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

专利名称：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
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。
在极端的情况下可能会出现在正对的发射器和接收器中，从发送器发射出的声波发生强烈的偏移或折射，以至于根本不出现在接收器上，因此不再可能测量传输时间。例如在发动机废气量测量中就可能观察到这种情况。在从空转到满负荷的突然的负荷转换时可能会出现很高的流体速度以及流体的废气和管道之间的温差，例如300摄氏度，这可能导致形成极端的流体特性和温度特性，以及声波偏离直线传播方向，这取决于甚至几厘米的管道尺寸。
具有不稳定的温度特性的不稳定气流上声波的偏移和折射也导致在接收器上仅出现并测量到最大可检测到的振幅的，与当前气体特征相关的一部分。另外，由于本地的漩涡和压力变化直至气穴现象声波的传输会有极端的失真并被抑制。这个强烈的波动干扰导致对两个接收信号的振幅和波形的强烈影响，这就产生了对评估方法，声波传感器和总装置的很大需求。由于这个效应，流量计可使用的测量范围被清楚地限定并且增加了数据评估的难度。另外流量计在马达测试工作台上的使用表现了对传感器电子器件的EMV(电磁兼容性)有问题的环境。常规的系统和评估方法，例如与被保存的参考信号的互相关(EP 0 797 105 A2)，或者使用极限值抽样的方法(DE 196 36 945 A1)，并不能满足所有这些需求。
在废气管中的待测流体速度可能包换一个很大的数值范围，这主要是在与马达大小无关地使用排气系统中常见的标准直径时。为了使测量范围最大化建议使用一个有相应校正角的传感器的专门的机械装置(K.S.Mylvaganam，“High-Rangeability Ultrasonic Gas Flowmeterfor Monitoring Flare Ga，”IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.36，pp.144-149，1989)。然而这要求对测量管道的很高的生产技术经费，并且不能持续地适应不同的流体速度及不同的温度特性。
根据内燃发动机的工作状态和废气排气系统中流体传感器的位置，废气的温度可以是从-40摄氏度(例如在环境舱中发动机的冷启动)到1000摄氏度。目前的设备(例如Sick公司的设备)的最大允许的废气温度(200摄氏度)因为使用了压电陶瓷的超声波传感器而受到严格的限制。
内燃发动机的废气温度可能快速和剧烈地变化，例如牵引工作时满负荷状态的发动机运行的负载切换时，这一事实是很重要的。基于流体特性的这个大幅度和快速变化可能也导致实际接收信号与寄生声波信号的不可预见的反射以及重叠，这在使用常规的评估方法时导致错误的结果。
已知的超声波气流计很难足够精确地获在废气流体中大量存在的压力和流体速度的波动。根据抽样定理需要避免测量现象(混淆现象)，对待测量信号进行高频抽样，抽样频率至少要是信号中存在的最高频率信号分量的频率的两倍。因此废气量传感器必须具有一个相应的高的测量重复率。例如对于PKW发动机来说根据在废气排放系统中的测量流体传感器的位置重复频率从最小3K赫兹开始。市场上的设备(比如Sich公司所生产)工作的最大测量重复频率为30赫兹。
基于在废气管道中的特殊条件，在废气量传感器中使用的评估方法应该还能对计算出的流体值进行适当的波动控制。
电容性超声波传感器的使用使用于气体的超声波流量计有了根本改善，如通常建议的那样(I.J.O’Sullivan and W.M.DWright，”Ultrasonic，measurement of gas flow usingelectrostatictransducers”，Elsevier Ultrasonics，vol 40，pp.407-411，2002)。然而我们还是不知道如何解决上述许多问题。特别是没有公开能在内燃发动机的废气排放系统中使用的合适的评估方法、传感器和装置。
在用于气体的超声波发送和接收传感器中通常的困难是，能够发送足够的声波能量到媒介中，并且能够从接收到的声波能量中获得足够强的电子接收信号。目前实践中仅仅将电超声波传感器作为传感器来使用，压电超声波传感器的特征是一个由固体材料制成的紧凑结构。其中一方面气体媒介的声波阻抗很不相同和另一方面声波传感器的材料起了干扰作用，这是因为固体具体的波阻抗比气体大约高100,000倍。这意味着绝大部分的声波能量在传感器的界面上都被反射到气体媒介中去了，而只有极小的一部分被发射。因此在很宽的频率范围内接收器具有相当低的灵敏度，同样发送器也一样。
相同的特性导致了压电声波传感器很可能被描述为具有特征频率以及相对更高的振荡品质或具有窄带频率特性的固体声学共振器。这个事实也被有针对性地使用，以实现足够高的灵敏度在它的特征频率或者共振频率范围内，由于共振提高获得了可以接受的高灵敏度，尽管在窄带频率范围以外灵敏度会下降到不可用的很小的值。当然高品质共振器的频率特性也引起传感器长的起振衰减特性，这又会为传输时间的精确测量造成困难，并且因此导致在流体测量中的不精确和低的抽样率。
为了改善这种情况已经公开了很多不同的方法，人们尝试着通过声波吸收层，所谓的“背板”层来抑制压电传感器中的背面回声，并因此提高了带宽，虽然这影响敏感度。也在传感器的前端设置层以便对气体媒介的波电阻进行所谓的阻抗匹配，但效果一般。通过例如将压电条嵌入到塑料-聚合物阵列中，使得组合元件的波阻下降并且同时能实现更纯净的振荡模式，传感器元件本身使用复合材料。人们研究出了进行信号分析的方法，以实现传输时间的精确测量，尽管存在长的起振衰减特性。尽管通过各种努力，超声波流体测量的性能还是主要被所使用的声波传感器，特别是压电超声波传感器，的窄带特性所限制。
这种传感器的另一个缺点在于它有限的温度稳定性。具有高压电灵敏度的压电材料，比如通常使用的PZT压电陶瓷，在所谓的居里温度时会失去它的压电特性，居里温度根据材料不同从250摄氏度到350摄氏度。而且已知具有高温度稳定性的压电材料在作为声波传感器使用时具有不令人满意的灵敏度。
常规的电容性超声波传感器也没有理想的温度稳定性。它的在导电底基片上伸展的金属薄膜同时形成电容的绝缘层，其中通常作为缘薄膜材料使用的塑料，或者使用氮化硅，可能不能满足废气量测量的温度要求(D.A.Hutchins，D.W.Schindel，A.G.Bashford，and W.M.D.Wright，“Adcances in ultrasonic electrostatic transduction”，ElsevierUltrasonics，vol.36，1998)。同样所谓的驻极体传感器也没有足够的温度稳定性，所述驻极体传感器具有持久的偏振绝缘薄膜，比如具有附着电荷载体的聚四氟乙烯类型的聚合物薄膜。
在具有倾斜的超声波照射的常规超声波流量计的一个特别缺点在于在通常的传感器中所要求的传感器对管道壁的倾斜位置。这样产生的凹陷或口袋引起超声波的超前传输时间，这在评估传输时间时一定要考虑到。另外流体漩涡将在凹陷和流体中被感应，这可能引起测量值的错误。除此之外漩涡加强由流体所传输的粒子的堆积问题。堆积在传感器薄膜上的粒子可能明显地改变传感器的传输特性。然而被公开的解决问题的建议，比如在凹陷上伸展的，对超声波是可通过而对流体是不可通过的网袋，或者用新鲜空气冲洗凹陷，不能令人满意地解决这个问题。
电容性超声波传感器的使用不仅仅带来优点。需要对极化电压进行电路技术的改善，极化电压极大程度上影响传感器的电和机械工作点。通常将所要求的例如100伏到200伏的极化电压通过高阻抗电阻加到传感器电容上。产生的电量会一方面引起在结构化反面上的薄膜的平坦分布，另一方面引起线性的传感器特性，即与电发送信号或者声学接收信号的振幅几乎无关的传感器灵敏度。但是极化电压也阻止在通常的压瓷传感器或者电传感器中优选的电路设计的简单使用，即直接和地电位相关的静电计放大器或者负载放大器。
对于能实现的SNR(信噪比)负载放大器和静电计放大器二者作为接收放大器都是有利的，并且几乎是等效的。但是相对于静电计电路，负载放大器允许更高的带宽，所述更高的带宽尤其在高频应用，例如用光电二极管或者超声波进行的光数据传输，可能被有利地使用。在负载放大器设计中不是必须用信号电压对传感器和连接线的寄生电容进行重新充电这一事实引起了高的带宽。运算放大器在它的反向输入端上产生了虚拟的电压零点，使得传感器和前面的寄生组件上的电压就保持在几乎消失的很小值。
由于在电容性超声波传感器上必要的电子寄生电压，常规形式的负载放大器是不可能的。在目前的折衷解决方案中，预充电的传感器通过抗电压的耦合电容与负载放大器耦合，负载放大器用于抵消地电势。通过这种方式，具有其所有优点的电容超声波传感器的“纯”负载不再可能了。传感器不再直接连接到运算放大器的虚拟零点上，这就减小了可实现的带宽。一个很大的耦合电容会对传感器形成过大的负载，但是在小尺寸的传感器上由于传感器电容的制造条件波动，传感器+放大器的整体敏感度以及其组传输时间被过小地定义。在借助确定两个接收通道的传输时间进行的超声波流体测量中，必须分别地，顺序地对两个放大器进行校准，这是因为基于组传输时间，每个不平衡会直接导致时间错误，这被认为特别难于解决。这同样适用于连接线，这是因为在最终的设备配置中两个连接线的完全平衡是困难和复杂的。
作为可想到的对此的另一种选择，还提到在传感器的机箱上直接进行电阻抗转换。但是因为缺少空间并且考虑到待测燃烧气体的高温，这也不予考虑。
上面描述的现有技术中的缺点在测量内燃发动机的废气时特别重要，并且可能妨碍在废气排放系统中具有气体流体传感器的有利的测量技术装置的实现(例如参考PCT/AT01/00371的WO 02/42730A2)，特别是在高温和剧烈波动的区域中。虽然可利用的气体流体传感器可能揭示了发动机测量技术的某些应用，比如渗漏(Blow-By)气体的测量(从内燃发动机的曲柄轴箱中漏出的气体)，然而可能的应用相当有限，尤其是在发动机测试台和传动系测试台上，以及在车辆滑轮测试台上或者在公路上的车辆上进行废气分析时。

发明内容
本发明的任务是，克服上述的困难并且提出具有明显改善的功能，特别是punkto温度稳定性以及减少和考虑存在的温度特性的超声波气体流体传感器。
本发明的另外一个任务是改善评估方法，以更精确更可靠地计算气体的体积流量和质量流量，特别是在高动态的气流中。
根据本发明，是这样来解决这些问题，即声波传感器被设计为电容超声波传感器，以产生声波以及接收瞬时的声波信号，并被设计为比较调节气体温度特性及使温度特性对流体测量的影响最小的装置。
为了得到对于很多应用所必需的高温度稳定性的实施方式，根据本发明使用金属薄膜，例如使用由钛材料制成的薄膜，而不是通常的高弹力的、并且一般一面金属涂层绝缘的薄膜片。
薄膜材料的通常导电能力使设计电容性传感器更加困难。不能像通常那样仅仅为构成传感器电容的两个电极提供导电材料，而必须特别提供绝缘层。电极或上面带有绝缘层的背板被用于这个目的，所述电极或背板最好由搀杂的半导体和其上面的绝缘层构成，所述绝缘层例如是被涂敷上的，并且在这个绝缘层上最好直接设置薄膜。
其中要注意的是，对应于背板(搀杂的半导体)的基本材料上的绝热系数调节绝缘层。当绝缘层是是由一种材料构成时这特别有利，所述材料是通过第二电极或背板的材料在热作用下和周围空气反应而产生。因此例如可以在炉子中在氧环境中在1000摄氏度左右处理高搀杂的硅基本材料大约24小时。其中产生满足绝缘需要的大约1.5μm的二氧化硅层。与借助于喷射工艺或CVD工艺敷设的层相比，这种由材料“成长出”的层具有相当高的热学和机械学的可塑性。
通过这种方法构造的高温超声波传感器的频率特性，即敏感度，可能被谐振体积影响，谐振体积在绝缘层和上面直接覆盖的薄膜之间产生。因此第二个电极或背面构造一个结构，其中基于自然表面粗糙度形成的气穴可能起作用。
在另外一种实施方式中，第二个电极或背板具有由离散的人造结构单元构成的结构，最好是被腐蚀的结构。其中表示直线形或蜂窝结构对感兴趣的从100千赫到600千赫的频率范围具有从80μm到120μm的特性宽度。另外在结构深度和超声波传感器的灵敏度之间还存直接的相关性。对于所要求的应用，大约0.4μm的结构深度得到最好的结果。值得注意的是，其中不仅能在绝缘层形成之前而且能在绝缘层形成之后构造所述结构。这意味着不仅在有搀杂的半导体中同样也在绝缘层中。最好在绝缘层形成以后构造所述结构，这是因为与构造后产生绝缘层相比，在这种情况下在背板没有构造的区域和薄膜之间产生被充电的电极间更大的距离，并且因此传感器的静态容量更小。根据本发明相对较小的结构的形成是借助于化学腐蚀方法使用常规平板印刷方法来实现。也就是说整块背板首先借助于感光漆(主要借助于微调控制项)进行涂敷，然后根据油漆生产商的生产规定在照明罩的帮助下进行曝光。根据漆的不同，通过在显影浴中对漆的显影暴露被曝光的漆表面或者没有被曝光的漆表面。在腐蚀池中在被暴露的表面上的结构被深度腐蚀。其中腐蚀深度由腐蚀时间来确定。
传感器有利地具有更多的，分散可控或可读出的线性或平面排列的范围。这样就可以避免在传感器采样的袋孔，这些袋孔在超声波路线范围内可能造成额外的气流漩涡。最好借助于上面描述的技术产生这些所谓的“阵列传感器”。其优点是，对于声波辐射或声波接收使相对于其表面成角度地指向的特质成为可能。因此即使在管道倾斜照射时也能够进行测量管道中超声波传感器的埋入安装。阵列传感器的单个区域在作为发射器的应用中在时间离散的间隔中受到电发送信号的控制。在作为接收器的应用中，对单个接收信号进行时间延时的评估。在两种工作方式中，传感器的角度特征可能受时间间隔变化的影响，并因此能有利地消除漩涡和折射现象。
这种传感器的构造和前面描述的过程相似近在绝缘的高温度稳定性材料(基片)上，比如氧化铝(AL2O3)或者蓝宝石，借助喷射或者蒸馏产生例如由铂制成的电极的相同结构。因此例如对于在100-600千赫左右的频率范围中的平面的或有角度的发送特质及接收特质，在基片上0.5mm的距离中涂敷条宽为1mm的条状结构。在第二步骤中在表面按以下方式涂敷绝缘层，即借助于触点可以对单个电极条分别控制。然后，像上面描述的那样借助于平板印刷和腐蚀技术构造绝缘层。在这个结构上有金属薄膜，就像在常规电容超声波传感器中通过传感器外壳来实现。借助于通过这种传感器实现的可调节的辐射角度，可以减少因气温或气留特性的声波折射和声波漩涡的效应。
还有一种可能性能够消除上述效应，即使在气流方向上发送器和接收器之间的间距是可变的。根据本发明，通过如下的方法可以实现这种可能性，即至少一个声波传感器，最好是接收传感器，被能移动地安装。这样例如当气流速度在30m/s的时候，接收传感器被准确地移动一段距离，以保证与没有气流时的传输特性相同，30m/s的气流速度在50mm的管道直径中产生10mm的漩涡。
相似地，一个或多个传感器可转动地安装也是有利的，人们可以在这样的超声波辐射时规定一个相应的前置角(Vorhaltewinkel)，使得发送器的声波束(schallkeule)即使在高气流速度或者管壁和气流之间有高温差的时候也能够以其最大声级到达接收器的表面。因此传感器以如下的形式被设置，即通过转动传感器可以改变声波辐射相对于管子轴线的入射角或出射角。
另外根据本发明借助于测量管道壁的加热装置，必要时也借助于声波传感器的加热装置，减少或避免在管道壁和气流之间高的温差。因此还规定，借助已知的控制机制使管道温度尽可能与气体的实际温度相适应。
特别值得推荐的是，使用具有低热容量的物质，特别是绝热材料制造测量管道和/或提供由相同材料制成的涂层和/或周围包上由相同材料制成的包裹层。在理想情况下这导致和测量气体方的管道壁温度总是自动地跟随着气体温度，这只需要很小的加热或者根本不需要。
另外对于时间上高度不稳定的过程，比如内燃发动机的废气在功率切换时的过程，在测量管中安装或结合温度和/或气体特征形成(stroemungsprofilformende)设备是有益的。这导致了温度特性及气体特性的比较调节。因此根据本发明，如它们被使用于流体层流那样规定管束的网格和段，以便一方面保证在通常情况下气体涡流的尽可能均匀的混合，并因此保证气体温度，另一方面获得均匀无旋的气流特性。为了防止在用于传感器采集的袋孔的范围内温度边界层的断裂，声音传播不被阻挡，并且测量管道具有可加热的网格，所述网格在测量壁的延长处同平面地锁住袋孔。
除了使气流的温度特性最小化的纯机械措施，根据附加物理参数对流体测量的结果进行附加计算修正是特别有利的。因此可以看到，可以借助于在流体和声速计算的附加修正因素评估考虑由温度特性所引起的声波路径改变。其中根据管道温度和气体的特征温度改变这个纠正因素是特别有利的。另外根据本发明，一个温度传感器被用于测量管道壁的温度并且与评估电子器件连接。
在根据本发明的装置的另一种实施方式中，另一个温度传感器被用于测量流体温度并且与评估电子器件连接。
另外气体流体传感器的测量结果和气体组合的相关性是不能忽视的，特别是在应该产生质量流量作为测量结果或者应该产生关于体积流量的对于具体温度标准化的说明的时候。因此根据本发明使用计算气体组合的装置，特别是确定所谓的空气量(Luftzahl)λ的拉姆达探测器。特别在测试平台上对废气质量流进行测试时，借助于拉姆达探测器计算参数地与空气量λ相关的气体组合特别有利。
其中对气体组合的考虑既可以直接在评估气流时进行(即和本身的气流计无关)，也可以在气流计的评估电子器件中实现，如根据本发明那样。对此要有相应的数据线和数据线接口，以传输气体组合的信息。
对于借助于超声波的流体的正确和高动态评估，首先需要尽可能不受干扰的高信噪比的初级信号。这由电容性传感器和信号的模拟初级处理来完成。为了避免在用于电容超声波传感器的常规方式的放大电路上所谓的关于不对称和带宽的问题，根据本发明接收电子器件被设计为模拟放大器，并且至少初级放大级的参考电势被提升到传感器的电势水平，即提升到偏压电压。通过这种方法通常可以避免所使用的耦合电容，所述耦合电容能明显降低信号检测传感器放大器的传输带宽，并且另一方面增加了超声波传感器在电容负载。其中考虑到放大器电路输入端上的虚拟电位零点，耦合电容表现了和传感器平行的电容负载。
在另一个特别有益的实施例中，放大器的反向输入端直接连接到电容性传感器。
为了在出现传感器击穿时保护放大器，在上述的实施方式中将电容性传感器及参考电势通过一个电容和放大器电路的反向输入端连接，由于在所述电容的两端有相同电压，即偏压电压，所述电容在实施方式中不是作为常规的耦合电容而是起单纯的保护作用。在这种情况下，电容的大小可以选择得很大，例如100nF，这是因为在这种情况下传感器接有电容性串联电路和偏压电压源内电阻负载。所述内电阻在正常情况下很高，以至于传感器的负载可以近似的被忽略。
电容超声波传感器的电容和偏压电压的耦合电阻构成一个RC单元，并因此构成对偏压电压的低通滤波器。因为现在在放大器的非反向输入端上具有相同的电压，即偏压电压(可能借助于上述的电容与传感器电势分开)，所以通过RC单元在放大器电路的非反向输入端接有相同电压，以抑制在放大器的非反向输入端上的干扰是有利的，并且在本发明中也使用。
在具体的实施方式中，规定RC单元的时间常量约等于由传感器的电容和参考电势的耦合电阻构成的滤波器的时间常量是有利的。
为了抑制所使用的，例如300-400千赫，的频带之外的干扰信号分量，根据本发明初级放大器电路还串联其它滤波器，最好是高通滤波器，可能情况下是带有后接带通滤波器的二级放大器或者至少一个去耦电容器。其中可以在该电路之前、之中和之后借助于电压稳定的耦合电容实现有用信号对偏压电压的退耦。
根据本发明，用于测量内燃发动机废气流量的装置的特征在于，根据前述章节中的一段在内燃发动机的废气排放系统中安装气体流量计。因此如果在测试台上或者车间里或者在正常工作的测量内是固定的，那么就能对波动的以及在多种工作状态中温度相当高的废气进行精确并且动态的测量。直接在单气缸的输出端管上的使用也是可以想到的，如同在催化式排气净化器前和后，以及在废气排放系统中消音到尾端之间安装一样。
根据一种有益的实施方式，直接在提取气体合适的位置气体流体传感器位于确定废气中的有害物质的成分的气体采样可能的位置附近。
当然如果测量需要和/或安装位置更合适，可以在内燃发动机废气的部分气体流经的管线段安装气体流体传感器。
为了获得尽可能完整的内燃发动机的情况，在最好的情况下要监控所有的气流，为此规定在气流流经的为了稀释内燃发动机废气的管线段安装气体流量计是有利的。
为了不仅仅从设备方改善用电容性声波传感器进行的气体流体测量，而是也改善前述的评估方法，根据本发明在确定了传输时间以后计算流动的估计值，并且至少借助气体的特性温度和管壁温度对其进行纠正。
因此考虑与气流特性相关的常量k1，气流方向上的传输时间t+，与气流方向相反的传输时间t-，以及和管道尺寸相关的两个常量k2和k3，首先将气流速度v和声波速度c的估计值计算出来v=k1k2(1t+-1t-)]]>(式1)
c=k3(1t++1t-)]]>(式2)从式1中，通过和测量管的横截面A相乘，得到体积流量的第一估计值VδVδ=Av=Ak1k2(1t+-1t-)]]>(式3)现在根据特性温度TC和管壁的温度TW有关，借助于公式f1(TC，TW)对这个估计值进行纠正v~δ=f1(TC,TW)Vδ=f1(TC,TW)Ak1k2(1t+-1t-)]]>(式4)如果人们对实际质量的流量值感兴趣，可以从式4中通过和标称的(nominell)密度相乘计算出。
在本方法的另一个改进实施方式中还规定，使用测量管中实际压力值，最好是传输时间测量的位置上的值，来确定估计值。这样流动媒体快速的密度变化能被包括在计算中。因此从借助于传输时间计算出的声波速度C(式2)，具体热容量k和实际压力p的比率中确定实际密度ρρ=kpc2]]>(式5)在另一个具体实施方式
中，根据气体特征温度和测量管壁的温度之间的温度差对这个估计值进行纠正。
因此以下形式的函数f1(TC，TW)f1(TC，TW)＝k4(TC-T2) (式6)的函数联系特别有利。其中K4是由经验或者基于对气流和温度特性的理论假设确定的常量。
为了确定所述温度，根据本发明可以规定，被测量的既可以是管道壁的温度，也可以是测量管中气体的温度，或者是两个温度都测。为此可以使用常规的温度传感器。
但是温度传感器的缺点是反应时间长，特别是在测量可能在非常短的时间间隔，例如几个百万分之一秒中改变的气体温度时。因此根据本发明，气体的特性温度可以从传输时间，并从而从声波速度的估计值中借助于管道中温度特性的物理模型计算出来。
另外，根据本发明，通过考虑测量管道壁的温度来表现气体的特征温度。
借助于传输时间测量计算出的声波速度c表示管道截面上和位置相关的声波速度的平均值 (r...一个径向对称管道的管道半径，R...管道内半径)c=12R∫-RRc~(r)dr]]>(式7)另外局部声波速度的下述形式的理想气体等式c~(r)=kRMTCf2(r)]]>(式8)其中f2(r)内含温度特性形式M，气体的摩尔质量以及理想气体常量R。
因此可以从式7和式8中确定气体的特性温度。
因为，如前面所提到的，气体的温度变化可能非常快，因此以下述方式进行温度测量是有利的，即温度测量值和传输时间测量值对相同体积是有效的。这样能实现在为温度测量和传输时间测量选择时间点时考虑排列的几何形状和气体速度。
在本方法的一个具体实施方式
中，在计算气流流量的估计值时考虑媒介的气体组合，即在计算气体总量时使用绝热系数k的标称值，即在固定压力和体积下热容量之比。
另外，对应于气体的特性温度修正这些标称值，这意味着在式8和式5中使用和气体组合相应的与温度相关的绝热系数k(TC)。
为了考虑寄生反射信号，并因此为了精确检测超声波传输时间，根据本发明，根据发送时间点和超声波信号传输时间的估计值确定期望时间窗。然后在这个时间窗中搜寻接收信号精确的入射时间点。
另外，根据所估计的传输时间适应发送时间点的序列，即测量重复率，因此可以实现在真正的有用信号前没有寄生反射信号出现在期望时间窗内。
简单地，根据第一方法变体，可以使用先前测量的传输时间作为传输时间的估计值。
在其它的方法变体中有具有更高正确性的更简单测定，即使用根据先前流量测量进行模型构造的计算值作为估计值。
在本方法的另一个有益的实施方式中，用于时首先为传输时间的确定设置接收信号开始的估计时间点，并且通过分析表现为复数值形式的接收信号的相位信息确定精确的开始。
为了确定复数值的接收信号，例如可以使用实接收信号的希尔伯特转换。
因此在评估方法的一个特别有益的实施方式中，为实接收信号确定接收信号的复数值形式的实际相位，并且在相位持续改变的范围内为接收信号的开始确定估计的时间点。
其中可以有利地使用出现最大振幅的时间点作为接收信号开始的估计时间点。通过这种方法可以以至少一个不准确性，即发送信号的半个周期(±T/2)确定到达时间点。
为了提高精确性，根据接收信号开始的估计时间点，借助于第一次噪音相位确定接收信号的精确开始。
其中最好定义接收信号的第一次通过零点为确定到达时间点的声波特性。


下面借助于本发明优选实施例的

本发明。
其中图1示出了根据本发明的气流计的结构示意图，图2和2a示出了根据本发明的电容性超声波传感器的整体外观和详细情况，图3示出了阵列构造方式的电容性超声波传感器，图4示出了根据本发明的用于电容性声波传感器原始信号的放大器电路的示意图，图5用框图表示出了评估的方法，图6示出了一对发送器和接收器的发送和接收信号以及接收信号的相应相位信号。
具体实施例方式
图1中根据本发明的气流计阵列的纵向图形示出了测量管道1，其体积或者质量应该被确定的气体流经所述管道。测量管道1上有热元件2，在所述热元件2的帮助下，通过评估电子器件3控制与加热控制电子元件4连接，使测量管道1的温度提高。测量管道最好至少在测量传输时间的位置前(相对于流经管道的主要气流的方向)配备有附加的气流和温度特性隔板。这些隔板5可以被设计为挡板或者比测量管道1的直径小得多的管子束。
在口袋中或者测量管道1侧面的支撑物中嵌入作为电容性超声波传感器使用的发送传感器7和8及接收传感器9和10，所述口袋或支撑物可以由可透过声波的，和测量管1的壁连在一起的遮盖物6，比如网格等，进行锁定。通过用于测量管1壁的加热元件2或者通过本身的，分散的加热元件也可以加热电容性传感器7到10以及覆盖物6。
超声波传感器7到10，最好仅仅是接收传感器9和10，也可以位于在测量管道1的纵向上能移动的部件上，所述不见可以通过比如带有步进发动机的轴移动。因此偏移也可以使用于运行时，并且通过评估电子器件3控制。传感器7到10的纵向设置也可以在预先定义的离散步骤中进行。
但是传感器7到10也可以可旋转地位于测量管1内或测量管1上，最好在垂直于测量管道1纵轴并在每个传感器7到10的安装位置上平行于测量管道1的壁切线的轴附近。用这中排列也可以抵制声波信号的涡流现象，并且也能够考虑计算效果。
图1中还示出了接收电子器件11的示意图，所述接收电子器件放大并以模拟方式处理接收信号。它与评估电子器件3相连接，评估电子器件3控制发送信号的产生和加热的控制电子器件4。将至少一个用于测量气体温度的温度传感器12和用于测量管道壁温度的温度传感器13的结果，以及最好还有压力传感器14的值作为附加的输入信号提供给评估电子器件3。为了考虑也参与气体计算的气体组成，最好可以具有拉姆达探测器15，它通过导线将实际空气量的信息传送到评估电子器件3中。或者，也可以例如由废气分析设备通过数据导线16(虚线画出)将气体组合的信息传送到评估电子器件3上。
图2示出了根据本发明的在图1的气流流体传感器阵列中使用的电容性超声波传感器，图2a是所述超声波传感器前部的细节放大，通过所述超声波传感器将声音信号注入到气体中。在传感器主体17中安装金属薄膜18和背板19分别作为声波传感器实际工作部分的第一和第二个电极。在图2a的详细图中可以看到背板19的结构是规则的皱摺(Stegen)20，所述皱摺最好在背板19的绝缘层21中被腐蚀，以确保在两个电极，即薄膜18和搀杂的背板19之间具有一个固定的间距。
在图2a的情况下，在绝缘层21形成后构造结构20。其中背板19首先被氧化，然后通过腐蚀在绝缘层21中形成所述结构。但是也可以首先在背板19上构造结构，然后再生成绝缘层21。这样原材料首先被腐蚀然后再氧化。
图3以图示方式示出了根据本发明的电容阵列传感器的切面。以图2和图2a同样的方法，金属薄膜23和背板24作为第一和第二个电极被安装在传感器主体22中。其中背板24由绝缘基础材料25，基片，单个可接触的并因此单个可控制的电极26和绝缘层27组成。基片25可以例如由陶瓷，蓝宝石或者二氧化硅组成，在基片上面电极例如被蒸镀或者被阴极溅镀。
一个高温度稳定性的阵列传感器，如图3中所示，有两个优点。首先通过与管内壁等高的隔板不再需要测量管1中的口袋或者凹陷，其次用于发送和接收操作的声波束的方向能在工作时仅仅通过各个传感器相应的电控制来调节，并也能进行适当的跟踪，以考虑在气流中声音辐射的涡流。
图4以图示的方式示出了最好集成在评估电子器件3中或者在其前串联的接收放大器的结构。在附图中的虚线框中显示了电容接收超声波传感器9和10的辅助电路图28。通过耦合电阻29将偏压VB耦合。传感器通过电容器31和后面的放大器30连接，电容器31用于保护放大器电路，比如在传感器绝缘层被击穿的情况下。通过RC电路32也把偏压VB连接到放大器30的非反向输入端。为了在运算放大器30的输入端产生对称情况，RC电路32的时间常量最好和连接的超声波传感器的时间常量相同，即RC电路32的电阻和反相输入端上的偏置电阻相对应，RC电路32的电容要和传感器9或10的电容相对应。这样的优势在于，以几乎相同的边界频率在运算放大器30的非反相输入端上对在相同电压上可能产生的干扰进行低通过滤，如同通过偏置电阻和电容性传感器本身为反相输入端的情况。
对称于偏压电势对放大器30供电。经过另一个耦合电容33以及一个最好连接在后面的滤波器电路34，所述滤波器电路不再位于偏压电势上，接收超声波传感器9或10的接收信号能被引入到进一步的处理。为了达到需要的整体放大倍数(最高到80dB)，可以，最好在滤波器开关34后，后接第二放大器。静电计放大器适用于此。根据目的在第二级进行接收电子器件的整体放大器的调节(AGC，自动增益控制)。第一级中放大的改变可能极大的影响频率传递特性。
图5以框图的方式示出了根据本发明的评估方法。在第一步35中由输入量t+及t-，和待测气体流动方向同向和反向的超声波传输时间，用常规的公式计算出气流速度v和声波速度c的估计值。在第二步36中考虑由输入量{L}代表的几何形状大小和/或测量管道1的壁温度TW和/或气体的一个特征温度TG确定出气流和声音速度的优化估计值 和 。根据一个简单的、但决不是唯一的测量管道1情况的模型，借助一个线性的对气流速度的修正因素来对流动估计值进行修正，这个修正因素在最简单的模型中与标称的气体特性温度和测量管道的壁的温度之间的差值线性相关。
为了表示气体的特征温度不仅可以通过测量确定，还可以通过考虑材料大小由声音速度确定，虚线部分表示了一个替代的计算过程36a。在最后一步37中，由输入量k(Kappa)，绝热系数，可能还有再次输入的气体特征温度TG，和空气量λ(拉姆达)以及实际压力ρ确定流动的气体质量M或者流动的气体体积V。
在用声波传输时间计算气流流量时，最好对测量管道1的理论平均声波速度进行似然控制。对于气体的摩尔量，通用的气体常数和与温度有关的气体绝热系数来说，气体温度TG和声波速度C之间存在着已知联系，这可以被用于似然控制。为了计算摩尔质量的值，例如借助拉姆达探测器12或者其它的分析器来确定气体组成。这对计算和温度相关的绝热系数K(T)也是需要的，所述绝热系数与温度的相关性在确定流动的气体质量M或气体体积V时最好也不要忽略。
下面参照图6阐述根据本发明的，对超声波信号的进入时间点的精确计算。其中在图6中，同一个时间轴上并排列出了三个信号。最上面的是发送信号S，这里它是三个波列的脉冲簇(Burst)。在图6中间是一个实际的接收信号E。也可以识别出有用信号38，它通过直接接收从发送器射出的声波脉冲出现在接收器上，还可以识别出寄生反射信号39，它产生于发送器7和8以及接收器9和10之间的多次反射。寄生反射信号根据媒体的有效声波速度在多次并且偶数次经过发送器/接收器路径后到达接收器。因此在图中显示的寄生信号来自于位于图中所示发送脉冲(脉冲簇)前的发送脉冲。
最下面的信号E表示通过如希尔伯特变换或者相似的傅立叶积分的复数值表示的接收信号的相位。在存在着真正有用的信号和寄生反射的范围内，可以识别出相位的持续变化。在脉冲到达传感器时，相位以相对均匀的“上升”开始旋转。这个上升取决于接收信号的信号频率。在接收信号E的第一偏转时，相位在整个振幅上不再完整地旋转，这是因为第一偏转形成从相位噪声到脉冲的转变。在偏转出现最大值的地方，相位经过零线。在脉冲到达之前，可以观察到相位噪声。
由超声波信号传输时间的第一次估计值t1定义这个估计值t1附近的期望时间窗T±。在这个时间窗内搜寻传输时间tL的改善估计值。为此将接收信号E的最大振幅值确定为改善的估计值t2。从这个值出发在沿着发送时间点向后的方向上确定相位的持续变化停止的那个时间点t3。从这个新的估计值t3出发，在正时间方向上确定接收信号第一次通过零点的时间点t4。这些系统的，与接收信号的实际到达时间点相差半个周期的时间点计算纠正，并作为传输时间进行进一步处理。
像前面所述，接收信号由有用信号和寄生反射信号的叠加组成。其中相关接收脉冲之间，既来自相同发送脉冲的信号之间的时间间隔总是气流的传播方向的正向或反向上平均传输时间的偶数倍。但是这个平均传输时间首先由媒体的实际声波速度确定，因此很大程度上由实际温度确定。
在很多应用领域中，气体温度在大范围内快速波动。这不可避免的导致了严重的问题，即在期望时间窗的范围内可能出现被干扰的有用信号和反射信号的重叠，这可能增加时间准确评估的难度并且可能导致错误测量，这是因为反射信号的特性，如信号形式和相位，和实际接收信号非常相似。
根据本发明，目前对这个问题的建议解决方案在于，影响测试重复率，以便可以避免接收信号E和第一或第二反射之间的叠加。借助于声波速度的估计值能够计算出优化的测试重复率，在所述测试重复率的情况下，第一反射，并且因此第二反射也同样，总是以可自由选择的时间安全间隔位于实际接收信号之后。尽可能小地选择这个安全间距是有意义的，这样可能达到高的测量重复率并且相对于第二或者后续的反射而言，接收信号前的区域保持“干净”。这个安全间距取决于发送信号的持续时间也是有意义的。
只要接收信号E和前两个反射到后续接收信号E之间有足够的时间间隔，发送信号可以有利地相互嵌套。这样在需要时可以提高测量重复率。
如果测量重复率应该被适当地设置，必须将相应时间标记和计算出的质量流量值一起存储，以便能够重建质量流量的时间变化过程。
权利要求
1.使用传输时间方法的超声波气流计，包括气体流经的、具有至少一个发送声波传感器和至少一个接收声波传感器的测量管道，以及一个发送、接收和评估电子器件，其特征在于，声波传感器(7，8，9，10)被设计为用于产生声波以及用于接收时间上不确定的声波信号的电容性电声超声波传感器，并且还设置有用于比较调节流体气体温度特性并使温度特性对气流测量的影响最小化的装置(5，6)。
2.如权利要求1所述的气流计，其特征在于，传感器(7，8，9，10)具有例如由钛材料制成的金属薄膜(18，23)。
3.如权利要求2所述的气流计，其特征在于，背板(19，24)由搀杂的半导体以及涂敷在其上的绝缘层(21，27)构成，在所述绝缘层上最好直接设置薄膜(18)。
4.如权利要求3所述的气流计，其特征在于，绝缘层(21，27)由一种在生产过程中通过第二电极或背板(19，24)的材料在高温作用下和周围气体进行反应而生成的材料制成。
5.如权利要求3或4所述气流计，其特征在于，第二个电极或背板(19，24)具有结构(20)。
6.如权利要求5所述的气流计，其特征在于，第二个电极或背板(19，24)上具有由离散的人造结构单元构成的结构(20)，最好是被腐蚀出的结构。
7.如权利要求1至6中任一项所述的气流计，其特征在于，传感器(7，8，9，10)具有多个可分别控制的线性或平面排列的区域。
8.如权利要求1至7中任一项所述的气流计，其特征在于，至少一个声波传感器(7，8，9，10)，最好是接收传感器(9，10)被可移动地安装。
9.如权利要求1至8中任一项所述的气流计，其特征在于，一个或者多个传感器(7，8，9，10)被可转动地安装。
10.如权利要求1至9中任一项所述的气流计，其特征在于，设置有给测量管壁(1)的壁加热的加热装置(2)，也可设置给声波传感器(7，8，9，10)加热的加热装置。
11.如权利要求1至10中任一项所述的气流计，其特征在于，测量管壁(1)由热容量很低的材料制成，特别是由热绝缘材料，和/或具有由这种材料做成的覆盖层和/或被由这种材料制成的罩子包围。
12.如权利要求1至11中任一项所述的气流计，其特征在于，在测量管道(1)中安装或集成温度和/或气流特性形成隔板(5，6)。
13.如权利要求1至12中任一项所述的气流计，其特征在于，设置有用于测量管道壁的温度的至少一个温度传感器(13)，并且与评估电子器件(3)相连接。
14.如权利要求1至13中任一项所述的气流计，其特征在于，设置有用于测量气流温度的至少一个温度传感器(12)，并且与评估电子器件(3)相连接。
15.如权利要求1至14中任一项所述的气流计，其特征在于，设置有一个用来计算气体组成的装置，特别是一个拉姆达探测器(15)。
16.如权利要求1至15中任一项所述的气流计，其特征在于，设置有数据导线(16)和数据接口，通过它们传输关于气体组成的信息。
17.如权利要求1至16中任一项所述的气流计，其特征在于，接收电子器件(11)被设计为模拟放大器，并且至少初级放大级(30)的参考电位被提升到传感器(9，10)的电位水平，即偏置电压。
18.如权利要求17所述的气流计，其特征在于，放大器(30)的反相输入端直接与电容性传感器(9，10)相连接。
19.如权利要求17或18所述的气流计，其特征在于，电容性传感器(9，10)和参考电压通过电容器(31)连接到放大器电路(30)的反相输入端。
20.如权利要求17至19中任一项所述的气流计，其特征在于，参考电压通过一个RC电路(32)连接到放大器(30)的非反相输入端上。
21.如权利要求20所述的气流计，其特征在于，RC电路(32)的时间常数约等于由传感器的电容和参考电压的耦合电阻所构成的滤波器的时间常数。
22.如权利要求17至21中任一项所述的气流计，其特征在于，初级放大级(30)后面串联其他滤波器(34)，最好是高通滤波器，也可以在后面串联带有后接带通滤波器的第二级放大器或者至少一个去耦电容器。
23.用于测量内燃发动机废气流量的装置，其特征在于，在内燃发动机的废气排放系统中使用根据权利要求1到22中任一项所述的气流计。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，气流计被设置在用于确定废气的有害物质成分的气体采样的可能位置附近。
25.如权利要求23或24所述的装置，其特征在于，气流计被设置在内燃发动机废气的部分气体流经的管线段。
26.如权利要求23或24所述的装置，其特征在于，气流计被设置在气流流经的、用于稀释内燃发动机废气的管线段。
27.用于获取气体流量的方法，其中获取平均流速并且由此以很高的时间分辨率从发送器和接收器之间的声波信号获取气体流量，其特征在于，在确定传输时间以后计算流体的一个估计值(35)，并且至少借助于气体的一个特性温度和管道壁的温度对这个值进行修正。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，为了确定流体的估计值，使用测量管中的实际压力值，最好是传输时间测量的位置上的实际压力值。
29.如权利要求27或28所述的方法，其特征在于，根据气体特性温度和管道壁温度的差来修正估计值。
30.如权利要求27到29中任一项所述的方法，其特征在于，测量管道壁的温度。
31.如权利要求29到30中任一项所述的方法，其特征在于，测量管道中气体的温度。
32.如权利要求29到31中任一项所述的方法，其特征在于，由传输时间并从而由一个声波速度借助于测量管道中温度特性的物理模型计算气体的特性温度。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，气体的特性温度通过考虑管道壁的温度被精确地定义。
34.如权利要求27或33所述的方法，在选择温度测量和传输时间测量的时间点的时候考虑排列的几何形状和气流的速度。
35.如权利要求27到34中任一项所述的方法，其特征在于，在对气体量(37)的测量值进行修正的时候为了考虑气体成分，使用绝热系数的标称值来计算气体量。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，相应于气体特征温度对绝热系数的标称值进行校正。
37.如权利要求27到36中任一项所述的方法，其特征在于，根据发送时间点及超声波信号传输时间的估计值，为接收信号的到达点确定一个等待时间窗。
38.如权利要求27到37中任一项所述的方法，其特征在于，根据估计的传输时间适应发送时间点的顺序，即测量重复率。
39.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于，使用前面测量得出的传输时间作为对传输时间的估计值。
40.如权利要求37或38所述的方法，其特征在于，使用根据前面气体测量的结果通过模型构造的计算值作为传输时间的估计值。
41.如权利要求37到40种任一项所述的方法，其特征在于，为了确定传输时间，首先确定接收信号开始的估计时间点，并且通过分析复数值表示的接收信号的相位信息，确定精确的开始。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，通过对实数接收信号的希尔伯特变换确定复数值的接收信号。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，为实数接收信号确定接收信号的复数值表示的实际相位，并且在相位持续变化的范围内的任意时间点上确定接收信号开始的估计时间点。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，使用出现最大振幅的时间点作为接收信号开始的估计时间点。
45.如权利要求41所述的方法，其特征在于，从接收信号开始的估计时间点出发，借助于第一次噪声相位确定接收信号的精确的开始。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，定义接收信号第一次过零作为确定开始时间点的信号标志。
全文摘要
一种超声波气流计，包括一个带有发送接收声波变换器的、气体流经的测量管道，以及一个发送、接收和评估电子器件。为了设计出具有改善的性能，特别是温度稳定性和简化以及考虑温度特性的传感器，声波传感器(7，8，9，10)被设计为电容性电声超声波传感器，并且设置了用于比较调节气体温度特性以及用于将温度特性对气流测量的影响最小化的设备(5，6)。获取气体流量的方法，其中以高时间分辨率由两个传输时间获取平均流速和由此得出的流经气体量，应该实现使气体的体积流量及质量流量更精确可靠的计算，特别在高动态流动中。因此在确定传输时间以后计算流量的估计值(35)并至少借助于气体的一个特征温度和管道壁温度对其进行修正。
文档编号G01F15/00GK1576803SQ20041007128
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月16日
发明者马里奥·库普尼克, 安德里亚斯·施罗德, 迈克尔·维辛格, 克劳斯·克里斯托夫·哈姆斯 申请人:Avl里斯脱有限公司