DE69523649T2

DE69523649T2 - Austauschbarer auf mehrere Messgrössen empfindlicher Wirbelsensor

Info

Publication number: DE69523649T2
Application number: DE69523649T
Authority: DE
Inventors: Richard W. Kalinoski
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: US5447073A; EP0666468B1; JPH07270203A; EP0666468A2; EP0666468A3; DE69523649D1; JP3640426B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflußmeßvorrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf Sensoren für Wirbelströmungsmeßgeräte und auf Drucksensoren.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß sich in einem Fluid Wirbel bilden, das an einer nicht-stromlinienförmigen Behinderung vorbeifließt. Es ist ebenfalls bekannt, daß mit bestimmten Anordnungen die Wirbel durch alternative Ablösung bei regelmäßigen Intervallen von gegenüberliegenden Rändern des Hindernis entwickelt werden, um entsprechende Wirbelreihen zu bilden. Derartige Wirbel legen eine sogenannte von Karmansche "Wirbelstraße" fest, die eine stabile Wirbelbildung ist, die aus zwei nahezu parallelen Reihen abstandsgleicher Wirbeln besteht, die sich mit dem Strömungsfluß fortbewegen.
Bei einer von Karmanschen Wirbelstraße sind die Wirbel einer Reihe bezüglich derjenigen der anderen Reihe um etwa die Hälfte des Abstands zwischen aufeinander folgenden Wirbeln in der gleichen Reihe gegeneinander versetzt. Der Abstand zwischen aufeinander folgenden Wirbeln in jeder Reihe ist über einen Bereich von Durchflußraten fast nahezu konstant, so daß die Frequenz der Wirbelbildung der Geschwindigkeit des Fluids entsprechend proportional ist. Somit ist es durch Abtasten der Frequenz der Wirbelbildung möglich, die Fluiddurchflußrate zu messen. Einrichtungen für diesen Zweck werden oft als Wirbelmeßgeräte bezeichnet.
Verschiedene Arten von Wirbelmeßgeräten sind seit einer Anzahl von Jahren handelsüblich verfügbar. Typischerweise umfassen diese Wirbelmeßgeräte einen Wirbelablösungs- Körper, der in einem Strömungsrohr zusammen mit einem Sensor zum Erfassen der Frequenz der Wirbelbildung angebracht ist. Sensoren, die verwendet werden, um die Wirbel zu erfassen, weisen häufig Membranen auf, die als Antwort auf von den Wirbeln erzeugten alternierenden Differenzdruckveränderungen schwanken. Beispielsweise wird in dem an Curran u. a. erteilten U.S.-Patent Nr. 4 085 614 und in dem an Koziol u. a. erteilten U.S.-Patent Nr. 4 520 678 an die Membranen angelegter Druck an einen piezoelektrischen Sensor übertragen, der dann elektrische Signale erzeugt, die auf den an die Membranen angelegten Differenzdruck reagieren. Diese Differenzdruckmessung wird ihrerseits verwendet, um die Frequenz der Wirbelbildung und schließlich die Fluiddurchflußrate oder -geschwindigkeit zu messen.
Eine Einschränkung dieser Art von Sensor besteht darin, daß er im Stande ist, nur eine Messung bei einer einzigen Prozeßpenetration durchzuführen, wobei insbesondere die Frequenz der Differenzdruckschwankungen gemessen werden, die verwendet wird, um die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen. Zusätzliche Geräte und Prozeßpenetrationen würden erforderlich sein, um zusätzliche Meßgrößen, wie beispielsweise Druck oder Temperatur, zu erhalten. Dies erhöht das Risiko von Freisetzungen flüchtiger Emissionen und von Fluidverlust und führt zu erhöhten Kosten für den Erwerb und die Installierung der zusätzlichen Geräte. Ein weiterer Nachteil zusätzlicher Prozeßpenetrationen besteht in dem Genauigkeitsverlust bei den Messungen in Folge wechselnder Abtastpunkte. Da sich die physischen Eigenschaften des Fluids in der Strömung ändern, würden genaue Messungen einen gemeinsamen Ursprungspunkt erfordern, von dem in einer einzigen Penetration abzutasten ist.
Die Erfindung beabsichtigt, einen Sensor bereitzustellen, der Vielfachmeßfähigkeiten an einem gemeinsamen Ursprungspunkt bei einer einzigen Prozeßpenetration zur Verwendung insbesondere bei einem Wirbelströmungsmeßgerät bereitstellt.
Die Erfindung beabsichtigt ferner, eine genauere Berechnung der Fluiddichte durch Bereitstellen eines Mittels für Vielfachmeßfähigkeiten bereitzustellen. Die Frequenz und die Amplitude der durch die sich ablösenden Wirbel erzeugten Differenzdrucksignale, der Prozeßfluiddruck und die Temperatur können alle an einem gemeinsamen Ursprungspunkt mit einem einzigen Sensor und bei einer einziger Prozeßpenetration gemessen werden.
Die Erfindung beabsichtigt ferner die Vielfachmessungen zu verwenden, um weitere Berechnungen, wie beispielsweise der Dichte, der absoluten und kinematischen Viskosität, der Reynoldschen Zahl und des Massendurchsatzes sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen herzuleiten.
Allgemeine und spezifische Aufgaben dieser Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung offensichtlich und ersichtlich.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 666 467 (die Vorrang von der U.S.- Seriennummer 08/192 235 beansprucht und am 4. Februar 1994 im Namen von R. W. Kalinoski eingereicht wurde), die an dem gleichen Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde, enthält weitere Einzelheiten der Sensor- und Gehäuseanordnungen.
Die WO 85/01344 offenbart eine Durchflußmeßvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer Prozeßströmung gemäß dem Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw. 7. Die Erfindung ist durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile von Ansprüchen 1 und 7 gekennzeichnet.
Diese Erfindung resultiert aus der Realisierung, daß genaue Vielfachmessungen der physischen Eigenschaften der Strömung eines Fluids in einem Wirbelströmungsmeßgerät bei einer einzigen Prozeßpenetration von einem gemeinsamen Ursprungspunkt durchgeführt werden können. Die Erfindung beabsichtigt, einen Sensor mit dieser Realisierung zu erzeugen.
Es sei bemerkt, daß in dieser Anmeldung Prozeßfluiddruck als Druck, Prozeßfluidtemperatur als Temperatur, der alternierende Differenzdruck, der durch die von dem Ablösestab abgelösten Wirbel erzeugt wird, als Differenzdruck und polykristallines Silizium als Polysilizium bezeichnet wird.
Diese Erfindung zeichnet sich durch einen Sensor zur Verwendung in einem Strömungsrohr aus, das einen Fluiddurchsatz und eine Ablösestange zum Erzeugen von Wirbeln aufweist. Der Sensor ist physisch außerhalb des Strömumgsrohres jedoch fluidmäßig verbunden angeordnet. Die Meßmembranen mit Piezowiderständen sind hermetisch in einem Gehäuse abgedichtet, das zwei hochkorrosionsbeständige Prozeßisolationsmembranen aufweist. Hohlräume auf beiden Seiten der Meßmembranen sind mit einem inerten Fluid gefüllt, das ebenfalls ein elektrischer Isolator ist. Dieses Fluid überträgt den alternierenden Differenzdruck, den Prozeßfluiddruck und die Temperatur von den Prozeßmembranen an die Meßmembranen.
Bei einer ersten Ausführungsform enthält der Sensor zwei Meßmembranen jeweils mit Piezowiderständen, die in einer Wheatstoneschen Brückenkonfiguration angeordnet sind. Eine Meßmembrane ist mit einer Prozeßisolationsmembrane durch einen internen fluidgefüllten Hohlraum gekoppelt. Die andere Seite dieser Meßmembrane ist über einem Hohlraum positioniert, der entweder evakuiert oder abgedichtet ist, oder bei der zweiten Ausführung zur Atmosphäre entlüftet wird. Diese Meßmembrane wird verwendet, um entweder den absoluten Druck oder Manometerdruck des Prozeßfluids zu messen. Die zweite Meßmembrane ist an der einen Seite durch einen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum mit einer Prozeßmembrane und auf der anderen Seite durch einen zweiten flüssigkeitsgefüllten Hohlraum mit der anderen Prozeßmembrane verbunden. Die beiden fluidgefüllten Hohlräume sind im wesentlichen voneinander isoliert. Diese Meßmembrane wird verwendet, um die Amplitude und die Frequenz der Differenzdruckschwankungen zu messen, die von den sich ablösenden Wirbeln verursacht werden. Jede der Meßmembranen kann ebenfalls die Prozeßfluidtemperatur messen.
Bei einem ersten Beispiel eines nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensors enthält das Sensorelement eine einzige Meßmembrane, die in einer Wheatstoneschen Brückenkonfiguration angeordnete Piezowiderstände enthält. Diese Meßmembrane ist mit beiden Prozeßmembranen auf die gleiche Art und Weise verbunden, wie es oben beschrieben ist, und wird verwendet, um die Amplitude und die Frequenz der Differenzdruckschwankungen zu messen, die von den Wirbeln verursacht werden, und wird ebenfalls verwendet, um die Temperatur zu messen.
Bei dritten und vierten Ausführungsformen enthält der Sensor zwei Meßmembranen, die verwendet werden, um den Prozeßfluiddruck und Differenzdruckschwankungen zu messen, die auf die gleiche Art und Weise wie bei den oben erwähnten ersten und zweiten Ausführungsformen aufgebaut sind, und enthalten ein zusätzliches Meßelement enthalten, das nicht auf einer Membrane angebracht ist. Das zusätzliche Meßelement ist das einzige Mittel zum Messen der Prozeßfluidtemperatur, wobei diese Messung von den beiden Meßmembranen eliminiert wird. Das Temperaturmeßelement enthält zwei in einer Reihenkonfiguration angeordnete Piezowiderstände, die an der Vorderseite des Halbleiterchips, der mit einer Prozeßmembrane durch einen flüssigkeitsgefüllten Hohlraum verbunden ist, positioniert sind.
Bei einem weiteren Beispiel eines nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensors enthält der Sensor eine Meßmembrane, die verwendet wird, um die Differenzdruckschwankungen zu messen, der auf die gleiche Art und Weise wie bei dem oben erwähnten Wirbelsensor aufgebaut ist und ein zusätzliches Meßelement enthält, das nicht auf einer Membrane angebracht ist. Dieses zusätzliche Meßelement ist das einzige Mittel zum Messen der Prozeßfluidtemperatur, wobei diese Messung von der Meßmembrane eliminiert wird. Das Temperaturmeßelement ist auf die gleiche Art und Weise wie bei dem oben erwähnten ersten Beispiel aufgebaut.
Bei allen Ausführungsformen und Beispielen ist der Sensor aus einem Polysilizium- oder einem Silizium-Halbleiterchip hergestellt. Der Chip ist an einem laminierten Substrat mit Leiterbahnen gebondet. Feine Drähte sind zwischen den Piezowiderständen und den Leiterbahnen verbunden. Andererseits wird die Verbindung von den Bahnen zu einer mehrpoligen hermetisch abgedichteten elektrischen Durchführung hergestellt, die entweder aus einem Glas-zu-Metall- oder Keramik-zu-Metall-Aufbau sein kann. Eine Kabelanordnung führt das elektrische Signal von der Durchführung zu dem Signalprozessor.
Die Funktionalität des Sensors hat sich dadurch gegenüber dem Stand der Technik verbessert, daß er im Stande ist, eine Druckmessung, eine Differenzdruckamplituden- und -frequenzmessung sowie eine Temperaturmessung an einem gemeinsamen Ursprungspunkt in der gleichen Prozeßströmung durchzuführen. Zusätzlich zu diesen Messungen leitet das Berechnungselement weitere Meßgrößen ab, die das Fluid kennzeichnen, wie beispielsweise Dichte, Massendurchsatz, absolute und kinematische Viskosität und Reynoldsche Zahl. Die Fähigkeit, die Reynoldsche Zahl zu berechnen, wird verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeits-Meßgenauigkeit zu verbessern.
Das Vorstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden spezielleren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen gleiche Bezugsziffern auf die gleichen Teile überall in den unterschiedlichen Ansichten Bezug nehmen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei anstatt die Betonung auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt wird.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise in Phantomlinien ist, eines Wirbelströmungsmeßgeräts, das einen in einem Strömungsrohr angebrachten erfindungsgemäßen Strömungssensor aufweist.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Wirbelströmungsmeßgeräts, das eine in einem Fluidströmungsdurchgang angeordnete Wirbelablöseeinrichtung zum Erzeugen alternierender Wirbel und einen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung aufgebauten austauschbaren Wirbelsensor aufweist.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2 gezeigten austauschbaren Wirbelsensors.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Wirbelsensors, die entlang einem Schnitt 4-4 in Fig. 3 genommen ist.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Wirbelsensors, die entlang einem Schnitt 5-5 in Fig. 3 genommen ist.
Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Wirbelsensors, die entlang dem Schnitt 4-4 in Fig. 3 genommen ist.
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm der Kopplung der Meßsensoren in einer Wheatstoneschen Brückenkonfiguration.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das das Verarbeitungselement und seine Eingänge und Ausgänge zeigt, wie sie in dieser Erfindung verwendet werden können.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensors, die entlang dem Schnitt 4-4 in Fig. 3 genommen ist;
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelsensors, die entlang dem Schnitt 5-5 in Fig. 3 genommen ist;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelsensors, die entlang dem Schnitt 5-5 in Fig. 3 genommen ist;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht eines nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensors, die entlang dem Schnitt 5-5 in Fig. 3 genommen ist; und
Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm der Kopplung von Meßwiderständen in einer Reihenkonfiguration, die mit der vierten Ausführungsform der Erfindung nützlich ist.
Ein piezoresistiver Sensor zur Verwendung in einem Wirbelströmungsmeßgerät mit Vielfachmeßfähigkeiten an einem gemeinsamen Ursprungspunkt bei einer einzigen Prozeßpenetration wird nachstehend beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Strömungsmeßgerät ist perspektivisch in Fig. 1 gezeigt.
Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 umfaßt die Erfindung ein Wirbelablösemeßgerät 10, welches primär aus einem Meßgerätekörper 12, einem Sensor 14, einem Ablöseeinrichtungskörper 16 und einer in einem Gehäuse 76 enthaltener Verarbeitungselektronik besteht. Der Wirbelsensor 14 erstreckt sich durch eine zylindrische Öffnung 18 des Meßgerätekörpers 12 und gegen die Wirbelablöseeinrichtung 16. Der Sensor 14 wird an Ort und Stelle durch eine Kappe 21 befestigt, die durch Bolzen 23,25 am Meßgerätekörper 12 angeschraubt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, daß der Sensor ohne weiteres ausgetauscht werden kann, falls er beschädigt wird. Der Sensor 14 teilt zusammen mit einer Dichtung 22 einen Fluidhohlraum 20, der durch eine Öffnung 18 definiert ist, in zwei Hälften, d. h. in die Druckkammern 32 und 34. Die Dichtung 22, die vorzugsweise aus einem geeigneten wärmefesten Material hergestellt ist, erzeugt eine Druckabdichtung zwischen den Wänden des Fluidhohlraums 20 und der Ablöseeinrichtung 16.
Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 ist der Sensor 14 zwischen den Druckkammern 32 und 34 angebracht. Der Sensor ist derart ausgerichtet, daß seine Abtastrichtung senkrecht zu der Ablöseeinrichtung 16 (wie es durch ein doppelköpfigen Pfeil 24 angeben ist) und entlang der Richtung des durch den Meßgerätekörper 12 fließenden Fluids ist (beispielsweise in das Rohr, wie es in Fig. 1 gezeigt ist). Diese Orientierung ermöglicht es dem Sensor 14, die durch Wirbel 26a und 28a verursachten alternierenden Drucksignale 26b und 28b zu erfassen. Wie es durch die durchgezogenen Pfeile 26a und 26b und die gestrichelten Pfeile 28a und 28b vorgeschlagen wird, werden die Differenzdrucksignale alternierend an ihre jeweiligen Druckkammern 32 und 34 übertragen und sind um 180 Grad miteinander phasenverschoben. Außerdem werden der Druck und die Temperatur des Prozeßfluids ebenfalls durch das Fluid an die Kammern 32 und 34 übertragen. Eine zweite Dichtung 30, die vorzugsweise aus wärmefestem Material hergestellt ist, ist zwischen dem Sensor 14 und dem Meßgerätekörper 12 befestigt, um externe Leckage des Fluids zu verhindern.
Mit Bezug auf Fig. 3 und 4 ist der Sensor 14 allgemein von rechtwinkeliger Gestalt und ist mit biegsamen Metallprozeßmembranen 38, 40 ausgestattet, die jeweils den Druckkammern 32, 34 gegenüberliegen (siehe Fig. 2), die verwendet werden, um einen Wandler 50a von direktem Kontakt mit dem Prozeßfluid zu isolieren und Differenzdruckschwankungen, Druck und Temperatur an den Wandler 50a zu übertragen.
Mit Bezug auf Fig. 2 und 3 ist an dem oberen Teil des Sensors 14 ein rundes abdichtendes Flansch 44 befestigt, das eine elektrische Zuführung durch ein Anschlußstück 42 führt. Ein starres Rohr 46 ist an diesem Anschlußstück angeschweißt, um einen Schutz für die Verbindungselemente (not gezeigt) bereitzustellen, die verwendet werden, um die elektrischen Signale von dem Sensor an eine Kabelanordnung 48 herauszubringen. Dieses Kabel führt zu einem Verarbeitungselement 82 (siehe Fig. 8), das in einem Gerätegehäuse 76 angefunden wird (siehe Fig. 1), das auf eine bekannte Art und Weise arbeitet, um herkömmliche Meßsignale 84 zu erzeugen, die zur Verwendung bei einer industriellen Prozeßsteuerung angepaßt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Anschlußstück 42 ein hermetischer mehrpoliger Durchführungsstecker, der den Sensor 14 zu einer in sich abgeschlossenen Einheit macht, die ohne weiteres zur Kalibrierung, zur Reinigung, zum Austauschen oder dergleichen entfernbar ist.
Fig. 4 und 5 liefern ausführlichere Ansichten des Sensors 14. Zwischen den Prozeßmembranen 38 und 40 ist ein Hohlraum 64, in dem der Meßwandler 50a positioniert ist, der verwendet wird, um die Druckschwankungen der Wirbel sowie auch den Druck und die Temperatur des Fluids zu erfassen. Der Meßwandler ist ein rechtwinkliger Halbleiterchip, der aus einem Polysilizium- oder Siliziummaterial hergestellt ist. Es können jedoch andere geometrische Formen in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, daß mindestens eine Seite des Chips im wesentlichen eben ist. Der Meßwandler 50a enthält zwei Meßmembranen 52 und 54, die verwendet werden, um elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die auf Differenzdruckschwankungen, Druck und Temperatur ansprechen. Die Meßmembranen 52, 54 sind auf einem laminierten Substrat 56 angebracht. Das laminierte Substrat 56 trägt eine Schicht leitender Bahnen 58 zum Übertragen der Ausgangssignale von den Meßmembranen. Der Meßwandler 50a ist durch mehrere elektrische Drähte 60 verbunden, die von den äußeren Rändern des Meßwandlers zu der Schicht der leitenden Bahnen 58 angebracht sind. Einzelheiten hinsichtlich des weiteren Aufbaus des laminierten Substrats und der elektrischen Verbindungen von dem Meßwandler zu dem laminierten Substrat werden in der EP-A-0 553 725 gefunden.
Mit Bezug auf Fig. 4 und 5 enthält der Sensor 14 eine Füllöffnung 74 zum Einführen eines nicht-korrodierenden inerten Füllfluids. Das Füllfluid tritt durch die Füllöffnung 74 ein, füllt einen Hohlraum 64, läuft durch einen engen Schlitz 68 und füllt einen Hohlraum 35. Es füllt dann ein Bohrloch 67 und einen Hohlraum 70. Der Schlitz 68 baut eine hohe mechanische oder hydraulische Impedanz zwischen dem Hohlraum 64 und dem Hohlraum 70 auf. Demgemäß verringert der Füllpfad nicht die von der Meßmembrane 52 erfahrenen Differenzdruckschwankungen bezüglich des Differenzdrucks an den Prozeßmembranen 38, 40, ausgenommen bei Frequenzen, die niedriger als diejenigen sind, die während eines normalen Wirbelmeßvorgangs angetroffen werden. Das Füllfluid an beiden Seiten des Meßwandlers 50a dient dazu, an die Meßmembranen 52, 54 die Druckschwankungen, den Prozeßfluiddruck und die Temperatur, die an die äußeren Oberflächen der Prozeßmembranen 38, 40 durch das Durchlaufen des Prozeßfluids und den von dem Ablösekörper 16 abgelösten Wirbeln angelegt werden, zu übertragen. Das Füllfluid liefert eine wünschenswert milde Umgebung für den Meßwandler, indem er von feindlichen Fluids geschützt wird.
Der Schlitz 68 ist groß genug, damit es für das Füllfluid möglich ist, dadurch zu sickern, jedoch klein genug, um eine offensichtliche Druckbarriere zwischen dem Hohlraum 64 und dem Hohlraum 70 zu bilden. Der Schlitz ist so dimensioniert, um eine relativ hohe hydraulische Impedanz bei den Wirbelfrequenzen darzustellen, die gemessen werden. Ferner wird ein ungleicher Druckaufbau in dem hydraulischen Fluid an jeder Seite des Meßwandlers als ein Ergebnis von Temperaturveränderungen durch das Durchlaufen von Fluid von einer Kammer zu einer anderen durch den Schlitz 68 ausgeglichen.
Mit Bezug auf Fig. 4 fühlt die Meßmembrane 52 den alternierenden Differenzdruck der Fluidströmung ab und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal. Die Meßmembrane 54 fühlt den Prozeßfluiddruck ab und erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal. Jede der Membranen 52 oder 54 kann verwendet werden, um die Prozeßfluidtemperatur abzufühlen. Die Meßmembranen 52, 54 sind aus der gleichen, im wesentlichen ebenen Fläche eines Membranen-Chips gebildet, der vorzugsweise aus einem Polysilizium- oder Siliziummaterial hergestellt ist. Piezoresistive Dehnungsmesser sind an jeder Meßmembrane in einer Wheatstoneschen Brückenkonfiguration angeordnet (siehe Fig. 7). Außerdem kann eine dielektrische Schicht zwischen der Silizium- oder Polysiliziummembrane und den Piezowiderständen angeordnet sein. Diese isoliert die Widerstände elektrisch, wobei sowohl unerwünschte Leckströme als auch eine Widerstandsverschlechterung bei einer hohen Prozeßfluidtemperatur minimiert werden.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist die aus vier Piezowiderstandselementen bestehende Wheatstonesche Brücke an der Vorderfläche der Meßmembranen 52, 54 angeordnet. Die vier Piezowiderstände 90, 92, 94, 96 sind derart an jeder Meßmembrane angeordnet, daß, wenn sie einer Bewegung der Meßmembranen infolge von Druck unterworfen werden, die Piezowiderstände 90 und 96 beide entweder einen Druck- oder einen Zugstress erfahren, während die Piezowiderstände 92 und 94 gleichzeitig den entgegengesetzten Stress erfahren. Wenn sich somit der Widerstand der Piezowiderstände 92 und 94 erhöht, dann verringert sich der Widerstand der Piezowiderstände 90 und 96. Dies erzeugt andererseits einen Nichtabgleich an der Brücke, so dass, wenn ein Strom 102 durch die Brücke von dem Anschluß 98a zu 98b läuft, eine Spannung V2 an den Anschlüssen 100a, 100b auftritt, die sich auf die Bewegung der Membrane bezüglich des abgefühlten Drucks bezieht, wie es nachstehend erläutert ist.
Die Temperaturmessung wird ebenfalls von den Piezowiderstandselementen durchgeführt. Der Wert des Widerstands der Piezowiderstände 90, 92, 94, 96 ist eine Funktion der Temperatur. Wenn ein konstanter Treiberstrom 102 an die Wheatstonesche Brückenschaltung geliefert wird, steht die Spannung an den Treiberanschlüssen 98a, 98b mit dem äquivalenten Widerstand der Seriell-Parallel-Kombination der vier Widerstände zwischen den Treiberanschlüssen in einer Beziehung, wie es nachstehend beschrieben ist. Der äquivalente Widerstand ist primär eine Funktion der Temperatur und wird folglich verwendet, um die Temperatur zu berechnen.
Mit erneutem Bezug auf Fig. 4 und 5 weist die Meßmembrane 52 eine Rückseite mit dem Hohlraum 35 auf, der fluidgefüllt ist. Das Füllfluid dient dazu, die Druckschwankungen an die Meßmembrane zu übertragen, die an die Prozeßmembranen durch das Laufen der durch den Ablösestab 16 abgelösten Wirbel angelegt werden. Die Meßmembrane 52 wird infolge der durch das Füllfluid von den Prozeßmembranen 38, 40 übertragenen Differenzdruck abgelenkt, der von den alternierenden Wirbeln erzeugt wird. Eine derartige Ablenkung verursacht eine Widerstandsänderung, die von der internen Wheatstoneschen Brückenschaltung erfasst wird, die ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal wird an ein Verarbeitungselement 82 übertragen (siehe Fig. 8), das die Amplitude und Frequenz des Signals bestimmt, was verwendet wird, um die Geschwindigkeit und die Dichte des Fluids zu berechnen.
Die Meßmembrane 54 wird verwendet, um den absoluten Druck oder den Überdruck des Prozeßfluids zu messen. Die Meßmembrane 54 weist eine Rückseite mit einem abgedichteten Hohlraum 36 auf, der vakuumgefüllt ist, wenn er verwendet wird, um absoluten Druck zu messen. Bei der zweiten Ausführungsform des Sensors wird der Hohlraum 36 für eine Überdruckmessung an die Atmosphäre durch eine Atmosphärenentlüftungsöffnung 66 entlüftet (siehe Fig. 6). In der Meßmembrane 54 erzeugt die Ablenkung der Membrane infolge von Druck eine Widerstandsänderung, die von der internen Wheatstoneschen Brückenschaltung erfasst wird, die ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Die Meßmembrane 54 wird ferner infolge der von den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen abgelenkt, die die Prozeßmembrane 40 beeinflussen. Diese Ablenkung erzeugt ebenfalls eine Widerstandsänderung, die von der internen Wheatstoneschen Brückenschaltung erfasst wird. Die resultierende Spannungsausgabe der Brücke ist daher eine Zusammensetzung des Fluiddrucks mit einer kleineren, darauf überlagerten Wechselstromkomponente. Der Fluiddruck kann irgendwo zwischen etwa 1,379 · 10&sup5; Pa bis 1,379 · 10&sup7; Pa (20 psi bis 2000 psi) liegen, während der von den Wirbeln erzeugte alternierende Differenzdruck zwischen etwa 68,95 Pa bis 1,034 ' 10&sup5; Pa (0,01 psi bis 15 psi) variieren kann. Das Prozessorelement berechnet den durchschnittlichen Fluiddruck aus diesem zusammengesetzten Signal.
Außerdem kann jede der Meßmembranen 52 oder 54 verwendet werden, um die Temperatur des Fluids zu messen. Die Temperatur des Fluids wird von dem Piezowiderstandselement in den Meßmembranen 52, 54 abgefühlt, das ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Die Temperaturmessung wird ebenfalls verwendet, um im Verarbeitungselement 82 wiederholbare Fehler bei der Messung des Drucks und des Differenzdrucks, der durch stark schwankende Temperaturen erzeugt wird, zu kompensieren.
Fig. 9 stellt einen nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensor dar. Bei dem Wirbelsensor besteht ein Meßwandler 50c aus einer Meßmembrane 52, die verwendet wird, um elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die auf Differenzdruckschwankungen und Temperatur ansprechen. Die in dem Meßwandler 50c verwendete Meßmembrane 52 ist bei dieser Ausführungsform in allen weiteren strukturellen und betriebsmäßigen Einzelheiten der ersten Ausführungsform des Sensors ähnlich.
Fig. 10 stellt eine dritte Ausführung der Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform besteht der Meßwandler 50d aus zwei Meßmembranen 52 und 54 und einem Meßelement 106. Die Meßmembrane 52 wird verwendet, um den Differenzdruck der Fluidströmung zu messen, und die Meßmembrane 54 mißt den absoluten Druck des Prozeßfluids, wie es vorstehend bei der ersten Ausführungsform ausführlich beschrieben ist und ist der Fig. 4 ähnlich. Das Meßelement 106 wird ausschließlich verwendet, um die Temperatur des Prozeßfluids zu messen. Weder die Meßmembrane 52 noch die Meßmembrane 54 wird verwendet, um die Prozeßfluidtemperatur zu messen. Die vierte Ausführungsform, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, ähnelt der dritten Ausführungsform des Sensors, mit der Ausnahme, daß die Meßmembrane 54 an die Atmosphäre entlüftet wird, wobei der Überdruck auf eine ähnliche Art und Weise wie bei der zweiten Ausführungsform und in Fig. 6 gezeigt ist, gemessen wird.
Die dritten und vierten Ausführungsformen sind insbesondere für Polysiliziumsensoren geeignet, wobei sie jedoch ebenfalls mit Siliziumsensoren verwendet werden können. Mit Fremdatomen dotierte Polysiliziumwiderstände weisen verglichen mit Silizium einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten auf. Um eine genaue Temperaturmessung zu erreichen, ist es daher sehr wünschenswert, den Temperatursensor von dem von den Druckmeßmembranen erfahrenen mechanischen Stress zu isolieren. Mit Bezug auf Fig. 3 besteht das Meßelement 106 aus zwei Piezowiderstandselementen 108 und 110, die in einer Reihenkonfiguration angeordnet sind und als ein Spannungsteiler verwendet werden. Die Piezowiderstandselemente 108, 110 sind derart dotiert, daß sie unterschiedliche Temperaturkoeffizienten, vorzugsweise das eine mit einem negativen und das andere mit einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten, aufweisen. Das Verhältnis der Spannungen V1/V2 ist eine Funktion der Temperatur.
Fig. 12 stellt einen nicht erfindungsgemäßen Wirbelsensor dar, wobei ein Meßwandler 50f die Meßmembrane 52 umfasst, die verwendet wird, um ausschließlich die Differenzdruckschwankungen zu messen, sowie ein Meßelement 106, das verwendet wird, um die Temperatur zu messen. Diese Ausführungsform ist ebenfalls aus den oben erwähnten Gründen besonders für Polysiliziumsensoren geeignet und könnte ebenfalls mit Silizium verwendet werden.
Ein auf diese Art und Weise ausgestalteter Sensor weist den Vorteil auf, eine genauere Temperaturmessung zu liefern, da das Meßelement 106 gegen mechanische Stresse vollständig unempfindlich ist, wodurch es durch die Differenzdruckschwankungen oder den Prozeßfluiddruck nicht beeinflußt wird. In dem Fall, bei dem der Meßwandler aus einem Polysiliziumhalbleiterchip hergestellt ist, ist es unbedingt erforderlich, daß die Temperaturmessung auf diese Art und Weise durchgeführt wird, um eine genaue Messung zu erhalten. Polysiliziumwiderstände weisen einen niedrigen Widerstands- Temperaturkoeffizienten auf, was es schwierig macht, die Temperaturwirkung zu isolieren, wenn sie in einer Kombination mit der Wirkung des Differenz- oder Prozeßfluiddrucks vorhanden ist.
Die aktiven oder sich bewegenden Teile des Sensors 14, d. h. die Meßmembranen 52, 54, die Prozeßmembranen 38, 40 und das Füllfluid weisen eine sehr niedrige Masse auf. Ferner sind die Meßmembranen 52, 54 extrem steif. Ein auf diese Art und Weise aufgebauter Sensor weist zwei Vorteile auf. Er ist auf mechanische Schwingung, wie beispielsweise seitliche Rohrschwingungen, inhärent unempfindlich. Zweitens weist er eine Resonanzfrequenz auf, die wesentlich höher als Schwingungsfrequenzen sind, die typischerweise bei Rohrleitungen auftreten, und die ebenfalls wesentlich höher ist, als die maximale Ablösefrequenz. Daher treten weder Meßfehler, die durch Anregen des Sensors bei Resonanz verursacht werden, noch eine Ermüdung des Sensors infolge von übermäßiger Bewegung bei Resonanz auf.
Mit Bezug auf Fig. 1 und 8 enthält das Gerätegehäuse 76, das durch ein Trageelement 78 mit dem Meßgerätekörper 12 gekoppelt ist, das Verarbeitungselement 82, das verwendet wird, um Meßsignale 84 zu erzeugen, die aus von dem Sensor 14 durch das Kabel 48 übertragenen Signalen hergeleitet werden. Vorzugsweise ist das Verarbeitungselement ein Mikroprozessor, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diesen Gebrauch begrenzt ist; es können weitere Arten von Verarbeitungselementen ebenfalls verwendet werden.
Mit Bezug auf Fig. 8 empfängt das Verarbeitungselement 82 Eingangssignale 48, die von dem Sensor 14 übertragen werden. Die Eingangssignale 48 geben die Frequenz und die Amplitude der Differenzdruckschwankungen sowie die Temperatur und den Druck der Strömung des Fluids an. Aus den Eingangssignale 48 berechnet das Verarbeitungselement 82 zusätzliche physikalische Eigenschaften der Fluidströmung. Diese physikalischen Eigenschaften umfassen, wobei sie jedoch nicht darauf begrenzt sind, die Geschwindigkeit, die Dichte, die Viskosität, die Reynoldsche Zahl und den Massendurchsatz des Fluids. Einzelheiten, wie diese Berechnungen hergeleitet werden, werden nachstehend beschrieben. Diese zusätzlichen Meßgrößen werden von dem Verarbeitungselement 82 durch Meßsignale 84 zur Verwendung bei einem industriellen Prozeßsteuersystem übertragen.
Die Arbeitsweise des Wirbelströmungsmeßgeräts und -sensors wird nun ausführlich beschrieben. Wenn das Prozeßfluid durch das Strömungsrohr fließt, werden durch die Ablöseeinrichtung 16 Wirbel erzeugt, die ihrerseits die alternierenden Wirbeldruckschwankungen erzeugen. Diese Druckschwankungen sowie auch der Druck und die Temperatur des Fluids, werden durch die Druckkammern 32, 34 an den Sensor 14 übertragen. Die Prozeßmembranen 38, 40 dienen dazu, das Prozeßfluid von dem Meßwandler zu isolieren, während die alternierenden Wirbeldruckschwankungen, der Druck und die Temperatur des Fluids durch das Füllfluid an die Meßmembranen 52, 54 übertragen werden.
Die alternierenden Wirbel verursachen Druckschwankungen, die durch das Füllfluid an beiden Seiten der Meßmembrane 52 übertragen werden, was bewirkt, daß sie als Antwort auf den resultierenden alternierenden Druck ausgelenkt wird. Als Ergebnis erfahren die Piezowiderstände in der Meßmembrane 52 einen alternierenden Streß, der zu einer sinusförmigen Veränderung des Widerstands führt, was ein Wechselspannungssignal erzeugt. Dieses Signal wird von der Meßmembrane 52 an Leiterbahnen 58 durch das Verbindungsstück 42 an das Kabel 48 und das Verarbeitungselement 82 übertragen. Dieses Wechselspannungssignal wird sinusförmiger Natur sein, aus dem seine Frequenz und Amplitude auf eine bekannte Art und Weise von dem Verarbeitungselement 82 berechnet wird. Da die Meßmembrane 52 nur Differenzdruck abfühlt und relativ immun gegen Fluiddruck ist, weist der Sensor 14 eine ausgezeichnete inhärente Gleichtakt- Rauschunterdrückung und Immunität gegen Pumppulsationen auf. Daher gibt es eine geringe Möglichkeit, daß das Verarbeitungselement 82 Pumppulsationen als Wirbelablösedruckschwankungen interpretieren und eine fehlerhafte Strömungsgeschwindigkeit berechnen wird.
Der durch die Wirbelablösung verursachte alternierende Druck wird von den Prozeßmembranen 38, 40 durch das Füllfluid an die beiden Seiten der Meßmembrane 52 übertragen. Der Prozeßfluiddruck wird von der Prozeßmembrane 40 durch das Füllfluid an die obere Seite der Meßmembrane 54 übertragen. Typischerweise liegt die Amplitude des alternierenden Differenzdrucks, die von der Strömungsgeschwindigkeit und der Prozeßfluiddichte abhängig ist, zwischen +/- 137,9 Pa (0,02 psi) und +/- 1,034 · 10&sup5; Pa (15 psi). Der Prozeßfluiddruck kann irgendwo zwischen 1,379 · 10&sup5; Pa (20 psi) und 1,379 · 10&sup7; Pa (2000 psi) liegen. Daher ist der von der Meßmembrane 54 erfahrene Druck größtenteils der Prozeßfluiddruck, der grundsätzlich gleichmäßig ist, plus einer kleineren sinusförmigen Komponente, die von den sich ablösenden Wirbeln verursacht wird. Die Prozeßelektronik leitet den Durchschnittsdruck ab.
Eine Temperaturmessung wird ebenfalls von den Meßmembranen 52 oder 54 unabhängigerweise durchgeführt. Es gibt einen konstanten Treiberstrom, der an die Wheatstonesche Brückenschaltung am Anschluß 102 angelegt wird. Die Temperaturmessung wird durch Messen der Spannung an den Treiberanschlüssen 98a, 98b bei einem konstanten Treiberstrom durchgeführt. Die Spannung von den Treiberanschlüssen 98a, 98b erzeugt eine resultierende Gleichspannung, die die Temperatur des Fluids angibt. Die Temperaturmessung kann von jeder der Meßmembranen 52 oder 54 durchgeführt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Temperaturmessung von jeder der beiden Meßmembranen oder von einer dritten Stelle auf dem Halbleiterchip, der Piezowiderstände aber keine Membrane aufweist, durchgeführt werden.
Bei der dritten und vierten Ausführungsform wird die Temperaturmessung des Prozeßfluids von zwei Piezowiderständen 108, 110 durchgeführt, die in einer Reihenkonfiguration angeordnet sind, die an der Vorderfläche des Halbleiterchips gelegen sind, die der Prozeßfluidtemperatur von der Prozeßmembrane 40 ausgesetzt werden. Ein Strom wird an die Piezowiderstände 108, 110 am Anschluß 116 angelegt. Die Temperaturmessung wird durch Messen der Spannung an den Anschlüssen 112a und 112b im Verhältnis zu der Spannung an den Anschlüsse 114a und 114b gemessen, wie es ausführlich nachstehend beschrieben ist.
Folglich sind die Ausgaben von dem Sensor 14 elektronische Signale, die die Frequenz und die Differenzdruckamplitude der sich ablösenden Wirbel, den Überdruck oder den absoluten Druck P des Fluids und die Temperatur T angeben. Diese und weitere Messungen werden von dem Verarbeitungselement 82 wie folgt berechnet:
1. Die Strömungsgeschwindigkeit Vf wird aus der folgenden Beziehung berechnet:
Vf = C&sub1;·fs,
wobei C&sub1; eine bekannte Kalibrierungskonstante ist, die eine Funktion des Innendurchmessers des Strömungsmeßgeräts und der Geometrie des Ablösestabs und
fs die Wirbelablösungsfrequenz ist.
2. Die bei der ersten und zweiten Ausführung durchgeführte Temperaturmessung T ist primär eine Funktion der Spannung V1 an den Treiberanschlüssen 98a, 98b (siehe Fig. 7) der Wheatstoneschen Brücke, die ihrerseits dem äquivalenten Widerstand an diesen Anschlüssen proportional ist. Der äquivalente Widerstand wird ebenfalls etwas von dem Druck, wenn die Meßmembrane 54 verwendet wird, um die Temperatur zu messen, oder von dem Differenzdruck, wenn die Meßmembrane 52 verwendet wird, um die Temperatur zu messen, beeinflußt. Somit wird bei einem konstanten Treiberstrom die Temperatur aus einer Gleichung der folgenden allgemeinen Form berechnet:
wobei aqr Kalibrierungskonstanten und
V&sub1;, V&sub2; gemessene Spannungen sind.
3. Die alternative Temperaturmessung T, die bei der dritten und vierten Ausführungsform durchgeführt wurde, ist den Spannungen 112 und 114 an den Piezowiderstände 108, 110 proportional. Die Piezowiderstände 108 und 110 sind derart, daß sie unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Diese Messung wird ungleich der vorstehenden Temperaturmessung nicht von dem Prozeßfluiddruck oder den Differenzdruckschwankungen beeinflußt. Die allgemeine Form der Temperaturmessung wird aus der folgenden Beziehung berechnet:
T = 1 + A&sub1; (V&sub1;/V&sub2;) + A&sub2; (V&sub1;/V&sub2;)² + ... + An (V&sub1;/V&sub2;)n
wobei V&sub1; und V&sub2; die gemessenen Spannungen und
A&sub1;, A&sub2;, ..., An Kalibrierungskonstanten sind.
4. Die Druckmessung P ist primär eine Funktion der Spannung V2 an den Anschlüssen 100a, 100b der Brückenschaltung an der Meßmembrane 54 (siehe Fig. 7). Die Messung wird geringfügig von der Temperatur der Meßmembrane beeinflußt. Somit wird bei einem konstanten Treiberstrom der Druck aus einer Gleichung der folgenden allgemeinen Form berechnet:
wobei bnm Kalibrierungskonstanten und
V&sub1;, V&sub2; die gemessenen Spannungen sind.
5. Auf ähnliche Weise ist die Messung der Amplitude des alternierenden Differenzdrucks primär eine Funktion der Spannung V2 an den Anschlüsse 100a und 100b der Brückenschaltung an der Meßmembrane 52 (siehe Fig. 7). Diese Messung wird ebenfalls von der Temperatur der Meßmembrane beeinflußt. Somit wird bei konstantem Treiberstrom der Differenzdruck aus einer Gleichung der gleichen allgemeinen Form wie für den Druck berechnet, wie es obenstehend in 4 erläutert wird.
6. Die Prozeßfluiddichte d kann durch die folgenden Beziehungen für den in den Ausführungsformen der Erfindung beschriebenen Sensor wie folgt berechnet werden:
a) Für ein ideales Gas gilt
d = P/(R·T),
wobei R die bekannte Gaskonstante und P und T die gemessenen Druck- und Temperatursignale sind, die, wie es in (2), (3) und (4) gezeigt ist, berechnet werden.
b) Für eine Flüssigkeit gilt
d = d&sub0;·(1 + B&sub1;·(P-Pa))/(1 + B&sub2;·(T-T&sub0;))
wobei T&sub0; eine Bezugstemperatur, Pa ein Bezugsdruck, d&sub0; die Dichte bei der Bezugstemperatur T&sub0; und dem Bezugsdruck Pa ist, B&sub1; und B&sub2; bekannte Kompressibilitäts- und Expansionsfaktoren sind, und P und T der Druck und die Temperatur ist, die, wie es in (2), (3) und (4) gezeigt ist, berechnet werden.
7. Ein alternatives Verfahren zum Berechnen der Prozeßfluiddichte d für eine beliebige Ausführungsform ist aus dem durchschnittlichen alternierenden Differenzdruck, der von den ablösenden Wirbeln an dem Sensor erzeugt wird, und der Strömungsgeschwindigkeitsmessung. Diese Beziehung ist wie folgt:
d = Differenzdruck/(C&sub2;·Vf²)
wobei C&sub2; eine bekannte Konstante und Vf, wie es oben in (1) gezeigt ist, berechnet wird.
8. Eine Berechnung des erwarteten Sensorsignals V2 an den Anschlüssen 100a, 100b der Brückenschaltung der Differenzdruckmeßmembrane 52 kann als eine Diagnose verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Sensor und seine zugeordnete Elektronik richtig arbeiten. Das erwartete Signal V2 ist dem Produkt der Fluiddichte mal (·) dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit proportional. Wenn beispielsweise die Fluiddichte wie in 6a oder 6b und die Strömungsgeschwindigkeit wie vorstehend in 1 berechnet wird, dann ist das erwartete Signal:
V2 = C&sub3;·d·Vf²
wobei C&sub3; eine Kalibrierungskonstante ist.
9. Die absolute Viskosität v des Prozeßfluids ist eine Funktion der Prozeßfluidtemperatur und wird aus der Beziehung zwischen der Temperatur und der absoluten Viskosität berechnet, die für das spezielle Prozeßfluid bekannt sein muss.
10. Die kinematische Viskosität kv des Fluids wird aus der folgenden Beziehung bestimmt:
kv = v/d,
wobei v die absolute Viskosität ist, die, wie es vorstehend in (9) gezeigt ist, berechnet wird, und d die Dichte ist, die, wie es vorstehend in (6) oder (7) gezeigt ist, berechnet wird.
11. Die Reynoldsche Zahl R wird aus der folgenden Beziehung bestimmt:
R = (Vf·D)/kv
wobei Vf die Geschwindigkeit ist, die wie vorstehend in (1) gezeigt berechnet wird, D der Innendurchmesser des Strömungsmeßgeräts und kv die kinematische Viskosität ist, die, wie es vorstehend in (10) gezeigt ist, berechnet wird.
Die Genauigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsberechnung kann verbessert werden, wenn die Reynoldsche Zahl bekannt ist. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die Ablösestabgeometrie C&sub1; nicht konstant ist, sondern sich auf eine bekannte Art und Weise mit der Reynoldschen Zahl verändert.
12. Der Massendurchsatz sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen wird aus der folgenden Beziehung bestimmt:
MFR = d·a·Vf
wobei d die Dichte ist, die, wie es vorstehend in (6) und (7) gezeigt ist, berechnet wird, Vf die Strömungsgeschwindigkeit ist, die, wie es vorstehend in (1) gezeigt ist, berechnet wird, und a die Fläche der Strömungsmeßgerätebohrung ist.
Die vorstehend beschriebenen Vielfachmeßfähigkeiten sind den Eigenschaften des Piezowiderstandselements zuzuschreiben. Piezowiderstände können angewendet werden, um Wechselstrom-Druckschwankungen, die durch Wirbelablösung erzeugt werden, sowie auch den Druck und die Temperatur des Prozeßfluids, die häufig ziemlich gleichmäßig sind, zu messen. Dies ist eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, bei dem piezoelektrische Kristalle verwendet wurden, die ihrer Natur nach die begrenzte Fähigkeit aufweisen, nur Wechselstrom-Druckschwankungen messen zu können.
Außerdem ist diese Erfindung eine vorteilhafte Verbesserung, da sie die Fähigkeit aufweist, bei einer einzigen Strömungspenetration den Differenzdruck, die Temperatur und den Druck des Fluids zu messen, aus denen weitere physikalische Eigenschaften der Strömung berechnet werden können. Derartige weitere Eigenschaften umfassen, wobei diese jedoch nicht darauf begrenzt sind, die Dichte, die absolute Viskosität, die kinematische Viskosität, die Reynoldsche Zahl und den Massendurchsatz des Fluids. Es gibt ebenfalls den zusätzlichen Nutzen einer verbesserten Genauigkeit der Messung, da sie von einem gemeinsamen Abtastpunkt gemessen wurden.
Während die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ein Widerstands-Abtasten berücksichtigt hat, können weitere bekannte Abtasttechniken verwendet werden. Beispielsweise können herkömmliche Widerstandsdehnungsmeßstreifen, Kapazitäts-Abtasten oder optisches Abtasten anstelle der bei der Erfindung verwendeten Piezowiderstands-Abtasttechniken benutzt werden.
Obgleich bevorzugte Ausführungsformen hier vorstehend ausführlich beschrieben wurden, ist es erwünscht, zu betonen, daß dieses für den Zweck der Darstellung der Erfindung ist, und um dadurch Fachleute zu befähigen, die Erfindung auf verschiedene unterschiedliche Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzupassen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Durchflussmessgerät (10) vom Wirbelerzeugertyp mit:

a) einem zum Einkoppeln in einen Fluidfliesskanal geeigneten Fliessleitungsabschnitt (20);

b) einem in dem Fliessleitungsabschnitt (20) befestigten Wirbelerzeugerkörper (16) zur Erzeugung alternierender Differenzdruckschwankungen;

c) einem Sensorgehäuse (76), welches zur Fluidverbindung mit dem fliessenden Fluid geeignete abgedichtete Innenräume (64, 70) aufweist;

d) einen Teil des Gehäuses (76) bildende erste und zweite Prozessdiaphragmamittel (40, 38), um in Kontakt mit dem fliessenden Fluid zu stehen und die wechselnden Differenzdruckschwankungen in die abgedichteten Innenräume (64, 70) zu übertragen;

e) im Sensorgehäuse (76) befindliche Sensormittel (14), wobei die entgegengesetzten Seiten jeweils den von den ersten und zweiten Prozessdiaphragmen (40, 38) kommenden Druckschwankungen ausgesetzt sind und die Sensormittel (14) die Druckschwankungen ermitteln sollen;

f) einer in den abgedichteten Innenräumen (64, 70) befindlichen, die Sensormittel (14) umgebenden Flüssigkeitsfüllung, um die Druckschwankungen in den abgedichteten Innenräumen (64, 70) zu übertragen;

g) mit den Sensormitteln (14) verbundene elektrische Übertragungsmittel zur Weiterleitung von den Druckschwankungen entsprechenden Signalen (266, 286); und

h) an die elektrischen Übertragungsmittel angeschlossene Rechenmittel, welche die von den elektrischen Übertragungsmitteln weitergeleiteten Outputsignale verarbeiten und elektronische Signale erzeugen sollen, die physikalische Meßwerte für den Fluss wiedergeben;

i) wobei das erste und zweite Prozessdiaphragma (40, 38) den Prozessfluiddruck und die Temperatur des Fluids in die abgedichteten Innenräume (64, 70) weitergeben;

dadurch gekennzeichnet, dass

j) das Sensormittel (14) dazu dienen soll, den Prozessfluiddruck und die Temperatur des Fluids zu ermitteln, wobei das Sensormittel (14) einen ersten und zweiten Diaphragmafühler (52, 54) aufweist, so, daß der erste Diaphragmafühler (52) auf Änderungen in den Druckschwankungen anspricht und zwischen einander gegenüberstehenden Seiten des ersten und zweiten Prozessdiaphragmas (40, 38) angeordnet ist, und so, daß er auf einer Seite über die Füllflüssigkeit mit dem ersten Prozessdiaphragma und auf seiner anderen Seite über die Füllflüssigkeit mit dem zweiten Prozessdiaphragma zusammenarbeitet; und der zweite Diaphragmafühler (54) nur mit dem ersten Prozessdiaphragma zusammenarbeitet, wobei nur eine Seite der Füllflüssigkeit ausgesetzt ist;

k) wobei die elektrischen Übertragungsmittel dem Prozessfluiddruck und der Temperatur entsprechende Signale weitergeben.

2. Gerät (10) nach Anspruch 1, in welchem entweder der erste Diaphragmafühler (52) oder der zweite Diaphragmafühler (54) so ausgebildet sind, daß sie auf Temperaturänderungen ansprechen.

3. Gerät (10) nach Anspruch 1, in welchem das Sensormittel (14) zusätzlich ein auf Änderungen der Prozessfluid-Temperatur ansprechendes Temperaturfühlerelement (106) aufweist, wobei nur eine Seite für die vom ersten Prozessdiaphragma (40) kommenden und über die Flüssigkeitsfüllung übermittelten Temperaturänderungen dient.

4. Gerät (10) nach Anspruch 1, in welchem das Sensormittel (14) aus einem Material. ausgewählt aus der Gruppe Polysilicon-Halbleiterchip und Silicon- Halbleiterchip, hergestellt ist.

5. Gerät (10) nach Anspruch 1, in welchem das Sensormittel (14) zum Messen von auf Druckschwankungen, Prozessfluiddruck und -temperatur beruhenden Änderungen piezoresistive Elemente (90, 92, 94, 96) aufweist.

6. Gerät (10) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Sensormittel (14) einen Sensorkörper aufweist, der außerhalb des Fliessleitungsabschnitts (20) anzuordnen und damit über ein Fluid zu verbinden ist.

7. Verfahren zur Bestimmung von Prozessflusseigenschaften zur Anwendung in einem Wirbelstrom-Durchflussmesser (10), der in einem zum Einkoppeln in einen Fluidfliesskanal geeigneten Fliessleitungsabschnitt (20) enthalten ist, in den Schritten:

a) Erzeugen einer Reihe alternierender Druckwirbel (26a, 28a) in einer Strömung, indem ein Wirbelerzeugerkörper (16) im Fliessleitungsabschnitt (20) angebracht wird;

b) Übertragen der vom Wirbelerzeugerkörper (16) hervorgerufenen alternierenden Druckwirbel (26a, 28a) auf ein Sensormittel (14), das in einem Sensorgehäuse (76) eingeschlossen ist, welches abgedichtete Innenräume (64, 70) aufweist, die mit Flüssigkeit gefüllt sind und ein erstes und zweites in Kontakt mit dem Prozessfluid stehendes Prozessdiaphragma (40, 38) aufweisen, Übertragen der alternierenden Druckwirbel (26a, 28a) mittels der das Sensormittel (14) umgebenden Füllflüssigkeit auf das Sensormittel (14);

c) Messen der vom Wirbelerzeugerkörper (16) am Sensormittel (14) hervorgerufenen alternierenden Druckwirbel (26a, 28a) mit einem ersten Diaphragmafühler (52), von dem einander gegenüberliegende Seiten den alternierenden Druckwirbeln (26a, 28a) vom ersten und zweiten Prozessdiaphragma (40, 38) ausgesetzt sind, so, daß er auf einer Seite über die Füllflüssigkeit mit dem ersten Prozessdiaphragma und auf seiner anderen Seite über die Füllflüssigkeit mit dem zweiten Prozessdiaphragma zusammenarbeitet;

d) Berechnen der Druckdifferenzamplitude sowie der Frequenz der alternierenden Druckwirbel (26a, 28a), wie sie vom Sensormittel (14) gemessen wurden;

e) Weiterleiten des Prozessfluiddrucks über die Flüssigkeitsfüllung auf das Sensormittel (14);

und gekennzeichnet durch

f) Messen des Prozessfluiddrucks mit dem Sensormittel (14) mittels eines zweiten Diaphragmafühlers (54), der nur mit dem ersten Prozessdiaphragma zusammenarbeitet, wobei nur eine Seite der Füllflüssigkeit ausgesetzt ist; und

g) Messen der Prozessfluid-Temperatur am Sensormittel (14), welches auf Änderungen in der Temperatur anspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem der Schritt zur Messung der Prozessfluid-Temperatur am Sensormittel (14) mit Hilfe des ersten Diaphragmafühlers (52) erfolgt, der auf Änderungen in der Temperatur anspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem der Schritt zur Messung der Prozessfluid-Temperatur am Sensormittel (14) mit Hilfe des zweiten Diaphragmafühlers (54) erfolgt, der empfindlich gegenüber Änderungen in der Temperatur ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem der Schritt zur Messung der Prozessfluid-Temperatur am Sensormittel (14) durch ein Temperaturfühlerelement (106) erfolgt, welches auf Änderungen in der Prozessfluid-Temperatur anspricht, bei welchem nur eine Seite für die Temperaturänderungen vom ersten Prozessdiaphragma (40) dient und welches vom ersten und zweiten Diaphragmafühler (52, 54) beabstandet ist.

11. Verfahren nach jedem der Ansprüche 7 bis 10, welches zusätzlich die folgenden Schritte umfaßt:

a) Berechnung der Fließgeschwindigkeit Vf als Funktion der Frequenz der alternierenden Druckwirbel (26a, 28a), wie sie vom Sensormittel (14) gemessen wurden;

b) Bestimmung der Dichte des Prozessfluids als Funktion von Prozessfluiddruck und -temperatur, wie sie vom Sensormittel (14) ermittelt wurden; und

c) Berechnen des Mengendurchflusses MFR aus der Gleichung

MFR = d·a·Vf

in welcher d die Prozessfluid-Dichte und a die Querschnittsfläche der Fliessleitung bedeuten.