DE102008020874B4 - Flow or vortex sensor - Google Patents
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Abstract
Strömungs- oder Wirbelmessfühler (12) mit einem ersten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (10) zum Messen einer ersten Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids,
und wenigstens einem zweiten auf einem Substrat (20) mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement (36), welches in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement (10) angeordnet ist, um wenigstens eine zur ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes zu messen,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement (10, 36, 38, 40) von einem Basiskörper (18) des Substrats (20) vorstehende längliche Vorsprünge (24, 25) oder Stifte hat, wobei zwischen einem Endbereich eines ersten Vorsprungs (24) bzw. Stiftes und einem Endbereich eines zweiten Vorsprungs (25) bzw. Stiftes ein Hitzdrahtelement (26) frei aufgehängt ist, welches dazu ausgebildet ist, durch einen durch das Hitzdrahtelement (26) hindurchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt zu werden, und dass der erste Vorsprung (24) oder erste Stift in seiner Längsrichtung länger als der zweite Vorsprung (25) oder...A flow or vortex sensor (12) comprising a first hot wire sensor element (10) micromachined on a substrate (20) for measuring a first component of a fluid or vortex field of a fluid,
and at least one second hot wire sensor element (36) micromachined on a substrate (20) disposed at a fixed angle to the first hot wire sensor element (10) to measure at least one second component of the flow or vortex field different from the first component.
characterized,
in that each microfabricated hot wire sensor element (10, 36, 38, 40) has elongated projections (24, 25) or pins projecting from a base body (18) of the substrate (20), between an end region of a first projection (24) and pin a hot wire member (26) is freely suspended from an end portion of a second protrusion (25) which is adapted to be heated by an electric current flowing through the hot wire member (26), and that the first protrusion (24) or first Pin in its longitudinal direction longer than the second projection (25) or ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit einem ersten auf einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids.The Invention relates to a flow or vortex sensor with a first hot-wire sensor element micromachined on a substrate for measuring a first (directional) component of a flow or Vortex field of a fluid.
Mikrogefertigte
(micromachined) Hitzdrahtsensorelemente zur Strömungsmessung (Hitzdrahtanemometrie)
sind aus der
Die vorbekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelemente sind sehr kompakt und genau aufgebaut und dienen dazu, einen Massenstrom eines Fluids, welches entlang einer vordefinierten Richtung fließt, zu messen.The Prior art microfabricated hot wire sensor elements are very compact and accurately constructed and serve a mass flow of a Fluids flowing along a predefined direction to measure.
Aus
der
Aus
der
Es ist dabei auch eine Ausführungsform beschrieben, bei der mehrere solcher Hitzdrahtelemente, die jeweils einen dreieckig geformten Hitzdraht aufweisen, und mehrere als aufgekrümmte mäanderförmige Leiterschleifen ausgebildete Temperaturdetektionselektroden in kreisförmiger Anordnung um ein Zentrum herum vorgesehen sind. Die mehreren Temperaturelektroden und die mehreren Hitzdrahtelemente, die um dieses Zentrum herum verteilt angeordnet sind, sind jeweils über Elektrodenpads kontaktierbar. Diese Anordnung bildet den Oberbegriff des beigefügten Patentanspruches 1.It is also an embodiment described in which several such Hitzdrahtelemente, each have a triangular shaped hot wire, and several as curved meandering conductor loops formed temperature detection electrodes in a circular arrangement are provided around a center. The multiple temperature electrodes and the several hot wire elements surrounding this center are arranged distributed, can each be contacted via electrode pads. This arrangement forms the preamble of the appended claim 1.
Für Forschungen und Anwendungen in der Strömungslehre ist jedoch häufig eine Überwachung von Strömungsfeldern wünschenswert, wozu eine vektorielle Geschwindigkeit (Betrag und Richtung) der Strömung und Wirbelfelder zumindest lokal gemessen werden sollten. Zum Beispiel ist eine Kontrolle, Steuerung und Beeinflussung der Luftströmung und insbesondere von Wirbelbildungen in aerodynamischen Systemen, wie zum Beispiel Luftfahrzeugen, wie insbesondere Flugzeuge, Hubschrauber oder unbemannte Flugkörper, eine große Herausforderung zur Optimierung der Leistungsfähigkeit, insbesondere bezüglich Sicherheitsaspekten, bezüglich der Minimierung des Energieverbrauches oder bezüglich der Verkehrssteuerung in der Nähe von Flughäfen. Insbesondere ist die Ausbildung von Wirbeln und Wirbelschleppen hinter einem Flugzeug während der Start- und Landephase an einem Flughafen für die Minimierung der zwischen zwei Flugzeugen benötigten Zeitabstände entscheidend und bestimmt so die maximale Verkehrskapazität.For research and applications in fluid mechanics is however common a monitoring of flow fields desirable, what a vectorial speed (amount and direction) of flow and vortex fields should be measured at least locally. For example is a control, control and influencing of the air flow and in particular of vortices in aerodynamic systems, such as For example, aircraft, in particular aircraft, helicopters or unmanned missiles, a big Challenge to optimize performance, especially with regard to safety aspects, regarding the Minimization of energy consumption or traffic control near from airports. In particular, the formation of eddies and wake turbulence behind an airplane while the take-off and landing at an airport for minimizing the between needed two planes intervals crucial and thus determines the maximum traffic capacity.
Die räumliche und zeitliche Auflösung solcher lokaler Messungen der vektoriellen Strömungsgeschwindigkeit und der Wirbelfelder, dies heißt insbesondere die Größe des Messvolumens und der Frequenzgang, sind grundsätzliche Kriterien für die Auswahl von geeigneten Messtechniken.The spatial and temporal resolution such local measurements of the vectorial flow velocity and the Vortex fields, this means in particular the size of the measuring volume and the frequency response, are fundamental criteria for selection of suitable measuring techniques.
Andere wichtige Kriterien umfassen die gegenseitige Beeinflussung von Fühler und Strömung, das Signal-zu–Rausch-Verhältnis und weitere Effekte, die die Messqualität beeinflussen könnten und die Sensorübertragungsfunktion verändern könnten.Other important criteria include the mutual influence of feelers and Flow, that Signal-to-noise ratio and other effects that could affect the measurement quality and the sensor transmission function change could.
Bereits seit mehreren Dekaden wird Hitzdrahtwindstärkenmessung oder Hitzdrahtanemometrie (Hot Wire Anemometrie, kurz HWA) zur Strömungsmessung insbesondere in turbulenten Strömungen, eingesetzt.Already For several decades, hot wire wind strength measurement or hot wire anemometry has been used (Hot Wire Anemometry, short HWA) for flow measurement especially in turbulent flows, used.
Die aus den eingangs genannten Druckschriften im Stand der Technik bekannten mikrogefertigten Hitzdrahtsensoren sind zwar kompakt und robust aufbaubar, können aber nur für einfache Strömungsmessungen verwendet werden.The from the documents mentioned in the prior art known Microfabricated hot wire sensors are compact and robust can be built up but only for simple flow measurements be used.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Strömungsmessfühler bereit zu stellen, der zur Messung der vektorialen Geschwindigkeit und von Wirbelfeldern geeignet ist.task The invention is a simple and inexpensive Flow sensor ready to ask, to measure the vectorial velocity and of vertebral fields is suitable.
Diese Aufgabe wir durch einen Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.These Task we by a flow or Eddy probe with the characteristics of the attached Claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler hat neben einem ersten, auf oder an einem Substrat mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement, das zum Messen einer ersten (Richtungs-)Komponente eines Strömungs- oder Wirbelfeldes eines Fluids geeignet und ausgebildet ist, auch noch ein zweites auf einem Substrat mikrogefertigtes Hitzdrahtsensorelement.Of the has flow or vortex sensor according to the invention in addition to a first micromachined on or on a substrate Hot wire sensor element used to measure a first (directional) component a flow or vortex field of a fluid is suitable and designed, even more a second hot wire sensor element microfabricated on a substrate.
Dieses zweite Hitzdrahtsensorelement ist in einem festen Winkel zum ersten Hitzdrahtsensorelement angeordnet und so derart ausgebildet, dass damit wenigstens eine zur ersten (Richtungs-)Komponente unterschiedliche zweite (Richtungs-)Komponente des Strömungs- oder Wirbelfeldes gemessen werden kann.This second hot wire sensor element is in arranged at a fixed angle to the first Hitzdrahttsensorelement and so formed so that at least one of the first (directional) component different second (directional) component of the flow or vortex field can be measured.
Mit diesem Grundprinzip der Erfindung lassen sich insbesondere Sensoren und Sensorsysteme oder Sensorvorrichtungen aufbauen, die dazu fähig sind, den Strömungsvektor (Betrag und Richtung) und die Verwirbelung einer Strömung experimentell – insbesondere, aber nicht ausschließlich, auch in Windkanalexperimenten – zu bestimmen und zu messen.With In particular, sensors can be used in this basic principle of the invention and build sensor systems or sensor devices that are capable of the flow vector (Amount and direction) and the turbulence of a flow experimentally - in particular, but not exclusively, also in wind tunnel experiments - too determine and measure.
Das erste und das zweite Hitzdrahtsensorelement weisen jeweils ein Drahtelement auf, das mittels eines elektrischen Stromes aufheizbar ist. Dieses aufheizbare erste Drahtelement wird im Folgenden auch als Hitzdrahtelement bezeichnet.The The first and the second hot wire sensor elements each have a wire element on, which is heatable by means of an electric current. This Heatable first wire element is hereinafter also referred to as Hitzdrahtelement designated.
Zum Aufhängen der Hitzdrahtelemente derart, dass sie frei von der zu messenden Strömung umspülbar sind, ist vorgesehen, dass jedes mikrogefertigte Hitzdrahtsensorelement längliche Vorsprünge hat, die von einem Basiskörper des Substrats vorstehen. Zwischen den freien Enden der wenigstens zwei vorstehenden länglichen mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelement-Vorsprüngen ist dann ein Hitzdrahtelement frei aufgehängt.To the hanging the Hitzdrahtelemente such that they are free from the measured Flow are flushable, it is envisaged that any microfabricated hot wire sensor element elongated projections has that of a base body protrude from the substrate. Between the free ends of the at least two protruding elongated microfabricated hot wire sensor element protrusions is then a hot wire element freely suspended.
Um in möglichst einfacher Weise unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente benachbarter Hitzdrahtsensorelemente zu erzielen, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass ein erster dieser länglichen Vorsprünge länger ausgebildet ist als ein zweiter dieser Vorsprünge, so dass das Hitzdrahtelement bezüglich des Basiskörpers schräg aufhängbar ist. Eine unterschiedliche Ausrichtung zweier Hitzdrahtelemente lässt sich dann einfach zum Beispiel durch spiegelbildliche Ausrichtung und Anordnung der Hitzdrahtsensorelemente erreichen.Around in as possible in a simple manner using microfabrication techniques different orientation of the Hitzdrahtelemente adjacent To achieve hot wire sensor elements is further according to the invention provided that a first of these elongated projections formed longer is as a second of these projections, so that the hot-wire element in terms of of the base body aslant suspendable is. A different orientation of two hot wire elements let yourself then just for example by mirror image orientation and Achieve arrangement of the Hitzdrahtsensorelemente.
In einer bevorzugten vollständigen Ausgestaltung eines kompletten Sensorsystems ist es wünschenswert, dass der Strömungs- oder Wirbelmessfühler Informationen über alle drei Komponenten des Strömungsvektors und alle Komponenten des Wirbelvektors an der interessierenden Position liefert. Jedoch gibt es auch Anwendungen, wo eine begrenzte Anzahl von Dimensionen für den Geschwindigkeitsvektor oder den Wirbelvektor bereits ausreichend ist. Die Erfindung schlägt daher einen neuen, auf Mikrofertigungstechnik basierenden Strömungs- oder Wirbelmessfühler mit mikrogefertigten Hitzdrahtsensorelementen für wenigstens zwei Richtungskomponenten wenigstens eines dieser Vektoren vor. Ein solcher Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann mit hoher Genauigkeit in einer kostengünstigen Weise hergestellt werden.In a preferred complete Design of a complete sensor system, it is desirable that the flow or vortex sensor information about all three components of the flow vector and all components of the vortex vector at the position of interest supplies. However, there are also applications where a limited number of dimensions for the velocity vector or the vortex vector already sufficient is. The invention proposes Therefore, a new, based on microfabrication flow or Eddy probe with microfabricated hot wire sensor elements for at least two directional components at least one of these vectors. Such a flow or Eddy probe can be manufactured with high accuracy in a cost effective manner.
Unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken können sehr kleine Hitzdrahtsensorelemente gefertigt und mit hoher Genauigkeit relativ zueinander positioniert werden. Dadurch erhält man eine sehr hohe räumliche Auflösung. Die Genauigkeit der Positionierung lässt sich ohne besonderen Aufwand mit Mikrofertigungstechniken erhalten.Under Using microfabrication techniques, very small hot wire sensor elements can be fabricated and be positioned with high accuracy relative to each other. This preserves you have a very high spatial Resolution. The accuracy of the positioning can be with no special effort Microfabrication techniques obtained.
Wenngleich auch eine unterschiedliche Ausrichtung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes möglich ist, so erhält man den besten Wirkungsgrad zum unterschiedlichen Messen zweier zueinander senkrechter Feld- oder Vektor-Komponenten dann, wenn sich die Hitzdrahtelemente senkrecht zu den jeweiligen zu messenden Komponenten erstrecken. Demnach ist bevorzugt, dass die beiden Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelements sich mit einem Winkel von etwa 90° zueinander erstrecken.Although Also, a different orientation of the hot wire elements of the first and second hot wire sensor element is possible so receives you get the best efficiency for different measuring two mutually perpendicular field or Vector components when the hot-wire elements are vertical extend to the respective components to be measured. Accordingly, it is preferred that the two hot wire elements of the first and second hot wire sensor element at an angle of about 90 ° to each other extend.
Dieser Winkel von 90° lässt sich besonders einfach dadurch erreichen, wenn das Hitzdrahtelement und einer der beiden länglichen Vorsprünge, insbesondere der erste, längere Vorsprung, einen Winkel von etwa 45° Grad aufspannen.This Angle of 90 ° can be particularly easy to achieve when the hot wire element and one of the two elongated ones Projections, in particular the first, longer Projection, span an angle of about 45 degrees.
Eine einfache Mikrofertigung ist erreichbar, wenn der Basiskörper eine flache Grundplatte ist. Die Vorsprünge können dann Zacken oder Zinken sein, die sich vorzugsweise von einer Schmalseite der Grundplatte aus weiter in der Erstreckungsebene der Grundplatte erstrecken – insbesondere als integrale Verlängerungen der Grundplatte. Das Hitzdrahtelement kann dann ebenfalls parallel zur Erstreckungsebene der Grundplatte angeordnet aufgehängt sein. Dadurch lässt sich ein besonders flaches Hitzdrahtsensorelement ausbilden.A simple microfabrication is achievable if the base body has a flat base plate is. The projections can then prongs or prongs be, preferably from a narrow side of the base plate extend further in the plane of extension of the base plate - in particular as integral extensions the base plate. The hot-wire element can then also be parallel be suspended to the extension plane of the base plate. Thereby let yourself form a particularly flat Hitzdrahtsensorelement.
Zum Ausbilden einer kreuzweisen Anordnung der Hitzdrahtelemente des ersten und des zweiten Hitzdrahtelements können solche flachen Strukturen, beispielsweise in spiegelbildlicher Anordnung oder Ausbildung flach aufeinander gepackt werden.To the Forming a crosswise arrangement of the hot wire elements of the first and second hot-wire element, such flat structures, for example, in a mirror image arrangement or training flat be packed on top of each other.
Dadurch erhält man eine kompakte Baugruppe oder Hitzdrahtsensoreinheit des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers zur Messung zweier Richtungskomponenten. Der Strömungs- oder Wirbelmessfühler kann insbesondere mehrere dieser Baugruppen, wenigstens gebildet aus einem ersten und einem zweiten Hitzdrahtsensorelement, aufweisen, um so sämtliche Richtungskomponenten des Geschwindigkeitsvektors und des Wirbelfeldes zu messen.Thereby receives to a compact assembly or Hitzdrahtsensoreinheit the flow or vortex sensor for Measurement of two directional components. The flow or vortex sensor can in particular more of these assemblies, at least formed from a first and a second hot wire sensor element, so all Directional components of the velocity vector and the vortex field to eat.
Neben dem ersten, aufheizbaren Drahtelement, kann eines, mehrere oder alle der Hitzdrahtsensorelemente auch ein zweites oder eventuell auch ein drittes Drahtelement haben, die lediglich indirekt durch von dem beheizbaren Drahtelement kommende Strömung und/oder von der Umgebungstemperatur aufheizbar sind. Dadurch lässt sich einerseits die Umgebungstemperatur bestimmen, um so die reinen Strömungseffekte auf die Temperatur des Hitzdrahtelements von den Effekten der Umgebungstemperatur zu trennen. Andererseits lassen sich zusätzlich Strömungseffekte messen. Das zweite und das dritte Drahtelement sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dem Hitzdrahtelement und mit einem durch das Strömungs- oder Wirbelfeld zu durchstreichenden Zwischenabstand angeordnet.In addition to the first, heatable wire element, one, several or all of the hot wire Sensor elements also have a second or possibly a third wire element, which are heated only indirectly by coming from the heated wire element flow and / or from the ambient temperature. As a result, on the one hand, the ambient temperature can be determined in order to separate the pure flow effects on the temperature of the hot-wire element from the effects of the ambient temperature. On the other hand, flow effects can also be measured. The second and the third wire element are preferably arranged substantially parallel to the Hitzdrahtelement and with an interspaced by the flow or vortex field spacing.
Die Temperatur der Drahtelemente lässt sich besonders einfach dadurch messen, dass diese zum Generieren eines elektrischen Signals ausgebildet sind, aus welchem die jeweilige Temperatur bestimmbar ist.The Temperature of the wire elements leaves Particularly easy to measure that they are to generate an electrical signal are formed, from which the respective Temperature can be determined.
Andererseits kann ein Signal aus einem zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur notwendigen Strom erhalten werden. Beides ist besonders wirkungsvoll beispielsweise durch einen elektrischen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des jeweiligen Drahtelementes erzielbar. Z. B. ermöglicht dann eine Messung des Widerstandes des Drahtelementes eine Aussage über dessen Temperatur.on the other hand can be a signal from a to maintain a specific Temperature necessary electricity can be obtained. Both are special effective for example by an electrical temperature coefficient the electrical resistance of the respective wire element achievable. Z. B. allows then a measurement of the resistance of the wire element a statement of its temperature.
Um den elektrischen Widerstand des Drahtelements genau messen zu können und/oder im wesentlichen nur das Hitzdrahtelement und nicht elektrische Verbindungsleitungen durch den hindurchfließenden Strom aufzuheizen, ist weiter bevorzugt, dass die jeweiligen Drahtelemente mit einer elektrischen Verbindung angeschlossen sind, deren elektrischer Widerstand wesentlich geringer ist als der elektrische Widerstand des Drahtelements selbst.Around To be able to measure the electrical resistance of the wire element accurately and / or essentially only the hot-wire element and non-electrical connection lines through the flowing To heat electricity, it is further preferred that the respective wire elements are connected with an electrical connection whose electrical Resistance is much lower than the electrical resistance of the wire element itself.
Eine hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Drahtelemente lässt sich mit bestimmten Materialien für die Drahtelemente erreichen. Daher bestehen die Drahtelemente bevorzugt aus polykristallinem Halbleitermaterial, wie insbesondere aus polykristallinem Silizium, oder aus einem dünnen Metallfilm, insbesondere aus Platin, einer Platin-Rhodium-Legierung, Wolfram oder Gold.A high temperature dependence the electrical resistance of the wire elements can be with certain materials for reach the wire elements. Therefore, the wire elements are preferable of polycrystalline semiconductor material, in particular of polycrystalline Silicon, or a thin one Metal film, in particular of platinum, of a platinum-rhodium alloy, Tungsten or gold.
Eine besonders einfache und genaue relative Anordnung des ersten und des zweiten Hitzdrahtsensorelementes zueinander und eine einfache Fertigung des Strömungs- oder Wirbelmessfühlers ist erreichbar, wenn sowohl das erste als auch das zweite Hitzdrahtsensorelement auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.A particularly simple and accurate relative arrangement of the first and the second Hitzdrahtsensorelementes each other and a simple Production of the flow or vortex sensor is achievable when both the first and second hot wire sensor elements are formed on a common substrate.
Wenn das Substrat der jeweiligen Hitzdrahtelemente aus Halbleitermaterialien, wie insbesondere aus einkristallinen Halbleitermaterialien, und hier weiter bevorzugt aus einkristallinem Silizium, gebildet sind, lässt sich eine geringe thermische Zeitkonstante und eine gute thermische Isolierung des Mikroheizelements an dem Substrat erreichen. Die Vorsprünge sind bevorzugt ebenfalls aus dem Substrat ausgebildet und dienen als Träger für strömungssensitive dünne Filmwiderstände, die als Hitzdrahtelemente eingesetzt sind.If the substrate of the respective hot-wire elements made of semiconductor materials, in particular from monocrystalline semiconductor materials, and here further preferably made of monocrystalline silicon, are formed, let yourself a low thermal time constant and good thermal insulation reach the Mikroheizelements on the substrate. The projections are preferably also formed from the substrate and serve as carrier for flow-sensitive thin film resistors that are used as Hitzdrahtelemente.
Eine wesentliche Verbesserung gegenüber bisherigen Strömungs- oder Wirbelmessfühlern kann erwartet werden, wenn die Technologie der Mikrofertigung als eine Grundlage zur Herstellung von solchen Messvorrichtungen auf der Basis von Silizium als das zu strukturierende Material eingesetzt wird. Die Strukturen können dann lithographisch gebildet werden und können mittels fortschrittlicher dünner Schichtablagerungen und/oder Ätztechnologien und/oder Erodiertechnologien gebildet werden.A substantial improvement over previous ones flow or vortex sensors can be expected when the technology of microfabrication as a basis for the production of such measuring devices the base of silicon used as the material to be structured becomes. The structures can are then formed lithographically and can by means of advanced thin layer deposits and / or etching technologies and / or Eroding technologies are formed.
Durch die Erfindung wird eine integrierte Sensorstruktur geschaffen, die dazu fähig ist verschiedene Komponenten des Geschwindigkeits- und/oder Wirbelvektors eines Fluidstromes zu messen. Diese Struktur kann in MEMS-Technik (Micro-Electric-Mechanical-System-Technik) gefertigt werden. Dadurch lassen sich die Hitzdrahtelemente der mehreren Hitzdrahtsensorelemente des erfindungsgemäßen Strömungs- und Wirbelmessfühlers sehr robust und genau fertigen. Außerdem sind die entsprechenden Verfahren zur Serienfertigung solcher Strömungs- und Wirbelmessfühler gut geeignet. Eine vorteilhafte bevorzugte Verwendung betrifft das Erkennen von Wirbel zum Beispiel als Lärmquelle. Dieser Einsatz kann beispielsweise in Windkanalversuchen erfolgen.By The invention provides an integrated sensor structure which capable of doing so is different components of the velocity and / or vortex vector to measure a fluid flow. This structure may be in MEMS technique (Micro-Electric-Mechanical System Technology) be made. This allows the hot-wire elements of the a plurality of hot wire sensor elements of the flow and Vortex sensor very much robust and accurate manufacture. Furthermore the corresponding methods for mass production of such flow and vortex sensors are good suitable. An advantageous preferred use relates to the recognition from vortex for example as a noise source. This Use can be done for example in wind tunnel tests.
Wirbel sind wesentlich bei der Erzeugung von Geräuschen und Lärm. Deswegen ist es für den Entwurf von geräuscharmen Luftfahrzeug- und Flugzeugteilen wichtig, Lärm- und Geräuschquellen zu identifizieren, und hierfür Wirbel zu identifizieren, die die Struktur in der Strömung erzeugt. Dies kann im wesentlichen nur durch Messung der vektoriellen Eigenschaften der Strömung durchgeführt werden.whirl are essential in generating noise and noise. therefore is it for the design of low noise Aircraft and aircraft parts important to identify noise and noise sources, and for this To identify vortex, which creates the structure in the flow. This can essentially only be done by measuring the vectorial properties the flow carried out become.
Zur Feststellung von Verwirbelungen werden heutzutage hauptsächlich Laser-Doppler-Anemometer (LDA) oder eine Laser-Lichtschnitt-Technik (Partikel-Image-Velocimeter, PIV) eingesetzt.to Detection of turbulence is nowadays mainly laser Doppler anemometer (LDA) or a laser light-section technique (particle image velocimeter, PIV) used.
Mit dem erfindungsgemäßen Multi-Hitzdraht-Messfühler lassen sich im Gegensatz zu solchen konventionellen Methoden auch optisch nicht zugängliche Bereiche vermessen. Außerdem sind damit auch hochfrequente kohärente Strukturen in der Strömung messbar.With leave the multi-hot-wire sensor according to the invention in contrast to such conventional methods also optically not accessible Measure areas. Furthermore Thus high-frequency coherent structures in the flow can be measured.
Dabei ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler weitaus robuster und kompakter ausführbar als bisher bekannte MehrfachHitzdrahtsysteme, die sehr fragil sind sowie nur sehr zeitaufwendig und nur in mühsamer Handfertigung herstellbar sind.The flow according to the invention is or vortex sensor far more robust and compact executable than previously known MehrfachHitzdrahtsysteme, which are very fragile and are very time consuming and can be produced only in laborious manual production.
Mit der erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Mikrofertigungstechnik können eine Vielzahl von Hitzdrahtsensorelementen gemeinsam in einem Schritt hergestellt werden, wobei vorzugsweise Standard-MEMS-Technologie kombiniert mit Mikrokonfektionierung oder μ-Packaging eingesetzt wird. Dies erlaubt nicht nur Fabrikation von einzelnen Fühlern, sondern auch eines Arrays oder einer Matrix von Vektorwellenfühlern auf unterschiedlichen Substraten.With the proposed invention Microfabrication technology can a plurality of Hitzdrahtsensorelementen together in one step preferably using standard MEMS technology combined with micro-assembly or μ-packaging is used. This not only allows fabrication of individual probes, but also also an array or a matrix of vector wave sensors different substrates.
So kann im Vergleich zu konventionellen Hitzdrahtfühlermessmethoden durch parallele Messungen auch Messzeit (z. b. Windkanalzeit) eingespart werden.So can be compared to conventional Hitzdrahtfühlermessmethoden by parallel Measurements and measuring time (eg wind tunnel time) can be saved.
Im Vergleich zu bisher verwendeten MehrfachHitzdrahtfühlern ist der erfindungsgemäße Strömungs- oder Wirbelmessfühler aufgrund des Herstellprozesses um einiges robuster und aufgrund des möglichen Konfektionierungs- und Befestigungsprozesses wesentlich genauer in seiner Konstruktion. Zudem lassen sich durch eine Chargenfertigung gleich eine Vielzahl von einzelnen Hitzdrahtelementen herstellen, was die Stückkosten wesentlich verringert.in the Compared to previously used MehrfachHitzdrahtfühlern is the inventive flow or Eddy probe due to the manufacturing process a lot more robust and due of the possible Assembly and fastening process much more accurate in its construction. In addition, the same can be achieved by batch production make a variety of individual hot wire elements what the unit costs significantly reduced.
Im Vergleich zu PIV und LDA als Alternativmeßmethoden zum Messen der vektoriellen Strömungseigenschaften bietet die vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler folgende Vorteile:
- • Es lässt sich leicht eine hohe Frequenzinformation bis hin zu einigen Kilohertz erhalten und somit ein Zeitansprechverhalten, das wesentlich besser als LDA (Grenze: 3 Kilohertz) oder PIV (Grenze: 2 Kilohertz) ist.
- • Im Gegensatz zu PIV und LDA ist keine Versetzung der Strömung mit Partikeln notwendig. Die bei den konventionellen Methoden PIV und LDA benötigte Partikelversetzung kann die Eigenschaften der Strömung beeinflussen, so dass die Messung ungenauer wird. Außerdem folgen die Partikel nicht immer genau der Strömung, insbesondere bei Drehströmungen.
- • It is easy to get high frequency information up to a few kilohertz and thus a time response that is significantly better than LDA (limit: 3 kilohertz) or PIV (limit: 2 kilohertz).
- • In contrast to PIV and LDA, no displacement of the flow with particles is necessary. The particle displacement required in the conventional PIV and LDA methods can influence the properties of the flow, making the measurement less accurate. In addition, the particles do not always follow exactly the flow, especially in rotational flows.
Daher ist mit dem erfindungsgemäßen Strömungs- oder Wirbelmessfühler eine weitaus genauere Messung als mit bisherigen Fühlern erzielbar.Therefore is with the flow or the invention Eddy probe a much more accurate measurement than with previous sensors achievable.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In this shows:
In
den
Eine
Minimalkonfiguration eines solchen Sensorsystems
Ein Basiskörper
A base body
Wie
sich aus
Zwischen
Endbereichen – in
Das
erste Drahtelement
Das
Hitzdrahtelement
Der
das Hitzdrahtelement
Das
Hitzdrahtelement
Die
Die
In
den
Bei
der in den
Die
Ausführungsform
gemäß
Demgemäss ist bei
dem Strömungs-
oder Wirbelmessfühler
Diese
in
Bei
einer zweiten Ausführung,
wie sie in
Bei
einer in
Hierzu
ist bei der dritten Ausführungsform des
Strömungs-
oder Wirbelmessfühlers
Die
Hitzdrahtsensorelemente
Das
zweite Drahtelement
Die
Ausgestaltung mit nur einem zusätzlichen
Drahtelement
Diese
zusätzlichen
Drahtelemente
Mit
den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungen der Hitzdrahtsensorelemente
- a)
Eine mögliche Verfahrensweise ist,
das Hitzdrahtelement
26 mit einem konstanten Strom zu betreiben und seine durch den strömungsinduzierten Hitzetransfer bedingte Temperaturänderung durch Erfassen einer Änderung seines Widerstandes zu messen. - b) Eine weitere Möglichkeit ist, das Hitzdrahtelement bei einer konstanten erhöhten Temperatur zu halten wobei man die Menge der hierzu benötigten elektrischen Energie oder Leistung als Anzeige für die Geschwindigkeit der Strömung verwendet. Mit einem ordentlich entworfenen und ausgelegten Ringleitersteuerschaltkreis oder -regelschaltkreis lassen sich höhere Grenzfrequenzen erreichen als in dem Konstantstrommodus.
- c)
Bei einer Mehrdrahtanordnung wie sie beispielsweise
in
6 und7 dargestellt ist, wird üblicherweise das Verfahren b) angewandt, wobei das stromaufwärtige Drahtelement50 als ein Anzeigeelement für die Umgebungstemperatur verwendet wird. Im Falle von zwei Temperatursensordrähten kann der Temperaturunterschied zwischen den beiden Drahtelementen als direkter Anzeiger der Fluidströmung verwendet werden. - d)
Die Mehrdrahtkonstellation erlaubt zusätzlich ein sogenanntes
Flugzeitkonzept für
die Strömungsmessung.
Die Grundidee ist, die Flugzeit zu messen, die benötigt wird,
bis ein ein kurzer durch den Heizwiderstand induzierter Hitzeimpuls
einen der Temperaturerfassungsdrähte
erreicht. Bei den konkreten Ausführungsformen
gemäß
6 und7 würde demnach die Zeit gemessen, die vom Einleiten eines kurzen Hitzeimpulses in das Hitzdrahtelement bis zum Erfassen des Hitzeimpulses durch das zweite Drahtelement50 oder das dritte Drahtelement52 reicht.
- a) One possible procedure is the hot-wire element
26 to operate at a constant current and measure its temperature change due to the flow-induced heat transfer by detecting a change in its resistance. - b) Another possibility is to keep the hot-wire element at a constant elevated temperature using the amount of electrical energy or power required for this purpose as an indication of the velocity of the flow. With a neatly designed and laid out The ring conductor control circuit or regulation circuit can achieve higher cutoff frequencies than in the constant current mode.
- c) In a multi-wire arrangement such as in
6 and7 is shown, the method b) is usually applied, wherein the upstream wire element50 is used as an ambient temperature indicator. In the case of two temperature sensor wires, the temperature difference between the two wire elements can be used as a direct indicator of fluid flow. - d) The multi-wire constellation additionally allows a so-called time-of-flight concept for flow measurement. The basic idea is to measure the time of flight required for a short heat pulse induced by the heating resistor to reach one of the temperature sensing wires. In the concrete embodiments according to
6 and7 Accordingly, the time would be measured, from the introduction of a short heat pulse in the Hitzdrahtelement until detecting the heat pulse through the second wire element50 or the third wire element52 enough.
Wie
in
Außer in der
in
Um alle drei Dimensionen eines Wirbelvektors des Strömungsfeldes zu erhalten, werden drei solcher 4-Hitzdrahtelemente-Sensoren in passender Anordnung miteinander kombiniert.Around all three dimensions of a vortex vector of the flow field To obtain three such 4-Hitzdrahtelemente sensors in matching arrangement combined.
Mögliche Anordnungen
sind in den
Mit den Anordnungen sollen zumindest Komponenten des Wirbelvektors direkt gemessen werden.With the arrangements should at least components of the vortex vector directly be measured.
Die
kreuzweise Anordnung kann durch eine Ausbildung gemäß
Durch
eine solche Anordnung gemäß
Typische
Größenordnungen
für den
Strömungs-
oder Wirbelmessfühler
- 1010
- erstes Hitzdrahtsensorelementfirst Hitzdrahtsensorelement
- 1212
- Strömungs- oder WirbelmessfühlerFlow or Eddy probe
- 1616
- Sensorsystemsensor system
- 1818
- Basiskörperbase body
- 2020
- Substratsubstratum
- 2222
- Grundplattebaseplate
- 2424
- erster Zinken (erster Vorsprung)first Tines (first projection)
- 2525
- zweiter Zinken (zweiter Vorsprung)second Tines (second projection)
- 2626
- erstes Drahtelement, Hitzdrahtelementfirst Wire element, hot wire element
- 2828
- elektrische Verbindungelectrical connection
- 3030
- Leiterbahnconductor path
- 3232
- Bondpadsbond pads
- 3434
- Kontaktstiftecontact pins
- 3636
- zweites Hitzdrahtsensorelementsecond Hitzdrahtsensorelement
- 3838
- drittes Hitzdrahtsensorelementthird Hitzdrahtsensorelement
- 4040
- viertes Hitzdrahtsensorelementfourth Hitzdrahtsensorelement
- 4242
- erste Baugruppefirst module
- 4444
- zweite Baugruppesecond module
- 4646
- Kerbescore
- 5050
- zweites Drahtelementsecond wire element
- 5252
- drittes Drahtelementthird wire element
- 5454
- elektrische Verbindungelectrical connection
- 6060
- erstes Paar paralleler Drahtelementefirst Pair of parallel wire elements
- 6262
- zweites Paar paralleler Drahtelementesecond Pair of parallel wire elements
- 71–7571-75
- HitzdrahtelementeHitzdrahtelemente
- 8080
- 6-Sensor-Fühler6-sensor probe
- 81–8681-86
- HitzdrahtelementeHitzdrahtelemente
- 9090
- 4-Hitzdraht-Array4-hot wire array
- LL
- Länge des DrahtsensorelementsLength of the Wire sensor element
- W1 W 1
- Breite der Zinkenwidth the tines
- W2 W 2
- Breite des Abstandes zwischen den Zinkenwidth the distance between the tines
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- 2008-04-25 DE DE200810020874 patent/DE102008020874B4/en not_active Expired - Fee Related
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