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Stand der Technik
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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.
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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 Siliziumsensorchip, 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.
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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.
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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 Festkörperpartikel 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 Kennlinienbeziehung 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.
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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.
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Trotz der durch diese Sensoranordnung bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Verbesserungspotential hinsichtlich der Signalerfassungsgenauigkeit.
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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 Schwingungsmodi, im Messsignal führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch eine Kanalstruktur strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und bei der sich insbesondere eine Reduzierung von Massenstromschwankungen in der Kanalstruktur, ein Signalrauschen sowie eine Anströmempfindlichkeit reduzieren lassen und die Abgleichbarkeit verbessert ist.
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Die Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch eine Kanalstruktur strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines Ansaugluftmassenstroms einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse, insbesondere einen in ein Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem die Kanalstruktur ausgebildet ist, und mindestens einen in der Kanalstruktur angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in die Kanalstruktur, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und einen Auslass aus der Kanalstruktur auf. Die Kanalstruktur ist dabei von Kanalwänden begrenzt. Die Kanalstruktur umfasst einen Hauptkanal und einen Messkanal, wobei der Messkanal von dem Hauptkanal abzweigt, wobei der Sensorchip in dem Messkanal angeordnet ist Der Hauptkanal und der Messkanal sind in einem Vereinigungsabschnitt zusammengeführt, der an einen Mündungsabschnitt mit dem Auslass aus der Kanalstruktur angeordnet angrenzt. Mindestens eine Kanalwand der Kanalwände in dem Mündungsabschnitt weist gekrümmte Wandabschnitte auf. Die gekrümmten Wandabschnitte sind so ausgebildet, dass sich eine Tangente an einem Übergang zwischen zwei gekrümmten Wandabschnitten in Richtung zu dem Messkanal erstreckt.
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Die Krümmungsradien der gekrümmten Wandabschnitte können sich voneinander unterscheiden. Die Kanalwand in dem Mündungsabschnitt kann mindestens einen ersten gekrümmten Wandabschnitt, einen zweiten gekrümmten Wandabschnitt und einen dritten gekrümmten Wandabschnitt aufweisen. Der erste gekrümmte Wandabschnitt und/oder der dritte gekrümmte Wandabschnitt können gegensätzlich gekrümmt zu dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt sein. Der dritte gekrümmte Wandabschnitt kann an den Auslass angrenzen und der zweite gekrümmte Wandabschnitt kann zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt und dem dritten gekrümmten Wandabschnitt angeordnet sein. Der erste gekrümmte Wandabschnitt kann einen größeren Krümmungsradius als der zweite gekrümmte Wandabschnitt aufweisen. Die Tangente kann an einem Übergang zwischen dem dritten gekrümmten Wandabschnitt und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt angeordnet sein. Eine Tangente kann sich an einem Übergang zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitten in Richtung zu dem Auslass erstrecken. Die Tangente kann sich an dem Übergang zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitten in Richtung zu einem dem Messkanal abgewandten Wandabschnitt erstrecken, der den Auslass begrenzt. Das Sensorgehäuse kann eine Längserstreckungsrichtung definieren, die senkrecht zu der Stirnseite ist, wobei der Auslass gegenüber der Längserstreckungsrichtung in der Hauptströmungsrichtung geneigt sein kann. Die gekrümmten Wandabschnitte können an einer dem Messkanal abgewandten Kanalwand in dem Mündungsabschnitt angeordnet sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Bonddrähte abdeckt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch Beeinflussungen der Strömung durch die elektrische Verbindung vermindern, da der Glob-Top eine glatte Oberfläche aufweist.
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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.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der Entfall des herkömmlichen Hauptkanalauslasses und eine Vereinigung des Hauptkanals mit dem Messkanal sowie eine Verschiebung des gemeinsamen Auslasses in Richtung stromaufwärts, wobei außerdem zwischen dem gemeinsamen Auslass und der Vereinigungszone von Hauptkanal und Messkanal bei Vorwärtsströmung bzw. der Trennungszone bei Rückwärtsströmung die Kontur der Kanalwand derart verändert wird, dass diese eine Umlenkung des Massenstromes bewirkt, so dass im Verhältnis mehr Massenstrom in den Messkanal zurück strömt als in den Hauptstromkanal. Dadurch lässt sich der relevante Abschnitt druckschwingungsbezogen auf einen konkreten Fall von Turboladerdruckschwankungen reduzieren und damit eine Reduzierung der eingetragenen Druckdifferenz mit der Folge einer verringerten Massenstromschwankung in der Kanalstruktur bewirken, was wiederum zur Folge hat, dass eine betragsmäßig verringerte Massenstrom-Minderanzeige realisiert wird. Durch den Entfall des seitlichen Hauptkanalauslasses und die Bildung eines gemeinsamen Auslasses entfallen Druckdifferenzen zwischen dem Hauptkanalauslass und dem Messkanalauslass mit der Folge eines reduzierten Signalrauschens, einer geringeren Anströmempfindlichkeit und einer verbesserten Abgleichbarkeit.
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Für den Fall von Pulsationen mit Rückströmung im Strömungsrohr ergibt sich eine Erhöhung der Rückströmung im Messkanal und über die mikromechanische Sensormembran und damit wird Änderung des Pulsationsfehlers von einer deutlich positiven Fehlanzeige zu einer betragsmäßig geringeren positiven Fehlanzeige bis hin zur korrekten Anzeige des Massenstromes erreicht. Bei gleich großer rückwärtiger Einströmung in den Auslass führt eine Reduzierung der Rückströmung im Hauptkanal indirekt zu einer Erhöhung der Rückströmung im Messkanal und über die mikromechanische Sensormembran und damit wird eine Änderung des Pulsationsfehlers bei Rückströmung im Strömungsrohr von einer deutlich positiven Fehlanzeige zu einer betragsmäßig geringeren positiven Fehlanzeige bis hin zur korrekten Anzeige des Massenstromes erreicht. Außerdem ergibt sich ein neutrales Verhalten bei Vorwärtsströmung insbesondere bezüglich Kennlinienstabilität, Abgleichbarkeit und Signalrauschen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls der Sensoranordnung,
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3 eine Draufsicht auf den Messkanaldeckel mit dem Messkanal und dem Sensorträger,
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4 eine Rückansicht der Sensoranordnung und
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5 eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst ein als Steckfühler ausgebildetes Sensorgehäuse 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. Das Sensorgehäuse 12 weist einen Gehäusekörper 14, einen Messkanaldeckel 16, einen Elektronikraum 18 sowie einen Elektronikraumdeckel 20 zum Verschließen des Elektronikraums 18 auf. In dem Messkanaldeckel 16 ist eine Kanalstruktur 22 ausgebildet. Die Kanalstruktur 22 weist einen Hauptkanal 24, welcher in einem Hauptkanalauslass 25 (5) auf der Unterseite 26 bezogen auf die Darstellung in 1 des Sensorgehäuses 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 24 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 28, welcher in einen auf einer Stirnseite 30 des Sensorgehäuses 12 angeordneten Bypass- oder Messkanalauslass 32 mündet, auf. Durch die Kanalstruktur 22 kann über eine Einlassöffnung 34, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 36 des fluiden Mediums am Ort des Sensorgehäuses 12 entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls 38 der Sensoranordnung 10. In einem eingesetzten Zustand des Elektronikmoduls 38 ragt ein Sensorträger 40 in Form eines Flügels in den Messkanal 28. In diesen Sensorträger 40 ist ein Sensorchip 42 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 42 ausgebildete mikromechanische Sensormembran 44 von dem fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorträger 42 ist mit dem Sensorchip 42 Bestandteil des Elektronikmoduls 38. Das Elektronikmodul 38 weist weiter ein gebogenes Bodenblech 46 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 48 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 auf. Der Sensorchip 42 ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 50 über elektrische Verbindungen 52, welche hier als Drahtbonding ausgestaltet sind, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 38 wird in den Elektronikraum 18 in dem Gehäusekörper 14 des Sensorgehäuses 12 eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt. Dabei ragt der Sensorträger 40 in die Kanalstruktur 22 hinein. Anschließend wird der Elektronikraum 18 von dem Elektronikraumdeckel 20 verschlossen.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die Kanalstruktur 22 in dem Messkanaldeckel 16. In dem Messkanaldeckel 16 ist eine Fliehkraftumlenkung 54 angeordnet. Der Fliehkraftumlenkung 54 gegenüberliegend ist eine Gegenkontur 55 mit Abrisskante angeordnet. Der Messkanaldeckel 16 ist weiter so ausgebildet, dass in dem Messkanal 28 eine Messkanalrampe 56 ausgebildet ist. Des Weiteren ist aus 3 die Anordnung des Sensorträgers 40 zu erkennen. Der Sensorträger 40 ragt in einem eingesetzten Zustand in den Messkanal 28. Bei der Ansicht der 3 ist der Sensorträger 40 mit seiner Rück- oder Unterseite 58 zu erkennen. Die Rück- oder Unterseite 58 ist die der Sensormembran 44 gegenüberliegende Seite des Sensorträgers 40. Der Sensorträger 40 weist weiter eine einer Hauptströmungsrichtung 60 des fluiden Mediums in dem Messkanal 28 entgegenweisende Anströmkante 62, die abgerundet ausgebildet sein kann, sowie eine der Anströmkante 62 stromabwärts gegenüberliegende Hinterkante 64 auf. Die Messkanalrampe 56 erstreckt sich in dem Bereich zwischen der Fliehkraftumlenkung 54 und der Hinterkante 64 des Sensorträgers 40. Der Messkanal 28 ist zumindest im Bereich des Sensorchips 42 von dem Gehäusekörper 14, dem Messkanaldeckel 16, einem elektronikraumzugewandten Wandabschnitt 66 und einem elektronikraumabgewandten Wandabschnitt 68 begrenzt. Des Weiteren weist der Messkanaldeckel 16 eine Vertiefung 70 als Positionierkontur für einen nicht näher gezeigten Stift des Sensorgehäuses 12 sowie Wand oder Feder 72 eines Nut-Feder-Systems zur Verklebung des Messkanaldeckels 16 mit dem Sensorgehäuse 12. Insbesondere im Bereich des Sensorträgers 40 muss ein sicherer, toleranzarmer Setz- und Klebeprozess gewährleistet sein. Die geometrischen Toleranzen beim Setzen und Verkleben des Messkanaldeckels 16 führen allerdings unter anderem auch im Bereich des Hauptkanalauslasses 25 zu Abweichungen bezüglich statischer und dynamischer Massenstromsignale, weil dort die Kanalrampe 56 in dem Messkanal 28 mit der Fensterkontur des Sensorgehäuses 12 gepaart wird.
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4 zeigt eine Rückansicht der Sensoranordnung 10. In 4 sind die Druckverhältnisse an der Einlassöffnung 34, an dem Hauptkanalauslass 25 an und dem Messkanalauslass 32 der strömungsführenden Kanalstruktur 22 dargestellt. An der Einlassöffnung 34 herrscht ein verglichen mit dem statischen Druck der Umgebung höherer Druck 74, an dem Messkanalauslass 32 ein niedrigerer Druck 76 und an dem Hauptkanalauslass 25 ein Druck 78 in der Größenordnung des statischen Druckes der Umgebung. Diese Druckverhältnisse bewirken bei Vorwärtsströmung die Durchströmung der Kanalstruktur 22 in dem Sensorgehäuse 12. Da sich die Drücke 76, 78 an dem Messkanalauslass 32 und am Hauptkanalauslass 25 durchaus unterschiedlich stark und auch in einem anderen Verhältnis als bei der ldealdurchströmung ausprägen können und sich teilweise gegenphasig auch gegensinnige Druckerhöhungen an einem Auslass bei gleichzeitigen Druckverminderungen am anderen Auslass einstellen können, verursacht die Topologie zweier Auslässe im Zusammenspiel mit einem Einlass Massenstromschwankungen am Sensorchip 42. Diese topologiebedingten Massenstromschwankungen sollen mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Sensoranordnung 10 reduziert werden. Die Druckverhältnisse bei Rückwärtsströmung sind weder experimentell noch per Simulation einfach zu ermitteln. Bei Pulsationen mit Rückströmung im Strömungsrohr kann es aufgrund der geometrischen Ausführung der Kanalstruktur 22 dazu kommen, dass sich nur ein relativ kleiner Massenstrom im Messkanal 28 entwickelt. Dann ist auch die Rückwärts-Überströmung der mikromechanischen Sensormembran 44 nur schwach ausgeprägt. Dies führt zu positiven Massenstrom-Fehlanzeigen der Sensoranordnung 10. Die nachstehend ausführlich beschriebene erfindungsgemäße geometrische Ausführung hat zum Ziel, einen größeren Massenstrom rückwärts in den Messkanal 28 und über die mikromechanische Sensormembran 44 zu befördern, um die Massenstrom-Fehlanzeige bei Pulsation mit Rückströmung im Strömungsrohr zu reduzieren.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei werden insbesondere die Unterschiede zu der oben beschriebenen herkömmlichen Sensoranordnung beschrieben. Die Kanalstruktur 22 ist so ausgebildet, dass der Messkanal 28 von dem Hauptkanal 24 an der Verzweigung 80 abzweigt. Allerdings münden der Hauptkanal 24 und der Messkanal 28 gemeinsam in einen in der Stirnseite 30 angeordneten Auslass 82. Der Hauptkanalauslass 25 entfällt somit. Durch die besondere Ausbildung der Kanalstruktur 22 weist der Hauptkanal 24 mindestens einen ersten Hauptkanalabschnitt 84, in dem der Messkanal 28 abzweigt, und einen zweiten Hauptkanalabschnitt 86 auf. Der zweite Hauptkanalabschnitt 86 grenzt dabei an einen Vereinigungsabschnitt 88 der Kanalstruktur 22 an, in dem der Messkanal 28 und der Hauptkanal 24 zusammengeführt sind. Der Hauptkanal 24 weist weiterhin mindestens einen gekrümmten Hauptkanalabschnitt 90 auf, der den ersten Hauptkanalabschnitt 84 und den zweiten Hauptkanalabschnitt 86 verbindet.
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Die Kanalstruktur 22 weist weiterhin einen Mündungsabschnitt 92 mit dem Auslass 82 aus der Kanalstruktur 22. Der Mündungsabschnitt 92 grenzt an den Vereinigungsabschnitt 88 an. Der Mündungsabschnitt 92 wird von Kanalwänden 94, 96 begrenzt. Eine Kanalwand 94 der Kanalwände 94, 96 in dem Mündungsabschnitt 92 weist gekrümmte Wandabschnitte 98, 100, 102 auf. Die gekrümmten Wandabschnitte 98, 100, 102 sind an einer dem Messkanal 28 abgewandten Kanalwand 94 in dem Mündungsabschnitt 92 angeordnet. So sind beispielsweise ein erster gekrümmter Wandabschnitt 98, ein zweiter gekrümmter Wandabschnitt 100 und ein dritter gekrümmter Wandabschnitt 102 in der Kanalwand 94 vorgesehen, die in dieser Reihenfolge von dem Hauptkanal 24 kommend und in Richtung Auslass 82 angeordnet sind. Mit anderen Worten grenzt der dritte gekrümmte Wandabschnitt 102 an den Auslass 82 an und der zweite gekrümmte Wandabschnitt 100 ist zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt 98 und dem dritten gekrümmten Wandabschnitt 102 angeordnet. Die gekrümmten Wandabschnitte 98, 100, 102 sind so ausgebildet, dass sich eine erste Tangente 104 an einem Übergang 106 zwischen zwei gekrümmten Wandabschnitten 98, 100 in Richtung zu dem Messkanal 28 erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich die erste Tangente 104 an einem Übergang 106 zwischen dem dritten gekrümmten Wandabschnitt 102 und dem zweiten gekrümmter Wandabschnitt 100 in Richtung zu dem Messkanal 28. Der erste gekrümmte Wandabschnitt 98 und der dritte gekrümmte Wandabschnitt 102 sind gegensätzlich gekrümmt zu dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt 100.
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Die gekrümmten Wandabschnitte 98, 100, 102 weisen Krümmungsradien 108, 110, 112 auf. Die Krümmungsradien 108, 110, 112 der gekrümmten Wandabschnitte 98, 100, 102 unterscheiden sich voneinander. So weist der erste gekrümmte Wandabschnitt 98 einen größeren Krümmungsradius 108 als der zweite gekrümmte Wandabschnitt 100 auf.
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Eine zweite Tangente 114 an einem Übergang 116 zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt 98 und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt 102 erstreckt sich in Richtung zu dem Auslass 82. Genauer erstreckt sich die zweite Tangente 114 an dem Übergang 116 zwischen dem ersten gekrümmten Wandabschnitt 98 und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt 100 in Richtung zu einem dem Messkanal 28 abgewandten Wandabschnitt 118, der den Auslass 82 begrenzt. Das Sensorgehäuse 12 definiert eine Längserstreckungsrichtung 120, die senkrecht zu der Stirnseite 30 ist. Der Auslass 82 ist dabei gegenüber der Längserstreckungsrichtung 120 in der Hauptströmungsrichtung 36 geneigt. Dadurch wird der Auslass 82 in eine Hauptstromimpulszone 122 und eine Messkanalimpulszone 124 geteilt. Bezogen auf die Darstellung der 5 befindet sich die Hauptstromimpulszone 122 links in dem Auslass 82 und die Messkanalimpulszone 124 befindet sich rechts in dem Auslass 82. Die Messkanalimpulszone 124 weist dabei eine kleinere Fläche als die Hauptstromimpulszone 122 auf. Die Messkanalimpulszone 124 weist 20 % bis 40 % und bevorzugt 25 % bis 33 % der Gesamtfläche des Auslasses 82 auf, beispielsweise 28 %.
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Nachstehend werden die strömungsmechanischen Besonderheiten beschrieben, die sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanalstruktur 22 ergeben. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen dem Auslass 82 und dem Vereinigungsabschnitt 88 von Hauptkanal und Messkanal 28 bei Vorwärtsströmung bzw. der Trennungszone bei Rückwärtsströmung die erfindungsgemäße Ausbildung der gekrümmten Wandabschnitte 98, 100, 102, die eine Rückström-Kontur bilden. Diese Anordnung der gekrümmten Wandabschnitt 98, 100, 102 in der Form einer Welle bewirkt bei Rückwärtsströmung, d.h. einer durch den Auslass 82 eintretenden Strömung, eine Umlenkung des Massenstromes, so dass im Verhältnis mehr Massenstrom in den Messkanal 28 zurück strömt als in den Hauptkanal 24. Die in 5 eingezeichnete erste Tangente 104 an den entscheidenden Wandbereich der Welle soll dies verdeutlichen.
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Für den Fall der über weite Betriebsbereiche üblicher PKW-Verbrennungsmotoren vorliegenden Vorwärtsströmung ist die für den Fall pulsierender Rückströmung entwickelte Geometrie ohne oder nur mit äußerst geringen Nachteilen verbunden. Dazu gehört, dass durch die Rückströmkontur in Form der Welle im Bereich des in 5 dargestellten dritten Krümmungsradius 112 eine Strömungssituation entsteht, die bei Vorwärtsströmung keine Nachteile bzgl. Kennlinienstabilität, Abgleichbarkeit und Signalrauschen verursacht. Bei Vorwärtsströmung ergibt sich im Bereich des dritten Krümmungsradius 112 eine rückspringende Wand. An solch einer Konfiguration ergeben sich Ablösungen, deren Ausprägung zeitlichen und räumlichen Schwankungen unterworfen ist. Eine Änderung des Verhältnisses von Hauptkanalstrom und Messkanalstrom kann sich daraus ergeben, was wiederum Nachteile bezüglich der obigen Kriterien zur Folge haben kann. Daher ist die Rückström-Kontur in Form der Welle mit den Krümmungsradien 108, 110, 112 so eingestellt, dass sowohl der für die Rückströmung beschriebene positive Effekt als auch eine weitgehende Neutralität bezüglich obiger Vorwärtsströmungs-Kriterien erzielt wird.
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Eine bezüglich der obigen Kriterien relativ neutrale Welle ist daher erfindungsgemäß folgendermaßen ausgestaltet. Der erste Krümmungsradius 108 ist relativ groß ausgeführt, beispielsweise 2 mm bis 7 mm, besonders bevorzugt 3,5 mm, so dass sich im Zusammenspiel mit dem zweiten Krümmungsradius 110 die zweite Tangente 114 an die Welle ergibt, die auf den dem Messkanal 28 abgewandten keilförmigen Wandabschnitt 118 an dem Auslass 82 zielt. Der zweite Krümmungsradius 110 wird relativ klein ausgeführt, beispielsweise 0,2 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt 1 mm, damit sich im Fall der Vorwärtsströmung eine Geometrie-induzierte und damit örtlich und zeitlich relativ stabile Ablösung im Bereich des rückspringenden dritten gekrümmten Wandabschnitts 102 mit dem dritten Krümmungsradius 112 ergibt. Der dritte Krümmungsradius 112, beispielsweise 1 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt 1,5 mm wird so ausgeführt, dass für den Fall der Rückströmung im Zusammenspiel mit dem zweiten Krümmungsradius 110 eine Umlenkung des Massenstromes in den Messkanal 28 erreicht wird, wie durch die erste Tangente 104 in Richtung zu dem Messkanal 28 angedeutet ist. Der Massenstrom des Hauptstromkanales 24 wird also mit Hilfe des ersten Krümmungsradius 108 und des zweiten Krümmungsradius 110 in Richtung der in 5 eingezeichneten Hauptstromimpulszone 122 des Auslasses 82 geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146–148 [0002]
