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DE102006029199B3 - Method and device for measuring a mass air flow by means of ultrasound - Google Patents

Method and device for measuring a mass air flow by means of ultrasound Download PDF

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DE102006029199B3
DE102006029199B3 DE200610029199 DE102006029199A DE102006029199B3 DE 102006029199 B3 DE102006029199 B3 DE 102006029199B3 DE 200610029199 DE200610029199 DE 200610029199 DE 102006029199 A DE102006029199 A DE 102006029199A DE 102006029199 B3 DE102006029199 B3 DE 102006029199B3
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DE200610029199
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German (de)
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Rudolf Dr. Bierl
Martin Lesser
Andreas Meyer
Frank Dr. Steuber
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Continental Automotive GmbH
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Siemens Corp
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    • G01F1/66Measuring 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
    • G01F1/665Measuring 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 of the drag-type

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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 '.

Figure 00000001
Figure 00000001

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 DE 103 44 895 A1 ist ein Ultraschallwandlerarray mit einem Sendeteil und einem Empfangsteil bekannt. Die einzelnen Arrayelemente des Sendeteils senden phasenverschobene Schallsignale ab, die nach Reflektion an der gegenüberliegenden Rohrwand auf das Empfangsteil treffen. Die am Empfangsteil empfangene Schallintensität wird durch eine Empfangselektronik ausgewertet, so dass der Schwerpunkt der gemessenen Intensitätsverteilung feststellbar ist.From the DE 103 44 895 A1 an ultrasonic transducer array with a transmitting part and a receiving part is known. The individual array elements of the transmitting part send out phase-shifted sound signals, which meet after reflection on the opposite pipe wall to the receiving part. The received at the receiving part sound intensity is evaluated by a receiving electronics, so that the center of gravity of the measured intensity distribution can be determined.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2004 013 251 A1 ein Ultraschall-Strömungssensor zur Messung des Volumen- oder Massenstroms eines Fluides in einer Rohrleitung mit wenigstens ei nem Ultraschallwandler, der in der Lage ist, Ultraschallsignale auszusenden und zu empfangen, bekannt. Der Ultraschall-Strömungssensor umfasst ein Array aus mehreren Ultraschallwandlern, das an einer Seite der Rohrleitung angeordnet ist, und eine dem Array gegenüberliegende Reflektionsfläche, an der die ausgesendeten Ultraschallsignale reflektiert werden, und eine Empfangselektronik, die das von den Ultraschallwandlern empfangene Ultraschallsignal auswertet.In addition, from the DE 10 2004 013 251 A1 an ultrasonic flow sensor for measuring the volume or mass flow of a fluid in a pipeline with at least one ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving ultrasonic signals. The ultrasonic flow sensor comprises an array of a plurality of ultrasonic transducers, which is arranged on one side of the pipeline, and a reflection surface opposite the array, on which the emitted ultrasonic signals are reflected, and a receiving electronics, which evaluates the ultrasonic signal received by the ultrasonic transducers.

Die DE 44 16 826 A1 beschreibt einen Apparat und ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen in durchströmten Rohren verschiedener Querschnitte. Das Verfahren beruht auf dem Effekt der Verschleppung eines in das strömende Medium gesandten Ultraschallsignals. Das Ultraschallsignal wird durch einen mikrostrukturierten Ultraschallsender erzeugt, und durch Auswahl einer geeigneten Frequenz und bestimmten Sendermaße wird ein schmaler Ultraschallstrahl mit geringem Öffnungswinkel abgestrahlt.The DE 44 16 826 A1 describes an apparatus and a method for determining the flow velocity of liquids and gases in flow-through pipes of different cross-sections. The method is based on the effect of the carryover of an ultrasonic signal sent into the flowing medium. The ultrasound signal is generated by a microstructured ultrasound transmitter, and by selecting a suitable frequency and transmitter dimensions, a narrow ultrasound beam with a small aperture angle is emitted.

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:

1 eine Schemaskizze einer Vorrichtung zum Messen eines Luftmassenstroms in einem Rohr mittels Ultraschall und 1 a schematic of an apparatus for measuring an air mass flow in a tube by means of ultrasound and

2 eine Schemaskizze der Messvorrichtung der 1 mit weiteren Einzelheiten in vergrößertem Maßstab. 2 a schematic sketch of the measuring device of 1 with further details on an enlarged scale.

1 zeigt in schematischer Weise eine Rohrwand 4 eines Rohres 2, das von Luft mit der schematisch angedeuteten Geschwindigkeitsverteilung vs,x durchströmt wird. Bei dem Rohr 2 handelt es sich insbesondere um das Ansaugrohr einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine. 1 schematically shows a pipe wall 4 a pipe 2 , which is traversed by air with the schematically indicated velocity distribution v s, x . At the pipe 2 it is in particular the intake pipe of an internal combustion engine (not shown).

Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung dient zum Messen des Massenstroms (der Massendurchflussrate) der Luftströmung mittels Ultraschall. Kurz gesagt, besteht die Vorrichtung aus einem Sender-Wandlerarray S, einem Reflektor R, einem Empfänger-Wandlerarray E und einer Auswerteeinrichtung 6, die einen Reglerkreis mit einem Regler 8 und eine Auswerteschaltung 10 aufweist.In the 1 schematically illustrated device is used to measure the mass flow (the mass flow rate) of the air flow by means of ultrasound. In short, the device consists of a transmitter-transducer array S, a reflector R, a receiver-transducer array E and an evaluation device 6 that have a regulator circuit with a regulator 8th and an evaluation circuit 10 having.

Wie in 1 zu sehen ist, sind das Sender-Wandlerarray S und das Empfänger-Wandlerarray E, in Strömungsrichtung x versetzt zueinander, auf der gleichen Seite der Rohrwand 4 angeordnet, während der Reflektor R auf der gegenüberliegenden Seite der Rohrwand 4 angeordnet ist. Das Sender-Wandlerarray S strahlt eine gerichtete Ultraschallwelle US schrägt zur Strömungsrichtung unter einem Abstrahlwinkel α in Richtung auf den Reflektor R ab. Hierbei überlagert sich die x-Komponente vu , x der Geschwindigkeit vu der Ultraschallwelle US und die X-Komponente vs,x der Strömungsgeschwindigkeit vs der Luftströmung, was zu einer „Verwehung" der Ultraschallwelle US führt. Der Verwehungseffekt ist umso stärker, je größer die Strömungsgeschwindigkeit vT der Luftströmung ist. Je nach der Größe des Verwehungseffektes ändert sich der Auftreffpunkt der Ultraschallwelle US am Reflektor R sowie der Auftreffpunkt der reflektierten Ultraschallwelle US' am Empfänger-Wandlerarray E. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung zu Ermitteln des Massenstroms ausgenutzt, wie im Folgenden genauer erläutert wird.As in 1 As can be seen, the transmitter transducer array S and the receiver transducer array E, offset in the flow direction x, are on the same side of the tube wall 4 arranged while the reflector R on the opposite side of the pipe wall 4 is arranged. The transmitter-transducer array S radiates a directional ultrasonic wave US slants toward the flow direction at a radiation angle α in the direction of the reflector R. In this case, the x-component v u , x of the velocity v u of the ultrasound wave US and the X-component v s, x of the flow velocity v s of the air flow overlap, which leads to a "drifting" of the ultrasound wave US The drift effect is the stronger The greater the flow velocity v T of the air flow, the impact point of the ultrasonic wave US at the reflector R and the point of impact of the reflected ultrasonic wave US 'at the receiver transducer array E will change according to the present invention Exploited mass flow, as will be explained in more detail below.

Es wird nun zusätzlich auf 2 Bezug genommen. Die Wandlerarrays S und E bestehen jeweils aus einer Gruppe einzelner Ultraschallwandler S1...Sn bzw. E1...En, die in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Das Sender-Wandlerarray S wird von einer Hochspannungsquelle 12 mit Spannung versorgt. Den einzelnen Ultraschallwandlern S1...Sn des Sender-Wandlerarrays S sind Verzögerungsglieder 14 zugeordnet, die von einer Wechselspannungsquelle 16 mit Wechselspannungen AC1...ACn gespeist werden. Dies bietet die Möglichkeit, die einzelnen Ultraschallwandler S1...Sn mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten t1...tn zeitversetzt so anzusteuern, dass den zeitversetzt abgestrahlten einzelnen Ultraschallwellen US1...USn eine Richtcharakteristik verliehen wird, wodurch die gerichtete Ultraschallwelle US gebildet wird.It is now additionally on 2 Referenced. The transducer arrays S and E each consist of a group of individual ultrasonic transducers S 1 ... S n or E 1 ... E n , which are arranged next to one another in the flow direction. The transmitter-converter array S is powered by a high voltage source 12 energized. The individual ultrasonic transducers S 1 ... S n of the transmitter-transducer array S are delay elements 14 assigned by an AC source 16 with alternating voltages AC 1 ... AC n are fed. This offers the possibility of the individual ultrasonic transducers S 1 ... S n with different delay times t 1 ... t n time lag to control so that the time-shifted radiated individual ultrasonic waves US 1 ... US n directivity is given, whereby the forward- Ultrasonic wave US is formed.

Der Reflektor R (1), der die gerichtete Ultraschallwelle US reflektiert, ist so ausgebildet, dass die reflektierte Ultraschallwelle US' fokussiert wird, um die Energie der am Empfänger-Wandlerarray E auftreffenden Ultraschallwelle auf ein möglichst kleines Gebiet zu konzentrieren. Da fokussierende Ultraschallreflektoren im Stand der Technik bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.The reflector R ( 1 ), which reflects the directional ultrasonic wave US, is designed to focus the reflected ultrasonic wave US 'in order to concentrate the energy of the ultrasonic wave incident on the receiver transducer array E to the smallest possible area. Since focusing ultrasound reflectors are known in the art, will not be discussed in detail.

Wie in 2 durch voll ausgezogene Linien angedeutet, hat die reflektierte Ultraschallwelle US' eine glockenförmige Energieverteilung G. Das Maximum der glockenförmigen Energieverteilung G wird als Ist-Auftreffposition Aist der reflektierten Ultraschallwelle US' definiert.As in 2 indicated by solid lines, the reflected ultrasonic wave US 'has a bell-shaped energy distribution G. The maximum of the bell-shaped energy distribution G is defined as the actual impact position A is the reflected ultrasonic wave US'.

Der Regelkreis der Auswerteeinrichtung 6 hat die Aufgabe, den Ist-Auftreffpunkt Aist an einer Soll-Auftreffposition Asoll zu halten. Hierzu regelt die Auswerteeinrichtung 6 den Abstrahlwinkel α der gerichteten Ultraschallwelle US so, dass die reflektierte Ultraschallwelle US' an eine Soll-Ultraschallwelle US'soll angepasst wird, deren Energieverteilung G durch gestrichelte Linien angedeutet ist.The control loop of the evaluation device 6 has the task to hold the actual impact point A is at a target impact position A soll . The evaluation facility regulates this 6 the radiation angle α of the directed ultrasonic wave US so that the reflected ultrasonic wave US ' is adapted to a target ultrasonic wave US' soll , whose energy distribution G is indicated by dashed lines.

Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal 18 des Empfänger-Wandlerarrays E einem Auswerteglied 20 zugeführt, das die Position des Maximums der Energieverteilung G auswertet und damit die Ist-Auftreffposition Aist bestimmt. Das die Ist-Auftreffposition Aist darstellende Signal wird über eine Leitung 22 einem Komparator 26 zugeführt, der über eine Leitung 24 ein die Soll-Auftreffposition Asoll darstellendes Signal empfängt. Der Komparator 26 ermittelt die Abweichung zwischen Aist und Asoll und gibt ein entsprechendes Signal an den Regler 8 ab. Der Regler 8 ermittelt aus dieser Abweichung anhand eines Regelalgorithmus eine Stellgröße 32 in Form von Verzögerungszeiten t1...tn, mit denen die Verzögerungsglieder 14 die einzelnen Ultraschallwandler S1...Sn ansteuern müssen, um den Abstrahlwinkel α der gerichteten Ultraschallwelle US so zu beeinflussen, dass der Ist-Auftreffpunkt Aist der reflektierten Ultraschallwelle US' möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition Asoll gehalten wird.For this purpose, the output signal 18 the receiver transducer array E an evaluation 20 fed, which evaluates the position of the maximum of the energy distribution G and thus the actual impact position A is determined. The signal representing the actual impact position A is transmitted via a line 22 a comparator 26 fed, via a line 24 a target impact position A is to be displayed. The comparator 26 determines the deviation between A is and A is and gives a corresponding signal to the controller 8th from. The regulator 8th determines a manipulated variable from this deviation using a control algorithm 32 in the form of delay times t 1 ... t n , with which the delay elements 14 the individual ultrasonic transducers S 1 ... S n have drive in order to influence the emission angle α of the directed ultrasonic wave US so that the actual impact point A is the reflected ultrasonic wave US 'close as possible to the target impact position A is to be maintained.

Der Regelalgorithmus des Reglers 8 greift hierbei auf schematisch angedeutete Kennfelder 30 zurück, die in Abhängigkeit von der Ist-Auftreffposition Aist am Empfänger-Wandlerarray E die entsprechenden Verzögerungszeiten für die Ansteuerung der einzelnen Ultraschallwandler enthalten. Die Kennfelder 30 werden mittels Versuchsreihen für verschiedene Rohrdurchmesser bei der Kalibrierung der Messvorrichtung ermittelt.The control algorithm of the controller 8th accesses schematically indicated maps 30 back, which is a function of the actual impact position A containing the respective delay times for the actuation of the individual ultrasonic transducer to the receiver transducer array E. The maps 30 are used for the calibration of the various pipe diameters by means of test series Measuring device determined.

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 14 in den Kennfeldern 30 auch auf andere Weise erfolgen kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit dem Ausgang des Reglers 8 ein Speicher 34 angeordnet, in dem die vom Regler 8 ausgegebene Stellgröße 32 (Verzögerungszeiten) gespeichert werden kann. Ein entsprechender Speicher ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.It is understood that the determination of the delay times for the delay elements 14 in the maps 30 can also be done in other ways. In the illustrated embodiment, with the output of the regulator 8th a memory 34 arranged in which the regulator 8th output manipulated variable 32 (Delay times) can be stored. An appropriate memory is not essential.

Die Stellgröße 32, d.h. die zum Beeinflussen des Abstrahlwinkels α erforderlichen Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder 14, wird außerdem der Auswerteschaltung 10 zugeführt, die anhand von schematisch angedeuteten Kennfeldern 38 hieraus den Massenstrom ermittelt. Auch die Kennfelder 38 werden in Versuchsreihen für verschiedene Rohrdurchmesser bei der Kalibrierung der Messvorrichtung festgelegt.The manipulated variable 32 , ie the delay times of the delay elements required for influencing the emission angle α 14 , is also the evaluation circuit 10 fed, the basis of schematically indicated maps 38 From this the mass flow is determined. Also the maps 38 are determined in test series for different pipe diameters during the calibration of the measuring device.

Es versteht sich, dass die Auswerteeinrichtung 6 Teil eines zentralen elektronischen Betriebssteuergerätes (nicht gezeigt) sein kann.It is understood that the evaluation device 6 Part of a central electronic control unit (not shown) may be.

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 32, d.h. den unterschiedlichen Verzögerungszeiten für die Ansteuerung des Sender-Wandlerarrays, gewonnen. Da die Ermittlung der Stellgröße 32 wie auch die Ermittlung des Massenstroms über Kennfelder 30 bzw. 38 erfolgt, ist eine hohe Geschwindigkeit des gesamten Messverfahrens gewährleistet.As already mentioned, the method and the device according to the invention have the advantage that the travel time measurement required in the prior art and the associated complicated evaluation are eliminated. Rather, only a voltage distribution at the receiver transducer array needs to be evaluated in the manner described. Since the impact position A is the reflected ultrasonic wave US 'is permanently adjusted at the receiver transducer array E, there is only small changes in the actual landing position A, which simplifies the evaluation accordingly. The mass flow is immediately out of the manipulated variable 32 , ie, the different delay times for the control of the transmitter-converter array won. Since the determination of the manipulated variable 32 as well as the determination of the mass flow via maps 30 respectively. 38 takes place, a high speed of the entire measurement process is guaranteed.

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
xx
Strömungsrichtungflow direction
α α
AbstrahlwinkelBeam

Claims (11)

Verfahren zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall, insbesondere in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit folgenden Schritten: Abstrahlen einer gerichteten Ultraschallwelle (US) mit einem Sender-Wandlerarray (S) von einer Seite der Rohrwand (4) unter einem Abstrahlwinkel (α) schräg zur Strömungsrichtung (x), indem einzelne Ultraschallwandler (S1...Sn) des Sender-Wandlerarrays (S) mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten (t1...tn) zeitversetzt angesteuert werden, Reflektieren und Fokussieren der gerichteten Ultraschallwelle (US) mit einem Reflektor (R) an einer gegenüberliegenden Seite der Rohrwand (4) auf eine Ist-Auftreffposition (Aist) an der erstgenannten Seite der Rohrwand (4), Empfangen der gerichteten Ultraschallwelle (US) mit einem Empfänger-Wandlerarray (E), das versetzt zum Sender-Wandlerarray (S) angeordnet ist, Regeln des Abstrahlwinkels (α) der Ultraschallwelle (US) in Abhängigkeit von den Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition (Aist) und der Soll-Auftreffposition (Asoll) derart, dass die Ist-Auftreffposition (Aist) möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition (Asoll) gehalten wird, und Ermitteln des Massenstroms in Abhängigkeit von einer zum Halten der Ist-Auftreffposition (Aist) erforderlichen Stellgröße (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α).Method 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, comprising the following steps: emitting a directional ultrasonic wave (US) with a transmitter transducer array (S) from one side of the pipe wall ( 4 ) at a beam angle (α) obliquely to the flow direction (x) by individual ultrasonic transducers (S 1 ... S n ) of the transmitter-transducer array (S) with different delay times (t 1 ... t n ) are controlled in a time-shift reflect and focusing the directional ultrasonic wave (US) with a reflector (R) on an opposite side of the tube wall (US Pat. 4 ) on a Actual impact position (A is ) on the first-mentioned side of the pipe wall ( 4 ), Receiving the directional ultrasonic wave (US) with a receiver transducer array (E) offset from the transmitter transducer array (S), controlling the radiation angle (α) of the ultrasonic wave (US) as a function of the deviations between the actual Impact position (A is ) and the target impact position (A soll ) such that the actual impact position (A is ) as close as possible to the target impact position (A soll ) is maintained, and determining the mass flow in response to a for holding the Actual impact position (A is ) required manipulated variable ( 32 ) for the control of the radiation angle (α). Vorrichtung zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall, insbesondere in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem Sender-Wandlerarray (S), in dem einzelne Ultraschallwandler (S1...Sn) mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten (t1...tn) zeitversetzt ansteuerbar sind und das auf einer Seite der Rohrwand (4) angeordnet ist und eine gerichtete Ultraschallwelle (US) unter einem Abstrahlwinkel (α) abstrahlt, einem Empfänger-Wandlerarray (E), das auf derselben Seite der Rohrwand (4) in Strömungsrichtung versetzt zu dem Sender-Wandlerarray (W) angeordnet ist, einem Reflektor (R), der auf einer gegenüberliegenden Seite der Rohrwand (4) so angeordnet ist, dass er die gerichtete Ultraschallwelle (US) auf eine Ist-Auftreffposition (Rist) an dem Empfänger-Wandlerarray reflektiert und fokussiert, und einer Auswerteeinrichtung (6), die die Ist-Auftreffposition (Rist) erfasst und in Abhängigkeit von durch den Verwehungseffekt hervorgehobenen Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition (Rist) und einer Soll-Auftreffposition (Asoll) den Massenstrom ermittelt, während die Auswerteeinrichtung (6) einen Regelkreis mit einem Regler (8) aufweist, der in Abhängigkeit von den Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition (Rist) und der Soll-Auftreffposition (Asoll) den Abstrahlwinkel (α) der gerichteten Ultraschallwelle (US) so regelt, dass die Ist-Auftreffposition (Rist) möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition (Asoll) gehalten wird.Device 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, with a transmitter converter array (S) in which individual ultrasonic transducers (S1 ... Sn) with different delay times (t1 ... tn) can be controlled with a time delay and that on one side of the pipe wall ( 4 ) and a directional ultrasonic wave (US) radiates at a radiation angle (α), a receiver transducer array (E) on the same side of the pipe wall ( 4 ) in the flow direction offset to the transmitter-transducer array (W), a reflector (R) disposed on an opposite side of the tube wall ( 4 ) is arranged to reflect and focus the directional ultrasonic wave (US) to an actual landing position (Rist) on the receiver transducer array, and to an evaluation device (12). 6 ), which detects the actual impact position (Rist) and determines the mass flow as a function of deviations between the actual impact position (Rist) and a target impact position (A soll ) highlighted by the effect of the drift, while the evaluation device ( 6 ) a control loop with a controller ( 8th ), which in dependence on the deviations between the actual impact position (Rist) and the target impact position (A soll ) the radiation angle (α) of the directed ultrasonic wave (US) so controls that the actual impact position (Rist) as close as possible is held at the target impact position (A soll ). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) eine Auswerteschaltung (10) aufweist, die in Abhängigkeit von der zum Halten der Ist- Auftreffposition erforderlichen Stellgröße (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α) den Massenstrom ermittelt.Apparatus according to claim 2, characterized in that the evaluation device ( 6 ) an evaluation circuit ( 10 ), which depends on the manipulated variable required to hold the actual impact position ( 32 ) determines the mass flow for the control of the radiation angle (α). Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (8) zur Bestimmung der Stellgröße (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α) auf in Versuchen ermittelte Kennfelder (30) zurückgreift.Device according to claim 2 or 3, characterized in that the regulator ( 8th ) for determining the manipulated variable ( 32 ) for the control of the emission angle (α) on maps determined in tests ( 30 ). Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) zum Ermitteln des Massenstroms auf in Versuchen ermittelte Kennfelder (38) zurückgreift.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) for determining the mass flow on maps determined in tests ( 38 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reglers (8) mit einem Speicher (34) zum Speichern der Stellgröße (32) verbunden ist.Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the output of the regulator ( 8th ) with a memory ( 34 ) for storing the manipulated variable ( 32 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sender-Wandlerarray (S) eine Gruppe einzelner Ultraschallwandler (S1...Sn) aufweist, die in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet und über Verzögerungsglieder (14) zeitversetzt ansteuerbar sind, um die gerichtete, unter veränderlichem Abstrahlwinkel (α) abgestrahlte Ultraschallwelle (US) zu erzeugen.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the transmitter-transducer array (S) comprises a group of individual ultrasonic transducers (S1 ... Sn) arranged side by side in the flow direction and via delay elements ( 14 ) can be controlled in a time-shifted manner in order to generate the directed ultrasound wave (US) emitted under variable emission angles (α). Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reglers (8) mit den Verzögerungsgliedern (14) verbunden ist.Device according to claim 7, characterized in that the output of the regulator ( 8th ) with the delay elements ( 14 ) connected is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfänger-Wandlerarray (E) eine Gruppe einzelner Ultraschallwandler (E1...En) aufweist, die in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, um die vom Reflektor (R) reflektierte Ultraschallwelle (US') aufzufangen.Device according to one of claims 1 to 8, characterized that the receiver transducer array (E) has a group of individual ultrasonic transducers (E1 ... En), in the flow direction are arranged side by side to those of the reflector (R) reflected Capture ultrasonic wave (US '). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (R) die gerichtete Ultraschallwelle (US) so fokussiert, dass die auf dem Empfänger-Wandlerarray (E) auftreffende reflektierte Ultraschallwelle (US') eine glockenförmige Energieverteilung (G) hat.Device according to one of claims 1 to 9, characterized the reflector (R) focuses the directional ultrasonic wave (US) so that on the receiver transducer array (E) incident reflected ultrasonic wave (US ') a bell-shaped energy distribution (G) has. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Auftreffposition (Rist) der reflektierten Ultraschallwelle (US') am Empfänger-Wandlerarray (E) die Position des Maximums der glockenförmigen Energieverteilung (G) ist.Device according to claim 10, characterized in that that the actual impact position (Rist) of the reflected ultrasonic wave (US ') at the receiver transducer array (E) the position of the maximum of the bell-shaped energy distribution (G) is.
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