DE102012211133B4

DE102012211133B4 - Sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel

Info

Publication number: DE102012211133B4
Application number: DE102012211133.6A
Authority: DE
Inventors: Torsten Mais; Ulrich Wagner; Uwe Konzelmann; Andreas Kaufmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: DE102012211133A1

Abstract

Sensoranordnung (10) zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal (26) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoranordnung (10) ein Sensorgehäuse (34), insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler (12), in dem der Kanal (26) ausgebildet ist, und mindestens einen in dem Kanal (26) angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse (34) einen Einlass (16) in den Kanal (26), der einer Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass (30) aus dem Kanal (26) in einer Oberfläche (28) des Sensorgehäuses (34) aufweist, wobei die Oberfläche (28) des Sensorgehäuses (34) in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen stromabwärts des Auslasses (30) eine Stufe (40) mit einer Abrisskante (44) aufweist, wobei die Stufe (40) an den Auslass (30) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (28) in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen stromaufwärts des Auslasses (30) eine Stufe (42) mit einer Abrisskante (46) aufweist, wobei die stromaufwärtige Stufe (42) an den Auslass (30) angrenzt und die stromabwärtige Stufe (40) und die stromaufwärtige Stufe (42) einen kaminartigen Vorsprung (48) von der Oberfläche (28) bilden.Sensor arrangement (10) for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel (26), in particular an intake air mass of an internal combustion engine, wherein the sensor arrangement (10) has a sensor housing (34), in particular a plug-in sensor (12) which is inserted or can be inserted into a flow pipe. , in which the channel (26) is formed, and has at least one sensor chip arranged in the channel (26) for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing (34) having an inlet (16) in the channel (26). a main flow direction (18) of the fluid medium, and has at least one outlet (30) from the channel (26) in a surface (28) of the sensor housing (34), the surface (28) of the sensor housing (34) in the main flow direction (18), seen downstream of the outlet (30), has a step (40) with a tear-off edge (44), the step (40) adjoining the outlet (30), characterized in that the surface (28) in the main flow direction ( 18) seen upstream of the outlet (30) has a step (42) with a tear-off edge (46), the upstream step (42) adjoining the outlet (30) and the downstream step (40) and the upstream step (42) form a chimney-like projection (48) from the surface (28).

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich dabei um beliebige physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.Numerous methods and devices for determining at least one flow property of fluid media, ie liquids and/or gases, are known from the prior art. The flow properties as a possible parameter can be any physical and/or chemical measurable properties that qualify or quantify a flow of the fluid medium. In particular, this can be a flow rate and/or a mass flow and/or a volume flow.

Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146-148 , bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welcher von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei der eine Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und der andere Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements gelagert ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden. The invention is described below in particular with reference to so-called hot-film air-mass meters, such as those shown in FIG Konrad Reif (ed.): Sensors in motor vehicles, 1st edition 2010, pages 146-148 , are known. Such hot-film air mass meters are generally based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, for example with a sensor membrane as the measuring surface or sensor area over which the flowing fluid medium can flow. The sensor chip usually includes at least one heating element and at least two temperature sensors, which are arranged, for example, on the measuring surface of the sensor chip, one temperature sensor being mounted upstream of the heating element and the other temperature sensor being mounted downstream of the heating element. A mass flow and/or volume flow of the fluid medium can be inferred from an asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium.

Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln.Hot-film air-mass meters are usually designed as a plug-in sensor, which can be introduced into a flow tube in a fixed or interchangeable manner. For example, this flow pipe can be an intake tract of an internal combustion engine.

Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehen Hauptkanal. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Hauptkanals ist ein Bypasskanal ausgebildet. Insbesondere ist der Bypasskanal derart ausgebildet, dass er einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des durch den Einlass des Hauptkanals eingetretenen Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist.A partial flow of the medium flows through at least one main channel provided in the hot-film air-mass meter. A bypass channel is formed between the inlet and the outlet of the main channel. In particular, the bypass channel is designed in such a way that it has a curved section for deflecting the partial flow of the medium that has entered through the inlet of the main channel, the curved section subsequently merging into a section in which the sensor chip is arranged. The last-mentioned section represents the actual measurement channel in which the sensor chip is arranged.

Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine der hauptsächlichen Herausforderungen darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertöpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstigen Festkörperpartikeln weiter zu verbessern. Diese Signalqualität bezieht sich beispielsweise auf einen Massenstrom des Mediums durch den zu dem Sensorchip führenden Messkanal sowie gegebenenfalls auf die Verminderung einer Signaldrift und die Verbesserung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses. Die Signaldrift bezieht sich dabei auf die Abweichung beispielsweise des Massenstroms des Mediums im Sinne einer Veränderung der Kennlinien-Beziehung zwischen dem tatsächlich auftretenden Massenstrom und dem im Rahmen der Kalibrierung bei der Fertigung ermittelten auszugebenden Signal. Bei der Ermittlung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses werden die in schneller zeitlicher Folge ausgegebenen Sensorsignale betrachtet, wohingegen sich die Kennlinien- oder Signaldrift auf eine Veränderung des Mittelwertes bezieht.In practice, such hot-film air-mass meters have to meet a large number of requirements. In addition to the goal of reducing a pressure drop on the hot-film air mass meter overall through suitable flow-related designs, one of the main challenges is to further improve the signal quality and the robustness of the devices against contamination by oil and water droplets as well as soot, dust and other solid particles . This signal quality relates, for example, to a mass flow of the medium through the measurement channel leading to the sensor chip and possibly to the reduction in signal drift and the improvement in the signal-to-noise ratio. The signal drift relates to the deviation, for example, of the mass flow of the medium in the sense of a change in the characteristic curve relationship between the mass flow actually occurring and the signal to be output, determined as part of the calibration during manufacture. When determining the signal-to-noise ratio, the sensor signals output in rapid succession are considered, whereas the characteristic curve or signal drift relates to a change in the mean value.

Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit einem darauf angebrachten oder eingebrachten Sensorchip in den Messkanal hinein. Beispielsweise kann der Sensorchip in den Sensorträger eingeklebt oder auf diesen aufgeklebt sein. Der Sensorträger kann beispielsweise mit einem Bodenblech aus Metall, auf welchem auch eine Elektronik, eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (beispielsweise mit einem Schaltungsträger, insbesondere einer Leiterplatte) aufgeklebt sein kann, eine Einheit bilden. Beispielsweise kann der Sensorträger als angespritztes Kunststoffteil eines Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer- und Auswerteschaltung können beispielsweise durch Bondverbindungen miteinander verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden und der gesamte Steckfühler kann mit Deckeln verschlossen werden.In conventional hot-film air-mass meters of the type described, a sensor carrier with a sensor chip attached or introduced thereon generally protrudes into the measurement channel. For example, the sensor chip can be glued into the sensor carrier or glued onto it. The sensor carrier can, for example, form a unit with a base plate made of metal, to which electronics, a control and evaluation circuit (for example with a circuit carrier, in particular a printed circuit board) can also be glued. For example, the sensor carrier can be designed as a molded plastic part of an electronics module. The sensor chip and the control and evaluation circuit can be connected to one another by bonded connections, for example. The electronic module created in this way can be glued into a sensor housing, for example, and the entire plug-in sensor can be closed with covers.

Die DE 198 15 656 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigsten eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine. Die Sensoranordnung weist mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Der Sensorchip ist in einem in den Kanal ragenden Sensorträger aufgenommen. Der Kanal führt zu einer an einer Außenfläche der Sensoranordnung in ein Strömungsrohr mündenden Auslassöffnung. An der die Auslassöffnung aufweisenden Außenfläche der Sensoranordnung ist in der Umgebung der Auslassöffnung zumindest eine Erhebung vorgesehen.The DE 198 15 656 A1 discloses a sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a duct, in particular an intake air mass of an internal combustion engine. The sensor arrangement has at least one sensor chip arranged in the channel for determining the parameter of the fluid medium. The sensor chip is in an in added the channel projecting sensor carrier. The channel leads to an outlet opening which opens into a flow tube on an outer surface of the sensor arrangement. At least one elevation is provided in the vicinity of the outlet opening on the outer surface of the sensor arrangement that has the outlet opening.

Die DE 197 38 337 A1 offenbart einen Heißfilmluftmassenmesser mit einer Stufe stromabwärts des Auslasses.The DE 197 38 337 A1 discloses a hot film mass air flow sensor having a step downstream of the outlet.

Aus der DE 103 16 450 A1 ist eine Sensoranordnung zur Bestimmung der Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine bekannt, welche ein Sensorgehäuse mit einer Auslassöffnung für einen in dem Sensorgehäuse angeordneten Kanal und einen stromabwärts hinter der Auslassöffnung angeordneten von einer Seitenwand des Gehäuses abstehenden Windschild aufweist.From the DE 103 16 450 A1 a sensor arrangement for determining the intake air mass of an internal combustion engine is known, which has a sensor housing with an outlet opening for a channel arranged in the sensor housing and a windshield arranged downstream behind the outlet opening and protruding from a side wall of the housing.

Aus der US 2009/0133489 A1 ist eine Sensoranordnung zur Bestimmung der Ansaugluftmasse bekannt, welche eins Sensorgehäuse mit einem Kanal und einem Auslass aufweist, wobei stromabwärts hinter dem Auslass eine Stufe mit einer an den Auslass angrenzenden Kante vorgesehen ist.From the U.S. 2009/0133489 A1 a sensor arrangement for determining the intake air mass is known, which has a sensor housing with a channel and an outlet, a step with an edge adjoining the outlet being provided downstream behind the outlet.

Weitere Sensoranordnungen sind aus der DE 102 30 531 A1 und aus der DE 199 27 818 A1 bekannt.More sensor arrays are from DE 102 30 531 A1 and from the DE 199 27 818 A1 known.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Verringern des Signalrauchens beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial bezüglich anderer funktionaler Aspekte. So bildet sich bei den herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern an der Außenfläche eine Grenzschicht kontinuierlich bis zu dem Bypassauslass aus. Der große Geschwindigkeitsbereich, den der Heißfilmluftmassenmesser abdecken muss, führt dazu, dass der Bypassauslass bei gewissen Geschwindigkeiten in einem laminar-turbulenten Übergang der Grenzschicht liegt. Dieser Übergangsbereich zeichnet sich durch schlechte Reproduzierbarkeit und nichtlineares Verhalten aus. Dies führt daher zu einer schlechteren Abgleichbarkeit und einem komplexen Verhalten bei pulsierender Strömung, die den Übergangsbereich umfasst.Despite the numerous advantages of the methods for reducing signal smoke known from the prior art, these still contain potential for improvement with regard to other functional aspects. In conventional hot-film air-mass meters, a boundary layer forms continuously on the outer surface up to the bypass outlet. The large speed range that the hot-film air mass meter has to cover means that the bypass outlet is in a laminar-turbulent transition of the boundary layer at certain speeds. This transition area is characterized by poor reproducibility and non-linear behavior. This therefore leads to poorer tunability and complex behavior in pulsating flow that includes the transition region.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest vermeiden kann und bei der bei einer Strömung ein Neuanlauf der Grenzschicht unmittelbar stromaufwärts des Bypassauslasses erzwungen wird, so dass reproduzierbare Verhältnisse beim Abgleich vorliegen.A sensor arrangement is therefore proposed for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel, which can at least avoid the disadvantages of known methods and strategies and in which, in the event of a flow, the boundary layer is forced to restart immediately upstream of the bypass outlet, so that reproducible conditions present at the time of reconciliation.

Die Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, umfasst ein Sensorgehäuse, insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem der Kanal ausgebildet ist, und mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums, wobei das Sensorgehäuse einen Einlass in den Kanal, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass aus dem Kanal in einer Oberfläche des Sensorgehäuses aufweist, wobei die Oberfläche des Sensorgehäuses in der Hauptströmungsrichtung gesehen zumindest stromabwärts des Auslasses eine Stufe mit einer Abrisskante aufweist, wobei die Stufe an den Auslass angrenzt. Erfindungsgemäß weist die Oberfläche in der Hauptströmungsrichtung gesehen stromaufwärts des Auslasses eine Stufe mit einer Abrisskante auf, wobei die stromaufwärtige Stufe an den Auslass angrenzt und die stromabwärtige Stufe und die stromaufwärtige Stufe einen kaminartigen Vorsprung von der Oberfläche bilden.The sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a duct, in particular an intake air mass of an internal combustion engine, comprises a sensor housing, in particular a plug-in sensor which is or can be inserted into a flow tube, in which the duct is formed, and at least one sensor chip arranged in the duct for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing having an inlet into the channel, which points in the opposite direction to a main flow direction of the fluid medium, and at least one outlet from the channel in a surface of the sensor housing, the surface of the sensor housing being at least downstream when viewed in the main flow direction of the outlet has a step with a tear-off edge, the step being adjacent to the outlet. According to the invention, the surface has a step with a tear-off edge upstream of the outlet, viewed in the main flow direction, the upstream step adjoining the outlet and the downstream step and the upstream step forming a chimney-like projection from the surface.

Die stromabwärtige Stufe kann von 0,5 mm bis 5 mm und bevorzugt von 0,75 mm bis 3 mm und noch bevorzugter von 1,2 mm bis 2,2 mm von der Oberfläche vorstehen. Die stromabwärtige Stufe und/oder die stromaufwärtige Stufe können senkrecht von der Oberfläche vorstehen. Die Abrisskante kann eine Abmessung in der Hauptströmungsrichtung von 0,2 mm bis 0,4 mm und bevorzugt von 0,25 mm bis 0,35 mm aufweisen. Die stromabwärtige Stufe und/oder die stromaufwärtige Stufe können sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung erstrecken. Die stromabwärtige Stufe und die stromaufwärtige Stufe können den Auslass allseitig begrenzen. Der Auslass kann sich an einer Position der Oberfläche befinden, in der das in der Hauptströmungsrichtung strömende Fluid turbulent ist. Der Auslass kann einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt aufweisen.The downstream step may protrude from the surface from 0.5mm to 5mm, preferably from 0.75mm to 3mm, and more preferably from 1.2mm to 2.2mm. The downstream step and/or the upstream step may protrude perpendicularly from the surface. The tear-off edge can have a dimension in the main flow direction of 0.2 mm to 0.4 mm and preferably 0.25 mm to 0.35 mm. The downstream stage and/or the upstream stage can extend, at least in sections, perpendicularly to the main direction of flow. The downstream stage and the upstream stage can limit the outlet on all sides. The outlet may be at a position of the surface where the fluid flowing in the main flow direction is turbulent. The outlet can have a rectangular opening cross section.

Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors bzw. der Sensoranordnung 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 am Ort der Sensoranordnung verstanden werden. Dabei bezieht sich die gemittelte Transportrichtung auf eine Transportrichtung, in der das fluide Medium im zeitlichen Mittel überwiegend strömt.In the context of the present invention, the main direction of flow is to be understood as meaning the local direction of flow of the fluid medium at the location of the sensor or the sensor arrangement. B. turbulence can be ignored. In particular, the main flow direction can thus be understood to mean the locally averaged transport direction of the flowing fluid medium at the location of the sensor arrangement. The average transport direction refers to a transport direction direction in which the fluid medium predominantly flows on average over time.

Unter einer stromabwärtigen Anordnung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Anordnung eines Bauteils an einer Stelle zu sehen, die das fluide Medium in der Hauptströmungsrichtung strömend zeitlich später als einen Bezugspunkt erreicht. So bedeutet beispielsweise eine stromabwärtige Anordnung einer Stufe bezüglich des Auslasses, dass das fluide Medium zeitlich gesehen später die Stufe als den Auslass erreicht.In the context of the present invention, a downstream arrangement means the arrangement of a component at a point that the fluid medium, flowing in the main flow direction, reaches later in time than a reference point. For example, locating a stage downstream of the outlet means that the fluid medium will reach the stage later in time than the outlet.

Analog ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer stromaufwärtigen Anordnung eines Bauteils eine Anordnung des Bauteils an einer Stelle zu verstehen, die das in der Hauptströmungsrichtung strömende fluide Medium zeitlich gesehen früher als an einen Bezugspunkt erreicht. So bedeutet beispielsweise eine stromaufwärtige Anordnung einer Stufe bezüglich eines Auslasses, dass das fluide Medium zeitlich gesehen zuerst früher die Stufe als den Auslass erreicht.Analogously, within the scope of the present invention, an upstream arrangement of a component is to be understood as an arrangement of the component at a point that the fluid medium flowing in the main flow direction reaches earlier than at a reference point. For example, locating a stage upstream of an outlet means that the fluid medium first reaches the stage earlier than the outlet in terms of time.

Unter einer Stufe ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Vorsprung von der Oberfläche des Sensorgehäuses zu verstehen.In the context of the present invention, a step means a projection from the surface of the sensor housing.

Unter einer Abrisskante ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein scharfkantiges oder mit sehr kleinem Krümmungsradius ausgebildetes Bauteil zu verstehen, das eingerichtet ist, einen Strömungsabriss oder eine Strömungsablösung des fluiden Mediums zu bewirken.In the context of the present invention, a stall edge is to be understood as meaning a component with sharp edges or a component designed with a very small radius of curvature, which is set up to cause a flow stall or a flow detachment of the fluid medium.

Unter einer turbulenten Strömung im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine meist dreidimensionale, scheinbar zufällige, instationäre Bewegung der Fluidteilchen zu verstehen. Die Strömung ist turbulent, wenn ihre Reynoldszahl größer als die kritische Reynoldszahl ist, d.h. größer als ungefähr 2300.A turbulent flow in the context of the present invention is to be understood as meaning a mostly three-dimensional, apparently random, unsteady movement of the fluid particles. The flow is turbulent when its Reynolds number is greater than the critical Reynolds number, i.e. greater than about 2300.

Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung wird eine besondere optimierte Form des Auslasses eines Heißfilmluftmassenmessers ermöglicht, die einen Neuablauf der Grenzschicht unmittelbar stromaufwärts des Auslasses erzwingt, so dass reproduzierbare Verhältnisse beim Abgleich vorliegen. Somit können geringere Toleranzen in diesem Betriebsbereich erzielt werden. Zudem vereinfacht die optimierte Auslasskontur die Anpassung des Pulsationsverhaltens deutlich. Da das Pulsationsverhalten wesentlich durch die Bypasskanallänge bestimmt ist, ist das Verschieben der Auslassposition ein wirksames Mittel, um das Pulsationsverhalten einzustellen. Bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern würde mit dem Verschieben der Auslassposition allerdings auch die Position in der Grenzschicht und somit der am Auslass herrschende Druck verändert, so dass sich komplexe Wirkungszusammenhänge ergeben. Durch die optimierte Ausführung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird die Position in der Grenzschicht nicht verändert, so dass dieser Einflussparameter bei der Anpassung des Pulsationsverhaltens vernachlässigbar wird. Somit lässt sich das Pulsationsverhalten deutlich einfacher anpassen. Insbesondere wird der Bypassauslass kaminartig verlängert, schließt also nicht mehr bündig mit den benachbarten Wänden ab, wie es bei dem Stand der Technik der Fall ist. Die Wandkontur ist folglich nicht mehr stetig, sondern weist unmittelbar vor und nach dem Bypassauslass einen Sprung auf.The sensor arrangement according to the invention enables a particularly optimized shape of the outlet of a hot-film air-mass meter, which forces the boundary layer to flow again immediately upstream of the outlet, so that reproducible conditions are present during the adjustment. In this way, lower tolerances can be achieved in this operating range. In addition, the optimized outlet contour significantly simplifies the adjustment of the pulsation behavior. Since the pulsation behavior is essentially determined by the length of the bypass channel, shifting the outlet position is an effective means of adjusting the pulsation behavior. With conventional hot-film air-mass meters, however, shifting the outlet position would also change the position in the boundary layer and thus the pressure prevailing at the outlet, resulting in complex interrelationships. Due to the optimized design of the sensor arrangement according to the invention, the position in the boundary layer is not changed, so that this influencing parameter becomes negligible when adapting the pulsation behavior. This makes it much easier to adjust the pulsation behavior. In particular, the bypass outlet is lengthened like a chimney, so it no longer closes flush with the adjacent walls, as is the case with the prior art. As a result, the wall contour is no longer continuous, but has a jump immediately before and after the bypass outlet.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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 perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung und
2 eine schematische Draufsicht auf die Sensoranordnung im Bereich des Auslasses.

Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures. Show it:

1 a perspective view of a sensor arrangement and
2 a schematic top view of the sensor arrangement in the area of the outlet.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 zeigt eine Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und kann insbesondere eine Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine erfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoranordnung 10 ein Steckfühler 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckfühler 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann.The 1 FIG. 1 shows a sensor arrangement 10 for determining a parameter of a fluid medium flowing through a channel. In this exemplary embodiment, sensor arrangement 10 is designed as a hot-film air mass meter and can, in particular, detect an intake air mass of an internal combustion engine. In this exemplary embodiment, the sensor arrangement 10 includes a plug-in sensor 12, which can be plugged into a flow pipe, in particular an intake tract of the internal combustion engine, for example. A channel structure 14 is accommodated in the plug-in sensor 12, through which a representative quantity of the fluid medium can flow via an inlet opening or an inlet 16, which in the inserted state faces a main flow direction 18 of the fluid medium.

1 zeigt dabei einen Ausschnitt des Steckfühlers 12 im Bereich der Kanalstruktur 14. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 20 auf, welcher in einen Hauptkanalauslass 22 auf einer Unterseite 24 des Steckfühlers 12 bezogen auf die Darstellung in 1 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 26, welcher in einen auf der Oberfläche 28, die bei diesem Ausführungsbeispiel die Stirnseite bzw. Stirnfläche bezogen auf die Darstellung in der 1 des Steckfühlers 12 sein kann, angeordneten Auslass 30 des Bypass- oder Messkanals 26 mündet. Es wird jedoch explizit betont, dass der Auslass 30 auch in einer anderen Oberfläche des Steckfühlers 12 angeordnet sein kann, wie beispielsweise in der Unterseite 24 oder einer Oberseite. 1 shows a section of the plug-in sensor 12 in the area of the channel structure 14. The channel structure 14 has a main channel 20, which is connected to a main channel outlet 22 on an underside 24 of the plug-in sensor 12 based on the representation in FIG 1 opens out, as well as a branching off from the main channel 20 bypass or measuring channel 26, which in a on the surface 28, which in this embodiment, the face or face based on the representation in the 1 of the plug-in sensor 12 can be arranged outlet 30 of the bypass or measuring channel 26 mün de. However, it is explicitly emphasized that the outlet 30 can also be arranged in another surface of the plug-in sensor 12, such as in the underside 24 or an upper side.

In den Messkanal 26 ragt wie bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern ein nicht gezeigter Sensorträger in Form eines Flügels. In diesem Sensorträger ist ein Sensorchip derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips ausgebildete Sensormembran von dem fluiden Medium überströmt wird. Der Sensorträger ist mit dem Sensorchip Bestandteil eines Elektronikmoduls, das ein gebogenes Bodenblech als Sensorträger sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung aufweist. Der Sensorträger kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech angespritzt sein. Der Sensorträger, welcher beispielsweise als Spritzgießbauteil an das Bodenblech angespritzt ist oder mit dem Bodenblech der Leiterplatte integral ausgebildet sein kann, ist mit einer Anströmkante versehen, welche abgerundet ausgestaltet sein kann.As in the case of conventional hot-film air-mass meters, a sensor carrier (not shown) in the form of a wing protrudes into the measuring channel 26 . A sensor chip is embedded in this sensor carrier in such a way that the fluid medium flows over a sensor membrane designed as a sensor area of the sensor chip. The sensor carrier, together with the sensor chip, is part of an electronic module that has a curved base plate as the sensor carrier and a printed circuit board with a control and evaluation circuit that is attached thereto, for example glued on. The sensor carrier can, for example, be molded onto the floor panel as a plastic component. The sensor carrier, which is molded onto the base plate as an injection-molded component, for example, or can be formed integrally with the base plate of the printed circuit board, is provided with a leading edge, which can be rounded.

Der Sensorchip ist mit der Ansteuer- uns Auswerteschaltung über elektrische Verbindungen, welche hier als Draht-Bonding ausgestaltet sein können, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul wird in einen Elektronikraum 32 eines Sensorgehäuses 34 des Steckfühlers 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt. Dies kann derart erfolgen, dass der Sensorträger dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend werden der Elektronikraum und die Kanalstruktur 14 durch Deckel 36, 38 verschlossen.The sensor chip is electrically connected to the control and evaluation circuit via electrical connections, which can be designed here as wire bonding. The electronics module created in this way is introduced, for example glued, into an electronics space 32 of a sensor housing 34 of the plug-in sensor 12, in which the channel structure 14 is also formed. This can be done in such a way that the sensor carrier protrudes into the channel structure 14 . The electronics space and the channel structure 14 are then closed by covers 36, 38.

Aus 1 ist zu erkennen, dass die Stirnfläche 28 eine stromabwärtige Stufe 40, d.h. einer Stufe stromabwärts des Auslasses 30, und eine stromaufwärtige Stufe 42, d.h. eine Stufe stromaufwärts des Auslasses 30, aufweist. Die stromabwärtige Stufe 40 und die stromaufwärtige Stufe 42 grenzen an den Auslass 30. Insbesondere erstrecken sich die stromabwärtige Stufe 40 und die stromaufwärtige Stufe 42 zumindest abschnittsweise senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18. Die stromabwärtige Stufe 40 und die stromaufwärtige Stufe 42 weisen jeweils eine Abrisskante 44, 46 auf. Die stromabwärtige Stufe 40 und die stromaufwärtige Stufe 42 können den Auslass 30 allseitig begrenzen, wie in 1 gezeigt ist. Der Auslass 30 weist beispielsweise einen rechteckigen Öffnungsquerschnitt auf. Die stromabwärtige Stufe 40 und/oder die stromaufwärtige Stufe 42 stehen senkrecht von der Stirnfläche 28 vor. Die stromabwärtige Stufe 40 und die stromaufwärtige Stufe 42 bilden dadurch einen kaminartigen Vorsprung 48 von der Stirnfläche 28. Beispielsweise können die stromabwärtige Stufe 40 und/oder die stromaufwärtige Stufe 42 von 0,5 mm bis 5 mm, bevorzugt von 0,75 mm bis 3 mm und noch bevorzugter von 1,2 mm bis 2,2 mm, von der Stirnfläche 28 vorstehen, beispielsweise 1,5 mm. Die Abrisskante 44 der stromabwärtigen Stufe 40 und/oder die Abrisskante 46 der stromaufwärtigen Stufe 42 weist eine Abmessung in der Hauptströmungsrichtung 18 von 0,2 mm bis 0,4 mm und bevorzugt von 0,25 mm bis 0,35 mm auf, beispielsweise 0,3 mm.Out of 1 It can be seen that the face 28 has a downstream step 40, ie a step downstream of the outlet 30, and an upstream step 42, ie a step upstream of the outlet 30. The downstream stage 40 and the upstream stage 42 border on the outlet 30. In particular, the downstream stage 40 and the upstream stage 42 extend at least in sections perpendicular to the main flow direction 18. The downstream stage 40 and the upstream stage 42 each have a tear-off edge 44, 46 on. The downstream stage 40 and the upstream stage 42 can delimit the outlet 30 on all sides, as in FIG 1 is shown. The outlet 30 has, for example, a rectangular opening cross section. The downstream step 40 and/or the upstream step 42 protrude perpendicularly from the face 28 . The downstream step 40 and the upstream step 42 thus form a chimney-like projection 48 from the end face 28. For example, the downstream step 40 and/or the upstream step 42 can be from 0.5 mm to 5 mm, preferably from 0.75 mm to 3 mm and more preferably from 1.2 mm to 2.2 mm, projecting from the face 28, for example 1.5 mm. The separating edge 44 of the downstream stage 40 and/or the separating edge 46 of the upstream stage 42 has a dimension in the main flow direction 18 of 0.2 mm to 0.4 mm and preferably of 0.25 mm to 0.35 mm, for example 0 .3mm.

2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Steckfühler 12 im Bereich des Auslasses 30. Insbesondere ist die Durchströmung des Bypasskanals 26 durch einen Pfeil 50 angedeutet. Insbesondere ist ein Normalbetrieb, also eine pulsationsfreie Strömung des fluiden Mediums, in der Hauptströmungsrichtung 18 gezeigt. 2 shows a schematic plan view of the plug-in sensor 12 in the area of the outlet 30. In particular, the flow through the bypass channel 26 is indicated by an arrow 50. In particular, normal operation, ie a pulsation-free flow of the fluid medium, is shown in the main flow direction 18 .

Bei einer herkömmlichen Ausbildung des Auslasses 30, bei der der Auslass 30 bündig mit der Stirnfläche 28 abschließt, bildet sich in einem Übergangsbereich von einer der Hauptströmungsrichtung 18 entgegenweisenden Seitenfläche 52, in der auch der Einlass 16 ausgebildet ist, in die Stirnfläche 28 ein Staupunkt des strömenden fluiden Mediums. In unmittelbarer Umgebung des Staupunktes beginnt die Bildung einer laminaren Grenzschicht. Mit zunehmender Lauflänge entlang des Übergangsbereichs und der Stirnfläche 28 in Richtung zu dem Auslass 30 wird die Grenzschicht dicker. Zunächst ist die Grenzschicht bis unmittelbar stromaufwärts des Auslasses 30 laminar. Ab einer kritischen Grenzschichtdicke werden Störungen in der Grenzschicht nicht mehr ausreichend gedämpft, so dass diese turbulent wird. Die turbulente Strömung kann dabei in Abhängigkeit von strömungsbeeinflussenden Parametern, wie beispielsweise Wandreibung, Strömungsimpulse, Strömungsgeschwindigkeit und dergleichen, auf Höhe des Auslasses 30, d.h. in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18, oder seines stromabwärtigen Endes oder stromabwärts des Auslasses 30 entstehen.In a conventional configuration of the outlet 30, in which the outlet 30 terminates flush with the end face 28, a stagnation point of the flowing fluid medium. A laminar boundary layer begins to form in the immediate vicinity of the stagnation point. As the run length along the transition region and the face 28 increases towards the outlet 30, the boundary layer becomes thicker. First, the boundary layer is laminar until just upstream of the outlet 30 . Above a critical boundary layer thickness, disturbances in the boundary layer are no longer sufficiently damped, so that it becomes turbulent. The turbulent flow can arise as a function of flow-influencing parameters, such as wall friction, flow pulses, flow velocity and the like, at the level of outlet 30, i.e. in a common plane perpendicular to main flow direction 18, or its downstream end or downstream of outlet 30.

Der Übergang zwischen laminarer und turbulenter Grenzschicht findet in einem Transitionsbereich stromaufwärts des Auslasses 30, spätestens im Bereich des Auslasses, d.h. auf Höhe des Auslasses 30, statt. Dieser Transitionsbereich ist gekennzeichnet durch eine schlechte Reproduzierbarkeit, da er sehr empfindlich auf die verschiedenen Randbedingungen reagiert. Beispielsweise liegt der Transitionsbereich im Bereich des Auslasses 30. Der herkömmliche Heißfilmluftmassenmesser wird sich an diesem Geschwindigkeitsbereich aufgrund der schlechten Reproduzierbarkeit des Transitionsbereichs schlecht abgleichen lassen.The transition between the laminar and turbulent boundary layer takes place in a transition area upstream of the outlet 30, at the latest in the area of the outlet, i.e. at the level of the outlet 30. This transition area is characterized by poor reproducibility, since it reacts very sensitively to the various boundary conditions. For example, the transition area is in the area of outlet 30. The conventional hot-film air-mass meter will be difficult to calibrate in this speed area due to the poor reproducibility of the transition area.

Da sich mit der Geschwindigkeit der Luftströmung die Position des Transitionsbereichs ändert, kann sich bei pulsierender Strömung ein Betriebszustand einstellen, in dem der Auslass 30 während des Betriebes zwischenzeitlich knapp im Transitionsbereich liegt. Falls nun eine geringe Änderung der Pulsationsamplitude oder der mittleren Strömungsgeschwindigkeit dazu führt, dass der Bypasskanal 26 nicht mehr vom Transitionsbereich überstrichen wird, kann dieser einen nichtlinearen Effekt auf den mittleren Luftmassenstrom im Bypasskanal 26 haben, aus dem der Sensorchip das Messsignal generiert. Dadurch wird das Pulsationsverhalten des Heißfilmluftmassenmessers ebenfalls nichtlinear, was die Applikation im Fahrzeug erschwert.Since the position of the transition area changes with the speed of the air flow, In the case of a pulsating flow, an operating state can arise in which the outlet 30 is temporarily just in the transition area during operation. If a slight change in the pulsation amplitude or the mean flow rate means that the bypass channel 26 is no longer swept by the transition area, this can have a non-linear effect on the mean air mass flow in the bypass channel 26, from which the sensor chip generates the measurement signal. As a result, the pulsation behavior of the hot-film air mass meter is also non-linear, which makes application in the vehicle more difficult.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 vermeidet dieses Problem dadurch, dass der Auslass 30 nicht bündig mit der Stirnfläche 28 abschließt, sondern die oben genannte Form aufweist. Wie oben erwähnt, ist erfindungsgemäß der Auslass 30 als ein kaminartiger Vorsprung 48 von der Stirnfläche 28 gebildet. Dabei ist der Auslass 30 so kaminartig verlängert, dass die Stufen 40, 42 die Neubildung einer turbulenten Grenzschicht erzwingen. Entsprechend befindet sich der Auslass 30 an einer Position auf der Stirnfläche 28, an der die Strömung turbulent ist. 2 zeigt dieses Verhalten genauer anhand einer beispielhaften Strömungslinie 54. Stromabwärts des Übergangs der der Hauptströmungsrichtung 18 entgegenweisenden Seitenfläche 52 in die Stirnfläche 28 ist die Strömung ab einer Position 56 transitionell. Ab einer Position 58, die auf Höhe der stromaufwärtigen Stufe 42 liegt, kommt es zur Neubildung einer turbulenten Grenzschicht. Somit liegt der Transitionsbereich stets außerhalb bzw. stromaufwärts des Auslasses 30. Der Transitionsbereich liegt insbesondere nur zwischen den Positionen 56 und 58.The sensor arrangement 10 according to the invention avoids this problem in that the outlet 30 does not end flush with the end face 28 but has the shape mentioned above. As mentioned above, according to the invention the outlet 30 is formed as a chimney-like projection 48 from the end face 28 . The outlet 30 is lengthened like a chimney in such a way that the steps 40, 42 force the formation of a new turbulent boundary layer. Accordingly, the outlet 30 is at a position on the face 28 where the flow is turbulent. 2 shows this behavior in more detail using an exemplary flow line 54 . Downstream of the transition of the side surface 52 facing the main flow direction 18 into the end surface 28 , the flow is transitional from a position 56 . From a position 58, which is level with the upstream step 42, a turbulent boundary layer is formed again. The transition area is therefore always outside or upstream of the outlet 30. In particular, the transition area is only between positions 56 and 58.

Durch die Neubildung der Grenzschicht werden auch Wechselwirkungen der Grenzschicht an dem Auslass 30 mit einem eventuell vorhandenen Transitionsbereich stromaufwärts davon minimiert. Dadurch lässt sich die Sensoranordnung 10 auch bei Strömungsgeschwindigkeiten, die bei einem herkömmlichen Heißfilmluftmassenmesser an einer stetigen Wandkontur einen Transitionsbereich erzeugen würden, gut abgleichen. Wenn im Rahmen von Anpassungen des Pulsationsverhaltens die Position des Auslasses 30 verschoben wird, wird sich das grundsätzliche Pulsationsverhalten deutlich weniger ändern als bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik, da der Einfluss des Transitionsbereichs minimiert wurde. Somit lassen sich auf Basis einer guten Ausgangskonfiguration schnell im Grundverhalten ähnliche, aber an spezielle Kundenwünsche angepasste Varianten der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 erzeugen.The regeneration of the boundary layer also minimizes interactions of the boundary layer at the outlet 30 with a transition region that may be present upstream of it. As a result, the sensor arrangement 10 can be adjusted well even at flow velocities which would produce a transition region on a continuous wall contour in a conventional hot-film air-mass meter. If the position of the outlet 30 is shifted as part of adjustments to the pulsation behavior, the basic pulsation behavior will change significantly less than in designs according to the prior art, since the influence of the transition region has been minimized. Thus, on the basis of a good initial configuration, variants of the sensor arrangement 10 according to the invention that are similar in terms of their basic behavior but are adapted to specific customer requirements can be generated quickly.

Claims

Sensor arrangement (10) for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a duct (26), in particular an intake air mass of an internal combustion engine, the sensor arrangement (10) having a sensor housing (34), in particular a plug-in sensor (12) which is or can be inserted in a flow tube , in which the channel (26) is formed, and has at least one sensor chip arranged in the channel (26) for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing (34) having an inlet (16) into the channel (26), the a main flow direction (18) of the fluid medium, and has at least one outlet (30) from the channel (26) in a surface (28) of the sensor housing (34), the surface (28) of the sensor housing (34) in the main flow direction (18), seen downstream of the outlet (30), has a step (40) with a tear-off edge (44), the step (40) adjoining the outlet (30), characterized in that the surface (28) in the main flow direction ( 18) has a step (42) with a tear-off edge (46), seen upstream of the outlet (30), the upstream step (42) adjoining the outlet (30) and the downstream step (40) and the upstream step (42) form a chimney-like projection (48) from the surface (28).

Sensor arrangement (10) after claim 1 wherein the downstream step (40) projects from 0.5mm to 5mm, and preferably from 0.75mm to 3mm, and more preferably from 1.2mm to 2.2mm from the surface (28).

A sensor assembly (10) as claimed in any preceding claim, wherein the downstream step (40) and/or the upstream step (42) project perpendicularly from the surface (28).

Sensor arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the tear-off edge (44, 46) has a dimension in the main flow direction (18) of 0.2 mm to 0.4 mm and preferably of 0.25 mm to 0.35 mm.

Sensor arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the downstream stage (40) and/or the upstream stage (42) extend at least in sections perpendicularly to the main flow direction (18).

Sensor arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the downstream step (40) and the upstream step (42) delimit the outlet (30) on all sides.

Sensor arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein the outlet (30) is located at a position of the surface (28) in which the flowing in the main flow direction (18) fluid is turbulent.

Sensor arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the outlet (30) has a rectangular opening cross section.