DD244631A1 - Miniatur-stroemungsmesseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Miniatur-Stroemungsmesseinrichtung in Schichtausfuehrung mit in Stroemungsrichtung hintereinanderliegenden beheizten Widerstaenden und Temperaturfuehlern. Aufgabengemaess soll der Einfluss der letzteren auf das Temperaturfeld der ersteren klein gehalten werden. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe geloest, indem die Widerstaende maeanderfoermig mit Hauptrichtung quer zur Stroemungsrichtung und darauf die Temperaturfuehler in weniger dichter maeanderfoermiger Anordnung mit Hauptrichtung in Stroemungsrichtung angeordnet sind. Fig. 2

Description

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1: Eine Schaltskizze des Meßprinzips, das durch DE 3402981 nahegelegt ist und deshalb nicht beansprucht, aber angewandt

wird Fig. 2: Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Schichtschaltung

Zur Arbeitsweise ist zu sagen, daß die elektrisch beheizten Widerstände 1.1 und 1.2 (Fig. 1) von einer Luftströmung in Pfeilrichtung angeblasen werden. Ihre Temperatur wird durch Thermoelemente 2.1 und 2.2 als Temperaturfühler abgetastet und über den Operationsverstärker 3 exakt gleich gehalten. Die Spannung, die sich dabei am Meßgerät 4 einstellt, ist ein genaues Maß der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Massendurchsatzes an Luft.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem 5 mm breiten Substrat 5 aus hochwertiger Aluminiumoxidkeramik mit der erfindungswesentlichen Mäanderanordnung. Direkt auf dem Substrat 5 befindet sich der beheizte Widerstand 1.1 aus Nickel-Chrom, der in Pfeilrichtung, d. h. quer zu seiner Hauptrichtung von der Luftströmung, angeblasen wird. Daraufist eine dünne, zur Verdeutlichung der andern Einzelheiten nicht dargestellte Isolierschicht aufgebracht und schließlich in Reihe geschaltete Thermoelementepaare 2.11 ...2.17 aus alternierenden Schichtabschnitten von Nickel und Nickel-Chrom. Durch die Reihenschaltung ergibt sich eine höhere und damit besser auswertbare Meßspannung, ohne daß der Wärmeaustausch zwischen dem beheizten Widerstand 1.1 und der Luftströmung in Pfeilrichtung wesentlich behindert oder verfälscht würde, weil die Thermoelementepaare erfindungsgemäß nur einen Bruchteil der von der Strömung bestrichenen Fläche bedecken. Die Isolierschicht ist selbstverständlich dort, wo keine Thermoelemente liegen, ausgespart. Im unteren Teil 6 der „Rückleitung "sind keineThermoelemente dargestellt. Man kann dies als bloße Rückleitung auffassen, wobei es dem Fachmann auch ohne weiteres möglich ist, weitere Thermoelemente zur Erhöhung der Meßspannung, wie in der oberen Reihe anzubringen oder auch als Illustrationen eines anderen Meßprinzips, nämlich zur Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit eines Widerstandes, wobei je nach Polung vor den Operationsverstärker 3 noch jeweils ein Phasenwandler zu schalten wäre.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   Miniaturströmungsmeßeinrichtung in Schichtausführung mit in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden beheizten Widerständen und Temperaturfühlern, die an eine Regelschaltung zurTemperatumachführung der beheizten Widerstände angeschlossen sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Widerstände mäanderförmig mit Hauptrichtung quer zur Strömungsrichtung und darauf die Temperaturfühler in weniger dichter mäanderförmiger Anordnung mit Hauptrichtung in Strömungsrichtung angeordnet sind.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Miniatur-Strömungsmeßeinrichtung in Schichtausführung mit in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden, beheizten Widerständen und Temperaturfühlern, die an eine Regelschaltung zur Temperaturnachführung der beheizten Widerstände angeschlossen sind. Solche Einrichtungen erlangen zunehmend Bedeutung mit dem Einsatz der Elektronik zur Steuerung und Optimierung des Arbeitsregimes von Verbrennungsmotoren, wo der Massestrom an Verbrennungsluft oder -gemisch als eine der Eingangsgrößen exakt und ohne wesentliche Störung der Strömungsverhältnisse gemessen werden muß. Gerade die letztgenannte Bedingung erfordert eine Miniaturausführung des Strömungssensors bspw. in Schichtausführung. Nicht unbedingt erforderlich, aber naturgemäß auch vorteilhaft, ist die Miniaturausführung bei einem weiteren Anwendungsfall: Überwachung von Gasströmungen in der Sicherheitstechnik, insbes. bei der Überwachung der Grubensicherheit.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Meßeinrichtungen der geschilderten Art, auch unter der Bezeichnung Hitzdrahtanemometer bekannt, können nach dem Prinzip des konstanten Widerstandes oder der konstanten Temperatur arbeiten (Brockhaus ABC Physik, Bd. 1, Leipzig 1972, S. 57). Die Realisierung des letztgenannten Prinzips ist denkbar, indem Temperaturfühler und Widerstand in einem Bauelement, nämlich einem Thermistor, integriert sind oder indem, wie im vorliegenden Fall, Heizwiderstand und Temperaturfühler getrennte Bauelemente sind.

   Die Arbeitsweise mit konstanterTemperatur hat grundsätzliche meßtechnische Vorzüge: Die bleibende Parameteränderung bei erhöhter Temperatur betriebener Bauelemente, die sogenannte Alterung, ist zumeist vom Temperaturintegral über der Zeit abhängig und ihre Auswirkungen können insbesondere bei Vergleichsmessungen mit zwei Bauelementen gleicher Bauart gering gehalten werden. Dieser Vorzug wiederum kann bei bauelementemäßiger Trennung der Funktionen von Heizwiderstand und Temperaturfühler besser ausgenutzt werden, weil bspw. metallische Widerstandsschichten und metallische Thermoelemente genauer herstellbar und in ihren Parameterkombinationen besser erforscht und herstellungsmäßig besser steuerbar sind als Thermistoren, deren aktive Phase nichtmetallische Halbleiter sind, die in einer Glas- oder Keramikmatrix suspendiert sind. Mit der Respektierung dieser Bedingungen sind jedoch noch nicht automatisch die weiteren Bedingungen für den oben geschilderten, hauptsächlichen Anwendungsfall erfüllt, nämlich:

   — möglichst geringe Störung der zu messenden laminaren Strömung durch die Meßeinrichtung und

   — möglichst geringe Störung des Temperaturfeldes im Heizwiderstand durch den Temperaturfühler (denkbar ist zu hohe Wärmeleitung in Richtung Substratebene und zu geringe zwischen Strömungsmedium und Heizwiderstand senkrecht zur Substratebene).

   Die erste Forderung hat man mit unterschiedlichem Erfolg durch ein folienartiges Gitter geringen Querschnittanteils, verteilt über den Gesamtquerschnitt der Strömungsleitung (EP 95013), durch sehr dünne, sich in Strömungsrichtung erstreckende Substratfolien mit Schichtschaltungen (EP 106455) sowie durch eine Aufteilung in viele kleine Meßschaltungen in einer Vielzahl parallelgeschalteter Strömungskanäle (EP 137687) zu erfüllen gesucht.
   Die zweite Forderung wird durch die genannten technischen Lösungen gar nicht erfüllt.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist die sichere und unproblematische Herstellung einer einfachen und genauen Miniaturströmungsmeßeinrichtung.

   Darlegung des Wesens der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer thermischen Strömungsmeßeinrichtung in Schichtausführung mit Trennung der Funktionen von beheizten Widerständen und Temperaturfühlern, den Einfluß der letzteren auf das Temperaturfeld der ersteren klein zu halten und dabei ein ausreichend großes Meßsignal zu erhalten. Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird, indem die Widerstände mäanderförmig mit Hauptrichtung quer zur Strömungsrichtung und darauf die Temeraturfühler in weniger dichter mäanderförmiger Anordnung mit Hauptrichtung in Strömungsrichtung angeordnet sind.