NL9200414A

NL9200414A - Laminair stromingselement met geintegreerd turbulentiefilter.

Info

Publication number: NL9200414A
Application number: NL9200414A
Authority: NL
Original assignee: Bronkhorst High Tech Bv
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-10-01
Also published as: JP3244849B2; JPH0611369A; DE69209641D1; DE69209641T2; EP0558834A1; DK0558834T3; ATE136365T1; US5357793A; EP0558834B1; ES2087438T3

Description

Laminair stromingselement met geïntegreerd turbulentiefilter

De uitvinding heeft betrekking op een laminair stromingselement met geïntegreerd turbulentiefilter.

Een dergelijke inrichting is bijvoorbeeld beschreven in de Europese octrooiaanvrage no. 82201059.1; publicatie no.0075343. Drukverschillen en massadebieten in een fluïdumstromingskanaal worden bepaald aan de hand van metingen die worden uitgevoerd aan een deel van een fluïdumstroom - de meetstroom - dat wordt afgetakt van de hoofdstroom en welke stroom wordt geleid door een dun, buisvormig meetkanaal, waarin de stroming laminair is. Onder een laminaire stroming wordt verstaan: een stroming, waarbij de vloeistof als het ware in lagen over elkaar glijdt. Zo'n stroming is stabiel bij stroomsnelheden die corresponderen met een Reynoldsgetal kleiner dan circa 2300. Het Reynolds- getal is een getal dat van een stroom de relatie tussen massasnelheid f vei en dynamische viscositeit aangeeft en dat wordt gedefinieerd als R=-p—, waarin ^ de dichtheid van de vloeistof is, v de snelheid, d de diameter van de buis waar doorheen de stroom loopt en μ de viscositeit. Om te verzekeren dat metingen, verricht aan de meetstroom representatief zijn voor wat er zich in de hoofdstroom voordoet, - er moet dan een vaste verhouding bestaan tussen de karakteristieke eigenschappen van de stroming in beide moet ook de hoofdstroom laminair zijn. Dit laatste kan worden bewerkstelligd door in de stroom een zg. laminair stromingselement te brengen. Het fluïdum wordt gedwongen door de in het element aanwezige kanalen te stromen, een en ander zo gedimensioneerd dat het Reynoldsgetal onder de 2300 ligt en er dus een laminaire stroom ontstaat. Parallel aan de hoofdstroom is het meetkanaal aangebracht. Zolang er sprake is van een laminaire stroming geldt dat volgens de wet van Poiseuille in zo'n stroom de stroomsnelheid evenredig is met de drukval en omgekeerd evenredig met de viscositeit; de verhouding tussen de stromen in het hoofdkanaal en het meetkanaal kan nu worden bepaald.

In het genoemde octrooi wordt in detail een laminair stromingselement beschreven, opgebouwd uit gestapelde plaatjes met ingangs- en uitgangsopening(en) en met groeven, respectievelijk kanalen daarin.

Bij een inrichting, als beschreven in het genoemde octrooi is de ingaande - dus de naar het laminaire stromingselement toegeleide-stroom in het algemeen niet laminair en turbulenties doen zich erin voor. Wanneer een stroom met daarin turbulenties de voeding is voor een laminair stromingselement is dat ongunstiger dan wanneer de ingaande stroom alreeds geheel of goeddeels laminair is. In het bijzonder komt dit tot uiting in de'te meten hoeveelheid fluïdum per minuut: wanneer turbulenties aanwezig zijn is de hoeveelheid fluïdum die per tijdseenheid te meten is, bij gebruik van een bepaald laminair stromingselement kleiner dan wanneer de ingaande stroming laminair is.

Een oplossing voor dit probleem is bijvoorbeeld gezocht in het gebruik van een voorzet-turbulentie-filter, stroomopwaarts ten opzichte van het laminaire stromingselement. Hiermee werd weinig winst geboekt.

De inrichting volgens de uitvinding leidt wel tot een grote winst in deze en vertoont daartoe het kenmerk dat het instromende fluïdum door tenminste één, één geheel met de inrichting vormende combinatie van een turbulentiefilter met bijbehorende, daarachter gelegen ver-effeningskamer stroomt, alvorens het gedeelte in te stromen, waar de fluïdumstroom laminair is.Een inrichting dus, die zowel het meetelement als het turbulentiefilter als geïntegreerde onderdelen bevat. In het turbulentiefilter wordt de stroom tot een - eventueel in hoofdzaak-laminaire gemaakt. In de vereffeningskamer, achter het filter, blijft de stroom laminair, zodat hij als laminaire stroom het laminaire stromingselement bereikt. Opgemerkt wordt, dat het geïntegreerde filter met vereffeningskamer ook kan worden gebruikt in configuraties, waarin op de plaats van het laminaire stromingselement zich een sensor bevindt of waarin een sensor in combinatie met het stromingselement wordt gebruikt.

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding is die, waarin in het gedeelte waar de fluïdumstroom laminair is, zich een laminair stromingselement bevindt, bevattende althans één pakket van op elkaar gestapelde plaatjes, die ieder voorzien zijn van tenminste twee openingen, te weten een instroomopening en een uitstroomo-pening, met daartussen een (eerste) plaatdeel dat aan één zijde is voorzien van in hoofdzaak evenwijdige groeven die van de ene opening naar de andere lopen, en welke plaatjes zo op elkaar zijn gestapeld, dat de groeven kanalen vormen van zodanige afmetingen, dat het fluïdum laminair daar doorheen stroomt en dat de openingen ingangs-, respectievelijk uitgangskanalen van het pakket vormen. Kortom een inrichting als beschreven in de genoemde, gepubliceerde Europese octrooiaanvrage no.82201059.1, daardoor gekenmerkt dat de zich tussen de instroomopening en het laminaire stroomelement bevindende combinatie van turbulentief ilter en bijbehorende vereffeningskamer, wordt gevormd door een stapeling van (tweede) plaatdelen met in de stromingsrichting gezien daarachter gelegen vereffeningsopeningen, beide deel uitmakend van de genoemde vlakke plaatjes, waarbij die tweede plaatdelen ook en aan dezelfde zijde als de eerste plaatdelen, zijn voorzien van in hoofdzaak evenwijdig lopende groeven, die lopen van de instroomopening naar de vereffeningsopening en die in gestapelde toestand kanalen vormen van zodanige afmetingen dat het fluïdum als althans in hoofdzaak laminaire stroom het laminaire stromingselement bereikt.

Een inrichting dus, met een geïntegreerd turbulentiefilter, welk filter werkt volgens hetzelfde principe als dat wat ten grondslag ligt aan de constructie van het laminaire stroom-meet-element.

De verbetering die bij gebruik van een inrichting volgens de uitvinding wordt bereikt, vergeleken met een inrichting, waarin geen tur-bulentiefilter is geïntegreerd, is spectaculair. Het gebied waarover het verband tussen het optredende drukverschil en de stroom - evenals het verband tussen het temperatuurverschil in een sensor en de stroom-lineair is, strekt zich uit tot aanzienlijk grotere stromen, wat tot gevolg heeft dat de hoeveelheid te meten fluïdum per minuut ook aanzienlijk toeneemt. In een concreet geval een toename van 100 1/minuut tot 300 1/minuut.

Inrichtingen, werkend volgens het principe van de uitvinding kunnen, afhankelijk van de eisen die voor een specifieke toepassing worden gesteld, velerlei uitvoeringsvormen en configuraties vertonen. Bijvoorbeeld kunnen meer turbulentiefliters worden ingebouwd, hetzij in een 'serie schakeling', ieder met een bijbehorende vereffeningskamer of ook meer filters, uitmondend in eenzelfde vereffeningskamer. Een voorbeeld van een andere configuratie is ook die, waarbij in de stromingsrichting gezien zich achter de plaats waar de meting plaats vindt, dus in een concreet gevals achter de laminaire stromingsmeter, eerst een vereffeningskamer bevindt en daarachter een turbulentiefilter - dit voorkomt zg. terugslag van het fluïdum.

De praktijk heeft uitgewezen dat een zeer goede werking wordt verkregen met een inrichting opgebouwd uit circa 150 plaatjes van roestvrij staal of van nikkel, met een dikte van circa 200 micron ieder. Wanneer het aantal plaatjes 500 is, kan een meetcapaciteit tot 1500 1/minuut worden bereikt.

De groeven in de plaatjes kunnen op diverse wijzen zijn aangebracht - bijvoorbeeld met behulp van een etsprocédé of ook door op een glad oppervlak plaatmateriaal elektrolytisch te laten groeien.

Hoewel de groeven in het algemeen evenwijdig zijn, zijn ook andere groef- en dus kanaalvormen mogelijk.

Een turbulentiefliter, geïntegreerd met een stromingsmeter volgens de uitvinding kan ook anders dan met de genoemde groeven/kanalen, bestaan uit een poreus materiaal, zoals een gesinterde (kunst)stof of keramiek. Ook kan het bestaan uit een geweven materiaal.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin

Fig.l schematisch een bekend laminair stromingselement toont;

Fig.2a een vooraanzicht toont van een plaatje dat als bouwsteen dient voor een meetinrichting volgens de uitvinding;

Fig.2b van zo'n zelfde inrichting een loodrechte doorsnede toont; Fig.3 een bepaalde voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding toont;

Fig.4a het verband geeft tussen het te meten drukverschil in een sensor of massadebiet en de stroom, waarbij een bekende inrichting wordt vergeleken met een inrichting volgens de uitvinding.

Fig.4b het verband geeft tussen het temperatuurverschil en de stroom, waarbij een bekende inrichting wordt vergeleken met een inrichting volgens de uitvinding voor 2 fluïda..

Een laminair stromingselement voor het meten van drukverschillen of van massadebiet in fluïdumstromen wordt in Fig.l schematisch weergegeven. Aangegeven wordt hoe met behulp van plaatjes - getekend zijn 4 plaatjes: de stromingsp laatjes 2 en 3 en de af sluitplaat j es 1 en 4-het element wordt opgebouwd. De plaatjes 2 en 3 zijn ieder voorzien van openingen 3 en 4, respectievelijk 5 en 6. Tussen deze openingen lopen groeven 7 in een zijkant - in de tekening: de voorkant - van het plaatje. De afsluitplaatjes 1 en 4 vertonen ieder één opening, 8 resp. 9. Het stromingselement wordt opgebouwd door de plaatjes 1 t/m 4 op elkaar te bevestigen, bijvoorbeeld met behulp van de aangebrachte centrale opening 10. Het stromingselement is dus een pakket van plaatjes. Aan de voor- en aan de achterzijde van het pakket worden de afsluitplaatjes, respectievelijk 1 en 4 aangebracht; die afsluitplaatjes zijn niet voorzien van groeven. Doordat de plaatjes dicht tegen elkaar aanliggen, zijn in het pakket de groeven 7 in ieder van de stromingsplaatjes 2 en 3 telkens door een naburig plaatje afgesloten; aldus worden de kanalen gevormd, waardoor het fluïdum kan stromen. Een fluïdum zal via ingangs-opening 8 het element binnenstromen. Doordat de stroom aan het andere einde van het element stuit tegen het achter-afsluitplaatje 4, zal de stroom gaan lopen door de groeven/kanalen 7, die uitmonden in de uit-laatopeningen 4 en 6 en zal die stroom tenslotte via de uitgangsopening 9 het element weer verlaten. De wijze waarop de stroom zich door het element beweegt, is aangegeven met de getekende pijlen: 11 is de ingaande stroom; de kleine pijltjes 12 geven de stroomrichting binnen in het element en met 13 is de uitgaande stroom aangegeven.

Bekend is dat en hoe de stromingsweerstand van een dergelijk lami-nair stromingselement afhangt van het aantal gestapelde plaatjes en hoe die weerstand dus kan worden gevarieerd.

Ook is bekend hoe het principe van een meetelement als hier aangegeven in allerlei uitvoeringen van het element kan worden toegepast en hoe netwerken van dergelijke elementen, in analogie met elektrische netwerken, kunnen worden gebruikt.

Fig.2a toont een vooraanzicht van een uitvoeringsvoorbeeld van een plaatje dat als bouwsteen voor een meetinrichting volgens de uitvinding kan dienen. Op dezelfde wijze als aangegeven bij Fig.l worden de plaatjes via stapelen en met behulp van afsluitplaten aan de uiteinden, tot een pakket verenigd.

Het fluïdum komt via 13 de meet inrichting binnen en stroomt dan door de kanalen 14 van een als turbulentiefilter werkend, in het plaatje geïntegreerde filter naar de vereffeningsopening 15. Het filter 14 werkt als laminair stromingselement, zodat het fluïdum als laminaire stroom vanuit de vereffeningskamer het laminaire stromingselement 16 bereikt. Van daaruit stroomt het op de bekende wijze via de uitstroom-opening 17 uit de meet inrichting naar buiten. Met 18 zijn aangegeven verbindingsstukken die het plaatje bijeen houden. De gaten 19 dienen ertoe om de plaatjes te kunnen stapelen en dan gestapeld te houden.

Fig.2b toont een doorsnede, loodrecht op het in Fig.2a getekende plaatje, door de meetinrichting, zoals die kan worden opgebouwd uit de plaatjes volgens Fig.2a; vergeleken met Fig.2a zijn voor overeenkomstige delen overeenkomstige verwijzingscijfers gebruikt.

Het kan voordelig zijn om wanneer de stroom het laminaire stroom-element is gepasseerd, hem eerst nog door een tweede vereffeningskamer met daarachter een turbulentiefilter te sturen, zulks om de stroom te dempen en aldus het z.g. 'terugslaan' te voorkomen.

In de uitvoeringsvorm van de inrichting als getekend in Fig.3, loopt de ingaande stroom 20 via het turbulëntiefilter 21 de vereffe-ningskamer 22 in en van daar als laminaire stroom door het laminaire stromingselement 23 weer naar buiten.

In de grafiek van Fig.4a wordt voor een bepaald gas het verband tussen het te meten drukverschil of massadebiet P en de fluïdum-stroom S gegeven; een en ander conform de wet van Poiseuille. Het gebied waarover het verband tussen P en S lineair is, is het gebied waar sprake is van laminaire stroming.

Wanneer de P-meting plaats heeft zonder dat van een met een lami-nair stromingselement geïntegreerd filter gebruik wordt gemaakt, is voor het fluïdum - zie kromme fi - het verband tussen P en S lineair tot een stroom met grootte Si, waarbij een drukverschil of massadebiet van P behoort (in een uitvoeringsvoorbeeld, waarin het fluïdum N2 was, was Sis 100 1/min.)

Bij gebruik van een geïntegreerd filter volgens de uitvinding, blijft het verband tussen P en S ook voor veel grotere stromen, nl. tot S2 (zie Fig.4a) lineair (in het reeds aangehaalde geval van N2: S2 = 300 1/min.).

In Fig.4b is aangegeven het verband tussen T (temperatuur) en S voor twee fluïda,fi en f2. De krommen fi en f2 betreffen de situaties waarin niet met een geïntegreerd filter wordt gewerkt; de krommen fi' en f2', waarin dat wel het geval is.Dit is gedaan om aan te duiden welke invloed het gebruik van een filter, e.e.a. volgens de onderhavige uitvinding, heeft op de z.g. conversiefactor. Met de conversiefactor wordt bedoeld de verhouding van de debieten die bij verschillende fluïda corresponderen met eenzelfde T. Wanneer bijvoorbeeld een inrichting volgens de uitvinding is geijkt met behulp van stikstof en daarna een argon-stroom wordt gemeten, blijkt een bepaalde T te corresponderen met 100 1/min. voor stikstof en met 150 1/min. voor argon; derhalve een conversiefactor van 1,5.

De invloed van de toepassing van de uitvinding is nu, dat de conversiefactor over een groter T en P gebied constant is. Je kunt zeggen: de beide krommen die het verband aangeven tussen T resp. P en de debieten lopen over een groter gebied beide volgens een rechte lijn.

Claims

1. Inrichting voor het meten van drukverschillen of van massa-debieten in een fluïdumstroom - gas of vloeistof - en/of voor het uitvoeren van processen voor het mengen van fluïda, waarbij in gebruik het fluïdum in de inrichting stroomt, dan daarin een gedeelte passeert waar de fluïdumstroom laminair is en tenslotte weer uit de inrichting stroomt, met het kenmerk dat het instromende fluïdum door tenminste één, een geheel met de inrichting vormende combinatie van een turbulentiefilter met bijbehorende, daarachter gelegen vereffeningskamer, stroomt, alvorens het gedeelte in te stromen, waar de fluïdumstroom laminair is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat in het gedeelte waar de fluïdumstroom laminair is, zich een druk- of debietsensor bevindt.

3. Inrichting volgens conclusie 1, waarin in het gedeelte waar de fluïdumstroom laminair is, zich een laminair stromingselement bevindt, bevattende althans één pakket van op elkaar gestapelde plaatjes, die ieder voorzien zijn van tenminste twee openingen, te weten een in-stroomopening en een uitstroomopening, met daartussen een (eerste) plaatdeel dat aan één zijde is voorzien van in hoofdzaak evenwijdige groeven die van de ene opening naar de andere lopen, en welke plaatjes zo op elkaar zijn gestapeld, dat de groeven kanalen vormen van zodanige afmetingen, dat het fluïdum laminair daar doorheen stroomt en dat de openingen ingangs- respectievelijk uitgangskanalen van het pakket vormen, met het kenmerk dat de zich tussen de instroomopening en het laminaire stromingselement bevindende combinatie van turbulentiefilter en bijbehorende vereffeningskamer, wordt gevormd door een stapeling van (tweede) plaatdelen met in de stromingsrichting gezien daarachter gelegen vereffeningsopeningen , beide deel uitmakend van de genoemde vlakke plaatjes, waarbij die tweede plaatdelen ook en aan dezelfde zijde als de eerste plaatdelen, zijn voorzien van in hoofdzaak evenwijdig lopende groeven, die lopen van de instroomopening naar de vereffeningsopening en die in gestapelde toestand kanalen vormen van zodanige afmetingen dat het fluïdum als althans in hoofdzaak laminaire stroom het laminaire stromingselement bereikt.

4. Inrichting volgens conclusie 2 en 3, met het kenmerk dat zich in het gedeelte waar de fluïdumstroom laminair is, zowel een laminair stromingselement, als een druk- of debietsensor bevindt.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat hij meer dan één turbulentiefilter met bijbehorende vereffeningskamer bevat.

6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de dikte van een plaatje als hier bedoeld, circa 200 micron is en het aantal plaatjes circa 150 stuks bedraagt.

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de plaatjes zijn vervaardigd van roestvrij staal.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de plaatjes zijn vervaardigd uit nikkel.

9. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de groeven in de plaatdelen zijn aangebracht met behulp van etsen.

10. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de groeven in de plaatdelen zijn aangebracht door op een glad oppervlak plaatmateriaal elektrolytisch te laten groeien.

11. Inrichting volgens een der conclusies 1 - 10, met het kenmerk dat, gezien in de stromingsrichting zich ook achter het gedeelte waar de fluïdumstroom laminair is, een turbulentiefilter bevindt, met daarvóór een vereffeningskamer.

12. Inrichting volgens een der conclusies 1-11, met het kenmerk dat zich, gezien in de stromingsrichting zowel voor als achter het gedeelte waar de stroming laminair is, een of meer combinaties van turbulentiefliters en vereffeningskamers bevinden.

13. Inrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk dat zich voor en/of achter het gedeelte waar de stroom laminair is, meer parallel werkende turbulentiefilters bevinden, waarvan de kanalen in een of meer gemeenschappelijke vereffeningskamers uitmonden.

14. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het turbulentiefilter bestaat uit voor het fluïdum poreuze stoffen.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk dat de poreuze stoffen gesinterde (kunst)stoffen zijn.

16. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk dat de poreuze stof keramiek is.

17. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het instroomkanaal, van waaruit het fluïdum via een filter en een vereffeningskamer naar het gedeelte stroomt waar de stroom laminair is, aan zijn einde gesloten is.

18. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het turbulentiefilter en eventueel ook het lami-naire stroomelement, bestaan uit een geweven materiaal.

19. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de in hoofdzaak evenwijdige kanalen in het turbulentiefilter, diverse vormen kunnen hebben.