NL1025617C2

NL1025617C2 - Massadebietmeter.

Info

Publication number: NL1025617C2
Application number: NL1025617A
Authority: NL
Inventors: Joost Conrad Loetters
Original assignee: Berkin Bv
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2004-11-18
Also published as: DE602004027682D1; EP1477781B1; EP1477781A1; ATE471498T1; US6945106B2; ES2347145T3; JP4709499B2; DK1477781T3; JP2004340964A; US20040261520A1

Description

* ' «

Massadebietmeter

De uitvinding heeft betrekking op een massadebietmeter (Engels: massflow-meter) van het thermische type.

5 Er zijn verschillende massadebietmeters die langs thermische weg werken bekend.

Wanneer een gas- of vloeistofstroom, waarvan het massadebiet moet worden gemeten als een laminaire of turbulente stroming door een stroombuis (Engels: stream pipe) stroomt, wordt langs de binnenwand van de stroompijp 10 een grenslaag gevormd. Wordt de buis plaatselijk verhit, bijvoorbeeld met behulp van een om de buis gewikkelde weerstanddraad, dan wordt via warmtege-leiding door de buiswand en de grenslaag warmte overgedragen naar de gas- of vloeistofstroom. Het effect van de toegevoerde warmte wordt bepaald. Daarbij wordt de warmtegeleiding van de buis bepaald als een variabele waarde die af-15 hangt van de samenstelling van het materiaal en de hoeveelheid warmte die via zijn oppervlak wordt overgedragen, en de warmtegeleiding van de gas- of vloeistof grenslaag wordt bepaald als een waarde gerelateerd aan de specifieke hoeveelheid warmte in het te meten fluïdum.

Enerzijds wordt de warmtegeleiding van de stroombuis dus berekend uit ge-20 gevens betreffende zijn consistentieel materiaal, buisafmetingen enz., en anderzijds wordt de warmtegeleiding van het fluïdum berekend uit zijn dichtheid en flow rate. De debietmeter van het thermische type kan worden gebruikt als een eenvoudige massadebietmeter die, gebaseerd op het bovenstaande werkings-principe, het massadebiet van een fluïdum van een bekend type kan bepalen 25 zonder de stroming van het fluïdum te verstoren.

Een bekende massadebietmeter van het thermische type is bijvoorbeeld beschreven in EP no. 01201156.5. Deze bekende massadebietmeter bevat een warmtegeleidende stroombuis voorzien van een stroomopwaartse en een stroomafwaartse temperatuursensor van om de buis gewikkelde weerstand-30 draad, een regelcircuit om het temperatuurverschil tussen de sensoren constant te houden, waarbij uit gegevens van het regelcircuit het massadebiet van het fluïdum dat door de buis stroomt wordt bepaald.

1025617- Λ 2

Nadelen van een dergelijk meetsysteem met om een stromingsbuis aangebrachte wikkelingen zijn, dat het niet geschikt is om zeer lokaal de flow te meten, geen zeer lage debieten kan meten, een relatief trage respons heeft, en niet in kleine ruimtes gebruikt kan worden.

5 Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een massadebietmeter te verschaffen waaraan tenminste enkele van de bovengenoemde nadelen niet kleven.

Een massadebietmeter van het thermische type voor het meten van het massadebiet van een stromend fluïdum, omvattende elektrisch bekrachtigbare 10 verwarmingsmiddelen en temperatuursensormiddelen om een temperatuurverschil tussen symmetrische posities stroomopwaarts en stroomafwaarts, gerelateerd aan de stromingsrichting van het fluïdum, ten opzichte van een geselecteerde locatie te bepalen, heeft daartoe volgens de uitvinding als kenmerk, dat de debietmeter een vlak en dun substraat omvat met een meetoppervlak (sen-15 sing surface) dat tijdens een meting in direct of indirect contact kan worden gebracht met een stromend fluïdum, en dat de verwarmingsmiddelen en de tempe-ratuursensor middelen in een planaire techniek op het meetoppervlak van het substraat zijn aangebracht, waarbij middelen voor het compenseren van off-set op het substraat zijn aangebracht.

20 Kort gezegd verschaft de uitvinding een "chip flow sensor".

Een voordeel van de op een vlak en dun substraat in planaire techniek aangebrachte chip flow sensor is dat hij heel klein (met miniatuurafmetingen) gemaakt kan worden en geen wikkelingen heeft die om een stromingsbuis geplaatst behoeven te worden. Dit maakt het mogelijk om: 25 (a) zeer lokaal de flow te meten; (b) veel lagere debieten te meten dan mogelijk is met conventionele thermische sensoren; (c) een snellere respons te krijgen: een sensor op een klein, dun substraat (membraan) “zief een verandering in de flow veel sneller; 30 (d) de instrumenten een stuk kleiner te maken, zodat de apparatuur waarin ze gebruikt worden ook een stuk kleiner kan worden; (e) een massa fabricagemethode ("micromachining") te gebruiken, hiermee kan \ 3 men “in één keer” honderden sensoren tegelijk vervaardigen, terwijl men met gebruikmaking van de conventionele methode elke sensor per stuk moet maken; (f) in heel kleine ruimtes ( bijvoorbeeld in microkanalen) te meten.

De chip flow sensor kan bijvoorbeeld op zijn meetoppervlak voorzien zijn 5 van centraal geplaatste verwarmingsmiddelen aan weerszijden waarvan een temperatuursensor is geplaatst. Om bij een dergelijk systeem het optreden van zero-offset te compenseren kan het uitgangssignaal van de sensormiddelen elektronisch gecompenseerd worden.

Een voorkeursvorm van de massadebietmeter volgens de uitvinding 10 wordt echter gekenmerkt, doordat de verwarmingsmiddelen uit twee delen bestaan die symmetrisch gelegen zijn, stroomopwaarts en stroomafwaarts, t.o.v. de geselecteerde positie en verbindbaar zijn met elektrische bekrachtigingmiddelen die de twee delen van de verwarmingsmiddelen bij het ontbreken van stroming zodanig kunnen bekrachtigen dat de temperatuursensormiddelen een tem-15 peratuurverschil nul aangeven.

Deze voorkeursvorm maakt het zogenaamd gebalanceerd stoken mogelijk. De stookbalanceringsmethode lost het probleem op van een uitgangssignaal (offset) als er geen flow is. Tevens: als er geen offset is bij geen flow, kan er ook geen offset drift zijn: super stabiel nulpunt! Dit laatste is weer belangrijk om over 20 een groot flowbereik te kunnen meten: i.p.v. 1 :100 kan men nu bijvoorbeeld 1 : 10000 meten (dus: als het maximum bereik van de chip 10 ln/min is, kan men een flow van 1 mln/min ook nog meten, terwijl dat “conventioneel” slechts 100 mln/min zou zijn).

De uitvinding zal bij wijze van voorbeeld worden toegelicht aan de hand 25 van de tekening waarin enkele uitvoeringsvormen van de debietmeter volgens de uitvinding getoond worden.

Fig.1 toont een dunne vlakke drager met een centrale heater geflankeerd door twee temperatuursensoren;

Fig.2A toont een dunne vlakke drager met een flowsensorconfiguratie, en 30 Fig.2B toont een van een gat voorzien substraat dat bestemd is om met de drager van Fig.2A gecombineerd te worden;

Fig.3 toont een dunne, vlakke drager met een flow sensor configuratie met 1025617- I stookbalancering, gemonteerd op een - dikker - substraat;

Fig.4 toont een dunne, vlakke drager met 2 heaters en een thermozuil er tussen; I Fig.5 toont een in een stromingsbuis opgehangen chip flow sensor; I Fig.6 toont een chip flow sensor gemonteerd op de buitenzijde van een stro- I 5 mingsbuis; en

Fig.7 en 8 tonen gedeeltelijk in aanzicht en gedeeltelijk in dwarsdoorsnede, I meetmodules met daarin aangebracht chip flow sensoren.

I Fig.1 toont een dunne vlakke drager (1) waarover een fluïdum in de rich- I ting Φ gevoerd kan worden, met een centrale heater H en symmetrisch daarvan 10 stroomopwaarts en stroomafwaarts geplaatste temperatuursensoren Si en S2.

I .Met een dergelijke opstelling van de sensorelementen kan volgens diverse me- I thodes de flowrate bepaald worden. Eventuele zero-offset kan elektronisch ge- compenseerd worden.

I Als de temperatuursensoren Si en S2 van een temperatuurgevoelig weer- I ] 5 standmateriaal gemaakt zijn, is zero-offset ook te compenseren door te meten welke van de sensoren Si en S2 de koudste is en deze ‘op te stoken’ tot hij de- I zelfde temperatuur heeft als de andere.

Fig. 2A toont een vlakke, dunne drager 3 met een centrale heater H. Deze wordt geflankeerd door thermozuilen TP, en TP2. Een thermozuil is te beschou- I 20 wen als een serieschakeling van thermokoppels, zoals in de inzet in groter detail I te zien is. De thermozuilen TPi en TP2 hebben hun ‘koude lassen’ 4,5,6,7 enz.

I aan hun van de heater H afgekeerde zijden liggen, en hun ‘warme lassen’ 8,9 enz. aan hun naar de heater H toegekeerde zijde. Het dunne substraat 3, dat slecht warmte geleidt, en bijvoorbeeld van pyrex, of silicium nitride gemaakt is, 25 wordt aangebracht op een dik ondersubstraat 2 (Fig.2B) dat van goed warmte geleidend materiaal, zoals silicium, gemaakt is. Ondersubstraat 2 heeft een gat

H O dat door het dunne substraat 3 overbrugd wordt. De afmetingen van het gat O

H en het dunne substraat 3, alsmede hun onderlinge positionering zijn zodanig, dat de warme lassen van TPi en TP2 boven het gat O liggen, en de koude las- 30 sen 4,5,6,7 enz. boven het substraat 2. Hierdoor nemen de koude lassen van beide thermozuilen de substraattemperatuur aan en hebben dientengevolge de- I zelfde temperatuur. Dit maakt het mogelijk de verschiltemperatuur tussen hun I λ notrc 1 *7 - 5 warme lassen te bepalen.

De heater H en de delen van de thermozuilen TPi en TP2 dienen zo weinig mogelijk van het ‘dikke’ substraat 2 te zien. Bij voorkeur lopen de wanden 11,12,13 en 14 van het gat O daarom taps naar boven toe, dus naar het opper-5 vlak toe waar het dunne substraat 3 op komt te liggen. Eventueel kunnen nog verdere thermozuilen (niet getekend) aanwezig zijn die zodanig gepositioneerd zijn dat hun warme lassen boven het gat O en hun koude lassen boven het substraat liggen.

Fig. 3 toont een zeer interessante uitvoeringsvorm (flow sensor met 10 stookbalancering, met als doel om de offset naar nul te brengen, met als doel om zo dicht mogelijk vanaf het nulpunt flow te kunnen meten, met als doelen een groot dynamisch meetbereik, een grote stabiliteit en een grote nauwkeurigheid). Een vlakke dunne plaat (membraan) 16 wordt ondersteund door een dik substraat 15 dat, evenals het substraat 2, van een gat 17 is voorzien. De afmeting 15 van het substraat 15 is bijvoorbeeld 3x6 mm. De actieve flow sensor elementen zitten op het membraan 16 met bijvoorbeeld afmetingen 1 χ 1 mm. Midden op het membraan 16 zitten in dit geval twee stookelementen Hi en H2 (waarmee de stookbalancering kan worden bewerkstelligd). Als temperatuursensoren zitten aan weerszijden van het membraan twee thermozuilen TPi en TP2, ieder met de 20 “warme lassen” boven het gat 17 en de “koude lassen” boven het substraat. Het membraan 16 is gemaakt van pyrex glas (warmtegeleidbaarheidscoëfficiënt ca.

1 W/mK) en heeft als dikte ca. 50 micron, maar kan ook zijn gemaakt van bijvoorbeeld silicium nitride, met een warmtegeleidbaarheidscoëfficiënt van 1 W/mK en een dikte van circa 1 micron. Substraat 15 (de drager van de chip) is 25 gemaakt van silicium (warmtegeleidbaarheidscoëfficiênt ca. 150 W/mK) en heeft als dikte ca. 500 micron. Op het membraan 16 zal al dan niet een temperatuurverschil ontstaan tussen de warme lassen van beide thermozuilen TPi en TP2.

Bij geen flow is het onwenselijk dat het temperatuurverschil ontstaat. Dit kan echter gebeuren door o.a. onvolkomenheden in het fabricageproces van de 30 chip. Met behulp van de twee stookelementen Hi en H2 is de offset bij geen flow helemaal weg te werken (stookbalancering!).

Bij wel flow is het gewenst dat het temperatuurverschil een maat is voor 1025617- Η I 6 I de flow. Er kan alleen een temperatuurverschil ontstaan ais het membraan 16 van een slecht warmtegeleidend materiaal is gemaakt (zoals Pyrex), en als het I membraan vrij dun is (tussen 1 en 100 micron; bijkomend voordeel van een dun I membraan: vrij snelle respons van de sensor op een verandering in de flow).

I 5 Echter, de koude lassen moeten exact dezelfde temperatuur hebben, dit kan al- I leen als de drager van de chip van een goed warmtegeleidend materiaal is ge- I maakt (zoals silicium) en vrij dik is (tussen 100 en 1000 micron).

I Een nadeel van de massafabricage van de bovenbeschreven geminiaturi- seerde flow sensoren is, dat de ‘dikke’ (silicium) substraten per sensor aanzien- I 10 lijke dikteverschillen kunnen vertonen. Bij een dikker deel loopt de warmte snel- I Ier weg dan bij een dunner deel. Dit geeft aanleiding tot onbalans (off-set). Deze I is echter niet constant, maar temperatuur of medium afhankelijk, en dus moeilijk I te compenseren. Door het principe van gebalanceerd stoken te gebruiken kan I het nadeel van de dikke variaties ten behoeve van het fabricageproces echter I 15 opgeheven worden.

Fig. 4 toont een flow sensor configuratie om bijvoorbeeld volgens de Con- stant Temperature (CT)-methode of de Constant Power (CP)-methode te meten.

Fig. 4 toont schematisch in bovenaanzicht een dunne vlakke drager 18 van I Pyrex waarop heater/sensor elementen ^ en H2 zijn aangebracht. Hi en H2 kun- 20 nen bijvoorbeeld in de vorm van - al of niet meanderende - geleidersporen zijn I aangebracht. Het temperatuurverschil tussen de posities van Hi en H2 kan op verschillende manieren worden gemeten.ln dit geval is tussen Hi en H2een I thermozuil TP aangebracht. Een alternatief, waarbij TP wordt weggelaten, is Hi en H2van temperatuurgevoelig weerstandmateriaal te maken en tevens als tem- 25 peratuursensor te laten fungeren. Drager 18 met sensorcomponenten Ht, H2 (en I TP) vormt een chip flow sensor waar een te meten flow in de richting Φ over- heen geleid kan worden.

Fig. 5 toont een stromingsbuis 19 waar een fluïdum in axiale richting Φ door- I heen kan stromen en waarin een chipsensor 20 van een hierboven beschreven 30 type met zijn meetoppervlak evenwijdig aan de as in is opgehangen. De sensor 20 kan op draagmiddelen, zoals een pennetje, zijn gemonteerd die door (een I opening 22 in) de wand steken, zodat het meten zeer lokaal in een meetleiding 7 kan plaatsvinden. Om elektrische verbinding met aanstuur- en meetschakelin-gen mogelijk te maken kan de sensor 20 op een folie met geleiderbanen 23 of op een PCB 21 gemonteerd worden. Met deze laatste uitvoering van de flow sensor is ook meten buiten een stromingsbuis, in een willekeurige ruimte, moge-5 lijk. Ter bescherming tegen agressieve gassen of dampen bedekt men de sen-sorcomponenten bij voorkeur met een passivatie laag. Deze kan bijvoorbeeld door een dun laagje van glas, Si-nitride of Si-oxyde gevormd worden.

Fig. 6 toont een buis 24 waar een fluïdum in axiale richting Φ doorheen kan stromen en waarbij een chip flow sensor 25 van een hierboven beschreven 10 type in warmte uitwisselend contact op de buitenwand is aangebracht (bijvoorbeeld door lijmen). Dit betekent dat de sensor 25 met zijn meetoppervlak met actieve sensor elementen naar de buiswand gekeerd is aangebracht. De buis 24 kan een diameter van enkele mm hebben en bijvoorbeeld uit roestvast staal, PEEK of Fused Silica zijn vervaardigd. Het voordeel is onder andere dat de sen-15 sor 25 niet in contact komt met agressieve of corrosieve vloeistoffen.

Fig. 7 toont gedeeltelijk in aanzicht en gedeeltelijk in dwarsdoorsnede een meetmodule 26 met een onderstuk 28 met een toevoerleiding 29 en een afvoer-leiding 30 voor een stromend fluïdum. Leidingen 29 en 30 monden uit in een binnen een kap 27 gevormde holte waarin zich een chip flow sensor 32 bevindt. 20 In dit geval maakt de drager van de actieve sensor elementen van de sensor 32 deel uit van het oppervlak 31 van onderstuk 28, zodat de sensor 32 de stroming van het fluïdum minimaal verstoort. Een andere manier toont Fig.8.

Fig.8 toont een soortgelijke meetmodule 33, met onderstuk 35, leidingen 36, 37, en een kap 34. In dit geval is een chip flow sensor 39 op het binnenop-25 pervlak 38 van de kap 34 verzonken aangebracht, aan de zijde tegenover de leidingen 36,37. De flow sensor chips zijn in al de bovenbeschreven gevallen zo geplaatst dat hun actieve sensor middelen zich dwars op de stroomrichting van het stromende fluïdum uitstrekken.

Kort samengevat heeft de uitvinding betrekking op een massa-debiet-30 meter van het thermische type, omvattende een vlak en dun substraat met een meetoppervlak dat tijdens een meting in direct of indirect contact met een stromend fluïdum kan worden gebracht, waarbij op het meetoppervlak elektrisch be- 1025617- I 8 I krachtigbare verwarmingsmiddelen en temperatuur sensor middelen voor het I bepalen van een temperatuurverschil in een planaire techniek zijn aangebracht.

I Het substraat met meetoppervlak bevindt zich in het bijzonder in een holte van I een module waarin een aan- en een afvoerleiding voor het fluïdum uitmonden.

I 1025817-

Claims

2. Massadebietmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verwarmingsmiddelen uit twee delen bestaan die symmetrisch gelegen zijn, stroomopwaarts en stroomafwaarts, ten opzichte van de geselecteerde positie en verbindbaar zijn met elektrische bekrachtiging-middelen die de twee delen van de verwarmingsmiddelen bij het ontbreken van 20 stroming zodanig kunnen bekrachtigen dat de temperatuursensormiddelen een temperatuurverschil nul aangeven (zero-offset).
3. Massadebietmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de temperatuursensormiddelen twee temperatuurgevoe-lige weerstanden omvatten die bij het ontbreken van stroming zodanig opstook-25 baar zijn dat ze dezelfde temperatuur hebben (zero-offset).
4. Massadebietmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de temperatuursensormiddelen tenminste een thermozuil omvatten.
5. Massadebietmeter volgens conclusie 1, 30 met het kenmerk, dat de debietmeter een meetmodule omvat die is aangepast om er een fluïdum door te laten stromen, en dat het meetoppervlak van het substraat een deel van een wandoppervlak van de meetmodule vormt. 1025617- I 10
6. Massadebietmeter volgens conclusie 1, I met het kenmerk, dat de debietmeter een meetmodule omvat die is aangepast I om er een fluïdum door te laten stromen, en dat het substraat is aangebracht op I een binnenoppervlak van de meetmodule. I 5 7. Massadebietmeter volgens conclusie 5 of 6, I met het kenmerk, dat de meetmodule een holte bevat waarin een aan- en een I afvoeropening voor het stromende fluïdum uitmonden, in welke holte het meet- I oppervlak is aangebracht.
8. Massadebietmeter volgens conclusie 1, 10 met het kenmerk, dat de debietmeter een meetleiding omvat die is aangepast om er een fluïdum door te laten stromen, en dat het substraat in de meetleiding is opgehangen.
9. Massadebietmeter volgens conclusie 1, I met het kenmerk, dat de debietmeter een meetleiding omvat die is aangepast I 15 om er een fluïdum door te laten stromen, en dat het substraat in warmte uitwis- selend contact tegen de buitenwand van de meetleiding is bevestigd.
10. Massadebietmeter volgens conclusie 1, I met het kenmerk, dat het substraat een membraan van slecht warmtegeleidend I materiaal is. I 20 11. Massadebietmeter volgens conclusie 10, I met het kenmerk, dat hij verder een dik substraat van goed warmtegeleidend I materiaal omvat met een gat waar het membraam overheen is geplaatst en dat I de temperatuursensormiddelen twee thermozuilen omvatten die zich elk aan één I zijde van de verwarmingsmiddelen bevinden, met hun warme lassen boven het 25 gat en hun koude lassen boven het substraat.
12. Massadebietmeter volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de verwarmingsmiddelen uit twee delen bestaan die op korte afstand van elkaar en evenwijdig aan elkaar midden op het membraan ge- plaatst zijn. H 30 13. Massadebietmeter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de verwarmingsmiddelen uit twee delen bestaan die op af- I stand van elkaar en evenwijdig aan elkaar geplaatst zijn en dat de temperatuur- sensormiddelen een thermozuil omvatten die tussen de twee delen van de verwarmingsmiddelen geplaatst is. 1025617-