DE3225690A1

DE3225690A1 - Vorrichtung zum messen des durchflusses eines stroemungsmittels durch ein messrohr mittels ultraschallwellen

Info

Publication number: DE3225690A1
Application number: DE19823225690
Authority: DE
Inventors: Ermanno 10100 Torino Ansaldi; Stefano 101000 Torino Re Fiorentin
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Weber SRL
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1982-07-09
Publication date: 1983-02-24
Also published as: FR2509460B1; IT8167961A0; FR2509460A1; IT1144295B; US4475406A; DE3225690C2

Description

CENTRO RICERCHE FIAT S.ρ.Α., Strada Torino 50,

I-1OO43 ORBASSANO. (.Torino)

Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Strömungsmittels durch ein Meßrohr mittels Ultraschallwellen

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Meßvorrichtung, die auf dem Prinzip der Messung der Änderung der Phasendifferenz zweier Ultraschallwellen beruht, die zwischen zwei elektroakustischen Wandlern ausgetauscht werden, welche im Innern einer Meßröhre, in der die zu messende Flüssigkeit strömt, einander gegenüber angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Messen des Luftdurchsatzes von Motoren mit direkter Einspritzung, für die man beobachtet hat,'daß der Bereich der Werte des zu messenden Massendurchsatzes typischerweise zwischen 0 und 150 g in der Sekunde liegt und sich unvorhergesehen plötzlich ändert.

Es ist bekannt, daß in der vorgenannten Meßvorrichtung die elektroakustischen Wandler zweckmäßigerweise in der Wand eines die Meßröhre begrenzenden Rohres und auf einer gegenüber der Achse der Meßröhre geneigten Achse angeordnet ist, deren untereinander ausgetauschte Signale den Betrag der Geschwindigkeit des Strömungsmittels in der Meßröhre und ebenfalls dem Winkel zwischen der die Wandler verbindenden Linie und der Achse der Meßröhre'direkt proportional sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß solche mit einer Anzeige ausgerüsteten Meßvorrichtungen einen guten Zusammenhang zwischen der Abweichung der Phase und dem

3225890 S

Massendurchsatz der Luft nur dann liefern, wenn eine niedrige stationäre Strömung (20 g/s) vorliegt. Dies gilt jedoch nicht mehr zuverlässig, wenn die Strömung im Innern der Meßröhre turbulent ist und zwar wenn die Radialkomponenten proportional wesentlich größer sind als die Axialkomponenten der Geschwindigkeitsvektoren. Leider liegt bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen der Turbulenzgrad der durch die Meßröhre durchströmenden Luft so hoch, daß zur Zeit keine ■ der vorerwähnten, bekannten Meßvorrichtungen zuverlässig an dieses zu messende Strömungsmittel anpaßbar ist. Im Gegenteil ist die Verwendung von mechanischen Meßvorrichtungen nicht in allen Fällen günstig, sei es wegen ihrer Trägheit, welche die Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit ungünstig beeinflußt, sei es wegen der Art

der Konstruktion der miteinander verbundenen mechanischen Teile, weil diese dem Verschleiß unterliegen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine zum Messen des Durchsatzes eines Strömungsmittels in einer Röhre mit einer

Anzeige des Durchsatzwertes des Strömungsmittels geeignete Meßvorrichtung anzugeben, die beim Messen des Durchsatzes eines gasförmigen Strömungsmittels in einem weiten Wertebereich der Strömungsmittelgeschwindigkeit vorteilhaft benutzt werden kann, die eine verbesserte Anzeige der Geschwindigkeit aufweist und auch zum Verfolgen schneller Änderungen des Durchsatzes gut geeignet ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine solche Meßvorrichtung anzugeben, deren Meßgenauigkeit nicht wegen der zu bewegenden mechanischen Teile mit zunehmender Lebensdauer abnimmt, und die ohne große Kosten herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die gleichzeitige Anwendung der im Kennzeichen des Patentanspruches 1 enthaltenen technischen Merkmale gelöst.

-Tf-

Weitere Fortbildungen und Ausgestaltungen'der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden, zum Teil schematisch vereinfachten Figuren beschrieben. In diesen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und es sind alle zum Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Einzelheiten fortgelassen worden.

Es zeigt:

Fig. 1 die vektorielle Darstellung der Geschwindigkeit des Strömungsmittels in einer Meßröhre und der Ausbreitungsgeschwindigkeit zweier Ultraschallwellen in jener Meßröhre;

Fig. 2 ein Schema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zusammen mit einem Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der an verschiedenen Meßpunkten des Blockschaltbildes von Fig.2 entnommenen Signale;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von schräg oben einer bevorzugten Ausführungsform eines bestimmten Teiles der Meßvorrichtung von Fig.2.

In Fig.1 ist schematisch die Wechselwirkung zwischen einem mit der Geschwindigkeit "u" .sich bewegenden Strömungsmittel 5 und zwei Ultraschallwellen 3, K dargestellt, die von zwei Wandlern 1, 2 erzeugt werden, deren beide Wandler verbindende Linie einen Winkel ⁷V) mit' der Fließrichtung'der Strömungsmittel bildet. Jeder der zwei Wandler 1, 2 ist derart ausgebildet, daß jeder einen Teil der vom anderen Wandler erzeugten und längs dieser'die beiden Wandler verbindenden Linie abgestrahlten Ultraschallwelle empfangen kann. Die

entsprechende Ausbreitungsgesehwindigkeit "C₁" bzw. "Cp" der Ultraschallwelle 3 bzw. 4 könnte aus dem in dieser Figur dargestellten Vektordiagramm entnommen sein, dessen kreisförmiger Verlauf (durch gestrichelte Linie'dargestellt)^als Radius den Betrag der Schallgeschwindigkeit "C" in dem Strömungsmittel in der dargestellten Ansicht hat.

In Fig.2 ist eine insgesamt mit 33 bezeichnete Meßvorrichtung zur Messung des Strömungsmitteldurchflusses beim Durchgang durch das Innere der Meßröhre 6, genaugenommen vom Eingangsbereich 6a bis zum Ausgangsbereich 6b, dargestellt.

Die Meßvorrichtung 33 enthält im wesentlichen ein Strömungsmeßgerät 11 der die Meßröhre 6 durchlaufenden Meßflüssigkeit, eine Übertragungseinheit 12, eine Eingangs- und Auswerteeinheit 14 und eine Zeitsteuereinheit 13.

In dem Strömungsmeßgerät 11 sind das Paar elektroakustische Wandler 1, 2 (s. Fig.1) enthalten, von denen jeder in der Wand 7 eines die Meßröhre 6 bildenden Rohres 8 angeordnet ist. Die Wandler 1, 2 sind gegenüberliegend mit einer geneigten Achse angeordnet, die um einen vorgegebenen Winkel (vorteilhaft der Winkel /φ in Fig.1) in Bezug auf die Achse der Meßröhre 6 geneigt ist. Das Strömungsmeßgerät 11 enthält ein Kollimatorelement 9 (besser beschrieben in der Ausführungsform der Fig.4), das den Querschnitt einer Zone 10 der Meßröhre 6 einnimmt, die zwischen dem Eingangsbereich 6a und dem Ausgangsbereich 6b der Meßröhre 6, jedoch in Strömungsrichtung vor dem Paar der elektroakustischen Wandler 1, 2 liegt.

Die Übertragungseinheit 12 enthält nacheinander in Kaskadenschaltung verbunden einen Oszillator 22 und einen Verstärker 21. Der Oszillator 22 erzeugt während der Zeitintervalle von vorgegebener Dauer ein sinusförmiges oder rechteckförmiges elektrisches Signal, dessen Frequenz im Falle einer Messung eines vergasten bzw. gasförmigen Strömungsmitteldurchflusses eine Größenordnung von einigen hundert KHz hat und im Falle der Messung eines flüssigen Strömungsmitteldurchflusses vorzugsweise eine Größenordnung von einigen MHz hat.

Die Eingangs- und Auswerteeinheit enthält in Kaskadenschaltung verbunden, beginnend beim Ausgang der beiden Schalter 15, 16, ein Paar Verstärker 23, 24, einen Phasen-Diskriminator'25 und eine Torschaltung 26. Der Ausgang'der Torschaltung 26 ist mit dem Eingang einer Auswerteschaltung 27 verbunden, deren Ausgang eine Anzeigeeinheit 28 speist, z.B. eine mehrstellige Sieben-Segment-Ziffernanzeige.

Die Zeitsteuereinheit 13 enthält drei Zeitglieder bzw. Bauteile 30, 31 und 32, deren jeweiliger Eingang von einem Pulsgenerator 29 gespeist wird. Der Ausgang des Pulsformers 30 ist mit dem Eingang des Oszillators 22, der Ausgang des Pulsformers 31 ist mit einem Eingang von der Torschaltung 26 und der Ausgang des Pulsformers 32 ist mit je einem Eingang der Schalter 15, 16 verbunden.

In Fig.3 ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Signale V₁, Vp, V^, V₁,, V₅, Vg in entsprechender zeitlicher Zuordnung dargestellt, die an verschiedenen Meßpunkten des Blockschaltbildes aus Fig.2' entnommen sind.

Wie aus Fig.! und 4 ersichtlich, besitzt das Kollimatorelement 9 eine Struktur, deren Querschnitt im wesentlichen einer Bienenwabe entspricht, welche die gleichen Außenabmessungen wie der Querschnitt der Meßröhre 6 der dazugehörigen Zone 10 hat, sowie eine Vielzahl von zueinander parallelen und zur Achse der Meßröhre 6 parallelen Durchgangsöffnungen bzw. Kanälen 34. Das Kollimatorelement 9 kann aus einem ausreichend festen und widerstandsfähigen Material hergestellt sein, so daß das Verhältnis der vom Material in Anspruch genommenen Teilfläche zur freien Fläche aller Durchgarigslöcher 34 sehr gering ist.

Bevor nachfolgend die Beschreibung der Funktion der Meßvorrichtung 33 erfolgt, werden vorher kurz die theoretischen Grundlagen des Zusammenhanges zwischen der Phasendifferenz der von den Wandlern 1, 2 empfangenen Ultraschallwellen und der in der Meßröhre 6 enthaltenen Strömungsmitteldurchfluß angegeben. Zur Einführung wird die im allgemeinen gut zutreffende Hypothese aufgestellt, daß die Geschwindigkeit "-u¹ der Strömungsmittel in Betrag und Richtung in allen Punkten der Meßröhre 6 konstant sei.

In Verbindung mit Fig. 1 gilt für den Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit C.einer vom Wandler 1 ausgesandten und sich in Richtung zum Wandler 2 längs der Verbindungslinie ausbreitenden Ultraschallwelle folgende Formel:

(1) C₁ = u cos £? + i c² - u² sin²0

und analog gilt für den Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit Cp einer vom Wandler 2 ausgesandten und sich in Richtung zum Wandler 1 längs der Verbindungslinie ausbreitenden Ultraschallwelle folgende Formel:

(2) C₂ =-u cos Q

l/c² - u² sin²

Bezeichnet man mit "P" die Frequenz der Ultraschallwellen und mit "d" den inneren Durchmesser der Meßröhre 6, so ergibt sich die Phasenähderung der vom Wandler 1 abgestrahlten und zum Wandler 2 laufenden Ultraschallwelle durch folgende Formel:

(3) ψ = —

_in ^J sin Θ (u cos (9 + γ c -u sin Q )

Analog ergibt sich für die Phasenänderung der vom Wandler 2 abgestrahlten und zum Wandler 1 laufenden Ultraschallwelle folgende Formel:

2T\\) d

(4) W =

sin {? (- u cos $ ⁺ V^c ~ ^{u s}iⁿ w )

Die Differenz zwischen der Phasenänderung aus Formel (3) und (4) ergibt sich zu

2ψ[/ d 2 u cos (9 (5) )/ '

—TT -2

sin (j c-u

und unter Verwendung der Abkürzung CC = "p - U ergibt sich diese zu

(6)

1 -

2 .

Im größten Teil der Anwendungen kann der Term — vernachlässigt werden, so daß der Zusammenhang der Phasendifferenz df und des Strömungsmittelmengendurchsatzes linear wird. Bezeichnet man mit "G" den Massendurchfluß und mit »9 " die Dichte des Strömungsmittels, so gilt:

-X-

_p . _u

Durch Einsetzen von Formel (7) in Formel (6) ergibt sich:

(8) Vf : -^- ^fcS

Für alle Strömungsmittel ist das Produkt pe charakteristisch für das Strömungsmittel in Abhängigkeit von ihren thermodynamischen Bedingungen; für Strömungsmittel gilt:

ρ
pe = 1/x,

wobei χ die adiabatische Kompressibilität ist, für Gase ergibt sich:
pc² = ^p,

wobei X" das Verhältnis der spezifischen Wärmen C und C ist und ρ der Gasdruck ist.

Nachfolgend wird die Funktion'der Meßvorrichtung 33 beschrieben.

Das Strömungsmittel, dessen Durchflufömenge gemessen werden soll, wird im Eingangsbereich 6a der Meßröhre 6 eingespeist, durchfließt das Kollimatorelement 9 und den Bereich, in dem die elektroakustischen Wandler 1, 2 angeordnet sind und strömt anschließend durch den Ausgangsbereich 6b aus'der Meßröhre 6. Durch die besondere Struktur des Kollimatorelementes 9 können die Radialkomponenten des Geschwindigkeitsvektors der im Eingangsbereich 6a eingespeisten Strömungsmittel vernachlässigt

-y -

werden. Die Funktion der elektronischen Schaltung wird in zwei Schaltzustände unterteilt. Beim ersten Schaltzustand sind die elektroakustischen Wandler über die Anschlußklemmen 17 und 19 des Schalters 15 bzw. 16 mit dem Ausgang der Übertragungseinheit 12 verbunden. Im zweiten Schaltzustand sind die elektroakustischen Wandler 1, 2 über die Anschlußklemmen 18 und 20 des Schalters 15 bzw. 16 mit je einem Eingang der Eingangs- und Auswerteeinheit 14 verbunden.

Die jeweils eingenommene Schaltstellung der Schalter und 16 ist abhängig vom Pegel des Signals V,-, das vom Pulsformer 32 geformt wird und in Fig. 3 dargestellt ist; die Torschaltung 26 wird durch den Pegel des Signals Vg aktiviert,'das vom Pulsformer 31 geformt wird und in Fig. 3f dargestellt ist; und schließlich wird der Oszillator 22 durch den Pegel des Signals Vj, aktiviert, das vom Pulsformer 30 geformt wird.

Diese Pulsformer 30, 31, 32 werden, wie schon oben angeführt, durch den Pulsgenerator 29 aktiviert, dessen Ausgangsspannung V-, in Fig. 3c dargestellt ist. Somit wird durch die positive Pulsanstiegsflanke'des Signals V^ das erforderliche Triggersignal für die durch die Pulsformer 30, 31, 32 erzeugten Pulsfolgen'der Signale V₁I, Y- und Vr geliefert.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltstellung der Schalter 15 und 16 entspricht dem vorgeschriebenen ersten Schaltzustand.

Während des ersten Schaltzustarides wird das vom Oszillator 22 erzeugte Signal über den Verstärker 21

- γί -

und die Anschlußklemmen 17 und 19 des Schalters 15 bzw. 16 beiden elektroakustischen Wandler 1, 2 zugeführt, die wiederum jeweils eine durch'die Strömungsmittel sich ausbreitende Ultraschalldruckwelle aussenden, die vom gegenüberliegenden Wandler empfangen wird. Die Zeitdauer, während der das Signal dem Wandler zugeführt wird, ist in Fig. 3a mit To bezeichnet.

Der erste Schaltzustand wird somit durch die Umschaltung' der Schalter 15 und 16 in Richtung auf die Anschlußklemmen 18 bzw. 20 beendet. Jede stattgefundene Umschaltung wird durch die Signale V₁- am Ende der Zeitdauer T^ veranlaßt, wie in Fig. 3e dargestellt.

Hierdurch wird der zweite Schaltzustand eingeleitet, während dessen der jeweils gegenüberliegende Wandler die mittels seiner Empfangselemente empfangenen Signale an den jeweils zugeordneten Eingang der Eingangs- und Auswerteeinheit 14 zuführt. Die Empfangssignale der Wandler 1, 2 werden über den jeweiligen Verstärker 23 bzw. 24 dem Phasen-Diskriminator 25 zugeführt, durch den die Phasendifferenz gemessen wird. Das Ausgangssignal des Phasen-Diskriminators wird nur während der Zeitdauer IV, wie in Fig. 3a gezeigt, zur Auswerteschaltung 27 weitergeleitet und durch letztere gemäß dem Zusammenhang zwischen der gemessenen Phasendifferenz und dem Strömungsmitteldurchsatz ausgewertet. Der Ausgang der Auswerteschaltung 27 steuert schließlich die Anzeigeeinheit 28.

If

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Ausbildung der Meßvorrichtung 33 zeigt'deutlich, wie die Nachteile der bisher bekannten Meßvorrichtungen vermieden werden.
5

Die Verwendung des Kollimatorelementes 9 erlaubt auch eine recht zuverlässige Messung des Strömungsmitteldurchsatzes bei stärkeren Turbulenzen, wie es bei Gasen der Fall ist.

Aufgrund der Schnelligkeit"der Messung bzw. der kurzen Meßzeit eignet sich die Meßvorrichtung 33 besonders zum Messen des Strömungsmitteldurchsatzes in der Automobiltechnik, insbesondere bei Motoren mit direkter Einspritzung. In der Tat senden die zwei elektroakustischen Wandler während einer Meßzeit ungefähr 40 Ultraschallwellen aus (z. B. während 160/u bei einer Frequenz von 250 kHz),'die von den gleichen elektroakustischen Wandlern nacheinander empfangen werden, so'daß man Meßzeiten in der Größenordnung von 400 /us erzielt, während bekannte Meßvorrichtungen keine Meßzeiten unterhalb einiger ms erreichen können.

Die Verwendung des Pulsformers 30 begrenzt die Zeitdauer, in der die Signale zu'den Wandlern 1, 2 ausgesandt werden, wodurch das die elektromagnetischen Signale begleitende unerwünschte Hintergruhdrauschen eliminiert wird.

Bei einigen der obigen Motoren kommt es auch vor, daß zu vorgegebenen Zeiten umgekehrte Strömungen einer gewissen Größe vorkommen. Daher kann es günstig sein, ein zweites Kollimatorelement bevorzugt, nicht weit entfernt

vom Kollimatorelement 9, unmittelbar nach (bezogen auf die normale Strömungsrichtung) den Wandlern 1, 2 und vor dem Ausgangsbereich 6b der Meßröhre 6 anzuordnen. Dadurch ist es möglich, den Flüssigkeitsdurchsatz der oben erwähnten umgekehrten Strömungsrichtung und den effektiven Luftdurchsatz bei Motoren genau zu messen.

-/6-Leerseite

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Strömungsmittels durch ein Meßrohr (6) mittels Ultraschallwellen, g ekennzeichnet durch die Kombination nachstehender Merkmale:

a) Ein Paar elektroakustische Wandler (1,2) sind in der Wand (7) eines'die Meßröhre (6) bildenden Rohres derart angeordnet, daß ihre Achsen einen vorgegebenen Winkel mit der Achse der Meßröhre (6) einschließen und jeder der elektroakustischen Wandler (1 bzw. 2) ist geeignet, eine Ultraschallwelle einer vorgegebenen Frequenz in Richtung zu dem arideren diametral gegenüber liegenden Wandler (2 bzw. 1) auszusenden und die vom arideren elektroakustischen Wandler empfangene Ultraschallwelle in elektrische Signale umzuwandeln;

b) ein Kollimatorelement (9) für das Strömungsmittel, das den Querschnitt einer Zone (10) der Meßröhre (6) einnimmt und das in Strömungsrichtung vor dem Paar der elektroakustischen Wandler (1,2) angeordnet ist;

c) ein Generator (22) zur Erzeugung elektrischer Signale einer vorgegebenen Frequenz, welcher die elektroakustischen Wandler (1,2) speist;

. d) Mittel (25,26,27,28) zur Verarbeitung der elektrischen Signale, welche mit den elektroakustischen Wandlern (1,2) verbunden sind und eine Anzeige liefern, die ein Maß für die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Ultraschallsignalen der elektroakustischen Wandler (1,2) ist und die im Strömungsmittel innerhalb der Meßröhre (6) auftretende Phasendifferenz anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollimatorelement (9) einen Querschnitt nach Art einer Bienenwabe hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollimatorelement (9) eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (3¹O aufweist, die parallel zur Achse der Meßröhre (6) angeordnet sind.
M. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (15,16) vorgesehen sind, welche die elektroakustischen Wandler (1,2) mit dem Generator (22) oder mit den Mitteln (25,26,27,28) zur Verarbeitung der elektrischen Signale verbinden, und daß ein Steuergerät (32) vorgesehen ist, welches die Schalter (15,16) derart steuert, daß abwechselnd entweder beide elektroakustischen Wandler (1,2) mit dem Generator (22) oder daß beide elektroakustischen Wandler (1,2) mit den Mitteln (25,26,27,28) zur Verarbeitung der elektrischen Signale verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (32) eine Zeitsteuerungseinrichtung (30) enthält.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerungseinrichtung (30) während der Dauer vorgegebener Zeiträume (To) die Übertragung der vom Generator (22) gelieferten elektrischen Signale freigibt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (25,26,27,28) zur Verarbeitung elektrischer Signale einen Phasendiskriminator enthalten, der zwei mit den elektroakustischen Wandlern (1,2) verbundene Eingänge und einen über eine Torschaltung (26) und eine Auswerteschaltung (27) mit einer optischen Anzeige (28) verbundenen Ausgang hat.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (26) von einem Zeitglied (31) gesteuert wird.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 4, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß'das Steuergerät (32) und die Zeitglieder (30,31) synchron von einem Oszillator (29) gesteuert werden.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Kollimatorelement vorgesehen ist, welches den Querschnitt einer Zone (10) der Meßröhre (6) einnimmt und in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem Paar der elektroakustischen Wandler (1,2) angeordnet ist.