(57)【要約】  流体において使用される超音波フローセンサ（１１０）を開示する。前記超音波フローセンサ（１１０）は、流体の流れに沿って相互にずらされて該流体の流管（１１２）内に配置された少なくとも２つの超音波変換器（１２０，１２２）を含む。さらに、前記超音波フローセンサ（１１０）は反射面（１２６）を有し、前記超音波変換器（１２０，１２２）は、前記反射面（１２６）において１回反射することにより相互に超音波信号を送信し合うように設けられている。さらに、前記超音波変換器（１２０，１２２）間に偏向装置（１３２）が設けられており、該偏向装置（１３２）は、前記反射面（１２６）によって反射され該偏向装置（１３２）に当たった寄生的な超音波信号が該超音波変換器（１２０，１２２）から逸れるように該寄生的な超音波信号を偏向させることにより、該寄生的な超音波信号を実質的に抑圧するように設けられている。
2013509598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体内で使用するための超音波フローセンサ（１１０）であって、
前記超音波フローセンサ（１１０）は、前記流体の流管（１１２）内に流れに沿って相互にずらされて配置された少なくとも２つの超音波変換器（１２０，１２２）と、反射面（１２６）とを有し、
前記超音波変換器（１２０，１２２）は、超音波信号を前記反射面（１２６）において１回反射させることによって相互に送信し合うように設けられており、
前記超音波変換器（１２０，１２２）間に偏向装置（１３２）が設けられており、
前記偏向装置（１３２）は、前記反射面（１２６）から反射され該偏向装置（１３２）に当たった寄生的な超音波信号を前記超音波変換器（１２０，１２２）から逸らすように偏向させることにより、該寄生的な超音波信号を実質的に抑圧するように設けられている
ことを特徴とする、超音波フローセンサ。
【請求項２】
前記偏向装置（１３２）は、前記超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続区間の少なくとも中間の１／３区間内に配置されている、請求項１記載の超音波フローセンサ。
【請求項３】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも１つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有する、請求項１または２記載の超音波フローセンサ。
【請求項４】
前記偏向面（１３４，１３６；１５０）の面法線と前記反射面（１２６）の面法線との間の角度の平均的な大きさは、１０°を超える、請求項３記載の超音波フローセンサ。
【請求項５】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも部分的に、前記超音波変換器（１２０，１２２）間にある測定管表面（１１８）によって形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項６】
前記超音波変換器（１２０，１２２）間にある前記測定管表面（１１８）は、該超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続線の方向に、３つの面領域に分けることができ、
前記接続線に沿った前記３つの面領域の寸法、および、該接続線に対して横方向の該３つの面領域の寸法はそれぞれ、該接続線の長さの１／３であり、
前記３つの面領域のうち中間の面領域における、前記反射面（１２６）の面法線と前記測定管表面（１１８）の面法線との間の角度の平均的な大きさは、１０°を超える、請求項５記載の超音波フローセンサ。
【請求項７】
前記偏向装置（１３２）は、
屋根形状と、
角錐形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として曲面の屋根面を有する屋根形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として曲面の角錐面を有する角錐形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として円柱面を有する角錐形状と、
前記流れの中に向かって突出した尖端と、
鋸歯形状と
のうち少なくとも１つの形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項８】
前記偏向装置（１３２）は、サブパターンを有する少なくとも１つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有し、
前記サブパターンは、
複数のリブと、
複数の溝と、
格子と、
複数の面を有するサブパターンと、
請求項７に記載の形状のうち複数の形状を有するサブパターンと
のうち１つまたは複数のパターンを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項９】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも１つの反射バリア（１５２）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項１０】
前記偏向装置（１３２）は、少なくとも１つの交線において相互に交わる少なくとも２つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有し、
前記交線と、前記超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続線との間の角度は、９０°と異なる角度である、
請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先行技術
従来技術から、流体の流れを検出するためのフローセンサが多数公知になっている。流体の流れを検出するための超音波フローセンサはたとえば、流管内の流体の質量流量、体積流量または流速等を検出する。その際には、通常は２つ以上の超音波変換器が使用され、これらの超音波変換器は流体の流れに沿って流れの中に相互にずらされて配置され、相互に超音波信号を送信し合えるようにされる。流れ方向の成分を有する超音波信号と、該流れ方向と逆方向の成分を有する超音波信号との伝搬時間差から、流速および／または流れに特徴的な別のパラメータを推定することができる。
【０００２】
ＤＥ３９４１５４４Ａ１に上述のような超音波フローセンサの一例が記載されており、この超音波フローセンサは、本発明にしたがって変更することができる。上述の文献では、複数の超音波変換器間で超音波信号が複数回反射される超音波流量計が開示されている。このことにより測定管内にＷ字形の超音波経路が形成され、このような超音波経路により、超音波経路がより長くなり、壁に面一で変換器の取付を行うことができるという利点が得られる。
【０００３】
しかしこの公知の反射式装置には、ＤＥ３９４１５４４Ａ１において複数必要とされる反射面が、システムのロバスト性を低くするという欠点がある。とりわけ、上述の構成では３倍必要とされる反射面は振動に影響を受けやすく、流れ状態に影響を及ぼしてしまうことがあり、汚染や、汚染に伴う反射率の変化に影響を受けやすく、または熱遅延（thermischer Verzug）に影響を受けやすい。
【０００４】
発明の概要
上記問題に応じて本発明では、公知の超音波フローセンサの欠点を少なくとも十分に回避する超音波フローセンサを開示する。本発明の超音波フローセンサは反射方式であるが、一義的な超音波伝搬経路を設ける。本発明の超音波フローセンサは、流体内で使用するために構成されており、たとえば流体は、流管内に流れる流体とすることができ、この流管の構成要素にはたとえば、該流管に組み込まれ、および／または該流管の一部である測定管を含めることができる。前記超音波フローセンサはとりわけ自動車分野において使用することができ、たとえば自動車内燃機関において使用することができる。前記超音波フローセンサはとりわけ自動車のフレッシュエア系統において、とりわけターボチャージャより下流において、とりわけ業務用自動車領域において使用される。上述の使用分野に代わる代替的な適用分野としてたとえば、プロセス制御等のプロセス技術におけるガスや液体用のセンサや、距離センサとしての用途、液体レベルセンサとしての用途、化学産業や薬品産業におけるフローセンサとしての用途、医療技術におけるたとえば呼吸用ガス監視でのセンサとしての用途、または、エネルギー技術においてたとえば発電所や家庭用の熱量計としての用途がある。
【０００５】
前記超音波フローセンサは、流体の流れに沿って相互にずらされて該流体の流管内に配置された少なくとも２つの超音波変換器を含む。たとえば、前記超音波変換器の全部または一部を前記流管の測定管の壁に、すなわち該流管の一部分の壁に組み込むか、または該流管内に別個に組み込まれた測定管の壁に組み込むことができる。また、本来の流管または測定管にプラグインセンサとして取り付けられるかまたは該流管または測定管に挿入されたケーシング部品内に、前記超音波変換器を収容することもできる。この場合、ケーシング部品の内壁を流管または測定管の一部と解することもできる。ここで、流れに沿ってずらされて配置されるとは、超音波変換器のうち１つを他の超音波変換器より上流に配置することを指し、その際には、これらの超音波変換器の配置を正確に流れ方向に行うか、または下記で詳述するように、これらの超音波変換器を流れ方向に対して横方向に相互にずらして配置することもできる。
【０００６】
本発明では、超音波変換器とは一般的に、電気信号を超音波信号に変換し、および／または超音波信号を電気信号に変換できる装置を指す。たとえば１つの超音波変換器が、少なくとも１つの電気音響変換素子を収容する少なくとも１つのトランスデューサ本体を含むことができる。上述の電気音響変換素子の一例に、圧電素子があるが、別の電気音響変換素子を使用することもできる。超音波変換器の可能な実施形態に関してはたとえば、上記で挙げた従来技術や他の公知の超音波変換器を参照することができる。
【０００７】
超音波フローセンサはさらに、反射面も有する。反射面とは、超音波信号の全部または一部を反射するように設けられた面を指し、たとえばこの反射面を、測定管の一部等である流管の一部とするか、または別体として、たとえば流体の流れ中に配置される反射面として、該測定管内部に挿入することができる。また、本来の流管または測定管にプラグインセンサとして取り付けられるかまたは該流管内部または測定管内部に挿入されるケーシング部品が前記超音波変換器を収容し、前記反射面を該ケーシング部品に固定することもできる。前記複数の超音波変換器は、反射面において１回反射させて超音波信号を相互に送信するように設けられている。換言するとこのことは、ＤＥ３９４１５４４Ａ１に開示された構成のＷ字形の伝搬と異なり、本発明では、超音波変換器間において超音波信号がＶ字形に伝搬する伝搬経路を有利な伝搬路として設けることを意味する。その際には、超音波変換器が理想的なＶ字形の伝搬経路に対して僅かに傾くことにより、たとえば流れの中でビームが掻き消されるのに対して持ちこたえることができ、および／または、両変換器の表面間で複数回反射するのを低減できるように、該超音波変換器を取り付けることもできる。
【０００８】
さらに、超音波変換器間に偏向装置も設けられる。この偏向装置はたとえば、後に詳述するように、測定管の一部とし、および／または、内部に超音波変換器が挿入される測定管の壁の一部とすることができる。また、基本的には別の配置も可能である。前記偏向装置は、反射面によって反射され該偏向装置に当たった寄生的な超音波信号が前記超音波変換器から逸れるように該寄生的な超音波信号を偏向することにより、該寄生的な超音波信号を実質的に抑圧するように設けられている。換言すると前記偏向装置は、たとえば、超音波変換器間において測定管の表面による反射が複数回行われるＷ字形の信号伝搬または別の信号経路を抑圧するように設けられる。ここで「実質的に」抑圧するとは、偏向装置無しの構成と比較して、すなわち超音波変換器間の測定管の平滑な表面の場合と比較して、寄生的な超音波信号の音波エネルギーを少なくとも３０％抑圧すること、有利には少なくとも５０％抑圧すること、特に有利には少なくとも８０％抑圧すること、または少なくとも９０％抑圧することを意味する。
【０００９】
前記偏向装置はとりわけ、少なくとも、超音波変換器間を結ぶ接続区間を３分割したときの中間の１／３区間に配置することができる。また、前記偏向装置を超音波変換器間の区間全体にわたって延在させるか、または該区間の別の一部分にわたって延在させることもできる。特に有利には、とりわけＷ字形の信号伝搬を抑圧するため、前記偏向装置は前記超音波変換器に対して実質的に対称的に配置される。
【００１０】
その際には有利には、前記偏向装置を巨視的なスケールで形成することができる。このことは、有利には、測定管表面からの偏向装置の隆起および／または深さが最大となる場所において、該偏向装置が測定管内部に突出するかまたは外側方向に該測定管に入り込む大きさが超音波信号の波長を上回り、たとえば０．１ｍｍを上回り、とりわけ０．５ｍｍを上回り、有利には１．０ｍｍを上回り、特に有利には２．０ｍｍを上回るか、４．０ｍｍを上回ることを意味する。また上記構成の代わりに、または上記構成と併用して、偏向装置が、上述の巨視的スケールより小さいスケールの１つまたは複数の構造体を有することもでき、偏向装置は巨視的な構造体の代わりに、または有利には巨視的な構造体と併用して、粗面部を有することもできる。
【００１１】
したがって基本的には、上述の定義による巨視的領域の大きさスケールの偏向装置の構造と、微視的領域の上述のスケールにある構造、とりわけ隆起部が１．０ｍｍを下回りとりわけ表面粗面化の大きさスケールにある構造という、２つの大きさスケールに分けることができる。前記巨視的領域の大きさスケールの構造は、以下では巨視的構造とも称され、微視的領域のスケールの構造は、以下では微視的構造とも称される。
【００１２】
有利には、前記偏向装置は巨視的構造体を有する。この巨視的構造体はたとえば、最小で流体中の超音波の波長までの大きさスケールを基準とすることができる。常温の空気中の音速が３４０ｍ／ｓであり周波数が３４０ｋＨｚである場合、たとえば超音波の波長は１ｍｍとなる。
【００１３】
偏向装置はとりわけ、少なくとも１つの偏向面を有することができ、有利には少なくとも２つ以上の偏向面を有することができる。ここで偏向面とは、超音波信号に対して少なくとも部分的に反射特性および／または吸収特性を有し、前記偏向装置の機能に応じて超音波の偏向を保証するように設けられた面を指す。より多数の偏向面を設けることもでき、たとえば、偏向装置を角柱形または角錐形に成形することで得られる複数の４つの偏向面とすることもできる。前記偏向装置を平面に形成するか、または湾曲させて形成することもできる。種々の例については、後で詳細に説明する。
【００１４】
前記少なくとも１つの偏向面はとりわけ、前記反射面に対して傾けることができる。この構成の代わりに、またはこの構成と併用して、前記少なくとも１つの偏向面がとりわけ、前記超音波変換器間を結ぶ接続線に対して傾いた少なくとも１つの偏向面を含むこともできる。有利には、流体の流れ方向と前記超音波変換器間を結ぶ接続線とによって定められる平面と前記少なくとも１つの偏向面とが交わる、該偏向面の基準線が、該超音波変換器間を結ぶ接続線に対して９０°と異なる角度で配置されるように、該偏向面を設けることができる。前記偏向面の基準線と前記超音波変換器間を結ぶ接続線との間の角度はたとえば、０°〜７０°および／または１１０°〜１８０°である。この構成の代わりに、またはこの構成と併用して、前記少なくとも１つの偏向面は、前記超音波変換器間を結ぶ接続線を含み前記反射面に対して垂直である平面に対して、平行または逆平行でない法線ベクトルを有することができる。このことによってたとえば、前記超音波変換器間を結ぶ接続線を含み前記反射面に対して垂直な平面からの超音波信号が反射されることを保証することができる。
【００１５】
この構成の代わりに、またはこの構成と組み合わせて、前記偏向面の面法線と前記反射面の面法線とが成す角度の大きさの平均を１０°以上とし、有利には１５°以上とし、特に有利には２０°以上とすることもできる。とりわけ、前記偏向装置の一部を、前記超音波変換器間の測定管表面によって形成することができる。たとえば、前記超音波変換器間を結ぶ接続線の方向に、該超音波変換器間の測定管表面を３つの面部分に分けることができ、該３つの面部分の該接続線に沿った寸法と該接続線に対して横方向の寸法とをそれぞれ、該接続線の長さの約１／３とすることができる。有利には、これら３つの面部分のうち中間の面部分における前記反射面の面法線と前記測定管表面の面法線との間の角度の大きさの平均を１０°以上とすることができ、とりわけ１５°以上とすることができ、特に有利には２０°以上とすることができる。
【００１６】
前記偏向装置はとりわけ、屋根形、角錐形、偏向面として曲面の屋根面を有する屋根形、偏向面として曲面の角錐面を有する角錐形、偏向面として凸形または凹形の円柱面を有する角錐形、流れの内部に向かって突出する尖端形、鋸歯形、波形、塊状形、窪み形、丘形、階段形、リブ形、上記の形状のうち少なくとも１つの形状に対する反転形状のうち、少なくとも１つの形状を有することができる。前記反転形状はたとえば、上記の形状のうち少なくとも１つの形状を負の方向に押し付けることによって得られる形状である。また、上述の形状および／または他の形状の組み合わせを用いることもできる。さらに、上述の形状のうち複数の形状を相互に配列するか組み合わせることもでき、たとえば、複数の角錐形状を相互に配列してワッフル模様を形成することができる。複数の角錐形状を１方向または２方向に相互に配列する場合、これらの角錐の基準線と前記複数の超音波変換器間を結ぶ接続線との間の角度を、０°および９０°と異なる角度にするのが特に有利である。たとえば前記角錐の基準線と前記超音波変換器間の接続線との間の角度を２０°〜７０°の角度および／または１１０°〜１６０°の角度にすることができる。また、基本的には別の形状も可能であり、上述の形状はとりわけ、上述の定義にしたがって巨視的構造として形成することができる。またこの構成の代わりに、またはこの構成と組み合わせて、上述の形状のうち１つまたは複数の形状を微視的構造として、たとえば偏向面に形成することもでき、たとえば、巨視的構造の１つまたは複数の面、たとえば１つまたは複数の偏向面を、１つまたは複数の微視的構造によってサブパターニングすることにより、巨視的構造と微視的構造とを組み合わせることもできる。
【００１７】
前記偏向装置はとりわけ、上記で詳述したように少なくとも１つの偏向面を有することができ、有利には少なくとも２つ以上の偏向面を有することができる。これらの偏向面はとりわけ、サブパターンおよび／または微視的構造を有することができる。ここでは微視的構造とは、上述の大きさスケールで構造化することを指し、たとえば前記少なくとも１つの偏向面をサブパターニングすることを指す。前記偏向面のプロフィール全体として巨視的構造を定義するか、または巨視的構造の構成要素とすることができる。その際に有利なのは、微視的構造または別の種類のサブパターニングによって、たとえば少なくとも１つのより小さい巨視的構造によって、前記少なくとも１つの偏向面を複数の部分面に分割することである。たとえば微視的構造またはより小さい巨視的構造等である前述のサブパターンはとりわけ、流体中の超音波の波長の５倍未満の領域の深さを有し、有利には該波長の２倍未満の領域の深さを有し、特に有利には該波長の１倍未満の領域の深さを有することができ、たとえば１／４波長の領域の深さを有することができる。前記サブパターンはとりわけ、以下の構造のうち１つまたは複数の構造を有することができる：複数のリブ、複数の溝、格子、複数の面を有するサブパターン、上述の種類のうち複数の形状を有するサブパターン。
【００１８】
上記で詳述したように、前記超音波変換器を流れ方向に沿ってずらす他にさらに、流体の流れに対して横方向に相互にずらすこともできる。このようにしてたとえば、上流に配置された超音波変換器によって生じる流れの不規則性が、下流に配置された超音波変換器に影響するのを阻止することができる。
【００１９】
さらに、とりわけ流体の流れに対して横方向に超音波変換器を相互にずらした配置では、偏向装置が少なくとも１つの反射バリアを有することもできる。この構成は、超音波変換器の別の配置でも可能である。ここで反射バリアとは、測定管表面から流体の流れの中に比較的垂直に入り込むバリアを指し、この反射バリアは、薄板の形状で作製することができる。たとえば前記反射バリアは、１／３区分のうち中間の区分において、有利には中間位置において、前記超音波変換器間を結ぶ接続線と交わることができる。
【００２０】
とりわけ前記反射バリアは、以下の特性を有する薄板を含むように作製することができる：前記薄板は第一に、超音波変換器間を直接結ぶ接続線に対して横方向の有意なベクトル成分を有する主延在方向を有する。これにより、１つの超音波変換器の音波が反射面において１回反射してから他の超音波変換器に達するよりも、該１つの超音波変換器が偏向装置において１回または複数回反射した後に該反射面においてもう１回反射した後に他の超音波変換器に達するのが増えることはなく、むしろ逆方向に反射されるか、または側方に逸れて反射される傾向になる。前記複数の超音波変換器を流れ方向に対して横方向に相互にずらして配置することにより、上述の構成の代わりに、または上述の構成と前記薄板とを併用して、該薄板を流れ方向に対して平行または十分に平行に配置することができ、該薄板が流れを阻害することがなくなる。前記偏向装置の主構造体を流れ方向に上述のように配置することにより、流れを阻害することなく対応する構造深さを相応により大きく選択できるようになり、このことによって、Ｗ字形の音波伝搬を阻止するための適正なバリアを実現することができる。
【００２１】
前記偏向装置はとりわけ、上述のように少なくとも２つの偏向面を有することができる。これらの偏向面はたとえば、上述のように屋根形状で、交線において相互に交わることができる。前記交線はとりわけ、前記超音波変換器間を結ぶ接続線に対して９０°と異なる角度を成すように配置することができる。この配置により、Ｗ字形の音波伝搬が偏向面の屋根形の傾きによってのみ低減または消去されるだけでなく、前記反射面に対して垂直でありかつ前記超音波変換器間の接続線に対して平行である平面からも音波が反射される。前記平面は通常は、有効信号の主成分によって定義される平面、または、偏向装置が無い場合のＷ字形の成分によって定義される平面と同一である。さらに、偏向面間の交線と超音波変換器間の接続線との間の角度が９０°と異なる角度であるということは、該偏向面の法線ベクトルと、有効信号の主成分によって定義される平面とが平行でないという特徴と同義であると見なすことができる。前記偏向面に当たった音波成分を前記平面から適切に偏向させることにより、偏向されたこの音波成分の大部分が前記反射面によって反射されて、該音波を送信した超音波変換器に戻ってしまうのが阻止される。このように音波を送信した超音波変換器に反射によって該音波が戻ることは、寄生的な音波経路（たとえば、測定方向と逆方向の音波経路）と見なすことができる。前記角度はたとえば８０°未満とすることができ、たとえば７０°未満とすることができる。前記複数の偏向面自体が相互に接する角度はたとえば９０°と異なる角度とすることができ、たとえば９０°を上回る角度とすることができ、たとえば１００°を上回る角度とすることができ、とりわけ１１０°を上回る角度とすることができる。また、別の構成も可能である。
【００２２】
本願で開示した超音波フローセンサは、従来の超音波フローセンサと比較して複数の利点を有し、とりわけ、寄生的な超音波経路を十分に抑圧して、一義的な超音波伝搬経路を保証することができる。上記で詳述したように、超音波フローセンサにはとりわけ、測定対象である流れにおいて相互にずらされて配置された２つの超音波変換器を有するように構成することができ、これら２つの超音波変換器は反射面を介して相互に超音波信号を送信し合う。前記反射面の向きはとりわけ、反射領域における主法線ベクトルＮｈによって定義することができる。測定管表面は上記で説明したように、両超音波変換器間において、両超音波変換器間を結ぶ接続線の方向に、上記にて定義された３つの面領域に分けることができ、両超音波変換器間を結ぶ接続線に沿った該面領域の寸法と、該接続線に対して横方向の該面領域の寸法とは、該接続線の長さＬの少なくとも近似的に１／３の寸法にされる。その際にはたとえば、上述のように、前記３つの面領域Ｍのうち中間の面領域における、前記測定管表面の面法線Ｎと、該反射面の主法線ベクトルＮｈに対して逆平行の方向のベクトルとの間の平均角度を１５°より大きい角度に選択することができる。超音波フローセンサはとりわけ前記偏向装置として、前記超音波変換器間に表面構造部を有することができ、とりわけ測定管表面の表面構造部を有することができる。とりわけ前記表面構造部によって、音波が前記反射面において反射し前記超音波変換器間の領域において反射した後に該反射面において再度反射する寄生的なＷ字形の音波経路が、該反射面を１回のみ経由するＶ字形の所望の有効音波経路より格段に抑圧されるように、前記表面構造部を形成することができる。
【００２３】
本発明により、とりわけ妨害信号が抑圧される。本発明を実施しない場合、妨害信号は有効信号より遅い時点で、たとえば約２倍の伝搬時間で受信側に入射することになる。それゆえ、このような妨害信号が来るまで待機するか、または、適切に選択された評価時間窓によって該妨害信号を消去することができるが、その際には、測定動作を繰り返し行う中で、再測定を行えるようになるまで待機しなければならない時間、または、音波方向と逆方向に測定を行えるようになるまで待機しなければならない時間が長くなる。それに対して本発明により、測定誤差を増加させることなく、たとえば内燃機関の吸入領域、フレッシュエア領域または排ガス領域において脈動的な流れを十分にサンプリングするのに必要な領域に、測定繰り返しレートをもっていくことができる。本発明では、ＤＥ３９４１５４４Ａ１に記載された装置と比較して、１回の反射だけでよい１次的なＶ字形の音波経路が得られるという利点が得られる。
【００２４】
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】１回の反射面を有する公知の超音波フローセンサの基本的構成を示す。
【図２】超音波変換器において得られる超音波信号の時間特性を示す。
【図３】寄生的な超音波経路が抑圧されないかまたは該寄生的な超音波経路の抑圧が不十分である、図１に代わる代替的な構成を示す。
【図４】寄生的な超音波経路が抑圧されないかまたは該寄生的な超音波経路の抑圧が不十分である、図１に代わる代替的な構成を示す。
【図５】寄生的な超音波経路が抑圧されないかまたは該寄生的な超音波経路の抑圧が不十分である、図１に代わる代替的な構成を示す。
【図６】偏向装置を有する本発明の超音波フローセンサの第１の実施例を示す。
【図７】偏向装置を有する本発明の超音波フローセンサの第１の実施例を示す。
【図８】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図９】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１０】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１１】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１２】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１３】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１４】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１５】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１６】本発明の超音波フローセンサの代替的な実施例を示す。
【図１７】偏向装置の表面プロフィール成形（Konturierung）の種々の実施例を示す。
【図１８】偏向装置の表面プロフィール成形（Konturierung）の種々の実施例を示す。
【図１９】偏向装置の表面プロフィール成形（Konturierung）の種々の実施例を示す。
【図２０】本発明の超音波フローセンサの別の実施例を示す。
【図２１】本発明の超音波フローセンサの別の実施例を示す。
【図２２】本発明の超音波フローセンサの別の実施例を示す。
【００２６】
実施例
図１に、本発明の出発点である従来の超音波フローセンサ１１０を示す。この従来の超音波フローセンサ１１０は流管１１２を有し、該流管１１２内には流れ方向１１４に、図１中において符号ｖで示された流速で流体が流れる。この流体はたとえば、内燃機関の排ガスおよび／または内燃機関の吸入系統における空気質量（たとえば、ターボチャージャによって圧縮された後の空気質量）である。前記流管１１２は測定管１１６を有する。この測定管１１６はたとえば、前記流管１１２の一部分を成すか、または、該流管１１２内部にプラグインセンサとして取り付けられたケーシングによって該測定管を形成することができる。前記測定管１１６の測定管表面１１８に、２つの超音波変換器１２０，１２２が流れ方向１１４に沿って相互にずらされて配置されている。図１中、これらの超音波変換器１２０，１２２を符号ＡおよびＢによっても示している。前記超音波変換器１２０，１２２は、反射面１２６を有する反射器１２４を介して相互に超音波を送信し合う。この構成では、音波経路１２８は所望のＶ字形の音波経路となる。図１中、このＶ字形の音波経路を一点鎖線で示している。さらに図１には、寄生的なＷ字形の音波経路１３０を点線で示す。このＷ字形の音波経路１３０は、反射面１２６において反射が複数回行われ、かつ、該反射面１２６における複数回の反射の合間に測定管表面１１８においても反射が行われることによって生じる。音波がＡからＢへ伝搬する伝搬時間と、ＢからＡへ伝搬する伝搬時間とから、平均流速Ｖが求められ、該平均流速Ｖから体積流量および／または質量流量が求められる。超音波変換器１２０，１２２の指向特性と、流体に起因してビームが掻き消される現象とに応じて、所望のＶ字形の音波経路１２８の他にさらに、１つまたは複数の不所望の音波経路も生じ、たとえば図中のＷ字形の寄生音波経路１３０や、Ｍ字形の寄生音波経路も生じる。
【００２７】
図２Ａおよび２Ｂに、実施可能な超音波測定の時間的順序を示す。これら各図には、時間ｔに依存する、両超音波変換器１２０，１２２における音波強度Ｉを、超音波変換器Ａにおいて放出された音波（図２Ａ）と超音波変換器Ｂにおいて放出された音波（図２Ｂ）とに分けて示す。まず、超音波変換器Ａにおいて音波が送信され（図２Ａ、太線の曲線）、その後、該音波はＶ字形の音波経路１２８を経由してＢへ伝達される（図２Ａの細線の曲線）。通常、Ｂにおいて受信される音波が完全に電気信号に変換されることはなく、音波エネルギーの大部分は、この音波を受信する超音波変換器において反射されてＡに戻り、Ａに入射して（点線で示す）Ａで再び反射され、Ｂに再び到達する等を行う。Ａから送信されＢにおいて反射された音波がＡへ戻るちょうどその間にＢにおいて音波が送信されると（図２Ｂ、太線の曲線）、Ｂで送信されたこの音波はＡに入射し、その際にはＡには、直前の送信プロセス（Ａ）で反射された妨害音波は存在せず、該直前の送信プロセス（Ａ）の前の送信プロセス（Ｂ）で反射された妨害音波のみが存在する。これに相応する妨害音波はこの時点ですでに、超音波変換器１２０，１２２において４回反射しており、相応に減衰している。さらに、可変の測定繰り返しレートにより、たとえば超音波期間の変化幅以内の僅かに異なる複数の時間間隔で行われた複数回の測定の測定結果を平均することにより、４回反射したこの妨害音波の影響をさらに低減することができる。このようにして、測定を１回行うごとに先行の送信によって生じたすべてのエコーがフェードアウトするまで長い間待機する必要なく、図２Ａおよび２Ｂに示されたように測定繰り返しレートを比較的高く選択することができる。
【００２８】
しかし、図２Ａおよび２Ｂに示されたグラフでは、寄生的なＷ字形またはＭ字形の音波経路や別の寄生的な音波経路は未だ考慮されていない。このような寄生的な音波経路の長さはたとえば、Ｖ字形の音波経路１２８の長さの約２倍になるため、測定を繰り返し行うのを続けると、図２Ａおよび２Ｂに示されたような、さらなる妨害信号が生じて測定誤差を引き起こす時間間隔が短くなる。とりわけ、超音波変換器１２０，１２２間において反射性の表面が存在する場合、たとえば反射性の測定管表面１１８が存在する場合、上述の寄生的な音波経路が生じる。このことは、図１と異なる他の幾何学的条件でも、たとえば図３〜５に示されたような幾何学的構成でも発生する。図３〜５においても、図１に示された本発明の技術背景と同様の超音波フローメータ１１０を示している。よってこれらの図に関しては、上述の説明の大部分を参照することができる。これらの図に示された幾何学的構成に共通する特徴は、とりわけ両超音波変換器１２０，１２２間のほぼ中間に、法線の方向が反射面１２６の主法線ベクトルに対してほぼ逆平行である面区分が設けられていることである。図５に示された構成では、両超音波変換器１２０，１２２間に湾曲部分が存在し、この湾曲部分もまた、たとえば空気力学的に有利であり、それと同時に音波を僅かに散乱させるが、反射面１２６の法線ベクトルに対して逆平行の法線ベクトルが依然として存在し、しかも、この逆平行の法線ベクトルはとりわけ、両超音波変換器１２０，１２２間のほぼ中間のクリティカルな領域に存在する。このことは通常、超音波変換器１２０，１２２間において測定管表面１１８全体が小さく湾曲している場合にも当てはまる。
【００２９】
それに対して図６Ａ〜８では、本発明の超音波フローセンサ１１０の第１の実施形態を示す。ここでは、符号１４０によって複数のリブを示す。これらのリブ１４０は流管１１２の底部まで達することができ、また、部分的にだけ偏向面１３４，１３６に入り込むことも可能であり、このような複数のリブ１４０のリブ構造体によって偏向面１３４，１３６を分割することにより、たとえば超音波フローセンサ１１０の空気力学的な特性を改善することができ、さらには、個々のリブ１４０において散乱ないしは反射した音波の干渉により、音波をさらに散乱させるか、または音波の一部を相殺することができる。
【００３０】
図９Ａおよび９Ｂに、上述の構成に対する代替的な、超音波変換器１２０，１２２間の輪郭の実施形態を等高線で概略的に示す。ここでは、両超音波変換器１２０，１２２を側方に、流れ方向１１４に対して横方向にも、相互にずらして配置できることが示されている。前記偏向装置１３２の輪郭の末端部分の少なくとも一部は、前記超音波変換器１２０，１２２の側方にまで延在することができる。ここでは、両超音波変換器１２０，１２２を流れ方向１１４に対して横方向にも相互にずらして配置することができ（図９Ａ）、および／または、両超音波変換器１２０，１２２が相互に真っ直ぐ整合される状態から両超音波変換器１２０，１２２を相互間でずらすか、ないしは相互に傾けることができる（図９Ｂ）。これらの構成により、超音波変換器１２０，１２２間で複数回反射されるエコーを低減することができ、かつ、一方の超音波変換器１２０からの渦（Wirbelschleppe）が他方の超音波変換器１２２に当たらないようにすることができる。
【００３１】
図１０Ａおよび１０Ｂに、超音波フローセンサ１１０の別の実施例を示す。この実施例では、偏向装置１３２が少なくとも１つの反射バリア１５２を有する。図１０Ａは測定管表面１１８を上から見たときの平面図であり、該測定管表面１１８には両超音波変換器１２０，１２２が組み付けられている。それに対して図１０Ｂは、図１０Ａの構成の一部の斜視図である。
【００３２】
これらの図から、反射バリア１５２は基本的に、測定管表面１１８から突出し少なくとも２つの偏向面１３４，１３６を有する構造体であることが分かる。これら少なくとも２つの偏向面１３４，１３６は、測定管表面１１８に対して非常に急峻になっている。たとえば、これらの偏向面１３４，１３６と測定管表面１１８との間の角度は７０°〜１１０°であり、とりわけ８０°〜９０°である。反射バリア１５２はたとえば、１．０ｍｍ〜２０ｍｍの高さＨで流体の流れの中に突出している。さらに、反射バリア１５２の流れ方向１１４の長さｌは、たとえば１．０ｍｍ〜５０ｍｍとすることができる。
【００３３】
またとりわけ、流れ方向１１４に対して実質的に平行に反射バリア１５２を配置することができる。このことはとりわけ、図１０Ａに一例として示されている。ここで「実質的に平行」とは、平行である状態からの偏差が２０°を上回らないこと、有利には１０°を上回らないこと、特に有利には５°を上回らないことを指すことができる。前記反射バリア１５２は全体的に非常に狭幅に形成することができ、たとえば該反射バリア１５２の流れ方向１１４に対して垂直方向の幅ｂが５．０ｍｍを上回らないようにし、たとえば０．５〜３．０ｍｍとすることができる。
【００３４】
図１０Ａおよび１０Ｂからも分かるように、とりわけ、両超音波変換器１２０，１２２間を結ぶ接続線に対して斜めに反射バリア１５２が延在するようにすることができる。図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて、前記接続線を符号Ｌによって示している。たとえば、図１０Ａおよび１０Ｂにおいて符号１５４によって示された流れバリアの長手延在方向は、両超音波変換器１２０，１２２間を結ぶ接続線Ｌと５°〜６０°の角度で交わることができ、とりわけ２０°〜４５°の角度で交わることができる。
【００３５】
リブ１４０を有する屋根状構造体、たとえば図８に示されたような複数の薄板を有する屋根状構造体を選択するか、または、薄板を有さない構成を選択する場合にはさらに、該偏向装置１３２の偏向面１３４，１３６間の交線１３０が両超音波変換器１２０，１２２間の接続線Ｌに対して垂直にならないように、該偏向装置１３２の「屋根」を傾けることもできる。前記偏向面１３４，１３６間の交線１３０は、屋根の「頂線」（Firstline）とすることもできる。このような構成は、本発明の他の実施例でも実現することができ、たとえば図１１〜１４に示された実施例でも実現することができる。図１１には、図９Ｂに示された実施例と同様の構成を示している。図１１では、偏向面１３４，１３６はさらにサブパターン１４２も有しており、このサブパターン１４２はたとえば複数のリブまたは複数の溝として形成されており、たとえば比較的小さい巨視的構造体として、または微視的構造体として形成されている。図１２は、図１１に示された実施例の変形を示しており、図１２でも同様に、サブパターン１４２が設けられている。このサブパターン１４２は、たとえば階段状に形成されている。図１３には、図９Ａに示された実施例と同様の実施例を示しており、図１３でもオプションとしてサブパターン１４２が設けられている。このサブパターン１４２は、図１３でも一例として、階段状になっている。たとえば比較的小さいスケールの巨視的構造体または微視的構造体として形成されるサブパターン１４２は、一般的にオプションとして、本発明のすべての実施例において偏向面１３４，１３６に設けることができる。このようなサブパターン１４２は、偏向面１３４，１３６によって決定された巨視的構造体を、より小さい複数の面に分割し、たとえば複数の部分面、凹部または溝等に分割する。有利には、前記サブパターン１４２の深さは流体中の超音波の波長のオーダであり、たとえば該サブパターン１４２の深さは流体中の超音波の波長の５倍を超えることがなく、有利には該波長の３倍または２倍を超えることがない。
【００３６】
図１４に再度、偏向装置１３２の屋根状の基本構造体を示す。上記で述べたように、両超音波変換器１２０，１２２間において前記偏向装置１３２の偏向面１３４，１３６によって決定された巨視的構造体は、表面サブパターン１４２としてさらに複数の溝１４４を有することができる。図１５の実施例にこのことを一例として示す。これらの溝１４４が複数の各面区分１４６を画定することができ、たとえば、これらの溝１４４間のウェブの上の面区分１４６と、該ウェブ間の面区分１４６とを画定することができる。その際にはむしろ、隣接する面区分１４６は相互に垂直に接することができる。このことはたとえば、図１５の実施例に少なくとも近似的に当てはまる。または、図１６の実施例に示されているように、隣接する面区分１４６は相互に斜めに接することもできる。面区分が相互に斜めに接することにより、寄生音波の散乱作用が改善される。図１７にこのことが示されている。図１７は、偏向面１３４，１３６のうちいずれかの偏向面の断面を示す。この断面図から、上記の複数の面区分１４６が分かる。その際にはとりわけ、流体中の音波の波長のオーダである深さ方向および／または横方向の寸法を有するサブパターン１４２が有利である。この深さ方向および／または横方向の寸法は、たとえばλ／４のオーダである。図１８を参照して、このことを再度説明する。同図は、図１７に代わる、面区分１４６の代替的な実施形態を示す。このような寸法決めにより、反射された音波成分の位相シフトが生じ、これらの音波成分の少なくとも一部が、相互に干渉することによって相殺される。図１７に示された屋根形のサブパターン、または、図１８に示されたサブパターンに代わる実施形態として、図１９Ａ〜１９Ｆに別の種々の実施形態を示す。１つの主配向を有するサブパターン１４２、たとえば上述のような溝パターンの他に、複数の主配向軸を有するサブパターン１４２や、面内にほぼ全方向に等しく分布された複数の構造体を有するサブパターン１４２も可能であり、たとえば格子状の構造や、擬似的に不規則に配置された複数の隆起部および／または陥入部等を有するサブパターン１４２が可能である。図２０Ａ（斜視図）および図２０Ｂ（上面図）に、超音波変換器１２０，１２２間に設けられ偏向装置１３２として機能する巨視的構造体を示す。両図に示された巨視的構造体は、上述のサブパターンの選択に依存することがなく、「頂線」の代わりに尖端１４８を有する。前記尖端１４８はたとえば、３つまたは４つ以上の偏向面１５０を有する角錐構造体をまとめることができる。このような構造体が、図２０Ａおよび２０Ｂに示されたように、前記超音波変換器１２０，１２２間を結ぶ接続線Ｌに対して配向されている場合、Ｗ字形の寄生的な音波成分のうち、流れ方向や該超音波変換器１２０，１２２間の接続線Ｌの方向の音波成分が偏向されるだけでなく、この方向に対して横方向の成分も偏向される。
【００３７】
図２１に、図２０Ｂに示された構成の変形を示す。この実施形態では、角錐面を成す４つの偏向面１５０のうち２つの偏向面１５０においてのみ横方向の偏向があるが、この実施形態の偏向効果は、大抵の用途において十分である。図２１に示された上述の幾何学的な特徴はさらに、通常は斜めに取り付けられる超音波変換器１２０，１２２を取り付けるために使用され測定管表面１１８に設けられる取付ポケットとともに、特に良好に利用できるという利点も有する。この場合、角錐構造体を湾曲および／または歪ませることにより、実際には該角錐構造体が尖端１４８においてのみ角錐形になるようにすることができる。この構成を、図２２Ａの斜視図にて示す。図２２Ｂは、前記超音波変換器１２０，１２２間を結ぶ接続線Ｌに対して垂直方向の、前記測定管表面１１８の断面図である。同図では偏向装置１３２の角錐構造体は、測定管表面１１８の相互に交わる２つの円柱面によって形成されている。この構成の代わりに、複数の円錐面や、他の平面状の面または曲面を使用して、該複数の円錐面や平面状の面または曲面が相互に交わって前記偏向装置１３２を形成し、有利には前記尖端１４８を形成するようにすることもできる。図２２Ａに示された構成でも、前記偏向面１５０を成す４つの「屋根面」はそれぞれ、流れ方向および／または流れ方向と逆方向および／または流れ方向に対して横方向の法線方向が反射面１２６の法線方向に対して逆平行のベクトルから格段に偏差する向きを有する。これにより、寄生的な音波成分を回避することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年5月2日(2012.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体内で使用するための超音波フローセンサ（１１０）であって、
前記超音波フローセンサ（１１０）は、前記流体の流管（１１２）内の流れに沿って相互にずらされて配置された少なくとも２つの超音波変換器（１２０，１２２）と、反射面（１２６）とを有し、
前記超音波変換器（１２０，１２２）は、超音波信号を前記反射面（１２６）において１回反射させることによって相互に送信し合うように設けられており、
前記超音波変換器（１２０，１２２）間に偏向装置（１３２）が設けられており、
前記偏向装置（１３２）は、前記反射面（１２６）から反射され該偏向装置（１３２）に当たった寄生的な超音波信号を前記超音波変換器（１２０，１２２）から逸らすように偏向させることにより、該寄生的な超音波信号を抑圧するように設けられている
ことを特徴とする、超音波フローセンサ。
【請求項２】
前記偏向装置（１３２）は、前記超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続区間の少なくとも中間の１／３区間内に配置されている、請求項１記載の超音波フローセンサ。
【請求項３】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも１つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有する、請求項１または２記載の超音波フローセンサ。
【請求項４】
前記偏向面（１３４，１３６；１５０）の面法線と前記反射面（１２６）の面法線との間の角度の平均的な大きさは、１０°を超える、請求項３記載の超音波フローセンサ。
【請求項５】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも部分的に、前記超音波変換器（１２０，１２２）間にある測定管表面（１１８）によって形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項６】
前記超音波変換器（１２０，１２２）間にある前記測定管表面（１１８）は、該超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続線の方向に、３つの面領域に分割され、
前記接続線に沿った前記３つの面領域の寸法、および、該接続線に対して横方向の該３つの面領域の寸法はそれぞれ、該接続線の長さの１／３であり、
前記３つの面領域のうち中間の面領域における、前記反射面（１２６）の面法線と前記測定管表面（１１８）の面法線との間の角度の平均的な大きさは、１０°を超える、請求項５記載の超音波フローセンサ。
【請求項７】
前記偏向装置（１３２）は、
屋根形状と、
角錐形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として曲面の屋根面を有する屋根形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として曲面の角錐面を有する角錐形状と、
偏向面（１３４，１３６；１５０）として円柱面を有する角錐形状と、
前記流れの中に向かって突出した尖端と、
鋸歯形状と
のうち少なくとも１つの形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項８】
前記偏向装置（１３２）は、サブパターンを有する少なくとも１つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有し、
前記サブパターンは、
複数のリブと、
複数の溝と、
格子と、
複数の面を有するサブパターンと、
請求項７に記載の形状のうち複数の形状を有するサブパターンと
のうち１つまたは複数のパターンを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項９】
前記偏向装置（１３２）は少なくとも１つの反射バリア（１５２）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【請求項１０】
前記偏向装置（１３２）は、少なくとも１つの交線において相互に交わる少なくとも２つの偏向面（１３４，１３６；１５０）を有し、
前記交線と、前記超音波変換器（１２０，１２２）間を結ぶ接続線との間の角度は、９０°と異なる角度である、
請求項１から９までのいずれか１項記載の超音波フローセンサ。
【国際調査報告】
2013509598.tif 000037
2013509598.tif 000038
2013509598.tif 000039
2013509598.tif 000040
2013509598.tif 000041
2013509598.tif 000042