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Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff ”Strömungssensor” ganz allgemein verstanden; umfasst werden soll sowohl eine Ausführungsform, bei der eine Strömung lediglich kontrolliert wird, bei der also lediglich das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer bestimmten Strömung festgestellt wird, als auch eine Ausführungsform, bei der eine Strömung gemessen wird, d. h. ein der Strömung entsprechender analoger oder digitaler Messwert gewonnen wird. Derartige Strömungssensoren werden häufig auch als Strömungswächter oder als Durchflussmesser bzw. Durchflusssensor bezeichnet.
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Strömungssensoren der vorgenannten Art, auch als kalorimetrische Strömungssensoren bezeichnet, sind seit Langem bekannt, bspw. aus der deutschen Patenschrift
DE 10 2004 055 101 . Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem Temperaturänderungen aufgrund des in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt werden. Im Allgemeinen arbeitet man mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Messelement erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung und misst die eigentliche Messtemperatur, wobei sich die Messtemperatur aus der Heizleistung des Messelementes, der Temperatur des strömenden Mediums und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter misst häufig ein zweites Messelement eine Referenztemperatur. Entsprechend ihrer Funktion wird das erste Messelement häufig auch als Heizelement und das zweite Messelement als Temperaturelement bezeichnet.
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Derzeitige Strömungsfühler zur Verwendung in thermischen Strömungssensoren sind nicht für den direkten Kontakt zu wässrigen Medien geeignet, weshalb ein Gehäuse zwischen Medium und Fühler vorzusehen ist. Bekannt sind Gehäuse für die Strömungssensorik, die aus einem Edelstahldrehteil oder einer Edelstahlschweißkonstruktion bestehen. Diese bedeuten jedoch einen erheblichen fertigungstechnischen Aufwand. Ferner sind damit eine hohe thermische Masse und damit lange Ansprechzeiten verbunden. Auch ist eine aufwändige Verbindungstechnik notwendig, um unter Einhaltung der notwendigen Isolationseigenschaften eine thermisch zufriedenstellende Anbindung zu schaffen. Üblicherweise wird dabei auf Klebe- und/oder Lötverbindungen zurückgegriffen, wobei Klebverbindungen durch lange Produktionsdurchlaufzeiten, Gefährdung der Mitarbeiter durch die verwendeten Materialien und eine thermisch instabile Verbindung gekennzeichnet sind, während Lötverbindungen dagegen durch den hohen Aufwand bei der Erzeugung einer lötfähigen Beschichtung und einen hohen apparativen Aufwand gekennzeichnet sind.
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Bekannt sind weiterhin Verfahren, bei denen das Gehäuse mit einem Vergussmaterial aufgefüllt wird. Dies führt allerdings zu sehr langen Ansprechzeiten und einer schlechten Gradientenfestigkeit.
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Bekannt sind auch Strömungssensoren, bei denen die Temperaturelemente auf einem Leiterfilm angebracht sind. Dieser Leiterfilm hat eine maximale Dauergebrauchstemperatur von etwa 150°C. Die maxima le Mediumstemperatur muss jedoch darunter liegen, da noch die Temperaturüberhöhung der Heizung berücksichtigt werden muss. Diese Lösung hat weiterhin auch den Nachteil, dass die Ansprechzeiten durch den hohen thermischen Widerstand des Leiterfilms lang sind.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Strömungssensoren der vorgenannten Art ist, dass sie nur in einem Strömungsmessbereich bis ca. 1 m/s einsetzbar sind. Der Kennlinienverlauf oberhalb dieser Grenze ist für Auswertungszecke schlecht, d.h. der Signalhub ist ab dieser Grenze derartig gering, dass eine Signalauswertung nur sehr schwer möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strömungssensor vorzuschlagen, der im Vergleich zum Stand der Technik einen erweiterten Temperatur- und Strömungsmessbereich und eine verkürzte Ansprechzeit aufweist sowie fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungsfühler eine mäanderförmige Leiterbahn als Thermoelement aufweist, die zumindest teilweise ihre Richtungswechsel über dem Heizelement besitzt, wobei das Heizelement und die mäanderförmige Leiterbahn in Dickschicht- oder Dünnschicht-Technik auf einem ersten Substrat aufgedruckt sind und wobei die Temperaturdifferenz zwischen den Mäanderenden aufgrund des Seebeck-Effekts eine Spannung erzeugt, die abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums ist. Wesentlich dabei ist, dass die über dem Heizelement befindlichen Mäanderkurven von der Wärmeerzeugung des Heizelements beeinflusst werden, während die jeweils gegenüberliegenden Mäanderkurven nur die Temperatur des Mediums erfahren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Strömungsfühler bzw. der erfindungsgemäße Strömungssensor unabhängig von der Strömungsrichtung des zu messenden Mediums betrieben werden kann.
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Es gibt nun zwei Möglichkeiten, ausgehend von der strömungsabhängigen Spannung auf die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums zu schließen:
- – Eine Lösung sieht vor, diese Spannung konstant zu halten, was bedeutet, dass die Temperaturdifferenz an den Mäanderenden konstant ist. Dafür muss die durch das Heizelement erzeugte Heizleistung so geregelt werden, dass die über ihm befindlichen Mäanderkurven immer den gleichen Wärmeeinfluss erfahren. Dieser Wärmeeinfluss ist aber abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des vorbeifließenden Mediums, weil sich durch die Fließbewegung der Wärmeabtrag ändert. Indem die zwischen den Mäanderenden erzeugte Spannung erfasst und ausgewertet wird, kann über einen Mikrokontroller eingestellt werden, in welchem Maße das Heizelement geregelt werde muss, damit diese Spannung und damit der Wärmeeinfluss auf die entsprechenden Mäanderkurven konstant ist.
- – Eine zweite Lösung sieht vor, die Heizleistung konstant zu halten und die sich einstellende Temperaturdifferenz auszuwerten. Dazu wird unmittelbar die an den Mäanderenden anliegende Spannung abgegriffen und ausgewertet.
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Aus Gründen der besseren Auswertbarkeit – wegen des besseren Signalverlaufs – ist die erste Lösung mit einer konstanten Temperaturdifferenz der zweiten Lösung vorzuziehen.
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Kern der Erfindung ist es, auf ein Gehäuse im herkömmlichen Sinne zu verzichten, damit die sensitiven Elemente in direktem Kontakt zum Medium stehen und die Mediumstemperatur unmittelbar erfasst werden kann. Der thermische Widerstand des ersten Substrats ist insbesondere aufgrund seiner geringen Dicke von bevorzugt 200 µm bis 500 µm sehr klein, so dass die Temperatur des Mediums ohne nennenswerte Verluste an die sensitiven Elemente übertragen wird. Zum Schutz der sensitiven Elemente ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement und die mäanderförmige Leiterbahn von einem Glaslot umringt zwischen dem ersten Substrat und einem zweiten Substrat hermetisch abgedichtet angeordnet sind. Auch durch diese Ausgestaltung ist eine kurze Ansprechzeit des Sensors gewährleistet.
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Das erste Substrat ist eine Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, oder ein Metall, vorzugsweise Edelstahl.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mäanderförmige Leiterbahn aus abwechselnd unterschiedlichen Metallen bzw. Metalllegierungen besteht. Dadurch lässt sich ein größeres Spannungssignal erzeugen. Die Leiterbahn ist somit als in Reihe geschaltete Thermoelemente ausgeführt. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, die mäanderförmige Leiterbahn aus einer der nachfolgenden Kombinationen zu gestalten: Silber gegen Nickel und/oder Chrom gegen Nickel und/oder Silber gegen Palladium-Silber und/oder Gold gegen Palladium-Gold und/oder Gold gegen Palladium-Silber. Kombinationen mit Edelmetall können unter speziellen Betriebsbedingungen technische Vorteile haben.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Fläche zumindest des zweiten Substrats kleiner ist als die des ersten Substrats, um einen Kontaktbereich frei zu lassen. Über diesen Kontaktbereich lässt sich dann auf einfach Weise eine Verbindung zur Auswerteeinheit herstellen, in der aus dem erfassten Spannungssignal ein für die Weiterverarbeitung – bspw. in einer SPS – geeignetes Messsignal generiert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Heizelement aus einem Widerstandsfilm ausgeführt, wobei der Widerstandswert im Bereich von 25 Ohm bis 250 Ohm liegt.
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Eine ganz besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Erfassung der Temperatur des zu messenden Mediums auf dem ersten Substrat ein vorzugsweise als Kaltleiter ausgeführtes Temperaturelement vorhanden ist. Die Messung der Mediumstemperatur ist deswegen vorteilhaft, weil diese dann bei der Strömungsmessung berücksichtigt werden kann. Hintergrund ist, dass primär aufgrund der Viskositätsunterschiede ein wässriges Medium über die Temperatur einen unterschiedlichen Wärmeabtrag aufweist, was letztlich einen Einfluss auf das Messergebnis hat. Vorteilhafterweise sind die nicht über dem Heizelement befindlichen Richtungswechsel der mäanderförmigen Leiterbahn über dem Temperaturelement angeordnet, damit die Thermoelemente der mäanderförmigen Leiterbahn und das Temperaturelement die Temperatur am selben Ort erfassen. Falls die Mediumstemperatur bekannt und näherungsweise konstant ist, kann auf das Temperaturelement verzichtet werden.
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Das Temperaturelement besteht bevorzugt aus einem temperaturabhängigen Widerstandsfilm, wobei der Widerstandswert im Bereich von 1 kOhm bis 10 kOhm liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstandsfilm des Temperaturelements einen höheren Temperaturkoeffizienten aufweist als der Widerstandsfilm des Heizelements. Damit bleibt der Widerstandswert des Heizelements im Wesentlichen konstant, da er nicht oder nur unwesentlich von der Mediumstemperatur beeinflusst wird. Im Ergebnis ist bei einem konstanten Widerstandswert die darüber abfallende Spannung aus der Messung bekannt, so dass die (Heiz-)Leistung allein aus der Spannung berechnet werden kann.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die mäanderförmige Leiterbahn in mehreren Schichten übereinander und durch eine Isolierung von einander getrennt angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich die Länge der Leiterbahn und damit die Anzahl der Thermoelemente vergrößern, ohne dass die Abmessung des Substrats verändert werden muss. In 2 bis 3 übereinander angeordnete Lagen kann die Leiterbahn dadurch bspw. zwischen 30 und 100 Thermoelemente umfassen. Je länger die Leiterbahn bzw. je größer die Anzahl der Thermoelemente desto größer ist die an den Mäanderenden abgreifbare Spannung, was letztendlich die Auswertung erleichtert.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Strömungsfühler,
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2 ein Schnittbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungsfühlers,
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3a–c einen Strömungsmesser mit einem erfindungsgemäßen Strömungsfühler in drei verschiedenen Ansichten und
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4 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Signalauswertung.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Strömungsfühler 10, der im Wesentlichen aus einem ersten Substrat 11 gebildet ist, auf dem sich gegenüberliegend ein Temperaturelement 15 und ein Heizelement 16 befinden. Des Weiteren ist auf dem Substrat 11 eine mäanderförmig verlaufende Leiterbahn 17 angeordnet, die ihre Richtungswechsel bzw. Mäanderkurven jeweils über dem Temperaturelement 15 und dem Heizelement 16 besitzt. Das Temperaturelement 15, das Heizelement 16 und die mäanderförmige Leiterbahn 17 sind jeweils in Dick- oder Dünnschichtschicht-Technik auf dem Substrat 11 aufgedruckt. Das Substrat 11 hat eine Abmessung von etwa 20 mm mal 20 mm, wobei die aktive Sensorfläche, d.h. der Bereich von Temperaturelement 15, Heizelement 16 und Mäander 17, sich auf einer Fläche von etwa 10 mm mal 10 mm erstreckt. Die Dicke des Substrats 11 liegt zwischen 200 µm und 500 µm und ist bevorzugt eine Keramik aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Alternativ dazu kann das Substrat 11 auch ein Metall, vorzugsweise Edelstahl sein, wobei diese dann isoliert werden muss, bspw. durch eine Bedruckung mit Glas, und einen auf Dickschicht angepassten Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen muss. In dieser Ausführung besitzt der Strömungsfühler 10 und damit der gesamte Strömungssensor 1 eine hervorragende Druckfestigkeit, weil es keine Hohlräume gibt.
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Die mäanderförmige Leiterbahn 17 besteht aus zwei, sich jeweils abwechselnden Metallen oder Metalllegierungen 17a, 17b. Dieser Aspekt soll in 1 durch die abwechselnd gestrichelt 17a und durchgehend 17b gezeichnete Linie zum Ausdruck kommen. Eine bevorzugte Kombination von Metallen ist Silber mit Nickel, da dies eine besonders kostenoptimierte Ausführung darstellt. Für spezielle Anwendungen, bspw. bei besonderen Betriebsbedingungen sind auch andere Kombinationen denkbar, insbesondere Kombinationen mit Edelmetallen. Beispielhaft sind hier die Kombinationen aus Chrom mit Nickel, Silber mit Palladium-Silber, Gold mit Palladium-Gold und Gold mit Palladium-Silber zu nennen. Die Leiterbahn kann somit auch als eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen bezeichnet werden. Die Mäanderenden 17x sind mit dem Kontaktbereich 14 verbunden und können dort für die Weiterleitung an eine Auswerteinheit kontaktiert werden.
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Das Heizelement 16 erwärmt das den Strömungsfühler 10 umspülende Medium lokal, wodurch auch die über dem Heizelement 16 befindlichen Mäanderkurven beeinflusst werden. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des vorbeifließenden Mediums variiert diese Beeinflussung, da der Wärmeabtrag mit steigender Fließgeschwindigkeit zunimmt. Die jeweils gegenüberliegenden Mäanderkurven sind von der Erwärmung durch das Heizelement 16 weitestgehend unbeeinflusst, d.h. sie erfahren lediglich die Temperatur des Mediums. Infolge dessen stellt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Mäanderkurven ein, was dazu führt, dass an den Mäanderenden 17x aufgrund des Seebeck-Effekts eine Spannung abgreifbar ist. Diese Temperaturdifferenz variiert abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, so dass auch unterschiedliche Spannungen generiert werden, die zur Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet werden können. Die Signalauswertung und – verarbeitung wird im Zusammenhang mit der Beschreibung von 4 ausführlich beschrieben.
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Über das Temperaturelement 15 wird die Mediumstemperatur erfasst. Das ist deswegen vorteilhaft, weil ein wässriges Medium über die Temperatur primär aufgrund der damit einhergehenden Veränderung der Viskosität einen unterschiedlichen Wärmeabtrag aufweist, was letztlich einen Einfluss auf das Messergebnis hat. Idealerweise sind dann das Temperaturelement 15 und die Mäanderkurven in räumlicher Nähe zueinander angeordnet, d.h. ebenfalls übereinander angeordnet, damit sie die Mediumstemperatur am selben Ort messen.
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Auf dem Substrat 11 befindet sich ein vorzugsweise 1 bis 3 mm breiter Randbereich ohne Dickschichtschaltungselemente, der zur Fügung eines weiteren Substrates 12 als Schutz geeignet ist. Diese Ausführungsform wird nachfolgend in Zusammenhang mit 2 beschrieben.
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Vorteilhafterweise wird der Strömungsfühler 10 so in das Medium gehalten, dass er längs in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, d.h. seine schmale Seite der Strömungsrichtung entgegensteht. So lässt sich die mechanische Beanspruchung aufgrund des einwirkenden Drehmoments reduzieren.
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2 zeigt ein Schnittbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungsfühlers 10, in der die aus 1 bekannte Anordnung aus erstem Substrat 11, Heizelement 16, Temperaturelement 15 und Thermoelementen 17 seitlich von einem Glaslot 13 umringt und von einem weiteren Substrat 12 umgeben ist. Das zweite Substrat 12 ist vorzugsweise ebenfalls eine Keramik, kann jedoch auch ein Metall sein.
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Bei einem Metallsubstrat wird die Verbindung vorteilhafterweise statt des Glaslots 13 durch eine metallische Lötung oder Schweißung ausgeführt. Der Innenraum des Sensorfühlers 10 ist damit hermetisch abgedichtet. Insbesondere beim Einsatz in flüssigen Medien bietet sich diese Ausführungsform an.
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In dieser Ausführung reduziert sich die Druckfestigkeit des Strömungsfühlers 10 und damit des gesamten Strömungssensors 1 im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 nur unwesentlich, da durch das flächige Verbinden der beiden Substrate (11, 12) keine oder nur sehr kleine Hohlräume entstehen, die eine elastische Verformung und folglich eine Abstützung der Substrate (11, 12) aneinander erlauben.
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Zu erkennen ist auch der prinzipielle Aufbau des Sensorfühlers 10. Um den Hohlraum zwischen Temperaturelement 15 und Heizelement 16 aufzufüllen, befindet sich hier ein Glaslot 13a. Eine weitere Glaslotschicht 13b befindet sich zwischen der dem Heiz- und Temperaturelement 15, 16 und der Leiterbahn 17 zur elektrischen Isolierung.
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Bevorzugt sind die beiden Substrate 11, 12 jeweils etwa 200 µm dick und der Abstand zwischen ihnen ist kleiner als 100 µm. Die Darstellung in 2 ist also nicht maßstabsgerecht; sie soll nur dem prinzipiellen Verständnis dienen.
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In den 3a–c ist ein Strömungsmesser 1 mit einem erfindungsgemäßen Strömungsfühler 10 in drei verschiedenen Ansichten dargestellt. Schematisch ist ein Sensorgehäuse 2 zu sehen, das, weil es den im Bereich des Übergangs zum zu messenden Medium befindlichen Teil darstellt, auch als Prozessanschluss bezeichnet werden kann. Im oberen Teil des Gehäuses 2 ist ein Träger 4 und ein Dichtelement 5 eingespannt. Der Träger 4 ist bevorzugt aus Keramik und das Dichtelement 5 bevorzugt eine Elastomerdichtung, d.h. ein O-Ring. Der Träger 4 weist eine Aussparung auf, in die der Sensorfühler 10 eingelassen ist. Aus Dichtigkeitsgründen ist der Sensorfühler 10 im Bereich der Berührung mit dem Träger 4 von einer nicht weiter dargestellten Dichtung, vorzugsweise aus einem Glaslot, umringt.
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Das Gehäuse 2 weist in einem oberen Teil zwei sich gegenüberstehende abstehende Enden 3 auf, die bspw. aus Blech sein können. Diese dienen einerseits zum Schutz vor mechanischer Beschädigung aufgrund von Partikeln im zu messenden Medium und zum anderen als Strömungsgleichrichter, um die Strömung zur Verbesserung der Messgenauigkeit im Bereich des Sensorfühlers 10 zu laminieren und um bei einem Verdrehen des gesamten Sensors 1 die Änderung des Sensorsignals im Vergleich zur Ausführung ohne Enden 3 zu verringern.
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Weitere, hier nicht gezeigte Schutzmaßnahmen könnten sein, das Substrat 11 mit einem stabilisierenden Rahmen zu umgeben, zumindest in dem Bereich, der dem Medium ausgesetzt ist. Dieser Rahmen könnte bspw. aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder einem steifen und widerstandsfähigem Kunststoff sein. Dadurch könnte eine zusätzliche Stabilität bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten oder bei hochviskosen Medien erreicht werden.
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Gezeigt ist in den 3a–c ein Strömungsfühler 10 mit nur einem Substrat 11. Selbstverständlich kann der Sensorfühler 10 auch in der aus 2 bekannte Ausführung mit dem Glaslotring 13 und dem zweiten Substrat 12 ausgeführt sein. In diesem Fall wäre dann in der Seitenansicht gemäß 3c das zweite Substrat 12 unterhalb des Keramikträgers 4 etwas kürzer als das erste Substrat 11, um den Kontaktbereich 14 freizulassen.
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4 zeigt ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Signalauswertung. Das Heizelement 16 ist über einen Schalter 24 mit einer Spannungsversorgung verbunden. Der Schalter 24 dient dazu, das Heizelement 16 und damit die Heizleistung zu regeln. Die von dem Heizelement 16 abgegriffene Spannung, d.h. die Heizleistung wird über einen Spannungsteiler 23 an einen Analog-Digital-Wandler 21 zugeführt. Dem A/D-Wandler 21 werden außerdem die durch die Verstärkereinheiten 22a und 22b aufbereiteten Spannungssignale der Thermoelemente 17 und des Temperaturelements 15 zugeführt, wobei die Thermoelemente jeweils für ein Mäanderende eine Ausgangsleitung haben. Das Temperaturelement 15 ist zusätzlich noch mit einer Stromquelle verbunden.
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Die vom A/D-Wandler 21 digitalisierten Signale werden dann an einem Mikrokontroller 20 übertragen. In dem Mikrokontroller 20 findet dann die Auswertung der Signale statt. Wie bereits beschrieben variiert die an den Mäanderenden abgreifbare Spannung analog zur Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Für die Auswertung ist es einfacher, nicht die variierende Spannung selbst auszuwerten, sondern die Heizleistung, die notwendig ist, um die generierte Spannung und damit die Temperaturdifferenz zwischen den Mäanderkurven konstant zu halten. Diese Reglung des Heizelements 16 übernimmt der Mikrokontroller 20, in dem er über ein PWM-Signal den Schalter 24 steuert. Die benötigte Heizleistung wird dann vom Mikrokontroller 20 an einem Ausgang zur Weiterverarbeitung, bspw. in einer Steuereinheit (SPS), zur Verfügung gestellt. Außerdem sind an den Mikrokontroller 20 noch eine Bedieneinheit und eine Anzeige angeschlossen, für Eingaben des Benutzers bzw. um die gemessenen Werte darzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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