KR20010013464A - 유동매질의 질량을 측정하기 위한 측정장치 - Google Patents

유동매질의 질량을 측정하기 위한 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관(2)에서 주유동방향을 따라 흐르는 매질, 특히 내연기관의 흡입공기량을 측정하기 위한 측정장치(1)에 관한 것이다. 이 측정장치(1)는 주위로 유동매질이 흐르는 측정소자(21)를 포함한다. 상기 측정소자(21)는 관(2)에 제공된 측정채널(33)에 배치된다. 상기 측정채널(33)은 이 측정채널(33)의 입구(36)로부터 굴곡채널(34)까지 축방향으로 연장된다. 이 굴곡채널(34)은 측정장치(1)의 외면(45)에 배치되며 관(2)과 연결되는 출구(46)로 안내된다. 출구(46)의 주위에는, 이 출구(46)를 포함하는 측정장치(1)의 외면(45)에 제공된 적어도 하나의 융기부(50)가 제공된다.

Description

유동매질의 질량을 측정하기 위한 측정장치{Measuring device for measuring the mass of a flowing medium}
독일특허 44 07 209 A1에는 매질 흐름에 대해 횡으로 연장된 지지부를 포함한 장치가 제안되어 있으며, 이 지지부는 유동을 제한하는 경계벽에 형성된 구멍에 삽입가능하도록 되어 있다. 이러한 경계벽은, 예를 들어 흡입관의 벽이 되며, 이러한 흡입관을 통해서 내연기관은 주위의 공기를 흡입한다. 지지부는 길쭉한 형태를 이루며 또한 유동매질로 돌출되어 있는 지지부의 자유 단부에 측정채널을 가지고 있으며, 이 측정채널에는 매질이 흐른다. 측정채널에서는 온도에 따라 작동하는, 소위 마이크로미케니컬 구조의 열감응성 측정소자가 배치되어 있다. 또한 DE 195 24 634 A1에는, 예를 들어 판모양의 지지대위에서 실리콘웨이퍼의 에칭을 통하여 형성된 센서부를 포함하는 측정소자가 공지되어 있으며, 상기 센서부는 복수의 저항층을 통하여 적어도 하나의 열감응성 측정저항을 형성한다. 이 센서부는 지지부에서 매우 얇은 두께를 가지며 단 하나의 작은 단면으로 설정되어 있는데, 이는 유동속도의 변화, 혹은 유동매질의 질량의 변화에 대한 반응시간을 신속하게 감지하기 위한 것이다.
내연기관의 운전시, 내연기관의 흡입밸브가 개폐함으로써 난류적 성격을 띤 강한 파동형태의 유동이 흡입관을 지배하게 된다. 유동의 파동성은 측정채널에 측정소자를 배치함으로써 완충된다.
독일특허 DE 44 41 874 A1에서는 측정채널의 흡입구에 유동 저지물을 구비하고 있으며, 이 유동 저지물은 측정채널에서 효과적으로 한정된 유동 박리를 발생시키고 있다. 이 유동 저지물로서는, 예를 들어 트립 에지(trip-edge) 또는 트립 와이어(trip-wire)가 사용된다. 이러한 조치를 통해서 난류는 유동채널에서 감소하게 되며, 이로써 측정신호의 소음은 감소된다.
독일특허 DE 43 40 882 A1에 따르면, 유동 매질의 질량을 측정하기 위한 측정장치의 측정채널에서 마찰면으로 된 내장부쉬가 배치되어 있다. 마찰면에서는 유동저항을 변화시켜 의도적으로 측정 보정을 수행할 수 있도록 와류가 유도된다. 또한, 내장부쉬 대신에 유동에 영향을 주는 장치로서 얇은 박층이 구비될 수 있다.
본 발명은 청구항 1항의 종류에 따른 유동매질의 질량을 측정하기 위한 측정장치에 관한 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 해당하며 본 발명에 따라 형성된 측정장치의 측면을 부분적으로 도시한 단면도.
도 2는 제 2 실시예에 해당하며 본 발명에 따라 형성된 측정장치의 측면을 확대하여 부분적으로 도시한 단면도.
도 3은 제 3 실시예에 해당하며 본 발명에 따라 형성된 측정장치의 측면을 확대하여 부분적으로 도시한 단면도.
이에 비해, 청구항 제 1 항의 특징을 포함한 본 발명에 따른 측정장치는, 융기부의 적당한 설계를 통해서 측정장치가 특히 정교하게 적용될 수 있으며, 유동의 파동으로 인한 시스템의 측정오차가 제거되거나 최소한 감소될 수 있는 장점을 갖는다. 측정채널에서의 길이, 유동저항, 그리고 직경 등의 적절한 치수설계를 통해서 파동오차(즉 파동의 발생 인한 오차)를 크게 감소시킬 수 있는 한편, 굴곡채널의 출구 주변에 구비된 융기부의 배치, 형태, 길이, 높이 그리고 다른 인수의 최적화를 통해서 파동오차에 대한 아주 작은 영향과 이 파동오차의 최소화가 이루어진다.
종속항에서 실시하고 있는 처방을 통해서 청구항 제 1 항에서 제시하고 있는 측정장치의 유리한 다른 구조와 개선이 가능하다.
융기부는 관의 주유동방향을 향한 주변영역에서 뿐만 아니라 관의 주유동방향의 반대측 굴곡채널의 출구의 주변영역에도 배치될 수 있다. 출구의 상류쪽에 융기부를 배치하는 경우에 파동오차는 감소한다. 반대로 주유동방향을 따라 출구의 하류에 융기부를 배치할 경우 파동오차는 증가한다.
주유동방향을 향하는 출구의 주변영역에 융기부가 제공될 때, 이 융기부는 날카롭게 테두리 형태로 형성되거나 매우 낮은 회전반경을 갖는 분리테두리를 갖는다. 이때, 융기부는 출구 이상으로 돌출하도록, 다시 말해서 분리테두리가 관의 주유동방향에 대해 수직하게 연장된 평면으로 출구를 나누도록 배치되는 것이 바람직하다. 주로, 융기부는 삼각형 모양의 횡단면을 이루고 있으며, 이때 삼각형의 횡단면 모서리는 분리테두리를 형성하며, 또한 이 삼각형 횡단면의 또 다른 모서리는 출구의 상류쪽 단부와 연결된다.
융기부가 주유동방향으로부터 멀어지는 출구의 주변영역에 설치될 때, 융기부는 최소한 주유동방향을 향해 있는 정면을 라운딩 가공하는 것이 유리하다. 특히 융기부는 물결 형태를 이루어 계속해서 굽어짐으로써, 융기부는 관의 주유동방향의 하류영역에서 각을 이루지 않고 평탄하게 진행되도록 되어 있으며, 이곳에서 출구를 구비하고 있는 외면이 연장되어 있다. 이와 동시에 융기부의 영역에서는 상대적으로 미소한 와류가 발생하고, 또한 융기부는 관의 주유동으로 상대적으로 미소한 유동저항을 일으키고 있다.
본 발명의 실시예를 도면에 간단히 도시하며 이하에서 상세히 설명한다.
도 1의 부분 단면도에서는 유동매질의 질량을 측정하기 위해, 특히 내연기관의 흡입공기량의 측정을 위해서 사용되고 있는 측정장치를 도면부호 1로 도시하고 있다.
측정장치(1)는 특히 얇고, 종축(10)의 방향, 즉 반경방향으로 길게 연장되어 있는 마름모꼴 형태를 이루고 있으며, 또한 이 측정장치는 관(2)의 경계벽(5)에 형성된 구멍(6)에 삽입할 수 있도록 되어 있다. 경계벽(5)은, 예를 들어 흡입관의 벽이 되며, 이 흡입관을 통해서 내연기관은 주변으로부터 공기를 흡입한다. 경계벽(5)은 유동 횡단면(7)을 한정하며, 이 유동 횡단면(7)은, 예를 들어 흡입관이 실린더 형태인 경우 대략 원형단면이 되며, 이 원형단면의 중심에서 축방향으로 경계벽(5)과 나란하게 중심축(11)이 연장되어 있으며, 이 중심축(11)은 실시예에 있어서, 측정장치(1)의 종축(10)에 대해 수직하게 배치된다. 측정장치(1)는 밀폐링(3)을 이용해서 경계벽(5)에 밀봉되는데, 예를 들어 여기서는 상세히 도시하지 않은 나사체결을 이용해서 견고하게 연결된다.
측정장치(1)는 측정부(17)로 표시된 부분이 유동매질에 돌출되어 있고, 이와 동시에 측정부(17)는, 예를 들어 유동단면(7)의 중간쯤에서 중심축(11)에 대해 대칭적으로 배치되어, 측정부(17)에 설치된 열감응성 측정소자(20)가 경계벽(5)에 의해 발생할 수 있는 주변영향의 방해없이 유동매질이 유동할 수 있도록 되어 있다. 도 1, 2 및 3의 실시예에서 매질은 오른쪽에서 왼쪽으로 유동하고 있으며, 이때 주유동 방향은 화살표 30으로 표시되어 있다.
측정장치(1)는 측정부(17)와, 지지부(18)와, 고정부(19)가 서로 일체로 결합되며 그리고 플라스틱 사출방법에 의해 플라스틱으로 생산된다. 측정소자(20)는, 예를 들어 독일특허 DE 195 24 634 A1에 기술된 바와 같이, 반도체, 즉 실리콘웨이퍼의 에칭을 통해서, 이른바 마이크로미케니컬 구조로 제조되는 부품이다. 측정소자(20)는 에칭에 의해 발생되는 맴브레인 형태의 센서부(21)를 가지고 있으며, 이 센서부(21)는 도 1과 2에서 II으로 표시되어 있다. 센서부(21)는 매우 얇은 두께로 이루어지며 마찬가지로 에칭에 의해서 생산되는 다수의 저항층을 구비하고 있으며, 이 저항층은 열감응성 측정저항, 예를 들어 하나의 열저항으로 구성된다.
측정소자(20)는, 이른바 열필름 센서소자로 되어 있으며, 이 센서소자의 구조는, 예를 들어 DE-OS 36 38 138호에 기재되어 있다. 이러한 열필름-센서소자는 마찬가지로 판형 기판위에 장착된 하나의 저항층을 가지고 있으며, 이 저항층은 적어도 하나의 열감응성 측정저항과, 예를 들어 적어도 하나의 열저항을 포함하고 있다.
측정소자(20), 예를 들어 센서소자(21)의 각각의 저항층은 측정장치(1)의 내부와 연결된 연결회로(22)를 이용해서 도 1에 표시한 전자 평가회로(23)와 전기적으로 접속되어 있다. 전자 평가회로(23)는, 예를 들어 하나의 브리지스톤 브리지와 유사한 저항측정회로를 포함하고 있다. 상기 평가회로(23)는, 예를 들어 측정장치의 지지부(18) 또는 고정부(19)에 배치된다. 고정부(19)에 제공된 플러그(24)를 통하여 평가회로(23)에 발생된 전기신호의 평가를 위해, 예를 들어 또 다른 하나의 전기 제어장치로 전달되며, 이 제어장치는 그밖에 전기적인 공회전조정 기능이나 내연기관의 엔진출력조정 기능을 제어하게 된다. 도시한 실시예에 있어서, 측정소자(20)는, 특히 금속판(26)이 삽입되어 있으며, 이 판은 주유동방향(30)과 마주보는 방향으로 절단부(27)를 가질 수 있다. 그리고, 본 명세서에서는, 열감응성 측정소자(20)의 기능과 구조에 대하여 종래기술에 이미 알려져 있기 때문에 상세히 기술하지는 않는다.
측정장치(1)의 측정부(17)는, 예를 들어 마름모 모양을 이루며, 측정부(17)에서 축방향으로 연장된 측정채널(33)과, 예를 들어 S자 형태로 이루어진 굴곡채널(34)을 갖는다. 측정채널(33)은 중심축(11)의 방향으로 측정부(17)에서 축방향으로, 예를 들어 사각형의 횡단면으로 이루어진 흡입구(36)에서부터 연결구(35)까지 연장되어 있다. 측정채널(33)은 중심축(11)으로부터 이격된 평면(38)과 중심축(11)과 인접한 하부면(37)에 의해서, 즉 두 개의 측면에 의해서 제한된다. 측정채널(33)을 중심축(11)에 편심되게 배치하는 대신에, 중심에 또는 경계벽(5)의 중심축(11)의 영역에 배치할 수도 있다. 판형의 측정소자(20)는 측정채널(33)에서 이 측정채널의 긴 연장부를 통하여 종축(10)의 방향으로 향하며, 또한 이 연장부와 대칭으로 배치된다. 측정소자(20)는 이 측정소자의 좁은 단부의 한쪽을 통하여 지지부(18)의 표면(38)에 고정되어, 이 측정소자(20)의 두 개의 측면을 통하여 중심축(11)에 대해 거의 평행하게 매질이 주위를 유동하게 되도록 되어 있다. 매질은 측정채널(33)의 흡입구(36)에서 측정소자(20)로 흐르고, 또한 이 측정소자(20)에서 굴곡채널(34)로 유동하게 되는데, 이는 출구(46)에서 매질을 도 1 및 2에 도시한 화살표 31의 방향, 즉 반경방향으로 배출시키도록 굴곡채널(34)이 형성되어 있기 때문이다.
이어서 출구(46)에서 나온 유동매질은 재차 측정장치(1)의 주위로 흐르는 매질과 섞이게 된다. 출구(46)는 굴곡채널(34)과 같이, 예를 들어 하나의 사각형의 횡단면을 가지며 그리고 중심축(11)에 평행한 측정부(17)의 외면(45)에 배치되어 있다. 주유동방향(30)과 관련해서 사각형 출구(46)의 상류쪽에서 주유동방향(30)과 마주하는 측정부(17)의 테두리면(42)이 외부면(45)에 대해 횡으로 이어져 있으며, 이 테두리면(42)은 흡입구(36)의 상류에서 외면(45)을 라운딩 처리한 형태를 하여 흡입구(36) 근처의 측정채널(33)의 하부면(37)에 이르게 된다.
본 발명에 따라서, 출구(46)를 구비하고 있는 측정장치(1)의 외면(45)에는 출구(46) 주위로 적어도 하나의 융기부(50)가 배치된다.
도 1에 도시한 실시예에서, 융기부(50)는 주유동방향(30)을 향하는 출구(46)의 주변부(51)에 배치되며 하나의 분리테두리(51)를 구비하고 있다. 도 1에 도시한 실시예에 있어서, 분리테두리는 날카로운 테두리로 이루어진다.
도 2는 측정장치(1)에서 중심축(11)의 영역을 확대하여 도시한 도면이다. 상술한 부품들은 동일한 도면부호로 표시한다. 도 1에 도시한 실시예와 다른 점은 분리테두리(52)가 도 2에 도시한 실시예의 경우에 날카로운 테두리로 이루어진 것이 아니라, 매우 작은 회전반경(r)의 구조를 이루고 있다는 것이다.
도 1에 도시한 실시예의 경우에, 날카로운 분리테두리(52) 뿐만 아니라 도 2에 도시한 실시예에서 라운딩 처리된 분리테두리(52)로도 융기부(50)는 각각 주유동방향(30)과 관련해서 출구(46)의 상류쪽 단부(53)에 대해서 돌출되어 있다. 다른 방식으로서, 분리테두리(52)와 접촉되며, 관(2)의 주유동방향(30)에 대해 수직하게 연장된 평면(54)이 출구(46)를 분할한다. 융기부(50)는 실질적으로 삼각형의 단면으로 되어 있으며, 이와 동시에 삼각형 횡단면의 모서리가 분리테두리(52)를 이루고 또 다른 삼각형의 횡단면 모서리는 관(2)의 주유동방향(30)과 관련해서 출구(46)의 상류쪽 단부(53)와 연결된다. 삼각형 횡단면의 세 번째 모서리는 접촉포인트(55)를 이루며, 이곳에서 융기부(50)는 굽어진 테두리면(42)에 이르게 된다.
주유동방향(30)을 향한 출구(46)의 주변부(51)에 융기부(50)가 배치됨으로써 융기부(50)가 설치되지 않을 때 시스템 측정오차로서 발생하는 파동오차가 감소되어 보상된다.
도 3은 본 발명에 따른 측정장치(1)의 제 3 실시예를 도시하며, 이와 동시에 융기부(50)는 주유동방향(30)의 반대측 출구(46)의 주변부(60)에 배치된다. 이와 동시에 융기부(50)는 물결형태를 이루며, 주유동방향(30)을 향하여 정면부(61)에서부터 라운딩되어 있다. 융기부(50)의 정면(61)에서 충돌압력이 형성되며, 이 충돌압력은 측정채널(33)과 굴곡채널(34)에서의 유동 흐름을 어렵게 한다. 시스템의 측정오차로서 발생되는 파동오차는 증가되고 이에 따라서 오차는 보상된다. 동시에 관(2)에서는 측정채널(33)과 굴곡채널(34)에서 흐르는 통과 유량이 주유동방향(30)에 대해 역류하는 것을 저지하게 된다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 융기부(50)는, 도 3에 도시한 실시예의 경우에, 계속해서 굽어지며 그리고 주유동방향(30)과 관련하여 하류영역(62)에서 모서리를 이루지 않고 평면(63)에 이르게 되며, 이 평면에 출구(46)를 구비하고 있는 외면(45)이 연장되어 있다.
실질적으로 측정채널(33) 및 굴곡채널(34)의 길이와, 유동저항과, 횡단면 등을 적절하게 설계하므로써, 실제 발생하는 파동오차가 큰 폭으로 감소될 수 있는 한편, 본 발명에 따라 제공된 적어도 하나의 융기부(50)에 의해 굴곡채널(34)의 출구(46)의 주위 영역에서, 파동오차가 매우 정밀하게 보상되어 오차가 제거될 수 있다. 본 발명에 따른 측정장치(1)에서 융기부(50)가 없을 때의 파동오차가 증가하는지 감소하는지에 따라서, 상기 융기부(50)는 도 1과 2에 도시한 실시예에 따른 주유동방향(30)에 상응하는 주변부(51)에 배치되거나, 아니면 도 3에 도시된 실시예에 따른 주유동방향(30)의 반대측 출구(46)의 주변부(60)에 배치될 수 있다. 융기부(50)가 약 0.5mm 증가하면 약 5% 내지 10%의 파동오차를 감소시킬 수 있다는 것이 실험에 의해서 입증되었다. 융기부(50)의 높이와 형태를 최적화하므로써 이로 인한 파동오차는 더 폭넓게 감소하거나 제거될 수 있다.

Claims (10)

  1. 유동매질이 주위로 흐르는 측정소자(21)를 포함하며, 상기 측정소자(21)는 관(2)에 제공된 측정채널(33)에 배치되며, 상기 측정채널(33)은 이 측정채널(33)의 흡입구(36)에서 굴곡채널(34)까지 축방향으로 연장되고, 상기 굴곡채널(34)은 측정장치(1)의 외면(45)에서 관(2)과 연결된 출구(46)로 안내되는, 관(2)에서 주유동방향(30)을 따라서 흐르는 매질의 질량, 특히 내연기관의 흡입공기량을 측정하기 위한 측정장치에 있어서,
    상기 출구(46)을 갖는 측정장치(1)의 외면(45)에서 출구(46)의 주위로 적어도 하나의 융기부(50)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 주유동방향(30)을 향한 주변부(51)에 배치되거나 또는 주유동방향(30)의 반대측 출구(46)의 주변부(60)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 주유동방향(30)을 향한 출구(46)의 주변부(51)에 배치되며 분리테두리(52)를 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 분리테두리(52)는 날카로운 테두리 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 측정장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 분리테두리(52)는 매우 작은 회전반경(r)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리테두리(52)는 관(2)의 주유동방향(30)에 대해 수직하게 연장된 평면(54)으로 출구(46)를 나누는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 실질적으로 삼각형 모양의 횡단면을 이루고 있으며, 이때 삼각형의 횡단면 모서리는 분리테두리(52)를 형성하며, 또한 이 삼각형 횡단면의 또 다른 모서리는 관(2)의 주유동방향(30)과 관련해서 출구(46)의 상류쪽 단부(53)와 연결되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 주유동방향(30)의 반대측 출구(46)의 주변(60)에 배치되며 그리고 주유동방향(30)을 향한 정면영역(61)에서 적어도 라운딩되는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 물결모양을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 융기부(50)는 게속해서 굽어져 있으며, 관(2)의 주유동방향(30)과 관련해서 하류영역(62)에서 모서리를 이루지 않고 평면(63)에 이르게 되며, 이 평면에서 출구(46)를 구비하는 외면(45)이 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
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