DE60306320T2

DE60306320T2 - Integrierter,mit zwei Techniken messender Strömungssensor

Info

Publication number: DE60306320T2
Application number: DE60306320T
Authority: DE
Inventors: Dr. Karl-Heinz Förster; Dr. Josef Binder
Original assignee: Festo Corp
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-09-20
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2023-09-21
Also published as: DE60306320D1; JP2004212386A; EP1437577A2; ATE331206T1; DE03021337T1; US20040129072A1; EP1437577B1; US6769299B2; EP1437577A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Fluidsensor zum Messen der Strömung eines gasförmigen Mediums und bezieht sich insbesondere auf einen Universal-Strömungssensor, der sich zur Verwendung in pneumatischen Kreisen, die einen großen Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen, ohne wesentliche Abwandlung eignet.
Es gibt im Wesentlichen drei vorherrschende Verfahren, die zum Messen von Strömungen verwendet werden. Das erste ist eine differenzielle Strömungsmessung, die eine Druckdifferenz entlang einer Öffnungs-Einengung erfasst. Das zweite Verfahren verwendet einen thermischen Sensor, der auch als Kostanttemperatur-Anemometer bezeichnet wird, um Temperaturänderungen zu überwachen, die von der Geschwindigkeit des Mediums abhängig sind, wie dies z.B. in dem US-Patent Nr. 6 470 741 von Fathollahzadeh beschrieben ist. Das dritte Verfahren verwendet Verschiebungssensoren, die eine mechanische Verschiebung eines Abschnitts des Sensors erfassen, die durch die Strömung eines Mediums verursacht wird.
Jedes dieser Verfahren hat unterschiedliche Anwendungsbereiche sowie inhärente Vorteile und Nachteile. Die differenzielle Strömungsmessung erfordert im Allgemeinen zwei Drucksensoren und eine Einschränkung der Strömung. Typischerweise wird auch ein Temperatursensor bei diesem Verfahren benötigt, um Druckschwankungen auszugleichen, die lediglich auf Temperatur-Fluktuationen beruhen. Die Notwendigkeit mehrfacher Sen soren erhöht jedoch die Ausfallrate und die Installationskosten beachtlich. Daher ist die Anwendung differenzieller Strömungsmessungs-Prinzipien nur unter begrenzten Umständen praktisch.
Die verbleibenden beiden Sensorverfahren erfordern keine mehrfachen Sensoren, haben jedoch andere Nachteile. Typischerweise werden thermische Sensoren für niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten verwendet, während Verschiebungssensoren für relativ höhere Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden. Die Auswahl des geeignetsten Strömungssensors für eine spezielle Anwendung erfordert ausführliche Kenntnisse des vorhergesagten Messbereichs, der potenziellen physikalischen Kenngrößen des Mediums, wie z.B. Druck, Temperatur und dergleichen, sowie der Umgebungs-Kenngrößen des Ortes, an dem das Medium gemessen werden soll. Somit erfordert im Allgemeinen die Verwendung sowohl von thermischen Sensoren als auch Verschiebungssensoren eine kundenspezifische bzw. anwendungsspezifische Lösung für jede spezielle Anwendung.
Das US-Patent Nr. 4 565 098 von Herz1 offenbart ein Hybrid-Sensorsystem für einen Vortex-Strömungsmesser, in welchem Fluidschwingungen mit einer Frequenz erzeugt werden, die von der Strömungsgeschwindigkeit des gemessenen Fluids abhängig sind. Das System enthält einen thermischen Sensor im Innern eines Fluidkanals und einen Kraftsensor außerhalb eines Strömungsrohrs. Eine durch das Strömungsrohr fließende Strömung trifft auf eine Einheit, die durch Drehmoment-Rohre schwenkbar gelagert ist und mit einem externen Drehmoment-Wandler gekoppelt ist. Der Wandler schwingt um seine Schwenkachse und folgt dabei einer Bewegung der Einheit im Innern des Strömungsrohrs, wodurch ein Signal mit einer Frequenz erzeugt wird, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des ge messenen Fluids ist. Die Signale des Drehmoment-Wandlers oder des Kraftsensors und eines thermischen Sensors, die an der Einheit im Innern des Strömungsrohrs angeordnet sind, werden verglichen, um ein Signal auszuwählen, das für die Strömungsgeschwindigkeit in dem Strömungsrohr kennzeichnend ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Universal-Strömungssensor und ein Verfahren bereitzustellen, die allgemein anwendbar sind und die über einen weiten Bereich von Messungsparametern keine wesentliche Abwandlung erfordern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Universal-Strömungssensor und ein Verfahren bereitzustellen, die sowohl eine thermische Erfassung als auch eine Verschiebungs-Erfassung verwenden, um über einen ausgedehnten Bereich physikalischer Bedingungen eine Strömung zu messen.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Universal-Strömungssensor und ein Verfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, Information von einer Strömungsgeschwindigkeits-Messung, die in einer Betriebsart geringer Strömung gewonnen wird, mit Information, die in einer Betriebsart mit starker Strömung gewonnen wird, zu multiplexen.
Ein gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gebildeter Strömungssensor, der einige der bevorzugten Merkmale aufweist, enthält eine Montageplatte, eine Biegeplatte und eine Sensoranordnung. Die Montageplatte ist dazu ausgelegt, um an einer inneren Fläche einer Leitung montiert zu werden, in welcher die Strömung eines gasförmigen Mediums geleitet wird. Die Biegeplatte ist mit der Montageplatte flexibel ver bunden und wird als Reaktion auf die Strömung des Mediums in der Leitung verschoben.
Die Sensoranordnung ist an der Biegeplatte positioniert und enthält mindestens einen Sensor, der zum Erfassen von Temperaturänderungen als Reaktion auf die Strömung des Gases während einer thermischen Betriebsart ausgelegt ist. Die Sensoranordnung enthält mindestens einen Sensor, der zum Erfassen einer Verschiebung der Biegeplatte als Reaktion auf die Strömung des Gases während einer Verschiebungs-Betriebsart ausgelegt ist. Der Temperatursensor gibt ein thermisches Betriebsart-Signal aus, das für eine Änderung der Temperatur als Reaktion auf die Strömung des Gases repräsentativ ist. Der Verschiebungs-Sensor gibt ein Verschiebungs-Betriebsartsignal aus, das für eine Änderung der mechanischen Spannung als Reaktion auf eine Verschiebung der Biegeplatte aufgrund der Strömung des Gases repräsentativ ist.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Strömungssensor-System, das einige der bevorzugten Merkmale aufweist, enthält den oben beschriebenen Strömungssensor, einen Prozessor, einen Speicher und einen Rechner. Der Prozessor reagiert auf das thermische Betriebsartsignal und das Verschiebungs-Betriebsartsignal, und der Speicher ist mit dem Prozessor funktionell gekoppelt. Der Rechner ist mit dem Prozessor funktionell gekoppelt und steuert die Kalibrierung des Strömungssensors sowohl in der thermischen Betriebsart als auch in der Verschiebungs-Betriebsart.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung zu lesen ist.
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Universal-Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung zur Verwendung in dem Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
2b ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung zur Verwendung in dem Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
3a ist eine isometrische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3b ist eine isometrische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3c ist eine isometrische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungs-Systems zur Verwendung mit dem Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
5a ist eine seitliche Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zum Montieren des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
5b ist eine seitliche Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels zum Montieren des Strömungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Universal-Strömungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise eine Sensoranordnung, die geschaltet ist zwischen einem Konstanttemperatur-Anemometer oder einer thermischen Betriebsart zum Erfassen geringer Strömungswerte und einer Verschiebungs-Betriebsart zum Erfassen wesentlich höherer Strömungswerte eines gasförmigen Mediums. Der Universal-Strömungssensor kann auch verwendet werden, um die Strömung von Flüssigkeiten, Zusammensetzungen, Aufschlämmungen und dergleichen zu erfassen, wenn die Sensorelemente in geeigneter Weise geschützt sind. Die Sensoranordnung wird vorzugsweise zwischen der thermischen Betriebsart und der Verschiebungs-Betriebsart mittels eines Multiplexier-Systems geschaltet, das Messdaten in jeder der Betriebsarten sequenziell oder in einer zugewiesenen Art und Weise erfasst.
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Universal-Strömungssensors 10, der vorzugsweise innerhalb einer Leitung oder eines Luftschlauchs 12 montiert ist. Der Luftschlauch 12 leitet die Gasströmung in der Richtung eines Pfeils 14, was auch als Pfeil-Luftströmung" bezeichnet wird. Der Strömungssensor 10 enthält vorzugsweise eine Montageplatte 16 und eine Biegeplatte 18.
Die Montageplatte 16 ist vorzugsweise an einer Wand des Luftschlauchs 12 fixiert oder montiert. Die Biegeplatte 18 bildet vorzugsweise einen spitzen Winkel mit der Wand des Luftschlauchs 12 und einen stumpfen Winkel mit der Montageplatte 16. Die Montageplatte 18 ist vorzugsweise von der Strömung des Gases umgeben und kann eine spezielle Form haben, um die mechanische Verschiebung der Biegeplatte 18 als Reaktion auf diese Strömung zu verstärken.
Eine Sensoranordnung 20 ist vorzugsweise bei derjenigen Seite der Biegeplatte 18 montiert, die der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, wie dies durch den Pfeil 14 angezeigt ist. Die Sensoranordnung 20 enthält vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren. Die Sensoren sind Widerstände, die aus demselben oder einem ähnlichen Material gebildet sind und die als Dehnungsmessstreifen betrieben werden. Das heißt, dass die Widerstände eine Widerstandsänderung aufweisen, die proportional zu der Dehnung ist, die durch das Biegen der Biegeplatte 18 durch die Gasströmung verursacht wird. Einer oder mehrerer der Widerstände sorgt vorzugsweise auch für eine Temperatur-Kompensation.
Die Sensoren in der Sensoranordnung 20 sind vorzugsweise in einer vollständigen Brückenanordnung geschaltet, wodurch eine Verschiebung der Biegeplatte 18, die durch die Strömung in dem Luftschlauch 12 verursacht wird, während der Verschiebungs-Betriebsart gemessen wird. Zumindest ein Abschnitt der Sensoranordnung 20 ist auch vorzugsweise der Gasströmung ausgesetzt, um als Konstanttemperatur-Anemometer während der thermischen Betriebsart verwendet zu werden.
2a ist eine schematische Darstellung, welche die bevorzugten Verbindungen zwischen einzelnen Sensoren in der Sensoranordnung 20 zeigt. Die Sensoranordnung 20 enthält vorzugsweise vier (4) Widerstände oder Sensoren 20A, 20B, 20C und 20D, die vorzugsweise auf derjenigen Seite der Biegeplatte 18 angeordnet sind, die zu dem in 1 gezeigten Pfeil 14 weist.
Die Sensoren 20A, 20B, 20C und 20D sind vorzugsweise in einer Brückenschaltungs-Anordnung elektrisch geschaltet. Eine Stromversorgung 22 enthält einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Der erste Anschluss der Stromversorgung 22 ist vorzugsweise mit einem Knoten verbunden, der die Sensoren 20B und 20C verbindet, und der zweite Anschluss ist vorzugsweise mit einem Knoten verbunden, der die Sensoren 20A und 20D verbindet.
Die Schalter 24A und 24B, die z.B. unter Verwendung elektromechanischer Relais implementiert sein können, isolieren vorzugsweise beide Anschlüsse des Sensors 20C von der Brückenschaltung, wodurch ermöglicht wird, den Sensor 20C als Konstanttemperatur-Anemometer in der thermischen Betriebsart zu betreiben. Eine Spannung U_ML, die vorzugsweise zwischen den Anschlüssen des Sensors 20C gemessen wird, während der Sensor 20C von der Brückenschaltung durch die Schalter 24A und 24B getrennt ist, stellt eine Änderung des Widerstands in Folge der durch die Gasströmung übertragenen Wärme dar, und liefert somit ein Maß der Gasströmung in dem Luftschlauch 12 während der thermischen Betriebsart.
Eine Spannung U_MH wird vorzugsweise zwischen einem Knoten, der die Sensoren 20A und 20B verbindet, und einem Knoten, der die Sensoren 20C und 20D verbindet, gemessen. Die Spannung U_MH stellt vorzugsweise eine Änderung des Widerstands dar, die durch eine mechanische Spannung verursacht wird, welche die Sensoren 20B und 20D während der Verschiebungs-Betriebsart erfahren. Die Sensoren 20A und 20C werden vorzugsweise zur Temperatur-Kompensation in der Verschiebungs-Betriebsart verwendet.
Somit ermöglicht der Strömungssensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung die Messung einer relativ geringeren Strömungsgeschwindigkeit während der thermischen Betriebsart und einer relativ höheren Strömungsgeschwindigkeit während der Verschiebungs-Betriebsart. Wenn diese Betriebsarten multiplexviert werden sollen, werden die beiden Schalter, die den Sensor 20C von der Brückenschaltung isolieren, vorzugsweise als zwei Festkörper-Schalter implementiert, wie z.B. zwei Feldeffekt-Transistoren (FET) 26A und 26B, wie dies in 2b gezeigt ist. Die FET-Schalter 26A und 26B werden durch entsprechende Gatespannung-Signale 28A und 28B gesteuert, die vorzugsweise mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden sind, welche entweder die thermische Betriebsart oder die Verschiebungs-Betriebsart auswählt.
Die Sensoren 20B und 20D sind vorzugsweise an der Biegeplatte 18 derart angeordnet, dass die Sensoren 20B und 20D eine mechanische Spannung erfahren, die durch eine Verzerrung bzw. Verbiegung der Biegeplatte 18 als Reaktion auf die Gasströmung während der Verschiebungs-Betriebsart verursacht wird. Zusätzlich sind die beiden Sensoren 20B und 20D vorzugsweise in entgegengesetzten Zweigen der Brückenschaltung angeordnet, wie dies in 2a und 2b gezeigt ist.
Die Sensoren 20A und 20C sind vorzugsweise an der Biegeplatte derart angeordnet, dass die Sensoren 20A und 20C kein wesentliches Ausmaß an Spannung erfahren, die durch eine Verzerrung bzw. Biegung der Biegeplatte 18 als Reaktion auf die Gasströmung während der Verschiebungs-Betriebsart verursacht wird. Beide Sensoren 20A und 20C sind vorzugsweise ebenfalls in gegenüberliegenden Zweigen der vollständigen Brückenschaltung angeordnet, wie dies in 2a und 2b gezeigt ist. Die Sensoren 20A und 20C weisen vorzugsweise denselben Nennwider stand wie die Sensoren 20B und 20D auf und werden vorzugsweise zur Temperatur-Kompensation in der vollständigen Brückenschaltung verwendet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Sensor 20C mit den restlichen Widerständen in der Brückenschaltung während der thermischen Betriebsart verbunden bleiben. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Sensor 20C in der Brückenschaltung sowohl während der thermischen Betriebsart als auch der Verschiebungs-Betriebsart beibehalten. Somit werden die Schalter 24A und 24B (2a), die FET-Schalter 26A und 26B (2b) und die Gatespannung-Signale 28A und 28B (2b) in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise nicht benötigt.
Dieses alternative Ausführungsbeispiel wird bevorzugt, wenn die Kreuz-Empfindlichkeit der Verschiebungssensoren 20B und 20D bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten relativ gering ist, welche einem nominalen oder erwarteten Bereich von Messungen in der thermischen Betriebsart entsprechen. Der Begriff "Kreuz-Empfindlichkeit" wird hier definiert als die Wirkung, welche eine mechanische Spannung auf die Verschiebungs-Sensoren 20B und 20D während Messungen bei geringer Strömung in der thermischen Betriebsart hat, während der Sensor 20C mit der Brückenschaltung verbunden ist.
Eine charakteristische Kurve (Kennlinie) oder eine Nachschlagetabelle, die eine derartige Kurve darstellt, welche die Kreuz-Empfindlichkeit der Verschiebungs-Sensoren in der thermischen Betriebsart kennzeichnet, wird vorzugsweise in einen nicht-flüchtigen Speicher programmiert, wie z.B. ein elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM), falls derartige Fehler nicht vernachlässigt werden können. Diese Information kann dann verwendet werden, um Kreuz- Empfindlichkeits-Fehler zu kompensieren, wenn der Wert von U_ML während Messungen in der thermischen Betriebsart bestimmt wird.
Der MEMS-Aufbau des Sensors wird nun beschrieben. MEMS (mikro-elektro-mechanisches System) bezieht sich auf die Integration mechanischer und elektrischer Elemente auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat unter Verwendung von Mikrofabrikations-Verfahren. Die mechanischen und elektrischen Elemente können entweder die Funktion eines Sensors oder eines Aktuators haben. Die elektronischen Schaltungen werden unter Verwendung von Prozessen für integrierte Schaltungen (IC-Prozesse) hergestellt, wie z.B. CMOS-Prozesse (Complementary Metal Oxide Semiconductor) bipolare Prozesse oder BICMOS-Prozesse (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor). Die mikromechanischen Komponenten werden unter Verwendung kompatibler mechanischer Mikrobearbeitungsprozesse hergestellt, welche Abschnitte auf einer Siliziumscheibe (Wafer) selektiv wegätzen oder neue strukturelle Schichten hinzufügen, um mechanische und elektromechanische Vorrichtungen zu bilden.
Der in 1 gezeigte Strömungssensor 10 enthält die auf der Biegeplatte 18 montierte Sensoranordnung 20, die vorzugsweise entweder aus Silizium, Glas oder einem Metall, wie z.B. Covar^TM gefertigt ist. Die Biegeplatte 18 bildet vorzugsweise eine Unterlage bzw. Abstützung für eine funktionelle Schicht 21 und eine oder mehrere Isolationsschichten 23 der Sensoranordnung 20.
Wie in 2a und 2b gezeigt, enthält die funktionelle Schicht vorzugsweise Sensoren 20A, 20B, 20C und 20D. Wie in 1 gezeigt, ist die funktionelle Schicht 21 der Sensoran- Ordnung 20 vorzugsweise von der Biegeplatte 18 durch eine oder mehrere Isolationsschichten 23 isoliert, die aus Materialien gefertigt sind, die mit CMOS-Prozessen kompatibel sind, wie z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid.
Die Biegeplatte 18 besteht vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, wenn die Montageplatte 18 aus Silizium oder Glas besteht. Wenn jedoch die Montageplatte 16 aus Metall besteht, ist die Biegeplatte 18 vorzugsweise aus demselben Material wie die Montageplatte 16 gefertigt.
Es werden nun bevorzugte Prozesse zum Herstellen der Biegeplatte 18 zur Erzeugung einer frei tragenden Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die funktionellen Schichten und Isolationsschichten werden auf einer strukturierten Opferschicht aufgetragen, bei der es sich vorzugsweise entweder um Siliziumoxid oder Siliziumnitrid handelt. Auf dem Gebiet der mechanischen Oberflächen-Mikrobearbeitung, können kleine Ätzkanäle in den funktionellen und den Isolationsschichten unter Verwendung von Fotolithografie implementiert werden. Diese Kanäle ermöglichen, dass ein Ätzgas oder eine Ätzflüssigkeit die Opferschicht erreicht und die Opferschicht entfernt, während die funktionellen und Isolationsschichten beibehalten werden. Zur Relaxation der Biegeplatte 18 vor dem Biegen wird die Opferschicht vorzugsweise in einem Ätzprozess entfernt. Zum Biegen der Platte wird vorzugsweise eine vorbestimmte Spannung an die Schicht angelegt, welche die Biegeplatte aufbaut. Ein anfängliches Biegen der Biegeplatte wird vorzugsweise entweder durch Verändern eine Dotierungs-Konzentration oder durch Implementieren eines Spannungsgradienten unter Verwendung unterschiedlicher Ausheilungsprofile bzw. Glühprofile erzeugt.
Ein Konstantspannung-Gradient wird vorzugsweise in der Biegeplatte 16 unter Verwendung mindestens eines von zwei technologischen Prozessen implementiert. Bei einer ersten Vorgehensweise folgt auf eine mehrschichtige Abscheidung einer Alpha-Silizium- oder Polysilizium-Schicht eine zusätzliche Implementierung eines Spannungsgradienten durch Dotieren oder Ionen-Implantation. Die zweite Vorgehensweise beinhaltet das Abscheiden von Nickel unter Verwendung eines galvanischen Prozesses mit verschiedenen Stromdichten mit einem nachfolgenden ergänzenden Schritt der Laser-Rekristallisation.
Die Auswahl des Prozesses zur Freigabe bzw. Ablösung der Opferschicht hängt von der Auswahl des Materials der funktionellen und der Opferschichten ab. Wenn z.B. die funktionellen und die Isolationsschichten ein Alpha-Silizium, ein Polysilizium oder Nickel sind., ist die Opferschicht vorzugsweise Siliziumdioxid.
Das Ablösen oder Entfernen der Montageplatte 16 wird vorzugsweise durchgeführt, indem man die Opferschicht ätzt. Es können Trocken- oder Nass-Ätzverfahren verwendet werden.
Die Sensoren 20B und 20D sind vorzugsweise an der funktionellen Schicht 21 in einem Bereich maximaler Spannung während des Verschiebens der Biegeplatte 18 angeordnet, wie dies in 3a gezeigt ist. Die Sensoren 20B und 20D sind vorzugsweise Widerstände auf: der Grundlage einer Technologie entweder für eine polykristalline oder Platin-Dünnfilm-Schicht und werden unter Verwendung fotolithografischer Verfahren aufgetragen.
Somit werden die Sensoren 20B und 20D vorzugsweise aus demselben Material wie die Sensoren 20A und 20C gefertigt und, wie oben besprochen, sind sie vorzugsweise aktiv und werden verwendet, um eine Spannung während der Verschiebungs-Betriebsart anzuzeigen. Die Sensoren 20A und 20C befinden sich in einem Bereich der Biegeplatte 18, der eine wesentlich geringere Spannung aufgrund der Verschiebung der Biegeplatte erfährt, wie dies in 3a gezeigt ist.
Wie oben beschrieben wurde, sind die Sensoren 20A und 20C vorzugsweise passiv oder werden zur Temperatur-Kompensation während der Verschiebungs-Betriebsart verwendet. Während der thermischen Betriebsart ist der Sensor 20C jedoch vorzugsweise aktiv und wird als Heißfilmelement-Sensor verwendet. Wie oben beschrieben, ist zur Verringerung der Kreuz-Empfindlichkeit aufgrund mechanischer Spannung während der Verschiebungs-Betriebsart der Sensor 20C vorzugsweise von den verbleibenden Elementen der Brückenschaltung durch elektronische Schalter getrennt, wie z.B. die in 2a gezeigten Schalter 24A und 24B oder die in 2b gezeigten FET-Schalter 28A und 28B.
Wie in 3a gezeigt, sind die Sensoren 20B und 20D vorzugsweise in der Nähe von und senkrecht zu einer Biegeachse 30 angeordnet, welche die Biegeplatte 18 von der Montageplatte 16 trennt. Die Sensoren 20A und 20C sind vorzugsweise in einem Bereich der Montageplatte 18 angeordnet, der wesentlich geringere Spannungen erfährt, welcher von der Biegeachse 30 weiter entfernt und parallel zu dieser Achse ist.
In einem zweiten oder Halbbrücken-Ausführungsbeispiel des in 3b gezeigten Strömungssensors wird vorzugsweise nur ein Sensor 20B verwendet, um die Verzerrung bzw. Biegung der Biegeplatte 18 während der Verschiebungs-Betriebsart zu erfassen. Der Sensor 20B ist vorzugsweise in einem Bereich maxima ler Spannung angeordnet, der in der Nähe von der Biegeachse 30 ist und vorzugsweise senkrecht zu dieser Achse ist.
Der Sensor 20B ist vorzugsweise entweder aus einer polykristallinen oder einer Platin-Dünnfilmschicht gebildet und unter Verwendung fotolithografischer Verfahren aufgetragen, wie dies auch bei den verbleibenden Sensoren 20A, 20C und 20D in dem Halbbrücken-Ausführungsbeispiel der Fall ist. Die Sensoren 20A, 20C und 20D sind vorzugsweise in einem Bereich der Biegeplatte 16 angeordnet, der eine relativ geringere Spannung aufgrund der Verschiebung erfährt und der weiter weg von der Biegeachse 30 und parallel zu dieser Achse ist, wie dies in 3b gezeigt ist.
Die Sensoren 20A, 20C und 20D sind vorzugsweise passiv oder werden zur Temperatur-Kompensation während der Verschiebungs-Betriebsart verwendet. In der thermischen Betriebsart ist der Sensor 20C vorzugsweise aktiv, wie weiter oben bezüglich des Vollbrücken-Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, und die Sensoren 20A, 20B und 20D sind passiv oder werden zur Temperatur-Kompensation verwendet.
Wie in einem dritten Ausführungsbeispiel des Strömungssensors in 3c gezeigt, kann die Biegeplatte 18 ein Blatt 32 enthalten, das vorzugsweise so positioniert ist, dass es den Strömungswiderstand und somit die Wirkung der Gasströmung auf die Biegeplatte 18 erhöht. Somit erhöht das Blatt 32 vorzugsweise den Biegungsgrad der Biegeplatte 18 als Reaktion auf die Strömung.
4 zeigt eine Signalverarbeitung für den Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Knoten, der die Sensoren 20A und 20B verbindet, und der Knoten, der die Sensoren 20C und 20D verbindet, sind vorzugsweise mit dem positiven und dem negativen Anschluss des Verstärkers 34 verbunden. Somit setzt der Verstärker 34 vorzugsweise das Ausgangssignal U_MH von der in 2a und 2b gezeigten Brückenschaltung in ein konditioniertes analoges Ausgangssignal um.
Das von dem Verstärker 34 ausgegebene analoge Signal wird durch einen Verstärker 35 vorzugsweise weiter verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt zur Korrektur, Kompensation und/oder Kalibrierung seiner Parameter, wie z.B. Sensor-Offset, Verstärkung, Reparaturempfindlichkeit und Nicht-Linearität, durch Eingeben des verstärkten Signals in einen Analog/Digital-Wandler-Eingang ADC1 eines Mikrocontrollers 36, der dann den Kompensations- und/oder Korrekturalgorithmus ausführt.
Der Mikrocontroller 36 ist vorzugsweise mit einem Rechner/PC 40 mit einer bidirektionalen seriellen Schnittstelle 38 verbunden. Die serielle Schnittstelle 38 ermöglicht dem Rechner/PC 40 vorzugsweise das Steuern der Kalibrierungs-Prozedur, wovon zumindest ein Teil in dem Mikrocontroller 36 durchgeführt wird. Die Kalibrierungs-Prozedur beinhaltet vorzugsweise das Lesen der unkalibrierten Sensor- und Temperaturwerte von dem Mikrocontroller 36, das Berechnen einer Gruppe von Kalibrierungs-Koeffizienten und das Programmieren der Koeffizienten in einen nicht-flüchtigen Speicher 42, der mit dem Mikrocontroller 36 gekoppelt ist. Diese Koeffizienten stehen dann zur bei der Kompensation durch den Mikrocontroller 36 für nachfolgende Messungen zur Verfügung.
Die Signalverarbeitung für die thermische Betriebsart wird ebenfalls vorzugsweise unter Verwendung eines in 4 gezeigten Instrumentations-Verstärkers 44 bewerkstelligt. Die Anschlüsse des Sensors 20C sind vorzugsweise mit dem positiven und dem negativen Anschluss des Verstärkers 44 verbunden. Somit setzt der Verstärker 44 vorzugsweise das Ausgangssignal U_ML von der Brückenschaltung in ein konditioniertes analoges Ausgangssignal um.
Das analoge Ausgangssignal wird durch den Verstärker 45 vorzugsweise weiter verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt zur Korrektur und Kompensation seiner Parameter, durch Eingeben des analogen Signals von dem Verstärker 44 in einen zweiten Analog/Digital-Wandler-Eingang ADC2 des Mikrocontrollers 36, wie in 4 gezeigt, welcher den Kompensations- und/oder Korrektur-Algorithmus ausführt.
In der thermischen Betriebsart wird die Temperatur des Sensors 20C auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten, indem ein veränderlicher Strom durch die Rückkopplungsschleife bereitgestellt wird. Wenn die Strömung des Gases zunimmt, muss der Strom ebenfalls zunehmen, um eine konstante Temperatur aufrecht zu erhalten. Somit ist die in den Analog/Digital-Wandler-Eingang ADC2 des Mikrocontrollers 36 eingegebene Spannung für die Strömung repräsentativ. Wie in der Verschiebungs-Betriebsart ist eine digitale Korrektur und Kompensation möglich für den Sensor-Offset, die Verstärkung, die Temperatur-Empfindlichkeit und die Nicht-Linearität, indem der Mikrocontroller 36 in Übereinstimmung mit Kalibrierungs-Koeffizienten arbeitet, die in dem Speicher 42 unter der Steuerung des Rechners/PCs 40 über die bidirektionale serielle Schnittstelle 38 gespeichert wurden.
Wie man in 4 sieht, sind die Sensoren 20A, 20B, 20C und 20D sowie die Verbindungen zwischen diesen Sensoren vorzugsweise an der in 1 gezeigten Biegeplatte 18 angeordnet.
Jegliche zusätzlichen Komponenten, wie z.B. die Schalter 24A, 24B, 26A, 26B (ebenfalls in 2a und 2b gezeigt); die Verstärker 34, 35, 44, 45; der Mikrocontroller 36, der Speicher 42 und die Stromversorgung 22, sind vorzugsweise nicht an der Biegeplatte 18 angeordnet und wären bevorzugter außerhalb von der Leitung 12 angeordnet, um nicht den physikalischen Bedingungen, wie z.B. der Luftströmung innerhalb der Leitung 12 zu unterliegen. Die Positionierung all der oben identifizierten Komponenten innerhalb der Leitung 12 an der Biegeplatte 18 und/oder an der Montageplatte 16 wird als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
Elektrische Verbindungen zwischen den Komponenten, die an der Biegeplatte 18 angeordnet sind, und denjenigen, die außerhalb von der Biegeplatte 18 angeordnet sind, werden vorzugsweise durch Verbindung mit elektrischen Kontakten 46 bereitgestellt, die in 3c gezeigt sind. Wenn, wie man in 2a sieht, die Schalter nicht an der Biegeplatte 18 angeordnet sind, ist einer der in 3c gezeigten Kontakte 46 vorzugsweise mit jedem der Knoten elektrisch gekoppelt, welche die Sensoren 20A, 20B, 20C, 20D; die Anschlüsse des Sensors 20C; und die Spulen bzw. Wicklungen der Schalter 24A, 24B verbinden, was im Ergebnis insgesamt zu sechs (6) Kontakten führt. Wenn, wie in 2b gezeigt, die Schalter wiederum nicht an der Biegeplatte 18 angeordnet sind, ist auf ähnliche Weise einer der in 4 gezeigten Kontakte 46 vorzugsweise mit jedem der Knoten elektrisch gekoppelt, welche die Sensoren 20A, 20B, 20C, 20D; die Anschlüsse des Sensors 20C; und die Gate-Anschlüsse der FET-Schalter 26A, 26B verbinden, was ebenfalls zu insgesamt acht (8) Kontakten führt.
Wenn jedoch, wie in 2a gezeigt, die Schalter an der Biegeplatte 18 angeordnet sind, ist einer der in 2c gezeig ten Kontakte 46 vorzugsweise mit jedem der Knoten elektrisch gekoppelt, welche die Sensoren 20A, 20B, 20C, 20D und die Anschlüsse des Sensors 20C verbinden, was zu insgesamt nur sechs (6) Kontakten führt. Wenn wiederum, wie in 2c gezeigt, die Schalter an der Biegeplatte 18 angeordnet sind, ist auf ähnliche Weise einer der in 4 gezeigten Kontakte 46 vorzugsweise mit jedem der Knoten elektrisch gekoppelt, welche die Sensoren 20A, 20B, 20C, 20D und die Anschlüsse des Sensors 20C verbinden, was ebenfalls zu insgesamt nur sechs (6) Kontakten führt.
Wie in 5a gezeigt, kann der Strömungssensor in ein Inline-Modul eingebaut werden, an welchem Segmente der Leitung 12 angebracht sind. Zusätzliche Komponenten und die Verdrahtung dieser Komponenten werden dann vorzugsweise innerhalb und/oder außerhalb des Moduls angeordnet. Alternativ kann der Strömungssensor durch jegliches bekanntes Mittel an einer inneren Fläche der Leitung montiert werden, wie dies in 5b gezeigt ist. Die Verbindung zwischen Komponenten des Strömungssensors und Komponenten außerhalb der Leitung 12 würden vorzugsweise unter Verwendung von Drähten 50 hergestellt, die sich von Kontakten 46 an dem Strömungssensor durch eine abgedichtete Öffnung 52 in der Leitung zu Komponenten hin erstrecken, die außerhalb der Leitung 12 angeordnet sind.
Deshalb sind der Universal-Strömungssensor und das System gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein anwendbar und verwenden sowohl eine thermische Erfassung als auch eine Verschiebungs-Erfassung, um eine Strömung über einen ausgedehnten Bereich von Messparametern hinweg zu messen, ohne wesentlichen Abwandlungen zu erfordern. Der Strömungssensor und das System sind auch in der Lage, Strömungsgeschwindigkeits-Messinformation zu multiplexieren, die in einer Betriebsart mit geringer Strömungsgeschwindigkeit oder einer thermischen Betriebsart und einer Betriebsart gemäß hoher Strömungsgeschwindigkeit oder einer Verschiebungs-Betriebsart gewonnen wird.
Es wurden zwar veranschaulichende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in diesem Text anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, doch ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf genau diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass verschiedene andere Änderungen und Abwandlungen an ihr durch einen Fachmann ausgeführt werden können, ohne den in den Ansprüchen definierten Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Strömungssensor, welcher aufweist: eine Montageplatte (16), die zur Montage an einer inneren Fläche einer Leitung (12) ausgelegt ist, wobei die Leitung (12) die Strömung (14) eines Mediums durch sie hindurchleitet; eine Biegeplatte (18), die mit der Montageplatte (16) flexibel verbunden ist, wobei die Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums durch die Leitung (12) verschoben wird; und eine Sensoranordnung (20), die an der Biegeplatte (18) positioniert ist, wobei die Sensoranordnung (20) mindestens einen Sensor (20C) enthält, der zum Erfassen einer thermischen Änderung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums während einer thermischen Betriebsart ausgelegt ist, wobei die Sensoranordnung (20) mindestens einen Sensor (20B, 20D) enthält, der zum Erfassen einer Änderung der Verschiebung der Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums während einer Verschiebungs-Betriebsart ausgelegt ist, der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, sich in einem Bereich der Biegeplattform (18) befindet, der für mechanische Spannung aufgrund einer Verschiebung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums empfindlich ist, wobei der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, ein thermisches Betriebsartsignal ausgibt, das für die thermische Änderung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums repräsentativ ist, wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, ein Verschiebungs-Betriebsartsignal ausgibt, das für die Veränderung der Verschiebung der Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums repräsentativ ist, wodurch sowohl ein Zustand geringer Strömung als auch ein Zustand starker Strömung unter Verwendung des Strömungssensors gemessen werden kann.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zumindest ein Gas, eine Flüssigkeit, eine Zusammensetzung oder eine Aufschlämmung enthält.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) in einem spitzen Winkel zur inneren Fläche der Leitung (12) positioniert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) in einem stumpfen Winkel zur Montageplatte (16) positioniert ist, wenn sie nicht wesentlich verschoben ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem ein Blatt aufweist, das an der Biegeplatte (18) derart positioniert ist, dass es die Verschiebung der Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums erhöht.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, auf einer Fläche der Biegeplatte (18) positioniert sind, die zur Strömung (14) des Mediums weist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, Widerstände enthalten, die in einer Brückenanordnung elektrisch geschaltet sind.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, Widerstände enthalten, die unter Verwendung von Fotolithographie auf einer polykristallinen Dünnfilmschicht oder einer Platinschicht gefertigt sind.
Strömungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, während der thermischen Betriebsart von der Brückenanordnung im wesentlichen isoliert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (20c), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, während der thermischen Betriebsart von der Brückenanordnung mittels elektromechanischer Schalter oder Feldeffekttransistor-Schalter (FET-Schalter) im wesentlichen isoliert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenanordnung mindestens einen Widerstand enthält, der zur Temperaturkompensation ausgelegt ist.
Strömungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, mindestens zwei Widerstände in entgegengesetzten Zweigen der Brückenanordnung enthält.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) von der Montageplatte (16) durch eine Biegeachse getrennt ist, wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, in der Nähe zur Biegeachse angeordnet ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) von der Montageplatte (16) durch eine Biegeachse getrennt ist, wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, im wesentlichen senkrecht zu der Biegeachse positioniert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) von der Montageplatte (16) durch eine Biegeachse getrennt ist, wobei der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, im wesentlichen parallel zu der Biegeachse positioniert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem eine funktionelle Schicht aufweist, welche den mindestens einen Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und den mindestens einen Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, enthält, wobei die funktionelle Schicht an der Biegeplatte (18) positioniert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Isolationsschicht aufweist, die zwischen der funktionellen Schicht und der Biegeplatte (18) positioniert ist.
Strömungssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeplatte (18) polykristallines Silizium enthält und die Montageplatte (16) mindestens Silizium oder Glas enthält.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageplatte (16) und die Biegeplatte (18) aus Metall sind.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, zumindest an der Montageplatte (16) oder der Biegeplatte (18) angeordnet sind.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem mindestens einen elektrischen Kontakt aufweist, der zumindest an der Montageplatte (16) oder der Biegeplatte (18) angeordnet ist, wobei der mindestens eine elektrische Kontakt zumindest mit dem mindestens einen Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, oder dem mindestens einen Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, elektrisch verbunden ist.
Strömungssensor nach Anspruch 1, der Teil eines Strömungssensor-Systems ist, welches aufweist: einen Prozessor (36), der auf das thermische Betriebsartsignal und das Verschiebungs-Betriebsartsignal anspricht; und einen Speicher, der mit dem Prozessor (36) funktionell gekoppelt ist.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher dazu ausgelegt ist, um zumindest einen Kalibrierungskoeffizienten zu speichern, der dazu verwendet wird, um zumindest das thermische Betriebsartsignal oder das Verschiebungs-Betriebsartsignal einzustellen.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssensor-System außerdem einen Rechner (40) aufweist, der mit dem Prozessor (36) funktionell gekoppelt ist, wobei der Rechner die Kalibrierung des thermischen Betriebsartsignals und/oder des Verschiebungs-Betriebsartsignals steuert.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssensor-System außerdem einen Rechner aufweist, der mit dem Prozessor (36) funktionell gekoppelt ist, wobei der Rechner den mindestens einen Kalibrierungskoeffizienten berechnet.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (36) zumindest einen Mikroprozessor (36), einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine feldprogrammierbare Toranordnung (FPGA) oder eine Logikanordnung mit programmierbarer Matrix (PAL) enthält.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssensor-System außerdem mindestens einen Verstärker aufweist, der das thermische Betriebsart-Signal mit dem Prozessor (36) funktionell koppelt.
Strömungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssensor-System mindestens einen Verstärker aufweist, der das Verschiebungs-Betriebsartsignal mit dem Prozessor (36) funktionell koppelt.
Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, an einer Oberfläche der Biegeplatte (18) positioniert sind, die zur Strömung des Mediums weist, wobei der mindestens eine Sensor, der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, und der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, Widerstände enthalten, die in einer Brückenanordnung elektrisch geschaltet sind, wobei der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, von der Brückenanordnung während der thermischen Betriebsart im wesentlichen isoliert ist, und wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, in einem Bereich der Biegeplatte (18) angeordnet ist, der für eine mechanische Spannung aufgrund einer Verschiebung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums empfindlich ist.
Verfahren zum Erfassen einer Strömung unter – Verwendung eines Gasströmungssensors, welcher aufweist: eine Montageplatte (16), die dazu ausgelegt ist, um an ei ner inneren Fläche einer Leitung (12) montiert zu werden, wobei die Leitung (12) eine Strömung (14) eines Mediums durch sie hindurchleitet; eine Biegeplatte (18), die mit der Montageplatte (16) flexibel verbunden ist, wobei die Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums durch die Leitung (12) hindurch verschoben wird; und eine Sensoranordnung (20), die an der Biegeplatte (18) positioniert ist, wobei die Sensoranordnung (20) mindestens einen Sensor (20C) enthält, der zum Erfassen einer thermischen Änderung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums während einer thermischen Betriebsart ausgelegt ist, und wobei die Sensoranordnung (20) mindestens einen Sensor (20B, 20D) enthält, der zum Erfassen einer Änderung der Verschiebung der Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums während einer Verschiebungs-Betriebsart ausgelegt ist, wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, sich in einem Bereich der Biegeplattform (18) befindet, der für mechanische Spannung aufgrund einer Verschiebung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums empfindlich ist, wobei der mindestens eine Sensor (20C), der zum Erfassen der thermischen Änderung ausgelegt ist, ein thermisches Betriebsartsignal ausgibt, das für die thermische Änderung als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums repräsentativ ist, wobei der mindestens eine Sensor (20B, 20D), der zum Erfassen der Änderung der Verschiebung ausgelegt ist, ein Verschiebungs-Betriebsartsignal ausgibt, das für die Änderung der Verschiebung der Biegeplatte (18) als Reaktion auf die Strömung (14) des Mediums repräsentativ ist, wodurch sowohl ein Zustand geringer Strömung als auch ein Zustand starker Strömung unter Verwendung des Strömungssensors gemessen werden kann; und – Zuführung des thermischen Betriebsartsignals sowie des Verschiebungs-Betriebsartsignals zu einem Prozessor (36), um die Strömung zu berechnen.