DE19832964A1 - Thermischer Flußsensor - Google Patents
Thermischer FlußsensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen
Flußsensor und ein zugehöriges Flußratenmeßelement, welches
Wärmeerzeugungsteile zur Messung einer Flußgeschwindigkeit
oder einer Flußrate eines Fluids auf der Grundlage der
Wärmeübertragung von Wärmeerzeugungsteilen oder Teilen, die
durch die Wärmeerzeugungsteile erwärmt werden, an das Fluid
aufweist. Ein derartiger thermischer Flußsensor kann bei der
Messung der Ansaugluft beispielweise bei einer
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung eingesetzt werden.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird
zunächst deren technischer Hintergrund erläutert. Fig. 13
zeigt ein Flußratenmeßelement, welches in einem vorbekannten
thermischen Flußsensor verwendet wird, wie er in der
japanischen Veröffentlichung einer ungeprüften
Patentanmeldung Nr. 185416/1998 (JP-A-1-185416) beschrieben
ist, und Fig. 14 ist ein Schaltbild des Schaltungsaufbaus
eines vorbekannten thermischen Flußsensors. Wie aus Fig. 13
hervorgeht, wird das Flußratenmeßelement, das in dem
vorbekannten oder herkömmlichen thermischen Flußsensor
verwendet wird, durch ein ebenes Substrat 38 und
Wärmeerzeugungswiderstände 39a und 39b gebildet, die jeweils
aus Platin in einem Dünnfilm ausgebildet sind, der auf einer
Oberfläche des ebenen Substrates 38 durch einen Sputter- und
Fotoätzvorgang abgelagert wurde. Der
Wärmeerzeugungswiderstand 39a ist dazu gedacht, in der
stromaufwärtigen Position angeordnet zu werden, gesehen in
Flußrichtung eines betreffenden Fluids (nachstehend wird
dieser Wärmeerzeugungswiderstand 39a auch als der
stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand bezeichnet),
wogegen der Wärmeerzeugungswiderstand 39b an einem
stromabwärtigen Ort angeordnet ist, gesehen in Flußrichtung
(dieser Wärmeerzeugungswiderstand 39b wird nachstehend auch
als der stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand bezeichnet).
Der stromaufwärte Wärmeerzeugungswiderstand 39a und der
stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 39b weisen jeweilige
Außenoberflächen auf, die jeweils mit einem Dünnfilm aus
Aluminiumoxid oder Siliziumoxid beschichtet sind. Der
stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 39a und der
stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 39b sind an
Anschlüsse 40a bzw. 40b zur Verbindung nach außen
angeschlossen, die auf der Oberfläche des ebenen Substrates
38 vorgesehen sind.
Weiterhin sind Temperaturkompensationswiderstände (nicht
dargestellt) vorgesehen, um die Fluidtemperatur
festzustellen, die jeweils als wärmeempfindlicher Widerstand
in Form eines Dünnfilms aus Platin über einen ähnlichen
Vorgang hergestellt werden, wie jenen, mit welchem die
voranstehend erwähnten Wärmeerzeugungswiderstände hergestellt
werden. Der Temperaturkompensationswiderstand ist so
ausgelegt, daß sein Widerstandswert zumindest 500mal so hoch
ist wie jener des Wärmeerzeugungswiderstandes.
Aus Fig. 14 wird deutlich, daß der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 39a, der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 39b und die
Temperaturkompensationswiderstände 41a und 41b innerhalb
eines Hauptkanals 19 angeordnet sind, durch welchen das Fluid
fließt, dessen Flußrate gemessen werden soll. Ein derartiges
Fluid kann die Ansaugluft bei einer Brennkraftmaschine mit
innerer Verbrennung sein, und wird daher auch einfach als
Ansaugluft oder einfach als Luft bezeichnet.
Der stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 39a bildet eine
Brückenschaltung zusammen mit dem stromaufwärtigen
Temperaturkompensationswiderstand 41a, der stromaufwärts
angeordnet ist, und mit den Festwiderständen 42a, 43a und
44a, wobei das Potential, das an einem neutralen Punkt
zwischen den Festwiderständen 42a und 44a auftritt, sowie das
Potential an einem neutralen Punkt zwischen dem
Festwiderstand 43a und dem stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39a jeweils an die zugehörige
Anschlußklemme eines Differenzverstärkers 45a angelegt
werden, um die Potentialdifferenz festzustellen. Ein
Potentialdifferenzsignal, welches vom Differenzverstärker 45a
ausgegeben wird, wird an die Basis des Transistors 46a
angelegt. Auf diese Weise wird eine Regelschleife zum
Ausgleich der Potentiale in voranstehend geschilderten
neutralen Punkten ausgebildet. Hierbei ist der
Emitteranschluß des Transistors 46a mit einer Verbindung
zwischen dem stromaufwärtigen
Temperaturkompensationswiderstand 41a und dem
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 39a verbunden,
während sein Kollektor mit einer Spannungsversorgung
verbunden ist.
Entsprechend bildet der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 39b eine weitere Brückenschaltung
zusammen mit dem stromabwärtigen
Temperaturkompensationswiderstand 41b, der stromabwärts
angeordnet ist, und mit den Festwiderständen 42b, 43b, 44b,
wodurch die Brückenschaltung eine geschlossene Regelschleife
in Zusammenarbeit mit einem Differenzverstärker 45b und einem
Transistor 46b ausbildet. Im einzelnen wird das Potential,
daß an einem neutralen Punkt zwischen den Festwiderständen
42b und 44b auftaucht, sowie das Potential, das am neutralen
Punkt zwischen dem Festwiderstand 43b und dem stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39b auftritt, jeweils an die
zugehörige Eingangsklemme des Differenzverstärkers 45b
angelegt, um die Potentialdifferenz festzustellen.
Die Widerstandswerte der Festwiderstände, welche die
Brückenschaltungen bilden, sind so gewählt, daß die
Temperaturen der Wärmeerzeugungswiderstände 39a und 39b um
ca. 100°C höher liegen als die Ansauglufttemperatur, die von
dem Temperaturkompensationswiderstand 41a bzw. 41b erfaßt
wird. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß der
Widerstand RH des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 39a zum Beispiel sich aus der
nachstehenden Gleichung ergibt, wenn die Brücke ausgeglichen
ist.
RH = {(Rk + R1).R3}/R2
wobei Rk den Widerstandswert des stromaufwärtigen
Temperaturkompensationswiderstands 41a angibt, R1 den
Widerstandswert des Festwiderstands 42a, R2 den
Widerstandswert des Festwiderstands 24a und R3 den
Widerstandswert des Festwiderstandes 43a.
Wie voranstehend erwähnt, ist der Widerstandswert des
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstands 39a so
eingestellt, daß seine Temperatur um ca. 100°C höher wird
als die Ansauglufttemperatur. Der Widerstandswert des
stromaufwärtigen Temperaturkompensationswiderstandes 41a, und
ebenso jener des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes
39a, bleibt daher konstant, so lange die Ansauglufttemperatur
konstant ist. Der durch die Brückenschaltung fließende Strom
wird durch das Zusammenwirken des Differenzverstärkers 45a
und des Transistors 46a so geregelt, daß der Widerstandswert
des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 39a konstant
ist, unabhängig von der Flußrate der Ansaugluft. Auf diese
Weise kann der durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39a fließende Strom als
Spannungsabfall festgestellt werden, der über dem
Festwiderstand 43a auftritt, wodurch die Luftflußrate auf der
Grundlage dieses Spannungsabfalls festgestellt werden kann.
Bei dem herkömmlichen thermischen Flußsensor, der
voranstehend beschrieben wurde, nimmt die Wärmemenge zu, die
auf den Luftfluß übertragen wird, wenn die Flußrate zunimmt.
Da die Luft, die entlang dem stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39b fließt, bereits durch den
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 39a erwärmt wurde,
ist im Gegensatz hierzu die Rate der Wärmeübertragung an den
Luftfluß von dem stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand
39b gering, verglichen mit der Wärmeübertragung von dem
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 39a an den
Luftfluß. Anders ausgedrückt wird der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 39a mit höherer Rate abgekühlt als
der stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 39b, wobei die
Differenz der Abkühlrate zwischen dem stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39a und dem stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39b in Abhängigkeit von der
Luftflußrate zunimmt.
Der Strom, der zur Erwärmung des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstands 39a erforderlich ist, damit dessen
Widerstandswert konstant gehalten wird, ist daher größer als
jener Strom, der zur Erwärmung des stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstands 39b erforderlich ist, um dessen
Widerstandswert konstant zu halten, wobei der Unterschied des
Heizstroms zwischen dem stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39a und dem stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 39b mit wachsender Flußrate der
Luft zunimmt. Die Differenz zwischen der Klemmenspannung Va,
die über dem Festwiderstand 43a auftritt, und der
Klemmenspannung Vb über dem Festwiderstand 43b steht er hier
in einer Funktionsbeziehung zur Luftflußrate oder zur Menge
der Luft, die durch einen Kanal fließt, der eine vorbestimmte
Querschnittsfläche aufweist, da der Heizstrom der
Wärmeübertragungsrate entspricht, während die
Wärmeübertragungsrate eine Funktion der Luftflußrate ist, wie
dies voranstehend bereits geschildert wurde.
Die Klemmenspannung Va ist daher höher als die
Klemmenspannung Vb (also Va < Vb), wenn die Luft in
Vorwärtsrichtung fließt (also von der stromaufwärtigen zur
stromaufwärtigen Seite), wogegen Klemmenspannung Vb höher als
die Klemmenspannung Va wird (also Vb < Va), wenn die Luft in
entgegengesetzter Richtung fließt. Die Differenz der
Klemmenspannungen Va und Vb kann daher als Vektorgröße
verwendet werden, die sowohl den absoluten Wert der
Luftflußrate als auch die Richtung des Luftflusses angibt.
Man kann daher einen thermischen Flußsensor erzielen, der die
Richtung des Luftflusses auf der Grundlage der Differenz der
Klemmenspannung Va und Vb feststellt, wobei diese Differenz
durch einen Differenzverstärker 47 bestimmt werden kann.
Bei dem voranstehend geschilderten, herkömmlichen thermischen
Flußsensor weisen die Widerstände, die zur Ausbildung der
Brückenschaltungen einschließlich des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 39a und des stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 39b verwendet werden, identische
Widerstandswerte auf. Wenn daher die Differenz zwischen den
Klemmenspannungen Va und Vb (also Va - vb) dazu verwendet
wird, das Flußratensignal abzuleiten, welches von dem
thermischen Flußsensor ausgegeben wird, wird die Differenz
gleich 0 (also Va - Vb = 0), wenn die Flußrate 0 ist, wogegen
die Differenz einen Wert der entgegengesetzten bzw. negativen
Polarität annimmt (also Va - vb < 0), wenn die Luft in
Gegenrichtung von der stromabwärtigen Seite zur
stromaufwärtigen Seite fließt.
Wenn der thermische Flußsensor mit den voranstehend
geschilderten Ausgangseigenschaften bei einer Einrichtung
oder einem System verwendet wird, welcher bzw. welchem das
Ausgangssignal des thermischen Flußsensors eingegeben wird,
wie im Falle einer Kraftstoffsteuereinheit für eine
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung eines
Kraftfahrzeuges, so wird die Schaltung so ausgebildet, daß
sie die negative Polarität des Eingangssignals zusätzlich zu
dessen Größe feststellen kann, was die Schaltungsausbildung
kompliziert macht.
Selbstverständlich kann ein Signal, welches sich durch
Addition einer vorbestimmten Vorspannung Vob zur Differenz
zwischen den Klemmenspannungen Va und Vb ergibt (also Va - Vb
+ Vob) intern beim thermischen Flußsensor verwendet werden.
Allerdings muß in diesem Fall eine
Vorspannungsadditionsschaltung zusätzlich im Inneren des
thermischen Flußsensors vorgesehen werden. Wenn der
thermische Flußsensor dazu gedacht ist, als der Lufteinlaß-
Festwiderstandsensor in dem System einer Brennkraftmaschine
mit innerer Verbrennung bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt zu
werden, so muß die voranstehend geschilderte
Vorspannungsadditionsschaltung so ausgelegt sein, daß
Schwankungen der vorbestimmten Vorspannung Vob in Folge von
Änderungen der Umgebungstemperatur auf den möglichen
Minimalwert unterdrückt werden, angesichts der Tatsache, daß
sich die Umgebungstemperatur im Bereich von -30°C bis 110°C
ändert.
Die voranstehend geschilderten Maßnahmen führen daher zu
entsprechend erhöhten Kosten.
Wenn andererseits der thermische Flußsensor bei der
Kraftstoffregelung für eine Brennkraftmaschine mit innerer
Verbrennung eines Kraftfahrzeuges verwendet wird, kann
andererseits das Flußratensignal eine pulsierende Signalform
zeigen, welche Rückwärtsflußratenkomponenten in dem
Betriebsbereich aufweist, in welchem das Drosselventil mit
einem derartig großen Öffnungsgrad geöffnet ist, daß eine
Ventilüberlappung stattfinden kann. Im allgemeinen ist
allerdings die Flußrate beträchtlich niedriger als jene in
Vorwärtsrichtung. Daher wird vorzugsweise der thermische
Flußsensor, der bei den voranstehend geschilderten
Anwendungen eingesetzt wird, so ausgelegt, daß er bei der
Vorwärtsflußratenmessung eine hohe Empfindlichkeit zeigt.
Bei dem herkömmlichen thermischen Flußsensor, der
voranstehend beschrieben wurde, ist allerdings dessen
Empfindlichkeit für den Fluß der Luft sowohl in
Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung im
wesentlichen gleich, was dazu führt, daß es Einschränkungen
für die Messung der maximalen Flußrate in Vorwärtsrichtung
gibt.
Angesichts der voranstehend geschilderten, beim Stand der
Technik bestehenden Situation besteht ein Ziel der
vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines
thermischen Flußsensors, der ein monoton wachsendes
Ausgangssignal über einen Zeitraum von der Feststellung eines
Rückwärtsflusses bis zur Feststellung eines Vorwärtsflusses
mit vereinfachtem Aufbau erzeugen kann, damit ein System zur
Verarbeitung oder Nutzung des Ausgangssignals des thermischen
Flußsensors mit vereinfachtem Aufbau ausgebildet werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung eines thermischen Flußsensors, der eine hohe
Empfindlichkeit bei der Messung der Flußrate in
Vorwärtsrichtung aufweist.
Angesichts der voranstehend geschilderten und weiterer Ziele,
die im Verlauf der Beschreibung noch deutlicher werden, wird
gemäß der allgemeinen Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
ein thermischer Flußsensor zur Verfügung gestellt, der
mehrere Wärmeerzeugungsabschnitte aufweist, die durch
wärmeempfindliche Widerstände gebildet werden, die an
Positionen stromaufwärts und stromabwärts innerhalb eines
Kanals, gesehen in der Richtung, in welcher ein Fluid durch
den Kanal fließt, angeordnet sind (diese Widerstände werden
nachstehend als der stromaufwärtige wärmeempfindliche
Widerstand bzw. der stromabwärtige wärmeempfindliche
Widerstand bezeichnet), um hierdurch eine Flußrate oder eine
Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage des
Wärmeübertragungseffektes zu messen, der zwischen den
Wärmeerzeugungsabschnitten und dem Fluid auftritt. Der
thermische Flußsensor weist eine Heizstromsteuervorrichtung
zum Steuern oder Regeln der Heizströme auf, die durch die
wärmeempfindlichen Widerstände fließen, so daß die
Temperaturen der mehreren Wärmeerzeugungsabschnitte um
vorbestimmte Werte in bezug auf die Temperatur des Fluids
ansteigen, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Differenz
zwischen Heizströmen, die durch den stromaufwärts
angeordneten Wärmeerzeugungsabschnitt fließen (nachstehend
auch als der stromaufwärtige Wärmeerzeugungsabschnitt
bezeichnet), und durch den Wärmeerzeugungsabschnitt, der
stromabwärts angeordnet ist (nachstehend auch als der
stromabwärtige Wärmeerzeugungsabschnitt bezeichnet), sowie
eine Vorrichtung zur Feststellung der Flußgeschwindigkeit
oder der Flußrate des Fluids auf der Grundlage der Differenz
der Heizströme. In diesem Fall wird der Heizstrom, der durch
den stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließt, so
eingestellt, daß er größer ist als jener Heizstrom, der durch
den stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließt,
wenn die Flußrate gleich 0 ist.
Durch diese Ausbildung des thermischen Flußsenors, bei
welchem die Differenz zwischen den Heizströmen, die durch den
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand bzw. den
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen, als
Flußratensignal benutzt werden kann, wie es voranstehend
geschildert wurde, kann immer ein monoton wachsendes Signal
mit positiver Polarität (also positivem Vorzeichen) als
Ausgangssignal des thermischen Flußsensors erhalten werden,
selbst wenn die Flußrichtung des Fluids, die sich einmal im
Übergangszustand in Rückwärtsrichtung geändert hat, erneut in
die Vorwärtsrichtung übergeht, was in der Hinsicht
vorteilhaft ist, daß eine Schnittstellenschaltung, die in
einem System oder einer Einrichtung vorgesehen werden soll,
das bzw. die dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal des
thermischen Flußsensors zu verarbeiten oder-zu nutzen,
kostengünstig mit vereinfachtem Aufbau verwirklicht werden
kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können
die wärmeempfindlichen Widerstände, welche die
Wärmeerzeugungsabschnitte bilden, so ausgelegt sein, daß der
Widerstandswert des stromaufwärtigen wärmeempfindlichen
Widerstands kleiner ist als der Widerstandswert des
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstandes.
Infolge der voranstehend geschilderten Ausbildung des
thermischen Flußsensors wird der Heizstrom, der durch den
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließt, größer
als der Heizstrom, der durch den stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand fließt, selbst wenn dasselbe
Ausmaß an Joulescher Wärme durch den stromaufwärtigen bzw.
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand erzeugt wird,
wobei die Differenz zwischen den Heizströmen, die durch den
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand bzw. den
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen, als
Flußratensignal genutzt werden kann, wie dies voranstehend
geschildert wurde, und ein monoton wachsendes Signal mit
positiver Polarität (also positivem Vorzeichen) immer als
Ausgangssignal des thermischen Flußsensors erhalten werden
kann, selbst wenn die Flußrichtung des Fluids, die einmal in
einem Übergangszustand die Rückwärtsrichtung angenommen hat,
wieder die Vorwärtsrichtung einnimmt, was in der Hinsicht
vorteilhaft ist, daß eine Schnittstellenschaltung, die in
einem System oder einer Einrichtung vorgesehen werden soll,
das bzw. diese dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des
thermischen Flußsensors zu verarbeiten oder zu nutzen,
kostengünstig mit vereinfachtem Aufbau verwirklicht werden
kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann jeder der wärmeempfindlichen Widerstände in Form eines
Films ausgebildet sein, wobei der stromaufwärtige
wärmeempfindliche Widerstand so ausgelegt ist, daß seine
Filmdicke größer ist als jene der stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstands.
Infolge des voranstehend geschilderten Aufbaus des
thermischen Flußsensors kann der Widerstandswert des
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstands kleiner
gewählt werden als jener des stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstands, ohne die konstruktive
Freiheit der Mustergebung des stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstands und der stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstands einzuschränken, selbst wenn
diese Widerstände mit derselben Form ausgebildet werden, und
in der selben Orientierung angeordnet sind. Daher kann im
wesentlichen die selbe Temperaturverteilung und dieselbe
Wärmeübertragung sowohl bei dem stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand als auch dem stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand erreicht werden, wodurch sich
das monoton ansteigende Ausgangssignal einfach über einen
Übergangszeitraum von dem Fluß in Gegenrichtung zum Fluß in
Vorwärtsrichtung erhalten läßt. Zusätzlich läßt sich
hierdurch ein thermischer Flußsensor erreichen, der eine
erhöhte Empfindlichkeit aufweist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann die mittlere Temperatur des stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstands höher eingestellt sein als
jene der stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstands.
Infolge der voranstehend geschilderten Ausbildung wird die
Joulesche Wärme, die von dem stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand erzeugt wird, höher als jene,
die von dem stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand
erzeugt wird, selbst wenn der stromaufwärtige und der
stromabwärtige Wärmeerzeugungsabschnitt so ausgebildet sind,
daß sie im wesentlichen dieselbe Oberflächenfläche aufweisen,
und der stromaufwärtige und der stromabwärtige
wärmeempfindliche Widerstand, die dort vorgesehen sind, im
wesentlichen den selben Widerstandswert aufweisen. Unter
Nutzung der Differenz zwischen den Heizströmen, die durch den
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand bzw. den
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen, kann
zur Erzeugung des Flußratensignals daher ein monoton
ansteigendes Ausgangssignal mit positivem Vorzeichen einfach
und konstant über einen Übergangszeitraum von dem Fluß in
Gegenrichtung zu dem Fluß in Vorwärtsrichtung erhalten
werden, wodurch eine Schnitt stelle, die in einem System
vorgesehen werden soll, das zur Verarbeitung oder Nutzung des
Ausgangssignals des thermischen Flußsensors ausgelegt ist,
kostengünstig mit vereinfachtem Aufbau verwirklicht werden
kann, was natürlich vorteilhaft ist.
Bei der Messung der Flußrate in Vorwärtsflußrichtung nimmt
die Wärmemenge, die von dem stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand an den stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand übertragen wird, zu, was
wiederum bedeutet, daß sich die Differenz zwischen den
Heizströmen, die durch den stromaufwärtigen bzw. den
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen,
entsprechend ändert. Die Empfindlichkeit des thermischen
Flußsensors kann daher noch weiter erhöht werden, was einen
zusätzlichen Vorteil darstellt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann der stromaufwärtige Wärmeerzeugungsabschnitt eine
größere Fläche aufweisen als der stromabwärtige
Wärmeerzeugungsabschnitt.
Infolge der voranstehend angegebenen Ausbildung wird die
Joulesche Wärme, die von dem stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand erzeugt wird, höher als jene,
die von dem stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand
erzeugt wird. Unter Verwendung der Differenz zwischen den
Heizströmen, die durch den stromaufwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand bzw. den stromabwärtigen
wärmeempfindlichen Widerstand fließen, kann daher zur
Erzeugung des Flußratensignals ein monoton ansteigendes
Ausgangssignal mit positivem Vorzeichen leicht über einen
Übergangszeitraum von dem Fluß in Gegenrichtung zu dem Fluß
in Vorwärtsrichtung gehalten werden, wodurch eine
Schnittstelle, die in einem System vorgesehen werden soll,
das zur Bearbeitung oder Nutzung des Ausgangssignals des
thermischen Flußsensors ausgelegt ist, kostengünstig mit
vereinfachtem Aufbau verwirklicht werden kann.
Weiterhin nimmt bei der Messung der Flußrate in
Vorwärtsrichtung die Wärmemenge zu, die von dem
stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand an den
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand übertragen
wird, was bedeutet, daß die Differenz zwischen den
Heizströmen, die durch den stromaufwärtigen bzw.
stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen,
entsprechend zunimmt. Die Empfindlichkeit des thermischen
Flußsensors kann daher noch weiter erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der Erfindung wird ein
thermischer Flußsensor zur Verfügung gestellt, der mehrere
wärmeempfindliche Widerstände aufweist, die an Positionen
stromaufwärts und stromabwärts innerhalb eines Kanals
angeordnet sind, gesehen in der Richtung, in welcher ein
Fluid durch den Kanal fließt, um hierdurch die Flußrate oder
die Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage des
Wärmeübertragungseffektes zu messen, der zwischen den
wärmeempfindlichen Widerständen und dem Fluid stattfindet.
Der thermische Flußsensor weist einen ersten Widerstand auf,
der in Reihe mit dem stromaufwärtigen wärmeempfindlichen
Widerstand geschaltet ist, um den Heizstrom zu erfassen, der
durch den stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand
fließt, einen zweiten Widerstand, der in Reihe mit dem
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand geschaltet ist, um
den Heizstrom zu erfassen, der durch den stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand fließt, wobei der zweite Widerstand
einen größeren Widerstandswert aufweist als der erste
Widerstand, und weist eine Vorrichtung zur Feststellung der
Flußrate oder Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der
Grundlage der Differenz zwischen den Spannungen auf, die über
dem ersten und dem zweiten Widerstand auftreten.
Bei dem voranstehend geschilderten Aufbau des thermischen
Flußsensors kann die Differenz zwischen den Heizströmen, die
durch den stromaufwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand bzw.
den stromabwärtigen wärmeempfindlichen Widerstand fließen,
als Flußratensignal genutzt werden, wodurch ein monoton
wachsendes Signal mit positiver Polarität (also positivem
Vorzeichen) immer als Ausgangssignal des thermischen
Flußsensors selbst dann erhalten werden kann, wenn die
Flußrichtung des Fluids, die sich einmal im Übergangszustand
in Rückwärtsrichtung geändert hat, erneut die
Vorwärtsrichtung einnimmt, was in der Hinsicht vorteilhaft
ist, daß eine Schnittstellenschaltung, die in einem System
oder einer Einrichtung vorgesehen werden soll, welches bzw.
welche dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des thermischen
Flußsensors zu verarbeiten oder zu nutzen, kostengünstig mit
vereinfachtem Aufbau ausgebildet werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 1B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig.
1A;
Fig. 2A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig.
2A;
Fig. 3A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß
einer dritten und einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig.
3A;
Fig. 4A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß
einer vierten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig.
4A;
Fig. 5 ein Schaltbild des Schaltungsaufbaus eines
thermischen Flußsensors, bei welchem eine
Heizstromregelschaltung vorgesehen ist, und
Flußratenmeßelemente gemäß den Ausführungsformen
der Erfindung wahlweise eingesetzt werden können;
Fig. 6 eine Vorderansicht eines thermischen Flußsensors
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Längsschnittansicht des in Fig. 6
dargestellten Sensors;
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der
Flußratenmeßeigenschaften eines herkömmlichen
thermischen Flußsensors;
Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der
Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen
Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement
gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung
eingesetzt wird;
Fig. 10 eine Darstellung der Erläuterung der
Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen
Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement
gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung
verwendet wird;
Fig. 11 eine Darstellung zur Erläuterung der
Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen
Fluidsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement
gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung
verwendet wird;
Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der
Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen
Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement
gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung
verwendet wird;
Fig. 13 eine Darstellung eines Flußratenmeßelementes,
welches bei einem vorbekannten thermischen
Flußsensor verwendet wird; und
Fig. 14 ein Schaltbild des Schaltungsaufbaus eines
vorbekannten thermischen Flußsensors.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im einzelnen im
Zusammenhang damit beschrieben, was momentan als bevorzugte
oder typische Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird,
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In der folgenden
Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren. Weiterhin
sollen in der nachstehenden Beschreibung derartige Begriffe
wie "stromaufwärts", "stromabwärts", "vorwärts", "rückwärts",
"in Gegenrichtung" und dergleichen so verstanden werden, daß
sie die Erfindung erläutern, jedoch diese nicht einschränken
sollen.
Fig. 1A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17A
gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, Fig. 1B ist eine Schnittansicht dieses Elementes
entlang der Linie A-A von Fig. 1A.
Das Flußratenmeßelement 17A gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung weist ein ebenes (oder
plattenförmiges) Substrat 1 auf, das aus Silizium mit einer
Dicke von 0,4 mm besteht, einem Basisfilm 2 aus einem
Isoliermaterial, beispielsweise Siliziumnitrid oder
dergleichen, der über der oberen Oberfläche des ebenen
Substrates 1 mit einer Dicke von 1 µm über Sputtern,
Dampfablagerung, CVD (chemische Dampfablagerung) oder ein
ähnliches Verfahren abgelagert wird, sowie
Wärmeerzeugungswiderstände 4 und 5, die aus einem
wärmeempfindlichen Material, wie beispielsweise Platin
bestehen, und auf dem Basisfilm 2 über Dampfablagerung,
Sputtern oder einen ähnlichen Vorgang in Form eines Dünnfilms
abgelagert werden, der eine Dicke 0,2 µm aufweist.
Die Wärmeerzeugungswiderstände 4 und 5 können dadurch
ausgebildet werden, daß Strompfade oder Leiterbahnen dadurch
mit einem Muster versehen werden, daß Fotogravur, Naß- oder
Trockenätzung oder eine ähnliche Vorgehensweise eingesetzt
werden. Jeder der durch die Musterbildung erzeugten
Wärmeerzeugungswiderstände 4 und 5 weist einen
Wärmeerzeugungsabschnitt mit den Abmessungen 1 mm × 0,05 mm
auf. Entsprechend sind abgelagert auf dem Isolierbasisfilm 2
über Verdampfung, Sputtern oder dergleichen,
Temperaturkompensationswiderstände 6a und 6b in Form
wärmeempfindlicher Filme vorgesehen, die aus Platin oder
dergleichen bestehen, und eine Dicke von 0,2 µm aufweisen.
Zusätzlich wird ein Schutzfilm 3 aus einem Isoliermaterial,
beispielsweise Siliziumnitrid und dergleichen, über den
Wärmeerzeugungswiderständen 4 und 5 und den
Temperaturkompensationswiderständen 6a und 6b mit einer Dicke
von 1 µm über Sputtern, Verdampfung, CVD oder ein ähnliches
Verfahren, erzeugt.
Ein in Fig. 1A dargestellter Pfeil 9 bezeichnet eine
Richtung, in welcher ein Fluid fließt, dessen Flußrate
gemessen werden soll. Wenn hierbei die Ansaugluftflußrate in
einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemessen
werden soll, gibt der Pfeil nur die Richtung an, in welcher
die Ansaugluft von einer Ansaugöffnung aus zu den
Motorzylindern fließt. In diesem Zusammenhang wird darauf
hingewiesen, daß im Falle einer Vierzylinder-
Brennkraftmaschine der Ansaugluftfluß pulsierend sein kann,
und Flußkomponenten in Rückwärtsrichtung enthält, abhängig
von der Ventilüberschneidung oder dem Öffnungsgrad eines
Drosselventils, oder von anderen Bedingungen, die innerhalb
des Ansaugrohres herrschen.
In jenem Zustand, in welchem das betreffende Fluid,
beispielsweise die Ansaugluft, in Vorwärtsrichtung fließt
(beispielsweise von der Einlaßöffnung zum Motorzylinder), ist
der stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 4 an einem Ort
stromaufwärts angeordnet, gesehen in der Flußrichtung der
Ansaugluft, wogegen der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 5 an einem Ort stromabwärts
angeordnet ist, wobei die beiden Wärmeerzeugungswiderstände 4
und 5 einander in der Richtung gegenüberliegend, in welche
die Luft fließt. Die Wärmeerzeugungswiderstände 4 und 5
(nachstehend auch als der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw. der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 5 bezeichnet) und die
Temperaturkompensationswiderstände 6a und 6b sind elektrisch
mit Elektroden 14a bis 14h über Leitungsmuster 13a bis 13h
verbunden, damit elektrische Verbindungen nach außerhalb des
Flußratenmeßelementes vorgenommen werden können. Der
Schutzfilm 3 ist an den Orten entsprechend den Elektroden 14a
bis 14h entfernt, damit externe elektrische Verbindungen
mittels Drahtverbindung oder dergleichen vorgenommen werden
können.
Wie aus Fig. 1B hervorgeht, ist ein Schutzfilm 15 an der
rückwärtigen Oberfläche auf der anderen Oberfläche des ebenen
Substrates 1 entgegengesetzt zum Basisfilm 2 vorgesehen, und
ist ein geätztes Loch 16 in dem Schutzfilm 15 für die
rückwärtige Oberfläche über einen Fotogravurvorgang oder
einen ähnlichen Vorgang ausgebildet. Daraufhin wird das ebene
Substrat 1 zum Teil alkalische Ätzung oder ein ähnliches
Verfahren entfernt, so daß eine Membran 12 mit einer Fläche
von 1,4 mm × 0,4 mm ausgebildet wird.
Der stromaufwärtige und der stromabwärtige
Wärmeerzeugungsabschnitt, die durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw. den stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 5 ausgebildet werdend weisen die
selbe Breite in Fluidflußrichtung auf, und die selbe Länge in
der Richtung orthogonal zur Flußrichtung. Sowohl der
stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 4 als auch der
stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 5 weisen daher die
selbe Wärmeerzeugungsfläche auf. Da jedoch der
stromaufwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 4 so ausgelegt ist,
daß er eine größere Musterbreite und eine kürzere Musterlänge
aufweist als der stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 5,
ist der Widerstandswert RH1 des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstands 4 kleiner als der Widerstandswert
AH2 des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstands 5.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das
Flußratenmeßelement 17A nicht in den echten Abmessungen
dargestellt ist, sondern vergrößert und übertrieben
dargestellt ist, um das Verständnis der Erfindung zu
erleichtern. Das gleiche gilt für andere Figuren, in welchen
Flußratenmeßelemente gemäß anderen Ausführungsformen der
Erfindung dargestellt sind. Fig. 5 ist ein Schaltbild,
welches den Schaltungsaufbau eines thermischen Flußsensors
zeigt, der eine Heizstromsteuerschaltung oder
Heizstromregelschaltung und eine
Flußraten/Flußgeschwindigkeitsmeßschaltung gemäß der
vorliegenden Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Eine Brückenschaltung 23a, in welcher der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 4 vorgesehen ist, weist eine
Reihenschaltung aus einem Temperaturkompensationswiderstand
6a und einer Wheatstone-Brücke auf, die durch den
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4, einen
Bezugswiderstand 24a, einen Festwiderstand 28a und einen
Festwiderstand 26a gebildet werden, eine
Impedanzwandlerschaltung, die durch Festwiderstände 25a und
26 und einen Differenzverstärker 29a gebildet wird, einen
Differenzverstärker 30a zur Feststellung der
Potentialdifferenz zwischen einem Schaltungspunkt Aa und
einem anderen Schaltungspunkt Ba (also zwischen den
Spannungen, die über dem Bezugswiderstand 24a bzw. dem
Festwiderstand 28a auftreten), und einen npn-Steuertransistor
31a mit an Masse gelegtem Emitter, dessen Basis mit dem
Ausgangssignal des Differenzverstärkers 30a versorgt wird,
und dessen Kollektor mit der Basis eines pnp-
Ausgangstransistors 32a verbunden ist. Die
Impendanzwandlerschaltung dient zum Schutz des
Temperaturkompensationswiderstandes a gegen Überströme.
Bei dem Ausgangstransistor 32a ist der Emitter an die
positive Klemme (+) einer Spannungsversorgung 33
angeschlossen, wogegen der Kollektor des Ausgangstransistors
32a mit der positiven Klemme der Brückenschaltung verbunden
ist. Ein vorbestimmter Kollektorstrom des Ausgangstransistors
32a, der von dem Basisstrom des Ausgangstransistors 32a
abhängt, kann daher als Heizstrom durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 über die Wheatstone-Brücke
fließen. Eine geschlossene Regelschleife zum Steuern oder
Regeln des Heizstroms IH1, der durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 fließt, wird daher durch das
Zusammenwirken des Differenzverstärkers 30a, des
Steuertransistors 31a und des Ausgangstransistors 32a
erzielt, so daß die Potentiale an den Schaltungspunkten Aa
und Ba einander gleich werden.
Wie voranstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik
geschildert, sind der Widerstandswert RH1 des
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 sowie der
Widerstandswert der Brückenwiderstände so gewählt, daß die
Temperatur des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstands 4
um etwa 100°C höher ist als die Ansauglufttemperatur. Der
Widerstandswert des Temperaturkompensationswiderstands 6a und
ebenso der Widerstandswert des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 4 sollte so lange konstant
bleiben, wie die Ansauglufttemperatur konstant ist. Der durch
die Brückenschaltung fließende Strom wird so gesteuert oder
geregelt, durch das Zusammenwirken des Differenzverstärkers
30a, des Steuertransistors 31a und des Steuertransistors 32a,
daß der Widerstandswert RH1 des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 4 einen konstanten Wert annimmt,
unabhängig von der Flußrate der Ansaugluft. Der durch den
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 fließende Strom
kann als Spannungsabfall über dem Bezugswiderstand 24a erfaßt
werden, wodurch die Durchflußrate auf der Grundlage dieses
Spannungsabfalls festgestellt werden kann.
Eine Brückenschaltung 23b, die den stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 5 enthält, weist eine
Reihenschaltung aus einem Temperaturkompensationswiderstand
6b und einer Wheatstone-Brücke auf, die durch den
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5, einem
Bezugswiderstand 24b einen Festwiderstand 28b und einen
Festwiderstand 26b gebildet wird, eine
Impendanzwandlerschaltung, die durch Festwiderstände 25b und
26b und einen Differenzverstärker 29b gebildet wird, einen
Differenzverstärker 30b zur Bestimmung der Potentialdifferenz
zwischen Schaltungspunkten Aa und Ba (also zwischen den
Spannungen, die über dem Bezugswiderstand 24b bzw. dem
Festwiderstand 28a abfallen), und einen npn-Steuertransistor
31b, dessen Emitter an Masse liegt, dessen Basis mit dem
Ausgangssignal des Differenzverstärkers 30b versorgt wird,
und dessen Kollektor an die Basis eines pnp-
Ausgangstransistors 32b angeschlossen ist.
Die Impedanzwandlerschaltung dient zum Schutz des
Temperaturkompensationswiderstandes 6b gegen überströme. Bei
dem Ausgangstransistor 32b ist der Emitter mit der positiven
Klemme (Plus) der Spannungsversorgung 33 verbunden, während
der Kollektor des Ausgangstransistors 32b an eine positive
Klemme der Brückenschaltung angeschlossen ist. Eine
geschlossene Regelschleife zum Steuern bzw. Regeln des
Heizstroms IH2 wird durch das Zusammenwirken des
Differenzverstärkers 30b, des Steuertransistors 31b und des
Ausgangstransistors 32b ausgebildet, so daß die Potentiale an
den Schaltungspunkten Aa und Ba gleich werden.
Wie voranstehend im Zusammenhang mit dem Stand der Technik
geschildert, sind der Widerstandswert RH2 des stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstands 5 und die Widerstandswerte der
Brückenwiderstände so gewählt, daß die Temperatur der
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 um ca. 100°C
höher wird als die Ansauglufttemperatur. Der Widerstandswert
des Temperaturkompensationswiderstandes 6b, und ebenso jener
des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5, bleibt
daher so lange konstant, wie die Ansauglufttemperatur
konstant ist. Der durch die Brückenschaltung fließende Strom
wird so gesteuert oder geregelt, durch das Zusammenwirken des
Differenzverstärkers 30b, des Steuertransistors 31b und des
Steuertransistors 33b, daß der Widerstandswert RH2 des
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 einen
konstanten Wert unabhängig von der Flußrate der Ansaugluft
annimmt. Auf diese Weise kann der durch den stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 5 fließende Strom als
Spannungsabfall festgestellt werden, der über dem
Bezugswiderstand 24b abfällt, wodurch die Luftflußrate auf
der Grundlage dieses Spannungsabfalls festgestellt werden
kann.
Die Differenz zwischen den Klemmenspannungen VM1 und VM2, die
an den Bezugswiderständen 24a bzw. 24b auftreten, wird durch
eine Differenzverstärker 34 festgestellt. In der auf den
Differenzverstärker 34 folgenden Stufe ist eine
Verstärkerschaltung angeschlossen, die durch einen
Differenzverstärker 35 und Festwiderstände 36 und 37 gebildet
wird, die zur Festlegung des Verstärkungsfaktors gebildet
wird, die zur Festlegung des Verstärkungsfaktors des
Differenzverstärkers 35 dienen. Das Ausgangssignal Vo des
Differenzverstärkers 35 ist das Ausgangssignal des
thermischen Flußsensors.
Fig. 6 ist eine Vorderansicht, die einen thermischen
Flußsensor 2, der das in Fig. 1 dargestellte
Flußratenmeßelement 17A verwendet, und Fig. 7 ist eine
entsprechende Längsschnittansicht. Wie aus den Fig. 6 und 7
hervorgeht, weist der thermische Flußsensor ein
Flußratenmeßelement 17 auf, ein Meßrohrsegment 18, in welchem
das Flußratenmeßelement 17 aufgenommen wird, einen Hauptkanal
18 für den Luftfluß, in welchem das Meßrohrsegment 18
aufgenommen ist, ein gitterförmiges
Flußvergleichmäßigungsteil 20, welches innerhalb des
Hauptkanals 19 an einem Ort stromaufwärts des
Flußratenmeßelementes 17 angeordnet ist, ein Gehäuse 21, in
welchem die Heizstromregelschaltung und die
Flußraten/Flußgeschwindigkeitsmeßschaltung von Fig. 5
enthalten sind, und einen Verbinder 22, der zum Liefern
elektrischer Energie an die Heizstromregelschaltung und die
Flußraten/Flußgeschwindigkeitsmeßschaltung dient, sowie zum
Abnehmen des Ausgangssignals des thermischen Flußsensors. In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die
thermischen Flußsensoren gemäß anderen beispielhaften
Ausführungsformen der Erfindung, die nachstehend noch
beschrieben werden, bei dem in den Fig. 6 und 7 gezeigten
Aufbau verwendet werden können.
Im Betrieb wird mit dem stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 und dem stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 5 eine Rückkopplungsregelung durch
die in Fig. 5 dargestellte Steuer- oder Regelschaltung
durchgeführt, so daß sie im Mittelwert jeweils eine bestimmte
Temperatur aufweisen.
Die Größe des Heizstroms ergibt sich dann als Funktion einer
Größe entsprechend dem Produkt der Flußgeschwindigkeit und
der Dichte des Fluids, dessen Flußrate gemessen werden soll,
durch entsprechende Änderung des Heizstroms auf der Grundlage
der gemessenen Fluidtemperatur, die von den
Temperaturkompensationswiderständen 6a und 6b festgestellt
wird. Das Prinzip der Flußratenmessung über die Regelung auf
konstante Temperaturdifferenz ist ebenso wie bei dem
herkömmlichen thermischen Flußsensor, der voranstehend
beschrieben wurde.
Wenn die Flußgeschwindigkeit des gemessenen Fluids zunimmt,
nimmt die Wärmeübertragungsmenge von dem stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 an das Fluid zu, was wiederum zu
einer entsprechenden Erhöhung des Heizstroms führt, der durch
den stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 fließt. Im
Gegensatz hierzu ist der Anstieg des Heizstroms, der durch
den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 fließt, der
stromabwärts des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes
4 angeordnet ist, geringer als der Anstieg des Heizstroms für
den stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4, da in dem
Bereich des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 das
an diesem vorbeifließende Fluid bereits durch den
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 aufgewärmt
wurde. Durch Feststellung der Differenz zwischen den
Heizströmen, die durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw. den stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 5 fließen, anhand der Differenz der
Spannungsabfälle (VM1 - VM2) über den Bezugswiderständen 24a
und 24b mit Hilfe des Differenzverstärkers 34 ist es daher
möglich, die Flußrate und die Flußgeschwindigkeit des
betreffenden Fluids festzustellen. Wird durch H1 die
Joulesche Wärme des stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 4 bezeichnet, wogegen jene des
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 durch H2
bezeichnet wird, so lassen sich die Jouleschen Wärmen H1 und
H2 durch die folgenden Ausdrücke (1) und (2) ausdrücken.
H1 = IH12.RH1 = A1 + S1.h.(TH1 - Ta1) (1)
H2 = IH2.RH2 = A2 + S2.h.(TH2 - Ta2) (2)
Hierbei bezeichnet IHI den durch den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 fließenden Heizstrom, IH2 den
durch den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5
fließenden Heizstrom, RH1 den Widerstandswert des
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4, RH2 den
Widerstandswert des stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 5, A1 den Wärmeverlust, wenn die
Flußrate an einem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt
gleich 0 ist, A2 den Wärmeverlust, wenn die Flußrate an einem
stromabwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt gleich 0 ist, S1 die
Fläche des Wärmeerzeugungsabschnittes, der in dem
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 vorgesehen ist,
S2 die Fläche des Wärmeerzeugungsabschnitts, der in dem
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 vorgesehen ist, h
die Wärmeübertragungsrate des Wärmeerzeugungsabschnittes, die
sich ergibt aus
h = f(Qn)
wobei Q die Flußrate ist, und n eine Konstante, die durch die
Flußrate festgelegt wird,
TH1 die mittlere Temperatur des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4, gegeben durch TH1 = Ta + ΔT1, wobei Ta die Temperatur des Fluids ist, welches in den thermischen Flußsensor hineinfließt, und ΔT der Temperaturanstieg des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 ist,
TH2 die mittlere Temperatur des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5, gegeben durch TH2 = Ta + ΔT2, wobei AT der Temperaturanstieg der stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 ist, Tal die Temperatur des Fluids, welches über eine Oberfläche des Wärmeerzeugungsabschnittes und entlang dieser Oberfläche fließt, der in dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 vorgesehen ist, wobei bei einem Fluß des Fluids in Vorwärtsrichtung gilt: Ta1≈Ta, bzw. Ta1 < Ta, wenn das Fluid in Rückwärtsrichtung fließt, und Ta2 die Temperatur des Fluids, welches über eine Oberfläche es Wärmeerzeugungsabschnitts und entlang dieser Oberfläche fließt, der in dem stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 vorgesehen ist, wobei bei einem Fluß des Fluids in Vorwärtsrichtung gilt: Ta2 < Ta, bzw. Ta2≈Ta, wenn das Fluid rückwärts fließt.
TH1 die mittlere Temperatur des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4, gegeben durch TH1 = Ta + ΔT1, wobei Ta die Temperatur des Fluids ist, welches in den thermischen Flußsensor hineinfließt, und ΔT der Temperaturanstieg des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 ist,
TH2 die mittlere Temperatur des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5, gegeben durch TH2 = Ta + ΔT2, wobei AT der Temperaturanstieg der stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 ist, Tal die Temperatur des Fluids, welches über eine Oberfläche des Wärmeerzeugungsabschnittes und entlang dieser Oberfläche fließt, der in dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 vorgesehen ist, wobei bei einem Fluß des Fluids in Vorwärtsrichtung gilt: Ta1≈Ta, bzw. Ta1 < Ta, wenn das Fluid in Rückwärtsrichtung fließt, und Ta2 die Temperatur des Fluids, welches über eine Oberfläche es Wärmeerzeugungsabschnitts und entlang dieser Oberfläche fließt, der in dem stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 vorgesehen ist, wobei bei einem Fluß des Fluids in Vorwärtsrichtung gilt: Ta2 < Ta, bzw. Ta2≈Ta, wenn das Fluid rückwärts fließt.
Hierbei werden die Heizströme IH1 und IH2 in eine
entsprechende Spannung VM1 bzw. VM2 durch den
Bezugswiderstand 24a bzw. 24b umgewandelt. Die Spannungen VM1
und VM2 lassen sich daher durch den nachstehenden Ausdruck
(3) bzw. (4) ausdrücken.
VM1 = IH1.RM1 (3)
VM2 = IH2.RM2 (4)
Hierbei bezeichnet RM1 den Widerstandswert des
Bezugswiderstandes 24a, und RM2 den Widerstandswert des
Bezugswiderstandes 24b.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung gilt: RH1 < RH2, A1 = A2, S1 =
S2, und TH1 = TH2. Ist die Flußrate gleich 0, so ist Ta1
annähernd gleich Ta2. Daraus folgt H1 = H2, was wiederum
bedeutet, daß gilt: VM1 - VM2 < 0.
Fig. 8 ist eine beispielhafte Darstellung des Verhaltens der
Klemmenspannungen VM1 und VM2 sowie der Differenz der
Spannungsabfälle (VM1 - MM2) als Funktion der Flußraten der
Luft, die durch ein Rohr fließt, welches einen vorbestimmten
Durchmesser aufweist, in einem Fall, in welchem dem
Widerstandswert RH1 gleich dem Widerstandswert RH2
eingestellt ist, ähnlich wie im Fall des herkömmlichen
Flußsensors, der voranstehend beschrieben wurde, und Fig. 9
erläutert das charakteristische Verhalten der
Klemmenspannungen VM1 und VM2 sowie der Differenz der
Spannungsabfälle (VM1 - VM2) als Funktion der Flußrate bei
dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der
Widerstandswert RH2 größer gewählt ist, als der
Widerstandswert RH1.
Wie aus diesen Figuren deutlich wird, nimmt die Differenz
zwischen der Klemmenspannung VM1 und der Klemmenspannung VM2
(also VM1 - VM2) Werte mit positivem Vorzeichen an, und
steigt monoton innerhalb des Bereiches der Flußrate größer
oder gleich minus 40 g/s an. Das System, welches dazu
bestimmt ist, das Ausgangssignal des thermischen Flußsensors
gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zu
empfangen, um das Ausgangssignal weiter zu verarbeiten oder
zu nutzen, muß daher keine Schnittstellenschaltung zur
Verarbeitung von Eingangswerten mit negativem Vorzeichen
aufweisen. Weiterhin ist es nicht erforderlich, zusätzlich
eine Vorspannungsaddierschaltung im Inneren des thermischen
Flußsensors selbst vorzusehen.
Die Differenz der Spannungsabfälle (VM1 - VM2), die von dem
Differenzverstärker 34 ausgegeben wird, wird mit einem
vorbestimmten Verstärkungsfaktor durch die
Verstärkerschaltung (Operationsverstärker 35 usw.) verstärkt,
die in Fig. 5 dargestellt ist, so daß das Ausgangssignal Vo
des thermischen Flußsensors einen Wert von 0 bis 5 Volt
innerhalb des Bereiches der Flußrate annimmt, die gemessen
werden soll.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung ist der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 4 so ausgebildet, daß er eine
größere Musterbreite und eine geringere Musterlänge aufweist
als der stromabwärtige Wärmeerzeugungswiderstand 5, um den
Zustand zu erzielen, daß RH1 kleiner als RH2 ist. Allerdings
läßt sich einfach ersehen, daß die voranstehend geschilderte
Bedingung ebenso dadurch erzielt werden kann, daß nur die
Musterbreite des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes
4 erhöht wird, oder alternativ hierzu nur dessen Musterlänge.
Fig. 2A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17B
gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, und Fig. 2B ist eine entsprechende Schnittansicht
entlang der Linie A-A in Fig. 2A. In diesen Figuren sind
Bauteile, die mit dem Bezugszeichen 1 bis 16 bezeichnet sind,
gleich denen oder entsprechend wie jene ausgebildet, die bei
der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet wurden.
Die Musterbildung für den stromaufwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstand 4 ist ebenso wie jene für den
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 bei dem
thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung. Allerdings ist die Dicke des Platinfilms an
einem in Fig. 2B schräg schraffierten Bereich erhöht. Genauer
gesagt beträgt die Dicke 0,23 µm.
Der Betriebsablauf des thermischen Flußsensors, bei welchem
das Flußratenmeßelement 17B gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung-verwendet wird, ist im wesentlichen ebenso wie
bei dem thermischen Flußsensor, der voranstehend im
Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben
wurde. Da jedoch der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 5 und der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 5 des Flußratenmeßelementes 17B
einen identischen Aufbau aufweisen, unter Zuhilfenahme
desselben Mustererzeugungsvorganges, kann eine Differenz der
Temperaturverteilung infolge eines unterschiedlichen Aufbaus
zwischen dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 und
dem stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 schwer
stattfinden. Daher kann die Temperaturverteilung über die
Wärmeerzeugungsabschnitte vergleichförmigt werden, wodurch in
vorteilhafter Weise die Meßempfindlichkeit vergrößert werden
kann.
Fig. 3A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17C
gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, und Fig. 3B ist eine Schnittansicht entlang der
Linie A-A in Fig. 3A. In den Figuren sind Bauteile, die mit
dem Bezugszeichen 1 bis 16 bezeichnet sind, ebenso oder
ähnlich wie jene ausgebildet, die bei der ersten
Ausführungsform der Erfindung verwendet wurden. Bei dem
thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung sind die Flächen der Wärmeerzeugungsabschnitte,
die in dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand und dem
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 vorgesehen sind,
bzw. deren Widerstandswerte identisch.
Die mittleren Temperaturen des stromaufwärtigen und des
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 bzw. 5 werden
durch die in Fig. 5 dargestellte Steuer- oder Regelschaltung
gesteuert bzw. geregelt. Bei dem thermischen Flußsensor gemäß
der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch die
Widerstandswerte der einzelnen Widerstände, welche die
Brückenschaltung ausbilden, so festgelegt, daß die mittlere
Temperatur (also Temperatur im Mittelwert) der
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 höher ist als
jene des stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5.
Anders ausgedrückt sind die voranstehend erwähnten
Widerstandswerte so ausgewählt, daß der Temperaturanstieg ΔT1
des stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 größer ist
als der Temperaturanstieg ΔT2 des stromabwärtigen
Wärmeerzeugungswiderstandes 5 (so daß also gilt: ΔT1 < ΔT2).
Infolge der voranstehend geschilderten Ausbildung gilt: RH1 =
RH2, A1 < A2, S1 = S2, und TH1 < TH2, in den Ausdrücken (1)
und (2). Wenn die Flußrate gleich 0 ist, dann ist Tal
annähernd gleich Ta2. Daher gilt: H1 < H2, was wiederum
bedeutet: VM1 - MM2 < 0. Fig. 10 zeigt schematisch das
charakteristische Verhalten der Klemmenspannungen VM1 und VM2
sowie der Spannungsdifferenz (VM1 - VM2) als Funktion der
Flußrate bei dem thermischen Flußsensor gemäß der
vorliegenden Ausführungsform der Erfindung.
Wie aus diesen Figuren deutlich wird, nimmt die Differenz
zwischen den Klemmenspannungen VM1 und VM1 (also VM1 - VM2)
einen Wert mit positivem Vorzeichen an, und steigt monoton
innerhalb des Bereiches der Flußrate größer oder gleich
annähernd -40 g/sek. an. Das System, welches dazu gedacht ist,
das Ausgangssignal des thermischen Flußsensors gemäß der
vorliegenden Ausführungsform zu empfangen, um dieses weiter
zu verarbeiten oder zu nutzen, benötigt daher keine
Schnittstellenschaltung zur Verarbeitung von Eingangswerten
mit negativem Vorzeichen. Darüber hinaus ist es nicht
erforderlich, zusätzlich eine Vorspannungsaddierschaltung im
Inneren des thermischen Flußsensors selbst vorzusehen.
Die Spannungsdifferenz (VM1 - VM2) wird mit einem
vorbestimmten Verstärkungsfaktor durch die in Fig. 5
dargestellte Verstärkerschaltung verstärkt, so daß das
Ausgangssignal Vo des thermischen Flußsensors einen Wert von
0 bis 5 Volt innerhalb des Bereiches der Flußraten annimmt,
die gemessen werden sollen.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung nimmt die Wärmemenge zu, die
von dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt an den
stromabwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt über das Medium des
fließenden Fluids übertragen wird, wenn dieses in
Vorwärtsrichtung fließt, wodurch eine Erhöhung des Heizstroms
IH2, der durch den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand
5 fließt, selbst dann unterdrückt werden kann, wenn die
Flußrate zunimmt. Dies bedeutet, daß der in dem Ausdruck (2)
auftauchende Wert Ta2 vergrößert werden kann. Infolge dieses
Merkmals kann die Differenz zwischen den Heizströmen, die
durch den stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw.
den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 fließen, groß
ausgebildet werden, wodurch die Empfindlichkeit des
thermischen Flußsensors in bezug auf die Messung der Flußrate
für das in Vorwärtsrichtung fließende Fluid erhöht werden
kann.
Fig. 4A zeigt in Aufsicht ein Flußratenmeßelement 17D gemäß
einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Fig. 4B ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der
Linie A-A in Fig. 4A. In diesen Figuren sind mit den
Bezugszeichen 1 bis 16 bezeichnete Bauteile gleich denen oder
ähnlich wie jene, die bei der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet wurden. Bei dem thermischen
Flußsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung ist die Fläche S1 des Wärmeerzeugungsabschnittes,
der in dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4
vorgesehen ist, so ausgelegt, daß sie größer ist als die
Fläche S2 des Wärmeerzeugungsabschnitts, der in dem
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 vorgesehen ist.
Der stromaufwärtige und der stromabwärtige
Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw. 5 werden so gesteuert oder
geregelt, daß sie im wesentlichen auf die selbe mittlere
Temperatur eingestellt werden, durch die in Fig. 5
dargestellte Steuer- oder Regelschaltung. Bei einer
derartigen Anordnung gilt: RH1 = RH2, A1 < A2, S1 < S2, und
TH1 < TH2 in den Ausdrücken (1) und (2). Ist die Flußrate
gleich 0, dann ist Tal annähernd gleich Ta2. Daher ist H1
größer als H2, was wiederum bedeutet, daß VM1 mit VM2 größer
0 ist.
Fig. 11 zeigt schematisch das charakteristische Verhalten der
Klemmenspannungen VM1 und VM2 sowie der Spannungsdifferenz
(VM1 - VM2) als Funktion der Flußrate in dem thermischen
Flußsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung. Wie aus diesen Figuren deutlich wird, nimmt die
Differenz der Klemmenspannungen VM1 und VM2 (also VM1 - VM2)
einen Wert mit positivem Vorzeichen an, und steigt monoton
innerhalb des Bereiches der Flußrate größer oder gleich etwa
-40 g/s an. Das System, welches dazu gedacht ist, das
Ausgangssignal des thermischen Flußsensors gemäß der
vorliegenden Ausführungsform zur weiteren Verarbeitung oder
Nutzung zu empfangen, muß daher keine Schnittstellenschaltung
zur Verarbeitung von Eingangswerten mit negativen Vorzeichen
aufweisen. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich,
zusätzlich eine Vorspannungsaddierschaltung im Inneren des
thermischen Flußsensors selbst vorzusehen.
Die Spannungsdifferenz (VM1 - VM2) wird mit einem
vorbestimmten Verstärkungsfaktor durch die in Fig. 5
dargestellte Verstärkerschaltung verstärkt, so daß das
Ausgangssignal Vo des thermischen Flußsensors einen Wert von
0 bis 5 Volt innerhalb eines Bereiches der zu messenden
Flußraten annimmt.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung nimmt die Wärmemenge zu, die
von dem stromaufwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt an den
stromabwärtigen Wärmeerzeugungsabschnitt über das Medium des
fließenden Fluids übertragen wird, wenn dieses in
Vorwärtsrichtung fließt, wodurch eine Erhöhung des Heizstroms
IH2, der durch den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand
5 fließt, selbst dann unterdrückt werden kann, wenn die
Flußrate zunimmt. Dies bedeutet, daß der im Ausdruck (2)
erscheinende Wert Ta2 erhöht werden kann. Infolge dieses
Merkmals kann die Differenz zwischen den Heizströmen, die
durch den stromaufwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 4 bzw.
den stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstand 5 fließen, groß
gewählt werden, wodurch die Empfindlichkeit des thermischen
Flußsensors für die Messung der Flußrate des in
Vorwärtsrichtung fließenden Fluids erhöht werden kann.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden
Ausführungsform der Erfindung wird die Breite des
stromaufwärtigen Wärmeerzeugungsabschnittes in der
Flußrichtung erhöht, damit der stromaufwärtige
Wärmeerzeugungsabschnitt eine größere Fläche aufweist als der
stromabwärtige Wärmeerzeugungsabschnitt. Allerdings kann auch
die voranstehend erwähnte Breite in der Richtung orthogonal
zur Flußrichtung erhöht werden.
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das in Fig. 3
dargestellte Flußratenmeßelement 17C verwendet, wobei die
Widerstandswerte RM1 und RM2 der Bezugswiderstände 24a und
24b, die zur Feststellung der Heizströme dienen, wie
voranstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert wurde, so
ausgewählt werden, daß RM1 < RM2 ist, wogegen die
Widerstandswerte der Festwiderstände 27a und 27b, 28a und 28b
der Brückenschaltungen, 23a und 23b so ausgewählt sind, daß
die Bedingung TH1 = TH2 erfüllt ist.
In diesem Fall ergibt sich aus den Ausdrücken (1) und (2),
daß H1 gleich H2 ist, wenn die Flußrate 0 ist. Daher ergibt
sich aus den Ausdrücken (3) und (4), VM1 - VM2 < 0. Fig. 12
zeigt schematisch das charakteristische Verhalten der
Klemmenspannungen VM1 und VM2 sowie der Spannungsdifferenz
(VM1 - VM2) als Funktion der Flußrate bei dem thermischen
Flußsensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung.
Wie aus der Figur deutlich wird, nimmt die Differenz zwischen
den Klemmenspannungen VM1 und VM2 (also VM1 - VM2) Werte mit
positivem Vorzeichen an, und steigt monoton innerhalb des
Bereiches der Flußrate oberhalb von ca. -40 g/s an. Das
System, welches dazu gedacht ist, das Ausgangssignal des
thermischen Flußsensors gemäß der vorliegenden
Ausführungsform zu empfangen, um dieses weiterzuverarbeiten
oder zu nutzen, muß daher keine Schnittstellenschaltung zur
Bearbeitung von Eingangswerten mit negativem Vorzeichen
aufweisen. Weiterhin ist es nicht erforderlich, zusätzlich
eine Vorspannungsaddierschaltung im Inneren des thermischen
Flußsensors selbst vorzusehen. Die Spannungsdifferenz (VM1 -
VM2) wird mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor durch
die in Fig. 5 dargestellte Verstärkerschaltung verstärkt, so
daß das Ausgangssignal Vo des thermischen Flußsensors einen
Wert von 0 bis 5 Volt innerhalb eines Bereiches der zu
messenden Flußraten annnimmt.
Zahlreiche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der Beschreibung deutlich, und daher sollen die
beigefügten Patentansprüche sämtliche derartigen Merkmale und
Vorteile des Systems umfassen, die innerhalb des wahren
Wesens und Umfang der Erfindung liegen. Da Fachleuten auf
diesem Gebiet zahlreiche Modifikationen und Kombinationen
auffallen werden, soll die Erfindung nicht auf die exakte
Konstruktion und den exakten Betriebsablauf beschränkt sein,
die gezeigt und beschrieben wurden.
Beispielsweise wurde in der voranstehenden Beschreibung
angenommen, daß die Flußratenmeßelemente 17a bis 17g so
ausgebildet sind, daß sie plattenförmig oder eben sind.
Allerdings ist die Erfindung nicht auf eine spezifische Form
beschränkt. Das Flußratenmeßelement kann beispielsweise als
einzelner Zylinder ausgebildet sein, auf welchem
Widerstandsfilme an der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen
Seite abgelagert sind. Weiterhin kann das Flußratenmeßelement
durch ein Feld (Array) aus zylindrischen Elementen gebildet
werden, auf denen Platinfilme abgelagert sind, oder die mit
Platindrähten umwickelt sind, die einander gegenüberliegend
in Flußrichtung angeordnet sind. Weiterhin sind die
Wärmeerzeugungsabschnitte des stromaufwärtigen bzw.
stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 4 bzw. 5 nicht
auf die Abmessungen beschränkt, die voranstehend angegeben
wurden.
Die beigefügten Patentansprüche sollen daher sämtliche
geeigneten Modifikationen und äquivalenten Ausführungsformen
umfassen, die mit dem Wesen und dem Umfang der vorliegenden
Erfindung verträglich sind, welche sich aus der Gesamtheit
der vorliegenden Anmeldungsunterlagen ergeben.
Claims (6)
1. Thermischer Flußsensor mit mehreren
Wärmeerzeugungsabschnitten, die durch wärmeempfindliche
Widerstände (4, 5) gebildet werden, die an Positionen
stromaufwärts bzw. stromabwärts innerhalb eines Kanals
(19) angeordnet sind, gesehen in der Richtung, in
welcher ein Fluid durch den Kanal (19) fließt, um hier
durch die Flußrate oder die Flußgeschwindigkeit des
Fluids auf der Grundlage des Wärmeübertragungseffektes
zu messen, der zwischen den Wärmeerzeugungsabschnitten
und dem Fluid auftritt, mit:
einer Heizstromregelvorrichtung (30, 31, 32) zur Regelung der Heizströme, die durch die wärmeempfindlichen Widerstände (4, 5) fließen, so daß die Temperaturen der mehreren Wärmeerzeugungsabschnitte um vorbestimmte Werte in bezug auf die Temperatur des Fluids ansteigen;
einer Vorrichtung (34) zur Feststellung der Differenz zwischen Heizströmen, die durch den Wärmeerzeugungsabschnitt fließen, der stromabwärts angeordnet sind, bzw. den Wärmeerzeugungsabschnitt, der stromabwärts angeordnet ist, in den mehreren Wärmeerzeugungsabschnitten; und
einer Vorrichtung (35 bis 37) zur Feststellung der Flußgeschwindigkeit oder der Flußrate des Fluids auf der Grundlage der Differenz zwischen den Heizströmen,
wobei der Heizstrom, der durch den stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) fließt, größer eingestellt ist als der Heizstrom, der durch den stromabwärts angeordneten Wärmeempfindlichen Widerstand (5) fließt, wenn die Flußrate gleich 0 ist.
einer Heizstromregelvorrichtung (30, 31, 32) zur Regelung der Heizströme, die durch die wärmeempfindlichen Widerstände (4, 5) fließen, so daß die Temperaturen der mehreren Wärmeerzeugungsabschnitte um vorbestimmte Werte in bezug auf die Temperatur des Fluids ansteigen;
einer Vorrichtung (34) zur Feststellung der Differenz zwischen Heizströmen, die durch den Wärmeerzeugungsabschnitt fließen, der stromabwärts angeordnet sind, bzw. den Wärmeerzeugungsabschnitt, der stromabwärts angeordnet ist, in den mehreren Wärmeerzeugungsabschnitten; und
einer Vorrichtung (35 bis 37) zur Feststellung der Flußgeschwindigkeit oder der Flußrate des Fluids auf der Grundlage der Differenz zwischen den Heizströmen,
wobei der Heizstrom, der durch den stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) fließt, größer eingestellt ist als der Heizstrom, der durch den stromabwärts angeordneten Wärmeempfindlichen Widerstand (5) fließt, wenn die Flußrate gleich 0 ist.
2. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die wärmeempfindlichen Widerstände
(4, 5), welche die Wärmeerzeugungsabschnitte bilden, so
ausgelegt sind, daß der Widerstandswert (RH1) des
stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen
Widerstandes (4) kleiner ist als der Widerstandswert
(RH2) des stromabwärts angeordneten wärmeempfindlichen
Widerstandes (5).
3. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der wärmeempfindlichen
Widerstände (4, 5) die Form eines Films aufweist, und
der stromaufwärts angeordnete wärmeempfindliche
Widerstand (4) eine größere Filmdicke aufweist als der
stromabwärts angeordnete wärmeempfindliche Widerstand
(5).
4. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die mittlere Temperatur des
stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen
Widerstandes (4) höher ist als jene des stromabwärts
angeordneten wärmeempfindlichen Widerstandes (5).
5. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der stromaufwärts angeordnete
Wärmeerzeugungsabschnitt eine Fläche (S1) aufweist, die
größer ist als die Fläche (S2) des stromabwärts
angeordneten Wärmeerzeugungsabschnittes.
6. Thermischer Flußsensor mit mehreren wärmeempfindlichen
Widerständen (4, 5), die an Orten stromaufwärts und
stromabwärts innerhalb eines Kanals (19) angeordnet
sind, gesehen in der Richtung, in welcher ein Fluid
durch den Kanal (19) fließt, um hierdurch die Flußrate
oder die Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der
Grundlage des Wärmeübertragungseffektes zu messen, der
zwischen den Wärmeempfindlichen Widerständen (4, 5) und
dem Fluid stattfindet, wobei vorgesehen sind:
ein erster Widerstand, der in Reihe mit dem stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) geschaltet ist, um den Heizstrom (IH1) festzustellen, der durch den stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) fließt;
ein zweiter Widerstand, der in Reihe mit dem Wärmeerzeugungswiderstand (5) geschaltet ist, der stromabwärts angeordnet ist, um den Heizstrom (IH2) festzustellen, der durch den stromabwärts angeordneten Wärmeerzeugungswiderstand (5) fließt, wobei der zweite Widerstand einen größeren Widerstandswert aufweist als der erste Widerstand; und
eine Vorrichtung zur Feststellung der Flußrate oder der Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage der Differenz zwischen den Spannungen, die über dem ersten bzw. zweiten Widerstand abfallen.
ein erster Widerstand, der in Reihe mit dem stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) geschaltet ist, um den Heizstrom (IH1) festzustellen, der durch den stromaufwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (4) fließt;
ein zweiter Widerstand, der in Reihe mit dem Wärmeerzeugungswiderstand (5) geschaltet ist, der stromabwärts angeordnet ist, um den Heizstrom (IH2) festzustellen, der durch den stromabwärts angeordneten Wärmeerzeugungswiderstand (5) fließt, wobei der zweite Widerstand einen größeren Widerstandswert aufweist als der erste Widerstand; und
eine Vorrichtung zur Feststellung der Flußrate oder der Flußgeschwindigkeit des Fluids auf der Grundlage der Differenz zwischen den Spannungen, die über dem ersten bzw. zweiten Widerstand abfallen.
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