DE3941330C2 - Thermischer Strömungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungsmesser, bei dem ein wärmeempfindlicher Widerstand verwendet wird, um die Strömung eines Fluids zu messen.

Bislang hat man zur Messung der Strömung eines Fluids thermische Strömungsmesser verwendet, die eine im Gleichgewichtszustand befindliche Brückenschaltung mit einem in dem zu messenden Fluid angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand aufweisen, wie es beispielsweise in der JP-GM-OS 61-108 beschrieben ist. Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird ein solcher herkömmlicher thermischer Strömungsmesser erläutert, bei dem ein wärmeempfindlicher Widerstand als Heizwiderstand verwendet wird, der ein Keramiksubstrat und einen auf dem Substrat ausgebildeten Platin-Dünnschicht-Widerstand aufweist.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines herkömmlichen thermischen Strömungsmessers, bei dem ein wärmeempfindlicher Widerstand in einer Brückenschaltung vorgesehen ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Basis 2 in einer vorgegebenen Position innerhalb eines Gehäu­ ses 1 vorgesehen, das den Hauptdurchgang für ein Fluid bildet. Ein wärmeempfindlicher Widerstand RH1 und ein Fluidtemperatur­ sensor Rc sind auf der Basis 2 angeordnet. In einem Brückenzweig sind der wärmeempfindliche Widerstand RH1 und ein anderer Widerstand R1 in Reihe geschaltet, im anderen Brückenzweig der Fluid­ temperatursensor Rc und ein weiterer Widerstand R2.

Der wärmeempfindliche Widerstand RH1 hat einen Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Eine wärmeempfindliche Widerstands­ schicht 7b ist auf der einen Oberfläche eines als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a ausgebildet. Das als dünne Platte ausgebildete Substrat 7a ist parallel zur Strömungsrichtung 6 angeordnet, in der das Fluid, z. B. Luft, strömt. Diese Anord­ nung versucht zu verhindern, daß in dem Fluid enthal­ tener Staub sich auf dem wärmeempfindlichen Widerstand RH1 ab­ setzt und damit Änderungen in der Charakteristik des wärme­ empfindlichen Widerstandes RH1 hervorruft.

Der thermische Strömungsmesser gemäß Fig. 1 enthält außerdem eine Regelschaltung 10, in der eine Verbindung a zwischen dem wärmeempfindlichen Widerstand RH1 und dem Fluidtemperatur­ sensor Rc, die einen Teil der Brückenschaltung bilden, mit dem Emitter eines Transistors 4 verbunden ist. Außerdem ist in dieser Regelschaltung 10 die Verbindung b zwischen dem wär­ meempfindlichen Widerstand RH1 und dem Widerstand R1 mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 3 verbunden, während die Verbindung f zwischen dem Fluidtemperatursensor Rc und dem Widerstand R2 mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 3 verbunden ist.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 3 ist an die Basis des Transistors 4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit dem positiven Pol einer Gleichstromversorgung 5 ver­ bunden, während der negative Pol der Gleichstromversorgung 5 geerdet ist.

Die Wirkungweise eines thermischen Strömungsmessers mit diesem Aufbau ist bereits bekannt. Die Wirkungsweise wird daher nicht im einzelnen beschrieben, sondern nur kurz erläutert. Wenn die Spannung an der Verbindung b und die Spannung an der Verbin­ dung f gleich groß geworden sind, erreicht die Brückenschal­ tung ihren Gleichgewichtszustand. Zu diesem Zeitpunkt ermög­ licht der wärmeempfindliche Widerstand RH1 den Durchgang eines Stromes mit der Stromstärke IH, deren Wert der Fluidströmung entspricht. Die Spannung VO an der Verbindung b läßt sich aus­ drücken als VO = IH×R1, und die Spannung VO wird als Strö­ mungssignal verwendet.

Aufgrund des oben anhand von Fig. 2 erläuterten Aufbaues, d.h. aufgrund des Aufbaues, bei dem der wärmeempfindliche Wider­ stand RH1 parallel zur Strömungsrichtung 6 des Fluids angeordnet ist, setzt sich mit dem Fluid vermischter Staub in der Strömung auf einem stirnseitigen Plattenbereich 11 in einer stromaufwärti­ gen Position des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a des wärmeempfindlichen Widerstandes RH1 ab. Damit ist eine Staubabscheidung möglich, die immer noch in hohem Maße eine Änderung der thermischen Charakteristik des wärmeempfindlichen Widerstandes RH1 hervorruft.

Ein herkömmlicher thermischer Strömungsmesser mit einem solchen Aufbau bringt gerade wegen der Ausrichtung des wärmeempfindlichen Widerstands RH1 parallel zur Strömungsrichtung 6 des Fluids erhebliche Probleme mit sich. Wenn nämlich der Winkel des wärmeempfindlichen Widerstandes RH1 re­ lativ zur Strömungsrichtung 6 des Fluids von dem korrekten Winkel Null abweicht, führt dies dazu, daß sich der Fluidauftreffbereich in einem relativ großen Maße ändert. In solchen Fällen besteht daher die Gefahr, daß eine leichte Veränderung des An­ bringungswinkels zu Meßfehlern mit beträchtlichen Werten füh­ ren kann.

Dieses Problem wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3A, 3B und 4 näher erläutert. Die Fig. 3A und 4 zeigen aus Experimenten erhaltenen Diagramme und erläutern Beispiele von Änderungen der Meßcharakteristiken gegenüber einer Referenz­ charakteristik, welche aus Änderungen des Winkels R resul­ tieren, unter welchem der wärmeempfindliche Widerstand RH1 relativ zur Strömungsrichtung 6 des Fluids angeordnet ist. Die Referenzcharakteristik liegt dann vor, wenn der Winkel R exakt gleich Null ist.

Fig. 3A zeigt Meßcharakteristiken, aufge­ tragen über den Fluidströmungswerten. Fig. 4 zeigt das Verhältnis, in welchem sich das Meßausgangssignal abhängig vom Anordnungswinkel R ändert, und zwar bei Strömungswerten a, b und c nach Fig. 3. Aus diesen graphischen Darstellungen ist ersichtlich, daß eine kleine Abweichung im Winkel, unter dem der Widerstand angeordnet ist, zu einer großen Veränderung der Meßcharakteristik gegenüber der Refe­ renzcharakteristik führt, die für den Fall R = 0 gilt.

Wenn es sich beispielsweise um den Strömungswert c handelt und wenn der Anordnungswinkel R um 5° von Null abweicht, ändert sich die Meßcharakteristik um +13%. Wenn der Anordnungswinkel R einen großen Wert annimmt, ändert sich die Meßcharakteristik nur in geringem Umfang. Wenn beispielsweise der Strömungswert c vorliegt und sich der Anordnungswinkel R = 30° um 5° ändert, tritt im wesentlichen keine Änderung bei der Meßcha­ rakteristik auf.

Aus der DE 32 48 603 A1 ist ein weiterer thermischer Strömungsmesser bekannt, der folgendes aufweist: einen wärmeempfindlichen Widerstand, der in der Strömung eines Fluids angeordnet ist und ein Substrat sowie eine wärmeempfindliche Widerstandsschicht aufweist, deren Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Widerstandes ändert; eine Brückenschaltung, welche den wärmeempfindlichen Widerstand und eine Vielzahl von anderen Widerständen umfaßt; und eine Regelschaltung, um die Brückenschaltung in der Weise zu regeln, daß die Brückenschaltung einen vorgegebenen Gleichgewichtszustand beibehält, und um die Fluidströmung aus dem Gleichgewichtszustand heraus zu messen, wobei ein Gehäuse den Durchgang der zu messenden Fluidströmung begrenzt.

Bei dem thermischen Strömungsmesser gemäß der DE 32 48 603 A1 wird zwar eine Schrägstellung des Substrats in der Fluidströmung vorgenommen, dort sind aber sämtliche Widerstände der Brückenschaltung auf einem gemeinsamen Substrat in einem Rohr angeordnet. Dabei wird durch eine Art Windschatteneffekt eine leichte Erhöhung der Arbeitstemperatur am wärmeempfindlichen Widerstand und eine leichte Erniedrigung der Arbeitstemperatur an einem anderen Widerstand hervorgerufen. Aus einem Vergleich der gemessenen Spannungen wird dann das Vorzeichen der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt.

Bei dieser Anordnung gemäß der DE 32 48 603 A1 wird generell für die gesamte Anordnung der Brückenschaltung am Substrat ein Anstellwinkelbereich angegeben, der zwischen 0° und 90° liegen soll, ohne daß eine Differenzierung oder Einschränkung hinsichtlich spezieller Winkel angegeben ist. Dieser Druckschrift lassen sich keine Überlegungen entnehmen, die mit der Ablagerung von Fremdkörpern und deren Einwirkung auf die Meßgenauigkeit des thermischen Strömungsmessers zusammenhängen. Die erwähnte Schrägstellung dient dort lediglich dazu, das Vorzeichen der Strömungsrichtung zu bestimmen, wenn der Windschatteneffekt ausgenutzt wird.

In der DE 35 04 082 A1 ist ein thermischer Strömungsmesser beschrieben, wobei der wärmeempfindliche Widerstand offenbar parallel zur Strömungsrichtung in einem entsprechenden Rohr angeordnet ist. Aus dieser Druckschrift ist zwar grundsätzlich die Halterung eines wärmeempfindlichen Widerstandes zwischen zwei Haltekörpern bekannt, die U-förmige Ausnehmungen zur Aufnahme des Widerstandes haben. Die Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit durch Ablagerung von Teilchen auf einem Meßwiderstand ist dort nicht berücksichtigt.

In der DE 37 17 331 A1 ist ein richtungsempfindlicher thermischer Anemometer-Wandler beschrieben, wobei es einerseits um die Feststellung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids und andererseits darum geht, die Richtung des sich bewegenden Fluides zu ermitteln. Die Vermeidung von Meßungenauigkeiten durch Staubablagerungen oder dergleichen ist in dieser Druckschrift nicht berücksichtigt.

Die DE 36 27 465 A1 beschreibt eine direkt beheizte Strömungsmeßvorrichtung zum Messen des Strömungsdurchsatzes in einem Kanal, wobei zu diesem Zweck ein Schichtwiderstand, der im Kanal angeordnet ist, und ein Substrat vorgesehen sind, dessen Stirnfläche auf der strömaufwärts liegenden Seite bezüglich des Fluidstromes im Kanal abgeschrägt abgeschrägt ist. Der Schichtwiderstand weist eine Widerstandsschicht auf, die auf dem Substrat ausgebildet ist und ein Teil zum Erzeugen von Wärme und zum Wahrnehmen seiner Temperatur aufweist. Ein Halteelement dient zum Halten des Schichtwiderstandes im Kanal, derart, daß der Schichtwiderstand annähernd parallel zum Fluidstrom liegt. Eine Steuereinrichtung für die elektrische Energie ist in der Weise vorgesehen, daß sie mit dem Schichtwiderstand verbunden ist, um die davon erzeugte Wärme zu steuern. Der dort verwendete Sensor hat zwar eine Schrägstellung, allerdings wird die aktive Sensoroberfläche dieses Sensors von der Seite angeströmt, wie sich aus den Darstellungen dieser Druckschrift ergibt. Um den Einfluß von haftenden Teilchen zu vermeiden, welche die Meßgenauigkeit beeinträchtigen könnten, sind dort abgeschrägte Kanten vorgesehen. Der wärmeempfindliche Widerstand ist dort parallel zur Strömungsrichtung angeordnet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Strömungsmesser der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß Meßungenauigkeiten, die durch Staubablagerungen aus dem Fluid oder Montageungenauigkeiten hervorgerufen werden können, weitgehend vermieden werden, um über einen langen Zeitraum eine stabile Strömungsmessung zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in einem thermischen Strömungsmesser, der folgende Merkmale aufweist: einen wärmeempfindlichen Widerstand, der aus einem plattenförmigen Substrat und einer auf einer Seite des Substrats aufgebrachten Widerstandsschicht besteht, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Widerstands ändert; eine Brückenschaltung, die den wärmeempfindlichen Widerstand und mehrere andere Widerstände umfaßt; eine Regelschaltung, um die Brückenschaltung in der Weise zu regeln, daß die Brückenschaltung einen vorgegebenen Gleichgewichtszustand beibehält, und um die Fluidströmung aus dem Gleichgewichtszustand heraus zu messen; und ein Gehäuse, das den Durchgang der zu messenden Fluidströmung begrenzt, wobei der wärmeempfindliche Widerstand in dem Gehäuse in der Fluidströmung unter einem Winkel zur Strömungsrichtung angeordnet ist, der einen Wert im Bereich von 20° bis 60° hat, die Widerstandsschicht auf der stromabwärtigen Seite des Substrates liegt und die anderen Widerstände der Brückenschaltung außerhalb des Gehäuses oder auf einer vom Substrat des wärmeempfindlichen Widerstandes verschiedenen Basis innerhalb des Gehäuses liegen.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsmessers ist vorgesehen, daß der wärmeempfindliche Widerstand mit elektrisch leitenden Tragteilen oberhalb der Basis in dem Gehäuse montiert ist.

Bei einer speziellen Bauform dieses thermischen Strömungsmessers ist vorgesehen, daß die Basis einen Fluidtemperatursensor trägt, der Bestandteil der Brückenschaltung ist.

Bei einer speziellen Bauform des thermischen Strömungsmessers ist der Fluidtemperatursensor ein Lufttemperatursensor.

Mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Gemäß der Erfindung wird in überraschender Weise mit relativ einfachen Mitteln erreicht, daß geeignete Meßergebnisse hinreichender Genauigkeit erzielt werden. Bei der Positionierung des wärmeempfindlichen Widerstandes können sogar kleine winkelmäßige Montagefehler akzeptiert werden, ohne daß dies die Meßgenauigkeit in erheblichem Maße verschlechtert. Dies wird nachstehend noch näher erläutert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Auf­ baues eines thermischen Strömungsmessers;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung, wie der wärmeempfindliche Widerstand eines herkömmlichen thermischen Strömungsmessers relativ zur Strömungs­ richtung des Fluids angeordnet ist;

Fig. 3A ein Diagramm zur Erläuterung von Meßfehlern, die auf­ treten, wenn ein wärmeempfindlicher Widerstand unter verschiedenen Winkeln relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist, gegenüber einer Referenzmessung beim Winkel Null;

Fig. 3B eine Seitenansicht zur Erläuterung der Stellung eines wärmeempfind­ lichen Widerstandes, der unter einem vorgegebenen Win­ kel relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeord­ net ist;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Verhältnisses, in welchem die Meßcharakteristik sich bei Änderungen des Winkels ändert, unter dem ein wärmeempfindlicher Widerstand relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist; gegenüber einer Referenzcharakteristik beim Winkel Null;

Fig. 5A eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines wärmeempfindlichen Widerstandes eines thermischen Strömungsmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und in

Fig. 5B eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung des wärmeempfindlichen Widerstandes gemäß Fig. 5A.

Die Fig. 5A zeigt in perspektivischer Darstellung die Art und Weise, wie ein wärmeempfindlicher Widerstand gemäß der Erfindung in einem Fluid, beispielsweise Luft, angeordnet ist, deren Strömung gemessen werden soll. Wie in Fig. 5A dargestellt, ist ein wärmeempfindlicher Widerstand RH2 in Form einer flachen Platte oberhalb einer Basis 2 angeordnet, während elektrisch leitende Tragteile 8 zwischen ihnen vor­ gesehen sind. Der wärmeempfindliche Widerstand RH2 ist unter einem Winkel R relativ zur Strömungsrichtung 6 des Fluids angeordnet, wobei der Wert des Anordnungswinkels R auf einen Winkel gesetzt wird, der mindestens 20° beträgt, aber nicht mehr als 60° ausmacht.

Wie in Fig. 5B dargestellt, weist der wärmeempfindliche Wider­ stand RH2 ein Substrat 7a in Form einer dünnen Platte sowie eine wärmeempfindliche Widerstandsschicht 7b auf, wobei die Widerstandsschicht 7b in einer stromabgewandten Position in der Strömung 6 angeordnet ist, in der das Fluid strömt. Beim dargestellten Beispiel ist somit die Widerstandsschicht 7b auf dem unteren Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a angeordnet und befindet sich somit in der Strömungsrichtung stromabwärts.

Bei dem dargestellten Beispiel wird der Anordnungswinkel R im Gegenuhrzeigersinn gemessen. Er kann auch im Uhrzeigersinn gemessen werden, wobei in diesem Falle die wärmeempfindliche Widerstandsschicht 7b auf einem oberen Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a, aber wiederum stromabgewandt, angeordnet ist.

Obwohl nicht eigens dargestellt, ist ein Fluidtemperatursensor Rc auf der Basis 2 vorgesehen, oberhalb der der wärmeempfind­ liche Widerstand RH2 unter Zwischenschaltung der Tragteile 8 montiert ist. Die Basis 2 ist in einer vorgegebenen Position innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses angebracht. Die Gruppe, die aus dem wärmeempfindlichen Widerstand RH2 und ei­ nem Widerstand R1 besteht, und die Gruppe, die aus dem Fluid­ temperatursensor Rc und einem Widerstand R2 besteht, sind je­ weils in der Weise in Reihe geschaltet, daß diese Elemente ei­ ne Brückenschaltung bilden. Der thermische Strömungsmesser enthält außerdem eine Regelschaltung 10 mit einem Diffe­ renzverstärker 3, einem Transistor 4, Widerständen R1 und R2 sowie einer Gleichstromversorgung 5, wobei die Anordnung in gleicher Weise bei einer herkömmlichen Einrichtung getroffen ist.

Der wärmeempfindliche Widerstand RH2 ist oberhalb der Basis 2 unter einem vorgegebenen Winkel angeord­ net. Selbst wenn irgendein Fehler während der Montage hin­ sichtlich des Anordnungswinkels aufgetreten ist, führt diese Abweichung zu einem kleineren Einfluß und zu einer kleineren Änderung der Meßcharakteristik, verglichen mit dem Fall, wo der korrekte Montagewinkel 0° beträgt, wie sich aus dem Diagramm in Fig. 4 ergibt. Dieses Merkmal ermöglicht es, daß der thermische Strömungsmesser mit einem hohen Grad von Prä­ zision arbeitet.

Wenn der Anordnungswinkel R 60° überschrei­ tet, hat der im Fluid enthaltene Staub die Tendenz, sich leicht auf einem Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a abzusetzen, der stromauf­ wärts in der Strömungsrichtung des Fluids liegt. Daher sollte der Anordnungswinkel R nicht mehr als 60° betragen. Bei einem solchen Winkel strömt der im Fluid enthaltene Staub längs einer Strömungslinie 9, wie es in Fig. 5B dargestellt ist, so daß die Gefahr der Staubabscheidung reduziert ist.

Auch wenn sich eine kleine Menge von Staub abgesetzt hat, führt diese Staubabscheidung nur in einem vernachlässigbaren Maße zu Änderungen der Meßcharakteristik, da sich der Staub nicht direkt auf der Oberfläche der wärmeempfindlichen Wider­ standsschicht 7b absetzt. Andererseits ist ein Anordnungs­ winkel R, der kleiner als 20° ist, zu vermeiden, da ein solcher Winkel bei Montageungenauigkeiten zu großen Änderungen bei den Meßcharakteristi­ ken führen kann. Aus den oben beschriebenen Gründen soll der Winkel R, unter welchem der wärmeempfindliche Widerstand RH2 angeordnet wird, im Bereich von 20° bis 60° liegen.

Somit ist der wärmeempfindliche Widerstand RH2 relativ zur Strömungsrichtung des Fluids unter einem Winkel angeordnet, der im Bereich von 20° bis 60° liegt. Damit können nur kleine Änderungen in den Meßcharakteristiken hervorgerufen werden, die aus Variationen des Anordnungswinkels resultieren, die während der Montage auftreten können.

Da weiterhin die wärmeempfindliche Widerstandsschicht 7b auf einem Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7a angeordnet ist, der stromabgewandt in Strömungs­ richtung des Fluids liegt, werden dadurch Variationen der Meß­ charakteristik, die auf der Abscheidung von Staub beruhen, der in dem Fluid enthalten sein kann, beruhen, auf ein vernachlässigbares Ausmaß begrenzt. Damit treten somit nur kleine Variationen der Meßcharakteristik überhaupt auf. Damit ist der angegebene thermische Strömungsmesser in der Lage, Strömungen für eine lange Zeitdauer in stabiler und zu­ verlässiger Weise zu messen.

Claims (4)

1. Thermischer Strömungsmesser mit

• - einem wärmeempfindlichen Widerstand (RH2), der aus einem plattenförmigen Substrat (7a) und einer auf einer Seite des Substrats (7a) aufgebrachten Widerstandsschicht (7b) besteht, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Widerstandes (RH2) ändert,
• - einer Brückenschaltung, die den wärmeempfindlichen Widerstand (RH2) und mehrere andere Widerstände (Rc, R1, R2) umfaßt,
• - einer Regelschaltung (10), um die Brückenschaltung in der Weise zu regeln, daß die Brückenschaltung einen vorgegebenen Gleichgewichtszustand beibehält, und um die Fluidströmung aus dem Gleichgewichtszustand heraus zu messen, und
• - einem Gehäuse (1), das den Durchgang der zu messenden Fluidströmung begrenzt, wobei
• - der wärmeempfindliche Widerstand (RH2) in dem Gehäuse (1) in der Fluidströmung unter einem Winkel (R) zur Strömungsrichtung angeordnet ist, der einen Wert im Bereich von 20° bis 60° hat,
• - die Widerstandsschicht (7b) auf der stromabgewandten Seite des Substrates (7a) liegt, und
• - die anderen Widerstände (Rc, R1, R2) der Brückenschaltung außerhalb des Gehäuses (1) oder auf einer vom Substrat (7a) des wärmeempfindlichen Widerstandes (RH2) verschiedenen Basis (2) innerhalb des Gehäuses (1) liegen.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand (RH2) mit elektrisch leitenden Tragteilen (8) oberhalb der Basis (2) in dem Gehäuse (1) montiert ist.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (2) einen Fluidtemperatursensor (Rc) trägt, der Bestandteil der Brückenschaltung ist.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidtemperatursensor (Rc) ein Lufttemperatursensor ist.