[发明专利]超声波气流计和测量内燃发动机废气流量的装置以及获取气体流量的方法

说明书

本申请是申请号为200410071282.0，申请日为2004年7月16日，发明名称为“超声波气流计和测量内燃发动机废气流量的装置以及获取气体流量的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种超声波气流计，包括至少一个用于发送的声电传感器，至少一个用于接收的声电传感器和一个用于发送、接收和评估的电子器件，还涉及一种用来测量内燃发动机的废气流量的装置，以及一种获取气体流量的方法，其中获取平均流速并且由此以高时间分辨率从发送器和接收器之间的两个声波信号的传输时间获取气体流量。

背景技术

这种用于液体和气体的超声波流量计是已知的，并且在多种出版物和专业文献都提到了这个内容。它们使用所谓的曳力效应，即在流体中声波信号的传播速度和方向不仅由声波发送器的定位和在(静止)媒介中声波的速度来确定，而且还和流体媒介的流体速度有关。沿着至少两个测量路径的至少两个传输时间被测量，其中至少一个路径必须以上行或下行的方式被设置为平行于流体方向或与其呈一个角度。相对于一个或其他测量路径的走向可以相交、移位平行(parallel-verschoben)或者会聚平行(parallel-deckungsgleich)。

从声波特征的发送时间和接收时间之间的时间差中确定流体媒介范围内被发送的声波特征的至少两个传输时间。通过所述传输时间可以计算出平均的流体速度，所述流体速度与已知的流经管道的横截面积一起计算出需要的体积流量。

如果已知气体的密度，那么可以通过体积流量计算出气流的质量流量。但是，尤其是具有叠加的压力波动的波动气流和强烈的天气变化状况下，这一般就不可知了。现在存在这样的可能性，即从被发送的声波特征的至少两个传输时间中确定声波的有效传播速度，所述声波特征近似地是静止气体的声波速度，并且在测量传输时间的同时也测量实际的气压，可能也测量实际的气温，并且在评估的时候还要考虑这些因素。

目前这种已知的方法具有有限的可使用性。因为根据理想气体的已知公式，为了精确的确定气流的质量流量，对气体的绝热系数或者摩尔量的了解是必须的，所述气体绝热系数是固定的压力下的单位热容量和固定体积下的单位热容量之比。然而这些值并不总是已知的，而且例如在由不稳定燃烧释放的废气中这些值会随着时间的变化而变化。

除此之外这些根据传输时间得出的平均流体速度和声波速度的值还取决于在声波路径所覆盖的体积内时间上和空间上的流体过程。它们分别代表对声波路径和传输时间取平均的值，而对管道横截面取平均的流体速度对于确定气流的流量来说是具有决定性作用的。因为通常来说这两个平均会得出不同的结果，所以就要设计昂贵的系统来使在流体特征对声道和由传输时间为流体和声波速度计算的值的影响减到最小。例如建议设置多个超声波传感器，使得由传输时间计算出的流体速度与对管道横截面取平均的速度一致。另外，尤其对于管道横截面很大的情况来说最好在管壁附近使用专门的声波路径。通过合适但昂贵的装置以及对多个声波传感器和声波路径的评估确保由传输时间计算出来的流体速度和对管道横截面取平均的速度相一致。

还已知，为了考虑媒体中出现的流体特征可以以校准常量的形式进行纠错，然而这仅对时间上稳定的流体特性有意义，对不稳定和波动的流体却毫无意义。

已知装置和方法的缺点尤其在于，它们经常错误地基于流经管道中声波路径的直线运行轨迹。

尽管众所周知测量管道的方位角流体对各个声波路径并因此对超声波流体传感器的测量结果有很大的影响。为了克服这些转矩速度这里建议在测量管道中使用流体形式的插件，例如薄片或细管子形的气流整流器或者流层设备(Laminarisierer)。

但是通常情况下不考虑出现声波的不同漂移以及由轴向流体特征引起的声波折射。流体速度从声波传感器薄膜处以及倾斜地嵌入到测量管道上的传感器前面的口袋附近的值零平坦地上升到管道中部附近的最大速度，并且由本地声波速度和流体速度的相关性得出本地声波阻抗的变化，所述本地声波阻抗的梯度引发了折射。

在现有技术中没有考虑的由流体气体的温度特征所引起的额外折射是相当重要的。特别是在测量管道和媒体之间有温差的时候会导致声波路径极大地偏离声波的直线传播方向。