CN104729604A - 用于确定通过通道流动的流体介质的至少一个参数的传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器组件(10)，其用于确定流动通过通道(26)的流体介质的、尤其是内燃机的吸入空气质量流的至少一个参数。传感器组件(10)具有传感器壳体(34)、尤其是插入或可插入到流动管中的插式传感器(12)和至少一个布置在通道(26)中的、用于确定流体介质的参数的传感器芯片，通道(26)构成在传感器壳体中。传感器壳体(34)具有进入到通道(26)中的、与流体介质的主流动方向(18)相反指向的入口(16)和至少一个处于传感器壳体(34)的表面(28)中的、由通道(26)出来的出口(30)。传感器壳体(34)的表面(28)在主流动方向(18)上看在出口(30)的上游具有多个凹部(60)。

Description

用于确定通过通道流动的流体介质的至少一个参数的传感器组件

技术领域

本发明涉及一种用于确定通过通道流动的流体介质的至少一个参数的传感器组件。

背景技术

由现有技术已知用于确定流体介质、即液体和/或气体的至少一个流动特性的多个方法和装置。在此，作为可能的参数的流动特性可以涉及任意的物理和/或化学的、可测量的特性，其定性或定量流体介质的流动。在此，尤其可以涉及流动速度和/或质量流和/或体积流。

本发明在下文中尤其参照所谓的热膜空气质量测量器来描述，如其例如由Konrad Reif(编者):Sensoren im Kraftfahrzeug,2010第一版,146-148页已知。这样的热膜空气质量测量器通常基于传感器芯片、尤其硅传感器芯片，例如具有传感器膜片作为测量表面或传感器区域，其可由流动的流体介质通流。传感器芯片通常包括至少一个加热元件以及至少两个温度传感器，它们例如布置在传感器芯片的测量表面上，其中，一个温度传感器安置在加热元件的上游，而另一个温度传感器安置在加热元件的下游。由被温度传感器所感测的温度曲线的不对称性可以推断流体介质的质量流和/或体积流，该温度曲线受流体介质的流动影响。

热膜空气质量测量器通常构型为插式传感器，其可固定地或可更换地插入到流动管中。例如，这样的流动管可以涉及内燃机的进气管段。

在此，介质的部分流流经至少一个设置在热膜空气质量测量器中的主通道。在主通道的入口和出口之间构成有旁流通道。尤其，旁流通道如此构成，使得该旁流通道具有一个弯曲区段，该弯曲区段用于偏转所述介质的经由主通道的入口进入的部分流，其中，该弯曲区段在进一步的走向中过渡到一个区段中，在该区段中布置有传感器芯片。后提到的区段是真正的测量通道，传感器芯片布置在其中。

这样的热膜空气质量测量器在实践中必须满足多个要求。除了通过适合的流动技术构型总地降低热膜空气质量测量器上的压降这一目的之外，主要挑战之一在于，进一步改善装置的信号质量以及相对于由于油滴和水滴以及炭黑颗粒、灰尘颗粒以及其他固体颗粒的污染的可靠性。所述信号质量例如涉及通过引到传感器芯片的测量通道的介质的质量流，以及如果必要涉及信号漂移的减小和信噪比的改善。在此，信号漂移例如涉及介质质量流的在实际出现的质量流和在校准的范围中在制造中所求取的待输出的信号之间的特性曲线关系改变的意义上的偏差。在信噪比的求取中考虑以快速时间序列输出的传感器信号，相比之下，特性曲线漂移或信号漂移涉及平均值的变化。

在所述类型的常规热膜空气质量测量器中，传感器承载件连同安装或引入到其上的传感器芯片通常伸入到测量通道中。例如，传感器芯片可以粘入到传感器承载件中或者粘接在其上。传感器承载件例如可以连同由金属构成的底板形成一个单元，在该底板上也可以粘接有电子装置、驱控和分析处理电路(例如具有电路载体，尤其电路板)。例如，传感器承载件可以构型为电子模块的注塑上的塑料件。传感器芯片和驱控和分析处理电路例如可以通过键合连接(Bondverbindung)相互连接。如此生成的电子模块例如可以粘入到传感器壳体中并且整个插式传感器可以以盖封闭。

文献DE 198 15 656 A1公开了一种传感器组件，其用于确定流动通过通道的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量流的至少一个参数。该传感器组件具有至少一个布置在通道中的、用于确定流体介质的参数的传感器芯片。该传感器芯片被接收在伸入到通道中的传感器承载件中。该通道引至在传感器组件的外面上通到流动管中的流出开口。在传感器组件的具有流出开口的外面上，在流出开口的周围设有隆起部。

文献DE 197 38 337 A1公开了一种热膜空气质量测量器，其具有处于出口下游的阶梯。

在这样的热膜空气质量测量器中，在外面上连续出现边界层直至旁路出口。热膜空气质量测量器必须覆盖的大的速度范围导致：旁路出口在一定的速度下处于边界层的层式紊流的过渡部中。该过渡区域的特征在于糟糕的可再现性和非线性特性。因此，这导致在脉冲式的流动中糟糕的可调整性和复杂的行为，该脉冲式的流动包括过渡区域。

因此，研发了这样的热膜空气质量测量器，其中，具有断开边沿的阶梯处于旁路出口的上游和下游，该断开边沿构成烟囱式突出部。壁轮廓中的阶梯强制紊流的边界层的重新形成并且由此使旁路出口上的边界层与可能在上游存在的转变区域的交互作用最小化并且由此可能更准确地对目标特性曲线调整。

虽然由现有技术已知的方法用于以目标特性曲线的调整具有多个优点，但是这些方法仍包含关于其他功能方面的改善潜力。即，在最后提到的现有技术中，烟囱式的突出部的对于边界层的重新形成所需要的高度随着空气质量流增大而升高。这与尽可能短的传感器壳体的要求相冲突。

发明内容

因此，提出一种传感器组件，其用于确定流动通过通道的流体介质的至少一个参数，该传感器组件可以至少避免已知方法和策略的缺点，并且在该传感器组件情况下，在流动时即使在较高的空气质量流情况下也强制在旁路出口的紧上游重新开始边界层，从而在调整中存在可再现的关系。

用于确定流动通过通道的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量流的至少一个参数的传感器组件包括传感器壳体、尤其是插入或可插入到流动管中的插式传感器和至少一个布置在通道中的、用于确定流体介质的参数的传感器芯片，所述通道构成在所述传感器壳体中。传感器壳体具有进入到通道中的入口和至少一个处于传感器壳体的表面中、从所述通道中出来的出口，所述入口与流体介质的主流动方向相反指向。在主流动方向上看，传感器壳体的表面在出口的上游具有多个凹部。

所述凹部可以相互隔开间距。所述凹部可以构成为沟槽。所述凹部可以垂直于所述主流动方向构成。尤其，所述凹部平行于相对于传感器壳体的上侧和下侧垂直的方向延伸。所述凹部可以具有区段式的横截面。换言之，所述凹部可以凹形地构成在传感器壳体中并且具有扇形形式的横截面。所述凹部如此布置在传感器壳体中，使得其区段式的圆形的中心点都处于在一个共同的圆轨迹上。该圆轨迹例如具有10.3毫米的半径。在该圆轨迹上，所述凹部的区段式的圆形的中心点以15°相互隔开间距。换言之，圆轨迹上的两个相邻的中心点之间的间距是15°。所述凹部可以具有0.4毫米至0.8毫米的深度，例如0.6毫米。

在主流动方向上看，所述表面可以在出口的上游具有带有断开边沿的阶梯，其中，上游的阶梯邻接到出口上。下游的阶梯和上游的阶梯可以构成从所述表面突起的烟囱式突出部。下游的阶梯可以由所述表面突起0.5毫米至5毫米并且优选0.75毫米至3毫米并且更优选1.2毫米至2.2毫米。下游的阶梯和/或上游的阶梯可以垂直地由表面突起。断开边沿可以具有在主流动方向上0.2毫米至0.4毫米并且优选0.25至0.35毫米的尺寸。下游的阶梯和/或上游的阶梯可以至少区段式地垂直于主流动方向延伸。下游的阶梯和上游的阶梯可以在所有侧限界所述出口。所述出口可以处于所述表面的这样的位置上，在该位置上，在主流动方向上流动的流体是紊流的。出口可以具有矩形的开口横截面。

在本发明的范围中，将主流动方向理解为流体介质在传感器或者说传感器组件的位置上的局部流动方向，其中，例如局部的不均匀性、如紊流可以保持不考虑。尤其，由此可以将主流动方向理解为流动的流体介质在传感器组件的位置上的局部的平均的输送方向。在此，平均的输送方向涉及这样的输送方向，在该输送方向上，流体介质在时间上平均地主要地流动。

在本发明的范围中，可以将布置在下游视为构件布置在这样的部位上，流体介质在主流动方向上流动地在时间上比参考点晚地到达该部位。即，例如阶梯相对于出口布置在下游意味着，在时间上看，流体介质到达阶梯比到达出口晚。

类似地，在本发明的范围中，可以将构件布置在上游视为构件布置在这样的部位上，流体介质在主流动方向上流动地在时间上比参考点早地到达该部位。即，例如阶梯相对于出口布置在上游意味着，在时间上看，流体介质到达阶梯比到达出口更早。

在本发明的范围中，可以将阶梯理解为从传感器壳体的表面突起的突出部。

在本发明的范围中，可以将断开边沿理解为尖棱的或者具有非常小的曲率半径的构件，该构件设置用于，引起流体介质的流动断开或流动脱离。

可以将在本发明的范围中，紊流的流动可理解为流体质点的大多三维的、看起来偶然的、不稳定的运动。如果流动的雷诺数大于临界雷诺数，也就是大于大约2300，则该流动是紊流的。

本发明的基本构思在于，在处于旁路出口的上游的壁轮廓中设置沟槽形的凹部。由此，即使在相对扁平或短的烟囱式突出部中也强制紊流的边界层的重新形成并且使处于旁路出口上的边界层与可能在上游存在的转变区域的交互作用最小化并且由此可能更准确地对目标特性曲线调整。

由此，通过按照本发明的传感器组件能够实现热膜空气质量测量器的出口的特别的优化的形状，该形状强制边界层的在出口紧上游的新流出，从而可再现的比例关系在调整中存在。由此，可以实现在该运行范围中的较小的公差。此外，优化的出口轮廓显著简化了脉冲行为的匹配。因为脉冲行为主要通过旁路通道长度确定，所以出口位置的移动是一种有效的途径，以便调节脉冲行为。然而，在常规的热膜空气质量测量器中，随着出口位置的移动也改变边界层中的位置并由此改变在出口上占主导的压力，从而产生复杂的效果关系。通过按照本发明的传感器组件的优化的实施方案，不改变边界层中的位置，而是这些影响参数在脉冲行为的匹配中变得可忽略。由此，可显著更简单地匹配脉冲行为。尤其，烟囱式地延长旁路出口，则不再与相邻的壁平齐地终止，如在现有技术中的情况那样。壁轮廓因此不再是连续的，而是在旁路出口紧前面和紧后面具有跳跃。

通过处于旁路出口上游的、壁轮廓中的沟槽形凹部强制亚临界的脱离，所述脱离导致流动又靠到壁轮廓上。由此，即使在较高的空气质量流的情况下也确保，所述流动在被烟囱式地延长的旁路出口上断开并且新的紊流的边界层形成。

附图说明

本发明另外的可选择的细节和特征由优选实施例的以下说明得知，所述实施例在附图中示意地示出。附图示出：

图1：传感器组件的立体图和

图2：传感器组件在出口的区域中的示意俯视图。

具体实施方式

图1示出了传感器组件10，其用于确定流动通过一通道的流体介质的参数。在该实施例中，传感器组件10构型为热膜空气质量测量器并且尤其可以感测内燃机的吸入空气质量流。在该实施例中，传感器组件10包括插式传感器12，其例如可以被插入到内燃机的流动管、尤其是进气管段中。在插式传感器12中接收有通道结构14，流体介质的代表性的量可以通过在插入的状态下与流体介质的主流动方向18相反指向的入口开口或者说入口16流动经过该通道结构。

在此，图1示出了插式传感器12的处于通道结构14的区域中的局部。通道结构14具有主通道20，参考图1的图示，该主通道通到处于插式传感器12的下侧24上的主通道出口22中，以及由主通道20分支的旁路通道或者说测量通道26，其通到该旁路通道或者说测量通道26的布置在表面28上的出口30中，在该实施例中，参考插式传感器12的图1中的图示，该表面可以是端侧或端面。然而，明确地强调，出口30也可以布置在插式传感器12的另一表面中，例如在下侧24中或上侧中。

如在常规的热膜空气质量测量器中，未示出的传感器承载件以翼的形式伸入到测量通道26中。在该传感器承载件中如此装入传感器芯片，使得构成为传感器芯片的传感器区域的传感器膜片被流体介质通流。传感器承载件连同传感器芯片是电子模块的组成部分，该电子模块具有弯曲的底板作为传感器承载件以及安装、例如粘接在其上的、具有驱控和分析处理电路的电路板。传感器承载件例如可以作为注塑构件注塑到底板上。传感器承载件设有迎流边沿，该迎流边沿可以倒圆地构型，所述传感器承载件例如作为注塑构件注塑到底板上并且或者与电路板的底板整体地构成。

传感器芯片与驱控和分析处理电路通过电气连接装置电连接，所述电气连接装置在此可以构型为键合线(Draht-Bonding)。如此产生的电子模块被引入、例如粘入到插式传感器12的传感器壳体34的电子装置室32中，在该电子装置室中也构成通道结构14。这可以如此实现，即，传感器承载件在此伸入到通道结构14中。随后，电子装置室和通道结构14通过盖36、38封闭。

由图1可知，端面28具有下游的阶梯40，也就是说在出口30下游的阶梯；以及上游的阶梯42，也就是在出口30上游的阶梯。下游的阶梯40和上游的阶梯42邻接到出口30上。尤其，下游的阶梯40和上游的阶梯42至少区段式地垂直于主流动方向18延伸。下游的阶梯40和上游的阶梯42分别具有一个断开边沿44、46。下游的阶梯40和上游的阶梯42可以在所有侧限界出口30，如在图1中所示。出口30例如具有矩形的开口横截面。下游的阶梯40和/或上游的阶梯42垂直地从端面28突起。由此，下游的阶梯40和上游的阶梯42构成端面28的烟囱式的突出部48。例如，下游的阶梯40和/或上游的阶梯42可以从端面28突起0.5毫米至5毫米、优选0.75毫米至3毫米并且更优选地1.2毫米至2.2毫米，例如1.5毫米。下游的阶梯40的断开边沿44和/或上游的阶梯42的断开边沿46具有在主流动方向18上的0.2毫米至0.4毫米并且优选0.25毫米至0.35毫米的尺寸，例如0.3毫米。

图2示意地示出了插式传感器12的在出口30的区域中的俯视图。尤其，通过箭头50标明旁路通道26的流通。尤其示出了主流动方向18上的普通运行、也就是流体介质的无脉冲的流动。

在出口30的常规构成中，其中，出口30与端面28平齐地终止，在从相反指向于主流动方向18的侧面52到端面28的过渡区域中形成流动的流体介质的滞点，在所述侧面中也构成有入口16。在滞点的紧周围环境中，开始构成层状的边界层。随着沿着过渡区域和端面28向着出口30的方向的延伸长度(Lauflaenge)增大，边界层变厚。首先，边界层直至出口紧上游是层状的。从临界的边界层厚度起，边界层中的干扰不再被足够地缓冲，从而该边界层变成紊流的。在此，根据影响流动的参数、例如壁摩擦、流动脉冲、流动速度以及诸如此类，紊流的流动可以在出口30的高度上，也就是在垂直于主流动方向18的共同的平面中或者在其下游端部的高度上或在出口30的下游产生。

层状的边界层和紊流的边界层之间的过渡在出口30的上游的转变区域中发生，最迟在出口的区域中发生，也就是说在出口30的高度上发生。该转变区域的特征在于糟糕的可再现性，因为该转变区域非常敏感地对不同的边界条件作出反应。例如，转变区域处于出口30的区域中。基于转变区域的糟糕的可再现性，常规的热膜空气质量测量器可以在该速度范围上糟糕地调整。

因为转变区域的位置随着空气流动的速度改变，可以在脉冲式流动中产生运行状态，在该运行状态中，出口30在运行期间在此期间将近处于转变区域中。如果现在脉冲幅度或平均流动速度的小的变化导致旁路通道26不再被转变区域掠过，则该转变区域可以对旁路通道26中的平均空气质量流具有非线性效应，传感器芯片由该效应生成测量信号。由此，热膜空气质量测量器的脉冲行为也是非线性的，这使得车辆中的应用困难。

按照本发明的传感器组件10这样避免了该问题，即，出口30不与端面28平齐地终止，而是具有以上提到的形式。如以上所提及的那样，按照本发明，出口30构成为从端面28突起的烟囱式突出部48。在此，出口30如此烟囱式地延长，使得阶梯40、42强迫紊流的边界层的重新形成。相应地，出口30处于端面28的一个位置上，在该位置上，流动是紊流的。图2更准确地根据示例性的流动线54示出该行为。在与主流动方向18相反指向的侧面52到端面28的过渡部的下游，流动从位置56起转变。从处于上游的阶梯42的高度上的位置58起，产生紊流的边界层的重新形成。由此，转变区域总是处于在出口30之外或上游。转变区域尤其仅处于位置56和58之间。

为了即使在较高的空气质量流情况下也强制紊流的边界层的重新形成，而不与以上提到的尺寸不同地延长从端面28的烟囱式突出部48，本发明设置，在主流动方向18上看，表面28在出口30的上游具有多个凹部60。凹部60相互隔开间距。如由图1可见，所述凹部构成为沟槽62。沟槽62尤其垂直于主流动方向18构成。沟槽62也垂直于插式传感器12的延伸方向延伸。例如，沟槽62从传感器壳体34的上侧向下侧24的方向延伸或者反之亦然。凹部60可以具有区段式的横截面。换言之，所述凹部可以凹形地构成在插式传感器12中并且具有扇形形式的横截面。凹部60如此布置在插式传感器12中，使得所述凹部的区段式的圆形的中心点都处于一个共同的圆轨迹上。该圆轨迹例如具有10.3毫米的半径。在该圆轨迹上，凹部的区段式圆形的中心点以15°相互隔开间距。换言之，圆轨迹上的两个相邻的中心点之间的间距是15°。凹部60可以具有0.4至0.8毫米的深度，例如0.6毫米。

通过边界层从位置58起的重新形成，也使得出口30上的边界层与可能存在于该出口30上游的转变区域的交互作用最小化。由此，即使在常规的热膜空气质量测量器中在连续的壁轮廓上会产生转变区域的流动速度情况下也可以良好地调整传感器组件10。如果在脉冲行为的匹配的范围内移动出口30的位置，则原则上的脉冲行为相比于在按照现有技术的实施方案中显著地少地改变，因为转变区域的影响已被最小化。由此，可以基于好的初始设置快速地产生按照本发明的传感器组件10的在基本行为中类似但是匹配于专门的顾客期望的变型方案。

因为相比于对传感器壳体34的尽可能小的总长度的客户要求存在对较长的烟囱式突出部48的要求，烟囱式突出部48的从端面28看的延长仅能够直至一定的程度地补偿较高的空气质量流。按照本发明，该问题如上述这样解决，即，在端面28中，可以构成为沟槽62的凹部60设置在端面28的在其他部位上光滑的壁轮廓中。通过凹部60，重复地强制亚临界的脱离，所述脱离导致流动的再贴靠。由此，可以在相同高的烟囱式突出部48的情况下即使在高的流动速度下也强制边界层从位置58起重新形成。

该效应类似于高尔夫球上的小颗粒的作用，所述小颗粒延迟流动的脱离，从而高尔夫球比光滑的球飞得远，该光滑的球产生较大的脱离并且由此较强烈地被制动。但是，因为传感器壳体34以已知的方式以明确的优先方向、也就是说主流动方向18被迎流，沟槽62比小颗粒更有效并且此外在工具技术上没有附加成本地并由此可更简单地制造。这样，可以注塑技术制造沟槽62，相比之下，小颗粒会需要注塑工具中的附加的滑阀，这会提高制造成本。

Claims (10)

1.一种传感器组件(10)，其用于确定流动通过通道(26)的流体介质的、尤其是内燃机的吸入空气质量流的至少一个参数，其中，所述传感器组件(10)具有传感器壳体(34)，尤其是被插入或能够插入到流动管中的插式传感器(12)，所述通道(26)构成在所述传感器壳体中，并且传感器组件具有至少一个布置在所述通道(26)中的、用于确定所述流体介质的所述参数的传感器芯片，其中，所述传感器壳体(34)具有进入到所述通道(26)中的、与所述流体介质的主流动方向(18)相反指向的入口(16)，和至少一个处于所述传感器壳体(34)的表面(28)中的、从所述通道(26)出来的出口(30)，

其特征在于，

所述传感器壳体(34)的所述表面(28)在主流动方向(18)上看在所述出口(30)的上游具有多个凹部(60)。

2.根据上一权利要求所述的传感器组件(10)，其中，所述凹部(60)相互隔开间距。

3.根据上述权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述凹部(60)构成为沟槽(62)。

4.根据上述权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述凹部(60)垂直于所述主流动方向(18)构成。

5.根据上述权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述传感器壳体(34)的所述表面(28)在所述主流动方向(18)上看在所述出口(30)的下游具有带有断开边沿(44)的阶梯(40)，其中，所述阶梯(40)邻接到所述出口(30)上。

6.根据上一权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述表面(28)在所述主流动方向(18)上看在所述出口(30)的上游具有带有断开边沿(46)的阶梯(42)，其中，上游的阶梯(42)邻接到所述出口(30)上。

7.根据上一权利要求所述的传感器组件(10)，其中，下游的阶梯(40)和所述上游的阶梯(42)构成从所述表面(28)突起的烟囱式突出部(48)。

8.根据前两个权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述下游的阶梯(40)和/或所述上游的阶梯(42)垂直地从所述表面(28)突起。

9.根据前三个权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述下游的阶梯(40)和/或所述上游的阶梯(42)至少区段式地垂直于所述主流动方向(18)延伸。

10.根据前六个权利要求之一所述的传感器组件(10)，其中，所述下游的阶梯(40)和所述上游的阶梯(42)在所有侧限界所述出口(30)。