DE102007042101A1

DE102007042101A1 - Durchflussmesselement, Massendurchflussmesser und Massendurchflussmesssystem

Info

Publication number: DE102007042101A1
Application number: DE102007042101A
Authority: DE
Inventors: Takahiko Kariya Yoshida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2008076183A; JP4952164B2; DE102007042101B4; US7549346B2; US20080066557A1

Abstract

Ein Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70) wird zum Messen eines Massendurchflusses von Fluid verwendet und weist eine Halbleiterplatine (1, 51), eine Ultraschalleinheit (8, 9a, 9b, 53a, 53b) und eine Druckerfassungseinheit (6, 7, 53a, 53b) auf. Die Ultraschalleinheit sendet und/oder empfängt eine Ultraschallwelle. Die Druckerfassungseinheit erfasst den Druck des Fluids. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind zusammen auf der Halbleiterplatine angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflussmesselement, einen Massendurchflussmesser und ein Massendurchflussmesssystem zur Messung eines Massendurchflusses von Fluid.
Die JP-2004-125804 offenbart einen Ultraschall-Durchflussmesser zur Messung eines Betrags eines in einer Leitung strömenden Fluids mit Hilfe einer Ultraschallwelle. Der Ultraschall-Durchflussmesser weist eine erste Ultraschalleinheit und eine zweite Ultraschalleinheit auf. Die erste Ultraschalleinheit ist an einer Stromaufwärtsseite eines Durchflussmessteils der Leitung angeordnet, und die zweite Ultraschalleinheit ist an einer Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils der Leitung angeordnet. Die erste und die zweite Ultraschalleinheit liegen sich über die Leitung gesehen schräg gegenüber. Der Betrag des in der Leitung strömenden Fluids wird auf der Grundlage einer Differenz der Übertragungszeiten berechnet, die zur Übertragung der Ultraschallwelle zwischen der ersten und der zweiten Ultraschalleinheit benötigt werden. D. h., die von der ersten Ultraschalleinheit gesendete Ultraschallwelle benötigt eine erste Übertragungszeit, um von der zweiten Ultraschalleinheit empfangen zu werden, und die von der zweiten Ultraschalleinheit gesendete Ultraschallwelle benötigt eine zweite Übertragungszeit, um von der ersten Ultraschalleinheit empfangen zu werden. Die Geschwindigkeit des Fluids wird auf der Grundlage der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Übertragungszeit berechnet. Ein Volumendurchfluss des Fluids wird berechnet, indem die Geschwindigkeit des Fluids mit einer Querschnittsfläche des Durchflussmessteils der Leitung multipliziert wird.
Obgleich der obige Ultraschall-Durchflussmesser den Volumendurchfluss von Fluid messen kann, ist er nicht dazu ausgelegt, den Massendurchfluss von Fluid zu messen. Um den Massendurchfluss eines Fluids zu berechnen, muss der Druck des Fluids gemessen werden. Wenn eine solche Druckerfassungseinheit im Durchflussmessteil der Leitung angeordnet werden soll, um den Fluiddruck im Durchflussmess teil der Leitung zu messen, wird der entsprechende Raum zur Anordnung der Druckerfassungseinheit benötigt.
Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Durchflussmesselement, einen Massendurchflussmesser und ein Massendurchflussmesssystem bereitzustellen, die dazu ausgelegt sind, einen Massendurchfluss von Fluid zu messen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein zur Messung eines Massendurchflusses von Fluid verwendetes Durchflussmesselement eine Halbleiterplatine, eine Ultraschalleinheit und eine Druckerfassungseinheit auf. Die Ultraschalleinheit sendet und/oder Empfängt eine Ultraschallwelle. Die Druckerfassungseinheit erfasst einen Druck des Fluids. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind zusammen bzw. ganzheitlich auf der Halbleiterplatine angeordnet.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Massendurchflussmesser ein Durchflussmesselement, das zusammen eine Ultraschalleinheit und eine Druckerfassungseinheit aufweist, ein Durchflussmessteil, einen Volumendurchflussrechner und einen Massendurchflussrechner auf. Fluid strömt in das Durchflussmessteil, und ein Paar der Durchflussmesselemente ist derart an einer Stromaufwärtsseite des Fluids und an einer Stromabwärtsseite des Fluids angeordnet, dass es sich gegenüberliegt. Der Volumendurchflussrechner berechnet eine Übertragungszeit zur Übertragung einer Ultraschallwelle zwischen den Durchflussmesselementen und berechnet einen Volumendurchfluss des Fluids auf der Grundlage der berechneten Übertragungszeit. Der Massendurchflussrechner berechnet einen Massendurchfluss des Fluids auf der Grundlage des berechneten Volumendurchflusses und eines von der Druckerfassungseinheit erfassten Druckwerts des Fluids in dem Durchflussmessteil.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Massendurchflussmesssystem einen Massendurchflussmesser und eine Leistungsvorrichtung zur Stromversorgung zur Aktivierung des Massendurchflussmessers auf. Ein Diagnoseelement des Massendurchflussmessers führt eine Überprüfung aus, wenn die Leistungsvorrichtung den Massendurchflussmesser mit Strom versorgt.
Auf diese Weise kann der Massendurchfluss von Fluid gemessen werden.
Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Massendurchflussmesssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine schematische Draufsicht eines Durchflussmesselements gemäß der Ausführungsform und 2B eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmesselements entlang der Linie IIB-IIB in der 2A;
3 ein Zeitdiagramm eines Zeitpunkts einer Volumendurchflussmessung und eines Zeitpunkts einer Druckmessung;
4 eine schematische Darstellung eines Massendurchflussmesssystems gemäß einer ersten Modifikation der vorliegenden Erfindung;
5A eine schematische Draufsicht eines Durchflussmesselements gemäß einer zweiten Modifikation der vorliegenden Erfindung und 5B eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmesselements entlang der Linie VB-VB in der 5A;
6A ein Zeitdiagramm eines Ausgangs eines Durchflussmesselements gemäß einer dritten Modifikation der vorliegenden Erfindung, 6B ein Zeitdiagramm eines Ausgangs einer Druckerfassungseinheit des Durchflussmesselements und 6C ein Zeitdiagramm eines Ausgangs einer Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements; und
7A eine schematische Querschnittsansicht eines Durchflussmesselements der Bauart mit einer Membran gemäß einer vierten Modifikation der vorliegenden Er findung und 7B eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Durchflussmesselements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein Massendurchflussmesssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Steuerung eines Motors verwendet wird. Das Massendurchflussmesssystem 100 wird insbesondere zur Messung eines Massendurchflusses von Luft verwendet, die beispielsweise in einer Brennkammer des Motors aufgenommen wird.
Ein Paar von Durchflussmesselementen 10, 20 ist, wie in 1 gezeigt, an einem Durchflussmessteil 30 angeordnet und elektrisch mit einer Steuereinheit 40 verbunden. Die Steuereinheit 40 misst den Massendurchfluss von Fluid, indem sie die von den Elementen 10, 20 ausgegebenen Signale verwendet. Ein Massendurchflussmesser weist insbesondere die Durchflussmesselemente 10, 20, das Durchflussmessteil 30 und die Steuereinheit 40 auf, und das Massendurchflussmesssystem 100 weist insbesondere den Massendurchflussmesser und eine mit dem Massendurchflussmesser verbundene Energieversorgungsvorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Motorsteuervorrichtung, auf.
Das Durchflussmessteil 30 entspricht einer Luftansaugleitung der Motorsteuervorrichtung, und Fluid, wie beispielsweise Luft, strömt in das Durchflussmessteil 30. Das aus den Elementen 10, 20 bestehende Paar ist derart in dem Durchflussmessteil 30 angeordnet, dass es sich über eine Strömung des Fluids gesehen gegenüberliegt. D. h., das erste Durchflussmesselement 10 ist an einer Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnet, und das zweite Durchflussmesselement 20 ist derart an einer Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnet, dass es dem Element 10 gegenüberliegt. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Durchflussmessteils 30 der Luftansaugleitung.
Das Durchflussmesselement 10, 20 weist eine Membranform auf und ist aus einer Halbleiterplatine, einer Ultraschalleinheit und einer Druckerfassungseinheit aufgebaut. Die Ultraschalleinheit sendet und empfängt eine Ultraschallwelle, und die Druckerfassungseinheit erfasst den Druck eines Fluids. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind zusammen an der Halbleiterplatine befestigt. Eine Sei tenwand des Durchflussmessteils 30 weist ein Loch auf, und das Durchflussmesselement 10, 20 ist beispielsweise über ein Versiegelungselement in dem Loch angeordnet. Das Durchflussmesselement 10, 20 wird nachstehend näher beschrieben.
Die Steuereinheit 40 ist als Mikrocomputer mit einer CPU 41, einem Speicher 42 und dergleichen aufgebaut. Die Steuereinheit 40 wird über eine externe Vorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise eine Motorsteuervorrichtung, mit Strom versorgt. Die Steuereinheit 40 führt eine vorbestimmte Berechnung auf der Grundlage eines im Speicher 42 gespeicherten Programms aus und gibt das Rechenergebnis an die Motorsteuervorrichtung. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 aktiviert insbesondere die Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements 10, 20, um eine Ultraschallwelle auszusenden und zu empfangen. Die Steuereinheit 40 erfasst ferner den Druck des Fluids auf der Grundlage eines von der Druckerfassungseinheit des Durchflussmesselements 10, 20 ausgegebenen Signals.
Die CPU 41 der Steuereinheit 40 berechnet ferner eine Übertragungszeit, die zur Übertragung der Ultraschallwelle zwischen den Elementen 10, 20 benötigt wird, und einen Volumendurchfluss des Fluids auf der Grundlage der berechneten Übertragungszeit. Die Steuereinheit 40 berechnet ferner einen Massendurchfluss des Fluids auf der Grundlage des berechneten Volumendurchflusses und des Fluiddrucks und überprüft, ob das Element 10, 20 normal arbeitet oder nicht.
Der Speicher 42 der Steuereinheit 40 wird zur Überprüfung des Elements 10, 20 verwendet. An eine piezoelektrische Membran 8, die, wie in 2B gezeigt, zwischen Elektroden 9a, 9b angeordnet ist, wird eine Spannung gelegt. Bei angelegter Spannung gibt der in der 2B gezeigte Dehnungsmesser ein Ausgangssignal aus. Die Spannung und das Ausgangssignal werden miteinander verknüpft und als Diagnoseabbildung im Speicher 42 gespeichert.
Nachstehend wird das Durchflussmesselement 10 näher unter Bezugnahme auf die 2a und 2B beschrieben. Das Durchflussmesselement 20 weist annähernd den gleichen Aufbau wie das Durchflussmesselement 10 auf, so dass das Durchflussmesselement 20 nachstehend nicht näher beschrieben wird.
Das Durchflussmesselement 10 ist, wie in den 2A und 2B gezeigt, aus einer Halbleiterplatine mit einer SOI-(Silicon an insulator)-Struktur aufgebaut. Die Halbleiterplatine weist eine erste Halbleiterschicht 1 aus Si, einen eingebetteten Oxidfilm 2 aus SiO₂, eine zweite Halbleiterschicht 3 aus Si und einen schützenden Oxidfilm 4 aus SiO₂ auf. Die Halbleiterplatine weist einen Membranteil 5 auf, der über ein mikroelektromechanisches Verfahren dünn ausgebildet ist. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind zusammen auf dem Membranteil 5 gebildet. Die Ultraschalleinheit weist eine Schichtstruktur auf, in welcher die aus einem piezoelektrischen Material aufgebaute piezoelektrische Membran 8 zwischen den Elektroden 9a, 9b angeordnet ist. Die Druckerfassungseinheit weist den Dehnungsmesser 6 und eine mit dem Dehnungsmesser 6 verbundene Elektrode 7 auf. Die piezoelektrische Membran 8 über ein Sol-Gel-Verfahren oder Sputtern dünn ausgebildet.
D. h., die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind auf demselben Membranteil 5 angeordnet, so dass ein einziges Halbleiterelement, d. h. das Element 10, 20, zwei Funktionen, d. h. Senden/Empfangen einer Ultraschallwelle und Erfassen eines Drucks, ausführen kann. Hierdurch kann das Element 10 kleiner ausgebildet werden und das Einbauvolumen zur Befestigung des Elements 10 an dem Durchflussmessteil 30 verringert werden. Ferner sind die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit zusammen auf der Halbleiterplatine angeordnet, um das Element 10 zu bilden. Hierdurch wird für die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit nur ein Halbleiterprozess benötigt, so dass die Fertigungskosten zur Fertigung des Elements 10 und die Materialkosten des Elements 10 verringert werden können.
Das die Ultraschalleinheit bildende piezoelektrische Material ist nicht auf die piezoelektrische Membran 8 beschränkt. Anstelle der piezoelektrischen Membran 8 kann beispielsweise ein massives (bulk) piezoelektrisches Material verwendet werden. In diesem Fall kann eine vom Element 10 ausgesendete Ultraschallwelle einen verhältnismäßig hohen Schalldruck aufweisen, so dass die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Das piezoelektrische Material kann aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Lanthan dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT), Niobium dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat ((PZT)Nb), ZnO oder AlN aufgebaut sein.
Die CPU 41 der Steuereinheit 40 legt eine Wechselspannung an die Elektroden 9a, 9b, um eine Ultraschallwelle vom Element 10 aus zu senden. Hierdurch schwingt das Membranteil 5 derart mit den Elektroden 9a, 9b und der piezoelektrischen Membran 8, dass es eine vorbestimmte Frequenz im Ultraschallwellenbereich aufweist. Ferner schwingt das Membranteil 5 bedingt durch die vom Element 10 aus gesendete Ultraschallwelle derart mit der piezoelektrischen Membran 8 und den Elektroden 9a, 9b, dass es die Ultraschallwelle empfangen kann. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 veranlasst die piezoelektrische Membran 8 und die Elektroden 9a, 9b dazu, die empfangene Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal zu wandeln.
Demgegenüber wird das Membranteil 5 des Elements 10 durch den Fluiddruck verzerrt, wobei der Betrag der Verzerrung durch eine Widerstandsänderung des Dehnungsmessers 6 definiert wird. Auf diese Weise erfasst die CPU 41 der Steuereinheit 40 den Fluiddruck.
Nachstehend wird der Betrieb des Massendurchflussmesssystems 100 beschrieben. Zunächst wird eine vom System 100 ausgeführte Eigendiagnose beschrieben. Wenn die Steuereinheit 40 über die Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, versorgt die CPU 41 der Steuereinheit 40 die piezoelektrische Membran 8 (Elektroden 9a, 9b) mit Strom, um das Membranteil 5 zusammen mit der piezoelektrischen Membran 8 und den Elektroden 9a, 9b zu verzerren. Anschließend erfasst die CPU 41 der Steuereinheit 40 ein vom Dehnungsmesser 6 während der Verzerrung ausgegebenes Ausgangssignal. Die an die piezoelektrische Membran 8 (Elektroden 9a, 9b) gelegte Spannung und das vom Dehnungsmesser 6 ausgegebene Ausgangssignal werden von der CPU 41 der Steuereinheit 40 mit der im Speicher 42 gespeicherten Diagnoseabbildung verglichen. Auf diese Weise überprüft die Steuereinheit 40, ob das Element 10, 20 normal arbeitet oder nicht. Wenn die Steuereinheit 40 bestimmt, dass das Element 10, 20 normal arbeitet, beginnt die Steuereinheit 40 damit, den Massendurchfluss des Fluids gemäß obiger Beschreibung zu messen. Wenn die Steuereinheit 40 demgegenüber bestimmt, dass das Element 10, 20 nicht normal arbeitet, zeigt die Steuereinheit 40 über eine Alarmvorrichtung (nicht gezeigt) an, dass das Element 10, 20 fehlerhaft arbeitet.
Der Zeitpunkt, an welchem die Eigendiagnose von der CPU 41 der Steuereinheit 40 ausgeführt wird, ist nicht auf den Zeitpunkt beschränkt, an welchem die Motorsteuervorrichtung mit der Stromversorgung beginnt. Während der Stromversorgung über die Motorsteuervorrichtung wird die Eigendiagnose jede vorbestimmte Periode ausgeführt, da es stets möglich ist, dass bei dem Element 10, 20 ein Fehler auftritt. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Nachstehend wird die Messung des Massendurchflusses durch das Massendurchflussmesssystem 100 beschrieben. Wie in der 1 gezeigt, ist ein Abstand L zwischen einem annähernd in der Mitte befindlichen Teil des Elements 10 und einem annähernd in der Mitte befindlichen Teil des Elements 20 definiert. Zwischen einer die Elemente 10, 20 verbindenden Linie und einer Wand des Durchflussmessteils 30, dass sich von dem Element 10 in Richtung einer Stromabwärtsseite des Elements 10 erstreckt, ist ein Winkel θ definiert. Fluid weist im windstillen Zustand die Schallgeschwindigkeit C und im Durchflussmessteil 30 die Geschwindigkeit V auf.
Die CPU 41 der Steuereinheit 40 aktiviert das an der Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 10, um eine Ultraschallwelle auszusenden. Die vom Element 10 ausgesendete Ultraschallwelle wird schräg über das Durchflussmessteil 30 zum Element 20 übertragen. Die Steuereinheit 40 steuert das an der Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 20, um die vom Durchflussmesselement 10 gesendete Ultraschallwelle zu empfangen. Die Steuereinheit 40 misst eine erste Übertragungszeit t1 = L/(C + Vcosθ). Die erste Übertragungszeit beginnt an dem Zeitpunkt, an welchem die Ultraschallwelle vom Element 10 gesendet wird, und endet an dem Zeitpunkt, an welchem die gesendete Ultraschallwellen vom Element 20 empfangen wird.
Anschließend aktiviert die CPU 41 der Steuereinheit 40 das an der Stromabwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 20, um eine Ultraschallwelle auszusenden. Die vom Element 20 gesendete Ultraschallwelle wird schräg über das Durchflussmessteil 30 zum Element 10 übertragen. Die Steuereinheit 40 steuert das an der Stromaufwärtsseite des Durchflussmessteils 30 angeordnete Element 10, um die vom Element 20 gesendete Ultraschallwelle zu empfangen. Die Steuereinheit 40 misst eine zweite Übertragungszeit t2 = L/(C – Vcosθ). Die zweite Übertragungszeit beginnt an dem Zeitpunkt, an welchem die Ultraschallwelle vom Element 20 gesendet wird, und endet an dem Zeitpunkt, an welchem die gesendete Ultraschallwellen vom Element 10 empfangen wird.
Aus den beiden obigen Gleichungen wird die Schallgeschwindigkeit C gekürzt, und die Steuereinheit 40 berechnet die Geschwindigkeit V = L(1/t1 – 1/t2)/(2cosθ). Da der Abstand L und der Winkel θ bekannt sind, kann die Steuereinheit 40 den Volumendurchfluss Q = SV berechnen, wenn das Durchflussmessteil 30 die Querschnittsfläche S aufweist.
Die Steuereinheit 40 erfasst (misst) über die Druckerfassungseinheit ferner den Fluiddruck P. Da das Element 10 zusammen die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit aufweist, müssen ein von der Ultraschalleinheit ausgegebenes Signal und ein von der Druckerfassungseinheit ausgegebenes Signal voneinander unterschieden werden. Folglich kann sich ein Zeitpunkt zum Messen des Drucks P, wie in 3 gezeigt, von einem Zeitpunkt zum Messen des Volumendurchflusses, d. h. einem Zeitpunkt zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle, unterscheiden.
Anschließend berechnet die Steuereinheit 40 den Massendurchfluss Qm = QP über den Volumendurchfluss Q und den von der Druckerfassungseinheit des Elements 10, 20 erfassten Druck P. Auf diese Weise kann das Massendurchflussmesssystem 100 den Messendurchfluss eines Fluids bestimmen. Die Steuereinheit 40 gibt den berechneten Massendurchfluss des Fluids an die Motorsteuervorrichtung.
Gemäß der Ausführungsform weist das Durchflussmesselement 10, 20 zusammen die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit auf. Die Übertragungszeit, die zur Übertragung der Ultraschallwelle benötigt wird, der Volumendurchfluss und der Massendurchfluss werden unter Verwendung der Elemente 10, 20 berechnet. Folglich kann der Massendurchfluss berechnet werden, ohne dass das Einbauvolumen zur Befestigung des Elements 10, 20 an dem Durchflussmessteil 30 erhöht werden muss.
(Erste Modifikation)
Gemäß einer ersten Modifikation kann ein Sendeelement zum Senden einer Ultraschallwelle getrennt von einem Massendurchflussmesser vorgesehen werden. Die weiteren Teile der ersten Modifikation können denen der obigen Ausführungsform entsprechen.
Der Massendurchflussmesser weist, wie in 4 gezeigt, ein erstes Durchflussmesselement 10a, ein zweites Durchflussmesselements 20a, ein erstes Sendeelement 200a und ein zweites Sendeelement 200b auf. Das Durchflussmesselement 10a, 20a weist eine Halbleiterplatine mit einer Membranstruktur auf, und eine piezoelektrische Membran und ein Dehnungsmesser sind auf der Membranstruktur angeordnet. Das Durchflussmesselement 10a, 20a empfängt eine Ultraschallwelle und erfasst einen Fluiddruck. Das Sendeelement 200a, 200b weist ein massives (bulk) piezoelektrisches Material auf und sendet eine Ultraschalwelle aus. Ein flacher Bereich des massiven piezoelektrischen Materials des Sendeelements 200a, 200b ist größer als der der piezoelektrischen Membran des Durchflussmesselements 10a, 20a.
Gemäß der ersten Modifikation weist der Massendurchflussmesser die Sendeelemente 200a, 200b mit dem massiven piezoelektrischen Material zusätzlich zu den Durchflussmesselementen 10a, 20a auf. Das Durchflussmesselement 20a empfängt eine vom Sendeelement 200a gesendete Ultraschallwelle und das Durchflussmesselement 10a empfängt die vom Sendeelement 200b gesendete Ultraschallwelle.
Gewöhnlich kann die Empfindlichkeit verbessert werden, wenn ein Sendeelement eine Ultraschallwelle mit einem verhältnismäßig hohen Schalldruck ausgibt. Folglich kann die Empfindlichkeit gemäß der ersten Modifikation verbessert werden, da die Sendeelemente 200a, 200b getrennt vorgesehen sind. Ferner kann das Einbauvolumen dann, wenn die Empfindlichkeit bei einem annähernd gleichen Pegel gehalten wird, verglichen mit einem Fall, bei dem ein Ultraschallwellensendeelement, ein Ultraschallwellenempfangselement und ein Druckerfassungselement einzeln bzw. getrennt voneinander in einem Massendurchflussmesser vorgesehen werden, verringert werden.
(Zweite Modifikation)
Gemäß einer zweiten Modifikation kann, wie in den 5A und 5B gezeigt, ein kapazitives Durchflussmesselement 50 anstelle des das Membranteil 5 aufweisenden Durchflussmesselements 10, 20 verwendet werden. Die weiteren Teile der zweiten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
Das kapazitive Durchflussmesselement 50 weist, wie in den 5A und 5B gezeigt, eine erste Elektrode 53a und eine zweite Elektrode 53b auf, die zur Erfassung einer zwischen beiden auftretenden Kapazität verwendet werden. Die erste Elektrode 53a ist über einen Isolierfilm 52 auf einer Halbleiterplatine 51 angeordnet. Die zweite Elektrode 53b ist derart über einen Luftspalt 59 von der ersten Elektrode 53a beabstandet angeordnet, dass sie der ersten Elektrode 53a gegenüberliegt. Ein Teil der zweiten Elektrode 53b, welcher dem Luftspalt 59 gegenüberliegt, weist ein Luftloch 58 auf.
Ein Isolierfilm 54, eine erste Luftspaltsteuerelektrode 55a, ein Isolierfilm 56, eine zweite Luftspaltsteuerelektrode 55b und ein Isolierfilm 57, die jeweils ein Durchgangsloch zum Bilden des Luftspalts 59 aufweisen, sind in dieser Reihenfolge zwischen den Elektroden 53a, 53b angeordnet.
Die Halbleiterplatine 51 ist beispielsweise aus Si aufgebaut. Die erste Elektrode 53a, die zweite Elektrode 53b, die erste Luftspaltsteuerelektrode 55a und die zweite Luftspaltsteuerelektrode 55b sind aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise polykristallinem Silizium, Aluminium oder Gold aufgebaut. Die Isolierfilme 52, 54, 56, 57 sind beispielweise aus SiO₂ aufgebaut.
Wenn eine Spannung an die Elektroden 53a, 53b des kapazitiven Durchflussmessers 50 gelegt wird, wird die Elektrode 53b verzerrt. Hierdurch wird der Luftspalt 59 verändert, so dass das Element 50 eine Ultraschallwelle aussendet. Ferner wird die Elektrode 53b dann, wenn das Element 50 eine Ultraschallwelle empfängt oder durch das Fluid mit einem Druck beaufschlagt wird, verzerrt. Hierdurch wird der Luftspalt 59 zwischen den Elektroden 53a, 53 verändert. Folglich wird die Kapazität zwischen den Elektroden 53a, 53b verändert. Die geänderte Kapazität wird als Ausgangssignal ausgeben.
Gemäß der zweiten Modifikation können eine Ultraschalleinheit zum Senden und Empfangen einer Ultraschallwelle und eine Druckerfassungseinheit zur Erfassung eines Fluiddrucks zusammen auf der Halbleiterplatine 51 angeordnet werden, so dass das Einbauvolumen verringert werden kann.
Nachstehend wird eine vom kapazitiven Durchflussmesselement 50 ausgeführte Eigendiagnose beschrieben. Wenn die Steuereinheit 40 über die Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, legt die CPU 41 der Steuereinheit 40 eine Spannung an die Elektroden 55a, 55b, um den Luftspalt 59 zwischen den Elektroden 53a, 53b zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt erfasst die Steuereinheit 40 die Kapazität zwischen den Elektroden 53a, 53b.
Die an die Elektroden 55a, 55b gelegte Spannung und die Kapazität werden von der Steuereinheit 40 mit der im Speicher 42 gespeicherten Diagnoseabbildung verglichen, um zu bestimmen, ob das Element 50 normal arbeitet oder nicht. Die Spannung und die Kapazität werden im Voraus als die Diagnoseabbildung bzw. Diagnosekennlinie miteinander verknüpft, und die Diagnoseabbildung wird im Voraus im Speicher 42 gespeichert.
Wenn die Steuereinheit 40 bestimmt, dass das Element 50 normal arbeitet, beginnt die Steuereinheit 40 mit der Messung eines Fluidmassendurchflusses. Wenn die Steuereinheit 40 demgegenüber bestimmt, dass das Element 50 fehlerhaft arbeitet, zeigt sie dies über eine Alarmvorrichtung (nicht gezeigt) an.
Der Zeitpunkt, an welchem die Steuereinheit 40 die Eigendiagnose ausführt, ist nicht auf den Zeitpunkt beschränkt, an welchem die Motorsteuervorrichtung mit der Stromversorgung beginnt. Während der Stromversorgung über die Motorsteuervorrichtung wird die Eigendiagnose jede vorbestimmte Periode ausgeführt, da es stets möglich ist, dass bei dem Element 50 ein Fehler auftritt. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit verbessert werden
Da der Schalldruck einer vom kapazitiven Durchflussmesselement 50 gesendeten Ultraschallwelle verhältnismäßig gering ist, wird das Element 50 hauptsächlich für den Empfang einer Ultraschallwelle und zur Erfassung des Fluiddrucks verwendet und kann ein Ultraschallwellensendeelement getrennt vorgesehen werden. D. h., das kapazitive Durchflussmesselement 50 kann als das Durchflussmesselement 10a, 20a der ersten Modifikation verwendet werden, und das Sendeelement 200a, 200b der ersten Modifikation kann in diesem Fall als das Ultraschallwellensendeelement verwendet werden.
(Dritte Modifikation)
Bei der obigen Ausführungsform ist der Zeitpunkt zur Druckmessung, wie in 3 gezeigt, auf einem vom Zeitpunkt zur Messung des Volumendurchflusses verschiedenen Zeitpunkt gelegt, da die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit beide in dem Durchflussmesselement 10, 20 integriert sind. Gemäß einer dritten Modifikation können das Messen des Volumendurchflusses, d. h. das Senden und Empfangen der Ultraschallwelle, und die Messung des Fluiddrucks annähernd gleichzeitig ausgeführt werden. Die weiteren Teile der dritten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
Die Volumendurchflussmessung und die Fluiddruckmessung können annähernd gleichzeitig ausgeführt werden, da die Frequenz zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle gewöhnlich bekannt ist.
Ein von der Druckerfassungseinheit ausgegebenes Signal und ein von der Ultraschalleinheit ausgegebenes Signal überlappen sich wie in 6A gezeigt gegenseitig, wenn die Volumendurchflussmessung und die Fluiddruckmessung annähernd gleichzeitig ausgeführt werden. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 nimmt eine Frequenztrennung vor, so dass das Überlappungssignal in ein in der 6B gezeigtes Signal von der Druckerfassungseinheit und in ein in der 6C gezeigtes Signal von der Ultraschalleinheit getrennt wird. Hierdurch kann die Ansprechempfindlichkeit verbessert werden, so dass die vom Massendurchflussmesser und vom Massendurchflussmesssystem benötigte Zeit zur Messung des Massendurchflusses verringert werden kann.
(Vierte Modifikation)
Gemäß einer vierten Modifikation ist ein Temperatursensor 80 zur Erfassung der Fluidtemperatur in ein in der 7A gezeigtes Membran-Durchflussmesselement 60 oder in ein in der 7B gezeigtes kapazitives Durchflussmesselement 79 integriert. Auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Temperatursensors 80 kann eine Temperaturkorrektur bezüglich der Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle und des Fluiddrucks ausgeführt werden. Die weiteren Teile der vierten Modifikation können denen der obigen Beschreibung entsprechen.
Das Volumen eines Fluids ändert sich mit der Temperatur des Fluids. Folglich ändern sich die Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle und der Druck, mit welchem die Druckerfassungseinheit beaufschlagt wird, mit der Temperatur des Fluids.
Der Temperatursensor 80 ist, wie in 7A gezeigt, an dem Membran-Durchflussmesselement 60 befestigt. Der Temperatursensor 80 ist, wie in 7B gezeigt, an dem kapazitiven Durchflussmesselement 70 befestigt. Ferner wird die Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle oder der Fluiddruck mit der Temperatur verknüpft und das verknüpfte Verhältnis beispielsweise als Temperaturabbildung im Voraus im Speicher 42 gespeichert. Die CPU 41 der Steuereinheit 40 führt die Temperaturkorrektur bezüglich der Geschwindigkeit und des Drucks unter Verwendung des Erfassungsergebnisses des Temperatursensors 80 und der Temperaturabbildung aus.
Hierdurch kann der Massendurchfluss des Fluids genau berechnet werden, so dass die Zuverlässigkeit des Massendurchflussmessers und des Massendurchflussmesssystems 100 verbessert werden kann. Ferner kann das Einbauvolumen klein gehalten werden, da der Temperatursensor 80 mit dem Durchflussmesselement 60, 70 kombiniert ist.
(Weitere Modifikation)
Bei der obigen Ausführungsform und den Modifikationen ist das Durchflussmesselement aus der Ultraschalleinheit und der Druckerfassungseinheit aufgebaut, die mit der Halbleiterplatine kombiniert sind. Alternativ kann das Durchflussmesselement aus einem einzelnen massiven piezoelektrischen Material aufgebaut sein, welches die Funktion der Ultraschalleinheit und der Druckerfassungseinheit erfüllen kann.
Solche Änderungen und Ausgestaltungen sollen als mit im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden werden, sowie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird.
Vorstehend wurden ein Durchflussmesselement, ein Massendurchflussmesser und ein Massendurchflussmesssystem offenbart.
Ein Durchflussmesselement 10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70 wird zum Messen eines Massendurchflusses von Fluid verwendet und weist eine Halbleiterplatine 1, 51, eine Ultraschalleinheit 8, 9a, 9b, 53a, 53b und eine Druckerfassungseinheit 6, 7, 53a, 53b auf. Die Ultraschalleinheit sendet und/oder empfängt eine Ultraschallwelle. Die Druckerfassungseinheit erfasst den Druck des Fluids. Die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit sind zusammen auf der Halbleiterplatine angeordnet.

Claims

Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70), das zum Messen eines Massendurchflusses von Fluid verwendet wird und aufweist: – eine Halbleiterplatine (1, 51); – eine Ultraschalleinheit (8, 9a, 9b, 53a, 53b) zum Senden und/oder Empfangen einer Ultraschallwelle; und – eine Druckerfassungseinheit (6, 7, 53a, 53b) zur Erfassung eines Drucks des Fluids, wobei – die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit zusammen auf der Halbleiterplatine angeordnet sind.
Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ultraschalleinheit ein piezoelektrisches Element (8) aufweist; – die Druckerfassungseinheit einen Dehnungsmesser (6) aufweist; – die Halbleiterplatine (1) eine Membranstruktur (5) aufweist; und – das piezoelektrische Element (8) und der Dehnungsmesser (6) auf der Membranstruktur (5) angeordnet sind.
Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) membranförmig oder massiv ausgebildet ist.
Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 60) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aus Lanthan dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT), aus Niobium dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat ((PZT)Nb), ZnO oder AlN aufgebaut ist.
Durchflussmesselement (50, 70) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit eine erste Elektrode (53a) und eine zweite Elektrode (53b) aufweisen; – die erste Elektrode (53a) auf der Halbleiterplatine (51) angeordnet ist; – die zweite Elektrode (53b) der ersten Elektrode (53a) beabstandet gegenüberliegt und ein Luftloch (58) an einem der ersten Elektrode gegenüberliegen Teil von ihr aufweist, – zwischen der ersten Elektrode (53a) und der zweiten Elektrode (53b) ein Zwischenraum (59) vorgesehen ist, der geändert wird, wenn die Ultraschalleinheit die Ultraschallwelle empfängt oder die Druckerfassungseinheit den Druck erfasst; und – zwischen der ersten Elektrode (53a) und der zweiten Elektrode (53b) eine Kapazität vorhanden ist, die durch die Änderung des Zwischenraums (59) geändert wird und als Ausgangssignal ausgegeben wird.
Massendurchflussmesser mit: – einem Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70), das zusammen eine Ultraschalleinheit und eine Druckerfassungseinheit aufweist; – einem Durchflussmessteil (30), das von Fluid durchströmt wird, wobei ein Paar der Durchflussmesselemente (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70) derart an einer Stromaufwärtsseite des Fluids und an einer Stromabwärtsseite des Fluids angeordnet ist, dass es sich gegenüberliegt; – einem Volumendurchflussrechner (40) zur Berechnung einer Übertragungszeit (t1, t2), die zur Übertragung einer Ultraschallwelle zwischen den Durchflussmesselementen (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70) benötigt wird, und zur Berechnung eines Volumendurchflusses (Q) des Fluids auf der Grundlage der berechneten Übertragungszeit; und – einem Massendurchflussrechner (40) zur Berechnung eines Massendurchflusses (Qm) des Fluids auf der Grundlage des berechneten Volumendurchflusses (Q) und eines von der Druckerfassungseinheit erfassten Druckwerts (P) des Fluids in dem Durchflussmessteil (30).
Massendurchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – ein Paar von Sendeelementen (200a, 200b) zum Senden der Ultraschallwelle, wobei das Sendeelement ein massives piezoelektrisches Element aufweist und derart an der Stromaufwärtsseite des Fluids und an der Stromabwärtsseite des Fluids angeordnet ist, dass sich das Paar bestehend aus den zwei Sendeelementen gegenüberliegt, wobei – die Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements (10a, 20a) die vom Sendeelement (200a, 200b) gesendete Ultraschallwelle empfängt, und – der Volumendurchflussrechner (40) die Übertragungszeit (t1, t2) mit Hilfe der Ultraschallwelle berechnet, die vom Sendeelement (220a, 200b) gesendet und von der Ultraschalleinheit des Durchflussmesselements (10a, 20a) empfangen wird.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – einen Temperatursensor (80) zur Temperaturerfassung des Fluids; und – einen Temperaturkorrekturrechner (40) zum Ausführen einer Temperaturkorrektur bezüglich einer Geschwindigkeit zur Übertragung der Ultraschallwelle und des Druckwerts des Fluids auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses des Temperatursensors.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (80) in das Durchflussmesselement (60, 70) integriert ist.
Massendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Druckerfassungseinheit einen ersten Zeitpunkt zur Erfassung des Fluiddrucks aufweist, – die Ultraschalleinheit einen zweiten Zeitpunkt zum Senden und Empfangen der Ultraschallwelle aufweist; und – sich der erste Zeitpunkt vom zweiten Zeitpunkt unterscheidet.
Massendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine Frequenzweiche (40) zum Trennen einer Frequenz eines von der Druckerfassungseinheit ausgegebenen Signals und einer Frequenz eines von der Ultraschalleinheit ausgegebenen Signals aufweist, wobei die Druckerfassungseinheit den Fluiddruck an einem ersten Zeitpunkt erfasst und die Ultraschalleinheit die Ultraschallwellen an einem annähernd dem ersten Zeitpunkt entsprechenden zweiten Zeitpunkt sendet und empfängt.
Massendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 50, 60, 70) eine Halbleiterplatine (1, 51) aufweist; und – die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit zusammen auf der Halbleiterplatine (1, 51) angeordnet sind.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ultraschalleinheit ein piezoelektrisches Element (8) aufweist; – die Druckerfassungseinheit einen Dehnungsmesser (6) aufweist; – die Halbleiterplatine (1) eine Membranstruktur (5) aufweist; und – das piezoelektrische Element (8) und der Dehnungsmesser (6) auf der Membranstruktur (5) angeordnet sind.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) membranförmig oder massiv ausgebildet ist.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aus Lan than dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT), aus Niobium dotiertem Blei-Zirkonat-Titanat ((PZT)Nb), ZnO oder AlN aufgebaut ist.
Massendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – einen ersten Diagnosespeicher (42), in dem eine an das piezoelektrische Element (8) gelegte Spannung und ein vom Dehnungsmesser (6) ausgegebenes Signal miteinander verknüpft werden und das verknüpfte Verhältnis gespeichert wird; und – ein erstes Diagnoseelement (41) zur Steuerung der Stromversorgung des piezoelektrischen Elements (8), um zu bewirken, dass sich die Membranstruktur (5) verschiebt, wobei – das erste Diagnoseelement (41) die Spannung und das Signal mit dem im ersten Diagnosespeicher (42) gespeicherten verknüpften Verhältnis vergleicht, um zu überprüfen, ob das Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 10b, 60) normal arbeitet oder nicht.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ultraschalleinheit und die Druckerfassungseinheit eine erste Elektrode (53a) und eine zweite Elektrode (53b) aufweisen; – die erste Elektrode (53a) auf der Halbleiterplatine (51) angeordnet ist; – die zweite Elektrode (53b) der ersten Elektrode (53a) beabstandet gegenüberliegt und ein Luftloch (58) an einem der ersten Elektrode gegenüberliegen Teil von ihr aufweist, – zwischen der ersten Elektrode (53a) und der zweiten Elektrode (53b) ein Zwischenraum (59) vorgesehen ist, der geändert wird, wenn die Ultraschalleinheit die Ultraschallwelle empfängt oder die Druckerfassungseinheit den Druck erfasst; und – zwischen der ersten Elektrode (53a) und der zweiten Elektrode (53b) eine Kapazität vorhanden ist, die durch die Änderung des Zwischenraums (59) geändert wird und als Ausgangssignal ausgegeben wird.
Massendurchflussmesser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – eine Diagnoseelektrode (55a, 55b) zur Änderung des Zwischenraums (59) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (53a, 53b), wenn sie mit Strom versorgt wird; – einen zweiten Diagnosespeicher (42), in dem eine an die Diagnoseelektrode (55a, 55b) gelegte Spannung und ein die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (53a, 53b) beschreibendes Signal miteinander verknüpft werden und das verknüpfte Verhältnis gespeichert wird; und – ein zweites Diagnoseelement (41) zur Steuerung der Stromversorgung der Diagnoseelektrode (55a, 55b), um zu bewirken, dass sich der Zwischenraum (59) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (53a, 53b) ändert, wobei – das zweite Diagnoseelement (41) die Spannung und das Signal mit dem im zweiten Diagnosespeicher (42) gespeicherten verknüpften Verhältnis vergleicht, um zu überprüfen, ob das Durchflussmesselement (50, 70) normal arbeitet oder nicht.
Massendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Durchflussmesselement (10, 20, 10a, 20a, 60) ein einzelnes massives piezoelektrisches Element aufweist; und – das einzelne massive piezoelektrische Element sowohl die Funktion der Ultraschalleinheit als auch die Funktion der Druckerfassungseinheit erfüllt.
Massendurchflussmesssystem (100) mit dem Massendurchflussmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Leistungsvorrichtung zur Stromversorgung aufweist, um den Massendurchflussmesser zu aktivieren, wobei das erste Diagnoseelement (41) des Massendurchflussmessers die Überprüfung ausführt, wenn die Leistungsvorrichtung den Massendurchflussmesser mit Strom versorgt.
Massendurchflussmesssystem (100) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Diagnoseelement (41) die Überprüfung einmal pro vorbestimmter Periode ausführt, während die Leistungsvorrichtung den Massendurchflussmesser mit Strom versorgt.
Massendurchflussmesssystem (100) mit dem Massendurchflussmesser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine Leistungsvorrichtung zur Stromversorgung aufweist, um den Massendurchflussmesser zu aktivieren, wobei das zweite Diagnoseelement (41) des Massendurchflussmessers die Überprüfung ausführt, wenn die Leistungsvorrichtung den Massendurchflussmesser mit Strom versorgt.
Massendurchflussmesssystem (100) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Diagnoseelement (41) die Überprüfung einmal pro vorbestimmter Periode ausführt, während die Leistungsvorrichtung den Massendurchflussmesser mit Strom versorgt.