用于測定流體介質的參數的傳感器裝置的制作方法

專利名稱：用于測定流體介質的參數的傳感器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量流動的流體介質的、尤其是流過流動管的流體介質的至少一個參數的裝置，如其在現有技術的各個領域中已知的那樣。因此，在許多過程中，例如 在方法技術領域、化學領域或機械制造領域，必須按定義地輸送具有某些特性(例如溫度、 壓力、流動速度、質量流量、體積流量等)的流體介質、尤其是氣團(例如空氣團)。在規定 的條件下進行的燃燒過程尤其屬于這種情況。
背景技術：
一個重要的應用例子是燃料在汽車內燃機中的燃燒，尤其是帶有接著的催化廢氣 凈化，在這些過程中必須按規定每單位時間輸送一定的空氣團(空氣質量流量)。為了測量 空氣質量流量，在此使用了各種類型的傳感器。一種由現有技術已知的傳感器類型是所謂 的熱膜式空氣質量流量計(HFM)，例如在DE 196 01 791 Al中描述了該熱膜式空氣質量流 量計的一種實施方式。在這類熱膜式空氣質量流量計中通常使用一個具有薄的傳感器膜片 的傳感器芯片，例如硅傳感器芯片。在該傳感器膜片上典型地設有至少一個加熱電阻，所述 加熱電阻被兩個或更多個溫度測量電阻(溫度探頭)包圍。在傳導經過膜片的空氣流中， 溫度分布發生變化，這又可以被溫度測量電阻檢測到并且可以借助控制與分析處理電路進 行分析處理。因此，可以例如由溫度測量電阻的電阻差測定空氣質量流量。由現有技術已 知了該傳感器類型的各種其它變型。此外，本發明不限于所述的熱膜式空氣質量流量計的 傳感器類型，而原則上可以用于大多數類型的傳感器，這些傳感器作為固定地安裝的傳感 器或作為插入式探頭插入到流動的介質中。然而，由現有技術中所描述的插入式探頭結構的缺點在于所述的插入式探頭通 過其在空氣動力學上不利的構造在很多情況下會在吸入管中導致在由流動阻力引起的壓 力降方面的問題。這尤其意味著這類傳感器信號的信號可重復性是沒有優化的。很多傳感 器，尤其是熱膜式空氣質量流量計，在實踐中裝備有柵格或柵格組合，該柵格例如可以集成 在流動管中并且通常在流中位于插入式探頭或傳感器上游幾厘米處，并且具有以下任務 使流動管中的速度剖面圖均勻。此外，這類柵格具有以下任務從該流中去除可能存在的渦 旋。柵格的均衡作用通過其對該流的制動作用實現。同時產生紊流，該紊流使快速的和緩 慢的流體混合，因此有助于在整個管橫截面上的速度均衡。因此實現了幾乎與流入的空氣 的速度剖面圖無關的傳感器特性曲線(例如空氣團與輸出頻率或輸出電壓之間的相互關 系)。這類具有柵格的裝置的一個例子由DE 196 47 081 Al公開。與設有大小相同的、 等距的流動孔的已知柵格相比，在該例子的柵格中提出設置具有不同通流橫截面的流動 孔。在此，通流橫截面與入流相適配，以便在柵格下游產生具有基本上均勻的速度分布的流。然而，在很多與傳統柵格相結合的傳感器中，例如在具有4至7mm的篩眼寬度和5 至IOmm的篩眼深度的傳統塑料柵格的空氣質量流量計中，在一些空氣團區域中會得到特性曲線的相對不令人滿意的可重復性。一個原因可能是管壁邊界層內部不受控制的流動轉 換，即從層流向紊流過渡。該壁邊界層通常不能通過在多數傳感器中使用的柵格足夠地紊 流化，因為這些柵格通常出于制造技術的原因在壁附近比在管中心具有更大的篩眼寬度。 由DE 196 47 081 Al已知的在邊緣區域中具有變窄的篩眼寬度的柵格結構也為進一步的 改進、尤其是特性曲線的可重復性的改進提供了空間
發明內容
因此，本發明提出了一種用于測定以主流動方向流動的流體介質的、尤其是內燃 機的流過流動管的吸入空氣團的至少一個參數的傳感器裝置。此外，本發明提出了一種在 這種傳感器裝置中使用的流動管段。該傳感器裝置和流動管段被這樣地設置，使得它們至 少在很大程度上避免了已知的傳感器裝置或流動管段的以上所述的缺點。該傳感器裝置可以設置成用于測定流體介質的一個或多個物理的和/或化學的 參數。例如，所述參數可以是開頭部分所述的參數。然而，其它的參數也是可測量的。該傳 感器裝置具有至少一個設置在流體介質中的傳感器，該傳感器能夠測量所述參數。在不限 制本發明的可能的其它構造方案的情況下，以下假定該傳感器例如由開頭所述的現有技 術公開的那樣是熱膜式空氣質量流量計。流體介質可以例如包括氣體和/或液體。“主流動方向”在此理解為流體介質在 傳感器或傳感器裝置的位置處的局部流動方向，其中，可以不予考慮例如局部的不規則性 (例如紊流)。因此，主流動方向尤其是可以理解為流動的流體介質的局部的平均輸送方 向。該傳感器裝置還具有至少一個帶有柵條的柵格，該柵格橫向于主流動方向地設置 在傳感器上游。這些柵條可以構造成例如具有圓的、橢圓的或多角的橫截面的桿的形式。但 是特別優選的是，柵條具有展平的形狀，包括迎著主流動方向設置的窄面和基本上沿著主 流動方向的縱向延伸尺寸，其中，相對于主流動方向的迎角也是可以的。沿著主流動方向的 該縱向延伸尺寸可以例如確定柵格的厚度。本發明的基本構思在于以下認識對于柵格的用于使速度剖面圖均勻的良好作用 而言，均勻地產生直到流動管的邊緣區域中的紊流具有關鍵意義，以便也在那里有利地影 響流動。為此目的提出，該柵格至少兩部分地構造并且設有至少一個第一柵格區域和至少 一個第二柵格區域。與DE 19647 081 Al相比，第一區域應這樣地構造，使得柵條在該區域 中基本上徑向地延伸。“基本上徑向地”在此應理解為柵條以其主延伸方向基本上位于一個 延伸通過流動管的管軸線的虛擬軸線上，該流動管可以具有例如圓形的和/或多角形的橫 截面。然而，在此偏離該徑向定向也是可以的并且應當被“基本上徑向地”所包括，例如偏 離直至50°、優選不大于45°并且特別優選不大于20°。第二柵格區域應當這樣地構造，使得柵條在該第二柵格區域中基本上割線地 (sekantial)延伸。“基本上割線地”在此應當理解為，柵條在該區域中應當位于繞流動管 的軸線畫出的虛擬圓的割線上。這種具有所述類型的包括兩個部分的柵格的傳感器裝置允許有針對性地在一定 區域(該區域在實踐中被證明在流動方面是有問題的)中引起改善的充分混合。由此可以 在流動管中例如在壁邊界層的區域中實現始終可靠的充分混合，并且該流動可以由此例如在所有的運行條件下獲得紊流。這在柵格下游中引起穩定流并且由此提高傳感器裝置的特 性曲線的可重復性。可以省去在其它情況下可能需要的附加的金屬線柵格，這引起傳感器 裝置的制造成本降低。此外，通過穩定化的流動可以顯著地降低傳感器裝置的信號的信噪。在此特別優選的是，該第一區域環形地包圍該第二區域。通過本發明的該擴展結構允許有針對性地在可以例如整體圓形地構造的柵格的邊緣區域中實現所述的充分混合 效果，其方式是流動管中的壁邊界層允許可靠地充分混合。該第二區域可以例如基本上具 有圓形形狀，其中，該第一區域例如基本上具有圓環形狀。然而，不同于圓形形狀的橫截面、 例如橢圓的或多邊形的結構也是可行的。如上所述，對于柵條的形狀，特別優選的是扁平的構造方案。因此，例如在傳感器 裝置的一種優選的構造方案中可以選擇柵條的形狀，其中柵條在第二區域中具有帶有基本 上平行于主流動方向的定向的條面，如其例如在DE 196 47 081 Al中的情況一樣。“基本上 平行”在此可以理解為平行于主流動方向的定向。但是稍稍偏離平行性也是可想到的，例如 偏離不超過20°，優選不超過5°。與第二區域相比，在第一區域中除了基本上平行于主流 動方向定向的條面之外特別優選地也使用具有一個定向的條面，所述條面賦予流動的流體 介質一個垂直于主流動方向的速度分量。這可以例如通過以下方式實現柵條至少在第一 區域中分別在一個平行于主流動方向的剖面中具有相對于主流動方向的迎角。這樣的迎角 弓丨起流動的流體介質在流過柵格時被賦予一個垂直于主流動方向的速度分量。該迎角可以 位于例如在5°與60°之間的范圍中并且特別優選的是位于在10°與40°之間的范圍中。 然而，其它的迎角也是可想到的。通過在柵格的第一區域后面在外部區域中這樣地產生的 流體介質的旋轉運動可以例如在內部區域與外部區域之間產生一個極其穩定的剪切層，該 剪切層通常立即導致紊流。因此，壁邊界層變得紊流，并且其在壁附近的緩慢的流體介質與 流動管的管中心的快速的流體介質之間加入了強化的脈沖交換。柵格的旋轉方向首先是任 意的，期望的效果可以通過右旋或左旋的柵格產生。在第一區域內部，迎角對于柵條而言可以變化。然而特別有利的是，第一區域中的 所有柵條的迎角基本上是相同的(其中，偏差也是可以的，例如不大于5°的偏差)。由于 這些柵條的徑向布置，第一區域中的所有柵條的迎角的這種相同形式的構造方案導致對柵 格的第一區域后面的區域中的流動的流體介質施加一個渦旋。在柵格的第一區域圍繞第二 區域的環形布置中，第一區域例如可以基本上具有相同形式的、右旋的或左旋的特征，以便 賦予流動的流體介質一個右渦旋(即在沿主流動方向運動的情下順時針旋轉)或一個左渦 旋(即在沿主流動方向運動的情況下逆時針旋轉)。通過在流動管的邊緣區域中、而不是在 流動管的中央區域中有針對性地引發一個渦旋，進一步有利于在該邊緣區域中進行充分混
I=I ο第二區域中的柵條可以包括一類或多類柵條。因此，例如該區域中的所有柵條可 以平行地定向。但是特別優選地，例如與DE 196 47 081 Al類似，第二區域中的柵條構成 多類的相互交叉的柵條。例如第一類柵條可以在第一方向上定向，而第二類柵條可以在與 第一方向不同的第二方向上定向。以這種方式引起柵條交叉并且構成篩眼柵格。在此特別 有利的是篩眼柵格是正交的篩眼柵格，例如具有3至7mm的篩眼寬度(開口的邊長)和例 如5至IOmm的篩眼深度的篩眼柵格，因為以這種方式避免了參考方向。傳感器可以在該傳感器裝置中固定地安裝并且可以例如包括一個測量指，該測量指伸入到流動的流體介質中。但是替代地或附加地，該傳感器也可以構造成可更換的，例如 插入式探頭的形式，該插入式探頭插入到流動的流體介質中。相應地，該傳感器裝置也可以 作為沒有傳感器的單元制造和/或銷售。這樣的單元以下稱為流動管段。在根據以上實施 例中的一個或多個實施例的傳感器裝置中使用的這種流動管段可以尤其包括至少一個具 有至少一個接收部的殼體，所述至少一個接收部用于放入用來測定流動的流體介質中的至 少一個參數的傳感器。例如，該接收部可以包括殼體中的一個孔，傳感器的測量指可以通過 該孔插入到流動的流體介質中。也可以設置短管、法蘭或相似類型的用于接收傳感器的固 定元件。此外，該流動管 段包括至少一個根據上述實施方式中的一個的柵格，即具有至少 一個帶有徑向柵條裝置的第一柵格區域和至少一個帶有割線的布置的柵條的第二柵格區 域。


本發明的實施例在附圖中示出并且在以下的說明書中詳細闡述。其中示出圖1和2示出根據現有技術的傳感器裝置的實施例的各種立體圖；圖3以俯視圖示出根據本發明的柵格構造方案的實施例；圖4示出具有迎角的柵格的一部分的剖視圖；和圖5以俯視圖示出具有迎角的柵格。
具體實施例方式在圖1和2中以各種視圖示意性示出由現有技術已知的傳感器裝置110的一個實 施例。在此，圖1示出在與流動的流體介質的主流動方向112平行的剖面中的剖視圖，而圖 2示出在以主流動方向112作為觀察方向時傳感器裝置110的俯視圖。該傳感器裝置110包括一個傳感器114，該傳感器在該實施例中構造為熱膜式空 氣質量流量計116。該熱膜式空氣質量流量計116具有一個測量指118，該測量指包括一個 進入孔120，該進入孔設置在該傳感器裝置110的流動管122中的大致中心處。關于熱膜式 空氣質量流量計116的構造方案可以例如參見由現有技術已知的構造方案，例如在DE 196 47 981 Al中所示的裝置。該傳感器裝置110除了傳感器114以外還具有一個流動管段124。該流動管段124 包括一個殼體126，該殼體在傳感器裝置110的區域中構成所述流動管122。為此目的，該 殼體126例如設有相應的管接頭，以便例如插入到內燃機的吸入管中。此外，可以設置固定 元件，例如法蘭、槽、凸起等，如它們對于本領域技術人員而言由現有技術已知的那樣。該殼體126還包括一個用于傳感器114的接收部128。該接收部128包括一個孔 130以及一個凸緣132。孔130和凸緣132這樣地確定尺寸，使得該傳感器114的測量指 118可以基本上精確配合地插入到該孔130中并且可以被固定在該凸緣132上。此外，該傳感器裝置110的流動管段124包括一個關于主流動方向112設置在進 入孔120上游的柵格134。該柵格134基本上橫向于主流動方向112設置，優選垂直于主 流動方向112設置，其中，然而也可以偏離該正交性。該柵格134在主流動方向上具有厚度 D，該厚度通常在5至IOmm之間。此外，該柵格134具有多個柵條136，這些柵條在橫截面中具有扁平的形狀，使得這些柵條的窄面迎著主流動方向112。如圖1所示，這些柵條136的橫截面例如具有稍微的楔形。除此之外，其它形狀也是可以的，例如機翼形狀、矩形形狀、橢 圓形狀或者類似形狀。由圖2中的俯視圖可看出，柵格在該實施例中構造為正交的篩眼柵格，該實施例 相應于例如Robert Bosch GmbH的“HFM7”型商用熱膜式空氣質量流量計。這意味著，第一 類138柵條136基本上相互平行地設置并且垂直于也同樣相互平行地設置的第二類140柵 條136設置。由此構成的篩眼柵格具有通常4至7mm的篩眼寬度(矩形的邊長)。根據本 發明已經得知，根據圖1和2的傳感器裝置110對流動特性的干擾尤其是通過以下方式產 生柵格140的柵格結構中的不規則部出現在柵格134的邊緣區域中。所述不規則部在圖 2中以附圖標記142表示并且尤其在于，在該區域中出于制造技術上的原因出現比流動管 122的中心更大的篩眼寬度。而在圖3至5中示出根據本發明的柵格134的構造方案，通過該柵格例如允許按 本發明改進在圖1和2中所示的傳感器裝置110。根據本發明的柵格134的第一實施例在圖3中在以主流動方向112為觀察方向時 的俯視圖中示出。在此可看到，柵格134，也如在圖2的情形中那樣，構造為圓形的柵格，然 而這不是一定需要的。該柵格134具有一個第一柵格區域144和一個第二柵格區域146，該 第一柵格區域144構造為圓環，第二柵格區域146構造為繞傳感器軸線148(見圖1)設置 的中心區域。在此，該第二柵格區域146又構造為篩眼柵格，例如與根據圖2的柵格134類似。 其又指的是正交的篩眼柵格。該第一柵格區域144圍繞該第二柵格區域146圓環形地設置，在該第一柵格區域 144中柵條136徑向地設置。例如，徑向布置中的這些柵條136可以這樣地定位，使得它們 沿著圓周均勻地分布。替代地，第一柵格區域144中的這些徑向的柵條136也可以被這樣 地定位，使得它們直接地與第二柵格區域146的邊緣區域中的不規則部交界。也可以想到 第一柵格區域144中的徑向柵條136的其它布置。第一柵格區域144中的柵條136可以例如設有與第二柵格區域146中的柵條136 相同的厚度。然而替代地，這些柵條136在它們的尺寸和/或它們的形狀和/或它們的其 它特征方面的其它構造方案也是可能的。一般而言，在第二柵格區域146中優選的是篩眼 寬度在3和7mm之間并且柵格134的厚度D (見圖1)約為5至10mm。然而其它的尺寸也是 可想到的。對于柵格134的在圖1和3中所示的實施方式，柵條136以其條面150基本上平 行于主流動方向112延伸。然而這并不是必然需要的。盡管優選的是，條面150像以前一 樣在第二柵格區域146中這樣地平行于主流動方向112延伸。然而，也可以想到的是在第 一柵格區域144中條面150與主流動方向112之間以迎角α定向。具有這種迎角的柵格 134的一個實施例在圖4和5中示意性地示出。在此，圖4以剖視圖示出第一柵格區域144 的展開視圖，而圖5示出與圖3中的視圖類似的俯視圖。如圖4所示，主流動方向112與條面150之間的迎角α導致流動的流體介質獲得 垂直于主流動方向112的速度分量，該流體介質的流動線在圖4中象征性地以附圖標記152 表示。就此而言，柵條在第一柵格區域144中與螺旋槳角(Propellerwinkel)類似地作用。
如果第一柵格區域144的所有柵條136獲得相同的迎角α，則流動的流體介質在 第一柵格區域144后面的區域中、即在流動管122的邊緣區域中被置于旋轉運動中。根據 在以主流動方向112為觀察方向時該流體介質是逆時針還是順時針運動，可以稱為第一柵 格區域144的“左旋的”或“右旋的”特性。通過流體介質在外部區域中的旋轉運動，在流體 介質的內部區域與外部區域之間產生一個極其穩定的剪切層，該剪切層直接導致紊流。這 在圖5中通過左旋的柵格134示出。在此，柵條136以相對于主流動方向112的迎角α定 向，例如與圖4類似。在此，該迎角對于所有的柵條136是相同的，使得在以主流動方向112 作為觀察方向時例如在圖5中的九點鐘位置上的一個柵條向下傾斜，而在圖5中的三點鐘 位置上的一個柵條向上傾斜。因此，根據圖5的實施例涉及一種左旋的柵格。該左旋的柵 格對壁邊界層發出一個回轉脈沖。在第一柵格區域144后面的流體介質與第二柵格區域146后面的流體介質之間的 剪切層在圖5中象征性地以附圖標記154表示。會立即導致紊流的該剪切層154引起壁邊 界層同樣變得紊流并且在壁附近的流體介質與管中心的快速的流體介質之間產生強烈的 脈沖交換。然而，具有相反的旋轉 方向的柵格134顯然也是可行的。
權利要求
傳感器裝置(110)，用于測定以一個主流動方向(112)流動的流體介質的、尤其是內燃機的流過一個流動管(122)的吸入空氣團的至少一個參數，其中，所述傳感器裝置(110)具有至少一個設置在所述流體介質中的、用于測定所述流體介質的參數的傳感器(114)，所述傳感器裝置(110)還包括至少一個與所述主流動方向(112)橫向地設置在所述傳感器(114)上游的、具有柵條(136)的柵格(134)，其中，所述柵格(134)包括至少一個第一柵格區域(144)和至少一個第二柵格區域(146)，其特征在于，所述柵條(136)在所述第一柵格區域(144)中基本上徑向地延伸，其中，所述柵條(136)在所述第二柵格區域(146)中基本上割線地延伸。
2.根據前一項權利要求的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述第一柵格區域(144)環 形地包圍所述第二柵格區域(146)。
3.根據前一項權利要求的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述第二柵格區域(146)基 本上具有圓形形狀，其中，所述第一柵格區域(144)基本上具有圓環形狀。
4.根據以上權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述柵條(136)在所述 第二柵格區域(146)中具有帶有與所述主流動方向(112)基本上平行的定向的條面，其中， 所述柵條(136)在所述第一柵格區域(144)中包括具有一個定向的條面(150)，所述條面 (150)賦予流動的流體介質一個垂直于所述主流動方向(112)的速度分量。
5.根據以上權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述柵條(136)在所述第 二柵格區域(146)中構成一個具有相互交錯的柵條(136)的篩眼柵格。
6.根據前一項權利要求的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述篩眼柵格是正交的篩 眼柵格。
7.根據前兩項權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述篩眼柵格具有3mm 至7mm之間的篩眼寬度。
8.根據以上權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述柵格(134)在主流動 方向(112)上具有5mm至IOmm之間的柵格深度(D)。
9.根據以上權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述柵條(136)至少在所 述第一柵格區域(144)中分別在平行于所述主流動方向(112)的剖面中具有一個相對于所 述主流動方向(112)的迎角(α)。
10.根據前一項權利要求的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述迎角(α)在5°至 60°之間，并且特別優選在10°至40°之間。
11.根據前兩項權利要求之一的傳感器裝置(110)，其特征在于，所述迎角(α)對于所 述第一柵格區域(144)的所有柵條(136)基本上相同，使得所述柵條(136)在所述第一柵 格區域(144)中具有基本上同形式地右旋或左旋的特性。
12.在根據以上權利要求之一的傳感器裝置(110)中使用的流動管段(124)，包括至 少一個殼體(126)，所述殼體具有至少一個接收部(128)，所述接收部用于放入一個傳感 器(114)，所述傳感器用于測定以一個主流動方向(112)流過所述流動管段(124)的流體 介質的至少一個參數，還包括至少一個橫向于所述主流動方向(112)地設置在所述傳感器 (114)上游的、具有柵條(136)的柵格(134)，其中，所述柵格(134)包括至少一個第一柵格 區域(144)和至少一個第二柵格區域(146)，其特征在于，所述柵條(136)在所述第一柵格 區域(144)中基本上徑向地延伸，其中，所述柵條(136)在所述第二柵格區域(146)中基本上割線地延 伸。
全文摘要
本發明涉及一種傳感器裝置(110)，用于測定以一個主流動方向(112)流動的流體介質的、尤其是內燃機的流過一個流動管(122)的吸入空氣團的至少一個參數。所述傳感器裝置(110)具有至少一個設置在所述流體介質中的、用于測定所述流體介質的參數的傳感器(114)。所述傳感器裝置(110)還包括至少一個與所述主流動方向(112)橫向地設置在所述傳感器(114)上游的、具有柵條(136)的柵格(134)。所述柵格(134)包括至少一個第一柵格區域(144)和至少一個第二柵格區域(146)。所述柵條(136)在所述第一柵格區域(144)中基本上徑向地延伸，并且在所述第二柵格區域(146)中基本上割線地延伸。
文檔編號G01F15/00GK101868697SQ200880116888
公開日2010年10月20日 申請日期2008年10月20日 優先權日2007年11月19日
發明者C·格梅林, E·倫寧格, L·韋斯滕貝格爾 申請人:羅伯特·博世有限公司