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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heißfilm-Anemometer zur Luftmassenmessung
eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine.
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Heißfilm-Anemometer
als Luftmassen-Durchflussmesser für den Ansaugluftstrom in Brennkraftmaschinen
weisen üblicherweise
ein als Temperaturfühler
dienendes Sensorelement und ein als Heizelement dienendes Sensorelement
auf. Da die Sensorelemente dem angesaugten Luftstrom unmittelbar
ausgesetzt sind, verschmutzen die Sensorelemente an ihren Vorderkanten.
Diese Verschmutzung kann das Ausgangssignal der Sensorelemente verändern und
somit zu Signaldriften führen.
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Die
EP 0 670 034 B1 offenbart
ein Heizelement und einen Temperatursensor, die in ein Substrat eingelassen
sind. Das mindestens eine Sensorelement bildet somit einen festen
Bestandteil des Substrats, das man auch als Leiterplatte ausführen könnte. Da
die Sensorelemente in dieses Substrat eingeformt sind, sind sie
aufgrund dieses Einformens auch daran befestigt.
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Aus
der
GB 1 515 611 A ist
ein Heißfilm-Anemometer
mit einem als Temperaturfühler
dienenden Sensorelement und einem als Heizelement dienenden Sensorelement
bekannt, die in einem Strömungskörper eingebettet
sind, so dass eine der Strömungsrichtung
entgegengerichtete Seite des Sensorelementes gegen eine Verschmutzung
geschützt
ist und eine andere Seite des Sensorelementes dem Luftstrom ausgesetzt
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heißfilm-Anemometer
zur Luftmassenmessung eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine
zu schaffen, bei dem eine Verschmut zung der Sensorelemente durch
den Luftstrom so weitgehend wie möglich vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 definierte Heißfilm-Anemometer
gelöst.
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Erfindungsgemäß sind mindestens
ein Sensorelement und vorzugsweise beide Sensorelemente in einem
Strömungskörper so
eingebettet, dass mindestens die der Strömungsrichtung des Luftstroms entgegen
gesetzte Seite gegen eine Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt ist
und mindestens eine andere Seite dem Luftstrom ausgesetzt ist, um ein
Sensorsignal zu erhalten.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene Einbettung
des Sensorelementes bzw. der Sensorelemente werden Schmutzablagerungen an
den Sensorelementen weitestgehend vermieden, was zu einer entsprechenden
Verringerung einer durch Schmutzablagerung verursachten Signaldrift
führt.
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Die
Sensorelemente können
in den Strömungskörper so
eingebettet werden, dass sie nur auf einer Seite oder auf gegenüberliegenden
Seiten dem Luftstrom ausgesetzt sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Sensorelementen
und dem Strömungskörper eine
thermische Entkopplung vorgesehen, die vorzugsweise aus einem Luftspalt
besteht.
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Die
Sensorelemente werden innerhalb des Strömungskörpers vorzugsweise dadurch
gehalten, dass sie an ihren entgegen gesetzten Enden mit elektrischen
Kontakten verbunden werden, die sich durch den Strömungskörper hindurch
erstrecken. Hierbei kann jedes Sensorelement nur mit seinem einen
Ende an dem elektrischen Kontakt angelötet sein, während das andere Ende auf andere
Weise mit dem zugehörigen
elektrischen Kontakt verbunden wird, so dass thermisch bedingte
mechanische Spannungen in den Sensorelementen vermieden werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Anhand
der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf einen Strömungskörper mit
darin eingebetteten Sensorelementen eines Heißfilm-Anemometers;
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2 eine
Schnittdarstellung längs
der Linie A-A in 1;
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3 eine
Schnittdarstellung längs
der Linien B-B in 1;
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4 eine
der 2 entsprechende Schnittdarstellung eines modifizierten
Ausführungsbeispiels;
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5 eine
der 1 entsprechende Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispieles;
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6 eine
Ansicht des Ausführungsbeispiels
der 5 von unten;
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7 eine
Schnittansicht längs
der Linie A-A in 5;
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8 eine
Schnittansicht längs
der Linien B-B in 5;
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9 eine
der 7 entsprechende Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels
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10 eine
der 1 entsprechende Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel;
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11 eine
der 2 entsprechende Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels
der 10;
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12 eine
der 11 entsprechende Schnittdarstellung eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels;
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13 eine
der 10 entsprechende Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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14 eine
der 11 entsprechende Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels
von 13; und
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15 eine
der 14 entsprechende Schnittdarstellung eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels.
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Zur
Luftmassenmessung des angesaugten Luftstroms in Brennkraftmaschinen
werden heutzutage überwiegend
Heißfilm-Anemometer eingesetzt, vgl.
beispielsweise „Handbuch
Verbrennungsmotor", Richard
van Basshuysen/Fred Schäfer;
3. Auflage, S. 659, 660. Da somit ihr grundsätzlicher Aufbau bekannt ist,
wird hierauf nur insoweit eingegangen, als er zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Das
Heißfilm-Anemometer
umfasst üblicherweise
ein als Temperaturfühler
dienendes Sensorelement 2 und ein als Heizelement dienendes
Sensorelement 4, die in herkömmlichen Anemometern dem angesaugten
Luftstrom ausgesetzt sind, um ein entsprechendes Ausgangssignal
zu erzeugen. Die Sensorelemente 2, 4 sind, wie üblich, stabförmig ausgebildet.
Wie bereits eingangs erwähnt,
könnte
es zu einer durch den Luftstrom hervorgerufenen Verschmutzung der
Sensorelemente insbesondere an ihren Vorderkanten kommen.
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Erfindungsgemäß werden
daher die Sensorelemente in einem Strömungskörper so eingebettet, dass sie
gegen eine entsprechende Verschmutzung geschützt sind.
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Bei
dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Strömungskörper 6 aus
einer relativ dünnen
rechteckigen Platte, die innerhalb eines im Übrigen nicht dargestellten
Sensormoduls des Anemometers so angeordnet wird, dass ihre Oberseiten
parallel zur Strömungsrichtung
des angesaugten Luftstromes S verlaufen, siehe 1 und 2.
Der Strömungskörper 6 ist,
wie in den 1 bis 3 zu sehen
ist, an seiner Oberseite mit zwei quer zur Strömungsrichtung verlaufenden
Nuten 8, 10 versehen, deren Form im Wesentlichen
derjenigen der Sensorelemente 2 und 4 entspricht.
Die Sensorelemente 2, 4 werden von den Nuten 8, 10 so aufgenommen,
dass sie jeweils auf der der Strömungsrichtung
entgegen gerichteten Seite sowie zwei weiteren Seiten gegen den
Luftstrom S und damit gegen Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt sind,
während
sie lediglich auf ihrer parallel zur Oberfläche des Strömungskörpers 6 und somit parallel
zur Strömungsrichtung
verlaufenden Seite dem Luftstrom S ausgesetzt sind.
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Wie
aus den 1 und 2 hervorgeht, sind
die Sensorelemente 2, 4 in Strömungsrichtung mit vorgegebenem
Abstand zueinander angeordnet, wobei das als Temperaturfühler dienende
Sensorelement 2 stromauf des als Heizelement dienenden Sensorelementes 4 angeordnet
ist.
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Die
Nuten 8, 10 sind relativ zu den Sensorelementen 2, 4 so
dimensioniert, dass zwischen den Sensorelementen 2, 4 einerseits
und dem Strömungskörper 6 andererseits
ein Luftspalt L vorhanden ist, der möglichst klein, jedoch ausreichend
groß ist,
um als thermische Entkopplung dienen zu können. Der Strömungskörper 6 besteht
aus einem hitzebeständigen
Material, das vorzugsweise sowohl elektrisch wie auch thermisch
nicht leitend ist.
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Die
Sensorelemente 2, 4 werden bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
in den Nuten 8, 10 dadurch gehalten, dass sie
an ihren gegenüberliegenden
Enden (siehe 3) an elektrischen Kontakten 12 abgestützt sind,
die sich durch den Strömungskörper 6 hindurch
erstrecken. Die elektrischen Kontakte 12 sind über als
Stromzuführungen
dienende Beinchen 14 mit der (nicht dargestellten) Elektronik
E des Anemometers verbunden.
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Die
Sensorelemente 2, 4 können mit den elektrischen Kontakten 12 an
beiden Enden verlötet werden.
Vorzugsweise wird jedoch das jeweilige Sensorelement 2 bzw. 4 nur
an einem Ende mit dem zugehörigen
elektrischen Kontakt 12 verlötet, während das andere Ende mit dem
zugehörigen
elektrischen Kontakt 12 so verbunden wird, dass eine Relativbewegung
zwischen diesem Ende und dem elektrischen Kontakt möglich ist.
Auf diese Weise werden thermisch bedingte mechanische Spannungen
innerhalb der Sensorelemente 2, 4 vermieden, was
die Bruchgefahr entsprechend verringert.
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Grundsätzlich können die
Sensorelemente 2, 4 auch auf andere Weise an dem
Strömungskörper 6 befestigt
werden. Beispielsweise ist zur Verbindung zwischen den Sensorelemente 2, 4 und
dem Strömungskörper 6 ein
hitzebeständiger
Kleber einsetzbar, der statt oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen
Befestigung vorgesehen werden kann.
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Bei
dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Strömungskörper 6 aus
einer quaderförmigen
Platte, die an ihrer quer verlaufenden, ebenen Vorderkante von dem
Luftstrom S angeströmt
wird. Zur Verbesserung der laminaren Strömungseigenschaften, insbesondere
zur Verringerung des Strömungswiderstandes,
kann der Strömungskörper 6 an
seiner vom Luftstrom S angeströmten
Vorderkante mit einer Abrundung 16 (Profilkörper) versehen
werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Ausführungsform
der 4 entspricht im Übrigen derjenigen der 1 bis 3.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 5 bis 8 entspricht weitgehend demjenigen
der 1 bis 3. Unterschiedlich ist lediglich,
dass die die Sensorelemente 2, 4 aufnehmenden
Nuten 8a, 10a des Strömungskörpers 6a quer zur
Strömungsrichtung
durchgehend ausgebildet sind, so dass die Sensorelemente 8a, 10a auf
gegenüberliegenden
Seiten dem Luftstrom S ausgesetzt sind. Hierdurch lässt sich
die Empfindlichkeit der Sensorelemente entsprechend erhöhen.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Sensorelemente 2, 4 an ihren beiden Enden
mit elektrischen Kontakten 12 verbunden, die ihrerseits über die
Beinchen 14 mit der Elektronik E verbunden sind, wie insbesondere
aus 8 hervorgeht.
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9 zeigt, ähnlich wie 4,
eine Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des Strömungskörpers 6a.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 10 und 11 entspricht
weitgehend demjenigen der 5 bis 7.
Unterschiedlich ist lediglich, dass das als Heizelement dienende
Sensorelement 4 und die zugehörige Nut 10b an der
stromabwärtig
angeordneten Hinterkante des Strömungskörpers 6b so
angeordnet sind, dass lediglich die der Strömungsrichtung entgegen gerichtete
Seite des Sensorelementes 4 gegen den Luftstrom S geschützt ist,
während
die drei übrigen
Seiten des Sensorelementes 4 dem Luftstrom S ausgesetzt
sind. Diese Maßnahme
dient der Erhöhung
der Sensorempfindlichkeit des als Heizelement dienenden Sensorelementes 4.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 12 unterscheidet sich von demjenigen der 10, 11 lediglich
durch die Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des Strömungskörpers 6b.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 13, 14 entspricht weitgehend demjenigen
der 1 bis 3. Unterschiedlich ist lediglich,
dass das als Heizelement dienende Sensorelement 4 und die
zugehörige
Nut 10c, ähnlich
wie in den 10 bis 12, an
der Hinterkante des Strömungskörpers 6c so
angeordnet sind, dass auch die in Strömungsrichtung zeigende Seite
des Sensorelementes 4 dem Luftstrom S ausgesetzt ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 15, das demjenigen der 13, 14 entspricht,
ist wiederum eine Abrundung 16 an der Vorderkante des Strömungskörpers 6c vorgesehen.
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- 2,
4
- Sensorelemente
- 6
- Strömungskörper
- 8,
10
- Nuten
- 12
- elektrischer
Kontakt
- 14
- Beinchen
- 16
- Abrundung
- E
- Elektronik
- L
- Luftspalt
- S
- Luftstrom