DE102007044079A1

DE102007044079A1 - Durchflusssensor

Info

Publication number: DE102007044079A1
Application number: DE200710044079
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schlögl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-15
Also published as: DE102007044079B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflusssensor zur Bestimmung der Masse eines durch einen Strömungskanal pro Zeitintervall strömenden Fluids. Um einen kompakten, kostengünstigen, robusten und einfach montierbaren Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei kompakter Bauweise gut Messergebnisse liefert, ist in der Fluidströmung ein tragflächenartiger Messkörper ausgebildet, den das Fluid asymmetrisch umströmt, wodurch am Messkörper eine Druckdifferenz entsteht, die als Maß für den Fluidmassenstrom ausgewertet wird.

Description

Durchflusssensoren werden beispielsweise als Mass Air Flow Sensoren im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die angesaugte Luftmasse pro Zeiteinheit, also den Massenstrom zu bestimmen und die Brennkraftmaschine entsprechend mit Kraftstoff zu versorgen. Der gemessene Massestrom der Luft ist proportional zur molaren Menge des enthaltenen Sauerstoffes und kann daher zur Regelung von Verbrennungsprozessen, insbesondere in Verbrennungsmotoren, herangezogen werden. Der Ansaugtrakt bildet hier den Strömungskanal. Die Luft im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine wird in diesem Zusammenhang als Fluid bezeichnet. Mit dem hier offenbarten Durchflusssensor können aber auch die Massenströme anderer Fluide, wie zum Beispiel Wasser, Erdgas, Erdöl, Diesel und Benzin bestimmt werden.
Ein Durchflusssensor und ein Strömungskanal zur Aufnahme des Durchflusssensors sind aus der DE 33 31 519 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit Hilfe von Ultraschall sind an einem Strömungskanal seitliche Stutzen ausgebildet, in denen jeweils Ultraschallwandler angeordnet sind. Die Ultraschallwandler definieren eine im Winkel zur Strömungsrichtung verlaufende Messstrecke. Eine den Ultraschallwandlern nachgeschaltete Auswerteschaltung bestimmt die Laufzeit der Ultraschallsignale entlang der Messstrecke und berechnet daraus die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Strömungskanal.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Montage und Justage der Schallwandler in den Stutzen des Strömungskanals aufwändig ist. Zum einen muss sichergestellt sein, dass die Schallwandler aufeinander ausgerichtet sind. Zum anderen sind die Schallwandler relativ teure und empfindliche Bauteile. Da die Länge der Messstrecke zwischen dem einen und dem anderen Schallwandler von hoher Bedeutung für die Qualität des Messergebnisses ist, müssen die Schallwandler in möglichst großer Entfernung voneinander positioniert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Durchflusssensoren nach dem Ultraschallprinzip relativ sind große und sperrige Bauteile.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, kostengünstigen, robusten und einfach montierbaren Durchflusssensor zu schaffen, der auch bei kompakter Bauweise gut Messergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird durch den Durchflusssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Dadurch, dass in der Fluidströmung ein tragflächenartiger Messkörper ausgebildet ist, den das Fluid asymmetrisch umströmt, wodurch am Messkörper eine Druckdifferenz entsteht, die als Maß für den Fluidmassenstrom ausgewertet wird, ist ein sehr robustes und einfach montierbares System geschaffen mit den zuverlässig der Massenstrom des Fluides erfasst werden kann. Die am Messkörper entstehende Druckdifferenz ist proportional zum Massenstrom des Fluids.
Bei einer Weiterbildung wird die am Messkörper angreifende und aus der Druckdifferenz entstehende Kraft bestimmt, die als Maß für den Fluidmassenstrom ausgewertet wird. Somit kann mit einem einfachen und robusten Kraftsensor eine Massenstrombestimmung erfolgen, da die am Messkörper angreifende Kraft proportional zum Massenstrom des Fluids ist.
Bei einer nächsten Ausgestaltung wird zusätzlich der im Strömungskanal herrschende Druck mit einem Drucksensor bestimmt. Diese Größe kann zur Bestimmung des Massenstroms des Fluids vorteilhaft hinzugezogen werden. Darüber hinaus ist es zur Bestimmung des Massenstroms des Fluids sinnvoll zusätzlich die im Strömungskanal herrschende Temperatur mit einem Temperatursensor zu bestimmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Messkörper mindestens ein Sensorelement ausgebildet, das die Druckdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite des Messkörpers erfasst. Eine solche Differenzdruckmessung ist äußerst einfach und mit sehr geringen Kosten realisierbar.
Bei einer Weiterbildung ist das Sensorelement als Bare Die ausgebildet und der Messkörper bildet das Gehäuse für das Bare Die. Damit erfüllt der Messkörper eine Doppelfunktion. Zum einen schützt der Messkörper das Sensorelement und zum anderen dient er als Strömungskörper. Diese Doppelfunktion ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus technischer Sicht sehr vorteilhaft.
Bei einer Ausgestaltung weist der Messkörper Aussparungen auf, die die an den Oberflächen des Messkörpers herrschenden Drücke zum Sensorelement leiten. Solche Aussparungen sind beim Herstellungsprozess des Messkörpers leicht erzeugbar.
Wenn im Messkörper eine Auswerteelektronik angeordnet ist, die die erfassten Messwerte verarbeitet und an ein Steuergerät weiterleitet, ist sichergestellt, dass äußere elektromagnetische Störgrößen keinen Einfluss auf das Messergebnis haben und die Gesamtheit der Systemfehler minimiert wird. Wenn darüber hinaus die Auswerteelektronik zusammen mit dem Sensorelement auf einem einzigen Siliziumchip integriert ist, ist die Systemzuverlässigkeit nochmals gesteigert.
Bei einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der Oberseite und der Unterseite des Messkörpers jeweils mindestens ein Sensorelement angeordnet, mit denen die Druckdifferenz zwischen der Oberseite und der Unterseite des Messkörpers erfassbar ist. Auch diese Art der Druckerfassung liefert einen dem Massenstrom proportionalen Messwert, der problemlos ausgewertet werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen in einem Strömungskanal montierten Durchflusssensor nach dem Stand der Technik;
2 einen Durchflusssensor mit einem tragflächenartigen Messkörper;
3 eine Ausgestaltung des Durchflusssensors mit dem tragflächenartigen Messkörper;
4 eine weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors mit dem tragflächenartigen Messkörper.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Strömungskanal 1, der einen seitlich angebrachten Stutzen 2 mit einer Öffnung 3 aufweist. Der Strömungskanal 1 ist hier als Rohr ausgebildet. Durch die Öffnung 3 kann ein Durchflusssensor 4 in das Innere des Rohrs 1 eingebracht werden. Der Durchflusssensor 4 weist ein Kopfteil 5 auf, in dem sich eine Leiterplatte 6 befindet, auf der eine zum Betrieb des Durchflusssensors 4 erforderliche Auswerteelektronik, die Bauelemente 7 umfasst, angeordnet ist. Am Kopfteil 5 ist auch ein elektrischer Anschluss 18 angebracht, mit der der Durchflusssensor 4 an externe, nicht dargestellte Geräte angeschlossen werden kann.
Am Kopfteil 5 des Durchflusssensors 4 sind ferner Seitenleisten 9 angebracht, die sich nach der Montage des Durchflusssensors 4 am Rohr 1 ins Innere des Rohrs 1 erstrecken. Die Seitenleisten 9 halten Schallwandler 10 und 11, die eine Messstrecke 12 definieren. Die Messstrecke 12 ist unter einem spitzen Winkel φ zu einer Strömungsrichtung 13 eines im Rohr 1 strömenden Fluids 14 ausgerichtet. Der Winkel φ zwischen der Messstrecke 12 und der Strömungsrichtung 13 liegt vorzugsweise zwischen 40 und 45 Grad.
Beim Betrieb des Durchflusssensors 4 sendet beispielsweise der Schallwandler 10 eine erste Ultraschallwelle aus. Diese erste Ultraschallwelle wird vom Schallwandler 11 empfangen. Der Schallwandler 11 sendet daraufhin eine zweite Ultraschallwelle aus, die vom Schallwandler 10 empfangen wird. Die Laufzeit der ersten und der zweiten Ultraschallwelle wird von einer Auswerteelektronik bestimmt, die auf der Leiterplatte 6 integriert sein kann oder die außerhalb des Durchflusssensors 4 angeordnet ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 14 im Rohr 1 ist abgesehen von verschiedenen störenden Effekten, die das Messergebnis verfälschen können, proportional Δt/t_up t_down, wobei Δt die Differenz der Laufzeiten sowie t_up und t_down jeweils die Laufzeiten in Strömungsrichtung 13 oder entgegen der Strömungsrichtung 13 sind. Der mit 13 bezeichnete Pfeil symbolisiert im Folgenden die Strömungsrichtung und auch den Massenstrom des Fluids 14. Bei dem Fluid 14 handelt es sich vorzugsweise um ein gasförmiges Medium, insbesondere um Luft. Das Fluid 14 kann jedoch auch eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Benzin sein.
2 zeigt einen Durchflusssensor 4, der in einem Strömungskanal 1 angeordnet ist. Der Durchflusssensor 4 weist einen tragflächenartigen Messkörper 15 auf. Dieser Messkörper 15 ist, insbesondere in seinem Querschnitt, ähnlich gestaltet wie die Tragfläche eines Flugzeuges und er wird von dem Fluid 14 in der Strömungsrichtung 13 des Massenstroms 13 angeströmt. An der Spitze des tragflächenartigen Messkörpers 15 wird das Fluid 14 aufgetrennt und es umströmt den Messkörper 15 asymmetrisch. Dabei entsteht an der Oberseite 20 des Mess körpers 15 ein anderer Druck P₁ als der Druck P₂, der sich an der Unterseite 21 des Messkörpers 15 ausbildet. Diese Druckdifferenz P₂ – P₁ ist proportional zum Massenstrom 13. Die Druckdifferenz P₂ – P₁ wird von dem im Messkörper 15 angeordneten Sensorelement 19 erfasst. Hier ist das Sensorelement 19 als Differenzdrucksensor ausgebildet, der mithilfe von Aussparungen 22 die Druckdifferenz P₂ – P₁ zwischen der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Messkörpers 15 erfasst. Das Sensorelement 19 kann als Bare Die ausgebildet sein, das von dem Material des Messkörpers 15 umschlossen wird, womit der Messkörper 15 gleichzeitig das Gehäuse für das Sensorelement 19 bildet. Mikroelektronische und mikromechanische Bauteile, die nicht wie herkömmliche Bauteile in einem Plastikgehäuse verfügbar sind, sondern ungehäust vorliegen, werden als Bare Die oder Bare Chip bezeichnet. Das Sensorelement 19 ist als mikromechanisches Bauteil auf einem Siliziumchip integrierbar, wobei zusätzlich die Auswerteelektronik 8 für den Drucksensor auf demselben Siliziumchip integriert sein kann. Ein derart gebildeter Durchflusssensor 4 stellt ein sehr robustes und vor allem kostengünstiges Bauteil dar, das ohne großen Aufwand in den unterschiedlichsten Strömungskanälen 1 montiert werden kann. Durch die Integration aller notwendigen mechanischen und elektronischen Funktionen auf einem einzigen Siliziumchip ist dieses System unempfindlich gegen Störungen und Fehlfunktionen. Zusätzlich ist es denkbar, in dem Strömungskanal 1 einen Absolutdrucksensor 16 und einen Temperatursensor 17 zu montieren, um weitere Größen zur Erfassung des Massenstroms 13 des Fluids 14 zu erhalten.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Durchflusssensors 4. Auch in 3 ist der Strömungskanal 1 zu erkennen mit dem Absolutdrucksensor 16 und dem Temperatursensor 17 sowie dem Durchflusssensor 4. Der Durchflusssensor 4 weist wiederum einen tragflächenartigen Messkörper 15 auf, wobei nun auf der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Messkörpers 15 Sensorelemente 19 zur Erfassung der Drücke P₁, P₂ an der Oberseite 20 und der Unterseite 21 des Messkörpers 15 angeordnet sind.
Auch hier umströmt das Fluid 14 den Messkörper 15 in asymmetrischer Weise, wobei wiederum ein Druck P₂ an der Unterseite 21 und ein Druck P₁ an der Oberseite 20 des Messkörpers 15 entsteht. Die Druckdifferenz P₂ – P₁ ist auch hier ein Maß für den Massenstrom 13 des Fluides 14 im Strömungskanal 1. Neben den Sensorelementen 19 weist der Messkörper 15 eine in ihm integrierte Auswerteelektronik 8 auf, die die Drucksignale der Sensorelemente 19 auswertet und einer hier nicht dargestellten nachfolgenden Motorsteuerung zur Verfügung stellt. Die Auswerteelektronik 8 kann auf einem Siliziumchip integriert sein, der als Bare Die im Messkörper 15 angeordnet ist, womit der Messkörper 15 selbst das Gehäuse für den Siliziumchip mit der Auswerteelektronik bildet.
In 4 ist abermals der Strömungskanal 1 dargestellt, in dem ein Drucksensor 16 und ein Temperatursensor 17 angeordnet ist. Darüber hinaus ist im Strömungskanal 1 der Durchflusssensor 4 zu erkennen, der wiederum als tragflächenartiger Messkörper 15 ausgebildet ist und an dem die asymmetrisch verlaufende Fluidströmung einen Druck P₁ und einen Druck P₂ erzeugt. Die Druckdifferenz P₂ – P₁ bewirkt eine am Messkörper 15 angreifende Kraft K, die mit dem Kraftsensor 23 erfasst werden kann. Diese Kraft K ist proportional zum am Messkörper 15 vorbeiströmenden Massenstrom 13. Auch hier bildet die Kombination aus dem Messkörper 15 und dem Kraftsensor 23 einen äußerst robusten und kostengünstigen Durchflusssensor 4.
Die in den 2 bis 4 gezeigten Drucksensoren 16 und Temperatursensoren 17 sind nur beispielhaft an den Innenwänden des Strömungskanals 1 angeordnet und sie können ebenso gut an anderen Stellen im Massenstrom 13 des Fluids 14, insbesondere auf, an oder in dem Messkörper 15 angeordnet sein.

1: Strömungskanal
2: Stutzen
3: Öffnung
4: Durchflusssensor
5: Kopfteil
6: Leiterplatte
7: Bauelement
8: Auswerteelektronik
9: Seitenleisten
10: Schallwandler
11: Schallwandler
12: Messstrecke
13: Strömungsrichtung/Massenstrom
14: Fluid
15: Messkörper
16: Drucksensor
17: Temperatursensor
18: elektrischer Anschluss
19: Sensorelement
20: Oberseite
21: Unterseite
22: Aussparung
23: Kraftsensor
K: Kraft
P₁: erster Druck
P₂: zweiter Druck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3331519 A1 [0002]

Claims

Durchflusssensor (4) zur Bestimmung der Masse eines durch einen Strömungskanal (1) pro Zeitintervall strömenden Fluids (14), dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidströmung ein tragflächenartiger Messkörper (15) ausgebildet ist, den das Fluid asymmetrisch umströmt, wodurch am Messkörper (15) eine Druckdifferenz entsteht, die als Maß für den Fluidmassenstrom (13) ausgewertet wird.
Durchflusssensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Messkörper (15) angreifende und aus der Druckdifferenz entstehende Kraft (K) bestimmt wird, die als Maß für den Fluidmassenstrom (13) ausgewertet wird.
Durchflusssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der im Strömungskanal (1) herrschende Druck mit einem Drucksensor (16) bestimmt wird.
Durchflusssensor (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die im Strömungskanal (1) herrschende Temperatur mit einem Temperatursensor (17) bestimmt wird.
Durchflusssensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Messkörper (15) mindestens ein Sensorelement (19) ausgebildet ist, das die Druckdifferenz zwischen der Oberseite (20) und der Unterseite (21) des Messkörpers (15) erfasst.
Durchflusssensor (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (19) als Bare Die ausgebildet ist und der Messkörper (15) ein Gehäuse für das Bare Die bildet.
Durchflusssensor (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (15) Aussparungen (22) aufweist, die die an den Oberflächen des Messkörpers (15) herrschenden Drücke zum Sensorelement (19) leiten.
Durchflusssensor (4) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Messkörper (15) eine Auswerteelektronik (8) angeordnet ist, die die erfassten Messwerte verarbeitet und an ein Steuergerät weiterleitet.
Durchflusssensor (4) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (8) zusammen mit dem Sensorelement (19) auf einem einzigen Siliziumchip integriert ist.
Durchflusssensor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (20) und der Unterseite (21) des Messkörpers (15) jeweils mindestens ein Sensorelement (19) angeordnet ist, mit denen die Druckdifferenz zwischen der Oberseite (20) und der Unterseite (21) des Messkörpers (15) erfassbar ist.