DE112004000355T5

DE112004000355T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes

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Publication number: DE112004000355T5
Application number: DE112004000355T
Authority: DE
Inventors: John A. Andover Smith; Ali Canton Shajii
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: JP4703558B2; WO2004095155A1; DE112004000355B4; GB2414302A; TW200504338A; US6813943B2; JP2006523309A; TWI290219B; GB2414302B; GB0518731D0; KR20060004656A; KR101142137B1; US20040182148A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung einer Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, die mit der Gasströmung verbunden ist, mit:
einer Messkammer mit einem Innenteil, der durch ein Innenvolumen charakterisiert ist, und mit einem Einlassanschluss zum Empfang der Gasströmung;
einem Drucksensor zur Messung eines Druckes in dem Innenteil der Messkammer und zur Erzeugung eines Drucksignals, das dem Druck innerhalb der Messkammer entspricht;
einem Signalprozessor zum Empfang und zum Abtasten des Drucksignals mit einer Abtastfrequenz und zum Filtern des Drucksignals zur Erzeugung eines abgetasteten Drucksignals und zur Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals; und
einem Einlass-Dämpfer, der an dem Einlassanschluss angeordnet und derart aufgebaut und angeordnet ist, dass die Gasströmung zumindest teilweise durch den Einlass-Dämpfer hindurchläuft, bevor sie durch den Einlassanschluss und in die Messkammer strömt, wobei der Einlass-Dämpfer eine oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung als eine Funktion des Druckabfalls längs des Einlass-Dämpfers entsprechend einer...

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgende US-Anmeldung des gleichen Erwerbers, deren Inhalt durch die Bezugnahme in seiner Gesamtheit hier eingefügt wird:
US-Patentanmeldung Anmelde-Nr. 10/178,721 mit dem Titel „Apparatus And Method For Pressure Fluctuation Insensitive Mass Flow Control".

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Steuerung der Massenströmung und insbesondere auf Verfahren und Geräte zur Aufbereitung der Strömung zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Genauigkeit eines derartigen Gerätes.

Es sei das System 10 betrachtet, das in Form eines Blockschaltbildes in 1 gezeigt ist, und das einen Einlassbehälter 12 einschließt, der mit einer Messkammer 14 gekoppelt ist. Der Einlassbehälter 12 ist durch einen Einlassdruck Pⁱ(t) charakterisiert. Die Messkammer 14 ist durch einen Einlassanschluss 16, an dem der Einlassbehälter 12 mit der Messkammer 14 gekoppelt ist, ein Innenvolumen V und einen Innendruck P(t) charakterisiert. Eine Einlassströmung Q(t) strömt von dem Einlassbehälter 12 durch den Einlassanschluss 16 in die Messkammer 14. Die Änderungsgeschwindigkeit des Druckes P(t) in der Messkammer 14 als eine Funktion der Zeit ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

worin P^STP der Kammerdruck bei Standardtemperatur und Druck ist. Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden, um sie nach der Einlassströmung aufzulösen, das heißt:

Somit kann die Einlassströmung als eine Funktion der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Kammerdruckes P(t) und des Volumens der Kammer V berechnet werden. Das Volumen der Kammer V kann leicht gemessen werden, und die Änderungsgeschwindigkeit des Kammerdruckes P(t) kann durch Verwenden eines Drucksensors 18 in Kombination mit einem digitalen Differenzier-Schema 20 erfasst werden (siehe beispielsweise S. K. Mitra und J. F. Kaiser „Handbook for Digital Signal Processing", John Wiley & Sons, 1993, Kapitel 13). Eine praktisch ausgeführte digitale Differenzier-Einrichtung 20 gewinnt. jedoch Abtastproben der Druckdaten mit einer maximalen Abtastfrequenz, filtert die abgetasteten Daten und führt die zeitliche Ableitung der abgetasteten gefilterten Daten aus. Eine derartige digitale Differenzier-Einrichtung 20 erzeugt genaue Ergebnisse nur für Druckänderungen, die Frequenzen haben, die kleiner als ein Bruchteil der maximalen Abtastfrequenz ist, wie dies in der grafischen Darstellung nach 2 gezeigt ist. Diese grafische Darstellung zeigt Kurven des normalisierten Ausgangssignals der Differenzier-Einrichtung gegenüber der normalisierten Frequenz der Druckänderung (normalisiert auf die Abtastfrequenz) für eine ideale Differenzier-Einrichtung 30 und die vorstehend erläuterte praktisch ausgeführte Differenzier-Einrichtung 32. Die praktisch ausgeführte digitale Differenzier-Einrichtung 32 folgt der idealen Differenzier-Einrichtung 30 für Frequenzen bis zu ungefähr 0,4 der Abtastfrequenz, und weicht radikal von dem idealen Wert für höhere Frequenzen der Druckänderungen ab. Somit können schnelle Druckänderungen, die größer als 40 Prozent der Abtastfrequenz sind, durch die Konfiguration nach 1 nicht genau gemessen werden. Der Punkt der Abweichung von der idealen Differenzier-Einrichtung wird hier als die „Differenzierer-Grenzfrequenz" bezeichnet.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile und Beschränkungen des Standes der Technik im Wesentlichen zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorstehenden und andere Ziele werden durch die Erfindung erreicht, die in einem Grundgedanken eine Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung der Druck-Änderungsgeschwindigkeit umfasst, die mit der Gasströmung verbunden ist. Die Vorrichtung schließt eine Messkammer mit einem Innenteil, der durch ein internes Volumen charakterisiert ist, und mit einem Einlassanschluss zum Empfang der Gasströmung ein. Die Vorrichtung schließt weiterhin einen Drucksensor zur Messung eines Druckes im Innenteil der Messkammer und zur Erzeugung eines Drucksignals ein, das dem Druck im Inneren der Messkammer entspricht. Die Vorrichtung schließt auch einen Signalprozessor zum Empfang, zur Abtastung des Drucksignals mit einer Abtastfrequenz und zum Filtern des Drucksignals zur Erzeugung eines abgetasteten Drucksignals ein. Der Signalprozessor berechnet weiterhin eine zeitliche Ableitung des abgetasteten Drucksignals. Die Vorrichtung schließt weiterhin einen Einlass-Dämpfer ein, der an dem Einlassanschluss angeordnet und so aufgebaut und angeordnet ist, dass die Gasströmung zumindest teilweise durch den Einlass-Dämpfer hindurchläuft, bevor sie durch den Einlassanschluss und in die Messkammer strömt. Der Einlass-Dämpfer modifiziert eine oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung als eine Funktion des Druckabfalls längs des Einlass-Dämpfers entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion. Das Innenvolumen und die Dämpfer-Übertragungsfunktion sind so ausgewählt, dass die Frequenzen, die mit Änderungen des Druckes in der Messkammer verbunden sind, einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz darstellen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensor innerhalb des Innenteils der Messkammer angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensor an dem Einlassanschluss angeordnet und erzeugt ein Drucksignal, das einem Einlass-Strömungsdruck entspricht.

In einer weiteren Ausführungsform beschreibt die Dämpfer-Übertragungsfunktion eine lineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer.

Bei einer weiteren Ausführungsform beschreibt die Dämpfer-Übertragungsfunktion eine nichtlineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer.

Bei einer weiteren Ausführungsform entspricht der vorgegebene Bruchteil der Abtastfrequenz einer Grenze des Leistungsvermögens, die sich bei dem Signalprozessor zur Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals ergibt.

Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt der vorgegebene Bruchteil der Abtastfrequenz ungefähr 0,4.

Bei einer weiteren Ausführungsform schließt die Vorrichtung weiterhin einen Strömungssensor zur Messung der Gasströmung durch den Einlassanschluss und zur Erzeugung eines Strömungssignals ein, das der Gasströmung durch den Einlassanschluss entspricht. Die Vorrichtung schließt weiterhin einen Auslassanschluss an der Messkammer zum Ausleiten einer Auslass-Gasströmung und ein an dem Auslassanschluss angeordnetes Ventil zur Steuerung der Auslass-Gasströmung ein. Der Signalprozessor (i) kombiniert das Strömungssignal mit der zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals, um so einen Schätzwert der Auslass-Gasströmung zu erzeugen, und (ii) steuert das Ventil als eine Funktion des Schätzwertes, um auf diese Weise eine im Wesentlichen konstante Auslass-Gasströmung zu erzeugen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Dämpfungseinrichtung vor dem Strömungssensor angeordnet.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Dämpfer nach dem Strömungssensor und vor dem Drucksensor angeordnet.

Mit einem weiteren Gesichtspunkt umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, der mit der Gasströmung verbunden ist. Das Verfahren schließt die Bereitstellung einer Messkammer mit einem durch ein Innenvolumen charakterisierten Innenteil und einem Einlassanschluss zum Empfang der Gasströmung ein. Das Verfahren schließt weiterhin die Messung eines Druckes innerhalb des Innenteils der Messkammer und zur Erzeugung eines Drucksignals ein, das dem Druck im Inneren der Messkammer entspricht. Das Verfahren schließt weiterhin die Abtastung des Drucksignals mit einer Abtastfrequenz und das Filtern des Drucksignals zur Erzeugung eines abgetasteten Drucksignals sowie die Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals ein. Das Verfahren schließt weiterhin das Dämpfen der Gasströmung durch den Einlassanschluss über einen Einlass-Dämpfer ein, der an dem Einlassanschluss angeordnet ist, um auf diese Weise eine oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung als eine Funktion eines Druckabfalls längs des Einlass-Dämpfers entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion zu modifizieren. Das Verfahren schließt weiterhin die Auswahl des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion derart ein, dass eine Frequenz, die mit Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer verbunden ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz begrenzt wird.

Eine weitere Ausführungsform schließt die Anordnung des Drucksensors in einem Innenteil der Messkammer ein.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Anordnung des Drucksensors an dem Einlassanschluss derart ein, dass der Drucksensor ein Drucksignal erzeugt, das einem Einlass-Strömungsdruck entspricht.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Schaffung einer Dämpfer-Übertragungsfunktion ein, die eine lineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Schaffung einer Dämpfer-Übertragungsfunktion ein, die eine nichtlineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Auswahl des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion derart ein, dass eine mit Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer verbundene Frequenz auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz entsprechend einer Grenze des Leistungsvermögens beschränkt, die sich bei dem Signalprozessor zur Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals ergibt.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Auswahl des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion derart ein, dass eine Frequenz, die mit Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer verbunden ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz von ungefähr 0,4 der Abtastfrequenz begrenzt wird.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Messung der Gasströmung durch den Einlassanschluss und die Erzeugung eines Strömungssignals entsprechend der Gasströmung durch den Einlassanschluss ein. Die Anordnung schließt weiterhin die Bereitstellung eines Auslassanschlusses an der Messkammer zum Hindurchleiten einer Auslass-Gasströmung und die Kombination des Strömungssignals mit der zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals ein, um einen Schätzwert der Auslass-Gasströmung zu erzeugen. Diese Ausführungsform schließt weiterhin die Steuerung der Auslass-Gasströmung an dem Auslassanschluss als eine Funktion des Schätzwertes ein, um eine im Wesentlichen konstante Auslass-Gasströmung zu erzeugen.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Anordnung des Dämpfers vor dem Strömungssensor ein.

Eine weitere Ausführungsform schließt weiterhin die Anordnung des Dämpfer nach dem Strömungssensor und vor dem Drucksensor ein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Ziele der Erfindung, die verschiedenen Merkmale hiervon sowie die Erfindung selbst werden vollständiger aus der folgenden Beschreibung verständlich, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
1 eine Blockschaltbild-Ansicht eines bekannten Druckmesssystems zeigt;
2 den Flankenabfall bei dem Betriebsverhalten einer bekannten digitalen Differenzier-Einrichtung bei höheren Frequenzen zeigt;
3 eine Blockdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung der Messung einer Änderungsgeschwindigkeit des Druckes zeigt, die mit der Gasströmung verbunden ist;
4 zeigt, wie ein Dämpfer gemäß 3 eine schnelle Druckänderung dämpft; und
5 eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 3 mit einem Strömungssensor an dem Einlass- und einem Auslassanschluss zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
3 zeigt eine Blockdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung der Messung einer Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, die mit der Gasströmung verbunden ist. Die Vorrichtung 100 schließt eine Messkammer 102, einen Drucksensor 104, einen Signalprozessor 106 und einen Einlass-Dämpfer 108 ein. Die Messkammer 102 schließt einen Innenteil ein, dessen Größe durch ein Innenvolumen V definiert ist. Die Messkammer 102 schließt weiterhin einen Einlassanschluss 110 zum Empfang einer Gasströmung 112 von einem Behälter 114 ein.
Der Drucksensor 104 misst den Druck in dem Innenteil der Messkammer 102 und erzeugt ein Drucksignal 116 entsprechend dem Druck in dem Innenteil der Messkammer 102. Bei einer Ausführungsform befindet sich der Drucksensor 104 außerhalb der Messkammer 102 (entweder ist er an der Außenseite der Messkammer gemäß 3 angebracht, oder ist physikalisch von der Messkammer getrennt), und er steht mit dem Innenteil über einen Zugangsanschluss 118 in Verbindung. Bei anderen Ausführungsformen ist der gesamte Drucksensor in dem Innenteil der Messkammer 102 angeordnet, und ein zugehöriges Drucksignal 116 wird zur Außenseite der Kammer 102 über einen Draht oder über eine andere in der Technik bekannte Kommunikationstechnik übertragen. Bei anderen Ausführungsformen kann sich der Drucksensor 104 an dem Einlassanschluss 110 entweder gerade im Inneren oder gerade außerhalb der Kammer 102 befinden, so dass der Drucksensor 104 ein dem Einlassdruck entsprechendes Drucksignal liefert.
Der Signalprozessor 106 bildet gerätemäßig eine optimale digitale Differenzier-Einrichtung aus. Der Signalprozessor 106 empfängt das Drucksignal und tastet es dann mit einer vorgegebenen Abtastrate ab. Die in einer speziellen Ausführungsform verwendete Abtastrate hängt von Faktoren, wie z. B. den gewünschten Kosten und der Kompliziertheit des Systems, der höchsten erwarteten Druckänderungs-Frequenz, den speziellen in dem Signalprozessor 106 verwendeten Verarbeitungskomponenten usw. ab. Der Signalprozessor 106 filtert das abgetastete Drucksignal über ein optimales digitales Filter. Der Signalprozessor berechnet dann die zeitliche Ableitung des abgetasteten Drucksignals.
Der Einlass-Dämpfer 108 ist an dem Einlassanschluss 110 derart angeordnet, dass die Gasströmung 111 von dem Vorratsbehälter 114 in die Kammer 102 den Einlass-Dämpfer 108 durchlaufen muss. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Einlass-Dämpfer 108 direkt im Inneren des Einlassanschlusses 110 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann der Einlass-Dämpfer 108 gerade im Inneren, gerade außerhalb oder lediglich teilweise in dem Einlassanschluss 110 angeordnet sein, solange wie die Gasströmung 112 zumindest teilweise durch den Dämpfer 108 hindurchläuft. Der Einlass-Dämpfer ist so konstruiert und ausgebildet, dass er ein oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung 112 als eine Funktion des Druckabfalls längs des Dämpfers 108 entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion H modifiziert. In einer Ausführungsform ist der Einlass-Dämpfer 108 so ausgewählt, dass die Übertragungsfunktion H eine Konstante ist, das heißt, dass die Gasströmung Qⁱ durch den Dämpfer 108 linear auf den Druckabfall längs des Dämpfers bezogen ist, das heißt: Qi = C(Pi – P) (3)worin P der Druck an der Kammerseite des Dämpfers 108, Pⁱ der Druck an der Vorratsbehälterseite des Dämpfers 108 und C die Leitfähigkeit des Dämpfers ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Übertragungsfunktion H eine nichtlineare Funktion sein, wie dies bei einer nicht gedrosselten Strömung über eine Öffnung hinweg der Fall sein würde.
Bei der Ausführungsform mit einem Dämpfer, wie er durch die Gleichung (3) beschrieben ist, kann eine Änderung des Kammerdruckes P bezüglich der Zeit durch Einsetzen der Gleichung (3) in die Gleichung (1) wie folgt angegeben werden:
Für eine stufenförmige Änderung des Einlassdruckes Pⁱ hat die Gleichung (4) eine Lösung: P(t) = Pf[1 – e–(c/τ)] + P0e–(c/τ) (5)worin P⁰ der Anfangsdruck, P^f der Enddruck und τ = V/(CP^STP) die natürliche Zeitkonstante ist, die dem System 100 zugeordnet ist. 4 zeigt eine grafische Darstellung des Druckes gegenüber der Zeit sowohl für eine stufenförmige Änderung des Einlassdruckes Pⁱ als auch den Druck P im Inneren der Kammer 102. 4 zeigt, wie ein Dämpfer, der sich gemäß der Gleichung (3) verhält, eine schnelle Druckänderung dämpft. Die Zeitkonstante τ, und somit das gedämpfte Ansprechverhalten des Kammerdruckes P, ist eine Funktion von (i) des Kammervolumens V und (ii) der Dämpfer-Leitfähigkeit C. Die zwei Parameter V und C können so eingestellt werden, dass sie Frequenzkomponenten in den Kammerdruck-Änderungen, die höher als die Grenzfrequenz der digitalen Differenzier-Einrichtung sind, wesentlich verringern oder beseitigen.
Die Druckänderungen dP/dt können als eine Fourier-Reihe ausgedrückt werden, das heißt:
Die Fourier-Koeffizienten Aⁿ können aus der Gleichung (5) wie folgt abgeleitet werden:
Für eine vorgegebene Begrenzung der Fourier-Koeffizienten Aⁿ kann die Gleichung (7) zur Auflösung nach τ verwendet werden. Es sei als Beispiel ein Fall betrachtet, bei dem die Abtastfrequenz 1 kHz ist und eine optimales digitales Differenzier-Schema, wie es hier beschrieben wurde, verwendet wird, um das abgetastete Drucksignal von dem Drucksensor zu verarbeiten. Um die Grenzfrequenz der optimalen Differenzier-Einrichtung zu berücksichtigen, ist es erwünscht, dass alle Frequenzkomponenten der Druckänderungen oberhalb von 30 Prozent der Abtastfrequenz unter 0,1 Prozent liegen. Alternativ ausgedrückt heißt dies, dass alle Amplituden Aⁿ oberhalb der Frequenz von 300 Hz vorzugsweise unterhalb von 1 × 10^–3 gehalten werden. Die Verwendung einer maximalen ω von 1885 rad/s zusammen mit Aⁿ ≈ 1 × 10^–3 führt zu τ ≈ 20 ms. Somit führt eine Manipulation entweder der Leitfähigkeit C des Dämpfers, des Volumens V der Messkammer oder von beiden derart, dass τ ≈ 20 ms ist, zu einer Beschränkung der Frequenzkomponenten der Druckänderungen in der Kammer, die größer als 300 Hz sind, auf weniger als 1 × 10^–3.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform schließt die Vorrichtung 100 weiterhin einen Strömungssensor 130 am Eingang der Messkammer 102 ein. Der Strömungssensor 130 misst die Strömungsrate der Gasströmung in die Kammer 102 und liefert ein Strömungssignal 132, das der Strömungsrate entspricht, an den Signalprozessor 106. Diese Ausführungsform schließt weiterhin einen Auslassanschluss 134 ein, der eine Auslass-Gasströmung 136 von der Kammer 102 ermöglicht, sowie ein Ventil 138 an dem Auslassanschluss 134 zur Steuerung der Auslass-Gasströmung 136. Der Signalprozessor 106 kombiniert das Strömungssignal 132 von dem Strömungssensor 130 mit der zeitlichen Ableitung, die der Signalprozessor 106 aus dem Drucksignal 116 ableitet, und berechnet einen Schätzwert der Auslass-Gasströmung 136 aus der Kombination. Der Signalprozessor 106 berechnet den Schätzwert unter Verwendung der Gleichung (1) und durch Einsetzen von [Qⁱⁿ(t) – Q^out(t)] für die Variable Q(t). Der Signalprozessor 106 verwendet das Ausgangssignal des Strömungssensors 130 für Qⁱⁿ(t) und löst nach Q^out(t) auf. Zusätzliche Einzelheiten bezüglich dieser Ausführungsform finden sich in der anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 10/178,721 mit dem Titel „Apparatus And Method For Pressure Fluctuation Insensitive Mass Flow Control". Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform befindet sich der Dämpfer 108 vor dem Strömungssensor 130, das heißt die Einlass-Gasströmung 112 von dem Vorratsbehälter 114 strömt durch den Dämpfer 108, bevor sie den Strömungssensor 130 erreicht. Bei anderen Ausführungsformen kann sich der Dämpfer 108 hinter dem Strömungssensor 130 derart befinden, dass lediglich der Drucksensor 106 und nicht der Strömungssensor 130 den resultierenden Dämpfungswirkungen ausgesetzt sind.
Die Erfindung kann in anderen speziellen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne von dem Grundgedanken oder wesentlichen Charakteristiken hiervon abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sollen daher lediglich als erläuternd und nicht beschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche fallen, sollen hiermit mit umfasst werden.
Zusammenfassung:
Eine Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, die mit der Gasströmung verbunden ist, schließt eine Messkammer (102) mit einem Innenteil, der durch ein Innenvolumen charakterisiert ist, und mit einem Einlassanschluss (110) zum Empfang der Gasströmung ein. Die Vorrichtung schließt einen Drucksensor (104) und einen Signalprozessor ein. Der Signalprozessor empfängt das Drucksignal von dem Sensor (106) und tastet dieses ab und berechnet eine zeitliche Ableitung des Drucksignals. Die Vorrichtung schließt weiterhin einen Einlass-Dämpfer (108) ein, der an dem Einlassanschluss derart angeordnet ist, dass die Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer (108) vor dem Strömen in die Messkammer durchläuft. Der Einlass-Dämpfer modifiziert die Gasströmung entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion. Das Kammervolumen und die Dämpfer-Übertragungsfunktion sind so ausgelegt, dass die Frequenzen, die mit der Änderung des Druckes in der Messkammer verbunden sind, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz beschränkt werden.

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung einer Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, die mit der Gasströmung verbunden ist, mit: einer Messkammer mit einem Innenteil, der durch ein Innenvolumen charakterisiert ist, und mit einem Einlassanschluss zum Empfang der Gasströmung; einem Drucksensor zur Messung eines Druckes in dem Innenteil der Messkammer und zur Erzeugung eines Drucksignals, das dem Druck innerhalb der Messkammer entspricht; einem Signalprozessor zum Empfang und zum Abtasten des Drucksignals mit einer Abtastfrequenz und zum Filtern des Drucksignals zur Erzeugung eines abgetasteten Drucksignals und zur Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals; und einem Einlass-Dämpfer, der an dem Einlassanschluss angeordnet und derart aufgebaut und angeordnet ist, dass die Gasströmung zumindest teilweise durch den Einlass-Dämpfer hindurchläuft, bevor sie durch den Einlassanschluss und in die Messkammer strömt, wobei der Einlass-Dämpfer eine oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung als eine Funktion des Druckabfalls längs des Einlass-Dämpfers entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion modifiziert; wobei das Innenvolumen und die Dämpfer-Übertragungsfunktion so ausgewählt sind, dass eine Frequenz, die mit Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer verbunden ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Drucksensor im Innenteil der Messkammer angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Drucksensor an dem Einlassanschluss angeordnet ist und ein Drucksignal erzeugt, das einem Einlass-Strömungsdruck entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dämpfer-Übertragungsfunktion eine lineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dämpfer-Übertragungsfunktion eine nichtlineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der vorgegebene Bruchteil der Abtastfrequenz einer Betriebsleistungsgrenze entspricht, die dem Signalprozessor bei der Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der vorgegebene Bruchteil der Abtastfrequenz ungefähr 0,4 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin Folgendes einschließt: einen Strömungssensor zum Messen der Gasströmung durch den Einlassanschluss und zur Erzeugung eines Strömungssignals, das der Gasströmung durch den Einlassanschluss entspricht; einen Auslassanschluss an der Messkammer zum Hindurchleiten einer Auslass-Gasströmung; und einem Ventil, das an dem Auslassanschluss zur Steuerung der Auslass-Gasströmung angeordnet ist; wobei der Signalprozessor (i) das Strömungssignal mit der zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals zur Erzeugung eines Schätzwertes der Auslass-Gasströmung kombiniert, und (ii) das Ventil als eine Funktion des Schätzwertes derart steuert, dass eine im Wesentlichen konstante Auslass-Gasströmung erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Dämpfer vor dem Strömungssensor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Dampfer nach dem Stromungssensor und vor dem Drucksensor angeordnet ist.
Verfahren zur Aufbereitung einer Gasströmung zur Verbesserung einer Messung einer Änderungsgeschwindigkeit des Druckes, die der Gasströmung zugeordnet ist, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen einer Messkammer mit einem Innenteil, der durch ein Innenvolumen gekennzeichnet ist, und mit einem Einlassanschluss zum Empfang der Gasströmung; Messen eines Druckes innerhalb des Innenteils der Messkammer und Erzeugen eines Drucksignals, das dem Druck innerhalb der Messkammer entspricht; Abtasten des Drucksignals mit einer Abtastfrequenz und Filtern des Drucksignals zur Erzeugung eines abgetasteten Drucksignals, und Berechnen einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals; Dämpfen der Gasströmung durch den Einlassanschluss über einen Einlass-Dämpfer, der an dem Einlassanschluss angeordnet ist, um eine oder mehrere Charakteristiken der Gasströmung als eine Funktion des Druckabfalls längs des Einlass-Dämpfers entsprechend einer Dämpfer-Übertragungsfunktion zu modifizieren; und Auswählen des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion derart, dass eine Frequenz, die Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer zugeordnet ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Anordnung des Drucksensors in den Innenteil der Messkammer einschließt.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Anordnung des Drucksensors an dem Einlassanschluss derart einschließt, dass der Drucksensor ein Drucksignal entsprechend einem Einlass-Strömungsdruck erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Schaffung einer Dämpfer-Übertragungsfunktion einschließt, die eine lineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Schaffung einer Dämpfer-Übertragungsfunktion einschließt, die eine nichtlineare Beziehung zwischen (i) dem Druckabfall längs des Einlass-Dämpfers und (ii) der Gasströmung durch den Einlass-Dämpfer beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Auswahl des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion derart einschließt, dass eine Frequenz, die mit Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer verbunden ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz entsprechend einer Betriebsleistungsgrenze begrenzt wird, die dem Signalprozessor zur Berechnung einer zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin die Auswahl des Innenvolumens und der Dämpfer-Übertragungsfunktion zur Begrenzung einer Frequenz, die Änderungen des Druckes innerhalb der Messkammer zugeordnet ist, auf einen vorgegebenen Bruchteil der Abtastfrequenz von ungefähr 0,4 der Abtastfrequenz einschließt.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin Folgendes einschließt: Messen der Gasströmung durch den Einlassanschluss und Erzeugen eines Strömungssignals, das der Gasströmung durch den Einlassanschluss entspricht; Bereitstellen eines Ausgangsanschlusses an der Messkammer zum Hindurchleiten einer Auslass-Gasströmung; und Kombinieren des Strömungssignals mit der zeitlichen Ableitung des abgetasteten Drucksignals zur Erzeugung eines Schätzwertes der Auslass-Gasströmung; und Steuern der Auslass-Gasströmung an dem Auslass-Anschluss als eine Funktion des Schätzwertes, um eine im Wesentlichen konstante Auslass-Gasströmung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 18, das weiterhin die Anordnung des Dämpfers vor dem Strömungssensor einschließt.
Verfahren nach Anspruch 18, das weiterhin die Anordnung des Dämpfers nach dem Strömungssensor und vor dem Drucksensor einschließt.