DE19832964B4

DE19832964B4 - Thermischer Flußsensor

Info

Publication number: DE19832964B4
Application number: DE19832964A
Authority: DE
Inventors: Tomoya Yamakawa; Masahiro Kawai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: JP3658170B2; JPH11201793A; US6134960A; DE19832964A1

Abstract

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 hierdurch 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 stromaufwärts angeordnet ist, und 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...

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. 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 14 ist ein Schaltbild des Schaltungsaufbaus eines vorbekannten thermischen Flußsensors. Wie aus 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 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} / R2wobei 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.

Aus US 5,703,288 A ist ein thermischer Flußsensor bekannt, der zwei Heizwiderstände zur Wärmeerzeugung umfasst, die an Positionen stromaufwärts bzw. stromabwärts angeordnet sind, gesehen in der Richtung, in welcher ein Fluid durch einen Kanal fließt. Der bekannte Flußsensor umfasst außerdem zwei Temperaturmesswiderstände, die ebenfalls an Positionen stromaufwärts bzw. stromabwärts in Richtung, in welcher in Fluid durch einen Kanal fließt, angeordnet sind. Der bekannte Flußsensor umfasst für die Heizwiderstände jeweils eine Heizstromregelvorrichtung zur Regelung der Heizströme, die durch die Heizwiderstände fließen, um die jeweiligen Heizelemente auf einer konstanten Temperatur zu halten. Außerdem ist eine Vorrichtung zur Feststellung der Differenz zwischen den über den Heizelementen anliegenden Spannungen vorgesehen. Die Spannungsdifferenz wird an eine Vorrichtung zur Feststellung der Flussgeschwindigkeit auf der Grundlage dieser Differenz gegeben. Ein ähnlicher Flußsensor ist bekannt aus US 5,708,205 .

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 Schnittstelle, 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:
1A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1A;
2A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2A;
3A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß einer dritten und einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 3A;
4A eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 4A;
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;
6 eine Vorderansicht eines thermischen Flußsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Längsschnittansicht des in 6 dargestellten Sensors;
8 eine Darstellung zur Erläuterung der Flußratenmeßeigenschaften eines herkömmlichen thermischen Flußsensors;
9 eine Darstellung zur Erläuterung der Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
10 eine Darstellung der Erläuterung der Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
11 eine Darstellung zur Erläuterung der Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen Fluidsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
12 eine Darstellung zur Erläuterung der Flußratenmeßeigenschaften eines thermischen Flußsensors, bei welchem das Flußratenmeßelement gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
13 eine Darstellung eines Flußratenmeßelementes, welches bei einem vorbekannten thermischen Flußsensor verwendet wird; und
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.
Ausführungsform 1
1A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17A gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1B ist eine Schnittansicht dieses Elementes entlang der Linie A-A von 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 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 gegenüberliegen 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 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 werden, 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. 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.
6 ist eine Vorderansicht, die einen thermischen Flußsensor 2, der das in 1 dargestellte Flußratenmeßelement 17A verwendet, und 7 ist eine entsprechende Längsschnittansicht. Wie aus den 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 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 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 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 IH1 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 ΔT der Temperaturanstieg der stromabwärtigen Wärmeerzeugungswiderstandes 5 ist, Ta1 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.
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 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 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.
Ausführungsform 2
2A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17B gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2B ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 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 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.
Ausführungsform 3
3A ist eine Aufsicht auf ein Flußratenmeßelement 17C gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 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 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 Ta1 annähernd gleich Ta2. Daher gilt: H1 > H2, was wiederum bedeutet: VM1 – MM2 > 0. 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 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.
Ausführungsform 4
4A zeigt in Aufsicht ein Flußratenmeßelement 17D gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4B ist eine entsprechende Schnittansicht entlang der Linie A-A in 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 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 Ta1 annähernd gleich Ta2. Daher ist H1 größer als H2, was wiederum bedeutet, daß VM1 mit VM2 größer 0 ist.
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 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.
Ausführungsform 5
Bei dem thermischen Flußsensor gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das in 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 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. 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 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

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 hierdurch 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 stromaufwärts angeordnet ist, und 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.
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).
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).
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).
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.
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 wärmeempfindlichen Widerstand (5) geschaltet ist, der stromabwärts angeordnet ist, um den Heizstrom (IH2) festzustellen, der durch den stromabwärts angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand (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 und zweiten Widerstand abfallen.