DE1648062A1

DE1648062A1 - Halbleiterstroemungsmesser

Info

Publication number: DE1648062A1
Application number: DE19671648062
Authority: DE
Inventors: Herbert Chelner; Bubel William Leonard
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Priority date: 1966-07-29
Filing date: 1967-07-25
Publication date: 1971-03-25
Also published as: US3424000A; GB1199075A

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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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 .

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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 E_1n 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-

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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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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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gang E_1n 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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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-

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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.

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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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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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Claims

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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»

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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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