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WO2008000577A1 - Method and device for measuring an air mass flow by means of ultrasound - Google Patents

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

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WO2008000577A1
WO2008000577A1 PCT/EP2007/055317 EP2007055317W WO2008000577A1 WO 2008000577 A1 WO2008000577 A1 WO 2008000577A1 EP 2007055317 W EP2007055317 W EP 2007055317W WO 2008000577 A1 WO2008000577 A1 WO 2008000577A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic wave
actual
mass flow
impact position
transducer array
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2007/055317
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Bierl
Martin Lesser
Andreas Meyer
Frank Steuber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Continental Automotive GmbH
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Continental Automotive GmbH
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Continental Automotive GmbH, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE112007001322T priority Critical patent/DE112007001322A5/en
Publication of WO2008000577A1 publication Critical patent/WO2008000577A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring 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
    • G01F1/665—Measuring 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

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for measuring the mass flow of an air flow in a tube by means of ultrasound, in particular in an intake manifold of an internal combustion engine.
  • the present invention has for its object to provide a method and apparatus for measuring the mass flow of air flow in a tube by means of ultrasound, which require the smallest possible measurement and evaluation effort.
  • a directed ultrasonic wave of a Side of the pipe wall at an angle emitted obliquely to the flow direction.
  • a reflector disposed on the opposite side of the tube wall reflects the directional ultrasonic wave to an actual landing position of a receiver transducer array disposed on the same side of the tube wall as the transmitter transducer array. Due to the drifting effect caused by the air flow, deviations occur between the actual impact positions and a desired impact position of the reflected ultra-sound wave, which is utilized to determine the mass flow.
  • the radiation angle of the directional ultrasonic wave is controlled in dependence on these deviations so that the actual impact position is kept as close as possible to the desired impact position.
  • the mass flow can then be determined from the manipulated variable required for holding the actual impact position for the regulation of the emission angle.
  • the method and the device according to the invention have the advantage that the transit time measurement required in the prior art and its complicated evaluation are avoided. Rather, the evaluation of a voltage distribution at the receiver transducer array is essentially merely necessary in the invention. Since the determination of the manipulated variable for readjustment of the emission angle and the determination of the mass flow can be carried out via characteristic maps, a high speed of the method according to the invention is ensured.
  • Figure 1 is a schematic of an apparatus for measuring an air mass flow in a tube by means of ultrasound and
  • Figure 2 is a schematic diagram of the measuring device of Figure 1 with further details in an enlarged scale.
  • FIG. 1 schematically shows a pipe wall 4 of a pipe 2 through which air flows with the schematically indicated speed distribution v s , x .
  • the pipe 2 is, in particular, the intake pipe of an internal combustion engine (not shown).
  • the device shown schematically in Figure 1 is used to measure the mass flow (the mass flow rate) of the air flow by means of ultrasound.
  • the device consists of a transmitter-transducer array S, a reflector R, a receiver-transducer array E and an evaluation device 6, which has a regulator circuit with a regulator 8 and an evaluation circuit 10.
  • the transmitter converter array S and the receiver converter array E are arranged on the same side of the tube wall 4, while the reflector R is located on the opposite side
  • the transmitter-transducer array S radiates a directional ultrasonic wave US slants toward the flow direction at a radiation angle ⁇ in the direction of the reflector R.
  • the x-component v u , x of the velocity v u of the ultrasonic 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 ultrasonic wave US
  • the drift effect is the stronger The larger the flow velocity v ⁇ 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 'am change depending on the size of the drift effect This is exploited according to the present invention to determine the mass flow, as will be explained in more detail below.
  • the transducer arrays S and E each consist of a group of individual ultrasound transducers Si... S n or Ei... E n , which are arranged next to one another in the direction of flow.
  • the transmitter-converter array S is supplied with voltage by a high voltage source 12.
  • Converter arrays S are associated with delay elements 14, which are fed by an AC voltage source 16 with AC voltages ACi ... AC n .
  • This offers the possibility of the individual ultrasonic transducers Si ... S n with different delay times ti ... t n to be controlled with a time delay, that the time-offset emitted individual ultrasonic waves USi ... US n is given a directional characteristic, whereby the directed ultrasonic wave US formed becomes.
  • the reflector R (FIG. 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 focussing ultrasonic reflectors are known in the prior art, this will not be discussed in more detail.
  • the reflected ultrasonic wave US ' has a bell-shaped energy distribution G.
  • the maximum of the bell-shaped energy distribution G is as actual impact position A of the reflected ultrasonic wave US' is defined.
  • the control circuit of the evaluation device 6 has the task of the actual impact point A is to maintain n at a target landing position A so on.
  • the evaluation device 6 regulates the emission angle ⁇ of the directed ultrasonic wave US so that the reflected ultrasonic wave US 'is adapted to a desired ultrasonic wave US' so ii whose energy distribution G is indicated by dashed lines.
  • Converter arrays E an evaluation member 20 supplied, which evaluates the position of the maximum of the energy distribution G and thus the actual impact position A is determined.
  • the actual impact position A is the representative signal is supplied via a line 22 to a comparator 26 which is a, the target landing position A so ii receives a signal representing a line 24th
  • the comparator 26 determines the deviation between A is t and A 3O i I and outputs a corresponding signal to the controller 8 from. From this deviation, the controller 8 uses a control algorithm to determine a manipulated variable 32 in the form of delay times ti... T n , with which the delay elements 14 must drive the individual ultrasonic transducers Si... S n in order to control the emission angle ⁇ directed ultrasonic wave US to influence so that the actual impact point A 13t of the reflected ultrasonic wave US 'as close to the target impact position A 30I i is maintained.
  • the control algorithm of the controller 8 uses schematically indicated maps 30 which, depending on the actual impact position A 13t on the receiver transducer array E, contain the corresponding delay times for the control of the individual ultrasonic transducers.
  • the maps 30 are determined by means of test series for different pipe diameters in the calibration of the measuring device.
  • a memory 34 is arranged with the output of the controller 8, in which the output from the controller 8 manipulated variable 32 (delay times) can be stored. An appropriate memory is not essential.
  • the manipulated variable 32, d. H. the delay times of the delay elements 14 required for influencing the emission angle ⁇ are also supplied to the evaluation circuit 10, which determines the mass flow on the basis of schematically indicated characteristic diagrams 38.
  • the maps 38 are set in series of tests for different pipe diameters in the calibration of the measuring device.
  • evaluation device 6 can be part of a central electronic operating control device (not shown).
  • 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 constantly readjusted on Empfanger- transducer array E, there will only be small changes in the actual impact position A is what the initial evaluation in accordance with simplified.
  • the mass flow is obtained directly from the manipulated variable 32, ie the different delay times for the control of the transmitter-converter array. Since the determination of the manipulated variable 32 as well as the determination of the mass flow via maps 30 and 38, a high speed of the entire measurement process is ensured.

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Abstract

The invention relates to a method and the device for measuring an air mass flow in a tube, by emission of a directed ultrasound wave (US) from a transmitting transducer array (S) from one side of the tube (4) at an angle to the flow direction x. A reflector (R) on the opposite side, reflects the directed ultrasound wave to a receiver transducer array (E). The mass flow can then be determined from deviations between the actual incident position Aist and a set incident position Asoll for the reflected ultrasound wave (US').

Description

Beschreibungdescription

Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines LuftmassenStroms mittels UltraschallMethod and device for measuring an air mass flow by means of ultrasound

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 present invention relates to a method and a device for measuring the mass flow of an air flow in a tube by means of ultrasound, in particular in an intake manifold 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 gegenuberliegen- den Seiten der Rohrwand schräg gegenüber angeordnet. Die beiden Ultraschallwandler werden wechselweise als Sender und Empfanger verwendet. Auf Grund des so genannten Verwehungsef- fektes, durch den sich die Luftströmung und die Ultraschallwelle in Stromungsrichtung überlagern, ergeben sich unter- schiedliche Laufzeiten der Ultraschallwelle in beiden Richtungen. Aus Messungen der unterschiedlichen Laufzeiten kann dann der Massenstrom berechnet werden. Ein Nachteil dieser Messmethode ist allerdings der betrachtliche Aufwand, den die Laufzeitmessung sowie ihre Auswertung erfordern.There is already known a measuring method in which the air mass flow in the intake pipe of an internal combustion engine is measured by means of ultrasound. In this measuring method, two coaxial ultrasonic transducers are arranged diagonally opposite on opposite sides of the pipe wall. The two ultrasonic transducers are used alternately as transmitter and receiver. Due to the so-called drift effect, through which the air flow and the ultrasonic wave overlap in the direction of flow, different durations of the ultrasonic wave result in both directions. From measurements of the different transit times, the mass flow can then be calculated. A disadvantage of this measurement method, however, is the considerable effort required by the transit time measurement and its evaluation.

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 Auswer- tungsaufwand erfordern.The present invention has for its object to provide a method and apparatus for measuring the mass flow of air flow in a tube by means of ultrasound, which require the smallest possible measurement and evaluation effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch das in Patentanspruch 1 definierte Verfahren und die in Patentanspruch 4 definierte Vorrichtung gelost.This object is achieved according to the invention by the method defined in claim 1 and the device defined in claim 4.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Sender- Wandlerarrays eine gerichtete Ultraschallwelle von einer Seite der Rohrwand unter einem Abstrahlwinkel schräg zur Stromungsrichtung abgestrahlt. Ein auf der gegenüberliegenden Seite der Rohrwand angeordneter Reflektor reflektiert die gerichtete Ultraschallwelle auf eine Ist-Auftreffposition eines Empfanger-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 Ultra- Schallwelle, was dazu ausgenutzt wird, um den Massenstrom zu ermitteln .According to the present invention, by means of a transmitter-transducer array, a directed ultrasonic wave of a Side of the pipe wall at an angle emitted obliquely to the flow direction. A reflector disposed on the opposite side of the tube wall reflects the directional ultrasonic wave to an actual landing position of a receiver transducer array disposed on the same side of the tube wall as the transmitter transducer array. Due to the drifting effect caused by the air flow, deviations occur between the actual impact positions and a desired impact position of the reflected ultra-sound wave, which is utilized to determine the mass flow.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Abstrahlwinkel der gerichteten Ultraschallwelle in Abhängigkeit von die- sen 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 Stellgroße für die Regelung des Abstrahlwinkels ermittelt werden.In a further embodiment of the invention, the radiation angle of the directional ultrasonic wave is controlled in dependence on these deviations so that the actual impact position is kept as close as possible to the desired impact position. The mass flow can then be determined from the manipulated variable required for holding the actual impact position for the regulation of the emission angle.

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 ledig- lieh die Auswertung einer Spannungsverteilung an dem Empfan- ger-Wandlerarray notwendig. Da die Ermittlung der Stellgroße zum Nachregeln des Abstrahlwinkels und die Ermittlung des Massenstroms über Kennfelder durchgeführt werden können, ist eine hohe Geschwindigkeit des erfindungsgemaßen Verfahrens gewahrleistet.The method and the device according to the invention have the advantage that the transit time measurement required in the prior art and its complicated evaluation are avoided. Rather, the evaluation of a voltage distribution at the receiver transducer array is essentially merely necessary in the invention. Since the determination of the manipulated variable for readjustment of the emission angle and the determination of the mass flow can be carried out via characteristic maps, a high speed of the method according to the invention is ensured.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhangigen Patentansprüchen definiert.Further advantageous embodiments of the invention are defined in the dependent claims.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung naher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Schemaskizze einer Vorrichtung zum Messen eines Luftmassenstroms in einem Rohr mittels Ultraschall undReference to the drawings, a preferred embodiment of the invention is explained in more detail. It shows: Figure 1 is a schematic of an apparatus for measuring an air mass flow in a tube by means of ultrasound and

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

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

Die in Figur 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 Empfanger-Wandlerarray E und einer Auswerteeinrichtung 6, die einen Reglerkreis mit einem Regler 8 und eine Auswer- teschaltung 10 aufweist.The device shown schematically in Figure 1 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, which has a regulator circuit with a regulator 8 and an evaluation circuit 10.

Wie in Figur 1 zu sehen ist, sind das Sender-Wandlerarray S und das Empfanger-Wandlerarray E, in Stromungsrichtung x versetzt zueinander, auf der gleichen Seite der Rohrwand 4 ange- ordnet, wahrend der Reflektor R auf der gegenüberliegendenAs can be seen in FIG. 1, the transmitter converter array S and the receiver converter array E, offset in the direction of flow x, are arranged on the same side of the tube wall 4, while the reflector R is located on the opposite side

Seite der Rohrwand 4 angeordnet ist. Das Sender-Wandlerarray S strahlt eine gerichtete Ultraschallwelle US schrägt zur Stromungsrichtung 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 Stromungsgeschwindigkeit vs der Luftströmung, was zu einer „Verwehung" der Ultraschallwelle US fuhrt. Der Verwehungseffekt ist umso starker, je großer die Stromungsgeschwindigkeit vτ der Luftströmung ist. Je nach der Große des Verwehungseffektes ändert sich der Auftreffpunkt der Ultraschallwelle US am Reflektor R sowie der Auftreffpunkt der reflektierten Ultraschallwelle US' am Empfanger-Wandlerarray E. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung zu Ermitteln des Massenstroms ausgenutzt, wie im Folgenden genauer erläutert wird.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 ultrasonic 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 ultrasonic wave US The drift effect is the stronger The larger the flow velocity v τ 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 'am change depending on the size of the drift effect This is exploited according to the present invention to determine the mass flow, as will be explained in more detail below.

Es wird nun zusatzlich auf Figur 2 Bezug genommen. Die Wand- lerarrays S und E bestehen jeweils aus einer Gruppe einzelner Ultraschallwandler Si...Sn bzw. Ei...En, die in Stromungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Das Sender-Wandlerarray S wird von einer Hochspannungsquelle 12 mit Spannung versorgt. Den einzelnen Ultraschallwandlern Si... Sn des Sender-Reference is now additionally made to FIG. The transducer arrays S and E each consist of a group of individual ultrasound transducers Si... S n or Ei... E n , which are arranged next to one another in the direction of flow. The transmitter-converter array S is supplied with voltage by a high voltage source 12. The individual ultrasonic transducers Si ... S n of the transmitter

Wandlerarrays S sind Verzogerungsglieder 14 zugeordnet, die von einer Wechselspannungsquelle 16 mit Wechselspannungen ACi...ACn gespeist werden. Dies bietet die Möglichkeit, die einzelnen Ultraschallwandler Si... Sn mit unterschiedlichen Verzogerungszeiten ti...tn zeitversetzt so anzusteuern, dass den zeitversetzt abgestrahlten einzelnen Ultraschallwellen USi...USn eine Richtcharakteristik verliehen wird, wodurch die gerichtete Ultraschallwelle US gebildet wird.Converter arrays S are associated with delay elements 14, which are fed by an AC voltage source 16 with AC voltages ACi ... AC n . This offers the possibility of the individual ultrasonic transducers Si ... S n with different delay times ti ... t n to be controlled with a time delay, that the time-offset emitted individual ultrasonic waves USi ... US n is given a directional characteristic, whereby the directed ultrasonic wave US formed becomes.

Der Reflektor R (Figur 1), der die gerichtete Ultraschallwelle US reflektiert, ist so ausgebildet, dass die reflektierte Ultraschallwelle US' fokussiert wird, um die Energie der am Empfanger-Wandlerarray E auftreffenden Ultraschallwelle auf ein möglichst kleines Gebiet zu konzentrieren. Da fokussie- rende Ultraschallreflektoren im Stand der Technik bekannt sind, wird hierauf nicht naher eingegangen.The reflector R (FIG. 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 focussing ultrasonic reflectors are known in the prior art, this will not be discussed in more detail.

Wie in Figur 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 indicated in Figure 2 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 as actual impact position A of the reflected ultrasonic wave US' is defined.

Der Regelkreis der Auswerteeinrichtung 6 hat die Aufgabe, den Ist-Auftreffpunkt Aist an einer Soll-Auftreffposition Ason 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' soii angepasst wird, deren Energieverteilung G durch gestrichelte Linien angedeutet ist.The control circuit of the evaluation device 6 has the task of the actual impact point A is to maintain n at a target landing position A so on. For this purpose, the evaluation device 6 regulates the emission angle α of the directed ultrasonic wave US so that the reflected ultrasonic wave US 'is adapted to a desired ultrasonic wave US' so ii whose energy distribution G is indicated by dashed lines.

Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal 18 des Empfanger-For this purpose, the output signal 18 of the receiver

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 Lei- tung 22 einem Komparator 26 zugeführt, der über eine Leitung 24 ein die Soll-Auftreffposition Asoii darstellendes Signal empfangt. Der Komparator 26 ermittelt die Abweichung zwischen Aist und A3OiI und gibt ein entsprechendes Signal an den Regler 8 ab. Der Regler 8 ermittelt aus dieser Abweichung anhand ei- nes Regelalgorithmus eine Stellgroße 32 in Form von Verzoge- rungszeiten ti...tn, mit denen die Verzogerungsglieder 14 die einzelnen Ultraschallwandler Si... Sn ansteuern müssen, um den Abstrahlwinkel α der gerichteten Ultraschallwelle US so zu beeinflussen, dass der Ist-Auftreffpunkt A13t der reflektier- ten Ultraschallwelle US' möglichst nahe an der Soll- Auftreffposition A30Ii gehalten wird.Converter arrays E an evaluation member 20 supplied, which evaluates the position of the maximum of the energy distribution G and thus the actual impact position A is determined. The actual impact position A is the representative signal is supplied via a line 22 to a comparator 26 which is a, the target landing position A so ii receives a signal representing a line 24th The comparator 26 determines the deviation between A is t and A 3O i I and outputs a corresponding signal to the controller 8 from. From this deviation, the controller 8 uses a control algorithm to determine a manipulated variable 32 in the form of delay times ti... T n , with which the delay elements 14 must drive the individual ultrasonic transducers Si... S n in order to control the emission angle α directed ultrasonic wave US to influence so that the actual impact point A 13t of the reflected ultrasonic wave US 'as close to the target impact position A 30I i is maintained.

Der Regelalgorithmus des Reglers 8 greift hierbei auf schematisch angedeutete Kennfelder 30 zurück, die in Abhängigkeit von der Ist-Auftreffposition A13t am Empfanger-Wandlerarray E die entsprechenden Verzogerungszeiten 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 8 uses schematically indicated maps 30 which, depending on the actual impact position A 13t on the receiver transducer array E, contain the corresponding delay times for the control of the individual ultrasonic transducers. The maps 30 are determined by means of test series for different pipe diameters in the calibration of the measuring device.

Hierbei kann so vorgegangen werden, dass zunächst die bei Null-Massenstrom erforderlichen Verzogerungszeiten ti...tn ermittelt werden und die Summe dieser Verzogerungszeiten als Gesamtverzogerungszeit Null festgelegt wird. Ausgehend hier- von werden dann die Gesamtverzogerungszeiten für großer werdende Massenstrome bis zu einer maximalen Gesamtverzogerungszeit für den maximalen Massenstrom ermittelt. Es versteht sich, dass die Festlegung der Verzogerungszeiten für die Verzogerungsglieder 14 in den Kennfeldern 30 auch auf andere Weise erfolgen kann. Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist mit dem Ausgang des Reglers 8 ein Speicher 34 angeordnet, in dem die vom Regler 8 ausgegebene Stellgroße 32 (Verzogerungszeiten) gespeichert werden kann. Ein entsprechender Speicher ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.In this case, it is possible to proceed in such a way that first the delay times t i... T n required at zero mass flow are determined and the sum of these delay times is determined as the total delay time zero. Starting from this, the total delay times for larger mass flows up to a maximum total delay time for the maximum mass flow are determined. 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, a memory 34 is arranged with the output of the controller 8, in which the output from the controller 8 manipulated variable 32 (delay times) can be stored. An appropriate memory is not essential.

Die Stellgroße 32, d. h. die zum Beeinflussen des Abstrahl- winkeis α erforderlichen Verzogerungszeiten der Verzogerungsglieder 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, d. H. the delay times of the delay elements 14 required for influencing the emission angle α are also supplied to the evaluation circuit 10, which determines the mass flow on the basis of schematically indicated characteristic diagrams 38. The maps 38 are set in series of tests for different pipe diameters in the calibration of the measuring device.

Es versteht sich, dass die Auswerteeinrichtung 6 Teil eines zentralen elektronischen Betriebssteuergerates (nicht gezeigt) sein kann.It goes without saying that the evaluation device 6 can be part of a central electronic operating control device (not shown).

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 Empfanger-Wandlerarray in der beschriebenen Weise ausgewertet werden. Da die Auftreffposi- tion Aist der reflektierten Ultraschallwelle US' am Empfanger- Wandlerarray E permanent nachgeregelt wird, kommt es nur zu kleinen Änderungen der Ist-Auftreffposition Aist, was die Aus- wertung entsprechend vereinfacht. Der Massenstrom wird unmittelbar aus der Stellgroße 32, d. h. den unterschiedlichen Verzogerungszeiten für die Ansteuerung des Sender- Wandlerarrays , gewonnen. Da die Ermittlung der Stellgroße 32 wie auch die Ermittlung des Massenstroms über Kennfelder 30 bzw. 38 erfolgt, ist eine hohe Geschwindigkeit des gesamten Messverfahrens gewahrleistet. 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 constantly readjusted on Empfanger- transducer array E, there will only be small changes in the actual impact position A is what the initial evaluation in accordance with simplified. The mass flow is obtained directly from the manipulated variable 32, ie the different delay times for the control of the transmitter-converter array. Since the determination of the manipulated variable 32 as well as the determination of the mass flow via maps 30 and 38, a high speed of the entire measurement process is ensured.

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall, insbesondere in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, bei dem1. A method for measuring the mass flow of an air flow in a tube by means of ultrasound, in particular in an intake manifold of an internal combustion engine, in which eine gerichtete Ultraschallwelle (US) von einer Seite der Rohrwand (4) unter einem Abstrahlwinkel (α) schräg zur Stromungsrichtung (x) abgestrahlt und von einer gegenuberliegen- den Seite der Rohrwand (4) auf eine Ist-Auftreffpositiona directed ultrasonic wave (US) from one side of the tube wall (4) at an emission angle (α) obliquely to the flow direction (x) and radiated from an opposite side of the tube wall (4) to an actual impact position (Aist) an der erstgenannten Seite der Rohrwand (4) reflektiert wird und(A is t) on the first-mentioned side of the pipe wall (4) is reflected and in Abhängigkeit von durch den Verwehungseffekt hervorgerufe- nen Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition (Aist) und einer Soll-Auftreffposition (Ason) der Massenstrom ermittelt wird .in dependence on deviations between the actual impact position (A ist ) and a target impact position (A so n) caused by the drifting effect, the mass flow is determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass der Abstrahlwinkel α der Ultraschallwelle (US) in Abhängigkeit von den Abweichungen zwischen der Ist- Auftreffposition (Aist) und der Soll-Auftreffposition (A- soii) so geregelt wird, dass die Ist-Auftreffposition (A1St) möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition (Asoii) gehalten wird.2. The method according to claim 1, marked thereby, that 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- s o ii) is regulated in that the actual impact position (A 1S t) is kept as close as possible to the target impact position (A so ii). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom in Abhängigkeit von der zum Halten der Ist-Auftreffposition (Aist) erforderlichen Stellgroße (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α) ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the mass flow in dependence on the holding for the actual Auftreffposition (A is ) required manipulated variable (32) for the regulation of the emission angle (α) is determined. 4. Vorrichtung zum Messen des Massenstroms einer Luftströmung in einem Rohr mittels Ultraschall, insbesondere in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem Sender-Wandlerarray (S) , das auf einer Seite der Rohrwand (4) angeordnet ist und eine gerichtete Ultraschallwelle (US) unter einem Abstrahlwinkel (α) abstrahlt,4. Apparatus for measuring the mass flow of an air flow in a tube by means of ultrasound, in particular in an intake pipe of an internal combustion engine, with a transmitter transducer array (S) disposed on one side of the tube wall (4) and radiating a directional ultrasonic wave (US) at a radiation angle (α), einem Empfanger-Wandlerarray (I), das auf derselben Seite der Rohrwand (4) in Stromungsrichtung versetzt zu dem Sender- Wandlerarray (W) angeordnet ist,a receiver transducer array (I) disposed on the same side of the tube wall (4) in the flow direction offset from the transmitter transducer array (W), einem Reflektor (R) , der auf einer gegenüberliegenden Seite der Rohrwand (4) so angeordnet ist, dass er die gerichtetea reflector (R) disposed on an opposite side of the tube wall (4) so as to be directed Ultraschallwelle (US) auf eine Ist-Auftreffposition (Aist) an dem Empfanger-Wandlerarray reflektiert, undUltrasonic wave (US) is reflected to an actual landing position (A is ) on the receiver transducer array, and einer Auswerteeinrichtung (6), die die Ist-Auftreffposition (Aist) erfasst und in Abhängigkeit von durch den Verwehungsef- fekt hervorgehobenen Abweichungen zwischen der Ist- Auftreffposition (Aist) und einer Soll-Auftreffposition (Asoii) den Massenstrom ermittelt.an evaluation device (6) which detects the actual landing position (A is t) and depending on fect highlighted by the Verwehungsef- deviations between the actual landing position (A is t) and a target impact position (A so ii) the mass flow determined. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) einen Regelkreis mit einem Regler (8) aufweist, der in Abhängigkeit von den Abweichungen zwischen der Ist-Auftreffposition (Aist) und der Soll-Auftreffposition (Asoii) den Abstrahlwinkel (α) der gerichteten Ultraschallwelle (US) so regelt, dass die Ist-Auftreffposition (Aist) möglichst nahe an der Soll-Auftreffposition (Asoii) gehalten wird.5. The device according to claim 4, characterized in that the evaluation device (6) has a control loop with a controller (8), the function of the deviations between the actual Auftreffposition (A is t) and the target Auftreffposition (A so ii) controls the radiation angle (α) of the directional ultrasonic wave (US) so that the actual impact position (A is ) as close as possible to the target impact position (A so ii) is maintained. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Auswerteeinrichtung (6) eine Auswerteschaltung (10) aufweist, die in Abhängigkeit von der zum Halten der Ist-Auftreffposition erforderlichen Stellgroße6. Apparatus according to claim 5, characterized marked, that the evaluation device (6) has an evaluation circuit (10), which in response to the manipulated variable required to hold the actual Auftreffposition (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α) den Massenstrom ermittelt.(32) determines the mass flow for the control of the radiation angle (α). 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (8) zur Bestimmung der Stellgroße (32) für die Regelung des Abstrahlwinkels (α) auf in Versuchen ermittelte Kennfelder (30) zurückgreift.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the controller (8) for determining the Manipulated variable (32) for controlling the emission angle (α) on maps determined in tests maps (30). 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) zum Ermitteln des Massenstroms auf in Versuchen ermittelte Kennfelder (38) zurückgreift.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the evaluation circuit (10) for determining the mass flow on determined in tests maps (38). 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reglers (8) mit einem Speicher (34) zum Speichern der Stellgroße (32) verbunden ist.9. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the output of the controller (8) with a memory (34) for storing the manipulated variable (32) is connected. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sender-Wandlerarray (S) eine Gruppe einzelner Ultraschallwandler (Si... Sn) aufweist, die in Stromungsrichtung nebeneinander angeordnet und über Verzogerungsglieder (14) zeitversetzt ansteuerbar sind, um die gerichtete, unter veränderlichem Ab- Strahlwinkel (α) abgestrahlte Ultraschallwelle (US) zu erzeugen .10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the transmitter-transducer array (S) comprises a group of individual ultrasonic transducers (Si ... S n ), which are arranged side by side in the flow direction and delay elements (14) can be controlled with a time delay to generate the directional ultrasound wave (US) radiated under variable emission angle (α). 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Reglers (8) mit den Verzogerungsgliedern (14) verbunden ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the output of the controller (8) with the delay elements (14) is connected. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfanger-Wandlerarray (E) eine Gruppe einzelner Ultraschallwandler (Ei... En) auf- weist, die in Stromungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, um die vom Reflektor (R) reflektierte Ultraschallwelle (US') aufzufangen.12. Device according to one of claims 4 to 11, characterized in that the receiver transducer array (E) has a group of individual ultrasonic transducers (Ei ... E n ) up, which are arranged in the flow direction side by side to the reflector of the ( R) reflected ultrasonic wave (US ') catch. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (R) die gerichtete Ultraschallwelle (US) so fokussiert, dass die auf dem Empfanger-Wandlerarray (E) auftreffende reflektierte Ultraschallwelle (US' ) eine glockenförmige Energieverteilung (G) hat.13. Device according to one of claims 4 to 12, characterized in that the reflector (R) focuses the directed ultrasonic wave (US) so that the incident on the receiver transducer array (E) reflected Ultrasonic wave (US ') has a bell-shaped energy distribution (G). 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Auftreffposition (Aist) der reflektierten Ultraschallwelle (US') am Empfanger- Wandlerarray (E) die Position des Maximums der glockenförmigen Energieverteilung (G) ist. 14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the actual impact position (A is ) of the reflected ultrasonic wave (US ') at the receiver transducer array (E) is the position of the maximum of the bell-shaped energy distribution (G).
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