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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Messen eines Durchflusses
eines Fluids (Strömungsmittel).
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Verfahren
zum Messen des Durchflusses eines Fluids werden allgemein in zwei
Typen eingestuft: Heizstrommessung und Temperaturdifferenzmessung.
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Das
Heizstrommessverfahren umfasst ein Erfassen eines Heizstromes, der
zum Erhalten eines Heizwiderstandes auf einem konstanten Temperaturenpegel
erforderlich ist, um einen Fluiddurchfluss zu messen. Das Temperaturdifferenz-Messverfahren andererseits
umfasst Halten der Temperatur eines Heizwiderstandes auf einem konstanten
Pegel und Erfassen einer Differenz in der Temperatur zwischen einem
oberstromigen Temperaturmesswiderstand, der auf der oberstromigen
Seite vorgesehen ist, und einem unterstromigen Temperaturmesswiderstand,
der auf der unterstromigen Seite des Heizwiderstandes vorgesehen
ist, um den Fluiddurchfluss zu messen. Ein derartiges Temperaturdifferenz-Messverfahren wird
in der Form einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung in der japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 5-7659 (1993) offengelegt.
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Die
beiden oben beschriebenen konventionellen Verfahren haben jeweils
die folgenden Nachteile.
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Eine
Fluiddurchfluss-Messvorrichtung, die das Heizstrommessverfahren
implementiert, ist beim Verkleinern ungünstig und kann eine geringe
Durchflussrate mit viel Schwierigkeit messen.
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Das
Fluiddurchfluss-Messvorfahren, das das Temperaturdifferenz-Messverfahren
einsetzt, ist andererseits beim Verkleinern günstig und kann eine geringe
Durchflussrate messen. Wenn jedoch der Fluiddurchfluss erhöht wird,
verbleibt die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstands
nicht weiter vermindert und die des unterstromigen Temperaturmesswiderstands
kann weiter vermindert sein. Dies wird die Empfindlichkeit herabsetzen
und den dynamischen Bereich einengen, wenn der Fluiddurchfluss ansteigt.
Da sich die Temperatur des Temperaturmesswiderstands durch eine Änderung
in dem Durchfluss ändert,
vermindert sich auch die Reaktion der Vorrichtung.
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Aus
JP 2-120620 A ist eine Durchflussmessvorrichtung bekannt, die den
Durchfluss eines Fluids basierend auf einer Wärme-Differenz zwischen einer oberstromigen
Seite und einer unterstromigen Seite eines Heizelements misst, das
in dem Fluid vorgesehen ist. Die bekannte Vorrichtung umfasst einen
oberstromigen Temperatursensorwiderstand, der an der oberstromigen
Seite des Heizelements zum Messen einer ersten Temperatur vorgesehen
ist und einen unterstromigen Temperatursensorwiderstand, der an
der unterstromigen Seite des Heizelements zum Messen einer zweiten
Temperatur vorgesehen ist. Eine elektrische Schaltung der bekannten
Vorrichtung steuert die dem Heizelement zugeführte Leistung, um eine Durchschnittstemperatur des
oberstromigen Temperatursensors bzw. des unterstromigen Temperatursensors
auf einem vorbestimmten Pegel zu halten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Fluiddurchfluss-Messverfahren
vorzusehen, das beim Verkleinern günstig ist, Empfindlichkeit
und die Reaktion verbessert und den dynamischen Bereich erweitert.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß erreicht
mit Hilfe von Durchflussmessvorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1,
4 oder 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus
den Unteransprüchen.
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In
der einen Ausgestaltung misst die erfindungsgemäße Durchflussmessvorrichtung
einen Fluiddurchfluss basierend auf einer Wärme-Differenz zwischen einer
oberstromigen Seite und einer unterstromigen Seite eines Wärmeelements,
das in dem Fluid vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst einen oberstromigen
Temperatursensor, vorgesehen auf der oberstromigen Seite des Wärmeelements,
der eine erste Temperatur misst, und einen unterstromigen Temperatursensor,
vorgesehen auf der unterstromigen Seite des Wärmeelements, der eine zweite
Temperatur misst. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Schaltung,
die eine Leistung an das Wärmeglied
steuert, um einen durchschnittlichen Temperaturpegel der ersten
Temperatur, die durch den oberstromigen Temperatursensor gemessen
wird, und der zweiten Temperatur, die durch den unterstromigen Temperatursensor
gemessen wird, auf einem vorbestimmten Pegel zu halten.
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Die
Durchflussmessvorrichtung umfasst weiter: ein oberstromiges Wärmeelement,
vorgesehen zwischen dem Wärmeelement
und dem oberstromigen Temperatursensor, das Wärme basierend auf der Leistung,
die durch die Schaltung gesteuert wird, erzeugt; und ein unterstromiges
Wärmeelement,
vorgesehen zwischen dem Wärmeelement
und dem unterstromigen Temperatursensor, das Wärme basierend auf der Leistung,
die durch die Schaltung gesteuert wird, erzeugt. Die Schaltung steuert
eine jeweilige Leistung an das oberstromige Wärmeelement und das unterstromige
Wärmeelement,
um die erste Temperatur, gemessen durch den oberstromigen Temperatursensor,
und die zweite Temperatur, gemessen durch den unterstromigen Temperatursensor,
im wesentlichen gleich zu erhalten und misst den Fluiddurchfluss
basierend auf der Differenz zwischen der jeweiligen Leistung.
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Die
Schaltung kann dafür
ausgelegt sein, den vorbestimmten Pegel basierend auf einer Temperatur des
Fluids zu modifizieren.
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Die
Schaltung kann ferner dafür
ausgelegt sein, den vorbestimmten Pegel basierend auf dem Fluiddurchfluss
zu modifizieren.
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In
der anderen Ausgestaltung misst die erfindungsgemäße Durchflussmessvorrichtung
einen Fluiddurchfluss basierend auf einer Wärme-Differenz zwischen einer
stromaufwärtigen
Seite und einer stromabwärtigen
Seite eines Wärmeelements,
das in dem Fluid vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst dazu einen
ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten, einen fünften und
einen sechsten wärmeempfindlichen
Widerstand, die in einer Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts vorgesehen.
sind. Jeder Widerstand hat Funktionen als eine Heizvorrichtung zum
Erzeugen von Wärme
und als ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur. Die Vorrichtung
umfasst weiter eine Schaltung, die Leistung an jeden wärmeempfindlichen
Widerstand steuert, um zu heizen. Die Schaltung steuert eine jeweilige
Leistung an die dritten und die vierten wärmeempfindlichen Widerstände, um
erhöhte
Temperaturpegel der zweiten und der fünften wärmeempfindlichen Widerstände im wesentlichen
gleich zu erhalten. Die Schaltung steuert ferner eine jeweilige
Leistung an die zweiten und die fünften wärmeempfindlichen Widerstände, um
erhöhte
Temperaturpegel der ersten und sechsten wärmeempfindlichen Widerstände im wesentlichen
gleich zu erhalten. Die Schaltung misst den Fluiddurchfluss basierend
auf der Differenz zwischen der jeweiligen Leistung an die dritten
und die vierten wärmeempfindlichen
Widerstände
und der Differenz zwischen der jeweiligen Leistung an die zweiten
und die fünften
wärmeempfindlichen
Widerstände.
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Alternativ
kann die Vorrichtung ferner einen Heizwiderstand, der zwischen den
dritten und den vierten wärmeempfindlichen
Widerständen
vorgesehen ist, umfassen. Die Schaltung steuert eine Leistung an
den Heizwiderstand, um einen durchschnittlichen Temperaturpegel
der ersten und der sechsten wärmeempfindlichen
Widerstände
auf einem vorbestimmten Pegel zu erhalten.
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In
einer anderen Ausgestaltung umfasst eine Durchflussmessvorrichtung
gemäß der Erfindung
zum Messen eines Durchflusses eines Fluids basierend auf einer Wärme-Differenz zwischen
einer stromaufwärtigen
Seite und einer stromabwärtigen
Seite eines Wärmeelements
ein Wärmeelement,
das in dem Fluidfluss vorgesehen ist, zum Erwärmen des Fluids auf eine vorbestimmte
Temperatur; einen oberstromigen Temperatursensor, der an der oberstromigen
Seite des Wärmeelements
angeordnet ist, zum Messen einer ersten Temperatur; einem unterstromigen
Temperatursensor, der an der unterstromigen Seite des Wärmeelements
angeordnet ist, zum Messen einer zweiten Temperatur; und eine Schaltung
zum Verändern
der vorbestimmten Temperatur entsprechend einem Fluiddurchfluss
derart, dass die Durchflussabhängigkeit
einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur
linear ist.
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Die
Schaltung kann angeordnet sein, um den vorbestimmten Pegel basierend
auf einer Temperatur des Fluids zu modifizieren.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind folgende.
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Da
die Energieversorgung an das Wärmeglied
durch die Steuerschaltung derart gesteuert wird, um den Durchschnitt
von Temperaturmessungen der beiden Sensoren auf einem vorbestimmten
Pegel zu erhalten, kann der Temperaturpegel von sowohl der oberstromigen
als auch der unterstromigen Temperatursensoren hoch bleiben, sogar
wenn sich der Durchfluss erhöht.
Dies trägt
zur Verbesserung der Empfindlichkeit bei einer großen Durchflussmenge
und zur Vergrößerung des
dynamischen Bereiches bei. Die Vorrichtung erlaubt auch, dass die
Temperaturmessungen der oberstromigen und unterstromigen Temperatursensoren
einer Rückführungssteuerung
unterzogen werden, infolgedessen ihre Reaktion im Vergleich mit
einer konventionellen Vorrichtung mit offenem Regelkreis verbessert
wird.
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Da
die Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen Temperatursensoren
ungeachtet einer Erhöhung des
Fluiddurchflusses konstant bleiben, kann die Reaktion der Vorrichtung
verbessert werden. Ferner sind die oberstromigen und unterstromigen
Heizelemente vorgesehen und ermöglichen
den oberstromigen und unterstromigen Sensoren auf höheren Temperaturpegeln
zu bleiben, womit sich die Empfindlichkeit bei einer großen Durchflussrate
erhöht
und der dynamischen Bereich erweitert.
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Da
die Differenz in der Temperatur zwischen den Sensoren und dem Fluid
unabhängig
von der Temperatur des Fluids bleibt, kann der Durchfluss ungeachtet
jeglicher Änderung
der Fluidtemperatur stetig gemessen werden. Das Ausgangssignal ist
in Bezug auf den Durchfluss linear, womit ein jeglicher Fehler,
der durch pulsierende Durchflüsse
verursacht wird, minimiert wird.
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Die
Differenz in der Ausgangsspannung der zweiten und fünften Temperaturmesswiderstände von
den sechs Temperaturmesswiderständen,
die entlang eines Durchflusspfads von stromaufwärts nach stromabwärts ausgerichtet
sind, schwankt stark, wenn der Durchfluss niedrig ist. Andererseits
schwankt die Differenz in der Ausgangsspannung der dritten und vierten
Temperaturmesswiderstände
stark, wenn der Durchfluss hoch ist. Somit kann eine Durchflussmessung
mit hoher Empfindlichkeit und breitem Durchflussbereich erreicht
werden. Dies erlaubt den Temperaturmessungen der oberstromigen und
unterstromigen Temperaturwiderstände,
in einer Rückführung gesteuert
zu werden, womit die Reaktion der Vorrichtung verbessert wird.
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Selbst
wenn der Durchfluss ansteigt, verbleiben ersten bis sechsten Temperaturmesswiderstände in dem
Temperaturpegel hoch. Dies kann die Empfindlichkeit bei einer großen Menge
des Durchflusses effektiv erhöhen
und erweitert den dynamischen Bereich. Außerdem bleiben die oberstromigen
und die unterstromigen Temperaturmesswiderstände in den Temperaturpegeln
konstant, infolgedessen die Reaktion der Vorrichtung verbessert
wird.
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Da
die Differenz in der Temperatur zwischen den Widerständen und
dem Durchfluss unabhängig
von der Fluidtemperatur konstant bleibt, kann der Durchfluss ungeachtet
jeglicher Änderung
in der Fluidtemperatur stetig gemessen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit ihren bevorzugten
Ausführungsformen
in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen
zeigt:
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1 ein
Diagramm eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
zur Erläuterung
des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht einer ausgedünnten
Zone 3;
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3 ein
Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit Widerständen 4, 5 und 6;
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4 ein
grafisches Diagramm der Temperaturpegel des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 in Bezug
auf den Fluiddurchfluss;
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5 ein
grafisches Diagramm der Abhängigkeit
einer Differenz in der Temperatur zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 von dem Durchfluss;
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6 ein
Schaltdiagramm einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit Widerständen 4, 5 und 6 zur
Erläuterung
des technischen Hintergrunds;
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7 ein
Diagramm eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
gemäß Ausführungsform
1 der Erfindung;
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8 ein
Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit Widerständen 5, 6, 28 und 29 von Ausführungsform
1 ist;
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9 ein
Diagramm der Beziehung zwischen den Anschlussspannungspegeln der
Widerstände 28 und 29 (8)
und dem Spannungspegel eines Ausgangsanschlusses 16 (8);
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10 ein
Diagramm einer Prozedur eines Erzeugens einer analogen Ausgabe von
der Ausgangsspannung 38;
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11 ein
grafisches Diagramm eines Verlaufs 39 der Beziehung zwischen
dem Durchfluss und dem Tastverhältnis
in Ausführungsform
1;
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12 ein
Diagramm einer Prozedur eines Ausgebens der in 10 gezeigten
Ausgangsspannung Vout in einer digitalen Form gemäß einer
Ausführungsform
2;
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13 ein
Diagramm einer Prozedur eines Ausgebens einer Tastverhältnisdifferenz
gemäß einer Ausführungsform
3;
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14 ein
grafisches Diagramm eines Verlaufs 40 der Beziehung zwischen
dem Durchfluss und der Tastverhältnisdifferenz
in Ausführungsform
4;
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15 ein
Diagramm einer Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe
von einer Spannung 48 (Vhu) an dem positiven Anschluss 34 eines
oberstromigen Heizwiderstandes 28 (8) und einer
Spannung 49 (Vhd) an dem positiven Anschluss 35 eines
unterstromigen Heizwiderstandes 29 (8);
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16 eine
Ansicht eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
gemäß Ausführungsform
5;
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17 ein
Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit einem Fluidtemperaturmesswiderstand 55 von
Ausführungsform
5;
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18 ein
Schaltdiagramm zum Herstellen einer Spannung Ve gemäß Ausführungsform
6;
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19 ein
Schaltdiagramm einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit einem Fluidtemperaturmesswiderstand 55,
der gemäß Ausführungsform
7 vorgesehen wird;
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20 ein
grafisches Diagramm der Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz ΔTh und dem
Fluiddurchfluss;
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21 ein
grafisches Diagramm eines Verlaufs 57 der Temperaturdifferenz ΔTh in Bezug
auf den Durchfluss;
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22 ein
grafisches Diagramm eines linearen Verlaufs 58 der Temperaturdifferenz ΔTs zwischen zwei
Widerständen 5 und 6 basierend
auf der Temperaturdifferenz ΔTh
zwischen dem Fluid und dem in 21 gezeigten
Widerstand 4;
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23 eine
erläuternde
Ansicht eines Verlaufs eines pulsierenden Durchflusses;
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24 eine
erläuternde
Ansicht eines anderen Verlaufs eines pulsierenden Durchflusses;
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25 eine
Ansicht eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
gemäß Ausführungsform
9;
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26 ein
Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit sechs Widerständen von
Ausführungsform
9;
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27 ein
Diagramm der Beziehung zwischen den Anschlussspannungen von Widerständen 68 bis 71 (26)
und den Spannungen von Ausgangsanschlüssen 16 und 81 (26);
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28 ein
Diagramm der Beziehung zwischen Vout1, Vout2 und Vh1 bis Vh4;
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29 ein
Diagramm einer Prozedur eines Erzeugens einer Abschlussausgabe;
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30 ein
grafisches Diagramm der Endausgangsspannung 97, erzeugt
aus zwei Ausgangsspannungen 94 und 95;
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31 ein
Diagramm einer Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe
von den zwei Ausgangsspannungen 86 (Vout1) und 87 (Vout2),
die in 29 gezeigt werden;
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32 ein
Diagramm einer Prozedur eines Erzeugens einer Tastverhältnisdifferenz;
-
33 ein
Diagramm einer anderen Prozedur eines Erzeugens einer digitalen
Ausgabe von den zwei Ausgangsspannungen 86 (Vout1) und 87 (Vout2),
die in 29 gezeigt werden;
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34 eine
Ansicht eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
gemäß Ausführungsform
13; und
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35 eine
Ansicht eines Messabschnitts einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
gemäß Ausführungsform
14.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Einige
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben. Gleiche Funktionsbestandteile werden durch
gleiche Bezugszeichen überall
in den Zeichnungen bezeichnet.
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1 stellt
einen Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung zur Erläuterung
des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung dar. Die
Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
hat einen Heizwiderstand 4, der aus einem temperaturempfindlichen
Material wie etwa Platin hergestellt wird, einen oberstromigen (auch:
stromaufwärtigen)
Temperaturmesswiderstand 5 und einen unterstromigen (auch:
stromabwärtigen) Temperaturmesswiderstandes 6 als
Temperatursensoren, alle an einer ausgedünnten Zone 3 deren
Siliziumsubstrats 1 befestigt. Die Widerstände 4, 5 und 6 sind
durch Verdrahtungen 9, die an dem anderen Ende mit Lötaugen 10 gekoppelt
sind, verbunden. Die Lötaugen 10 sind
mit einer externen Schaltung durch Drahtbonden oder dergleichen
verbunden. 2 ist eine Querschnittsansicht
der ausgedünnten
Zone 3, genommen entlang der Linie II-II von 1.
Die ausgedünnte
Zone 3 umfasst ein Paar von isolierenden Schichten 7 und 8,
zwischen denen die Widerstände 4, 5 und 6 vorgesehen
sind. Die ausgedünnte
Zone 3 hat einen Teil von Silizium durch Ätzen von
ihrer Rückseite
entfernt, wodurch ein leerer Raum 2 ausgebildet wird.
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Das
Prinzip eines Betriebes der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit
eines Fluids (z.B. Luft) wird nachstehend erläutert. Zuerst wird der Heizwiderstand 4 auf
eine Temperatur, die höher
als die des Siliconsubstrats 1 ist, erwärmt (z.B. 200°C). Es wird
verstanden, dass die Temperatur des Siliziumsubstrats 1 im
wesentlichen gleich der der umströmenden Luft ist. Wenn der Luftdurchfluss
fehlt, wird die Wärme,
die durch den Heizwiderstand 4 erzeugt wird, gleich an
sowohl die oberstromigen als auch die unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 übertragen.
Dies ist richtig, weil die oberstromigen und die unterstromigen
Temperaturmesswiderstände 5 und 6 in
Bezug auf den Heizwiderstand 4 symmetrisch angeordnet sind,
wie gezeigt. Zu der Zeit gibt es keinen Unterschied in der Temperatur
zwischen den oberstromigen und den unterstromigen Temperaturmesswiderständen 5 und 6,
infolgedessen kein Unterschied im Widerstand erzeugt wird. Es wird
nun angenommen, dass der Luftdurchfluss in einer Richtung, die durch
den Pfeil DURCHFLUSS in 2 bezeichnet wird, verläuft. Da
der Luftdurchfluss in Richtung des Heizwiderstands 4 Wärme abzieht
und somit den oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5,
der stromaufwärts
gelegen ist, abkühlt, überträgt er die
Wärme an
den unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6, der stromabwärts gelegen ist.
Eine resultierende Differenz in der Temperatur zwischen den beiden
Temperaturmesswiderständen 5 und 6 wird
in eine Differenz in dem Widerstand und Spannung übersetzt,
aus denen der Durchfluss und die Geschwindigkeit von der Luft berechnet
werden.
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3 ist
ein Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit den Widerständen 4, 5 und 6. Der
oberstromige Temperaturmesswiderstand 5 (Rsu) und der unterstromige
Temperaturmesswiderstand 6 (Rsd) sind verbunden mit und
führen
einen konstanten Strom Is von einer Konstantstromquelle 13 zu.
Zwei Spannungen (Vsu und Vsd), die über ihre entsprechenden Widerstände Rsu5
und Rsd6 gemessen werden, werden von einer Additionsschaltung 15 empfangen.
Angenommen, dass die Verstärkung
der Additionsschaltung 15 G ist, wird eine Ausgangsspannung
Vadd der Additionsschaltung 15 ausgedrückt durch: Vadd =
Ve – G(Vsu
+ Vsd) (Gleichung 1)
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Die
Ausgangsspannung Vadd der Additionsschaltung
15 wird mit
einer Spannung
19 (Vt), die durch Teilen einer konstanten
Spannung
12 (Vs) unter Verwendung zweier fester Widerstände R1 und
R2 erzeugt wird, verglichen. Dem Heizwiderstand
4 wird
dann ein derartiger Pegel einer Leistung von einem Leistungstransistor
20 zugeführt, dass
die beiden Spannungen einander gleich sind. Die Spannung Vt, die
durch Teilen der konstanten Spannung Vc erzeugt wird, wird ausgedrückt durch:
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Wenn
Vt = Vadd, dann wird die folgende Gleichung aus Gleichungen 1 und
2 aufgestellt.
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Angenommen,
dass der Widerstand der beiden Temperaturmesswiderstände 5 und 6 Rs0
bei einer Temperatur von 0°C
ist, der Widerstandstemperaturfaktor αs ist und die Temperaturen Tsu
bzw. Tsd sind, werden die beiden Spannungen Vsu und Vsd über ihre
jeweiligen Widerstände
Rsu5 und Rsd6 aus Gleichungen 4 bzw. 5 berechnet, Vsu = RsuIs = Rs0(1
+ αsTsu)Is (Gleichung
4) Vsd = RsdIs = Rs0(1 + αsTsd)Is (Gleichung 5)
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Danach
wird das Folgende aufgestellt als: G(Vsu + Vsd) = G{(2Rs0 + αs(Tsu
+ Tsd))}Is
= 2GRs0Is + Gαs(Tsu
+Tsd)Is (Gleichung 6)
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Die
folgende Gleichung wird ferner aus Gleichungen 3 und 6 aufgestellt.
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Die
Ausdrücke
auf der rechten Seite von Gleichung 7 sind alles Konstanten; deshalb
ist die rechte Seite der Gleichung 7 konstant. Entsprechend kann
die in 3 gezeigte Schaltschemaanordnung zum Erhalten des
Durchschnitts der Temperaturpegel Tsu und Tsd der oberstromigen
und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 auf
einem konstanten Pegel verwendet werden.
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Bezugnehmend
ferner auf 3, sind die beiden Temperaturmesswiderstände 5 und 6 mit
einem Differentialverstärker 17 verbunden.
Der Differentialverstärker 17 gibt
eine Potenzialdifferenz zwischen den zwei Spannungen Vsu und Vsd,
gemessen über
den zwei Widerständen
Rsu5 und Rsd6, als seine Ausgangsspannung Vout von seinem Anschluss 16 aus.
Genauer noch, wird die Ausgangsspannung Vout ausgedrückt durch: Vout = Vsd – Vsu
=
Rs0αs(Tsd – Tsu)Is (Gleichung 8)
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Wie
aus Gleichung 8 ersichtlich ist, ist die Ausgangsspannung Vout proportional
eine Differenz zwischen der Temperatur Tsu des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
der Temperatur Tsd des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6.
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Zum
Berechnen des Fluiddurchflusses aus der Ausgangsspannung Vout wird
gemeinsam eine Tabelle verwendet, die die Beziehung zwischen dem
Durchfluss und der Ausgangsspannung anzeigt. Die Tabelle kann in
einem Speicher gespeichert werden (nicht gezeigt), der in die Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
eingebaut ist. Die Operation des Verweisens auf die Tabelle kann
durch eine zentrale Operationseinheit (nicht gezeigt) durchgeführt werden,
die in der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
vorgesehen ist. Alternativ kann die Tabelle durch eine mathematische
Funktion ersetzt werden, wo die Ausgangsspannung Vout als eine Variable
verwendet wird, um den Durchfluss als einen Ausgangswert zu berechnen.
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4 ist
ein grafisches Diagramm, das einen Verlauf der Temperatur der oberstromigen
und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 in
Beziehung auf den Fluiddurchfluss zeigt. Der Verlauf basiert auf
dem Ergebnis einer Simulation durch ein Wärmeschaltungsnetzschema. Die
Kurven 21 und 22 repräsentieren die Temperaturen
der beiden oberstromigen bzw. unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 zur
Erläuterung
des technischen Hintergrunds der Erfindung. Andererseits repräsentieren
die Kurven 23 und 24 die Temperaturen von oberstromigen
und unterstromigen Temperaturmesswiderständen 5 und 6 in
einer eingangs erwähnten
konventionellen Durchflussmessvorrichtung. Während der Fluiddurchfluss ansteigt, fallen
beide Temperaturen der unterstromigen und oberstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 in
der konventionellen Durchflussmessvorrichtung ebenso wie ihre Durchschnittspegel.
Wie mit Gleichung 7 beschrieben, werden die oberstromigen und die
unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 in
dieser Ausführungsform
gesteuert, um ihre Temperaturdurchschnitte auf einem konstanten
Pegel zu halten. Dies ermöglicht
der Temperatur (bezeichnet durch die Kurve 22) des unterstromigen
Temperaturmesswiderstandes 6 erhöht zu werden, während die
Temperatur (bezeichnet durch die Kurve 21) des oberstromigen
Temperaturmesswiderstandes 5 abfällt, während der Durchfluss ansteigt.
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Eine
Verringerung durch den Durchfluss in der Temperatur (bezeichnet
durch die Kurve 21) des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 in
dieser Ausführungsform
ist kleiner als die (bezeichnet durch die Kurve 23) des
oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 in der konventionellen
Vorrichtung. Wenn entsprechend der Durchfluss ansteigt und eine
erhebliche Rate erreicht, wird die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 in
dieser Ausführung
höher als
die des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 in der
konventionellen Vorrichtung. Wenn messbare Pegel der Temperatur
in einem vorbestimmten Bereich begrenzt sind und die untere Grenze
des Bereiches 65°C
ist, kann der Durchfluss bis zu einer Rate von ungefähr 60 g/s
durch die konventionelle Vorrichtung gemessen werden, wie aus der
Kurve 23 zu ersehen ist. Die Vorrichtung von Ausführung 1
kann jedoch hoch bis zu einer Rate von 200 g/s messen. Der oberstromige
Temperaturmesswiderstand 5 in einer Vorrichtung gemäß 1 kann
somit eine größere Rate
des Durchflusses messen als der der konventionellen Vorrichtung.
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5 ist
ein grafisches Diagramm, das die Abhängigkeit einer Differenz in
der Temperatur zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 von dem Durchfluss
zeigt. Die Kurve 25 repräsentiert eine Differenz in
der Temperatur zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6. Die Kurve 26 repräsentiert
eine Differenz in der Temperatur zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand
und dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand in der konventionellen
Vorrichtung. Wie oben beschrieben, bleibt die Temperatur des oberstromigen
Temperaturmesswiderstandes 5 in einer Vorrichtung gemäß 1 bei
einer größeren Rate
des Durchflusses variabel, während
die Temperatur des unterstromigen Temperaturmesswiderstands 6 mit
dem Durchfluss ansteigt. Entsprechend kann die Temperaturdifferenz
bei einer größeren Rate
des Durchflusses als der in der konventionellen Vorrichtung variabel
bleiben und ihre Abhängigkeit
von dem Durchfluss wird größer sein.
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Die
Vorrichtung von Ausführungsform
1 ermöglicht
der Temperaturdifferenz zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 bei einer
größeren Rate
eines Durchflusses als der in der konventionellen Vorrichtung variabel
zu verbleiben. Als ein Ergebnis kann die Empfindlichkeit für eine Messung
bei einem höheren
Bereich der Durchflussrate verbessert werden, infolgedessen zu dem
größeren dynamischen
Bereich der Vorrichtung beigetragen wird. Da außerdem die Temperaturen der
oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 einer
Rückführungssteuerung
unterzogen werden, kann die Vorrichtung in der Reaktion höher sein
als die einer jeglichen konventionellen Vorrichtung mit offenem
Regelkreis.
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Wie
in 3 gezeigt, setzt die Vorrichtung gemäß 1 die
Additionsschaltung 15 zum Berechnen der durchschnittlichen
Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 ein. Ausführungsform
2 jedoch verwendet mit gleichem Erfolg eine andere Schaltung, wie
nachstehend erläutert
wird.
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6 ist
ein Schaltdiagramm einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit Widerständen 4, 5,
und 6. Wie in 6 gezeigt, ist der oberstromige
Temperaturmesswiderstand 5 an einem Ende seriell mit dem
unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 und am anderen
Ende mit einer Konstantstromquelle 13, die einen konstanten
Strom Is einspeist, verbunden. Die Spannung 27 (Vs) an
der Hochpotenzialseite der oberstromigen und der unterstromigen
Temperaturmesswiderstände 5 und 6 wird
ausgedrückt
durch: Vs = (Rsu
+ Rsd)Is
= 2Rs0Is + Rs0αs(Tsu
+ Tsd)Is (Gleichung 9)
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Ähnlich zu
Vadd in Ausführungsform
1 hängt
die Spannung 27 von (Tsu + Tsd) ab.
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Ein
Differentialverstärker 17 erzeugt
eine Differenz zwischen der Spannung über dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
der Spannung über
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6.
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Diese
Anordnung ermöglicht
einer Differenz in der Temperatur zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 bei einer
größeren Menge
des Durchflusses als der in der konventionellen Vorrichtung variabel
zu bleiben. Entsprechend wird die Empfindlichkeit für eine Messung
bei einem höheren
Bereich der Durchflussmenge verbessert, womit zu dem breiteren dynamischen
Bereich der Vorrichtung beigetragen wird.
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In
jeder der Anordnungen gemäß 1 oder 6 wird
die Konstantstromquelle 13 zum Zuführen eines konstanten Stromes
an die oberstromigen und die unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 verwendet.
Alternativ kann mit gleichem Erfolg eine Konstantspannungsquelle
eingesetzt werden. Da außerdem
die Temperaturen der oberstromigen und der unterstromigen Temperatursensoren 5 und 6 einer
Rückführungssteuerung
unterzogen werden, kann die Vorrichtung in der Reaktion höher als
eine jegliche konventionelle Vorrichtung mit offenem Rückführungskreis
sein.
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(Ausführungsform 1)
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7 veranschaulicht
einen Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung von Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung. Die Fluiddurchfluss-Messvorrichtung
hat einen zentralen Heizwiderstand 4, einen oberstromigen
Temperaturmesswiderstand 5, einen unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6,
einen oberstromigen Heizwiderstand 28 und einen unterstromigen
Heizwiderstand 29, die an einer ausgedünnten Zone 3 deren
Substrats 1 befestigt sind. Der oberstromige Heizwiderstand 28 ist
verbunden (angrenzend an und) zwischen dem zentralen Heizwiderstand 4 und
dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5, während der
unterstromige Heizwiderstand 29 verbunden ist (angrenzend
an und) zwischen dem zentralen Heizwiderstand 4 und dem
unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6. Die anderen
Komponenten und ihre Anordnung sind jenen in 1 und 2 gezeigten
identisch.
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In
Ausführungsform
1 besteht die gleiche Schaltung wie die in 3 gezeigte
aus dem zentralen Heizwiderstand 4, dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6, wobei eine
Leistung, die in den zentralen Heizwiderstand 4 eingegeben
wird, gesteuert wird, um den Durchschnitt der Temperaturpegel des
oberstromigen Temperaturmesswiderstands 5 und des unterstromigen
Temperaturmesswiderstands 6 auf einem konstanten Pegel
zu erhalten.
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8 ist
ein Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit den Widerständen 5, 6, 28 und 29 von
Ausführungsform
1. Der oberstromige Temperaturmesswiderstand 5 (Rsu) und
der unterstromige Temperaturmesswiderstand 6 (Rsd) sind
verbunden mit und empfangen einen konstanten Strom von einer Konstantstromquelle 13.
Wie in 8 gezeigt, werden eine Spannung (Vsu) über dem
oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und eine Spannung
(Vsd) über
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 durch den
negativen Eingangsanschluss bzw. den positiven Eingangsanschluss
eines Komparators 30 empfangen. Der Ausgang des Komparators 30 ist
auf einem hohen Pegel, wenn die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstands 5 geringer
ist als die Temperatur des unterstromigen Temperaturmesswiderstands 6 (d.h.
Vsu < Vsd), und
auf einem tiefen Pegel, wenn umgekehrt (d.h. Vsu > Vsd). Der Ausgang
des Komparators 30 ist mit einem Paar von Schaltern 31 und 32 verbunden.
Der Schalter 31 steuert die Verbindung zwischen dem oberstromigen
Heizwiderstand 28 und einer Quelle 11, während der
Schalter 32 die Verbindung zwischen dem unterstromigen
Heizwiderstand 29 und der Quelle 11 steuert.
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Es
wird nun der Betrieb der in 8 gezeigten
Schaltung erläutert.
Wenn der Fluiddurchfluss beginnt, wird die Temperatur des oberstromigen
Temperaturmesswiderstands 5 geringer als die Temperatur
des unterstromigen Temperaturmesswiderstands 6. Genauer
noch wird die Beziehung zwischen den zwei Spannungen ausgedrückt durch
Vsu < Vsd. Dies
veranlasst den Komparator 30, einen Ausgang mit hohen Pegel
auszugeben, wodurch der Schalter 31 eingeschaltet und der
Schalter 32 ausgeschaltet wird. Als ein Ergebnis wird der oberstromige
Heizwiderstand 28 mit der Quelle 11 betrieben.
Wenn der oberstromige Heizwiderstand 28 unter Strom gesetzt
wird, erzeugt er Joulsche Wärme
und heizt den angrenzend gelegenen oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 auf.
Da die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstands 5 höher wird als
die des unterstromigen Temperaturmesswiderstands 6, wird
die Beziehung zwischen ihren jeweiligen Spannungen in Vsu > Vsd umgekehrt. Dies
veranlasst den Komparator 30, einen Ausgang mit tiefem
Pegel auszugeben und den Schalter 31 auszuschalten und
den Schalter 32 einzuschalten, wodurch zwischen dem unterstromigen
Heizwiderstand 29 und der Quelle 11 Strom geleitet
wird. Wenn der unterstromige Heizwiderstand 29 unter Strom
gesetzt wird, erzeugt er Joulsche Wärme und heizt den angrenzend
gelegenen unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 auf.
Da die Temperatur des unterstromigen Temperaturmesswiderstands 6 höher wird
als die des oberstromigen Temperaturmesswiderstands 5,
kehrt die Beziehung zwischen ihren jeweiligen Spannungen zu Vsu < Vsd des Anfangszustands
zurück.
Der Betrieb der beiden Schalter 31 und 32 wechselt
die Verbindung des oberstromigen Heizwiderstands 28 und
des unterstromigen Heizwiderstands 29 mit der Quelle 11,
sodass die oberstromigen und die unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 einander
in der Temperatur gleich sind.
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9 verdeutlicht
die Beziehung zwischen den Anschlussspannungen über die Widerstände 28 und 29 (8)
und der Spannung an einem Ausgangsanschluss 16 (8).
Genauer noch wird die Spannung an dem positiven Anschluss 34 des
oberstromigen Heizwiderstands 28 (8) durch
eine Impulsfolge 36 ausgedrückt. Die Spannung an dem positiven
Anschluss 35 des unterstromigen Heizwiderstands 29 (8)
wird durch eine Impulsfolge 37 ausgedrückt. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 16 (8)
wird durch eine Impulsfolge 38 ausgedrückt. Wenn das Fluid von stromaufwärts fließt, muss
der oberstromige Heizwiderstand 28 (8) durch
einen größeren Leistungspegel
unter Strom gesetzt werden, um den oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 (8)
und den unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 (8)
einander in der Temperatur gleichgesetzt zu haben. Entsprechend
wird die Schließungsdauer
t1 des Schalters 31 (8) länger eingestellt
als die Schließungsdauer
t2 des Schalters 32 (8). Die
Differenz (oder ein Verhältnis)
zwischen den beiden Zeitdauern wird größer sein, wenn der Durchfluss ansteigt.
Wenn der Durchfluss umgekehrt wird, wird diese Beziehung invertiert. 10 verdeutlicht
eine Prozedur eines Erzeugens einer analogen Ausgabe von der Ausgangsspannung 38.
Wie in 10 gezeigt, wird die Ausgangsspannung 38 durch
den Betrieb eines Tiefpassfilters 41 in die analoge Spannung 42 konvertiert.
Die Spannung 42 wird durch ein Tastverhältnis, t1/(t1 + t2), der Ausgangsspannung 38 bestimmt.
Entsprechend kann der Durchfluss des Fluids aus der Spannung 42 übersetzt
werden.
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11 verdeutlicht
einen grafischen Verlauf 39, der die Beziehung zwischen
dem Durchfluss und dem Tastverhältnis
repräsentiert.
Das Tastverhältnis
ist 50% bei Null des Durchflusses und wird erhöht, während der Durchfluss ansteigt.
Der Durchfluss bei dem Tastverhältnis
von 100% wird durch Einstellen der Quellspannung und/oder der Beziehung
zwischen den oberstromigen und unterstromigen Heizwiderständen und
zwischen den oberstromigen und unterstromigen Temperaturmesswiderständen gesteuert.
Wenn die in 10 gezeigte Ausgabeschaltung
verwendet wird, ist ihr Ausgangsverlauf gleich dem in 11 gezeigten.
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Da
der Durchschnitt der Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen
Temperaturmesswiderstände 5 und 6 (3)
auf einem konstanten Pegel erhalten wird und die oberstromigen und
die unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 durch
die in 8 gezeigte Schaltschemaanordnung gesteuert werden,
um einander in der Temperatur gleich zu sein, können die Temperaturen der beiden
Widerstände 5 und 6 überall in
einem Bereich der Durchflussrate konstant bleiben.
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Wie
oben beschrieben, ermöglicht
Ausführungsform
3 den oberstromigen und den unterstromigen Temperaturmesswiderständen 5 und 6 in
der Temperatur ungeachtet des Durchflusses konstant zu bleiben, womit
der dynamische Bereich der Vorrichtung erhöht wird. Da ferner die Temperatur
durch eine Schwankung des Durchflusses nicht verändert wird, kann die Vorrichtung
in der Reaktion verbessert werden. Da außerdem die Temperatur der Widerstände bei
100°C oder
höher gehalten
wird, können
sie jegliche Wassertropfen augenblicklich verdampfen. Entsprechend
werden unerwünschte
Abweichungen, die durch die Wassertropfen verursacht werden, minimiert.
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(Ausführungsform 2)
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12 erläutert eine
Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe aus der Ausgangsspannung Vout,
die in 10 dargestellt wird. Wenn die
Ausgangsspannung 38 und ein Hochfrequenzimpulssignal 43 durch
einen Multiplizierer 44 multipliziert werden, umfasst ein
resultierender Ausgang Gruppen von Hochfrequenzimpulsen 45,
die aufbewahrt werden, wenn die Ausgangsspannung 38 auf
einem hohen Pegel ist (d.h. während
der in 9 gezeigten Zeitdauer t1). Die Gruppen der Hochfrequenzimpulse 45 werden
durch einen Impulszähler 46 für eine vorbestimmte
Zeitdauer gezählt,
um ein digitales Signal 47 zu bestimmen.
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Da
die Ausgangsspannung in ihre digitale Form konvertiert wird, bietet
diese Ausführungsform
denselben Effekt wie von Ausführungsform
1. Somit kann eine leichtere Anwendung auf eine zentrale Verarbeitungseinheit
(hierin nachstehend als eine CPU bezeichnet) eines Computers erreicht
werden.
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(Ausführungsform 3)
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Das
Tastverhältnis
von t1/(t1 + t2) in Ausführungsform
3 kann durch eine Tastverhältnisdifferenz
(t1 – t2)/(t1
+ t2) ersetzt werden. 13 erläutert eine Prozedur eines Erzeugens
einer Tastverhältnisdifferenz.
Die Prozedur beginnt mit einem Durchlaufen einer Ausgangsspannung 48 (Vhu)
an dem positiven Anschluss 34 des oberstromigen Heizwiderstandes 28 (8)
und einer Ausgangsspannung 49 (Vhd) an dem positiven Anschluss 35 des
unterstromigen Heizwiderstandes 29 (8) durch
ein Paar von Tiefpassfiltern 41, um jeweils zwei analoge
Ausgangsspannungen zu haben. Die analogen Ausgangsspannungen werden
an eine Subtraktionsschaltung 50 übertragen, wo eine von den
beiden von der anderen subtrahiert wird, um eine analoge Spannung 51 entsprechend
einer Tastverhältnisdifferenz
(t1 – t2)/(t1
+ t2) zu entwickeln. 14 erläutert einen Verlauf 40,
der die Beziehung zwischen dem Durchfluss und der Tastverhältnisdifferenz
in der Anordnung von 5 darstellt. Die Tastverhältnisdifferenz
(t1 – t2)/(t1
+ t2) hängt
von dem Durchfluss ab, wie durch die Kurve 40 in 14 angezeigt
wird. Als ein Ergebnis kann die Ausgangsspannung 51, die
von der in 13 gezeigten Anordnung ausgegeben
wird, einen durchflussabhängigen
Verlauf gleich der Kurve 40 haben.
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Während die
Anordnung dieser Ausführungsform
den gleichen Effekt wie von Ausführungsform
1 bietet, kann ihr Abweichungsausgang (der Ausgang bei Null des
Durchflusses) auf Null minimiert werden, wodurch die Empfindlichkeit
der Vorrichtung verbessert wird.
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(Ausführungsform 4)
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15 erläutert einen
Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe von einer Spannung 48 (Vhu)
an dem positiven Anschluss 34 des oberstromigen Heizwiderstandes 28 (8)
und einer Spannung 49 (Vhd) an dem positiven Anschluss 35 des
unterstromigen Heizwiderstandes 29 (8). Die
beiden Ausgangsspannungen 48 und 49 werden mit
einem Hochfrequenzimpulssignal 43 in ihren entsprechenden Multiplizierern 44 multipliziert.
Als ein Ergebnis wird ein Paar von Hochfrequenzimpulsfolgen 53 und 54 aufbewahrt,
wenn die Ausgangsspannungen 48 und 49 jeweils
auf ihrem hohen Pegel sind. Die Anzahl von Impulsen für eine spezifische
Zeitdauer in jeder der Impulsfolgen 53 und 54 wird
durch einen Impulszähler 46 berechnet.
Zwei Zählerausgaben
werden schließlich
der Subtraktion eines Subtrahierers 50 unterzogen, um eine
digitale Ausgabe 47 zu haben.
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Während die
Anordnung dieser Ausführungsform
den selben Effekt bietet wie von Ausführungsform 3, kann eine leichtere
Anwendung auf eine CPU eines Computers erreicht werden.
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In
jeder der Schaltschemaanordnungen von Ausführungsformen 1, 2, 3 und 4
wird den oberstromigen und den unterstromigen Temperaturmesswiderständen 5 und 6 ein
konstanter Strom von einer Konstantstromquelle 13 zugeführt. Die
Konstantstromquelle kann mit gleichem Erfolg durch eine Konstantspannungsquelle ersetzt
werden.
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(Ausführungsform 5)
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16 erläutert einen
Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden
Erfindung. Die Fluiddurchfluss-Messvorrichtung von Ausführungsform
5 hat einen Fluidtemperaturmesswiderstand 55, der an deren
Siliziumchip 1 befestigt ist, zum Messen der Fluidtemperatur.
Der Fluidtemperaturmesswiderstand 55 ist von einer ausgedünnten Zone 3 beabstandet
gelegen, sodass er kaum unerwünschte
thermische Einflüsse
von einem Heizwiderstand 4 empfängt. Der Fluidtemperaturmesswiderstand 55 kann
an einer zweiten ausgedünnten
Zone des Siliziumchips, wobei ihre untere Seite von Silizium durch Ätzen entfernt
wird, befestigt sein.
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17 ist
ein Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit dem Fluidtemperaturmesswiderstand
55 von
Ausführungsform
5. Eine Spannung
19 (Vt), die in der Schaltung vorgesehen
wird, wird ausgedrückt
durch:
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Wenn
Vadd van Gleichung 1 gleich Vt von Gleichung 10 ist, wird Gleichung
11 aufgestellt.
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Angenommen,
dass der Widerstand und der Widerstandstemperaturfaktor des Fluidtemperaturmesswiderstands 55 bei
0°C Ra0
bzw. αa
sind, wird die Beziehung mit dem Fluid (und dem Widerstand 55)
mit einer Temperatur von Ta ausgedrückt durch: Ra = Rα0(1
+ ααsTa) (Gleichung 12)
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Danach
wird Gleichung 13 aus Gleichung 11 und Gleichung 6 festgesetzt
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Da
die rechte Seite von Gleichung 13 die Temperatur Ta des Fluidtemperaturmesswiderstands 55 umfasst,
hängt ihr
Ergebnis von dem Wert Ta ab. Dies bewirkt, dass der Durchschnitt
des Temperaturpegels (Tsu) des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
des Temperaturpegels (Tsd) des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 entsprechend
der Fluidtemperatur Ta bestimmt wird. Je höher entsprechend die Fluidtemperatur
Ta wird, desto mehr wird der Durchschnitt der Temperaturpegel der
oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 erhöht. Je niedriger
die Fluidtemperatur Ta wird, desto mehr wird der Durchschnitt der
Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 verringert.
Die Beziehung zwischen der Fluidtemperatur Ta und dem Durchschnitt
der Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 kann
durch Einstellen der Schaltungskonstanten R1 und R2 in Gleichung
13 bestimmt werden.
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Die
Anordnung dieser Ausführungsform
ermöglicht
es, eine Änderung
in ihren Reaktionscharakteristika, abgeleitet aus einer Änderung
in der Temperatur des Fluids, zu kompensieren und ihre temperaturbezogenen
Eigenschaften können
verbessert werden.
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(Ausführungsform 6)
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In
Ausführungsform
5 wird der Fluidtemperaturmesswiderstand 55 (Ra) seriell
mit den Widerständen R1
und R2 verbunden, sodass sich die Spannung 19 (Vt) in Abhängigkeit
von der Fluidtemperatur ändern kann.
Dieselbe Wirkung kann jedoch erhalten werden, sogar wenn die Spannung
Ve durch die Wirkung der Fluidtemperatur, wie aus Gleichung 13 verstanden,
variiert wird. Die Vorrichtung kann dann eine in 18 gezeigte
Anordnung haben.
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18 ist
ein Schaltdiagramm von Ausführungsform
6 zum Ausgeben einer Spannung Ve. In der Schaltung wird die Spannung
Ve durch Teilen der Spannung einer Konstantspannungsquelle 56 mit
der Verwendung von festen Widerständen (R3 und R4) und dem Fluidtemperaturmesswiderstand 55 erzeugt.
Eine Änderung
in der Fluidtemperatur wird durch den Fluidtemperaturmesswiderstand 55 gemessen.
Die Spannung Ve wird somit variiert, wie sich die Fluidtemperatur ändert. Entsprechend
kann der Durchschnitt des Temperaturpegels (Tsu) des oberstromigen
Temperaturmesswiderstandes 5 (15) und
des Temperaturpegels (Tsd) des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 (17)
als Reaktion auf eine Änderung
in der Fluidtemperatur Ta geändert
werden. Die Beziehung zwischen der Fluidtemperatur Ta und dem Durchschnitt
der Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 kann
durch Verwendung der in 18 gezeigten
festen Widerstände
R3 und R4 eingestellt werden.
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Die
Anordnung dieser Ausführungsform
ermöglicht
es, eine Änderung
in den Reaktionscharakteristika, verursacht durch eine Änderung
in der Fluidtemperatur, zu kompensieren und ihre temperaturbezogenen
Eigenschaften können
verbessert werden.
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(Ausführungsform 7)
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Wie
bei Ausführungsform
6 beschrieben, wird der Fluidtemperaturmesswiderstand zum Kompensieren
einer Änderung
in den Reaktionscharakteristika, abgeleitet aus der Fluidtemperaturänderung,
verwendet.
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19 ist
ein Schaltdiagramm einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit dem Fluidtemperaturmesswiderstand 55 gemäß Ausführungsform
7 der vorliegenden Erfindung.
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Selbstverständlich ermöglicht es
jede von Ausführungsformen
1, 2, 3 und 4 unter Verwendung der in 17, 18 und 19 gezeigten
Schaltschemaanordnungen, eine Änderung
in den Reaktionscharakteristika, abgeleitet aus der Fluidtemperaturänderung,
zu kompensieren und ihre temperaturbezogenen Eigenschaften können verbessert
werden.
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(Ausführungsform 8)
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Angenommen,
dass die Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz (ΔTs
= Tsu – Tsd)
zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 von dem Durchfluss
in einer Vorrichtung gemäß 1 durch
die in 5 gezeigte Kurve 25 ausgedrückt wird.
Es wird auch angenommen, dass die Differenz zwischen der Temperatur
(Th) des zentralen Heizwiderstandes 4 und der Temperatur
(Ta) des Fluids ΔTh(=Th – Ta) ist.
Die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz ΔTh und dem Durchfluss wird somit
durch die in 20 gezeigte Kurve 57 ausgedrückt. Genauer
noch wird die Beziehung zwischen ΔTh
und dem Durchfluss in 20 dargestellt, wie sie sich
durch eine Reihe von Experimenten erwiesen hat. ΔTs = k(Q) × ΔTh (Gleichung 14)worin
k(Q) ein Koeffizient ist, der von dem Durchfluss abhängt. Wie
aus Gleichung 14 offensichtlich ist, kann die Temperaturdifferenz ΔTs zwischen
den beiden Widerständen 5 und 6 durch
Steuern von ΔTh
variiert werden.
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Ausführungsform
10 ermöglicht
es, die Temperaturdifferenz ΔTh
zwischen dem Widerstand 4 und dem Fluid als Reaktion auf
den Durchfluss zu ändern. 21 erläutert einen
Verlauf 57 der Temperaturdifferenz ΔTh, die sich mit dem Durchfluss ändert. ΔTs wird linear,
wenn ΔTh
wie gezeigt geändert
wird. 22 erläutert einen linearen Verlauf 58 der
Temperaturdifferenz ΔTs
zwischen den beiden Widerständen 5 und 6,
die aus der Temperaturdifferenz ΔTh
zwischen dem Widerstand 4 und dem in 21 gezeigten
Durchfluss bestimmt wird. Wie aus Gleichung 8 ersichtlich ist, ist
die Ausgangsspannung Vout proportional zu ΔTs. Wenn entsprechend ΔTs linear
ist, wird die Ausgangsspannung Vout linear zu dem Durchfluss.
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Da
die Ausgangsspannung linear ist, werden Charakteristika eines pulsierenden
Durchflusses verbessert. Dies wird in Bezug auf 23 und 24 erläutert. 23 und 24 sind erläuternde
Ansichten, die die Reaktion auf pulsierende Durchflüsse darstellen.
Die Charakteristika eines pulsierenden Durchflusses stellen dar,
wie genau der Durchfluss eines Fluids gemessen werden kann, wenn
der Durchfluss in einer Frequenz variiert wird. Zum Beispiel kann
ein Luftstrahl, der durch eine Rohrleitung in den Motor eines Automobils
strömt, pulsierende
Durchflüsse
erzeugen, wenn die Belastung hoch ist. Es wird zuerst der Betrieb
einer konventionellen Vorrichtung (worin die Ausgangsspannung nicht
linear ist) in Bezug auf 23 beschrieben.
Die Kurve 59 stellt die Beziehung zwischen dem Durchfluss
und der Ausgangsspannung dar. Ein pulsierender Durchfluss, der in
einer in Kurve 60 gezeigten Zeit-Durchfluss-Beziehung ausgedrückt wird,
wird in eine Wellenform konvertiert, die in einer durch 61 angezeigten
Zeit-Spannungs-Beziehung ausgedrückt
wird. Zum Steuern der Bewegung des Automotors kann die Ausgabe für eine vorbestimmte
Zeitdauer im Durchschnitt ermittelt werden. Der Durchschnittspegel
der Wellenform 61 entspricht einem Spannungspegel, der
durch eine gestrichelte Linie 62 angezeigt wird. Es wird
verstanden, dass basierend auf der Konvertierungskurve 59 der
Durchschnittspegel 62 der Wellenform 61 in eine
gestrichelte Linie 63 konvertiert werden kann, die mit
einem Durchschnitt 64 des pulsierenden Durchflusses 60 nicht
identisch ist. Die Durchflussrate 63 ist nicht mit dem
Durchschnitt 64 des pulsierenden Durchflusses 60 identisch.
Wie beschrieben, wird der pulsierende Durchfluss in eine Ausgangsspannung
durch die nichtlineare Durchfluss/Ausgangsbeziehung konvertiert
und es wird danach ein Durchschnitt der Ausgangsspannungen in eine
Durchflussrate übersetzt.
Eine resultierende Durchflussrate ist jedoch von dem tatsächlichen
durchschnittlichen Durchfluss verschieden. Dies kann zu einem Fehler
in dem pulsierenden Durchfluss führen.
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Wenn
die Beziehung zwischen dem Durchfluss und der Ausgangsspannung linear
ist, wie durch die Kurve 65 in 24 ausgedrückt, wird
der pulsierende Durchfluss 60 in eine Wellenform 66 konvertiert.
Wie gezeigt, ist ein Durchschnitt 67 der Wellenform 66 zu
dem Durchschnitt 64 des pulsierenden Durchflusses 60 identisch.
Dies erzeugt keinen Fehler in dem pulsierenden Durchfluss.
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Da
in dieser Ausführungsform
die Temperatur des Heizwiderstandes 4 abhängig von
dem Durchfluss gesteuert wird, sodass die Beziehung zwischen dem
Durchfluss und der Ausgangsspannung linear ist, können infolgedessen
Charakteristika eines pulsierenden Durchflusses verbessert werden.
Die Anordnung dieser Ausführungsform
kann auf die von Ausführungsform
2 angewendet werden, was somit den gleichen Effekt wie von dieser
Ausführungsform
vorsieht.
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(Ausführungsform 9)
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25 erläutert einen
Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung gemäß Ausführungsform 9. Die Fluiddurchfluss-Messvorrichtung hat
sechs Widerstände,
die in der folgenden Reihenfolge von stromaufwärts an einer ausgedünnten Zone 3 deren
Siliziumsubstrats 1 befestigt sind, d.h. einen oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5,
einen ersten Heizwiderstand 68, einen zweiten Heizwiderstand 69,
einen dritten Heizwiderstand 70, einen vierten Heizwiderstand 71 und
einen unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6. Obwohl
sich der Temperaturmesswiderstand und der Heizwiderstand im Namen
voneinander unterscheiden, können
sie als wärmeempfindliche
Widerstände
identische Elemente sein. Mit anderen Worten, der wärmeempfindliche
Widerstand hat zwei wesentliche Wärmefunktionen, Messen der Temperatur
und Erzeugen der Wärme.
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26 ist
ein Schaltdiagramm der Fluiddurchfluss-Messvorrichtung mit den sechs Widerständen von Ausführungsform
9. Der oberstromige Temperaturmesswiderstand 5 (Rsu) und
der unterstromige Temperaturmesswiderstand 6 (Rsd) sind
mit einer Konstantstromquelle 13 verbunden, die einen konstanten
Strom Is vorsieht. Eine Spannung (Vsu) über dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
eine Spannung (Vsd) über
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 werden durch
den negativen Eingangsanschluss bzw. den positiven Eingangsanschluss
eines Komparators 72 empfangen. Ein Ausgang des Komparators 72 ist
auf einem hohen Pegel, wenn eine Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 kleiner
ist als die Temperatur des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 (nämlich Vsu < Vsd). Der Ausgang
ist auf einem tiefen Pegel, wenn umgekehrt (Vsu > Vsd). Der Ausgang des Komparators 72 wird
an ein Paar von Schaltern 74 und 75 übertragen.
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Der
erste Heizwiderstand 68 und der vierte Heizwiderstand 71 sind
mit einer anderen Konstantstromquelle 80 verbunden, die
einen konstanten Strom Is vorsieht. Eine Anschlussspannung 82 (Vh1)
des ersten Heizwiderstandes 68 und eine Anschlussspannung 85 (Vh4)
des vierten Heizwiderstandes 71 werden durch den negativen
Eingangsanschluss bzw. den positiven Eingangsanschluss eines Komparators 73 empfangen. Ein
Ausgang des Komparators 73 ist auf einem hohen Pegel, wenn
die Temperatur des ersten Heizwiderstandes 68 geringer
ist als die Temperatur des vierten Heizwiderstandes 71 (nämlich Vh1 < Vh4). Der Ausgang
ist auf einem tiefen Pegel, wenn umgekehrt (Vh1 > Vh4). Der Ausgang des Komparators 73 wird
an eine Gruppe von Schaltern 76, 77, 78 und 79 übertragen.
Der Schalter 74 ist an einem Ende mit der Quelle 11 und
an dem anderen Ende mit einem Ende des Schalters 78 und
einem Ende des Schalters 79 verbunden. Das andere Ende
des Schalters 78 ist mit dem zweiten Heizwiderstand 69 verbunden und
das andere Ende des Schalters 79 ist mit dem ersten Heizwiderstand 68 verbunden.
Der Schalter 75 ist an einem Ende mit der Quelle 11 und an
dem anderen Ende mit einem Ende des Schalters 76 und einem
Ende des Schalters 77 verbunden. Das andere Endendes Schalters 76 ist
mit dem vierten Heizwiderstand 71 verbunden und das andere
Ende des Schalters 77 ist mit dem dritten Heizwiderstand 70 verbunden.
Die Ausgaben von einem Ausgangsanschluss 16 des Komparators 72 und
einem Ausgangsanschluss 81 des Komparators 73 sind
Ausgangsspannungen der Vorrichtung.
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Es
wird nun der Betrieb der in 26 gezeigten
Schaltschemaanordnung erläutert.
Wenn das Fluid von stromaufwärts
fließt,
wird die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 geringer
als die des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6,
wodurch Vsu < Vsd
der Ausgangspannungsbeziehung erzeugt wird. Dies verlagert den Ausgang
des Komparators 72 auf den hohen Pegel, infolgedessen der Schalter 74 eingeschaltet
und der Schalter 75 ausgeschaltet werden. Gleichzeitig
wird die Temperatur des ersten Heizwiderstandes 68 geringer
als die des vierten Heizwiderstandes 71, wodurch Vh1 < Vh4 der Spannungsbeziehung
erzeugt wird. Dies verlagert den Ausgang des Komparators 73 auf
den hohen Pegel, wodurch die Schalter 76 und 78 eingeschaltet
und die Schalter 77 und 79 ausgeschaltet werden.
Als ein Ergebnis wird der zweite Heizwiderstand 69 an die
Quelle 11 geführt.
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Wenn
der zweite Heizwiderstand 69 unter Strom gesetzt wird,
erzeugt er Joulsche wärme,
infolgedessen der erste Heizwiderstand 68, der in der Nähe von Widerstand 69 gelegen
ist, aufgeheizt wird. Da der erste Heizwiderstand 68 aufgeheizt
wird, wird seine Temperatur höher
als die des vierten Heizwiderstandes 71, wodurch die Spannungsbeziehung
nach Vh1 > Vh4 verlagert
wird. Dies verlagert den Ausgang des Komparators 73 auf
den tiefen Pegel, wodurch die Schalter 76 und 78 ausgeschaltet
und die Schalter 77 und 79 eingeschaltet werden.
Als ein Ergebnis wird der erste Heizwiderstand 68 an die
Quelle 11 geführt.
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Wenn
der erste Heizwiderstand 68 unter Strom gesetzt wird, erzeugt
er Joulsche Wärme,
infolgedessen der oberstromige Temperaturmesswiderstand 5,
der in der Nähe
von Widerstand 68 gelegen ist, aufgeheizt wird.
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Da
der oberstromige Temperaturmesswiderstand 5 aufgeheizt
wird, wird seine Temperatur höher
als die des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6,
wodurch die Spannungsbeziehung nach Vsu > Vsd verlagert wird. Dies verlagert den
Ausgang des Komparators 72 auf den tiefen Pegel, wodurch
der Schalter 74 ausgeschaltet und der Schalter 75 eingeschaltet
wird. Als ein Ergebnis wird der dritte Heizwiderstand 70 an die
Quelle 11 geführt
und unter Strom gesetzt.
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Danach
erzeugt der dritte Heizwiderstand 70 Joulsche Wärme, infolgedessen
der vierte Heizwiderstand 71, der in der Nähe von Widerstand 70 gelegen
ist, aufgeheizt wird. Da der vierte Heizwiderstand 71 aufgeheizt
wird, wird seine Temperatur höher
als die des ersten Heizwiderstandes 68, wodurch die Spannungsbeziehung
nach Vh1 < Vh4
verlagert wird. Dies verlagert den Ausgang des Komparators 73 auf
den hohen Pegel, wodurch die Schalter 77 und 79 ausgeschaltet
und die Schalter 76 und 78 eingeschaltet werden. Als
ein Ergebnis wird der vierte Heizwiderstand 71 an die Quelle 11 geführt und
unter Strom gesetzt.
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Der
vierte Heizwiderstand 71 erzeugt Joulsche Wärme, infolgedessen
der unterstromige Temperaturmesswiderstand 6, der in der
Nähe von
Widerstand 71 gelegen ist, aufgeheizt wird. Da der unterstromige
Temperaturmesswiderstand 6 aufgeheizt wird, wird seine
Temperatur höher
als die des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5,
wodurch die Spannungsbeziehung nach Vsu < Vsd verlagert wird. Dies verlagert
den Ausgang des Komparators 72 auf den hohen Pegel, wodurch
der Schalter 75 ausgeschaltet und der Schalter 74 eingeschaltet
werden. Als ein Ergebnis wird die Vorrichtung in ihren Anfangszustand
zurückversetzt.
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Durch
den Betrieb der Schalter 74, 75, 76, 77, 78 und 79 wird
die Quelle 11 wiederholt in einer Sequenz zur Verbindung
mit den vier Heizwiderständen
von dem ersten bis zu dem vierten Heizwiderstand geschaltet, um
die beiden Temperaturpegel des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 einander
gleich zu machen und die beiden Temperaturpegel des ersten Heizwiderstandes 68 und
des vierten Heizwiderstandes 71 einander gleich zu machen.
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27 erläutert die
Beziehung zwischen den Anschlussspannungen der Widerstände 68 bis 71 (26)
und den Ausgangsspannungen der Ausgangsanschlüsse 16 und 81 (26).
In dem Diagramm stellt eine Impulskette 86 die erste Ausgangsspannung 16 (Vout1)
dar und eine Impulskette 87 stellt die zweite Ausgangsspannung 81 (Vout2)
dar. Eine Impulskette 88, eine Impulskette 89,
eine Impulskette 90 und eine Impulskette 91 sind
die Spannung (Vh2) über
dem zweiten Heizwiderstand 69, die Spannung (Vh1) über dem ersten
Heizwiderstand 68, die Spannung (Vh3) über dem dritten Heizwiderstand 70 bzw.
die Spannung (Vh4) über
dem vierten Heizwiderstand 71. wie aus der in 27 gezeigten
Zeiteinteilung ersichtlich ist, wird, wenn die beiden Impulssignale 86 (Vout1)
und 87 (Vout2) auf dem hohen Pegel sind, das Impulssignal 88 (Vh2)
auf den hohen Pegel geschaltet. Danach werden die anderen Signale
Vh1, Vh3 und Vh4 in einer Sequenz auf den hohen Pegel geschaltet,
bevor Vh2 erneut auf dem hohen Pegel steht. 28 erläutert die
Beziehung zwischen den Signalen Vout1, Vout2, Vh1, Vh2, Vh3 und
Vh4.
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Wenn
das Fluid von stromaufwärts
fließt,
wird die Zeitdauer länger,
wenn die Temperatur des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 geringer
ist als die des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6.
Entsprechend ist die Zeitdauer t1, wenn der Ausgang des Komparators 72 auf
dem hohen Pegel steht, länger
als die Zeitdauer t2, wenn derselbe auf dem tiefen Pegel steht.
Da die Zeitdauer, wenn die Temperatur des ersten Heizwiderstandes 68 geringer
ist als die des vierten Heizwiderstandes 71, länger wird,
ist die Zeitdauer t3, wenn der Ausgang des Komparators 73 auf
dem hohen Pegel steht, länger
als die Zeitdauer t4, wenn derselbe auf dem tiefen Pegel steht.
Je größer der
Durchfluss des Fluids wird, desto mehr kann die Differenz (oder das
Verhältnis)
erhöht
werden. Wenn das Fluid in einer entgegenliegenden Richtung fließt, wird
die Beziehung invertiert.
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Wie
in 29 gezeigt, werden die Ausgangsspannungen 86 (Vout1)
und 87 (Vout2) durch ein Paar von Tiefpassfiltern 92 und 93 in
analoge Formen 94 bzw. 95 konvertiert. Die analogen
Ausgangsspannungen 94 und 95 werden entsprechend
den Tastverhältnissen
t1/(t1 + t2) und t3/(t3 + t4) der Ausgangsspannungen 86 bzw. 87 erhalten.
Die analogen Ausgangsspannungen 94 und 95 werden
danach durch eine Additionsschaltung 96 summiert, um eine
Endausgangsspannung 97 zu berechnen. Der Durchfluss des
Fluids kann aus der Ausgangsspannung 97 bestimmt werden.
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30 erläutert einen
grafischen Verlauf der Endausgangsspannung 97, berechnet
aus den beiden analogen Ausgangsspannungen 94 und 95.
Die Ausgangsspannung 94 (Vout1), die basierend auf der
Temperaturbeziehung zwischen dem oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5 und
dem unterstromigen Temperaturmesswiderstand 6 erhalten
wird, kann sich in einem kleineren Bereich der Durchflussmenge im
Vergleich zu der Ausgangsspannung 95 (Vout2), die basierend
auf der Temperaturbeziehung zwischen dem ersten Heizwiderstand 68 und
dem vierten Heizwiderstand 71 erhalten wird, in hohem Maße ändern. Bei
einem größeren Bereich
der Durchflussmenge wird sich die Ausgangsspannung 95 (Vout2)
in einem hohen Maße ändern, während die
Ausgangsspannung 94 (Vout1) gesättigt wird. Dies geschieht,
da der oberstromige Temperaturmesswiderstand 5 und der
unterstromige Temperaturmesswiderstand 6 beabstandet von
einem Hochtemperaturbereich (d.h. dem zentralen Bereich) der ausgedünnten Zone 3 gelegen
sind und infolgedessen für
eine Änderung
in der Temperatur in einem kleineren Bereich der Durchflussmenge
empfänglicher
werden. Außerdem sind
die ersten und vierten Heizwiderstände 68 und 71 nahe
dem Hochtemperaturbereich gelegen und für eine Änderung in der Temperatur in
einem höheren
Bereich der Durchflussmenge empfänglich.
Da die beiden Ausgangsspannungen summiert werden, kann die resultierende
Ausgangsspannung 97 sowohl in den niedrigeren als auch
höheren
Bereichen der Durchflussmenge sensitiv sein. Zum Vergleich wird
die Ausgangsspannung 98 einer konventionellen Vorrichtung
durch die gepunktete Linie angezeigt.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
es, zwei Ausgangsspannungen, die in einem niedrigeren bzw. einem
höheren
Bereich der Durchflussmenge sensitiv sind, zu summieren. Entsprechend
erzeugt die Vorrichtung eine günstige
Ausgabe, die überall
in einem breiteren Bereich der Durchflussmenge sensitiv ist, und
ihr dynamischer Bereich kann erhöht
werden. Da die Temperaturmessungen des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5,
des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6, des ersten
Heizwiderstandes 68 und des vierten Heizwiderstandes 71 einer
Rückführungssteuerung
unterzogen werden, kann die Vorrichtung in der Reaktion verglichen
mit einer konventionellen Vorrichtung mit einem offenen Regelkreissystem
verbessert werden.
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(Ausführungsform 10)
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31 erläutert eine
Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe aus den Ausgangsspannungen 86 (Vout1)
und 87 (Vout2), die unter Verwendung von 29 beschrieben
werden. Die beiden Ausgangsspannungen 86 und 87 werden
mit einem Hochfrequenzimpulssignal 99 in einem Paar von
Multiplizierern 100 bzw. 101 multipliziert. Als
ein Ergebnis werden Impulse des Hochfrequenzimpulssignals extrahiert,
um Hochfrequenzimpulssignale 102 bzw. 103 zu entwickeln,
wenn die Ausgangsspannungen 86 und 87 auf einem
hohen Pegel sind (während
t1 und t3 in 27). Die Anzahl von Impulsen
von jedem der beiden Hochfrequenzimpulssignale 102 und 103 werden
für eine
gegebene Zeitdauer durch einen Impulszähler 104 oder 105 gezählt. Die
Zählausgaben
der beiden Impulszähler 104 und 105 werden
danach durch eine Additionsschaltung 106 summiert, um eine
einzelne digitale Ausgabe 107 zu haben.
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Entsprechend
kann die Anordnung dieser Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie von Ausführungsform 9 vorsehen und eine
leichtere Anwendung auf eine CPU eines Computers kann erreicht werden.
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(Ausführungsform 11)
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Die
Tastverhältnisse
t1/(t1 + t2) und t3/(t3 + t4) in Ausführungsform 11 können durch
Tastverhältnisdifferenzen
(t1 – t2)/(t1
+ t2) und (t3 – t4)/(t3
+ t4) ersetzt werden.
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32 erläutert eine
Prozedur eines Erzeugens einer Tastverhältnisdifferenz. Die Prozedur
beginnt mit der Ausgangsspannung 86 (Vout1), die der Filteroperation
eines Tiefpassfilters 92 unterzogen wird, um eine analoge
Ausgangsspannung 94 zu haben. Die Ausgangsspannung 86 (Vout1)
wird durch eine Inverterschaltung 108 invertiert und durchläuft ein
Tiefpassfilter 110, um eine analoge Ausgangsspannung 112 zu
haben. Die beiden analogen Ausgangsspannungen 94 und 112 werden
der Subtraktionsoperation einer Subtrahiererschaltung 114 unterzogen,
um eine analoge Ausgangsspannung 116 gemäß der Tastverhältnisdifferenz (t1 – t2)/(t1
+ t2) zu erhalten.
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Gleichermaßen wird
die Ausgangsspannung 87 (Vout2) der Filteroperation eines
Tiefpassfilters 93 unterzogen, um eine analoge Ausgangsspannung 95 zu
haben. Die Ausgangsspannung 87 (Vout2) wird durch eine
Inverterschaltung 109 invertiert und durchläuft ein
Tiefpassfilter 111, um eine analoge Ausgangsspannung 113 zu
haben. Die beiden analogen Ausgangsspannungen 95 und 113 werden
der Subtraktionsoperation einer Subtrahiererschaltung 115 unterzogen,
um eine analoge Ausgangsspannung 117 gemäß der Tastverhältnisdifferenz
(t3 – t4)/(t3
+ t4) zu entwickeln.
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Die
beiden analogen Ausgänge 116 und 117 werden
an eine Additionsschaltung 96 übertragen, wo sie summiert
werden, um eine Endausgangsspannung 97 zu haben.
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Entsprechend
kann die Anordnung dieser Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie von Ausführungsform 9 vorsehen, während ihr
Ausgang gleich null ist, wenn der Durchfluss null ist (bezeichnet
als Abweichungsausgang), infolgedessen die Empfindlichkeit verbessert
wird.
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(Ausführungsform 12)
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33 erläutert eine
andere Prozedur eines Erzeugens einer digitalen Ausgabe aus den
beiden Ausgangsspannungen 86 (Vout1) und 87 (Vout2),
die in 29 dargestellt werden.
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Die
Ausgangsspannung 86 (Vout1) wird mit einem Hochfrequenzimpulssignal 99 in
einem Multiplizierer 100 multipliziert. Als ein Ergebnis
werden Impulse des Hochfrequenzimpulssignals 102 extrahiert,
um ein Hochfrequenzimpulssignal 102 zu erhalten, wenn die
Ausgangsspannung 86 auf einem hohen Pegel ist. Die Anzahl
von Impulsen des Hochfrequenzimpulssignals 102 wird für eine gegebene
Zeitdauer durch einen Impulszähler 104 gezählt. Die
Ausgangsspannung 86 (Vout1) wird durch eine Inverterschaltung 118 invertiert
und mit dem Hochfrequenzimpulssignal 99 in einem Multiplizierer 120 multipliziert.
Als ein Ergebnis werden Impulse des Hochfrequenzimpulssignals extrahiert,
um ein Hochfrequenzimpulssignal 122 zu erhalten, wenn die
invertierte Ausgangsspannung auf einem hohen Pegel ist. Die Anzahl
von Impulsen des Hochfrequenzimpulssignals 122 wird für die Zeitdauer
durch einen Impulszähler 124 gezählt. Die
beiden Zählausgaben
werden danach der Subtraktionsoperation einer Subtrahiererschaltung 126 unterzogen.
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Gleichermaßen wird
die Ausgangsspannung 87 (Vout2) mit dem Hochfrequenzimpulssignal 99 in
einem Multiplizierer 101 multipliziert. Als ein Ergebnis
werden Impulse des Hochfrequenzimpulssignals extrahiert, um ein
Hochfrequenzimpulssignal 103 zu erhalten, wenn die Ausgangsspannung 87 auf
einem hohen Pegel ist. Die Anzahl von Impulsen des Hochfrequenzimpulssignals 103 wird
für die
Zeitdauer durch einen Impulszähler 105 gezählt. Die
Ausgangsspannung 87 (Vout2) wird durch eine Inverterschaltung 119 invertiert
und mit dem Hochfrequenzimpulssignal 99 in einem Multiplizierer 121 multipliziert.
Als ein Ergebnis werden Impulse des Hochfrequenzimpulssignals extrahiert,
um ein Hochfrequenzimpulssignal 123 zu erhalten, wenn die
invertierte Ausgangsspannung auf einem hohen Pegel ist. Die Anzahl
von Impulsen des Hochfrequenzimpulssignals 123 wird für die Zeitdauer
durch einen Impulszähler 125 gezählt. Die
beiden Zählausgaben
werden danach der Subtraktionsoperation einer Subtrahiererschaltung 127 unterzogen.
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Die
beiden resultierenden Subtraktionsausgaben werden durch eine Additionsschaltung 106 summiert,
um eine Enddigitalausgabe 107 zu haben.
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Entsprechend
kann die Anordnung dieser Ausführungsform
den gleichen Vorteil wie von Ausführungsform 11 vorsehen und
eine leichtere Anwendung auf eine CPU eines Computers kann erreicht
werden.
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Jede
der Schaltschemaanordnungen von Ausführungsformen 9, 10, 11 und
12 setzen zwei Konstantstromquellen 13 und 80 zum
Einspeisen von konstanten Strömen
an den oberstromigen Temperaturmesswiderstand 5, den unterstromigen
Temperaturmesswiderstand 6, den ersten Heizwiderstand 68 und
den vierten Heizwiderstand 71 ein. Die Konstantstromquellen
können
mit gleichem Erfolg durch Konstantspannungsquellen ersetzt werden.
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(Ausführungsform 13)
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34 erläutert einen
Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung gemäß Ausführungsform 13 der vorliegenden
Erfindung. Die Fluiddurchfluss-Messvorrichtung von Ausführungsform
13 hat den zentralen Heizwiderstand 4, der zwischen dem
zweiten Heizwiderstand 69 und dem dritten Heizwiderstand 70 vorgesehen
ist. In der Zeichnung sind die Verdrahtungen 9 und die
Lötaugen 10 zu
jenen in 25 gezeigten identisch und werden
nicht dargestellt. Eine Konstanttemperaturschaltung besteht aus
dem zentralen Heizwiderstand 4 (Rh), dem oberstromigen
Temperaturmesswiderstand 5 (Rsu) und dem unterstromigen
Temperaturmesswiderstand 6 (Rsd). Der zentrale Heizwiderstand 4 wird
unter Strom gesetzt, sodass der Durchschnitt der Temperaturmessungen
des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und des
unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 auf einem konstanten
Pegel erhalten wird. Die Anordnung der Konstanttemperaturschaltung
ist der in 3 gezeigten identisch.
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Die
in 3 gezeigte Schaltschemaanordnung ermöglicht es
den oberstromigen und den unterstromigen Temperaturmesswiderständen 5 und 6,
im Temperaturdurchschnitt konstant zu bleiben. Die in 26 gezeigte
Schaltschemaanordnung erlaubt es den oberstromigen und den unterstromigen
Temperaturmesswiderständen 5 und 6,
in dem Temperaturpegel gleich gesteuert zu werden. Als ein Ergebnis
können
die Temperaturpegel der beiden Widerstände 5 und 6 überall in
einem Bereich des Durchflusses konstant erhalten werden.
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Die
Schaltschemaanordnung dieser Ausführungsform kann die Temperatur
der oberstromigen und der unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 ungeachtet
des Durchflusses auf konstanten Pegeln erhalten, infolgedessen der
dynamische Bereich erhöht
wird. Da die Temperaturänderung,
die aus einer Änderung
in dem Durchfluss abgeleitet wird, unterdrückt werden kann, wird somit
die Reaktion der Vorrichtung verbessert. Da außerdem die Temperatur der Widerstände auf
100°C gehalten
wird, kann sie Wassertropfen, die den Widerständen anhaften, augenblicklich
verdampfen, infolgedessen unerwünschte
wasserbezogene Verschiebungen der Reaktionseigenschaft minimiert
werden.
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(Ausführungsform 14)
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35 erläutert einen
Messabschnitt einer Fluiddurchfluss-Messvorrichtung gemäß Ausführungsform 14 der vorliegenden
Erfindung. In der Zeichnung sind die Verdrahtungen 9 und
die Lötaugen 10 jenen
in 25 gezeigten identisch und werden nicht dargestellt.
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Ausführungsform
14 hat einen Fluidtemperaturmesswiderstand 55 (Ra), der
an deren Siliziumchip 1 befestigt ist. Der Durchflusstemperaturmesswiderstand 55 ist
von der ausgedünnten
Zone 3 derart beabstandet, um keine Wärmewirkungen von den Heizwiderständen 4, 68, 69, 70 und 71 zu
empfangen. Der Fluiddurchflusstemperatur-Messwiderstand 55 kann
an ihrer Rückseite
geätzt
werden, um Silizium zu entfernen und kann an einer zweiten ausgedünnten Zone
ausgebildet werden.
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Der
Fluidtemperaturmesswiderstand 55 wird in der in 17 gezeigten
Schaltschemaanordnung installiert. Dies ermöglicht es, dass der Durchschnitt
des Temperaturpegels (Tsu) des oberstromigen Temperaturmesswiderstandes 5 und
des Temperaturpegels (Tsd) des unterstromigen Temperaturmesswiderstandes 6 von
der Temperatur Ta des Fluids abhängt.
Je höher
die Fluidtemperatur Ta wird, desto höher wird der Durchschnitt der
beiden Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen
Temperaturmesswiderstände 5 und 6.
Je niedriger die Fluidtemperatur Ta wird, desto niedriger wird der
Durchschnitt der beiden Temperaturpegel der oberstromigen und der
unterstromigen Temperaturmesswiderstände 5 und 6 gesteuert.
Die Beziehung zwischen der Fluidtemperatur Ta und dem Durchschnitt
der beiden Temperaturpegel der oberstromigen und der unterstromigen
Temperaturmesswiderstände 5 und 6 kann
durch die Schaltungskonstante R1 oder R2 in Gleichung 13 bestimmt
werden.
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Die
Anordnung und Steuerverfahren dieser Ausführungsform können eine Änderung
in der Reaktion, die durch die Fluidtemperaturänderung verursacht wird, kompensieren,
infolgedessen sie in dem Wärmeleistungsverhalten
verbessert wird.
