CN1175251C - 用于测量在一个管道内流动的介质质量的测量装置 - Google Patents

用于测量在一个管道内流动的介质质量的测量装置 Download PDF

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Abstract

一种用来测量管道(2)内流动介质质量、尤其是内燃机吸入空气质量的测量装置(1)，具有一个由流动介质环流的测量元件(21)，该测量元件被安置在测量装置(1)的一个设置于管道(2)内的流动通道(10)中。在此，流动通道(10)沿主流动方向(19)在一个与管道(2)连通的入口(12)与至少一个在该入口(12)下游通入管道(2)的出口(13)之间伸展。按照本发明，流动通道(10)在一个设在入口(12)和测量元件(21)之间的第一分隔点(15)处分叉成一个测量元件(21)设在其中的测量通道(20)和一个沿主流动方向(19)绕过测量元件(21)的第一旁通通道(22)。

Description

用于测量在一个管道内流动的介质质量的测量装置
技术水平
本发明涉及一种用于测量在一个管道内流动的介质质量的测量装置。
由DE4407209C2已公知一种测量装置，其中，一个测量通道与一个测量模件组合成为一个整体。该测量通道容纳了测量元件并且从一个入口开始沿流动方向逐渐收缩。与该逐渐收缩区段相连的是呈S形构造的转向通道，它具有矩形横截面。该测量模件被设置成可插接的构件。测量模件的基座部分可密封地安装在要测量管道的壁上并携带一个电子处理电路。
例如由DE4338891A1公知的一种微型机械构件尤其适合用作测量元件，在这种由DE4338891A1公知的测量元件中集成了两个温度敏感电阻，它们例如可由氧化硅或氮化硅组成并且具有低的导热性和低的比热容量。这两个温度敏感电阻借助一个硅框而彼此热绝缘。其中，温度敏感电阻中的一个作为原本的测量敏感元件工作，而第二个温度敏感电阻用作流动介质温度的敏感元件。
由DE3627465C2公知，将用来测量一进气道内空气量的管道相对于流动方向倾斜一预定角度，以便避免悬浮颗粒吸附在测量元件上。此外，该对比文件还公开了，测量元件的朝向空气流和背向空气流的端面都设有楔形凸起，同样为了避免吸附空气流的悬浮颗粒。DE3941330C2已公开，温度敏感测量元件的表面相对于待测量介质的流动方向倾斜一个预定角度。由于当测量元件相对于流动方向略微倾斜或作为极端情况平行于流动方向时，测量特征的角度相关性相对大，而当测量元件的测量表面与介质的流动方向之间倾斜角更大时，测量特征的角度相关性更小，因此按照该文献所述，当介质流动方向与测量元件的测量表面之间夹角在20°-60°范围内时可获得相对可靠和可重复的测量结果。
不过，这些公知的测量装置具有以下缺点，即测量元件会被流动介质中传送的污物颗粒，尤其是灰尘小颗粒损坏，当这些颗粒与测量元件碰撞时。尤其当采用例如在DE4338891A1中所描述的微型机械构件作为测量元件时，污物颗粒会击中在相对较薄的薄膜上并对此造成持久的损害。因此这会导致测量元件的较大磨损并造成过早的损坏。另外，带有油或油脂的污物颗粒会沉积在测量元件上、尤其是在它的薄膜上，它们成为固体颗粒、如灰尘或小砂粒的增附剂并对测量元件造成持久的污染。测量元件与流动介质之间的热耦合由于这种污染而被破坏，因此造成测量曲线偏移，这必然导致测量误差。当采用测量装置测量内燃机进气道内的吸入空气时，会产生燃料喷射阀的错误控制并因此导致油-气混合物的非最佳调节，因此，内燃机的废气含量随着测量元件的污染增加而变坏。
公知测量元件的另外的缺点在于，在测量管道内的脉动流动中测量精度不够理想。
本发明的优点：
按照本发明，提出了一种用来测量一个管道内流动的介质质量的测量装置，它具有一个由流动介质环绕流过的测量元件，该测量元件被安置在测量装置的一个设置于管道内的流动通道内，其中，该流动通道在一个与管道连通的入口与至少一个在入口下游通入管道中的出口之间沿主流动方向伸展，其中，该流动通道在一个设在入口和测量元件之间的第一分隔点处分叉成一个测量元件安置在其中的测量通道和一个沿主流动方向绕过测量元件导通的第一旁通通道，其中，所述第一分隔点位于所述入口在平行于管道纵轴线方向的投影之外。
相比之下，本发明的用于测量管道内流动介质质量的测量装置则具有以下优点：即流动介质中携带的污物颗粒对测量元件的撞击被大大避免，至少被大大减弱。尤其是通过本发明的措施，大大地保护了构造为微型机械构件的测量元件薄膜免受流动介质中携带的污物颗粒的撞击，因此大大延长了测量元件的使用寿命。通过将流动通道分成一个包含测量元件的测量通道和一个绕过该测量元件导通的旁通通道可达到，污物颗粒基本上经过旁通通道并绕过测量元件排出，而相对污染很轻的介质通过测量通道流过测量元件。由此，测量元件、尤其是薄且敏感的测量元件薄膜由污物颗粒碰撞的危险被大大降低。此外，由于带有机油或油脂的污物颗粒对测量元件的碰撞被减少，因此，由于灰尘及其它固体颗粒粘附在测量元件上而引起的污染被大大避免。通过这种方式，防止了特征曲线的变化，而所得到的测量结果的可靠性被提高。采用本发明的测量装置测量内燃机的吸入空气质量时，内燃机的废气含量不被持久地变坏。
通过其它措施使得能够对上述方案的测量装置进一步构造和改进。
特别有利的是，流动通道在入口和分隔点之间具有一个弯曲段，在该分隔点处流动通道分叉成测量通道和旁通通道，并且测量通道与该弯曲段的具有相对较小曲率半径的内侧区域相连，而旁通通道与该弯曲段的具有相对较大曲率半径的外缘区域相连。污物颗粒在弯曲段由于作用在其上的离心力的作用而向外冲入外缘区域，因此，弯曲段的外缘区域具有相对多的污物颗粒，而弯曲段的内侧区域具有相对少的污物颗粒。因此，大多数污物颗粒进入在测量元件旁绕过的旁通通道而不进入测量通道，而流过测量元件的介质沾污的污物颗粒被明显降低。
另外作为一种选择，也可以将测量通道参照待测量管道的纵轴线在径向上相对于测量装置流动通道的入口错开。由此，测量通道在很大程度上位于污物颗粒轨迹以外，该轨迹基本平行于管道纵轴线延伸并因此由入口沿平行于管道纵轴线方向的投影分量预先确定。
在测量通道与旁通通道之间可以设置一个隔离壁，其中，旁通通道与测量通道可以在测量元件下游或者重新汇合并通过一个共同的出口排出，或者测量通道与旁通通道在测量装置内作为分隔的通道带有隔开的出口。尤其当测量通道和旁通通道在测量元件下游汇合成一个共同的流动通道、例如一个S形转向通道时，具有优点的是，隔离壁的截面轮廓呈流线形造形，以避免流体分离并使流动介质受到尽可能小的阻力。
测量通道和旁通通道的出口最好设在测量装置的排流侧，它与设在入流侧的入口相对。
特别优选流动通道具有一个第二分隔点，在该分隔点，流动通道逆主流动方向分叉成一个测量通道和一个第二旁通通道。尤其在出现一个逆主流动方向的回流分量的脉动流动中，这一措施是具有优点的，因为这样沿回流方向也避免了流过测量元件的介质中的污物颗粒。为此，最好在出口和第二分隔点之间设置一个第二弯曲段。第一弯曲段和第二弯曲段最好设置成彼此对称，因此即使在强回流的脉动流动中也只出现相对很小的测量误差。在此，两个弯曲段和同样是弯曲的测量通道最好围成一个包围360°角的弯道。
附图
本发明的实施例在附图中被简化示出并将在下面的说明中被进一步说明，其中：
图1.以剖面图示出本发明测量装置的一个第一实施例，
图2.以剖面图示出本发明测量装置的一个第二实施例，
图3.以剖面图示出本发明测量装置的一个第三实施例，
图4.以剖面图示出本发明测量装置的一个第四实施例。
对实施例的说明
图1以剖面图示出了本发明测量装置1的一个侧视图，该装置用来测量流动介质的质量，尤其是内燃机的吸入空气质量。
测量装置1测量管道2内流动的介质的质量。管道2仅仅被示意性示出，并且，它至少在测量装置1的区域内沿一个纵轴线3伸展。管道2可以是例如内燃机的进气道，内燃机通过该进气管可将空气从周围环境中吸入。在所示出的实施例中，该介质、例如吸入空气从右向左流动通过该管道2。管道2内的流动方向由箭头4标明。
测量装置1最好具有一个细长的、在管道2内径向伸展的结构，并且最好能可插入地送入到一个在管道2的壁5上开设的开口中。测量装置1作为可插入管道2壁5内的插接模件的这种构造使得安装和维护尤其简单。作为一种优先实施形式，可将一个处理电路6例如通过浇注集成在测量装置1内。也可以考虑将一处理电路安置在壁5的外面。在从管道2的壁5伸出的插置段7上可设置相应的用来为测量装置1提供电源和用来获取从测量装置1得到的测量信号的接点8，它们借助连接导线9与处理电路6相连。
测量装置1可由例如塑料压铸件制成单一整体件。它具有一个流动通道10，它以旁路一管道形式平行于管道2的主流动横截面11安置。流动通道10从入口12伸展至一个或多个出口。在图1所示实施例中，设置了一个第一出口13和一个第二出口14。在入口12处的主流动方向由箭头16表示，在出口13和14处的主流动方向分别由箭头17及18标明。在流动通道10内部的主流动方向由箭头19示出。
按照本发明，流动通道10在一个分隔点15处被分叉成一个测量元件21设在其中的测量通道20和一个绕过测量元件21导通的旁通通道22。
测量元件21通过连接导线23与处理电路6连通，并且，最好被构造为像在DE4338891A1中所建议的微型机械构件。测量元件21以公知的方式具有至少一个、最好是两个温度敏感电阻元件，它们被构造在一个例如由氧化硅或氮化硅制成的介电薄膜上。其中，该介电薄膜具有这样的优点，即热容量低且导热率相对很低，因此，测量元件的响应特性相对短。
测量元件21在所示出的优先实施例中具有一个板形硅基载体。它具有一个通过腐蚀形成的具有非常小的厚度的薄膜式传感区域和多个同样通过腐蚀形成的电阻层。这些电阻层构成至少一个与温度相关的测量电阻和例如一个加热电阻。加热电阻最好设置在薄膜的中间，该加热电阻借助一个温度传感器被控制在一限度温度上。在由加热电阻形成的加热区的上游和下游设有两个对称于该加热区安置的测量电阻。测量元件21的载体被齐平地安置在例如由金属制成的容置件的一个凹槽内并且例如通过粘接被固定住。该容置件伸入测量通道20内，因此测量元件21由流过测量装置1的测量通通20的介质环绕流过。
在图1所示的实施例中，在入口12和分隔点15之间有一个弯曲段24，它在所示实施例中沿主流动方向19向右弯曲。由此，管道2内存在的通过入口12进入流动通道10内的污物颗粒由于自身的重量通过离心力被向外排挤到弯曲段24的一个外缘区域25。在此，污物颗粒可能是小液滴，如水滴或油滴，或者是固体颗粒，如灰尘。相反，弯曲段24的内侧区域26由于离心力引起的排挤原因而被污物颗粒相对少地沾染。
通过将测量通道20与弯曲段24的内侧区域26相连，而绕过测量元件21导通的旁通通道22相反则沿主流动方向19与弯曲段24的外缘区域25相连，则可实现，弯曲段24的外缘区域25的特别由污物颗粒沾染的介质通过第二出口14被回送到管道2中，而不存在污物颗粒撞击在测量元件21上并将其损坏的危险。当测量元件21被构造成如前所述的具有薄膜式传感区域的微型机械构件时，这一点尤其重要，因为该传感区域对污物颗粒的撞击尤其敏感。通过本发明的措施，将包括固相或液相的污物颗粒在一定程度上与真正要测量的流动介质的气相分隔开。通过将沾染污物颗粒的介质经第二出口14排出，可确保，污物颗粒不会在弯曲段24的旁通通道22或在外缘区域25内沉积，并因此达到自清洁效果。
在图1所示的实施例中，测量通道20和旁通通道22由一个唇形薄隔离壁27分开。测量通道20和旁通通道22尽可能彼此平行伸展，而流过测量通道20的介质和流过旁通通道22的介质在隔离开的、但是相邻的出口13和14流出。在此，出口13和14被安置在背向管道2的主流动方向4的排流侧28，它与朝向管道2的主流动方向的入流侧29相反对置，入口12设置在该入流侧上。排流侧28和图1中入流侧29的下部区域在图1所示实施例中具有弧形的横截面常数(Querschnittskonstante)，它与流动比率相匹配。唇形隔离壁27的制造相对简单，并且如果需要，也可在流动通道10成形之后再随后装入其中。
图2示出了本发明测量装置的第二实施例。已经描述过的或相应的元件用同样的参考标号标明。
图2所示实施例与图1所示实施例的区别一方面在于，容纳测量元件21的测量通道20和绕过测量元件21导通的旁通通道22在隔离壁27下游、或者在测量元件21下游以S形转向通道40的形式重新汇合成一个总的流动通道。转向通道40的出口30位于一个倾斜的、相对于管道2的主流动方向4被遮暗的段41上。借助该转向通道40，在强脉动流动并伴随相对大的回流分量情况下仅仅产生很小的测量误差。
图2所示实施例与图1所示实施例的进一步区别还在于，严重沾染污物颗粒的介质向旁通通道22的导入以及很少或几乎没有沾染污物颗粒的介质向测量通道20的导入不是借助弯曲段24、而是通过下面方式来实现的，即，使得测量通道(20)参照管道(2)的纵轴线(3)在径向上相对于入口(12)错开。因为污物颗粒的轨迹基本上平行于管道2的纵轴线3，当分隔点15位于入口12在平行于管道2纵轴线3方向的投影之外时，仅有很少污物颗粒到达测量通道20内。在该实施例中，隔离壁27呈流线形，以避免流动分离并且使流动介质受到尽可能小的流动阻力。
图3示出了本发明测量装置的第三实施例。在图3中也是用相同的参考标号代表已表述过的或对应的元件，使其简化。
以与图1所述实施例相似的方式，流动通道10沿主流动方向19分叉成其内部安置有测量元件21的测量通道20和旁通通道22。测量通道20和第一旁通通道22沿主流动方向在分隔点15下游彼此相反弯曲，因此旁通通道22以相对短的行程通到测量装置1下游侧28处的第二出口14。以已描述过的方式，测量通道20连接着弯曲段24的内侧区域26，而旁通通道22与该弯曲段的外缘区域相连，因此由于作用在污物颗粒上的离心力，它们主要冲入旁通通道22中，而不能到达测量元件21。弯曲段24的弯曲在测量通道20内连续，测量通道20与弯曲段24一起构成一个从入口19延伸到第一出口13的弯道，它包围了大约360°角。
测量元件21的入流在该实施例中逆着管道2内主流动方向4，而测量通道20在一个转向后被继续导通，并且在相对于入口12大致相同的轴向位置上、然而在侧向上相应于流动通道10的宽度被偏移、在出口13处通回到管道2中。由此形成一个近似对称的测量通道20的结构，由此，由本发明测量装置1测得的流动介质质量基本与流动方向无关。这尤其是在具有相对大的回流分量的强脉动流动时是重要的，这种强脉动流动例如在内燃机的进气道内出现。然而，在传感器附近或许出现的流动现象可能会导致，将测量通道20的结构有目的地构造为不对称的，而不会失去在有大回流分量时具有的优点。
图4示出了本发明测量装置的第四实施例。在此也用统一的参考标号标明已描述的或相应的元件，因此省略了一些重复。
图4所示的实施例与图3所示实施例大致相同。其特别之处在于，设置了不仅一个第一分隔点15，在该分隔点处，流动通道10沿主流动方向19分叉成测量通道20和一个通往出口14、绕过测量元件21导通的第一旁通通道22。确切地说，在测量元件21和第一出口13之间设置了第二个分隔点50，在该分隔点处，流动通道10逆主流动方向19分叉成测量元件21安置在其中的测量通道20和一个绕过测量元件21导通的第二旁通通道51。在该所示出的实施例中，第二旁通通道51在测量装置1的一个基本平行于管道2纵轴线3设置的侧面处在一个第三出口52通到管道2内。该第二旁通通道51因此同样以相对短的行程通到相配的出口52。两个旁通通道22和51的短行程阻止了污物颗粒的沉积。
此外，在图4所示实施例中设置了一个第二弯曲段53，它设在第一出口13和第二分隔点50之间。在此，测量通道20逆主流动方向19与第二弯曲段53的具有相对较小曲率半径的内侧区域54相连，而第二旁通通道51逆主流动方向19而连接着第二弯曲段53的具有相对较大曲率半径的外边缘区域55。
第二分隔点50和第二旁通通道51的用途在于，即使在具有逆主流动方向19相对大的回流分量的强脉动流动中也能够以像在第一分隔点那样的相同方式确保，借助第一出口13在回流期间出现的污物颗粒由于其离心力作用不会到达测量通道20而进入第二旁通通道51，并在测量元件21之外绕流，在第三出口52排出。通过这种方式，能确保使回流期间在短时间内逆主流动方向19流动的污物颗粒远离测量元件21。
流动通道10的第一弯曲段24和第二弯曲段53最好被构造成彼此基本对称。此外，第一弯曲段24、测量通道20和第二弯曲段53最好围成一个包围360°角的弯道。
本发明不是仅仅局限于所示实施例。测量通道20、旁通通道22和51也可根据相应的应用情况以其它方式设置。必要的话，将第三出口52设在测量装置的排流侧28，而将第二旁通通道51相应地延长会是具有优点的。本发明测量装置不仅适合于气态流动介质质量的测量，也适合于液态流动介质质量的测量。

Claims (15)

1.一种用来测量一个管道(2)内流动的介质质量的测量装置(1)，具有一个由流动介质环绕流过的测量元件(21)，该测量元件被安置在测量装置(1)的一个设置于管道(2)内的流动通道(10)内，其中，该流动通道(10)在一个与管道(2)连通的入口(12)与至少一个在入口(12)下游通入管道(2)中的出口(13，30)之间沿主流动方向(19)伸展，其特征是，
该流动通道(10)在一个设在入口(12)和测量元件(21)之间的第一分隔点(15)处分叉成一个测量元件(21)安置在其中的测量通道(20)和一个沿主流动方向(19)绕过测量元件(21)导通的第一旁通通道(22)，其中，所述第一分隔点(15)位于所述入口(12)在平行于管道(2)纵轴线(3)方向的投影之外。
2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，
流动通道(10)至少在入口(12)和第一分隔点(15)之间具有一个第一弯曲段(24)，并且，测量通道(20)沿主流动方向(19)与该第一弯曲段(24)的一个具有相对较小曲率半径的内侧区域(26)相连接，而第一旁通通道(22)沿主流动方向(19)与第一弯曲段(24)的一个具有相对较大曲率半径的外缘区域(25)相连接。
3.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征是，
测量通道(20)参照管道(2)的纵轴线(3)在径向上相对于入口(12)是错开的。
4.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征是，
沿主流动方向(19)在第一分隔点(15)的下游，在测量通道(20)和第一旁通通道(22)之间安置了一个隔离壁(27)。
5.按照权利要求4所述的测量装置，其特征是，
测量通道(20)与第一旁通通道(22)沿主流动方向(19)在测量元件(21)的下游重新汇合。
6.按照权利要求5所述的测量装置，其特征是，
该隔离壁(27)的横截面轮廓被成形成流线形。
7.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，
测量通道(20)和第一旁通通道(22)沿主流动方向(19)在第一分隔点(15)的下游基本上彼此平行地伸展并通到一个共同的出口或两个相邻的出口(13，14)。
8.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，
测量通道(20)和第一旁通通道(22)沿主流动方向(19)在第一分隔点(15)的下游在一区域内被相反方向弯曲地伸展并通到空间上隔开的出(13，14)。
9.按照权利要求7或8所述的测量装置，其特征是，
入口(12)被安置在测量装置(1)的一个入流侧(29)上，而测量通道(20)和第一旁通通道(22)的出(13，14)被安置在测量装置(1)的与入流侧(29)相反对置的出流侧(28)上。
10.按照权利要求1所述的测量装置，其特征是，
流动通道(10)在安置在出口(13)与测量元件(21)之间的第二分隔点(50)处分叉成带有测量元件(21)的该测量通道(20)和一个第二旁通通道(51)，该第二旁通通道逆主流动方向(19)绕过测量元件(21)。
11.按照权利要求10所述的测量装置，其特征是，
流动通道(10)在出口(13)和第二分隔点(50)之间具有一个第二弯曲段(53)，并且，测量通道(20)逆主流动方向(19)与第二弯曲段(53)的一个曲率半径相对小的内侧区域(54)相连接，而第二旁通通道(51)逆主流动方向(19)与第二弯曲段(53)的一个曲率半径相对大的外缘区域(55)相连接。
12.按照权利要求11所述的测量装置，其特征是，
流动通道(10)的第一弯曲段(24)和第二弯曲段(53)被构造得彼此基本对称。
13.按照权利要求11或12所述的测量装置，其特征是，
测量通道(20)至少分段弯曲地被构造，并且流动通道(10)的第一弯曲段(24)和第二弯曲段(53)与弯曲的测量通道(20)一起构成一个包围约360°角的弯道。
14.按照权利要求10至12之一所述的测量装置，其特征是，
第二旁通通道(51)在测量装置(1)的一个基本上与管道(2)的纵轴线(3)平行设置的侧面上通入管道(2)。
15.按照权利要求1或2所述的测量装置，其特征是，
所测量的在一个管道(2)内流动的介质质量是内燃机的吸入空气质量。
CNB998004391A 1998-04-08 1999-01-22 用于测量在一个管道内流动的介质质量的测量装置 Expired - Lifetime CN1175251C (zh)

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