DE19636095C2 - Meßfühler und Abfühlverfahren für einen Luftmengenstrom - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler für einen Luftmengen­ strom und ein Verfahren zum Abfüllen eines Luftmengenstroms.

Viele Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwenden Meß­ geräte für einen Luftmengenstrom, die sich stromaufwärts des Verbrennungsmotors befinden, um die Menge der in den Motor strömenden Luft zu messen. Auf die Information über den Luft­ mengenstrom ansprechend steuert das Motorsteuergerät des Fahr­ zeugs einen Kraftstoffstrom in den Motor, um Schadstoffemis­ sionspegel zu verringern, die Kraftstoffeinsparung zu erhöhen und die Motorleistung zu steigern. Um die Systemleistung zu op­ timieren, ist es wünschenswert, daß das Meßgerät für den Luft­ mengenstrom schnell genug anspricht, um eine das Maß des Luft­ mengenstroms in jeden Zylinder des Motors darstellende Informa­ tion zu liefern.

Ein Problem, das beim Versuch auftritt, einen Luftmengen­ strom in den Motor zu messen, ist besonders bei Vierzylindermo­ toren weit verbreitet. Dieses Problem sind Luftimpulse in der Ansaugleitung, die durch den Ventilbetrieb des Motors während Ansaug- und Auslaßhüben hervorgerufen werden. Vierzylindermoto­ ren können Oszillationen mit merklicher Amplitude in dem An­ saugluftstrom erzeugen, und eine Überschneidung der Motorventi­ le kann kurze Perioden eines Stroms aus dem Ansaugkrümmer des Zylinders hervorrufen. Dies erzeugt kurze Perioden eines umge­ kehrten Stroms in die Ansaugleitungen. Diese Pulsation eines bidirektionalen Luftmengenstroms kann merkliche Fehler des Meß­ gerätes für den Luftmengenstrom verursachen, falls das Meßgerät für den Luftmengenstrom und/oder das Meßverfahren gegen eine Stromrichtung unempfindlich sind. Es ist somit vorteilhaft, ei­ ne Abfühlvorrichtung für einen bidirektionalen Luftmengenstrom zu haben, besonders um die Kraftstoffversorgung eines Vierzy­ lindermotors unter Verwendung von Abfühlstrategien für einen Luftmengenstrom zu steuern.

Ein zur Serienherstellung geeigneter Meßfühler für einen Luftmengenstrom und eine zugeordnete Steuerschaltung sind in den US-Patenten Nr. 4 576 050, 4 713 970, 4 782 708, 5 086 650 und 5 263 380 beschrieben worden, die alle dem Anmelder dieser Erfindung übertragen wurden.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen schematisch eine Seiten­ ansicht bzw. Draufsicht einer typischen Abfühlvorrichtung für einen bidirektionalen Luftmengenstrom gemäß diesen früheren Pa­ tenten. Die Abfühlvorrichtung 10 ist auf einem planaren Sub­ strat, wie z. B. einem Siliziumchip 9, mittig angeordnet und be­ steht aus einer zentralen Heizvorrichtung 12 und zwei tempera­ turempfindlichen Widerständen (Thermistoren) 14, 16, die sich äquidistant stromaufwärts und stromabwärts von der Heizvorrich­ tung 12 befinden. Die beiden Thermistoren 14, 16 sind unter strömungsfreien Bedingungen auf gleicher Temperatur, sind aber auf verschiedenen Temperaturen, wenn Fluid an der Abfühlvor­ richtung 10 vorbei strömt. Insbesondere veranlaßt die elektro­ nische Schaltung 18 die Heizvorrichtung 12, Wärme zu erzeugen, die sich mehr zu dem stromabwärtigen Thermistor 14, 16 als dem stromaufwärtigen Thermistor 16, 14 ausbreitet, was eine positi­ ve Temperaturdifferenz zwischen den stromabwärtigen und strom­ aufwärtigen Thermistoren 14, 16 zur Folge hat. Das Meßfühler­ ausgangssignal ist der momentanen Temperaturdifferenz zwischen den Thermistoren 14 und 16 proportional und nimmt mit dem Strombetrag monoton zu. Eine negative Differenz zwischen den stromabwärtigen und den stromaufwärtigen Thermistoren 14 und 16 tritt unter umgekehrten Strombedingungen auf. Somit spricht die Abfühlvorrichtung 10 auf einen Strom in sowohl die durch einen Pfeil 20 angegebene Richtung als auch die durch einen Pfeil 22 angegebene umgekehrte Richtung an.

Nach Fig. 3 wird die Abfühlvorrichtung 10 in einer Leitung angeordnet, wobei die Abfühlelemente 12, 14 und 16 orthogonal zu der Fluidstromachse 15 und die planare Oberfläche 13 der Vorrichtung parallel zur Stromachse 15 ausgerichtet sind. In dieser Orientierung ändert sich die tangentiale Komponente der Fluidstromgeschwindigkeit innerhalb der Grenzschicht nahe der Abfühloberfläche in bezug auf den Abstand von der Oberfläche 13 und ist nahe den Abfühlelementen 12, 14 und 16 viel geringer als die Anströmgeschwindigkeit bzw. freie Stromgeschwindigkeit durch die Leitung. Die vordere Kante 17 der Abfühlvorrichtung 10 stört den Strom. Die Stromstörungen 32 setzen sich über die Vorrichtung 10 fort und treffen auf die Abfühlelemente 12, 14, 16, was eine Umwälzung in den Bereichen der Messungen vorneh­ menden Elemente 12, 14 und 16 bewirkt. Diese und andere Strom­ phänomene können selbst bei konstanten Strombedingungen eine Instabilität in der Grenzschichtdicke über der Abfühlstelle auf der Vorrichtung 10 verursachen. Dies beeinträchtigt die Genau­ igkeit des durch die Vorrichtung 10 gelieferten Strommeß­ signals, weil das Meßsignal eine nicht repräsentative Abtastung des Stroms durch die Leitung sein kann. Als Folge hat das Meß­ fühlerausgangssignal einen hohen Rauschgehalt.

Das oben erwähnte Patent Nr. 5 086 650 lehrt, daß mit einem schlechten Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbundene Beschränkun­ gen für die Strommeßfühler ähnlich Fig. 3 überwunden werden können, indem man die Abfühloberfläche der Vorrichtung in den Strom neigt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Winkel 42 zwi­ schen der Ebene der Abfühlvorrichtung 10 und der Stromachse 40 liegt typischerweise in dem Bereich von 5-10°. Diese Orientie­ rung der Vorrichtung 10 verringert die Turbulenzeffekte, die durch die vordere Kante der Vorrichtung hervorgerufen werden, wie durch die glatte Stromlinie, Bezugszahl 44, veranschaulicht ist.

Durch Neigen der Vorrichtung 10, wie in Fig. 4 dargestellt, nimmt auch die Signalgröße für alle vorderen Stromwerte zu, weil die Orientierung der Vorrichtung 10 in dem Stromweg eine Kompression der Luft über der Vorrichtungsoberfläche bewirkt, was die Grenzschicht dünner macht, so daß die Grenzschicht über der Vorrichtung konstanter bleibt, und eine durch die vordere Kante der Vorrichtung verursachte Turbulenz eliminiert.

Das '380-Patent verdeutlicht, daß die Grenzschichtdicke und -stabilität ein kritischer Parameter ist, der für die Lei­ stungsfähigkeit des Meßfühlers für den Luftmengenstrom maßge­ bend ist. Eine Beschränkung der in Fig. 4 dargestellten Konfi­ guration ist jedoch, daß die Vorrichtung, wenn sie so orien­ tiert ist, nicht bidirektional genutzt werden kann. Fig. 5, die auch in dem '650-Patent dargestellt ist, veranschaulicht je­ doch, wie die geneigte Orientierung der gleichen Vorrichtung 10 genutzt werden kann, um ein Abfühlen des bidirektionalen Luft­ stroms zu liefern. Die Abfühlvorrichtung 10 ist auf einem Trä­ ger 50 bei einer Ecke 54 eines Knie- bzw. Winkelstücks in dem Leitungsgehäuse 51 angebracht. Leitungsabschnitte 52 und 56 zweigen von der Ecke 54 unter Winkeln von annähernd 15° vonein­ ander ab. Dies ermöglicht, daß ein Luftstrom durch die Leitung 51 auf die Vorrichtung 10 von entweder der Richtung 58 oder der Richtung 60 unter einem Winkel auf die Oberfläche der Vorrich­ tung einfällt. Die Konfiguration in Fig. 5 erlaubt eine bidi­ rektionale Strommessung, die die geneigte Orientierung des Meß­ fühlers bezüglich des Stroms ausnutzt, um die Grenzschichtdicke über den Abfühlelementen zu verringern.

Aus der US 4,733,559 ist ein Meßfühler für einen Luftmen­ genstrom bekannt, der einen zentral angebrachten Heizwiderstand aufweist, der sich zwischen zwei temperaturempfindlichen Wider­ ständen befindet. Diese Abfühlvorrichtung ist zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt entlang dem Stromweg im wesent­ lichen flach, wobei zwei Stromlinienkörper mit bezüglich der Abfühlvorrichtung konvex gekrümmten Oberflächen vorgesehen sind.

Aus der US 4,693,116 ist ein symmetrischer Stromlinienkör­ per gegenüber einer Abfühlvorrichtung bekannt. Die US 4,279,147 offenbart eine Stange als Mittel zur Strömungsbeeinflussung an Luftmengenmessern.

Aus keiner der genannten Druckschriften ist jedoch ein freitragendes stabartiges Element bekannt, das als Stromlinien­ körper dient.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Meßfühler für einen Luftmengenstrom zu schaffen, der bei einfacher Montage ein Meß­ fühlerausgangssignal mit verringertem Meßfühlerrauschen und er­ höhtem Signalbetrag des Meßfühlers liefert.

Die Erfindung sieht einen Meßfühler für ei­ nen Luftmengenstrom vor, der Luftstörungen nahe einer planaren Abfühloberfläche der Abfühlvorrichtung verringert und eine glatte Grenzschicht nahe der planaren Abfühloberfläche schafft. Vorteilhafterweise liefert diese Erfindung einen Meßfühler für einen Luftmengenstrom, der einen bidirektionalen Luftmengen­ strom abfühlt, ohne daß der Meßfühler in dem Stromweg geneigt oder in einem Winkelstück oder einer Ecke einer Leitung ange­ bracht werden muß.

Außerdem sieht die Erfindung einen Meßfühler für einen Luftmengenstrom vor, der all diese Vorteile erreicht und in entweder einer geraden Leitung oder einem Winkelstück oder einer gebogenen Leitung in einem Luftansaugsystem eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs einfach montiert werden kann.

Die Erfindung schafft vor­ teilhafterweise einen neuartigen Aufbau, der von dem in dem '380-Patent ausgenutzten Phänomen Gebrauch macht, bei dem ein Luftstrom geschaffen wird, der den Meßfühler unter einem Winkel trifft. Statt den Meßfühler in den Luftstrom zu neigen, macht diese Erfindung einen neuartigen Gebrauch von einem Strom­ linienkörper, um den Luftstrom zu dem Meßfühler zu neigen, wo­ durch Störungen in der Luft um die Abfühlelemente herum elimi­ niert werden und somit verhindert wird, daß die Störungen eine dicke Grenzschicht zwischen den Abfühlelementen und dem Luft­ strom an dem Meßfühler vorbei erzeugen. Somit wirkt der Strom­ linienkörper dahingehend, daß er den Luftstrom an dem Meßfühler vorbei komprimiert, um den laminaren Luftstrom mit einer dünnen Grenzschicht in dem Bereich der Meßfühlerelemente aufrechtzuer­ halten. Weil der Stromlinienkörper bezüglich des Heizelements eine symmetrische Form hat, formt der Stromlinienkörper den Luftstrom in beiden Richtungen vorteilhafterweise so, daß der Meßfühler Verbesserungen in den Messungen des Luftstroms an dem Meßfühler vorbei in Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen liefert. Der neuartige Aufbau gemäß dieser Erfindung schafft weitere, vordem nicht realisierte Vorteile dadurch, daß der einzelne Meßfühler Messungen eines bidirektionalen Luftmengenstroms mit dem reduzierten Signalrauschen liefern kann, unabhängig davon ob er sich in einer geraden Leitung oder in einer Leitung mit einem Winkelstück befindet.

Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug­ nahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Abfühlvorrichtung für einen bidirektionalen Strom nach dem Stand der Technik des Typs zur Verwendung mit dieser Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Draufsicht der Abfühlvorrichtung von Fig. 1 veranschaulicht;

Fig. 3, 4 und 5 eine Ausführung nach dem Stand der Technik der Abfühlvorrichtung von Fig. 1 veranschaulichen;

Fig. 6 und 7 zwei Querschnitte einer Luftansaugleitung ver­ anschaulichen, die einen Meßfühler gemäß dieser Erfindung ent­ hält;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Meßfühlers gemäß dieser Erfindung veranschaulicht;

Fig. 9 Ergebnisse einer verbesserten Messung des Luftmen­ genstroms veranschaulicht, die mit einem Meßfühler gemäß dieser Erfindung erhalten wurden;

Fig. 10, 11, 12 und 13 schematische Darstellungen sind, die beispielhafte Abwandlungen der Form eines Stromlinienkörpers für den Meßfühler gemäß dieser Erfindung veranschaulichen; und

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung eines Meßfühlers gemäß dieser Erfindung veranschau­ licht.

In Fig. 6 ist der Meßfühler 11 gemäß dieser Erfindung in einer Ansaugleitung 61 mit einer Venturi-Form eingebaut darge­ stellt. Wie dargestellt, ist die Leitung durch einen Mittelflü­ gelteiler 64 in zwei Durchgänge 66 und 67 geteilt. Der darge­ stellte Meßfühler 11 ist in dem Stromdurchgang 67 zwischen ei­ nem Träger 62 und dem Mittelflügelteiler 64 in dem Gehäuse 65 der Leitung angebracht.

Venturi-Rohre, wie z. B. das dargestellte, liefern auf einer makroskopischen Ebene bekannte Vorteile für das Luftstromprofil und werden folglich bevorzugt. Das Venturi-Rohr selbst trägt jedoch nicht dazu bei, Störungen auf der Oberfläche der Abfühl­ vorrichtung 10 zu eliminieren oder die Grenzschicht des Luft­ stroms an den Abfühlelementen 12, 14, 16 vorbei zu komprimie­ ren.

Das in Fig. 6 dargestellte Venturi-Rohr ist ein Beispiel, und der Meßfühler 11 gemäß dieser Erfindung muß nicht in einer Leitung mit einem Mittelflügelteiler 64 angebracht sein, son­ dern kann in einer Leitung mit nur einem einzigen Hauptdurch­ gang für den Luftstrom oder alternativ in einer Umgehungslei­ tung montiert sein, die nur einen Prozentsatz des Luftstroms durch die Hauptleitung an dem Meßfühler vorbei läßt. Solche al­ ternativen Konfigurationen können vom Fachmann im Hinblick auf die hierin dargelegten Lehren einfach erhalten werden.

Fig. 7 veranschaulicht einen Querschnitt der Leitung 61 von Fig. 6, die eine Ansicht des Meßfühlers 11 darstellt. Der Meß­ fühler 11 umfaßt die flache Abfühlvorrichtung 10, die an einem Ende an einem Träger 62 befestigt ist, und eine zylindrische Stange 70 mit einem kreisförmigen Querschnitt, die sich über den Stromdurchgang 67 von dem Träger 62 zu dem Mittelflügeltei­ ler 64 erstreckt. Die Komponenten des Meßfühlers 11, der die Abfühlvorrichtung 10 und die zylindrische Stange 70 ein­ schließt, sind klein genug, so daß sie den Luftstrom durch den Durchgang 67 nicht merklich behindern. An dem Gehäuse 65 ist ein Schaltungsgehäuse 68 angebracht, das verwendet werden kann, um die Schaltung zum Empfangen der von der Abfühlvorrichtung 10 ausgegebenen Signale und zum Liefern eines darauf ansprechenden Meßsignals für einen Luftmengenstrom aufzunehmen.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt des Meßfühlers 11 mit Blick­ richtung auf den Träger 62. Das Heizelement 12 und die tempera­ turempfindlichen Elemente (Thermistoren) 14 und 16 der Abfühl­ vorrichtung 10 sind zwischen Stellen 74, 76 entlang dem Luft­ stromweg dargestellt, wobei sie auf einer Substratoberfläche 78 angebracht sind, die zumindest zwischen den Punkten 74 und 76 im wesentlichen flach ist.

Ein typischer Abstand 71 zwischen den Außenkanten der bei­ den Abfühlelemente 14, 16 liegt in der Größenordnung von 300 µm oder weniger. Die zylindrische Stange 70 mit rundem Querschnitt wirkt wie ein Stromlinienkörper, der in einem vorbestimmten Ab­ stand 90 von der Abfühlvorrichtung 10 entfernt angebracht ist, und hat eine der Heizvorrichtung 12 und den beiden Thermistoren 14, 16 zugewandte Oberfläche, die einen Luftstrom an der Ab­ fühlvorrichtung 10 vorbei so ablenkt, daß der Luftstrom auf die Abfühlvorrichtung 10 unter einem Winkel einfällt. Die einen Stromlinienkörper umfassende Stange 70 ist bezüglich einer zu einer Mitte des Heizelements 12 senkrechten Linie symmetrisch, so daß für einen Luftstrom in entweder der Richtung 82 oder 84 die Abfühlvorrichtung zwischen dem ersten und zweiten Punkt 74, 76 im wesentlichen turbulenzfrei ist und die Grenzschicht zwi­ schen der Oberfläche 78 zwischen den Punkten 74 und 76 und dem laminarem Luftstrom komprimiert ist. In diesem Beispiel ist der funktionswirksame Teil der zylindrischen Stange 70 die gekrümm­ te Oberfläche 80, die der Abfühlvorrichtung 10 zugewandt ist, die bezüglich der Abfühlvorrichtung 10 konvex ist und sich von vor der ersten Stelle 74 entlang dem Stromweg bis hinter die zweite Stelle 76 erstreckt. Die zylindrische Stange 70 mit run­ dem Querschnitt ist so positioniert, daß eine zwischen der Mit­ te der Stange 70 oder der gekrümmten Oberfläche 80 und der Mit­ te des Heizelements 12 gezogene Linie zu der Stromrichtung durch den Durchgang 67 senkrecht ist. Somit ist die Stange 70 bezüglich der Mitte des Heizelements 12 symmetrisch.

In dem dargestellten Beispiel ist die planare Oberfläche 13 der Abfühlvorrichtung 10 breiter als der Durchmesser der Stange 70. Fig. 7 verdeutlicht, daß sich in diesem Beispiel die Stange 70 über das Ende der Abfühlvorrichtung 10 hinaus erstreckt.

Die Stange 70 ist in einem Abstand 90 von der Oberfläche 78 der Abfühlvorrichtung 10 und über dem Heizelement 12 mittig an­ geordnet, so daß, wenn Luft in entweder der Richtung 82 oder der Richtung 84 durch den Durchgang 67 strömt, die Luft um die Stange 70 herum geleitet wird, wie durch Pfeile 85, 86, 87 und 88 dargestellt ist. Wenn Luft in die Richtung des Pfeils 82 strömt und in die Nähe des Meßfühlers 11 kommt, wird ein be­ stimmter Prozentsatz, wie durch den Pfeil 86 veranschaulicht ist, unter einem Winkel zu der Abfühlvorrichtung 10 geleitet, was den vorteilhaften Effekt eines Komprimierens der Luft in der Nähe der Elemente 12, 14, 16 liefert. Dies bewirkt ein Kom­ primieren der Grenzschicht zwischen einem nicht turbulenten Luftstrom und den Elementen 12, 14 und 16, wobei die Störungen 89 in der Nähe des Heizelements 12 und der Thermistoren 14 und 16 eliminiert werden. Die Stromlinien 91 veranschaulichen die enge Grenzschicht über den Elementen 12, 14 und 16.

Desgleichen erfüllen während eines Stroms durch den Durch­ gang 67 in der entgegengesetzten Richtung 84 die Stange 70 und die Oberfläche 80 die gleiche Funktion einer Umleitung eines Teils des Luftstroms an der Stange 70 vorbei unter einem Winkel zu der Abfühlvorrichtung 10, wobei die Grenzschicht zwischen dem laminaren Luftstrom und den Elementen 12, 14 und 16 kompri­ miert wird, was die Effekte von Stromstörungen an der Grenz­ schicht in der Nähe der Elemente 12, 14 und 16 eliminiert.

Somit versteht es sich für den Fachmann, daß der in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellte Meßfühler 11 den gleichen Vorteil des in den Fig. 4 und 5 dargestellten und in dem oben erwähnten Patent 5 086 650 beschriebenen Standes der Technik einer Elimi­ nierung einer Turbulenz in der Grenzschicht der Abfühlvorrich­ tung in der Nähe der Abfühlelemente, einer Erhöhung von Aus­ gabepegeln des Meßfühlers und einer Verringerung des Meßfühler­ rauschens erreicht. Diese Ergebnisse erhöhen die Genauigkeit des Meßfühlers, während der weitere Vorteil gemäß dieser Erfin­ dung geliefert wird, daß all diese Vorteile für einen bidirek­ tionalen Strom erreicht werden und eine verbesserte Flexibili­ tät der Meßfühlerstelle ermöglicht wird, so daß der Meßfühler in entweder geraden Leitungen oder Leitungen mit einem Winkel­ stück liegen kann.

In Fig. 9 sind nun die Vorteile dieser Erfindung hinsicht­ lich der Kurven 100-110 dargestellt, die die Ausgangsspannung des Meßfühlers gegen die Zeit unter Bedingungen eines pulsie­ renden Luftstroms der Art darstellen, die in Kraftfahrzeugmoto­ ren vorgefunden wird. Die Kurve 100 veranschaulicht ein bei­ spielhaftes Ausgangssignal der Abfühlvorrichtung nach dem Stand der Technik von Fig. 3, die nicht den Vorteil einer Stange 70 nahe der Oberfläche der Abfühlvorrichtung 10 aufweist. Wie er­ sichtlich ist, hat die Kurve 100 einen hohen Rauschgehalt, der die Genauigkeit des Meßfühlers drastisch beeinflußt. Die Kurve 102 repräsentiert das Signal von der gleichen Abfühlvorrich­ tung, wenn die Stange 70 (mit einem beispielhaften Durchmesser von 3,2 mm) in einem Abstand 90 (Fig. 8) von 5 mm von den Ele­ menten 12, 14 und 16 angeordnet ist. Wie die Kurve 102 im Ver­ gleich zur Kurve 100 verdeutlicht, hat das von dem Meßfühler 11 gemäß dieser Erfindung ausgegebene Signal einen größeren Be­ trag. Noch wesentlicher ist jedoch, daß der durch die Kurve 102 dargestellte Rauschpegel drastisch reduziert ist. Die Kurven 104, 106, 108 und 110 zeigen Ausgangssignale für die gleiche Abfühlvorrichtung 10, wenn die Stange 70 zu Abständen 90 (Fig. 8) von 4,8 mm, 3,5 mm, 2,3 mm bzw. 1,0 mm von der Oberfläche 78 der Abfühlvorrichtung 10 in Fig. 8 weg bewegt ist.

Wie ersichtlich ist, nimmt der Betrag des Signals zu, und das Signalrauschen nimmt ab, während sich die Stange 70 näher zu der Oberfläche 78 der Abfühlvorrichtung 10 bewegt. Die Zu­ nahme des Betrags des Signals erfolgt aufgrund der Tatsache, daß der Luftstrom um die Stange in der Nähe der Oberfläche 78 des Meßfühlers ein Verdünnen der Grenzschicht zwischen der Oberfläche 78 und der freien Stromgeschwindigkeit des Luft­ stroms erzwingt. Der Gradient der Stromgeschwindigkeit über die Grenzschicht ist annähernd linear und durch Verdünnen der Grenzschicht werden die Abfühlelemente dem Luftstrom ausge­ setzt, der der freien Stromgeschwindigkeit des Luftstroms durch die Leitung näher liegt. Das Meßfühlerausgangssignal ist somit für eine gegebene freie Stromgeschwindigkeit größer. Noch we­ sentlicher ist jedoch, wie bei den Kurven 108 und 110 besonders offensichtlich ist, daß das Meßfühlerausgangssignal im Grunde rauschfrei ist, was die Genauigkeit des Meßfühlers im Vergleich zu dem durch die Kurve 100 dargestellten Stand der Technik drastisch verbessert.

Ferner werden die erhöhte Signalstärke und die drastische Abnahme des Signalrauschens ungeachtet der Richtung des Stroms an dem Meßfühler vorbei erreicht und sind nicht auf Meßfühler beschränkt, die innerhalb irgendwelcher besonderer Leitungen, wie z. B. bei einem Winkelstück angeordnet sind, sondern können in jeder geraden Leitung oder Leitung mit einem Winkelstück des Typs angeordnet werden, der in Motoransaugsystemen vorgefunden wird.

Während Fig. 8 die Verwendung einer zylindrischen Stange 70 mit rundem Querschnitt als Stromlinienkörper veranschaulicht, zeigen die Fig. 10, 11, 12 und 13, daß verschiedene andere Kon­ struktionen von Stromlinienkörpern gemäß dieser Erfindung ver­ wendet werden können. Fig. 10 veranschaulicht die Verwendung eines Stromlinienkörpers 120 mit elliptischem Querschnitt, um den Luftstrom 122 unter einem Winkel zu der Abfühlvorrichtung 10 so abzulenken, daß der Luftstrom 122 in der Nähe der Abfüh­ lelemente 12, 14 und 16 im wesentlichen turbulenzfrei ist. Fig. 11 veranschaulicht einen Stromlinienkörper 130 mit einer abge­ rundeten dreieckigen Querschnittsform, die den Luftstrom 132 unter einem Winkel zu der Abführvorrichtung 10 so ablenkt, daß der Luftstrom 132 in der Nähe der Abfühlelemente 12, 14 und 16 im wesentlichen turbulenzfrei ist.

In Fig. 12 hat der Stromlinienkörper 140 vordere und hinte­ re Kanten 141 und 143 und einen zentralen Buckel 145, der der Abfühlvorrichtung 10 zugewandt ist. Dieser Aufbau liefert ein mehr stromlinienförmiges Profil, während ein Abwinkeln bzw. Ab­ lenken des Luftstroms 142 zu der Abfühlvorrichtung 10 so er­ folgt, daß der Luftstrom 142 in der Nähe der Abfühlelemente 12, 14 und 16 im wesentlichen turbulenzfrei ist.

Ähnlich dem Stromlinienkörper 140 hat der Stromlinienkörper 150 in Fig. 13 ebenfalls vordere und hintere Kanten 151 und 153 und weist Buckel 155 und 157 auf, die der Abfühlvorrichtung 100 zu- bzw. abgewandt sind, um eine symmetrische stromlinienförmi­ ge Stromlinienkörperkonstruktion zu schaffen, die den Luftstrom 152 unter einem Winkel zu der Abfühlvorrichtung 10 so leitet, daß der Luftstrom 152 in der Nähe der Abfühlelemente 12, 14 und 16 im wesentlichen turbulenzfrei ist.

Alle obigen beispielhaften Strukturen in den Fig. 10-13 sind bezüglich einer senkrecht zu der Mitte des Heizelements 12 gezogenen Linie symmetrisch und wirken auf Luft, die in irgend­ einer Richtung an der Abfühlvorrichtung 10 vorbei strömt. Fach­ leute werden erkennen, daß die Fig. 10-13 nicht maßstabsgerecht sind und daß die Stromlinienkörper 120, 130, 140 und 150 bezüg­ lich des Abstandes der Heizvorrichtung 12 und der beiden Ther­ mistoren 14, 16 tatsächlich viel größer sind.

Während der beispielhafte Meßfühler 11 gemäß dieser Erfin­ dung zur Anordnung in einer geraden Leitung wie oben erläutert geeignet ist, kann gemäß Fig. 14 der Meßfühler auch in einer Leitung mit einem Winkelstück oder einer gebogenen Leitung 160 wie dargestellt angeordnet werden. Der Meßfühler ist bei dem Winkelstück 171 eines Durchgangs 170 angebracht und liefert die Vorteile dieser Erfindung, ob die Luft in die Richtung 166 von der Verzweigung 164 oder in die Richtung 168 von der Verzwei­ gung 162 an dem Meßfühler 11 vorbei strömt.

Wie gemäß einem bevorzugten Beispiel dieser Erfindung er­ sichtlich ist, wird somit ein Meßfühler 11 für einen Luftmen­ genstrom geschaffen, der eine erhöhte Signalstärke und ein ver­ ringertes Signalrauschen liefert. Dies erhöht die Signalgenau­ igkeit des Meßfühlers 11 und schafft auch einen Meßfühler 11, der zum Anbringen in entweder geraden Leitungen oder gebogenen Leitungen geeignet ist, um einen bidirektionalen Luftmengen­ strom durch die Leitung zu detektieren.

Die Vorteile der gleichzeitig mit dieser Erfindung einge­ reichten Anmeldung US 5,629,481, die den Anmeldern dieser Er­ findung übertragen wurde, können mit dieser Erfindung ebenfalls genutzt werden.

Ein bevorzugter Meßfühler 11 zur Verwendung mit dieser Er­ findung ist aus einem Substrat, wie z. B. Silizium, mit einer sich dazu entsprechend erstreckenden thermischen Isolierschicht aus Polyimid mit 15-25 µm hergestellt. Eine sich dazu entspre­ chend erstreckende 300-500 Å dicke Unterschicht aus Tantaloxid ist auf der Isolierschicht aus Polyimid abgelagert. Auf die Tantaloxidschicht ist eine sich dazu entsprechend erstreckende, etwa 1.000-3.000 Å dicke Platin-Metallisierschicht abgela­ gert. Eine sich dazu entsprechend erstreckende Oberflächen­ schicht aus Tantaloxid ist dann über der Platinschicht mit der Unterschicht aus Tantaloxid aufgebracht. Während aller Ablage­ rungen wird das Substrat vorzugsweise auf eine Temperatur nahe, aber unterhalb der Zersetzungstemperatur des Polyimid erhitzt, die nahe 400°C liegt.

Die Oberflächenschicht aus Tantaloxid wird dann gemustert, um die gewünschte Geometrie der Heizvorrichtung 12 und der Thermistoren 14, 16 anzupassen, wie in den Fig. 1, 2 und 8 dar­ gestellt ist. Eine Lösung aus 1 Teil HF : 3 Teile HNO₃ : 5 Teile D.I.-H₂O wird die nicht oxidierte Ta₂O₅-Schicht mit richtiger Stöchiometrie ohne übermäßigen Angriff auf die Photolackmaske ätzen. Um die Heizvorrichtung 12 und die Thermistoren 14, 16 zu bilden, wird dann die Platinschicht vorzugsweise unter Verwen­ dung der gleichen Photolackmaske gemustert, die für die Ober­ flächenschicht aus Tantaloxid verwendet wurde. Das Platin kann mit einer Lösung aus 3 Teilen konzentrierter HCl und 1 Teil konzentrierter HNO₃, die auf mindestens 90-95°C erhitzt wur­ de, ohne einen merklichen Angriff auf die Photolackmaske geätzt werden. Durch die Oberflächenschicht aus Tantaloxid können Fen­ ster geöffnet werden, um Bereiche auf der Heizvorrichtung und den Thermistoren aus Platin freizulegen, die mit Au oder mit einem anderen geeigneten Metall beschichtet werden können, um als Kontakte zu dienen. Diese Fenster und Kontakte sind in Be­ reichen so angeordnet, daß sie die Funktion der Heizvorrichtung 12 und/oder Thermistoren 14, 16 nicht beeinträchtigen. Um zu verhindern, daß die Unterschicht aus Tantaloxid einen Leitungs­ weg zwischen der Heizvorrichtung 12 und den Thermistoren 14, 16 schafft, wird die Struktur dann unterhalb 240°C geglüht bzw. getempert, bis das Tantaloxid in einen Isolator Ta₂O₅ umgewan­ delt ist. Eine 1 µm dicke Überlagerungsschicht aus Polyimid wird dann aufgebracht, wobei eine dünne Ausgangslösung bei ho­ her Drehgeschwindigkeit verwendet wird, und getrocknet. Falls eine größere strukturelle Integrierung erwünscht ist, wird eine Überzugsschicht aus Ta₂O₅ aufgebracht. Die Überlagerungsschicht aus Polyimid und die Überzugsschicht aus Tantaloxid schaffen eine Schutzabdeckung für die Heizvorrichtung 12 und die Thermi­ storen 14, 16, ohne die Heizvorrichtung 12 und die Thermistoren 14, 16 von dem Luftstrom zu isolieren und ohne die Meßfühler­ funktion zu behindern.

Claims (6)

1. Meßfühler für einen Luftmengenstrom mit:
einer Abfühlvorrichtung (10) mit einer zentral angebrachten Heizvorrichtung (12), die sich zwischen zwei temperaturemp­ findlichen Abfühlelementen (14, 16) entlang einem Stromweg befindet, wobei die Abfühlvorrichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt (74, 76) entlang dem Stromweg im we­ sentlichen flach ist und sich die Heizvorrichtung und die Ab­ fühlelemente alle zwischen dem ersten und zweiten Punkt be­ finden;
einem als Stange ausgebildeten Stromlinienkörper (70, 120, 130, 140, 150) mit einer bezüglich der Abfühlvorrichtung kon­ vex gekrümmten Oberfläche (80), die der Abfühlvorrichtung zu­ gewandt und in einem vorbestimmten Abstand davon angeordnet ist, wobei sich die gekrümmte Oberfläche von vor dem ersten Punkt bis hinter den zweiten Punkt entlang dem Stromweg er­ streckt, wobei der Stromlinienkörper bezüglich einer Mitte des Heizelements symmetrisch ist und wobei der Strom­ linienkörper bewirkt, daß ein bidirektionaler Luftstrom auf die Abfühlvorrichtung unter einem Winkel so einfällt, daß der Luftstrom in dem Bereich der Abfühlelemente im wesentlichen turbulenzfrei ist.

2. Meßfühler für einen Luftmengenstrom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromlinienkörper um nicht mehr als etwa 5 mm von den Abfühlelementen beabstandet ist.

3. Meßfühler für einen Luftmengenstrom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen dem Stromlinienkör­ per und den Abfühlelementen etwa 1 mm beträgt.

4. Meßfühler für einen Luftmengenstrom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Punkt nicht größer als 300 µm ist.

5. Meßfühler für einen Luftmengenstrom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (70) kreiszy­ lindrisch ist und einen Radius von 6 mm oder weniger auf­ weist.

6. Verfahren zum Abfühlen eines Luftmengenstroms durch eine Leitung (61) mit den Schritten:
Aufhängen einer Abfühlvorrichtung (10) in der Leitung, wobei die Abfühlvorrichtung (10) eine zentral angebrachte Heizvor­ richtung (12) aufweist, die sich zwischen zwei temperaturemp­ findlichen Abfühlelementen (14, 16) entlang einem Stromweg befindet, wobei die Abfühlvorrichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt (74, 76) entlang dem Stromweg im we­ sentlichen flach ist und sich die Heizvorrichtung und die Ab­ fühlelemente alle zwischen dem ersten und zweiten Punkt be­ finden, und wobei die Abfühlvorrichtung (10) so orientiert ist, daß ein Luftstrom zunächst ein Abfühlelement, dann die Heizvorrichtung und zuletzt das andere Abfühlelement oder um­ gekehrt passiert;
Verwenden eines als Stange ausgebildeten und den Abfühlele­ menten in vorbestimmtem Abstand zugewandten Stromlinienkör­ pers (70, 120, 130, 140, 150), um einen Strom aus einer er­ sten oder der dazu entgegengesetzten Richtung durch die Lei­ tung unter einem Winkel zu der Abfühlvorrichtung (10) abzu­ lenken, derart daß der Luftstrom an den Abfühlelementen vorbei im Bereich der Abfühlelemente im wesentlichen turbulenzfrei ist.