(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体媒体に使用するための流量計（１１０）であって、
該流量計は、２つの超音波変換器（１１２，１１４）と、少なくとも１つの流管（１１８）とを含み、
前記流体媒体は前記流管（１１８）を主流れ方向（１３２）に通流し、
前記流管（１１８）は、直線状に構成された測定区間（１１６）と、前記流体媒体を前記流管（１１８）の中に導入するため、および、前記流体媒体が流管（１１８）を通流した後に前記流体媒体を当該流管（１１８）から外に出すために使用される２つの側方接続部（１２２，１２４）とを有しており、
前記２つの超音波変換器（１１２，１１４）は、前記流管（１１８）の対向する管端部に結合されており、前記主流れ方向（１３２）に対して平行に前記測定区間（１１６）に超音波信号を放射するよう構成されており、
前記流管（１１８）から前記超音波変換器（１１２，１１４）への熱伝導を低減するために、前記超音波変換器（１１２，１１４）を前記流管（１１８）から隔離する熱減結合要素（１４０）が設けられており、
前記熱減結合要素（１４０）の箇所の流管壁（１２０）が、ベローズ（１４２）と、平均壁厚に比べて壁厚が低減された領域（１４４）とを含む、
ことを特徴とする流量計。
【請求項２】
前記熱減結合要素（１４０）は、完全または部分的に、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低い材料から製造されている、
ことを特徴とする請求項１記載の流量計（１１０）。
【請求項３】
前記熱減結合要素（１４０）は、完全または部分的に鋼から製造されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の流量計（１１０）。
【請求項４】
前記壁厚が低減された領域（１４４）における壁厚は、１．０ｍｍよりも薄い、
ことを特徴とする請求項３記載の流量計（１１０）。
【請求項５】
前記壁厚が低減された領域（１４４）における壁厚は、前記流管（１１８）の前記平均壁厚の２分の１よりも薄い、
ことを特徴とする請求項３または４記載の流量計（１１０）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項記載の流量計（１１０）を使用した、流体媒体の流れを測定するための方法において、
流体媒体は、少なくとも１００℃の温度を有する、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術から、流体媒体の流れを測定するために使用可能な流量計が公知である。例えば流量計は、流体媒体の流速、質量流、または体積流、またはこれらの測定量を組み合わせた測定量を検出するよう構成されている。例えば流量計は流管において使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
公知の測定原理は、流体媒体の中に放射される超音波信号を使用することに基づいている。ここでは１つ、２つ、または複数の超音波変換器を使用することができる。超音波変換器は、流体媒体の中に超音波信号を放射すること、および／または、流体媒体から超音波信号を受信することができる。より詳しく言えば、超音波変換器は、超音波信号が流体媒体の主流れ方向に少なくとも１つの伝播成分を有するような角度において、または、超音波信号が主流れ方向とは逆方向に少なくとも１つの伝播成分を有するような角度において、超音波信号を放射および／または受信する。例えば、主流れ方向への伝播と主流れ方向と逆方向への伝播に対する伝播時間差から、流体媒体の流れを推定することができる。別の方法は、例えば超音波信号の反射および／またはパルス技術に基づいている。流量計は、従来技術から、例えばＤＥ１０２００４０６１４０４Ａ１またはＥＰ０６０５９４４Ａ２から一般的に公知である。上記刊行物に開示された、超音波信号から流体媒体の流れを推定するための測定原理は、例えば本願発明の範囲においても使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＤＥ１０２００４０６１４０４Ａ１
【特許文献２】ＥＰ０６０５９４４Ａ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら公知の超音波変換器の適用範囲は基本的に制限されている。例えば従来技術から公知の多くの超音波変換器は、高温の媒体、および／または、例えば腐食性媒体、酸、油等のような浸蝕性の媒体に対して敏感に反応する。例えばとりわけ自動車分野において内燃機関の排気ガス流を測定するためには、現時点では、この用途が要求する全ての要求に適合するような測定方法は公知ではない。種々の測定原理がテストされた。
【０００５】
しかしながら公知の方法は、排気ガス流において生じる条件には基本的に適さない。排気ガス流においては高温、基本的には１００℃を格段に上回る温度が生じる。さらに排気ガス流には、例えば煤、酸、水、油の形態の汚染物質、または他の汚染物質が生じる。さらなる不利な周囲環境は、排気ガス流における不規則性が非常に大きい場合である。排気ガス流においては、とりわけ１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ領域の周波数による気柱振動が生じることがある。従来の流量計はこのような周辺条件には基本的に適さない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、公知の流量計および公知の方法の欠点を少なくとも大幅に回避する、流体媒体に使用するための流量計ならびに流体媒体の測定方法が提案される。とりわけ本発明の流量計は、高温の流体媒体、例えば１００度を格段に上回る温度を有する流体媒体、および／または、汚染度が高い流体媒体において使用するためのものである。とりわけ本発明の流量計は内燃機関の排気管にて使用することができ、排気ガス流、例えば排気ガス質量流、および／または、排気ガス体積流、および／または、排気ガス流速が測定される。しかしながら別の用途も基本的に可能である。
【０００７】
本発明は、非常に汚染された流体媒体、例えばガスを測定するためには原理的に超音波測定方法が適当であるという認識に基づく。例えば流れを測定するために、流れに沿った超音波信号の伝播時間と、流れとは逆方向の超音波信号とを比較することによる、伝播時間法を使用することができる。このような、とりわけ基本的に線形特性によって条件づけられている方法も、不規則な流れを検出するために同様に良好に適している。もっとも上述のように、従来技術から公知のような所要の超音波変換器は、動作温度、すなわち１００℃を優に超える流体媒体の温度においては簡単には適さない。したがって本発明は、少なくとも１つの超音波変換器、とりわけ２つ以上の超音波変換器を備えた流量計構造であって、例えば測定すべき流体媒体が高温であるにもかかわらず、前記少なくとも１つの超音波変換器が、該超音波変換器にとって許容できる温度範囲にあるように配置されている流量計構造を提案する。さらに流量計は、少なくとも１つの超音波変換器のために最適な測定条件が存在するように構成することができる。
【０００８】
したがって、少なくとも１つの超音波変換器および少なくとも１つの測定区間を含む、流体媒体に使用するための流量計が提案される。ここでの超音波変換器とは、本発明の範囲においては、超音波信号を放射するため、および／または、超音波信号を受信および記録するために構成された要素である。例えば少なくとも１つの超音波変換器はそれぞれ、少なくとも１つの電気音響変換素子が収容された少なくとも１つの変換器のコアを含むことができる。電気音響変換素子は基本的に、電気信号を超音波信号に変換するため、および／または、超音波信号を電気信号に変換するために構成された任意の素子である。電気音響変換素子として、例えば少なくとも１つのピエゾ素子を使用することができる。変換器のコアは、例えば超音波変換器のケーシング内に収容することができる。
【０００９】
本願発明の範囲における測定区間とは、少なくとも１つの超音波変換器の超音波信号が沿って伝播する区間である。本発明によれば測定区間は、流体媒体が主流れ方向に通流可能な少なくとも１つの流管を有する。ここでの流管とは、流体媒体の流れを導くために構成された通流可能な任意の要素である。流管は、例えば１つまたは複数の管、有利には金属材料からなる管を含むことができる。しかしながら基本的には、択一的または付加的に、プラスチック材料および／または別の材料を使用することも可能である。流管は、基本的に任意の横断面、例えば円形、正方形、または一般的に多角形の横断面を有することができる。流管は、少なくとも流体媒体が通流する区間において、有利には実質的に直線状に構成されている。この流体媒体が通流する区間は、流管全体とすることも、流管の一部分のみとすることも可能である。
【００１０】
少なくとも１つの超音波変換器は、超音波信号を、主流れ方向に対して実質的に平行に測定区間に放射するよう構成されている。一般的に主流れ方向とは、流管内における流体媒体の質量輸送および／または体積輸送の主たる方向である。例えば流管の壁における乱流などといった局所的な不規則性はここでは無視してよい。主流れ方向に対して実質的に平行な放射とは、本願発明の範囲においては一般的に、有利には正確に平行に、または正確に逆平行に延びる放射と理解されたい。この平行性からのズレは２０°よりも小さく、有利には１０°よりも小さく、特に有利には５°よりも小さい。しかしあまり有利ではないが、誤差をさらに許容することも基本的には可能である。ぴったり主流れ方向に向かって測定すること、ないしは、主流れ方向とはぴったり反対方向に測定することにより、超音波変換器のために最適な測定条件が提供される。この関連において、流体媒体への超音波信号の放射には、基本的に流体媒体からの超音波信号の受信も含めてよいということを言及しておく。
【００１１】
流管は、測定区間の少なくとも一部分を形成する。上に述べた課題、とりわけ温度に関する課題を解決するために、超音波変換器を少なくとも１つの熱減結合要素によって流管から隔離することが提案される。熱減結合要素は、流管から超音波変換器への熱伝導を低減するよう構成されている。付加的に熱減結合要素を、例えば１５０℃を超える典型的な流体媒体温度において、超音波変換器の領域における温度が、流管の領域における温度に比べて９０％以下に、有利には７０％以下に、特に有利には５０％以下にまで低下するよう構成することができる。択一的または付加的に熱減結合要素を、超音波変換器の領域における温度が、通常動作において最大でも１００℃以下、有利には最大でも８０℃以下となるよう構成することができる。
【００１２】
すなわち熱減結合要素は、流管から超音波変換器への熱伝導を、超音波変換器が流管に直接結合されている場合に比べて低減するよう構成されているのである。とりわけ超音波変換器は上述のようにケーシングを含むことができ、例えばケーシングには、ピエゾ素子のような少なくとも１つの電気音響変換素子を備えた少なくとも１つの変換器コアが埋め込まれている。少なくともこのケーシングは熱減結合要素によって流管の管壁から隔離すべきであり、このようにして流管の管壁からケーシングへの熱伝導は少なくとも低減され、とりわけ熱伝導の低減に関して上に挙げた数値に低減される。
【００１３】
熱減結合要素は、種々の方法で構成することができる。本発明の第１の有利な実施形態では、熱減結合要素は例えばベローズとして構成することができる。ここでのベローズとは、一方の部材の端部と他方の部材の端部とを連結する、蛇腹状に形成された壁材料を有する結合部である。例えばベローズの一方の端部には、超音波変換器を直接的または間接的に結合することができ、対向する端部には、流管を直接的または間接的に結合することができる。ここでのベローズとはその定義によれば、結合された部材間の直線距離が、当該部材間におけるベローズ壁に沿った接続長さよりも短くなるように構成されている。例えばベローズは成形ベローズとして構成することができ、とりわけベローズは、以下により詳細に説明するように完全または部分的に金属材料から製造することができる。
【００１４】
熱減結合要素は、択一的または付加的に、壁厚が低減された領域を含むことができる。とりわけこの壁厚が低減された領域における壁厚は、流管の壁厚、例えば流管の測定区間における平均壁厚と比べて２分の１より薄く、有利には３分の１より薄くすることができる。この壁厚が低減された領域における壁厚は、有利には１．０ｍｍより薄く、有利には０．５ｍｍよりも薄い。壁厚の低減された領域においては、熱減結合要素を例えば完全または部分的に金属材料から製造することができ、例えば以下に挙げる金属材料のうちの１つまたは複数の金属材料から製造することができる。さらには択一的または付加的に、壁厚の低減された領域が上述した最適なベローズと完全または部分的に一致するということも可能である。しかしながら別々の形態も基本的に可能である。
【００１５】
別の択一的または付加的に実現可能な有利な実施形態においては、熱減結合要素を、完全または部分的に、熱伝導率が１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低い金属から製造することができる。この熱伝導率は例えば２０℃において定めることができる。とりわけこの材料は、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低い材料、特に有利には３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より低い材料とすることができる。このように低い熱伝導率を実現することは、有利には金属材料によっても可能である。なぜなら通常のプラスチック材料は、上述した動作温度では基本的に使用できないからである。しかしながら、択一的または付加的にプラスチック使用することも基本的に可能であり、例えば、充填材を添加してまたは添加せずに使用可能な耐熱プラスチックを使用することが可能である。しかしながら少なくとも１つの金属材料との接続が特に有利である。とりわけここでは熱伝導率の低い金属材料を使用すべきである。鋼を使用すると特に有利である。というのは、鋼は熱伝導率が低いからである。このことから、クロム−ニッケル−鋼を使用すると特に有利である。このようなクロム−ニッケル−鋼の熱伝導率は、典型的には１５〜２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、この熱伝導率領域は特に有利である。しかしながら基本的には、択一的または付加的に、別の材料を使用することも可能である。例えば上述したベローズ、および／または、壁厚が低減された領域は、完全または部分的に、上に挙げた熱伝導率を有する材料から製造することができる。
【００１６】
上述した利点を所期のように利用できるようにするために、熱減結合要素を、例えば種々の材料から形成された複数のパーツから組み立てることができる。熱減結合要素は、択一的にまたは付加的に、熱減結合要素の少なくとも限定された領域に亘って、流管の熱伝導率の少なくとも２分の１，有利には少なくとも３分の１、特に有利には少なくとも１０分の１である熱伝導率を有する。
【００１７】
上述のように、流管が測定区間において実質的に直線状に形成されていると特に有利である。この際基本的には、直線状の形態からの最小限のズレ、例えば流管の壁における不規則性を許容することも可能である。しかしながら超音波信号は、依然として流管において直線状に、実質的に主流れ方向に対して平行に伝播すべきである。
【００１８】
少なくとも１つの超音波変換器は、とりわけ熱減結合要素によって、流管の少なくとも１つの管端部に結合することができる。とりわけ少なくとも２つの超音波変換器を設けることができ、これらの超音波変換器は、それぞれ有利には少なくとも１つの熱減結合要素によって、流管の対向する管端部に結合されている。
【００１９】
流管には、全体として側方接続部、有利には短管を設けることができる。この側方接続部はとりわけ、流体媒体を流管の中に導入するために、および、流体媒体が流管を完全または部分的に通流した後にこの流体媒体を流管から外に出すために使用されるものである。例えばこれらの側方接続部は、流管の互いに対向する側に設けることも、同一の側に設けることも可能である。流管の軸に対して角度がオフセットされた形態も可能である。
【００２０】
上述した１つまたは複数の実施形態による流量計の他にさらに、既に上述したように、流体媒体の流れを測定する方法が提案される。本発明の方法は、上述した従来技術による伝播時間法に基づいて実施できるものであり、当該方法においては、上述した１つまたは複数の実施形態による流量計が使用される。ここでは流体媒体は、少なくとも１００℃、有利には少なくとも１５０℃の温度を有する。さらに流体媒体は、上述のように、例えば以下に挙げる汚染物質によって汚染されていてもよい。煤、酸、水、油。さらに本発明の方法は、測定区間内の気柱が例えば１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ領域の振動によって振動する場合にも実施することが可能である。
【００２１】
本発明の実施例を図１に図示し、以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の流量計の実施例を示す。
【実施例】
【００２３】
図１には、本発明の流量計１１０の実施例が図示されている。流量計１１０は例えば内燃機関の排気管にて使用することができる。しかしながら別の用途も基本的に可能である。
【００２４】
流量計１１０は、第１超音波変換器１１２および第２超音波変換器１１４、ならびにこれらの超音波変換器の間に延在する測定区間１１６を含む。測定区間１１６は、第１超音波信号１１２と第２超音波信号１１４との間における超音波信号の伝播を可能にする。超音波信号の伝播は、図１において参照符号１１９によってシンボリックに図示されている。例えば第１超音波変換器１１２が超音波信号を放射して、この超音波信号を第２超音波変換器１１４が受信するようにすることもできる。あるいはこの逆も可能である。しかしながら基本的に反射配置も可能であるということを言及しておく。
【００２５】
測定区間１１６は、例えば金属材料からなる、流管壁１２０を備えた流管１１８を含む。流管１１８は、短管１２４の形態の側方接続部１２２を含む。側方接続部１２２は、本実施例では、流管１１８の対向する端部にて互いに対向する側に配置されている。これらの短管１２４により、流体媒体は流管１１８に流入１２６することができ、流体媒体が測定区間１１６ないし測定区間１１６の有効部分１３０を通流した後には、流管１１８から流出１２８することができる。ここでの測定区間の有効部分１３０とは、流体媒体の主流れ方向１３２が超音波信号の伝播１１９に対して実質的に平行となっている領域である。例えばこの領域では、主流れ方向１３２は、流管１１８の管軸１３４に対して平行に延在する。
【００２６】
超音波変換器１１２，１１４は、それぞれ１つの変換器のコア１３６を含む。変換器のコア１３６は、例えばケーシング１３８の中に収容することができる。ケーシング１３８は、別個に構成することも、測定区間１１６の別の要素と少なくとも部分的に一体的に構成することも可能である。ケーシング１３８および／または超音波変換器１１２，１１４は、少なくとも１つの熱減結合要素１４０によって流管１１８から隔てられている。熱減結合要素１４０によって、一方では、超音波変換器１１２，１１４を機械的に固定することができる。他方では、熱減結合要素１４０は、流管１１８から超音波変換器１１２，１１４への熱伝導を低減する。
【００２７】
図示した本実施例においては、熱減結合要素１４０を例えば完全または部分的にベローズ１４２として構成することができる。しかしながら上述のように、択一的または付加的に別の実施形態も可能である。例えば択一的または付加的に、熱減結合要素１４０をそれぞれ、流管１１８の壁厚と比較してより壁厚の小さい領域１４４、例えば壁厚が０．５ｍｍより小さい壁領域を有するように構成することができる。超音波変換器１１２，１１４と流管１１８の接続部の長さはベローズ１４２の襞によって延長されるので、流量計１１０の寸法を全体としてできるだけ小さく維持することが可能となる。熱伝導を低減するために熱減結合要素１４０は、択一的または付加的に、例えばできるだけ熱伝導率の低い材料を含むことができるか、または、全部もしくは部分的にできるだけ熱伝導率の低い材料から形成することができる。このような材料の例として、クロム−ニッケル−鋼、鉄−ニッケル−合金（例えばインバー、Ｆｅ−３６Ｎｉ）、Ａｌ２０３等が挙げられる。例えば金属材料および／またはセラミック材料を使用することができる。基本的には、択一的または付加的に、耐熱プラスチックを使用することも可能である。しかしながらプラスチックを使用することは一般的にあまり有利ではない。なぜなら通常排気管に生じる温度は、プラスチックを使用可能な温度よりも高すぎるからである。
【図１】
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