NL1017335C2

NL1017335C2 - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een warmteoverdrachtcoÙfficiÙnt van een sensorsamenstel naar een flu´dum.

Info

Publication number: NL1017335C2
Application number: NL1017335A
Authority: NL
Inventors: Ronald Zeelen; Frank Robert Riedijk; Alexander Willem Va Herwaarden; Frederik Van Der Graaf; Johannes Franciscus M Velthuis; Jozef Franciscus Cather Smeets; Pieter Johannes Van Os
Original assignee: Tno
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2001-02-12
Publication date: 2002-08-13
Also published as: WO2002065079A1

Description

Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een warmteoverdrachtcoëfficiënt van een sensorsamenstel naar een fluïdum

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor 5 het bepalen van een warmteoverdrachtcoëfficiënt van een sensorsamenstel omvattende een veelvoud van thermodynamische sensoren naar een fluïdum. Deze kunnen onder andere toegepast worden voor het afleiden van de stroomsnelheid en/of -richting in een fluïdum, zoals een vloeistof of een gas.

Stroomsensoren zijn algemeen bekend en worden toegepast in vele gebieden, 10 zoals het meten van luchtsnelheid. Veel stroomsensoren werken op basis van het thermodynamische principe. Sensoren die werken op basis van dit principe voeren een bekende hoeveelheid thermisch vermogen toe aan het fluïdum en meten de resulterende temperatuurtoename. In een andere uitvoeringsvorm houdt de sensor een bepaald temperatuurverschil tussen de sensor en het fluïdum in stand en meet de hoeveelheid 15 thermisch vermogen die toegevoerd moet worden om dit verschil in stand te houden. Om het temperatuurverschil te bepalen wordt een afzonderlijke temperatuursensor toegepast voor het meten van de absolute omgevingstemperatuur.

Nadelen van deze sensoren zijn dat een afzonderlijke temperatuursensor noodzakelijk is, en dat deze in het fluïdum geplaatst moet worden om een relevante 20 omgevingstemperatuur te kunnen meten. Verder nadeel is dat hierdoor een niet-vlakke structuur van de sensor ontstaat, wat nadelig is voor de nauwkeurigheid van de meting. Ook is de robuustheid van dergelijke sensoren niet voldoende voor bepaalde toepassingen.

Het is een doelstelling van de onderhavige aanvrage om een werkwijze en een 25 inrichting te verschaffen voor het meten van een warmteoverdrachtcoëfficiënt naar een fluïdum, die robuust zijn en een compacte opbouw mogelijk maken.

Deze doelstelling wordt in een eerste aspect bereikt door een werkwijze van de bij aanhef gedefinieerde soort, omvattende de stappen van het berekenen van warmtestromen van en naar het veelvoud van thermodynamische sensoren naar het 30 fluïdum, en het bepalen van de warmteoverdrachtcoëfficiënt uit de warmtestromen behorend bij verschillende van het veelvoud van thermodynamische sensoren, waarbij de verschillende van het veelvoud van thermodynamische sensoren op verschillende temperaturen bedreven worden. Door het gebmik van twee of meer sensoren is het niet f017335 2 nodig de temperatuur van het fluïdum afzonderlijk te meten, en neemt tevens de gevoeligheid voor externe invloeden (zoals verwarming door zonnestraling en verwarming/afkoeling van de omhulling van de sensor en zijn omgeving door andere thermische bronnen) in principe af. Tevens kan een hogere integratiegraad worden 5 bereikt, waardoor een meer compacte inrichting vervaardigd kan worden, mede omdat er minder externe componenten nodig zijn. Daarmee is een meer robuuste en compacte meting mogelijk in uiteenlopende omstandigheden.

Sensoren van het bekende type vertonen een merkbare verminderde nauwkeurigheid bij hogere stroomsnelheden en hebben een relatief langzame 10 dynamische reactie door thermische capaciteiten. Daarnaast kan de nauwkeurigheid van de stroom- en stroomrichtingmeting verstoord worden door omgevingsinvloeden zoals verwarming door zonlicht of ruimtelijk ongelijke verwarming en/of afkoeling van de omhulling van de sensor en zijn omgeving door andere thermische bronnen.

In een verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat de stap van 15 het berekenen van warmtestromen van en naar het veelvoud van thermodynamische sensoren naar het fluïdum de stappen van het maken van een model van warmtestromen van en naar elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren met behulp van ten minste één warmte-impedantie, waarbij de ten minste ene warmte-impedantie bepaalde thermische eigenschappen heeft, en het model ten minste één tijdsafhankelijke 20 temperatuurvergelijking over de ten minste ene warmte-impedantie omvat, het toevoeren van warmte aan het veelvoud van thermodynamische sensoren, het meten van een eerste temperatuur aan een zijde van de ten minste ene warmte-impedantie en een tweede temperatuur aan een andere zijde van de ten minste ene warmte-impedantie, en het berekenen van de warmtestroom naar het fluïdum door het invoeren van de 25 eerste en tweede temperatuur van de ten minste ene warmte-impedantie in het model. Bij voorkeur omvatten de bepaalde thermische eigenschappen van de ten minste ene warmte-impedantie de warmtecapaciteit en warmtegeleiding, uitgedrukt in Joule/kgK, respectievelijk Watt/mK, indien nodig als functie van de temperatuur.

Door middel van het model kunnen alle warmtestromen van of naar de 30 thermodynamische sensor worden bepaald, gemodelleerd als warmte-impedanties.

Voor elk van de warmtestromen zijn de paden in het model vastgelegd in termen van warmtegeleiding en warmtecapaciteit. Bij voorkeur zijn de warmte-impedanties gekoppeld aan feitelijke constructiedelen van een inrichting die de werkwijze ’ί fH 7 T 7 r " v' * ' 0 J v> 3 implementeert, zoals een laag met bekende thermische eigenschappen tussen de thermodynamische sensor en een bevestigingslichaam op een lagere temperatuur of de warmtecapaciteit van de thermodynamische sensor zelf. De onderhavige uitvinding maakt het mogelijk om met behulp van snel te meten grootheden, zoals temperatuur, en 5 snel uit te voeren berekeningen de warmtestroom naar het fluïdum te bepalen. Hierdoor zijn bepalingen met een hoge frequentie mogelijk (bijvoorbeeld 100 Hz) en ontstaat een verbeterd dynamisch bereik in een breed meetgebied en een verbeterd dynamisch gedrag. Door in meer of minder detail warmte-impedanties naar mogelijke warmtebronnen en warmteputten in het model mee te nemen, kan de nauwkeurigheid 10 van de meting beïnvloed worden.

Met behulp van de onderhavige uitvinding kan bijvoorbeeld een afschuifspanning in het fluïdum uit de warmteoverdrachtcoëfficiënt berekend worden, bijvoorbeeld aan de hand van een empirisch bepaalde relatie. In de empirisch bepaalde relatie is onder meer de invloed van de geometrie van de inrichting die de ten minste ene 15 thermodynamische sensor omvat, meegenomen.

In een verdere uitvoeringsvorm wordt de stroomsnelheid en/of -richting van het fluïdum uit de warmteoverdrachtcoëfficiënt bepaald. Ook in deze uitvoeringsvorm wordt dit bij voorkeur bereikt met een empirisch bepaalde relatie, waarin de geometrie van de inrichting is meegenomen.

20 Een nog verdere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding omvat de verdere stap van het detecteren van een omslagpunt van een laminaire stroming naar een turbulente stroming in het fluïdum indien de afgeleide in tijd van de warmteoverdrachtcoëfficiënt boven een bepaalde drempelwaarde ligt. Als de afgeleide in tijd van de met de onderhavige werkwijze bepaalde warmteoverdrachtcoëfficiënt 25 boven een bepaalde drempelwaarde ligt, is dit een indicatie dat er in korte tijd een grote verandering van de warmteoverdrachtcoëfficiënt optreedt, hetgeen een indicatie is voor een overgang van een laminaire stroming naar een turbulente stroming, of omgekeerd. De bepaalde drempelwaarde is in absolute waarde groter dan de afgeleide in tijd bij een zuiver laminaire of een zuiver turbulente stroming.

30 In een alternatieve uitvoeringsvorm omvat de werkwijze de verdere stap van het detecteren van een omslagpunt van een laminaire stroming naar een turbulente stroming in het fluïdum door het analyseren van de energie-inhoud van het frequentiespectrum van de warmteoverdrachtcoëfficiënt. Een overgang van een J017335 4 laminaire stroming naar een turbulente stroming wordt gekenmerkt door een verschuiving in de energie-inhoud van het frequentiespectrum van lage naar hoge frequenties.

Een verder aspect van de onderhavige uitvinding betreft een inrichting voor het 5 bepalen een warmteoverdrachtcoëfficiënt naar een fluïdum, omvattende een sensorsamenstel met een veelvoud van thermodynamische sensoren en met het veelvoud van thermodynamische sensoren verbonden verwerkingsmiddelen die zijn ingericht voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding. Met de inrichting zijn op een effectieve wijze de boven genoemde uitvoeringsvormen van 10 de werkwijze in de praktijk te brengen.

Bij voorkeur zijn de verwerkingsmiddelen verder ingericht om de bedrijfstemperatuur van het veelvoud van thermodynamische sensoren in te stellen. Deze behoeven tijdens bedrijf niet constant te zijn. Hierdoor wordt het mogelijk om in uiteenlopende externe omstandigheden (temperatuur, druk, enz.) de inrichting in een 15 breed meetgebied te laten werken.

In een uitvoeringsvorm omvat de inrichting verder een ondersteunend lichaam, waarbij het veelvoud van thermodynamische sensoren op het ondersteunend lichaam bevestigd is met behulp van een bevestigingslaag. Bij voorkeur is de bevestigingslaag een bevestigingslaag met bepaalde thermische eigenschappen. Doordat de 20 thermodynamische sensoren bevestigd zijn op het ondersteunend lichaam, bijvoorbeeld met behulp van een thermisch geleidende lijmlaag, ontstaat een veel robuustere inrichting.

In een nog verdere uitvoeringsvorm omvat de inrichting verder voor elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren een eerste temperatuursensor voor het meten 25 van een eerste temperatuur van de bevestigingslaag aan de zijde van de thermodynamische sensor, een tweede temperatuursensor voor het meten van een tweede temperatuur van de bevestigingslaag aan de zijde van het ondersteunend lichaam, en een warmtesensor voor het meten van de aan de thermodynamische sensor toegevoerde warmte.

30 Deze voorkeursuitvoeringsvorm maakt het mogelijk dat de inrichting met een hoge frequentie gegevens betreffende de stroomsnelheid levert (bijvoorbeeld met een frequentie van 100 Hz), doordat de inrichting gebruik maakt van grootheden die snel te meten zijn en verwerkingsstappen die snel uitvoerbaar zijn.

.f 0 1 7 3 3 5 5

In een verdere uitvoeringsvorm is het veelvoud van thermodynamische sensoren gevormd door een dunne chip, bijvoorbeeld een silicium chip. Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel dat de warmtecapaciteit van de thermodynamische sensoren beperkt is, waardoor het dynamische gedrag van de inrichting verbetert. De warmtecapaciteit 5 van de sensor kan meegenomen worden in de berekeningen.

In een nog verdere uitvoeringsvorm wordt het sensorsamenstel omgeven door een isotherme omhulling, om te zorgen dat het effect van een warmtebron buiten de sensor verspreid wordt over het gehele sensorsamenstel. De isotherme omhulling leidt ertoe dat de temperatuurgradiënten buiten het sensorsamenstel en asymmetrisch ten opzichte 10 van het sensorsamenstel, ter plaatse van de thermodynamische sensoren als het ware omgezet worden tot een voor het sensorsamenstel aanvaardbare minimale resterende temperatuurgradiënt Door de zeer goede warmtegeleiding van de isotherme omhulling treedt verspreiding van de warmte op terwijl de temperatuur van de isotherme omhulling nagenoeg homogeen blijft. De thermodynamische sensoren zien daardoor 15 deze nagenoeg homogene temperatuur. In deze uitvoeringsvorm is de inrichting nog beter bestand tegen externe invloeden.

Bij voorkeur wordt het ondersteunend lichaam gevormd wordt door een thermisch geleidend lichaam dat thermisch verbonden is met een koelelement, zoals een Peltier-element. Doordat het ondersteunend element op een bepaald 20 temperatuurverschil ten opzichte van de thermodynamische sensoren wordt gehouden, wordt verzekerd dat het ondersteunend lichaam in een breed temperatuurgebied daadwerkelijk thermisch stabiel is of in ieder geval met een zekere thermische traagheid warmte afvoert. Hierdoor wordt het dynamisch bereik van de onderhavige inrichting verzekerd in een groot temperatuurgebied.

25 In een verdere uitvoeringsvorm is een bovenzijde van elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren voorzien van een beschermende laag, waarbij de beschermende laag tijdens bedrijf in contact staat met het fluïdum. Deze beschermende laag biedt bescherming van de thermodynamische sensor tegen ongunstige invloeden van buitenaf, zoals tegen beschadigingen door regen, hagel, agressieve stoffen en 30 dergelijke en tegen slijtage door bijvoorbeeld zand.

De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden toegelicht aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm en de bij gevoegde tekeningen, waarin ïi $ 1 / 3 3 5 6

Fig. 1 een doorsnee-aanzicht toont van een thermodynamische sensor die toegepast wordt in een stroomsensor volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding;

Fig. 2 een doorsnee-aanzicht toont van een stroomsensor volgens een 5 uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding; en

Fig. 3 een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht toont van de stroomsensor van Fig. 2.

In Fig. 1 wordt een doorsnee-aanzicht getoond van een thermodynamische sensor 1 die toegepast wordt in een inrichting volgens de onderhavige uitvinding. De 10 inrichting kan worden toegepast voor het meten van een stroomsnelheid en/of -richting in een fluïdum 15, zoals een vloeistof of een gas (bijvoorbeeld lucht), of voor het meten van de afschuifspanning en/of -richting in het fluïdum. Toepassingsgebieden van de onderhavige inrichting en werkwijze zijn onder meer transportmiddelen (vliegtuigen, treinen, auto's, schepen), compressoren of windmolens. De thermodynamische sensor 1 15 kan een op zich bekende thermodynamische sensor zijn, bijvoorbeeld een halfgeleider chip die voorzien is van een meetpunt aan elke rand of hoek van de sensor teneinde ook de richting van de stroom te kunnen bepalen. Dit vindt plaats door het temperatuurverschil te bepalen tussen meetpunten op tegenover elkaar liggende randen of hoeken.

20 De thermodynamische sensor 1 is (mechanisch) verbonden met een ondersteunend lichaam 3, via een bevestigingslaag 2, waarvan de thermische eigenschappen bij voorkeur bekend zijn. Het ondersteunend lichaam 3 is bij voorkeur thermisch stabiel of heeft een zekere thermische traagheid. Het ondersteunend lichaam 3 kan bijvoorbeeld een warmteput ('heat sink') zijn en de bevestigingslaag 2 kan 25 bijvoorbeeld een lijmlaag zijn. De bevestigingslaag 2 werkte als het ware als een warmte-impedantie met een bepaalde warmtecapaciteit en warmtegeleidbaarheid, die tussen de warmtebron op de thermodynamische sensor 1 en het ondersteunend lichaam 3 geschakeld is. Doordat de thermodynamische sensor 1 op het ondersteunend lichaam 3 is bevestigd met behulp van de lijmlaag 2, ontstaat een zeer robuuste constructie van 30 de stroomsensor. De thermodynamische sensor 1 is bij voorkeur uitgevoerd als een dunne chip, die door zijn afmetingen niet goed bestand is tegen mechanische krachten, die bijvoorbeeld door schokken, regendruppels of hagel veroorzaakt kunnen worden.

1017335 7

Door de thermodynamische sensor 1 in zijn gehele vlak te ondersteunen ontstaat een mechanisch sterke constructie.

In het ideale geval zou de thermodynamische sensor 1 aan de onderzijde volledig thermisch geïsoleerd zijn, bijvoorbeeld met een vacuüm, waardoor alle in de 5 thermodynamische sensor 1 opgewekte warmte naar de omgeving van de sensor 1 zou stromen. Dit zou echter leiden tot een veel minder robuuste constructie van de inrichting.

Door de thermodynamische sensor 1 uit te voeren als een dunne chip, bijvoorbeeld in siliciumtechniek, is het mogelijk om op de thermodynamische sensor 1 10 tevens verwerkingsmiddelen te integreren voor het uitvoeren van signaalbewerking en -verwerking.

De thermodynamische sensor 1 is voorzien van ten minste een weerstand 4 voor het meten van de dissipatie van de thermodynamische sensor 1. Deze meting kan zeer snel verlopen. Daarnaast is de thermodynamische sensor 1 voorzien van een 15 temperatuursensor 5 (waarvan er een getoond is in Fig. 1) voor het meten van de (oppervlakte-) temperatuur van de thermodynamische sensor 1. Ook het warmteafvoerend lichaam is voorzien van een temperatuursensor 6 voor het meten van de temperatuur van het warmteafvoerend lichaam 3. De weerstand 4 kan tevens gebruikt worden voor het gecontroleerd toevoeren van warmte aan de 20 thermodynamische sensor 1.

De werking van de stroomsensor volgens de onderhavige uitvinding zal nu worden verklaard. Aangenomen wordt dat de thermodynamische sensor 1 warmte verliest naar het fluïdum 15 en naar het ondersteunend lichaam 3 (en eventueel naar andere warmteputten). Indien andere warmtestromen optreden, kan dit op een analoge 25 wijze meegenomen worden.

Om de stroomsnelheid van het fluïdum 15 met een hoge frequentie (bijvoorbeeld 100 Hz) te bepalen, is het van belang te weten hoeveel warmte vloeit naar het fluïdum 15. Dit is te bepalen uit het verschil van de in de thermodynamische sensor 1 gedissipeerde warmte minus de naar het ondersteunend lichaam 3 vloeiende warmte.

30 De gedissipeerde warmte kan snel gemeten worden met behulp van bijvoorbeeld weerstand 4.

De hoeveelheid warmte die wegvloeit naar het ondersteunend lichaam 3 kan bepaald worden door de temperatuur te meten aan weerszijden van de bevestigingslaag ί 7 u s 'i- *· * J ^ ^ 8 met bekende thermische eigenschappen 2. De temperatuur van de thermodynamische sensor 1 wordt gemeten met behulp van temperatuursensor 5. Wanneer de thermodynamische sensor 1 is uitgevoerd als een halfgeleider chip, maakt de plaats van de temperatuursensor 5 niet veel uit, en geeft deze met goede nauwkeurigheid de 5 temperatuur op de overgang tussen thermodynamische sensor 1 en bevestigingslaag 2 aan. De temperatuur van het ondersteunend lichaam 3, die gemeten wordt met behulp van temperatuursensor 6, ijlt sterk na omdat de temperatuurverdeling over de bevestigingslaag 2 niet lineair is en in tijd varieert.

Om toch met een hoge frequentie de hoeveelheid warmte die vloeit over de 10 bevestigingslaag 2 naar het ondersteunend lichaam 3 te kunnen bepalen, wordt volgens de onderhavige uitvinding de tijdsafhankelijke temperatuurvergelijking over de bevestigingslaag 2 uitgerekend, met als randvoorwaarden de temperaturen die aan weerszijden van de bevestigingslaag 2 gemeten zijn. Ook voor andere paden waarlangs warmte vloeit kunnen dergelijke tijdsafhankelijke temperatuurvergelijkingen 15 meegenomen worden in een model. Hiertoe is het noodzakelijk dat van de bevestigingslaag 2 (en eventuele andere warmte-impedanties) de warmtegeleidbaarheid en warmtecapaciteit nauwkeurig bepaald worden (eventueel als functie van temperatuur). Omdat dit grootheden zijn die de bevestigingslaag 2 karakteriseren, kan dit vooraf gebeuren. Uit de berekende temperatuurverdeling over de bevestigingslaag 2 20 (hetgeen een snelle berekening kan zijn) kan nu de hoeveelheid warmte berekend worden die vloeit van de thermodynamische sensor 1 naar het ondersteunend lichaam 3. Ook dit gebeurt met een snelle berekening in de verwerkingsmiddelen.

Van de thermodynamische sensor 1 is bekend wat het dynamisch gedrag is, gekenmerkt door de warmtecapaciteit en -geleiding van de thermodynamische sensor 1. 25 Het dynamisch gedrag van de thermodynamische sensor 1 kan derhalve meegenomen worden om met hoge frequentie (bijvoorbeeld 100 Hz) de warmtestroom van de thermodynamische sensor 1 naar het fluïdum 15 te berekenen.

De omrekening van de warmtestroom naar het fluïdum 15 in een stroomsnelheid en/of afschuifspanning wordt bij voorkeur uitgevoerd via berekening van de 30 warmteoverdrachtcoëfficiënt. Dit is een op zich bekende grootheid, die voor een bepaalde configuratie van de stroomsensor en gegeven dat de stroming in het fluïdum 15 laminair of turbulent is, een eenduidige functie is van de stroomsnelheid. Om 1017335 9 eigenschappen van het fluïdum 15 te kunnen verdisconteren, is deze relatie vastgelegd in een dimensieloze vorm, als een zogenaamde Nusselt-Reynold-Prandtl relatie.

Als voorbeeld wordt een parallelle omstroming van een vlakke plaat genomen.

De warmteoverdrachtcoëfficiënt hx, gemeten op een afstand x van de voorkant van de 5 plaat, kan worden omgerekend naar de luchtsnelheid buiten de grenslaag en vervolgens naar de lokale wandschuifspanning τχ met behulp van de volgende algemeen bekende relaties:

Nu = hxx/ λ = 0.332 Re/5 Pr ix =0.644Re/5 0.5pv1 waarbij 10 Nu het dimensieloos Nusseltgetal is [-]; x de afstand van een punt op de plaat tot aan de voorkant is [m]; hx de warmteoverdrachtcoëfficiënt op afstand x is [W/mK]; λ de warmtegeleidingscoëffïciënt in lucht is [W/mK];

Rex het dimensieloze Reynoldsgetal is, betrokken op afstand x; 15 Pr het dimensieloze Prandtlgetal is; Λ τχ de schuifspanning op afstand x is [N/m ]; p de dichtheid van lucht is [kg/m3]; en υ de snelheid van lucht buiten de grenslaag is.

Deze relaties gelden voor een laminaire grenslaag (Rex<3* 105). Voor andere 20 geometrieën en bijvoorbeeld turbulente grenslagen, kunnen andere relaties worden vastgesteld om de warmteoverdrachtcoëfficiënt om te rekenen naar een wandschuifspanning. De manier waarop dit gebeurt, is analoog aan hetgeen hierboven is beschreven.

Door de afgeleide in tijd van de berekende warmteoverdrachtcoëfficiënt te 25 bewaken, is het mogelijk om (bij gelijke externe omstandigheden) een overgang van een laminaire stroming naar een turbulente stroming te detecteren. Zodra de afgeleide in tijd boven een bepaalde drempelwaarde komt, is er een grote verandering in korte tijd van de warmteoverdrachtcoëfficiënt, wat kenmerkend is voor een dergelijke omslag.

30 Als alternatief kan het frequentiespectrum van de warmteoverdrachtcoëfficiënt geanalyseerd worden. Een overgang van laminaire naar turbulente stroming kenmerkt zich door een verschuiving in het frequentiespectrum van lage naar hoge frequenties.

···' ** a / è 0 * 10

Indien gestreefd wordt naar een stroomsensor met een vlakke constructie, kan geen uitstekende temperatuursensor voor het fluïdum 15 gebruikt worden. Fig. 2 toont een uitvoeringsvorm van de stroomsensor met twee thermodynamische sensoren la, lb. Indien de twee thermodynamische sensoren la, lb op een verschillende temperatuur 5 worden bedreven, kan de warmteoverdrachtcoëfficiënt (en dus de stroomsnelheid van het fluïdum 15) bepaald worden uit de twee bepaalde warmtestromen. In dat geval zal immers de (onbekende) temperatuur van het fluïdum 15 wegvallen uit de vergelijkingen. Dit kan alleen indien de warmteoverdrachtcoëfficiënten van beide thermodynamische sensors la, lb gelijk zijn, hetgeen bereikt kan worden door de 10 afmetingen van de thermodynamische sensors 1 a, 1 b klein te houden en ze dicht bij elkaar te plaatsen. Bij voorkeur worden de twee thermodynamische sensors la, lb dan niet te dicht bij elkaar of stroomafwaarts van elkaar geplaatst om onderlinge beïnvloeding door de thermische grenslaag te voorkomen.

In een nog verdere uitvoeringsvorm van de stroomsensor volgens de onderhavige 15 uitvinding is de stroomsensor voorzien van twee of meer thermodynamische sensors la, lb. Afhankelijk van de omstandigheden (oriëntatie van stroming ten opzichte van de thermodynamische sensors) kunnen dan twee sensoren ingeschakeld worden die elkaar niet beïnvloeden

Het combineren van de signalen van twee of meer thermodynamische sensors la, 20 lb, heeft tevens als voordeel, dat omgevingsinvloeden die op beide thermodynamische sensors la, lb dezelfde invloed hebben, wegvallen in het uiteindelijke resultaat. Dit geldt bijvoorbeeld voor de invloed van (gereflecteerd) zonlicht op de stroomsensor of andere externe omstandigheden.

Door het instellen van de bedrijfstemperatuur van de twee thermodynamische 25 sensors la, lb in absolute zin en ten opzichte van elkaar en het regelen van het gedissipeerde vermogen in elk van de thermodynamische sensors la, lb kan in uiteenlopende omgevingsomstandigheden de stroomsensor in een optimaal werkgebied gehouden worden en zijn snelle en nauwkeurige metingen over een groot gebied mogelijk.

30 Voor het berekenen van de warmteoverdrachtcoëfficiënt dienen een aantal karakteristieke eigenschappen van het fluïdum 15 bekend te zijn, zoals de temperatuur, druk, dichtheid, viscositeit, samenstelling en/of het vochtgehalte. Er kan echter aangetoond worden dat deze eigenschappen niet met een zeer grote nauwkeurigheid .10 1 7 3 3 5 11 gemeten hoeven te worden, zodat het ook mogelijk is deze op een meer gunstige plaats te meten (dus niet vlak boven de thermodynamische sensor la, lb).

Bij voorkeur is de stroomsensor volgens de onderhavige uitvinding voorzien van verwerkingsmiddelen die zijn ingericht om de bovengenoemde berekeningen uit te 5 voeren. Bij voorkeur zijn de verwerkingsmiddelen geïntegreerd op de thermodynamische sensor 1, zodat de signaalverwerking lokaal kan plaatsvinden, bijvoorbeeld in siliciumtechnologie. Als alternatief worden de meetsignalen (van de weerstand 4 en de temperatuursensoren 5, 6) via geleiders naar buiten gevoerd, om op afstand door verwerkingsmiddelen verwerkt te worden volgens de boven genoemde 10 berekeningen.

In Fig. 2 is een dwarsdoorsnede getoond van een stroomsensor volgens de onderhavige uitvinding. Fig. 3 toont in een gedeeltelijk opengewerkt bovenaanzicht dezelfde stroomsensor. De stoomsensor omvat een behuizing 12, waarbinnen een ondersteunend lichaam 3 is geplaatst. De temperatuur van het ondersteunend lichaam 3 15 wordt aan de onderzijde op een bepaalde, lage waarde gehouden, waardoor een temperatuurverschil ontstaat ten opzichte van de thermodynamische sensor 1 en het ondersteunend lichaam 3 zal werken als een warmteput ('heat sink'). Dit kan bijvoorbeeld bereikt worden met behulp van een koelelement 13, zoals een Peltier-element.

20 De behuizing 12 is aan de bovenzijde (waarlangs het fluïdum 15 stroomt) voorzien van een opening, waarin een masker 10 geplaatst is. Het masker 10 is voorzien van twee openingen voor de twee thermodynamische sensors la, lb. In de in Fig. 2 getoonde voorkeursuitvoeringsvorm is boven de thermodynamische sensors la, lb een beschermende laag 9a, 9b geplaatst, die de thermodynamische sensors la, lb 25 beschermen tegen invloeden van buitenaf (zoals krassen of slijtage).

De thermodynamische sensors la, lb zijn met behulp van lijmlagen 2a, 2b, vastgezet op het ondersteunend lichaam 3. Voor redenen van duidelijkheid zijn verdere details, zoals de plaats van temperatuursensoren 5, 6 en bedrading van de thermodynamische sensors la, lb uit Fig. 2 weggelaten. De verbinding van de chip met 30 de thermodynamische sensors la, lb met de buitenwereld kan bijvoorbeeld plaats vinden via de met verwijzingscijfer 11 aangeduide flexibele printkaart. In Fig. 3 is voor de duidelijkheid een mogelijke plaats van temperatuursensor 6 voor het meten van de

1 itf 7 3 3 S

12 temperatuur van het ondersteunend lichaam 3 getoond, dicht bij de overgang van warmteafvoerend lichaam 3 naar de bevestigingslaag 2b.

In Fig. 2 en 3 is verder getoond dat de stroomsensor een behuizing 12 omvat, die het warmteafvoerend lichaam 3 als een isotherme omhulling omgeeft. Alleen ter 5 plaatse van de thermodynamische sensors la, lb zijn openingen gemaakt in de isotherme omhulling 12. De isotherme omhulling 12 zorgt voor een verdere afname van de gevoeligheid van de stroomsensor voor externe invloeden door de warmte die de sensor binnenkomt vanaf een bepaald punt buiten de sensor egaal te verdelen over de hele sensor.

10 Voor de deskundige zal het duidelijk zijn dat de getoonde voorbeelden slechts uitvoeringsvormen zijn van de onderhavige uitvinding, en dat varianten op deze voorbeelden ook geacht worden onder de onderhavige uitvinding te vallen.

1017335

Claims

1. Werkwijze voor het bepalen van een warmteoverdrachtcoëfficiënt van een sensorsamenstel omvattende een veelvoud van thermodynamische sensoren (1) naar 5 een fluïdum (15), omvattende de stappen van: het berekenen van warmtestromen van en naar het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) naar het fluïdum (15); het bepalen van de warmteoverdrachtcoëfficiënt uit de warmtestromen behorend bij verschillende van het veelvoud van thermodynamische sensoren, waarbij de 10 verschillende van het veelvoud van thermodynamische sensoren op verschillende temperaturen bedreven worden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de stap van het berekenen van warmtestromen van en naar het veelvoud van thermodynamische sensoren naar het 15 fluïdum de stappen omvat van: het maken van een model van warmtestromen van en naar elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) met behulp van ten minste één warmte-impedantie, waarbij de ten minste ene warmte-impedantie bepaalde thermische eigenschappen heeft, en het model ten minste één tijdsafhankelijke temperatuurvergelijking over de 20 ten minste ene warmte-impedantie omvat, het toevoeren van warmte aan het veelvoud van thermodynamische sensoren (1), het meten van een eerste temperatuur aan een zijde van de ten minste ene warmte-impedantie en een tweede temperatuur aan een andere zijde van de ten minste ene warmte-impedantie, en 25 het berekenen van de warmtestroom naar het fluïdum (15) door het invoeren van de eerste en tweede temperatuur van de ten minste ene warmte-impedantie in het model.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de bepaalde thermische eigenschappen 30 van de ten minste ene warmte-impedantie een warmtecapaciteit en een warmtegeleidbaarheid omvatten. 1017335

4. Werkwijze volgens conclusie 1,2 of 3, omvattende de verdere stap van het berekenen van een afschuifspanning en/of -richting in het fluïdum (15) uit de warmteoverdrachtcoëfficiënt.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, omvattende de verdere stap van het berekenen van de stroomsnelheid en/of -richting van het fluïdum (15) uit de warmteoverdrachtcoëfficiënt.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, omvattende de verdere stap van het detecteren 10 van een omslagpunt van een laminaire stroming naar een turbulente stroming in het fluïdum (15) indien de afgeleide in tijd van de warmteoverdrachtcoëfficiënt boven een bepaalde drempelwaarde ligt.

7. Werkwijze volgens conclusie 5, omvattende de verdere stap van het detecteren 15 van een omslagpunt van een laminaire stroming naar een turbulente stroming in het fluïdum (15) door het analyseren van de energie-inhoud van het frequentiespectrum van de warmteoverdrachtcoëfficiënt.

8. Inrichting voor het bepalen van een warmteoverdrachtcoëfficiënt naar een 20 fluïdum (15), omvattende een sensorsamenstel met een veelvoud van thermodynamische sensoren (1) en met het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) verbonden verwerkingsmiddelen die zijn ingericht voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de conclusies 1 tot en met 7.

9. Inrichting volgens conclusie 8, waarbij de verwerkingsmiddelen verder zijn ingericht om de bedrijfstemperatuur van het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) op verschillende waarden in te stellen.

10. Inrichting volgens conclusie 8 of 9, verder omvattende een ondersteunend 30 lichaam (3), waarbij het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) op het ondersteunend lichaam (3) bevestigd is met behulp van een bevestigingslaag (2). H 1 i τ u fi vyi f- Λ ’ JS :Jr

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de bevestigingslaag (2) bepaalde thermische eigenschappen heeft.

12. Inrichting volgens een van de conclusies 8 tot en met 11, waarbij de inrichting 5 voor elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) verder omvat een eerste temperatuursensor (5) voor het meten van een eerste temperatuur van de bevestigingslaag (2) aan de zijde van de thermodynamische sensor (1), een tweede temperatuursensor (6) voor het meten van een tweede temperatuur van de bevestigingslaag (2) aan de zijde van het ondersteunend lichaam (3), 10 een warmtesensor (4) voor het meten van de aan de thermodynamische sensor (1) toegevoerde warmte.

13. Inrichting volgens een van de conclusies 8 tot en met 12, waarbij het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) gevormd wordt door een dunne chip.

14. Inrichting volgens een van de conclusies 8 tot en met 13, waarbij het sensorsamenstel met het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) omgeven wordt door een isotherme omhulling (12).

15. Inrichting volgens een van de conclusies 10 tot en met 14, waarbij het ondersteunend lichaam (3) gevormd wordt door een thermisch geleidend lichaam dat thermisch verbonden is met een koelelement (13).

16. Inrichting volgens een van de conclusies 8 tot en met 15, waarbij een 25 bovenzijde van elk van het veelvoud van thermodynamische sensoren (1) voorzien is van een beschermende laag, waarbij de beschermende laag (9a, 9b) tijdens bedrijf in contact staat met het fluïdum (15). 1017335