DE10029395A1 - Thermischer Massenströmungs-Sensor - Google Patents

Abstract

Ein thermischer Massenströmungssensor mit überragender Empfindlichkeit und Ansprechzeit schließt ein Strömungssensor-Rohr (14) ein, das einen innenliegenden Kanal für die Strömung eines Strömungsmediums zwischen Eingangs- und Ausgangsenden aufweist. Ein Heizelement (18) steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Abschnitt des Strömungssensor-Rohres (14), um ein durch das Rohr strömendes Strömungsmedium zu erwärmen. Zwei räumlich kompakte Temperatursensoren (34) sind an den strömungsaufwärts- und strömungsabwärts gelegenen Enden des Heizelementes (18) angeordnet, um die Temperatur des durch das Rohr fließenden Strömungsmediums an ihren jeweiligen Stellen zu messen und um ein Signal zu liefern, das die Strömungsmitteltemperatur an diesen Stellen darstellt. Zwei wärmeleitende Erdungsteile (22) sind auf dem Strömungssensor-Rohr (14) an festgelegten Positionen im wesentlichen jenseits des beheizten Teils des Rohres angeordnet, um Bezugstemperaturen für das Strömungsmedium festzulegen, das an diesen Stellen hindurchströmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Massenströmungs- Sensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Es ist bekannt, daß die Massenströmungsrate eines Strömungsmediums proportional zur Wärmemenge ist, die erforderlich ist, um einen konstanten Temperaturanstieg in einem Strömungsmedium aufrechtzuerhalten, während dieses durch einen eine laminare Strömung aufweisenden Kanal strömt. Die Heizleistung pro Einheitslänge eines beheizten Strömungskanals in einem thermischen Strömungssensor wird hier als die Heizdichte bezeichnet.

Verschiedene bekannte thermische Massenströmungs-Sensoren verwenden ein gleich­ förmig beheiztes Strömungssensor-Rohr mit thermischen Sensoren oder Wärme­ sensoren an verschiedenen Stellen entlang der Länge des beheizten Rohres. Andere Massenströmungs-Sensoren schließen thermische Erdungselemente an den Enden des beheizten Rohres ein, um das Strömungsmedium zumindest an diesen Punkten auf Umgebungstemperatur zu halten. In Abhängigkeit von der Position der thermischen Erdungselemente kann dies die unerwünschte Nebenwirkung einer Ableitung eines großen Teils der Wärme haben, die auf das Strömungsmedium übertragen werden sollte, wodurch die Empfindlichkeit des Strömungsmeßinstrumentes stark verringert wird.

In der Veröffentlichung von Blackett et al. mit dem Titel "A Flow Method For Comparing The Specific Heats of Gases", Proc. R. Soc. London, A 126, Seiten 319- 354 (1930) ist ein Strömungssensor-Rohr beschrieben, das entlang seiner Länge gleichförmig beheizt wird, um eine konstante Heizdichte auszubilden. Die Enden des Sensor-Rohres sind thermisch an einem dieses umgebenden Gehäuse geerdet, das das Rohr an den äußeren Enden des Sensor-Rohres umgreift, wodurch zwei wärmeleitende Klammern gebildet werden, die Wärme von dem Sensor-Rohr ableiten. Es wird eine Nullströmungs-Temperaturverteilung ausgebildet, die in der Mitte entlang des Rohres ein Maximum und ein Minimum (d. h. Umgebungstemperatur) an den beiden eingeklemmten Enden des Rohres erreicht. Wenn ein Strömungsmedium durch das Rohr strömt, absorbiert das Strömungsmedium Wärme, während es sich dem Punkt einer maximalen Temperaturverteilung in der Mitte des Rohres nähert, und das Strömungsmedium gibt Wärme ab, wenn es den Punkt der maximalen Temperatur­ verteilung verläßt. Temperatursensoren (Thermokreuze) sind an speziellen Punkten entlang des Sensor-Rohres zwischen den wärmeleitenden Klammern, vorzugsweise mit symmetrischem Abstand von dem Mittelpunkt des Rohres und innerhalb des gleichförmig beheizten Teils des Rohres angeordnet, um eine Temperaturdifferenz des strömenden Strömungsmediums an den Positionen der Sensoren festzustellen. Die Temperaturdifferenz ist proportional zur Massenströmungsrate des Strömungs­ mediums.

Die Verfasser der vorstehenden Veröffentlichungen lösten somit das allgemeine Problem der Identifikation einer optimalen Positionierung von zwei thermischen Punkt­ sensoren an irgendeinem gleichförmig beheizten Strömungsrohr mit thermischen End­ klammern. Weil sie jedoch kein Strömungsrohr mit wärmeleitenden Klammern außerhalb des gleichförmig beheizten Teils des Rohres in Erwägung zogen, erkannten sie nicht die Bedeutung oder das Ausmaß der Wärme, die an den Enden des beheizten Teils des Rohres übertragen wird.

Es ist aus der Vielzahl von Konstruktionen von Strömungssensoren zu erkennen, daß ein vollständiges Verständnis der Wärmeübertragung zwischen dem strömenden Strömungsmedium und dem Strömungssensor-Rohr bisher nicht erreicht wurde und auch im Stand der Technik nicht gezeigt ist, so daß die optimale Anbringung der thermischen Sensoren und der thermischen Erdungselemente zur Erzielung der höchstmöglichen Temperaturempfindlichkeit und der kürzestmöglichen Ansprechzeit nicht bestimmt wurde.

Das US-Patent 5 693 880 auf den Namen von Maginnis, Jr., das auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschreibt ein Massenströmungs- Meßinstrument, das gegenüber der Position der thermischen Erdungselemente an dem Sensor-Rohr und gegenüber Temperaturschwankungen im Inneren des Sensor-Rohres relativ unempfindlich ist. Dieser Strömungssensor schließt eine aufgeteilte Heiz­ wicklung ein, die in ungleichförmiger Weise um das Sensor-Rohr herumgewickelt ist, um eine ungleichförmige Heizdichte über den beheizten Teil des Sensor-Rohres hinweg zu schaffen. Diese Konstruktion verwendet sich räumlich erstreckende Heiz- /Sensorelemente mit ungleichförmiger Heizdichte, um ein angenähert dreieckförmiges Temperaturprofil entlang des Sensor-Rohres zu erreichen, um Sensor-Störsignale sowie die Empfindlichkeit des Strömungssensors gegenüber Fehlern hinsichtlich der Position der wärmeleitenden Klammern zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Massenströmungs- Sensor zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit und eine kürzere Ansprechzeit aufweist, ohne daß sich ein komplizierter Aufbau ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße thermische Massenströmungs-Sensor verbessert den aus der Veröffentlichung von Blackett et al. bekannten Massenströmungs-Sensor dadurch, daß die gleichförmige Heizeinrichtung, die sich über die gesamte Strecke zu den wärmeleitenden Klammern erstreckt, durch eine in der Mitte liegende gleichförmige Heizeinrichtung ersetzt wird, die sich nicht bis zu den wärmeleitenden Klammern erstreckt. Die abrupte Verringerung der Heizdichte an den Enden des gleichförmigen Heizbereiches ruft eine maximale durch die Strömung induzierte Wärmeübertragung zwischen dem Strömungssensor-Rohr und dem darin befindlichen Strömungsmedium präzise an diesen Enden hervor. Die Analyse der vorstehenden Veröffentlichung hinsichtlich der optimalen Lage von punktförmigen Temperatursensoren ist daher für eine gleichförmige Heizeinrichtung, die sich nicht über die volle Länge des Sensor- Rohres zwischen wärmeleitenden Klammern erstreckt, nicht korrekt.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird ein thermischer Massenströmungs- Sensor geschaffen, der folgendes umfaßt:

• a) ein Strömungssensor-Rohr, das einen Einlaß, einen Auslaß und einen innen­ liegenden Kanal für die Strömungsmittelströmung zwischen dem Einlaß und dem Aus­ laß bildet,
• b) ein Heizelement, das in thermischer Verbindung mit einem Teil des Strömungssensor-Rohres steht, um ein durch dieses hindurchströmendes Strömungs­ medium zu erwärmen,
• c) zwei thermische Sensoren in thermischer Verbindung mit dem Strömungs­ sensor-Rohr, wobei jeder Sensor an einem jeweiligen Ende des Heizelementes auf dem Strömungssensor-Rohr angeordnet ist, um die Temperatur des durch das Strömungssensor-Rohr fließenden Strömungsmediums zu messen und um ein die Strömungsmittel-Temperatur an den jeweiligen Sensorpositionen darstellendes Signal zu liefern, und
• d) zwei thermische Erdungsteile auf dem Strömungssensor-Rohr jenseits der Enden des Heizelementes zur Ausbildung jeweiliger Einlaß- und Auslaß-Bezugs­ temperaturen für das durch das Strömungssensor-Rohr strömende Strömungsmedium an den jeweiligen Positionen der thermischen Erdungsteile.

Das Heizelement umfaßt vorzugsweise eine Heizwicklung, die im wesentlichen gleich­ förmig um das Strömungssensor-Rohr herumgewickelt ist und eine im wesentlichen gleichförmige Heizdichte über den Teil des Strömungssensor-Rohres ausbildet, der von dem Heizelement beheizt wird.

Die Länge der Heizwicklung ist durch die Forderung nach einer wirkungsvollen Beheizung des Strömungsmediums bei Fehlen einer Strömung bestimmt. Dies ist in der Technik gut bekannt. Die volle Länge des Sensor-Rohres, gemessen zwischen den Positionen der wärmeleitenden Klammern, ist vorzugsweise angenähert gleich dem doppelten der Länge des Abschnittes des Sensor-Rohres direkt unterhalb der Heizwicklung, und die Heizwicklung ist vorzugsweise im wesentlichen auf dem Strömungssensor-Rohr zentriert.

Die Länge der thermischen oder Wärmesensoren ist verglichen mit der Länge des beheizten Teils des Sensor-Rohres kurz. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die thermischen Sensoren angepaßte Thermistoren. Bei einer abgeänderten Ausführungsform umfassen sie Wärmeflußsensoren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines thermischen Massen­ strömungssensors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Strömungsmedium-Temperatur als eine Funktion der axialen Position entlang des Strömungssensor-Rohres zeigt, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die durch die Strömung hervorgerufene Differenz der Temperaturen des Strömungssensor-Rohres und des Strömungs­ mediums als eine Funktion der Position entlang des Strömungssensor-Rohres zeigt.

Der Strömungssensor nach dem eingangs genannten US-Patent 5 693 880 ist auf die Erzielung eines geringen Störsignals gerichtet und ergibt eine gleichförmige durch die Strömung hervorgerufene Wärmeübertragung über die eine erhebliche Erstreckung aufweisenden Längenabschnitte von zwei ungleichförmig gewickelten Heizwicklungen. Der Sensor dieses Patentes mit einer sogenannten sich verjüngenden Wicklung ergibt ein Signal mit geringem Störpegel und eine höhere Empfindlichkeit als die bekannten Sensoren, und er ergibt weiterhin eine vergleichbare Ansprechzeit, ergibt jedoch nicht die höchste Empfindlichkeit oder die kürzestmögliche Ansprechzeit.

Im Gegensatz hierzu ist der Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß die Meßempfindlichkeit gegenüber der Strömung auf ein Maximum vergrößert und die Ansprechzeit auf ein Minimum verringert wird, indem die durch Strömung induzierte Wärmeübertragung so weit wie möglich auf zwei bestimmte Punkte konzentriert wird, an denen sehr empfindliche und kompakte (idealerweise einen Punktkontakt aufweisende) Temperatursensoren angeordnet sind. Diese Punkte befinden sich in idealer Weise an den Enden eines eine begrenzte Länge aufweisenden gleichförmigen Heizelementes, vorausgesetzt, daß sich die thermischen Erdungselemente auf dem Sensor-Rohr außerhalb des beheizten Teils des Sensor- Rohres befinden. Der Strömungssensor der vorliegenden Erfindung ist somit sehr gut für Strömungsmeßanwendungen geeignet, bei denen die Empfindlichkeit gegenüber der Strömung und die Ansprechgeschwindigkeit wichtiger sind als ein Signal mit niedrigem Störpegel.

Die Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines thermischen Massenströmungssensors 10, der ein primäres Strömungsrohr 12, ein Strömungssensor-Rohr 14 und ein Heiz­ element 16 einschließt, das eine gleichförmig gewickelte Heizwicklung 18 umfaßt. Ein Laminarströmungs-Nebenschlußelement 20 ist in dem primären Strömungsrohr 12 angeordnet. Ein Gehäuse oder eine Abdeckung 23 ist über dem Sensor-Rohr angeordnet und steht in thermischer Verbindung mit dem Rohr an zwei Stellen außer­ halb des beheizten Teils des Rohres, um als eine thermische wärmeleitende Klammer oder ein Erdungselement 22 an diesen Stellen zu wirken. Das primäre Strömungsrohr 12 bildet einen Strömungsmedium-Einlaß 24 und einen Strömungsmedium-Auslaß 26 für ein Strömungsmedium 28, das in einer durch Pfeile 30 angedeuteten Strömungsabwärts-Richtung von dem Einlaß zum Auslaß fließen soll. Das Laminarströmungs-Element 20 ist innerhalb des primären Strömungsrohres 12 angeordnet und beschränkt die Strömung des Strömungsmediums 28 durch das Rohr 12, so daß lediglich eine laminare Strömung ausgebildet wird. Ein strömungsaufwärts gelegenes Ende des Strömungssensor-Rohres 14 ist mit dem primären Strömungsrohr 12 zwischen dem Einlaß 24 und dem Laminarströmungs-Element 20 gekoppelt, und ein strömungsabwärts gelegenes Ende des Strömungssensor-Rohres 14 ist mit dem primären Strömungsrohr 12 zwischen dem Laminarströmungs-Element 20 und dem Auslaß gekoppelt. Ein fester Anteil der Gesamtmasse des von dem Einlaß zum Auslaß strömenden Strömungsmediums strömt durch das Strömungssensor-Rohr 14, das typischerweise (jedoch nicht notwendigerweise) kapillare Abmessungen aufweist und aus einem Material hergestellt ist, das durch eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit im Vergleich zur thermischen Leitfähigkeit des Strömungsmediums 28 gekennzeichnet ist (beispielsweise aus Stahl).

Die Heizwicklung 18 umfaßt einen einen Widerstand aufweisenden Leiter, der möglicherweise, jedoch nicht notwendigerweise eine Widerstandstemperatur- Koeffizienten aufweist und der gleichförmig, vorzugsweise so dicht wie möglich um einen Abschnitt des Strömungssensor-Rohres 14 gewickelt ist. Jede nachfolgende Windung der Heizwicklung wird vorzugsweise so nahe wie möglich an die vorher­ gehende Windung herangelegt, so daß die Wicklung mit einer konstanten Steigung gewickelt ist. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Strömungssensor ist die Heizwicklung 18 um das Strömungssensor-Rohr herum angeordnet und erstreckt sich in Axialrichtung über eine Länge L entlang des Strömungssensor-Rohres, das eine gesamte effektive Strömungs-Meßlänge von A hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die weiter unten ausführlicher erläutert wird, ist die effektive Länge A des Strömungssensor- Rohres angenähert gleich dem doppelten der Länge L der Heizwicklung, gemessen entlang der Rohrachse zwischen den thermischen Klammern oder Wärmeleit­ klammern 22, die die Temperatur des Rohres 14 an den Klemmstellen auf Umgebungstemperatur festhalten oder "klemmen". Die Heizwicklung 18 ist vorzugsweise auf dem Strömungssensor-Rohr 14 derart zentriert, daß angenähert ein Viertel der Länge des Rohres an jedem Ende nicht in direktem Kontakt mit der Heizwicklung steht.

Aus Gründen einer einfachen Darstellung ist der Leiter der Heizwicklung 18 nicht maß­ stäblich gezeigt, und der Durchmesser dieses Leiters ist bezogen auf das Strömungs­ sensor-Rohr 14 wesentlich kleiner, als dies in den Zeichnungen gezeigt ist.

Der Massenströmungssensor 10 schließt weiterhin eine elektronische Steuereinheit 32 ein, die mit der Heizwicklung 18 über Drahtleitungen 35 und mit den beiden thermischen Sensoren oder Wärmesensoren 34 über Drahtleitungen 37 verbunden ist.

Es wurde gezeigt, daß die maximale durch Strömung induzierte Wärmeübertragung zwischen der Heizwicklung 18 und dem Strömungsmedium 28 an speziellen Stellen auftritt. Die graphische Darstellung nach Fig. 2 zeigt, daß die Stellen, an denen die durch Strömung induzierte Temperaturdifferenz zwischen dem strömenden Strömungsmedium und dem Sensor-Rohr am größten ist, und somit die Stellen der maximalen Wärmeübertragung zwischen dem Sensor-Rohr und dem strömenden Strömungsmedium, am Anfang und am Ende der Heizwicklung liegen, d. h. bei -L/2 und bei +L/2, bezogen auf den Mittelpunkt der Länge der Heizvorrichtung, wobei der Mittelpunkt als der Ursprung der axialen Positions-Koordinate gewählt wird. Somit befinden sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Temperatursensoren 34 jeweils an dem strömungsaufwärts- bzw. strömungsabwäris gelegenen Ende der Heizwicklung 18, um eine hohe Empfindlichkeit und Ansprech­ geschwindigkeit zu erzielen.

Das thermisch leitende Gehäuse 23 legt die effektive Länge des Strömungssensor- Rohres durch zwei thermische oder wärmeleitende Klammern 22 fest (wobei die strömungsaufwärts gelegene wärmeleitende Klammer mit 22A bezeichnet ist, während die strömungsabwärts gelegene wärmeleitende Klammer mit 22B in den Fig. 1-3 bezeichnet ist) wobei diese wärmeleitenden Klammern in Wärmeleitkontakt mit dem Strömungssensor-Rohr 14 stehen, um eine thermische Erdung oder eine Bezugstemperatur für das Strömungsmedium auszubilden, das durch das Strömungssensor-Rohr strömt. Somit sind für eine optimale Betriebsleistung und einen optimalen Wirkungsgrad des Meßgerätes die wärmeleitenden Klammern 22 vorzugsweise in einer gewissen Entfernung von den Punkten der maximalen Wärme­ übertragung zwischen der Heizwicklung 18 und dem Strömungsmedium 28 angeordnet, so daß ein größtmöglicher Teil der Wärme von der Heizwicklung auf das Strömungsmedium übertragen wird und nicht an die wärmeleitenden Klammem weiter­ geleitet wird.

Die wärmeleitenden Klammern 22 sind typischerweise aus einem Material hergestellt, das durch eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit verglichen mit der thermischen Leitfähigkeit des Sensor-Rohres 14 gekennzeichnet ist. Die wärmeleitenden Klammern 22 können somit eine thermische Erde oder eine Bezugstemperatur für das Strömungsmedium ausbilden, während dieses in das Sensor-Rohr und aus diesem herausströmt.

Die Heizwicklung 18 ist vorzugsweise um den gewünschten Abschnitt des Strömungssensor-Rohres 14 mit einer im wesentlichen konstanten Steigung gewickelt, um eine im wesentlichen gleichförmige Heizdichte über die Länge des Sensor-Rohres in der Nähe der Heizwicklung auszubilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizwicklung 18 über angenähert die halbe effektive Länge A des Strömungssensor-Rohres 14 angeordnet, so daß ungefähr eine Hälfte des Strömungssensor-Rohres beheizt wird, während eine andere Hälfte unbeheizt ist. Insbesondere liegt der beheizte Abschnitt des Strömungssensor-Rohres im wesentlichen in der Mitte entlang des Strömungssensor-Rohres, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die ersten und letzten Viertel-Längen des Strömungssensor-Rohres 14 stehen vorzugsweise nicht in direktem Kontakt mit der Heizwicklung.

Die graphische Darstellung nach Fig. 2 zeigt das Temperaturprofil des Strömungs­ mediums 28 und des Strömungssensor-Rohres 14 mit der Heizwicklung 18, wie sie gemäß der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ausgebildet ist. Das Strömungsmedium weist angenähert Umgebungstemperatur auf, während es in das Strömungssensor-Rohr 14 eintritt und dieses verläßt. Die wärmeleitenden Klammem 22 stehen vorzugsweise in thermisch leitender Verbindung mit dem Sensor- Rohr 14, und sie befinden sich an Positionen, an denen sich die Temperaturen des Strömungsmediums und des Rohres auf der Umgebungstemperatur oder nahezu auf dieser befinden, so daß eine minimale Wärmeableitung von den Heizwicklungen auftritt. Die Heizwicklung 18 erstreckt sich vorzugsweise zwischen -L/2 und +L/2 entlang des Sensor-Rohres (was mit einer gestrichelten Linie in den graphischen Darstellungen nach den Fig. 2 und 3 gezeigt ist). Es ist zu erkennen, daß die Temperatur des Strömungsmediums und des Sensor-Rohres bei -L/2 und +L/2 stark ansteigt und daß die Steigung des Temperaturprofils bei -L/2 und +L/2 am steilsten ist.

Die graphische Darstellung nach Fig. 3 zeigt die durch die Strömung induzierte Differenz der Temperatur zwischen dem Strömungssensor-Rohr 14 und dem Strömungsmedium 28 für jede Position entlang der Länge A des Strömungssensor- Rohres. Diese Temperaturdifferenz ist typischerweise wesentlich kleiner als der in Fig. 2 gezeigte Temperaturanstieg, und sie ist direkt proportional zur Massen­ strömungsrate des Strömungsmediums 28. Es ist zu erkennen, daß die Temperatur­ differenz bei -L/2, an der das Rohr wärmer als das Strömungsmedium ist, und bei +L/2, wo das Strömungsmedium wärmer als das Rohr ist, am größten ist. Hieraus folgt, daß eine Anordnung von relativ kompakten Temperatursensoren 34 an den Punkten der maximalen Wärmeübertragung zwischen dem Strömungssensor-Rohr und dem Strömungsmedium ein Strömungsmeßgerät mit größter Empfindlichkeit und kürzester Ansprechzeit ergibt.

Im Betrieb strömt das Strömungsmedium 28 von dem Einlaß 24 zum Auslaß 26 des primären Strömungsrohres 12. Ein Teil des Strömungsmediums fließt durch das eine Strömungsbegrenzung darstellende Laminarströmungs-Element 20, und das verblei­ bende Strömungsmedium strömt durch das Strömungssensor-Rohr 14, das von dem primären Strömungsrohr abzweigt. Die Schaltung 32 ruft das Fließen eines elektrischen Stromes durch die Heizwicklung 18 hervor, um Wärme zu erzeugen und diese einem Teil des Sensor-Rohres 14 sowie dem durch dieses hindurchströmende Strömungsmedium 28 zuzuführen. Das Strömungsmedium 28, das sich beim Eintreten in den Einlaß 24 des primären Strömungsrohres normalerweise auf Umgebungs­ temperatur oder nahezu auf dieser befindet, tauscht Wärme mit dem Sensor-Rohr aus und wird erwärmt, während es durch die erste Hälfte des Strömungssensor-Rohres 14 hindurchströmt und es wird abgekühlt, während es durch die zweite Hälfte des Sensor- Rohres hindurchströmt.

Die Schaltung 32 stellt die Differenz zwischen den Einlaß- und Auslaßtemperaturen fest, wie sie von den punktförmigen Sensoren 34A, 34B gemessen werden, und erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zur Massenströmungsrate des durch das Strömungssensor-Rohr 14 fließenden Strömungsmediums 28 ist. Weil das durch das Strömungssensor-Rohr 14 fließende Strömungsmedium durch einen festen Anteil der Gesamtmenge des von dem Einlaß 24 des primären Strömungs-Rohres zum Auslaß 26 Strömungsmediums ist, ist dieses Ausgangssignal außerdem proportional zur Gesamt-Massenströmung durch das Strömungsmeßgerät 10.

Die vorliegende Erfindung verwendet relativ kompakte oder sogenannte "punktförmige Detektoren" als Temperatursensoren, zusätzlich zu der Heizwicklung. Jeder der Temperatursensoren mißt die örtliche Temperatur des Sensor-Rohres und somit des im Inneren des Rohres fließgenden Strömungsmediums lediglich an einem einzigen Punkt auf dem Sensor-Rohr. Die Heizwicklung der vorliegenden Erfindung wirkt lediglich als ein Heizelement und nicht als Temperatursensor, so daß sie keinen hohen Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes erfordert.

Der in Fig. 1 gezeigte Strömungssensor ist ähnlich dem bekannten Strömungssensor nach Fig. 5 des vorstehend genannten US-Patentes 5 693 880. Es bestehen jedoch zumindest drei wesentliche Unterschiede, die von großer Bedeutung sind.

Erstens verwendet der Strömungssensor nach dem US-Patent 5 693 880 zwei lang­ gestreckte Heiz-/Sensorelemente, während die vorliegende Erfindung ein einziges langgestrecktes Heizelement und zwei punktförmige Sensoren verwendet. Die einzige Heizwicklung führt dem Strömungsmedium Wärme zu, um ein symmetrisches Temperaturverteilungs-Profil auszubilden, wobei eine Spitzentemperatur an einer Stelle auftritt, die dem Mittelpunkt der Heizwicklung entspricht. Die Temperatursensoren, die bezogen auf die Länge des beheizten Teils des Sensor-Rohres relativ kompakt sind, zeigen die Strömungsmedium-Temperatur an bestimmten Stellen an. Die Verwendung von relativ kompakten Temperatursensoren bei -L/2 und +L/2 bedeutet, daß die Heiz­ wicklung 18 hauptsächlich zum Beheizen verwendet wird und nicht als Temperatur­ sensor für das Strömungsmedium wirken muß, weil sie nicht zur Anzeige von Temperaturänderungen des Strömungsmediums als Funktion ihres spezifischen Wider­ standes verwendet wird. Daher muß die Heizwicklung nicht aus einem Material her­ gestellt werden, das einen hohen Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes aufweist, so daß es mit niedrigen Einheitskosten erhältlich ist.

Zweitens ist der Strömungssensor nach dem US-Patent 5 693 880 so konstruiert, daß er einen niedrigen Störpegel dadurch erzielt, daß eine räumlich gleichförmige strömungsinduzierte Wärmeübertragung unter Verwendung von zwei langgestreckten Heizwicklungen erzielt. Im Gegensatz hierzu ist die Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung so konstruiert, daß sie eine höhere Empfindlichkeit und eine kürzere Ansprechzeit dadurch erzielt, daß eine räumlich konzentrierte, durch Strömung induzierte Wärmeübertragung von zwei punktförmigen Wärmequellen vorgesehen wird.

Drittens sind bei dem Strömungssensor der vorliegenden Erfindung die wärmeleitenden Klammern 22 außerhalb des beheizten Abschnittes des Sensor- Rohres angeordnet. Die ideale Position der wärmeleitenden Klammern wird durch die thermischen Eigenschaften des Sensor-Rohres bestimmt. Die Klammem sollten jedoch nicht zu eng an den Enden der Heizwicklung angeordnet sein, so daß sie die Temperaturdifferenz an diesen Punkten nicht verringern. Sie sollten nicht weiter entfernt von den Enden der Wicklung angeordnet sein, als dies thermisch erforderlich ist, damit das Sensor-Rohr nicht unnötig lang wird. Fig. 3 zeigt den Vorteil der Anordnung der wärmeleitenden Klammern an Punkten, an denen die Temperaturen des Strömungsmediums und des Rohres nahezu auf Umgebungstemperatur liegen, so daß die Wärmeverluste durch die Klammern zu einem Minimum gemacht werden und die Wärmeübertragung in das Strömungsmedium zu einem Maximum gemacht wird, wodurch die Empfindlichkeit und das Ansprechverhalten des Strömungsmeß­ gerätes verbessert wird.

Der in Fig. 5 des US-Patentes 5 693 880 gezeigte Massenströmungssensor schließt die vorstehend genannten Merkmale nicht ein und führt von der Anbringung relativ kompakter Temperatursensoren an den strömungsaufwärts- und strömungsabwärts gelegenen Enden eines gleichförmigen Heizelementes fort. Das US-Patent 5 693 880 führt weiterhin von der Anbringung der wärmeleitenden Klammern im wesentlichen jenseits der Enden des Heizelementes fort. Zusätzlich lehrt der Massenströmungs­ sensor nach Fig. 5 des US-Patentes 5 693 880 die Verwendung von sogenannten "gestreckten" Temperatursensoren, die sowohl als Heizelemente als auch als Tempe­ ratursensoren wirken, und die sich über eine endliche Strecke erstrecken, die im wesentlichen die gesamte Länge des Sensor-Rohres zwischen den Positionen der wärmeleitenden Klammern einnimmt.

Allgemein können alle Bauteile des Strömungssensor-Rohres 14 leicht auf einer vorhandenen Strömungsleitung installiert werden, ohne daß die Strömung des Strömungsmediums gestört oder der Kreis geöffnet wird. Der Strömungssensor der vorliegenden Erfindung kann daher im Handel als nachzurüstender Strömungs­ richtungsanzeiger oder Strömungsdetektor mit Richtungseigenschaften verwendet werden. Er kann auf vorhandenen Rohren mit irgendeiner Größe für entweder eine laminare oder eine turbulente Strömung installiert werden. Der Strömungssensor ist am besten für Rohre mit Durchmessern geeignet, die von 0,635 bis 5,08 cm (1/4 Zoll bis 2 Zoll) reichen.

Die Verwendung von relativ kompakten Temperatursensoren in dem Massen­ strömungs-Meßgerät der vorliegenden Erfindung und ihre Positionierung an den Enden des Heizelementes, die die Punkte einer maximalen Wärmeübertragung zwischen dem Sensor-Rohr und dem hindurchströmenden Strömungsmedium sind, ist vorteilhaft, beispielsweise dann, wenn eine schnelle und relativ einfache Näherung der Strömungsmedium-Strömungsrate in einer vorhandenen Leitung durchgeführt werden soll. Ein im Handel erhältliches Heizband kann um die Leitung herumgewickelt werden, und zwei punktförmige Temperatursensoren können mit jedem Ende des Heizbandes verklebt werden. Ein thermisches Erdungselement oder Gehäuse kann an der ent­ sprechenden Stelle angebracht werden, wie dies erforderlich ist, um eine Bezugs­ temperatur für das Strömungsmedium festzulegen. Diese Anordnung ist relativ einfach und sehr schnell zu installieren, und ergibt eine gute grobe Annäherung der Strömungsrate. Siehe beispielsweise das US-Patent 5 741 968 für eine Erläuterung eines derartigen Nachrüstfalls. Es sein darauf hingewiesen, daß dieses Patent weder die Verwendung eines gleichförmigen Heizelementes mit an den Enden angeordneten Temperaturdetektoren noch die Lage und Ausgestaltung dieser Detektoren beschreibt, wie dies weiter oben ausführlich erläutert wurde.

Als Beispiel für punktförmige Temperatursensoren im allgemeinen Fall kann für ein Strömungssensor-Rohr mit einem Außendurchmesser von 0,4572 mm (0,018 Zoll) ein Paar von kleinen perlenförmigen Thermistoren mit einer ovalen Form und Abmessungen von 0,3556 mm (0,014 Zoll) × 0,508 mm (0,020 Zoll) der Firma Fenwal Electronics verwendet werden. Die Thermistoren können direkt mit dem Strömungssensor-Rohr an den geeigneten Stellen verklebt werden, wobei ein im Handel erhältliches wärmeleitendes Klebemittel verwendet wird.

Das Strömungssensor-Rohr der vorliegenden Erfindung kann länger als erforderlich ausgebildet werden, um beispielsweise höhere Strömungsmedium-Temperaturen zu ermöglichen, wenn ein Heizelement mit begrenzter Leistung pro Einheitslänge verwendet wird. Die Verwendung von relativ kompakten Temperatursensoren an den strömungsaufwärts- und strömungsabwärts gelegenen Enden der Heizwicklung beseitigt jede Abhängigkeit des Ausgangssignals der Temperatursensoren von der Gesamtlänge des Heizelementes oberhalb einer bestimmten minimalen Länge.

Weil eine gleichförmige Heizwicklung in dem Massenströmungsmeßgerät der vorliegenden Erfindung verwendet wird, tritt ein gleichförmiger Heizstrom über den gesamten beheizten Bereich des Strömungssensor-Rohres auf. Es besteht keine Notwendigkeit für die Verwendung eines Heizdrahtes mit einem hohen Temperatur- Koeffizienten, so daß die Materialkosten verringert werden. Weil weiterhin Thermistoren typischerweise höhere Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes als drahtgewickelte Widerstände haben, erzeugt eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen den am strömungsaufwärts- und strömungsabwäris gelegenen Ende angeordneten Temperatursensoren ein Ausgangssignal mit größerer Amplitude mit aneinander angepaßten Thermistorsensoren, als mit drahtgewickelten Sensoren an den gleichen Stellen. In Verbindung mit einer höheren Temperaturdifferenz zwischen dem Strömungssensor-Rohr und dem durch dieses Strömungsmedium ergibt dieses Merkmal ein größeres relatives Signal.

Wie dies für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist, ist es auch möglich, Wärme­ flußsensoren anstelle der punktförmigen Temperatursensoren zu verwenden.

Claims (7)

1. Thermischer Massenströmungssensor mit einem Strömungssensor-Rohr, das ein Eingangsende, ein Ausgangsende und einen innenliegenden Kanal für die Strömung eines Strömungsmediums zwischen den Eingangs- und Ausgangsenden bildet, und mit einem Heizelement, das in wärmeleitender Verbindung mit dem Strömungssensor- Rohr steht, um das durch diese hindurchströmende Strömungsmedium zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement in thermischer Verbindung lediglich mit einem Teil des Strömungssensor-Rohres steht, um das durch dieses hindurch­ strömende Strömungsmedium zu erwärmen, das zwei Temperatursensoren in wärme­ leitender Verbindung mit dem Strömungssensor-Rohr stehen, wobei jeder Sensor an einem jeweiligen Ende des Heizelementes auf dem Strömungssensor-Rohr angeordnet ist, um die Temperatur der durch das Strömungssensor-Rohr strömenden Strömungsmediums zu messen und ein Signal zu liefern, das die Temperatur des Strömungsmediums an den Stellen des jeweiligen Temperatursensors darstellt, und daß zwei wärmeleitende Erdungsteile an dem Strömungssensor-Rohr jenseits der Enden des Heizelementes angeordnet sind, um jeweilige Einlaß- und Auslaß-Bezugs­ temperaturen für das durch das Strömungssensor-Rohr strömende Strömungsmedium auszubilden.

2. Thermischer Massenströmungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement durch eine Heizwicklung gebildet ist, die im wesentlichen gleichförmig um das Strömungssensor-Rohr gewickelt ist und eine im wesentlichen gleichförmige Heizdichte über den Teil des Strömungssensor-Rohres ausbildet, der in direktem Kontakt mit dem Heizelement steht.

3. Thermischer Massenströmungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Länge des Strömungssensor-Rohres, gemessen zwischen den wärmeleitenden Erdungsteilen, angenähert gleich dem doppelten der Länge der Heizwicklung ist.

4. Thermischer Massenströmungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung im wesentlichen auf dem Strömungssensor- Rohr zentriert ist.

5. Thermischer Massenströmungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Temperatursensoren bezogen auf die Länge des beheizten Teils des Strömungssensor-Rohres kurz ist.

6. Thermischer Massenströmungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren durch angepaßte Thermistoren gebildet sind.

7. Thermischer Massenströmungssensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren durch Wärmeflußsensoren gebildet sind.