DE112016000872T5

DE112016000872T5 - Thermischer MEMS-Strömungssensor mit Fluidzusammensetzungskompensation

Info

Publication number: DE112016000872T5
Application number: DE112016000872.4T
Authority: DE
Inventors: Thomas O. Maginnis; Nan Jou Pern; Zhengxin Zhao; Yongyao Cai; Yang Zhao
Original assignee: Memsic Inc
Current assignee: Aceinna Inc (ndgesd Staates Delaware) A Us
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-02-20
Also published as: US20160245681A1; US9874467B2; JP6731936B2; JP2018506042A; TW201643382A; TWI635258B; WO2016137826A1; CN107407590A; CN107407590B; DE112016000872B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen thermischen MEMS-Strömungssensor oder ein thermisches MEMS-Strömungsmessgerät zum Messen der Strömungsrate eines Fluids ohne die Notwendigkeit für eine Kalibration des Strömungssensors für dieses bestimmte Fluid bereit. Eine Ansprechkurve wird bestimmt, indem die Sensorausgangsspannung als Funktion der Volumenströmungsrate dividiert durch die thermische Diffusivität des Fluids für ein Kalibrationsfluid mit bekannter thermischer Diffusivität grafisch dargestellt wird und die Ansprechkurvendaten in einem Speicher gespeichert werden. Ein Umrechnungsfaktor wird eingesetzt, um ein Maß der korrekten Strömungsrate eines unbekannten Fludis bereitzustellen. Dieser Umrechnungsfaktor wird aus dem Verhältnis der thermischen Zeitkonstante des Kalibrationsfluids zur thermischen Zeitkonstante des gemessenen Fluids hergeleitet, wobei die Zeitkonstanten bei einer Strömung von Null gemessen werden. Diese Zeitkonstanten sind im Speicher gespeichert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Massenströmungsmessgerät der MEMS-Art, bei dem der Strömungssensor durch Mikrobearbeitungstechniken an einem Siliziumsubstrat hergestellt wird und der ein zentrales Heizelement einsetzt, das durch zwei oder mehr stromaufwärts- und stromabwärtsgelegene Temperaturdetektoren, die alle in direktem thermischen Kontakt mit dem strömenden Fluid platziert sind, flankiert wird, so dass das Vorhandensein einer Fluidströmung in die Stromaufwärts- oder Stromabwärtsrichtung ein Ungleichgewicht in den Temperaturdetektoren bewirkt, was die Fluidströmungsrate angibt. Der Strömungssensor wird auf der Oberfläche eines Siliziumkristalls angefertigt und dann entweder als Teil einer Innenwand eines Strömungskanals, der die Fluidströmung führt, oder an einer Membran- oder Brückenstruktur, die den Strömungskanal intern überspannt, befestigt.
Es ist bekannt, dass derartige MEMS-Strömungssensoren eine Ausgabe aufweisen, die gegenüber den thermischen und mechanischen Eigenschaften des Fluids, das durch den Sensor strömt, wie etwa Fluidmassendichte, spezifische Wärme, thermische Leitfähigkeit, Viskosität usw., und auch gegenüber Umgebungsvariablen, wie etwa die Einlasstemperatur und der Einlassdruck des Fluids, empfindlich ist. Diese Abhängigkeiten schränken die Fähigkeit eines Benutzers ein, den Strömungssensor mit unterschiedlichen Fluiden und Fluidmischungen zu betreiben, sofern zuerst keine kostenintensive und zeitaufwendige empirische Kalibration des MEMS-Strömungssensors mit jedem Fluid von Interesse durchgeführt wird.
Es ist daher wünschenswert und nützlich, ein Verfahren des automatischen Korrigierens der Ausgabe eines thermischen MEMS-Strömungssensors für unterschiedliche Fluidzusammensetzungen durch eine direkte Messung der relevanten Fluideigenschaften, die innerhalb des Strömungssensors selbst durchgeführt wird, bereitzustellen. Die im Folgenden offenbarte Erfindung lehrt ein Verfahren zum Erzielen dieser Fluidzusammensetzungskorrektur, wodurch ermöglicht wird, dass ein thermischer Strömungssensor, der einmal an einem bekannten Fluid kalibriert ist, eine große Vielfalt von unbekannten puren Fluiden und Fluidmischungen ohne eine zusätzliche Strömungskalibration misst, sofern zuerst eine Zeitkonstante und eine thermische Leitfähigkeit, die das unbekannte Fluid oder die unbekannte Mischung repräsentieren, innerhalb des Strömungssensors bei einer Strömung von Null gemessen werden.
Es ist zu beachten, dass „Fluid”, wie in diesem Dokument verwendet, ein beliebiges Materialmedium bezeichnet, das in der Lage ist, durch eine Rohrleitung zu strömen und erwärmt oder gekühlt zu werden, zum Beispiel Gase, Flüssigkeiten, Granulate, Suspensionen, Mischungen usw. Die Prinzipien der thermischen Strömungserfassung gelten für alle Fluiden in diesem weiteren Sinne. Außerdem sollte die Verwendung der spezifischeren Ausdrücke Gas, Flüssigkeit, Mischung usw. zum Beschreiben spezifischer folgender Implementierungen nicht einschränkend, sondern als Fälle von „Fluiden” im weiteren Sinne interpretiert werden.
Zwei andere Arten von kommerziell relevanten thermischen Strömungsmessgeräten sind im Stand der Technik vorhanden. Die Erste sind die thermischen Strömungsmessgeräte mit großem Eintauchfühler, die typischerweise einen makroskopischen eingetauchten Fühler verwenden, der die Strömung an einem Punkt an der Querschnittsfläche des Rohrs misst, und typischerweise im turbulenten Strömungsbereich arbeiten. In diesen Designs stehen die thermischen Detektoren nicht in direktem Kontakt mit dem strömenden Fluid, sondern liegen hinter Schutzwänden des Metall(typischerweise Edelstahl)-Fühlers, der von der Rohrwand, an der er angebracht ist, nach innen hineinragt. Diese Messgeräte müssen mit dem Fluid des Benutzers strömungskalibriert werden. Sie sind eine direkte kommerzielle evolutionäre Entwicklung der Hitzdrahtanemometer, die vor allem zur Fluidströmungsforschung verwendet werden und für die Verwendung bei industriellen Anwendungen zu zerbrechlich sind. Diese thermischen Eintauchfühlermessgeräte werden nicht für die gleichen Anwendungen oder im laminaren Strömungsbereich, der durch thermische Strömungssensoren der MEMS-Art versorgt wird, verwendet. Sie werden hier nicht weiter besprochen. Ihre Charakteristiken und die Richtlinien für deren Gebrauch sind jedoch in den zwei internationalen Strömungsstandards zusammengefasst, einer von ISO und einer von ASME, die im Verweisabschnitt aufgelistet sind.
Eine andere Art eines in der Technik bekannten thermischen Strömungsmessgeräts ist das thermische Kapillarrohr-Strömungsmessgerät, das eine externe Erwärmung und temperaturbeständige Messspulen, die an der Außenseite eines kleinen Kapillarrohrs aufgewickelt sind, aufweist, wobei die Messspulen nicht in direktem thermischen Kontakt mit dem strömenden Fluid stehen, sondern die Temperatur der Rohrwand, die in direktem thermischen Kontakt mit dem strömenden Fluid steht, an der Rohrwandinnenfläche messen. Diese Strömungsmessgeräte besitzen auch eine Fluid- oder Gaszusammensetzungsempfindlichkeit, aber ihre Gaszusammensetzungsabhängigkeit ist viel besser verstanden als die Gaszusammensetzungsabhängigkeit von thermischen MEMS-Strömungsmessgeräten.
Die thermischen Kapillarrohr-Massenströmungssensoren weisen bei niedrigen laminaren Strömungen ein Ansprechverhalten auf, das direkt proportional zur Massenströmungsrate für alle Fluide ist, mit einer Steigung, die fluidabhängig ist. Bei hohen laminaren Strömungsraten wird ihr Ansprechverhalten jedoch eine nichtlineare Funktion der Massenströmung, die eine kompliziertere Abhängigkeit von der Fluidzusammensetzung und den Fluideigenschaften aufweist. Wie zuerst durch Blackett (P.M.S. Blackett Proc. Roy Soc. 1930, S. 319 ff) vorgeschlagen wurde, sprechen die thermischen Kapillarrohr-Strömungsmessgeräte, in ihrem linearen Ansprechbereich zu Strömung, in direkter Proportion zu der durch das Rohr strömenden Wärmekapazität pro Zeiteinheit an und sind ansonsten von der Fluidzusammensetzung unabhängig. Daher, falls die Fluidwärmekapazität pro Masseneinheit bekannt ist, kann das Kapillar-Messgerät so kalibriert werden, dass es die Massenströmung direkt ohne die Voraussetzung, irgendwelche anderen Fluideigenschaften zu kennen, abliest. Für diese Technologie ist es auch einfach, eine mit einem Fluid gemessene Strömungsrate in eine mit einem zweiten Fluid, das denselben kalibrierten Strömungssensor durchquert, gemessene Strömungsrate umzurechnen, indem die Sensorströmungsratenablesung mit einem Gas- oder Fluidkorrekturfaktor multipliziert wird. Der Gaskorrekturfaktor ist einfach das Verhältnis der Wärmekapazitäten der zwei bekannten Fluide im Strömungsgebiet, wo das Sensoransprechverhalten mit beiden Fluiden linear ist. Daher kann ein thermischer Kapillar-Strömungssensor, der an ein Fluid A kalibriert ist, zum Messen der Strömung eines beliebigen bekannten Fluids B verwendet werden, falls die Ablesungen mit dem konstanten Gaskorrekturfaktor, der die Fluide A und B verbindet, multipliziert werden. Derartige thermische Kapillarrohr-Strömungsmessgeräte sind nicht dazu in der Lage, die Strömungen von beliebigen unbekannten puren Gasen oder Mischungen zu messen, bei denen die spezifische Wärmekapazität des Gases oder der Gasmischung variabel oder unbekannt ist, obwohl sie weiterhin in Proportion zur Massenströmungsrate ansprechen, d. h. für unbekannte Gase mit konstanter Zusammensetzung verhalten sie sich wie ein Strömungsmessgerät, das nicht kalibriert ist. Da sie keine Möglichkeit haben, eine sich ändernde spezifische Wärme des Fluids von einer sich ändernden Massenströmungsrate des Fluids zu unterscheiden, da sie nur auf das Produkt der beiden Größen empfindlich sind, können die thermischen Kapillarrohr-Sensoren nicht direkt zum Messen der Strömungsrate einer Fluidmischung, die eine sich zeitlich verändernde Zusammensetzung aufweist, verwendet werden.
Wie Blackett auch aufgezeigt hat, wird das Ansprechverhalten des Kapillarrohr-Strömungssensors bei hinreichend hohen Strömungen eine nichtlineare Funktion der Strömungsrate, die jetzt auch auf die dritte Potenz der Strömungsrate und nicht nur auf die erste Potenz der Strömung anspricht. Der Term der dritten Potenz hängt jedoch zusätzlich von der thermischen Leitfähigkeit des Fluids ab und somit gilt die einfache Gasumrechnung durch die Wärmekapazität des Gases bei höheren Strömungen nicht mehr und die Gasumrechnung wird viel komplizierter. Aus diesem Grund werden Kapillarrohr-Massenströmungsmessgeräte und Massenströmungssteuerungen normalerweise nur im linearen Ansprechbereich des thermischen Kapillarrohr-Strömungssensors betrieben, wo ein konstanter Gaskorrekturfaktor, der unabhängig von der Strömung ist, für die Umrechnung zwischen Strömungen unterschiedlicher bekannter Gase oder Mischungen von Gasen mit bekannten festen Proportionen ausreicht. Der oben angeführte ISO-Standard für thermische Strömungsmessgeräte beschreibt auch Merkmale und die Verwendung von thermischen Kapillarrohr-Strömungsmessgeräten und -steuerungen, die im linearen Abschnitt ihres Strömungsansprechverhaltens betrieben werden, einschließlich der routinemäßigen Verwendung von Gaskorrekturfaktoren zum Einsetzen eines Messgeräts, das an einem Gas kalibriert ist, um Massenströmungsraten anderer Gase mit bekannter spezifischer Wärmekapazität zu messen, ohne die Voraussetzung, dass das Instrument separat für jedes andere Gas oder jede andere Mischung von Gasen neu kalibriert wird. Das Whitepaper von Sierra Instruments Inc. „Capillary Thermal Users Guide” liefert eine ausführliche Zusammenfassung von thermischen Kapillarrohrsensor-Strömungsmessgeräten und -steuerungen, die im linearen Ansprechverhalten des Strömungssensorrohrs betrieben werden.
Es gibt auch ein Patent des Stands der Technik für thermische Kapillarrohr-Strömungssensoren, das ein Verfahren zum Ermöglichen eines Betriebs mit unterschiedlichen Gasen sogar im nichtlinearen Abschnitt des Sensorströmungsansprechbereichs lehrt (Wang, Valentine & Lull, US-Patent 7,043,374, 9. Mai 2006). Dieses Patent kann wie folgt zusammengefasst werden.
Es wird behauptet, dass es für Kapillarrohrsensoren eine einzigartige funktionelle Beziehung zwischen der Sensorausgangsspannung S, der Volumenströmungsrate Q, der Sensorlänge L, der Rohrquerschnittsfläche A, der Fluidmassendichte p, der spezifischen Wärme des Fluids bei konstantem Druck C und zwei empirisch bestimmten Konstanten, die sich typischerweise für jedes Fluid unterscheiden, f und g gibt, so dass
Hier bezeichnet W eine einzigartige Kapillarsensor-Ansprechfunktion, die für alle Fluide und alle Sensoren eines spezifischen Designs die gleiche ist. Die Behauptung liegt darin, dass, falls angenommen wird, dass die Größe auf der linken Seite von Gleichung (1) eine y-Koordinate ist, und angenommen wird, dass die Größe in Klammern auf der rechten Seite von Gleichung (1) eine x-Koordinate ist, dann wird eine grafische Darstellung von y(x) basierend auf der gemessenen Sensorausgabe S als eine Funktion der gemessenen Volumenströmungsrate Q eine einzigartige nichtlineare Kurve y(x) ergeben, die, ungeachtet der Tatsache, dass S(Q) als Funktion von Q dargestellt unterschiedliche Kurven für unterschiedliche Gas- und Mischungsarten ergibt, von den Gas- oder Gasmischungsarten unabhängig ist. Um die Strömung eines Gases mit bekannter Zusammensetzung aus der Beziehung von Gleichung (1) zu bestimmen, angefangen mit der gemessenen Sensorspannung S, muss das entsprechende y aus dem gemessenen S und den zwei bekannten Gaseigenschaften f, k berechnet werden, dann muss die entsprechende x-Koordinate auf der zuvor bestimmten einzigarten Kurve y(x) aus y gefunden werden und dann müssen die bekannten Gas- und dimensionalen Sensoreigenschaften g, ρ, k, C, L und A verwendet werden, um die geeignete Volumenströmung Q aus dem numerischen Wert der x-Koordinate der Kurve zu finden. Das Patent 7,043,374 offenbart keine spezifische analytische funktionelle Form oder kontinuierliche Kurve für die Funktion W; sie besteht offensichtlich nur aus einem Satz von assoziierten diskreten (x, y)-Punkten, die aus den (S, Q)-Sensorausgabepunkten, die aus der Kalibration des Strömungssensors an spezifischen bekannten Gasen hervorgehen, berechnet werden. Das Patent 7,043,374 lehrt auch kein Verfahren zur Bestimmung der empirischen Gaseigenschaften f, g, die für jedes Gas benötigt werden, um das Verfahren anzuwenden. Diese Unterlassung ist besonders im Fall von Prozessgasen offenkundig, die so reaktiv sind, dass sie nicht sicher bei einer Produktionskalibration verwendet werden können, so dass sie durch sichere Ersatzgase für Herstellungsströmungskalibrationen ersetzt werden.
Zusammengefasst gibt es für thermische Kapillarrohr-Strömungssensoren des Stands der Technik, die im linearen Abschnitt des Sensoransprechverhaltens betrieben werden, eine einfache Gaseigenschaftsumrechnung, die die Verwendung eines Sensors, der an einem bekannten Gas kalibriert ist, mit vielen anderen bekannten puren Gasen und Gasmischungen mit konstanten Proportionen ermöglicht, vorausgesetzt, dass alle der relativen spezifischen Wärmekapazitäten der Gase oder Mischungen bekannt sind. Diese Eigenschaft von thermischen Kapillarrohr-Strömungssensoren ist wohlbekannt und wird beispielsweise im ISO-Standard, publiziert am 15. Oktober 2001 und mit dem Titel „ISO-14511 Thermal Mass Flow Meters in Closed Conduits”, beschrieben.
Für Kapillarrohrsensoren, die im nichtlinearen Abschnitt des Sensoransprechbereichs betrieben werden, ist die Gasabhängigkeit komplizierter und schließt andere Gaseigenschaften neben der spezifischen Wärmekapazität des Fluids ein. Der im US-Patent von Wang et al US7043,374 B2 beschriebene Stand der Technik lehrt ein Verfahren des Betriebs eines derartigen Kapillarsensors im nichtlinearen Teil der Ansprechkurve, unter Voraussetzung, dass die Dichte, die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme bei konstantem Druck jedes Gases plus die zwei empirisch bestimmten Gaskonstanten f und g für jedes Gas plus die Länge und die Querschnittsfläche des eingesetzten Kapillarrohrsensors bekannt sind und dass die „charakteristische Kurve” W zuvor unter Verwendung des Sensors in Frage für alle Gase von Interesse mit bekannten Eigenschaften gemessen worden ist. Da die Notwendigkeit besteht, die neuen Gaseigenschaften f und g für jedes Gas von Interesse zu messen, ist dieses Verfahren nur für jene zweckmäßig, die die Ressourcen besitzen, die zum Ausführen der notwendigen Vorlaufsströmungsuntersuchung benötigt werden, oder die einen Zugriff auf eine Datenbank des Herstellers, die diese Informationen enthält, besitzen.
Im Gegensatz dazu weisen thermische MEMS-Strömungssensoren eine andere Abhängigkeit von Gaseigenschaften als die Kapillarrohr-Strömungssensoren selbst im linearen Ansprechbereich, wo sie eine Abhängigkeit von der thermischen Leitfähigkeit des Fluids und der Massendichte sowie der Wärmekapazität besitzen, auf. Diejenigen, die zum Beispiel mit den thermischen Kapillarrohr-Strömungsmessgeräten vertraut sind, wissen, dass sowohl Wasserstoff als auch Luft im linearen Strömungsansprechbereich des Sensors fast die gleiche Steigung gegenüber der standardisierten Volumenströmungsrate aufweisen, so dass der „Gaskorrekturfaktor” für diese Gase nahe 1 liegt. Für einen thermischen MEMS-Strömungssensor mit einer Erwärmung und einer Erfassung innerhalb der Strömungsrohrleitung weisen die Gase Wasserstoff und Luft jedoch dramatisch unterschiedliche Steigungen selbst im linearen Gebiet des Sensoransprechverhaltens auf. Somit gilt die gleiche dimensionslose Korrelation nicht bei beiden Arten des thermischen Strömungssensors und die im Stand der Technik des US-Patents 7,043,374 gelehrte Korrelation (1) ist nicht für thermische MEMS-Strömungssensoren mit einem Heizelement und Temperatursensoren, die dem strömenden Fluid direkt ausgesetzt sind, gültig.
Daher ist es zuvor nicht möglich gewesen, einen thermischen MEMS-Strömungssensor mit einem Heizelement und Temperatursensoren, die im strömenden Fluid eingetaucht sind, zu verwenden, um Strömungen mit vielen Gasen basierend auf einer einzigen Strömungskalibration mit nur einem Gas selbst im linearen Ansprechbereich zu messen, da kein genaues und einfaches Verfahren einer Gasumrechnung bekannt war. Zusätzlich dazu war es bei MEMS-Strömungssensoren gängige Praxis, sie über breite Strömungsbereiche, wo das Ansprechverhalten für alle verwendeten Gase oder Fluide äußerst nichtlinear ist, zu kalibrieren und zu verwenden. Daher ist es bisher notwendig gewesen, eine kostenintensive nichtlineare Kalibration mit jedem Gas oder jedem Fluid, das in einem thermischen MEMS-Strömungsmessgerät verwendet werden soll, durchzuführen, mit dem Ergebnis, dass die hohen Kosten der mehreren nichtlinearen Kalibrationen größtenteils die Verwendung der MEMS-basierten Strömungsmessgeräte auf Strömungen der geläufigsten Gasmischung, Luft, eingeschränkt hat.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen thermischen MEMS-Strömungssensor oder ein thermisches MEMS-Strömungsmessgerät zum Messen der Strömungsrate eines Fluids ohne die Notwendigkeit für eine Kalibration des Strömungssensors für dieses bestimmte Fluid bereit. Eine Ansprechkurve wird durch grafisches Darstellen der Sensorausgangsspannung als Funktion der Volumenströmungsrate dividiert durch die thermische Diffusivität des Fluids für ein Kalibrationsfluid mit bekannter thermischer Diffusivität und durch Speichern von Ansprechkurvendaten in einem Speicher bestimmt. Ein Umrechnungsfaktor wird eingesetzt, um ein Maß der korrekten Strömungsrate eines unbekannten Fluids bereitzustellen. Dieser Umrechnungsfaktor wird aus dem Verhältnis der thermischen Zeitkonstante des Kalibrationsfluids zur thermischen Zeitkonstante des gemessenen Fluids hergeleitet, wobei die Zeitkonstanten bei einer Strömung von Null gemessen werden. Diese Zeitkonstanten werden im Speicher gespeichert. Dieser Umrechnungsfaktor in Verbindung mit den Ansprechkurvendaten wird durch den Prozessor genutzt, um die korrekte Strömungsrate zu erzeugen.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Messen einer Fluidströmungsrate von Fluiden mit unterschiedlichen Eigenschaften ohne die Notwendigkeit einer separaten Strömungskalibration fürjedes Fluid.
Der Strömungssensor stellt ein Maß der volumetrischen Strömungsrate bereit. Ein Maß der Massenströmungsrate kann gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines Fluidmassendichte-Messinstruments bereitgestellt werden. Für Fälle, bei denen das Fluid als ein ideales Gas angesehen werden kann, können In-situ-Messungen der Gastemperatur und des Gasdrucks in Kombination mit der Volumenströmungsrate eingesetzt werden, um ein Strömungssignal zu erzeugen, das direkt proportional zur Massenströmungsrate ist.
Der Anmelder hat festgestellt, dass es für thermische MEMS-Strömungssensoren, die in einem Modus mit konstantem Temperaturanstieg betrieben werden, eine dimensionslose Beziehung zwischen der Strömungssensorausgabe (ΔT/T_rise) und einer dimensionslosen Strömungsvariable gibt, die proportional zur Volumenströmungsrate Q dividiert durch eine charakteristische Länge √A weiter dividiert durch die thermische Diffusivität a des Fluids ist. Hier ist ΔT die stromabwärtsgelegene minus die stromaufwärtsgelegene strömungsinduszierte Temperaturdifferenz, T_rise ist die Temperaturerhöhung des MEMS-Gasheizelements über thermischer Masse und A ist die Querschnittsfläche der Strömungsrohrleitung am Standort des internen Sensorheizelements. Natürlich ist A für ein gegebenes Sensordesign konstant und hängt weder von der Strömungsrate Q noch von der thermischen Diffusivität α des Gases ab, so ist nicht wesentlich, außer, wenn Ansprechverhalten von Sensordesigns mit unterschiedlichem A verglichen werden, und kann zum Vereinfachen der Analyse, wenn nur Strömungsansprechverhalten unterschiedlicher Gase im selben Sensor in Betracht gezogen werden, weggelassen werden.
Wenn die Sensorausgangsspannung für unterschiedliche Fluide und Mischungen als Funktion der Volumenströmungsrate dividiert durch die thermische Diffusivität des Fluids, Q/α, grafisch dargestellt wird, führt dies zu einer universellen Ansprechkurve, die im Wesentlichen die gleiche für alle Fluide ist. Daher ist es möglich, sobald die Form dieser Kurve für ein Fluid mit bekannter thermischer Diffusivität für ein spezifisches MEMS-Sensordesign durch eine Strömungskalibration bestimmt wird, die Sensorströmungsansprechkurve, die grafisch als eine Funktion der Volumenströmungsrate dargestellt wird, für ein beliebiges Fluid oder eine beliebige Mischung mit bekannter thermischer Diffusivität vorherzusagen.
Um das oben beschriebene Verfahren auch für Fluide mit zufälliger und unbekannter thermischer Diffusivität zu verwenden, reicht es aus, eine Größe, die die thermische Diffusivität des Fluids repräsentiert, in situ innerhalb des Strömungssensors zu messen. Da nur das Verhältnis der thermischen Diffusivitäten benötigt wird, um von einer Gasströmung zu einer anderen umzurechnen, ist es nicht notwendig, die absolute thermische Diffusivität irgendeines Gases, sondern nur die relativen thermischen Diffusivitäten von zwei Gasen oder Mischungen von Gasen zu messen. Es kann eine Größe gemessen werden, die die thermische Diffusivität des Fluids repräsentiert, indem die exponentielle Zeitkonstante für das Fluid innerhalb des Sensorvolumens zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts bestimmt wird, wenn es einer schrittweisen Änderung der Heizelementleistung bei einer Strömung von Null ausgesetzt wird. Tatsächlich ist die thermische Zeitkonstante des Fluids für gewöhnliche thermische Strömungssensordesigns umgekehrt proportional zur thermischen Diffusivität des Fluids. Zusätzlich dazu kann die thermische Leitfähigkeit bei einer Strömung von Null zum Vergleichen der Gleichgewichtstemperatur gemessen werden. Die thermische Leitfähigkeit ist proportional zur Temperatur. Dies wird zum Beispiel durch CFD-Simulationen des Temperaturansprechverhaltens unterschiedlicher Gase zu einer schrittweisen Änderung der Gasheizelementleistung und auch durch ein einfaches analytisches Modell der gekoppelten Fest- und Fluidabschnitte innerhalb des Sensorkörpers gezeigt.
Daher besitzt man durch eine Messung bei einer Strömung von Null der thermischen Zeitkonstante eines unbekannten Fluids im Vergleich zur entsprechenden thermischen Zeitkonstante bei einer Strömung von Null des bestimmten Kalibrationsfluids, das zum Durchführen der Strömungskalibration des thermischen MEMS-Strömungssensors verwendet wird, ein Maß des Verhältnisses der thermischen Diffusivitäten des unbekannten und des bekannten Fluids, was ausreicht, um die korrekte Stelle auf einer Volumenströmungsratenachse für das unbekannte Fluid, unter Vorgabe der Sensorspannungsausgabe für dieses Fluid bei einer unbekannten aber konstanten Strömungsrate, aus der universellen grafischen Sensoransprechverhaltensdarstellung zu bestimmen. Daher ermöglicht das Verfahren die Bestimmung der korrekten Volumenströmungsrate des unbekannten (oder zufälligen) Fluids aus der Sensorausgabe, die mit diesem Fluid, das mit einer unbekannten Strömungsrate fließt, gemessen wird, vorausgesetzt, dass zuerst die Zeitkonstante für das unbekannte Fluid bei einer Strömung von 0 bestimmt worden ist und zuvor die universelle Sensoransprechkurve für mindestens ein Fluid (durch eine tatsächliche Strömungskalibration mit diesem Fluid) gemessen worden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine nicht maßstabsgetreue schematische Übersicht des gesamten Strömungsmessgeräts dar, die einen Strömungsmessgerätekörper 1, ein Elektronik- und Computermodul oder einen Prozessor 9, einen Strömungsteiler und Haupt- und Sensor- oder Umleitungsströmungskanäle und Signalpfade, die zwischen dem thermischen Sensor und dem Datenverarbeitungsmodul kommunizieren (gestrichelte Linien), zeigt;
2 stellt eine nicht maßstabsgetreue vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts des Sensorströmungskanals 6 dar, die die relativen räumlichen Positionen des Fluidheizelements und von stromaufwärtsgelegenen und stromabwärtsgelegenen Temperaturdetektoren, die stromaufwärtsgelegene und stromabwärtsgelegene Fluidtemperaturen messen, und ihre ungefähren relativen Positionen im Sensorströmungskanal zeigt;
3 stellt eine kombinierte grafische Darstellung der gemessenen Strömungsansprechverhalten als Funktion der Volumenströmungsrate eines MEMS-Strömungssensors, der Luft und dann H₂ im linearen Bereich des Sensoransprechverhaltens strömt, dar, die weitgehend unterschiedliche Steigungen zeigt, im Gegensatz zu Kapillarrohr-Ansprechverhalten für die gleichen zwei Gase, die fast die gleiche Steigung aufweisen;
4 ist eine grafische Darstellung des gemessenen Strömungsansprechverhaltens als Funktion der Volumenströmungsrate eines Strömungsmessgeräts für 5 unterschiedliche Gase im nichtlinearen Bereich des Strömungsansprechverhaltens;
5 grafische Darstellung des gemessenen Strömungsansprechverhaltens als Funktion der neuskalierten Strömungsrate [(Volumenströmungsrate)/(thermische Diffusivität des Fluids), Q/α] eines Strömungsmessgeräts für 5 unterschiedliche Gase im nichtlinearen Teil seines Bereichs;
6 grafische Darstellung einer simulierten thermischen Zeitkonstante für ein MEMS-Strömungsmessgerät als Funktion von 1/(thermische Diffusivität des Gases) für mehrere Gase, die zeigt, dass die Zeitkonstante umgekehrt proportional zur thermischen Diffusivität des Gases ist;
7 stellt die Verwendung eines ergänzenden Differenzdrucksensors 13 dar, der parallel zum Sensorströmungskanal installiert ist, um ein Maß der relativen Viskosität des Fluids in Verbindung mit der In-situ-Messung der relativen thermischen Diffusivität und der Volumenströmungsrate bereitzustellen, so dass eine höhere Strömungsgenauigkeit in Fällen bereitgestellt wird, bei denen die Viskosität des Gases eine geringfügige Aufspaltung in der universellen Ansprechkurve bewirkt;
8 stellt die Verwendung eines ergänzenden Fluidmassendichte-Messinstruments 14 in Kombination mit der Volumenströmungsratenmessung der Erfindung mittels einer In-situ-Messung der relativen thermischen Diffusivität des Fluids oder der thermischen Zeitkonstante mit der universellen dimensionslosen Ansprechkurve dar, so dass eine Messung der Massenströmungsrate eines unbekannten Fluids erzielt wird; und
9 für Fälle, bei denen das Fluid ein ideales Gas ist, ist es möglich, die bekannte Zustandsgleichung (9) mit In-situ-Messungen der Gastemperatur (T) und des Gasdrucks (P) und der Volumenströmungsrate Q einzusetzen, um ein Strömungssignal zu erzeugen, das direkt proportional zur Massenströmungsrate des Gases ist und für T-, P-Variationen kompensiert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine nicht maßstabsgetreue schematische Übersicht des gesamten Strömungsmessgeräts dar, die einen Strömungsmessgerätekörper 1, einen Strömungseinlass 2 und einen Strömungsauslass 3, ein vollständig schließendes Einlass-Absperrventil 4 und ein vollständig schließendes Auslass-Absperrventil 5, einen Strömungsteiler-Hauptkanal 6 (der typischerweise den größeren Teil der geteilten Gesamtströmung führt) und einen Sensor- oder Umleitungsströmungskanal 7 (der typischerweise den kleineren Teil der geteilten Gesamtströmung führt) zeigt, wobei der thermische Strömungssensor 8 selbst innerhalb des Strömungssensorkanals 7 befestigt ist. Eine Strömungserfassungskammer ist im Strömungskanal 7 zwischen den Ventilen 4 und 5 definiert. Nachdem das Fluid in die Kammer eintritt und diese füllt, werden die Absperrventile abgestellt, um das Innenvolumen in der Kammer, wo die thermische Zeitkonstante des Fluids gemessen wird, zu versiegeln. Die vollständig schließenden Absperrventile können extern durch den Benutzer des Messgeräts verbunden und beliefert werden oder sie können durch den Hersteller in das Messgerät eingebaut sein. In jedem Fall müssen sie sich während des Zeitraums, wenn die thermische Zeitkonstante des Fluids gemessen wird, in der abgestellten Position befinden. Wenn die thermische Zeitkonstante des Fluids gemessen und im Speicher gespeichert worden ist und das Strömungsmessgerät auf Null zurückgesetzt worden ist, werden das Einlass- und das Auslass-Absperrventil geöffnet, um dem Messgerät zu ermöglichen, die Strömung durchzulassen.
Die gestrichelten Linien in 1 geben Datenkommunikationsverbindungen und Steuersignalpfade zwischen den Sensor- und Aktorkomponenten des Strömungsmessgeräts (dem thermischen Strömungssensor und den Einlass- und Auslass-Absperrventilen) und dem Elektronik- und Datenverarbeitungsmodul oder Prozessor 9, wo das Betriebsprogramm des Messgeräts und die Kalibrationsdaten im Speicher gespeichert werden, an. Der durchgehende Pfeil, der vom Prozessor 9 weg zeigt, gibt den Informationsweg an, der die Strömungsablesung des Messgeräts zum Benutzer des Messgeräts kommuniziert.
Der Prozessor 9 ist typischerweise ein Mikroprozessor, der Software oder Firmware aufweist, die zum Bereitstellen der vorgesehenen Berechnungen gemäß der vorliegenden Offenbarung funktionsfähig ist. Der Mikroprozessor kann an sich eine beliebige bekannte Konfiguration besitzen und kann in oder in Verbindung mit dem Strömungssensorkörper befestigt sein.
2 stellt einen Abschnitt des Sensorströmungskanals 7 (der durch gestrichelte Linien angegeben ist) dar, wo sich die aktiven Komponenten des thermischen Sensors 8 befinden, die die grundlegenden Messungen, die zu dem Messgeräteausgabeströmungssignal nach einer Verarbeitung durch den Prozessor beitragen, durchführen. Diese Komponenten sind ein Mikrobrücken-Fluidheizelement 12, das über den Strömungskanal aufgehangen ist und in direktem thermischen Kontakt mit dem strömenden Fluid steht, ein stromaufwärtsgelegener Fluidtemperatursensor 10 und ein stromabwärtsgelegener Fluidtemperatursensor 11, die auch beide durch Mikrobrücken über den strömenden Fluidstrom aufgehangen sind und in direktem thermischen Kontakt mit diesem stehen.
Es ist beabsichtigt, dass der Ausdruck „direkter thermischer Kontakt” eine thermisch dünne Schutzoberflächenbeschichtung auf dem Heizelement und den Temperatursensoren, die ansonsten im Fluid eingetaucht sind, beinhaltet. Um „thermisch dünn” zu sein, muss die Beschichtung eine vernachlässigbare Wärmekapazität bezüglich der Wärmekapazität des Heizelements oder des Temperatursensors selbst aufweisen.
Obwohl in 2 ein Sensorströmungskanal mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt ist, kann die Querschnittsform des Strömungssensorkanals zum Beispiel kreisförmig, oval, elliptisch, dreieckig oder sechseckig sein oder eine beliebige geschlossene geometrische Form mit konstanter Fläche besitzen, die einen generalisierten Zylinder (der sich von einem kreisförmigen Zylinder unterscheidet) erzeugen wird, wenn sie entlang der Strömungsrichtung projiziert wird. Gleichermaßen, obwohl das Fluidheizelement 12 und die stromaufwärts- und stromabwärtsgelegenen Temperatursensoren 10 und 11 als Mikrobrücken, die sich über den Sensorströmungskanal erstrecken, abgebildet sind, können sie eine beliebige geometrische Form besitzen, die in der Lage ist, das strömende Fluid hinreichend zu erwärmen und die strömungsinduzierte Stromabwärts-Stromaufwärts-Temperaturdifferenz des Fluids zu detektieren.
3 ist eine grafische Darstellung des gemessenen Strömungsansprechverhaltens eines MEMS-Strömungssensors mit Luft und H₂ im ungefähr linearen Bereich des Sensoransprechverhaltens. Die Strömungen der beiden unterschiedlichen Gase wurden separat im Messgerät gemessen, dann wurden die beiden Strömungsansprechverhalten des Messgeräts mit den unterschiedlichen Gasen auf demselben Graph zum Vergleich grafisch dargestellt. Die Punkte, die durch + und x gekennzeichnet sind, sind zwei Strömungsdurchläufe, die mit durch das Strömungsmessgerät strömender Luft durchgeführt wurden. Die Punkte, die durch Kreise abgebildet sind, sind Messungen, die im selben Messgerät mit durch das Messgerät strömendem Wasserstoff vorgenommen wurden. Es wird unmittelbar ersichtlich, dass die Steigung der Ausgangsspannung als Funktion der Volumenströmungsrate für Luft nicht fast gleich der Steigung mit Wasserstoff, sondern viel größer ist. Die +– und x-Symbole auf dieser grafischen Darstellung bezeichnen zwei separate Durchläufe mit Luft und ihr vertikaler Abstand bei jeder Strömungsrate gibt eine Indikation des Messfehlers. 3 zeigt, dass der MEMS-Strömungssensor ein dramatisch anderes Ansprechverhalten mit den Gasen Luft und Wasserstoff als die wohlbekannte Kapillarrohr-Korrelation aufweist, die auf der spezifischen Wärme des strömenden Gases oder der strömenden Mischung basiert, die ein fast identisches Ansprechverhalten für Luft und H₂ im linearen Abschnitt des Strömungsansprechverhaltens vorhersagt. Sierra Instruments Inc., ein bekannter Hersteller von thermischen Strömungsmessgeräten des Kapillar-Typs, gibt den herkömmlichen Gaskorrekturfaktor (K-Faktor bezüglich Luft) für H₂ in ihren thermischen Kapillarrohr-Massenströmungsinstrumenten als 1,001 an. Daher sprechen die MEMS-Strömungssensoren anders als die Kapillarrohrsensoren an, wenn unterschiedliche Gase in ihnen geströmt werden, und befolgen ihr eigenes unabhängiges Gasansprechverhaltensgesetz. Die Kapillarrohr-Gasumrechnungsfaktoren sind im Allgemeinen nicht für thermische MEMS-Strömungssensoren gültig.
4 stellt eine grafische Darstellung der Rohsensorausgabe als Funktion der Volumenströmungsrate eines MEMS-Strömungsmessgeräts für 5 unterschiedliche Gase im nichtlinearen Bereich des Ansprechverhaltens dar. Obwohl manche Gase (N₂, Luft, CH₄) nahegelegene Ansprechverhalten fast unabhängig von der Gaszusammensetzung aufweisen, weisen andere, wie CO₂ und H₂, extrem unterschiedliche Ansprechverhalten auf. Eine besonders große Differenz ist zwischen den Gasen CO₂ und Wasserstoff vorhanden. Diese Figur stellt auch die Differenz im Ansprechverhalten zwischen Kapillarrohr-Strömungssensoren und MEMS-Strömungssensoren für die Gase Luft und Methan (CH4) dar, die für die MEMS-Strömungssensoren wie in 4 gezeigt, fast identisch sind, sich aber um ungefähr 25% in der Steigung für die Kapillarrohrsensoren unterscheiden (Sierra Instruments (op. cit.) gibt einen Methangaskorrekturfaktor bezüglich Luft als 0,754 an). 4 ist zum Veranschaulichen eines Vorher-Nachher-Vergleichs zur ähnlichen grafischen Darstellung von 5 bereitgestellt, bei der die Strömungsachse neuskaliert wird, indem die gemessene Volumenströmungsrate durch die thermische Diffusivität jedes gemessenen Gases dividiert wird.
5 stellt eine grafische Darstellung der Rohströmungsmessgeräteausgabe als Funktion von Q/α für die gleichen Strömungsdaten, die zuvor in 4 grafisch dargestellt wurden (vor der Strömungsneuskalierung), dar. Hier ist Q die gemessene Volumenströmungsrate für jedes Gas, wie in 4, und α ist die thermische Diffusivität dieses Gases. Die horizontale Achse ist die neuskalierte Strömungsachse gemäß der Korrelation der vorliegenden Erfindung. Es ist ersichtlich, dass die fünf unterschiedlichen Ansprechkurven wesentlich in einen sehr dichten Cluster mit nahezu übereinstimmenden Kurven zusammengefallen sind. Dies steht in starkem Gegensatz zu 4, wo die Korrelation nicht eingesetzt wird. Obwohl das in den Untersuchungen der 4 und 5 eingesetzte Strömungsmessgerät für die Verwendung der neuskalierten grafischen Strömungsdarstellung aufgrund ihres Designs nicht optimal ist, zeigt es dennoch einen wesentlichen Fortschritt, die disparaten Kurven von 4 zu einer universellen Kurve zu konvergieren. Andere verbesserte Designs sollten eine noch bessere Konvergenz mit unterschiedlichen Gasen erzeugen.
6 stellt eine grafische Darstellung der thermischen Zeitkonstante r des Gases als Funktion von 1/α dar, die eine direkte Proportion zwischen diesen Variablen für sieben unterschiedliche pure Gase (H₂, He, Ar, CO₂, CH₄, SF₆, N₂) mit stark unterschiedlichen thermischen Diffusivitäten plus eine Gasmischung (Luft), deren thermische Diffusivität bekannt ist, zeigt. Diese Zeitkonstanten kamen aus einem theoretischen Modell der gekoppelten Fest- und Fluidabschnitte des thermischen Strömungssensors von Memsic, Inc., das ihre gegenseitige thermische Interaktion berücksichtigt.
Somit kann für zwei beliebige Gase 1, 2 Folgendes geschrieben werden:
Um die relative thermische Diffusivität eines gemessenen Gases zu bestimmen, ist es zuerst notwendig, das Gas in Frage in die Strömungserfassungskammer zu strömen und die vollständig schließenden Einlass- und Auslass-Absperrventile abzustellen. Diese werden eine jegliche Strömung durch das Erfassungsvolumen verhindern, während die thermische Zeitkonstante des Gases gemessen wird. Dann wird eine schrittweise Änderung der Erwärmungsleistung am Heizelement angewendet und die Temperaturablesungen der stromaufwärts- und stromabwärtsgelegenen Temperatursensoren werden als eine Funktion der Zeit aufgezeichnet. Diese Informationen werden dann durch das Elektronik- und Datenverarbeitungsmodul (9 in 1) verarbeitet, um die exponentielle thermische Zeitkonstante für das Gas in der Kammer zu erbringen. Die vollständig schließenden Absperrventile können dann geöffnet werden und es wird bewirkt, dass das Gas, dessen Strömungsrate gemessen werden soll, durch die Sensorströmungskammer strömt und die Stromabwärts-Stromaufwärts-Temperaturdifferenz gemessen wird, um das Rohströmungssignal bereitzustellen.
In 5 wurde gezeigt, dass eine Beziehung zwischen der MEMS-Sensorausgabetemperaturdifferenz ΔT und der Strömungsvariable Q/α der folgenden Form besteht: ΔT = R(Q/α) (3)
Wobei R eine universelle oder gasunabhängige Sensoransprechfunktion für den thermischen MEMS-Sensor in Frage ist. Daher entspricht ein gemessener Wert ΔT allgemein unterschiedlichen Strömungen unterschiedlicher Gase, so dass das Verhältnis Q/α für alle Gase mit dem gleichen ΔT konstant ist. Falls dann die universelle Funktion R durch eine Strömungskalibration mit einem Gas (durch 1 bezeichnet) bestimmt worden ist, kann die Strömung dieses Gases, das einem beliebigen bestimmten ΔT entspricht, gefunden werden, indem die Funktion R umgekehrt wird, d. h. Q₁ = α₁R^–1(ΔT). Hier ist R^–1 die Umkehrfunktion für R. Die entsprechende Strömung des Gases 2 wird dann aus der folgenden Beziehung gefunden:
Das Verhältnis von α's wird aus dem Verhältnis von T's unter Verwendung von (2) bestimmt:
Falls Gas 1 somit das Kalibrationsgas (dessen thermische Zeitkonstante auch gemessen worden ist) ist, ist es möglich, Strömungen eines beliebigen anderen Gases zu messen, sobald die Zeitkonstante bei einer Strömung von 0 des anderen Gases gemessen wird. In der Tat kann die thermische Diffusivität gänzlich ausgelassen werden und die universelle Ansprechfunktion in der folgenden alternativen Form geschrieben werden: ΔT = R(Q·τ) (6)
Aus Gleichung (6) wird ersichtlich, dass, wenn ein beliebiges unbekanntes Gas A, dessen thermische Zeitkonstante T_A bei einer Strömung von Null durch den thermischen Strömungssensor in situ gemessen wird, die bekannte universelle Funktion R umgekehrt werden kann, um für Q_A hinsichtlich der gemessenen Strömungssensorausgabe ΔT, wie in Gleichung (7) gezeigt, zu lösen.
Durch dieses Verfahren wird jeder einzelne Strömungssensorausgabewert ΔT mit einer einzigartigen Volumenströmungsrate Q_A eines Gases A assoziiert, selbst wenn der Strömungssensor niemals direkt mit dem Gas A kalibriert worden ist. Gleichermaßen wird dann, falls ein thermisches Strömungsmessgerät, das an Gas 1 kalibriert worden ist, dann mit Gas 2 verwendet wird, die Volumenströmungsrate des strömenden Gases 2, Q₂, leicht aus der Strömungsmessgerätablesung Q1 gemäß dem folgenden einfachen Ausdruck berechnet:
Das heißt, der Gasumrechnungsfaktor zum Umrechnen der Ablesung Q1 eines thermischen MEMS-Strömungsmessgeräts, das zum Messen von Gas 1 kalibriert ist, wenn das tatsächliche Gas, das durch dieses strömt, Gas 2 ist, ist das Verhältnis T₁/T₂ oder äquivalent das Verhältnis α₂/α₁ aus Gleichung (2).
Somit kann das Gasumrechnungsverhältnis, das zum Umrechnen der mit dem Messgerätekalibrationsgas gemessenen Volumenströmungsrate zur mit einem beliebigen anderen Gas mit demselben Instrument gemessenen Volumenströmungsrate benötigt wird, entweder in situ durch ein direktes Messen der thermischen Zeitkonstante des Prozessgases bezüglich des Kalibrationsgases oder von einer Referenztabelle von thermischen Gasdiffusivitäten bestimmt werden, wenn die Identität des Prozessgases bekannt ist und seine thermische Diffusivität bezüglich des Kalibrationsgases tabelliert ist. Es wird angenommen, dass die Identität des Kalibrationsgases bekannt ist, dass seine thermische Diffusivität tabelliert ist und dass seine thermische Zeitkonstante im Strömungssensor gemessen und im Speicher des Strömungsmessgeräts zum Zeitpunkt der Strömungskalibration gespeichert worden ist. Gleichermaßen wird angenommen, dass die Umkehrfunktion R^–1(ΔT) der universellen Ansprechfunktion R(Q·T) für das Kalibrationsgas berechnet und im geräteinternen Speicher des Strömungsmessgeräts gespeichert worden ist.
Diese Erfindung lehrt ein neuartiges Verfahren, durch das ein thermischer MEMS-Strömungssensor, der einmal genau an einem bekannten Fluid über einen breiten Strömungsbereich kalibriert worden ist, zum Messen einer Strömung eines beliebigen anderen Fluids oder einer beliebigen anderen Mischung verwendet werden kann, selbst wenn die Zusammensetzung dieses anderen Fluids nicht bekannt ist, vorausgesetzt, dass seine thermische Zeitkonstante im Strömungssensor gemessen werden kann.
Dies ist erheblicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, der eine separate und kostenintensive Kalibration an jedem Gas benötigte, bevor ein MEMS-Strömungssensor zum Messen einer Strömung mit unterschiedlichen Gasen oder Mischungen von Fluiden verwendet werden kann, selbst wenn die Zusammensetzung der Gase bekannt war und ihre physikalischen Eigenschaften tabelliert wurden.
Bestimmte offensichtliche Erweiterungen an der vorliegend gelehrten grundlegenden Technik für thermische MEMS-Strömungssensoren werden Fachleuten im Strömungssensorgebiet ersichtlich werden. Diese sowie die einfachsten schon beschriebenen Ausführungsformen werden hier auch beansprucht. Zum Beispiel ist es verständlich, dass diese Technik, zusätzlich dazu, dass die in der Lage ist, unbekannte Fluide und Mischungen zu messen, auch an Fluiden und Mischungen mit bekannter thermischer Diffusivität angewendet werden könnte, indem die Verhältnisse ihrer thermischen Diffusivitäten zu dem des bekannten Kalibrationsfluids im Voraus berechnet und sie im Instrumentenspeicher zusammen mit der universellen dimensionslosen Kurve gespeichert werden. Somit könnte ein Instrument mit derartigen gespeicherten Informationen über einen beliebigen Satz unterschiedlicher Gase von Interesse, die schon im Instrumentenspeicher gespeichert sind, an den Benutzer verkauft werden, um die unmittelbare Verwendung an diesen bekannten Gasen zu gestatten, ohne die zusätzliche Zeit zu benötigen, die für eine In-situ-Zeitkonstantenbestimmung benötigt wird.
Fachleuten im Strömungsmessgerätegebiet wird auch ersichtlich werden, dass außerdem die Fähigkeit einer In-situ-Zeitkonstantenbestimmung des Fluids und eine Beziehung zur universellen dimensionslosen Kurve als ein Mittel der Selbstüberprüfung an bekannten Fluiden, deren thermische Eigenschaften im Instrumentenspeicher gespeichert sind, verwendet werden könnte. Eine derartige Prüfung einer neuen Zeitkonstantenbestimmung zu einer vorherigen Zeitkonstantenbestimmung oder einem gespeicherten thermischen Diffusivitätswert könnte subtile Verschiebungen in den Strömungssensorcharakteristiken aufgrund von Sensorabnutzungserscheinungen durch den Gebrauch offenbaren, die die Notwendigkeit für eine Neukalibration des Strömungssensors angeben können.
Obwohl die grundlegende dimensionslose Beziehung zwischen der Strömungssensorausgabe und der dimensionslosen Strömung durch den Sensor nur die einzelne Fluideigenschaft der thermischen Diffusivität beinhaltet, ist es denkbar, dass präzisere Messungen eine schwächere Abhängigkeit auch bei einer zusätzlichen Fluideigenschaft oder manchen zusätzlichen Fluideigenschaften in der Zukunft offenlegen werden, die eine feine Aufspaltung der universellen Sensoransprechkurve in mehrere dicht beieinanderliegende Kurven für manche Sensordesigns bewirken können. Dieser Effekt ist zum Beispiel bei der Atomspektroskopie bekannt, wo die Grundfrequenzen der optischen Linien für Wasserstoff zu einer ersten Annäherung durch die Balmer-Formel gegeben sind, aber subtile speziell-relativistische Effekte bewirken, dass manche der koinzidenten Balmer-Linien an einer viel feineren Wellenlängenskala in dicht nebeneinanderliegende Multipletts aufgespalten werden. Um daher die höchste Strömungsmessgenauigkeit zu erzielen, kann es in der Zukunft wünschenswert werden, auch eine oder mehrere andere Fluideigenschaften (wie etwa Fluidviskosität) in situ mit dem Strömungssensor zusätzlich zur relativen thermischen Zeitkonstante oder relativen thermischen Diffusivität zu messen. Zum Beispiel kann ein Differenzdrucksensor zum Durchführen einer In-situ-Messung des Druckabfalls, der im Strömungssensor auftritt, einbezogen werden, um die Fluidviskosität zu schätzen und so ein präziseres Maß der Strömungsrate bereitzustellen, als unter Verwendung der thermischen Diffusivitätsabhängigkeit alleine zum Neuskalieren der Strömungsachse erzielt werden würde. Daher sollten jegliche derartige zusätzliche In-situ-Eigenschaftsmessungen des Fluids, die wünschenswert werden können, zweckmäßig als im Schutzumfang dieser Erfindung liegend in Betracht gezogen werden, diese sind lediglich eine Erweiterung der grundlegenden offenbarten Technik zu zusätzlichen Fluideigenschaften über die thermische Diffusivität hinaus.
7 gibt einen Sensor an, bei dem sowohl die relative thermische Diffusivität des Fluids als auch die relative Fluidviskosität in situ durch das Hinzufügen eines Differenzdrucksensors zum Messen des Druckabfalls, der bei einer spezifischen Strömungsrate über die Länge des Sensorströmungskanals auftritt, gemessen werden.
8 stellt die Verwendung eines zusätzlichen Massendichtesensors zum Messen der Massendichte des strömenden Fluids in situ dar. Es wird Fachleuten auch ersichtlich, dass, wenn die Volumenströmungsrate eines bekannten oder unbekannten Gases oder einer bekannten oder unbekannten Gasmischung durch die Verwendung der universellen MEMS-Strömungsratenansprechkurve R(Q/α) kombiniert mit einer In-situ-Messung der relativen thermischen Zeitkonstante des bekannten oder unbekannten Gases genau gemessen worden sind, nur die Massendichte des Fluids in situ zusätzlich gemessen werden muss, um zu ermöglichen, dass die Massenströmungsrate des Gases bestimmt wird (als das Produkt der Massendichte mal die Volumenströmungsrate berechnet wird). Daher wird die Kombination einer In-situ-Massendichte-Messeinrichtung mit einer In-situ-Messung der relativen thermischen Zeitkonstante des Gases oder der relativen thermischen Diffusivität des Gases und einer MEMS-Volumenströmungsratenmessung unter Verwendung der vorliegend offenbarten universellen Ansprechkurve, um eine Massenströmungsmessung zu erzielen, auch durch diese Erfindung gelehrt.
9 In Fällen, bei denen die chemische Identität eines strömenden Gases bekannt ist, und auch unter Bedingungen, bei denen die Zustandsgleichung des strömenden Gases hinreichend durch das ideale Gasgesetz (9) approximiert werden kann, P·V = n·Z·R·T (9) (wobei P = absoluter Gasdruck, T = absolutes Gastemperatur, V = Gasvolumen, n = # von Mol des Gases, Z = Gaskompressibilität (als konstant über einen kleinen Bereich von P, T betrachtet), R = universelle Gaskonstante),
kann die In-situ-Messung der Fluidmassendichte durch 1) eine Kenntnis der Massendichte des Gases bei einer spezifizierten Referenztemperatur T₀ und bei einem spezifizierten Referenzdruck P₀; 2) In-situ-Messungen der Temperatur und des Drucks des strömenden Gases, wenn die Volumenströmungsrate bestimmt wird; 3) eine Messung der Strömungsrate des bekannten Gases durch die Verwendung der universellen Kurve und der relativen thermischen Zeitkonstante des strömenden Gases bei einem Druck P und einer absoluten Temperatur T ersetzt werden. In diesem Fall wird das ideale Gasgesetz (9) zum Bestimmen der äquivalenten Volumenströmungsrate des Gases Q₀ bei Referenzbedingungen P₀, T₀ aus der gemessenen Volumenströmungsrate Q des Gases bei Bedingungen (P, T) verwendet. Die Massenströmungsrate ist dann das Produkt der bekannten Massendichte ρ₀ bei den Referenzbedingungen und der Volumenströmungsrate bei diesen Bedingungen, Q₀. Um spezifisch zu sein, ist die Gleichung, die zum Berechnen von Q₀ aus Q, das bei den Bedingungen P, T gemessen wird, verwendet wird, (10)
Und die entsprechende Massenströmungsrate ist ρ₀Q₀.
Es ist zu beachten, dass Q₀ von Gleichung (10) direkt proportional zur Massenströmungsrate eines idealen Gases (oder einer Mischung idealer Gase) ist, selbst wenn die Proportionalitätskonstante ρ₀ nicht bekannt ist. Für Strömungen eines unbekannten aber idealen Gases, liefert daher eine In-situ-Messung von P, T und der thermischen Zeitkonstante T des Gases kombiniert mit der Kenntnis der universellen MEMS-Strömungssensoransprechkurve, die durch eine Kalibration mit einem bekannten Referenzgas gemessen wird, die Informationen zum Berechnen von Q₀ für das unbekannte Gas, der Volumenströmungsrate bei der Referenztemperatur und dem Referenzdruck. Dieses Signal ist direkt proportional zur Massenströmungsrate des unbekannten Gases, kompensiert für Gastemperatur- und -druckänderungen. Nur die Massendichte des unbekannten Gases bei den Referenzbedingungen verbleibt unbekannt und verhindert eine kalibrierte Messung der Massenströmungsrate des unbekannten Gases. Für manche Zwecke (Massenströmungssteuerung, die für Temperatur- und Druckvariationen kompensiert ist), kann jedoch ein Ausgangssignal, das direkt proportional zur Massenströmungsrate ist, ausreichen. Beispielsweise kann die Massenströmungsrate eines Hauptbestandteils manuell angepasst werden, um eine chemische Reaktion auszugleichen, dann kann eine Strömungssteuerung, die einen MEMS-Strömungssensor als eine kritische Komponente beinhaltet, angesteuert werden, den gleichen Massenströmungssollwert trotz Änderungen in den P- und T-Umgebungsbedingungen beizubehalten (um die Reaktion ausgeglichen zu halten). Bei dieser Anwendung ist es nicht notwendig, die exakte Massenströmungsrate in kg/s zu kennen, sondern nur jegliche Abweichungen oder Abwanderungen von der optimalen Massenströmungsrateneinstellung zu korrigieren. Der Fall, bei dem die P- und T-Messungen des ergänzenden Gaseinlasses mit der Volumenströmungsrate Q und die Messungen der thermischen Zeitkonstante r des Gases bei P, T mit der thermischen MEMS-Strömungssensorausgabe kombiniert werden, und die Verwendung der universellen Ansprechfunktion zum Berechnen von Q₀ und ρ₀Q₀ sind in 9 veranschaulicht.
Im Fall, bei dem bekannt ist, dass das Fluid ein ideales Gas ist, aber es ansonsten unbekannt ist, und bei dem die Massendichte nicht an beliebigen Referenzpunkten ρ₀, T₀ bekannt ist, kann die Konfiguration von 9 weiterhin zum Erzeugen eines Strömungsausgangssignals, das an einem jeglichen Referenzpunkt ρ₀, T₀ direkt proportional zur Massenströmung ist, angewendet werden, indem Q₀ berechnet wird. Dies ist ein Massenströmungssignal, das für Variationen in der Fluidtemperatur und im Fluiddruck kompensiert ist, aber nicht in kg/s kalibriert ist, da die Gasdichte unbekannt ist. Es kann weiterhin angewendet werden, um eine Massenströmungssteuerung, die nicht kalibriert ist, zu gestalten. Eine derartige Strömungssteuerung ist immer noch in Situationen nützlich, bei denen gewünscht wird, die Massenströmung des Gases gleichmäßig an einem Optimalwert, der durch andere Mittel bestimmt werden kann, zum Beispiel durch die Vollständigkeit einer chemischen Reaktion der Gasphase, zu halten. Daher ist dieses Verfahren des Erzeugens eines Massenströmungssensors, der nicht kalibriert, aber temperatur- und druckkompensiert ist, weiterhin nützlich und liegt weiterhin im Schutzumfang dieser Erfindung.
Die Erfindung soll nicht zu dem, was insbesondere beschrieben worden ist, eingeschränkt werden und soll den Gedanken und den vollen Schutzumfang der angehängten Ansprüche umfassen.

Claims

Thermischer MEMS-Strömungssensor zum Messen einer Strömungsrate eines Fluids, umfassend: einen Körper, der einen Strömungskanal aufweist, durch den ein Fluid strömen kann und der eine Strömungserfassungskammer aufweist; ein erstes und ein zweites Ventil an jeweiligen Einlass- und Auslassenden der Strömungserfassungskammer, wobei die Ventile in einer offenen Position dazu funktionsfähig sind, zuzulassen, dass das Fluid durch die Kammer strömt, und in einer geschlossenen Position dazu funktionsfähig sind, eine Fluidströmung durch die Kammer zu blockieren; einen thermischen MEMS-Sensor, der in der Strömungserfassungskammer in Kontakt mit dem darin enthaltenen Fluid angeordnet ist und ein Sensorsignal bereitstellt, das eine Strömungsrate des Fluids repräsentiert; einen Prozessor, der einen Speicher beinhaltet und dazu funktionsfähig ist, Daten, die eine Sensoransprechkurve repräsentieren, zu speichern und Daten, die die thermische Zeitkonstante eines Kalibrationsfluids repräsentieren, zu speichern; wobei der Prozessor dazu funktionsfähig ist, das Öffnen und das Schließen des ersten und des zweiten Ventils zu steuern und die thermische Zeitkonstante eines gemessenen Fluids in der Strömungserfassungskammer zu messen, wenn das erste und das zweite Ventil geschlossen sind, und diese gemessenen thermischen Zeitkonstantendaten zu speichern, und dazu funktionsfähig ist, einen Umrechnungsfaktor, der aus dem Verhältnis der thermischen Zeitkonstante des Kalibrationsfluids zur gemessenen thermischen Zeitkonstante hergeleitet wird, bereitzustellen, und dazu funktionsfähig ist, die Ablesung des Sensorsignals gemäß dem Umrechnungsfaktor und der Sensoransprechkurve anzupassen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die korrekte Strömungsrate des gemessenen Fluids repräsentiert.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 1, wobei der thermische MEMS-Sensor Folgendes umfasst: ein Fluidheizelement; einen ersten Temperatursensor, der stromaufwärts vom Heizelement angeordnet ist; einen zweiten Temperatursensor, der stromabwärts vom Heizelement angeordnet ist.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Temperatursensor mit gleichmäßigem Abstand stromaufwärts- bzw. stromabwärtsgelegen vom Fluidheizelement angeordnet sind.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 1, der ein Fluidmassendichte-Messinstrument beinhaltet, das Massendichtedaten an den Prozessor bereitstellt, um dem Prozessor zu ermöglichen, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Massenströmungsrate des gemessenen Fluids repräsentiert.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 1, wobei das gemessene Fluid als ein ideales Gas angesehen werden kann, und der Folgendes beinhaltet: einen Drucksensor zum Bereitstellen von Daten, die den Druck des gemessenen Fluids im Strömungskanal repräsentieren, an den Prozessor; einen Temperatursensor zum Bereitstellen von Daten, die die Temperatur des gemessenen Fluids im Strömungskanal repräsentieren, an den Prozessor; wobei der Prozessor ein Ausgangssignal, das eine Massenströmungsrate des gemessenen Fluids repräsentiert, erzeugen kann.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 2, wobei der Prozessor dazu funktionsfähig ist, die thermische Zeitkonstante eines gemessenen Fludis zu messen, indem er die Leistung zum Fluidheizelement misst, nachdem das erste und das zweite Ventil geschlossen sind.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 1, wobei der Strömungskanal im Körper ein Umleitungskanal parallel mit einem Hauptströmungskanal im Körper ist.
Thermischer MEMS-Strömungssensor nach Anspruch 1, der einen Differenzdrucksensor zum Messen des stromaufwärts- und stromabwärtsgelegenen Drucks des Fluids, das im Strömungskanal strömt, und zum Bereitstellen von Daten, die eine relative Fluidviskosität repräsentieren, an den Prozessor beinhaltet.
Verfahren zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, das durch einen Kanal strömt, in dem ein thermischer MEMS-Strömungssensor in Kontakt mit dem Fluid angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einführen eines Fluids in den Strömungskanal; Einfangen einer Menge des Fluids im Kanal, um eine Bedingung mit einer Strömung von Null bereitzustellen; Messen der thermischen Zeitkonstante des Fluids in seiner Bedingung mit der Strömung von Null; Bereitstellen eines Verhältnisses der gemessenen thermischen Zeitkonstante des Fluids zur thermischen Zeitkonstante eines Kalibrationsfluids, die in einem Speicher gespeichert ist, um einen Umrechnungsfaktor zu erzeugen; Bereitstellen einer Sensoransprechkurve für ein Fluid mit einer bekannten thermischen Zeitkonstante; Anpassen der Ablesung des Sensorsignals gemäß dem Umrechnungsfaktor und der Sensoransprechkurve, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die korrekte Strömungsrate des gemessenen Fluids repräsentiert.