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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensoranordnungen zur Bestimmung
wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden
fluiden Mediums. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise eingesetzt,
um Ansaugluftmassen einer Brennkraftmaschine zu messen, beispielsweise
in einem Strömungsrohr eines Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine.
Insbesondere werden derartige Vorrichtungen in Form von Heißfilmluftmassenmessern eingesetzt.
Es sind jedoch auch andere Arten von Vorrichtungen zur Bestimmung
anderer oder weiterer Parameter denkbar, beispielsweise Temperaturfühler,
Geschwindigkeitsmesser, Dichtemesser oder ähnliche Messvorrichtungen,
sowie andere Messprinzipien als das genannte Heißfilmluftmassenmesserprinzip
und/oder andere Arten fluider Medien.
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Heißfilmluftmassenmesser
sind beispielsweise in
DE
102 53 970 A1 beschrieben. Dort wird eine Vorrichtung offenbart,
welche ein Teil umfasst, welches mit einer vorbestimmten Ausrichtung
in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung in eine vom strömenden
Medium durchströmte Leitung einbringbar ist. Dabei durchströmt
ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Teil vorgesehenen
Messkanal, in welchem ein Messelement angeordnet ist. Zwischen Einlass
und Messelement weist der Messkanal einen gekrümmten Abschnitt
zur Umlenkung des durch den Einlass in den Messkanal eingetretenen
Teilstroms des Mediums auf, wobei der gekrümmte Abschnitt
im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem
das Messelement angeordnet ist.
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Bei
bekannten und auch kommerziell erhältlichen Heißfilmluftmassenmessern
wird häufig ein Sensorchip in einen an ein Bodenblech angespritzten Kunststoff-Sensorträger
eingeklebt. Der Kunststoff-Sensorträger ragt in den Messkanal
hinein, so dass der Sensorchip der Strömung ausgesetzt
ist. Der Sensorträger bildet, gemeinsam mit dem Bodenblech
aus Metall, eine Einheit. Zusätzlich zum Sensor wird noch
eine Ansteuer- und Auswerteelektronik auf einer Leiterplatte auf
das Bodenblech aufgeklebt. Der Sensorchip und die Ansteuer- und
Auswerteelektronik werden in der Regel durch Bondverbindungen miteinander
verbunden. Auf diese Weise entsteht ein Elektronikmodul, welches
in ein Sensorgehäuse eingeklebt wird. Anschließend
wird der so entstandene Steckfühler durch Deckel verschlossen.
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Vorrichtungen,
wie beispielsweise die in der
DE 102 53 970 A1 gezeigte Vorrichtung, müssen
in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen und Randbedingungen
genügen. Diese Randbedingungen sind aus der Literatur weitgehend
bekannt und beispielsweise in
DE 102 53 970 A1 beschrieben. Neben dem Ziel,
einen Druckabfall an den Vorrichtungen insgesamt durch geeignete
strömungstechnische Ausgestaltung zu verringern, besteht
eine der hauptsächlichen Herausforderungen darin, die Signalqualität
derartiger Vorrichtungen weiter zu verbessern.
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Einen
entscheidenden Einfluss auf die Signalqualität hat eine
Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Messkanals.
Der Durchsatz durch den Bypasskanal, insbesondere den Messkanal,
wird unter anderem durch diese Druckdifferenz bestimmt. Aufgrund
des veränderten Sensorquerschnitts ändert sich
jedoch dieser Durchsatz, wenn der Steckfühler schräg
in die Strömung des fluiden Mediums eingebracht wird. Dies
kann zu einer Änderung der Sensorkennlinie führen.
Einen weiteren entscheidenden Einfluss auf die Signalqualität
hat die Eigenschaft der Strömung in dem Messkanal. So ist
zur Erzielung eines gleichmäßigen, störungsfreien
Signals mit gutem dynamischem Verhalten in vielen Fällen
eine stabile, ablösefreie Strömung durch den Messkanal
erforderlich.
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In
DE 102 46 069 A1 wird
eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Parameters eines in einer
Leitung strömenden Mediums beschrieben. Die Vorrichtung
umfasst ein Teil, dass mit einer vorbestimmten Ausrichtung in Bezug
auf die Hauptströmungsrichtung in die Leitung einbringbar
ist, so dass ein Teilstrom des in der Leitung in der Hauptströmungsrichtung
strömenden Mediums wenigstens einen in dem Teil vorgesehenen
Messkanal in einer ersten Richtung von einem Einlass des Messkanals
bis zu einem Auslass des Messkanals durchströmt. Der Messkanal
weist zwischen seinem Einlass und seinem Auslass wenigstens einen
Kanalabschnitt auf, in welchem Mittel angeordnet sind, die in diesem
Kanalabschnitt Strömungswirbel verursachen, wodurch sich Flüssigkeitströpfchen
und Festpartikel vorteilhaft auf der Innenwandung des Kanals ablagern,
bevor sie das Messelement erreichen können. Die in
DE 102 46 069 A1 gezeigte
Vorrichtung hat somit im Wesentlichen eine Verminderung der Ablagerungen
von Verunreinigungen auf dem Sensorchip zum Ziel. Dies trägt
erheblich zur Verbesserung der Signalqualität und zur Verminderung
von Signaldriften bei. Dennoch hat es sich gezeigt, dass weiteres
Potential für die Verbesserung derartiger Vorrichtungen
zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines strömenden
fluiden Mediums besteht, insbesondere durch Verbesserung der Strömungseigenschaften des
fluiden Mediums durch den Messkanal.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird dementsprechend eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens
eines Parameters eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen,
welche bekannte Sensoranordnungen dieser Art, beispielsweise die
oben beschriebenen Vorrichtungen, weiter verbessert. Die Sensoranordnung kann
insbesondere eingesetzt werden, um einen Luftmassenstrom in einem
Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine zu messen. Zu diesem Zweck
können beispielsweise die oben beschriebenen Heißfilmluftmassenmesser-Prinzipien
eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können
jedoch auch andere Arten von Parameter des fluiden Mediums bestimmt werden,
beispielsweise Temperatur, Druck, Dichte oder ähnliche
Parameter oder Kombinationen dieser oder anderer Parameter. Alternativ
oder zusätzlich kann weiterhin auch eine andere Art von
fluidem Medium eingesetzt werden.
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Die
Sensoranordnung umfasst mindestens ein sich in einer Längserstreckungsrichtung
erstreckendes Steckerteil auf. Dieses Steckerteil kann beispielsweise
in einer festen Orientierung zur Hauptströmungsrichtung
des strömenden fluiden Mediums in dieses strömende
fluide Medium eingebracht werden. Zu diesem Zweck können
beispielsweise entsprechende Halterungen in einem Strömungsrohr oder
Strömungsrohrsegment vorgesehen sein, wobei das Strömungsrohr
oder Strömungsrohrsegment einschließlich der Halterungen
ebenfalls Bestandteil der Sensoranordnung sein kann. Das Steckerteil
kann fest oder austauschbar in diesem Strömungsrohr bzw.
Strömungsrohrsegment montiert sein. Das Steckerteil ist
dabei vorzugsweise als längliches Teil ausgestaltet, wobei
die Längserstreckungsrichtung vorzugsweise im Wesentlichen
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des strömenden
fluiden Mediums ausgerichtet sein kann. Insofern kann weitgehend auf
die aus dem Stand der Technik bekannten Heißfilmlustmassenmesser
und deren Steckerteile verwiesen werden.
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Das
Steckerteil weist mindestens eine Einlassöffnung und mindestens
eine Auslassöffnung sowie mindestens einen sich zwischen
der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erstreckenden,
von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal auf. Insbesondere
kann dieser Kanal als so genannter Bypasskanal ausgestaltet sein,
wobei durch diesen Kanal bzw. Bypasskanal eine für die
Strömung des fluiden Mediums repräsentative Teilströmung
oder Bypassströmung fließen kann. Insofern kann
wiederum weitgehend auf bekannte Steckerteile dieser Art verwiesen
werden. Der mindestens eine Kanal kann dabei, wie ebenfalls aus
dem Stand der Technik bekannt, als verzweigte Kanalstruktur ausgestaltet
sein, beispielsweise mit einem Hauptkanal, welcher zwischen der
Einlassöffnung und einem Hauptstromauslass verläuft,
und einem von dem Hauptkanal abzweigenden Messkanal, welcher in
einem Messkanalauslass endet. In dem Messkanal kann ein Sensorelement,
insbesondere ein Sensorchip, der Sensoranordnung angeordnet sein,
welches zur Messung des mindestens einen Parameters vorgesehen ist.
Zu diesem Zweck kann das Sensorelement beispielsweise einen oder
mehrere Einzelsensoren umfassen, beispielsweise angeordnet auf einer
Sensoroberfläche des Sensorchips, welche in dem mindestens
einen Messkanal der Teilströmung des fluiden Mediums ausgesetzt
sind. Auch eine Anordnung mit mehreren Sensorelementen bzw. Sensorchips
und/oder mehreren Sensoroberflächen ist möglich.
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Stromabwärts
des Sensorelements sind in mindestens einer den Kanal begrenzenden
Wand mindestens zwei Stufen angeordnet. Unter Stufen sind dabei
Unstetigkeiten, Knicke, abrupte Richtungsänderungen oder
Singularitäten in einem ansonsten vorzugsweise glatten
Wandverlauf zu verstehen, welche eine lokale Änderung der
Richtung des Wandverlaufs um einen Winkel von mehr als 60° bewirken.
Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Stufen um rechtwinklige
oder zumindest näherungsweise rechtwinklige Stufen, also
Stufen mit einem Winkel, welcher um nicht mehr als 20° von
einem rechten Winkel abweicht. An der Stufenkante kann auch eine
leichte Abrundung erfolgen, wobei jedoch vorzugsweise eine scharfe
Stufenkante vorgesehen ist.
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Es
sind mindestens zwei Stufen vorgesehen, welche zueinander um einen
Winkel versetzt sind. So kann beispielsweise eine erste Stufe in
einer Seitenwand des Kanals angeordnet sein und eine zweite Stufe
in einer Vorder- oder Rückwand des Kanals, oder umgekehrt.
Auch eine andere Art von Winkelversatz bei einem anderen Kanalquerschnitt
als einem Kanalquerschnitt mit einer Vorder- und Rückwand
und Seitenwänden ist möglich, beispielsweise bei
abgerundeten Kanalquerschnitten oder anders verlaufenden Kanalquerschnitten.
Dementsprechend können die Stufen beispielsweise zueinander
um einen rechten Winkel versetzt sein. Auch andere Winkel als rechte
Winkel sind jedoch grundsätzlich möglich, vorzugsweise
Winkel von mindestens 20°, insbesondere von mindestens
60°.
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Die
Stufen sind dabei quer zu einer Strömung, also der lokalen
Strömung des fluiden Mediums, durch den Kanal angeordnet.
Unter „quer zur Strömung” ist dabei eine
nicht-parallele, vorzugsweise senkrechte Ausrichtung zur lokalen
Strömung im Kanal zu verstehen. Auch Abweichungen von dieser senkrechten
Ausrichtung sind jedoch grundsätzlich möglich
und unter „quer” zu subsumieren, vorzugsweise
Abweichungen von einer senkrechten Ausrichtung um nicht mehr als
30°.
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Es
hat sich gezeigt, dass diese versetzten Stufen im Messkanal einen
erheblichen Einfluss auf die Signalqualität der Sensoranordnung
haben können. So können sich insbesondere stromabwärts
des Sensorchips lokal Ablösegebiete in der Strömung des
fluiden Mediums bilden, welche instabil sind und Schwankungen unterworfen
sind. Diese Schwankungen in der Größe der Ablösegebiete
können zu Signalschwankungen führen. Zudem wird
durch diese Ablösegebiete das Pulsationsverhalten der Sensoranordnung
verschlechtert. Diese Ablösegebiete sind in der Regel unvermeidlich,
insbesondere dann, wenn der Messkanal im Bereich des Sensorelements einen
verengten Querschnitt im Vergleich zu näher am Messkanalauslass
gelegenen Messkanalabschnitten aufweist. Eine derartige Verengung
ist jedoch zur Verbesserung der Signalqualität durch eine lokale
Strömungsbeschleunigung in vielen Sensoranordnungen vorgesehen.
Die Ablösegebiete entstehen dann in der Regel unvermeidlich
bei der Strömungsexpansion vom Sensorelement in Richtung zum
Messkanalauslass.
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Durch
die versetzten Stufen ist es zwar in der Regel nicht möglich,
die Ablösegebiete zu vermeiden. Diese Ablösegebiete
werden jedoch durch die versetzten Stufen ortsfest, klein und stabil
gehalten. Auf diese Weise lässt sich die Signalqualität
der Sensoranordnung deutlich verbessern. Insbesondere können
die Stufen im Bestandteil einer stufenförmigen Erweiterung
des Kanals sein. Durch eine derartige stufenförmige Erweiterung
in einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums werden die
Ablösegebiete räumlich fixiert und ändern
ihre Größe und Lage in der Regel auch bei wechselnden
Randbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder hinsichtlich Turbulenzen, nicht.
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Die
vorgeschlagene Sensoranordnung lässt sich auf verschiedene
Weisen weiter verbessern. Wie oben dargestellt, ist es besonders
bevorzugt, wenn die zwei Stufen zueinander um einen im Wesentlichen
rechten Winkel versetzt sind. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die
mindestens zwei Stufen auch entlang der Strömungsrichtung
durch den Kanal zueinander versetzt sind. So kann beispielsweise
mindestens eine zweite Stufe um eine Versatzstrecke stromabwärts
einer ersten Stufe angeordnet sein. Eine derartige Versetzung der
Stufen zueinander, in Kombination mit dem genannten Winkelversatz, kann
weiter dazu beitragen, die Ablösegebiete zu verkleinern
und zu stabilisieren und/oder Interaktionen zwischen den Ablösegebieten
zu vermeiden.
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Weiterhin
wurden oben bereits verschiedene Möglichkeiten der Anordnung
der Stufen diskutiert. So kann beispielsweise mindestens eine erste
Stufe in einer zur Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums
zumindest im Wesentlichen parallelen Vorder- und/oder Rückwand
des Kanals angeordnet sein und mindestens eine zweite Stufe in einer
zu der Vorder- und/oder Rückwand zumindest im Wesentlichen senkrechten
Seitenwand des Kanals. Unter „im Wesentlichen parallel” bzw. „im
Wesentlichen senkrecht” kann dabei jeweils auch eine leichte
Abweichung von 0° bzw. 90° verstanden werden,
beispielsweise eine Abweichung um nicht mehr als 20°.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die äußere
Ausgestaltung des Steckerteils, welche ebenfalls zur Beruhigung
und Vergleichmäßigung der Strömung in
den mindestens einen Kanal beitragen kann und welche somit synergetisch
mit den oben beschriebenen Maßnahmen zur Verbesserung der
Signalqualität zusammenwirken kann.
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So
ist es besonders bevorzugt, wenn das Steckerteil eine einstückig
mit einem den Kanal aufnehmenden Gehäuse des Steckerteils
ausgebildete abgerundete Anströmkante aufweist. Diese Anströmkante
weist bei in die Strömung eingebrachtem Steckerteil, also
beispielsweise bei in einer Halterung des Steckerteils eingebrachtem
Steckerteil, der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums
entgegen. Diese Halterung kann beispielsweise ebenfalls Bestandteil
der Sensoranordnung sein. Die Anströmkante kann dabei ein
beliebiges abgerundetes Profil aufweisen. Beispielsweise kann die
Anströmkante ein elliptisches Profil, ein kreisförmiges
Profil oder eine andere Art von abgerundetem Profil aufweisen. Weiterhin
können in der Anströmkante, welche einstückig
mit dem übrigen Steckerteil ausgebildet ist, Strömungsführungselemente
vorgesehen sein, wie beispielsweise Strömungsrillen oder ähnliches.
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Weiterhin
kann die Signalqualität, insbesondere die Empfindlichkeit
gegenüber unterschiedlichen Anstellwinkeln des Steckerteils
gegenüber der Hauptströmungsrichtung, weiter verbessert
werden durch eine geeignete Anordnung des mindestens einen Kanalauslasses.
Insbesondere eine geeignete Anordnung des Messkanalauslasses kann
dabei zu einer Verbesserung der Signalqualität führen.
So kann der Kanal, wie oben dargestellt, mindestens einen Messkanal
aufweisen, in welchem der mindestens eine Sensorchip angeordnet
ist. Dieser Messkanal weist mindestens einen Messkanalauslass auf, wobei
der Messkanalauslass an einer zur Längserstreckungsrichtung
des Steckerteils im Wesentlichen senkrecht orientierten Stirnseite
des Steckerteils angeordnet ist. Beispielsweise kann diese Stirnseite
im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung und/oder
vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer durch die Längserstreckungsrichtung
und die Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums gebildeten
Ebene orientiert sein. Unter „im Wesentlichen senkrecht” können
dabei auch wiederum leichte Abweichungen von einem 90°-Winkel
verstanden werden, beispielsweise Abweichungen um nicht mehr als
20°. Ein Vorteil dieser Anordnung, insbesondere in Kombination
mit der einstückig am Steckerteil angeformten Anströmkante,
liegt darin, dass der Messkanalauslass auf der Stirnseite vergleichsweise
geringen Änderungen der Druckverhältnisse unterworfen
ist, wenn der Anstellwinkel des Steckerteils relativ zur Hauptströmungsrichtung
verändert wird. Auf diese Weise ist die Signalqualität
weitgehend unabhängig von den tatsächlichen Einbaubedingungen
des Steckerteils in der Sensoranordnung.
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In
diesem Zusammenhang ist es weiterhin besonders bevorzugt, wenn das
Steckerteil am Übergang zwischen der Stirnseite mit dem
Messkanalauslass und der Anströmkante eine Abschrägung
oder Abrundung aufweist. So kann beispielsweise die Stirnseite als
im Wesentlichen ebene Stirnseite ausgebildet sein, und lediglich
am Übergang zur Anströmkante kann die genannte
Abschrägung oder Abrundung vorgesehen sein. Diese Abschrägung oder
Abrundung, welche beispielsweise in Form einer „Nase” ausgestaltet
sein kann, kann zu einer Beschleunigung der Strömung im
Bereich des Übergangs von der Anströmkante zur
Stirnseite führen, was zu einer Verringerung des Drucks
am Messkanalauslass und somit zu einem erhöhten Luftdurchsatz
durch den Messkanal führt. Hierdurch lässt sich der
Signalhub erhöhen, und das Signalrauschen lässt
sich vermindern, so dass insgesamt das Signal-Rauschverhältnis
verbessert werden kann. Insgesamt lassen sich also durch die genannten
Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, eine Unabhängigkeit
des Sensorsignals von der Druckdifferenz zwischen Einlassöffnung
und Auslassöffnung sowie eine Verbesserung der Signalqualität
erzielen.
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Weitere
Verbesserungen lassen sich dadurch erreichen, dass die Strecke,
welche das fluide Medium von der Einlassöffnung bis hin
zum Sensorchip zurücklegen muss, möglichst lang
ausgestaltet wird. So können beispielsweise eine Anströmstrecke zwischen
der Einlassöffnung und dem Sensorchip und eine Abströmstrecke
zwischen Sensorchip und Messkanalauslass vorgesehen sein. Dabei
ist die Anströmstrecke vorzugsweise möglichst
groß ausgestaltet, damit Strömungsunregelmäßigkeiten
in dieser Anströmstrecke durch ein möglichst großes
Beruhigungsvolumen ausgeglichen werden können. Dementsprechend
ist es besonders bevorzugt, den Sensorchip im Messkanal möglichst
weit stromabwärts anzuordnen. Dies bedeutet insbesondere, dass
die Anströmstrecke vorzugsweise mindestens genauso groß ist
wie die Anströmstrecke.
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Bei
herkömmlichen Sensoranordnungen ist dies jedoch in der
Regel nicht der Fall. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass
der Sensorchip, wie oben dargestellt, in der Regel auf einem Kunststoff-Sensorträger
angeordnet ist, welcher symmetrisch an einem Bodenblech angespritzt
ist. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen,
dass die Sensoranordnung mindestens ein Elektronikmodul mit einer
Ansteuer- und Auswerteschaltung umfasst. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung
kann beispielsweise eine Leiterplatte umfassen, auf welcher entsprechende
elektronische Bauelemente und/oder entsprechende Leiterbahnen, Kontaktpads,
Anschlusskontakte oder ähnliches vorgesehen sein können.
Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann ausgestaltet sein, um die
Funktionalität der Sensoranordnung ganz oder teilweise
zu gewährleisten, also beispielsweise um das Sensorelement
anzusteuern und zumindest teilweise dessen Signale auszuwerten.
Das Elektronikmodul weist vorzugsweise einen Sensorträger
auf, auf welchem und/oder in welchem der Sensorchip aufgenommen
ist. Insbesondere kann es sich bei diesem Sensorträger
um einen Sensorträgerfortsatz einer Leiterplatte handeln,
wie unten noch näher erläutert wird. Der Sensorträger
ist dabei vorzugs weise asymmetrisch auf einer stromabwärtigen
Seite des Elektronikmoduls angeordnet. Im Gegensatz zu den symmetrischen,
aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen kann so die Anströmstrecke
des fluiden Mediums vergrößert werden, so dass
das fluide Medium in einem beruhigteren Zustand am Sensorchip anlangt
als bei herkömmlichen Sensoranordnungen.
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Der
Sensorträger kann dabei grundsätzlich wie im Stand
der Technik beschrieben ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist
diese asymmetrische Anordnung jedoch in Kombination mit einem weiteren,
auch unabhängig realisierbaren Aspekt der Erfindung, welche
die Ausgestaltung des Elektronikmoduls betrifft. Dieses Elektronikmodul
mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung kann, im Gegensatz zu bekannten
Elektronikmodulen, dadurch vereinfacht werden, dass dieses zumindest
weitgehend, vorzugsweise vollständig, auf das Bodenblech
verzichtet. Dabei werden vorzugsweise der Sensorträger und
die Leiterplatte der Ansteuer- und Auswerteschaltung zusammengefasst.
Zu diesem Zweck kann eine Leiterplatte vorgesehen sein, welche die
Ansteuer- und Auswerteschaltung trägt. Diese Leiterplatte
kann aus üblichen Leiterplattenmaterialien hergestellt
sein, beispielsweise aus Kunststoffen (beispielsweise aus glasfaserverstärkten
oder kohlfaserverstärkten Epoxiden), Keramiken, Verbundmaterialien
oder ähnlichem. Die Leiterplatte kann insbesondere als
gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ausgestaltet
sein. Erfindungsgemäß kann diese Leiterplatte
einen in den Kanal hineinragenden, mit der Leiterplatte also einstückig
ausgebildeten, Sensorträgerfortsatz aufweisen. Auf diesem
Sensorträgerfortsatz, welcher als Sensorträger
wirkt, kann der Sensorchip der Sensoranordnung angeordnet sein.
Dabei kann die Anordnung beispielsweise auf einer Oberfläche
des Sensorträgerfortsatzes erfolgen und/oder beispielsweise
auch zumindest teilweise integriert in den Sensorträgerfortsatz,
also beispielsweise eingelassen in eine Vertiefung in dem Sensorträgerfortsatz.
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Diese
Weiterbildung der Erfindung hat erhebliche Verbesserungen hinsichtlich
der technischen Herstellbarkeit der Sensoranordnung zur Folge. So
kann die Herstellung des Elektronikmoduls stark vereinfacht werden,
da dieses Elektronikmodul nunmehr einstückig ausgebildet
werden kann. Lediglich einen Einsatz des Sensorchips muss noch erfolgen,
sowie dessen elektrische Kontaktierung. Hierdurch lassen sich die
Kosten derartiger Elektronikmodule und der Sensoranordnung insgesamt
erheblich verringern. Leiterplatten lassen sich, insbesondere in
der beschriebenen asymmetrischen Anordnung, gut im Nutzen fertigen.
Auch die oben dargestellte asymmetrische Anordnung des Sensorträgerfortsatzes
lässt sich auf diese Weise leicht realisieren.
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Der
Sensorträger bzw. der Sensorträgerfortsatz muss
allgemein nicht senkrecht zur lokalen Strömung des strömenden
fluiden Mediums in dem Messkanal angeordnet sein. So kann dieser
Sensorträger bzw. dieser Sensorträgerfortsatz
auch unter einem von 90° abweichenden Winkel in den Messkanal hineinragen.
Besonders bevorzugt ist es dann jedoch, wenn der Sensorchip schräg
zu einer Längserstreckungsachse des Sensorträgerfortsatzes
angeordnet ist. Beispielsweise kann der Sensorchip eine Hauptachse
aufweisen, beispielsweise eine Hauptachse, parallel zu welcher die
wesentlichen Sensorelemente des Sensorchips angeordnet sind. Beispielsweise
können Heizwiderstände, Temperaturfühler oder ähnliches
parallel zu dieser Hauptachse angeordnet sein. Diese Hauptachse
ist dann vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung
des fluiden Mediums angeordnet, wobei jedoch auch in diesem Fall
wiederum leichte Abweichungen von dem senkrechten Winkel möglich sind,
beispielsweise Abweichungen um nicht mehr als 10°. Auf
diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Messung
an einer genau definierten Stelle entlang des Messkanals des Steckerteils
erfolgt.
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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.
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Es
zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer dem Stand der Technik entsprechenden
Sensoranordnung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel einer verbesserten Sensoranordnung
mit einer Leiterplatte als Elektronikmodul;
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung; und
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4 eine
Darstellung der Druckverhältnisse um die Sensoranordnung
gemäß 3.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer dem Stand der Technik entsprechenden
Sensoranordnung 110 dargestellt, welche beispielsweise
unter der Bezeichnung HFM7-IP von der Robert Bosch GmbH, Deutschland,
kommerziell erhältlich ist. Die Sensoranordnung 110 umfasst
ein Steckerteil 112 mit einem Messfinger 114,
welcher über einen Flansch 116 in einen Ansaugtrakt
einer Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Strömungsrohr
dieses Ansaugtrakts, eingebracht werden kann. Das Strömungsrohr
selbst oder ein Segment dieses Strömungsrohrs kann Bestandteil
der Sensoranordnung 110 sein. Die Sensoranordnung 110 umfasst
ein Gehäuse 118, in welchem ein Elektronikraum 120 ausgebildet
ist. In diesem Elektronikraum 120 ist ein Elektronikmodul 122 eingebracht,
welches ein Bodenblech 124 mit einer darauf aufgebrachten
Leiterplatte 126 einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 128 umfasst.
Weiterhin umfasst das Elektronikmodul 122 einen an dem
Bodenblech 124 angespritzten Sensorträger 130.
Dieser Sensorträger 130 nimmt in einer Aussparung
einen Sensorchip 132 auf, beispielsweise einen Sensorchip
auf Silizium-Basis.
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Weiterhin
ist in dem Gehäuse 118 eine Kanalstruktur 134 ausgebildet,
welche in diesem Beispiel mehrere Kanäle 136 umfasst.
Unter anderem wird hierdurch ein Messkanal 138 gebildet,
in welchem durch eine Einlassöffnung 140 in dem
Messfinger 114 ein strömendes fluides Medium in
einer repräsentativen Menge einströmen kann. Der
Sensorträger 130 mit dem Sensorchip 132 ragt
in diesen Messkanal 138 durch einen Durchbruch 142 hinein. Der
Sensorchip 132 und die Ansteuer- und Auswerteschaltung 128 werden
durch in 1 nicht dargestellte elektrische
Verbindungen in Form von Bondverbindungen miteinander verbunden.
Das Gehäuse 118 umfasst neben einem Gehäusekörper 144 einen Elektronikraumdeckel 146 und
einen Bypasskanaldeckel 148, welcher die Kanalstruktur 134 abdeckt. Dabei
ist an dem Bypasskanaldeckel 148 eine Abdichtung 150 in
Form eines Dichtschwerts 152 aufgenommen, welches in 1 nur
teilweise erkennbar ist und welches einen in 1 nach unten
ragenden Steg bildet. Dieser Steg liegt auf dem Sensorträger 130 auf.
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In 2 ist
eine noch nicht aus dem Stand der Technik bekannte Abwandlung der
in 1 gezeigten Sensoranordnung 110 in Draufsicht
gezeigt. Die Abwandlungen gegenüber der 1 können auch
im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Ansonsten
entsprechen der Aufbau und die Funktionsweise der Sensoranordnung 110 gemäß 2 in
weiten Teilen der Anordnung gemäß 1,
so dass weitgehend auf die obige Beschreibung dieser 1 verwiesen
werden kann. Dabei ist in der Darstellung gemäß 2 die
Kanalstruktur 134, welche durch den Gehäusekörper 144,
in Zusammenwirkung mit dem in 2 nicht
gezeigten Bypasskanaldeckel 148, gebildet wird, beispielhaft im
Detail zu erkennen. Es lasst sich sehen, dass, ausgehend von dem
mit der Hauptströmungsrichtung 156 strömenden
fluiden Medium entgegenweisenden Einlassöffnung 140,
ein Hauptkanal 158 zu einem seitlich im Gehäusekörper 144 aufgenommenen Hauptkanalauslass 160 verläuft.
Von diesem Hauptkanal 158 zweigt der Messkanal 138 ab,
welcher schließlich in einem Messkanalauslass 162 mündet. In
den Messkanal 138 ragt, durch einen Durchbruch 142 in
einer Kanalwand 164 (Messkanalwand), ein Sensorträger 130.
Im Unterschied zur Anordnung gemäß 1 sind
in dem in 2 dargestellten Beispiel vorzugsweise
das Bodenblech 124 und der Sensorträger 130 gemäß 1 vereinheitlicht
und durch eine gemeinsame Leiterplatte 126 ersetzt, welche
auch die Ansteuer- und Auswerteschaltung 128 trägt.
Der Sensorchip 132 ist unmittelbar auf diese Leiterplatte 126 bzw.
einen den Sensorträger 130 bildenden, in den Messkanal 138 hineinragenden
Sensorträgerfortsatz 165 der Leiterplatte 126 eingesetzt oder
auf diesen aufgesetzt.
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Die
elektrische Anbindung des Sensorchips 132 an die Leiterplatte 126 bzw.
die Ansteuer- und Auswerteschaltung 128 kann wiederum über
elektrische Verbindungen 154 erfolgen, beispielsweise über
Bonddrähte. Diese elektrischen Verbindungen 154 sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Glob
Top 166 in Form beispielsweise eines Klebstoff-Tropfens
und/oder Kunststoff-Tropfens geschützt. Dieser Glob Top 166 liegt
vorzugsweise auf der Bypassseite der Leiterplatte 126,
so dass die Abdichtung 150 zwischen dem Messkanal 138 und dem
Elektronikraum 120 dahinter, auf der Leiterplatte 126 erfolgt.
Diese Abdichtung 150, welche beispielsweise wiederum durch
ein Dichtschwert 152 im Bypasskanaldeckel 148 realisiert
sein kann, ist in 2 lediglich angedeutet.
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Der
Durchsatz durch die Kanäle 136 des Steckerteils 112 wird
entscheidend durch die Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung 140 und
den Auslässen 160 bzw. 162 bestimmt.
Aufgrund des Querschnitts beispielsweise der in den 1 und 2 dargestellten
Steckerteile 112 ändert sich diese Druckdifferenz
jedoch bei einer Schräganströmung des Steckerteils 112 durch
das fluide Medium. Diese Änderungen sollen anhand der Darstellung
in 4 erläutert werden.
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In 4 ist
symbolisch ein Profil 168 des Steckerteils 112,
beispielsweise in einer Schnittebene senkrecht zur Längserstreckung
des Steckerteils 112, dargestellt. Dieses Profil 168 ist
beispielsweise als Tragflächenprofil ausgestaltet und weist
eine Saugseite 170 und eine Druckseite 172 auf.
Bedingt durch das Tragflächenprofil und die damit verbundene
Strömungsverengung über der Saugseite 170 herrscht
auf dieser Saugseite 170 ein geringerer Druck im strömenden
fluiden Medium als auf der Druckseite 172. Dabei wird das
Profil 168 von dem strömenden fluiden Medium unter
einem Anströmwinkel α angeströmt, welcher
in 4 symbolisch angedeutet ist. Dieser Anströmwinkel α ist
der Winkel zwischen der Hautströmungsrichtung 156 und
einer lediglich symbolisch angedeuteten Mittelachse 174 des
tragflächenförmigen Profils 168. Über
dem Profil 168 in 4 sind symbolisch
die Druckverhältnisse auf der Saugseite 170 und
auf der Druckseite 172 aufgetragen. Dargestellt ist dabei
jeweils der so genannte Druckbeiwert cp,
also das dimensionslose Verhältnis zwischen dem Druck und
dem Staudruck, als Position entlang einer Profilmittellinie des
Profils 168. Die Druckbeiwerte wurden dabei jeweils mittels Simulationsrechnungen
ermittelt. Dabei ist zu beachten, dass die Achse des Druckbeiwerts
cp in der Darstellung gemäß 4 invertiert
ist, so dass nach oben hin negative Werte aufgetragen sind.
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Die
Kurven 176 bis 184 bezeichnen dabei jeweils die
Druckbeiwerte auf der Druckseite 172 bei verschiedenen
Anstellwinkelen α, nämlich die Kurve 176 bei
4°, die Kurve 178 bei 2°, die Kurve 180 bei
0°, die Kurve 182 bei –2° und
die Kurve 184 bei –4°. Der Anstellwinkel
ist dabei bei einer Anströmung schräg von unten
in 4 negativ gerechnet, bei einer Anströmung
schräg von oben hingegen positiv. Entsprechend bezeichnen
die Kurven 186 bis 194 die Druckbeiwerte auf der
Saugseite 170 bei verschiedenen Anstellwinkeln α,
nämlich die Kurve 186 bei –4°,
die Kurve 188 bei –2°, die Kurve 190 bei
0°, die Kurve 192 bei 2° und die Kurve 194 bei
4°. Unabhängig von Details der in 4 dargestellten
Druckbeiwert-Kurven ist erkennbar, dass sich die Druckverhältnisse auf
beiden Seiten des Profils 168 mit einer Veränderung
des Anstellwinkels α erheblich verändern können.
Dies bedeutet jedoch, dass auch ein Durchsatz durch die Kanalstruktur 134 und
somit durch den Messkanal 138 stark vom Anstellwinkel α abhängig ist.
Dies jedoch bedeutet, dass sich auch das Messsignal mit dem Anstellwinkel α ändern
kann.
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Dementsprechend
ist in 3 ein erfindungsgemäßes Beispiel
der Sensoranordnung 110 dargestellt, welches in der dargestellten
Ausführungsform vergleichsweise unempfindlich ist gegenüber
den Veränderungen des Anstellwinkels und welches allgemein
verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Signalqualität
aufweist. Die Sensoranordnung 110 ist zunächst
weitgehend aufgebaut wie die Sensoranordnung gemäß 2,
so dass in weiten Teilen auf die Beschreibung dieser Sensoranordnung gemäß 2 verwiesen
werden kann. So weist die Sensoranordnung 110 wiederum
ein Steckerteil 112 auf, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine
abgerundete, der Hauptströmungsrichtung 156 entgegenweisende
und einstückig mit einem Gehäuse 118 des
Steckerteils 112 ausgebildete Anströmkante 196 vorgesehen
ist. Diese Anströmkante kann Strömungsrillen 198 oder
andere strömungsführende Elemente umfassen, welche
in 3 lediglich angedeutet sind.
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Ein
Unterschied zu der in 2 gezeigten Ausführungsform
bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
gemäß 3 besteht in der Ausgestaltung
der Kanalstruktur 134. Zunächst weist diese Kanalstruktur 134 wiederum
einen von einer Einlassöffnung 140 ausgehenden
Hauptkanal 158 auf, welcher wieder in einem seitlich auf
dem Steckerteil 112 angeordneten Hauptkanalauslass 160 mündet.
Von diesem Hauptkanal 158 zweigt, wie auch in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2, ein Messkanal 138 ab, in
welchem wiederum ein Sensorträger 130 mit einem
darauf aufgebrachten Sensorchip 132 hineinragt. Wie auch
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
dabei ein Elektronikmodul 122 als einstückige
Leiterplatte 126 ausgebildet, welche auch eine Ansteuer-
und Auswerteschaltung 128 trägt. Der Sensorträger 130 ist
in Form eines in den Messkanal 138 hineinragenden Sensorträgerfortsatzes 165 ausgebildet.
Bezüglich der Vorteile dieser einstückigen Ausbildung
des Elektronikmoduls 122 kann auf die Beschreibung der 2 verwiesen
werden. Im Unter schied zu der dort dargestellten Ausführungsform ist
die Leiterplatte 126 im Elektronikraum 120 mit
einer abgeschrägten Kante 200 versehen, was jedoch nicht
zwingend erforderlich ist und was entsprechend den jeweils vorgegebenen
Bauraumdimensionen jeweils optimal wählbar ist. Im Gegensatz
zu der in 2 dargestellten Ausgestaltung
ist der Sensorträgerfortsatz 165 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 vorzugsweise nicht in einem
horizontal, parallel zur Hauptströmungsrichtung 156 verlaufenden Abschnitt
des Messkanals 138 angeordnet, sondern in 3 nach
links, weg von der Einlassöffnung 140 verschoben,
in einen bereits wieder teilweise senkrecht, parallel zur Längserstreckung
verlaufenden Abschnitt des Messkanals 138. Dadurch kann
die Anströmstrecke zwischen der Einlassöffnung 140 und dem
Sensorchip 132 zusätzlich verlängert
werden. Der Sensorträgerfortsatz 165 steht dann
nicht mehr senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung des
fluiden Mediums im Messkanal 138, sondern unter einem von
90° verschiedenen Winkel. Der Sensorchip 132 selbst
kann jedoch schräg auf diesen Sensorträgerfortsatz 165 angeordnet
sein, wie in 3 dargestellt, so dass die Haupterstreckung
dieses Sensorchips 132 wiederum senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung
des fluiden Mediums im Messkanal 138 verläuft.
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Stromabwärts
des Sensorträgerfortsatzes 165 sind in dem in 3 gezeigten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der Sensoranordnung 110 zwei Stufen 202, 204 vorgesehen.
Dabei ist eine erste Stufe 202 unmittelbar stromabwärts
des Sensorträgerfortsatzes 165 in einer Seitenwand 206 vorgesehen,
verläuft also im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung
des Steckerteils 112 und zur Hauptströmungsrichtung 156.
Eine zweite Stufe 204 ist um eine Versatzstrecke, welche
in 3 mit L bezeichnet ist, stromabwärts
der ersten Stufe 202 angeordnet. Diese zweite Stufe 204 ist
dabei in einer Rückwand 208 des Messkanals 138 ausgebildet.
Da die Seitenwand 206 und die Rückwand 208 beispielsweise
bei einem rechteckigen Messkanalquerschnitt senkrecht zueinander
stehen, sind somit auch die beiden Stufen 202, 204 um
einen Winkel von zumindest näherungsweise 90° gegeneinander
winkelversetzt.
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Wie
oben dargestellt, bewirken die Stufen 202, 204 eine
Verkleinerung und Stabilisierung eines Ablösegebietes stromabwärts
des Sensorchips 132. Derartige Ablösegebiete entstehen
insbesondere wenn, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 möglich, der Messkanal 138 im
Bereich dieses Sensorchips 132 verengt wird. Eine derartige
Verengung kann beispielsweise durch eine Bypasskanaldeckel 148 erfolgen
und/oder durch eine entsprechende Ausgestaltung der Rückwand 208 des
Messkanals 138 im Bereich des Sensorchips 132.
Diese Verengung bewirkt eine Beschleunigung der Strömung
im Bereich des Sensorchips 132 und damit eine Erhöhung
des Signalhubs. Da sich stromabwärts des Sensorchips 132 in
diesem Fall der Querschnitt des Messkanals 138 wieder aufweitet,
kann es bei einer derartigen Strömungsexpansion zu Ablösegebieten
kommen, welche jedoch durch die erfindungsgemäßen
Stufen 202, 204 ortsfest gehalten werden können
und weiterhin klein und stabil ausgestaltet werden können.
Hierdurch wird die Signalqualität der Sensoranordnung 110 erheblich
verbessert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Stufen 202, 204, welche
zueinander winkelversetzt sind, in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 lediglich beispielhaft zu
verstehen sind. So sind die Stufen 202, 204 beispielsweise
wie bei der ersten Stufe 202 angedeutet, durch eine zunächst
kontinuierliche Verengung des Kanalquerschnitts, gefolgt von einer
plötzlichen Erweiterung, ausgebildet. Der Stufenwinkel
beträgt zumindest näherungsweise 90°.
Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Weiterhin sind auch zusätzliche Stufen in den Wänden 202, 208 des
Messkanals 138 möglich. So kann beispielsweise,
alternativ oder zusätzlich, eine Stufe in einer Vorderwand
des Messkanals 138 angeordnet sein, also beispielsweise
in einer durch den Bypasskanaldeckel 148 (siehe 1)
gebildeten Wand des Messkanals 138. Weiterhin können
auch mehrere, entlang der Strömungsrichtung im Messkanal 138 zueinander
versetzte Stufen vorgesehen sein. Weiterhin kann, alternativ oder
zusätzlich zur ersten Stufe 202, auch eine weitere
erste Stufe 202 an einer gegenüberliegenden Seitenwand 206 des
Messkanals 138 angeordnet sein. Weiterhin sind auch von
einem rechteckigen Kanalquerschnitt abweichende Kanalquerschnitte
des Messkanals 138 möglich, wobei auch in diesem
Fall winkelversetzt zueinander angeordnete Stufen 202, 204 vorgesehen
sein können.
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Eine
weitere erfindungsgemäße mögliche Verbesserung
der Sensoranordnung 110 adressiert die anhand der 4 oben
beschriebene Problematik der Änderung der Strömungsverhältnisse
bei Änderung des Anströmwinkels α. So
ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 3,
im Gegensatz beispielsweise zu der Ausführungsform gemäß 2, welche
ebenfalls erfindungsgemäß mit Stufen 202, 204 ausgestattet
werden könnte, der Messkanalauslass 162 nicht
in einer Seitenwand des Steckerteils 112 vorgesehen, wie
beispielsweise der Hauptkanalauslass 160, sondern in einer
zur Längserstreckungsrichtung und zur Hauptströmungsrichtung 156 im
Wesentlichen senkrecht angeordneten Stirnseite 210 des
Steckerteils 112. Die Druckverhältnisse auf dieser
Stirnseite 210 ändern sich auch bei einer Veränderung
des Anstellwinkels α gemäß 4 nur
unwesentlich oder gar nicht. Auf diese Weise kann somit eine weitgehende
Unabhängigkeit der Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung 140 und
dem Messkanalauslass 162 von den äußeren
Einbaubedingungen des Steckerteils 112 erzielt werden.
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Weiterhin
können die Signaleigenschaften noch zusätzlich
durch eine Beschleunigung der Strömung entlang der Stirnseite 210 verbessert
werden. Eine derartige Beschleunigung kann, ausgehend von der Anströmkante 196 im
Bereich der Einlassöffnung 140, also beispielsweise
von dem in 3 mit A bezeichneten Punkt,
hin zur Stirnseite 210, beispielsweise dem in 3 mit
B bezeichneten Punkt, durch einen abgerundeten Übergang 212 zwischen
der Anströmkante 196 und der Stirnseite 210 erzielt
werden. Auf diese Weise wird zwischen den Punkten A und B durch
den abgerundeten Übergang 212, welcher auch als
hochgezogene „Nase” bezeichnet werden kann, die
Strömung zusätzlich beschleunigt werden. Dies
führt zu einem geringeren Druck am Messkanalauslass 162 und
somit zu einem erhöhten Luftdurchsatz durch den Messkanal 138.
Hierdurch lassen sich der Signalhub erhöhen und das Signalrauschen
verringern.
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Allgemein
lasst sich durch das Design der Kanäle 136, insbesondere
des Messkanals 138, gemäß dem in 3 gezeigten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
die Kanallänge, insbesondere des Messkanals 138,
erhöhen. Dies kann zu einer Verringerung des Pulsationsfehlers
führen, abhängig von der verwendeten Elektronik,
da insgesamt eine größere träge Luftmasse
in dem Messkanal 138 bewegt werden muss. Insgesamt lasst
sich mittels der in der 3 vorgeschlagenen Verbesserungen
also eine Sensoranordnung 110 mit einem ausgezeichneten
Pulsationsverhalten erzielen. Dies bedeutet, dass ein Mittelwert
des Sensorsignals durch das Vorhandensein von Oszillationen in der
zuströmenden Luft nicht oder kaum verändert wird.
Dieses Verhalten kann vor allem durch die Länge des Messkanals 138 beeinflusst
werden, da die eingeschlossene Luftmasse über eine gewisse
Masse verfügt und aufgrund der Wandreibung auch einer Dämpfung
ausgesetzt ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Sensoranordnung 110 ermöglicht eine größere
Länge der Kanalstruktur 134 allgemein, was insbesondere
bei Sensoranordnungen 110 mit Tiefpassfiltern im Elektronikmodul 122,
beispielsweise in der Ansteuer- und Auswerteschaltung 128,
für ein besseres dynamisches Verhalten sorgt. Durch die
erfindungsgemäß mögliche Verlegung des
Messkanalauslasses 162 auf die Stirnseite 210 des
Steckerteils 112 kann das Sensorsignal weniger anstellwinkelabhängig
ausgestaltet werden. Dadurch wird die Anströmempfindlichkeit,
das heißt die Veränderung des Luftmassensignals
bei Änderung des Anstellwinkels der Zuströmung
relativ zum Steckerteil 112, verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10253970
A1 [0002, 0004, 0004]
- - DE 10246069 A1 [0006, 0006]