(57)【要約】【課題】  温度安定性と原温度形状の減少と考察を考慮して、実質的に改良された出力を備える超音波ガス流量計を提供すること。          【解決手段】  超音波ガス流量計は、送信音変換器と受信音変換器を備えるガス貫流測定管と、送信受信評価電子部とから成る。    改良された出力能力、特に温度安定性と温度形状の減少と考察を備えるセンサーを構成するために、音変換器（７，８，９，１０）は容量電音式超音波変換器として形成され、そしてガス温度形状を比較調節し且つ流れ測定における温度形状の影響を最小化する装置が設けられる。  平均流速と流れるガス量とが運転時間から高い時間的解像度をもつ送信器と受信器の間の二つの音信号により検出されるガス流量を検出する、ガスの貫流を検出する方法のために、ガス、特に高動的流れの容積流或いは質量流の正確且つ確実な検出が達成される。  そのために、運転時間の決定後に流量用の仮定値が評価され（３５）、この仮定値は少なくともガスの特性的温度と測定管の壁の温度によって修正される（３６）。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス貫流測定管と、少なくとも一つの送信音変換器と一つの受信音変換器並びに送信受信評価電子部とから成る稼働時間方法に基づく超音波ガス流量計において、音変換器（７，８，９，１０）は容量電音式超音波変換器として時間的過渡音信号を音発生し且つ受信するように形成され、流れのガス温度形状を比較調節し且つ流れ測定における温度形状の影響を最小化する装置が設けられることを特徴とする超音波ガス流量計。
【請求項２】
変換器（７，８，９，１０）は、例えばチタン材料から成る金属ダイアフラム（１８，２３）を有することを特徴とする請求項１に記載のガス流量計。
【請求項３】
裏板（１９，２４）はドーピング処理した半導体とその上に重ねる絶縁層（２１，２７）とから成り、その絶縁層が例えば塗布される箇所にダイアフラム（１８）が特に直接に載置されることを特徴とする請求項２に記載のガス流量計。
【請求項４】
絶縁層（２１，２７）は第二電極、即ち裏板（１９，２４）の材料の反応により製造処理中に周囲大気による熱作用下で生じる材料によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガス流量計。
【請求項５】
第二電極、即ち裏板（１９，２４）は一つの構成（２０）を備えていることを特徴とする請求項３或いは請求項４に記載のガス流量計。
【請求項６】
一つの構成（２０）を備える第二電極、即ち裏板（１９，２４）は不連続合成構造、好ましくは腐食された構成を備えていることを特徴とする請求項５に記載のガス流量計。
【請求項７】
変換器（７，８，９，１０）は、直線的或いは平面的配列で複数の別々に装着可能な領域（２６）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項８】
少なくとも一つの音変換器（７，８，９，１０）、特に受信変換器（９，１０）は移動自在に支承されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項９】
一つ或いは複数の音変換器（７，８，９，１０）は、回転可能に支承されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１０】
測定管（１）の壁用加熱装置（２）は場合によっては音変換器（７，８，９，１０）にも備えられることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１１】
測定管（１）は僅かな特定熱容量をもつ材料、特に熱絶縁材料から製造されること及び／又はこの種の材料製の被膜を備えていること及び／又はこの種の材料製の被覆により包囲されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１２】
温度及び／又は流れ形状を形成する取付け部（５，６）は測定管（１）に据付けられているか、或いは一体化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１３】
少なくとも一つの温度センサー（１３）が測定管（１）の壁の温度の測定のために設けられ、そして評価電子部（３）と接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１４】
少なくとも一つの温度センサー（１２）が流れの温度の測定のために設けられ、評価電子部（３）と接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１５】
ガス組成を検出する装置、特にラムダゾンデ（１５）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１６】
データ導線（１６）とデータインターフェイスが設けられ、それらを介して流れのガス組成に関する情報が伝達されることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１７】
受信電子部（１１）はアナログ増幅器として構成されていて、少なくとも一次増幅器段（３０）の基準電位は変換器（９，１０）の電位水準、即ちバイアス電圧に上昇されることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項１８】
増幅回路（３０）の反転入力部は直接に容量式変換器（９，１０）と接続されていることを特徴とする請求項１７に記載のガス流量計。
【請求項１９】
容量式変換器（９，１０）と基準電位はコンデンサ（３１）を介して増幅回路（３０）の反転入力部と接続されていることを特徴とする請求項１７或いは請求項１８に記載のガス流量計。
【請求項２０】
増幅回路（３０）の非反転入力部には同様に基準電位がＲＣ−素子（３２）を介して当接していることを特徴とする請求項１７乃至請求項１９のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項２１】
ＲＣ−素子（３２）の時定数は変換器容量と基準電位の連結抵抗（３１）から形成されたフイルタの時定数とほぼ同じ大きさであることを特徴とする請求項２０に記載のガス流量計。
【請求項２２】
一次増幅段（３０）は別のフイルタ（３４）の後に接続されていて、特に高域フイルタ、場合によっては第二増幅段は次のバンドパスフイルタと事情によっては少なくとも一つの分離コンデンサの後に接続されていることを特徴とする請求項１７乃至請求項２１のいずれか一項に記載のガス流量計。
【請求項２３】
内燃機関の排気ガス列には請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載のガス流量計が据付けられていることを特徴とする内燃機関の排気ガス流を測定する装置。
【請求項２４】
ガス流量計は排ガス内の有害物質成分を決定するガス取出し部の抵抗力のない箇所のすぐ付近に設けられていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
ガス流量計は、内燃機関の排ガスの部分流により貫流される導管部分内に挿入されていることを特徴とする請求項２３或いは請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
ガス流量計は、内燃機関の排ガスを希釈するガス流により貫流される導管部分内に挿入されていることを特徴とする請求項２３或いは請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
平均流速とそれからの流れるガス量とが運転時間から高い時間的解像度をもつ送信器と受信器の間の二つの音信号により検出されるガス流量を検出する方法において、運転時間の決定後に流量用の仮定値が評価され（３５）、この仮定値は少なくともガスの特性的温度と測定管の壁の温度によって修正される（３６）ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
流量の仮定値を決定するために、測定管の現実の圧力値、特に正確に運転測定の箇所に関係されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
仮定値はガスの特性的温度と測定管の壁の温度に依存して修正されることを特徴とする請求項２７或いは請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
測定管の壁の温度が測定されることを特徴とする請求項２７乃至請求項２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
測定管内のガスの温度が測定されることを特徴とする請求項２７乃至請求項３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
ガスの特性的温度は、運転時間とそれによる測定管内の温度形状の物理的モデルに基づく音速度用の仮定値とから検出されることを特徴とする請求項２７乃至請求項３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
ガスの特性的温度は、測定管の壁の温度の考慮によって精確に表現されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
温度測定と運転時間測定用の時点の選択の際に装置の幾何学形状と流速が考慮されることを特徴とする請求項２７或いは請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
ガス量（３７）の仮定値の修正の際のガス組成を考慮するために、ガス量の算出用の断熱係数の公称値が採用されることを特徴とする請求項２７乃至請求項３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
断熱係数の公称値はガスの特性的温度に一致して修正されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
超音波信号の送信時点と運転時間の仮定値とに依存して、受信信号の到着時点用の期待時間窓が求められることを特徴とする請求項２７乃至請求項３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
送信時点の連続性、即ち測定反復率は仮定された運転時間に依存して適合されることを特徴とする請求項２７乃至請求項３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
運転時間の仮定値として予め行った測定の運転時間が使用されることを特徴とする請求項３７或いは請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
運転時間の仮定値として予め行った流量測定の結果に依存してモデル的に形成された計算値が使用されることを特徴とする請求項３７或いは請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
運転時間を求めるために、まず最初に受信信号の開始用の仮定時点が確認され、精密開始は複雑な値に図示された受信信号の位相情報の分析によって確認されることを特徴とする請求項３７乃至請求項４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
複雑な受信信号は実際の受信信号のヒルバート変換によって求められることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
現実の受信信号のために受信信号の複雑な表示の現実の位相位置が求められ、位相位置の連続変更の領域における任意の時点で受信信号の開始用の仮定時点が確認されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
受信信号の開始の仮定時点のために最大振幅の発生時点が使用されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
受信信号の開始用の仮定時点から出発して受信信号の精密な開始は最初に生じた位相位置に基づいて求められることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
受信信号の第一零通過は求める信号特徴の到着時点として定義されていることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、少なくとも一つの送信変換器と一つの受信変換器と一つの送信、受信、評価電子部を包含する超音波ガス流量計、並びに内燃機関の排ガスを測定する装置、並びにガスの貫流を検出する方法に関し、この場合に平均流れ速度とそれにより流れるガス量とは運転時間からより高い時間的解像度を備える送信器と受信器の間の二つの音信号により確認される。    
【背景技術】
【０００２】
そのような超音波ガス流量計は流体とガス用として知られており、種々の本と専門物品のテーマである。超音波ガス流量計は所謂、連行効果を利用し、即ち流体の音信号の伝播速度と方向は音送信器の配向と（静止）媒体の音速度とによるばかりではなく、なかんずく流体媒体の流速にも依存している。少なくとも二つの運転時間が少なくとも二つの測定レーン（Messpfaden) に沿って測定されるならば、その少なくとも一方が流れ方向と平行に或いは斜めに上流に或いは下流に向けられねばならない。他方の測定レーンに対する延伸部は交差され、平行移動される、或いは平行に収れんされる。
【０００３】
流れる媒体の領域における送信された音の特徴の少なくとも二つの運転時間は音特徴の送信時点と受信時点との間の少なくとも二つの測定された時間差から求められる。運転時間から平均的流速が求められ得て、その平均的流速は貫流される管の既知の横断面により求められた容積流を与える。
【０００４】
流れるガスの質量流は、ガスの濃度が知られるならば、容積流から算出され得る。しかし、これは特に重なった圧力脈動と強力な温度変動を伴う脈動するガス流では一般に知られていない。送信された音特徴の少なくとも二つの運転時間から静止ガスの音速度に近似する音の有効的伝播速度を求めて、同時に運転時間を測定するために現実のガス圧と場合によっては追加的に現実のガス温度とを測定し、評価の際にそれらを考慮に入れることが可能である。  
【０００５】
しかし、この公知の方法はそのころ制限された用途可能性を有する。と言うのは、理想ガス用の公知の方程式によると、ガス質量流の精確な測定のために、追加的に一定圧力対一定容積における特定熱容量の関係であるガスの断熱係数の知識、或いはモル質量の知識が必要である。これらの値は必要である。けれども、これらの値はいつも公知ではなく、例えば可変に導入される燃焼からの排ガスにおいて時間にわたり一定ではない。
【０００６】
その外に、平均的流速と音速の運転時間から得られる値は音波により進行される容積内の流れの時間的且つ立体的経過に依存している。それらの値はそれぞれに音路と時間を介して伝達される値であり、その間に流れるガス量の測定のために、管の横断面にわたり伝達された流速が規準となる。これら両伝達は一般に同じ結果を与えないので、音路において流速と音速の運転時間から伝達される値における流れ形状の影響を最小にするために、費用のかかるシステムが考え出された。例えば運転時間から検出される流速は既に管横断面にわたり伝達される速度に一致するように複数の超音波変換器を位置決めすることが提案されていた。さらに、特に大きな管横断面のために管壁の付近領域における特殊音路が提案されていた。複数の音変換器や音路の適切であるが、しかし費用のかかる配列や評価によって、運転時間から検出される流速は既に管横断面にわたり伝達される速度に一致することが保証されるべきであった。
【０００７】
さらに、媒体内に存在する流れ形状を考慮するために、誤差修正を校正定数の形態に処理され得ることは知られており、そのことは無論、時間的に一定の流れ特性においてのみ有効であるが、しかし非停滞的で且つ脈動式流れにおいては役立たない。
【０００８】
公知の装置と方法の欠点は、特にそれらがしばしば誤って貫流される管内の音路の直線的経路から出発することにある。
【０００９】
しかも公知のように、測定管内の方位的流れはそれぞれの音路や超音波ガス流量計の測定結果において大きな影響を有する。それ故に、そのような旋回速度に対する是正策のために、測定管内の流れ形成する据付けが推薦されている、例えば薄板或いは細管の形態における流れ整流器或いは層発生器が推薦されている。
【００１０】
しかし一般に、音の変更する偏流の外に音屈折が軸方向流れ形状に基づき生じることが考慮されていない。測定管に斜めに取り付けられる変換器の前のポケットの付近と超音波変換器ダイアフラムにおいて零の値から出発して、流速は管のおよそ中心で最大速度まで滑らかな拡がりを有し、そして流速に対する局部的音速の依存により流速は局部的音インピーダンスの拡がりを生じ、その勾配は屈折を引き起こす。
【００１１】
先行技術において同様に考慮されていない流れるガスにおける温度形状の結果としての追加的屈折は特に重要である。特に測定管と媒体の間の温度差において音波の直線的進行から強く偏向する音路と成り得る。
【００１２】
極端な場合に、送信器と受信器の一列の整合の際に送信器から発射された音は、音が主としてもはや受信器に入力されず、それで運転時間の測定はもはや出来ないように強力に偏向屈折されることが生じ得る。この場合は例えば内燃機関の排ガス量測定において観測され得る。空運転から全負荷までの突然の負荷変換において、流れる排ガスと管の間で例えば３００℃の温度差と高流速になり、それは極端な流れと温度形状を形成し、直線的伝播の音を偏向するために、管寸法に依存して、数cmまでに導かれる。
【００１３】
非静止温度形状を備える非静止ガス流における音の偏流と屈折は、受信器には最大検出可能な振幅の瞬間的流れ特性に依存する一部が入力されて測定されることを奏する。さらに、局部的渦流とキャビテーション効果に到るまでの圧力減少によって、音伝達が極めて歪曲され減衰され得る。この激しく弱まる流れは両受信信号の振幅と信号形状の強力な影響をまねき、それから評価方法、音変換器と全配置に関する高い要件を生じる。この結果によって流量計の利用可能な測定範囲は明確に制限され、データ評価は困難になる。さらに、エンジン試験スタンドにおける流量計の設置はＥＭＶ（電磁互換性）に関してセンサー電子部の困難な環境を意味する。従来のシステムと評価方法、例えば記憶された基準信号による交差修正（欧州特許出願公開第０７９７１０５号明細書「特許文献１」）或いは如何なる閾値応答が使用される方法は（ドイツ特許出願公開第１９６３６９４５号明細書「特許文献２」）、あらゆるこれら要件を満足し得ない。
【００１４】
排ガス管における測定すべき流速は、特にエンジンの大きさに無関係に排ガス列にて測定管用の通常の標準直径が使用すべきである時に大きな値範囲を包含し得る。測定範囲の最大化に関して、変換器の特殊な機械的整合に適切な修正角を備える提案が存在する（K.S.Mylvaganam著,"突発ガスを監視する広範囲超音波ガス流量計”、超音波、フェロ電気と周波数制御におけるIEEE処理、３６巻、１４４頁ー１４９頁、１９８９年「非特許文献１」）。けれども、これは測定管用のより高い仕上げ技術的費用を必要とし、種々の流速と種々の温度形状に関する永続的適用を可能としない。
【００１５】
排ガス温度は内燃機関の運転状態と流量計の位置に応じて排ガス列にて−４０℃（例えば空調室におけるエンジンの冷間開始では）からおよそ１０００℃までの値となり得る。現行装置（例えばSick AG から）は、圧電セラミック超音波変換器の使用のために例えば最大許容排ガス温度（２００℃）に強力に制限されている。
【００１６】
内燃機関の排ガス温度は例えば牽引運転における全負荷にてエンジン運転の負荷変更にて迅速且つ強力に変更できると言う事実が重要である。流れ特性のこの大きく迅速な変更に基づき、寄生的音信号を伴う本来の受信信号の予測できない屈折と重なりを生じ得て、それは通例の評価方法の使用の際に誤った成果を導いた。
【００１７】
公知の超音波ガス流量計は、排ガス流れにて圧力と流速のかなり程度に存在する脈動を十分に正確に検出する困難性を有する。走査定理に基づき、即ち測定事実（アリアジング）を回避するために、走査周波数が高周波数で信号に存在する信号成分の周波数と同じ高さの少なくとも二倍であるように測定すべき信号を高周波数で走査することが必要である。それ故に、排ガス流量計は適切で高い測定繰返し率を有しなければならない。例えば、乗用自動車のエンジンのために、排ガス列における質量流量計の位置に応じて少なくとも３キロヘルツの繰返し周波数から出発する。市場に存在する装置（例えばSick AG ）は最大で３０ヘルツの測定繰返し周波数で作動する。
【００１８】
排ガス管を支配する特別な条件に基づいて、排ガス量センサーに使用される評価方法はさらに検出された貫流値の信頼性制御の適切な可能性を所持する。
【００１９】
ガス用超音波流量計における根本的改良は、容積式超音波変換器の採用を意味し、その採用は全く一般的に既に提案されている（I.J.O'Sullivian とW.M.D.Wright著,"静電変換器を使用するガス流の超音波測定"Elsevier Ultrasonics,40巻、407 頁ー411 頁、2002年「非特許文献２」) けれども、上記問題のほとんどは解決され得ることは公知である。特に、内燃機関の排気ガス列に適した評価方法、変換器と要件は使用上には知られていない。
【００２０】
ガス用超音波送信受信変換器における一般的困難性は、十分な音エネルギーを媒体に送り、受信する音エネルギーから十分に強力な電気的受信信号を得ることである。従来は、変換器として実際的に独占的圧電式超音波変換器が採用され、ソリッドステート材料から成る簡単な構造で優れている。その際に、ソリッドステートはガスよりおよそ１００，０００倍高い特殊波抵抗を有するから、一方でガス媒体の音波抵抗と他方で音変換材料における大きな差異が障害となる。それは、限界面における殆どの音エネルギーが変換器からガス媒体まで反射されてほんの僅かな割合が伝播されることを意味する。それ故に、大きな周波数範囲においてこの変換器は極めて僅かな感度を有し、送信と受信をする。
【００２１】
同じ特性は、圧電式音変換器が特徴的固有周波数を備えるソリッドステート音響共振よりとても良く、或いは狭いバンド状周波数特性を備える比較的高い振動品質である結果を有する。この事実は十分に高い感度を達成するために達成されて利用される：その固有周波数或いは共振周波数の範囲において、即ち共振発生（Resonanzueberbehoehung) に基づき受け入れ得る高感度が生じ、この狭いバンド状周波数範囲から離れているにもかかわらず、感度が十分に使用できない僅かな値に下降する。より高い品質の共振体の周波数特性と自然に変換器の長い出入り振動行動と接続されており、それは更に精確な運転時間測定を困難にし、それ故に貫流測定における不正確性と僅かな走査率を導く。    
【００２２】
この状況を改良するために、種々の企てが知られていた。圧電変換器におけるバックエコーを音吸収層、所謂裏当て層によって減衰して、バンド幅を例えば増加させて、無論、感度の費用で行われることを試みられている。変換器の前面においてもガス媒体の波抵抗に関して所謂インピーダンス適合する層が適当な成果を伴って配置されていた。例えば圧電ロッドが合成樹脂重合体マトリックスに埋め込まれるので、変換器要素自体は合成物として構成されているので、この結合要素の波抵抗が下降され、同時に経済的な振動モードが達成される。長い入出力振動過程にもかかわらず正確な運転時間測定を達成するために信号分析方法を開発していた。しかし、あらゆる労力にもかかわらず、超音波貫流測定の出力能力は実質的に採用された音変換器、特に圧電式超音波変換器の狭バンド性によって制限されたままである。
【００２３】
この変換器の別の欠点は、その限定された温度安定性にある。高圧電感度をもつ圧電材料、例えば通常に採用されたＰＺＴ−ピエゾセラミックは、材料に応じておよそ２５０℃から３５０℃までの値を有する所謂キューリ温度における圧電式特性を失う。そして高温度安定性をもつ公知の圧電材料は音変換器としての採用のためにほとんど申し分のない感度を有する。
【００２４】
通例の容量式超音波変換器は所望の温度安定性を有しない。電気伝導基体の上に張られた金属被膜ダイアフラムは同時に電気容量の絶縁層を形成し、誘電性ダイアフラム材料として通常に使用される合成樹脂或いは窒化シリコンは排ガス量測定の温度要件を満足し得ない（D.A.Hutchis, D.W.Schindel, A.G.Bashford,とW.M.D.Wright著,"超音波静電変換における進歩,"Elsevier Ultrasonics,36 巻、1998年「非特許文献３」）。永久に極性化された誘電性ダイアフラム、例えば収納された充電担体（電子）をもつテフロン系重合体ダイアフラムを有する所謂電気変換器は、十分な温度安定性を有しない。
【００２５】
斜め放射をもつ通例の超音波流量計における特別の欠点は、管壁に対する変換器の普通の変換器にて必要な斜め位置である。それにより生じるくぼみ或いはポケットは、運転時間の評価の際に考慮されなければならない超音波の先行時間を引き起こす。さらに、くぼみや流れにおいて流れ渦が誘導され、この渦は測定値の誤りを奏し得る。その外に、渦は流れと一緒に輸送される粒子の堆積の問題を増加する。変換器ダイアフラム上に堆積する粒子は変換器の伝播特性を大きく変更され得る。是正策に対する公知になった提案、例えばくぼみに張られたスクリーンは、超音波のために透過性であり、流れのために不透過性であり、或いは新鮮な空気によるくぼみの洗浄は、問題を十分には解決され得ない。
【００２６】
容量式超音波変換器の使用は利点をもたらさない。回路の改良は、変換器の電気且つ機械的運転点を実質的に決定する偏心電圧に関して望まれている。例えば１００から２００ボルトまでの必要な偏心電圧は通常には高オーム電気抵抗を介して変換器容量に計画される。生じる静電力は、一方では構造を付与された裏板上にダイアフラム箔の平らな載置を奏し、他方では直線変換器特性、即ち電気送信信号或いは音響受信信号の振幅とほぼ無関係に変換器感度を奏する。しかし、偏心電圧は通常の圧電セラミック変換器或いは電気変換器において好ましい回路概念、直接に質量電圧に関連した電気メーター或いは荷電倍増器の簡単な使用を阻止する。
【００２７】
受信増幅器として達成可能なＳＮＲ（英語の：信号対騒音の比、ドイツ語の：信号対騒音の比）に関して充電増幅器と電位計増幅器は両方が好ましく且つほぼ同じ値である。しかし電位計回路と反対に、充電増幅器は、特に光学データ伝達のような高周波数使用にてフォトダイオード或いは超音波により好ましく利用すべきであるより高いバンド幅を可能とする。高バンド幅は、変換器と結合ケーブルの渦流容量性が充電増幅器概念において信号電圧と積み替えられないと言う事実から生じる。演算増幅器は、即ち反転入力部には仮電圧零点を発生するので、変換器と存在する寄生成分に関する電圧は消える程度の僅かなままで残っている。
【００２８】
しかし容量式超音波変換器にて必要な電気偏心電圧によって充電増幅器は通常の形態において不可能である。妥協解決策において従来は電気与圧変換器は質量電圧に対して作動する充電増幅器と電圧一定な結合コンデンサーによって連結される。しかしそれによって容量式超音波変換器の純粋な充電増幅器運転があらゆる利点を備えるのはもはや不可能である。変換器は演算増幅器の仮想零点に直接にもはや位置せず、それは達成可能なバンド幅を減少する。極めて大きな結合コンデンサーは変換器を過大に負荷されるが、しかし余裕のない寸法を与えられた変換器では変換器容量の製造条件的変動に基づいて変換器＋増幅器の全感度或いはそのグループ運転時間を過小に定義される。二つの受信路における運転時間決定による超音波貫流測定の場合には、各非対称性がグループ運転時間に基づき直接に時間誤差を導き、それは極めて問題として評価すべきであるから、続いてそれぞれ二つの増幅器は校正されなければならない。最終的装置構成における両結合ケーブルの複雑な対称性は困難で費用がかかるから、結合ケーブルにも同じことが適用される。
【００２９】
そのための考慮できる代用物として、電気インピーダンス変換は直接にハウジング内の変換器に挙げるべきである。しかし、これは、スペース欠乏のために且つ測定すべき燃焼ガスの高温度を考慮して除去すべきである。    
【００３０】
先行技術の上記欠点は、内燃機関の排ガス流れの測定において特別な意義があり、排ガス列内（例えばＰＣＴ／ＡＴ０１／００３７１に対する国際特許出願公開第０２／４２７３０号明細書「特許文献３」を参照）に、特に激しく強い脈動する範囲にガス流量計を備える好ましい測定技術的装置の実現化を阻止する。自由に使えるガス流量計により例えば噴出ガス（内燃機関のクランクハウジングからの漏れガス）の測定のようにモータ駆動式測定技術の個別使用は、確かにカバーされるけれども、特にエンジンと駆動列の検査台並びに車両ローラ検査台に或いは道路上の車両における排ガス分析する可能な用途を狭く限定されている。
【特許文献１】欧州特許出願公開第０７９７１０５号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１９６３６９４５号明細書
【特許文献３】国際特許出願公開第０２／４２７３０号明細書
【非特許文献１】K.S.Mylvaganam著,"突発ガスを監視する広範囲超音波ガス流量計”、超音波、フェロ電気と周波数制御におけるIEEE処理、３６巻、１４４頁ー１４９頁、１９８９年発行
【非特許文献２】I.J.O'Sullivian とW.M.D.Wright共著,"静電変換器を使用するガス流の超音波測定"Elsevier Ultrasonics,40巻、407 頁ー411 頁、2002年発行
【非特許文献３】D.A.Hutchis, D.W.Schindel, A.G.Bashford,とW.M.D.Wright著,"超音波静電変換における進歩,"Elsevier Ultrasonics,36 巻、1998年発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明の課題は、前記困難性を克服し、特に温度安定性と現在の温度形状の減少と考察を考慮して、実質的に改良された出力を備える超音波ガス流量計を提供することである。      
【００３２】
本発明の別の課題は、ガスの容積流或いは質量流、特に高い動的流れの正確且つ確実に検出する評価方法の改良である。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
この課題は、この発明によると、音変換器が音を発生して並びに容積式超音波変換器として時間的過渡音信号を受信するように実施され、流れのガス温度形状を比較基準化して流れ測定における温度形状の影響を最小化する装置が設けられていることによって、解決される。
【００３４】
多くの用途のために必要な高温度安定な実施態様を得るために、この発明によると、通常の高弾性で少なくとも片面の金属被覆された絶縁ダイアフラム箔の代わりに、例えばチタン材料から成る金属ダイアフラムが使用される。
【００３５】
ダイアフラム材料の貫通電気伝導性は無論容積式変換器の構成を更に難しくする。変換器を形成するコンデンサーの第二電極用の電気伝導性材料を通常に簡単に用意する代わりに、絶縁層を特に配慮することが必要である。そのために、絶縁層を備える電極或いは裏板が用いられ、その絶縁層は好ましくはドーピングされる半導体とその上に位置する絶縁層とから成り、その絶縁層が例えば塗布され、そこにダイアフラムを特に直接に載置する。
【００３６】
この場合に、絶縁層はその熱膨張係数に関して裏板の基礎材料（ドーピングされる半導体）に一致していることに、注意すべきある。それ故に、それは、絶縁層が熱作用下の第二電極或いは裏板の材料の反応によって製造過程中の周囲大気で生じる材料によって形成される時に特に好ましい。例えば高ドーピングされる珪素基礎材料は炉内でおよそ２４時間にほぼ１０００℃における酸素大気で処理され得る。その際におよそ１．５μｍの酸化珪素層が必要とされる絶縁の要求を満たすように生じる。スパッタリング或いはＣＶＤ技術によって塗布された層に対してこの種の材料から外方に成長する層は意義のある高い熱的且つ機械的負荷能力を有する。
【００３７】
周波数行動、即ちこのように構成された高温度超音波変換器の感度は、絶縁層とその上に直接に載置するダイアフラムとの間に生じる共振容積によって影響される。そのために第二電極或いは裏板は、およそ自然の表面粗さに基づいて生じる空気影響が用いられ得る構成体を備えている。
【００３８】
他の実施態様によると、第二電極或いは裏板は、不連続合成構造、特にエッチングされる構造から成る構成体を備えている。１００から６００キロヘルツまでの注意を引く周波数範囲に対して８０から１２０μｍまでの特性的幅を備える直線状或いは蜂巣状構造が特に好ましいものとして証明されている。さらに、超音波変換器の構造深さと感度の間の直接依存性が生じる。およそ０．４μｍの構造深さにより、必要とされた用途にとって特に良好な成果が達成され得る。この構造が、絶縁層の製造前並びに絶縁層の製造後に未加工裏板において製造され得ることに注目すべきである。それはドーピングされる半導体並びに絶縁層である。この場合に編成されていない範囲（結合要素）とダイアフラムとの間に充電される電極間の大きな間隔が調整されるから、この構成を絶縁の製造後に行われるときよりも、それで変換器の静的容量はより小さい。比較的小さい構造の製造はこの発明によると化学的エッチング方法により平版刷りの通例の方法の使用の下で行われる。即ち、全裏板はまず最初に感光性ラック（大抵はスピンナーによって）によって被覆され、それからラック製造業者の製造規則に一致して照明マークの助けを借りて照明される。現像浴内のラックの現像によってラックに応じてラックの照明される或いは照明されない表面が開放される。それからエッチング浴内で開放された表面に関する構造は深くエッチングされ得る。この際にエッチング深さはエッチング時間によって確認され得る。
【００３９】
好ましくは変換器は直線的或いは平面的配列で複数の別々の装着可能或いは解読可能範囲を有する。それにより、超音波走路の範囲に流れの追加的渦を生じ得る変換器収容部の袋孔の除去が可能である。特に、この所謂配列変換器は上記技術によって製造される。その変換器は音放出或いは音受信用の表面に対して角度を有して配向した特性を可能とする利点を有する。それによって、管の斜め通過音にも測定管に超音波変換器の壁適切な取付けが可能である。配列変換器の個別の範囲は送信器としての使用の際に電気送信信号との時間的不連続間隔に装着される。受信器としての使用の際に個別の受信信号は時間的にずれて評価される。両運転モードで、時間的間隔の変動によって変換器の角度特性は影響され得て、それにより好ましい偏流現象並びに屈折現象が阻止しようとされ得る。
【００４０】
この種の変換器の構成は上記過程と類似に行われる：例えば酸化アルミニユーム（ＡＬ2 Ｏ3 ）或いはサファイアのような絶縁性をもつ高温度安定材料（基体）には、スパッタリング或いは蒸着によって例えばプラチナから成る電極の均一な構造が製造される。それで、例えば平らで曲り角のある送信或いは受信特性にとっておよそ１００−６００キロヘルツの周波数範囲内でストリップ構造は幅１ｍｍのストリップから０．５ｍｍの間隔に基体にて塗布される。第二段階で表面に絶縁層は、個別の電極ストリップの別の装着性が接着により可能であるように塗布されている。それから、絶縁層は上記のように、平版刷りやエッチング技術によって構成される。この構造の上に、通例の容積式超音波変換器において変換器ハウジングによって保持され、金属性ダイアフラムが載置する。この種の変換器によって実現される調整可能な放出角度によって音屈折と音偏流の効果は温度或いは流れ形状によって阻止しようとされ得る。    
【００４１】
別の可能性は、送信器と受信器の間の間隔を流れ方向において変更可能に構成するために上記効果を阻止する。これは例えばこの発明による実施態様により、少なくとも一つの音変換器、特に受信変換器が移動自在に承支されていることによって達成できる。そこで、例えば５０ｍｍの管直径ではおよそ１０ｍｍの下流への吹き出しを生じる３０ｍ／ｓの流速にて、正確にこの距離だけ移動され、それにより流れなしと同じ伝播行動を保証する。    
【００４２】
同様に効果的に、一つ或いは複数の変換器の回転可能な軸受は、送信器の音ビームがより高流速でも、或いは管壁と流れガスとの間の高温度差でも、最大音レベルにより直接に受信器表面に生じるように、音放射において適切な行動角度を意図し得ることを導く。このために、変換器は、変換器の回転によって音放出の入力角或いは出力角が管軸線に対して変更され得るように支承されて取り付けられる。
【００４３】
さらに、この発明によると、管壁と流れガスとの間の高温度差は、測定管の壁用の、同様に音変換器用の加熱装置によって減少されるか或いは回避される。このために、公知の調整機構によって管温度を出来るだけ流れるガスの現実の温度に適合することが意図される。
【００４４】
このために特に、測定管を僅かな特定熱容量をもつ材料から、特に熱的絶縁材料から仕上げること及び／又はこの種の材料からの被覆を備えること及び／又はこの種の材料から成る被覆により包囲することが推薦されている。これは、理想の場合に測定ガス側菅壁の温度がいつも自動的にガス温度に追従し、加熱費用なしに又はほんの僅かな加熱費用で行われることをまねく。
【００４５】
追加的に、時間的な高過渡過程のために、高過渡過程が例えば内燃機関の排ガスにて負荷変更中に生じるように、温度及び／又は流れ形状を形成する据付けを測定菅に取付けるか又は一体化することが好ましい。これは温度形状並びに流れ形状の比較基準化をまねく。この発明によると、管束が流れの積層化に使用される如く、管束の格子や部分が設けられ、一方では一般に乱流される流れの出来るだけ均一な貫流混合とそれによるガス温度とを保証して、他方では均一且つ旋回なしの流れ形状を得る。変換器収容部に設けられた袋孔の範囲で温度限界層の分離を阻止するために、さらに、音伝播は妨害せず、測定管により加熱できる格子が設けられ、格子は袋孔を束に管壁に継続して閉鎖する。    
【００４６】
流れるガスの温度形状を最小化する純機械的処置の外に、特に好ましくは、追加物理的パラメータに依存して流れ測定の成果に関する追加算出修正を行うことがわかった。そこで、音路の温度形状によって惹起された変更は流れと音速算出の評価における追加修正要因によって考慮されることが示されている。その際に特に好ましいものとしてこれら修正要因を管温度とガスの特性温度に依存して変更することがわかっていた。このために、この発明によると、測定管の壁の温度を測定する温度センサーが設けられ、評価電子部と接続されている。
【００４７】
この発明の装置の他の実施態様には、流れの温度を測定する別の温度センサーが設けられ、評価電子部と接続されている。
【００４８】
さらに、測定結果として質量流或いは一定温度に規定される容量貫流に関する指示が発生されるならば、ガス流量計の測定成果の軽視すべきでないガス構成の依存性を示す。それ故に、この発明によると、ガス構成を検出する装置が設けられ、特に所謂空気数λを決定するラムダゾンデが設けられている。特に検査台上に排ガス質量流の測定の際に、特に好ましいものとして、パラメータ的に空気数λに依存するガス構成をラムダゾンデによって検出することがわかった。
【００４９】
その際に、ガス構成の考察は直接に貫流の評価において行われる（即ち本来の流量計に無関係に）並びに発明により設けられる如く、流量計自体の評価電子部で行われる。そのために適切なデータラインとデータインターフェイスが設けられ、それらによりガス構成に関する情報が伝達される。
【００５０】
超音波による貫流の正しく高動的評価のために、まず第一に大きな信号騒音間隔の出来るだけ中断されない一次信号が必要である。そのために容量性変換器と信号のアナログ一次処理は責任がある。容量式超音波変換器用の増幅器回路における非対称とバンド幅に関する前記問題を回避するために、この発明によると、受信電子部がアナログ増幅器として構成され、少なくとも一次増幅器段の基準電位が変換器の電位水準に、即ちバイアス電圧に上昇されている。それによって通常に使用される結合コンデンサーは避けられ得て、信号検出用変換増幅器の伝播バンド幅を意義をもって降下させ、他方では超音波変換器を容量的に負荷される。その際に、連結コンデンサーは増幅器回路の入力部における現実の零点を考慮して変換器と平行に位置する容量性負荷を意味する。
【００５１】
別の特に好ましい実施態様では、増幅器回路の反転入力部は直接に容量式変換器と接続されている。
【００５２】
変換器の絶縁体の破壊の発生において増幅器を保護するために、上記実施態様では、容量式変換器と基準電位がコンデンサーを介して増幅器回路の反転入力部と接続しているが、しかしこの実施態様では通常の結合コンデンサーとしてではなく、むしろ純粋な保護として働く、と言うのはこの容量の両側面にて同じ電圧、即ちバイアス電圧が当接するからである。この容量の大きさはこの場合に極めて大きく選択され得る、例えば１００ｎＦに選択され得る、と言うのはこの場合に変換器はバイアス電圧源の内部抵抗と容量の直列回路により負荷されているからである。しかし、内部抵抗は標準の場合で変換器の負荷がほぼ軽視され得るほどに高い。
【００５３】
容量式超音波変換器の容量はバイアス電圧の結合抵抗によりＲＣ−素子とバイアス電圧の障害に対するローパスフィルタとを意味する。同じ電圧、即ちバイアス電圧が増幅器の非反転入力部に当接する（事情によっては上記容量によって変換器電位から分離される）から、増幅器回路の非反転入力部に同様に基準電位がＲＣ−素子を介して当接することによって、増幅器の非反転入力部に障害を抑圧することが好ましく、且つこの発明により設けられている。
【００５４】
好ましくは、特殊実施態様には、このＲＣ−素子の時定数がおよそ基準電位の変換器容量と結合抵抗から形成されるフィルタの時定数と同じ大きさであることが設けられる。
【００５５】
例えば３００−４００キロヘルツの利用される周波数範囲の外部の邪魔する信号割合を抑圧するために、一次増幅器回路にこの発明の別のフィルタが後方接続され、特にハイパスフィルタが、あらゆる場合に次のバンドパスフィルタと場合によっては少なくとも一つの分離コンデンサーとを備える第二増幅器段が後方接続される。この際にバイアス電圧から利用信号の分離は電圧安定な結合コンデンサーによって任意にこの回路の前、中、後で行われる。
【００５６】
この発明によると、内燃機関からの排ガス流を測定する装置は、内燃機関の排ガス列には前記パラグラフのひとつによるガス流量計が据え付けられていることを特徴とする。脈動して多くの運転状態で非常に熱い排ガスのために、貫流の正確で高動的測定が実施されることによって、それは検査台或いは仕事場或いは通常の運転にある車両における車中で静止する。個別シリンダの流出室内での直接の使用は触媒の前と後の据付け並びに音減衰器と排ガス列の端部との間と同様に考慮できる。
【００５７】
好ましい実施態様によると、さらにガス流量計は排ガス内の有害材料成分を決定するガス取り出しの起こり得る箇所の直接付近に設けられることが意図されている。
【００５８】
勿論、測定が必要とされること及び／又は据付け箇所がより好都合であるならば、ガス流量計は内燃機関の排ガスの部分流により貫流される導管部分に設置され得る。
【００５９】
内燃機関の出来るだけ完全な状態を得るために、最も好都合な場合にすべてのガス流を監視し、そのために好ましくは、ガス流量計が内燃機関の排ガスを希釈化するガス流により貫流される導管部分に設置されることが意図され得る。
【００６０】
容量性音変換器を備えるガス貫流測定を装置的観点からばかり改良するのではなく、最初に記載された評価方法を改良するために、この発明によると、運転時間の決定後に貫流の仮定値が評価される、そしてこれは少なくともガスの特徴的温度と管壁の温度によって訂正されることが意図される。
【００６１】
流れ形状に依存する定数ｋ1 を考慮して、流れ方向ｔ+ の運転時間、流れ方向ｔ= に対する運転時間、並びに管幾何学に依存する二つの定数ｋ2 とｋ3 はまず最初に流速ｖの見積り値と音速ｃが求められる：
【００６２】
【数１】
2005037397.tif 000003
【００６３】
【数２】
2005037397.tif 000004
容積貫流Ｖ＆の第一仮定値を測定管の横断面積Ａによる掛算によって方程式ＥＱ１から求める：
【００６４】
【数３】
2005037397.tif 000005
この仮定値は特徴的温度ＴC 並びに管壁の温度ＴW に依存して関数ｆ1 （ＴC ，ＴW ）によって訂正される：
【００６５】
【数４】
2005037397.tif 000006
現実の質量流の値に関して興味があるならば、これは公称密度による掛算によって方程式ＥＱ４から算出され得る。
【００６６】
追加的に方法の別の改良された実施態様において、この仮定値を求めるために、測定管内の現実の圧力の値が特に正確に運転時間測定の箇所にて考慮に入れられることが意図されている。それによって流れ媒体の急な密度変更が算出において影響され得る。
そのために現実の密度ρは運転時間により算出された音速ｃ（ＥＱ２）、特殊熱容量ｋと現実の圧力ｐから求められる：
【００６７】
【数５】
2005037397.tif 000007
【００６８】
別の特別実施態様において、仮定値はガスの特徴的温度の温度係数と測定管の壁の温度とに依存して訂正される。
そこで、式の関数ｆ1 （ＴC ，ＴW ）の機能的関係が特に好ましいものとして証明された：
【００６９】
【数６】
2005037397.tif 000008
その際にｋ4 は経験的に或いは理論的仮定に基づいて流れ形状と温度形状によって求められる定数である。
【００７０】
その際に挙げられた温度を求めるために、この発明によると、管壁の温度或いは測定管内のガスの温度或いは両温度も測定されることが意図され得る。そのために、通例の温度センサーが設置され得る。
【００７１】
その際に無論、特にガス温度の測定において温度センサーのゆっくりとした反応時間となる欠点があり、その反応時間は極めて短い時間間隔で例えば二三ミリセカンドに変更できる。それ故に、この発明によると、ガスの特徴的温度は運転時間と音速の仮定値とから測定管内の温度形状の物理的モデルに基づいて検出されることが意図されている。
【００７２】
さらに、この発明によると、ガスの特徴的温度を測定管の壁の温度を考慮してさらに明確にすることが、意図されている。
運転時間の測定によって検出された音速ｃは管横断面にわたる場所に依存する音速ｃ〜(r) （ｒは半径方向対称管の管半径、Ｒは管半径）の平均値を意味する：
【００７３】
【数７】
2005037397.tif 000009
さらに、局部的音速の次の表示形態の理想的ガス等式に一致して求められる：
【００７４】
【数８】
2005037397.tif 000010
この場合にｆ2 (r) は温度形状の形状を示し、Ｍはガスのモル質量を示し、Ｒは理想的ガス定数を示す。
方程式ＥＱ７とＥＱ８からガスの特徴的温度が求められ得る。
【００７５】
既に言及されたように、ガス内の温度変更が極めて迅速に行われるので、温度の測定値と運転時間の測定値が同じ容積のために有効性を有するように、温度測定を実施することが好ましい。それは温度測定と運転時間測定の時点の選択の際に配置の幾何学的形状と流速とが考慮されることによって達成され得る。    
【００７６】
この方法の特別な実施態様では、流れるガス量の仮定値の算出の際に、断熱係数ｋ、即ち一定圧力と容積における特殊熱容量の比の公称値がガス量の算出のために採用されるかぎり、媒体のガス構成を考慮することが意図されている。
【００７７】
さらに、この公称値をガスの特徴的温度に一致して訂正することが意図されており、即ち方程式ＥＱ８とＥＱ５においてガスの構成に一致して温度依存型断熱係数ｋ（ＴC ）が採用されている。
【００７８】
寄生反射信号を考慮し且つ超音波運転時間を精密に検出するために、この発明によると、超音波信号の送信時点と運転時間の仮定値とに依存して期待時間窓が求められる。次に、この時間窓において受信信号の正確な到達時点後に探索が行われる。
【００７９】
さらに、送信時点のシリーズ、即ち測定繰返し率を見積った運転時間に依存して適合することが意図されており、それにより予測的に期待時間窓内の寄生反射信号が本来の利用信号の前に位置しないことが達成され得る。
【００８０】
運転時間の仮定値として簡単な形式で第一の方法態様により前記測定の運転時間が考慮に入れられ得る。
【００８１】
検出には僅かな費用であるけれども、大きな精度を備えている他の方法態様は、仮定値として前記貫流測定の成果に依存してモデル的に形成された計算値が考慮に入れられるように意図されている。
【００８２】
この方法の別の好ましい実施態様では、運転時間を求めるためにまず最初に受信信号の開始用の算出時点が確認され、正確な開始が複雑な値に図示された受信信号の位相情報の分析によって確認されることが意図されている。
【００８３】
複雑な値の受信信号を求めるために、例えば理想的受信信号のヒルバート変換が利用され得る。
【００８４】
実際の受信信号の評価方法の特に好ましい実施態様において受信信号の複雑な値の表示の現実の位相位置が求められ、連続的変更の範囲における任意の時点で受信信号の開始のために算出時点の位相位置が確認される。
【００８５】
好ましくは、その際に受信信号の開始の算出時点のために最大振幅の発生の時点が考慮に入れられ得る。この種の方法により到達時点は送信信号の半期間（±Ｔ／２）の少なくとも不確実性を伴って確認され得る。
【００８６】
精度を向上するために、さらに、受信信号の開始の算出時点から出発して受信信号の正確な開始は最初に惹起した位相位置に基づき求められ得る。
特にその際に受信信号の第一零通過が一定の音特性の到達時点として定義される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８７】
次に、この発明は、この発明の好ましい実施例の若干の例示に基づいて説明される：
その際に、図１はこの発明のガス流量計を概略的に示し、図２と２ａはこの発明の容量式超音波変換器の全体図と詳細図を示し、図３は配列構成にて容積式超音波変換器を示し、図４は容量式超音波変換器の一次信号用のこの発明の増幅器回路を概略的に示し、図５はブロック線図形態で評価方法の表示であり、図６は送信器と受信器対の送信と受信信号の表示並びに受信信号の付属位相信号を示す。
【実施例１】
【００８８】
図１のこの発明のガス流量計装置の縦断面表示は測定管を示し、その測定管を通してガスが流れて、そのガスの容量と質量が求められる。測定管１は加熱要素２を有し、その要素の助けによって測定管１の温度は評価電子部３を介して制御されて加熱制御電子部４の中間回路によって加熱され得る。測定管１は好ましくは少なくとも運転時間測定箇所前（管の主な貫流方向に関連して）に追加的に流れ形状と温度形状形成据付け部５を備えている。この据付け部５は測定管１より僅か小さい直径をもつ管の束或いは案内薄板として形成され得る。
【００８９】
音透過性で測定管１の壁を束にして閉鎖するカバー６によって、例えば格子などにより閉鎖され得る測定管１のポッケト或いは管接続部において、送信変換器７と８並びに受信変換器９と１０が組付けられ、容量式超音波変換器として形成されている。測定管１の壁用の加熱要素２を介して或いは固有の別の加熱要素を介して容量式変換器７−１０及びカバー６が加熱され得る。
【００９０】
超音波変換器７−１０は特に受信変換器９と１０のみがあらゆる場合に測定管１の縦方向に移動可能な挿入部に支承されて、その挿入部は例えばステップモータを備えるスピンドルによって調整できる。それで、移動は運転に適合して評価電子部３によって制御されて実施され得る。変換器７−１０の長手方向調整は予め定義された不連続工程で行われる。
【００９１】
しかし、変換器７−１０は測定管１内或いは傍で回転可能に支承され得て、好ましくは通常に測定管１の縦軸線に且つ測定管１の壁に正接線と平行にそれぞれの変換器７−１０の据付け箇所に配向した軸線を中心に回転可能に支承され得る。この種の配列によっても音信号の偏流現象を阻止しようとし、屈折効果も考慮され得る。
【００９２】
さらに図１には受信電子部１１が概略的に図示され、その電子部は受信信号の増幅とアナログ一次処理を行う。受信電子部は送信信号発生と加熱の制御電子部４を制御する評価電子部３と接続している。追加的入力信号として評価電子部３に、ガス温度用の少なくとも一つの温度センサー１２と菅壁温度用の一つの温度センサー１３との結果並びに好ましくは一つの圧力センサー１４の値を使用させる。同様にガス流の算出に適しているガス構成のあらゆる場合を考察するために、好ましくは一つのラムダゾンデ１５が存在し得て、そのラムダゾンデは伝送ラインを介して現実の空気数の情報を評価電子部３に転送する。そのための代用として、データ伝送ライン１６（点線で図示された）を介してガス構成に関する情報が排ガス分析装置から評価電子部３に転送され得る。
【００９３】
図２は図１のガス流量計装置に採用するこの発明の容量式超音波変換器を示し、図２ａはこの超音波変換器の前端の詳細拡大部であり、それを介して音信号がガスに導入される。変換器本体１７には金属性ダイアフラム１８が一つの電極として並びに裏板１９が音変換器の実際の作動部材の第二電極として据付けられている。図２ａの詳細図には、裏板１９の構成は規則的な隆起部２０の形状に認識でき、その隆起部は好ましくは裏板１９の絶縁層２１にエッチングされているので、両電極、即ちダイアフラム１８とドーピング処理した裏板１９の間に一定間隔が保証されている。
【００９４】
図２ａの場合に構成２０は絶縁層２１の製造後に形成されていた。その際に裏板１９はまず最初に酸化され、その後に構成が絶縁層２１にエッチングにより形成される。しかしまず最初に裏板１９の構成２０を形成し、その後に絶縁層２１の製造を行う。そのために、担体材料はまず最初にエッチングされ、次に酸化される。
【００９５】
図３はこの発明の容量式配列変換器の概略構成を横断面で示す。図２と図２ａと同じ形式で、変換器の本体２２には金属性ダイアフラム２３並びに裏板２４が第一と第二電極として据付けられている。その際に裏板２４は絶縁基礎材料２５の基体、個別に接触でき且つ基体に個別に装着できる電極２６と絶縁層２７から構成される。電極が例えば蒸着されるか或いはスパッタリングされている基体２５は例えばセラミック、サファイア或いは酸化窒素から成り得る。
【００９６】
高温度安定配列変換器は、図３に図示される如く、実質的に二つの利点を有する。最初に、菅内壁と適切にできる据付けによって測定菅１内のポケット或いはくぼみはもはや必要なく、第二に送信運転或いは受信運転用の音束の方向は簡単に個別の変換器領域の適切な電子制御によって運転中に調整され、ガス流への音放出の偏流を考慮に入れるように、適切に再調整される。
【００９７】
図４は特に評価電子部３に一体化されるか或いはこれに接続された受信増幅器の構成を概略的に示す。図には容量式受信超音波変換器９或いは１０の補助回路線図２８が点線で縁取りされて図示されている。結合抵抗２９を介してバイアス電圧ＶＢが接続されている。変換器が次の増幅器３０とコンデンサー３１を介して接続され、そのコンデンサーは例えば変換器絶縁体の破壊の場合に増幅器回路を保護するために用いられる。同様に、ＲＣ−部材３２を介して逆にされていない入力部における増幅器３０に、バイアス電圧ＶＢが接続される。演算増幅器３０の入力部に対称的関係を造るために、ＲＣ−素子３２の時定数は好ましくは接続される超音波変換器の各々とおよそ同じ大きさであり、即ちＲＣ−素子３２の抵抗が逆にされた入力部におけるバイアス抵抗と一致し、ＲＣ−素子３２の容量が変換器９或いは１０の容量と一致する。これは、およそ同じ限界周波数により演算増幅器３０の非反転入力部には、事情によっては同電圧に存在する障害の低パスフィルタが生じる利点をもたらし、並びにこれは反転入力部のためにバイアス抵抗と容量式変換器自体とによる場合である。
【００９８】
増幅器３０の供給は対称的にバイアス電圧電位を中心に行われる。一つの別の結合コンデンサー３３ともはやバイアス電圧電位には位置しない好ましく相互接続されたフィルタ回路３４とを介して受信超音波変換器９或いは１０の受信信号が別の処理部に供給される。必要な全増幅（８０ｄＢまで）を達成するために、特にフィルタ回路３４下で、第二増幅器が接続され得る。そのために、電子メーター倍増器が提供される。受信電子部の全増幅の調整（ＡＧＣ，自動利得制御）は目的に適ってこの第二段で行われる。第一段における増幅の変更はつまり周波数伝播行動に強く影響され得る。
【００９９】
図５はこの発明の評価方法を概略的にブロック表示で示す；第一段３５において入力値ｔ＋とｔ−から測定すべきガスの流れ方向とその方向の反対における超音波の運転時間に流速ｖ’と音速ｃ’の仮定値は通例の公式により算出される。第二段３６において入力値｛Ｌ｝及び／又は測定管１の壁の温度ＴＷ及び／又はガスの特徴的温度ＴＧによって符号化された幾何学的特性を考慮して流速ｖと音速ｃの値の改良された算出が求められる。簡単だが、唯一ではない測定管１における条件のモデルにより、貫流の仮定値の修正は流速の直線的修正要因によって行われ、その修正要因は最も簡単なモデルで直線的にガスの特徴的温度と測定管の壁の温度との公称温度差に依存する。
【０１００】
ガスの特徴的温度を測定によって求められ得るばかりでなく、材料量の考慮下の音速からも求められ得ることを示すために、点線で代用的算出過程３６ａが図示されている。最終段３７において入力値κ（カッパ）、断熱係数、事情によってはときどきガスの特徴的温度、空気数λ（ラムダ）並びに現実の圧力ｐによって流れるガス質量Ｍ或いは流れるガス容量Ｖが求められる。
【０１０１】
音過渡時間からガス貫流の検出の際に好ましくは測定管１における理論的平均音速に関して容認性制御が意図されている。ガスのモル質量、自在ガス定数とガスの温度依存断熱係数によってガス温度ＴＧと音速ｃの間の公知の関係が生じ、その音速は容認性検査のために利用され得る。モル質量の値を検出するために、例えばラムダゾンデ１２或いは他の分析器によってガスの関係が求められる。これはさらに温度依存型断熱係数κ(T) の算出のために必要とされ、温度Ｔの依存性は特に流れるガス質量Ｍ或いは流れるガス容量Ｖの検出の際に無視され得ない。
【０１０２】
次に、超音波信号の到達時点のこの発明の正確な検出は、図６を参照しながら説明される。その際に図６において互いに同じ時間軸により三つの信号が図示されている。最も上には、ここで三つの波長特性のブラシの形状で存在する送信信号Ｓを認識である。図６の中心には、実際の受信信号が図示されている。利用信号３８並びに寄生的反射信号３９が認識でき、この利用信号は送信器から放出される音パルスの直接受信によって受信器にて生じ、この反射信号３９は送信器７と８及び受信器９と１０の間の数倍の反射に基づく。これらは媒体の有効的音速に依存して送信器／受信器の区間の数回で奇数の通過後に遅れて受信器に到達する。それ故に、図に示された寄生的反射信号は表示で示された送信パルス（ブラシ）の前にある送信パルスに由来する。
【０１０３】
最下信号φＥは例えばヒルバート変換或いは同様なくりこみ積分を介して複雑に図示される受信信号の位相位置を示す。実際の利用信号が寄生的反射と同様に存在する領域には、位相位置の連続変更を認識できる。変換器へのパルスの到達の際に位相は比較的均一な勾配で回転し始める。この勾配は受信信号の信号周波数に依存する。受信信号Ｅの第一変位では、第一変位が位相騒音からパルスまでの移行を形成するから、位相は全振幅にわたりもはや完全には回転しない。変位が最大値を有するところで、位相が零ラインと交差する。パルスの到達前に、位相騒音を観察すべきである。
【０１０４】
超音波信号の運転時間の第一仮定値ｔ１から期待時間窓Ｔ±がこの仮定値ｔ１を中心に定義される。この時間窓内で運転時間ｔＬの改良された仮定値が探索される。そのために、受信信号Ｅの最大振幅値が改良された仮定値ｔ２として求められる。この値から、送信時点の方向において各時点ｔ３が求められ、この時点にて位相位置の連続変更が終了する。この新たな仮定値ｔ３から正の時間方向において時点ｔ４が求められ、この時点は受信信号の第一零通過を求める。この対象的に半期間だけ受信信号の実際の到達時点まで移動される時点は計算的に訂正され、それ以上の処理の運転時間として考慮に入れられる。
【０１０５】
上述の如く、受信信号は利用信号と寄生的反射信号の重なりから構成される。その際に関連した受信信号間の時間的間隔は、同じ送信パルスから生じる信号間であり、流れ方向とその方向と反対において平均運転時間の偶数倍である。しかし、この平均運転時間は主として媒体の現実の音速によって求められ、それにより現実の温度から広範囲に求められる。      
【０１０６】
多くの用途範囲のために、ガスの温度は広範囲に迅速に降下され得る。これは必然的に厳しい問題を生じ、反射される信号が例えば信号形状と位相のような特性に関して実際の受信信号と極めて類似であるから、時間的に正確な評価を難しくし且つ誤差測定をまねき得る期待時間窓の範囲において利用信号と反射信号の干渉的重なりを生じる。
【０１０７】
この問題のこの発明により提案された解決策は、測定繰返し率に影響を与えることにあるので、受信信号Ｅと第一或いは第二反射の間の重なりは回避され得る。音速の仮定値によって最適測定繰返し率は算出され得て、測定繰返し率では第一反射とそれによる第二反射とは自由選択可能な時間的安全間隔を備えるいつも実際の受信信号の後に存在する。この安全期間は意義のあるものとして出来るだけ短時間に選定されるので、高測定繰返し率が可能とされ、受信信号の前の範囲は第二と別の反射に関して”きれいに”保持されている。さらに、送信信号の期間に依存してこの安全間隔をつくるのは意義がある。
【０１０８】
好ましくは、受信信号Ｅと第一両反射のために次の受信信号Ｅに対して十分な時間的間隔が存在する限り、受信信号は互いに重なり合っている。それによって必要に応じて測定繰返し率が上昇され得る。
【０１０９】
測定繰返し率が適切に調整されるべきならば、適切な時間マークが算出された質量流量値と一緒に記憶されなければならなく、質量流量の経過を時間にわたり再構築し得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】この発明のガス流量計を概略的に示す。
【図２】この発明の容量式超音波変換器の全体図と詳細図を示す。
【図３】配列構成にて容量式超音波変換器を示す。
【図４】容量式超音波変換器の一次信号用のこの発明の増幅器回路を概略的に示す。
【図５】ブロック線図形態で評価方法の表示である。
【図６】送信器と受信器対の送信と受信信号の表示並びに受信信号の付属位相信号を示す。
【符号の説明】
【０１１１】
１．．．．．測定管
２．．．．．加熱要素
３．．．．．評価電子部
４．．．．．加熱制御電子部
５．．．．．据付け部
６．．．．．カバー
７−１０．．．変換器
１１．．．．受信電子部
１２，１３．．．温度センサー
１４．．．．圧力センサー  
１５．．．．ラムダゾンデ
１６．．．．データ伝送ライン
１７．．．．変換器本体
１８．．．．金属性ダイアフラム
１９．．．．裏板
２０．．．．構成
２１．．．．絶縁層
２２．．．．変換器本体
２３．．．．金属性ダイアフラム２３
２４．．．．裏板
２５．．．．絶縁基礎材料基体
２６．．．．電極
２７．．．．絶縁層
２８．．．．補助回路線図
２９．．．．結合抵抗
３０．．．．増幅器
３１．．．．コンデンサー
３２．．．．ＲＣ−素子
３３．．．．結合コンデンサー
３４．．．．フィルタ回路
３５，３６，３７．．．段
【図１】
2005037397.tif 000011
【図２】
2005037397.tif 000012
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年7月28日(2004.7.28)
【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】請求項３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３１】
測定管内のガスの温度が測定されることを特徴とする請求項２９乃至請求項３０のいずれか一項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３２】
ガスの特性的温度は、運転時間とそれによる測定管内の温度形状の物理的モデルに基づく音速用の仮定値とから検出されることを特徴とする請求項２９乃至請求項３１のいずれか一項に記載の方法。