JP3919829B2 - 導管内を流動する媒体の質量を測定する測定装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１に規定した形式の、導管内を流動する媒体の質量を測定する測定装置に関する。
測定通路と変向ガイド通路とを測定モジュール内に組込んだ測定装置は、ドイツ連邦共和国特許第４４０７２０９号明細書に基づいてすでに公知である。前記測定通路は測定素子を收容し、かつ、入口ポートを起点として流動方向に次第に先細になっている。該測定通路には、Ｓ字形に形成された変向ガイド通路が接続し、該変向ガイド通路は方形の横断面プロフィールを有している。測定モジュールは差込み可能な構成部材として構成されている。測定モジュールの支持体部分は、測定すべき導管の壁に耐密的に挿嵌可能であり、かつ電子的評価回路装置を收容している。
測定素子としては、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３８８９１号明細書に基づいて公知になっているような、マイクロメカニックな構成素子が特に適している。前記ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３８８９１号明細書に基づいて公知になっている測定素子では、２つの温度に敏感な抵抗が、仕切られたダイヤフラムに組込まれており、該ダイヤフラムは例えば酸化珪素又は窒化珪素から成り、かつ僅かな熱伝導率と僅かな比熱容量を有している。温度に敏感な両抵抗相互は珪素枠によって熱絶縁されている。第１の温度従変性抵抗が本来の測定センサとして働くのに対して、第２の温度従変性抵抗は流動媒体温度のためのセンサとして使用される。
測定素子に浮遊粒子が付着するのを減少させるために、吸込み通路内で空気量を測定する測定素子を、流動方向に対して所定角度だけ傾斜させることは、それ自体としてドイツ連邦共和国特許第３６２７４６５号明細書に基づいて公知である。更に当該刊行物に基づいて、同じく空気流中の浮遊粒子が付着するのを減少させるために、測定素子の、空気流に対面した方の端面と空気流から離反した方の端面に楔形の突起を設けることも公知である。楔形突起の形成は、珪素基板の異方性エッチングによって得られる。温度に敏感な測定素子の表面を、被測定媒体の流動方向に対して所定角度だけ傾斜させることは、ドイツ連邦共和国特許第３９４１３３０号明細書に基づいて公知である。測定素子が流動方向に対して極く僅かしか傾斜していない場合、或いは極端な例で流動方向に対して平行に方位づけられている場合、測定特性の角度従変性は比較的大きいが、測定素子の測定表面と被測定媒体の流動方向との傾斜角度が比較的大きい場合には測定特性の角度従変性は比較的僅かであるので、当該刊行物の思想によれば、媒体の流動方向と測定素子の測定表面との傾斜角度が２０°〜６０°の角度範囲内にある場合に、比較的確実な再現可能の測定結果が得られる。
しかしながら公知の測定装置は、流動媒体中で搬送される汚染粒子、特にダスト粒子が測定素子に衝突した場合、該測定素子が汚染粒子によって破壊されることがあるという欠点を有している。例えば前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３８８９１号明細書に記載されているようなマイクロメカニックな構成部材が測定素子として使用される場合に殊に、汚染粒子は、比較的肉薄に形成されたダイヤフラムに衝突して該ダイヤフラムに永久損傷を及ぼすことがある。その結果、測定素子の摩耗は高められ、早期故障が生じることになる。更にまた油脂含有汚染粒子が、測定素子、特に測定素子のダイヤフラムに沈積することがあり、これは固体粒子、例えばダスト又は砂粒子のための粘着結合剤として働いて測定素子を永続的に汚染する。この汚染によって測定素子と流動媒体との間の熱結合作用が障害を受けるので、測定特性曲線のずれが生じ、必然的に測定誤差が惹起される。当該測定装置を内燃機関の吸気通路における吸気を検出するために使用する場合には、例えば燃料噴射弁の作動制御には誤差が生じ、従って燃料−空気の混合気の最適な調整は得られないので、内燃機関の排ガス値は、測定素子の汚染の増大に伴って劣化する。
公知の測定装置の更なる欠点は、被測定導管内で流れが脈動した場合には最適な測定精度が得られないことである。
発明の利点
請求項１の特徴部に記載した構成手段を備えた、導管内を流動する媒体の質量を測定する本発明の測定装置は、前記背景技術に対比して、流動媒体内で連行される汚染粒子による測定素子の負荷が大幅に回避され、少なくとも減少されるという利点を有している。特にマイクロメカニックな構成部材として構成された測定素子のダイヤフラムは、本発明の構成手段によって、流動媒体内で連行される汚染粒子との衝突から充分に防護されるので、測定素子の耐用寿命が著しく延長される。導管縦軸線に対する測定通路縦軸線の傾斜によって、測定通路内には、流動媒体内で連行される粒子の飛行経路に対して射影となる領域、つまり汚染粒子が全く侵入しない領域又は実質的に減少された数しか侵入しない領域が生じる。この領域内に測定素子を配置することによって、汚染粒子が測定素子に、特に該測定素子の薄肉の損傷し易いダイヤフラムに衝突するリスクは著しく減少する。更にまた測定素子に対する油脂含有汚染粒子の衝突が減少されるので、測定素子、特にマイクロメカニックな構成部材として構成された測定素子のダイヤフラム表面におけるダスト又はその他の固定粒子の付着による汚染が大幅に防止される。こうして特性曲線の変化が阻止され、かつ所期の測定結果の確実性が高められる。従って本発明の測定装置を内燃機関の吸気質量の検出のために使用することによって、内燃機関の排ガス値を改善することが可能である。
請求項２以降に記載した手段によって、請求項１に記載した測定装置の有利な構成と改良が可能である。
また出口ポートによって形成された測定装置の流出平面を導管縦軸線に対して所定角度だけ傾斜しておくのが特に有利である。この手段によって、被測定媒体の流れが脈動する場合の動特性が著しく改善され、かつ測定装置の測定通路及び変向ガイド通路を通流する媒体の流れが改善される。
測定素子は、測定通路内へ張出すプレートに固定されており、該プレートの上流側端面は、単数又は複数の傾斜面によって斜めに面取りされているのが有利である。この手段によって、プレートの上流側端面における汚染粒子の付着が低下される。その場合プレートは、ナイフエッジ状傾斜面の平面内に位置する横方向流動成分によって上流側端面に媒体を衝突させるように、測定通路内の主流動方向に対して方位づけられているのが有利である。前記横方向流動成分によって、傾斜面に付着する汚染粒子は、傾斜面に沿った力成分で負荷され、従って測定素子の損傷を受け易い領域から除去される。この自動クリーニング効果によって、測定素子の特性曲線安定性を付加的に改善することが可能になる。
同様に入口ポートにおける測定通路の制限壁の端面は、測定通路の制限壁の端面の平面内に位置する横方向流動成分によって前記制限壁の端面に媒体を衝突させるように、主流動方向に対して方位づけられているのが有利である。このようにすれば矢張り、端面に付着する汚染粒子が負荷して、自動クリーニング作用でもって除去する力成分が生じる。
図面
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
第１図は第１実施例に相当する本発明の測定装置を一部断面して示した側面図である。
第２図は第２実施例に相当する本発明の測定装置を一部断面して示した側面図である。
第３図は測定素子が固定されているプレートの上流側端面における流動関係の概略図である。
実施例の説明
第１図には、本発明の測定装置１の側面図が一部断面して図示されているが、該測定装置は流動媒体質量、特に内燃機関の吸気質量を測定するために働く。
測定装置１は、導管２内を流動する媒体の質量を検出する。導管２は、概略的に図示したにすぎないが、少なくとも測定装置１の領域内で導管縦軸線３に沿って延在している。該導管２は例えば内燃機関の吸気導管であり、該吸気導管を介して内燃機関は空気を周辺外気から吸込むことができる。第１図及び第２図に示した実施例では、媒体、例えば吸気は、右から左へ向かって導管２を通流する。導管２における流動方向は矢印６によって表示されている。
測定装置１は殊に、導管２内で半径方向に細長く延びた直方体の形状を有し、かつ殊に、導管２の周壁４から切欠かれた導管２の開口（図示せず）内へ例えば差込み可能に導入される。測定装置１の固定アーム５は、導管２の周壁４に測定装置１を固定するために使用される。その場合固定アーム５は、図示は省いたがカラー状の拡張部を有することができ、該拡張部は導管２の周壁４に対して密封されている。導管２の周壁４内へ差込み可能な差込みモジュールとして測定装置１を構成することによって、格別簡単な組立と保守が可能になる。有利な構成によれば固定アーム５内には、電子式評価回路装置が組込まれており、かつ導管２の周壁４から張出す固定アーム５の保持区分には、測定装置１の給電のため、及び測定装置１から得られる測定信号を取出すために適当な接続端子を設けておくことが可能である。
測定装置１は例えばプラスチック射出成形部品として合成樹脂から一体に製作することができる。測定装置１は、バイパス導管の形式で導管２の主流横断面８に対して平行に配置された流動通路７を有している。測定装置１の流動通路７は測定通路９へ区分され、該測定通路は、入口ポート１０から流動方向で測定通路９に接続して、Ｓ字状に形成された変向ガイド通路１１まで延びている。前記測定通路９は測定素子１２を收容し、かつ流動方向で入口ポート１０から変向ガイド通路１１へ向かって徐々に先細になっている。これに対して変向ガイド通路１１は、実質的に一様な方形の流動横断面を有しており、かつ測定装置１の流動通路７を通流する媒体を出口ポート１３へ導く。隔壁１４には、横断面で見て丸く面取りされた成形体１５が接続し、該成形体は、沿面流動する媒体に極く僅かしか流動抵抗を与えない。出口ポート１３は、導管２の周壁４の内側表面に対面している測定装置１の表面１６に位置している。
測定素子１２は、例えば前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３８８９１号明細書で提案されるように、マイクロメカニックな構成部材として構成されているのが有利である。該測定素子は、それ自体公知のように少なくとも１つの、しかし有利には２つの、温度に敏感な抵抗素子を有しており、該抵抗素子は、例えば酸化珪素又は窒化珪素から成る誘電体ダイヤフラムに形成されている。抵抗素子相互は例えば珪素枠によって仕切られている。前記誘電体ダイヤフラムはこの場合、熱容量が極く僅かで熱伝導率が比較的僅かであるという利点を有しているので、測定素子の応答挙動が比較的短い。
測定素子１２は、第１図及び第２図に示した有利な実施例では、珪素をベースとするプレート状支持体と、エッチング処理によって生じた複数の抵抗層を有し、前記プレート状支持体は、やはりエッチング処理によって生じた著しく僅かな肉厚のダイヤフラム状センサ領域を有している。前記抵抗層は少なくとも１つの温度従変性の測定抵抗と例えば１つの加熱抵抗を形成している。ダイヤフラムの中央に加熱抵抗が位置しているのが有利であり、該加熱抵抗は温度センサによって過剰温度に調節される。加熱抵抗によって形成された加熱領域の上流側と下流側に、加熱領域に対して対称的に配置された２つの測定抵抗が位置している。測定素子１２の支持体は、例えば金属製収容体の切欠部内に該収容体と面整合するように収容されており、かつ例えば接着によって保持されている。前記収容体を以下、プレート１８と呼ぶ。プレート１８は測定通路９内に張出しているので、測定素子１２をめぐって、測定装置１の流動通路７を通流する媒体が流れる。
本発明によれば、測定通路９の中心を通って延びる測定通路縦軸線１９は導管縦軸線３に対して規定の角度αだけ傾斜されている。測定通路９はこの手段によって、測定通路９の入口ポート１０の、導管縦軸線３に沿った平行投影の外側に位置する射影領域２０を有している。第１図及び第２図では射影領域は点線２１の上側に位置している。点線２１は、導管２を通流する媒体内で連行される質量の比較的大きな汚染粒子の飛行経路を象徴的に表わしている。このような粒子は、測定素子１２を損傷し、特にマイクロメカニックな構成部材として測定素子１２を構成した場合には、該測定素子のダイヤフラムを著しく損傷することがある。しかしながら本発明の構成によって、測定素子１２との有害な汚染粒子の衝突は効果的に防止される。測定素子１２に損傷を与える汚染粒子は測定通路９の入口領域では、その比較的高い慣性質量に基づいて、測定通路縦軸線１９の方へ向かっては無視できる程度にしか変向されない。従って有害汚染粒子の飛行経路は実質的に直線的に延びる。第１図及び第２図で点線２１の上側を飛行する汚染粒子は、測定通路９の入口ポート１０内へは流入せず、測定装置１の表面２２に衝突する。第１図及び第２図で前記点線２１より上位に位置する測定通路９の射影領域２０内には、従って有害な汚染粒子は存在しない。更に本発明は、測定素子１２をこの射影領域２０内に配置することを提案する。測定素子１２は測定通路９の中心近傍に配置されるのが有利である。それというのは、測定通路の中心近傍では最大流速が支配し、従って最大測定感度が得られるからである。
有利な実施形態では前記プレート１８はその上流側端面２３に、ナイフエッジ状に斜め面取りの施された少なくとも１つの傾斜面２４を有している。前記のナイフエッジ状の傾斜面２４は、上流側端面２３の対向側にも形成されているのが有利であり、従ってプレート１８は上流側端面２３では主流動方向とは逆向きにナイフエッジの方式でテーパを成している。測定通路９の主流動方向は、第１図及び第２図に矢印２５によって表示されている。ナイフエッジ状に斜め面取りを施すことによって得られる利点は、プレート１８の汚染し易い前縁に流れ停滞点が形成されないので、該流れ停滞点で流動媒体が制動されて汚染粒子がプレート１８の上流側端面２３に沈積する不都合が決して生じないことである。特に測定素子１２が珪素基板上にマイクロメカニックな構成部材として製作されている場合には、原則としてプレート１８と測定素子１２を一体に構成することも可能である。その場合、傾斜面２４もしくは両面に設けられたナイフエッジ状傾斜面は、例えば珪素基板の異方性エッチング処理によって簡単に実現することができる。
第１図及び第２図に示した実施例では測定通路９、測定素子１２を含むプレート１８及び変向ガイド通路１１はインテグラルな測定モジュールとして一体的に構成されている。従って図示の実施例では測定通路縦軸線１９だけでなく、変向ガイド通路１１を含めた測定モジュール全体が導管縦軸線３に対して規定の角度αだけ傾斜されている。それ故に慣用のかつ大量生産可能な測定モジュールを使用可能であるが、但し傾斜角度αだけは、測定素子１２を測定通路９の射影領域２０内に位置せしめるように調整されねばならない。導管縦軸線３に対して測定モジュール全体を傾斜させることによって、出口ポート１３によって形成される流出平面１７も導管縦軸線３に対して同時に傾斜される。従って出口ポート１３は、導管２内に支配する媒体流の風下に位置し、すなわち媒体流の直撃を回避する側に位置している。これによって付加的な利点が得られる。それというのも測定装置１の流動通路７を通流する著しく均等な流れが生じ、かつ特に導管２内の媒体流が脈動する場合に、より大きな動特性が得られるからである。導管２内で、矢印６によって示した流動方向とは逆向きの逆流が発生する場合には、出口ポート１３は、逆流に対面した方の側に位置し、かつ逆流のための入口ポートとして役立つので、このような逆流も測定装置１によって原則的に捕捉される。
第２図には、第１図に示した実施例に対して僅かに変化された第２実施例が図示されている。すでに述べた構成要素は同一の符号で表示されているので、その点に関する重複説明は省かれる。
第２図に示した実施例が、第１図に示した実施例と相違している点は先ず、固定アーム５が導管２内で軸方向成分なしに半径方向に導かれており、従って流動通路７の壁３０が固定アーム５に対して屈曲されていることである。
別の相違点は、媒体が傾斜面２４の平面内に位置する横方向運動成分をもって上流側端面２３に衝突するように、プレート１８の上流側端面２３が、測定通路９内における媒体の主流動方向に対して方位づけられていることである。なお測定通路９内における媒体の主流動方向は第２図では矢印２５によって示されている。プレート１８の上流側端面２３における流動関係の理解を助けるために、第３図では測定素子１２を備えたプレート１８が拡大して図示されている。プレート１８の上流側端面２３の流れ直撃領域における主流動方向は、測定通路縦軸線１９に対して実質的に平行である。また主流動方向は第３図では矢印３１によって示されている。プレート１８の上流側端面２３に衝突する場合、主流は、第３図において矢印３２と３３によって示した２つの流動ベクトル成分に分割される。その場合、矢印３２は横方向流動成分を表わし、該横方向流動成分は傾斜面２４の平面内に位置している。該横方向流動成分は、傾斜面２４に付着する汚染粒子に対して、第３図では上向きの力成分を及ぼし、該力成分は汚染粒子を傾斜面２５に沿って主流動方向３１に対して横方向に運動させる。これによってナイフエッジ状の傾斜面２４の自動クリーニング効果が生じる。それというのは傾斜面２４に付着する汚染粒子が横方向流動成分によって、剥離されて除去されるか、或いはナイフエッジ状の傾斜面２４の側方終端域、つまり汚染粒子が測定素子１２の特性曲線にいかなる実質的な影響も及ぼさない終端域へ押しやられるからである。従ってプレート１２に付着する汚染粒子による測定素子１２の特性曲線のずれは、この手段によって更に減少され、かつ本発明の測定装置１の確実性と測定精度は更に向上される。
第２図に示した実施例ではプレート１８は、測定通路９内におけるプレート１８の傾斜角度が、導管縦軸線３に対して通路縦軸線１９の占める傾斜角度αに等しくなるように測定通路９内で方位づけられている。
従ってプレート１８の少なくとも上流側端面が、導管縦軸線３に関して半径方向で、もしくはこれに対して垂直に位置決めされている。しかしながら、これは必ず必要という訳ではない。むしろプレート１８は測定通路９内で、角度αから偏位した角度だけ傾斜されていてもよいが、その場合測定通路９内におけるプレート１８の最適傾斜角度は、媒体の流速、測定通路９の開口横断面積及びその他のパラメータに関連して最適化されねばならない。
入口ポート１０では、ここでも汚染粒子の付着を充分に回避するために類似の手段が設けられている。測定通路９は、第２図の図平面に対して垂直に互いにずらされた２つの制限壁を有している。但し第２図では後部の制限壁３５しか知見できない。該制限壁３５は入口ポート１０に端面３４を有している。入口ポート１０では、測定通路９の（図平面に対して垂直にずらされた）第２の制限壁に、相応の端面が形成されている。第２図に示した実施例では、制限壁３５の端面３４は、測定通路９の、矢印２５で示した主流動方向に対して垂直には方位づけられていない。むしろ該端面３４は、媒体が測定通路９の制限壁３５の端面３４に対して、該端面３４の平面内に位置する横方向流動成分をもって衝突するように傾斜されている。これによって、プレート１８に関して既に説明した自動クリーニング効果が得られ、かつ、端面３４に付着している汚染粒子は剥離されて除去され、或いは少なくとも端面３４に沿って該端面３４の一方の端部に達するまでシフトされる。
本発明は図示の実施例に制限されるものではない。測定通路９及び変向ガイド通路７は、それが適当な適用例にとって効果的であるならば、別の態様で構成されていてもよい。本発明の測定装置１は、気相流動媒体の質量を測定するためにも、液相流動媒体の質量を測定するためにも適している。

Claims (9)

1. 導管（２）内を導管縦軸線（３）に沿って流動する媒体の質量、特に内燃機関の吸気質量を測定するための測定装置（１）であって、
   流動媒体によって沿面を流動される測定素子（１２）を備え、該測定素子が、前記導管（２）内に設けた測定通路（９）内に配置されており、該測定通路が、測定通路縦軸線（１９）に沿って入口ポート（１０）から変向ガイド通路（１１）へ延びており、該変向ガイド通路が、前記導管（２）内に開口する出口ポート（１３）に達しており、測定通路縦軸線（１９）が、導管縦軸線（３）に対して規定角度（α）だけ傾斜されており、これに伴って測定通路（９）が、前記導管縦軸線（３）に沿った入口ポート（１０）の平行投影図の外側に位置する射影領域（２０）を有しており、かつ測定素子（１２）が、前記測定通路（９）の射影領域（２０）内に配置されている形式のものにおいて、
   測定通路縦軸線（１９）が、導管縦軸線（３）に対して次のように傾斜されており、つまり、流動媒体によって連行される汚染粒子の飛行経路が、導管縦軸線（３）に対して平行に延び、かつ入口ポート（１０）と交差する直線（２１）に沿って、測定通路（９）の射影領域（２０）に侵入しないように、かつ汚染粒子が、実質的に前記直線（２１）方向で真っ直ぐに通流して変向ガイド通路（１１）に侵入するように、傾斜されていることを特徴とする、導管内を流動する媒体の質量を測定する測定装置。
2. 出口ポート（１３）によって形成された流出平面（１７）が、導管縦軸線（３）に対して規定角度（α）だけ傾斜されている、請求項１記載の測定装置。
3. 測定通路（９）、測定素子（１２）及び変向ガイド通路（１１）が１つの測定モジュール内に構成されており、該測定モジュールが、測定通路縦軸線（１９）を導管縦軸線（３）に対して規定角度（α）だけ傾斜させるように導管（２）内に挿嵌可能である、請求項１記載の測定装置。
4. 測定素子（１２）が、測定通路（９）内へ張出すプレート（１８）に固定されており、該プレートの上流側端面（２３）には、少なくとも１つのナイフエッジ状の傾斜面（２４）によって斜め面取りが施されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定装置。
5. 測定通路（９）内でプレート（１８）の上流側端面（２３）が、ナイフエッジ状の傾斜面（２４）の平面内に位置する横方向流動成分（３２）をもって媒体を前記上流側端面（２３）に衝突させるように、前記測定通路の主流動方向（２５）に対して方位づけられている、請求項４記載の測定装置。
6. 入口ポート（１０）における測定通路（９）の少なくとも１つの制限壁（３５）の端面（３４）が、該端面（３４）の平面内に位置する横方向流動成分をもって媒体を前記制限壁（３５）の端面（３４）に衝突させるように、測定通路（９）の主流動方向（２５）に対して方位づけられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の測定装置。
7. 測定通路（９）が、該測定通路（９）を通流する媒体の主流動方向（２５）に沿って先細になっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の測定装置。
8. 変向ガイド通路（１１）がＳ字形に形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の測定装置。
9. 測定素子（１２）が、ダイヤフラム上に配置された複数の抵抗素子を備えたマイクロメカニックな構成部材として構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の測定装置。

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