DE4117912C2

DE4117912C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE4117912C2
Application number: DE4117912A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hofmann; Axel Dipl Ing Richter; Hermann Dr Ing Sandmaier; Andreas Dipl Ing Plettner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: DE4117912A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Be stimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer Vorrichtung zur Durchflußmessung in kleinvolumigen Rohren bei niedrigen Durchflußraten.

Es sind bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Durch flußmessung bekannt, bei denen die unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien Anwendung finden. Bei einer der bekannten Vorrichtungen wird ein Laser-Doppler-Anemometer eingesetzt. Dies ermöglicht zwar Messungen bis in den Be reich der Geschwindigkeit von 1 mm/sec, erfordert aber einen sehr hohen Aufwand. Bei allen anderen bekannten Vorrichtun gen ist es jedoch nur mit großen prozentualen Meßungenauig keiten möglich, kleine Volumenströme mit Durchflußraten von weniger als 100 ml/h zu ermitteln. Die meisten der bekannten Meßverfahren versagen sogar vollständig bei der Messung von Volumenströmen im Bereich von Mikroliter pro Minute.

Aus der Fachveröffentlichung Theory of electrohydrodynamic flowmeter; Yantovskii, E. I.; Apfelbaum, M. S.; Petrichenko, N. A.; Magnetohydrodynamics (USA) (July-Sept. 1984), vol. 20, no. 3; p. 328-31; Translation of: Magn. Gidrodin. (USSR) ist bereits eine Vorrichtung zur elektrohydrodynamischen Durchflußmessung bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung lie gen in einer von dem bezüglich seiner Strömungsgeschwindig keit zu messenden Gas oder der betreffenden Flüssigkeit durchströmten Röhre drei Elektroden, die gleichmäßig beab standet voneinander in Strömungsrichtung angeordnet sind. Die mittlere der drei Elektroden wird mit einem solchen Poten tial beaufschlagt, daß sie Ionen in das Gas oder die Flüs sigkeit injiziert. Die von den beiden äußeren Elektroden ab gegebenen Meßströme umfassen einen Strom von bipolarer Leit fähigkeit, der die gegenseitige, entgegengesetzte Bewegung gleicher Mengen von Ladungsträgern entgegengesetzten Vorzei chens umfaßt, und einen Konvektionsstrom. Während der Strom der bipolaren Leitfähigkeit unabhängig von der Strömungs geschwindigkeit ist, ist der letztgenannte Konvektionsstrom abhängig von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit. Die von den Elektroden abgegebenen Ströme werden zum Trennen dieser Anteile einer Brückenschaltung zugeführt, deren Span nungsausgang die Asymmetrie der zu der Brücke zugeführten Ströme und somit den von dem Anteil bipolar leitfähigen Stromes befreiten Konvektionsstrom wiedergibt. Aufgrund der Höhe der gemessenen Spannung wird auf die Strömungsgeschwin digkeit und somit auf die Durchflußmenge rückgeschlossen. Bereits geringe Störungen führen zu einer erheblichen Ver fälschung der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit, so daß das soeben geschilderte gattungsgemäße Verfahren sowie die gattungsgemäße Vorrichtung nach dem Stand der Technik nicht dazu geeignet sind, kleine Volumenströme mit hoher Genauig keit zu erfassen.

Aus der deutschen Patentschrift DE 39 25 749 C1 der Anmelderin ist bereits eine mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe bekannt. Diese bekannte Pumpe umfaßt zwei in Pumpströmungs richtung übereinander angeordnete Halbleiterkörper, die beispielsweise gitterförmig oder stegförmig zur einstückigen Ausbildung von Elektroden als Bestandteil der Halbleiter körper ausgestaltet sind. Die beiden Elektrodenträgerkörper müssen, um eine gute Funktion der elektrostatischen Pumpe zu gewährleisten, mit hoher Genauigkeit aneinandergefügt werden, so daß sich die jeweiligen Elektrodenstegstrukturen bzw. Elektrodengitterstrukturen mit geringem Abstand in Pumpströmungsrichtung gegenüberliegen. Bei dem Aneinander fügen der beiden Halbleiterkörper kann nicht immer ausge schlossen werden, daß Toleranzen bei der gegenseitigen Aus richtung der Halbleiterkörper entstehen, die, verglichen mit den Toleranzen der Elektrodenstrukturen, die mittels litho graphischer Verfahren innerhalb der Elektrodenträgerkörper ausgebildet sind, vergleichsweise groß sind. Durch das Er fordernis der gegenseitigen Ausrichtung der beiden Elektro denträgerkörper sind der weiteren Miniaturisierung der Pumpe Grenzen gesetzt, so daß diese bekannte Pumpe trotz ihrer herausragenden Eigenschaften in Hinblick auf den erforder lichen Aufwand bei ihrer Herstellung noch nicht vollständig zu befriedigen vermag.

Die DE 24 58 719 B2 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases mit einem röhrenförmigen Körper, in dem zwei voneinander in Gas strömungsrichtung beabstandete Gitterelektrodenkörper befestigt sind. Ein Generator dient zur Erzeugung eines Spannungspulses, der an eine zwischen den beiden Gitterelektrodenkörpern angeordnete Quellenelektrode anlegbar ist. Mit einer Auswerteeinrichtung kann die Zeitdauer zwischen dem Anlegen des Ionisationspulses an die Quellenelektrode und der Erfassung der injizierten Ionen an den Gitterelektroden körpern gemessen werden. Die Laufzeitunterschiede der von der Quellenelektrode in das Gas injizierten Ionen mit und gegen die Gasströmungsrichtung werden in der Auswertungs einrichtung zur Ermittlung der Gasströmungsgeschwindigkeit herangezogen. Diese bekannte Strömungsmeßvorrichtung läßt sich nicht miniaturisiert herstellen, ist aufwendig in der Fertigung und ermöglicht nur mit hohem Aufwand eine genügend genaue Positionierung der Elektrodenkörper und der Quellen elektrode zueinander.

Die US 37 18 043 zeigt ein Ionisationsgasflußmeßgerät, dessen Bauweise sich von der soeben beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen nur dadurch abhebt, daß neben dem In jektionselektrodenkörper nur ein einziger Elektrodenkörper zur Erfassung der injizierten Ionen vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung erfolgt daher die Strömungsgeschwindig keitsmessung nicht mit einer Differenzmessung, sondern aufgrund einer einfachen Laufzeitmessung. Naturgemäß leidet diese Vorrichtung an den gleichen Nachteilen, verglichen mit denjenigen der soeben gewürdigten Vorrichtung hinsichtlich herstellungstechnischer Schwierigkeiten sowie hinsichtlich der fehlenden Miniaturisierungsmöglichkeit.

Die DE 28 18 032 A1 zeigt eine Ionensonde zur Messung der Ge schwindigkeit eines strömenden Mediums mit zwei voneinander in Strömungsrichtung beabstandeten Elektrodengitterkörpern, die jeweils aus einem Haltering mit einem daran befestigten Metalldraht 28 bestehen. Jeder dieser beiden Elektroden gitterkörper wird in einem separaten Gehäuse gehalten und ist von dem anderen Elektrodengitterkörper durch einen Iso lierring mit einer Dicke von einigen Millimetern beabstandet. Kleine Baugrößen lassen sich aufgrund der komplizierten mechanischen Struktur dieser Sonde nicht erzielen, so daß diese nur zur Messung von hohen Durchflußraten geeignet ist, und ferner hohe Ionisationsspannungen erfordert. Zu einer Mikrominiaturisierung eignet sich diese bekannte Ionensonde nicht.

Die DE 25 50 890 A1 zeigt ein elektronisches Strömungsmeßgerät für Gase, dessen Struktur im wesentlichen mit der Vorrichtung nach der DE 24 58 719 B2 übereinstimmt.

Die GB 15 91 216 zeigt eine Strömungsgeschwindigkeitsmeßvor richtung für Gase mit einer Funkenerzeugungseinrichtung zur Ionisation der Gase und zwei hiervon in Strömungsrichtung des Gases beabstandeten Gitterelektrodenkörpern. Die Messung der Gasströmungsgeschwindigkeit erfolgt durch Ermittlung der Laufzeit ab der Ionisation des Gases bis zur Erfassung der Ionen an dem Gitter, wobei hierzu ein quarzgesteuerter Zähler verwendet wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß diese miniaturisierbar ist und leichter hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patent anspruch 1 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Justageprobleme bei der Einstellung der beiden Elektro den gegeneinander dadurch ausgeräumt werden können, daß beide Elektroden an den beiden Hauptflächen eines gemeinsamen Elektrodenträgers angeordnet sind, der wenigstens gegenüber einer der beiden Elektroden isoliert ist und wenigstens eine sich senkrecht zu seinen Hauptflächen erstreckende Durchströmungsöffnung aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt die Laufzeit einer in eine Flüssigkeit oder in ein Gas injizierten Ionen front, die zwischen zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Elektroden in einem elektrischen Feld sich von der injizierenden Elektrode zu einer aufnehmenden Elektrode bewegt, von der Geschwindigkeit des sich zwischen den Elektroden bewegenden Gases oder der sich zwischen den Elektroden bewegenden Flüssigkeit ab, so daß durch Erfassung der Zeitverschiebung der Änderung des Meßstromes nach Änderung der an die Elektroden angelegten Spannung die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit bestimmt werden kann.

Eine besonders genaue Messung von Durchflußraten oder Strö mungsgeschwindigkeiten wird dann erzielt, wenn Laufzeitdif ferenzen zwischen zwei in dem Gas oder in der Flüssigkeit erzeugten Ionenfronten, die in entgegengesetzter Richtung einmal mit der Strömung und einmal entgegen der Strömung durch das Gas bzw. die Flüssigkeit laufen, als Grundlage für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit verwendet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das an die Elektroden angelegte Spannungssignal ein Spannungssprung signal, wobei die maßgebliche Zeitdauer für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit die Zeitdauer zwischen dem Spannungssprung und dem Auftreten des Maximalwertes des Stromes an der der injizierenden Elektrode gegenüberliegen den Kollektorelektrode ist. Bei Verwenden eines derartigen Spannungssignales läßt sich die Laufzeit der Ionenfront durch Verwenden eines Spitzenwertdetektors für den Strom er mitteln, wobei bei der Erzeugung des Spannungssprungs ein Zähler gestartet wird, der bei Empfang des Strommaximums an gehalten wird. Im Falle der oben erwähnten Differenzmessung kann ein Impulsgenerator gleichzeitig zwei Elektrodenpaare mit Spannungssprungsignalen beaufschlagen, wobei die Zeit differenz zwischen dem Ansprechen jeweils zugeordneter Spit zenwertdetektoren für die Erfassung der gemessenen Ströme die Laufzeitdifferenz der Ionenfront in und entgegen der Strömungsrichtung darstellt, welche eine besonders genaue Grundlage für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit liefert.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung einer Meßvorrichtung;

Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der Meßvorrichtung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund von der in Fig. 1 gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signale;

Fig. 4 ein anderes Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. 2 gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signale;

Fig. 5 ein Diagramm der Stromdichte in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 6 ein Diagramm der Raumladungsdichte in Abhängigkeit von der Entfernung;

Fig. 7 ein Diagramm der elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Entfernung;

Fig. 8 ein Diagramm des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 9 ein Diagramm des berechneten Zeitpunktes des maximalen Stromes in Abhängigkeit von der Strö mungsgeschwindigkeit;

Fig. 10 ein Diagramm des gemessenen Zeitpunktes des maximalen Stromes in Abhängigkeit von der Strö mungsgeschwindigkeit;

Fig. 11 ein Diagramm der Zeitdifferenz des maximalen Stromes aufgrund zweier entgegengesetzt lau fender Ionenfronten in einem Gas oder in einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von der absoluten Strömungsgeschwindigkeit.

Fig. 12 bis 16 Querschnittsdarstellungen einer ersten bis fünften Ausführungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsge schwindigkeitsmeßvorrichtung;

Fig. 17 bis 20 Draufsichten auf eine sechste bis neunte Aus führungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindig keitsmeßvorrichtung;

Fig. 21, 22 perspektivische Schnittdarstellungen einer zehnten und elften Ausführungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung; und

Fig. 23 bis 26 Draufsichten einer zwölften bis fünfzehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine von einem Fluid durchströmte Röhre, in der senkrecht zur Strömungsrichtung eine Mehrzahl von miteinander leitfä hig verbundenen Injektorelektroden 3 und hiervon in Strö mungsrichtung beabstandet und gleichfalls senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet eine Mehrzahl von ebenfalls leitfähig miteinander verbundenen Kollektorelektroden 4 vor gesehen sind. An zwei Anschlüssen 5, 6 kann ein Spannungs impuls U(t) zwischen den beiden Elektroden 3, 4 angelegt werden, so daß eine Ionenfront in das Fluid injiziert wird. Der entstehende transiente Strom j(t) erzeugt an einem Meß widerstand Rm eine zu dem Strom j(t) proportionale Meßspan nung Um(t), die als Meßsignal für die Laufzeitmessung, die später erläutert wird, weiterverarbeitet werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer Durchflußmeß vorrichtung gezeigt, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs zeichen 10 bezeichnet ist. Diese umfaßt gleichfalls eine Röhre 12, eine Mehrzahl von senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten und miteinander leitfähig verbundenen Injektor elektroden 13, eine erste Mehrzahl von entgegen der Strö mungsrichtung zu den Injektorelektroden 13 beabstandeten Kollektorelektroden 14a, sowie eine zweite Mehrzahl von in Strömungsrichtung zu den Injektorelektroden 13 angeordneten Kollektorelektroden 14b. Beide Sätze von Kollektorelektroden erstrecken sich jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung und sind miteinander leitfähig verbunden.

Ein Spannungsimpuls U(t) kann an Anschlüsse 15, 16 angelegt werden und führt zu einer in Strömungsrichtung sich ausbrei tenden und zu einer entgegen der Strömungsrichtung des Fluids sich ausbreitenden Ionenfront. Die jeweils entstehen den transienten Ströme j₁(t) und j₂(t) erzeugen an Wider ständen R1 und R2, die jeweils zwischen den Kollektorelek troden 14a, 14b und einem der Anschlüsse 15 geschaltet sind, zu den Strömen proportionale Spannungen U₁(t) bzw. U₂(t), die als Meßsignale für die Laufzeitmessungen weiter verar beitet werden können. Die Durchflußmenge bzw. Strömungsge schwindigkeit kann, wie später dargelegt wird, aus der Lauf zeitdifferenz abgeleitet werden.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für die in Fig. 1 gezeigte Durchflußmeßvorrichtung. Wie in Fig. 3 ge zeigt ist, umfaßt die Schaltung einen Taktgenerator 20, der ein Taktsignal zu einem Zähler 21 zuführt. Ein Impulsgenera tor 22, der zum Erzeugen des bereits erwähnten Spannungsim pulses U(t) dient, ist ausgangsseitig an die Durchflußmeß vorrichtung 1 angeschlossen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Mit Erzeugen des Spannungspulses führt der Pulsgenerator 22 dem Zähler 21 ein Startsignal zu, woraufhin der Zähler mit dem ihm vom Taktgenerator 20 zuge führten Taktsignal zu zählen beginnt. Das Ausgangssignal Um(t) der Durchflußmeßvorrichtung 1 wird einem Spitzenwert detektor 23 zugeführt, der bei Erfassen des Maximums des Spannungssignales Um(t) ein Stop-Signal erzeugt, mit dem der Zähler 21 angehalten wird. Aus dem Zählwert kann, wie spä ter dargelegt wird, aufgrund einer für die jeweilige Meßan ordnung vorab bestimmten Zuordnung, die Durchflußmenge bzw. die Strömungsgeschwindigkeit durch tabellenartige Zuordnung ermittelt werden. Dieser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detektors kontinuierlich wiederholt ablau fen.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für eine Durchflußmeßvorrichtung 10, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Schaltung umfaßt einen Taktgenerator 24 und einen dem Taktgenerator 24 nachgeschalteten Zähler 25. Ferner umfaßt die Schaltung einen Impulsgenerator 26 zum Erzeugen des Spannungsimpulses U(t), welcher der Durchflußmeßvorrichtung 10 (vergl. Fig. 2) zugeführt wird. Die beiden Meßspannungen U₁(t) und U₂(t) von der Durchflußmeßvorrichtung 10, die über die Widerstände R1 und R2 abfallen, werden einem ersten und einem zweiten Spitzenwertdetektor 27, 28 zugeführt, deren Ausgangssignale über ein Exklusiv-Oder-Gatter 29 zu einem Start-Stop-Signal für den Zähler 25 verknüpft werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der Zähler 25 dieser Schaltung die Zeitdifferenz zwischen der Erfassung der Spit zenwerte durch die Spitzenwertdetektoren 27, 28 erfaßt. Die ser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detek tors kontinuierlich wiederholt ablaufen.

Nachfolgend wird das von der Strömungsgeschwindigkeit abhän gige Zeitverhalten des Meßstromes für die in Fig. 1 gezeigte Struktur der Durchflußmeßvorrichtung 1 abgeleitet. Bei der Ableitung wird davon ausgegangen, daß die Flüssigkeit senk recht zu den Elektroden 3, 4 strömt. Beispielsweise sei an genommen, daß die Flüssigkeit durch die von den Elektroden 3, 4 gebildeten Gitter mittels einer externen Pumpe (nicht dargestellt) hindurchgedrückt wird. Ferner sei angenommen, daß die Flüssigkeit eine zeitlich und örtlich konstante Strömung aufweist, daß also der durch die (nicht dargestell te) externe Pumpe erzeugte Druck viel größer ist als der durch die injizierenden Elektroden 3 selbst erzeugte Druck, und daß keine Turbulenzen innerhalb der Flüssigkeit auftre ten. Ausgehend von dieser Annahme erhält man folgende Glei chungen:

j_c(x,t) = μ · q(x,t) · E(x,t) + v · q(x,t) (1)

Hierin beschreiben t die Zeit, x den Ort zwischen den beiden Gittern, j_c den Leitungsstrom, µ die Ionenbeweglichkeit, q die Ladung, E die elektrische Feldstärke, v die Strömungsge schwindigkeit des Fluids und ε₀ bzw. ε_r die absolute bzw. relative Dielektrizitätskonstante.

Als Anfangsbedingungen sind zu berücksichtigen:

Zugleich sind folgende Randbedingungen zu beachten:

∫ E(x,t) dx = U (6)

q(0,t) = q₀ (7)

Die zweite Gleichung beschreibt die Stärke der injizierten Ladung an der injizierenden Elektrode q₀. Dieser Wert ist sowohl von der Beschaffenheit der Elektrode (z. B. Metalli sierung, Geometrie, Oberflächenrauhigkeit) als auch von der verwendeten Flüssigkeit abhängig.

Durch Einführen von normalisierten Größen

x_r = d
t_r = d²/U · μ
E_r = U/d
q_r = ε₀ · ε_r · U/d²
j_r = μ · ε₀ · ε_r · U²/d³
v_r = U · μ/d

lassen sich dimensionslose, gestrichene Variablen erhalten.

x = x_r · x′
t = t_r · t′
E = E_r · E′
q = q_r · q′
j = j_r · j′
v = v_r · v′

Für die dimensionslose Stromdichte erhält man einen nur durch numerische Integration lösbaren Ausdruck

j′(t) = ½ [E′²(x′=1,t′) - E′²(x′=0,t′)] + v′ · ∫ q′(x′,t′)dx′ (8)

Wird eine Spannung von 100 V an Gittern mit einem Abstand von 0,01 cm angelegt und nimmt man eine Ionenbeweglichkeit von 10-4 cm²/Vs an, dann entspricht v′=1 einer Geschwin digkeit von 1 cm/s. Bei einer Gitterfläche von 1 mm×1 mm entspricht dies einem Durchfluß von 0,01 cm³/s bzw. 0,6 ml/min.

Sind nun die Parameter Ionenbeweglichkeit und Raumladungs dichte an der injizierenden Elektrode für eine bestimmte Meßanordnung einmal ermittelt, so läßt sich mit Hilfe o. a. Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Volumenstrom eines Fluids ermitteln. Alternativ läßt sich natürlich der Volumenstrom auch ermitteln, wenn die Lauf zeitmessungen bei bekanntem Durchfluß vermessen und als Re ferenz verwendet werden.

Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5-8 Dia gramme erläutert, die das Verhalten der injizierten Ionen fronten in einem unbewegten Fluid (Geschwindigkeit v=0) ver deutlichen, bevor unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 die Einflüsse der Fluidgeschwindigkeit auf den gemessenen Zeit punkt des Maximalstromes bzw. auf die gemessene Zeitdiffe renz zwischen den Zeitpunkten der Erfassung maximaler Strom werte erläutert wird.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Stromdichte j′ in nerhalb des Fluids beispielsweise im Falle der Durchfluß meßvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 nach Anlegen eines Spannungs sprunges an die Elektroden 3, 4 im Falle verschwindender Strömungsgeschwindigkeit v=0. Die Achsen der Diagrammdar stellung nach Fig. 5 sind gemäß der obigen Ableitung nor miert. Der Spannungssprung führt zur Injektion von Ionen in das Fluid. Die senkrechte Achse bezeichnet die Stromdichte j′ an der injizierenden Elektrode 3 in Abhängigkeit von der Zeit, wobei als Parameter verschiedene Raumladungsdichten an der Kollektorelektrode 4 bei Raumladungsdichten zwischen 0,1 und 20,0. Der Spannungssprung führt nach der Injektion von Ionen in das Fluid am Ort der injizierenden Elektrode 3 zu einer Beschleunigung der Ionen in dem elektrischen Feld in Richtung auf die Kollektorelektrode 4. Die gemessene Strom dichte erreicht ein Maximum zum Zeitpunkt t₀, das von der Ankunft der ersten Ladungsträger auf der Kollektorelektrode 4 hervorgerufen wird.

Fig. 6 zeigt für den unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläuterten Fall den örtlichen Verlauf der Raumladungsdichte ausgehend von der Injektorelektrode 3 am Ort x′=0 bis zum Ort der Kol lektorelektrode oder Gegenelektrode 4 am Ort x′=1 bei unter schiedlichen Zeiten, 0,15, 0,30, 0,45, 0,60, 0,75, 0,85 nach dem Einschalten der Spannung. Deutlich ist hier das Fort schreiten der Ionenfront zu erkennen. Das Maximum des Stromes entsteht nach dem Auftreffen dieser Ionenfront zum Zeitpunkt t=0,86 auf die Kollektorelektrode 4.

Fig. 7 zeigt den dazu gehörigen Verlauf der elektrischen Feldstärke E′ in Abhängigkeit von der normierten Entfernung x′ ebenfalls zu den oben genannten Zeitpunkten.

Fig. 8 zeigt eine bei einem praktisch realisierten Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 1 durchgeführte Messung des Strom verlaufes in Abhängigkeit von der Zeit, wobei das bei diesem Meßaufbau verwendete Fluid deionisiertes Wasser ist. In Fig. 8 erkennt man, daß der gemessene Strom ein ausgeprägtes Ma ximum zeigt, das die Driftzeit der Ionenfront im Falle des bei diesem Diagramm gleichfalls unbewegten Fluids (Geschwin digkeit v=0) bezeichnet.

Fig. 9 zeigt nun entsprechend der oben ermittelten Gleichung (8) die Driftzeit t₀, d. h. die Zeit zwischen dem Anlegen des Spannungssprunges U(t) und dem Erfassen des Strommaximums als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wobei in dieser diagrammartigen Darstellung die injizierende Raum ladungsdichte ₀ als Parameter der Kurvenschar aufgezeigt ist.

Fig. 10 zeigt den tatsächlich gemessenen Zeitpunkt des maximalen Stromes als Funktion des Durchflusses. Als Fluid wurde eine 10^-4 molare NaCl-Wasserlösung verwendet.

Bei dem beschriebenen Verfahren kann nun die Abhängigkeit zwischen der Driftzeit und der Strömungsgeschwindigkeit für eine gegebene Durchflußmeßvorrichtung 1 ermittelt werden, so daß jeder gemessenen Driftzeit eine entsprechende Strömungs geschwindigkeit bzw. Durchflußmenge mittels einer Tabelle zugeordnet werden kann. Hierbei ist hervorzuheben, daß mit tels eines einzigen Meßaufbaus die Strömungsgeschwindigkeit in beiden Strömungsrichtungen ermittelt werden kann, so daß aus der Bestimmung der Driftzeit t₀ nicht nur die absolute Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch deren Richtung abge leitet werden kann. Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften des Fluids während der Messung führen jedoch bei diesem Meßaufbau zu geringfügigen Meßungenauigkeiten, da die Driftzeit t₀ von den elektrochemischen Eigenschaften des Fluids abhängig ist.

Derartige Meßungenauigkeiten werden durch einen Meßaufbau der in Fig. 2 gezeigten Art verhindert, bei dem mit Hilfe zweier, die Ionenfronten in entgegengesetzter Richtung in das Fluid injizierenden Elektrodenpaare die Driftzeit t₀ so wohl entgegen als auch mit der Strömungsrichtung bestimmt wird.

Fig. 11 zeigt die theoretisch bestimmte Differenzdriftzeit δ t₀ als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Durch diese Differenzbildung wird der Einfluß von elektrochemischen Ver änderungen des Fluids nahezu eleminiert, wodurch insbeson dere bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.

Bei einer Anordnung der aus der DE 39 25 749 A1 bekannten Art entspricht der normierte Wert v=0,5 einer Strömungsge schwindigkeit von 2 cm/s. Bei diesem Differenzmeßverfahren können sowohl zwei entgegengesetzt angeordnete Injektorelek troden-Kollektorelektroden-Paare verwendet werden, wie auch eine einzige Meßzelle, die lediglich aus drei Elektroden be steht, welche einen zentralen Injektor 13 und zwei äußere Kollektoren 14a, 14b umfaßt.

Ebenfalls ist es denkbar, eine derartige Differenzmessung mit einem einzigen Elektrodenpaar durchzuführen, das zu nächst in einer ersten Richtung und dann in einer entgegen gesetzten Richtung mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, so daß zunächst eine Ionenfrontdrift in einer ersten Richtung und dann eine Ionenfrontdrift in einer entgegenge setzten Richtung durch das strömende Fluid in ihrer Drift zeit vermessen wird.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, umfaßt eine erste Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeits meßvorrichtung im wesentlichen einen Elektrodenträgerkörper 2′, der von einem Gehäuse 3′ umschlossen ist. Bei dem Ge häuse 3′ kann es sich beispielsweise um ein aus einem Kunst stoff gegossenes Gehäuse handeln, welches einen Peripherie bereich 4′ des Elektrodenträgerkörpers 2′ fest umschließt. Die Art der Ausgestaltung des Gehäuses 3′ als Gußgehäuse oder als ein aus zwei Hälften mit einer dazwischenliegenden Dichtung verschraubtes Gehäuse liegt im Ermessen des Fachmannes und bedarf für Zwecke der vorliegenden Erfindung keiner weiteren Erläuterung.

Der Elektrodenträgerkörper 2′ wird aus einem einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper gefertigt, der eine (110)-Kristall orientierung hat. Hierfür wird zunächst auf der Vorder- und Rückseite 5′, 6′ des Siliziumhalbleiterkörpers 2′ mittels eines in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahrens eine gegen Ätzlösungen beständige Schicht, wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird zunächst auf der Vorderseite mittels an sich bekannter photolithographischer Techniken strukturiert. Mit einem anisotropen Ätzprozeß werden Durchströmungsöffnungen 7a′, 7b′, 7c′, 7d′, 7e′ erzeugt, die bei einer geeigneten Orientierung der Maske aus zwei parallelen senkrechten und aus vier zu der Vorderseite 5′ schrägen (111)-Ebenen bestehen. Vorzugsweise wird eine 8-molare KOH-Lösung als Ätzlösung verwendet, um die Entstehung konkurrierender Ebenen zu unterdrücken. Ist die gewünschte Tiefe der Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ erreicht, welche zwischen 1 Mikrometer und einigen 100 Mikrometer variieren kann, wird auf der Vorderseite 5′ eine Ätzstoppschicht aufgebracht und die rückseitige Ätzstoppschicht geöffnet.

In einem zweiten Ätzschritt wird der Siliziumkörper 2′ zum Erzeugen einer rückseitigen Flächenausnehmung 8′ zurückge ätzt, bis die Durchströmungsöffnungen 7′ vollständig durch den Siliziumkörper 2′ reichen.

Nach Entfernung der verbliebenen Reste der Ätzstoppschicht wird der gesamte Elektrodenträgerkörper 2′ zum Erzeugen einer Isolationsschicht 9′ im Bereich der Durchströmungs öffnungen 7a′ bis 7e′ sowie auf der Vorderseite 5′ und der Rückseite 6′ des Elektrodenträgerkörpers 2′ thermisch oxidiert.

Anschließend wird sowohl auf der Vorderseite 5′ wie auch auf der Rückseite 6′ eine Metallisierung aufgebracht, welche Elektroden 10′, 11′ bildet. Diese Elektroden 10′, 11′ werden mit Anschlüssen 12′, 13′ versehen, die sich bis zur Außen seite des Gehäuses 3′ erstrecken.

Bei der skizzenhaften Darstellung gemäß Fig. 12 sind nur einige wenige Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ gezeigt. Die Anzahl der Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ kann je nach Anwendungsfall zwischen eins und einigen tausend liegen, wobei die Größe einer einzelnen Durchströmungs öffnung zwischen 0,1 Mikrometer und 1 Millimeter variieren kann, wobei die Breite und die Länge einer Durchströmungs öffnung 7a′ bis 7e′ unabhängig voneinander gewählt werden können.

Bei den nachfolgend erläuterten abgewandelten Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeits meßvorrichtung ist jeweils nur die für die Zwecke der Erfindung maßgebliche Struktur des Elektrodenträgerkörpers beschrieben. Gleiche oder entsprechende Elemente der Strö mungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung sind mit Bezugszeichen bezeichnet, die mit den in Fig. 12 verwendeten Bezugszeichen übereinstimmen, so daß eine erneute Beschreibung ähnlicher oder gleicher Elemente der Strömungsgeschwindigkeitsmeßvor richtung unterbleiben kann.

Die in Fig. 13 gezeigte zweite Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung 1′ un terscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 12 im wesentlichen dadurch, daß bei dieser der Elektrodenträger körper 2′ nicht nur eine rückseitige Flächenausnehmung 8′ aufweist, sondern ferner eine vorderseitige Flächen ausnehmung 14′ hat. Vorzugsweise wird diese bei dem zweiten Ätzschritt gleichzeitig mit der Erzeugung der rückseitigen Flächenausnehmung 8′ erzeugt. Durch die vorderseitige und rückseitige Flächenausnehmung 8′, 14′ werden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 jeweils geneigt zu den Haupt flächen verlaufende Schrägflächen 15′, 16′ gebildet.

Wie es bei den Ausführungsformen nach den Fig. 14 bis 16 angedeutet ist, kann in Abweichung zu den Ausführungsformen gemäß den Fig. 12 und 13 je nach Verwendung isotroper oder anisotroper Ätzprozesse entweder ein paralleler oder ein ge neigt zur Vertikalrichtung liegender Verlauf der Wände 17′ der Durchströmungsöffnungen 7a′ bis 7e′ erzielt werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der bei den Fig. 14 bzw. 15 von der Rückseite 6′ zu der Vorderseite 5′ konver gierende Verlauf der Wände 17′ bzw. divergierende Verlauf der Wände 17′ dadurch erzielt wird, daß die Durchströ mungsöffnungen 7a′, 7b′ von der Vorderseite 5′ bzw. von der Rückseite 6′ ausgehend geätzt werden. Entsprechend sind auch Wandverläufe, die sowohl ausgehend von der Vorderseite 5′ als auch ausgehend von der Rückseite 6′ divergieren, durch geeignete Wahl des Ätzverfahrens erzielbar, wobei sich die in Fig. 16 gezeigte Querschnittsform der Durchströmungs öffnungen 7′ ergibt.

Wie in den Fig. 17 bis 20 in Draufsichtdarstellung verdeut licht ist, können praktisch beliebige Formen der Durchströ mungsöffnung 7′ gewählt werden, wie beispielsweise rechteck förmige, kreisförmige, rautenförmige, ellipsenförmige, qua dratische, sternförmige oder bienenwabenförmige Durch strömungsöffnungen 7a′ bis 7e′.

Wie in Fig. 21 gezeigt ist, können bei der dort gezeigten Ausführungsform eine oder beide der Elektroden 10′, 11′ so ausgestaltet sein, daß sie sich in Form von Elektroden brücken 18′ über die Durchströmungsöffnungen 7′ erstrecken. Hierdurch wird eine verstärkte Ladungsträgerinjektion in das Fluid erzielt. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit können die Elektrodenbrücken 18′ durch darunterliegende Stützkörper 19′ der Isolationsschicht 9′ verstärkt sein.

Wie in der Draufsichtdarstellung des zwölften und dreizehn ten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 23 und 24 gezeigt ist, können die Elektrodenbrücken 18′ eine beliebige Orientierung bezüglich der Durchströmungsöffnung 7′ haben.

In Abwandlung zu dem soeben beschriebenen Ausführungsbei spiel können sich die Elektroden 10′ anstelle in Form von Elektrodenbrücken auch in Form von Elektrodenspitzen 20′, 21′ in die Durchströmungsöffnung 7′ hinein erstrecken.

Wie es bei dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 26 gezeigt ist, ist es keineswegs erforderlich, daß die Elek troden 10′ die gesamte Fläche des Elektrodenträgerkörpers 2′ abdecken. Zur Lokalisierung der Ladungsträgerinjektion ist es zuträglich, lediglich die Spitzen 20′, 21′ untereinander sowie mit einem Anschlußbereich 24′ zu verbinden. Wie ferner bei dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, können die Elektrodenspitzen 20′, 21′ durch entsprechende, gleichfalls in die Durchströmungsöffnungen 7′ hineinreichen de Stützkörper 22′, 23′ mechanisch verstärkt werden.

Die Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung kann nicht nur mit Methoden der Mikromechanik, wie beispielsweise der Ätztechnik, in reproduzierbarer Weise hergestellt werden, sondern gleichfalls mittels der sogenannten LIGA-Technik implementiert werden und in mikromechanische Bauteile integriert werden. In diesem Fall kann der Elektrodenträger körper 2 aus Kunststoff (wie z. B. PMMA) oder Glas bestehen. Bei Anwendung des LIGA- Verfahrens können die Strukturen mit einem großen Aspektverhältnis, welches die Länge der Durch strömungsöffnungen geteilt durch ihre Breite bezeichnet, er zeugt werden. Hierbei wird zuerst eine vergleichsweise dicke Resistschicht mittels Synchrotron-Strahlung belichtet und nach der Entwicklung derselben galvanisch mit Metall aufge füllt und über die Struktur der Resistschicht fortgeführt, so daß ein zusammenhängender Formeinsatz entsteht. Aus die sem werden mittels der Abformtechnik durch Spritzgieß- und Reaktionsgießtechniken Kunststoffnegative in Massenfertigung erzeugt, die nach anschließender Metallisierung als Elektro denträgerkörper 2′ der Mikrompumpe verwendet werden können. Der Vorteil dieses LIGA-Verfahrens besteht darin, daß man einerseits senkrechte Durchbrüche mit beliebigen Formen her stellen kann und daß andererseits, wie bereits erwähnt, das Aspektverhältnis, das die Tiefe der Durchströmungsöffnung geteilt durch dessen Breite betrifft, sehr groß gewählt wer den kann.

Bei dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Elektrodenträgerkörper aus Silizium, d. h. einem leit fähigen Material. Nur bei Verwendung derartig leitender Elektrodenträgerkörper 2′ ist es erforderlich, entweder durch Abscheiden auf diesem oder durch chemische Reaktion des Elektrodenträgerkörpers 2′ selbst eine Isolationsschicht zu erzeugen. Man kann für die Isolation der Vorderseite 5′ bzw. der Rückseite 6′ und der Durchströmungsöffnungen 7′ entweder ein einheitliches Isoliermaterial verwenden oder unterschiedliche Materialien für diese Bereiche einsetzen. So ist es beispielsweise möglich, innerhalb der Durch strömungsöffnungen 7′ ein gering leitfähiges Material aufzubringen, so daß wegen des linearen Potentialabfalles ein homogeneres Feld innerhalb der Durchströmungsöffnungen 7′ zwischen den beiden Elektroden 10′, 11′ erzeugt wird. Die Homogenisierung des elektrischen Feldes innerhalb der Durchströmungsöffnung 7′ kann auch dadurch erzielt werden, daß die Metallisierung an der Vorder- und Rückseite 5′, 6′ durch schmale isolierte Zonen von den Bereichen der Durchströmungsöffnung 7′ getrennt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit mit
zwei voneinander in dem Gas oder in der Flüssigkeit in Strömungsrichtung beabstandeten und senkrecht zu der Strömungsrichtung angeordneten Elektroden (10′, 11′), die mit einer Spannung derartig beaufschlagbar sind, daß eine der Elektroden (10′, 11′) in das Gas oder in die Flüssigkeit Ionen injiziert, deren Ladung zumindest teilweise auf die andere Elektrode (10′, 11′) übertragen wird, wodurch ein Meßstrom erzeugt wird,
einem Generator (22; 26) zum Erzeugen eines sich zeit lich ändernden Spannungssignals, das an die Elektroden (10′, 11′) anlegbar ist,
einem Stromdetektor (23; 27, 28) zum Erfassen einer durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des Meßstromes, und
einer Auswerteeinrichtung (20, 21; 24, 25, 29) zum Messen der Zeitdauer zwischen der Änderung der Spannung und der Änderung des Meßstromes und zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und des Fluides auf grund der gemessenen Zeitdauer,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (10′, 11′) durch Metallisierungen auf den beiden Hauptflächen eines gemeinsamen Elektrodenträgerkörpers (2′) ausgebildet sind, so daß die Dicke des Elektrodenträgerkörpers (2′) den gegenseitigen Abstand der Elektroden (10′, 11′) festlegt,
daß der Elektrodenträger (2′) entweder aus einem isolierenden Material besteht oder gegenüber wenigstens einer der beiden Elektroden (10′, 11′) durch eine Isola tionsschicht isoliert ist, und
daß der Elektrodenträgerkörper (2′) wenigstens eine sich senkrecht zu seinen Hauptflächen (5′, 6′) erstreckende Durchströmungsöffnung (7′) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodenträgerkörper (2′) aus einem Halb leitermaterial besteht,
daß der Elektrodenträgerkörper (2′) von einer Oxid schicht (9′) des Halbleitermateriales umschlossen ist, und
daß die Elektroden (10′, 11′) durch beidseitige Metalli sierungen auf der Oxidschicht (9′) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenträgerkörper (2′) aus einem Dielektrikum besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenträgerkörper (2′) durch eine vorderseitige und/oder rückseitige Flächenausnehmung (8′, 14′) im Bereich der wenigstens einen Durchströmungsöffnung (7′) eine gegenüber seinem Peripheriebereich (4′) ver minderte Erstreckung senkrecht zu seinen Hauptflächen (5′, 6′) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderseitige und/oder rückseitige Flächenaus nehmung (8′, 14′) durch geneigt zu den Hauptflächen (5′, 6′) verlaufende Schrägflächen (15′, 16′) umschlossen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmungsöffnungen (7′) rechteckförmig oder kreisförmig oder ellipsenförmig oder quadratisch oder rautenförmig oder bienenwabenförmig oder sternförmig sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (10′, 11′) in die Durchströmungs öffnungen (7′) hinein erstrecken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch,
einen Taktgenerator (20),
einen von dem Taktgenerator (20) getakteten Zähler (21), dessen Zählbeginn von dem Generator (22) festlegbar ist und dessen Zählende von dem Stromdetektor (23) festlegbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung (10) mit zwei weiteren Elektroden (10′, 11′), die von dem Generator (26) mit Spannungssignalen beaufschlagbar sind;
zwei Spitzenwertdetektoren (27, 28), die der Vorrichtung (10) nachgeordnet sind und deren Ausgangssignale einem Exklusiv-Oder-Gatter (29) zugeführt werden, das einen getakteten Zähler (25) startet und anhält.