DE102006029199B3 - Method and device for measuring a mass air flow by means of ultrasound - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung zum Messen des Luftmassenstroms in einem Rohr strahlt ein Sender-Wandlerarray S eine gerichtete Ultraschallwelle US von einer Seite des Rohres 4 schräg zur Strömungsrichtung x ab. Ein auf der gegenüberliegenden Seite angeordneter Reflektor R reflektiert die gerichtete Ultraschallwelle auf ein Empfänger-Wandlerarray E. Der Massenstrom wird dann in Abhängigkeit von Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition Aist und einer Soll-Auftreffposition Asoll der reflektierten Ultraschallwelle US' ermittelt.In the method and apparatus for measuring the mass air flow in a pipe, a transmitter transducer array S radiates a directional ultrasonic wave US from one side of the pipe 4 obliquely to the flow direction x. A reflector R arranged on the opposite side reflects the directed ultrasonic wave onto a receiver transducer array E. The mass flow is then determined as a function of deviations between the actual impact position A ist and a target impact position A soll of the reflected ultrasonic wave US '.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall, insbesondere in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine.The The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the mass flow of an air flow in a pipe by means of Ultrasound, in particular in an intake pipe of an internal combustion engine.
Es ist bereits eine Messmethode bekannt, bei der der Luftmassenstrom im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine mittels Ultraschall gemessen wird. Bei dieser Messmethode werden zwei koaxial ausgerichtete Ultraschallwandler an gegenüberliegenden Seiten der Rohrwand schräg gegenüber angeordnet. Die beiden Ultraschallwandler werden wechselweise als Sender und Empfänger verwendet. Auf Grund des so genannten Verwehungseffektes, durch den sich die Luftströmung und die Ultraschallwelle in Strömungsrichtung überlagern, ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten der Ultraschallwelle in beiden Richtungen. Aus Messungen der unterschiedlichen Laufzeiten kann dann der Massenstrom berechnet werden. Ein Nachteil dieser Messmethode ist allerdings der beträchtliche Aufwand, den die Laufzeitmessung sowie ihre Auswertung erfordern.It already a measuring method is known in which the air mass flow in the intake manifold of an internal combustion engine is measured by means of ultrasound. In this measurement method, two coaxial ultrasonic transducers at opposite Sides of the pipe wall at an angle across from arranged. The two ultrasonic transducers are alternately as Sender and receiver used. Due to the so-called drift effect, by the air flow and superimpose the ultrasonic wave in the flow direction, result in different maturities of the ultrasonic wave in both Directions. From measurements of different maturities can then the mass flow can be calculated. A disadvantage of this measurement method is, however, the considerable one Effort, the runtime measurement and their evaluation require.
Aus
der
Darüber hinaus
ist aus der
Die
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall anzugeben, welche einen möglichst geringen Mess- und Auswertungsaufwand erfordern.Of the The present invention is based on the object, a method and an apparatus for measuring the mass flow of an air flow in specify a tube by means of ultrasound, which a possible require low measurement and evaluation effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1 definierte Verfahren und die in Patentanspruch 4 definierte Vorrichtung gelöst.These The object is achieved by the in claim 1 defined method and in claim 4 defined device solved.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Sender-Wandlerarrays eine gerichtete Ultraschallwelle von einer Seite der Rohrwand unter einem Abstrahlwinkel schräg zur Strömungsrichtung abgestrahlt. Ein auf der gegenüberliegenden Seite der Rohrwand angeordneter Reflektor reflektiert die gerichtete Ultraschallwelle auf eine Ist-Auftreffposition eines Empfänger-Wandlerarrays, das auf derselben Seite der Rohrwand wie das Sender-Wandlerarray angeordnet ist. Aufgrund des durch die Luftströmung hervorgerufenen Verwehungseffektes kommt es zu Abweichungen zwischen den Ist-Auftreffpositionen und einer Soll-Auftreffposition der reflektierten Ultraschallwelle, was dazu ausgenutzt wird, um den Massenstrom zu ermitteln. Der Abstrahlwinkel der gerichteten Ultraschallwelle wird in Abhängigkeit von diesen Abweichungen so geregelt, dass die Ist-Auftreffposition möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition gehalten wird. Der Massenstrom kann dann aus der zum Halten der Ist-Auftreffposition erforderlichen Stellgröße für die Regelung des Abstrahlwinkels ermittelt werden.According to the present Invention is a directional ultrasonic wave by means of a transmitter-transducer array emitted from one side of the tube wall at an angle oblique to the flow direction. One on the opposite Side of the tube wall arranged reflector reflects the directed Ultrasonic wave to an actual landing position of a receiver transducer array, that on the same side of the tube wall as the transmitter transducer array is arranged. Due to the drift effect caused by the air flow there are deviations between the actual impact positions and a target impact position of the reflected ultrasonic wave, what is used to determine the mass flow. The beam angle the directional ultrasonic wave becomes dependent on these deviations regulated so that the actual impact position as close as possible to the target impact position is held. The mass flow can then be made to hold the Actual impact position required control variable for the control of the radiation angle be determined.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung haben den Vorteil, dass die im Stand der Technik erforderliche Laufzeitmessung und deren komplizierte Auswertung vermieden werden. Vielmehr ist bei der Erfindung im Wesentlichen lediglich die Auswertung einer Spannungsverteilung an dem Empfänger-Wandlerarray notwendig. Da die Ermittlung der Stellgröße zum Nachregeln des Abstrahlwinkels und die Ermittlung des Massenstroms über Kennfelder durchgeführt werden können, ist eine hohe Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet.The Method and device according to the invention have the advantage that required in the prior art transit time measurement and their complicated evaluation can be avoided. Rather, it is at the invention essentially only the evaluation of a voltage distribution at the receiver transducer array necessary. Since the determination of the manipulated variable for readjusting the radiation angle and the determination of the mass flow can be carried out via maps can, a high speed of the method is ensured.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.Further advantageous embodiments of the invention are defined in the dependent claims.
Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:Based The drawings will be a preferred embodiment of the invention explained in more detail. It shows:
Die
in
Wie
in
Es
wird nun zusätzlich
auf
Der
Reflektor R (
Wie
in
Der
Regelkreis der Auswerteeinrichtung
Zu
diesem Zweck wird das Ausgangssignal
Der
Regelalgorithmus des Reglers
Hierbei kann so vorgegangen werden, dass zunächst die bei Null-Massenstrom erforderlichen Verzögerungszeiten t1...tn ermittelt werden und die Summe dieser Verzögerungszeiten als Gesamtverzögerungszeit Null festgelegt wird. Ausgehend hiervon werden dann die Gesamtverzögerungszeiten für größer werdende Massenströme bis zu einer maximalen Gesamtverzögerungszeit für den maximalen Massenstrom ermittelt.In this case, it is possible to proceed in such a way that firstly the delay times t 1 ... T n required with zero mass flow are determined and the sum of these delay times is defined as the total delay time zero. Based on this, the total delay times for increasing mass flows up to a maximum total delay time for the maximum mass flow are then determined.
Es
versteht sich, dass die Festlegung der Verzögerungszeiten für die Verzögerungsglieder
Die
Stellgröße
Es
versteht sich, dass die Auswerteeinrichtung
Wie
bereits eingangs erwähnt,
haben das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung den Vorteil,
dass die im Stand der Technik erforderliche Laufzeitmessung und
die damit verbundene komplizierte Auswertung entfallen. Vielmehr
muss nur eine Spannungsverteilung am Empfänger-Wandlerarray in der beschriebenen
Weise ausgewertet werden. Da die Auftreffposition Aist der
reflektierten Ultraschallwelle US' am Empfänger-Wandlerarray E permanent nachgeregelt
wird, kommt es nur zu kleinen Änderungen
der Ist-Auftreffposition Aist, was die Auswertung
entsprechend vereinfacht. Der Massenstrom wird unmittelbar aus der
Stellgröße
- 22
- Rohrpipe
- 44
- Rohrwandpipe wall
- 66
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 88th
- Reglerregulator
- 1010
- Auswerteschaltungevaluation
- 1212
- HochspannungsquelleHigh voltage source
- 1414
- Verzögerungsgliederdelay elements
- 1616
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 1818
- Ausgangssignaloutput
- 2020
- Auswertegliedevaluation element
- 22, 2422 24
- Leitungmanagement
- 2626
- Komparatorcomparator
- 3030
- Kennfeldermaps
- 3232
- Stellgrößemanipulated variable
- 3434
- SpeicherStorage
- 3636
- Kennfeldermaps
- Aist A is
- Ist-AuftreffpositionActual impact position
- Asoll A should
- Soll-AuftreffpositionTarget impact position
- AC1...ACn AC 1 ... AC n
- WechselspannungenAC voltages
- Ee
- Empfänger-WandlerarrayReceiver transducer array
- E1...En E 1 ... E n
- einzelne Ultraschallwandler des Empfänger-Wandlerarraysseparate Ultrasonic transducer of the receiver transducer array
- GG
- glockenförmige Energieverteilungbell-shaped energy distribution
- RR
- Reflektorreflector
- SS
- Sender-WandlerarrayTransmitter transducer array
- S1...Sn S 1 ... S n
- einzelne Ultraschallwandler des Sender-Wandlerarraysseparate Ultrasonic transducer of the transmitter transducer array
- t1...tn t 1 ... t n
- Verzögerungszeitendelay times
- USUS
- Ultraschallwelleultrasonic wave
- US1...USn US 1 ... US n
- einzelne Ultraschallwellenseparate ultrasonic waves
- US'US '
- reflektierte Ultraschallwellereflected ultrasonic wave
- US'soll US ' should
- reflektierte Soll-Ultraschallwellereflected Target ultrasonic wave
- vs v s
- Strömungsgeschwindigkeit der Luftflow rate the air
- vs,x v s, x
- X-Komponente der Strömungsgeschwindigkeit der LuftX component the flow velocity the air
- vu v u
- Geschwindigkeit der Ultraschallwelle US speed the ultrasonic wave US
- vu,x v u, x
- X-Komponente der Geschwindigkeit der UltraschallwelleX component the speed of the ultrasonic wave
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- Strömungsrichtungflow direction
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