DE4025644A1 - Waermeempfindlicher stroemungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wärmeempfindlichen Strömungssensor, der einen wärmeempfindlichen Widerstand verwendet, um die Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids zu erfassen.

Ein System zur Erfassung einer Durchflußgeschwindigkeit, die auf dem Abgleich einer Brückenschaltung mit einem wärmeempfindlichen Widerstand beruht, der in dem Fluid angeordnet ist, ist gut bekannt und weit verbreitet, beispielsweise durch das japanische Gebrauchsmuster 61-1 08 930 und ein Luftströmungssensor, der einen Heizwiderstand verwendet, der einen heizempfindlichen Widerstand in Gestalt eines dünnen Widerstandsfilmes aus Plutonium aufweist, der auf einem keramischen Substrat gebildet wird, ist ebenfalls bekannt.

Fig. 2 zeigt einen Betrieb eines wärmeempfindlichen Strömungssensors.

In Fig. 2 ist eine Basis (2) an einer vorgegebenen Position in einem Gehäuse (1) vorgesehen, das als Hauptdurchtrittsweg eines Fluids verwendet werden kann, und auf der Basis sind ein wärmeempfindlicher Widerstand (3) und ein Lufttemperatursensor (4) angeordnet. Eine Brückenschaltung wird aus dem wärmeempfindlichen Widerstand (3) und dem Lufttemperatursensor (4) sowie Widerständen (R1, R2) gebildet, die jeweils in Reihe mit diesen Elementen liegen. Ein Differentialverstärker (101) hat Eingangsklemmen, die mit den Verbindungspunkten (b, f) der Brückenschaltung verbunden sind, sowie eine Ausgangsklemme, die mit der Basis eines Transistors (102) verbunden ist, dessen Emitter an eine Klemme (a) der Brückenschaltung angeschlossen ist und dessen Kollektor mit einem positiven Pol einer Stromversorgung (103) verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine Halterung des wärmeempfindlichen Widerstandes (3).

In Fig. 3 wird der wärmeempfindliche Widerstand (3) an seinen gegenüberliegenden Enden (6) durch ein Paar Halteelemente (5) aus elektrisch leitendem Werkstoff gehalten, die von einem elektrisch isolierenden Halteelement derart wegragen, daß die Oberflächen des wärmeempfindlichen Widerstandes (3) längs einer Strömungsrichtung des Fluids liegen, wobei seine Längskanten rechtwinklig zur Strömungsrichtung verlaufen.

Die Betriebsweise dieses bekannten Sensors ist gut bekannt und deshalb unterbleibt seine detaillierte Beschreibung. Werden die Spannungen an den Verbindungspunkten (b, f) gleich groß, so ist diese Schaltung abgeglichen und ein Strom (I), der der Strömungsgeschwindigkeit entspricht, fließt durch den Wärmeempfindlichen Widerstand (3), so daß eine Spannung (Vo) am Punkt (b) gleich I × R1 wird. Die Spannung (Vo) wird als Strömungsgeschwindigkeitssignal verwendet.

Um das Ansprechen des bekannten wärmeempfindlichen, in vorstehender Weise aufgebauten Strömungssensors auf eine Schwankung der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zu verbessern, ist in jüngster Zeit die Neigung vorhanden, ein keramisches Substrat mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 bis 0,1 mm zu verwenden. Da eine derartige dünne Keramik zerbrechlich ist, wird sie leicht durch eine mechanische Kraft, wie beispielsweise durch Verformungen verschiedener Bauabschnitte der bekannten Anordnung infolge von Temperaturschwankung während des Zusammenbaus oder des Gebrauchs zerstört. Da ferner die Wärmeleitfähigkeit des Halteelementes (5) groß ist, ist der Wärmeverlust vom wärmeempfindlichen Widerstand (3) an das Halteelement (5) groß, was zu einer verschlechterten Meßempfindlichkeit und zu einem verschlechterten Ansprechen des Meßgerätes führt.

Bezüglich eines weiteren Standes der Technik zeigen die JP-PS 56-1 62 014, 63-2 98 120 und 63-3 07 315 die Verwendung eines wärmeempfindlichen Dünnfilm-Widerstandes für einen Strömungsgeschwindigkeitssensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wärmeempfindlichen Strömungsgeschwindigkeitssensor zu schaffen, der eine hohe Meßempfindlichkeit und ein gutes Ansprechen auf Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit hat.

Ein wärmeempfindlicher Strömungssensor, der in einem Fluidströmungsweg angeordnet werden kann, umfaßt ein keramisches Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Brückenschaltung mit einem wärmeempfindlichen Widerstand und eine Anzahl Widerstände sowie eine Steuerschaltung zur Steuerung eines durch den wärmeempfindlichen Widerstand fließenden Stroms, um die Brückenschaltung in einem thermisch ausgeglichenen Zustand zu halten und der Sensor arbeitet, um beim abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung eine Strömungsgeschwindigkeit zu erfassen. Der Sensor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsklemmen des wärmeempfindlichen Widerstandes, die an einem Basisabschnitt des keramischen Substrates vorgesehen sind, an Stromzuleitungen angeschlossen sind, und daß der Basisabschnitt sowie die Stromzuleitungen in einem Halteelement aus thermisch isolierendem Werkstoff eingebettet sind und das Halteelement auf einer Basis befestigt ist.

Erfindungsgemäß ist der im Basisabschnitt des Substrates, auf dem der wärmeempfindliche Widerstand gebildet wird, im Halteelement eingegraben, und keine im Halteelement als Folge der thermischen Verformung durch Temperaturschwankung erzeugte Spannung wird auf das Substrat in Dickenrichtung des Halteelementes übertragen. Da ferner das Halteelement aus thermisch isolierendem Werkstoff besteht, wird die Wärmeleitung von der Basis zum Halteelement auf ein Mindestmaß verringert und somit werden die Verschlechterung der Meßempfindlichkeit, wie auch das Ansprechverhalten auf eine Temperaturschwankung auf ein Mindestmaß verringert.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen wärmeempfindlichen Strömungssensor mit einer Brückenschaltung, die aus einem wärmeempfindlichen Widerstand besteht, der auf einem Substrat gebildet wird, das innerhalb eines Fluidströmungsweges vorgesehen ist, sowie aus einer Anzahl Widerständen und einer Steuerschaltung zur Steuerung des dem wärmeempfindlichen Widerstand zugeführten Stroms zur Aufrechterhaltung der Brückenschaltung in einem thermisch ausgeglichenen Zustand, wobei die Strömungsgeschwindigkeit aus dem thermischen Abgleichzustand der Brückenschaltung erfaßt wird; der wärmeempfindliche Strömungssensor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Halteelement von einer Basis getragen wird, das Substrat einen Basisabschnitt aufweist, auf dem Leitungsklemmen des wärmeempfindlichen Widerstandes gebildet werden und mit Stromzufuhrleitungen verbunden sind, und der Basisabschnitt des Substrates in dem wärmeisolierenden Halteelement eingegraben ist.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1a eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen wärmeempfindlichen Widerstandes;

Fig. 1b eine andere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstandes;

Fig. 1c eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstandes;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer bekannten wärmeempfindlichen Strömungssensoranordnung; und

Fig. 3 eine Anordnung eines bekannten wärmeempfindlichen Strömungssensors.

Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen. Eine Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit den Fig. 1a bis 1c beschrieben.

Fig. 1a zeigt den Aufbau eines wärmeempfindlichen Strömungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1a umfaßt ein Substrat (3), das vorzugsweise aus Keramik besteht, einen Abschnitt, auf dem ein wärmeempfindlicher Widerstand (8) gebildet wird, sowie einen Basisabschnitt, auf dem Zuleitungen (8a) in Form von Füßen gebildet werden, die an ihren jeweiligen Enden Leitungsklemmen (9) aufweisen. Die Leitungsklemmen (9) werden elektrisch über Leitungen (11) jeweils mit Stromzufuhrleitungen (10) verbunden.

Der Basisabschnitt und die Stromzufuhrleitungen (10) sind in einem Halteelement (12) aus wärmeisolierendem Werkstoff eingegraben. Das Halteelement (12) wird von einer Basis (2) mittels einer Metallplatte (13) getragen, so daß der wärmeempfindliche Widerstand (8) aus einer Seitenfläche des Basiselementes (2) vorstehen kann.

Da nur der Basisabschnitt des Substrates (3) im Halteelement (12) eingegraben ist, werden Beanspruchungen als Folge einer thermischen Verformung nicht auf ihn in seiner Dickenrichtung übertragen, wodurch eine Beschädigung des wärmeempfindlichen Widerstandes (8) verhindert wird. Da ferner das Halteelement (12) aus thermisch isolierendem Werkstoff besteht, ist eine Wärmeleitung von der Basis (2) zum Halteelement (12) vernachlässigbar klein, womit eine Verschlechterung der Meßempfindlichkeit und des Ansprechens verhindert werden. Wird ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt und einem mit dem Substrat (2) verträglichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Werkstoff für das Halteelement (12) verwendet, so wird die mechanische Festigkeit des im Substrat eingegrabenen Halteelementes (12) groß genug und die Verarbeitungsfähigkeit während der Herstellung wird verbessert.

Fig. 1b zeigt eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstandes (3). In der Fig. 1b sind die Füße des wärmeempfindlichen Widerstandes (3) im Vergleich zur Fig. 1a kürzer gemacht, so daß seine Leitungsklemmen (9) zusammen mit den Stromzufuhrleitungen (10) gegenüber dem Halteelement (12) freiliegen. Die Wirkung dieser Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 1a erhalten wird.

Fig. 1c zeigt eine weitere Ausführungsform des wärmeempfindlichen Widerstandes (3), bei welchem die Basis (2) dünner als in Fig. 1a ausgeführt ist, so daß ein Kontaktbereich des Halteelementes (12) mit der Basis (2) kleiner wird, um die Wärmeleitung von der Basis (2) zum Halteelement (12) zu verringern. Wie beschrieben, sind erfindungsgemäß die Leitungsklemmen, die am Basisabschnitt des keramischen Substrates vorgesehen sind, das die Füße des wärmeempfindlichen Widerstandes bildet, mit den Stromzufuhrleitungen verbunden und der Basisabschnitt ist in dem wärmeisolierenden Halteelement eingegraben und letzteres wird von der Basis gehalten. Daher kann der wärmeempfindliche Widerstand zusammengebaut werden, ohne daß eine äußere mechanische Kraft auf das Keramiksubstrat einwirkt und somit ohne Beschädigung des wärmeempfindlichen Widerstandes. Ferner wird bei dem Aufbau, bei dem der Basisabschnitt des wärmeempfindlichen Widerstandes im wärmeisolierenden Halteelement eingegraben und durch dieses getragen wird, die Wärmeleitung von der Basis zum Halteelement, wie bereits erwähnt, gering, was zu einem wärmeempfindlichen Strömungssensor mit hoher Meßempfindlichkeit und gutem Ansprechverhalten führt.

Claims (6)

1. Wärmeempfindlicher Strömungssensor mit einer Brückenschaltung, die aus einem wärmeempfindlichen Widerstand besteht, der auf einem Substrat gebildet wird, das innerhalb eines Fluidströmungsweges vorgesehen ist, sowie aus einer Anzahl Widerständen und einer Steuerschaltung zur Steuerung des dem wärmeempfindlichen Widerstand zugeführten Stroms zur Aufrechterhaltung der Brückenschaltung in einem thermisch ausgeglichenen Zustand, wobei die Strömungsgeschwindigkeit aus dem thermischen Abgleichzustand der Brückenschaltung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Halteelement (12) von einer Basis (2) getragen wird, das Substrat (3) einen Basisabschnitt aufweist, auf dem Leitungsklemmen (9) des wärmeempfindlichen Widerstandes (8) gebildet werden und mit Stromzufuhrleitungen (10) verbunden sind, und der Basisabschnitt des Substrates in dem wärmeisolierenden Halteelement eingegraben ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (12) aus Keramik besteht.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (12) und die Basis (2) im wesentlichen die gleiche Dicke haben, so daß nur ein Abschnitt des Substrates, auf dem der wärmeempfindliche Widerstand (8) gebildet wird, innerhalb des Fluiddurchtrittsweges freiliegt.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsklemmen (9) zusammen mit den Stromzufuhrleitungen (10) im Halteelement (12) eingegraben sind.

5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich des Basisabschnittes des Substrates (3), der ohne Leitungsklemmen (9) ausgebildet ist, und die Stromzufuhrleitungen (10) im Halteelement (12) eingegraben sind.

6. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (12) dicker als die Basis (2) ist.