WO2016005293A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer konzentration eines bestandteils eines fluidgemischs in einem fluidraum - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer konzentration eines bestandteils eines fluidgemischs in einem fluidraum Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a corresponding device for determining a concentration of a component of a fluid mixture in a fluid space.
  • DE 35 44 786 Al discloses an arrangement for determining the concentration of gases, utilizing the dispersion of the speed of sound, in which the phases of the two ver ⁇ different measurement frequencies are compared directly in the phase detector and the phase difference is used as a measure of the gas concentration.
  • US 2011/0314897 A1 describes a sensor chip for gas comprising cells for emitting and receiving ultrasound and configured to cover a large frequency range and to measure a concentration of at least one gas component based on at least two responses within the range.
  • DE 29 45 172 Al describes a method for determining the concentration of a gas, in particular the Kohlendioxidge- halts, in a gas mixture, which will used in a Disper ⁇ sion area greatly changing the speed of sound of the gas through the dispersion measurements of the gas mixture for the determination of the gas content.
  • US 6 487 916 Bl describes a method for determining a flow velocity of a fluid.
  • a fluid is mouldge ⁇ is flowing in a predetermined direction.
  • a first pulse is transmitted and received perpendicular to the predetermined direction over a first known distance within the fluid.
  • a second pulse is transmitted and received at an oblique angle to the predetermined direction over a second known distance within the fluid.
  • Respective Speeds of the first and second pulses, and their difference are determined. The difference is used to determine the flow velocity.
  • the flow rate is compared to a desired flow rate.
  • the invention features a method for determining a concentration of a constituent of a fluid mixture in a fluid space, in which a first sound conversion unit is operated to transmit and receive a first sound signal having a predetermined first frequency and to transmit and receive a second one Sound signal with a predetermined second frequency.
  • a first transit time of the first sound signal and a second transit time of the second sound signal are determined.
  • a first characteristic value is determined, which is representative of the concentration of the component of the fluid mixture.
  • a dependence of a sound velocity of a sound signal on a frequency of the sound signal can also be described as
  • Sound dispersion are called.
  • the knowledge is used that an effect of the sound dispersion is dependent on the fluid mixture and a concentration of the component in the fluid mixture. This allows for a reliable method of determining the concentration of the component in the fluid mixture, for example substantially independently of a mass flow of the fluid mixture.
  • a device for carrying out the method is robust and inexpensive to produce.
  • the first frequency is not equal to the second frequency.
  • the first characteristic is representative of a carbon dioxide concentration in the fluid space. Particularly at a high carbon dioxide concentration, the effect of the sound dispersion occurs particularly strongly.
  • an intake tract of an internal combustion engine comprises the fluid space.
  • a reliable and cost-effective exhaust gas recirculation as is possible since a determination of the coals ⁇ stoffdioxidkonzentration based on ultrasound using sound ⁇ dispersion is for example more reliable than a tempe ⁇ raturcombe, susceptible to measurement of oxygen concentration by means of lambda sensor. Further, for determining the coal ⁇ stoffdioxidkonzentration a heating element is merely optional.
  • the fluid space is arranged downstream of an opening of an exhaust gas recirculation in the exhaust tract.
  • a carbon dioxide concentration of a supplied air mixture ⁇ is determined and contributed to a precise exhaust gas recirculation.
  • a second sound conversion unit is operated for transmission and Receiving a third sound signal at a predetermined third frequency.
  • a third transit time of the third sound signal is determined.
  • a second characteristic value is determined, which is representative of a mass flow of the fluid mixture.
  • the additional sound conversion unit covers an additional frequency range in which the effect of the sound dispersion occurs measurably.
  • the concentration of the constituent of the fluid mixture ⁇ with high reliability can be determined for example.
  • the concentration of the component of a flowing fluid mixture is determined and a first component of a first main radiation direction of the first sound signal of a first component of a third main radiation direction of the third sound signal is opposite and the first component of the first main radiation direction and the first
  • Component of the third main radiation direction parallel to a main flow direction of the fluid mixture such an arrangement allows a simultaneous determination of a mass ⁇ current.
  • the second sound conversion unit zusharm ⁇ Lich operated for transmitting and receiving a fourth sound ⁇ signal with a predetermined fourth frequency, the fourth term is determined.
  • a redundant characteristic value can be determined, which is representative, for example, of the first characteristic value or of the second characteristic value, thus contributing to a high reliability of the method.
  • the invention is characterized by a device for determining a concentration of a loading ⁇ part of a fluid mixture in a fluid space, the first Sound conversion unit, which is designed for transmitting and receiving a first sound signal and for transmitting and receiving a second sound signal.
  • the apparatus also comprises a control unit, which is for carrying out a method according to the first aspect forms ⁇ .
  • Such a reliable determination of the concentration of the component of the fluid mixture is made possible.
  • Such a device is also robust and inexpensive to produce.
  • a transmitter for transmitting a respective sound signal of the first sound conversion unit can be arranged for example in a structural unit with a corresponding receiver for receiving the respective sound signal, or be arranged spatially separated from the corresponding receiver.
  • the first sound conversion unit has at least one first sound transducer.
  • the first sound conversion unit has a single first sound transducer, which can be used, for example, as a sound transducer
  • the CMUT transducer or is designed as a piezo-sound transducer and is designed to send and receive the first and second sound ⁇ signal.
  • the first sound conversion unit ⁇ example, depending on a first transducer, which is adapted for transmitting and receiving the first sound signal or the second sound signal.
  • the first sound conversion unit is designed as a MEMS module comprising two CMUT sound transducers.
  • Such a MEMS module in contrast to a
  • Kunststoffoffoffplatine can contain up to four sound transducers on one silicone and can be manufactured inexpensively and in a space-saving manner.
  • the at least one first sound transducer is designed as a CMUT.
  • CMUTs are micromechanically produced ultrasonic transducers whose energy conversion is based on a change in their capacitance. Due to its short ringing time, a sound transducer designed as a CMUT (CMUT sound transducer) is faster than a piezo sound transducer, for example, so that a measurement path can be kept short. Advantageously, the small predetermined distance allows a compact design. Furthermore, CMUT transducers are characterized by a particularly wide range, high temperature resistance and a favorable and space-saving production.
  • the device has a reflector element.
  • the reflector element is designed to reflect the first sound signal and the second sound signal in each case such that the first sound conversion unit receives the reflected first sound signal and the reflected second sound signal.
  • the device comprises a second sound conversion unit which is designed for transmitting and receiving a third sound signal.
  • the second sound conversion unit is designed in addition to transmitting and receiving a fourth sound signal having a predetermined fourth frequency.
  • the additional second sound conversion unit play covers an additional frequency range at ⁇ . Thereby, the concentration of the constituent of the fluid mixture ⁇ with higher reliability can be determined for example.
  • the fluid mixture for example, has a mainstream ⁇ direction.
  • a first main radiation direction of the first sound signal and a third main radiation direction of the third sound signal each have a first opposing component parallel to the main flow direction of the fluid mixture.
  • a simultaneous determination of a mass flow of the fluid mixture in the main flow direction is made possible.
  • the second sound conversion unit has at least one second
  • the at least one second sound transducer is designed as a CMUT.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an apparatus for determining a concentration of a constituent of a fluid mixture in a fluid space
  • FIG. 2 shows an exemplary sound dispersion curve
  • FIG 3 shows a frequency spectrum of a CMUT transducer and a frequency spectrum of a piezoelectric transducer
  • Figure 4a shows an embodiment of a first block for
  • FIG. 4b shows a frequency spectrum of the first module according to FIG.
  • Figure 5a shows an embodiment of a second block for
  • FIG. 5b shows a frequency spectrum of the second module according to FIG.
  • Figure 6 shows a second embodiment of the device for
  • Figure 7 shows a third embodiment of the device for
  • Figure 8 is a flow chart of a program for performing a method for determining the concentration of the component of the fluid mixture in the fluid space.
  • an intake pipe ASR with a fluid space FR is arranged downstream of an opening of an exhaust gas recirculation (FIG. 1).
  • the fluid space FR is traversed by a fluid mixture FG, which is passed into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a device for determining a concen ⁇ tration of a component B of the fluid mixture FG is arranged, for example, to control the exhaust gas recirculation.
  • the apparatus comprises a first sound conversion unit SEI associated with a given before ⁇ first frequency Fl comprises for transmitting a first sound signal SSI a first transmitter Sl and for transmitting a second acoustic signal SS2 with a predetermined second frequency F2 includes a second transmitter S2. Furthermore, the first sound conversion unit SEI comprises a first receiver E1 for receiving the first sound signal SSI and a second receiver E2 for receiving the second sound signal SS2. For example, the first sound conversion unit SEI comprises at least one first sound transducer SW1 for this purpose.
  • the at least one first sound transducer SWl is arranged in the fluid space FR on a wall W of the intake pipe ASR, so that a main radiation direction of the first transmitter Sl and the second transmitter S2 is directed away from the wall W of the intake pipe ASR, into the fluid space FR.
  • the first receiver El and second receivers E2 are at ⁇ play faces at a predetermined distance A to the first station Sl and the second transmitter S2 and the first station Sl and the second station S2 to the wall W of the suction pipe ASR arranged opposite.
  • the device has a second sound conversion unit SE2, which comprises a third transmitter S3 for transmitting a third sound signal SS3 having a predetermined third frequency F3 and for transmitting a fourth sound signal SS4 comprising a fourth transmitter S4 with a predetermined fourth frequency F4.
  • the second sound conversion unit SE2 for receiving the third sound signal SS3 comprises a third receiver E3 and for receiving the fourth sound signal SS4 a fourth receiver E4.
  • the second sound conversion unit SE2 for this purpose comprises at least one second sound transducer SW2.
  • the fluid mixture FG has, for example, oxygen and carbon dioxide.
  • the first sound signal SSI with the pre ⁇ given first frequency Fl has, for example, a first sound velocity Cl in the fluid mixture FG.
  • the second sound signal SS2 having the predetermined second frequency F2 has, for example, a second sound velocity C2 in the fluid mixture FG.
  • a difference of the first velocity of sound Cl to the second speed of sound C2 is, depending on coal ⁇ stoffdioxidkonzentration in the fluid mixture FG up to 10% of the first acoustic velocity Cl, largely independent of the oxygen concentration or a concentration of other fluids in the fluid mixture FG.
  • Such a sound dispersion curve for a given carbon dioxide concentration is shown in FIG.
  • the device is designed to determine a respective transit time of the sound signals SSI, SS2 in the fluid space FR. Zu ⁇ addition, the device is for example designed to determine a speed of sound of the third sound signal SS3 and the fourth sound signal SS4, so that for two sound ⁇ signals of different frequencies each have a sound speed and on the carbon dioxide concentration can be concluded.
  • the first predetermined frequency Fl is equal to the third predetermined frequency F3.
  • the second predetermined frequency F2 is also equal to the fourth predetermined frequency F4, so that the at least one first sound transducer SWl and the at least one second sound transducer SW2 are of identical construction.
  • the sound transducers SW1, SW2 are designed, for example, as capacitive, micromechanically produced ultrasonic transducers (CMUT, "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers", in the following referred to as CMUT transducers).
  • CMUT capacitive, micromechanically produced ultrasonic transducers
  • CMUT transducers are ultrasonic transducers whose energy ⁇ conversion due to a change of its capacity.
  • CMUT transducer has a cavity in a silicon substrate serving as a first electrode and covered by a thin, metallized membrane serving as a second electrode.
  • a thin, metallized membrane serving as a second electrode.
  • FIG. 3 shows a frequency spectrum SP_C of an exemplary CMUT sound transducer.
  • a frequency spectrum SP_P provides an example ⁇ adhere piezo transducer with a dashed line ones shown,.
  • a minimum sound pressure PO of the sound signal is required. The CMUT transducer reaches the minimum sound pressure PO at a first frequency F1_C and exceeds it to a second frequency F2_C.
  • the frequency spectrum SP_P of the piezoelectric transducer is in contrast much narrower, so that a first frequency F1_P, at which the piezoelectric transducer reaches the minimum sound pressure PO, for example, is greater than the first frequency F1_C and a second frequency F2_P, to which the minimum sound pressure PO is exceeded, for example, is smaller than the second frequency F2_C.
  • the CMUT transducer By tunability of the CMUT transducer in a wide frequency range between F1_C and F2_C, at which the required minimum sound pressure PO is reached, it is possible to measurably produce the sound dispersion used to determine the carbon dioxide concentration with a single CMUT transducer.
  • the first frequency F1_C of the CMUT transducer is equal to the pre ⁇ given first frequency Fl of the first sound signal SSI and the second frequency F2_C of the CMUT transducer equal to the pre ⁇ given second frequency F2 of the second sound signal SS2.
  • the first transmitter S1 and the second transmitter S2 are therefore advantageously formed in a single first sound transducer SW1 and the third transmitter S3 and the fourth transmitter S4 are formed in a single second sound transducer SW2.
  • Frequency F2 is equal to the predetermined fourth frequency F4, the receivers El, E2 and transmitter S3, S4 are advantageously formed, for example, in a designed as a CMUT transducer first unit BEI and the transmitter Sl, S2 and receiver E3, E4 in as CMUT transducer formed second assembly BE2 formed ( Figure 1).
  • FIG. 4 a shows a first component BS 1 with a height H, which is designed, for example, as a MEMS module and whose height H is 1 mm.
  • the first module BS1 comprises the second module BE2, which is designed, for example, as a CMUT sound transducer and whose frequency spectrum SP_BE2 is shown in FIG. 4b.
  • the frequency spectrum SP_BE2 reaches the minimum sound pressure PO at the predetermined first frequency Fl of the first sound signal SSI up to the predetermined second frequency F2 of the second sound signal SS2.
  • FIG. 5a shows a second component BS2 with the height H, which, analogously to the first component BS1, is designed, for example, as a MEMS component whose height H is 1 mm.
  • the second component BS2 comprises a third assembly BE3 and a fourth assembly BE4, which are formed, for example, as a CMUT sound transducer and the frequency ⁇ spectrum SP_BE3, SP_BE4 each shown in Figure 5b.
  • the frequency spectrum SP_BE4 of the fourth unit BE4 shifts to a lower frequency range, so that the frequency spectrum SP_BE4 reaches a maximum, for example, at the predetermined first frequency Fl.
  • the frequency spectrum SP_BE3 of the third unit ⁇ BE3 shifts into a higher frequency range, so that the frequency spectrum SP_BE3 reaches a maximum, for example at the predetermined second frequency F2.
  • a frequency spectrum of the second block BS2 is particularly wide at the minimum sound pressure PO. Furthermore, a sound pressure at the predetermined first frequency Fl and the predetermined second frequency F2 is maximum. Advantageously, it becomes a reliable one Determination of the concentration of the component B in the fluid mixture FG contributed.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of a device for determining the concentration of the constituent B of the fluid mixture FG in the fluid space FR, which differs from the first exemplary embodiment of FIG. 1 in that, instead of a first constructional unit BEI, a reflector element R for example the wall W of the intake pipe ASR is arranged so that the first sound signal SSI of the first transmitter Sl is reflected to the first receiver El and the second sound ⁇ signal SS2 of the second transmitter S2 is reflected to the second receiver E2.
  • the reflector element R is arranged in the predetermined distance A to the transmitters Sl, S2.
  • it ⁇ enables such an arrangement, a reliable determination of the concentration of the component B in the mixture fluid in the fluid space FG FR as well as a cost-effective production.
  • FIG. 7 shows a third exemplary embodiment of a device for determining the concentration of the component B of the fluid mixture FG in the fluid space FR, which differs from the first exemplary embodiment of FIG. 1 in that the second structural unit BE2 belongs to the first structural unit BEI an offset V in the main flow direction HSR of the fluid mixture FG is arranged.
  • the sound signals SSI and SS2 each have a first component counter to the main direction of flow HSR.
  • Sound signals SS3 and SS4 each have a first component in the main flow direction HSR.
  • the first sound signal SSI has a first component SS1_1 opposite to the main flow direction HSR and a second component SS1_2 perpendicular to the main flow direction HSR.
  • the predetermined first frequency Fl is equal to the predetermined third frequency F3, so that a mass flow of the fluid mixture FG free of sound dispersion can be determined by a different transit time ⁇ of the first sound signal SSI and the third sound signal SS3.
  • the predetermined second frequency F2 is equal to the predetermined fourth frequency F4, so that a mass flow of the fluid mixture FG can be determined free of a sound dispersion by a different duration of the second sound signal SS2 and the fourth sound signal SS4.
  • the device of FIGS. 1, 6 and 7 comprises a control unit, not shown, in whose data and program memory a program for determining the concentration of the component B of the fluid mixture FG is stored, which is explained in more detail below with reference to the flowchart of FIG.
  • the program is started in a program step PS1 in which, for example, variables are initialized.
  • a first transit time LI of the first sound signal SSI and a second transit time L2 of the second sound signal SS2 are determined.
  • the program is then continued in a program step PS5.
  • a first difference Dl of the transit times LI, L2 is determined as a function of the first transit time LI and the second transit time L2.
  • the program is continued in a program step PS7.
  • a third transit time L3 of the third sound signal SS3 and a fourth transit time L4 of the fourth sound signal SS4 are determined.
  • the program is then continued in a program step PS9.
  • a fourth difference D4 of the transit times L3, L4 is determined as a function of the third transit time L3 and the fourth transit time L4.
  • the program continues in a Pro ⁇ gram step PS11.
  • a first characteristic value K1 is determined, which is representative of the concentration of the component B of the fluid mixture FG.
  • the program is continued in a program step PS13.
  • a second difference D2 of the transit times LI, L3 is determined as a function of the first transit time LI and the third transit time L3.
  • the program is continued in a program step PS15.
  • a third difference D3 of the transit times L2, L4 is determined as a function of the second transit time L2 and the fourth transit time L4.
  • the program is continued in a program step PS17.
  • a second characteristic value K2 is determined, which is representative of a mass flow of the fluid mixture FG.

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils (B) eines Fluidgemischs (FG) in einem Fluidraum (FR), bei dem eine erste Schallwandlungseinheit zum Senden und Empfangen eines ersten Schallsignals (SS1) mit einer vorgegeben ersten Frequenz (F1) und zum Senden und Empfangen eines zweiten Schallsignals (SS2) mit einer vorgegeben zweiten Frequenz (F2) betrieben wird, eine erste Laufzeit (L1) des ersten Schallsignals (SS1) und eine zweite Laufzeit (L2) des zweiten Schallsignals (SS2) ermittelt wird, und abhängig von der ersten Laufzeit (L1) und der zweiten Laufzeit (L2) ein erster Kennwert (K1) ermittelt wird, der repräsentativ ist für die Konzentration des Bestandteils (B) des Fluidgemischs (FG). Eine zweite Schallwandlungseinheit zum Senden und Empfangen eines dritten Schallsignals (SS3), wird mit einer dritten Frequenz (F3) betrieben und dient zur Ermittelung einer dritten Laufzeit (L3) des dritten Schallsignals (SS3). Aus der ersten Laufzeit (L1) und der dritten Laufzeit (L3) wird ein zweiter Kennwert (K2) ermittelt, der für einen Massenfluss des Fluidgemischs (FG) repräsentativ ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum. DE 35 44 786 AI beschreibt eine Anordnung zu Bestimmung der Konzentration von Gasen unter Ausnutzung der Dispersion der Schallgeschwindigkeit, bei der die Phasen der beiden ver¬ schiedenen Messfrequenzen direkt im Phasendetektor miteinander verglichen werden und die Phasendifferenz als Maß für die Gaskonzentration verwendet wird.
US 2011/0314897 AI beschreibt einen Sensorchip für Gas, der Zellen umfasst zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall und ausgebildet ist einen großen Frequenzbereich abzudecken und eine Konzentration zumindest einer Gaskomponente zu messen basierend auf zumindest zwei Antworten innerhalb des Bereichs .
DE 29 45 172 AI beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, insbesondere des Kohlendioxidge- halts, in einem Gasgemisch, wobei die sich in einem Disper¬ sionsgebiet stark ändernde Schallgeschwindigkeit des Gases durch Dispersionsmessungen am Gasgemisch zur Bestimmung des Gasgehalts herangezogen wird. US 6 487 916 Bl beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung einer Flussgeschwindigkeit eines Fluids. Ein Fluid wird bereitge¬ stellt, welches in einer vorgegebenen Richtung fließt. Ein erster Puls wird senkrecht zu der vorgegebenen Richtung über eine erste bekannte Entfernung innerhalb des Fluids ausgesendet und empfangen. Ein zweiter Puls wird in einem schrägen Winkel zu der vorgegebenen Richtung über eine zweite bekannte Entfernung innerhalb des Fluids ausgesendet und empfangen. Jeweilige Geschwindigkeiten der ersten und zweiten Pulse, sowie deren Differenz werden ermittelt. Die Differenz wird genutzt um die Flussgeschwindigkeit zu ermitteln. Die Flussgeschwindigkeit wird mit einer Soll-Flussgeschwindigkeit verglichen.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum zu schaffen, die dazu beiträgt, dass eine Konzentration des Bestandteils zuverlässig bestimmt werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zu schaffen, welche eine gleichzeitige Bestimmung eines Massenstroms er¬ möglicht .
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patent¬ anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum aus, bei dem eine erste Schallwandlungseinheit betrieben wird zum Senden und Empfangen eines ersten Schallsignals mit einer vorgegebenen ersten Frequenz und zum Senden und Empfangen eines zweiten Schallsignals mit einer vorgegeben zweiten Frequenz .
Es wird eine erste Laufzeit des ersten Schallsignals und eine zweite Laufzeit des zweiten Schallsignals ermittelt. Abhängig von der ersten Laufzeit und der zweiten Laufzeit wird ein erster Kennwert ermittelt, der repräsentativ ist für die Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs.
Eine Abhängigkeit einer Schallgeschwindigkeit eines Schall- Signals von einer Frequenz des Schallsignals kann auch als
Schalldispersion bezeichnet werden. In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass ein Effekt der Schalldispersion abhängig von dem Fluidgemisch und einer Konzentration des Bestandteils in dem Fluidgemisch ist. Dies ermöglicht ein zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen der Konzentration des Bestandteils in dem Fluidgemisch, beispielsweise im Wesentlichen unabhängig von einem Massenfluss des Fluidgemischs . Ferner ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens robust und kostengünstig herstellbar.
Zu diesem Zweck ist die erste Frequenz ungleich der zweiten Frequenz .
In einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist der erste Kennwert repräsentativ für eine Kohlenstoffdioxidkonzentration in dem Fluidraum. Insbesondere bei einer hohen Kohlenstoff- dioxidkonzentration tritt der Effekt der Schalldispersion besonders stark auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt umfasst ein Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine den Fluidraum. In vorteilhafter Weise wird so eine zuverlässige und kostengünstige Abgasrückführung ermöglicht, da eine Bestimmung der Kohlen¬ stoffdioxidkonzentration auf Ultraschallbasis mittels Schall¬ dispersion beispielsweise zuverlässiger ist als eine tempe¬ raturabhängige, anfällige Messung einer Sauerstoffkonzentration mittels Lambdasonde. Ferner ist zur Bestimmung der Kohlen¬ stoffdioxidkonzentration ein Heizelement lediglich optional.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist der Fluidraum stromabwärts einer Einmündung einer Abgasrückführung in dem Absaugtrakt angeordnet. In vorteilhafter Weise wird so eine Kohlenstoffdioxidkonzentration eines zugeführten Luft¬ gemischs ermittelt und zu einer präzisen Abgasrückführung beigetragen . In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt wird eine zweite Schallwandlungseinheit betrieben zum Senden und Empfangen eines dritten Schallsignals mit einer vorgegebenen dritten Frequenz .
Es wird eine dritte Laufzeit des dritten Schallsignals ermittelt. Abhängig von der ersten Laufzeit und der dritten Laufzeit wird ein zweiter Kennwert ermittelt, der repräsentativ ist für einen Massenfluss des Fluidgemischs .
Durch die zusätzliche Schallwandlungseinheit wird beispiels- weise ein zusätzlicher Frequenzbereich abgedeckt, in dem der Effekt der Schalldispersion messbar auftritt. Dadurch kann beispielsweise die Konzentration des Bestandteils des Fluid¬ gemischs mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Im Falle, dass die Konzentration des Bestandteils eines strömenden Fluidgemischs bestimmt wird und eine erste Komponente einer ersten HauptStrahlungsrichtung des ersten Schallsignals einer ersten Komponente einer dritten HauptStrahlungsrichtung des dritten Schallsignals entgegengerichtet ist und die erste Komponente der ersten HauptStrahlungsrichtung und die erste
Komponente der dritten HauptStrahlungsrichtung parallel einer HauptStrömungsrichtung des Fluidgemischs sind, ermöglicht eine solche Anordnung eine gleichzeitige Bestimmung eines Massen¬ stroms .
Beispielsweise wird die zweite Schallwandlungseinheit zusätz¬ lich betrieben zum Senden und Empfangen eines vierten Schall¬ signals mit einer vorgegebenen vierten Frequenz, dessen vierte Laufzeit ermittelt wird. Abhängig von der vierten Laufzeit kann ein redundanter Kennwert ermittelt werden, der beispielsweise repräsentativ ist für den ersten Kennwert oder für den zweiten Kennwert, sodass zu einer hohen Zuverlässigkeit des Verfahrens beigetragen wird. Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Be¬ standteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum, die eine erste Schallwandlungseinheit umfasst, die zum Senden und Empfangen eines ersten Schallsignals und zum Senden und Empfangen eines zweiten Schallsignals ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Steuereinheit, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt ausge¬ bildet ist.
In vorteilhafter Weise wird so eine zuverlässige Ermittlung der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs ermöglicht. Eine derartige Vorrichtung ist ferner robust und kostengünstig herstellbar .
Ein Sender zum Senden eines jeweiligen Schallsignals der ersten Schallwandlungseinheit kann beispielsweise in einer Baueinheit mit einem entsprechenden Empfänger zum Empfangen des jeweiligen Schallsignals angeordnet sein, oder räumlich getrennt von dem entsprechenden Empfänger angeordnet sein. In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt weist die erste Schallwandlungseinheit mindestens einen ersten Schallwandler auf .
Dies ermöglicht eine kostengünstige, platzsparende Anordnung, in dem der mindestens eine erste Schallwandler beispielsweise zu einem Zeitpunkt als Sender und zu einem weiteren Zeitpunkt als Empfänger betrieben wird.
Beispielsweise weist die erste Schallwandlungseinheit einen einzigen ersten Schallwandler auf, der zum Beispiel als
CMUT-Schallwandler oder als Piezo-Schallwandler ausgebildet ist und der zum Senden und Empfangen des ersten und zweiten Schall¬ signals ausgebildet ist. Alternativ weist die erste Schall¬ wandlungseinheit beispielsweise je einen ersten Schallwandler auf, der zum Senden und Empfangen des ersten Schallsignals beziehungsweise des zweiten Schallsignals ausgebildet ist. Beispielsweise ist die erste Schallwandlungseinheit dazu als ein MEMS-Baustein ausgebildet, der zwei CMUT-Schallwandler umfasst.
Ein derartiger MEMS-Baustein kann im Gegensatz zu einer
KunstStoffplatine beispielsweise bis zu vier Schallwandler auf einem Silikon umfassen und kostengünstig sowie platzsparend hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt ist der mindestens eine erste Schallwandler als CMUT ausgebildet.
CMUTs sind mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler, deren Energiewandlung auf einer Änderung ihrer Kapazität beruht. Ein als CMUT ausgebildeter Schallwandler (CMUT-Schallwandler) ist aufgrund seiner kurzen Nachschwingzeit beispielsweise schneller als ein Piezo-Schallwandler empfangsbereit, sodass eine Messstrecke kurz gehalten werden kann. In vorteilhafter Weise ermöglicht der geringe vorgegebene Abstand eine kompakte Bauform. Des Weiteren zeichnen sich CMUT-Schallwandler durch eine besonders große Bandbreite, hohe Temperaturbeständigkeit und eine günstige und platzsparende Herstellung aus.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt weist die Vorrichtung ein Reflektorelement auf. Das Reflektorelement ist dazu ausgebildet, das erste Schallsignal und das zweite Schallsignal jeweils so zu reflektieren, dass die erste Schall¬ wandlungseinheit das reflektierte erste Schallsignal und das reflektierte zweite Schallsignal empfängt.
In vorteilhafter Weise wird so eine besonders kostengünstige und platzsparende Anordnung zur Bestimmung der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs ermöglicht. In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt umfasst die Vorrichtung eine zweite Schallwandlungseinheit, die zum Senden und Empfangen eines dritten Schallsignals ausgebildet ist .
Beispielsweise ist die zweite Schallwandlungseinheit zusätzlich zum Senden und Empfangen eines vierten Schallsignals mit einer vorgegebenen vierten Frequenz ausgebildet.
Die zusätzliche zweite Schallwandlungseinheit deckt bei¬ spielsweise einen zusätzlichen Frequenzbereich ab. Dadurch kann beispielsweise die Konzentration des Bestandteils des Fluid¬ gemischs mit höherer Zuverlässigkeit bestimmt werden.
Das Fluidgemisch weist beispielsweise eine HauptStrömungs¬ richtung auf.
Beispielsweise weisen eine erste HauptStrahlungsrichtung des ersten Schallsignals und eine dritte HauptStrahlungsrichtung des dritten Schallsignals je eine erste einander entgegen gerichtete Komponente auf parallel zu der HauptStrömungsrichtung des Fluidgemischs. In diesem Fall wird eine gleichzeitige Bestimmung eines Massenstroms des Fluidgemischs in HauptStrömungsrichtung ermöglicht .
In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt weist die zweite Schallwandlungseinheit mindestens einen zweiten
Schallwandler auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt ist der mindestens eine zweite Schallwandler als CMUT ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Bestandteils eines Fluidgemischs in einem Fluidraum, Figur 2 eine beispielhafte Schalldispersionskurve,
Figur 3 ein Frequenzspektrum eines CMUT-Schallwandlers und ein Frequenzspektrum eines Piezo-Schallwandlers , Figur 4a eine Ausführungsform eines ersten Bausteins zum
Bestimmen der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs in dem Fluidraum,
Figur 4b ein Frequenzspektrum des ersten Bausteins gemäß Figur
4a,
Figur 5a eine Ausführungsform eines zweiten Bausteins zum
Bestimmen der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs in dem Fluidraum,
Figur 5b ein Frequenzspektrum des zweiten Bausteins gemäß Figur
5a,
Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Konzentration des Bestandteils des
Fluidgemischs in dem Fluidraum,
Figur 7 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum
Bestimmen der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs in dem Fluidraum, und
Figur 8 ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen der Konzentration des Bestandteils des Fluidgemischs in dem Fluidraum.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren¬ übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ist stromabwärts einer Einmündung einer Abgasrückführung ein Ansaugrohr ASR mit einem Fluidraum FR angeordnet (Figur 1) .
Der Fluidraum FR wird von einem Fluidgemisch FG durchströmt, das in einen Brennraum der Brennkraftmaschine geleitet wird. In dem Fluidraum FR ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzen¬ tration eines Bestandteils B des Fluidgemischs FG angeordnet, zum Beispiel zur Regelung der Abgasrückführung.
Die Vorrichtung weist eine erste Schallwandlungseinheit SEI auf, die zum Senden eines ersten Schallsignals SSI mit einer vor¬ gegebenen ersten Frequenz Fl einen ersten Sender Sl umfasst und zum Senden eines zweiten Schallsignals SS2 mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz F2 einen zweiten Sender S2 umfasst. Ferner umfasst die erste Schallwandlungseinheit SEI zum Empfangen des ersten Schallsignals SSI einen ersten Empfänger El und zum Empfangen des zweiten Schallsignals SS2 einen zweiten Empfänger E2. Beispielsweise umfasst die erste Schallwandlungseinheit SEI dazu mindestens einen ersten Schallwandler SWl. Beispielsweise ist der mindestens eine erste Schallwandler SWl in dem Fluidraum FR an einer Wandung W des Ansaugrohrs ASR angeordnet, so dass eine HauptStrahlungsrichtung des ersten Senders Sl und des zweiten Senders S2 von der Wandung W des Ansaugrohrs ASR weg, in den Fluidraum FR gerichtet ist.
Der erste Empfänger El und der zweite Empfänger E2 sind bei¬ spielsweise in einem vorgegebenen Abstand A zu dem ersten Sender Sl und dem zweiten Sender S2 und dem ersten Sender Sl und dem zweiten Sender S2 zugewandt an der Wandung W des Ansaugrohrs ASR gegenüberliegend angeordnet.
Beispielsweise weist die Vorrichtung eine zweite Schallwand- lungseinheit SE2 auf, die zum Senden eines dritten Schallsignals SS3 mit einer vorgegebenen dritten Frequenz F3 einen dritten Sender S3 umfasst und zum Senden eines vierten Schallsignals SS4 mit einer vorgegebenen vierten Frequenz F4 einen vierten Sender S4 umfasst. Ferner umfasst die zweite Schallwandlungseinheit SE2 zum Empfangen des dritten Schallsignals SS3 einen dritten Empfänger E3 und zum Empfangen des vierten Schallsignals SS4 einen vierten Empfänger E4. Beispielsweise umfasst die zweite Schallwandlungseinheit SE2 dazu mindestens einen zweiten Schallwandler SW2.
In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass abhängig von dem Fluidgemisch FG und der Konzentration des Bestandteils B in dem Fluidgemisch FG eine Schalldispersion unterschiedlich stark auftritt.
Das Fluidgemisch FG weist beispielsweise Sauerstoff und Koh- lenstoffdioxid auf. Das erste Schallsignal SSI mit der vor¬ gegebenen ersten Frequenz Fl weist in dem Fluidgemisch FG beispielsweise eine erste Schallgeschwindigkeit Cl auf. Das zweite Schallsignal SS2 mit der vorgegebenen zweiten Frequenz F2 weist in dem Fluidgemisch FG beispielsweise eine zweite Schall- geschwindigkeit C2 auf.
Ein Unterschied der ersten Schallgeschwindigkeit Cl zu der zweiten Schallgeschwindigkeit C2 beträgt je nach Kohlen¬ stoffdioxidkonzentration in dem Fluidgemisch FG bis zu 10% der ersten Schallgeschwindigkeit Cl, weitestgehend unabhängig von einer Sauerstoffkonzentration oder einer Konzentration weiterer Fluide in dem Fluidgemisch FG. Eine derartige Schalldispersions¬ kurve für eine vorgegebene Kohlenstoffdioxidkonzentration ist in Figur 2 dargestellt.
Zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeiten Cl, C2 ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, eine jeweilige Laufzeit der Schallsignale SSI, SS2 in dem Fluidraum FR zu ermitteln. Zu¬ sätzlich ist die Vorrichtung beispielsweise dazu ausgebildet, eine Schallgeschwindigkeit des dritten Schallsignals SS3 und des vierten Schallsignals SS4 zu ermitteln, sodass für zwei Schall¬ signale unterschiedlicher Frequenzen jeweils eine Schallge- schwindigkeit ermittelt werden und auf die Kohlenstoffdioxid- konzentration geschlossen werden kann.
Beispielsweise ist die erste vorgegebene Frequenz Fl gleich der dritten vorgegebenen Frequenz F3. Beispielsweise ist ferner die zweite vorgegebene Frequenz F2 gleich der vierten vorgegebenen Frequenz F4, so dass der mindestens eine erste Schallwandler SWl und der mindestens eine zweite Schallwandler SW2 baugleich ausgebildet sind.
Die Schallwandler SWl, SW2 sind beispielsweise als kapazitive, mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (CMUT, „Ca- pacitive Micromachined Ultrasonic Transducer", im Folgenden CMUT-Schallwandler) ausgebildet.
CMUT-Schallwandler sind Ultraschallwandler, deren Energie¬ wandlung auf einer Änderung ihrer Kapazität beruht. Ein
CMUT-Schallwandler weist eine Kavität in einem Siliziumsubstrat auf, das als erste Elektrode dient und von einer dünnen, me- tallisierten Membran bedeckt ist , die als zweite Elektrode dient . Wird ein Wechselstromsignal an den beiden Elektroden angelegt, wird die Membran zum Schwingen angeregt und Ultraschallwellen werden generiert, so dass der CMUT-Schallwandler als Sender arbeitet. Treffen Ultraschallwellen auf die Membran, ändert sich die Kapazität des CMUT-Schallwandlers , ein alternierendes Signal wird generiert und der CMUT-Schallwandler arbeitet als Emp¬ fänger .
Durch eine Geometrie eines CMUT-Schallwandlers, insbesondere durch eine Größe seiner Grundfläche, ist ein Frequenzspektrum des Schallwandlers vorgegeben. In Figur 3 ist ein Frequenzspektrum SP_C eines beispielhaften CMUT-Schallwandlers dargestellt. Zum Vergleich ist außerdem ein Frequenzspektrum SP_P eines beispiel¬ haften Piezo-Schallwandlers mit gestrichelter Linie darge- stellt. Um eine zuverlässige Bestimmung der Kohlenstoffdi- oxidkonzentration sicherzustellen, ist ein Mindestschalldruck PO des Schallsignals erforderlich. Der CMUT-Schallwandler erreicht den Mindestschalldruck PO bei einer ersten Frequenz F1_C und übersteigt diesen bis zu einer zweiten Frequenz F2_C. Das Frequenzspektrum SP_P des Piezo- Schallwandlers ist im Gegensatz dazu wesentlich schmaler, sodass eine erste Frequenz F1_P, an dem der Piezo-Schallwandler den Mindestschalldruck PO erreicht beispielsweise größer ist als die erste Frequenz F1_C und eine zweite Frequenz F2_P, bis zu der der Mindestschalldruck PO überstiegen wird beispielsweise kleiner ist als die zweite Frequenz F2_C.
Durch eine Durchstimmbarkeit des CMUT-Schallwandlers in einem breiten Frequenzbereich zwischen F1_C und F2_C, an denen der erforderliche Mindestschalldruck PO erreicht wird, ist es möglich, die zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxidkonzentration genutzte Schalldispersion bereits mit einem einzigen CMUT- Schallwandler messbar hervorzurufen. Beispielsweise ist die erste Frequenz F1_C des CMUT-Schallwandlers gleich der vor¬ gegebenen ersten Frequenz Fl des ersten Schallsignals SSI und die zweite Frequenz F2_C des CMUT-Schallwandlers gleich der vor¬ gegebenen zweiten Frequenz F2 des zweiten Schallsignals SS2.
Statt jeweils zweier separater Schallwandler sind daher in vorteilhafter Weise beispielsweise der erste Sender Sl und der zweite Sender S2 in einem einzigen ersten Schallwandler SW1 ausgebildet und der dritte Sender S3 und der vierte Sender S4 in einem einzigen zweiten Schallwandler SW2 ausgebildet.
Im Falle, dass die vorgegebene erste Frequenz Fl gleich der vorgegebenen dritten Frequenz F3 und die vorgegebene zweite
Frequenz F2 gleich der vorgegebenen vierten Frequenz F4 ist, sind die Empfänger El, E2 und Sender S3, S4 in vorteilhafter Weise beispielsweise in einer als CMUT-Schallwandler ausgebildeten ersten Baueinheit BEI ausgebildet und die Sender Sl, S2 und Empfänger E3, E4 in einer als CMUT-Schallwandler ausgebildeten zweiten Baueinheit BE2 ausgebildet (Figur 1) . In Figur 4a ist ein erster Baustein BS1 mit einer Höhe H dargestellt, der beispielsweise als MEMS-Baustein ausgebildet ist und dessen Höhe H 1 mm beträgt . Der erste Baustein BS1 umfasst die zweite Baueinheit BE2, die beispielsweise als CMUT- Schallwandler ausgebildet ist und deren Frequenzspektrum SP_BE2 in Figur 4b dargestellt ist.
Das Frequenzspektrum SP_BE2 erreicht den Mindestschalldruck PO an der vorgegebenen ersten Frequenz Fl des ersten Schallsignals SSI bis zu der vorgegebenen zweiten Frequenz F2 des zweiten Schallsignals SS2.
Alternativ dazu ist in Figur 5a ein zweiter Baustein BS2 mit der Höhe H dargestellt, der analog zu dem ersten Baustein BS1 beispielsweise als MEMS-Baustein ausgebildet ist, dessen Höhe H 1 mm beträgt. Der zweite Baustein BS2 umfasst eine dritte Baueinheit BE3 und eine vierte Baueinheit BE4, die beispielsweise als CMUT-Schallwandler ausgebildet sind und deren Frequenz¬ spektrum SP_BE3, SP_BE4 jeweils in Figur 5b dargestellt ist.
Durch eine größere Grundfläche der vierten Baueinheit BE4 im Vergleich zu der zweiten Baueinheit BE2 verschiebt sich das Frequenzspektrum SP_BE4 der vierten Baueinheit BE4 in einen tieferen Frequenzbereich, so dass das Frequenzspektrum SP_BE4 ein Maximum beispielsweise bei der vorgegebenen ersten Frequenz Fl erreicht. Durch eine geringere Grundfläche der dritten Baueinheit BE3 im Vergleich zu der zweiten Baueinheit BE2 verschiebt sich das Frequenzspektrum SP_BE3 der dritten Bau¬ einheit BE3 in einen höheren Frequenzbereich, so dass das Frequenzspektrum SP_BE3 ein Maximum beispielsweise bei der vorgegebenen zweiten Frequenz F2 erreicht.
Durch eine derartige Anordnung ist ein Frequenzspektrum des zweiten Bausteins BS2 bei dem Mindestschalldruck PO besonders breit. Des Weiteren ist ein Schalldruck bei der vorgegebenen ersten Frequenz Fl und der vorgegebenen zweiten Frequenz F2 maximal. In vorteilhafter Weise wird so zu einer zuverlässigen Bestimmung der Konzentration des Bestandteils B in dem Fluid- gemisch FG beigetragen.
In Figur 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration des Bestandteils B des Fluid- gemischs FG in dem Fluidraum FR dargestellt, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 dadurch unterscheidet, dass statt einer ersten Baueinheit BEI ein Reflektorelement R beispielsweise an der Wandung W des Ansaugrohrs ASR angeordnet ist, so dass das erste Schallsignal SSI des ersten Senders Sl auf den ersten Empfänger El reflektiert wird und das zweite Schall¬ signal SS2 des zweiten Senders S2 auf den zweiten Empfänger E2 reflektiert wird. Das Reflektorelement R ist dabei in dem vorgegebenen Abstand A zu den Sendern Sl, S2 angeordnet. In vorteilhafter Weise er¬ möglicht eine derartige Anordnung ein zuverlässiges Bestimmen der Konzentration des Bestandteils B in dem Fluidgemisch FG in dem Fluidraum FR sowie eine kostengünstige Herstellung.
In Figur 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration des Bestandteils B des Fluid- gemischs FG in dem Fluidraum FR dargestellt, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 1 dadurch unterscheidet, dass die zweite Baueinheit BE2 zu der ersten Baueinheit BEI mit einem Versatz V in HauptStrömungsrichtung HSR des Fluidgemischs FG angeordnet ist.
Die Schallsignale SSI und SS2 weisen jeweils eine erste Kom- ponente entgegen der HauptStrömungsrichtung HSR auf. Die
Schallsignale SS3 und SS4 weisen jeweils eine erste Komponente in HauptStrömungsrichtung HSR auf. Beispielsweise weist das erste Schallsignal SSI eine erste Komponente SS1_1 entgegen der HauptStrömungsrichtung HSR auf und eine zweite Komponente SS1_2 senkrecht zur HauptStrömungsrichtung HSR. Beispielsweise ist die vorgegebene erste Frequenz Fl gleich der vorgegebenen dritten Frequenz F3, sodass durch eine unter¬ schiedliche Laufzeit des ersten Schallsignals SSI und des dritten Schallsignals SS3 ein Massenstrom des Fluidgemischs FG frei von einer Schalldispersion ermittelt werden kann.
Analog dazu ist beispielsweise die vorgegebene zweite Frequenz F2 gleich der vorgegebenen vierten Frequenz F4, sodass durch eine unterschiedliche Laufzeit des zweiten Schallsignals SS2 und des vierten Schallsignals SS4 ein Massenstrom des Fluidgemischs FG frei von einer Schalldispersion ermittelt werden kann.
Die Vorrichtung aus Figur 1, 6 und 7 umfasst eine nicht näher dargestellte Steuereinheit, in deren Daten- und Programmspeicher ein Programm zum Bestimmen der Konzentration des Bestandteils B des Fluidgemischs FG gespeichert ist, das im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der Figur 8 näher erläutert wird.
Das Programm wird in einem Programmschritt PS1 gestartet, in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden.
In einem Programmschritt PS3 wird eine erste Laufzeit LI des ersten Schallsignals SSI und eine zweite Laufzeit L2 des zweiten Schallsignals SS2 ermittelt. Das Programm wird anschließend in einem Programmschritt PS5 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS5 wird abhängig von der ersten Laufzeit LI und der zweiten Laufzeit L2 eine erste Differenz Dl der Laufzeiten LI, L2 ermittelt. Das Programm wird in einem Pro- grammschritt PS7 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS7 wird eine dritte Laufzeit L3 des dritten Schallsignals SS3 und eine vierte Laufzeit L4 des vierten Schallsignals SS4 ermittelt. Das Programm wird anschließend in einem Programmschritt PS9 fortgesetzt. In dem Programmschritt PS9 wird abhängig von der dritten Laufzeit L3 und der vierten Laufzeit L4 eine vierte Differenz D4 der Laufzeiten L3, L4 ermittelt. Das Programm wird in einem Pro¬ grammschritt PS11 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS11 wird abhängig von der ersten Differenz Dl und der vierten Differenz D4 ein erster Kennwert Kl ermittelt, der repräsentativ ist für die Konzentration des Bestandteils B des Fluidgemischs FG. Das Programm wird in einem Programmschritt PS13 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS13 wird abhängig von der ersten Laufzeit LI und der dritten Laufzeit L3 eine zweite Differenz D2 der Laufzeiten LI, L3 ermittelt. Das Programm wird in einem Pro- grammschritt PS15 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS15 wird abhängig von der zweiten Laufzeit L2 und der vierten Laufzeit L4 eine dritte Differenz D3 der Laufzeiten L2, L4 ermittelt. Das Programm wird in einem Programmschritt PS17 fortgesetzt.
In dem Programmschritt PS17 wird abhängig von der ersten Differenz D2 und der dritten Differenz D3 ein zweiter Kennwert K2 ermittelt, der repräsentativ ist für einen Massenfluss des Fluidgemischs FG.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Konzentration eines Be¬ standteils (B) eines Fluidgemischs (FG) in einem Fluidraum (FR) , bei dem
eine erste Schallwandlungseinheit zum Senden und Empfangen eines ersten Schallsignals (SSI) mit einer vorgegeben ersten Frequenz (Fl) und zum Senden und Empfangen eines zweiten Schallsignals (SS2) mit einer vorgegeben zweiten Frequenz (F2) betrieben wird, eine erste Laufzeit (LI) des ersten Schallsignals (SSI) und eine zweite Laufzeit (L2) des zweiten Schallsignals
(552) ermittelt wird,
abhängig von der ersten Laufzeit (LI) und der zweiten Laufzeit (L2) ein erster Kennwert (Kl) ermittelt wird, der repräsentativ ist für die Konzentration des Be¬ standteils (B) des Fluidgemischs (FG)
eine zweite Schallwandlungseinheit zum Senden und Empfangen eines dritten Schallsignals (SS3) mit einer vorgegebenen dritten Frequenz (F3) betrieben wird, eine dritte Laufzeit (L3) des dritten Schallsignals
(553) ermittelt wird, und
abhängig von der ersten Laufzeit (LI) und der dritten Laufzeit (L3) ein zweiter Kennwert (K2) ermittelt wird, der repräsentativ ist für einen Massenfluss des Flu¬ idgemischs (FG) .
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Kennwert (Kl) repräsentativ ist für eine Kohlenstoffdioxidkonzentration in dem Fluidraum (FR) .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine den Fluidraum (FR) umfasst . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Fluidraum (FR) stromabwärts einer Einmündung einer Ab¬ gasrückführung in dem Ansaugtrakt angeordnet ist.
Vorrichtung zum Bestimmen einer Konzentration eines Be¬ standteils (B) eines Fluidgemischs (FG) in einem Fluidraum (FR) , umfassend
eine erste Schallwandlungseinheit, die zum Senden und Empfangen eines ersten Schallsignals (SSI) und eines zweiten Schallsignals (SS2) ausgebildet ist, eine zweite Schallwandlungseinheit, die zum Senden und Empfangen eines dritten Schallsignals (SS3) ausgebildet ist und
- eine Steuereinheit, die zur Durchführung eines Ver¬ fahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die erste Schall¬ wandlungseinheit mindestens einen ersten Schallwandler (SW1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der mindestens eine erste Schallwandler (SW1) als CMUT ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, mit einem Reflektorelement (R) , das dazu ausgebildet ist das erste Schallsignal (SSI) und das zweite Schallsignal (SS2) jeweils so zu reflektieren, dass die erste Schallwand¬ lungseinheit das reflektierte erste Schallsignal (SSI) und das reflektierte zweite Schallsignal (SS2) empfängt.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 8, bei der die zweite Schallwandlungseinheit mindestens einen zweiten Schallwandler (SW2) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der mindestens zweite Schallwandler (SW2) als CMUT ausgebildet ist.
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