Устройство для измерения массового расхода текучей среды - RU2151380C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для измерения массового расхода среды, в частности для определения расхода впускаемого в двигатель внутреннего сгорания воздуха.

Уже известно устройство подобного назначения из DE N 3638138, имеющее размещаемый в потоке среды так называемый термопленочный чувствительный элемент, содержащий для измерения ее расхода температурозависимую чувствительную зону, состоящую из отдельных резистивных слоев, которые нанесены на пластинообразную подложку и включают в себя по меньшей мере один нагревательный и по меньшей мере один температурозависимый измерительные резисторы. Для измерения поддерживают избыточную температуру измерительного резистора, намного превышающую температуру потока среды, вследствие чего резистор, в основном, за счет конвекции в зависимости от расхода протекающей мимо него среды отдает ей определенное количество тепла. Нагревательный резистор служит, как известно, для поддержания постоянной избыточной температуры измерительного резистора и находится в относительно хорошем тепловом контакте с ним с тем, чтобы имелась возможность быстро повысить его температуру. Измерительный резистор имеет зависимое от температуры значение сопротивления, за счет чего изменение избыточной температуры приводит к изменению значения его сопротивления, причем происходит рассогласование регулирующей схемы, соединенной с измерительным и нагревательным резисторами. Регулирующая схема выполнена, например, в виде мостовой схемы измерения сопротивления, которая при рассогласовании измерительным резистором изменяет ток или напряжение нагрева нагревательного резистора с тем, чтобы поддерживать постоянной избыточную температуру измерительного резистора, при этом значение тока или напряжения нагрева нагревательного резистора, необходимое для поддержания избыточной температуры измерительного резистора, является мерой расхода текучей среды. Как описано в приведенном уровне техники, подложка имеет дополнительный резистор, который называется ниже резистором температуры среды и за счет выполненных в подложке прорезей термически изолирован от нагревательного и измерительного резисторов на ней. Резистор температуры среды имеет зависимое от температуры значение сопротивления и является частью регулирующей схемы, которая исключает влияние изменений температуры текучей среды на точность измерений устройства. Из-за пространственной близости резистора температуры среды к нагревательному резистору нельзя, однако, полностью исключить тепловое воздействие, поскольку, несмотря на выполненные в подложке прорези, внутри подложки могут возникнуть тепловые потоки, которые, например, через держатель термопленочного чувствительного элемента могут протекать к резистору температуры среды так, что последний неточно принимает температуру текучей среды. Кроме того, тепловые потоки, не передаваемые нагревательным резистором текучей среде, действуют так, что увеличивается время срабатывания устройства на изменения температуры текучей среды. Помимо этого при пульсирующем потоке с его частичным возвратом на термопленочном чувствительном элементе может произойти то, что нагретая среда попадет от нагревательного резистора к резистору температуры среды, в результате чего последний ошибочным образом определит повышенную нагревательным резистором температуру текучей среды.

Более близким техническим решением к настоящему изобретению является описанное в DE 3603010 устройство для измерения массового расхода среды, в частности впускаемого в двигатель внутреннего сгорания воздуха, содержащее удлиненный корпус с измерительным каналом, через который протекает среда и в котором размещен чувствительный элемент с по меньшей мере одним температурозависимым измерительным резистором, причем для компенсации температуры текучей среды предусмотрен расположенный вне корпуса параллельно его продольной оси резистор температуры среды.

В этом устройстве резистор температуры среды своими выводами закреплен непосредственно в корпусе. Однако такое крепление резистора удорожает изготовление устройства при его массовом производстве.

Задача изобретения заключается в создании устройства для измерения расхода потока текучей среды более дешевого в массовом производстве.

Поставленная задача решается с помощью устройства для измерения массового расхода среды, содержащего удлиненный корпус с измерительным каналом, через который протекает среда и в котором размещен чувствительный элемент с по меньшей мере одним температурозависимым измерительным резистором, причем для компенсации температуры среды предусмотрен расположенный вне корпуса параллельно его продольной оси резистор температуры среды. Согласно изобретению на корпусе имеются опоры в виде контактных штифтов, с которыми соединены электрические выводы резистора температуры среды, при этом по меньшей мере один из электрических выводов согнут U-образно и охватывает выступ, выполненный на корпусе, для обеспечения размещения резистора на расстоянии от наружной поверхности корпуса.

Целесообразно опоры расположить друг за другом в направлении потока среды.

В предпочтительной форме осуществления изобретения резистор температуры среды соединен с электронной регулирующей схемой, соединенной с чувствительным элементом.

При этом резистор температуры среды подключен к штекерному соединению, расположенному на корпусе.

Пример осуществления изобретения более подробно поясняется в нижеследуемом описании со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - вид сбоку, разрез устройства согласно изобретению;
на фиг. 2 - вид сверху устройства согласно изобретению;
на фиг. 3 - разрез по плоскости III-III на фиг.1;
на фиг. 4 - в перспективе нижний корпус устройства согласно изобретению;
на фиг. 5 - разрез по плоскости V-V на фиг.4.

Изображенное на фиг.1 устройство 1 предназначено для измерения массового расхода потока среды, в частности расхода воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания (не показан). Устройство 1 имеет узкую цилиндрическую форму, вытянутую вдоль продольной оси 10, проходящей, в свою очередь, посередине устройства 1. Устройство вставлено в отверстие 3 стенки 4, например, впускной трубы, через которую поступает воздух, всасываемый двигателем из окружающего пространства. Посредством двух резьбовых соединений 5 устройство 1 закреплено на наружной поверхности 7 стенки 4, ограничивающей своей внутренней поверхностью 8 проходное сечение 12, в котором перпендикулярно плоскости чертежа фиг.1 и в плоскость фиг.1 движется текучая среда. Устройство 1 содержит удлиненный основной корпус 15 из пластмассы, на свободном конце 14 которого выполнен измерительный канал 20 приблизительно прямоугольного поперечного сечения, направленный приблизительно в середину проходного сечения 12 и проходящий приблизительно параллельно направлению потоку, омываясь текучей средой. Внутри измерительного канала 20 в направлении продольной оси 10 размещен чувствительный элемент 25, имеющий пластинообразную форму и ориентированный своей большей поверхностью 60 приблизительно параллельно направлению движения среды, текущей в плоскость чертежа фиг.1. Направление потока среды обозначено на фиг.2-5 соответствующими стрелками 9 справа налево. Измерительный канал 20 частично ограничен основным корпусом 15 и частично надетой на него изготовленной, например, из пластика запорной крышкой 28, вставляемой в паз 29 на конце 14 основного корпуса 15. Для улучшения обзора запорная крышка 28 на фиг.2 не показана.

Чувствительный элемент 25 может быть изготовлен путем травления полупроводникового тела, например кремниевой пластины, по так называемой микромеханической технологии и имеет конструкцию, которая описана, например, в DE N 4219454 и поэтому более подробно не поясняется. Чувствительный элемент 25 имеет полученную также травлением мембранообразную чувствительную зону 26, которая, как и на фиг.2 (вид сверху устройства 1), ограничена линией 11. Чувствительная зона 26, толщина которой составляет лишь несколько микрон, содержит несколько полученных также травлением резистивных слоев, образующих по меньшей мере один температурозависимый измерительный резистор и, например, по меньшей мере один нагревательный резистор. Можно также выполнить чувствительный элемент 25 в виде так называемого термопленочного чувствительного элемента, конструкция которого описана, например, в DE N 3638138. Подобные термопленочные чувствительные элементы также содержат отдельные, нанесенные на пластинообразную подложку резистивные слои, образующие по меньшей мере один температурозависимый измерительный резистор и, например, по меньшей мере один нагревательный резистор.

Между измерительным каналом 20 и присоединительной частью 38 устройства 1, расположенной за пределами проходного сечения 12 на другом конце основного корпуса 15, в углублении 16 последнего размещена электронная регулирующая схема 30, которая, как показано на фиг.2, электрически соединена с чувствительным элементом 25 посредством выводов 31, выполненных, например, в виде проволочных выводов. Регулирующая схема 30 служит, как известно, для питания чувствительного элемента 25 и для обработки подаваемых им электрических сигналов. Конструкция подобной регулирующей схемы 30 достаточно хорошо известна специалисту, и с ней можно ознакомиться, например, в DE N 3638138. Регулирующая схема 30 содержит множество электронных элементов, объединенных обычно по так называемой гибридной технологии в гибридную схему. Регулирующая схема 30 размещена в металлическом защитном корпусе 34, который состоит из соединяемых между собой металлических нижнего 35 и запорного 50 корпусов. Гибридная схема нанесена на гибридную подложку 17 в виде пленочной интегральной схемы и в примере выполнения приклеена к верхней стороне 46, например, прямоугольного основания 36 нижнего корпуса 35, например, клеем.

Нижний корпус 35, изображенный на фиг.4 в перспективе без чувствительного элемента 25, может быть изготовлен из тонкой металлической полосы, например металлического листа, причем для обработки металлической полосы пригодна штамповка, гибка, фальцевание, глубокая вытяжка или выдавливание. Запорный корпус 50 также может быть изготовлен из металлической полосы посредством штамповки, гибки, фальцевания, глубокой вытяжки или выдавливания. Основание 36 нижнего корпуса 35 имеет, например, прямоугольную форму, и к его верхней стороне 46 приклеена гибридная подложка 17. От более длинных сторон прямоугольного основания 36 выступают отогнутые перпендикулярно ему параллельные боковые стенки 37, которые служат для фиксации вставляемого между ними металлического запорного корпуса 50 (фиг. 1). На нижней стороне 45 основания 36 нижний корпус 35 снабжен, например, четырьмя выдавленными выступающими фиксирующими цапфами 41, которые при вставке нижнего корпуса 35 в углубление 16 основного корпуса 15 входят в соответствующие отверстия 49 основного корпуса 15, закрепляя на нем нижний корпус 35. Вместо фиксирующих цапф 41 или в дополнение к ним можно также склеить нижний корпус 35 с основным корпусом 15 посредством клея.

Как изображено на фиг.4, нижний корпус 35 имеет язычковое удлинение на одной короткой стороне прямоугольного основания 36, выполненное в качестве держателя 27 для фиксации чувствительного элемента 25. Держатель 27 и нижний корпус 35 могут быть изготовлены за одну общую операцию, как показано на фиг. 4, или по отдельности, для чего пригодны штамповка, гибка, фальцевание, глубокая вытяжка и выдавливание. После изготовления по отдельности держателя 27 и нижнего корпуса 35 обе детали снова могут быть соединены между собой подходящими соединительными средствами, например лазерной сваркой. Держатель 27 изготовляют в любом случае путем фальцевания тонкой металлической полосы. В примере выполнения на фиг.4 в прямоугольном язычковом удлинении основания 36 симметрично продольной оси 11 защитного корпуса, например, штамповкой выполняют отверстие 62. Затем вокруг оси сгиба, параллельной продольной оси 11 защитного корпуса, часть язычкового удлинения сгибают таким образом, что в окончательном виде согнутой металлической полосы прилегают друг к другу два элемента 56, 57 одинаковой величины. Ниже выгнутый из плоскости основания 36 элемент называют фиксирующим элементом 57, а оставшийся в плоскости, невыгнутый элемент с отверстием 62 - рамным элементом 56. При этом фиксирующий элемент 57 проходит под нижней стороной 45. Как изображено на фиг. 5 (разрез по линии V-V на фиг.4 с размещенным чувствительным элементом 25), фиксирующий элемент 57 в окончательно согнутом виде приблизительно под углом 180^o закрывает отверстие 62 несогнутого рамного элемента 56, ограничивающего вместе с фиксирующим элементом 57 выемку 58. Рамный элемент 56 или выемка 58 имеет сечение, приблизительно соответствующее, например, прямоугольной пластинообразной форме чувствительного элемента 25, и глубину t, которая больше измеренной поперек потока текучей среды толщины d чувствительного элемента 25, с тем, чтобы полностью разместить его в выемке 58. После фальцевания металлической полосы фиксирующий элемент 57 деформируют с помощью воздействующего на его наружную поверхность 61 инструмента, например чеканочного штампа, в результате чего деформированный участок основания 63 фиксирующего элемента 57, ограниченного выемкой 58 рамного элемента 56, немного входит в виде плоского возвышения 64 в выемку 58 рамного элемента 56. Сечение плоского возвышения 64, выполненного в зоне отверстия 62 рамного элемента 56, меньше, чем сечение отверстия 62 и установленного на возвышении 64 чувствительного элемента 25. В процессе выдавливания, кроме того, можно выполнить в основании 63 один или несколько клеящих гофров 65, проходящих в виде желобков, например, вокруг плоского возвышения 64. Затем, например, посредством выдавливания боковую поверхность 67 держателя 27, проходящую вдоль оси сгиба и обращенную к потоку текучей среды, деформируют таким образом, что образуется кромка 68 натекания, скругленная вокруг оси сгиба и уплощенная в направлении наружной поверхности 59. За счет скругленной и, при необходимости, клинообразной кромки 68 происходит равномерное натекание потока среды вдоль чувствительного элемента 25, в частности, без вихревых участков или участков отрыва потока на поверхности 60 чувствительного элемента 25. На плоское возвышение 64 нанесен клей, на который кладут чувствительный элемент 25 в выемке 58 и который фиксирует чувствительный элемент за пределами его чувствительной зоны 26. При этом в процессе склеивания лишний клей собирается в выполненных на основании 63 клеевых гофрах 65 с тем, чтобы чувствительный элемент 25 можно было приклеить к плоскому возвышению слоем клея равномерной толщины. Поскольку плоское возвышение 64 получают лишь после фальцевания металлической полосы, можно изготовить его с предельно малым допуском, благодаря чему чувствительный элемент 25 вклеивают его поверхностью 60 в выемку 58 заподлицо с поверхностью 59 рамного элемента 56 с наивысшей точностью. Плоское возвышение 64 выполнено таким образом, что не закрывает чувствительную зону 26 чувствительного элемента 25, за счет чего последний приклеивают за пределами его чувствительной зоны 26, благодаря чему чувствительный элемент 25 с чувствительной зоной 26 размещен в выемке 58 свободно и без контакта с основанием 63. Таким образом, за счет воздушной подушки между чувствительным элементом 25 и основанием 63 возникает хорошая теплоизоляция чувствительного элемента 25 в фиксирующем элементе 57. Кроме того, сечение выемки 58 в направлении 9 потока среды немного больше сечения чувствительного элемента 25 так, что между ним и стенкой выемки 58 образуется воздушный зазор, обеспечивающий хорошую теплоизоляцию чувствительного элемента 25 в рамном элементе 56. Высота плоского возвышения 64 выбрана так, что между поверхностью 59 рамного элемента 56 и поверхностью 60 чувствительного элемента 25 не образуется уступа.

Для электрического соединения гибридной схемы на гибридной подложке 17 с выполненным на присоединительной части 38 устройства 1 электрическим штекерным соединением 39 предусмотрено несколько выводов 54, которые, как изображено на фиг.2, проходят от штекерного соединения 39 за пределы нижнего корпуса 35 и концы которых образуют в основном корпусе 15 места 43 контактирования. Посредством П-образно согнутых, образованных, например, проволоками гибридных выводов 52 места 43 контактирования электрически соединены с соответствующими местами 42 контактирования гибридной подложки 17. Гибридные выводы 52 вводят снаружи через отдельные проходные конденсаторы 40 внутрь нижнего корпуса 35 к гибридной подложке 17 и электрически соединяют с местами 43 контактирования в основном корпусе 15, например, пайкой или лазерной сваркой. Отдельные проходные конденсаторы 40 размещены в одной общей вставке 47 в предусмотренных для этого отверстиях, фиксированы там, например, посредством пайки и электрически соединены со вставкой 47. Для ее монтажа на боковых стенках 37 нижнего корпуса 35 предусмотрено, например, по два пружинящих элемента 70, между которыми вводят вставку 47, после чего она образует обращенную к штекерному соединению 39 металлическую переднюю стенку нижнего корпуса 35. Пружинящие элементы 70 формируют при изготовлении нижнего корпуса 35 на его боковых стенках 37 с помощью операций штамповки и гибки внутрь него. При изготовлении вставки 47 ее оснащают, как уже отмечалось, отдельными трубчатыми проходными конденсаторами 40, после чего в проходные конденсаторы 40 вводят гибридные выводы 52, фиксируют их, например, посредством пайки и электрически соединяют. Затем П-образно сгибают гибридные выводы 52, за счет чего вставку 47 простым образом вставляют в качестве отдельного вставного модуля в нижний корпус 35 и фиксируют пружинящими элементами 70, причем за счет пружинящих элементов 70 образуется массовое соединение от вставки 47 к нижнему корпусу 35. После монтажа вставки 47 гибридные выводы 52 электрически соединяют ее проволочными концами с местами 42 контактирования гибридной подложки 17 и с местами 43 контактирования в основном корпусе 15, например, пайкой или термокомпрессией. От предусмотренных в основном корпусе 15 мест 43 контактирования электрические выводы 54 внутри него ведут к штекерному соединению 39, выполненному в данном примере в виде штекерного вывода. Для электрического соединения регулирующей схемы 30 на штекерный вывод надет электрический штекер, соединенный с электронным блоком управления (не показан), который обрабатывает подаваемые регулирующей схемой 30 электрические сигналы, управляя таким образом, например, мощностью двигателя внутреннего сгорания.

Запорный корпус 50 предназначен для закрывания нижнего корпуса 35 и гибридной подложки 17 и охватывает вставку 47, как изображено на фиг. 1, пружинящими элементами 72 в виде хомутов. Пружинящие элементы 72 закрывают при этом обращенную к штекерному соединению 39 переднюю поверхность 75 и обращенную к гибридной подложке 17 заднюю поверхность 76 вставки 47 лишь частично с тем, чтобы посредством пружинящего контакта обеспечить массовое соединение от запорного корпуса 50 к вставке 47, а от нее через пружинящие элементы 70 - к нижнему корпусу 35. Кроме того, запорный корпус 50 имеет на более длинных сторонах своего прямоугольного основания 78 две выступающие боковые стенки 79, которые, например, несколькими прорезями разделены на несколько пружинящих элементов 73. При изготовлении запорного корпуса 50 пружинящие элементы 73 распирают, например, слегка наружу, в результате чего они, как изображено на фиг. 3 (разрез по плоскости III-III), в собранном виде после установки запорного корпуса 50 на нижнем корпусе 35 упруго прилегают к боковым стенкам 37 последнего.

Защитный корпус 34, образованный нижним корпусом 35, запорным корпусом 50 и, например, вставкой 47, охватывает гибридную схему со всех сторон для защиты регулирующей схемы, в частности, от электромагнитных волн. Оснащенная проходными конденсаторами 40 вставка 47 препятствует проникновению электромагнитных волн к гибридной схеме через выводы 54 и гибридные выводы 52 путем их отфильтровывания проходными конденсаторами 40. Кроме того, металлические нижний 35 и запорный 50 корпуса препятствуют излучению электромагнитных волн, которые могут исходить от регулирующей схемы 30 так, что устройство 1 не влияет на работу электрических систем, расположенных даже в непосредственной близости от него. В случае, если подобное помехоподавление проходными конденсаторами 40 нежелательно, вставку 47 можно не использовать, для чего не требуются сложные конструктивные изменения нижнего корпуса 35. Необходимо лишь электрически соединить между собой места 43 контактирования в основном корпусе 15 с местами 42 контактирования гибридной подложки 17, например, термокомпрессией, пайкой или лазерной сваркой.

Для защиты от загрязнения запорный корпус 50 дополнительно закрыт изготовленной из пластмассы крышкой 80, которую, как изображено на фиг.1, вставляют, например, в огибающий углубление 16 паз 81 основного корпуса. Для лучшего обзора крышка 80 на фиг.2 не показана. Для компенсации измеренного чувствительным элементом 25 значения температуры текучей среды устройство 1 содержит резистор, называемый ниже резистор 86 температуры среды. Этот резистор 86 является, например, частью регулирующей схемы 30, которая исключает влияние изменений температуры текучей среды на точность измерений устройства 1. Можно также вместо электрического соединения резистора 86 температуры среды с регулирующей схемой или в дополнение к нему отдельно контактировать резистор 86 посредством электрического вывода в основном корпусе 15 и дополнительного контактного штырька в штекерном соединении 39 с надеваемым на него штекером так, что резистор 86 может быть соединен с другими схемами управления двигателя внутреннего сгорания или с электронным блоком управления. Резистор 86 температуры среды имеет зависимое от температуры значение сопротивления. При этом резистор 86 может быть выполнен в виде термистора или позистора и иметь сопротивление в виде проволоки или пленки. Резистор 86 расположен вне измерительного канала 20 параллельно продольной оси 10 основного корпуса 15 на расстоянии от его наружной поверхности 84. Размещенный вне основного корпуса 15 резистор 86 имеет для электрического контактирования расположенные рядом друг с другом проволочные выводы 92, 93, из которых по меньшей мере вывод 93 согнут U-образно так, что проходит частично параллельно выводу 92. Выводы 92, 93 закреплены, например, пайкой на двух выполненных в виде контактных штифтов электрических опорах 88, которые электрически соединены с ними. Опоры 88 выступают приблизительно напротив вставки 47 нижнего корпуса 35 из наружной поверхности 80 основного корпуса 15 в проходное сечение 12 и в направлении 9 движения потока среды расположены друг за другом. Для дополнительной фиксации резистора 86 на основном корпусе 15 выполнен отстоящий от наружной поверхности 84 пластмассовый выступ 89, вокруг которого по обращенной от опор 88 стороне проходит по его пазу по меньшей мере один U-образно согнутый проволочный вывод 93, за счет чего резистор 86 посредством проволочных выводов 92, 93 расположен на расстоянии от наружной поверхности 84 основного корпуса 15, находясь в текучей среде. Размещение резистора 86 вне измерительного канала 20 на основном корпусе 15 дает то преимущество, что за счет расстояния от резистора 86 до чувствительного элемента 25 и до гибридной схемы гибридной подложки 17 исключено тепловое влияние на резистор 86. Кроме того, резистор 86 вне основного корпуса 15 не подвержен влиянию потока среды, которое исходит, например, от ограничительных стенок измерительного канала 20 так, что резистор 86 может без помех измерять температуру текучей среды.

Как изображено на фиг.3, между измерительным каналом 20 и пластмассовым выступом 89 предусмотрен проходящий в направлении 9 потока среды охлаждающий канал 90, который служит для охлаждения регулирующей схемы 30 и дополнительно улучшает тепловую изоляцию резистора 86 от чувствительного элемента 25 и от регулирующей схемы 30. Охлаждающий канал 90 проходит приблизительно параллельно направлению 9 потока среды поперек основного корпуса 15, причем нижняя сторона 45 нижнего корпуса 35 частично лишена пластмассы основного корпуса 15. За счет частично лишенной пластмассы нижней стороны 45 отдаваемое регулирующей схемой 30 тепло может стекать через гибридную подложку 17 к нижнему корпусу 35 и к охлаждающему каналу 90, что исключает нагрев чувствительного элемента 25 и резистора 86 отдаваемым регулирующей схемой 30 теплом. Охлаждающий канал 90 имеет, например, приблизительно прямоугольное входное сечение, которое в направлении 9 потока среды сужается к середине устройства 1 до минимума и дальше в направлении 9 потока среды снова увеличивается, заканчиваясь прямоугольным выходным сечением, величина которого соответствует входному сечению. За счет выполнения охлаждающего канала 90 в определенной степени в виде половины сопла Лаваля текучая среда ускоряется от входного сечения к нижней стороне 45 нижнего корпуса 35, повышая теплоотвод от регулирующей схемы 30 к текучей среде за счет увеличенной скорости на нижней стороне 45 корпуса 35.

Реферат

Изобретение может быть использовано для измерения массового расхода воздуха, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания. Устройство содержит удлиненный корпус с измерительным каналом, в котором размещен чувствительный элемент (ЧЭ) в виде пластины с нагревательным резистором и по меньшей мере одним температурозависимым измерительным резистором. Вне корпуса установлен резистор, служащий для компенсации температуры среды, своими выводами соединенный с имеющимися на корпусе опорами в виде контактных штифтов. По крайней мере один из выводов резистора согнут U-образно и охватывает выступ, выполненный на корпусе. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения за счет создания надежной тепловой изоляции между ЧЭ и резистором температуры среды, а также исключения влияния на него потока среды в измерительном канале. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Формула