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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik, sind zahlreiche Vorrichtungen zur Erfassung von Eigenschaften strömender fluider Medien bekannt. Bei den fluiden Medien kann es sich grundsätzlich um Gase und/oder Flüssigkeiten handeln, beispielsweise strömende Luftmassen im Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen. Auch andere Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung sind jedoch grundsätzlich denkbar. Bei der zu erfassenden Eigenschaft, wobei auch mehrere Eigenschaften erfasst werden können, kann es sich insbesondere um Strömungseigenschaften handeln, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Massenstrom oder Volumenstrom. Auch eine Kombination der genannten und/oder anderer Eigenschaften kann grundsätzlich erfasst werden. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Luftmassenmesser beschrieben, insbesondere Luftmassenmesser, welche auf der Verwendung von Ultraschallsignalen basieren, die durch das fluide Medium übertragen und durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst werden. Aus der Beeinflussung der Ultraschallsignale kann auf die Strömungseigenschaft geschlossen werden. Derartige Vorrichtungen werden auch als UFM (ultrasonic flow meter) bezeichnet. Ultraschall-Luftmassenmesser messen in der Regel die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Laufzeiten zweier Ultraschallsignale, welche von einem oder mehreren Ultraschallwandlern emittiert und/oder empfangen werden können. Das fluide Medium durchströmt dabei üblicherweise ein Strömungsrohr in Form eines Messrohrs. Ultraschallsignale werden in der Regel mit mindestens einer Richtungskomponente parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums durch das fluide Medium transmittiert. Aus einer Signalbeeinflussung durch das fluide Medium, beispielsweise durch Signalverwehungen und/oder Dopplereffekte, kann auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder den Luftmassenstrom und/oder Volumenstrom geschlossen werden. Dabei können die Ultraschallsignale direkt zwischen den Ultraschallwandlern übertragen werden, oder es können auch eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion der Ultraschallsignale eingesetzt werden. Häufig werden dabei noch so genannte Strömungsgitter eingesetzt, welche stromaufwärts der Vorrichtung oder als Teil der Vorrichtung in der Strömung angeordnet sind und welche einer Vergleichmäßigung der Strömung dienen sollen.
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Bei Vorrichtungen der beschriebenen Art oder auch bei anderen Arten von Vorrichtungen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums stellt sich jedoch allgemein die Problematik, dass sich Strömungsgrenzschichten an überströmten Oberflächen der Vorrichtung negativ bemerkbar machen können. Strömungsgrenzschichten sind allgemein Schichten im Bereich der Oberflächen, beispielsweise Schichten mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zu Strömungsbereichen weiter innen im Strömungsrohr, entfernt von den Oberflächen. Diese Strömungsgrenzschichten können verschiedene Strömungszustände aufweisen, beispielsweise laminare Strömungszustände, laminar-turbulente Übergangszustände sowie turbulente Strömungszustände. Auch Kombinationen der Zustände können vorliegen. Die Strömungsgrenzschichten im Bereich der Vorrichtung können jedoch die Signale und die Signalqualität der Vorrichtung stark beeinflussen. Insbesondere kann ein Übergang zwischen den einzelnen Strömungszuständen erfolgen, welcher nicht immer vorhersagbar ist, welcher jedoch die Signale und die Signalqualität deutlich beeinträchtigen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere weist die Vorrichtung eine deutlich verbesserte Signalqualität auf und eine deutlich verbesserte Robustheit gegenüber verschiedenen Betriebszuständen und damit Strömungszuständen des strömenden fluiden Mediums an relevanten Oberflächen.
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Bei der Vorrichtung kann es sich grundsätzlich um eine Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung handeln, welche beispielsweise in einem gasförmigen und/oder flüssigen Medium eingesetzt werden kann, insbesondere an Luft, beispielsweise in einer Luftmasse eines Kraftfahrzeugs. Besonders bevorzugt ist der Einsatz in einem Motor-Ansaugtrakt eines Kraftfahrzeugs. Bei der mindestens einen Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um eine oder mehrere der oben genannten Eigenschaften handeln, insbesondere eine oder mehrere Strömungseigenschaften, wie beispielsweise eine Geschwindigkeit und/oder einen Volumenstrom (d. h. ein strömendes Volumen pro Zeiteinheit) und/oder einen Massenstrom (d. h. eine transportierte Masse pro Zeiteinheit). Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Sensorvorrichtung zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine Sensorvorrichtung mit einem oder mehreren Sensoren handeln, welche eingerichtet sind, um die mindestens eine Eigenschaft zu erfassen. Auch diesbezüglich kann exemplarisch auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung einen, vorzugsweise zwei oder mehr Ultraschallwandler umfassen und als Ultraschall-Sensor ausgestaltet sein, beispielsweise als Ultraschall-Luftmassenmesser. Zusätzlich zu dem mindestens einen Ultraschallwandler kann optional mindestens eine Reflexionsvorrichtung mit mindestens einer Reflexionsfläche vorgesehen sein, wobei ebenfalls auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Auch andere Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine von dem fluiden Medium überströmbare Oberfläche. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Innenwand eines Strömungsrohrs handeln, beispielsweise eine Strömungsrohrsequenz, wobei das Strömungsrohr selbst optional Bestandteil der Vorrichtung sein kann, beispielsweise als Strömungsrohrsegment, in welches die Sensorvorrichtung fest oder austauschbar integriert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine überströmbare Oberfläche auch beispielsweise die oben beschriebene optionale mindestens eine Reflexionsfläche umfassen, an welcher Ultraschallsignale reflektiert werden können, beispielsweise auf dem Weg von einem ersten Ultraschallwandler der Sensorvorrichtung zu einem zweiten Ultraschallwandler der Sensorvorrichtung oder zurück zum selben Ultraschallwandler. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich. Insbesondere kann die überströmbare Oberfläche im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des strömenden fluiden Mediums angeordnet sein, beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 20° relativ zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums. Unter einer Strömungsrichtung ist dabei eine Haupttransportrichtung des fluiden Mediums im Bereich der Vorrichtung zu verstehen, beispielsweise eine Haupttransportrichtung bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung innerhalb eines Strömungsrohrs.
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Zur Lösung der oben beschriebenen Problematik mit Strömungsgrenzschichten im Bereich der mindestens einen Oberfläche wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Absaugvorrichtung umfasst. Diese Absaugvorrichtung ist eingerichtet, um mindestens eine Strömungsgrenzschicht im Bereich der mindestens einen Oberfläche zumindest teilweise abzusaugen. Unter einer Absaugung ist dabei zu verstehen, dass die Absaugvorrichtung eingerichtet ist, um im Bereich mindestens einer Absaugstelle und/oder eines Absaugbereichs einen Unterdruck zu erzeugen, um fluides Medium aus der Strömungsgrenzschicht mittels dieses Unterdrucks zu entfernen.
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Wie oben dargestellt, kann die Sensorvorrichtung grundsätzlich auf beliebige Weise ausgestaltet sein und einen oder mehrere Sensoren umfassen. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung mindestens einen Ultraschallwandler und mindestens eine Reflexionsfläche zur Reflexion von Ultraschallsignalen umfassen. Die Absaugvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um die Strömungsgrenzschicht von der mindestens einen Reflexionsfläche zumindest teilweise abzusaugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung, wie oben ausgeführt, auch mindestens ein Strömungsrohr, beispielsweise ein Strömungsrohrsegment, umfassen. Die Absaugvorrichtung kann auch eingerichtet sein, um, alternativ oder zusätzlich, die Strömungsgrenzschicht an mindestens einer Innenwand des Strömungsrohrs zumindest teilweise abzusaugen. Beispielsweise kann die Absaugvorrichtung mindestens einen Absaugspalt umfassen. Im Fall der Absaugung von der Innenwand des Strömungsrohrs kann der Absaugspalt beispielsweise an der Innenwand des Strömungsrohrs angeordnet sein und kann beispielsweise mindestens einen kreisringförmigen und/oder mindestens einen kreisringsegmentförmigen Absaugspalt umfassen. Der Absaugspalt kann insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sein, beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 20° von einer senkrechten Ausrichtung zur Hauptströmungsrichtung. Alternativ oder zusätzlich zu einer Anordnung eines Absaugspalts an der Innenwand kann auch mindestens ein Absaugspalt auf der optionalen Reflexionsfläche angeordnet sein. Wiederum alternativ oder zusätzlich zu mindestens einem Absaugspalt kann bei dieser oder auch bei anderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch eine andere Art von Absaugung vorgesehen sein, beispielsweise eine punktförmige Absaugung, beispielsweise über mehrere punktförmige Absaugmündungen in der mindestens einen Oberfläche, oder eine andere Art von Absaugung.
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Die Vorrichtung kann, wie oben beschrieben, mindestens ein Strömungsrohr umfassen. Das Strömungsrohr kann beispielsweise als Strömungsrohrsegment ausgestaltet sein und/oder kann in eine größere Strömungsrohranordnung integrierbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung jedoch auch zumindest teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein und eingerichtet sein, um in ein Strömungsrohr eingesteckt zu werden. Dieses Einstecken kann reversibel oder auch fest erfolgen. Unter einem Steckfühler ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, welche derart in ein Strömungsrohr eingebracht werden kann, dass der Steckfühler zumindest teilweise, beispielsweise mit der Sensorvorrichtung, in einen Strömungsquerschnitt des Strömungsrohrs hineinragt. Im Falle der Ausgestaltung als Steckfühler kann die Absaugvorrichtung insbesondere zumindest teilweise in den Steckfühler integriert sein. So kann der Steckfühler beispielsweise die Sensorvorrichtung umfassen und weiterhin die Absaugvorrichtung oder zumindest einen Teil der Absaugvorrichtung. Beispielsweise können in den Steckfühler ein, zwei oder mehr Ultraschallwandler sowie optional mindestens eine Reflexionsfläche integriert sein, welche reversibel oder fest in das Strömungsrohr eingesteckt werden können. Die Absaugvorrichtung kann beispielsweise, wie oben beschrieben, mindestens einen Absaugspalt und/oder mindestens eine Absaugmündung, insbesondere ein Gitter von punktförmigen Absaugmündungen, umfassen. Im Falle der Ausgestaltung als Steckfühler können der mindestens eine Absaugspalt und/oder die mindestens eine Absaugmündung beispielsweise in dem Steckfühler integriert sein, optional gemeinsam mit einem oder mehreren Absaugkanälen.
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Die Absaugvorrichtung kann insbesondere zumindest teilweise stromaufwärts der Sensorvorrichtung und/oder im Bereich der Sensorvorrichtung angeordnet sein. Sind beispielsweise ein, zwei oder mehr Ultraschallwandler vorgesehen, so kann die Absaugvorrichtung, beispielsweise mindestens eine Absaugmündung, beispielsweise mindestens einen Absaugspalt und/oder mindestens eine Absaugöffnung, stromaufwärts des am weitesten stromaufwärts gelegenen Ultraschallwandlers angeordnet sein, beispielsweise in einer Innenwand des Strömungsrohrs. Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens eine Absaugmündung zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordnet sein. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Absaugvorrichtung, beispielsweise mindestens eine Absaugmündung, im Bereich einer Reflexionsfläche angeordnet sein, beispielsweise auf der Reflexionsfläche, vorzugsweise zu Beginn der Reflexionsfläche, insbesondere stromaufwärts mindestens eines Bereichs, in welchem während des Betriebs der Vorrichtung eine Reflexion von Ultraschallsignalen stattfindet. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Unter einer Anordnung eines ersten Elements ”stromaufwärts” zu einem zweiten Element ist dabei grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei welcher das strömende fluide Medium zuerst das erste Element und anschließend das zweite Element passiert. Analog ist unter einer Anordnung ”stromabwärts” eine umgekehrte Anordnung zu verstehen.
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Wie oben ausgeführt, kann die Absaugvorrichtung insbesondere mindestens eine Absaugmündung an der Oberfläche umfassen. Unter einer Absaugmündung ist dabei eine Öffnung zu verstehen, über welche die Oberfläche mit dem Unterdruck beaufschlagbar ist. Die Absaugmündung kann insbesondere einen Absaugspalt und/oder eine andere Art von Öffnung umfassen. Beispielsweise kann mindestens ein Absaugspalt vorgesehen sein, welcher, wie oben beschrieben, quer zur Strömungsrichtung, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung, des fluiden Mediums angeordnet sein kann. Alternativ oder zusätzlich zu dem mindestens einen Absaugspalt kann auch beispielsweise ein Punktgitter vorgesehen sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
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Die Absaugvorrichtung selbst kann insbesondere mindestens eine Absaugpumpe umfassen, welche selbst Bestandteil der Vorrichtung sein kann. Auf diese Weise kann der für die Absaugung erforderliche Unterdruck erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Absaugvorrichtung auch mindestens einen Absaugstutzen umfassen, beispielsweise auf einer Außenseite der Vorrichtung, wobei der Absaugstutzen zum Anschluss einer externen Unterdruckvorrichtung ausgestaltet sein kann. Auf diese Weise kann mittels der Absaugpumpe und/oder der mindestens einen externen Unterdruckvorrichtung der erforderliche Unterdruck bereitgestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch besonders bevorzugt, wenn der für die Absaugung erforderliche Unterdruck zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb der Vorrichtung selbst erzeugt wird, wobei vorzugsweise keine Pumpe im Sinne eines mechanischen Bauteils mit beweglichen, insbesondere angetriebenen, Bauteilen vorgesehen ist. So kann für die Absaugung insbesondere eine Vielzahl von hydrostatischen und/oder hydrodynamischen Effekten ausgenutzt werden. Insbesondere kann das Prinzip einer Wasserstrahlpumpe eingesetzt werden, welche den Bernoulli-Effekt ausnutzt. Dabei wird ausgenutzt, dass eine Beschleunigung einer Strömung in einem Bereich zu einer Senkung des hydrostatischen Drucks in diesem Bereich des fluiden Mediums führt. Der derartig beschleunigte Bereich kann dann als Unterdruckquelle für die Absaugung an der mindestens einen Oberfläche eingesetzt werden. Dementsprechend wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Absaugvorrichtung eine integrierte Unterdruckvorrichtung umfasst. Die integrierte Unterdruckvorrichtung ist eingerichtet, um ein Druckgefälle innerhalb des fluiden Mediums zu erzeugen und zur Absaugung einzusetzen. Das Druckgefälle kann insbesondere dadurch erzeugt werden, dass ein Geschwindigkeitsgefälle innerhalb des fluiden Mediums herbeigeführt wird, wobei eine Strömung im Bereich der mindestens einen Oberfläche, an welcher die Absaugung erfolgen soll, langsamer ausgestaltet ist als eine Strömung in einem anderen Bereich des fluiden Mediums, zu welchem hin die Absaugung erfolgt. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, wenn die Absaugvorrichtung mindestens eine Beschleunigungsvorrichtung zur Beschleunigung mindestens eines Teils des fluiden Mediums umfasst. Die Absaugvorrichtung kann dann eingerichtet sein, um die Strömungsgrenzschicht hin zu dem beschleunigten Teil des fluiden Mediums vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Beschleunigungsvorrichtung eingerichtet ist, um mindestens eine Strömungsverengung zu bewirken, wobei das fluide Medium im Bereich der Strömungsverengung beschleunigt wird. Dementsprechend kann die Vorrichtung beispielsweise eingerichtet sein, um einen Querschnitt des Strömungsrohrs in mindestens zwei Bereiche zu unterteilen, nämlich mindestens einen Messbereich, innerhalb dessen die überströmbare Oberfläche, an welcher die Absaugung stattfinden soll, angeordnet ist, und mindestens einen Beschleunigungsbereich, in welchem durch eine Strömungsverengung das fluide Medium beschleunigt wird, wobei eine Absaugung von dem Messbereich hin zu dem Beschleunigungsbereich erfolgen kann. Die Bereiche können dabei räumlich voneinander getrennt ausgestaltet sein. Die Bereiche können auf derselben Höhe bezüglich der Strömung des fluiden Mediums angeordnet sein oder auch stromaufwärts und/oder stromabwärts gegeneinander versetzt angeordnet sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich. Zur Strömungsverengung kann die Absaugvorrichtung insbesondere mindestens ein Verengungselement umfassen, welches eingerichtet ist, um einen Strömungsquerschnitt zu verengen, um den beschleunigten Teil des fluiden Mediums zu schaffen. Dieses Verengungselement kann insbesondere eine Strömungsrampe umfassen, welche graduell oder stufenweise in Strömungsrichtung den Strömungsquerschnitt verengt. Diese Verengung findet vorzugsweise in einem Bereich des Strömungsrohrs statt, welcher nicht zur Messung genutzt wird, also außerhalb eines Messbereichs, wobei der Bereich der Verengung vorzugsweise räumlich von dem Messbereich getrennt sein kann. Die Strömungsrampe kann beispielsweise an einer Innenwand des Strömungsrohrs angeordnet sein und/oder auch an einem Steckfühler, beispielsweise unterhalb einer Reflexionsfläche des Steckfühlers. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich. Ist mindestens ein Verengungselement vorgesehen, so ist es besonders bevorzugt, wenn mindestens ein Absaugkanal der Absaugvorrichtung von einem Absaugbereich, beispielsweise mindestens einer Mündung an der Oberfläche (beispielsweise einem Absaugspalt und/oder einer Absaugöffnung) zu der Verengung in dem Strömungsquerschnitt führt. Auf diese Weise kann eine Absaugung von der Oberfläche hin zu dem Bereich der Beschleunigung des fluiden Mediums erfolgen.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung weist gegenüber bekannten Vorrichtungen der genannten Art eine Vielzahl von Vorteilen auf. So lässt sich insbesondere, aufgrund einer zumindest teilweisen Absaugung der Strömungsgrenzschicht, eine Signalqualität der Vorrichtung deutlich verbessern. Weiterhin kann die Vorrichtung stabil gegenüber einem Wechsel von Betriebszuständen ausgestaltet sein. Insbesondere können störende Einflüsse durch nicht vorhersehbare oder vorhersagbare Umschläge zwischen verschiedenen Strömungszuständen im Bereich der Strömungsgrenzschicht vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1A bis 1C eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums;
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2A und 2B eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß den 1A bis 1C mit einem Strömungsgitter;
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3 Strömungsgrenzschichten in der Vorrichtung gemäß den 2A und 2B;
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4 einen Längsschnitt durch eine typische Strömungsgrenzschicht im Bereich einer Reflexionsfläche mit simulierten Strömungsverhältnissen;
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5A und 5B ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Absaugvorrichtung;
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6A und 6B verschiedene Ausgestaltungen umfangsseitiger Absaugspalte der Vorrichtung gemäß den 5A und 5B;
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7A und 7B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer integrierten Unterdruckvorrichtung mit einer Strömungsverengung;
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8 ein Ausführungsbeispiel einer als Steckfühler ausgestalteten Vorrichtung; und
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9 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 8 mit einer Strömungsverengung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1A bis 3 sind verschiedene Ausgestaltungen einer im Wesentlichen dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtung 110 zur Bestimmung einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums gezeigt. Die Vorrichtungen 110 gemäß dem Stand der Technik können dabei, wie unten näher erläutert wird, erfindungsgemäß modifiziert werden, indem diese Vorrichtungen 110 durch mindestens eine Absaugvorrichtung ergänzt werden, wie unten noch näher erläutert wird. Die Vorrichtungen 110 in den dargestellten Ausführungsbeispielen sind als Ultraschall-Luftmassenmesser 112 ausgestaltet. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch auf andere Messprinzipien anwendbar.
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Die 1A bis 1C zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 in verschiedenen Darstellungen. Dabei zeigt 1A eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung 110, 1B eine Explosionsdarstellung, und 1C eine perspektivische Darstellung mit Blick in einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums. Die Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
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Wie in den 1A bis 1C gezeigt, ist mindestens ein Strömungsrohr 114 vorgesehen. Dieses Strömungsrohr 114 kann selbst Bestandteil der Vorrichtung 110 sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 110 jedoch auch als Steckfühler ausgestaltet sein und lediglich in das Strömungsrohr 114 eingebracht werden, wie unten noch näher erläutert wird. Insbesondere kann das Strömungsrohr 114 bei diesem oder auch bei anderen Ausgestaltungen als Strömungsrohrsegment 116 ausgestaltet sein, welches beispielsweise mittels eines oder mehrerer Anschlusselemente 118, beispielsweise Flansche oder ähnliche Anschlusselemente 118, in einen Ansaugtrakt oder in einen anderen Strömungsrohrkomplex eingebunden werden kann. Das Strömungsrohr 114 weist einen von dem fluiden Medium in einer Strömungsrichtung 122 durchströmbaren offenen Querschnitt 120 auf, mit einer Innenwand 124 des Strömungsrohrs 114, welche von dem fluiden Medium überströmt wird. Das Strömungsrohr 114 wird im Folgenden synonym auch als Messrohr bezeichnet. In dem Strömungsrohr 114 ist weiterhin eine Sensorvorrichtung 126 installiert, welche beispielsweise in eine Öffnung 128 in dem Strömungsrohr 114 eingebracht sein kann und welche in 1B in einer Explosionsdarstellung gezeigt ist. Die Sensorvorrichtung 126 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst exemplarisch ein Sensorgehäuse 130 mit einem Deckel 131 und einem Basisgehäuse 138. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung 126 eine oder mehrere Ansteuer- und Auswerteschaltungen 132 umfassen, beispielsweise in Form einer oder mehrerer bestückter Leiterplatten und/oder anderer Schaltungsträger. Zur elektrischen Kontaktierung der Ansteuer- und Auswerteschaltung 132 umfasst die Sensorvorrichtung 126 weiterhin in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens eine Steckverbindung 133, beispielsweise in Form eines Signalkabel-Steckers. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung 126 optional einen Drucksensor 134 und/oder einen Temperaturfühler 140 umfassen. Weiterhin umfasst optional die Sensorvorrichtung 126 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Kühlkörper 136, beispielsweise zur Kühlung der Ansteuer- und Auswerteschaltung 132. Weiterhin sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise Sensorelemente 142 zur Bestimmung der Eigenschaft des strömenden fluiden Mediums vorgesehen, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ultraschallwandler 144 ausgestaltet sind. Diese weisen jeweils mit einer in 1B nicht erkennbaren, in 1C jedoch dargestellten Abstrahlfläche 146 dem fluiden Medium zu, wobei über die Abstrahlflächen 146 Ultraschallsignale an das fluide Medium abgegeben und/oder aus dem fluiden Medium empfangen werden können. Die Ultraschallwandler 144 können dabei als sendender Ultraschallwandler 148, als empfangender Ultraschallwandler 150 oder in Doppelfunktion als sendender und empfangender Ultraschallwandler eingesetzt werden, wie in den 1B, 1C und 2A exemplarisch dargestellt. Verschiedene Ausgestaltungen und Alternativen sind möglich.
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Die Vorrichtung 110 misst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Strömungsgeschwindigkeit auf der Basis der Laufzeiten von Ultraschallsignalen 152, beispielsweise auf der Basis der Laufzeiten zweier Ultraschallsignale 152. Die Luft bzw. das fluide Medium durchströmt dabei das Strömungsrohr 114 und streicht an den im Sensorgehäuse 130 installierten Ultraschallwandlern 144, welche als Ultraschall-Sender-Empfänger-Einheiten ausgestaltet sind, vorbei. Das Strömungsrohr 114 kann beispielsweise als Zylindergehäuse ausgeführt sein. Der Querschnitt 120 kann dabei beispielsweise rund ausgestaltet sein, kann jedoch grundsätzlich auch andere Querschnitte aufweisen, wie beispielsweise polygonale Querschnitte. Der Drucksensor 134 und der Temperaturfühler 140, bei welchem es sich beispielsweise um einen Temperaturmesswiderstand, beispielsweise einen Messwiderstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) handeln kann, sind optionale Bestandteile. Beispielsweise kann der Temperaturfühler 140 je nach Anwendungsfall optional auch entfallen, da beispielsweise die Lufttemperatur ebenfalls aus den Ultraschall-Laufzeiten ermittelt werden kann. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung 132 kann auch auf andere Weise als in 1B dargestellt ausgestaltet sein.
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In 1C ist der Querschnitt 120 der Vorrichtung 110 mit Blickrichtung in Strömungsrichtung 122 gezeigt. Dabei ist erkennbar, dass die Vorrichtung 110 vorzugsweise mindestens eine Reflexionsfläche 154 zur Reflexion der Ultraschallsignale 152 aufweist. Dementsprechend umfassen die Ultraschallsignale 152 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel optional einen ausgesendeten Strahl 156 und einen reflektierten Strahl 158. Die Reflexionsfläche 154 ist in dem dargestellten Beispiel als den Ultraschallwandlern 144 zuweisende Oberfläche eines Stegs 160 ausgestaltet, welcher in den Querschnitt 120 hineinragt. Mittels der Reflexionsfläche 154 wird der von dem sendenden Ultraschallwandler 148 ausgesendete Strahl 156 reflektiert und als reflektierter Strahl 158 zum empfangenden Ultraschallwandler 150 reflektiert.
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In den 2A bis 3 ist eine Abwandlung der Vorrichtung 110 gemäß den 1A bis 1C gezeigt, welche ebenfalls im Wesentlichen dem Stand der Technik entspricht, welche jedoch erfindungsgemäß modifiziert und mit mindestens einer Absaugvorrichtung ergänzt werden kann, wie unten noch näher ausgeführt wird. Die Vorrichtung 110 ist dabei in 2A in einer perspektivischen Schnittdarstellung mit Blickrichtung auf die Ultraschallwandler 152 dargestellt, so dass für die Beschreibung der meisten Elemente auf die Beschreibung der 1A bis 1C verwiesen werden kann. 2B zeigt eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung 110 mit Blickrichtung schräg von vorne in Strömungsrichtung 122, und 3 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung 110 mit Blickrichtung in Strömungsrichtung 122, in den durchströmten Querschnitt 120 hinein. Aus der Darstellung gemäß 3 geht insbesondere hervor, dass die Reflexionsfläche 154 bzw. der Steg 160 den durchströmten Querschnitt 120 in zwei Bereiche unterteilt, welche vorzugsweise voneinander getrennt sind, nämlich einen Messbereich 162 und einen nicht zur Messung genutzten Bereich 164. In dem Messbereich 162 breiten sich die Ultraschallsignale 152 aus. Die Bereiche 162, 164 können dabei, wie in 3 dargestellt, vollständig voneinander getrennt sein, können jedoch auch miteinander verbunden sein. Selbiges gilt allgemein auch für die Ausgestaltung gemäß den 1A bis 1C.
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Bei der Ausgestaltung gemäß den 2A bis 3 weist der Steg 160 eine konkave Krümmung relativ zu den Ultraschallwandlern 142 auf. Die Reflexionsfläche 154 ist dementsprechend gekrümmt ausgestaltet. Alternativ kann der Steg 160 jedoch auch auf andere Weise gekrümmt oder auch ohne Krümmung ausgestaltet sein, wie in den 1A bis 1C, oder schräg angestellt orientiert sein. Der Steg 160 kann im Strömungsrohr 114 fest befestigt sein, kann jedoch, ganz oder teilweise, alternativ oder zusätzlich auch mit der Sensorvorrichtung 126 verbunden sein, beispielsweise mit dem Sensorgehäuse 130 der Sensorvorrichtung 126, wie unten noch näher erläutert wird. In diesem Fall kann die Sensorvorrichtung 126 auch ganz oder teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein, welcher am Strömungsrohr 114 befestigt werden kann. Weiterhin ist zuströmseitig an dem Strömungsrohr 114, ebenfalls als Bestandteil der Vorrichtung 110 oder auch als separates Bauteil, bei dem Ausführungsbeispiel in den 2A bis 3 ein Strömungsgitter 166 vorgesehen. Dieses Strömungsgitter 166, welches grundsätzlich beispielsweise aus Heißfilmluftmassenmessern bekannt ist, kann den Querschnitt 120 vollständig oder auch teilweise, wie in den 2A bis 3 dargestellt, überdecken. Insbesondere kann zumindest der Messbereich 162 vollständig oder teilweise überdeckt werden. Das Strömungsgitter 166 kann beispielsweise zur Gleichrichtung der Strömung des fluiden Mediums eingesetzt sein.
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Aufgrund von Strahlverwehungen verändert sich bei den Vorrichtungen 110 gemäß den 1A bis 3 die Signallaufzeit zwischen sendendem Ultraschallwandler 148 und empfangendem Ultraschallwandler 150 mit der Geschwindigkeit der in der Messebene der Ultraschallsignale 152 vorbeiströmenden fluiden Medien, beispielsweise Luft. Um den Temperatureinfluss auf die Schallgeschwindigkeit und damit auf die Laufzeiten auszugleichen und um Bauteilestreuungen und Driften innerhalb der Ultraschallwandler 144 zu kompensieren, kann, wie in den obigen Ausführungsbeispielen gezeigt, ein gegenläufiges, zweites Signal gesendet werden. Der Sender des ersten Signals wird dabei zum Empfänger des zweiten Signals und umgekehrt. Die mit diesem Verfahren entlang des Ultraschallpfads integral ermittelte Strömungsgeschwindigkeit ergibt, gemeinsam mit der aus Druck und Temperatur bestimmten Luftdichte, sowie unter Zuhilfenahme einer geeigneten Kalibrierfunktion, in der Regel den Luftmassenstrom durch das gesamte Strömungsrohr 114. Auch andere Auswertungsverfahren und/oder Ansteuerverfahren sind jedoch grundsätzlich möglich. Durch die Kalibrierung kann eine Beziehung zwischen dem errechneten Massenstrom im Querschnitt des Messbereichs 162 und dem Massenstrom durch das gesamte Strömungsrohr 114, also durch den gesamten Querschnitt 120, hergestellt werden.
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Ein Geschwindigkeitsprofil und ein Strömungszustand entlang des Ultraschallpfads beeinflusst naturgemäß die Güte der empfangenen Ultraschallsignale 152. Dieser Strömungszustand kann beispielsweise laminar oder auch turbulent in verschiedenen Ausprägungen bezüglich turbulenter Längen- und Zeitskalen sein und/oder auch einen laminar-turbulenten Überschlag sowie stationäre oder instationäre Strömungszustände umfassen. Die Ultraschallsignale 152 werden beim Durchlaufen des fluiden Mediums, beispielsweise der Luft, je nach Strömungsprofil und Strömungszustand in unterschiedlichem Maße gebrochen, reflektiert, gestreut oder absorbiert. In diesem Sinne ist eine möglichst homogene Durchströmung des Querschnitts 120, beispielsweise eine möglichst homogene Luftmasse im Querschnitt 120, anzustreben, insbesondere im Messbereich 162, also in dem Teil des Querschnitts 120, welcher als eigentlicher Messquerschnitt dient. Weiterhin ist die Zahl der Grenzflächen möglichst klein zu halten. Stark instationäre und turbulente Strömungszustände in der Messebene der Ultraschallsignale 152 sollten daher durch konstruktive Maßnahmen so weit wie möglich vermieden werden. Eine Maßnahme zur Gleichrichtung der Strömung und damit zur Reduzierung instationärer Strömungszustände stellt das in den 2A bis 3 gezeigte Strömungsgitter 166 stromaufwärts des zur Messung verwendeten Bereichs dar. Auch die strömungsgünstige Formgebung des Stegs 160 dient der Erzeugung einer gleichmäßigen, turbulenzarmen Strömung im Messbereich 162.
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Die geometrische Gestaltung des Luftführungssystems stromaufwärts und stromabwärts der Sensorvorrichtung 126 sowie der jeweils herrschende Wert des Luftmassenstroms bringen dabei insbesondere unterschiedliche Strömungsgrenzschichten in der Vorrichtung 110 innerhalb des Strömungsrohrs 114 hervor. Beispielsweise stellen die Innenwand 124 des Strömungsrohrs 114 und die Reflexionsfläche 154 jeweils von dem fluiden Medium überströmte Oberflächen 168 dar, wie in 3 gezeigt. Insbesondere an diesen Oberflächen 168 bilden sich Strömungsgrenzschichten 170, 172, welche in 3 hervorgehoben sind. Dabei ist mit der Bezugsziffer 170 eine Strömungsgrenzschicht im Bereich der Oberfläche 168 der Innenwand 124 bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 172 eine Strömungsgrenzschicht im Bereich der Oberfläche 168 der Reflexionsfläche 154. Die Strömungsgrenzschichten 170, 172 sind dabei schematisch dargestellt. Als Strömungsgrenzschicht kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Schicht verminderter Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet werden, beispielsweise im Vergleich zu einer voll ausgeprägten Kernströmung in der Mitte eines ansonsten offenen Querschnitts 120. Diese Strömungsgrenzschichten 170, 172 bauen sich bei der dargestellten Vorrichtung 110 insbesondere an der Innenwand 124 und an der Reflexionsfläche 154 mit zunehmender Lauflänge in Strömungsrichtung 122 auf. Diese Strömungsgrenzschichten 170, 172 können verschiedene Strömungszustände aufweisen. Dies ist in 4 exemplarisch anhand einer Strömungssimulation gezeigt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 168 wiederum eine Oberfläche 168, an der sich Strömungsgrenzschichten bei einer Überströmung in Strömungsrichtung 122 ausbilden, und die Bezugsziffer 152 bezeichnet gegenläufige Ultraschallsignale, wobei die Ultraschallwandler 144 der Sensorvorrichtung 126 beispielsweise jeweils einmal als Sender und einmal als Empfänger auftreten können. Die Strömungsgrenzschichten 170, 172 können, wie in 4 gezeigt, verschiedene Strömungszustände aufweisen, nämlich einen laminaren Strömungszustand 174, einen laminar-turbulenten Übergangszustand 176 und einen voll ausgeprägten turbulenten Strömungszustand 178. Abhängig von der Zuströmung zur Sensorvorrichtung 126 kann im Bereich des Messbereichs 162 eine Kombination dieser Zustände vorliegen, beispielsweise auch eine Entwicklung gemäß 4 entlang der Strömungsrichtung 122, die den Übergang vom laminaren Strömungszustand 174 am Eintritt des Strömungsrohrs 114 über den laminar-turbulenten Übergangszustand 176 bis hin zum turbulenten Strömungszustand 178 zeigt. Die Strömungszustände lassen sich beispielsweise anhand einer numerischen Strömungssimulation und/oder empirisch bestimmen. 4 zeigt zudem die Ausbreitung der Ultraschallsignale 152 durch den turbulenten Strömungszustand 178 der Strömungsgrenzschichten 170, 172. Dieser turbulente Strömungszustand 178 enthält Wirbel verschiedener Zeit- und Längenskalen. Dies bewirkt ein inhomogenes Geschwindigkeits-, Druck- und Dichtefeld. Beim Durchlaufen dieses inhomogenen Bereichs werden die Ultraschallsignale 152 an einer Vielzahl von Grenzflächen gebrochen und/oder gestreut, woraus insgesamt eine Signalabschwächung und, weiterhin, eine Veränderung der Charakteristik der Ultraschall-Wellenpakete der Ultraschallsignale 152 resultiert. Beide Effekte können bei bestimmten Betriebspunkten dazu führen, dass eine Geschwindigkeitsmessung sogar unmöglich werden kann.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich dementsprechend zur Aufgabe gesetzt, die Ultraschall-Signalqualität bei Vorrichtungen 110 der oben beschriebenen Art oder auch bei anderen Vorrichtungen 110 zur Bestimmung einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums zu verbessern. In einzelnen Betriebszuständen kann dabei insbesondere eine Ermöglichung von Geschwindigkeitsmessungen sowie eine Steigerung der Robustheit gegenüber verschiedenen Betriebs- und damit Strömungszuständen der Strömungsgrenzschichten 170, 172 erreicht werden. Wie oben dargestellt, liegt eine Grundidee der vorliegenden Erfindung in einer zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen, Absaugung der Strömungsgrenzschichten 170, 172, beispielsweise an der Reflexionsfläche 154 und/oder an der Innenwand 124 und/oder mindestens einer anderen Oberfläche 168 innerhalb der Vorrichtung 110. Auf diese Weise lässt sich insbesondere die Grenzschichtdicke der Strömungsgrenzschicht 170, 172 im Fall der turbulenten Überströmung der jeweiligen Oberfläche 168 reduzieren oder sogar eine Re-Laminarisierung der Strömungsgrenzschicht 170, 172 erzielen. Hierdurch lassen sich Ultraschall-Signalqualitäten verbessern, und es lassen sich, zumindest in einzelnen Betriebszuständen, Geschwindigkeitsmessungen überhaupt erst ermöglichen. Weiterhin lässt sich die Robustheit der Messung gegenüber verschiedenen Betriebs- und damit Strömungszuständen deutlich erhöhen. Erfindungsgemäß wird dementsprechend vorgeschlagen, die Vorrichtung 110 mit mindestens einer Absaugvorrichtung 180 auszugestalten, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Strömungsgrenzschicht 170, 172 an mindestens einer Oberfläche 168, welche von dem fluiden Medium überströmt wird, zumindest teilweise abzusaugen. Dementsprechend können beispielsweise die Vorrichtungen 110 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1A bis 3 mit einer derartigen Absaugvorrichtung 180 erweitert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 ist in den 5A bis 6B gezeigt. Dabei zeigt 5A eine perspektivische Gesamtansicht der Vorrichtung 110 mit der Absaugvorrichtung 180, welche in Strömungsrichtung 122 beispielsweise der Vorrichtung 110 gemäß den 1A bis 1C vorgeschaltet sein kann. Die Absaugvorrichtung 110 kann dabei insbesondere als Aufsatz 182 ausgestaltet sein, welcher dem Strömungsrohrsegment 116 in Strömungsrichtung 122 vorgeschaltet ist. Der Aufsatz 122 kann beispielsweise einen Zylinder 184 umfassen, welcher somit ebenfalls Bestandteil des Strömungsrohrs 114 wird, so dass das Strömungsrohr 114 neben dem Strömungsrohrsegment 116, in welchem die Sensorvorrichtung 126 angeordnet ist, weiterhin den Aufsatz 182 umfassen kann, welcher dem Strömungsrohrsegment 116 in Strömungsrichtung vorgeschaltet ist. 5B zeigt ein Verbindungselement 186 zur Verbindung des Aufsatzes 182 mit dem Strömungsrohrsegment 116, welches beispielsweise als Flansch mit einer Dichtung 188 ausgestaltet sein kann. Weiterhin ist in der Darstellung gemäß 5B gezeigt, dass die Absaugvorrichtung 180 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Absaugspalt 190 umfasst. Dieser Absaugspalt 190 kann beispielsweise als Ringkanal ausgestaltet sein und kann beispielsweise kreisringförmig oder kreisringsegmentförmig ausgestaltet sein. Der Absaugspalt 190 stellt in diesem Ausführungsbeispiel ein Beispiel einer Absaugmündung 192 dar, also eine Öffnung, welche mit einem Unterdruck beaufschlagt werden kann. Diese kann über einen externen Absaugstutzen 194 über einen in den 5A und 5B nicht dargestellten Absaugkanal verbunden sein, wobei über den Absaugstutzen 194 eine externe Unterdruckvorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, anschließbar ist.
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Die 6A und 6B zeigen eine Ansicht in den Querschnitt 120 der Vorrichtung 110 gemäß den 5A und 5B hinein, mit Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung 122, also in umgekehrter Blickrichtung zur Darstellung gemäß 1C, so dass für die Elemente dieser Darstellung auf die Beschreibung der 1C verwiesen werden kann. Dabei ist in 6A ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der Absaugspalt 190 als umlaufender, kreisringförmiger Absaugspalt 190 ausgestaltet ist, und in 6B ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Absaugspalt 190 nicht um den gesamten Umfang herum umläuft, sondern lediglich als kreisringförmiger Absaugspalt 190 ausgestaltet ist und lediglich im oberen Segment der Oberfläche 168, den Ultraschallwandlern 144 vorgelagert, angeordnet ist. Beispielsweise kann das Kreisringsegment des Absaugspalts 190 eine Position von 11 Uhr bis 1 Uhr umfassen, also lediglich einen Bereich, welcher der Sensorvorrichtung 126 vorgelagert ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Der kreisringsegmentförmige Absaugspalt 190 sollte jedoch in jedem Fall zumindest in einem Sektor angeordnet sein, welcher dem Messbereich 162 zugeordnet ist und insbesondere der Sensorvorrichtung 126 vorgelagert ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Für Betriebspunkte, in denen sich, wie in 4 dargestellt, stromaufwärts der Sensorvorrichtung 126 und/oder des Messbereichs 162 bereits eine turbulente Strömungsgrenzschicht 170, 172 aufgebaut hat, kann die Dicke dieser turbulenten Strömungsgrenzschicht 170, 172 mit Hilfe der Absaugvorrichtung 180 reduziert werden oder sogar eine Re-Laminarisierung erreicht werden. Der Ringkanal des Absaugspalts 190 befindet sich in der Anordnung gemäß 5B vorzugsweise relativ nahe am Eintrittsquerschnitt des Strömungsrohrsegments 116, um einen erneuten, mit der Lauflänge in Strömungsrichtung 122 stattfindenden Aufbau und eine erneute Ausbildung einer turbulenten Grenzschicht zu vermeiden. Bei der in 6B dargestellten Variante, die nicht über den kompletten Kreisumfang, sondern über lediglich ein Kreissegment hinweg angeordnet ist, beispielsweise im Bereich den Ultraschallwandlern 144 vorgelagert, erfolgt lediglich eine lokale Absaugung. Eine Anregung und/oder Anfachung der Störungen in der Wandgrenzschicht des abgesaugten Bereichs und damit ein schneller Übergang zum turbulenten Strömungszustand ist allerdings aufgrund der Störungsausbreitung aus der Grenzschicht außerhalb des abgesaugten Kreisringsegments weiterhin denkbar. Daher ist die Variante gemäß 6A mit einer Absaugung über den gesamten Kreisring-Umfang zu bevorzugen.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem Absaugspalt 190 in Form eines kreisring- oder kreisringsegmentförmigen Absaugspalts 190 gemäß den 5A bis 6B lässt sich eine Absaugmündung 192 auch auf andere Weise realisieren. Beispielsweise lässt sich eine Absaugmündung 192 auch auf der Reflexionsfläche 154 des Stegs 160 realisieren, vorzugsweise vorgelagert zu einem Reflexionsbereich 196 (siehe 2A), in welchem im Betrieb der Vorrichtung 110 die Ultraschallsignale 152 reflektiert werden. Allen Varianten gemeinsam ist die Verminderung der Dicke der turbulenten Strömungsgrenzschicht 170, 172 an einer oder mehreren der Oberflächen 168.
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Zur Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks im Bereich der mindestens einen Absaugmündung 192 kommen interne und/oder externe Unterdruckquellen in Betracht. So kann beispielsweise eine externe Pumpe und/oder eine externe Motorkomponente genutzt werden, welche beispielsweise an den Absaugstutzen 194 gemäß 5A angeschlossen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kommt zur Erzeugung des Unterdrucks, was aus Kostengründen für eine serientaugliche Realisierung besonders zu bevorzugen ist, auch eine interne Unterdruckquelle in Form einer passiven Realisierung einer Unterdruckquelle, beispielsweise ohne bewegliche Pumpenbauteile, insbesondere nach dem Bernoulli-Effekt, in Betracht. So besteht eine Möglichkeit zur Erzeugung des Unterdrucks in einer Strömungsbeschleunigung, gemäß der aus der Bernoulli-Gleichung bekannten Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Druck, beispielsweise mittels einer oder mehrerer in die Vorrichtung 110 integrierter Unterdruckvorrichtungen 198. Ausführungsbeispiele sind in den 7A, 7B und 9 gezeigt. Dabei kann ausgenutzt werden, dass der Querschnitt 120 bei beispielsweise dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 in einen Messbereich 162 und einen nicht zur Messung genutzten Bereich 164 unterteilt wird. Dementsprechend kann die Unterdruckvorrichtung 198 beispielsweise eine Beschleunigungsvorrichtung 200 umfassen, welche beispielsweise eingerichtet sein kann, um eine Strömungsverengung mittels mindestens eines Verengungselements 202 in dem nicht zur Messung genutzten Bereich 164 zu bewirken. Dieses Verengungselement 202 kann beispielsweise als Strömungsrampe 204 ausgestaltet sein, welche in Strömungsrichtung 122, also in den 7A und 7B aus der Zeichenebene heraus, eine Verengung des Strömungsquerschnitts des nicht zur Messung genutzten Bereichs 164 vornimmt. Dementsprechend zeigt 7B ein Ausführungsbeispiel eines Schnitts durch die Strömungsrampe 204 stromaufwärts durch den Schnitt gemäß 7A. Dabei ist zu erkennen, dass die Strömungsrampe stufenweise oder kontinuierlich vergrößert wird, wobei der Strömungsquerschnitt des nicht zur Messung genutzten Bereichs 164 in Strömungsrichtung 122 verengt wird. In einem stark verengten Bereich gemäß 7A entsteht somit ein Unterdruckbereich 206. Dieser kann über mindestens einen Absaugkanal 208 mit mindestens einer der oben beschriebenen Absaugmündungen 192 verbunden sein. Bei dem in 7A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Absaugkanal 208 mit Absaugbereichen 210 an der Reflexionsfläche 154, vorzugsweise dem Reflexionsbereich 196 vorgelagert, und stromaufwärts der Ultraschallwandler 144 verbunden. Exemplarisch ist dabei wiederum ein Absaugspalt 190 in Form eines Kreisringsegments am oberen Rand der Innenwand 124 vorgesehen, und, alternativ oder zusätzlich, mindestens ein Absaugspalt 190 auf der Reflexionsfläche 154.
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Der Rampenquerschnitt der Strömungsrampe 204 weist somit vorzugsweise mindestens eine Ausblasöffnung 212 auf, welche über den mindestens einen Absaugkanal 208 mit der mindestens einen Absaugmündung 192 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung mindestens einer Strömungsrampe 204 mit zunehmendem Querschnitt in Strömungsrichtung 122 kommen auch andere Arten von Verengungselementen 202 in Betracht. Die Verteilung des Rampenquerschnitts der Strömungsrampe 204 in Strömungsrichtung 122 bestimmt die Größe des erzielbaren Unterdrucks. Ein möglichst kleiner Anfangsquerschnitt (siehe z. B. 7B) und ein möglichst großer Querschnitt der Rampe im Bereich der Ausblasöffnung 212 (7A) kann somit als grobe Auslegungsrichtlinie gelten. Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung der Beschleunigungsvorrichtung 202 gemäß den 7A und 7B kommen andere Orte in Betracht. So kann beispielsweise die Strömungsrampe 204 bzw. das Verengungselement 202, alternativ oder zusätzlich, auch an anderen Orten innerhalb des Strömungsrohrs 114 angeordnet sein, beispielsweise auf einer 6-Uhr-Position der Innenwand 124 in 7A. Lediglich eine Anordnung innerhalb des Messbereichs 162, also oberhalb des Stegs 160 im Strömungsrohrs 114, sollte vermieden werden, da bei dieser Anordnung die Strömungsverhältnisse und damit auch die Signalgüte in bestimmten Betriebspunkten nachteilig verändert werden könnten. Alternativ oder zusätzlich zu der in den 7A und 7B dargestellten Anordnung könnte jedoch beispielsweise das Verengungselement 202 auch auf einer dem nicht zur Messung genutzten Bereich 164 zuweisenden Seite des Stegs 160 angeordnet werden.
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Wie oben bereits mehrfach angedeutet, muss das Strömungsrohr 114 und/oder das Strömungsrohrsegment 116 nicht notwendigerweise Bestandteil der Vorrichtung 110 sein. So kann die Vorrichtung 110 bereits auch ganz oder teilweise als Steckfühler 214 ausgestaltet sein oder einen derartigen Steckfühler 214 umfassen. Ausführungsbeispiele einer derartigen Ausgestaltung sind in den 8 und 9 dargestellt. Beispielsweise kann der Steckfühler 214 in ein Strömungsrohr 114 oder ein Strömungsrohrsegment 116 eingesteckt werden, beispielsweise in eine Luftführung, und mit dieser verbunden werden, beispielsweise verschraubt werden. Der Steckfühler kann zu diesem Zweck beispielsweise ein oder mehrere Befestigungselemente 216, beispielsweise Verschraubungsösen oder Verschraubungsöffnungen, umfassen. Die Reflexionsfläche 154 kann bei dieser Steckfühler-Variante mit dem Sensorgehäuse 130 bzw. Steckfühlergehäuse verbunden sein. Der Steg 160 kann beispielsweise über Verbindungsstege 218 an das Sensorgehäuse 130 angebunden sein oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. Auch eine Anbindung der Reflexionsfläche 154 bzw. des Stegs 160 über andere Verbindungselemente, beispielsweise über eine andere Anzahl von Verbindungsstegen 218, beispielsweise in U-Form oder in L-Form, ist denkbar.
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Auch in eine Vorrichtung 110 gemäß 8 kann eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung 180 integriert werden, beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Absaugvorrichtung wiederum eine Beschleunigungsvorrichtung 200 in Form eines als Strömungsrampe 204 ausgestalteten Verengungselements 202 umfasst. Dieses ist in dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Unterseite 220 des Stegs 190, also auf einer von dem Messbereich 162 weg weisenden Seite, angeordnet. Beispielsweise kann die Strömungsrampe 204 in die Unterseite 220 des Stegs 160 integriert oder auf diese aufgesetzt werden. Dort erfolgt die Erzeugung und Abnahme des Unterdrucks für die Absaugung. Wiederum kann ein Absaugkanal 208 vorgesehen sein, welcher mit mindestens einer Absaugmündung 192, beispielsweise in Form eines Absaugspalts 190, verbunden sein kann, um die Strömungsgrenzschicht 172 auf der Reflexionsfläche 154 zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich zu einem Absaugspalt 190, beispielsweise in Form eines Kanalsegments zur Absaugung im Bereich der Reflexionsfläche 154, können andere Absaugmündungen 192 vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Absaugung im Bereich vor den Ultraschallwandlern 144 auf einer Innenwand 124 des Strömungsrohrs 114 erfolgen. Dies kann bei der Ausgestaltung gemäß 9 beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein oder mehrere Absaugkanäle 208 durch die Verbindungsstege 218 nach oben, zu einem oder mehreren in 9 nicht dargestellten Absaugspalten 190, beispielsweise gemäß den Ausgestaltungen in den 6A und/oder 6B, geführt werden. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind denkbar.
