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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich um physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom des strömenden Mediums handeln.
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Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146-148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche, 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.
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Das Sensorgehäuse des Heißfilmluftmassenmessers wird üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist.
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Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um eine Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine handeln.
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In dem Sensorgehäuse kann Kanalstruktur ausgebildet sein, die einen Messkanal, und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters 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.
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Ein Teilstrom des in dem Strömungsrohr strömenden Mediums gelangt durch den Einlass in einen Bypasskanal der Kanalstruktur. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bypasskanals weist der Bypasskanal eine Verzeigungsstelle auf, an welcher ein Messkanal von dem Bypasskanal abzweigt. Der Messkanal weist einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des eingetretenen Medienstroms auf, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der Messkanal mündet schließlich wieder in den Bypasskanal oder einen am Sensorgehäuse vorgesehenen eigenen Auslass.
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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. Im Betrieb einer derartigen Vorrichtung kann es außerdem in der Ansaugleitung zu einer hochfrequenten akustischen Störung kommen, die ihren Ursprung beispielsweise in einem an die Ansaugleitung angebundenen Abgasturbolader haben kann. Die hochfrequente Druckpulsation der Ansaugleitung kann mit der Luft in der Kanalstruktur der Vorrichtung zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters wechselwirken und dort eine nachteilige Resonanzschwingung hervorrufen. Die Resonanzschwingung ist abhängig von der Geometrie der Kanalstruktur des Sensorgehäuses und kann bei derartigen Vorrichtungen in einem Frequenzbereich im Kiloherzbereich auftreten. Die Resonanzschwingung kann starke Geschwindigkeitsschwankungen der im Messkanal strömenden Luft bewirken, was insgesamt dazu führen kann, dass die Vorrichtung aufgrund ihrer thermischen Trägheit den Messwert nicht richtig erfassen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse auf, das als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist. In dem Sensorgehäuse ist eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die einen Messkanal und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse einen Einlass in die Kanalstruktur, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass aus der Kanalstruktur aufweist, wobei die Kanalstruktur von Wandabschnitten begrenzt wird. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Wandabschnitt der Kanalstruktur mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber versehen ist.
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Vorteile der Erfindung
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Durch den als Resonator ausgebildeten wenigstens einen Schallabsorber lässt sich vorteilhaft eine hochfrequente Geschwindigkeitsfluktuation der in der Kanalstruktur strömenden Luft abschwächen oder ganz vermeiden. Dadurch lässt sich ein fehlerhaftes Messsignal zuverlässiger vermeiden und die Robustheit der Verrichtung gegenüber hochfrequenten Druckpulsationen steigern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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Der Schallabsorber kann beispielsweise als Helmholtz-Resonator, als Herschel-Quincke-Resonator oder als einfaches Lambda/4-Rohr ausgebildet sein. Die beiden letztgenannten Fälle nutzen eine destruktive Welleninterferenz zur Schallabsorption.
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Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung als Helmholtz-Resonator. Dabei kann der wenigstens eine Schallabsorber in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität ein Luftvolumen umgibt und nur über einen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. Bei einer derartigen Ausbildung des Schallabsorbers als Helmholz-Resonator bildet die Masse der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist, welche die Eigenfrequenz des wenigstens einen Schallabsorbers ist.
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Besonders vorteilhaft ist diese wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers an eine Resonanzfrequenz der in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung beziehungsweise an die Resonanzfrequenz der Druckpulsation angepasst, so dass die Oszillation der in der Kanalstruktur mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber gedämpft wird. Dies wird vorteilhaft dadurch bewirkt, dass die in der Oszillation enthaltene Energie nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators zur Anregung des Schallabsorbers in der Eigenfrequenz aufgewandt wird. Dadurch wird diese Energie letztlich in dem Schallabsorber in Wärme umgewandelt und dadurch absorbiert. Hierzu reicht es aus, dass die Resonanzfrequenz der Oszillation in etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Schallabsorbers liegt. Im Idealfall entspricht die wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung, beziehungswiese kommt dieser möglichst nahe.
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Ein derartiger Schallabsorber ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Vorrichtung einsetzbar, die eine Kanalstruktur mit einem Bypasskanal und einen an einer Verzweigungsstelle von dem Bypasskanal abzweigenden Messkanal aufweist. Bei derartigen Vorrichtungen gelangt ein Teilstrom des Mediums durch den Einlass zunächst in den Bypasskanal der Kanalstruktur und durch den Bypasskanal zu einem Auslass aus der Kanalstruktur. Die in den Bypasskanal eingetretene Luft wird teilweise an einer Verzweigungsstelle abgezweigt und tritt dort in den eigentlichen Messkanal ein. Die Verzweigungsstelle ist derart ausgebildet, dass große Fliehkraftkräfte auf die abgezweigte Luftströmung einwirken, so dass relativ schwere Partikel, wie beispielsweise Verunreinigungen, aufgrund der Massenträgheit unter Beibehalten ihrer Flugbahn in dem Bypasskanal weiter zum Auslass transportiert werden, während die relativ leichten Luftmoleküle verstärkt umgelenkt und dem Messkanal zugeführt werden. Daher ist die Luft im Messkanal sauberer als im Bypasskanal. Durch die Anordnung des Schallaborbers im Messkanal wird vorteilhaft erreicht, dass der Verbindungskanal des Schallabsorbers vor Verunreinigungen geschützt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Wirkungsweise Schallabsorbers im Betrieb erhöht wird.
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Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher Weise in einem Wandabschnitt des Messkanals ausgebildet sein. Da das Sensorgehäuse oftmals aus Kunststoff gefertigt wird, ist es relativ einfach eine zusätzliche Kavität in diesem Kunststoff vorzusehen, welche über einen definierten Verbindungskanal mit dem Messkanal in Fluidverbindung steht.
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In vorteilhafter Weise ist der wenigstens eine Schallabsorber stromabwärts des Sensorchips und stromaufwärts von dem Auslass in das Sensorgehäuse integriert, da in diesem Abschnitt genug Platz für die Integration des Schallabsorbers in das Sensorgehäuse besteht und an dieser Stelle bevorzugt kritische Resonanzschwingungen auftreten können.
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In einem Ausführungsbeispiel können mehrere Schallabsorber in der Kanalstruktur vorgesehen sein. Diese können unterschiedlich dimensioniert sein, das heißt mit unterschiedlichen geometrischen Dimensionen der Kavität und/oder der Länge und des Durchmessers des Verbindungskanals ausgebildet sein. Aus der unterschiedlichen Dimensionierung resultieren unterschiedliche Eigenfrequenzen, so dass in der Kanalstruktur hochfrequente Fluktuationen, die mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen können, absorbiert werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorderseite einer Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums, wobei die Vorrichtung als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbarer Steckfühler ausgebildet ist,
- 2 zeigt einen Blick auf die gleiche Vorderseite der Vorrichtung aus 1 bei abgenommenem Elektronikraumdeckel und ohne den Messkanaldeckel,
- 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Ausschnitts eines Sensorgehäuses für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Steckfühler mit einer Kanalstruktur, in der wenigstens ein als Helmholtz-Resonator ausgebildeten Schallabsorber vorgesehen ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines durch ein nicht dargestelltes Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums. Die Vorrichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und kann insbesondere einen Ansaugluftmassenstrom einer Brennkraftmaschine erfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 als Steckfühler ausgebildet, welcher in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann.
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Die Vorrichtung 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. In dem Sensorgehäuse 12 ist eine Kanalstruktur 14 ausgebildet, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine Teilmenge des fluiden Mediums in die Kanalstruktur 14 gelangen kann. Die Kanalstruktur 14 weist stromabwärts des Einlasses 16 einen Bypasskanal 20 auf, welcher in einen eigenen Kanalauslass 21 (2) auf einer Vorderseite 22 des Sensorgehäuses 12 münden kann, sowie einen von dem Bypasskanal 20 abzweigenden Messkanal 24, welcher in einen Auslass 28 der Kanalstruktur 14 mündet, der auch gleichzeitig der Ausgang des Bypasskanals 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.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Sensoranordnung 10 in einem nicht verschlossenen Zustand. 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 dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend wird der Elektronikraum 44 von einem Elektronikraumdeckel 46 (1) verschlossen. 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.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Messkanaldeckels 48 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Kanalstruktur 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Messkanaldeckel 48 ausgebildet. 3 zeigt eine mögliche Variante der Kanalstruktur 14, bei der der Bypasskanal 20 und der Messkanal 24 gemeinsam in den 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.
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Die Wandabschnitte 50 können wenigstens teilweise aus dem Material des Messkanaldeckels 48 gebildet werden, beispielweise aus einem Kunststoff. Wie in 3 erkennbar ist, ist beispielsweise ein Wandabschnitt 51 der Kanalstruktur 14 mit einem Schallabsorber 60 versehen, der vorzugsweise in diesem Ausführungsbespiel als Helmholtz-Resonator ausgebildet ist.
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Ein Helmholtz-Resonator besteht aus einem Luftvolumen in beliebiger Form, das über einen Verbindungskanal mit einer Öffnung nach außen versehen ist. Die träge Masse der in dem Verbindungskanal befindlichen Luft beträgt:
wobei
- L die Länge des Verbindungskanals,
- Ao die Querschnittsfläche des Verbindungskanals und
- po die Dichte der Luft ist.
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Die träge Masse m der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft bildet mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System aus, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist.
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Ist der Verbindungskanal beispielsweise annährend zylindrisch ausgebildet, so weist ein derartiges System eine Eigenfrequenz fo auf, für die gilt:
mit
wobei
- V das umschlossene Luftvolumen in der Kavität ist,
- c die Schallgeschwindigkeit des Mediums und
- R der Radius des Verbindungskanals ist.
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Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine ein Luftvolumen V umgebende Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität nur über einen einzigen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. In 3 ist erkennbar, dass der Schallabsorber 60 eine Kavität 61 aufweist, die über einen kleinen Verbindungskanal 62 mit dem Messkanal 24 der Kanalstruktur 14 verbunden ist.
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Die Eigenfrequenz des Schallabsorbers 60 ist an eine erwartete Resonanzfrequenz der in der Kanalstruktur 14 im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung angepasst. Diese Resonanzfrequenz kann in Versuchen in einem Strömungskanal leicht ermittelt werden. Durch geeignete Wahl des Volumens V und der geometrischen Abmessungen R und L des Verbindungskanals lässt sich der Schallabsorber beispielsweise gemäß dem oben dargestellten physikalischen Zusammenhängen in einfacher Weise so ausbilden, dass die Eigenfrequenz des Schallabsorbers an die Resonanzfrequenz angepasst ist. Als Folge davon wird die im Resonanzfall auftretende Oszillation der in der Kanalstruktur 14 mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber 60 wenigstens gedämpft oder ganz absorbiert. Dabei wird die in der Oszillation enthaltene Energie nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators zur Anregung des Schallabsorbers 60 in der Eigenfrequenz aufgewandt und dadurch absorbiert. Es reicht aus, wenn die Resonanzfrequenz der Oszillation in etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Schallabsorbers liegt. Im Idealfall entspricht jedoch die Eigenfrequenz des Schallabsorbers der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung.
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Vorzugsweise ist der Schallabsorber 60 wie dargestellt stromabwärts des Sensorchips 34 und stromaufwärts von dem Auslass 28 angeordnet. Abweichend davon ist es aber auch möglich, den Schallabsorber 60 an einer andere Stelle der Kanalstruktur 14 in einem anderen Wandabschnitt 50 vorzusehen.
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Weiterhin ist in einer weiteren Ausführungsform auch möglich, mehrere Schallabsorber an unterschiedlichen Stellen der Kanalstruktur 14 vorzusehen. Dabei ist insbesondere möglich aber nicht notwendig, die Schallabsorber unterschiedlich zu dimensionieren, das heißt mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen zu versehen, so dass verschiedene Schallabsorber unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
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Es ist ferner möglich, aber nicht notwendig, den wenigsten einen Schallabsorber in anderen Ausführungsformen beispielsweise nach dem Wirkprinzip von Lambda/4-Rohren oder Herschel-Quincke-Resonatoren zu gestalten. Beide Ausführungsformen basieren auf dem Prinzip der destruktiven Welleninterferenz.
