DE102007034919A1 - Massenstromsensor - Google Patents

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Thorsten Dr. Knittel
Stefan Pesahl
Holger Weininger
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    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
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Abstract

Massenstromsensor (10), der ausgebildet ist zum Erfassen einer charakteristischen Größe für einen Massenstrom eines strömenden Fluids, und der aufweist ein Gehäuse (26), das einen Hohlraum (36) hat, und mindestens ein in dem Gehäuse (26) angeordnetes Sensorelement (30), das an den Hohlraum (36) grenzt und ein erstes äußeres Wandelement (27) des Massenstromsensors (10) bildet, wobei an den Hohlraum (36) ein zweites äußeres Wandelement (28) angrenzt. Das zweite äußere Wandelement (28) des Gehäuses (26) weist eine Membran (34) auf, die bei Anordnung des Massenstromsensors (10) in dem Fluid eine Transmission von Fluid in den Hohlraum (36) oder aus dem Hohlraum (36) ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Massenstromsensor.
  • Derartige Massenstromsensoren sind geeignet zum Erfassen eines Massenstroms eines Fluids in einem Kanal. Ein derartiger Kanal kann beispielsweise ein Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine sein. Abhängig von dem durch den Massenstromsensor erfassten Massenstrom können Diagnosen beispielsweise des Betriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt werden als auch eine Steuerung der Brennkraftmaschine erfolgen. Zu diesen Zwecken ist ein auch unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässiges und möglichst präzises Erfassen des tatsächlichen Massenstroms wichtig.
  • Bei einer Art von Massenstromsensoren wird von einem Temperatursensor die Temperatur des Fluids erfasst, dessen Massenstrom ermittelt werden soll. Ein Heizelement wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des strömenden Fluids aufgeheizt.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist, einen Massenstromsensor zu schaffen, der präzise und zuverlässig betreibbar ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch einen Massenstromsensor, der ausgebildet ist zum Erfassen einer charakteristischen Größe für einen Massenstrom eines strömenden Fluids, und der aufweist ein Gehäuse, das einen Hohlraum hat, und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes Sensorelement, das an den Hohlraum grenzt und ein erstes äußeres Wandelement des Massenstromsensors bildet, wobei an den Hohlraum ein zweites äußeres Wandelement angrenzt, wobei das zweite äußere Wandelement des Gehäuses eine Membran aufweist, die bei Anordnung des Massenstromsensors in dem Fluid eine Transmission von Fluid in den Hohlraum oder aus dem Hohlraum ermöglicht.
  • Dies hat den Vorteil, dass, abhängig von den Temperaturverhältnissen am Massenstromsensor und damit den Druckverhältnissen in dem Hohlraum, Fluid in den Hohlraum auf der Rückseite des Sensorelements einströmen oder Fluid aus dem Hohlraum ausströmen kann. Damit kann eine mechanische Belastung des Sensorelements durch Druckschwankungen in dem Hohlraum klein gehalten werden. Damit kann das Sensorelement fest in das Gehäuse eingegossen werden, ohne dass mechanische Spannungen am Sensorelement auftreten. Das Eingießen des Sensorelements in das Gehäuse ermöglicht wiederum eine sehr gute Anströmung des Sensorelements.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorelement im wesentlichen flächenförmig ausgebildet und weist eine Flächennormale auf, die im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Fluids angeordnet ist, und die Membran ist auf einer dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das zweite äußere Wandelement des Gehäuses und damit die Membran im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung des Fluids ausgerichtet sind und damit eine Anlagerung von Schmutzpartikeln auf der Membran vermieden werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Membran mikroporös. Dies hat den Vorteil, dass die Membran für Gase, insbesondere Luft, durchlässig ist, ohne dass Partikel wie Staub oder Wassertröpfchen in den Hohlraum gelangen können.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist die Membran aus einem Material gebildet ist, das Polytetrafluorethylen aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Membran als mikroporöse Membran ausgebildet und damit für Gase, insbesondere Luft, durchlässig ist, für Staub oder Wassertröpfchen aber undurchlässig ist. Damit kann eine Verschmutzung des Hohlraums mit Partikeln vermieden werden. Des Weiteren ist Polytetrafluorethylen resistent gegenüber Säuren, Öl, Benzin und Bremsflüssigkeit.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Aufsicht auf einen in einem Kanal angeordneten Massenstromsensor, und
  • 2 eine Schnittansicht des Massenstromsensors entlang der Linie II-II' der 1.
  • Die Figuren zeigen einen Massenstromsensor 10, der in einem Kanal 12 angeordnet ist. Stromaufwärts des Massenstromsensors 10 ist ein Einlasskanal 14, stromabwärts des Massenstromsensors 10 ein Auslasskanal 16 angeordnet. Der Einlasskanal 14 und der Auslasskanal 16 sind Bestandteile des Kanals 12. Der Kanal 12 weist eine Innenwand 18 auf. In dem Kanal 12 strömt ein Fluid in einer Hauptströmungsrichtung S.
  • Der Massenstromsensor 10 hat mindestens ein Sensorelement 30. Das Sensorelement 30 ist ausgebildet zum Erfassen einer charakteristischen Größe für den Massenstrom des Fluids. Bei dem Fluid handelt es sich in der Regel um ein Gas, in das gegebenenfalls auch Partikel in fester oder flüssiger Form, wie beispielsweise Staub oder Wassertropfen eingebettet sein können.
  • Das Sensorelement 30 weist vorzugsweise Temperaturfühler auf. Ferner ist dem Massenstromsensor 10 ein Temperatursensor zugeordnet, der zum Erfassen der Temperatur des in dem Kanal 12 strömenden Fluids vorgesehen ist.
  • Der Massenstromsensor 10 umfasst ferner eine Signalverarbeitungselektronik 22, die zum Aufbereiten des Messsignals des Sensorelements 10 ausgebildet ist und elektrische Kontakte 24 aufweist. Der Massenstromsensor 10 ist über Zuleitungen 20, die elektrisch mit den Kontakten 24 der Signalverarbeitungselektronik 22 gekoppelt ist, mit einer Spannungsquelle und einer Auswerteeinheit verbunden.
  • 2 zeigt den in dem Kanal 12 angeordneten Massenstromsensor 10 in einer Schnittansicht. Der Massenstromsensor 10 hat ein Gehäuse 26 mit einem ersten äußeren Wandelement 27 und einem dem ersten äußeren Wandelement 27 gegenüberliegenden zweiten äußeren Wandelement 28. Das erste äußere Wandelement 27 des Massenstromsensors 10 wird durch das Sensorelement 30 gebildet. Das Sensorelement 30 ist flächenförmig ausgebildet und hat eine Flächennormale N, die senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung S des Fluids angeordnet ist.
  • Das zweite äußere Wandelement 28 ist derart von dem Sensorelement 30 beanstandet, dass zwischen dem zweiten äußeren Wandelement 28 und dem Sensorelement 30 ein Hohlraum 36 ausgebildet ist.
  • Das zweite äußere Wandelement 28 des Gehäuses 26 weist weiter eine Membran 34 mit einer äußeren Oberfläche 35 auf. Da die Membran 34 dem Sensorelement 30 gegenüberliegt, und die Flächennormale N des Sensorelements 30 senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung S des Fluids angeordnet ist, ist die Membran im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung S des Fluids angeordnet. In dem Fluid mitgeführte Partikel strömen damit im Wesentlichen parallel zu der äußeren Oberfläche 35 der Membran 34, wodurch einen Ablagerung der Parti kel auf der äußeren Oberfläche 35 der Membran 34 weitgehend vermieden werden kann.
  • Die Membran 34 weist vorzugsweise eine Dicke von zirka 0,5 mm auf, und ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das mikroporös ist. Besonders bevorzugt ist, wenn die Membran aus einem Material gebildet ist, das Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist. Die Membran 34 ermöglicht, dass Fluid von dem Kanal 12 in den Hohlraum 36 oder aus dem Hohlraum 36 in den Kanal 12 gelangen kann, ohne dass Partikel in den Hohlraum 36 eindringen können.
  • Im Folgenden soll die Funktionsweise des Massenstromsensors 10 im Detail dargestellt werden:
    Fluid strömt in einer Hauptströmungsrichtung S durch den Kanal 12. Das auf einem Messabschnitt 32 des Sensorelements 30 angeordnete Heizelement heizt das Fluid auf und die für die Beheizung des Heizelements erforderliche elektrische Leistung kann bestimmt werden. Des Weiteren werden auf dem Messabschnitt 32 die Temperaturen des Fluidstroms vor und nach dem Heizelement erfasst. Aus der auf dem Messabschnitt 32 des Sensorelements 30 für die Beheizung des Heizelements bestimmten elektrischen Leistung und den Temperaturen des Fluidstroms vor und nach dem Heizelement kann der Massenstrom des Fluids durch den Kanal 12 bestimmt werden.
  • Durch das Aufheizen des Sensorelements 30 kann das in den Hohlraum 36 befindliche Fluid erhitzt beziehungsweise abgekühlt werden. Dabei kommt es zu Änderungen des Hohlraums 36 und in der Folge zu Druckschwankungen in dem Hohlraum 36. Durch die Ausbildung der Membran 34 als luftdurchlässige Membran kann erreicht werden, dass beim Aufheizen des Sensorelements 30 in dem Hohlraum 36 erwärmtes Fluid über die Membran 34 aus diesem entweichen kann. Beim Abkühlen des Sensorelements 30 und in der Folge beim Abkühlen des Fluids in dem Hohlraum 36 kann Fluid über die Membran 34 in den Hohlraum 36 nachströmen, so dass der Druck in dem Hohlraum 36 im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Durch den über die Membran 34 möglichen Druckausgleich in dem Hohlraum 36 kann das Sensorelement 30 vollständig dicht in das Gehäuse 26 eingegossen werden, ohne dass es zu mechanischen Spannungen an dem Sensorelement 30 kommt. Das Eingießen des Sensorelements 30 ermöglicht eine sehr gute Anströmung des Sensorelements 30 durch das Fluid. Des Weiteren kann vermieden, dass sich Schmutzpartikel, zum Beispiel Staub, in Öffnungen der Membran 34 ablagern. Damit kann das Einströmen und Ausströmen von Fluid in den Hohlraum 36 beziehungsweise aus dem Hohlraum 36 sichergestellt werden.
  • Durch die Ausbildung der Membran 34 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) kann eine Resistenz der Membran 34 gegen Öl, Benzin und Bremsflüssigkeit erreicht werden. Darüber hinaus ist eine Membran 34 aus diesem Material gut dazu geeignet, in dem Gehäuse 26 vergossen zu werden.
  • 10
    Massenstromsensor
    12
    Kanal
    14
    Einlasskanal
    16
    Auslasskanal
    18
    Innenwand des Kanals
    20
    Zuleitungen
    22
    Signalverarbeitungselektronik
    24
    Kontakte
    26
    Gehäuse
    27
    erstes äußeres Wandelement des Gehäuses
    28
    zweites äußeres Wandelement des Gehäuses
    30
    Sensorelement
    32
    Messabschnitt
    34
    Membran
    35
    äußere Oberfläche der Membran
    36
    Hohlraum
    S
    Hauptströmungsrichtung des Fluids
    N
    Flächennormale des Sensorelements

Claims (4)

  1. Massenstromsensor (10), der ausgebildet ist zum Erfassen einer charakteristischen Größe für einen Massenstrom eines strömenden Fluids, und der aufweist – ein Gehäuse (26), das einen Hohlraum (36) hat, und – mindestens ein in dem Gehäuse (26) angeordnetes Sensorelement (30), das an den Hohlraum (36) grenzt und ein erstes äußeres Wandelement (27) des Massenstromsensors (10) bildet, wobei an den Hohlraum (36) ein zweites äußeres Wandelement (28) angrenzt, wobei das zweite äußere Wandelement (28) des Gehäuses (26) eine Membran (34) aufweist, die bei Anordnung des Massenstromsensors (10) in dem Fluid eine Transmission von Fluid in den Hohlraum (36) oder aus dem Hohlraum (36) ermöglicht.
  2. Massenstromsensor nach Anspruch 1, bei dem das Sensorelement (30) im wesentlichen flächenförmig ausgebildet ist und eine Flächennormale (N) aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung (S) des Fluids angeordnet ist, und bei dem die Membran (34) auf einer dem Sensorelement (30) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (26) angeordnet ist.
  3. Massenstromsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Membran (34) mikroporös ist.
  4. Massenstromsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Membran (34) aus einem Material gebildet ist, das Polytetrafluorethylen aufweist.
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