DE112006003655T5

DE112006003655T5 - Ausgleich einer Wärmesiphonbildung in Massenströmungssteuerungen bzw.-regelungen

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Publication number: DE112006003655T5
Application number: DE112006003655T
Authority: DE
Inventors: Ding Tewksbury Junhua; Michael Sterling L'Bassi; Kaveh H. Andover Zarkar
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: TW200745805A; TWI417697B; KR20080091087A; GB0809395D0; GB2446335A; JP5517455B2; WO2007086960A1; US20070174016A1; JP2009524821A; DE112006003655B4; KR101303653B1; US7467027B2; GB2446335B

Abstract

Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung zum Steuern bzw. Regeln einer Strömungsrate eines Fluids, wobei die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung umfasst:
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;
einen Temperatursensor, der dafür ausgelegt ist, eine Umgebungstemperatur des Fluids zu messen;
einen Wärmesensor, der dafür ausgelegt ist, eine Ausgabe zu erzeugen, die die Strömungsrate des Fluids darstellt; und
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 überwachen, um die Strömung des Fluids innerhalb des Kanals zu regulieren, um so eine durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auszugleichen.

Description

Hintergrund
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.
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.
Es besteht Bedarf an einem Verfahren und einem System, die Wärmesiphonbildungseffekte in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung verringern oder ausgleichen können.
Zusammenfassung
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 Tempe ratursensor 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.
Zudem wird ein Verfahren zum Ausgleichen der Wärmesiphonbildung in einer Wärme massenströmungssteuerung 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.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1A und 1B zeigen schematisch den Betrieb einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung sowie das Phänomen der Wärmesiphonbildung.
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.
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.
Detailbeschreibung
Beschrieben werden ein System und ein Verfahren zum im Wesentlichen erfolgenden Verringern oder Ausgleichen einer Wärmesiphonbildung in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Phä nomen 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.
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.
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.
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.
Die Wärmesiphonbildung kann von der Grashof'schen Zahl (G_r) 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.
Insbesondere kann bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Fluid ein Gas ist, die Grashof'sche Zahl G_r (die dimensionslos ist) durch die nachfolgende Gleichung gegeben sein: Gr = g·ρ2·α·(T – Ta)·d3/μ3 (1)
Hierbei gilt:

g: ist die Gravitationskonstante;
ρ: ist die Gasdichte;
α: ist der Gaswärmekoeffizient der volumetrischen Expansion;
T: ist die Gastemperatur;
T_a: ist die Umgebungstemperatur;
d: ist der Innendurchmesser des Sensorrohres; und
μ: ist die Gasviskosität.

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.
Unter Verwendung des idealen Gasgesetzes ist die Dichte ρ gegeben durch: ρ = MP/RT (2)
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)
In Gleichung (3) sind R, d und g Konstanten; α, μ und M sind für ein gegebenes Gas bekannt; die Umgebungstemperatur T_a wird von dem Temperatursensor gemessen; T ist von T_a abhängig; und der Gasdruck P wird von dem Drucksensor gemessen. Damit ist die Grashof'sche Zahl bestimmt.
Das Nullströmungsspannungssignal V_ze und das Vollbereichsströmungsspannungssignal V_fs 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)
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)
In den vorstehenden Gleichungen (6) und (7) kann P durch einen Drucksensor gemessen werden; T_a 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 V_ze und V_fs bekannte empirische Funktionen des gemessenen Druckes und der gemessenen Umgebungstemperatur sind.
Die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung kann bei einem vorbestimmten festen Druck P₀, einer vorbestimmten Umgebungstemperatur T_a0 und einer festen Positi on Pos₀ bestimmt werden. Damit kann eine Kalibrierungstabelle der Wärmesensorspannungsausgabe in Abhängigkeit von der Strömungsrate auf folgende Weise konstruiert werden:

Spannung Strömungsrate

V_ze0 0

... ...

V₀ Q₀

... ...

V_fs0 Q_fs0
In der vorstehenden Tabelle entspricht die Wärmesensorspannung V₀ einer Strömungsrate Q₀ bei dem Kalibrierungsdruck P₀, der Kalibrierungsumgebungstemperatur T_a0 und der Kalibrierungsposition Pos₀.
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 V_ze und V_fs 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.
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 V_ze1 und die Vollskalenströmungsspannung als V_fs1 entsprechend Gleichung (6) und Gleichung (7).
(3) Man berechne die Wärmesiphonbildung, die durch die Wärmesensorspannungsausgabe V_1' 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 V_1' zu ermitteln.

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. Regelungssys tem 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.
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.
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 V_ze und ein Vollskalenspannungssignal V_fs aufweisen, die Funktionen des Einlassfluiddruckes, der Einlassfluidtemperatur und der Orientierung des erwärmten Strömungssensorrohres sein können.
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 T_a 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.
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.
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.
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.
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.
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 be schränkt 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.
Zusammenfassung
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 den Druck des Fluids misst, wenn das Fluid innerhalb des Kanals strömt, einen Temperatursensor, der die Umgebungstemperatur des Fluids misst, und einen Wärmesensor, der eine Ausgabe erzeugt, 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 überwachen, um die Strömung des Fluids innerhalb des Kanals zu regulieren, um so eine durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auszugleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Vorschriften von 35 U.S.C. § 112, Absatz 6 [0043]

Claims

Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung zum Steuern bzw. Regeln einer Strömungsrate eines Fluids, wobei die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung umfasst: 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; einen Temperatursensor, der dafür ausgelegt ist, eine Umgebungstemperatur des Fluids zu messen; einen Wärmesensor, der dafür ausgelegt ist, eine Ausgabe zu erzeugen, die die Strömungsrate des Fluids darstellt; und 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 überwachen, um die Strömung des Fluids innerhalb des Kanals zu regulieren, um so eine durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auszugleichen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesensorausgabe eine Spannungsausgabe umfasst; wobei der Wärmesensor dafür ausgelegt ist, bei Erwärmung ein Temperaturdifferenzial zu erzeugen, wenn das Fluid innerhalb des erwärmten Sensors strömt, und ein Temperaturmessungssystem beinhaltet, das dafür ausgelegt ist, das Temperaturdifferenzial zu messen; und wobei der Wärmesensor dafür ausgelegt ist, das gemessene Temperaturdifferenzial in die Spannungsausgabe umzuwandeln.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 2, wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem dafür ausgelegt ist, den Wärmesensor mit einer Nullströmungsspannung V_ze, die die Spannungsausgabe bei einer Nullfluidströmung darstellt, und einer Vollskalenströmungsspannung V_fs, die die Spannungsausgabe bei einer Vollskalenfluidströmung darstellt, zu kalibrieren; und wobei V_ze und V_fs bekannte empirische Funktionen des von dem Drucksensor gemessenen Druckes und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur sind.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 3, wobei der Wärmesensor ein Wärmesensorrohr mit einer rohrförmigen Ausgestaltung umfasst; wobei V_ze und V_fs des Weiteren bekannte empirische Funktionen einer Grashof'schen Zahl G_r mit einer Abhängigkeit von dem gemessenen Druck und der Temperatur umfassen; und wobei die Grashof'sche Zahl G_r gegeben ist durch: Gr = g·α·(T – Ta)·d3·M2·P2/(μ3·R2·T2)wobei gilt: g ist eine Gravitationskonstante; α ist ein Wärmeexpansionskoeffizient des Fluids; T_a ist eine von dem Temperatursensor gemessene Temperatur; T ist eine Temperatur des Fluids mit einer Abhängigkeit von T_a; d ist ein Durchmesser des Wärmesensorrohres; M ist eine Masse des Fluids; P ist ein von dem Drucksensor gemessener Druck; μ ist eine Viskosität des Fluids; und R ist eine universelle Gasgesetzkonstante.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 4, wobei V_ze und V_fs des Weiteren von einer Orientierung des Wärmesensorrohres in Bezug auf den primären Strömungsweg abhängen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 5, wobei die Orientierung des Wärmesensorrohres durch einen Parameter Pos darstellbar ist; und wobei V_ze und V_fs durch bekannte empirische Funktionen f_ze(P, T_a, α, μ, M, Pos) beziehungsweise f_fs(P, T_a, α, μ, M, Pos) darstellbar sind.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 6, wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem des Weiteren dafür ausgelegt ist, die Wärmesensorausgabe bei einem Kalibrierungsdruck P₀, einer Kalibrierungsumgebungstemperatur T₀ und einer Kalibrierungsorientierung Pos₀ durch Berechnen und Speichern einer Mehrzahl von Kalibrierungswerten V_ze0, ..., V₀, ... V_fs0 der Ausgabespannung bei entsprechenden Strömungsraten 0, ..., Q₀, ..., Q_fs0 zu kalibrieren; und wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem des Weiteren dafür ausgelegt ist, die durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auf Grundlage der Mehrzahl von gespeicherten Kalibrierungswerten auszugleichen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 7, wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine Interpolation zum Ausgleichen der durch Wärmesiphonbildung verursachten Verschiebung vorzunehmen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 8, wobei die Interpolation eine lineare Interpolation oder eine nichtlineare Interpolation oder beides umfasst.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 7, wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine Nullströmungsspannung V_ze1 und die Vollskalenspannung V_fs1 unter Verwendung der bekannten empirischen Funktionen f_ze(P, T_a, α, μ, M, Pos) und f_fs(P, T_a, α, μ, M, Pos) bei gemessenen Werten P₁, T₁ und V₁ des Druckes, der Temperatur beziehungsweise der Ausgabespannung zu berechnen, um eine Wärmesensorspannungsausgabe V_1' zu berechnen, die bei der Wärmesiphonbildung ausgeglichen worden ist; und wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem des Weiteren dafür ausgelegt ist, eine Strömungsrate, bei der die Wärmesiphonbildung ausgeglichen worden ist, mittels Durchsuchen der Mehrzahl von gespeicherten Kalibrierungswerten zu bestimmen, um eine entsprechende Strömungsrate auf Grundlage des berechneten V_1' zu ermitteln.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 10, wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem dafür ausgelegt ist, die durch Wärmesiphonbildung verursachte Verschiebung durch Vornehmen einer linearen Interpolation auszugleichen; und wobei das Steuerungs- bzw. Regelungssystem dafür ausgelegt ist, V_1' in Abhängigkeit von V_ze1 und V_fs1 unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung zu berechnen:
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor im Vergleich zu dem Temperatursensor stromaufwärts befindlich ist.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor im Vergleich zu dem Temperatursensor stromabwärts befindlich ist.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Umleitung innerhalb des Kanals, wobei die Umleitung dafür ausgelegt ist, eine Strömung des Fluids, die in den Einlass des Kanals eintritt, zu beschränken, um so einen Teil des Fluids an ein Eingabeende des Wärmesensors umzuleiten.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 14, wobei die Umleitung eine Druckabfallumleitung umfasst, die dafür ausgelegt ist, ein Druckdifferenzial an dem Wärmesensor zu erzeugen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 2, wobei das Temperaturmessungssystem umfasst: ein Paar von wärmeempfindlichen widerstandsbehafteten Elementen, wobei jedes der Elemente eine Resistanz aufweist, die als Funktion der Temperatur des Elementes variiert; und eine Messschaltung, die dafür ausgelegt ist, die Temperatur jedes der Elemente durch Messen der Resistanz jedes Elementes zu bestimmen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Erwärmen, der dafür ausgelegt ist, wenigstens einen Teil des Wärmesensors zu erwärmen.
Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung nach Anspruch 17, wobei der Erwärmer ein Paar von Erwärmungswendeln umfasst, die dafür ausgelegt sind, einen Wärmeerfassungsteil des Sensors widerstandsbasiert zu erwärmen, wenn ein elektrischer Strom zugeführt wird.
Verfahren zum Ausgleichen der Wärmesiphonbildung in einer Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung zum Steuern bzw. Regeln einer Strömungsrate eines Fluids, wobei die Wärmemassenströmungssteuerung bzw. -regelung 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, beinhaltet, wobei das Verfahren umfasst: Überwachen von Messungen eines Druckes des Fluids und einer Umgebungstemperatur des Fluids; Erfassen einer durch Wärmesiphonbildung verursachten Verschiebung bei der Ausgabe des Wärmesensors; und Regulieren der Strömung des Fluids in den Einlass des Kanals hinein und aus dem Auslass des Kanals heraus, um so die erfasste Verschiebung auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Vorgang des Regulierens der Strömung des Fluids, um so die erfasste Verschiebung auszugleichen, ein Kalibrieren des Wärmesensors mit einer Nullströmungsspannung V_ze, die die Spannungsausgabe bei einer Nullfluidströmung darstellt, und einer Vollskalenströmungsspannung V_fs, die die Spannungsausgabe bei einer Vollskalenfluidströmung darstellt, umfasst; und wobei V_ze und V_fs bekannte Funktionen der Druck- und Temperaturmessungen sind.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei V_ze und V_fs bekannte Funktionen einer Orientierung Pos des Wärmesensors sind; und wobei der Vorgang des Regulierens der Strömung des Fluids, um so die erfasste Verschiebung auszugleichen, des Weiteren umfasst: Kalibrieren der Wärmesensorausgabe bei einem Kalibrierungsdruck P₀, einer Kalibrierungsumgebungstemperatur T₀ und einer Kalibrierungsorientierung Pos₀ durch Berechnen und Speichern einer Mehrzahl von Kalibrierungswerten V_ze0, ..., V₀, ... V_fs0 der Ausgabespannung bei entsprechenden Strömungsraten 0, ..., Q₀, Q_fs0; und Ausgleichen der durch Wärmesiphonbildung verursachten Verschiebung bei der Wärmesensorausgabe auf Grundlage der Mehrzahl von gespeicherten Kalibrierungswerten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Vorgang des Regulierens der Strömung des Fluids, um so die erfasste Verschiebung auszugleichen, des Weiteren umfasst: Berechnen einer Nullströmungsspannung V_ze1 und der Vollskalenspannung V_fs1 unter Verwendung der bekannten empirischen Funktionen f_ze(P, T_a, α, μ, M, Pos) und f_fs(P, T_a, α, μ, M, Pos) bei gemessenen Werten P₁, T₁ und V₁ des Druckes, der Temperatur beziehungsweise der Sensorausgabespannung, um eine Wärmesensorspannungsausgabe V_1' zu berechnen, die bei der Wärmesiphonbildung ausgeglichen worden ist; und Bestimmen einer Strömungsrate, bei der die Wärmesiphonbildung ausgeglichen worden ist, mittels Durchsuchen der Mehrzahl von gespeicherten Kalibrierungswerten, um eine entsprechende Strömungsrate auf Grundlage des berechneten V_1' zu ermitteln.