DE3941330A1 - Thermischer stroemungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungsmesser, bei dem ein wärmeempfindlicher Widerstand verwendet wird, um die Strömung eines Fluids zu messen.

Bislang hat man ein Verfahren zur Messung der Strömung eines Fluids im Gleichgewichtszustand einer Brückenschaltung, die einen in dem Fluid angeordneten wärmeempfindlichen Widerstand aufweist, bei thermischen Strömungsmessern verwendet, wie es beispielsweise in der JP-GM-OS 61 10 930 beschrieben ist. Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird ein herkömm­ licher Luftströmungsmesser erläutert, bei dem ein wärmeempfind­ licher Widerstand als Heizwiderstand verwendet wird, der ein Keramiksubstrat und einen auf dem Substrat ausgebildeten Platin- Dünnschicht-Widerstand aufweist.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines herkömmlichen thermischen Strömungsmessers, bei dem ein wärmeempfindlicher Widerstand vorgesehen ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Basis 2 in einer vorgegebenen Position innerhalb eines Gehäu­ ses 1 vorgesehen, das den Hauptdurchgang für ein Fluid bildet. Ein wärmeempfindlicher Widerstand RH 1 und ein Lufttemperatur­ sensor Rc sind auf der Basis 2 angeordnet. In der einen Gruppe sind der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 und ein Widerstand R 1 in Reihe geschaltet, in einer anderen Gruppe sind der Luft­ temperatursensor Rc und ein weiterer Widerstand R 2 in Reihe geschaltet, und diese Komponenten bilden eine Brückenschal­ tung.

Der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 hat einen Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Ein wärmeempfindlicher Widerstands­ bereich 7 b ist auf der einen Oberfläche eines als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a ausgebildet. Das als dünne Platte ausgebildete Substrat 7 a ist parallel zur Strömungsrichtung 6 angeordnet, in der das Fluid, z. B. Luft, strömt. Diese Anord­ nung ist vorgesehen, um zu verhindern, daß in der Luft enthal­ tener Staub sich auf dem wärmeempfindlichen Widerstand RH 1 ab­ setzt und damit Änderungen in der Charakteristik des wärme­ empfindlichen Widerstandes RH 1 hervorruft.

Der thermische Strömungsmesser gemäß Fig. 1 enthält außerdem eine Regelschaltung 10, in der eine Verbindung a zwischen dem wärmeempfindlichen Widerstand RH 1 und dem Lufttemperatur­ sensor Rc, die einen Teil der Brückenschaltung bilden, mit dem Emitter eines Transistors 4 verbunden ist. Außerdem ist in dieser Regelschaltung 10 die Verbindung b zwischen dem wär­ meempfindlichen Widerstand RH 1 und dem Widerstand R 1 mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 3 verbunden, während die Verbindung f zwischen dem Lufttemperatursensor Rc und dem Widerstand R 2 mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 3 verbunden ist.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 3 ist an die Basis des Transistors 4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 4 ist mit dem positiven Pol einer Gleichstromversorgung 5 ver­ bunden, während der negative Pol der Gleichstromversorgung 5 geerdet ist.

Die Wirkungweise eines thermischen Strömungsmessers mit diesem Aufbau ist bereits bekannt. Die Wirkungsweise wird daher nicht im einzelnen beschrieben, sondern nur kurz erläutert. Wenn die Spannung an der Verbindung b und die Spannung an der Verbin­ dung f gleich groß geworden sind, erreicht die Brückenschal­ tung ihren Gleichgewichtszustand. Zu diesem Zeitpunkt ermög­ licht der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 den Durchgang eines Stromes mit der Stromstärke IH, deren Wert der Luftströmung entspricht. Die Spannung VO an der Verbindung b läßt sich aus­ drücken als VO = IH×R 1, und die Spannung VO wird als Strö­ mungssignal verwendet.

Aufgrund des oben anhand von Fig. 2 erläuterten Aufbaues, d.h. aufgrund des Aufbaues, bei dem der wärmeempfindliche Wider­ stand RH 1 parallel zur Strömungsrichtung 6 der Luft angeordnet ist, setzt sich mit der Luft vermischter Staub in der Strömung nur auf einem dicken Plattenbereich 11 in einer stromaufwärti­ gen Position des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a des wärmeempfindlichen Widerstandes RH 1 ab. Damit ist eine Staubabscheidung möglich, die in hohem Maße eine Änderung der thermischen Charakteristik des wärmeempfindlichen Widerstandes RH 1 hervorruft.

Der herkömmliche thermische Luftströmungsmesser mit einem solchen Aufbau bringt daher erhebliche Probleme wegen des Aufbaues mit sich, daß der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 parallel zur Strömungsrichtung 6 der Luft angeordnet ist, wie es Fig. 2 zeigt. Wenn der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 in der oben beschriebenen Weise angeordnet ist, so daß er als Hauptkomponente des Luftströmungsmessers dient, und wenn der Winkel des wärmeempfindlichen Widerstandes RH 1 re­ lativ zur Strömungsrichtung 6 der Luft von dem korrekten Winkel abweicht, führt dies dazu, daß der Luftempfangsbereich sich in einem relativ großen Maße ändert. In solchen Fällen besteht daher die Gefahr, daß eine leichte Veränderung des An­ bringungswinkels zu Meßfehlern mit beträchtlichen Werten füh­ ren kann.

Dieses Problem wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3A, 3 B und 4 näher erläutert. Die Fig. 3A und 4 zeigen aus Experimenten erhaltenen Diagramme und erläutern Beispiele von Änderungen der Meßcharakteristiken gegenüber der Referenz­ charakteristik, welche aus Änderungen des Winkels R resul­ tieren, unter welchem der wärmeempfindliche Widerstand RH 1 relativ zur Strömungsrichtung 6 der Luft angeordnet ist, wie es Fig. 3B zeigt, während die Referenzcharakteristik dann vor­ liegt, wenn der Winkel R gleich 0 ist.

Fig. 3A zeigt Verschiebungen in der Meßcharakteristik, aufge­ tragen gegenüber einer Änderung der Luftströmung. Fig. 4 zeigt das Verhältnis, in welchem sich das Meßausgangssignal ändert, und zwar mit Änderungen des Anordnungswinkel R, wenn es sich um die Strömung a, b oder c handelt. Aus diesen graphischen Darstellungen ist ersichtlich, daß eine kleine Abweichung im Winkel, unter dem der Widerstand angeordnet ist, zu einer großen Veränderung der Meßcharakteristik gegenüber der Refe­ renzcharakteristik führt, die für den Fall R = 0 gilt.

Wenn es sich beispielsweise um die Strömung c handelt und wenn der Anordnungswinkel R um 5° abweicht, ändert sich die Meßcharakteristik um +13%. Wenn der Anordnungswinkel R einen großen Wert hat, ändert sich die Meßcharakteristik nur in geringem Umfang. Wenn beispielsweise die Strömung c vorliegt und wenn der Anordnungswinkel R, der 30° beträgt, sich um 5° ändert, tritt im wesentlichen keine Änderung bei der Meßcha­ rakteristik auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen thermischen Strö­ mungsmesser anzugeben, der in der Lage ist, Änderungen auf­ grund des Winkels zu eliminieren, unter welchem der wärme­ empfindliche Widerstand relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist, und damit Änderungen in den Meßcharakteristiken zu beseitigen, wobei der Strömungsmesser zugleich in der Lage sein soll, daß er allenfalls geringfügi­ gen Schwankungen bei der Messung aufgrund von Staubablagerun­ gen aus dem Fluid unterliegt, so daß der thermische Strömungs­ messer eine stabile Strömungsmessung für eine lange Zeitspanne gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird ein thermischer Strömungsmesser ange­ geben, der folgendes aufweist: Einen wärmeempfindlichen Wider­ stand, der in dem Strom eines Fluids angeordnet ist, wobei der wärmeempfindliche Widerstand ein Substrat und einen wärme­ empfindlichen Widerstandsbereich aufweist, dessen Widerstands­ wert sich bei Temperaturänderungen des Widerstandes ändert; eine Brückenschaltung, welche den wärmeempfindlichen Wider­ stand und eine Vielzahl von anderen Widerständen enthält, und eine Regelschaltung zur Steuerung der Brückenschaltung in der Weise, daß die Brückenschaltung einen vorgegebenen Gleich­ gewichtszustand beibehält, und zur Messung der Fluidströmung im Gleichgewichtszustand, wobei der wärmeempfindliche Wider­ stand unter einem Winkel angeordnet ist, der relativ zur Strö­ mungsrichtung des Fluids im Bereich von 20° bis 60° liegt, wo­ bei der wärmeempfindliche Widerstandsbereich auf dem Oberflä­ chenbereich des Substrats angeordnet ist, das stromabwärts in der Richtung angeordnet ist, in der das Fluid strömt.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Auf­ baues eines thermischen Strömungsmessers;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung, wie der wärmeempfindliche Widerstand eines herkömmlichen thermischen Strömungsmessers relativ zur Strömungs­ richtung des Fluids angeordnet ist;

Fig. 3A ein Diagramm zur Erläuterung von Meßfehlern, die auf­ treten, wenn ein wärmeempfindlicher Widerstand unter verschiedenen Winkeln relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist;

Fig. 3B eine Seitenansicht zur Erläuterung eines wärmeempfind­ lichen Widerstandes, der unter einem vorgegebenen Win­ kel relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeord­ net ist;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Verhältnisses, in welchem die Meßcharakteristik sich bei Änderungen des Winkels ändert, unter dem ein wärmeempfindlicher Widerstand relativ zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist;

Fig. 5A eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines wärmeempfindlichen Widerstandes eines thermischen Strömungsmessers gemäß der Erfindung; und in Fig. 5B eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung des wärmeempfindlichen Widerstandes gemäß Fig. 5A.

Die Fig. 5A zeigt in perspektivischer Darstellung die Art und Weise, wie ein wärmeempfindlicher Widerstand gemäß der Erfindung in einem Fluid, beispielsweise Luft, angeordnet ist, deren Strömung gemessen werden soll. Wie in Fig. 5A dargestellt, ist ein wärmeempfindlicher Widerstand RH 2 in Form einer flachen Platte oberhalb einer Basis 2 angeordnet, während elektrisch leitende Tragteile 8 zwischen ihnen vor­ gesehen sind. Der wärmeempfindliche Widerstand RH 2 ist unter einem Winkel R relativ zur Strömungsrichtung 6 des Fluids angeordnet, wobei der Anfangswert des Anordnungswinkels R auf einen Winkel gesetzt wird, der mindestens 20° beträgt, aber nicht mehr als 60° ausmacht.

Wie in Fig. 5B dargestellt, weist der wärmeempfindliche Wider­ stand RH 2 ein Substrat 7 a in Form einer dünnen Platte sowie einen wärmeempfindlichen Widerstandsbereich 7 b auf, wobei der Widerstandsbereich 7 b in einer stromabwärtigen Position in der Strömungsrichtung 6 angeordnet ist, in der das Fluid strömt. Beim dargestellten Beispiel ist somit der Widerstandsbereich 7 b auf dem unteren Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a angeordnet und befindet sich somit in der Strömungsrichtung stromabwärts.

Bei dem dargestellten Beispiel wird der Anordnungswinkel R im Gegenuhrzeigersinn gemessen. Er kann auch im Uhrzeigersinn gemessen werden, wobei in diesem Falle der wärmeempfindliche Widerstandsbereich 7 b auf einem oberen Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a angeordnet ist.

Obwohl nicht eigens dargestellt, ist ein Lufttemperatursensor Rc auf der Basis 2 vorgesehen, oberhalb der der wärmeempfind­ liche Widerstand RH 2 unter Zwischenschaltung der Tragteile 8 montiert ist. Die Basis 2 ist in einer vorgegebenen Position innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses angebracht. Die Gruppe, die aus dem wärmeempfindlichen Widerstand RH 2 und ei­ nem Widerstand R 1 besteht, und die Gruppe, die aus dem Luft­ temperatursensor Rc und einem Widerstand R 2 besteht, sind je­ weils in der Weise in Reihe geschaltet, daß diese Elemente ei­ ne Brückenschaltung bilden. Der thermische Strömungsmesser enthält außerdem eine Regelschaltung 10 mit einem Diffe­ renzverstärker 3, einem Transistor 4, Widerständen R 1 und R 2 sowie einer Gleichstromversorgung 5, wobei die Anordnung in gleicher Weise bei einer herkömmlichen Einrichtung getroffen ist.

Gemäß der Erfindung ist der wärmeempfindliche Widerstand RH 2 oberhalb der Basis 2 unter einem vorgegebenen Winkel angeord­ net. Selbst wenn irgendein Fehler während der Montage hin­ sichtlich des Anordnungswinkels aufgetreten ist, führt diese Abweichung zu einem kleineren Einfluß und zu einer kleineren Änderung der Meßcharakteristik, verglichen mit dem Fall, wo der zu Beginn vorgegebene Winkel 0° beträgt, wie sich aus dem Diagramm in Fig. 4 ergibt. Dieses Merkmal ermöglicht es, daß der thermische Strömungssensor mit einem hohen Grad von Prä­ zision arbeitet.

Obwohl der Anordnungswinkel R vorzugsweise so groß wie mög­ lich sein sollte, ist es so, daß dann, wenn er 60° überschrei­ tet, in der Luft bzw. im Fluid enthaltener Staub die Tendenz hat, daß er sich leicht auf einem Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a absetzt, die stromauf­ wärts in der Strömungsrichtung der Luft bzw. des Fluids ange­ ordnet ist. Daher sollte der Anordnungswinkel R nicht mehr als 60° betragen. Bei einem solchen Winkel strömt in der Luft bzw. im Fluid enthaltener Staub längs einer Strömungslinie 9, wie es in Fig. 5B dargestellt ist, so daß die Gefahr der Staubabscheidung reduziert ist.

Auch wenn sich eine kleine Menge von Staub abgesetzt hat, führt diese Staubabscheidung nur in einem vernachlässigbaren Bereich zu Änderungen der Meßcharakteristik, da sich der Staub nicht direkt auf der Oberfläche des wärmeempfindlichen Wider­ standsbereiches 7 b absetzt. Andererseits wird ein Anordnungs­ winkel R, der kleiner als 20° ist, nicht bevorzugt, da ein solcher Winkel zu großen Änderungen bei den Meßcharakteristi­ ken führen kann. Aus den oben beschriebenen Gründen sollte der Winkel R, unter welchem der wärmeempfindliche Widerstand RH 2 angeordnet wird, im Bereich von 20° bis 60° liegen.

Somit ist der wärmeempfindliche Widerstand RH 2 relativ zur Strömungsrichtung des Fluids unter einem Winkel angeordnet, der im Bereich von 20° bis 60° liegt. Damit können nur kleine Änderungen in den Meßcharakteristiken hervorgerufen werden, die aus Variationen des Anordnungswinkels resultieren, die während der Montage auftreten können.

Da weiterhin der wärmeempfindliche Widerstandsbereich 7 b auf einem Oberflächenbereich des als dünne Platte ausgebildeten Substrats 7 a angeordnet ist, der stromabwärts in Strömungs­ richtung des Fluids liegt, werden dadurch Variationen der Meß­ charakteristik innerhalb eines vernachlässigbaren Bereiches begrenzt, wobei solche Variationen und Änderungen der Meß­ charakteristik auf der Abscheidung von Staub beruhen, der in dem Fluid enthalten sein kann. Damit werden somit nur kleine Variationen der Meßcharakteristik überhaupt zugelassen. Damit ist der erfindungsgemäße thermische Strömungsmesser in der Lage, Strömungen für eine lange Zeitdauer in stabiler und zu­ verlässiger Weise zu messen.

Claims (4)

1. Thermischer Strömungsmesser, umfassend

• - einen wärmeempfindlichen Widerstand (RH 2), der in der Strömung eines Fluids angeordnet ist, wobei der wärme­ empfindliche Widerstand (RH 2) ein Substrat (7 a) und ei­ nen wärmeempfindlichen Widerstandsbereich (7 b) aufweist, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von Tempe­ raturänderungen des Widerstandes (RH 2) ändert;
• - eine Brückenschaltung, welche den wärmeempfindlichen Widerstand (RH 2) und eine Vielzahl von anderen Wider­ ständen (Rc, R 1, R 2) umfaßt; und
• - eine Regelschaltung (10), um die Brückenschaltung in der Weise zu regeln, daß die Brückenschaltung einen vor­ gegebenen Gleichgewichtszustand beibehält, und um die Fluidströmung aus dem Gleichgewichtszustand herauszu­ messen, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Widerstand (RH 2, 7 a, 7 b) unter einem Winkel (R) angeordnet ist, der relativ zur Strö­ mungsrichtung (6) des Fluids in einem Bereich von 20° bis 60° angeordnet ist, und daß der wärmeempfindliche Widerstandsbereich (7 b) auf dem Oberflächenbereich des Substrats (7 a) angeordnet ist, der sich in der Strömungsrichtung (6) des Fluids auf der stromabwärtigen Seite befindet.

2. Thermischer Strömungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (1), welches den Durchgang des Fluids ermög­ licht und begrenzt,
eine in dem Gehäuse (1) vorgesehene Basis (2) und
eine Halterung (8), welche den wärmeempfindlichen Wider­ stand (RH 2) oberhalb der Basis (2) trägt.

3. Thermischer Strömungsmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Fluidtemperatursensor (Rc), der auf der Basis (2) vorgesehen ist.

4. Thermischer Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidtemperatursensor (Rc) ein Lufttemperatursensor ist.