DE3208096C2

DE3208096C2 -

Info

Publication number: DE3208096C2
Application number: DE3208096A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Dr. 7016 Gerlingen De Gruner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-03-06
Filing date: 1982-03-06
Publication date: 1987-09-24
Also published as: JPS58162823A; US4498337A; DE3208096A1; FR2522811B1; FR2522811A1

Description

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 beschrie ben, bei der ein strömendes Medium an zwei als dünne Widerstands schichten ausgebildeten temperaturabhängigen Widerstände vorbei strömt, von denen einer als Meßwiderstand und der zweite als Heiz widerstand 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 eine in einem Rahmen eingespannte Kunststoffolie. Im Bereich der Wi derstände hat der Rahmen Aussparungen, so daß in diesem Bereich al lein die Folie als Träger wirksam ist. Eine derartige Anordnung hat insgesamt eine hohe Wärmekapazität, da auch der Rahmen in die Wärme bilanz einbezogen ist. Die Meßsonde folgt Temperaturänderungen zu nächst sehr rasch, danach macht sich jedoch der Temperaturunter schied zum Rahmen bemerkbar und die Temperaturänderung verläuft da her anschließend an die erste schnelle Anpassung verhältnismäßig langsam.

Aus der DE-OS 20 48 489 ist ein Temperaturflächenfühler bekannt, welcher in einem Ausführungsbeispiel aus zwei mit Isolationsschich ten versehenen metallischen Folien, vorzugsweise Platinfolien auf gebaut ist, zwischen denen ein Meßdrähtchen aus Platin angeordnet ist. Eine Dünnschicht-Widerstandsanordnung ist nicht vorgesehen.

Aus der älteren Patentanmeldung P 3 11 345.8 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 Cu-Be-Federplatte besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde zu schaffen, mit der gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität und eine ge ringe Verzögerung des Temperaturganges beim Meßvorgang erreicht wer den kann.

Metalle besitzen eine gute Wärmeleitfähigkeit und die Fläche des Trägers kann praktisch vollständig zum Aufbau der Widerstandsanord nung genutzt werden, so daß kein ungenutzter Materialüberschuß ent steht. 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 interessie renden Art entstehen.

Durch die aufgeführten Maßnahmen wurde in fertigungstechnischer Hin sicht und im Hinblick auf den Gesamtaufbau der Meßsonde eine beson ders vorteilhafte Gestaltung geschaffen. Temperaturabhängige Wider stände können auf dem Träger sehr wirksam thermisch gegeneinander entkoppelt werden durch einen Schlitz in der Metallfolie, welcher eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung praktisch vollständig aus schließt.

Eine gemeinsame Anordnung von temperaturabhängigen und tempe raturunabhängigen Widerständen auf dem Träger wird dann besonders zweckmäßig, wenn die verschiedenen Wider standsanordnungen aus gleichen Materialien aufgebaut sind, bzw. gleiche Schichtmaterialien besitzen. Eine derartige Anordnung kann vorteilhafterweise so aufge baut sein, daß die temperaturabhängigen Widerstände aus einem Zweischichtsystem aus einer Tantalschicht und einer darüberliegenden Nickelschicht bestehen, während die temperaturunabhängigen Widerstände nur ein Schicht system aus Tantal aufweisen. Bei dieser Anordnung las sen 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 Ver ringerung 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 gleich mäßige, im wesentlichen laminare Strömung besonders vorteilhaft auswirkt. Derartige Strömungsverhältnisse 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.

Aufgrund seiner Materialeigenschaften sind schon sehr dünne, z. B. 50 µm dicke Titanfolien mechanisch sehr stabil. Die Dichte von Titan beträgt nur 4,5 kg/dm³, die mittlere spezifische Wärmekapazität liegt bei 0,47 kJ/(kg · K). Damit nimmt für Titan das für die Wärmekapazität einer Sonde in vorgege bener Form entscheidende Produkt aus Dichte und spezi fischer Wärmekapazität einen niedrigen Wert an.

Durch die Ausführungsformen der Meßsonden ist sicherge stellt, daß die vier aufeinander abgeglichenen Brücken widerstände auch mechanisch gekoppelt sind und nicht ver tauscht werden können.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die elektrische Schaltung der Meßsonde,

Fig. 2 einen Teil schnitt durch eine Meßsonde mit einem temperaturabhän gigen und einem temperaturunabhängigen Widerstand,

Fig. 3 eine zweiseitig eingespannte Meßsonde,

Fig. 4 eine einseitig eingespannte Meßsonde,

Fig. 5 die Her stellung einer U-förmigen Meßsonde und

Fig. 6 die Ein fügung einer Meßsonde gemäß Fig. 5 bei zweiseitiger Einspannung (a) und bei einseitiger Einspannung (b).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 sind mit 10 bis 13 die elektrischen Anschlüsse einer Widerstandsmeßbrücke bezeichnet, welche eine Meß sonde zur Bestimmung der Masse und/oder der Temperatur eines strömenden Mediums bildet. Die Brücke enthält tem peraturabhängige Widerstände R 1 und R 2 sowie temperatur unabhängige Widerstände R 3 und R 4. Die Anschlüsse 12 und 13 zwischen je einem temperaturabhängigen und einem tem peraturunabhängigen Widerstand werden zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums vorzugsweise über einen Verstärker einem Regler zugeführt, welcher über die An schlüsse 10 und 11 den Heizstrom der Widerstandsanordnung regelt. Zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums wird hierbei der temperaturunabhängige Widerstand nach geheizt, wenn aufgrund einer Strömungszunahme die Ab kühlung des Widerstandes R 1 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 temperaturab hängigen Widerstände R 1 oder R 2 allein verwendet werden. Die beschriebene Anordnung bietet neben der Verwendung als Meßbrücke also auch die Möglichkeit der Verwendung eines einzelnen Meßwiderstandes zur schnellen Temperaturbestim mung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Meßsonde mit den temperaturabhängigen Widerständen R 1 und R 2 und den tem peraturunabhängigen Widerständen R 3 , R 4. Mit 14 ist der Träger der Meßsonde bezeichnet, welcher aus einer Metall folie, insbesondere aus einer Titanfolie besteht. Der Träger hat eine Dicke zwischen 25 µm und 125 µm je nach mechanischer Beanspruchung und Anforderungen an die Reaktionszeit der Meßsonde. In der Regel besitzt er eine Dicke von ca. 100 µm, welche bei hohe mechanischer Fe stigkeit dennoch sehr gute thermische Eigenschaften auf weist. Auf dem Träger 14 sitzt ein Überzug aus einer elektrisch isolierenden Schicht 15, welche vorzugsweise aus einer Glasschicht besteht. Auf diese Isolations schicht 15 ist in Dünnschichttechnik die Widerstands anordnung mit den Widerständen R 1 bis R 4 aufgebracht, wobei mit 16 eine Tantalstruktur und mit 17 eine Nickel struktur bezeichnet ist. Die Tantalstruktur 16 bildet temperaturunabhängige Widerstände R 3 und R 4, die Doppel schicht aus Tantal und Nickel bildet die temperatur abhängigen Widerstände R 1 und R 2. Über den Widerständen und der Isolationsschicht liegt noch eine Schutzschicht 18, welche beispielsweise eine hydrophobe Glimmpolymeri satschicht sein kann. Die gezeichneten Dickenverhältnisse stimmen nicht mit der Wirklichkeit überein sondern sind aus zeichnerischen Gründen verändert. Der Träger 14 hat eine Dicke in der Größenordnung von 50 bis 100 µm, die Isolationsschicht eine Dicke von ca. 10 µm, die Dicke der Ta-Widerstandsschicht beträgt etwa 0,05 µm, die der TaNi- Schicht etwa 0,25 µm und die Schutzschicht 18 wiederum hat eine Dicke in der Größenordnung von 5 mµ.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Meßsonde zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, deren Widerstände R 1 bis R 4 in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeordnet und geschaltet sind. Die Widerstände R 1 bis R 4 sind schematisch dargestellt, in Wirklichkeit bedecken sie praktisch die gesamte Oberfläche des Trägers 14. Die elektrischen Anschlüsse der Meßbrücke sind entsprechend Fig. 1 mit 10 bis 13 bezeichnet und werden entsprechend verschaltet. Der Träger 14 ist zweiseitig in Gehäuseteilen 19 und 20 gehalten, welche ihrerseits wiederum an einem Bauteil 21 sitzen. An den Einspannenden des Trägers 14 sind, den ein zelnen Widerständen R 1 bis R 4 zugeordnet, vier Ausspa rungen 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 Wider stände R 1 und R 3 gegen die Widerstände R 2 und R 4 erfolgt durch einen Schlitz 26 im Träger 14, welcher die gegen seitige thermische Beeinflussung zwischen den zwei Brüc kenzweigen praktisch ausschließt. Der Träger 14 ist durch den Schlitz 26 in zwei Bereiche unterteilt, welche beide dem strömenden Medium ausgesetzt sind, dessen Masse be stimmt werden soll. Durch die thermische Entkopplung mittels des Schlitzes 26 kann die Temperatur des Wider standes R 1 und damit sein Widerstandswert entsprechend der Abkühlung durch das strömende Medium nachgeregelt werden, ohne daß der ebenfalls temperaturabhängige Vergleichswiderstand R 2 durch die Aufheizung beeinflußt wird. Der Träger 14 ist also der Länge nach in einen Heizzweig H und in einen Meßzweig M unterteilt, was am oberen Ende des Trägers durch die Buchstaben H und M angedeutet ist.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 entspricht weitestgehend derjenigen gemäß Fig. 3, weswegen keine Einzelheiten eingezeichnet sind. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied der Anordnung gemäß Fig. 4 von derjenigen gemäß Fig. 3 besteht darin, daß der Träger 14 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 Me dium ist ebenso wie in Fig. 3 schematisch durch den Pfeil 28 angedeutet.

Auch in den Fig. 5 und 6 sind gleiche Teile mit glei chen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet. Der Träger 14 gemäß Fig. 5 ist entlang der Kanten 29 und 30 rechtwinklig abgebogen, wobei die Hälf ten des Trägers 14 entsprechend den Pfeilen 31 und 32 umgebogen werden. Die Widerstände R 1 bis R 4 sollen auf der Rückseite des Trägers 14 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 Fig. 6a mit zweiseitiger Halterung oder nach Fig. 6b mit einseitiger Halterung eine lami nare Strömung und damit günstige, reproduzierbare Meß verhältnisse.

Claims

1. Meßsonde zur Bestimmung der Masse und/oder Temperatur eines strömen den Mediums, mit einer Trägerfolie für eine temperaturabhängige Dünnschicht-Widerstandsanordnung, welche zwei von dem strömenden Me dium umspülte temperaturabhängige Widerstandsanordnungen aufweist, von denen eine durch einen elektrischen Strom aufheizbar ist, wobei die temperaturabhängigen Widerstände thermisch gegeneinander entkop pelte Teile einer Widerstandsmeßbrücke sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (14) aus Metall besteht und einen Überzug aus einer elektrisch isolierenden Schicht (15) besitzt, auf welche die Widerstandsanordnung (R 1 bis R 4) aufgebracht ist, und daß zur ther mischen Entkopplung der temperaturabhängigen Widerstände die Träger folie durch Aussparungen (26, 27) unterteilt ist, welche die Träger folie (14) durchbrechen.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägers (14) im wesentlichen ganz flächig mit der Widerstandsanordnung (R 1 bis R 4) belegt ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Entkopplung ein Schlitz (26, 27) in dem Träger (14) zwischen den temperaturabhängigen Widerständen (R 1 bis R 4) eingebracht ist.

4. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (14) temperaturab hängige (R 1, R 2) und temperaturunabhängige (R 3, R 4) Wider stände angeordnet sind.

5. Meßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände (R 1, R 2) aus einem Zweischichtsystem aus einer Tantalschicht (Ta) und einer darüberliegenden Nickelschicht (Ni) bestehen, während die temperaturunabhängigen Widerstände (R 3, R 4) nur ein Schicht system aus Tantal (Ta) aufweisen.

6. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung des Trägers (14) zwi schen den temperaturabhängigen (R 1, R 2) und den tempe raturunabhängigen (R 3, R 4) Widerständen jeweils eines Brückenzweiges aus einem durchgehenden Schlitz (26, 27) besteht.

7. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14) im Bereich der Gehäuseanlage (19, 20; 21) wenigstens eine weitere Ausspa rung (22 bis 25) besitzt.

8. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14) einseitig am Gehäuse (21) gehalten ist.

9. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14) U-förmig gebogen und die Widerstandsanordnung (R 1 bis R 4) auf dessen Innenwand angeordnet und dem strömenden Medium (28) ausgesetzt ist.

10. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie des Trägers (14) eine Dicke von 25 bis 125 µm besitzt.

11. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie des Trägers (14) aus Titan besteht.

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

13. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht-Widerstands anordnung (R 1 bis R 4) durch eine Schutzschicht (18) ab gedeckt ist.