DE4314364C2 - Thermischer Flußsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Flußsensor.

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 vorbestimmten 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. 11 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 Sensorrohr 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 seines 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, 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 Gehäuse 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 wiederhergestellt 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 Sensor­ rohr 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 T_max an seinem freien Ende zur niedrigsten Temperatur an seinem gehalterten Ende. Da das 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 T_max des Widerstandselements 32 und der mittleren Temperatur T_mean. 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 T_max des wärmeempfindlichen Widerstandselements 32 erhöht, wenn die Differenz zwischen der höchsten Temperatur T_max und der mittleren Temperatur T_mean 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 T_max abhängt. Daher ist bei der voranstehend beschriebenen Anordnung, bei welcher die höchste Temperatur T_max 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 T_max relativ hoch, verglichen mit der mittleren Temperatur T_mean 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.

Aus DE-Z: "ATM Archiv für Technisches Messen, 1955, Seiten 209 bis 212, ist ein thermischer Flußsensor bekannt, bei dem ein erster Heißleiter, der dem zu messenden Medium ausgesetzt wird, parallel zu einem zweiten Heißleiter geschaltet ist, der nicht in der Strömung des Mediums liegt und der mit einem Milliampermeter in Reihe geschaltet ist. Durch Kühlung des ersten Heißleiters ändert sich der Strom durch den zweiten Heißleiter. Aus dieser Stromänderung läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums ermitteln.

Bei einem bekannten, richtungsunabhängigen Flußsensor mit Temperaturkompensation (DE 31 08 021 A1) sind ein beheizter Meßheißleiter und ein unbeheizter Kompensationsheißleiter in einer zu messenden Strömung angeordnet. Die beiden Heißleiter sind mit weiteren Widerständen in einer Brückenschaltung vorgesehen, wobei der Strom bei abgeglichener Brückenschaltung ein Maß für die Strömung ist.

Bei einem weiteren bekannten Flußsensor (US 5 060 511) ist ein Fühlerelement in einer zu messenden Strömung angeordnet, das einen Temperaturfühlerwiderstand und einen Strömungsgeschwindigkeits-Meßwiderstand umfaßt, die beide als wärmeempfindliche Dünnschichtwiderstände ausgebildet und auf der flachen Oberfläche einer rechteckigen Basisplatte angeordnet sind.

Bei einem anderen Flußsensor (US 4 559 814) ist als wärmeempfindliches Widerstandselement ein Platindraht auf einem zylindrischen Träger aufgewickelt.

Ferner ist ein Dünnschichtheißleiter bekannt (DE 27 20 049 A1), der aus einer auf ein Trägermaterial aufgestäubten Widerstandsschicht besteht, die durch eine Deckfolie abgedeckt ist.

Bei einem anderen elektrischen Schichtwiderstand (DE-OS 14 90 546) sind auf einem nicht leitenden, zylindrischen Trägermaterial verschiedene Widerstandsschichten mit entgegengesetzt gerichtetem Temperaturkoeffizienten aufgebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiteren thermischen Flußsensor bereitzustellen, dessen Meßfehler klein gehalten werden kann und der ein gutes Reaktionsvermögen zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Flußsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Widerstandselements läßt sich dessen Temperaturverlauf vergleichmäßigen, so daß die unerwünschte Wärmeabstrahlung des Widerstandselements verringert werden kann, was eine Reduzierung des Meßfehlers zur Folge hat. Gleichzeitig läßt sich hierdurch das Reaktionsvermögen des Flußsensors verbessern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen (Fig. 1 bis 6). Ebenfalls dargestellt ist ein konventioneller thermischer Flußsensor (Fig. 11) sowie Bauformen von elektrischen wärmeempfindlichen Widerständen, auf die kein Patentanspruch gerichtet ist (Fig. 7 bis 10 und 12 bis 14). Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht des wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in einem thermischen Flußsensor nach Fig. 11;

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 geschnittene 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;

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 geschnittene Seitenansicht eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands, 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 Sensorrohr 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 "Us", 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 "Us" sind mit einem Paar von Zuleitungen 214 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 Niedertemperaturabschnitt 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 T_mean des wärmeempfindlichen Widerstands 21 durch die Steuerschaltung eingestellt wird, ist zu diesem Zeitpunkt die höchste Temperatur T_max des wärmeempfindlichen Widerstands 21 nicht viel höher als die mittlere Temperatur T_mean, wie in Fig. 3 gezeigt. Da das Zirkonoxid der Halterungsplatte 212 eine Wärmeleitfähigkeit 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 T_max 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 T_max und der mittleren Temperatur T_mean 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 für einen Flußsensor gemäß der vorliegenden Erfindung, 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 als 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, vorgesehen.

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 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 Bauform eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands, auf die kein Patentanspruch gerichtet ist.

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 Niedertemperaturabschnitt an, wodurch eine große Wärmemenge in dem Niedertemperaturabschnitt erzeugt wird, was dazu führt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedertemperaturabschnitt 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 T_mean des wärmeempfindlichen Widerstands 21 durch die Steuerschaltung eingestellt wird, die höchste Temperatur T_max des wärmeempfindlichen Widerstands 21 nicht viel höher ist als die mittlere Temperatur T_mean, wie in Fig. 9 gezeigt. Da das Zirkonoxid der Halterungsplatte 211 eine Wärmeleitfähigkeit 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 T_max 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 Bauform eines wärmeempfindlichen Widerstands dar, bei welchem der wärmeempfindliche Widerstand ein elektrisch isolierendes Basisteil 211 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, welches bezüglich der in den Fig. 7 bis 9 gezeigten Bauform 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 Widerstandselement, das auf dem Halterungsteil angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich bezüglich der Temperatur mit einem vorbestimmten Temperaturkoeffizienten ändert, wobei das Widerstandselement einen Hauptabschnitt mit einem ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist, sowie einen Pufferabschnitt mit einem zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten, der größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, wobei der Pufferabschnitt zwischen dem Hauptabschnitt und 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.

Daher ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperaturabschnitt und dem Niedertemperaturabschnitt 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 (10)

1. Thermischer Flußsensor mit
einem wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstand aus einem elektrisch isolierenden Basisteil und einem Widerstandselement darauf, dessen Widerstand sich entsprechend einem vorbestimmten Widerstands­ temperaturkoeffizienten mit der Temperatur ändert,
einer Halterungseinrichtung zum Haltern des Basisteils innerhalb eines Flußstromes eines Fluids,
einer Brückenschaltung mit dem wärmeempfindlichen Widerstand und mehreren anderen Widerständen,
einer Regelschaltung zum Regeln des Brückenstroms auf solche Weise, daß ein vorbestimmter thermischer Gleichgewichtszustand aufrechterhalten wird, und zum Erfassen des Flusses des Fluids aus dem Gleichgewichtszustand,
wobei das Widerstandselement einen Hauptabschnitt aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen Pufferabschnitt, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, der größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, wobei der Pufferabschnitt zwischen dem Hauptabschnitt und 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 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstandstemperaturkoeffizient einen negativen Wert und der zweite Widerstandstemperaturkoeffizient einen positiven Wert besitzt.

4. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches nur an einem Ende durch die Halterungseinrichtung gehaltert wird.

5. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand ein längliches Teil ist, welches durch die Halterungseinrichtung an gegenüberliegenden Enden gehaltert wird.

6. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus Zirkonoxid besteht.

7. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupt- und Pufferabschnitt des Widerstandselements Schichtwiderstände sind, die elektrisch zusammengeschaltet und direkt auf dem Basisteil befestigt sind.

8. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupt- und Pufferabschnitt des Widerstandselements Schichtwiderstände sind, wobei sich die Schicht des Hauptabschnitts im wesentlichen vollständig über den Basisteil erstreckt und für den Pufferabschnitt eine weitere Schicht auf der Hauptabschnittsschicht befestigt ist.

9. Thermischer Flußsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil ein längliches zylindrisches Teil ist und daß das Widerstandselement eine Spule ist, die um das zylindrische Basisteil herum angeordnet ist.

10. Verwendung eines wärmeempfindlichen, elektrischen Widerstands aus einem elektrisch isolierenden Basisteil und einem Widerstandselement darauf, das einen Hauptabschnitt aufweist, der einen ersten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen Pufferabschnitt, der einen zweiten Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, der größer als der erste Temperaturkoeffizient ist, wobei der Pufferabschnitt zwischen dem Hauptabschnitt und einer Halterungseinrichtung angeordnet ist, in einem thermischen Flußsensor unter Halterung des Widerstands an der Halterungs­ einrichtung innerhalb des Flußstroms eines Fluids.