DE3911599C2 - Widerstandsanordnung für einen Heißfilmanemometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandsanordnung für ein Heißfilmanemometer nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.

Bei bekannten Heißfilmanemometer ist ein von einem elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand auf einem Isolierstoffträger angeordnet. Der Sensorwiderstand weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und ist vorzugsweise als Platin- oder Nickel-Dünnfilm- oder Dickschichtwiderstand ausgeführt. Der Heizstrom wird bei den bekannten Heißfilmanemometern derart geregelt, daß sich eine im wesentlichen konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorwiderstand und dem strömenden Medium ergibt. Aus dem zum Heizen erforderlichen Strom ist in an sich bekannter Weise in Schluß auf die Strömung möglich.

Bei bekannten Heißfilmanemometern ist ferner ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand als Temperatursensor auf dem Isolierstoffträger angeordnet, mit dessen Hilfe die Temperatur des strömenden Mediums bei der Auswertung berücksichtigt wird. Der Isolierstoffträger besteht üblicherweise aus Keramik. Ein Anwendungsgebiet der bekannten Heißfilmanemometer ist die Messung der Luftmasse in Kraftfahrzeugen zum Zwecke der Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses.

Bei den bekannten Heißfilmanemometern erfolgt jedoch außer der Wärmeabgabe an das strömende Medium ein Wärmefluß vom Sensorwiderstand zum Rand des Isolierstoffträgers bzw. zu dessen Halterung. Dieser Wärmefluß führt insbesondere zu relativ langen Stabilisierungszeiten beim Einschalten des Heißfilmanemometers oder bei sich sprunghaft ändernden Masseflüssen, da sich dabei der Temperaturgradient zwischen dem Sensorwiderstand und der Halterung neu einstellt.

Aus der DE 32 48 603 A1 ist eine Einrichtung zur Messung des Massendurchsatzes eines strömenden Mediums bekannt, bei der ein durch einen elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand auf einem Isolierstoffträger angeordnet ist, der in den zu messenden Medienstrom hineinragt. Der Isolierstoffträger wird von einer Halterung gehalten, er ist beispielsweise mit dem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine verbunden. Zwischen dem Sensorwiderstand und der Halterung ist ein weiterer Widerstand angeordnet, der von einem weiteren elektrischen Strom durchflossen und dadurch so beheizt wird, daß der an den Sensorwiderstand angrenzende Bereich des Heizwiderstandes im wesentlichen die Temperatur des Sensorwiderstandes annimmt. Die beiden Widerstände können beispielsweise als Schichtwiderstände ausgestaltet sein, wobei nach den Lösungen nach der DE 32 48 603 A1 der Querschnitt der Widerstände konstant ist. Die sich aufgrund des strömenden Mediums einstellende Meßspannung wird in üblicher Weise mit einer Auswerteschaltung ausgewertet, wobei die Auswerteschaltung einen Mikroprozessor umfaßt, an dessen Ausgang ein Signal entsteht, das als Maß für die strömende Masse dient.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heißfilmanemometer anzugeben, welches sprunghaften Änderungen des Masseflusses möglichst schnell folgt und bei dem die Stabilisierungszeiten nach einem Einschalten möglichst kurz sind.

Diese Aufgabe wird jeweils durch eine Widerstandsanordnung mit den Merkmalen nach den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für das zweite Ausführungsbeispiel.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind auf einem Isolierstoffträger 1 in Form von Schichten aus geeigneten Widerstandsmaterialien ein Sensorwiderstand R_S, ein Heizwiderstand R_H1, ein Temperaturmeßwiderstand R_T und ein Vergleichswiderstand R_V angeordnet. Die Widerstände sind untereinander und mit Anschlüssen 2, 3, 4, 5 mit Hilfe von Leiterbahnen 6 verbunden. Im Bereich der Anschlüsse kann der Isolierstoffträger 1 mit einer Halterung verbunden werden, was in den Fig. 1 und 2 lediglich durch eine Schraffur 7 angedeutet ist.

Um eine thermische Kopplung zwischen dem Temperaturmeßwiderstand R_T, dem Sensorwiderstand R_S und dem Vergleichswiderstand R_V über den Isolierstoffträger 1 weitgehend zu vermeiden, ist der isolierstoffträger mit Ausnehmungen 8, 9 versehen. Der Vergleichswiderstand R_V kann in an sich bekannter Weise durch entsprechende Vergrößerung eines Schlitzes 10 mit Hilfe eines Laserstrahls abgeglichen werden.

Da die Funktion von Heißfilmanemometern in der Literatur ausführlich beschrieben ist, werden im folgenden lediglich die Besonderheiten der Erfindung erläutert. Durch eine entsprechende Schaltung (siehe Fig. 3) wird dafür Sorge getragen, daß der Heizwiderstand R_H1 von einem im wesentlichen gleichen Strom wie der Sensorwiderstand R_S durchflossen wird. Dadurch nimmt der dem Sensorwiderstand R_S benachbarte Bereich des Heizwiderstandes R_H1 eine im wesentlichen gleiche Temperatur wie der Sensorwiderstand an. Entsprechend wird der Temperaturgradient innerhalb des Sensorwiderstandes R_S praktisch gleich 0, was zu einer deutlich verringerten Ansprechzeit des Heißfilmanemometers führt. Die in Fig. 1 dargestellte Form des Heizwiderstandes R_H1 sorgt auch bei gleichbleibendem Quadratwiderstand für eine in Richtung auf die Halterung 7 stetig abnehmende Flächenleistung innerhalb des Heizwiderstandes R_H1. Dadurch wird ein gleichmäßiger, künstlicher Temperaturgradient zum Rand hin erzeugt. Dieser verhindert, daß bei sich änderndem Massestrom größere Wärmemengen innerhalb des Widerstandes transportiert werden müssen und erlaubt somit ein schnelles Erreichen des Gleichgewichtszustandes.

Zur weiteren Verringerung der Ansprechzeit ist es vorteilhaft, einen beheizten Widerstand in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand anzuordnen, um ein geeignetes Temperaturprofil in Strömungsrichtung zu erzeugen. Dieses erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dadurch, daß der Vergleichswiderstand R_V2 vor dem Sensorwiderstand R_S angeordnet ist, der etwa die gleiche Leistung wie der Sensorwiderstand R_S an das Medium abgibt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist auch dem Vergleichswiderstand R_V2 ein Heizwiderstand RH₂ zugeordnet. Dieser ist in gleicher Weise wie der Heizwiderstand R_H1 geformt, besteht allerdings wie der Vergleichswiderstand R_V aus einem Material mit geringerer Temperaturabhängigkeit. Um eine Veränderung des Temperaturprofils, das durch den Vergleichswiderstand R_V2 erzeugt wird, beim Abgleich zu vermeiden, ist bei dem Ausführungsbeispiel ein Teil R_VA des Vergleichswiderstandes vom Widerstand R_V2 getrennt hinter dem Sensorwiderstand R_S angeordnet. Gegenüber der Widerstandsanordnung nach Fig. 1 weist die Widerstandsanordnung nach Fig. 2 weitere Anschlüsse 10, 11, 12 auf.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine Widerstandsanordnung 15 gemäß Fig. 2, wobei der Sensorwiderstand R_S und die Vergleichswiderstände R_VA und R_V2 den einen und der Temperaturmeßwiderstand R_T und ein weiterer nicht auf dem Isolierstoffträger 13 angeordneter Widerstand 16 den anderen Zweig einer Brückenschaltung 17 bilden. In an sich bekannter Weise sind die Ausgänge 2, 4 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 18 verbunden, dessen Ausgang über ein Stellglied so den Strom durch die Reihenschaltung aus der Brückenschaltung 17 und den Heizwiderständen R_H1 und R_H2 steuert. Der Anschluß 12 wird bei der dargestellten Schaltung nicht benötigt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung kann jedoch auch sinngemäß für die Widerstandsanordnung nach Fig. 1 verwendet werden, wobei der Anschluß 5 mit Masse zu verbinden ist.

Claims (14)

1. Widerstandsanordnung für ein Heißfilmanemometer, wobei ein durch elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand (R_S) auf einem Isolierstoffträger (1) angeordnet ist, der in einen zu messenden Medienstrom hineinragt und von einer Halterung (7) gehalten wird, wobei auf dem Isolierstoffträger (1) zwischen dem Sensorwiderstand (R_S) und der Halterung (7) ein weiterer Widerstand (R_H1), der als Heizwiderstand dient, angeordnet ist, der von einem weiteren elektrischen Strom derart beheizbar ist, daß mindestens der an den Sensorwiderstand (R_S) angrenzende Bereich des Heizwiderstandes (R_H1) im wesentlichen die Temperatur des Sensorwiderstandes (R_S) annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Heizwiderstandes (R_H1) in Richtung auf die Halterung (7) erweitert.

2. Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (R_S) und der Heizwiderstand (R_H1) als Schichtwiderstände ausgebildet sind.

3. Widerstandsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (R_H1) mindestens in dem an den Sensorwiderstand (R_S) angrenzenden Bereich den gleichen Querschnitt wie der Sensorwiderstand (R_S) aufweist.

4. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Isolierstoffträger ein weiterer Vergleichswiderstand (R_V) abgleichbar und in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sensorwiderstand (R_S) angeordnet ist.

5. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Isolierstoffträger (1, 13) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand (R_S) ein Temperaturmeßwiderstand (R_T) angeordnet ist und daß zwischen dem Temperaturwiderstand (R_T) und dem Sensorwiderstand (R_S) der Isolierstoffträger (1, 13) eine Ausnehmung (8, 14) aufweist.

6. Widerstandsanordnung für ein Heißfilmanemometer, wobei ein durch elektrischen Strom beheizbarer Sensorwiderstand (R_S) auf einem Isolierstoffträger (13) angeordnet ist, der in einen zu messenden Medienstrom hineinragt und von einer Halterung (7) gehalten wird, wobei auf dem Isolierstoffträger (13) zwischen dem Sensorwiderstand (R_S) und der Halterung (7) ein weiterer Widerstand (R_H1), der als Heizwiderstand dient, angeordnet ist, der von einem weiteren elektrischen Strom derart beheizbar ist, daß mindestens der an den Sensorwiderstand (R_S) angrenzende Bereich des Heizwiderstandes (R_H1) im wesentlichen die Temperatur des Sensorwiderstandes (R_S) annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf dem Isolierstoffträger (13) ein ebenfalls vom Medienstrom umströmter Vergleichswiderstand (R_V2) angeordnet ist und daß zwischen dem Vergleichswiderstand (R_V2) und der Halterung ein weiterer Heizwiderstand (R_H2) vorgesehen ist.

7. Widerstandsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (R_S), der Heizwiderstand (R_H1), der Vergleichswiderstand (R_V2) und der weitere Heizwiderstand (R_H2) als Schichtwiderstände ausgebildet sind.

8. Widerstandsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (R_H1) mindestens in dem an den Sensorwiderstand (R_S) angrenzenden Bereich den gleichen Querschnitt wie der Sensorwiderstand (R_S) und der weitere Heizwiderstand (R_H2) mindestens in einem an den Vergleichswiderstand (R_V2) angrenzenden Bereich den gleichen Querschnitt wie der Vergleichswiderstand (R_V2) aufweist.

9. Widerstandsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Heizwiderstandes (R_H1) und des weiteren Heizwiderstandes (R_H2) in Richtung auf die Halterung (7) zunimmt.

10. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswiderstand (R_V2) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand (R_S) angeordnet ist.

11. Widerstandsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Isolierstoffträger ein weiterer Vergleichswiderstand (R_VA) mit dem Vergleichswiderstand (R_V2) in Reihe schaltbar, abgleichbar und in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Sensorwiderstand (R_S) angeordnet ist.

12. Widerstandsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner auf dem Isolierstoffträger (1, 13) in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensorwiderstand (R_S) und dem Vergleichswiderstand (R_V2) ein Temperaturmeßwiderstand (R_T) angeordnet ist und daß zwischen dem Temperaturwiderstand (R_T) und dem Sensorwiderstand (R_S) und dem Vergleichswiderstand (R_V2) der Isolierstoffträger (1, 13) eine Ausnehmung (8, 14) aufweist.

13. Widerstandsanordnung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (R_S) und die Vergleichswiderstände (R_VA, R_V2) einen ersten Zweig einer Brückenschaltung (17) bilden, daß der Temperaturmeßwiderstand (R_T) und ein weiterer Widerstand (16) einen zweiten Brückenzweig bilden, daß der Heizwiderstand (R_H1) und der weitere Heizwiderstand (R_H2) mit der Brückenschaltung (17) eine Reihenschaltung bilden, und daß Anschlüsse der Brückenschaltung, welche eine Meßdiagonale bilden, abgegriffen werden, um mit ihrer Ausgangsspannung den durch die Reihenschaltung fließenden Strom zu beeinflussen.

14. Widerstandsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffträger ein Keramikträger ist.