WO2020099002A1 - Vorrichtung zur bestimmung wenigstens eines parameters eines in einem strömungsrohr strömenden fluiden mediums - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung wenigstens eines parameters eines in einem strömungsrohr strömenden fluiden mediums Download PDF

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WO2020099002A1
WO2020099002A1 PCT/EP2019/075462 EP2019075462W WO2020099002A1 WO 2020099002 A1 WO2020099002 A1 WO 2020099002A1 EP 2019075462 W EP2019075462 W EP 2019075462W WO 2020099002 A1 WO2020099002 A1 WO 2020099002A1
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WO
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channel
channel structure
sound absorber
sensor
fluid medium
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PCT/EP2019/075462
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Inventor
Michael Keller
Varun Shenoy
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
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    • F02M35/1255—Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification using resonance
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/172—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using resonance effects

Definitions

  • hot film air mass meters are generally based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, for example with a sensor membrane as the measuring surface, over which the flowing fluid medium can flow.
  • the sensor chip generally 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, one temperature sensor being arranged upstream of the heating element and another temperature sensor being arranged downstream of the heating element.
  • a mass flow and / or volume flow of the fluid medium can be concluded from an asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium.
  • the sensor housing of the hot film air mass meter is usually designed as a plug-in sensor, which can be inserted into a flow tube in a fixed or exchangeable manner.
  • this flow tube can be an intake line of an internal combustion engine.
  • Channel structure can be formed in the sensor housing, which has a measuring channel and at least one sensor chip arranged in the measuring channel for determining the parameter of the fluid medium.
  • the sensor housing has an inlet in the channel structure, which in the assembled state of the sensor housing in the
  • Suction line opposes a main flow direction of the fluid medium in the suction line, and at least one outlet.
  • a partial flow of the medium flowing in the flow tube passes through the inlet into a bypass channel of the channel structure.
  • the bypass channel has a branch at which a
  • Measuring channel branches from the bypass channel.
  • the measuring channel has a curved section for deflecting the media flow that has entered, the curved section subsequently merging into a section in which the sensor chip is arranged. Finally, the measuring channel opens into the bypass channel or into a separate outlet provided on the sensor housing.
  • the main challenge is to further improve the signal quality and the robustness of the devices against contamination by oil and water pots as well as soot, dust and other solid particles.
  • a high-frequency acoustic disturbance can also occur in the intake line, which originates, for example, from one to the other
  • Intake line connected exhaust turbocharger can have.
  • Pressure pulsation of the intake line can interact with the air in the channel structure of the device for determining the at least one parameter and cause an adverse resonance oscillation there.
  • the resonance oscillation depends on the geometry of the channel structure of the sensor housing and can occur with such
  • Resonance vibration can cause large fluctuations in the speed of the air flowing in the measuring channel, which overall can lead to the device not being able to correctly record the measured value due to its thermal inertia. Disclosure of the invention
  • the device according to the invention for determining at least one parameter of a fluid medium flowing in a flow tube, in particular an air mass in an intake line of an internal combustion engine has a sensor housing which is designed as a plug-in sensor which can be inserted or inserted into a flow tube.
  • a channel structure is formed in the sensor housing, which has a measuring channel and at least one sensor chip arranged in the measuring channel for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing having an inlet into the channel structure which points against a main direction of flow of the fluid medium, and at least one outlet from the channel structure, the channel structure being delimited by wall sections.
  • at least one wall section of the channel structure is provided with at least one sound absorber designed as a resonator.
  • a high-frequency fluctuation in the speed of the air flowing in the duct structure can advantageously be weakened or avoided entirely by the at least one sound absorber designed as a resonator. In this way, a faulty measurement signal can be avoided more reliably and the robustness of the performance compared to high-frequency pressure pulsations is increased.
  • the sound absorber can be designed, for example, as a Helmholtz resonator, as a Herschel-Quincke resonator or as a simple lambda / 4 tube. The latter two cases use destructive wave interference to absorb sound.
  • the at least one sound absorber can be designed in a simple and cost-saving manner through a cavity in the sensor housing, the cavity surrounding an air volume and being connected to the channel structure only via a connecting channel which is formed in the at least one wall section.
  • the mass of the air contained in the connecting duct forms, with the elasticity of the air volume contained in the cavity, quasi an oscillatory mass-spring system which has at least one natural frequency which is the natural frequency of the at least one sound absorber.
  • This at least one natural frequency of the sound absorber is particularly advantageously adapted to a resonance frequency of the oscillation of the air flow occurring in operation in the channel structure or to the resonance frequency of the pressure pulsation, so that the oscillation of the air flow oscillating in the channel structure with the resonance frequency is damped by the sound absorber.
  • This is advantageously brought about by the fact that the energy contained in the oscillation is used according to the principle of a Helmholtz resonator to excite the sound absorber at its natural frequency. As a result, this energy is ultimately converted into heat in the sound absorber and thereby absorbed. It is sufficient for this that the resonance frequency of the oscillation lies approximately in the range of the natural frequency of the sound absorber.
  • the at least one natural frequency of the sound absorber corresponds to the resonance frequency of the oscillation of the air flow occurring in operation in the channel structure, or it comes as close as possible to this.
  • Has branch point from the bypass channel branching measuring channel In such devices, a partial flow of the medium first passes through the inlet into the bypass channel of the channel structure and through the bypass channel to an outlet from the channel structure.
  • the air that has entered the bypass duct is partially branched off at a branching point and enters the actual measuring duct there.
  • the branching point is designed in such a way that large centrifugal forces act on the branched-off air flow, so that relatively heavy particles, such as, for example
  • Contaminations due to the inertia while maintaining their trajectory in the bypass channel, are transported further to the outlet, while the relatively light air molecules are increasingly deflected and fed to the measuring channel.
  • the air in the measuring duct is therefore cleaner than in the bypass duct.
  • Sound laboratory in the measuring channel is advantageously achieved in that the connecting channel of the sound absorber is protected against contamination, so that the reliability of the mode of operation of the sound absorber is increased during operation.
  • the at least one sound absorber can be formed in a simple manner in a wall section of the measuring channel. Since the sensor housing is often made of plastic, it is relatively easy to provide an additional cavity in this plastic, which is in fluid communication with the measuring channel via a defined connecting channel.
  • several sound absorbers can be provided in the channel structure. These can be dimensioned differently, that is to say they can be designed with different geometric dimensions of the cavity and / or the length and the diameter of the connecting channel. Different natural frequencies result from the different dimensions, so that in the
  • Fig. 1 shows a perspective view of a front of a device for
  • the device Determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a measuring channel, the device being designed as a plug-in sensor that can be inserted or inserted into a flow tube,
  • FIG. 2 shows a view of the same front of the device from FIG. 1 with the electronics compartment cover removed and without the measuring duct cover,
  • FIG. 3 shows a perspective partial view of a section of a sensor housing for a plug-in sensor designed according to the invention with a channel structure in which at least one sound absorber designed as a Helmholtz resonator is provided.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of a device 10 for determining a parameter of a fluid medium flowing through a flow tube (not shown).
  • the device 10 is designed as a hot film air mass meter and can in particular be a
  • the device 10 is designed as a plug-in sensor, which can be inserted into a flow tube, in particular an intake tract of the internal combustion engine.
  • the device 10 has a sensor housing 12.
  • a channel structure 14 is formed in the sensor housing 12, through which a subset of the fluid medium can get into the channel structure 14 via an inlet opening or an inlet 16, which in the inserted state points against a main flow direction 18 of the fluid medium.
  • the channel structure 14 has a bypass channel 20 downstream of the inlet 16, which can open into its own channel outlet 21 (FIG. 2) on a front side 22 of the sensor housing 12, as well as a measuring channel 24 branching off the bypass channel 20, which leads into an outlet 28 of the channel structure 14 opens, which can also be the exit of the bypass channel.
  • the outlet 28 can be arranged on the end face or a side wall of the plug-in sensor 12, for example on the front side 30 or a rear side 22 facing away from it.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the sensor arrangement 10 in an unlocked state. Raises into the measuring channel 24 as with conventional ones
  • a sensor chip 34 is arranged in or on the sensor carrier 32 such that the fluid medium flowing in the measuring channel flows over a sensor membrane designed as a sensor region of the sensor chip 34.
  • the sensor carrier 32 with the sensor chip 34 is part of an electronic module 36, which can have a bent base plate as the sensor carrier 32 and a printed circuit board 38 with a control and evaluation circuit 40 attached, for example glued, to it.
  • the sensor carrier 32 can, for example, be injection molded onto the floor panel as a plastic component.
  • the sensor chip 34 can be electrically connected to the control and evaluation circuit 40 via electrical connections 42, for example wire bond connections.
  • the electronics module 36 is inserted, for example glued, into an electronics space 44 of the sensor housing 12.
  • the electronics compartment 44 is then closed by an electronics compartment cover 46 (FIG. 1).
  • the channel structure 14 can be formed in a measuring channel cover 48, which is part of the sensor housing 12 and is placed on the front 30 of the sensor housing 12.
  • FIG. 3 shows a perspective view of the measuring channel cover 48 according to an embodiment of the invention.
  • the channel structure 14 is formed in the measuring channel cover 48.
  • Figure 3 shows a possible variant of
  • Channel structure 14 in which the bypass channel 20 and the measuring channel 24 open together into the outlet 28 on an end face 26 of the device 10. As can be seen from FIG. 3, the channel structure 14 is delimited by wall sections 50.
  • Wall sections 50 thus specify the shape of the channel structure 14.
  • the channel structure 14 is delimited on at least three sides by the wall sections 50 within the measuring channel cover 48.
  • the fourth side of the boundary can be, for example, by a
  • Wall section on a rear side 22 of the sensor housing 12 can be realized.
  • the wall sections 50 can be at least partially made of the material of the
  • Measuring channel cover 48 are formed, for example from a plastic. As can be seen in FIG. 3, for example, a wall section 51 of the channel structure 14 is provided with a sound absorber 60, which is preferably used in this exemplary embodiment as
  • Helmholtz resonator is formed.
  • a Helmholtz resonator consists of an air volume of any shape, which is provided with an opening to the outside via a connecting channel.
  • Po is the density of the air.
  • the inertial mass m of the air contained in the connecting channel forms, with the elasticity of the air volume contained in the cavity, quasi an oscillatory mass-spring system which has at least one natural frequency. If the connecting channel is approximately cylindrical, for example, such a system has a natural frequency fo, for which the following applies:
  • V is the enclosed volume of air in the cavity
  • R is the radius of the connecting channel.
  • the at least one sound absorber can be designed in a simple and cost-saving manner by a cavity in the sensor housing surrounding an air volume V, the cavity being connected to the channel structure only via a single connecting channel which is formed in the at least one wall section. It can be seen in FIG. 3 that the sound absorber 60 has a cavity 61 which is connected to the measuring channel 24 of the channel structure 14 via a small connecting channel 62.
  • the natural frequency of the sound absorber 60 is adapted to an expected resonance frequency of the oscillation of the air flow occurring in the channel structure 14 during operation. This resonance frequency can easily be determined in tests in a flow channel.
  • the sound absorber can be designed in a simple manner, for example according to the physical relationships described above, in such a way that the natural frequency of the sound absorber is adapted to the resonance frequency.
  • the oscillation of the air flow oscillating in the channel structure 14 at the resonance frequency is at least damped or completely absorbed by the sound absorber 60.
  • the energy contained in the oscillation is used according to the principle of a Helmholtz resonator to excite the sound absorber 60 at the natural frequency and is thereby absorbed. It is sufficient if the resonance frequency of the oscillation is approximately in the range of the natural frequency of the
  • the sound absorber 60 is preferably arranged downstream of the sensor chip 34 and upstream of the outlet 28. Deviating from this, however, it is also possible to provide the sound absorber 60 at another location of the channel structure 14 in another wall section 50.
  • a further embodiment it is also possible to provide a plurality of sound absorbers at different points in the channel structure 14. It is particularly possible, but not necessary, to dimension the sound absorbers differently, that is to say to provide them with different geometric dimensions, so that different sound absorbers have different natural frequencies. It is also possible, but not necessary, to design at least one sound absorber in other embodiments, for example according to the operating principle of lambda / 4 tubes or Herschel-Quincke resonators. Both embodiments are based on the principle of destructive wave interference.

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Abstract

Der Vorschlag betrifft Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (10) ein Sensorgehäuse (12) aufweist, das als ein in das Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist, wobei in dem Sensorgehäuse (12) eine Kanalstruktur (14) ausgebildet ist, die einen Messkanal (24) und mindestens einen in dem Messkanal (24) angeordneten Sensorchip (34) zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse (12) einen Einlass (16) in die Kanalstruktur (14), der einer Hauptströmungsrichtung (18) des in dem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass (28) aus der Kanalstruktur (14) aufweist, wobei die Kanalstruktur (14) von Wandabschnitten (50) begrenzt wird. Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Wandabschnitt (51) der Kanalstruktur (14) mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber (60) versehen ist.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem
Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich um
physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom des strömenden Mediums handeln.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146-148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche, welcher 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, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und ein weiterer Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements angeordnet ist. 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.
Das Sensorgehäuse des Heißfilmluftmassenmessers wird üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um eine Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine handeln.
In dem Sensorgehäuse kann Kanalstruktur ausgebildet sein, die einen Messkanal, und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in die Kanalstruktur auf, welcher im montierten Zustand des Sensorgehäuses in der
Ansaugleitung einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in der Ansaugleitung entgegenweist, und mindestens einen Auslass.
Ein Teilstrom des in dem Strömungsrohr strömenden Mediums gelangt durch den Einlass in einen Bypasskanal der Kanalstruktur. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bypasskanals weist der Bypasskanal eine Verzeigungsstelle auf, an welcher ein
Messkanal von dem Bypasskanal abzweigt. Der Messkanal weist einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des eingetretenen Medienstroms auf, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der Messkanal mündet schließlich wieder in den Bypasskanal oder einen am Sensorgehäuse vorgesehenen eigenen Auslass.
Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine
hauptsächliche Herausforderung darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertöpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstigen Festkörperpartikeln weiter zu verbessern. Im Betrieb einer derartigen Vorrichtung kann es außerdem in der Ansaugleitung zu einer hochfrequenten akustischen Störung kommen, die ihren Ursprung beispielsweise in einem an die
Ansaugleitung angebundenen Abgasturbolader haben kann. Die hochfrequente
Druckpulsation der Ansaugleitung kann mit der Luft in der Kanalstruktur der Vorrichtung zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters wechselwirken und dort eine nachteilige Resonanzschwingung hervorrufen. Die Resonanzschwingung ist abhängig von der Geometrie der Kanalstruktur des Sensorgehäuses und kann bei derartigen
Vorrichtungen in einem Frequenzbereich im Kiloherzbereich auftreten. Die
Resonanzschwingung kann starke Geschwindigkeitsschwankungen der im Messkanal strömenden Luft bewirken, was insgesamt dazu führen kann, dass die Vorrichtung aufgrund ihrer thermischen Trägheit den Messwert nicht richtig erfassen kann. Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse auf, das als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist. In dem Sensorgehäuse ist eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die einen Messkanal und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse einen Einlass in die Kanalstruktur, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass aus der Kanalstruktur aufweist, wobei die Kanalstruktur von Wandabschnitten begrenzt wird. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Wandabschnitt der Kanalstruktur mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber versehen ist.
Vorteile der Erfindung
Durch den als Resonator ausgebildeten wenigstens einen Schallabsorber lässt sich vorteilhaft eine hochfrequente Geschwindigkeitsfluktuation der in der Kanalstruktur strömenden Luft abschwächen oder ganz vermeiden. Dadurch lässt sich ein fehlerhaftes Messsignal zuverlässiger vermeiden und die Robustheit der Verrichtung gegenüber hochfrequenten Druckpulsationen steigern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
Der Schallabsorber kann beispielsweise als Helmholtz-Resonator, als Herschel-Quincke- Resonator oder als einfaches Lambda/4-Rohr ausgebildet sein. Die beiden letztgenannten Fälle nutzen eine destruktive Welleninterferenz zur Schallabsorption.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung als Helmholtz-Resonator. Dabei kann der wenigstens eine Schallabsorber in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität ein Luftvolumen umgibt und nur über einen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. Bei einer derartigen Ausbildung des Schallabsorbers als Helmholz-Resonator bildet die Masse der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist, welche die Eigenfrequenz des wenigstens einen Schallabsorbers ist.
Besonders vorteilhaft ist diese wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers an eine Resonanzfrequenz der in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung beziehungsweise an die Resonanzfrequenz der Druckpulsation angepasst, so dass die Oszillation der in der Kanalstruktur mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber gedämpft wird. Dies wird vorteilhaft dadurch bewirkt, dass die in der Oszillation enthaltene Energie nach dem Prinzip eines Helmholtz- Resonators zur Anregung des Schallabsorbers in der Eigenfrequenz aufgewandt wird. Dadurch wird diese Energie letztlich in dem Schallabsorber in Wärme umgewandelt und dadurch absorbiert. Hierzu reicht es aus, dass die Resonanzfrequenz der Oszillation in etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Schallabsorbers liegt. Im Idealfall entspricht die wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung, beziehungswiese kommt dieser möglichst nahe.
Ein derartiger Schallabsorber ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Vorrichtung einsetzbar, die eine Kanalstruktur mit einem Bypasskanal und einen an einer
Verzweigungsstelle von dem Bypasskanal abzweigenden Messkanal aufweist. Bei derartigen Vorrichtungen gelangt ein Teilstrom des Mediums durch den Einlass zunächst in den Bypasskanal der Kanalstruktur und durch den Bypasskanal zu einem Auslass aus der Kanalstruktur. Die in den Bypasskanal eingetretene Luft wird teilweise an einer Verzweigungsstelle abgezweigt und tritt dort in den eigentlichen Messkanal ein. Die Verzweigungsstelle ist derart ausgebildet, dass große Fliehkraftkräfte auf die abgezweigte Luftströmung einwirken, so dass relativ schwere Partikel, wie beispielsweise
Verunreinigungen, aufgrund der Massenträgheit unter Beibehalten ihrer Flugbahn in dem Bypasskanal weiter zum Auslass transportiert werden, während die relativ leichten Luftmoleküle verstärkt umgelenkt und dem Messkanal zugeführt werden. Daher ist die Luft im Messkanal sauberer als im Bypasskanal. Durch die Anordnung des
Schallaborbers im Messkanal wird vorteilhaft erreicht, dass der Verbindungskanal des Schallabsorbers vor Verunreinigungen geschützt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Wirkungsweise Schallabsorbers im Betrieb erhöht wird. Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher Weise in einem Wandabschnitt des Messkanals ausgebildet sein. Da das Sensorgehäuse oftmals aus Kunststoff gefertigt wird, ist es relativ einfach eine zusätzliche Kavität in diesem Kunststoff vorzusehen, welche über einen definierten Verbindungskanal mit dem Messkanal in Fluidverbindung steht.
In vorteilhafter Weise ist der wenigstens eine Schallabsorber stromabwärts des
Sensorchips und stromaufwärts von dem Auslass in das Sensorgehäuse integriert, da in diesem Abschnitt genug Platz für die Integration des Schallabsorbers in das
Sensorgehäuse besteht und an dieser Stelle bevorzugt kritische Resonanzschwingungen auftreten können.
In einem Ausführungsbeispiel können mehrere Schallabsorber in der Kanalstruktur vorgesehen sein. Diese können unterschiedlich dimensioniert sein, das heißt mit unterschiedlichen geometrischen Dimensionen der Kavität und/oder der Länge und des Durchmessers des Verbindungskanals ausgebildet sein. Aus der unterschiedlichen Dimensionierung resultieren unterschiedliche Eigenfrequenzen, so dass in der
Kanalstruktur hochfrequente Fluktuationen, die mehrere unterschiedliche
Resonanzfrequenzen aufweisen können, absorbiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorderseite einer Vorrichtung zur
Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums, wobei die Vorrichtung als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbarer Steckfühler ausgebildet ist,
Fig. 2 zeigt einen Blick auf die gleiche Vorderseite der Vorrichtung aus Fig. 1 bei abgenommenem Elektronikraumdeckel und ohne den Messkanaldeckel,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Ausschnitts eines Sensorgehäuses für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Steckfühler mit einer Kanalstruktur, in der wenigstens ein als Helmholtz-Resonator ausgebildeten Schallabsorber vorgesehen ist. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines durch ein nicht dargestelltes Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums. Die Vorrichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und kann insbesondere einen
Ansaugluftmassenstrom einer Brennkraftmaschine erfassen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 als Steckfühler ausgebildet, welcher in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann.
Die Vorrichtung 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. In dem Sensorgehäuse 12 ist eine Kanalstruktur 14 ausgebildet, durch die über eine Einlassöffnung bzw. einen Einlass 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine Teilmenge des fluiden Mediums in die Kanalstruktur 14 gelangen kann. Die Kanalstruktur 14 weist stromabwärts des Einlasses 16 einen Bypasskanal 20 auf, welcher in einen eigenen Kanalauslass 21 (Figur 2) auf einer Vorderseite 22 des Sensorgehäuses 12 münden kann, sowie einen von dem Bypasskanal 20 abzweigenden Messkanal 24, welcher in einen Auslass 28 der Kanalstruktur 14 mündet, der auch gleichzeitig der Ausgang des Bypasskanals sein kann. Der Auslass 28 kann an der Stirnseite oder einer Seitenwand des Steckfühlers 12 angeordnet sein kann, wie beispielsweise an der Vorderseite 30 oder einer davon abgewandten Rückseite 22.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Sensoranordnung 10 in einem nicht verschlossenen Zustand. In den Messkanal 24 ragt wie bei herkömmlichen
Heißfilmluftmassenmessern ein Sensorträger 32. In oder an dem Sensorträger 32 ist ein Sensorchip 34 derart angeordnet, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 34 ausgebildete Sensormembran von dem im Messkanal strömenden fluiden Medium überströmt wird. Der Sensorträger 32 ist mit dem Sensorchip 34 Bestandteil eines Elektronikmoduls 36, das ein gebogenes Bodenblech als Sensorträger 32 sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 38 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 aufweisen kann. Der Sensorträger 32 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech angespritzt sein. Der Sensorchip 34 kann mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, beispielsweise Drahtbondverbindungen, elektrisch verbunden sein. Das Elektronikmodul 36 ist in einen Elektronikraum 44 des Sensorgehäuses 12 eingebracht, beispielsweise eingeklebt. Dies kann derart erfolgen, dass der Sensorträger 32 dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend wird der Elektronikraum 44 von einem Elektronikraumdeckel 46 (Figur 1 ) verschlossen. Die Kanalstruktur 14 kann in einem Messkanaldeckel 48 ausgebildet sein, der Teil des Sensorgehäuses 12 ist und auf die Vorderseite 30 des Sensorgehäuses 12 aufgesetzt ist.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Messkanaldeckels 48 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Kanalstruktur 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Messkanaldeckel 48 ausgebildet. Figur 3 zeigt eine mögliche Variante der
Kanalstruktur 14, bei der der Bypasskanal 20 und der Messkanal 24 gemeinsam in den Auslass 28 auf einer Stirnseite 26 der Vorrichtung 10 münden. Wie aus Figur 3 zu erkennen ist, wird die Kanalstruktur 14 von Wandabschnitten 50 begrenzt. Die
Wandabschnitte 50 geben somit die Form der Kanalstruktur 14 vor. Die Kanalstruktur 14 ist zumindest an drei Seiten von den Wandabschnitten 50 innerhalb des Messkanaldeckel 48 begrenzt. Die vierte Seite der Begrenzung kann beispielsweise durch einen
Wandabschnitt an einer Rückseite 22 des Sensorgehäuses 12 realisiert sein.
Die Wandabschnitte 50 können wenigstens teilweise aus dem Material des
Messkanaldeckels 48 gebildet werden, beispielweise aus einem Kunststoff. Wie in Figur 3 erkennbar ist, ist beispielsweise ein Wandabschnitt 51 der Kanalstruktur 14 mit einem Schallabsorber 60 versehen, der vorzugsweise in diesem Ausführungsbespiel als
Helmholtz-Resonator ausgebildet ist.
Ein Helmholtz-Resonator besteht aus einem Luftvolumen in beliebiger Form, das über einen Verbindungskanal mit einer Öffnung nach außen versehen ist. Die träge Masse der in dem Verbindungskanal befindlichen Luft beträgt: m = p0 - L - A0
wobei
L die Länge des Verbindungskanals,
Ao die Querschnittsfläche des Verbindungskanals und
Po die Dichte der Luft ist.
Die träge Masse m der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft bildet mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder- System aus, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist. Ist der Verbindungskanal beispielsweise annährend zylindrisch ausgebildet, so weist ein derartiges System eine Eigenfrequenz fo auf, für die gilt:
Figure imgf000010_0001
mit
Figure imgf000010_0002
wobei
V das umschlossene Luftvolumen in der Kavität ist,
c die Schallgeschwindigkeit des Mediums und
R der Radius des Verbindungskanals ist.
Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine ein Luftvolumen V umgebende Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität nur über einen einzigen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. In Figur 3 ist erkennbar, dass der Schallabsorber 60 eine Kavität 61 aufweist, die über einen kleinen Verbindungskanal 62 mit dem Messkanal 24 der Kanalstruktur 14 verbunden ist.
Die Eigenfrequenz des Schallabsorbers 60 ist an eine erwartete Resonanzfrequenz der in der Kanalstruktur 14 im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung angepasst. Diese Resonanzfrequenz kann in Versuchen in einem Strömungskanal leicht ermittelt werden. Durch geeignete Wahl des Volumens V und der geometrischen Abmessungen R und L des Verbindungskanals lässt sich der Schallabsorber beispielsweise gemäß dem oben dargestellten physikalischen Zusammenhängen in einfacher Weise so ausbilden, dass die Eigenfrequenz des Schallabsorbers an die Resonanzfrequenz angepasst ist. Als Folge davon wird die im Resonanzfall auftretende Oszillation der in der Kanalstruktur 14 mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber 60 wenigstens gedämpft oder ganz absorbiert. Dabei wird die in der Oszillation enthaltene Energie nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators zur Anregung des Schallabsorbers 60 in der Eigenfrequenz aufgewandt und dadurch absorbiert. Es reicht aus, wenn die Resonanzfrequenz der Oszillation in etwa im Bereich der Eigenfrequenz des
Schallabsorbers liegt. Im Idealfall entspricht jedoch die Eigenfrequenz des Schallabsorbers der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung.
Vorzugsweise ist der Schallabsorber 60 wie dargestellt stromabwärts des Sensorchips 34 und stromaufwärts von dem Auslass 28 angeordnet. Abweichend davon ist es aber auch möglich, den Schallabsorber 60 an einer andere Stelle der Kanalstruktur 14 in einem anderen Wandabschnitt 50 vorzusehen.
Weiterhin ist in einer weiteren Ausführungsform auch möglich, mehrere Schallabsorber an unterschiedlichen Stellen der Kanalstruktur 14 vorzusehen. Dabei ist insbesondere möglich aber nicht notwendig, die Schallabsorber unterschiedlich zu dimensionieren, das heißt mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen zu versehen, so dass verschiedene Schallabsorber unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen. Es ist ferner möglich, aber nicht notwendig, den wenigsten einen Schallabsorber in anderen Ausführungsformen beispielsweise nach dem Wirkprinzip von Lambda/4-Rohren oder Herschel-Quincke-Resonatoren zu gestalten. Beide Ausführungsformen basieren auf dem Prinzip der destruktiven Welleninterferenz.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem
Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (10) ein Sensorgehäuse (12) aufweist, das als ein in das Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist, wobei in dem Sensorgehäuse (12) eine Kanalstruktur (14) ausgebildet ist, die einen Messkanal (24) und mindestens einen in dem Messkanal (24) angeordneten Sensorchip (34) zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse (12) einen Einlass (16) in die Kanalstruktur (14), der einer Hauptströmungsrichtung (18) des in dem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass (28) aus der Kanalstruktur (14) aufweist, wobei die Kanalstruktur (14) von Wandabschnitten (50) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wandabschnitt (51 ) der Kanalstruktur (14) mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber (60) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber (60) als Helmholtz-Resonator ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schallabsorber (60) durch eine ein Luftvolumen umgebende Kavität (60) in dem Sensorgehäuse (12) ausgebildet ist, die über einen Verbindungskanal (62) in dem wenigstens einen Wandabschnitt (51 ) mit der Kanalstruktur (14) in Verbindung steht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der in dem Verbindungskanal (62) enthaltenen Luft mit der Elastizität des in der Kavität (61 ) enthaltenen Luftvolumens ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System bildet, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist, welche eine Eigenfrequenz des wenigstens einen Schallabsorbers (60) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers (60) an eine Resonanzfrequenz einer in der
Kanalstruktur (14) im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung derart angepasst ist, dass die Oszillation der in der Kanalstruktur (14) mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber (60) gedämpft wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers (60) der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur (14) im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (14) einen Bypasskanal (20) aufweist und einen an einer
Verzweigungsstelle (52) von dem Bypasskanal abzweigenden Messkanal (24) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schallabsorber (60) in einem Wandabschnitt (51 ) des Messkanals (24) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das der wenigstens eine Schallabsorber (60) stromabwärts des Sensorchips (34) und stromaufwärts (28) von dem Auslass (28) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schallabsorber (60) vorgesehen sind.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallabsorber (60) unterschiedlich dimensioniert sind und aus ihrer unterschiedlichen Dimensionierung resultierende unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
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