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Durchflusssensoren
werden beispielsweise als Mass Air Flow Sensoren im Ansaugtrakt
von Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die angesaugte Luftmasse
pro Zeiteinheit, also den Massenstrom zu bestimmen und die Brennkraftmaschine
entsprechend mit Kraftstoff zu versorgen. Der gemessene Massestrom
der Luft ist proportional zur molaren Menge des enthaltenen Sauerstoffes
und kann daher zur Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere
in Verbrennungsmotoren, herangezogen werden. Der Ansaugtrakt bildet
hier den Strömungskanal. Die Luft im Ansaugtrakt einer
Brennkraftmaschine wird in diesem Zusammenhang als Fluid bezeichnet.
Mit dem hier offenbarten Durchflusssensor können aber auch
die Massenströme anderer Fluide, wie zum Beispiel Wasser,
Erdgas, Erdöl, Diesel und Benzin bestimmt werden.
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Ein
Durchflusssensor und ein Strömungskanal zur Aufnahme des
Durchflusssensors sind aus der
DE 33 31 519 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit
Hilfe von Ultraschall sind an einem Strömungskanal seitliche
Stutzen ausgebildet, in denen jeweils Ultraschallwandler angeordnet
sind. Die Ultraschallwandler definieren eine im Winkel zur Strömungsrichtung
verlaufende Messstrecke. Eine den Ultraschallwandlern nachgeschaltete
Auswerteschaltung bestimmt die Laufzeit der Ultraschallsignale entlang
der Messstrecke und berechnet daraus die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids im Strömungskanal.
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Ein
Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Montage und Justage
der Schallwandler in den Stutzen des Strömungskanals aufwändig
ist. Zum einen muss sichergestellt sein, dass die Schallwandler
aufeinander ausgerichtet sind. Zum anderen sind die Schallwandler
relativ teure und empfindliche Bauteile. Da die Länge der
Messstrecke zwischen dem einen und dem anderen Schallwandler von
hoher Bedeutung für die Qualität des Messergebnisses ist,
müssen die Schallwandler in möglichst großer Entfernung
voneinander positioniert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Durchflusssensoren nach dem Ultraschallprinzip relativ sind große und
sperrige Bauteile.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen kompakten, kostengünstigen, robusten und einfach
montierbaren Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei kompakter
Bauweise gut Messergebnisse liefert.
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Diese
Aufgabe wird durch den Durchflusssensor mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Dadurch,
dass in der Fluidströmung ein tragflächenartiger
Messkörper ausgebildet ist, den das Fluid asymmetrisch
umströmt, wodurch am Messkörper eine Druckdifferenz
entsteht, die als Maß für den Fluidmassenstrom
ausgewertet wird, ist ein sehr robustes und einfach montierbares
System geschaffen mit den zuverlässig der Massenstrom des
Fluides erfasst werden kann. Die am Messkörper entstehende Druckdifferenz
ist proportional zum Massenstrom des Fluids.
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Bei
einer Weiterbildung wird die am Messkörper angreifende
und aus der Druckdifferenz entstehende Kraft bestimmt, die als Maß für
den Fluidmassenstrom ausgewertet wird. Somit kann mit einem einfachen
und robusten Kraftsensor eine Massenstrombestimmung erfolgen, da
die am Messkörper angreifende Kraft proportional zum Massenstrom des
Fluids ist.
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Bei
einer nächsten Ausgestaltung wird zusätzlich der
im Strömungskanal herrschende Druck mit einem Drucksensor
bestimmt. Diese Größe kann zur Bestimmung des
Massenstroms des Fluids vorteilhaft hinzugezogen werden. Darüber
hinaus ist es zur Bestimmung des Massenstroms des Fluids sinnvoll
zusätzlich die im Strömungskanal herrschende Temperatur
mit einem Temperatursensor zu bestimmen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Messkörper
mindestens ein Sensorelement ausgebildet, das die Druckdifferenz
zwischen der Oberseite und der Unterseite des Messkörpers erfasst.
Eine solche Differenzdruckmessung ist äußerst
einfach und mit sehr geringen Kosten realisierbar.
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Bei
einer Weiterbildung ist das Sensorelement als Bare Die ausgebildet
und der Messkörper bildet das Gehäuse für
das Bare Die. Damit erfüllt der Messkörper eine
Doppelfunktion. Zum einen schützt der Messkörper
das Sensorelement und zum anderen dient er als Strömungskörper.
Diese Doppelfunktion ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus
technischer Sicht sehr vorteilhaft.
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Bei
einer Ausgestaltung weist der Messkörper Aussparungen auf,
die die an den Oberflächen des Messkörpers herrschenden
Drücke zum Sensorelement leiten. Solche Aussparungen sind
beim Herstellungsprozess des Messkörpers leicht erzeugbar.
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Wenn
im Messkörper eine Auswerteelektronik angeordnet ist, die
die erfassten Messwerte verarbeitet und an ein Steuergerät
weiterleitet, ist sichergestellt, dass äußere
elektromagnetische Störgrößen keinen
Einfluss auf das Messergebnis haben und die Gesamtheit der Systemfehler
minimiert wird. Wenn darüber hinaus die Auswerteelektronik
zusammen mit dem Sensorelement auf einem einzigen Siliziumchip integriert
ist, ist die Systemzuverlässigkeit nochmals gesteigert.
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Bei
einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der
Oberseite und der Unterseite des Messkörpers jeweils mindestens
ein Sensorelement angeordnet, mit denen die Druckdifferenz zwischen der
Oberseite und der Unterseite des Messkörpers erfassbar
ist. Auch diese Art der Druckerfassung liefert einen dem Massenstrom
proportionalen Messwert, der problemlos ausgewertet werden kann.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert
werden. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen in einem Strömungskanal montierten
Durchflusssensor nach dem Stand der Technik;
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2 einen
Durchflusssensor mit einem tragflächenartigen Messkörper;
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3 eine
Ausgestaltung des Durchflusssensors mit dem tragflächenartigen
Messkörper;
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4 eine
weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors mit dem tragflächenartigen
Messkörper.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Strömungskanal 1,
der einen seitlich angebrachten Stutzen 2 mit einer Öffnung 3 aufweist.
Der Strömungskanal 1 ist hier als Rohr ausgebildet.
Durch die Öffnung 3 kann ein Durchflusssensor 4 in
das Innere des Rohrs 1 eingebracht werden. Der Durchflusssensor 4 weist
ein Kopfteil 5 auf, in dem sich eine Leiterplatte 6 befindet,
auf der eine zum Betrieb des Durchflusssensors 4 erforderliche
Auswerteelektronik, die Bauelemente 7 umfasst, angeordnet
ist. Am Kopfteil 5 ist auch ein elektrischer Anschluss 18 angebracht, mit
der der Durchflusssensor 4 an externe, nicht dargestellte
Geräte angeschlossen werden kann.
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Am
Kopfteil 5 des Durchflusssensors 4 sind ferner
Seitenleisten 9 angebracht, die sich nach der Montage des
Durchflusssensors 4 am Rohr 1 ins Innere des Rohrs 1 erstrecken.
Die Seitenleisten 9 halten Schallwandler 10 und 11,
die eine Messstrecke 12 definieren. Die Messstrecke 12 ist
unter einem spitzen Winkel φ zu einer Strömungsrichtung 13 eines
im Rohr 1 strömenden Fluids 14 ausgerichtet. Der
Winkel φ zwischen der Messstrecke 12 und der Strömungsrichtung 13 liegt
vorzugsweise zwischen 40 und 45 Grad.
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Beim
Betrieb des Durchflusssensors 4 sendet beispielsweise der
Schallwandler 10 eine erste Ultraschallwelle aus. Diese
erste Ultraschallwelle wird vom Schallwandler 11 empfangen.
Der Schallwandler 11 sendet daraufhin eine zweite Ultraschallwelle
aus, die vom Schallwandler 10 empfangen wird. Die Laufzeit
der ersten und der zweiten Ultraschallwelle wird von einer Auswerteelektronik
bestimmt, die auf der Leiterplatte 6 integriert sein kann oder
die außerhalb des Durchflusssensors 4 angeordnet
ist.
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Die
Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 14 im Rohr 1 ist
abgesehen von verschiedenen störenden Effekten, die das
Messergebnis verfälschen können, proportional Δt/tup tdown, wobei Δt
die Differenz der Laufzeiten sowie tup und
tdown jeweils die Laufzeiten in Strömungsrichtung 13 oder
entgegen der Strömungsrichtung 13 sind. Der mit 13 bezeichnete
Pfeil symbolisiert im Folgenden die Strömungsrichtung und
auch den Massenstrom des Fluids 14. Bei dem Fluid 14 handelt
es sich vorzugsweise um ein gasförmiges Medium, insbesondere
um Luft. Das Fluid 14 kann jedoch auch eine Flüssigkeit,
wie beispielsweise Benzin sein.
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2 zeigt
einen Durchflusssensor 4, der in einem Strömungskanal 1 angeordnet
ist. Der Durchflusssensor 4 weist einen tragflächenartigen
Messkörper 15 auf. Dieser Messkörper 15 ist,
insbesondere in seinem Querschnitt, ähnlich gestaltet wie
die Tragfläche eines Flugzeuges und er wird von dem Fluid 14 in
der Strömungsrichtung 13 des Massenstroms 13 angeströmt.
An der Spitze des tragflächenartigen Messkörpers 15 wird
das Fluid 14 aufgetrennt und es umströmt den Messkörper 15 asymmetrisch. Dabei
entsteht an der Oberseite 20 des Mess körpers 15 ein
anderer Druck P1 als der Druck P2, der sich an der Unterseite 21 des
Messkörpers 15 ausbildet. Diese Druckdifferenz
P2 – P1 ist
proportional zum Massenstrom 13. Die Druckdifferenz P2 – P1 wird
von dem im Messkörper 15 angeordneten Sensorelement 19 erfasst.
Hier ist das Sensorelement 19 als Differenzdrucksensor
ausgebildet, der mithilfe von Aussparungen 22 die Druckdifferenz
P2 – P1 zwischen
der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Messkörpers 15 erfasst.
Das Sensorelement 19 kann als Bare Die ausgebildet sein,
das von dem Material des Messkörpers 15 umschlossen
wird, womit der Messkörper 15 gleichzeitig das
Gehäuse für das Sensorelement 19 bildet.
Mikroelektronische und mikromechanische Bauteile, die nicht wie
herkömmliche Bauteile in einem Plastikgehäuse
verfügbar sind, sondern ungehäust vorliegen, werden
als Bare Die oder Bare Chip bezeichnet. Das Sensorelement 19 ist
als mikromechanisches Bauteil auf einem Siliziumchip integrierbar,
wobei zusätzlich die Auswerteelektronik 8 für den
Drucksensor auf demselben Siliziumchip integriert sein kann. Ein
derart gebildeter Durchflusssensor 4 stellt ein sehr robustes
und vor allem kostengünstiges Bauteil dar, das ohne großen
Aufwand in den unterschiedlichsten Strömungskanälen 1 montiert
werden kann. Durch die Integration aller notwendigen mechanischen
und elektronischen Funktionen auf einem einzigen Siliziumchip ist
dieses System unempfindlich gegen Störungen und Fehlfunktionen. Zusätzlich
ist es denkbar, in dem Strömungskanal 1 einen
Absolutdrucksensor 16 und einen Temperatursensor 17 zu
montieren, um weitere Größen zur Erfassung des
Massenstroms 13 des Fluids 14 zu erhalten.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors 4. Auch
in 3 ist der Strömungskanal 1 zu
erkennen mit dem Absolutdrucksensor 16 und dem Temperatursensor 17 sowie
dem Durchflusssensor 4. Der Durchflusssensor 4 weist wiederum
einen tragflächenartigen Messkörper 15 auf,
wobei nun auf der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des
Messkörpers 15 Sensorelemente 19 zur Erfassung
der Drücke P1, P2 an
der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Messkörpers 15 angeordnet sind.
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Auch
hier umströmt das Fluid 14 den Messkörper 15 in
asymmetrischer Weise, wobei wiederum ein Druck P2 an
der Unterseite 21 und ein Druck P1 an
der Oberseite 20 des Messkörpers 15 entsteht. Die
Druckdifferenz P2 – P1 ist
auch hier ein Maß für den Massenstrom 13 des
Fluides 14 im Strömungskanal 1. Neben
den Sensorelementen 19 weist der Messkörper 15 eine
in ihm integrierte Auswerteelektronik 8 auf, die die Drucksignale
der Sensorelemente 19 auswertet und einer hier nicht dargestellten nachfolgenden
Motorsteuerung zur Verfügung stellt. Die Auswerteelektronik 8 kann
auf einem Siliziumchip integriert sein, der als Bare Die im Messkörper 15 angeordnet
ist, womit der Messkörper 15 selbst das Gehäuse
für den Siliziumchip mit der Auswerteelektronik bildet.
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In 4 ist
abermals der Strömungskanal 1 dargestellt, in
dem ein Drucksensor 16 und ein Temperatursensor 17 angeordnet
ist. Darüber hinaus ist im Strömungskanal 1 der
Durchflusssensor 4 zu erkennen, der wiederum als tragflächenartiger
Messkörper 15 ausgebildet ist und an dem die asymmetrisch
verlaufende Fluidströmung einen Druck P1 und einen
Druck P2 erzeugt. Die Druckdifferenz P2 – P1 bewirkt
eine am Messkörper 15 angreifende Kraft K, die
mit dem Kraftsensor 23 erfasst werden kann. Diese Kraft
K ist proportional zum am Messkörper 15 vorbeiströmenden
Massenstrom 13. Auch hier bildet die Kombination aus dem
Messkörper 15 und dem Kraftsensor 23 einen äußerst
robusten und kostengünstigen Durchflusssensor 4.
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Die
in den 2 bis 4 gezeigten Drucksensoren 16 und
Temperatursensoren 17 sind nur beispielhaft an den Innenwänden
des Strömungskanals 1 angeordnet und sie können
ebenso gut an anderen Stellen im Massenstrom 13 des Fluids 14,
insbesondere auf, an oder in dem Messkörper 15 angeordnet
sein.
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- 1
- Strömungskanal
- 2
- Stutzen
- 3
- Öffnung
- 4
- Durchflusssensor
- 5
- Kopfteil
- 6
- Leiterplatte
- 7
- Bauelement
- 8
- Auswerteelektronik
- 9
- Seitenleisten
- 10
- Schallwandler
- 11
- Schallwandler
- 12
- Messstrecke
- 13
- Strömungsrichtung/Massenstrom
- 14
- Fluid
- 15
- Messkörper
- 16
- Drucksensor
- 17
- Temperatursensor
- 18
- elektrischer
Anschluss
- 19
- Sensorelement
- 20
- Oberseite
- 21
- Unterseite
- 22
- Aussparung
- 23
- Kraftsensor
- K
- Kraft
- P1
- erster
Druck
- P2
- zweiter
Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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