УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2012 года по МПК G01F9/00 G01F1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для измерения параметров текучей среды и способу измерения параметров текучей среды для измерения скорости потока и т.п.текучей среды, например отработавшего газа.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Для уменьшения расхода топлива и выбросов двигателя необходимо подробно анализировать один цикл горения двигателя. В результате эффективно точно измерять изменения, например, температуры и концентрации отработавшего газа (газообразных продуктов сгорания), выпускаемого из двигателя. В настоящее время известны измерительные приборы, которые могут точно определять температуру и концентрацию газообразных продуктов сгорания с использованием лазерного излучения (см., например, патентный документ 1). Патентный документ 1: патент Японии №3943853.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Если известны концентрация газа и скорость потока отработавшего газа, то можно определить массовый расход каждого газа, содержащегося в отработавшем газе, общее количество выбросов в каждом режиме движения и т.п. Таким образом, для уменьшения расхода топлива и выбросов двигателя в дополнение к измерению температуры и концентрации отработавшего газа важно точно измерять скорость потока отработавшего газа. Однако способ, обеспечивающий точное измерение скорости потока и расхода потока отработавшего газа с высокой температурой, не известен.

Цель настоящего изобретения заключается в создании устройства для измерения параметров текучей среды и способа измерения параметров текучей среды, обеспечивающего точное измерение скорости потока текучей среды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В предлагаемом изобретении указанная проблема решается следующим образом. Следует отметить, что несмотря на то, что для упрощения описания используются номера позиций, соответствующие вариантам выполнения настоящего изобретения, изобретение ими не ограничивается.

В соответствии с первым аспектом изобретения устройство (10) для измерения параметров текучей среды содержит измерительный блок (30) на стороне источника, который измеряет параметр, указывающий на рабочее состояние источника (20) текучей среды и изменяющийся соответствующим образом относительно режима выработки текучей среды, измерительный блок (40) на стороне трубопровода, выполненный в трубе (22), через которую проходит текучая среда, содержащая текучую среду, создаваемую источником текучей среды, и измеряющий параметр, относящийся к текучей среде, проходящей через трубу, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды, и вычислительный блок (50), вычисляющий скорость потока текучей среды на основании временного сдвига между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне трубопровода, и расстоянием L вдоль трубы между положением измерения параметра, относящегося к источнику текучей среды, и измерительным блоком на стороне трубопровода.

[0005] В соответствии со вторым аспектом изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в первом аспекте, вычислительный блок (50) вычисляет расход текучей среды на основании скорости потока текучей среды и площади поперечного сечения трубы.

В соответствии с третьим аспектом в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в первом или втором аспектах, параметр, относящийся к текучей среде, включает по меньшей мере температуру текучей среды, или концентрацию вещества, содержащегося в текучей среде, или интенсивность поглощенного, рассеянного и излученного веществом излучения.

В соответствии с четвертым аспектом в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по третий, источником текучей среды является двигатель внутреннего сгорания (20), который в качестве текучей среды вырабатывает отработавший газ, а параметр, относящийся к текучей среде, содержит по меньшей мере величину открытия/закрытия впускного клапана, содержащегося в двигателе внутреннего сгорания, или величину открытия/закрытия выпускного клапана, или давление внутри камеры сгорания, содержащейся в двигателе внутреннего сгорания, или угол поворота коленчатого вала, содержащегося в двигателе внутреннего сгорания.

В соответствии с пятым аспектом в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по четвертый, измерительный блок (40) на стороне трубопровода содержит излучающую часть (41), которая излучает в текучую среду лазерное излучение, и принимающую излучение часть (42), которая принимает лазерное излучение, прошедшее через текучую среду или рассеянное ею, и измеряет параметр, относящийся к текучей среде, на основании соотношения интенсивностей излучения, излученного излучающей частью, и прошедшего излучения, принятого принимающей излучение частью.

В соответствии с шестым аспектом в устройстве (110) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по пятый, вдоль трубы предусмотрено несколько измерительных блоков (40, 140) на стороне трубопровода, и вычислительный блок (50) выборочно использует любой из выходных сигналов из нескольких измерительных блоков на стороне трубопровода в соответствии со скоростью потока текучей среды.

В соответствии с седьмым аспектом изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по шестой, вычислительный блок (50) оценивает временной сдвиг (ΔТ) между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком (30) на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого измерительным блоком (40) на стороне трубопровода, путем сравнения сигнала, основанного на изменении параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне трубопровода, с сигналом, основанным на изменении параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне, относящейся к источнику.

В соответствии с восьмым аспектом изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по седьмой, вычислительным блок (50) оценивает временной сдвиг между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком (30) на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого измерительным блоком (40) на стороне трубопровода, путем вычисления взаимной корреляции изменения параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменения параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне трубопровода.

В соответствии с девятым аспектом изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по восьмой, источником текучей среды является двигатель (20) внутреннего сгорания, который создает отработавший газ как текучую среду, а вычислительный блок (50) оценивает частоту вращения двигателя внутреннего сгорания на основании результатов анализов сигнала изменения параметра, относящегося к отработавшему газу, получаемого из выходного сигнала измерительного блока (40) на стороне трубопровода.

В соответствии с десятым аспектом изобретения в устройстве (210) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по девятый, источником текучей среды является устройство (70) для подачи текучей среды, которое подает перед измерительным блоком (40) на стороне трубопровода в первый канал для текучей среды через трубу (22) вторую текучую среду для создания флуктуаций концентрации вещества, содержащегося в первой текучей среде, и измерительный блок (40) на стороне трубопровода измеряет изменение параметра, относящегося к первой текучей среде или второй текущей среде.

В соответствии с одиннадцатым аспектом изобретение включает этап измерения на стороне источника, на котором измеряют параметр, который указывает на рабочий режим источника (20) текучей среды и изменяется соответствующим образом в соответствии с режимом источника текучей среды, этап измерения на стороне трубопровода, на котором в трубе (22), в которой проходит текучая среда, содержащая текучую среду, создаваемую источником текучей среды, измеряют параметр, относящийся к текучей среде, проходящей по трубе, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды, этап вычисления, на котором вычисляют скорость потока текучей среды на основании временного сдвига между изменением параметра, измеренного на этапе измерения на стороне источника, и изменением параметра, измеренного на этапе измерения на стороне трубопровода, и расстояния вдоль трубы между положением измерения параметра, относящегося к источнику текучей среды, и положения измерительного блока на стороне трубопровода.

Следует отметить, что конструкция, описанная с использованием ссылочных номеров позиций, может быть изменена по необходимости, и по меньшей мере ее часть может быть заменена другими составными частями.

Технический результат, достигаемый изобретением

[0006] Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата.

(1) Так как устройство для измерения параметров текучей среды и способ измерения параметров текучей среды в соответствии с настоящим изобретением измеряют изменение параметра, относящегося к источнику текучей среды, и изменение параметра, относящегося к текучей среде, и определяют скорость течения на основании временного сдвига (запаздывание во времени) этих параметров, то скорость потока текучей среды может быть точно измерена.

(2) Расход текучей среды может быть удобным образом определен вместе со скоростью потока текучей среды.

(3) Измерительный блок на стороне трубопровода представляет собой быстродействующий датчик, который измеряет параметры, относящиеся к текучей среде, на основании соотношения интенсивностей или других характеристик излученного излучения и прошедшего излучения источника лазерного излучения. Таким образом, изменения параметра, относящегося к текучей среде, могут быть точно измерены, благодаря чему может быть точно измерена скорость потока текучей среды. Кроме того, изменение параметра может быть достоверно измерено, даже если текучая среда находится при высокой температуре.

(4) Предусмотрено несколько измерительных блоков на стороне трубопровода и увеличено количество разных расстояний между измерительным блоком на стороне источника текучей среды и измерительным блоком на стороне трубопровода, поэтому скорость течения текучей среды может быть точно измерена независимо от скорости потока текучей среды.

(5) Так как частота вращения двигателя внутреннего сгорания оценивается путем анализа сигнала изменения параметра, относящегося к отработавшему газу, то изобретение может также использоваться в качестве тахометра, что очень удобно.

(6) Так как вторая текучая среда добавляется к первой текучей среде, то даже в случае, когда изменения параметра самой первой текучей среды малы или отсутствуют, скорость потока текучей среды может быть достоверно измерена.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Фиг.1 представляет собой измеритель скорости и двигатель в соответствии с первым вариантом выполнения.

Фиг.2 представляет собой конструкцию измерительной ячейки, выполненной в измерителе скорости, показанном на фиг.1.

Фиг.3 (фиг.3А и фиг.3В) представляет собой графики, на которых показан выходной сигнал измерительной ячейки при частоте вращения вала двигателя, равной 2400 об/мин.

Фиг.4 (фиг.4А и фиг.4В) представляет собой графики, на которых показан выходной сигнал измерительной ячейки при частоте вращения вала двигателя, равной 3600 об/мин.

Фиг.5 (фиг.5А и фиг.5В) представляет собой сравнительные графики сигнала величины проходного канала выпускного клапана и сигнала, указывающего на изменение температуры отработавшего газа.

Фиг.6 (фиг.6А и фиг.6В) представляет собой сравнительные спектры мощности температуры газа и концентрации H₂O и спектр мощности частоты вращения (2400 об/мин) двигателя.

Фиг.7 (фиг.7А и фиг.7В) представляет собой сравнительные спектры мощности концентрации CO₂ и концентрации CO и спектр мощности частоты вращения (2400 об/мин) двигателя.

Фиг.8 представляет собой сравнительные спектр мощности концентрации CH₄ и спектр мощности частоты вращения (2400 об/мин) двигателя.

Фиг.9 (фиг.9А и фиг.9В) представляет собой сравнительные спектры мощности температуры газа и концентрации H₂O и спектр мощности частоты вращения (3600 об/мин) двигателя.

Фиг.10 (фиг.10А и фиг.10В) представляют собой сравнительные спектры мощности концентрации CO₂ и концентрации CO и спектр мощности частоты вращения (3600 об/мин) двигателя.

Фиг.11 представляет собой сравнительные спектры мощности концентрации CH₄ и спектр мощности частоты вращения (3600 об/мин).

Фиг.12 представляет собой вид измерителя скорости и двигателя в соответствии со вторым вариантом выполнения.

Фиг.13 представляет собой вид измерителя скорости и трубопровода в соответствии с третьим вариантом выполнения.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0008] 10 - измеритель скорости

20 - двигатель

30 - датчик клапана

40 - измерительная ячейка

50 - вычислительный блок

[0009] В настоящем изобретении проблема создания устройства для измерения параметров текучей среды и способа измерения параметров текучей среды, обеспечивающих точное измерение скорости потока среды, решается с помощью вычислительного блока, который вычисляет скорость потока отработавшего газа на основании временного сдвига между изменением сигнала величины проходного канала выпускного клапана двигателя и выходного сигнала измерительной ячейки, которая измеряет температуру и концентрацию отработавшего газа, и на основании расстояния от выпускного клапана до измерительной ячейки.

ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Первый вариант выполнения

Далее со ссылкой на чертежи описан измеритель 10 скорости и способ измерения скорости/расхода потока отработавшего газа, которые составляют первый вариант выполнения устройства для измерения параметров текучей среды и способа измерения параметров текучей среды в соответствии с настоящим изобретением. Объектом измерения измерителя 10 скорости в соответствии с настоящим вариантом выполнения является отработавший газ, выпускаемый из четырехтактного бензинового двигателя 20 (далее - просто двигатель 20), представляющего собой двигатель внутреннего сгорания. На фиг.1 показан вид измерителя 10 скорости и двигателя 20 в соответствии с этим вариантом выполнения. На фиг.2 дополнительно показана конструкция измерительной ячейки 40, выполненной в измерителе 10 скорости, показанном на фиг.1.

[0011] Двигатель 20 приобретает движущую силу путем сжигания в цилиндрах газообразной смеси бензина и воздуха. Газообразные продукты сгорания этой газообразной смеси газов выпускаются как отработавшие газы из цилиндров через выпускные клапаны 21, и, таким образом, двигатель 20 служит в качестве источника текучей среды. В отработавшем газе, выпущенном двигателем 20, содержатся различные газы, например водяной пар (H₂O), окись углерода (CO), углекислый газ (CO₂) и метан (CH₄). Отработавший газ, выпущенный из двигателя 20, поступает в выпускную трубу 23 через выпускной патрубок 22, проходит через выпускную трубу 23 и выбрасывается в атмосферу.

[0012] Двигатель 20 снабжен датчиком 30 положения клапана (далее - датчик 30 клапана), который определяет величину проходного канала выпускного клапана. В качестве датчика 30 клапана может использоваться известный резистивный датчик и т.п. Датчик 30 клапана определяет и выдает по существу в реальном времени положение выпускного клапана, которое изменяется в соответствии с циклом сгорания в двигателе 20, и служит в качестве измерительного блока на стороне двигателя внутреннего сгорания, составляющего часть измерителя 10 скорости.

[0013] Измеритель 10 скорости снабжен вычислительным блоком 50, который вычисляет скорость потока отработавшего газа на основании выходного сигнала от датчика 30 клапана и выходного сигнала измерительной ячейки 40, выполненной в середине выпускной трубы 23, и расстояния между выпускным клапаном 21 и измерительной ячейкой 40. Следует отметить, что несмотря на то что в настоящем варианте осуществления положение (величина проходного канала) выпускного клапана 21 измеряется непосредственно с помощью датчика 30 клапана, изобретение этим не ограничивается, и сигнал величины проходного канала выпускного клапана 21 может определяться с помощью электронного блока управления (ЭБУ), предназначенного для управления двигателем, и т.п.

[0014] В случае, когда в отработавший газ излучается лазерное излучение определенной длины волны, измерительная ячейка 40, которая является измерительным блоком, применяет характеристику (лазерную абсорбционную спектроскопию), в которой лазерное излучение поглощается из-за колебательно-вращательного перемещения молекул, и измеряет концентрацию газа на основании отношения интенсивностей падающего и переданного излучения. В дополнение к этому измерительная ячейка 40 выполнена с возможностью измерения, например, температуры газа на основании концентрации H₂O. Более того, так как коэффициент поглощения лазерного излучения зависит от температуры отработавшего газа и давления отработавшего газа, необходимо измерять давление отработавшего газа. Однако давление отработавшего газа измеряется датчиком давления, не показанным, но предусмотренным в канале. Ссылочное обозначение L, используемое для расстояния вдоль выпускной трубы 23 (включая выпускной трубопровод 22) между выпускным клапаном 21 и измерительной ячейкой 40 на фиг.1, описано ниже.

[0015] Как показано на фиг.2, измерительная ячейка 40 снабжена излучающей частью 41, которая излучает лазерное излучение, и принимающей излучение частью 42, которая принимает лазерное излучение (переданное излучение), излученное излучающей частью 41 и прошедший через отработавший газ.

[0016] Наконечник излучающей части 41 и принимающая излучение часть 42 имеют трубчатую форму и вставлены в выпускную трубу 23 через отверстие, выполненное в выпускной трубе 23. В часть, образованную в этой трубчатой форме, подается продувочный газ, благодаря чему предотвращается засорение излучающего окна и принимающего излучение окна из-за проходящего в них газа. В измерительной ячейке 40 излучающая часть 41 через передающую оптическую систему 43 излучает несколько лазерных лучей, различную синхронизацию колебаний. Это лазерное излучение проходит через отработавший газ, и принимающая излучение часть 42 детектирует это переданное излучение через принимающую оптическую систему 44. Принимающая излучение часть 42 снабжена схемой 45 обработки сигналов, которая преобразует принятое таким образом лазерное излучение в электрический сигнал (аналоговый сигнал), и этот электрический сигнал подается на вход вычислительного блока 50. Вычислительные блок 50 формирует данные о сигнале (описанные ниже) путем выполнения аналого-цифрового преобразования над указанным электрическим сигналом.

[0017] Температура, концентрация и т.п. отработавшего газа, выпускаемого из двигателя 20, пульсируют по существу с постоянным периодом, соответствующим циклу сгорания в двигателе 20. Время отклика измерительной ячейки 40 предлагаемого изобретения составляет не более 1 мс, и указанная ячейка выполнена с возможностью точного измерения изменений концентрации и температуры отработавшего газа, которые пульсируют.

[0018] Следует отметить, что несмотря на то что на фиг.1 показан пример измерения скорости потока отработавшего газа, выпускаемого из двигателя 20, установленного в полноразмерном автомобиле, измерение скорости потока отработавшего газа этим не ограничивается и может осуществляться на отдельно установленном двигателе 20 (стендовые испытания двигателя).

[0019] Далее со ссылкой на данные испытания подробно описан способ измерения скорости потока с помощью измерителя 10 скорости потока в соответствии с настоящим изобретением. Испытание проводилось с использованием одноцилиндрового четырехтактного двигателя в двух состояниях: при частоте вращения 2400 мин^-1 (об/мин) и 3600 мин^-1 (об/мин).

[0020] На фиг.3 (фиг.3А и фиг.3В) показаны данные сигнала, сформированного на основании выходного сигнала измерительной ячейки при частоте вращения, равной 2400 об/мин, а на фиг.3А и фиг.3В показаны результаты измерения в течение четырех секунд и результаты измерения в течение одной секунды соответственно.

[0021] На фиг.4 (фиг.4А и фиг.4В) показаны данные сигнала, сформированного на основании выходного сигнала измерительной ячейки при частоте вращения, равной 3600 об/мин, а на фиг.3А и фиг.3В показаны результаты измерения в течение четырех секунд и результаты измерения в течение 0,6 секунды соответственно.

[0022] Как показано на фиг.3 (фиг.3А и фиг.3В) и фиг.4 (фиг.4А и фиг.4В), температура газа, концентрация CO₂, концентрация H₂O и концентрация CO в отработавшем газе пульсируют каждая с постоянным по существу периодом. Следует отметить, что концентрация CH₄, хотя и опущена на этих фигурах, пульсирует аналогично. Например, когда частота вращения вала двигателя 20 составляет 2400 об/мин, температура газа и концентрация H₂O пульсируют каждая двадцать раз в секунду (см. фиг.3В), и их период пульсации составляет 0,05 секунды (50 мс). Для сравнения время отклика измерительной ячейки 40 предлагаемого изобретения составляет не более 1 мс, и, таким образом за один период изменения температуры газа и концентрации H₂O можно выполнить по меньшей мере приблизительно пятьдесят измерений. Таким образом, можно точно определить изменение параметра, например концентрации газа. Следует отметить, что даже при частоте вращения вала двигателя, равной 3600 об/мин, несмотря на то что период пульсации становится равным 33,3 мс, можно достаточно точно определить измерение параметра, например концентрации газа.

[0023] На фиг.5 (фиг.5А и фиг.5В) показан сигнал величины проходного канала клапана выпускного клапана 21, полученный на выходе датчика 30 клапана, и сигнал, указывающий на изменение температуры отработавшего газа, измеренной измерительной ячейкой 40, для сравнения, причем на фиг.5А показан случай, когда частота вращения вала двигателя равна 2400 об/мин, а на фиг.5В, показан случай, когда частота вращения вала двигателя равна 3600 об/мин.

[0024] Вычислительный блок 50 определяет временной сдвиг (разность фаз) этих сигналов путем сравнения данных сигнала, формируемых на основании выходного сигнала измерительной ячейки 40, с данными сигнала, получаемыми с выхода датчика 30 клапана. Данные сигнала, получаемые на выходе датчика 30 клапана, представляют собой по существу прямоугольные импульсы с чередующимися через равные промежутки уровнями 0% и 100%, соответствующими циклам сгорания двигателя 20. С другой стороны, данные сигнала концентраций составляющих газа, которые могут быть измерены измерительной ячейкой 40, также пульсируют в соответствии с циклами сгорания в двигателе 20, как описано выше. Поэтому в качестве данных, соответствующих выходным данным датчика 30 клапана, при получении разности фаз могут использоваться данные любого газа. В настоящем варианте выполнения для вычисления скорости потока отработавшего газа в качестве примера используются данные о температуре газа.

[0025] Как показано на каждом графике на фиг.5А и фиг.5В, сигналы температуры газа и концентрации газа отличны от сигнала величины проходного канала выпускного клапана, однако между моментами времени увеличения сигнала относительно сигнала величины проходного канала выпускного клапана имеется запаздывание (разность фаз ΔТ). Вычислительный блок 50 оценивает указанную разность фаз ΔТ из данных о сигнале и вычисляет скорость отработавшего газа на основании этой разности фаз ΔТ и расстояния L между выпускным клапаном 21 и измерительной ячейкой 40.

[0026] Измеритель 10 скорости в соответствии с настоящим вариантом выполнения дополнительно выполнен с возможностью определения объема (расхода) отработавшего газа, проходящего за единицу времени, на основании площади поперечного сечения выпускной трубы 23, измеренной заранее, и скорости потока отработавшего газа и, таким образом, служит в качестве расходомера. Это позволяет определить массу выпущенного за единицу времени газа, содержащегося в отработавшем газе, например CO₂.

[0027] Следует отметить, что способ оценки временного сдвига между выходным сигналом датчика 30 клапана и выходным сигналом измерительной ячейки 40 не ограничивается описанным выше способом сравнения данных о сигналах и, например, может использоваться способ аналитического вычисления взаимной корреляции сигналов измерений по формуле 1, приведенной ниже. Если выходной сигнал датчика 30 клапана обозначить как S_A(t₁), а выходной сигнал измерительной ячейки 40 обозначить как S_B(t₂), формула 1, выражающая их взаимную корреляцию, может быть представлена в следующем виде:

[0028] Измеритель скорости в соответствии с настоящим вариантом выполнения дополнительно выполнен с возможностью определения частоты вращения двигателя 20 на основании спектра мощности температуры газа или концентрации газа, полученного с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) выходного сигнала измерительной ячейки 40, и, таким образом, также служит в качестве тахометра.

[0029] На фиг.6 (фиг.6А и фиг.6В) и фиг.7-8 показаны сравнительные графики спектров мощности температуры газа или концентрации газа и спектра мощности частоты вращения (2400 об/мин) двигателя. На фиг.6А и 6В показаны сравнительные спектры мощности температуры газа и концентрации H₂O и спектр мощности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.7А и 7В сравнительно показаны спектры мощности концентрации CO₂ и концентрации CO и спектр мощности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.8 показаны сравнительные спектр мощности концентрации CH₄ и спектр мощности частоты вращения двигателя.

[0030] На фиг.9 (фиг.9А и фиг.9В) и фиг.10-11 показаны сравнительные графики спектров мощности температуры газа или концентрации газа и спектра мощности частоты вращения (3600 об/мин) двигателя. На фиг.9А и 9В показаны сравнительные спектры мощности температуры газа и концентрации H₂O и спектр мощности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.10А и 10B сравнительно показаны спектры мощности концентрации CO₂ и концентрации CO и спектр мощности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.11 показаны сравнительные спектр мощности концентрации CH₄ и спектр мощности частоты вращения двигателя.

[0031] Например, как показано на фиг.6А, частота (приблизительно 20 Гц), на которой достигает пика спектр мощности температуры газа, и частота (приблизительно 20 Гц), на которой достигает пика спектр мощности периода сгорания двигателя 20, соответствуют друг другу, и, таким образом, частота вращения двигателя может быть оценена по пику спектра мощности температуры газа. Например, если частота пика температуры газа с выхода измерительной ячейки 40 известна и примерно равна 20 Гц, то даже если спектр мощности частоты вращения двигателя временно неизвестен, частота пика частоты вращения двигателя может быть оценена как приблизительно равная 20 Гц. Так как коленчатый вал четырехтактного двигателя совершает два оборота за один цикл сгорания, то, если может быть получен цикл сгорания (период сгорания) двигателя 20, может также быть получена частота вращения двигателя 20. В этом случае, так как цикл сгорания соответствует 20 Гц, то частота вращения вала двигателя может быть оценена как 2400 оборотов в минуту (2400 об/мин).

[0032] Кроме этого, хотя в приведенном выше примере частота вращения вала двигателя оценена на основании на температуры, это не является ограничением, и цикл сгорания в двигателе 20 также может быть оценен по пику спектра мощности концентрации любого газа, обнаруживаемого измерительной ячейкой 40. Как показано на фиг.6В и 7А, пики спектров мощности концентрации H₂O и концентрации CO₂, полученные на основании выходного сигнала измерительной ячейки 40, достигаются на частоте примерно 20 Гц, так же как для температуры газа. Поэтому частота вращения двигателя (2400 об/мин) может также быть оценена из концентрации этих газов.

[0033] Даже в случае, когда частота вращения вала двигателя составляет 3600 об/мин, из фиг.9 (фиг.9А и фиг.9В) и фиг.10-11 очевидна возможность оценки частоты вращения двигателя из спектров мощности выходных сигналов измерительной ячейки 40 (температуры газа, концентрации газов). Например, как показано на фиг.9А, если пик спектра мощности температуры газа соответствует примерно 30 Гц, то даже если спектр мощности частоты вращения двигателя временно неизвестен, частота пика частоты вращения двигателя может быть оценена также как приблизительно равная 30 Гц, а частота вращения вала двигателя может быть оценена как равная 3600 об/мин.

[0034] Следует отметить, что в случае, когда частота вращения двигателя равна 2400 об/мин, так как трудно определить частоту пика спектров мощности концентрации CO и концентрации CH₄, параметр, используемый для оценки частоты вращения двигателя, может быть классифицирован на соответствующие категории, соответствующие ожидаемой частоте вращения двигателя. Например, отчетливый пик может достигаться в спектрах мощности концентрации H₂O и концентрации CO₂ также при частоте 2400 об/мин, поэтому можно оценить частоту вращения двигателя.

[0035] Описные выше измеритель 10 скорости и первый способ измерения скорости и расхода потока в соответствии с первым вариантом выполнения обеспечивают достижение следующего результата.

(1) Измеритель 10 скорости использует временной сдвиг, существующий между выходным сигналом датчика 30 клапана и выходным сигналом измерительной ячейки 40, которые изменяются в соответствии с циклом сгорания двигателя 20. Кроме этого, в измерительной ячейке 40 используется быстродействующий элемент, который может точно определять изменения температуры газа и концентрации газа, благодаря чему вычислительный блок 50 может непосредственно определять скорость потока отработавшего газа по этому временному сдвигу. Следовательно, может точно измеряться скорость потока отработавшего газа.

(2) Например, для измерения температуры отработавшего газа в настоящее время устанавливаются термопары внутри выпускной трубы, но при этом возникает опасность задержки потока отработавшего газа и усложняется точное измерение скорости потока отработавшего газа. Напротив, измерительная ячейка 40 настоящего варианта выполнения излучает лазерное излучение в отработавший газ, поэтому скорость потока отработавшего газа может быть точно измерена без торможения потока отработавшего газа.

(3) На основании концентрации и плотности каждого газа, содержащегося в отработавшем газе, может быть определена масса отработавшего газа, поэтому на основании скорости потока отработавшего газа может быть определена масса выпущенных в единицу времени газов, например CO₂, содержащегося в отработавшем газе.

(4) Частота вращения двигателя 20 может быть удобным образом оценена на основании изменения температуры и изменения концентрации отработавшего газа.

[0036] Второй вариант выполнения

Далее описан измеритель 110 скорости, который является вторым вариантом выполнения устройства для измерения параметров текучей среды в соответствии с настоящим изобретением. В этом втором варианте выполнения частям, выполняющим те же функции, что и в первом варианте выполнения, описанном выше, присвоены те же самые ссылочные номера позиций или ссылочные номера позиций, совпадающие последними цифрами, и повторные описание и чертежи опущены.

[0037] На фиг.12 показан измеритель 110 скорости и двигатель 20 в соответствии со вторым вариантом выполнения.

Измеритель 10 скорости в соответствии с первым вариантом выполнения включает одну измерительную ячейку 40 в выпускной трубе 23, а измеритель 110 скорости в соответствии со вторым вариантом выполнения снабжен двумя измерительными ячейками 40 и 140 в выпускной трубе 23. Две измерительные ячейки 40 и 140 расположены на заданном расстоянии друг от друга вдоль направления потока отработавшего газа. Кроме этого, вычислительный блок 50 измеряет скорость потока отработавшего газа на основании выходного сигнала датчика 30 клапана и выходного сигнала одной из этих измерительных ячеек 40 и 140 и расстояния (обозначенного на фиг.12 соответственно L1 и L2) от выпускного клапана 21 до выбранной измерительной ячейки (измерительной ячейки 40 или измерительной ячейки 140).

[0038] Причина установки двух измерительных ячеек 40 и 140 пояснена ниже. Как описано в указанном выше первом варианте выполнения, вычислительный блок 50 определяет скорость потока отработавшего газа путем сравнения сигнала, указывающего на выход датчика 30 клапана, и сигнала, указывающего на выход измерительной ячейки. При этом, например, в случае, когда скорость потока отработавшего газа мала, даже если выходной сигнал датчика 30 клапана осуществил один цикл, выходной сигнал измерительной ячейки 40 не увеличивается и возникает опасность уменьшения точности измерения скорости потока. Такой недостаток может быть устранен путем установки измерительной ячейки 40 в непосредственно близости к двигателю 20. Однако если двигатель 20 и измерительная ячейка 40 находятся очень близко друг к другу, то также появляется опасность уменьшения точности измерения скорости потока. Поэтому лучше, чтобы двигатель 20 и измерительная ячейка 40 находились на некотором расстоянии друг от друга.

[0039] При этом измерение скорости потока может усложниться, если двигатель 20 и измерительная ячейка 40 расположены очень далеко друг от друга или слишком близко - в зависимости от скорости потока отработавшего газа, которая является объектом измерения. Поэтому измеритель 110 скорости в соответствии со вторым вариантом выполнения снабжен двумя измерительными ячейками 40 и 140 в выпускной трубе 23 и имеет два варианта расстояния между двигателем 20 и измерительной ячейкой 40. Устройство для измерения может точно измерить скорость потока отработавшего газа путем выбора любой из измерительных ячеек 40 и 140 в соответствии с ожидаемой скоростью потока отработавшего газа.

[0040] В соответствии с измерителем скорости по второму варианту выполнения, описанному выше, в дополнение к результатам, достигаемым измерителем скорости по первому варианту выполнения, достигается результат, заключающийся в том, что скорость потока отработавшего газа может быть точно измерена независимо от скорости потока отработавшего газа.

[0041] Третий вариант выполнения

Далее объяснен измеритель 210 скорости, который является третьим вариантом выполнения устройства для измерения текучей среды в соответствии с настоящим изобретением. В отличие от измерителей скорости по первому и второму вариантам выполнения, которые измеряют скорость и расход потока отработавшего газа, выпускаемого из двигателя, измеритель скорости 210 по третьему варианту выполнения измеряет, например, скорость и расход потока воздуха, всасываемого в двигатель.

[0042] На фиг.13 показан измеритель скорости в соответствии с третьим вариантом выполнения.

Измеритель скорости 210 установлен в трубе 220 (впускной коллектор), которая передает свежий воздух в камеру сгорания двигателя (не показана) и измеряет скорость и расход потока воздуха, проходящего в эту трубу 220. Измеритель скорости 210 содержит измерительную ячейку 40, вычислительный блок 50, устройство 70 для подачи газа и т.п.

[0043] Измерительная ячейка 40 и вычислительный блок 50 такие же, как измерительная ячейка 40 и вычислительный блок 50 в первом варианте выполнения соответственно, и их описание опущено. Устройство 70 для подачи газа находится внутри трубы 220 и подает гелий, который является инертным газом, на сторону перед измерительной ячейкой 40 (сторону двигателя 20) с постоянным периодом.

[0044] Устройство 70 для подачи газа содержит цилиндр 71 со сжатым газом, заполненный гелием, и клапан 72 с электромагнитным приводом, установленный в трубопроводе, соединяющем цилиндр 71 с трубой 220. Устройство 70 для подачи газа содержит регулятор 73 момента времени открытия клапана (далее - регулятор 73), который регулирует время открытия и закрытия клапана 72 с электромагнитным приводом, а на вход регулятора 73 генератором 74 сигнала с постоянным периодом подается периодический сигнал.

[0045] Регулятор 73 управляет клапаном 72 в соответствии с этими сигналами и включает/отключает подачу газа гелия в воздух с постоянной частотой. Вычислительный блок 50 определяет сигнал открыто/закрыто (по существу прямоугольная волна) выхода клапана по клапану 72 и вычисляет скорость потока воздуха на основании временного сдвига между этим сигналом открыто/закрыто и принятым выходным оптическим сигналом от измерительной ячейки 40 и расстояния L между окном подачи (клапаном 72) гелия и измерительной ячейкой 40. Следует отметить, что хотя в представленном варианте выполнения гелий подается в воздух с постоянным периодом, не обязательно подавать газ с постоянным периодом при условии, что концентрация гелия изменяется во времени.

[0046] В измерителе 210 скорости в соответствии с третьим вариантом выполнения концентрации газов, таких как H₂O, CO, и CO₂, содержащихся в воздухе, соответственно уменьшаются в зависимости от подачи гелия в воздух, проходящий в трубе 220. Поэтому флуктуации концентраций газов, содержащихся в воздухе, также становятся периодическими в ответ на включение/выключение подачи гелия, происходящих периодически. Таким путем измеритель 210 скорости в соответствии с третьим вариантом выполнения подает в воздух гелий в качестве индикаторного газа флуктуаций, поэтому даже в случае, когда величина изменений параметра (температуры и концентрации газа, содержащегося в воздухе), например воздуха, всасываемого снаружи, временно мала, или в случае, когда параметр по существу не изменяется, скорость потока может быть достоверно измерена. Кроме этого, в случае, когда данные о сигнале, представляющие изменение параметра, связанного с воздухом, например, представляют собой сигнал, приближенный к синусоиде, несмотря на то что имеется опасность усложнения определения временного сдвига, так как в сигнал вносятся возмещения путем подачи гелия с постоянной частотой, временной сдвиг может быть легко определен.

[0047] Следует отметить, что несмотря на то что в настоящем варианте выполнения измеряется скорость и расход потока воздуха, подаваемого в двигатель, измеритель 210 скорости не ограничивается этим и может использоваться для измерения скорости или других параметров потока текучей среды, отличной от подаваемой в двигатель, при условии, что указанная текучая среда проходит внутри трубы и может использоваться как универсальный измеритель скорости или расходомер. Кроме этого, несмотря на то что в настоящем варианте выполнения измерительной ячейкой, как и в первом варианте выполнения, определялись флуктуации концентрации газа, например CO₂, содержащегося в воздухе, изобретение этим не ограничивается, может определяться изменение концентрации самого гелия. Даже в этом случае скорость потока и другие параметры воздуха могут быть точно измерены по временному сдвигу сигнала открыто/закрыто клапана 72 и выходного сигнала измерительной ячейки 40.

[0048] Кроме того, как показано на фиг.13, перед измерительной ячейкой 40 относительно направления потока воздуха (текучей среды) может быть предусмотрен нагреватель 80, предназначенный для изменения температуры (нагрева) воздуха. Следует отметить, что несмотря на то что нагревательный элемент нагревателя 80 на фиг.13 вставлен внутрь трубы 220, изобретение этим не ограничивается, и изменение температуры воздуха может осуществляться путем нагрева наружной периферической поверхности трубы 220. Нагреватель 80 периодически повторяет нагревание воздуха и нагревание выхлопа, и вычислительный блок 50 определяет этот цикл нагревания, обеспечиваемый нагревателем 80, а также определяет измерение температуры воздуха с помощью измерительной ячейки 40 и вычисляет скорость потока воздуха на основании временного сдвига (разности фаз) этих выходных сигналов и расстояния между нагревателем 80 и измерительной ячейкой 40. В этом случае можно определить скорость или расход потока воздуха без воздействия на его состав. Следует заметить, что в этом случае можно определить скорость или расход потока текучей среды (воздуха) даже без подачи гелия с помощью устройства 70 для подачи газа. Кроме этого, несмотря на то что в указанном выше примере в качестве примера описан нагреватель 80, который нагревает воздух, может быть предусмотрен теплообменник, который может нагревать или охлаждать текучую среду.

[0049] Альтернативные варианты выполнения

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами выполнения, и возможны множество модификаций и изменений, например описанных ниже, которые также входят в объем настоящего изобретения.

(1) В описанных вариантах выполнения используется измерительные ячейки, в которых применяется лазерная спектроскопия поглощения в качестве измерительных блоков на стороне трубопровода, однако измерительные блоки на стороне трубопровода этим не ограничиваются и, например, в них могут использоваться хорошо известные тонкопленочные датчики температуры и поглощательная спектроскопия - спектроскопия рассеяния - эмиссионная спектроскопия, использующая излучение, отличное от лазерного, и скорость потока отработавшего газа может измеряться на основании выходного сигнала (изменение температуры отработавшего газа) этих тонкопленочных датчиков температуры. Кроме этого, несмотря на то что в вариантах выполнения в качестве измерительного блока на стороне двигателя внутреннего сгорания используется датчик клапана, определяющий величину проходного канала выпускного клапана, при условии возможности определения параметра, соответствующего циклам сгорания двигателя внутреннего сгорания, измерительный блок на стороне двигателя внутреннего сгорания может являться, например, датчиком давления, определяющим изменение давления внутри цилиндра, или датчиком, определяющим угол поворота коленчатого вала.

(2) В вариантах выполнения скорость потока измеряется на основании разности фаз данных о сигнале, генерируемых на основании выходных сигналов измерительных ячеек, однако изобретение этим не ограничивается и скорость потока может измеряться непосредственно с использованием аналогового выходного сигнала от измерительных ячеек. В этом случае благодаря увеличению быстродействия измерений даже в случае, когда частота вращения двигателя выше, чем в вариантах выполнения, и скорость потока отработавшего газа выше, скорость потока может быть точно измерена.

(3) Во втором варианте выполнения выполнены две измерительные ячейки, однако количество измерительных ячеек этим не ограничивается и может быть равно трем или более.

(4) В третьем варианте выполнения в воздух в качестве индикаторного газа подается гелий, однако подаваемый газ не ограничивается гелием и может подаваться другой газ. Кроме этого, текучая среда, служащая в качестве индикатора, может быть текущей средой, содержащейся в текучей среде, являющейся объектом измерения, или текущей средой, не содержащейся в текучей среде, являющейся объектом измерения.

(5) Несмотря на то что в каждом варианте выполнения вычисляется скорость или расход потока газа, например воздуха, текучая среда этим не ограничивается и может представлять собой жидкость.

Устройство для измерения параметров текущей среды содержит измерительный блок на стороне источника, который измеряет параметр, указывающий на рабочий режим источника (20) текучей среды и изменяющийся в соответствии с режимом выработки текучей среды, первый измерительный блок на стороне трубопровода, второй измерительный блок на стороне трубопровода, расположенный на заданном расстоянии от первого измерительного блока вдоль направления потока текучей среды, и вычислительный блок. При этом первый и второй измерительные блоки на стороне трубопровода измеряют параметр, относящийся к проходящей текучей среде и изменяющийся в соответствии с режимом работы источника текучей среды. Вычислительный блок вычисляет скорость потока текучей среды на основании разницы во времени между изменением параметра, измеренного измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеренного первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода. Вычисляет расстояние (L) вдоль трубы между положением измерения параметра, относящегося к источнику текучей среды, и первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода. Технический результат - возможность точного определения скорости потока текучей среды. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Устройство для измерения параметров текучей среды, содержащее:
измерительный блок на стороне источника, измеряющий параметр, указывающий на рабочий режим источника текучей среды и изменяющийся соответствующим образом относительно режима работы источника текучей среды,
первый измерительный блок на стороне трубопровода, расположенный в трубе, по которой проходит текучая среда, содержащая текучую среду, создаваемую источником текучей среды, и измеряющий параметр, относящийся к текучей среде, проходящей по трубе, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды,
второй измерительный блок на стороне трубопровода, расположенный на заданном расстоянии от первого измерительного блока вдоль направления потока текучей среды в трубе и измеряющий параметр, относящийся к текучей среде, проходящей по трубе, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды, и
вычислительный блок, вычисляющий скорость потока текучей среды на основании временного сдвига между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода, и расстояния вдоль трубы между положением измерения параметра, относящегося к источнику текучей среды, и первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода.

2. Устройство по п.1, в котором вычислительный блок вычисляет расход текучей среды на основании скорости потока текучей среды и площади поперечного сечения трубы.

3. Устройство по п.1, в котором параметр, относящийся к текучей среде, включает по меньшей мере один из следующих параметров: температуру текучей среды, концентрацию вещества, содержащегося в текучей среде, и интенсивность излучения, поглощенного, рассеянного и излученного веществом.

4. Устройство по п.1, в котором источником текучей среды является двигатель внутреннего сгорания, который производит в качестве текучей среды отработавший газ, причем параметр, относящийся к текучей среде, включает по меньшей мере один из следующих параметров: величину открытия/закрытия впускного клапана, содержащегося в двигателе внутреннего сгорания, величину открытия/закрытия выпускного клапана, давление внутри камеры сгорания, содержащейся в двигателе внутреннего сгорания, и угол поворота коленчатого вала, содержащегося в двигателе внутреннего сгорания.

5. Устройство по п.1, в котором первый измерительный блок на стороне трубопровода и второй измерительный блок на стороне трубопровода содержат излучающую часть, которая излучает лазерное излучение в текучую среду, и принимающую излучение часть, которая принимает лазерное излучение, прошедшее через текучую среду или рассеянное ею, и измеряет параметр, относящийся к текучей среде, на основании соотношения интенсивностей излучения, излученного излучающей частью, и переданного излучения, принятого принимающей излучение частью.

6. Устройство по п.1, в котором вычислительный блок оценивает временной сдвиг между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне трубопровода, путем сравнения сигнала, основанного на изменении параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне трубопровода, с сигналом, основанным на изменении параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника.

7. Устройство по п.1, в котором вычислительный блок оценивает временной сдвиг между изменением параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода, путем вычисления взаимной корреляции изменений параметра, измеряемого измерительным блоком на стороне источника, и изменением параметра, измеряемого первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода.

8. Устройство по п.1, в котором источником текучей среды является двигатель внутреннего сгорания, который создает отработавший газ в качестве текучей среды, причем вычислительный блок оценивает частоту вращения двигателя внутреннего сгорания на основании результата анализа сигнала изменения параметра, относящегося к отработавшему газу и полученного из выходного сигнала первого измерительного блока на стороне трубопровода или второго измерительного блока на стороне трубопровода.

9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором источником текучей среды является устройство для подачи текучей среды, которое подает перед первым измерительным блоком на стороне трубопровода в первый канал для текучей среды по трубе вторую текучую среду для создания флуктуации концентрации вещества, содержащегося в первой текучей среде, причем первый измерительный блок на стороне трубопровода или второй измерительный блок на стороне трубопровода измеряет изменение параметра, относящегося к первой текучей среде или второй текучей среде.

10. Способ измерения параметров текучей среды, включающий:
этап измерения параметра на стороне источника, который выполняют с помощью измерительного блока, измеряющего параметр, указывающий на режим работы источника текучей среды и изменяющийся соответствующим образом относительно режима источника текучей среды;
первый этап измерения параметра на стороне трубопровода, который выполняют с помощью первого измерительного блока на стороне трубопровода, расположенного в трубе, по которой проходит текучая среда, содержащая текучую среду, создаваемую источником текучей среды, и измеряющего параметр, относящийся к текучей среде, проходящей по трубе, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды;
второй этап измерения параметра на стороне трубопровода, который выполняют с помощью второго измерительного блока на стороне трубопровода, расположенного на заданном расстоянии от первого измерительного блока вдоль направления потока текучей среды в трубе и измеряющего параметр, относящийся к текучей среде, проходящей по трубе, и изменяющийся соответствующим образом относительно рабочего режима источника текучей среды; и
этап вычисления, который выполняют с помощью вычислительного блока, вычисляющего скорость потока текучей среды на основании временного сдвига между изменением параметра, измеренного на этапе измерения параметра на стороне источника, и изменением параметра, измеренного на первом этапе измерения параметров на стороне трубопровода или на втором этапе измерения параметров на стороне трубопровода, и расстояния вдоль трубопровода между положением измерения параметра, относящегося к источнику текучей среды, и первым измерительным блоком на стороне трубопровода или вторым измерительным блоком на стороне трубопровода.