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Die Erfindung betrifft einen Massenflusssensor zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines Massenflusses sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Massenflusssensoren zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines strömenden Fluids, d. h. eines Fluidflusses, insbesondere eines Gasflusses oder Flüssigkeitsflusses, sind beispielsweise aus
DE 10 2008 020 874 A1 bekannt. Bei dieser Art von Massenflusssensor wird ein Drahtelement über eine Widerstandsheizung auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht und die Temperatur des Drahtelementes ständig überwacht. Bei Anströmung des Drahtelementes durch ein strömendes Fluid kühlt das Drahtelement in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise der Masse, die pro Zeiteinheit das Drahtelement anströmt oder auch der Geschwindigkeit der Masse der Strömung ab, so dass durch die erfasste Temperaturänderung die Eigenschaften der Strömung erfasst werden können.
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Der Aufbau des bekannten Massenflusssensors umfasst mindestens das Drahtelement sowie einen Aufbau, um eine Temperaturerhöhung durch Widerstandsheizung des Drahtelementes zu ermöglichen.
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US 5,948 978 A beschreibt einen Massenflusssensor, der eine Röhre umfasst, an deren innerer Oberfläche eine metallische Messschicht fest aufgebracht ist, wobei eine Induktionsspule um die Röhre herum angeordnet ist, um die Messschicht aufzuheizen, so dass eine Temperaturänderung in der Messschicht, die durch Hindurchfließen eines Fluids durch die Röhre verursacht wird, erfasst werden kann.
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WO 2006/098957 A1 offenbart einen Sensor zum Erfassen von Scherkräften in einem Massenfluss, wobei in dem Massenfluss ein Sensor angeordnet wird, der eine beheizbare Messschicht aufweist, welche induktiv erhitzt wird.
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In
EP 2 345 528 A2 ist ein Verfahren offenbart, mit dem über ein Injektionsverfahren eine thermoplastische Folie, welche eine leitfähige Schicht aufweisen kann, fest mit einer Verstärkungsstruktur verbunden werden kann.
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US 2007/0295081 A1 beschreibt einen Massenflusssensor mit einem ferromagnetischen Gehäuse, an dessen beiden Enden Temperatursensoren angebracht sind.
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In
US 3,056,295 A ist ein röhrenförmiger Massenflusssensor offenbart, der im Inneren eine metallische Röhre aufweist, die durch eine Spirale, welche am äußeren Umfang des Sensors angeordnet ist, induktiv aufgeheizt werden kann.
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DE 10 2005 008 698 A1 offenbart einen Strömungskanal, in dem ein Volumenstrom gemessen werden kann, indem in dem Strömungskanal ein Schaltkreis mit einem Hitzdrahtsensor angeordnet ist, welcher durch einen äußeren Schaltkreis, der um den Strömungskanal herum angeordnet ist, induktiv aufgeheizt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Massenflusssensor sowie ein Verfahren zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines Massenflusses bereitzustellen, der genauer, robuster und leichter montierbar oder reparierbar als bisherige Lösungen ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Massenflusssensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Ein Verfahren zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines Massenflusses eines Fluids ist Gegenstand des Nebenanspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Massenflusssensor zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines Massenflusses eines Fluids weist eine ein elektrisch leitfähiges Material aufweisende Messschicht auf, an der eine durch einen Massenfluss beaufschlagbare Messoberfläche angeordnet ist. Weiter weist der Massenflusssensor eine Induktionseinrichtung zum induktiven Aufheizen der Messschicht und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperaturänderung in der Messschicht auf.
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Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, die Messschicht beziehungsweise die Messoberfläche des Massenflusssensors aufzuheizen, ohne dass sich die Messschicht und der Aufbau, der für das Aufheizen der Messschicht verantwortlich ist, berühren. Denn das Aufheizen der Messschicht erfolgt berührungslos über Induktion, das heißt Messschicht beziehungsweise Messoberfläche und Induktionseinrichtung haben keinen physikalischen Kontakt zueinander.
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Wird nun die Messoberfläche beziehungsweise die Messschicht, die dem Massenfluss ausgesetzt sind, beispielsweise durch Scherkräfte zerstört, kann der Massenflusssensor durch einfachen Austausch der Messschicht wieder hergestellt werden, ohne dass die Induktionseinrichtung berührt werden muss. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass es möglich ist, die Induktionseinrichtung in einer Basisstruktur, an deren Oberfläche der Massenfluss vermessen werden soll, vollständig einzubringen, und nur die Messschicht an der Oberfläche der Basisstruktur anzuordnen. So ist auch eine Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften des Massenflusses durch Bauteile des Massenflusssensors vermindert, da lediglich die Messschicht in den Massenfluss hineinragt, während bei einem Massenflusssensor mit einer Widerstandsheizung auch Elemente der Widerstandsheizung in Kontakt mit dem Massenfluss kommen.
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Wird eine berührungslos aufgeheizte Messschicht nun mit einem Massenfluss eines Fluides beaufschlagt, erfolgt eine Temperaturänderung in der Messschicht beziehungsweise an der Messoberfläche, die durch eine Erfassungseinrichtung erfasst werden kann, um so physikalische Eigenschaften des Massenflusses bestimmen zu können.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Massenflusssensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Massenflusses ausgebildet. Alternativ ist es auch möglich, den Massenflusssensor derart auszubilden, dass von durch den Massenfluss ausgeübte Scherkräfte erfasst werden.
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Beispielsweise wird hierzu ein Array von mehreren Messschichten mit einer Messoberfläche verwendet, die sich vorteilhaft an unterschiedlichen Orten befinden. Ändert sich nun die Temperatur in diesen unterschiedlichen Messoberflächen unterschiedlich, kann daraus vorteilhaft auf eine sich ändernde Beaufschlagung der zu vermessenden Oberfläche mit dem Fluid/Massenfluss geschlossen werden und beispielsweise die Geschwindigkeit des Massenflusses beziehungsweise Scherkräfte berechnet werden.
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Dazu ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise vor der tatsächlichen Messung ein Korrelationsdiagramm erstellt wird, das die Masse des Fluides vorzugsweise mit einer Temperaturänderung in Abhängigkeit setzt. Gleichzeitig ist es von Vorteil, wenn unterschiedliche Temperaturänderungen in dem Array mit der Geschwindigkeit des Massenflusses beziehungsweise mit ausgeübten Scherkräften korreliert werden.
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Zwischen der Messschicht und der Induktionseinrichtung ist eine Materialschicht eines Basiskörpers angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist dieser Basiskörper in Form eines strömungsbeaufschlagten Bauteils eines Luftfahrzeuges, insbesondere einer Haut eines Tragflügels, ausgebildet.
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Durch Zwischenanordnung einer Materialschicht zwischen der Messschicht und der Induktionseinrichtung ist es vorteilhaft besonders einfach, die Induktionseinrichtung von der Messschicht zu beabstanden, um so vorzugsweise einen Kontakt zu vermeiden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn dabei die Materialschicht durch einen Basiskörper gebildet ist, an dessen Oberfläche der Massenfluss eines Fluides vermessen werden soll. Dies ist beispielsweise der Fall in der Luftfahrt, wo Eigenschaften der Strömung, die beispielsweise eine Tragfläche beaufschlagt, aus Sicherheitsgründen vorteilhaft ständig überwacht wird.
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Vorzugsweise ist die Messschicht mit einem ferromagnetischen Material gebildet.
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Bei einem elektrisch leitfähigen Material, das jedoch kein Ferromagnet ist, erfolgt das Aufheizen der Messschicht, indem die Induktionseinrichtung vorteilhaft ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wodurch in der Messschicht Wirbelströme induziert werden, die elektrisch leitfähige Messschicht wird dann durch die gleichzeitig erzeugten Wirbelstromverluste erhitzt.
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Ist nun die Messschicht nicht nur lediglich mit einem elektrisch leitfähigen Material, sondern besonders vorteilhaft mit einem ferromagnetischen Material gebildet, wird das ferromagnetische Material periodisch in Form einer Hysteresekurve ummagnetisiert, so dass zusätzlich zu den Wirbelstromverlusten auch vorteilhafte Ummagnetisierungsverluste entstehen, die die ferromagnetische Messschicht zusätzlich aufheizen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Materialschicht des Basiskörpers aus elektrisch nicht leitfähigem Material gebildet. Es ist auch vorteilhaft, wenn die Materialschicht des Basiskörpers aus einem thermisch isolierenden Material gebildet ist.
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Die induktive Erwärmung erfolgt vorteilhaft durch nicht leitende Materialien hindurch, wobei diese nicht leitfähigen Materialien nicht erhitzt werden, da vorzugsweise keine Wirbelströme darin induziert werden können. Deshalb ist es bevorzugt, wenn der Basiskörper, insbesondere wenn es sich beispielsweise um die Tragfläche eines Luftfahrzeugs handelt, nicht erhitzt werden kann und daher bevorzugt aus nicht leitfähigem Material gebildet ist.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Materialschicht des Basiskörpers die entstehende Temperatur in der Messschicht beziehungsweise an der Messoberfläche nicht ableitet, so dass die Temperaturänderung in der Messschicht beziehungsweise an der Messoberfläche vorzugsweise nur durch Beaufschlagung mit dem Fluid/Massenfluss beeinflusst wird.
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Eine thermische Leitfähigkeit der Basiskörper-Materialschicht kann jedoch dann vorteilhaft sein, wenn die Erfassung der Temperaturänderung beispielsweise durch Konduktion realisiert werden soll, zum Beispiel indem die Erfassungseinrichtung direkt in Kontakt mit der Basiskörper-Materialschicht angeordnet ist.
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Im Falle, dass die Materialschicht des Basiskörpers aus technischen Gründen aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist, ist es bevorzugt, wenn zwischen der Materialschicht des Basiskörpers und der Messschicht zusätzlich eine vorteilhafte Zwischenschicht angeordnet wird, die bevorzugt eine geringere thermische Leitfähigkeit hat als die Materialschicht des Basiskörpers. So kann eine thermische Isolierung von Messschicht und Basiskörper vorteilhaft realisiert werden und eine Ableitung der Temperatur von der Messschicht durch den Basiskörper bevorzugt vermieden werden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Messschicht als Dünnschichtfilm ausgebildet.
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So ist es besonders bevorzugt möglich, dass der Dünnschichtfilm beispielsweise durch Aufdampfen mittels Physical Vapor Deposition (PVD) auf auf eine Trägerfolie aufgebracht wird, wodurch die Messschicht vorteilhaft einfach ausgetauscht werden kann. Dabei ist bevorzugt, dass die Trägerfolie derart ausgebildet ist, dass sie sich an den Basiskörper anschmiegen kann.
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Vorteilhaft ist die Trägerfolie aus nicht leitfähigem Material gebildet, so dass bevorzugt eine Erwärmung der Trägerfolie vermieden werden kann. Weiter vorteilhaft ist die Trägerfolie aus einem thermisch isolierenden Material gebildet, um so bevorzugt eine Ableitung der Temperatur von der Messschicht zu vermeiden. Ist es aus technischen Gründen jedoch nötig, dass die Trägerfolie aus thermisch leitfähigem Material gebildet ist, ist es bevorzugt, wenn zwischen Messschicht und Trägerfolie eine zusätzliche Zwischenschicht angeordnet ist, die vorzugsweise eine geringere thermische Leitfähigkeit als die Trägerfolie hat, um so bevorzugt eine Übertragung der Temperatur von Messschicht auf Trägerfolie zu vermeiden.
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Besonders bevorzugt weist die Messschicht planare Ringe auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Messschicht aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist. Dies ist eine bevorzugte Geometrie für eine Messschicht mit ferromagnetischem Material, da dadurch vorteilhaft verbessert die Induktion eines Stromes ermöglicht wird.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Induktionseinrichtung zum Erzeugen von Wirbelströmen und/oder einer Hysterese in der Messschicht ausgebildet.
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Vorteilhaft ist dabei die Induktionseinrichtung als Induktionsspule, insbesondere als Elektromagnet, ausgebildet.
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Vorzugsweise ist eine Spannungsquelle vorgesehen, die geeignet ist, die Induktionseinrichtung mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Durch Beaufschlagung der Induktionseinrichtung beispielsweise in Form einer Induktionsspule mit Wechselstrom wird vorteilhaft ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das dann in der Messschicht Wirbelströme induziert. Im Falle einer ferromagnetischen Messschicht wird das ferromagnetische Material vorteilhaft ummagnetisiert. Durch die Verluste sowohl bei der Erzeugung von Wirbelströmen als auch bei der Ummagnetisierung entsteht Wärme, die die Messschicht vorteilhaft erhitzt.
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Besonders bevorzugt ist die Induktionseinrichtung in dem Basiskörper angeordnet, wobei die Längenerstreckung der Induktionseinrichtung vorteilhaft an die Dickenerstreckung des Basiskörpers angepasst und insbesondere kürzer ist.
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Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die Induktionseinrichtung bevorzugt vollständig in dem Basiskörper anzuordnen, so dass der Bereich des Massenflusssensors, der für das Aufheizen der Messschicht verantwortlich ist, bevorzugt geschützt untergebracht ist. Dies ist besonders bevorzugt in Bauteilen von Luftfahrzeugen, da so vorteilhaft lediglich die Oberfläche des Luftfahrzeug-Bauteils in Kontakt mit der Strömung kommt, und so eine verfälschende Beeinflussung der Strömung vorzugsweise verhindert werden kann.
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Besonders bevorzugt weist die Induktionseinrichtung die Erfassungseinrichtung auf. So können vorteilhaft zusätzliche Bauteile zum Erfassen der Temperaturänderung in der Messschicht eingespart werden.
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Beispielsweise kann die Induktionseinrichtung selbst zum Erfassen der Temperaturänderung verwendet werden. Denn die Impedanz der Induktionseinrichtung ist vorteilhaft abhängig von den in der Messschicht erzeugten Wirbelströmen beziehungsweise von der erzeugten Ummagnetisierung. Erzeugt demnach die Induktionseinrichtung Wirbelströme beziehungsweise eine Hysterese in der Messschicht, koppeln diese zur Induktionseinrichtung zurück und verändern vorzugsweise die Impedanz der Induktionseinrichtung. Da die Wirbelströme beziehungsweise die Hysterese vorteilhaft abhängig sind von der Temperatur, die in der Messschicht herrscht, ist auch die Änderung der Impedanz in der Induktionseinrichtung vorteilhaft temperaturabhängig.
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Durch Erfassung der Impedanz in der Induktionseinrichtung kann somit vorteilhaft auf die Temperaturänderung in der Messschicht zurückgeschlossen werden.
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Dazu ist es bevorzugt, wenn ein elektrischer Stromkreis vorgesehen wird, um die Impedanzänderung in der Induktionseinrichtung zu erfassen.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zum Erfassen von physikalischen Eigenschaften eines Massenflusses weist die folgenden Schritte auf:
- a) Bereitstellen eines oben beschriebenen Massenflusssensors, der eine Messschicht und eine dazu beabstandete Induktionseinrichtung aufweist;
- b) Kontaktieren einer Messoberfläche der Messschicht mit einem Massenfluss eines Fluides;
- c) Erzeugen von Wirbelströmen und/oder einer Hysterese in der Messschicht durch die Induktionseinrichtung;
- d) Erfassen einer Impedanzänderung in der Induktionseinrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine erste, nicht zur Erfindung gehörende, Ausführungsform eines Massenflusssensors mit einer Messschicht und einer Induktionseinrichtung;
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2 eine zweite, nicht zur Erfindung gehörende, Ausführungsform eines Massenflusssensors mit einer Messschicht und einer Induktionseinrichtung;
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3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Massenflusssensors mit einer Messschicht und einer Induktionseinrichtung;
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4 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Massenflusssensors mit einer Messschicht und einer Induktionseinrichtung; und
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5 eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Massenflusssensors mit einer Messschicht und einer Induktionseinrichtung.
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Die nachfolgend beschriebenen Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können auch in beliebiger Kombination untereinander in dem Massenflusssensor vorliegen.
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1 zeigt eine nicht erfinderische Prinzipsdarstellung eines Massenflusssensors 10 mit einer Messschicht 12 und einer Induktionseinrichtung 14. Die Messschicht 12 weist eine Messoberfläche 16 auf, die durch einen Massenfluss 18 eines Fluids 20 beaufschlagt ist. Die Induktionseinrichtung 14 weist eine Erfassungseinrichtung 22 zum Erfassen einer Temperaturänderung in der Messschicht 12 auf, die in der vorliegenden Ausführungsform mit einem elektrischen Stromkreis 24 gebildet ist, der eine Impedanzänderung in der Induktionseinrichtung 14 erfassen kann.
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Die Messschicht 12 ist als Dünnschichtfilm 26 aus einem elektrisch Zeitfähigen Material 28 gebildet. Das elektrisch Zeitfähige Material 28 kann mit einem ferromagnetischen Material 30 gebildet sein.
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Zwischen der Messschicht 12 und der Induktionseinrichtung 14 ist eine Materialschicht 32 angeordnet, die einen Basiskörper 34 bildet. Der Basiskörper 34 kann beispielsweise ein strömungsbeaufschlagtes Bauteil 36 eines nicht gezeigten Luftfahrzeuges sein. Die Materialschicht 32 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material 38 gebildet, das gleichzeitig ein thermisch isolierendes Material 40 ist.
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2 zeigt eine zweite nicht erfinderische Prinzipsdarstellung des Massenflusssensors 10, bei dem der Basiskörper 34 aus einem elektrisch leitfähigen Material 28 gebildet ist. In diesem Falle ist eine zusätzliche Zwischenschicht 42 zwischen Messschicht 12 und Basiskörper 34 vorgesehen, die aus einem thermisch isolierenden Material 40 gebildet ist und somit eine geringere thermische Leitfähigkeit als der Basiskörper 34 hat. Somit wird eine Ableitung der Temperatur in der Messschicht 12, die durch induktive Aufheizung erzeugt wird, über den Basiskörper 34 von der Messschicht 12 weg vermieden.
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Die Messschicht 12 kann als Dünnschichtfilm 26 direkt auf den Basiskörper 34 aufgedampft sein, beispielsweise durch Physical Vapor Deposition (PVD).
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Erfindungsgemäß wird jedoch der Dünnschichtfilm 26, wie in 3 gezeigt, auf einer Trägerfolie 44 angebracht. Diese Trägerfolie kann beispielsweise von dem Bauteil 36 leicht entfernt werden, beispielsweise abgezogen werden, um so besonders einfach eine beschädigte Messschicht 12 austauschen zu können. Die Trägerfolie 44 ist derart ausgebildet, dass sie sich an eine Oberfläche 46 des Basiskörpers 34 anschmiegen kann, das heißt sie ist weitgehend flexibel ausgestaltet, um so die Oberflächenform des Basiskörpers 34 annehmen zu können. Die Trägerfolie 44 kann bevorzugt einfach an dem Basiskörper 34 angebracht werden, beispielsweise durch Kleben.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Trägerfolie 44 in 3 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material 38 beziehungsweise aus einem thermisch isolierenden Material 40 gebildet ist. Ist dies nicht der Fall, wird, wie in 4 gezeigt, zwischen der Trägerfolie 44 und der Messschicht 12 die Zwischenschicht 42 angeordnet, die dann aus einem thermisch isolierenden Material 40 gebildet ist. So wird eine Ableitung der Temperatur von der Messschicht 12 über die Trägerfolie 44 vermieden.
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Im Falle, dass die Messschicht 12 mit einem ferromagnetischen Material 30 gebildet ist, wird die Messschicht 12 beziehungsweise der Dünnschichtfilm 26, wie in 5 gezeigt, in Form von planaren Ringen 48 angeordnet.
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Auch hier ist es möglich, jedoch nicht zur Erfindung gehörend, die planaren Ringe 48 direkt auf den Basiskörper 34 aufzudampfen.
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Erfindungsgemäß wird jedoch eine Trägerfolie 44 vorgesehen, auf der die planaren Ringe 48 aufgebracht sind. Je nach Materialeigenschaften von Basiskörper 34 beziehungsweise Trägerfolie 44 kann zusätzlich eine bevorzugt ebenfalls als planare Ringe 48 ausgebildete Zwischenschicht 42 zwischen den planaren Ringen 48 und Trägerfolie 44 beziehungsweise Basiskörper 34 vorgesehen werden.
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Die Induktionseinrichtung 14 ist in den gezeigten Ausführungsformen von 1 bis 5 unterhalb des Basiskörpers 34 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Induktionseinrichtung 14 in ihren Abmessungen derart auszugestalten, dass sie vollständig von dem Basiskörper 34 aufgenommen werden kann und somit vollständig in dem Basiskörper 34 angeordnet ist.
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Die Induktionseinrichtung 14 ist in den vorliegenden Ausführungsformen als Induktionsspule 50 ausgebildet, das heißt sie bildet einen Elektromagneten 52.
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Die Längenerstreckung l der Induktionseinrichtung 14 ist in den vorliegenden Ausführungsformen größer als die Dickenerstreckung d des Basiskörpers 34, um die Induktionseinrichtung 14 jedoch in den Basiskörper 34 einbringen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Längenerstreckung l kleiner oder gleich der Dickenerstreckung d ist.
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Über den elektrischen Stromkreis 24 wird die Induktionseinrichtung 14 mit Wechselspannung beaufschlagt, so dass die Induktionseinrichtung 14 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt.
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Durch dieses magnetische Wechselfeld werden in den umgebenden elektrisch leitfähigen Materialien 28, in den vorliegenden Ausführungsformen insbesondere der Messschicht 12, Wirbelströme erzeugt, dadurch entstehen energetische Verluste, die die Messschicht 12 aufheizen. Ist die Messschicht 12 zusätzlich aus oder mit einem ferromagnetischen Material 30 gebildet, entstehen zusätzlich zu den Wirbelströmen und durch sie bewirkte Verluste Ummagnetisierungsverluste, die die Messschicht 12 zusätzlich aufheizen.
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Je stärker die Messschicht 12 von dem Massenfluss 18 des Fluides 20 beaufschlagt wird, desto stärker wird die Messoberfläche 16 beziehungsweise die gesamte Messschicht 12 abgekühlt. Sowohl die Wirbelströme als auch die Hysterese, die in der Messschicht 12 erzeugt werden, sind von der Temperatur abhängig, das heißt bei Abkühlung durch Beaufschlagung mit einem Massenfluss 18 verändert sich auch Wirbelströme und Hysterese in der Messschicht 12. Dies bedingt gleichzeitig eine Impedanzänderung in der Induktionseinrichtung 14, die wiederum von dem elektrischen Stromkreis 24 abgegriffen werden kann.
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Somit ist die Induktionseinrichtung 14 nicht nur das Element des Massenflusssensors 10, das zum Aufheizen der Messschicht 12 verwendet wird, sondern auch das Element, das als Erfassungseinrichtung 22 wirkt, um so die durch den Massenfluss 18 bewirkte Temperaturänderung in der Messschicht 12 zu erfassen.
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In den gezeigten Ausführungsformen sind die elektrischen Leitungen, die von der Sensorfläche, das heißt der Messschicht 12, zu elektronischen Steuereinheiten führen, räumlich von der Messschicht 12 getrennt. Daher kann der Sensor, das heißt die Messschicht 12, befestigt werden, ohne die Gesamtstruktur insgesamt zu beeinflussen, so dass Messschichten 12 leicht ausgetauscht werden können wenn dies nötig ist.
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Dies ist der grundlegende Unterschied zur elektrischen Widerstandsheizung solcher sogenannter Hotfilm-Sensoren. Der hier vorliegende Hotfilm-Sensor, die Messschicht 12, wird durch Induktion durch eine Induktionseinrichtung 14 betätigt.
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Insbesondere bei Tragflügeln von Luftfahrzeugen besteht der Vorteil, dass die Messschicht 12 nicht invasiv daran angebracht werden muss. Das bedeutet, dass keine Löcher für die elektrische Verbindung notwendig sind, falls das Flügelmaterial vorzugsweise nicht leitfähig ist und daher das Wechselspannungs-Feld der Induktionseinrichtung 14 abschirmt. Es sind jedoch auch andere Anwendungen denkbar, beispielsweise Situationen, wo die Geschwindigkeit eines Fluides 20 benötigt wird, aber invasive Designänderungen nicht möglich sind.
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Um die Luftflussgeschwindigkeit oder Scherkräfte über einer bestimmten Oberfläche 46 zu messen, werden vorliegend Wirbelströme verwendet, die durch einem Wechselstrom-Elektromagneten 52 in einen leitfähigen Sensorkörper, nämlich der Messschicht 12, induziert werden, um so den Sensor aufzuheizen und danach Änderungen zu erfassen. Der Sensor, nämlich der Massenflusssensor 10, ist aus zwei Komponenten aufgebaut, nämlich der Heizoberfläche, der Messschicht 12, und einem Induktionsantrieb, der Induktionseinrichtung 14, die örtlich voneinander getrennt sind, so dass für eine vorgegebene Struktur ein nicht invasives Verfahren bereitgestellt wird. Der Heizbereich wird an der Oberfläche 46 der Struktur angeordnet und ist vorzugsweise aus einer dünnen leitfähigen Schicht 26 gebildet, die entweder direkt auf die Oberfläche 46 aufgedampft oder aufgebracht werden kann, oder die angebracht wird, indem sie auf einer Trägerfolie 44 vorgesehen wird. Daher passt sich der Sensorbereich vollständig an die Körperoberfläche 46 an. Direkt unterhalb der Strukturoberfläche 46 ist die Induktionseinrichtung 14 angeordnet, die einerseits den leitfähigen Heizbereich, nämlich die Messschicht 12, durch Wirbelströme auf eine konstante Temperatur aufheizt, aber auf der anderen Seite auch die Temperaturänderung der Heizoberfläche 12 aufgrund von Konvektion oder anderen Effekten erfasst. Alternativ wird als Heizmechanismus auch eine Hysterese angewendet. Hierfür wird jedoch der Bereich des Hotfilm-Sensors aus einem ferromagnetischen Material 30 gebildet und weist vorzugsweise die Form von planaren Ringen 48 auf, um so eine Wechselwirkung des induzierten Magnetfeldes mit der als Heizeinrichtung verwendeten Induktionseinrichtung 14 zu ermöglichen. Insbesondere Änderungen in der temperaturabhängigen magnetischen Permeabilität des Hotfilm-Sensors und die Änderung des Widerstandes können bezüglich der Temperatur eine Rückkopplung zu dem System ermöglichen.
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In einem Massenfluss 18 aus Luft, Gas oder einem Fluid wird zum Messen einer Luftflussgeschwindigkeit oder von Scherkräften ein Massenflusssensor 10 vorgesehen, der eine Messschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material 28, wie dies beispielsweise bei Ferromagneten 30 der Fall ist, und einer Induktionseinrichtung 14 zum Aufheizen dieser Oberfläche vorgesehen. Beide Bauteile müssen nicht in direkter Nachbarschaft zueinander angeordnet sein, sondern können durch eine zusätzliche Materialschicht 32 getrennt voneinander sein, was beispielsweise durch die Oberfläche 46 des zu vermessenden Basiskörpers 34, zum Beispiel eine Tragflächen-Oberfläche, realisiert sein kann.
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Ein nicht invasiver Hotfilm-Sensor, der einfach in jegliche Struktur, die das induzierte elektromagnetische Feld nicht blockiert, eingebracht werden kann, wird vorgeschlagen. Der Bereich des Hotfilm-Sensors und der Induktionseinrichtung 14 können physikalisch durch eine Strukturoberfläche 46 getrennt werden.
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Es wird vorgeschlagen, Wirbelströme als Heizmechanismus für den Hotfilm-Sensor über eine Induktionseinrichtung 14 zu verwenden. Der temperaturabhängige Widerstand des leitfähigen Hotfilm-Sensors beeinflusst die Wirbelströme und daher die Wechselwirkung der Wirbelströme mit der Induktionseinrichtung 14. Dafür kann die Geometrie des Sensors willkürlich gewählt werden, je nach Anwendung kann seine Höhe jedoch an beispielsweise eine Haut-Tiefe angepasst werden.
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Weiter kann eine Hysterese als Heizmechanismus für den Hotfilm-Sensor über eine Induktionseinrichtung 14 verwendet werden. Dafür ist der Hotfilm-Sensor vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material 30 gebildet und hat vorzugsweise die Geometrie von mehreren planaren Ringen 48, die einen induzierten Stromfluss ermöglichen. Feedback und Impedanzänderung der Induktionseinrichtung 14 beruhen auf der temperaturabhängigen Wechselwirkung des Sensors mit der Induktionseinrichtung 14.
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Bekannte Hotfilm-Sensor-Designs basieren darauf, dass das Sensormaterial mit einer Widerstandsheizung geheizt wird. Insbesondere bei Anwendungen an einer Körperoberfläche 46 müssen die elektronischen Bauteile physikalisch mit dem Sensorheizbereich in Kontakt gebracht werden. Dazu werden häufig Löcher oder Schlitze in den Basiskörper 34, an dessen Oberfläche 46 der Luftmassenfluss 18 gemessen werden soll, eingebracht.
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Vorliegend wird eine nicht-invasive Methode vorgeschlagen, indem der Hotfilm-Sensorbereich von der elektronischen Verbindung durch Induktionsheizung getrennt wird. Daher wird eine Induktionsheizung durch Wirbelströme in einem Leiter für den Hotfilm-Sensor anstatt einer Widerstandsheizung verwendet. Somit umfasst diese neuartige Art eines nicht-invasiven Hotfilm-Sensors zwei physikalisch getrennte Hauptkomponenten.
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Der Sensorbereich ist aus einem leitfähigen Material gefertigt, um eine Aufheizung durch Induktion zu ermöglichen. Das Material ist an der Oberfläche 46 eines nicht leitfähigen Basiskörpers 34, beispielsweise durch Aufdampfen (Physical Vapor Deposition, PVD), oder auf einer separaten, nicht leitfähigen dünnen Trägerfolie 44 aufgebracht. Vorzugsweise umfasst die Struktur ein Material mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit, so dass die Temperatur des Hotfilms nur durch Konvektion verändert wird. Wenn die thermische Leitfähigkeit der Struktur zu hoch ist, kann eine weitere, nicht leitfähige, separierende Zwischenschicht 42 zwischen den Sensorbereich und den Basiskörper 34 eingebracht werden. Im Falle der Hysterese als Hauptheizgrund ist das Material nicht bloß leitfähig sondern auch ferromagnetisch. Zusätzlich ist es bevorzugt, wenn der Sensor eine ringförmige planare Geometrie hat.
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Die zweite Hauptkomponente ist die Induktionsspule 50, die mit einer hohen Wechselspannung betrieben wird. Als Ergebnis induziert das magnetische Wechselfeld Wirbelströme in dem Hotfilm-Bereich, die für die Aufheizung verwendet werden. Diese wechselnden Wirbelströme hängen von dem Widerstand und damit auch von der Temperatur des Hotfilm-Sensors ab. Sie wechselwirken wieder mit der Induktionseinrichtung 14, wobei eine Impedanzänderung erfolgt. Diese Änderung kann durch einen Stromkreis 24 erfasst werden. Diese Anwendung ist einer Induktions-Abstandsmessungs-Einrichtung ähnlich. Nur vorliegend wird die Impedanz anstatt durch die unterschiedlichen Abstände durch die Temperatur verändert. Wenn jedoch Hysterese die Heizkraft ist, dann induziert die Induktionseinrichtung 14 einen Strom in der ringartigen Sensorstruktur. Dieser Strom hängt von dem temperaturabhängigen Widerstand ab und erzeugt ein Magnetfeld, dessen magnetische Permeabilität ebenfalls temperaturabhängig sein kann.
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Dieses Magnetfeld wechselwirkt dann mit der heizenden Induktionseinrichtung 14, deren Impedanz sich wie bei den Wirbelströmen verändert, was durch die Elektronik, beispielsweise den elektrischen Stromkreis 24, abgegriffen werden kann.
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In den 1 bis 5 sind die Hauptbauteile, die verwendet werden, nämlich der Hotfilm-Sensor (Messschicht 12) und die Induktionseinrichtung 14 durch die Oberfläche 46 eines Basiskörpers 34, der unter Einfluss eines Luftmassenflusses 18 steht, voneinander getrennt.
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Es ist daher offensichtlich, dass diese neue Art eines Induktions-geheizten Heizsensors viele Vorteile in vielerlei Hinsicht im Vergleich zu anderen Hotfilm- und Hotwire-Sensoren, die derzeit bekannt sind, bietet. Insbesondere ist der vorliegende Massenflusssensor 10 gut für die Messung von Luftflussgeschwindigkeiten bei Tragflächen geeignet. Der Massenflusssensor 10 ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern kann auch beispielsweise bei medizinischen Anwendungen verwendet werden. Es kann damit jegliche Art von Massenfluss 18 bezüglich seiner Geschwindigkeit vermessen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Massenflusssensor
- 12
- Messschicht
- 14
- Induktionseinrichtung
- 16
- Messoberfläche
- 18
- Massenfluss
- 20
- Fluid
- 22
- Erfassungseinrichtung
- 24
- elektrischer Stromkreis
- 26
- Dünnschichtfilm
- 28
- elektrisch leitfähiges Material
- 30
- ferromagnetisches Material
- 32
- Materialschicht
- 34
- Basiskörper
- 36
- Bauteil
- 38
- elektrisch nicht leitfähiges Material
- 40
- thermisch isolierendes Material
- 42
- Zwischenschicht
- 44
- Trägerfolie
- 46
- Oberfläche
- 48
- planare Ringe
- 50
- Induktionsspule
- 52
- Elektromagnet
- l
- Längenerstreckung
- d
- Dickenerstreckung
