-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften kann es sich dabei um grundsätzlich beliebige physikalisch und/oder chemisch 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.
-
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148 beschrieben sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welche 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. 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. 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.
-
Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehenen 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. Dabei ist in dem Bypasskanal ein Mittel vorgesehen, welches die Strömung leitet und einer Ablösung der Strömung des Medienteilstroms von den Kanalwänden des Messkanals entgegenwirkt. Weiterhin ist der Einlassbereich des Hauptkanals im Bereich seiner Öffnung, welche der Hauptströmungsrichtung entgegenweist, mit schrägen oder gekrümmten Flächen versehen, welche so gestaltet sind, dass in den Einlassbereich einströmendes Medium von dem Teil des Hauptkanals, welcher zu dem Sensorchip führt, weggelenkt wird. Dies bewirkt, dass im Medium enthaltene Flüssigkeits- oder Festkörperteilchen aufgrund ihrer Massenträgheit nicht zu dem Sensorchip gelangen und diesen verschmutzen können.
-
Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen und Randbedingungen 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 derartiger Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertröpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstige Festkörper-Partikel 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 Massenstromes 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 Signales. Bei der Ermittlung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden die in schneller zeitlicher Folge ausgegebenen Sensorsignale betrachtet, wohingegen sich die Kennlinien- oder Signaldrift auf eine Veränderung des Mittelwertes bezieht.
-
Bei üblichen 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 in Form 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.
-
Trotz der durch diese Sensoranordnung bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Verbesserungspotential hinsichtlich der Signalerfassungsgenauigkeit.
-
Damit der Heißfilmluftmassenmesser ein möglichst störungsarmes Luftmassensignal liefern kann, ist eine möglichst gleichmäßige Zuströmung zu dem Steckfühler und durch den Messkanal in diesem und insbesondere über die Messoberfläche des Sensorchips wichtig. Zwischen einer Stirnseite des Sensorträgers und der Wand des Messkanals existiert ein Spalt, dessen Breite fertigungstechnischen Schwankungen unterworfen ist. Im Bereich des Sensorträgers teilt sich das in dem Messkanal strömende fluide Medium in drei Teilmassenströme. Ein erster Teilmassenstrom strömt über den Sensorträger und den Sensorchip, ein zweiter Teilmassenstrom strömt unter dem Sensorträger und ein dritter Teilmassenstrom strömt durch den Spalt. Nach der Umströmung des Sensorträgers bildet sich ein instabiler Nachlauf mit schwankenden Strömungsgeschwindigkeiten und Drücken aus. Dies führt dazu, dass sich auch stromaufwärts, insbesondere im Bereich des Sensorchips, schwankende Strömungsgrößen einstellen, die zu Schwankungen, insbesondere mit für die Abmessung des Sensorträgers und die Strömungsgeschwindigkeit typischen Schwingungsmode, im Messsignal führen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und bei der die Zerteilung des Nachlaufgebietes diese Schwingungsmode beseitigt wird.
-
Die Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines Ansaugluftmassenstroms einer Brennkraftmaschine, weist 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 auf, 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 in dem Kanal stromabwärts des Sensorchips ein Strömungsstabilisierungselement, insbesondere eine Strömungsstabilisierungsfinne, angeordnet ist.
-
Der Sensorchip kann auf einem in dem Kanal quer zur Hauptströmungsrichtung hineinragenden Sensorträger angeordnet sein, wobei das Strömungsstabilisierungselement integral mit dem Sensorträger ausgebildet oder von diesem separiert ist. Beispielsweise ist das Strömungsstabilisierungselement separiert von dem Sensorträger und integral mit einem Deckel für den Messkanal oder dem Gerätegehäuse ausgebildet. Das Strömungsstabilisierungselement kann sich von einer stromabwärtigen Kante des Sensorträgers aus entlang des Kanals in der Hauptströmungsrichtung erstreckt. Das Strömungsstabilisierungselement kann zumindest eine Aussparung aufweisen. Die Aussparung kann sich in der Hauptströmungsrichtung erstrecken. Die Aussparung kann sich senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung erstrecken. Die Aussparung kann sich an einem stromabwärtigen Ende des Strömungsstabilisierungselements befinden. Die Aussparung kann dreieckig oder rechteckig sein oder eine andere Form aufweisen. Das Strömungsstabilisierungselement kann eine Dicke aufweist, die von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende abnimmt. Die Dicke kann kontinuierlich abnehmen. Das Strömungsstabilisierungselement kann eine Breite aufweisen, die von einem stromaufwärtigen Ende zu einem stromabwärtigen Ende abnimmt. Die Breite kann stufenförmig abnehmen. Das Strömungsstabilisierungselement kann sich parallel zu einer Wand des Kanals oder entlang der Hauptströmungsrichtung tordiert erstrecken. Es ist jedoch alternativ möglich, dass sich das Strömungsstabilisierungselement auch nicht parallel zu einer Wand des Kanals erstrecken. Der Sensorchip kann auf einem Sensorträger angeordnet sein, wobei das Strömungsstabilisierungselement integral mit dem Sensorträger oder in der Hauptströmungsrichtung zu dem Sensorträger beabstandet ausgebildet ist.
-
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 zum Beispiel Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums verstanden werden. Die Hauptströmungsrichtung kann daher einerseits auf die Strömungsrichtung am Ort der Sensoranordnung selbst bezogen sein oder auch auf die Strömungsrichtung in dem Kanal innerhalb des Sensorgehäuses, wie beispielsweise am Ort des Sensorträgers oder des Sensorchips, wobei sich beide genannten Hauptströmungsrichtungen unterscheiden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird deshalb stets angegeben, auf welchen Ort sich die Hauptströmungsrichtung bezieht. Sofern keine nähere Angabe gemacht ist, bezieht sich die Hauptströmungsrichtung auf den Ort der Sensoranordnung.
-
Unter quer zur Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, beispielsweise mit einer Ausrichtung, welche um nicht mehr als 10° von der Senkrechten abweicht, zur lokalen Hauptströmungsrichtung zu verstehen. Unter „im Wesentlichen“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausrichtung zu verstehen, welche um nicht mehr als 20°, vorzugsweise um nicht mehr als 10° und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5°, und/oder um nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % und besonders bevorzugt von nicht mehr als 5 % von der jeweiligen angegebenen Bezugsrichtung, Bezugsebene oder Bezugsform abweicht. So ist beispielsweise eine „im Wesentlichen parallele“ Ausrichtung eine Ausrichtung, welche um nicht mehr als die genannten Toleranzen von der Parallelität abweicht.
-
Unter einer stromabwärtigen Anordnung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Anordnung eines Bauteils an einer Stelle zu verstehen, die das fluide Medium in der Hauptströmungsrichtung strömend zeitlich später als einen Bezugspunkt erreicht. So bedeutet beispielsweise eine stromabwärtige Anordnung eines Strömungsstabilisierungselements bezüglich des Sensorträgers, dass das fluide Medium zeitlich gesehen später das Strömungsstabilisierungselement als den Sensorträger erreicht.
-
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 eines Sensorträgers bezüglich des Strömungsstabilisierungselements, dass das fluide Medium zeitlich gesehen früher den Sensorträger als das Strömungsstabilisierungselement erreicht.
-
Unter einem Strömungsstabilisierungselement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das eingerichtet ist, zeitliche Schwankungen der Strömungsparameter, insbesondere der Geschwindigkeit und des dynamischen Drucks, zu reduzieren, also Wirbel und dergleichen zu unterdrücken.
-
Unter der Dicke des Strömungsstabilisierungselements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kanals und zur Richtung, in der sich der Sensorträger in den Kanal erstreckt, zu verstehen.
-
Unter der Breite des Strömungsstabilisierungselements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kanals und parallel zur Richtung, in der sich der Sensorträger in den Kanal erstreckt, zu verstehen.
-
Unter der Länge des Strömungsstabilisierungselements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung in der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kanals zu verstehen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein paralleler Verlauf des Strömungsstabilisierungselements anhand des Verlaufs der Tangenten an die Punkte der Kanalwand und des Strömungsstabilisierungselements, die auf einer gemeinsamen Linie innerhalb einer Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung innerhalb des Kanals liegen, festgelegt.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorträger ganz oder teilweise als Schaltungsträger, insbesondere als Leiterplatte, ausgestaltet sein oder Teil eines Schaltungsträgers, insbesondere einer Leiterplatte, sein. Beispielsweise kann der Schaltungsträger, insbesondere die Leiterplatte, einen Fortsatz aufweisen, welcher den Sensorträger bildet und welcher in den Kanal, beispielsweise den Messkanal eines Heißfilmluftmassenmessers, hineinragt. Der übrige Teil des Schaltungsträgers, insbesondere der Leiterplatte, kann beispielsweise in einem Elektronikraum, in einem Gehäuse der Sensoranordnung oder eines Steckfühlers der Sensoranordnung untergebracht sein.
-
Unter einer Leiterplatte ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein im Wesentlichen plattenförmiges Element zu verstehen, welches auch als Träger elektronischer Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnen, Anschlusskontakte oder Ähnliches, genutzt werden kann und vorzugsweise auch eine oder mehrere derartiger Strukturen aufweist. Grundsätzlich kommen dabei auch zumindest leichte Abweichungen von der Plattenform in Betracht und sollen begrifflich mit erfasst sein. Die Leiterplatte kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem Keramikmaterial hergestellt sein, beispielsweise einem Epoxidharz, insbesondere einem faserverstärkten Epoxidharz. Insbesondere kann die Leiterplatte beispielsweise als Leiterplatte mit Leiterbahnen, insbesondere aufgedruckten Leiterbahnen (printed circuit board, PCB), ausgestaltet sein.
-
Auf diese Weise lässt sich das Elektronikmodul der Sensoranordnung stark vereinfachen und es lässt sich beispielsweise auf ein Bodenblech und einen separaten Sensorträger verzichten. Bodenblech und Sensorträger können durch eine einzige Leiterplatte ersetzt werden, auf welcher beispielsweise auch eine Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung ganz oder teilweise angeordnet sein kann. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung dient der Ansteuerung des mindestens einen Sensorchips und/oder der Auswertung der von diesem Sensorchip generierten Signale. Auf diese Weise lässt sich durch Zusammenfassung der genannten Elemente der Herstellaufwand der Sensoranordnung erheblich vermindern und der Bauraumbedarf für das Elektronikmodul stark verringern.
-
Die Sensoranordnung kann insbesondere mindestens ein Gehäuse aufweisen, wobei der Kanal in dem Gehäuse ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kanal einen Hauptkanal und einen Bypasskanal bzw. Messkanal umfassen, wobei der Sensorträger und der Sensorchip beispielsweise in dem Bypass- bzw. Messkanal angeordnet sein können. Weiterhin kann das Gehäuse einen von dem Bypasskanal getrennten Elektronikraum aufweisen, wobei das Elektronikmodul oder die Leiterplatte im Wesentlichen in dem Elektronikraum aufgenommen ist. Der Sensorträger kann dann als ein in den Kanal hineinragender Fortsatz der Leiterplatte ausgebildet sein. Diese Anordnung ist technisch vergleichsweise einfach zu realisieren, im Gegensatz zu den aufwändigen Elektronikmodulen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind.
-
Insbesondere in dem Fall, in welchem eine Leiterplatte als Sensorträger verwendet wird, jedoch auch in anderen Fällen und/oder unter Verwendung anderer Medien als Sensorträger, kann der Sensorträger zumindest teilweise als mehrschichtiger Sensorträger ausgestaltet sein. So kann der Sensorträger in einer so genannten Multilayer-Technik ausgestaltet sein und zwei oder mehrere miteinander verbundene Trägerschichten aufweisen. Beispielsweise können diese Trägerschichten wiederum aus einem Metall, einem Kunststoff oder einem Keramikmaterial oder einem Verbundmaterial hergestellt sein und durch Verbindungstechniken, wie z.B. Kleben, miteinander verbunden sein.
-
In diesem Fall, in welchem eine Multilayer-Technik verwendet wird mit mehreren Sensorschichten des Sensorträgers, kann die Anströmkante durch eine unterschiedliche Dimensionierung der Trägerschichten entgegen der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums zumindest teilweise gestuft ausgeführt sein. Auf diese Weise lassen sich die Profile zumindest gestuft angenähert realisieren. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise rechteckig geformte oder – angenähert durch eine Stufenform –, zumindest näherungsweise rund-, abgerundete oder keilförmig geformte Profile in einer Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsebene des Sensorträgers ausbilden. Der Sensorchip kann auf bzw. in dem Sensorträger derart angeordnet sein, dass dieser senkrecht zur lokalen Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist. Beispielsweise kann der Sensorchip rechteckig ausgestaltet sein, wobei eine Seite dieses Rechtecks senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, beispielsweise mit einer Ausrichtung, welche um nicht mehr als 10 Grad von der Senkrechten abweicht, zur lokalen Hauptströmungsrichtung angeordnet ist.
-
Der Sensorchip kann über mindestens eine elektrische Verbindung elektrisch kontaktiert werden. Beispielsweise kann der Sensorträger, insbesondere eine den Sensorträger bildende Leiterplatte oder ein Fortsatz dieser Leiterplatte, einen oder mehrere Leiterbahnen und/oder Kontaktpads aufweisen, welche mit entsprechenden Kontakten auf dem Sensorchip beispielsweise durch ein Bondingverfahren verbunden sind. In diesem Fall kann die elektrische Verbindung durch mindestens eine Abdeckung geschützt und von dem fluiden Medium getrennt werden. Diese Abdeckung kann insbesondere als so genannter Glob-Top ausgestaltet sein, beispielsweise als Kunststofftropfen und/oder Klebstofftropfen, welcher die elektrische Verbindung, beispielsweise die Bond-Drähte abdeckt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch Beeinflussungen der Strömung durch die elektrische Verbindung vermindern, da der Glob-Top eine glatte Oberfläche aufweist.
-
Ferner kann der Sensorchip mindestens einen Sensorbereich aufweisen. Dieser Sensorbereich kann beispielsweise eine Sensoroberfläche aus beispielsweise einem porösen, keramischen Material und/oder insbesondere eine Sensormembran sein. Die Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich kann von dem strömenden fluiden Medium überströmbar sein. Der Sensorchip umfasst beispielsweise mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei ein 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.
-
Ferner kann die Sensoranordnung einen in den Kanal ragenden Temperaturfühler aufweisen. Beispielsweise kann der Temperaturfühler als elektrischer Widerstand, wie beispielsweise als NTC (negative temperature coefficient) ausgebildet sein, also als elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, der zur Messung der Temperatur der Ansaugluft verwendet wird. Der Temperaturfühler kann beispielsweise Teil einer Regelschaltung sein, die gewährleistet, dass sich Änderungen der Temperatur der Ansaugluft nicht auf die Messgenauigkeit der Sensoranordnung auswirken.
-
Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung werden in erster Linie die zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen, insbesondere der Geschwindigkeit und des Druckes aufgrund des instationären Nachlaufes des Sensorträgers reduziert und damit für möglichst geringe Änderungen der Kennlinie, für geringe Werte bezüglich des Signalrauschens und für eine gute Reproduzierbarkeit der Messwerte gesorgt. Außerdem sind die Anteile der Aufteilung des Bypasskanal-Massenstromes auf die drei Strömungsgebiete Sensorchipseite, Sensorchip-abgewandte Seite und Spalt zwischen der Stirnseite des Sensorträgers und der Bypasskanalwand zeitlich möglichst konstant. Damit wird ein zeitliches Schwanken des Massenstromes insbesondere über die Sensorchipseite vermieden bzw. reduziert und damit ein weniger schwankungsbehaftetes Messsignal produziert. Ferner wird ein topologisches Springen, d.h. eine Änderung des Zustandes mit nachfolgend relativ langem Zeitraum der Beibehaltung des angenommenen Zustandes, oder Schwanken, d.h. eine zeitlich schnellere Folge von Zustandsänderungen, insbesondere eines Ablöse- und Rückströmungsgebietes, an der Bypasskanalwand vermieden bzw. reduziert und somit ebenfalls zur zeitlichen Vergleichmäßigung der Massenstromanteile und damit des Messsignals beigetragen. Des Weiteren bewirkt die erfindungsgemäße Sensoranordnung, dass die fertigungsbedingte Streuung des Abstandes zwischen der Stirnseite des Sensorträgers und dem Bypasskanal sich möglichst wenig auf die Umströmung des Sensorträgers und damit auf das Messsignal auswirkt, indem eine unterschiedlich starke Ausprägung insbesondere von Spaltwirbeln und Schwankungen im Nachlauf unmittelbar nach dem Spalt vermieden bzw. reduziert wird. Schließlich sorgt die erfindungsgemäße Sensoranordnung aufgrund ihrer strömungsbeschleunigenden Wirkung für eine stabilere Durchströmung des gekrümmten Teiles des Bypasskanals nach dem Sensorträger und vermeidet bzw. reduziert damit die Schwankungen auch dieser Zeit- und Längenskalen. Zudem sind die konstruktiven Maßnahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auch für instationäre Rückwärtsströmungszustände, wie beispielsweise eine Pulsation im Ansaugtrakt, geeignet. Entsprechende Ausführungen der Hinterkante des Sensorträgers sollten idealerweise für die Bandbreite der Geschwindigkeitsfelder bei Vorwärts- und Rückwärtsströmung zueinander passen. Das vorgeschlagene parallel zum Sensorträger liegende und stromab des Sensorträgers angeordnete Strömungsstabilisierungselement reduziert die Kennlinienabweichung und das Signalrauschen und erhöht die Signalreproduzierbarkeit. Erreicht wird dies durch eine topologisch schärfere Definition des Strömungsfeldes im Bereich des Sensorträgers, d.h.: sowohl der Nachlauf des Sensorträgers als auch die Spaltströmung zwischen der Stirnseite des Sensorträgers und der Bypasskanalwand werden besser bzw. deutlicher definiert. Indirekt wird die anteilige Aufteilung der Teilmassenströme ober- und unterhalb des Sensorträgers sowie im Spalt zwischen Sensorträger und Bypasskanalwand stabilisiert. Die Änderungen der Sensorträgerumströmung mit dem Massenstrom und bei unterschiedlichen Einbausituationen bzw. Anströmungsänderungen des Steckfühlers werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ebenfalls reduziert.
-
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 perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung;
-
2 eine Ansicht eines Sensorträgers mit Sensorchip in Hauptströmungsrichtung innerhalb eines Kanals gesehen;
-
3 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal;
-
4 eine vergrößerte Draufsicht auf ein unverschlossenes Sensorgehäuse mit der Kanalstruktur, auf den Sensorträger mit dem Sensorchip sowie eine schematische Darstellung der Durchströmung des Kanals;
-
5 eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls der Sensoranordnung mit dem Sensorträger und montiertem Sensorchip;
-
6A ein Geschwindigkeitsfeld in einem Sensorbereich bei einem Luftmassenstrom von 90 kg/h;
-
6B ein Geschwindigkeitsfeld in einem Sensorbereich bei einem Luftmassenstrom von 200 kg/h;
-
7 eine Querschnittsansicht des Sensorträgers und des Sensorchips innerhalb des Kanals mit schematischer Darstellung des Strömungsverhältnisse;
-
8 eine weitere Querschnittsansicht des Sensorträgers innerhalb des Kanals mit schematisch angedeuteter Strömungsablösung auf der Unterseite des Kanals;
-
9 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
-
10 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
-
11 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform;
-
12 eine Querschnittsansicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform;
-
13 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform;
-
14 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
-
15 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer siebten Ausführungsform;
-
16 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer achten Ausführungsform;
-
17 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer neunten Ausführungsform; und
-
16 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal einer Sensoranordnung gemäß einer zehnten Ausführungsform.
-
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst ein als Steckerteil 12 ausgebildetes Sensorgehäuse, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckerteil 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, welche in 1 oder 4 erkennbar ist und durch welche über eine Einlassöffnung 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums am Ort des Steckerteils 12 entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann.
-
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Steckerteils 12 im Bereich der Kanalstruktur. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 20 auf, welcher in einen Hauptstromauslass 22 auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckerteils 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Bypass- bzw. oder Messkanal 24, welcher in einen ebenfalls auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckerteils 12 angeordneten Bypass- oder Messkanalauslass 26 mündet, wie der 4 zu entnehmen ist.
-
In den Messkanal 24 ragt ein Sensorträger 28 in Form eines Flügels, wie beispielsweise in 1 und 2 dargestellt. 2 zeigt die Ansicht des Sensorträgers 28 im Messkanal 24 in Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24. 3 zeigt eine Draufsicht der Anordnung des Sensorträgers 28 im Messkanal 24. In diesen Sensorträger 28 ist ein Sensorchip 30 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 30 ausgebildete Sensormembran 32 von dem fluiden Medium überströmt wird. Wie insbesondere in 5 erkennbar, ist der Sensorträger 28 mit dem Sensorchip 30 Bestandteil eines Elektronikmoduls 34, das vergrößert dargestellt ist. Dieses Elektronikmodul 34 weist ein gebogenes Bodenblech 36 als Sensorträger sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 38 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 auf. Der Sensorträger 28 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech 36 angespritzt sein.
-
Der Sensorchip ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, welche hier als Draht-Bonding ausgestaltet sind, elektrisch verbunden, wie insbesondere 5 zu entnehmen ist. Das derart entstandene Elektronikmodul 34 wird in einen Elektronikraum 44 in ein Gehäuse 46 des Steckerteils 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt, wie in 1 erkennbar ist. Dies erfolgt derart, dass der Sensorträger 28 dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend werden der Elektronikraum 44 und die Kanalstruktur 14 durch Deckel 48 verschlossen.
-
Der Sensorträger 28, welcher beispielsweise als Spritzgießbauteil an das Bodenblech 36 angespritzt ist oder mit dem Bodenblech 36 oder der Leiterplatte 38 integral ausgebildet sein kann, ist mit einer Anströmkante 50 versehen, welche abgerundet ausgestaltet sein kann, wie beispielsweise 2 entnehmbar ist. Beispielsweise kann diese Anströmkante 50 ähnlich einer Tragflächenform bei stetiger Kontur realisiert werden.
-
Wie der Darstellung der 3 und 4 zu entnehmen ist, folgt stromabwärts in der Hauptströmungsrichtungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 des Sensorträgers 28 eine Krümmung 52 des Messkanals 24. Zwischen einer Stirnseite 54 des Sensorträgers 28 und einer Messkanalwand 56 existiert ein Spalt 58, dessen Breite fertigungstechnischen Schwankungen unterworfen ist. Während die Anströmkante 50 abgerundet ist, ist eine stromabwärtige Kante bzw. Hinterkante 60 des Sensorträgers 28 im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberseite 62 und einer Unterseite 64 des Sensorträgers 28. Der durch den Messkanal 24 strömende Massenstrom teilt sich in Teil-Massenströme über den Sensorträger 28, d.h. parallel zur Oberseite 62, unter den Sensorträger 28, d.h. parallel zur Unterseite 64 und durch den Spalt 58 zwischen der Stirnseite 54 und der Messkanalwand 56 auf.
-
6A und 6B zeigen, dass sich für unterschiedliche Massenströme unterschiedlich homogene Geschwindigkeitsfelder ausbilden können. Insbesondere sind in den 6A und 6B Skalen eingezeichnet, die normierte Werte der Strömungsgeschwindigkeiten angeben. Als Normierungsgröße wird in diesem Fall jeweils die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit am Bypasskanalauslass 26 verwendet. Die Skalen in den 6A und 6B zeigen also das Verhältnis der jeweiligen lokalen Geschwindigkeiten im Querschnitt am Sensorträger 28 auf Höhe des Sensorchips 30 bezogen auf die jeweilige gemittelte Geschwindigkeit am Bypasskanalauslass 26 und sind damit dimensionslos. Auf diese Art und Weise können Geschwindigkeitsfelder bei unterschiedlichen Massenströmen sehr gut miteinander verglichen werden. Die Geschwindigkeitsfelder haben für beide Massenströme dieselbe Skala (dimensionslos null bis 2,0). Dabei zeigt 6A das normierte Geschwindigkeitsfeld bei einem Luftmassenstrom von 90 kg/h und 6B zeigt das normierte Geschwindigkeitsfeld bei einem Luftmassenstrom von 200 kg/h. Die Ansichten sind dabei in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 auf den Sensorträger 28 gesehen. Anhand der 6A und 6B wird deutlich, dass sich bei einem Luftmassenstrom von 200 kg/h ein Geschwindigkeitsfeld 66 höherer Geschwindigkeit vollständig über die Oberseite 62 des Sensorträgers 28 erstreckt, wohingegen sich bei einem Luftmassenstrom von 90 kg/h ein Geschwindigkeitsfeld 66 höherer Geschwindigkeit nur teilweise über die Oberseite 62 des Sensorträgers 28 erstreckt.
-
Wird entlang der in 3 eingezeichneten Linie A-A geschnitten, kann eine mögliche Strömungssituation entstehen, wie sie in 7 schematisch dargestellt ist. Nach der Umströmung des Sensorträgers 28, die durch die Stromlinien 68 angedeutet ist, bildet sich ein instabiler Nachlauf 70 mit schwankenden Geschwindigkeiten und Drücken aus. Dies führt dazu, dass sich auch stromaufwärts, insbesondere im Bereich des Sensorchips 30 schwankende Strömungsgrößen einstellen, die zu Schwankungen, insbesondere mit für die Abmessung des Sensorträgers 28 und die Strömungsgeschwindigkeit typischen Schwingungsmode im Messsignal führen.
-
8 zeigt eine weitere Ansicht des Schnitts entlang der Linie A-A der 3 und eine weitere mögliche Strömungsausbildung. In dieser Situation entsteht zusätzlich zu dem auch 7 vorhandenen, fluktuierenden Nachlauf 70 stromabwärts des Sensorträger 28 ein Ablöse- und Rezirkulationsgebiet 72 an der Messkanalwand 56, wie in 8 dargestellt. Aufgrund der plötzlichen Veränderung des Messkanalquerschnittes auf Höhe der Hinterkante 60 des Sensorträgers 28 entsteht eine Verlangsamung der Strömung verbunden mit einem Druckanstieg. Aufgrund des Druckanstieges und der zusätzlichen Reibungskräfte löst die Strömung schließlich an der Messkanalwand 56 ab. Solch eine druckinduzierte Ablösung ist typischerweise weder orts- noch zeitstabil. Der Ablösepunkt, also die erstmalige Entfernung der bis dahin wandparallelen Stromlinien von der Messkanalwand 56, die Dicke, also die Ausdehnung der sogenannten Ablöseblase in das Kernströmungsgebiet und auch die Länge der Ablöseblase variieren. Dabei interagiert die Ablösung mit dem unmittelbaren Nachlauf 70 des Sensorträgers 28. Aufgrund der Divergenz des in 8 oben befindlichen Teils der Messkanalwand 56 und der dynamisch anfachenden Nachlaufströmung des Sensorträgers 28 kann es schließlich sogar vorkommen, dass das Ablösegebiet zu dem anderen Teil der Messkanalwand 56 springt, der in 8 oben ist.
-
All diesen unerwünschten Phänomenen wird durch die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung entgegengewirkt.
-
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10 ist in 9 gezeigt. Stromabwärts des Sensorträgers 28 befindet sich erfindungsgemäß ein Strömungsstabilisierungselement 74. Das Strömungsstabilisierungselement 74 ist beispielsweise als eine Stabilisierungsfinne ausgebildet. Das Strömungsstabilisierungselement 74 kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein. Das Strömungsstabilisierungselement 74 kann unmittelbar stromabwärts des Sensorträgers 28 angeordnet sein, wie beispielsweise an diesen angrenzen. Auch eine integrale Ausbildung des Strömungsstabilisierungselements 74 und des Sensorträgers 28 ist möglich. Das Strömungsstabilisierungselement 74 erstreckt sich parallel zu der Messkanalwand 56 des Messkanals 24. Das Strömungsstabilisierungselement 74 ist von der Messkanalwand 56 beabstandet. Eine kontinuierliche oder sprungartige Vergrößerung des Abstandes zu der Messkanalwand 56 im Verlauf stromabwärts ist ebenfalls denkbar. Das Strömungsstabilisierungselement 74 kann sogar parallel zu der Krümmung 52 angeordnet sein. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Strömungsstabilisierungselement 74 an seinem stromabwärtigen Ende 76 in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 gesehen eine Hinterkante 78 auf, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 erstreckt.
-
10 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der zweiten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 an seinem stromabwärtigen Ende 76 eine Hinterkante 78 auf, die eine rechteckige Aussparung 80 aufweist. Aussparungen 80 dieser Art sorgen für eine gezielte, mit Wirbelbildung verbundene Durchmischung der stromauf noch getrennten, oben beschriebenen Teilmassenströme. Ferner ist in zu sehen, dass sich ein Spaltwirbel 82 ausgehend von dem Spalt 58 zwischen der Stirnseite 54 des Sensorträgers 28 und der Messkanalwand 56 im Vergleich zu herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern deutlich weiter stromabwärts und über einen großen Teil der Krümmung 52 des Messkanals 24 erstreckt.
-
11 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der dritten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 an seinem stromabwärtigen Ende 76 eine Hinterkante 78 auf, die eine dreieckige Aussparung 84 aufweist. Das Strömungsstabilisierungselement 74 der dritten Ausführungsform kann zusätzlich länger sein als das Strömungsstabilisierungselement 74 der zweiten Ausführungsform und kürzer als das Strömungsstabilisierungselement 74 der ersten Ausführungsform. Aussparungen 84 dieser Art sorgen für eine gezielte, mit Wirbelbildung verbundene Durchmischung der stromauf noch getrennten, oben beschriebenen Teilmassenströme. Ferner ist in zu sehen, dass sich ein Spaltwirbel 82 ausgehend von dem Spalt 58 zwischen der Stirnseite 54 des Sensorträgers 28 und der Messkanalwand 56 im Vergleich zu herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern deutlich weiter stromabwärts und über einen großen Teil der Krümmung 52 des Messkanals 24 erstreckt.
-
12 zeigt eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der vierten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 eine abnehmende Dicke in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 auf, d. h. das Strömungsstabilisierungselement 74 verjüngt sich in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 von einem stromaufwärtigen Ende 85 zu dem stromabwärtigen Ende 76. Die abnehmende Dicke kann beispielsweise bis zu einer spritzgusstechnischen realisierbaren Dicke abnehmen. Die Dicke kann also bis zu wenigen Zehntel Millimetern hin abnehmen, wie beispielsweise 100 µm. Auch andere Materialien als Kunststoff sind denkbar, so dass eventuell noch geringere Dicken realisierbar sind, wie beispielsweise 50 µm oder 25 µm. Dies kann wünschenswert sein, weil dadurch die oben beschriebenen instabilen Nachläufe 68 vermieden bzw. reduziert werden können.
-
13 zeigt eine Draufsicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der fünften Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 Aussparungen 86 auf, die sich unmittelbar stromabwärts des Sensorträgers 28, d. h. an dem stromaufwärtigen Ende 85 des Strömungsstabilisierungselements 74, in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 gesehen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 29 und zu einer Längserstreckungsrichtung des Strömungsstabilisierungselements 74 erstrecken. Beispielsweise sind die Aussparungen 86 als Schlitze ausgeführt. Die Aussparungen 86 können sich zusätzlich oder alternativ auch in der Längserstreckungsrichtung des Strömungsstabilisierungselements 74 erstrecken.
-
14 zeigt eine Draufsicht einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der sechsten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 Aussparungen 86 auf, die sich in der Längserstreckungsrichtung des Strömungsstabilisierungselements 74 erstrecken.
-
Beispielsweise sind die Aussparungen 86 als Schlitze ausgeführt. Solche Aussparungen 86 können eine von der Kanalposition abhängige Breite aufweisen, d. h. die Breite kann sich in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 verjüngen, und der gezielten Vermischung der Teilmassenströme über und unter dem Sensorträger 28 dienen. Ferner ist das Strömungsstabilisierungselement 74 durch einen Spalt 88 von dem Sensorträger 28 beabstandet angeordnet. Der Spalt 88 kann beispielsweise eine Abmessung in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 von 1 mm oder wenigen Zehntel Millimeter, wie beispielsweise 0,5 mm, 0,25 mm oder 0,1 mm, aufweisen. Beispielsweise ist das Strömungsstabilisierungselement 74 integral mit dem Steckerteil 12 oder dem Deckel 48 ausgebildet.
-
15 zeigt eine Draufsicht einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der siebten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 eine Aussparung 90 auf, die sich über die gesamte Länge des Strömungsstabilisierungselements 74 erstreckt. Das Strömungsstabilisierungselement 74 ist beispielsweise in Form von zwei Zungen 92 ausgebildet, die sich in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 erstrecken. Ferner kann das Strömungsstabilisierungselement 74 alternativ oder zusätzlich so ausgebildet sein, dass seine Breite stufenförmig abnimmt. Bei der Sensoranordnung 10 der siebten Ausführungsform sind beispielsweise zwei stufenförmige Verjüngungen 94 der Breite des Strömungsstabilisierungselements 74 vorgesehen. Die Vermischung und Stabilisierung der Strömung aufgrund der sich ausbildenden Wirbel werden maßgeblich auch von der Breite der in 15 gezeigten zurückspringenden stufenförmigen Verjüngungen 94 beeinflusst. Außerdem wird die Wandreibung durch die Reduktion der Fläche des Strömungsstabilisierungselements 74 vermindert.
-
16 zeigt eine Draufsicht einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der achten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 eine Aussparung 90 auf, die sich über die gesamte Länge des Strömungsstabilisierungselements 74 erstreckt. Das Strömungsstabilisierungselement 74 ist beispielsweise in Form von zwei Zungen 92 ausgebildet, die sich in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 erstrecken. Ferner kann das Strömungsstabilisierungselement 74 alternativ oder zusätzlich so ausgebildet sein, dass seine Breite stufenförmig abnimmt. Bei der Sensoranordnung 10 der achten Ausführungsform ist beispielsweise eine stufenförmige Verjüngung 94 der Breite des Strömungsstabilisierungselements 74 an seinem stromaufwärtigen Ende 85 vorgesehen. Im Unterschied zu dem Strömungsstabilisierungselement 74 der Sensoranordnung der siebten Ausführungsform ist das Strömungsstabilisierungselement 74 kürzer ausgebildet.
-
17 zeigt eine Draufsicht einer neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der neunten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 eine Aussparung 90 auf, die sich über die gesamte Länge des Strömungsstabilisierungselements 74 erstreckt. Bei der Sensoranordnung 10 der neunten Ausführungsform ist beispielsweise eine stufenförmige Verjüngung 94 der Breite des Strömungsstabilisierungselements 74 an seinem stromaufwärtigen Ende 85 vorgesehen. Das Strömungsstabilisierungselement 74 ist beispielsweise in Form von zwei Zungen 92 ausgebildet, die sich in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 erstrecken. Die Zungen 92 weisen unterschiedliche Längen in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 auf. Beispielsweise ist die bezüglich der Krümmung 52 radial äußere Zunge 92 kürzer als die radial innere Zunge 92, wie in 17 dargestellt ist, oder eine umgekehrte Verteilung der Längen ist ebenso möglich.
-
18 zeigt eine Draufsicht einer zehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Sensoranordnung 10 der zehnten Ausführungsform weist das Strömungsstabilisierungselement 74 mehrere Aussparungen 96 auf, die in einer Längserstreckungsrichtung des Strömungsstabilisierungselement 74 bzw. einer Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 verteilt angeordnet sind. Beispielsweise sind die Aussparungen kreissegmentartig angeordnet, wie in 18 gezeigt ist.
-
Der Effekt der Stabilisierung der Strömung des Nachlaufs 70 des Sensorträgers 28 sollte auch bei solch einer Ausführung noch signifikant sein. Gleichzeitig findet allerdings schon ein Druckausgleich und eine Durchmischung der Teilmassenströme über und unter dem Sensorträger 28 statt, die über die Breite und Länge der Aussparungen 96 steuerbar sind. Über die Breite bzw. den Verlauf der Breite der stegförmigen Begrenzungen der Aussparungen 96 auf der Innenseite der Krümmung 52 des Messkanals 24 lässt sich zudem die Stärke des Randwirbels zwischen Sensorträger 28 und Messkanalwand 56 steuern. Auch eine gelochte Ausführung ist möglich.
-
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Konturierung der Hinterkante 78 des Strömungsstabilisierungselements 74 möglich, wie beispielsweise in Form einer Abrundung wie bei einer Flügelvorderkante. Dies sollte sich im Fall von Pulsationen, also zeitweiligen Geschwindigkeitsreduzierungen oder gar Rückströmungen der Luftsäule im Messkanal 56 aufgrund der Reduzierung der sich dann an der Hinterkante 78 bezogen auf den normalen Vorwärtsbetrieb ausbildenden Grenzschicht positiv auswirken. Bei einer Abrundung der Hinterkante 78 entsteht eine deutlich kleinere Grenzschicht als im Fall eines 90°-Winkels zwischen den Flächen. Die kleinere Grenzschicht im Bereich der Sensormembran 32 ist gleichbedeutend mit einem höheren Signalhub. Auch quer zur Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 ist eine Konturierung wie in den 10 bis 12 gezeigt, aber auch als Halbkreis-, Wellen- oder Rampen-Profile möglich. Diese Konturen bzw. Profile können auch aneinander gereiht werden. Des Weiteren kann das Strömungsstabilisierungselement 74 in der Hauptströmungsrichtung 29 innerhalb des Messkanals 24 wie ein unter Torsion belastetes Bauteil verwunden sein. Auch eine Kombination der Ausführungsformen ist möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148 [0002]
