WO1993005369A1 - Device and process for determining the flow rate of a gas or liquid - Google Patents

Abstract

In a process and a device for determining the flow rate of a gas or liquid, a signal varying in time is applied between two electrodes (3, 4; 13, 14, 15) which are electrically insulated from the gas or liquid, whereby space charges generated in the gas or liquid around the electrodes (3, 4; 13, 14, 15) are shifted and image charges between conductive regions (3a, 4a; 13a, 14a, 15a) of the electrodes (3, 4; 13, 14, 15) are reversed, thus providing a measuring current, whereupon the time elapsed between the change in the voltage and a change in the measuring current caused by the voltage change is found and the flow rate is deduced therefrom.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit Device and method for determining the flow rate of a gas or a liquid

Beschreibungdescription

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Be¬ stimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungs¬ geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit.The present invention relates to a device for determining the flow rate of a gas or a liquid and a method for determining the flow rate of a gas or a liquid.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patent¬ anmeldung P 40 27 704.6-52 der Anmelderin sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungs¬ geschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit beschrie¬ ben. Bei diesem Verfahren werden zwei voneinander mit dem Gas bzw. mit der Flüssigkeit in einem leitfähigen Kontakt stehende Elektroden derart mit einer Spannung beaufschlagt, daß eine der Elektroden in das Gas bzw. in die Flüssigkeit Ionen injiziert, deren Ladung zumindest teilweise auf die andere Elektrode übertragen wird, wodurch ein Meßstrom er¬ zeugt wird. Es wird die Zeitdauer zwischen der zeitlichen Änderung des an die Elektroden angelegten Spannungssignales, das zu der Ioneninjektion geführt hat, und der Erfassung einer Änderung eines Meßstromes, der von der die Ladung empfangenden Elektrode stammt, gemessen. Aufgrund der Zeit¬ dauer zwischen der Änderung der Spannung und somit der Ioneninjektion und der Änderung des Meßstromes wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit zwi¬ schen den Elektroden bestimmt. Die Ioneninjektion in die be¬ züglich ihrer Strömungsgeschwindigkeit zu messende Flüssig¬ keit bzw. in das bezüglich seiner Strömungsgeschwindigkeit zu messende Gas ist somit eine unabdingbare Voraussetzung dieses älteren Meßverfahrens. Eine derartige Ioneninjektion stellt jedoch nötigerweise einen Eingriff in die Zusammen¬ setzung des Gases bzw. der Flüssigkeit dar, der nicht immer hingenommen werden kann. Insbesondere bei hohen Reinheits¬ anforderungen, wie beispielsweise bei medizinischen Anwen¬ dungen, können derartige Ioneninjektionen unerwünscht sein, so daß das Meßverfahren nach dieser älteren Anmeldung nicht für alle Anwendungszwecke mit hohen Reinheitsanforderungen geeignet ist. Ferner tritt bei dem Verfahren nach der ge¬ nannten älteren Anmeldung nötigerweise ein Stromfluß über die Elektrodenoberfläche auf, aufgrund dessen es zu elektro¬ chemischen Veränderungen an der Elektrodenoberfläche kommen kann. Auch derartige Veränderungen sind bei Anwendungsfällen mit extrem hohen Reinheitsanforderungen nicht immer hinnehm¬ bar.In the applicant's older, unpublished German patent application P 40 27 704.6-52, a method and a device for determining the flow rate of a gas or a liquid are already described. In this method, two electrodes which are in conductive contact with one another with the gas or with the liquid are subjected to a voltage such that one of the electrodes injects ions into the gas or into the liquid, the charge of which is at least partially transferred to the other electrode is, whereby a measuring current is generated. The time between the change in time of the voltage signal applied to the electrodes, which has led to the ion injection, and the detection of a change in a measuring current, which originates from the electrode receiving the charge, is measured. The flow velocity of the gas or liquid between the electrodes is determined on the basis of the time between the change in voltage and thus the ion injection and the change in the measuring current. The ion injection into the liquid to be measured with regard to its flow rate or into the gas to be measured with regard to its flow rate is therefore an essential prerequisite for this older measuring method. However, such an ion injection necessarily represents an intervention in the composition of the gas or the liquid, which cannot always be accepted. In particular with high purity requirements, such as in medical applications, such ion injections can be undesirable. so that the measuring method according to this earlier application is not suitable for all applications with high purity requirements. Furthermore, in the method according to the aforementioned older application, a current flow necessarily occurs across the electrode surface, which can lead to electrochemical changes on the electrode surface. Even such changes are not always acceptable in applications with extremely high purity requirements.

Die DE-2 58 719 B2 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in Form einer elek- trohydrodynamisch arbeitenden Strömungsgeschwindigkeits¬ messvorrichtung, die zwei in dem Fluid voneinander beab- standete Elektroden mit leitfähigen Oberflächen hat, an die ein Generator zum Erzeugen eines zeitlich sich ändernden Spannungssignales angeschlossen ist. Ferner umfaßt die dort gezeigte Vorrichtung einen Stromdetektor zum Erfassen einer durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des Meßstromes sowie eine Auswerteeinrichtung für die Messung der Zeitdauer zwischen der Spannungsänderung und der Än¬ derung des Meßstromes und zum Bestimmen der Strömungsge¬ schwindigkeit des Fluides aufgrund der so gemessenen Zeit¬ dauer.DE-2 58 719 B2 shows a device for determining the flow rate of a fluid in the form of an electro-hydrodynamically operating flow rate measuring device, which has two electrodes spaced apart in the fluid with conductive surfaces, to which a generator for generating a time changing voltage signal is connected. Furthermore, the device shown there comprises a current detector for detecting a change in the measurement current caused by the change in voltage, and an evaluation device for measuring the time period between the voltage change and the change in the measurement current and for determining the flow velocity of the fluid on the basis of the above measured time duration.

Eine derartige Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung ar¬ beitet nötigerweise mit einer Ioneninjektion in die Flüs¬ sigkeit. Bei hohen Reinheitsanforderungen, wie beispiels¬ weise im Falle von medizinischen Anwendungen, können der¬ artige loneninjektionen unerwünscht sein. Ferner kann der Stromfluß an der Elektrodenoberfläche zu einer elektroche¬ mischen Veränderung der Elektrodenoberfläche führen, die bei Anwendungsfällen mit hohen Reinheitsanforderungen nicht im¬ mer hinnehmbar sind.Such a flow velocity measuring device necessarily works with an ion injection into the liquid. With high purity requirements, such as in the case of medical applications, such ion injections can be undesirable. Furthermore, the current flow on the electrode surface can lead to an electrochemical change in the electrode surface, which are not always acceptable in applications with high purity requirements.

Aus der Fachveröffentlichung J. Phys. D: Appl. Phys., 15 (1982) , 2505-2512 ist es bekannt, daß durch Anlegen einer Spannung an zwei isolierte Elektroden in einer stationären Flüssigkeit Raumladungen erzeugt werden, die zu Bildladungen in dem leitfähigen Teil der Elektroden führen. Diese Schrift befaßt sich somit nicht mit der Messung von Strömungsge¬ schwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten.From the specialist publication J. Phys. D: Appl. Phys., 15 (1982), 2505-2512, it is known that by applying a voltage to two insulated electrodes in a stationary Liquid space charges are generated, which lead to image charges in the conductive part of the electrodes. This document therefore does not deal with the measurement of flow velocities of gases or liquids.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen¬ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit anzugeben, das eine präzise Messung ermöglicht, ohne daß die bezüglich ihrer Strömungs¬ geschwindigkeit zu messende Flüssigkeit bzw. das bezüglich seiner Strömungsgeschwindigkeit zu messende Gas beeinträch¬ tigt werden.Proceeding from this prior art, the present invention is based on the object of specifying a device and a method for determining the flow rate of a gas or a liquid which enables precise measurement without the liquid or liquid to be measured with respect to its flow rate the gas to be measured with respect to its flow velocity is impaired.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentan¬ spruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and by a method according to claim 10.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren werden wenigstens zwei gegenüber dem Gas bzw. der Flüssigkeit isolierte Elektroden verwendet, die im wesentlichen in Strömungsrichtung des Gases bzw. der Flüs¬ sigkeit gegeneinander beabstandet sind und mit einem derar¬ tigen Spannungssignal beaufschlagbar sind, daß in dem Gas bzw. in der Flüssigkeit ausgebildete Raumladungen verschoben werden und hierdurch Bildladungen zwischen den Elektroden umgeladen werden, wodurch ein Meßstrom erzeugt wird, wobei die Zeitdauer zwischen einer Änderung der zwischen den Elek¬ troden anliegenden Spannung und einer Änderung des Meßstro¬ mes ermittelt und hieraus die Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit abgeleitet wird.In the device according to the invention and the method according to the invention, at least two electrodes that are insulated from the gas or the liquid are used, which are essentially spaced apart from one another in the direction of flow of the gas or the liquid and can be acted upon with such a voltage signal that space charges formed in the gas or in the liquid are shifted, thereby reloading image charges between the electrodes, whereby a measuring current is generated, the time period between a change in the voltage present between the electrodes and a change in the measuring current determined and from this the flow rate of the gas or the liquid is derived.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteran¬ sprüchen angegeben.Preferred developments of the device according to the invention and of the method according to the invention are specified in the subclaims.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungs- gemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahrens näher erläutert. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. current flow rate measuring device and the flow rate measuring method according to the invention explained in more detail. Show it:

Fig. la eine erste Ausgestaltung einer Meßvorrichtung;Fig. La a first embodiment of a measuring device;

Fig. lb eine zweite Ausgestaltung der Meßvorrichtung;Fig. Lb a second embodiment of the measuring device;

Fig. 2a, Darstellungen der Raumladungs- und Bildladungsver- 2b teilung an den isolierten Elektroden der Meßvor¬ richtung;2a shows representations of the space charge and image charge distribution on the insulated electrodes of the measuring device;

Fig. 3 ein Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungs¬ geschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. la ge¬ zeigten MeßVorrichtung abgegebenen Signale; und3 shows a block diagram for the determination of the flow rate on the basis of the signals emitted by the measuring device shown in FIG. and

Fig. 4 ein weiteres Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. lb gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signa¬ le; undFIG. 4 shows a further block diagram for determining the flow speed on the basis of the signals emitted by the measuring device shown in FIG. 1b; and

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung sowie Querschitts- bis 9 darstellungen einer ersten bis fünften Ausführungs¬ form einer Elektrodenstruktur für die erfindungsge¬ mäße Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung.5 is a perspective view and cross-sectional views up to 9 of a first to fifth embodiment of an electrode structure for the flow velocity measuring device according to the invention.

Die in Fig. la gezeigte Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, um¬ faß eine von einem Fluid durchströmte Röhre 2 , in der senk¬ recht zur Strömungsrichtung eine Mehrzahl von miteinander leitfähig verbundenen ersten Elektroden 3 und hiervon in Strömungsrichtung beabstandet und gleichfalls senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet eine Mehrzahl von ebenfalls leitfähig miteinander verbundenen zweiten Elektroden 4 vor¬ gesehen sind.The flow measuring device shown in FIG. 1 a, which is designated in its entirety by reference numeral 1, comprises a tube 2 through which a fluid flows, in the direction perpendicular to the flow direction a plurality of first electrodes 3 conductively connected to one another and in the flow direction thereof spaced apart and also arranged perpendicular to the direction of flow, a plurality of second electrodes 4, likewise conductively connected to one another, are provided.

Wie unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren noch weiter verdeutlicht wird, sind die jeweils miteinander ver- bundenen Elektroden 3, 4 vorzugsweise Bestandteile von ein¬ stückigen Elektrodenkörpern, die jeweils leitfähige innere Bereiche 3a, 4a haben, welche miteinander in leitender Ver¬ bindung stehen, und welche ferner isolierende äußere Berei¬ che 3b, 4b haben, die die leitfähigen inneren Bereiche 3a, 4a umschließen.As will be clarified further with reference to the following figures, the bound electrodes 3, 4 preferably components of one-piece electrode bodies, each having conductive inner areas 3a, 4a, which are in conductive connection with one another, and which also have insulating outer areas 3b, 4b, which have the conductive inner areas Enclose 3a, 4a.

An zwei Anschlüssen 5, 6 kann ein Spannungssignal, welches vorzugsweise die Form eines Spannungsimpulses U(t) hat, zwi¬ schen den beiden Elektroden 3, 4 angelegt werden.A voltage signal, which preferably has the form of a voltage pulse U (t), can be applied to the two electrodes 5, 6 between the two electrodes 3, 4.

Wie unter anderem unter Bezugnahme auf die Fig. 2a, 2b näher erläutert werden kann, sei zunächst der Spezialfall angenom¬ men, daß an den Elektroden 3, 4 vor Beginn der Messung keine Spannung anliegt. Im allgemeinen kann jedoch, wie für den Fachmann offensichtlich ist, eine konstante, von Null ver¬ schiedene Spannung anliegen. Wie in Fig. 2a gezeigt ist, haben sich an den beiden Elektroden 3, 4 nach dem Modell von Stern in der Flüssigkeit bzw. in dem Fluid Raumladungen aus¬ gebildet, die sich dicht an den Elektroden 3, 4 in der Helm- holtz-Schicht und in der darin anschließenden Goüy- und Chapman-Schicht befinden. Die Ladungen in diesen beiden Schichten oder Zonen können die gleiche Polarität haben, wie dies bei dem gezeigten Beispiel der Fall ist, oder unter¬ schiedliche Polaritäten besitzen. Die Helmholtz-Schicht wird von fest an der Grenzfläche der Elektroden absorbierten Ionen gebildet, die unbeweglich sind und auch von hohen elektrischen Feldern nicht beeinflußt werden. Diese Schicht wird von der Messung nur geringfügig beeinflußt. Die Dicke der Schicht entspricht etwa dem Durchmesser der Ionen, die diese Schicht bilden. Das elektrische Potential fällt in diesem Bereich linear ab. Im Gegensatz dazu wird die diffuse Raumladungszone innerhalb der Goüy- und Chapman-Schicht von beweglichen Ionen gebildet, wobei die Konzentration dieser Ionen und das elektrische Potential in diesem Bereich expo- nentiell abfallen, wobei die Dicke dieser Zone stark von der Konzentration des in der Flüssigkeit vorhandenen Elektroly¬ ten abhängt. Unter der Dicke dieser Schicht wird diejenige Strecke bezeichnet, innerhalb der das elektrische Potential auf 1/e abgefallen ist. In der nachfolgenden Tabelle ist die Dicke für einwertige Elektrolyten bei einer Temperatur von 300k bei verschiedenen Konzentrationen angegeben:As can be explained in more detail, inter alia, with reference to FIGS. 2a, 2b, the special case is first assumed that there is no voltage at the electrodes 3, 4 before the start of the measurement. In general, however, as is obvious to the person skilled in the art, a constant voltage other than zero can be present. As shown in FIG. 2a, space charges have formed on the two electrodes 3, 4 according to the Stern model in the liquid or in the fluid, which are close to the electrodes 3, 4 in the Helmholtz Layer and in the subsequent Goüy and Chapman layer. The charges in these two layers or zones can have the same polarity as is the case in the example shown, or they can have different polarities. The Helmholtz layer is formed by ions which are firmly absorbed at the interface of the electrodes, which are immobile and are also not influenced by high electrical fields. This layer is only slightly affected by the measurement. The thickness of the layer corresponds approximately to the diameter of the ions that form this layer. The electrical potential drops linearly in this area. In contrast, the diffuse space charge zone within the Goüy and Chapman layers is formed by mobile ions, the concentration of these ions and the electrical potential in this area falling exponentially, the thickness of this zone being strongly dependent on the concentration of that in the liquid existing electrolyte depends. Under the thickness of this layer is the one Designated distance within which the electrical potential has dropped to 1 / e. The following table shows the thickness for monovalent electrolytes at a temperature of 300k at different concentrations:

c(mol/dm³) 10"¹ 10^"3 10"⁵ 10"⁷ 10~⁹ 10~¹¹ L_d(μm) 10"³ 10"² 10"¹ 10° 10¹ 10² c (mol / dm ³ ) 10 " ¹ 10 ^{" 3} 10 " ⁵ 10" ⁷ 10 ~ ⁹ 10 ~ ¹¹ L _d (μm) 10 " ³ 10" ² 10 " ¹ 10 ° 10 ¹ 10 ²

Der wichtige Unterschied zwischen der Helmholtz-Zone und der Goüy-Chapman-Zone besteht darin, daß die letztere durch be¬ wegliche Raumladungen gebildet wird, die bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden von einer Elektrode zu der anderen bewegt werden.The important difference between the Helmholtz zone and the Goüy-Chapman zone is that the latter is formed by movable space charges which are moved from one electrode to the other when a voltage is applied between the electrodes.

In Fig. 2b wird eine negative Spannung an die rechte Elek¬ trode 4 angelegt, wodurch einerseits die positive Bildladung von der rechten Elektrode abgesaugt und andererseits die ne¬ gative Raumladung von dieser Elektrode abgestoßen werden. Die beweglichen Raumladungen wandern dem Potentialgefälle entsprechend zu der Gegenelektrode 3, wobei die Geschwindig¬ keit dieser Ionen abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des zwischen den Elektroden befindlichen Fluids ist. Die Ge¬ schwindigkeit der Ionen setzt sich zusammen aus der Strö¬ mungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit sowie einem feldstärkeabhängigen Term, der aus dem Produkt der Be¬ weglichkeit der Ionen und dem elektrischen Feld gebildet ist. Erfaßbar ist bei der in den Fig. l und 2 angedeuteten Strömungsgeschwindigkeitsmeßanordnung diejenige Geschwindig¬ keitskomponente des sich bewegenden Fluids, die senkrecht zu den Elektrodenoberflächen verläuft.2b, a negative voltage is applied to the right electrode 4, whereby on the one hand the positive image charge is sucked off the right electrode and on the other hand the negative space charge is repelled by this electrode. The movable space charges migrate to the counter electrode 3 in accordance with the potential gradient, the speed of these ions being dependent on the flow rate of the fluid located between the electrodes. The speed of the ions is composed of the flow rate of the gas or the liquid and a term dependent on the field strength, which is formed from the product of the mobility of the ions and the electric field. In the flow velocity measuring arrangement indicated in FIGS. 1 and 2, the velocity component of the moving fluid that runs perpendicular to the electrode surfaces can be detected.

Wie in Fig. 2b angedeutet ist, sammeln sich an der Gegen¬ elektrode 3 sowohl die Raumladungen in der Flüssigkeit bzw. dem Gas als auch die Bildladungen in dem leitfähigen Teil 3a der Elektrode 3 , bis ein neuer Gleichgewichtszustand einge¬ nommen ist. Durch die Verschiebung der Bildladungen wird der meßstrom erzeugt, dessen Verlauf von der Strömungsgeschwin¬ digkeit des Gases bzw. der Flüssigkeit abhängt. Der Maximal- wert des Meßstromes wird dann erreicht, wenn die Ladungsträ¬ ger an der Gegenelektrode 3 eintreffen. Ein beispielshafter Verlauf des Meßstromes nach Anlegen eines Spannungssprung¬ signals ist in Fig. 5 gezeigt. Die Zeitdauer zwischen dem Anlegen der Meßspannung und dem Auftreten des Strommaximums hängt von der Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ab. Rechnerische und experimentell ermittelte Zusammenhänge zwischen der Zeitdauer und der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchflußmenge sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt.As indicated in FIG. 2b, both the space charges in the liquid or the gas and the image charges in the conductive part 3a of the electrode 3 collect at the counter electrode 3 until a new state of equilibrium has been reached. By shifting the image charges, the measuring current is generated, the course of which depends on the flow velocity of the gas or the liquid. The maximum value of the measuring current is reached when the charge carriers arrive at the counter electrode 3. An exemplary course of the measuring current after the application of a voltage step signal is shown in FIG. 5. The time between the application of the measuring voltage and the occurrence of the current maximum depends on the flow velocity in the liquid. Computational and experimentally determined relationships between the time period and the flow rate or the flow rate are shown in FIGS. 6 and 7.

Fig. lb zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsge¬ mäßen Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Diese umfaßt gleich¬ falls eine Röhre 12, eine Mehrzahl von senkrecht zur Strö¬ mungsrichtung angeordneten und miteinander leitfähig verbun¬ denen Elektrodenkörpern 13, 14, 15 die jeweils leitfähige innere Bereiche 13a, 14a, 15a und isolierende äußere Berei¬ che 13b, 14b, 15b haben. Ein Spannungspuls U(t) kann an An¬ schlüsse 16, 17 angelegt werden und führt zu einer sich in Strömungsrichtung ausbreitenden und zu einer sich entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausbreitenden Ionenfront bzw. Raumladungsfront.1b shows a further embodiment of a flow measuring device according to the invention, which is designated in its entirety by reference number 10. This also includes a tube 12, a plurality of electrode bodies 13, 14, 15 arranged perpendicularly to the direction of flow and connected to one another in a conductive manner, the respective conductive inner regions 13a, 14a, 15a and insulating outer regions 13b, 14b, Have 15b. A voltage pulse U (t) can be applied to connections 16, 17 and leads to an ion front or space charge front that spreads out in the flow direction and spreads out against the flow direction of the fluid.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. la und lb führen die entstehenden Meßströme an dem Meßwiderstand R„ bzw. an den Meßwiderständen R-, R₂ zu Spannungen, die als Meßsignale für die LaufZeitmessung weiter verarbeitet werden können.In the embodiments according to FIGS. 1 a and 1 b, the resulting measuring currents at the measuring resistor R 1 or at the measuring resistors R 1, R ₂ lead to voltages which can be further processed as measuring signals for the running time measurement.

Wie später im einzelnen dargelegt wird, wird bei der Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. l die Laufzeit zwischen dem Anlegen des Spannungspulses und dem Auftreten des Strommaximums und bei der Ausführungsform gemäß Fig. lb die Laufzeitdifferenz zwi¬ schen den Maxi a der Ströme und somit der an den Widerstän¬ den R,, R₂ abgenommenen Meßspannungen herangezogen.As will be explained in detail later, in the embodiment according to FIG. 1 the transit time between the application of the voltage pulse and the occurrence of the current maximum and in the embodiment according to FIG. 1b the transit time difference between the maxi a of the currents and thus the pulled at the resistances R ,, R ₂ measured voltages.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für die in Fig. l gezeigte Durchflußmeßvorrichtung. Wie in Fig. 3 ge- zeigt ist, umfaßt die Schaltung einen Taktgenerator 20, der ein Taktsignal zu einem Zähler 21 zuführt. Ein Impulsgenera¬ tor 22, der zum Erzeugen des bereits erwähnten Spannungsim¬ pulses U(t) dient, ist ausgangsseitig an die Durchflußme߬ vorrichtung 1 angeschlossen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Mit Erzeugen des Spannungspulses führt der Pulsgenerator 22 dem Zähler 21 ein Startsignal zu, woraufhin der Zähler mit dem ihm vom Taktgenerator 20 zuge¬ führten Taktsignal zu zählen beginnt. Das Ausgangssignal Um(t) der Durchflußmeßvorrichtung 1 wird einem Spitzenwert- detektor 23 zugeführt, der bei Erfassen des Maximums des Spannungssignales Um(t) ein Stop-Signal erzeugt, mit dem der Zähler 21 angehalten wird. Aus dem Zählwert kann, wie spä¬ ter dargelegt wird, aufgrund einer für die jeweilige Meßan¬ ordnung vorab bestimmten Zuordnung, die Durchflußmenge bzw. die Strömungsgeschwindigkeit durch tabellenartige Zuordnung ermittelt werden. Dieser Zyklus kann nach Rücksetzen des ^" Zählers und des Detektors kontinuierlich wiederholt ablau¬ fen.3 is a block diagram of a circuit for determining the flow rate for the flow meter shown in FIG. As shown in Fig. 3 shows, the circuit comprises a clock generator 20 which supplies a clock signal to a counter 21. A pulse generator 22, which is used to generate the already mentioned voltage pulse U (t), is connected on the output side to the flow measuring device 1, as was explained with reference to FIG. 1. When the voltage pulse is generated, the pulse generator 22 supplies the counter 21 with a start signal, whereupon the counter begins to count with the clock signal supplied to it by the clock generator 20. The output signal Um (t) of the flow measuring device 1 is fed to a peak value detector 23 which, when the maximum of the voltage signal Um (t) is detected, generates a stop signal with which the counter 21 is stopped. As will be explained later, the flow rate or the flow rate can be determined from the count value by means of a table-like assignment on the basis of an assignment determined in advance for the respective measuring arrangement. This cycle can fen continuously ablau¬ repeated after resetting the ^"counter and detector.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für eine Durchflußmeßvorrichtung 10, wie sie in Fig. lb gezeigt ist. Diese Schaltung umfaßt einen Taktgenerator 24 und einen dem Taktgenerator 24 nachgeschalteten Zähler 25. Ferner umfaßt die Schaltung einen Impulsgenerator 26 zum Erzeugen des Spannungsimpulses U(t) , welcher der Durchflußmeßvorrichtung 10 (vergl. Fig. 2) zugeführt wird. Die beiden Meßspannungen XJ^t) und U₂(t) von der Durchflußmeßvorrichtung 10, die über die Widerstände Rl und R2 abfallen, werden einem ersten und einem zweiten Spitzenwertdetektor 27, 28 zugeführt, deren Ausgangssignale über ein Exklusiv-Oder-Gatter 29 zu einem Start-Stop-Signal für den Zähler 25 verknüpft werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der Zähler 25 dieser Schaltung die Zeitdifferenz zwischen der Erfassung der Spit¬ zenwerte durch die Spitzenwertdetektoren 27, 28 erfaßt. Die¬ ser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detek¬ tors kontinuierlich wiederholt ablaufen. Bei dem beschriebenen Verfahren kann nun die Abhängigkeit zwischen der Driftzeit und der Strömungsgeschwindigkeit für eine gegebene Durchflußmeßvorrichtung l ermittelt werden, so daß jeder gemessenen Driftzeit eine entsprechende Strömungs¬ geschwindigkeit bzw. Durchflußmenge mittels einer Tabelle zugeordnet werden kann. Hierbei ist hervorzuheben, daß mit¬ tels eines einzigen Meßaufbaus die Strömungsgeschwindigkeit in beiden Strömungsrichtungen ermittelt werden kann, so daß aus der Bestimmung der Driftzeit t₀ nicht nur die absolute Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch deren Richtung abge¬ leitet werden kann. Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften des Fluids während der Messung führen jedoch bei diesem Meßaufbau zu geringfügigen Meßungenauigkeiten, da die Driftzeit t₀ von den elektrochemischen Eigenschaften des Fluids abhängig ist.FIG. 4 is a block diagram of a circuit for determining the flow rate for a flow measuring device 10 as shown in FIG. 1b. This circuit comprises a clock generator 24 and a counter 25 connected downstream of the clock generator 24. Furthermore, the circuit comprises a pulse generator 26 for generating the voltage pulse U (t), which is fed to the flow measuring device 10 (see FIG. 2). The two measuring voltages XJ ^ t) and U ₂ (t) from the flow measuring device 10, which drop across the resistors R1 and R2, are fed to a first and a second peak value detector 27, 28, whose output signals via an exclusive-OR gate 29 a start-stop signal for the counter 25 are linked. It is obvious to a person skilled in the art that the counter 25 of this circuit detects the time difference between the detection of the peak values by the peak value detectors 27, 28. This cycle can run continuously repeatedly after resetting the counter and the detector. In the method described, the dependency between the drift time and the flow rate can now be determined for a given flow measuring device 1, so that each measured drift time can be assigned a corresponding flow rate or flow rate using a table. It should be emphasized here that the flow velocity in both flow directions can be determined by means of a single measurement set-up, so that not only the absolute flow velocity but also its direction can be derived from the determination of the drift time t ₀ . However, changes in the electrochemical properties of the fluid during the measurement lead to slight measurement inaccuracies in this measurement setup, since the drift time t ₀ is dependent on the electrochemical properties of the fluid.

Derartige Meßungenauigkeiten werden durch einen Meßaufbau der in Fig. lb gezeigten Art verhindert, bei dem mit Hilfe zweier, die Ionenfronten in entgegengesetzter Richtung in dem Fluid bewegenden Elektrodenpaare die Driftzeit t₀ sowohl entgegen als auch mit der Strömungsrichtung bestimmt wird.Such measurement inaccuracies are prevented by a measurement setup of the type shown in FIG. 1b, in which the drift time t _{0 is determined} both in the opposite direction and in the flow direction with the aid of two pairs of electrodes moving the ion fronts in the opposite direction in the fluid.

Durch diese Differenzbildung wird insbesondere bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.This difference formation makes it possible to achieve extremely high measurement accuracy, especially at very low flow velocities.

Ebenfalls ist es denkbar, eine derartige Differenzmessung mit einem einzigen Elektrodenpaar durchzuführen, das zu¬ nächst in einer ersten Richtung und dann in einer entgegen¬ gesetzten Richtung mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, so daß zunächst eine lonenfrontdrift in einer ersten Richtung und dann eine lonenfrontdrift in einer entgegenge¬ setzten Richtung durch das strömende Fluid in ihrer Drift¬ zeit vermessen wird.It is also conceivable to carry out such a difference measurement with a single pair of electrodes, which is first subjected to a voltage pulse in a first direction and then in an opposite direction, so that first an ion front drift in a first direction and then an ion front drift in an opposite direction is measured by the flowing fluid in its drift time.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Elektrodenkörpers, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist, welcher aus einem Halbleitermaterial mittels mikrome¬ chanischer Herstellungstechniken gebildet ist. Der Elektro¬ denkörper besteht aus einem einkristallinen Siliziumhalblei¬ terkörper, der bevorzugt n⁺-leitend ist, jedoch auch dotier¬ te epitaktische oder diffundierte Bereiche aufweisen kann. Bei der gezeigten Ausführungsform hat der ElektrodenkörperFIG. 5 shows an embodiment of an electrode body, which is designated in its entirety by reference number 30 which is formed from a semiconductor material by means of micromechanical manufacturing techniques. The electrode body consists of a single-crystalline silicon semiconductor body, which is preferably n ⁺ -conducting, but can also have doped epitaxial or diffused areas. In the embodiment shown, the electrode body

30 eine (100)-Kristallorientierung. Auf der Vorderseite des Siliziumhalbleiterkörpers ist eine erste Isolationsschicht30 a (100) crystal orientation. There is a first insulation layer on the front of the silicon semiconductor body

31 angeordnet, die zumindest in einem durchströmten Bereich des Elektrodenkörpers 30 eine Ausnehmung 3la hat. Der Sili¬ ziumhalbleiterkörper hat ferner eine sich gleichfalls zu¬ mindest über seinen durchströmten Bereich erstreckende rück¬ seitige Ausnehmung 31b. Der Elektrodenkörper 30 hat zwischen der vorderseitigen Ausnehmung 3la und der rückseitigen Aus¬ nehmung 31b eine gitterförmige Elektrode 33, die eine Mehr¬ zahl von. prismenförmigen Gruben 32 hat, welche den durch¬ strömten Bereich festlegen. Die gitterförmige Elektrode 33 ist ein einstückiger Bestandteil des Siliziumhalbleitrkör- pers, der den Elektrodenkörper 30 bildet. Die gesamte Ober¬ fläche der gitterför igen Elektrode 33 wie auch die Ober¬ fläche der Randbereiche des Elektrodenkörpers 30 sind von einer Isolationsschicht umschlossen, die bei der gezeigten Ausführungsform aus thermischem Siliziumoxid besteht.31 arranged, which has a recess 3la at least in a flowed-through area of the electrode body 30. The silicon semiconductor body also has a rear recess 31b, which likewise extends at least over its flow area. The electrode body 30 has a grid-shaped electrode 33 between the front recess 3la and the rear recess 31b, which has a plurality of. has prism-shaped pits 32 which define the area through which flow passes. The grid-shaped electrode 33 is an integral part of the silicon semiconductor body, which forms the electrode body 30. The entire surface of the grid-shaped electrode 33 as well as the surface of the edge regions of the electrode body 30 are enclosed by an insulation layer which, in the embodiment shown, consists of thermal silicon oxide.

Die insoweit beschriebene Struktur des isolierten Elektro¬ denkörpers 30 wird mit an sich bekannten Herstellungstech¬ niken der Halbleitertechnologie im Foto-Ätz-Verfahren er¬ zeugt. Hierzu wird zunächst auf den noch unstrukturierten einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper eine elektrische Isolationsschicht 11 abgeschieden. Dies kann durch Kathoden¬ zerstäubung einer Pyrex-Glas-Schicht auf einer thermisch er¬ zeugten Siliziumdioxidschicht geschehen. Die Ausnehmung 31a wird vorderseitig mit einem geeigneten Verfahren geöffnet. Anschließend wird ganzflächig auf den insoweit strukturier¬ ten Siliziumhalbleiterkörper eine gegen alkalische Ätzlö- sungen beständige Schicht, die beispielsweise aus Silizium¬ nitrid bestehen kann, auf die Vorder- und Rückseite aufge¬ bracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird innerhalb des zuvor geöffneten Bereiches der vorderseitigen Ausnehmung 31a mit üblichen Verfahren photolithographisch strukturiert. An¬ schließend erfolgt ein anisotroper Ätzprozeß, bei dem die prismenförmigen Gruben 32 erzeugt werden. Falls gitterförmi¬ ge Elektrodenstrukturen 33 mit steileren Kanten gewünscht sind, können auch isotrope Ätzverfahren eingesetzt werden. Bei Verwendung eines anisotropen Ätzverfahrens kann eine dreißigprozentige KOH-Lδsung zur Erzeugung der gezeigten Strukturen eingesetzt werden. Die Tiefe der prismenförmigen Gruben 32 beträgt je nach der gewünschten Dicke der später erzeugten gitterför igen Elektrode 33 zwischen lμm und 200μm. Nunmehr wird die Struktur vorderseitig ganzflächig mit einer weiteren Ätzstoppschicht versehen, die widerum aus Siliziumnitrid bestehen kann. Anschließend wird nach ent¬ sprechender photolithographischer Behandlung im anisotropen Ätzverfahren die rückseitige Ausnehmung 11b soweit geätzt, daß die unteren Bereiche der prismenförmigen Gruben 32 er¬ reicht werden, wodurch sich die gitterförmige Elektroden¬ struktur der Elektrode 33 ergibt. Nunmehr werden Reste der Ätzstoppschicht (nicht dargestellt) entfernt, woraufhin die gesamte Struktur einem thermischen Oxidationsprozeß unter¬ worfen wird, durch den sich eine Isolationsschicht aus ther¬ mischen Siliziumoxid bildet, welche den Elektrodenkörper 30 umschließt.The structure of the insulated electrode body 30 described so far is produced using known manufacturing techniques of semiconductor technology in the photo-etching process. For this purpose, an electrical insulation layer 11 is first deposited on the still unstructured single-crystalline silicon semiconductor body. This can be done by cathode sputtering of a Pyrex glass layer on a thermally generated silicon dioxide layer. The recess 31a is opened on the front using a suitable method. Subsequently, a layer that is resistant to alkaline etching solutions and can be made of silicon nitride, for example, is applied to the front and back of the entire surface of the silicon semiconductor body that has been structured to this extent. This serves as an etch stop mask and is inside the The previously opened area of the front recess 31a is structured photolithographically using conventional methods. An anisotropic etching process then takes place, in which the prismatic pits 32 are produced. If grid-shaped electrode structures 33 with steeper edges are desired, isotropic etching processes can also be used. When using an anisotropic etching process, a thirty percent KOH solution can be used to produce the structures shown. The depth of the prismatic pits 32 is between 1 μm and 200 μm, depending on the desired thickness of the grid-shaped electrode 33 that is subsequently produced. Now the entire surface of the structure is provided with a further etching stop layer, which in turn can consist of silicon nitride. Then, after appropriate photolithographic treatment in the anisotropic etching process, the rear recess 11b is etched to such an extent that the lower regions of the prismatic pits 32 are reached, which results in the lattice-shaped electrode structure of the electrode 33. Now residues of the etching stop layer (not shown) are removed, whereupon the entire structure is subjected to a thermal oxidation process, through which an insulating layer of thermal silicon oxide is formed, which encloses the electrode body 30.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Elektrodenan¬ ordnung einer Meßvorrichtung, wie sie beispielsweise in Fig. la schematisch dargestellt ist. Zwei Elektrodenkörper 34, 35, die in Strömungsrichtung übereinander angeordnet sind und jeweils gitterförmige oder stegförmige Elektroden 36, 37 umfassen, sind derart zueinander ausgerichtet, daß sich die Elektroden 36, 37 in Strömungsrichtung gegenüberliegen. Bei dieser Ausführungsform, die sich durch Zusammensetzen zweier Elektrodenkörper der in Fig. 5 gezeigten Art ergibt, liegen die Elektroden 36, 37 jeweils im wesentlichen auf der Höhe der Vorderseite der Elektrodenkörper 34, 35 und sind jeweils von der Rückseite des Elektrodenkörpers 34, 35 beabstandet. Die Elektrodenkörper 34, 35 werden vorzugsweise dadurch mit- einander verbunden, daß die Rückseite der Elektrodenkörper mit der Pyrex-Glas-Schicht durch elektrostatisches Bonden verbunden wird. Alternativ können bei dieser Ausführungsform ebenso wie bei der nachfolgend zu beschreibenden Ausfüh¬ rungsform andere Verbindungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Waferbonding oder Kleben.FIG. 6 shows a cross-sectional representation of the electrode arrangement of a measuring device, as is shown schematically for example in FIG. Two electrode bodies 34, 35, which are arranged one above the other in the flow direction and each comprise grid-shaped or web-shaped electrodes 36, 37, are aligned with one another in such a way that the electrodes 36, 37 lie opposite one another in the flow direction. In this embodiment, which results from the assembly of two electrode bodies of the type shown in FIG. 5, the electrodes 36, 37 each lie essentially at the level of the front of the electrode bodies 34, 35 and are each spaced from the rear of the electrode body 34, 35 . The electrode bodies 34, 35 are preferably thereby interconnected that the back of the electrode body is connected to the Pyrex glass layer by electrostatic bonding. Alternatively, in this embodiment as well as in the embodiment to be described below, other joining methods can be used, such as wafer bonding or gluing.

Wie in der Querschnittsdarstellung der Fig. 6 zu sehen ist, sind beide Elektrodenkörper 34, 35 an sämtlichen Kontakt¬ flächen mit dem Gas bzw. der Flüssigkeit von einer thermi¬ schen Oxidschicht 38, 39 umgeben.As can be seen in the cross-sectional illustration of FIG. 6, both electrode bodies 34, 35 are surrounded by a thermal oxide layer 38, 39 on all contact surfaces with the gas or the liquid.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchflußmeßvorrichtung unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von der Ausführungsform gemäß Fig. 6, daß die beiden Elektrodenkörper 40, 41 vorderseitig miteinander verbunden sind. Hier sind die Elektroden 42, 43 gegenüber der Vorderseite der Halbleiterkörper zurückgeätzt, wobei das Ausmaß des Zurückätzens neben der Dicke der Isolations¬ schicht 44 den gegenseitigen Abstand der beiden Elektroden 42, 43 festlegt.The embodiment of the flow measuring device according to the invention shown in FIG. 7 differs essentially from the embodiment according to FIG. 6 in that the two electrode bodies 40, 41 are connected to one another on the front side. Here, the electrodes 42, 43 are etched back with respect to the front side of the semiconductor body, the extent of the etching back determining the mutual distance between the two electrodes 42, 43 in addition to the thickness of the insulation layer 44.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, umfaßt eine weitere Ausführungs¬ form einer erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsme߬ vorrichtung im wesentlichen einen Elektrodentragerkorper 2', der von einem Gehäuse 3 ^r umschlossen ist. Bei dem Gehäuse 3' kann es sich beispielsweise um ein aus einem Kunststoff ge¬ gossenes Gehäuse handeln, welches einen Peripheriebereich 4 ' des Elektrodenträgerkörpers 2 ^r fest umschließt. Die Art der Ausgestaltung des Gehäuses 3 ' als Gußgehäuse oder als ein aus zwei Hälften mit einer dazwischenliegenden Dichtung ver- schraubtes Gehäuse liegt im Ermessen des Fachmannes und be¬ darf für Zwecke der vorliegenden Erfindung keiner weiteren Erläuterung.As shown in FIG. 8, a further embodiment of a flow velocity measuring device according to the invention essentially comprises an electrode support body 2 ', which is enclosed by a housing 3 ^r . The housing 3 'can be, for example, a housing cast from a plastic, which firmly encloses a peripheral region 4' of the electrode carrier body 2 ^r . The type of configuration of the housing 3 'as a cast housing or as a housing screwed from two halves with an intermediate seal lies at the discretion of the person skilled in the art and does not require any further explanation for the purposes of the present invention.

Der Elektrodentragerkorper 2^Λ wird aus einem einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper gefertigt, der eine (110)-Kristall¬ orientierung hat. Hierfür wird zunächst auf der Vorder- und Rückseite 5', 6' des Siliziumhalbleiterkörpers 2 ' mittels eines in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahrens eine gegen Ätzlösungen beständige Schicht, wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird zunächst auf der Vorderseite mittels an sich be¬ kannter photolithographischer Techniken strukturiert. Mit einem anisotropen Ätzprozeß werden Durchströmungsöffnungen 7a', 7b', 7c' , 7d' , 7e' erzeugt, die bei einer geeigneten Orientierung der Maske aus zwei parallelen senkrechten und aus vier zu der Vorderseite 5' schrägen (111)-Ebenen be¬ stehen. Vorzugsweise wird eine 8-molare KOH-Lösung als Ätz¬ lösung verwendet, um die Entstehung konkurrierender Ebenen zu unterdrücken. Ist die gewünschte Tiefe der Durchströ¬ mungsöffnungen 7a' bis 7e' erreicht, welche zwischen 1 Mikrometer und einigen 100 Mikrometer variieren kann, wird auf der Vorderseite 5' eine Ätzstoppschicht aufgebracht und die rückseitige Ätzstoppschicht geöffnet.The electrode support body 2 ^Λ is made from a single-crystalline silicon semiconductor body which has a (110) crystal orientation. For this, first on the front and The rear side 5 ', 6' of the silicon semiconductor body 2 'is applied by means of a process which is customary in semiconductor technology, a layer which is resistant to etching solutions, such as silicon nitride. This serves as an etching stop mask and is first structured on the front by means of photolithographic techniques known per se. With an anisotropic etching process, flow openings 7a ', 7b', 7c ', 7d', 7e 'are created which, with a suitable orientation of the mask, consist of two parallel, perpendicular and four (111) planes inclined to the front 5' . An 8-molar KOH solution is preferably used as the etching solution in order to suppress the formation of competing levels. When the desired depth of the throughflow openings 7a 'to 7e' has been reached, which can vary between 1 micrometer and a few 100 micrometers, an etching stop layer is applied to the front 5 'and the rear etching stop layer is opened.

In einem zweiten Ätzschritt wird der Siliziumkörper 2 ' zum Erzeugen einer rückseitigen Flächenausnehmung 8' zurückge¬ ätzt, bis die Durchströmungsöffnungen 7 ' vollständig durch den Siliziumkörper 2 ' reichen.In a second etching step, the silicon body 2 'is etched back in order to produce a rear surface recess 8' until the throughflow openings 7 'extend completely through the silicon body 2'.

Nach Entfernung der verbliebenen Reste der Ätzstoppschicht wird der gesamte Elektrodentragerkorper 2 ' zum Erzeugen einer Isolationsschicht 9 ' im Bereich der Durchströmungs¬ öffnungen 7a' bis 7e' sowie auf der Vorderseite 5' und der Rückseite 6' des Elektrodenträgerkörpers 2 ' thermisch oxidiert.After removal of the remaining residues of the etching stop layer, the entire electrode support body 2 'is thermally oxidized to produce an insulation layer 9' in the area of the flow-through openings 7a 'to 7e' and on the front side 5 'and the rear side 6' of the electrode support body 2 '.

Anschließend wird sowohl auf der Vorderseite 5 ' wie auch auf der Rückseite 6' eine Metallisierung aufgebracht, welche Elektroden 10', 11 bildet. Diese Elektroden 10', 11' werden mit Anschlüssen 12', 13' versehen, die sich bis zur Außen¬ seite des Gehäuses 3' erstrecken. Auf diese Struktur wird beidseitig eine weitere Isolationsschicht 17' aufgebracht.A metallization is then applied to both the front 5 'and the rear 6', which forms electrodes 10 ', 11. These electrodes 10 ', 11' are provided with connections 12 ', 13' which extend to the outside of the housing 3 '. A further insulation layer 17 'is applied to this structure on both sides.

Bei der skizzenhaften Darstellung gemäß Fig. 8 sind nur einige wenige Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' gezeigt. Die Anzahl der Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' kann je nach Anwendungsfall zwischen eins und einigen tausend liegen, wobei die Größe einer einzelnen Durchströmungs¬ öffnung zwischen 0,1 Mikrometer und 1 Millimeter variieren kann, wobei die Breite und die Länge einer Durchströmungs- öffnung 7a' bis 7e' unabhängig voneinander gewählt werden können.8 are only a few flow openings 7a 'to 7e' are shown. The number of through-flow openings 7a 'to 7e' can be between one and a few thousand, depending on the application, the size of an individual through-flow opening being able to vary between 0.1 micrometers and 1 millimeter, the width and length of a through-flow opening 7a 'to 7e' can be chosen independently.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung 1' unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 8 im wesentlichen dadurch, daß bei dieser der Elektrodentragerkorper 2' nicht nur eine rückseitige Flachenausnehmung 8' aufweist, sondern ferner eine vorderseitige Flachenausnehmung 14' hat. Vorzugsweise wird diese bei dem zweiten Ätzschritt gleich¬ zeitig mit der Erzeugung der rückseitigen Flachenausnehmung 8' erzeugt. Durch die vorderseitige und rückseitige Flächen- ausnehmung 8', 14' werden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 jeweils geneigt zu den Hauptflächen verlaufende Schräg¬ flächen 15', 16' gebildet. The embodiment of the flow velocity measuring device 1 'shown in FIG. 9 differs from the embodiment according to FIG. 8 essentially in that the electrode support body 2' not only has a rear surface recess 8 ', but also has a front surface recess 14'. In the second etching step, this is preferably produced at the same time as the creation of the rear surface recess 8 '. In the embodiment according to FIG. 9, inclined surfaces 15 ′, 16 ′ running in each case inclined to the main surfaces are formed by the front and rear surface recesses 8 ′, 14 ′.

Claims

Patentansprüche Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, mit1. Device for determining the flow rate of a gas or a liquid with

zwei voneinander in dem Gas oder in der Flüssigkeit im wesentlichen in Strömungsrichtung beabstandeten Elek¬ troden (3, 4; 13, 14, 15), die mit einer Spannung beauf¬ schlagbar sind,two electrodes (3, 4; 13, 14, 15) which are spaced apart from one another in the gas or in the liquid and which can be acted upon by a voltage,

einem Generator (22; 26) zum Erzeugen eines sich zeit¬ lich ändernden Spannungssignales, das an die leitfähigen Bereiche der Elektroden anlegbar ist,a generator (22; 26) for generating a time-varying voltage signal which can be applied to the conductive areas of the electrodes,

einem Stromdetektor (23; 27, 28) zum Erfassen einer durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des Meßstromes, unda current detector (23; 27, 28) for detecting a change in the measuring current caused by the change in voltage, and

einer Auswerteeinrichtung (20, 21; 24, 25, 29) zum Mes¬ sen der Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und der Änderung des Meßstromes und zum Bestimmen der Strö¬ mungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit auf¬ grund der gemessenen Zeitdauer,an evaluation device (20, 21; 24, 25, 29) for measuring the time period between the change in voltage and the change in the measuring current and for determining the flow rate of the gas or liquid on the basis of the measured time period,

dadurch gekennzeichnet,characterized,

daß die Elektroden (3, 4; 13, 14, 15) gegenüber dem Gas oder der Flüssigkeit elektrisch isoliert sind,that the electrodes (3, 4; 13, 14, 15) are electrically insulated from the gas or the liquid,

daß die Spannungsbeaufschlagung der Elektroden (3, 4; 13, 14, 15) eine Verschiebung der in dem Gas oder der Flüssigkeit ausgebildete Raumladungen und hierdurch eine Umladung von Bildladungen von einem leitfähigen Bereich (3a, 4a; 13a, 14a, 15a) einer Elektrode auf denjenigen einer anderen Elektrode bewirkt, wodurch ein Meßstrom erzeugt wird. that the application of voltage to the electrodes (3, 4; 13, 14, 15) causes a displacement of the space charges formed in the gas or the liquid and thereby a transfer of image charges from a conductive area (3a, 4a; 13a, 14a, 15a) of an electrode caused on that of another electrode, whereby a measuring current is generated.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch2. Device according to claim 1, characterized by

zwei im wesentlichen in Pumpströmungsrichtung übereinan¬ der angeordnete und von einer Isolatorschicht (38, 39) umschlossene Halbleiterkörpern (30; 34, 35; 40, 41), die derart strukturiert sind, daß die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) einen einstückigen Bestandteil der Halb¬ leiterkörper bilden.two semiconductor bodies (30; 34, 35; 40, 41) arranged one above the other in the pump flow direction and surrounded by an insulator layer (38, 39), which are structured such that the electrodes (33; 36, 37; 42, 43 ) form an integral part of the semiconductor body.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net,3. Device according to claim 1 or 2, characterized gekennzeich¬ net,

daß die aus einem Halbleitermaterial bestehenden Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) von einer die Isolator- schiσht bildenden Oxidschicht aus einem thermischen Oxid des Halbleitermateriales umschlossen sind.that the electrodes (33; 36, 37; 42, 43) consisting of a semiconductor material are enclosed by an oxide layer which forms the insulator layer and consists of a thermal oxide of the semiconductor material.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in

daß die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) gitterförmig ausgebildet sind.that the electrodes (33; 36, 37; 42, 43) are grid-shaped.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in

daß die Elektroden (33; 36, 37; 42, 43) stegförmig ausgebildet sind.that the electrodes (33; 36, 37; 42, 43) are web-shaped.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,6. The device according to claim 1, characterized in

daß beide Elektroden (10', 11') an den Hauptflächen (5' , 6') eines gemeinsamen Elektrodenträgers (2') angeordnet sind,that both electrodes (10 ', 11') are arranged on the main surfaces (5 ', 6') of a common electrode carrier (2 '),

der Elektrodenträger (2') gegenüber wenigstens einer der beiden Elektroden (10', 11') isoliert ist,the electrode carrier (2 ') opposite at least one of the two electrodes (10 ', 11') are insulated,

beide Elektroden (10', 11') an ihren dem Elektrodenträ¬ ger (2') abgewandten Seite eine Isolationsschicht (17') aufweisen, undboth electrodes (10 ', 11') have an insulation layer (17 ') on their side facing away from the electrode holder (2'), and

der Elektrodenträger (2') wenigstens eine sich im we¬ sentlichen vertikal zu seinen Hauptflächen (5', 6') er¬ streckende Durchströmungsöffnung (7') aufweist.the electrode carrier (2 ') has at least one throughflow opening (7') which extends substantially vertically to its main surfaces (5 ', 6').

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,7. The device according to claim 6, characterized in that

daß der Elektrodentragerkorper (2') aus einem Halb¬ leitermaterial besteht,that the electrode support body (2 ') consists of a semiconductor material,

der Elektrodentragerkorper (2') von einer Oxidschicht (9') des Halbleitermaterials umschlossen ist,the electrode support body (2 ') is enclosed by an oxide layer (9') of the semiconductor material,

die Elektroden (10', 11') durch beidseitige Metallisie¬ rungen auf der Oxidschicht (9') gebildet sind, undthe electrodes (10 ', 11') are formed by bilateral metallizations on the oxide layer (9 '), and

eine weitere Oxidschicht (17') die Metallisierungen ab¬ deckt.a further oxide layer (17 ') covers the metallizations.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn¬ zeichnet durch8. Device according to one of claims 1 to 7, marked by

einen Taktgenerator (20) , unda clock generator (20), and

einen von dem Taktgenerator (20) getakteten Zähler (21) , dessen Zählbeginn von dem Generator (22) festlegbar und dessen Zählende von dem Stromdetektor (23) festlegbar ist.a counter (21) clocked by the clock generator (20), the start of the count can be determined by the generator (22) and the end of the count can be determined by the current detector (23).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzei¬ chnet durch9. Device according to one of claims 1 to 8, gekennzei¬ chnet by

eine DurchflußmeßVorrichtung (10) mit zwei Elektroden- sätzen (10', 11'), die von dem Generator (26) mit zwei Spannungssignalen beaufschlagbar sind, unda flow measuring device (10) with two electrode sets (10 ', 11') which can be acted upon by the generator (26) with two voltage signals, and

zwei Spitzenwertdetektoren (27, 28) , die der Durchflu߬ meßvorrichtung (10) nachgeordnet sind und deren Aus¬ gangssignale einem Exklusiv-Oder-Gatter (29) zugeführt werden, das einen getakteten Zähler (25) startet und anhält.two peak value detectors (27, 28), which are arranged downstream of the flow measuring device (10) and whose output signals are fed to an exclusive-OR gate (29) which starts and stops a clocked counter (25).

10. Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, bei dem10. A method of determining the flow rate of a gas or a liquid in which

- zwischen zwei voneinander in dem Gas oder der Flüssig¬ keit im wesentlichen in Strömungsrichtung beabstande- ten Elektroden eine sich zeitlich ändernde Spannung angelegt wird,a time-changing voltage is applied between two electrodes spaced apart from one another in the gas or the liquid essentially in the direction of flow,

- die Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und einer durch die Änderung der Spannung verursachten Än¬ derung des Meßstromes ermittelt wird, und- The time period between the change in voltage and a change in the measuring current caused by the change in voltage is determined, and

- die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüs¬ sigkeit aufgrund der ermittelten Zeitdauer bestimmt wird,the flow velocity of the gas or the liquid is determined on the basis of the determined period of time,

dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that

- die Elektroden gegenüber dem Gas oder der Flüssigkeit isoliert sind, und- The electrodes are insulated from the gas or liquid, and

- aufgrund der an die isolierten Elektroden angelegten Spannung in dem Gas oder in der Flüssigkeit um die Elektroden ausgebildete Raumladungen verschoben und somit Bildladungen zwischen leitfähigen Bereichen der Elektroden umgeladen werden, wodurch ein Meßstrom er¬ zeugt wird.- Due to the voltage applied to the insulated electrodes in the gas or in the liquid, space charges formed around the electrodes are shifted and thus image charges are transferred between conductive areas of the electrodes, whereby a measuring current is generated.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß - die sich zeitlich ändernde Spannung ein Spannungs¬ sprungsignal ist, und11. The method according to claim 10, characterized in that - The time-changing voltage is a voltage jump signal, and

- die ermittelte Zeitdauer die Zeit zwischen dem Anstieg des Spannungssprungsignals und dem Maximum des Me߬ stromes ist.- The determined duration is the time between the rise in the voltage step signal and the maximum of the measuring current.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich¬ net, daß12. The method according to claim 10 or 11, characterized gekennzeich¬ net that

- zwischen zwei im wesentlichen in Strömungsrichtung be- abstandeten Elektroden (3, 4; 13, 14, 15) eine sich zeitlich ändernde Spannung in der Weise angelegt wird, daß Ionen der Raumladungen das Gas oder die Flüssig¬ keit im wesentlichen in der Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit zu der anderen Elektrode durchlaufen, woraufhin eine erste Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und der durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des ersten Meßstro¬ mes gemessen wird;- A voltage which changes over time is applied between two electrodes (3, 4; 13, 14, 15) which are spaced apart essentially in the flow direction in such a way that ions of the space charges the gas or the liquid essentially in the flow direction of the Gas or the liquid through to the other electrode, whereupon a first time period between the change in voltage and the change in the voltage caused by the change in the first measuring current is measured;

- zwischen zwei im wesentlichen in Strömungsrichtung be- abstandeten Elektroden eine weitere, sich zeitlich än¬ dernde Spannung in der Weise angelegt wird, daß Ionen der Raumladung das Gas oder die Flüssigkeit im wesent¬ lichen entgegen der Strömungsrichtung des Gases oder der Flüssigkeit zu der anderen Elektrode durchlaufen, woraufhin eine zweite Zeitdauer zwischen der Änderung der weiteren Spannung und der durch die Änderung der weiteren Spannung verursachten Änderung des zweiten Meßstromes gemessen wird, unda further, time-changing voltage is applied between two electrodes spaced essentially in the direction of flow in such a way that ions of the space charge, the gas or the liquid, essentially counter to the direction of flow of the gas or the liquid to the other Pass through the electrode, whereupon a second time period between the change in the further voltage and the change in the second measurement current caused by the change in the further voltage is measured, and

- die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüs¬ sigkeit aufgrund der Differenz zwischen der ersten und zweiten Zeitdauer bestimmt wird. - The flow rate of the gas or the liquid is determined on the basis of the difference between the first and second time period.