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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strömungssensor zum Messen einer
Fluiddurchflussrate. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf den Aufbau eines Strömungsdurchgangs
des Strömungssensors.
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Es
wurde bereits ein Strömungssensor (Durchflussmesser)
vorgeschlagen, der einen Durchflussdurchgang aufweist, durch welchen
ein Fluid hindurchtreten kann, wobei ein Sensor angebracht ist,
der dem Durchflussdurchgang zugewandt ist, um die Strömungsrate
des Fluides, bspw. Luft oder Stickstoff, zu messen.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2005-315788 A beschreibt
einen Strömungssensor mit
einem Durchflussdurchgang, der dadurch gebildet wird, dass eine
Nut mit einem offenen oberen Bereich durch ein Deckelelement verschlossen
wird. Ein Sensor ist so angebracht, dass er dem Durchflussdurchgang
zugewandt ist. Eines von zwei Gittern (Gitterelementen) ist an dem
Einlassbereich (stromaufwärts)
und an dem Auslassbereich (stromabwärts) des Durchflussdurchgangs
vorgesehen. Bei dem Strömungssensor
wird die Messgenauigkeit dadurch verbessert, dass die Durchflussrate
des Fluides, das durch den Durchflussdurchgang fließt, mit Hilfe
der Gitter angepasst wird.
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Bei
dem wie oben aufgebauten Strömungssensor
ist es jedoch notwendig, eine Mehrzahl von Gittern anzubringen,
um die Messgenauigkeit der durch den Sensor gemessenen Strömungsrate
zu erreichen. Außerdem
treten in der Strömung
des Fluides aufgrund von Kollisionen gegen das Gitter an der stromabwärtsseitigen
Seite, das unmittelbar nach dem anderen Gitter angeordnet ist, Turbulenzen
auf. Daher ist es notwendig, zwischen dem Gitter und dem Sensor einen
festgelegten Abstand (Länge)
vorzusehen, damit sich die Turbulenz des Fluides ausgleicht. Dies
führt dazu,
dass der Durchflussdurchgang verlängert wird. Als Folge hiervon
wird der Aufbau des Strömungssenors
insgesamt relativ groß. Auch
wenn Staub, Schmutz oder dgl. an dem Gitter anhaftet ist es außerdem unmöglich, das
Gitter einfach auszutauschen. Wenn das Gitter ausgetauscht wird,
ist es notwendig, die Einstellungen erneut vorzunehmen, da die Messgenauigkeit
des Strömungssensors
schwankt.
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Andererseits
beschreiben die japanische Patentoffenlegungsschriften
JP 2004-3887 A und
JP 2004-3883 A jeweils Strömungssensoren,
die anders als der oben beschriebene Aufbau keine Gitter verwenden,
um die Größe des Aufbaus
zu verringern. Bei einem solchen Strömungssensor ist der Durchflussdurchgangsbereich,
in dem der Sensor positioniert ist, so aufgebaut, dass er im Wesentlichen
senkrecht zu dem stromaufwärts
hiervon vorgesehenen Durchflussdurchgangsbereich angeordnet ist.
Außerdem
ist eine kreisbogenförmige
Fläche,
die in dem Durchflussdurchgang vorsteht, an wenigstens einem Teil
einer Wand, die den Durchflussdurchgangsbereich, an dem der Sensor
positioniert ist, definiert, ausgebildet. Dadurch kann die Strömungsrate
des Fluides eingestellt werden, ohne Gitter in dem Durchflussdurchgang
vorzusehen.
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Der
wie oben beschrieben aufgebaute Strömungssensor hat einen solchen
Aufbau, dass Fremdstoffe, wie Staub, Schmutz oder dgl., durch die Wandfläche des
Durchflussdurchgangs entfernt werden, der wie oben beschrieben im
Wesentlichen senkrecht aufgebaut ist. Es ist jedoch bspw. schwierig,
Fremdstoffe zu entfernen, wenn die Strömungsrate des Fluides groß ist. Wenn
die kreisbogenförmige
Fläche
in einem Bereich des Durchflussdurchgangs ausgebildet ist, an dem
der Sensor positioniert ist, und wenn Fluid mit einer großen Strömungsrate plötzlich in
diesen Bereich einströmt,
wird das Fluid außerdem
durch die kreisbogenförmige
Fläche
nach oben angehoben und stößt an den
Sensor an, wodurch eine Kollision bewirkt wird.
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In
Abhängigkeit
von den Eintrittsbedingungen besteht daher die Befürchtung,
dass der Sensor beschädigt
werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschädigung eines
Sensors, der so angeordnet ist, dass er einem Durchflussdurchgang
zugewandt ist, und der die Strömungsrate
eines Fluides, welches durch den Strömungsdurchgang fließt, als
Messgegenstand erfasst, vermieden wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Strömungssensors,
der möglichst
klein gestaltet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Strömungssensor
einen Grundkörper
mit einem Durchflussdurchgang, der wenigstens durch eine obere Wand
und eine Bodenwand gebildet wird, wobei ein zu messendes Fluid durch den
Durchflussdurchgang fließt.
Ein Sensor ist entlang der oberen Wand, die den Strömungsdurchgang bildet,
so angeordnet, dass er dem Durchflussdurchgang zugewandt ist, wobei
der Durchflussdurchgang eine dem Sensor gegenüber liegende Drosselfläche aufweist
und eine erste geneigte Fläche,
die kontinuierlich stromaufwärts
der Drosselfläche
ausgebildet ist. Die erste geneigte Fläche ist so angeordnet, dass der
Durchflussdurchgang, der zwischen der oberen Wand und der ersten
geneigten Fläche
gebildet ist, sich stromaufwärts öffnet, wobei
die erste geneigte Fläche
außerdem
einen solchen Winkel aufweist, dass eine Verlängerungslinie der ersten geneigten Fläche, die
stromabwärts
gerichtet ist, durch eine Position hindurch tritt, die gegenüber einem
Erfassungsabschnitt, der an einer Erfassungsfläche des Sensors vorgesehen
ist, zu der stromaufwärtsseitigen
Seite versetzt ist.
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Bei
dem oben beschriebenen Aufbau wird der Durchflussdurchgangsbereich,
der zwischen der oberen Wand und der Drosselfläche angeordnet ist, im Vergleich
zu dem Durchflussdurchgangsbereich, der an der stromaufwärtsseitigen
Seite angeordnet ist, gedrosselt. Dadurch ist es möglich, die
Strömung des
zu messenden Fluides, welches durch den Durchflussdurchgang fließt, einzustellen,
wodurch die Messgenauigkeit des Sensors verbessert wird. Das zu
messende Fluid, das in den Durchflussdurchgang einfließt, strömt entlang
der ersten geneigten Fläche
und tritt dann in Kontakt mit der oberen Wand an der stromaufwärtsseitigen
Seite an einer Position, die zu dem Erfassungsabschnitt des Sensors
versetzt ist. Anschließend
strömt
das Fluid entlang der Drosselfläche
zu der Auslassseite. Auch wenn das zu messende Fluid bspw. plötzlich mit
einer großen Strömungsrate
fließt,
wird dementsprechend eine Kollision des zu messenden Fluides mit
dem Sensorerfassungsabschnitt vermieden. Dadurch ist es möglich, eine
Beschädigung
oder Zerstörung
des Sensors zu vermeiden.
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Der
Strömungssensor
kann außerdem
eine zweite geneigte Fläche
aufweisen, die kontinuierlich stromabwärts der Drosselfläche ausgebildet
ist. Die zweite geneigte Fläche
ist so vorgesehen, dass ein Durchflussdurchgang, der zwischen der
oberen Wand und der zweiten geneigten Fläche ausgebildet ist, sich zur
stromabwärtsseitigen
Seite erweitert, wobei die zweite geneigte Fläche einen solchen Winkel aufweist,
dass eine Verlängerungslinie
der zweiten geneigten Fläche
durch eine Position durchtritt, die im Vergleich zu dem Erfassungsabschnitt
an der Erfassungsfläche
des Sensors zur stromabwärtsseitigen
Seite versetzt ist. Dadurch kann die Strömungsrichtung des Strömungssensors
ein fach umgekehrt werden. Daher kann der Freiheitsgrad beim Installieren
des Strömungssensors
gemäß der vorliegenden Erfindung
wesentlich erhöht
werden.
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Der
Winkel, der durch die erste geneigte Fläche und die Bodenwand, die
an der stromaufwärtsseitigen
Seite der ersten geneigten Fläche
weiterläuft,
gebildet wird, und/oder der Winkel, der durch die zweite geneigte
Fläche
und die Bodenwand, die an der stromabwärtsseitigen Seite der zweiten
geneigten Fläche
weiterläuft,
gebildet wird, ist vorzugsweise nicht größer als 150°. Dadurch können die Einstellungen zuverlässiger vorgenommen
werden, so dass die Verlängerungslinie
der ersten geneigten Fläche
und der zweiten geneigten Fläche
durch eine Position hindurch treten, die im Vergleich zu dem Erfassungsabschnitt
des Sensors weiter nach außen versetzt
ist. Daher ist es möglich,
Situationen, in welchen das zu messende Fluid direkt mit dem Erfassungsabschnitt
des Sensors kollidiert, nachdem das zu messende Fluid entlang der
ersten geneigten Fläche
geströmt
ist, zuverlässig
zu vermeiden. Dadurch kann eine Beschädigung oder Zerstörung des
Sensors vermieden werden.
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Eine
Länge der
Drosselfläche
in Strömungsrichtung
des zu messenden Fluides ist größer als eine
Länge des
Sensors in der Strömungsrichtung. Dadurch
strömt
das zu messende Fluid, dessen Durchflusseinstellung an dem Drosselflächenbereich zuverlässig durchgeführt wurde,
erfolgreich entlang der Erfassungsfläche des Sensors, so dass die Messgenauigkeit
verbessert werden kann.
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An
der Einlassseite und/oder der Auslassseite des Strömungsdurchgangs
kann ein Gitterelement vorgesehen werden. Durch das Gitterelement
kann die Strömungseinstellung
des zu messenden Fluides noch zuverlässiger durchgeführt werden.
Dadurch ist es möglich,
bspw. Staub, Schmutz oder dgl., der in dem zu messenden Fluid enthalten
ist, zu entfernen.
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Das
Gitterelement wird mit Hilfe einer Befestigungsschraube angebracht,
wodurch das zu messende Fluid durch das Gitterelement fließen kann. Dadurch
kann das Gitterelement einfach ausgetauscht werden, indem es mit
Hilfe der Befestigungsschraube angebracht bzw. gelöst wird.
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Außerdem kann
die Zahl an Gitterelementen, die bspw. in dem Einlassbereich des
Durchflussdurchgangs angebracht werden müssen, aufgrund der Strömungseinstellung,
die durch die Drosselfläche
und die erste geneigte Fläche
bewirkt wird, minimiert werden. Dadurch wird der Aufbau des Strömungssensors
vereinfacht, was eine weitere Miniaturisierung des Strömungssensors
erlaubt.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen Strömungssensor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung, die den in 1 gezeigten
Strömungssensor
darstellt;
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3 ist
ein Längsschnitt
entlang der Strömungsrichtung
des Fluides, der den in 1 gezeigten Strömungssensor
darstellt;
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4 ist
ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3;
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5 ist
ein Schnitt entlang der Linie V-V in 3;
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6 ist
ein vergrößerter Schnitt,
der Elemente darstellt, die in der Nähe des Sensorelementes des
in 3 gezeigten Strömungssensors angeordnet sind;
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7 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Messung der Strömungsrate bei einer Anordnung darstellt,
bei welcher weder ein Gitter noch ein Vorsprung vorgesehen ist;
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8 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Messung der Strömungsrate
bei einer Anordnung darstellt, bei welcher ein Gitter aber kein
Vorsprung vorgesehen ist; und
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9 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse der Messung der Strömungsrate bei einer Anordnung darstellt,
bei welcher sowohl ein Gitter als auch ein Vorsprung vorgesehen
sind.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Ein
Strömungssensor
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Beispiels und
der Zeichnung im Detail erläutert.
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Der
Strömungssensor 10 umfasst
einen Strömungsmesser
zum Messen einer Strömungsrate (Massendurchflussrate)
eines zu messenden Fluides, das bspw. aus Luft oder Stickstoff besteht.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Falles erläutert, bei
welchem die Strömungsrate von
Luft als dem zu messenden Fluid gemessen werden soll.
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Der
oben genannte Strömungssensor 10 umfasst
einen Grundkörper 14,
der einen darin ausgebildeten Durchflussdurchgang (Messkammer) 12 aufweist,
durch welchen Luft hindurchfließen
kann, und einen Sensor 16, der so angeordnet ist, dass
er dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt ist und dadurch
die Strömungsrate
der Luft, die durch den Durchflussdurchgang 12 fließt, misst.
Der Sensor 16 ist integral an einer unteren Fläche (Rückseite)
eines Sensorsubstrates 18 angebracht. Eine Erfassungsfläche 16b,
die einen Erfassungsabschnitt 16a zum Messen der Luftströmungsrate
aufweist, ist dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt (vgl. 3 und 6).
Ein solcher Sensor 16 umfasst bspw. einen MEMS- thermischen
Strömungssensorchip
mit im Wesentlichen quadratischer Form, dessen Seitenlänge (Länge L1 in 3)
etwa 1,4 mm beträgt.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt ist, ist der Durchflussdurchgang 12 zwischen
einem Einlass 20 und einem Auslass 22 ausgebildet,
die an Positionen angeordnet sind, die etwas niedriger liegen als die
Mitte zwischen beiden Enden in Längsrichtung des
Grundkörpers 14.
Der Strömungsdurchgang 12 hat
einen kreisförmigen
Querschnitt (vgl. 5), gesehen in einer Richtung
senkrecht zu der Strömungsrichtung
der Luft. Ein trapezförmiger
Vorsprung 24 ist an einem im Querschnitt gesehen im Wesentlichen zentralen
Bereich in der Richtung der Luftströmung ausgebildet (vgl. 3).
Eine Sensoröffnung 26a ist an
einem im Wesentlichen zentralen Bereich an einer oberen Wand (Dachwand) 26,
welche über
dem Strömungsdurchgang 12 angeordnet
ist, vorgesehen, so dass der Sensor 16 dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt
ist. Der Vorsprung 24 ist an einem im Wesentlichen zentralen
Bereich einer der oberen Wand 26 gegenüber liegenden Bodenwand 28 unter
dem Durchflussdurchgang 12 vorgesehen.
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Der
Vorsprung 24 hat eine Drosselfläche 24a, die gegenüber dem
Sensor 16 angeordnet ist und eine flache Fläche aufweist,
die einer oberen Seite seiner trapezförmigen Gestalt entspricht.
Außerdem
hat der Vorsprung 24 eine geneig te Fläche (erste geneigte Fläche 24b)
und eine geneigte Fläche
(zweite geneigte Fläche) 24c,
die kontinuierlich anschließend
an der stromaufwärtsseitigen
Seite (an der Seite des Einlasses 20) bzw. der stromabwärtsseitigen
Seite (an der Seite des Auslasses 22) der Drosselfläche 24a angeordnet
sind, so dass sich der Durchflussdurchgang 12 nach außen (zu
der stromaufwärtsseitigen
Seite und der stromabwärtsseitigen Seite)
erweitert. Die Bodenfläche 28a,
die sich stromaufwärts
der geneigten Fläche 24b fortsetzt,
steht mit dem Einlass 20 in Verbindung. Die Bodenfläche 28b, die
sich stromabwärts
der geneigten Fläche 24c fortsetzt,
steht mit dem Auslass 22 in Verbindung.
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Die
Länge L2
der Drosselfläche 24a,
die sich in Richtung der Luftströmung
erstreckt, beträgt
bspw. etwa 5 mm. Ein im Wesentlichen zentraler Bereich der Drosselfläche 24a ist
etwa an der gleichen Position angeordnet wie die Mitte des Sensors 16.
Bei dieser Anordnung sollte das Ende der Drosselfläche 24a an
der stromaufwärtsseitigen
Seite weiter stromaufwärts
angeordnet sein als das Ende des Sensors 16 an der stromaufwärtsseitigen
Seite. Um an dem Bereich der Drosselfläche 24a eine ausreichende Strömungseinstellung
zu erreichen, sollte die Länge L2
der Drosselfläche 24a größer sein
als die Länge L1
des Sensors 16. Wird aber der Wert, der durch Subtraktion
der Länge
L1 von der Länge
L2 erhalten wird, übermäßig groß, so wird
die Messgenauigkeit verringert, weil der Druckverlust zu stark zunimmt.
Ist der Wert andererseits zu klein, so kann der Sensor 16 beschädigt oder
zerstört
werden und die Messgenauigkeit wird aufgrund von Kollisionen der
Luft mit dem Sensor 16 und aufgrund einer unzureichenden
Strömungseinstellung
verringert. Daher sollte im Hinblick auf die Beziehung zwischen
der Länge
L1 des Sensors 16 und der Länge L2 der Drosselfläche 24a die Länge L2 vorzugsweise
zwei bis fünf
mal so groß sein
wie die Länge
L1. Besonders bevorzugt ist die Länge L2 drei bis vier Mal so
groß wie
die Länge
L1.
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Die
Höhe h1
zwischen der Bodenwand 28a, 28b und der oberen
Wand 26 (d.h. der Durchmesser des Durchflussdurchgangs 12)
beträgt
an Bereichen, an welchen sich die schrägen Flächen 24b, 24c jeweils
nach außen
fortsetzen, bspw. etwa 2,6 mm. Die Höhe h2 zwischen der Drosselfläche 24a und
der oberen Wand 26 beträgt
bspw. etwa 1 mm. Ist die Höhe
h2 übermäßig groß, so wird
die Strömungseinstellung
an dem Vorsprung 24 verschlechtert. Ist die Höhe h2 andererseits übermäßig klein,
so wird der Druckverlust erhöht
und die Strömungseinstellung erschwert.
Hinsichtlich der Beziehung zwischen den Höhen h1 und h2 wird daher bevorzugt,
dass die Höhe
h1 auf etwa 1,5 bis vier mal die Höhe h2 eingestellt wird.
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Der
Winkel θ (vgl. 3),
der zwischen der Bodenwand 28a, 28b und den geneigten
oder schrägen
Fläche 24b bzw. 24c ausgebildet
ist, wird bspw. auf nicht mehr als 150° eingestellt. Wenn der Winkel θ wie oben
beschrieben vorgesehen wird, wird eine Anordnung erreicht, bei welcher
eine Verlängerungslinie,
die sich von den schrägen
Flächen 24b, 24c aus
erstreckt, durch eine an der Außenseite
(d.h. an der Seite des Einlasses 20 oder an der Seite des Auslasses 22)
angeordnete Position hindurch tritt, die gegenüber dem Erfassungsabschnitt 16a des Sensors 16 an
dem Vorsprung 24 versetzt ist. Mit anderen Worten hat jede
der geneigten Flächen 24b, 24c einen
solchen Winkel, dass ihre Verlängerungslinie
die obere Wand 26 an eine zu dem Erfassungsabschnitt 16a des
Sensors 16 nach außen
versetzten Position schneidet. Dementsprechend strömt Luft, die
von dem Einlass zugeführt
wird, entlang der geneigten Fläche 24b (d.h.
bewegt sich nach oben), woraufhin die Luft dann stromaufwärts des
Erfassungsabschnitts 16a des Sensors 16 auf die
obere Wand 26 trifft. Anschließend strömt die Luft entlang der Drosselfläche 24a in
einer Richtung zu dem Auslass 22.
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Der
Grundkörper 14,
in dem wie oben beschrieben wurde der Durchflussdurchgang 12 ausgebildet
ist, umfasst einen Kasten, der durch eine vordere Wand 30,
in welcher der Einlass 20 ausgebildet ist, eine hintere
Wand 32, in welcher der Auslass 22 ausgebildet
ist, ein Paar von Seitenwänden 34, 34, die
zwischen der vorderen Wand 30 und der hinteren Wand 32 vorgesehen
sind, und eine äußere Bodenwand 36,
die an seinem Boden vorgesehen ist, gebildet wird. In einem oberen
Bereich des Grundkörpers 14 wird
durch jeweilige innere Seitenflächen
der Vorderwand 30, der Rückwand 32 und der
Seitenwände 34, 34 und
durch die obere Fläche
der oberen Wand 26 des Durchflussdurchgangs 12 eine
Nut 38 gebildet (vgl. 2). Zwei
Löcher 14a, 14b,
die in einer Breitenrichtung durchtreten, sind in einem unteren Bereich
des Grundkörpers 14 ausgebildet.
Die Löcher 14a, 14b dienen
als Befestigungslöcher,
die zum Befestigen des Strömungssensors 10 verwendet
werden. Der Grundkörper 14 besteht
aus einem hochmolekulargewichtigen Material, bspw. PPS (Polyphenylsulfid).
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Zwei
Nuten 20a, 20b und 22a, 22b sind
in Umfangsrichtung entlang innerer Umfangsflächen des Einlasses 20 bzw.
des Auslasses 22 vorgesehen (vgl. 3). Einsetzmuttern 40, 42 sind
an dem Einlass 20 bzw. dem Auslass 22 angeordnet,
wobei die Einsetzmuttern 40, 42 Vorsprünge 40c, 40d bzw. 42c, 42d aufweisen,
die darin in Umfangsrichtung ausgebildet sind und Formen aufweisen,
die dazu ausgestaltet sind, in die Nuten 20a, 20b, 22a, 22b eingesetzt
und eingepasst zu werden. Gewindeabschnitte 40a, 42a sind
entlang innerer Umfangsflächen
der Einsetzmuttern 40 und 42 ausgebildet. Nicht
dargestellte Verbindungselemente können an den Gewindeabschnitten 40a, 42a angebracht
sein, so dass der Strömungssensor 10 bspw.
an einer festgelegten Rohranordnung angeschlossen werden kann.
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Aussparungen 41, 43,
die Durchmesser aufweisen, die größer sind als der Innendurchmesser (h1)
des Strömungsdurchgangs 12,
sind an Enden stromaufwärts
und stromabwärts
des Strömungsdurchgangs 12 vorgesehen.
Gitter (Gitterelemente) 44, 45 sind in den Aussparungen 41, 43 über Einsetzmuttern 40, 42 an
der Außenseite
des Einlasses 20 oder des Auslasses 22 angeordnet.
Die Gitter 44, 45 werden durch Befestigungsschrauben 46, 48 befestigt,
die in die Gewindeabschnitte 40a, 42a eingeschraubt
werden. Das Gitter 44 kann bspw. auch nur an der Seite
des Einlasses 20 angebracht werden, ohne das Gitter 45 an
der Seite des Auslasses 22 anzubringen.
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Die
Gitter 44, 45 haben Kreisform mit Durchmessern,
die größer sind
als der Innendurchmesser (h1) des Durchflussdurchgangs 12.
Außerdem
umfassen die Gitter 44, 45 Drahtgitter, die aus
Metall, das aus Edelstahl oder dgl. besteht, hergestellt sind. Die
oben genannten Gitter 44, 45 sorgen für eine Strömungseinstellung,
um die Luft, die durch den Strömungssensor 10 strömt, einzustellen,
und gleichzeitig für
eine Staubentfernung zum Entfernen von Staub, Schmutz oder dgl.
aus der Luft.
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Die
Befestigungsschrauben 46, 48 haben darin ausgebildete
Löcher 46a, 48a,
die etwa den gleichen Durchmesser aufweisen wie der Durchflussdurchgang 12,
damit Luft zu den Gittern 44a, 45a fließen kann.
Die Befestigungsschrauben 46, 48 dienen der Befestigung
der Gitter 44, 45 durch Verschrauben mit den Gewindeabschnitten 40a, 42a.
Wie in den 2 und 3 dargestellt
ist, sind in den Befestigungsschrauben 46, 48 Ausschnitte 46b, 48b vorgesehen,
die Eingriffsnuten für
das Einsetzen eines nicht dargestellten Werkstücks bilden, um das Einschrauben
der Befestigungsschrauben 46, 48 durchzuführen.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist der Sensor 16 an einer unteren
Fläche
des Sensorsubstrates 18 (an der Seite der oberen Wand 26)
vorgesehen. Durch Anordnen des Sensorsubstrates 18 an der oberen
Fläche
der oberen Wand 26 in der Nut 38 wird der Sensor 16 so
positioniert, dass er dem Durchflussdurchgang 12 von der
Sensoröffnung 26a zugewandt
ist, wobei die Sensoröffnung 26a durch
das Sensorsubstrat 18 verschlossen wird.
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Die
Höhe des
Sensors 16 ist etwa die gleiche wie die Höhe der oberen
Wand 26. Daher ist die Erfassungsfläche 16b des Sensors 16 an
etwa der gleichen Position angeordnet wie die untere Fläche der oberen
Wand 26 (die Seitenfläche
des Durchflussdurchgangs 12). Eine ringförmige Aussparung 26b ist
an der oberen Fläche
der oberen Wand 26 um die Sensoröffnung 26a ausgebildet.
Eine nicht dargestellte flüssige
Abdichtung ist an einem äußeren Umfangsbereich
angebracht, um eine Leckage von Luft aus der Sensoröffnung 26a zu
verhindern, so dass das Sensorsubstrat 18 in engem Kontakt
mit der oberen Fläche
der oberen Wand 26 angeordnet ist. In diesem Fall dient
die Aussparung 26b als ein Ausflussverhinderungsabschnitt
(Damm), um zu verhindern, dass die flüssige Abdichtung aus der Sensoröffnung 26a in
den Durchflussdurchgang 12 ausfließt und an dem Sensor 16 haftet.
Die oben genannte flüssige
Dichtung kann durch Anheben ihrer Temperatur aushärten. Anstelle
der flüssigen
Dichtung kann eine Dichtung (Dichtmaterial), die aus einem elastischen
Material oder dgl. besteht, verwendet werden, um eine Leckage von
Luft aus der Sensoröffnung 26a zu
vermeiden.
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6 ist
ein vergrößerter Schnitt,
der die Elemente, die in der Nähe
des Sensors 16 angeordnet sind, zeigt. Der Sensor 16 hat
eine Erfassungsfläche 16b,
die dem Durchflussdurchgang 12 zugewandt ist. Die Erfassungsfläche 16b umfasst
in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtsseitigen Seite aus ein stromaufwärtsseitiges
Temperaturmesselement 50, das den Erfassungsabschnitt 16a bildet,
ein Wärme
erzeugendes Element (Heizung) 52, ein stromabwärtsseitiges
Temperaturmesselement 54 und ein in Umfangsrichtung angeordnetes
Temperaturmesselement 56. Das stromaufwärtsseitige Temperaturmesselement
und die anderen Komponenten sind miteinander bspw. über eine
Brückenschaltung, die
in dem Sensor 16 vorgesehen ist, verbunden.
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Die
Abstände
zwischen dem Wärme
erzeugenden Element 52, dem stromaufwärtsseitigen Temperaturmesselement 50 und
dem stromabwärtsseitigen
Temperaturmesselement 54 sind gleich. Andererseits ist
das in Umfangsrichtung angeordnete Temperaturmesselement 56 an
einer Position angeordnet, die etwas von dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 getrennt
ist, so dass das Umfangs-Temperaturmesselement 56 nicht
durch die von dem Wärme
erzeugenden Element 52 erzeugte Wärme beeinflusst wird. Der Abstand
zwischen dem Umfangs-Temperaturmesselement 56 und dem stromabwärtsseitigen
Temperaturmesselement 54 ist ausreichend größer als
der Abstand zwischen dem Wärme
erzeugenden Element 52 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 50.
Der Sensor 16, der wie oben beschrieben aufgebaut ist,
umfasst einen MEMS- thermischen Strömungssensorchip zur Berechnung
der Strömungsgeschwindigkeit und
der Strömungsrate
auf der Basis des Temperaturunterschieds zwischen den vor und hinter
dem Wärme
erzeugenden Element 52 positionierten Elementen, die von
dem stromaufwärtsseitigen
Temperaturmesselement 50 und dem stromabwärtsseitigen Temperaturmesselement 54 gemessen
werden, sowie der Lufttemperatur (Umgebungstemperatur) der Luft,
die nach innen und nach außen
fließt,
wie sie durch das Umfangs-Temperaturmesselement 56 gemessen
wird.
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Andererseits
sind ein Verbinder 58 und andere nicht dargestellte Element
zur Durchführung
verschiedener Funktionen an der oberen Fläche des Sensorsubstrats 18 (d.h.
an einer Seite des Substrates, die dem Sensor 16 gegenüber liegt)
angeordnet (vgl. 2 und 3).
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Das
wie oben aufgebaute Sensorsubstrat 18 wird durch einen
Abstandshalter 60 befestigt, der daran so angeordnet ist,
dass das Sensorsubstrat 18 in der Nut 38 an der
oberen Fläche
der oberen Wand 26 angeordnet wird. Der Abstandshalter 60 umfasst
einen Rahmen, der in der Nut 38 aufgenommen werden kann.
Der Abstandshalter 60 umfasst einen Rahmen 60a,
vier Klauenelemente 62a bis 62d, die von dem Rahmen 60a nach
unten vorstehen und gegen das Sensorsubstrat 18 drücken, eine
Eingriffsklaue 66, die dazu dient, eine später beschriebene
Abdeckung 64 zu befestigen, und vier Löcher 68, die in dem
Rahmen 60a ausgebildet sind. In die Löcher 68 sind jeweils
Bolzen 70 eingesetzt.
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Die
Bolzen 70 werden in vier Gewindeabschnitte 72 eingeschraubt,
die in der Nut 38 des Grundkörpers 14 vorgesehen
sind. Dementsprechend wird der Abstandshalter 60 so an
dem Grundkörper 14 befestigt,
dass das Sensorsubstrat 18 zwischen dem Abstandshalter 60 und
dem Grundkörper 14 angeordnet
ist. Mit anderen Worten wird das Sensorsubstrat 18 an dem
Grundkörper 14 befestigt.
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Ein
Output-Substrat 74 ist in der Nut 38 oberhalb
des Abstandshalters 60 angeordnet. Das Output-Substrat 74 wird
durch die Abdeckung 64 und einen Einschnappstift 76 an
dem Abstandshalter 60 befestigt. Das Output-Substrat 74 dient
als ein Substrat für
die Zufuhr von elektrischem Strom zu dem Sensor 16 und
für die
Ausgabe einer Spannung nach außen.
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Das
Output-Substrat 74 umfasst einen Verbinder 78,
der an der unteren Fläche
vorgesehen ist, um mit dem oben beschriebenen Verbinder 58 in
Eingriff zu treten. Nicht dargestellte Elemente zur Durchführung verschiedener
anderer Funktionen können an
der oberen Fläche
des Output-Substrates 74 vorgesehen sein. Ein Stromkabel 80 ist
an einer Endfläche
stromabwärts
des Output-Substrates 74 angebracht.
Das Output-Substrat 74 ist elektrisch durch den Verbinder 78 und über den
Verbinder 58 mit dem Sensorsubstrat 18 verbunden.
Dementsprechend dient das Output-Substrat 74 der Zufuhr
von elektrischem Strom von einer nicht dargestellten Stromquelle
zu dem Sensor 16, und außerdem wird ein Ausgangssignal
(Spannung) von dem Sensor 16 durch das Output-Substrat 74 an
eine externe Vorrichtung übertragen.
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Die
Abdeckung 64 dient als ein Deckel, der den oberen Bereich
der Nut 38 verschließt.
Die Abdeckung 64 umfasst einen Eingriffsabschnitt 64a,
der an seinem stromaufwärtsseitigen
Ende vorgesehen ist und durch welchen die Eingriffsklaue 66 hindurch tritt,
um einen Eingriff zu erreichen. Die Abdeckung 64 umfasst
außerdem
eine Öffnung 64b,
die an ihrer stromaufwärtsseitigen Seite
vorgesehen ist und in welche eine Klaue 76a des Einschnappstiftes 76 eingesetzt
ist. Die Klaue 76a wird durch die Öffnung 74b eingesetzt
und greift an dem Rahmen 60a an.
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Die
Abdeckung 64 wird oberhalb des Abstandshalters 60 durch
Eingriff zwischen dem Eingriffsabschnitt 64a und der Eingriffsklaue 66 und durch
Eingriff zwischen dem Einschnappstift 76 und dem Rahmen 60a befestigt,
so dass das Output-Substrat 74 an dem Rahmen 60a des
Abstandshalters 60 angeordnet wird. In diesem Fall wird
das Stromkabel 80 durch einen halbkreisförmigen Unterseitenabschnitt 82,
der an einem oberen Bereich der Rückwand 32 des Grundkörpers 14 angeordnet
ist, einen halbkreisförmigen
Unterseitenabschnitt 84, der an einer Endfläche des
Rahmens 60a an einer stromaufwärtsseitigen Seite desselben
angeordnet ist, und einen halbkreisförmigen Oberseitenabschnitt 86,
der an einer Endfläche
der Abdeckung 64 an einer stromabwärtsseitigen Seite derselben
angeordnet ist, umgeben. Dadurch wird das Stromkabel 80 in
seiner Position fixiert, und dementsprechend wird das Output-Substrat 74 zuverlässig an
dem Abstandshalter 60 befestigt.
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Die
obere Fläche
der Abdeckung 64 ist etwas unterhalb des Umfangskantenbereiches
angeordnet. Eine Beschriftungsplatte 88 ist an der oberen Fläche aufgeklebt,
wobei die Beschriftungsplatte 88 bspw. die Modellnummer
des Strömungssensors 10 und
die Richtung der Luftströmung
angibt.
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Die
jeweiligen Teile des Strömungssensors 10 werden
in der oben beschriebenen Weise integral zusammengesetzt, so dass
das Sensorsubstrat 18, das Output-Substrat 74 und
die anderen Komponenten in der Nut 38 des Grundkörpers 14 aufgenommen und
befestigt sind. Dann werden die Komponenten durch die Abdeckung 64 eingeschlossen.
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Als
nächstes
wird die Funktions- und Wirkungsweise des Strömungssensors 10, der
im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut ist, erläutert.
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Der
Strömungssensor 10 wird
an einen mittleren Bereich des Durchflussdurchgangs angeschlossen,
in welchem Luft als zu messendes Fluid strömt, indem nicht dargestellte
Verbindungselemente an den Einsetzmuttern 40, 42 des
Einlasses 20 und des Auslasses 22 angebracht werden.
Außerdem
wird das Stromkabel 80 an eine nicht dargestellte Stromquelle
und eine externe Vorrichtung angeschlossen, wodurch die Strömungsrate
der Luft gemessen werden kann.
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Wie
in 3 gezeigt ist, strömt Luft von dem Einlass 20 in
Richtung des Pfeils. Durch das Gitter 44 erfolgt eine Strömungseinstellung
und Staubentfernung, woraufhin die Luft dann in den Durchflussdurchgang 12 strömt. Ein
Teil der Luft, der in dem Strömungsdurchgang 12 fließt, tritt
durch einen oberen Bereich des Strömungsdurchgangs 12 entlang der
oberen Wand 26, woraufhin die Luft zu dem Auslass 22 fließt, nachdem
sie durch den zwischen der Drosselfläche 24a und der oberen
Wand 26 gebildeten Raum hindurchgetreten ist. Andererseits
strömt ein
anderer Teil der Luft in den Strömungsdurchgang 12 und
tritt durch den unteren Bereich des Strömungsdurchgangs 12 entlang
der Bodenwand 26a, woraufhin die Luft entlang der geneigten
Fläche 24b sich
nach oben bewegt und durch einen zwischen der Drosselfläche 24a und
der oberen Wand 26 gebildeten Raum hindurch tritt. Die
Luft strömt
dann aus dem Auslass 22 nach außen. Der Raum zwischen der Drosselfläche 24a und
der oberen Wand 26 ist im Vergleich zu dem Einlass 20 ausreichend
gedrosselt (verengt). Daher passiert die Luft eine Seite der Erfassungsfläche 16b des
Sensors 16, wobei eine ausreichende Strömungseinstellung der Luft erreicht wird.
Dementsprechend misst der Sensor 16 die Strömungsrate
der Luft, wobei eine Spannung, die der Größe der Strömungsrate proportional ist, über das
Stromkabel 80 zu einer externen Vorrichtung ausgegeben
wird.
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Zum
Messen der Strömungsrate
in der oben beschriebenen Weise ist der trapezförmige Vorsprung 24 in
dem Durchflussdurchgang 12 des Strömungssensors 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Der Durchflussdurchgang 12 des
Strömungsdurchgangs 10 hat
einen trapezförmigen
Aufbau einschließlich
der Drosselfläche 24a und
der geneigten Fläche 24b.
Dementsprechend wird der Luftstrom an der geneigten Fläche 24b zusätzlich zu
der durch die Gitter 44, 45 bewirkten Strömungseinstellung
stabilisiert. Dadurch kann ein nachteiliges Auffächerungsphänomen (Exfoliation) der Luft
an den jeweiligen Wandflächen
des Strömungsdurchgangs 12 vermieden
werden. Somit kann die Strömungsrate
auch bei Strömungsraten, die
sich in einem weiten Bereich zwischen niedrigen Strömungsraten
und sehr hohen Strömungsraten verändern, stabil
gemessen werden.
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Aufgrund
des trapezförmigen
Aufbaus des Durchflussdurchgangs 12 kann die Strömungsrate mit
ausreichender Genauigkeit gemessen werden, auch wenn die Form von
Rohrleitungen, die vor und hinter dem Strömungssensor 10 angeordnet
angeschlossen sind, sich bspw. von einem Durchmesser von 8 mm auf
4 mm ändert.
Aufgrund des oben genannten trapezförmigen Aufbaus sind geradlinige Bereiche
in den Rohrleitungsabschnitten, die vor und nach dem Strömungssensor 10 vorgesehen
und angeschlossen sind, nicht erforderlich, um die Strömung zu
stabilisieren. Daher kann der Strömungssensor 10 mit
größerer Freiheit
installiert werden.
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Als
Folge der Strömungseinstellung,
die durch den trapezförmigen
Aufbau erreicht wird, kann die Zahl der Gitter 44, 45 erfolgreich
auf bspw. lediglich ein Gitter minimiert werden. Dadurch ist es
möglich,
die Produktgröße und die
Produktionskosten zu reduzieren. Außerdem wird die Produktionseffizienz gesteigert.
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Bei
dem Stand der Technik, wie er in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2004-3887 A beschrieben
ist, wird die Luftströmung
mit Hilfe der kreisbogenförmigen
Fläche
des Strömungsdurchgangs
eingestellt. Fließt
Luft mit einer großen
Strömungsrate
plötzlich
in den Durchflussdurchgang ein, so wird die Luft durch die kreisbogenförmige Fläche nach
oben angehoben und kollidiert mit dem Sensor. Daher besteht die
Befürchtung,
dass der Sensor beschädigt
oder zerstört
werden kann. Im Gegensatz dazu strömt bei dem Strömungssensor
10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dank des oben beschriebenen trapezförmigen Aufbaus
die Luft, die entlang der geneigten Fläche
24b fließt, zu der
stromaufwärtsseitigen
Seite, die gegenüber
dem Erfassungsabschnitt
16a versetzt ist, ohne direkt mit dem
Erfassungsabschnitt
16a des Sensors
16 zu kollidieren,
wobei die Luft einfach über
den Bereich der Erfassungsfläche
16b hinweg
tritt. Auch wenn bspw. Luft mit einer großen Strömungsrate plötzlich in
den Durchflussdurchgang eintritt, kann daher eine Beschädigung oder
Zerstörung
des Erfassungsabschnitts
16a des Sensors
16 vermieden
werden.
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Bei
dem Strömungssensor 10 können die Gitter 44, 45 einfach
mit Hilfe der Befestigungsschrauben 46, 48 angebracht
bzw. entfernt werden. Wenn bspw. Staub oder dgl. an dem Gitter 44 anhaftet,
kann daher ein Benutzer das Gitter 44 einfach austauschen.
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Bei
dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau, der ein Gitterelement
verwendet, wie es bspw. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2005-315788 A beschrieben
ist, neigt die Messgenauigkeit dazu, zu schwanken, wenn das Gitterelement
ausgetauscht wird. Daher ist es notwendig, Einstelloperationen durchzuführen, wenn
das Gitterelement gewechselt wird. Bei dem Strömungssensor
10 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dagegen die Strömungseinstellung
durch den trapezförmigen Aufbau
bewirkt, wodurch die Zahl der Gitter
44,
45 minimiert
wird. Daher sind die Schwankungen der Mess genauigkeit, die durch
einen Austausch der Gitter
44,
45 bewirkt werden,
extrem gering. Mit anderen Worten kann die Luftströmung mit
Hilfe des trapezförmigen
Aufbaus des Vorsprungs
24 eingestellt werden. Wenn die
Gitter
44,
45 ausgetauscht werden, wird daher
nur ein geringer Einfluss auf die gesamte Strömungseinstellung des Durchflussdurchgangs
12 ausgeübt. Daher
kann der Austausch oder Wechsel der Gitter
44,
45 einfach
durchgeführt
werden.
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Mit
Bezug auf die 7 bis 9 werden Messergebnisse
erläutert,
die den Einfluss des trapezförmigen
Aufbaus des Vorsprungs 24 auf die Erfassungsgenauigkeit
des Sensors 16 zeigen.
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Die 7 bis 9 sind
Diagramme, die den Ausgangsspannungswert (Strömungsratenwert), der durch
den Sensor 16 erreicht wird, in einem Zustand darstellen,
in dem Luft mit einer konstanten Strömungsrate, kontinuierlich durch
den Sensor 16 fließt.
Die Zeit (in Sekunden) ist auf der horizontalen Achse angegeben,
während
die Spannung (in mV) auf der vertikalen Achse aufgetragen wird.
In diesem Fall ist die theoretische Ausgangsspannung des Sensors 16,
die erwartet wird, wenn Luft mit einer konstanten Strömungsrate
durch den Sensor 16 fließt, auf A (mV) eingestellt,
wie es in den 7 bis 9 gezeigt
ist.
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7 zeigt
die Ergebnisse, die bei einer Anordnung erhalten werden, bei welcher
die Gitter 44, 45 und der Vorsprung 24 nicht
vorgesehen sind. 8 zeigt die Ergebnisse, die
bei einer Anordnung erhalten werden, bei denen eines der Gitter 44, 45 aber
kein Vorsprung 24 vorgesehen war. 9 zeigt die
Ergebnisse, die bei einer Anordnung erhalten werden, bei denen eines
der Gitter 44, 45 zusammen mit dem Vorsprung 24 vorgesehen
sind, d.h. die Ergebnisse, die mit einem Strömungssensor 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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Wie
in den 7 und 8 dargestellt ist, kann dann,
wenn der Vorsprung 24 nicht vorgesehen ist und kein Gitter 44, 45 oder
lediglich ein Gitter 44, 45 vorgesehen ist, die
Ausgangsspannung des Sensors 16 nicht stabilisiert werden
und starkes Rauschen wird erzeugt. Es wird angenommen, dass dieses
Rauschen erzeugt wird, weil die Luft keine ausreichende Strömungseinstellung
erfahren hat.
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Wenn
andererseits, wie in 9 gezeigt ist, der Vorsprung 24 zusammen
mit einem der Gitter 44, 45 vorgesehen wird, d.h.
bei einem Strömungssensor 10 gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, ist das Rauschen außerordentlich gering und die
Strömungsrate
kann stabil und sehr genau gemessen werden. Wie sich aus den Ergebnissen deutlich
ergibt, können
stabile und sehr genaue Messungen durchgeführt werden, indem der Vorsprung 24 zusammen
mit dem trapezförmigen
Aufbau des Durchflussdurchgangs 12 verwendet wird.
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Auch
wenn der Vorsprung 24 nicht vorgesehen ist, ist es immer
noch möglich,
die Luftströmung ausreichend
einzustellen, indem die Zahl der Gitter 44, 45 erhöht wird.
In diesem Fall tritt aber der Nachteil auf, dass die Länge des
Strömungssensors
in der Längsrichtung
erhöht
wird. Wenn eine Vielzahl von Gittern 44, 45 verwendet
wird, hängt
die Reproduzierbarkeit von den Befestigungspositionen, der Befestigungsgenauigkeit
und der Zahl der verwendeten Gitter 44, 45 ab.
Daher tritt das Problem auf, dass die Montagezeit (Produktionseffizienz)
und die Qualität verschlechtert
werden. Bei dem Strömungssensor 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung können
dagegen dank des trapezförmigen
Aufbaus des Vorsprungs 24 die Montagezeit (Produktionseffizienz)
und die Qualität
bei minimierter Größe verbessert
werden.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
strömt
die Luft von dem Einlass 20 in den Durchflussdurchgang 12.
Der Strömungssensor 10 umfasst
jedoch die geneigte Fläche 24c zusätzlich zu der
geneigten Fläche 24b.
Daher kann der Strömungssensor 10 auch
so angebracht werden, dass die Luft von dem Auslass 22 in
den Strömungsdurchgang 12 eintritt.
Dadurch wird der Freiheitsgrad bei der Installation des Strömungssensors 10 erhöht.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wurde beispielhaft anhand von Luft als
dem zu messenden Fluid erläutert.
Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch die
Messung der Durchflussraten von anderen Fluiden als Luft einschließlich bspw.
Stickstoff und verschiedenen anderen Gasen ermöglicht.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
ist der Querschnitt des Durchflussdurchgangs 12 kreisförmig. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Kreisform beschränkt. Der
Querschnitt des Durchflussdurchgangs 12 kann auch bspw.
rechteckig ausgestaltet sein.