DE60221375T2

DE60221375T2 - Massenströmungsmessersysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE60221375T2
Application number: DE2002621375
Authority: DE
Inventors: Petur Carlsbad THORDARSON; Patrick A. Carlsbad LOWERY; Robert Gordonville LARAGIONE
Original assignee: FlowMatrix Inc
Current assignee: FlowMatrix Inc
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: CN1302349C; US6564824B2; EP1386203A4; US20020174898A1; ATE368250T1; CN1461430A; DE60221375D1; EP1386203B1; KR20030010704A; US6561207B2; US20030000578A1; US20020195145A1; EP1386203A1; US6564825B2; WO2002086645A1; JP2004532411A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Messen und Steuern des Massendurchflusses und insbesondere Systeme und Verfahren, die eine präzise Messung des Massendurchflusses unter Verwendung einer Durchflussbegrenzung und von Druck- und Temperatursensoren ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In vielen Bereichen muss der Massendurchfluss eines Fluids mit einem hohen Genauigkeitsgrad gemessen werden. Zum Beispiel müssen in der Medizin oder bei der Halbleiterfertigung oft Gase und Flüssigkeiten in präzisen Mengen zugeführt werden, um gewünschte Ergebnisse zu erhalten. Zum Messen der Masse des tatsächlich zugeführten Fluids werden Messgeräte verwendet.
Herkömmliche auf Druck basierende Massendurchflussmessgerate arbeiten mit einer Durchflussbegrenzung, einem Temperatursensor und Drucksensoren zum Detektieren des absoluten Drucks stromaufwärts der Durchflussbegrenzung sowie des Druckunterschiedes an der Durchflussbegrenzung. Der Massendurchfluss wird anhand einer Tabelle bestimmt, welche die Druck- und Temperaturmesswerte mit vorgegebenen Massendurchflussraten korrelieren. Solche Systeme erfordern mindestens zwei Drucksensoren und einen Temperatursensor, um die Fluiddichte, die Fluidgeschwindigkeit und die Fluidviskosität unter verschiedenen Temperaturen und stromaufwärtigen und stromabwärtigen Drücken zu berücksichtigen.
Es besteht Bedarf an Massendurchflussmessgeräten, die einfacher sind und weniger komplexe Berechnungen erfordern, um den tatsächlichen Massendurchfluss zu bestimmen.
STAND DER TECHNIK
US-Patent Nr. 5,791,369 an Nishino und Mitarbeiter offenbart eine Durchflussratensteuereinheit, die angeblich nur einen einzigen funktionalen Druckmesswandler erfordert. Jedoch arbeitet die im Patent '369 offenbarte Steuereinheit ausschließlich nach dem Schallflussprinzip, und dieses System erfordert, dass der Einlassdruck zweimal so groß ist wie der Auslassdruck, damit die Steuereinheit richtig funktioniert. Die Durchflusssteuereinheit des Patents '369 arbeitet somit lediglich bei sehr niedrigen Durchflussraten, nur mit Gasen, und muss stromaufwärts eine effektive Druckregelung aufweisen. Außerdem offenbart das Patent '369 die Verwendung eines zweiten Druckmesswandlers, um zu bestimmen, wann der stromabwärtige Druck größer als die Hälfte des Einlassdrucks ist, und die Steuereinheit schaltet ab, wenn dieser Zustand erreicht ist.
US-Patent Nr. 6,152,162 an Balazy und Mitarbeiter offenbart eine Fluiddurchflusssteuereinheit, die zwei Druckmessungen erfordert, eine stromaufwärts und eine stromabwärts eines Durchflussbegrenzers. Das Patent '162 misst nicht den Massendurchfluss. Das Patent '162 verwendet auch ein Filterelement als die Durchflussbegrenzung. Teilchen im Gasstrom können den Filter verstopfen, wodurch die Beziehung zwischen Druckabfall und Durchflussverhalten ihrer Durchflussbegrenzung verändert wird und möglicherweise von den ursprünglichen Kalibrierungseinstellungen abgewichen wird.
US-Patent Nr. 6,138,708 an Waldbusser offenbart eine druckkompensierte Massendurchflusssteuereinheit. Das im Patent '708 beschriebene System kombiniert eine thermische Massendurchflusssteuereinheit mit einem Wärmemessgerät, das mit einem Dom-gesteuerten Druckregler verbunden ist. Ein weiterer Vorsteuerdruckregler, der eine unabhängige Gasquelle verwendet, beaufschlagt den Dom des Druckreglers stromaufwärts der thermischen Massendurchflusssteuereinheit. Der Vorsteuerregler und die Massendurchflusssteuereinheit werden durch einen Mikroprozessor so gesteuert, dass der Einlassdruck in Abstimmung auf die Durchflussrate gesteuert wird, was zu einer einlassdruckunabhängigen Durchflusssteuereinheit führt.
US-A-5,146,941 an Statler offenbart ein Massendurchflusssteuersystem mit hoher Herunterregelkapazität, das Durchflusssteuer- und Massendurchflussmess-Teilsysteme aufweist. Die Durchflusssteuervorrichtung enthält ein Drosselsteuerventil, während das Durchflussmess-Teilsystem ein Durchflussbegrenzungselement und Temperaturmesswandler enthält.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Massendurchflussmessgerät, ein Massendurchflusssteuersystem, das mit einem Massendurchflussmessgerät arbeitet, und ein Verfahren zum Kalibrieren des Massendurchflussmessgerätes gemäß den angehängten Ansprüchen bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaubild, das ein beispielhaftes Massendurchflussmessgerät der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein beispielhaftes Diagramm eines Massendurchflusses durch das Messgerät im Verhältnis zum Fluiddruck, das die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine mehr oder weniger schematische Schnittansicht, die ein beispielhaftes mechanisches System zeigt, das zum Implementieren eines Massendurchflussmessgerätes, wie es in 1 gezeigt ist, verwendet werden kann.
4 ist ein Blockschaubild einer Messgerätschaltung, die durch das Massendurchflussmessgerät von 1 verwendet wird.
5 ist ein detailliertes Blockschaubild einer beispielhaften Messgerätschaltung, die von einem Massendurchflussmessgerät verwendet werden kann, das nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung arbeitet.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Kalibrieren des Massendurchflussmessgerätes von 1 zeigt.
7 ist ein Diagramm des Massendurchflusses durch das Messgerät im Verhältnis zum Fluiddruck für mehrere verschiedene Fluidtemperaturen, wobei ein Kompensieren für verschiedene Fluidtemperaturen veranschaulicht ist.
8 ist ein beispielhaftes Diagramm des Massendurchflusses durch das Messgerät im Verhältnis zum Fluiddruck, wobei die Grundprinzipien der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung gezeigt sind, die auf einen nicht-linearen Massendurchflussausgang angewendet werden.
9 ist ein Blockschaubild eines beispielhaften Durchflusssteuersystems, das mit einem Massendurchflussmessgerätsystem der vorliegenden Erfindung arbeitet.
10 ist ein Blockschaubild einer alternativen Ausführungsform eines Durchflusssteuersystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Besprechung ist in einer Anzahl von Sektionen organisiert. In der ersten Sektion, die Grundfunktion und -theorie der vorliegenden Erfindung im Kontext eines Massendurchflussmessgerätesystems beschrieben. Die zweite und die dritte Sektionen beschreiben beispielhafte mechanische und elektrische Systeme, die zum Implementieren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die vierte Sektion beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Massendurchflussmessgerätsystems, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die fünfte Sektion beschreibt das in der ersten bis vierten Sektion beschriebene Massendurchflussmessgerät, das als Teil einer Massendurchflusssteuereinheit verwendet wird. Die sechste Sektion beschreibt eine alternative Ausführungsform eines Massendurchflusssteuersystems. Die letzte Sektion beschreibt zusätzliche Überlegungen, die in der Regel bei der Konstruktion und dem Bau einer bestimmten Implementierung der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen werden.
1. Das Massendurchflussmessgerätsystem
Wenden wir uns zunächst 1 der Zeichnung zu, wo bei 20 ein beispielhaftes Massendurchflussmessgerätsystem gezeigt ist, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Messgerätsystem 20 umfasst ein mechanisches System 22 und ein elektrisches System 24. Das mechanische System 22 umfasst einen Durchflussbegrenzer 30, der eine Begrenzungskammer 32 definiert, und ein Druckausgleichssystem 34. Das elektrische System 24 umfasst einen Drucksensor 40, einen Temperatursensor 42 und eine Messgerätschaltung 44.
Das mechanische System 22 definiert einen Fluideinlass 50 und einen Fluidauslass 52. Der Einlass 50 und der Auslass 52 sind an eine Quelle oder Zufuhr 54 von druckbeaufschlagtem Fluid bzw. einen Zielort 56 dieses Fluids angeschlossen.
Aus der obigen Besprechung geht hervor, dass die konkreten Einzelheiten der Quelle 54 und des Zielortes 56 je nach der Umgebung, in der das Messgerätsystem 20 verwendet wird, erheblich variieren können. Zum Beispiel kann in einer medizinischen Umgebung die Quelle 54 eine Flasche mit druckbeaufschlagtem Gas sein, und der Zielort 56 kann ein Mischer sein, der das Gas mit Luft vermischt und das Gemisch auf herkömmliche Weise einem Patienten zuführt. In einer Produktionsumgebung kann die Quelle 54 ein Konverter sein, der einen Gasstrom aus Rohstoffen erzeugt, und der Zielort 56 kann eine Reaktionskammer sein, in der das Gas als Teil eines technischen Prozesses verwendet wird. In vielen Fällen können der Versorgungsdruck an der Quelle 54 und der Staudruck am Zielort 56 unbekannt und/oder variabel sein.
Das Messgerätsystem 20 der vorliegenden Erfindung ist also dafür vorgesehen, als Teil eines größeren Systems verwendet zu werden, in dem druckbeaufschlagtes Fluid auf diese Weise von der Quelle 54 durch das mechanische System 22 zu dem Zielort 56 strömt. Das Druckausgleichssystem 34 hält einen konstanten Druckunterschied an der Begrenzungskammer 32 aufrecht.
Wie in 1 gezeigt, ist der beispielhafte Durchflussbegrenzer 30 variabel. Insbesondere definiert, wenn das Messgerätsystem 20 kalibriert wird, der Durchflussbegrenzer 30 eine vorgegebene Geometrie und eine effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer 32. In dem beispielhaften System 20 kann der Durchflussbegrenzer 30 verändert werden, um die Geometrie und insbesondere die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer 32 zu verändern. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung braucht der Durchflussbegrenzer 30 nicht variabel zu sein, sondern kann stattdessen mit einer voreingestellten Geometrie und effektiven Querschnittsfläche hergestellt sein. Er kann gegebenenfalls eine Standardöffnung, eine Schallöffnung, ein Laminarströmungselement mit verschiedenen Geometrien oder eine Begrenzung mit variabler Fläche enthalten. Die Verwendung eines voreingestellten oder variablen Durchflussbegrenzers kann den Prozess des Kalibrierens des Messgerätsystems 20 beeinflussen, wie weiter unten besprochen wird.
Das Druckausgleichssystem 34 ist vorzugsweise eine Durchflusssteuereinheit, die mit einem mechanischen Regelsystem arbeitet, um einen konstanten Druckunterschied an der Begrenzungskammer 32 aufrecht zu halten, selbst wenn die Quellen- und Zielort-Drücke unbekannt oder variabel sind. Solche mechanischen Durchflusssteuereinheiten sind zum Beispiel im US-Patent Nr. 6,026,849 offenbart, das am 2. Dezember 1999 ausgegeben wurde. Jedoch kann das Druckausgleichssystem 34 auch eine elektromechanische Durchflusssteuereinheit sein, wie in der Anmeldung '708 offenbart.
Die Druck- und Temperatursensoren 40 und 42 sind vorzugsweise elektromechanische Messwandler, die Druck- und Temperaturwerte in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese Sensoren 40 und 42 sind mit dem mechanischen System 22 wirkverbunden, um elektrische Signale zu erzeugen, die den Druck bzw. die Temperatur des Fluids anzeigen, das durch das mechanische System 22 fließt.
Die Messgerätschaltung 44 speichert – oder hat auf sonstige Weise Zugriff auf – Kalibrierungsdaten, die die Massendurchflussrate mit Druck und Temperatur für ein bestimmtes Fluid in Beziehung setzt. Die Kalibrierungsdaten enthalten einen Kalibrierungsfaktor, der für einen bestimmten Begrenzer 30 berechnet wird, und eine Gaskonstante, die durch die kennzeichnenden Eigenschaften des Gases, das durch das Messgerätsystem 20 strömt, bestimmt wird. Die Gaskonstante basiert auf der spezifischen Gasdichte oder -viskosität bei einer jeweils anliegenden Temperatur.
Auf der Basis der Kalibrierungsdaten und der Druck- und Temperatursignale erzeugt die Messgerätschaltung 44 ein Durchflussausgangssignal entsprechend dem Massendurchfluss von Fluid durch das mechanische System 22. Das Durchflussausgangssignal kann aufgezeichnet oder angezeigt oder als Teil einer größeren Schaltung verwendet werden, um den Fluidfluss von der Quelle 54 zu dem Zielort 56 zu steuern.
Wenden wir uns nun 2 zu, wo bei 60 eine Kurve des Drucks im Verhältnis zum Massendurchfluss durch den Begrenzer 30 gezeigt ist, wenn das Druckausgleichssystem 34 mit dem Begrenzer 30 verbunden ist, wie oben beschrieben. Wie in der Figur zu sehen, erhöht sich der Massendurchflussausgang linear mit dem Auslassdruck. Diese Kurve 60 ist ein Effekt der allgemeinen Gasgleichung, die Volumen, Masse, Temperatur und nicht-lineare Komprimierbarkeitseffekte miteinander in Beziehung setzt, wie durch die folgende Gleichung (1) beschrieben: PV = mRTZ (1)wobei:

P: = Druck,
m: = Masse,
V: = Volumen,
R: = Gaskonstante (universell),
T: = Temperatur, und
Z: = Gaskomprimierbarkeit

Teilt man beide Seiten der allgemeinen Gasgleichung durch die Zeit, so ergibt sich die folgende Ratengleichung (2): PV . = m .RTZ (2)
Das Lösen der Ratengleichung (2) für die Massendurchflussrate ergibt die folgende Massendurchflussratengleichung (3):
Ein Umordnen der Terme der Massendurchflussratengleichung ergibt die folgende Neigungsgleichung (4):
Die Neigung der Gleichung (4) veranschaulicht die Beziehung zwischen der Massendurchflussrate und dem Druck für ein bestimmtes System und Gas. Wenn der Druck zunimmt, so nimmt der Betrag der Masse innerhalb eines bestimmten Volumens (d. h. die Dichte) proportional zu, wenn die Temperatur konstant bleibt. Versuchsdaten haben gezeigt, dass sich die Temperatur während des gesamten Experiments nur um einen Bruchteil eines Grades veränderte. Da die Neigung der Kurve konstant blieb, war das Endergebnis, dass die volumetrische Durchflussrate für dieses Gerät über den gesamten Druckbereich hinweg konstant blieb, bis sich der Druckunterschied (d. h. Einlassdruck minus Auslassdruck) einem kritischen Wert näherte.
Im Gegensatz dazu müssen traditionelle Durchflussmessgeräte, die sich auf Druckmessungen stützen, drei Faktoren berücksichtigen: Einlassdruck, Einlasstemperatur und Druckunterschied an einer Öffnung. Die Durchflussrate an einer Öffnung oder einer ähnlichen Durchflussbegrenzung wird allgemein durch die folgende Durchflussratengleichung (5) ausgedrückt:
wobei:

p₁: = Gasdruck stromaufwärts der Begrenzung
p₂: = Gasdruck stromabwärts der Begrenzung
T₁: = Temperatur stromaufwärts der Begrenzung
D: = Durchflusspassagendurchmesser
d: = hydraulischer Begrenzungsdurchmesser (effektiver Durchflussdurchmesser)
G: = spezifische Dichte oder normalisiertes Molekulargewicht des Gases
Z: = Komprimierbarkeitsfaktor des Gases

Der Term K in dieser Durchflussratengleichung (5) ist ein Faktor, der experimentell während der Kalibrierung einer bestimmten Begrenzung ermittelt wird. Der Term K ist abhängig von der Geometrie der Begrenzung und von Ausdehnungsfaktoren des Gases, wie zum Beispiel Joule-Thompson-Abkühlung/Erwärmung (d. h. der Änderung der Temperatur, die durch eine plötzliche Druckänderung hervorgerufen wird). Die Durchflussratengleichung (5) ist nur für geringe Strömungen oder für Begrenzungen, in denen keine hohen Gasgeschwindigkeiten entstehen, gültig. Wenn sich die Geschwindigkeit des Gases der Schallgeschwindigkeit nähert, so ist die Massengeschwindigkeit der Gasmoleküle größer als die Geschwindigkeit, mit der sich Druck durch das Medium hindurch ausbreiten kann. Die Strömungseigenschaften nehmen signifikant verschiedene Beziehungen an und heißen komprimierbare Flüsse, Schallflüsse oder gedrosselte Flüsse.
Darum nutzen traditionelle Durchflusssteuereinheiten, die sich auf Druckabfälle stützen, zwei Drucksensoren und einen Temperatursensor. Solche traditionellen Durchfluss steuereinheiten müssen auch eine relativ ausgeklügelte Elektronik enthalten, die in der Lage ist, die Durchflussrate zu berechnen durch: Messen beider Drücke; Berechnen des Druckunterschiedes (mit speziellen Operationsverstärkern (analog) oder mittels eines programmierten digitalen Mikroprozessors und der benötigten Analog-Digital-Wandler); und vor allem durch Kalibrieren des Gerätes, um den Term K herauszufinden.
Bei der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung würde die Lösungsgleichung zum Erhalten des Durchflusses wie eine der folgenden Gleichungen (6) oder (7) aussehen:
oder
wobei: K der Kalibrierungsfaktor ist und während der Kalibrierung bestimmt wird, wie weiter unten besprochen wird. Es ist anzumerken, dass die Konstante R in den Gleichungen (6–10) nicht die universelle Konstante R der Gleichungen (1–4) ist. Sie ist vielmehr eine gasabhängige Konstante, die für Laminarströmungs- oder öffnungsartige Begrenzungen variiert.
Im Fall einiger Gase, wo eine nicht-ideale Komprimierbarkeit berücksichtigt werden muss, können die folgenden Gleichungen (8) und (9) verwendet werden:
oder
wobei: Z(P,T) der Komprimierbarkeitsfaktor ist, der von Druck und Temperatur abhängig ist.
Wie anhand eines Vergleichs der Gleichung (5) mit einer der Gleichungen (6), (7), (8) oder (9) festzustellen ist, vereinfacht die vorliegende Erfindung deutlich die Beziehung der Massendurchflussrate zu Druck und Temperatur. In den meisten Fällen braucht die Komprimierbarkeit nicht direkt erhalten zu werden, weil die Steuereinheit so kalibriert wird, dass die Komprimierbarkeit in der Kalibrierungssequenz berücksichtigt wird.
Bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck kann das Gas bereits eine gewisse nicht-ideale Komprimierbarkeit aufweisen, die in der Messung inhärent ist, die durch den Durchflussstandard während der Kalibrierung vorgenommen wird. Außerdem ist der Term R gasspezifisch, so dass nur die gasspezifische Konstante vor oder während der Kalibrierung eingegeben werden muss, um eine hoch-präzise Massendurchflussmessung zu erhalten. Die Kalibrierungssequenz kann so implementiert werden, wie es unten mit Bezug auf 5 beschrieben ist.
Nachdem der Kalibrierungsfaktor K unter Verwendung der Kalibrierungssequenz berechnet wurde, kann der Massendurchfluss unter Verwendung nur der folgenden linearen Neigungsgleichung (10), welche die in 2 gezeigte Neigung der Kurve 60 definiert, gemessen werden: Y = mx + b (10)wobei: y = Massendurchfluss, x = gemessener Druck, m = K/RT und b der Null-Versatz ist.
Auf der Basis des obigen Grundverständnisses des Messgerätsystems 20 werden nun die verschiedenen Komponenten dieses Systems in weiterem Detail beschrieben.
II. Mechanisches System
Wenden wir uns nun 3 der Zeichnung zu, wo im Einzelnen das mechanische System 22 des beispielhaften Durchflussmessgerätsystems 20 gezeigt ist. Der Begrenzer 30 des mechanischen Systems 22 wird durch eine Hauptkörperbaugruppe 120 gebildet. Die Hauptkörperbaugruppe 120 definiert einen Hauptdurchgang 130, der einen Einlass 132 und einen Auslass 134 aufweist und die Begrenzungskammer 32 definiert. Die Begrenzungskammer 32 ist zwischen dem Einlass 132 und dem Auslass 134 angeordnet.
Wie oben allgemein besprochen, misst das Massendurchflussmessgerätsystem 20 den Massendurchfluss von Fluid, das durch den Hauptdurchgang 130 von dem Einlass 132 zu dem Auslass 134 strömt, mittels Druck- und Temperatursignalen, die durch den Drucksensor 40 und den Temperatursensor 42 erzeugt werden. Das Fluid, das durch das Messgerätsystem 20 strömt, wird im vorliegenden Text als das gemessene Fluid bezeichnet. An den Nahtstellen der verschiedenen Teile, die das mechanische System 22 bilden, sind Dichtungen in einer solchen Weise ausgebildet, dass gemessenes Fluid nur entlang den im vorliegenden Text beschriebenen Wegen strömt. Diese Dichtungen sind von herkömmlicher Art oder können von herkömmlicher Art sein und werden darum nicht im Detail beschrieben.
Die beispielhafte Hauptkörperbaugruppe 120 umfasst ein Hauptkörperelement 140 und optional eine Baugruppe 142 mit variabler Öffnung. Das Hauptkörperelement 140 definiert mindestens einem Teil des Hauptdurchgangs 130, des Einlasses 132 und des Auslasses 134. Das Hauptkörperelement umfasst eine Einlasssektion 144, eine Auslasssektion 146 und eine Zwischensektion 148.
Das Hauptkörperelement 140 definiert des Weiteren erste und zweite Ausgleichsanschlussöffnungen 150 und 152, die stromaufwärts bzw. stromabwärts der Baugruppe 142 mit variabler Öffnung angeordnet sind. Die ersten und zweiten Ausgleichsanschlussöffnungen 150 und 152 ermöglichen eine Fluidverbindung zwischen dem Druckausgleichssystem 24 bzw. den Einlass- und Auslasssektionen 144 und 146 des Hauptdurchgangs 130. Die erste Ausgleichsanschlussöffnung 150 und die zweite Ausgleichsanschlussöffnung 152 sind an Einlass- und Auslassanschlussöffnungen 154 bzw. 156 des Druckausgleichssystems 34 angeschlossen.
Die beispielhaften Druck- und Temperatursensoren 40 und 42, die durch das Messgerätsystem 20 verwendet werden, sind dafür konfiguriert, den Druck und die Temperatur des gemessene Fluids zu detektieren, das durch den Hauptdurchgang 130 strömt. Genauer gesagt, definiert das Hauptkörperelement 140 erste und zweite Testanschlussöffnungen 160 und 162, die in der Auslasssektion 146 des Hauptkörperelements 140 angeordnet sind. Die Testanschlussöffnungen 160 und 162 können jedoch in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch an den Einlass- und/oder Zwischensektionen 144 oder 148 des Körperelements 140 angeordnet sein.
Die Sensoren 40 und 42 sind von herkömmlicher Art oder können von herkömmlicher Art sein und sind in die Testanschlussöffnungen 160 und 162 eingesetzt oder eingeschraubt. Dichtungen sind auf herkömmliche Weise zwischen den Sensoren 40 und 42 und den Testanschlussöffnungen 160 und 162 ausgebildet. Die auf diese Weise an dem Hauptkörperelement 140 angebrachten Sensoren 40 und 42 erzeugen elektrische Druck- und Temperatursignale, die dem Druck und der Temperatur des gemessenen Fluid unmittelbar neben den Testanschlussöffnungen 160 und 162 entsprechen.
Die Einlass-, Auslass- und Begrenzungssektionen 144, 146 und 148 des Hauptkörperelements 140 dienen verschiedenen Funktionen und haben darum verschiedenen Geometrien. Die Einlass- und Auslasssektionen 144 und 146 sind mit einem Gewinde versehen oder auf sonstige Weise dafür geeignet, die Herstellung einer fluiddichten Verbindung zwischen dem Hauptkörperelement 140 und der Quelle 54 und dem Zielort 56 des gemessenen Fluids zu ermöglichen. Die effektiven Querschnittsflächen der Einlass- und Auslasssektionen 144 und 146 sind für eine Implementierung der vorliegenden Erfindung nicht maßgeblich, außer dass der Fluss von gemessenem Fluid zu dem Fluidzielort 56 vorgegebene Systemanforderungen erfüllen muss. In der beispielhaften Hauptkörperbaugruppe 120 definieren die Einlass- und Auslasssektionen 144 und 146 zylindrische Einlass- und Auslass-Innenwandflächen 170 und 172 und haben im Wesentlichen den gleichen Durchmesser und die gleiche effektive Querschnittsfläche.
Die Zwischensektion 148 des Hauptkörperelements 140 dient zum Begrenzen des Durchflusses von gemessenem Fluid durch den Hauptdurchgang 130, während sie trotzdem noch den Durchfluss von gemessenem Fluid entsprechend den Systemanforderungen gestattet. Die effektive Querschnittsfläche von mindestens einem Teil der Zwischensektion 148 des Hauptdurchgangs 130 ist somit kleiner als die der Einlass- und Auslasssektionen 144 und 146. Genauer gesagt, wird die Zwischensektion 148 mindestens teilweise durch eine innere Begrenzungswand 180 des Hauptkörperelements 140 definiert. Die Begrenzungswand 180 ist im Wesentlichen zylindrisch und hat einen kleineren Durchmesser als die Einlass- und Auslasswandflächen 170 und 172.
Das Messgerätsystem 20 der vorliegenden Erfindung kann auch ohne die optionale Baugruppe 142 mit variabler Öffnung hergestellt werden. In diesem Fall definiert die Begrenzungswand 180 des Hauptkörperelements 140 die Begrenzungskammer 32. Das Hauptkörperelement 40 muss auf engste Tole ranzen gefertigt werden, und/oder die Kalibrierungsdaten müssen möglicherweise für jedes Hauptkörperelement 140 so berechnet werden, dass Variationen in den Begrenzungsabschnitten, die durch einzelne Hauptkörperelemente definiert werden, berücksichtigt werden, wenn keine Baugruppe mit variabler Öffnung verwendet wird.
Wenn eine Baugruppe 142 mit variabler Öffnung verwendet wird, so kann die Begrenzungskammer 32, die einem bestimmten Hauptkörperelement 140 zugeordnet ist, verändert werden, um das bestimmte Hauptkörperelement 140 zu kalibrieren. Es kann eine beliebige Anzahl von Mechanismen verwendet werden, um die Geometrie der Begrenzungskammer 32 zu verändern.
In dem Messgerätsystem 20 umfasst die beispielhafte Baugruppe 142 mit variabler Öffnung ein Röhrenelement 220, das eine Innenfläche 222 aufweist. Die Innenfläche 222 des Röhrenelements 220 definiert die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer 32.
In einigen Situationen kann das Röhrenelement 220 aus einem starren Material, wie zum Beispiel einigen Metallen oder Polymeren, hergestellt sein. In diesem Fall ist das Röhrenelement 220 in mehreren vorgegebenen Konfigurationen hergestellt, die jeweils einer Begrenzungskammer 32 mit einer anderen vorgegebenen Querschnittsfläche entsprechen. Eine dieser vorgegebenen Konfigurationen wird ausgewählt, um eine gewünschte Geometrie der Begrenzungskammer 32 zu erhalten.
Das beispielhafte Röhrenelement 220 ist jedoch aus einem verformbaren Material hergestellt, dergestalt, dass, wenn das Röhrenelement 220 verformt wird, die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer 32 verändert wird. Das beispielhafte Röhrenelement 220 besteht aus Metall, aber je nach den Umständen können auch Polymere, Naturkau tschuk oder andere Materialien verwendet werden. In dieser Hinsicht kann das Röhrenelement 220 aus elastischem Material (zum Beispiel Polymeren oder Naturkautschuk) oder nicht-elastischem Material (zum Beispiel Metall) hergestellt sein.
Die Baugruppe 142 mit variabler Öffnung, die von dem beispielhaften Messgerätsystem 20 verwendet wird, umfasst des Weiteren einen Kompressionskeil 224, eine Kompressionsscheibe 226, erste und zweite Chevron-Elemente 228 und 230 und eine Kompressionsmutter 232, die eine Gewindefläche 234 aufweist.
Um diese Baugruppe 142 mit variabler Öffnung aufzunehmen, umfasst die Zwischensektion 148 des beispielhaften Hauptkörperelements 140 die folgenden Innenwände zusätzlich zu der Begrenzungswand 180: eine Röhrensitzwand 240, eine Kompressionswand 242, eine Abstandshalterwand 244 und eine Gewindewand 246. Die Röhrensitzwand 240 befindet sich stromaufwärts der oben beschriebenen Begrenzungswand 180 und ist allgemein zylindrisch. Die Kompressionswand 242 befindet sich stromaufwärts der Röhrensitzwand und ist allgemein konisch. Die Abstandshalterwand 244 befindet sich stromaufwärts der Kompressionswand und ist allgemein zylindrisch. Die Gewindewand 246 befindet sich stromaufwärts der Abstandshalterwand und ist mit einem Gewinde versehen, das zu der Gewindefläche 232 der Kompressionsmutter 232 passt.
Eine axiale Drehung der Kompressionsmutter 232 relativ zu dem Körperelement 140 bewirkt somit, dass sich die Mutter 232 entlang einer Längsachse A des Körperelements 140 in Richtung der Begrenzungswand 180 bewegt. Wenn sich die Mutter 232 in Richtung der Begrenzungswand 180 bewegt, übt die Mutter 232 über die Chevron-Elemente 228 und 230 und die Kompressionsscheibe 226 eine Kraft auf den Kompressionskeil 224 aus. Der Kompressionskeil 224 umfasst eine konische Außenfläche. Die Außenfläche des Kompressionskeils 224 nimmt die Kompressionswand 242 dergestalt in Eingriff, dass sich der Keil 224 radial nach innen in Richtung der Längsachse A bewegt. Die nach innen gerichtete Bewegung des Kompressionskeils 224 verformt, wie oben allgemein beschrieben, das Röhrenelement 220, um die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer 32 zu verändern.
III. Elektrisches System
Wenden wir uns nun 4 der Zeichnung zu, wo im Detail eine beispielhafte Ausführungsform einer Messgerätschaltung 44 gezeigt ist, die als Teil des elektrischen Systems 24 des beispielhaften Durchflussmessgerätsystem 20 verwendet wird. Die Messgerätschaltung 44 umfasst erste, zweite und dritte Summierungs- und Skalierungssysteme 320, 322 und 324. Das erste Summierungs- und Skalierungssystem 320 kombiniert den Kalibrierungsfaktor und das unverarbeitete Drucksignal zu einem kalibrierten Drucksignal. Das zweite Summierungs- und Skalierungssystem 322 kombiniert das unverarbeitete Temperatursignal und den Gaskonstanteneingang zu einem kompensierten Temperatursignal. Das dritte Summierungs- und Skalierungssystem 324 kombiniert das kalibrierte Drucksignal und das kompensierte Temperatursignal zu dem Durchflussausgangssignal.
Die Designdetails der Summierungs- und Skalierungssysteme 320–324 werden durch die konkrete Umgebung bestimmt, in der das Messgerätsystem 20 verwendet werden soll. In der Regel umfassen diese Systeme 320–324 signalspezifische Komponenten und einen Summierungs- und Skalierungsverstärker. Die signalspezifischen Komponenten wandeln ein unverarbeitetes Eingangssignal in entweder analoger oder digitaler Form in ein digitales oder analoges aufbereitetes Signal um, das sich zur Verwendung durch den Summierungs- und Skalierungsverstärker eignet, der den signalspezifischen Komponenten zugeordnet ist. Der Summie rungs- und Skalierungsverstärker ist seinerseits dafür ausgelegt, ein skaliertes Signal auf der Basis der aufbereiteten Eingangssignale zu erzeugen.
Die Messgerätschaltung 44 kann unter Verwendung diskreter Schaltungskomponenten, eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC), einer Software, die auf einem integrierten Prozessor, wie zum Beispiel einem Allzweck-Mikrocomputer läuft, oder eines digitalen Signalprozessors oder einer Kombination dieser Verfahren implementiert werden. Die genaue Art einer bestimmten Implementierung des elektrischen Systems 24 richtet sich nach solchen Faktoren wie den Herstellungskosten, dem beruflichen Hintergrund und der Erfahrung des Konstrukteurs und der Betriebsumgebung des Messgerätsystems 20. Zum Beispiel umfasst in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit einem digitalen Signalprozessor ("DSP") implementiert ist, der DSP vorzugsweise eine Speichereinheit, die Nachschlagetabellen aufweist, die Kalibrierungsbedingungen speichern, einschließlich beispielsweise der ursprünglichen Kalibrierungsbedingungen für das Messgerät. Diese Daten sind für den Rückbezug auf die ursprünglichen Bedingungen nützlich, falls ein Druck- und/oder Temperatursensor driftet. Die Daten sind auch zur Durchführung von Diagnoseverfahren nützlich, um zu bestimmen, ob das Messgerät eine Kalibrierung oder eine sonstige Wartung benötigt. Außerdem verfügt die DSP-Speichereinheit vorzugsweise über eine Nachschlagetabelle der Fluidviskosität im Verhältnis zur Temperatur für ein oder mehrere Fluide. Diese Daten sind zur Verwendung beim Kompensieren von Änderungen der Fluidtemperatur nützlich.
Wenden wir uns nun 5 zu, wo eine beispielhafte Messgerätschaltung 44 gezeigt ist, die dafür geeignet ist, das Durchflussausgangssignal auf der Grundlage analoger Eingangssignale zu erzeugen. Wie in 5 gezeigt, umfasst das erste Summierungs- und Skalierungssystem 320 ein Sig nalaufbereitungsmodul 330, eine optionale arithmetische Logikeinheit 332, einen optionalen Linearisierungsverstärker 334 und einen ersten und einen zweiten Summierungs- und Skalierungsverstärker 336 und 338.
Das unverarbeitete Drucksignal wird zunächst durch das Signalaufbereitungsmodul 330 gefiltert und verstärkt. Erforderlichenfalls wird das gefilterte Drucksignal dann in die arithmetische Logikeinheit 332 oder in den Linearisierungsverstärker 334 oder in beide eingespeist und dann in den ersten Summierungs- und Skalierungsverstärker 336 eingespeist. Wenn die arithmetische Logikeinheit 332 und der Linearisierungsverstärker 334 nicht erforderlich sind, so wird das gefilterte Drucksignal direkt an den ersten Summierungs- und Skalierungsverstärker 336 übermittelt. Der zweite Summierungs- und Skalierungsverstärker 338 erzeugt ein Kalibrierungssignal auf der Basis des Kalibrierungsfaktors. Das Drucksignal und das Kalibrierungssignal werden dann in den ersten Summierungs- und Skalierungsverstärker 336 eingespeist, um das verarbeitete Drucksignal zu erhalten.
Das zweite Summierungs- und Skalierungssystem 322 umfasst ein Signalaufbereitungsmodul 340, einen Skalierungs- und Leistungsverstärker 342 und einen Summierungs- und Skalierungsverstärker 344. Das Signalaufbereitungsmodul 340 filtert und verstärkt das Temperatursignal, um ein gefiltertes Temperatursignal zu erhalten. Der Skalierungs- und Leistungsverstärker 342 erzeugt ein Gaskonstantensignal auf der Basis des Gaskonstanteneingangs. Der Summierungs- und Skalierungsverstärker 344 erzeugt das verarbeitete Temperatursignal auf der Basis des gefilterten Temperatursignals und des Gaskonstantensignals.
Das dritte Summierungs- und Skalierungssystem 324 umfasst einen Summierungs- und Skalierungsverstärker 350 und einen Pufferverstärker 352. Der Summierungs- und Ska lierungsverstärker erzeugt ein Durchflusssignal auf der Basis des kalibrierten Drucksignals und des kompensierten Temperatursignals, wie allgemein oben beschrieben. Der Pufferverstärker 352 erzeugt das Durchflussausgangssignal auf der Basis des Durchflusssignals.
IV. Kalibrierungsprozess
Wenden wir uns nun 6 der Zeichnung zu, wo bei 360 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Kalibrieren des oben beschriebenen Messgerätsystems 20 gezeigt ist. In der folgenden Besprechung wird das konkrete zu kalibrierende Messgerätsystem 20 als das DUT bezeichnet.
Der erste Schritt 362 des Kalibrierungsprozesses besteht darin, den Durchflussbegrenzer 30 des DUT in Reihe mit einem kalibrierten Messgerätsystem zu verbinden. Ein negativer Druck oder ein Vakuum wird dann in Schritt 364 an den Auslass des Durchflussbegrenzers 30 des DUT angelegt, und die Elektronik des Messgerätsystems 20 wird auf Null gesetzt.
Der nächste Schritt 366 besteht darin, einen Druck stromaufwärts der DUT anzulegen, um einen Durchfluss durch das DUT zu erzeugen. Der Durchfluss wird mit Hilfe des kalibrierten Messgerätsystems gemessen. Der gasspezifische Gaskonstanteneingang wird dann in Schritt 368 an den elektronischen Abschnitt 24 unter Verwendung herkömmlicher Mittel angelegt, wie zum Beispiel eines digitalen seriellen Eingangs und/oder eines Satzes aus einem oder mehreren Schaltern, die dafür konfiguriert werden können, den entsprechenden Gaskonstanteneingang zu erzeugen.
Der maximale Durchflussbereich wird dann in Schritt 370 erhalten, indem man mit Hilfe eines der oben beschriebenen Verfahren eine entsprechende Geometrie des Begrenzungshohlraums 32 auswählt.
Der Durchfluss wird dann in Schritt 372 auf zehn Prozent der maximalen Durchflusseinstellung des DUT erhöht. Die Druck- und Temperatursignale, die zu diesem Durchfluss gehören, werden dann gelesen und gespeichert. In Schritt 374 wird die Durchflussrate in Inkrementen von zehn Prozent bis auf einhundert Prozent angehoben. Die Druck- und Temperatursignale, die zu jeder inkrementellen Erhöhung der Durchflussrate gehören, werden gemessen und gespeichert. Die in Schritt 378 durch das kalibrierte Messgerätsystem gemessene Neigung der Kurve des Drucksignals im Verhältnis zu der Massendurchflussrate wird gemessen und als der Kalibrierungsfaktor unter Verwendung herkömmlicher Mittel, wie zum Beispiel eines Abgleichpotentiometers oder eines digitalen seriellen Eingangs, gespeichert.
Wenden wir uns 7 zu, wo bei 380a, 380b und 380c beispielhafte Kurven des Drucksignals im Verhältnis zur Massendurchflussrate für mehrere Temperaturen gezeigt sind. Die Messgerätschaltung 44 erzeugt das Durchflusssignalausgangssignal auf der Basis der Druck/Massendurchfluss-Kurven, die durch den Kalibrierungsfaktor und den Gaskonstanteneingang erzeugt wurden.
Wenden wir uns nun 8 zu, wo eine Kurve 382 des Drucksignals im Verhältnis zur Massendurchflussrate gezeigt ist, wobei die Beziehung zwischen dem Drucksignal und der Massendurchflussrate nicht-linear ist. Zum Beispiel kann diese Beziehung im Fall einer Öffnung nicht-linear sein.
Wenn die Beziehung Druck/Massendurchflussrate nicht-linear ist, so wird das gefilterte Drucksignal durch eine arithmetische Logikeinheit 332 oder einen Linearisierungsverstärker 334 oder durch beide geleitet. Die arithmetische Logikeinheit 332 und der Linearisierungsverstärker 334 implementieren eine Funktion, welche die Nichtlinearität der Beziehung Druck/Massendurchflussrate kompensiert. Zum Beispiel kann die Signalaufbereitungsschaltung eine Funk tion der "stückweisen Linearisierung" oder eine Quadratwurzelfunktion oder beides an dem gefilterten Drucksignal ausführen, um das kompensierte Drucksignal zu erhalten. Genauer gesagt, wobei wir uns wieder 8 zuwenden, ist bei 384 eine Kurve gezeigt, die dem Umgekehrten der nicht-linearen Kurve 382 entspricht. Eine Kurve 386 stellt den Mittelpunkt der Kurven 382 und 384 dar und kann in der oben beschriebenen linearen Neigungsgleichung (10) verwendet werden.
In der Praxis wird die Messgerätschaltung 44 vorzugsweise sowohl mit der arithmetischen Logikeinheit 332 als auch dem Linearisierungsverstärker 334 und, wie in 5 gezeigt, mit den Schaltern 390 und 392 hergestellt, die dafür konfiguriert sind, es zu ermöglichen, eines dieser Schaltungselemente 332 und 334 aus der Schaltung 44 herauszunehmen. Die Verwendung der Schalter 390 und 392 ermöglicht somit die Produktion einer Standard-Messgerätschaltung 44, die problemlos an eine bestimmte Umgebung angepasst werden kann.
V. Das Massendurchflusssteuersystem
Wie oben allgemein beschrieben, hat das oben beschriebene Massendurchflussmessgerät der vorliegenden Erfindung zahlreiche Anwendungen. Es kann für sich allein verwendet werden, um einfach die Massendurchflussrate einer breiten Vielfalt von Fluiden mit einer breiten Vielzahl von Durchflussraten zu messen. Es kann als Teil eines größeren Systems zum Verarbeiten oder Zuleiten von Fluiden verwendet werden, wo es auf exakte Massendurchflussraten ankommt. Es kann auch mit anderen Komponenten kombiniert werden, um ein komplexeres eigenständiges Gerät zu erhalten.
In diesem Abschnitt wird unter Bezug auf 9 ein beispielhaftes Massendurchflusssteuersystem 420 beschrieben, welches das oben beschriebene beispielhafte Massen durchflussmessgerät 20 enthält. Die Massendurchflusssteuersystem 420 ist ein eigenständiges Gerät, das nicht nur die Massendurchflussrate misst, sondern es auch ermöglicht, diese Durchflussrate mit einem hohen Genauigkeitsgrad für eine breite Vielfalt von Fluiden und Durchflussraten zu steuern.
Das Massendurchflusssteuersystem 420 enthält das oben beschriebene Durchflussmessgerätsystem 20, und der Messgerät-Abschnitt des Durchflusssteuersystems 420 wird nicht noch einmal beschrieben, außer in dem Umfang, wie es für das vollständige Verstehen des Durchflusssteuersystems 420 erforderlich ist.
Zusätzlich zu dem Durchflussmessgerätsystem 20 umfasst das Durchflusssteuersystem 420 ein Ventilsteuerungs-Regelkreissystem 422 und ein Durchflusssteuereinheit-System 424. Das Durchflusssteuereinheit-System 424 ist in Reihe mit dem Durchflussmessgerätsystem 20 angeordnet, dergestalt, dass das Durchflusssteuereinheit-System 424 den Massendurchfluss von Fluid durch das Durchflussmessgerätsystem 20 bestimmt.
Vorzugsweise ist das Durchflusssteuereinheit-System 420 eine mechanische oder elektromechanische Durchflusssteuereinheit, wie sie zum Beispiel in dem Patent '849 und der Anmeldung '708, die oben zitiert wurden, beschrieben ist. Das Durchflusssteuereinheit-System 424 kann jedoch ein beliebiges Durchflusssteuereinheit-System sein, das den Durchfluss von Fluid durch das System 420 mittels elektrischer oder mechanischer Steuerung erhöhen oder verringern kann.
In der vorliegenden Erfindung wird das Durchflusssignal, das durch den Summierungs- und Skalierungsverstärker 350 des dritten Summierungs- und Skalierungssystem 324 erzeugt wird, in das Ventilsteuerungs-Regelkreissystem 422 eingespeist. Das Ventilsteuerungs-Regelkreissystem 422 vergleicht das Durchflusssignal mit einem gewünschten Durchflussratensignal. Das gewünschte Durchflussratensignal kann voreingestellt sein oder kann entsprechend den Umständen geändert werden. Zum Beispiel kann in einem medizinischen Umfeld ein Arzt festlegen, dass einem Patienten ein Gas mit einer vorgegebenen Durchflussrate verabreicht wird. Die durch den Arzt festgelegte vorgegebene Durchflussrate würde in das gewünschte Durchflussratensignal umgewandelt werden.
Auf der Basis der Differenz zwischen dem gewünschten Durchflussratensignal und dem Durchflusssignal, das durch das Durchflussmessgerätsystem 20 erzeugt wird, erzeugt das Ventilsteuerungs-Regelkreissystem 422 ein Durchflusssteuersignal, welches das Durchflusssteuereinheit-System 424 steuert. Wenn das Durchflusssteuereinheit-System 424 ein mechanisches System ist, so hat das Durchflusssteuersignal die Form einer mechanischen Bewegung (rotational, translational), die das Durchflusssteuereinheit-Signal veranlasst, die Fluidflussrate durch das System 424 zu erhöhen oder zu verringern. Wenn das System 424 ein elektromechanisches System ist, so kann das Durchflusssteuersignal die Form eines elektrischen Signals annehmen, dass in eine mechanische Bewegung in dem System 424 umgewandelt wird.
Die Kombination des Durchflusssteuereinheit-Systems 424 und des Durchflussmessgerätsystems 20 hat zur Folge, dass die Fluidausgabe des Systems 420 mit einem hohen Genauigkeitsgrad steuerbar ist.
VI. Alternative Ausführungsform des Massendurchflusssteuersystems
Eine alternative Ausführungsform des Massendurchflusssteuersystems, das oben und in 9 beschrieben wurde, ist in 10 gezeigt. Genauer gesagt, umfasst die Durchflusssteuereinheit 524 entweder eine piezoelektrische Stellgliedsteuerung oder eine Solenoid-Stellgliedsteuerung 526, die mit einem Ventil 528 verbunden ist. Die Stellgliedsteuerung 526 gibt ein Signal 530 an die Messgerätschaltung 44 aus. Wenn die Stellgliedsteuerung 526 eine Solenoid-Stellgliedsteuerung ist, dann ist das Signal 530 ein Stromsignal, das in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Wenn die Stellgliedsteuerung 526 eine piezoelektrische Stellgliedsteuerung ist, so ist das Signal 530 ein Spannungssignal von einem integrierten Dehnungsmessstreifen. In jedem Fall kann das Signal 530 als V_pm, d. h. Spannung (Hauptbeweger), identifiziert werden.
Das Signal 530 stellt die Beziehung zwischen der Lorentz-Kraft dar, die in der Stellgliedsteuerung 526 durch Veränderungen des Drucks in dem Ventil 528 erzeugt wird. Somit kann das Signal 530 als ein indirekter Druckindikator verwendet werden, der den Druckmesswandler 40 in 1 ersetzt, verstärkt und/oder kalibriert. Zum Beispiel ist in 10 der Druckmesswandler 40 nicht vorhanden, und das Signal 530 wird an seiner Stelle verwendet. Das Signal 530 kann auch als ein Diagnoseindikator verwendet werden, um zu verifizieren, dass sich der Wert von R für eine bestimmte Durchflussbegrenzung nicht verändert hat.
Vorzugsweise hat die Messgerätschaltung 44 für das in 10 gezeigte Massendurchflusssteuersystem mindestens 128 Kilobyte Speicher mittels eines EEPROM. Der Speicher für die Messgerätschaltung 44 sollte eine Nachschlagetabelle mit Werten von V_pm für inkrementelle Massendurchflussraten für verschiedene Gase und/oder Durchflussbegrenzungen enthalten. Diese Nachschlagetabelle stellt vorzugsweise Werte für folgende Gleichung dar:
Somit ist oben eine alternative Ausführungsform unter Verwendung eines Signals 530, V_pm, zum Messen von Änderungen des Drucks in dem System und zum Steuern des Ventils 528 in dem Massendurchflusssteuersystem beschriebenen.
VII. Zusätzliche Überlegungen
Ein Konstrukteur konstruiert in der Regel eine bestimmte Implementierung der vorliegenden Erfindung, indem er zunächst die Betriebsumgebung definiert, in der das Durchflussmessgerätsystem verwendet werden soll. Die Betriebsumgebung enthält die Eigenschaften des Fluids selbst, den erwarteten bereich der Fluideinlass- und -auslassdrücke, die Umgebungsbedingungen, die Fehlertoleranz und dergleichen. Der Konstrukteur kann auch geschäftliche Faktoren wie zum Beispiel Kosten berücksichtigen.
Die Eigenschaften vieler sowohl der mechanischen als auch der elektrischen Komponenten der vorliegenden Erfindung werden je nach den Umständen verändert, um ein bestimmtes Durchflussmessgerätsystem an einen bestimmten Verwendungszweck anzupassen.
Zum Beispiel können die Begrenzungskammer und die Einlass- und Auslassöffnungen anhand der Art des Fluids, der erwarteten Einlassdrücke und der gewünschten Durchflussraten ausgewählt werden.
Außerdem müssen die Materialien, die für die verschiedenen Komponenten verwendet werden, anhand der Drücke und der Arten der erwarteten Fluide ausgewählt werden. Zum Beispiel kann für Luft mit geringen Drücken für viele der Komponenten Kunststoff verwendet werden. Für kaustische Fluide und höhere Drücke kann Stahl oder Edelstahl verwendet werden.
Die Elektronik wird ebenfalls speziell an eine be stimmte Umgebung angepasst. Zum Beispiel werden die Implementierungsdetails der verschiedenen oben beschriebenen Summierungs- und Skalierungssysteme bestimmt, sobald die konkrete Betriebsumgebung definiert ist.
Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Formen als den im vorliegenden Text beschriebenen Formen verkörpert sein, ohne vom Geist oder den wesentlichen kennzeichnenden Merkmalen der Erfindung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind darum in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen. Der Geltungsbereich der Erfindung wird nicht durch die vorangegangene Beschreibung, sondern durch die angehängten Ansprüche definiert. Alle Änderungen, die in den geistigen und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, gelten darum als von ihnen erfasst.

Claims

Massendurchflussmessgerät (20), das Folgendes umfasst: einen Einlass (50, 132) mit einem Durchmesser und einen Auslass (52, 134) mit einem Durchmesser; und einen Durchflussbegrenzer (30), der zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und eine Begrenzungskammer (32) umfasst, die eine zylindrische Begrenzungswand (180) aufweist, die einen Durchmesser hat, der kleiner ist als die Durchmesser des Einlasses und des Auslasses; dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussbegrenzer ein Druckausgleichssystem (34) enthält, um einen konstanten Druckunterschied an der Begrenzungskammer (32) aufrecht zu erhalten, und dadurch, dass ein Drucksensor P (40) und ein Temperatursensor T (42) stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer angeordnet sind und Eingangsdaten in einen Messgerätschaltkreis (44) einspeisen, der Kalibrierungsdaten enthält; wobei der Messgerätschaltkreis anhand der Kalibrierungsdaten und der Eingangsdaten von dem Drucksensor und dem Temperatursensor ein Durchflussausgangssignal erzeugt.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungswand (180) die Begrenzungskammer definiert.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungskammer des Weiteren Folgendes umfasst: eine konische Kompressionswand (242), die stromaufwärts von der Begrenzungswand angeordnet ist; eine Baugruppe (142) mit variabler Öffnung, wobei die Baugruppe mit variabler Öffnung Folgendes aufweist: ein verformbares Röhrenelement (220), das eine Innenfläche (222) aufweist, die eine effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer definiert, einen Kompressionskeil (224), eine Kompressionsscheibe (226), ein erstes und ein zweites Chevron-Element (228, 230) und eine Kompressionsmutter (232); wobei eine axiale Drehung der Kompressionsmutter die Mutter in Richtung der Begrenzungswand verschiebt und wobei die Mutter, während sie sich in Richtung der Begrenzungswand bewegt, über das erste und das zweite Chevron-Element und die Kompressionsscheibe eine Kraft auf den Kompressionskeil ausübt und den Kompressionskeil radial nach innen drängt, wodurch das verformbare Röhrenelement verformt wird und die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer verkleinert wird.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Messgerätschaltkreis (44) des Weiteren Folgendes umfasst: ein erstes Summierungs- und Skalierungssystem (320), das die Kalibrierungsdaten und das Drucksignal zu einem kalibrierten Drucksignal kombiniert; ein zweites Summierungs- und Skalierungssystem (322), welches das Temperatursignal und eine Gaskonstante zu einem kompensierten Temperatursignal kombiniert; und ein drittes Summierungs- und Skalierungssystem (324) welches das kalibrierte Drucksignal und das kompensierte Temperatursignal zu einem Durchflussausgangssignal kombiniert.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei der Messgerätschaltkreis in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis implementiert ist.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei der Messgerätschaltkreis in einem digitalen Signalprozessor implementiert ist.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 6, wobei der Messgerätschaltkreis des Weiteren eine Speichereinheit zum Speichern von Kalibrierungszuständen umfasst.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei das erste Summierungs- und Skalierungssystem (320) Folgendes umfasst: ein Signalaufbereitungsmodul (330); eine arithmetische Logikeinheit (332); einen optionalen Linearisierungsverstärker (334); und einen ersten und einen zweiten Summierungs- und Skalierungsverstärker (336, 338).
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei das zweite Summierungs- und Skalierungssystem (332) Folgendes umfasst: ein Signalaufbereitungsmodul (340); einen Skalierungs- und Leistungsverstärker (342); und einen Summierungs- und Skalierungsvervielfacher (344).
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 4, wobei das dritte Summierungs- und Skalierungssystem (324) Folgendes umfasst: einen Summierungs- und Skalierungsverstärker (350); und einen Pufferverstärker (352), der das Durchflussausgangssignal erzeugt.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 8, wobei der Messgerätschaltkreis des Weiteren einen Schalter (390, 392) zum Trennen entweder der arithmetischen Logikeinheit oder des Linearisierungsverstärkers von dem Schaltkreis umfasst.
Massendurchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei das System einen konstanten Volumenfluss durch den Durchflussbegrenzer hindurch aufrecht erhält; und wobei die Kalibrierungsdaten einen gespeicherten Kalibrierungsfaktor K, eine gespeicherte Gaskonstante R und einen Nullversatz enthalten; wobei der Messgerätschaltkreis ein Durchflussausgangssignal anhand des gespeicherten Kalibrierungsfaktors, der gespeicherten Gaskonstante, des Nullversatzes und der Eingangsdaten von dem Drucksensor und dem Temperatursensor gemäß der Gleichung: y = mx + berzeugt, wobei y der Massendurchfluss ist, x gleich P ist, m gleich KR/T ist und b der Nullversatz ist.
Massendurchflusssteuerungssystem (420), das Folgendes umfasst: eine Durchflusssteuerung (424, 524), die in der Lage ist, eine Durchflussrate durch das Massendurchflusssteuerungssystem hindurch zu steuern; dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuerung mit einem Massendurchflussmessgerät (20) in Reihe geschaltet ist, wobei das Durchflussmessgerät einen Einlass (50, 132) mit einem Durchmesser und einen Auslass (52, 134) mit einem Durchmesser und einen Durchflussbegrenzer (30) mit einer zylindrischen Begrenzungswand (180) mit einem Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des Einlasses und des Auslasses ist, umfasst, wobei der Durchflussbegrenzer ein Druckausgleichssystem (34) enthält, um einen konstanten Druckunterschied an der Begrenzungskammer (32) aufrecht zu erhalten, und wobei ein Drucksensor P (40) und ein Temperatursensor T (42) stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer angeordnet sind und Eingangsdaten in einen Messgerätschaltkreis (44) einspeisen, der Kalibrierungsdaten enthält; wobei der Messgerätschaltkreis anhand der Kalibrierungsdaten und der Eingangsdaten von dem Drucksensor und dem Temperatursensor ein Durchflussausgangssignal erzeugt; wobei das Massendurchflussmessgerät mit einem Ventilsteuerungsregelkreissystem (422) verbunden ist; wobei das Massendurchflussmessgerät das Durchflussausgangssignal an das Ventilsteuerungsregelkreissystem sendet und das Rückkopplungssystem das Durchflussausgangssignal mit einer zuvor festgelegten Durchflussrate vergleicht, um ein Durchflusssteuersignal zu erzeugen; wobei das Ventilsteuerungsregelkreissystem mit der Durchflusssteuerung verbunden ist; wobei das Rückkopplungssystem das Durchflusssteuersignal an die Durchflusssteuerung sendet, um die Durchflusssteuerung zu veranlassen, die Durchflussrate zu ändern.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei die Begrenzungswand (18) die Begrenzungskammer (32) definiert.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei die Begrenzungskammer des Weiteren Folgendes umfasst: eine konische Kompressionswand (242), die stromaufwärts von der Begrenzungswand angeordnet ist; eine Baugruppe (142) mit variabler Öffnung, wobei die Baugruppe mit variabler Öffnung Folgendes aufweist: ein verformbares Röhrenelement (220), das eine Innenfläche (222) aufweist, die eine effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer definiert, einen Kompressionskeil (224), eine Kompressionsscheibe (226), ein erstes und ein zweites Chevron-Element (228, 230) und eine Kompressionsmutter (232); wobei eine axiale Drehung der Kompressionsmutter die Mutter in Richtung der Begrenzungswand verschiebt und wobei die Mutter, während sie sich in Richtung der Begrenzungswand bewegt, über das erste und das zweite Chevron-Element und die Kompressionsscheibe eine Kraft auf den Kompressionskeil ausübt und den Kompressionskeil radial nach innen drängt, wodurch das verformbare Röhrenelement verformt wird und die effektive Querschnittsfläche der Begrenzungskammer verkleinert wird.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei der Messgerätschaltkreis (44) des Weiteren Folgendes umfasst: ein erstes Summierungs- und Skalierungssystem (320), das die Kalibrierungsdaten und das Drucksignal zu einem kalibrierten Drucksignal kombiniert; ein zweites Summierungs- und Skalierungssystem (322), welches das Temperatursignal und eine Gaskonstante zu einem kompensierten Temperatursignal kombiniert; und ein drittes Summierungs- und Skalierungssystem (324) welches das kalibrierte Drucksignal und das kompensierte Temperatursignal zu einem Durchflussausgangssignal kombiniert.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei der Messgerätschaltkreis in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis implementiert ist.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 16, wobei der Messgerätschaltkreis in einem digitalen Signalprozessor implementiert ist.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 16, wobei das erste Summierungs- und Skalierungssystem (320) Folgendes umfasst: ein Signalaufbereitungsmodul; eine arithmetische Logikeinheit; einen optionalen Linearisierungsverstärker; und einen ersten und einen zweiten Summierungs- und Skalierungsverstärker.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 16, wobei das zweite Summierungs- und Skalierungssystem Folgendes umfasst: ein Signalaufbereitungsmodul (340); einen Skalierungs- und Leistungsverstärker (342); und einen Summierungs- und Skalierungsvervielfacher (344).
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 16, wobei das dritte Summierungs- und Skalierungssystem (324) Folgendes umfasst: einen Summierungs- und Skalierungsverstärker (350); und einen Pufferverstärker (352), der das Durchflussausgangssignal erzeugt.
Massendurchflusssteuerungssystem nach Anspruch 13, wobei die Durchflusssteuerung (524) in der Lage ist, ein Spannungssignal für den Messgerätschaltkreis zu erzeugen; und das von dem Messgerätschaltkreis erzeugte Durchflussausgangssignal ebenfalls auf dem Spannungssignal basiert.
Massensteuerungssystem nach Anspruch 22, wobei die Durchflusssteuerung eine piezoelektrische Stellgliedsteuerung (526) und ein Ventil (528) umfasst.
Massensteuerungssystem nach Anspruch 22, wobei die Durchflusssteuerung eine Magnetventil-Stellgliedsteuerung (526) und ein Ventil (528) umfasst.
Massensteuerungssystem nach Anspruch 22, wobei die Durchflusssteuerung ein Stromsignal erzeugt, das in das Spannungssignal umgewandelt wird.
Verfahren (360) zum Kalibrieren eines Durchflussmessgerätes (20), wobei das Durchflussmessgerät einen Einlass (50, 132) mit einem Durchmesser und einen Auslass (52, 134) mit einem Durchmesser und einen Durchflussbegrenzer (30) mit einer zylindrischen Begrenzungswand (180) mit einem Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des Einlasses und des Auslasses ist, umfasst, wobei der Durchflussbegrenzer ein Druckausgleichssystem (34) enthält, um einen konstanten Druckunterschied an der Begrenzungskammer (32) aufrecht zu erhalten, und wobei ein Drucksensor P (40) und ein Temperatursensor T (42) stromaufwärts von dem Durchflussbegrenzer angeordnet sind und Eingangsdaten in einen Messgerätschaltkreis (44) einspeisen, der Kalibrierungsdaten enthält; wobei der Messgerätschaltkreis anhand der Kalibrierungsdaten und der Eingangsdaten von dem Drucksensor und dem Temperatursensor ein Durchflussausgangssignal erzeugt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Durchflussmessgerätes; Verbinden (362) des Durchflussmessgerätes mit einem verwiesenen Durchflussstandard; Anlegen eines negativen Manometerdrucks an den Auslass; Einstellen eines Nullpunktes in dem Messgerätschaltkreis; Anlegen (366) eines Drucks stromaufwärts von dem Messgerät; Messen eines Durchflusses; Eingeben einer gasspezifischen Konstante in die Kalibrierungsdaten des Messgerätschaltkreises; Erhalten (370) eines maximalen Durchflussbereichs durch Justieren der Baugruppe mit variabler Öffnung für einen gegebenen Einlassdruck; Senken (372) des Durchflusses auf zehn Prozent des maximalen Durchflusses; Messen des Drucks und der Temperatur und Speichern der Ergebnisse in dem Messgerätschaltkreis; Erhöhen des Durchflusses in Zehn-Prozent-Inkrementen bis zum maximalen Durchfluss; Messen des Drucks und der Temperatur an jedem Zehn-Prozent-Inkrement und Speichern der Ergebnisse in dem Messgerätschaltkreis; Berechnen einer Flankensteilheit eines Kurvenverlaufs des Drucks im Verhältnis zur Massendurchflussrate anhand der in dem Messgerätschaltkreis gespeicherten Ergebnisse; Einstellen des Messgerätschaltkreises unter Verwendung der Flankensteilheit.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Messgerätschaltkreis des Weiteren eine arithmetische Logikeinheit (332) und einen Linearisierungsverstärker (334) umfasst und wobei der Kurvenverlauf nicht-linear ist und die Schritte des Verfahrens des Weiteren umfassen: Ausführen einer stückweisen Linearisierungsfunktion an einem gefilterten Drucksignal, um ein kompensiertes Drucksignal zur Verwendung beim Einstellen des Messgerätschaltkreises zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Verfahren des Weiteren folgenden Schritt umfasst: Messen eines Stroms und Speichern der Ergebnisse in dem Messgerätschaltkreis als ein Druck.