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Die
Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren zur Messung der Temperatur,
der Temperaturverteilung und/oder des Leistungseintrages mit wenigstens
einem elektrischen Widerstandselement mit zwei damit verbundenen
Zuleitungen.
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Bestimmte
und bekannte Einrichtungen können
erst genutzt werden, wenn deren Temperatur über 30°C liegt, so nutzen zum Beispiel
bestimmte Sensoren sensitive Materialien, welche nur bei Betriebstemperaturen über 100°C funktionieren.
Derartige Lösungen
sind unter anderem in den
DE
102 12 167 A1 (Thermoelektrische Gas- und Strömungssensoren),
DE 197 09 338 C2 (Potentiometrischer CO2-Sensor),
DE 198 38 028 C2 (Verfahren
und Einrichtung zur Messung von Stickoxiden) und
DE 196 51 328 A1 (Temperaturregelung
für Gassensoren) aufgeführt. Die
Temperatur der Umgebung ist niedriger als die Arbeitstemperatur
dieser Einrichtungen, so dass diese aufgeheizt werden müssen.
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Diese
Aufheizung erfolgt über
klassische Widerstandsheizungen, die speziell für das zu erzeugende Temperaturprofil
ausgelegt sind, unter anderem
DE 100 52 948 A1 (Heizelement). Die Temperatur
eines bestimmten Bereichs der Einrichtung muss für optimale Eigenschaften möglichst
konstant gehalten werden. Die Temperaturkonstanz wird durch eine geregelte Änderung
der zugeführten
Heizleistung durch Änderung
der an die Anschlüsse
der Heizung angelegten Spannung oder durch Änderung des durch die Heizung
fließenden
Stroms erzielt. Dafür wird
die Temperatur über
den Innenwiderstand der gesamten Heizung oder über zusätzliche Temperaturmesseinrichtungen
(zum Beispiel Widerstände oder
Thermoelemente) bestimmt und ein passender Stellbefehl (Heizspannung
oder Heizstrom) durch eine Regeleinrichtung erzeugt.
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Zuleitungen/Kontaktabschnitte
und Anschlüsse
der Heizung stellen Fehlerquellen zur genauen Temperaturbestimmung
durch Messung des Heizungsinnenwiderstandes dar, da sich in diesen Bereichen
der Heizung konstruktiv bedingt eine andere Temperatur als über den
Rest des zu beheizenden Bereichs einstellt. Bei wechselnden Anströmverhältnissen
an die Einrichtung ändert
sich auch die Temperaturverteilung zwischen Anschlüssen/Zuleitungen
und dem temperaturkonstant zu haltendem Bereich, so dass der Einfluss
dieser Bereiche nicht durch rechnerische Maßnahmen (zum Beispiel Abgleich
mit bekanntem Temperaturprofil) kompensiert werden kann. Bei der
Temperaturbestimmung durch Messung des Heizungsinnenwiderstandes
treten bei wechselnden Anströmungen
somit Messfehler, bedingt durch die Zuleitungen und Anschlüsse der
Heizung, auf. Das kann durch eine zusätzliche Temperaturmesseinrichtung
zum Beispiel Widerstände
oder Thermoelemente vermieden werden, wobei ein erhöhter konstruktiver
Aufwand vorhanden ist. Weiterhin wird mit zusätzlichen Temperaturmesseinrichtungen
die Temperatur nicht mehr direkt an der Heizung sondern an der Stelle
der Temperaturmesseinrichtung gemessen. Bedingt durch die endlich
schnelle Wärmeausbreitung
zwischen Heizung und Temperaturmessung entsteht eine Trägheit des
Regelkreises, der das dynamische Verhalten der Temperaturreglung
verzögert.
Aufgrund der ungenügend
genauen Temperaturbestimmung, sind die Eigenschaften beheizter Bauelemente
stark von den Strömungsverhältnissen
der Umgebung abhängig.
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Zur
Messung von Geschwindigkeits- und Temperaturschwankungen, wie sie
in Strömungen vorkommen,
werden als Sensoren dünne,
elektrisch beheizte Drähte
oder Metallfilme, die von der Strömung mehr oder weniger stark
abgekühlt
werden, benutzt. Diese so genannten Heizdrähte/Heizleiter oder Heißfilme bestehen
bekannterweise aus einem zwischen zwei Nadeln gespannten Platin-
oder Wolframdraht oder aus einer auf einen wärmeisolierenden Material (Glas
oder Quarz) unterschiedlicher Geometrie aufgebrachten Platin- oder
Nickelschicht. Durch Messen der zugeführten elektrischen Leistung
können
mit dem Heizleiter oder der Schichten drei verschiedene Größen gemessen
werden – Geschwindigkeit,
Massenfluss (mit Fluiddichte) und Temperaturdifferenz. Zwei verschiedene
Methoden der Heizdraht- oder Heißfilmanemometrie sind gebräuchlich:
- – die
Konstant-Strom-Methode, wobei der konstant gehaltene Strom, der
durch den Heizdraht oder Heißfilm
fließt,
und der Sensorwiderstand (Innenwiderstand des Heizdrahtes oder Heißfilmes)
ein Maß für die Geschwindigkeit,
den Massenfluss oder die Temperaturdifferenz ist oder
- – die
Konstant-Temperatur-Methode, wobei die Sensortemperatur oder der
Innenwiderstand des Heizdrahtes oder Heißfilmes konstant gehalten wird
und die zur Aufrechterhaltung der Temperatur benötigte Heizleistung ein Maß für die Geschwindigkeit
oder den Massenfluss ist.
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Heizdraht-
oder Heißfilmsensoren
können keine
Geschwindigkeitsschwankungen bei denen sich die Strömungsrichtung
umkehrt detektieren, Richtungsdetektionen der Strömung sind
nur mit mehreren Sensoren möglich.
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Der
in den Patentansprüchen
1 und 9 bis 12 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Auflösung
der Temperaturmessung bei Messgeräten gleicher Genauigkeit zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 9 bis 12 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Einrichtungen
und Verfahren zur Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung
und/oder des Leistungseintrages mit wenigstens einem elektrischen
Widerstandselement mit zwei damit verbundenen Zuleitungen zeichnen sich
insbesondere dadurch aus, dass die Temperaturmessung am Bauelement
nur am temperaturkonstant zu haltenden Bereich durchführbar ist,
wodurch die Auflösung
der Temperaturmessung bei gleich genauen Messgeräten verbessert und Fehler der
Temperaturmessung durch sich erwärmende
Zuleitungs- und Anschlussbereiche eliminiert werden. Dazu ist erfindungsgemäß an das
elektrische Widerstandselement und/oder an wenigstens eine der Zuleitungen mindestens
ein Leiter als Potentialabgriff geschalten.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizung als elektrisches
Widerstandselement direkt zur Temperaturbestimmung nutzbar ist.
Damit verringert sich die Trägheit
des Regelungsprozesses, wobei Messgröße und Stellgröße unmittelbarer
zusammenhängen
und Regelungsalgorithmen vereinfacht und beschleunigt werden können. Eine
Beeinflussung der Eigenschaften von beheizten Bauelementen oder
Vorrichtungen gegenüber
Anströmgeschwindigkeit
und Temperatur des anströmenden Mediums
wird verringert oder eliminiert. Für konstante Eigen- Temperatur des anströmenden Mediums wird
verringert oder eliminiert. Für
konstante Eigenschaften ist es erforderlich, die Temperaturverteilung des
elektrischen Widerstandselementes möglichst konstant zu halten
und auch bei Störeinflüssen nur möglichst
geringe Abweichungen von der Solltemperatur zu gewährleisten.
Aufgrund des sich einstellenden Temperaturgefälles durch die nicht vollständig zu unterbindende
Wärmeleitung
durch das Bauelement hin zu der Bauteilbefestigung ist es notwendig,
den Wärmeeintrag
auf die gesamte Einrichtung zu erweitern. Ein wesentliches Problem
besteht hierbei darin, dass der elektrische Widerstand der Zuleitungen
die genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes des elektrischen
Widerstandselementes und damit dessen konstant zu haltende Temperatur
verfälscht. Idealer
Weise muss das Verhältnis
des elektrischen Widerstands des elektrischen Widerstandselementes
zu den elektrischen Widerständen
der Zuleitungen möglichst
groß sein,
so dass auch sehr kleine Veränderungen
bei entweder einer Abkühlung
oder einer Erwärmung
erfassbar sind. Über
eine Verringerung der elektrischen Widerstände der Zuleitungen wird bekannterweise
deren verfälschende
Einflüsse minimiert.
Der elektrische Widerstand der Zuleitungen kann aber nicht beliebig
verringert werden. Grenzen sind durch den Bauraum und die Durchwärmung der
gesamten Einrichtung gegeben. Mit der Verbindung mindestens eines
Leiters als Potentialabgriff an das elektrische Widerstandselement
und/oder an wenigstens eine der Zuleitungen wird diese Heizung in mehrere
separat messbare Abschnitte geteilt. Vorteilhafterweise lassen sich
damit der sensitive Bereich und der Zuleitungsbereich messtechnisch
getrennt erfassen. Mit einer vorteilhaften Platzierung von Leitern
als Potentialabgriffe lässt
sich der elektrische Widerstand des elektrischen Widerstandselements
und somit die mittlere Temperatur genau bestimmen. Der Einfluss
der Zuleitungen wird vollständig
eliminiert und die Stellgröße des Regelprozesses
kann so berechnet werden, dass der elektrische Widerstand des elektrischen
Widerstandselementes und nicht der elektrische Widerstand des elektrischen
Widerstandselementes einschließlich
der Zuleitungen konstant gehalten wird.
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Die
erfindungsgemäßen Einrichtungen
sind vorteilhafterweise durch eine verringerte Abhängigkeit
der Strömungsgeschwindigkeit
auch als kostengünstige
Anemometer einsetzbar, da die zugeführte Heizleistung ein direktes
Maß für die zu
bestimmenden Strömungsparameter
ist. Es kann eine Messung sowohl von dem Betrag als auch von der
Richtung durch die Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Einrichtung
erfolgen. Je nach den Anströmbedingungen
bildet sich eine charakteristische Temperatur- oder Widerstandsverteilung
aus. Je höher die
Anströmgeschwindigkeit
desto größer werden
die Temperaturunterschiede der einzelnen Bereiche der Einrichtung
im Vergleich zum Zustand ohne Anströmung. Bei einer Fluidtemperatur,
die geringer als die Temperatur der Einrichtung ist werden stärker angeströmte Bereiche
sich stärker
abkühlen
als Bereiche, die weniger stark angeströmt werden. Diese Effekte können dazu
benutzt werden, den Betrag und die ein- und mehrdimensionale Richtung
einer Strömung
mit Hilfe eines einzigen elektrischen Widerstandselementes zu bestimmen.
Eine Unterteilung in weitere Bereiche ermöglicht die Detektion weiterer
Richtungskomponenten der Anströmung.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin,
dass der Aufwand zur Herstellung vergleichbar mit herkömmlichen
Heizelementen und geringer als bei Einrichtungen mit zusätzlichen
Temperaturmesseinrichtungen ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis
8 angegeben.
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Vorteilhafterweise
ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 das elektrische
Widerstandselement ein stromdurchflossener Heizleiter, wobei mindestens
ein Leiter als Potentialabgriff mit dem Heizleiter verbunden ist.
Dadurch kann die Einrichtung vorteilhafterweise als Heizleiteranemometer auch
bei Temperaturen von mehreren 100 °C eingesetzt werden. Mit einer
Weiterbildung des Patentanspruchs 3, wobei ein draht- oder bändchenförmiger Leiter
als Potentialabgriff mittig am stromdurchflossenen Heizleiter angeordnet
und mit diesem verbunden ist, kann eine einfache eindimensionale
Richtungsdetektion der Anströmung
erfolgen. Weiterführend kann
durch die Weiterbildung des Patentanspruchs 3, wobei ein draht- oder bändchenförmiger Potentialabgriff
mittig am stromdurchflossenen Heizleiter und jeweils ein weiterer
draht- oder bändchenförmiger Potentialabgriff
in Nähe
einer Zuleitung am stromdurchflossenen Heizleiter angeordnet und
mit diesem verbunden sind, die Bestimmung der Leistungsabgabe des
Heizleiters und somit das Messverhalten des Heizleiteranemometers
durch Eliminierung der Widerstände
der Zuleitungen wesentlich verbessern.
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Eine
einfache Realisierung der Einrichtung ist durch die Weiterbildung
des Patentanspruchs 5 gegeben, wobei das elektrische Widerstandselement,
die Zuleitungen und der mindestens eine Leiter als Potentialabgriff
Bahnen auf einem Träger
sind. Dadurch ist die erfindungsgemäße Einrichtung durch den Einsatz
bekannter Dünn-
und Dickschichttechniken einfach und ökonomisch günstig herstellbar.
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Das
Widerstandselement besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
6 die Form eines Mäanders,
eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder wenigstens einer Kombination
von zwei dieser Formen und ein bahnenförmiger Leiter als Potentialabgriff
ist mittig am bahnenförmigen
Widerstandselement angeordnet und mit diesem verbunden. Dadurch
ist eine Bestimmung des elektrischen Widerstandes sowohl der einen
Hälfte
als auch der anderen Hälfte
der Einrichtung möglich. Über den
spezifischen elektrischen Widerstand der Bahnen lassen sich Temperaturunterschiede
zwischen den Hälften nachweisen.
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Mehrere
bahnenförmige
Leiter als Potentialabgriffe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7
führen
vorteilhafterweise zu einer Vergrößerung der Auflösung der
Temperaturverteilung über
das elektrische Widerstandselement.
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Durch
die Weiterbildung nach Patentanspruch 8, wobei das Widerstandselement
aus zwei beabstandet zueinander angeordnete und außen miteinander
verbundene in Reihe geschaltete Formen eines Mäanders, eines Mehrecks, eines
Kegelschnittes oder wenigstens einer Kombination von zwei dieser
Formen besteht, ein bahnenförmiger
Potentialabgriff mittig an einer Mäanderform und mindestens jeweils
ein weiterer bahnenförmiger
Potentialabgriffan den Verbindungsstellen der Mäanderformen angeordnet und
mit diesem verbunden sind, lässt
sich die Temperaturverteilung über
die Einrichtung so bestimmen, dass eine zweidimensionale Richtungsdetektion
einer Anströmung
möglich
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind jeweils prinzipiell in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Einrichtung mit einem Heizleiter und einem Leiter als Potentialabgriff,
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2 eine
Einrichtung mit einem Heizleiter und zwei Leitern als Potentialabgriffe,
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3 Schaltung
der Einrichtung entsprechend der Darstellung der 2,
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4 eine
Einrichtung mit einem Heizleiter und drei Leitern als Potentialabgriffe,
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5 eine
Einrichtung mit auf einem Träger jeweils
aufgebrachten bahnenförmigen
Zuleitungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und Leiter als Potentialabgriff,
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6 eine
Einrichtung mit auf einem Träger jeweils
aufgebrachten bahnenförmigen
Zuleitungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und zwei Leitern
als Potentialabgriff,
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7 eine
Einrichtung mit auf einem Träger jeweils
aufgebrachten bahnenförmigen
Zuleitungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und zwölf Leitern
als Potentialabgriff und
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8 eine
Einrichtung mit einem Widerstandselement aus zwei miteinander verbundenen Mäanderformen
und drei Leitern als Potentialabgriffe.
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In
den Ausführungsbeispielen
werden jeweils Einrichtungen und Verfahren zur Messung der Temperatur,
der Temperaturverteilung und/oder des Leistungseintrages mit wenigstens
einem elektrischen Widerstandselement mit zwei damit verbundenen
Zuleitungen zusammen näher
beschrieben.
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Eine
Einrichtung zur Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung
und/oder des Leistungseintrages besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen aus einem stromdurchflossenen Heizleiter 1 als
elektrisches Widerstandselement mit gleichzeitig als Zuleitungen
dienenden Halterungen 2a, 2b und wenigstens einem
draht- oder bändchenförmigen Leiter 3 als
Potentialabgriff Der Heizleiter 1 kann draht-, platten-
oder quaderförmig ausgebildet
sein.
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In
einer ersten Ausführungsform
des ersten Ausführungsbeispiels
ist der draht- oder bändchenförmige Leiter 3 mittig
am Heizleiter 1 leitend befestigt.
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Die 1 zeigt
eine Einrichtung mit einem Heizleiter 1 und einem Leiter 3 als
Potentialabgriff in einer prinzipiellen Darstellung.
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In
einer zweiten Ausführungsform
des ersten Ausführungsbeispiels
sind zwei draht- oder bändchenförmige Leiter 3a, 3b in
Nähe der
Halterungen 2a, 2b am Heizleiter 1 oder
gleich zeitig an den Positionen der Verbindungen oder mit den Verbindungen zwischen
Heizleiter 1 und Halterungen 2a, 2b leitend befestigt
(Darstellung in der 2). Dadurch ist die gesamte
Einrichtung in drei einzelne und getrennt messbare Teilbereiche
aufgeteilt (Darstellung in der 3). Im wesentlichen
sind jeweils die Widerstände R1
und R3 die Widerstände
der als Zuleitungen vorhandenen Halterungen 2a, 2b und
der Widerstand R2 der Widerstand des Heizleiters 1. Bestimmt
werden diese durch den fließenden
Heizstrom I und die Differenzspannungen U1, U2 und U3 nach dem Ohmschen
Gesetz R1 = U1/I, R2 = U2/I und R3 = U3/I. Der Heizstrom I durchfließt dabei
nur die Halterungen 2a, 2b als Zuleitungen und
den Heizleiter 1. Die Leiter 3 können als
stromlos angesehen werden, so dass auch deren elektrischer Widerstand
nicht relevant ist. Damit können
beliebig dünne
Leiteranordnungen eingesetzt werden.
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Der
Einfluss der Zuleitungen wird damit vollständig eliminiert und die Stellgröße des Regelprozesses
so errechnet, dass der elektrische Widerstand R2 des Heizleiters 1 und
nicht der elektrische Widerstand der gesamten Einrichtung konstant
gehalten wird.
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Die
genaue Bestimmung der eingebrachten Heizleistung ist die Grundlage
für den
Einsatz als temperaturkonstantes Anemometer, da die zugeführte Heizleistung
ein direktes Maß für die zu
bestimmenden Strömungsparameter
ist. Der Leistungseintrag der elektrischen Heizung im Heizleiter 1 ist
sehr genau nach P2 = I × U2
bestimmbar. Aufgrund der Temperaturkonstanz ist der Leistungseintrag
ein wesentlich genaueres Maß für die zu
bestimmenden Strömungsparameter
als die Messung der Leistung über
die gesamte Einrichtung. Je nach den Anströmbedingungen bildet sich eine
charakteristische Temperatur- und daraus folgernd Widerstandsverteilung aus.
Je höher
die Anströmgeschwindigkeit
desto größer werden
die Temperaturunterschiede der einzelnen Widerstände R1, R2, R3 im Vergleich
zum Zustand ohne Anströmung.
Bei einer Temperatur des strömenden
Mediums, die geringer als die Temperatur der Einrichtung ist, werden
stärker
angeströmte Bereiche
der Einrichtung sich stärker
abkühlen
als Bereiche, die weniger stark angeströmt werden. Diese Effekte können dazu
benutzt werden, den Betrag und die ein- und mehrdimensionale Richtung
einer Strömung
mit Hilfe einer einzigen Einrichtung zu bestimmen. Das wird vorteilhafterweise
auch durch die dritte Ausführungsform
des ersten Ausführungsbeispiels
erreicht, wobei ein draht- oder bändchenförmiger Leiter 3c als
Potentialabgriff mittig am stromdurchflossenen Heizleiter 1 und
jeweils ein weiterer draht- oder bändchenförmiger Leiter 3a, 3b als
Potentialabgriff in Nähe
einer Zulei tung oder mit der Zuleitung am stromdurchflossenen Heizleiter 1 angeordnet
und mit diesem verbunden sind (Darstellung in der 4).
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Eine
Unterteilung in weitere Bereiche durch weitere Leiter als Potentialabgriffe
ermöglicht
die Detektion weiterer Richtungskomponenten der Anströmung. Dazu
können
Bereiche des Heizleiters jeweils einen Winkel verschieden 180° einschließen, so
dass eine dreidimensionale Detektion der Anströmung eines Mediums auch betragsmäßig feststellbar
sind. Die Bereiche können
dazu geradlinig oder bogenförmig
ausgebildet sein, so dass diese als mehrfach entweder winklige und/oder
bogenförmige
Anordnungen im Raum für
das Medium platzierbar sind.
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Der
Heizleiter 1 besteht aus bekannten Materialien wie unter
anderem metallischen Legierungen, reinen hochschmelzenden Metallen,
hochschmelzenden Legierungen und nichtmetallischen Werkstoffen.
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Der
Endenbereich des jeweiligen Leiters 3 ist mit bekannten
Verbindungsverfahren an oder in dem Heizleiter 1 elektrisch
leitend befestigt. Derartige Verfahren sind unter anderem Schweißen, Löten, Bonden
oder Klemmen. Der Querschnitt des Leiters 3 ist kleiner
als der des Heizleiters 1, so dass jeder Leiter 3 stromlos
ist. Jeder Leiter 3 besteht vorzugsweise aus dem Material
des Heizleiters 1.
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Eine
Einrichtung zur Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung
und/oder des Leistungseintrages besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen aus einem Träger 4 mit
aufgebrachten Schichten in Form von Leiterbahnen als bahnenförmiges elektrisches
Widerstandselement 5, bahnenförmige Zuleitungen 6a, 6b und mindestens
einem bahnenförmigen
Leiter 7 als Potentialabgriff, wobei das wenigstens eine
bahnenförmige
Widerstandselement 5 an die bahnenförmigen Zuleitungen 6a, 6b und
an das bahnenförmige
Widerstandselement 5 und/oder an wenigstens eine der bahnenförmigen Zuleitungen 6a, 6b der
bahnenförmige
Leiter 7 als Potentialabgriff geschalten sind. Der Träger 4 ist
vorzugsweise eine Platte insbesondere aus einer Al2O3-Keramik, einem Glas oder Quarz. Die Schichten
als Widerstands- und/oder Leitbahnpasten sind mit bekannten Technologien
der Dünnschicht- oder
Dickschichttechnik aufgebracht. Bei der Dickschichttechnik als eine
Additivtechnik wird zum Beispiel das Sieb-, das Schablonen- oder
das Tampondruckverfahren eingesetzt. Die Wider stands- und die Leitbahnpasten
bestehen bekannterweise aus ausgehärteten pastenartigen Mischungen
eines organischen und/oder anorganischen Binders mit pulverförmigen Metallen
und Metalloxiden. Natürlich
können auch
bekannte Subtraktivtechniken eingesetzt werden, wobei eine Schicht
bereichsweise abgetragen wird.
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In
einer ersten Ausführungsform
des zweiten Ausführungsbeispiels
ist das bahnenförmige
Widerstandselement 5 in einer Mäanderform aufgebracht und ein
bahnenförmiger
Leiter 7 als Potentialabgriff ist mittig am bahnenförmigen Widerstandselement 5 angeordnet
und mit diesem verbunden (Darstellung in der 5).
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In
einer zweiten Ausführungsform
des zweiten Ausführungsbeispiels
sind mehrere bahnenförmige
Leiter 7a, 7b, ... 7n als Potentialabgriffe
mit dem in einer Mäanderform
aufgebrachten bahnenförmigen Widerstandselement 5 verbunden
(Darstellungen in den 6 und 7). Damit
sind drei und mehr einzelne und getrennt messbare Teilbereiche vorhanden.
Analog zur zweiten Ausführungsform
des ersten Ausführungsbeispiels
sind die Zuleitungen die Widerstände
R1 und R3 die Widerstände
der bahnenförmigen
Zuleitungen 6a, 6b und der Widerstand R2 der Widerstand
des bahnenförmigen
Widerstandselementes 5. Bestimmt werden diese durch den
fließenden
elektrischen Strom I und die Differenzspannungen U1, U2 und U3 nach
dem Ohmschen Gesetz R1 = U1/I, R2 = U2/I und R3 = U3/I. Der Strom
I durchfließt
dabei nur die bahnenförmigen
Zuleitungen 6a, 6b und das Widerstandselement 5.
Die bahnenförmigen
Leiter 7 können
als stromlos angesehen werden, so dass auch deren elektrischer Widerstand
nicht relevant ist. Damit können
beliebig dünne
Leiteranordnungen eingesetzt werden.
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Der
Einfluss der bahnenförmigen
Zuleitungen 6a, 6b wird damit vollständig eliminiert
und die Stellgröße des Regelprozesses
so errechnet, dass der elektrische Widerstand des bahnenförmigen Widerstandselementes 5 und
nicht der elektrische Widerstand der gesamten Einrichtung konstant
gehalten wird.
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Die
genaue Bestimmung der eingebrachten elektrischen Leistung ist die
Grundlage zum Beispiel für
den Einsatz als temperaturkonstantes Anemometer, da die zugeführte Leistung
ein direktes Maß für die zu
bestimmenden Strömungsparameter
ist. Der Leistungseintrag in das bahnenförmige Widerstandselement 5 ist
sehr genau nach P2 = I × U2
oder P2N = I × U2N
mit N = 2, 3, ... (bei drei und mehr Leitern als Potentialabgriffe)
bestimmbar. Aufgrund der Tem peraturkonstanz ist der Leistungseintrag
ein wesentlich genaueres Maß für die zu
bestimmenden Strömungsparameter
als die Messung der Leistung über die
gesamte Einrichtung. Je nach den Anströmbedingungen bildet sich eine
charakteristische Temperatur- und daraus folgernd Widerstandsverteilung
aus. Je höher
die Anströmgeschwindigkeit
desto größer werden
die Temperaturunterschiede der einzelnen Widerstände R1, R2, R3, (... RN bei
drei und mehr Leitern als Potentialabgriffe) im Vergleich zum Zustand
ohne Anströmung.
Bei einer Temperatur des strömenden
Mediums, die geringer als die Temperatur der Einrichtung ist, werden
stärker
angeströmte Bereiche
der Einrichtung sich stärker
abkühlen
als Bereiche, die weniger stark angeströmt werden. Diese Effekte können dazu
benutzt werden, den Betrag und die ein- und mehrdimensionale Richtung einer Strömung mit
Hilfe einer einzigen Einrichtung zu bestimmen.
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In
einer dritten Ausführungsform
des zweiten Ausführungsbeispiels
besteht das bahnenförmige Widerstandselement 5 aus
zwei beabstandet zueinander angeordneten und außen miteinander verbundenen
in Reihe geschalteten bahnenförmigen
Widerstandselementen 5a, 5b in Mäanderformen,
wobei ein bahnenförmiger
Leiter 7c als Potentialabgriff mittig an einer Mäanderform
und jeweils ein weiterer bahnenförmiger
Leiter 7a, 7b als Potentialabgriff an den Verbindungsstellen
der Mäanderformen
angeordnet und mit diesem verbunden sind (Darstellung in der 8).
Wird diese Einrichtung angeströmt,
lässt sich
die Temperaturverteilung über
die Einrichtung so bestimmen, dass eine zweidimensionale Richtungsdetektion
einer Anströmung
möglich
ist.
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Neben
der Mäanderform
für das
bahnenförmige
Widerstandselement sind auch andere geometrische Formen als Mehreck
oder Kegelschnitt oder einer Kombination wenigstens zweier dieser
Formen als elektrisches Widerstandselement auf dem Träger 1 realisierbar
und zur Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung und/oder
des Leistungseintrages einsetzbar.