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

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения расхода потока текучей среды согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

Из уровня техники уже известно устройство (DE-OS 4407209), имеющее термозависимый измерительный элемент, который установлен в измерительном канале. В этом устройстве измерительный канал проходит от впускного отверстия до выпускного отверстия, к которому примыкает изменяющий направление потока S-образный канал. Этот изменяющий направление потока канал состоит из первого участка и второго участка. Первый участок имеет прямоугольное колено и переходит по граничной поверхности во второй участок. Текучая среда, вытекая из выпускного отверстия измерительного канала, попадает сначала в первый участок изменяющего направление потока канала, у которого живое сечение потока больше, чем живое сечение потока у измерительного канала, причем место перехода от измерительного канала к первому участку имеет форму ступени, что приводит к скачкообразному изменению скорости потока. Затем среда из первого участка, отклоненная коленом вдоль граничной поверхности первого участка, попадает в поперечно примыкающий второй участок изменяющего направление потока канала и выходит из него через выпускное отверстие, снова смешиваясь с остальной средой, протекающей через устройство.

В двигателе внутреннего сгорания в результате открытия и закрытия впускных клапанов отдельных цилиндров возникают значительные колебания, соответственно пульсации потока, интенсивность которых зависит от частоты всасывания отдельных поршней, соответственно от частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания. Пульсации потока распространяются от впускных клапанов через воздухозаборный трубопровод до измерительного элемента в измерительном канале и далее. Следствием пульсаций является то, что в зависимости от их интенсивности из-за термической инерции и нечувствительности измерительного элемента к направлению течения потока элемент выдает результат измерения, который может значительно отличаться от средней скорости потока в измерительном канале и рассчитываемого на ее основе количества воздуха, всасываемого двигателем внутреннего сгорания. Размеры измерительного канала и изменяющего направление потока канала взаимно согласованы таким образом, что при пульсирующем потоке в воздухозаборном трубопроводе неправильные показания измерительного элемента, обусловленные колебаниями потока, минимальны. Однако при пульсациях с высокой частотой и значительной амплитудой измерительный элемент в результате происходящих в потоке акустических процессов в изменяющем направление потока канале может выдавать неправильные показания относительно количества впускаемого воздуха. Эти неправильные показания обусловлены, в частности, тем, что при пульсирующем потоке за измерительным элементом ниже по ходу потока на ступени между выходом из измерительного канала и коленом первого участка изменяющего направление потока канала может возникать ударная волна, которая отразится от граничной поверхности изменяющего направление потока канала в колене и в силу эффекта обратной связи измерительный сигнал измерительного элемента будет искажен.

Преимущество предлагаемого устройства для измерения расхода потока текучей среды с отличительными признаками п. 1 формулы изобретения по сравнению с уровнем техники заключается в том, что оно позволяет получать постоянно точный результат измерения практически независимо от колебаний или пульсаций потока. Это предпочтительно обеспечивается за счет того, что такой результат может быть получен без необходимости изменения расстояния между граничной поверхностью первого участка изменяющего направление потока канала и выпускным отверстием измерительного канала, благодаря чему настройка всего канала, состоящего из измерительного и изменяющего направление потока каналов, не нарушается, что позволяет сохранить компактность конструкции устройства.

Предпочтительные варианты выполнения устройства согласно п. 1 представлены в зависимых пунктах.

Особенно предпочтительно предусмотреть в изменяющем направление потока канале возможность сообщения протекающего в этом канале потока с внешним потоком в воздузозаборном трубопроводе, например, окно, с помощью которого может быть полностью устранено остаточное возмущение, если таковое имеется, в изменяющем направление потока канале, вызванное ударной волной, что способствует дальнейшему улучшению результатов измерения. Кроме того, в устройстве значительно снижен уровень шумов в измерительном сигнале, которые могут возникать в результате образующейся в измерительном канале турбулентности.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - вид сбоку с частичным разрезом предлагаемого устройства согласно первому примеру выполнения,
на фиг. 2 - сечение плоскостью II-II по фиг. 1 и
на фиг. 3 - разрез предлагаемого устройства согласно второму примеру выполнения.

На фиг. 1 показан вид сбоку с частичным разрезом обозначенного позицией 1 устройства, которое служит для измерения расхода потока текучей среды, в частности количества впускаемого воздуха в ДВС. Устройство 1 предпочтительно имеет форму узкого удлиненного прямоугольного параллелепипеда, расположенного радиально в направлении к продольной оси 10, и вставлено, например, в виде съемного блока, в выполненное в стенке 5 отверстие 6 воздухозаборного трубопровода 7. Устройство 1 уплотнено с помощью уплотнительного кольца 3 в стенке 5 и жестко соединено с ней с помощью, например, не показанного резьбового соединения. Показанная штриховкой стенка 5 является частью, например, цилиндрического воздухозаборного трубопровода 7, по которому через не показанный воздушный фильтр двигателем внутреннего сгорания может забираться воздух из окружающей среды. Стенка 5 воздухозаборного трубопровода 7 ограничивает живое сечение потока, которое в случае цилиндрического трубопровода 7 имеет приблизительно форму круга, в середине которого проходит в осевом направлении параллельно стенке 5 центральная ось 11, которая ориентирована перпендикулярно продольной оси 10. Устройство 1 погружено своей частью, ниже обозначаемой как измерительная часть 17, в текучую среду, причем измерительная часть 17 входит в воздухозаборный трубопровод 7, например, более чем до его середины и в радиальном направлении симметрично разделена проходящей через центральную ось 11 плоскостью, которая лежит в плоскости чертежа, обеспечивая обтекание размещенного в измерительной части 17 термозависимого измерительного элемента 20 для возможно полного предотвращения влияния возмущающего краевого эффекта стенки 5. В примерах выполнения согласно фиг. 1-3 среда протекает справа налево, причем направление потока обозначено соответствующими стрелками 29.

Устройство 1 выполнено в виде цельной детали, состоящей из измерительной части 17, несущей части 18 и опорной части 19, и изготовлено, например, из пластмассы литьем под давлением. Измерительный элемент 20 выполнен, например, в виде пластины и имеет, как известно из уровня техники, например, из DE-OS 3638138, один или несколько термозависимых резисторов 28, нанесенных в виде резистивных слоев, так называемых пленочных терморезисторов, на выполненную в виде пластины керамическую подложку, которая служит носителем 22. Измерительный элемент 20 может быть выполнен также, как показано на фиг. 1 и 3 и известно, например, из DE-OS 4338891, и в виде так называемой микромеханической детали. Измерительный элемент 20 имеет при этом носитель 22 с полученной путем вытравливания мембранообразной сенсорной зоной чрезвычайно малой толщины и несколько, также полученных путем вытравливания резистивных слоев, которые образуют по меньшей мере один термозависимый измерительный резистор 28 и, например, один нагревательный резистор. Измерительный элемент 20 образован, таким образом, по меньшей мере одним пластинчатым, выполненным, например, из керамики, носителем 22 и по меньшей мере одним термозависимым резистором 28. Носитель 22 размещен заподлицо в выемке 34, выполненной, например, из металла гнездовой детали 23 и удерживается в ней, например, с помощью клея. Гнездовая деталь 23 имеет обращенную к потоку 29 переднюю кромку, которая выполнена предпочтительно скошенной. Отдельные резистивные слои 28 измерительного элемента 20 электрически соединены с помощью проходящих внутри устройства 1 соединительных линий 24 с показанной на фиг. 1 в виде штриховки электронной схемой 25 предварительной обработки сигналов, которая содержит, например, схему измерения активных сопротивлений типа мостовой схемы. Схема 25 размещена, например, в несущей части 18 или в опорной части 19 устройства 1. Если схема 25 размещена, например, в несущей части 18, то ее можно охлаждать, например, с помощью радиатора от нагревания протекающей по воздухозаборному трубопроводу средой. С помощью разъемного контактного соединения 26, предусмотренного на опорной части 19, электрические сигналы, обработанные схемой 25, могут быть переданы, например, также на соответствующий электронный блок управления для последующей обработки. Работа и конструкция термозависимых измерительных элементов в данном описании подробно не рассматривается, поскольку они достаточно хорошо известны специалисту из уровня техники.

Как показано на фиг. 2 в сечении плоскостью II-II по фиг. 1, измерительная часть 17 устройства 1 имеет форму прямоугольного параллелепипеда и измерительный канал 30, который проходит от впускного отверстия 35, имеющего, например, прямоугольное сечение, к выпускному отверстию 36, также имеющему, например, прямоугольное сечение, вдоль расположенной по центру измерительного канала 30 оси 12. Устройство 1 встроено в воздухозаборный трубопровод 7 предпочтительно таким образом, что ось 12 измерительного канала проходит параллельно центральной оси 11. Однако устройство 1 можно также развернуть в такое положение, чтобы ось 12' измерительного канала образовывала с центральной осью 11 угол в несколько градусов, как это показано на фиг. 2, где штриховой линией обозначена ось 12' измерительного канала. На фиг. 1 показано далее, что измерительный канал 30 переходит в S-образный изменяющий направление потока канал 31. Измерительный канал 30 ограничен верхней поверхностью 37, более удаленной от центральной оси 11, и нижней поверхностью 38, более близкой к центральной оси 11, а также двумя показанными на фиг. 2 боковыми поверхностями 39, 40. В примере выполнения согласно фиг. 1 измерительный канал 30 расположен таким образом, что положение его оси 12, например, эксцентрично центральной оси 11. Однако измерительный канал 30 можно расположить также таким образом, чтобы его ось 12 была концентрична центральной оси 11 воздухозаборного трубопровода 7 или лежала вблизи нее, как это показано на фиг. 3, на которой изображен второй пример выполнения предлагаемого устройства 1. Гнездовая деталь 23 под пластинчатый измерительный элемент 20 крепится одной стороной к поверхности 37 несущей части 18, благодаря чему текучая среда обтекает гнездовую деталь 23 с измерительным элементом 20 по обеим ее боковым поверхностям 21, проходящим приблизительно параллельно оси 12 измерительного канала.

Как показано на фиг. 2, боковые поверхности 39, 40 измерительного канала 30 расположены наклонно к плоскости 14, образованной осью 12 измерительного канала и продольной осью 10, и образуют с ней острый угол, благодаря чему измерительный канал 30 аксиально сужается в направлении 29 течения потока и через выпускное отверстие 36 с наименьшим поперечным сечением переходит в первый участок 32 изменяющего направление потока канала 31. При этом измерительный элемент 20 расположен в гнездовой детали 23 выше по ходу потока самого узкого места измерительного канала 30, соответственно выше выпускного отверстия 36 в измерительном канале 30. Предусмотренное сужение измерительного канала 30 в направлении 29 течения потока обеспечивает в зоне измерительного элемента 20 максимально невозмущенное равномерное параллельное течение. Во избежание отрывов потока в зоне впускного отверстия 35 измерительного канала 30 в ней предусмотрена показанная на фиг. 1 округлая передняя поверхность 42.

Согласно изобретению граничная поверхность 45 первого участка 32 изменяющего направление потока канала 31, которая расположена в проекции выпускного отверстия 36 в направлении 29 течения потока на противолежащую стенку 48 изменяющего направление потока канала 31, выполнена не перпендикулярно направлению потока, а наклонно, в результате чего между осью 12 измерительного канала и граничной поверхностью 45 образуется угол наклона α, равный предпочтительно 45^o. Однако граничную поверхность 45 можно также выполнять и с углом наклона α в пределах от 30 до 60^o. Как показано на фиг. 1, ниже по ходу потока за граничной поверхностью 45 к первому участку 32 поперечно ему, соответственно поперечно направлению продольной оси 10 примыкает второй участок 33 изменяющего направление потока канала 31. Наклонная граничная поверхность 45 предназначена для отклонения среды, втекающей в первый участок 32 из выпускного отверстия 36 измерительного канала 30, вдоль этой граничной поверхности 45 во второй участок 33. Граничная поверхность 45 проходит при этом примерно до плоскости сечения II-II, соответственно до центральной оси 11 по фиг. 1. Граничная поверхность 45 имеет при этом в направлении продольной оси 10 ширину b_r, которая несколько меньше ширины b измерительного канала 30 в направлении продольной оси 10. Граничную поверхность 45 можно также выполнить с шириной b_r, соответствующей ширине b измерительного канала 30. В любом случае ширина b_r граничной поверхности 45 должна составлять не менее двух третей (2/3) ширины b измерительного канала 30. Как видно на фиг. 2, граничная поверхность 45 имеет перпендикулярно ширине b_r глубину t_r, которая предпочтительно примерно соответствует глубине t на входе впускного отверстия 35 измерительного канала 30, где глубина t измеряется в направлении, перпендикулярном ширине b измерительного канала 30. Однако граничная поверхность 45 может быть выполнена также глубиной t_r, несколько меньшей, чем глубина t впускного отверстия 35 измерительного канала 30. К граничной поверхности 45 примыкает стенка 49 первого участка 32, которая проходит приблизительно в направлении продольной оси 10.

Состоящий из первого участка 32 и второго участка 33 изменяющий направление потока канал 31 имеет предпочтительно прямоугольное поперечное сечение, которое приблизительно соответствует площади поперечного сечения впускного отверстия 35 измерительного канала 30, вследствие чего у выпускного отверстия 36 между измерительным каналом 30 и каналом 31 живое сечение потока резко увеличивается на ступени 43. Протекающая в измерительном канале 30 среда попадает после выпускного отверстия 36 сначала в первый участок 32, изменяет направление в нем на граничной поверхности 45 и протекает далее во второй участок 33. Как показано стрелкой 46 на фиг. 1 и 3, после этого среда выходит из второго участка 33 через выпускное отверстие 47 и снова входит в воздухозаборный трубопровод 7 в основном поперечно направлению 29 течения потока. Выпускное отверстие 47, равно как и канал 31, имеет, например, прямоугольное сечение и расположено на ориентированной параллельно оси 12 измерительного канала нижней наружной поверхности 50 измерительной части 17. Как показано на фиг. 1 и 3, справа к прямоугольному выпускному отверстию 47 примыкает расположенная поперечно нижней наружной поверхности 50 и воспринимающая поток 29 передняя поверхность 42 измерительной части 17, имеющая округлую форму и, выступая выше по ходу потока за впускное отверстие 35 измерительного канала 30, проходящая от нижней наружной поверхности 50 до нижней поверхности 38 измерительного канала 30, доходя вплоть до впускного отверстия 35.

Благодаря наклонному выполнению граничной поверхности 45 в изменяющем направление потока канале 31 исходящие от выпускного отверстия 36 измерительного канала 30 возмущения в потоке, которые, например, могут проявляться в виде завихрений или ударных волн, отражаются на граничной поверхности 45. При этом в зависимости от места возникновения завихрений, соответственно ударных волн расстояние до граничной поверхности 45 различно вдоль всей ширины ступени 43, соответственно выпускного отверстия 36 в направлении продольной оси 10, вследствие чего возникающие по ширине отдельные завихрения, соответственно ударные волны отражаются от граничной поверхности 45 со смещением во времени. Следствием этого является изменение направления завихрений, соответственно ударных волн и общее ослабление их возмущающего воздействия на измерительный элемент 20. В результате этого зависящего от времени и места отражения возмущения на граничной поверхности 45 исключается влияние возмущений в потоке на выдаваемый измерительным элементом 20 электрический сигнал. Это позволяет существенно уменьшить или даже полностью исключить искажения в показаниях измерительного элемента 20, которые обычно имеют место при пульсирующем течении потока.

На фиг. 3 изображен второй пример выполнения предлагаемого устройства, где все одинаковые или одинаково функционирующие элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1 и 2. На фиг. 3 ниже по ходу потока после граничной поверхности 45 показано окно 55 в изменяющем направление потока канале 31, например, отверстие, через которое поток в изменяющем направление потока канале 31 сообщается с внешним потоком в воздухозаборном трубопроводе 7. Окно 55 выполнено, например, в виде круглого отверстия в одной из боковых стенок 27 измерительной части 17 в зоне пересечения первого участка 32 со вторым участком 33 изменяющего направление потока канала 31. Однако, как показано на фиг. 3 штриховыми линиями, окно 55 можно выполнить и таким образом, чтобы оно начиналось на нижней наружной поверхности 50 измерительной части 17 и оканчивалось во втором участке 33. Окно 55 имеет относительно малое сечение, а его диаметр равен нескольким миллиметрам, например, 2 мм. Очевидно, что таких окон 55 может быть несколько. По меньшей мере одно окно 55 позволяет влиять на образованный изменяющим направление потока каналом 31 объемный резонатор для ударных волн, распространяющихся вниз по ходу потока от выпускного отверстия 36 измерительного канала 30, таким образом, что в результате выравнивания давления происходит ослабление отраженных на граничной поверхности 45 ударных волн. При этом путем подбора величины поперечного сечения по меньшей мере одного окна 55 можно согласовать собственную частоту объемного резонатора с частотой распространяющихся ударных волн таким образом, чтобы обеспечивалось дальнейшее улучшение результата измерения, выдаваемого измерительным элементом 20.

Наличие по меньшей мере одного окна 55 приводит также к тому, что в результате выравнивания давления потока в канале 31 с давлением потока в воздухозаборном трубопроводе 7 еще имеющиеся в изменяющем направление потока канале 31, соответственно ослабленные ударные волны могут уходить в воздухозаборный трубопровод 7, не оказывая неблагоприятного влияния на результат измерения, выдаваемый измерительным элементом 20.

Изобретение предназначено для измерения массового расхода воздуха, всасываемого двигателем внутреннего сгорания. Устройство (1) содержит измерительный канал (30), проходящий от впускного отверстия (35) до выпускного отверстия (36). В измерительном канале расположен термозависимый измерительный элемент (20, 28). К выпускному отверстию примыкает первый участок (32) изменяющего направление потока канала (31). Граничная поверхность (45) первого участка отклоняет поток среды из измерительного канала во второй участок (33) канала (31). Угол наклона α граничной поверхности (45) к направлению потока составляет 30 - 60^o. Изобретение обеспечивает снижение влияния пульсаций потока на результат измерения при сохранении компактности. 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения расхода потока текучей среды, в частности впускаемого воздуха в двигатели внутреннего сгорания, с обтекаемым текучей средой термозависимым измерительным элементом, расположенным в измерительном канале устройства, проходящем от его впускного отверстия до выпускного, к которому примыкает первый участок изменяющего направление потока канала, куда среда втекает из выпускного отверстия и отклоняется граничной поверхностью первого участка во второй участок изменяющего направление потока канала, причем граничная поверхность первого участка изменяющего направление потока канала лежит в проекции выпускного отверстия в направлении течения потока на противолежащую стенку первого участка, отличающееся тем, что для уменьшения влияния колебаний или пульсаций потока текучей среды на результат измерения расхода потока текучей среды граничная поверхность (45) выполнена наклонной к направлению (29) течения потока в измерительном канале (30). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что граничная поверхность (45) имеет глубину t_r и перпендикулярную ей ширину b_r, которая приблизительно соответствует ширине b впускного отверстия (35) измерительного канала (30). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что угол наклона α, заключенный между граничной поверхностью (45) и направлением (29) течения потока в измерительном канале (30), составляет приблизительно 30 - 60°. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что угол наклона α составляет приблизительно 45°. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина b_r граничной поверхности (45) составляет не менее 2/3 ширины b измерительного канала (30). 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что граничная поверхность (45) имеет ширину b_r и перпендикулярную ей глубину t_r, которая приблизительно соответствует глубине t измерительного канала (30) на входе впускного отверстия (35). 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в направлении (29) течения потока к первому участку (32) изменяющего направление потока канала (31) примыкает второй участок (33) и в первом участке (32) или во втором участке (33) предусмотрено по меньшей мере одно окно (55), которое обеспечивает сообщение со средой, обтекающей устройство (1). 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере одно окно (55) выполнено в боковых стенках (27) и/или проходит к нижней наружной поверхности (50) измерительной части (17) устройства (1), имеющей измерительный канал (30). 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный канал (30) имеет прямоугольное поперечное сечение, которое сужается в направлении от впускного отверстия (35) к выпускному отверстию (36). 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изменяющий направление потока канал (31) имеет прямоугольное поперечное сечение, причем первый участок (32) выполнен таким, что живое сечение потока за выпускным отверстием (36) измерительного канала (30) ниже по ходу потока резко увеличивается.