用于确定以主流动方向流动的流体介质的至少一个流动特性的传感器装置制造方法

用于确定以主流动方向流动的流体介质的至少一个流动特性的传感器装置制造方法
【专利摘要】用于确定以主流动方向流动的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量的至少一个流动特性的传感器装置，其中该传感器装置具有一个设置在一个导流管中的插接式传感器，该插接式传感器具有一个用于确定流体介质的流动特性的传感器及至少一个迎着主流动方向的入口，以及至少一个在主流动方向上设置在插接式传感器上游的翼式栅，其中为了使流体介质偏转到在插接式传感器处的主流动方向上翼式栅具有多个翼及接片，其中翼至少区段地被设置成圆形，椭圆形或具有可变的半径，其中翼被这样地布置，以致它们为了减小气流波动及为了在插接式传感器处产生均匀的高流动速度具有一个0°至90°，优选地0°至20°及特别优选地0°至10°的迎角（α）。
【专利说明】用于确定以主流动方向流动的流体介质的至少一个流动特性的传感器装置
【技术领域】
[0001]由现有技术已公知了很多的用于确定流体介质、即液体和/或气体的流动特性的方法及装置。这里流动特性可涉及基本上任何的物理的和/或化学的、可测量的特性，这些特性对流体介质的流动进行了定质及定量。这里它们尤其可涉及流动速度和/或质量流和/或体积流。
[0002]以下尤其参考所谓的热膜式空气质量测量器来说明本发明，该热膜式空气质量测量器例如被描述在Konrad Reif所编的:机动车中的传感器，2010年第一版，第146-148中。这种热膜式空气质量测量器通常基于一个具有测量表面的传感器芯片，尤其一个硅传感器芯片，该测量表面由流动的流体介质在上面流过。传感器芯片通常包括至少一个加热元件及至少两个温度传感器，这些温度传感器例如被设置在传感器芯片的测量表面上。由这些温度传感器所检测的温度分布-该温度分布受到流体介质流的影响-的不对称性可推断出流体介质的质量流和或体积流。热膜式空气质量测量器通常构成插接式传感器，它可固定地或可更换地安装在一个导流管中。这种导流管例如可涉及内燃机的一个吸气支管。
[0003]为了使热膜式空气质量测量器能输出一个干扰尽可能小的空气质量信号，重要的是对插接式传感器并通过其中的旁路通道及尤其在传感器芯片的测量表面上输入尽可能均匀的输入流。这里旁路通道就是测量通道，在其中则安装了具有传感器芯片的传感器架。传感器芯片带有膜片及温度传感器。
[0004]通常在内燃机中导流管位于空气过滤器的出口上。因此空气过滤器的出口相应于导流管的入口。从未过滤空气侧通过空气过滤器向设有热膜式空气质量测量器的导流管通流时常常出现强偏转。尤其在导流管进入区域中在导流管壁附近存在具有较低流动速度的区域。相应地气流线强偏转及在导流管壁附近的分布不平行其轴线。在此情况下在壁附近的区域中可出现具有低流动速度的区域或甚至导致带有回流区域的气流脱离。这种速度场的改变将一直影响到气流的核心区域并尤其可在不同的空气质量流时完全跳变地出现。由于在热膜式空气质量测量器的入口及出口的附近流体场的改变因此得到差的信号可重复性及升高的信号噪音。此外通过这种气流脱离使压力降升高。
[0005]图1中表示用于确定一个以主流动方向18流动的流体介质的至少一个流动特性的传统的传感器装置10。在该实施例中传感器装置10被构成热膜式空气质量测量器及包括一个插接式传感器12，该插接式传感器例如可被插入一个导流管中尤其内燃机的一个吸气支管中。在该插接式传感器12中接收了一个通道结构14，该通道结构通过一个入口16-在插入状态中该入口迎着流体介质的主流动方向-可流过流体介质的一个有代表性的量。该通道结构14具有一个主通道20，该主通道通入就图1中插接式传感器12的视图而言在下侧上的主流出口 22，及具有一个由主通道20分支出的旁路通道或测量通道24，该测量通道通入一个就图1中插接式传感器12的视图而言也设置在下侧上的旁路通道出口或测量通道出口 26。一个具有通常为矩形横截面及圆角前边缘的传感器架28伸入到测量通道24中，该前边缘一般地、即除了回流情况外迎着流入测量通道24的流体介质。在该传感器架28中这样地置入一个传感器芯片30，即被构成传感器芯片30的传感器区域的传感器膜片32被流体介质在其上流过。传感器膜片32构成实际的传感器，即它是一个检测或测定待测参数的构件。具有传感器芯片30的传感器架28是一个电子组件34的组成部分。电子组件34具有一个弯边的底板36及一个装配在其上的、例如粘在其上的具有控制及求值电路40的印刷电路板38。传感器架28例如可作为塑料构件注塑在底板36上。传感器芯片30通过电连接部分42与控制及求值电路40电连接，这里电连接部分可被构成导线束。这样形成的电子组件34被装配在、例如粘在插接式传感器12的壳体46中的电子室44内，通道结构14与和该通道结构一起构成的盖48的特征相关联地构成。该装配是这样实现的，即在这里将传感器架28伸入到测量通道24中。接着用盖48来封闭电子室44及通道结构14。
[0006]图2表示插接式传感器12在一个导流管50中的布置及其在内燃机的吸气支管中的空气过滤器52旁的安装位置。其中尤其通过箭头来表示吸入空气的流动区域及其在空气过滤部件54与入口区域56之间向导流管50或传感器装置10的偏转。由该图可看到:具有吸入空气的流动区域58，该区域经受一个达到差不多180°的锐利偏转。如由图3A的示图-该图表示在位于图3A右边的净化空气管或空气过滤器的净化空气侧的出口区域中的及在位于图3A左边的导流管50的入口区域中的气流仿真计算结果-可看到的，在导流管50的壁60的内侧附近在进入导流管50的区域中存在具有低流动速度的区域62及气流线尤其在壁60的附近不平行于导流管50的轴线延伸。在净化空气管出口区域中流动速度相对地低约为2m/s至4m/s并向着导流管50的方向增大。在导流管的中心例如具有18m/s至20m/s的流动速度。这里相应的流动速度的值不被理解为适合所有传感器装置的一般通用的值，而仅应解释为流动速度的相对差别。相应地对于所述效应高的与低的流动速度仅有彼此相对的意义及绝对值可因传感器装置不同而异。
[0007]图3B表示根据图1的传感器装置在空气过滤器52的出口处或导流管50的入口处的速度分布图。因此速度分布具有明显的不对称性。在那里壁附近的气流线离开壁60的紧附近及形成一个具有负的、即逆着主气流定向的速度。该速度分布是对于在流动方向上压力上升的情况形成的。壁60处的速度梯度起初在入口 56处还是正的。然而进一步向下游速度梯度将达到零及边界层气流在该区域64中脱开。在脱开区域64的下游形成了一个回流区域。在那里在壁60处具有负的速度梯度及逆着主气流定向的负的速度。原则上速度由壁60向着导流管50的中心增大。
[0008]这样一个流体分布在时间上是不稳定的。在径向上及在主流动方向上的延伸随时间变化。该变化影响到流体的核心区域65。由于在构成插接式的传感器周围的流体区域或外部流体的变化，这种变化也出现在分支的通道结构14的入口及出口的附近，具有主通道20及旁路通道或测量通道24的通道结构的通流也就出现变化。因而由此得到差的特性曲线的可重复性及增高的信号噪音。此外通过这种流体脱离增大了压力降。
[0009]为了达到这种不稳定的流动状况的降低及使空气过滤器出口处或导流管入口区域中的气流变得均匀，即为了提升传感器装置10的区域中的气流的空气动力学的质量可谋求多个措施相组合的策略。在此情况下可谋求用于流体引导或流体偏转及使速度分布均匀化及降低信号噪音的不同大小的因素。但通过这些措施之一或这些措施组合的干预应伴随有相应部分上可接受的压力降。一种流体栅将导致垂直于主流动方向18的动量转移并也使快速的、离壁远的流体引向壁附近的流体区域。附加地作为栅随流的后果在壁附近产生了小规模的紊流，由此既使导流管壁处也使插接式传感器处的脱开倾向减小。由此实现了整个速度分布的稳定，这也使通过旁路通道及最后在传感器膜片上流动的流体容积稳定。例如在DE 10 2007 060 046 Al中描述这样一种栅。
[0010]DE 10 2007 055 193 Al则描述了一种在导流管中的栅，该栅在导流管的内壁上具有一个圆环形的栅区域，其中以相对主流动方向5°至60°的迎角及径向的定向在圆周方向上均匀分布地设置了栅支杆。
[0011]尽管由现有技术公知的用于使流体均匀的方法包含了很多优点但这些方法仍有改善的潜力。例如使用栅的策略包含着挑战，即虽然在栅的各个单元上引起了气流偏转，但这伴随着不希望的压力降。如果由于局部的大迎角在各个栅接片上的流体脱开，该压力降是特别关键的。在此情况下在栅的下游在速度切变层中发生混流。这虽然导致整流及涡流尺寸的下降及由此导致一定的气流均匀化，但这是与大的压力降相关联的。在此情况下紊流的长度规模、即涡流尺度仍在插接式传感器的外部特征尺寸的数量级上。
[0012]通过接在下游的金属网筛可达到更小规模的混流，即涡流尺寸的进一步下降并由此达到气流的更均匀化，但这与更大的压力降相关联。
[0013]空气过滤器的净化空气侧的设计或构型措施，尤其是安装一个或多个导流叶片，可对热膜式空气质量测量器的圆柱形壳体壁附近的流体偏转及脱离倾向的下降有显著的贡献。通过该准备工作也可使热膜式空气质量测量器上游的导流栅的各个栅接片上的局部迎角明显减小，这将导致压力降的下降。并且在空气过滤器由弯曲的管区段向导流管的过渡区域中流体必需偏转。如图4中所示，但在这种偏转的续流中及在所述的相对粗的导流叶片几何布置的续流中形成了涡流拖移66，该涡流拖移在测量技术上重要的插接式传感器的流动区域中浮动及由于不稳定的二次流分量可引起测量信号的强烈波动。在制造时的成本观点及公差问题部分地限制了设计措施在空气过滤器的净化空气侧的可转换性。即使在无空气过滤器的直线输入流的情况下也可形成热膜式空气质量测量器上的速度及迎角的强烈波动，即相对一个假想的插接式传感器轴线的速度的局部方向的强烈波动。

【发明内容】

[0014]因此应提出一种改进的用于确定一个以主流动方向流动的流体介质的至少一个流动特性的传感器装置，该传感器装置至少在很大程度上避免了公知方法及策略的缺点或可在积极开发方面补充流体力学的措施及其中可实现空气动力学上有效的气流偏转及对传感器装置干扰小的输入流并同时实现尽可能小的压力损耗。
[0015]因此尤其给出了一个用于确定一个以主流动方向流动的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量的至少一个流动特性的传感器装置。该传感器装置具有一个设置在一个导流管中的、具有一个用于确定流体介质的流动特性的传感器及具有至少一个在主流动方向上设置在插接式传感器上游的翼式栅的插接式传感器。在此情况下从主流动方向上看翼式栅相对插接式传感器可具有不同的距离。为了使流体介质偏转到在插接式传感器处的主流动方向上该翼式栅具有多个翼及接片。这些翼至少区段地被设置成圆形，椭圆形或具有可变的半径。这些翼被这样地布置，以致它们为了减小气流波动及为了在插接式传感器处产生均匀的高流动速度具有一个0°至90°，优选地0°至20°及特别优选地0°至10°的迎角。
[0016]翼例如可这样圆形地设置，以致这些翼可确定一个圆或圆形布置的至少一个中心点。这里圆形的布置有利于一种安装，在该安装的情况下流体力学的参数与带有插接式传感器的导流管相对空气过滤器的安装角度仅很少地相关。翼的仰角可由外部向着中心点的方向变小。
[0017]翼式栅可至少部分地紧靠在导流管壁的内侧上或用注塑技术组合在导流管中。翼可通过接片相互连接。
[0018]翼从主流动方向上看可至少区段地被构成弯曲的。例如翼被构成支撑面形状。尤其翼和/或接片具有构成翼轮廓的翼横截面及接片横截面。
[0019]翼轮廓从主流动方向上看可具有不均匀的厚度及弯度或曲率。厚度分布及弯度分布尤其可相应于由航空领域公知的翼轮廓。
[0020]翼可被这样地设置，以致它们在其本身之间构成收敛的通道，收敛-发散的或发散的通道。
[0021]翼在主流动方向上的长度可变化。例如每个翼在主流动方向上可具有各不相同的长度。在相同长度的情况下翼也可在主流动方向上相互错开。在此情况下接片可在主流动方向上具有翼的长度或与其不同的小一些或大一些的长度。这种构型在带有强螺旋的气流的情况下是特别优选的。
[0022]翼在从主流动方向上看的前端区域和后端区域上至少部分地具有缺口，例如延伸在圆周方向上或径向上的调制的正弦波形状的或矩形的或带圆角的缺口。
[0023]具有其翼及接片的翼式栅尤其可通过单个压铸工序与导流管一起地制造，以致仅形成一个部件及取消了翼式栅与导流管的接合过程。作为单件制造的翼式栅也可变换地通过敛缝连接，卡槽连接，粘接或激光焊接与导流管壁的内侧相连接。接片从主流动方向上看尤其可具有一个厚度分布。对接片也可考虑弯曲。翼式栅就其与导流管相应的外部轮廓而言例如可并构成圆环或椭圆。也可考虑其它轮廓，例如角形，尤其多角形，通过多个角近似得到的圆环或通过多个角近似得到的椭圆。翼式栅在插接式传感器的上游可位于导流管的入口区域中或离导流管入口区域一个距离。翼式栅的翼和/或接片可具有0.2mm至10mm、及优选地0.4mm至4_的厚度。翼式栅的翼和接片可具有一个厚度分布，即在从主流动方向上看的前端区域和/或后端区域中或中间区域或在翼的整个长度或深度上的增厚部分，该增厚部分可从3到50mm、优选地从5到20mm地变化，例如作为连续延伸的厚度变化。翼式栅的翼和接片的轮廓可为弯曲的及优选地具有0.1mm至5000mm的曲率半径，多个相互连接的不同的曲率半径或连续变化的半径或可不均匀地弯曲或具有至少一个拐点。
[0024]对于位于主流动方向的上游的区域，即在翼和/或接片的强弯曲的吸入侧的区域中可用一个加厚部分的形式来实现一个附加的、局部上很有限的造型。也可考虑垂直于主流动方向的不同横截面及延伸，并也可考虑断续的方案。
[0025]对于压铸工艺所需的模具分隔可优选地在接片的区域中实现。在此情况下既可在主流动方向上也可在径向及圆周方向上出现阶台及过渡部分。
[0026]本发明的构思在于，在包围一个传感器的构件如用于确定一个以主流动方向流动的流体介质的至少一个流动特性的传感器装置的插接式传感器的入口处流体强偏转的、流体参数的不稳定性或波动大的、时间上平均的流体参数的不均匀性大的及流体脱开倾向大的区域中通过装入或组合一个翼式栅来导致空气动力学上有效的流体偏转，流体随时间的波动的下降及流体参数的均匀分布，有关入流灵敏度的下降及传感器上的高流动速度并同时导致尽可能小的压力降。翼式栅尤其由翼形的及接片形的、相互连接的型材件组成。因此本发明提出了一个在偏转、整流、壁附近的管流的稳定、气流波动及入流灵敏度以及压力降的降低方面的折衷方案并具有与在空气过滤器侧上的可能实施相反的、在传感器装置如热膜式空气质量测量器一侧上的实施形式。
[0027]由此使流体、尤其上述类型的插接式传感器周围的在测量技术上重要的流体体积被预处理。并且通过注入具有来自核心流的高动量及小规模涡流分量的流体可防止或减小入口壁上的通常在时间上或空间上不稳定的流体脱离。尤其应防止或减小由导流管入口及由空气过滤器盒飘移来的具有对传感器装置的传感器不利的二次速度分量的纵向涡流。并且对于空气过滤器污染及与此相关的插接式传感器输入流改变的情况应保证在传感器装置中、尤其在插接式传感器周围一个均匀的，充满的及尽可能波动小的(大规模的)速度分布并保证在上述通道结构的入口及出口上特别稳定的气流条件。总地来说通过偏转，整流，壁附近的管流的稳定，气流波动、入流灵敏度以及压力降的降低将防止或减小传感器装置中随时间变化的速度分布并由此导致改善的特性曲线可重复性，小的入流灵敏度及小信号噪音。此外通过根据本发明的措施可减小在空气过滤器的区域中及导流管入口处由制造引起的几何偏差的影响及有助于将同一传感器特性曲线不更新应用地用在不同的空气过滤器系统中。根据本发明的传感器装置及尤其是根据本发明的翼式栅可不用其它附加部件直接地在传感器入口上实现尽可能成本上有利的及制造技术上可转换的应用并填补了可能的、尤其流体力学上的干预可能性-例如根据现有技术的空气过滤器-导流叶片系统、导流管-塑料栅及导流管-金属网筛-方面的空白。因此根据本发明的装置对于一定的应用场合可替代或有目的地补充现有技术的过强的或与不利的副作用相关联的干预可能性。
[0028]通过本发明应满足一定的实质性的功能。第一功能例如涉及一个有针对性的气流偏转。因此根据本发明的传感器装置例如可设置在一个内燃机的吸气支管中空气过滤器的下游。在此情况下由空气过滤器的净化空气侧、即空气过滤器的下游到模型-装置组合形式的插接式传感器的气流偏转趋向在插接式传感器侧上-与空气过滤器侧上的措施相反。该第一功能例如通过多个用于使空气动力学的负荷例如分布到翼的低压侧上的足够长度的、弯拱的或弯曲的翼或叶片来影响。这尤其在强空气质量流或动量的情况下是至关重要的。其它的影响参数为用于流体力学上压力损耗尽可能小的偏转的、沿每个翼的支撑面形状的厚度分布。此外在每个翼上的不同厚度分布及每个翼的用于入流的不同迎角有助于第一功能。由此可达到优化的导流及小的压力损耗。最后圆环形的或区段上近似圆环形的翼式栅构型有助于安装-旋转的不变性及在整个工作寿命期间补偿一定的影响。此外通过根据上述模型-装置构成的接片可使空气过滤器出口与插接式传感器之间的区域中带螺旋的流被预处理。在此情况下可考虑不对称的及对称的接片。
[0029]第二功能例如涉及插接式传感器上的气流波动的降低。例如在对置的厚度分布形式的翼之间收敛的或具有适度的横截面增大的收敛-发散的通道有助于该功能。由此例如可达到加速，涡流延展及波动下降。此外由外至内变小的迎角及适配的厚度分布有助于该功能。由此可减少翼前边缘上的气流脱开。在各个翼的前边缘和/或后边缘上例如可构成矩形或正弦形的及在各个翼的主流动方向上看具有不同深度的凹口可导致混流改善及共同振动模式的减小。此外翼式栅的定位或至少内部的圆形布置或插接式传感器的关键的入口及出口处的布置也有助于该第二功能。最后对于主流动方向位于上游的区域，即在翼的前边缘区域中并尤其在翼和/或接片的强弯曲的吸入侧上可用一个加厚部分的形式来实现一个附加的、局部上很有限的造型。对此可考虑垂直于主流动方向的不同横截面及延伸、及断续的方案。由此可达到气流由层状流向紊流的流动状态的过渡(转换)，这将带来翼和/或接片的强弯曲的吸流侧上流脱开的减少。该流脱开的减少又及导致翼式栅的翼及接片的续流部分中及插接式传感器的关键区域中气流波动的下降。
[0030]第三功能涉及插接式传感器处的均匀的高流动速度。例如翼式栅的定向或至少内部的圆形布置或插接式传感器的关键的入口及出口处的布置有助于该功能。由此将避免这些关键区域中续流的接片剪切层。此外例如对置的厚度分布形式的翼之间的收敛通道及由外向内变小的迎角有助于该功能。例如可这样地设置收敛，即该收敛由外向内地增强。在各个翼的后边缘上的缺口将导致混流的改善及共同振动模式的下降。
[0031]关于可定性和/或定量检测的待检测流体特性例如可参考以上对现有技术的说明。这些流体特性尤其可涉及流体介质的流体速度和/或质量流和/或体积流。对于流体介质尤其可涉及气体，尤其涉及空气。传感器装置尤其被可使用在机动车技术中，例如使用在内燃机的吸气支管中。但原则上也可有其它的应用领域。
[0032]传感器装置包括至少一个插接式传感器。这里在本发明的范围中对于插接式传感器可理解为一个单件或多件的装置，该装置包括具有真正传感器、例如传感膜片的传感器芯片及该传感器装置对外至少在很大程度封闭及至少在很大程度对机械作用并尤其也对其它类型的作用，例如化学作用、污染和/或潮湿作用进行防护。该插接式传感器可被装入在流动的流体介质中，其中可考虑为可更换的装入或永久性的装入。该插接式传感器例如伸入到流动的流体介质的一个导流管中，其中导流管本身可为传感器装置的组成部分或也可设置成独立的部件，它例如具有一个孔，在该孔中可插入插接式传感器。插接式传感器尤其可至少部分地由塑料材料制造，例如借助压力注塑方法来制造。
[0033]在插接式传感器中接收了具有至少一个用于检测流体特性的流体传感器的至少一个电子组件。这里对于“在插接式传感器中接收”应理解为:电子组件至少部分地、最好全部的被插接式传感器包围。该电子组件至少部分地被设置在插接式传感器的至少一个电子室中。这里在本发明的范围中对于一个电子室理解为插接式传感器内的一个部分地或完全地封闭的室，该室在至少一个方向上通过插接式传感器来封闭。该电子室最好包括在插接式传感器中的至少由插接式传感器的一个表面可进入的凹腔，例如一个长方六面体形的凹腔。如下面还将详细描述的，该电子室例如供一个配件进入，例如由表面进入，并可通过一个一个封闭部件、例如至少一个电子室盖永久地或可逆地封闭。
[0034]这里对于流体传感器原则上应理解为任一传感器元件，它被设置来检测至少一个流动特性。该流体传感器尤其可为一个装入在一个传感器芯片-例如一个以上所述类型的传感器芯片-中的微力学的传感膜片。该传感器芯片尤其可包括一个构成微力学的传感膜片的测量表面，该测量表面可由流动的流体介质在上面流过。在该传感器表面上例如可具有至少一个加热元件及至少两个温度传感器，其中如上所述地，由借助这些温度传感器所检测的温度分布的不对称性可推断出至少一个流动特性。至少一个流体传感器例如可设置在电子组件的一个传感器架上，该传感器架伸入到流动的流体介质中。电子组件尤其可构成单件并尤其可载有一个控制和/或求值电路，该电路被设置来控制流体传感器和/或接收接收流体传感器的信号。
[0035]与此相应地电子组件例如具有至少一个电路载体。此外该电子组件尤其可具有至少一个传感器架，该传感器架最好与电路载体机械地连接。电路载体例如可被设置在插接式传感器的电子室中，及传感器架可由电子室出来伸入到流体介质中。特别优选的是，插接式传感器具有至少一个可被流体介质流过的通道，其中载有流体传感器的电子组件的传感器架由电子室伸入到插接式传感器中的至少一个可被流体介质流过的通道中。该至少一个通道尤其可构成单部分，但也可具有至少一个主通道及至少一个由主通道分支出的旁路通道，其中传感器架最好伸入到旁路通道中，如基本上由现有技术所公知的。电子组件的电路载体例如可包括一个印刷电路板，该印刷电路板可单独地使用或例如也可安装在一个机械支架上，例如一个由金属材料制成的冲压-弯曲部件上。传感器架可与电路载体直接地连接或也可与支架部件、例如冲压-弯曲件连接，其方式例如为将传感器架注塑在该冲压-弯曲部件上。也可为其它的构型。例如可考虑电子组件由一个印刷电路板材料制成，其中无论是电路载体还是传感器架均由印刷电路板材料制造，最好由一块电路板材料制造。变换地或附加地还可以是，使用由现有技术所公知的压力注塑印刷电路板来作电子组件，例如一个或多个所谓的MID技术中(MID:模制互连器件)的压力注塑印刷电路板。还可考虑不同的构型。电子组件尤其可包括一个用于至少一个流体传感器的控制和/或求值电路。该电子组件尤其可包括一个传感器架，其中传感器架支撑流体传感器及由电子室伸入到插接式传感器中的至少一个可由流体介质流过的通道中。但原则上也可为其它的构型。例如可在电子室的一个壁中设置一个穿孔，该穿孔使电子室与至少一个通道连接，其中传感器架通过该穿孔伸入到至少一个通道中。电子室及传感器室可由插接式传感器的同一侧进入或也可由插接式传感器的相互对立的侧进入，例如用于配件。插接式传感器例如在一个与插入方向垂直的平面中具有一个基本上矩形的横截面，该横截面具有一个迎着流体的正面及一个背着流体的背面，其中这些面可相对流动方向基本上平行地布置。这些面尤其可涉及一个矩形的纵向面。电子室及传感器室尤其可相互无关地通过封闭部件、尤其至少一个电子室盖和/或至少一个传感器盖来封闭。这些盖例如可与插接式传感器卡锁连接或以其它的方式闭锁。对盖结构也可变换地或附加地考虑其它类型的封闭部件。
[0036]尤其可这样地设置入口孔，即流体介质可不受阻碍通过该入口孔进入到传感器室中。但也可变换地使至少一个入口孔设置成完全或部分地封闭，例如通过至少一个膜片、尤其至少一个可渗透湿气的膜片、特别一个半渗透膜片来封闭。原则上该至少一个入口孔可具有任意的横截面，例如一个矩形的和/或圆形和/或多角形的横截面。并且也可为其它构型。该至少一个入口孔尤其可设置在插接式传感器的传感器室盖中，其中借助该传感器室盖至少可部分地封闭传感器室。
[0037]此外该传感器装置还可包括用于检测流体介质的至少另一物理特性和/或化学特性的一个或多个其它的传感器元件。
[0038]传感器装置还具有至少一个设置在主流动方向上流体传感器上游的翼式栅，它的翼及接片在两侧上，即向着及逆着主流动方向具有一个0°至90°，优选地0°至20°范围中的及特别优选地0°至10°范围中的迎角。翼式栅尤其可区段地被构成环形并与导流管壁的内侧隔开地设置。[0039]这里对于主流动方向可理解为在沿流动路径的一定位置上通过导流管的流通横截面的平均流动速度，其中例如象插接式传感器这样的构件上的局部的不规则性或紊流可不予考虑。主流动方向可区别于局部的、时间上平均的流动速度。用于求得主流动方向的平均时间间隔显著地大于紊流的时间标度。
[0040]对于迎角应理解为流入介质、例如吸入空气与翼式栅的翼或接片的轮廓弦或轮廓深度之间的角度。这里轮廓弦为轮廓构件的由一个从主流动方向上看前部中间端点至一个从主流动方向上看后部中间端点的假想线。
[0041]本发明被定位在空气过滤器净化空气侧上流体技术中相对粗的措施-如导流叶片-与小规模的措施-如空气质量传感器塑料栅或空气质量传感器金属网筛-之间。就与在空气过滤器的净化空气侧或传感器入口侧上的空气动力学的粗措施或根本没有措施相比在提高特性曲线的稳定性或可重复性、入流灵敏度的减小方面的满足程度而言，尤其在使用寿命期间空气过滤器的颗粒污染及空气过滤器与空气导向部分的不同几何构型、导流管前边缘的几何公差、传感器入口 /空气过滤器出口的凸缘区域的几何公差、空气过滤器到传感器的净化空气引导区域中的导流部件的几何公差的情况下，本发明体现为相对迄今公知的及使用的措施的一个中间步骤或折衷方案。就在信号噪音的降低、尽可能小的附加压力降、尤其与塑料栅或甚至金属网筛相比变小的附加压力降及与包括空气过滤器、空气导向部分及传感器的整个系统相关的成本上尽可能有利的与制造技术上可转用的实施方面的满足程度而言上述的体现也适用。
【专利附图】

【附图说明】
[0042]由以下对概要表示在附图中的优选实施例的说明可得到本发明的其它选择性的细节及特征。
[0043]附图表示:
[0044]图1:用于检测流体介质的至少一个流动特性的一个传统的传感器装置；
[0045]图2:—个用于检测流体介质的至少一个流动特性的传感器装置在一个空气过滤器上的传统安装位置；
[0046]图3A:当传统的传感器装置在一个导流管区域中的情况下的仿真计算的结果；
[0047]图3B:在一个垂直于导流管的平面中传统的传感器装置的导流管中速度区域分布；
[0048]图4:具有所示的传统的传感器装置的插接式传感器及涡流拖移的导流管的一个横截面图；
[0049]图5:从主流动方向上看根据本发明的用于检测流体介质的至少一个流动特性的传感器装置的一个实施形式；
[0050]图6:沿图5中线A-A的用于检测流体介质的至少一个流动特性的传感器装置的一个透视的截面图；
[0051]图7A及7B:以根据图5中线B-B的一部分的截面图表示的一个导流管内根据本发明的翼式栅的不同位置；
[0052]图8:根据图5中线C-C的一个截面图；
[0053]图9A至91:翼式栅的翼的可能的变换构型:[0054]图10:根据另一实施形式的翼式栅的一个横截面图；
[0055]图11:根据另一实施形式的翼式栅的一个透视图；
[0056]图12:根据另一实施形式的翼式栅的一个透视图；
[0057]图13:根据另一实施形式的翼式栅的一个透视图；
[0058]图14:根据另一实施形式的翼式栅的一个栅的横截面图；
[0059]图15A至15E:根据翼的可能变换的变型的图14的翼的俯视图；及
[0060]图16:为了解释所使用的概念的一个翼的横截面图。
[0061]具体实施形式
[0062]图5中表示一个根据本发明的用于确定一个以主流动方向流动的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量的至少一个流动特性的传感器装置100的一个实施形式。与传统的传感器装置的构件相同的构件设有相同的标号。
[0063]传感器装置100包括一个在由塑料注塑的导流管50中的一个插接式传感器12的形式的热膜式空气质量测量器，该导流管是一个未示出的空气过滤器的下游的内燃机吸气支管的一部分。但也可考虑其它类型的流体传感器。该热膜式空气质量测量器相应于一个可由商业中得到的德国的Robert Bosch有限公司的HFM7型号的空气质量传感器。插接式传感器12伸入到导流管50中的流体介质内。
[0064]尽管为明确地指出，如在传统的传感器装置10中那样在插接式传感器12内接收了一个具有至少一个可被流体介质通流的通道的通道区域及一个具有开设在插接式传感器12中的电子室的电子区域。该通道就其而言具有一个主通道及一个旁路通道。在电子室中接收一个电子组件，该电子组件包括一个具有控制电路和/或求值电路的电路载体，该电路载体可被接收在一个底板上。此外该电子组件包括一个注塑在底板上的翼形式的传感器架，该传感器架伸入到旁路通道中。在传感器架中置入了一个热膜式空气质量测量芯片形式的流体传感器。此外插接式传感器12可包括一个冷却孔，该冷却孔延伸到电子室中。
[0065]在根据图5的由商业上可得到的传感器装置100的构型中传感器架及底板构成一个单元，该单元被称为电子组件及例如在该实施例或在其它实施例中可包括用于流体传感器控制和/或求值的一个控制和/或求值电路。除流体传感器外在底板上还粘接了电路载体的电子部分及控制和/或求值电路。流体传感器及控制和/或求值电路通常通过焊接连接相互连接。这样形成的电子组件例如被粘接在电子室中及整个插接式传感器将通过盖来封闭。在插接式传感器12中具有传感器芯片。
[0066]如所述地具有热膜式空气质量测量器的插接式传感器12位于内燃机的吸气支管的一个导流管50中，其中一个设置来用于电连接的插头区域68设置在导流管50的外面。从主流动方向18上看，在导流管50的壁60的外侧置入区域56具有一个具有两个钻出孔72的法兰盘70。法兰盘70用于使导流管50固定在空气过滤器52上。在此情况下该法兰盘可与空气过滤器的出口区域中的一个相应的法兰盘用螺丝连接，其方式是将螺丝穿插过孔72并用锁紧螺母来固定。
[0067]插接式传感器12的上游具有一个翼式栅74。该翼式栅74具有多个翼75及接片76。翼75至少可在区段上圆形地布置。翼式栅74紧靠在导流管50的壁60的内侧上。例如对于导流管50与翼式栅74分开制造的情况一个外部连接部件77在圆周方向上相对导流管50的壁60的内侧平行地延伸及紧靠在该壁上并与该壁连接。该连接可通过焊接，敛缝连接，卡槽连接，粘接等来实现。变换地翼式栅74可与导流管50 —起被注塑成一个构件。各个翼75及接片76相互隔开，其中翼75通过接片76相互连接。翼式栅74可根据相应的传感器装置100的特殊应用位于离入口区域56 —个距离上、如图7A中所示，即从主流动方向上看设置在入口区域56的下游。例如在翼式栅74的上游设有一个钢接头50a，以致入口区域56的前边缘的半径被构成得比批量塑料注塑的情况棱角更锐利。尤其在导流管50的前面流体强偏转及不存在圆柱形的前沿时前边缘半径的区别将引起流体脱开分布状况的改变，这又将对在导流管中所产生流体分布有影响。变换地翼式栅74可直接地设置在导流管50的入口区域56中、如图7B中所示。以下将详细地描述翼式栅74及接片76的细节。
[0068]图7A及图7B表示沿图5的线B-B的截面的一个区段及图8表示沿图5的线C-C的截面的一个区段。根据图5的视图该截面尤其通过接片76延伸。
[0069]接片76具有均匀弯拱的轮廓，它在空气质量流的主流动方向上向着插接式传感器12逐渐变窄。接片76过渡到翼式栅74并可与翼式栅74构成整体。
[0070]为了使流体介质偏转到主流动方向18上翼式栅74具有翼75。换句话说，由空气过滤器52向着翼式栅74流动的并在插接式传感器12的位置上可具有偏离主流动方向18的流动方向的流体介质借助翼式栅74的翼75偏转到主流动方向18上。在此情况下发生了一种流体的整流。翼75可至少区段地被设置成圆形，椭圆形或根据其它形状设置，例如具有可变的半径。换言之翼75不总是必然地延伸成完整的圆或其它的在圆周方向完整的形状，而是翼在一个与主流动方向18垂直的平面中被构成圆区段或形状区段。在此情况下这些区段在与主流动方向18垂直的平面中可具有不同的长度。例如翼75在与主流动方向18垂直的平面中被构成具有四分之一圆、半圆、三分之一圆的长度或它们中间的长度的圆区段。这里这些圆区段不必要在圆周方向上彼此相邻，而可至少部分地相互错开布置。各个翼75同样通过接片76相互连接。最内部的翼78例如可被构成完整的圆。最内部的翼78不必让其圆形设置在导流管50的径向中心上。尤其一个在主流动方向18上的假想线79可通过最内部的翼78的圆的中心点80及插接式传感器12的入口 16或对其错开地延伸。因此翼75例如可设置成圆形，以致它们至少确定圆或圆形布置的一个中心点。各个翼75可具有不同的或多个半径。通过这些半径描绘的翼75的圆的中心点可在与入口 16的一个点的连接线79上，导流管50的旋转轴线位于该连接线上或对其偏移。例如通过位于径向内部及径向较外部的翼75可构成多个中心点80a，80b等，这些中心点相互错开。由于集肤效应尤其视插接式传感器12的实施形式及最内部的翼78的实施形式或在空气过滤器52上的专门应用类型而定可设置上述的中心点80与导流管50的中心点的距离，以致基准点不通过例如在插接式传感器入口区域的中心上的纯几何投影来实现。此外在翼式栅的进入处翼75相对主流动方向18具有一个0°至90°，优选地0°至20°及特别优选地0°至10°的迎角。
[0071]为了解释与一个翼75相关地使用的概念现在来参照图16。图16表示一个示范的支撑面形状的翼75的横截面。如图16中所示，在一个支撑面形状的翼75上可定义至少下列的轮廓数据。一个轮廓弦或轮廓深度75a为由一个轮廓前缘75b至一个轮廓后缘75的最长直线。一个骨架线75d由垂直于轮廓弦75a得到的上侧面75e与下侧面75f之间的中点组成。一个轮廓弯度75g为骨架线75d对轮廓弦75a的最大偏移。一个轮廓厚度75h为骨架线75d上的最大可能的圆直径。一个迎角α为流入介质、例如吸入空气-它通过箭头75i表示-与轮廓弦75a之间的角度。
[0072]例如这样地设置翼75，即为了降低流动速度翼75的迎角α由外部向着最内部的翼78的圆的中心点80的方向减小，如下面将要详细说明的。
[0073]图6表示沿图5中线A-A的一个透视的截面图。翼75形成在各通道81之间。这些通道81可在主流动方向18上构成收敛的。在此情况下翼75在垂直于主流动方向18的方向上的距离从主流动方向18上看随着位置的增大而减小。例如为了产生均匀的、高的流动速度该收敛由外向内地增强。就是说径向外部的通道81a尤其比径向内部的通道81b具有较小的收敛率。
[0074]根据图8的视图翼式栅74或翼75具有恒定厚度_轮廓前缘75b及轮廓后缘75c除外-的弯拱轮廓。变换地翼75可具有非均匀的厚度，如以下将详细说明的。在翼75上及在接片76上的值得注意的几何参数还有轮廓前缘半径及后缘厚度。
[0075]翼75例如被构成支撑面的形状。从空气质量流的主流动方向18上看其前端区域82及后端区域83各具有圆角84。迎角α在0°与90°之间。优选地在0°至20°的范围中及特别优选地在0°至10°的范围中。该角度尤其取决于传感器装置100的应用并可视安装部位-如安装在内燃机的吸气支管的区域中-而变化。对于直线输入流的情况、例如在制造后的调整工序中出于各种原因过大的迎角α至少对于翼式栅74的内部翼75是不利的。原则上是:当迎角α过大时吸入侧或翼75的上侧面75e上的气流可脱开，这将带来偏转角的减小及压力降的增高。翼75可具有约0.2mm至IOmm的非均匀的厚度。翼75的弯拱的半径可在0.1mm至5000mm的范围中。通过翼75的特殊构形在翼式栅74的下游所产生的空气质量流的剪切层在小压力降的情况下产生充分的混合，以致热膜式空气质量传感器及其传感器元件被施加了 一个均匀的气流。
[0076]视安装部位及应用而定翼式栅74的翼75的形状可被修改，如图9A至91中所示。翼75的可能构型形状在其数目上可无终止地列举。例如弯拱-如图9B中所示-不是绝对必要的，也可考虑用主流动方向18上的直线延伸来代替它，如图9A中所示。翼75可具有0°至90°的迎角α。例如径向外部的翼85具有例如为20°的较大的迎角α，而径向内部的翼86具有例如为5°的较小的迎角α。迎角α过大时在吸入侧或翼75的上侧面上的气流将脱开，这将带来偏转角的下降及压力损失的增高。在一般情况下具有弯拱的翼轮廓比非弯拱的轮廓占优势，但有可能在制造技术上或成本上不能实现或优先考虑。对于绝大多数是径向地定向的接片76出于对称的原因以便对于各种应用情况可广泛应用或用在带有螺旋的气流中通常使用对称的、即非弯拱的轮廓。
[0077]也可考虑在端部上无圆角84的翼75，尤其可考虑如图9C中所示的平行四边形的翼75或图9D中所示的无圆角64的弯拱的翼75。也可考虑如图9Ε及9F中所示的、沿轮廓弦75a在从主流动方向18上看的前端区域82和/或后端区域83的区域中的增厚部分87。因此前端区域82和/或后端区域83中的增厚部分相应于导流管50的有效横截面的缩小，这可导致气流的加速。由此可避免气流的分离。在后端区域83中例如锐棱角的增厚部分87可导致有针对性的气流分离。由此可得到在翼式栅74的下游气流的宽的、强的充分混合及速度分布的均匀化。
[0078]盈75可在其向着主流动方向18的延伸方向上具有不连续的延伸。这种延伸例如可用一个拐点88的形式来实现。这种变型方案可能考虑为出于注塑技术的原因。翼深度、即沿翼式栅的延伸长度在所有方案中也是一个参数。因此翼75在主流动方向18上可具有不同的深度或长度。径向外部的翼85可比径向内部的翼86长些。这种具有不同深度或长度的翼75的构型将导致更好的充分混合及公共振动模式的降低。在此情况下根据所需的偏转及考虑紧贴在翼式栅74上的气流的附加条件可产生出具有大曲率半径及大翼深度的翼75，其中不仅翼深度可为3mm至50mm而且半径可在0.1毫米至若干千毫米的数量级中。
[0079]如图9H及91中所不，在从王流动方向18上看翼75的后端83的区域中可具有不同深度的缺口 90或槽，它们可导致翼式栅74下游的剪切层更强的充分混流及导致主流动方向18上小规模的、位置相对稳定的紊流。在一个相应的设计中该紊流可稳定气流。同样地可设置多个翼式栅74，它们相互的及至其它构件的距离可任意选择。翼式栅74尤其可由金属、金属化合物及其合金或塑料、例如玻璃纤维增强的塑料来构成，以致可成本上有利地制造。翼式栅74的形状也可适配于导流管50的横截面及因此例如可为正方形、矩形或椭圆形。也可通过导流管50的入口区域56中前边缘的半径的选择来影响气流及可在金属管的情况下作成比塑料管有更锐利的棱边。
[0080]原则上一个翼75的上侧面75e及下侧面75f、即对立的面可具有不同的曲率半径。
[0081]也可给予接片76相应的形状，接片可构成流线形、对称的或不对称的并可具有相对主流动方向18的迎角α。在此情况下相应的迎角的选择可用于在空气质量流中产生螺旋或影响螺旋。尤其可考虑沿主流动方向18的厚度变化。同样地可自由选择接片76的数目。
[0082]在接片76的下游生成的剪切层与此相应地产生了或多或少的充分混合，但也可能产生出或多或少的压力降。在此情况下该压力降包含压力分量及基于摩擦的分量，这在翼式栅设计时在优化的意义上可被考虑。
[0083]图10表示根据另一实施形式的翼式栅74的一个横截面图。以下仅描述它与前面的实施形式的区别及相同的构件具有相同的标号。
[0084]翼75从主流动方向18上看可具有不均匀的厚度及弯度或曲率。厚度分布、即厚度与沿翼75的长度的相应位置的关系可与上侧面75e及下侧面75f上的弯度分布或曲率分布相结合地相应于一种翼轮廓。此外翼75在其本身与接片76之间构成通道81。通道81可在主流动方向18上收敛或发散，但尤其可构成收敛-发散。在此情况下翼75在垂直于主流动方向18上的距离随着从主流动方向18上看其位置的增大而减小或增大，尤其先减小而后增大。径向最内部的通道81b例如被构成收敛的。除径向最内部的通道81b外其余通道81例如被构成收敛-发散的。作为可能的极端情况，尤其在平的或平行于主流动方向18构成的连接部件77的情况下，或在导流管50的壁60整体构成的情况下在外部翼75与该连接部件77之间的外部通道81a被构成发散的。
[0085]图11表示根据另一实施形式的一个翼式栅74的透视图。以下仅描述与前面的实施形式的区别及相同的构件具有相同的标号。翼的长度可在主流动方向上变化。例如每个翼在主流动方向上可具有各不相同的长度。在相同长度的情况下翼75也可在主流动方向18上相互错开。在此情况下接片76可在主流动方向18上具有翼76的长度或与其不同的小一些或大一些的长度。
[0086]在图11的翼式栅74上由此翼75及接片76在主流动方向18上具有不同的长度。例如外部的翼77比在径向上与其相邻的翼75具有较短的长度。图11的翼式栅74的翼75例如被设置成5个同心的环，其中由外向内看，由外部翼77构成的第一环、第三环及由内部翼78构成的第五环具有比第二及第四环小的长度。如在图11中可看到的，接片76其长度具有跳变式的变化。在径向上接片76的长度的该跳变例如被定位在一个位于内部的与一个位于较外部的翼75之间的中点上。在此情况下一个接片76例如直至该跳变位置91具有内部翼75的长度及从该跳变位置91起具有外部翼75的长度。这里翼75之间的相对径向位置可变化。同样地也可发生接片长度的连续变化。
[0087]图12表示翼式栅74的另一方案。以下仅描述与前面的实施形式的区别及相同的构件具有相同的标号。如由图12可看到的，对于注塑工艺所需的模具分隔优选地在接片76的区域中实现。在此情况下阶台92及过渡位置94既可出现在主流动方向18上也可出现在径向及圆周方向上。
[0088]图13表示根据另一实施形式的翼式栅74的一个透视图。以下仅描述与前面的实施形式的区别及相同的构件具有相同的标号。翼75可在从主流动方向18上看的前端区域及后端区域上至少部分地具有凹口 96。例如翼75具有在圆周方向上或径向上延伸的、调制的正弦波形状的凹口 96。这些凹口 96也可变换地构成直角的或圆角的。这里这些调制的凹口的数目及幅值尤其可从一个翼75到另一翼75发生改变，以便减小或避免翼式栅74随动时的共同振动模式。
[0089]图14表示根据另一实施形式的翼式栅74的一个翼75的横截面图。这里该截面延伸正主流动方向18上。以下仅描述与前面的实施形式的区别及相同的构件具有相同的标号。在对于主流动方向18位于上游的区域中，即在翼75的前边缘区域中并尤其在翼75和/或接片76的强弯曲的吸入侧上可用一个加厚部分的形式来实现一个附加的、局部上很有限的造型，如以下将参照图15A至15E详细地说明的。
[0090]图15A至15E表示根据翼7的可能的变型方案以箭头D的视线看的图14的翼的俯视图。造型98可用一个细杆的形式构成，如图15A所示。造型98可用一个锯齿杆的形式构成，如图15B所示。造型98可用一个振荡形杆的形式构成，如图15C所示。因此对于造型98可以有垂直于主流动方向18的不同的横截面及延伸。变换地也可实现断续的方案。例如造型98可用杆形段102的形式构成，如图MD所示。变换地造型98也可构成三角形的段102，如图15E所示。上述所有的造型98将引起层状流向紊流突变的激发并引起流脱开的减小及压力损耗的下降。总地来说翼75可具有一个不同横截面的及与主流动方向18垂直的不同延伸的加厚部分形式的附加的、局部上有限的造型98，并包括断续的构型在内。
【权利要求】
1.用于确定一个以主流动方向(18)流动的流体介质、尤其内燃机的吸入空气质量的至少一个流动特性的传感器装置(100)，其中该传感器装置(100)具有一个设置在一个导流管(50)中的插接式传感器(12)，该插接式传感器具有一个用于确定流体介质的流动特性的传感器(32)及至少一个迎着主流动方向(18)的入口(16)，其特征在于:传感器装置(100)具有至少一个在主流动方向(18)上设置在插接式传感器(12)上游的翼式栅(74)，其中为了使流体介质偏转到在插接式传感器(12)处的主流动方向(18)上翼式栅(74)具有多个翼(75)及接片(76)，其中翼(75)至少区段地被设置成圆形，椭圆形或具有可变的半径，其中翼(75)被这样地布置，以致它们为了减小气流波动及为了在插接式传感器(12)处产生均匀的高流动速度具有一个0°至90°，优选地0°至20°及特别优选地0°至10°的迎角(α )。
2.根据上一权利要求的传感器装置(100)，其中翼(75)为支撑面形，其中该支撑面形的翼(75)的迎角α对于翼式栅(74)来说由外向内变小。
3.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75)从主流动方向(18)上看至少区段地被构成弯曲的。
4.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75)及接片(76)从主流动方向(18)上看具有不均匀的厚度。
5.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75)被这样设置及在其厚度分布及弯度分布上被这样设计，以致在翼本身与邻接的接片之间构成至少区段地收敛或收敛-发散的通道(81)。
6.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75)在主流动方向(18)上的长度由外部向着中心点(80 )的方向是变化的。
7.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中接片(76)在主流动方向上具有与翼(75)相同的长度或不同的长度。
8.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75)和/或接片(76)在从主流动方向(18)上看的前端区域(82)和/或后端区域(83)中至少部分地具有缺口(90)，尤其正方形或调制的正弦波的形状。
9.根据以上权利要求中任一项的传感器装置(100)，其中翼(75 )和/或接片(76 )在从主流动方向(18)上看的前端区域(82)中，尤其在翼(75)和/或接片(76)的较强弯曲的上侧面(75e)上具有一个造型(98)。
10.根据上一权利要求的传感器装置(100)，其中造型(98)以与主流动方向(18)垂直的加厚部分的形式构成。
【文档编号】G01F15/12GK103925956SQ201410012320
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】A·布里泽 申请人:罗伯特·博世有限公司