-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung eines Massenstromes fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt.
-
Derartige Vorrichtungen können beispielsweise als Heißfilmluftmassenmesser ausgebildet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146-148, bekannt sind. Heißfilmluftmassenmesser verwenden in der Regel einen Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche, welcher von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und ein weiterer Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements angeordnet 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.
-
Das Sensorgehäuse des Heißfilmluftmassenmessers wird üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Das Strömungsrohr ist typischer Weise eine Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine.
-
In dem Sensorgehäuse kann eine Kanalstruktur ausgebildet sein, die einen Messkanal, und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Massenstromes des fluiden Mediums aufweist. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in die Kanalstruktur auf, welcher im montierten Zustand des Sensorgehäuses in der Ansaugleitung einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in der Ansaugleitung entgegenweist, und mindestens einen Auslass. In der üblichen Verwendung wird der als Steckfühler ausgebildete Luftmassenmesser derart in das Strömungsrohr eingebracht, dass das in dem Strömungsrohr strömende Medium das Sensorgehäuse des Luftmassenmessers umströmt. Nur ein kleiner Teil des in dem Strömungsrohr strömenden Mediums gelangt in den Einlass der Kanalstruktur. Bei den bekannten Luftmassenmessern stellt die Kanalstruktur daher im Verhältnis zu der Luftströmung im Strömungsrohr einen Bypasskanal dar.
-
Der in den Einlass eingetretene Teilstrom des in dem Strömungsrohr strömenden Mediums gelangt in einen Hauptkanal der Kanalstruktur und strömt von dort zu einem Auslass. Zwischen dem Einlass und dem Auslass kann der Hauptkanal eine Verzeigungsstelle aufweisen, an welcher ein Messkanal von dem Hauptkanal abzweigen kann. Der Messkanal kann einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des eingetretenen Medienstroms aufweisen, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergehen kann, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der Messkanal kann schließlich wieder in den Hauptkanal oder einen am Sensorgehäuse vorgesehenen eigenen Auslass münden.
-
Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine hauptsächliche Herausforderung darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertöpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstigen Festkörperpartikeln weiter zu verbessern.
-
Das mit den bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung eines Massenstromes fluider Medien erhaltene Sensorsignal wird in der Regel zur Steuerung von Verbrennungsprozessen in Verbrennungsmotoren von Brennkraftmaschinen verwandt. Dazu wird der Luftmassenmesser wie oben beschrieben in einem Strömungsrohr auf der Reinluftseite des Luftfiltersystems angeordnet. Das Strömungsrohr ist meistens zylinderförmig ausgestaltet und kann stromaufwärts des Luftmassenmessers einen Strömungsgleichrichter aufweisen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums, weist eine Fluidleitung, in der das zu messende Medium strömt, und eine Messeinrichtung mit einem Sensorgehäuse auf. Das Sensorgehäuse ist als ein in eine Leitung einbringbarer Steckfühler ausgebildet. In dem Sensorgehäuse ist eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die einen Messkanal und mindestens ein in dem Messkanal angeordneter Sensorchip zur Bestimmung des Massenstromes des fluiden Mediums aufweist. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in die Kanalstruktur und mindestens einen Auslass aus der Kanalstruktur auf. Erfindungsgemäß ist die Messeinrichtung an die Fluidleitung derart angebunden, dass das gesamte in der Fluidleitung strömende Medium die Kanalstruktur zwischen dem Einlass und dem wenigstens einen Auslass des Sensorgehäuses durchströmt, ohne dass ein Teilstrom des strömenden Mediums an dem Sensorgehäuse vorbeiströmt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht vorteilhaft die Messung sehr kleiner Massenströme, die kleiner als 10 kg/h sind. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhaft zur Messung von Luftmassenströmen in Heizungsanlagen, Hausgeräten, Brennstoffzellen oder in Sekundärluftsystemen in Automobilen oder anderen Anwendungen verwandt werden. Im Unterschied zu den bekannten Messeinrichtungen wird die Messeinrichtung jedoch nicht als Steckfühler derart in ein Strömungsrohr eingesteckt, dass die in dem Strömungsrohr strömende Luft das Sensorgehäuse der Messeinrichtung hauptsächlich umströmt und nur ein kleiner Teil in einen Bypasskanal des Sensorgehäuses eintritt. Obwohl das Sensorgehäuse der hier vorgestellten Vorrichtung, was seine äußere Form und seine Abmessungen anbelangt, dazu geeignet ist, als Steckfühler in eine Leitung eingesteckt zu werden, so dass es als Messfühler on die Leitung hineinragt, wird die Messeinrichtung erfindungsgemäß stattdessen an die Fluidleitung derart angebunden, dass das gesamte in der Fluidleitung strömende Medium die Kanalstruktur des Sensorgehäuses zwischen dem Einlass und dem wenigstens einen Auslass des Sensorgehäuses durchströmt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Messung von sehr kleinen Massenströmen, da der gesamte Massenstrom der Vorrichtung zugeführt wird, und nicht nur ein Teilstrom desselben.
-
Vorteilhaft sind dabei nur geringfügige Modifikationen des bekannten Luftmassenmessers nötig, so dass auf eine vollständige bauliche Neuentwicklung verzichtet werden kann. Obwohl es der Grundaufbau des Sensorgehäuses der Messeinrichtung grundsätzlich ermöglicht, diese als Steckfühler zu verwenden, wird die Vorrichtung nicht in ein Strömungsrohr eingesteckt. Stattdessen wird die Fluidleitung, in welcher der zu messende Massenstrom strömt, unmittelbar an den Einlass der Kanalstruktur angebunden. Der Grundaufbau als Steckfühler kann somit kostengünstig beibehalten werden.
-
Weiterhin kann beispielsweise durch eine einfache Modifikation einer in der Vorrichtung enthaltenen Auswerteschaltung, welche eine Änderung der Signalverstärkung oder Signalabschwächung bewirkt, eine Anpassung der Sensorvorrichtung an die niedrigen Werte des Massenstromes erfolgen. Zusätzlich oder optional kann eine Anpassung der Sensorvorrichtung an die niedrigen Werte des Massenstromes auch durch eine Querschnittsänderung der im Sensorgehäuse vorgesehenen Kanalstruktur erreicht werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
-
Mittels der Vorrichtung kann ein sehr kleiner Massenstrom des strömenden fluiden Mediums zwischen 0 kg/h und 10 kg/h und insbesondere ein Massenstrom zwischen 0 kg/h und 5 kg/h erfasst werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung strömt das strömende Medium in der Fluidleitung in einer Hauptströmungsrichtung. Ein unmittelbar an das Sensorgehäuse angrenzender Bereich der Fluidleitung weist in einer Richtung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung einen Strömungsquerschnitt auf, welcher einem Öffnungsquerschnitt des Einlasses der Kanalstruktur an dieser Stelle entsprechen kann. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Mediums gleichmäßig die Kanalstruktur der Vorrichtung durchströmt, ohne durch eine Querschnittsreduktion am Ort des Einlasses beeinflusst zu werden.
-
Die Fluidleitung kann in einfacher Weise als Fluidleitungsdurchlass in einer Gerätewand ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich um einen zylindrischen Durchbruch in einer Gerätewand handeln, an welchen die Messeinrichtung unmittelbar angekoppelt wird. Der Auslass der Messreinrichtung kann beispielswiese mit dem Außenraum verbunden sein, so dass der Medienstrom durch die Messeinrichtung hindurch in den Außenraum gelangt.
-
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Fluidleitung wenigstens einen ummantelten Leitungsabschnitt aufweisen, welcher an den Einlass der Kanalstruktur angekoppelt wird. Unter einem ummantelten Leitungsabschnitt wird im Kontext der Anmeldung ein die Innenausnehmung des Leitungsabschnitts umgebender Mantel verstanden, dessen Wanddicke in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Leitungsabschnitts geringer als der Innendurchmesser der Innenausnehmung ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Fluidleitung einen an den Einlass angeschlossenen ersten Leitungsabschnitt zur Zuführung des Medienstromes und wenigstens einen an den wenigstens einen Auslass angeschlossenen zweiten Leitungsabschnitt zur Abfuhr des Medienstromes aufweisen. Der erste Leitungsabschnitt und/oder der zweite Leitungsabschnitt können in einfacher Weise als Rohr oder Schlauch ausgebildet sein.
-
Weiterhin vorteilhaft ist die Verwendung einer Messeinrichtung in Kombination mit einer Fluidleitung, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums und ein Sensorgehäuse aufweist, wobei das Sensorgehäuse als ein in eine Leitung einbringbarer Steckfühler ausgebildet ist, wobei in dem Sensorgehäuse eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die einen Messkanal und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Massenstromes des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse einen Einlass in die Kanalstruktur und mindestens einen Auslass aus der Kanalstruktur aufweist, wobei in der Fluidleitung ein Medium strömt, dessen Massenstrom kleiner als 10 kg/h ist und wobei die Messeinrichtung mit der Fluidleitung derart in eine Strömungsverbindung gebracht wird, dass das gesamte in der Fluidleitung strömende Medium die Kanalstruktur zwischen dem Einlass und dem wenigstens einen Auslass des Sensorgehäuses durchströmt, ohne dass ein Teilstrom des strömenden Mediums an dem Sensorgehäuse vorbeiströmt.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorderseite einer Messeinrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums,
- 2 zeigt einen Blick auf die Messeinrichtung aus 1 aus einer anderen Blickrichtung bei abgenommenem Elektronikraumdeckel und ohne einen Messkanaldeckel,
- 3 zeigt ein Beispiel einer perspektivische Teilansicht eines Ausschnitts des Sensorgehäuses mit einer Kanalstruktur bei abgenommenem Messkanaldeckel,
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums mit einer Messeinrichtung und einer Fluidleitung,
- 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums mit einer Messeinrichtung und einer Fluidleitung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Messeinrichtung 10 zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums. Die Messeinrichtung 10 ist beispielsweise als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet. Wie in 1 zu erkennen ist, ist die Messeinrichtung 10 als Steckfühler ausgebildet, das heißt, das Sensorgehäuse 12 der Messeinrichtung 10 ist geeignet ausgebildet, um mit einem unteren Abschnitt durch den Zylindermantel eines Strömungsrohrs derart in das Strömungsrohr eingesteckt zu werden, dass das in dem Strömungsrohr strömende Medium den eingeführten Abschnitt des Sensorgehäuses umströmt. Die derart ausgebildete Messeinrichtung wird jedoch nicht als Steckfühler eingesetzt, wie weiter unten noch erläutert wird. Der Aufbau als Steckfühler stellt sicher, dass der für Steckfühler langjährig bekannte und gut erprobte Aufbau der Messeinrichtung übernommen werden kann.
-
In dem Sensorgehäuse 12 der Messeinrichtung 10 ist eine Kanalstruktur 14 ausgebildet, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, der im Betrieb einer Hauptströmungsrichtung 18 des zu messenden fluiden Mediums entgegenweist, eine Teilmenge des fluiden Mediums in die Kanalstruktur 14 gelangen kann. Die Kanalstruktur 14 kann stromabwärts des Einlasses 16 einen Hauptkanal 20 aufweisen, welcher in einen eigenen Kanalauslass 21 (2) auf einer Vorderseite 22 des Sensorgehäuses 12 münden kann, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Messkanal 24, welcher in einen Auslass 28 der Kanalstruktur 14 mündet, der optional auch gleichzeitig der Ausgang des Hauptkanals 20 sein kann. Der Auslass 28 kann an der Stirnseite oder einer Seitenwand des Steckfühlers 12 angeordnet sein kann, wie beispielsweise an der Vorderseite 30 oder einer davon abgewandten Rückseite 22.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Messeinrichtung 10 in einem nicht verschlossenen Zustand bei abgenommenem Elektronikraumdeckel 46 und ohne einen Messkanaldeckel 48. In den Messkanal 24 ragt wie bei herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern ein Sensorträger 32. In oder an dem Sensorträger 32 ist ein Sensorchip 34 derart angeordnet, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 34 ausgebildete Sensormembran von dem im Messkanal strömenden fluiden Medium überströmt wird. Der Sensorträger 32 ist mit dem Sensorchip 34 Bestandteil eines Elektronikmoduls 36, das ein gebogenes Bodenblech als Sensorträger 32 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 38 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 aufweisen kann. Der Sensorträger 32 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech angespritzt sein. Der Sensorchip 34 kann mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, beispielsweise Drahtbondverbindungen, elektrisch verbunden sein. Das Elektronikmodul 36 ist in einen Elektronikraum 44 des Sensorgehäuses 12 eingebracht, beispielsweise eingeklebt. Dies kann derart erfolgen, dass der Sensorträger 32 in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Der Elektronikraum 44 kann mit einem Elektronikraumdeckel 46 (1) verschlossen werden. Die Kanalstruktur 14 kann in einem Messkanaldeckel 48 ausgebildet sein, der Teil des Sensorgehäuses 12 ist und auf die Vorderseite 30 des Sensorgehäuses 12 aufgesetzt ist.
-
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Messkanaldeckels 48. Die Kanalstruktur 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Messkanaldeckel 48 ausgebildet. Die Kanalstruktur 14 kann beispielsweise derart aufgebaut sein, dass der Hauptkanal 20 und der Messkanal 24 gemeinsam in einen Auslass 28 auf einer Stirnseite 26 der Vorrichtung 10 münden. Wie aus 3 zu erkennen ist, wird die Kanalstruktur 14 von Wandabschnitten 50 begrenzt. Die Wandabschnitte 50 geben somit die Form der Kanalstruktur 14 vor. Die Kanalstruktur 14 ist zumindest an drei Seiten von den Wandabschnitten 50 innerhalb des Messkanaldeckel 48 begrenzt. Die vierte Seite der Begrenzung kann beispielsweise durch einen Wandabschnitt an einer Rückseite 22 des Sensorgehäuses 12 realisiert sein.
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums mit einer Messeinrichtung 10, wie sie in 1 bis 3 dargestellt ist, und einer Fluidleitung 11. Die Fluidleitung 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Fluidleitungsdurchlass 111 in einer Gerätewand 110 ausgebildet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Gerätewand einer Heizungsanlage, eines Hausgerätes, einer Brennstoffzelle oder eines Sekundärluftsystems in Automobilen oder ein anderes Gerät handeln, in dem ein Medium strömt, dessen Massenstrom erfasst werden soll.
-
Die Messeinrichtung 10 ist derart an der Gerätewand 110 montiert, dass die mit dem Einlass 16 versehene Seite des Sensorgehäuses direkt auf die Gerätewand 110 aufgesetzt wird und das Ende des Fluiddurchlasses 111 mit dem Einlass 16 der Kanalstruktur 14 in Verbindung steht. Der Übergangsbereich kann leicht in einfacher Weise abgedichtet werden. Wie in 4 erkennbar ist, strömt das strömende Medium in der Fluidleitung 11 in einer Hauptströmungsrichtung 18. Ein unmittelbar an das Sensorgehäuse 12 angrenzender Bereich der Fluidleitung 11, beziehungsweise des Fluidleitungsdurchlasses 111 kann senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 einen Strömungsquerschnitt aufweisen, der vorzugsweise einem Öffnungsquerschnitt des Einlasses 16 an dieser Stelle entspricht. Das strömende Medium kann die Messeinrichtung 10 durch den Auslass 28 der Kanalstruktur 14 beispielsweise in den Außenraum verlassen.
-
Die Auswerteschaltung 40 ist so ausgestaltet, dass durch eine Änderung der Signalverstärkung oder Signalabschwächung eine Anpassung der Messeinrichtung an die niedrigen Werte des Luftmassenstromes erfolgt. Zusätzlich oder optional kann eine Anpassung der Messeinrichtung an die niedrigen Werte des Luftmassenstromes auch durch eine Querschnittsänderung der im Sensorgehäuse vorgesehenen Kanalstruktur 14 erreicht werden. Dabei ist die Messeinrichtung 10 so angepasst, dass ein Massenstrom des strömenden fluiden Mediums zwischen 0 kg/h und 10 kg/h erfasst werden kann und vorzugsweise ein Massenstrom kleiner als 5 kg/h erfasst werden kann.
-
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes eines strömenden fluiden Mediums mit einer Messeinrichtung 10 und einer Fluidleitung 11. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Fluidleitung 11 einen ummantelten Leitungsabschnitt 120 auf, der beispielsweise einen an den Einlass 16 angeschlossenen ersten Leitungsabschnitt 121 ausbildet. Außerdem ist wenigstens ein an den wenigstens einen Auslass 28 angeschlossener zweiter Leitungsabschnitt 122 vorgesehen. Der erste Leitungsabschnitt 121 und/oder der zweite Leitungsabschnitt 122 können als Rohr oder Schlauch aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein. Über den ersten Leitungsabschnitt 21, in dem das Medium in der Hauptströmungsrichtung 18 strömt, wird das Medium dem Einlass 16 zugeführt. Über den Auslass 28 gelangt das strömende Medium in den zweiten Leitungsabschnitt 122.
-
Wie anhand der in 4 und 5 erläutert, ist die Messeinrichtung 10 in allen Ausführungsbeispielen derart an die Fluidleitung 11 angebunden, dass das gesamte in der Fluidleitung 11 strömende Medium die Kanalstruktur 14 zwischen dem Einlass 16 und dem wenigstens einen Auslass 28 des Sensorgehäuses 12 durchströmt, ohne dass ein Teilstrom des strömenden Mediums an dem Sensorgehäuse 12 vorbeiströmt.
