DE3729073A1 - Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Umwandeln eines physi­ kalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektri­ sches Signal, mit einem Träger, dessen Außenfläche tangential vom Medium angeströmt wird und dessen Innenfläche ein tempe­ raturempfindliches Element trägt, das mit einer elektronischen Auswerteschaltung in Verbindung steht.

Die Erfindung geht ferner aus von einem Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal, mit einem Träger, dessen Außenfläche vom Medium angeströmt wird und dessen Innenfläche ein tempe­ raturempfindliches Element trägt, das mit einer elektronischen Auswerteschaltung in Verbindung steht, wobei an der Innenfläche ferner ein Heizelement angeordnet ist.

Derartige Sensoren sind aus der DE-OS 35 09 416 bekannt.

Der bekannte Sensor, der zur Bestimmung des Durchflusses eines strömenden Mediums dient, weist ein langgestrecktes, hohlzylin­ drisches Gehäuse auf, auf dessen vordere Stirnseite ein trich­ terartiger, sich nach vorne verjüngender Kopf aufgesetzt ist. An der vorderen verjüngten Stirnseite des trichterartigen Kopfes befindet sich eine metallische, d.h. gut wärmeleitende Platte, die von außen tangential durch das Medium angeströmt wird. Auf der Innenseite der metallischen Platte ist ein temperaturempfindliches Element angeordnet, dessen Anschluß­ drähte durch eine schmale Bohrung im trichterförmigen Kopf in den Hohlraum des Sensorgehäuses und von dort zu einer Auswerte­ schaltung geführt werden.

Der bekannte Sensor, der an der vorderen Meßstelle exakt kreiszylindrisch mit planer runder Stirnfläche ausgebildet ist, hat jedoch den Nachteil, daß es an der Meßstelle zu Verwirbelungen des Mediums kommen kann. Dies gilt insbesondere bei einer Fehljustierung des Sensors, weil die metallische Platte an der Stirnseite bei leicht schiefer Montage des Sensors nicht mehr tangential, d.h. in einer Richtung parallel zu ihrer Oberfläche angeströmt wird, sondern vielmehr unter einem endlichen Winkel, was wiederum zu Turbulenzen und damit zu Meßfehlern führt, weil im Bereich von Turbulenzen Geschwindig­ keitsänderungen des Mediums auftreten können, die dann wiederum Meßfehler zur Folge haben. Ein weiterer Nachteil des Auftretens von Turbulenzen ist ferner, daß sich in erhöhtem Maße Ver­ schmutzungen an der Sensor-Oberfläche absetzen können. Außerdem hat sich gezeigt, daß Sensoren der vorstehend beschriebenen Art eine stark nicht-lineare Kennlinie aufweisen, so daß diese Nicht-Linearität zunächst durch aufwendige Kompensationsmaß­ nahmen in der elektronischen Auswerteschaltung kompensiert werden muß.

Der bekannte Sensor hat ferner den Nachteil, daß der metallische Träger des temperaturempfindlichen Elementes mit Heizung gut wärmeleitend ist, so daß ein Großteil der erzeugten Wärme in das Gehäuse übergeht und nicht an das umströmende Medium abgegeben wird. Die Empfindlichkeit des bekannten Sensors wird dadurch vermindert, und auch die Ansprechgeschwindigkeit ist gering, weil der Wärmezustand des gesamten Sensorgehäuses in die Messung mit eingeht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß er unempfindlich gegenüber Justagefehlern ist, hochempfind­ lich arbeitet und eine möglichst lineare Kennlinie aufweist. Außerdem soll erreicht werden, daß der Nutzfaktor des Sensors, d.h. das Verhältnis von Nutzwärme (an das umströmende Medium abgegebene Wärme) zur Leistungsaufnahme maximal wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem eingangs zunächst genannten Sensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Träger an der Außen­ fläche kugelkappenförmig ausgebildet ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die kugelkappenförmige Ausbildung der Außenfläche des Trägers ein gleichförmiges Anströmverhalten des Trägers gewährleistet, auch wenn die Längsachse des Sensors nicht exakt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des strömenden Mediums steht. Die auf diese Weise entstehenden reproduzierbaren Verhältnisse tragen neben der kugelkappenförmigen Ausbildung des Trägers auch zu einer deutlichen Linearisierung der Sensor­ kennlinie bei.

Die obengenannte Aufgabe wird gemäß dem eingangs als Zweites genannten Sensor ferner dadurch gelöst, daß das Heizelement an der Außenfläche eine lokale Überhitzung erzeugt und daß die Wärmeleitfähigkeit des Trägers so gering ist, daß der Wärmeübergangswiderstand der lokalen Überhitzung zum anströmen­ den Medium kleiner ist als derjenige zu dem den Träger umgeben­ den Gehäuse.

Die der Erfindung noch zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die schlechte Wärmeleitung des Trägers bewirkt, daß nur ein vernachlässigbarer Anteil der elektrisch erzeugten Wärme an das Gehäuse abgegeben wird und vielmehr nahezu die gesamte elektrisch erzeugte Wärme in das anströmende Medium übergeht.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die lokale Überhitzung eine Temperaturdifferenz von etwa 50°C gegenüber dem anströmenden Medium auf.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß aufgrund des relativ hohen Temperaturgefälles eine hohe Meßempfindlichkeit und ein schnelles Ansprechen des Sensors erreicht wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das temperaturempfindliche Element eine kreisförmige Meßfläche auf.

Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, daß streng symmetrische Verhältnisse im Bereich des Trägers entstehen, so daß auch bei leichter Dejustierung sich die Kennlinie des Sensors nicht ändert.

Bevorzugt ist ferner, wenn der Träger hohlkugelkappenförmig ausgebildet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Träger an jeder Stelle eine konstante Dicke aufweist, so daß der verbleibende Rest- Wärmeübergangswiderstand des Trägers an allen Punkten der Trägeroberfläche und damit auch der Meßfläche des temperatur­ empfindlichen Elementes gleich ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, daß der Träger an der Stirnseite eines hohlzylindrischen Körpers angeordnet ist und daß die von der Innenfläche des Trägers abgewandte Seite des temperaturempfind­ lichen Elementes mit dem vom Körper umschlossenen Raum in wärmeleitender Verbindung steht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das im hohlzylindrischen Körper eingeschlossene Luftpolster als zum Wärmeübergangswider­ stand zwischen Träger und Medium parallel geschalteter Wärme­ widerstand wirkt. Die spezielle Formgebung und Anordnung des Trägers und das Zusammenwirken der Wärmeübergangswiderstände führt in überraschender Weise zu einer weiteren Linearisierung der Kennlinie des Sensors.

Eine bevorzugte Variante dieses Ausführungsbeispiels sieht vor, daß ein temperaturempfindliches Referenzelement isoliert von dem Raum angeordnet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Referenzelement den­ selben systematischen Effekten unterliegt wie das eigentliche Meßelement, also z.B. Schwankungen in der Umgebungstemperatur, der Versorgungsspannung, Alterungserscheinungen u. dgl., so daß derartige Fehler durch Quotienten- oder Differenzbildung der Signale der Elemente leicht ausgemittelt werden können.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsbeispiele beträgt die radiale Innenquerschnittsfläche des hohlzylindri­ schen Körpers mehr als das Doppelte, vorzugsweise das Vierfache der Meßfläche des temperaturempfindlichen Elementes.

Diese Dimensionierung bringt den Vorteil mit sich, daß eine besonders gute Wärmeankopplung des Meßelementes an das Luft­ polster im Innenraum des hohlzylindrischen Körpers besteht, so daß sich die bereits weiter oben geschilderte Linearisierung der Kennlinie einstellt. Außerdem stellt diese Dimensionierung einen optimalen Kompromiß zwischen praktischen Vorgaben geringer Abmessungen und dem theoretisch erreichbaren Optimum dar, das darin besteht, eine unendlich große Trägerfläche zu verwenden, bei der der Wärmeübergang zum umgebenden Gehäuse exakt null wäre.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt der Träger auf einem radialen Umfang eines verdickten Kopfes des hohlzylindrischen Körpers auf, und eine Anströmkappe ist auf den Träger und den Kopf aufgesteckt.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß der Träger sicher an der vorderen Stirnseite des hohlzylindrischen Körpers gehalten werden kann. Außerdem kann durch die Formgebung der Anströmkappe erreicht werden, daß unterschiedlichen Meßaufgaben mit unter­ schiedlichen Medien, Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturen u. dgl. Rechnung getragen werden kann.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der Träger aus einer schlecht wärmeleitenden Kunststoff-Folie, vorzugsweise einer Polyimid-Folie, oder er besteht aus Glas. Die Folie weist dabei eine Dicke von vorzugsweise 0,05 mm bis 0,125 mm und einen Durchmesser der Meßfläche von 8 mm auf, wodurch sich ein Nutzfaktor in Luft von 99,5% erreichen läßt. Bei der Verwendung von Glas kann vorzugsweise ein solches mit einer Dicke zwischen 0,3 und 0,5 mm mit einem Durchmesser der Meßfläche von 17 mm verwendet werden, wodurch ein Nutzfaktor in Luft von etwa 99,1% erreichbar ist.

Vorzugsweise weist das temperaturempfindliche Element ein Keramiksubstrat auf, das mit Dünnfilm-Widerständen beschichtet ist.

In vorteilhafter Weise kann ein Substrat mit den Abmesssungen von 2,2×3,0×0,3 mm verwendet werden, wobei die Dünnfilm- Widerstände teils als Meßwiderstände und teils als Heizelemente eingesetzt werden können. Auf diese Weise ergibt sich eine extrem geringe Wärmekapazität des temperaturempfindlichen Elements, so daß zusammen mit dem sehr hohen Wärmewiderstand des Trägers ein schnelles Ansprechverhalten auf zeitliche Änderungen des physikalischen Parameters erzielt werden kann.

Unter "physikalischem Parameter" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur, der Massenstrom u. dgl. des strömenden Mediums verstanden werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Seitenansicht, teilweise auf­ gebrochen und im Schnitt dargestellt, eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors.

In der Figur bezeichnet 10 insgesamt einen Sensor, wie er zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit, des Massenstroms, der Temperatur o. dgl. eines vorbeiströmenden Mediums 1 verwendet werden soll. Der Sensor 10 wird so montiert, daß seine Läng­ sachse 2 senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums 1 verläuft.

Der Sensor 10 weist einen langgestreckten hohlzylindrischen Körper 11 auf. Unter hohlzylindrisch soll dabei nicht nur die Ausführungsform eines hohlen Kreiszylinders verstanden werden, es sind vielmehr auch andere Formgebungen denkbar, die unter Strömungsgesichtspunkten optimiert sind, wie beispielsweise eine im Querschnitt tropfenförmige Gestalt in Richtung der Strömungsausbreitung des Mediums 1.

Der hohlzylindrische Körper 11 ist an seinem vorderen stirn­ seitigen Ende mit einem verdickten Kopf 12 versehen. Auf den verdickten Kopf 12 ist eine Anströmkappe 13 derart aufsteckbar, daß ein kugelkappenförmiger Träger 14 zwischen radialen Flächen der Anströmkappe 13 und des verdickten Kopfes 12 eingeschlossen wird.

Der Träger 14 weist eine konvexe Außenfläche 15 sowie eine konkave Innenfläche 16 auf. An der konkaven Innenfläche 16 befindet sich ein temperaturempfindliches Element 17, insbeson­ dere ein temperaturempfindlicher Widerstand, der im wesentlichen von flacher kreiszylindrischer Gestalt ist und mittels einer wärmeleitenden Gießmasse 18 an der konkaven Innenfläche 16 befestigt wird. Eine Anschlußleitung 19 dient zur Abnahme eines Meßsignales vom temperaturempfindlichen Element 17, während eine Versorgungsleitung 20 zu Heizelementen 21 führt, die im temperaturempfindlichen Element 17 enthalten sind.

Die Materialien des Trägers 14 des Substrates des temperatur­ empfindlichen Elementes 17 sowie der Gießmasse 18 sind so gewählt, daß ein optimaler Wärmeübergang zum Träger 14 erreicht wird. Das temperaturempfindliche Element 17 ist hingegen zum Gehäuse des Sensors 10 in hohem Maße wärmeisoliert, so daß die von den Heizelementen 21 erzeugte Wärme nur an das strömende Medium 1, nicht jedoch an das Gehäuse des Sensors 10 abgegeben wird.

Der Träger 14 besteht vorzugsweise aus einer Polyimid-Folie einer Dicke zwischen 0,05 und 0,125 mm. Der Durchmesser der Meßfläche kann in diesem Fall ca. 8 mm betragen. Alternativ kann der Träger 14 auch aus technischem Glas bestehen und in diesem Falle eine Dicke zwischen 0,3 und 0,5 mm aufweisen, wobei die Meßfläche in diesem Falle einen Durchmesser von ca. 17 mm aufweisen kann.

Das temperaturempfindliche Element 17 weist vorzugsweise ein flaches Keramiksubstrat mit den Abmessungen 2,2×3,0×0,3 mm auf, das mit Dünnfilm-Widerständen beschichtet ist.

Die in diesem Falle erreichbaren Nutzfaktoren, d.h. das Ver­ hältnis von der an das Medium 1 abgegebenen Nutzwärme zu der elektrisch eingesetzten Wärme beträgt im Falle der Verwendung von Kunststoff-Folie 99,5% und bei Verwendung von Glas immerhin noch 99,1%.

Das temperaturempfindliche Element 17 steht über die wärmelei­ tende Gießmasse 18 mit einem Innenraum 22 des hohlzylindrischen Körpers 11 in wärmeleitender Verbindung. Im elektrischen Ersatzschaltbild des Sensors 10 drückt sich dies als parallel geschalteter Wärmewiderstand aus und hat eine Linearisierung der Meßkennlinie zur Folge. Man erkennt aus der Figur auch, daß die Innen-Querschnittsfläche des Innenraumes 22 mehr als das Doppelte der radialen Fläche des temperaturempfindlichen Elementes 17 beträgt.

Der Innenraum 22, dessen axiale Länge bei einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung etwa das Drei- bis Vierfache seines Durchmessers betragen kann, endet in der Nähe des Einbauendes des Sensors 10 an einer ersten radialen Querwand 30, auf deren vom Innenraum 22 abgewandten Oberfläche sich ein zweites temperaturempfindliches Element 31 mit entsprechenden Anschluß­ leitungen 32 in einem zweiten Innenraum 33 befindet. Der zweite Innenraum 33 ist vom ersten Innenraum 22 isoliert, damit ein thermisches "Übersprechen" von den Heizelementen 21 des ersten temperaturempfindlichen Elementes 17 auf das zweite temperatur­ empfindliche Element 31 ausgeschlossen wird. Das zweite Element 31 soll vielmehr ausschließlich die Umgebungstemperatur messen, damit eine Temperaturschwankung des strömenden Mediums 1 keine Meßfehler mit sich bringt, weil naturgemäß ein kälteres Medium 1 mehr Wärme vom erhitzten ersten temperaturempfindlichen Element 17 abführt als ein warmes Medium.

Der zweite Innenraum 33 wird wiederum durch eine zur ersten radialen Querwand 30 parallele zweite radiale Querwand 40 abgeschlossen. An deren, vom zweiten Innenraum 33 abgewandten Seite, ist eine Halterung für eine Leiterplatte 41 vorgesehen, auf der eine elektronische Auswerteschaltung 42 angeordnet ist. Die Leiterplatte 41 erstreckt sich im wesentlichen in axialer Richtung des Sensors 10.

Das Referenzelement 31 ist denselben Spannungsschwankungen, Alterungserscheinungen u. dgl. wie das Meßelement 17 ausgesetzt, weil diese Elemente vorzugsweise baugleich sind und auch aus derselben Fertigungscharge stammen. Durch geeignete Verknüpfung der Signale dieser beiden Elemente können daher Schwankungen ausgemittelt werden.

Zur Messung der Temperatur des Mediums 1 kann unmittelbar der sich temperaturabhängig ändernde Widerstand des Elementes 17 erfaßt werden. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw., bei Kenntnis des Strömungsquerschnitts, des Strömungsdurchsatzes (z.B. der Luftmenge im Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors) wird das Heizelement 21 aktiviert, und das Ausgangssignal des Elementes 17 ist dann ein Maß für die Menge an Medium 1, die erforderlich ist, um die elektrisch durch das Heizelement 21 erzeugte Wärmemenge abzuführen.

Claims (13)

1. Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums (1) in ein elektrisches Signal, mit einem Träger (14), dessen Außenfläche (15) tangential vom Medium (1) angeströmt wird und dessen Innenfläche (16) ein temperaturempfindliches Element (17) trägt, das mit einer elektronischen Auswerteschaltung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14) an der Außenfläche (15) kugelkappenförmig ausgebil­ det ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Element (17) mit einem Heiz­ element (21) versehen ist.

3. Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums (1) in ein elektrisches Signal, mit einem Träger (14), dessen Außenfläche (15) vom Medium (1) angeströmt wird und dessen Innenfläche (16) ein temperaturempfindliches Element (17) trägt, das mit einer elektronischen Auswerteschaltung in Verbindung steht, wobei an der Innenfläche (16) ferner ein Heiz­ element (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (21) an der Außenfläche (15) eine lokale Überhitzung erzeugt und daß die Wärmeleitfähigkeit des Trägers (14) so gering ist, daß der Wärmeübergangs­ widerstand der lokalen Überhitzung zum anströmenden Medium (1) kleiner ist als derjenige zu dem den Träger (14) umgebenden Gehäuse (11, 12, 13).

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Überhitzung eine Temperaturdifferenz von etwa 50°C gegenüber dem anströmenden Medium (1) auf­ weist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das temperaturempfindliche Element (17) eine kreisförmige Meßfläche aufweist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (14) hohlkugelkappenförmig ausgebildet ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (14) an der Stirnseite eines hohlzylindrischen Körpers (11) angeordnet ist und daß die von der Innenfläche (16) des Trägers (14) abgewandte Seite des temperaturempfindlichen Elementes (17) mit dem vom Träger (11) umschlossenen Raum (22) in wärme­ leitender Verbindung steht.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturempfindliches Referenzelement (31) isoliert von dem Raum (22) angeordnet ist.

9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Innen-Querschnittsfläche des hohlzylin­ drischen Körpers (11) mehr als das Doppelte, vorzugsweise das Vierfache der Meßfläche des temperaturempfindlichen Elementes (17) beträgt.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (14) auf einem radialen Umfang eines verdickten Kopfes (12) des hohlzylindrischen Körpers (11) aufliegt und eine Anströmkappe (13) auf den Träger (14) und den Kopf (12) aufgesteckt ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (14) aus einer Kunststoff- Folie, vorzugsweise einer Polyimid-Folie, besteht.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger (14) aus Glas besteht.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das temperaturempfindliche Element (17) ein Keramiksubstrat aufweist, das mit Dünnfilm-Wider­ ständen beschichtet ist.