DE3911599A1 - Widerstandsanordnung fuer einen heissfilmanemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandsanordnung für ein Heißfilmanemometer, wobei ein durch elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand auf einem Isolierstoffträger, vorzugsweise auf einem Keramikträger, angeordnet ist, der in einen zu messenden Medienstrom hineinragt und von einer Halterung gehalten wird.

Bei bekannten Heißfilmanemometer ist ein von einem elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand auf einem Isolierstoffträger angeordnet. Der Sensorwiderstand weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und ist vorzugsweise als Platin- oder Nickel-Dünnfilm- oder Dickschichtwiderstand ausgeführt. Der Heizstrom wird bei den bekannten Heißfilmanemometern derart geregelt, daß sich eine im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorwiderstand und dem strömenden Medium ergibt. Aus dem zum Heizen erforderlichen Strom ist in an sich bekannter Weise ein Schluß auf die Strömung möglich.

Bei bekannten Heißfilmanemometern ist ferner ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand als Temperatursensor auf dem Isolierstoffträger angeordnet, mit dessen Hilfe die Temperatur des strömenden Mediums bei der Auswertung berücksichtigt wird. Der Isolierstoffträger besteht üblicherweise aus Keramik. Ein Anwendungsgebiet der bekannten Heißfilmanemometer ist die Messung der Luftmasse in Kraftfahrzeugen zum Zwecke der Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses.

Bei den bekannten Heißfilmanemometern erfolgt jedoch außer der Wärmeabgabe an das strömende Medium ein Wärmefluß vom Sensorwiderstand zum Rand des Isolierstoffträgers bzw. zu dessen Halterung. Dieser Wärmefluß führt insbesondere zu relativ langen Stabilisierungszeiten beim Einschalten des Heißfilmanemometers oder bei sich sprunghaft ändernden Masseflüssen, da sich dabei der Temperaturgradient zwischen dem Sensorwiderstand und der Halterung neu einstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heißfilmanemometer anzugeben, welches sprunghaften Änderungen des Masseflusses möglichst schnell folgt und bei dem die Stabilisierungszeiten nach einem Einschalten möglichst kurz sind.

Das erfindungsgemäße Heißfilmanemometer ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierstoffträger zwischen dem Sensorwiderstand und der Halterung ein weiterer Widerstand (Heizwiderstand) angeordnet ist, der von einem weiteren elektrischen Strom derart beheizbar ist, daß mindestens der an den Sensorwiderstand angrenzende Bereich des Heizwiderstandes im wesentlichen die Temperatur des Sensorwiderstandes annimmt.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß der Sensorwiderstand und der Heizwiderstand in an sich bekannter Weise von Schichtwiderständen gebildet werden und daß der Heizwiderstand mindestens in dem an den Sensorwiderstand angrenzenden Bereich im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie der Sensorwiderstand aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß sich der Querschnitt des Heizwiderstandes in Richtung auf die Halterung erweitert. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Temperatur des dem Sensorwiderstand benachbarten Bereichs des Heizwiderstandes ebenfalls schnell an Änderungen des Massenflusses anpaßt.

Eine weitere Verringerung der Ansprechzeit wird durch eine andere Weiterbildung dadurch ermöglicht, daß ferner auf dem Isolierstoffträger ein ebenfalls zur Umströmung vom Medienstrom vorgesehener Vergleichswiderstand angeordnet ist und daß zwischen dem Vergleichswiderstand und der Halterung ein weiterer Heizwiderstand vorgesehen ist.

Durch die in weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für das zweite Ausführungsbeispiel.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind auf einem Isolierstoffträger 1 in Form von Schichten aus geeigneten Widerstandsmaterialien ein Sensorwiderstand R _S , ein Heizwiderstand R _{H 1}, ein Temperaturmeßwiderstand R _T und ein Vergleichswiderstand R _V angeordnet. Die Widerstände sind untereinander und mit Anschlüssen 2, 3, 4, 5 mit Hilfe von Leiterbahnen 6 verbunden. Im Bereich der Anschlüsse kann der Isolierstoffträger 1 mit einer Halterung verbunden werden, was in den Fig. 1 und 2 lediglich durch eine Schraffur 7 angedeutet ist.

Um eine thermische Kopplung zwischen dem Temperaturmeßwiderstand R _T , dem Sensorwiderstand R _S und dem Vergleichswiderstand R _V über den Isolierstoffträger 1 weitgehend zu vermeiden, ist der Isolierstoffträger mit Ausnehmungen 8, 9 versehen. Der Vergleichswiderstand R _V kann in an sich bekannter Weise durch entsprechende Vergrößerung eines Schlitzes 10 mit Hilfe eines Laserstrahls abgeglichen werden.

Da die Funktion von Heißfilmanemometern in der Literatur ausführlich beschrieben ist, werden im folgenden lediglich die Besonderheiten der Erfindung erläutert. Durch eine entsprechende Schaltung (siehe Fig. 3) wird dafür Sorge getragen, daß der Heizwiderstand R _{H 1} von einem im wesentlichen gleichen Strom wie der Sensorwiderstand R _S durchflossen wird. Dadurch nimmt der dem Sensorwiderstand R _S benachbarte Bereich des Heizwiderstandes R _{H 1} eine im wesentlichen gleiche Temperatur wie der Sensorwiderstand an. Entsprechend wird der Temperaturgradient innerhalb des Sensorwiderstandes R _S praktisch gleich 0, was zu einer deutlich verringerten Ansprechzeit des Heißfilmanemometers führt. Die in Fig. 1 dargestellte Form des Heizwiderstandes R _{H 1} sorgt auch bei gleichbleibendem Quadratwiderstand für eine in Richtung auf die Halterung 7 stetig abnehmende Flächenleistung innerhalb des Heizwiderstandes R _{H 1}. Dadurch wird ein gleichmäßiger, künstlicher Temperaturgradient zum Rand hin erzeugt. Dieser verhindert, daß bei sich änderndem Massestrom größere Wärmemengen innerhalb des Widerstandes transportiert werden müssen und erlaubt somit ein schnelles Erreichen des Gleichgewichtszustandes.

Zur weiteren Verringerung der Ansprechzeit ist es vorteilhaft, einen beheizten Widerstand in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand anzuordnen, um ein geeignetes Temperaturprofil in Strömungsrichtung zu erzeugen. Dieses erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Vergleichswiderstand R _{V 2} vor dem Sensorwiderstand R _S angeordnet ist, der etwa die gleiche Leistung wie der Sensorwiderstand R _S an das Medium abgibt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist auch dem Vergleichswiderstand R _{V 2} ein Heizwiderstand R _{H 2} zugeordnet. Dieser ist in gleicher Weise wie der Heizwiderstand R _{H 1} geformt, besteht allerdings wie der Vergleichswiderstand aus einem Material mit geringerer Temperaturabhängigkeit. Um eine Veränderung des Temperaturprofils, das durch den Vergleichswiderstand R _{V 2} erzeugt wird, beim Abgleich zu vermeiden, ist bei dem Ausführungsbeispiel ein Teil R _VA des Vergleichswiderstandes vom Widerstand R _{V 2} getrennt hinter dem Sensorwiderstand R _S angeordnet. Gegenüber der Widerstandsanordnung nach Fig. 1 weist die Widerstandsanordnung nach Fig. 2 weitere Anschlüsse 10, 11, 12 auf.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Widerstandsanordnung 15 gemäß Fig. 2, wobei der Sensorwiderstand R _S und die Vergleichswiderstände R _VA und R _{V 2} den einen und der Temperaturmeßwiderstand R _T und ein weiterer nicht auf dem Isolierstoffträger 13 angeordneter Widerstand 16 den anderen Zweig einer Brückenschaltung 17 bilden. In an sich bekannter Weise sind die Ausgänge 2, 4 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 18 verbunden, dessen Ausgang über ein Stellglied so den Strom durch die Reihenschaltung aus der Brückenschaltung 17 und den Heizwiderständen R _{H 1} und R _{H 2} steuert. Der Anschluß 12 wird bei der dargestellten Schaltung nicht benötigt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung kann jedoch auch sinngemäß für die Widerstandsanordnung nach Fig. 1 verwendet werden, wobei der Anschluß 5 mit Masse zu verbinden ist.

Claims (10)

1. Widerstandsanordnung für ein Heißfilmanemometer, wobei ein durch elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand auf einem Isolierstoffträger, vorzugsweise auf einem Keramikträger, angeordnet ist, der in einen zu messenden Medienstrom hineinragt und von einer Halterung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierstoffträger (1, 13) zwischen dem Sensorwiderstand (R _S ) und der Halterung (7) ein weiterer Widerstand (Heizwiderstand) (R _{H 1}) angeordnet ist, der von einem weiteren elektrischen Strom derart beheizbar ist, daß mindestens der an den Sensorwiderstand (R _S ) angrenzende Bereich des Heizwiderstandes (R _{H 1}) im wesentlichen die Temperatur des Sensorwiderstandes (R _S ) annimmt.

2. Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (R _S ) und der Heizwiderstand (R _{H 1}) in an sich bekannter Weise von Schichtwiderständen gebildet werden und daß der Heizwiderstand (R _{H 1}) mindestens in dem an den Sensorwiderstand (R _S ) angrenzenden Bereich im wesentlichen den gleichen Querschnitt wie der Sensorwiderstand (R _S ) aufweist.

3. Widerstandsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Heizwiderstandes (R _{H 1}) in Richtung auf die Halterung (7) erweitert.

4. Widerstandsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner auf dem Isolierstoffträger (13) ein ebenfalls zur Umströmung vom Medienstrom vorgesehener Vergleichswiderstand (R _{V 2}) angeordnet ist und daß zwischen dem Vergleichswiderstand (R _{V 2}) und der Halterung (7) ein weiterer Heizwiderstand (R _{H 2}) vorgesehen ist.

5. Widerstandsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Widerstände als Schichtwiderstände der weitere Heizwiderstand (R _{H 2}) mindestens in einem an den Vergleichswiderstand (R _{V 2}) angrenzenden Bereich den gleichen Querschnitt wie der Vergleichswiderstand (R _{V 2}) aufweist.

6. Widerstandsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des weiteren Heizwiderstandes (R _{H 2}) in Richtung auf die Halterung (7) zunimmt.

7. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswiderstand (R _{V 2}) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand (R _S ) angeordnet ist.

8. Widerstandsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Vergleichswiderstand (R _VA ) mit dem Vergleichswiderstand (R _{V 2}) in Reihe schaltbar, abgleichbar und in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sensorwiderstand (R _S ) angeordnet ist.

9. Widerstandsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner auf dem Isolierstoffträger (1, 13) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand (R _S ) bzw. dem Vergleichswiderstand (R _{V 2}) ein Temperaturmeßwiderstand (R _T ) angeordnet ist und daß zwischen dem Temperaturmeßwiderstand (R _T ) und dem Sensorwiderstand (R _S ) bzw. dem Vergleichswiderstand (R _{V 2}) der Isolierstoffträger (1, 13) eine Ausnehmung (8, 14) aufweist.

10. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (R _S ) und der Vergleichswiderstand (R _V1, R _{V 2}) einen ersten Zweig einer Brückenschaltung (17) bilden, daß ein Temperaturmeßwiderstand (R _T ) und ein weiterer Widerstand (16) einen zweiten Brückenzweig bilden, daß der Heizwiderstand (R _{H 1}) und der gegebenenfalls weitere Heizwiderstand (R _{H 2}) mit der Brückenschaltung (17) eine Reihenschaltung bilden, und daß Anschlüsse der Brückenschaltung, welche eine Meßdiagonale bilden, mit Eingängen eines Differenzverstärkers (18) verbunden sind, dessen Ausgangsspannung den durch die Reihenschaltung fließenden Strom beeinflußt.