DE1648062A1 - Halbleiterstroemungsmesser - Google Patents
HalbleiterstroemungsmesserInfo
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Description
Df.-ing. HANS RUSCHKE 25. Jy^ 1367
DipUng. HEINZ AGULAR
• Mönchen 27, Pieruenauer Str. 2 ,
North American Aviation, Inc.,
17oo East Imperial Highway, El Segundo, California
"Halbleiterströmungsmesser"
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmesser zum Messen der Mediumdurchflussmenge in der Zeiteinheit in
einer Mediumleitung. .
Übliche Durchflussmesser, wie sie heute verwendet werden,
sind ungenügend, um die Menge je Zeiteinheit eines pulsierenden
unregelmässigen Mediumstromes zu messen, insbesondere
in einer Leitung mit kleinem Durchmesser. Diese Strömungsmesser arbeiten zufriedenstellend, um Durchfluss
mengen je Zeiteinheit gleichmässiger Art zu messen, wenn sie in Leitungen grossen Durchmessers eingebracht sind.
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- ι -
Einige der üblicheren Strömungsmesser zum Messen pulsierenden
Mediums benutzen elektromagnetische Heissdrahtanemometer
oder Geschwindigkeitskopf-Wandler. Nur der Heissdrahtanemometerdurchflussmesser
ist genügend zuverlässig zum Messen eines pulsierenden Durchflusses. Der Geschwindigkeitskopf-Wandler
hat üblicherweise eine eingetauchte Platte, einen daran befestigten Auslegearm und ein umgekehrtes
Dehnungsrohr,auf dem Spannungsmesser montiert sind. Die Mediumkraft, die auf die Platte ausgeübt wird, wird
durch einen Druckabfall an der Platte erzielt, der in eine Dehnung in dem Dehnungsrohr umgewandelt wird. Die
verwendeten Bestandteile sind jedoch relativ massiv und ein Ansprechen mit hoher Frequenz kann nicht erreicht
werden.
Halbleiterdehnungsmesserwandler sind in der Technik bekannt, wie im US-Patent Nr. 3,049,685, erteilt am 14. August
1962 an W.V.Wright jr. gezeigt. Die meisten werden .
jedoch- verwendet, um Punktbelastungen zu messen, anstatt
gleichmässig verteilte Belastungen, die durch den Druck
des fliessenden Mediums ausgeübt werden. Die Punktbelastung wird im allgemeinen gegen einen Motor ausgeübt,
der dann die Last in Form einer Dehnung auf den Halbleiterdehnungsmesser überträgt. Da der Motor ein Zwischenteil zwischen der zu messenden Belastung und dem auf
Dehnung ansprechenden Wandler ist, entwickeln sich Un-
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genauigkelten in der Lastübertragung.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist, einen Strömungsmesser
zu schaffen, der diese Nachteile der Strömungsmesser nach
dem Stande der Technik überwindet und in der Lage ist, einen pulsierenden Flüssigkeitsstrom zu messen, der aus
Leitungen verhältnismässig geringen Durchmessers austritt.
Die Lösung des obigen Problems in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung besteht in einer Anordnung, die
ein Gehäuse umfasst, eine Einrichtung in dem genannten Gehäuse, die einen Durchlass darin bildet, durch den das
genannte Medium geleitet werden kann, auf Dehnung ansprechende Mittel aus piezoresistivem Halbleitermaterial,
die in dem genannten Gehäuse montiert sind und sich in den Durchlass erstrecken, die weiterhin eine Wheatston1sehe
Brücke aufweist, und eine Einrichtung, um elektrisch die dehnungsempfindliche Einrichtung mit der Wheatston'sehen
Brücke zu verbinden, und eine Anzeigevorrichtung in der
Wheatston1sehen Brücke, um die Mediumflusstarken anzuzeigen,
wobei diese Einrichtung auf die Dehnung in der
dehnungsempfindlichen Einrichtung anspricht.
Idealerweise ist eine Temperaturausgleichseinrichtung in der Wheatston'sehen Brücke angeordnet und ein Messanzeiger
ist elektrisch mit der Brückenleitung der Wheatston'sehen
Brücke verbunden, wobei der Anzeiger vorzugsweise so
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kalibriert ist, dass er die Durchflussgeschwindigkeit für einen vorher bestimmten Wert einer Beanspruchung anzeigt
und mit einer Einrichtung zum Anzeigen der Durchflussrichtung, und wobei der Strömungsmesser eine Einrichtung
in dem genannten Gehäuse umfasst, die eine sich radial erstreckende Nut bildet, die eine Masse aus Epoxyklebstoff
hält, worin ein Teil der auf Dehnung ansprechenden I^ Einrichtung eingebettet ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die
auf Dehnung ansprechende Einrichtung entweder die Form eines Paares sich gegenseitig kreuzender Dehnungsmesserstreifen,
wobei jeder Streifen an seinen entgegengesetzten Enden an dem genannten Gehäuse befestigt ist, wobei die
Streifen vorzugsweise senkrecht zueinander liegen oder in der Form eines Auslegerbalkens sind, der an. dem Gehäuse
befestigt ist, wobei Paare von Dehnungsmessern auf ™ seinen gegenüberliegenden Flächen befestigt sind und ein
Dehnungsmesser in jedem Arm der Wheatstone'sehen Brücke
angeordnet ist, wobei der Träger vorzugsweise senkrecht zur Durchlasskanalachse ausgerichtet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung zweier in den beigefügten
schematischen Zeichnungen dargestellter-Ausführungsbeispiele
.
. - 4 _
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Pig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die ein Paar sich kreuzender
Halbleiterdehnungsmesser zeigt, die in einem Mediumdurchlass
kanal liegen;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Leitung
2-2 der Fig. 1, wobei die Abbiegung durch die Dehnungsmesser während der Mediums trömungsbe-' a
dingungen gezeigt ist;
Fig. 5 zeigt einen Wheatstone1sehen Brückenstromkreis, in
dem die Dehnungsmesser eingeschaltet sind;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, worin ein Halbleiterauslegearm gezeigt ist, auf dem Dehnungsmesser
ausgebildet sind;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, die die Ausführungsform
der Fig. 4 mit einem dazu passenden Teil vor dem
Einführen in eine Flüssigkeitsleitung gekuppelt zeigt;
Fig. 6 ist eine vergrösserte Ansicht des Auslegerarmes,
wobei zwei Paare von Dehnungsmessern in vollen und gestrichelten Linien gezeigt sind;
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Pig. 7 ist ein Wheatstone Brüc kens tr omkr eis, mit dem die
Dehnungsmesser verbunden sind.
Eine Ausführungsform des Strömungsmessers nach der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Der Strömungsmesser hat ein
vergrössertes, 'ringförmiges Gehäuse 10, das koaxial an einem Gewindeschaft 11 befestigt ist. Durch das Gehäuse
A 10 und den Schaft 11 erstreckt sich mittig ein Flüssigkeitskanal 12. In einer Oberfläche des Gehäuses 10 sind
vier im gleichen Winkelabstand voneinander liegende, sich radial erstreckende Nuten I3, 14, I5 und 16 vorgesehen.
Die Nuten teilen die Fläche des Gehäuses 10 in Quadranten 34, 35» 36 und 37. Durch den äusseren Rand eines Jeden
Quadranten 34, 35, 36 und 37 verläuft eine öffnung 18,
die dazu verwendet wird, den Strömungsmesser in einer nicht gezeigten Mediumleitung zu befestigen.
W Die besondere Gestalt des Strömungsmessers ist in erster Linie durch die Einfachheit des Einfügens zwischen zwei
Leiterabschnitte bestimmt. Beispielsweise kann der Gewindeschaft 11 in einen mit Innengewinde versehenen Leiterabschnitt
eingeschraubt werden und nicht gezeigte Verriegelungsbolzen können durch die öffnungen 18, sowie
durch öffnungen in einem Flansch geführt werden, der am
anderen Leitungsabschnitt befestigt ist. Gewöhnliche Verriegelungsmuttern können dann an den Verriegelungsbolzen
befestigt werden, um den Strömungsmesser fest in flüssig-
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keitsdichtem Verhältnis zwischen den beiden Leiterabschnitten
festzulegen. Wahlweise kann ein Paar Gehäuseeinheiten 10 und Schafteinheiten 11 zunächst miteinander
gekuppelt werden, und dann können ihre Gewindeschäfte 11 in Leitungsabschnitte eingeschraubt werden. Der Schaft
11 kann in der Tat durch einen mit Innengewinde' versehenen Einschnitt versehen werden, der dann einen mit Aussengewinde
versehenen Leitungsabschnitt aufnimmt.
Ein Halbleiterstreifen I9 liegt quer über den Kanal 12 mit
den entgegengesetzten Enden in den Nuten 14 und 16. In gleicher Art und Weise liegt ein Halbleiterstreifen 29
quer den Kanal 12 mit seinen entgegengesetzten Enden in Nuten 13 und I5 angeordnet. Auf dem Halbleiterstreifen
befindet sich ein Halbleiterdehnungsmesser 30. Auf dem Halbleiterstreifen
19, wie in der punktierten Linie in Fig. gezeigt, befindet sich ein Halbleiterdehnungsmesser 20.
Die Dehnungsmesser 20 und Jo können auf ihren entsprechen- f
den Streifen durch jede beliebige geeignete Technik ausgebildet werden, wie etwa kleben, Planardiffusion, Epitaxialaufbau
od. dgl. Die Dehnungsmesser 20 und 30 sind von geringer
Tiefe im Verhältnis zur Stärke der Streifen I9 und
29. Immer wenn ein Streifen abgebogen wird, wird seine konvexe Oberfläche auf Spannung beansprucht und seine konkave
Fläche auf Kompression. Die Dehnungsmesser sind so ausgebildet, dass sie eine maximale Kompressions- oder
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Zugbeanspruchung aushalten.
Die Dehnungsmesser 20 und JO kreuzen einander in rechten
Winkeln und liegen innerhalb einer Ebene senkrecht zur Achse des Kanals 12. Der Punkt, an dem die Dehnungsmesser
sich kreuzen, liegt entlang der Achse des Kanals 12. Der Strömungsmesser ist in der Lage ebenso gut einen pulsierenden,
unregelmässigen Durchfluss genau zu messen,
wie auch einen ständig gleichmässigen Fluss. Dies wird
teilweise infolge der besonders empfindlichen Eigenschaften des Halbleitermaterials erreicht, das bei der
Herstellung sowohl der Dehnungsmesser als auch ihrer Grundstreifen verwendet wird.
Das Halbleitermaterial, das verwendet wird, kann Silizium, Germanium, Kohlenstoff oder ein beliebiges anderes geeignetes
Element sein, das dreiwertig ist, d.h. das Element muss vier Elektronen in seiner äusseren Hülle haben, die
in der Lage sind, auf äussere Kräfte anzusprechen. Wenn verhältnismässig kleine Mengen von Unreinheiten diesen
Elementen zugefügt werden, werden Kristallstrukturen gebildet, die besonders piezo-resistiv sind und besonders
geeignet, um pulsierende Durchflussbedingungen abzufühlen.
Es ist allgemein bekannt, dass, wenn Zug- oder Kompressionskräfte gegen Halbleitermaterial ausgeübt werden, sein
elektrischer Widerstand erhöht oder verringert wird, je
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nach der Art der Unreinheit, die in dem Kristallaufbau verwendet wird. Wenn N-Halbleitermaterial zusammengedrückt
wird, erzeugt die sich daraus ergebende Beanspruchung einen erhöhten elektrischen Widerstand in dem
Material. Eine Beanspruchung, die sich aus einer Zugkraft ergibt, führt zu einem verringerten elektrischen
Widerstand. Bei P-Halbleitermaterial sind die elektrischen Widerstandsmerkmal-e umgekehrt. Zugbeanspruchungen er- Jj
höhen und Druckbeanspruchungen verringern den elektrischen
Widerstand in P-Halbleitermaterial.
Ein N-Halbleiter ist ein Halbleitermaterial, das mit einer
fünfwertigen Unreinheit geimpft worden ist, wie etwa Arsen,
Antimon, Wismuth und Phosphor. Diese Unreinheiten werden als Geberunreinheiten bezeichnet, da jedes Atom dem
Kristall ein Überschusselektron verleiht. Ein P-Halbleiter
wird erreicht durch Impfen von Halbleitermaterial mit einer dreiwertigen Unreinheit, wie etwa Aluminium, Indium,
Gallium, Bor od. dgl. Diese werden als Nehmerunreinheiten
bezeichnet, weil jedes Atom ein Loch in dem Kristallaufbau
erzeugt und das Loch das Bestreben hat, ein Überschusselektron zu suchen.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Dehnungsmesser
20 und 50 aus P-Halbleitermaterial gebaut, während
Halbleiterstreifen I9 und 29 aus N-Halbleitermaterial ge-
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baut werden. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung könnten erreicht werden, ohne die Halbleiterstreifen
19 und 29 mit irgend einer Unreinheit zu impfen. In einem solchen Falle würde das Streifenmaterial als
ein eigentlicher Halbleiter bezeichnet. Indem jedoch eine Art Halbleitermaterial verwendet wird, die entgegengesetzt
der ist, die verwendet wird, um die Dehnungsmesser zu bauen, wird eine besonders gute Isolation erreicht
und es ergibt sich ein besserer elektrischer Wider-■ stand. Die Reihenfolge der Materialien könnte umgekehrt
werden. Das heisst, die Dehnungsmesser 20 und JO könnten
aus N-Halbleitermaterial hergestellt werden und die Halbleiterstreifen
19 und 20 wurden dann vorzugsweise aus P-Halbleitermaterial gemacht.
Ein Medium, das durch einen Kanal 12 in einer Richtung vom Gehäuse 10 zu dem Gewindeschaft 11 fliesst, trifft
auf die Halbleiterstreifen I9 und 29 und zwingt sie,
sich zu. biegen und in der gleichen Richtung auszuweichen. Die äusseren Enden der Streifen I9 und 29 werden gegen
eine verschiebungsbewegung gehalten, so dass die
Werte der in den Dehnungsmessern abgefühlten Beanspruchungen stets einer besonderen Durchflussintensität
entsprechen. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Enden des Streifens 29 in Massen von Epoxyklebstoff 17 eingebettet,
die in den Nuten I3 und 15 gehalten werden, wie
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in Pig. 1 gezeigt. An den äussersten Enden des Dehnungsmessers
20 befinden sich elektrische Leitungen 21 und 22. Elektrische Leitungen J>1 und j?2 sind an den äussersten
Enden des Dehnungsmessers J50 befestigt. Diese Leitungen
können Golddrähte sein, die an Lötansätzen 38 angelötet
sind. Wahlweise kann ein Querschnitt der elektrischen Leitungen für die Dehnungsmesser auf den Streifen aufgedampft
werden.
Während pulsierender Durchflussbedingungen, und wenn das
Medium auf die Oberflächen der Halbleiterstreifen I9 und 29 auftrifft, bestehen Perioden augenblicklicher Mediumstagnation. Während diesen Stagnationsperioden wird die
vom Flüssigkeitsdruck ausgeübte Belastung gleichmässig auf die Halbleiterstreifen verteilt. Der Grad der Beanspruchung
entspricht einer besonderen Durchflussintensität.
Die Richtung der Mediumkraft, die durch den Buchstaben F
in Fig. 2 bezeichnet wird, bewirkt einen identischen Grad der Abweichung in den Halbleiterstreifen. Der Dehnungsmesser
50, der in der oberen Oberfläche des Halbleiterstreifehs
29 ausgebildet ist, empfängt eine Druckbeanspruchung und der Dehnungsmesser 20 in der unteren Oberfläche des Halbleiterstreifens
19 empfängt zum gleichen Zeitpunkt eine Zugbeanspruchung. Ein Wulst aus Epogrharz 40, der die
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Mittelpunkte der Dehnungsmesser 20 und 50 verbindet,
dient als Isolierungsmittel, um sie zu trennen und ein relatives Verschieben zu verhüten. Ein Kontakt zwischen
den Dehnungsmessern könnte zum Kurzschluss führen und ein relatives Verschieben könnte zu einem leicht unvorhersehbaren
Grad der Verbiegung führen. Die Dehnungsmesser werden gegen Korrosionswirkungen des Mediums durch einen
geeigneten Mediumwiderstandsfilm geschützt, wie etwa Polyvinylidenfluorid
.
Infolge der piezo-resistiven Art von P-Halbleitermaterial,
wie vorher erwähnt, bewirkt eine Kompressionsbeanspruchung in dem Dehnungsmesser j50 einen verringerten elektrischen
Widerstand. Die Dehnungsbeanspruchung in dem Dehnungsmesser 20 erzeugt einen erhöhten elektrischen Widerstand.
Durch Anordnen der Dehnungsmesser in einer Wheatstone'sehen
Brücke, wie in Fig. j5 gezeigt, kann die Abweichung und
der elektrische Widerstand festgestellt werden und die Durchflussintensität, die eine Punktion der Widerstandsänderung
ist, kann bestimmt werden.
Die Wheatstone'sehe Brücke, die in Fig..3 gezeigt ist,
weist ein Paar aktiver Arme auf, die aus Dehnungsmessern 20 und 50 bestehen und ein Paar Blindarme 25 und 26 von
vorher bestimmtem konstantem elektrischem Widerstand. Die Wheatstone "sehe Brücke ist mit einer Eingangestrom-
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quelle E1n verbunden und hat eine Brücke 42, in der ein
geeignetes Ausgangssignalmessgerät 4^3 eingebaut ist. Das
Messgerät 4j5 ist so kalibriert, dass es Durchflussintensitäten
anzeigt, die vorherbestimmten Beanspruchungswerten entsprechen, die in den Dehnungsmessern 20 und ^Q abgefühlt
werden. Der Strom, der durch das Messgerät 4j5 übertragen
wird, ist eine Punktion der Durchflussintensität.
Elektrische Leitungsdrähte 22 und J52 der Dehnungsmesser
20 bzw. 30 sind miteinander an einer Verbindungsstelle
46 verbunden, durch die ein Eingangsstrom i in den Wheatstone'sehen Brückenstromkreis übertragen wird. Die
elektrische Leitung ~*>\, ein Ende der Brückenleitung 42
und ein Ende der mit dem Blindwiderstand 25 verbundenen Leitung sind am Punkt 45 miteinander verbunden. Die elektrische
Leitung 21, das andere Ende der Brückenleitung und ein Ende der Leitung, die mit dem Widerstand 26
verbunden ist, sind zusammen am Punkt 44 verbunden. Die
anderen Enden der elektrischen Leitungen, die mit Blindwiderständen 25 und 26 verbunden sind, sind miteinander
am Punkt 47 verbunden. Die Widerstände der Blindwiderstände
25 und 26 sind auf ungeführ zwei bis viermal höher als der Höchstwiderstand festgelegt, der in den
Dehnungsmessern auftreten kann, um zu helfen, einen eingebauten Temperaturausgleich in der Wheatstone'sehen
Brücke zu erreichen. Die Temperaturveränderungen In einer
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>■
Wheatstone1sehen Brücke beeinflussen alle Arme gleichmassig,
so dass infolge Temperaturschwankungen keine Brückenunbalance entsteht.
Der erhöhte elektrische Widerstand in dem Dehnungsmesser
20, wie oben erwähnt, erzeugt eine erhöhte elektrische Spannung am Punkt 44. Der verringerte elektrische Widerstand
in dem Dehnungsmesser 30 erzeugt eine verringerte elektrische Spannung am Punkt 45. Die Veränderungen in
der Spannung an den Punkten 44 und 45 sind gleich, aber
entgegengesetzt. Die sich ergebende Spannung bringt die Brücke 42,in der ein Strom erzeugt wird, der dem Messer
43 zugeleitet wird, zur Unbalance. Der Messer 43 zeigt
dann die genaue Menge des Durchflusses per Zeiteinheit des durch den Flüssigkeitskanal 12 fliessenden Mediums an.
Wenn die Durchflussrichtung durch den Strömungsmesser in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, d.h. wenn das Medium
von dem Gewindeschaft 11 durch das Gehäuse 10 fliesst,
werden die Dehnungsmesser 20 und 30 gezwungen, sich in der entgegengesetzten Richtung zu biegen. In diesem Falle
unterliegt der Dehnungsmesser 30 einem Zug und der Dehnungsmesser 20 einem Druck. Die abgefühlten Beanspruchungen
erzeugen einen erhöhten elektrischen Widerstand in dem Dehnungsmesser 30 und einen verringerten elektrischen
Widerstand im Dehnungsmesser 20. Für gleiche, aber ent-
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gegengesetzte Durchflussintensitäten ist die Spannung
durch, die Brückenleitung 42 auch gleich, aber entgegengesetzt.
Strom, der vom Punkt 44 nach 45 verläuft, zeigt diesen Zustand an. So ist der Strömungsmesser nicht nur
in der Lage, die Durchflussintensität zu messen, sondern er kann auch die Durchflussrichtung anzeigen. Die Ausgangs
spannung E auf die der Ausgangssignalmesser 4j5 anspricht,
ist proportional der Dichte des gemessenen Mediums, multipliziert
durch die Mediumgeschwindigkeit im Quadrat, multipliziert durch eine Kalibrierungskonstante. Die Fachleute
für die Bestimmung von Kalibrierungsfaktoren für Strömungsmesser verstehen sofort zahlreiche Techniken
zum Berechnen eines Kalibrierungsfaktors.
Eine andere Ausführungsform des Strömungsmessers der vorliegenden Erfindung ist in Pig. 4 gezeigt. Der Strömungsmesser
hat ein Gehäuse 50, das im koaxialen Verhältnis zu einem Gewindeschaft 51 verbunden ist. Durch die Mitte des
Gehäuses 50 und des Gewindeschaftes 51 erstreckt sich ein
Mediumdurchlass 53· In einer Oberfläche des Gehäuses 50
befindet sich eine ringförmige Nut 55 in die ein (nicht gezeigter) O-Ring oder eine andere Art einer ringförmigen
Dichtung eingebracht werden kann. Eine Serie von Öffnungen
56 ist in die äussere Peripherie des Gehäuses 50 eingebohrt.
Um die Strömungsmessergruppe in eine Mediumleitung einzusetzen, wird das Gehäuse 50 mit in die Nut 55 einge-
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setztem Dichtungsring in anschlagendes Verhältnis mit
einem dazugehörigen Gehäuse 96 gebracht, wie in Fig. '5 gezeigt. Das Gehäuse 96 hat einen Gewindeschaft ähnlich
dem Schaft 51· Unter Hinweis auf Fig. 5 werden Verriegelungsbolzen
98 durch die Öffnungen 56 und damit übereinstimmende
Öffnungen im Gehäuse 96 gesteckt. Dann werden Kontermuttern 99 verwendet, um die Gehäuse 50 und 96 fest
miteinander zu verbinden. Der Dichtungsring dient dazu, ein Durchlecken zwischen den Gehäusen 50 und 96 zu verhüten,
Die(nicht gezeigten) Leitungsabschnitte der Mediumleitung
in der der Strömungsmesser eingebaut werden soll, werden dann auf die Gewindeschäfte 5I und 97 in mediumdichten Verhältnis
geschraubt. Wahlweise können die Enden der Leitungsabschnitte mit Aussengewinden versehen werden, oder es können
Bohrungen in den Gehäusen 50 und 96 mit Innengewinden
angeordnet werden, um die Leitungsabschnitte aufzunehmen. Es ist klar, dass die Strömungsmesserausführungsformen
nach Fig. 1 und 4 ihre Durchflussleitungsbefestigungseinrichtungen
so abgewandelt haben können, dass sie miteinander austauschbar sind.
In den Mediumdurchlass 53 und senkrecht zu seiner Achse
ragt eine Ausladehebe-Halbleiterplatte 60. In dem Gehäuse
50 ist eine sich radial erstreckende Nut 6^ ausgebildet,
die eine Masse von nicht gzeigtem Epoxyklebstoff hält,
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worin ein Endabschnitt der dünnen Platte 60 fest eingebettet
ist. Dies wird in einer Art und Weise erreicht, die ähnlich der Art ist, bei der die Enden des Halbleiterstreifens 29 in Massen von Epoxyharz 17 eingebettet
sind, wie in Pig. 2 gezeigt. Die Querschnittsgestalt der dünnen Platte ist als rechteckig gezeigt, obwohl
dies unbedeutend ist und andere Gestalten, wie etwa oval oder elliptisch verwendet werden könnten. Auf der Λ
äusseren Oberfläche der dünnen Platte 60, wie in Fig.
4 und 6 gezeigt, befinden sich Halbleiterdehnungsmesser 70 und 74. Auf der Rückseite der dünnen Platte 60, und
wie in punktierten Linien in Fig. 6 gezeigt, befindet sich ein weiteres Paar Halbleiterdehnungsmesser 78 und
82. Elektrische Leitungen, die an den vier Dehnungsmessern angeschlossen sind, wie im einzelnen in Fig. 6 gezeigt,
werden in einen flachen Einschnitt 66 eingebracht, der in dem Gehäuse 50 ausgebildet ist, wo sie an einge-
■-■-■■ - f
schnittenen Lötansätzen 67 befestigt werden. Die Ein- ~
schnitte 66 und die Nut 64 gestatten ein Anschlagen der flachen Oberfläche des Gehäuses 50 an benachbarten Leitungsabschnitten
und gewähren Schutz für die fünf Verbindungspunkte zwischen den Dehnungsmessern und den
Ansätzen. Die Leitungen werden dann aus dem Gehäuse 50
durch einen elektrischen Verbinder 68 nach aussen geführt, wo sie in einem Wheatstone-BrUokenstromkrels
verbunden werden.
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ib4«UB2
In Fig. 5 sind Dehnungsmesser 70 und 72I- auf einer Oberfläche
der dünnen Platte 60 gezeigt, und ein anderes Paar Dehnungsmesser 78 und 82 sind in punktierten Linien
auf der entgegengesetzten Oberfläche der dünnen Platte 60 gezeigt. P-Halbleitermaterial wird bei der Herstellung
der dünnen Platte 60 benutzt. Im Gegensatz dazu sind die Dehnungsmesser 70, 74, 78 und 82 aus N-Halbleitermaterialien
hergestellt. Umgekehrt könnten die Arten von Halbleitermaterialien, die verwendet werden, um
die dünne Platte 66 und die vier Dehnungsmesser zu bauen, umgekehrt sein. ·
Die Zone, in der die N- und P-Halbleitermaterialien miteinander
verbunden werden, ist als eine PN-Verbindung oder eine Di ο den verbindung bekannt. PN-Verbindungen sind
an den Grenzflächen zwischen den vier Dehnungsmessern und
der dünnen Platte 60 vorhanden. Eine PN-Verbindung ist wünschenswert, weil eie eine gute elektrische Isolationsbarriere bildet. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung
könnten aber erreicht werden, selbst wenn eigentliches
Halbleitermaterial bei der Herstellung der dünnen Platte 60 verwendet wird. Um einen Stromfluss durch die PN-Verbindungen
zu verhüten, und um einen hohen Widerstand an jeder PN-Verbindung zu erreichen, werden elektrische
Leitungen von den Dehnungsmessern in einer "umgekehrt vorgespannten" Art im Hinblick auf einen Spannungsein-
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lb48U62
gang E1n verbunden, wie in Fig. 7 gezeigt. Durch Verwendung
von vier Dehnungsmessern, je zwei auf entgegengesetzten
Oberflächen der dünnen Platte 6O, können sie elektrisch als aktive Arme in einer Wheatstone-Brücke
verbunden werden, um vollständig die Wirkungen von Temperaturschwankungen auszuschalten, Messungenauigkeiten,
die häufig durch Temperaturschwankungen verursacht werden, werden dadurch ausgeschaltet.
Infolge der Auslegergestalt der dünnen Platte 60 werden äussere Belastungswirkungen, wie etwa diejenigen, die
durch Abmessungsveränderungen im Gehäuse 50 erzeugt werden, ausgeschaltet. Irgend ein leichter Grad der
Beanspruchung würde in einem Dehnungsmesser induziert, der sich über den Flüssigkeitsdurchlass 5;5 erstreckt,
wenn er an seinen entgegengesetzten Enden befestigt .ist, wenn sich ändernde Temperaturbedingungen den
Durchmesser der Wände vergrössern oder verkleinern, die den Flüssigkeitsdurchlass 53 bilden. Die Bildung
von Dehnungsmessern 70, 74, 78 und 82 könnte durch
verschiedene Techniken erreicht werden, wie etwa durch Planardiffusion, Epitaxialaufbau od. dgl. Die Fachleute
in der Halbleitertransistortechnik kennen diese Techniken, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden.
Unter Hinweis auf Fig. 7 wird eine vorher bestimmte Ein-
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1 b 4 8 U B
«ο
gangsspannung E. i-n eine Wheatstone-Brücke eingebracht
und erzeugt einen Strom i durch den Brückenstromkreis. Dehnungsmesser 70 und 7^ sind als entgegengesetzte Arme
in der Brücke angeordnet und Dehnungsmesser 78 und 82
sind auch in entgegengesetzten Armen.vorgesehen. Während des Zustandes des Nicht-Fliessens des Mediums ist die
Brückenleitung 90 ausgeglichen und kein Strom wird hindurchgeführt, weil die elektrische Spannung an den Funkten
95 und 95 gleich ist. Ein Ausgangssignalmesser 91* ähnlich
dem Messer 4j, der in der anderen Ausführungsform
nach der Erfindung verwendet wird, ist in der Brückenleitung
90 eingeschaltet. Der Messer 9I arbeitet, um das
Vorhandensein oder Abwesenheit von Strom festzustellen und sein Zeiger signalisiert sich ändernde Bedingungen.
Wenn das Medium in einer Richtung vom Kopf 50 durch den
Schaft 51 fliesst, biegt sich die dünne Platte 60 auf
W den Gewindeschaft 5I zu. Die Dehnungsmesser 70 und 74
werden einer Zugbeanspruchung unterzogen, während die Dehnungsmesser 78 und 82 einer Kompressionsbeanspruchung
unterliegen. Infolge der elektrischen Eigenschaften von N-piezo-resistivem Halbleitermaterial, wie oben erwähnt,
werden die elektrischen Widerstände in den Dehnungsmessern 70 und 74 verringert. Der elektrische Widerstand in den
Dehnungsmessern 78 und 82 wird erhöht. Die elektrische Spannung am Punkt 93 wird unter dem Einfluss der kombi-
- 20 10 9 8 13/0375
1b4ÖUB2
SM
nierten WiderstandsVeränderungen in den Dehnungsmessern
82 und 74 erhöht. Gleichzeitig wird die elektrische
Spannung am Punkt 95 verringert, und zwar infolge des
kombinierten Einflusses der Widerstandsveränderungen in
den Dehnungsmessern 70 und 78. Die sich ergebende Spannung zwischen den Punkten 93 und 95 arbeitet, um einen Stromzu
induzieren, der vom Punkt 95 zum Punkt 95 durch die
Brückenleitung 90 fliesst. Der Strom wird durch den Sig-
nalmesser 91 abgefühlt, der die Menge Je Zeiteinheit und ^
die Richtung des Flusses anzeigt. Der Fluss in entgegengesetzter Richtung erzeugt eine Kompressionsbeanspruchung
in den Dehnungsmessern 74 und JO und eine Zugbeanspruchung
in den Dehnungsmessern 78 und 82. Die sich ergebende Spannung
in der Brücke 90 ist genau die gleiche, aber von entgegengesetzter
Polarität. Eine Stromumkehrung bewirkt, dass der Messer 9I zeigt, dass der Durchfluss in entgegengesetzer
Richtung erfolgt.
/60 ■*
Vorzugsweise sollte die dünne Platte sich zwischen 50 und
80 vom Hundert über die Öffung des Flüssigkeitsdurchlasses
53 erstrecken. Sie über im wesentlichen mehr als 80 Prozent
zu erstrecken, würde zu ungenauen Ablesungen führen
infolge der Tatsache, dass die Spitze in eine Turbulenzzone
in der Nähe der Durchlasswand gebracht würde. So
lange jedoch die Spitze gerade kurz vor der Türbulenzzone
liegt, kann eine grössere Dehnung und damit grössere
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ib4BUB2
Ausgangsablesungen erzielt werden.
Die Dehnungsmesser sind, da sie aus Halbleitermaterial hergestellt sind, sehr empfindlich und haben Lehrenfaktoren
zwischen 100 und 200, was ungefähr 50 bis 100 mal grosser ist als der Lehrenfaktor von üblichen Drahtoder Poliendehnungsmessern. Der Strömungsmesser kann von
Miniaturgrösse sein, um in sehr kleine Leitungen zu passen,
wo er eine hohe Durchflussempfindlichkeit hat.
Obwohl die Erfindung im Einzelnen beschrieben und dargestellt
wurde, ist doch klar, dass diese Beschreibung nur der Illustration und als Beispiel dient und nicht
als Begrenzung angesehen werden darf, sondern dass Geist und Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten
Ansprüche begrenzt sind.
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- 22 -
Claims (12)
1b4ÖU62
Patentansprüche:
Strömungsmesser zum Messen der Mediumdurchfluss-
menge pro Zeiteinheit in einer Mediumleitung, dadurch
gekennzeic h η e t , dass er ein Gehäuse aufweist,
eine Einrichtung in dem genannten Gehäuse, die einen Kanal darin bildet, durch den das genannte Medium
geleitet werden kann, auf Beanspruchung empfindliche
Einrichtungen aus piezo-resistivem Halbleitermaterial,
die in dem genannten Gehäuse montiert sind und sich in den genannten Kanal erstrecken, eine Wheatstone'sche
Brücke, eine Einrichtung um die genannte, auf Beanspruchung ansprechende Einrichtung elektrisch mit der Wheatstone'sehen
Brücke zu verbinden und eine Anzeigevorrichtung in der Wheatstone'sehen Brücke zum Anzeigen der Strömungsintensität,
die auf die Beanspruchung in der auf Beanspruchung ansprechenden Einrichtung anspricht.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Gewindevorrichtung aufweist,
die mit dem Strömungsmessergehäuse verbunden ist, um das Gehäuse in die Mediumleitung einzuschalten.
3. Strömungsmesser nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung in dem
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genannten Gehäuse aufweist, die eine sich radial erstreckende Nut bildet, die eine Masse von Epoxyklebstoff
aufnimmt, in der ein Teil der auf Beanspruchung ansprechenden Einrichtung eingebettet ist.
4. Strömungsmesser nach einem beliebigen der Ansprüche 1 - 3 » dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturausgleichseinrichtung
mit der Wheatstone'sehen Brücke verbunden ist.
5. Strömungsmesser nach einem beliebigen der Ansprüche 1 - 4 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Messanzeige
elektrisch mit der Brüekenleitung der Wheatstone'sehen
Brücke verbunden ist, wobei die Messanzeige so geeicht ist, dass sie die Durchflussgeschwindigkeit für einen
vorher bestimmten Beanspruchungswert zeigt.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 5.» dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte Messanzeiger eine Einrichtung aufweist, um die Durchflussrichtung anzuzeigen.
7. Strömungsmesser nach einem beliebigen der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf
Beanspruchung ansprechende Einrichtung ein Paar sich gegenseitig kreuzender Beanspruchungsmesstreifen ist,
wobei jeder Streifen an seinen entgegengesetzten Enden an dem genannten Gehäuse befestigt ist»
- 24 1098 13/0375
IÖ48U62
ti"
8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Streifen senkrecht zueinander
liegen und einer der Streifen aus N-Halbleitermaterial
gebaut ist, während der andere aus P-Halbleitermaterial
hergestellt ist.
9. Strömungsmesser nach einem beliebigen der Ansprüche
1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Be-
1 anspruchung ansprechende Einrichtung ein Auslegerhebel m-
ist, der an dem Gehäuse mit Paaren von Dehnungsmessern
befestigt ist, die auf seinen entgegengesetzten=Oberflächen
angebracht sind, wobei ein Dehnungsmesser in
jedem Arm der Wheastone^schen Brücke angeordnet ist.
10. Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hebel senkrecht zur Durchflusskanalachse angeordnet ist.
11. Strömungsmesser nach den Ansprüchen 9 oder 10, M
dadurch gekennzeichnet,, dass der Hebel aus P-Halbleitermaterial
hergestellt ist und die Dehnungsmesser aus
N-Halbleitermaterial bestehen.
12. Strömungsmesser nach den Ansprüchen-9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel aus N-Halbleitermaterial besteht und die Dehnungsmesser aus P-Halbleitermaterial
hergestellt sind.
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- 25 -
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