DE4307512A1 - Meßelement - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen, nach der Gattung des Haupt­ anspruchs.

Es ist schon eine Vorrichtung bekannt (DE-OS 36 38 138), bei der Widerstände und Leiterbahnen auf einem Trägerkörper, einem sogenann­ ten Substrat, aufgebracht sind. In solchen, auch als Luftmassen­ messer bezeichneten Vorrichtungen, bildet ein Meßwiderstand und ein Kompensationswiderstand mit zugehörigem Referenzwiderstand, zusammen mit zwei Abgleichwiderständen eine Wheatstonsche Brücke, deren Brückendiagonalspannung an einem Regelverstärker liegt. Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers dient zur Ansteuerung eines Heizwiderstandes. Die Heizleistung ist so bemessen, daß der Meß­ widerstand eine konstante Temperatur hat, wobei die Heizleistung des Heizwiderstandes ein Maß für die Masse des strömenden Mediums ist.

Bei der erwähnten Vorrichtung ist das Substrat durch zwei parallele Trennschlitze in drei Finger aufgeteilt und einseitig in einer Befestigung gehalten. Die Trennschlitze sind quer zur Richtung des strömenden Mediums orientiert und verlaufen ausgehend von einer der Befestigung abgewandten freien Stirnfläche des Substrats in die Nähe der Befestigung. Ein erster Finger, der mit einer Anströmfläche der Strömung entgegensteht, besitzt auf der Vorderseite des Substrats den Kompensationswiderstand. Anschließend an den ersten Finger folgt in Richtung des strömenden Mediums ein zweiter Finger, welcher auf der Vorderseite des Substrats den Referenzwiderstand aufweist. Der Kompensationswiderstand und der Referenzwiderstand sind elektrisch in Reihe geschaltet und durch Leiterbahnen miteinander verbunden. Ein weiterer dritter Finger wird durch eine Abströmfläche des Substrats begrenzt und besitzt auf der Vorderseite des Substrats den Meßwiderstand. Auf der Rückseite des Meßwiderstandes, bzw. der Rück­ seite des dritten Fingers ist der Heizwiderstand vorgesehen. Die Schichten der einzelnen Widerstände grenzen jeweils an die freie Stirnfläche des Substrats und erstrecken sich etwa bis zur Mitte des Substrats, wobei der Referenzwiderstand sich etwa bis zur Mitte des Kompensationswiderstandes ersteckt.

Nachteilig an dieser bekannten, unsymmetrischen Anordnung der Wider­ stände bezüglich einer quer zur Strömung verlaufenden Längsachse des Substrats ist, daß sich Schwankungen des strömenden Mediums stark auf das Meßergebnis auswirken. Strömungsschwankungen sind jedoch technisch kaum vermeidbar und treten beispielsweise im Ansaugbereich einer Brennkraftmaschine beim Ansaugvorgang und dem nachfolgenden Schließen der Einlaßventile auf. Durch eine Rückströmung des Mediums kann sich am dritten Finger infolge der geringen Laufstrecke der Strömung nur eine sehr dünne Strömungsgrenzschicht ausbilden, wodurch eine starke abkühlende Wirkung auf den Heizwiderstand bewirkt wird. Im Gegensatz zur normalen Anströmrichtung von der Anströmfläche zur Abströmfläche bildet sich durch die vergrößerte Laufstrecke der Strömung eine wesentlich dickere Strömungsgrenz­ schicht aus, welche eine geringere Abkühlung des Heizwiderstandes bewirkt. Daher weist die erwähnte Vorrichtung eine starke Richtungs­ abhängigkeit des Wärmeübergangswiderstandes gegenüber wechselnden Anströmrichtungen auf. Eine starke Richtungsabhängigkeit beeinträch­ tig jedoch das Meßergebnis und sollte vermieden werden. Ferner hat eine unsymmetrische Aufteilung der Widerstände zur Folge, daß durch unsymmetrisch verteilte Wärmeströme, welche beispielsweise in Rich­ tung zur Befestigung oder in Richtung zur freien Stirnfläche fließen, sich ein entsprechend unsymmetrisches Temperaturfeld auf der Substratfläche einstellt. Das Meßelement reagiert daher empfind­ lich auf Änderungen des konvektiven Wärmetransports, die durch wechselnde Anströmrichtungen auftreten.

Zusätzlich hat eine durch Strömungsschwankungen charakterisierte, pulsierende Strömung zur Folge, daß ein konvektiver Wärmetransport ausgehend vom Heizwiderstand und beheiztem Meßwiderstand durch das vom Heizwiderstand aufgeheizte, teilweise rückströmende Medium vom stromabwärts gelegenen Meßwiderstand zum stromaufwärts vorgesehenen Kompensationswiderstand oder Referenzwiderstand auftritt, so daß die Wheatstonsche Brückenschaltung oftmals in einer Art und Weise verstimmt wird, die kein Maß für den strömenden Massenstrom darstellt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Meßelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine hohe Empfindlichkeit des Meßelementes auch gegenüber kleinen Durchsatz­ änderungen erreicht wird und sich das Meßelement besonders bei pulsierenden Strömungen durch eine große Meßgenauigkeit und hohe Ansprechgeschwindigkeit auszeichnet.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung der Widerstände sich weitgehend eine symmetrische Temperaturvertei­ lung und damit eine symmetrische Wärmestromverteilung auf der Substratfläche einstellen kann, so daß störende Wärmeströme die beispielsweise zur Befestigung oder zur freien Stirnfläche fließen das Meßergebnis insbesondere bei pulsierender und schwankender Strö­ mung nicht beeinflussen. Dabei ist der Wärmeübertragungswiderstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von der jeweiligen Anströmrichtung, so daß das Meßelement zur Bestimmung der Masse des strömenden Mediums ein gleichbleibend präzises Meßergebnis liefert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßelementes möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein beispielhaftes Schaltbild der Erfindung, Fig. 2 eine Vorderansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Meßelementes, Fig. 3 eine Rückansicht des Meßelementes nach Fig. 2, Fig. 4 eine Vorderansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Meßelementes, Fig. 5 eine Rückansicht der zweiten Ausführungsform nach Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist perspektivisch ein Rohr 1 gezeigt, welches von einem Medium durchströmt wird. Die Anströmrichtung des Mediums ist mit einem Pfeil 2 gekennzeichnet. Das Rohr 1 kann beispielsweise ein Ansaugrohr sein, durch das angesaugte Luft zu einer Brennkraft­ maschine strömt. In das Rohr 1 und in das strömende Medium sind vier Widerstände eingebracht. Ein temperaturabhängiger Widerstand dient zur Messung der Masse des strömenden Mediums und wird im folgenden als Meßwiderstand R_S bezeichnet. Die weiteren Widerstände, bestehend aus einem Heizwiderstand R_H und einem temperaturabhängigen Kompensationswiderstand R_K sowie einem Referenzwiderstand R₁, sind in das strömende Medium eingebracht.

Die erwähnten Widerstände R_S, R_H, R_K, R₁ sind Teil einer beispielsweise als Wheatstonsche Brückenschaltung ausgebildeten Widerstandserfassungsanordnung 3, die ergänzt wird durch zwei Abgleichwiderstände, welche im folgenden als R₂ und R₃ gekenn­ zeichnet sind. Die Widerstandserfassungsanordnung 3 kann nicht nur durch eine Wheatstonsche Brückenschaltung, sondern auch durch andere Widerstandsmeßschaltungen oder brückenähnliche Schaltungen reali­ siert werden.

Ausgehend von einem Fußpunkt 5 sind jeweils in einem Brückenzweig die Widerstände R₂, R_K und R₁ bzw. die Widerstände R₃ und R_S in Reihe geschaltet. Geschlossen wird die Brücke in einem Punkt 6, wobei die Anschlußleitungen der Widerstände R₁ und R_S im Punkt 6 zusammengeführt werden. Die Brückendiagonalspannung wird einem Regelverstärker 7 zugeführt. Der Regelverstärker 7 kann beispielsweise als ein Differenzverstärker ausgebildet sein. Eine Verbindungsleitung des Regelverstärkers 7 ist mit einem Punkt 9 eines ersten Brückenzweiges mit den Widerständen R₁, R₂ und R_K verbunden. Eine weitere Verbindungsleitung des Regelverstärkers 7 ist mit einem Punkt 10 eines zweiten Brückenzweiges mit den Wider­ ständen R₃ und R_S verbunden. Die Ausgangsgröße des Regelverstär­ kers 7 wird dem Heizwiderstand R_H zugeführt, dessen andere Anschlußleitung mit dem Punkt 6 in Verbindung steht, so daß insgesamt eine geschlossene Regelschleife entsteht.

Die Wirkungsweise eines Luftmassenmessers zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft einer Brenn­ kraftmaschinen ist an sich bekannt und wird im folgenden nur kurz erläutert. Durch den Ausgangsstrom des Regelverstärkers 7 erfolgt eine Aufheizung des Heizwiderstandes R_H, wobei die abgegebene Heizleistung des Reizwiderstandes R_H im wesentlichen durch die Brückendiagonalspannung am Regelverstärker 7 bestimmt ist. Der Reiz­ widerstand R_H, der in gutem Wärmekontakt mit dem Meßwiderstand R_S liegt, wird damit auf eine weit oberhalb der Temperatur des strömenden Mediums liegende Übertemperatur gebracht. Ändert sich nun die durch das Rohr 1 fließende Masse des Mediums, so ändert sich aufgrund des veränderten konvektiven Wärmetransports die Temperatur des Meßwiderstandes R_S und es wird, da der Meßwiderstand R_S stark temperaturabhängig ist, die Widerstandserfassungsanordnung 3 verstimmt. Der Regelverstärker 7 verändert daraufhin den Strom durch den Heizwiderstand R_H. Über die geschlossene Regelschleife werden damit Änderungen des Meßwiderstandes R_S infolge einer ab- oder zufließenden Wärmemenge stets durch Änderung der Heizleistung des Heizwiderstandes R_H kompensiert, so daß der stark temperatur­ abhängige Meßwiderstand R_S auf einer konstanten Temperatur, bzw. einem konstanten Widerstandswert gehalten wird. Der Heizstrom bzw. die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 7 ist daher ein Maß für die Masse des strömenden Mediums. Der Kompensationswiderstand R_K zusammen mit dem in Reihe verbundenen Referenzwiderstand R₁ bewirkt, daß die Ausgangsspannung U_A des Regelverstärkers 7 nicht von der Temperatur des strömenden Mediums abhängt.

Die Widerstände R_H, R_S, R_K, R₁ sind als dünne Schichten auf einem als Träger dienenden, plattenförmigen Substrat 15 (Fig. 2, 3, 4, 5) angeordnet. Der Heizwiderstand R_H, der Meßwiderstand R_S und der Kompensationswiderstand R_K sind vorzugsweise als Schicht­ widerstand oder Filmwiderstand ausgebildet. Der Referenzwiderstand R₁ ist vorzugsweise als Dickschichtwiderstand ausgebildet. Durch mäandriert ausgeführte Schnitte durch die Oberfläche der einzelnen Schichten der Widerstände kann deren Widerstandswert individuell eingestellt werden. Vorzugsweise wird mittels Laserschnitt die Schicht des Meßwiderstandes R_S und die Schicht des Kompensations­ widerstandes R_K mit Mäanderstrukturen versehen. Als Material für die Schichten der Widerstände eignet sich Platin.

Es ist nicht erforderlich den Abgleichwiderstand R₂, der zwischen dem Fußpunkt 5 und dem Punkt 9 liegt, sowie den Abgleichwiderstand R₃, der zwischen dem Fußpunkt 5 und dem Punkt 10 liegt, auch dem strömenden Medium auszusetzen. Vorteilhaft ist jedoch, die Wider­ stände R₂ und R₃ in möglichst engem Wärmekontakt anzuordnen, um eine enge Tolerierung der Temperaturkoeffizienten von R₂ und R₃ zu vermeiden.

Die Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit dem Heizwiderstand R_H, dem Meßwiderstand R_S, dem Kompensations­ widerstand R_K und dem Referenzwiderstand R₁. Das plattenförmige Substrat 15 hat etwa eine rechteckige Form und steht mit einer Anströmfläche 28 einer Richtung 2 des strömenden Mediums entgegen. Die Anströmfläche 28 ist mit zwei Seitenflächen verbunden, einer freien Stirnfläche 30 und einer befestigten Stirnfläche 31, welche sich in Richtung des strömenden Mediums erstecken. Beide Stirn­ flächen 30, 31 enden an einer Abströmfläche 29, die der Anstrom­ fläche 28 und der Richtung 2 des strömenden Mediums abgewandt ist. Die Anströmfläche 28 und Abströmfläche 29 sowie beide Stirnflächen 30, 31 umschließen gemeinsam eine Oberfläche 16 und gegenüberliegend eine Unterfläche 17 des Substrats 15. Die Oberfläche 16 des Substrats 15 ist in Fig. 2 einer Vorderansicht des Substrats 15 gezeigt. In Fig. 3 ist in einer entsprechenden Rückansicht die Unterfläche 17 des Substrats 15 dargestellt. Die Oberfläche 16 und die Unterfläche 17 sind beide in Richtung des strömenden Mediums orientiert. Das Substrat 15 ist beispielsweise an der befestigten Stirnfläche 31 in einem Befestigungsbereich 25 einseitig gehalten. Zum Halten des Substrats 15 kann beispielsweise eine zusätzliche Halterung am Rohr 1 vorgesehen werden, um das Substrat 15 möglichst in die Mitte des Rohres 1 zu orientieren, so daß das Substrat 15 ohne Randeinflüsse umströmt wird. Es ist auch möglich, das Substrat 15 gegenüber der Strömungsrichtung 2 zu neigen. Die Anströmfläche 28 verläuft quer zur Strömungsrichtung 2. Die freie Stirnfläche 30 verläuft beispielsweise parallel zur Strömungsrichtung 2, und die Abströmfläche 29 ist parallel zur Anströmfläche 28 ausgerichtet.

Im Befestigungsbereich 25 sind auf dem Substrat 15 Kontaktflächen 35 aufgebracht, welche einerseits mittels auf dem Substrat 15 vorgesehener Widerstandsverbindungen in Form von Leiterbahnen 36 mit den Widerständen R₁, R_K, R_H und R_S verbunden sind und welche andererseits mit den Widerständen R₂ und R₃ und dem Regelverstärker 7 mit dem Punkt 6 in Fig. 1 elektrisch verbunden sind. Zwischen dem Punkt 6, einem Nulleiter und dem Fußpunkt 5 ist die Widerstandserfassungsanordnung 3 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die zum Betrieb des Meßelementes, bzw. der Widerstands­ erfassungsanordnung 3 eine erforderliche Ausgangsspannung U_K liefert.

Das Substrat 15 weist in Richtung seiner größten Erstreckung eine Längsachse 40 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Längsachse 40 parallel zur Anströmfläche 28 und quer zur Anströmrichtung 2 ausge­ richtet, die in Fig. 2 mit Pfeilen 2 gekennzeichnet ist. Die Längs­ achse 40 teilt die Oberfläche 16 und Unterfläche 17 des Substrats 15 flächenmäßig in gleich große Teile auf. Die Widerstände R_H, R_S, R_K und R₁ sind entlang der Längsachse 40 des Substrats 15 ange­ ordnet. Die Widerstände R_H, R_S, R_K und R₁ werden als dünne Schichten auf dem Substrat 15 aufgebracht und haben etwa eine recht­ eckige Form. Die rechteckige Form der Schichten der Widerstände R_H, R_S, R_K und R₁ wird jeweils flächenmäßig durch die Längs­ achse 40 in etwa gleich große Teile aufgeteilt.

Die Heizwiderstand R_H ist vorteilhafterweise im Bereich der freien Stirnfläche 30 auf der Unterfläche 17 des Substrats 15 vorgesehen. Ein möglichst großer Abstand zum Befestigungsbereich 25 mindert den vom Heizwiderstand R_H zum Befestigungsbereich 25 auftretenden Wärmestrom, welcher die Ansprechgeschwindigkeit des Meßelementes gegenüber Änderungen der Masse des strömenden Mediums mindert.

Die etwa rechteckige Form der Schichten des Heizwiderstandes R_H und Meßwiderstandes R_S wird jeweils mit ihrer größten Erstreckung 41, 42 parallel zur freien Stirnfläche 30 des Substrats 15, bzw. in Anströmrichtung 2 orientiert und jeweils flächenmäßig von der Längs­ achse 40 in etwa gleich große Teile aufgeteilt.

Der temperaturabhängige Meßwiderstand R_S und der Heizwiderstand R_H müssen in gutem Wärmekontakt zueinander stehen. Daher ist der Meßwiderstand R_S beispielsweise mit einer elektrisch gut isolie­ renden, wärmeleitfähigen Zwischenlage dem Heizwiderstand R_H auf der gleichen Substratfläche überlagert oder auf der Oberfläche 16 des Substrats 15 nahe an der freien Stirnfläche 30 angeordnet, während der Heizwiderstand R_H ebenfalls nahe der freien Stirn­ fläche 30 auf der Unterfläche 17 des Substrats 15 vorgesehen ist. In Fig. 3 ist der Heizwiderstand R_H gezeigt, der auf der Unterfläche 17 im Bereich der freien Stirnfläche 30 des Substrats 15 angeordnet ist. Die Zwischenschicht zwischen Meßwiderstand R_S und Heizwider­ stand R_H kann beispielsweise aus einer Glasschicht bestehen, auf der der Meßwiderstand R_S aufgetragen wird.

Die Schicht des Kompensationswiderstandes R_K ist etwa rechteck­ förmig und mit ihrer größten Erstreckung 43 parallel zur Längsachse 40 angeordnet und mit ihrer kleinsten Erstreckung 45 von der Längs­ achse 40 des Substrats 15 flächenmäßig in etwa gleich große Teile aufgeteilt. Der Kompensationswiderstand R_K ist in ausreichendem Abstand zum Heizwiderstand R_H und Meßwiderstand R_S entlang der Längsachse 40 etwa in der Mitte des Substrats 15 auf der Oberfläche 16 vorgesehen, um ohne störenden Einfluß der Heizfläche von Heiz­ widerstand R_H und beheiztem Meßwiderstand R_S die Temperatur des strömenden Mediums anzunehmen.

Die vorher beschriebene Anordnung des Kompensationswiderstandes R_K, Heizwiderstandes R_H und Meßwiderstandes R_S bewirkt, daß durch eine symmetrische Anordnung der Widerstände bezüglich der Längsachse 40 des Substrats 15 sich eine symmetrische Temperatur­ verteilung mit einer entsprechend symmetrischen Wärmestromverteilung ergibt, so daß störende Wärmeströme, die beispielsweise ausgehend vom Heizwiderstand R_H in Richtung zum Befestigungsbereich 25 oder zum Kompensationswiderstand R_K fließen, das Meßergebnis insbeson­ dere bei pulsierender und schwankender Strömung nicht mehr beein­ flussen. Ferner ist der Wärmeübergangswiderstand gleichbleibend, da bei symmetrischer Aufteilung der Widerstände R_H und R_S bei Rück­ strömung, d. h. bei Strömung ausgehend von der Abströmfläche 29 zur Anströmfläche 28 und bei normaler Anströmung, d. h. von der Anström­ fläche 28 zur Abströmfläche 29 die Strömungsgrenzschicht eine gleichbleibende Dicke aufweist, so daß die Abkühlwirkung auf den Meßwiderstand R_S gleichbleibt. Das Meßergebnis ist unabhängig von der jeweiligen Strömungsrichtung 2. Weiterhin ist ein Wärmestrom von dem Heizwidersand R_H und dem beheizten Meßwiderstand R_S zum Kompensationswiderstand R_K unabhängig von einer pulsierenden Strömung.

Der Referenzwiderstand R₁ ist als Schichtwiderstand auf der Ober­ fläche 16 des Substrats 15 aufgetragen, beispielsweise mittels eines Dickschichtverfahrens. Vorzugsweise ist der Referenzwiderstand R₁ in der Nähe des Befestigungsbereichs 25 des Substrats 15 vorgesehen. Die Schicht des Referenzwiderstandes R₁ ist etwa rechteckförmig und mit ihrer größten Erstreckung 44 quer zur Längsachse 40 angeord­ net und wird von dieser flächenmäßig in etwa gleiche Teile aufge­ teilt.

Da der Referenzwiderstand R₁ auch dem strömenden Medium ausgesetzt ist und eine Temperatur entsprechend dem Kompensationswiderstand R_K und dem strömenden Medium annimmt, kann auf eine extrem enge Tolerierung der Temperaturkoeffizienten des Kompensationswider­ standes R_K und des Referenzwiderstandes R₁ verzichtet werden.

Zur optimalen Abschirmung des Heizbereiches des Heizwiderstandes R_H und zur gegenseitigen thermischen Entkopplung der Widerstände R₁, R_S und R_K sind im ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellt, zwei Innenschlitze, ein erster Innen­ schlitz 50 und ein zweiter Innenschlitz 51 vorgesehen.

Die Innenschlitze 50, 51 durchdringen das Substrat 15 von der Ober­ fläche 16 zur Unterfläche 17 und verlaufen jeweils von einem Schlitzanfang 46 innerhalb der Flächen 16, 17 zu einem Schlitzende 47 innerhalb der Flächen 16, 17, so daß die Innenschlitze 50, 51 nirgends die Begrenzungsflächen 28, 29, 30 und 31 des Substrats 15 erreichen. Der erste Innenschlitz 50 verläuft in unmittelbarer Nähe der Schicht des Kompensationswiderstandes R_K und umschließt diese teilweise. Der erste Innenschlitz 50 setzt sich aus zwei Teilstücken 56, 57 zusammen, welche parallel zur Anströmfläche 28 in unmittel­ barer Nähe in Richtung der größten Erstreckung 43 der Schicht des Kompensationswiderstandes R_K verlaufen. Ein weiteres, zwischen dem Meßwiderstand R_S und dem Kompensationswiderstand R_K liegendes drittes Teilstück 59 des Innenschlitzes 50, das quer zur Anström­ fläche 28 und parallel zu der kleinsten Erstreckung 45 der Schicht des Kompensationswiderstandes R_K orientiert ist, ist an seinen beiden Enden mit den Teilstücken 56 und 57 verbunden, so daß der erste Innenschlitz 50 eine U-Form annimmt. Es sind aber auch andere Formen des Innenschlitzverlaufs möglich. Gestaltungstechnisch können beispielsweise die Innenschlitze oder die Teilstücke einen gebogenen oder gekrümmten Verlauf besitzen. Auch ein Zusammensetzen der Innenschlitze aus teilweise geraden und gebogenen Teilinnen­ schlitzen ist möglich. Dabei ist sowohl die Schlitzform als auch die Schlitzbreite den technischen Erfordernissen jeweils anzupassen. Beispielsweise können die Schlitzenden eine abgerundete Form haben, um aus Festigkeitsgründen die Stabilität des Substrats zu erhöhen oder, um durch eine variable Schlitzbreite der Innenschlitze eine verbesserte thermische Isolation der einzelnen Widerstände zu erhal­ ten.

Die Verbindung der Teilstücke 56, 57 des ersten Innenschlitzes 50 mit dem Teilstück 59 erfolgt beispielsweise mittels je eines eine abgerundete oder gekrummte Form aufweisenden weiteren Teilstücks 60.

Der zweite Innenschlitz 51 trennt die Heizfläche des Heizwiderstan­ des R_H und des Meßwiderstandes R_S teilweise vom übrigen Substrat 15 ab und setzt sich aus zwei, parallel zur Anströmfläche 28 verlau­ fenden Teilstücken 65, 66 und aus einem Teilstück 68 zusammen, das quer zur Anströmfläche 28 orientiert ist. Die Verbindung der parallel zur Anströmfläche 28 ausgebildeten Teilstücke 65, 66 mit dem quer zur Anströmfläche 28 ausgebildeten Teilstücks 68 erfolgt mittels eines weiteren Teilstücks 69, welches etwa eine abgerundete oder gekrümmte Form hat. Das Teilstück 68 hat eine Erstreckung, die etwa der größten Erstreckung 41 der Schicht des Heizwiderstandes R_H entspricht und zwischen dem Heizwiderstand R_H beziehungsweise dem Meßwiderstand R_S und dem dritten Teilstück 59 des ersten Innenschlitzes 50 liegt. Die beiden parallel zur Anströmfläche 28 orientierten Teilstücke 65, 66 des zweiten Innenschlitzes 51 erstrecken sich in Richtung zur befestigten Stirnfläche 31 wenigstens in die Höhe des dritten Teilstücks 59 des ersten Innenschlitzes 50. Der zweite Innenschlitz 51 besitzt entsprechend dem ersten Innenschlitz 50 die ebenfalls eine U-Form.

Gegenüber bisherigen Ausführungsformen kann durch die Innenschlitze 50, 51 in einfacher Weise eine effiziente thermische Isolation der einzelnen Widerstände untereinander und gegenüber einer beispiels­ weise einseitig angebrachten Befestigung erzielt werden. Vorzugs­ weise werden die Innenschlitze parallel oder senkrecht zur Richtung des strömenden Mediums angeordnet, wobei der Innenschlitzverlauf sich beispielsweise abschnittsweise aus miteinander verbundenen Teilstücken zusammensetzt. Die Verbindung der Teilstücke erfolgt in Verbindungsbereichen mittels weiterer Teilstücke, die etwa eine abgerundete oder gekrümmte Form haben. Vorzugsweise ist es auch möglich, Bereiche des Schlitzanfangs 46 und/oder des Schlitzendes 47 in etwa abgerundeter oder gekrümmter Form auszuführen, so daß von diesen Bereichen nur geringe Spannungsspitzen durch Kerbwirkungs­ effekte auftreten.

Die Innenschlitze 50, 51 sind vorgesehen, um die Heizfläche im Bereich des Heizwiderstandes R_H und Meßwiderstandes R_S thermisch möglichst von der übrigen Substratfläche abzutrennen, so daß nur eine abgegrenzte, teilweise umschlossene Heizfläche des Heizwiderstandes R_H und Meßwiderstandes R_S entsteht. Durch die geringe Heizfläche ist es in kürzester Zeit möglich, auf Durchflußänderungen des strömenden Mediums, beispielsweise mit schnellem Aufheizen des Meßwiderstandes R_S zu reagieren, um damit eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und Empfindlichkeit des Meßelementes zu erhalten.

Die Struktur des Substrats 15 ist durch die Innenschlitze 50, 51 nur teilweise aufgetrennt und bleibt daher mechanisch weitgehend zusam­ menhängend, so daß gegenüber bisherigen Ausführungsformen die Eigen­ resonanzfrequenz, die statische sowie insbesondere die dynamische Festigkeit vergrößert ist. Das Substrat 15 ist besonders unempfind­ lich gegenüber einer Schwingungsanregung, die im Betriebszustand an einer Brennkraftmaschine auftreten oder bei der Montage durch Stöße verursacht wird. Die Ausbildung der Schlitze als Innenschlitze vermindert beim Herstellen die Gefahr von unerwünschten Formänderun­ gen und Verspreizungen einzelner Teilbereiche des Substrats 15. Zusätzlich ist durch eine optimale Fluchtung der Substratfläche 16, 17 im strömenden Medium ein exakt reproduzierbarer Wärmeübergangs­ widerstand zum strömenden Medium vorhanden. Mittels Laserschnitten können die Innenschlitze in einfacher Weise präzise aus dem Substrat 15 ausgenommen werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht eines zweiten Ausführungsbei­ spiels des Meßelementes und die Fig. 5 eine entsprechende Rückan­ sicht, wobei die gleichen oder gleichwirkenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren gekenn­ zeichnet sind. Die Anordnung der Widerstände R_H, R_S, R_K und R₁ entspricht der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel der Heizwiderstand R_H und der Meßwiderstand R_S weiter entfernt von der freien Stirnfläche 30 des Substrats 15 angeordnet sind. Dieser größere Abstand des Meßwiderstandes R_S von der freien Stirnfläche 30 hat den Vorteil, daß die von der freien Stirnfläche 30 des Substrats 15 ausgehenden Verwirbelungen und Strömungsablösungen den Bereich des Heizwiderstandes R_H und Meßwiderstandes R_S kaum mehr erreichen und diesen nachteilig beeinflussen.

Wie in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt ist, sind zusätzlich zu den bisherigen Innenschlitzen 50, 51 des vorherigen Ausführungsbeispiels noch drei weitere Innenschlitze 52, 53 und 73 vorgesehen. Die Innen­ schlitze 52, 53 verlaufen parallel zur Strömungsrichtung 2 zwischen den Teilstücken 59 und 68 der Innenschlitze 50, bzw. 51 und sind geradlinig ausgebildet. Der gerade Innenschlitz 52 hat eine Erstreckung, welche etwa dem Teilstück 59 des ersten Innenschlitzes 50 entspricht. Der gerade Innenschlitz 52 ist parallel zur größten Erstreckung 42 der Schicht des Meßwiderstandes R_S orientiert und dem Meßwiderstand R_S zugewandt. Parallel zum geraden Innenschlitz 52 verläuft auch der zweite Innenschlitz 53. Der gerade Innenschlitz 53 hat eine Erstreckung, die geringfügig abweicht vom geraden Innen­ schlitz 52 und ist dem Kompensationswiderstand R_K und dem ersten Innenschlitz 50 zugewandt. Beide gerade Innenschlitze 52, 53 enden vor den Teilstücken 65, 66 des zweiten Innenschlitzes 51 und trennen die durch den Heizwiderstand R_H und Meßwiderstand R_S beheizte Fläche des Substrats 15 vom Kompensationswiderstand R_K zusätzlich ab, wodurch ein störender Wärmestrom verringert wird, welcher vom Heizwiderstand R_H zum Kompensationswiderstand R_K fließt.

Vorzugsweise setzt sich der Innenschlitz 73 aus einem geraden Teil­ stück 77, welches quer zur Anströmfläche 28 des Substrats 15 orien­ tiert ist und in der Nähe der freien Stirnfläche 30 zugewandten größten Erstreckung 41 der Schicht des Heizwiderstandes R_H verläuft und an den jeweiligen Enden des Teilstücks 77 angreifenden Teilstücken 74, 75 zusammen, die in Richtung zur freien Stirnfläche 30 hin und parallel zur Anstromfläche 28 des Substrats 15 verlaufen. Verbunden werden die Teilstücke 74, 75 mittels jeweils eines weiteren Teilstücks 78 mit dem Teilstück 77. Die Teilstücke 78 haben etwa eine abgerundete oder gekrümmte Form. Wie in Fig. 4 oder in Fig. 5 dargestellt, hat der Innenschlitz 73 die Form eines umgekehrten U und endet vor Erreichen der freien Stirnfläche 30. Der Innenschlitz 73 dient zur Abgrenzung der durch den Heizwiderstand R_H beheizten Fläche des Substrats 15 von der sich weiter zur freien Stirnfläche 30 erstreckenden Fläche des Substrats 15, so daß eine gleichbleibend hohe Ansprechgeschwindigkeit des Meßelementes auf Änderungen des Massenstroms gewährleistet ist.

Claims (19)

1. Meßelement für eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft von Brennkraft­ maschinen, mit einem Substrat, das an einem Befestigungsbereich gehalten ist und eine Längsachse in Richtung der größten Erstreckung des Substrats aufweist, wobei die Längsachse quer zur Strömungsrich­ tung des Mediums orientiert ist und sich auf dem Substrat ein schichtförmiger, temperaturabhängiger Meßwiderstand befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (R_S) auf der Längs­ achse (40) angeordnet ist und von der Längsachse (40) des Substrats (15) symmetrisch aufgeteilt wird.

2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (15) ein schichtförmiger Kompensationswiderstand (R_K) angeordnet ist, der auf der Längsachse (40) des Substrats (15) liegt und von der Längsachse (40) symmetrisch aufgeteilt wird.

3. Meßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Kompensationswiderstandes (R_K) etwa rechteckförmig ausgebildet ist.

4. Meßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnete daß der Kompensationswiderstand (R_K) etwa in der Mitte des Substrats (15) vorgesehen ist.

5. Meßelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnete daß die etwa rechteckförmige Schicht des Kompensationswiderstandes (R_K) mit ihrer größten Erstreckung (43) parallel zur Längsachse (40) des Substrats (15) ausgerichtet ist.

6. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (15) ein schichtförmiger Referenzwiderstand (R₁) angeordnet ist, der auf der Längsachse (40) des Substrats (15) liegt und von der Längsachse (40) symmetrisch aufgeteilt wird.

7. Meßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Referenzwiderstandes (R₁) etwa rechteckförmig ausgebildet ist.

8. Meßelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwiderstand (R₁) in Nähe des Befestigungsbereichs (25) vorgesehen ist.

9. Meßelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa rechteckförmige Schicht des Referenzwiderstandes (R₁) mit einer größten Erstreckung (44) quer zur Längsachse (40) des Substrats (15) ausgerichtet ist.

10. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Meßwiderstandes (R_S) etwa rechteckförmig ausgebildet ist und von der Längsachse (40) symmetrisch aufgeteilt wird.

11. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15) an dem Befestigungsbereich (25) gehalten ist und mit einer dem Befestigungsbereich (25) abgewandten freien Stirnfläche (30) in das strömende Medium ragt und der Meßwiderstand (R_S) in Nähe der freien Stirnfläche (30) angeordnet ist.

12. Meßelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa rechteckförmige Schicht des Meßwiderstandes (R_S) mit ihrer größten Erstreckung (42) quer zur Längsachse (40) des Substrats (15) ausgerichtet ist.

13. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (15) ein in Abhängigkeit von der Masse des strömenden Mediums regelbarer Heizwiderstand (R_H) angeordnet ist, der als Schicht ausgebildet gegenüber dem Meßwiderstand (R_S) elektrisch isoliert ist und in einem durch den Meßwiderstand (R_S) überlager­ ten Bereich des Substrats (15) auf der Längsachse (40) liegt und von der Längsachse (40) symmetrisch aufgeteilt wird.

14. Meßelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Heizwiderstandes (R_H) etwa rechteckförmig ausgebildet ist.

15. Meßelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die etwa rechteckförmige Schicht des Heizwiderstandes (R_H) mit ihrer größten Erstreckung (41) quer zur Längsachse (40) des Substrats (15) ausgerichtet ist.

16. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15) eine Anströmfläche (28) und eine Abströmfläche (29) hat, die quer zur Strömungsrichtung (2) verlaufen und eine freie Stirnfläche (30) und eine befestigte Stirnfläche (31) hat, die in Strömungsrichtung (2) orientiert sind und das Substrat (15) wenig­ stens einen Innenschlitz (50; 51; 52; 53; 73) aufweist der die Anströmfläche (28), Abströmfläche (29), die befestigte Stirnfläche (31) und die freie Stirnfläche (30) nicht erreicht.

17. Meßelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich der wenigstens eine Innenschlitze (50; 51; 73) abschnittsweise aus miteinander verbundenen Teilstücken zusammensetzt, welche parallel und senkrecht zur Strömungsrichtung (2) ausgerichtet sind.

18. Meßelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationswiderstand (R_K) auf der Längsachse (40) des Substrats (15) angeordnet ist und der wenigstens eine Innenschlitz (50; 51; 52; 53) zwischen dem Meßwiderstand (R_S) und dem Kompensations­ widerstand R_K verläuft.

19. Meßelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Innenschlitz (50; 51) eine U-Form hat und zumindest teilweise den Kompensationswiderstand (R_K) umschließt.