DD285188A5

DD285188A5 - Durchflusssensor mit kapillare

Info

Publication number: DD285188A5
Application number: DD32991589A
Authority: DD
Inventors: Martin Kirchhof; Frank Neumann; Frank Jungandreas; Wolfgang Leyffer
Original assignee: Veb Elektromat Dresden,Dd; Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,Dd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1990-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchfluszsensor mit Kapillare der zur kontinuierlichen Messung von insbesondere sehr kleinen Gasvolumenstroemen z. B. in technologischen Spezialausruestungen der Mikroelektronik oder in der chemischen Industrie anwendbar ist. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz eine kreisfoermige Siliziumscheibe 1, stoffschluessig mit einer Deckscheibe 4 verbunden, umfangsdicht in einem Gehaeuse 12 angeordnet ist. Die Siliziumscheibe 1 weist auf der der Deckscheibe 4 zugewandten Oberflaeche eine Kapillare 2 fuer einen zu messenden Gasvolumenstrom auf. Ein Druckabfall ueber der Kapillare 2 bewirkt einen Differenzdruck zwischen Eingangs- 3 und Ausgangsstauraum 10 des Gehaeuses 12. Dieser Differenzdruck kann als Masz des Gasvolumenstromes mittels einer verstimmbaren Widerstandsbruecke 9 auf einer Membran 8 der Deckscheibe 4 elektrisch gemessen werden. Fig. 1{Siliziumscheibe; Widerstandsbruecke; Kapillare; Druckabfall; Differenzdruck; Membran}

Description

In Ausgestaltung der Erfindung weist die Kapillare, in der Deckscheibe kongruent zur Siliziumscheibe ausgeätzt, einen Kreisquerschnitt auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Spirale eine Mäandorform auf.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand von fünf Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: bine Seitenansicht des Durchflußsensors in Datendarstellung.

Fig. 2: eine Draufsicht der Siliziumscheibe mit spiralförmiger Kapillare.

Fig. 3: eine Draufsicht der Deckscheibe mit piezoresistiver Widerstandsbrücke auf der Membran.

Fig. 4: den Halbkreisquerschnitt einer Kapillare.

Fig. 5: den Kreisquerschnitt einer Kapillare.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, besteht der Durchflußsensor aus einem zylinderförmig zusammengefügten Gehäuse 12, in dem eine kreisförmige Siliziumscheibe 1, die stoffschlüssig mit einer Dflckschoibe 4 verbunden, umfangsdicht im Gehäuse 12 angeordnet ist. Die Siliziumscheibe 1 weist im Zentrum eine Einströmöffnung 5, auf der der Deckscheibe 4 zugewandten Oberfläche eins mit Halbkreisquerschnitt lusgeätzte spiralförmige Kapillare 2 sowie eine Ausgangsvertiefung 6 in Randnähe auf. Die Deckscheibe 4 ist im Zentrum zu einer Membran 8 abgedünnt und besitzt gegenüber der Ausgangsvertiefung 6 in der Siliziumscheibe 1 eine Ausströmöffnung 7. Die Membran 8 weist ausgangsseitig eine integrierte piezoresistive Widerstandsbrücke 9 auf. An den Umfangen beider Scheiben 1 und 4 sind zur Abdichtung zwischen einem Eingangs- 3 und einem Ausgangsstauraum 10 zwei Dichtringe 11 angeordnet.

In Fig. 2 sind die Einströmöffnungen 5, die Spiralform der Kapillare 2 und die Ausgangsvertiefung 6 auf der Siliziumscheibe 1 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Deckscheibe 4 mit der Ausgangsströmöffnung 7, der Membran 8, der integrierten piezoresistiven Widerstandsbrücke 9 und den elektrischen Anschlüssen.

Der Halbkreisquerschniit der Kapillare 2 ist in Fig. 4 zu erkennen.

Die Kapillare 2 ist so ausgelegt, daß der Querschnitt aus ihrer Länge I und ihrem hydraulischen Durchmesser d_H einen Wert --100 (VdH £ 100) annimmt. Dieses Maßverhältnis gewährleistet bei laminarer Strömung in der Kapillare 2 einen linearen Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Gasvolumenstrcm.

In Funktion des Durchflußsensors gelangt der zu messende Gasvolumenstrom mit einem Druck P₁ über den Gehäuseeingang 13, den Eingangsstauraum 3, die Einströmöffnung 5 an die Eingangsseite der Membran 8 und weiter über die Kapillare 2, in der ein Druckabfall eintritt, so daß die Ausgangsvertiefung 6, die Ausströmöffnung 7, der Ausgangsstauraum 10 und der Gehäuseausgang 14 mit einem geringeren Druck p₂ vom Gasvolumenstrom passiert werden. Dadurch, daß der Druck p₂ an der Ausgangssoite der Membran 8 wirksam ist, wird diese infolge der Druckdifferenz Δρ = ρ, - p₂ verformt und die Widerstandsbrücko 9 auf der Membran 8 verstimmt, was zu einer der Druckdifferenz Δ μ proportionalen Brückenspannung führt.

Bei laminarer Strömung in der Kapillare 2 besteht ein für den praktischen Einsatz hinreichend genauer linearer Zusammenhang auch zwischen der Druckdifferenz Δ ρ und dem Gasvolumenstrom. Somit gibt der Druchflußsensor einen Brückenspannungswert ab, der proportional dem Wert des Gasvolumenstromes entspricht.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Kapillare 2 in der Deckscheibe 4 kongruent zur Siliziumscheibe 1 ausgeätzt werden, so daß sie einen Kreisquerschnitt aufweist (Fig. 5). In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Kapillare 2 eine Mäanderform auf.

Claims

1. Durchflußsensor mit Kapillare zur kontinuierlichen Durchflußmengenmessung von insbesondere sehr kleinen Gasvolumenströmen, gekennzeichnet dadurch, daß ein zylinderförmig zusammengefügtes Gehäuse (12) auf einer Seite jeweils in der Mitte der Gehäusekreisflächen einen Eingang (13) und gegenüber einen Ausgang (14) aufweist, daß eine kreisförmige Siliziumscheibe (1), stoffschlüssig mit einer Deckscheibe (4) verbunden, umfangsdicht im Gehäuse (12) angeordnet ist, daß der Gehäuseeingang (13) durch eine Einströmöffnung (5) im Zentrum der Siliziumscheibe (1) auf eine Membran (8) im Zentrum der Deckscheibe (4) gebildet ist, daß die Siliziurnscheibe (1) auf der der Deckscheibe (4) zugewandten Oberfläche eine mit Halbkreisquerschnitt ausgeätzte Kapillare (2) aufweist, daß die Kapillare (2) von der Einströmöffnung (5) aus spiralförmig bis zu einer Ausgangsvertiofung (6) in Randnähe der Siliziumscheibe (1) führt, daß das Verhältnis der Kapillarlänge 1 zu ihrem hydraulischen Durchmesser d_H einen Wert S100 annimmt (Vd_H^100), daß die Ausgangsvertiefung (6) in der Siliziumscheibe (1) mit einer Ausströmöffnung (7) in der Deckscheibe (4) übereinanderliegt, daß von der Ausströmöffnung (7) über einen Ausgangsstauraum (10) Verbindung zum Gehäuseausgang (14) besteht und daß die Membran (8) ausgangsseitig eine an sich bekannte integrierte piezoresistive Widerstandsbrücke (9) aufweist.

2. Durchflußsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kapillare (2), in der Deckscheibe (4) kongruent zur Siliziumscheibe (1) ausgeätzt, einen Kreisquerschnitt aufweist.

3. Durchflußsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß diö Kapillare (2) eine Mäanderform aufweist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Durchflußsensor, der zur kontinuierlichen Messung von Gasvolumenströmen z. B. in technologischen Spezialausrüstungen der Mikroelektronik oder in der Chornischen Industrie anwendbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß in der Labormeßtechnik sehr kleine Gasvolumenströme durch die Messung des Druckabfalles mittels U-Rohr- oder Schrägrohrmanometer über einer Kapillare, in Form eines Glasröhrchens, bestimmt werden. Im Taschenbuch Betriebsmeßtechnik, VEB Verlag Technik Berlin, 1982, Seite 204 ff sind Ausführungen über Mengenstrommessungen mit Kapillaren enthalten und die Druckmessung über Anzapfungen am Anfang und Ende ainer Kapillare dargestellt. Nachteile dieser bekannten Lösunpen sind eine unpraktische Handhabung, parasitäre Volumen in langen Anschlußieitungen und Zerbrechlichkeit von Glaskapillaren, so daß eine industrielle Anwendung sehr erschwert ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Durchflußsensor zu entwickeln, der bei geringem Material· und Arbeitszeitaufwand einfach herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußsensor für seh^r kleine Gasvolumenströme zu schaffen, der einfach anwendbar ist, hohe Meßgenauigkeit sichert und eine stabile Konstruktion boi kleinen Abmessungen aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zylinderförmig zusammengefügtes Gehäuse auf einer Seite jeweils in der Mitte der Gehäusekreisflächen einen Eingang und gegenüber einen Ausgang aufweist. Eine kreisförmige Siliziiimscheibe, stoffschlüssig mit einer Deckscheibe verbunden, ist im Gehäuse umfangsdicht angeordnet. Der Gehäuseeingang ist durch eine Einströmöffnung im Zentrum der Siliziumscheibe auf eine Membran im Zentrum der Deckscheibe gerichtet. Die Siliziumscheibe weist auf der der Deckscheibe zugewandten Oberfläche eine mit Halbkreisquerschnitt ausgeätzte Kapillare auf. Die Kapillare führt von der Eingströmöffnung aus spiralförmig bis zu einer Ausgangsvertiefung in Randnähe der Siliziumscheibe. Das Verhältnis der Kapillarlänge 1 zu ihrem hydraulischen Durchmesser dn nimmt einen Wert > 100 (VdH si 100) an. Die Ausgangsvertiefung in der Siliziumscheibe liegt mit einer Ausströmöffnung in der Deckscheibe übereinander. Von der Ausströmöffnung besteht über einen Ausgangsstauraum Verbindung zum Gehäuseausgang. Die Membran weist ausgangsseitig eine an sich bekannte integrierte piezoresistive Widerstandsbrücke auf.