DE102006023478A1

DE102006023478A1 - Durchflusssensor und Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors

Info

Publication number: DE102006023478A1
Application number: DE102006023478A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Bierl; Frank Dr. Steuber; Stefan Pesahl; Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-11-22
Also published as: WO2007134981A1; DE112007001054A5

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflusssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Strömungskanal strömenden Fluids, mit einem Kopfteil und mit einem ersten und einem zweitne Schallwandler, wobei jeweils ein Schallwandler am Ende einer Messstrecke angeordnet ist und mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik verbunden ist, die aus der Laufzeit einer von den Schallwandlern ausgesandten und empfangenen Schallwelle die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt. Um einen kompakten, einfach montierbaren Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei kompakter Bauweise gute Messergebnisse liefert, sind der erste und der zweite Schallwandler im Kopfteil des Durchflusssensors angeordnet und der Durchflusssensor weist mindestens einen Schallreflektor auf, der die Schallwelle von dem einen Schallwandler zu dem anderen lenkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflusssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Strömungskanal strömenden Fluids, mit einem Kopfteil und mit einem ersten und einem zweiten Schallwandler, wobei jeweils ein Schallwandler am Ende einer Messstrecke angeordnet ist und mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik verbunden ist, die aus der Laufzeit einer von den Schallwandlern ausgesandten und empfangenen Schallwelle die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt.
Die Erfindung betrifft ferner einen Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors.
Durchflusssensoren werden beispielsweise als Mass Air Flow Sensoren im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die angesaugte Luftmasse zu bestimmen und die Brennkraftmaschine entsprechend mit Kraftstoff zu versorgen. Der Ansaugtrakt bildet hier den Strömungskanal.
Ein Durchflusssensor und ein Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors sind aus der DE 33 31 519 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit Hilfe von Ultraschall sind an einem Strömungskanal seitliche Stutzen ausgebildet, in denen jeweils Ultraschallwandler angeordnet sind. Die Ultraschallwandler definieren eine im Winkel zur Strömungsrichtung verlaufende Messstrecke. Eine den Ultraschallwandlern nachgeschaltete Auswerteschaltung bestimmt die Laufzeit der Ultraschallsignale entlang der Messstrecke und berechnet daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Strömungskanal.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Montage und Justage der Schallwandler in den Stutzen des Strömungskanals aufwändig ist. Zum einen muss sichergestellt sein, dass die Schallwandler aufeinander ausgerichtet sind. Zum anderen müssen die Versorgungsleitungen für die Schallwandler durch die Wand der Stutzen hindurch nach außen und von dort zur Auswerteeinheit geführt werden. Dabei müssen die Kabelstränge häufig um den Strömungskanal herum zur Auswerteeinheit geführt werden. Da die Länge der Messstrecke zwischen dem einen und dem anderen Schallwandler von hoher Bedeutung für die Qualität des Messergebnisses ist, müssen die Schallwandler in möglichst großer Entfernung voneinander positioniert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Durchflusssensoren nach dem Ultraschallprinzip relativ sind große und sperrige Bauteile.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, einfach montierbaren Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei kompakter Bauweise gut Messergebnisse liefert. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den Durchflusssensor und den Strömungskanal mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Wenn dass der erste und der zweite Schallwandler im Kpofteil des Durchflussensors angeordnet ist und der Durchflussensor mindestens einen Schallreflektor aufweist, der die Schallwelle von dem einen Schallwandler zu dem anderen lenkt, kann der Durchflusssensor aüßerst kompakt gestaltet werden. Dennoch steht eine relativ lange Messstrecke zwischen den Schallwandlern zur Verfügung, so dass ein qualtitativ hochwertiges Messergbnis erzielt wird.
Bei einer Ausgestaltung ist die Auswerteelektronik im Kopfteil angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Leiter zwischen den Schallwandlern und der Auswerteelektronik kurz gehalten werden können. Hierdurch werden Störungen der Messsignale durch Einstreuungen elektro-magnetischer Wellen minimiert, was wesentlich zu einer guten Signalqualität beiträgt.
Bei einer Weiterbildung sind die Schallwandler symmetrisch zur Auswerteelektronik angeordnet. Dadurch sind die Laufzeiten der Messsignale in den elektrischen Leitern zwischen dem ersten Schallwandler und der Messelektronik genauso lang wie zwischen dem zweiten Schallwandler und der Messelektronik. Diese Symmetrie führt zu hervorragenden Messergebnissen.
Bei einer nächsten Ausgestaltung fokussiert der Schallreflektor die Schallwelle zu mindestens einem der Schallwandler hin. Diese fokussierende Wirkung des Schallreflektors ermöglicht die Verwendung von Schallwellen geringerer Intensität, wobei die Messergebnisse in ihrer Qualität weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kompensiert der Schallreflektor das Verwehen der Schallwelle. Dies ist sehr wichtig für die Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten, da ohne die Verwehungskompensation die am Schallwandler eintreffende Schallwelle ein sehr geringe Intensität aufweist. Durch die Kompensation der Verwehung mit der Hilfe der vorteilhaft gestalteten Oberfläche des Reflektors, kann auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluides ein sehr gutes Messergebnis erzielt werden.
Wenn das Kopfteil des Durchflusssensors auf eine Öffnung des Strömungskanals montierbar ist, ist der Durchflusssensor sehr flexibel einsetzbar und er kann problemlos als Zulieferteil hergestellt werden.
Bei einer Weiterbildung die sind Schallwandler jeweils separate Sender oder Empfänger oder kombinierte Sender und Empfänger. Als kombinierte Sender und Empfänger kann jeder Schallwandler eine Schallwelle aussenden und eine empfangen, wodurch die Messstrecke von beiden Seiten durchlaufen werden kann. Ist ein Schallwandler als Sender und er andere als Empfänger ausgebildet, ist das System sehr preiswert herstellbar. Vorzugsweise sind die von den Schallwandlern ausgesandten und empfangenen Schallsignale Ultraschallsignale.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen in einem Strömungskanal montierten Durchflusssensor;
2 einen Durchflusssensor zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit;
3 den aus 2 bekannten Durchflusssensor in seiner Einbaulage im Strömungskanal;
4 eine weitere mögliche Ausgestaltung des Schallreflektors;
5 weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors;
6 eine genaure Darstellung des Schallreflektors.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Strömungskanal 1, das einen seitlich angebrachten Stutzen 2 mit einer Öffnung 3 aufweist. Der Strömungskanal 1 ist hier als Rohr ausgebildet. Durch die Öffnung 3 kann ein Durchflusssensor 4 in das Innere des Rohrs 1 eingebracht werden. Der Durchflusssensor 4 weist einen Kopfteil 5 auf, in dem sich eine Leiterplatte 6 befindet, auf der eine zum Betrieb des Durchflusssensors 4 erforderliche Auswerteelektronik 17, die Bauelemente 7 umfasst, angeordnet ist. Am Kopfteil 5 ist auch ein elektrischer Anschluss 18 angebracht, mit der der Durchflusssensor 4 an externe, nicht dargestellte Geräte angeschlossen werden kann.
Am Kopfteil 5 des Durchflusssensors 4 sind ferner Seitenleisten 9 angebracht, die sich nach der Montage des Durchflusssensors 4 am Rohr 1 ins Innere des Rohrs 1 erstrecken. Die Seitenleisten 9 halten Schallwandler 10 und 11, die eine Messstrecke 12 definieren. Die Messstrecke 12 ist unter einem spitzen Winkel φ zu einer Strömungsrichtung 13 eines im Rohr 1 strömenden Fluids 14 ausgerichtet. Der Winkel φ zwischen der Messstrecke 12 und der Strömungsrichtung 13 liegt vorzugsweise zwischen 40 und 45 Grad.
Beim Betrieb des Durchflusssensors 4 sendet beispielsweise der Schallwandler 10 eine erste Ultraschallwelle 16 aus. Diese erste Ultraschallwelle wird vom Schallwandler 11 empfangen. Der Schallwandler 11 sendet daraufhin eine zweite Ultraschallwelle 16 aus, die vom Schallwandler 10 empfangen wird. Die Laufzeit der ersten und der zweiten Ultraschallwelle 16 wird von einer Auswerteelektronik 17 bestimmt, die auf der Leiterplatte 6 integriert sein kann oder die außerhalb des Durchflusssensors 4 angeordnet ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 14 im Rohr 1 ist abgesehen von verschiedenen störenden Effekten, die das Messergebnis verfälschen können, proportional Δt/t_up t_down, wobei Δt die Differenz der Laufzeiten sowie t_up und t_down jeweils die Laufzeiten in Strömungsrichtung 13 oder entgegen der Strömungsrichtung 13 sind. Der mit 13 bezeichnete Pfeil symbolisiert im Folgenden die Strömungsrichtung und auch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 14. Aus der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 14 kann unter Berücksichtigung der Temperatur auf die Masse des geförderten Fluids 14 geschlossen werden. So kann der Durchflusssensor 4 beispielsweise als Luftmassenmesser im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine verwendet werden.
Bei dem Fluid 14 handelt es sich vorzugsweise um ein gasförmiges Medium, insbesondere um Luft. Das Fluid 14 kann jedoch auch eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Benzin sein.
2 zeigt einen Durchflusssensor 4 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit 13 eines in einem Strömungskanal 1 strömenden Fluids 14. Der Durchflusssensor 4 besteht aus einem Kopfteil 5 mit einem ersten und einem zweiten Schallwandler 10, 11. Jeder dieser Schallwandler 10, 11 ist am Ende einer Messstrecke 12 angeordnet und mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik 17 verbunden. Die Verbindung der Auswerteelektronik 17 mit dem Schallwandlern 10, 11 erfolgt über elektrische Leitungen 8. Die Schallwandler 10, 11 sind symmetrisch zur Auswerteelektronik 17 angeordnet, wodurch die elektrischen Leitungen 8 annähernd die gleiche Länge aufweisen, was bei Zeitmessungen eine erhebliche Verbesserung des Messergebnisses zur Folge hat, da die Signale von den Schallwandlern 10, 11 über annähernd gleich lange Wege zur Messelektronik gelangen. Die Messelektronik 17 ist wiederum über elektrische Leiter 8 mit einem elektrischen Anschluss 18 verbunden, der als Stecker ausgeführt sein kann und der die Verbindung zur nachfolgenden Elektronik darstellt.
Am Kopfteil 5 des Durchflusssensors 4 sind Halterungen 19 ausgebildet, die einen Schallreflektor 15 tragen. Sendet zum Beispiel der erste Schallwandler 10 eine Schallwelle 16 aus, so gelangt sie zum Schallreflektor 15 und wird dort umgelenkt und auf den zweiten Schallwandler 11 gerichtet. Der zweite Schallwandler 11 registriert das Auftreffen der ersten Schallwelle 16 und erzeugt ein entsprechendes Signal, das über die elektrische Leitung 8 an die Auswerteelektronik 17 gelangt. Danach kann der zweite Schallwandler 11 eine Schallwelle 16 aussenden, die über den Schallreflektor 15 zum ersten Schallwandler 10 gelangt. Auch dieser registriert das Auftreffen der Schallwelle 16 und erzeugt ein elektrisches Signal, das der Auswerteelektronik 17 zugeführt wird. Die Messstrecke 12 setzt sich hierbei aus dem Weg vom ersten Schallwandler 10 zum Schallreflektor 15 und dem Weg vom Schallreflektor 15 zum zweiten Schallwandler 11 und umgekehrt zusammen. Aus den gemessenen Zeitdifferenzen kann nun auf die Strömungsgeschwindigkeit 13 des Fluids 14 geschlossen werden. Wird der Durchflusssensor 4 im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so kann die Masse der angesaugten Luft bestimmt werden.
Durch den hier dargestellten Aufbau ist eine lange Messstrecke 12 realisierbar, wobei der Durchflusssensor 4 sehr kompakt gestaltet werden kann und die Schallwandler 10, 11 sehr vorteilhaft symmetrisch angeordnet werden können.
3 zeigt den aus 2 bekannten Durchflusssensor 4 in seiner Einbaulage im Strömungskanal 1. Im Strömungskanal 1 befindet sich das Fluid 14, das ein Gas, insbesondere Luft, sein kann. Das Fluid 14 strömt in der Strömungsrichtung und mit der Strömungsgeschwindigkeit, was durch den Pfeil 13 angedeutet ist. Der Durchflusssensor 4 ist hier in eine Öffnung 3 des Strömungskanals 1 eingebracht. Die Messung der Masse des am Durchflusssensor 4 vorbeiströmenden Fluids 14 erfolgt analog zu der in den 1 und 2 beschriebenen Weise. In 3 ist eine relativ kleine Strömungsgeschwindigkeit durch den Pfeil 13 angedeutet. In 3a ist der Pfeil 13 wesentlich größer und stärker dargestellt was eine wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeit andeuten soll. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit 13 tritt das Phänomen des Verwehens (auch als Verblasen bezeichnet) der Schwallwelle 16 auf. Die Schallwelle 16 pflanzt sich aufgrund von atomaren und molekularen Kollisionen der Fluidteilchen im Raum fort. Bewegen sich die einzelnen Fluidteilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit, so wird die Schallwelle 16 von ihrer geraden Ausbreitungsrichtung deutlich abgelenkt und mit dem Vektor der Strömungsgeschwindigkeit 13 transportiert. Die Ausbreitungslinie der Schallwelle 16 ergibt sich als vektorielle Überlagerung der Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit 13 des Fluids 14, was durch die leicht gekrümmten Strichlinien angedeutet ist.
Durch das Verwehen erreicht die Schallwelle 16 bei hoher Strömungsgeschwindigkeit 13 nicht mehr das Zentrum des Schallreflektors 15. Hier ist eine Situation dargestellt, bei der die Schallwelle 16 aufgrund einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit 13 des Fluides 14 den Rand des Schallreflektors 15 erreicht. Der Schallreflektor 15 ist derart gestaltet, dass die Schallwelle 16 so abgelenkt wird, dass sie trotz der Verwehungen das Zentrum des ersten Schallwandlers 10 erreicht. In der Darstellung in 3a wurde davon ausgegangen, dass die Schallwelle 16 vom zweiten Schallwandler 11 ausgesendet, am Schallreflektor 15 reflektiert und zum ersten Schallwandler 10 geführt wird.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des Schallreflektors 15. Prinzipiell entspricht der Aufbau des Durchflusssensors 4 in 4 dem des Durchflusssensors 4 in 3. In 4 ist lediglich die Form des Schallreflektors 15 modifiziert, jedoch wiederum mit dem Ziel, die Schallwelle 16 möglichst optimal von einem Schallwandler zum anderen Schallwandler 10, 11 zu führen.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors 4. Am Kopfteil 5 ist der elektrischen Anschluss 18 nun seitlich angebracht. Die Schallwandler 10, 11 befinden sich unterhalb der Auswerteelektronik 17, jedoch wiederum symmetrisch zu dieser. Der Durchflusssensor 4 nach 5 weist nun drei Schallreflektoren 15 auf. Eine vom ersten Schallwandler 10 ausgesendete Schallwelle 16 erreicht zunächst den rechten Schallreflektor 15 und wird dort zum mittleren parabolisch ausgestalteten Schallreflektor 15 geführt, der die Welle zum linken Schallreflektor 15 umlenkt, wo sie wiederum abgelenkt wird um dann den zweiten Schallwandler 11 zu erreichen. Auf diese Weise wird eine sehr lange Messstrecke 12 realisiert, die in einem sehr kompakten Durchflusssensor 4 Platz findet.
6 zeigt eine genaure Darstellung des Schallreflektors 15. Der Schallreflektor 15 wird von Halterungen 19 getragen, die mit dem hier nicht dargestellten Kopfteil 5 des Durchflusssensors 4 verbunden sind. Wichtig ist die Form der Oberfläche des Schallreflektors 15. Die Oberfläche des Schallreflektors 15 weist eine Krümmung K_L längs zur Strömungsrichtung 13 und eine Krümmung K_Q quer zur Strömungsrichtung 13 des Fluids 14 auf. Die Krümmungen K_L, K_Q können derart gestaltet werden, dass die Schallwelle 16 optimal auf das Zentrum des ersten bzw. zweiten Schallwandlers 10, 11 fokussiert ist. Darüber hinaus können die Krümmungen K_L, K_Q der Oberfläche des Schallreflektors 15 derart gestaltet werden, dass die Verwehung der Schallwelle 16 kompensiert wird, so dass auch bei großer Strömungsgeschwindigkeit 13 die Schallwelle 16 das Zentrum der Schallwandler 10, 11 erreicht. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Oberfläche des Schallreflektors in Verbindung mit der langen Messstrecke 12 ermöglicht die Erzeugung sehr hochwertiger und genauer Messsignale.

1: Strömungskanal
2: Stutzen
3: Öffnung
4: Durchflusssensor
5: Kopfteil
6: Leiterplatte
7: Bauelement
8: elektrische Leiter
9: Seitenleiste
10: erster Schallwandler
11: zweiter Schallwandler
12: Messstrecke
13: Strömungsrichtung und -geschwindigkeit
14: Fluid
15: Schallreflektor
16: Schallwelle
17: Ausweiteelektronik
18: elektrischer Anschluss
19: Halterung
K_L: Krümmung längs
K_Q: Krümmung quer

Claims

Durchflusssensor (4) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines in einem Strömungskanal (1) strömenden Fluids (14), mit einem Kopfteil (5) und mit einem ersten und einem zweiten Schallwandler (10, 11), wobei jeweils ein Schallwandler (10, 11) am Ende einer Messstrecke (12) angeordnet ist und mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik (17) verbunden ist, die aus der Laufzeit einer von den Schallwandlern (10, 11) ausgesandten und empfangenen Schallwelle (16) die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (14) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schallwandler (10, 11) im Kpofteil (5) des Durchflussensors (4) angeordnet ist und der Durchflussensor (4) mindestens einen Schallreflektor (15) aufweist, der die Schallwelle (16) von dem einen Schallwandler (10, 11) zu dem anderen lenkt.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (17) im Kopfteil (5) angeordnet ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler (10, 11) symmetrisch zur Auswerteelektronik (17) angeordnet sind.
Durchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallreflektor (15) die Schallwelle (16) zu mindestens einem der Schallwandler (10, 11) hin fokussiert.
Durchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallreflektor (15) das Verwehen der Schallwelle (16) kompensiert.
Durchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (5) des Durchflusssensors (4) auf eine Öffnung (3) des Strömungskanals (1) montierbar ist.
Durchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandler (10, 11) jeweils separate Sender oder Empfänger oder kombinierte Sender und Empfänger sind.
Strömungskanal zur Aufnahme eines Durchflusssensors (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) eine Öffnung (3) zur Aufnahme des Durchflusssensors (4) aufweist.