DE102021214889A1 - Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel - Google Patents
Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021214889A1 DE102021214889A1 DE102021214889.1A DE102021214889A DE102021214889A1 DE 102021214889 A1 DE102021214889 A1 DE 102021214889A1 DE 102021214889 A DE102021214889 A DE 102021214889A DE 102021214889 A1 DE102021214889 A1 DE 102021214889A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- acoustic
- sensor
- flow tube
- flow
- channel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
- G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F5/00—Measuring a proportion of the volume flow
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Es wird eine Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal (112) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst:• mindestens ein Strömungsrohr (114); und• mindestens einen zumindest teilweise in das Strömungsrohr (114) eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler (122), in dem der Kanal (112) ausgebildet ist, wobei der Steckfühler (122) weiterhin mindestens einen in dem Kanal (112) angeordneten Sensorchip (128) zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei der Steckfühler (122) mindestens einen Einlass (146) in den Kanal (112) und einen Auslass (148) aus dem Kanal (112) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dassdie Vorrichtung (110) weiterhin mindestens ein Akustikgitter (126) umfasst, wobei das Akustikgitter (126) an einem Ende (119) des Strömungsrohrs (114) angeordnet ist, insbesondere an einem Ende (119) des Strömungsrohres (114), das in Richtung einer Quelle akustischer Störungen orientiert ist;und dass das Akustikgitter (126) mindestens eine Profilierung aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Oberflächenprofilierung (190) mindestens eines Teils einer Oberfläche des Akustikgitters (126) ; einer Kantenprofilierung (191) mindestens einer Kante (194) des Akustikgitters (126).A device (110) for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a duct (112), in particular an intake air mass of an internal combustion engine or a fuel cell system, is proposed. The device (110) comprises: • at least one flow tube (114); and• at least one plug-in sensor (122) which is or can be inserted at least partially into the flow tube (114), in which the channel (112) is formed, the plug-in sensor (122) furthermore having at least one sensor chip (128) arranged in the channel (112) for determining the parameter of the fluid medium, wherein the plug-in sensor (122) has at least one inlet (146) into the channel (112) and one outlet (148) from the channel (112); characterized in that the device (110) further comprises at least one acoustic grid (126), the acoustic grid (126) being arranged at one end (119) of the flow tube (114), in particular at one end (119) of the flow tube (114), oriented towards a source of acoustic interference; and in that the acoustic grid (126) has at least one contour selected from the group consisting of: a surface contour (190) of at least a portion of a surface of the acoustic grid (126); an edge profile (191) of at least one edge (194) of the acoustic grid (126).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Strömungseigenschaften fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften kann es sich dabei grundsätzlich um 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.Numerous methods and devices for determining the flow properties of fluid media, ie liquids and/or gases, are known from the prior art. The flow properties can in principle be any physically and/or chemically measurable properties which qualify or quantify a flow of the fluid medium. In particular, this can be a flow rate and/or a mass flow and/or a volume flow.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 146-148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, mit einer Messoberfläche, 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 oder um einen Brennstoffzellenantrieb handeln.In the following, the invention is described in particular with reference to so-called hot-film air-mass meters, as known, for example, from Konrad Reif (ed.), Sensors in Motor Vehicles, 1st edition 2010, pages 146-148. Such hot-film air mass meters are generally based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, with a measuring surface over which the flowing fluid medium can flow. As a rule, the sensor chip comprises at least one heating element and at least two temperature sensors, which are arranged, for example, on the measuring surface of the sensor chip. A mass flow and/or volume flow of the fluid medium can be inferred from an asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium. Hot-film air-mass meters are usually designed as a plug-in sensor, which can be introduced into a flow tube in a fixed or interchangeable manner. For example, this flow tube can be an intake tract of an internal combustion engine or a fuel cell drive.
Um aus den Sensorsignalen des Heißfilmluftmassenmessers präzise auf bestimmte Strömungseigenschaften des fluiden Mediums schließen zu können, ist es in vielen Fällen wünschenswert, weitere Informationen über das fluide Medium bereitstellen zu können. So sind auch Sensorvorrichtungen zur Erfassung einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums bekannt, welche einen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und einen Feuchtesensor zum Erfassen von Feuchtigkeit des fluiden Mediums aufweisen. Ergänzend kann durch einen Drucksensor der lokal vorherrschende Strömungsdruck des fluiden Mediums gemessen werden, um den Betrieb der Brennkraftmaschine zu optimieren.In order to be able to draw precise conclusions about certain flow properties of the fluid medium from the sensor signals of the hot-film air-mass meter, in many cases it is desirable to be able to provide further information about the fluid medium. Sensor devices for detecting a flow property of a fluid medium are also known, which have an air mass meter with a sensor element for detecting an air mass flow and a moisture sensor for detecting moisture in the fluid medium. In addition, the locally prevailing flow pressure of the fluid medium can be measured by a pressure sensor in order to optimize the operation of the internal combustion engine.
Trotz der durch diese Sensorvorrichtungen bewirkten Vorteile beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Insbesondere können im Volumen, welches den Streckfühler umgibt, akustische Störungen vorliegen.Despite the advantages brought about by these sensor devices, they still contain potential for improvement. In particular, acoustic disturbances can be present in the volume surrounding the stretch sensor.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere sollen akustische Störungen im Volumen, welches den Steckfühler umgibt, vermieden bzw. bestmöglich reduziert werden. Insbesondere sollen ein akustischer Schalldruck, eine akustische Schallintensität und/oder eine akustische Geschwindigkeitsschwankung, so genannte Schallschnelle, reduziert werden, um Kennlinien-Abweichungen zu reduzieren.A device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel and a method for producing a device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel are therefore proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods described above . In particular, acoustic disturbances in the volume surrounding the plug-in sensor should be avoided or reduced as much as possible. In particular, an acoustic sound pressure, an acoustic sound intensity and/or an acoustic speed fluctuation, so-called sound velocity, are to be reduced in order to reduce deviations from the characteristic curve.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine oder eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen.In a first aspect of the present invention, a device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a duct, in particular an intake air mass of an internal combustion engine or a fuel cell system, is proposed.
Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Strömungsrohr. Das Strömungsrohr weist mindestens ein erstes Ende und mindestens ein zweites Ende auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens einen zumindest teilweise in das Strömungsrohr eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler, in dem der Kanal ausgebildet ist. Der Steckfühler weist weiterhin mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Der Steckfühler weist mindestens einen Einlass in den Kanal und einen Auslass aus dem Kanal auf.The device includes at least one flow tube. The flow tube has at least a first end and at least a second end. Furthermore, the device comprises at least one plug-in sensor which is or can be introduced at least partially into the flow tube and in which the channel is formed. The plug-in sensor also has at least one sensor chip arranged in the channel for determining the parameter of the fluid medium. The plug-in probe has at least one inlet into the channel and one outlet from the channel.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens ein Akustikgitter. Das Akustikgitter ist an einem Ende des Strömungsrohrs angeordnet, welches in Richtung einer Quelle akustischer Störungen orientiert ist. Insbesondere kann das Ende zwischen einem Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM)-Steckfühler und der Quelle akustischer Störungen liegen. Insbesondere im Ralle eines Verbrennungsmotors kann das Ende stromab des HFM-Steckfühlers in Richtung von Kernelementen des Verbrennungsmotors, insbesondere eines Turboladers, bzw. zwischen dem HFM-Steckfühler und einem Luftverdichter eines Brennstoffzellen-Antriebes liegen.Furthermore, the device comprises at least one acoustic grid. The acoustic grille is located at an end of the flow tube that is oriented towards a source of acoustic disturbances. In particular, the end may be between a hot film mass air flow (HFM) plug-in sensor and the source of acoustic interference. In the case of an internal combustion engine in particular, the end can be downstream of the HFM plug-in sensor in the direction of core elements of the internal combustion engine, in particular a turbocharger, or between the HFM plug-in sensor and an air compressor of a fuel cell drive.
Das Akustikgitter weist mindestens eine Profilierung auf ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Oberflächenprofilierung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Akustikgitters; einer Kantenprofilierung mindestens einer Kante des Akustikgitters.The acoustic grating has at least one profiling selected from the group consisting of: a surface profiling of at least part of a surface of the acoustic grating; an edge profiling of at least one edge of the acoustic grid.
Bezüglich des mindestens einen Parameters des durch den Kanal strömenden fluiden Mediums kann es sich insbesondere um eine Strömungseigenschaft handeln, welche qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann. Es kann beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann es sich bei dieser Strömungseigenschaft um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums handeln. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas, vorzugsweise um Luft, handeln. Die Vorrichtung ist insbesondere einsetzbar in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungsmaschine oder in einem Brennstoffzellenantrieb. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.With regard to the at least one parameter of the fluid medium flowing through the channel, it can in particular be a flow property which can be qualitatively and/or quantitatively recorded. For example, reference may be made to the description of the prior art above. In particular, this flow property can be a flow rate and/or a mass flow and/or a volume flow of the fluid medium. The fluid medium can in particular be a gas, preferably air. The device can be used in particular in motor vehicle technology, for example in the intake tract of an internal combustion engine or in a fuel cell drive. In principle, however, other areas of use are also possible.
Wie oben ausgeführt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens einen Steckfühler. Der Steckfühler kann in das strömende fluide Medium einbringbar sein, wobei eine austauschbare oder auch permanente Einbringung denkbar ist. Der Steckfühler kann beispielsweise in das Strömungsrohr hineinragen. Das Strömungsrohr kann eine Öffnung aufweisen, in welche der Steckfühler einbringbar ist. Der Steckfühler kann ein Gehäuse aufweisen. Unter einem Gehäuse ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einteilige oder auch mehrteilige Vorrichtung zu verstehen, welche den Sensorchip sowie elektronische und andere Komponenten nach außen zumindest weitgehend abschließt und zumindest weitgehend schützt gegenüber mechanischen Einwirkungen und vorzugsweise auch anderen Arten von Einwirkungen, beispielsweise chemischen Einwirkungen und/oder Feuchteeinwirkungen. Das Gehäuse als ein- oder mehrteilige Vorrichtung erfüllt typischerweise weitere Funktionen, beispielsweise eine Ermöglichung der elektrischen Kontaktierung über einen Steckerbereich und kann insbesondere aerodynamischen Anforderungen Rechnung tragen. Der Steckfühler, insbesondere das Gehäuse, können insbesondere zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens. Der Stückfühler kann insbesondere mittels mindestens einem Vibrationsschweißverfahren mit einem Dombereich des Strömungsrohrs verbunden sein.As explained above, the device according to the invention comprises at least one plug-in sensor. The plug-in sensor can be inserted into the flowing fluid medium, whereby an exchangeable or permanent insertion is conceivable. The plug-in sensor can, for example, protrude into the flow tube. The flow tube can have an opening into which the plug-in sensor can be inserted. The plug-in sensor can have a housing. In the context of the present invention, a housing is to be understood as a one-part or multi-part device which at least largely seals off the sensor chip and electronic and other components from the outside and at least largely protects them from mechanical effects and preferably also other types of effects, for example chemical effects and/or effects of moisture. The housing, as a one-part or multi-part device, typically fulfills additional functions, for example enabling electrical contact via a plug area and can in particular take aerodynamic requirements into account. The plug-in sensor, in particular the housing, can in particular be made at least partially from a plastic material, for example by means of an injection molding process. The piece sensor can be connected to a dome area of the flow tube in particular by means of at least one vibration welding method.
In dem Steckfühler kann mindestens ein Elektronikmodul mit dem mindestens einen Sensorchip aufgenommen sein. Bei dem Sensorchip kann es sich insbesondere um einen Strömungssensor zur Erfassung des mindestens einen Parameters des durch den Kanal strömenden Mediums handeln. Unter einer Aufnahme in dem Steckfühler ist dabei zu verstehen, dass das Elektronikmodul zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, von dem Steckfühler umschlossen ist. Das Elektronikmodul kann zumindest teilweise in mindestens einem Elektronikraum des Steckfühlers angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst der Elektronikraum mindestens eine von einer Oberfläche des Gehäuses aus zugängliche Vertiefung in dem Gehäuse, beispielsweise eine quaderförmige Vertiefung. Der Elektronikraum kann, beispielsweise für eine Bestückung, zugänglich sein, und kann durch mindestens ein Verschlusselement, beispielsweise mindestens einen Elektronikraumdeckel, permanent oder reversibel verschließbar sein.At least one electronic module with the at least one sensor chip can be accommodated in the plug-in sensor. The sensor chip can in particular be a flow sensor for detecting the at least one parameter of the medium flowing through the channel. A receptacle in the plug-in sensor means that the electronics module is at least partially, preferably completely, surrounded by the plug-in sensor. The electronics module can be arranged at least partially in at least one electronics space of the plug-in sensor. The electronics space preferably comprises at least one depression in the housing that is accessible from a surface of the housing, for example a cuboid depression. The electronics compartment can be accessible, for example for equipping, and can be permanently or reversibly closed by at least one closure element, for example at least one electronics compartment cover.
Unter einem Sensorchip ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement zu verstehen, welches zur Erfassung des mindestens einen Parameters des durch den Kanal strömenden Mediums ausgestaltet ist. Insbesondere kann es sich bei dem Sensorchip um mindestens einen mikromechanischen Sensorchip zur Messung des Luftmassenstromes handeln, der mindestens eine mikromechanische Sensormembran enthält. Der Siliziumchip mit der mikromechanischen Sensormembran kann insbesondere einer Messoberfläche umfassen, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Auf dieser Sensoroberfläche können sich beispielsweise mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler befinden, wobei aus einer Asymmetrie des mittels der Temperaturfühler gemessenen Temperaturprofils auf die mindestens eine Strömungseigenschaft schließbar sein kann. Der mindestens eine Sensorchip kann beispielsweise auf einem Sensorträger des Elektronikmoduls angeordnet sein, welcher in das strömende fluide Medium hineinragt.In this case, a sensor chip is to be understood in principle as any sensor element which is designed to detect the at least one parameter of the medium flowing through the channel. In particular, the sensor chip can be at least one micromechanical sensor chip for measuring the air mass flow, which contains at least one micromechanical sensor membrane. The silicon chip with the micromechanical sensor membrane can in particular comprise a measurement surface over which the flowing fluid medium can flow. At least one heating element and at least two temperature sensors can be located on this sensor surface, for example, it being possible to deduce the at least one flow property from an asymmetry of the temperature profile measured by the temperature sensors. The at least one sensor chip can be arranged, for example, on a sensor carrier of the electronic module, which protrudes into the flowing fluid medium.
Das Elektronikmodul kann insbesondere eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung tragen, welche eingerichtet ist, um den Sensorchip anzusteuern und/oder Signale des Sensorchips aufzunehmen, zu verarbeiten und einem üblicherweise verwendeten Motorsteuergerät zur Verfügung zu stellen. Dementsprechend kann das Elektronikmodul beispielsweise mindestens einen Schaltungsträger aufweisen. Weiterhin kann das Elektronikmodul insbesondere den mindestens einen Sensorträger aufweisen, welcher mit dem Schaltungsträger vorzugsweise mechanisch verbunden ist. Beispielsweise kann der Schaltungsträger in dem Elektronikraum des Sensorgehäuses angeordnet sein, und der Sensorträger kann aus diesem Elektronikraum raus in das fluide Medium hineinragen.The electronics module can in particular carry a control and/or evaluation circuit which is set up to control the sensor chip and/or to receive signals from the sensor chip, process them and make them available to a commonly used engine control unit. Accordingly, the electronics module can have at least one circuit carrier, for example. Furthermore, the electronics module can in particular have the at least one sensor carrier, which is preferably mechanically connected to the circuit carrier. For example, the circuit carrier can be arranged in the electronics space of the sensor housing, and the sensor carrier can project out of this electronics space into the fluid medium.
Wie oben ausgeführt, ist in dem Steckfühler der Kanal ausgebildet. Der Kanal kann von dem fluiden Medium durchströmbar sein. Der Sensorträger des Elektronikmoduls, welcher den Sensorchip trägt, kann aus dem Elektronikraum in den Kanal hineinragen. Der Kanal kann einteilig ausgestaltet sein, oder auch mindestens einen Hauptkanal und mindestens einen von diesem Hauptkanal abzweigenden Bypasskanal aufweisen. Der Sensorträger kann vorzugsweise in den Bypasskanal hineinragen. Der Schaltungsträger des Elektronikmoduls kann insbesondere eine Leiterplatte umfassen, welche in Alleinstellung verwendet wird oder welche beispielsweise auch auf einem mechanischen Träger montiert ist, beispielsweise einem Bodenblech in Form eines Stanz-Biege-Teils, das aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein kann. Der Sensorträger kann mit dem Schaltungsträger unmittelbar verbunden sein oder auch mit dem Trägerteil, beispielsweise mit dem Bodenblech, beispielsweise indem der Sensorträger an das Bodenblech angespritzt ist.As stated above, the channel is formed in the plug-in sensor. The canal can be seen from the flui be permeable to the medium. The sensor carrier of the electronics module, which carries the sensor chip, can protrude from the electronics space into the channel. The duct can be designed in one piece, or also have at least one main duct and at least one bypass duct branching off from this main duct. The sensor carrier can preferably protrude into the bypass channel. The circuit carrier of the electronics module can in particular include a printed circuit board, which is used alone or which is also mounted on a mechanical carrier, for example a base plate in the form of a stamped and bent part that can be made of a metallic material. The sensor carrier can be connected directly to the circuit carrier or also to the carrier part, for example to the floor panel, for example by the sensor carrier being injection-molded onto the floor panel.
Unter einem Strömungsrohr im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger, von einem fluiden Medium durchströmbarer Hohlkörper zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Strömungsrohr kann zumindest teilweise rotationssymmetrisch ausgestaltet sein. Das Strömungsrohr kann daher auch als Zylindergehäuse bezeichnet werden. Das Strömungsrohr kann insbesondere mittels mindestens einem Spritzgussverfahren hergestellt sein.A flow tube within the meaning of the present invention is to be understood in principle as any hollow body through which a fluid medium can flow. In particular, it can be an elongate hollow body. The flow tube can be configured at least partially in a rotationally symmetrical manner. The flow tube can therefore also be referred to as a cylinder housing. The flow tube can be produced in particular by means of at least one injection molding process.
Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein Flügelgitter umfassen. Das Flügelgitter kann an einem Ende des Strömungsrohrs angeordnet sein. Insbesondere kann das Flügelgitter in einer Hauptströmungsrichtung stromaufwärts des Steckfühlers angeordnet sein. Das Flügelgitter kann zum Umlenken des fluiden Mediums in die am Steckfühler herrschende Hauptströmungsrichtung mehrere Flügel und Stege aufweisen. Die Flügel können zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder mit variablem Radius angeordnet sein. Die Flügel können für eine Reduzierung von Strömungsschwankungen und für eine Erzeugung von homogenen, hohen, turbulenzarmen Strömungsgeschwindigkeiten am Steckfühler eingerichtet sein. Das Strömungsrohr und das Flügelgitter können einstückig hergestellt sein. Insbesondere können das Strömungsrohr und das Flügelgitter mittels einem Spritzgussverfahren hergestellt sein. Das Flügelgitter kann daher auch als Strömungskonditionierungselement bezeichnet werden. Des Weiteren kann das Flügelgitter einen Beitrag leisten, akustische Störungen einer bestimmten Frequenz und Wellenlänge, insbesondere solche akustischen Störungen mit Wellenlängen geringer als der Durchmesser bzw. der charakteristischen Länge des Strömungsrohres im Bereich des HFM-Steckfühlers, sogenannte Cut-off-Moden zu reduzieren. Die unten beschriebenen Design-Elemente des Akustikgitters können teilweise auch auf das Flügelgitter angewendet werden.The device can further comprise at least one vane grid. The vane grid can be arranged at one end of the flow tube. In particular, the vane grid can be arranged upstream of the plug-in sensor in a main flow direction. The vane grid can have several vanes and webs for deflecting the fluid medium into the main flow direction prevailing at the plug-in sensor. The vanes can be arranged, at least in sections, in a circular, elliptical or variable radius manner. The vanes can be set up to reduce flow fluctuations and to generate homogeneous, high, low-turbulence flow velocities on the plug-in sensor. The flow tube and the vane grid can be made in one piece. In particular, the flow tube and the wing grating can be produced by means of an injection molding process. The vane grid can therefore also be referred to as a flow conditioning element. Furthermore, the vane grid can contribute to reducing acoustic interference of a certain frequency and wavelength, in particular such acoustic interference with wavelengths smaller than the diameter or the characteristic length of the flow tube in the area of the HFM plug-in sensor, so-called cut-off modes. Some of the design elements of the acoustic grille described below can also be applied to the wing grille.
Wie oben ausgeführt, umfasst die Vorrichtung weiterhin das mindestens eine Akustikgitter. Insbesondere kann das Akustikgitter in einer Hauptströmungsrichtung stromabwärts des Steckfühlers angeordnet sein. Das Akustikgitter kann eingerichtet sein, akustische Störungen in dem den Steckfühler umgebenden Volumen und dadurch insbesondere Abweichungen von einer Luftmassenstrom-Soll-Kennlinie trotz widriger akustischer Anregung insbesondere durch einen ein- oder mehrstufigen Turbolader eines Verbrennungsmotors oder beispielsweise eines Luftverdichters eines Brennstoffzellenantriebes zu vermeiden oder zu reduzieren. Durch die ringförmigen Elemente sowie durch die Stegelemente kann ein Gesamtvolumen in entsprechend kleinere Teilvolumina unterteilt werden und für eine Irregularisierung einer Abstrahlung bzgl. Wellenlängen und Schallintensitäten stromauf zu dem Steckfühler sorgen.As stated above, the device further comprises the at least one acoustic grating. In particular, the acoustic grid can be arranged downstream of the plug-in sensor in a main flow direction. The acoustic grid can be set up to avoid or reduce acoustic disturbances in the volume surrounding the plug-in sensor and thereby in particular deviations from a target air mass flow characteristic curve despite adverse acoustic excitation, in particular by a single- or multi-stage turbocharger of an internal combustion engine or, for example, an air compressor of a fuel cell drive . An overall volume can be subdivided into correspondingly smaller sub-volumes by the ring-shaped elements and by the web elements and can ensure that radiation is irregular in terms of wavelengths and sound intensities upstream of the plug-in sensor.
Das Akustikgitter kann insbesondere mittels mindestens einem Spritzgussverfahren hergestellt sein. Weiterhin kann das Akustikgitter mittels mindestens einem Ultraschall-Schweißverfahren mit dem Strömungsrohr verbunden sein. Das Akustikgitter kann insbesondere aus werkzeugtechnischen Gründen nicht gemeinsam mit dem Strömungsrohr und dem Flügelgitter gespritzt werden. Es kann daher in einem separaten Spritzgussvorgang hergestellt werden. Das separate Akustikgitter kann stromab des Steckfühlers in das Strömungsrohr geschoben und beispielsweise per Ultraschall-Schweißverfahren mit dem Strömungsrohr dauerhaft verbunden werden. Andere Verbindungsverfahren wie beispielsweise Verstemmen sind denkbar. Das Akustikgitter kann gemeinsam mit dem Strömungsrohr in einem einzelnen Spritzgussvorgang hergestellt sein, insbesondere wenn das Flügelgitter in einem separaten Spritzgussvorgang hergestellt und im Nachgang mit der Einheit aus Strömungsrohr und Akustikgitter verbunden wird.The acoustic grating can be produced in particular by means of at least one injection molding process. Furthermore, the acoustic grid can be connected to the flow tube by means of at least one ultrasonic welding method. The acoustic grating cannot be injected together with the flow tube and the wing grating, particularly for tool-related reasons. It can therefore be manufactured in a separate injection molding process. The separate acoustic grid can be pushed into the flow tube downstream of the plug-in sensor and permanently connected to the flow tube, for example using ultrasonic welding processes. Other connection methods such as caulking are conceivable. The acoustic grid can be produced together with the flow tube in a single injection molding process, in particular if the wing grid is produced in a separate injection molding process and is subsequently connected to the unit made up of flow tube and acoustic grid.
Wie oben ausgeführt, weist das Akustikgitter mindestens eine Profilierung auf ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der Oberflächenprofilierung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Akustikgitters; der Kantenprofilierung der mindestens einen Kante des Akustikgitters.As stated above, the acoustic grille has at least one profile selected from the group consisting of: the surface profile of at least part of a surface of the acoustic grille; the edge profiling of the at least one edge of the acoustic grille.
Unter einer „Oberflächenprofilierung“ kann grundsätzlich eine aerodynamisch übliche Profilierung im Sinne einer Wölbungs-, Dicken- und Krümmungsverteilung und/oder eine beliebige eventuell zusätzliche bzw. überlagerte Formgebung einer Oberfläche mittels mindestens eines Musters und/oder mittels mindestens einer Struktur zu verstehen sein. Die letztgenannten möglichen zusätzlichen Strukturen tragen dabei insbesondere der Aufgabe Rechnung, einfallende Schallwellen in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren und damit im Falle von akustischen Überlagerungen von Schalldrücken und Schallschnellen möglichst vieler Wellenpakete akustische Störungen im Bereich der Öffnungen des Bypasskanalsystems zu reduzieren. Das Muster kann regelmäßig oder auch unregelmäßig ausgebildet sein. Folglich kann die Oberfläche in einer Querschnittsansicht entsprechend ausgestaltete Erhebungen und Vertiefungen aufweisen. Die Oberflächenprofilierung kann daher auch als Oberflächenstrukturierung oder als Oberflächenstruktur bezeichnet werden. Die Oberflächenprofilierung kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer kontinuierlichen Oberflächenprofilierung; einer parkettierten Oberflächenprofilierung; einer Oberflächenprofilierung mittels linienförmiger und/oder sprunghafter Niveau-Unterschiede, insbesondere wir bei Werkzeugtrennebenen; einer Oberflächenprofilierung, die in der Art einer Wölbungs- und Dickenverteilung auch aerodynamischen Ansprüchen gerecht wird. Auch weitere Ausführungsbeispiele sind grundsätzlich denkbar. Um eine Wahrscheinlichkeit einer gewünschten Reduzierung von Schalldrücken bei applikationsbedingt variierenden Wellenlängen, Phasenlagen und/oder Amplituden zu erhöhen, können diese Strukturierungen relativ kleinskalig ausgeführt werden, beispielsweise in der Größenordnung von 1 mm bis 50 mm, insbesondere von 2mm bis 10 mm, mit entsprechenden Übergangsstrukturen durchaus kleiner als 1 mm, um insbesondere die aerodynamische Güte zu erhöhen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar.
Die Kantenprofilierung der mindestens einen Kante des Akustikgitters kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer sinusförmigen Profilierung, insbesondere einer sinusförmigen Profilierung, welche bezüglich Wellenlänge und/oder Amplitude an verschiedenen Kanten unterschiedlich gestaltet ist; einer Profilierung mit Zinnen oder Aussparungen als Segmente, insbesondere mit rechtwinkliger oder nicht-rechtwinkliger Verbindung der Segmente; einer Profilierung mit polynomartigem Kurvenverlauf. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar.“Surface profiling” can basically be understood to mean an aerodynamically customary profiling in the sense of a camber, thickness and curvature distribution and/or any additional or superimposed shaping of a surface by means of at least one pattern and/or by means of at least one structure. The latter possible additional In particular, structures take into account the task of reflecting incoming sound waves in different directions and thus reducing acoustic disturbances in the area of the openings of the bypass channel system in the case of acoustic superimposition of sound pressures and sound velocities of as many wave packets as possible. The pattern can be regular or irregular. Consequently, in a cross-sectional view, the surface can have correspondingly designed elevations and depressions. The surface profiling can therefore also be referred to as surface structuring or as a surface structure. The surface profiling can in particular be selected from the group consisting of: a continuous surface profiling; a parquetted surface profiling; a surface profiling by means of linear and/or abrupt level differences, especially in the case of mold parting lines; a surface profiling that also meets aerodynamic requirements in the form of a curvature and thickness distribution. Other exemplary embodiments are also conceivable in principle. In order to increase the probability of a desired reduction in sound pressures with wavelengths, phase angles and/or amplitudes that vary depending on the application, these structures can be implemented on a relatively small scale, for example on the order of 1 mm to 50 mm, in particular from 2 mm to 10 mm, with corresponding transition structures definitely smaller than 1 mm, in order to increase the aerodynamic quality in particular. Other dimensions are also conceivable in principle.
The edge profiling of the at least one edge of the acoustic grating can be selected from the group consisting of: a sinusoidal profiling, in particular a sinusoidal profiling, which is designed differently at different edges with regard to wavelength and/or amplitude; a profiling with battlements or recesses as segments, in particular with a right-angled or non-right-angled connection of the segments; a profiling with a polynomial-like curve. In principle, other configurations are also conceivable.
Das Akustikgitter kann mindestens ein äußeres ringförmiges Element und mindestens ein inneres ringförmiges Element aufweisen. Das innere ringförmige Element und das äußere ringförmige Element können konzentrisch um eine Rotationsachse des Strömungsrohrs oder dazu versetzt angeordnet sein. Das äußere ringförmige Element und das innere ringförmige Element können miteinander durch eine Vielzahl an Stegelementen verbunden sein, wobei die Stegelemente vorzugsweise radial um die Rotationsachse des Strömungsrohrs angeordnet sind. Als weitere grundsätzliche Ausführungsform können Stegelemente von mantelflächigen Berandungen des Strömungsrohres beispielsweise entlang gedachter kartesischer Hauptrichtungen zu gegenüberliegenden Rohrberandungen führen, also ohne Verwendung ringförmiger Elemente.The acoustic grille may have at least one outer annular element and at least one inner annular element. The inner annular member and the outer annular member may be concentric with or offset from an axis of rotation of the flow tube. The outer annular member and the inner annular member may be interconnected by a plurality of web members, the web members preferably being disposed radially about the axis of rotation of the flow tube. As a further basic embodiment, web elements can lead from lateral surface boundaries of the flow pipe, for example along imaginary Cartesian main directions, to opposite pipe boundaries, that is to say without using ring-shaped elements.
Die Begriffe „inneres ringförmiges Element“ und „äußeres ringförmiges Element“ sind als reine Beschreibungen anzusehen, ohne eine Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von inneren ringförmigen Elementen beziehungsweise äußeren ringförmigen Elementen oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein können. Weiterhin können zusätzliche innere und/oder äußere ringförmige Elemente vorhanden sein, wie nachfolgend noch näher ausgeführt wird. Der Begriff „ringförmiges Element“ bezeichnet insbesondere ein beliebiges Element, welches zumindest teilweise eine Form eines Rings aufweist. Insbesondere können das innere ringförmige Element und/oder das äußere ringförmige Element zumindest teilweise eine Form eines Zylinders, insbesondere eines Kreiszylinders, aufweisen. Weiterhin können diese Elemente auch annähernd ringförmig sein. Im Querschnitt können diese Elemente also beispielsweise als Vielecke oder Polygone ausgeführt sein, die insbesondere zwischen Ecken zumindest annähernd ringförmige oder auch in geradlinige oder annähernd geradlinige Verbindungselemente aufweisen können.The terms "inner ring-shaped element" and "outer ring-shaped element" are to be regarded as pure descriptions, without specifying a ranking and, for example, without excluding the possibility that several types of inner ring-shaped elements or outer ring-shaped elements or exactly one type each can be provided. Furthermore, additional inner and/or outer ring-shaped elements can be present, as will be explained in more detail below. The term “ring-shaped element” refers in particular to any element which at least partially has the shape of a ring. In particular, the inner ring-shaped element and/or the outer ring-shaped element can at least partially have the shape of a cylinder, in particular a circular cylinder. Furthermore, these elements can also be approximately ring-shaped. In cross section, these elements can therefore be designed, for example, as polygons, which can have at least approximately ring-shaped or even straight or approximately straight connecting elements, in particular between corners.
Wie oben ausgeführt, können das innere ringförmige Element und das äußere ringförmige Element konzentrisch um die Rotationsachse des Strömungsrohrs angeordnet sein. Unter dem Begriff „konzentrisch“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das innere ringförmige Element und das äußere ringförmige Element symmetrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet sind. Das innere ringförmige Element kann einen Radius aufweisen, welcher sich von einem Radius des äußeren ringförmigen Elements unterscheidet. Insbesondere kann der Radius des inneren ringförmigen Elements kleiner sein als der Radius des äußeren ringförmigen Elements. Ein Abstand zwischen dem inneren ringförmigen Element und dem äußeren ringförmigen Element kann insbesondere 1 mm bis 100 mm, vorzugsweise 5 mm bis 75 mm und besonders bevorzugt 10 mm bis 50 mm betragen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar. Ein Abstand zwischen dem inneren ringförmigen Element und dem äußeren ringförmigen Element kann grundsätzlich in einer Größenordnung von ein oder mehreren Zentimetern bis hin zu einer Größenordnung von ein oder mehreren Dezimetern gewählt sein. Dies kann abhängig von akustischen Störungen und deren Wellenlängen sein. Die Wellenlängen können sich beispielsweise bei Anwendungen im klassischen Verbrennungsmotor und Anwendungen in Brennstoffzellenantrieben oder anderen Applikationen unterscheiden, was entsprechende Design-Anpassungen des Akustikgitters zur Folge haben kann.As stated above, the inner annular member and the outer annular member may be concentric about the axis of rotation of the flow tube. In the context of the present invention, the term “concentric” means that the inner ring-shaped element and the outer ring-shaped element are arranged symmetrically around a common center point. The inner annular member may have a radius that differs from a radius of the outer annular member. In particular, the radius of the inner annular element can be smaller than the radius of the outer annular element. A distance between the inner ring-shaped element and the outer ring-shaped element can be in particular 1 mm to 100 mm, preferably 5 mm to 75 mm and particularly preferably 10 mm to 50 mm. Other dimensions are also conceivable in principle. A distance between the inner ring-shaped element and the outer ring-shaped element can in principle be selected in the order of one or more centimeters up to the order of one or more decimeters. This can depend on acoustic disturbances and their wavelengths. The wavelengths can differ, for example, in applications in the classic combustion engine and applications in fuel cell drives or other applications, which ent speaking design adjustments of the acoustic grille can result.
Je nach Bauform und Luftmassenstrombedarf der Applikation, beispielsweise des Verbrennungsmotors oder des Brennstoffzellenantriebs variiert typischerweise der Durchmesser des Strömungsrohrs bzw. eines Abschnittes des Strömungsrohrs bei nicht zylindrischen Varianten von beispielsweise 30 mm bis 150 mm. Je nach akustischer Signatur der Störungen und aufgrund der obigen Bauform des Strömungsrohrs kann daher auch die Anzahl der ringförmigen Elemente sowie deren Beabstandung zueinander und zum Mantel des Strömungsrohrs variieren. Aus Gründen der strömungsmechanischen Widerstandserzeugung und aufgrund der relevanten akustischen Wellenlängen kann der Abstand der Ringelemente des Akustikgitters variieren. Die räumliche Ausdehnung eines Ringelementes in Haupströmungsrichtung kann ebenfalls aus obigen Gründen zwischen beispielsweise 10 mm und 50 mm variieren. Die Ringelemente können beispielsweise zwischen 0,4 mm und 5 mm Materialstärke, beispielsweise in einer aerodynamisch günstigen Profilierung aufweisen. Diese Punkte gelten sinngemäß auch für die beschriebenen Stegelemente.Depending on the design and air mass flow requirements of the application, for example the internal combustion engine or the fuel cell drive, the diameter of the flow tube or a section of the flow tube typically varies from, for example, 30 mm to 150 mm in non-cylindrical variants. Depending on the acoustic signature of the disturbances and due to the above design of the flow tube, the number of ring-shaped elements and their spacing from one another and from the jacket of the flow tube can therefore also vary. The distance between the ring elements of the acoustic grid can vary for reasons of flow-mechanical resistance generation and because of the relevant acoustic wavelengths. The spatial extent of a ring element in the main direction of flow can also vary for the above reasons between, for example, 10 mm and 50 mm. The ring elements can, for example, have a material thickness of between 0.4 mm and 5 mm, for example in an aerodynamically favorable profile. These points also apply to the bar elements described.
Wie oben ausgeführt, können die Stegelemente beispielsweise radial um die Rotationsachse des Strömungsrohrs angeordnet sein. Unter dem Begriff „radial“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass sich die Stegelemente zumindest teilweise, insbesondere geradlinig, entlang des Radius des äußeren ringförmigen Elements erstrecken. Die Stegelemente können insbesondere gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Insbesondere können zwei benachbarte Stegelemente in einem Winkel zueinander angeordnet sein, welcher einem Quotienten von 360° zu einer Anzahl an Stegelementen entspricht. Weiterhin können die Stegelemente ungleichmäßig voneinander beabstandet sein. Durch eine ungleichmäßige Beabstandung voneinander können eine akustische Energie und/oder eine Phasenlagen strukturiert und/oder irregularisiert werden. Eventuell kann fertigungstechnisch nur eine ungleichmäßige Beabstandung realisiert werden.As explained above, the web elements can be arranged, for example, radially around the axis of rotation of the flow tube. In the context of the present invention, the term “radial” means that the web elements extend at least partially, in particular in a straight line, along the radius of the outer ring-shaped element. In particular, the web elements can be spaced evenly apart from one another. In particular, two adjacent bar elements can be arranged at an angle to one another which corresponds to a quotient of 360° to a number of bar elements. Furthermore, the web elements can be unevenly spaced from one another. An acoustic energy and/or a phase position can be structured and/or irregularized by a non-uniform spacing from one another. Possibly only an uneven spacing can be realized in terms of production technology.
Mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: dem inneren ringförmigen Element, dem äußeren ringförmigen Element, mindestens einem der Stegelemente, kann die Oberflächenprofilierung und/oder die Kantenprofilierung der mindestens einen Kante aufweisen.At least one element selected from the group consisting of: the inner ring-shaped element, the outer ring-shaped element, at least one of the web elements can have the surface profile and/or the edge profile of the at least one edge.
Weiterhin kann das Akustikgitter mindestens ein erstes inneres ringförmiges Element und mindestens ein zweites inneres ringförmiges Element aufweisen. Das erste innere ringförmige Element und das zweite innere ringförmige Element können konzentrisch oder nicht-konzentrisch um die Rotationsachse des Strömungsrohrs angeordnet sein. Ein Radius des ersten inneren ringförmigen Elements kann größer sein als ein Radius des zweiten inneren ringförmigen Elements. Das erste innere ringförmige Element und das zweite innere ringförmige Element können miteinander durch eine Vielzahl an weiteren Stegelementen verbunden sein. Die weiteren Stegelemente können radial oder in anderer Orientierung um die Rotationsachse des Strömungsrohrs angeordnet sein. Das erste innere ringförmige Element und das äußere ringförmige Element können miteinander durch die Stegelemente verbunden sein. Die Stegelemente und die weiteren Stegelemente können versetzt zueinander angeordnet sein. Eine Anzahl der Stegelemente kann sich von einer Anzahl der weiteren Stegelemente unterscheiden.Furthermore, the acoustic grille can have at least one first inner ring-shaped element and at least one second inner ring-shaped element. The first inner annular member and the second inner annular member may be concentric or non-concentric about the axis of rotation of the flow tube. A radius of the first inner annular member may be larger than a radius of the second inner annular member. The first inner annular member and the second inner annular member may be connected to each other by a plurality of other web members. The other bar elements can be arranged radially or in a different orientation around the axis of rotation of the flow tube. The first inner annular member and the outer annular member may be connected to each other by the web members. The bar elements and the further bar elements can be arranged offset to one another. A number of the bar elements can differ from a number of the other bar elements.
Mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: dem ersten inneren ringförmigen Element, dem zweiten inneren ringförmigen Element, mindestens einem der weiteren Stegelemente, kann die Oberflächenprofilierung und/oder die Kantenprofilierung der mindestens einen Kante aufweisenAt least one element selected from the group consisting of: the first inner ring-shaped element, the second inner ring-shaped element, at least one of the further web elements can have the surface profile and/or the edge profile of the at least one edge
Weiterhin kann das Akustikgitter mindestens ein ringförmiges Element aufweisen und das Akustikgitter kann mindestens zwei gerade ausgebildete Rippen aufweisen, welche sich innerhalb des ringförmigen Elements erstrecken.Furthermore, the acoustic grille can have at least one ring-shaped element and the acoustic grille can have at least two straight ribs which extend inside the ring-shaped element.
Mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: dem ringförmigen Element, eine der mindestens zwei gerade ausgebildeten Rippen, können die Oberflächenprofilierung und/oder die Kantenprofilierung der mindestens einen Kante aufweisen.At least one element selected from the group consisting of: the ring-shaped element, one of the at least two straight ribs, can have the surface profile and/or the edge profile of the at least one edge.
Insbesondere können stromabliegende Kanten, insbesondere Hinterkanten, des mindestens einen Elements, die Kantenprofilierung aufweisen. Hierdurch kann eine Baulänge des entsprechenden Elementes in Hauptströmungsrichtung bei Ringelementen entlang ihrer Umfangsrichtung und bei Stegelementen entlang ihrer Umfangsrichtung und bei Stegelementen entlang ihrer Hauptrichtung, beispielsweise in radialer Richtung variiert wird.In particular, downstream edges, in particular trailing edges, of the at least one element can have the edge profiling. As a result, an overall length of the corresponding element in the main flow direction can be varied along the circumferential direction in the case of ring elements and along their circumferential direction in the case of bar elements and along their main direction in the case of bar elements, for example in the radial direction.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird, vorgeschlagen.A further aspect of the present invention proposes a method for producing a device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel, as has already been described or will be described below.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des Strömungsrohrs, wobei das Strömungsrohr das erste Ende und das zweite Ende aufweist;
- b) Verbinden des Steckfühlers mit einem Dombereich des Strömungsrohrs, insbesondere mittels mindestens einen Vibrationsschweißverfahren; und
- c) Verbinden des Akustikgitters mit dem Strömungsrohr, insbesondere mittels mindestens einem Ultraschall-Schweißverfahren.
- a) providing the flow tube, the flow tube having the first end and the second end;
- b) connecting the plug-in sensor to a dome area of the flow tube, in particular by means of at least one vibration welding process; and
- c) Connecting the acoustic grid to the flow tube, in particular by means of at least one ultrasonic welding process.
Das Akustikgitter kann mittels mindestens einem Ultraschall-Schweißverfahren mit dem Strömungsrohr verbunden werden. Das Akustikgitter kann mittels mindestens einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.The acoustic grid can be connected to the flow tube using at least one ultrasonic welding process. The acoustic grille can be manufactured using at least one injection molding process.
Das Strömungsrohr kann mittels mindestens einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Insbesondere können das Strömungsrohr und das Flügelgitter einstückig hergestellt werden. So können in Schritt a) das Strömungsrohr und das Flügelgitter hergestellt werden.The flow tube can be manufactured using at least one injection molding process. In particular, the flow tube and the wing grating can be manufactured in one piece. In this way, the flow tube and the vane grid can be produced in step a).
In Schritt b) kann der Stückfühler mittels mindestens einem Vibrationsschweißverfahren mit einem Dombereich des Strömungsrohrs verbunden werden.In step b), the piece sensor can be connected to a dome area of the flow tube by means of at least one vibration welding process.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist gegenüber bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Gegenüber bekannten Vorrichtungen werden mittels verschiedener Aspekte der geometrischen Gestaltung des Akustikgitters akustische Störungen im den Steckfühler umgebenden Volumen und dadurch insbesondere Abweichungen von der Soll-Kennlinie trotz widriger akustischer Anregung insbesondere durch ein- oder mehrstufige Turbolader oder Verdichter eines Brennstoffzellen-Systems vermieden oder reduziert. Weitere Vorteile aufgrund der Einbringung des Akustikgitters in das Strömungsrohr sind unter anderem eine verbesserte Strömungskonditionierung und Richtwirkung auch bzgl. aerodynamischer Schwankungen mit Längenskalen in der Größenordnung der Luftfilter-, Strömungsrohr- und Steckfühler-Abmessungen sowie ein verbessertes Signalrauschen der zugehörigen niederfrequenten Störungen sowie verbesserte Abgleichbarkeit in der Serienfertigung.The proposed device has numerous advantages over known devices. Compared to known devices, various aspects of the geometric design of the acoustic grid prevent or reduce acoustic disturbances in the volume surrounding the plug-in sensor and, as a result, in particular deviations from the target characteristic curve despite adverse acoustic excitation, in particular from single-stage or multi-stage turbochargers or compressors of a fuel cell system. Other advantages due to the introduction of the acoustic grid in the flow tube include improved flow conditioning and directivity, also with regard to aerodynamic fluctuations with length scales in the order of the air filter, flow tube and plug-in sensor dimensions, as well as improved signal noise of the associated low-frequency interference and improved adjustability in of serial production.
Figurenlistecharacter list
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1A bis1C eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums (1A) sowie Detailansichten des Steckfühlers (1B und1C ); -
2A bis2C einen Steckfühler (2A) , einen Bypasskanaldeckel mit positioniertem Sensorträger (2B) und ein Strömungssimulationsergebnis der Strömung im Bereich des Bypasskanals und in direkter Umgebung des Steckfühlers (2C ); -
3 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines Bypasskanaldeckels mit dem strömungsführenden Bypasskanal; -
4A bis4E eine vom Turbolader eines Verbrennungsmotors oder Verdichters eines Brennstoffzellensystems zum Steckfühler laufende akustische Welle samt reflektierter Welle und akustischer Überlagerung (4A) ; Hitzdraht-Signale für die Aufzeichnung von Geschwindigkeiten und Schallschnellen an verschiedenen Messstellen (4B : Messstelle im Strömungsrohr aber außerhalb des Steckfühlers; und4C : Messstelle im Bypasskanal im Bereich der Position des Sensorträgers); Detailansichten eines Hauptstrom- und Bypasskanalsystems (4D und4E) ; -
5A bis5D ein Messprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (5A) , eine Geschwindigkeitsverteilung der Hintergrundströmung (5B) , eine Geschwindigkeitsverteilung einer pulsierenden Strömung ohne Hintergrundströmung (5C ) und eine Überlagerung eines pulsierenden Massentromes auf der Sensorkennlinie (5D ); -
6A bis6C ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Akustikgitters; -
7A und7B weitere exemplarische Ausführungsbeispiele eines Akustikgitters; und -
8 ein weiteres exemplarisches Ausführungsbeispiel eines Akustikgitters.
-
1A until1C an embodiment of the device according to the invention for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel (1A) as well as detailed views of the plug-in sensor (1B and1C ); -
2A until2C a plug-in sensor (2A) , a bypass channel cover with positioned sensor carrier (2 B) and a flow simulation result of the flow in the area of the bypass channel and in the immediate vicinity of the plug-in sensor (2C ); -
3 a detailed view of a further embodiment of a bypass channel cover with the flow-guiding bypass channel; -
4A until4E an acoustic wave running from the turbocharger of an internal combustion engine or the compressor of a fuel cell system to the plug-in sensor, including the reflected wave and acoustic superimposition (4A) ; Hot wire signals for recording velocities and sound velocities at various measuring points (4B : Measuring point in the flow pipe but outside the plug-in sensor; and4C : measuring point in the bypass channel in the area of the position of the sensor carrier); Detailed views of a main flow and bypass duct system (4D and4E) ; -
5A until5D a measuring principle of a device according to the invention (5A) , a velocity distribution of the background flow (5B) , a velocity distribution of a pulsating flow without background flow (5C ) and a superposition of a pulsating mass flow on the sensor characteristic (5D ); -
6A until6C an exemplary embodiment of an acoustic grating; -
7A and7B further exemplary embodiments of an acoustic grid; and -
8th another exemplary embodiment of an acoustic grille.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens ein Strömungsrohr 114. Das Strömungsrohr 114 kann auch das Zylindergehäuse 116 bezeichnet werden. Das Strömungsrohr 114 kann mindestens ein erstes Ende 118 und mindestens ein zweites Ende 120 aufweisen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 110 mindestens einen zumindest teilweise in das Strömungsrohr 114 eingebrachten oder einbringbaren Steckfühler 122, in dem der Kanal 112 (siehe
Weiterhin kann die Vorrichtung 110 mindestens ein Flügelgitter 124 umfassen. Das Flügelgitter 124 kann am ersten Ende 118 des Strömungsrohrs 114 angeordnet sein. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 114 mindestens ein Akustikgitter 126. Das Akustikgitter 126 kann an einem Ende 119, insbesondere am zweiten Ende 120, des Strömungsrohrs 114 angeordnet sein.Furthermore, the
Der Steckfühler 122 weist weiterhin mindestens einen in dem Kanal 112 angeordneten Sensorchip 128 zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Der Sensorchip 128 kann in einen Sensorträger 130 eingeklebt sein. Der Sensorträger 130 kann zusammen mit einem Bodenblech 132 aus Metall eine Einheit bilden. Zusätzlich zu dem Sensorchip 128 kann noch die Elektronik auf ihrer Leiterplatte 134 auf das Bodenblech 132 aufgeklebt sein. Der Sensorchip 128 und die Elektronik können durch Bondverbindungen miteinander verbunden sein. Das so entstandene Elektronik-Modul kann in das Steckfühler-Gehäuse 136 eingeklebt sein und der gesamte Steckfühler 122 kann mit einem Bypasskanaldeckel 138 und einem Elektronikraum-Deckel 140 verschlossen sein. Der Bypasskanaldeckel 138 und die gegenüberliegende Bewandung des Steckfühlers 122 erzeugen nach dem Zusammenbau also das Strömungsvolumen des Kanals 112 mit dem Hauptstromkanal 152 und dem Bypasskanal 150. Darüber hinaus kann der Steckfühler 122 mindestens einen Temperaturfühler 142 und/oder mindestens einen Feuchtesensor 144 und/oder mindestens einen Drucksensor (nicht grafisch dargestellt) umfassen.The plug-in
Wie in
Im Normalbetrieb gelangt Luft vom Einlass 146 über die Fliehkraftumlenkung 155 (siehe
Auf dem Sensorchip 128 kann mindestens eine mikromechanische Sensormembran aufgebracht sein (nicht dargestellt). Da ein Wärmeübergang im Bereich der Sensormembran entscheidend sowohl von der Grenzschichtströmung auf einer Sensorchip-Seite eines Sensorträgers 130 als auch in gewissem Umfang von einer Wand-ferneren Strömung, insbesondere im Sinne einer strömungsmechanischen Definition einer Grenzschicht, sowohl auf der Sensorchip-Seite als auch auf der dem Sensorchip 128 abgewandten Seite und überdies von einer Nachlaufströmung des Sensorträgers 130 bestimmt werden kann, sollen diese Strömungsbereiche topologisch bzw. qualitativ und quantitativ so stabil wie möglich sein. Unter einer veränderten Topologie versteht man dabei eine Veränderung der die Strömung definierenden Struktur mit ausgezeichneten Punkten wie z.B. Staupunkten, Wirbel-Foki, Ablöselinien etc. Eine quantitative Änderung der Strömungsgrößen, insbesondere der Schwankung von Geschwindigkeit und Druck auch ohne Änderung der Topologie soll also ebenfalls vermieden bzw. reduziert werden. Der Massenstrom durch den Bypasskanal 150 teilt sich also beim Passieren des Sensorträgers 130 auf die dem Sensorchip 128 zugewandte und die dem Sensorchip 128 abgewandte Seite sowie einen Spalt zwischen einer Stirnseite des Sensorträgers 130 und einer Wand des Bypasskanals 150 auf. Akustische Störungen, also hochfrequente Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen können bei ausreichend hoher Schall-Intensität zu einer Veränderung der Grenzschichtströmung über der mikromechanischen Sensormembran und damit zu Signal- und Kennlinien-Abweichungen führen. Solche akustischen Störungen können von Turboladern erzeugt werden, die in modernen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, oder von meist elektrisch angetriebenen Verdichtern in Brennstoffzellensystemen. Die in dieser Anmeldung beschriebenen Design-Elemente dienen der Reduzierung der Schallausbreitung und der Schallintensität, um Kennlinien-Abweichungen zu reduzieren.At least one micromechanical sensor membrane can be applied to the sensor chip 128 (not shown). Since a heat transfer in the area of the sensor membrane is decisive both from the boundary layer flow on a sensor chip side of a
In
Die oben beschriebene geometrische Ausführung führt selbst bei stationären Strömungs-Randbedingungen zu einer instationären Strömung an der Verzweigung von Bypasskanal 150 und Hauptstromkanal 152 . Diese Situation lässt sich mit Hilfe einer Strömungssimulation illustrieren. In
Im Bereich 162 befindet sich die mikromechanische Sensormembran.The micromechanical sensor membrane is located in
Gut zu erkennen ist die Aufteilung des Gesamt-Massenstromes in den Massenstrom im Hauptstromkanal 152 und den Massenstrom im Bypasskanal 150. Charakterisierend für die Verzweigung ist der Staupunkt 164 auf der Wand gegenüber der Fliehkraftumlenkung. Im Bereich 164 ist bei Betrachtung verschiedener Simulationszeitpunkte eine Staupunkt-Wanderung erkennbar. Weiterhin ist im Bereich 166 eine Strömungsablösung erkennbar. Das Verhältnis der abzweigenden Massenströme ist selbst bei stationären Strömungsrand-Bedingungen nicht konstant, sondern wandert entsprechend der strömungsmechanischen Randbedingungen. Zu diesen Randbedingungen zählen u.a. Gesamt-Massenstrom, Drücke an den Ein- und Auslässen, Turbulenzgrad, Anstellwinkel des Steckfühlers 122 im Strömungsrohr 114. Sowohl die Steckfühler-Umströmung als auch die Durchströmung des Kanalsystems im Steckfühler 122 besitzt so gut wie immer instationären Charakter. Die Verzweigungs-Topologie mit getrennten Auslässen für den Hauptstrom- 152 sowie den Bypasskanal 150 sorgt also für Massenstrom-Schwankungen an der mikromechanischen Sensormembran. Entsprechend der dazugehörenden Frequenzen können diese Schwankungen kennlinienrelevant sein und damit auch die Abgleichbarkeit in der Serienproduktion auf eine Soll-Kennlinie negativ beeinflussen oder für ein höheres Signalrauschen sorgen.The division of the total mass flow into the mass flow in the
Ablösungen sind zeitlich und räumlich veränderlich, und durch akustische Anregung ebenso veränderbar wie der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung. Ablösungen und Transitionszustände im Bypasskanalsystem beeinflussen also die entsprechenden Strömungs- und Geschwindigkeitsprofile, was letztlich dazu führen kann, dass bei starken akustischen Störungen, zum Beispiel durch Turbolader- oder Verdichter-Anregung die Strömung im Bypasskanalsystem und in der Folge insbesondere das Geschwindigkeitsprofil und damit der Wärmetransfer-relevante Massenstrom in der Grenzschicht des mikromechanischen Sensorelements, also oberhalb von Sensormembran und Sensorchip 128 verändert wird. Die Vermeidung bzw. Reduzierung akustischer Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen im Bereich des Steckfühlers 122 ist das Ziel der in dieser Anmeldung beschriebenen Maßnahmen, weil sich diese aktustischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen durch das Kanalsystem bis zum Sensorchip ausbreiten können.Detachments vary in time and space, and can be modified by acoustic excitation, as can the transition from laminar to turbulent flow. Detachments and transition states in the bypass duct system therefore influence the corresponding flow and velocity profiles, which can ultimately lead to the flow in the bypass duct system and, as a result, in particular the velocity profile and thus the heat transfer, in the event of strong acoustic disturbances, for example due to turbocharger or compressor excitation - relevant mass flow in the boundary layer of the micromechanical sensor element, ie above the sensor membrane and
Den gezeigten und erläuterten Bypasskanalsystemen ist gemein, dass sie charakteristische Längen und Querschnittsverläufe von Ihren jeweiligen Ein- 146 und Auslässen 148 aufweisen. Diese sind bzgl. Akustik und akustischer Wellenausbreitung relevant. Querschnittsübergänge und topologische Bereiche, wie z.B. die in
In den
In
Für den Wärmetransport von der Membran in die Grenzschichtströmung ist der Geschwindigkeitsgradient du/dy wesentlich. Dieser Geschwindigkeitsgradient der aerodynamischen Grundströmung unterliegt lediglich relativ geringen Schwankungen, die mit relativ geringen Frequenzen und Längenskalen einhergehen. Im Falle von starken akustischen Störungen wird der Grundströmung eine stark pulsierende Schwankung des Geschwindigkeitsgradienten überlagert (sog. 2. Stokesches Problem), wodurch sich also auch der Wärmeübergang und damit die messbare Temperaturdifferenz ändert.The velocity gradient du/dy is essential for the heat transport from the membrane into the boundary layer flow. This speed gradient of the aerodynamic basic flow is only subject to relatively small fluctuations, which are associated with relatively small frequencies and length scales. In the case of strong acoustic disturbances, a strongly pulsating fluctuation of the velocity gradient is superimposed on the basic flow (the so-called 2nd Stokes problem), which also changes the heat transfer and thus the measurable temperature difference.
Aufgrund der nichtlinearen Wärmeübertragung werden diese Schwankungen nicht mittelwertstreu in ein Ausgangssignal, z.B. eine Spannung U abgebildet, wie in
Das Akustikgitter 126 kann mindestens ein äußeres ringförmiges Element 180 und mindestens ein inneres ringförmiges Element 182 aufweisen. Das innere ringförmige Element 182 und das äußere ringförmige Element 180 können konzentrisch um eine Rotationsachse 184 des Strömungsrohrs 114 angeordnet sein. Das äußere ringförmige Element 180 und das innere ringförmige Element 182 können miteinander durch eine Vielzahl an Stegelementen 186 verbunden sein. Die Stegelemente 186 können radial um die Rotationsachse 184 des Strömungsrohrs 114 angeordnet sein. Die Stegelemente 186 können gleichmäßig oder ungleichmäßig voneinander beabstandet sein.The
Eine lichte Weite zwischen dem inneren ringförmigen Element 182 und dem äußeren ringförmigen Element 180 kann in der Größenordnung der Wellenlängen bzw. Viertel-Wellenlängen der akustischen Störungen liegen.A clear width between the inner
Wie in
Zusätzlich oder unabhängig von kontinuierlichen Profilierungen der Ring- und Stegelemente 180, 182, 186 können die Oberflächen 188 des Akustikgitters 126 auch wie in
Wie in
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit zeigt
Die Fragmentierung des Schall-Volumens kann durch ein zusätzliches ringförmiges Element und zusätzliche Stege zur Verbindung der ringförmigen Elemente realisiert werden. Abstände zwischen den Elementen können dabei so gewählt sein, dass sie keine Vielfachen voneinander darstellen, um ungewünschte Überlagerungen der Schallwellen zu vermeiden und die Phasenlage der akustischen Wellen bzw. Wellenpakete im obigen Sinne weiter zu verschränken. Auch die Amplituden und die Wellenlängen der Sinus-förmigen Kurvenzüge stellen keine Vielfache voneinander dar, um die Irregularisierung der Reflektionen im Schallvolumen noch weiter zu erhöhen.The fragmentation of the sound volume can be realized by an additional ring-shaped element and additional webs for connecting the ring-shaped elements. Distances between the elements can be selected in such a way that they are not multiples of one another, in order to avoid undesired superimposition of the sound waves and to further entangle the phase position of the acoustic waves or wave packets in the above sense. The amplitudes and wavelengths of the sinusoidal curves are also not multiples of one another, in order to further increase the irregularization of the reflections in the sound volume.
Das Akustikgitter 126 kann mindestens ein ringförmiges Element 202 aufweisen und das Akustikgitter 126 kann mindestens zwei gerade ausgebildete Rippen 204 aufweisen, welche sich innerhalb des ringförmigen Elements 202 erstrecken.The
Mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: dem ringförmigen Element 202, eine der mindestens zwei gerade ausgebildeten Rippen 204, können die Oberflächenprofilierung und/oder die Kantenprofilierung der mindestens einen Kante 194 aufweisen.At least one element selected from the group consisting of: the
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021214889.1A DE102021214889A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021214889.1A DE102021214889A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021214889A1 true DE102021214889A1 (en) | 2023-06-22 |
Family
ID=86606745
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021214889.1A Pending DE102021214889A1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021214889A1 (en) |
-
2021
- 2021-12-22 DE DE102021214889.1A patent/DE102021214889A1/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19957437C2 (en) | Flow rate measuring device | |
DE102006012929B4 (en) | Flow rate measuring device | |
DE19927818C2 (en) | Device for measuring the mass of a flowing medium | |
EP1671084B1 (en) | Printed circuit board with a plastic part for receiving a measuring device | |
EP0845099B1 (en) | Device for measuring the amount of a flowing medium | |
DE102004060065A1 (en) | Ultrasonic flow meter has ultrasonic transducers that can emit and/or receiving ultrasonic waves at 90 degrees to main flow direction, control element(s) diverting fluid so speed component is transferred perpendicular to main flow direction | |
DE102011078004A1 (en) | Sensor arrangement for determining at least one flow characteristic of a fluid medium flowing with a main flow direction | |
DE102010030438A1 (en) | Device for detecting property e.g. velocity of air mass in motor car, has suction apparatus partly sucking flow barrier layer at fluid medium rush overable surface area, and sensor device detecting property of flowing fluid medium | |
DE102010040396A1 (en) | Flow meter for detecting a property of a fluid medium | |
EP3191804B1 (en) | Sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a measurement channel | |
EP3194904B1 (en) | Sensor arrangement for determination of at least one parameter of a fluid medium flowing in a channel structure | |
DE102006045657A1 (en) | Plug-in sensor with optimized flow outlet | |
DE102007055193A1 (en) | Sensor arrangement for determining a parameter of a fluid medium | |
DE112016004975T5 (en) | Thermal flow meter | |
EP1127248A1 (en) | Device for measuring at least one parameter of a medium that flows in a conduit | |
DE102013200344A1 (en) | Sensor arrangement for determining flow characteristic of fluid medium, particularly intake air mass of internal combustion engine, has wing grid which is arranged in main flow direction upstream of plug-in sensor | |
DE102004009025A1 (en) | Air flow rate measuring device | |
DE102016209150A1 (en) | Sensor for determining at least one parameter of a fluid flowing through a measuring channel | |
DE102021214889A1 (en) | Device for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a channel | |
DE102007022513B4 (en) | Air mass sensor | |
DE102011078992A1 (en) | Sensor arrangement i.e. hot-film air mass gauge, for determination of flow property of intake air of internal combustion engine in motor car, has profile component located at distance from inner side of wall of flow pipe | |
DE102006045660B4 (en) | Plug-in sensor with flow control elements | |
DE102019220425A1 (en) | Sensor for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a measuring channel | |
DE102012216511A1 (en) | Sensor arrangement for determining parameter of flowing fluid medium e.g. liquids, in air mass flow combustion engine of motor car, has sensor chip arranged in channel structure for determining parameter of fluid medium | |
DE102007023163A1 (en) | Flowmeter for measurement of flow of liquid media flowing through flow tube, has main flow direction and pressure measuring points has identical local coordinates along main flow direction in flow pipe |