DE2527286A1

DE2527286A1 - Geraet zur messung des luftmassendurchflusses in einer leitung

Info

Publication number: DE2527286A1
Application number: DE19752527286
Authority: DE
Inventors: Eraldo Giaccardi; Mario Palazzetti; Raffaele Polesinanti
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-06-19
Publication date: 1976-02-19
Also published as: FR2280884A1; JPS5137669A; GB1509963A; DE2527286B2; FR2280884B1; IT1016749B

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-I N G. H. Fl NCKE DIPL.-ING. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Patentanwalt* Or. Finde· · Bohr ■ Staagar · 8 MOnchan 5 · MOIIaratraB·

U MDNCHEN D, MOIIaritraBe 31 Farnruf: (OS9)*2660eO Telegramme: Claims München 523903 claim d

19. Juni 1975

Mapp.No. A 185 - Case F. 2242 Bitte in dar Antwort angaban

Beschreibung

der Firma FIAT Societä per Azioni

Turin / Italien

betreffend

"Gerät zur Messung des Luftmassendurchflusses in einer Leitung"

Priorität: 1. August 1974 - ITALIEN

Die Erfindung betrifft Geräte zur Bestimmung des Luftmassendurchflusses in einer Leitung und insbesondere Geräte, die zwei piezoelektrische Ultraschallwandler besitzen, die in einer luftführenden Leitung angeordnet sind und in welchen Wandlersignale zur Berechnung der Luftströmung verwendet werden, wobei als Bezugssignale eine Halbwelle innerhalb der Hüllkurve des empfangenen Wellenzuges dient.

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A 185 ei

In einer früheren Anmeldung der gleichen Anmelderin ist ein Herat dieser Art beschrieben, bei welcher piezoelektrische Wandler wechselweise als Sender und Empfänger verwendet werden. Eine elektronische Verarbeitungsschaltung berechnet dann die Phasenverschiebung der Wellenkomponenten der durch die beiden Wandler gesendeten und zu verschiedenen Zeitpunkten durch diese empfangenen Signale, wobei die Differenz durch die Wirkung der Luftgeschwindigkeit innerhalb der Leitung bedingt ist. Aus dieser Phasenverschiebung bestimmt die Schaltung die Geschwindigkeit der durch die Leitung hindurchtretenden Luft und leitet dann den Wert des Luftmassendurchsatzes ab. Bei diesem Gerät ist das verwendete Bezugssignal eine Halbwelle innerhalb der Hüllkurve des durch jeden der Wandler empfangenen Wellenzuges. Ausserdem sind die Wandler in der Leitung so angeordnet, daß sie in der selben Richtung gerichtet und mit Bezug auf die Achse der Leitung geneigt sind.

Dieses Gerät hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Beispielsweise ist der Fühler jedes Wandlers dem Luftwiderstand ausgesetzt, der eine nichtlineare Veränderung in der Bestimmung verursacht, da sich die Luftgeschwxndxgkeit verändert. In ähnlicher Weise entstehen durch die besondere Anordnung in der Nähe ihrer Befestigungsstellen Wirbel, die eine wesentliche Verminderung der Amplitude des Signals zur Folge haben, wenn die Luftgeschwxndxgkeit zunimmt. Darüber hinaus führt die abwechselnde Steuerung der beiden Wandler zu potentiellen Fehlerquellen infolge des Umstandes, daß die ausgesendeten Ultraschallsignale unterschiedliche dynamische Bedingungen antreffen können, wenn sie in verschiedenen Richtungen zu verschiedenen Zeitpunkten laufen. Die abwechselnde Steuerung der Wandler führt ferner zu elektrischen Störungen infolge der Gegenwart des Steuer-

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impulses in einem Wandler in einem Empfangszustand, was unter bestimmten Bedingungen die Messung beeinträchtigen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile durch die Entwicklung eines Gerätes der vorangehend beschriebenen Art zu vermeiden, welches maximale Genauigkeit bei der Aufzeichnung von Messungen gewährleistet, jedoch eine beträchtliche Verminderung in der Zahl der verwendeten elektronischen Bauelemente ermöglicht.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschallgerät zur Bestimmung des Luftmassendurchflusses in einer Leitung von der Bauart mit zwei piezoelektrischen Wandlern, die in der Leitung an in Abstand voneinander befindlichen Stellen angeordnet sind, einer Einrichtung zum Erregen der Wandler, so daß sie Ultraschallsignale zueinander senden, und einer Einrichtung zum Errechnen aus den von den Wandlern empfangenen Signalen der Luftströmung innerhalb der Leitung, unterscheidet sich dadurch, daß die Einrichtung zum Erregen der beiden Wandler durch einen Impulsgenerator gebildet wird, der zu den Wandlern so geschaltet ist, daß sie beide gleichzeitig mit Impulsen zur Übertragung gespeist werden, und dadurch, daß beim Fehlen solcher Impulse zur Übertragung die Wandler in einem Empfangszustand gehalten werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher beschrieben, die ein Blockschaltbild der Ausführungsform in schematischer Darstellung zeigt.

In der Zeichnung ist eine Leitung 1 dargestellt, durch welche eine zu messende Luftströmung stattfindet. An den entgegengesetzten Enden der Leitung befinden sich zwei piezoelektrische Wandler 2, 2', die auf der Achse der Leitung an-

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geordnet sind, um die Bildung von Wirbeln in der Nähe der Wände der Leitung durch ihre jeweilige Halterung (nicht gezeigt) zu verhindern.

Die beiden Wandler werden gleichzeitig durch einen einzigen Impulsgenerator 8 beliefert, wobei die Dauer jedes Impulses zur Resonanzfrequenz der Wandler in Beziehung steht. Dies ist nur'möglich, wenn der Α-Faktor der Wandler ausreichend niedrig ist, um die Störung bei jedem Wandler (infolge des Impulses) zu dämpfen, bevor das Signal von dem anderen Wandler eintrifft. Aus diesem Grunde haben die verwendeten piezoelektrischen Kapseln einen sehr niedrigen Α-Faktor, so daß unter der Einwirkung der Luftströmungen eine Impulsfolge erhalten wird, bei welcher es möglich ist, die erste Halbwelle zu identifizieren.

Die elektronische Verarbeitungsschaltung, die mit den beiden Wandlern verbunden ist, umfaßt eine Steuerschaltung 7 zur gleichzeitigen Speisung der beiden piezoelektrischen Wandler 2, 2' über zwei Schalterstromkreise 3, 3¹, welche die piezoelektrischen Kapseln automatisch vom Sendezustand zum Empfangs· zustand schalten. Das Ausgangssignal aus den Wandlern 2, 2', wenn sich diese im Empfangszustand befinden, wird über die Schalterstromkreise 3, 3^f zwei Triggerverstärkern 4, 4' zugeführt, die zwischen den Schalterstromkreisen 3, 3^f und zwei Torschaltungen 5, 5' angeordnet sind. Die Torschaltungen 5, 5' werden durch einen Zeitgeber gesteuert, der Zeitimpulse sowohl zur Steuerung der Torschaltungen, um das öffnen und Schließen derselben zu steuern, als auch für die Steuerung der Sendesteuerschaltung 7 erzeugt. Die Zeitimpulse vom Impulsgenerator 8 werden zwei Impulswählschaltungen 6, 6' zugeführt, die dazu dienen, zu einer Speicherschaltung 9 zum Zeitpunkt des Eintreffens jedes durch den piezoelektrischen

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Wandler empfangenen Schallsignals durchzulassen. Der Ausgang der Speicherschaltung 9 ist eine Folge von Impulsen, deren Dauer je proportional der Augenblicksluftgeschwindigkeit in der Leitung ist. Diese Signale werden zu einer Integrierschaltung 10 geleitet, um den Mittelwert der Luftgeschwindigkeit zu erhalten, und der Ausgang aus der Integrierschaltung 10 wird einer Multiplizierschaltung 11 zugeführt, um den Augenblicksluftströmungswert als Produkt der Luftgeschwindigkeit aus der Integrierschaltung 10, den geometrischen Konstanten des Gerätes und dem atmosphärischen Druck zu erzielen, von welch letzterem der Wert durch einen Luftdruckfiihler 12 geliefert wird.

Die Arbeitsweise der vorangehend beschriebenen Schaltungsanordnung ist wie folgt:

Allgemein dient die Schaltungsanordnung dazu, die Differenz zwischen der Laufzeit eines Ultraschallsignals vom piezoelektrischen Wandler 2 zum piezoelektrischen Wandler 2' und der Laufzeit eines Ultraschallsignals vom Wandler 2· zum Wandler 2 innerhalb der Luftleitung 1 zu bestimmen.

Die Differenz Δι zwischen diesen Laufzeiten ist gegeben durch den Ausdruck:

At = 2 1 w

u²-w²

wobei:

w = Luftgeschwindigkeit

u = Geschwindigkeit des Signals durch die Luft

1 = Abstand zwischen den Kapseln.

Wenn, wie in diesem Falle, die maximale Luftgeschwindigkeit um einen Faktor 20 geringer als die Schallgeschwindigkeit ist (d.h. 20 mal geringer), kann der obige Ausdruck wie folgt

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A 185 /

At = 2 1 w u²

wobei der Fehlerspielraum vernachlässigbar ist.

Ausserdem kann, da u = KT, der obige Ausdruck wie folgt geschrieben werden:

= 2 1 w KT

Ferner ist, wenn S = Querschnitt der Leitung

V = spezifisches Volumen der Luft,

der Massendurchfluß G gegeben durch:

und für zweiatomige Gase ist es bekannt, daß:

pv = RT (p = Luftdruck in der Leitung)

RT

woraus V = —
P

und durch Substituieren wird erhalten:

r ^Swp SK At Tp ^b " RT " 21R t

SK
Nun stellt eine Konstante (K₁), welche ausschließlich

"21R

von der geometrischen Charakteristik der

Schaltungsanordnung abhängt. Daher ist:

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A 185 ν

Die Messung des Luftmassendurchflusses G durch die Leitung in kg/sec, kann durch Ermitteln von ^\t vorgenommen werden, d.h. der Differenz in den Laufzeiten in jeder Richtung des Ultraschallsignals innerhalb der Leitung, und des absoluten atmosphärischen Druckes ρ in der unmittelbaren Umgebung des Meßgerätes, wobei die Konstante K, bekannt ist. Aus dem obigen Ausdruck für G ergibt sich, daß Schwankungen in der absoluten Temperatur T innerhalb der Leitung keine Wirkung auf die Messung der Strömung haben, da die Größe T automatisch eliminiert wird.

Von aussen induzierte Störungen im Betrieb des Gerätes werden verringert, da die Torschaltungen 5, 5' während des ganzen Zeitraums zwischen einem Impuls und dem nächsten mit der Ausnahme eines kurzen Zeitintervalls entsprechend dem Empfang des gesendeten Signals, wenn die Messung vorgenommen wird, geschlossen bleiben.

Durch diese Arbeitsweise wird die Möglichkeit, daß eine elektrische oder akustische Störung die Torschaltungen passieren und die Verarbeitungsschaltungen erreichen können, auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Vorzugsweise soll die Amplitude der Impulse mehrere 100 V, beispielsweise zwischen 500 und 1000 V, betragen. Die Resonanz der Wandler soll vorzugsweise bei etwa 300 kHz liegen und die Dauer jedes Impulses soll vorzugsweise etwa 1,5 Mikrosekunden betragen.

Patentansprüche: - 7 -

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Claims

Patentansprüche

1.!Ultraschallgerät zur Messung des Luftmassendurchflus-—"ses in einer Leitung von der Art mit zwei piezoelektrischen Wandlern, die an in Abstand voneinander befindlichen Stellen in der Leitung angeordnet sind, einer Einrichtung zum Erregen der Wandler, so daß sie Ultraschallsignale zueinander senden, und einer Einrichtung zum Errechnen aus den durch die Wandler empfangenen Signalen der Luftströmung in der Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7, 8) zum Erregen der beiden Wandler (2, 2') durch einen Impulsgenerator (7) gebildet wird, der mit den Wandlern (2, 2¹) so verbunden ist, daß beide gleichzeitig mit Impulsen zur Übertragung gespeist werden, und daß beim Fehlen solcher Impulse zur Übertragung die erwähnten Wandler (2, 2¹) in einem Empfangszustand gehalten werden,

2» Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Impulse mehrere 100 V und vorzugsweise zwischen 500 und 1000 V beträgt.

3» Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes Impulses in Beziehung zu dem A-Faktor der Wandler (2, 2') und zu dem Abstand zwischen diesen so bestimmt wird, daß die Schwingungen jedes Wandlers (2, 2') gedämpft werden können, bevor der durch den anderen Wandler (2, 2¹) Übertragene Wellen-

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zug eintrifft.

Luftleitung mit einem Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler (2, 2¹) auf einer Achse derselben angeordnet sind.

Für: FIAT Societä per Azioni

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