Устройство для измерения массового расхода текучей среды

 

Изобретение предназначено для измерения массового расхода воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания. Устройство содержит расположенный поперечно потоку держатель и термочувствительный измерительный элемент (ТЧЭ), закрепленный в держателе. В зоне впускного отверстия измерительного канала, выполненного в держателе, выше ТЧЭ по ходу пульсирующего воздушного потока расположено препятствие в форме кромки выступа для создания стабильного срыва потока за препятствием. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения за счет снижения шумов в сигнале ТЧЭ. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение касается устройства для измерения массового расхода текучей среды, в частности, воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания.

Из US N 5186044 уже известно устройство подобного назначения, имеющее держатель, расположенный поперечно потоку среды, который вставляется в отверстие, выполненное в стенке, ограничивающей поток. Стенка, ограничивающая поток, представляет собой, например, стенку всасывающей трубы, через которую в двигатель внутреннего сгорания из окружающего пространства засасывается воздух. Держатель выполнен удлиненной формы и на своем свободном конце, выступающем в протекающую среду, имеет измерительный канал, омываемый средой. В измерительном канале размещен термочувствительный измерительный элемент так называемого микромеханического конструктивного выполнения. Такие измерительные элементы имеют на пластинообразном корпусе чувствительную зону, создаваемую вытравливанием кремниевой пластины и образующую вместе с несколькими резистивными слоями по меньшей мере один термочувствительный измерительный резистор. Чувствительная зона охватывает лишь небольшой участок на держателе и имеет чрезвычайно малую толщину для того, чтобы с большой скоростью реагирования определить изменения скорости потока или массы текучей среды.

При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания во время открывания и закрывания его впускного клапана во всасывающей трубе возникает сильно пульсирующий поток, имеющий, как и почти во всех технических потоках, турбулентный характер. Влияние пульсаций на поток частично гасится благодаря размещению измерительного элемента в измерительном канале, однако за счет турбуленции в потоке, в частности в микромеханических измерительных элементах, возникают так называемые основные шумы в электрическом измерительном сигнале, создаваемом измерительным элементом. Указанные основные шумы в электрическом измерительном сигнале затрудняют точное измерение скорости потока среды.

В известном устройстве стенки, ограничивающие измерительный канал и расположенные выше по потоку впускного отверстия в измерительном канале, выполнены закругленными для достижения по возможности поступления не имеющего помех потока среды в измерительный канал без расслоений и параллельного протекания, в частности в зоне измерительного элемента. Это, однако, осуществлялось лишь ограниченно за счет закругленных ограничивающих стенок, так как впускная зона измерительного канала имеет на основе желательных небольших габаритов устройства слишком малую протяженность в направлении протекания для того, чтобы при турбулентном течении получить оптимальное поступление без расслоений потока. Поэтому при определенных соотношениях в потоке можно регулировать его расслоения во впускной зоне измерительного канала, которые временами имеют нестабильный характер и которые влияют на поток в зоне измерительного элемента таким образом, что возникает усиление шумов в измерительном сигнале, вызывающее ухудшение результатов измерения.

Задача изобретения заключается в создании устройства для измерения массового расхода текучей среды, при работе которого были бы заметно уменьшены шумы в измерительном сигнале.

Эта задача решается с помощью устройства для измерения массового расхода текучей среды, в частности воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания, содержащее держатель, расположенный поперечно потоку среды и выступающей в него из стенки, ограничивающей поток, и закрепленный в держателе термочувствительный измерительный элемент, размещенный в среде, омывающей измерительный канал, выполненный в держателе. Согласно изобретению в держателе выше измерительного элемента по ходу потока расположено препятствие потоку, вызывающее эффективный точно определяемый срыв потока в измерительном канале.

Предпочтительно препятствие потоку расположить в зоне впускного отверстия измерительного канала.

При этом препятствие потоку выполнено в форме кромки выступа.

Предпочтительно также ниже кромки по ходу потока в стенке, ограничивающей измерительный канал, выполнить углубление.

Целесообразно препятствие потоку выполнить в виде проволочного заграждения, разместив его в зоне впускного отверстия измерительного канала.

Устройство согласно изобретению обеспечивает значительное уменьшение шума в измерительном сигнале, в результате чего достигаются заметно улучшенные по сравнению с уровнем техники результаты измерения.

Изобретение поясняется далее описанием примера выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны: на фиг. 1 - вид сбоку с частичным разрезом устройства согласно изобретению, на фиг. 2 - увеличенный фрагмент из фиг.1.

На фиг. 1 показан вид сбоку с частичным разрезом устройства 1 для измерения массового расхода текучей среды, в частности воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания. Устройство 1 имеет, предпочтительно, узкую прямоугольную форму, вытянутую радиально в направлении продольной оси, и вставляется в отверстие 6 стенки 5. Стенка 5 представляет собой, например, стенку всасывающей трубы, с помощью которой из окружающего пространства в двигатель внутреннего сгорания засасывается воздух. Стенка 5 ограничивает поперечное сечение 7, через которое проходит поток, и имеет, например в случае цилиндрической всасывающей трубы, приблизительно круглое поперечное сечение, через центр которого проходит в осевом направлении, параллельно стенке 5, средняя ось 11, ориентированная перпендикулярно к продольной оси 10 устройства 1. Устройство 1 герметизировано с помощью уплотнительного кольца 3 в стенке 5 и жестко соединено с ней, например, с помощью резьбового соединения, не показанного более подробно. Устройство 1 выступает своей частью, далее называемой измерительным узлом 17, в протекающий поток среды, причем измерительный узел 17 симметрично разделен, приблизительно в центре поперечного сечения 7 потока средней осью 11 для того, чтобы протекающий поток среды проходил через термочувствительный измерительный элемент 20, расположенный в измерительном узле 17, по возможности без влияния на него краев стенки 5. В примере выполнения на фиг. 1 и 2 среда протекает справа налево, причем направление протекания обозначено стрелками 30.

Устройство 1 в сборе состоит из измерительного узла 17, держателя 18 и удерживающего элемента 19 и изготовлено, например, из искусственного материала способом литья под давлением. Измерительный элемент 20 может быть изготовлен путем вытравливания полупроводникового элемента, например кремниевой пластины, в так называемом микромеханическом выполнении и имеет конструкцию, описанную, например, в DE-OS 4219454. Измерительный элемент 20 имеет мембранообразную, чувствительную зону 21, полученную вытравливанием, ограниченную на фиг. 1 и 2 линией II. Чувствительная зона 21 имеет чрезвычайно малую толщину и несколько, полученных также вытравливанием, резистивных слоев, образующих по меньшей мере один термозависимый измерительный резистор и, например, один нагревательный резистор. Возможно также предусмотреть измерительный элемент 20 в виде так называемого термопленочного чувствительного элемента, конструкция которого описана, например, в DE-OS 3638138. Такие термопленочные чувствительные элементы имеют отдельные резистивные слои, точно также размещенные на пластинообразной подложке, включающие по меньшей мере один термозависимый измерительный резистор и, например по меньшей мере один нагревательный резистор. Отдельные резистивные слои измерительного элемента 20, например чувствительной зоны 21, с помощью проложенных внутри устройства 1 соединительных проводов 22 соединены с показанной на чертеже штриховой линией электронной схемой 23 обработки данных. Электронная схема 23 обработки данных содержит, например, реостатную схему, аналогичную мостиковой. Схема 23 обработки данных размещена, например, в держателе 18 или несущем элементе 19 устройства 1. С помощью штекерного соединения 24 на удерживающем элементе 19 электрические сигналы, полученные, например, от схемы 23 обработки данных, могут подводиться, например, к другому электронному прибору управления для оценки, который, помимо других функций, управляет электронным регулированием холостого хода или мощностью двигателя внутреннего сгорания. В более подробном описании функционирования и конструкции термочувствительных измерительных элементов нет необходимости, так как специалисту это известно из уровня техники.

Измерительный узел 17 устройства 1 имеет, например, прямоугольную форму и измерительный канал 33, проходящий в нем в осевом направлении и направляющем канале 34, имеющем, например, S-образную форму. Измерительный канал 33 проходит аксиально в направлении средней оси 11 в измерительном узле 17 от впускного отверстия 36, имеющего, например, прямоугольную форму, до устья 35. Измерительный канал 33 ограничен верхней поверхностью 38, удаленной от средней оси 11, и нижней поверхностью 37, расположенной ближе к средней оси 11, а также двумя боковыми поверхностями. Вместо расположения измерительного канала 33 эксцентрично к средней оси 11, возможно расположить его по центру или в зоне средней оси 11 стенки 5. Пластинообразный измерительный элемент 20 ориентирован в измерительном канале 33 на большей части своей протяженности радиально в направлении продольной оси 10 и симметрично разделен ею. Измерительный элемент 20 удерживается одним из своих узких концов в держателе 18 на поверхности 38 таким образом, что он может омываться средой с обеих своих сторон, приблизительно, параллельно к средней оси 11. Среда течет от впускного отверстия 36 измерительного канала 33 к измерительному элементу 20 и от него в направляющий канал 34 для того, чтобы покинуть направляющий канал 34 в радиальном направлении по стрелке 31, показанной на фиг. 1 и 2, через выпускное отверстие 46. Среда, вытекающая из выпускного отверстия 46, затем снова смешивается со средой, протекающей вокруг устройства 1. Выпускное отверстие 46 имеет так же, как и направляющий канал 34, например, прямоугольное поперечное сечение и выполнено на нижней наружной поверхности 45 измерительного узла 17, ориентированной параллельно средней оси 11. Справа от прямоугольного выпускного отверстия 46 на измерительном узле 17 находится закругленная поверхность 42, расположенная поперечно к нижней наружной поверхности 45 и противостоящая одному из потоков 30. Закругленная поверхность 42 проходит по ходу потока от нижней наружной поверхности 45 к впускному отверстию 36 и далее к нижней поверхности 37 измерительного канала 33.

Согласно изобретению выше измерительного элемента 20 по ходу потока в зоне впускного отверстия 36 измерительного канала 33 расположено препятствие 50 протеканию потока, выполненное в данном случае в виде кромки 51 уступа. Кромка 51 уступа, вызывающая изменение направления потока за счет острого края, образована на поверхности 38 на конце измерительного канала 33, открытого в сторону потока 30. Конец измерительного канала 33 ограничен торцевой поверхностью 48 держателя 18 устройства 1 и закругленной поверхностью 42. Имеющая, например, прямоугольную форму торцевая поверхность 48 направлена навстречу потоку 30 и проходит параллельно продольной оси 10 от измерительного узла 17 до стенки 5.

За кромкой 51 уступа по ходу потока вблизи от торцевой поверхности 48 выполнено углубление 52 в виде канавки на поверхности 38 измерительного канала 33, проходящее поперечно к продольной оси 10 и к средней оси 11. Углубление 52 в виде канавки выступает, таким образом, перпендикулярно плоскости чертежа, в плоскость фиг. 1 и 2 и имеет протяженность, соответствующую приблизительно ширине поперечного сечения впускного отверстия 36 измерительного канала 33.

Как показано на фиг. 2, представляющей увеличенное изображение измерительного узла 17, кромка 51 уступа вызывает обозначенную на фиг. 2 область 54 расслоения, занимающую, в основном, зону углубления 52. Область 54 расслоения потока является сравнительно стабильной по времени и пространству и всегда возникает на одном и том же месте, обеспечивая эффект, заключающийся в предотвращении появления области 56 расслоения в разных местах и нестабильно по времени или по крайней мере сильно ослабляя ее. От таких спонтанно возникающих областей 56 расслоения, показанных на фиг. 2 штриховой линией, помехи переходят в поток, что приводит к повышению так называемых основных шумов в электрическом измерительном сигнале, подаваемом измерительным элементом 20. С помощью кромки 51 уступа или стабильной области 54 расслоения удается избежать таких помех, вследствие чего снижаются основные шумы. Возможно также выполнить препятствие потоку вместо кромки 51 уступа какой-либо другой формы, например в форме известного в гидравлике так называемого выступающего проволочного заграждения. Проволочное заграждение, выступающее в поток так же, как и кромка уступа, располагаются на корпусе в определенных местах для того, чтобы вызвать в потоке за счет точечного повышения его сопротивления ниже кромки уступа по ходу потока или проволочного заграждения, точно определенную область расслоения потока.

При этом препятствие потоку имеет размер, соответствующий примерно толщине пограничного слоя в месте предусмотренного препятствия, за счет чего ниже препятствия по ходу потока создается особенно большой перепад давления к стенке, вследствие чего устанавливается стабильная по времени и по пространству область расслоения за препятствием по ходу потока.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения массового расхода текучей среды, в частности воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания, содержащее держатель, расположенный поперечно потоку среды и выступающий в него из стенки, ограничивающей поток, и закрепленный в держателе термочувствительный измерительный элемент (20), размещенный в среде, омывающей измерительный канал (33), выполненный в держателе, отличающееся тем, что в держателе выше измерительного элемента (20) по ходу потока расположено препятствие (50) потоку, вызывающее эффективный, точно определяемый срыв потока в измерительном канале.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что препятствие (50) потоку расположено в зоне впускного отверстия (36) измерительного канала (33).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что препятствие (50) потоку выполнено в форме кромки (51) выступа.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что ниже кромки (51) по ходу потока в стенке (38), ограничивающей измерительный канал (33), выполнено углубление (52).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что препятствие (50) потоку выполнено в виде проволочного заграждения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что проволочное заграждение размещено в зоне впускного отверстия (36) измерительного канала (33).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2