CN101874197B - 用于测定流体介质的参数的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器装置(110)，用于测定以一个主流动方向(112)流动的流体介质的、尤其是内燃机的流过一个流动管的吸入空气团的至少一个参数。所述传感器装置(110)具有至少一个设置在所述流体介质中的、用于测定所述流体介质的参数的传感器(114，115)。所述传感器装置(HO)还包括至少一个与所述主流动方向(112)横向地设置的、具有至少一个栅条(134)的栅格(132)，其中，所述栅条(134)具有一个基本上指向所述主流动方向(112)的栅条深度(D)。所述栅条(134)具有至少一个空隙(156)，其中，所述栅条深度(D)在所述空隙(156)中减小。

Description

用于测定流体介质的参数的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量流动的流体介质的、尤其是流过流动管的流体介质的至少一个参数的装置，如其在现有技术的各个领域中已知的那样。因此，在许多过程中，例如在方法技术领域、化学领域或机械制造领域，必须按定义地输送具有某些特性(例如温度、压力、流动速度、质量流量、体积流量等)的流体介质、尤其是气团(例如空气团)。在规定的条件下进行的燃烧过程尤其属于这种情况。

背景技术

一个重要的应用例子是燃料在汽车内燃机中的燃烧，尤其是带有接着的催化废气净化，在这些过程中必须按规定地每单位时间输送一定的空气团(空气质量流)。为了测量空气质量流量，在此使用了各种类型的传感器。一种由现有技术已知的传感器类型是所谓的热膜式空气质量流量计(HFM)，例如在DE19601791A1中描述了该热膜式空气质量流量计的一种实施方式。在这类热膜式空气质量流量计中通常使用一个具有薄的传感器膜片的传感器芯片，例如硅传感器芯片。在该传感器膜片上典型地设有至少一个加热电阻，所述加热电阻被两个或更多个温度测量电阻(温度探头)包围。在传导经过膜片的空气流中，温度分布发生变化，这又可以被温度测量电阻检测到并且可以借助控制与分析处理电路进行分析处理。因此，可以例如由温度测量电阻的电阻差测定空气质量流量。由现有技术已知了该传感器类型的各种其它变型。此外，本发明不限于所述的热膜式空气质量流量计的传感器类型，而原则上可以用于大多数类型的传感器，这些传感器作为固定地安装的传感器或作为插入式探头插入到流动的介质中。

然而，由现有技术所描述的插入式探头结构的缺点在于：所述的插入式探头在很多情况下会在吸入管中导致在由流动阻力引起的压力降方面的问题。这尤其意味着：这类传感器的信号的信号可重复性是没有优化的。

很多传感器，尤其是热膜式空气质量流量计，在实践中装备有栅格或栅格组合，该栅格例如可以集成在流动管中并且通常在流中位于插入式探头或传感器上游几厘米处，并且具有以下任务：使流动管中的速度剖面图均匀。此外，这类栅格具有以下任务：从该流中去除可能存在的漩涡。栅格的均衡作用通过其对该流的制动作用实现。同时产生小规模的漩涡，该漩涡使快速的和缓慢的流体混合，因此有助于在整个管横截面上的速度均衡。因此实现了几乎与流入的空气的速度剖面图无关的传感器特性曲线(例如空气质量与输出频率或输出电压之间的相互关系)。

这类具有栅格的装置的一个例子由DE19647081A1公开。与设有大小相同的、等距的流动孔的已知栅格相比，在该例子的栅格中提出：设置具有不同通流横截面的流动孔。在此，通流横截面与入流相适配，以便在栅格下游产生具有基本上均匀的速度分布的流。

然而，不利的是，与已知的栅格结构结合的很多传感器、尤其是很多空气质量流量计在一些空气团区域中展示出这样的特性曲线，该特征曲线的可重复性仍有进一步改进的空间。原因在于，紧接在栅条后面的流通常并不稳定。在栅条下游中构成分离区域并且在速度剖面图中形成不均匀性，它们在原则上是不稳定的，使得设置在栅格结构下游的传感器的测量值也可能是不稳定的。

发明内容

因此，本发明提出了一种用于测定以主流动方向流动的流体介质的至少一个参数的传感器装置以及一种在这种传感器装置中使用的流动管段，它们避免了已知的传感器装置或流动管段的所述缺点。尤其地，所提出的传感器装置在传感器的区域中、尤其是紧跟在栅格后面具有更稳定的流动，因此具有更高的可重复性。其它的使流动稳定化的措施，例如附加的金属线栅格，可以优选被省去，使得所提出的传感器装置的制造成本与传统的传感器装置相比也允许降低。总而言之，该传感器装置与传统的传感器装置相比具有高的信号质量、尤其是信号噪声得到改善。

该传感器装置原则上适合于很多开头提到的传感器和测量原理以及适合于很多流体介质(例如气体和液体)。其原则上允许测量很多可能的物理的和/或化学的参数，例如压力、温度、密度、质量流量、体积流量或类似参数。因此，该传感器装置具有至少一个与待测量的参数的类型相适配的传感器。在不限制本发明的可能的其它构造方案的情况下，以下假定：该传感器包括热膜式空气质量流量计，如其例如在开头所提到的DE19601791A1或者此外在引用的现有技术文献中描述的那样。

原则上，流体介质可以自由地在主流动方向上流动，其中，主流动方向理解为介质在传感器装置区域中的局部流动方向。但是，在此应当不考虑局部的不规则性(例如漩涡)，从而主流动方向应理解为流体介质在传感器装置区域中输送时的主输送方向。优选地，流体介质流过一个流动管，其中，该传感器装置可以包括例如一个流动管段，该流动管段具有至少一个壳体，在所述壳体中(例如借助至少一个接收部)可以放入所述至少一个传感器。

该传感器装置还具有至少一个横向于主流动方向地设置的、带有至少一个栅条的栅格。优选地，设有多个这样的栅条，这些栅条可以例如平行地和/或以不同于0°的角度地相互定向。也可以想到，例如与上述现有技术类似地具有相互交错的栅条的栅格。优选地，所述的流动管段的栅格部分例如是该流动管段的可取出的部件形式。在此，“横向于流动方向地”在本情况中优选理解为栅条与主流动方向之间的90°的角度，然而偏离90°也是可想到的，例如偏离不超过20°。就此而言，该栅格例如可以相应于开头所述的现有技术，例如在DE19647081A1中描述的装置。

与现有技术相比，本发明基于以下认识：紧接在栅条后面的流的所述不稳定性建立在速度剖面图中的分离区域和缺口(“凹口”)中。尤其是在具有交错的栅条的栅格情况下，速度剖面图中的这些不均匀性在栅格交叉点处叠加形成栅格下游的速度剖面图中的局部最小值，这些局部最小值通常在主流动方向上影响5倍至10倍栅格深度的距离。这些局部最小值属于紧跟在栅格交叉点后面形成的分离区域。这些死水区是不稳定的并且对流入条件的极小变化反应非常敏感并且由于该变化而改变例如其形状、大小和位置并且以这种方式影响传感器元件的特性曲线或其可重复性。附加地，这些区是非常不稳定的，即强化了传感器元件的信号噪声。

本发明的基本构思在于，使紧跟在栅格后面的、尤其是在栅格交叉点的区域中的分离区域缩小和稳定化，以便减低信号噪声和改善信号可重复性。为此目的提出，栅条具有一个基本上指向主流动方向的栅条深度，其中，该栅条具有至少一个空隙，在该空隙中栅条深度减小。“基本上指向主流动方向”在此理解为优选平行于主流动方向定向的栅条深度，然而稍微偏离该平行性也是可以容忍的，例如偏离不超过50°、优选不超过20°和特别优选不超过5°。

根据本发明的空隙基本上具有两种效果。因此，通过局部地减小壁面影响，该速度剖面图变得更均衡和更稳定。栅条后面的分离区域变得更小。此外，在所提出的位于栅条中的空隙中产生纵向漩涡，该纵向漩涡有助于在栅条后面在缓慢的流体介质(在分离区中)与快速的流体介质(在分离区外部)之间的加强的脉冲交换。由此也使分离区域缩小和稳定化，并且速度剖面图构造得更均衡。

所述至少一个空隙优选设置在栅条的关于主流动方向设于下游的后棱边上。栅条前棱边上的空隙原则上起相似作用，然而自身通常产生干扰并且通常比所提出的位于后棱边上的空隙的变型效率更低。

在此优选的是矩形的空隙，即例如栅条中的矩形特征形式的空隙。然而原则上，所述空隙也可以具有其它的特征，例如具有偏离90°的侧向角度的梯形空隙。因此，例如具有90°(矩形特征)与30°之间的梯形角度的梯形特征在其功能上与矩形空隙相似并且在传感器装置、尤其栅格的加工时尤其也可以具有优点。原则上，也可想到倒圆的特征，例如在棱边区域中倒圆的矩形和/或梯形特征。应当指出，如果在栅格中设有多个空隙，这些空隙的轮廓不一定必须都是相同的，而这些空隙的构造也可以在栅格上变化。

这些空隙的深度，即栅条深度在这些空隙中的最大减小，优选处于栅格深度的约50％的范围内，即优选在主流动方向上。此外，然而其它的栅格深度也是可以的，例如在栅条深度的10％与80％之间的范围中的栅格深度。

这些空隙基本上可以设置在栅格的任意部位上。如上所述，然而特别优选的是，该栅格具有至少两个相交于至少一个交叉点的栅条，优选四个或更多的栅条。这些交叉的栅条基本上可以相互间以任意的、不同于0°的角度设置，其中，然而优选的是90°范围内的角度。然而偏离90°也是可以的，例如偏离不超过40°。以这种方式可以通过交叉的栅条构成一个筛眼栅格，例如具有4至7mm的筛眼宽度，其中，筛眼的其他构造然而也是可行的。对于栅条深度而言，不同的值原则上同样是可行的，其中，典型地使用在5与10mm之间的范围内的值。

在这种具有至少两个相互交叉的栅条的筛眼栅格的情况下，特别优选的是，所述至少一个空隙设置在所述至少一个交叉点的区域中。如上所述，这在交叉点的流动技术上关键的区域中使流特别有效地稳定化。在此，空隙在交叉点的区域中设置在相互交叉的栅条的一个上或者在相互交叉的栅条的两个上。原则上，所有的交叉点都可以设有这样的空隙，其中，然而也可能的是这样的实施方案，其中仅一些而不是所有的交叉点都这样地设有空隙。

特别优选的是，如果所述至少一个空隙现在设置在交叉点上和/或设置在交叉点以外的栅条上，则所述至少一个空隙布置在传感器的测量区域上游。该空隙以这种方式尤其是在测量区域中发挥其稳定化的作用。因此，测量区域例如直接地包括传感器元件的(例如用于检测所述至少一个参数的传感器芯片的)测量区域。热膜式空气质量流量计通常具有一个伸入到流中的测量指，该测量指具有一个设置在测量指中的测量通道，在热膜式空气质量流量计的情况下特别优选的是将空隙布置在测量通道的入口上游。特别优选的是，所述至少一个空隙设置在测量区域的沿着主流动方向投影在栅格上的区域中，使得所述至少一个空隙在测量区域中发挥其作用。

所述至少一个栅条优选配有一个与主流动方向相反地指向的倒圆的前棱边。而后棱边尤其为了形成漩涡而可以构造为锐角的，并且可以例如具有一个基本上垂直于主流动方向定向的平面。

如上所述，除了该传感器装置还提出了一种在根据所述实施方式中的一种实施方式的传感器中使用的流动管段。因此，为了构造该传感器装置，可以在很大程度上参照以上说明书。该流动管段包括至少一个壳体，所述至少一个壳体具有至少一个用于放入传感器的接收部。关于该传感器的可能的结构方案，又可以在很大程度上参考以上说明书。特别优选的是，传感器构造为测量指。该接收部可以这样地构造，使得传感器牢固地安装在接收部中，和/或可以这样地构造，使得该传感器被可更换地(例如作为可更换的插入式探头)可放入该接收部中。这两种变型都是可行的。该接收部可以如同样由现有技术已知的那样包括附加的导流元件，例如一个倒圆的、设置在传感器上游的迎流棱边和/或导流元件。该流动管段此外可以包括其它的引导元件。

此外，该流动管段包括至少一个横向于主流动方向地设置的、具有至少一个栅条的栅格。对于栅格的构造方案，可以在很大程度上参考以上的说明书。所述至少一个栅条具有至少一个空隙，在所述空隙中栅条深度减小。该栅格可以构造为流动管段的可更换的部件并且可以通过这种方式例如在一个单独的制造过程(例如一个注塑过程)中制造。该流动管段此外可以包括其它元件，例如固定元件，借助所述固定元件可以将流动管段安置在内燃机的废气系(Abgasstrang)中并且可以固定在那里。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下的说明书中详细阐述。其中示出：

图1A和1B示出传感器装置的一个可能的实施例的各种视图；

图2示出在图1A和1B中所示的栅格前后的速度剖面图的变化过程的示意图；

图3示出一种在交叉点的区域中具有空隙的栅格的实施例；

图4示出具有空隙的栅条的实施例；和

图5示出栅格的立体局部视图，该栅格包括很多具有空隙的交叉点。

具体实施方式

在图1A和1B中示出一种传感器装置110，如其由现有技术已知的那样，该传感器装置例如可在市场上获得(例如RobertBoschGmbH的“HFM7”型的热膜式空气质量流量计)并且可以在本发明的范围内根据本发明进行改进。在此，图1A从侧面示出传感器装置110的剖视图，而图1B沿着流动的流体介质的主流动方向112地以从前面的观察方向示出该传感器装置110。

对于该传感器装置110的构造，可以在很大程度上参考现有技术。该传感器装置110在该实施例中构造为热膜式空气质量流量计-传感器装置116并且具有一个热膜式空气质量流量计114。

该传感器装置110包括一个具有壳体118的流动管段116。该壳体118具有一个接收部120，热膜式空气质量流量计114的一个测量指122可以插入到该接收部120中。该接收部120在此这样地构造，使得该接收部在测量指122的迎流侧包括一个迎流棱边124，对于该迎流棱边的构造方案例如又可以参考现有技术。开口形式的入口126进入到该迎流棱边124中。在测量指122中，一个流动通道128连接到该入口126上，在该流动通道128中设有一个传感器元件130。该流动通道128的和引起热膜式空气质量流量计114的功能性的传感器元件130的结构又可以例如参考现有技术。所有的元件在图1A和1B中仅示意性表示。

如尤其在图1b中可看出的那样，该传感器装置110的流动管段116还包括一个设置在测量指122上游的栅格132。该栅格132在该实施例中构造为筛眼栅格，该筛眼栅格具有很多基本上相互垂直地交叉的栅条134。这些栅条134相交于很多交叉点136。该栅格可以例如构造为圆形的、可从流动管段116中取出的单件，为此例如可以在流动管段116中在入口侧设置一个用于接收栅格132的槽。该栅格132以及流动管段116和测量指122的一些部分可以例如完全地或部分地构造为塑料构件，并且例如作为原料可以包括聚酰胺和/或聚对苯二甲酸丁二酯，例如具有30％的玻璃纤维填料。

在图2中以剖视图示出该栅格132的一个单独的栅条134。该栅条134具有一个在该情况下倒圆的前棱边138和一个关于主流动方向112设置在前棱边138下游的后棱边140。该后棱边140在该实施例中基本上垂直于主流动方向112定向。该栅条134在前棱边138与后棱边140之间的延伸尺寸称为栅条深度D并且在图2中象征性地用附图标记142表示。该延伸尺寸或者说栅条深度基本上平行于主流动方向112定向。

在图2的视图中示出流体介质的流的速度剖面图，应借助该速度剖面图说明栅条134的问题。因此，象征性地示出位于栅条134或者栅格132的迎流部前面的速度剖面图144，栅格132区域中的速度剖面图146以及栅格132下游的速度剖面图148。

在此首先得出，从速度剖面图144的最初(例如在流动管段116的流动管中心的区域中)均匀的结构出发在栅格132或者栅条134的区域146中对流体介质进行几乎完全的止动。在栅条134后面形成分离区域152，该分离区域容易波动和不稳定。在栅格132后面的区域148中，在该栅条134处的制动在栅条深度D的5倍至10倍的距离中仍然可觉察到。因此，在图2中得出，在绕过栅条134流动的流体介质的区域中，仍然在栅条134后面一定距离中出现局部的最小值154。该局部的最小值154属于分离区域140，该分离区域紧跟在栅条134后面形成，尤其是在交叉点136的区域中形成。

而在图3至5中以立体细部视图示出栅格132或栅条134的各种根据本发明的构造方案。这样，图4示出栅格132的一个实施例，其中在后棱边140上设有一个空隙156。该空隙156，其在本实施例中构造为矩形的空隙，在栅条134下游产生纵向漩涡158，该纵向漩涡引起上述的在缓慢的流体与快速的流体之间的脉冲交换效应，由此导致速度剖面图148中的局部最小值154更快速地消失。

如上所述，在此特别有利的是，空隙156布置在两个栅条134的交叉点136的区域中。在图3中示出了栅格132的一个这样的实施例。在此可看出，一个第一栅条160和一个第二栅条162优选直角地相交于一个交叉点136。这两个栅条160、162中的每一个栅条绕交叉点136对称地在其后棱边140上具有空隙156。

最后在图5中(在图1A中从右边看去、即迎着主流动方向112看去)以对栅格132的俯视视角示出一个立体图。在此可看出，在该实施例中，栅条134的基本上每个交叉点136都设有空隙156。如上所述，其它的构造方式然而也是可以的。因此尤其是传感器的测量区域在栅格132上的投影区域可以与这样的空隙156连接，而栅格132的其余区域不与这样的空隙连接。如果例如作为传感器115使用热膜式空气质量流量计114(见图1A)，则该测量区域164可以包括例如热膜式空气质量流量计114的入口126。如果该测量区域164沿着主流动方向112投影在栅格132上，则特别优选的是，尤其是该投影区域设有这样的空隙156。

Claims (15)

1.传感器装置（110），用于测定以一个主流动方向（112）流动的流体介质的至少一个参数，其中，所述传感器装置（110）具有流动管段（116）和至少一个设置在所述流体介质中的、用于测定所述流体介质的参数的传感器（114，115），其中，所述传感器装置（110）还包括至少一个与所述主流动方向（112）横向地设置的、具有多个基本上相互垂直地交叉的栅条（134）的栅格（132），这些栅条相交于很多交叉点（136），其中，所述栅条（134）具有一个基本上指向所述主流动方向（112）的栅条深度（D），其中，所述栅条深度（D）被限定为所述栅条（134）在所述栅条（134）的前棱边（138）和一个关于主流动方向设置在前棱边（138）下游的后棱边（140）之间的延伸尺寸，其特征在于，所述栅条（134）具有至少一个空隙（156），其中，所述栅条深度（D）在所述空隙（156）中减小，及所述至少一个空隙（156）被设置在所述交叉点的区域中。

2.根据权利要求1的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）设置在所述栅条（134）的一个关于所述主流动方向（112）设置于下游的后棱边（140）上。

3.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）具有在所述栅条深度（D）的10%与80%之间的空隙深度。

4.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）具有以下形状中的至少一个：矩形特征；梯形特征；倒圆的特征。

5.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）在所述交叉点（136）的区域中设置在所述栅条（134）中的至少一个上。

6.根据权利要求5的传感器装置（110），其特征在于，在所述交叉点（136）中的至少一个上没有设置空隙（156），并且，在所述交叉点（136）中的至少一个上设有空隙（156）。

7.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述传感器（114，115）具有至少一个测量区域（164），其中，所述空隙（156）关于所述主流动方向（112）设置在所述测量区域（164）上游。

8.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述栅条（134）具有一个与所述主流动方向（112）相反指向的前棱边（138）和一个关于所述主流动方向（112）设置在所述前棱边（138）下游的后棱边（140），其中，所述前棱边（138）具有一个倒圆的特征。

9.根据权利要求8的传感器装置（110），其特征在于，所述后棱边（140）具有一个基本上垂直于所述主流动方向（112）定向的平面。

10.根据权利要求1的传感器装置（110），其特征在于，所述流体介质是内燃机的流过一个流动管的吸入空气团。

11.根据权利要求3的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）具有所述栅条深度（D）的50%的空隙深度。

12.根据权利要求4的传感器装置（110），其特征在于，所述梯形特征是具有90°与30°之间的梯形角的梯形特征。

13.根据权利要求1或2的传感器装置（110），其特征在于，所述空隙（156）在所述交叉点（136）的区域中设置在两个相交于一个交叉点（136）的栅条（134）上。

14.根据权利要求7的传感器装置（110），其特征在于，所述至少一个测量区域（164）是测量通道的一个入口。

15.在根据以上权利要求之一的传感器装置（110）中使用的流动管段（116），包括至少一个壳体（118），所述壳体具有至少一个用于放入一个传感器（114，115）的接收部（120），所述传感器用于测定以一个主流动方向（112）流过所述流动管段（116）的流体介质的至少一个参数，还包括至少一个横向于所述主流动方向（112）地设置的、具有多个基本上相互垂直地交叉的栅条（134）的栅格（132），这些栅条相交于很多交叉点（136），其中，所述栅条（134）具有一个基本上指向所述主流动方向（112）的栅条深度（D），其中，所述栅条深度（D）被限定为所述栅条（134）在所述栅条（134）的前棱边（138）和一个关于主流动方向设置在前棱边（138）下游的后棱边（140）之间的延伸尺寸，其特征在于，所述栅条（134）具有至少一个空隙（156），其中，所述栅条深度（D）在所述空隙（156）中减小，及所述至少一个空隙（156）被设置在所述交叉点的区域中。