DE102009003020A1

DE102009003020A1 - Laufzeitmessungskorrektur bei einem Strömungssensor

Info

Publication number: DE102009003020A1
Application number: DE102009003020A
Authority: DE
Inventors: Roland Muelller; Gerhard Hueftle; Dirk Daecke; Bernhard Opitz; Michael Horstbrink; Frank Steuber; Tobias Lang; Sami Radwan; Bernd Kuenzl; Roland Wanja; Ralf Kieser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US20100288055A1; FR2945632A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum messen einer Strömungsgröße (v) eines Mediums, umfassend einen ersten Wellenwandler (4) und einen dem ersten Wellenwandler (4) zugewandten zweiten Wellenwandler (5), die jeweils Schallwellen aussenden und empfangen, und eine Einrichtung (16), die die Strömungsgröße (v) basierend auf einer ersten Wellenlaufzeit (t) vom ersten (4) zum zweiten Wellenwandler (5) und einer zweiten Wellenlaufzeit (t) vom zweiten (5) zum ersten Wellenwandler (4) berechnet. Die Einrichtung (16) umfasst gemäß der Erfindung Mittel (11, 14) zum Begrenzen der Änderung der Strömungsgröße (v). Auf diese Weise kann die Messung genauer durchgeführt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen einer Strömungsgröße eines Mediums, wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit oder des Massenstroms, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Messen der Strömung eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Ultraschall-Strömungssensoren werden z. B. dazu eingesetzt, den Volumen- oder Massestrom, oder die Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, das durch eine Rohrleitung strömt. Ein bekannter Typ von Ultraschall-Strömungssensoren umfasst zwei in Strömungsrichtung versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die jeweils Ultraschallsignale erzeugen und diese an den jeweils anderen Ultraschallwandler aussenden. Die Ultraschallsignale werden vom jeweils anderen Wandler empfangen und mittels einer Elektronik ausgewertet. Der Laufzeitunterschied zwischen dem Signal in Strömungsrichtung und demjenigen in Gegenrichtung ist dabei ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
1 zeigt eine typische Anordnung eines Ultraschall-Strömungssensors 6 mit zwei Ultraschallwandlern 4, 5, die innerhalb einer Rohrleitung 3 angeordnet sind und sich in einem Abstand L gegenüber stehen. In der Rohrleitung 3 strömt ein Fluid 1 mit einer Geschwindigkeit v in Richtung des Pfeils 2. Die Messstrecke L ist gegenüber der Strömungsrichtung 2 um einen Winkel α geneigt. Die Wandler 4, 5 sind dabei in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Während einer Messung senden sich die Ultraschallwandler 4, 5 gegenseitig Ultraschallsignale zu, die je nach Richtung von der Strömung entweder verlangsamt oder beschleunigt werden. Die Laufzeiten der Schallsignale sind dabei ein Maß für die zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit.
2 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Anordnung mit einer zugehörigen Sende- und Empfangsschaltung 7. Die beiden Ultraschallwandler 4, 5 werden von einem Oszillator mit einem Signal 8 mit vorgegebener Taktfrequenz (z. B. einem Rechtecksignal) angeregt. Die dadurch erzeugten Ultraschallsignale 10 (hier sind nur die Hüllkurven der Signale dargestellt) durchlaufen die Messstrecke L und werden vom jeweils anderen Ultraschallwandler 4, 5 detektiert. Die Sende- und Empfangsschaltung 7 bestimmt aus den Sensorsignalen S1, S2 die Laufzeit t₁ bzw. t₂ der Schallsignale 10. Eine nachgeordnete Berechnungseinheit 15 berechnet schließlich aus jedem Wertepaar t₁, t₂ die gewünschte Strömungsgröße, wie z. B. die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Die Schaltungen 7 und 15 bilden zusammen eine Auswerteeinheit 16.
Die Schallwellen 10 werden auf ihrem Weg durch das Medium in der Regel stark gedämpft und verzerrt. Dies gilt insbesondere für das gegen die Strömungsrichtung laufende Signal t₂. Es ist daher relativ schwer, den Empfangszeitpunkt an einem der Sensoren 4, 5 genau zu bestimmen, so dass die einzelnen Messwerte der Wellenlaufzeiten t₁ und insbesondere t₂ stark schwanken können. Dies führt schließlich zu einer ungenauen Bestimmung der Strömungsgröße, die auf Grundlage der Wellenlaufzeiten t₁ und t₂ berechnet wird.
Offenbarung der Erfindung
Insofern ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Sensor und ein Verfahren zum Messen der Strömung eines Mediums anzugeben, mit dem eine Strömungsgröße des Mediums genauer und zuverlässiger bestimmbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Einrichtung vorzusehen, die aus den Sensorsignalen der Wellenwandler eine gewünschte Strömungsgröße berechnet, wobei die Einrichtung Mittel zum Begrenzen der Änderung der Strömungsgröße umfasst. Diese Mittel sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sie zu mehreren Zeitpunkten gemessene Laufzeiten der Schallsignale (z. B. mehrere Werte von t₁ und/oder t₂) berücksichtigen und daraus einen Wert, wie z. B. eine modifizierte Wellenlaufzeit (z. B. t₁' oder t₂') oder eine davon abhängige Größe (z. B. eine aus den Laufzeiten berechnete Schallgeschwindigkeit c), bestimmen, der weniger stark schwankt als die ursprünglich gemessenen Laufzeitwerte. Auf diese Weise kann die Strömungsgröße, die auf Grundlage der Wellenlaufzeiten berechnet wird, wesentlich genauer bestimmt werden.
Unter dem Begriff „Strömungsgröße” wird insbesondere ein Volumen- oder Massestrom, oder die Strömungsgeschwindigkeit eines gasförmigen oder flüssigen Mediums verstanden. Die Erfindung ist aber auch zur Berechnung anderer Strömungsgrößen anwendbar.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einrichtung Mittel, die die Änderung bzw. Schwankung wenigstens einer der Wellenlaufzeiten t₁, t₂ begrenzen. Da üblicherweise nur die Wellenlaufzeit t₂ des Schallsignals entgegen der Strömungsrichtung kritisch ist, reicht es aus, die Mittel nur für diese Wellenlaufzeit bzw. eine daraus berechnete Größe vorzusehen. Mit Hilfe der genannten Mittel können so genannte „Ausreißer” in der Wellenlaufzeit t₁, t₂ eliminiert werden. Dadurch kann die Strömungsgröße genauer berechnet werden.
Die vorstehend genannten Mittel zur Begrenzung der Änderung bzw. Schwankung wenigstens einer der Wellenlaufzeiten können z. B. einen Tiefpassfilter umfassen, mittels dessen mehrere aktuell bestimmte Wellenlaufzeiten, wie z. B. mehrere Laufzeitwerte t₂, gefiltert werden. Die Filterung führt dazu, dass „Ausreißer” abgeschwächt werden. Alternativ könnten die genannten Mittel auch eine Interpolationseinheit umfassen, die mehrere Messwerte einer Wellenlaufzeit interpoliert. Neue Messwerte, die zu weit außerhalb der sich aus der Interpolation ergebenden Näherungsfunktion liegen, können z. B: auf die Näherungsfunktion oder in deren Nähe gesetzt werden. Dadurch wird die Schwankung der Laufzeitwerte (t₁ und/oder t₂) begrenzt. Die begrenzten Werte werden dann wiederum zu Berechnung der gewünschten Strömungsgröße herangezogen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nicht die Änderung der Wellenlaufzeiten selbst, sondern die Änderung einer aus wenigstens einer Wellenlaufzeit berechneten Größe, wie z. B. der Schallgeschwindigkeit c, der Summenlaufzeit t₁ + t₂, oder der Fluid-Temperatur begrenzt. Hierzu kann wiederum ein Filter oder eine Interpolationseinheit vorgesehen sein, das bzw. die die Änderung dieser Größe begrenzt. Beide Ausführungsformen können auch kombiniert werden.
Anstelle des genannten Tiefpasses oder der Interpolation kann die Änderung der jeweiligen Größe (z. B. t oder c) auch auf einen fest vorgegebenen Maximalwert begrenzt werden. Ist beispielsweise die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Wert der Schallgeschwindigkeit c größer als der vorgegebene Maximalwert, kann der zweite Wert auf den ersten Wert plus oder minus den Maximalwert begrenzt werden. Damit schwankt die betrachtete Größe nicht stärker als der vorgegebene Maximalwert. „Ausreißer” werden dadurch wiederum abgeschwächt. Liegen dagegen zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessene Werte, z. B. zwei Wellenlaufzeiten t2₁, t2₂, nahe beieinander, kann der neuere Wert auch ungefiltert in die weitere Berechnung eingehen.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorstehend genannte Signalverarbeitung auch abgeschaltet werden kann, wenn die Güte beider gemessenen Wellenlaufzeit dies zulässt, d. h. wenn insbesondere die Amplitude des gegen die Strömungsrichtung laufenden Schallsignals t2 einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Um so häufig wie möglich aktuelle Werte für die Strömung des Mediums zu erhalten, kann die Wellenlaufzeit mit der höheren Güte häufiger gemessen werden als die andere Wellenlaufzeit. Um andererseits die Robustheit der schwächeren Messrichtung zu erhöhen, kann auch die Wellenlaufzeit geringerer Güte häufiger gemessen werden, je nach Anforderungen der Messumgebung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der Ultraschallwandler eines Ultraschallsensors an einem von Luft durchströmten Rohr;
2 eine schematische Ansicht eines Ultraschallsensors mit zugehöriger Auswerteeinrichtung;
3 eine schematische Ansicht einer Berechnungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Ansicht einer Berechnungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Berechnungseinheit 15 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Berechnungseinheit 15 umfasst hier eine Interpolationseinheit 11 und eine Schaltung oder Software 12 (im Folgenden Einheit 12). Die Interpolationseinheit 11 umfasst wiederum mehrere Verzögerungsglieder 11a, b, die eine Reihe von aufeinander folgenden Laufzeitwerten t2 zwischenspeichert. Die Einheit 12 umfasst ein Filter, wie z. B. ein FIR-Filter, das aus allen zur Verfügung stehenden Laufzeitwerten t2 einen neuen interpolierten Wert erzeugt. Dieser neue Wert wird dann schließlich dazu verwendet, die Strömungsgröße, wie z. B. die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen.
Wie in 3 zu erkennen ist, umfasst nur derjenige Eingang der Berechnungseinheit 15 eine Interpolationseinheit 11, an dem die Laufzeiten t2 anliegen, da die zugehörigen Schallsignale wesentlich stärker gedämpft und verzerrt werden als die Schallsignale in Strömungsrichtung. Der andere Zweig, an dem die Laufzeiten t1 anliegen, umfasst keine Interpolationseinheit 11.
Die Berechnungseinheit 15 könnte alternativ auch so programmiert werden, dass sie die Änderung der Laufzeit t2 auf einen fest vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Ist beispielsweise die Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Wert der Laufzeit größer als der vorgegebene Maximalwert, kann der zweite Laufzeitwert auf den ersten Wert plus oder minus den Maximalwert begrenzt werden. Damit schwankt die Laufzeit nicht stärker als der vorgegebene Maximalwert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform könnte die Interpolationseinheit 11 auch durch ein Tiefpassfilter ersetzt werden. Dadurch wird die Varianz des Laufzeitsignals ebenfalls reduziert. Der Wert t₁ und der gefilterte Wert t₂ werden schließlich wiederum dazu verwendet, die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Berechnungseinheit 15 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall werden nicht die Wellenlaufzeiten t₂, sondern die Änderung einer aus den Wellenlaufzeiten t₁, t₂ berechneten Größe, wie z. B. der Schallgeschwindigkeit c oder eine Summenlaufzeit, begrenzt. Hierzu ist eine Einheit 13 vorgesehen. Für die Schallgeschwindigkeit c gilt näherungsweise:
L ist dabei die Länge der Strecke zwischen den beiden Wandlern 4, 5. Die so bestimmte aktuelle Schallgeschwindigkeit c_akt wird dann mit Hilfe eines Tiefpassfilters 14 gefiltert, so dass einzelne Extremwerte reduziert werden. Aus dem interpolierten Wert c _akt und der Laufzeit t₁ kann schließlich die Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums nach Gleichung (2) berechnet werden:
Der Wert s stellt dabei eine geometrieabhängige Konstante für den Sensor dar.
Unter der Annahme, dass sich die Schallgeschwindigkeit c nur sehr langsam ändert, braucht diese nicht ständig neu berechnet zu werden. Sie kann vielmehr über einen gewissen Zeitraum als konstant angesehen werden. Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit v muss dann lediglich die Schalllaufzeit t1 gemessen werden. Dadurch kann eine relativ hohe Wiederholungsrate der Messung bei hoher Genauigkeit erreicht werden.
Da die Berechnung und Filterung der Schallgeschwindigkeit relativ zeitaufwändig ist, kann vorgesehen sein, dass auf eine herkömmliche Messung umgeschaltet werden kann. In diesem Fall wird die Strömungsgeschwindigkeit einfach aus einem Paar von Messwerten t1, t2 berechnet.
In einer typischen Anwendung der Erfindung sind die Ultraschallwandler 4, 5 beispielsweise an einem Rohr 3 des Ansaugtraktes eines Verbrennungsmotors angeordnet. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) bestimmt die Schalllaufzeiten t₁, t₂ und berechnet daraus die Strömungsgeschwindigkeit v. Daraus kann wiederum der Massestrom der angesaugten Luft berechnet werden. Die Steuereinheit kann somit die Menge des im Verbrennungsraum befindlichen Sauerstoffes abschätzen und ein Einspritzventil entsprechend steuern, um die optimale Menge an Kraftstoff in den Verbrennungsraum einzuspritzen.

Claims

Sensor zum Messen einer Strömungsgröße (v) eines Mediums, umfassend einen ersten Wellenwandler (4) und einen zweiten Wellenwandler (5), die jeweils Schallwellen aussenden und empfangen, und eine Einrichtung (16), die die Strömungsgröße (v) basierend auf einer ersten Wellenlaufzeit (t₁) vom ersten (4) zum zweiten Wellenwandler (5) und einer zweiten Wellenlaufzeit (t₂) vom zweiten (5) zum ersten Wellenwandler (4) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) Mittel (11, 14) zum Begrenzen der Änderung der Strömungsgröße (v) umfasst.
Sensor nach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11, 14) die Änderung einer der Wellenlaufzeiten (t₁, t₂) oder einer daraus berechneten Größe begrenzen.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11, 14) eine Interpolationseinheit (11) oder einen Filter (14) umfassen.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgröße ein Massenstrom oder eine Strömungsgeschwindigkeit (v) ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die änderungsbegrenzte Größe eine Summenlaufzeit aus beiden Wellenlaufzeiten (t₁, t₂), die Fluidtemperatur T oder eine Schallgeschwindigkeit (c) der Wellen im Medium (1) ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11, 14) ausschließlich zur Begrenzung der Wellenlaufzeit (t₂) desjenigen Schallsignals, das entgegen der Strömungsrichtung (2) des Mediums (1) läuft, oder zur Begrenzung einer aus dieser Wellenlaufzeit (t₂) berechneten Größe (c) vorgesehen sind.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (11, 14) abschaltbar sind.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) eine der beiden Wellenlaufzeiten (t₁, t₂) mit einer höheren Wiederholrate misst als die andere Wellenlaufzeit.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholrate der Messung derjenigen Wellenlaufzeit (t₁) mit der höheren Güte höher ist.
Verfahren zum Messen einer Strömungsgröße (v) eines Mediums mit Hilfe eines ersten Wellenwandlers (4) und eines dem ersten Wellenwandler (4) zugewandten zweiten Wellenwandlers (5), die jeweils Schallwellen aussenden und empfangen, wobei die Strömungsgröße (v) basierend auf einer ersten Wellenlaufzeit (t₁) vom ersten (4) zum zweiten Wellenwandler (5) und einer zweiten Wellenlaufzeit (t₂) vom zweiten (5) zum ersten Wellenwandler (4) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung wenigstens einer der Wellenlaufzeiten (t₁, t₂) oder einer daraus berechneten Größe begrenzt wird, und die Strömungsgröße (v) basierend auf der begrenzten Wellenlaufzeit (t₁, t₂) oder der begrenzten Größe (c) berechnet wird.