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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Kraftfahrzeugtechnik, sind zahlreiche Vorrichtungen zur Erfassung einer oder mehrerer Eigenschaften strömender fluider Medien bekannt. Bei den fluiden Medien kann es sich grundsätzlich um Gase und/oder Flüssigkeiten handeln, beispielsweise um strömende Luftmassen im Lufttrakt oder Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen. Auch andere Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Luftmassenmesser beschrieben, insbesondere auf Luftmassenmesser, welche auf der Verwendung von Ultraschallsignalen basieren, die durch das fluide Medium übertragen und durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst werden. Aus dem Grad der Beeinflussung der Ultraschallsignale durch das fluide Medium kann auf die zu erfassende Eigenschaft geschlossen werden. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise auch als UFM (ultrasonic flow meter, Ultraschall-Flussmesser) bezeichnet. Beispiele derartiger Vorrichtungen sind aus
DE 10 2010 030 438 A1 bekannt. Das fluide Medium durchströmt dabei üblicherweise ein Strömungsrohr. Ultraschallsignale werden beispielsweise mit mindestens einer Richtungskomponente parallel oder antiparallel zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums durch das fluide Medium transmittiert. Aus einer Signalbeeinflussung durch das fluide Medium, beispielsweise durch Signalverwehungen und/oder Dopplereffekte, kann auf die Strömungseigenschaft geschlossen werden. Wie beispielsweise aus
DE 10 2010 030 438 A1 bekannt, können dabei auch eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion der Ultraschallsignale eingesetzt werden.
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Bei Vorrichtungen der oben beschriebenen Art, bei welchen mittels Ultraschall eine oder mehrere Eigenschaften eines fluiden Mediums erfasst werden, sind in der Praxis eine Mehrzahl technischer Herausforderungen zu überwinden. So werden in derartigen Sensoren üblicherweise Ultraschallwandler eingesetzt, welche durch eine geeignete Ansteuerelektronik angesteuert werden müssen. Die Ansteuerelektronik generiert Abwärme, welche, wie beispielsweise ebenfalls aus
DE 10 2010 030 438 A1 bekannt, in vielen Fällen durch einen oder mehrere Kühlkörper abgeführt werden muss. Gleichzeitig besteht jedoch ein stetiger Bedarf an einer Vereinfachung des Fertigungs- und Aufbaukonzepts für derartige Sensoren und einer Reduzierung der Herstellungskosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden dementsprechend ein Strömungssensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Strömungssensors vorgeschlagen, welche dazu beitragen, die oben beschriebenen technischen Herausforderungen zu überwinden. Insbesondere lässt sich mittels der vorgeschlagenen Erfindung ein deutlich vereinfachtes Fertigungs- und Aufbaukonzept für derartige Strömungssensoren, im Folgenden auch als Ultraschallsensoren bezeichnet, erzielen. Weiterhin lassen sich die Herstellkosten deutlich reduzieren.
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Der Strömungssensor kann grundsätzlich gemäß den oben beschriebenen Ultraschall-Flussmessern ausgestaltet sein. Auch eine andere Ausgestaltung ist grundsätzlich möglich. Wie oben ausgeführt, kann der Strömungssensor insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden, beispielsweise in einem Ansaugtrakt oder Lufttrakt einer Brennkraftmaschine. Bei dem fluiden Medium kann es sich grundsätzlich um beliebige Gase und/oder Flüssigkeiten handeln, insbesondere Luft und/oder Luftgemische, beispielsweise Luft-Kraftstoff-Gemische. Bei der mindestens einen Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Eigenschaft des fluiden Mediums handeln, insbesondere eine Strömungseigenschaft des fluiden Mediums. Insbesondere kann die Eigenschaft ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums, einem Volumenstrom des fluiden Mediums, einem Massenstrom des fluiden Mediums, einer Schallgeschwindigkeit von Schall in dem fluiden Medium, einer Zusammensetzung des fluiden Mediums, einem Anteil mindestens einer Komponente des fluiden Mediums, insbesondere einer Konzentration einer Gaskomponente des fluiden Mediums und/oder einer anderen Komponente, einer Temperatur des fluiden Mediums. Auch andere Eigenschaften und/oder Kombinationen von Eigenschaften sind jedoch grundsätzlich erfassbar. Unter einem Massenstrom wird dabei eine transportierte Masse des fluiden Mediums, beispielsweise eine durch einen Rohrabschnitt transportierte Masse des fluiden Mediums, pro Zeiteinheit bezeichnet. Unter einem Volumenstrom wird entsprechend ein transportiertes Volumen pro Zeiteinheit bezeichnet. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Der Strömungssensor umfasst mindestens einen Ultraschallwandler zum Abgeben und/oder Aufnehmen von Ultraschallsignalen. Beispielsweise kann der Strömungssensor genau einen, genau zwei oder auch mehr Ultraschallwandler umfassen. Unter einem Ultraschallwandler ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um Ultraschallsignale zu erzeugen und in das fluide Medium einzukoppeln und/oder welche geeignet ist, um Ultraschallsignale aus dem fluiden Medium aufzunehmen. Beispielsweise kann es sich bei dem Ultraschallwandler um einen elektrisch-akustischen Wandler handeln, welcher eingerichtet ist, um elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln und/oder welcher eingerichtet ist, um Ultraschallsignale in elektrische Signale umzuwandeln. Beispielsweise können derartige elektrisch-akustische Wandlerelemente auf der Basis von Piezoelementen aufgebaut sein, wie beispielsweise ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.
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Der Strömungssensor kann beispielsweise in einem Strömungsrohr oder Strömungsrohrabschnitt eingesetzt werden, wobei ein fester oder zeitweiser Einsatz möglich ist. Beispielsweise kann der Strömungssensor fest in ein Strömungsrohr oder einen Abschnitt eines Strömungsrohrs (beide Möglichkeiten werden im Folgenden nicht weiter unterschieden) integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungssensor jedoch auch beispielsweise als Steckfühler ausgestaltet sein und kann in ein Strömungsrohr einsetzbar sein, wobei ein permanenter Einsatz oder auch ein austauschbarer Einsatz möglich ist. Insbesondere kann der Strömungssensor selbst ein Gehäuse aufweisen, welches den Strömungssensor ganz oder teilweise nach außen abschließt und welches beispielsweise ganz oder teilweise mit dem Strömungsrohr identisch sein kann und/oder welches ganz oder teilweise in das Strömungsrohr eingesetzt werden kann. Unter einem Steckfühler ist dabei allgemein eine Vorrichtung zu verstehen, welche derart in ein Strömungsrohr eingebracht werden kann, dass der Steckfühler zumindest teilweise, beispielsweise mit der Sensorvorrichtung, in einen Strömungsquerschnitt des Strömungsrohrs hineinragt.
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Der Strömungssensor weist weiterhin mindestens eine Ansteuerelektronik auf, welche mit dem mindestens einen Ultraschallwandler elektrisch gekoppelt ist. Unter einer Ansteuerelektronik ist beispielsweise eine beliebige elektronische Schaltung zu verstehen, mittels derer der Ultraschallwandler zur Abgabe von Ultraschallsignalen angesteuert werden kann und/oder mittels derer vom Ultraschallwandler aufgenommene Ultraschallsignale, die vom Ultraschallwandler in elektrische Signale umgewandelt werden, aufgenommen werden können und beispielsweise zwischengespeichert und/oder verarbeitet oder vorverarbeitet werden können. Die Ansteuerelektronik kann beispielsweise, wie unten noch näher erläutert, mindestens einen Schaltungsträger und mindestens ein elektronisches Bauteil aufweisen, beispielsweise mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement, beispielsweise mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (application specific integrated circuit, ASIC) und/oder mindestens eine Transistorschaltung mit mindestens einem Transistor. Die Ansteuerelektronik kann insbesondere in mindestens einem Gehäuse des Strömungssensors aufgenommen sein.
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Der Strömungssensor weist weiterhin mindestens einen Kühlkörper zum Abführen von Abwärme der Ansteuerelektronik auf. Zum Zwecke der Abführung der Abwärme der Ansteuerelektronik kann der Kühlkörper insbesondere thermisch mit der Ansteuerelektronik gekoppelt sein. Der Kühlkörper kann insbesondere vollständig oder teilweise aus mindestens einem metallischen Material hergestellt sein.
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Der Strömungssensor weist weiterhin mindestens ein Reflektorelement zum Reflektieren der von dem Ultraschallwandler emittierten Ultraschallsignale auf. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann auch das Reflektorelement vorzugsweise ganz oder teilweise aus mindestens einem metallischen Material hergestellt sein, wobei es sich dabei um dasselbe metallische Material handeln kann, welches auch für den Kühlkörper verwendet werden kann, oder um ein unterschiedliches metallisches Material.
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Der Kühlkörper und das Reflektorelement sind mechanisch miteinander verbunden und thermisch miteinander gekoppelt. Unter einer mechanischen Verbindung ist allgemein eine Verbindung zu verstehen, welche im Wesentlichen formstabil ist, so dass der Kühlkörper und das Reflektorelement beispielsweise in einer durch die mechanische Verbindung vorgegebenen Anordnung zueinander ausgerichtet und/oder orientiert sind. Unter einer thermischen Kopplung ist allgemein eine Verbindung zu verstehen, bei welcher ein geschlossener Wärmeleitpfad vom Kühlkörper in das Reflektorelement besteht, so dass beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, ein Wärmeleitpfad zum Abführen der Abwärme der Ansteuerelektronik von der Ansteuerelektronik bis hin zum Reflektorelement besteht. Beispielsweise kann dieser Wärmeleitpfad vollumfänglich aus metallischen Materialien und/oder aus Wärmeleitmaterialien bestehen, wie beispielsweise Leitklebern und/oder Leitpasten. Beispielsweise können der Kühlkörper und das Reflektorelement derart reversibel oder irreversibel mechanisch und thermisch miteinander verbunden sein, dass diese gemeinsam ein Kühlelement bilden. Dieses Kühlelement kann als Einheit den Wärmeleitpfad von der Ansteuerelektronik ausgehend bereitstellen, beispielsweise um Abwärme der Ansteuerelektronik an das fluide Medium abzuführen.
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Wird der Strömungssensor in einem Strömungsrohr eingesetzt, beispielsweise als Steckfühler oder auch fest mit dem Strömungsrohr verbunden, so kann das Reflektorelement ganz oder teilweise identisch mit einer Strömungsrohrwand des Strömungsrohrs sein. So kann beispielsweise das Reflektorelement mindestens eine Reflexionsfläche bereitstellen, welche ganz oder teilweise mit einer Rohrwandung des Strömungsrohrs identisch ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Reflektorelement jedoch auch ganz oder teilweise getrennt von dem Strömungsrohr ausgebildet sein, beispielsweise getrennt von der Rohrwand des Strömungsrohrs, so dass beispielsweise das Reflektorelement ganz oder teilweise innerhalb eines durchströmbaren Querschnitts des Strömungsrohrs angeordnet ist.
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Der Kühlkörper und das Reflektorelement können vollständig oder teilweise getrennt ausgebildet sein, als getrennte Bauteile, welche beispielsweise separat hergestellt werden können und welche jedoch thermisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich können der Kühlkörper und das Reflektorelement auch vollständig oder teilweise bauteilidentisch sein, so dass der Kühlkörper und das Reflektorelement auch beispielsweise einstückig ausgebildet sein können.
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Die Ansteuerelektronik kann insbesondere außerhalb eines von dem fluiden Medium durchströmbaren Strömungsrohrs angeordnet sein. Der Kühlkörper kann die Abwärme der Ansteuerelektronik beispielsweise direkt oder indirekt in das fluide Medium abführen, beispielsweise indem der Kühlkörper direkt mit dem fluiden Medium in Kontakt steht und/oder indem der Kühlkörper die Abwärme zunächst vollständig oder teilweise auf das Reflektorelement überträgt und das Reflektorelement die Abwärme dann an das fluide Medium abgeben kann. Der Kühlkörper kann beispielsweise mindestens eine Kühlfläche aufweisen, welche von dem fluiden Medium überströmbar ist. Der Kühlkörper kann beispielsweise durch eine Rohrwand des Strömungsrohrs hindurch vollständig oder teilweise in das fluide Medium hineinragen, so dass in dem fluiden Medium mindestens eine Kühlfläche von dem fluiden Medium überströmbar ist. Der Kühlkörper kann insbesondere derart in das fluide Medium hineinragen, dass dieser in das fluide Medium hinein einen abnehmenden Durchmesser oder Äquivalentdurchmesser oder eine abnehmende Materialstärke aufweist.
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Der Kühlkörper kann insbesondere ganz oder teilweise in einem Material einer Rohrwand eines Strömungsrohrs eingebettet sein, wobei das Strömungsrohr von dem fluiden Medium durchströmbar ist. Insbesondere kann der Kühlkörper vollständig oder teilweise als Einlegeteil in das Material der Rohrwand eingespritzt sein und/oder von dem Material der Rohrwand vollständig oder teilweise umspritzt sein. Vorzugsweise erfolgt die Einbettung derart, dass mindestens eine Kühlfläche des Kühlkörpers freiliegend ist und von dem fluiden Medium überströmbar ist.
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Der Kühlkörper kann insbesondere mindestens eine nicht-ebene Kühlfläche aufweisen, insbesondere eine Kühlfläche mit mindestens einer Kühlrippe und/oder mindestens einer Lamelle und/oder mindestens einer Rille. Wie oben ausgeführt, kann diese nicht-ebene Kühlfläche, welche im Vergleich zu einer ebenen Kühlfläche eine vergrößerte Oberfläche aufweist, derart angeordnet sein, dass diese von dem fluiden Medium überströmbar ist.
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Wie oben ausgeführt, können der Kühlkörper und das Reflektorelement vollständig oder teilweise bauteilidentisch sein, können jedoch auch getrennt ausgebildet und anschließend mechanisch und thermisch miteinander verbunden sein. Beispielsweise können der Kühlkörper und das Reflektorelement gewinkelt zueinander angeordnet sein, so dass beispielsweise der Kühlkörper und das Reflektorelement gemeinsam ein Wärmeabgabeelement bilden, welches beispielsweise eine L-förmige Gestalt aufweisen kann, wobei die L-förmige Gestalt beispielsweise in das Strömungsrohr hineinragen kann. Sowohl der Kühlkörper als auch das Reflektorelement können insbesondere auf mindestens zwei Seiten von dem fluiden Medium überströmbar ausgestaltet sein.
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Der Kühlkörper ist, wie oben beschrieben, eingerichtet, um Abwärme der Ansteuerelektronik abzuführen. Zu diesem Zweck kann der Kühlkörper auf verschiedene Weisen thermisch mit der Ansteuerelektronik, insbesondere mit mindestens einem Schaltungsträger der Ansteuerelektronik, verbunden sein. Beispielsweise kann der Kühlkörper durch mindestens eine Wärmeleitpaste und/oder über mindestens einen Wärmeleitkleber mit mindestens einem Schaltungsträger der Ansteuerelektronik verbunden sein, insbesondere mit mindestens einer Leiterplatte der Ansteuerelektronik.
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Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen der Kühlkörper ganz oder teilweise bauteilidentisch mit dem Schaltungsträger der Ansteuerelektronik ist.
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Die Ansteuerelektronik kann allgemein, wie oben bereits ausgeführt, mindestens einen Schaltungsträger aufweisen, insbesondere mindestens eine Leiterplatte. Der Schaltungsträger kann insbesondere auf mindestens einer ersten Seite mit mindestens einem elektronischen Bauelement, insbesondere mit mindestens einem Halbleiterbauelement und besonders bevorzugt mit mindestens einem ASIC und/oder mit mindestens einem Transistor, bestückt sein. Der Kühlkörper kann allgemein beispielsweise auf der ersten Seite mit dem Schaltungsträger thermisch verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper auch ganz oder teilweise auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite an den Schaltungsträger thermisch angekoppelt sein. Insbesondere in letzterem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn der Schaltungsträger mindestens einen den Schaltungsträger von der ersten Seite zu der zweiten Seite durchsetzenden Wärmeleitpfad aufweist, beispielsweise mindestens ein thermisches Via. Beispielsweise kann ein derartiger Wärmeleitpfad mindestens eine Bohrung in dem Schaltungsträger umfassen, welche vollständig oder teilweise mit einem Wärmeleitmaterial, beispielsweise einer Wärmeleitpaste und/oder einem metallischen Material, gefüllt ist. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
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Wie oben ausgeführt, kann insbesondere von der Ansteuerelektronik zu dem Reflektorelement mindestens ein durchgehender Wärmeleitpfad ausgebildet sein, beispielsweise von dem mindestens einen Schaltungsträger der Ansteuerelektronik zu dem Reflektorelement. Insbesondere kann sich dieser Wärmeleitpfad ausschließlich zusammensetzen aus Materialien mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m·K), vorzugsweise von mindestens 5 W/(m·K) und besonders bevorzugt von mindestens 10 W/(m·K).
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Wie oben ausgeführt, kann das Reflektorelement insbesondere mindestens eine Reflexionsfläche zum Reflektieren der Ultraschallsignale aufweisen. Diese Reflexionsfläche kann ganz oder teilweise bauteilidentisch mit einer Rohrwand des Strömungsrohrs sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise getrennt von dieser Rohrwand ausgebildet sein, beispielsweise indem diese Reflexionsfläche im Inneren eines durchströmbaren Querschnitts eines Strömungsrohrs angeordnet ist. Das Reflektorelement kann insbesondere zumindestens an der Reflexionsfläche aus mindestens einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mindestens 20 W/(m·K), insbesondere von mindestens 100 W/(m·K) und besonders bevorzugt von mindestens 200 W/(m·K) gebildet sein. Das Reflektorelement und/oder der Kühlkörper können beispielsweise vollständig oder teilweise gebildet sein aus einem metallischen Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium, Stahl, Edelstahl, Messing und Kupfer.
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Der Kühlkörper kann insbesondere mindestens einen in die Strömung des fluiden Mediums hineinragenden Steg umfassen. Unter einem Steg ist allgemein ein Element zu verstehen, welches grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen kann, welches im Wesentlichen unter üblichen mechanischen Belastungen im Einsatz des Strömungssensors formstabil ist und welches auf mindestens zwei einander gegenüberliegenden Seiten von der Strömung des fluiden Mediums umströmbar ist. Das Reflektorelement kann insbesondere mit diesem Steg verbunden sein. Insbesondere kann eine derartige Anbindung, welche thermischer und mechanischer Art sein kann, an einem äußeren Ende des Stegs erfolgen. Wie oben ausgeführt, können das Reflektorelement und der Kühlkörper, insbesondere der Steg des Kühlkörpers, insbesondere eine L-Form aufweisen, so dass das Reflektorelement und der Steg beispielsweise in einem Winkel von 90° ± 30°, vorzugsweise 90° ± 20° oder 90° ± 5° zueinander ausgerichtet sein können.
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Der Kühlkörper und/oder das Reflektorelement können, wie oben ausgeführt, insbesondere vollständig oder teilweise aus mindestens einem metallischen Material ausgestaltet sein. Dabei können für den Kühlkörper und das Reflektorelement dieselben Materialien eingesetzt werden oder auch verschiedene Materialien. Der Kühlkörper und/oder das Reflektorelement können weiterhin mindestens eine dem fluiden Medium zuweisende Oberfläche mit mindestens einer Oberflächenschicht zur Verbesserung einer Wärmeabstrahlung und/oder zur Verminderung einer Korrosion aufweisen. Unter einer Verbesserung und/oder Verminderung ist dabei allgemein eine Verbesserung bzw. Verminderung im Vergleich zu einer unbeschichteten Oberfläche zu verstehen. Beispielsweise können der Kühlkörper und/oder das Reflektorelement vollständig oder teilweise mit mindestens einer Eloxalschicht versehen sein.
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Der mindestens eine Ultraschallwandler und das Reflektorelement können insbesondere derart zueinander angeordnet sein, dass sich die Ultraschallsignale zunächst in dem fluiden Medium ausbreiten, anschließend mindestens einmal an dem Reflektorelement reflektiert werden und anschließend sich erneut in dem fluiden Medium ausbreiten. Beispielsweise kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, ein Ultraschallwandler vorgesehen sein, welcher Ultraschallsignale in das fluide Medium emittiert, welche an dem Reflektorelement mindestens einmal reflektiert werden und anschließend wieder von demselben Ultraschallwandler aufgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Ultraschallwandler mindestens einen ersten Ultraschallwandler umfassen, welcher Ultraschallsignale abgibt in das fluide Medium, welche dann an dem Reflektorelement mindestens einmal reflektiert werden, um sich anschließend von dem Reflektorelement durch das fluide Medium hin zu einem zweiten Ultraschallwandler fortzubewegen, um dann von dem zweiten Ultraschallwandler aufgenommen zu werden. Beispielsweise können auf diese Weise Ultraschallpfade ausgebildet sein, welche eine V-Form und/oder eine W-Form aufweisen.
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Wie oben ausgeführt, kann der Strömungssensor einen, zwei oder mehr Ultraschallwandler aufweisen. Ein einzelner Ultraschallwandler kann beispielsweise eingesetzt werden, um, in Zusammenwirkung mit dem Reflektorelement, eine Schallgeschwindigkeit des fluiden Mediums zu erfassen und/oder eine Temperatur des fluiden Mediums, beispielsweise indem aus einer Schallgeschwindigkeit auf die Temperatur geschlossen wird. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Ultraschallwandler auch zwei oder mehr Ultraschallwandler aufweisen, welche sich beispielsweise gegenseitig Ultraschallsignale übermitteln können. Alternativ kann auch ein erster Ultraschallwandler als Sender ausgestaltet sein, und ein zweiter Ultraschallwandler als Empfänger der Ultraschallsignale, wobei die Rollen des Senders und des Empfängers fest vorgegeben sein können oder auch innerhalb des Betriebs des Strömungssensors wechseln können. Die mindestens zwei Ultraschallwandler können in einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums zueinander versetzt angeordnet sein, so dass beispielsweise mindestens ein erster der Ultraschallwandler stromaufwärts bezüglich der Strömungsrichtung zu mindestens einem zweiten Ultraschallwandler angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich können die Ultraschallwandler auch quer zu einer Strömungsrichtung des fluiden Mediums versetzt zueinander angeordnet sein, so dass sich Ultraschallsignale beispielsweise auch mit einer Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums zwischen den Ultraschallwandlern ausbreiten können.
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Wie oben ausgeführt, kann der Strömungssensor vollständig oder teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein und kann ausgestaltet sein, um in das von dem fluiden Medium durchströmbare Strömungsrohr eingebracht zu werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungssensor jedoch auch vollständig oder teilweise integriert sein in das von dem fluiden Medium durchströmbare Strömungsrohr. Das Strömungsrohr selbst bzw. ein Strömungsrohrsegment des Strömungsrohrs kann somit auch Bestandteil des Strömungssensors sein.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungssensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen. Der Strömungssensor kann beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sein, so dass beispielsweise für mögliche Ausgestaltungen des Strömungssensors auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Bei dem Verfahren wird mindestens ein Ultraschallwandler zum Abgeben und/oder Aufnehmen von Ultraschallsignalen bereitgestellt. Beispielsweise kann dieses Bereitstellen derart erfolgen, dass der Ultraschallwandler vollständig oder teilweise in ein Gehäuse des Strömungssensors eingebracht wird. Weiterhin wird mindestens eine Ansteuerelektronik mit dem Ultraschallwandler elektrisch gekoppelt. Weiterhin wird mindestens ein Kühlkörper zum Abführen von Abwärme der Ansteuerelektronik mit der Ansteuerelektronik thermisch gekoppelt. Beispielsweise kann der Kühlkörper thermisch mit mindestens einem Schaltungsträger der Ansteuerelektronik gekoppelt werden. Zusätzlich zu einer thermischen Kopplung kann auch eine mechanische Kopplung erfolgen, so dass beispielsweise der Kühlkörper und die Ansteuerelektronik, insbesondere der Schaltungsträger, in einer stabilen Anordnung und/oder Ausrichtung zueinander ausgestaltet sein können. Weiterhin wird bei dem Verfahren mindestens ein Reflektorelement zum Reflektieren der von dem Ultraschallwandler emittierten Ultraschallsignale mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden und thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt.
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Das Verbinden des Kühlkörpers und des Reflektorelements kann auf verschiedene Weisen erfolgen. So können der Kühlkörper und das Reflektorelement beispielsweise als getrennte Bauelemente ausgebildet werden und in einem anschließenden Verfahrensschritt mechanisch miteinander verbunden und thermisch miteinander gekoppelt werden. So kann der Kühlkörper beispielsweise vollständig oder teilweise in einem Gehäusematerial des Strömungssensors und/oder in einem Wandmaterial eines Strömungsrohrs, welches von dem fluiden Medium durchströmbar sein kann, eingebettet werden. Anschließend kann das Reflektorelement mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden und thermisch an den Kühlkörper gekoppelt werden. Der Kühlkörper und das Reflektorelement können beispielsweise miteinander durch ein Durchsetzfügen verbunden werden, insbesondere nach dem so genannten Tox®-Verfahren. Unter einem Durchsetzfügen wird allgemein ein Verfahren verstanden, bei welchem der Kühlkörper und das Reflektorelement derart miteinander verbunden werden, dass diese Elemente vollständig oder teilweise ineinander eingreifen, wobei die Verbindung vorzugsweise ohne Verwendung eines Zusatzwerkstoffs erfolgt. Beispielsweise können der Kühlkörper und das Reflektorelement vollständig oder teilweise miteinander verpresst und/oder gequetscht sein. Allgemein können für die Verbindung des Kühlkörpers und des Reflektorelements beispielsweise Umformverfahren verwendet werden. Der Kühlkörper und das Reflektorelement können beispielsweise vollständig oder teilweise als Bleche ausgestaltet sein, insbesondere als Metallbleche, welche beispielsweise miteinander verquetscht und/oder miteinander verpresst sein können. Auch andere Verbindungstechniken sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar, beispielsweise Verschweißungen oder ähnliche Verfahren.
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Wie oben ausgeführt, weisen der Strömungssensor und das Verfahren zur Herstellung des Strömungssensors gegenüber bekannten Strömungssensoren und Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf. So lassen sich beispielsweise Ultraschallsensoren zur Messung von Strömungsraten und/oder Gaszusammensetzungen und/oder Temperaturen realisieren, beispielsweise nach einem Laufzeitmessprinzip, welche mindestens einen Ultraschallwandler und mindestens ein Reflektorelement als Schallreflektor aufweisen. Beispielsweise können der Kühlkörper und das Reflektorelement L-förmig miteinander verbunden sein, so dass insgesamt ein L-förmiger Schallreflektor entsteht. Dieser kann ganz oder teilweise beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein und beispielsweise thermisch an die Ansteuerelektronik und/oder einzelne Bauteile der Ansteuerelektronik, beispielsweise einen ASIC und/oder Transistoren, angebunden sein. Auf diese Weise können beispielsweise über den Schallreflektor und das zu messende fluide Medium einzelne oder mehrere Bestandteile der Ansteuerelektronik wirkungsvoll gekühlt werden. Mittels der vorliegenden Erfindung lässt sich insgesamt das Fertigungs- und Aufbaukonzept für derartige Strömungssensoren reduzieren, und es lassen sich Herstellkosten deutlich senken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungssensors; und
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2 eine Draufsicht auf eine Reflexionsfläche eines Reflektorelements des Strömungssensors gemäß 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungssensors 110 in einer Schnittdarstellung durch ein Gehäuse 112 des Strömungssensors 110 gezeigt. Der Strömungssensor 110 kann beispielsweise als Steckfühler ausgestaltet sein und kann eingerichtet sein, um beispielsweise in ein Strömungsrohr eingesetzt zu werden, welches mit einer Geschwindigkeit v senkrecht zu einer Zeichenebene in 1 von einem fluiden Medium durchströmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse 112 jedoch auch ganz oder teilweise bauteilidentisch mit einer Rohrwand 114 eines derartigen Strömungsrohrs 116 ausgebildet sein und/oder fest in diese Rohrwand 114 integriert sein, wie exemplarisch in 1 angedeutet. Verschiedene Ausgestaltungen sind denkbar.
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Der Strömungssensor 110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch zwei Ultraschallwandler 118, 120. Auch Ausgestaltungen mit lediglich einem Ultraschallwandler oder Ausgestaltungen mit mehr als zwei Ultraschallwandlern sind denkbar. Die Ultraschallwandler 118, 120 können beispielsweise ein oder mehrere Piezoelemente enthalten. Die Ultraschallwandler 118, 120 sind beispielsweise ganz oder teilweise in ein Gehäusematerial des Gehäuses 112 und/oder in die Rohrwand 114 des Strömungsrohrs 116 eingebettet, wie in 1 angedeutet, so dass die Ultraschallwandler 118, 120 Ultraschallsignale 122 in das fluide Medium abgeben können und/oder Ultraschallsignale aus dem fluiden Medium empfangen können. Die Ultraschallwandler 118 sind elektrisch verbunden mit einer Ansteuerelektronik 124, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch einen Schaltungsträger 126, beispielsweise in Form einer Leiterplatte 128, aufweist. Weiterhin weist die Ansteuerelektronik 124 ein oder mehrere elektronische Bauelemente 130 auf, beispielsweise mindestens ein Halbleiterbauelement, beispielsweise mindestens einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (application specific integrated circuit, ASIC) und/oder mindestens eine Transistorschaltung. Das mindestens eine elektronische Bauelement 130 kann auf den Schaltungsträger 126 aufgebracht sein, beispielsweise auf einer ersten Seite 132 des Schaltungsträgers, beispielsweise mittels entsprechender Bestückungstechniken und/oder Bondingtechniken.
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Die Ultraschallsignale 122, welche von den Ultraschallwandlern 118, 120 emittiert werden, werden an einem Reflektorelement 134, welches vorzugsweise innerhalb der Strömung des fluiden Mediums angeordnet ist, an mindestens eine Reflexionsfläche 136 reflektiert. Der Punkt oder Bereich auf der Reflexionsfläche 136, in welchem die Reflexion der Ultraschallsignale 122 stattfindet, ist exemplarisch in 1 mit P bezeichnet.
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Zur Abfuhr von Abwärme der Ansteuerelektronik 124 weist der Strömungssensor 110 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weiterhin mindestens einen Kühlkörper 138 auf. Der Kühlkörper 138 und das Reflektorelement 134 sind in mindestens einem Verbindungsbereich, welcher in 1 exemplarisch mit der Bezugsziffer 140 bezeichnet ist und rechts in 1 vergrößert dargestellt ist (Bezugsziffer 142), mechanisch miteinander verbunden und thermisch miteinander gekoppelt. Auf diese Weise entsteht ein durchgehender Wärmeleitpfad zwischen der Ansteuerelektronik 124 und dem Reflektorelement 134, so dass der Kühlkörper 138 und das Reflektorelement 134 ein gemeinsames Kühlelement 144 bilden. Dieses Kühlelement 144 kann beispielsweise L-förmig ausgestaltet sein.
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In 2 ist ein Teil des Strömungssensors 110 gemäß 1 nochmals in einer Draufsicht auf die Reflexionsfläche 136 gezeigt, mit Blickrichtung senkrecht auf eine Strömungsrichtung 146 durch das Strömungsrohr 116. Diese Strömung kann, wie durch den Doppelpfeil in 2 angedeutet, in zwei Richtungen erfolgen, so dass auch eine Umkehr der Strömungsrichtung erfolgen kann.
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Aus der Darstellung gemäß 2 ist erkennbar, dass die Ultraschallwandler 118, 120 entlang der Strömungsrichtung 146 zueinander versetzt angeordnet sein können. Weiterhin können die Ultraschallwandler 118, 120 optional auch quer zur Strömungsrichtung 146 versetzt angeordnet sein.
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Die Ultraschallwandler 118, 120 können sich gegenseitig durch das zu messende fluide Medium, beispielsweise ein Gas, eine Gasmischung oder Luft, insbesondere im Lufttrakt eines Verbrennungsmotors, Ultraschallsignale zusenden, welche auch als Ultraschallimpulse bezeichnet werden können. Die Ultraschallwandler 118, 120 können beispielsweise in dem Gehäuse 112 befestigt sein, welches beispielsweise vollständig oder teilweise als Kunststoffgehäuse ausgestaltet sein kann. Wie oben ausgeführt, kann der Strömungssensor 110 ganz oder teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein oder auch als integraler Teil des Strömungsrohrs 116 oder eines Abschnitts des Strömungsrohrs 116 ausgebildet sein. Die Ultraschallwandler 118, 120 können, wie oben ausgeführt, zumindest in Strömungsrichtung 146 des fluiden Mediums versetzt zueinander angeordnet sein, so dass sich stromaufwärts und stromabwärts je nach Strömungsrate unterschiedliche Ultraschalllaufzeiten ergeben. Aus diesem Unterschied der beiden Laufzeiten kann beispielsweise auf die Strömungsgeschwindigkeit v geschlossen werden oder auch, alternativ oder zusätzlich, auf einen Volumenstrom und/oder einen Massenstrom des fluiden Mediums durch das Strömungsrohr 116. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Ultraschallwandler 118, 120 können, alternativ oder zusätzlich, wie in 2 erkennbar, auch quer zur Strömungsrichtung 146 zueinander versetzt sein. Damit die Ultraschallwandler 118 vorzugsweise nahe der Ansteuerelektronik 124 angeordnet sind, senden sich die Ultraschallwandler 118, 120 die Ultraschallsignale nicht direkt zu, sondern über den Umweg der Reflexion an der Reflexionsfläche 126. Auf diese Weise kann beispielsweise ein V-förmiger Ultraschallpfad entstehen, wie in 1 angedeutet. Auch andere Ausgestaltungen des Ultraschallpfads sind denkbar, beispielsweise W-förmige Ultraschallpfade mit mehreren Reflexionen. Die Reflexion kann in einem einzelnen Punkt oder auch in einem Bereich des Reflektorelements 134 erfolgen.
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Wie oben ausgeführt, kann die Ansteuerelektronik 124 beispielsweise den mindestens einen Schaltungsträger 126, beispielsweise die mindestens eine Leiterplatte 128, umfassen. Die elektronischen Bauelemente 130 produzieren in der Regel bei der Ansteuerung und/oder Auswertung der Ultraschallsignale Abwärme, welche abzuleiten ist, um nicht den zulässigen Temperaturbereich dieser elektronischen Bauelemente 130 zu überschreiten. Die Ableitung dieser Wärme erfolgt über das Kühlelement 144. Beispielsweise kann die Ableitung dadurch erfolgen, dass das mindestens eine elektronische Bauelement 130 auf der ersten Seite 132 angeordnet ist, wohingegen der Kühlkörper 138 auf einer zweiten Seite 148 des Schaltungsträgers 126, welche der ersten Seite 132 gegenüberliegt, an den Schaltungsträger 126 angekoppelt ist. In dieser Ausführungsform, welche in 1 dargestellt ist, können die erste Seite 132 und die zweite Seite 148 beispielsweise durch Wärmeleitpfade 150 miteinander verbunden sein, welche den Schaltungsträger 126 durchdringen. Diese Wärmeleitpfade 150 werden auch als thermische Vias bezeichnet. Die thermische Ankopplung des Kühlkörpers 138 an den Schaltungsträger 126, beispielsweise die Leiterplatte 128, kann beispielsweise direkt oder indirekt erfolgen, wobei in 1 beispielsweise eine Ankopplung über eine Wärmeleitpaste und/oder einen wärmeleitenden Klebstoff (Wärmeleitkleber) 152 dargestellt ist.
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Der Kühlkörper 138 kann beispielsweise als Metallteil ausgestaltet sein, beispielsweise als Metallblech. Der Kühlkörper 138 kann beispielsweise ganz oder teilweise als Einlegeteil in das Gehäuse 120 eingespritzt sein und beispielsweise zusätzlich durch einen Klebstoff abgedichtet sein.
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Der Kühlkörper 138 ist entweder identisch oder einstückig ausgebildet mit dem Reflektorelement 134 oder ist, alternativ, wie in 1 dargestellt, mechanisch und temperaturleitend mit dem Reflektorelement 134 verbunden. Vorteilhafterweise wird der Kühlkörper 138 zumindest während eines ersten Abschnitts des Fertigungsablaufs nicht identisch mit dem Reflektorelement 134 oder als Teil dieses Reflektorelements 134 ausgebildet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass beispielsweise eine Entformung nach einem Kunststoffformgebungsprozess, beispielsweise nach einem Spritzgießprozess, zur Erstellung des Gehäuses 112, beispielsweise des Kunststoffgehäuses, nicht behindert wird. Der Kühlkörper 138 und das Reflektorelement 134 müssen in diesem Fall jedoch in mindestens einem Verfahrensschritt innerhalb des Fertigungsablaufs mechanisch und thermisch leitend miteinander verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch so genanntes Durchsetzfügen geschehen, beispielsweise nach dem so genannten Tox®-Verfahren, also durch einen reinen Umformungsprozess mit oder ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile. Dabei können beispielsweise eine oder mehrere Durchsetznieten 154 verwendet werden, innerhalb derer das Reflektorelement 134 und der Kühlkörper 138 ineinander eingreifen und beispielsweise durch ein Verpressen und/oder Umformen mechanisch, beispielsweise formschlüssig, miteinander verbunden werden. Diese Durchsetznieten 154 werden vorzugsweise möglichst weit vom Reflexionspunkt P angeordnet, um störende Schallreflexionen oder den Schall störende Turbulenzen an zusätzlichen Kanten zu vermeiden. Das Reflektorelement 134 und/oder der Kühlkörper 138 sind vorzugsweise aus einem möglichst gut wärmeleitenden Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Zum Schutz vor Korrosion und/oder zur besseren Wärmeabstrahlung kann mindestens eine zusätzliche Oberflächenschicht aufgebracht und/oder erzeugt werden, beispielsweise mindestens eine Eloxalschicht. Die Metallteile des Kühlkörpers 138 und/oder des Reflektorelements 134 können beispielsweise als Stanzbiegeteile gefertigt sein und/oder als Strangpressteile und/oder als Tiefziehteile und/oder als Strangziehteile. Sind der Kühlkörper 138 und das Reflektorelement 134 nicht in einem Stück gefertigt, so können auch beispielsweise unterschiedliche Metalle für diese Bauelemente zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise der, vorzugsweise als Einlegeteil gefertigte, Kühlkörper 138 aus gut wärmeleitendem Aluminium bestehen und das Reflektorelement 134 aus Stahl oder Edelstahl, um zwar die Wärme zumindest noch geringfügig zu leiten, dafür aber bei kleinerer Materialstärke bereits hohe Festigkeiten zu erzielen. Sind der Kühlkörper 138 und das Reflektorelement 134 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, so können diese auf unterschiedliche Eigenschaften hin optimiert werden. Beispielsweise kann der Kühlkörper 138 hin auf eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit optimiert werden, wohingegen das Reflektorelement 134 zwar nach wie vor gute Wärmeleitfähigkeiten aufweisen kann, jedoch gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität aufweisen kann. Auf diese Weise können beispielsweise in dem Reflektorelement 134 und/oder in dem gesamten Kühlelement 144 optimale Schwingungsbelastbarkeiten erzielt werden. Das Kühlelement 144 kann insgesamt, vom Gehäuse 112 ausgehend, eine kontinuierlich oder auch schrittweise abnehmende Materialstärke aufweisen. Die Metallteile der Bauelemente 138, 134 können außerdem mit einer oder mehreren Rillen oder vorstehenden Lamellen versehen sein, welche in 1 nicht dargestellt sind, um beispielsweise die Oberfläche zu vergrößern und so die Kühlwirkung zu verbessern. Gleichzeitig können solche Rillen, Lamellen oder Kühlrippen auch benutzt werden, um eine Strömung zu stabilisieren und/oder um störende parasitäre Schallpfade zu reduzieren.
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Alternativ oder zusätzlich zu der in den 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung mit zwei Ultraschallwandlern 118, 120 sind auch andere Ausgestaltungen möglich. So kann beispielsweise der Strömungssensor 110 auch dazu verwendet werden, eine Schallgeschwindigkeit des zu messenden fluiden Mediums zu bestimmen. Aus dieser Schallgeschwindigkeit kann beispielsweise unter Voraussetzung einer weitgehend konstanten Gaszusammensetzung oder einer bekannten Gaszusammensetzung entweder die Temperatur des fluiden Mediums abgeleitet werden oder aber mit Hilfe einer Temperaturinformation eine Zusammensetzung des fluiden Mediums bestimmt werden, beispielsweise indem ein Anteil (beispielsweise eine Konzentration) mindestens einer veränderlichen Komponente des fluiden Mediums, beispielsweise einer veränderlichen Gaskomponente, bestimmt wird. In diesem Fall können die Ultraschallwandler 118, 120 beispielsweise nicht bezüglich einer Strömungsrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Weiterhin kann unter Umständen auch einer der beiden Ultraschallwandler 118, 120 entfallen, und es kann beispielsweise eine Anordnung gewählt werden, bei welcher Ultraschallsignale, welche von einem der Ultraschallwandler 118, 120 emittiert werden, an dem Reflektorelement 134 reflektiert und anschließend von demselben Ultraschallwandler wieder aufgenommen werden. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010030438 A1 [0001, 0001, 0002]
