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Verwandte
Anwendungen
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Die
Patentanmeldungen mit dem Titel „Method and Apparatus For
Thermal Dissipation In A Thermal Mass Flow Sensor" mit den Erfindern
Jesse Ambrosina und Ali Shajii (Anwaltsakte Nr. MKS93) und „Apparatus
and Method For Thermal Management Of A Mass Flow Controller" mit den Erfindern Jesse
Ambrosina, Isao Suzuki und Ali Shajii (Anwaltsakte Nr. MKS-94),
die auf den gleichen Anmelder wie diese Anmeldung übertragen
wurden und am gleichen Datum mit dieser eingereicht wurden, werden
hierdurch durch diese Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Massenstrom-Messsystem und
insbesondere auf Massenstrom-Sensorgehäuse, die thermische Gradienten,
die anderenfalls in einem Massenstrom-Sensor hervorgerufen werden
können,
im Wesentlichen beseitigen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Thermische
Massenstrom-Sensoren mit Kapillarrohren nutzen die Tatsache aus,
dass die Wärmeübertragung
von den Rohrwänden
auf ein in einem laminaren Rohr fließendes Strömungsmedium eine Funktion der
Massenstrom-Rate des Strömungsmediums,
der Differenz zwischen der Strömungsmittel-Temperatur
und der Wandtemperatur sowie der spezifischen Wärme des Strömungsmittels ist. Massenstrom-Steuergeräte verwenden
eine Vielzahl von Massenstrom-Sensorkonfigurationen.
Beispielsweise beinhaltet eine Art von Konstruktion ein Edelstahl-Strömungsrohr
mit zwei oder mehr Widerstandselementen in thermisch leitendem Kontakt
mit dem Sensorrohr. Die Widerstandselemente bestehen typischerweise
aus einem Material, das einen hohen Widerstands- Temperaturkoeffizienten hat. Jedes Element
kann als eine Heizeinrichtung, ein Detektor oder als beides wirken.
Eines oder mehrere der Elemente werden mit elektrischem Strom gespeist,
um Wärme
an dem Strömungsmittel-Strom
durch das Rohr zu liefern. Wenn die Heizeinrichtungen mit einem
konstanten Strom gespeist werden, kann die Massenstrom-Rate des
Strömungsmediums
durch das Rohr aus den Temperaturunterschieden in den Elementen
abgeleitet werden. Massenstrom-Raten des
Strömungsmittels
können
weiterhin dadurch abgeleitet werden, dass der Strom durch die Heizeinrichtungen
geändert
wird, um ein konstantes Temperaturprofil aufrecht zu erhalten.
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Derartige
thermische Massenstrom-Sensoren können an einem Massenstrom-Steuergerät angebracht
werden, wobei das Strömungsmittel
von dem Nebenstromrohr des Steuergerätes das Kapillarrohr speist
(das hier auch als Sensorrohr bezeichnet wird). Weil die Massenstrom-Messungen
von den Temperaturwirkungen des Strömungsmittels auf die Widerstandselemente
abhängen,
könnte
irgendeine externe Temperaturdifferenz, die auf die Widerstandselemente
einwirken würde,
Fehler in der Messung der Massenstrom-Rate hervorrufen. Leider werden thermische
Massenstrom-Sensoren häufig
in Umgebungen betrieben, in denen ein äußerer thermischer Gradient
auf sie einwirken könnte.
Beispielsweise kann ein thermischer Massenstrom-Sensor in enger Nähe zu einer
Ventilwicklung betrieben werden, die eine erhebliche Verlustleistung
aufweist, während
sie betrieben wird. Die beim Betrieb der Ventilwicklung erzeugte
Wärme kann über einen
thermisch leitenden Pfad, wie er beispielsweise durch das Gehäuse des
Massenstrom-Steuergerätes gebildet
ist, an den Massenstrom-Sensor übertragen
werden. Die auf dies Weise übertragene
Wärme kann
einen thermischen Gradienten an dem Gehäuse des Massenstrom-Sensors
hervorrufen, was andererseits einen externen thermischen Gradienten
auf die Widerstandselemente des Sensors hervorrufen würde, der somit
zu Fehlern in den Massenstrom-Messungen führt.
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Ein
Massenstrom-Sensor, der von außen einwirkende
thermische Gradienten im Wesentlichen beseitigt, würde daher äußerst wünschenswert
sein.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem Massenstrom-Sensor gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist ein Massenstrom-Sensorgehäuse an einem
Massenstrom-Steuergerät über eine
Basisplatte befestigt. Der Massenstrom-Sensor schließt ein Massenstrom-Sensorrohr
ein, das entlang einer vorgegebenen Achse im Inneren des Massenstrom-Sensorgehäuses ausgerichtet
ist. Die Basisplatte kann einstückig
mit dem Sensorgehäuse
ausgebildet sein, oder sie kann an dem Gehäuse über irgendeines einer Vielzahl
von Befestigungsmitteln befestigt sein, wie zum Beispiel durch mit
Gewinde versehene Durchgangsbohrungen und Schrauben. Die Basisplatte
ist so konfiguriert, dass sie einen thermischen Pfad zwischen dem
Massenstrom-Steuergerät und dem
Sensor ergibt, um auf diese Weise die Sensor- und Steuergeräte-Gehäuse im wesentlichen
auf der gleichen mittleren Temperatur zu halten. Zusätzlich ist
der von der Basisplatte bereitgestellte thermische Pfad so konfiguriert,
dass er thermische Gradienten im wesentlichen reduziert oder beseitigt,
die andernfalls auf das Massenstrom-Sensorgehäuse über einen wärmeleitenden Kontakt mit dem
Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse einwirken
könnten.
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In
einer zu Erläuterungszwecken
dienenden Ausführungsform
bildet ein Sensorgehäuse
eine thermische Masse oder Erdung zwischen dem Massenstrom-Sensorgehäuse und
dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse. Die
thermische Masse weist eine Querschnittsfläche auf, die beträchtlich kleiner
als die Querschnitts-Grundfläche des
Sensorgehäuses
ist. Der Querschnitt der thermischen Masse kann eine kreisförmige, rechtwinklige
oder andere geometrische Form aufweisen. Die thermische Masse ergibt
einen thermischen Pfad, der ausreicht, um die mittleren Gesamttemperaturen
des Massenstrom-Sensorgehäuses
und des Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuses auf
im wesentlichen dem gleichen Pegel zu halten. Zusätzlich befindet
sich die thermische Masse in einem Bereich des Sensorgehäuses, der
im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Strömungssensor-Rohres zusammenfällt. Der
durch die thermische Masse hervorgerufene thermische Pfad reicht
aus, um die mittleren Temperaturen des Sensorgehäuses und des Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuses im
wesentlichen gleich zu halten.
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Die
zulässige
Verzögerungszeit
zwischen einer Änderung
der mittleren Temperatur des Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuses und
einer entsprechenden Änderung
der mittleren Temperatur des Massenstrom-Sensorgehäuses ist
eine Konstruktionsauswahl, die die Genauigkeit der Massenstrom-Anzeigen
beeinflusst. Bei einer vorgegebenen zulässigen Verzögerungszeit (für eine vorgegebene Temperaturverschiebung)
kann ein entsprechender Wärmefluss-Wert
berechnet werden. Der Wärmefluss-Wert
kann dann zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit und der Querschnittsfläche verwendet
werden, die für
das thermische Massematerial benötigt
wird. Um die Möglichkeit
der Ausbildung von thermischen Gradienten längs des Strömungssensor-Gehäuses zu
einem Minimum zu machen, wird die Querschnittsfläche der thermischen Masse zu
einem Minimum gemacht. Das heißt,
dass für
ein zweckmäßiges Baumaterial,
wie zum Beispiel Aluminium, die Querschnittsfläche der thermischen Masse groß genug
ist, um Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Massenstrom-Sensorgehäuse und
dem thermischen Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse zu beseitigen, jedoch klein
genug ist, um die Ausbildung von thermischen Gradienten entlang
des Querschnitts der thermischen Masse zu verhindern.
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Bei
einer zu Erläuterungszwecken
dienenden Ausführungsform
schließt
ein Massenstrom-Sensorgehäuse
eine thermische Masse mit einem rechtwinkligen Querschnitt ein.
Die thermische Masse ist orthogonal zu der Achse des Strömungssensorrohres
ausgerichtet und im wesentlichen in der Mitte zwischen den Sensorrohr-Einlass-
und -Auslass-Öffnungen
angeordnet. Ein Massenstrom-Sensorgehäuse gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verwendung mit einem
Massenstrom-Sensor, wie zum Beispiel einem thermischen Differenzstrom-Massenstrom-Wandler
geeignet. Die thermische Masse kann in einer Weise gebildet werden,
die eine relativ einfache Einstellung der Position der thermischen
Masse gegenüber
dem Massenstrom-Sensor ermöglicht.
In einer derartigen Ausführungsform
kann die Position des Massenstrom-Sensors so eingestellt werden, dass
die Wirkung der thermischen Klammer des Massenstrom-Sensors zu Null gemacht
wird.
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Diese
und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter für den Fachmann
beim Lesen der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen verständlich,
die in den beigefügten
Zeichnungen erläutert
sind. Aus Gründen
einer bequemen Darstellung können
Elemente in den Figuren gegebenenfalls nicht maßstäblich gezeichnet sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittsansicht
eines Massenstrom-Steuergerätes
gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung, das eine thermische Masse zwischen einer
Massenstrom-Sensorbaugruppe und einem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse ergibt;
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2 ist ein teilweise konzeptionelles
Blockschaltbild und eine Teilschnittansicht einer Massenstromraten-Sensorbaugruppe
gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung;
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3 ist eine perspektivische
Ansicht der Außenseite
eines Massenstromraten-Steuergerätes gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Massenstrom-Steuergerät
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung schließt eine Massenstrom-Sensorbaugruppe
und eine Ventilbaugruppe ein. In einer zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform
ist die Massenstrom-Sensorbaugruppe
an dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse angebracht
und schließt
eine thermische Masse oder Erdung ein, die so konfiguriert ist,
dass sie die thermischen Gradienten zwischen dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse und
dem Massenstrom-Sensor im wesentlichen zu einem Minimum macht. Die
thermische Masse ist weiterhin so konfiguriert, dass sie von außen eingeprägte thermische Gradienten
entlang des Massenstrom-Sensors zu einem Minimum macht. Die thermische
Masse weist eine Querschnittsfläche
auf, die beträchtlich
kleiner als die Querschnitts-Grundfläche des Sensorgehäuses ist.
Der Querschnitt der thermischen Masse kann eine kreisförmige, rechtwinklige
oder andere geometrische Form haben. Die thermische Masse ergibt
einen thermischen Pfad, der ausreicht, um die mittleren Gesamttemperaturen
des Massenstrom-Sensorgehäuses
und des Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuses im
wesentlichen auf dem gleichen Wert zu halten. Zusätzlich befindet
sich die thermische Masse in einem Bereich des Sensorgehäuses, der
im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Sensorströmungsrohrs
zusammenfällt.
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Die
Schnittansicht nach 1 zeigt
die Hauptbauteile eines Massenstrom-Steuergerätes gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung. Das Massenstrom-Steuergerät 100 schließt eine
thermische Massenstrom-Sensorbaugruppe 102 und eine Ventilbaugruppe 104 ein.
Die Ventilbaugruppe 104 ist mit dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse 108 verbunden,
um die Strömungsrate
eines Gases in Abhängigkeit
von Steuersignalen zu steuern, die von einer Massenstrom-Sensorschaltung erzeugt
werden, die allgemein in der Erläuterung
der 2 beschrieben wird.
Das Massenstrom-Steuergerät 100 schließt einen
Einlass 106 zum Empfang einer Strömung von zu messenden oder
dosierenden Gasen ein. Das Prozessgas tritt in das Massenstrom-Steuergerät durch
den Einlass 106 ein und bewegt sich durch die mit einem
Ventil versehene Öffnung 110 zu einem
Nebenstromkanal 112. Das Ventil 114 arbeitet unter
der Steuerung des Massenstrom-Sensors und zugehöriger Schaltungen, um eine
präzise
gemessene Menge eines Prozessgases in den Einlassanschluss 106,
durch das Steuergerät
und aus dem Auslass 116 heraus für eine Verarbeitungsanwendung
zu ermöglichen,
wie sie beispielsweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
verwendet wird. Der Nebenstromkanal 112 ist mit dem Einlassanschluss 106 verbunden,
um den Gasstrom zu empfangen und weiterzuleiten.
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Ein
eine laminare Strömung
hervorrufendes Element 118 befindet sich im Inneren des
Kanals 112 und ergibt einen Druckabfall längs des
thermischen Massenstrom-Sensors 102,
und es drückt
einen Teil des Gases durch das Sensorrohr 120 des thermischen
Massenstrom-Sensors 102. Der Massenstrom-Sensor schließt Schaltungen
ein, die die Strömungsrate
eines Gases durch das Steuergerät 100 messen
und den Betrieb der Ventilbaugruppe 114 steuern. Die Massenstrom-Sensorbaugruppe ist
an einer Wand 122 des Massenstrom-Steuergerätes befestigt,
die eine Grenzfläche
des Nebenschlusskanals 112 bildet. Eingangs- und Ausgangsöffnungen 124 bzw. 126 in
der Wand 122 ergeben einen Zugang an die Massenstrom-Sensorbaugruppe 102 für ein Gas,
das sich durch das Massenstrom-Steuergerät 100 hindurch
bewegt. Bei dieser erläuternden
Ausführungsform
schließt
die Massenstrom-Sensorbaugruppe 102 eine Grundplatte 128 zur
Befestigung an der Wand 122 ein. Die Basisplatte 128 kann
an der Wand und dem Rest der Sensorbaugruppe unter Verwendung von
Kombinationen einer Gewindebohrung und einer hierzu passenden Schraube
befestigt sein, um ein Beispiel zu nennen. Eingangs- und Ausgangszweige 130 bzw. 132 des
Sensorrohres 120 erstrecken sich durch jeweilige Eingangs-
und Ausgangsöffnungen 134 bzw. 136 der
Basisplatte 128 und durch Öffnungen 124 und 126 der
Massenstrom-Steuergeräte-Wand 122.
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Die
Massenstrom-Sensorbaugruppe schließt obere bzw. untere Abschnitte 138 bzw.
140 ein, die bei ihrer Verbindung eine thermische Klammer 141 bilden,
die beide Enden des aktiven Bereiches des Sensorrohres (das heißt der Bereich,
der durch die Enden der Widerstandselemente gebildet ist, die in thermischem
Kontakt mit dem Sensorrohr stehen) auf im Wesentlichen der gleichen
Temperatur hält. Die
thermische Klammer bildet weiterhin eine Kammer 142 um
den aktiven Bereich des Sensorrohres 120 herum. Das heißt, dass
das Segment des Massenstrom-Sensorrohres
im Inneren der Kammer 142 mit diesem in thermischer Verbindung
stehende zwei oder mehrere Widerstandselemente 144, 146 aufweist,
die jeweils als eine Heizeinrichtung, ein Detektor oder als beides
wirken können.
Eines oder mehrere der Elemente werden mit einem elektrischen Strom
gespeist, um Wärme
an das Strömungsmittel zu
liefern, während
dieses durch das Rohr 120 strömt.
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Die
thermische Klammer 141, die typischerweise aus einem Material
hergestellt ist, das durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der
Wärmeleitfähigkeit
des Sensorrohres gekennzeichnet ist, ergibt einen Wärme gut
leitenden Kontakt mit dem Teil des Sensorrohres, der sich gerade
stromabwärts von
dem Widerstandselement 144 befindet, und mit dem Teil des
Sensorrohres, der sich gerade stromaufwärts von dem Widerstandselement 146 befindet. Die
thermische Klammer umschließt
und schützt hierbei
die Widerstandselemente 144 und 146 und das Sensorrohr 120.
Zusätzlich „verankert" die thermische Klammer 141 diese
Teile des Sensorrohres, mit denen es in Kontakt steht, auf oder
in der Nähe der
Umgebungstemperatur. Um selbst kleinere Fehler auf Grund von Temperaturunterschieden
zu beseitigen, kann das Sensorrohr so innerhalb der thermischen
Klammer bewegt werden, dass sichergestellt wird, dass irgendein
Unterschied in den Widerstandswerten der zwei Wicklungen auf Grund
einer Strömungsmittelströmung durch
das Sensorrohr und nicht auf Grund von Temperaturgradienten hervorgerufen
wird, die auf die Wicklungen von der Umgebung hervorgerufen werden.
Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ergibt die Klammer, die das Sensorrohr
umschließt,
die thermische Klammer in dieser zu Erläuterungszwecken dienenden Ausführungsform,
einen Kontakt mit dem Massenstrom-Steuergerät über eine thermische Masse 148. Die
thermische Masse kann in der gezeigten Weise zwischen der thermischen
Klammer 141 und der Basisplatte 128 und/oder zwischen
der Basisplatte 128 und der Wand 122 des Steuergeräte-Gehäuses gebildet
sein, um Beispiele zu nennen. Die thermische Masse kann einstückig mit
der Wand des Steuergeräte-Gehäuses, der
Basisplatte oder der thermischen Klammer ausgebildet sein, um Beispiele
zu nennen. Alternativ kann die thermische Masse ein getrennt gebildetes,
thermisch leitendes Element sein, das zwischen der thermischen Sensorbaugruppe
und dem Steuergeräte-Gehäuse angeordnet
ist.
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2 zeigt mit weiteren Einzelheiten
eine Ausführungsform
eines Massenstrom-Sensors
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. Das Nebenstromrohr 112, das
eine laminare Strömung hervorrufende
Element 118, das strömungsaufwärts gelegene
Widerstandselement 146 und das strömungsabwärts gelegene Widerstandselement 144 sind
so, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Die Anordnung der thermischen
Klammer 141 unter Einschluss von oberen und unteren Abschnitten 138, 140 und
deren thermisch leitende Verbindung mit dem Sensorrohr 120 ist
hier mit weiteren Einzelheiten gezeigt. Die gestrichelten Linien
des Sensorrohres 120 zeigen an, dass das Rohr im Wesentlichen
von der thermischen Klammer 141 um seinen gesamten Umfang
herum an jedem Ende seines Betriebssegmentes im Wesentlichen umgeben
ist und in thermischem Kontakt hiermit steht. Das Betriebssegment des
Sensorrohres ist zu Erläuterungszwecken
als das Segment des Sensorrohres definiert, das zwischen den stromaufwärts- und
stromabwärts
gelegenen Schenkeln 154 bzw. 156 der thermischen
Klammer angeordnet ist.
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Ein
Ende 119 des Nebenstromrohres 112 bildet einen
Eingangsanschluss, und das andere Ende des Nebenstromrohres 112 bildet
einen Ausgangsanschluss 121, so dass ein Strömungsmittel
von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss in einer durch
Pfeile angezeigten Strömungsabwärtsrichtung
strömen
kann. Das eine laminare Strömung ergebende
Element 118 ist in der Nebenstromleitung angeordnet, um
die Strömung
des Strömungsmediums
durch das Rohr zu beschränken.
Ein stromaufwärts
gelegenes Ende des Sensorrohres ist mit dem Nebenstromrohr zwischen
dem Eingangsanschluss und dem eine laminare Strömung ergebenden Element verbunden.
Ein stromabwärts
gelegenes Ende des Sensorrohres verbindet das Nebenstromrohr zwischen
dem eine laminare Strömung
hervorrufenden Strömungselement
und dem Ausgangsanschluss, wobei ein fester Anteil der Gesamtmasse des
Strömungsmittels,
das von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss strömt, durch das
Sensorrohr fließt.
Das Sensorrohr kann Kapillarabmessungen aufweisen und ist aus einem
Material, wie z. B. Stahl, hergestellt, das durch eine relativ hohe
thermische Leitfähigkeit
im Vergleich zu der thermischen Leitfähigkeit des Strömungsmittels
gekennzeichnet ist.
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Jedes
der Widerstandselemente
144 und
146 schließt einen
temperaturabhängigen
Widerstandsleiter ein, der um einen jeweiligen Teil des Sensorrohres
120 gewickelt
ist, wobei jede aufeinander folgende Windung des Leiters sehr nahe
an die vorhergehende Windung angelegt ist. Jedes der Widerstandselemente
erstreckt sich entlang jeweiliger Teile des Sensorrohres
120 entlang
einer Achse AX1, die durch das Betriebssegment des Sensorrohres
120 definiert
ist. Das stromabwärts
gelegene Widerstandselement
144 ist stromabwärts von
dem Widerstandselement
146 angeordnet. Die Elemente liegen aneinander
an, oder sie sind durch einen schmalen Spalt aus Gründen einer
einfachen Herstellung getrennt, und sie sind elektrisch an der Mitte
des Rohres miteinander verbunden. Jedes Widerstandselement ergibt
einen elektrischen Widerstand, der sich als eine Funktion seiner
Temperatur ändert.
Die Temperatur jedes Widerstandselementes ändert sich als eine Funktion
des elektrischen Stromes, der durch seinen Widerstandsleiter fließt, und
der Massenstrom-Rate in dem Sensorrohr. Auf diese Weise arbeitet
jedes der Widerstandselemente sowohl als Heizeinrichtung als auch
als Sensor. Das heißt,
dass das Element als eine Heizeinrichtung wirkt, die Wärme als
Funktion des durch das Element fließenden Stromes erzeugt, und
dass das Element gleichzeitig als ein Sensor wirkt, was es ermöglicht,
dass die Temperatur des Elementes als eine Funktion seines elektrischen
Widerstandes gemessen wird. Der Massenstrom-Sensor
102 kann
irgendeine einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen verwenden,
typischerweise eine Wheatstone-Brückenanordnung, um den Widerstandselementen
146 und
144 Energie zuzuführen, die
temperaturabhängigen
Widerstandsänderungen
in dem Element zu messen und damit die Massenstrom-Rate des durch
das Rohr
120 strömenden
Strömungsmittels
zu messen. Schaltungen, die für
diesen Zweck verwendet werden, sind beispielsweise in dem US-Patent
5 461 913 auf den Namen
von Hinkle et al und dem US-Patent
5
410 912 auf den von Suzuki beschrieben, deren Inhalt durch diese
Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
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Im
Betrieb strömt
ein Strömungsmittel
von dem Eingangsanschluss 119 zu dem Ausgangsanschluss 121,
und ein Teil des Strömungsmittels
fließt durch
das eine Drosselung bildende laminare Strömungselement 118.
Das übrige
Strömungsmittel fließt durch
das Sensorrohr 120. Die (nicht gezeigte) Schaltung ruft
ein Fließen
eines elektrischen Stromes durch die Widerstandselemente 144 und 146 hervor,
so dass die Widerstandselemente 144 und 146 Wärme erzeugen
und diese dem Sensorrohr 120 zuführen, und damit dem Strömungsmittel,
das durch das Sensorrohr 120 strömt. Weil das stromaufwärts gelegene
Widerstandselement 146 Wärme an das Strömungsmittel überträgt, bevor
das Strömungsmittel
den Teil des Sensorrohres 120 erreicht, der von dem stromabwärts gelegenen
Widerstandselement 144 umgeben ist, leitet das Strömungsmittel
mehr Wärme
von dem strömungsaufwärts gelegenen
Widerstandselement 146 ab, als sie dies für das strömungsabwärts gelegene
Widerstandselement 144 tut. Der Unterschied in der Menge
an Wärme,
der von den zwei Widerstandselementen abgeleitet wird, ist proportional
zur Massenströmungs-Rate des Strömungsmittels
innerhalb des Sensorrohres und damit durch Erweiterung proportional
zur Gesamt-Massenströmungs-Rate
durch das Massenströmungsraten-Steuergerät von dem
Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss. Die Schaltung misst
diesen Unterschied durch Messen der jeweiligen elektrischen Widerstände und
erzeugt ein Ausgangssignal, das die Massenstrom-Rate durch das Sensorrohr
darstellt.
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Die
Basisplatte 122 kann einstückig mit der Sensorbaugruppe
sein, oder sie kann an der Baugruppe mit Hilfe einer Vielzahl von
Befestigungsmitteln befestigt sein, wie zum Beispiel durch mit Gewinde
versehene durchgehende Bohrungen und Schrauben. Die Basisplatte 122 ist
so konfiguriert, dass sie einen thermischen Pfad zwischen der Sensorbaugruppe 102 und
dem Rest des Massenströmungs-Steuergerätes 100 bildet,
um auf diese Weise die mittlere Temperatur der Sensorbaugruppe 102 und
des übrigen
Teils des Massenstrom-Steuergerätes
im Wesentlichen auf der gleichen mittleren Temperatur zu halten.
Zusätzlich
ist der thermische Pfad, den die Basisplatte durch die Verwendung
der thermischen Masse 148 bildet, so konfiguriert, dass
thermische Gradienten, die andernfalls auf die Massenstrom-Sensorbaugruppe
durch thermisch schneidende Kontakte mit dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse aufgeprägt werden
könnten,
erheblich verringert oder beseitigt werden.
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Insbesondere
weist die thermische Masse 148 eine Querschnittsfläche auf,
die beträchtlich
kleiner als die Querschnitts-Grundfläche der Sensorbaugruppe 102 ist.
Der Querschnitt der thermischen Masse kann eine kreisförmige, rechtwinklige
oder andere geometrische Form haben. Die thermische Masse ergibt
einen thermischen Pfad, der ausreicht, um die mittleren Gesamttemperaturen
der Massenstrom-Sensorbaugruppe
und des übrigen
Teils des Massenstrom-Steuergeräts
im wesentlichen auf dem gleichen Wert zu halten.
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In
der zu Erläuterungszwecken
gezeigten Ausführungsform
befindet sich die thermische Masse
148 in einem Bereich
der Sensorbaugruppe, der im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des
Strömungssensor-Rohres
120 zusammenfällt und
orthogonal zu der Achse AX1 des Sensorrohres
120 ist. Die
Position ist so gewählt,
dass sichergestellt wird, dass kein thermischer Gradient auf das
Sensorrohr
120 aufgeprägt
wird. Es werden jedoch auch andere Positionieranordnungen im Rahmen
der Erfindung in Betracht gezogen. Beispielsweise kann, wie dies
ausführlicher
in dem US-Patent
5,693,880 auf
den Namen von Maginnis, Jr., das durch diese Bezugnahme hier vollständig mit
aufgenommen wird, die Genauigkeit eines thermischen Massenstrom-Sensors
von der Position der Rohr-/Widerstandselement-Baugruppe gegenüber den Schenkeln
156 und
154 der thermischen
Klammer abhängig
sein. In einer erläuternden
Ausführungsform
kann anstelle einer Verschiebung des Sensorrohres
120 zur
Erzielung einer thermischen Symmetrie die thermische Masse
148 so
angeordnet werden, dass kleinere Unterschiede aufgrund von Positionierfragen
bezüglich
der thermischen Klammer zu Null gemacht werden, wie dies in dem
US-Patent
5,693,880 beschrieben
ist. Um eine derartige Symmetrierung zu erleichtern kann die thermische
Masse
148 beispielsweise eine einschiebbare Beilagscheibe,
und/oder ein oder mehrere Schlitze für eine verschiebbare Befestigung
der Masse
148 an dem unteren Abschnitt
140 der
thermischen Klammer oder an der Basisplatte
128 einschließen.
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Ein
Maß der
Wirksamkeit der thermischen Masse hinsichtlich des Haltens der mittleren
Temperatur der Sensorbaugruppe auf im wesentlichen der gleichen
mittleren Temperatur wie der Rest des Massenstrom-Steuergeräts ist die
Verzögerungszeit
zwischen einer Änderung
der mittleren Temperatur des Steuergeräts und einer entsprechenden Änderung der
mittleren Temperatur der Massenstrom-Sensorbaugruppe 102.
Die zulässige
Verzögerungszeit
ist eine konstruktive Wahl, die die Genauigkeit der Massenstrom-Anzeigen
beeinflussen kann. Unter der Vorgabe einer zulässigen Verzögerungszeit (für eine vorgegebene
Temperaturverschiebung), kann ein entsprechender Wärmefluss-Wert
berechnet werden. Der Wärmefluss-Wert
kann dann zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit und der Querschnittsfläche verwendet
werden, die für
das Material der thermischen Masse benötigt wird. Um die Möglichkeit
der Ausbildung von thermischen Gradienten längs des Strömungssensor-Gehäuses zu
einem Minimum zu machen, wird die Querschnittsfläche der thermischen Masse zu
einem Minimum gemacht. Das heißt,
dass für
ein zweckmäßiges Baumaterial, wie
zum Beispiel Aluminium, die Querschnittsfläche der thermischen Masse groß genug
sein muss, um Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Massenstrom-Sensorgehäuse und
dem thermischen Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse zu beseitigen, jedoch klein
genug sein muss, um die Ausbildung von thermischen Gradienten längs des
Querschnitts der thermischen Masse zu beseitigen. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist das Verhältnis
der Querschnittsflächen
der Sensorbaugruppe und der thermischen Masse zumindest zwei zu
eins.
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Die
perspektivische Ansicht nach 3 zeigt eine
ausführlichere
Aussenansicht der Sensorbaugruppe 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist die thermische Masse 148 einen rechtwinkligen Querschnitt
orthogonal zu der Achse des Sensorrohres auf und ist in der Basisplatte 128 ausgebildet.
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Obwohl
spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erläutert
und beschrieben wurden, ist es verständlich, dass vielfältige Änderungen
und Modifikationen für
den Fachmann erkennbar sind. Entsprechend sollen die beigefügten Ansprüche alle
diese Änderungen
und Modifikationen abdecken, die in den Grundgedanken und den Schutzumfang
der vorliegenden Offenbarung fallen.
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Zusammenfassung
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Ein
thermisches Massenstrom-Steuergerät (100) schließt eine
Sensorbaugruppe (102) und ein Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse (108)
ein. Eine thermische Masse oder Erdung begrenzt den thermisch leitenden
Pfad zwischen dem Massenstrom-Steuergeräte-Gehäuse (108)
und der Sensor-Baugruppe (102) und beseitigt auf Grund
des begrenzten Querschnitte der thermischen Masse (148) im
Wesentlichen von außen
aufgeprägte
thermische Gradienten innerhalb der Sensorbaugruppe (102).