DE102011085055A1

DE102011085055A1 - Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102011085055A1
Application number: DE102011085055A
Authority: DE
Inventors: Christoph Gmelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Es wird eine Temperaturmessvorrichtung (10) zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, vorgeschlagen. Die Temperaturmessvorrichtung (10) umfasst mindestens einen Temperaturmessfühler (32) und ein Gehäuse (12). Das Gehäuse (12) weist einen Messstutzen (16) auf. Der Temperaturmessfühler (32) ist zumindest teilweise in den Messstutzen (16) eingebracht. Der Messstutzen (16) ragt entlang einer Erstreckungsachse (46) in das strömende fluide Medium hinein. Der Messstutzen (16) weist Öffnungen (28) auf, die zumindest teilweise von Streben (30) begrenzt werden. Die Streben (30) sind im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsachse (46) angeordnet. Die Streben (30) weisen in einer Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse (46) eine Profilsehne (50) auf. Bei mindestens einer Strebe (30) ist die Profilsehne (50) in einem Winkel (β) von 5° bis 55°, bevorzugt 10° bis 50° und noch bevorzugter 20° bis 40°, zu einer Linie (58), die einen Mittelpunkt (60) der Strebe (30) und einen Durchstoßpunkt (48) der Erstreckungsachse (46) durch die Schnittebene verbindet, angeordnet.

Description

Stand der Technik
In verschiedenen Bereichen der Technik, wie beispielsweise in den Naturwissenschaften oder der Medizintechnik, müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches. Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums. Im Folgenden wird insbesondere auf Temperaturmessvorrichtungen, welche im Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen können, Bezug genommen. Derartige Temperatursensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seite 137 bekannt. Die dort dargestellten Messprinzipien sind grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Einsatzgebiete möglich.
Aus der DE 10 2009 026 472 A1 ist beispielsweise eine Temperaturmessvorrichtung mit einem Messfühler bekannt, die gemeinsam mit einem weiteren Messfühler zur Erfassung eines Drucks eingesetzt wird.
Bei den verwendeten Temperaturmessfühlern kann es sich beispielsweise um so genannte NTCs handeln, also um temperaturabhängige Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, deren elektrischer Widerstand mit der Temperatur variiert, insbesondere bei steigender Temperatur abnimmt. Derartige NTCs weisen in der Regel eine Glas- oder Kunststoffperle mit einem Durchmesser von 1 bis 4 mm auf, aus der zwei Beinchen herausragen, welche die elektrischen Anschlüsse darstellen.
Trotz der durch diese Temperaturmessvorrichtungen bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Temperaturmessvorrichtungen. Insbesondere in Kombination mit der Erfassung anderer Arten von Parametern, jedoch auch bei reinen Temperaturmessvorrichtungen in Alleinstellung, treten zahlreiche technische Herausforderungen bei der Erfassung von Temperaturen strömender fluider Medien auf. Eine Herausforderung liegt beispielsweise in den so genannten Antwortzeiten, also typischen Zeiten, innerhalb derer die Temperaturmessvorrichtungen auf Temperatursprünge reagieren. Diese können bei einem Temperatursprung von beispielsweise 20°C auf 80°C und einer Anströmgeschwindigkeit von 6 m/s zwischen 6 und 10 Sekunden liegen und sind damit für einige Anwendungen zu lang. Ferner muss der NTC insbesondere in strömenden fluiden Medien mechanisch sehr gut geschützt und abgestützt werden, da er leicht in strömungsinduzierte Schwingungen gerät und so die mechanischen Belastungen der Anschlussleitungen über die Lebenszeit zu groß werden können. Um ein Brechen der Anschlussleitungen zu vermeiden, muss der NTC durch Abstützungen, die sich in einem käfigförmigen Messstutzen zusammen mit dem Temperaturmessfühler befinden, rundum geschützt werden. Bedingt durch diesen Schutz ist jedoch der Wärmeübergang von der Luft auf den NTC deutlich verringert. Zum einen ist der NTC thermisch sehr gut an das Sensorgehäuse angebunden und zum anderen wird die Strömung durch den käfigförmigen Messstutzen fast vollständig abgeschirmt. Dieser käfigförmige Messstutzen besteht beispielsweise aus Streben, die in Winkeln von 120° zueinander beabstandet stehen. Je nach Anströmrichtung ist die Wärmeübertragung und damit die Ansprechgeschwindigkeit des NTCs stark unterschiedlich. Zusätzlich zu der angeführten Problematik kommt es bei symmetrisch angeströmtem NTC und symmetrischer Käfiggeometrie zum Teil zu periodischen Wirbelablösungen am NTC, d. h. zu so genannten Kármánschen Wirbelstraßen, die Schwingungen des NTCs induzieren und zu einer erhöhten mechanischen Belastung führen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend eine Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, die die Nachteile bekannter Temperaturmessvorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Die Temperaturmessvorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, umfasst mindestens einen Temperaturmessfühler und ein Gehäuse. Das Gehäuse weist einen Messstutzen auf. Der Temperaturmessfühler ist zumindest teilweise in den Messstutzen eingebracht. Der Messstutzen ragt entlang einer Erstreckungsachse in das strömende fluide Medium hinein. Der Messstutzen weist Öffnungen auf, die zumindest teilweise von Streben begrenzt werden. Die Streben sind im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsachse angeordnet. Die Streben weisen in einer Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse eine Profilsehne auf. Bei mindestens einer Strebe ist die Profilsehne in einem Winkel von 5 ° bis 55 °, bevorzugt 10 ° bis 50 ° und noch bevorzugter 20 ° bis 40 °, zu einer Linie, die einen Mittelpunkt der Strebe und einen Durchstoßpunkt der Erstreckungsachse durch die Schnittebene verbindet, angeordnet.
Sämtliche Streben können unter im Wesentlichen demselben Winkel zwischen ihrer jeweiligen Profilsehne und der Linie, die den Mittelpunkt der jeweiligen Strebe und den Durchstoßpunkt der Erstreckungsachse verbindet, angeordnet sein. Der Temperaturmessfühler kann auf der Erstreckungsachse angeordnet sein. Der Messstutzen kann rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse sein. Bei der mindestens einen Strebe kann die Profilsehne in einem Anstellwinkel von 2 ° bis 35 °, bevorzugt 5 ° bis 30 ° und noch bevorzugter 10 ° bis 25 ° in der Schnittebene angeordnet sein. Alle Streben können in dem Anstellwinkel und/oder dem Winkel angeordnet sein. Die Streben können in der Schnittebene die Form eines Langlochs aufweisen. Der Messstutzen kann drei Streben aufweisen, die in der Schnittebene in einer Umfangsrichtung um den Temperaturmessfühler gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. Die Streben können in der Schnittebene eine Breite von 1 mm bis 2 mm und eine Länge von 2 mm bis 5 mm aufweisen. Die Streben können entlang der Erstreckungsachse eine Abmessung von 5 mm bis 12 mm aufweisen. Der Temperaturmessfühler kann in der Schnittebene einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1 mm bis 4 mm aufweisen. Der Temperaturmessfühler kann einen Temperaturmesswiderstand aufweisen, insbesondere einen NTC-Widerstand. Die Temperaturmessvorrichtung kann mindestens einen weiteren Messfühler zur Erfassung mindestens eines weiteren physikalischen und/oder chemischen Parameters aufweisen, insbesondere einen Drucksensor.
Unter "im Wesentlichen" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf oder eine Ausrichtung bezüglich einer Richtung oder Erstreckung mit einer Winkelabweichung von maximal 20 °, insbesondere maximal 10 ° und bevorzugt maximal 5 °, von der Richtung oder Erstreckung zu verstehen. Beispielsweise bedeutet im Wesentlichen parallel zu einer Achse ein Verlauf, der maximal 20 °, insbesondere maximal 10 ° und bevorzugt maximal 5 °, von der Erstreckung oder dem Verlauf der Achse abweicht.
Unter einem Stutzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein kurzes rohrförmiges Ansatzstück zu verstehen. Da der Stutzen in das fluide Medium hineinragt und dort die Temperatur misst, wird der Stutzen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Messstutzen bezeichnet. Da das fluide Medium üblicherweise einen Druck oberhalb des Atmosphären- oder Normaldrucks aufweist, so dass der Stutzen eine gewisse Druckbeständigkeit aufweisen muss, wird der Stutzen insbesondere bei kombinierten Druck- und Temperaturmessvorrichtungen auch als Druckstutzen bezeichnet. Auch solche Druckstutzten sind Messstutzen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Unter einer Profilsehne ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine gedachte Verbindungslinie zwischen einer Profilnase und einer Profilhinterkante eines Profils zu verstehen, wobei als Profil gemäß den allgemeinen Definitionen der Strömungslehre die Form des Querschnitts eines Körpers in Strömungsrichtung bezeichnet wird.
Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort der Temperaturmessvorrichtung zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten, wie z. B. Turbulenzen, unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums verstanden werden.
Unter einem Anstellwinkel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Winkel zwischen der Hauptströmungsrichtung des anströmenden fluiden Mediums und der Profilsehne der am weitesten stromaufwärts liegenden Strebe zu verstehen. Es wird explizit darauf verwiesen, dass auch für einen Messstutzen mit mehreren Streben der Anstellwinkel bestimmbar ist. Dabei wird der Anstellwinkel ausgehend von der am weitesten stromaufwärts liegenden Strebe, die als erste Strebe bezeichnet werden kann, für jede weitere Strebe auf eine gedachte Position der jeweiligen Strebe bezogen, die am weitesten stromaufwärts liegt, d. h. gedanklich wird zum Bestimmen des Anstellwinkels weiterer Streben der Messstutzen derart gedreht, dass sich die jeweilige Strebe an der am weitesten stromaufwärts liegenden Position der ersten Strebe befindet. Dies ist insbesondere in dem Fall von Bedeutung, in dem mehrere Streben vorgesehen sind, die beispielsweise in Umfangsrichtung um einen Temperaturmessfühler angeordnet sind und somit von ihrer Grundanordnung her bereits unterschiedlich angeströmt werden. Für die eigentliche Definition des Anstellwinkels müssen daher die Streben wie erwähnt gedanklich in Richtung entgegen der Hauptströmungsrichtung auf die Position der ersten Strebe gedreht werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter der Form eines Langlochs eine Form zu verstehen, bei der Längsseiten parallel zueinander verlaufen und schmale Seiten durch Halbkreise abgeschlossen werden, deren Durchmesser der Breite der Form bzw. dem Abstand der Längsseiten zueinander entsprechen.
Unter einem Temperaturmessfühler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Art von bekannten Temperatursensoren zu verstehen, insbesondere so genannte NTCs, d. h. temperaturabhängige elektrische Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, deren elektrischer Widerstand mit der Temperatur variiert, insbesondere bei steigender Temperatur abnimmt. Denkbar sind jedoch auch PTCs, d. h. elektrische Widerstände mit positiven Temperaturkoeffizienten, deren Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensoren kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seite 137 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Unter einem Drucksensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums genutzt werden. Beispielsweise kann der Drucksensor eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Der Drucksensor kann beispielsweise einen Glassockel sowie einen auf diesem angeordneten Siliziumchip aufweisen, auf dessen Oberfläche beispielsweise eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, die beispielsweise in Form einer Wheatstone-Brücke aus piezoresistiven Widerstandselementen aufgebaut sein kann. Die für die Druckerfassung notwendige Membran kann durch Ätzen der Siliziumchiprückseite hergestellt sein. Die Verbindung des Siliziumchips mit dem Glassockel wird beispielsweise unter Vakuum hergestellt, so dass sich anschließend in der freigeätzten Kaverne ein Vakuum befindet. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensoren kann beispielsweise auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die symmetrische Anordnung der Streben durch schräg angestellte Streben mit einem Verdrehwinkel zu einem Anstellwinkel zu ersetzen, wobei der Anstellwinkel auch 0 ° sein kann.
Durch die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung wird ein gleichmäßig guter Wärmeübergang bei verschiedenen Anstellwinkeln der Streben erreicht, der im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen besser ist. Insbesondere werden die Empfindlichkeit des Wärmeübergangs und damit die Ansprechzeit gegenüber dem Anströmwinkel reduziert. Ferner lässt sich eine asymmetrische Umströmung des Temperaturmessfühlers erreichen und damit eine Reduktion von ablöseinduzierten Schwingungen des Temperaturmessfühlers. Insbesondere wird durch die asymmetrische Umströmung die Bildung der oben genannten Kármánschen Wirbelstraßen vermieden. Dadurch werden Ablösegebiete verkleinert und die Umströmung des Temperaturmessfühlers auch bei vollständiger oder teilweiser Verdeckung durch eine Strebe gewährleistet. Damit schwankt der Wärmeübergang weniger stark bei Änderungen des Anströmwinkels.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung,
2 eine Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsachse eines Messstutzens der Temperaturmessvorrichtung zur Veranschaulichung der Definition der Hauptströmungsrichtung und des Anstellwinkels,
3 eine Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsachse eines Messstutzens mit einem Anstellwinkel von 0 ° der Streben,
4 eine weitere Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsachse eines Messstutzens mit einem Anstellwinkel von 60 ° der Streben,
5 ein Simulationsergebnis der Geschwindigkeitsverteilung des strömenden fluiden Mediums und der Strömungslinien des Messstutzens mit einem Anstellwinkel von 0 ° der Streben,
6 eine Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsachse eines Messstutzens der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung,
7 ein Simulationsergebnis der Geschwindigkeitsverteilung des strömenden fluiden Mediums und der Strömungslinien bei der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung, und
8 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen Wärmestrom und Anstellwinkel.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung 10 zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums. Die Temperaturmessvorrichtung 10 kann als kombinierter Druck-Temperatur-Sensor ausgestaltet sein. Da die Erfindung insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik anwendbar ist, kann die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung 10 beispielsweise an einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine angebracht sein, so dass es sich bei dem fluiden Medium um eine der Brennkraftmaschine zugeführte Ansaugluft handeln kann. Andere Anwendungen, bei denen die Temperatur und optional der Druck oder ein anderer Parameter eines fluiden Mediums bestimmt werden muss, sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Temperaturmessvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12, das von einem Gehäusedeckel 14 verschlossen sein kann, sowie einen Messstutzen 16 auf, der als Druckstutzen ausgestaltet sein kann. Der Messstutzen 16 ragt in das strömende fluide Medium hinein und wird von diesem in einer Hauptströmungsrichtung 18 umströmt. Der Druckstutzen 16 weist ein unteres Ende 20 und ein oberes Ende 22 auf. Der Messstutzen 16 weist an dem unteren Ende 20, das sich näher an dem Gehäuse 12 als das obere Ende 22 befindet, eine Nut 24 für einen Dichtring 26, wie beispielsweise einen O-Ring, auf, mittels dessen das übrige Gehäuse 12 abgedichtet werden kann. Der Messstutzen 16 ist käfigförmig ausgebildet und weist Öffnungen 28 auf, durch welche das strömende fluide Medium in das Innere des Messstutzens 16 einströmen kann. Die Öffnungen 28 werden zumindest teilweise von drei Streben 30 begrenzt. Im Inneren des Messstutzens 16 können Abstützungen vorgesehen sein, welche einen dort aufgenommenen Temperaturmessfühler 32 abstützen und stabilisieren.
Der Temperaturmessfühler 32 kann beispielsweise in Form eines NTC-Widerstands ausgebildet sein. Der Temperaturmessfühler 32 weist einen Messkopf 34 in Form einer Glas- oder Kunststoffperle mit zwei elektrischen Anschlüssen 36 in Form von biegbaren Beinchen auf. Der Messkopf 34 ist beispielsweise kugelförmig und weist beispielsweise einen Durchmesser zwischen 1 mm und 4 mm auf. Wie in 1 gezeigt, kann der Temperaturmessfühler 32 von einer dem Messstutzen 16 abgewandten Seite des Gehäuses 12 eingebracht werden. Entsprechend ist der Temperaturmessfühler 32 zumindest teilweise in den Messstutzen 16 eingebracht.
Im Inneren des Gehäuses 12 kann der Temperaturmessfühler 32 mittels der Anschlussleitungen 36 mit einem Stanzgitter 38 verbunden werden, das mit einem Drucksensor 40 zur Erfassung eines Drucks des strömenden fluiden Mediums ausgebildet ist. Der Drucksensor 40 ist beispielsweise auf einem Träger 42 angeordnet und mit diesem über Bonddrähte 44 elektrisch verbunden. Der Träger 42 kann wiederum über nicht gezeigte Bonddrähte mit elektrischen Anschlusskontakten der Temperaturmessvorrichtung 10 verbunden sein, die aus dem Gehäuse 12 herausgeführt sind. Wie gezeigt, kann das Innere des Gehäuses 12, in dem sich die Auswerteschaltung und die übrige Elektronik befinden, durch den Deckel 14 verschlossen werden. In einem Zustand, in dem die Temperaturmessvorrichtung 10 mittels des Gehäuses 12 an einem Messgasraum angebracht ist, der das fluide Medium enthält, ragt der Messstutzen 16 entlang einer Erstreckungsachse 46 in des fluide Medium hinein. Die Streben 30 sind dabei im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsachse 46 angeordnet. Der Messstutzen 16 kann rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse 46 sein.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Schnittebene durch einen Messstutzen 16 senkrecht zu der Erstreckungsachse 46 des Messstutzens 16, d. h. eine Ansicht in einer Richtung, in der der Temperaturmessfühler 32 in das strömende fluide Medium hereinragt, zur Erläuterung oder Veranschaulichung der Definition der Hauptströmungsrichtung 18 und eines Anstellwinkels bei der Erfindung. Wie bereits erwähnt, ist der Temperaturmessfühler 32 in einen käfigförmigen Messstutzen 16 eingebracht, dessen Öffnungen 28 zumindest teilweise von Streben 30 begrenzt werden. Es können beispielsweise drei Streben 30 vorgesehen sein. Die drei Streben 30 sind in einer Umfangsrichtung um die Erstreckungsachse 46 gleichmäßig beabstandet, so dass ein Winkel in der Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei benachbarten Streben 30 mit einem Scheitel für den Winkel in einem Durchstoßpunkt 48 der Erstreckungsachse 46 durch die Schnittebene liegt und der Winkel 120 ° beträgt. Die Streben 30 weisen in der Schnittebene eine Profilsehne 50 auf, deren gedachte Verlängerung durch den Durchstoßpunkt 48 verläuft. Die Anströmung durch das strömende fluide Medium ist durch Pfeile angedeutet. Insbesondere sind die Streben 30 derart angeordnet, dass ein Anstellwinkel α von beispielsweise 30 ° gebildet wird. Der Anstellwinkel α wird dabei zwischen der Profilsehne 50 derjenigen Strebe 30, die am weitesten stromaufwärts in der Hauptströmungsrichtung 18 liegt, und einer Linie in der Hauptströmungsrichtung 18, die durch den Durchstoßpunkt 48 verläuft, gebildet. Auch die anderen Streben 30, die in der Hauptströmungsrichtung 18 weiter stromabwärts liegen, weisen einen derartigen Anstellwinkel α auf, wobei jedoch zur Bestimmung des Anstellwinkels α der weiter stromabwärts liegenden Streben 30, diese entsprechend gedanklich in die am weitesten stromaufwärts liegende Position gedreht werden.
3 zeigt zur Erläuterung der strömungsmechanischen Auswirkungen der Anordnung der Streben 30 eine Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse 46 eines Messstutzens 16, bei dem die Streben 30 in einem Anstellwinkel α von 0 ° angeordnet sind. Entsprechend liegt die Strebe 30, die sich am weitesten stromaufwärts befindet, so in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen vor dem Temperaturmessfühler 32, dass dieser strömungstechnisch abgeschirmt oder verdeckt wird. Dadurch kommt es aufgrund von Ablösegebieten 52 stromaufwärts und stromabwärts des Temperaturmessfühlers 32 zu einem sehr schlechten Wärmeübergang von dem strömenden fluiden Medium auf den Temperaturmessfühler 32.
4 zeigt zur Erläuterung der strömungsmechanischen Auswirkungen der Anordnung der Streben 30 eine weitere Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse 46 eines Messstutzens 16, bei dem die Streben 30 in einem Anstellwinkel α von 60 ° angeordnet sind. Dadurch kann der Temperaturmessfühler 32 von dem fluiden Medium im Wesentlichen ungehindert angeströmt werden. Dies führt zu einem sehr guten Wärmeübergang aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten um den Temperaturmessfühler 32 und einer an den Temperaturmessfühler 32 anliegenden Strömung. Allerdings kann es auch hier aufgrund der hohen Geschwindigkeiten zu periodischen Wirbelablösungen 54 am Temperaturmessfühler 32 kommen, d. h. den so genannten Kármánschen Wirbelstraßen, die Schwingungen in den Temperaturmessfühler 32 induzieren und so zu einer erhöhten mechanischen Belastung führen. Diese können den Temperaturmessfühler 32 beschädigen und insbesondere zu einem Brechen der dünnen Anschlussleitungen 36 führen.
5 zeigt das Ergebnis einer Strömungssimulation für die Anordnung gemäß 3 und der zugehörigen Verteilung der Geschwindigkeitsfelder und der Strömungslinien. Deutlich zu erkennen sind Felder 56 geringer Geschwindigkeit um die am weitesten stromaufwärts liegende Strebe 30 und den Temperaturmessfühler 32. Ferner zeigen die Strömungslinien, dass der Temperaturmessfühler 32 auf seiner stromaufwärts liegenden Seite kaum von dem strömenden fluiden Medium umströmt wird, sondern das fluide Medium an dem Temperaturmessfühler 32 seitlich vorbei strömt. Daher kommt es zu einem schlechten Wärmeübergang von dem fluiden Medium auf den Temperaturmessfühler 32.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse 46 eines erfindungsgemäßen Messstutzens 16. Die Schnittebene verläuft insbesondere durch den Messkopf 34 des Temperaturmessfühlers 32. Der Messkopf 34 kann einen kreisförmigen Querschnitt in der Schnittebene aufweisen, dessen Durchmesser beispielsweise 1 mm bis 4 mm ist. Der Temperaturmessfühler 32 kann auf der Erstreckungsachse 46 angeordnet sein. In der gezeigten Schnittebene fallen der Durchstoßpunkt 48 der Erstreckungsachse 46 durch die Schnittebene und ein Mittelpunkt des Messkopfs 34 zusammen. Dies ist jedoch kein zwingendes Erfordernis für die Ausführbarkeit der Erfindung. Stattdessen ist auch ein Versatz der Erstreckungsachse 46 bezüglich des Temperaturmessfühlers 32 in der Schnittebene denkbar. Wie in 6 gezeigt ist, ist bei mindestens einer Strebe 30 die Profilsehne 50 in einem Winkel β von 5 ° bis 55 °, bevorzugt 10 ° bis 50 ° und noch bevorzugter 20 ° bis 40 °, wie beispielsweise 30 °, zu einer Linie 58, die einen Mittelpunkt 60 der Strebe 30 und den Durchstoßpunkt 48 verbindet, angeordnet. Folglich sind die Streben 30 derart angeordnet, dass eine gedachte Verlängerung der Profilsehne 50 nicht durch den Durchstoßpunkt 48 verläuft oder diesen schneidet. Da die Streben 30 schräg oder verdreht zu der Erstreckungsachse 46 angeordnet sind, kann der Winkel β auch als Verdrehwinkel bezeichnet werden. Die Streben 30 können zusätzlich in einem Anstellwinkel α größer 0 ° angeordnet sein. Gemäß der Darstellung der 6 ist die Profilsehne 50 der am weitesten stromaufwärts in der Hauptströmungsrichtung 18 liegenden Strebe 30 daher beispielsweise in einem Anstellwinkel α von 30 ° und zusätzlich in einem Winkel β von 30 ° angeordnet. Es können auch alle oder ein Teil der Streben 30 in dem Anstellwinkel α und/oder dem Winkel β angeordnet sein. Beispielsweise ist nur die am weitesten stromaufwärts in der Hauptströmungsrichtung 18 gelegene Strebe 30 in dem Anstellwinkel α von 30 ° und zusätzlich in dem Winkel β von 30 ° angeordnet, während die weiter stromabwärts in der Hauptströmungsrichtung 18 gelegenen Streben 30 in dem Anstellwinkel α von 30 ° und in einem Winkel β von 0 ° oder in einem Anstellwinkel α von 0 ° und in einem Winkel β von 30 °angeordnet sind. Aufgrund der Anordnung mindestens einer Strebe 30 in dem Winkel β von 5 ° bis 55 °, bevorzugt 10 ° bis 50 ° und noch bevorzugter 20 ° bis 40 °, wie beispielsweise 30 °, zu der Linie 58, die den Mittelpunkt 60 der Strebe 30 und den Durchstoßpunkt 48 verbindet, kommt es zu einer asymmetrischen Anströmung des Temperaturmessfühlers 32. Insbesondere können die Streben 30 in der Schnittebene die Form eines Langlochs aufweisen. Die Streben 30 können in der Schnittebene eine Breite, d. h. eine Abmessung senkrecht zu der Profilsehne 58 innerhalb der Schnittebene, von 1 mm bis 2 mm und eine Länge, d. h. eine Abmessung entlang der Profilsehne 58, von 2 mm bis 5 mm aufweisen. Die Streben 30 können entlang der Erstreckungsachse 46 eine Abmessung von 5 mm bis 12 mm aufweisen.
7 zeigt ein Ergebnis einer Strömungssimulation der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung 10, aus der die Verteilung der Geschwindigkeitsfelder und der Strömungslinien hervorgehen. Insbesondere zeigt 7, dass die Strömungslinien aufgrund der asymmetrischen Anströmung den Temperaturmessfühler 32 über einen großen Teil seiner Oberfläche umlaufen und so Ablösegebiete verkleinern. Auch wenn sich der Temperaturmessfühler 32 aufgrund einer teilweisen Verdeckung durch die am weitesten stromaufwärts liegende Strebe 30 in einem Feld 56 geringer Geschwindigkeit befinden kann, kommt es zu einem verbesserten und gleichmäßigeren Wärmeübergang im Vergleich zu der Anordnung der 5. Damit schwankt der Wärmeübergang, d. h. der Wärmestrom von dem strömenden fluiden Medium auf den Temperaturmessfühler 32, weniger stark bei Änderungen des Anstellwinkels α.
8 zeigt ein Diagramm, bei dem das Verhältnis des Wärmestroms in W in Abhängigkeit von dem Anstellwinkel α in Grad aufgetragen ist. Insbesondere sind der Fall, bei dem alle Streben 30 in einem Winkel β von 0 °angeordnet sind, und der Fall, bei dem mindestens eine Strebe 30 in einem Winkel β von 30 °angeordnet ist, in dem Diagramm gezeigt. Die einzelnen Messwerte sind dabei durch Punkte angegeben und die Kurven stellen polynomische Annäherungen der Messwerte als Funktion dar. Aus dem Diagramm ist gut zu erkennen, dass der Wärmestrom für den Fall, bei dem alle Streben 30 in einem Winkel β von 0 °angeordnet sind, insbesondere bei kleineren Anstellwinkeln α, d. h. Anstellwinkeln von 0 ° bis 20 °, und bei großen Anstellwinkeln α, d. h. Anstellwinkeln α von 100 ° bis 120 °, deutlich geringer ist als in dem Fall, bei dem mindestens eine Strebe 30 in einem Winkel β von 30 ° angeordnet ist. Entsprechend lässt sich aus dem Diagramm erkennen, dass durch die mindestens eine in dem Winkel β von 30 ° schräg angestellte Strebe 30, der erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung 10 der Wärmeübergang verbessert wird, wobei die oben genannten Kármánschen Wirbelstraßen vermieden und die Neigung zur strömungsinduzierten Schwingungen reduziert werden können. Auch lässt sich durch die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung 10 das Ansprechverhalten des Temperaturmessfühlers 32 deutlich verbessern, d. h. die Ansprechzeiten sind deutlich geringer.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009026472 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seite 137 [0001]
Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seite 137 [0013]
Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136 [0014]

Claims

Temperaturmessvorrichtung (10) zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Temperaturmessfühler (32) und ein Gehäuse (12), wobei das Gehäuse (12) einen Messstutzen (16) aufweist, wobei der Temperaturmessfühler (32) zumindest teilweise in den Messstutzen (16) eingebracht ist, wobei der Messstutzen (16) entlang einer Erstreckungsachse (46) in das strömende fluide Medium hineinragt, wobei der Messstutzen (16) Öffnungen (28) aufweist, die zumindest teilweise von Streben (30) begrenzt werden, wobei die Streben (30) im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsachse (46) angeordnet sind, wobei die Streben (30) in einer Schnittebene senkrecht zu der Erstreckungsachse (46) eine Profilsehne (50) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Strebe (30) die Profilsehne (50) in einem Winkel (β) von 5 ° bis 55 °, bevorzugt 10 ° bis 50 ° und noch bevorzugter 20 ° bis 40 °, zu einer Linie (58), die einen Mittelpunkt (60) der Strebe (30) und einen Durchstoßpunkt (48) der Erstreckungsachse (46) durch die Schnittebene verbindet, angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sämtliche Streben (30) unter im Wesentlichen demselben Winkel (β) zwischen ihrer jeweiligen Profilsehne (50) und der Linie (58), die den Mittelpunkt (60) der jeweiligen Strebe (30) und den Durchstoßpunkt (48) der Erstreckungsachse (46) verbindet, angeordnet sind.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturmessfühler (32) auf der Erstreckungsachse (46) angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messstutzen (16) rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse (46) ist.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der mindestens einen Strebe (30) die Profilsehne (50) in einem Anstellwinkel (α) von 2 ° bis 35 °, bevorzugt von 5 ° bis 30 ° und noch bevorzugter von 10 ° bis 25 ° in der Schnittebene angeordnet ist.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei alle Streben (30) in dem Anstellwinkel (α) und/oder dem Winkel (β) angeordnet sind.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streben (30) in der Schnittebene die Form eines Langlochs aufweisen.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messstutzen (16) drei Streben (30) aufweist, die in der Schnittebene in einer Umfangsrichtung um den Temperaturmessfühler (32) gleichmäßig beabstandet angeordnet sind.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streben (30) in der Schnittebene eine Breite von 1 mm bis 2 mm und eine Länge von 2 mm bis 5 mm und entlang der Erstreckungsachse (46) eine Abmessung von 5 mm bis 12 mm aufweisen.
Temperaturmessvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperaturmessvorrichtung (10) mindestens einen weiteren Messfühler zur Erfassung mindestens eines weiteren physikalischen und/oder chemischen Parameters aufweist, insbesondere einen Drucksensor (40).