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Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung des Durchflusses eines Messmediums, welches eine Rohrleitung in einer Flussrichtung durchströmt
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Zur Bestimmung eines Durchflusses, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit eines Messmediums, bzw. eines Fluides, beispielsweise eines Gases oder Gasgemisches sind thermische Strömungssensoren bekannt. Diese nutzen aus, dass ein (strömendes) Messmedium Wärme transportiert. Thermische Strömungssensoren bestehen typischerweise aus mehreren Funktionselementen, üblicherweise aus einem niederohmigen Heizelement und einem hochohmigen Widerstandselement, welches als Temperatursensor dient. Alternativ sind thermische Strömungssensoren mit mehreren niederohmigen Heizelementen als Heizer und Temperatursensor aufgebaut.
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Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren, welche flussabwärts (engl. downstream ) und flussaufwärts (engl. upstream ) von einem Heizelement angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.
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Anemometrische thermische Strömungssensoren bestehen aus zumindest einem Heizelement, welches während der Messung des Durchflusses erhitzt wird. Durch die Umströmung des Heizelements mit dem Messmedium findet ein Wärmetransport in das Messmedium statt, der sich mit der Strömungsgeschwindigkeit verändert. Durch Messung der elektrischen Größen des Heizelements kann auf die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums geschlossen werden.
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Ein solcher anemometrischer thermischer Strömungssensor wird typischerweise in einem der folgenden beiden Regelarten betrieben:
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Bei der Regelart Constant-Current Anemometry (CCA) wird das Heizelement mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Durch die Umströmung mit dem Messmedium ändert sich der Widerstand des Heizelements und damit die am Heizelement abfallende Spannung, welche das Messsignal darstellt.
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Bei der Regelart Constant-Temperature Anemometry (CTA) wird das Heizelement auf einer im Mittel konstanten Temperatur gehalten. Hierfür wird das Heizelement entweder intervallartig mit konstante Leistungspulsen beaufschlagt, deren Frequenz sich mit steigender Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Alternativ wird der Wert des in das Heizelement eingespeisten Stroms variiert. Mittels dieser Regelart sind relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten messbar.
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Die
US 7,895,888 B2 beschreibt einen solchen thermischen Strömungssensor. Dieser weist in einer Mindestausführung drei Funktionselemente in Form eines Heizelements und zweier Temperatursensoren auf. Die Funktionselemente sind beabstandet voneinander auf einer Rohrleitung, durch welche ein Messmedium fließt, aufgebracht. Jedes der Funktionselemente befindet sich hierbei auf einem einzelnen Substrat. Bedingt durch die einzelnen Substrate weisen die Funktionselemente einen relativ hohen Abstand zueinander auf. Kleine Strömungsgeschwindigkeiten sind dadurch nur schwer messbar.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Strömungssensor aufzuzeigen, welcher für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten eines Messmediums einsetzbar ist und eine hohe Sensitivität aufweist.
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Die Aufgabe wird durch einen thermischen Strömungssensor zur Bestimmung des Durchflusses eines Messmediums, welches eine Rohrleitung in einer Flussrichtung durchströmt, gelöst, wobei der thermische Strömungssensor umfasst:
- - ein planares Substrat mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, und
- - zumindest zwei Funktionselemente, welche zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums (M) und/oder als Heizelemente dienen, wobei die Funktionselemente auf der ersten Oberfläche des planaren Substrats aufgebracht sind und welche eine Oberfläche aufweisen,
wobei die Funktionselemente derart in Flussrichtung des Messmediums angeordnet sind, dass die Funktionselemente zur Bestimmung des Durchflusses des Messmediums dienen,
wobei die zweite Oberfläche des planaren Substrats oder die Oberfläche der Funktionselemente derart ausgestaltet ist, dass die zweite Oberfläche des planaren Substrats, bzw. die Oberfläche der Funktionselemente mit einer Oberfläche eines Trägerelements, welches mit dem Messmedium in Kontakt steht und welches den thermischen Strömungssensor von dem Messmedium trennt, oder mit einer Oberfläche der Rohrleitung thermisch verbindbar ist, und
- - eine Regel- und Auswerteeinheit, welche dazu ausgestaltet ist, zumindest eines der Funktionselemente mit einem elektrischen Signal zu beaufschlagen und anhand eines Messwertes von zumindest einem der Funktionselemente den Durchfluss des Messmediums zu bestimmen
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Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist durch seinen Aufbau zur Messung von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar. Bedingt dadurch, dass die Funktionselemente auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind, sind diese in einem geringen Abstand zueinander anbringbar. Sind die Strukturen der Funktionselemente beispielsweise mäanderartig ausgestaltet, so können diese überlappend auf dem Substrat angeordnet werden. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Strukturen der Funktionselemente trotz Überlappung nicht übereinanderliegen. Beispielsweise wird dies dadurch realisiert, dass die Kämme der Mäanderstrukturen ineinandergreifen.
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Die Anzahl und Art der Funktionselemente kann beliebig ausgewählt sein. Hierdurch lassen sich verschiedene Arten von thermischen Strömungssensoren realisieren. Beispiele solcher thermischen Strömungssensoren, bzw. deren Messprinzipien, wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beispielhaft genannt.
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Es ist vorgesehen, den erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensor auf ein Trägerelement, welches in die Rohrleitung eingebracht wird, oder auf die Rohleitung selbst aufzubringen. Dadurch ist keine der Komponenten des thermischen Strömungssensors in Kontakt mit dem Messmedium, welches sich innerhalb der Rohrleitung befindet. Das Trägerelement selbst ist in Kontakt mit dem Messmedium, aber schirmt den thermischen Strömungssensor vollständig von dem Messmedium ab, wodurch dieser eine hohe Lebensdauer, selbst im Einsatz mit aggressiven Messmedien, erzielen kann.
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Bei der Regel- und Auswerteeinheit handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor, oder um einen PC, welcher beispielsweise mit zumindest einer Spannungsquelle und zumindest einem Spannungs-/Widerstands-/Strommmesser, zum Beispiel einem Multimeter, verbunden ist. Die Spannungsquelle und das Multimeter sind an auf dem Substrat aufgebrachten Kontaktpads angeschlossen, welche mit den jeweiligen Funktionselementen verbunden sind.
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Als Funktionselement wird einerseits ein Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums, sowie ein Heizelement bezeichnet, welches eine definierte Wärmemenge an seine Umgebung abgibt.
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Bei dem Trägerelement handelt es sich beispielsweise um ein metallisches Röhrchen, auf dessen innerer kreisförmigen Grundfläche der thermische Strömungssensor aufbringbar ist. Alternativ handelt es sich um eine Scheibe, bzw. ein Plättchen, mit beliebiger Grundform (quadratisch, kreisförmig, etc.). Vorteilhafterweise weist eine solche Scheibe eine Dicke in einem Bereich von 0.05 bis 0.2 mm auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors ist vorgesehen, dass die Funktionselemente derart in Flussrichtung des Messmediums angeordnet sind, dass die Funktionselemente einen Abstand von kleiner gleich 0,2 mm zueinander oder eine zumindest teilweise gegenseitige Überlappung aufweisen.
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Eine erste Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass die zwei Funktionselemente als kombinierte Temperatursensor-/Heizelemente ausgestaltet sind, welche sowohl zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums als auch zur Erwärmung des jeweiligen Funktionselements ausgestaltet sind. Die Funktionselemente bestehen also aus einem Element, beispielsweise einem Temperatursensor, welches im Wechsel und/oder nach Bedarf beheizt werden kann, aber auch unbeheizt zur Messung der Temperatur dienen kann.
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Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass eines der zwei Funktionselemente als Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums ausgestaltet ist und eines der zwei Funktionselemente als Heizelement ausgestaltet ist.
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Sowohl mit der ersten, als auch mit der zweiten Variante, ist sowohl eine kalorimetrische Messung, sowie eine anemometrische Messung des Durchflusses möglich, für eine Dimension des Durchflusses. Die Heizelemente werden jeweils derart beheizt, dass diese eine Temperatur erzielen, welche höher als die Temperatur des Messmediums liegt.
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Eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass drei Funktionselemente vorgesehen sind und wobei zwei der drei Funktionselemente als ein erster Temperatursensor und ein zweiter Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums ausgestaltet sind und eines der drei Funktionselemente als Heizelement ausgestaltet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der dritten Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass die Funktionselemente derart auf dem Substrat angeordnet sind, dass diese in Flussrichtung in der Reihenfolge erster Temperatursensor Heizelement zweiter Temperatursensor vorliegen. Mit dieser dritten Variante ist ein Bestimmen des Durchflusses in zwei Richtungen, upstream und downstream, möglich.
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Eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass vier Funktionselemente vorgesehen sind und wobei zwei der vier Funktionselemente als ein erster Temperatursensor und ein zweiter Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Messmediums ausgestaltet sind und zwei der vier Funktionselemente als ein erstes Heizelement und als ein zweites Heizelement ausgestaltet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vierten Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass die Funktionselemente derart auf dem Substrat angeordnet sind, dass diese in Flussrichtung in der Reihenfolge erster Temperatursensor erstes Heizelement zweites Heizelement - zweiter Temperatursensor vorliegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vierten Variante des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Heizelement jeweils als Mäanderstruktur ausgestaltet sind und derart angeordnet sind, dass sich die Mäanderstrukturen des ersten und des zweiten Heizelements zu mindestens 10 % und zu maximal 80 % überlappen
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der thermische Strömungssensor ein weiteres Funktionselement in Form eines Temperatursensors aufweist, welcher auf der ersten Oberfläche des Substrats aufgebracht ist. Mit Hilfe des weiteren Funktionselements kann die vom Heizelement, bzw. von den Heizelementen, unbeeinflusste Mediumstemperatur gemessen werden. Das weitere Funktionselement ist hierbei ausreichend beabstandet von dem Heizelement, bzw. den Heizelementen, aufgebracht. Hiermit ist es möglich, den thermischen Strömungssensor mit der Regelart Constant-Temperature Anemometry (CTA) zu betrieben, wofür das Heizelement, bzw. die Heizelemente und das weitere Funktionselement verwendet werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass die Funktionselemente mittels einer Dünnschichttechnik oder einer Dickschichttechnik auf das Substrat aufgebracht sind. Als Herstellungsverfahren in Dünnschichttechnik können beispielsweise CVD(chemical vapor deposition)- und PVD(physical vapor deposition)-Verfahren, wie beispielsweise Sputtern oder Aufdampfen verwendet, werden. Beispielsweise kann ein Siebdruckverfahren als Dickschichttechnik verwendet werden. Alternativ können auch bereits gefertigte Funktionselemente verwendet werden, welche mit einer Lötverbindung, beispielsweise mittels SMD-Löten, auf das Substrat aufgebracht sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors sieht vor, dass die Funktionselemente aus einem metallischen, insbesondere thermisch sensitiven, Material, insbesondere Platin, bestehen. Neben Platin kann alternativ auch Nickel, Kupfer oder eine Oxidkeramik verwendet werden. Diese Materialien sind zum einen in der Mikrofertigung etabliert, zum anderen besitzen diese Materialien ausgeprägte Temperaturkennlinien aufgrund ihrer jeweiligen Temperaturkoeffizienten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass die zweite Oberfläche des planaren Substrats, bzw. die Oberfläche der Funktionselemente mittels einer Klebeverbindung mit der Rohrleitung, bzw. dem Trägerelement verbindbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Oberfläche des planaren Substrats, bzw. die Oberfläche der Funktionselemente eine Metallisierung aufweist. Die Metallisierung ermöglicht ein Auflöten oder Aufschweißen des thermischen Strömungssensors auf eine Oberfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass die zweite Oberfläche des planaren Substrats, bzw. die Oberfläche der Funktionselemente mittels einer Lötverbindung mit der Rohrleitung, bzw. dem Trägerelement verbindbar ist. Die Lötverbindung stellt eine Verbindungsart mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Metall der Rohrleitung, bzw. des Trägerelements, und dem planaren Substrat dar. Dadurch ist ein schneller Wärmeübertrag zwischen den Funktionselementen und dem Messmedium gewährleistet, wodurch der thermische Strömungssensor eine kurze Ansprechzeit aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass das Substrat im Wesentlichen aus einem keramischen Material, aus Glas, aus einem metallischen Material oder aus einem Polymer besteht. Alternativ besteht das Substrat aus einem Halbleiter, beispielsweise Silizium.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors ist vorgesehen, dass das planare Substrat aus einer selbstklebenden Isolierschicht gefertigt ist, wobei die zweite Oberfläche des planaren Substrats mit der Oberfläche des Trägerelements, bzw. mit der Oberfläche der Rohrleitung durch eine selbstklebende Haftung verbindbar ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt
- 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
- 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements; und
- 3: zwei verschiedene Ausführungsbeispiele betreffend die Befestigung eines erfindungsgemäßen Sensorelements.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements. Abgebildet ist ein thermischer Strömungssensor
1 zum Bestimmen eines Durchflusses eines Messmediums, welches in Flussrichtung
durch eine Rohrleitung fließt. Der thermische Strömungssensor
1 umfasst vier Funktionselemente
104,
105,
106,
109. Bei den Funktionselementen
104,
105,
106,
109 handelt es sich um ein Heizelement
105, neben welchem in entgegengesetzter Richtung zur Flussrichtung
ein erster Temperatursensor
104 angeordnet ist, und neben welchem Heizelement in Durchflussrichtung
ein zweiter Temperatursensor
106 angeordnet ist. Die Temperatursensoren
104,
106 sind dabei derart angeordnet, dass der kleinste Abstand zwischen den jeweiligen Strukturen der Temperatursensoren
104,
106 und dem Heizelement
105 weniger als 0,2 mm beträgt. Beabstandet, das bedeutet, in einem Abstand von mehr als 0,2 mm zum ersten Temperatursensor
104, ist ein weiteres Funktionselement
109 in Form eines Temperatursensors angeordnet.
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Die drei Funktionselemente 104, 105, 106 und das weitere Funktionselement 109 sind auf einem gemeinsamen planaren Substrat 101 aufgebracht. Bei dem Substrat 101 handelt es sich inbesondere um ein Keramik- oder Halbleitersubstrat. Die drei Funktionselemente 104, 105, 106 und das weitere Funktionselement 109 sind mittels eines Dickschicht- oder Dünnschichtverfahrens, bzw. mittels Löten, auf das planare Substrat 101 aufgebracht.
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Jedes der Funktionselemente 104, 105, 106, 109 weist zumindest zwei Kontaktpads 109 auf, welche mit der Struktur der Funktionselemente 104, 105, 106, 109 elektrisch verbunden sind. Die Kontaktpads 109 sind mit einer hier nicht gezeigten Regel-/Auswerteeinheit elektrisch verbindbar, welche dazu ausgestaltet ist, zumindest eines der Funktionselemente 104, 105, 106, 109 mit einem elektrischen Signal zu beaufschlagen und anhand eines Messwertes von zumindest einem der Funktionselemente 104, 105, 106, 109 den Durchfluss des Messmediums M zu bestimmen. Bei der Regel- und Auswerteeinheit handelt es sich beispielsweise um einen Mikroprozessor, oder um einen PC, mit zumindest einer Spannungsquelle und zumindest einem Spannungs-/Widerstands-/Strommmesser, zum Beispiel einem Multimeter. Die Spannungsquelle und das Multimeter der Regel-/Auswerteeinheit sind an die auf dem Substrat 101 aufgebrachten Kontaktpads 109 angeschlossen, welche mit den jeweiligen Funktionselementen verbunden sind.
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Der in gezeigte thermische Strömungssensor 1 ist mithilfe der Regel-/Auswerteeinheit in der Lage, den Durchfluss des Messmediums mittels anemometrischen (mittels den beiden Temperaturesensoren 104 und 106 und des Heizelements 105) und kalorimetrischen Messprinzipien (mittels des weiteren Funktionselements 109 und des Heizelements 105) zu ermitteln. Erläuternde Beispiele hierfür sind bereits im einleitenden Teil der Beschreibung beschrieben worden.
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Bedingt dadurch, dass die Funktionselemente 104, 105, 106, 109 auf einem gemeinsamen planaren Substrat aufgebracht sind, sind diese in einem geringen Abstand zueinander anbringbar Der erfindungsgemäße Strömungssensor 1 ist durch diesen Aufbau zur Messung von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors 1. Dieser unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zwei Heizelemente 105, 107 vorgesehen sind. Diese beiden Heizelemente 105, 107 weisen eine mäanderförmige Struktur auf, welche sich bei Beaufschlagen mit elektrischem Strom erwärmt.
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Die Heizelemente 105, 107 sind derart auf dem planaren Substrat aufgebracht, dass sich die jeweiligen Mäanderstrukturen überlappen. Hierbei greifen die Kämme der Strukturen ineinander, ohne dass sich diese dabei überlagern. Dies ist nur in dem Fall möglich, dass die Heizelemente 105, 107 in Dünnschicht-, bzw. Dickschichttechnik aufgebracht wurden. In dem Falle, dass es sich bei den Heizelemente 105, 107 um diskrete, bereits gefertigte Komponenten handelt, welche mittels Lötens auf das Substrat 101 aufgebracht sind, ist eine Überlappung nicht möglich.
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Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist nicht auf die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Neben den in 1 und 2 gezeigten Anzahl und Anordnung der Funktionselemente kann die Anzahl und Art der Funktionselemente 104, 105, 106, 109, 107 spezifisch für die jeweilige Anwendung ausgewählt sein. Hierdurch lassen sich verschiedene weitere Arten von thermischen Strömungssensoren 1 realisieren. Beispielsweise kann ein thermischer Strömungssensor vorgesehen 1 sein, der sehr klein dimensioniert ist und lediglich zwei Funktionselemente 104, 105, 106, 109, 107 aufweist. Dieser thermische Strömungssensor 1 kann beispielsweise für eine eindimensionale Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mittels des kalorimetrischen Messprinzips vorgesehen sein.
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3 zeigt zwei Befestigungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen thermischen Strömungssensors 1. Wie in 1 und 2 gezeigt, sind die Funktionselemente 104, 105, 106, 107, 109 auf einer ersten Oberfläche 102 des planaren Substrats 101 aufgebracht. Auf einer zweiten, der ersten Oberfläche 102 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 103 des planaren Substrats 101 weist das planare Substrat 101 eine Metallisierung auf.
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Mithilfe der Metallisierung ist der thermische Strömungssensor 1 auf einer Oberfläche der insbesondere metallischen Rohrleitung 2 (siehe linke Seite der 3) verbindbar, welche von dem Messmedium M durchströmt wird. Die Verbindung des Substrats 101 mit der Oberfläche der Rohrleitung 2 wird mittels Löten hergestellt. Diese Lötverbindung stellt eine Verbindungsart mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Metall der Rohrleitung 2 und dem Substrat 101 dar. Dadurch ist ein schneller Wärmeübertrag zwischen den Funktionselementen 105, 106, 107, 109 und dem Messmedium M gewährleistet, wodurch der thermische Strömungssensor 1 eine sehr kurze Ansprechzeit aufweist.
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Alternativ ist der thermische Strömungssensor
1 auf die innere Grundfläche eines Trägerelements
3 in Form eines metallischen Röhrchens
3, beispielsweise eines Thermowells, mittels der Lötverbindung aufgebracht (siehe rechte Seite der
3). Dieses Röhrchen
3 wird durch eine Öffnung der Rohrleitung
2 in das Innere der Rohrleitung
2, insbesondere orthogonal zur Flussrichtung
eingebracht. Der thermische Strömungssensor ist hierbei jederzeit frei von dem Messmedium
M.
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Alternativ zu der Lötverbindung ist der thermische Strömungssensor 1 mittels einer Klebeverbindung auf die Rohrleitung 2, bzw. auf/in das Trägerelement 3 aufbringbar. Es kann auch vorgesehen sein, dass das planare Substrat 101 aus einer selbstklebenden Isolierschicht gefertigt ist, wobei die zweite Oberfläche 103 des planaren Substrats 101, mit der Oberfläche des Trägerelements 3, bzw. mit der Oberfläche der Rohrleitung 2, durch eine selbstklebende Haftung verbindbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermischer Strömungssensor
- 101
- planares Substrat
- 102, 103
- Oberflächen des planaren Substrats
- 104, 105, 106, 107
- Funktionselemente
- 108
- Kontaktpad
- 109
- weiteres Funktionselement
- 2
- Rohrleitung
- 3
- Trägerelement
- M
- Messmedium
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- Flussrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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