Устройство для измерения по меньшей мере одного параметра потока текучей среды, движущегося по трубопроводу - RU2257550C2
Код документа: RU2257550C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу потока текучей среды.
Из DE 19735891 А1 известна измерительная головка, вставляемая в предназначенный для подачи очищенного воздуха канал впускного трубопровода двигателя внутреннего сгорания и служащая для измерения массового расхода впускаемого воздуха, при этом такая измерительная головка имеет проточный измерительный канал, который расположен в основном наклонно относительно продольной оси трубопровода и от которого ответвляется примыкающий к нему S-образный отклоняющий канал. В измерительном канале расположен измерительный элемент. Такой измерительный элемент, как это известно, например, из DE 4338891 А1 или US 5452610, может быть выполнен в виде микромеханического чувствительного элемента с диэлектрической мембраной. Попадание во впускной трубопровод воды, например, с мокрого от дождя дорожного полотна может при определенных условиях приводить к загрязнению измерительного элемента. В этом случае соли, обычно присутствующие в виде раствора в брызгах этой воды, приводят к дрейфу характеристики из-за образования корки соли на мембране чувствительного элемента. Несмотря на образование зоны аэродинамической тени благодаря наклонному положению измерительной головки в измерительный канал тем не менее попадают частицы грязи и капельки жидкости.
Из DE 19735664 А1 уже известно устройство, в котором измерительный элемент расположен внутри трубчатого элемента, сквозь который проходит поток текучей среды, при этом верхний по ходу потока конец этого трубчатого элемента входит внутрь фильтровальной камеры и имеет в этом месте на боковой поверхности впускные отверстия, позволяющие снизить количество попадающих на измерительный элемент частиц грязи или капелек воды. Однако при достаточно сильном загрязнении воздуха и высоком содержании влаги во впускаемом в ДВС воздухе возникает опасность полного пропитывания воздушного фильтра влагой, которая в этом случае будет проходить сквозь фильтрующие маты и увлекать частицы грязи. При этом в свою очередь возникает опасность того, что с выходной стороны воздушного фильтра, откуда непосредственно выходит очищенный воздух, впускаемый воздух вновь будет захватывать с поверхности фильтра частицы грязи и капельки воды, которые будут оседать на измерительном элементе и приводить к нежелательному появлению ошибок в измерениях или к выходу из строя этого измерительного элемента. Известный трубчатый элемент благодаря выполненным в его боковой поверхности впускным отверстиям позволяет снизить риск образования отложений или налета на измерительном элементе, однако при этом такой трубчатый элемент приходится выполнять слишком большой длины, что приводит к нежелательному падению в нем давления, с чем в свою очередь связано снижение точности измерений. Кроме того, подобный трубчатый элемент не позволяет в достаточной мере снизить количество попадающих на измерительный элемент жидкости/твердых частиц при заданном (расчетном) расходе попадающей в эту систему жидкости, составляющем 20 л/ч.
Помимо этого предлагалось устанавливать в трубопроводе отклоняющую или защитную решетку для отделения от потока воздуха или газа капелек жидкости. Воздействие, оказываемое подобной располагаемой перед внутренней трубкой или в трубопроводе отклоняющей решеткой на поток движущейся к измерительному элементу воздушно-водной смеси, состоит в том, что она отклоняет капельки жидкости к стенкам трубки, соответственно стенкам трубопровода, тогда как поток воздуха движется по центру внутренней трубки. Однако в результате подобного разделения фаз непосредственно за отклоняющей решеткой создается исключительно большая неустойчивая застойная область, в которой при длительной работе двигателя скапливается вода, поток которой в последующем может бесконтрольно устремляться в сторону измерительной головки. Кроме того, воздушные завихрения, образующиеся в указанной застойной области, также часто достигают измерительной головки, создавая помехи, накладывающиеся на сигнал датчика, и ухудшая воспроизводимость этого сигнала.
Из DE 19652753 А1 известно устройство с измерительным элементом, имеющее выравнивающее устройство для потока (выравнивающую решетку) и решетку для стабилизации измерительного сигнала. Однако в этом устройстве не предусмотрено использование какой-либо иной решетки или какого-либо иного элемента для защиты измерительного элемента от попадания на него жидкости или твердых частиц.
Из DE 19647081 А1, соответственно из US 5918279, известна решетка, на отдельных участках которой имеются отверстия различного проходного сечения. Однако в указанных публикациях не предусмотрено никаких мер, которые позволяли бы предотвратить загрязнение измерительного элемента влагой и/или твердыми частицами.
Для решения этой проблемы предлагается устройство для измерения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу потока текучей среды, прежде всего массового расхода воздуха, в основном массового расхода впускаемого воздуха, поступающего в ДВС, с помощью расположенного в трубопроводе и обтекаемого потоком текучей среды измерительного элемента. В предлагаемом устройстве предохранение измерительного элемента от загрязнения достигается наличием по меньшей мере одной расположенной внутри трубопровода по ходу потока перед указанным измерительным элементом защитной решетки, которая предназначена для изменения по ходу потока за ней направления потока текучей среды, движущегося в направлении основного потока, и тем самым для отвода встречающихся в потоке текучей среды частиц грязи и капелек жидкости в расположенную по ходу потока за этой защитной решеткой зону в потоке текучей среды, в которой текучая среда не контактирует с измерительным элементом.
Таким образом, преимущество предлагаемого в изобретении устройства по сравнению с известными решениями заключается в возможности простым путем улучшить результаты измерений благодаря тому, что предусмотренная в устройстве защитная решетка отводит в сторону жидкость и/или твердые частицы, направляя их в обход измерительного элемента.
Осевые линии отверстий защитной решетки в ее смонтированном положении могут проходить наклонно относительно направления основного потока, как и сама защитная решетка может быть расположена наклонно относительно направления основного потока, что позволяет отклонять частицы грязи и капельки жидкости в необходимом направлении.
Измерительный элемент может быть расположен в установленном в трубопроводе трубчатом элементе с проточным каналом, сквозь который проходит поток текучей среды, движущийся в направлении основного потока. Само наличие этого трубчатого элемента уменьшает загрязнение измерительного элемента твердыми частицами и жидкостью. Защитная решетка может быть расположена непосредственно перед таким трубчатым элементом или внутри него, что позволяет дополнительно уменьшить количество попадающих на измерительный элемент твердых частиц грязи и жидкости в результате изменения направления потока текучей среды.
В одном из наиболее предпочтительных вариантов внутри трубопровода имеется приспособление, уменьшающее образование завихрений в потоке текучей среды в расположенной по ходу потока за защитной решеткой зоне аэродинамической тени и неконтролируемое скопление жидкости по ходу потока за указанной защитной решеткой или в самой этой защитной решетке, что снижает опасность образования застойной области за защитной решеткой по ходу потока или в ней самой.
В качестве указанного приспособления, препятствующего образованию застойной области, в трубчатом элементе или в трубопроводе предпочтительно предусмотрено по меньшей мере одно продольное ребро, ориентированное в направлении основного потока, расположенное на участке этой застойной области. В результате изменения направления потока текучей среды в трубопроводе или в трубчатом элементе по ходу потока за защитной решеткой в этом потоке образуется зона аэродинамической тени, при этом указанное по меньшей мере одно продольное ребро расположено преимущественно в этой зоне аэродинамической тени.
Используемое продольное ребро может быть выполнено обтекаемым в направлении основного потока и не иметь геометрических неровностей. Ширина такого продольного ребра, которой определяется его протяженность в окружном направлении трубопровода, может увеличиваться по ходу потока, т.е. продольное ребро может утолщаться в направлении основного потока. В результате увеличивается площадь поверхности стенок и возрастает трение, благодаря чему скорость потока в застойной области снижается, а тем самым существенно уменьшается и сама эта застойная область. Этот эффект в свою очередь приводит к получению постоянной во времени характеристики измерительного элемента и снижению зашумленности его сигнала.
В предпочтительном варианте конструкции трубопровод или трубчатый элемент имеют осевую линию, а продольное ребро имеет свою радиальную осевую линию, проходящую перпендикулярно указанной осевой линии трубопровода или трубчатого элемента, при этом радиальная осевая линия ребра пересекает осевую линию трубопровода или трубчатого элемента.
Радиальная высота по меньшей мере одного продольного ребра может увеличиваться или уменьшаться в направлении движения потока.
В одном частном варианте линия, проходящая параллельно осевой линии трубопровода или трубчатого элемента по касательной к радиальному окончанию или вершине по меньшей мере одного продольного ребра, может самое большее лишь касаться выступающей в трубопровод или в трубчатый элемент нижней поверхности измерительного элемента. Когда измерительный элемент расположен в измерительной головке, то линия, проходящая параллельно осевой линии трубопровода или трубчатого элемента по касательной к радиальному окончанию или вершине по меньшей мере одного продольного ребра, может самое большее лишь касаться выступающей в трубопровод или в трубчатый элемент нижней поверхности измерительной головки.
В последнем варианте измерительный элемент или измерительная головка могут иметь заднюю поверхность, которая проходит перпендикулярно осевой линии и которая является самой дальней по ходу потока, при этом указанное по меньшей мере одно продольное ребро доходит в направлении основного потока максимум до наиболее дальней по ходу потока задней поверхности измерительного элемента или измерительной головки.
Углы пересечения радиальных осевых линий соседних продольных ребер могут быть равны между собой. Кроме того, при наличии нескольких продольных ребер соседние продольные ребра могут быть расположены с равным угловым шагом, если смотреть в окружном направлении трубопровода.
В качестве вышеупомянутого приспособления, уменьшающего образование завихрений в потоке текучей среды и скопление жидкости в трубчатом элементе, в последнем может быть предусмотрено по меньшей мере одно отсасывающее отверстие для отсоса воды, скапливающейся в застойной области. Такое отсасывающее отверстие может быть выполнено в стенке трубчатого элемента и может соединять зону аэродинамической тени с полостью трубопровода.
Положение такого отсасывающего отверстия в трубчатом элементе зависит от степени отклонения потока текучей среды по ходу потока за защитной решеткой, т.е. от угла отклонения потока. По ходу потока перед отверстием на трубчатом элементе и/или напротив этой зоны на внутренней стенке трубопровода может быть расположено приспособление для повышения скорости потока текучей среды. Такое приспособление может образовывать по ходу движения основного потока сужающийся канал и иметь скругленную форму со стороны, обращенной навстречу основному потоку. Также могут быть предусмотрены соответствующие выступы, уменьшающие проходное сечение.
С целью уменьшить скопление воды в застойной области предпочтительно, чтобы защитная решетка играла роль приспособления, уменьшающего образование завихрений в потоке текучей среды и скопление жидкости. В этом варианте защитная решетка приводит поток текучей среды в вихревое движение. Отверстия защитной решетки при этом образуют завихритель, который служит приспособлением, уменьшающим образование завихрений в потоке текучей среды и скопление жидкости.
Перед измерительным элементом по ходу потока в трубопроводе может быть расположено выравнивающее устройство для потока, при этом защитная решетка может быть встроена в это выравнивающее устройство. В этом случае измерительный элемент может быть расположен в измерительном канале измерительной головки, имеющем впускное отверстие и выпускное отверстие, при этом защитная решетка, будучи встроена в выравнивающее устройство - для сокращения количества деталей и производственных расходов - расположена по ходу потока перед измерительным элементом или впускным отверстием на уровне этих измерительного элемента или впускного отверстия.
Измерительная головка может иметь расположенную по ходу потока перед впускным отверстием выемку. При этом защитная решетка может быть установлена в этой выемке, что позволяет получить интегральную конструкцию, при этом в измерительном канале измерительной головки могут быть также предусмотрены продольные ребра и отсасывающие отверстия.
Измерительная головка также может иметь по меньшей мере две боковые стенки, проходящие практически параллельно направлению основного потока, при этом непосредственно между выходной стороной защитной решетки и указанными боковыми стенками имеется отверстие.
Используемая в предлагаемом устройстве защитная решетка может быть изготовлена из пластмассы или с применением микротехнологии, в частности по LIGA-технологии (литография + гальванопластика) или методом микрогальванотехники.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - пример выполнения предлагаемого в изобретении устройства с трубчатым элементом и продольными ребрами,
на фиг.2 - продольный разрез устройства по фиг.1,
на фиг.3 - вид сбоку устройства по фиг.1 со стороны набегания основного потока,
на фиг.4 - второй пример выполнения предлагаемого в изобретении устройства с трубчатым элементом и отсасывающим отверстием,
на фиг.5 - продольный разрез устройства по фиг.4,
на фиг.6 - вид сбоку устройства по фиг.4 со стороны набегания основного потока,
на фиг.7 - третий пример выполнения предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.8а и 8б - изображения, иллюстрирующие различные возможности расположения защитной решетки,
на фиг.9 - изображение предлагаемого устройства, в котором защитная решетка встроена в выравнивающее устройство для потока,
на фиг.10 - еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства и
на фиг.11a и 11б - виды спереди и сбоку измерительной головки с защитной решеткой.
На фиг.1 показано устройство 1 для измерения по меньшей мере одного параметра движущегося по трубопроводу 2 потока текучей среды, прежде всего массового расхода воздуха, в частности массового расхода впускаемого воздуха, поступающего в ДВС. В качестве параметров потока текучей среды, которые определяются соответствующими датчиками, можно назвать, например, массовый расход воздуха для определения его количества (массы), температуру, давление, а также скорость потока. Устройство 1 в принципе можно использовать и для определения или измерения иных параметров. Трубопровод 2 имеет стенки 3. Основной поток 6 текучей среды движется по трубопроводу 2 в показанном стрелкой направлении. Трубопровод 2 имеет внутреннюю стенку 7. В трубопроводе 2 расположен, например, обтекаемый потоком текучей среды трубчатый элемент 8, который проходит вдоль этого трубопровода 2 с определенным радиальным отступом от него. В трубчатом элементе 8 имеются проточный канал 11, а также защитная решетка 15, которая установлена в зоне его верхнего по ходу потока конца (входного конца). Эта защитная решетка 15 может быть выполнена, например, в виде проволочной плетеной сетки или в виде пластинчатой решетки. Однако решетка может иметь и иное исполнение. В качестве материала для защитной решетки 15 как при ее выполнении в виде проволочной плетеной сетки, так и при выполнении в виде пластинчатой защитной решетки можно использовать пластмассу, металл, керамику или стекло. При выполнении защитной решетки 15 в виде пластмассовой пластинчатой решетки ее можно изготавливать, например, литьем под давлением или в ней можно выполнять отверстия 44 путем удаления материала. При выполнении защитной решетки 15 в виде пластинчатой металлической решетки ее можно изготавливать, например, из металлического листа штамповкой, электроэрозионной обработкой, сверлением и т.д. В проточном канале 11 на некотором удалении от защитной решетки 15 ниже по ходу потока последний движется в основном в направлении, обозначенном стрелкой 12. При этом направление 12 движения потока примерно параллельно направлению движения основного потока 6. Трубопровод 2 имеет осевую линию 27, которая, например, является также осевой линией трубчатого элемента 8. В трубчатый элемент 8 выступает, например, измерительная головка 19. Такая измерительная головка 19, с помощью которой определяются соответствующие параметры, может представлять собой, например, датчик температуры, такой как известный из DE 4228484 С2, датчик давления, такой как используемый в DE 3135794 А1, или расходомер воздуха. В качестве примера из всех этих различных датчиков в данном случае выбран расходомер воздуха, чувствительный элемент которого расположен, например, в измерительной головке 19, имеющей, например, одно впускное отверстие 20, в которое втекает поток текучей среды.
Измерительная головка 19 подобного типа известна из заявки DE 19735891 А1, которая включена в настоящее описание в качестве ссылки. Расход потока воздуха, впускаемого в ДВС, может произвольно варьироваться не показанной на чертеже дроссельной заслонкой, которая установлена во впускном трубопроводе ДВС по ходу потока за трубчатым элементом 8.
Измерительная головка 19, которая предназначена для определения количества впускаемого в ДВС воздуха, имеет в основном форму продолговатого прямоугольного параллелепипеда, длинные стороны которого ориентированы параллельно продольной оси 21. Эта продольная ось 21 проходит практически перпендикулярно осевой линии 27, а тем самым и направлению движения основного потока 6. Измерительная головка 19 частично вставлена, например в виде съемного блока в монтажное отверстие 31 в стенке 3 и монтажное отверстие 22 в стенке 7 трубчатого элемента 8 и выступает своим свободным концом в проточный канал 11. При этом штекерный конец измерительной головки 19 с расположенными на нем электрическими контактными выводами, например в виде пластинчатых контакт-деталей, остается, например, снаружи трубопровода 2. В измерительной головке 19 известным образом установлен измерительный (чувствительный) элемент 23, который контактирует с проходящим по проточному каналу 11 потоком воздуха и измеряет количество впускаемого в ДВС воздуха. Этот измерительный элемент 23 может быть выполнен известным образом, например, в виде по меньшей мере одного терморезистора. Так, в частности, измерительный элемент 23 можно выполнить, как это описано, например, в DE 4338891 А1, соответственно в US 5452610, в виде микромеханической детали, имеющей диэлектрическую мембрану с выполненными на ней резистивными элементами. Однако измерительный элемент 23 можно располагать в трубопроводе 2 или в трубчатом элементе 8 и не помещенным в корпус измерительной головки.
На трубчатом элементе 8 расположены, например, по меньшей мере две распорки 33, служащие для крепления этого трубчатого элемента 8 в трубопроводе 2. Помимо функции, связанной с креплением трубчатого элемента 8, распорки 33 создают в воздушном потоке, движущемся между трубопроводом 2 и трубчатым элементом 8, более высокий перепад давлений, что увеличивает количество проходящего по проточному каналу 11 воздуха, а во-вторых, эти распорки 33 обеспечивают целенаправленное выравнивание потока впускаемого воздуха. Трубчатый элемент 8 может быть установлен в трубопроводе 2 и без помощи распорок 33, например закреплен на измерительной головке 19.
Защитная решетка 15 состоит, например, из образующих ее отверстия взаимно перпендикулярных перемычек 36, часть которых расположена поперечно продольной оси 21, а другая часть расположена параллельно этой продольной оси 21, при этом перемычки 36, расположенные поперечно продольной оси 21, установлены, например, под углом примерно 30°. За счет такого наклона этих перемычек направление основного потока 6 изменяется по ходу потока за защитной решеткой 15. Защитная решетка 15 может быть также наклонена относительно направления основного потока 6. Встречающиеся в потоке воздуха частицы грязи и капельки жидкости отводятся защитной решеткой 15 в сторону внутренней стенки 7 трубопровода 2 или трубчатого элемента 8 и не попадают благодаря этому во впускное отверстие 20 измерительной головки 19 или на измерительный элемент 23.
Далее по ходу потока за защитной решеткой 15 этот поток движется в проточном канале 11 в основном в направлении 12 практически параллельно осевой линии трубчатого элемента 8. Как показано на фиг.2, по ходу потока за защитной решеткой 15 образуется зона 59 аэродинамической тени (циркуляционная зона), в которой в течение длительного периода работы устройства 1 может скапливаться жидкость. Затем в некоторый момент времени поток этой жидкости бесконтрольно устремляется в сторону измерительной головки 19 или измерительного элемента 23. Помимо этого в указанной зоне 59 аэродинамической тени образуются также воздушные завихрения 87 (фиг.5), которые, попадая во впускное отверстие 20, отрицательно влияют на воспроизводимость сигнала датчика.
В трубчатом элементе 8 расположено, например, по меньшей мере одно продольное ребро 39, проходящее, например, вдоль осевой линии. Расположенные, например, непосредственно за защитной решеткой 15 продольные ребра 39, образующие приспособление 40, уменьшающее образование завихрений 87 (фиг.5) в потоке воздуха и неконтролируемое скопление жидкости, распределены по окружности трубчатого элемента 8.
На фиг.2 показанное на фиг.1 устройство изображено в продольном разрезе. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг.1. На этом чертеже показана, в частности, защитная решетка 15 с перемычками 36, которые наклонены к осевой линии 27 под определенным углом α. Перемычки 36 ограничивают отверстия 44 защитной решетки, имеющие продольную ось 46. Отверстия 44 изменяют направление потока текучей среды, который отклоняется, если смотреть по ходу потока за защитной решеткой 15, в обозначенном стрелкой направлении 45. Направление 45, в котором поток движется за решеткой, образует с направлением движения основного потока 6 угол отклонения потока, примерно равный углу α. В другом варианте трубчатый элемент 8 можно, например, не использовать, и в этом случае защитная решетка 15 будет перекрывать, например, все поперечное сечение трубопровода 2, а по меньшей мере одно продольное ребро 39 будет расположено на внутренней стенке 7 трубопровода 2. Это по меньшей мере одно продольное ребро 39 может примыкать, например, непосредственно к защитной решетке 15. Измерительная головка 19 имеет переднюю поверхность 48, на которую в первую очередь набегает обтекающий ее поток текучей среды. Нижняя поверхность 55 измерительной головки 19 образована ее свободным радиальным концом. В этом случае указанное по меньшей мере одно продольное ребро 39 доходит, например, до передней поверхности 48 измерительной головки 19. Однако это ребро может доходить и до имеющейся у измерительной головки 19 задней поверхности 49, которая расположена, если смотреть по ходу потока, диаметрально напротив передней поверхности 48. Указанные передняя 48, соответственно задняя 49, соответственно нижняя 55 поверхности могут представлять собой также не поверхности измерительной головки 19, а соответствующие поверхности (переднюю 50, заднюю 51, соответственно нижнюю 52) измерительного элемента 23. Радиальная высота 58 по меньшей мере одного продольного ребра 39 может быть в данном случае, например, одинаковой по всей его длине. Максимальная радиальная протяженность продольного ребра 39, т.е. его максимальная высота, должна быть такой, чтобы касательная линия 57 к радиальному окончанию 56 этого продольного ребра 39 самое большее лишь касалась нижней поверхности 55 измерительной головки 19. Однако продольное ребро можно также выполнить и таким образом, чтобы его радиальная высота 58 увеличивалась или уменьшалась, начиная от защитной решетки 15, соответственно изменялась любым иным образом. При различной радиальной высоте 58 продольного ребра 39 радиальное расстояние 54, измеренное от свободного радиального окончания (т.е. вершины) этого продольного ребра 39 у его заднего по ходу потока конца 53 до нижней поверхности 55 измерительной головки 19, должно быть равно нулю или быть больше нуля. За защитной решеткой 15 находится зона 59 аэродинамической тени. Эта зона аэродинамической тени располагается примерно на том участке, по которому непосредственно не протекает поток движущейся в направлении 45 текучей среды. В этом месте образуется так называемая застойная область, в которой на поверхности защитной решетки скапливается вода и образуются неконтролируемые завихрения 87 (фиг.5). Уменьшить скопление жидкости и образование завихрений 87, а также обеспечить постоянный во времени характер движения потока этой жидкости удается благодаря наличию дополнительной обтекаемой этим потоком поверхности 60 стенок по меньшей мере одного продольного ребра 39, а тем самым и за счет более прочного сцепления жидкости с этими стенками и уменьшения скорости потока. При этом указанное по меньшей мере одно продольное ребро 39 ни препятствует отклонению в сторону потока жидкости, поскольку подобные ребра не имеют в направлении движения потока никаких геометрических неровностей и, следовательно, не влияют на образующуюся на стенках пленку жидкости, ни уменьшает в сколь-нибудь существенной степени живое сечение потока, благодаря чему не происходит практически никакого падения давления.
На фиг.3 устройство по фиг.1 показано сбоку, если смотреть по стрелке, указывающей направление движения основного потока 6. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. В этом случае, как и в показанном на фиг.2 варианте, в трубопроводе 2 или в проточном канале 11 предусмотрено по меньшей мере одно продольное ребро 39. Однако в рассматриваемом случае в качестве примера предусмотрены три таких продольных ребра 39, имеющих осевые линии 63, которые ориентированы, например, в сторону центра, т.е. на точку пересечения продольной оси 27 с плоскостью чертежа. Эти осевые линии 63 ребер пересекаются с осевой линией 27. Таким образом, указанное по меньшей мере одно продольное ребро 39 обращено в радиальном направлении. Осевые линии 63 непосредственно соседних продольных ребер 39 образуют друг с другом, например, одинаковые углы β с вершиной в точке их пересечения. Однако углы β не обязательно должны быть одинаковыми. В принципе по меньшей мере одно продольное ребро 39 может располагаться в любом месте по длине внутренней стенки трубопровода 2 или трубчатого элемента 8. Однако предпочтительно это по меньшей мере одно продольное ребро 39 располагать в том месте, где находится зона 59 аэродинамической тени. Для дальнейшей стабилизации потока, а тем самым и для повышения воспроизводимости сигнала датчика по меньшей мере одно продольное ребро 39 может быть выполнено более широким в плоскости, перпендикулярной направлению основного потока 6, и, например, обтекаемым, благодаря чему оно, с одной стороны, и далее не будет препятствовать отводу влаги в сторону, но с другой стороны, будет перегораживать поперечное сечение на большей площади и за счет этого ускорять движение потока. При этом в поперечном сечении это по меньшей мере одно продольное ребро 39 может иметь многогранный, криволинейный или скругленный контур. Радиальное окончание (вершина) 56 по меньшей мере одного продольного ребра 39 может быть скругленным или плоским.
На фиг.4 показан еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1 с трубчатым элементом 8 и отсасывающим отверстием 72, образующим приспособление 40, уменьшающее образование завихрений 87 (фиг.5) в потоке воздуха и неконтролируемое скопление жидкости. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. По меньшей мере одно отсасывающее отверстие 72 на трубчатом элементе 8 расположено, если смотреть в направлении основного потока 6, по ходу потока за защитной решеткой 15. Одно или, например, несколько таких отверстий 72 могут быть предусмотрены в любом месте трубчатого элемента 8. Это по меньшей мере одно отсасывающее отверстие 72 может быть выполнено в сечении любой произвольно выбираемой формы (круглым, многогранным или овальным), однако его диаметр, в случае отверстия круглого сечения, соответственно диаметр описанной окружности, в случае отверстия некруглого сечения, не должен превышать 3 мм. Отсасывающее отверстие 72 соединяет полость трубопровода 2 с зоной 59 аэродинамической тени. По ходу потока перед этим по меньшей мере одним отсасывающим отверстием 72 расположено приспособление 76 для повышения скорости потока. Это приспособление образовано, например, выступами 83 на обращенной к внутренней стенке 7 трубопровода наружной стороне трубчатого элемента 8 и/или, например, ориентированными на них выступами на противолежащей внутренней стенке 7 трубопровода 2. Подобные выступы 83 могут быть, например, скругленными и иметь в продольном сечении контур, близкий примерно к четверти круга, при этом их заостренная задняя кромка 84 заканчивается непосредственно перед указанным по меньшей мере одним отсасывающим отверстием 72. В принципе эти выступы могут иметь и любую иную форму, при которой обеспечивается ускорение потока на участке отсасывающего отверстия 72. Таким образом, эти выступы 83 образуют в месте их расположения по ходу движущегося в направлении основного потока 6 локально сужающийся канал 79.
На фиг.5 устройство по фиг.4 показано в продольном разрезе. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. Стрелками 45 показано направление, в котором движется проходящая сквозь защитную решетку 15 текучая среда на выходе из этой защитной решетки 15. После этого направление потока текучей среды снова принудительно быстро изменяется на направление, примерно параллельное осевой линии 27 трубчатого элемента 8. При таком характере движения потока в результате образуется зона 59 аэродинамической тени, в которой скапливается жидкость, например вода, и образуются неконтролируемые завихрения 87. Указанное выше по меньшей мере одно отсасывающее отверстие 72 предпочтительно располагать вблизи этой зоны 59 аэродинамической тени. Максимальное расстояние от этого по меньшей мере одного отсасывающего отверстия 72 до защитной решетки 15 зависит от угла α отклонения потока. Чем больше угол α отклонения потока, тем меньше должно быть это максимальное расстояние. Всасывание воды по меньшей мере в одно отсасывающее отверстие 72 возможно за счет перепада давлений между проточным каналом 11 и трубопроводом 2. Для этого необходимо создать подобный перепад давлений. Такой перепад давлений создается, например, за счет локального повышения скорости потока с обращенной к трубопроводу 2 стороны трубчатого элемента 8 вблизи указанного по меньшей мере одного отсасывающего отверстия 72 в результате осевого ускорения потока в сужающемся канале 79. Уменьшить нежелательное скопление жидкости в зоне 59 аэродинамической тени и предотвратить неконтролируемое стекание этой жидкости в сторону впускного отверстия 20 удается благодаря тому, что жидкость, которая в противном случае скапливалась бы в зоне отсасывающего отверстия 72, вообще не попадает далее в трубчатый элемент 8.
На фиг.6 устройство по фиг.4 показано в виде сбоку, если смотреть по стрелке, указывающей направление движения основного потока 6. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. В принципе выступ 83 может быть предусмотрен либо только на внутренней стенке трубопровода 2, либо только на наружной стенке 89 трубчатого элемента 8, либо одновременно и на наружной стенке 89, и на внутренней стенке 7 трубопровода 2. Выступ 83 может располагаться локально в зоне отсасывающего отверстия 72 либо проходить по всей окружности, соответственно по всему периметру внутренней стенки трубопровода 2, как это показано штрихпунктирной линией 92. Кроме того, выступ 83 может иметь в поперечном сечении, если смотреть в направлении основного потока 6, например, многогранную или скругленную форму.
На фиг.7 показан еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. Защитная решетка 15 выполнена в этом варианте, например, в виде завихрителя 95 и служит, таким образом, приспособлением 40, снижающим образование завихрений 87 в потоке воздуха и неконтролируемое скопление жидкости. Отверстия 44 решетки завихрителя 95 образованы вращательно-симметрично закрученными (винтовыми) лопатками, придающими за счет этого потоку вихревой характер движения. Подобное закручивание потока позволяет в целом стабилизировать поток в проточном канале 11, значительно снизить скопление жидкости в зоне 59 аэродинамической тени и повысить тем самым воспроизводимость сигнала датчика. Закручивание потока приводит по сравнению с безвихревым потоком к значительному возрастанию центробежной силы, под действием которой жидкость более эффективно вытесняется к внутренней стенке 7 трубопровода 2 или к стенке трубчатого элемента 8. Завихритель 95 можно изготавливать, например из пластмассы по известной технологии литья под давлением с использованием литьевой формы со стержнем (вкладышем). Этот стержень, который имеет форму, обратную (негативную) форме защитной решетки, удаляют из литьевой формы вращением, в результате чего в формуемой пластмассе образуется завихритель. Приводить стержень во вращение при его извлечении из литьевой формы можно, соединив его с винтовой парой.
На фиг.8а и 8б показаны различные возможные варианты расположения защитной решетки 15, 95. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. В варианте по фиг.8а защитная решетка 15, например, в виде завихрителя 95 установлена в трубопроводе 2 и перекрывает, например, все поперечное сечение трубопровода 2. Кроме того, взяв за основу показанный на фиг.8а вариант, в трубопроводе 2 можно установить трубчатый элемент 8, не оснащенный защитной решеткой 15, 95 (фиг.8б). Еще одна возможность заключается в установке защитной решетки 15, 95 только на трубчатом элементе 8 (при его наличии), как это проиллюстрировано на фиг.1. Следующая возможность, если взять при этом за основу вариант по фиг.1, состоит в установке, например, второй защитной решетки 15, 95 внутри трубопровода 2.
Защитная решетка 15, 95 или показанные на фиг.1-8 защитные решетки 15, 95 изменяют направление потока, отклоняя его под некоторым углом α. При этом, например плоская, защитная решетка 15, 95 может располагаться перпендикулярно продольной оси 27 с наклоном отверстий 44 относительно осевой линии 27 трубопровода 2 под углом α. Однако отверстия 44 решетки могут проходить и поперечно продольной оси защитной решетки 15, 95, а сама защитная решетка 15, 95 может располагаться под некоторым углом α к продольной оси 27, в результате чего поток текучей среды также будет менять направление своего движения. Такая конструкция позволяет направлять частицы грязи и капельки жидкости, которые будут оседать на защитной решетке 15 и перемещаться к выходной стороне этой защитной решетки, на внутренние стенки трубопровода 2 или трубчатого элемента 8 и перемещать их таким путем в обход измерительного элемента 23 или впускного отверстия.
В принципе у защитной решетки 15, 95 можно также предусмотреть участки, которыми поток текучей среды будет отклоняться в различных направлениях, например на диаметрально противоположные внутренние стенки трубопровода 2 или трубчатого элемента 8. В результате по ходу потока за защитной решеткой 15, 95 этот поток будет как бы разбиваться на два движущихся в двух различных направлениях потока, между которыми будет образовываться зона 59 аэродинамической тени. В свою очередь воздействовать на эту зону 59 аэродинамической тени можно с помощью соответствующим образом расположенных в этом месте продольных ребер 39. Кроме того, защитная решетка 15, 95 необязательно должна перекрывать все поперечное сечение трубопровода 2 или трубчатого элемента 8. Между выходной стороной защитной решетки 15 и внутренней стенкой трубопровода 2 или трубчатого элемента 8 можно предусмотреть проходящее в радиальном направлении открытое сточное отверстие, по которому улавливаемая защитной решеткой 15 жидкость с возможно присутствующими в потоке воздуха частицами грязи будет попадать на определенный участок стенок трубопровода 2 или трубчатого элемента 8, откуда эти жидкость и частицы грязи будут перемещаться далее по стенкам увлекающим их потоком воздуха. Защитная решетка 15, 95, устанавливаемая по ходу потока, например перед измерительной головкой 19 или измерительным элементом 23, может быть встроена, например, в кольцо, которое имеет выравнивающее устройство для проходящего по трубопроводу 2 потока текучей среды, что позволяет при установке указанного кольца в трубопровод 2 одновременно установить в последнем и выравнивающее устройство для потока, и защитную решетку, как это описано, например, в DE 19652753 А1.
На фиг.9 показана комбинированная конструкция 98 с защитной решеткой 15, 95, встроенной в выравнивающее устройство для потока в виде выравнивающей решетки 97. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. Эта выравнивающая решетка 97 описана в DE 19647081 А1, соответственно в US 5918279, и поэтому обе указанные публикации включены в настоящее описание в качестве ссылок. На фиг.9 указанная комбинированная конструкция 98 показана в продольном разрезе. При этом защитная решетка 15, 95, встроена, например, в радиально внутреннюю зону этой комбинированной конструкции 98. В этом месте осевые линии 46 отверстий проходят под некоторым углом α к осевой линии 27, в результате чего образуется защитная решетка 15 или завихритель 95. В радиально наружной зоне этой комбинированной конструкции 98, т.е. ближе к стенкам 3, осевые линии 46 отверстий проходят параллельно осевой линии 27, в результате чего образуется выравнивающая решетка 97. Защитная решетка 15, 95 расположена в выравнивающей решетке 97 таким образом, чтобы, например, трубчатый элемент 8 при его наличии, либо впускное отверстие 20, либо выемка 99, соответственно измерительный элемент 23, располагались по ходу потока за защитной решеткой 15, 95 практически на том же уровне, что и эта решетка. Подобную комбинированную конструкцию, состоящую из выравнивающей решетки 97 и защитной решетки 15, 95, можно изготовить, например, из пластмассы литьем под давлением.
На фиг.10 показано, каким образом можно взаимно скомбинировать варианты выполнения по фиг.2, 5 и 7. При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. В этом случае в качестве защитной решетки 15 в трубчатом элементе 8 используется, например, завихритель 95. Кроме того, у этого трубчатого элемента 8 предусмотрено, например, по меньшей мере одно отсасывающее отверстие 72 с соответствующим выступом 83. По меньшей мере одно продольное ребро 39 расположено, например, в этом варианте по ходу потока не непосредственно за защитной решеткой 15, 95, а лишь за отсасывающим отверстием 72. При этом указанное по меньшей мере одно продольное ребро 39 также не доходит до передней поверхности 48 измерительной головки 19.
На фиг.11а и 11б измерительная головка 19 с защитной решеткой 15, 95 показана в виде спереди (фиг.11a) и в виде сбоку (фиг.11б). При этом конструктивно и/или функционально одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на предыдущих чертежах. Защитная решетка 15, 95, если смотреть в направлении основного потока 6, расположена со стороны набегания потока в выемке 99 измерительной головки 19 перед впускным отверстием 20. При этом со стороны набегания потока защитная решетка 15, 95 может располагаться заподлицо с передней поверхностью 48 измерительной головки. Такая компоновка необходима, например, в тех случаях, когда измерительную головку 19, например, вставляют в трубопровод 2. С выходной стороны защитной решетки 15, 95 между ней и впускным отверстием 20 должно оставаться по меньшей мере одно открытое вплоть до боковой стенки 102 измерительной головки 19 отверстие 104, предназначенное для отвода жидкости по ходу потока за защитной решеткой 15, 95 по этой боковой стенке 102 измерительной головки 19. При этом боковой стенкой 102 является та боковая поверхность измерительной головки 19, которая проходит практически параллельно направлению основного потока 6. Для достижения высоких метрологических характеристик измерительного элемента 23, таких как лишь небольшие погрешности измерения при наличии в потоке пульсаций и низкая зашумленность сигнала, а также высокая воспроизводимость результатов измерения при одновременно неизменной характеристике срабатывания, перемычки 36, образующие отверстия защитной решетки 15, 95, должны иметь следующие геометрические параметры:
ширина отверстий решетки, измеренная в горизонтальной плоскости относительно направления основного потока 6, составляет ≤0,1 мм,
глубина отверстий решетки, т.е. их протяженность в осевом направлении вдоль направления основного потока 6, составляет ≤4 мм,
высоту отверстий решетки согласуют с размерами выемки 99,
отверстия 44 решетки могут быть, например, примерно на 30°, т.е. на угол α отклонения потока, наклонены относительно направления основного потока 6,
передние кромки перемычек 36, образующих отверстия решетки, могут быть обтекаемо скругленными или прямоугольными.
Учитывая высокие требования, предъявляемые к геометрии этих перемычек 36, такие, например, как очень малая толщина стенок, придание перемычкам 36 определенного контура и точное соблюдение заданных размеров, изготавливать решетку следует с использованием микромеханики (т.е. по микротехнологии), например по LIGA-технологии (литография + гальванопластика), соответственно методом микрогальванотехники.
Различные приспособления, уменьшающие образование завихрений, такие как продольные ребра, отсасывающее отверстие и завихритель, можно комбинировать друг с другом.
Реферат
Изобретение предназначено для измерения массового расхода движущегося по трубопроводу воздушного потока, впускаемого в двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Устройство содержит измерительный элемент (ИЭ) в виде диэлектрической мембраны с терморезисторами, установленными в трубопроводе или в размещенном в этом трубопроводе трубчатом элементе по ходу потока за защитной решеткой, предназначенной для отклонения от ИЭ присутствующих в потоке капелек жидкости путем изменения за ней направления потока среды. Для стабилизации потока за защитной решеткой в устройстве имеется по меньшей мере одно продольное ребро. В варианте выполнения защитная решетка образует завихритель. Изобретение повышает точность измерения. 32 з.п. ф-лы, 13 ил.
