DE112006000368B4 - Massenstrom-Prüfeinrichtung mit Durchflussbegrenzer - Google Patents

Massenstrom-Prüfeinrichtung mit Durchflussbegrenzer Download PDF

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Abstract

Strömungs-Prüfeinrichtung zur Überprüfung einer Messung einer Strömungsrate eines Strömungsmittels durch eine Vorrichtung, wobei die Strömungs-Prüfeinrichtung Folgendes umfasst: einen Behälter, der zum Empfang einer Strömung des Strömungsmittels von der Vorrichtung konfiguriert ist; einen Drucksensor, der zur Messung des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters konfiguriert ist; einen Durchflussbegrenzer, der entlang eines Strömungspfades des Strömungsmittels von der Vorrichtung zu dem Behälter angeordnet ist, wobei der Durchflussbegrenzer benachbart zu und stromaufwärts von dem Behälter angeordnet ist; ein Auslassventil, das zur Regelung der Strömung des Strömungsmittels aus einem Auslass des Behälters heraus konfiguriert ist; einen Temperatur-Sensor, der zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters konfiguriert ist; und eine Steuerung, die zur Steuerung des Auslassventils konfiguriert ist; wobei der Durchflussbegrenzer so konfiguriert ist, dass er die Strömung des Strömungsmittels entlang des Strömungspfades derart drosselt, dass eine Stoßwelle in dem Strömungspfad induziert wird, und er weiterhin so konfiguriert ist, dass er die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrecht erhält, die ausreicht, um die Strömungsraten-Prüfung im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einem Element stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer zu machen; wobei die Steuerung weiterhin so konfiguriert ist, dass sie die Messung der Strömungsrate des Strömungsmittels durch die Vorrichtung durch Messen einer Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters während der Zeitperiode nach Schließen des Auslassventils prüft, und die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit verwendet, um die Strömungsrate des Strömungsmittels von der Vorrichtung zu berechnen; und ...

Description

  • HINTERGRUND
  • US 2004/0 261 492 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur In-Situ-Verifizierung und Kalibrierung von Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen, welches eine erste physikalische Netzwerk-Schicht einschließt, die die Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen mit einer Massenfluss-Verifizierungseinrichtung verbindet. Eine Steuerung der Massenfluss-Verifizierungseinrichtung ist so programmiert, dass sie mit jeder Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtung über die erste physikalische Netzwerk-Schicht kommuniziert, gasspezifische Informationen und eine Übertragungsfunktion von jeder der Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen empfängt und den Massenfluss jeder Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtung verifiziert. Die Steuerung der Massenfluss-Verifizierungseinrichtung ist weiterhin so programmiert, dass sie mit jeder der Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen über die erste physikalische Netzwerk-Schicht kommuniziert und erforderlichenfalls die Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen kalibriert. Die Verifizierung und Kalibrierung der Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen wird vorzugsweise auf der Grundlage eines einzigen Befehls ausgeführt, der von einer Werkzeug-Steuerung geliefert wird, die mit einer zweiten physikalischen Netzwerk-Schicht verbunden ist, die mit den Massenfluss-Steuer- und Regeleinrichtungen verbunden ist.
  • WO 2004/027 354 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Massenstromsensors. Um für das Kalibrieren von Massenstromsensoren gut reproduzierbare Strömungsverhältnisse zu erzielen wird eine Drosseleinrichtung überkritisch betrieben, so dass im engsten Querschnitt mindestens Schallgeschwindigkeit vorliegt. Hierdurch wird eine weitgehende Unabhängigkeit von saugseitigen Druckschwankungen erzielt.
  • US 5 299 447 A beschreibt ein Luftstrom-Verteilersystem für eine Produktionslinienkalibrierstation. Das Luftstrom-Verteilersystem weist einen Verbindungsverteiler auf, mit der es mit der Produktionslinienkalibrierstation verbunden ist, eine Vakuumquelle, einen ersten Verteiler und einen zweiten Verteiler. Der erste und zweite Verteiler verbinden den Verbindungsverteiler mit einer Vakuumquelle. Der erste und zweite Verteiler weisen jeweils ein Absperrventil und eine Schalldüse zur Steuerung der Luftmassenströmung dort hindurch auf. Der Luftmassenstrom durch die erste und zweite Schalldüse ist gewählt, einen optimalen Wert für die durch die Kalibrierungsstation durchgeführte Kalibrierungen aufzuweisen. Eine elektrische Steuerung aktiviert der Reihe nach die ersten und zweiten Ventile zur sequentiellen Versorgung der vorgegebenen Luftmassendurchflussraten durch die Kalibrierungsstation. Druck- und Temperatursensoren stromaufwärts der Schalldüsen angeordnet ermöglichen eine genaue Bestimmung der Luftmassendurchflussraten durch die Schalldüsen.
  • US 4 823 591 A beschreibt eine Testvorrichtung zur Ermittlung des Schadstoffgehaltes einer Abgasquelle, bei der ein Teil des Abgases unter Verwendung von reiner trockner Luft, die in der Nähe des Probenentnahmepunktes zugeführt wird, wahlweise verdünnt wird. Eine im Schallbereich arbeitende Venturi-Einheit dient zur Erzeugung eines konstanten Massenstromes des Abgassystems der sich im Test befindlichen Brennkraftmaschine, während eine im Unterschallbereich arbeitende Venturi-Einheit den Durchsatz der Verdünnungsluft überwacht. Beide Venturi-Einheiten erzeugen Durchsatzsignale, die abgezogen werden, um den Durchsatz des Abgases zu ermitteln.
  • US 5 684 245 A beschreibt eine Vorrichtung zur Massenstrommessung eines Gases in einem Gaszufuhrsystem. Die Vorrichtung ist angepasst mit einer Gasquelle verbunden zu werden. Die Vorrichtung umfasst eine Festvolumenkammer in Fluidverbindung mit der Gasquelle. Eine Strömungssteuerungsvorrichtung kann verwendet werden, um den Fluss des Gases in die Kammer zu steuern. Eine Wandler-Anordnung umfasst, in Kombination, einen Druckwandler in Fluidverbindung mit der Kammer und ein Signalmodifikationsnetzwerk, das dem Druckwandler zugeordnet ist. Der Druckwandler ermöglicht die Messung des Drucks des Gases in der Kammer und stellt ein erstes elektrisches Signal bereit, das repräsentativ ist für den Druck des bekannten Volumens des Gases. Das Signalmodifikationsnetzwerk modifiziert das erste Signal, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das proportional zu PV/RT ist und somit die Anzahl von Molen des Gases in der Kammer unmittelbar repräsentiert.
  • Eine Anzahl von eine hohe Präzision aufweisenden Mess-Systemen kann bei der Materialbehandlung nützlich sein. Diese eine hohe Präzision aufweisenden Mess-Systeme können ohne Beschränkung hierauf Massenstrom-Steuerungen (MFCs) und Massenstrom-Messvorrichtungen (MFMs) einschließen.
  • Es kann wünschenswert und in manchen Fällen erforderlich sein, die Genauigkeit einer MFC oder einer MFM zu testen oder zu überprüfen. Eine Möglichkeit zur Überprüfung der Genauigkeit einer MFC oder MFM besteht in der Verwendung einer Anstiegsgeschwindigkeits-(ROR-)Strömungs-Prüfeinrichtung. Eine typische ROR-Strömungs-Prüfeinrichtung kann ein Volumen, einen Druckwandler und zwei Absperrventile, eines stromaufwärts und eines stromabwärts, einschließen. Die Ventile können im Ruhezustand geschlossen sein, und sie können offensein, wenn ein Prüflauf eingeleitet wird, wodurch die Strömung des Strömungsmittels von der MFC (oder MFM) durch die Massenstrom-Prüfeinrichtung ermöglicht wird. Sobald sich die Strömungsmittel-Strömung stabilisiert hat, kann das stromabwärts gelegene Ventil geschlossen werden, und als Ergebnis kann der Druck in dem Volumen anzusteigen beginnen. Der Druckwandler kann den Druckanstieg messen. Diese Messung kann zur Berechnung der Strömungsrate verwendet werden, wodurch das Betriebsverhalten der ROR-Strömungs-Prüfeinrichtung verifiziert wird.
  • In manchen Fällen können sich Messfehler aus der Verbindung des Strömungspfades zwischen der MFC und der ROR-Strömungs-Prüfeinrichtung mit Volumina ergeben, wie zum Beispiel externen Rohrleitungen, die sich stromaufwärts von der ROR-Strömungs-Prüfeinrichtung befinden. Während Strömungsmittel von der MFC (oder MFM) von der MFC entlang des Strömungspfades durch die Rohrleitungen oder andere Arten von Anschluss-Volumina strömt, kann der resultierende Druckabfall Ungenauigkeiten in den Druckmessungen durch den Druckwandler hervorrufen.
  • Aus diesen Gründen besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren, das in effektiver Weise verhindern kann, dass Rohrleitungen oder andere Elemente, die sich stromaufwärts von der Massenstrom-Prüfeinrichtung befinden, die Genauigkeit des Strömungs-Prüfprozesses beeinflussen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Strömungs-Prüfeinrichtung zur Überprüfung der Messung einer Strömungsrate eines Strömungsmittels durch eine Vorrichtung schließt einen Behälter, der zur Aufnahme einer Strömung des Strömungsmittels von der Vorrichtung konfiguriert ist, und einen Drucksensor ein, der zur Messung des Druckes des Strömungsmittels in dem Behälter konfiguriert ist. Ein Durchflussbegrenzer oder eine Drossel ist benachbart zu und stromaufwärts von dem Behälter entlang eines Strömungspfades des Strömungsmittels von der Vorrichtung durch den Einlass in den Behälter angeordnet. Die Strömungs-Prüfeinrichtung umfasst ferner ein Auslassventil, das zur Regelung der Strömung des Strömungsmittels aus einem Auslass des Behälters heraus konfiguriert ist, einen Temperatur-Sensor, der zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters konfiguriert ist und eine Steuerung, die zur Steuerung des Auslassventils konfiguriert ist.
  • Der Durchflussbegrenzer ist so konfiguriert, dass er die Strömung des Strömungsmittels entlang des Strömungspfades begrenzt, so dass eine Stoßwelle in dem Strömungspfad induziert wird. Der Durchflussbegrenzer ist weiterhin so konfiguriert, dass er die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrecht erhält, die ausreicht, um die Überprüfung im Wesentlich unempfindlich gegenüber einem Element zu machen, das sich stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer befindet.
  • Die Steuerung ist weiterhin so konfiguriert, dass sie die Messung der Strömungsrate des Strömungsmittels durch die Vorrichtung durch Messen einer Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters während der Zeitperiode nach Schließen des Auslassventils prüft, und die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit verwendet, um die Strömungsrate des Strömungsmittels von der Vorrichtung zu berechnen.
  • Die Zeitperiode ist durch die folgende Gleichung gegeben: t = (V/At)[(γ + 1)/c] – (Pi/PSTP)(V TSTP/QT) worin
    • t
    die Zeitperiode ist;
    V
    ein Volumen des Behälters ist;
    c
    die Schallgeschwindigkeit gerade stromaufwärts einer Stoßwellen-Front der Stoßwelle ist;
    At
    eine Querschnittsfläche des Durchflussbegrenzers ist;
    γ
    ein Verhältnis spezifischer Wärmekapazitäten eines Gases ist;
    Pi
    ein Anfangsdruck in dem Behälter zu Beginn der Zeitperiode ist;
    PSTP
    ein Standard-Druck ist;
    TSTP
    eine Standard-Temperatur ist;
    Q
    eine volumetrische Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter ist; und
    T
    die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters ist.
  • Es wird eine Vorrichtung beschrieben, die dazu dient, zu verhindern, dass ein externes Element die Überprüfung der Messung der Strömungsrate durch eine Vorrichtung hindurch durch eine Massenstrom-Prüfeinrichtung beeinflusst. Das externe Element befindet sich stromaufwärts von der Massenstrom-Prüfeinrichtung. Die Vorrichtung schließt einen Durchflussbegrenzer ein, der benachbart zu und stromaufwärts von der Massenstrom-Prüfeinrichtung entlang eines Strömungspfades des Strömungsmittels von der Vorrichtung in die Massenstrom-Prüfeinrichtung angeordnet ist. Der Durchflussbegrenzer ist so konfiguriert, dass er die Strömung des Strömungsmittels entlang des Strömungspfades begrenzt, so dass eine Stoßwelle in dem Strömungspfad induziert wird. Der Durchflussbegrenzer ist weiterhin so konfiguriert, dass er die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrechterhält, die ausreicht, um die Überprüfung im Wesentlichen gegenüber dem stromaufwärts gelegenen externen Element unempfindlich zumachen.
  • Ein Verfahren zur Überprüfung der Messung einer Strömungsrate eines Strömungsmittels durch eine Vorrichtung schließt das Bewirken einer Strömung des Strömungsmittels von der Vorrichtung in einen Behälter entlang eines Strömungspfades, während ein Auslassventil des Behälters offen gehalten wird, und das Ermöglichen ein, dass eine Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter und ein Druck des Strömungsmittels in den Behälter einen stabilen Zustand erreicht. Das Verfahren schließt das Schließen eines Auslassventils des Behälters derart ein, dass der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter anzusteigen beginnt. Das Verfahren schließt weiterhin die Drosselung der Strömung des Strömungsmittels derart ein, dass eine Stoßwelle an einer Stelle entlang des Strömungspfades benachbart zu und gerade stromaufwärts von dem Behälter induziert wird. Die Stoßwelle wird dadurch induziert, dass bewirkt wird, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels den Überschallbereich zwischen einem Element stromaufwärts der Stelle und des Behälters erreicht. Die Stoßwelle wird für eine Zeitperiode aufrecht erhalten, während der die Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels in dem Behälter gemessen wird, und die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes wird zur Berechnung der Strömungsrate des Strömungsmittels verwendet. Das Verfahren schließt das Messen der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters ein.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Blockdarstellung eines Gaszufuhr-Systems, das eine Anstiegsgeschwindigkeits-(ROR-)Massenstrom-Prüfeinrichtung einschließt, die einen einstellbaren Durchflussbegrenzer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • 2A zeigt eine Kurve der maximalen Mach-Zahl eines Strömungsmittels, dessen Strömungsrate überprüft wird.
  • 2B zeigt eine Kurve der entsprechenden Strömungsrate des Strömungsmittels bei den Mach-Zahlen, die in 2A gezeigt sind.
  • 3 zeigt eine Kurve des Druckprofils zu unterschiedlichen Zeiten während eines Überprüfungsprozesses durch die Massenstrom-Prüfeinrichtung gemäß 1.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der vorliegenden Beschreibung wird eine Massenstrom-Prüfeinrichtung beschrieben, die einen Durchflussbegrenzer einschließt, der effektiv irgendeinen Vorgang stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer von dem Massenstrom-Prüfprozess durch die Massenstrom-Prüfeinrichtung entkoppelt.
  • 1 ist ein Blockschaltbild einer Massenstrom-Prüfeinrichtung (MFV) 100, die einen Durchflussbegrenzer 120 einschließt, und die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie dies nachfolgend beschrieben wird, macht der Durchflussbegrenzer 120 die Massenstrom-Prüfung durch die MFV 100 im Wesentlichen gegenüber irgendwelchen externen Volumina und/oder externen Vorgängen stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer unempfindlich.
  • Die MFV 100 schließt ein eingeschlossenes Volumen odereinen Behälter 110 ein, der so konfiguriert ist, dass er eine Strömung eines Strömungsmittels von der zu testenden Einrichtung 130 an einem(nicht gezeigten) Einlass des Behälters 110 empfängt. Der Behälter 100 hat ein bekanntes Volumen V. Die Vorrichtung 130 ist typischerweise eine Massenstrom-Steuerung (MFC) oder eine Massenstrom-Messeinrichtung (MFM) die die Strömungsrate des Strömungsmittels messen. Ein stromabwärts gelegenes Auslassventil 140 regelt die Strömung des Strömungsmittels aus dem Behälter heraus. Ein (nicht gezeigtes) stromaufwärts gelegenes Einlassventil, das die Strömung des Strömungsmittels von der MFC 130 in das Gefäß 110 ein- und ausschaltet, kann wahlweise eingefügt werden, obwohl bei der dargestellten Ausführungsform der Durchflussbegrenzer 120 selbst als ein einstellbares Einlassventil wirkt. Die MFV 100 schließt weiterhin einen Drucksensor 115, der zur Messung des Druckes des Strömungsmittels in dem Behälter 110 konfiguriert ist, und einen Temperatursensor 125 ein, der zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters 110 konfiguriert ist.
  • Obwohl bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die von der MFV 100 zu prüfende Vorrichtung als eine einzige Massenstrom-Steuerung (MFC) 130 dargestellt ist, ist festzustellen, dass bei anderen Ausführungsformen eine Vielzahl von MFCs mit der MFV 100 verbunden und durch diese geprüft werden kann. Die Anzahl von MFCs kann mit der MFV 100 beispielsweise über eine Gasverzweigung verbunden sein, wie dies in der „120-Anmeldung” beschrieben ist, die durch diese Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, wie dies in dem vorstehenden ersten Absatz erläutert wurde.
  • Eine Steuerung 160 ist mit der MFV 100 verbunden. Die Steuerung 160 steuert die an Ort und Stelle erfolgende Überprüfung des Betriebsverhaltens der MFC 130 und steuert die Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils. Bei einer Ausführungsform der MFV 100 kann die Steuerung 160 eine „Anstiegsgeschwindigkeits”-Technik der Strömungs-Überprüfungs-Technik implementieren, bei der die Strömungsrate des Strömungsmittels dadurch bestimmt wird, dass das Strömen des Strömungsmittels in ein bekanntes Volumen bewirkt wird und der Druckanstieg gemessen wird, der während eines Zeitintervalls auftritt.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann die MFC 130, die geprüft wird, mit der MFV 100 verbunden werden. Im Ruhezustand wird die Strömung des Strömungsmittels von der MFV zu der MFC 130 gesperrt. Wenn ein Prüflauf der MFV 100 eingeleitet wird, werden das Einlassventil und das Auslassventil 140 geöffnet, so dass Strömungsmittel von der MFC 130 zu der MFV 100 strömt. Die MFC kann mit einem Strömungs-Sollwert versehen sein. Während einer Initialisierungs-Periode wird ermöglicht, dass die Strömungsmittel-Strömungsrate von der MFC 130 und der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter 110 einen stabilen oder eingeschwungenen Zustand erreichen.
  • Sobald der stabile Zustand erreicht ist, wird das Auslassventil 140 geschlossen, so dass der Druck des Strömungsmittels sich in dem Behälter 110 aufzubauen beginnt. Die Steuereinrichtung bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes (das heißt die Änderungsgeschwindigkeit oder die zeitliche Ableitung des Druckes) während einer Zeitperiode durch Empfangen von Druckmessungen von dem Drucksensor 115 in dem Behälter 110. Beispielsweise können Temperatur- und Druckmessungen in dem Behälter 110 zu vorgegebenen Zeitintervallen über die gesamte Zeitperiode hinwegaufgezeichnet werden. In einem Ausführungsbeispiel können die vorgegebenen Zeitintervalle jeweils 0,00025 Sekunden betragen, und die Gesamt-Zeitperiode kann von 0,1 Sekunden bis ungefähr 0,3 Sekunden reichen. Selbstverständlich können andere Zeitintervalle und Gesamt-Zeitperioden in anderen Ausführungsformen der MFV 100 verwendet werden. An dem Ende der Zeitperiode wird das Auslassventil 140 geöffnet, um die Strömung des Strömungsmittels aus dem Behälter 110 heraus in einen Auslass zu ermöglichen (wie zum Beispiel eine Vakuumpumpe oder andere Arten von Auslass oder Ausgang).
  • Die Anstiegsgeschwindigkeit oder zeitliche Ableitung des Strömungsmitteldruckes (dividiert durch die Strömungsmittel-Temperatur Δ(P/T)/Δt kann auf der Grundlage der Messungen der Temperatur und des Druckes innerhalb des bekannten Volumens des Behälters 110 berechnet werden. Auf der Grundlage der berechneten Anstiegsgeschwindigkeit Δ(P/T)/Δt kann dann die von der MFC 130 erzeugte Strömungsrate bestimmt und überprüft werden, so dass die MFC 130 in geeigneter Weise kalibriert werden kann.
  • Die Strömungsrate Q wird durch die Steuerung 160 unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt: Q = (VTSTP/PSTP)(Δ(P/T)/Δt)) worin V das vorgegebene Volumen des Behälters 110 ist, TSTP die Standard-Temperatur (0°C oder 273,15 K) ist, PSTP der Standard-Druck (1 atm oder 101,325 kPa) ist, und Δ(P/T)/Δt die zeitliche Ableitung des Behälter-Druckes dividiert durch die Behälter-Temperatur ist, die durch die Temperatur und Druckmessungen durch den Temperatursensor und den Drucksensor gewonnen wird.
  • Messfehler können sich aus externen Volumina ergeben, die sich zwischen der MFC und MFV befinden, wie zum Beispiel externe Rohrleitungen und andere Verbindungselemente. Das externe Volumen liegt typischerweise stromaufwärts von der MFV auf dem Strömungspfad des Strömungsmittels zwischen der MFC und MFV. Ein Beispiel für ein „externes Volumen” 135 ist in 1 zwischen der MFC und der Massenstrom-Überprüfungseinrichtung 100 gezeigt. Beispiele von externen Volumina schließen ohne Beschränkung hierauf externe Rohrleitungen, Blenden und andere Volumina ein. Wenn das Strömungsmittel von der MFC durch das externe Volumen 135 strömt, ergibt sich ein resultierender Druckabfall in dem externen Volumen stromaufwärts von der MFV 100. Dieser Druckabfall bewirkt, dass das strömende Strömungsmedium eine größere Dichte in dem stromaufwärts gelegenen externen Volumen hat, verglichen mit dem Strömungsmittel in dem Volumen-kalibrierten Behälter 110 der MFV 100. Die höhere Dichte in dem stromaufwärts gelegenen externen Volumen ruft Ungenauigkeiten bei der Druckmessung in der Volumen-kalibrierten Kammer 110 der Massenstrom-Prüfeinrichtung 100 hervor, wodurch ein Fehler in der Gasströmungsrate hervorgerufen wird, wie sie von der Massenstrom-Prüfeinrichtung festgestellt wird. Eine zeitraubende Einrichtungs-Kalibrierung kann erforderlich sein, um große externe Volumen zu berücksichtigen, wobei ausführliche und genaue Information über die stromaufwärts gelegenen Rohrverbindungen und deren Typ erforderlich sind.
  • Um die vorstehend beschriebenen Ungenauigkeiten, die durch externe Volumina, wie zum Beispiel die externen Rohrleitungen hervorgerufen werden, zu verhindern, ist ein Durchflussbegrenzer 120 gerade stromaufwärts von dem Behälter 110 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform macht der Durchflussbegrenzer 120 die Strömungsraten-Prüfung durch die MFV im Wesentlichen unempfindlich gegenüber irgendwelchen externen Volumina oder anderen Vorgängen stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer, in dem eine Stoßwelle in den Strömungspfad des Strömungsmittels induziert wird. Nachdem das Auslassventil geschlossen wurde, beginnt sich der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter aufzubauen. Der Durchflussbegrenzer hält die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrecht, die ausreicht, um den Überprüfungsprozess auszuführen.
  • Der Durchflussbegrenzer oder die Drossel kann irgendein Element sein, das bewirkt, dass die Massenstrom-Geschwindigkeit den Überschallbereich erreicht. Der Durchflussbegrenzer kann ohne Beschränkung hierauf ein Kapillarrohr, einen porösen Stopfen, eine Blende, eine Düse und ein einstellbares Ventil einschließen. Die Düse kann eine speziell für diesen Zweck ausgelegte Düse sein.
  • Der Durchflussbegrenzer kann Diffusions-Medien einschließen. Die Diffusions-Medien können einen Diffusions-Zeitkoeffizienten entlang einer axialen Länge der Medien haben, der erheblich größer als die Ansprechzeit des Drucksensors ist. Die Diffusions-Medien können alle Information über das stromaufwärts gelegene externe Volumen (beispielsweise Rohrleitungen) absperren.
  • In einer Ausführungsform kann der Durchflussbegrenzer ein einstellbarer Durchflussbegrenzer sein. Bei dieser Ausführungsform kann die Begrenzung der Strömung des Strömungsmittels auf der Grundlage von einem oder mehreren Faktoren eingestellt werden. Diese Faktoren können ohne Beschränkung hierauf die Strömungsrate des Strömungsmittels, das Molekulargewicht des Strömungsmittels und das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Strömungsmittels einschließen.
  • Der Durchflussbegrenzer induziert die Stoßwelle dadurch, dass bewirkt wird, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels den Überschallbereich zwischen dem Element stromaufwärts des Durchflussbegrenzers und dem Behälter erreicht. Wie dies weiter oben erläutert wurde, bleibt, solange wie die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels während der Zeitperiode im Überschallbereich gehalten wird, die Strömungsrate des Strömungsmittels in dem Behälter im Wesentlichen während der Zeitperiode konstant, in der die Strömungs-Überprüfung von der Steuerung ausgeführt wird.
  • Die Zeitperiode, die erforderlich ist, um eine Strömungs-Überprüfungs-Messung durchzuführen, das heißt zur Messung der Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes, und um hieraus die Strömungsmittel-Strömungsrate zu berechnen, kann dadurch gefunden werden, dass die vollen kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen über eine Stoßwelle integriert werden, und dies ist durch die folgende Gleichung gegeben: t = (V/At)[(γ + 1)/c] – (Pi/PSTP)(V TSTP/QT) worin
    • t
    die Zeitperiode ist;
    V
    das Volumen des Behälters ist;
    c
    die Schallgeschwindigkeit gerade stromaufwärts von der Stoßwellen-Front ist;
    At
    die Querschnittsfläche des Durchflussbegrenzers ist;
    γ
    das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Gases ist;
    Pi
    ein Anfangsdruck in dem Behälter zu Beginn der Zeitperiode ist;
    PSTP
    der Standard-Druck ist;
    TSTP
    die Standard-Temperatur ist;
    Q
    eine volumetrische Strömungsrate des Strömungsmittels in das Gefäß ist; und
    T
    die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters ist;
  • Die vorstehende Gleichung ist allgemein für irgendeine Art von externen Volumina oder Strömungselementen gültig, unter Einschluss von Kapillarrohren, Blenden, porösen Stopfen, einstellbaren Ventilen oder dergleichen, jedoch ohne Beschränkung hierauf.
  • Eine Stoßwelle tritt in den Strömungsmittel-Strömungspfad auf, wenn die thermodynamischen Variablen in einer Überschallströmung (v > c) einen Sprung aufweisen, und die Strömung lediglich über einige wenige mittlere freie Pfade zu einer Unterschall-Strömung wird. Wie dies in den 2A und 2B gezeigt ist, bleibt, solange die Strömung zwischen der MFV 100 und der stromaufwärts gelegenen Rohrleitung (oder einem anderen externen Volumen) keine Unterschall-Strömung ist, die Strömungsrate in die MFV 100 konstant.
  • 2A zeigt eine Kurve gegenüber der Zeit der maximalen Mach-Zahl eines Strömungsmediums, deren Strömungsrate unter Verwendung der MFV 100 geprüft wird, während 2B eine Kurve gegenüber der Zeit der entsprechenden Strömungsrate des Strömungsmittels bei dem in 2A gezeigten Mach-Zahlen zeigt. Beide Kurven ergeben sich aus vollständig dynamischen Strömungsmittel-Simulationen. Wie dies aus den 2A und 2B zu erkennen ist, bleibt, solange wie die maximale Mach-Zahl in dem Strömungselement größer als 1 ist, die Strömungsrate des Strömungsmittels in die MFV 100 konstant. Wenn die maximale Mach-Zahl kleiner als 1 wird, wie dies in beiden Kurven unter Verwendung der Bezugsziffer 200 angezeigt ist, so beginnt die Strömungsrate des Strömungsmittels in die MFV abzusinken. Die Größe der Zeit, die zur Durchführung einer Strömungs-Überprüfungs-Messung zur Verfügung steht, ergibt sich durch das Zeitintervall, das in 2B mit der Bezugsziffer 220 bezeichnet ist.
  • 3 ist eine Kurve des Druckprofils als eine Funktion einer Raum-Koordinate x zu unterschiedlichen Zeiten während eines Kalibrier- oder Prüfprozesses durch die MFV gemäß 1. Die Raum-Koordinate x beschreibt die räumlichen Abmessungen des stromaufwärts gelegenen externen Volumens 135, des Durchflussbegrenzers 120 beziehungsweise des Behälters 110. Eine Stoßwellen-Front, die dort beginnt, wo die Mach-Zahl des Strömungsmittels größer als 1 ist, ist so dargestellt, dass sie bei x = 0,1 m liegt. Wie dies in 3 zu erkennen ist, ist während des Zeitintervalls 0 < t < t*, das in 3 mit der Bezugsziffer 310 bezeichnet ist, die MFV 100 gegenüber stromaufwärts gelegenen externen Volumina unempfindlich. Daher wird der Strömungs-Prüflauf während dieses Zeitintervalls ausgeführt. Wie dies in 3 zu erkennen ist, ist, wenn t > t* ist (in 3 mit der Bezugsziffer 320 bezeichnet) die MFV gegenüber stromaufwärts gelegenen externen Elementen empfindlich, wodurch Ungenauigkeiten eingeführt werden. Die Verwendung des vorstehend beschriebenen Durchflussbegrenzers verhindert derartige Ungenauigkeiten, wenn die Strömungs-Überprüfungs-Messung während des Zeitintervalls 0 < t < t* durchgeführt wird.
  • Im Betrieb wird das Verfahren zur Prüfung der Strömungsmittel-Strömungsraten-Messungen durch die MFCs oder MFMs verwendet. Wenn ein Prüflauf eingeleitet wird, wird bewirkt, dass das Strömungsmittel entlang eines Strömungspfades von der MFC in einen Behälter einer MFV strömt, während ein Auslassventil des Behälters offen gehalten wird. Während einer Initialisierungsperiode wird ermöglicht, dass die Strömungsrate des Strömungsmittels, das in den Behälter strömt, und der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter einen stabilen oder eingeschwungenen Zustand erreichen. Das Auslassventil des Behälters wird dann geschlossen, so dass der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter anzusteigen beginnt. An einer Stelle entlang des Strömungspfades benachbart zu und gerade stromaufwärts von dem Behälter wird ein Durchflussbegrenzer dazu verwendet, die Strömungsmittel-Strömung zu begrenzen, so dass eine Stoßwelle induziert wird. Der Durchflussbegrenzer induziert die Stoßwelle dadurch, dass bewirkt wird, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels zwischen der stromaufwärts gelegenen Rohrleitung (oder irgendeinem anderen externen Volumen) und dem Behälter eine Überschallgeschwindigkeit wird. Der Durchflussbegrenzer hält die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrecht, die ausreicht, um den Anstiegs-Strömungs-Prüfprozess durchzuführen. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters wird während der Zeitperiode gemessen. Die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes wird zur Berechnung der Strömungsrate des Strömungsmittels verwendet.

Claims (10)

  1. Strömungs-Prüfeinrichtung zur Überprüfung einer Messung einer Strömungsrate eines Strömungsmittels durch eine Vorrichtung, wobei die Strömungs-Prüfeinrichtung Folgendes umfasst: einen Behälter, der zum Empfang einer Strömung des Strömungsmittels von der Vorrichtung konfiguriert ist; einen Drucksensor, der zur Messung des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters konfiguriert ist; einen Durchflussbegrenzer, der entlang eines Strömungspfades des Strömungsmittels von der Vorrichtung zu dem Behälter angeordnet ist, wobei der Durchflussbegrenzer benachbart zu und stromaufwärts von dem Behälter angeordnet ist; ein Auslassventil, das zur Regelung der Strömung des Strömungsmittels aus einem Auslass des Behälters heraus konfiguriert ist; einen Temperatur-Sensor, der zur Messung der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters konfiguriert ist; und eine Steuerung, die zur Steuerung des Auslassventils konfiguriert ist; wobei der Durchflussbegrenzer so konfiguriert ist, dass er die Strömung des Strömungsmittels entlang des Strömungspfades derart drosselt, dass eine Stoßwelle in dem Strömungspfad induziert wird, und er weiterhin so konfiguriert ist, dass er die Stoßwelle während einer Zeitperiode aufrecht erhält, die ausreicht, um die Strömungsraten-Prüfung im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einem Element stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer zu machen; wobei die Steuerung weiterhin so konfiguriert ist, dass sie die Messung der Strömungsrate des Strömungsmittels durch die Vorrichtung durch Messen einer Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels innerhalb des Behälters während der Zeitperiode nach Schließen des Auslassventils prüft, und die gemessene Anstiegsgeschwindigkeit verwendet, um die Strömungsrate des Strömungsmittels von der Vorrichtung zu berechnen; und wobei die Zeitperiode durch die folgende Gleichung gegeben ist: t = (V/At)[(γ + 1)/c] – (Pi/PSTP)(V TSTP/QT) worin t die Zeitperiode ist; V ein Volumen des Behälters ist; c die Schallgeschwindigkeit gerade stromaufwärts einer Stoßwellen-Front der Stoßwelle ist; At eine Querschnittsfläche des Durchflussbegrenzers ist; γ ein Verhältnis spezifischer Wärmekapazitäten eines Gases ist; Pi ein Anfangsdruck in dem Behälter zu Beginn der Zeitperiode ist; PSTP ein Standard-Druck ist; TSTP eine Standard-Temperatur ist; Q eine volumetrische Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter ist; und T die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters ist.
  2. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchflussbegrenzer weiterhin so konfiguriert ist, dass er die Stoßwelle dadurch induziert, dass bewirkt wird, dass eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels zwischen dem Element stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer und dem Behälter zu einer Überschallgeschwindigkeit wird, und er die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels während der Zeitperiode auf einer Überschallgeschwindigkeit hält, so dass die Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter während der Zeitperiode im Wesentlichen konstant bleibt.
  3. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Durchflussbegrenzer weiterhin so konfiguriert ist, dass er die Stoßwelle in den Strömungspfad induziert, nachdem die Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter einen stabilen Zustand erreicht hat und das Auslassventil geschlossen wurde, so dass der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter anzusteigen beginnt.
  4. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchflussbegrenzer zumindest eines von Folgendem umfasst: ein Kapillarrohr; einen porösen Stopfen; eine Blende; ein einstellbares Ventil; und eine Düse.
  5. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchflussbegrenzer einen einstellbaren Durchflussbegrenzer umfasst, der betreibbar ist, um die Drosselung der Strömung des Strömungsmittels auf der Grundlage von einem oder mehreren Faktoren einzustellen.
  6. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 5, bei der der eine oder die mehreren Faktoren Folgendes umfassen: die Strömungsrate des Strömungsmittels in dem Behälter; ein Molekulargewicht des Strömungsmittels; und ein Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten des Strömungsmittels.
  7. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerung weiterhin so konfiguriert ist, dass sie die Strömungsrate des Strömungsmittels von der Vorrichtung unter Verwendung folgender Gleichung berechnet: Q = (V/T)(TSTP/PSTP)(ΔP/Δt) worin V das Volumen des Behälters, T die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters, TSTP die Standardtemperatur ist, die als 0°Celsius und 273,15 K definiert ist, PSTP der Standarddruck ist, der als 1 atm definiert ist, und (ΔP/Δt) die Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels während des Zeitintervalls ist.
  8. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zumindest eine von: einer MFC (Massenstrom-Steuerung); und einer MFM (Massenstrom-Messeinrichtung) umfasst.
  9. Strömungs-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer zumindest eines von: einer externen Rohrleitungs-Komponente; einem externen Volumen; und einer Blende umfasst.
  10. Verfahren zur Prüfung einer Messung einer Strömungsrate eines Strömungsmittels durch eine Vorrichtung, mit den folgenden Schritten: Bewirken, dass das Strömungsmittel von der Vorrichtung in einen Behälter entlang eines Strömungspfades strömt, während ein Auslassventil des Behälters offen gehalten wird; Ermöglichen, dass die Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter und ein Druck des Strömungsmittels innerhalb des Behälters einen stabilen Zustand erreichen; Schließen des Auslassventils des Behälters, so dass der Druck des Strömungsmittels in dem Behälter anzusteigen beginnt; Drosseln der Strömung des Strömungsmittels an einer Position entlang des Strömungspfades benachbart zu und gerade stromaufwärts von dem Behälter, um eine Stoßwelle dadurch zu induzieren, dass bewirkt wird, dass eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels eine Überschallgeschwindigkeit zwischen einem Element stromaufwärts von der Position und dem Behälter erreicht, und Aufrechterhalten der Stoßwelle während einer Zeitperiode; Messen der Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters; und Messen einer Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes des Strömungsmittels in dem Behälter während der Zeitperiode und Verwenden der gemessenen Anstiegsgeschwindigkeit des Druckes zur Berechnung der Strömungsrate des Strömungsmittels wobei die Zeitperiode durch die folgende Gleichung gegeben ist: t = (V/At){(γ + 1)/c] – (Pi/PSTP)(V TSTP/QT) worin t die Zeitperiode ist; V ein Volumen des Behälters ist; c die Schallgeschwindigkeit gerade stromaufwärts einer Stoßwellen-Front der Stoßwelle ist; At eine Querschnittsfläche des Durchflussbegrenzers ist; γ ein Verhältnis spezifischer Wärmekapazitäten eines Gases ist; Pi ein Anfangsdruck in dem Behälter zu Beginn der Zeitperiode ist; PSTP der Standard-Druck ist; TSTP die Standard-Temperatur ist; Q eine volumetrische Strömungsrate des Strömungsmittels in den Behälter ist; und T die Temperatur des Strömungsmittels innerhalb des Behälters ist.
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