DE19983825B4

DE19983825B4 - Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes und Verwendung eines Laminar-Flusselements

Info

Publication number: DE19983825B4
Application number: DE19983825T
Authority: DE
Inventors: Robert D. Georgetown McMillan
Original assignee: MCMILLAN Co GEORGETOWN; MCMILLAN COMPANY GEORGETOWN
Current assignee: MCMILLAN Co GEORGETOWN; MCMILLAN COMPANY GEORGETOWN
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: GB2358930B; US6119730A; GB0112254D0; WO2000037806A1; GB2358930A; DE19983825T1

Abstract

Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes (22, 44), umfassend
ein Sensorelement (12, 34) mit einem Sensorrohr zum Hindurchleiten eines kleinen Teils des Gasstromes (22, 44) zum Erhalten einer Messung, die eine Masse-Flussrate des Gasstromes (22, 44) anzeigt und
einen Flussblock (16, 38), der mit dem Sensorelement (12, 34) verbunden ist, wobei der Flussblock (16, 38) ein Bohrloch (27) aufweist, das den Gasstrom (22, 44) aufnimmt, und
ein Laminar-Flusselement (25, 48) innerhalb des Bohrloches (27) des Flussblocks (16, 38) mit einem spitz zulaufenden Eingangsende (15, 41), um den Gasstrom (22, 44) um das Laminar-Flusselement (25, 48) zu leiten und einen laminaren Flussweg in dem Bohrloch (27) um das Laminar-Flusselement (25, 48) herum zu bewirken,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laminar-Flusselement (25, 48) mit einer Vielzahl von Schlitzen (54) versehen ist, um einen relativ hohen einströmenden Gasstrome (22, 44) aufzunehmen und einen laminaren Fluss sicherzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie die Verwendung eines Laminar-Flusselementes in einer Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes nach Patentanspruch 8.
Thermische Massefluss-Sensoren und Fluss-Steuerungseinrichtungen beinhalten normalerweise ein Sensorrohr, das zwei erwärmte Spulen (eine stromaufwärtige Spule und eine stromabwärtige Spule), die um das Sensorrohr in unmittelbarer Nähe zueinander gewickelt sind, aufweist. Jede erwärmte Spule ist typischerweise aus einem dünnen Draht hergestellt, der eine Eigenschaft besitzt, dass er seinen Widerstand mit der Temperatur ändert. Die erwärmten Spulen führen eine konstante Wärmemenge einem Gasstrom zu, der durch das Sensorrohr strömt. Während die Masseströmungsrate des Gasstroms durch das Sensorrohr zunimmt, überträgt das Sensorrohr Wärme von der stromaufwärtigen Spule zur stromabwärtigen Spule. Die resultierende Temperaturdifferenz erzeugt eine Zunahme der Wärme zur stromabwärtigen Spule und eine entsprechende Abnahme der Wärme zur stromaufwärtigen Spule, wodurch die Widerstände der zwei Spulen geändert werden. Diese Widerstandsänderung wird über einen elektronischen Schaltkreis erfasst und erzeugt ein Ausgabesignal proportional zur Masseströmungsrate des Gasstroms.
In den meisten kommerziell erhältlichen Massefluss-Sensoren weist das Sensorrohr einen kleinen Durchmesser auf und wird in einem linearen Flussbereich betrieben, solange der Gasfluss durch das Sensorrohr ausreichend niedrig ist, so dass er sich in einem rein laminaren (nicht turbulenten) Zustand befindet. Die Gasflussraten durch die meisten kommerziell erhältlichen Massefluss-Sensoren haben lediglich Flussraten von 20 bis 30 sccm oder ml/min. (0,02 bis 0,03 Liter/Minute) durch das Sensorrohr.
Um thermische Massefluss-Sensoren mit einem ausgedehnten Flussbereich über 20 bis 30 sccm bereitzustellen, ist normalerweise der einströmende Gasmassefluss in zwei Wege aufgeteilt: ein Flussweg für das Sensorelement und einen Bypass-Flussweg. Um das Verhältnis des Gasmasseflusses, der durch den Bypass-Flussweg fließt, und den Gasmassefluss, der durch den Sensorelement-Flussweg fließt, anzugleichen, beinhalten thermische Massefluss-Sensoren ein laminares Flusselement (auch als Beschränkungs-Flusselement bezeichnet), so dass eine lineare Beziehung zwischen dem Sensorelement-Flussweg und dem Bypass-Flussweg entsteht.
Laminare Flusselemente sind derart aufgebaut, um ein Druckdifferential direkt proportional zu der Masseflussrate eines Gasstroms zu erzeugen. Ein laminares Flusselement kann ein Kapillarrohr mit einem kleinen Durchmesser sein, oder es kann ein Bündel solcher Rohre oder andere Konfigurationen auf Rohrbasis sein. In letzteren wird ein Flussweg in viele kleine Durchgänge oder Kanäle (typischerweise rund oder rechtwinklig) unterteilt, um sicherzustellen, dass ein ausreichend entwickelter laminarer Fluss (oder nicht turbulenter Fluss) besteht. Ein laminarer oder nicht turbulenter Fluss bezieht sich im Allgemeinen. auf die Bewegung eines Gases mit lokalen Geschwindigkeiten und Drücken, die nicht zufällig fluktuieren. Die Beziehung zwischen dem Druckabfall und der Masseflussrate für einen laminaren Fluss hängt ebenso von der Gasviskosität ab, die über große Temperaturextreme variieren kann. Laminare Flusselement-Designs haben gewisse Temperaturbeschränkungen und Druckgrenzen bezüglich des Gases festgesetzt, um eine Gesamtgenauigkeit zu bestimmen.
Die Viskosität von Gasen ist im Wesentlichen jedoch zwischen ein paar Prozent einer Atmosphäre und einigen Atmosphären bis zu Drücken unabhängig vom Druck, die 150 Pounds per Square Inch (psi) überschreiten. Im Bereich von 10 bis 50 Grad Celsius schwankt die absolute Viskosität der meisten Gase um ein paar Prozent, und nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Selbst wenn die Temperatureffekte ziemlich klein sind über die oben angegebenen Temperatur- und Druckgrenzen, so kompensiert ein thermisches Massefluss-Sensor-Design solche Viskositätsänderungen, da das Sensorelement ein laminares Flusskapillarrohr ist. Als Ergebnis resultiert kein erfassbarer Flussmessfehler aufgrund von angemessenen Gastemperatur- oder Druckschwankungen.
Ein weiterer Ansatz bezüglich laminarer Flusselement-Designs ist gewesen, eine Vielzahl von Kapillarrohren in ein Plastikgehäuse einzubetten, um ein Laminar-Flusselement des Kapillartyps zu erzielen. Dies ist ein sehr kostspieliges Elementdesign. Der Innendurchmesser der Kapillarrohre variiert beträchtlich von einem Stapel zum nächsten. Dies machte es schwierig, falls nicht unmöglich, anscheinend identische Kapillarrohrelemente herzustellen und identische Fluss-versus-Druck-Charakteristiken zu erhalten. Entsprechend sind große Variationen der Fluss-versus-Druckabfall-Charakteristiken erhalten worden. Dieser Multikapillarrohransatz ist sehr zeitaufwendig und kostspielig gewesen.
Ein weitere Art von laminarem Flusselement macht von "Plastik-Gates" zur Bildung von Gasflussdurchführungen Gebrauch. Eine Person, die dieses laminare Flusselement installiert, musste experimentell verschiedene "Gates" herausschneiden, um eine korrekte Anzahl von Durchführungen zu verwenden, um die erwünschten Fluss-versus-Druckabfall-Charakteristiken zu erhalten. Es hat sich gezeigt, dass diese Art von Experimentierung ziemlich arbeitsintensiv ist und keinen gleichmäßigen Laminarflussweg um einen Außenumfang des Laminar-Flusselements bereitstellt. Einige Flussmessfehler resultierten zwangsläufig, wenn der Gasfluss durch das Sensorelement mit dem Gasfluss durch das laminare Flusselement verglichen wurde. Eine Flussverteilung variierte, falls einige Gates lediglich an dem Boden des laminaren Flusselements entfernt wurden, verglichen mit der Entfernung von Gates an der Oberseite des laminaren Flusselements. Diese ungleichmäßige Flussverteilung beeinflusste das wahre Verhältnis zwischen dem laminaren Fluss-Bypass-Shunt und dem Sensorrohr. Eine nicht lineare Charakteristik könnte sich mit Flussverhältnisfehlern, die mit der Flussrate variieren, entwickeln, wodurch eine Gesamtgenauigkeit reduziert wird.
Eine hohe Flussversion dieses laminaren Flusselements wird typischerweise an jedem Ende unter Verwendung von Stützringen unterstützt. Der gesamte Bypass-Fluss strömte durch die Vielzahl der Schlitze in dem Laminar-Flusselement. Ebenfalls strömte ein Teil des Flusses zwangsläufig um die Außenseite des laminaren Flusselements. Es ist sehr schwierig gewesen, falls überhaupt möglich, sicherzustellen, dass das laminare Flusselement ausreichend zentriert war, so dass ein radialer Abstand um die äußere Oberfläche des laminaren Flusselements gleich blieb. Falls der radiale Abstand variabel war von einem laminaren Flusselement zu einem anderen, dann würde ein laminaren Flusselement beim Vergleich mit anderen installierten Flusselementen eine unterschiedliche Flussrateversus-Druckabfall-Charakteristik aufweisen. Dies würde wahrscheinlich bedeuten, dass ein Installateur beträchtliche Arbeitszeit aufwenden würde, um zu versuchen, jedes solche installierte laminare Flusselement abzustimmen. Des Weiteren ist festgestellt worden, dass sich Probleme ergeben, falls der radiale Abstand derart variiert, dass er eine gewisse Messung überschreitet. Laminare Flusscharakteristiken unterschieden sich von den Sensorelement-Charakteristiken und es folgte ein nicht lineares Verhalten. Dieses laminare Flusselement-Design würde wahrscheinlich sehr kostspielig bei der Herstellung sein und ebenfalls mangelnde Präzision aufweisen.
Ein anderer Ansatz beim Entwerfen eines laminaren Flusselements ist das laminare Flusselement gewesen, das in Baan, U.S. Patent Nr. 5,332,005 beschrieben ist. Eine Mehrzahl von bearbeiteten Platten wurde mit verschiedenen Schlitzen und einem Loch versehen, so dass ein Gasstrom laminar hindurchströmen kann. Dieses Design kann einen hohen Grad an Genauigkeit erzielen, ist aber teuer bei der Herstellung und es würden sich Schwierigkeiten ergeben, dieses zu Reinigungszwecken auseinanderzubauen.
Die AALBORG Instrument Company macht Gebrauch in ihren thermischen Massefluss-Sensoren von zwei Arten von laminaren Flusselementen. Die erste Art ist für relativ geringe Flussraten. Dieses laminare Flusselement-Design hängt von dem radialen Abstand um einen runden Stöpsel ab, der in ein Flussblockierloch eingeführt ist, um eine erwünschte Flussrate-versus-Druckabfall-Charakteristik über den Stöpsel zu bilden. Der Stöpsel ist in eine Einlasspassung eingeschraubt und ist von dieser Einlasspassung heraus freihängend. Um einen laminaren Fluss aufrechtzuerhalten, ist es notwendig gewesen, dass der radiale Abstand nicht ungefähr 0,45 Inch überschreitet und dass er genau zentriert ist in Bezug auf das Flussblockierloch. Herstellungstoleranzen haben es kommerziell unpraktisch gemacht, einen perfekten radialen Abstand zwischen dem freistehenden Stöpsel und dem Flussblockierloch sicherzustellen. Eine Untersuchung einige der thermischen Massefluss-Sensoren von AALBORG hat gezeigt, dass der radiale Abstand an dem Einlassende um ungefähr +/– 0,02 Inch variiert. Aufgrund des Cantilever-Effekts ist das Auslassende des Stöpsels entweder in Kontakt mit dem Flussblockierloch oder ist ungefähr 0,45 Inch von der wahren Mitte in Bezug auf das Flussblockierloch entfernt. Diese Variante im Design hat überwiegend unterschiedliche Resultate von einem Laminar-Flusselement zu einem anderen ergeben, und es macht eine Kalibrierung schwierig und zeitaufwendig.
Da der laminare Flussweg zerstört worden ist, wenn der Stöpsel sich nicht in der Mitte des Flussblockierlochs befindet, haben sich Nicht-Linearitäten ergeben, die es schwierig machen, einen Fluss-Sensor innerhalb der Genauigkeitserfordernisse zu kalibrieren. Der Flussweg um den Stöpsel ist nicht gleichmäßig, was es unmöglich macht, gute lineare Ergebnisse über einen großen Flussbereich zu erhalten. In der Praxis hat diese Art von laminarem Flusselement für geringe Flussraten lediglich ungefähr einen 10:1-Bereich des Flusses innerhalb normal akzeptabler kommerzieller Toleranzen ergeben.
Für höhere Flussraten hat AAHLBORG eine Durchführung vorgesehen, die ein rostfreies Stahlnetz enthält oder andere poröse Materialien, die zwischen Siebscheiben gestellt sind. Diese Scheiben sind miteinander mittels Schrauben befestigt, die durch die Mitte einer jeden Siebscheibe gehen. Unter Verwendung der Scheiben und der Schrauben kann das Stahlnetz komprimiert oder verlängert sein, um eine Vielzahl von fluiden Flussbereichen zu ermöglichen. Es hat den Anschein, dass der Durchmesser der Scheiben geringfügig größer ist als das Flussblockierloch, wodurch ermöglicht wird, dass die laminaren Flussscheiben aufgrund von Reibung in Position gebracht werden können. Dieses Design stellt einen Erfolgs- oder Misserfolgsansatz dar, um eine besondere Flussrateversus-Druckabfall-Charakteristik zu erhalten. Es ist ziemlich wahrscheinlich, dass ein Installateur Scheiben zugefügt oder entfernt hat, bis die erwünschte Flussrate-versus-Druckabfall-Charakteristik erzielt worden ist. Dieser Ansatz ist sehr arbeitsintensiv gewesen und verursachte unnötige Kalibrierungszeit. Ebenfalls ist mit diesem Ansatz festgestellt worden, dass eine schlechte Linearität daraus resultiert, und die Gesamtgenauigkeit eines thermischen Massefluss-Sensors wurde deutlich verschlechtert.
Aus der US 5 305 638 A ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher das Laminar-Flusselement an seinem stromabseitigen Ende konisch geformt und mit Kerben zum Durchleiten des Gasstromes versehen ist. Das Sensorelement ist über eine Leitung mit einer Bohrung direkt an der Spitze des Laminar-Flusselementes und einer stromabseitigen Bohrung deutlich hinter dem Ende des Laminar-Flusselementes verbunden, so dass ein Differenzdruck über das Laminar-Flusselement abgetastet werden kann. Wenn größere Gas-Strömungsmengen zu messen sind, kann es bei der bekannten Vorrichtung zu relativ großen Messfehlern kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes dahin gehend aufzuzeigen, dass auch bei großen Massenströmen eine genaue Messung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder durch die Verwendung eines Laminar-Flusselementes in einer Vorrichtung nach Patentanspruch 8 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Laminar-Flusselement kann in einem thermischen Massefluss-Sensor oder einer Flusssteuerungseinrichtung enthalten sein, so dass das Laminar-Flusselement im Wesentlichen konzentrisch mit einer Bohrung einer Flussblockierung angeordnet ist. Das Laminar-Flusselement kann so auf einfache Weise in und aus dem Bohrloch gleiten, und dadurch wird eine Reinigung und eine Kalibrierung des Präzisionslaminar-Flusselements vereinfacht. Das Abnehmen und Reinigen des Laminar-Flusselements kann von Personen durchgeführt werden, die im Hinblick auf den Zusammenbau und die Demontage von thermischen Massefluss-Sensoren und Flusssteuerungseinrichtungen nicht ausgebildet sind. Des Weiteren hat der Ausbau und Wiedereinbau des Laminar-Flusselements keinen Einfluss auf die Kalibrierung des Präzisionslaminar-Flusselements. Unterschiedliche Laminar-Flusselemente mit unterschiedlichen radialen Abständen können in den Flussblock eingeführt werden, wodurch eine Vielzahl von kalibrierten Flussbereichen lediglich durch Austauschen des Laminar-Flusselements bereitgestellt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, erhalten werden, von denen:
1 eine Seitenansicht ist, zum Teil im Querschnitt, eines thermischen Flussmechanismus, der eine Anordnung für geringe Flussraten eines Präzisionslaminar-Flusselements entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 eine Querschnittsansicht des Präzisionslaminar-Flusselements entlang der Linie A-A der 1 ist;
3 eine schematische Darstellung des Präzisionslaminar-Flusselements der 1 und 2 innerhalb eines Flussblocks entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines thermischen Masseflussmechanismus ist, der eine Anordnung für hohe Flussraten eines Präzisionslaminar-Flusselements entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist; und
5 eine Querschnittansicht des Präzisionslaminar-Flusselements entlang der Linie B-B der 3 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 einen thermischen Massefluss-Mechanismus 10, der eine Anordnung für geringe Flussraten eines Präzisionslaminar-Flusselements 25 entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist. Der thermische Massefluss-Mechanismus 10, der ein thermischer Massefluss-Sensor oder eine Flusssteuerungeinrichtung sein kann, umfasst zum Beispiel ein Sensorelement 12, das mit einem Hauptflussblock 16 verbunden ist. Der Flussblock 16 stellt einen Einlass oder ein Eingangsende 18 zum Aufnehmen eines einströmenden Gasstroms 22 und einen Auslass oder ein Auslassende 20 für den ausströmenden Gasstrom 24 bereit. Das Präzisionslaminar-Flusselement 25 ist in dem Flussblock 16 untergebracht. Ein Abschnitt des einströmenden Gasstroms 22 gelangt durch einen Hauptweg oder laminaren Flussweg, der durch das Präzisionslaminar-Flusselement 25 und dem Innendurchmesser des Flussblocks 16 bestimmt ist. Ein weiterer Abschnitt des einströmenden Gasstroms 22 gelangt durch einen Sensorflussweg, der durch das Sensorelement 12 bestimmt ist.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das Sensorelement 12 ein Sensorrohr. Zwei erwärmte Spulen 14a und 14b sind um das Sensorrohr 12 in unmittelbarer Umgebung zueinander gewickelt. Die erwärmten Spulen 14a und 14b leiten eine konstante Wärmemenge in jeden Abschnitt des einströmenden Gasstroms 22, der durch das Sensorrohr 12 strömt. Während ein Teil des einströmenden Gasstroms 22 durch das Sensorrohr 12 hindurchgeht, wird Wärme von der stromaufwärtigen Spule 14a zur stromabwärtigen Spule 14b übertragen. Die erwärmten Spulen 14a und 14b besitzen eine derartige Eigenschaft, dass ihr Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Die Spulen 14a und 14b erfahren so eine Widerstandsänderung aufgrund des koninuierlich einströmenden Gasstroms 22. Der Widerstandsunterschied wird typischerweise über herkömmliche elektronische Schaltkreise erfasst, die dazu verwendet werden, um ein Ausgangssignal proportional zur Masseflussrate des einströmenden Gasstroms 22 zu erzeugen.
Das Laminar-Flusselement 25 ist speziell geformt und dimensioniert, wie unten beschrieben, um einen hohen Grad an Präzision zu erzielen. Der größe Teil des einströmenden Gasstroms 22 kann um das Laminar-Flusselement 25 durch den Flussblock 16 strömen, während ein kleiner Teil des einströmenden Gasstroms 22 durch das Sensorelement 12 strömt. An dem Einlassende oder der Nase 18 des Flussblocks 16 sieht das Laminar-Flusselement 25 ein spitz zulaufendes Eingangsende 15 zum Aufrechterhalten eines rein laminaren Flusses um das Laminar-Flusselement 25 vor. Das spitz zulaufende Eingangsende 15 gewährleistet, dass der einströmende Gasstrom 22 gleichmäßig um den äußeren Umfang des Laminar-Flusselements 25 strömt. Durch Bildung eines solchen gleichmäßigen laminaren Flusswegs kann ein nahezu ideales lineares Flussverhältnis (Verhältnis des Flusses in dem Sensorelement-Flussweg und dem Fluss in dem laminaren Flussweg) in einem Bereich von einem vorbestimmten maximalen Nennfluss bis zu ungefähr 1/200 des vorbestimmten maximalen Nennflusses (d.h. eine 200:1 lineare Flussbereichstauglichkeit) erzielt werden. Aufgrund dieser Anordnung kann das Laminar-Flusselement 25 zu geringen Kosten hergestellt werden.
Das Laminar-Flusselement 25 ist des Weiteren mit einer Mehrzahl von nach außen sich erstreckenden abstehenden Stiften 28 versehen. Die abstehenden Stifte 28 stehen von einer äußeren Oberfläche 30 des Laminar-Flusselements 25 zu einer inneren Oberfläche 29 des Flussblocks 16 hervor, um so einen im Wesentlichen gleichen Abstand C_A um die äußere Oberfläche 30 beizubehalten. Die abstehenden Stifte 28 unterstützen die Sicherstellung der geometrischen Stabilität des Laminar-Flusselements 25.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann das Laminar-Flusselement 25 wesentlich länger als das Sensorelement 12 sein. In der offenbarten beispielhaften Ausführungsform ist das Laminar-Flusselement 25 ungefähr dreimal länger (d.h. wesentlich länger) als das Sensorelement 12. Auf diese Weise bleibt der Kapillarfluss durch den Laminar-Flusselementweg proportional zur Druckabfall-versus-Masseflussrate über einen weiten Flussbereich. Dieser weite Flussbereich ist weiter als derjenige, der erzielt werden könnte, wenn die Länge des Laminar-Flusselements 25 ungefähr gleich der Länge des Sensorelements 12 ist. In 1 ist die Länge des Sensorelements 12 durch L_S-A angedeutet.
In den meisten kommerziell erhältlichen Masseflussmetern ist die Länge des Laminar-Flusselements die gleiche wie die Länge des Sensorrohrs. Es wurde festgestellt, dass kleine Sensorrohre mit einem Innendurchmesserbereich von 0,02 bis 0,03 einen Druckabfall von ungefähr 0,6 bis 1,0 Inch Wasser erfordern, um maximale Charakteristiken bei maximalem Nennfluss durch die Sensorrohre zu erhalten. Falls ein Gasstrom mit Flussraten von mehr als 0,02 bis 0,03 Liter/Minute durch die Sensorrohre strömt, so wird anschließend das elektrische Signal, das von den erwärmten Spulen erzeugt wird, nicht linear. So wurde ein herkömmliches Laminar-Flusselement derart bemessen, dass der Druckabfall (stromaufwärtige Druckanzeige – stromabwärtige Druckanzeige) über das Laminar-Flusselement gleich dem Druckabfall über das Sensorrohr ist. Falls das Laminar-Flusselement 25 dreimal länger als das Sensorrohr 12 ist, kann jedoch das Laminar-Flusselement Gas mit ungefähr einer Gasflussrate umleiten, die dreimal höher ist als die, wenn das Gas durch ein Laminar-Flusselement umgeleitet wird, welches nur so lange wie das Sensorrohrelement ist.
Ein weiterer Vorteil eines langen Laminar-Flusselements 25, den der Anmelder durch Experimentierung gefunden hat, ist derjenige, dass eine besonders lineare Beziehung in dem Fluss-versus-Spannungsausgabesignal der Sensorspulen 14a und 14b besteht. Testdaten zeigen Fehler von lediglich +/– 2% der Anzeige für einige herkömmliche Gase in einem Bereich von einem vollen Nennfluss zu 1/100 des Nennflusses.
Die Laminar-Flusselemente, die an dem Anfang eines Sensoreinlasses beginnen, haben den wirklich laminaren Flusseffekt nicht gleichmäßig an dem Sensorrohreinlass verteilt und haben selten rein lineare Ausgabesignale über mehr als einen 25:1-Bereich erzeugt. Dieser zusätzliche Vorteil des längeren Laminar-Flusselements 25 verbessert die Leistung auf dem Gebiet der Masseflusssensor-Designs, wobei Bypass-Shunts eingesetzt werden, um höhere Flussraten zu erzielen.
Die Laminar-Flusselementanordnung 25 erzielt ein lineares Flussverhältnis bei geringen Flussraten. Zum Beispiel ist festgestellt worden, dass solch eine Anordnung für lineare Flussraten von 10 bis 50 Liter/Minute geeignet ist. Ferner, durch Testen von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei Flussbereichen von 0-20 Liter/Minute, 0-50 Liter/Minute, 0-100 Liter/Minute, 0-200 Liter/Minute und 0-500 Liter/Minute, hat der Anmelder ausgezeichnete lineare Spannungsausgabe-Anwort-Charakteristiken gefunden, wobei Luft als ein Testgas verwendet wurde.
Mit Bezug auf 2 ist eine Querschnittsansicht des Laminar-Flusselements 25 entlang der Linie A-A gezeigt. Eine ringförmige Leckdurchführung oder Weg 27 (herkömmlich als ein Bohrungsloch bezeichnet) ist in dem Flussblock 16 zwischen der äußeren Oberfläche 30 des Laminar-Flusselements 25 (schattiert gezeigt) und der inneren Oberfläche 29 des Flussblocks 16 gebildet. In der offenbarten beispielhaften Ausführungsform ist aufgrund der abstehenden Stifte 28 das Laminar-Flusselement 25 konzentrisch mit dem Bohrloch 27 innerhalb ungefähr 0,001 Inch eines erwünschten radialen Abstands über den gesamten äußeren Umfang des Laminar-Flusselements 25 angeordnet. Dies gewährt einen im Wesentlichen gleichen radialen Abstand C_A der ringförmigen Leckdurchführung 27 um die äußere Oberfläche 30 des Laminar-Flusselements 25. Es ist von dem Anmelder bestimmt worden, dass radiale Abstände von ungefähr 0,01 bis 0,045 Inch einen reinen Laminarfluss über einen differentiellen Druckabfall von ungefähr 2 Inch Wasser erzielen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt der ringförmige Leckweg 27, der durch das Präzisionslaminar-Flusselement 25 und den Flussblock 16 bestimmt ist, einen Laminarfluss bei relativ geringen Druckabfällen über dem Flussblock 16. Dies tritt besonders dann auf, wenn der differentielle Druck über dem Flussblock 16 nicht größer als ungefähr 2 Inch Wasser ist. Bei einem solch niedrigen differentiellen Druck über das Laminar-Flusselement 25 nähern sich die Gasgesetze (für alle praktischen Zwecke) den inkompressiblen Flusscharakteristiken an. Ferner erzeugt der laminare Fluss um das Präzisionslaminar-Flusselement 25 innerhalb des Flussblocks 16 eine sehr kleine Lücke um den Umfang des Präzisionslaminar-Flusselements 25.
Mit Bezug auf 3 ist eine schematische Darstellung des Präzisionslaminar-Flusselements 25 innerhalb des Flussblocks 16 gezeigt. Diese Darstellung ist bei der Erklärung behilflich, wie der laminare Fluss durch das Präzisionslaminar-Flusselement 25 berechnet werden kann. Die Gleichung zur Berechnung des laminaren Flusses durch die ringförmige Durchführung 27 um das Präzisionslaminar-Flusselement 25 ist wie folgt:
Q stellt eine ringförmige Leckflussrate für den ringförmigen Leckweg 27 dar. D stellt den Durchschnitt des Durchmessers D₁ des Laminar-Flusselements 25 und des Durchmessers D₂ des Flussblocks 16 dar. Mit anderen Worten ist D = (D₁ + D₂)/2. Das Symbol "a" stellt die Breite des ringförmigen Leckwegs 27 dar. Δp stellt einen Unterschied zwischen einem stromaufwärtigen Anzeigedruck p₁ und einem stromabwärtigen Anzeigedruck p₂ dar. Δp ist so gleich p₁ – p₂. Das Symbol μ stellt die absolute Viskosität des Gases dar. L stellt die Länge des laminaren Flussweges dar. Die Symbole D₁, D₂, L, Q, a, p₁ und p₂ sind dargestellt. Die obige Laminarflussgleichung ist besonders gut geeignet bei der Bestimmung des ringförmigen Leckwegs 27 für den laminaren Fluss um das Präzisionslaminar-Flusselement 25.
Die obige Gleichung kann als Fluss zwischen unendlichen parallelen Platten für einen vollständig entwickelten laminaren Fluss gekennzeichnet werden. Experimentell ist von dem Anmelder festgestellt worden, dass ein laminarer Fluss vollständig entwickelt ist, wenn die Länge des Laminar-Flusswegs L größer als ungefähr das 25- bis 40-Fache der Breite "a" des ringförmigen Leckwegs 27 ist, solange der Druckabfall über dem Laminar-Flusselement 25 nicht ungefähr 2 Inch Wasserdruckabfall überschreitet. In der offenbarten beispielhaften Ausführungsform wird die Länge L des Laminar- Flusswegs auf sehr viel größer als ungefähr das 40-Fache des ringförmigen Leckwegs 27 gehalten. Ebenfalls ist die Reynoldszahl (Re) in der offenbarten beispielhaften Ausführungsform des Präzisionslaminar-Flusselements 25 sehr niedrig gehalten, um einen laminaren Fluss zu gewährleisten.
Wie aus der obigen Laminarfluss-Gleichung offensichtlich sein sollte, erlaubt die Geometrie des Präzisionslaminar-Flusselements 25 die Anwendung der idealen Gasgesetzgleichungen, um das Verhältnis von Fluss versus differentiellem Druck vorherzusagen. Die Geometrie des Laminar-Flusselements 25 kann durch den Durchmesser des Präzisionslaminar-Flusselements D_ILF-A (2), den radialen Abstand C_A zwischen dem Präzisionslaminar-Flusselement 25 und dem Flussblock 16 (1 und 2), und der Länge L des Präzisionslaminar-Flusselements 25 (1 und 4) beschrieben werden. Das Präzisionslaminar-Flusselement 25 sieht einen hohen Grad an Präzision für alle drei Dimensionen vor. Das Laminar-Flusselement 25 stellt eine enge Korrelation zwischen diesen Dimensionen und den idealen Gasgesetzgleichungen bereit. Die Genauigkeit der obigen Laminarfluss-Gleichung ist durch ihre Verwendung und durch experimentelles Testen bestätigt worden.
Zurück zu 2 entsprechend der vorliegenden Erfindung kann das Laminar-Flusselement 25 einen Durchmesser D_ILF-A von ungefähr 0,4356 Inch enthalten und der ringförmige Leckweg 27, der durch das Laminar-Flusselement 25 bestimmt ist, beträgt ungefähr 0,03 Inch. Für solch einen Durchmesser des Elements 25 kann das Laminar-Flusselement 25 einen Wasserdruckabfall von ungefähr 1,95 Inch bei seinem vorbestimmten maximalen Nennfluss für eine lineare Wirkung bei ungefähr 26 Liter/Min entwickeln.
In der offenbarten beispielhaften Ausführungsform sind drei abstehende Stifte 28 in der Nähe des spitz zulaufenden Eingangsendes 15 des Laminar-Flusselements 25 gestellt, und die drei abstehenden Stifte 28 sind in der Nähe des Ausgangsendes 17 des Laminar-Flusselements 25 gestellt. Die drei abstehenden Stifte 28 an beiden Enden können gleich beabstandet sein (d.h. einen Abstand von 120 Grad), wie in 2 dargestellt ist.
Das Laminar-Flusselement 25 kann einem Außendurchmesser D_ELF-A aufweisen, der geringfügig sich von einem Außendurchmesser D_ELF-A eines anderen Laminar-Flusselements 25 unterscheidet, um einen unterschiedlichen Flussbereich unterzubringen. Ein besonderer Flussbereich, der durch den Flussmechanismus 10 erhalten wird, basiert auf der Außendurchmesserabmessung des Laminar-Flusselements 25. In der offenbarten Ausführungsform ist der Außendurchmesser D_ELF-A des Laminar-Flusselements 25 vorzugsweise derart gewählt, einen radialen Abstand im Bereich von 0,01 bis 0,045 Inch bereitzustellen. Der Durchmesser D_ELF-A des Flussblocks 16 ist gleich der Summe der Außendurchmesser D_ELF-A des Laminar-Flusselements 25 und des doppelten ausgewählten Abstands. Die Fähigkeit, verschiedene Laminar-Flusselemente 25 mit unterschiedlichen Außendurchmessern D_ELF-A einzuführen, welche unterschiedliche ringförmige Abstände bereitstellen, ermöglicht einen vielseitigen Flussmechanismus 10 zur Unterstützung von verschiedenen Flussratenbereichen. Ein Laminar-Flusselement 25 kann innerhalb ein paar Minuten ausgetauscht werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann ein Austausch des Laminar-Flusselements 25 mit minimaler Rekalibrierung erfolgen, da das Laminar-Flusselement 25 auf einfache Weise in und aus dem Bohrloch 27 in dem Flussblock 16 gleiten kann. Eine Kalibrierung des Laminar-Flusselements 25 bleibt beim Ausbau und dem Wiedereinbau des Laminar-Flusselements 25 unbeeinflusst. Ferner ist das Entfernen und Reinigen des Laminar-Flusselements 25 einfach und unkompliziert und kann von Personen ausgeführt werden, welche keine präzisen Montage/Demontage-Fähigkeiten besitzen. In der Vergangenheit waren typischerweise Techniker mit beachtlichem Training für die Montage und Demontage von Massefluss-Sensoren und Fluss-Steuerungseinrichtungen für derartige Arbeiten an Laminar-Flusselement-Aufbauten aus dem Stand der Technik erforderlich.
Mit Bezug auf 4 ist eine Querschnittsseitenansicht eines thermischen Massefluss-Mechanismus 32, der eine hohe Flussratenanordnung eines Präzisionslaminar-Flusselements 48 beinhaltet gezeigt. Die laminare Flussratenanordnung 48 ist für Flussraten von 100 bis 500 Liter/Minute geeignet. Die Laminar-Flusselementanordnung 48 erhält so ein lineares Flussverhältnis bei hohen Flussraten aufrecht.
Der thermische Masseflussmechanismus 32 ist von einem ähnlichen Aufbau und wird auf ähnliche Weise wie der thermische Masseflussmechanismus 10 der 1 betrieben. Zum Beispiel stellen die erwärmten Spulen 36a und 36b und das Sensorrohr 34 der 3 einen ähnlichen Aufbau und Betrieb zu den erwärmten Spulen 14a und 14b und des Sensorrohrs 12 der 1 bereit. Eine Mehrzahl von abstehenden Stiften 50 und ein spitz zulaufendes Eingangsende oder Nase 51 der
3 stellen einen ähnlichen Aufbau und Betrieb zu der Mehrzahl der abstehenden Stifte 28 bzw. des spitz zulaufenden Eingangsendes 50 der 1 bereit. Der Masseflussmechanismus 32 nimmt einen relativ hohen einströmenden Gasstrom 44 durch ein Einlassende 40 des Flussblocks 38 auf und stellt einen ausströmenden Gasstrom 46 durch ein Ausgangsende 42 des Flussblocks 38 bereit. Ferner weist das Laminar-Flusselement 48 einen ähnlichen Aufbau auf und wird auf ähnliche Weise zu dem Laminar-Flusselement 25 der 1 betrieben.
Ein zusätzliches Merkmal der Laminar-Flusselementanordnung 48 ist eine Mehrzahl von Flussaufnahme- oder -regelungsschlitzen 54, die in dem Laminar-Flusselement 48 gebildet sind, um den relativ hohen einströmenden Gasstrom 44 aufzunehmen. Für diese spezielle Ansicht (4) erstreckt sich die Mehrzahl der Schlitze 54 von dem spitz zulaufenden Einlassende 41 des Laminar-Flusselements 48 zu dem Auslassende 43 des Laminar-Flusselements 48 entlang einem longitudinalen Weg parallel zu dem Gasfluss. Die Schlitze 54 erstrecken sich des Weiteren nach außen entlang einem verjüngten Abschnitt einer inneren Oberfläche 47 des spitz zulaufenden Einlassendes 41 auf diagonale Weise. In der offenbarten Ausführungsform sind vier Schlitze mit einer Breite von 0,031 Inch in das Laminar-Flusselement 48 mit 90 Grad Abständen hineingeschnitten, wie in 4 zu sehen ist. Die Schlitze 54 ermöglichen dem relativ hohen einströmenden Gasstrom 44, den Flussblock 38 zu passieren und einen rein laminaren Fluss aufrechtzuerhalten. Abhängig von der erwünschten Flussrate kann die Anzahl der Schlitze 54, die in das Laminar-Flusselement 48 geschnitten oder gebildet sind, zwischen 0 bis 24 Schlitze variieren.
Mit Bezug auf 4 ist eine Querschnittsansicht des Laminar-Flusselements 48 entlang der Linie B gezeigt. Der radiale Abstand (Ca) und die Durchmesserabmessungen (Laminar-Flusselement-Durchmesser D_ILF-B, Außenlaminar-Flusselement-Durchmesser D_ELF-B, und Flussblock-Durchmesser D_FB-B), wie dargestellt, dienen einem ähnlichen Zweck wie demjenigen, der in Verbindung mit 2 beschrieben wurde.
Die vorherige Offenbarung und Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist rein darstellerisch und beispielhaft, und verschiedene Änderungen der Details der dargestellten Vorrichtung und des Aufbaus und des Betriebsverfahrens können gemacht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes (22, 44), umfassend ein Sensorelement (12, 34) mit einem Sensorrohr zum Hindurchleiten eines kleinen Teils des Gasstromes (22, 44) zum Erhalten einer Messung, die eine Masse-Flussrate des Gasstromes (22, 44) anzeigt und einen Flussblock (16, 38), der mit dem Sensorelement (12, 34) verbunden ist, wobei der Flussblock (16, 38) ein Bohrloch (27) aufweist, das den Gasstrom (22, 44) aufnimmt, und ein Laminar-Flusselement (25, 48) innerhalb des Bohrloches (27) des Flussblocks (16, 38) mit einem spitz zulaufenden Eingangsende (15, 41), um den Gasstrom (22, 44) um das Laminar-Flusselement (25, 48) zu leiten und einen laminaren Flussweg in dem Bohrloch (27) um das Laminar-Flusselement (25, 48) herum zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminar-Flusselement (25, 48) mit einer Vielzahl von Schlitzen (54) versehen ist, um einen relativ hohen einströmenden Gasstrome (22, 44) aufzunehmen und einen laminaren Fluss sicherzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spitz zulaufende Eingangsende (15, 41) den Gasstrom (22, 44) gleichmäßig um eine äußere Oberfläche (30, 52) des laminaren Flusselements (25, 48) leitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hervorstehende Stifte (28, 50) vorgesehen sind, die von der äußeren Oberfläche (30, 52) des Laminar-Flusselementes (25, 48) hervorstehen, um einen gleichbleibenden radialen Freiraum um die äußere Oberfläche (30, 52) zu gewährleisten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminar-Flusselement (25, 48) konzentrisch mit dem Bohrloch (27) des Flussblockes (16, 38) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminar-Flusselement (25, 48) eine äußere Oberfläche (30, 52) mit einem vorgewählten Durchmesser aufweist, um einen definierten, gleichbleibenden radialen Freiraum im Bohrloch (27) des Flussblockes (25, 48) zu gewährleisten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminar-Flusselement (25, 48) ein zylindrisches Ausgangsende aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminar-Flusselement (25, 48) wesentlich länger ist als das Sensorelement (12, 34).
Verwendung eines Laminar-Flusselementes in einer Vorrichtung zum thermischen Messen eines Massenflusses eines Gasstromes, wobei die Vorrichtung einen Flussblock mit einem Bohrloch zur Montage des Laminar-Flusselementes umfasst, und wobei weiterhin ein Sensorelement vorgesehen ist und das Laminar-Flusselement mit einer Vielzahl von Schlitzen versehen ist, um einen relativ hohen einströmenden Gasstrom aufzunehmen und einen Laminarfluss zu erhalten.