DE3823642C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen beheizbaren elektrischen Widerstand für Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Massenstroms von Gasen und Flüssigkeiten, bestehend aus einem elektrisch isolierenden plattenförmigen Träger, dessen beiden größten Flächen parallel zur Strömungsrichtung der Gase bzw. Flüssigkeiten ausgerichtet sind und auf den auf einer der beiden größten Flächen als dünne Metallschichten, durch parallel und senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Trennschnitte voneinander getrennt, Kontaktflächen und Stromlaufbahnen so aufgebracht sind, daß die Stromlaufbahnen mäanderförmig mit ihrer Hauptrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen und unterschiedliche Breiten aufweisen, wobei die elektrische Heizleistungsdichte in jeder Stromlaufbahn im selben Maß wie die örtliche, von der Strömung abgeführte Wärmestromdichte mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der der Strömung zugewandten Kante des Trägers (Anströmkante) abnimmt.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten oder des Massenstroms von Gasen und Flüssigkeiten, insbesondere zur Messung der Ansaugluft von Verbrennungsmotoren, verwendet man Anemometer, bei denen zwei temperaturabhängige elektrische Widerstände zusammen mit mindestens zwei temperaturunabhängigen elektrischen Widerständen in einer Brücke geschaltet sind. Der eine temperaturabhängige elektrische Widerstand wird elektrisch beheizt und der Strömung des zu messenden Fluids ausgesetzt, der andere mißt die Temperatur des Fluids. Eine elektrische Regelschaltung sorgt dafür, daß der beheizte elektrische Widerstand auf einer konstanten Differenztemperatur relativ zur Temperatur des Fluids gehalten wird.

In der DE-PS 31 27 081 wird ein beheizbarer elektrischer Widerstand für Anemometer beschrieben, bestehend aus einem elektrisch isolierenden plattenförmigen Träger, dessen beiden größten Flächen parallel zur Strömungsrichtung der Gase bzw. Flüssigkeiten ausgerichtet sind und auf den auf einer der beiden größten Flächen als dünne Metallschichten, durch Trennschnitte voneinander getrennt, Kontaktflächen und Stromlaufbahnen so aufgebracht sind, daß die Stromlaufbahnen mäanderförmig mit ihrer Hauptrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen und unterschiedliche Breite aufweisen, wobei die elektrische Heizleistungsdichte in jeder Stromlaufbahn im selben Maß wie die örtlich von der Strömung abgeführte Wärmestromdichte mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der der Strömung zugewandten Kante des Trägers (Anströmkante) abnimmt. Man erreicht damit eine kurze Ansprechzeit bei Veränderung der Geschwindigkeit des zu messenden Fluids.

Die Stromlaufbahnen werden vorzugsweise so erzeugt, daß man bei einem flächigen Metallfilmwiderstand mit einem Laser Trennschnitte in der Metallschicht einbringt, so daß mäanderförmige Stromlaufbahnen entstehen.

In einem Kraftfahrzeug steht für die Stromversorgung der Meßbrücke des Anemometers nur die Batterie zur Verfügung, die je nach Alter, Ladungs- und Pflegezustand eine deutlich niedrigere Spannung als die Nennspannung aufweisen kann. Auch für den Fall muß sichergestellt werden, daß das Anemometer funktionsfähig bleibt, d. h. eine bestimmte Leistung aufnehmen kann. Aus diesem Grund soll der Gesamtwiderstand der Brücke möglichst klein gehalten werden. Aus konstruktiven und elektrischen Gründen lassen sich allerdings bestimmte Widerstandswerte nicht unterschreiten. Man hat heute Brückenwiderstände von rund 20 Ohm und strebt solche von 10 bis 15 Ohm an.

Der Widerstand der Meßbrücke wird im wesentlichen bestimmt durch den beheizbaren Widerstand R _H und den dazu in Serie geschalteten temperaturunabhängigen Widerstand R _L . Die Empfindlichkeit eines Konstanttemperatur-Anemometers ist dann optimal, wenn R _H etwa gleich groß R _L ist. In der Praxis kann man R _L auf Werte von etwa 5 Ohm verkleinern, während man aus Geometriegründen R _H bisher nicht unter 10 Ohm (0°C-Widerstand) herunterdrücken konnte.

Eine Verringerung des elektrischen Widerstandswertes des be­ heizbaren Widerstands ist deshalb problematisch, da bei Ver­ ringerung der Zahl der Stromlaufbahnen auf dem Träger die Homogenität der Temperaturverteilung auf dem Träger verschlechtert würde. Bei Kontaktflächen im Bereich einander gegenüberliegender, parallel zur Strömungsrichtung verlaufender Plattenkanten ist nur eine gerade Anzahl von Trennschnitten senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. eine ungerade Anzahl von Stromlauf­ bahnen möglich. Bei einer Fläche von ca. 9×2 mm² erhält man in einer Platinschicht z. B. bei 5 Stromlaufbahnen ca. 11 Ohm, bei 3 Stromlaufbahnen ca. 3,5 Ohm. Man kann somit den elektrischen Widerstand nur in großen Schritten ändern und bewirkt außerdem eine nur noch sehr grobe Anpassung der örtlichen Wärmeerzeugung an die örtlich von der Strömung abgeführte Wärmestromdichte, was zu einer verlänger­ ten Ansprechzeit führt.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen be­ heizbaren elektrischen Widerstand für Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Massenstroms von Gasen und Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff von Patent­ anspruch 1 zu schaffen, der bei Beibehaltung bzw. Verbesse­ rung der Homogenität der Temperaturverteilung auf dem Träger und bei gleichgroßer standardisierter Trägergröße einen mög­ lichst geringen elektrischen Widerstandswert aufweist. Außer­ dem sollte es möglich sein, bestimmte, von Eigenschaften der elektrischen Regelschaltung vorgegebene elektrische Wider­ standswerte möglichst genau zu realisieren.

Diese Aufgabe wurde neuerungsgemäß durch den gekennzeichnen­ den Teil von Patentanspruch 1 gelöst.

Dazu wird die auf dem Träger befindliche Metallschicht durch Trennschnitte parallel und senkrecht zur Strömungsrichtung in Stromlaufbahnsysteme aufgeteilt, die entweder zueinander parallel oder zueinander parallel und in Serie geschaltet sind. Dabei trennen die parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Trennschnitte, ausgenommen die, die Kontaktflächen und Stromlaufbahnen trennen, jeweils Bereiche mit gleicher Anzahl von Stromlaufbahnen und gleicher Abhängigkeit der Breite der Stromlaufbahnen von deren jeweiligen Abstand von der Anströmkante. Außerdem müssen die parallelgeschalteten Stromlaufbahnsysteme die gleichen elektrischen Widerstandswerte aufweisen.

Die Kontaktflächen können entweder jeweils am Plattenende im Bereich einander gegenüberliegender Plattenkanten aufgebracht sein, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufen, oder aber beide an einem Plattenende.

Von Vorteil ist es, wenn ein Stromlaufbahnsystem seriell mit einem zusammengesetzten Stromlaufbahnsystem verschaltet ist, das durch Parallelschaltung von mindestens zwei Stromlaufbahn­ systemen gebildet wird.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn bei einer Parallel­ schaltung von zwei Stromlaufbahnsystemen die erste Stromlauf­ bahn oder die erste und mindestens einmal zwei direkt folgen­ de Stromlaufbahnen des einen Stromlaufbahnsystems und die letzte Stromlaufbahn oder die letzte und mindestens einmal zwei direkt vorhergehende Stromlaufbahnen des anderen Strom­ laufbahnsystems sich über jeweils die gesamte Länge des Trägers senkrecht zur Strömungsrichtung, ausgenommen die Bereiche der Kontaktflächen, erstrecken, wobei die erste Stromlauf­ bahn entlang der Anströmkante verläuft und die letzte Stromlaufbahn entlang der gegenüberliegenden Kante. Durch Parallelschaltung dieser Stromlaufbahnsysteme erhält man eine Reduzierung des elektrischen Widerstandswerts gegen­ über einem nicht zusammengesetzten Stromlaufbahnsystem, das die gleiche Fläche wie die Parallelschaltung einnimmt, gleiche Anzahl von Trennschnitten senkrecht zur Strömungsrichtung und Stromlaufbahnen gleicher Breite aufweist. Andererseits kann man aber auch unter Beibehaltung oder geringfügiger Er­ höhung des elektrischen Widerstandswerts durch eine Erhöhung der Zahl der Trennschnitte senkrecht zur Strömungsrichtung, die z. T. unterbrochen sind, im Fall der Parallelschaltung eine bessere Anpassung der elektrischen Heizleistungsdichte an die örtlich durch die Strömung abgeführte Wärmestromdich­ te erreichen. Durch die Kombinationsmöglichkeit von Serien- und Parallelschaltung von Stromlaufbahnsystemen ist es mög­ lich, elektrische Widerstandswerte in feinerer Abstufung zu realisieren. Bei einem elektrischen Widerstand gleicher Ab­ maße wie bei obigem Beispiel, der durch Parallelschaltung aus zwei Stromlaufbahnsystemen ausgebildet ist, erhält man bei 5 Trennschnitten ca. 4 Ohm, bei 7 Trennschnitten ca. 8 Ω. Einen weiteren Zwischenwert von ca. 7 Ω erhält man, wenn man bei 5, zum Teil unterbrochenen Trennschnitten senkrecht zur Strömungsrichtung ein Stromlaufbahnsystem aus zwei Strom­ laufbahnen in Serie mit zwei zueinander parallel geschalteten Stromlaufbahnsystemen verschaltet.

Von entscheidender Wichtigkeit ist, daß auf Grund der Verschal­ tung von Stromlaufbahnsystemen bei der elektrischen Heizung des elektrischen Widerstands sich kein Temperaturgefälle senkrecht zur Strömungsrichtung einstellt. Dies würde zur Verlängerung der Ansprechzeit führen. Deshalb muß in Bereichen, die durch parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Trennschnitte ge­ trennt werden, die Anzahl der Stromlaufbahnen und deren Ab­ hängigkeit der Breite vom Abstand der jeweiligen Stromlauf­ bahn von der Anströmkante gleich sein. Bedingung ist außerdem, daß die Stromlaufbahnen eines Bereichs zu einem Stromlaufbahn­ system und die Stromlaufbahnen von Bereichen, die durch einen Trennschnitt parallel zur Strömungsrichtung getrennt sind, zu zueinander parallel geschalteten Stromlaufbahnsystemen gehören, gleiche elektrische Widerstandswerte aufweisen. Aus demselben Grund muß eine Stromlaufbahn auf ihrer gesamten Länge eindeutig einem Stromlaufbahnsystem zugeordnet sein. Nur so ist gewährleistet, daß entlang einer beliebigen gedach­ ten Linie senkrecht zur Strömungsrichtung (und außerhalb der Trennschnitte) überall die gleiche elektrische Heizleistung erzeugt wird.

Die beiden Abb. 1 und 2 zeigen schematisch den beheiz­ baren Widerstand in zwei beispielhaften Ausführungsformen.

In Abb. 1 ist in Aufsicht ein plattenförmiger Träger darge­ stellt, auf den auf einer seiner größten Flächen eine dünne Metallschicht (1) aufgebracht ist. Der Träger ist so angeord­ net, daß seine beiden größten Flächen parallel zur Strömungs­ richtung (6) eines Fluids ausgerichtet sind. Die Metall­ schicht (1) ist durch Trennschnitte in Kontaktflächen (2, 3) und mäanderförmige Stromlaufbahnen strukturiert, deren Hauptrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung (6) verläuft und deren Breite mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der Anströmkante (7) zunimmt. Durch Trenn­ schnitte senkrecht (4) und parallel (5) zur Strömungsrich­ tung (6) sind zwei zueinander parallel geschaltete Stromlauf­ bahnsysteme R ₁ und R ₂ ausgebildet. Der parallel zur Strömungs­ richtung (6) verlaufende Trennschnitt (5) ist asymmetrisch an­ geordnet, damit die beiden Stromlaufbahnsysteme R ₁ und R ₂ gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Durch die unter­ schiedliche Länge der Stromlaufbahnsysteme wird die unterschied­ liche Breite der ersten Stromlaufbahn von R ₁ und der letzten Stromlaufbahn von R ₂, jeweils von der Anströmkante aus ge­ zählt, kompensiert. Diese beiden Stromlaufbahnen erstrecken sich über die gesamte Länge des Trägers senkrecht zur Strömungs­ richtung, ausgenommen den Bereich der Kontaktflächen.

In Abb. 2 ist der plattenförmige Träger wie in Abb. 1 ange­ ordnet und ebenso mit einer dünnen Metallschicht (1) beschich­ tet. Diese ist durch Trennschnitte in Kontaktflächen (2, 3) und mäanderförmige Stromlaufbahnen strukturiert, deren Hauptrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung (6) verläuft. Durch Trenn­ schnitte senkrecht (4) und parallel (5) zur Strömungsrichtung (6) sind zwei zueinander parallel geschaltete Stromlaufbahnsysteme R ₁ und R ₂ ausgebildet, die in Serie mit einem weiteren Stromlauf­ bahnsystem R _s verschaltet sind. Die Breite der Stromlaufbahnen nimmt nur für jedes Stromlaufbahnsystem getrennt betrachtet mit dem Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der Anströmkante (7) zu. Die Stromlaufbahnen der parallel verschalteten Stromlaufbahn­ systeme R ₁ und R ₂ sind bei Berücksichtigung ihres jeweili­ gen Abstands von der Anströmkante (7) relativ schmaler als die des dazu in Serie geschalteten Stromlaufbahnsystems R _s , da durch R ₁ und R ₂ jeweils nur ein Teil des Gesamtstroms, mit dem der beheizbare elektrische Widerstand aufgeheizt wird, fließt. Der parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Trenn­ schnitt (5) ist asymmetrisch angeordnet, um die Gleichheit der elektrischen Widerstandswerte der zueinander parallel ge­ schalteten Stromlaufbahnsysteme R ₁ und R ₂ zu erreichen. Die Breite a _i des Übergangs zwischen den Stromlaufbahnen i und i + 1 ist so groß wie der Mittelwert aus den Breiten B _i und B _{i + 1}.

Claims (6)

1. Beheizbarer elektrischer Widerstand für Vorrichtungen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Massenstroms von Gasen und Flüssigkeiten, bestehend aus einem elektrisch isolierenden, plattenförmigen Träger, dessen beide größten Flächen parallel zur Strömungsrichtung der Gase bzw. Flüssigkeiten ausgerichtet sind und auf den auf einer der beiden größten Flächen als dünne Metallschicht, durch parallel und senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Trennschnitte voneinander getrennt, Kontaktflächen und Stromlaufbahnen so aufgebracht sind, daß die Stromlaufbahnen mäanderförmig mit ihrer Hauptrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen und unterschiedliche Breiten aufweisen, wobei die elektrische Heizleistungsdichte in jeder Stromlaufbahn im selben Maß wie die örtlich von der Strömung abgeführte Wärmestromdichte mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der der Strömung zugewandten Kante des Trägers (Anströmkante) abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Metallschicht durch Trennschnitte elektrisch zueinander parallel oder zueinander parallel und in Serie geschaltete Stromlaufbahnsysteme ausgebildet sind, wobei die parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Trennschnitte, ausgenommen die, die Kontaktflächen und Stromlaufbahnen trennen, jeweils Bereiche trennen, die senkrecht zu diesen Trennschnitten liegen und die gleiche Anzahl von Stromlaufbahnen mit gleicher Abhängigkeit der Breite der Stromlaufbahnen vom Abstand der jeweiligen Stromlaufbahn von der Anströmkante aufweisen, und wobei die Stromlaufbahnen eines dieser Bereiche zu einem Stromlaufbahnsystem und die Stromlaufbahnen von den Bereichen, die durch einen Trennschnitt parallel zur Strömungsrichtung getrennt sind, zu verschiedenen Stromlaufbahnen gehören, die zueinander elektrisch parallel geschaltet sind und die gleichen elektrischen Widerstandswerte aufweisen.

2. Beheizbarer elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen jeweils am Plattenende im Bereich einander gegenüberliegender, parallel zur Strömungsrichtung verlaufender Plattenkanten aufgebracht sind.

3. Beheizbarer elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen am selben Plattenende im Bereich einer parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Plattenkante aufgebracht sind.

4. Beheizbarer elektrischer Widerstand nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromlaufbahnsystem seriell mit einem zusammengesetzten Stromlaufbahnsystem verschaltet ist, das durch Parallelschaltung von mindestens zwei Stromlaufbahnsystemen gebildet wird.

5. Beheizbarer elektrischer Widerstand nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Parallelschaltung von zwei Stromlaufbahnsystemen die erste oder die erste und mindestens einmal zwei direkt folgende Stromlaufbahnen des einen Stromlaufbahnsystems und die letzte oder die letzte und mindestens einmal zwei direkt vorhergehende Stromlaufbahnen des anderen Stromlaufbahnsystems sich jeweils über die gesamte Länge des Trägers senkrecht zur Strömungsrichtung, ausgenommen die Bereiche der Kontaktflächen, erstrecken, wobei die erste Stromlaufbahn des erstgenannten Stromlaufbahnsystems direkt entlang der Anströmkante und die letzte Stromlaufbahn des zweitgenannten Stromlaufbahnsystems direkt entlang der der Anströmkante gegenüberliegenden Kante verlaufen.

6. Beheizbarer elektrischer Widerstand nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a _i zwischen dem Ende eines Trennschnitts senkrecht zur Strömungsrichtung und einem benachbarten Trennschnitt parallel zur Strömungsrichtung als Mittelwert aus den Breiten b _i und b _{i + 1} der Stromlaufbahnen i und i + 1 ausgebildet ist, die durch den Trennschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung voneinander getrennt sind.