DE19901543A1 - Meßelement zur Volumenstrommessung in homogenen Flüssigkeiten und Gasen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßelement mit der eingangs genannten Art anzugeben, welches den kompakten Einbau eines in das strömende Medium direkt einzusetzenden Strömungssensors ermöglicht, ohne daß dabei die vorerwähnten auftreten. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß das Biegeelement bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage ein vom Deformationsstand abhängiges elektrisches Signal erzeugt, wobei das Biegeelement (3) derart innerhalb des strömenden Mediums verbunden ist, so daß erstens die Widerstände einer auf der Oberfläche des Biegeelementes (3) angeordneten DMS-Meßbrücke (7) an der Stelle der maximalen Spannung und zweitens an der Stelle der minimalen Spannung des Biegeelementes (3) angeordnet sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Meßelement in homogenen Flüssigkeiten oder Gasen mit einem Biegeelement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßelement in homogenen Flüssigkeiten oder Gasen mit einem Biegeelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeele­ ment bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer von der Strömung eines flüssigen und gasförmigen Mediums hervorgerufenen Kraft­ einwirkung ein vom Deformationsstandes abhängiges elektrisches Signal erzeugt, wobei das Biegeelement derart innerhalb des strömenden Mediums entweder umlaufend oder in mindestens zwei gegenüberliegenden Bereichen starr mit seinem Rahmen oder der Rohwandung verbunden ist, so daß erstens die Widerstände einer auf der Oberfläche des Biegeelementes ange­ ordneten DMS-Meßbrücken an der Stelle der maximalen Spannung und zweitens an der Stelle der minimalen Spannung des Biegeelementes ange­ ordnet ist.

Eines der am weitesten verbreiteten Meßverfahren zur Bestimmung des Volumenstromes in Flüssigkeiten oder Gasen nutzt den physikalischen Effekt daß eine Verringerung des Strömungsquerschnittes eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, so daß entsprechend der Bernoulli­ schen Gleichung in der Engstelle eine Abnahme des statischen Druckes auf­ tritt. Meßsysteme Grundlage dieses Prinzips werden als Differenzdruckströmungsmesser bezeichnet. (Göpel, W.: Sensors. Vol. 7, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Germany, 1994).

Die entstehende Druckdifferenz Δp ist proportional zum Quadrat der erhöh­ ten Geschwindigkeit v2. Es gilt

α - Geometriefaktor (Durchflußzahl)
ρ - Dichte des strömenden Mediums.

Wegen

A - reduzierter Leitungsquerschnitt
V - Volumen
t - Zeit

ergibt sich zwischen dem Volumenstrom und der Druckdifferenz die fol­ gende Beziehung:

mit

ξ = α.A.

Bei Strömungsmessern mit starrer Querschnittsverringerung wird die stati­ sche Druckdifferenz am Rande der Strömung (z. B. durch U-Rohrmanome­ ter) direkt oder aus zwei Absolutdruckmessungen vor und nach der Drosselstelle ermittelt. Wird die Querschnittsverringerung dagegen durch in den Strömungsverlauf eingebrachte bewegliche Körper oder elastisch befe­ stigte Drosselelemente realisiert, so bewirkt die Druckdifferenz eine Lage­ änderung derselben, die es geeignet zu detektieren gilt. Bei Schwebekörper-Durchflußmessern erfolgt dies für geringe Anforderungen z. B. visuell. Andere Meßsysteme verwenden über ein Gelenk in der Strö­ mung beweglich aufgehängte Prallplatten. Die an der umströmten Platte auf­ tretenden Kräfte werden dann außerhalb der Strömung mittels geeigneter Kraftsensorik gemessen. Insbesondere dann, wenn das strömende Medium unter starkem Überdruck steht, gestaltet sich die Abdichtung des beweglich durch die Rohrwandung zu führenden Gestänges als kompliziert.

Im Stand der Technik sind elastisch mit der Strömungswandung verbundene Prallplatten, bevorzugt bzw. ausschließlich in Silizium-Mikromechanik, bekannt. In DE 42 273 A1 ist eine Anordnung beschrieben, bei der die Prall­ platte mit einem Balken starr verbunden ist, der mit einer dünnen Schicht aus magnetostriktivem Material versehen wurde. Die vom strömenden Medium hervorgerufenen Kräfte bewirken eine Torsion des Elementes. Die mechanischen Spannungen übertragen sich auf das magnetostriktive Mate­ rial und verändern dessen Permeabilität. Die Permeabilitätsmessung erfolgt über wechselspannungsgespeiste Dünnschichtspulen, die außerhalb des Mediums an den Balkenenden appliziert wurden und ein entsprechendes elektrisches Wechselspannungssignal erzeugen. Als Nachteil dieses Meßele­ mentes ist der komplizierte Aufbau anzusehen, der insbesondere daraus resultiert, daß die von der Strömung hervorgerufene Änderung von mecha­ nischen Größen erst über den Umweg der Änderung von magnetischen Materialeigenschaften zu einem auswertbaren elektrischen Signal führt.

Bei dem in Schmidt, H.-J., Bauer, D., Wieseler, M., Gebhard, M., Benecke, W.: Micromachined Liquid Flow Meter Based on the Kinectic Pressure., Sensor 95, Nürnberg 1995, pp. 913-916 beschriebenen Meßelement in Form eines Si-Paddels überträgt sich die durch das Fluid induzierte mechanische Spannung in der Aufhängung in die dort eindiffundierten Piezowiderstände, die als Wheatstonesche Vollbrücke geschaltet sind. Die resultierenden Widerstandsänderungen werden als Änderung der Brückendiagonalspan­ nung elektrisch nachgewiesen (Dehnungs-Meßstreifen-Prinzip). Nachteilig an diesem Meßwertgeber ist der Umstand, daß es sich hierbei um ein Ele­ ment handelt, das an Silizium als Basismaterial gebunden und in erster Linie für niedrige Durchflußmengen geeignet ist. Zur Herstellung wird ein erheb­ licher technologischer Aufwand benötigt, so daß erst bei großen Stückzah­ len eine wirtschaftliche Fertigung erfolgen kann.

Darüber hinaus haben bei Nutzung des Dehnungs-Meßstreifen-Prinzip in Vollbrückenschaltung einseitig aufgehängte Drosselelemente (Paddel) den grundsätzlichen Nachteil, daß die vier Widerstände in der Regel aus Kosten­ gründen nur in einer Ebere appliziert werden, was dazu führt, daß entweder nur Stauchung oder nur Dehnung nachzuweisen ist. Die elektrische Signal­ ausbeute entspricht damit maximal der einer Halbbrücke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßelement mit der eingangs genannten Art anzugeben, welches den kompakten Einbau eines in das strö­ mende Medium direkt einzusetzenden Strömungssensors ermöglicht, ohne daß dabei die vorerwähnten auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Als Drossel wird eine vom Differenzdruck elastisch deformierbare Blende so in der Strömung angeordnet, daß sie entweder umlaufend oder zumindest in zwei, vorteilhaft gegenüberliegenden Bereichen, starr mit einem Rahmen oder der Rohrwandung verbunden ist. Im Fall der umlaufend starren Befe­ stigung besitzt die Blende mindestens ein entsprechend dimensioniertes Loch zum Strömungsdurchtritt. Im Fall der doppelseitigen Befestigung sind Durchbrüche in der Blende selbst nicht notwendig, sofern die beiden Zwi­ schenräume zum Befestigungsrahmen oder der Rohrwandung ausreichend dimensioniert sind.

Das einseitige Aufbringen von passivierten DMS-Widerständen zur Detek­ tion der bei Durchströmung der Blende sowohl positiven als auch negativen Oberflächenspannungen und deren Verschaltung zu einer Wheatsstoneschen Vollbrücke erfolgt je nach Anforderungen an den Meßbereich und die Prä­ zision der Volumenstrombestimmung mit bekannten Verfahren der Dick- oder Dünnfilmtechnik, wobei sich mit den gleichen Verfahrensschritten not­ wendige Abgleich- oder Temperaturmeßwiderstände in das Layout integrie­ ren lassen. In Übereinstimmung mit der Technologiefestlegung kommen als Blendenmaterial in der Dick- oder Dünnfilmtechnik übliche metallische oder keramische Substratmaterialien zur Anwendung. Dabei bestehen vielfältige Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich bestimmter mechanischer Materialeigen­ schaften (E-Modul, Bruchfestigkeit, Ausdehnungskoeffizient; mechanische Bearbeitbarkeit) und der chemischen Resistenz gegenüber dem zu messen­ den Medium.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Meßelementes verbunde­ nen Vorteile im Bezug auf Robustheit, Meßgenauigkeit und Langzeitstabi­ lität lassen sich insbesondere bei Anwendung der Dickschichttechnologie Ihr die elektrische Signalgewinnung auch bei mittleren Stückzahlen mit gün­ stigen Fertigungskosten verbinden.

Das erfindungsgemäße Meßelement ermöglicht bei doppelseitig starrer Befestigung auf einem Rahmen oder in der Rohrwandung einer elastisch deformierbaren Blende bereits bei einseitiger Applikation von optimal pla­ zierten Dehnungsmeßwiderständen, die zu einer Wheatstoneschen Voll­ brücke verschaltet sind, im Unterschied zum Prallplattenprinzip mit einseitiger elastischer Aufhängung für die elektrische Signalgewinnung die Nutzung des Vollbrückensignals.

Vorteilhaft ist ferner, daß der Aufwand zur Herstellung der Widerstands­ brücke für die elektrische Signalgewinnung sich insbesondere bei Nutzung der Dickfilmtechnologie im Vergleich zu anderen Verfahren bzw. Meßprin­ zipien deutlich verringern läßt.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1a die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung und

Fig. 1b die Anordnung im Schnitt.

Der Strömungssensor 1 weist eine deformierbare Struktur auf der Basis eines Biegeelements 3 auf. Die Sensorstruktur kann ein keramisches oder metallisches Wafer sein, aus dem die Ausnehmung 2 und das Biegeelement 3 durch Laserbearbeitung herausgearbeitet wurden. Das Biegeelement 3 ist an den gegenüberliegenden Einspannstellen 4 mit dem Substrat 5 verbunden bzw. geht in das Substrat über. Das Biegeelement 3 weist mindestens ein Loch 6 auf, durch das das Medium strömt. Bei der Durchströmung verhalten sich nach der Kontinuitätsgleichung Strömungsgeschwindigkeit und Strö­ mungsquerschnitt umgekehrt proportional, und nach dem Energiesatz bewirkt eine Zunahme der Bewegungsenergie eine Abnahme der Druckener­ gie, und umgekehrt.

Eine Einschnürung des Strömungsquerschnittes verursacht eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Abnahme des statischen Druckes. Dieser Druckabfall Δp verursacht die Durchbiegung des Biegeelements 3. Die Größe der Durchbiegung ist einerseits durch die Materialwahl für das Substrat 5 und andererseits durch die Geometrie des Biegeelements 3 sowie durch die Strömungskraft bestimmt.

Auf der Oberfläche des Biegeelements 3 sind eine Dehnungs-Meßsteifen- Brücke 7 und einen Temperaturensensor 8 aufgebracht. Die Brückenaus­ gangsspannung ΔU ist mit der vom strömenden Medium erzeugten mechanischen Spannung σ nach der Bezeichnung

gekoppelt, wobei

k - Dehnungsempfindlichkeit,
E - Elastizitätsmodul,
U - Brückenspeisespannung
ΔU - Brückenausgangsspannung.

Die erzeugten mechanischen Spannungen sind entsprechend dem Hookschen Gesetz dem Druckabfall am Biegeelement 3 proportional abhängig. Somit ist die Brückenausgangsspannung ΔU ein Maß für den Druckabfall bzw. für die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung.

Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar zur Messung des Wasserdurchflus­ ses in Haushaltsgeräten wie Durchlauferhitzer, Waschmaschinen, Spülma­ schinen etc.

Mit dem neuen Lösungsprinzip können die bekannten feinwerktechnischen Lösungen wie Turbine mit magnetischer Auslesung bezüglich der Kosten und der Gebrauchseigenschaften wie Langzeitstabilität und erweiterten Funktionalität (Detektion der Luftblasen) überboten werden.

Sie ist darüber hinaus einsetzbar zur Messung der Volumenströme in techni­ schen Systemen wie Rohrleitungen und Kanäle. Dabei können sowohl Flüs­ sigkeiten als auch Gase gemessen werden.

Claims (4)

1. Meßelement zur Volumenstrommessung in homogenen Flüssigkeiten oder Gasen mit einem Biegeelementes, dadurch gekennzeichnet, daß das Biege­ element bei einer Auslenkung aus einer Ausgangslage aufgrund einer von der Strömung eines flüssigen und gasförmigen Mediums hervorgerufenen Krafteinwirkung ein vom Deformationsstandes abhängiges elektrisches Signal erzeugt, wobei das Biegeelement (3) derart innerhalb des strömenden Mediums entweder umlaufend oder in mindestens zwei gegenüberliegenden Bereichen (4) starr mit seinem Rahmen (9) oder der Rohrwandung verbun­ den ist, so daß erstens die Widerstände einer auf der Oberfläche des Biege­ elementes (3) angeordneten DMS-Meßbrücke (7) an der Stelle der maximalen Spannung und zweitens an der Stelle der minimalen Spannung des Biegeelementes (3) angeordnet sind.

2. Strömungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (3) bei umlaufender Befestigung mindestens ein Loch für die Durchströmung aufweist.

3. Strömungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem der Dick-Schicht- oder Dünn-Schicht-Technolo­ gie kompatiblen und chemisch gegenüber dem zu messenden Medium passi­ ven Material besteht.

4. Strömungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die DMS-Brücke (7) und der Temperaturensensor (8) mit Dickfilm-Hybrid-Technik strukturiert sind.