DE102010035859A1

DE102010035859A1 - Ultraschall-Gasdurchflusssensor sowie Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses von Gasen

Info

Publication number: DE102010035859A1
Application number: DE102010035859A
Authority: DE
Inventors: Günter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hohenberg; Ronald Dr. Henzinger
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-03-31
Also published as: AT10959U2; AT10959U3

Abstract

Ein Ultraschall-Gasdurchflusssensor umfasst ein vom Gas durchströmtes Messrohr (1) mit zumindest einem Sende-Schallwandler (2) zur Schallgenerierung und zumindest einem Empfangs-Schallwandler (3) zum Empfang der zeitlich transienten Schallsignale, eine Sende-, Empfangs- und Auswerte-Elektronik (4), sowie zumindest einen mit der Auswerteelektronik (4) verbundenen Temperatursensor (5) für die Messung der Temperatur des Gases. Um eine einfache Möglichkeit zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion bzw. zur Kalibrierung zu bieten, ist in der Auswerteelektronik (4) ein Auswertealgorithmus implementiert, der die Ermittlung der Temperatur des Gases aus der Laufzeit der Schallsignale und damit auch die Durchflussmessung durch die vom Temperatursensor (5) gemessene Temperatur des Gases kalibriert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Gasdurchflusssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Messung von Abgas-Strömungen von Verbrennungskraftmaschinen als auch ein Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses von Gasen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.
Die Schallgeschwindigkeit in Gasen hängt von den Stoffwerten des Gases und der Gastemperatur ab. In der Vergangenheit gab es daher schon mehrere Ansätze durch Messung der Schallgeschwindigkeit die stationäre und vor allem die instationäre Gastemperatur zu bestimmen. Das Prinzip dieser Messung ist die Laufzeitbestimmung eines (Ultra-)Schallimpulses in einer definierten Messstrecke. Aus der Laufzeit t ergibt sich mit der Länge der Messstrecke die mittlere Schallgeschwindigkeit und daraus wiederum die mittlere Gastemperatur.
Zurzeit wird nun in ähnlicher Weise versucht, durch schräge Anordnung einer oder mehrerer Schallmessstrecken in einem Rohr (zum Beispiel Ansaug- oder Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors) die durchströmende Gasmasse zu bestimmen. Als Messeffekt dient hier die Laufzeitverlängerung bzw. Verkürzung des Schallimpulses durch die Gasströmung. Ein wesentlicher Gesichtspunkt für den Einsatz in der Praxis ist hier die Genauigkeit und vor allem die Stabilität der Laufzeitbestimmung der Schallimpulse. Denn schon relativ kleine Laufzeitfehler ergeben überproportional große Fehler in der Berechnung des gesuchten Massendurchflusses. Ursachen für Laufzeitfehler können beispielsweise Längenänderungen der Messstrecke durch thermische oder mechanische Verformung oder Ablagerung sowie auch Fehler in der Auswerteelektronik sein. Ebenso sind Veränderungen der Schallwandler sowie der Gaszusammensetzung denkbar.
In der DE 10 2005 038 599 A1 ist ein Fühler geoffenbart, der einen Ultraschallströmungssensor umfasst, der in ein Strömungsrohr im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine dichtend eingelassen ist. Dabei sind mindestens zwei Ultraschallwandler und ein Temperatursensor vorgesehen, welche mit einer Auswerteelektronik zur Auswertung der Ultraschallsignale verbunden sind. Mit dem Fühler wird der Massendurchfluss eines in einer Leitung strömenden Mediums bestimmt, wobei mittels einer Ultraschalleinrichtung ein den Volumenstrom des Mediums repräsentierendes Volumenstromsignal und ein die Temperatur des strömenden Mediums repräsentierendes Ultraschall-Temperatursignal ermittelt wird. Aus dem Volumenstromsignal, dem Ultraschall-Temperatursignal und einem Drucksignal wird der Massendurchfluss berechnet. Unabhängig davon wird mittels eines Temperaturfühlers ein charakterisierender Temperaturwert für das strömende Medium ermittelt und zur Korrektur des errechneten Massendurchflusses und/oder zur Korrektur des Ultraschall-Temperatursignals verwendet. Der mittels des Temperaturfühlers bestimmte Temperaturwert des strömenden Mediums wird hauptsächlich zur Ermittlung eines den Feuchtegehalt des strömenden Mediums repräsentierenden Wertes verwendet, um ein feuchtekorrigiertes Massenstromsignal zu erhalten, da das Ultraschall-Temperatursignal von der Feuchte des Mediums abhängig ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung waren eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Gasdurchflusses mit einfacher Möglichkeit zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion bzw. Kalibrierung.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs beschriebene Gasdurchflusssensor erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik ein Auswertealgorithmus implementiert ist, der die Ermittlung der Temperatur des Gases aus der Laufzeit der Schallsignale durch die vom Temperatursensor gemessene Temperatur des Gases kalibriert. Damit kann das Strömungsmessgerät relativ einfach und praktisch ohne Mehraufwand automatisch kalibriert werden, sei es bei der Fertigung, im laufenden Messeinsatz oder auch bei Einsatz in einem Fahrzeug. Auch eine aufwändige Nachkalibrierung wie bei den heute üblichen thermischen Massendurchflussmessern kann vermieden oder zumindest deutlich im Aufwand reduziert werden. Auf diese Weise gelingt es weiters, die Funktion des Strömungsmessgerätes relativ einfach und praktisch ohne Mehraufwand über den Temperaturvergleich auf seine richtige Funktion zu überprüfen, was beispielsweise bereits bei der Fertigung des Messgerätes, dann im laufenden Messeinsatz des Massendurchflussmessgerätes, sowie auch als On-Borddiagnose (OBD) bei Einsatz in einem Fahrzeug geschehen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiters durch einen Ultraschall-Gasdurchflusssensor gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Temperatursensor für die Messung der Temperatur des Gases vorgesehen und mit der Auswerteelektronik verbunden ist, wobei in der Auswerteelektronik ein Auswertealgorithmus implementiert ist, der ein Qualitätskriterium für die vom Temperatursensor gemessene Temperatur des Gases und auf gleicher Basis ein Qualitätskriterium für die aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelte Temperatur bestimmt und die Werte beider Qualitätskriterien miteinander vergleicht. Damit ist eine Funktionsüberprüfung in dem Sinn möglich, dass zum Beispiel bei der Fertigung des Messgerätes, im laufenden Messeinsatz des Massendurchflussmessgerätes, sowie auch als On-Borddiagnose (OBD) bei dem Einsatz in einem Fahrzeug von der Qualität der Gastemperaturanzeige aus der Ultraschallmessung auf die Qualität der Massenstrommessung geschlossen werden kann.
Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass als Qualitätskriterium das Signal/Rausch-Verhältnis herangezogen wird.
Um das sich über den Querschnitt der Messstrecke einstellende Temperaturprofil berücksichtigen zu können und so die Aussagekraft der Funktionsüberprüfung bzw. Qualitätsaussage weiter steigern zu können, sieht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, dass zumindest ein weiterer Temperatursensor für die Messung der Temperatur der Wand des Messrohres vorgesehen und mit der Auswerteelektronik verbunden ist.
Da auch die Gaszusammensetzung Einfluss auf die Laufzeitmessung hat, kann vorteilhafterweise weiters eine Einrichtung zur Ermittlung der Gaszusammensetzung vorgesehen sein, insbesondere eine Lambda-Sonde.
Eine Vorrichtung zur Messung von Abgas-Strömungen von Verbrennungskraftmaschinen ist zur Lösung der oben dargelegten Aufgabe der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine ein Gasdurchflusssensor gemäß einem der vorhergehenden Absätze eingebaut ist.
Zur Lösung der Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung und damit die Durchflussmessung aus der Bestimmung der Laufzeiten der Schallsignale durch Vergleich mit der mittels der weiteren Messmethode ermittelten Temperatur kalibriert wird. Durch den Vergleich der Temperatur des Gases bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Schallsignale und einer davon unabhängigen weiteren Messmethode lässt sich die Richtigkeit der Ergebnisse einer Durchflussmessung aus der Laufzeit von Ultraschallimpulsen bzw. eines darauf basierenden Strömungsmessgerätes relativ einfach und praktisch ohne Mehraufwand und im wesentlichen bei jeder praktischen Anwendung überprüfen.
Besonders einfach und aussagekräftig ist eine Variante des Verfahrens, bei welcher die mit der weiteren Messmethode ermittelte Temperatur des Gases mit einer Temperatur verglichen wird, die bei Strömungsgeschwindigkeit gleich Null aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelt wurde.
Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens kann der aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelte Wert für den Durchfluss des Gases in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz der charakteristischen Temperatur des Gases und der Temperatur der Wand des Messrohres korrigiert werden. So kann das sich einstellende Gasprofil besser berücksichtigt werden.
Um bei jeglicher Anwendung eines Verfahrens zur Durchflussmessung auf Basis der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen die Qualität dieser Messung – und auch einer darauf beruhenden Massenstrommessung – zu schließen, kann gemäß einem weitere Merkmal der Erfindung das Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass die Temperatur des Gases bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelt wird, dass die Temperatur des Gases unabhängig davon mit einer weiteren Messmethode ermittelt wird, und dass ein Qualitätskriterium für die Messwerte beider Methoden bestimmt und die Werte beider Qualitätskriterien miteinander verglichen werden.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass als Qualitätskriterium das Signal/Rausch-Verhältnis der Werte beider Messmethoden ermittelt wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von einigen Abbildungen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht werden:
Dabei zeigt 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Gasdurchflusssensors, und die 2 bis 5 zeigen Blockdiagramme für die Abläufe von Varianten erfindungsgemäßer Verfahren.
Die Längsschnitt-Darstellung der erfindungsgemäßen Gasdurchflusssensor-Anordnung der 1 zeigt das Messrohr 1, durch welches das Gas strömt, dessen Volumen oder Masse bestimmt werden soll. Allenfalls kann die Temperatur des Messrohres 1 über Heiz- und/oder Kühleinrichtungen 1a eingestellt werden. Das Messrohr 1 kann auch mit strömungs- und temperaturprofilformenden Einbauten 1b zumindest vor dem Ort der Laufzeitmessung (bezogen auf die Richtung der hauptsächlichen Durchströmung des Rohres) ausgestattet sein. In Taschen oder seitlichen Rohrstutzen des Messrohres 1, welche durch schalldurchlässige, doch bündig mit der Wand des Messrohres 1 abschließende Abdeckungen wie beispielsweise Gittern od. dgl. verschlossen sein können, sind die Sendewandler 2 sowie die Empfangswandler 3 eingesetzt, die allenfalls auch beheizt werden können.
Schematisch ist in 1 weiters die Sende-, Empfangs- und Auswertelektronik 4 dargestellt, welche die Verstärkung und analoge Primärverarbeitung der Empfangssignale leistet, die Sendesignalgenerierung als auch eine allfällige Heizung/Kühlung steuert. Als zusätzliche Eingangssignale werden der Sende-, Empfangs- und Auswertelektronik 4 die Werte zumindest eines Temperatursensors 5 für die Gastemperatur und allenfalls eines Temperatursensors 6 für die Temperatur des Messrohres 1, sowie vorteilhafterweise die Werte eines Drucksensors 7 zur Verfügung gestellt. Zur allfälligen Berücksichtigung der Gaszusammensetzung, die ebenfalls in die Berechnung der Gasströmung eingeht, kann eine Lambda-Sonde 8 vorhanden sein, die über eine Leitung die Information der aktuellen Luftzahl an die Sende-, Empfangs- und Auswertelektronik 4 weiterleitet. Alternativ dazu kann die Information über die Gaszusammensetzung beispielsweise von einer Abgas-Analyseanlage erhalten werden.
In der Auswerteelektronik 4 ist nun ein Auswertealgorithmus implementiert, dessen prinzipieller Ablauf schematisch im Blockdiagramm der 2 dargestellt ist. Die vom Temperatursensor 5 gemessene Gastemperatur wird vorzugsweise einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, und bei Nichterfüllung des vorgesehenen Kriteriums wird eine Fehlermeldung für die Temperaturmessung ausgegeben. Wenn das Plausibilitätskriterium erfüllt ist, wird in einem nächsten Schritt aus der Laufzeit der Schallsignale ein Wert für die Gastemperatur ermittelt. Für diesen Wert wird eine Überprüfung auf die Erfüllung eines Signal-to-Noise Kriteriums überprüft. Bei Unterschreitung eines Grenzwertes für das Signal/Noise-Verhältnis wird eine Fehlermeldung für die Laufzeitmessung ausgegeben. Für ein Signal/Noise-Verhältnis größer als der vorgegebene Grenzwert werden dann die Temperaturwerte aus der direkten Messung sowie aus der Ermittlung der Laufzeit der Schallsignale miteinander verglichen. Vorzugsweise wird in einem nachfolgenden Schritt über den Auswertealgorithmus in der Auswerteelektronik 4 die aus der Laufzeitmessung der Schallsignale ermittelte Gastemperatur durch die vom Temperatursensor 5 gemessene Temperatur des Gases kalibriert.
Eine weitere Variante des Verfahrens ist in 3 anhand eines Blockdiagramms des Verfahrensablaufes dargestellt. Die Kalibrierung der Durchflussmessung für das Gas beginnt mit der Messung der Gastemperatur über beispielsweise den Temperatursensor 5 bei einer bekannten Strömungsgeschwindigkeit v des Gases. Anschließend, allenfalls nach einer Plausibilitätsüberprüfung wie in 2 dargestellt, erfolgt die Ermittlung der Gastemperatur über die Laufzeit der Schallsignale bei ebenfalls dieser bekannten Strömungsgeschwindigkeit v des Gases. Bei Erfüllung des Kriteriums für das Signal/Noise-Verhältnis erfolgt dann ein Vergleich der gemessenen mit der ermittelten Temperatur. Wenn die Werte nicht übereinstimmen, wird eine Kalibrierung der Durchflussmessung durchgeführt und anschließend mittels der gemessenen Gastemperatur die Durchflussmessung korrigiert.
Bei Übereinstimmung der gemessenen und der ermittelten Temperatur wird die Gastemperatur bei Strömungsgeschwindigkeit v gleich Null noch einmal über den Temperatursensor 5 gemessen und danach über die Laufzeit der Schallsignale wieder bei Strömungsgeschwindigkeit v gleich Null die Gastemperatur ermittelt. Erneut werden die beiden erhaltenen Temperaturwerte verglichen, wobei im Falle einer Nichtübereinstimmung wieder eine Kalibrierung der Durchflussmessung mit nachfolgender Korrektur mittels der gemessenen Temperatur erfolgt. Wenn jedoch die beiden Temperaturwerte auch bei Geschwindigkeit v gleich Null übereinstimmen, wird die Durchflussmessung sofort mittels des über den Temperatursensor 5 gemessenen Wertes korrigiert.
Bei der Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, das durch das Blockdiagramm der 4 charakterisiert ist, wird ebenfalls vorerst eine Messung der Gastemperatur bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit des Gases vorgenommen, worauf dann die Ermittlung der Gastemperatur aus der Laufzeit der Schallsignale bei dieser bekannten Gasgeschwindigkeit durchgeführt wird. Bei Nichtübereinstimmung wird sofort zur Kalibrierung der Durchflussmessung fortgeschritten. Anschließend wird über den weiteren Temperatursensor 6 die Wandtemperatur des Messrohres 1 gemessen. In der Auswerteelektronik 4 wird anschließend die Temperaturdifferenz aus der gemessenen Gastemperatur und der Temperatur des Messrohres 1 berechnet und die Durchflussmessung mittels dieses Wertes für die Temperaturdifferenz korrigiert.
Bei übereinstimmenden Temperaturwerten hingegen erfolgt in einem nächsten Schritt, genau wie im vorher in Verbindung mit 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei Gasgeschwindigkeit gleich Null sowohl eine Messung der Gastemperatur als auch eine Ermittlung der Gastemperatur über die Laufzeit der Schallsignale. Erneut wird bei Nichtübereinstimmung der Temperaturwerte eine Kalibrierung der Durchflussmessung durchgeführt, der dann unmittelbar die Messung der Temperatur des Messrohres 1, die Berechnung der Temperaturdifferenz aus der gemessenen Gastemperatur und der Temperatur des Messrohres 1 sowie die Korrektur der Durchflussmessung mittels dieses Wertes für die Temperaturdifferenz folgt.
Wenn jedoch die beiden Temperaturwerte auch bei Gasgeschwindigkeit gleich Null übereinstimmen, wird bei der erweiterten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 4 gleich zur Messung der Temperatur des Messrohres 1, zur Berechnung der Temperaturdifferenz aus der gemessenen Gastemperatur und der Temperatur des Messrohres 1 sowie zur Korrektur der Durchflussmessung mittels dieses Wertes für die Temperaturdifferenz geschritten.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Blockdiagramm der 5 dargestellt. Hier wird in der Auswerteelektronik eine Qualitätskontrolle für das Resultat der Durchflussmessung durchgeführt, welche mit der Messung der Gastemperatur und der Ermittlung eines Signal/Noise-Verhältnisses für die gemessene Gastemperatur beginnt. Genauso wird nach Ermittlung der Gastemperatur über die Laufzeit der Schallsignale das Qualitätskriterium des Signal/Noise-Verhältnisses für die ermittelte Gastemperatur errechnet. Die Werte beider Qualitätskriterien werden anschließend in der Auswerteelektronik miteinander verglichen.
Bei Ungleichheit der Werte für die beiden Qualitätskriterien wird eine Meldung ausgegeben, dass die Qualität der Durchflussmessung nicht gegeben ist. Im Fall der Übereinstimmung beider Qualitätskriterien wird auch für die Durchflussermittlung die Qualität als in Ordnung bewertet. Für auf unterschiedlichem Weg erhaltene Qualitätskriterien kann allenfalls eine Kalibrierung eines der beiden Werte notwendig sein. Dies wird in der Auswerteelektronik 4 automatisch durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005038599 A1 [0004]

Claims

Ultraschall-Gasdurchflusssensor, umfassend ein vom Gas durchströmtes Messrohr (1) mit zumindest einem Sende-Schallwandler (2) zur Schallgenerierung und zumindest einem Empfangs-Schallwandler (3) zum Empfang der zeitlich transienten Schallsignale, eine Sende-, Empfangs- und Auswerte-Elektronik (4), sowie zumindest einen mit der Auswerteelektronik (4) verbundenen Temperatursensor (5) für die Messung der Temperatur des Gases, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik (4) ein Auswertealgorithmus implementiert ist, der die Ermittlung der Temperatur des Gases aus der Laufzeit der Schallsignale und damit auch die Durchflussmessung durch die vom Temperatursensor (5) gemessene Temperatur des Gases kalibriert.
Gasdurchflusssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteelektronik (4) ein Auswertealgorithmus implementiert ist, der aus der Laufzeit der Schallsignale die Gastemperatur ermittelt und der weiters ein Qualitätskriterium für die vom Temperatursensor (5) gemessene Temperatur des Gases und auf gleicher Basis ein Qualitätskriterium für die aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelte Temperatur bestimmt und die Werte beider Qualitätskriterien miteinander vergleicht.
Gasdurchflusssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätskriterium das Signal/Rausch-Verhältnis herangezogen wird.
Gasdurchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Temperatursensor (6) für die Messung der Temperatur der Wand des Messrohres (1) vorgesehen und mit der Auswerteelektronik (4) verbunden ist.
Gasdurchflusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (8) zur Ermittlung der Gaszusammensetzung vorgesehen ist, insbesonders eine Lambda-Sonde.
Vorrichtung zur Messung von Abgas-Strömungen von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine ein Gasdurchflusssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 eingebaut ist.
Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses von Gasen, umfassend die Ermittlung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Gases und weiter der strömenden Gasmenge aus der Laufzeit von zwei Schallsignalen zwischen Sender und Empfänger mit hoher zeitlicher Auflösung ermittelt wird, wobei die Temperatur des Gases bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelt und auch unabhängig davon mit einer weiteren Messmethode ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung und damit auch die Durchflussmessung aus der Bestimmung der Laufzeiten der Schallsignale durch Vergleich mit der mittels der weiteren Messmethode ermittelten Temperatur kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der weiteren Messmethode ermittelte Temperatur des Gases mit einer Temperatur verglichen wird, die bei Strömungsgeschwindigkeit gleich Null aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelte Wert für den Durchfluss des Gases in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz der charakteristischen Temperatur des Gases und der Temperatur der Wand des Messrohres korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gases bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Schallsignale ermittelt wird, dass die Temperatur des Gases unabhängig davon mit einer weiteren Messmethode ermittelt wird, und dass ein Qualitätskriterium für die Messwerte beider Methoden bestimmt und die Werte beider Qualitätskriterien miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätskriterium das Signal/Rausch-Verhältnis der Werte beider Messmethoden ermittelt wird.