专利名称：用于测定流体介质的参数的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用于测量流动的流体介质的、尤其是流过流动管的流体介 质的至少一个参数，如其由各个技术领域所公知那样。因此，在许多过程中，例如在方法技 术领域、化学领域或机械制造领域，必须按定义地输送具有某些特性(例如温度、压力、流 动速度、质量流量、体积流量等)的流体介质、尤其是气团(例如空气团)。在规定的条件下 进行的燃烧过程尤其属于这种情况。
背景技术：
一个重要的应用例子是燃料在机动车内燃机中的燃烧，尤其是带有接着的催化废 气净化，其中必须按规定地每单位时间输送一定的空气团(空气质量流)。为了测量空气质 量流量，在此使用了各种类型的传感器。一种由现有技术已知的传感器类型是所谓的热膜 式空气质量流量计(HFM)，例如在DE 196 01 791 Al中描述了该热膜式空气质量流量计的 一种实施方式。在这类热膜式空气质量流量计中通常使用一个具有薄的传感器膜片的传感 器芯片，例如硅传感器芯片。在该传感器膜片上典型地设有至少一个加热电阻，所述加热电 阻被两个或更多个温度测量电阻(温度探头)包围。在传导到膜片上的空气流中，温度分布 发生变化，这又可以被温度测量电阻检测到并且可以借助控制与分析处理电路进行分析处 理。因此，可以例如由温度测量电阻的电阻差测定空气质量流量。由现有技术公知该传感 器类型的各种其它变型。但是，本发明不限于所述的热膜式空气质量流量计的传感器类型， 而原则上可以用于大多数类型的传感器，这些传感器作为固定地安装的传感器或作为插入 式探头在流动的介质中使用。然而，由现有技术所描述的插入式探头结构的缺点是所述的插入式探头在很多 情况下会在吸入管中在由流动阻力引起的压力降方面产生问题。这尤其意味着这类传感 器信号的信号可重复性不佳。很多传感器，尤其是热膜式空气质量流量计，在实践中装备有格栅或格栅组合。格 栅例如可以集成在流动管中并且通常在该流中位于插入式探头或传感器上游几厘米处，并 且具有以下任务使流动管中的速度剖面图均勻。此外，这类格栅具有以下任务从该流中 去除可能存在的涡旋。格栅的均衡作用通过其对该流的制动作用实现。同时产生小规模的 紊流，该紊流使快速的流体和缓慢的流体混合，因此有助于整个管横截面上的速度均衡。因 此实现了几乎与流入的空气的速度剖面图无关的传感器特性曲线(例如空气团与输出频 率或输出电压之间的相互关系)。具有格栅的传感器装置的一个例子在DE 199 42 502 Al中公开。在此，一个测量 元件设置在保护格栅下游的管道或管体中，该保护格栅引起介质流的转向并且使液体微粒 偏转。在保护格栅的下游可以设置纵向肋条或紊流器，它们减少了失控的涡旋分离。不利的是，很多传感器装置、尤其是空气质量流量计，与传统格栅、例如具有4至 7mm之间的筛眼宽度和5至IOmm的筛眼深度的塑料格栅相结合，在一些空气团区域中展 现出相对较差的可重复特性曲线。该问题的原因主要是在各个栅条上的层流-紊流转变(Transition) 0因为该转变过程对边界条件(例如温度、几何形状、流动速度或者类似边界 条件)的最小变化反应极其敏感并且这些参数通常在流动管的横截面上不是完全恒定地 存在，所以该流并非到处都正好同时是紊流的。这导致存在这样的空气团区域，其中格栅下 游的流体介质流的流动状态(层流的或紊流的)不能精确地定义并且可重复性比较差。该 不确定性反映在传感器元件的特性曲线的可重复性中。
发明内容
因此提出了一种用于测定以主流动方向流动的流体介质的至少一个参数的传感 器装置，该传感器装置至少在很大程度上避免了公知的传感器装置的缺点。还提出一种在 这类传感器装置中使用的格栅。本发明的构思在于，尽可能早地、即在流动速度非常小时将流动的流体介质流构 造为紊流的并且由此建立一个单义的流动状态。这通过使用改进的栅条型廓来实现，该栅 条型廓负责使该流相对快地、即在流动速度还小时就已变紊流。由此始终存在一个单义的、 可重复性好的流动状态，并且速度剖面图通过横向于流动方向加强的脉动交换被有效地均 勻。因此，相对于在传感器装置前面的吸入路径中速度剖面图的由外界影响、例如过滤元件 的污染引起的变化的迎流敏感性下降。因此，借助所提出的传感器装置总体上可以产生更稳定的流和更高的传感器信号 可重复性。可以优选地取消其它的、使流稳定化的措施，例如附加的金属丝格栅，以至于与 传统的传感器装置相比所提出的传感器装置的制造成本也可以降低。然而，自然可以任选 地设置其它的使流稳定化的措施。总之，该传感器装置与传统的传感器装置相比具有高的 信号质量，尤其是改善的信号噪声。该传感器装置原则上适合于很多开头所述的传感器和测量原理以及适合于很多 流体介质，例如气体和液体。原则上允许测量很多可能的物理和/或化学参数，例如压力、 温度、密度、质量流量、体积流量或类似参数。相应地，传感器装置具有至少一个与该或这些 待测量的参数相适配的传感器。下面在不限制本发明的其它形式的可能构型的情况下假 定，传感器包括热膜式空气质量流量计，如其例如在开头提到的DE 196 01 791 Al或现有 技术中的其它引用文献中描述的那样。原则上，流体介质可以至少在很大程度上自由地在主流动方向上流动，其中，主流 动方向理解为介质在传感器装置的区域中的局部的流动方向。然而，在此不应考虑局部的 不均勻性、例如涡旋，使得主流动方向被理解为流体介质在传感器装置的区域中被输送的 主流动方向。优选地，流体介质流过流动管，其中，传感器装置例如可以包括流动管段，具有 至少一个壳体，所述至少一个传感器可以被置入到该壳体中(例如借助至少一个接收部)。传感器装置还具有至少一个横向于主流动方向设置的、具有至少一个栅条的格 栅。优选地设有多个这类栅条，它们例如可以平行地和/或以不同于0°的角度相对彼此定 向。也可设想相互交叉的栅条的格栅、例如类似于上述的现有技术。优选地，格栅是所述流 动管段的一部分，例如是流动管段的可取出的部件的形式。因此，除了传感器装置，根据本 发明还提出一种在这类传感器装置中使用的格栅，下面描述的、涉及格栅的构型类似地适 用于该格栅。在此在本情况下，术语“横向于流动方向”优选地理解为栅条与主流动方向之间的角度为90°，但是也可想到偏离90°，例如偏离不超过20°。就此而言，例如格栅可以完全 地或部分地对应于由现有技术、例如DE 199 42 502 Al已知的格栅。格栅的栅条例如可以用它们的被介质流过的表面平行于主流动方向定向，这在本 发明的范围中是优选的。但是偏离该平行性也是可能的，例如偏离不超过50°，特别优选偏 离不超过20°以及尤其偏离不超过5°。但是其它的角度偏差原则上也是可行的。格栅可以作为传感器元件上游的流动整流器起作用。例如，格栅可以包括塑料格 栅。格栅可以例如构造为筛眼格栅，尤其是具有4至8mm筛眼宽度的筛眼格栅。该格栅可 以例如定位在传感器前方10至50mm之间的距离上。与由现有技术已知的格栅不同，根据本发明使用的格栅为了实现本发明的上述基 本构思具有至少一个横截面改进的栅条。该改进尤其在于，在格栅的至少一个被流体介质 流过的表面上设置至少一个剪切元件。该剪切元件被构造用于在该流中在剪切元件下游 产生一个具有紊流的区域。这些具有高速度梯度的层尤其横向于主流动方向形成附加的 剪切层，这些剪切层是非常不稳定的。通过由此引起的流动波动在栅条后面激励出后流 (Nachlauf)，即产生振荡，并且非常早地、即在流动速度非常小时就已变成高频紊流。由此 允许从层流向紊流的转变非常远地向小流动速度移动。也就是说传感器上的流在几乎整个 运行区域中都是紊流的。所述至少一个剪切元件在其表面上可以尤其具有至少一个横向于主流动方向、即 例如平行于栅条的纵向延伸尺寸设置的凸肩。该凸肩可以尤其锐角地构造。该剪切元件可 以尤其设置在栅条的两个相互对置的表面上，其中，该栅条例如具有一个基本上对称的横 截面。栅条可以在剪切元件下游，例如在凸肩(该凸肩例如可以阶梯形地构造)下游，具 有一个变窄的延长部，即栅条的一个区域，栅条的横截面在该区域中至少比在凸肩的区域 中更窄，优选比在栅条的其余区域中更窄。这些延长部可以例如在主流动方向上缩小。因 此，延长部可以例如具有相对于栅条的对称轴线的斜面。例如，可以使用0°至10°之间的 缩小角度α，即斜面与对称轴线之间的角度。栅条在剪切元件上游，即例如在凸肩上游，可以具有一个在横截面上被圆整的迎 流区段。该迎流区段可以例如基本上具有楔形，其中，该楔的尖端与主流动方向相反指向。 该尖端可以圆整地构造。该楔形的楔面可以平地或也可以弯曲地构造。然而作为楔形的变 换，其它形状也是可能的，例如U形、承压面形或者其它圆整的或弯曲的形状。如上所示，格栅可以尤其被构造为交叉格栅，具有至少两个、优选多个相互在至少 一个交叉点上交叉的栅条。这些栅条能够以直角或者也能够以不同于直角的角度交叉。在一种优选的实施方式中，这些栅条可以在交叉点的区域中分别具有至少在下游 的留空，在该留空中栅条深度减小，即栅条沿着其对称轴线的深度减小。根据本发明的在 交叉点区域中的留空原则上导致两种效果。这样，通过局部减小壁影响使速度剖面图更均 勻和更稳定。栅条后面的分离区域变得更小。此外，在所提出的留空中产生纵向涡旋，该纵 向涡旋负责在栅条后面在缓慢的流体介质(在分离区中)与快速的流体介质(在分离区之 外)之间的加强的脉动交换。由此也使分离区域变小及稳定化，速度剖面图总体上构造得 更均勻。也就是说，本发明的该实施方式附加地引起流动的均勻化和传感器装置的更高的 信号可重复性。
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明中被详细地阐述。附图示出图IA和IB传感器装置的一个可能实施例的不同视图；图2根据本发明的格栅的一个实施例的透视细节图；图3按照图2的格栅的栅条的横截面，带有被流体介质环流的环流特性；图4按照图3的具有优选尺寸的栅条；和图5根据本发明的在交叉点具有留空的格栅的实施方式。
具体实施例方式在图IA和IB中示出一个如由现有技术公知的传感器装置110，该传感器装置例 如可在市场上买到(例如为Robert Bosch GmbH的“HFM7”型热膜式空气质量流量计的形 式)并且可以在本发明的范围内根据本发明进行改型。在此，图IA从侧面示出传感器装置 110的剖视图，而图IB沿着流动的流体介质的主流动方向112以从前面的观察方向示出该 传感器装置110。对于该传感器装置110的构造的实施例，可以在很大程度上参考现有技术。该传 感器装置110在该实施例中构造为热膜式空气质量流量计-传感器装置并且具有一个热膜 式空气质量流量计114。如上所示，然而也可以变换地或附加地设置其它类型的传感器。传感器装置110可以包括一个具有壳体118的流动管段116。该壳体118具有一个 接收部120，热膜式空气质量流量计114的一个测量指122可以插入到该接收部120中。该 接收部120在此这样地构造，使得该接收部在测量指122的迎流侧包括一个迎流棱边124， 对于该迎流棱边的构造例如又可以参考现有技术。在该迎流棱边1 中嵌设一个开口形式 的入口 126。在测量指122中，一个流动通道1 连接到该入口 1 上，在该流动通道1 中设有一个传感器元件130。对于该流动通道128的和引起热膜式空气质量流量计114的 功能性的传感器元件130的构造例如又可以参考现有技术。所有的元件在图IA和IB中仅 示意性表示。如尤其在图IB中可看出的那样，该传感器装置110的流动管段116还包括一个设 置在测量指122上游的格栅132。该格栅132在该实施例中构造为筛眼格栅，该筛眼格栅 具有很多在该实施例中相互基本上相互垂直地交叉的栅条134。这些栅条134在很多交叉 点136处交叉。该格栅可以例如构造为圆形的、可从流动管段116中取出的单件，为此例如 可以在流动管段116中在入口侧设置一个用于接收格栅132的槽。该格栅132以及流动管 段116和测量指122的一些部分可以例如完全地或部分地构造为塑料构件，并且例如作为 原料可以包括聚酰胺和/或聚对苯二甲酸丁二酯，例如具有30%的玻璃纤维填料。在图IA和IB中仅示意性表示出格栅132的栅条134。在图2至5中以各种实施 例示出可以如何根据本发明改进该格栅132和栅条134。因此，图2至4示出格栅132的根据本发明的实施方式的第一实施例。该格栅132 在此被构造为交叉格栅，具有相互例如成直角地交叉的栅条134。在此，在图2的透视的剖 视图中可看到水平延伸的栅条134，该栅条具有一个带有至少近似优化的横截面的型廓。该 横截面在图3和4中在细节上被进一步示出，其中，图3示出了围绕栅条134的流动比率的说明并且图4示出优选的尺寸。在此，在根据图2的实施例中可看出，不仅水平延伸的而且 竖直延伸的栅条134都具有根据本发明的横截面。但是，变换地，也可以仅仅栅条134中的 单个具有这样的横截面，例如仅水平延伸的栅条或竖直延伸的栅条或者仅一些栅条134，例 如仅每隔一个栅条134具有这样的横截面。如例如在图3中可看出的那样，这些栅条134例如平行于主流动方向112定向，也 就是说在这样的定向上，在该定向上栅条134的对称轴线138至少近似平行于主流动方向 112定向。然而，如上所述，栅条134的其它定向也是可行的，例如以一个调节角度的定向。 此外，栅条在这些图中具有相对于对称轴线138对称的型廓。这也不是必然需要的，因此也 可以使用非对称的型廓。栅条134具有两个被流动的流体介质流过的表面140、142。在这些被流过的表面 上分别设有凸肩146形式的剪切元件144，其中，剪切元件144在所示的实施例中基本上相 同地构造。然而这也不是必然需要的。凸肩146在此锐角地构造并且在其下游的侧面上具 有一个横向面148，该横向面可以相对于主流动方向112或者说相对于对称轴线138例如垂 直地或者以稍微偏离80°的角度、例如在70°至110°之间的角度设置。横向面148可以 例如构造为平的。剪切元件144将栅条134的型廓分成一个设置在剪切元件144上游的迎流区段 150和一个设置在剪切元件144下游的延长部152。迎流区段150在此在图3中所示的实 施例中具有一个楔形，该楔形具有与主流动方向112相反指向的、圆整的尖端。而该延长部 152具有一个斜面并且比其余的栅条134构造的稍微更细，例如比剪切元件144上最宽的区 域中的栅条134稍微更细。在图4中示出在图3中所示的栅条134实施例的优选尺寸。在此，长度11表示迎 流区段150的长度，该长度例如可以位于3mm至7mm之间。延长部152的长度12可以例如 位于2mm至5mm之间。单个凸肩146的在图4中以13表示的高度，即横向面148的宽度可 以例如位于0. 05至0. 2mm之间。在剪切元件144的区域中栅条134在其最宽部位的宽度， 在图4中以d表示，可以例如位于0. 5至1. 5mm之间。此外，在图4中示出缩小角度α，即 这样的角度，该角度是延长部152的例如平地构成的面相对于对称轴线138的角度。该缩 小角度α可以例如位于0°至10°之间。在图3中还象征性示出在栅条134上和后面的流动比率。在此可看出，在剪切元件 144后面形成剪切层154，在这些剪切层中存在垂直于主流动方向112和/或对称轴线138 的高的速度梯度。这些剪切层1 是非常不稳定的并且引起流动波动，通过这些流动波动 激励栅条134后面的后流156作振荡并且非常早地、即在流动速度还小时就已经变得高频 紊流。格栅132的在图2中所示的实施例具有栅条134，这些栅条具有连续恒定的栅条 深度，即平行于对称轴线138的纵向延伸尺寸。在图5中与之相比以透视图示出根据本发 明的传感器装置110的一个部段，其中格栅132具有栅条134，这些栅条沿着它们的纵向延 伸尺寸具有变化的栅条深度。因此，格栅132的栅条134分别在其交叉点136上分别在其 下游的侧面上设有留空158，栅条134的栅条深度在留空158中局部地减小。例如，这些栅 条134在留空158的区域中可以分别被减去其延长部152并且仅仅具有迎流区段150。留 空158的深度，即留空中栅条深度的最大缩�。叛∥挥谡ぬ跎疃鹊脑�50%的范围中，然而留空的其它深度也是可能的，例如在栅条深度的10%至80%之间的范围中。
如上所示，通过留空158使得流体介质流的速度剖面图更均勻以及由此更稳定。 栅条134后面的分离区域变得更小。此外在栅条中提出的留空中产生纵向涡旋，其负责在 栅条134后面在分离区内部或外部的缓慢流体介质与快速流体介质之间的加强的脉动交 换。由此也使分离区域变小及稳定化，由此速度剖面图被构造得更均勻。
权利要求
1.传感器装置(110)，用于测定以主流动方向(11 流动的流体介质的、尤其是内燃机 的流过流动管的吸入空气团的至少一个参数，其中，所述传感器装置(110)具有至少一个 设置在流体介质中的、用于测定流体介质的参数的传感器(115)，所述传感器装置(110)包 括至少一个横向于所述主流动方向(112)设置的、具有至少一个栅条(134)的格栅(132)， 所述栅条(134)在至少一个被流体介质流过的表面(140,14 上具有至少一个剪切元件 (144)，所述剪切元件(144)被构造用于在该流中在所述剪切元件(144)下游产生一个具有 紊流的区域(154) 0
2.根据前一项权利要求所述的传感器装置(110)，其中，所述剪切元件(144)包括至 少一个在所述栅条(134)的表面(140，142)中横向于所述主流动方向(112)设置的凸肩 (146)。
3.根据前一项权利要求所述的传感器装置(110)，其中，所述凸肩(146)锐角地构成。
4.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其中，所述栅条(134)具有至 少两个彼此设置在相对的表面(140，142)上的剪切元件(144)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其中，所述栅条(134)具有基 本上对称的横截面。
6.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其中，所述栅条(134)在所述 剪切元件(144)下游具有变窄的延长部(152)。
7.根据前一项权利要求所述的传感器装置(110)，其中，所述延长部(15 在主流动方 向(112)上缩小。
8.根据前一项权利要求所述的传感器装置(110)，其中，所述延长部(15 具有在0° 至10°之间的缩小角度α。
9.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其中，所述栅条(134)在所述 剪切元件(144)上游具有一个迎流区段(150)、尤其是圆整的迎流区段(150)。
10.根据前一项权利要求所述的传感器装置(110)，其中，所述迎流区段(150)基本上 具有楔形。
11.根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其中，所述格栅(13 被构 造为交叉格栅并且具有两个栅条(Π4)的至少一个交叉点(136)，其中，这些栅条(134)在 所述交叉点(136)的区域中分别具有至少一个在下游的留空(158)，在所述留空中所述栅 条(134)的栅条深度减小。
12.格栅(132)，其在根据以上权利要求中任一项所述的传感器装置(110)中使用， 包括至少一个栅条(134)，其中，所述栅条(134)在至少一个被流体介质流过的表面(140， 142)上具有剪切元件(144)，所述剪切元件(144)被构造用于在该流中在所述剪切元件 (144)下游产生一个具有高的速度梯度的区域(IM)。
全文摘要
本发明涉及一种传感器装置(110)，用于测定以主流动方向(112)流动的流体介质的、尤其是内燃机的流过流动管的吸入空气团的至少一个参数。该传感器装置(110)具有至少一个设置在流体介质中的、用于测定流体介质的参数的传感器(115)。该传感器装置(110)还包括至少一个横向于主流动方向(112)设置的、具有至少一个栅条(134)的格栅(132)。该栅条(134)在至少一个被流体介质流过的表面(140，142)上具有至少一个剪切元件(144)，所述剪切元件(144)被构造用于在该流中在所述剪切元件(144)下游产生一个具有紊流的区域(154)。
文档编号G01F1/00GK102119322SQ200980131330
公开日2011年7月6日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年8月11日
发明者C·格梅林, E·伦宁格, O·亨尼西, T·迈斯 申请人:罗伯特·博世有限公司
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