DE10242813A1

DE10242813A1 - Fluidfluss Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10242813A1
Application number: DE10242813A
Authority: DE
Inventors: Scott Lee Straight; Eric Christopher Myers; James Driscoll; Edward Paul Mcleskey; Lawrence A Zurek
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2002-09-14
Publication date: 2003-04-30
Also published as: JP2003121224A; GB0219784D0; US6776036B2; US6622555B2; US20030070482A1; GB2380800A; US20040093956A1; GB2380800B

Abstract

Die Vorrichtung zum Erfassen eines Massenstroms eines Fluids weist ein Gehäuse (12) auf, das innerhalb einer das Fluid führenden Leitung (304) positioniert werden kann. Sie hat weiterhin einen Fluidprobenahmebereich (36) und einen Schaltungshohlraum, wobei der Fluidprobenahmebereich (36) eine Fluidpassage aufweist. Eine Düse (39), die für das Fluid mit der Fluidpassage verbunden ist, hat eine Vielzahl von in Längsrichtung konvergierenden elliptischen Seitenflächen (200) und endet an einem Düsenausgang (41). Ein elektrisches Element (44) ist am Düsenausgang (41) in der Fluidpassage (42) angeordnet. Eine Schaltung (32), die mit dem ersten elektrischen Element (44) verbunden ist, ist in dem Schaltungshohlraum untergebracht, um eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des elektrischen Elements (44) zu erfassen, dabei wird die erfasste Änderung in den elektrischen Eigenschaften herangezogen, um den Massenstrom des Fluids zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Messen eines Flusses eines Fluids in einer Leitung.

Verbrennungskraftmaschinen haben heute eine Vielzahl von elektronischen Steuerungen, um optimale Arbeitsbedingungen für den Motor zu erreichen. Typischerweise weist das elektronische Steuersystem eine erste Steuereinheit auf, die Steueralgorithmen und eine Vielzahl von Sensoren verarbeitet, die der primären Steuereinheit Steuersignale zuleiten. Ein besonders kritischer und wichtiger Sensor, um eine optimale Motorsteuerung zu erreichen, ist ein Sensor für den Fluidmassenfluss, um den Lufteinlass in der Brennkraftmaschine messen zu können.

Es ist besonders wichtig, dass die Messung des Fluidmassenflusses genau ist, damit ein optimales Arbeiten des Motors erreicht wird. Ein bedeutendes Problem, das bei der Messung des Fluidmassenflusses auftritt, ist rückwärts gerichteter Fluss oder Rückfluss in eine Richtung entgegen dem Einlass der Fluids. Typischerweise erfassen die Sensoren für Fluidmassenströmung den Fluss der Luft in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen in Bezug auf den Lufteinlass, dadurch bewirkt der rückwärtige Fluss eine ungenaue Erfassung des Wertes des Fluidmassenflusses.

Vorrichtungen nach dem Stand der Technik für Massenfluss/Luftströmung haben versucht, dieses Problem anzugehen, indem ein Massenflusssensor so ausgebildet und vorgeschlagen wird, wie er im US-Patent 5,556,340 beschrieben ist, das für Clowater et al. erteilt wurde. In Clowater wird ein Luftmassenflusssensor beschrieben der ein U-förmige Luftpassage und eine in Längsrichtung elliptisch konvergierende Einlasskonfiguration hat, dieses Patent wird hiermit als Referenz einbezogen. Diese Konfiguration erhöht den Wirkungsgrad der Messung und reduziert die Wirkung eines Rückflusses auf die Messung des Luftstroms in eine Brennkraftmaschine. Weiterhin liefert eine derartige Konfiguration vorteilhafterweise ein geringes Rausch-Signal- Verhältnis, ebenso wie eine hohe Geschwindigkeit über dem Sensorelement für den Massenstrom des Fluids.

Wenn auch Fluidmassenflusssensoren nach dem Stand der Technik, wie derjenige von Clowater, die Genauigkeit einer Messung des Fluidmassenflusses deutlich erhöht haben, ist es doch notwendig, sich anderen Problemen zu zuwenden.

So ist es beispielsweise vorteilhaft, einen Fluidmassen- bzw. Luftstromsensor mit einer verbesserten Antwortzeit, einen verbesserten aerodynamischen Design, mit einem geringeren Druckabfall für das System, einem verbesserten Druckabfall der inneren Flusspassage, einem verbesserten Signal-Rausch- Verhältnis, einem verbesserten Verhalten gegenüber elektromagnetischen Störungen und mit weniger Bauteilen, um eine verringerte Komplexität bei der Herstellung zu erreichen, zur Verfügung zu haben.

Demgemäss ist es Aufgabe der Erfindung, den Flusssensor nach dem Stand der Technik dahin zu verbessern, dass er eine verbesserte Ansprechzeit hat, eine günstigere aerodynamische Auslegung aufweist, verbesserte Rausch- Signal-Verhältnisse zeigt und einfacher herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Fluidmassenflusssensor angegeben, der ein Erfassen der Luftmenge, die in eine Brennkraftmaschine eingeleitet wird, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Der Fluidmassenflusssensor nach der vorliegenden Erfindung hat ein externes Lufteinlasstemperaturelement, das die Genauigkeit der Erfassung der Luftmenge verbessert, ein externes Kaltdrahtelement ist zudem vorgesehen, es verbessert die Ansprechzeit. Der Fluidmassenflusssensor nach der vorliegenden Erfindung hat ein verbessertes aerodynamisches Design, dies bewirkt einen geringeren Druckabfall im System. Weiterhin ist der Sensor kleiner und leichter und hat weniger Bauteile, dadurch wird die Herstellung verbessert. Beispielsweise ist eine gegossene oder sonstwie geformte einstückige isolierte Strömungsdüse mit einem darin befindlichen Heißelement in einer Flusspassage des Probenahmebereichs des Gehäuses angeordnet. Dadurch wird ein verbesserter, geringerer Druckabfall der inneren Flusspassage erreicht. Zusätzlich erhält man ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und einen größeren dynamischen Bereich, dies sind vorteilhafte Konsequenzen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung verbessert weiterhin das Verhalten gegenüber elektromagnetischer Interferenz.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Fluidmassenflusssensor angegeben, der eine kreisförmige Öffnung oder einen kreisförmigen Einlass der Düsen aufweist.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Steuerelektronik in einem sich in Längsrichtung erstreckenden Bereich des Gehäuses des Fluidmassenflusssensor oberhalb des Probenahmebereichs angeordnet. Damit stellt die vorliegende Erfindung in einem Bauteil einen integrierten Hohlraum für die Schaltung und einen Probeentnahmebereich zur Verfügung.

In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine U-förmige Flusspassage vorgesehen, um eine Probe für angesaugte Luft zu nehmen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Auslass der U-förmigen Flusspassage vorgesehen, um dem Fluid einen Ausgang und einem Ausfluss aus dem Boden der Flusspassage und ebenso zu den Seiten des Gehäuses zu ermöglichen.

In noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Messelement in der Flusspassage am Düsenausgang oder Auslass der Düse angeordnet, dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Messelement zentriert am Ausgang der konvergierenden Düsen angeordnet.

In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Steuerelektronik in Nähe der Flusspassage innerhalb des Schaltungshohlraums angeordnet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Aufgaben werden verständlich aus der Betrachtung der vorliegenden Beschreibung und aus den zugehörigen Ansprüchen, dies im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Montagebild eines Fluidmassenflusssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Fluidmassenflussgehäuses in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Deckels eines Gehäuses eines Massenfluidsensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4a eine perspektivische Darstellung der Innenseite eines Deckels eines Gehäuses eines Massenfluidsensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4b eine perspektivische Darstellung des Äußeren eines Gehäuses mit einem darauf angeordnetem Gehäusedeckel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4c eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit einem darauf angebrachtem Gehäusedeckel im Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Innenseite eines Deckels für die Elektronik eines Fluidmassensensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Darstellung des Äußeren eines Elektronikdeckels für einen Fluidmassenflusssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7a eine perspektivische Darstellung eines vollständig zusammengesetzten Fluidmassenflusssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7b eine schnittbildliche Darstellung mit Schnittbild durch den Massenflusssensor gemäß Fig. 7a in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und
Fig. 8 ein Schnittbild durch einen Einlasskrümmer eines Kraftfahrzeugs und weiterhin ist dargestellt eine beispielhafte Anordnung des Fluidmassenflusssensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Explosionsdarstellungen und perspektivische Darstellungen eines Fluidmassenflusssensors 10 zur Ermittlung der Menge an Fluid, das in einer Leitung fließt, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Eine Anwendung oder eine Verwendung für den Sensor 10 ist die Messung der Menge an angesaugter Luft in einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt). Die Erfindung umfasst jedoch auch andere Verwendungen und Anwendungen des Sensors 10 in Auge. So kann der Sensor beispielsweise benutzt werden, um die Menge eines Fluids (anders als Luft) zu erfassen, das durch eine Leitung (anders als der Lufteinlass einer Brennkraftmaschine) strömt. Der Fluidmassenflusssensor 10 hat ein Gehäuse 12, einen Gehäusedeckel 14, einen zweiten Gehäusedeckel 16, einen Elektronikdeckel 18 und eine Dichtung 20.
Das Gehäuse hat einen integrierten Verbinder 30, der Verbindungsanschlüsse (nicht dargestellt) aufweist, welche in elektrischer Verbindung mit einer Elektronik für die Motorsteuerung, welche extern vom Massenflusssensor 10 ist, und in elektrischer Verbindung mit einem Schulterungsmodul 32 sind, das sich in einem Zentralgehäusebereich 34 befindet. In Nähe des Zentralgehäusebereichs 34 hat das Gehäuse weiterhin einen einstückig angesetzten Fluidprobenahmebereich 36. Dieser Probenahmebereich 36 hat einen Einlass 38, der zu einer Düse 39 hin öffnet. Dies Düse 39 kommuniziert mit einer im wesentlichen U-förmigen Flusspassage 40. Diese endet an einem Auslass 42.
Die Düse 39 hat allgemein gesehen die Form einer Strömungsdüse und eine entsprechende Ausbildung. Wie weiter erläutert und beschrieben wird, wird die Düse 39 allgemein definiert durch eine kreisförmige Öffnung oder einen Einlass 38, dies zusammen kommt mit longitudinal konvergierenden elliptischen Seitenflächen (wie Fig. 7b dargestellt). Diese longitudinal konvergierenden elliptischen Seitenflächen der Düse bewirken einen relativ hohen Druck am Ausgang 41 der Düse 39. Weiterhin bewirkt die Konfiguration der Strömungsdüse 39 einen kritischen Bereich 43, der am Ausgang 41 angeordnet ist, und eine gleichförmige Fließgeschwindigkeit des Fluids über den kritischen Bereich. Der durch die Düse bewirkte kritische Bereich verbessert das erfassen des Fluidstromes und die Messung, wie noch beschrieben werden wird. Um weiterhin den Fluss des Fluids durch die Passage 40 zu verbessern, ist ein Ablenkungskeil 45 an einem Ende des Gehäuses stromaufwärts des Auslasses 42 angeordnet. Dieser Ablenkungskeil 45 hat eine Oberfläche, die geneigt ist, um einen vorteilhaften Bereich geringen Drucks in Nähe des Auslasse 42 zu bewirken. Wenn der Winkel der Oberfläche des Ablenkungsmittels 45, dargestellt durch den Buchstaben α (in Fig. 7b), in Bezug auf die Richtung des Fluidflusses zu klein ist, wird ein unzureichender Druckabfall am Auslass 42 erreicht. Wenn im Gegensatz der Winkel der Oberfläche des Ablenkungsmittels 45 zu gross ist in Bezug auf die Richtung des Fluidflusses, wird ein unzureichender Druckabfall des Fluids am Auslass 42 bewirkt.
Wie Fig. 2 zeigt, ist eine Vielzahl von Widerstandselementen in Wirkverbindung angeordnet und gehalten durch das Gehäuse 12 und ist in elektrischer Verbindung mit dem Schaltungsmodul 42 über Leitungen, wie integralangespritze Leitungen oder Verbindungen. Zu diesen Widerstandselementen gehört ein Heißdrahtelement 44, ein Kaltdrahtelement 46 und ein Fluidtemperaturelement 48 für die innere Fluidtemperatur (IAT). Im allgemeinen ändern diese Elemente ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur.
Der Schaltungsbaustein 32 erfasst ein Fluid, wie beispielsweise Luft, dass durch die Passage 40 strömt, indem die von diesen Elementen verbrauchte Leistung überwacht wird. Der Schaltungsbaustein 42 kann ein einziger integrierter Baustein, ein Chip oder ein Substrat mit diskreten und/oder integrierten darauf angeordneten Bausteinen sein. Die erfasste Änderung der Widerstandswertes der Elemente wird umgewandelt in ein Ausgangssignal, das aufgenommen wird vom elektronischen Steuersystem des Motors (nicht dargestellt). Typischerweise bestimmt das elektronische Steuersystem des Motors die Menge an Brennstoff, die in den Motor eingebracht wird, unter Steuerung des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff.
Das IAT oder Element 48 ist allgemein ein Thermistor oder eine ähnliche Einrichtung. Das Element 48 im Gehäuse 42 untergebracht, um ein genaues Messsignal der Temperatur der Luftlast während des Ansaugzyklus einer Brennkraftmaschine zu erhalten. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird das Element 48 vorzugsweise außerhalb der Passage 40 angeordnet, um die Effekte des Aufheizens des Fluids zu vermeiden, die bewirkt werden durch die Wärmeabgabe des heißen Elements 44.
In einem bevorzugtem Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung hat ein Fluidflusssensor 10 die Elemente 44 und 46 aus mit Platindraht gewickelten Widerständen. Im allgemeinen haben diese Elemente einen positiven Temperaturkoeffizienten. Irgendwelche Widerstandsänderungen dieser Elemente entsprechen daher Temperaturänderungen in der selben Richtung. Dies bedeutet also, dass, wenn die Temperatur ansteigt, der Widerstandswert ansteigt und wenn die Temperatur abfällt, fällt der Widerstandwert ab. Vorzugsweise ist das Heißelement 44 angeordnet am Ausgang 41 der Düse 39 und innerhalb des kritischen Bereichs 43. Die Anordnung des Heißelements innerhalb des kritischen Bereichs stellt sicher, dass das Fluid, das die selbe Geschwindigkeit hat, über das heiße Element fließt und bewirkt, dass die Wärme gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Elementes abgegeben wird. Demgemäss ermöglicht die vorliegenden Erfindung eine verbesserte Erfassung des Fluidflusses.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Heißelement 44 beispielsweise einen Widerstand von 20 Ohm bei 21°C (70°F) haben. Wenn somit die Temperatur um 0,555°C (1°F) ansteigt, steigt der Widerstand des Heißdrahtelementes an um etwa 0,025 Ohm. Das Heißelement 44 wird primär eingesetzt zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fluids, welches durch die Passage 40 fließt, woraus wiederum der Massenfluss abgeleitet wird, der durch die Passage 40 fließt.
Das Kaltdrahtelement 46 kann beispielsweise einen nominalen Widerstand von 500 Ohm bei 21°C (70°F) haben. Wenn die Temperatur des Kaltdrahtes um 0,555°C (1°F) erhöht wird, erhöht sich der Widerstand des Kaltdrahtes um ungefähr 0,5 Ohm. Die primäre Verwendung des Kaltdrahtelementes 46 liegt darin, eine Temperaturkorrektur zu ermöglichen.
Im Betrieb wird das Heißdrahtelement 44 bei ungefähr 93°C (200°F) oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten. Dies wird erreicht durch Anordnen des Heißdrahtelementes in einer Spannungsteilerschaltung. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird eine beispielhafte Spannungsteilerschaltung 500 gezeigt, um das Heißdrahtelement 44 auf einem gewünschten konstanten Widerstand und einer Temperatur zu halten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Schaltung 40 integriert im Schaltungsmodul 32 untergebracht, zusammen mit anderen Steuerschaltungen. Eine beispielhafte Schaltung 500 umfasst zwei Spannungsteilernetzwerke 502 und 504 in Verbindung mit einem Operationsverstärker 506. Das Spannungsteilernetzwerk 502 hat allgemein zwei 500 Ohm Widerstände 508 und 510, die ein 50% Spannungsteilernetzwerk bilden den Pluseingang 512 des Operationsverstärkers 506 auf die halbe Ausgangsspannung der Leitung 508 bringen. Das andere Spannungsteilernetzwerk 504 hat allgemein einen 25 Ohm Widerstand 514 in Serie mit dem Heißdrahtelement 44. Der Minuseingang 516 des Operationsverstärkers 506 wird zwischen dem Widerstand 514 und dem Heißdrahtelement 44 angeschlossen. Dadurch beginnt das Verhältnis dieses Netzwerkes mit einem Verhältnis 20 Ohm zu 45 Ohm, so dass der Minuseingang 516 auf ein 20/45-tel der Ausgangsspannung gebracht wird. So wird beispielsweise die Ausgangsspannung der Operationsverstärker auf der Ausgangsleitung 508 ansteigen, wenn die Spannung am Pluseingang 512 größer ist als die Spannung am Minuseingang 516. Gleichfalls wird die Ausgangsspannung auf der Leitung 518 abfallen, wenn die Spannung am Pluseingang 512 geringer ist als die Spannung am Minuseingang 516. Entsprechend steigt die Ausgangsspannung auf der Leitung 518 der Operationsverstärker an oder fällt ab, um einen Spannungsbetrag, der notwendig ist, um die Spannung am Pluseingang 512 gleich der Spannung am Minuseingang 516 zu machen.
Da das Widerstandsnetzwerk 502 eine größere Spannung am Pluseingang 512 bewirkt, die 50% der Ausgangsspannung beträgt im Vergleich zu 44% am Minuseingang 516, steigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers auf der Leitung 518 an. Wenn die Spannung ansteigt, bewirkt die vom Heißdrahtelement 44 abgegebene Leistung einen Abfall im Widerstandswert des Heißdrahtelementes. Es erfordert ungefähr ein viertel Watt an Leistung in ruhender Luft, um die Temperatur des Heißelementes 44 auf 93°C (200 °F) zu bringen. Ein Anstieg um 93°C (200°F) in der Temperatur erhöht den Widerstand des Heißdrahtelements 44 um 5 Ohm. Das Verhältnis des Widerstandes des Heißdrahtes bei der erhöhten Temperatur zum Gesamtwiderstand im Widerstandsnetzwerk 504 bildet ein 50% Spannungsteilernetzwerk. Daher sind der Pluseingang 512 und der Minuseingang 516 des Operationsverstärkers 506 auf der selben Spannung, da beide Netzwerke 502 und 504 ein 50% Spannungsteilernetzwerk sind. Dadurch wird die Temperatur des Heißdrahtelementes 44 auf ungefähr 132°C (270°F) gebracht.
Die Schaltung 500 ermöglicht einen Ausgang auf der Leitung 518 zu einem nicht dargestellten, elektronischen Steuerungsmodul des Motors (nicht dargestellt), das das zutreffende Verhältnis vom Luft zu Kraftstoff für ein optimales Arbeiten des Motors bestimmt, wie im Stand der Technik gut bekannt ist. Da es ein Viertel Watt braucht, wie oben ausgeführt wurde, damit die Spannungen am Pluseingang 512 und am Minuseingang 516 den gleichen Wert haben, kann die Spannung über dem Heißdrahtelement 44 und dem Widerstand 540 errechnet werden unter Verwendung der Formel:
Leistung = (Spannung)²/Widerstand
und dann Auflösen nach der Spannung (V):
V = (Leistung × Widerstand)^1/2 oder (0,25 × 25)^1/2.
Da die Spannung sich über den in Serie angeordneten Widerständen addiert, ist der nominale Ausgang der Schaltung 5 Volt bei einem Luftstrom 0. Ganz offensichtlich müssen weitere Schaltungen vorhanden sein, den Ausgang der Schaltung 500 zu erfassen, zu ändern, zu bewerten und zu verstärken.
Wenn Luft über das Heißdrahtelement 44 strömt, wird Leistung in Form von Wärme vom Heißdrahtelement an die Luft abgegeben. Diese vom Heißdrahtelement 44 abgegebene Wärme bewirkt, dass der Widerstand des Elementes 44 abfällt. Ein Abfallen des Widerstandes führt dazu, dass die am Minuseingang 516 anliegende Spannung abfällt. Dadurch wird die Ausgangsspannung in der Leitung 518 zum Ansteigen gebracht, dies bewirkt, dass mehr Leistung vom Heißdrahtelement 44 abgegeben wird. Dem zufolge führt das Ansteigen der vom Heißdrahtelement abgegebenen Leistung dazu, dass die Temperatur des Elementes 44 wiederansteigt und auf 132°C (270°F) zurückkehrt. Wenn diese Temperatur erreicht ist, sind die Spannungen an den Eingängen 512 und 516 des Operationsverstärkers 506 wieder gleich.
Da die Schaltung den Widerstandswert des Heißdrahtelementes 44 regelt, ist der Ausgang der Schaltung auf der Leitung 518 proportional zur Wurzel der vom Heißdrahtelement abgeführten Leistung mal 2 minus 5 Volt, dies als Beispiel. Die nominale vom Heißdrahtelement 44 abgegebene Leistung ist 1/4 Watt, dies ist die notwendige Leistung, um das Heißdrahtelement bei 132°C (270°F) zuhalten. Jedes bischen Wärme, das vom Heißdraht abgeführt wird, wird ersetzt durch Aufbringen von mehr Leistung auf das Element 44. Der Widerstandswert des Heißdrahtes ist auf 25 Ohm vorgegeben, dieser Widerstandswert wird daher als konstant angenommen. Die abgeführte Leistung ist gleich der zugeführten Leistung minus dem Betrag, um den Heißdraht bei 132°C (270°F) zu halten. Wenn die Leistungsformel für Spannung gelöst wird
V = (Leistung × Widerstand)^1/2,
wird jedes Ansteigen der dem Heißdrahtelement 44 zugeführten Leistung auch dem 25 Ohm Widerstand zugeführt. Dadurch wird die Spannung, die notwendig ist, um die vom Element 44 abgegebene Leistung zu kompensieren, verdoppelt.
Damit der Sensor 10 ordnungsgemäß arbeitet, muss die Temperatur des Heißdrahtelementes 44 auf 93°C (200°F) oberhalb der Umgebungstemperatur gehalten werden. Wenn die Umgebungstemperatur konstant ist, besteht keine Notwenigkeit einer Temperaturkorrektur. Lies bedeutet, dass eine konstante Differenz in der Temperatur garantiert, dass die selbe Menge an Leistung vom Heißdrahtelement 44 bei einem gegebenen Fluss weggetragen wird. Wenn jedoch der Fluidflusssensor in einem Kraftfahrzeug (wie Fig. 8 dargestellt) angeordnet ist, ist die Temperatur der Umgebungsluft nicht konstant. Typischerweise wird der Sensor 10 Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes und oberhalb des Siedepunktes ausgesetzt. Dies bedeutet, dass Temperaturen der strömenden Luft, die geringer sind als erwartet, eine größere Ausgangsspannung als erwartet zur Folge haben und höhere Temperaturen als angenommen eine geringere als die gewünschte Ausgangsspannung bewirken.
Die vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Temperaturkorrektur, um Unterschiede der Umgebungstemperatur, wie sie in einem Kraftfahrzeug vorkommen, zu kompensieren. Die Temperaturkorrektur wird erreicht durch den Einsatz eines Kaltdrahtelementes 46. Dieses ist im Widerstandsnetzwerk 502 an Stelle des Widerstandes 510 angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Schaltung 500 benutzt das Kaltdrahtelement 46 zur Temperaturkompensation. Das Element 46 wird vom Gehäuse 22 getragen und ist im Luftstrom außerhalb der Flusspassage 40 angeordnet. Indem das Kaltdrahtelement 46 im Luftstrom angeordnet ist, wird es der Schaltung ermöglicht, rasch auf Änderungen in der Umgebungstemperatur zu reagieren. Die Temperatur des Kaltdrahtelementes folgt den Temperaturänderungen der einströmenden Luft. Da der Widerstand des Kaltdrahtelementes (500 Ohm) relativ groß ist, im Vergleich zum Spannungsabfall über dem Element, ist die abgegebene Leistung relativ gering. Beispielsweise bei 21°C (70°F) hat das Element 46 einen Widerstand von 500 Ohm und einen Spannungsabfall von 2,5 Volt. Demgemäss ist die vom Element 46 verbrauchte Wärme 0,0125 Watt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung von ungefähr 5,555°C (10°F).
Demgemäss würde der Widerstand des Kaltdrahtelementes um 5 Ohm höher werden und das Widerstandsverhältnis des Widerstandsnetzwerkes 502 würde sich ändern. So würde beispielsweise die am Pluseingang 512 anliegende Spannung gleich sein 505/1005 oder 50,25% der Ausgangsspannung auf der Leitung 518. Das Widerstandsnetzwerk wiederum muss auch ein Verhältnis gleich 50,25% der Ausgangsspannung haben. Um also das selbe Verhältnis zu erreichen, ist es notwendig, dass das Heißdrahtelement bei einem Widerstandswert von 25,25 Ohm gehalten wird, um das selbe Widerstandsverhältnis von 50,25% zu erreichen, es wird also das Heizdrahtelement 44 auf 93°C (200°F) oberhalb der Temperatur des Kaltdrahtelementes 46 oder 138°C (280°F) gehalten wenn die Umgebungstemperatur 21°C (70 °F) beträgt. Das Kaltdrahtelement 46 ist 5,555°C (10°F') oberhalb der Umgebungstemperatur von 21°C (70°F). Dadurch ist die Temperaturdifferenz eingehalten, die notwendig ist, um Extreme der Umgebungstemperatur zu behandeln. Der nominale Ausgangswert der Schaltung ist weiterhin 5 Volt. Es benötigt 1/4 Watt an Leistung, um die Temperatur des Heizdrahtelementes um 93°C (200°F) zu erhöhen. Löst man die Leistungsgleichung nach dem Strom (i) auf, erhält man i = (Leistung/Widerstand)^1/2. Daher beträgt der Strom im Heißdrahtnetzwerk 0,099503 A ((0,25/25)^1/2). Die Ausgangsspannung beträgt dann (0,099503 × 50,25), das ist ungefähr 5 Volt. Die Schaltung nach Fig. 3 kann dynamische Temperaturänderungen ausgleichen, da die Änderung im Kaltdrahtnetzwerk direkt proportional dem Eigenschaften des Heißdrahtnetzwerkes ist.
Die Werte für Widerstände und Änderungen in den Widerständen sind ausschließlich beispielhafter Art und es können andere Werte auf jeden Fall eingesetzt werden.
In den Fig. 4a und 4b sind perspektivische Darstellungen des Gehäusedeckels 14 gegeben, dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Fig. 4a ist ein Blick auf das Innere des Gehäusedeckels 14 und Fig. 4b ist ein Blick auf die Außenseite des Gehäusedeckels 14. Der Gehäusedeckel 14 ist fest mit dem Gehäuse 12 (wie in Fig. 4c gezeigt) entlang eines vorstehenden Steges 60 und 62 verbunden. Der Steg 60 ragt von der Innenfläche 64 des Gehäusedeckels 14 vor und dichtet pas send ab mit dem Kanal 50, der an der inneren Oberfläche 52 des Gehäuses 20 angeordnet ist. Der Steg 62 steht von der Innenfläche 64 des Gehäusedeckels 14 vor und schließt zusammen mit dem Kanal 54 ab, der innerhalb der Oberfläche 52 und um den Umfang der Flusspassage 40 herum angeordnet ist, dadurch wird eine abgeschlossene und begrenzte Flusspassage 40 gebildet. Der Qehäusedeckel 14 hat weiterhin eine Fensteröffnung 66, um Zugang, zum Beispiel während der Herstellung, zum integrierten Schaltkreis 32 (wie in Fig. 4c dargestellt) zu bekommen. Beispielsweise ermöglicht die Fensteröffnung 66 Zugang zum integrierten Schaltkreis 32 während des Kalibrierschrittes im Herstellungsprozess. Weiterhin hat der integrierte Schaltkreis 32, wie in Fig. 4c dargestellt, gebondete Anschlussleitungen, die über Drahtbonding an unterschiedlichen End- und/oder Bondingflächen angeschlossen sind, die am Gehäuse 12 verteilt sind.
Fig. 4b zeigt einen Kanal 68, der um den Umfang des Fensters 66 herum ausgebildet ist und passend dem sekundären Gehäusedeckel 16 des Gehäusedeckels 14 abdichtet. Weiterhin erlaubt eine Seitenöffnung 17 es, dass Luft aus der Flusspassage 14 auf beiden Seitenflächen 72 des Deckels 14 austritt. Ein Rampenbereich 75 ist in der Oberfläche 72 eingeschlossen, um zu erreichen, dass über die Oberfläche zum Kaltdrahtelement 56 strömende Luft geleitet und gelenkt wird.
Eine perspektivische Innenseitendarstellung des zweiten Gehäusedeckels 16 ist in Fig. 5 gegeben. Gehäusedeckel 16 hat einen Umfangsvorsprung 18, der passend mit dem Gehäusedeckel 14 entlang des Umfangs des Fensters 66 und innerhalb des Kanals 68 abschließt. Der sekundäre Gehäusedeckel 16 ist im wesentlichen flach und kann aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein, beispielsweise einem Material, dass die von der integrierten Schaltung 32 erzeugte Hitze abführt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat der sekundäre Gehäusedeckel 16 eine allgemein ebene Außenfläche 84. Wenn der Deckel 16 auf dem Gehäusedeckel 14 positioniert ist, bilden der Deckel 14 und der sekundäre Gehäusedeckel 16 eine sich in Längsrichtung erstreckende und allgemein ebene Oberfläche, um sicher zu stellen, dass um den Sensor 10 fließende Luft nur gering gestört wird.
Eine perspektivische Darstellung der Innenseite des Elektronikdeckels 18 ist in Fig. 6 widergegeben. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der integrierte Schaltkreis 32 an den Deckel 18 angebondet und die entsprechende Schaltung und die Deckelanordnung ist eingebracht in das Gehäuse 12 und schließt gegenüber diesem dichtend ab. Der Deckel 18 hat eine vorspringende Rippe 83, die von einer Oberfläche 85 des Deckels 18 vorspringt. Diese vorspringende Rippe 83 passt dichtend mit dem entsprechenden Kanal (nicht dargestellt) zusammen, der am Gehäuse 12angeordnet ist, um ein umweltdichtes Gehäuse zu schaffen. Vorzugsweise wirkt der Deckel 18 als Wärmesenke, also als Wärmeableitkörper für die von der Schaltung 32 ausgehende Wärme. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Wärmesenke 18 aus einem metallischen Material oder einem anderen Material, das entsprechende wärmeleitende Eigenschaften hat, hergestellt.
Eine perspektivische Darstellung des vollständig zusammengesetzten Fluidmassenflusssensors 10 ist in Fig. 7a gegeben, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Ein Flansch 90 ist integral am Gehäuse 12 angeformt und umfasst eine Vielzahl von Montageöffnungen 92 und 94. Diese Montageöffnungen 92 und 94 nehmen Befestigungsmittel (nicht dargestellt) auf, wie beispielsweise Schrauben, um den Sensor 10 auf einer Montagefläche anzubringen. Weiterhin hat der Flansch eine passende Oberfläche 96, damit er passgenau angesetzt werden kann an einen Lufteinlass 304 des Motors (dargestellt in Fig. 8), wie noch unten beschrieben werden wird. Eine Dichtung 20 ist so ausgelegt, dass sie an einer Kante des Flansches oder Abfalls 98 anliegt, angeordnet zwischen dem Einlass des Motors und dem Flansch 90, um eine luftdichte Abdichtung zwischen dem Massenflusssensors 10 und dem Lufteinlass 304 zu bewirken.
Wie in Fig. 7a dargestellt ist, fließt Luft in den Einlass 38 des Fluidmassenflusssensors 10 in eine Richtung, die allgemein durch Pfeile i dargestellt ist und fließt aus einem Auslass 42 in einer Richtung, die dargestellt ist durch Pfeile O. Der Einlass 38 ist im allgemeinen kreisförmig und hat, wie in Fig. 7b dargestellt, im allgemeinen einen elliptischen Querschnitt.
Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 7b werden nun die elliptischen Flächen 200, die den Umfang des Einlasses 38 der Düse 39 definieren, beschrieben. Die elliptischen Flächen 200 konvergieren entlang einer longitudinalen Achse 202, sie bilden einen Einlass und eine Düse, die eine in Longitudinalrichtung konvergierende elliptische Oberfläche hat. Diese Konfiguration des Einlasses und der Düse ist bekannt als Strömungsdüse. Weiterhin ist es bekannt, dass diese Konfiguration der Strömungsdüse einen kritischen Bereich hervorruft am Ausgang der Düse, dort liegt eine gleichmäßige Fließgeschwindigkeit des Fluids vor. Wie bereits oben ausgeführt, hat die vorliegende Erfindung eine verbesserte Genauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik, weil beispielsweise das Heißdrahtelement 44 lokalisiert ist im kritischen Bereich und dadurch gleichmäßig gekühlt wird vom einströmenden Fluid.
Fig. 8 zeigt eine exemplarische Automobilumgebung, in die ein Fluidmassenflusssensor operativ wie dargestellt eingebracht werden kann, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Typischerweise hat das Kraftfahrzeug einen Einlasskrümmer bzw. Verteiler 300, um frische Luft zum Motor (nicht dargestellt) des Fahrzeugs zuzuleiten. Im allgemeinen hat dieser Einlasskrümmer 300 einen Filter 302, um die eingeführte Luft zu filtern und Fremdstoffe abzutrennen aus der in den Krümmer 300 eingesaugten Luft. Der Luftkrümmer 300 ist normalerweise an eine Luftleitung 304 angeschlossen, um saubere Luft dem Motor des Kraftfahrzeugs zuzuleiten. Wie dargestellt, ist der Fluidmassenflusssensor 10 positioniert und befestigt an der Luftleitung 304 durch eine Öffnung 306 in der Luftleitung 304. Außenluft wird in den Krümmer 300 in einer Richtung eingesaugt, die durch den Pfeil A gekennzeichnet ist, und fließt durch den Krümmer 300, dies ist angedeutet durch die Pfeile A' und A". Wenn die angesaugte Luft den Luftkanal 304 erreicht, fließt ein Teil der angesaugten Luft in den Luftmassenflusssensor, wie durch den Pfeil i angedeutet ist, und dann aus diesem heraus, wie angedeutet ist durch den Pfeil o. Alle eingesaugte Luft verlässt dann die Leitung 304 und gelangt in den Motor des Kraftfahrzeugs, wie dies durch den Pfeil e angedeutet ist. Elektrische Steuersignale, die Information über die Menge der durch den Kanal 304 fließenden Luft enthalten, werden von Messungen und Verarbeitungen abgeleitet, die in der integrierten Schaltung 32 ausgeführt werden und werden an das elektronische Steuersystem des Kraftfahrzeugs über den Verbinder 308 und Drahtverbindungen 310 weiter geleitet.
Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Montage- und/oder ein Herstellungsverfahren und eine Methode zum Konstruieren eines Fluidmassenflusssensors 10. In einem Anfangsschritt werden die Widerstandselemente elektrisch mit dem Gehäuse verbunden, dabei wird Lötzinn oder ein entsprechendes Material benutzt. Als nächster Schritt werden der Elektronikdeckel 18 und die integrierte Schaltung 32 in das Gehäuse 12 eingesetzt, dabei wird Kleber oder ähnliches Material benutzt. Als nächster Schritt wird der Gehäusedeckel 14 auf das Gehäuse aufgebracht und verbunden mit diesem mittels eines Klebmittels oder eines entsprechenden Materials. Als nächster Schritt wird die Anordnung in einen Ofen oder eine entsprechende Umgebung eingebracht, um den Klebstoff auszuhärten. Als nächster Schritt wird die integrierte Schaltung 32 mittels dünner Drähte gebondet an die Anschlüsse und/oder Bondingspads des Gehäuses 12. Als nächster Schritt wird die integrierte Schaltung 32 kalibriert und/oder eingestellt und/oder werden die innerhalb der Schaltung 32 vorgesehenen Widerstände getrimmt. Als nächster Schritt wird der zweite Gehäusedeckel 16 auf das Gehäuse 12 aufgebracht und mit diesem verbunden durch ein Klebmittel oder ein entsprechendes Material. Als abschließender Schritt wird der Sensor 10 getestet, um seine ordnungsgemäße Funktion unter unterschiedlichen Operationsbedingungen und Umweltbedingungen zu testen.
Die vorstehende Diskussion beschreibt und erläutert ein bevorzugtes Ausbildungsbeispiel der Erfindung. Ein Fachmann wird rasch feststellen aus dieser Diskussion, sowie den zugehörigen Figuren und Ansprüchen, dass Modifikationen und Abwandlungen der Erfindung ausgeführt werden können ohne aus dem wahren Geist dieser herauszukommen und den vollen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie dieser in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen eines Massenstroms eines Fluid, die aufweist
ein Gehäuse (12), das innerhalb einer das Fluid führenden Leitung (304) positioniert werden kann und das einen Fluidprobenahmebereich (36) und einen Schaltungshohlraum hat, wobei der Fluidprobenahmebereich (36) eine Fluidpassage aufweist,
eine Düse (39), die für das Fluid mit der Fluidpassage verbunden ist, wobei die Düse (39) eine Vielzahl von in Längsrichtung konvergierenden elliptischen Seitenflächen (200) hat, die an einem Düsenausgang (41) enden,
ein elektrisches Element (44), das am Düsenausgang (41) in der Fluidpassage (42) angeordnet ist und
eine Schaltung (32), die mit dem ersten elektrischen Element (44) verbunden ist und untergebracht ist in dem Schaltungshohlraum, um eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des elektrischen Element (44) zu erfassen, dabei wird die erfasste Änderung in den elektrischen Eigenschaften herangezogen, um den Massenstrom des Fluids zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist ein zweites elektrisches Element (46), das innerhalb des Gehäuses (12) und außerhalb der Flusspassage (40) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrische Element (46) verwendet wird für eine Temperaturkorrektur.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist einen Deckel (14, 16), der ansetzbar äst an das Gehäuse (12), um den Fluidprobenahmebereich (36) und den Schaltungshohlraum abzudecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist einen Kühlkörper, der in thermischem Kontakt mit der Schaltung (32) ist, um von dieser stammende Wärme abzuleiten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist einen Ablenkkeil (45), der einstückig am Gehäuse ausgebildet ist und einen Bereich geringen Drucks an einem Auslass (42) der Fluidpassage (40) bewirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist ein drittes elektrisches Element (48), das im Gehäuse (12) außerhalb der Flusspassage angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte elektrische Element (48) ausgelegt ist und verwendet wird für ein Bestimmen der Fluidtemperatur am Gehäuse.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte elektrische Element (48) ein Thermistor ist.