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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 unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, 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(r) 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. 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 insbesondere die Kennlinienreproduzierbarkeit und die Abgleichbarkeit verbessert sowie das Signalrauschen und die Anströmempfindlichkeit reduziert sind.
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Die erfindungsgemäße 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 weist einen Hauptkanal und einen Messkanal auf. Der Messkanal zweigt von dem Hauptkanal an einem Verzweigungsabschnitt ab. Der Sensorchip ist in dem Messkanal angeordnet. Ein erster Wandabschnitt einer dem Messkanal gegenüberliegenden und an den Einlass angrenzenden Kanalwand des Hauptkanals ist gekrümmt.
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Das Sensorgehäuse kann eine dem fluiden Medium entgegenweisende anströmseitige Wand aufweisen, welche eine Stirnfläche der Einlassöffnung darstellt. Das Sensorgehäuse weist einen Gehäusekörper und einen Messkanaldeckel auf. Der Gehäusekörper und der Messkanaldeckel bilden gemeinsam die Kanalstruktur. Der Einlass wird somit teilweise von dem Gehäusekörper berandet. Weiterhin wird der Einlass berandet durch Wände, die in dem Messkanaldeckel ausgebildet sind. Der erste gekrümmte Wandabschnitt der dem Messkanal gegenüberliegenden, an den Einlass angrenzenden Kanalwand des Hauptkanals kann so gekrümmt sein, dass eine Tangente an den Übergang des ersten Wandabschnitts in die anströmseitige Wand einen Winkel von 120 ° bis 160 ° zu der anströmseitigen Wand aufweist, beispielsweise 140 °. Dadurch ergibt sich ein konvergenter Einströmabschnitt der Kanalstruktur. Die Tangente verläuft dabei so, dass bezüglich einer Richtung senkrecht zu einer Öffnungs- oder Querschnittsfläche des Einlasses der Winkel von 120 ° bis 160 ° gebildet wird und nicht von 90 ° wie bei herkömmlichen Sensoranordnungen, die oben beschrieben sind. Die dem Messkanal gegenüberliegende Kanalwand des Hauptkanals kann mehrere gekrümmte Wandabschnitte aufweisen. Die Radien der gekrümmten Wandabschnitte können sich voneinander unterscheiden. Die mehreren gekrümmten Wandabschnitte können zwischen einem Einströmabschnitt, der sich von dem Einlass bis zu dem Verzweigungsabschnitt erstreckt, und einem Hauptkanalabschnitt der Kanalstruktur, der an den Verzweigungsabschnitt angrenzt, angeordnet sein. Die dem Messkanal gegenüberliegende Kanalwand des Hauptkanals kann eine rückspringende Stufe aufweisen. Die rückspringende Stufe kann eine Abmessung von 0,1 mm bis 4,0 mm aufweisen. Die Kanalstruktur kann einen Turbulator aufweisen. Der Turbulator kann stromaufwärts bezüglich einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in dem Hauptkanal des Verzweigungsabschnitts der Kanalstruktur, in dem der Messkanal von dem Hauptkanal abzweigt, angeordnet sein. Der Turbulator kann einen mehreckigen oder zumindest abschnittsweise kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Turbulator muss sich nicht über die vollständige Höhe der Kanalstruktur erstrecken, sondern kann sich nur über einen Teil der Höhe erstrecken. Die Kanalstruktur kann insbesondere in einem Deckel des Sensorgehäuses ausgebildet 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 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.
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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 die geometrische Gestaltung der Wandkontur der dem Messkanal gegenüberliegenden Kanalwand im Bereich des Einlasses derart zu beeinflussen, dass zeitlich und räumlich instabile Strömungsablösungen größtenteils reduziert bzw. vermieden werden. Damit werden die Kennlinienstabilität und die Abgleichbarkeit erhöht und das Signalrauschen reduziert.
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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 eine perspektivische Darstellung 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 Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten in der Kanalstruktur ermittelt durch eine Strömungssimulation,
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5 eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7 eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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8 eine Seitenansicht des Messkanaldeckels gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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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 (3) 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 40 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 sowie stromabwärts über die Hinterkante 64 hinausgehend. 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 auf. 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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Der Großteil des durch die Einlassöffnung 34 eintretenden Massenstromes tritt durch den Hauptkanalauslass 25 wieder aus. Nur ein kleiner Teil des Massenstromes erreicht entlang der Fliehkraftumlenkung 54 und der Gegenkontur 55 mit Abrisskante den Sensorträger 40 mit der mikromechanischen Sensormembran 44 und tritt schließlich am Messkanalauslass 32 aus dem Sensorgehäuse 12 aus. Bei dieser herkömmlichen Sensoranordnung 10 ist eine untere Kanalwand 74 zwischen der Einlassöffnung 34 und dem Hauptstromkanalauslass 25 als gerade Verbindungsfläche ausgeführt. Außerdem ergibt sich zwischen einer anströmseitigen Wand 76, in deren Ebene die Einlassöffnung 34 ausgebildet ist, stromaufwärts und der Unterseite im Bereich der Einlassöffnung 34 und dem Hauptkanal 24 eine 90°-Konfiguration 78.
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4 zeigt eine simulierte Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten in der Kanalstruktur 22. Die oben beschriebene geometrische Ausführung führt selbst bei stationären strömungsmechanischen Randbedingungen zu einer instationären Strömung 80 an einem Verzweigungsabschnitt 82, in dem sich der Messkanal 28 und der Hauptkanal 24 verzweigen. Diese Situation ist in 4 dargestellt. In 4 ist die Geschwindigkeitsverteilung in einer Schnittebene durch die Kanalstruktur 22 dargestellt für einen Gesamtmassenstrom von 80 kg/h. Gut zu erkennen ist die Aufteilung des Gesamtmassenstromes an der Einlassöffnung 34 in den Massenstrom an dem Hauptkanalauslass 25 und den Massenstrom im Messkanal 28. Charakterisierend für die Verzweigung ist der Staupunkt 84 auf der Wand der Gegenkontur 55 gegenüber der Fliehkraftumlenkung 54. Das Verhältnis der abzweigenden Massenströme ist selbst bei stationären strömungsmechanischen Randbedingungen nicht konstant, sondern wandert entsprechend den strömungsmechanischen Randbedingungen Gesamtmassenstrom, Drücken an der Einlassöffnung, an dem Hauptkanalauslass 25, an dem Messkanalauslass 32, Turbulenzgrad, Anstellwinkel des Sensorgehäuses 12 im Strömungsrohr etc., weil sowohl die Umströmung des Sensorgehäuses 12 als auch die Durchströmung der Kanalstruktur 22 im Sensorgehäuse so gut wie immer instationären Charakter besitzt. Selbst ohne eine Überlagerung mit zusätzlichen akustischen Druckschwingungen sorgt also die Verzweigungstopologie mit getrennten Auslässen für den Hauptstrom- sowie den Bypasskanal für Massenstromschwankungen an der mikromechanischen Sensormembran 44. Entsprechend den dazugehörenden Frequenzen können diese Schwankungen kennlinienrelevant sein oder für ein höheres Signalrauschen sorgen.
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Wesentlich für die erfindungsgemäßen Überlegungen ist die in 4 gekennzeichnete Strömungsablösung 86 auf der Unterseite der Kanalstruktur 22 an der Kanalwand 74 im Bereich von Einlassöffnung 34 und Hauptkanal 24. In diesem Bereich herrschen verglichen mit der Kernströmung verminderte Strömungsgeschwindigkeiten inklusive Rückströmungen vor. Die in 4 dargestellte Strömungsablösung 86 hängt unter andere von den oben aufgeführten strömungsmechanischen Randbedingungen, aber vor allem von der Ausgestaltung der Wandkontur ab. Die in 3 gezeigte 90°-Konfiguration 78 begünstigt solch eine Strömungsablösung 86. Solche Strömungsablösungen 86 sind zeitlich und räumlich veränderlich. Auch in diesem Fall ist die Erstreckung der Strömungsablösung 86 stromabwärts in den Hauptkanal 24 und quer zur Hauptströmungsrichtung 36, also in Richtung der Fliehkraftumlenkung 54, zeitlich und räumlich veränderlich. Die Strömungsablösung 86 beeinflusst also das Strömungsprofil im übrigen Querschnitt und im Fall der hier vorliegenden Massenstrom-Aufteilung auch das Verhältnis aus Haupt- und Messkanalstrom. Die Strömungsablösung 86 auf der Unterseite interagiert also mit der ebenfalls in 4 gekennzeichneten Wanderung des Staupunkts 84. In 4 ist ebenfalls ein Wieder-Anlegen der Strömung zu erkennen. Auch das Wieder-Anlegen der Strömung ist in Abhängigkeit der herrschenden Strömungsgrößen zeitlich und räumlich instabil.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels 16 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei werden insbesondere die Unterschiede zu der oben beschriebenen herkömmlichen Sensoranordnung beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Hauptkanal 24 weist einen Einströmabschnitt 88 auf, der sich von dem Einlass 34 bis zu dem Verzweigungsabschnitt 82 erstreckt. Die Kanalstruktur 22 weist weiterhin einen Hauptkanalabschnitt 90 auf, der an den Verzweigungsabschnitt 82 angrenzt und sich bezüglich der Hauptströmungsrichtung 36 stromabwärts davon befindet. Ein erster Wandabschnitt 92 der dem Messkanal 28 gegenüberliegenden und an die Einlassöffnung 34 angrenzenden Kanalwand 74 des Hauptkanals 24 ist gekrümmt mit einem ersten Radius 94. Der erste Radius 94 kann in der Größenordnung von 2 mm bis 15 mm sein, beispielsweise 10 mm. Der erste gekrümmte Wandabschnitt 92 ist so gekrümmt, dass eine Tangente 96 an einen Übergang 98 des ersten Wandabschnitts 92 in die anströmseitige Wand 76 einen Winkel α von 120 ° bis 160 °, beispielsweise 140 °, zu der anströmseitigen Wand 76 aufweist. Ein erster Radius 94, der zu einem tangentialen Übergang an die anströmseitige Wand 76 führt, ist denkbar. Dadurch ergibt sich eine konvergente Form für den Einströmabschnitt 88 der Kanalstruktur 22. Die Tangente 96 verläuft dabei so, dass bezüglich einer Richtung senkrecht zu einer Öffnungs- oder Querschnittsfläche des Einlasses 34 der Winkel α von 120 ° bis 160 ° gebildet wird und nicht von 90 ° wie bei herkömmlichen Sensoranordnungen der eingangs beschriebenen Art.
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Wie in 5 weiter gezeigt ist, kann die Kanalwand 74 des Hauptkanals 24 mehrere gekrümmte Wandabschnitte 100, 104 aufweisen. Die Radien 94, 104, 106, der gekrümmten Wandabschnitte 92, 100, 102 können sich voneinander unterscheiden. Die mehreren gekrümmten Wandabschnitte 92, 100, 102 sind zwischen dem Einlass 34 und dem Verzweigungsabschnitt 82 der Kanalstruktur 22, an der der Messkanal 28 von dem Hauptkanal 24 abzweigt, bzw. dem Verzweigungsabschnitt 82 und dem Hauptkanalabschnitt 90 der Kanalstruktur 22 angeordnet. So sind der erste Wandabschnitt 92 und der zweite Wandabschnitt 100 in dem Einströmabschnitt 88 und der dritte Wandabschnitt 102 ist in dem ersten Hauptkanalabschnitt 90 angeordnet.
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Im Gegensatz zu der 90°-Konfiguration 78 ist mittels des ersten Radius 94 an der Einlassöffnung eine stromliniengerechte Abrundung realisiert. Der erste Radius 94 geht dabei im Fall der in 5 gezeigten ersten Ausführung nicht tangential in die anströmseitige Wand 76 über, aber der eingeschlossene Winkel α liegt etwa im Bereich von 120 ° bis 160 °. Ein tangentialer Übergang an die Wand 76 ist für eine andere Ausführung ebenfalls möglich. Tangential an den ersten Radius 94, also ohne Knick und damit ohne Begünstigung einer geometrieinduzierten Ablösung, schließt der zweite Radius 104 an. Wie an der Oberseite des Einlassbereiches wird also auch an der Unterseite die Strömung beschleunigt. Damit gehen eine Stabilisierung der Strömung sowie eine Reduzierung des Turbulenzgrades und damit des Signalrauschens einher. Aufgrund der beschriebenen Änderung gelangt bei sonst gleichen Bedingungen ein etwas größerer Massenstrom in die Einlassöffnung 34. Dadurch wird die Robustheit bei Änderungen der Zuströmbedingungen, beispielsweise der Anstell- oder Schiebewinkel, sowie der Turbulenzgrad gesteigert. Damit werden auch die oben beschriebene Wanderung des Staupunkts 84 und die instabile Aufteilung des Massenstromes positiv beeinflusst. im Bereich des ersten Radius 94 und des zweiten Radius 104 löst die Strömung damit auch bei widrigen Anstellwinkeln, beispielsweise bei Einbau ins Strömungsrohr nach dem Luftfilter, nicht ab. Aufgrund der starken Konvergenz auf der Oberseite im Bereich der Fliehkraftumlenkung 54 und der Oberseite des Hauptkanals 24 ist die Ablösungsneigung auch im Bereich des dritten Radius 106 gering. Vermieden wird so eine zeitlich und räumlich instabile Strömung im Bereich des ersten Radius 94 bis zu dem dritten Radius 106 mit starken Schwankungen sowohl für den Messkanalmassenstrom als auch für den Hauptkanalmassenstrom. Eine deutliche Verjüngung des Hauptkanals 24 als weitere erfindungsgemäße Ausführung mittels der Gestaltung insbesondere des zweiten Radius 104 und des dritten Radius 106 sowie der Oberseite des Hauptkanals 24 ist ebenfalls denkbar. Es versteht sich, dass der dritte Wandabschnitt 102 alternativ gerade ausgebildet sein kann bzw. der dritte Radius 106 entfallen kann.
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6 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels 16 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der zweiten Ausführungsform weist die dem Messkanal 28 gegenüberliegende Kanalwand 74 des Hauptkanals 24 eine rückspringende Stufe 108 auf. Die Stufe 108 schließt sich in der Hauptströmungsrichtung 36 gesehen an den zweiten gekrümmten Wandabschnitt 100 an. Die rückspringende Stufe 108 weist eine Abmessung 110 von 0,1 mm bis 4,0 mm auf, beispielsweise 2,5 mm.
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Dem Beschleunigungsbereich zwischen der Einlassöffnung 34 und dem zweiten gekrümmten Wandabschnitt 100 auf der Unterseite folgt in der Hauptströmungsrichtung 36 betrachtet somit die deutlich rückspringende Stufe 108 als massive Auslöseform einer geometrieinduzierten Ablösung. Dadurch lassen sich das Geschwindigkeitsprofil und auch der Turbulenzgrad im Bereich der Fliehkraftumlenkung 54 besonders gut kontrollieren. Diese Kontrolle ist insbesondere für die Kennlinienstabilität und die Abgleichbarkeit erforderlich. Bezüglich des Signalrauschens ist die Eingriffsstärke mit Anregungen und Dämpfungen in verschiedenen Bereichen des Frequenzspektrums verbunden. Diese Effekte gilt es auszubalancieren. Eine Stufe 108 in der Größenordnung einiger Zehntelmillimeter bis weniger Millimeter erscheint sinnvoll. Eine turbulente, stabile – weil geometrieinduzierte – Ablösung an solch einer Stufe 108 sorgt ebenso wie eine ausreichend energetisierte – und damit der Wand 74 folgende – laminare Strömung für sensorrelevante stabile Strömungsverhältnisse ohne plötzlichen Umschlag bezüglich des Anteils oder des Turbulenzgrades des Messkanalmassenstroms. Auch eine abrupte Änderung des Turbulenzgrades des Messkanalmassenstromes führt zu Änderungen im Wärmeübergang und damit zu deutlichen sowohl kennlinien- und abgleichbarkeits- als auch signalrauschrelevanten Massenstromanzeigen.
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7 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Messkanaldeckels 16 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der dritten Ausführungsform weist die Kanalstruktur 22 einen Turbulator 112 auf. Der Turbulator 112 ist stromaufwärts bezüglich einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in dem Hauptkanal 24 des Verzeigungsabschnitts 82 der Kanalstruktur 22, an der der Messkanal 28 von dem Hauptkanal 24 abzweigt, angeordnet. Der Turbulator 112 kann einen mehreckigen oder zumindest abschnittsweise kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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8 zeigt eine Seitenansicht des Messkanaldeckels 16 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Blick in den Einlass 34 gerichtet. Wie aus 8 zu erkennen ist, muss sich der Turbulator 112 nicht zwangsläufig über die gesamte Breite bzw. Höhe der Kanalstruktur 22 erstrecken, sondern kann sich nur über einen Abschnitt 114 oder Teil der Breite bzw. Höhe der Kanalstruktur 22 erstrecken. Die Ausdrücke Breite und Höhe werden in diesem Zusammenhang synonym verwendet und geben eine Abmessung senkrecht zu dem Messkanaldeckel 16 und der Unterseite 26 an. Beispielsweise ist der Turbulator 112 gestuft ausgebildet.
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Die näherungsweise zylindrische, in Tiefenrichtung unveränderliche und bezüglich der Querschnittsform halbrunde bis runde Geometrie des Turbulators 112 ist grundsätzlich in der in 7 gezeigten durchgehenden Variante von Kanalwand zu Kanalwand, aber auch als gestufter bzw. nicht über die volle Breite reichender Turbulator 112 denkbar, wie in 8 gezeigt ist. Andere Querschnitte, wie beispielsweise rechteckig oder dreieckig sind denkbar, insbesondere in Variation mit der Kanalbreite. Ein derartiger Turbulator 112 erzeugt im Nahbereich ebenfalls geometrieinduzierte Ablösungen, aber stromab führt der Turbulator 112 zu einer Energetisierung der Wandgrenzschichten mit der Folge, dass diese Krümmungen und Druckanstiege entlang von Wänden besser verkraften und den Wänden besser folgen. Ein Turbulator 112 an dieser Stelle sorgt idealerweise auch bei relativ niedrigen Massenströmen bereits für einen signifikanten Turbulenzgrad und sorgt außerdem dafür, dass eine deutliche Robustheit des Turbulenzgrades und des Geschwindigkeitsprofiles der Strömung im Bereich der Fliehkraftumlenkung 54 auch bei Änderungen der äußeren Strömungsrandbedingungen, vor allem Massenstrom und damit Reynoldszahl, Turbulenzgrad, Druckgradient und lokales Druckfeld im Bereich des Sensorgehäuses, erreicht wird.
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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]
