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Hintergrund
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Die Wärmesiphonbildung in einer Massenströmungssteuerung bzw. -regelung (mass flow control MFC) bezeichnet zumeist eine kontinuierliche Zirkulation von Gas infolge der freien Konvektion zwischen einem erwärmten Wärmeströmungssensor und einer Umleitung. Die Wärmesiphonbildung kann auch dann zu einem Nichtnullausgabesignal für die Strömungsrate ähnlich der Nullpunktsdrift führen, wenn die eigentliche Ausgabeströmungsrate gleich Null ist. Bei einigen Ausgestaltungen der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung ist das Auftreten von Wärmesiphonbildungseffekten wahrscheinlicher, wenn die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung vertikal installiert ist, wobei diese Effekte im Verhältnis zum Molekulargewicht und zum Druck des Fluids, dessen Strömungsrate gesteuert bzw. geregelt wird, variieren können.
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Zusätzlich zum Bewirken einer Verschiebung der Nullpunktskalibrierung in Massenströmungssteuerungen bzw. -regelungen kann die Wärmesiphonbildung auch eine Kalibrierungsverschiebung im Messbereich oder im dynamischen Bereich des Massenströmungsmessers der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung verursachen.
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Es besteht Bedarf an einem Verfahren und einem System, die Wärmesiphonbildungseffekte in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung verringern oder ausgleichen können.
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Druckschrift
DE 691 06 893 T2 offenbart eine Massendurchflusssteuervorrichtung zum Steuern einer Massenströmung eines Gases, das in ein Gerät eingebracht wird, das zur Halbleiterverarbeitung benutzt wird. Die Vorrichtung umfasst einen Gasströmungsmesser, der eine laminar Strömung zum Aufnehmen des Gases an seinem Einlass und zum Abgeben einer dosierten Gasströmung an seinem Auslass hat; ein mit dem Gasströmungsmesser gekoppeltes Strömungsventil zum Regeln der Gasströmung, die als Ausgangsgröße an das Gerät gegeben wird; eine Fühlerschaltung, die mit dem Gasströmungsmesser gekoppelt ist, um den Gasstrom durch den Gasströmungsmesser zu erfassen; eine Prozessor, der ein Signal von der Fühlerschaltung erhält und im Ansprechen auf dieses ein Steuersignal an das Strömungsventil gibt, um eine Stellung des Strömungsventils einzustellen, bei der eine gewünschte Gasströmung vom Strömungsventil abgegeben wird; eine Temperaturfühler, der mit dem Einlass des Gasströmungsmessers gekoppelt ist, um die Temperatur des in den Gasströmungsmesser eintretenden Gases zu messen; und einen Druckfühler, der mit dem Einlaß des Gasströmungsmessers gekoppelt ist, um den Druck des in den Gasströmungsmesser eintretenden Gases zu messen.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
US 5,763,774 A ein Durchlussmesser und aus der Druckschrift
US 2006/0009926 A1 eine Durchflussvorrichtung bekannt.
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Zusammenfassung
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Die zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Wärmemassensteuerung bzw. -regelung gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren zum Ausgleichen der Wärmesiphonbildung gemäß Anspruch 16 gelöst.
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Eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung zum Steuern bzw. Regeln einer Strömungsrate eines Fluids beinhaltet einen Kanal, der dafür ausgelegt ist, das Fluid aufzunehmen, einen Drucksensor, der dafür ausgelegt ist, einen Druck des Fluids zu messen, wenn das Fluid innerhalb des Kanals strömt, und einen Temperatursensor, der dafür ausgelegt ist, die Umgebungstemperatur des Fluids zu messen. Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung beinhaltet des Weiteren einen Wärmesensor, der dafür ausgelegt ist, eine Ausgabe zu erzeugen, die die Strömungsrate des Fluids darstellt. Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung beinhaltet des Weiteren ein Steuerungs- bzw. Regelungssystem, das dafür ausgelegt ist, die Ausgabe aus dem Wärmesensor, den von dem Drucksensor gemessenen Druck und die von dem Temperatursensor gemessene Umgebungstemperatur zu messen, um die Strömung des Fluids innerhalb des Kanals zu regulieren, um so eine durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auszugleichen.
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Zudem wird ein Verfahren zum Ausgleichen der Wärmesiphonbildung in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung beschrieben. Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung beinhaltet einen Kanal, der dafür ausgelegt ist, eine Strömung des Fluids zwischen einem Einlass und einem Auslass des Kanals zu ermöglichen, und einen Wärmesensor, der dafür ausgelegt ist, eine Ausgabe zu erzeugen, die die Strömungsrate des Fluids darstellt. Das Verfahren beinhaltet das Überwachen von Messungen eines Druckes des Fluids und einer Umgebungstemperatur des Fluids, ein Erfassen einer durch Wärmesiphonbildung verursachten Verschiebung bei der Ausgabe des Wärmesensors und ein Regulieren der Strömung des Fluids in den Einlass des Kanals hinein und aus dem Auslass des Kanals heraus, um so die erfasste Verschiebung auszugleichen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1A und 1B zeigen schematisch den Betrieb einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung sowie das Phänomen der Wärmesiphonbildung.
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2A zeigt eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung, bei der ein Drucksensor und ein Temperatursensor an der Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung montiert sind, um den Wärmesiphonbildungseffekt zu verringern. Der Drucksensor ist stromaufwärts von dem Wärmeströmungssensor montiert.
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2B zeigt eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung, bei der ein Drucksensor und ein Temperatursensor an der Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung montiert sind, um den Wärmesiphonbildungseffekt zu verringern. Der Drucksensor ist stromabwärts von dem Wärmeströmungssensor montiert.
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Detailbeschreibung
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Beschrieben werden ein System und ein Verfahren zum im Wesentlichen erfolgenden Verringern oder Ausgleichen einer Wärmesiphonbildung in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung.
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1A und 1B zeigen schematisch den Betrieb einer typischen Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung, die die Massenströmungsrate von Fluiden misst und steuert bzw. regelt, und zeigen zudem die Wärmesiphonbildung, die auftreten kann, wenn die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung vertikal montiert ist, wie in 1B gezeigt ist. 1A zeigt eine horizontal montierte Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung, während 1B eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung zeigt, die dieselbe wie die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung von 1A ist, im Gegensatz zu dieser jedoch vertikal montiert ist. Insgesamt können Wärmemassenströmungssteuerungen bzw. -regelungen die Massenströmungsrate eines Fluids auf Grundlage der Wärmeeigenschaften von Fluiden und durch Überwachen einer Temperaturänderung des erwärmten Sensorrohres messen, wenn Fluid hindurchströmt. Eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung kann üblicherweise einen Wärmemassenströmungsmesser beinhalten, der die Massenströmungsrate von Fluiden in praxi misst, sowie eine Steuerungs- bzw. Regelungsbaugruppe (beinhaltend ein Ventil und eine elektronische Steuerungs- bzw. Regelungsschaltung, die die Betätigung des Ventils steuert bzw. regelt), die die Strömungsrate von Fluiden derart reguliert, dass die gemessene Strömung gleich einem gewünschten Strömungseinstellpunkt ist. Üblicherweise können Wärmemassenströmungssteuerungen bzw. -regelungen die Massenströmungsrate von Gasen und Dämpfen messen, obwohl auch Strömungsraten von Fluiden über Gase und Dämpfe hinausgehend gemessen werden können.
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Wie in 1A gezeigt ist, kann die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 100 beinhalten: eine Wärmemassenströmungssensorbaugruppe 110; einen Kanal 120 oder einen Strömungskörper mit einer Ausgestaltung zum an einem Einlass 122 erfolgenden Aufnehmen des Fluids, dessen Strömungsrate gemessen/gesteuert bzw. geregelt wird; und eine Umleitung 130 innerhalb des Kanals 120. Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 100 kann des Weiteren ein Ventil 140 und eine Steuerung bzw. Regelung 150 zum Steuern bzw. Regeln des Betriebes des Ventils 140 derart, dass eine gesteuerte bzw. geregelte Strömung des Fluids aus einem Auslass 123 des Kanals 120 bereitgestellt wird, beinhalten.
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Der Kanal 120 oder Strömungskörper kann einen primären Strömungsweg oder Strömungskanal 124 festlegen und ist wenigstens teilweise durch eine Sensoraufnahmewand oder eine Sensoraufnahmeoberfläche 170 begrenzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensoraufnahmeoberfläche 170 als im Wesentlichen parallel zu dem primären Strömungsweg 124 gezeigt. Der Großteil des Fluids, der in die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung durch den Einlass 122 des Kanals 120 eintritt, kann durch den primären Strömungsweg 124 hindurchgelangen. Eine vergleichsweise kleine Menge des Fluids kann über die Wärmemassenströmungssensorbaugruppe 110 durch die Umleitung 130 umgeleitet werden und stromabwärts von der Umleitung 130 wieder in den primären Strömungsweg 124 eintreten. Die Umleitung 130 kann eine Druckabfallumleitung sein, die einen Druckabfall an dem primären Strömungskanal 124 bereitstellt, um einen vergleichsweise kleinen Teil des einfließenden Fluids durch die Wärmemassenströmungsbaugruppe zu fördern. Die Einlässe und Auslässe des Sensorrohres 200 können mit den Einlässen und Auslässen des primären Strömungskanals 124 zusammenfallen, weshalb der Druckabfall an der Umleitung 130 derselbe wie der Druckabfall an dem Sensorrohr 200 sein kann.
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Die Wärmemassenströmungssensorbaugruppe 110 kann an der Sensoraufnahmeoberfläche 170, die wenigstens einen Teil einer Begrenzung des Kanals 120 bildet, angebracht sein. Die Wärmemassenströmungssensorbaugruppe 110 kann beinhalten: einen Wärmesensor 200, der derart ausgestaltet ist, dass er ermöglicht, dass der umgeleitete Teil des einfließenden Fluids innerhalb des Wärmesensors zwischen einem Einlass 230 und einem Auslass 240 des Sensors 200 strömt; einen Sensorerwärmer, der derart ausgestaltet ist, dass er das Sensorrohr erwärmt; und ein Temperaturmessungssystem, das derart ausgestaltet ist, dass es ein Temperaturdifferenzial zwischen zwei oder mehr Stellen entlang dem Sensor misst. Üblicherweise kann der Wärmesensor 200 ein Sensorrohr sein. Das Sensorrohr 200 kann ein dünnwandiges, einen kleinen Durchmesser aufweisendes Kapillarrohr aus rostfreiem Stahl sein, obwohl auch andere Größen, Ausgestaltungen und Materialien bei dem Sensorrohr 200 zum Einsatz kommen können.
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Das Sensorrohr 200 kann einen Wärmeerfassungsabschnitt 210 beinhalten, der in 1A als horizontal und parallel zu dem primären Strömungsweg angeordnet dargestellt ist, sowie zwei Beine 212, die in 1A als vertikal dargestellt sind. Ein Paar von widerstandsbehafteten Elementen 250 und 251 kann in Wärmekontakt mit dem Wärmeerfassungsabschnitt 210 des Rohres 200 an verschiedenen Stellen entlang dem Wärmeerfassungsabschnitt 210 angeordnet sein und sowohl als Sensorrohrerwärmer wie auch als Teil des Temperaturmessungssystems arbeiten. Wie in 1A gezeigt ist, können die widerstandsbehafteten Elemente 250 und 251 widerstandsbehaftete Wendel sein, die um das Rohr 200 an zwei Stellen entlang dem Wärmeerfassungsabschnitt 210 des Rohres gewunden sind, und zwar eines stromaufwärts (250) und eines stromabwärts (251). Das Sensorrohr 200 kann durch Fließenlassen eines elektrischen Stromes zu den widerstandsbehafteten Elementen, die dann als Erwärmer des Rohres wirken, erwärmt werden.
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Strömt in den Einlass des Sensorrohres eingeleitetes Fluid durch das erwärmte Sensorrohr mit einer im Wesentlichen konstanten Rate, so kann mehr Wärme zu dem stromabwärts gelegenen widerstandsbehafteten Element 251 im Vergleich zu dem stromaufwärts gelegenen Element 250 übertragen werden. Die stromaufwärts gelegene Wendel 250 kann durch die Fluidströmung gekühlt werden, wobei dann ein Teil der Wärme hiervon an das vorbeiströmende Fluid abgegeben wird, wohingegen die stromabwärts gelegene Wendel 251 erwärmt werden kann, wobei dann ein Teil der Wärme, die an das vorbeiströmende Fluid abgegeben wurde, aufgenommen wird. Im Ergebnis kann auf diese Weise ein Temperaturdifferenzial ΔT zwischen den beiden Elementen erzeugt werden, und es kann ein Maß für die Anzahl der Fluidmoleküle (das heißt die Masse des Fluids) bereitgestellt werden, die durch das Sensorrohr strömen. Die Änderung des Widerstandes von jedem der widerstandsbehafteten Elemente infolge der Temperaturdifferenz kann gemessen werden, um das Temperaturdifferenzial zu bestimmen, was ein Ausgabesignal aus dem Massenströmungsmesser als Funktion der Massenströmungsrate des Fluids ergibt. Das Ausgabesignal kann ein Spannungssignal sein, obwohl andere Arten von Signalen gleichermaßen als Wärmeströmungssensorausgabe verwendet werden können.
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Ist das Wärmesensorrohr in bestimmten Orientierungen montiert, das heißt insbesondere, je mehr der Wärmeerfassungsabschnitt 210 des Sensorrohres in einer Richtung ungleich der horizontalen Richtung orientiert ist, kann eine Wärmesiphonbildung auftreten, die durch Wärmegradienten bewirkt wird, die innerhalb des Sensorrohres auftreten, wenn das Sensorrohr erwärmt wird. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Wärmesiphonbildung in der vertikal montierten Massenströmungssteuerung bzw. -regelung auch dann auftreten, wenn das Steuerungs- bzw. Regelungsventil vollständig geschlossen ist, wie in 1B gezeigt ist.
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Wird Wärme von der erwärmten Sensorrohroberfläche auf das Gas übertragen, so können die Temperatur des Gases innerhalb des erwärmtem Sensorrohres zunehmen und die Dichte des Gases abnehmen. Das kühle, dichtere Gas in dem Umleitungsbereich kann durch die Schwerkraft zum Absinken genötigt werden. Dies kann wiederum das heiße, leichte Gas in dem erwärmten Sensorrohr zum Aufsteigen nötigen. Dieses Phänomen kann als freie Konvektion bezeichnet werden. Ist der Umleitungsbereich ausreichend kühl, so kühlt sich das heiße aus dem erwärmten Sensorrohr aufsteigende Gas ab und sinkt auch wieder ab. Damit tritt eine kontinuierliche Zirkulation von Gas innerhalb der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung auf, die üblicherweise als Wärmesiphonbildung bezeichnet wird. Dies geht auch dann vor sich, wenn das Steuerungs- bzw. Regelungsventil vollständig geschlossen ist, sodass die Ausgabeströmung gleich Null sein sollte.
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Ist die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung horizontal montiert, wie in 1A gezeigt ist, so kann die Wärmesiphonbildung nicht beobachtet werden, da sich die freien konvektiven Kräfte zu Null addieren können. Der horizontale Abschnitt 210 des Sensorrohres kann keine konvektive Kraft erzeugen, und die konvektiven Kräfte, die von den beiden vertikalen Beinen 212 erzeugt werden, können sich aufheben, sodass sich die Summe der Auftriebskräfte zu Null addieren kann.
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Wird die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung um 90° gedreht und vertikal montiert, wie in 1B gezeigt ist, so können die Sensorbeine 212 nicht mehr beliebige konvektive Kräfte erzeugen. Gleichwohl kann der Wärmeerfassungsabschnitt 210, der die Erwärmerwendel enthält, nun konvektive Kräfte erzeugen, da der Wärmeerfassungsabschnitt 210 nunmehr vertikal und nicht horizontal orientiert ist. Da die Umleitung nicht erwärmt wird, kann keine konvektive Gegenwirkung auftreten, sodass eine Wärmesiphonbildung auftreten kann.
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Im Allgemeinen kann eine Wärmesiphonbildung eine Verschiebung bei dem Ausgabesignal des Wärmesensors verursachen. Die Wärmesiphonbildung kann eine Nullverschiebung verursachen, das heißt die Nullausgabe zu einem Nichtnullsignal hin verschieben. Die Wärmesiphonbildung kann zudem eine Verschiebung im Messbereich oder dem dynamischen Bereich verursachen, das heißt bei den Strömungsraten, die von dem relevanten Messbereich des Massenströmungsmessers bis zur maximalen beabsichtigten Strömungsrate abgedeckt sind. Im Ergebnis kann die tatsächliche Strömungsmessung zu einer Funktion des Einlassdruckes und der Art des Fluids werden. Die Wärmesiphonbildungseffekte bezüglich Null und dem Messbereich (dynamischer Bereich) können mit zunehmendem Einlassdruck und zunehmender Gasdichte zunehmen.
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Die Wärmesiphonbildung kann von der Grashof'schen Zahl (Gr) bestimmt sein, die üblicherweise zur Messung des Ausmaßes des Wärmesiphonbildungsproblems herangezogen wird. Die Grashof'sche Zahl ist das Verhältnis der Auftriebskräfte zu den viskosen Kräften im Quadrat und kann allgemein die durch freie Konvektion bedingte Wärmeübertragung um das Sensorrohr herum darstellen.
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Insbesondere kann bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Fluid ein Gas ist, die Grashof'sche Zahl Gr (die dimensionslos ist) durch die nachfolgende Gleichung gegeben sein: Gr = g·ρ2·α(T – Ta)·d3/μ3 (1)
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Hierbei gilt:
- g
- ist die Gravitationskonstante;
- ρ
- ist die Gasdichte;
- α
- ist der Gaswärmekoeffizient der volumetrischen Expansion;
- T
- ist die Gastemperatur;
- Ta
- ist die Umgebungstemperatur;
- d
- ist der Innendurchmesser des Sensorrohres; und
- μ
- ist die Gasviskosität.
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Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, sind die Hauptfaktoren, die die Wärmesiphonbildung beeinflussen, unter anderem die Gasdichte und der Durchmesser des Sensorrohres. Obwohl Gleichung (1) zeigt, dass eine Verringerung des Innendurchmessers des Sensorrohres in der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung im Allgemeinen die Effekte der Wärmesiphonbildung verringern kann, kann die Herstellung eines Rohres mit einem derart kleinen Durchmesser schwierig und unpraktikabel sein und den dynamischen Bereich bei der Ausgestaltung der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung begrenzen. Die Montageraumlage der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung hat eine wesentlichen Einfluss auf die Wärmesiphonbildung, wobei der Effekt nicht von der Grashof'schen Zahl abgedeckt ist.
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Unter Verwendung des idealen Gasgesetzes ist die Dichte ρ gegeben durch: ρ = MP/RT (2)
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Hierbei bezeichnet M das molekulare Gasgewicht, P den Gasdruck und R die Gasgesetzkonstante. Einsetzen von Gleichung (2) in Gleichung (1) ergibt: Gr = g·α·(T – Ta)·d3·M2·P2/(μ3·R2·T2) (3)
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In Gleichung (3) sind R, d und g Konstanten; α, μ und M sind für ein gegebenes Gas bekannt; die Umgebungstemperatur Ta wird von dem Temperatursensor gemessen; T ist von Ta abhängig; und der Gasdruck P wird von dem Drucksensor gemessen. Damit ist die Grashof'sche Zahl bestimmt.
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Das Nullströmungsspannungssignal Vze und das Vollbereichsströmungsspannungssignal Vfs der Wärmeströmungssensorspannung können mittels eines mathematischen Modells bestimmt werden, das sich der Grashof'schen Zahl und der Montageraumlage/Position der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung auf folgende Weise bedient. Vze = fze(Gr, Pos) (4) Vfs = ffs(Gr, Pos) (5)
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In Gleichungen (4) und (5) ist Pos ein Merker bzw. Flag, der die Montageraumlage der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung oder die Orientierung des Sensorrohres darstellt. Gleichungen (4) und (5) können des Weiteren folgendermaßen verallgemeinert werden. Vze = fze(P, Ta, α, μ, M, Pos) (6) Vfs = ffs(P, Ta, α, μ, M, Pos) (7)
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In den vorstehenden Gleichungen (6) und (7) kann P durch einen Drucksensor gemessen werden; Ta kann durch einen Temperatursensor gemessen werden; α, μ und M sind Gaseigenschaften; und Pos ist ein vorbestimmter Faktor. Mit anderen Worten, Gleichungen (6) und (7) geben an, dass Vze und Vfs bekannte empirische Funktionen des gemessenen Druckes und der gemessenen Umgebungstemperatur sind.
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Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung kann bei einem vorbestimmten festen Druck P
0, einer vorbestimmten Umgebungstemperatur T
a0 und einer festen Position Pos
0 bestimmt werden. Damit kann eine Kalibrierungstabelle der Wärmesensorspannungsausgabe in Abhängigkeit von der Strömungsrate auf folgende Weise konstruiert werden:
Spannung | Strömungsrate |
Vze0 | 0 |
... | ... |
V0 | Q0 |
... | ... |
Vfs0 | Qfs0 |
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In der vorstehenden Tabelle entspricht die Wärmesensorspannung V0 einer Strömungsrate Q0 bei dem Kalibrierungsdruck P0, der Kalibrierungsumgebungstemperatur Ta0 und der Kalibrierungsposition Pos0.
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Die Kalibrierungstabelle kann in dem Steuerungs- bzw. Regelungssystem gespeichert werden, damit sie zu einem späteren Zeitpunkt zu Strömungsberechnungen herangezogen werden kann. Ändern sich der Einlassdruck, die Umgebungstemperatur und die Montageposition der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung nicht, so ändert sich die Kalibrierungstabelle nicht und kann direkt zur Bestimmung der Strömungsrate auf Grundlage der Wärmeströmungssensorspannungsausgabe verwendet werden. Ändern sich jedoch der Einlassdruck und/oder die Umgebungstemperatur und/oder die Montageposition der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung, so kann sich die Wärmeströmungssensorspannungsausgabe aufgrund der Wärmesiphonbildung verschieben. Tritt dies auf, so ist die Kalibrierungstabelle nicht mehr genau oder gültig. Da bekannt ist, dass sich Vze und Vfs ändern oder sich entsprechend Gleichung (6) und Gleichung (7) verschieben, kann ein Ausgleich für die durch den Wärmesiphonbildungseffekt verursachte Verschiebung bei der Wärmeströmungssensorspannungsausgabe erreicht werden.
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Ein einfacher linearer Ausgleich bei dieser Wärmeströmungssensorspannungsausgabe kann folgendermaßen formuliert werden.
- (1) Der Einlassdruck sei gleich P1, die Umgebungstemperatur gleich T1, die neue Montageposition der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung gleich Pos1 und die Wärmeströmungssensorspannungsausgabe gleich V1.
- (2) Man berechne die Nullströmungsspannung als Vze1 und die Vollskalenströmungsspannung als Vfs1 entsprechend Gleichung (6) und Gleichung (7).
- (3) Man berechne die Wärmesiphonbildung, die durch die Wärmesensorspannungsausgabe V1' ausgeglichen ist, durch die nachfolgenden Gleichungen (8) oder (9): Dies bedeutet:
- (4) Man durchsuche die Kalibrierungstabelle, um die entsprechende Strömungsrate auf Grundlage der ausgeglichenen Wärmesensorspannungsausgabe V1' zu ermitteln.
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Das vorbeschriebene Ausgleichsverfahren ist lediglich eines von zahlreichen Ausgleichsverfahren, zu denen sowohl lineare wie auch nichtlineare Verfahren zählen, die zum Ausgleich beim Wärmesiphonbildungseffekt an der Wärmeströmungssensorspannungsausgabe herangezogen werden können, und zwar auf Grundlage von Gleichung (6) und Gleichung (7). Unter Verwendung von Gleichungen (1) bis (9) und unter Verwendung der Beobachtung des Einlassdruckes, der Umgebungstemperatur und der Montageposition der Massenströmungssteuerung bzw. -regelung kann die durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmeströmungssensorausgabe im Wesentlichen verringert oder ausgeglichen werden. Insbesondere kann der Wärmesiphonbildungseffekt stark verringert werden, wenn die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung vertikal montiert ist, und zwar insbesondere bei Wärmemassenströmungssensoren mit großer Bohrung, indem in die Massenströmungssteuerung bzw. -regelung ein Drucksensor und ein Temperatursensor eingebaut werden, die den Druck und die Umgebungs-/Einlasstemperatur messen. Das Steuerungs- bzw. Regelungssystem kann derart ausgestaltet sein, das es Druck- und Temperaturmessungen überwacht, um so die Strömung des Fluids derart zu regulieren, dass die durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmeströmungssensorspannungsausgabe wesentlich verringert oder ausgeglichen werden kann.
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2 zeigt eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 300, die dafür ausgelegt ist, die durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei dem Wärmeströmungssensorausgabesignal wesentlich zu verringern oder auszugleichen, und zwar durch Einbau eines Drucksensors und eines Temperatursensors an der Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung sowie durch Überwachung der Druck- und Temperaturmessungen, um den Wärmesiphonbildungseffekt wesentlich zu verringern.
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Insgesamt beinhaltet die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 300 einen Wärmemassenströmungssensor 310; einen Kanal 320, der dafür ausgelegt ist, an einem Einlass 322 das Fluid aufzunehmen, dessen Strömungsrate gemessen/gesteuert bzw. geregelt wird, und einen Auslass 323 aufweist, aus dem das Fluid herausströmt; und eine Umleitung 330 innerhalb des Kanals 320. Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 300 beinhaltet des Weiteren ein Ventil 340 und ein Steuerungs- bzw. Regelungssystem 370, das den Betrieb des Ventils 340 steuert bzw. regelt, um so eine Strömung des Fluids in den Einlass 322 hinein und aus einem Auslass 323 des Kanals 320 heraus zu regulieren. Das Wärmeströmungssensorrohr kam ein Nullströmungsspannungssignal Vze und ein Vollskalenspannungssignal Vfs aufweisen, die Funktionen des Einlassfluiddruckes, der Einlassfluidtemperatur und der Orientierung des erwärmten Strömungssensorrohres sein können.
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Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 300 beinhaltet des Weiteren ein Temperaturmessungssystem 360, einen Drucksensor 380 und einen Temperatursensor 390. Das Temperaturmessungssystem 360 ist dafür ausgelegt, das Temperaturdifferenzial zwischen zwei oder mehr Stellen entlang dem erwärmten Strömungssensorrohr zu messen. Der Drucksensor 380 ist dafür ausgelegt, den Druck P des Fluids zu messen, wenn das Fluid entlang dem primären Strömungsweg strömt. Der Temperatursensor 390 ist dafür ausgelegt, die Umgebungstemperatur Ta des Fluids zu messen. Der Wärmeströmungssensor kann dafür ausgelegt sein, das gemessene Temperaturdifferenzial in ein Spannungsausgabesignal V umzuwandeln, und kann einen Spannungsdetektor beinhalten, der dafür ausgelegt ist, das Spannungsausgabesignal zu erfassen.
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In Reaktion auf die Strömungsratenmessung durch den Wärmeströmungssensor, die Druckmessung durch den Drucksensor und die Temperaturmessung durch den Temperatursensor ist das Steuerungs- bzw. Regelungssystem 370 dafür ausgelegt, die Strömung des Fluids in den Einlass hinein und aus dem Auslass des Kanals 320 heraus zu regulieren, sodass eine erfasste Verschiebung bei der Wärmeströmungssensorspannungsausgabe im Wesentlichen beseitigt oder ausgeglichen werden kann.
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Der Wärmesensor 380 kann entweder stromabwärts oder stromaufwärts von dem Wärmeströmungssensor 310 montiert sein. 2B zeigt eine Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung, bei der ein Drucksensor 380 und ein Temperatursensor 390 in der Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung montiert sind, wobei der Drucksensor 380 stromabwärts von dem Wärmeströmungssensor 310 befindlich ist.
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Insgesamt werden ein System und ein Verfahren beschrieben, bei dem der Wärmesiphonbildungseffekt in Wärmemassenströmungssteuerungen bzw. -regelungen dadurch wesentlich verringert wird, dass die Verschiebung bei dem Wärmeströmungssensorausgabesignal unter Verwendung einer Information hinsichtlich Einlassdruck und Umgebungstemperatur ausgeglichen wird.
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Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung und eines Verfahrens beschrieben worden sind, bei denen die Wärmesiphonbildung in einer Massenströmungssteuerung bzw. -regelung wesentlich verringert werden, sollte einsichtig sein, dass die den Ausführungsbeispielen inhärenten Konzepte gleichermaßen bei anderen Ausführungsbeispielen Verwendung finden können. Der Schutz dieser Anmeldung ist einzig durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.
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In den Ansprüchen soll die Nennung eines Elementes in der Einzahl – außer dies ist explizit anders angegeben – nicht „eines und nur eines”, sondern „eines oder mehrere” bedeuten. Diejenigen sämtlichen strukturellen und funktionellen Äquivalente zu Elementen bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus der Beschreibung in dieser Offenbarung, die bekannt sind oder einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet später noch bekannt werden, sind explizit durch Verweisung hier mitaufgenommen und sollen durch die Ansprüche mitumfasst sein. Darüber hinaus soll nichts von dem hier Offenbarten als Verzicht zugunsten der Öffentlichkeit verstanden werden, und zwar unabhängig davon, ob das Offenbarte explizit in den Ansprüchen niedergelegt ist oder nicht. Kein Element eines Anspruches soll gemäß den Vorschriften von 35 U.S.C. § 112, Absatz 6 beschränkt sein, außer das Element wird explizit mittels der Wendung „Mittel für/zum/zur” oder für den Fall eines Verfahrensanspruches mittels der Wendung „Schritt für/zum/zur” beschrieben.