Es ist bekannt, einen Volumenstrom von Fluiden, die sich in einer Leitung fortbewegen, zu messen.

Ferner sind thermoelektrische Anemometer bekannt. Diesbezüglich wird bei einem Heißfilm-Anemometer beziehungsweise Hitzdraht-Anemometer eine stromdurchflossene Sensorfläche oder ein Draht als Sonde eingesetzt und elektrisch erwärmt. Die für die Sonde verwendeten Materialien haben einen temperaturabhängigen Widerstand, der sich mit steigender Temperatur erhöht (PTC-Widerstand). Die elektrisch zugeführte Wärmeleistung wird von einer Strömung teilweise als Wärmeverlustleistung abtransportiert. Mit größer werdender Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich auch der Wärmeverlust. Die elektrische Leistung wird daher als Messgröße für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet. Zur Messung der strömungsbedingten Wärmeverlustleistung haben sich zwei Verfahren etabliert: die Kon- stant-Strom-Anemometrie (CCA - Constant Current Anemometry) und die Kon- stant-Temperatur-Anemometrie (CTA - ).

Des Weiteren ist für die Volumenstrommessung das Prinzip des Konstanttemperaturanemometers bekannt, bei dem ein elektrisches Heizelement (PTC-Widerstand) und ein temperaturabhängiger Messwiderstand in einem definierten Abstand zueinander im Strömungskanal einer Rohrleitung angeordnet sind. Das Heizelement besteht aus Draht oder einer Metallschicht und ist üblicherweise aus Platin. Das Heizelement und der Messwiderstand können ein Chip-Bauteil sein, auf dem mittels Dickschichttechnik und Dickschichtverfahren Heiz- und Messwiderstände aufgebracht sind. Diese Präzisionsbauteile sind teuer. Eine elektronische Regelung sorgt dafür, dass eine definierte Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand und dem Temperaturmesswiderstand eingehalten wird. Je nach Strömungsgeschwindigkeit muss dem Heizelement mehr oder weniger Energie zugeführt werden. Die zugeführte Energie ist ein Maß für den Volumenstrom in der Rohrleitung. Alternative Volumenstrom-Messverfahren sind beispielsweise mechanisch arbeitende Ovalrad-Durchflussmesser oder Verfahren auf Basis von Ultraschallmessungen. Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine effiziente Fluidgeschwindigkeitsmessung beziehungsweise Fluidvolumenstrommessung zu ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Die Erfindung geht aus von einer Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit und/oder Fluidvolumenstromsensoreinheit mit wenigstens einem Heizelement, welches in einer Fluidleitung angeordnet werden kann.

Es wird vorgeschlagen, dass das Heizelement wenigstens durch einen Teil eines ersten Transistors gebildet ist. Unter einer „Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest eine Größe ermitteln kann, aus welcher eine Fluidgeschwindigkeit bestimmbar ist, wobei die Einheit vorzugsweise die Fluidgeschwindigkeit ermittelt. Unter einer „Fluidvolumenstromsensoreinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest eine Größe ermitteln kann, aus welcher ein Fluidvolumenstrom bestimmbar ist, wobei die Einheit vorzugsweise den Fluidvolumenstrom ermittelt. Unter einem „Fluid“ soll insbesondere wenigstens eine Flüssigkeit und/oder zumindest ein Gas verstanden werden. Hierdurch kann eine effiziente Fluidgeschwindigkeitsmessung beziehungsweise Fluidvolumenstrommessung erreicht werden. Insbesondere können bei einer kostengünstigen Bauweise genaue Messergebnisse erzielt werden.

Insbesondere kann das Heizelement durch einen dotierten Bereich des Transistors und/oder durch eine npn-Struktur des T ransistors und/oder durch eine pnp-Struktur des T ransistors gebildet sein.

Mit Vorteil weist die Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit beziehungsweise die Fluidvolumenstromsensoreinheit wenigstens eine Schaltung auf, welche den ersten Transistor aufweist und welche dazu vorgesehen ist, eine Differenz zwischen einer Temperatur des ersten Transistors und einer ergleichstemperatur zeitlich konstant zu halten. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet und/oder speziell programmiert verstanden werden. Unter einer „Temperatur eines Transistors“ soll insbesondere eine Temperatur eines Bereichs des Transistors verstanden werden, welcher dotiert ist, wobei die Temperatur vorzugsweise eine Temperatur einer Sperrschicht des Transistors ist. Dadurch können Messungen zu verschiedenen Zeiten ermöglicht werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schaltung zumindest einen zweiten Transistor umfasst, weicher eine Temperatur aufweist, die die Vergleichstemperatur bildet. Hierdurch kann eine kostengünstige Bauweise erreicht werden.

Insbesondere kann der zweite Transistor in einem Betriebszustand eine Kollektor-Emitter-Spannung aufweisen, welche kleiner als etwa 0,6 Volt ist. Unter „etwa 0,6 Volt“ soll insbesondere eine Spannung verstanden werden, welche weniger als 20 %, vorzugsweise um weniger als 10 % und besonders bevorzugt um weniger als 3 % von 0,6 V abweicht. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich der zweite T ransistor relativ geringfügig aufheizt und damit als Sensor dienen kann.

Mit Vorteil weist die Schaltung wenigstens einen Verstärker auf, welcher dazu vorgesehen ist, eine Kollektorspannung des ersten Transistors derart einzustellen, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des ersten Transistors und der Vergleichstemperatur zeitlich konstant ist. Unter einer „Kollektorspannung eines Transistors“ soll eine Spannung zwischen einem Kollektor des Transistors und einem Emitter des Transistors verstanden werden. Dadurch können Bedingungen für das einfache Durchführen einer Messung geschaffen werden.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit beziehungsweise die Fluidvolumenstromsensoreinheit wenigstens eine Steuereinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Wert einer Kollektorspannung des ersten Transistors festzustellen und aufgrund des Werts der Kollektorspannung wenigstens einen Wert einer Geschwindigkeit eines Fluids und/oder zumindest einen Wert eines Volumenstroms des Fluids zu ermitteln. Unter einer „Steuereinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest einen Prozessor, wenigstens einen Speicher und mindestens ein in dem Speicher gespeichertes Betriebsprogramm aufweist. Hierdurch kann eine Messung mit geringem Aufwand erreicht werden.

Mit Vorteil ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, den festgestellten Wert der Kollektorspannung mit zumindest einem Wert zu vergleichen, der in der Steuereinheit gespeichert ist, und wenigstens durch das Vergleichen einen Wert einer Fluidgeschwindigkeit und/oder einen Wert eines Fluidvolumenstroms zu ermitteln. Auf diese Weise können genaue Ergebnisse für die Fluidgeschwindigkeit beziehungsweise für den Fluidvolumenstrom ermittelt werden.

Des Weiteren wird eine Vorrichtung mit einer vorstehend beschriebenen Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit beziehungsweise Fluidvolumenstromsensoreinheit vorgeschlagen, welche die Fluidleitung aufweist, wobei wenigstens der erste T ransistor in der Fuidleitung angeordnet ist. Dadurch kann eine effiziente Fluidgeschwindigkeitsmessung beziehungsweise Fluidvolumenstrommessung erzielt werden.

Vorteilhafterweise ist ein zweiter Transistor einer Schaltung der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit beziehungsweise der Fluidvolumenstromsensoreinheit in Bezug auf eine Fließrichtung eines Fluids in der Fluidleitung vor und/oder neben dem ersten Transistor angeordnet ist. Dadurch kann ein Erhitzen des zweiten Transistors durch den ersten Transistor vermieden werden.

Mit Vorteil ist die Vorrichtung dazu vorgesehen, eine durch die Fluidleitung geströmte Fluidmenge zu bestimmen. Auf diese Weise kann kostengünstig ein großer Funktionsumfang erreicht werden.

Ferner wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Fluidgeschwindigkeit und/oder zur Bestimmung eines Fluidvolumenstroms und/oder zur Bestimmung einer geströmten Fluidmenge vorgeschlagen, bei welchem wenigstens ein Teil eines Transistors als Heizelement verwendet wird.

Dadurch kann eine effiziente Fluidgeschwindigkeitsmessung beziehungsweise Fluidvolumenstrommessung beziehungsweise Fluidmengenmessung erzielt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung einer erfindungsgemäßen Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit,

Fig. 2 zeigt einen schematischen Axialschnitt durch eine Leiterplatte der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit in einer Fluidleitung,

Fig. 3 zeigt eine Kollektorspannung eines Transistors der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit in Abhängigkeit von der Zeit, und

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit.

Figur 1 zeigt eine Schaltung 18 einer erfindungsgemäßen Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit 10, welche in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Die Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit 10 ist außerdem eine Fluidvolumenstromsensoreinheit und weist ein Heizelement 12 auf, welches in einer Betriebssituation in einer Fluidleitung 14 (Figur 2) angeordnet ist und welches als ein erster Transistor 16 ausgebildet ist. Die Schaltung 18 umfasst den Transistor 16 und außerdem einen zweiten Transistor 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide Transistoren 16,20 npn-Transistoren. Außerdem sind die Transistoren 16, 20 baugleich und weisen ein NTC-Verhalten, also ein Negative Temperature Coefficient-Verhalten auf. Ein Kollektor des zweiten Transistor 20 ist an einen Pluspol einer Stromquelle 26 angeschlossen, die als Gleichstromquelle ausgebildet ist. Die Stromquelle 26 ist derart ausgelegt, dass sie immer einen konstanten Strom liefert. Ferner ist ein Minuspol der Stromquelle über einen Widerstand 28 mit einem Emitter des zweiten Transistor 20 verbunden. Eine Basis des zweiten Transistor 20 und eine Basis des ersten Transistor 16 sind ebenfalls leitend mit dem Pluspol der Stromquelle 26 verbunden. Der Minuspol der Stromquelle 26 ist über einen Widerstand 30 und einen Widerstand 32 mit einem Emitter des ersten Transistor 16 verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors 20 ist leitend mit einem zweiten Eingang 44 eines Verstärker 22 der Schaltung 18 verbunden. Außerdem ist ein Leitungsabschnitt der Schaltung 18, der die Widerstände 30 und 32 verbindet, leitend mit einem ersten Eingang des Verstärker 22 verbunden. Ein Ende des Widerstands 32, welches von dem Widerstand 30 abgewandt ist, ist mit dem Emitter des Transistor 16 leitend verbunden. Ein Ende des Widerstands 30, welches von dem Widerstand 32 abgewandt ist, ist leitend mit dem Minuspol der Stromquelle 26 verbunden. Ferner ist ein Ausgang des Verstärkers leitend mit einem Kollektor des ersten Transistors 16 verbunden. Ein Teil 34 der Schaltung 18 ist in dem Betriebszustand in der Fluidleitung 14 angeordnet.

Die Schaltung 18 ist dazu ausgelegt, eine Differenz zwischen einer Temperatur des dotierten Bereichs des ersten Transistors 16 und einer vergleichstemperatur zeitlich konstant zu halten. Dabei ist die Vergleichstemperatur eine Temperatur des dotierten Bereichs des zweiten Transistors 20. Bei einem Betrieb stellt der Verstärker 22 eine Kollektorspannung des ersten Transistors 16 derart ein, dass die Differenz des dotierten Bereichs des ersten Transistors 16 und der Vergleichstemperatur zeitlich konstant ist. Der Verstärker 22 verhält sich bei dem Betrieb derart, dass eine Spannungsdifferenz zwischen seinem ersten Eingang 42 und seinem zweiten Eingang 44 immer null ist. Ferner sind der Widerstand 28 und der Widerstand 30 gleich groß. Außerdem ist der Widerstand 32 sehr viel kleiner als der Widerstand 30.

Für einen Kollektorstrom eines Transistors gilt, wenn UBE deutlich größer als U _T ist, näherungsweise lc=ls ^x exp(U _B E/UT), wobei l _c der Kollektorstrom ist, exp die Exponentialfunktion, l _s ein exemplarabhängiger Sättigungsstrom ist und UBE die Basis-Emitter-Spannung ist und U _T = kxT/e gilt. Bei letztgenannter Gleichung ist k die Boltzmann-Konstante und e die Elementarladung, wobei bei Zimmertemperatur U _T = 25 mV gilt. Die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung beträgt bei Siliziumtransistoren ungefähr -2 mV/K. Der Kollektorstrom ist der zwischen Kollektor und Emitter fließende Strom. Damit folgt durch Umformung U _B E= U _T ^x ln(lc/ls), wobei In der natürliche Logarithmus ist. Weil der Widerstand 28 und der Widerstand 30 gleich sind, sind die Kollektorströme der Transistoren 16,20 gleich, weil die Widerstände 28,30 dem Einstellen der Kollektorströme dienen. Weil die beiden Transistoren 16,20 baugleich sind, sind ihre Sättigungsströme gleich. Bildet man nun die Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren, so ergibt sich, dass die Differenz zwischen der Temperatur des dotierten Bereichs des Transistors 20 und der Temperatur des dotierten Bereichs des T ransistors 16 aus der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der beiden T ransis- toren 16,20 bestimmbar ist. Der Verstärker 22 wirkt durch seinen Ausgang derart auf die Schaltung 18 ein, dass ein Potenzialunterschied zwischen seinen Eingängen 42, 44 verschwindet. Der Widerstand 32 dient der Einstellung einer konstanten Differenz der genannten Temperaturen der Transistoren 16,20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist diese Differenz als 10 K gewählt.

Der T ransistor 20 dient in der Schaltung 18 als Sensor und soll sich möglichst wenig aufheizen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kollektorspannung des Transistors 20 sehr niedrig gehalten wird, beispielsweise auf ca. 0,6 V. Wie bereits erwähnt dient der Transistor 16 als Heizer. Sein Kollektor erhält über den rückgekoppelten Ausgang des Verstärker 22 eine hohe Spannung.

Die Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit weist ferner eine Steuereinheit 24 auf (Figur 4), welche dazu vorgesehen und programmiert ist, den Wert der Kollektorspannung des ersten Transistors 16 und dessen Abhängigkeit von der Zeit festzustellen und aufgrund des Werts der Kollektorspannung einen Wert einer Geschwindigkeit des Fluids in der Fluidleitung 14 und dessen Abhängigkeit von der Zeit und außerdem einen Wert eines Volumenstroms des Fluids und dessen Abhängigkeit von der Zeit zu ermitteln. Hat die Steuereinheit einen Wert der Kollektorspannung des Transistors 16 ermittelt, so vergleicht die Steuereinheit diesen Wert mit einem oder mehreren in der Steuereinheit gespeicherten Werten. Stellt die Steuereinheit fest, dass der ermittelte Wert der Kollektorspannung zwischen zwei benachbarten und in der Steuereinheit gespeicherten Werten liegt, so ermittelt die Steuereinheit zu dem ermittelten Wert der Kollektorspannung einen Wert der Fluidgeschwindigkeit und einen Wert des Fluidvolumenstroms durch I nterpolati- on mithilfe der Werte der Kollektorspannung, die in der Steuereinheit gespeichert sind und den gespeicherten Werten der Kollektorspannung zugeordneten Werten der Fluidgeschwindigkeit und des Fluidvolumenstroms, welche ebenfalls in der Steuereinheit gespeichert sind. Die gespeicherten Werte wurden vor einem Betriebsbeginn der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit durch andere Messinstrumente ermittelt.

In der Fluidleitung 14 (Figur 2) sind der erste Transistor 16 und der zweite Transistor 20 benachbart angeordnet. Genauer gesagt ist der Teil 34 auf einer Leiterplatte 40 derart in der Fluidleitung 14 angeordnet, dass der T ransistor 16 in Bezug auf eine Flussrichtung 38 des Fluids, welches in der Fluidleitung 14 fließt, hinter dem T ransistor 20 angeordnet ist. Neben den T ran- sistoren weist die Leiterplatte ferner Anschlüsse 36 auf.

Die Fluidleitung 14 bildet zusammen mit der Fluidgeschwindigkeitssensoreinheit eine einzige Vorrichtung. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, eine durch die Fluidleitung geströmte Fluidmenge zu bestimmen. Das Fluid wird von einer Kolbenpumpe (nicht gezeigt) durch die Fluidleitung 14 gepumpt. Dabei wird durch einen Kolbenhub des Kolbens der Pumpe eine bestimmte Menge an Fluid durch die Fluidleitung 14 befördert. Figur 3 zeigt die Kollektorspannung des T ransistors 16 in Abhängigkeit von der Zeit, wie sie von der Steuereinheit ermittelt wird. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit abgetragen und auf der Ordinate die Kollektorspannung. Die Achsen sind linear skaliert. Ein Kolbenhub des Kolbens der Pumpe wird dabei durch einen Ausschlag 46 veranschaulicht. Die Steuereinheit bestimmt die durch einen Kolbenhub beförderte Fluidmenge, indem sie die Spannung in Bezug auf die Zeit integriert und mittels in der Steuereinheit bereits gespeicherten Daten weiterverarbeitet. Auf diese Weise kann die Steuereinheit die gesamte Fluidmenge, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums durch die Fluidleitung 14 fließt, bestimmen.

Das Fluid kann insbesondere ein Schmieröl und/oder ein Schmierfett sein. Das Fluid kann insbesondere flüssig oder gasförmig sein. Ferner kann die durch einen Kolbenhub beförderte Fluidmenge insbesondere beispielsweise 3 mm ³ , 30 mm ³ , 60 mm ³ , 100 mm ³ , 0,8 cm ³ oder 100 cm ³ betragen. Die Fluidtemperaturen können bei einem Betrieb beispielsweise 0 °C, 25 °C oder 40 °C oder eine andere, dem Fachmann sinnvoll erscheinende Temperatur sein. Der Ausschlag 46 kann insbesondere beispielsweise zwischen etwa 30 mV und etwa 255 mV liegen.

Bei dem beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Fluidgeschwindigkeit, des Fluidvolumenstroms und der geströmten Fluidmenge wird der dotierte Bereich des Transistors 16 als Heizelement verwendet. Die Temperatur des Heizelements ist höher als die Temperatur des Fluids. Damit versucht das strömende Fluid, das Heizelement abzukühlen. Aus diesem Grund kann die Energie, mit der das Heizelement pro Zeiteinheit versorgt werden muss, damit seine Temperatur konstant bleibt, als Maß dafür genommen werden, wie schnell das strömende Fluid ist.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist der Wert des Widerstands 28 eine Summe aus dem Wert des Widerstands 30 und dem Wert des Widerstands 32.

Da bei der Schaltung 18 keine teuren Präzisionsbauteile erforderlich sind, ist eine sehr kostengünstige Herstellung möglich.

Bezugszeichenliste: