DE102017006935A1

DE102017006935A1 - Fluidstromsensor und Verfahren zur Bestimmung von stofflichen Parametern eines Fluids

Info

Publication number: DE102017006935A1
Application number: DE102017006935.2A
Authority: DE
Inventors: Jens-Peter Zöllner; Ivo W. Rangelow; Oliver Richter; Mathias Holz
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluidströmungssensor und ein Verfahren zur Ermittlung von stofflichen Parametern eines strömenden Fluids, wobei hierzu die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids oder ein Volumen- oder Massenfluss und damit verbundene Kraftwirkungen und Veränderungen in Strömungsgrenzschichten erfasst werden. Der erfindungsgemäße Fluidströmungssensor ist eine als bimorphe Schichtstruktur ausgebildete Blattfeder mit integrierten Verbiegungssensor und integrierten Aktuator. Er wird je nach Applikation in einem Punkt der Strömung platziert und detektiert die Strömungskräfte.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Fluidströmungssensors ist, dass mit ihm eine statische oder dynamische Messung sowie bevorzugt eine Kombination aus beiden realisiert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidströmungssensor und ein Verfahren zur Ermittlung von stofflichen Parametern eines strömenden Fluids, wobei hierzu die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids oder ein Volumen- oder Massenfluss und damit verbundene Kraftwirkungen erfasst werden. Zudem kann der erfindungsgemäße Fluidströmungssensor auch zur Analyse von sich an einem in einer Fluidströmung befindlichen Objekt bildenden Grenzschichten verwendet werden.
Aus der Fach- und Patent-Literatur sind verschiedene mechanische Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids bekannt. Ihr Funktionsprinzip beruht auf der Kraftwirkung auf einen in der Strömung befindlichen Körper (Blattfeder). Je nach Ausrichtung der Körperflächen zur Strömung wirken Auftriebs- oder Reibungskräfte.
Bei den Reibungskraftsensoren handelt es sich um quer zur Strömung ausgerichtete Blattfedern oder längs zur Strömung ausgerichtete, gekrümmte, mit dem freien Ende in den Fluid-Kanal reichende Blattfedern, die durch Reibungskräfte (Strömungswiderstand) verbogen werden. Mit Hilfe der Erfassung der quasistatischen Verbiegung kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden (s. hierzu [1], [2], [3], [4], [5]).
Weiterhin ist aus [6] ein mechanischer Strömungssensor bekannt, bei dem die Auftriebskraft genutzt wird.
Für die Erfassung der Blattfederbewegung werden bei diesen Lösungen optische, piezoelektrische und piezoresistive Sensoren verwendet. Jedoch wirkt sich dabei der Einfluss des 1/f- Rauschens nachteilig für die Erfassung eines kleinen Messsignals aus.
Dynamisch arbeitende Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids werden in Schwingung versetzt, wobei das periodische Ausgangssignal dieser Sensoren erfasst wird. Ein mögliches Funktionsprinzip derartiger Sensoren ist, dass elastische Blattfedern durch periodische Wirbelablösungen der Strömung in Oszillationen versetzt werden. Die Frequenz der daraus resultierenden Schwingung steht im Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit (s. hierzu [7], [8] und [9]). Ein anderes Funktionsprinzip ist, dass die Blattfeder (Cantilever) in der Strömung verbogen wird und sich dadurch seine Steifigkeit und damit seine Resonanzfrequenz ändern. Letztere kann durch eine periodische Anregung der Blattfeder erfasst werden (s. [10]). Dabei erweist sich als vorteilhaft, dass die Änderung der Schwingungsfrequenz messtechnisch sehr gut erfassbar ist. Jedoch sind dynamische Störungen wie akustische Signale externer Quellen (Lüfter, Pumpen,..) hierbei sehr nachteilig.
Auch in der Patentliteratur werden zahlreiche statische (Erfassung der Verbiegung einer Blattfeder) (z.B. DE 34 10 991 A1 , DE 103 39 907 A1 , DE 698 28 396 T2 , US 2003/0074983 A1 ) und dynamische (Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz, bedingt durch die Änderung der Federkonstanten der Blattfeder bzw. durch Turbolenzanregung der Strömung, ( DE 41 30 197 , DE 10 2008 035 423 A1 , US 8,371,184 B2 ) oder Erfassung der Oszillationsamplitude, beeinflusst durch die aerodynamische Dämpfung der Schwingung ( US 5,000,050 A )) Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe von Blattfedern beschrieben.
Dabei nutzt das auf der aerodynamischen Dämpfung beruhende Messverfahren ( US 5,000,050 A ) eine piezoelektrisch angeregte Blattfeder, deren Oszillation piezoelektrisch erfasst wird. Vorteil dieses Verfahrens ist, das Anregung und Antwort des Sensors mit der gleichen Frequenz erfolgen, sodass über eine frequenzselektive Messung (Bandpassfilter, Lock-in-Prinzip) Störungen sehr gut ausgeblendet werden können. Die Schwingungsamplitude wird folglich direkt durch die aerodynamische Dämpfung beeinflusst.
Nachteilig wirkt sich allerdings die Verwendung von externen piezoelektrischen Aktuatoren und Sensoren aus, die eine Miniaturisierung erschweren. Zudem ist auch eine Kombination von statischer und dynamischer Messung nicht vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und einen miniaturisierbaren Fluidströmungssensor und ein Verfahren zur Ermittlung von stofflichen Parametern eines strömenden Fluids bereitzustellen, mit denen die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids oder ein Volumen- oder Massenfluss und damit verbundene Kraftwirkungen sowohl statisch als auch dynamisch oder gleichzeitig statisch und dynamisch erfasst werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe sensorseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig mit den Merkmalen des siebenten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1- ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fluidströmungssensors
2- Prinzipdarstellung einer vorteilhaften Anordnung eines erfindungsgemäßen Fluidströmungssensors
3- die Abhängigkeit der statischen Verbiegung der Blattfeder vom Fluidstrom
4- die Ausbildung einer Grenzschicht an einem umströmten Objekt mit rechteckigem (oben: z.B. ein Cantilever) und rundem (unten: z.B. ein Zylinder) Querschnitt
5- Resonanzkurven einer in einem Fluidstrom schwingenden Blattfeder für verschiedene Volumenströme

Mikroblattfedern werden in der Atomkraftmikroskopie (AFM) genutzt, um Oberflächenprofile und Oberflächeneigenschaften zu bestimmen, in dem die Kraftwirkung zwischen dem beweglichen Ende der Blattfeder und der Probenoberfläche detektiert wird. Die erreichte Auflösung (sub-nm-Bereich) dokumentiert die große Empfindlichkeit dieser Blattfedern. Je nach Messmodus, Kontakt- oder Nichtkontakt-AFM, führt diese Wechselwirkung mit der Probe zu einer Verbiegung bzw. zu einer Änderung des Resonanzverhaltens der Blattfeder.
Allerdings führt nicht nur die Wechselwirkung der Blattfeder mit einer Festkörperoberfläche sondern auch die mit einem umgebenden Medium - Gase oder Flüssigkeiten (nachfolgend Fluid genannt) - zu einer Verbiegung der Blattfeder und / oder zu einer Veränderung ihres Resonanzverhaltens. Dies erlaubt es, mittels der Erfassung der statischen und / oder der dynamischen Verbiegung der Blattfeder auf Eigenschaften des angrenzenden Fluids zu schließen. Das statische Verhalten wird für quasi konstante Strömungsbedingungen (langsame Änderung der Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur, des Druckes und der Fluideigenschaften) aus der Verbiegung der Blattfeder bzw. der Auslenkung der Blattfederspitze bestimmt. Das dynamische Verhalten der Verbiegung der Blattfeder ist sowohl über ihr Anregungs- und Abklingverhalten als auch über ihr Resonanzverhalten (Resonanzfrequenz, Amplitude, Phase) zu erfassen.
Der erfindungsgemäße Fluidströmungssensor umfasst eine einseitig eingespannte dünne Blattfeder (1) mit einem integrierten Verbiegungssensor (2) und einem integrierten Schwingungsaktuator (3). Die Blattfeder (1) ist erfindungsgemäß als eine bimorphe Schichtstruktur ausgebildet und hat eine Dicke t im nm-µm Bereich und eine Länge l und Breite b von wenigen Mikro- bis einigen Millimetern (1).
Mit dem Verbiegungssensor (2) werden die auf die Blattfeder (1) wirkenden Kräfte erfasst. Er ist deshalb bevorzugt im Bereich der größten mechanischen Spannungen der Blattfeder (1) angeordnet. Dieser Bereich befindet sich in der Nähe der Einspannstelle der Blattfeder (1). In Abhängigkeit von der Bauform der Blattfeder und dem Oszillationsmode kann die Lage des Verbiegungssensors (2) aber auch spezifisch variiert werden. Durch Reduzierung des Blattfederquerschnittes im Bereich des Verbiegungssensors (2) (z.B. durch Einkerbung, Löcher, Abdünnungen, etc.) kann dessen Empfindlichkeit erhöht werden.
Der Verbiegungssensor (2) besteht in einer ersten Ausführungsform aus einem oder mehreren piezoresistiven Widerständen. Diese ändern ihren Widerstandswert proportional zur Verbiegung. Aufgrund der geringeren Störungsanfälligkeit gegenüber Stromversorgungs- und Temperaturschwankungen wird in einer bevorzugten weiteren Ausführungsform die Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrückenanordnung vorgeschlagen.
Außer dem Verbiegungssensor (2) umfasst die Blattfeder (1) noch einen integrierten Schwingungsaktuator (3), der es erlaubt, die Blattfeder gezielt auszulenken bzw. durch periodische Anregung in Schwingungen zu versetzen. In einer ersten Ausführungsform ist die Blattfeder (1) mit einem Heizelement versehen, wobei die Schichtanordnung der Blattfeder (1) sowie auch die Dicke, Materialart und Lage des Heizelements so zu wählen sind, dass infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten eine Erwärmung der Blattfeder (1) zu einer möglichst großen Verbiegung führt. Die Blattfeder (1) kann aber auch mittels eines statischen Magnetfeldes und einem fließenden Wechselstrom durch einen auf der Blattfeder (1) integrierten flachen Metallschichtmäander in Schwingung versetzt werden. Diese Wirkung basiert auf der entstehenden Laplace-Lorentz-Kraft, die proportional zum fließenden Strom ist. Auf diese Weise kann die Blattfeder durch einen Wechselstrom in Resonanz versetzt werden.
Zur Erfassung eines Massen- oder Volumenflusses eines Fluids wird die Blattfeder (1) mit ihrem frei beweglichen Ende in einen Strömungskanal (4) eingebracht. Dort unterliegt sie den Kraftwirkungen eines in dem Kanal strömenden Fluids (2).
Mit dem erfindungsgemäßen Fluidströmungssensor kann sowohl eine statische als auch eine dynamische Messung, aber auch bevorzugt eine Kombination aus beiden realisiert werden. Dazu werden im Rahmen einer frequenzsensitiven Signalanalyse beide Einflüsse (Änderung des Staudruckes und des Schwingungsverhaltens der Blattfeder) gleichzeitig erfasst.
Die statische Messung beruht dabei auf der Erfassung des Staudrucks p, hervorgerufen durch die auf die Blattfeder (1) (eine quer zum Fluidstrom stehende Platte) wirkende Strömung. In Abhängigkeit von der Form, der Größe, der Lage und der Ausrichtung der Blattfeder (1) im Fluid ändern sich die wirkenden Druck- und Reibungskräfte der Strömung sowie die Arbeitsfrequenz der Blattfeder. Das Design und die Positionierung der Blattfeder (1) im Fluidstrom sind so zu wählen, dass (i) eine möglichst große Wirkung des Fluidstromes auf die Blattfeder entsteht und dass (ii) die Strömung durch die Blattfeder nicht beeinflusst wird. Bevorzugt wird die Blattfeder so in den Fluidstrom platziert, dass eine der großen Flächen der Blattfeder (1) (Länge l × Breite b) senkrecht angeströmt wird. Der entstehende Staudruck p bewirkt eine Verbiegung der Blattfeder (1) und ist abhängig vom Betrag und der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids sowie auch von der Größe und Form der angeströmten Fläche. Letzteres wird über den c_w-Wert berücksichtigt. Für einen mit einer Geschwindigkeit v strömenden Fluidstrom und einer Dichte ρ des Fluids sowie einen c_w-Wert kann der Staudruck p ermittelt werden: $p = c_{w} \cdot \frac{ρ}{2} v^{2}$
Er bewirkt eine Auslenkung x_stat der Blattfeder (1) mit einem rechteckigen Querschnitt von $x_{s t a t} = \frac{l^{4}}{E \cdot t^{3}} \frac{3 p}{2}$
und wird mit Hilfe des integrierten Verbiegungssensors (2) detektiert. Die Auslenkung x_stat der Blattfeder (1) ist abhängig von deren Länge l, deren Breite b, deren Dicke t und dem Elastizitätsmodul E.
Für eine dünne ebene Platte (t << l, b) treten keine Reibungskräfte an den Randflächen (Scherkräfte) auf. Für quaderförmige Platten sind diese allerdings zusätzlich zu berücksichtigen. Eine entsprechende Messkurve für eine dünne, ebene Blattfeder ist in 3 gezeigt.
Im dynamischen Betrieb wird die Blattfeder durch einen Aktuator bevorzugt im Resonanzbereich in Schwingungen versetzt. Das Schwingungsverhalten der Blattfeder (1) kann durch das Modell eines gedämpften harmonischen Schwingers beschrieben werden. Der Amplitudengang folgt der Gleichung $\hat{x} (ω) = \frac{\hat{F} / m}{\sqrt{{(ω_{0}^{2} - ω^{2})}^{2} + {(2 δ ω)}^{2}}}$
Mit x̂ als Schwingungsamplitude, ω als Anregungsfrequenz, F̂ als Spitzenwert der Anregungskraft, m als Masse des Oszillators, ω₀ als Resonanzfrequenz des ungedämpften Schwingers und 2δ als masse-bezogene Dämpfungskonstante. Das Maximum der Resonanzkurve liegt bei der Anregungsfrequenz $ω_{m a x} = \sqrt{ω_{0}^{2} - 2 δ^{2}} = ω_{0} \sqrt{1 - \frac{1}{2 Q^{2}}}$
wobei die folgende Beziehung $Q = ω_{0} / 2 δ$
für die Ermittlung der Güte genutzt wurde. Für ein schwach gedämpftes System ist die Güte groß (Q»1) und das Maximum der Resonanzkurve liegt bei der Resonanzfrequenz des ungedämpften Schwingers $ω_{m a x} \approx ω_{0}$
Die maximale Schwingungsamplitude ist an diesem Punkt ${\hat{x}}_{m a x} = \frac{\hat{F} / m}{ω_{0}^{2}} \cdot \frac{ω_{0}}{2 δ} \cdot \frac{1}{\sqrt{1 - {(\frac{δ}{ω_{0}})}^{2}}} \approx \frac{\hat{F} / m}{ω_{0}^{2}} Q$
Sie steht im direkten Zusammenhang zur Güte und sinkt mit steigender Dämpfung. In [11] wurde gezeigt, dass die Dämpfung eines in einem viskosen Medium bewegten Biegebalkens (Modell eines bewegten Zylinders, Durchmesser entspricht der Breite des Balkens) von der Größe der sich an ihm ausbildenden Grenzschicht abhängig ist. Der Dämpfungskoeffizient C_f im Fluid berechnet sich gemäß $C_{f} = π μ l β k_{c}$
mit µ als dynamische Viskosität des Fluides, l als Länge des Balkens und dem dimensionslosen Produkt βk_c wobei k_c ein Parameter ist, der sich entsprechend der Ableitung aus der modifizierten Besselfunktion ergibt, β abhängig von der Breite w des Balkens und von der Dicke der Grenzschicht δ_fluid ist: $β = \frac{1}{2} {(\frac{w}{δ_{f l u i d}})}^{2}$
Die Ausbildung dieser Grenzschicht an einer Blattfeder (1) ist qualitativ in 4 (oben) sowie für einen Zylinder (unten - entnommen aus [12]) gezeigt. Die Grenzschichtdicke δ_fluid kann unter Verwendung der Reynoldszahl $R e_{w} = \frac{v \cdot w}{v_{f l u i d}}$
mit v als Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, w als kritische Abmessung des System - vorliegend die Breite b der Blattfeder (1) und v_fluid als kinematische Viskosität des Fluids mittels der Beziehung $δ_{f l u i d} = 5 \frac{w}{\sqrt{R e_{w}}} \sim \frac{1}{\sqrt{v}}$
bestimmt werden.
Aus der so ermittelten Dämpfung erhält man die Schwingungsgüte $Q = \frac{ω_{0}}{2 δ} \sim \frac{1}{2 δ} \sim \frac{1}{c_{f}} \sim \frac{1}{β} \sim δ_{f l u i d}^{2} \sim \frac{1}{v}$
Die Schwingungsgüte sinkt mit zunehmender Dämpfung und diese steigt mit abnehmender Grenzschichtdicke. Mit zunehmendem Fluidstrom verkleinert sich die Grenzschichtdicke. Somit bewirkt eine größere Strömungsgeschwindigkeit eine Reduzierung der Schwingungsgüte.
Die Resonanzkurven einer dynamisch betriebenen Blattfeder (1) für unterschiedliche Fluidströmungen zeigt 5. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt eine Abnahme der Resonanzamplitude (im dargestellten Strömungsbereich um ca. 50 %) einhergehend mit einer Reduzierung der Schwingungsgüte. Gleichzeitig steigt die Resonanzamplitude leicht an (ca. 0,1%).
In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids ändert sich also die Größe der Grenzschicht an einem von diesem Fluid umströmten Objekt und damit die dort auftretenden Reibungskräfte. Unter dem Einfluss der sich ändernden Reibungskräfte wird aber auch das Schwingungsverhalten (Resonanzverhalten) dieses Objektes beeinflusst. Folglich können auf diese Weise Änderungen der Strömungsgrenzschicht und / oder die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids detektiert werden.
Neben einer Schwingungsdämpfung bewirkt auch eine Reduzierung der Grenzschichtdicke an der angeströmten Blattfeder eine Erhöhung der konvektiven Wärmeabgabe. Bei Verwendung des bimorphen Aktuationsprinzip - Anregung der Schwingung durch periodische Wärmezufuhr an einen „Bimetallstreifen“ - wirkt neben der Schwingungsdämpfung auch die Konvektion im Fluidstrom auf das Schwingungsverhalten. Beide Effekte führen zu einer Reduzierung der Resonanzamplitude infolge der Abnahme der Grenzschichtdicke. Dies ermöglicht auch eine Strömungsmessung nach dem Prinzip der Hitzdrahtanemometrie. Bei geeigneter Auslegung der Blattfeder ist der konvektive Einfluss jedoch zu vernachlässigen.
Wie bereits ausgeführt, reagiert im statischen Betriebsmode die Blattfeder (1) auf einen Fluidstrom durch eine Verbiegung ihres freibeweglichen Endes, wobei die Auslenkung x_stat und damit das Ausgangssignal eines piezoresistiven Verbiegungssensors U_sensor vom Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist: $U_{s e n s o r} \sim x_{s t a t} \sim v^{2}$
Im dynamischen Betriebsmode (Resonanzanregung) reagiert die Blattfeder (1) auf einen Fluidstrom durch Änderung der Schwingungsamplitude und der Schwingungsgüte. Für ein schwach gedämpftes System ist die Schwingungsgüte proportional zur Resonanzamplitude, die mit steigender Dämpfung abnimmt. Die Dämpfung wächst mit abnehmender Grenzschicht, diese wiederum reduziert sich mit wachsenden Strömungsgeschwindigkeiten. Der Verbiegungssensor (2) liefert ein Wechselsignal proportional zur periodischen Auslenkung. Der Spitzenwert dieser Spannung entspricht der Resonanzamplitude. Es gilt: ${\hat{u}}_{s e n s o r} \sim {\hat{x}}_{m a x} \sim Q \sim \frac{1}{2 δ} \sim δ_{f l u i d} \sim \frac{1}{v}$
Eine andere Betrachtung liefert die gleiche Abhängigkeit: Für übliche Messbereiche der Strömung ist die Geschwindigkeit der Schwingung viel kleiner als die Fluidströmungsgeschwindigkeit. Hierfür kann die Beziehung für den Staudruck p über beide Geschwindigkeiten beschrieben werden (v - Strömungsgeschwindigkeit, v̂_cant sin(ωt) - Geschwindigkeit der schwingenden Blattfederspitze) $p = c_{w} \cdot \frac{ρ}{2} {[v - {\hat{v}}_{c a n t} sin (ω t)]}^{2} \approx c_{w} \cdot \frac{ρ}{2} \cdot v^{2} - c_{w} \cdot ρ \cdot v \cdot {\hat{v}}_{c a n t} sin (ω t)$
Dabei wurde berücksichtigt, dass v̂_cant << v ist. Es ist ersichtlich, dass der Staudruck zwei Bestandteile umfasst: einen, der unabhängig von der Blattfederschwingung ist, also die statische Verbiegung der Blattfeder bestimmt, und einen, der mit der Schwingungsbewegung der Blattfeder verknüpft ist, also das dynamische Verhalten beeinflusst. Diese Kraftwirkung ist stets der Bewegung der Blattfeder entgegengerichtet und dämpft diese folglich. Sie erhöht sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
Bei einer Kombination aus statischem und dynamischem Betriebsmodus können im Rahmen einer frequenzsensitiven Signalanalyse die Änderung des Staudruckes p und die Änderung des Schwingungsverhaltens der Blattfeder (1) gleichzeitig erfasst werden.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit beruht auf der Erfassung des Gleich- oder Wechselanteils der elektrischen Spannung, dem Ausgangssignal am piezoresisitiven Verbiegungssensor. Ihr Gleichwert ist proportional zur statischen Auslenkung, wobei bei Verwendung einer Wheatstoneschen Messbrücke diese abgeglichen sein muss. Die Amplitude der Wechselspannung im Resonanzpunkt - sie entspricht der maximalen Schwingungsamplitude der Blattfeder - sinkt mit steigendem Fluidstrom. Das Resonanzverhalten kann durch zyklisch wiederholte Frequenzsweeps erfasst werden.
Eine effiziente Erfassung der Resonanzamplitude ist möglich, indem die Blattfeder stets in Resonanz betrieben wird. Da die Resonanzfrequenz selbst nur geringfügig durch die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst wird, kann die Blattfeder mit einer festen Frequenz nahe der Resonanzfrequenz, vorzugsweise der Resonanzfrequenz, bei ruhendem Gas betrieben werden.
Vorteilhafter ist jedoch eine auf die Resonanz geregelte Anregung. Hierzu kann eine Phasenregelschleife eingesetzt werden. Somit wird automatisch neben der Resonanzamplitude auch die Resonanzfrequenz erfasst. Aufgrund der geringen Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, zeigen größere Änderungen der Resonanzfrequenz an, dass sich andere Umgebungsgrößen (z.B. Dichte, Viskosität) verändern. So kann eine Schwankung des Umgebungsdruckes oder eine Änderung der Fluidart detektiert und bei der Messung berücksichtigt werden.
Neben der Resonanzanalyse kann auch das Einschwing- und Abklingverhalten der oszillierenden Blattfeder bei Ein- bzw. Ausschalten der Aktuation zur Bestimmung der Dämpfung und Strömungsgeschwindigkeit genutzt werden.
Das dynamische Messprinzip beruht auf der Änderung des Strömungsprofils an einer Oberfläche in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Wie beschrieben, ist die daraus resultierende Änderung der Dämpfung auf die Veränderung der Dicke der Strömungsgrenzschicht zurückzuführen. Somit ist die Messmethode ebenfalls nutzbar, um die Ausbildung bzw. die Auflösung / das Abreißen von Grenzschichten an umströmten Objekten zu erfassen. Des Weiteren können Stoffeigenschaften des Fluids, wie z.B. dessen Viskosität, Dichte oder das Mischungsverhältnis von zwei Fluiden, erfasst werden.
Auf Grund der von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen konvektiven Wärmeübertragung ändert sich der Wärmetransfer am Cantilever in Abhängigkeit von der Fluidströmung. Dies wiederum beeinflusst die die thermische Aktuation im dynamischen Messmodus. Womit auch eine Detektion dieses Einflusses mit der Blattfeder realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1 -: Blattfeder
2 -: Verbiegungssensor
3 -: Schwingungsaktuator
4 -: Strömungskanal

Literaturliste

[1] - Songsong Zhang, Liang Lou,Woo-Tae Park and Chengkuo Lee: Characterization of a silicon nanowire-based cantilever air-flow sensor, J. Micromech. Microeng. 22 (2012) 095008 (13pp), doi: 10.1088/0960-1317/22/9/095008
[2] - Lian Zhang, Xiongying Ye, Zhaoying Zhou and Jian Yao: A Micromachined Single-Crystal Silicon Flow Sensor with a Cantilever Paddle, 1997 International Symposium on Micromechatronics an Human Science, 0-7803-4171-6/97
[3] - Yu-Hsiang Wang, Chia-Yen Lee, Rong-Hua Ma Lung-Ming Fu: Gas Flow Sensing with a Piezoresistive Micro-Cantilever, IEEE Sensors 2006, EXCO, Daegu, Korea / October 22-25, 2006
[4] - Y Su, A G R Evans, A Brunnschweiler and G Ensell: Characterization of a highly sensitive ultra-thin piezoresistive silicon cantilever probe and its application in gas flow velocity sensing, J. Micromech. Microeng. 12 (2002) 780-785
[5] - F. Greiner, S. Quednau, F. Dassinger, R. Sarwar, H. F. Schlaak, M. Guttmann and P. Meyer: Fabrication techniques for multiscale 3D-MEMS with vertical metal micro- and nanowire integration, J. Micromech. Microeng. 23 (2013) 025018 (12pp), doi:10.1088/0960-1317/23/2/025018
[6] - Svedin, N.; Kalvesten, E.; Stemme, E.; Stemme, G: A new silicon gas-flow sensor based on lift force. J. Micromech. Syst. 1998, 7, 303-308.
[7] - Paweł Zyłka, Paweł Modrznski, and Paweł Janus: Vortex Anemometer Using MEMS Cantilever Sensor, Journal of Micromechanical Systems, Vol. 19, No. 6, December 2010
[8] - Po-Yau Ju, Chien-Hsiung Tsai, Lung-Ming Fu and Che-Hsin Lin: Microfluidic Flowmeter and Viscometer utilizing Flow-induced Vibration on an Optic Fiber, Transducers'll, Beijing, China, June 5-9, 2011
[9] - Huicong Liu, Songsong Zhang, Ramprakash Kathiresan, Takeshi Kobayashi, and Chengkuo Lee: Development of piezoelectric microcantilever flow sensor with wind-driven energy harvesting capability, Applied Physics Lettters 100, 223905 (2012)
[10] - Jeung Sang Go, Bosung Shin and Jong Soo Ko: Self-Oscillating Microcantilever Piezoresistive Flow Sensor; Key Engineering Materials Vols. 326-328 (2006) pp 1347-1350
[11] - R. B. Bhiladvala and Z. J. Wang: Effect of fluids on the Q factor and resonance frequency of oscillating micrometer and nanometer scale beams, Phys. Rev. E 69, 036307 (2004)
[12] - F. P. Incropera, D. P. Dewitt, T. L. Bergmann and A. S. Lavine: Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., Danvers, 2007

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3410991 A1 [0007]
DE 10339907 A1 [0007]
DE 69828396 T2 [0007]
US 2003/0074983 A1 [0007]
DE 4130197 [0007]
DE 102008035423 A1 [0007]
US 8371184 B2 [0007]
US 5000050 A [0007, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Songsong Zhang, Liang Lou,Woo-Tae Park and Chengkuo Lee: Characterization of a silicon nanowire-based cantilever air-flow sensor, J. Micromech. Microeng. 22 (2012) 095008 (13pp), doi: 10.1088/0960-1317/22/9/095008 [0044]
Lian Zhang, Xiongying Ye, Zhaoying Zhou and Jian Yao: A Micromachined Single-Crystal Silicon Flow Sensor with a Cantilever Paddle, 1997 International Symposium on Micromechatronics an Human Science, 0-7803-4171-6/97 [0044]
Yu-Hsiang Wang, Chia-Yen Lee, Rong-Hua Ma Lung-Ming Fu: Gas Flow Sensing with a Piezoresistive Micro-Cantilever, IEEE Sensors 2006, EXCO, Daegu, Korea / October 22-25, 2006 [0044]
Y Su, A G R Evans, A Brunnschweiler and G Ensell: Characterization of a highly sensitive ultra-thin piezoresistive silicon cantilever probe and its application in gas flow velocity sensing, J. Micromech. Microeng. 12 (2002) 780-785 [0044]
F. Greiner, S. Quednau, F. Dassinger, R. Sarwar, H. F. Schlaak, M. Guttmann and P. Meyer: Fabrication techniques for multiscale 3D-MEMS with vertical metal micro- and nanowire integration, J. Micromech. Microeng. 23 (2013) 025018 (12pp), doi:10.1088/0960-1317/23/2/025018 [0044]
Svedin, N.; Kalvesten, E.; Stemme, E.; Stemme, G: A new silicon gas-flow sensor based on lift force. J. Micromech. Syst. 1998, 7, 303-308 [0044]
Paweł Zyłka, Paweł Modrznski, and Paweł Janus: Vortex Anemometer Using MEMS Cantilever Sensor, Journal of Micromechanical Systems, Vol. 19, No. 6, December 2010 [0044]
Po-Yau Ju, Chien-Hsiung Tsai, Lung-Ming Fu and Che-Hsin Lin: Microfluidic Flowmeter and Viscometer utilizing Flow-induced Vibration on an Optic Fiber, Transducers'll, Beijing, China, June 5-9, 2011 [0044]
Huicong Liu, Songsong Zhang, Ramprakash Kathiresan, Takeshi Kobayashi, and Chengkuo Lee: Development of piezoelectric microcantilever flow sensor with wind-driven energy harvesting capability, Applied Physics Lettters 100, 223905 (2012) [0044]
Jeung Sang Go, Bosung Shin and Jong Soo Ko: Self-Oscillating Microcantilever Piezoresistive Flow Sensor; Key Engineering Materials Vols. 326-328 (2006) pp 1347-1350 [0044]
R. B. Bhiladvala and Z. J. Wang: Effect of fluids on the Q factor and resonance frequency of oscillating micrometer and nanometer scale beams, Phys. Rev. E 69, 036307 (2004) [0044]
F. P. Incropera, D. P. Dewitt, T. L. Bergmann and A. S. Lavine: Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., Danvers, 2007 [0044]

Claims

Fluidströmungssensor, umfassend eine als bimorphe Schichtstruktur ausgebildete Blattfeder (1), die einseitig eingespannt und mit ihrem beweglichen Ende in dem Fluidstrom angeordnet ist, wobei die Blattfeder (1) einen integrierten Verbiegungssensor (2) und einen integrierten Schwingungsaktuator (3) aufweist.
Fluidströmungssensor nach Anspruch 1, wobei die Blattfeder (1) bevorzugt senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist und quaderförmig mit einer Länge l, einer Breite b und einer Dicke t ausgebildet ist und ihre Länge l größer als ihre Breite b ist und ihre Länge l und ihre Breite b vielfach größer als ihre Dicke t sind.
Fluidströmungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbiegungssensor (2) im Einspannbereich der Blattfeder (1) angeordnet und als piezoresistiver Widerstand oder als Widerstandsbrücke ausgeführt ist.
Fluidströmungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schwingungsaktuator (3) als thermo-mechanischer Aktuator, vorzugsweise als Metall-Schicht-Mäander, ausgeführt ist.
Fluidströmungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schwingungsaktuator (3) eine Einheit zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes umfasst.
Fluidströmungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fluidströmungssensor mit CMOS-kompatiblen Fertigungsverfahren herstellbar und miniaturisierbar ist.
Verfahren zur Bestimmung von stofflichen Parametern eines Fluids mit einem Fluidströmungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine große Seite (l × b) der Blattfeder (1) vom Fluid senkrecht angeströmt wird und die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids in einem statischen und / oder dynamischen Betriebsmode ermittelt wird und aus der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v mit Hilfe bekannter Umgebungsbedingungen die Eigenschaften des Fluids bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei im statischen Betriebsmode die statische Verbiegung der angeströmten Blattfeder (1) x_stat erfasst wird, aus der erfassten Verbiegung der Blattfeder (1) x_stat der Staudruck p ermittelt wird und mit Hilfe der erfassten Verbiegung der Blattfeder (1) x_stat und des Staudruckes p die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids v bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei im dynamischen Betriebsmode die Blattfeder (1) mit Hilfe des Schwingungsaktuators (3) vorzugsweise mit einer Frequenz nahe seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt wird, eine Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) erfasst wird und aus der erfassten Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) durch Änderung der Grenzschichtdicke an der angeströmten Seite (l × b) der Blattfeder (1), durch Änderung des Schwingungsverhaltens der Blattfeder (1) beim Ein- und Ausschalten der Aktuation oder durch Änderung des Resonanzverhaltens der Blattfeder (1) realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) durch Änderung des Resonanzverhaltens der Blattfeder (1) realisiert wird, wobei die Blattfeder (1) vorzugsweise mit einer Frequenz bei oder nahe der Resonanzfrequenz im ruhenden Fluid angeregt wird, die Schwingungsamplitude erfasst und die Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) ermittelt wird und daraus die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Blattfeder (1) mit einer Regelschleife, vorzugsweise mit einer Phasenregelschleife, permanent in Resonanz zum Schwingen angeregt wird, die Resonanzamplitude erfasst und aus der Resonanzamplitude die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei gleichzeitigem statischem und dynamischem Betriebsmode die Verbiegung der Blattfeder (1) x_stat und die Dämpfung der Schwingung der Blattfeder (1) frequenzsensitiv erfasst werden.
Verwendung eines Fluidströmungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der in der Nähe eines fluidumströmten Objektes positioniert ist, zur Analyse einer sich an diesem Objekt ausbildenden Strömungsgrenzschicht.
Verwendung mehrerer arrayförmig angeordneter Fluidströmungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erweiterung der realisierbaren lokalen und wertmäßigen Messbereiche und / oder zu Erhöhung der Messgenauigkeit.