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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines
Parameters eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere
eines durch ein Strömungsrohr strömenden fluiden
Mediums, wie sie aus verschiedenen Bereichen der Technik bekannt
sind. So müssen bei vielen Prozessen, beispielsweise auf
dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus,
definiert fluide Medien, insbesondere Gasmassen (z. B. eine Luftmasse)
mit bestimmten Eigenschaften (beispielsweise Temperatur, Druck,
Strömungsgeschwindigkeit, Massenstrom, Volumenstrom etc.)
zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche
unter geregelten Bedingungen ablaufen.
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Ein
wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Verbrennung von Kraftstoff
in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere
mit anschließender katalytischer Abgasreinigung, bei denen
geregelt eine bestimmte Luftmasse pro Zeiteinheit (Luftmassenstrom)
zugeführt werden muss. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes
werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt. Ein aus
dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser
(HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform
beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern
wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine
dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip.
Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand
angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern)
umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran
geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung,
was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst
werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung
ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz
der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt
werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensor typs sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Die vorliegende Erfindung ist zudem
nicht auf den beschriebenen Sensortyp des Heißfilmluftmassenmessers
beschränkt, sondern kann grundsätzlich für
die meisten Arten von Sensoren, die als fest installierte Sensoren
oder als Steckfühler in einem strömenden Medium
eingesetzt werden, genutzt werden.
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Nachteilig
an den aus dem Stand der Technik beschriebenen Steckfühlerkonstruktionen
ist jedoch, dass die beschriebenen Steckfühler in vielen
Fällen im Ansaugtrakt Probleme bezüglich eines
Strömungswiderstand-bedingten Druckabfalls verursachen.
Außerdem kann es vorkommen, dass die Signalreproduzierbarkeit
der Signale derartiger Sensoren nicht optimal ist.
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Viele
Sensoren, insbesondere Heißfilmluftmassenmesser, werden
in der Praxis mit einem Gitter oder einer Gitterkombination ausgerüstet.
Diese Gitter können beispielsweise in ein Strömungsrohr
integriert werden und stehen üblicherweise einige Zentimeter
stromauf des Steckfühlers bzw. Sensors in der Strömung
und haben die Aufgabe, das Geschwindigkeitsprofil in dem Strömungsrohr
zu vergleichmäßigen. Weiterhin haben derartige
Gitter die Aufgabe, evtl. vorhandenen Drall aus der Strömung
zu nehmen. Die ausgleichende Wirkung des Gitters wird durch seine
bremsende Wirkung auf die Strömung erzielt. Gleichzeitig
wird eine kleinskalige Turbulenz erzeugt, die schnelles und langsames
Fluid vermischt und so zu einem Geschwindigkeitsausgleich über
den gesamten Rohrquerschnitt beiträgt. So wird erreicht,
dass die Kennlinie des Sensors (zum Beispiel ein Zusammenhang zwischen
Luftmasse und Ausgangsfrequenz oder Ausgangsspannung) nahezu unabhängig
vom Geschwindigkeitsprofil der zuströmenden Luft ist.
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Beispiele
derartiger Vorrichtung mit einem Gitter sind aus
DE 43 40 882 A1 und aus
DE 199 42 502 A1 bekannt.
In beiden Vorrichtungen wird vorgeschlagen, hinter dem Gitter Lamellen
bzw. Längsrippen anzuordnen, die sich parallel zur Strömungsrichtung
erstrecken und welche die Funktion haben, Wirbel im Randbereich
der Strömung zu vermeiden, unkontrollierbare Flüssigkeitsansammlungen
zu vermindern und den Strömungswiderstand in diesem Bereich
zu beeinflussen.
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Ungünstigerweise
zeigen jedoch trotz dieser Maßnahmen viele Sensoren, insbesondere
viele Luftmassenmesser, in Kombination mit bekannten Gitterkonstruktionen
in manchen Luftmassenbereichen Kennlinien, deren Reproduzierbarkeit
Raum für weitere Verbesserungen lässt.
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Ursache
hierfür ist in der Regel eine Instabilität der
Strömung unmittelbar hinter den Gitterstreben. Im Nachlauf
der Gitterstreben bilden sich Ablösegebiete und Unregelmäßigkeiten
im Geschwindigkeitsprofil aus, welche prinzipiell instabil sind,
so dass in der Regel auch die Messwerte der stromabwärts der
Gitterkonstruktion angeordneten Sensoren instabil sein können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden
daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters
eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden
fluiden Mediums sowie ein Strömungsrohrsegment für
den Einsatz in einer derartigen Sensoranordnung vorgeschlagen, welche
die Nachteile bekannter Sensoranordnungen bzw. Strömungsrohrsegmente
vermeiden. Insbesondere weist die vorgeschlagene Sensoranordnung
eine stabilere Strömung im Bereich eines Sensors, insbesondere
im Nachlauf eines Gitters und damit eine höhere Reproduzierbarkeit
auf. Auf sonstige strömungsstabilisierende Maßnahmen,
wie beispielsweise zusätzliche Drahtgitter, kann vorzugsweise
verzichtet werden, so dass sich auch die Herstellungskosten für
die vorgeschlagene Sensoranordnung gegenüber herkömmlichen
Sensoranordnungen verringern lassen. Insgesamt weist die Sensoranordnung
eine hohe Signalqualität im Vergleich zu herkömmlichen
Sensoranordnungen auf, insbesondere ein verbessertes Signalrauschen.
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Die
Sensoranordnung ist grundsätzlich geeignet für
eine Vielzahl der eingangs genannten Sensoren und Messprinzipien
sowie für eine Vielzahl fluider Medien (beispielsweise
Gase und Flüssigkeiten). Es lassen sich prinzipiell eine
Vielzahl möglicher physikalischer und/oder chemischer Parameter
messen, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Dichte, Massendurchsatz,
Volumendurchsatz oder ähnliches. Dementsprechend weist
die Sensoranordnung mindestens einen Sensor auf, welcher an die
Art des bzw. der zu messenden Parameter angepasst ist. Im Folgenden
sei, ohne weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung
zu beschränken, angenommen, dass der Sensor einen Heißfilmluftmassenmesser umfasst,
wie er beispielsweise in der eingangs genannten
DE 196 01 791 A1 oder in
weiteren der zitierten Schriften des Standes der Technik beschrieben wird.
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Grundsätzlich
kann das fluide Medium frei in der Hauptströmungsrichtung
strömen, wobei unter der Hauptströmungsrichtung
die lokale Strömungsrichtung des Mediums im Bereich der Sensoranordnung
zu verstehen ist. Hierbei sollen jedoch lokale Unregelmäßigkeiten,
wie beispielsweise Verwirbelungen, außer Betracht bleiben,
so dass unter der Hauptströmungsrichtung die Haupttransportrichtung, in
welcher das fluide Medium im Bereich der Sensoranordnung transportiert
wird, zu verstehen ist. Das fluide Medium strömt durch
ein Strömungsrohr, wobei die Sensoranordnung beispielsweise
ein Strömungsrohrsegment des Strömungsrohrs umfassen kann,
mit mindestens einem Gehäuse, in welches – beispielsweise
mittels mindestens einer geeigneten Aufnahme – der mindestens
eine Sensor eingebracht werden kann.
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Die
Sensoranordnung weist weiterhin mindestens ein quer zur Hauptströmungsrichtung
angeordnetes Gitter mit einer Mehrzahl von quer zur Hauptströmungsrichtung
angeordneten Streben auf. Vorzugsweise sind mehrere derartiger Streben
vorgesehen, welche beispielsweise parallel und/oder in von 0° verschiedenen
Winkeln zueinander orientiert sein können. Auch ein Gitter
mit einander kreuzenden Streben, beispielsweise analog zum oben
beschriebenen Stand der Technik, beispielsweise ein Gitter mit sich
im rechten Winkel kreuzenden Streben, ist denkbar. Vorzugsweise
ist das Gitter Teil des besagten Strömungsrohrsegments,
beispielsweise in Form eines herausnehmbaren oder fest installierten Teils
dieses Strömungsrohrsegments. Unter dem Begriff „quer
zur Strömungsrichtung" ist dabei im vorliegenden Fall vorzugsweise
ein Winkel von 90° zwischen den Streben und der Hauptströmungsrichtung zu
verstehen, wobei jedoch auch Abweichungen von 90° denkbar
sind, beispielsweise Abweichungen um nicht mehr als 20°.
Insofern kann das Gitter beispielsweise den eingangs zitierten Stand
der Technik, beispielsweise der in
DE 43 40 882 A1 beschriebenen Anordnung,
entsprechen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Ursache für
die eingangs beschriebene Problematik der in vielen Fällen
schlecht reproduzierbaren Kennlinien in einem unkontrollierten Strömungsumschlag,
das heißt einem Übergang von einer laminaren hin
zu einer turbulenten Strömung der Rohrwandgrenzschicht,
liegen kann. Diese Wandgrenzschicht wird durch ein Gitter der oben
beschriebenen Art in der Regel nicht ausreichend turbulent gemacht,
da dieses Gitter in der Regel aus fertigungstechnischen Gründen
in Wandnähe größere Maschenweiten aufweist,
als in der Rohrmitte. Dementsprechend wird vorgeschlagen, die Sensoranordnung
derart zu gestalten, dass die Wandgrenzschicht im Strömungsrohr
zuverlässig durchmischt wird und dadurch unter allen Betriebsbedingungen
turbulent gehalten wird.
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Dementsprechend
wird vorgeschlagen in der Sensoranordnung stromaufwärts
des Sensors an der Innenwand des Strömungsrohrs mindestens
ein umlaufendes Turbulatorelement vorzusehen. Dieses umlaufende
Turbulatorelement weist mindestens ein nach innen, das heißt
ins Innere des Strömungsrohrs weisendes Turbulatorelement
zur Erzeugung von Wirbeln in der Strömung des fluiden Mediums
vor dem Sensorelement auf. Es wird also durch das mindestens eine
Turbulatorelement lokal eine Turbulenz erzeugt und damit die Wandgrenzschicht
zuverlässig stabilisiert. Hierdurch entsteht, zusammen
mit dem Gitter, eine annähernd homogene Turbulenzverteilung
im Gehäuse des Strömungsrohrs. Damit unterscheidet
sich die Grundidee der vorliegenden Erfindung deutlich beispielsweise
von den Aufbauten der
DE 43 40
882 und
DE
199 42 502 A1 , welche gerade den Zweck verfolgen, die Strömung
laminar zu gestalten und Wirbel zu reduzieren.
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Vorteilhafte
bevorzugte Ausgestaltungen der Sensoranordnung betreffen insbesondere
die mögliche Ausgestaltung der Turbulatoren. So kann der Turbulator
beispielsweise mindestens einen der folgenden Querschnitte in einer
Schnittebene parallel zur Hauptströmungsrichtung aufweisen:
einen runden Querschnitt, insbesondere einen kreisförmigen oder
Kreissegmentförmigen Querschnitt, einen rechteckigen Querschnitt
oder einen keilförmigen Querschnitt. Dies kann insbesondere
dann von Vorteil sein, wenn das Turbulatorelement einen Turbulator
in Form eines umlaufenden Turbulatorrings aufweist, welcher stromaufwärts
des Sensors, beispielsweise zwischen Gitter und Sensorelement oder überlappend
zu dem Gitter, angeordnet ist.
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Alternativ
oder zusätzlich kann das Turbulatorelement jedoch auch
eine Mehrzahl von umfangsseitig verteilten, in die Strömung
des fluiden Mediums hineinragenden Einzelturbulatoren umfassen.
Beispielsweise können diese Einzelturbulatoren äquidistant
oder in anderen Abständen entlang des Umfangs des Strömungsrohres
verteilt sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Einzelturbulatoren
in und/oder hinter Gitteröffnungen des Gitters an der Innenwand des
Strömungsrohrs angeordnet sind, also beispielsweise stromabwärts
dieser Gitteröffnungen. Dabei können die Einzelturbulatoren
in und/oder hinter allen wandseitigen Gitteröffnungen angeordnet
sein oder, alternativ, auch lediglich in und/oder hinter einigen
dieser Gitteröffnungen, insbesondere in und/oder hinter
besonders großen Gitteröffnungen, die, wie oben
beschrieben, in diesem Bereich Unregelmäßigkeiten
aufweisen können.
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Insbesondere
in dem Fall, in welchem das mindestens eine Turbulatorelement Einzelturbulatoren
aufweist, ist es bevorzugt, wenn dieser mindestens eine Turbulator
in einer Schnittebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
einen rechteckigen Querschnitt und/oder einen keilförmigen
Querschnitt aufweist. Insbesondere ist es allgemein bevorzugt, wenn
die Turbulatoren eine scharfkantige, stromabwärts angeordnete
Hinterkante und/oder eine scharfkantige, stromaufwärts
angeordnete Vorderkante aufweisen, da derartige scharfe Kanten besonders geeignet
sind, um Turbulenzen zu erzeugen. Unter einer Kante kann dabei beispielsweise
eine im Wesentlichen ebene Fläche des Turbulators verstanden werden,
welche beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
orientiert ist und welche an ihrer Oberseite einen Winkel von näherungsweise
90° oder einen spitzeren Winkel hin zu einer Oberseite
des Turbulators, beispielsweise zu einer Oberseite des Turbulators,
aufweist.
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Das
Turbulatorelement kann in Hauptströmungsrichtung vor und/oder
hinter dem Gitter angeordnet sein und/oder kann mit dem Gitter ganz
oder teilweise überlappen. Ist das Turbulatorelement hinter
dem Gitter angeordnet, so kann dieses beispielsweise in einem Abstand
in Hauptströmungsrichtung zwischen 0 mm (das heißt
direkte Angrenzung an das Gitter) und 5 mm hinter dem Gitter angeordnet sein.
Der mindestens eine Turbulator ragt vorzugsweise um eine Höhe
zwischen 0,5 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 2 mm, in die
Strömung des fluiden Mediums hinein. Bei typischen Rohrinnendurchmessern
von 60 mm wären dies beispielsweise Höhen des
Turbulators zwischen 1 und 3,5% des Rohrinnendurchmessers. In Hauptströmungsrichtung
weist der Turbulator vorzugsweise eine Längserstreckung
auf, welche zwischen 0,2 und 5 mm beträgt.
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Wie
oben beschrieben, besteht beispielsweise die Möglichkeit,
dass das Turbulatorelement mehrere Einzelturbulatoren aufweist.
Im Falle dieser Einzelturbulatoren ist eine Höhe (das heißt
ein Hineinragen in die Strömung) zwischen 0,5 und 2 mm
bevorzugt und eine Längserstreckung in Hauptströmungsrichtung
zwischen 1 und 5 mm. Die Abstände zwischen den Einzelturbulatoren
können sich beispielsweise durch die Abstände
der äußeren Gitterstreben ergeben, welche auf
die Innenwand des Strömungsrohres treffen.
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Wird
ein umlaufender Turbulatorring verwendet, so kann dieser vorzugsweise
eine Höhe (das heißt ein Hineinragen in die Strömung)
zwischen 1 und 2 mm aufweisen, sowie eine Tiefe in Hauptströmungsrichtung
zwischen 0,5 und 2 mm. Der Turbulatorring kann insbesondere als einfacher
Ring mit einem der oben genannten Querschnitte ausgestaltet sein,
also mit rundem, rechteckigem, keilförmigem oder einem
anderen Querschnitt in einer Schnittebene parallel zur Hauptströmungsrichtung.
Alternativ oder zusätzlich kann der Turbulatorring jedoch
auch eine Zickzackform aufweisen, so dass Spitzen dieses Zickzack-rings
der Hauptströmungsrichtung entgegenweisen, vorzugsweise
wiederum im Bereich der Öffnungen des Gitters im Randbereich
des Strömungsrohres.
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Neben
der Sensoranordnung in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen
wird weiterhin ein Strömungsrohrsegment für den
Einsatz in einer derartigen Sensoranordnung vorgeschlagen. Für die
möglichen Ausgestaltungen der Sensoranordnung kann weitgehend
auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Das Strömungsrohrsegment weist
ein Strömungsrohr auf, sowie eine Aufnahme zur Einbringung
des Sensors. Bei in die Aufnahme eingebrachtem Sensor ist der Sensor
in dem fluiden Medium angeordnet. Das Strömungsrohrsegment weist
weiterhin das stromaufwärts des Sensors angeordnete Gitter
mit einer Mehrzahl von quer zur Hauptströmungsrichtung
angeordneten Streben auf. Vor dem Sensor ist an der Innenwand des
Strömungsrohrs das mindestens eine Turbulatorelement mit
mindestens einem Turbulator zur Erzeugung von Wirbeln in der Strömung
des fluiden Mediums vor dem Sensorelement angeordnet. Für
die möglichen Ausgestaltungen des Turbulatorelements und
des Turbulators kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung in einer Schnittdarstellung von der Seite;
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2 eine
Draufsicht auf ein Gitter einer dem Stand der Technik entsprechenden
Sensoranordnung;
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3A und 3B Schnittdarstellungen möglicher
Ausgestaltungen eines Turbulatorrings;
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4 ein
Ausführungsbeispiel eines zickzackförmigen Turbulatorrings;
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5 ein
Ausführungsbeispiel eines Turbulatorelements mit umfangsseitig
verteilten Einzelturbulatoren;
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6A und 6C verschiedene
Ausführungsbeispiele möglicher Einzelturbulatoren;
und
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7 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung mit zwischen den Gitterstreben angeordnetem Turbulatorelement.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 110 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Die Sensoranordnung 110 weist ein Strömungsrohrsegment 112 mit
einem Strömungsrohr 114 auf, welches von einem
fluiden Medium in einer Hauptströmungsrichtung 116 durchströmt
wird. Weiterhin weist das Strömungsrohrsegment 112 eine
Aufnahme 118 zur Aufnahme eines Sensors 120 auf.
Die Aufnahme 118 ist derart gestaltet, dass der Sensor 120 im
montierten Zustand in dem fluiden Medium angeordnet ist. Ohne Beschränkung
möglicher weiterer Ausgestaltungen der Erfindung sei im
Folgenden angenommen, dass das strömende fluide Medium
eine Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine ist, und dass es sich
bei dem Sensor 120 um einen Heißfilmluftmassenmesser handelt,
mit einer Öffnung 122, durch welche das strömende
fluide Medium in den Sensor 120 eintreten kann. Der Sensor 120 kann
als Steckfühler auswechselbar in das Strömungsrohrsegment 112 eingebracht
sein oder kann auch fest montiert in diesem Strömungsrohrsegment 112 ausgestaltet
sein. Für mögliche Ausgestaltungen des Sensors 120 kann weitgehend
auf den Stand der Technik verwiesen werden.
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Weiterhin
weist das Strömungsrohrsegment 112, hinsichtlich
der Hauptströmungsrichtung 116 stromaufwärts
des Sensors 120, ein Gitter 124 auf. Dieses Gitter 124 ist
ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und ist in 2 in
einer Draufsicht mit Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung 116 dargestellt.
Dabei ist zu erkennen, dass das Gitter in diesem Ausführungsbeispiel
eine Mehrzahl von quer zur Hauptströmungsrichtung 116 angeordneten
Streben 126 aufweist. Dabei sind jeweils eine erste Art
von Streben 128 parallel zueinander und senkrecht zu einer
zweiten Art von Streben 130, welche untereinander ebenfalls
wiederum parallel zueinander angeordnet sind, angeordnet, so dass
ein senkrechtes Maschengitter mit Gitteröffnungen 132 entsteht.
Insbesondere am Rand der Durchtrittsöffnung des Strömungsrohrs,
im Bereich der Rohrwand des Strömungsrohrs 114,
bilden sich dabei produktionsbedingt Unregelmäßigkeiten 134 in
den Gitteröffnungen 132, welche zu Störungen
des Flusses führen können.
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Zur
Behebung der oben beschriebenen Problematik der Instabilitäten
in der Strömung weisen die Sensoranordnung 110 und
das Strömungsrohrsegment 112 in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ein zwischen dem Gitter 124 und
dem Sensor 120, insbesondere der Öffnung 122 des
Sensors 120, angeordnetes Turbulatorelement 136 auf.
Dieses Turbulatorelement 136 weist in diesem Ausführungsbeispiel
einen Turbulator 138 in Form eines umlaufenden Turbulatorrings 140 auf.
Dieser Turbulatorring 140 ist in der Darstellung gemäß 2 nicht
eingezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, da
das Strömungsrohr 114 einen zumindest näherungsweise
kreisförmigen Querschnitt aufweist, auch der Turbulatorring 140 im
Wesentlichen kreisringförmig ausgestaltet. Dieser Turbulatorring 140 erzeugt lokal
eine Turbulenz, welche die Wandgrenzschicht im Bereich der Rohrwand
des Strömungsrohrs 114 zuverlässig stabil
macht. Dadurch entsteht, zusammen mit dem Gitter 124 (welches
beispielsweise als Kunststoffgitter ausgestaltet sein kann) eine
annähernd homogene Turbulenzverteilung im Zylindergehäuse
des Strömungsrohrsegments 112.
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Der
Turbulatorring 140 kann beispielsweise in einem Abstand
d zwischen 0 und 5 mm hinter dem Gitter 124 angeordnet
sein. Auch andere Abstände sind jedoch möglich.
Weiterhin weist der Turbulatorring 140 eine Höhe
h auf, um welche dieser in die Strömung des fluiden Mediums
hineinragt, welche beispielsweise zwischen 1 und 2 mm beträgt.
Weiterhin weist der Turbulatorring 140 eine Längserstreckung
l auf, welche beispielsweise zwischen 0,5 und 2 mm beträgt.
Der Durchmesser des Gitters 124 kann beispielsweise ca.
60 bis 65 mm betragen, wobei jedoch andere Ausgestaltungen möglich
sind.
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In
den 3A und 3B sind
verschiedene mögliche Ausführungsbeispiele des
Querschnitts des Turbulatorrings 140 in einer Schnittebene
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 116 dargestellt. Dabei
zeigt 3A ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem der Turbulatorring 140 einen näherungsweise kreissegmentförmigen
Querschnitt aufweist. In 3B weist
der Turbulatorring 140 hingegen einen keilförmigen
Querschnitt auf, mit einer scharfkantigen Vorderkante 142,
welche der Hauptströmungsrichtung 116 entgegenweist.
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In 4 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel eines Turbulatorelements 136 mit
einem Turbulator 138 in Form eines umlaufenden Turbulatorrings 140 dargestellt.
Gezeigt ist hierbei ein perspektivische Darstellung in Blickrichtung
schräg von vorne, also in etwa in Hauptströmungsrichtung 116.
Das Gitter 124 wurde hierbei zur besseren Darstellung des
Turbulator rings 140 weggelassen. Im Gegensatz zu dem kreisringförmigen
Turbulatorring 140 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in den 1, 3A und 3B ist
der Turbulatorring 140 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 als Zickzackring 144 ausgestaltet.
Dabei weisen einzelne Zackenspitzen 146 der Hauptströmungsrichtung 116 entgegen.
Diese Zackenspitzen 146 sind vorzugsweise derart dimensioniert,
dass diese im Wesentlichen hinter den Unregelmäßigkeiten 134 der
Gitteröffnung 132 angeordnet sind. Auch regelmäßige
und andere Anordnungen des Zickzackrings 144 sind jedoch
möglich.
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Der
Vorteil dieser Anordnung des Turbulatorrings 140 als Zickzackring 144 liegt
darin, dass starke Längswirbel erzeugt werden, die für
einen zusätzlichen Impulsaustausch zwischen langsamem,
wandnahem fluidem Medium und schnellem, wandfernem fluiden Medium
sorgen. Diese Maßnahme erhöht die Effektivität
des Turbulators.
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Während
die Ausführungsformen in den 1, 3A, 3B und 4 jeweils
Turbulatorelemente 136 mit Turbulatoren 138 in
Form eines Turbulatorrings 140 bzw. eines Zickzackrings 144 beschreiben,
ist in den 5 und 6A bis 6C eine
weitere, alternativ oder zusätzlich einsetzbare Möglichkeit
der Ausgestaltung des Turbulatorelements 136 gezeigt. In
diesem Fall umfasst das Turbulatorelement 136 jeweils Turbulatoren 138,
welche hier als Einzelturbulatoren 148 ausgestaltet sind.
Dabei zeigt 5 eine Ansicht der Sensoranordnung 110,
welche der Ansicht gemäß 4 entspricht.
Wie aus dieser Ansicht erkennbar ist, sind die Einzelturbulatoren 148 umlaufend
und umfangsseitig am Rand der Innenwand des Strömungsrohrs 114 verteilt.
Insbesondere kann die Verteilung dieser Einzelturbulatoren 148 derart
erfolgen, dass diese zwischen den Gitterstreben 126 angeordnet
sein können, insbesondere im Bereich der Unregelmäßigkeiten 134.
Ein Vorteil dieser Anordnung besteht insbesondere auch darin, dass
das Gitter 124, welches wiederum in 5 nicht
dargestellt ist, das Gehäuse des Strömungsrohrsegments 112,
insbesondere ein Zylindergehäuse, und das Turbulatorelement 136 in einem
Stück gefertigt werden können. Dies ist insbesondere
dadurch bedingt, dass vorzugsweise keine Hinterschneidungen auftreten,
was einen Spritzgießprozess erleichtern kann. Außerdem
ist ein zusätzlicher Druckabfall (Strömungswiderstand)
durch die Einzelturbulatoren 148 bei gleicher Wirksamkeit
in der Regel geringer als bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
mit Turbulatorring 140.
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Die
Einzelturbulatoren können unterschiedliche Formen aufweisen.
Ausführungsbeispiele derartiger Einzelturbulatoren 148 sind
in den 6A bis 6C dargestellt.
Dabei zeigt 6A ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Einzelturbulatoren 148 als Quader oder
Würfel ausgestaltet sind, mit einer ebenen Vorderkante 142,
welche der Hauptströmungsrichtung 116 entgegenweist,
und einer ebenfalls ebenen Hinterkante 150 auf der hinsichtlich
der Hauptströmungsrichtung 116 stromabwärts
gelegenen Seite. Insbesondere die scharfkantige Ausgestaltung des
Hecks des Einzelturbulators 148 in 6A bewirkt,
dass sich stromabwärts des Einzelturbulators 148 Längswirbel 152 in
der Strömung des fluiden Mediums ausbilden, welche für
einen Impulsaustausch und Turbulenzen sorgen.
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In 6B ist
ein Ausführungsbeispiel der Einzelturbulatoren 148 dargestellt,
bei welchem die Einzelturbulatoren 148 zwar in Hauptströmungsrichtung 116 eine
im Wesentlichen gleich bleibende Höhe aufweisen, jedoch
in Draufsicht eine Keilform, mit einer der Hauptströmungsrichtung
entgegenweisenden spitz zulaufenden Vorderkante 142. Auch diese
Ausgestaltung kann eine effiziente Ausbildung von Längswirbeln 142 im
Nachlauf der Einzelturbulatoren 148 begünstigen.
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In 6C ist
schließlich ein Ausführungsbeispiel dargestellt,
welches auch in 5 zu erkennen ist und bei welchem
die Keilform gemäß 6B derart
erweitert wurde, dass die Einzelturbulatoren 148 auch hinsichtlich
ihrer Höhe, um welche diese in die Strömung hineinragen,
eine Keilform aufweisen. Die Höhe h kennzeichnet dabei
die maximale Erhebung der Einzelturbulatoren 148. Durch
diese „doppelte" Keilform lässt sich die Turbulenzbildung
und die Bildung von Längswirbeln 142 weiter begünstigen.
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Die
Einzelturbulatoren 148 können eine Höhe
h zwischen 0,5 und 2 mm sowie eine Längserstreckung l in
Hauptströmungsrichtung zwischen 1 und 5 mm aufweisen. Die
Abstände der Einzelturbulatoren 148 in Umfangsrichtung
können sich durch die Abstände der äußeren
Gitterstreben 126 ergeben, welche auf die Zylindergehäusewand
des Strömungsrohrs 114 treffen. Insgesamt ist
die Versperrung des Rohrquerschnitts durch die Einzelturbulatoren 148 sehr
gering.
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Bei
den bisherigen Ausführungsbeispielen der Sensoranordnung 110 war
das mindestens eine Turbulatorelement 136 in Hauptströmungsrichtung 116 hinter
dem mindestens einen Gitter 124 angeordnet. Dies ist jedoch
nicht notwendigerweise zwingend der Fall. So kann das Turbulatorelement 136 grundsätzlich
auch in Hauptströmungsrichtung 116 vor dem Gitter 124 angeordnet
sein und/oder sogar ganz oder teilweise mit dem Gitter 124 in
Hauptströmungsrichtung 116 überlappen.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 mit
einer derartigen mit dem Gitter 124 überlappenden
Anordnung des Turbulatorelements 136 ist in 7 dargestellt.
Dabei ist lediglich ein Ausschnitt des Strömungsrohrsegments 112 und
des Gitters 124 in Schnittdarstellung gezeigt, welcher
jedoch die Lage des Turbulatorelements 136 zeigt. Hieraus
wird deutlich, dass das Turbulatorelement 136 in diesem
Ausführungsbeispiel beispielsweise keilförmige
Einzelturbulatoren 148 aufweist, deren Keilspitze der Hauptströmungsrichtung 116 entgegenweist.
Diese Einzelturbulatoren 148 sind randseitig zwischen den
Streben 126 des Gitters 124 angeordnet und bewirken
somit einen ähnlichen Effekt wie die oben beschriebenen,
hinter dem Gitter 124 angeordneten Turbulatorelemente 136.
Analog ist auch eine Anordnung der Turbulatorelemente 136 in Hauptströmungsrichtung 116 vor
dem Gitter 124 prinzipiell möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19601791
A1 [0002, 0009]
- - DE 4340882 A1 [0005, 0011]
- - DE 19942502 A1 [0005, 0013]
- - DE 4340882 [0013]