DE10150544A1

DE10150544A1 - Mengendurchflusssensor und Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10150544A1
Application number: DE10150544A
Authority: DE
Inventors: Tae-Won Park; Kwang-Jin Kim; Seong-Yool Cho; Jong-Shin Lee
Original assignee: ENTEK CO
Current assignee: ENTEK CO
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-30
Also published as: JP2003121225A

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Mengendurchflußsensor und eine Meßvorrichtung und insbesondere einen Mengendurchflußsensor (1) mit einer Struktur, die eine Hybridkeramik mit einer kombinierten Konstruktion, einschließlich einer Grenze (4), die einen Thermistor (2) mit statischem Temperaturkoeffizienten und einen Trägerkörper (3) als Isolator unterteilt, mit Elektroden (5 und 5') und einer Isolationsbeschichtung aufweist. Gegebenenfalls ist dieser Sensor mit einem wärmeleitfähigen Metall zusammengesetzt und/oder in diesem untergebracht. Die Außenseite des Thermistors (2) ist mit dem Trägerkörper (3) elektrisch isoliert, um den Widerstandsthermistor mit einem größeren statischen Temperaturkoeffizienten als existierende Platin- oder Nickelelemente auszustatten, während er eine exotherme Temperatur innerhalb der Leitung selbst begrenzt, und ermöglicht, daß der Temperaturfühler und der Mengendurchflußsensor (1) Fluid innerhalb der Leitung direkt erfassen, um eine schnelle Erfassung und genaue Messung des Durchflusses zu erzielen, und um den Wärmeverlust von Anschlußteilen zu minimieren und die Abnahme der Feststellungsfähigkeit des Sensors, die durch latente Wärme des Isolators verursacht wird, zu lösen; und eine Meßvorrichtung mit dem obigen Mengendurchflußsensor zusammen mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung, um die Mengenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids zu erfassen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mengendurchflußsensor und eine Meßvorrichtung und insbesondere auf einen Mengendurchflußsensor mit einem Aufbau, der eine Hybridkeramik mit einer kombinierten Konstruktion, die eine Grenze aufweist, die einen Thermistor mit statischem Temperaturkoeffizienten und einen Trägerkörper als Isolator unterteilt, mit Elektroden, einer Isolationsbeschichtung und einem wärmeleitfähigen Metall aufweist, wobei die Außenseite des Thermistors mit dem Trägerkörper elektrisch isoliert ist, um den Widerstandsthermistor mit einem größeren statischen Temperaturkoeffizienten als existierende Platin- oder Nickelelemente auszustatten, während er eine exotherme Temperatur innerhalb der Leitung selbst begrenzt, und ermöglicht, daß der Temperaturfühler und der Mengendurchflußsensor Fluid innerhalb der Leitung direkt erfassen, um eine schnelle Erfassung und genaue Messung des Durchflusses zu erzielen, und um den Wärmeverlust von Anschlußteilen zu minimieren und die Abnahme der Feststellungsfähigkeit des Sensors, die durch latente Wärme des Isolators verursacht wird, zu lösen; und auf eine Meßvorrichtung mit dem obigen Mengendurchflußsensor zusammen mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung, um die Mengenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids zu erfassen.

Als herkömmliche Mengendurchfluß-Erfassungsvorrichtungen sind beispielsweise die Durchflußerfassungsvorrichtung, die einen Hitzschicht- oder Hitzdraht-Sensor verwendet, und die Mengenmeßvorrichtung zum indirekten Ermitteln der Menge an Fluid durch Befestigen von keramischen Halbleiterelementen an der Außenfläche der Leitung bekannt.

Die vorstehend beschriebene Durchflußerfassungsvorrichtung vom Hitzschicht- oder Hitzdrahttyp weist eine vorteilhafte Meßgenauigkeit auf, weist jedoch ein Problem von höheren Produktionskosten auf, da die Meßelemente der Vorrichtung als Auskleidungsmaterial mit einem Außendurchmesser von etwa 10 µm oder einer dünnen Schicht mit einer Dicke von einigen µm hergestellt werden.

Ferner ist es schwierig, die Vorrichtung praktisch zu verwenden, infolge einer Schwierigkeit bei der elektrischen Isolation des Hitzdrahts oder der Hitzschicht im Fall von Fluid im flüssigen Zustand, obwohl die Durchflußrate von Gas erfaßt werden kann.

Damit irgendeine Meßschaltung mit Hitzdraht- oder Hitzschicht-Elementen, die aus Platin oder Nickel mit einem niedrigen statischen Temperaturkoeffizienten bestehen, eine geringe Empfindlichkeit zeigt, ist es erforderlich, den statischen Temperaturmodus der Meßschaltung zu konstruieren, um eine Entzündung, die durch Wärmeerzeugung verursacht wird, zu verhindern.

Im Fall der Schaltung mit statischem Temperaturmodus wird häufig ein Thermistor als Strukturelement einer Wheatstone- Brücke angewendet und wird betrieben, um an beiden Enden des Bezugswiderstandes eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die dadurch verursacht wird, daß der Abgleich der Brücke aufgehoben wird, wenn die Temperatur des Thermistors in Abhängigkeit von der Zunahme der Durchflußrate verringert wird, indem an die Eingangsanschlüsse der Brücke die Spannung gleich dem integrierten Wert der Ausgangsspannung aus der Brücke durch einen Verstärker angelegt wird; um die Menge der im Thermistor verbrauchten elektrischen Energie aus den Strom- und Spannungswerten des Bezugswiderstandes zu berechnen; und um den Gleichgewichtszustand der Brücke durch Erhöhen der angelegten Spannung von der Brücke im Ungleichgewichtszustand der Brücke wieder herzustellen. Ein solcher Vorgang dient zum Steuern der Temperatur des Thermistors, was ein Problem von höheren Produktionskosten verursacht.

Hinsichtlich einer Mengendurchfluß-Erfassungsvorrichtung, die Keramikhalbleiter mit statischem Temperaturkoeffizienten verwendet, sind Beispiele in bekannten Fachgebieten beschrieben, einschließlich (1) US- Patent Nr. 5 216 918; (2) Japanische Offenlegungsschrift Veröffentlichungsnr. 63-210666; (3) Japanische Offenlegungsschrift Veröffentlichungsnrn. 7-91998 und (4) 5-306947; (5) US-Patent Nr. 4 413 514.

Unter diesen Veröffentlichungen werden (1), (3) und (5) ohne Isolator verwendet, insbesondere wurde (1) als repräsentatives Verfahren zum Verwenden des Thermistors mit statischem Temperaturkoeffizienten ohne Isolator offenbart. Dieses Patent führte eine Vorrichtung ein, die mit PTC- Elementen zum thermischen Kontakt mit der Außenwand und Temperaturfühlern, die nicht selbst Wärme innerhalb der Leitung erzeugen, ausgestattet ist, um die Änderung von Fluid auf der Basis von Widerstandsänderungen der PTC- Elemente und Signale in Zusammenhang mit den Temperaturfühlern zu erfassen, und führte ein Erfassungsverfahren mit der Vorrichtung ein. Die Sensoren bestehen aus Bariumtitanat (BaTiO₃) oder Strontiumtitanat (SrTiO₃) als PTC-Elemente und anderen Additiven zum Erfassen der Widerstandsänderungen der PTC-Elemente.

Andererseits richtet sich die in (3) dargelegte technische Anwendung auch auf zwei Thermistoren vom Scheibentyp, die in der Leitung installiert sind, um Brückenschaltungen auszubilden und die Mengendurchflußrate aus der Differenz zwischen den beiden Schaltungen zu messen, wohingegen (5) eine Erfassungsvorrichtung mit zwei Arten von Thermistoren wie z. B. NTC- und PTC-Thermistoren ohne Isolator offenbart, welche einen Nachteil der Verringerung der Wärmeerfassungsleistung aufgrund eines Wärmeverlusts an den Anschlußteilen des Thermistors aufweist, da der gesamte Sensor aus dem Thermistor besteht.

Ferner betreffen (2) und (4) herkömmliche Mengendurchflußsensoren mit einem Isolator, der mit einem Thermistor mit statischem Temperaturkoeffizienten beschichtet ist, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt.

Der in (2) dargelegte Mengendurchflußsensor 30, der in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Veröffentlichungsnr. 63-210666 beschrieben ist (Fig. 8), umfaßt eine Kugelform eines elektrischen Isolators 31; eine erste Dünnschichtelektrode 32, die auf der Oberfläche des Isolators 31 ausgebildet ist; einen Dünnschichtthermistor 33 mit statischem Temperaturkoeffizienten, der gleichmäßig auf der Oberfläche der ersten Dünnschichtelektrode 32 ausgebildet ist; eine zweite Dünnschichtelektrode 34, die auf der Oberfläche des Thermistors 33 ausgebildet ist, um die Durchflußrate von Fluid zu ermitteln, wobei der Isolator 31 mit einer unteren Elektrode, gefolgt von einem solchen dünnen PTC-Thermistor 33, der über der unteren Elektrode aufgebracht ist, und dann einer oberen Elektrode, die den PTC-Thermistor bedeckt, beschichtet ist. Die angeführte Anmeldung beschreibt auch, daß eine Konstruktion einer Brückenschaltung zusammen mit einem solchen Sensor, der mit der oberen Elektrode beschichtet ist, ermöglichen kann, daß die Durchflußrate von Fluid, das durch einen solchen Sensor 30 strömt, aus dem Ausgangssignal eines Rückkopplungsverstärkers erfaßt wird, der gewöhnlich ein Gleichgewicht der Brücke aufrechterhält.

Wie in Fig. 9 gezeigt, ist in der Japanischen Offenlegungsschrift 5-306947 eine Durchflußratensonde 35 beschrieben, die ein Zuleitungskabel 40 und ein Schutzkabel 41 am unteren Teil der Sonde aufweist und auf einem Halter 42 befestigt ist, welche ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat 36 und einen Wärmefühlwiderstand 37, der auf der Oberfläche des Substrats 36 befestigt ist, umfaßt, wobei dieser Widerstand 37 aus einem Wärmefühl- Hauptwiderstand 38, der aus einem derartigen Material besteht, das in Abhängigkeit von der Temperatur einen variablen Widerstandswert aufweist; und einem Wärmespeicherteil 39, der aus einem derartigen Material besteht, das einen größeren Widerstands-Temperatur- Koeffizienten aufweist als der Widerstand 38, besteht. Ein derartiger Wärmespeicherteil 39 ist nahe einem derartigen Wärmefühlwiderstand 38 am Trägerteil der Sonde 35 angeordnet. Die Sonde ergänzt und verringert den Wärmeverlust an deren Anschlußteilen durch Bedecken des Substrats mit NTC als sowohl wärmeempfindlichen Sensor als auch Widerstand mit Untertemperaturkoeffizient gleichzeitig, und Bedecken eines Teils nahe den Anschlüssen mit PTC als Widerstand mit statischem Temperaturkoeffizienten.

Trotzdem weisen die vorstehend beschriebenen herkömmlich bekannten Fachgebiete ein Problem, das heißt von geringerer Wärmekapazität auf, da der Thermistor in einer dünnen Schicht vorliegt, die durch latente Wärme beeinflußt wird, die von dem elektrischen Isolator vom Kugeltyp (der aus Aluminium besteht) 31, wie in Fig. 8 gezeigt, oder einem anderen Isolatorsubstrat 36, wie in Fig. 9 gezeigt, erzeugt wird, was dazu führt, daß die Erfassungszeit verlängert wird und die Messung des Mengendurchflusses unsicher und/oder ungenau ist, wenn sich die Temperatur des Fluids ändert.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen Mengendurchflußsensor und eine Meßvorrichtung bereitzustellen, bei denen die Erfassungszeit kurz und die Messung des Mengendurchflusses sicher und genau ist, wenn sich die Temperatur des Fluids ändert.

Die Erfindung betrifft somit einen Mengendurchflußsensor und eine Meßvorrichtung und insbesondere einen Mengendurchflußsensor mit einer Struktur, die eine Hybridkeramik mit einer kombinierten Konstruktion, die eine Grenze zum Unterteilen eines Thermistors mit statischem Temperaturkoeffizienten und eines Trägerkörpers als Isolator einschließt, mit Elektroden, einer Isolationsbeschichtung und einem wärmeleitfähigen Metall zusammensetzt und/oder in diesen unterbringt, dadurch gekennzeichnet, daß er die Außenseite des Thermistors mit dem Trägerkörper isoliert, um den Widerstandsthermistor mit einem größeren statischen Temperaturkoeffizienten als existierende Platin- oder Nickelelemente auszustatten, während er eine exotherme Temperatur innerhalb der Leitung selbst begrenzt, und ermöglicht, daß der Temperaturfühler und der Mengendurchflußsensor Fluid innerhalb der Leitung direkt erfassen, um eine schnelle Erfassung und genaue Messung des Durchflusses zu erzielen, und um den Wärmeverlust von Anschlußteilen zu minimieren und die Abnahme der Feststellungsfähigkeit des Sensors, die durch latente Wärme des Isolators verursacht wird, zu lösen; und eine Meßvorrichtung mit dem obigen Mengendurchflußsensor zusammen mit einer Temperaturkompensationsvorrichtung, um die Mengenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur des Fluids zu erfassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Mengendurchflußsensors als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 die Struktur einer Schaltung zum Messen einer konstanten Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Meßvorrichtung zum Erfassen eines Mengendurchflusses gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Flüssigkeitserfassungssensors, der in einer solchen in Fig. 3 dargelegten erfindungsgemäßen Meßvorrichtung angeordnet ist;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Gaserfassungssensors, der in einer solchen in Fig. 3 dargelegten erfindungsgemäßen Meßvorrichtung angeordnet ist;
Fig. 6 die Meßvorrichtung im Betriebszustand als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine Widerstandsänderungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur des erfindungsgemäßen Mengendurchflußsensors;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Beispiels der herkömmlichen Mengendurchflußsensoren; und
Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels der herkömmlichen Mengendurchflußsensoren.
Nun wird im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von welchen Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, um einen Mengendurchflußsensor der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Wie in den Figuren gezeigt, weist bei dem Mengendurchflußsensor der vorliegenden Erfindung der Sensor 1 eine Grenze 4 auf, die den Thermistor 2 als Widerstand und einen Trägerkörper 3 als Isolator aufteilt; er besteht aus einer integrierten Kombinationsstruktur einer Hybridkeramik, wobei die obere und die untere Seite der Keramik mit Elektroden 5 und 5' ausgestattet sind und dann vollständig mit einer Isolationsschicht beschichtet sind, ausschließlich Anschlußteilen, und ist gegebenenfalls durch Zusammensetzen desselben mit und/oder Unterbringen desselben in stark wärmeleitfähigen Metallelementen ausgebildet.
Diese Elektroden 5 und 5' dienen zum Leiten eines elektrischen Stroms zum Thermistor 2 und sind vorzugsweise über der gesamten Fläche des Sensors ausgebildet; zum Minimieren des Wärmeverlusts an den Anschlußteilen durch Ausbilden entlang einer schmalen Breite des Trägerkörpers; um zu verhindern, daß Risse und/oder Volumenänderungen um die Grenze 4 des Thermistors 2 und des Trägerkörpers 3 erzeugt werden, weist der Thermistor 2 vorteilhafterweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der ungefähr gleich jenem des Trägerkörpers 3 ist.
Nachstehend wird der obige Mengendurchflußsensor 1 hinsichtlich dessen Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung desselben beschrieben.
Ein Thermistor 2 mit statischem Temperaturkoeffizienten (nachstehend als "Thermistor" bezeichnet) besteht aus einem Mischkristall auf Perowskitbasis, der im allgemeinen als Formel von ABO₃ definiert ist, wobei A Ca, Sr, Ba oder Pb darstellt, B Ti und so weiter darstellt. Für einen halbleitenden Thermistor sind Additive vorgesehen, einschließlich Metalloxiden oder Vorstufen, die aus den Elementen Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr, W usw. außer Y, Sb, Nb, Nd und La ausgewählt sind.
Damit eine Gitterkonstante, die im wesentlichen dieselbe ist wie jene des Thermistors 2, und ein gewünschter Wärmeausdehnungskoeffizient vorliegt, umfaßt die Perowskit- Thermistorzusammensetzung ferner mindestens einen chemischen Bestandteil, um einen Trägerkörper 3 als Isolator herzustellen.
Solche Zusammensetzungen sind beispielsweise folgende:

1. ABO₃-Oxide oder Vorstufen, die zum zu verwendenden Thermistor 2 auf ABO₃-Basis identisch sind (wobei A und B möglicherweise ein Mischkristall auf der Basis von mindestens einer oder mehreren Komponenten sind).
2. Eine Oxid- oder Vorstufenzusammensetzung, einschließlich ABO₃-Oxiden oder Vorstufen, die zu einem Hauptkomponentensystem des Thermistors 2 identisch sind, zusätzlich mit 10 Mol% oder weniger von mindestens einem Element, das aus Y, Sb, Nb, Nd, La, Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr W usw. ausgewählt ist.
3. Eine Oxid- oder Vorstufenzusammensetzung mit einem geringeren oder überschüssigen Gehalt als einem zweckmäßigen Wert der Additive (beispielsweise Y, Sb, Nb, Nd, La, Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr, W), um den halbleitenden Effekt des Thermistors 2 auszudrücken.
4. Eine Zusammensetzung mit mindestens einer Komponente weniger als oder über der gewünschten Anzahl der Additivzusammensetzung für den Thermistor 2.

BEISPIEL 1

Für einen Widerstandsthermistor 2 mit einer Hauptkomponente aus Bariumtitanat (BaTiO) wird eine einzelne Komponente oder ihre Vorstufe verwendet.
Ansonsten kann mindestens eines von Silizium, Aluminium, Magnesium, Titan, Mangan, Zirconium im Oxidzustand oder Vorstufen derselben wie z. B. Carbonate bei der Herstellung des Thermistors verwendbar sein.
Hinsichtlich der Herstellung einer Hybridkeramik werden zuerst die Rohmaterialien des Thermistors 2 und des Trägerkörpers 3 gleichzeitig in ihre jeweiligen Formen gefüllt, um den Preßformprozeß auszuführen. Die erhaltenen Produkte befinden sich für 30 Minuten oder mehr unter einem Sinterprozeß bei mehr als 1200°C, werden dann gekühlt, um eine integrierte Hybridkeramik zu ergeben. Auf beiden Seiten der Keramik wird eine Widerstandspaste, die aus Silber, Nickel, Aluminium, Zink oder dergleichen besteht, mittels einer für die Elektrode und die Anschlüsse strukturierten Maske durch allgemeine Druckverfahren aufgedruckt und gehärtet, um die Elektrode 5 und 5' auszubilden. Anschließend werden die erhaltenen Elektroden vollständig mit polymeren Isolationsmaterialien wie z. B. Silikon, ausschließlich der Endteile ihrer Anschlüsse, beschichtet, um den Mengendurchflußsensor 1 herzustellen.
Wahlweise wird der Mengendurchflußsensor für einen Flüssigkeitsdurchfluß vorzugsweise mit dünnen Blechen aus Kupfer, rostfreiem Stahl oder Aluminium mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit beklebt, dann geschweißt und abgedichtet, um eine Halterungs- oder Gehäuseform für den Sensor bereitzustellen.

BEISPIEL 2

Das Formverfahren wird insbesondere wie folgt ausgeführt:
Dem geformten Produkt wird Bariumtitanat in einer einzelnen Komponente oder ihrer Vorstufe oder zumindest eines von Aluminium-, Magnesium-, Titan-, Mangan- oder Zirconiumoxiden oder deren Vorstufen wie z. B. Carbonate zugegeben, um ein Gemisch zu bilden; das Gemisch wird in Lösungsmitteln wie z. B. Wasser, Alkohol, Aceton oder dergleichen gelöst, um eine Aufschlämmung zu bilden; dann wird der Isolatorteil in die Aufschlämmung eingetaucht, um die Abscheidungsbeschichtung auszuführen, oder auf diesen wird die Aufschlämmung durch bekannte Mittel eines Sprüh-, Anstrich- oder Druckverfahrens, die ausreichen, um die Aufschlämmung in den Isolatorteil einzudiffundieren, aufgebracht. Danach wird eine weitere Behandlung in derselben Weise wie in Beispiel 1 ausgeführt, um den gewünschten Mengendurchflußsensor 1 herzustellen.
Anstelle von Bariumtitanat können andere Oxide oder Vorstufen in Form von einzelnen Komponenten oder Mischkristallen auf Perowskitbasis, einschließlich Strontiumtitanat, Kalziumtitanat, Bleititanat, Kalziumwolframat, verwendet werden.
Das erhaltene Produkt wird geschnitten, um rechteckige Stücke mit einer Abmessung von 5 mm Breite × 3 mm Länge × 1 mm Dicke auszubilden, die zu 1/3 der Längsteile aus dem Thermistor und zum restlichen Teil von 2/3 aus dem Trägerkörper bestehen.
Der Hauptbestandteil des Thermistors 2 ist ein Mischkristall aus Bariumtitanat oder Bleititanat. Diesem Pulvermaterial wird PVA als Bindemittel zugegeben, um das granulatartige Material herzustellen, gefolgt von Füllen des Granulatmaterials zum Ausbilden des Thermistors in einen 1/3-Teil der Gießform, während ein weiteres Granulatmaterial zum Ausbilden des Isolators in den restlichen 2/3-Teil der Gießform gefüllt wird und gleichzeitig preßgeformt wird, um das Plattenprodukt in Quadratform herzustellen.
Das zu formende Pulver wird separat in einen Speisebecher und die durch eine Trennmembran unterteilte Gießform gefüllt, dann nach Entfernen der Membran preßgeformt. Verschiedene Zusammensetzungen zum Ausbilden des Isolators werden hergestellt und es wird in derselben vorstehend beschriebenen Weise verfahren. Das ausgebildete Prüfstück befindet sich für 30 Minuten bis 2 Stunden unter der Wärmebehandlung bei 1250 bis 1350°C und wird abgekühlt.
Das gesinterte Prüfstück besteht aus einer Hybridkeramik, die ordentlich in den Thermistor 2 mit statischem Temperaturkoeffizienten und den Trägerkörper 3 als Isolator mit einem Widerstand von 100 MΩ aufgetrennt ist.
Nach Bedrucken sowohl der oberen als auch der unteren Seite in Dickenrichtung, einschließlich des Thermistors 2 und des Trägerkörpers 3, mit der Elektrode und den Anschlüssen, wird der gesamte Teil, ausschließlich der Anschlußteile, die den Hauptkörper und die elektrische Schaltung koppeln, mit einem Isolationspolymer oder Silikon und Glasmembranen beschichtet.
Als Ergebnis der Messung der spezifischen Widerstandsdifferenzen in Abhängigkeit von der Temperatur des Mengendurchflußsensors 1 wurde festgestellt, daß der Thermistor die physikalische Eigenschaft aufweist, die als Thermistor mit statischem Temperaturkoeffizienten geeignet ist, so daß der Thermistor selbst eine Temperaturänderung von 1,0 in einem Bereich, der einen scharfen Gradienten und Linearität zeigt, erfassen kann, was ausreicht, um ihn als Mengendurchflußsensor zu verwenden.
Ferner wird der Mengendurchflußsensor 1 zum Messen eines Flüssigkeitsdurchflusses durch Isolationsbeschichten und Zusammensetzen des Sensors mit oder Unterbringen desselben in dünnen Blechen aus Kupfer, SUS oder Aluminium mit vorteilhafter Wärmeleitfähigkeit mittels eines Schweißprozesses nach Ziehen der Anschlußzuleitung vorbereitet.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung mit konstanter Spannung. Wie in der Figur gezeigt, besteht die Schaltung aus dem Sensor mit einem extrem hohen statischen Temperaturkoeffizienten als Element der Schaltung, an die die konstante Spannung angelegt wird.
Wenn die konstante Spannung angelegt wird, kann der Sensor, wenn die Windgeschwindigkeit Ua erzeugt wird, Ua in Zusammenhang mit dem Energieverlust, der durch einen Konvektionsstrom und die Windgeschwindigkeit verursacht wird, berechnen.
Um den Stromwert zu erfassen, ist ein Bezugswiderstand mit dem Sensor 1 in Reihe geschaltet. Durch Messen der Spannung E zwischen beiden Enden dieses Widerstandes, um den Strom IP, der an den Sensor 1 angelegt wird, und eine reine Spannung zu erhalten, ist es möglich, den Widerstandswert des Sensors und die Menge der im Sensor verbrauchten elektrischen Energie zu berechnen.
Gleichgewichtsgleichungen, die auf der Basis der verbrauchten elektrischen Energie und der Menge an Wärmekapazitätsverlust, die durch den Konvektionsstrom verursacht wird, definiert sind, sind:

Elektrische Energie = Effekt der Konvektion (Gl. 1)

Elektrische Energie = (durch Sensor angelegte Nettospannung VP) × (durch Sensor geleiteter Strom IP) (Gl. 2)

Konvektionskalorien = (effektive Querschnittsfläche unter Konvektionszustand) (Konvektionsfaktor) {(Sensortemperatur) - Lufttemperatur} (Gl. 3)

Konvektionsfaktor = (Versuchsfaktor 1) + (Versuchsfaktor 2) (Luftgeschwindigkeit) King-Gesetz (Gl. 4)
Unter den vorstehend beschriebenen Gleichungen wird die Sensortemperatur aus dem Widerstand des Sensors abgeleitet und beide Versuchsfaktoren werden im voraus durch eine Versuchsprozedur berechnet. Daher kann die Geschwindigkeit und Durchflußrate von Fluid bekannt sein, wenn ferner die Temperatur des Fluids gemessen wird.
Unter der Annahme, daß der Stromwiderstand R₁ << R₂ ist, wird, wie in Fig. 2 dargestellt, V₁ mit einer Spannung angelegt, die dieselbe ist wie E, wenn eine konstante Spannung an E der Schaltung anliegt. Vp sollte auch konstant sein ohne Änderung seines Werts, so daß sie einen Sensor mit konstanter Spannung bilden kann.
Im Fall eines Durchflußratenzustands von Null (kein Durchfluß) wird die Schaltung so eingerichtet, daß ermöglicht wird, daß Vp seine konstante Spannung fortsetzt. Obwohl Vp variieren kann, wenn die Windgeschwindigkeit erzeugt wird, kann es wiedergewonnen werden und unter dem konstanten Zustand liegen, durch Kompensieren desselben mit V₁. Eingeführt wird, daß der Modus der konstanten Spannung des Ansteuervorgangs die Windgeschwindigkeit durch Auffinden der Korrelation der durch die Erzeugung der Windgeschwindigkeit verbrauchten Leistung und dieser Windgeschwindigkeit mißt.
Ferner stellt Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Meßvorrichtung unter dem Verwendungszustand dar, die den Mengendurchflußsensor 1 umfaßt, der am Vorderende des Trägerkörpers 9 installiert ist, damit der Mengendurchflußsensor den Mengendurchfluß des durch die Leitung 11 strömenden Fluids erfaßt; innerhalb dieses Trägerkörpers 9 ist ein Temperaturfühler 6 mit einem Stromanschlußdraht 7 vorgesehen, der mit einem anderen Stromanschlußdraht für diesen Sensor 1 gekoppelt werden soll, zum Verbinden beider dieser Drähte mit einer Schaltung innerhalb eines Schutzgehäuses 10.
Fig. 4 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Flüssigkeitserfassungssensors der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Eine solche Meßvorrichtung umfaßt den Mengendurchflußsensor 1, der am Vorderende des Trägerrohrs 12 innerhalb des Trägerkörpers 9 installiert ist und durch eine vorsprungartige Abdeckung 13 zum Schützen des Sensors geschützt ist und an seinem absoluten Vorderendteil mit dem Isolationsmaterial 14 zum Schützen des Sensors 1 gefüllt ist.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht des Gaserfassungssensors der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Eine solche Meßvorrichtung umfaßt den Mengendurchflußsensor 1, der mit dem Isolationsmaterial 16 zum Schützen dieses Sensors bedeckt ist und in einem Ansatzstück 15 befestigt ist, mit dem der Trägerkörper 9 ausgestattet ist, welches ein Strukturmerkmal der Vorrichtung ist, das von dem vorherigen von Fig. 4 verschieden ist.
Fig. 6 stellt die Meßvorrichtung im Betriebszustand als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dar. Die Leitung 11 ist mit einer solchen Meßvorrichtung mit dem Mengendurchflußsensor 1, der am Vorderende des Trägerkörpers 9 installiert ist, ausgestattet; wobei der Sensor 1 durch die Schutzabdeckung 13 geschützt ist und an seinem vorderen Teil mit dem Isolator 14 gefüllt ist. Eine solche Vorrichtung umfaßt ferner das Isolationsmaterial 20, das zwischen den Vorderendteil des Trägerkörpers 9 und die Schutzabdeckung 13 eingefügt ist; wobei der Trägerkörper an der Leitung 11 durch eine Befestigungsmutter 17 für den Trägerkörper 9, einen Druckring 18 und ein Ansatzstück 19 zum Koppeln desselben mit der Rohranordnung stramm befestigt ist.
Fig. 7 stellt eine Widerstandsänderungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur des erfindungsgemäßen Mengendurchflußsensors dar.
Wie in Fig. 7 gezeigt, bildet der Widerstand 22 eine Kurve vom S-Typ in Abhängigkeit von der Zunahme der Temperatur, wie in der gestrichelten Linie dargestellt, und weist einen PT-Curiepunkt auf, wenn an den Sensor 1 mit einem Widerstand Ro bei einer gewöhnlichen Temperatur ein Strom angelegt wird. Es ist zu bemerken, daß der Widerstand mehr als 1000fach um den Curiepunkt modifiziert wird, wodurch er unterhalb des Curiepunkts als leitendes Material wirkt, während er im dem Fall oberhalb des Curie-Punkts als Isolator dient und eine automatische Schaltfunktion zeigt.
Es ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Meßvorrichtung praktisch einzigartige und vorteilhafte Merkmale bewerkstelligt, welche eine konstante Spannung anlegt, um den Bereich über dem Curiepunkt aufrechtzuerhalten, und die statische PTC- Temperaturkennlinie nutzt; wobei das Prinzip darin besteht, daß der Widerstand verringert wird im Fall, daß die Temperatur aufgrund eines Wärmeverlusts abnimmt, welcher durch eine hohe Durchflußrate verursacht wird, während der Widerstand zunimmt, um den elektrischen Strom zu sperren und die konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, wenn die Temperatur so ansteigt, daß sie den Curiepunkt erreicht.
Wie vorstehend erläutert, weist der erfindungsgemäße Mengendurchflußsensor Vorteile und Zweckmäßigkeiten in der zugehörigen Anwendung auf, indem er eine Struktur umfaßt, die eine Hybridkeramik mit einer kombinierten Konstruktion die eine Grenze aufweist, die einen Thermistor mit statischem Temperaturkoeffizienten und als Isolator einen Trägerkörper unterteilt, mit Elektroden, einer Isolationsbeschichtung und einem wärmeleitfähigen Metall zusammensetzt und/oder in diesen unterbringt. Der Mengendurchflußsensor ist dadurch gekennzeichnet, daß er die Außenseite des Thermistors mit dem Trägerkörper isoliert, um den Widerstandsthermistor mit einem größeren statischen Temperaturkoeffizienten als existierende Platin- oder Nickelelemente auszustatten, während er die exotherme Temperatur innerhalb der Leitung selbst begrenzt, und ermöglicht, daß der Temperaturfühler und der Mengendurchflußsensor Fluid innerhalb der Leitung direkt erfassen, um eine schnelle Erfassung und genaue Messung des Durchflusses zu erzielen und um den Wärmeverlust von Anschlußteilen zu minimieren und um die Senkung der Feststellungsfähigkeit des Sensors, die durch latente Wärme des Isolators verursacht wird, zu lösen. Außerdem wird erwartet, daß die Meßvorrichtung mit dem obigen Mengendurchflußsensor zusammen mit der Temperaturkompensationsvorrichtung zum Erfassen der Mengenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur von Fluid auch günstige Merkmale bewerkstelligt, einschließlich der praktischen Verwendung der Vorrichtung und der Verringerung der Schaltungsproduktionskosten im Vergleich zu herkömmlichen Fachgebieten.
Die vorangehenden Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft und sind nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung aufzufassen.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll erläuternd sein und nicht den Schutzbereich der Ansprüche begrenzen. Jegliche Alternativen, Modifikationen und Veränderungen werden für Fachleute ersichtlich sein. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Mengendurchflußsensor
2 Thermistor
3 Verbindungsträgerkörper für den Mengendurchflußsensor
4 Grenze
5, 5' Elektrode
6 Temperaturfühler
7 Stromanschlußdraht für Temperaturfühler
8 Stromanschlußdraht für Mengendurchflußsensor
9 Trägerkörper für Mengendurchflußsensor
10 Schaltungsschutzgehäuse
11 Leitung
12 Trägerrohr für Mengendurchflußsensor
13 Sensorschutzabdeckung
14 Isolationsmaterial zum Schützen des Sensors
15 Anschlußstück zum Befestigen des Mengendurchflußsensors
16 Isolationsmaterial zum Schützen des Mengendurchflußsensors
17 Trägerkörper-Befestigungsmutter
18 Druckring
19 Ansatzstück
20 Isolationsmaterial
21 Punkt direkt vor dem Curiepunkt des Sensors
22 Widerstandspunkt beim Stromanlegen

Claims

1. Mengendurchflußsensor, der eine Grenze (4) aufweist, die einen Thermistor (2) als Widerstand und einen Trägerkörper (3) als Isolator unterteilt, und aus einer integrierten Kombinationsstruktur einer Hybridkeramik besteht; wobei die obere und die untere Seite der Keramik mit Elektroden (5 und 5') ausgestattet und dann vollständig mit einer Isolationsschicht beschichtet sind, ausschließlich Anschlußteilen.

2. Mengendurchflußsensor nach Anspruch 1, wobei dieser mit stark wärmeleitfähigen Metallelementen zusammengesetzt und/oder in stark wärmeleitfähigen Metallelementen untergebracht ist.

3. Mengendurchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Thermistor (2) aus einem Mischkristall auf Perowskitbasis, der im allgemeinen als Formel von ABO₃ (wobei A Ca, Sr, Ba oder Pb darstellt, B Ti und so weiter darstellt) definiert ist, und für einen halbleitenden Thermistor aus Metalloxiden oder Vorstufen von Elementen, die aus Y, Sb, Nb, Nd, La, Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr, W und dergleichen ausgewählt sind, besteht.

4. Mengendurchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Trägerkörper (3) irgendeine der folgenden Zusammensetzungen umfaßt: (1.) ABO₃-Oxide oder Vorstufen, die zu dem zu verwendenden Thermistor (2) auf ABO₃-Basis identisch sind (wobei A und B möglicherweise ein Mischkristall auf der Basis von mindestens einer oder mehreren Komponenten sind), (2.) eine Oxid- oder Vorstufenzusammensetzung mit ABO₃-Oxiden oder Vorstufen, die zu einem Hauptkomponentensystem des Thermistors (2) identisch sind, zusätzlich mit 10 Mol% oder weniger von mindestens einem Element, das aus Y, Sb, Nb, Nd, La, Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr, W oder dergleichen ausgewählt ist, (3.) eine Oxid- oder Vorstufenzusammensetzung mit einem geringeren oder überschüssigen Gehalt als einem zweckmäßigen Wert der Additive (beispielsweise Y, Sb, Nb, Nd, La, Mn, Mg, Al, Si, Ti, Zr, W), um den halbleitenden Effekt des Thermistors (2) auszudrücken, (4.) eine Zusammensetzung mit mindestens einer Komponente weniger als oder über der gewünschten Anzahl einer Additivzusammensetzung für den Thermistor (2).

5. Meßvorrichtung mit einem Mengendurchflußsensor (1), der an einem Vorderende eines Trägerkörpers (9) installiert ist, damit der Mengendurchflußsensor den Mengendurchfluß des durch eine Leitung (11) strömenden Fluids erfaßt; wobei ein Temperaturfühler (6) mit einem Stromanschlußdraht (7) innerhalb dieses Trägerkörpers (9) vorgesehen ist, welcher mit einem weiteren Stromanschlußdraht für den Sensor (1) gekoppelt werden soll, zum Verbinden von beiden der Drähte mit einer Schaltung innerhalb eines Schutzgehäuses (10).

6. Meßvorrichtung mit einem Mengendurchflußsensor (1), der am Vorderende eines Trägerrohrs (12) innerhalb des Trägerkörpers (9) installiert ist, um einen Mengendurchfluß des Fluids zu erfassen; wobei er durch eine vorsprungartige Abdeckung (13) zum Schützen des Sensors geschützt ist, und an seinem absoluten Vorderendteil mit einem Isolationsmaterial (14) zum Schützen des Sensors (1) gefüllt ist.

7. Meßvorrichtung mit einem Mengendurchflußsensor (1), der am Vorderende eines Trägerrohrs (12) innerhalb des Trägerkörpers (9) installiert ist, um einen Mengendurchfluß des Fluids zu erfassen; wobei er durch Isolationsmaterial (16) zum Schützen dieses Sensors bedeckt ist und in einem Ansatzstück (15), mit dem der Trägerkörper (9) ausgestattet ist, befestigt ist.

8. Meßvorrichtung mit einem Mengendurchflußsensor (1), der am Vorderende des Trägerkörpers (9) installiert ist, damit der Mengendurchflußsensor einen Mengendurchfluß des durch eine Leitung (11) strömenden Fluids erfaßt; wobei der Sensor (1) durch eine Schutzabdeckung (13) geschützt ist und an seinem vorderen Teil mit einem Isolationsmaterial (14) gefüllt ist und ein weiteres Isolationsmaterial 20 aufweist, das zwischen den Vorderendteil des Trägerkörpers (9) und die Schutzabdeckung (13) eingefügt ist; wobei der Trägerkörper (9) starr an der Leitung (11) durch eine Befestigungsmutter (17) für den Trägerkörper (9), einen Druckring (18) und ein Ansatzstück (19) befestigt ist, um ihn mit der Rohranordnung zu koppeln.