DE4314364A1 - Thermischer flusssensor und zugehoeriger waermeempfindlicher widerstand - Google Patents

Thermischer flusssensor und zugehoeriger waermeempfindlicher widerstand

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Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Flußsensor und einen zugehörigen wärmeempfindlichen Widerstand.
In der Vergangenheit wurde ein Verfahren zur Ermittlung des Flusses eines Fluids aus dem Gleichgewichtszustand einer Brückenschaltung mit einem in dem Fluidfluß angeordneten, wärmeempfindlichen Widerstand bei thermischen Flußsensoren eingesetzt, wie sie beispielsweise in dem japanischen offengelegten Gebrauchsmuster Nr. 61-108930 beschrieben sind. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung unter Bezugnahme auf einige der Zeichnungen eines konventionellen Luftflußsensors, in welchem ein wärmeempfindlicher Widerstand als ein Heizwiderstand verwendet wird, der ein keramisches Substrat sowie einen Platindünnfilmwiderstand aufweist, der auf dem Substrat vorgesehen ist.
Fig. 11 zeigt schematisch die Anordnung des konventionellen thermischen Flußsensors, in welchem ein wärmeempfindlicher Widerstand vorgesehen ist. Wie in der Figur dargestellt ist, ist ein Sensorrohr 2 an einer vorbestirnten Position innerhalb eines Gehäuses 1 vorgesehen, welches den Hauptkanal eines Fluids festlegt. Ein wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand 3 und ein Lufttemperatursensor 4 sind auf dem Sensorrohr 2 angeordnet. Jede der Gruppen, die einerseits aus dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 und einem Widerstand R2 und andererseits aus dem Lufttemperatursensor 4 und einem weiteren Widerstand R1 bestehen, ist in Reihe geschaltet, und die voranstehend erwähnten Bauteile bilden eine Brückenschaltung.
Der wärmeempfindliche, elektrische Widerstand 3 weist einen Aufbau auf, wie er in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist und der im einzelnen später beschrieben wird. Der in Fig. 1 gezeigte thermische Flußsensor weist weiterhin eine Steuerschaltung auf, in welcher der Verbindungspunkt 7 zwischen dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 und dem Lufttemperatursensor 4, welche einen Teil der Brückenschaltung bilden, an den Emitter eines Transistors 102 angeschlossen ist. Weiterhin sind in dieser Schaltung der Verbindungspunkt 5 zwischen dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 und dem Widerstand R2, sowie der Verbindungspunkt 6 zwischen dem Lufttemperatursensor 4 und dem Widerstand R1 mit den Eingangsklemmen eines Differenzverstärkers 101 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 102 ist an die Basis des Transistors 102 angelegt. Der Kollektor des Transistors 102 ist mit der positiven Elektrode einer Gleichspannungsquelle 103 verbunden, wobei die negative Elektrode der Gleichspannungsquelle 103 geerdet ist.
Fig. 12 und 13 stellen eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht des in Fig. 11 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands 3 dar. In diesen Figuren weist der wärmeempfindliche, elektrische Widerstand 3 eine elektrisch isolierte, längliche Basisplatte 31, die an ihrem einen Ende durch das Nachweisrohr 2 gehaltert wird, auf. Die Basisplatte 31 besteht aus Aluminiumoxid. An der Basisplatte 31 ist ein wärmeempfindliches Widerstandselement 32 befestigt, das aus einem wärmeempfindlichen Widerstandsmaterial, wie beispielsweise Platin, besteht, dessen Widerstand sich mit der Temperatur auf der Grundlage eines negativen Temperaturkoeffizienten ändert. Das wärmeempfindliche Widerstandselement 32 ist mit einem Paar von Zuleitungen 34 versehen und mit einer Schutzbeschichtung 35 beschichtet.
Der Betriebsablauf des thermischen Flußsensors mit der voranstehend beschriebenen Konstruktion ist bereits bekannt, so daß der Betriebsablauf nicht im einzelnen beschrieben wird, sondern nur kurz skizziert wird. Wenn die Spannungen an dem Verbindungspunkt 6 und an dem Verbindungspunkt 5 den gleichen Wert annehmen, so erreicht die Brückenschaltung ihren Gleichgewichtszustand. Fließt ein Fluid, wie beispielsweise Luft, durch das Detektorgehäuse 1, so wird die Brückenschaltung dadurch in ihrem Gleichgewichtszustand gehalten, daß der Strom eingestellt wird, welcher der Brückenschaltung zugeführt wird, so daß die mittlere Temperatur des wärmeempfindlichen Widerstandselements 32 des wärmeempfindlichen Widerstands 3 um einen vorbestimmten Betrag höher ist als die Temperatur des Fluids. Wenn in diesem Zustand die Fluidgeschwindigkeit zunimmt, so wird das wärmeempfindliche Widerstandselement 32 gekühlt, und sein Widerstand steigt an, wodurch der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung aufgehoben wird. Zu diesem Zeitpunkt veranlaßt die Steuerschaltung, daß der der Brückenschaltung zugeführte Strom erhöht wird, um zusätzlich das wärmeempfindliche Widerstandselement 32 zu erhitzen, so daß dessen mittlere Temperatur auf den Anfangswert zurückkehrt, wodurch der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung wieder hergestellt wird und die Flußgeschwindigkeit des Fluids aus dem Wert des zugeführten Stroms bestimmt werden kann.
Allerdings wird bei dem konventionellen, thermischen Flußsensor die an dem wärmeempfindlichen Widerstandselement 32 erzeugte Wärme nicht nur auf das Fluid verteilt, welches das Widerstandselement 32 berührt, sondern auch auf den Halteaufbau, beispielsweise das Detektorrohr 2, nämlich über das gehalterte Ende. Daher ergibt sich ein Temperaturprofil des wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands 3, wie in Fig. 14 dargestellt, und hieraus sieht man, daß sich die Temperatur des Widerstands 3 im wesentlichen linear ändert, von der Position mit der höchsten Temperatur Tmax an seinem freien Ende zur niedrigsten Temperatur an seinem gehalterten Ende. Da da wärmeempfindliche Widerstandselement 32 aus einem Material, wie beispielsweise Platin, besteht, welches einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, hat der Abschnitt des Widerstandselements 32, der auf höherer Temperatur liegt, einen höheren Widerstand und wird weiter erhitzt und der Abschnitt des Widerstandselements 32 mit niedriger Temperatur weist einen niedrigeren Widerstand auf, der zu einer niedrigeren Temperatur führt, so daß die Temperaturdifferenz erhöht wird und ebenso die Differenz zwischen der höchsten Temperatur Tmax des Widerstandselements 32 und der mittleren Temperatur Tmean. Dieses Verhalten wird dann weiter verstärkt, wenn die Basisplatte 31 aus einem thermisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, besteht.
Da andererseits die mittlere Temperatur des wärmeempfindlichen Widerstandselements 32 durch die Steuerschaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, wird die lokal höchste Temperatur Tmax des wärmeempfindlichen Widerstandselements 32 erhöht, wenn die -Differenz zwischen der höchsten Temperatur Tmax und der mittleren Temperatur Tmean groß ist. Weiterhin wird in dem thermischen Flußsensor die Wärme des wärmeempfindlichen Widerstands 3 auch durch Wärmestrahlung abgegeben. Da der Betrag der Wärmeabstrahlung proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur einer Substanz ansteigt, läßt sich der Betrag der Wärmeabstrahlung so verstehen, daß er von der lokal höchsten Temperatur Tmax abhängt. Daher ist bei der voranstehend beschriebenen Anordnung, bei welcher die höchste Temperatur Tmax hoch ist, der Meßfehler infolge der Wärmeabstrahlung groß. Da weiterhin der Anteil der Wärme, der durch Wärmeleitung durch das gehalterte Ende von dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 abgegeben wird, in bezug auf die gesamte erzeugte Wärme in dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 sich in Abhängigkeit von der Flußgeschwindigkeit des Fluids ändert, variiert das Temperaturprofil oder die Verteilung auf dem Widerstand 3 entsprechend der Fluidgeschwindigkeit. Wenn sich daher die Fluidgeschwindigkeit abrupt ändert, so ergibt sich ein Übergangszustand im Betrieb der Steuerschaltung, und es kann kein normales, korrektes Ausgangssignal erhalten werden, bis das Temperaturprofil des wärmeempfindlichen Widerstands 3 das stabile Temperaturprofil erreicht, welches der Flußgeschwindigkeit zu dieser Zeit entspricht.
Daher ist bei dem voranstehend beschriebenen, konventionellen wärmeempfindlichen Widerstand die höchste Temperatur Tmax relativ hoch, verglichen mit der mittleren Temperatur Tmean des wärmeempfindlichen Widerstandselements 32, so daß der Meßfehler infolge der Wirkung der Wärmeabstrahlung von dem wärmeempfindlichen Widerstand 3 groß ist und eine abrupte Änderung der Flußgeschwindigkeit nicht präzis verfolgt werden kann.
Daher besteht eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Bereitstellung eines wärmeempfindlichen elektrischen Widerstands, der zum Einsatz bei einem thermischen Flußsensor geeignet ist, welcher nicht die voranstehend beschriebenen Schwierigkeiten des konventionellen thermischen Flußsensors zeigt.
Eine weitere, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines wärmeempfindlichen elektrischen Widerstands, der zur Verwendung in einem thermischen Flußsensor geeignet ist, bei welchem der Meßfehler infolge der Wärmeabstrahlung von dem wärmeempfindlichen Widerstand klein gehalten werden kann und der ein gutes Reaktionsverhalten zeigt.
Eine weitere, der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines thermischen Flußsensors, bei welchem der Meßfehler infolge der Wärmeabstrahlung von dem wärmeempfindlichen Widerstand klein gehalten werden kann, und der ein gutes Reaktionsverhalten zeigt.
Unter Berücksichtigung der voranstehend genannten Aufgaben besteht die vorliegende Erfindung in einem thermischen Flußsensor mit einem wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand, der ein elektrisch isolierendes Basisteil aufweist, ein auf dem Halteteil angeordnetes wärmeempfindliches Widerstandselement, dessen Widerstand sich entsprechend der Temperatur mit einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten ändert; einer Halteeinrichtung zum Haltern des Basisteils innerhalb eines Flußstroms eines Fluids; einer Brückenschaltung mit dem wärmeempfindlichen Widerstand und mehreren anderen Widerständen; und einer Steuerschaltung zum Steuern der Brückenschaltung auf solche Weise, daß die Brückenschaltung einen vorbestimmten Gleichgewichtszustand aufrechterhält, und zum Erfassen des Fluidflusses aus dem Gleichgewichtszustand; wobei das wärmeempfindliche Widerstandselement einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen thermischen Pufferabschnitt, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, der größer ist als der erste Temperaturkoeffizient, wobei der thermische Pufferabschnitt in der Nähe der Halteeinrichtung angeordnet ist.
Der erste Widerstandstemperaturkoeffizient kann einen negativen Wert aufweisen und der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient einen positiven Wert, oder alternativ hierzu kann das wärmeempfindliche Widerstandselement einen negativen Widerstandstemperaturkoeffizienten über seine gesamte Länge aufweisen. Der wärmeempfindliche Widerstand kann ein längliches Teil sein, welches entweder durch die Halteeinrichtung an nur einem Ende oder aber an gegenüberliegenden Enden gehaltert wird. Alternativ hierzu kann das wärmeempfindliche Widerstandselement eine wärmeempfindliche Hauptabschnittsschicht und eine thermische Pufferabschnittsschicht aufweisen, die elektrisch zusammengeschaltet und direkt auf dem Basisteil befestigt sind. Das Basisteil kann ein längliches zylindrisches Teil sein, und das wärmeempfindliche Widerstandselement kann eine Spule sein, die um das zylindrische Basisteil herum angeordnet ist.
Weiterhin führt die vorliegende Erfindung zur Bereitstellung eines wärmeempfindlichen elektrischen Widerstands, der in dem voranstehend erwähnten thermischen Flußsensor eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht des wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem thermischen Flußsensor, wie in Fig. 11 gezeigt;
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands;
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Temperaturprofils des in den Fig. 1 und 2 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands;
Fig. 4 eine Vorderansicht eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Seitenansicht des in Fig. 4 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands;
Fig. 6 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht zur Erläuterung eines wärmeempfindlichen elektrischen Widerstands gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein spulenförmiges Widerstandselement auf der Halterung angeordnet ist;
Fig. 7 eine Vorderansicht eines wärmeempfindlichen elektrischen Widerstands gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Seitenansicht des in Fig. 7 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands;
Fig. 9 eine grafische Darstellung des Temperaturprofils des in den Fig. 7 und 8 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands;
Fig. 10 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein spulenförmiges Widerstandselement auf der Halterung angeordnet ist;
Fig. 11 ein Schaltbild eines Beispiels des thermischen Flußsensors;
Fig. 12 eine Vorderansicht eines konventionellen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands, der in dem in Fig. 11 gezeigten Flußsensor verwendet wird;
Fig. 13 eine Seitenansicht des in Fig. 12 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands; und
Fig. 14 eine grafische Darstellung des Temperaturprofils des in den Fig. 12 und 13 gezeigten wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands.
Fig. 1 und 2 sind eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands 21 er anstelle des elektrischen Widerstands 3 des in Fig. 11 gezeigten thermischen Flußsensors verwendet werden kann. Der wärmeempfindliche, elektrische Widerstand 21 weist eine längliche Basisplatte 211 auf, die aus einem geeigneten, elektrisch isolierenden Keramikmaterial mit einer verhältnismäßig niedrigen Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, beispielsweise aus Zirkonoxid, welches eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 10 W/m°K aufweist. Wie gezeigt, ist die Basisplatte 211 so angeordnet, daß sie an ihrem einen Ende durch das Meßrohr 2 gehaltert wird, welches in Fig. 11 gezeigt ist.
Auf der Basisplatte 211 ist ein wärmeempfindliches Widerstandselement 212 vorgesehen, das aus einer filmförmigen Schicht aus einem wärmeempfindlichen Widerstandsmaterial besteht, dessen Eigenschaften sich mit der Temperatur ändern. Das wärmeempfindliche Widerstandselement 212 ist ein Film in Form eines im wesentlichen umgedrehten "U", der auf einer Hauptoberfläche der Basisplatte 211 befestigt ist. Während einer der Schenkel des "U" gerade ist, verläuft der andere Schenkel serpentinenartig gewickelt, um die effektive Länge des Widerstandselements 212 zu vergrößern. Die unteren Enden der Schenkel des umgedrehten "U" sind mit einem Paar von Zuleitungen 211 versehen, so daß ein elektrischer Strom durch sie fließen kann. Das wärmeempfindliche Widerstandselement 212 ist zusammen mit der Basisplatte mit einer Schutzbeschichtung 215 beschichtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das wärmeempfindliche Widerstandselement 212 einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt 212A auf, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen thermischen Pufferabschnitt 212B mit einem zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten, der größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, und der thermische Pufferabschnitt 212B ist in der Nähe des gehalterten Endes der Basisplatte 211 angeordnet. Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform besteht der wärmeempfindliche Hauptabschnitt 212A aus einem Halbleiteroxidmaterial, welches einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufweist, und der thermische Pufferabschnitt 212B besteht aus einem Widerstandsmaterial, wie beispielsweise Platin oder Nickel, welches einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Diese beiden Abschnitte 212A und 212B sind als kontinuierliche, einstückige Schicht ausgebildet, wie besonders aus Fig. 2 deutlich wird.
Im Betrieb nimmt der elektrische Widerstand des thermischen Pufferabschnitts 212B, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, an dem Hochtemperaturabschnitt auf der Seite nahe an dem wärmeempfindlichen Hauptabschnitt 212A zu, und ebenso die in diesem Abschnitt erzeugte Wärme. Weiterhin nimmt der elektrische Widerstand des wärmeempfindlichen Hauptabschnitts 212A, der einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, an seinem lokalen Hochtemperaturabschnitt ab, und der elektrische Widerstand an dem lokalen Niedrigtemperaturabschnitt nimmt zu. Daher wird mehr Wärme an dem Niedertemperaturabschnitt erzeugt als an dem Hochtemperaturabschnitt, wodurch das Temperaturprofil des wärmeempfindlichen Hauptabschnitts 212A gleichmäßig und flach ist. Da die mittlere Temperatur Tmean des wärmeempfindlichen Widerstands 21 durch die Steuerschaltung eingestellt wird, ist zu diesem Zeitpunkt die höchste Temperatur Tmax des wärmeempfindlichen Widerstands 21 nicht viel höher als die mittlere Temperatur Tmean wie in Fig. 3 gezeigt. Da das Zirkonoxid der Halterungsplatte 212 eine Wärmeleitungsrate von nicht mehr als 10 W/m°K aufweist, ist darüber hinaus die Wärme verhältnismäßig gering, die von dem wärmeempfindlichen Widerstand 21 zur Halterungsstruktur hinübergeleitet wird, so daß das Temperaturprofil des wärmeempfindlichen Hauptabschnitts 212A noch gleichmäßiger und flacher ausgebildet werden kann, wodurch die lokal höhere Temperatur Tmax auf einen sehr niedrigen Pegel begrenzt werden kann. Daher kann der Meßfehler infolge der Wärmestrahlung begrenzt werden, ist die Änderung des Temperaturprofils des wärmeempfindlichen Widerstands 212 infolge der Flußgeschwindigkeit gering und ist auch die Zeit gering, die dafür erforderlich ist, daß die verschiedenen Abschnitte des Widerstands in den Temperaturgleichgewichtszustand zurückkehren, nachdem sich die Flußgeschwindigkeit abrupt geändert hat, was zu einer schnellen Reaktion als thermischer Flußsensor führt.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Temperaturprofils des in den Fig. 1 und 2 gezeigten wärmeempfindlichen Widerstands. Vergleicht man den Graphen von Fig. 3 mit dem von Fig. 14, so wird deutlich, daß die Temperatur des wärmeempfindlichen Hauptabschnitts 212A, der aus einem Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten besteht, im wesentlichen gleichförmig ist, und daß sich die Temperatur abrupt in dem thermischen Pufferabschnitt 212B ändert. Es wird ebenfalls deutlich, daß die Differenz zwischen der höchsten Temperatur Tmax und der mittleren Temperatur Tmean sehr klein ist, verglichen mit der Temperatur der konventionellen Anordnung, die in den Fig. 12 bis 14 gezeigt ist.
Die Fig. 4 und 5 erläutern eine weitere Ausführungsform des thermischen Flußsensors gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher das wärmeempfindliche Widerstandselement 212 einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt 212A aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen thermischen Pufferabschnitt 212B, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, der größer ist als der erste Temperaturkoeffizient, und zwar um etwa 1000 ppm (Teile pro Million) oder mehr. Man sieht, daß der Hauptabschnitt 212A durch eine erste Schicht gebildet wird, die auf der gesamten Hauptoberfläche der Zirkonoxid-Halterungsplatte 212 ausgebildet ist, und daß der Pufferabschnitt 212B durch eine zweite Schicht gebildet wird, die auf dem unteren Abschnitt des Hauptabschnitts 212A ausgebildet ist. In sonstiger Hinsicht ist der Aufbau ähnlich wie jener, der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben und erläutert wurde.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstands 21, der zur Verwendung in einem Flußsensor gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist, welcher einen im wesentlichen zylindrischen Gesamtaufbau aufweist, der an gegenüberliegenden Enden gehaltert ist. Der wärmeempfindliche Widerstand 21 weist ein elektrisch isolierendes Basisteil 211 auf, welches als längliches, zylindrisches Teil ausgebildet ist, und ein wärmeempfindliches Widerstandselement 212 ist eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial in Form einer Spule, die auf das längliche zylindrische Basisteil von einem Ende zum anderen aufgewickelt ist.
Das Basisteil 211 besteht aus Zirkonoxid, und das spulenförmige Widerstandselement 212 wird durch eine spiralförmige Musterlinie 213 festgelegt. Das Widerstandselement 212 ist mit einem Paar von Zuleitungen 212 für einen externen Anschluß versehen, und der gesamte Widerstand 21 ist durch die Schutzbeschichtung 215 abgedeckt. Der zentrale Abschnitt des wärmeempfindlichen Widerstandselements 212 stellt den wärmeempfindlichen Hauptabschnitt 212A dar, und die thermischen Pufferabschnitte 212B sind an den gegenüberliegenden Enden des Hauptabschnitts 212A angeordnet und elektrisch mit diesen verbunden. Der wärmeempfindliche Hauptabschnitt 212A und die thermischen Pufferabschnitte 212B können entweder ähnlich aufgebaut sein wie die entsprechenden Teile, die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben und dargestellt wurden, oder so, wie die entsprechenden Teile in den Fig. 4 und 5. Es wird darauf hingewiesen, daß das Temperaturprofil des Widerstandselements 212 gemäß dieser Ausführungsform ebenfalls sehr flach und gleichförmig ausgebildet werden kann.
Die Fig. 7 und 8 erläutern eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands zur Verwendung bei einem thermischen Flußsensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in den Fig. 7 und 8 gezeigte wärmeempfindliche, elektrische Widerstand weist einen grundsätzlichen Aufbau auf, der ähnlich ist wie der, der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben und dargestellt wurde, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß das gesamte wärmeempfindliche Widerstandselement 212 aus einem Material besteht, welches einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, beispielsweise aus einem Metalloxidhalbleiter, wie voranstehend beschrieben. Die Basisplatte 211 besteht aus einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Zirkonoxid, mit einer Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 10 W/m°K.
Da das wärmeempfindliche Widerstandselement 212 vollständig aus einem Widerstandsmaterial besteht, welches einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, nimmt im Betrieb der lokale Widerstand des wärmeempfindlichen Widerstandselements 212 am Hochtemperaturabschnitt ab und erzeugt eine geringe Wärmemenge in dem Hochtemperaturabschnitt, und andererseits steigt der lokale elektrische Widerstand des wärmeempfindlichen Widerstandselements 212 an seinem Niedrigtemperaturabschnitt an, wodurch eine große Wärmemenge in dem Niedertemperaturabschnitt erzeugt wird, was dazu führt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt verringert wird, und das gesamte Temperaturprofil des wärmeempfindlichen Widerstandselements 212 gleichmäßig und flach wird.
Fig. 9 erläutert das Temperaturprofil, welches bei dem Aufbau gemäß Fig. 7 und 8 erhalten wird, woraus deutlich wird, daß infolge der Tatsache, daß die mittlere Temperatur Tmean des wärmeempfindlichen Widerstands 21 durch die Steuerschaltung eingestellt wird, die höchste Temperatur Tmax des wärmeempfindlichen Widerstands 21 nicht viel höher ist als die mittlere Temperatur Tmean wie in Fig. 9 gezeigt. Da das Zirkonoxid der Halterungsplatte 211 eine Wärmeleitungsrate von nicht mehr als 10 W/m°K aufweist, ist darüber hinaus die Wärme, die von dem wärmeempfindlichen Widerstand 21 an die Halterungsanordnung übergeleitet wird, verhältnismäßig klein, so daß das Temperaturprofil des wärmeempfindlichen Hauptabschnitts 212A weiter gleichmäßig und flach ausgebildet werden kann, wodurch die lokal höhere Temperatur Tmax auf einen sehr niedrigen Pegel begrenzt werden kann. Daher kann der Meßfehler infolge der Wärmeabstrahlung begrenzt werden, ist die Änderung des Temperaturprofils des wärmeempfindlichen Widerstands 212 infolge der Flußgeschwindigkeit gering, und ist die Zeit klein, die dafür erforderlich ist, daß die verschiedenen Abschnitte des Widerstands in ihren Temperaturgleichgewichtszustand zurückkehren, nachdem sich die Flußgeschwindigkeit abrupt geändert hat, was zu einer schnellen Reaktion als ein thermischer Flußsensor führt.
Fig. 10 stellt eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstands dar, bei welchem der wärmeempfindliche Widerstand ein elektrisch isolierendes Basisteil 212 aufweist, welches ein längliches zylindrisches Teil ist, und ein wärmeempfindliches Widerstandselement 212, welches eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial in Form einer Spule ist, die auf das längliche zylindrische Basisteil von dessen einem Ende bis zum anderen Ende aufgewickelt ist. Das Basisteil 211 besteht aus Zirkonoxid, und das spulenförmige Widerstandselement 212 wird durch eine spiralförmige Musterlinie 213 festgelegt. Das Widerstandselement 212 ist mit einem Paar von Zuleitungen 214 für den Außenanschluß versehen, und der gesamte Widerstand 21 ist mit der Schutzschicht 215 beschichtet, so daß sich ein im wesentlichen zylindrischer Aufbau ergibt.
Der gesamte Abschnitt des wärmeempfindlichen Widerstandselements 212 besteht aus demselben Material mit negativem Temperaturkoeffizienten, wie dem, weiches bezüglich der in den Fig. 7 bis 9 gezeigten Ausführungsform beschrieben wurde, und hieraus wird auf einfache Weise deutlich, daß das Temperaturprofil des Widerstandselements 212 dieser Ausführungsform ebenfalls sehr flach und gleichmäßig ausgebildet werden kann.
Wie voranstehend beschrieben wurde, weist der thermische Flußsensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand auf, der mit einem elektrisch isolierenden Basisteil versehen ist, ein wärmeempfindliches Widerstandselement, das auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich bezüglich der Temperatur mit einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten ändert wobei das wärmeempfindliche Widerstandselement einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt mit einem ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, sowie einen thermischen Pufferabschnitt mit einem zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten, der um zumindest 1000 ppm größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, wobei der thermische Pufferabschnitt in der Nähe der Halterungseinrichtung angeordnet ist. Der erste Widerstandstemperaturkoeffizient kann ein negativer Wert sein, und der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient kann ein positiver Wert sein, und das Basisteil kann aus Zirkonoxid bestehen. Alternativ hierzu kann der thermische Flußsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein wärmeempfindliches Widerstandselement aufweisen, welches über seine gesamte Länge einen negativen Temperaturkoeffizienten hat.
Daher ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedrigtemperaturabschnitt klein, so daß der Meßfehler infolge der Wärmeabstrahlung von dem wärmeempfindlichen Widerstandselement klein gehalten werden kann und die Reaktionsgeschwindigkeit des thermischen Flußsensors erhöht werden kann.

Claims (28)

1. Thermischer Flußsensor, gekennzeichnet durch:
einen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand mit einem elektrisch isolierenden Basisteil, einem wärmeempfindlichen Widerstandselement, welches auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich entsprechend einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten mit der Temperatur ändert;
eine Halterungseinrichtung zum Haltern des Basisteils innerhalb eines Flußstromes eines Fluids;
eine Brückenschaltung mit dem wärmeempfindlichen Widerstand und mehreren anderen Widerständen;
eine Steuerschaltung zum Steuern der Brückenschaltung auf solche Weise, daß die Brückenschaltung einen vorbestimmten Gleichgewichtszustand aufrechterhält, und zum Erfassen des Flusses des Fluids aus dem Gleichgewichtszustand;
wobei das wärmeempfindliche Widerstandselement einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen thermischen Pufferabschnitt, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, der größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, wobei der thermische Pufferabschnitt in der Nähe der Halterungseinrichtung angeordnet ist.
2. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient um zumindest 1000 ppm größer als der erste Widerstandstemperaturkoeffizient ist.
3. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstandstemperaturkoeffizient ein negativer Wert ist und daß der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient ein positiver Wert ist.
4. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches nur an einem Ende durch die Halterungseinrichtung gehaltert wird.
5. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches durch die Halterungseinrichtung an gegenüberliegenden Enden gehaltert wird.
6. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus Zirkonoxid besteht.
7. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine wärmeempfindliche Hauptabschnittsschicht und eine thermische Pufferabschnittsschicht aufweist, die elektrisch zusammengeschaltet und direkt auf dem Basisteil befestigt sind.
8. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine wärmeempfindliche Hauptabschnittsschicht aufweist, die sich im wesentlichen vollständig über dem Basisteil erstreckt, sowie eine thermische Pufferabschnittsschicht, die auf der wärmeempfindlichen Hauptabschnittsschicht befestigt ist.
9. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein längliches zylindrisches Teil ist und daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine Spule ist, die um das zylindrische Basisteil herum angeordnet ist.
10. Thermischer Flußsensor, gekennzeichnet durch:
einen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand, der ein elektrisch isolierendes Basisteil aufweist, und ein wärmeempfindliches Widerstandselement, welches auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur entsprechend einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten ändert;
eine Halterungseinrichtung zum Haltern des Basisteils Innerhalb eines Flußstroms eines Fluids;
eine Brückenschaltung, welche den wärmeempfindlichen Widerstand und mehrere andere Widerstände aufweist; und
eine Steuerschaltung zum Steuern der Brückenschaltung auf solche Weise, daß die Brückenschaltung einen vorbestimmten Gleichgewichtszustand aufrechterhält, und zum Erfassen des Fluidflusses aus dem Gleichgewichtszustand;
wobei das wärmeempfindliche Widerstandselement einen negativen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist.
11. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches nur an einem Ende durch die Halterungseinrichtung gehaltert wird.
12. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches an gegenüberliegenden Enden durch die Halterungseinrichtung gehaltert wird.
13. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus Zirkonoxid besteht.
14. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein längliches zylindrisches Teil ist, und daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine Spule ist, die um das zylindrische Basisteil herum angeordnet ist.
15. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand zur Verwendung in einem thermischen Flußsensor mit einer Halterungseinrichtung zum Haltern innerhalb eines Flußstroms eines Fluids, gekennzeichnet durch:
einen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand, der ein elektrisch isolierendes Basisteil aufweist, sowie ein wärmeempfindliches Widerstandselement, welches auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur entsprechend einem vorbestimmten Widerstandstemperaturkoeffizienten ändert;
wobei das wärmeempfindliche Widerstandselement einen wärmeempfindlichen Hauptabschnitt aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen thermischen Pufferabschnitt, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, der größer ist als der erste Temperaturkoeffizient, wobei der thermische Pufferabschnitt in der Nähe der Halterungseinrichtung angeordnet ist.
16. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient um zumindest 1000 ppm größer ist als der erste Widerstandstemperaturkoeffizient.
17. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstandstemperaturkoeffizient ein negativer Wert ist, und daß der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient ein positiver Wert ist.
3. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches nur an einem Ende die Halterungseinrichtung aufweist.
19. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches die Halterungseinrichtung an gegenüberliegenden Enden aufweist.
20. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus Zirkonoxid besteht.
21. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine wärmeempfindliche Hauptabschnittsschicht sowie eine thermische Pufferabschnittsschicht aufweist, die elektrisch miteinander verbunden und direkt auf dem Basisteil befestigt sind.
22. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine wärmeempfindliche Hauptabschnittsschicht aufweist, die sich im wesentlichen über das Basisteil erstreckt, sowie eine thermische Pufferabschnittsschicht, die auf der wärmeempfindlichen Hauptabschnittsschicht befestigt ist.
23. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein längliches zylindrisches Teil ist, und daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine Spule ist, die um das zylindrische Basisteil herum angeordnet ist.
24. Wärmeempfindlicher, elektrischer Widerstand zur Verwendung in einem thermischen Flußsensor mit einer Halterungseinrichtung zum Haltern des Widerstands innerhalb eines Flußstroms eines Fluids, gekennzeichnet durch:
einen wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand, der ein elektrisch isolierendes Basisteil aufweist, und ein wärmeempfindliches Widerstandselement, welches auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur entsprechend einem negativen Widerstandstemperaturkoeffizienten ändert.
25. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches durch die Halterungseinrichtung nur an einem Ende gehaltert wird.
26. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches durch die Halterungseinrichtung an gegenüberliegenden Enden gehaltert wird.
27. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus Zirkonoxid besteht.
28. Thermischer Flußsensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein längliches zylindrisches Teil ist, und daß das wärmeempfindliche Widerstandselement eine Spule ist, die um das zylindrische Basisteil von einem Ende zum anderen herumgewickelt ist.
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