專利名稱：具有壓力傳感器的超聲波流量計的制作方法
技術領域：
為了通過超聲波測量流體、尤其是氣體例如空氣通過一個流體通道的流量，使至少兩個用于發(fā)射和接收超聲波波包的超聲波換能器在流動方向上錯開地設置，由此可以在一個電子部件中確定超聲波穿過流動的流體從一個超聲波換能器到另一超聲波換能器和相反情況下的傳輸時間。由傳輸時間的測量信號值可以結合測量裝置的幾何參數(shù)計算在流體中的超聲波速度和流體的平均流速。
背景技術：
例如由文獻EP0477418A1已知一個超聲波流量計，它適合于安裝在一個流過流體的測量管里面，尤其是用于在機動車發(fā)動機中的空氣質量測量。兩個超聲波換能器交替地作為發(fā)射或接收換能器工作，其中發(fā)出的超聲波通過一個反射裝置沿著一個通過測量管的測量路徑在超聲波換能器之間傳播。各個結構組件優(yōu)選通過一個運行和測量電子單元集成在一個支承板上構成安裝單元，它可以密封地裝配在測量管的一個容納孔里面。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，超聲波流量計具有至少兩個在被流體穿流的流體通道中在流動方向上錯開設置的超聲波換能器，它們相互交替地或同時地發(fā)出超聲波信號或超聲波波包，用于測量流體或介質(尤其是氣態(tài)的)的流速。在一個電子部件中可以確定超聲波沿著一個路徑穿過在流體通道中的流動的流體從一個超聲波換能器到另一超聲波換能器和相反情況下的傳輸時間。流體通道，確切地說流體通道的在其中測量超聲波傳輸時間的空間區(qū)域配設有一個壓力傳感器，用于確定流體通道中的壓力。換言之，這樣設置壓力傳感器、測量流體通道中的、尤其是在其中傳播超聲波波包的區(qū)域中的壓力，即確定流速、質量流或粒子流。尤其是可以將壓力傳感器容納、裝配、固定或集成在超聲波流量計的電子部件里面或上面?？梢酝ㄟ^一個通道或一個孔將在通流通道中存在的壓力傳遞到壓力傳感器上，由此可以近似地求得流動的流體的密度。所述超聲波流量計也可以稱為超聲波流體傳感器。
本發(fā)明的超聲波流量計或本發(fā)明的用于通過超聲波測量流體通道中的流量的方法可以以有利的方式用于精確地測量在機動車內燃機的進氣裝置中的流入的空氣，以便確定測量值，用于盡可能精確地控制發(fā)動機。
配設的、設置的或集成的壓力傳感器的另一優(yōu)點是，所求得的壓力值在超聲波流量計的電子部件或評價單元中已經與所求得的在至少兩個超聲波換能器之間的兩個發(fā)射方向之間的傳輸時間差相乘。通過這種方式求得的測量參數(shù)非常近似于流過流體通道的流體流中的質量流或粒子流。
由于本發(fā)明的超聲波流量計的很大程度上呈線性的特征曲線，該流量計和用于集成地或同時地測量超聲波傳輸時間信號和壓力信號并計算所測量的信號的方法也可以特別有利地用于脈動的流體已經可以在電子部件中對從測量信號求得的用于質量流的測量參數(shù)進行低通濾波-該低通濾波導致求平均，然后以變窄的帶寬繼續(xù)傳遞所述測量參數(shù)，而不會由此降低測量精度。
由于壓力傳感器-其通過一個通道或一個孔而與流體通道連接-的被后拉的位置，以有利的方式使壓力傳感器免受污染。


對照下面的附圖以及其描述說明本發(fā)明的其它優(yōu)點和有益的實施方式和進一步設計。圖中詳細示出圖1為一個常用的在本發(fā)明的超聲波流量計中用于通過流動的流體的超聲波傳輸時間的測量裝置的示意圖，圖2示出一個本發(fā)明的超聲波流量計的有益的實施方式，圖3示出按照有益的對圖2的變型實施方式的本發(fā)明的超聲波流量計，該流量計被設計為插式傳感器單元，和圖4為一個流體通道的橫剖視圖，在該流體通道中裝配有按照可替代圖3的有益的實施方式的本發(fā)明的超聲波流量計。
具體實施例方式
圖1為一個常見的在本發(fā)明的超聲波流量計中用于通過流動的流體的超聲波傳輸時間的測量裝置的示意圖。在說明本發(fā)明的超聲波流量計的許多特殊優(yōu)點和有益的實施方式之前，將首先說明由現(xiàn)有技術已知的用于超聲波傳輸時間的測量裝置在一個流體通道16中(這里在圖1中為管的形式)，在流動方向18上相互錯開地安置第一和第二超聲波換能器12，14。換言之，第一超聲波換能器12位于上游，而第二超聲波換能器14位于下游。所述流體通道16被流體、尤其是氣體、氣體混合物如空氣朝向流動方向18以速度v穿流。該流體具有聲速c。兩個超聲波換能器12，14交替地或同時地沿著測量路徑20穿過流動的流體以波長L發(fā)射超聲波波包。該測量路徑20至少在一個投影中與流動方向18平行或反向平行地延伸。這里在圖1中測量路徑20與流動方向18形成一個角度α。測量從第一超聲波換能器12到第二超聲波換能器14的超聲波傳輸時間t1和從第二超聲波換能器14到第一超聲波換能器12的超聲波傳輸時間t2。所述超聲波傳輸時間t1和t2由于流體朝向流動方向18的運動而與其數(shù)學平均值相比略微不同。
于是根據(jù)本發(fā)明附加地在流體通道16的在其中確定超聲波傳輸時間的區(qū)域中測量流體的壓力(在圖1中未詳細示出，見圖2至4)。由此在電子部件或評價單元(而且所述電子部件可以遠離開測量現(xiàn)場，其有利的緊湊的或集成的布置方式見圖2和3)內部傳輸時間差Δt＝t1-t2、傳輸時間和∑t＝t1+t2和壓力p的測量值可供使用。通過一個簡化描述的校正因子s＝1-(Δt/∑t)2按照簡化的計算得到下面的在流體中的聲速c的關系式c=2L1Σt1s---(1)]]>和平均流速vv=2LcosαΔt(Σt)21s---(2)]]>與質量流成比例的粒子流n.=dn/dV]]>dV/dt也可以借助于通常的氣體等式pV＝nkT(其中V是體積，n是粒子數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，而T是溫度)和流速v與體積速率dV/dt之間的比例v∝dV/dt被表示為n.∝v(p/T)---(3)]]>通過關系式c2＝κRT，其中κ是絕熱指數(shù)，得到n.∝p·Δt·g---(4)]]>其中g＝κs是一個校正因子，它可以表示為v、T和相對空氣濕度的函數(shù)。以有利的方式可以使校正因子g置于1(或者忽略)在求得粒子流或質量流時只產生一定誤差，它隨著溫度的升高和空氣濕度的增大而增大，但是在許多應用中無明顯作用。換言之，壓力與傳輸時間差的乘積非常近似地與粒子流成比例，并因此是又與粒子流成比例的質量流的尺度。
如果所測量的壓力p和傳輸時間差Δt在電子部件(也在評價單元)內部分別通過線性關系以電氣信號來表示，則一項乘法的兩個信號可以被相應地共同處理成一個生成的信號(在電子部件的一個乘法單元中未示出)，該信號近似表示質量流。當涉及到機動車內燃機的進氣裝置中的質量流時，這個信號可以以有利的方式用于所述質量流的控制或調節(jié)。
圖2示出本發(fā)明的超聲波流量計10的一個有利的實施方式。在一個流體通道16(在這里根據(jù)本實施方式為一個流體管)中在流動方向18上錯開地設置第一和第二超聲波換能器12，14。該超聲波換能器12，14相向地發(fā)射超聲波信號，尤其是超聲波波包。所述超聲波換能器12，14既適合于發(fā)射又適合于接收，因此既可以將電氣信號轉換成超聲波，又可以將超聲波轉換成電氣信號。每個超聲波換能器12，14在發(fā)出一個超聲波波包以后，用于接收分別來自另一超聲波換能器12，14的超聲波波包。對應于在圖1中所示的幾何形狀，所述超聲波波包可以穿過流動的流體直接從一個超聲波換能器12，14傳輸?shù)搅硪怀暡〒Q能器。根據(jù)圖2的有利的實施方式，超聲波波包在流體通道16的管內壁36上的一個反射超聲波的表面34上被反射；超聲波換能器12，14位于流體通道16的一側。其中超聲波波包傳播的測量路徑20不垂直于流動方向18延伸。雖然測量路徑20原則上可以平行或反向平行于流動方向18延伸，但是根據(jù)本發(fā)明的超聲波流量計10的一個優(yōu)選實施方式規(guī)定，所述測量路徑20至少逐段地以一個角度相對于流動方向18傾斜地延伸。該測量路徑20也可以具有許多區(qū)段，它們與流動方向18形成不同的角度。根據(jù)圖2所示的實施方式，如虛線所示，所述測量路徑20呈V形地以兩個區(qū)段延伸，這兩個區(qū)段相對于通流通道橫截面的一個平面鏡像對稱地傾斜于流動方向。點線示意地示出超聲波波包相對于其傳播方向在側面方向上的擴展。
根據(jù)圖2的有利的實施方式，兩個超聲波換能器集成在一個緊湊的容納部件里面。在第一(位于上游)與第二(位于下游)超聲波換能器12，14之間同樣在緊湊的容納部件22上容納一個電子部件24。該電子部件24另外用于產生用于超聲波換能器24的電氣信號，從而產生超聲波波包，用于根據(jù)接收的超聲波波包處理產生的電氣信號，以便對超聲波波包的傳輸時間(至少在流動方向18上的投影上的傳輸時間和至少在與流動方向18相反的投影上的傳輸時間)進行測量和將測量值處理成表示質量流的電氣信號。通過在流動方向18上錯開地布置超聲波換能器12，14，使第一和第二超聲波換能器的傳輸時間根據(jù)流速v有所不同，并且反之亦然。所述電子部件24具有一個電路載體26，它包括一個壓力傳感器28(或壓力接收器)。在電路載體26上還安置或連接其它的、優(yōu)選所有必需的超聲波流量計10的電路部件。
所述緊湊的容納部件具有一個內部區(qū)域32，所述電路載體26與壓力傳感器28位于該區(qū)域中，其中該內部區(qū)域32通過一個通道30(根據(jù)本實施方式所述通道為一個孔)與流體通道16連接。當壓力傳感器28測量內部區(qū)域32中的壓力時，由此確定流體通道16中的壓力。如圖2所示，所述通道30可以是一個敞開的通道30或者替代地可以是一個被活動的薄膜封閉的通道30(未示出)，從而盡管壓力繼續(xù)傳導到內部區(qū)域32中，但是使電子部件24和壓力傳感器28免受污染。
圖3示出對圖2的有利實施方式變型的本發(fā)明超聲波流量計10，它被設計為插式傳感器單元。該變型的幾何形狀基本與圖2所示的實施方式的幾何形狀相同，因此為了解釋圖3所示的附圖標記可參閱上述對圖2的說明。圖3所示的本發(fā)明的超聲波流量計被設計為插式傳感器單元38該插式傳感器單元38具有這樣的幾何形狀，它可以密封地或被密封地裝配在流體通道(此處為一個流體管40)中的一個互補的空隙里面，猶如一個用于所述空隙的蓋一樣。該插式傳感器單元38除了上述的緊湊容納部件22以外還包括一個保持結構44，它在安裝狀態(tài)下伸進流體管40中的流動的流體里面。該保持機構44承載著一個反射層42，該反射層沿著測量路徑20反射由超聲波換能器12，14發(fā)出的超聲波波包。
圖4示出流體管40的橫截面，在該流體管中裝配有根據(jù)對圖3的變型方案的本發(fā)明的超聲波流量計10。為了解釋附圖標記，參閱上述對圖3的說明。
附圖標記表10 超聲波流量計12 第一超聲波換能器14 第二超聲波換能器16 流體通道18 流動方向20 測量路徑22 緊湊的容納部件 24 電子部件26 電路載體28 壓力傳感器30 通道32 內部區(qū)域34 反射的面36 管內壁38 插式傳感器單元 40 流體管42 反射層 44 保持結構v 流速 c 在流體中的聲速L 波長
權利要求
1.一種超聲波流量計(10)，具有至少兩個在一個流體通道(16)中在流動方向上錯開設置的用于發(fā)射和接收超聲波波包的超聲波換能器(12，14)，從而在一個電子部件(24)中可確定從一個超聲波換能器(12，14)到另一超聲波換能器和相反情況下的超聲波傳輸時間，其特征在于，所述流體通道(16)配設有一個用于確定所述流體通道(16)中的壓力的壓力傳感器(26)。
2.如權利要求1所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述壓力傳感器(26)位于所述超聲波流量計(10)內部的一個內部區(qū)域(32)中，其中該內部區(qū)域(32)通過一個敞開的通道(28)或一個被一個可活動的薄膜封閉的通道(28)與所述流體通道(16)連接。
3.如權利要求1或2所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述至少兩個超聲波換能器(12，14)和所述壓力傳感器(26)與所述電子部件(24)集成在一個緊湊的容納部件(22)里面或上面。
4.如上述權利要求中任一項所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，這樣設置所述至少兩個超聲波換能器(12，14)，使得所述超聲波波包通過所述流體通道(16)中至少一個反射的面(34)從一個超聲波換能器(12，14)到達另一超聲波換能器，反之亦然。
5.如權利要求4所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述反射的面(34)是所述流體通道(16)的管內壁(36)的一部分、一個固定在所述管內壁(36)上的反射層(42)或一個反射板。
6.如上述權利要求中任一項所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，在所述電子部件(24)中可產生一個表示所測量的壓力的電氣信號和一個表示所述超聲波傳輸時間差值的電氣信號，并且該電子部件具有一個乘法單元，用于將所測量的壓力的電氣信號和所述電氣信號處理成近似地表示質量流的信號。
7.如上述權利要求中任一項所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述電子部件(24)具有一個作用于表示所述質量流的信號的低通濾波器。
8.如上述權利要求中任一項所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述壓力傳感器(28)和所述超聲波流量計(10)的電子部件(24)的其它電路部件設置在一個電路載體(26)上。
9.如上述權利要求中任一項所述的超聲波流量計(10)，其特征在于，所述超聲波流量計被構建成用于機動車內燃機的進氣裝置的插式傳感器單元(38)。
10.一種用于通過超聲波在流體通道(16)中測量流量的方法，其中由至少兩個在流動方向(18)上錯開設置的超聲波換能器(12，14)發(fā)射和接收超聲波波包，從而可在一個電子部件(24)中確定從一個超聲波換能器(12，14)到另一超聲波換能器和相反情況下的超聲波傳輸時間，其特征在于，通過一個壓力傳感器(28)測量所述流體通道(16)中的壓力。
全文摘要
公開一種超聲波流量計(10)和一種用于通過超聲波測量流量的方法，所述超聲波流量計具有至少兩個在一個流體通道(16)中在流動方向上錯開設置的用于發(fā)出和接收超聲波波包的超聲波換能器(12，14)，從而可以在一個電子部件(24)中確定從一個超聲波換能器(12，14)到另一超聲波換能器和相反情況下的超聲波傳輸時間；一個配屬于所述流體通道(16)的用于確定所述流體通道(16)中的壓力的壓力傳感器(26)。通過精確地測量在機動車內燃機的進氣裝置中的流入的空氣，可以確定測量值，用于盡可能精確地控制發(fā)動機。
文檔編號G01F1/66GK101084415SQ200580044136
公開日2007年12月5日 申請日期2005年8月26日 優(yōu)先權日2004年12月21日
發(fā)明者H·黑希特, R·米勒, U·康策爾曼, T·朗, S·拉德萬 申請人:羅伯特·博世有限公司