DE3833929C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Durchfluß-Meßelement, wie es zum Messen der Flußgeschwindigkeit einer Flüssigkeit oder von Gas verwendet wird.

Ein thermisches Durchfluß-Meßelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus DE 35 18 409 A1 bekannt. Es weist als Grundkörper ein Substrat aus einem Halbleitermaterial auf, in dem bipolare Transistoren ausgebildet werden können. Eine Heizeinrichtung in Form eines integrierten bipolaren Transistors liegt zwischen zwei Temperaturmeßeinrichtungen, die ebenfalls als integrierte bipolare Transistoren ausgebildet sind. Ein derartiges Meßelement wird dadurch hergestellt, daß im Halbleitersubstrat eine Anzahl örtlich begrenzter PN-Übergänge erzeugt wird und dann an geeigneten Stellen Elektroden zum Kontraktieren aufgebracht werden.

Ein thermisches Durchfluß-Meßelement, das ebenfalls einen Grundkörper, eine Heizeinrichtung und zwei Temperaturmeßeinrichtungen aufweist, aber grundsätzlich anders aufgebaut ist als das oben beschriebene Meßelement, ist aus US 45 76 050 bekannt. Es weist auf einem isolierenden Grundkörper, vorzugsweise einem Polymerfilm, eine schichtförmige Heizeinrichtung und zwei schichtförmige Thermoelemente auf. Dieses Meßelement ist insofern einfacher herstellbar als das oben beschriebene, als keine PN-Übergänge ausgebildet werden müssen, sondern nur Oberflächenschichten aufgetragen werden müssen, was dem Erzeugen von Elektroden beim Durchfluß-Meßelement nach dem Patentanspruch 1 ähnlich ist. Das Herstellen der Oberflächenschichten ist jedoch erheblich komplizierter als das Herstellen bloßer Elektroden, da die Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen müssen, die so auf den Grundkörper aufzubringen und so zu strukturieren sind, daß die gewünschten Effekte des Heizens und der Temperaturmessung eintreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders einfach aufgebautes thermisches Durchfluß-Meßelement anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe ist bei einem Durchflußmeßelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruch 1 gegeben. Von entscheidender Bedeutung für die Funktion dieses thermischen Durchfluß-Meßelementes ist es, daß der Grundkörper aus einem Material besteht, das Trägerfunktion, Heizeinrichtungsfunktion und Temperaturmeßeinrichtungsfunktion in einem ausübt. Es handelt sich um einen keramischen Halbleiter, der dadurch heizbar ist, daß Spannung an zwei an ihm angebrachte Elektroden gelegt wird, wodurch ein Heizstrom fließt. Als Teil einer Temperaturmeßeinrichtung wirkt der Grundkörper dadurch, daß auf ihn eine Detektorelektrode aufgebracht wird, deren Material so gewählt ist, daß zwischen ihm und dem Grundkörpermaterial eine thermoelektromotorische Kraft besteht.

Aufgrund dieser Mehrfachfunktion des Grundkörpers ist das Durchfluß-Meßelement nach dem Patentanspruch 1 kaum mehr übertreffbar einfach aufgebaut und demgemäß höchst einfach herstellbar. Es sind lediglich Elektroden auf den Grundkörper in vorgegebenen Bereichen flächig aufzubringen, ohne daß auf eine besondere Strukturierung zu achten ist. Es ist auch leicht möglich, mehrere Meßelemente in Reihe zu schalten, wozu lediglich mehrere Elektroden aufzubringen sind und diese miteinander zu verbinden sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines thermischen Durchfluß-Meßelementes mit Eigenbeheizung des heizleitenden Grundkörpers;

Fig. 2A ein Diagramm, das die Temperaturverteilung über den Grundkörper bei nichtströmendem Fluid darstellt;

Fig. 2B ein Diagramm entsprechend dem von Fig. 2A, jedoch für den Fall strömenden Fluids;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Durchflußgeschwindigkeit und Ausgangsspannung des Durchfluß-Meßelementes gemäß Fig. 1 darstellt;

Fig. 4 das Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß Fig. 1; und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Meßelementes ähnlich dem von Fig. 1, jedoch mit Ausgleichswiderständen an den Detektorelektroden.

Beim thermischen Durchfluß-Meßelement gemäß Fig. 1 liegt ein plattenförmiger Grundkörper 1 aus einem keramischen Halbleiter vor, z. B. eine Keramikplatte aus Bariumtitanat. Auf dieser sind an ihren Enden auf derselben Oberflächenseite Detektorelektroden 2 und 3 aufgebracht. Zwischen den beiden Detektorelektroden ist auf derselben Oberflächenseite, aber auch auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite der Platte jeweils eine Heizelektrode 4 aufgebracht.

Vorzugsweise bestehen alle Elektroden aus einem Material, das einen Ohmschen Kontakt zum Grundkörper 1 herstellt. Sie be­ stehen z. B. aus einer aufgedampften Nickelschicht, auf die vorzugsweise noch Silber aufgedampft ist, um die Stärke der Elektroden zu erhöhen.

Der Grundkörper 1 aus einem keramischen Halbleiter zeigt die Eigenschaften eines Thermistors mit positiver Charakteristik. Wenn durch Anlegen einer Spannung von einer Spannungsquelle 7 ein Stromfluß in der durch die Elektroden 4 gebildeten Heiz­ einrichtung 6 erzeugt wird, nimmt der zwischen den Heizelek­ troden 4 liegende Bereich eine konstante Temperatur an. Es wurde bei einer Ausführungsform eine Temperatur von 100°C eingestellt, bei einem Grundkörper aus Bariumtitanat der Ab­ messungen 2 mm×10 mm×0,5 mm und Abmessungen der Heizelek­ troden 4 von 2 mm×1 mm.

Die eben genannte Temperatur am Ort der Heizelektroden ist in Fig. 2A mit TH bezeichnet. Die Temperaturen an den Orten der Detektorelektroden 2 und 3 sind T1 und T2. Diese Tempe­ raturen sind gleich, da die Anordnung symmetrisch aufgebaut ist und kein Fluid strömt. Zwischen den Detektorelektroden, die ein Thermoelement 5 bilden, besteht keine thermoelektrische Spannung.

Wenn dagegen ein Fluid in Richtung von der Detektorelektrode 2 zur Detektorelektrode 3 fließt, wird die Temperatur T1 um eine Temperaturdifferenz ΔT niedriger als die Temperatur T2. Dadurch wird eine thermoelektrische Spannung hervorgerufen, deren Größe ein Maß für die Durchflußgeschwindigkeit ist. Der Zu­ sammenhang zwischen der thermoelektrischen Ausgangsspannung und der Durchflußgeschwindigkeit ist für kleine Geschwindigkeiten in Fig. 3 aufgezeichnet. Der Zusammenhang ist in etwa linear. Die Kurve gemäß Fig. 3 wurde für eine Strömung von Luft mit 25°C aufgenommen.

Wenn bei der Anordnung gemäß Fig. 1 die Detektorelektroden 2 und 3 bei nichtströmendem Fluid nicht genau auf dieselbe Temperatur aufgeheizt werden, entsteht eine Offsetspannung zwischen den Detektorelektroden 2 und 3. Dies geht auch aus dem Ersatz­ schaltbild gemäß Fig. 4 hervor. Widerstände R1-R8 beziehen sich auf die auf dem Grundkörper 1 aufgebrachten Elektroden. Auf die Detektorelektroden bezogene thermoelektromotorische Kräfte e1 und e2 sind ebenfalls eingezeichnet. Ihre Größe hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den Detektorelek­ troden ab.

Um die Offsetspannung zwischen den Detektorelektroden 2 und 3 zu erniedrigen, weist die Anordnung gemäß Fig. 5 Ausgleichs­ widerstände 11 und 12 an den Detektorelektroden 2 und 3 auf. Diese verbinden die Detektorelektroden mit einer Bezugsspannungsquelle. Die Widerstandswerte R9 und R10 sind in Fig. 4 in einer strichpunktierten Leitung eingezeichnet, die eine jeweilige Detektorelektrode mit dem Bezugsspannungsort verbindet. Die Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 werden so einge­ stellt, daß die Ausgangsspannungen von den Detektorelektroden 2 und 3 symmetrisch zur Bezugsspannung werden. Vorteilhafter­ weise ist mindestens einer der beiden Ausgleichswiderstände ein ein­ stellbarer Widerstand. Es reicht auch aus, nur einen einzigen einstellbaren Ausgleichswiderstand an einer der beiden Detektorelektro­ den 2 oder 3 zu verwenden.

Einzelmeßelemente können auch zu Mehrfachmeßelementen gesta­ pelt werden. Die Temperaturmeßeinrichtungen werden dann in Reihe geschal­ tet, um eine größere thermoelektromotorische Kraft zu erhalten. Dies erhöht die Empfindlichkeit. Zwischen den Grundkörpern sind dann isolierende Schichten angeordnet.

Die Offsetspannung kann auch dadurch erniedrigt werden, daß die Heizeinrichtung 6 statt mit Gleichspannung mit gepulster Spannung versorgt wird.

Statt einem einzigen Paar von Detektorelektroden 2 und 3 kön­ nen auch mehrere Paare auf einem Grundkörper angeordnet wer­ den, um die abgreifbare Spannung bei Reihenschaltung zu erhöhen.

Der Grundkörper muß nicht notwendigerweise plattenförmig sein, wie in den Fig. 1 und 5 dargestellt, sondern er kann be­ liebig geformt sein, insbesondere zylinderförmig.

Die Detektorelektroden 2 und 3 eines Paares müssen nicht not­ wendigerweise symmetrisch zur Heizeinrichtung 6 angebracht sein; es kann also bei nichtströmendem Fluid eine Temperatur­ differenz zwischen den Detektorelektroden bestehen. Aber auch dann ändert sich die Temperaturdifferenz mit sich ändernder Durchflußgeschwindigkeit.

Beim Ausführungsbeispiel wurde halbleitendes Bariumtitanat als Halbleiterkeramik verwendet. Andere verwendbare n-Typ Halbleiter sind z. B. TiO₂, V₂O₅, MoO₂, PbCrO₄, SnO₂, Fe₃O₄, ZnO oder WO₃. Verwendbare p-Typ Halbleiter sind z. B. CoO, Cu₂O, MoO₂, Cr₂O₃, SnO, MnO oder NiO.

Claims (3)

1. Thermisches Durchfluß-Meßelement mit

• - einem Grundkörper,
• - einer Heizeinrichtung zum Heizen des Grundkörpers, und
• - zwei in Durchflußrichtung vor und hinter der Heizeinrichtung auf dem Grundkörper angeordneten Temperaturmeßeinrichtungen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Grundkörper (1) aus einem keramischen Halbleiter besteht,
• - die Heizeinrichtung (6) durch mindestens zwei Elektroden (4) und einen dazwischenliegenden Teil des Grundkörpervolumens gebildet ist,
• - und jede Temperaturmeßeinrichtung durch mindestens eine Detektorelektrode (2, 3) und den Grundkörper gebildet ist, wobei das Detektorelektrodenmaterial so gewählt ist, daß zwischen ihm und dem Grundkörpermaterial eine thermoelektromotorische Kraft besteht.

2. Thermischer Durchfluß-Meßelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Ausgleichswiderstande (11, 12), wobei jeder Ausgleichswiderstand mit seinem einen Ende mit einer Detektorelektrode (2, 3) und mit seinem anderen Ende mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist.