DE102005011402A1

DE102005011402A1 - Thermischer Massenflussmesser für Gase und Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses eines Gases

Info

Publication number: DE102005011402A1
Application number: DE200510011402
Authority: DE
Original assignee: HTM REETZ GmbH
Current assignee: HTM REETZ GmbH
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-07

Abstract

Die Erfindung gibt einen thermischen Massenflussmesser an, der das Prinzip der Eigenfrequenzänderung einer schwingenden Saite bei Längen- bzw. Spannungsänderungen der Schwingsaite in Folge von Temperaturänderungen zur extrem genauen und nahezu trägheitslosen Temperaturmessung nutzt. Erfindungsgemäß ist als Temperaturmessstelle im Gasstrom eine Saite gespannt und sind Mittel zum Anregen von Schwingungen der Saite im Gasstrom und Mittel zum Messen der Frequenz der schwingenden Saite vorgesehen. Die Lösung kann mit einer Schwingsaite oder mit einer Anordnung von mehreren Schwingsaiten ausgeführt werden. Auch eine Ausführung in Mikrosystemtechnik ist möglich.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischer Massenflussmesser für Gase, aufweisend im Gasstrom mindestens eine Temperaturmessstelle und dieser zugeordnete Mittel zur Erzeugung von Wärme sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses eines Gases.

Thermische Massenflussmesser für Gase (Mass Flow Meter/MFM) finden in der Praxis eine breite Anwendung. Das Messprinzip der thermischen MFM's beruht darauf, dass im Massenfluss eines Gases oder einer Flüssigkeit in Flussrichtung mindestens ein Temperatursensor und eine diesem zugeordnete Wärmequelle positioniert werden. Je nach Menge des fließenden Gases verändert sich der Wärmetransport von der Wärmequelle zum Temperatursensor, so dass man mit der vom Sensor angezeigten Temperatur eine Information über die Menge des strömenden Mediums erhält.

Zur Steigerung der Genauigkeit werden häufig zwei Sensoren (in Flussrichtung einer vor und einer hinter der Wärmequelle) angeordnet. Durch den Gasstrom gelangt weniger Wärme zum ersten und mehr zum zweiten Sensor, so dass die Temperaturdifferenz zwischen beiden sehr empfindlich auf die Flussmenge reagiert. Diese ist neben der Fließgeschwindigkeit des Mediums auch von den physikalischen Eigenschaften des Mediums und von der Heizleistung der Wärmequelle abhängig.

Als Temperatursensoren kommen u.a. Thermistoren zum Einsatz. Eine spezielle Anordnung dazu wird in der EP 1 210 608 B1 beschrieben.

Als Temperatursensoren können aber auch Thermoelemente benutzt werden.

Auch Ausführungen in Mikrosystemtechnik, denen dieses Messprinzip zu grunde liegt, sind bekannt und beispielsweise in DE 199 06 100 A1 , WO 01/18500 Al und von F. Mayer et al. in "Scaling of thermal CMOS Gas Flow Microsensors: Experiment und Simulation"; Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems; S. 116 (IEEE 1996) beschrieben.

Qualitätsbestimmend für einen MFM ist in jedem Falle die möglichst empfindliche Bestimmung von Temperaturänderungen. Weiterhin kommt es darauf an, dass der Punkt, an dem die Temperatur gemessen wird, tatsächlich repräsentativ für den Gasstrom ist.

Dazu dienen häufig Systeme zur Erzeugung eines laminaren Stromes, die aber in der Regel eine Druckdifferenz im MFM zur Folge haben und zur Beachtung der Strömungsrichtung zwingen.

Das Messsystem zur Temperaturmessung sollte im Idealfall die Strömungsverhältnisse nicht beeinflussen. Die Wärmequelle selbst führt jedoch schon zur Störung der laminaren Strömung. Besonders kritisch ist dies bei Ausführungen in Mikrosystemtechnik.

Um schnelle Änderungen der Strömung erfassen zu können, ist weiterhin die Forderung nach einer geringen Wärmekapazität des Messsystems zu stellen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein einfaches Verfahren und ein verbessertes Messystem für die Erfassung der Temperatur anzugeben, das die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet und sich durch eine sehr hohe Auflösung bei der Messung der Temperaturdifferenz, durch eine geringe Wärmekapazität und durch die Fähigkeit zur Integration über den Gasstrom auszeichnet und damit das Laminierungssystem unnötig macht.

Die Aufgabe wird durch einen thermischen Massenflussmesser für Gase der eingangsgenannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß als Temperaturmessstelle im Gasstrom eine Saite gespannt ist, deren Länge und damit Spannung von der Temperatur dieser Saite abhängt, und Mittel zum Anregen von Schwingungen der Saite im Gasstrom und Mittel zum Messen der Frequenz der schwingenden Saite vorgesehen sind.

Eine Schwingsaite stellt eine mechanische Vorrichtung dar, bei der ein dünner Draht mit einer mechanischen Spannung N zwischen zwei Befestigungspunkten angebracht wird, ähnlich wie bei einem Musikinstrument. Die Saite wird zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz F von der Spannung der Saite abhängt. Eine genauere Beschreibung, wie die Schwingungsanregung der Saite erfolgt, wird in DE 198 41 986 A1 gegeben. Jede Temperaturänderung ändert die Spannung N der Saite und führt zu einer Änderung der Frequenz. Diese Frequenzänderung kann messtechnisch erfasst und ausgewertet werden. Das Material und der Durchmesser der Schwingsaite kann in weiten Bereichen variiert werden. Die Schwingsaite ist somit optimal an die Messaufgabe anpassbar. Typische Materialien, die für die Schwingsaite zum Einsatz kommen sind Wolfram, verschiedene Bronzen, Edelstahl oder Titanlegierungen. Der Durchmesser der Saiten variiert je nach Material von einigen μm bis einigen 100 μm. Die typischen Frequenzen gehen bis 10 kHz. Mit geeigneten Materialien und konstruktiven Auslegungen der Saite(n) können Temperaturänderungen von 10^–4 K über die Änderung von Resonanzfrequenzen in Systemen mit schwingenden Saiten noch sicher nachgewiesen werden (Thermistor 0,01 K).

Auch schaltungstechnisch hat die Frequenzmessung Vorteile für die digitale Signalerfassung gegenüber einer Strom- oder Spannungsmessung.

Die hohe Temperaturauflösung erlaubt es, mit geringen Wärmemengen der Wärmequelle zu arbeiten und damit die Beeinflussung der Strömung des Mediums durch das Messsystem zu minimieren.

Die Auslegung des Sensors als Saite hat den Vorteil, dass über die Ausdehnung der Saite eine Integration des Massenflusses, also eine Mittelung des Messwertes, stattfindet. Beim Einsatz herkömmlicher thermischer MFM's kann eine solche Mittelung nur durch Messung an verschiedenen Punkten im Querschnitt des Masseflusses erreicht werden. Das Messergebnis ist somit für den Fluss durch den gesamten Querschnitt repräsentativer als die Punktmessung herkömmlicher MFM's.

Eine Saite von nur wenigen μm Durchmesser hat eine sehr geringe Wärmekapazität und ermöglicht es, auch schnelle Prozessänderungen zu verfolgen.

Eine schwingende Saite als Temperatursensor kann in verschiedenen Anordnungen zur Messung des Masseflusses eines Gasstromes zum Einsatz kommen.

In einer ersten Ausführungsform ist eine metallische Saite im Gasstrom angeordnet, um die herum ein Magnetfeld geschaffen wird und die in diesem Magnetfeld durch einen Wechselstrom zum Schwingen angeregt wird. Gleichzeitig wird die Saite durch einen elektischen Gleichstrom geheizt. Man erhält damit faktisch eine anemometrische Anordnung. Die Stomstärke für die Schwingungsanregung liegt i.d.R. bei einigen mA, die Stromstärke für die Erwärmung der Saite bei einigen 10–100 mA. Die Gleichgewichtstemperatur der Saite wird durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums und durch die Strömung dieses Mediums bestimmt. Ein Vorteil der Verwendung nur einer Saite besteht darin, dass das Medium nicht zwangsläufig in einem laminaren Flow über den Sensor geführt werden muss. Die Messung kann im Direktstromverfahren durchgeführt werden. Für viele praktische Anwendungen ist eine hinreichend genaue Messung des Massenflusses zu erreichen.

In einer anderen Ausführungsform, die zur Messung des Massestroms genutzt werden kann, sind zwei Saiten zur Temperaturmessung angeordnet, von denen eine oder beide zusätzlich geheizt werden. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht in ihrem differenziellen Charakter, der die Temperaturänderungen des umgebenden Mediums kompensiert.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung entspricht dem klassischen Aufbau erster Temperatursensor – Wärmequelle – zweiter Temperatursensor. Die Wärmequelle ist nicht mehr mit den Schwingsaiten verbunden. Zweckmäßiger Weise wird die Wärmequelle ebenfalls als Saite ausgelegt, sie kann jedoch auch aus einem anderen Material gefertigt werden. Um den Heizstrom dieser Saite zu begrenzen, ist es sinnvoll, ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Geometrische Veränderungen beim Erwärmen lassen sich durch eine Vorspannung der Saite vermeiden. Als Material für diese Saite kann z.B. Kanthal A1 verwendet werden.

In Weiterentwicklung der oben beschriebenen Anordnungen sind auch Anordnungen mit mehr als drei Saiten möglich.

Erfindungsgemäß kann die Saite oder eine Anordnung mehrerer Saiten auch als mikromechanisches Bauteil auf einen Substrat ausgeführt werden. Bei Verwendung von Silizium oder einem anderen Halbleiter als Substratmaterial ist es möglich, Teile der Schaltung mit auf das Substrat aufzubringen und somit eine hochintegrierte Lösung zu schaffen.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen MFM mit zwei Schwing- und einer Heizsaite;
2 einen Querschnitt durch einen MFM gem. 1.
Der Gasstrom wird durch den Anströmungskanal 9 in der unteren Gehäusehälfte 1 in das Messsystems 3 eingeleitet. Gehäuse 1, 2 und Messsystem 3 sind so miteinander verbunden, dass die Gasströmung senkrecht zu den Saiten 4, 5 und 6 geführt wird. Nach Passieren des Messsystems 3 wird der Gasstrom durch den Ausströmkanal 10 abgeleitet. Die Heizsaite 5, die hier aus einem metallischen Leiter mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, wird mittels eines Gleichstroms erwärmt. Die Schwingsaiten 4 und 6 befinden sich in einem Magnetfeld und werden mittels eines Wechselstromes zu Eigenschwingungen angeregt. Die Spulen zum Messen der Resonanzfrequenz, die zum Schwingkreis der Saiten gehören, sind in der Nähe der Befestigung der Saiten 7 untergebracht. Durch die Wärmestrahlung der Heizsaite 5 werden die Schwingsaiten 4 und 6 ebenfalls und bei einer symmetrischen Anordnung in gleichem Maße, erwärmt. Durch den mit dem Massestrom des Gases verbundenen Wärmetransport wird eine asymmetrische Temperaturverteilung erzeugt. Die Schwingsaite 4, die vor der Heizsaite 5 angeordnet ist, wird durch den Gasstrom gekühlt. Der Schwingsaite 6 hinter der Heizsaite 5 wird bei geringen Strömungen durch den Gasstrom eine zusätzliche Wärmemenge zugeführt. Durch die sich bildende Temperaturdifferenz zwischen den Schwingsaiten 4 und 6 wird auch der Spannungszustand der Saiten und damit deren Schwingungsfrequenz differieren. In einer elektronischen Schaltung wird aus der Differenz der Schwingungsfrequenzen, die beiden Saiten zugeordnet sind, ein gemeinsames Signal gebildet, welches zur Auswertung zur Verfügung steht.
Bei größer werdenden Gasströmungen und in Abhängigkeit von den thermischen Eigenschaften des Gases wird ein Punkt erreicht, bei dem auch die Schwingsaite 6 durch den Gasstrom gekühlt wird. Die Temperaturdifferenz respektive Frequenzdifferenz zwischen den beiden Schwingsaiten 4 und 5, die bei geringen Strömungen proportional zu Gasstrom ist, steigt nicht mehr sondern sinkt. Erfindungsgemäß kann bei Erhöhung der Strömung und Annäherung an den Umkehrpunkt der Differenzfrequenz und abhängig von einstellbaren Stellgrößen von der Ausgabe einer Differenzfrequenz auf die Ausgabe einer einzelnen Frequenz, der der Schwingsaite 6, umschaltet werden.
Der Vorteil der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung besteht somit auch darin, dass ohne konstruktive Änderungen ein großer Wertebereich der Strömung erfasst werden kann.
2 zeigt die Positionierung des Magnetsystems des Gebers im Messsystem.

1: untere Gehäusehälfte der Messsystems
2: obere Gehäusehälfte der Messsystems
3: Messsystem selbst
4: Schwingsaite (= erster Temperatursensor)
5: Heizsaite
6: Schwingsaite (= zweiter Temperatursensor)
7: Befestigungen der Saiten
8: Dichtung zwischen dem Messystem und dem Gehäuse
9: Einströmkanal des Messystems
10: Ausströmkanal des Messystems
11: Magnetsystem des Gebers

Claims

Thermischer Massenflussmesser für Gase, aufweisend im Gasstrom mindestens eine Temperaturmessstelle und dieser zugeordnete Mittel zur Erzeugung von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmessstelle im Gasstrom eine Saite gespannt ist, deren Länge und damit Spannung von der Temperatur dieser Saite abhängt, und Mittel zum Anregen von Schwingungen der Saite im Gasstrom und Mittel zum Messen der Frequenz schwingenden Saite vorgesehen sind.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Saite aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
Thermischer Massenflußmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Anregen der Schwingungen der Saite ein Magnetfeld ist, in dem sich die Saite befindet, sowie ein Wechselstrom, von dem sie durchflossen ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Anregen der Schwingungungen der Saite ein mechanisches ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite Bestandteil eines Schwingkreises ist, dessen Resonanzfrequenz gemessen wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Messen der Frequenz der schwingenden Saite ein optisches ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Messen der Frequenz der schwingenden Saite ein akustisches ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung von Wärme eine Wärmequelle und eine Wärmeleitung zur Saite aufweist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung von Wärme eine stromdurchflossener Draht ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung von Wärme eine Strahlungsquelle ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwei Temperaturmessstellen mit je einer Saite im Gasstrom angeordnet sind.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Saiten unabhängig vom Gasstrom Wärme zugeführt wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, 2, 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite direkt durch Stromfluss erwärmt wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite direkt durch Strahlung erwärmt wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Saite im Gasstrom vor der nicht erwärmten Saite angeordnet ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Saite im Gasstrom hinter der nicht erwärmten Saite angeordnet ist.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Saiten im Gasstrom vor und hinter einer Wärmequelle angeordnet sind
Thermischer Massenflußmesser nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer elektronischen Schaltung aus der Differenz der Schwingungsfrequenzen, die beiden Seiten zugeordnet sind ein gemeinsames Signal gebildet wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Saite im Gasstrom angeordnet werden und eine elektonische Schaltung abhängig von einstellbaren Stellgrößen von der Ausgabe einer Differenzfrequenz auf die Ausgabe einer einzelnen Frequenz umschaltet.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz auf elektronischem Wege in einen Massenfluss umgerechnet und in dieser Form angezeigt wird.
Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses eines Gases, bei dem im Gasstrom als Temperaturmessstelle eine Saite gespannt wird, deren Länge und damit Spannung von der Temperatur dieser Saite abhängt, die Saite zum Schwingen angeregt und die Frequenz dieser Schwingung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Saite aus elektrisch leitendem Material hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der Schwingung die Saite in einem Magnetfeld angeordnet und von einem Wechselstrom durchflossen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Saite durch mechanische Anregung zum Schwingen gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21, 22 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite als Bestandteil eines Schwingkreises verwendet wird, dessen Resonanzfrequenz gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz der schwingenden Saite mit optischen Mitteln gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz der schwingenden Saite mit akustischen Mitteln gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Saite durch Wärme, die von einer im Gasstrom angeordneten Wärmequelle stammt und durch Wärmeleitung im Gas zur Saite transportiert wird, erwärmt wird.
Thermischer Massenflussmesser für Gase nach Anspruch 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Saite direkt durch Stromfluss erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingende Saite durch eine Strahlungsquelle erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Temperaturmessstellen mit je einer Saite im Gasstrom angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Saiten unabhängig vom Gasstrom Wärme zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite direkt durch Stromfluss erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass diese Saite direkt durch Strahlung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Saite im Gasstrom vor der nicht erwärmten Saite angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Saite im Gasstrom hinter der nicht erwärmten Saite angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Saiten im Gasstrom vor und hinter einer Wärmequelle angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in einer elektronischen Schaltung aus der Differenz der Schwingungsfrequenzen, die beiden Seiten zugeordnet sind, ein gemeinsames Signal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Saite im Gasstrom angeordnet werden und eine elektonische Schaltung abhängig von einstellbaren Stellgrößen von der Ausgabe einer Differenzfrequenz auf die Ausgabe einer einzelnen Frequenz umschaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Frequenz auf elektronischem Wege in einen Massenfluss umgerechnet und in dieser Form angezeigt wird.