DE3208096A1

DE3208096A1 - Messsonde zur bestimmung der masse und/oder temperatur eines stroemenden mediums

Info

Publication number: DE3208096A1
Application number: DE19823208096
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Dr. 7016 Gerlingen Gruner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-03-06
Filing date: 1982-03-06
Publication date: 1983-09-15
Also published as: US4498337A; DE3208096C2; FR2522811B1; JPS58162823A; FR2522811A1

Description

R. 1737 V

22.2.1932 Rs/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART

Meßsonde zur Bestimmung der Masse und/oder Temperatur eines strömenden Mediums

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßsonde nach der Gattung des Hauptanspruches. Eine derartige Meßsonde als Mengendurchflußmesser ist bekannt aus der EP-A1 21 291. Dort ist eine Meßsonde beschrieben, bei der ein strömendes Medium an zwei als dünne Widerstandsschichten ausgebildeten temperaturabhängigen Widerständen vorbeiströmt, von denen einer als Meßwiderstand und der zweite als Heizwiderstand dient. Die Abkühlung des geheizten Widerstandes, bzw. der erforderliche Strom zur Wiederaufheizung sind ein Maß für die Menge des strömenden Mediums Als Träger dieser bekannten Meßsonde dient ein Rahmen, welcher mit einer die Widerstände tragenden Folie bespannt ist. Im Bereich der Widerstände hat der Rahmen Aussparungen, so daß in diesem Bereich allein die Folie als Träger wirksam ist. Eine derartige Anordnung hat insgesamt eine hohe Wärmekapazität, da auch der Rahmen in die Wärmebilanz einbezogen ist. Die Meßsonde folgt Temperaturänderungen zunächst sehr rasch, danach macht

sich jedoch der Temperaturunterschied zum Rahmen bemerkbar und die Temperaturänderung verläuft daher anschließend an die erste schnelle Anpassung verhältnismäßig langsam.

Aus der älteren Patentanmeldung P 31 13 TU5.8 ist es bekannt, einen Dünnschichtwiderstand unter Einfügung einer Isolationsschicht auf einem metallischen Träger aufzubauen. Als Träger dieses bekannten Dünnschicht-Dehnungsmeßstreifens dient ein Federelement, welches beispielsweise aus einer CuBe-Federplatte besteht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßsonde mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat gegenüber der bekannten Heißfilm-Meßsonde den Vorteil, daß gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität der Sonde und eine geringe Verzögerung des Temperaturgangs beim Meßvorgang erreicht werden. Metalle besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit und die Fläche des Trägers kann praktisch vollständig zum Aufbau der Widerstandsanordnung genutzt werden, so daß kein ungenutzter Materialüberschuß entsteht. Ein metallischer Träger hat gleichzeitig gute elastische und gute Festigkeitseigenschaften, was die Standzeiten bei der Anordnung in einem strömenden Medium beachtlich erhöht. Hierzu braucht dennoch nur eine sehr geringe Dicke des Trägers vorgesehen zu werden, so daß erhebliche Vorteile gegenüber bekannten Anordnungen der interessierenden Art entstehen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Meßsonde möglich. 3e-

sonders -vorteilhaft ist in fertigungstechnischer Hinsicht und im Hinblick auf den Gesamtaufbau der Meßsonde eine Gestaltung, bei der wenigstens zwei temperaturabhängige Widerstände auf dem Träger angeordnet sind» Diese können auf dem Träger sehr wirksam thermisch gegen einander entkoppelt werden durch einen Schlitz in der Metallfolie, welcher praktisch vollständig eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung ausschließt. Eine gemeinsame Anordnung von temperaturabhängigen und temperaturunabhängigen Widerständen auf dem Träger wird dann besonders zweckmäßig, wenn die verschiedenen Widerstandsanordnungen aus gleichen Materialien aufgebaut sind, bzw. gleiche Schichtmaterialien besitzen. Eine derartige Anordnung kann vorteilhafterweise so aufgebaut sein, daß die temperaturabhängigen Widerstände aus einem Zweischichtsystem aus einer Tantalschicht und einer darüberliegenden Nickelschicht bestehen, während die temperaturunabhängigen Widerstände nur ein Schichtsystem aus Tantal aufweisen. Bei dieser Anordnung lassen sich die temperaturunabhängigen Widerstände durch Wegätzen der über dem Tantal liegenden Nickelschicht auf sehr einfache Weise herstellen. Außerdem können beide Widerstandsanordnungen in gleicher Weise mittels Laserstrahl abgeglichen werden. Bezüglich der Verringerung der Wärmekapazität der Meßsonde haben sich weiterhin Aussparungen im Bereich der Gehäuseanlage als zweckmäßig erwiesen. Gleichzeitig werden hierdurch der Wärmeübergang zum Gehäuse beträchtlich verringert und somit die Ansprechgeschwindigkeit der Meßsonde weiter erhöht. Bezüglich der Ansprechgeschwindigkeit der Sonde ist weiterhin die Zugänglichkeit der Widerstände für das strömende Medium entscheidend, wobei sich eine gleichmäßige, im wesentlichen laminare Strömung besonders vorteilhaft auswirkt. Derartige Strömungsverhältnisse

-if-

erreicht man in sehr einfacher und zweckmäßiger Weise dadurch, daß der Träger U-förmig abgebogen ist und auf seiner Innenseite einen Kanal für das strömende Medium bildet, dem die Widerstände ausgesetzt werden.

Als Material für die Metallfolie hat sich besonders Titan bewährt.

,-schon Aufgrund seiner Materialeigenschaften sind'sehr dünne, z.B.

50 ,um dicke Titanfolien mechanisch sehr stabil. Die Dichte

3
von Titan beträgt nur k,5 kg/dm , die mittlere spezifische Wärmekapazität liegt bei 0,U7 k<J/(kg.K). Damit nimmt für Titan das für die Wärmekapazität einer Sonde in vorgegebener Form entscheidende Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität einen niedrigen Wert an.

Durch die Ausführungsformen der Meßsonden ist sichergestellt, daß die vier aufeinander abgeglichenen Brückenwiderstände auch mechanisch gekoppelt sind und nicht vertauscht werden können.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur T die elektrische Schaltung der Meßsonde, Figur 2 einen Teilschnitt durch eine Meßsonde mit einem temperaturabhängigen und einem temperaturunabhängigen Widerstand, Figur 3 eine zweiseitig eingespannte Meßsonde, Figur h eine einseitig eingespannte Meßsonde, Figur 5 die Herstellung einer U-förmigen Meßsonde und Figur β die Einfügung einer Meßsonde gemäß Figur 5 bei zweiseitiger Einspannung (a) und bei einseitiger Einspannung (b).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 sind mit 10 bis 13 die elektrischen Anschlüsse einer Widerstandsmeßbrücke bezeichnet, welche eine Meßsonde zur Bestimmung der Masse und/oder der Temperatur eines strömenden Mediums bildet. Die Brücke enthält temperaturabhängige Widerstände R1 und R2 sowie temperaturunabhängige Widerstände R3 und RU. Die Anschlüsse 12 und 13 zwischen je einem temperaturabhängigen und einem temperaturunabhängigen .Widerstand werden zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums vorzugsweise über einen Verstärker einem Regler zugeführt, welcher über die Anschlüsse 10 und 11 den Heizstrom der Widerstandsanordnung regelt. Zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums wird hierbei der temperaturunabhängige Widerstand nachgeheizt, wenn aufgrund einer Strömungszunahme die Abkühlung des Widerstandes R1 zunimmt. Die Größe des Heizstromes ist dabei ein Maß für das strömende Medium. Auf die Meßanordnung, welche bekannt ist, soll hier nicht näher eingegangen werden. Zur Temperaturbestimmung eines strömenden Mediums kann einer der beiden temperaturabhängigen Widerstände R1 oder R2 alleine verwendet werden. Die beschriebene Anordnung bietet neben der Verwendung als Meßbrücke also auch die Möglichkeit der Verwendung eines einzelnen Meßwiderstandes zur schnellen Temperaturbestimmung .

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Meßsonde mit den temperaturabhängigen Widerständen R1 und R2 und den temperaturunabhängigen Widerständen R3, R^. Mit 1h ist der Träger der Meßsonde bezeichnet, welcher aus einer Metallfolie, insbesondere aus einer Titanfolie besteht. Der Träger hat eine Dicke zwischen 25/Um und 12-5/um je nach mechanischer Beanspruchung und Anforderungen an die

Reaktionszeit der Meßsonde. In der Regel besitzt er eine Dicke von ca. 100,um, welche bei hohe mechanischer Festigkeit dennoch sehr gute thermische Eigenschaften aufweist. Auf dem Träger 1U sitzt ein Überzug aus einer elektrisch isolierenden Schicht 15» welche vorzugsweise aus einer Glasschicht besteht. Auf diese Isolationsschicht 15 ist in Dünnschichttechnik die Widerstandsanordnung mit den Widerständen R1 bis RU aufgebracht, wobei mit 16 eine Tantalstruktur und mit 17 eine Nickel-Struktur bezeichnet ist. Die Tantalstruktur 16 bildet temperaturunabhängige Widerstände R3 und RU, die Doppelschicht aus Tantal und Nickel bildet die temperaturabhängigen Widerstände R1 und R2. Über den Widerständen und der Isolationsschicht liegt noch eine Schutzschicht 18, welche beispielweise eine hy.drpphobe Glimmpolymeri-■ satschicht sein kann. Die gezeichneten Dickenverhältnisse stimmen nicht mit der Wirklichkeit überein sondern sind aus zeichnerischen Gründen verändert. Der Träger 1U hat eine Dicke in der Größenordnung von 50 bis 100,um, die Isolationsschicht eine Dicke von ca. 10,um, die Dicke der Ta-Widerstandsschicht beträgt etwa 0,05/um, die der TaNi-Schicht etwa 0,25/Um und die Schutzschicht 18 wiederum hat eine Dicke in der Größenordnung von 5/Um.

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Meßsonde zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, deren Widerstände R1 bis RU in der in Figur gezeigten Weise angeordnet und geschaltet sind. Die Widerstände R1 bis RU sind schematisch dargestellt, in Wirklichkeit bedecken sie praktisch die gesamte Oberfläche des Trägers 1U. Die elektrischen Anschlüsse der Meßbrücke sind entsprechend Fig^^r 1 mit 10 bis bezeichnet und werden entsprechend verschaltet. Der Träger 1U ist zweiseitig in Gehäuseteilen 19 und 20

gehalten, welche ihrerseits wiederum an einem Bauteil sitzen. An den Einspannenden des Trägers 1'+ sind, den einzelnen Widerständen R1 bis RU zugeordnet, vier Aussparungen 22 bis 25 vorgesehen, so daß der Träger nur mit relativ geringen Flächenkontakten an den Gehäuseteilen 19 und 20 anliegt und demzufolge nur wenig Wärme an das Gehäuse abgegeben wird. Die thermische Entkopplung der Widerstände R1 und R3 gegen die Widerstände R2 und RU erfolgt durch einen Schlitz 26 im Träger 1U, welcher die gegenseitige thermische Beeinflussung zwischen den zwei Brükkenzweigen praktisch ausschließt. Der Träger 1U ist durch den Schlitz 26 in zwei Bereiche unterteilt, welche beide dem strömenden Medium ausgesetzt sind, dessen Masse bestimmt werden soll. Durch die thermische Entkopplung mittels des Schlitzes 26 kann die Temperatur des Widerstandes R1 und damit sein Widerstandswert entsprechend der Abkühlung durch das strömende Medium nachgeregelt werden, ohne daß der ebenfalls temperaturabhängige Vergleichswiderstand R2 durch die Aufheizung beeinflußt wird. Der Träger 1U ist also der Länge nach in einen Heizzweig H und in einem Meßzweig M unterteilt, was am oberen Ende des Trägers durch die Buchstaben H und M angedeutet ist.

Die Anordnung gemäß Figur U entspricht weitestgehend derjenigen gemäß Figur 3₅ weswegen keine Einzelheiten eingezeichnet sind. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugs zeichen versehen. Der Unterschied der Anordnung gemäß Figur k von der jenigen gemäß Figur 3 besteht darin, daß der Träger 1U nur einseitig am Bauteil 21 gehalten ist, wodurch die Wärmeabfuhr im oberen Bereich mit den temperaturabhängigen Widerständen vollständig unterbunden wird. Bei dieser Anordnung kann ein einseitig offener Schlitz 27 vorgesehen werden. Das strömende Medium ist ebenso wie in Figur 3 schematisch durch den Pfeil 28 angedeutet.

Auch in den Figuren 5 und 6 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren "bezeichnet. Der Träger lh gemäß Figur 5 ist entlang der Kanten 29 und 30 rechtwinklig abgebogen, wobei die Hälften des Trägers 1h entsprechend den Pfeilen 31 und 32 umgebogen werden. Die Widerstände R1 bis Hh sollen auf der Rückseite des Trägers lh liegen, so daß sie nach der U-förmigen Abwinklung auf den Innenflächen der beiden Trägerhälften sitzen. In diesem Bereich ergibt sich bei einer Anordnung nach Figur 6a mit zweiseitiger Halterung oder nach Figur 6b mit einseitiger Halterung eine laminare Strömung und damit günstige, reproduzierbare Meßverhältnisse .

Leer seite

Claims

320809G

22.2.1982 Rs/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Ansprüche

1 y Meßsonde zur Bestimmung der Masse und/oder Temperatur eines strömenden Mediums, mit einem Träger für eine temperaturabhängige Dünnschicht-Widerstandsanordnung, dadurch gekennzeichnet j daß der Träger (1h) als Metallfolie ausgebildet ist, die einen Überzug aus einer elektrisch isolierenden Schicht (15) besitzt, auf welche die Widerstandsanordnung (R1 bis Rh) aufgebracht ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägers (1U) im -wesentlichen ganzflächig mit der Widerstandsanordnung (R1 bis Rk) belegt ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, mit zwei von dem strömenden Medium umspülten temperaturabhängigen Widerstandsanordnungen, von denen eine durch einen elektrischen Strom aufheizbar ist, wobei die temperaturabhängigen Widerstände thermisch gegeneinander entkoppelte Teile einer Widerstandsmeßbrücke sind, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Entkopplung durch eine Unterteilung (26, 27) des Trägers {^k) erfolgt.

k. Meßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Entkopplung ein Schlitz (26, 27) in dem Träger (1U) zwischen den temperaturabhängigen Widerständen (R1, R2) eingebracht ist.

— P —

5. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (1U) temperaturabhängige (R1, R2) und temperaturunabhängige (R3, RU) Widerstände angeordnet sind.

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände (R1, R2) aus einem Zweischichtsystem aus einer Tantalschicht (Ta) und einer darüberliegenden Nickelschicht (Ni) bestehen, während die temperaturunabängigen Widerstände (R3, RU) nur ein Schichtsystem aus Tantal (Ta) aufweisen.

7. Meßsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des Trägers (1U) zwischen den temperaturabhängigen (R1, R2) und den temperaturunabhängigen (R3, RU) Widerständen jeweils eines Brückenzweiges aus einem durchgehenden Schlitz (26, 27) besteht.

8. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1U) im Bereich der Gehäuseanlage (19» 20; 21,) wenigstens eine Aussparung (22 bis 25) besitzt.

9. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1U) einseitig am Gehäuse (21) gehalten ist.

10. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1U) U-förmig gebogen und die Widerstandsanordnung (R1 bis RU) auf dessen Innenwand angeordnet und dem strömenden Medium (28) ausgesetzt ist.

ο

11. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie des Trägers (1*0 eine Dicke von 25 bis 125<um besitzt.

12. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie des Trägers (1U) aus Titan besteht.

13. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Überzug (15) aus einer Glasschicht besteht.

1U. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht-Widerstandsanordnung (R1 bis RU) durch eine Schutzschicht (18) abgedeckt ist.