CN101995278B - 热式空气质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热式空气质量流量传感器，设置于汽车发动机进气口，用于对汽车发动机进气口的空气质量流量进行测量，包括基座及空气通道，空气通道的一端连接基座。其中，空气通道又进一步包括主通道，此主通道内部设置有发热元件，且主通道的两侧分别设置有相对的弧形壁，弧形壁之间的距离在空气流动的方向上逐渐减小。本发明的热式空气质量流量传感器具有测量精度高、稳定性强的优点。

Description

热式空气质量流量传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于发动机进气口的热式空气质量流量传感器，特别涉及一种精度高、稳定性强的热式空气质量流量传感器。

背景技术

热式空气质量流量传感器是利用气流中的发热物质与被测空气之间热量交换关系来测量当前的空气质量流量的一种传感器，空气质量流量是指单位时间内流过的空气质量。其中，热式流量传感器是以金属丝绕线制成的发热电阻作为发热物质的。发热电阻被放置于气流当中，其表面与空气发生热交换，通过传感器电路对热交换的某些参数进行检测，并得到发热电阻附近的气体流量，从而推算出整个管道的气体流量。

由于传感器是依靠检测发热电阻与空气气流进行热交换程度来判断气流流量，因此进气空气的流动状态会对传感器的测量结果有较大的影响。为此，现有的热式空气质量流量传感器都会尽可能地提高进气空气的稳定性。

如2003年2月5日公告的CN1395082A中国发明专利公开了一种“气体层流流量传感器”，如图13所示，其将器体1301设置为管径式或缩径管式，中部管径处设置有两个取压孔1302，管径内两个取压孔1302之间设置有层流元件1303，管径内两个取压孔1302的外部分别设置有整流器1304。其中，整流器1304用于流经管道层流区域时稳定流量的需要，层流元件1303用于气体流动时满足测量流量时的层流条件，从而改善气流稳定性。

又如2008年1月23日公告的CN101109653A中国发明专利公开了一种“热式流量传感器”。如图14所示，此发明利用传感器基座形成的一个矩形凹部1401来构造出气流的通道，且将传感器元件1402嵌入并固定在凹部1401内，并在传感器元件1402对面增设节流装置1403，以减小检测部表面之间形成的阶梯差从而引起的流动不稳，避免气流中产生剥离。

上述热式流量传感器可以使发热元件附近的空气趋于稳定，从而提高测量精度。但是在空气流经发热电阻时，若流速过低会产生热紊乱，从而也会造成测量结果失真，使测量的精度和稳定性下降，而现有的热式流量传感器并没有针对这方面的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种热式空气质量流量传感器，以解决空气流经发热电阻时流速过慢或不均匀而造成精度和稳定性下降的问题。

本发明提出一种热式空气质量流量传感器，设置于汽车发动机进气口，用于对汽车发动机进气口的空气质量流量进行测量，包括基座及空气通道，空气通道的一端连接基座。其中，空气通道又进一步包括主通道，此主通道内部设置有发热元件，且主通道的两侧分别设置有相对的弧形壁，弧形壁之间的距离在空气流动的方向上逐渐减小。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，空气通道还包括感温通道，其内部设置有感温元件，且感温通道与主通道之间由弧形壁隔开，以减少两个通道中气流的热交换。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，感温元件设置在感温通道中空气流动方向的下游，且与发热元件处于同一高度。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，感温通道设置在主通道及基座之间。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，弧形壁的壁面分为曲面部分和平面部分，曲面部分位于气流方向的上游，平面部分位于气流方向的下游。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，曲面部分的壁面为圆弧或不规则曲线。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，曲面部分接近平面部分的那一部分壁面曲线的二阶导数小于0。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，曲面部分设置有多个凹坑，以垂直气流深度方向为行的方向，各行错开排列，用于干扰气流在边界层的流动，使气流在曲面部分的壁面上的流动转化为湍流边界层的流动方式。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，主通道还设置有相对的两个挡板，其分别与弧形壁相接，且挡板的板面与弧形壁的壁面在主通道的空气流动方向的下游部分围成长方形的形状。

依照本发明较佳实施例所述的热式空气质量流量传感器，挡板的高度约为弧形壁高度的一半。

本发明的有益效果是：

1、本发明的热式空气质量流量传感器，其主通道的两侧设置有相对的两个弧形壁，且这两个弧形壁之间的距离在空气流动方向上逐渐减小，使得主通道形成一个渐窄的通道，从而对气流产生一个加速作用，使到达发热元件位置的空气流速不会过慢，防止出现热紊乱的现象，保证了测量的精度和稳定性。

2、发热元件作为热式空气质量流量传感器的热源与周围空气发生热交换，在工作过程中热量被不断带走，同时周围空气温度升高。因此本发明利用弧形壁将发热元件与感温元件所处的主通道与感温通道隔开，防止已经与发热元件发生过热交换的空气进入感温通道，使感温元件的检测更加准确，从而保证了热式空气质量流量传感器的温度补偿精度。

3、本发明在弧形壁的曲面部分设置有凹坑，使气流在其边界层流动由层流边界层转为湍流边界层，可以使发热元件附近的气流流速更加均匀，有利于提高热式空气质量流量传感器的测量精度。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种热式空气质量流量传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的一种热式空气质量流量传感器的空气通道布置示意图；

图3为本发明实施例的第一种弧形壁的整体图；

图4为图3中弧形壁的截面图；

图5为本发明实施例的第二种弧形壁的整体图；

图6为图5中弧形壁的截面图；

图7为本发明实施例的第三种弧形壁的截面图；

图8为本发明实施例的第四种弧形壁的截面图；

图9为本发明实施例的第五种弧形壁的截面图；

图10为本发明实施例的一种主通道结构示意图；

图11为图10中A-A方向上的剖面图；

图12为图10的俯视图；

图13为中国专利局公告号为CN1395082A的专利的一种气体层流流量传感器结构示意图；

图14为中国专利局公告号为CN101109653A的专利的热式流量传感器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

如图1所示，其为本发明实施例的一种热式空气质量流量传感器结构示意图，此热式空气质量流量传感器1具有：基座11，其内部布置有传感器电路，并且是整个传感器用于固定气体流道的部件。主通道12，它是传感器结构的核心部分，用于完成对空气流的调整，是被测气体进行热交换的区域。在主通道的中下游部位安装有发热电阻15，用于产生热式空气质量流量传感器1所需的热量。感温通道13，其内部安装有感温电阻16。感温电阻16能够检测流经感温通道13的空气流温度，用于热式空气质量流量传感器1的温度补偿。主通道12和感温通道13共同组成了热式空气质量流量传感器1的空气通道。其中，本实施例中的发热电阻15及感温电阻16的功能也可以由其它的发热元件及感温元件来实现。

发热电阻15在工作时，传感器电路为其提供电流，并且传感器电路具有自动调整流经发热电阻15的电流大小来维持发热电阻15表面温度的功能。电流在流经发热电阻15时，发热电阻15表面温度上升，并与其周围区域，即主通道12的下游热交换区域100内的空气发生热交换。随着热交换的进行，发热电阻15产生的热量也被带走。热交换的速度不同，热量耗散的程度也不同，传感器电路为了维持发热电阻15表面温度而提供给发热电阻15的电流也就不同。在主通道12中，空气与发热电阻15的热交换主要为强迫对流性质，因而空气流的质量流量决定了区域100内热交换的速度，从而决定了传感器电路供给发热电阻11的电流大小。通过对流经发热电阻15的电流的检测可以推算出当前空气流的质量流量。由于上述的强迫对流的程度还与参与热对流的空气的温度有关，因而感温电阻16被用来检测空气流在未参与热对流情况下的温度，以供传感器电路进行温度补偿。

请参见图2，其为本发明实施例的一种热式空气质量流量传感器的空气通道布置示意图，在图4中可以看到两个明显的通道：主通道12和感温通道13。在主通道12内安装有发热电阻15；在感温通道13内安装有感温电阻16。主通道12和感温通道13被一个带有弧面的部件隔开，这个部件称为近端弧形壁204，与之对应的是远端弧形壁203。两个弧形壁对称分布，有较大的厚度，以防止主通道12和感温通道13之间的热交换。空气流在接进空气通道时，被近端弧形壁204分流并分别进入主通道12和感温通道13。

发热电阻15作为热式空气质量流量传感器1的热源与周围空气发生热交换，在工作过程中热量被不断带走，同时周围空气温度升高。参与热交换的空气的温度对热交换有较大的影响。感温电阻16就是用于补偿环境温度对上述热交换的影响的。如果感温电阻16所检测的空气已经与发热电阻15发生过热交换，那么补偿的效果就不会理想。因此本实施例中将两个电阻分别放置，由于分流点在气流的上游，而且弧形壁较厚，从而确保两个通道中下游区域的空气流不发生热交换，保证了热式空气质量流量传感器1的温度补偿精度。

另外，为了感温电阻16能尽可能真实地反映被检测空气流在进入主通道12时的初始温度，发热电阻15和感温电阻16放置于同一高度，有利于消除气流流态和通道结构的干扰。

由于热式空气质量流量传感器1是通过检测热交换的程度来反映空气质量流量的，热交换有三种形式：传导、对流和辐射。但是由于目前热式空气质量流量传感器1的发热电阻15的固定支撑部分都做的很细小，通过导热形式的热交换的能量很少。又因为发热电阻15的温度一般都不超过300摄氏度，发热电阻15的热辐射消耗的能量也很少。因此，发热电阻15的热量主要通过热对流与外界空气进行热交换，并且在空气质量流量较大时，强迫对流是主要的散热方式。然而，当空气质量流量过小甚至不流动时，自然对流的散热方式就不能被忽视，而由此可能引起热紊乱导致传感器输出结量发生飘移、精度下降。所以从本发明实施例的图2中可以看到在对称分布的近端弧形壁204和远端弧形壁203的中间形成了一个渐窄的空间，也就是空气通道中的主通道12。空气流在流经主通道12上游区域时，通道较宽，但区域空间在不断收缩，而在下游区域时通道已经变得较窄了。根据流体的连续性方程可以知道，在下游区域的空气流质量流量增加了。通过主通道12对空气流的加速，提高了热式空气质量流量传感器1在测量原理上的准确性。

弧形壁虽然对流经主通道12的气流进行加速，但是也要关注其对气流的流态产生的影响，沿气流方向的速度梯度较大，会使得传感器在这个区域的热交换稳定性不足，输出结果的精度也就难以保证。因此在流道设计时希望气流在发热电阻15区域的质量流量均匀分布。请参见图3及图4，其分别为本发明实施例的一种弧形壁的整体图及截面图。所示弧形壁的内表面即与空气流的接触面可以分为曲面部分31和平面部分32，两者相切于公共线301。气流在流经曲面31时，在流道内加速，当进入平面32部分的流道时气流的平均质量流量趋于稳定。

由于空气具有粘性，特别是在靠近弧形壁的壁面处，空气流动分析不能忽视其粘性影响。根据普朗特的边界层理论，在粘性区域内，由于流体和固体不能相对滑动的关系，流体的速度将由表面上的零开始随着垂直距离增加，因此边界层流动情况对发热电阻15区域的速度分布有很大的影响。请参见图5和图6，其分别为本发明实施例的另一种弧形壁的整体图和截面图。本实施例给出了对于这个问题的解决方法，图中的弧形壁的内侧曲面部分加工或直接成型了若干个凹坑43，本实施例凹坑43为圆形，凹坑的表面直径约为3mm，深度不超过0.5mm。这些圆形凹坑43以公共线401为平行的方向为行方向，在每一行上均匀分布了5个圆形凹坑43，第二行分布了4个圆形凹坑43，并且其凹坑43分布与第一行错开。同样的有第3行和第4行。在第5行，凹坑43数量减少为3个，与每4行交错分布。第5行凹坑43与公共线401之间有6～8mm的距离。两个弧形壁面上添加的这种处理，从而使边界层流动由层流态转化为湍流边界层流动。

根据边界层理论可知，湍流边界层相对于层流边界来说，沿管径的速度分布更加均匀和饱满。流态由层流边界层进入湍流边界层后，边界层厚度增加，但是在湍流边界内还保留着一个很簿的层流底层，由于层流底层的厚度要小于之前的层流边界层厚底，使得通道中的流体只有在壁面附近才有较大的速度梯度。本发明所涉及的弧形壁面设置了一些凹坑43或是其它能够干扰气流边界层流动的特征结构，使其边界层流动由层流边界层转为湍流边界层，最终达到使发热电阻15附近的流速更加均匀的目的。值得注意的是，所述凹坑43在尺寸选取时要满足在热式空气质量流量传感器1设计量程内不使边界层脱离产生涡旋。所述凹坑43还应该在发热电阻15轴向方向是均匀分布，从而达到热交换区域空气流速均匀。

另外，对于构成主通道12的弧形壁的曲面部分可以有多种不同形式。弧形壁的曲面部分31在垂直发热电阻15轴向方向应保持一致性，即弧形壁沿垂直发热电阻轴向的截面应该一样，这就保证了发热电阻轴向方向上的气流质量流量的有较高的一致性。图7、图8、图9分别给出了三种弧形壁实施方案(以垂直发热电阻轴向的截面表示)。图7给出的实施方案，其曲面部分在截面图中的投影曲线51类似余弦函数曲线。曲线511是投影曲线51的前半段，是一段凹曲线，空气流的动量损失很小，有利于得到较高的空气流量。在投影曲线51的后半段是一段凸曲线512，用于引导气流方向。图8给出了弧形壁的第二种实施方案，其内侧的曲面投影曲线52由一条直线522加上两端的倒圆521和523组成，本实施例的方案易于实现，结构简单。图9给出的弧形壁的第三种实施方案中，投影曲线53为一段圆弧531。其最大优点在于曲线531上各点的曲率半径一致，即圆弧的半径，它在对气流加速的同时完成气流方向的引导，气流在通道的下流段较为均匀。以上三种实施方案的共同点在于在接通道下游的那一段曲线均为凸曲线，即接近平面部分的那一部分曲面的二阶导数小于0，从而可以避免两弧形壁气流对冲，减小气流在横向方向上的动量损失，并且减小因此产生涡旋的可能性，使气流更加平稳。

请参见图10、图11、图12，图10为本发明实施例的一种主通道结构示意图，图11为图10中A-A方向上的剖面图，图12为图10的俯视图。从图10给出了两个弧形壁的分布，二者的下游段平面间距离D1是主通道12的一个重要特征长度。距离D1与两弧形壁曲率半径以及被检测空气流速有关，当距离D1过小，都会使发热电阻15附近的空气流速梯度变大。图11给出了两侧挡板61、62内侧面距离D2，该距离由发热电阻15的大小决定，应满足发热电阻15两端仍有足够的空间以使发热电阻15远离挡板平面边界层。由于挡板61、62对空气流速没有放大作用，因此对于D2的上限没有严格的要求。图11还给出了弧形壁高度H1与挡板61、62高度H2对比。挡板61、62的高度H2和厚度应该满足一定的机械强度要求的前提下，高度H2不宜太高。过高的高度H2会使挡板平面的边界层厚度增加，从而对距离D2提出额处要求。值得注意的是，所述两块挡板61、62用于连接两个弧形壁，其厚度在满足结构强度要求的前提下，应尽可能不影响气流流态。在一定流速范围内，气流在远离壁面处的流动可以考虑为无粘流动，沿管径方向的速度梯度小。因而，本实施中所述挡板61、62的高度设计为弧形壁的一半，其下游边沿与弧形壁平齐。挡板61、62的高度降低，有利于抑制档板61、62内侧壁面上边界层的发展，减小发热电阻15轴线方向上的速度变化。

从图12给出的主通道12俯视图可以看到主通道12下游部分投影为长方形，与发热电阻15的投影相匹配，这样的结构有利于发热电阻15各部分的气流状态保持均匀，以提高发热电阻15的感测精度。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明的热式空气质量流量传感器，其主通道的两侧设置有相对的两个弧形壁，且这两个弧形壁之间的距离在空气流动方向上逐渐减小，使得主通道形成一个渐窄的通道，从而对气流产生一个加速作用，使到达发热元件位置的空气流速不会过慢，防止出现热紊乱的现象，保证了测量的精度和稳定性。

2、发热元件作为热式空气质量流量传感器的热源与周围空气发生热交换，在工作过程中热量被不断带走，同时周围空气温度升高。因此本发明利用弧形壁将发热元件与感温元件所处的主通道与感温通道隔开，防止已经与发热元件发生过热交换的空气进入感温通道，使感温元件的检测更加准确，从而保证了热式空气质量流量传感器的温度补偿精度。

3、本发明在弧形壁的曲面部分设置有凹坑，使气流在其边界层流动由层流边界层转为湍流边界层，可以使发热元件附近的气流流速更加均匀，有利于提高热式空气质量流量传感器的测量精度。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热式空气质量流量传感器，设置于汽车发动机进气口，用于对汽车发动机进气口的空气质量流量进行测量，其特征在于，包括一基座及一空气通道，该空气通道的一端连接该基座，其中，该空气通道又进一步包括：

一主通道，其内部设置有一发热元件，且该主通道的两侧分别设置有相对的一弧形壁，该弧形壁之间的距离在空气流动的方向上逐渐减小 ；

所述空气通道还包括一感温通道，其内部设置有一感温元件，且该感温通道与该主通道之间由该弧形壁隔开，以减少两个通道中气流的热交换。

2.如权利要求1所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该感温元件设置在该感温通道中空气流动方向的下游，且与该发热元件处于同一高度。

3.如权利要求1所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该感温通道设置在该主通道及该基座之间。

4.如权利要求1所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该弧形壁的壁面分为一曲面部分和一平面部分，该曲面部分位于气流方向的上游，该平面部分位于气流方向的下游。

5.如权利要求4所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该曲面部分的壁面为圆弧或不规则曲线。

6.如权利要求4或5所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该曲面部分接近该平面部分的那一部分壁面曲线的二阶导数小于0。

7.如权利要求4或5所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该曲面部分设置有多个凹坑，以垂直气流深度方向为行的方向， 各行错开排列，用于干扰气流在边界层的流动，使气流在曲面部分的壁面上的流动转化为湍流边界层的流动方式。

8.如权利要求1所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该主通道还设置有相对的两个挡板，其分别与该弧形壁相接，且该挡板的板面与该弧形壁的壁面在该主通道的空气流动方向的下游部分围成长方形的形状。

9.如权利要求8所述的热式空气质量流量传感器，其特征在于，该挡板的高度为该弧形壁高度的一半。 

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