CN1873378A - 测量流动特性的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流动检测设备(10)，用于检测管道(11)内流体的流动特性。所述流动检测设备(10)包括第一通道部分(15)，其限定出具有上游孔(14a)的第一通道(14)。流体可以通过所述上游孔(14a)流入所述第一通道(14)中。设备(10)还包括布置在所述第一通道(14)中的流动传感器(21)，并且所述流动传感器(21)检测流体的流动特性。此外，设备(10)包括设置在所述第一通道(14)上游的流动调直构件(18)。当沿着所述第一通道部分(15)的轴线向下游观察时，所述上游孔(14a)被所述流动调直构件(18)隐藏。而且，流体从所述流动调直构件(18)的基本上整个周边上流入所述第一通道(14)中。

Description

测量流动特性的设备
技术领域
本发明涉及测量流动特性的设备，该流动特性例如是流过连接到内燃机燃烧室的进气端口的空气量。
背景技术
已经提供数种设备来测量流体的流动特性。例如，已经设计出测量流量的热力设备。在这些设备中，流动传感器产生热，并且检测从流动传感器辐射到流体的热量来由此测量流量。(例如参见美国专利No.6,973,823(其要求日本专利申请No.2004-53600的优先权)、美国专利No.6,938,473(其要求日本专利申请No.2003-214915的优先权)、美国专利No.5,485,746(其要求日本专利3240782的优先权)、美国专利No.4,709,581以及美国专利No.5,571,964和5,581,026(其要求日本专利申请No.Hei 5(1993)-164585的优先权))。但是，这些和其他相关现有技术设备具有某些缺点。
例如，在美国专利No.6,973,823的设备中，测量通道的轴线是弯曲的。这样，流体的流动可能变得不均匀，使得测量不精确。
美国专利No.6,938,473中说明的设备包括柱形的阻碍构件，并且管道的狭窄区域内的空气流到传感器通道中。这样，传感器通道内的流速不太容易与进气端口的主要部分中的流速相关联。由于此原因，流动测量可能不精确。
此外，美国专利No.5,485,746中说明的设备具有朝向上游侧开口的入口部分。这样，尘土可能流入并粘附到流动传感器，并且这使得测量结果不稳定。
此外，美国专利No.4,709,581的图26中图示的空气流量计包括小于入口开口的偏向器。这允许尘土流入支路通道中，并且这使得测量结果不稳定。
同样，美国专利No.5,571,964和美国专利No.5,581,026中说明的设备每个都包括朝向上游侧开口的入口部分。这样，尘土可以流入并且测量结果可能不可靠。
此外，利用热传感器(例如，热线式空气流量传感计)的流动检测设备可能不精确。例如，这些设备通常包括热传感器所联结到的一个或多个支承构件。但是，热可能损失到支承构件而非流体。这在流体的流速较低时(例如发动机怠速时)尤为如此。这样，辐射到流体的热的比率减小，而热损失的比率相对增大。这严重劣化了检测精度。
美国专利No.5,485,746、4,709,581、5,571,964和5,581,026中的设备包括中心构件(即第一通道部分)和主通道。中心构件被扩大以阻碍主通道的尺寸。流过主通道的流体的流速由此增大。同时，支路通道(即第一通道)的出口部分被中心构件的下游构件或者下游部分阻碍。由此，流过支路通道的流体的流速通过流过主通道的流体所产生的负压而增大。当流速增大时，逸出到空气的热的比率增强，所以可以增强检测精度。但是，主通道各自形成进气端口的一部分。因此，为了阻碍主通道，中心构件被扩大而使得中心构件的外壁表面邻近进气端口的内壁表面。就是说，为了增强这些设备的检测精度，中心构件被扩大。
发明内容
所以，本发明公开了一种流动检测设备，用于检测管道内流体的流动特性。所述流动检测设备包括第一通道部分，其限定出具有上游孔的第一通道。流体可以通过所述上游孔流入所述第一通道中。此设备还包括布置在所述第一通道中的流动传感器，并且所述流动传感器检测流体的流动特性。此外，此设备包括设置在所述第一通道上游的流动调直构件。当沿着所述第一通道部分的轴线向下游观察时，所述上游孔被所述流动调直构件隐藏。而且，流体从所述流动调直构件的基本上整个周边上流入所述第一通道中。
此外，本发明公开了另一种流动检测设备，用于检测管道内流体的流动特性。所述流动检测设备包括第一通道部分，其限定出流体可以流过的第一通道。所述第一通道具有这样的上游孔和下游孔，以使得流体可以通过所述上游孔进入所述第一通道并且通过所述下游孔离开所述第一通道。此设备还包括布置在所述第一通道中的流动传感器，并且所述流动传感器可检测流体的流动特性。此外，此设备包括限定出第二通道的第二通道部分。所述第一通道部分联结到所述第二通道部分并且布置在所述第二通道内。此外，下游构件布置在所述下游孔的下游以阻碍流出所述下游孔。
附图说明
图1A是流动检测设备的一个实施例的立体图；
图1B是图1A的流动检测设备的局部剖切立体图；
图2是安装在流通道内并沿流动的方向所取的图1A、1B流动检测设备的剖视图；
图3A是在流体流动的方向上所示的图1A流动检测设备的侧视图；
图3B是在与流体流动方向相反的方向上所示的图1A流动检测设备的侧视图；
图4A是流动调直构件的一个实施例的剖视图；
图4B是流动调直构件的另一个实施例的剖视图；
图5是流动通道内的流动的示意图；
图6是在主通道中产生的脉动流示例的示意图；
图7是与图1A的流动检测设备相关的流体流动的示意图；
图8是示出通过主通道的流动变化的曲线图；
图9是与图1A的流动检测设备相关的流体回流的示意图；
图10是使用流动检测设备的一个实施例的流动特性变化的曲线图；和
图11是沿流动的方向所取的流动检测设备另一个实施例的剖视图。
具体实施方式
下面，将参照附图说明本发明的多个实施例。
第一实施例
首先参照图1A-3B，图示了流动检测设备10的一个实施例。如图2所示，流动检测设备10可以布置在诸如发动机进气端口的管道11内。在一个实施例中，在流动检测设备10的上游包括空气滤清器(即过滤器)。检测设备10的下游是内燃机的燃烧室。
如图所示，流动检测设备10包括第一通道部分15，第一通道部分15限定出延伸穿过其中的第一通道14。第一通道14包括上游孔14a和下游孔29。流动检测设备10还包括第二通道部分17，第二通道部分17限定出延伸穿过其中的第二通道16。第二通道16包括上游孔25和下游孔26。设备10还包括流动调直构件18和下游构件22，两个构件中的每一个都将在下面说明。此外，设备10包括传感器部分20和支承部分24。
传感器部分20包括布置在第一通道14内的流动传感器21。如下所述，当流体流过管道11时，流动传感器21检测流体的至少一个流动特性(例如流量、质量流率、流速等)。可以理解，流动检测设备10可以用来检测任何适当流体的任何适当的流动特性。
在所示实施例中，第二通道部分17具有大体圆筒形状。第一通道部分15联结到第二通道部分17并且通过多个臂部分12支承在第二通道16中(图3A)。臂部分12从第二通道部分17的内壁延伸出。
第一通道14的轴线基本为直的，并且布置为大致平行于流体流动的方向。在图2所示的实施例中，第一通道部分15包括限定出第一通道14的内表面15b。内表面15b形成为使得第一通道14沿流动的方向所取的截面大致为绕线筒形。换言之，第一通道14的上游端具有垂直于流动方向的宽度；从上游端向下游移动，第一通道14的宽度逐渐减小；然后，进一步向下游移动时，第一通道14的宽度逐渐增大。而且，在所示实施例中，第一通道14在上游端处最宽。这样，接近第一通道14下游端的流速在其整个周边上都是稳定的。
第一通道部分15还包括第一外表面15a和布置在第一外表面15a下游的端面15c。从上游端向下游端移动时，第一外表面15a的宽度逐渐增大。而且，第一外表面15a和第一内表面15b在第一通道部分15的上游侧上以锐角相交。这样，流到第二通道16中的流体被平稳地分开，以流入第一通道14中或者继续流过第二通道16。
端面15c形状为截头圆锥形。当向下游移动观察时，端面15c的宽度减小，因此端面15c的宽度在下游端处最小。
在图示实施例中，第一通道14的轴线和第二通道16的轴线基本上为直的，并且这些轴线基本上平行于管道11的轴线。这样，当流过流动检测设备10时，流过管道11的流体的方向微小地改变。由于这个原因，流体的流速损失减小。
流动调直构件18布置在第一通道14的上游。在所示实施例中，设备10包括每个都从第一通道部分15向上游延伸并且联结到流动调直构件18上的多个臂部分19(图1A、1B)。这样，流动调直构件18联结到第一通道部分15。因此，流动调直构件18相对于第一通道部分15的位置可以被精确控制，由此增强了流动测量的精度。
在所示实施例中，流动调直构件18至少部分地从第二通道部分17的上游孔25突出。在另一个实施例中，整个流动调直构件18布置在第二通道部分17内。
可以理解，流动调直构件18可以是任何适当的形状。例如，在所示实施例中，流动调直构件18包括基本上半球形的上游侧。而且，流动调直构件18包括圆锥形的下游侧，使得当向下游移动观察时流动调直构件18的宽度减小。在图4A所示的另一个实施例中，流动调直构件18为流线型，以包括当向下游移动观察时宽度逐渐增大的上游侧，并且流动调直构件18还包括半球形的下游侧。在图4B所示的另一个实施例中，流动调直构件为流线型，以包括当向下游移动观察时宽度逐渐增大的上游侧，和当向下游移动观察时宽度逐渐减小的下游侧。
如图3A所示，流动调直构件18具有这样的尺寸，以使得当沿着第一通道14的轴线向下游观察时，第一通道14的上游孔14a隐藏在流动调直构件18之后。
流动传感器部分20包括检测流动特性(例如流速)的流动传感器21。可以理解，流动传感器21可以是通过任何适当的方式检测流动特性的任何适当类型。在一个实施例中，流动传感器部分20包括温度补偿电阻元件(未示出)和控制电路(未示出)。流动传感器21相对于空气温度被控制电路加热到特定温度。控制电路以电信号形式输出从流动传感器21辐射到在流动传感器21周围流动的流体的热量。基于此电信号，通过预定计算机逻辑确定流量或流速。
下游构件22布置在第一通道部分15的下游孔29的下游并与其相邻。多个臂部分13(图3B)从第二通道部分17的内表面17a延伸出并且联结到下游构件22，以使得下游构件22联结到第二通道部分17。
下游构件22包括面向上游的面22a和面向下游的面22b。在所示实施例中，面22a为凹入形状，而面22b为凸出形状。下游构件22支承在第一通道部分15的下游使得在下游构件22和第一通道部分15之间存在预定间距。因此，通过环形圆锥端面15c和凹入面22a形成下游侧第一通道23。下游侧第一通道23相对于设备10的轴线倾斜。这样，通过下游侧第一通道23的流动的路径向着第二通道部分17的内表面17a并且向着第二通道部分17的上游孔25延伸。而且，在所示实施例中，下游侧第一通道23环形地变宽。
如图2所示，下游构件22的宽度大于第一通道14的下游孔29的宽度，并且小于第一通道部分15的宽度。当向上游观察时(图3B)，第一通道14的下游孔29隐藏在下游构件22之后，但还有第一通道部分15的端面15c的一部分仍然可见。此外，下游构件22布置成下游面22b通过下游孔26延伸出第二通道16。
支承部分24由柱状部分24a和凸缘部分24b构成，并且与第二通道部分17一体形成。用于连接进行控制的计算机和控制电路的电缆布置在柱状部分24a中。如图1A所示，紧固件孔24c设置在凸缘部分24b中用于将该设备联结到管道11。
现在参照图5，将讨论通过管道11的流体的流动。如图所示，在管道11中可能发生不对称流(即偏流)，尤其是如果管道11包括弯曲部分时。当进气端口11弯曲的时候，在弯曲区域处产生内侧61和外侧62之间的流速差，如图中所示。结果，在弯曲区域下游产生不对称流。可以理解，不对称流可能发生在任何类型的管道11中，包括没有弯曲的管道11。例如，如果连接在管道11上游端处的过滤器元件部分地堵塞，空气将更容易流过过滤器的某些区域而将不容易流过过滤器的其他区域。所以，很可能发生不对称流。
图6是图示当发生不对称流和旋涡时观察到的脉动流的影响的示意图。管道中流速的分布表明，在由位于更内侧的管线所包围的区域中流速更高。具体地，图6示出了通过使对称流动的流体流经具有弯曲的管道11而进行的测量的结果。于是，在弯曲区域下游发生偏流的位置(例如，图5所示的位置A)中测量流体的流速。于是，与内燃机的燃烧循环相对应地在管道11中产生脉动流。因此，不对称流和旋涡与脉动流相对应地周期性变化，如图6所示。所以，在进行流速测量的流动传感器21周围流动的空气的流速周期性变化，并且可能难以精确检测诸如流速的流动特性。
不管图5和6所示的流谱如何，流动检测设备10都能够更精确地检测流体的流动特性。例如，流动调直构件18使得空气从整个周边上流入第一通道14的上游孔14a中。
如图7所示，大致在管道11的中心部分流动的流体最终与流动调直构件18相互作用。具体而言，流体沿着流动调直构件18的上游侧流动，并且当向下游观察时在360°方向上被径向向外地引导。部分流体于是沿着流动调直构件18的下游侧流动，并且该部分流体在流动调直构件18的下游汇合并变得均匀。于是，流体通过上游孔14a流入第一通道14中。以此方式，大大减小了流体的不对称流。这样，在流动传感器21周围流动的空气的流速变得稳定。此外，通过减小不对称流，脉动流的影响也被减小，并且这使得测量结果更精确。
可以理解，当流体沿着流动调直构件18的下游侧流动时，流体沿着流动调直构件18的整个周边流动。这样，空气沿着流动调直构件18的整个周边在较大区域上流动以使得更均匀地流进入第一通道14中。因此，流过第一通道14的流体的流速更可能与流过第二通道16和管道11的其余部分的流体的平均流速相对应。结果，可以获得更精确的测量结果。
此外，流动调直构件18可以减少接触流动传感器21的杂质量，如图7所示。通常，杂质可能包含在流体中。例如小尺寸(例如小于约100μm)的尘土27很可能通过空气滤清器的过滤器元件并且流入管道11中。当尘土27接近流动调直构件18时，尘土27被流动调直构件18在径向上向外引导。如上所述，第一通道14的上游孔14a被隐藏在流动调直构件18之后。所以，大量尘土27被引导离开第一通道14并且被使得流过第二通道16。因此，尘土27不太可能流入第一通道14中，并且流动传感器21的检测精度不太可能受到粘附于流动传感器21的尘土27的损害。
下游构件22也提高流动传感器21的检测精度。首先，下游构件22通过增大第一通道14中流体的流速来提高精度。具体地，如图7所示，流过第一通道14的流体流过由第一通道部分15和下游构件22形成的下游侧第一通道23。因此，下游构件22阻碍第一通道14的出口。结果，在邻近第一通道14的下游孔29处流速增大，并且产生负压。负压将流体抽出第一通道14，并且第一通道14中流体的流速增大。所以，热损失的比率减小，并且流动传感器21的检测精度增强。
此外，可以通过使第二通道部分17变得更小来改变第一通道部分15的表面15a和第二通道部分17的内表面17a之间的流动。当通道变窄时，表面15a和内表面17a之间的流速增大。结果，负压变得更高，并且流过第一通道14的流体的流速进一步增大。因此，检测精度进一步增强。换言之，无需扩大第一通道部分15就可以增强检测精度。
此外，下游构件22减小了向上游移动的尘土流回第一通道14中的量。图8是示出流量随时间的变化的曲线图。在曲线图中，线30表示当节流门相对关闭时观察到的流量随时间的变化，而线31表示当节流门相对打开时观察到的流量随时间的变化。因此，当在管道11中的流体中产生脉动流并且节流门的开度变得等于或大于特定值时，部分空气在管道11中向上游流动。图8中的阴影区域表示流体向上游流动的时间段。
在图9中表示出了此类流动。如上所述，第一通道14的出口孔29隐藏在下游构件22之后。所以，向上游流动的尘土27被下游构件22在径向上向外引导，并且不太可能流入第一通道14中。此外，第一通道部分15的端面15c形成为圆锥形以将尘土27引导离开第一通道14。结果，尘土27不可能向上游流动并粘附到流动传感器21，并且可以维持流动传感器21的精度。
现在说明被进行来将测量流量的设备10的特性变化与比较示例进行比较的实验的结果。特性的变化(S)由以下表达式表达：
S＝(FVA-FVS)/FVS
FVA表示具有不对称流的流速，并且通过使具有对称流的空气经过弯曲管道并且在弯曲区域下游发生不对称流的位置(例如图5中的位置A)测量流速来获得。FVS表示具有对称流的流速，并且通过使具有对称流的空气经过直的管道来获得。具有对称流的流速基本上与流过整个管道的空气的平均流速相关联。相同的空气量经过弯曲管道和直的管道。所以，当特性的变化(S)接近0％时，流动检测设备10更精确地测量流过具有弯曲的管道11的空气的平均流速。就是说，尽管存在不对称流，也可进行精确的测量。
图10是曲线图，示出被进行来将使用设备10的特性变化(S)与比较示例进行比较的实验的结果。此处，美国专利No.6,938,473中公开的设备被用作比较示例。
在实验中，流量逐渐增大，并且针对流动检测设备10和比例示例确定流动特性变化。如图10的曲线图所示，设备10的特性变化在每个流量下接近0％。同时，比例示例的特性变化对任何流量都偏向负方向。因此，即使管道11存在不对称流，流动检测设备10也能够更精确地测量流过整个管道11的流体的平均流速。换言之，设备10允许获得更精确的测量结果。
第二实施例
现在参照图11，示出了检测流动特性的流动检测设备50的另一个实施例。设备50包括布置在第一通道部分15下游的下游构件51。在下游构件51和第一通道部分15之间限定出下游侧第一通道52。在所示实施例中，下游构件51形成为具有这样的尺寸，即该尺寸使得当沿着设备50的轴线向上游观察时，第一通道部分15的下游侧端面15c隐藏在下游构件之后。换言之，下游构件51的宽度(其垂直于设备50的轴线)等于或大于端面15c的宽度。由于此原因，当流体在管道11中向上游流动时，尘土27不太可能沿着端面15c流入下游侧第一通道52中。因此，测量结果变得稳定。
此外，在所示实施例中，端面15c倾斜，使得当沿着第一通道部分15的轴线向下游移动时第一通道部分15宽度减小。换言之，端面15c倾斜使得当沿着端面15c朝向第二通道部分17的内壁17a移动时，端面15c相对于第二通道16向上游倾斜。
在另一个实施例中，端面15c在相反方向上倾斜，使得当沿着端面15c朝向第二通道部分17的内壁17a移动时，端面15c相对于第二通道16向下游倾斜。而且，在此实施例中，当沿着设备50的轴线向上游观察时端面15c隐藏在下游构件51之后。因此，流动传感器21的检测精度不可能受到流回并且粘附到流动传感器21上的尘土27的损害。
虽然已经选择了所选实施例来举例说明本发明，但对本领域技术人员很清楚的是，在不背离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，可以在这些实施例中做出各种改变和改进。此外，根据本发明的实施例的上述说明仅仅提供来举例说明，而非用于限制由所附权利要求及其等效方案所限定的本发明。

Claims (13)

1.一种流动检测设备(10)，用于检测管道(11)内流体的流动特性，所述流动检测设备(10)包括：
第一通道部分(15)，其限定出具有上游孔(14a)的第一通道(14)，流体可以通过所述上游孔(14a)流入所述第一通道(14)中；
布置在所述第一通道(14)中的流动传感器(21)，所述流动传感器(21)可操作来检测流体的流动特性；和
设置在所述第一通道(14)上游的流动调直构件(18)，
其中，当沿着所述第一通道部分(15)的轴线向下游观察时，所述上游孔(14a)被所述流动调直构件(18)隐藏；并且，
其中，流体从所述流动调直构件(18)的基本上整个周边上流入所述第一通道(14)中。
2.根据权利要求1所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述第一通道(14)的轴线基本上为直的，以使得所述第一通道(14)的轴线布置为基本上平行于所述管道(11)的轴线。
3.根据权利要求1或2所述的流动检测设备(10)，其特征在于：
还包括限定出第二通道(16)的第二通道部分(17)；
其中，所述第一通道部分(15)联结到所述第二通道部分(17)，并且布置在所述第二通道(16)内；并且
其中，所述流动调直构件(18)联结到所述第一通道部分(15)。
4.根据权利要求1、2或3所述的流动检测设备(10)，其特征在于：还包括下游构件(22)，其中所述第一通道(14)还包括下游孔(29)，其中流体通过所述上游孔(14a)流入所述第一通道(14)中并通过所述下游孔(29)流出所述第一通道(14)，并且其中所述下游构件(22)布置在所述下游孔(29)的下游以阻碍流出所述下游孔(29)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述流动调直构件(18)包括半球形的上游侧和圆锥形的下游侧。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述流动调直构件(18)包括上游侧和下游侧，其中所述上游侧具有当离开所述上游侧并向着所述下游侧移动而观察时逐渐增大的宽度，并且所述下游侧为半球形。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述流动调直构件(18)包括上游侧和下游侧，其中所述上游侧具有当离开所述上游侧并向着所述下游侧移动而观察时逐渐增大的宽度，并且其中所述下游侧具有当离开所述上游侧并向着所述下游侧移动而观察时逐渐减小的宽度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的流动检测设备(10)，其特征在于：还包括将所述流动调直构件(18)联结到所述第一通道部分(15)的多个臂部分(19)。
9.一种流动检测设备(10)，用于检测管道(11)内流体的流动特性，所述流动检测设备(10)包括：
第一通道部分(15)，其限定出流体可以流过的第一通道(14)，所述第一通道(14)具有上游孔(14a)和下游孔(29)，以使得流体可以通过所述上游孔(14a)进入所述第一通道(14)并且通过所述下游孔(29)离开所述第一通道(14)；
布置在所述第一通道(14)中的流动传感器(21)，所述流动传感器(21)可操作来检测流体的流动特性；
限定出第二通道(16)的第二通道部分(17)，其中所述第一通道部分(15)联结到所述第二通道部分(17)，并且布置在所述第二通道(16)内；和
下游构件(22)，其布置在所述下游孔(29)的下游以阻碍流出所述下游孔(29)。
10.根据权利要求9所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述第一通道(14)的轴线基本上为直的，以使得所述第一通道(14)的轴线布置为基本上平行于所述管道(11)的轴线。
11.根据权利要求4、9或10所述的流动检测设备(10)，其特征在于：当沿着所述第一通道部分(15)的轴线向上游观察时，所述第一通道(14)的下游孔(29)被所述下游构件(22)隐藏。
12.根据权利要求9所述的流动检测设备(10)，其特征在于：所述第一通道部分(15)包括端面(15c)，当沿着所述第一通道部分(15)的轴线向上游观察时，所述端面(15c)被所述下游构件(22)隐藏。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的流动检测设备(10)，其特征在于：当沿着所述第一通道部分的端面(15c)向着所述第二通道部分(17)的内壁(17a)移动时，所述端面(15c)相对于所述第二通道(16)向上游倾斜。
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