DE2453765A1

DE2453765A1 - Mediumdurchflussvorrichtung, verfahren zum messen der mediumdurchflussrate durch eine solche vorrichtung und system zum messen der mediumdurchflussrate mit einer vorrichtung solcher art

Info

Publication number: DE2453765A1
Application number: DE19742453765
Authority: DE
Inventors: Peter Nigel Comley
Original assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Current assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Priority date: 1974-01-30
Filing date: 1974-11-13
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2259354A1; GB1482561A; IT1035097B; JPS50109763A

Description

7/.TElITANWALIoBUnO
D-4 DÜSSELDORF . SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK ■ Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

^rihe Lucas Electrical Company Limited

'Well Street

GB-Birmingham ' 12. November 1974

Mediumdurchflußvorriohtung, Verfahren zum Messen der Mediumdurchflußrate durch, eine solche Vorrichtung und System zum Messen der Mediumdurchflußrate mit einer Vorrichtung solcher Art

Die Erfindung betrifft eine Hediumdufchflußvorrichtung mit einer Wir- ' belkainmer, in die Medien durch einen Einlaßkanal an der Peripherie der Kammer fließen und in der das Medium die Kammer durch, einen Auslasskanal verläßt, wobei der Auslaßkanal so angeordnet ist, daß eine fortgesetzte Wirbelbewegung des Mediums ermöglicht wird, sowie ein Verfahren und ein System zum Messen der Mediuradurchflußrate mit einer Vorrichtung dieser Art.

In einem Aspekt 'der Erfindung ist eine Vorrichtung der genannten Art gekennzeichnet durch einen tTltraschallgeber und einen zugehörigen Empfänger, der in bezug auf den Auslaßkanal so angeordnet ist, daß Ultraschallvibrationen voran Geber über den Kanal hinweg zum Empfänger hin gerichtet werden können, derart, daß übermittelte Vibrationen durch Disturbanzen modifiziert werden, die in der Wirbelbewegung des Mediums auftreten, derart, daß ein entsprechend modifizierter Empfängerausgang erzeugt wird.

Sweckmäßigerweise sind der Geber und der Empfänger an diametral gegenüberliegenden Stellen dem Kanal gegenüber angeordnet, wobei die Stellen vorzugsweise an der Peripherie des Kanals liegen.

Vorzugsweise sind der Geber und der Ernpfanger an der Außenwand des Kanals angeordnet, und zweckmäßigerweise sitzen sie an der Mündung des Kanals. Zweckmäßigerweise ist der Empfänger ein Wandler, der ein elektrisches Signal erzeugt, das den modifizierten Ausgang bildet.

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Es ist festgestellt worden, daß Disturbanzen in der Wirbelbewegung allgemein entsprechend der Hate des Mediumdurchflusses durch die Vorrichtung auftreten, so daß ein von solchen Disturbanzen modifziertes Signal sich allgemein als eine Punktion des Mediuradurchflusses ändert.

Entsprechend besteht nach einem arideren Jfcpekt die Erfindung in einem Terfahren zum Messen der Sate eines Mediumdurchflusses durch eine Vorrichtung der genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Ultraschallvibrationen quer zum Mediumfluß gesendet werden, die Vibrationen nach Durchgang durch den Durchfluß empfangen werden und den Vibrationen auferlegte Modifikationen durch Disturbanzen festgestellt werden, die als eine Folge dee:Mediumdurchflußrate auftreten.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise in Schnittdarstellung, der in I'ig. 1 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 3^a Tind ~$b, 4» 5 ¹¹^d 6 die Wiedergabe von Kombinationen der am Geber und am Empfänger der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entstehenden Wellenformen während verschiedener Betriebsbedingungen der Vorrichtung,

Fig. 7 bis 12 die Wiedergabe von an dem Empfänger allein an der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entstehenden Wellenformen, wenn die Vorrichtung dazu verwendet wird, die Luftdurchflußrate in einem Brennkraftmotor zu überwachen, und zwar bei verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors, und

Fig. 13 eine Darstellung eines Schaltbilds eines Phasendetektorschaltkreises zur Erzeugung eines Ausgangs als Wiedergabe der Pahsenbeziehung zwischen den gesendeten und empfangenen Vibrationen, die durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung erzeugt werden.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung ist allgemein als eine Wirbel-

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pfeife "bekannt und weist eine zylindrische Wirbelkammer 21 kreisrunden Querschnitts auf, die an ihrer Peripherie acht Mediumeinlässe 22 hat, die sich tangential zur Kammer erstrecken. Axial von einem Ende der Kammer 21 erstreckt sich eine Mediumauslaßröhre 2J, und jeweils an diametral gegenüberliegenden Stellen an der Mündung der Auslaßröhre sitzen ein Ultraschallgeber und ein Empfänger 24 "bzw. 25, zweckmäßigerweise in der Form von elektromechanischen Wandlern, so daß Ultraschallvibrationen quer zum Mediumdurchfluß in der Ausgangsröhre zum Empfang durch den Empfänger gesendet werden können.

Im Betrieb sitzt die Vorrichtung mit dear Auslaßröhre 23 in Verbindung mit einer Quelle eines Druckmittels unter einem Druck, dem die Mediumeinlässe 22 ausgesetzt werden, so daß ein Luftstrom durch die Einlasse 22 gerichtet wird, die wegen ihrer tangentialen Lagen der Ausgangsröhre gegenüber einen Wirbel im Luftstrom innerhalb der Röhre 23 entstehen lassen. Ultraschallvibrationen werden vom Geber 24 quer zum Mediumdurchfluß an der Mündung der Auslaßröhre gesendet, und in dem Mediumdurchfluß entstehende Disturbanzen, die allgemein von der Rate des Mediumdurchflusses abhängig sind, wie sich erwiesen hat, modifizieren die gesendeten Vibrationen in einer Art und Weise, die von dem Durchfluß abhängt. Die Modifizierten Vibrationen, die vom Empfänger 25 empfangen werden, erzeugen einen entsprechend modifizierten Empfängerausgang in der Form eines elektrischen Signals, das sich entsprechend der Durchflußrate ändert. Ein solches Signal kann zur Erzeugung eines kontinuierlichen Hinweises der Durchflußrate durch die Vorrichtung zu Überwachungsz wecken verwendet werden, und/oder e's kann möglicherweise nach geeigneter Verstärkung zur Betätigung von Mitteln zur Durchführung einer Funktion verwendet werden, die von der Luftdurchflußrate abhängt. Solche Mittel können beispielsweise ein oder mehr Brennstoffeinspritzdüsen für eine Brennstoffeinspritzeinrichtung in einem Brennkraftmotor sein, und in diesem Falle ist die Auslaßröhre 25 zweckmäßigerweise mit der LufteinlaßSammelleitung verbunden, und die Röhren 22 sind mit dem Luftfilter verbunden.

Während im betreffenden Ausführungsbeispiel, das gezeigt ist, acht Me-

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diumeinlässe 22 dargestellt sind, versteht es sich, daß jede beliebige Zahl verwendet werden kann, wobei die Zahl und die Öffnungsgröße von der Größe des Mediumdurchflusses abhängen, mit dem gearbeitet wird. Während ferner im dargestellten Ausführungsbeispiel die Mediumauslaßröhre 23 mit einer Druckquelle verbunden worden ist, deren Druck unter dem liegt, mit dem die Mediumeinlässe 22 beaufschlagt werden, arbeitet die Vorrichtung genauso gut mit einer Quelle Überdrucks, der dem Mediumeinlaß 22 zugeleitet wird, während die Auslaßröhre 23 mit der Atmosphäre verbunden ist.

Eine Überwachung der Mediumdurchflurate durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung wird zweckmäßigerweise daadurch erreicht, daß elektrische Signale, die die gesendeten und empfangenen Vibrationen wiedergeben, einer geeigneten elektronischen Displayvorrichtung zugeleitet werden, derart, daß beispielsweise für den Pail eines Kathodenstrahl-Oszillioskops die Vibrationen am Schirm des Oszilloskops an entsprechende Bahnen wiedergegeben werden. Die Bahnen sind so eingerichtet, daß sie genau die umgekehrte Phase haben, als das in Pig. Ja gezeigt ist, und sie werden dann überlagert. Wenn also kein Mediumdurchfluß durch die Vorrichtung vorhanden ist, sind die Bahnen identisch, und sie löschen sich gegenseitig weg, um die gerade Bahn zu erzeugen, die in Pig. Jb gezeigt ist. Mit dem Beginn des Mediumdurchflusses nimmt die kombinierte Bahn eine Porm an, in der sie eine modulierte Version der gesaendeten Vibrationswellenform wiedergibt. Die Modulationshülle stellt sowohl die Phasen- als auch die Amplitudenmodulation in der empfangenen Wellenform dar, und bei niedrigen Durchflußraten hat die Hülle die in Pig. 4 gezeigte Porm. Mit zunehmender Durchflußrate nimmt die Modulation in der in Pig. 5 und 6 gezeigten Porm zu, und da die Modulation im wesentlichen als eine Punktion der Durchflußrate durch die Vorrichtung auftritt, handelt es sich bei der erzeugten Wellenform um eine zweckmäßige Anzeige der Durchflußrate. Eine Qualitätsminderung in der Porm der Hüllse tritt mit größer werdender Durchflußrate auf, was aus Pig. 6 ersichtlich wird, jedoch kann ein geeigneter Pilterschaltkreis verwendet werden, um daas zu verbessam.

Alternativ kann die Mediumdurchflußrate durch die Vorrichtung dadurch

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überwacht werden, daß das empfangene Signal allein beobachtet wird, da es sich dabei an sich um eine amplitudenmodulierte Version der gesendeten Vibrationswellenform handelt. Beispielsweise zeigen Pig. 7 bis 12 die Wellenformen, die am Empfänger während verschiedener Betriebsbedingungen entstehen, welche auftreten, wenn die Vorrichtung dazu verwendet wird, die Luftdurchflußrate zu-einem Brennkraftmotor zu überwachen. Fig. 7 zeigt also die Wellenform, die man erhält, wenn der Motor im Leerlauf läuft, während die Wellenformen in Pig. 8 und 9 bei leichter bzw. durchschnittlicher Motorbelastung entstehen. Wenn der Motor schnell läuft, entsteht die in Fig. 10 gezeigte Wellenform, während dann, wenn der Motor bei mittleren und hohea?n Drehzahlen beschleunigt wird, die Wellenformen gemäß Fig. 11 bzw. 12 entstehen»

Anstelle einer oder parallel zu einer bildlichen Wiedergabe der Wellenformen zur Lieferung einer Sichtanzeige, wie das vorstehend beschrieben worden ist, können sie elektronisch unter Verwendung herkömmlicher Methoden gezählt werden und als ein Digitalausgang zur Anzeige, der Mediumdur chfl-u&a te durch die Vorrichtung wiedergegeben tecden.

Darüber hinaus kann die Durchflußrate durch die Vorrichtung, die vorstehend beschrieben worden ist, durch einen Detektor überwacht werden, der einen Ausgang erzeugt, welcher durch die Phasenbeziehung zwischen den gesendeten und den empfangenen Vibrationen bestimmt wird. Der Ausgang hängt dann von der Mediumdurchflußrate ab, da es festgestellt worden ist, daß die Wirbelbewegung in der Auslaßröhre 23 eine Hiederdruckzone entstehen läßt, die um die Röhre herum voranwandert und eine Pahasenänderung der empfangenen Vibration der gesendeten Vibration gegenüber jedesmal dann bewirkt, wenn eine Unterbrechung des UltraschallStrahls erfolgt. Ein Schaltbild eines geeigneten Detektors ist in Pig. 1J gezeigt. Dort handelt es sich bei dem Geber 24 und beim Empfänger 25 um Wandler, die elektrische Signale erzeugen, welche die gesendeten bzw. empfangenen Ultraschällvibrationen wiedergeben. Gemäß der Darstellung in Pig. I3 hat das Signal am Empfänger 25 Vorspannungen, die an ihn angelegt werden, welche durch die Widerstände R^t Sg ι R₇ und R_ gehen, wobei eine Verbindung mit einer Gleichstromquelle (nicht dargestellt) über eine positive bzw. negative Stromleitung 3I bzw. 32 hergestellt ist. Dioden

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D₁ und D₂ begrenzen die Größe der Wechselstromkomponente des empfangenen Signals, und dieses wird den jeweiligen Steuerelektroden von !Transistoren T, und T₅ zugeleitet, die im leitenden Zustand mit einem konstanten Kollektor/Emissionselektrodenstrom vom Stromspiegelschaltkreis beliefert werden, der durch die Widerstände R₁, Hp, R, und R und die Transistoren T₁, T₂ und T gebildet ist. Die Transistoren T₄, Tc bilden einen Differentialverstärker »für das empfangene Signal, und wie zu sehen ist, schaltet die Wechsel stmkomponente in dem Signal die Transistoren T., T₁. alternativ während der jeweiligen Halbperioöen um.

Entsprechend empfängt das Signal am Wandler 24 eine Vorspannung vom Widerstand R_Qf und deren Wechselstromkomponente wird von den Dioden D?» Sj geclippt. Ferner wird das gesdente Signal den Steuerelektroden zweier Paare Transistoren T,-, Tg bzw. T₇, T_Q zugeleitet, um deren Leiten zu steuern. Jedes Paar Transistoren bildet einen Differentialverstärker, und die Anordnung ist eine solche, daß das gesendete Signal die Transistoren T/-, T_q während einer Halbperiode einschaltet und die Transistoren T , T_Q während der anderen Halbperiode einschaltet.

Im Betrieb wird ein Ausgang von zwei Anschlüssen 35» 34 abgenommen, wobei der Anschluß 33 mit den Kollektoren der Transistoren Tg, T₈ verbunden ist und der Anschluß 34 mit den Kollektoren der Transistoren T₇, Tq verbunden ist. Wenn also die gesendeten und empfangenen Signale in Phase sind, sind in einer Halbperiode jedes Signals die Transistoren T., Tg und T9 eingeschaltet, so daß Strom nur in dem Schaltkreis fließt, der durch den Widerstand R₁₀ und die Transistoren Tg, T. gebildet ist, so daß der Anschluß 33 in bezug auf den Anschluß 34 negativ ist. In/anderen Halbperipde sind die Transistoren T₁-, T₇ und T_Q eingeschaltet, und Strom fließt nun durch R₁₀, Tq, T₁-J so daß der Anschluß 33 in bezug auf den Anschlruß 34 negativ bleibt. Wenn die gesendeten und empfangenen Signale um 180° außer Phase sind, sind jedoch dann, wenn der Transistor Έλ eingeschaltetr ist, die - Transistoren T₇, T₈ eingeschaltet, so daß Strom in dem Schaltkreis fließt, der durch den Widerstand R₁ und die Transistoren T₇, T, gebildet ist. In dieser Phase ist also der Anschluß 34 negativ in bezug auf den Anschluß 33. In der nächsten Halbperiode sind die Transistoren T₁-, Tg und T_Q eingeschaltet, so daß Strom

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immer noch durch E.. ..fließt und der Anschluß 34 immer noch weiter negativ ist als der Anschluß 33·

Der Ausgang von der vorstehend beschriebenen Schaltung ist also derart, daß der Anschluß 35 in bezug auf den Anschluß 34 immer dann negativ ist, wenn die gesendeten und empfangenen Signale in Phase sind,
während der Anschluß 34".in bezug auf den Anschluß 33 negativ ist, wenn die Signale um 180 außer Pahase liegen, wobei ein Nullausgang ernahlten wird, wenn die Signale um 90 außer Phase liegen. Die Frequenz des Ausgangs kann dann zur Lieferung eines Maßes für die Eate des Meditimdurchflusses durch die Vorrichtung verwendet werden, wobei ein Kondensator C1 vorzusgweise an die Anschlüsse 35» 34 angeschlossen ist, um . den Ausgang zu glätten.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Mediumdurchflußvorrichtung mit einer Wirbelkammer, in die Medium durch einen Einlaßkanal an der Peripherie der Kammer fließt und bei der Medium die Kammer durch einen Auslaßkanal verläßt, wobei der Auslaßkanal so angeordnet, ist, daß eine fortgesetzte Wirbelbewegung des Mediums ermöglicht wird, gekennzeichnet durch einen Ultraschallgeber und einen zugehörigen Empfänger, der in bezug auf den Auslaßkanal so angeordnet ist, daß Ultraschallvibrationen vom Geber über den Kanal hinweg zum Empfänger hin gerichtet werden können, derart, daß übermittelte Vibrationen durch Eisturbanzen modifziert werden, die in der Wirbelbewegung des Mediums auftreten, derart, daß ein entsprechend modifizierter Empfängerausgang erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber und der Empfänger an diametral gegenüberliegenden Stellen dem Kanal gegenüber angeordnet sind.

5· Vorrichtung nach Anspmruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen an der Peripherie des Auslaßkanals liegen.

4· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber und der Empfänger an der Außenwand des Auslaßkanals sitzen.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Geber und der Empfänger an der Mündung des Auslaßkanals sitzen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein Wandler ist, der ein elektrisches Signal erzeugt, das den modifizierten Ausgang bildet.

7· Verfahren zum Messen der Mediumdurchflußrate durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß UltraschaJ-lvibrationen quer durch den Mediumdurchfluß gesendet werden, die Vibrationen nach dem Durchgang quer durch den Durch-

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fluß -empfangen werden und Modifikationen festgestellt werden, die den Vibrationen durch Disturbanzen auferlegt werden, welche als eine Funktion der Mediumdurchflußrate auftreten.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikationen durch Überwachung der Wellenformen festgestellt werden, die durch Kombinieren der gesendeten und empfangenen Vibrationen erhalten werden.

9· Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikationen durch Überwachung der empfangenen Vibrationen allein festgestellt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikationen durch Überwachung von Änderungen in der Phase der empfangenen Vibrationen, gegenüber den gesendeten Vibrationen, verursacht durch die Disturbanzen, festgestellt'werden.

11. System zum Messen der Mediumdurchflußrate mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die im Fließweg des Mediums befindlich ist, gekennzeichnet durch Mittel zum Feststellen von Modifikationen, die den Vibrationen auferlegt sind, welche quer zum Auslaßkanal gereichtet werden, verursacht durch die Disturbanzen, die als eine Folge der Wirbelbewegung des Mediums im Auslaßkanal entstehen.

12. System nach Anspruoh 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Kombination der gesendeten und empfangenen Vibrationen überwachen.

13· System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel die empfangenen Vibrationen allein überwaohen.

14· System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Phasenänderungen der empfangenen Vibrationen den gesendeten Vibrationen gegenüber überwaohen.

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