchtigen würde. Je größer die Neigungswinkel 30 bzw. 31 für die erste Umlenkwand 12 und die zweite Umlenkwand 13 gewählt werden, ein desto größerer Abstand stellt sich zwischen der ersten Umlenkwand 12 und der zweiten Umlenkwand 13 ein. Aufgrund dessen nimmt die Lauf- zeitdifferenz der Signale zu, wodurch sich eine höhere Messgenauigkeit erzielen lässt. Grö- ßer gewählte Neigungswinkel 30 bzw. 31 für die Umlenkwände 12 bzw. 13 beeinflussen die Schallabsorption positiv, wodurch sich ein messtechnisch optimaler Winkel ergibt. Der messtechnisch jeweils optimale Winkel hängt jedoch von der Ultraschallfrequenz der Ultraschallsignale ab, da die Schallabsorption stark frequenzabhängig ist. Höher gewählte Frequenzen lassen eine bessere Zeitauflösung zu, werden jedoch auch stärker absorbiert.
Der Darstellung gemäß Figur 2 sind die jeweiligen Signalamplituden der Ultraschall-signale entnehmbar.
Zu Beginn des Messvorganges wird von der Sende-Empfangseinheit 18 ein ein Aussenden eines Wandler-Signal 22 bewirkendes Signal in den Ultraschall-Wandler 14 eingespeist. Dieses gesendete Wandlersignal 22 weist eine erste Signalamplitude 23 auf. Das empfangene Signal, vgl. Bezugszeichen 28 weist, demgegenüber eine erhebliche schwächere Oszillation, d. h. eine wesentlich geringere Amplitude 29 auf.
Die weiterhin in Figur 2 dargestellten Ultraschallwellen 24, 25, die im Sendemodus von der ersten Wandlerseite 15 bzw. der zweiten Wandlerseite 16 des Ultraschall-Wandlers 14 ausgestrahlt werden, sind nach Durchlaufen des strömenden Mediums aufgrund der Mitführung der Wellen in der Strömung gegenseitig zueinander phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist durch Bezugszeichen 27 angedeutet. Aus der Amplitude 29 des Mischsignales, d. h. der Überlagerung des empfangenen Ultraschallsignales 28 und der ersten Ultraschallwelle und der zweiten Ultraschallwelle 25, ergibt sich ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflussrate des strömenden Mediums, welche die Phasenverschiebung 27 zwischen der ersten Ultraschallwelle 24 und der zweiten Ultraschallwelle 25 hervorruft. Je geringer die Phasenverschiebung 27 aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des im Strömungskanal 1 strömenden Mediums ausfällt, desto geringer ist die Geschwindigkeit des strömenden Mediums entsprechend des Geschwindigkeitsprofiles 4 im Strömungskanal 1. Anstelle des in Figur 1 dargestellten Ultraschall- Wandlers 14 könnten innerhalb des Blindkanales 8 auch zwei getrennte, aufeinander montierte Ultraschall-Wandler eingesetzt werden. Im Falle einer Phasenauswertung, d. h. einer Detektion der Phasenverschiebung 27 zwischen der ersten Ultraschallwelle und der zweiten Ultraschallwelle 25 die jeweils von verschiedenen Wandlern ausgesandt werden, ist in diesem Falle zur Auswertung der empfangenen Ultraschall- pulse 28 eine elektronische Mischung der beiden Signale erforderlich.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte Ultraschall-Strömungssensor 14 kann anstelle heute eingesetzter Heißfilmluftmassenmessern an Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, die einen Einsatz des Heißfilmluftmassenmessers aus Toleranzgründen oder aufgrund von erhöhten Robustheitsanforderungen nicht zulassen. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Strömungssensor mit beidseitig abgestrahltem Ultraschall-Wandler innerhalb eines eingelagerten Volumens des Mediums, dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflussrate gemessen werden soll, bietet eine quantitativ hochgenaue Volumenstrommessung. Mit dieser können Füllungserfassungen der Zylinder von Verbrermungskraftrαa- schinen hochgenau erfasst werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich insbesondere durch eine gute Signalqualität sowie eine extrem kompakte Bauform aus.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung vermeidet eine Verfälschung der Messung dadurch, dass der beidseitig abstrahlende einzelne Ultraschall- Wandler 14 bzw. zwei benachbart zueinander montierte Wandler den Blindkanal 8, in welchem das eingelagerte Vo- lumen 7 aufgenommen ist, verschließen. Aufgrund der Verhinderung der Durchströmung des Blindkanales 8 wird eine Verfälschung der Messung der Durchflussgeschwindigkeit bzw. der Durchflussrate des strömenden Mediums im eigentlichen Strömungskanal 1 vermieden, da kein Bypass-Kanal zur Verfügung steht, über welcher ein Teilstrom des strömenden Mediums die Messstrecke zwischen der ersten Öffnung 10, der Reflexionswand 3 und der zweiten Öffnung 11 zwischen Abschirmung 9 und Kanalwand des eigentlichen Strömungskanales 1 zu passieren vermag. Bezugszeichenliste
Strömungskanal 32 Laufrichtung Senden Kanalwand (von 1. Wandlerseite 15) Reflexionswand 33 Laufrichtung Empfang Geschwindigkeitsprofil strömendes Medium (von 2. Wandlerseite 16) Strömungsrichtung 34 Laufrichtung Senden Symmetrielinie (von 2. Wandlerseite 16) Eingelagertes Volumen 35 Laufrichtung Empfang Blindkanal (von 1. Wandlerseite 15) Abscliirmung 1. Öffnung 2. Öffnung 1. Umlenkwand 2. Umlenkwand Beidseitig abstrahlender Ultraschall-Wandler 1. Wandlerseite 2. Wandlerseite Ultraschallimpulse Sende-/Empfangseinheit Leitung Senderichtung Empfangsrichtung Gesendetes Wandlersignal 1. Signalamplitude 1. Ultraschall-Welle 2. Ultraschall-Welle Amplitude Phasenverschiebung Empfangenes Ultraschall-Signal Amplitude empfangenes Ultraschall-Signal Neigungswinkel 1. Umlenkwand 12 Neigungswinkel 2. Umlenkwand 13 Laufrichtung Sendung (von 1. Wandlerseite 15)

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Strömungssensor zur Erfassung des Volumenstromes durch ein Strömungs- kanal (1), mit einer Sende-ZEmpfangseinheit (18), über welche mittels eines Ultraschall- Wandlers (14) Ultraschallimpulse (17) in den Strömungskanal (1) eingekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungskanal (1) ein Volumen (7) zugeordnet ist, in welchem ein Ultraschall-Wandler (14) aufgenommen ist, der an beiden Seiten (15, 16) Ultraschallsignale (22, 28) sendet oder empfängt.
2. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (7) in einem gegen den Strömungskanal (1) abgeschirmten Blindkanal (8) eingelagert ist.
3. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blindkanal (8) mit einer eine erste Öffnung (10) und eine zweite Öffnung (11) aufweisenden Abschirmung (9) gegen den Strömungskanal (1) abgeschirmt ist.
4. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungswand des Blindkanales (8) eine erste und eine zweite Umlenkwand (12, 13) aufweist.
5. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blindkanal (8) durch den Ultraschall-Wandler (14) verschlossen ist.
6. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Sende-ZEmpfangseinheit (18) an der ersten Wandlerseite (15) in Senderichtung (20, 32) eingekoppelten Ultraschallpulse (17) an der ersten Umlenkwand (12) umgelenkt und an einer Reflexionswand (3) des Strömungskanales (1) reflektiert und an der zweiten Umlenkwand (13) an die zweite Wandlerseite (16) des Ultraschall- Wandlers (14) reflektiert werden und in Empfangsrichtung (21, 33) an die Sende- /Empfangseinheit (18) übertragen werden.
7. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Sende-ZEmpfangseinheit (18) an der zweiten Wandlerseite (16) in Senderichtung (20, 34) eingekoppelten Ultraschallsignale (17) an der zweiten Umlenkwand (13) umgelenkt, an die erste Wandlerseite (15) des Ultraschallwandlers (14) reflektiert und in Empfangsrichtung (21, 35) an die Sende-ZEmpfangseinheit (18) übertragen werden.
8. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflächen (12, 13) in Neigungswinkeln (31, 32) angeordnet sind, die eine Ablenkung der Ultraschallimpulse (17) durch die Öffnungen (10, 11) der Abschirmung (9) und eine Fokussierung auf eine Reflexionswand (3) des Strömungskanals (1) ermöglichen.
9. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Blindkanal (8) ein einziger, beidseits abstrahlender Ultraschall-Wandler (14) aufgenommen ist.
10. Ultraschall-Strömungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Blindkanal (8) zwei benachbarte, jeweils einseitig abstrahlende Ultraschall- Wandler (14) aufgenommen sind.
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