устройство для измерения параметров текучей среды

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров текучей среды, содержащее:

первый регистрирующий блок, который расположен в канале, по которому проходит текучая среда, и определяет параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды,

второй регистрирующий блок, который расположен на первом расстоянии от первого регистрирующего блока в канале и определяет параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды;

третий регистрирующий блок, который расположен в канале на втором расстоянии от второго регистрирующего блока, которое больше указанного первого расстояния, и определяет параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды; и

вычислительный блок, который вычисляет скорость потока текучей среды на основании временного сдвига изменения параметра, определенного парой регистрирующих блоков, выбранных из указанных трех регистрирующих блоков, а также расстояния вдоль канала между указанной парой регистрирующих блоков.

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

3. Устройство по п.1, в котором в параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды, входит по меньшей мере один из следующих параметров текучей среды: температура текучей среды, концентрация вещества, содержащегося в текучей среде, и интенсивность излучения, поглощаемого, рассеиваемого и излучаемого веществом.

4. Устройство по п.1, в котором регистрирующий блок включает излучающую часть, которая испускает лазерное излучение в текучую среду, и приемную часть, которая принимает лазерное излучение, переданное или рассеянное в текучей среде, и регистрирует параметр на основании отношения интенсивностей излученного излучения, испускаемого излучающей частью, и переданного излучения, принятого приемной частью.

5. Устройство по п.1, в котором вычислительный блок оценивает временной сдвиг изменения параметра путем сравнения подобных сигналов на основании изменения параметра, регистрируемого указанной парой регистрирующих блоков.

6. Устройство по п.1, в котором вычислительный блок оценивает временной сдвиг изменения параметра путем вычисления корреляции изменения параметра, регистрируемого указанной парой регистрирующих блоков.

7. Устройство для измерения параметров текучей среды, содержащее:

регистрирующие блоки, которые расположены на расстоянии друг от друга в канале, по которому проходит текучая среды, и определяют параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды, и

вычислительный блок, который вычисляет скорость потока текучей среды на основании временного сдвига изменения параметра, определенного парой регистрирующих блоков, а также расстояния вдоль канала между указанной парой регистрирующих блоков,

в котором текучая среда представляет собой отработавший газ, выпускаемый из двигателя внутреннего сгорания, и

причем вычислительный блок оценивает частоту вращения двигателя внутреннего сгорания на основании спектральной плотности, полученной путем выполнения частотного анализа сигнала температуры отработавшего газа или концентрации газа, содержащегося в отработавшем газе, полученных из выходного сигнала регистрирующего блока.

8. Устройство по любому из пп.1-7, содержащее средство, установленное перед регистрирующими блоками в канале, в котором проходит текучая среда, и предназначенное для создания колебаний концентрации вещества, содержащегося в текучей среде.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения параметров текучей среды, которое измерят скорость потока и т.п., например отработавшего газа, выпускаемого, например, из двигателя внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для снижения потребления топлива и выбросов двигателя необходимо осуществлять полный анализ одного цикла двигателя внутреннего сгорания. В связи с этим необходимо проводить точные измерения изменений, например, температуры и концентрации отработавшего газа (газообразных продуктов сгорания), выпускаемого из двигателя. В настоящее время известно устройство для измерения, которое может точно определять температуру и концентрацию отработавшего газа с использованием лазерного луча (см., например, патентный документ 1).

Патентный документ 1: патент Японии № 3943853.

Сущность изобретения

Цель изобретения

Если известны концентрация и скорость потока отработавшего газа, можно определить расход каждого газа, содержащегося в отработавшем газе, общий объем выбросов за одно прохождение или тому подобные параметры. Таким образом, для того чтобы снизить потребление топлива и уменьшить выбросы из двигателя, кроме изменений температуры и концентрации отработавшего газа важно точно измерять скорость потока отработавшего газа. Однако способ, с помощью которого можно было бы точно измерять скорость потока и расход отработавшего газа при высокой температуре, до сих пор не предложен.

Таким образом, задача данного изобретения заключается в создании устройства для измерения параметров текучей среды, выполненного с возможностью точного измерения скорости потока текучей среды.

Средства достижения цели

Ниже приведено решение указанной проблемы с помощью настоящего изобретения. Следует понимать, что, несмотря на то, что для облегчения понимания изобретения использованы условные обозначения, соответствующие вариантам выполнения настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничивается указанными вариантами выполнения.

В первом аспекте изобретения устройство (10) для измерения параметров текучей среды содержит несколько регистрирующих блоков (30, 40), расположенных на расстоянии друг от друга в канале (22), по которому проходит текучая среда, и измеряющих параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды, а также вычислительный блок (50), который вычисляет скорость потока текучей среды на основании временного сдвига (AT) изменения параметра, регистрируемого парой регистрирующих блоков, а также расстояния (L) вдоль канала между указанной парой регистрирующих блоков.

Согласно второму аспекту 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 канала (22).

Согласно третьему аспекту в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в первом или втором аспектах, в параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды, входит по меньшей мере один из следующих параметров: температура текучей среды, концентрация вещества, содержащегося в текучей среде, и интенсивность поглощаемого, рассеиваемого и излучаемого веществом излучения.

Согласно четвертому аспекту в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по третий, регистрирующий блок (30, 40) включает излучающую часть (31, 41), которая испускает лазерное излучение в текучую среду, и приемную часть (32, 42), которая принимает лазерное излучение, переданное или рассеянное в текучей среде, и регистрирует параметр на основании отношения интенсивностей излученного излучения, испускаемого излучающей частью, и переданного излучения, принятого приемной частью.

Согласно пятому аспекту изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по четвертый, вычислительный блок (50) вычисляет временной сдвиг изменения параметра путем сравнения подобных сигналов на основании изменения параметра, регистрируемого указанной парой регистрирующих блоков (30, 40).

Согласно шестому аспекту изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по пятый, вычислительный блок (50) вычисляет временной сдвиг изменения параметра путем вычисления корреляции изменения параметра, регистрируемого указанной парой регистрирующих блоков (30, 40).

Согласно седьмому аспекту изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по шестой, выполнены по меньшей мере три регистрирующих блока (30, 40, 60), а вычислительный блок (50) определяет комбинацию двух из указанных по меньшей мере трех регистрирующих блоков в соответствии со скоростью потока текучей среды.

Согласно восьмому аспекту изобретения в устройстве (10) для измерения параметров текучей среды, описанном в любом из аспектов с первого по седьмой, текучая среда представляет собой отработавший газ, выпускаемый из двигателя (20) внутреннего сгорания, а вычислительный блок (50) оценивает частоту вращения двигателя внутреннего сгорания на основании спектральной плотности, полученной путем выполнения частотного анализа температуры отработавшего газа или концентрации газа, содержащегося в отработавшем газе.

Согласно девятому аспекту изобретения устройство (210) для измерения параметров текучей среды, описанное в любом из аспектов с первого по восьмой, содержит средство (70), расположенное перед регистрирующими блоками (30, 40) в канале (22), в котором проходит текучая среда, и предназначенное для создания колебаний концентрации вещества, содержащегося в текучей среде.

Следует отметить, что описанная с использованием соответствующих условных обозначений конструкция может быть изменена по необходимости, и по меньшей мере одна ее часть может быть заменена другим компонентом.

Преимущества изобретения

Настоящее изобретение позволяет достигнуть следующих преимуществ.

1. Поскольку устройство для измерения параметров текучей среды в соответствии с настоящим изобретением с помощью пары регистрирующих блоков регистрирует каждый параметр, который изменяется при изменении состояния текучей среды, и определяет скорость потока на основании временного сдвига (временного запаздывания) между изменением параметра, регистрируемого регистрирующим блоком, расположенным на стороне впуска, и изменением параметра, регистрируемого регистрирующим блоком, расположенным на стороне выпуска, то скорость потока текучей среды может быть точно измерена.

2. Такая конструкция является удобной, так как вместе со скоростью потока текучей среды можно определить и расход текучей среды.

3. Регистрирующий блок представляет собой быстродействующий датчик, измеряющий параметры, относящиеся к текучей среде, на основании отношения интенсивностей и т.п. излучаемого и передаваемого лазерного излучения. Таким образом, можно точно измерить изменение параметра текучей среды, поэтому можно точно измерить скорость потока текучей среды. Кроме того, изменение параметра может надежно регистрироваться, даже если текучая среда находится при высокой температуре.

4. Предусмотрено по меньшей мере три регистрирующих блока, и расстояние между регистрирующими блоками увеличено, благодаря чему скорость потока текущей среды может быть точно измерена независимо от скорости потока текучей среды.

5. Поскольку частота вращения двигателя внутреннего сгорания оценивается на основании параметра, относящегося к отработавшему газу, с использованием того факта, что пиковая частота спектральной плотности указанного параметра и пиковая частота спектральной плотности рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания согласованы между собой, устройство может также служить в качестве тахометра, что очень удобно.

6. Даже в случае, когда изменение самого параметра текучей среды мало или отсутствует, либо если изменение параметра носит систематический характер, что затрудняет указание временного сдвига, временной сдвиг можно легко указать, обеспечив указатель путем создания колебаний концентрации вещества, содержащегося в текучей среде.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схему, на которой показан измеритель скорости и двигатель согласно первому варианту выполнения.

Фиг.2 представляет собой схему конструкции измерительного элемента, предусмотренного в измерителе скорости, показанном на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой графики выходного сигнала с измерительного элемента при частоте вращения двигателя 2400 об./мин.

Фиг.4 представляет собой графики выходного сигнала с измерительного элемента при частоте вращения двигателя 3600 об./мин.

Фиг.5 представляет собой сравнительные графики сигналов от подобных измерительных элементов при частоте вращения двигателя 2400 об./мин.

Фиг.6 представляет собой сравнительные графики сигналов от подобных измерительных элементов при частоте вращения двигателя 3600 об./мин.

Фиг.7 представляет собой сравнительные графики спектральных плотностей температуры газа и концентрации H₂O и спектральной плотности частоты вращения двигателя (2400 об./мин).

Фиг.8 представляет собой сравнительные графики спектральных плотностей концентраций СО₂ и СО и спектральной плотности частоты вращения двигателя (2400 об./мин).

Фиг.9 представляет собой сравнительные графики спектральной плотности концентрации CH₄ и спектральной плотности частоты вращения двигателя (2400 об./мин).

Фиг.10 представляет собой сравнительные графики спектральных плотностей температуры газа и концентрации H₂O и спектральной плотности частоты вращения двигателя (3600 об./мин).

Фиг.11 представляет собой сравнительные графики спектральных плотностей концентраций CO₂ и СО и спектральной плотности частоты вращения двигателя (3600 об./мин).

Фиг.12 представляет собой сравнительный график спектральной плотности концентрации СН₄ и спектральной плотности частоты вращения двигателя (3600 об./мин).

Фиг.13 представляет собой схему измерителя скорости и двигателя согласно второму варианту выполнения.

Фиг.14 представляет собой схему измерителя скорости и двигателя согласно третьему варианту выполнения.

Перечень условных обозначений

10 - измеритель скорости;

20 - двигатель;

30 - измерительный элемент;

40 - измерительный элемент;

50 - вычислительный блок.

Осуществление изобретения

В настоящем изобретении предлагается устройство для измерения параметров текучей среды, выполненное с возможностью точного измерения скорости потока текучей среды благодаря наличию вычислительного блока, вычисляющего скорость потока отработавшего газа на основании временного сдвига между выходными сигналами от пары измерительных элементов, которые измеряют температуру и концентрации отработавшего газа, а также на основании расстояния между парой указанных измерительных элементов.

Первый вариант выполнения.

Ниже со ссылкой на чертежи описан измеритель 10 скорости, представляющий собой первый вариант выполнения устройства для измерения параметров текучей среды в соответствии с настоящим изобретением. Текучая среда, которая является объектом измерения для измерителя 10 скорости в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой отработавший газ, который выпускается из четырехтактного бензинового двигателя 20 (далее - просто двигатель 20), который является двигателем внутреннего сгорания.

На фиг.1 показан измеритель 10 скорости и двигатель 20 согласно первому варианту выполнения.

На фиг.2 показана конструкция измерительного элемента 30, предусмотренного в измерителе 10 скорости, показанном на фиг.1.

Тяговое усилие двигателя 20 создается в результате сгорания газовой смеси из бензина и воздуха внутри цилиндров, а в отработавшем газе, выпускаемом из двигателя, содержатся различные газы, например, пар (Н ₂О), угарный газ (СО), углекислый газ (CO₂) и метан (СН₄). Отработавший газ, выпускаемый из двигателя 20, через коллектор 21 отработавших газов поступает в выпускной трубопровод 22, проходит по нему и выбрасывается в атмосферу.

Измеритель 10 скорости снабжен парой измерительных элементов 30 и 40, которые установлены в выпускном трубопроводе 22, и вычислительным блоком 50, который вычисляет скорость потока отработавшего газа на основании временного сдвига между выходными сигналами от пары измерительных элементов 30 и 40, а также на основании расстояния между указанной парой измерительных элементов. Относительно направления выпуска отработавших газов измерительный элемент 30 расположен (со стороны двигателя 20) перед измерительным элементом 40.

Когда лазерное излучение определенной длины волны испускается в отработавший газ, измерительные элементы 30 и 40, которые представляют собой регистрирующие блоки, используют свойство поглощения лазерного излучения за счет колебательно-вращательного перемещения молекул (лазерную абсорбционную спектроскопию) и измеряют концентрацию газа на основании отношения интенсивности падающего и передаваемого излучения. Кроме того, измерительные элементы 30 и 40 выполнены, например, с возможностью измерения температуры газа на основании концентрации Н₂O. Более того, поскольку коэффициент поглощения лазерного излучения зависит от температуры и давления отработавшего газа, нужно измерять давление отработавшего газа. Однако давление отработавшего газа измеряется датчиком давления, предусмотренным внутри канала (на чертежах не показан). Расстояние между парой измерительных элементов 30 и 40 вдоль выпускного трубопровода 22, показанное на фиг.1 и обозначенное ссылочной буквой L, пояснено ниже.

Измерительные элементы 30 и 40 по существу одинаковы за исключением места установки, поэтому ниже описана только конструкция измерительного элемента 30. Как видно на фиг.2, измерительный элемент 30 имеет излучающую часть 31, которая испускает лазерное излучение, и приемную часть 32, которая принимает лазерное излучение (переданное излучение), испускаемое из излучающей части 31 и проходящее через отработавший газ.

Наконечник каждой излучающей части 31 и принимающей части 32 выполнен в форме трубы и вставлен в отверстие, выполненное в выпускном трубопроводе 22. К части, выполненной в этой трубе, подается продувочный газ, что тем самым предотвращают засорение излучающего и принимающего окна из-за прохождения в них отработавшего газа. В измерительном элементе 30 излучающая часть 31 с помощью передающей оптической системы 33 испускает несколько лазерных лучей, имеющих разную синхронизацию колебаний. Указанное лазерное излучение проходит через отработавший газ, и принимающая часть 32 регистрирует это прошедшее излучение с помощью приемной оптической системы 34. Приемная часть 32 снабжена схемой 35 обработки сигналов, которая преобразует принятое таким образом лазерное излучение в электрический сигнал (аналоговый сигнал), и этот электрический сигнал подается на вход вычислительного блока 50. Вычислительный блок 50 формирует данные о сигнале (описанные ниже) путем выполнения аналогово-цифрового преобразования указанного электрического сигнала.

Температура, концентрации газов и другие параметры обработавшего газа, выпускаемого из двигателя 20, пульсируют по существу с постоянным периодом, соответствующим циклам сгорания двигателя 20. Например, чувствительность измерительных элементов 30 и 40 в соответствии с настоящим вариантом выполнения составляет не более 1 мс, и указанные элементы выполнены с возможностью точного измерения изменений пульсирующих концентрации газа и температуры отработавшего газа.

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 не ограничено указанным вариантом и может осуществляться на отдельно стоящем двигателе 20 (стендовое испытание двигателя).

Способ измерения скорости потока с использованием измерителя 10 в соответствии с настоящим вариантом выполнения подробно описан ниже со ссылкой на данные испытаний. Испытания выполнены с использованием одноцилиндрового четырехтактного двигателя в двух режимах: при частоте вращения 2400 об./мин и 3600 об./мин.

На фиг.3 показаны данные о сигнале, полученные на основании выходного сигнала измерительного элемента 30 при частоте вращения 2400 об./мин, при этом графики (а) и (b) представляют результаты измерений в течение четырех секунд и одной секунды соответственно.

На фиг.4 показаны данные о сигнале, полученные на основании выходного сигнала измерительного элемента 30 при частоте вращения 3600 об./мин, при этом графики (а) и (b) представляют результаты измерений в течение четырех секунд и 0,6 секунд соответственно.

Как показано на фиг.3 и фиг.4, температура газа, концентрации CO₂, H ₂O и СО отработавшего газа пульсируют по существу с постоянным периодом. Следует отметить, что аналогичным образом пульсирует концентрация СН₄, хотя это не показано на чертежах. Например, при частоте вращения двигателя 20, составляющей 2400 обю/мин, температура газа и концентрация H₂O пульсируют с частотой 20 раз в секунду (см. фиг.3b), и период пульсации составляет 0,05 с (50 мс). Напротив, быстродействие измерительных элементов 30 и 40 в соответствии с настоящим вариантом выполнения составляет не более 1 мс, и, следовательно, при изменении температуры газа и концентрации H₂O за один период измерение можно осуществить по меньшей мере примерно 50 раз. Таким образом, можно точно зафиксировать изменение такого параметра, как, например, концентрация газа. Следует отметить, что даже при частоте вращения двигателя 3600 об./мин, несмотря на то, что период пульсации будет составлять 33,3 мс, изменение такого параметра, как, например, концентрация газа, может быть зафиксировано достаточно точно.

На фиг.5 показаны сравнительные графики, на которых приведены данные о сигналах, полученных на основе выходных сигналов измерительных элементов 30 и 40 при частоте вращения двигателя, составляющей 2400 об./мин, при этом на графиках а) и b) представлены соответственно температура газа и концентрация Н₂О. Кроме того, на фиг.6 показаны сравнительные графики, на которых приведены данные о сигнале, полученном на основании выходного сигнала измерительного элемента 30, и данные о сигнале, полученном на основании выходного сигнала измерительного элемента 40 при частоте вращения двигателя, составляющей 3600 об/мин, при этом на графиках а) и b) представлены соответственно температура газа и концентрация H₂O.

Вычислительный блок 50 вычисляет временной сдвиг между указанными сигналами путем сравнения данных о сигнале, полученных на основании выходного сигнала измерительного элемента 40, с данными о сигнале, полученными на основании выходного сигнала измерительного элемента 30. Следует отметить, что помимо температуры газа и концентрации H₂ O, показанных на фиг.3 и фиг.4, данные о сигнале, полученные на основании выходных сигналов измерительных элементов 30 и 40, аналогично пульсируют и для других газов. Таким образом, при вычислении временного сдвига можно использовать данные о сигнале концентраций других газов.

Так как измерительные элементы 30 и 40 по существу одинаковы, сигналы, представляющие температуру газа и концентрацию H₂O, по существу одинаковы, как показано на каждом из фиг.5 и фиг.6. Однако измерительный элемент 40 расположен после измерительного элемента 30 относительно потока, поэтому между выходными сигналами измерительных элементов 30 и 40 возникает временной сдвиг (разность фаз ДТ). Вычислительный блок 50 оценивает разность фаз AT по этим данным о сигналах и вычисляет скорость отработавшего газа на основании этой разности фаз ДТ и расстояния L между измерительными элементами 30 и 40.

Кроме того, измеритель 10 скорости в соответствии с настоящим вариантом выполнения изготовлен таким образом, что вычислительный блок 50 вычисляет объем (расход) отработавшего газа, проходящего в единицу времени, на основании поперечного сечения выпускного трубопровода 22, измеренного заранее, и скорости потока отработавшего газа, и, таким образом, работает в качестве расходомера. Это позволяет определить массу выбрасываемого в единицу времени газа, например СО₂, содержащегося в отработавшем газе.

Следует отметить, что способ оценки временного сдвига между выходными сигналами измерительных элементов 30 и 40 не ограничивается описанным выше способом сравнения данных о сигналах, и может использоваться, например, способ аналитического вычисления взаимной корреляции сигналов измерения на основании представленной ниже формулы (1). Если выходной сигнал измерительного элемента 30 обозначить как S_A(t₁), a выходной сигнал измерительного элемента 40 обозначить как S_B (t₂), то формулу (1) взаимной корреляции можно записать следующим образом:

SB(t2-T)·SA(t1 )

(1)

Кроме того, измеритель 10 скорости в соответствии с настоящим вариантом выполнения выполнен с возможностью оценки частоты вращения двигателя 20 на основании спектральной плотности температуры или концентрации газа, полученной с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) выходного сигнала измерительного элемента 30 (или измерительного элемента 40) и, таким образом, также может работать в качестве тахометра двигателя.

На фиг.7-9 показаны сравнительные графики спектральных плотностей температуры или концентрации газа и спектральной плотности частоты вращения двигателя (2400 об./мин). На фиг.7(а) и фиг.7(b) показаны сравнительные спектральные плотности температуры газа и концентрации H₂O и спектральная плотность частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.8(а) и фиг.8(b) показаны сравнительные графики спектральных плотностей концентрации СО₂ и СО и спектральной плотности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.9 показаны сравнительные графики спектральных плотностей концентрации СН₄ и частоты вращения двигателя.

На фиг.10-12 показаны сравнительные графики спектральных плотностей температуры или концентрации газа и спектральной плотности частоты вращения двигателя (3600 об./мин). На фиг.10(а) и фиг.10(b) показаны сравнительные спектральные плотности температуры газа и концентрации Н₂О и спектральная плотность частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.11(а) и фиг.11(b) показаны сравнительные графики спектральных плотностей концентрации CO ₂ и СО и спектральной плотности частоты вращения двигателя соответственно. На фиг.12 показаны сравнительные графики спектральной плотности концентрации СН₄ и спектральной плотности частоты вращения двигателя.

К примеру, как показано на фиг.7(а), частота (приблизительно 20 Гц), на которой наблюдается пик спектральной плотности температуры газа, соответствует частоте (приблизительно 20 Гц), на которой наблюдается пик спектральной плотности периода сгорания двигателя 20, и, таким образом, по пику спектральной плотности температуры газа может быть оценена частота вращения двигателя. Например, если известно, что пиковая частота температуры газа с выхода измерительного элемента 30 составляет приблизительно 20 Гц, то, даже если спектральная плотность частоты вращения двигателя временно не известна, пиковая частота частоты вращения двигателя может быть оценена также равной приблизительно 20 Гц. Так как коленчатый вал четырехтактного двигателя совершает два оборота за один рабочий цикл, если можно определить цикл сгорания (период сгорания) двигателя 20, то можно также определить и частоту вращения двигателя 20. В этом случае, так как цикл сгорания соответствует 20 Гц, частота вращения двигателя может быть оценена равной 2400 об./мин.

Кроме того, несмотря на то, что в приведенном выше примере частота вращения двигателя установлена на основании температуры газа, это не является ограничением, и цикл сгорания двигателя 20 аналогичным образом можно определить на основании пика спектральной плотности любого газа, регистрируемого измерительным элементом 30. Как показано на фиг.7(b) и фиг.8(а), пики спектральной плотности концентрации H₂O и концентрации CO₂, полученные на основании выходного сигнала измерительного элемента 30, наблюдаются на частоте примерно 20 Гц, как и пики температуры. Таким образом, частота вращения двигателя (2400 об./мин) также может быть установлена на основании указанных концентраций газа.

Даже в случае, когда частота вращения двигателя составляет 3600 об./мин, из фиг.10-12 очевидна возможность определения частоты вращения двигателя по спектральным плотностям выходных сигналов (температуры газа, концентраций газа) измерительного элемента 30. Например, как показано на фиг.11(а), если пик спектральной плотности температуры газа соответствует примерно 30 Гц, даже если спектральная плотность частоты вращения двигателя временно не известна, пик частоты вращения двигателя может быть оценен также равным примерно 30 Гц, а частота вращения двигателя может быть оценена равной 3600 об./мин.

Следует отметить, что при частоте вращения двигателя, равной 2400 об/мин, из-за трудности определения пиковой частоты спектральных плотностей концентрации СО и СН₄ , параметр, используемый для оценки частоты вращения двигателя 20 можно разделить на соответствующие категории в соответствии с ожидаемой частотой вращения двигателя. Например, четкий пик может наблюдаться в спектральной плотности концентрации Н ₂О и концентрации СО₂ также при 2400 об./мин, и, таким образом, может быть оценена частота вращения двигателя.

Измеритель 10 скорости согласно описанному выше первому варианту выполнения обеспечивает следующие преимущества.

1. Измеритель 10 скорости использует временной сдвиг между выходными сигналами пары измерительных элементов 30 и 40. В каждом из измерительных элементов 30 и 40 установлены высокочувствительные элементы, способные определять изменения температуры газа и концентрации отработавшего газа. Таким образом, по временному сдвигу выходных сигналов вычислительный блок 50 может непосредственно вычислять скорость потока отработавшего газа. Следовательно, может быть точно измерена скорость потока отработавшего газа.

2. При измерении, например, температуры отработавшего газа используют термопару внутри выпускного трубопровода, но в этом случае существует опасность заграждения потока отработавшего газа и уменьшения точности измерения скорости потока отработавшего газа. Напротив, измерительные элементы 30 и 40 в соответствии с настоящим вариантом выполнения выполнены так, что они испускают лазерное излучение в отработавший газ, поэтому скорость потока отработавшего газа может быть точно измерена без торможения потока отработавшего газа.

3. Масса отработавшего газа может быть определена на основании концентрации и плотности каждого газа, входящего в состав отработавшего газа. Следовательно, объем выбросов в единицу времени, например, углекислого газа CO₂, содержащегося в отработавшем газе, можно определить на основании массы газа по скорости потока отработавшего газа.

4. Можно удобно вычислить частоту вращения двигателя 20 на основании изменения температуры и изменения концентрации отработавшего газа.

Второй вариант выполнения

Ниже описан измеритель скорости 10 в соответствии со вторым вариантом выполнения предлагаемого устройства для измерения параметров текучей среды. В данном втором варианте выполнения, а также в других вариантах выполнения, описанных далее, одинаковые ссылочные номера позиций обозначают или ссылочные номера позиций с одинаковыми последними цифрами соответствуют тем частям, которые выполняют функции, аналогичные описанному выше первому варианту выполнения, при этом по возможности опущены повторные пояснения и чертежи.

На фиг.13 показан измеритель 110 скорости и двигатель 20 в соответствии со вторым вариантом выполнения.

Измеритель 10 скорости согласно первому варианту выполнения включает два измерительных элемента 30 и 40 в выпускном трубопроводе 22, причем в измерителе 110 скорости согласно второму варианту выполнения три измерительных элемента 30, 40 и 60 расположены в выпускном трубопроводе 22 в указанной последовательности по направлению потока в трубопроводе. Измерительные элементы 30 и 40 расположены на расстоянии L1 друг от друга, а измерительные элементы 40 и 60 друг от друга расположены на расстоянии L2, которое больше расстояния L1. Кроме того, расстояние L3 относится к расстоянию (L1+L2) между измерительным элементом 30 и измерительным элементом 60. Вычислительный блок 50 подключен к двум из указанных измерительных элементов 30, 40 и 60 и измеряет скорость потока отработавшего газа на основании из расстояния между двумя выбранными измерительными элементами.

Ниже объяснена причина использования трех измерительных элементов 30, 40 и 60. Как описано в указанном выше первом варианте выполнения, вычислительный блок 50 определяет скорость потока отработавшего газа путем сравнения похожих сигналов, представляющих выходные сигналы пары измерительных элементов. В данном случае, например, когда скорость потока отработавшего газа низкая, выходной сигнал измерительного элемента 40 на стороне выпуска не наблюдается, даже несмотря на то, что выходной сигнал измерительного элемента 30, расположенного перед измерительным элементом 40, прошел один цикл, усложняется сравнение параметров подобных колебаний и появляется опасность уменьшения точности измерения скорости потока. Указанную проблему можно решить путем установки пары измерительных элементов в непосредственной близости. Однако, если подобные измерительные элементы расположены в непосредственной близости и временное разрешение измерительного элемента является постоянным, точность измерения скорости потока также может уменьшиться. Таким образом, лучше, чтобы двигатель 20 и измерительный элемент 40 были расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Таким образом, измерение скорости потока может усложниться, если расстояние между измерительными элементами одной пары слишком большое или слишком маленькое в зависимости от скорости отработавшего газа, которая является объектом измерения. Поэтому измеритель 110 скорости согласно второму варианту выполнения выполнен с тремя измерительными элементами 30, 40 и 60, установленными в выпускном трубопроводе 22, и имеет три разных расстояния (L1, L2 и L3) между подобными измерительными элементами, составляющими пару. Измеритель может точно измерять скорость потока отработавшего газа путем выбора любого из измерительных элементов 30, 40 и 60 в зависимости от ожидаемой скорости отработавшего газа.

В дополнение к преимуществам, обеспечиваемым измерителем 10 согласно первому варианту выполнения, описанный выше измеритель 110 скорости согласно второму варианту выполнения обеспечивает возможность точного измерения скорости потока отработавшего газа независимо от скорости потока указанного газа.

Третий вариант выполнения

Ниже описан измеритель 210 скорости в соответствии с третьим вариантом выполнения предлагаемого устройства для измерения параметров текучей среды. На фиг.14 показан измеритель 210 скорости и двигатель 20 в соответствии с третьим вариантом выполнения. Как и в первом варианте выполнения, измеритель 210 скорости в соответствии с третьим вариантом выполнения имеет в выпускном трубопроводе 22 два измерительных элемента 30 и 40.

Кроме того, измеритель 210 содержит устройство 70 подачи газа, которое расположено в выпускном трубопроводе 22 и подает газообразный гелий, который является инертным газом, перед измерительным элементом 30 (со стороны двигателя 20). Устройство 70 подачи газа содержит баллон 71, заполненный сжатым газообразным гелием, и клапан 72 с электромагнитным управлением, расположенный в трубопроводе, соединяющем указанный баллон 71 с выпускным трубопроводом 22. Устройство 70 подачи газа содержит регулятор 73 момента открытия и закрытия клапана (далее - регулятор 73), который регулирует момент открытия и закрытия клапана 72 с электромагнитным управлением, при этом на вход указанного регулятора выборочно подаются сигнал, синхронизированный с периодом вращения двигателя 20, и периодический сигнал, подаваемый генератором 74 сигнала с постоянным периодом. Регулятор 73 управляет клапаном 72 с электромагнитным управлением согласно указанным сигналам и включает/отключает подачу газообразного гелия в отработавший газ с постоянной частотой.

В измерителе 210 скорости согласно третьему варианту выполнения концентрации таких газов, как H₂O, СО и СО₃ , содержащихся в отработавшем газе, уменьшаются в зависимости от подачи газообразного гелия в отработавший газ, проходящий внутри выпускного трубопровода 22. Следовательно, колебания концентраций газа тоже становятся периодическими из-за периодического включения/отключения подачи газообразного гелия. Таким образом, измеритель 210 скорости согласно третьему варианту выполнения подает в отработавший газ газообразный гелий, служащий в качестве газа, указывающего на колебания, поэтому даже если величина изменения параметра (температуры и концентрации газа, содержащегося в отработавшем газе), относящегося к отработавшему газу, временно мала или в случае, когда параметр по существу не изменяется, можно надежно измерить скорость потока. Кроме того, в случае, когда форма сигнала, отображающего изменение параметра, относящегося к отработавшему газу, например, имеет форму, близкую к синусоиде, несмотря на то, что возникает опасность усложнения определения временного сдвига, временной сдвиг может быть легко определен благодаря тому, что в указанный сигнал вносятся изменения путем подачи с постоянной частотой газообразного гелия.

Следует отметить, что хотя в настоящем варианте выполнения колебания концентраций такого газа, как, например, CO₂ , определяются с помощью измерительных элементов, подобным измерительным элементам согласно первому варианту выполнения, настоящий вариант выполнения не ограничен этим, и могут определяться периодические изменения концентрации самого газообразного гелия. Даже в этом случае скорость потока отработавшего газа может точно измеряться по временному сдвигу выходных сигналов измерительных элементов, составляющих пару. Кроме того, несмотря на то, что настоящий вариант выполнения предполагает использование в измерителе 10 скорости согласно первому варианту выполнения дополнительного устройства 70 подачи газа, указанное устройство 70 также может использоваться в измерителе 110 скорости согласно второму варианту выполнения.

Альтернативные варианты выполнения

Настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами выполнения. Возможны различные модификации и изменения, например, приведенные ниже, которые тоже входят в объем настоящего изобретения.

1. Объектом измерения устройства измерения параметров текучей среды в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения является отработавший газ, выпускаемый из бензинового двигателя, однако объект измерения этим не ограничивается и может представлять собой другую текучую среду, например отработавший газ, выпускаемый из мусоросжигательной печи, или пар, подаваемым в турбину теплоэлектростанции. Кроме того, текучая среда, являющаяся объектом измерения, не ограничивается газообразным веществом (газом) и может являться жидкостью.

2. В вариантах выполнения применяются измерительные элементы, в которых для чувствительных блоков применяется лазерная абсорбционная спектроскопия, однако чувствительные блоки этим не ограничены и, например, может использоваться хорошо известный тонкопленочный температурный датчик и абсорбционная спектроскопия - спектроскопия рассеяния - эмиссионная спектроскопия с использованием излучения, отличного от лазерного, и скорость потока и расход текучей среды могут измеряться на основании выходного сигнала (изменения температуры и т.д.) этих датчиков.

3. В вариантах выполнения измеряется скорость потока на основании разности фаз сигнала данных, полученного с выхода измерительных элементов, однако изобретение этим не ограничивается, и скорость потока может измеряться непосредственно с использованием аналогового сигнала с выхода измерительных элементов. В данном случае, благодаря улучшению чувствительности, даже если частота вращения двигателя выше, чем в указанных вариантах выполнения, и выше скорость потока отработавшего газа, скорость потока может быть точно измерена.

4. Во втором варианте выполнения предусмотрено три измерительных элемента, однако количество измерительных элементов не ограничено тремя, и их может быть четыре и более.

5. В третьем варианте выполнения концентрации газов, содержащихся в отработавшем газе, соответственно уменьшаются в зависимости от инертного газа, подаваемого в отработавший газ, однако настоящее изобретение этим не ограничено и можно периодически подавать такой же газ, какой содержится в отработавшем газе, для повышения концентрации газа.