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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sensor gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1.
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Bekannt
sind u. a. Sensoren zur Bestimmung der Windrichtung und Windgeschwindigkeit.
Bekannte Sensoren dieser Art bestehen in der Regel aus einem als
Windrad ausgebildeten und im Luftstrom angeordneten Rotor und einem
von diesem Rotor angetriebenen elektromechanischen Wandler, der
ein von der Drehgeschwindigkeit des Rotors und damit von der Windgeschwindigkeit
abhängiges
Messsignal liefert. Ein derartige Sensoren ist konstruktiv aufwendig und
auch störanfällig.
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Bekannt
ist ein Sensor (
EP 0 455 508 )
zur Bestimmung der Stärke
und/oder Geschwindigkeit und/oder Richtung einer Strömung eines
gas- und/oder dampfförmigen
Mediums, beispielsweise zur Bestimmung der Stärke und/oder Richtung einer Luftströmung, mit
einem in einem durch eine Blende an der Oberseite begrenzten und
am Umfang offenen Innenraum angeordneten Sensorelement, welches gegen
eine Federkraft beweglich ist, sowie mit Mitteln zur Erzeugung eines
elektrischen Messsignals in Abhängigkeit
von der Auslenkung des Sensorelementes durch die Strömung des
gas- und/oder dampfförmigen
Mediums.
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Bekannt
ist weiterhin ein Strömungsmesser (
GB 2 233 766 ) im wesentlichen
bestehend aus einer von einem Fluid durchströmbaren Kanal angeordneten federnden
Zunge, die zur Erzeugung eines elektrischen Messsignals mit einem
auf Biegung der Zunge ansprechenden Sensor versehen ist.
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Bekannt
ist schließlich
auch eine Vorrichtung zum Erfassung der Richtung eines Glasstrahles
einer Düse
(
WO98/50615 ), im Wesentlichen
bestehend aus einem Tragring mit mehreren an diesem Ring gehaltene
und mit ihrem freien Enden sich in die Ringöffnung erstreckenden federnden
Zungen, mit ihren Auslenkungen gemessen und ausgewertet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Sensor aufzuzeigen, der bei vereinfachter
Konstruktion die Bestimmung der Stärke und/oder Geschwindigkeit und/oder
Richtung einer Strömung
eines gas- oder dampfförmigen
Mediums, insbesondere einer Luftströmung, mit hoher Präzision ermöglicht.
Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Sensor entsprechend dem Patentanspruch 1
ausgebildet.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
eignet sich zur Messung der Stärke
und damit auch der Geschwindigkeit einer Strömung eines gas- oder dampfförmigen Mediums,
insbesondere auch von Luft, und zwar richtungsunabhängig oder
richtungsabhängig. Weiterhin
eignet sich der erfindungsgemäße Sensor u.a.
auch zur Bestimmung allein der Strömungsrichtung.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
enthält
keine rotierenden Elemente und zeichnet sich daher bei einer vereinfachten,
konstruktiven Ausgestaltung u.a. durch eine hohe Betriebssicherheit
und lange Lebensdauer aus.
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Als
Sensorelement dienen hinter Fenstern einer Blende angeordnete bewegliche
Zungen, die in Abhängigkeit
von der Stärke
und/oder Geschwindigkeit der das jeweilige Fenster durchdringenden
Strömung
gegen die Wirkung einer Rückstellkraft, z.B. Federkraft
ausgelenkt werden. Aufgrund dieser Auslenkung bzw. der Größe dieser
Auslenkung wird dann bevorzugt berührungslos ein elektrisches
Messsignal erzeugt, und zwar beispielsweise kapazitiv, piezoelektrisch,
magnetisch oder auf andere geeignete Weise.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensorzungen an einem Ende eingespannt blattfederartig
ausgebildet. Weitere Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf einen Sensor gemäß der Erfindung;
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2 einen
Schnitt durch den Sensor der 1 entsprechend
der Linie I-I;
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3 einen
Schnitt durch den Sensor der 1 entsprechend
der Linie II-II der 2;
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4 in
vereinfachter Einzeldarstellung eine der Sensorzungen des Sensors
der 1–3 im nicht
ausgelenkten und ausgelenkten Zustand;
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5 eine
Darstellung wie 2 bei einer weiteren möglichen
Ausführungsform
der Erfindung.
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Der
in den 1–3 allgemein
mit 1 bezeichnete Sensor dient zur Messung der Richtung und/oder
Stärke
bzw. Geschwindigkeit einer in der 1 mit den
Pfeilen A angedeuteten Strömung
eines gas- und/oder dampfförmigen
Mediums, beispielsweise einer Luftströmung.
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Der
Sensor 1 besteht in seiner in den 1–3 dargestellten
Ausführungsform
aus einem Gehäuse 2 mit
einer kreiszylinderförmigen
Umfangswand 3, mit einer bei der dargestellten Ausführungsform
durch einen Deckel verschlossenen Gehäuseoberseite 4 sowie
mit einem zumindest teilweise offenen Boden 5. In der als
Blende wirkenden Umfangswand 3 sind um die Gehäuseachse
GA in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt
Fenster 6 eingebracht.
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Im
Innenraum 7 des Gehäuses 2 sind
mehrere Sensorzungen 8 vorgesehen, die jeweils als flache,
streifenförmige
Elemente aus einem federelastischen Material, beispielsweise aus
einem Metall gefertigt und derart angeordnet sind, dass jede Sensorzunge 8 mit
ihrer Längserstreckung
parallel zur Gehäuseachse
GA orientiert mit einer seiner Oberflächenseiten der Innenfläche der
Umfangswand 3 zugewandt und in einem geringen Abstand von
dieser Innenfläche
angeordnet ist. Die somit auf einer gedachten Kreiszylinderfläche angeordneten
Sensorzungen 8 sind an ihrem oberen Ende 8.1 jeweils
am Gehäuse 2 oder
an einem im Gehäuse 2 befestigten Träger eingespannt.
An ihrem unteren Ende 8.2 sind die Sensorzungen 8 frei
beweglich, und zwar derart, dass jede Sensorzunge 8 aus
einer geradlinigen oder im Wesentlichen geradlinigen Form blattfederartig verformt
mit dem unteren Ende 8.2 radial nach innen in Richtung
Gehäuseachse
GA bewegbar ist, wie dies in der 4 mit unterbrochenen
Linien dargestellt ist. Jede Sensorzunge 8 liegt im Bereich
ihres unteren Endes 8.2 einem Fenster 6 benachbart.
Die Fenster 6 sind bei der dargestellten Ausführungsform von
Bohrungen gebildet, die sich von der Außenseite zur Innenseite der
Umfangswand 3 im Querschnitt trichter- oder kegelstumpfförmig verengen
und mit ihren Achsen radial zur Gehäuseachse GA angeordnet sind,
und zwar zur Schaffung einer konzentrierten und exakt auf die zugehörige Sensorzunge 8 gerichteten
Strömung.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind insgesamt sechzehn Fenster 6 und sechzehn Sensorzungen 8 vorgesehen,
und zwar in einem Winkelabstand von 22,5° um die Gehäuseachse GA verteilt.
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Zum
Messen der Strömung
A wird der Sensor 1 in dieser Strömung positioniert, und zwar
z.B. derart, das die Gehäuseachse
GA senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Strömung A orientiert
ist. Dort, wo die Strömung
A durch Fenster 6 in das Gehäuse 2 eintritt werden
die Sensorzungen 8 an ihrem unteren Ende 8.2 ausgelenkt.
Das Maß bzw.
die Größe dieser
Auslenkung hängt
von der Orientierung des jeweiligen Fensters 6 und der hinter
diesen angeordneten Sensorzungen 8 im Bezug auf die Richtung
der Strömung
A ab, d. h. je stärker
die Orientierung eines Fensters 6 von der Richtung der
Strömung
A abweicht, desto geringer ist die Auslenkung der diesem Fenster
zugeordneten Sensorzunge 8.
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Über eine
im Bereich des Bodens 5 unterhalb der Enden 8.2 angeordnete
elektronische Einheit 9 wird jeweils ein der Größe der Auslenkung
jeder Sensorzunge 8 entsprechendes elektrisches Messsignal
erzeugt. Aus diesen Messsignalen wird dann in einer beispielsweise
rechnergestützten
Auswert- und Messelektronik oder in einem Rechner 10 die
Stärke
bzw. Geschwindigkeit und/oder die Richtung der Strömung A ermittelt.
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Die
Bildung der Messsignale in der Einheit 9 erfolgt bevorzugt
berührungslos,
beispielsweise kapazitiv dadurch, dass jede Sensorzunge an ihrem Ende 8.2 eine
Kondensatorfläche
bildet, die – wie
in der 4 angedeutet – mit
einer Kondensatorfläche 11.1 auf
einer ringförmigen
Platine 11 der messsignalbildenden Einheit 9 zusammenwirkt.
Auch andere Ausführungen
der Einheit 9 sind denkbar, beispielsweise in der Form,
dass jeder zumindest an ihrem unteren Ende 8.2 als Permanentmagnet
ausgebildeten Sensorzunge 8 ein Hallsensor oder eine magnetische
Widerstandsanordnung zugeordnet ist.
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Für die Einspannung
am oberen Ende 8.1 sind die Sensorzungen 8 beispielsweise
einstückig mit
einander aus einem geeigneten Flachmaterial hergestellt, aus dem
die einzelnen Sensorzungen 8 durch Freischneiden oder Freistanzen
derart erzeugt sind, dass sie an ihrem oberen Ende in einen gemeinsamen,
am Gehäuse 2 befestigtem
ringartigen Materialabschnitt 8.3 übergehen und von diesem seitlich
wegstehen.
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5 zeigt
in einer Darstellung ähnlich 2 eine
weitere Ausführungsform
einen Sensor 1a, der sich von dem Sensor 1 im
Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass anstelle der Sensorzungen 8 Sensorzungen 12 verwendet
sind, die wiederum als flache Zungen ausgeführt und mit ihrer Längserstreckung
parallel zur Gehäuseachse
GA orientiert sind. Die Sensorzungen 12 sind mit ihrem
oberen Ende 12.1 am Gehäuse 2 eingespannt.
An den unteren Enden 12.2 sind die Sensorzungen 12 durch elastisches bzw.
blattfederartiges Verformen radial nach Innen in Richtung der Gehäuseachse
GA bewegbar. Jede Sensorzunge 12 ist im Bereich ihres unteren
Endes an einem Fenster 6 vorgesehen. Die Auslenkung der
Sensorzungen 12 wird bei dieser Ausführungsform in elektrische Messsignale
durch Bauelemente 13 umgesetzt, deren elektrische Eigenschaften
sich in Abhängigkeit
von der Biegung der Sensorzungen 12 ändern. Geeignete Bauelemente sind
beispielsweise Biegebalken, Dehnungsmessstreifen, Piezowiderstände usw.
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Zur
Verbindung der Bauelemente 13 mit einer an der Oberseite
des Gehäuses 2 untergebrachten
Mess- und Auswertschaltung 14 dienen z. B. Leiterbahnen 15,
die auf die Sensorzungen 12 aufgebracht sind.
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Speziell
bei dieser Ausführungsform
besteht auch die Möglichkeit,
die Sensorzungen 12 ganz oder teilweise aus einem Halbleitermaterial
als Bauelement, beispielsweise als Biegebalken in piezoresistiver
Form zu fertigen, dessen elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit
von der Verformung bzw. Auslenkung der Sensorzungen ändern.
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Der
Sensor 1a zeichnet sich dadurch aus, dass die Arbeitsweise
dieses Sensors bzw. die von diesem Sensor erzeugten Messsignale
durch äußere Einflüsse, wie
z. B. Staub, Feuchtigkeit usw. nicht beeinträchtigt werden.
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Der
Sensor 1 bzw. 1a ist für unterschiedlichste Anwendungsbereiche
und grundsätzlich überall dort
einsetzbar, wo die Stärke
bzw. Intensität
und damit die Menge oder Geschwindigkeit einer Strömung eines
gas- und/oder dampfförmigen
Mediums richtungsunabhängig
oder richtungsabhängig
und/oder die Richtung der Strömung
gemessen bzw. ermittelt werden soll.
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Der
Sensor 1 bzw. 1a eignet sich u. a. als Sensor
zur Messung der Windstärke
und/oder Windrichtung. Für
diesen Anwendungsfall sind der Sensor bzw. dessen Gehäuse 2 z.B.
an der Oberseite mit einer Markierung für eine exakte Ausrichtung des
Sensors, beispielsweise mit einem vereinfachten Kompass ausgebildet
oder versehen, wie dies in der 1 durch
die dortigen Windrose angedeutet ist, oder am Sensor ist ein Kompassmodul
vorgesehen.
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Die
Sensoren 1 bzw. 1a können weiterhin u. a. auch an
beweglichen Objekten, z. B. Schiffen usw. verwendet werden, wobei
dann z. B. über
ein Kompassmodul, mit welchem die jeweilige Orientierung des Sensors 1 bzw. 1a erfasst
wird, beispielsweise die Fahrtrichtung, Windrichtung oder Windstärke ermittelt
werden kann.
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Die
Ausbildung der die Sensor- oder Messsignale liefernden Einheiten
ist dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst. Soll mit dem Sensor 1 bzw. 1a die
Richtung der Strömung
A bestimmt werden, so wird bevorzugt für jede Sensorzunge 8 bzw. 12 ein
eigenes, der Auslenkung dieser Zunge entsprechendes Messsignal erzeugt.
Geht es hingegen lediglich um die Stärke der Strömung A unabhängig von
der Richtung, so besteht die Möglichkeit,
dass die Einheit 9 bzw. 14 nur ein einziges Messsignal
liefert und zwar abhängig
von dem Maß bzw.
der Größe der durch
die Strömung
A bewirkten Auslenkung sämtlicher
Sensorzungen 8 bzw. 12.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne das dadurch der der Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.
So ist es beispielsweise möglich,
die Fenster 6 nicht durch Bohrungen, sondern auf andere
Weise zu realisieren, beispielsweise dadurch, dass das Sensorgehäuse an seiner
Umfangswand eine Vielzahl von sich z.B. in Richtung der Gehäuseachse
GA erstreckenden schlitzförmigen Öffnungen
aufweist, die beispielsweise dadurch gebildet sind, dass das Gehäuse käfigartig
mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung des Gehäuses aufeinander
folgenden und voneinander beabstandeten Gehäuseelementen gebildet ist,
wobei dann wiederum an jedem dieser Fenster wenigstens eine Sensorzunge
vorgesehen ist.
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Weiterhin
kann beispielsweise angepasst an die jeweilige Anwendung das Sensorgehäuse auch eine
von der Kreiszylinderform abweichende Form aufweisen.
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Vorstehend
wurde davon ausgegangen, dass die Sensorzungen 8 bzw. 12 blattfederartig
ausgebildet sind. Auch andere Ausführungen sind denkbar, beispielsweise
in Form von schwenkbaren gefederten Zungen.
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- 1,
1a
- Sensor
- 2
- Sensorgehäuse
- 3
- Gehäuseumfangswand
- 4
- Gehäusedeckel
- 5
- Gehäuseboden
- 6
- Fenster
- 7
- Gehäuseinnenraum
- 8
- Sensorzunge
- 8.1
- oberes
Ende der Sensorzunge 8
- 8.2
- unteres
Ende der Sensorzunge 8
- 8.3
- ringförmiger Materialabschnitt
- 9
- Messsignal
erzeugende Einheit
- 10
- Rechner
- 11
- Platine
- 11.1
- Kondensatorfläche auf
Platine 11
- 12
- Sensorzunge
- 12.1
- oberes
Ende der Sensorzunge
- 12.2
- unteres
Ende der Sensorzunge
- 13
- elektrisches
Bauelement
- 14
- Messschaltung,
beispielsweise Chip
- 15
- Leiterbahn
- A
- Strömung
- GA
- Gehäuseachse