DE112004000842T5

DE112004000842T5 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen anemometrischen Massenstrom-Messung

Info

Publication number: DE112004000842T5
Application number: DE112004000842T
Authority: DE
Inventors: Ali Canton Shajii; Nicholas E. South Bend Kottenstette; Leonard R. Norfolk Myatt; Jeffrey V. Anastas
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2006-03-30
Also published as: GB2417786B; WO2004104526A1; US20040226358A1; US6868723B2; JP2006529028A; CN1823263A; GB0524492D0; GB2417786A; KR20060015730A

Abstract

Massenstrom-Messvorrichtung mit:
einem Strömungspfad, der durch eine rohrförmige Seitenwand begrenzt ist;
einer Sonde, die sich durch die Seitenwand hindurch in den Strömungspfad erstreckt, so dass ein erster Abschnitt der Sonde in dem Strömungspfad liegt und ein zweiter Abschnitt der Sonde sich aus der Seitenwand heraus erstreckt;
ein Heizelement, das an der Sonde befestigt ist; und
eine Dichtung, die verhindert, dass ein durch den Strömungspfad strömendes Fluid mit dem Heizelement in Kontakt kommt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Fluid-Strömung und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Gasströmung unter Verwendung eines Heißdraht-Anemometers.
Hintergrund der Erfindung
In der Halbleiter-Fertigungsindustrie ist es erforderlich, eine präzise Steuerung der Menge, der Temperatur und des Druckes von einem oder mehreren Reaktionskomponenten zu erzielen, die in einem gasförmigen Zustand an eine Reaktionskammer geliefert werden. Einige Prozess-Reaktionskomponenten, wie Stickstoff-Gas, sind relativ einfach in kontrollierter Weise bei den Temperaturen und Drücken zuzuführen, die erforderlich sind, damit die Reaktion erfolgt. Andere Reaktionskomponenten können jedoch äußerst korrosiv, pyrophor oder unstabil bei den Temperaturen und/oder Drücken sein, bei denen die Zuführung an die Reaktionskammer erfolgen muss. Derartige Charakteristiken der Reaktionskomponenten machen es äußerst schwierig, ihre genaue und kontrollierte Zuführung zu einer Reaktionskammer zu erzielen.
Massenstrom-Steuergeräte (nachfolgend „MFC") werden in weitem Umfang in der Industrie verwendet, um die Zufuhr von Prozess-Reaktionskomponenten zu steuern. Es wurden zwei allgemeine Kategorien von MFC's entwickelt, nämlich thermische und druckbasierte MFC's, um die verschiedenen Zufuhrbedingungen einer großen Vielzahl von Prozess-Reaktionskomponenten zu bewältigen. Ein Massenstrom-Steuergerät schließt allgemein eine Massenstrom-Messvorrichtung zur Messung der Strömungsrate oder des Durchsatzes eines Gases durch das Steuergerät, ein Ventil zur Steuerung der Strömung des Gases durch das Steuergerät und einen Computer ein, der mit der Massenstrom-Messvorrichtung und dem Ventil verbunden ist. Der Computer ist mit einer Soll-Strömungsrate programmiert, die der Computer mit einer Ist-Strömungsrate vergleicht, die von der Massenstrom-Messvorrichtung gemessen wird. Wenn die Ist-Massenstrom-Rate nicht gleich der gewünschten Strömungsrate ist, so ist der Computer weiterhin so programmiert, dass er das Ventil öffnet oder schließt, bis die Ist-Strömungsrate gleich der Soll-Strömungsrate ist.
Thermische Massenstrom-Steuergeräte arbeiten nach dem Prinzip, dass die Rate der Wärmeübertragung von den Wänden eines Strömungskanals auf ein Fluid oder Strömungsmittel, das in einer laminaren Strömung in dem Kanal strömt, eine Funktion der Differenz der Temperaturen des Fluids und der Kanalwände, der spezifischen Wärme des Fluids und der Massenstrom-Rate des Fluids ist. Somit kann die Massenstrom-Rate eines Fluids (im laminaren Strömungszustand) bestimmt werden, wenn die Eigenschaften des Fluids und die Temperaturen des Fluids und des Rohres bekannt sind.
Andererseits bilden druckbasierte MFC's einen viskosen Strömungszustand dadurch aus, dass zwei Strömungsbehälter entlang des Strömungspfades eines Fluids gebildet werden, beispielsweise dadurch, dass eine Einschnürung im Durchmesser des Strömungspfades eingeführt wird. Die Einschnürung kann eine Öffnung oder Düse umfassen. In dem Raum stromaufwärts von der die Strömung drosselnden Öffnung hat das Fluid einen Druck P₁ und eine Dichte ρ₁, die zur Bestimmung der Strömung bei einer bekannten Öffnung unter viskosen Drosselströmungsbedingungen verwendet werden kann.
Es ist weiterhin bekannt, Gasströmungsraten mit einem Heißdraht-Anemometer zu messen. In einem Heißdraht-Anemometer wird das Gas typischerweise über einen einzigen erhitzten Draht geleitet, wodurch die Temperatur des Drahtes verringert wird. Die Änderung des Widerstandes des erhitzten Drahtes wird bestimmt und zu der Strömungsrate des Gases in Beziehung gesetzt. Eine weiterentwickelte Technik verwendet einen zweiten erhitzten Draht, der stromabwärts von dem ersten erhitzten Draht angeordnet ist. Das Gas wird durch das System geleitet, wodurch die Temperatur des stromaufwärts gelegenen Drahtes verringert und die Temperatur des stromabwärts gelegenen Drahtes vergrößert wird. Die Temperaturdifferenz wird dann als ein Ausgangssignal aufgezeichnet.
Was jedoch immer noch erwünscht ist, ist ein Massenstrom-Steuergerät, das eine neue und verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Massenstrom-Raten einschließt. Vorzugsweise verwendet die neue und verbesserte Vorrichtung bzw. das neue und verbesserte Verfahren ein Heißdraht-Anemometer, um die Massenstrom-Raten zu messen. Zusätzlich ist die neue und verbesserte Vorrichtung und das Verfahren vorzugsweise vom Material her mit dem gemessenen Gas kompatibel, wird nicht in nachteiliger Weise durch eine Wirbelablösung beeinflusst, ist unempfindlich gegenüber der Gasart und unempfindlich gegenüber Umgebungstemperatur-Änderungen. Weiterhin spricht die neue und verbesserte Vorrichtung bzw. das Verfahren sehr schnell auf Änderungen der Strömungsraten an und ist in der Lage, einen weiten Bereich von Strömungsraten zu messen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ergibt eine neue und verbesserte Massenstrom-Messvorrichtung, die einen durch eine rohrförmige Seitenwand definierten Strömungspfad, eine sich durch die Seitenwand in den Strömungspfad derart erstreckende Sonde, dass ein erster Teil der Sonde in dem Strömungspfad liegt und ein zweiter Teil der Sonde sich aus der Seitenwand heraus erstreckt, ein an der Sonde befestigtes Heizelement und eine Dichtung einschließt, die verhindert, dass das durch den Strömungspfad hindurchströmende Fluid mit dem Heizelement in Kontakt kommt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Dichtung zwischen der Seitenwand und der Sonde vorgesehen, und das Heizelement ist an dem zweiten Teil der Sonde befestigt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt ist die Sonde aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt.
Gemäß einem zusätzlichen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst das Heizelement ein erstes und ein zweites Heizelement, die an dem zweiten Teil der Sonde befestigt sind, wobei das zweite Heizelement weiter von der Seitenwand entfernt angeordnet ist, als das erste Heizelement.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst die Sonde erste und zweite Sonden, die sich durch die Seitenwand in den Strömungspfad hinein erstrecken, und das Heizelement umfasst ein erstes und ein zweites Heizelement, die jeweils an den ersten und zweiten Sonden befestigt sind. Gemäß einem Gesichtspunkt erstreckt sich eine der ersten und zweiten Sonden weiter in den Strömungspfad, als die andere der ersten und zweiten Sonden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst der Strömungspfad erste und zweite parallele Strömungspfade, denen ein einziger Einlass gemeinsam ist, wobei der zweite Strömungspfad durch eine Endwand verschlossen ist und die Sonde eine erste Sonde, die sich in den ersten Strömungspfad erstreckt, und eine zweite Sonde, die sich in den zweiten Strömungspfad erstreckt, umfasst, wobei das Heizelement ein erstes Heizelement, das auf der ersten Sonde angeordnet ist, und ein zweites Heizelement umfasst, das auf der zweiten Sonde angeordnet ist, und wobei die Dichtung eine erste Dichtung, die verhindert, dass ein durch den ersten Strömungspfad strömendes Fluid mit dem ersten Heizelement in Kontakt kommt, und eine zweite Dichtung umfasst, die verhindert, dass ein durch den zweiten Strömungspfad strömendes Fluid mit dem zweiten Heizelement in Kontakt kommt.
Gemäß einem zusätzlichen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung schließt der Strömungspfad einen verengten Abschnitt ein, und die Sonde erstreckt sich in den verengten Abschnitt des Strömungspfades.
Gemäß weiterer Gesichtspunkte und Vorteile ist die Massenstrom-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung vom Material her mit dem gemessenen Gas kompatibel, sie wird nicht in nachteiliger Weise durch Wirbelablösung beeinflusst, sie ist gegenüber der Gasart unempfindlich und sie ist gegenüber Umgebungstemperatur-Änderungen unempfindlich. Weiterhin spricht die neue und verbesserte Massenstrom-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr schnell auf Änderungen der Strömungsraten an und ist in der Lage, einen weiten Bereich von Strömungsraten zu messen.
Zusätzliche Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, in der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben sind, und zwar lediglich zur Erläuterung der besten Ausführungsformen, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden. Wie dies zu erkennen ist, kann die vorliegende Erfindung in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen ausgebildet werden, und die verschiedenen Einzelheiten können in verschiedene offensichtlicher Hinsicht modifiziert werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Entsprechend sollen die Zeichnungen und die Beschreibung als erläuternd und nicht beschränkend angesehen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen Elemente, die die gleichen Bezugsziffern tragen, gleiche Elemente darstellen, und in denen:
1 eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Massenstrom-Messvorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
2 eine perspektivische Ansicht der Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 ist;
3 eine perspektivische Ansicht der Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 ist, wobei Teile der Sondengehäuse entfernt sind;
4 eine perspektivische Ansicht der Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 ist, wobei die gesamten Sondengehäuse entfernt sind;
5 eine perspektivische Ansicht der Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 ist, bei der die Sondengehäuse und die Sonden entfernt sind;
6 eine grafische Darstellung der Strömung gegenüber der Zeit für die Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 und eine Massenstrom-Messvorrichtung nach dem Stand der Technik ist, die zeigt, dass die Massenstrom-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr schnell auf Änderungen der Strömungsraten anspricht;
7 eine grafische Darstellung der Differenz-Leistung gegenüber der Strömung für die Massenstrom-Messvorrichtung nach 1 für Strömungen a-f ist, die zeigt, dass die Massenstrom-Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, einen weiten Bereich von Strömungsraten zu messen;
8 eine geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Massenstrom-Messvorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
9 eine geschnittene Seitenansicht eines zusätzlichen Ausführungsbeispiels einer Massenstrom-Messvorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
10 eine Draufsicht auf einen ersten Teil eines Ausführungsbeispiels eines Sondengehäuses ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
11 eine Seitenansicht des ersten Teils des Gehäuses nach 10 ist;
12 eine Endansicht des ersten Teils des Sondengehäuses nach 10 ist;
13 eine gegenüberliegende Endansicht des ersten Teils des Gehäuses nach 10 ist, wobei ein zweiter Teil des Gehäuses an dem ersten Teil angebracht dargestellt ist und eine Sonde sich aus dem Gehäuse heraus erstreckt;
14 eine perspektivische Ansicht des Gehäuses und der Sonde nach 13 ist;
15 eine gegenüberliegende Endansicht des Gehäuses und der Sonde nach 13 ist, die die Befestigung an einer rohrförmigen Seitenwand zeigt, die einen Strömungspfad derart bildet, dass sich die Sonde in den Strömungspfad erstreckt;
16 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des ersten Teils des Gehäuses und der Sonde nach 13 bei Befestigung an der rohrförmigen, den Strömungspfad bildenden Seitenwand derart ist, dass sich die Sonde in den Strömungspfad erstreckt, wobei ein poröser Stopfen in den die Sonde umgebenden Strömungspfad eingesetzt ist;
17 eine Endansicht des Gehäuses, der Seitenwand und des Stopfens nach 16 ist.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Massenstrom-Messvorrichtung 10 gezeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Heißdraht-Anemometer-Physik zur Messung der Massenstrom-Raten verwendet. Die Massenstrom-Messvorrichtung 10 kann beispielsweise als Teil eines Massenstrom-Steuergerätes verwendet werden, um die Zuführung von Prozess-Reaktionskomponenten in der Halbleiter-Fertigungsindustrie zu steuern. Die Massenstrom-Messvorrichtung 10 schließt allgemein einen Strömungspfad 12, der durch eine rohrförmige Seitenwand 14 begrenzt ist, und erste und zweite Sonden 16, 18 ein, die sich durch die Seitenwand 14 in den Strömungspfad 12 erstrecken, so dass erste Abschnitte 16a, 18a der Sonden 16, 18 in dem Strömungspfad 12 liegen und zweite Abschnitte 16b, 18b der Sonden 16, 18 sich aus der Seitenwand heraus erstrecken. Die Vorrichtung 10 schließt weiterhin erste und zweite Heizelemente 20, 22, die jeweils an den ersten bzw. zweiten Sonden 16, 18 befestigt sind, sowie Dichtungen 24, 26 ein, die verhindern, dass ein Fluid oder Strömungsmittel, das durch den Strömungspfad 12 strömt, mit den Heizelementen 20, 22 in Kontakt kommt.
Die Sonden 16, 18 sind vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das mit der Art des Gases kompatibel ist, das durch den Strömungspfad 12 strömt, und die Dichtungen 24, 26 stellen sicher, dass die Heizelemente 20, 22 nicht in Kontakt mit dem Gas kommen und daher nicht von ihrem Material her mit dem Gas kompatibel sein müssen. Wenn die Vorrichtung 10 in der Halbleiter-Fertigungsindustrie verwendet werden soll, so bestehen die Sonden 16, 18 vorzugsweise entweder aus Aluminium oder Edelstahl.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die Dichtungen 24, 26 zwischen der Seitenwand 14 und den Sonden 16, 18 angeordnet, und die Heizelemente 20, 22 sind an den zweiten Abschnitten 16b, 18b der Sonden 16, 18 befestigt. Die Dichtungen umfassen beispielsweise Verschweissungen 24, 26 zwischen den Sonden 16, 18 und der Seitenwand 14. Alternativ können die Heizelemente 20, 22 an den ersten Abschnitten 16a, 18b der Sonden 16, 18 befestigt und strömungsmitteldicht mit vom Material her kompatiblen Hülsen abgedeckt sein.
Die Sonden 16, 18 und die Heizelemente 20, 22 sind alle mit einem (nicht gezeigten) Steuergerät, wie z. B. einem Rechner-Prozessor verbunden, der die Temperaturen der Sonden 16, 18 überwacht, Energie an die Heizelemente 20, 22 liefert, damit die Sonden 16, 18 auf einer konstanten Temperatur bleiben, die Menge an Energie misst, die an die Heizelemente 20, 22 geliefert wird, und den Massenstrom durch den Strömungspfad 12 zumindest teilweise auf der Grundlage der Energie berechnet, die an die Heizelemente 20, 22 geliefert wird. Derartige Verfahren zur Berechnung des Massenstroms auf der Grundlage von zumindest teilweise der Energie, die an die Heizelemente 20, 22 geliefert wird, werden durch die Anemometer-Physik bestimmt, die für den Fachmann von Heißdraht-Anemometern bekannt ist und daher hier nicht beschrieben wird.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 erstreckt sich die erste Sonde 16 weiter in den Strömungspfad 12, als die zweite Sonde 18, so dass die zweite Sonde 18 zur Kompensation von Umgebungs- (Außen-) Temperatur-Änderungen verwendet werden kann, so dass die Vorrichtung 10 gegenüber Umgebungstemperatur-Änderungen unempfindlich ist. Wenn beispielsweise das Steuergerät misst, dass die an die ersten und zweiten Heizelemente 20, 22 gelieferten Energien nicht proportional zu dem Ausmaß sind, in dem sich die Sonden 16, 18 in den Strömungspfad 12 erstrecken, so ist das Steuergerät so programmiert, dass es die Temperaturänderung einer der Sonden 16, 18 als durch eine Änderung der Umgebungstemperatur verursacht betrachtet – nicht als eine Änderung der Strömung.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die ersten und zweiten Sonden 16, 18 an ungefähr der gleichen längsgerichteten Position in dem Strömungspfad 12 angeordnet. Zusätzlich ist die erste Sonde 16 seitlich gegenüberliegend zu der zweiten Sonde 18 in dem Strömungspfad 12 angeordnet. Diese Anordnung verhindert entsprechend, dass eine der Sonden 16, 18 in nachteiliger Weise durch eine Wirbelablösung beeinflusst wird, die von der anderen der Sonden 16, 18 stammt, beispielsweise dann, wenn die Sonden 16, 18 in hintereinander angeordnet wären.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Massenstrom-Messvorrichtung 10 nach 1. Die Vorrichtung 10 schließt Gehäuse 28, 30 für die Sonden 16, 18 und die Heizelemente 20, 22 ein, die an Außenoberflächen der Seitenwand 14 befestigt sind. In 3 sind Teile der Sondengehäuse 28, 30 entfernt dargestellt, während in 4 die gesamten Sondengehäuse entfernt dargestellt sind. In 5 sind die Sonden ebenfalls entfernt, um eine Öffnung 32 in Befestigungsmembranen 34 der Seitenwand 14 erkennbar zu machen.
Wie dies am besten in 1 zu erkennen ist, schließt der Strömungspfad 12 einen engen Abschnitt 36 ein, der durch die Membranen 34 begrenzt ist, und die Sonden 16, 18 erstrecken sich in den engen Abschnitt 36 des Strömungspfades 12. Der enge Abschnitt 36 ruft eine Vergrößerung der Gasgeschwindigkeit gegenüber den Sonden 16, 18 hervor, um auf diese Weise die Empfindlichkeit der Sonden 16, 18 gegenüber einer Strömung zu vergrößern.
6 ist eine grafische Darstellung der Strömung gegenüber der Zeit für die Massenstrom-Messvorrichtung 10 nach 1, Linie „B" und einer Massenstrom-Messvorrichtung nach dem Stand der Technik, Linie „A", was erkennen lässt, dass die Massenstrom-Messvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schneller auf Änderungen der Strömungsraten anspricht, als die Massenstrom-Messvorrichtung nach dem Stand der Technik. 7 ist eine grafische Darstellung der Differenz-Leistung gegenüber der Strömung für die Massenstrom-Messvorrichtung 10 nach 1 für unterschiedliche Strömungen a-f, die zeigt, dass die Massenstrom-Messvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, einen weiten Bereich von Strömungsraten zu messen.
Als Beispiel einer Anwendung der Massenstrom-Messvorrichtung 10 nach den 1-5 kann die Massenstrom-Messvorrichtung 10 in ein Massenstrom-Steuergerät (MFC) eingefügt werden. Wie dies bekannt ist, dient ein MFC zur Steuerung der Strömungsrate eines Gases von einer Quelle aus und kann beispielsweise in der Halbleiter-Fertigungsindustrie dazu verwendet werden, einen Prozess-Dampf an eine Prozess-Kammer zur Fertigung einer Halbleiter-Scheibe zuzuführen. Das MFC schließt allgemein ein Ventil zur Steuerung der Strömung durch den Strömungspfad der Massenstrom-Messvorrichtung 10 und ein Steuergerät ein, das so programmiert ist, dass es eine vorgegebene Soll-Strömungsrate von einem Benutzer empfängt, eine Anzeige der Ist-Strömung von der Massenstrom-Messvorrichtung 10 empfängt und das Ventil so betätigt, dass die Ist-Strömung vergrößert oder verkleinert wird, wenn die Ist-Strömungsrate nicht gleich der Soll-Strömungsrate ist.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Massenstrom-Messvorrichtung 50, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Massenstrom- Messvorrichtung 50 schließt einen Strömungspfad 52, der durch eine rohrförmige Seitenwand 54 begrenzt ist, und eine Sonde 56 ein, die sich durch die Seitenwand 54 hindurch in den Strömungspfad 52 erstreckt, so dass ein erster Abschnitt 56a der Sonde 56 in dem Strömungspfad 52 liegt und ein zweiter Abschnitt 56b der Sonde 56 sich aus der Seitenwand 54 heraus erstreckt. Die Vorrichtung 50 schließt weiterhin erste und zweite Heizelemente 58, 60 ein, die an dem zweiten Abschnitt 56b der Sonde 56 befestigt sind, und das zweite Heizelement 60 ist weiter entfernt von der Seitenwand 54 angeordnet, als das erste Heizelement 58. Die zwei Heizelemente 58, 60 ermöglichen es, dass die Vorrichtung gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur unempfindlich ist. Eine Dichtung 62 verhindert, dass durch den Strömungspfad 52 strömendes Fluid mit den Heizelementen 58, 50 in Kontakt kommt.
Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Massenstrom-Messvorrichtung 100, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in 9 gezeigt. Die Vorrichtung 100 schließt erste und zweite parallele Strömungspfade 102, 104 ein, die durch rohrförmige Seitenwände 106, 108 begrenzt sind, die einen einzigen Einlass 110 gemeinsam haben. Der zweite Strömungspfad ist durch eine Endwand 112 abgeschlossen. Eine erste Sonde 114 erstreckt sich in den ersten Strömungspfad 102, eine zweite Sonde 116 erstreckt sich in den zweiten Strömungspfad 104, ein erstes Heizelement 118 ist auf der ersten Sonde 114 angeordnet, und ein zweites Heizelement 120 ist auf der zweiten Sonde 116 angeordnet. Die Vorrichtung 100 schließt weiterhin eine erste Dichtung 122, die verhindert, dass ein durch den ersten Strömungspfad 102 strömendes Fluid mit dem ersten Heizelement 118 in Kontakt kommt, und eine zweite Dichtung 124 ein, die verhindert, dass durch den zweiten Strömungspfad 104 strömendes Fluid mit dem zweiten Heizelement 120 in Kontakt kommt.
Weil der zweite Strömungspfad 104 durch die Endwand 112 abgeschlossen ist, ist die Strömung durch den zweiten Strömungspfad 104 immer gleich Null. Somit ändert sich die Temperatur der zweiten Sonde 116 nur dann, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, oder wenn die Art des Gases, das durch die Öffnung 100 strömt, geändert wird. Somit wurde festgestellt, dass die Ausführungsform nach 9 gegenüber Umgebungstemperatur-Änderungen und der Art des Gases unempfindlich ist, das durch die Vorrichtung 100 strömt.
15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Massenstrom-Messvorrichtung 200, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Massenstrom-Messvorrichtung 200 schließt einen Strömungspfad 202, der durch eine rohrförmige Seitenwand 204 begrenzt ist, und eine Sonde 206 ein, die sich durch die Seitenwand 204 in den Strömungspfad 202 hinein erstreckt, so dass ein erster Abschnitt 206a der Sonde 206 in dem Strömungspfad 202 liegt und ein zweiter Abschnitt 206b der Sonde 206 sich aus der Seitenwand 204 heraus erstreckt. Die Vorrichtung schließt weiterhin erste und zweite Heizelemente 208, 210 ein, die an dem zweiten Abschnitt 206b der Sonde 206 befestigt sind, wobei das zweite Heizelement 210 weiter von der Seitenwand 204 entfernt angeordnet ist, als das erste Heizelement. Die zwei Heizelemente 208, 210 ermöglichen es, dass die Vorrichtung gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur unempfindlich ist. Eine (nicht sichtbare) Dichtung verhindert, dass durch den Strömungspfad 202 strömendes Fluid mit den Heizelementen 208, 200 in Kontakt kommt. Der Strömungspfad 202 schließt einen engen Abschnitt 216 ein, und die Sonde 206 erstreckt sich in den engen Abschnitt 216 des Strömungspfades 202. Der enge Abschnitt 216 bewirkt eine Vergrößerung der Geschwindigkeit des Gases über der Sonde 206, wodurch die Empfindlichkeit der Sonde 206 gegenüber der Strömung vergrößert wird.
Die Vorrichtung 200 nach 15 schließt weiterhin ein Gehäuse 220 für die Sonde 206 und die Heizelemente 208, 210 ein, das an den Außenoberflächen der Seitenwand 204 befestigt ist. Die 13-14 zeigen das Gehäuse 220 und die Sonde 206. Das Gehäuse 220 schließt einen ersten Abschnitt 222 und einen zweiten Abschnitt 224 ein, die mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel, wie z. B. (nicht gezeigter) Schrauben aneinander befestigt sind. Der erste Abschnitt 222, der auch in den 10-12 gezeigt ist, schließt einen Körper 226 ein, der sich von einer Befestigungsplatte 228 aus erstreckt, die eine Öffnung 230 für die Sonde 206 bildet. Die Befestigungsplatte 228 schließt Öffnungen 232 zur Aufnahme geeigneter Befestigungsmittel, wie z. B. von Schrauben 234, zur Befestigung des ersten Abschnittes 222 des Gehäuses 220 an der Seitenwand 204 des Strömungspfades 202 ein, wie dies in 15 gezeigt ist (die Seitenwand 204 schließt Gewindebohrungen 236 zur Aufnahme der Schrauben ein). Der Körper 226 schließt weiterhin Öffnungen 234 zur Aufnahme der Befestigungsmittel zur Befestigung des zweiten Abschnittes 224 an dem ersten Abschnitt 222 des Gehäuses 220 ein, wie dies in den 13-15 gezeigt ist.
Die 16-17 zeigen die Vorrichtung nach 15, schließen jedoch weiterhin einen Stopfen 240 aus porösem Material ein, der in den Strömungspfad 202 eingesetzt ist, der die Sonde 206 umgibt. Der Stopfen 240, der dazu beiträgt, die Strömung um die Sonde 206 herum aufzubrechen, besteht aus einem Material, das mit dem durch den Strömungspfad strömenden Gas kompatibel ist, und er schließt durchgehende Poren oder Kanäle ein, die groß genug sind, um den Durchgang des Gases zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Stopfen 240 aus Aluminium oder Edelstahl hergestellt.
Somit wurden neue und verbesserte Massenstrom-Messvorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Insbesondere ergibt die vorliegende Erfindung eine neue und verbesserte und dennoch einfache und effektive Anordnung einer Massenstrom-Messvorrichtung und eines Verfahrens. Die in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiele wurden lediglich zu Erläuterungszwecken angegeben und stellen keine Beschränkung dar, und verschiedene Modifikationen, Kombinationen und ein Austausch kann von dem Fachmann durchgeführt werden, ohne von dem Grundgedanken oder Schutzumfang der Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist. Die Massenstrom-Messvorrichtungen und die Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben wurden, und alle Elemente hiervon, sind in dem Schutzumfang zumindest eines der folgenden Ansprüche enthalten. Es sollen keine Elemente der vorstehend beschriebenen Messvorrichtungen und Verfahren ausgeschlossen sein.
Zusammenfassung:
Massenstrom-Messvorrichtung, die einen durch eine rohrförmige Seitenwand begrenzten Strömungspfad, eine sich durch die Seitenwand hindurch in den Strömungspfad erstreckende Sonde derart, dass ein erster Abschnitt der Sonde in dem Strömungspfad liegt und ein zweiter Abschnitt der Sonde sich aus der Seitenwand heraus erstreckt, ein Heizelement, das an der Sonde befestigt ist, und eine Dichtung einschließt, die verhindert, dass durch den Strömungspfad strömendes Fluid mit dem Heizelement in Kontakt kommt.

Claims

Massenstrom-Messvorrichtung mit: einem Strömungspfad, der durch eine rohrförmige Seitenwand begrenzt ist; einer Sonde, die sich durch die Seitenwand hindurch in den Strömungspfad erstreckt, so dass ein erster Abschnitt der Sonde in dem Strömungspfad liegt und ein zweiter Abschnitt der Sonde sich aus der Seitenwand heraus erstreckt; ein Heizelement, das an der Sonde befestigt ist; und eine Dichtung, die verhindert, dass ein durch den Strömungspfad strömendes Fluid mit dem Heizelement in Kontakt kommt.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dichtung zwischen der Seitenwand und der Sonde angeordnet ist und das Heizelement an dem zweiten Abschnitt der Sonde befestigt ist.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sonde aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt ist.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Heizelement ein erstes und ein zweites Heizelement umfasst, die an dem zweiten Abschnitt der Sonde befestigt sind, wobei das zweite Heizelement weiter entfernt von der Seitenwand angeordnet ist, als das erste Heizelement.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sonde erste und zweite Sonden umfasst, die sich durch die Seitenwand hindurch in den Strömungspfad erstrecken, und bei der das Heizelement ein erstes und ein zweites Heizelement umfasst, die an der ersten bzw. zweiten Sonde befestigt sind.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 5, bei der sich eine der ersten und zweiten Sonden weiter in den Strömungspfad hinein erstreckt, als die andere der ersten und zweiten Sonden.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die ersten und zweiten Sonden an im Wesentlichen der gleichen Längsposition in dem Strömungspfad angeordnet sind.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erste Sonde seitlich gegenüberliegend zu der zweiten Sonde in dem Strömungspfad angeordnet ist.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der: der Strömungspfad erste und zweite parallele Strömungspfade umfasst, denen ein einziger Einlass gemeinsam ist und wobei der zweite Strömungspfad durch eine Endwand verschlossen ist; die Sonde eine erste sich in den ersten Strömungspfad erstreckende Sonde und eine zweite sich in den zweiten Strömungspfad erstreckende Sonde umfasst; das Heizelement ein erstes auf der ersten Sonde angeordnetes Heizelement und ein zweites auf der zweiten Sonde angeordnetes Heizelement umfasst; und die Dichtung eine erste Dichtung, die verhindert, dass durch den ersten Strömungspfad strömendes Fluid mit dem ersten Heizelement in Kontakt kommt, und eine zweite Dichtung umfasst, die verhindert, dass durch den zweiten Strömungspfad strömendes Fluid mit dem zweiten Heizelement in Kontakt kommt.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Dichtungen zwischen den Seitenwänden und den Sonden vorgesehen sind und die Heizelemente an den zweiten Abschnitten der Sonden befestigt sind.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strömungspfad einen verengten Abschnitt einschließt und die Sonde sich in den verengten Abschnitt des Strömungspfades erstreckt.
Massenstrom-Steuergerät, das eine Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1 einschließt und weiterhin Folgendes einschließt: ein Ventil zur Steuerung des Massenstroms durch die Massenstrom-Messvorrichtung; und einen Prozessor, der mit der Massenstrom-Messvorrichtung und dem Ventil verbunden und so programmiert ist, dass er eine Soll-Strömungsrate empfängt, die Soll-Strömungsrate mit einer Ist-Strömungsrate vergleicht, die von der Massenstrom-Messvorrichtung gemessen wird, und wenn die Ist-Strömungsrate nicht gleich der Soll-Strömungsrate ist, das Ventil betätigt, bis die Ist-Strömungsrate gleich der Soll-Strömungsrate ist.
Verfahren zur Messung des Massenstroms, mit den folgenden Schritten: Umgrenzen eines Strömungspfades mit einer rohrförmigen Seitenwand; Erstrecken einer Sonde durch die Seitenwand hindurch und in den Strömungspfad hinein, so dass ein erster Abschnitt der Sonde in dem Strömungspfad liegt und ein zweiter Abschnitt der Sonde sich aus der Seitenwand heraus erstreckt; Überwachen einer Temperatur der Sonde; Befestigen eines Heizelementes an der Sonde; Liefern von Energie an das Heizelement, damit die Sonde auf einer konstanten Temperatur bleibt; Messen der an das Heizelement gelieferten Energiemenge; Berechnen des Massenstroms durch den Strömungspfad zumindest teilweise auf der Grundlage der an das Heizelement gelieferten Energie; und Bereitstellen einer Dichtung, die verhindert, dass ein durch den Strömungspfad strömendes Fluid mit dem Heizelement in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Dichtung zwischen der Seitenwand und der Sonde angeordnet wird und das Heizelement an dem zweiten Abschnitt der Sonde befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Heizelement ein erstes und ein zweites Heizelement umfasst, die an dem zweiten Abschnitt der Sonde befestigt sind, und bei dem das zweite Heizelement weiter von der Seitenwand entfernt angeordnet wird, als das erste Heizelement.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Sonde erste und zweite Sonden umfasst, die sich durch die Seitenwand hindurch in den Strömungspfad erstrecken, und bei dem das Heizelement ein erstes und ein zweites Heizelement umfasst, die jeweils an den ersten und den zweiten Sonden befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem sich eine der ersten und zweiten Sonden weiter in den Strömungspfad hinein erstreckt, als die andere der ersten und zweiten Sonden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die ersten und zweiten Sonden an ungefähr der gleichen Längsposition in dem Strömungspfad angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: der Strömungspfad erste und zweite Strömungspfade umfasst, denen ein einziger Einlass gemeinsam ist, wobei der zweite Strömungspfad durch eine Endwand verschlossen ist; die Sonde eine erste sich in den ersten Strömungspfad erstreckende Sonde und eine zweite sich in den zweiten Strömungspfad erstreckende Sonde umfasst; das Heizelement ein erstes Heizelement, das auf der ersten Sonde angeordnet ist, und ein zweites Heizelement umfasst, das auf der zweiten Sonde angeordnet ist; und die Dichtung eine erste Dichtung, die verhindert, dass ein durch den ersten Strömungspfad fließendes Fluid mit dem ersten Heizelement in Kontakt kommt, und eine zweite Dichtung umfasst, die verhindert, dass ein durch den zweiten Strömungspfad strömendes Fluid mit dem zweiten Heizelement in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Strömungspfad mit einem verengten Abschnitt ausgebildet ist und die Sonde sich in den verengten Abschnitt des Strömungspfades hinein erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Sonde aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Stopfen aus Material, das für das zu messende Fluid porös ist, in dem Strömungspfad angeordnet ist und dass sich die Sonde in das poröse Material erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Stopfen aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt ist.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin einen Stopfen aus einem für das gemessene Fluid porösen Material umfasst, der in dem Strömungspfad angeordnet ist, wobei sich die Sonde in das poröse Material erstreckt.
Massenstrom-Messvorrichtung nach Anspruch 24, bei dem der Stopfen aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt ist.