УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/69 G01F1/684 

Изобретение касается устройства для измерения массового расхода потока текучей среды, в частности воздуха, всасываемого в двигатели внутреннего сгорания.

Уже известно из DE-OS 4219454 подобное устройство, содержащее пластинообразный чувствительный элемент с диэлектрической мембраной, установленный в выемке держателя чувствительного элемента, имеющего чувствительную зону для измерения расхода потока текучей среды по меньшей мере одним измерительным резистором, причем чувствительный элемент расположен заподлицо в выемке и удерживается в ней с помощью приклеивания к поверхности дна выемки. При этом приклеивание чувствительного элемента к поверхности дна выемки предотвращает обтекание его снизу в выемке, в особенности в полости, образованной мембраной чувствительного элемента и дном выемки, которое, в противном случае, могло бы оказывать негативное воздействие на результат измерения. Однако при приклеивании чувствительного элемента к поверхности дна выемки, в особенности при его монтаже и процессе приклеивания, возникает высокая опасность поломки. Для того чтобы уменьшить эту опасность поломки, применяют способ закрепления, при котором чувствительный элемент приклеивается в выемке лишь с одной стороны таким образом, что он размещается со свободно выступающей в выемке мембраной. При таком свободном закреплении чувствительного элемента может возникнуть, однако, нежелательное его обтекание в выемке снизу, что отрицательно влияет на результат измерения.

Задача изобретения заключается в создании устройства для измерения массового расхода текучей среды, в котором уменьшалась бы опасность поломки чувствительного элемента и достигался бы более точный результат измерения.

Поставленная задача решается с помощью предложенного устройства для измерения массового расхода потока текучей среды, в частности воздуха, всасываемого в двигатели внутреннего сгорания, содержащего пластинообразный чувствительный элемент, установленный в выемке своего держателя и имеющий чувствительную зону для измерения расхода потока текучей среды по меньшей мере одним измерительным резистором, причем чувствительный элемент расположен преимущественно заподлицо в выемке и удерживается в ней с помощью приклеивания к поверхности дна выемки. Согласно изобретению поверхность дна выемки держателя чувствительного элемента имеет канал в виде желоба, проходящий по меньшей мере частично вдоль периметра чувствительного элемента снаружи чувствительной зоны, имеющей по меньшей мере один измерительный резистор.

В предпочтительной форме выполнения устройства держатель чувствительного элемента состоит из двух элементов, рамного элемента и фиксирующего элемента, расположенных друг над другом, причем в рамном элементе выполнено отверстие, перекрытое фиксирующим элементом, при этом на поверхности основания фиксирующего элемента предусмотрен по меньшей мере один пластинообразный выступ, вокруг которого проходит канал в виде желоба таким образом, что чувствительная зона чувствительного элемента, имеющая измерительный резистор, по меньшей мере частично окружена каналом.

При этом целесообразно чувствительный элемент лишь частично наклеить по меньшей мере на один выступ таким образом, чтобы чувствительная зона, имеющая измерительный резистор, оставалась свободной от приклеивания и размещалась на некотором расстоянии от выступа в выемке.

Целесообразно сделать так, чтобы поверхность основания фиксирующего элемента имела два пластинообразных выступа, вокруг которых проходит канал в виде желоба.

Предпочтительно в чувствительной зоне чувствительного элемента, имеющей измерительный резистор, предусмотреть один из выступов с поперечным сечением большим, чем чувствительная зона чувствительного элемента, имеющая измерительный резистор.

В соответствии с изобретением канал в виде желоба, имеющийся на поверхности дна выемки, должен иметь угловое, в частности треугольное или прямоугольное, или круглое поперечное сечение.

Предпочтительно также чувствительный элемент расположить в выемке таким образом, чтобы по меньшей мере на его противолежащей потоку стороне имелся бы чрезвычайно узкий зазор между чувствительным элементом и стенкой выемки.

Желательно, чтобы величина зазора была порядка нескольких микрон.

В соответствии с изобретением желательно чувствительную зону, имеющую по меньшей мере измерительный резистор, выполнить в виде мембраны.

Устройство согласно изобретению имеет по сравнению с известным преимущества, заключающиеся в том, что значительно уменьшается опасность поломки чувствительного элемента, надежно исключается обтекание чувствительного элемента снизу и достигается точный результат измерения.

Изобретение поясняется далее описанием примеров выполнения с ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - поперечное сечение держателя чувствительного элемента с чувствительным элементом устройства согласно изобретению в первом примере выполнения,
на фиг. 2 - вид сверху на держатель чувствительного элемента согласно фиг. 1,
на фиг. 3 - поперечное сечение держателя чувствительного элемента с чувствительным элементом устройства согласно изобретению во втором примере выполнения,
на фиг. 4 - вид сверху на держатель чувствительного элемента согласно фиг. 3.

Держатель 1 чувствительного элемента, показанный на фиг. 1 в поперечном сечении, предназначается для пластинообразного чувствительного элемента 2. Держатель 1 чувствительного элемента и чувствительный элемент 2 являются деталями не показанного более подробно на чертеже устройства для измерения массового расхода потока текучей среды, в частности воздуха, всасываемого в двигатель внутреннего сгорания. Держатель 1 чувствительного элемента служит для приема и крепления чувствительного элемента 2, имеющего чувствительную зону в виде диэлектрической мембраны 4. Чувствительный элемент 2 или мембрана 4 могут изготавливаться в виде так называемой микромеханической конструкции вытравливанием полупроводникового элемента, например кремниевой пластины. На мембране 4 для измерения массового расхода потока текучей среды предусмотрен по меньшей мере один температурозависимый измерительный резистор 6 и, например, по меньшей мере один нагревательный резистор, изготовленные, например, также вытравливанием. Снаружи мембраны 4 на чувствительном элементе 2 может иметься опорный резистор.

Измерительный резистор 6, нагревательный резистор и опорный резистор могут быть соединены электрически с электронной схемой управления, не показанной на чертеже более подробно, например, с помощью проводящих ток магистралей и проволок 10, расположенных на выводах. Электронная схема управления служит известным образом для подачи тока или напряжения резисторов на чувствительный элемент 2 и для оценки электрических сигналов, выдаваемых резисторами. Схема регулирования может размещаться, например, в корпусе или вне корпуса устройства. Диэлектрическая мембрана 4 состоит, например, из нитрида кремния и/или оксида кремния. Нагревательный резистор выполнен в виде электрического резистивного слоя, который нагревается при протекании тока и нагревает мембрану 4 до температуры, лежащей выше температуры измеряемой среды. Нагревательный резистор может быть выполнен, например, из металла или из соответственно легированного кремния. Измерительный резистор и опорный резистор могут состоять, например, из электрического резистивного слоя, проводимость которого может изменяться в зависимости от температуры. Соответствующими материалами для этих резистивных слоев могут быть металлы или соответственно легированный примесями кремний.

Чувствительный элемент 2 имеет пластинообразную форму, например прямоугольную форму, и обращен своей большей поверхностью 8 в сторону среды, протекающей примерно параллельно плоскости чертежа на фиг. 1, причем короткая сторона, например, прямоугольного чувствительного элемента 2, проходит в направлении протекания. Направление протекания среды обозначено на фиг. 2 и 4 соответствующими стрелками 9 и ориентировано там сверху вниз. За счет нанесенного на мембрану 4 нагревательного резистора она нагревается до температуры выше температуры протекающей среды. Количество тепла, отводимого преимущественно вследствие конвекции от протекающей среды, зависит от массы протекающей среды, благодаря чему путем измерения температуры мембраны 4 может определяться массовый расход потока текучей среды. Температура мембраны может измеряться измерительным резистором 6 или путем измерения сопротивления нагревательного резистора. Опорный резистор служит для того, чтобы компенсировать влияние температуры окружающей среды, причем исходят из того, что чувствительный элемент 2 вне мембраны 4 принимает температуру среды.

Держатель 1 чувствительного элемента выполнен предпочтительно из металла и может изготавливаться складыванием тонкой металлической полосы ее штамповкой, сгибанием, гофрированием, способом глубокой вытяжки и выдавливанием. В окончательном виде в согнутой металлической полосе располагаются друг над другом два элемента 14 и 15 приблизительно одинаковой величины. Далее несогнутый элемент 14, окружающий чувствительный элемент 2, называется рамным элементом 14, а согнутый под ним элемент 15 - фиксирующим элементом 15. Фиксирующий элемент 15 в готовом, согнутом на 180^o, состоянии закрывает отверстие 19 несогнутого рамного элемента 14, ограничивая вместе с рамным элементом 14 выемку 20 для установки чувствительного элемента 2. Рамный элемент 14 или выемка 20 имеет поперечное сечение, соответствующее, например, прямоугольной форме чувствительного элемента 2, и глубину t, большую, чем толщина d чувствительного элемента 2, замеренная поперечно к потоку 9 для того, чтобы установить чувствительный элемент 2 полностью в выемке 20. Чувствительный элемент 2 при этом расположен в выемке 20 своей поверхностью 8 приблизительно по одной оси (заподлицо) с поверхностью 37 рамного элемента 14. После складывания металлической полосы фиксирующий элемент 15 может быть деформирован с помощью инструмента, действующего на его наружную поверхность 22, например, выдавливающего инструмента, благодаря чему деформированная часть поверхности основания 25 фиксирующего элемента 15, ограниченная выемкой 20 рамного элемента 14, немного выступает в виде, например, прямоугольного выступа 26, имеющего форму пластины, в зону отверстия 19 рамного элемента 14. Выступ 26, имеющий форму пластины, имеет в зоне отверстия 19 рамного элемента 14, если смотреть параллельно направлению протекания среды, поперечное сечение, несколько меньшее, чем поперечное сечение отверстия 19 и чувствительного элемента 2, насаженного на выступ 26, благодаря чему зона мембраны 4 закрыта от выступа 26 полостью 5.

Согласно изобретению между пластинообразным выступом 26 и непрерывной боковой стенкой 27 рамного элемента 14, ограничивающей выемку 20, или непрерывной боковой стенкой 28 фиксирующего элемента 15 выполнен канал 30 для протекающей среды. При этом часть 33 непрерывной боковой стенки 27 рамного элемента 14, лежащая выше или ниже по ходу потока, выполнена, например, по одной оси с боковой стенкой 28 фиксирующего элемента 15, лежащей соответственно выше или ниже по ходу потока, а часть 29 боковой стенки 27, проходящей параллельно потоку 9, выполнена со смещением к боковой стенке 28 фиксирующего элемента 15. Канал 30, образованный между пластинообразным выступом 26 и боковой стенкой 28 фиксирующего элемента 15, имеет форму желоба на поверхности 25 фиксирующего элемента 15, приблизительно прямоугольной формы. Также является возможным выполнить поперечное сечение желоба канала 30 треугольным, полукруглым и тому подобным. Желобообразная форма канала 30 получается, например, автоматически с формообразованием пластинообразного выступа 26.

Как показано на виде сверху на держатель 1 чувствительного элемента на фиг. 2, канал 30 для протекания потока проходит полностью вокруг пластинообразного выступа 26. Канал 30, показанный штрих-пунктирной линией на фиг. 2, проходит при этом по периметру чувствительного элемента 2 таким образом, что под чувствительным элементом 2 проходит в виде рамки вдоль его боковых поверхностей 32 в сторону фиксирующего элемента 15. Чувствительный элемент 2 имеет несколько меньшее поперечное сечение, чем выемка 20, поэтому между непрерывными боковыми поверхностями 32 чувствительного элемента 2 и боковой стенкой 27 рамного элемента 14, вдоль периметра чувствительного элемента 2, получается чрезвычайно узкий зазор 23 со стороны выше по ходу потока, и чрезвычайно узкий зазор 24 со стороны ниже по ходу потока, переходящий в канал 30. Зазор 23, обращенный к потоку 9, имеет, в частности, ширину порядка нескольких микрон. Из-за незначительной ширины зазора, в особенности зазора 23, противонаправленного потоку 9, на поток действует высокий эффект дросселирования, вследствие чего в зазоре 23 может течь лишь крайне незначительная часть потока среды. Поэтому остальная большая часть потока среды без воздействия зазора 23 течет дальше от обтекаемой кромки 34 через поверхность 37 рамного элемента 14 и через поверхность 8 чувствительного элемента 2. Среда, протекающая в чрезвычайно малом количестве через зазор 23 в канал 30 для протекания потока согласно изобретению, обтекает с помощью канала 30, имеющего по сравнению с зазором 23 большее поперечное сечение, зону мембраны 4 чувствительного элемента 2, после чего среда снова покидает выемку 20 через задний зазор 24 со стороны, противоположной потоку 9. Отвод потока по краю чувствительного элемента 2 согласно изобретению предотвращает попадание среды, протекающей через зазор 23, в ограниченную мембраной 4 и пластинообразным выступом 26 полость 5 под мембраной 4 чувствительного элемента 2. Иначе поток под мембраной 4 или в полости 5 мог бы вызвать нежелательный теплоотвод к мембране 4, который не зависит от массового расхода среды, протекающей снаружи, что отрицательно сказалось бы на результатах измерения. Поэтому с помощью канала 30 для протекания потока становится возможным отказаться от так называемого плотного приклеивания чувствительного элемента 2 в выемке 20, при котором чувствительный элемент 2 большей частью своей поверхности наклеивается на дно выемки 20 для того, чтобы, благодаря склеиванию по поверхности, предотвратить проникание потока под мембраной. При этом достаточно, чтобы чувствительный элемент 2 был приклеен лишь с одной стороны в зоне 39 приклеивания, не доходящей до мембраны 4, с помощью клеящего средства 40 к пластинообразному выступу 26 на стороне, показанной на фиг. 1-4 слева, в результате чего оставшаяся зона чувствительного элемента 2, охватывающая мембрану 4 с небольшим зазором по отношению к пластинообразному выступу 26, как бы свободно входит в выемку 20. Клеящее средство 40 наносится в процессе приклеивания на выступ 26 таким образом, чтобы оно по возможности не попадало в канал 30 для протекания потока. Как показано на фиг. 2, рамный элемент 14 может иметь для центровки чувствительного элемента 2 в выемке 20 на своих коротких боковых стенках 27, проходящих параллельно потоку 9, зоны 44, выполненные таким образом, что часть 31 канала 30 для протекания потока, проходящая параллельно потоку 9, по меньшей мере частично перекрывается зонами 44 боковых стенок 27 рамного элемента 14, проходящими параллельно потоку 9. При этом угловые зоны 45 боковых стенок 27 рамного элемента 14 могут иметь закругленную форму для простоты изготовления боковых стенок 27. Угловые зоны 45, показанные на фиг. 2 слева, могут быть, например, выполнены таким образом, что они частично выступают за зону канала 30 для протекания потока, вследствие чего этот канал и поверхность 25 основания фиксирующего элемента 15 частично не перекрываются рамным элементом 14.

Фиг. 3 показывает второй пример выполнения держателя 1 чувствительного элемента согласно изобретению, в котором все одинаковые по исполнению и принципу работы элементы имеют те же ссылочные позиции, что и в первом примере выполнения согласно фиг. 1 и 2. Как показано на фиг. 3, в поперечном сечении держателя 1 чувствительного элемента с чувствительным элементом 2 вместо пластинообразного выступа 26 могут быть предусмотрены два пластинообразных выступа 41, 42, которые называются также первым выступом 41 и вторым выступом 42. Выступы 41, 42 немного выступают от поверхности 25 фиксирующего элемента 15, причем второй выступ 42, показанный на фиг. 3 и 4 справа, имеет, например, прямоугольную форму и поверхность, большую, чем поверхность мембраны 4, для того, чтобы при сборе чувствительного элемента 2 мембрана 4 полностью закрывалась проходящей под ней полостью 5. Канал 30 для протекания потока проходит согласно изобретению вокруг обоих выступов 41, 42 таким образом, что в виде сверху на фиг. 4 получается форма канала 30 в виде поперечно расположенной восьмерки. Как и в первом примере выполнения, канал 30 служит для того, чтобы через передний зазор 23 зону мембраны 4 обтекал очень небольшой поток. Так как канал 30 проходит также между выступами 41, 42, часть среды также может протекать между ними в канале 30, чтобы после этого снова выйти через задний зазор 24. Разделение выступа 26, показанного на фиг.1 и 2, на два выступа 41 и 42, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, создает преимущество, заключающееся в том, что среда, протекающая через передний зазор 23 между ними в канал 30 для протекания потока, нуждается в сравнительно коротком пути вокруг мембраны 4, чтобы снова после этого покинуть канал 30 через задний зазор 24, за счет чего значительно уменьшается опасность прохождения среды под мембраной 4 или полостью 5.

Как показано на фиг. 3, рамный элемент 14 имеет боковую стенку 27, выполненную немного смещенной по меньшей мере в отдельных зонах 44, 46 к боковой стенке 28 фиксирующего элемента 15, и выступает ближе к периметру чувствительного элемента 2 для того, чтобы перекрыть канал 30 для протекания потока, например, приблизительно наполовину. Зоны 44 служат, в частности, для центрирования чувствительного элемента 2 в выемке 20 и находятся вне угловых зон 45 выемки 20. Чувствительный элемент 2 наклеен на первый выступ 41, показанный на фиг. 3 и 4 слева, с помощью клеящего средства 40, оставляя зону чувствительного элемента 2 с мембраной 4 свободной, то есть на незначительном расстоянии до второго выступа 42 в выемке 20. В процессе приклеивания необходимо предотвратить попадание клеящего средства 40 в канал 30 для протекания потока.

Изобретение предназначено для измерения массового расхода воздуха, всасываемого в двигатели внутреннего сгорания. Устройство содержит держатель из двух расположенных один над другим элементов: рамного с отверстием для установки чувствительного элемента (ЧЭ) и фиксирующего элемента. На поверхности последнего, образующей дно выемки, в которой расположен ЧЭ, имеются пластинообразные выступы, вокруг которых проходит канал в виде желоба. ЧЭ частично наклеен на выступы так, что канал проходит вдоль периметра ЧЭ снаружи его чувствительной зоны в виде мембраны, имеющей по меньшей мере один измерительный резистор. Между ЧЭ и стенкой выемки держателя со стороны, обращенной к потоку, имеется узкий зазор порядка нескольких микрон. Изобретение обеспечивает повышение надежности и точности измерения из-за снижения опасности поломки ЧЭ и исключения обтекания его в выемке снизу. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения массового расхода потока текучей среды, в частности, воздуха, всасываемого в двигатели внутреннего сгорания, содержащее пластинообразный чувствительный элемент, установленный в выемке держателя чувствительного элемента, имеющего чувствительную зону для измерения расхода потока текучей среды по меньшей мере одним измерительным резистором, причем чувствительный элемент расположен преимущественно заподлицо в выемке и удерживается в ней с помощью приклеивания к поверхности дна выемки, отличающееся тем, что поверхность (25) дна выемки (20) держателя (1) чувствительного элемента имеет канал (30) в виде желоба, проходящий по меньшей мере частично вдоль периметра чувствительного элемента (2) снаружи чувствительной зоны (4), имеющей по меньшей мере один измерительный резистор (6). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель (1) чувствительного элемента состоит из двух элементов, рамного элемента (14) и фиксирующего элемента (15), расположенных друг над другом, причем в рамном элементе (14) выполнено отверстие (19), перекрытое фиксирующим элементом (15), при этом на поверхности (25) основания фиксирующего элемента (15) предусмотрен по меньшей мере один пластинообразный выступ (26), вокруг которого проходит канал (30) в виде желоба таким образом, что чувствительная зона (4) чувствительного элемента (2), имеющая измерительный резистор (6), по меньшей мере частично окружена каналом (30). 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что чувствительный элемент (2) лишь частично наклеен по меньшей мере на один выступ (26) таким образом, что чувствительная зона (4), имеющая измерительный резистор (6), остается свободной от приклеивания и размещена на расстоянии от выступа (26) в выемке (20). 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхность (25) основания фиксирующего элемента (15) имеет два пластинообразных выступа (41, 42), вокруг которых проходит канал (30) в виде желоба. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в чувствительной зоне (4) чувствительного элемента (2), имеющей измерительный резистор (6), предусмотрен один из выступов (42) с поперечным сечением большим, чем чувствительная зона (4) чувствительного элемента (2), имеющая измерительный резистор (6). 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал (30) в виде желоба, имеющийся на поверхности (25) дна выемки, имеет угловое, в частности, треугольное, или прямоугольное, или круглое поперечное сечение. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что чувствительный элемент (2) расположен в выемке (20) таким образом, что по меньшей мере на его противолежащей потоку стороне имеется чрезвычайно узкий зазор (23, 24) между чувствительным элементом (2) и стенкой (27) выемки (20). 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что зазор (23, 24) имеет величину порядка нескольких микрон. 9. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что чувствительная зона (4), имеющая по меньшей мере измерительный резистор (6), выполнена в виде мембраны.