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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Volumenstroms
eines Fluids. Derartige Vorrichtungen können dafür
eingesetzt werden, den Volumenstrom einer Flüssigkeit oder
eines Gases zu messen. Es ist auch möglich, derartige Vorrichtungen
als Strömungswächter einzusetzen, die bei Unter-
und/oder Überschreiten eines vorgebbaren, gegebenenfalls
auch einstellbaren Volumenstromwertes eine elektrische Verbindung
zu schalten.
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Aus
der Gasvolumenstrommessung ist bekannt, aus dem Hauptvolumenstromkanal
einen Teilvolumenstrom abzuzweigen und den Teilvolumenstrom zu messen,
um aus der gegebenen geometrischen Anordnung den Hauptvolumenstrom
zu ermitteln. Aus der
DE
100 44 659 A1 ist ein Volumenstromsensor für Druckflüssigkeiten
bekannt, bei dem ein Messkörper ausgelenkt wird und die
Auslenkung mit einem Wegsensor gemessen wird und daraus der Volumenstrom
ermittelt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen,
welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet,
insbesondere eine Vorrichtung mit hoher Messgenauigkeit und kurzen
Ansprechzeiten bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen
bestimmt.
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In
einer Ausführungsart weist die Vorrichtung ein Sensorelement
auf, das in einem Teilvolumenstromkanal angeordnet ist, der mit
einem Hauptvolumenstromkanal verbunden ist, und wobei das Sensorelement
den im Teilvolumenstromkanal fließenden Teilvolumenstrom
misst, aus dem der Hauptvolumenstrom im Hauptvolumenstromkanal ermittelbar
ist. Das Sensorelement ist in einem Hohlraum eines in den Hauptvolumenstromkanal
hineinragenden Körpers angeordnet, und der Körper
weist eine Eintrittsöffnung für ein Abzweigen
des Teilvolumenstroms aus dem Hauptvolumenstrom und eine Austrittsöffnung
für ein Rückführen des Teilvolumenstroms
zum Hauptvolumenstrom auf.
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Der
Körper ragt vorzugsweise schräg und insbesondere
quer in den Hauptvolumenstromkanal hinein. Allein durch die dadurch
entstehende Querschnittsverringerung des Hauptvolumenstromkanals entsteht
ein Staudruck, durch den eine Druckdifferenz zwischen der Eintrittsöffnung
und der Austrittsöffnung entsteht, mittels welcher der
Teilvolumenstrom durch den Teilvolumenstromkanal bereitstellbar
ist. Das Sensorelement ist zwischen der Eintritts- und der Austrittsöffnung
angeordnet. Die Vorrichtung kann auch mehrere Eintrittsöffnungen
und/oder mehrere Austrittsöffnungen aufweisen.
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In
einer Ausführungsart ist der Körper mindestens
abschnittsweise hohlzylindrisch. Insbesondere kann der Körper
durch ein Rohr gebildet sein, das an seinem in den Hauptvolumenstromkanal
hineinragenden Ende verschlossen ist. Die Eintrittsöffnung
kann an einer Mantelfläche des Körpers angeordnet
sein, wobei auch mehrere Eintrittsöffnungen in Umfangsrichtung
gleich verteilt angeordnet sein können, und dadurch eine
gleichmäßige Einströmung des Fluids unabhängig
von der Einbauposition der Vorrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung
des Hauptvolumenstroms bereitgestellt ist.
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In
einer Ausführungsart ist die Eintrittsöffnung
in einem in Bezug auf den Hauptvolumenstrom strömungsberuhigten
Bereich der Vorrichtung angeordnet. Dies kann beispielsweise dadurch
gewährleistet sein, dass die Eintrittsöffnung
so weit von der Austrittsöffnung beabstandet ist, dass
im Bereich der Eintrittsöffnung keine unmittelbare Anströmung
der Vorrichtung durch den Hauptvolumenstrom gegeben ist.
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In
einer Ausführungsart ist die Austrittsöffnung
an einer Stirnfläche des Körpers bzw. der Vorrichtung
angeordnet. Dadurch ist eine laterale Anströmung der Austrittsöffnung
durch den Hauptvolumenstrom möglich, durch die sich eine
laminare Durchströmung des Hohlraums des Körpers
und damit eine laminare Anströmung des Sensorelements ergibt,
was in einem vorteilhaften linearen Verhältnis zwischen
Hauptvolumenstrom und Teilvolumentstrom resultiert. Durch die Wahl
der Größe der Austrittsöffnung ist das
Verhältnis zwischen Teilvolumentstrom und Hauptvolumenstrom
einstellbar. Dadurch kann die Vorrichtung mit ein und demselben
Sensorelement an verschiedene zu messende Volumenstrombereiche angepasst
werden. Hierzu kann ein den Körper stirnseitig verschließendes
und die Austrittsöffnung aufweisendes Verschlusselement
lösbar an dem Körper bzw. der Vorrichtung festlegbar
sein.
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In
einer Ausführungsart ist die Strömungsrichtung
des Teilvolumenstroms im Bereich des Sensorelements schräg
und insbesondere quer zur Strömungsrichtung des Hauptvolumenstroms.
Dadurch ist eine Beanspruchung oder Beschädigung des Sensorelements
aufgrund des gegebenenfalls auch mit hoher Geschwindigkeit fließenden
Hauptvolumenstromes zuverlässig verhindert und dennoch
gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit erreichbar und außerdem
eine kurze Ansprechzeit aufgrund des unmittelbaren Kontaktes des
Sensorelements mit dem Teilvolumenstrom.
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In
einer Ausführungsart ist die Vorrichtung lösbar
und fluiddicht an einer Öffnung des Hauptvolumenstromkanals
festlegbar. Beispielsweise kann der Hauptvolumenstromkanal eine
radial zur Hauptvolumenstromrichtung angeordnete Bohrung oder Gewindebohrung
aufweisen, in welche die Vorrichtung einsteckbar oder einschraubbar
ist.
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In
einer Ausführungsart weist das Sensorelement mindestens
ein Heizelement und mindestens einen Temperatursensor auf. Eine
Möglichkeit zur Ermittlung des Volumenstroms besteht darin,
dass mittels des Heizelements der Temperatursensor auf einem konstanten
Temperaturwert gehalten wird, der vorzugsweise höher als
die Temperatur der Umgebung liegt, wobei die hierfür erforderliche
Heizleistung ein Maß für den zu messenden Volumenstrom ist.
Das Heizelement und/oder der Temperatursensor können auf
einem flächigen Substrat aufgebracht sein, insbesondere
in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik aufgebracht
sein.
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In
einer Ausführungsart weist der Temperatursensor zu einer
Thermopile kaskadierte Thermoelemente auf, beispielsweise aus CuNi,
FeSi2, CrSi2 oder NiCr. Alternativ oder ergänzend hierzu
können auch andere Temperatursensoren vorgesehen sein, beispielsweise
Widerstandsthermometer.
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Es
können auch auf einem Substrat voneinander beabstandet
zwei oder mehrere Temperatursensoren angeordnet sein. In diesem
Fall ist die zwischen den beiden Temperatursensoren, die vorzugsweise
in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, auftretende
Temperaturdifferenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung,
in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln
für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
schematisch eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Messen eines Volumenstroms eines Fluids,
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2 zeigt
in einem Diagramm die ermittelte Abhängigkeit des Teilvolumenstroms
in Abhängigkeit des Hauptvolumenstroms bei unterschiedlich
großen Austrittsöffnungen, und
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines thermischen Sensorelements.
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Die 1 zeigt
schematisch eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 zum Messen eines Volumenstroms eines Fluids.
Von einem Hauptvolumenstrom 10, der in einem Hauptvolumenstromkanal 12 fliegt,
wird ein Teilvolumenstrom 14 abgezweigt und über
ein Sensorelement 16 geleitet. Hierzu ist das Sensorelement 16 in
einem Hohlraum 18 eines in den Hauptvolumenstromkanal 12 hineinragenden
Körpers 20 angeordnet. Der Körper 20 weist
eine Eintrittsöffnung 22 für ein Abzweigen
des Teilvolumenstroms 14 aus dem Hauptvolumenstrom 10 und
eine Austrittsöffnung 24 für ein Rückführen des
Teilvolumenstroms 14 zum Hauptvolumenstrom 10 auf.
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Der
Körper 20 ist in eine den Hauptvolumenstromkanal 12 begrenzende
Wandung 26 derart eingebracht, dass die Längsachse 28 des
Körpers 20 bzw. der Vorrichtung 1 mit
der Strömungsrichtung des Hauptvolumenstroms 10 im
Wesentlichen einen rechten Winkel einschließt. Der Körper 20 ist
lösbar an der Wandung 26 festlegbar, insbesondere
kann der Körper 20 oder die Vorrichtung 1 mindestens
abschnittsweise ein Außengewinde 30 aufweisen,
mittels dem der Körper 20 und damit die Vorrichtung 1 an
der Wandung 26 lösbar festlegbar ist.
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Die
Eintrittsöffnung 22 ist axial in Bezug auf die
Längsachse 28 der Vorrichtung 1 gegenüber
der Austrittsöffnung 24 so weit zurückversetzt,
dass in diesem Bereich die Vorrichtung 1 nicht mehr unmittelbar
von dem Hauptvolumenstrom 10 angeströmt wird.
Die Eintrittsöffnung 22 ist in einem in Bezug
auf den Hauptvolumenstrom 10 strömungsberuhigten Bereich
angeordnet, beispielsweise außerhalb des Hauptvolumenstromkanals 12.
Hierzu weist im Ausführungsbeispiel die Wandung 26 eine
vom Hauptvolumenstromkanal 12 ausgehende und radial in
Bezug auf die Strömungsrichtung des Hauptvolumenstroms 10 verlaufende
Aussparung 42 auf, die größer ist als die
Außenabmessung des Körpers 20.
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Die
Eintrittsöffnung 22 ist insbesondere an einer
Mantelfläche eines den Körper 20 im Ausführungsbeispiel
bildenden Rohres oder Hülse angeordnet, wobei in Umfangsrichtung
bezogen auf die Längsachse 28 auch mehrere Eintrittsöffnungen 22 angeordnet
sein können. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die Vorrichtung 1 in die Wandung 26 einschraubbar
ist, weil dann durch die mehreren, in Umfangsrichtung vorzugsweise
gleich verteilt angeordneten Eintrittsöffnungen 22 das
Messergebnis der Vorrichtung 1 unabhängig von
der Eindrehposition in Bezug auf die Strömungsrichtung
des Hauptvolumenstroms 10 ist.
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Die
Austrittsöffnung 24 ist an dem in den Hauptvolumenstromkanal 12 hineinragenden
stirnseitigen Ende des Körpers 20 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel ist die Austrittsöffnung 24 an
einem Verschlusselement 44 angeordnet, dass gegebenenfalls
auch lösbar und damit auswechselbar an dem Körper 20 festlegbar
ist. Vorzugsweise ist die Austrittsöffnung 24 zentrisch
in Bezug auf die Stirnfläche angeordnet und kreisrund ausgebildet.
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Auf
der der Austrittsöffnung 24 axial gegenüberliegenden
Seite weist die Vorrichtung 1 außerhalb der Wandung 26 eine
elektrische Anschlusseinrichtung 32 auf, mittels welcher
das in dem Hohlraum 18 angeordnete Sensorelement 16 elektrisch
kontaktierbar ist. Die elektrische Anschlusseinrichtung 32 weist fluiddichte
elektrische Durchführungen auf, die eine elektrische Verbindung
von außerhalb der Vorrichtung 1 in den fluiddurchströmten
Hohlraum 18 der Vorrichtung 1 ermöglichen.
Ebenfalls außerhalb der Wandung 26 weist die Vorrichtung 1 eine
Werkzeugangriffsfläche 34 auf, beispielsweise
einen Außensechskant, mittels welcher die Vorrichtung 1 an
der Wandung 26 festlegbar ist.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm betreffend die ermittelte Abhängigkeit des
Teilvolumenstroms 14 in Abhängigkeit vom Hauptvolumenstrom 10 bei unterschiedlich
großen Austrittsöffnungen 24. Die der
relativ kleinsten Austrittsöffnung 24 zugeordneten
Werte sind mit einem Dreieck markiert, die mit einer größeren
Austrittsöffnung mit einem Quadrat, und die Werte für
eine Vorrichtung ohne Abschlusselement 44 und mithin mit
der größten Austrittsöffnung 24 sind mit
einem Kreis markiert.
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Für
Volumenströme ab einem Wert von etwa 10 l/min besteht eine
sehr lineare Beziehung zwischen dem Teilvolumenstrom 14 und
dem Hauptvolumenstrom 12, wobei die Linearität
ab diesem Schwellenwert für unterschiedliche Öffnungen
der Austrittsöffnung 24 gegeben ist. Unterhalb
dieses Schwellenwertes ist der Zusammenhang nichtlinear. Bei der Verwendung
eines thermischen Sensorelements 16 erweist sich diese
durch die Konstruktion der Vorrichtung 1 hervorgerufene
Nicht-Linearität als besonders vorteilhaft, weil ein thermisches
Sensorelement 16 eine inverse Nicht-Linearität
dahingehend aufweist, dass bei kleinen Teilvolumenströmen 14 die Änderung
des Ausgangssignals überproportional groß ist, wie
durch die gestrichelt eingezeichnete Sensorcharakteristik angedeutet
ist. Durch die Verknüpfung der mechanischen Konstruktion
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit
einem thermischen Sensorelement 16 ergibt sich eine sehr
gute Linearität des elektrischen Ausgangssignals in Bezug
auf den Hauptvolumenstrom 10.
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Die 3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines thermischen Sensorelements 16,
das ein Heizelement 36 und einen ersten Temperatursensor 38 aufweist.
Grundsätzlich können sowohl das Heizelement 36 als
auch der Temperatursensor 38 als elektrischer Widerstand
ausgebildet sein, wobei üblicherweise der elektrische Widerstandswert
mit zunehmender Temperatur ansteigt, beispielsweise mit einem Temperaturkoeffizienten
zwischen 3.000 und 4.000 ppm/K. Alternativ hierzu ist es möglich,
den Temperatursensor 38 auch durch ein Thermoelement 46 zu
bilden und insbesondere durch hintereinander geschaltete Thermoelemente 46,
beispielsweise mit dem System CuNi, FeSi2, CrSi2 oder CrNi.
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Die
Funktionsweise des Sensorelements 16 kann dahingehend sein,
dass mit dem Heizelement 36 eine vorgebbare Temperatur
eingestellt wird, die von einer Steuerung unter Verwendung des Temperatursensors 38 nachgeregelt
wird. Die hierfür erforderliche Heizleistung wird zunehmen,
wenn der über das Sensorelement 16 fließende
Teilvolumenstrom 14 das Heizelement 36 abkühlt.
Mithin stellt die erforderliche Heizleistung ein Maß für
die Größe des Teilvolumenstroms 14 dar,
der wiederum aufgrund der geometrischen Verhältnisse und
der Anordnung der Vorrichtung 1 in Bezug auf den Hauptvolumenstrom 10 ein
Maß für die Größe des Hauptvolumenstroms 10 ist.
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In
einer anderen Ausführungsart weist das Sensorelement 16 noch
einen zweiten Temperatursensor 40 auf, der von dem ersten
Temperatursensor 18 beabstandet ist, vorzugsweise in Strömungsrichtung
des Teilvolumenstroms 14 hinter dem ersten Temperatursensor 38 angeordnet
ist. Beim Betrieb des Heizelements 36 stellt sich auf dem
Sensorelement 16 ein Temperaturgradient ein, der auch davon abhängig
ist, mit welcher Geschwindigkeit der Teilvolumenstrom 14 über
das Sensorelement 16 strömt. Das Heizelement 16 sowie
die Temperatursensoren 38 und 40 können
in Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik auf einem
Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat oder einem Keramiksubstrat,
hergestellt sein. Dadurch kann ein sehr schnelles Ansprechverhalten
auf sich einstellende Änderungen im Volumenstrom erreicht
werden, weil das Sensorelement 16 eine geringe Wärmekapazität
und einen geringen thermischer Widerstand aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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