DE69837946T2

DE69837946T2 - Durchflussmessung oder Messung anderer Eigenschaften eines Fluids mittels eines gemeinsamen Frequenzgenerators und Fast Fourier-Transformation (FFT)

Info

Publication number: DE69837946T2
Application number: DE69837946T
Authority: DE
Inventors: David Chanhassen Kubisiak; Ulrich Hopkins Bonne
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE69830343D1; CA2316916A1; DE69830345T2; EP1068517A2; WO1999034198A2; DE69814474D1; DE69814474T2; EP1329712A1; EP1329711B1; EP1329711A1; ES2195426T3; DE69830345D1; JP2002500355A; EP1068517B1; US6169965B1; DE69830343T2; DE69837946D1; EP1329713B1; EP1329712B1; EP1329713A1

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,156 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SELECTED PROPERTIES OF A FLUID OF INTEREST USING A SINGLE HEATER ELEMENT", die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,530 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel „TIME LAG APPROACH FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND SPECIFIC HEAT", die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel "TIME LAG APPROACH FOR MEASURING FLUID VELOCITY", und die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/001,735 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel „SELF-OSCILLATING FLUID SENSOR", die alle dem Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung übertragen worden sind, und die mittels Verweis hierin aufgenommen worden sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung von Fluideigenschaften, und insbesondere die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, der thermischen Diffusionsfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Es sind bereits mehrere Ansätze zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, der thermischen Diffusionsfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Fluidgeschwindigkeit eines Fluids von Interesse ersonnen worden. üblicherweise werden diese und andere Eigenschaften ermittelt durch die Verwendung verschiedener Arten von Wärmefühlern, wie unter anderem Widerstandsfühler mit thermisch isolierten Antriebs- und Fühlelementen, die auf selbsttragenden Dünnschichtbrücken- oder Membran-Mikrostrukturen angeordnet sind.
Ein Ansatz zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist in US-Patentschrift Nr. 4,735,082 beschrieben, in der eine Wheatstone-Brückenschaltung mit einem beheizten Element in einem Schenkel der Brücke in einer Vertiefung und in Kontakt mit dem Probefluid von Interesse angeordnet ist. Das beheizte Element wird verwendet, um eine Reihe von Wärmeenergiemengen unterschiedlicher Stärke in das Fluid von Interesse zu übertragen, indem die Eingangsspannung des Heizelements in regelmäßigen Abständen verändert wird, wobei diese Spannungsänderungen wiederum an einem Messaufnehmer in einem anderen Schenkel als Spannungsdifferenzsignal über die Bücke erfasst werden. Die Integration der Änderungen des Wertes der Reihe aufeinander folgender Signale ergibt ein Signal, das die Wärmeableitung durch das Fluid, und somit die Wärmeleitfähigkeit des Fluids, anzeigt.
Zusätzlich zur Messung der thermisch induzierten Änderung des elektrischen Widerstands, wie sie im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf die 1–5 zum Stand der Technik ausführlicher erörtert wird, sind auch sehr kleine und sehr genaue „Mikrobrücken"-Halbleiterchipmessaufnehmer beschrieben worden, in denen solche Mikroelemente als Heizvorrichtungen und Messaufnehmer verwendet werden. Solche Messaufnehmer können zum Beispiel ein Paar von Dünnschichtmessaufnehmerelementen rund um ein Dünnschichtheizelement zur Messung von Durchflussgeschwindigkeiten aufweisen. Halbleiterchipmessaufnehmer der beschriebenen Art werden in einer oder mehreren der folgenden Patentschriften ausführlicher behandelt: US-Patentschrift Nr. 4,478,076 , US-Patentschrift Nr. 4,478,077 , US-Patentschrift Nr. 4,501,144 , US-Patentschrift Nr. 4,651,564 , und US-Patentschrift Nr. 4,683,159 , alle vom selben Bevollmächtigen wie die vorliegende Erfindung.
Ein anderer Ansatz zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, der thermischen Diffusionsfähigkeit und der spezifischen Wärme eines Fluids ist in US-Patentschrift Nr. 4,944,035 von Aagard et al. offenbart. Aagard et al. offenbart die Verwendung eines Mikrobrückenaufbaus, der eine Heizschicht und mindestens eine im Abstand davon angeordnete Messaufnehmerschicht aufweist. Ein elektrischer Energieimpuls mit einer Stärke und Dauer, die bewirken, dass sowohl eine vorübergehende Änderung als auch eine im Wesentlichen konstante Temperatur am Messaufnehmer auftreten, wird an die Heizvorrichtung angelegt. Die Wärmeleitfähigkeit des Fluids von Interesse wird ermittelt basierend auf einer bekannten Beziehung zwischen der Messaufnehmerausgabe und der Wärmeleitfähigkeit bei konstanten Messaufnehmertemperaturen. Die spezifische Wärme und die thermische Diffusionsfähigkeit des Fluids von Interesse werden ermittelt basierend auf einer bekannten Beziehung zwischen der Wärmeleitfähigkeit, der Änderungsgeschwindigkeit der Messaufnehmerausgabe während einer vorübergehenden Temperaturänderung im Messaufnehmer, sowie der thermischen Diffusionsfähigkeit und der spezifischen Wärme.
Ein typischer Ansatz zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse ist jener, die Zeit zu ermitteln, die eine Wärmewelle benötigt, um von einem Ausgangsheizelement zu einem Zielmessaufnehmerelement zu wandern. Durch Kenntnis des Abstands zwischen dem Heizelement und dem Messaufnehmerelement sowie des Beitrags der thermischen Diffusionsfähigkeit kann die Geschwindigkeit des Fluids berechnet werden. Dieser Ansatz ist in US-Patentschrift Nr. 4,576,050 von Lambert vorgeschlagen. Lambert erregt einen Heizstreifen mit einem oszillierenden Heizeingangssignal, um Wärmewellen in das- Fluid abzugeben. Die Wärmewellen breiten sich im Fluid mit einer Geschwindigkeit, die von der Geschwindigkeit des Fluids, das im rechten Winkel zum Heizstreifen strömt, abhängt, aus. Ein thermoelektrischer Fühler, der im Abstand von einer oder beiden Seiten der Heizvorrichtung angeordnet ist, erfasst die Wärmewellen und stellt ein entsprechendes Fühlerausgangssignal bereit. Die Geschwindigkeit des Fluids wird, mindestens bis zur ersten Ordnung, aus der Zeitdifferenz zwischen dem Heizereingangssignal und dem Fühlerausgangssignal bestimmt.
DE2934566 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer ausgewählten Eigenschaft eines Fluids von Interesse, aufweisend:
Heizvorrichtungsmittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das Heizvorrichtungsmittel einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur verändert;
Heizvorrichtungsausgabemittel zum Bereitstellen eines Heizvorrichtungsausgabesignals, das sich auf den Widerstand der Heizvorrichtungsmittel bezieht;
Messaufnehmermittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das Messaufnehmermittel einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur verändert;
Messaufnehmerausgabemittel zum Bereitstellen eines Messaufnehmerausgabesignals, das sich auf den Widerstand des Messaufnehmermittels bezieht;
Erregermittel zum Bereitstellen eines regelmäßigen zeitabhängigen Eingangssignals; und
Bestimmungsmittel, das eine Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizvorrichtungsausgabesignal und dem Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel mit dem Heizvorrichtungsmittel und dem Messaufnehmermittel verbunden ist.
Eine Einschränkung vieler der oben erwähnten Ansätze nach dem Stand der Technik ist jedoch die, dass eine beträchtliche Menge an Unterstützungshardware und/oder Software erforderlich ist. In vielen dieser Ansätze nach dem Stand der Technik wird zum Beispiel eine Anzahl von Frequenzgeneratoren verwendet, um dem Heizelement ein Frequenzeingangssignal bereitzustellen. Frequenzgeneratoren können sowohl in Bezug auf Hardware als auch Energie ziemlich teuer sein. Ebenso benötigen viele der Ansätze nach dem Stand der Technik einen oder mehrere Hochfrequenztimer, um die Zeit- oder die Phasenverzögerung zwischen dem Heizvorrichtungseingangssignal und einer entsprechenden Temperaturstörung im Fluid zu messen. Wie feststehende Frequenzgeneratoren, können auch Hochfrequenztimer sowohl in Bezug auf Hardware als auch Energie ziemlich teuer sein. Schließlich sind viele der Ansätze nach dem Stand der Technik anfällig für Fehler, die durch Abweichungen der Widerstandselemente verursacht werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Durchflussmesser bereit, der einen gemeinsamen Frequenzgenerator für die Heiz- und/oder Messaufnehmerelemente verwendet. Der Frequenzgenerator kann ausgewählten Heiz- und Messaufnehmerelementen nacheinander und/oder gleichzeitig Eingangssignale bereitstellen. Mittels des gemeinsamen Frequenzgenerators kann mehr als eine Frequenzkomponente angelegt werden, um Zeit- und/oder Phasenverzögerungen bei verschiedenen Frequenzen rascher zu erlangen. Des Weiteren wird erwägt, dass ein FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Algorithmus verwendet werden kann, um die Frequenzkomponenten voneinander zu trennen, und/oder um die Phasenverzögerungen ausgewählter Eingangs- und Ausgangssignale zu ermitteln. Aus den Phasenverzögerungen können ausgewählte Fluideigenschaften ermittelt werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben ist. Da die vorliegende Erfindung die Verwendung von Phasenverzögerungen oder Frequenzen erwägt, um die Fluideigenschaften zu bestimmen, wobei die Veränderlichkeit der betroffenen Mikroheizvorrichtungswiderstandselemente nur einen zweitrangigen Einfluss ausüben, können die thermischen Eigenschaften des Fluids exakter bestimmt werden, als mit vielen Ansätzen nach dem Stand der Technik.
In einer ersten veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Frequenzgenerator entweder einem Heizelement oder einem Messaufnehmerelement, oder sowohl dem Heiz- als auch dem Messaufnehmerelement, ein zeitabhängiges Eingangssignal bereit. Das Heizelement und die Messaufnehmerelemente sind vorzugsweise in einem Schenkel einer entsprechenden Wheatstone-Brückenschaltung bereitgestellt. Ein Heizvorrichtungsausgabesignal und ein Messaufnehmerausgabesignal zeigen den Widerstand, und somit die Temperatur, des Heizelements bzw. des Messaufnehmerelements an.
Da das Heizelement eng an das Fluid von Interesse gekoppelt ist, beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit „k" des Fluids die zeitlich veränderliche Temperaturreaktion des Heizelements direkt. Des Weiteren hängt die Wärmeleitfähigkeit des Fluids typischerweise vom Druck und/oder der Temperatur des Fluids ab. Dadurch hat man herausgefunden, dass die Wärmeleitfähigkeit, der Druck und/oder die Temperatur des Fluids von Interesse bestimmt werden können, indem eine veränderliche Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal, das dem Heizelement bereitgestellt wird, und einer darauf folgenden vorübergehenden Temperaturreaktion des Heizelements im Fall einer Messung mit einer Fluidströmung von praktisch Null untersucht wird.
Um die gewünschte Phasenverzögerung zu ermitteln, erwägt die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Prozessors, der einen FFT-Algorithmus ausführt. Der hierin verwendete Begriff Prozessor umfasst jegliche Hardware- oder Softwareausführung. Der Prozessor kann zum Beispiel dazu verwendet werden, die Phasenverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal und dem Heizvorrichtungsausgabesignal während der vorübergehenden Bedingung erhöhter Temperatur zu bestimmen. Der Prozessor kann sowohl das zeitabhängige Eingangssignal, das vom Frequenzgenerator bereitgestellt wird, als auch das Heizvorrichtungsausgabesignal empfangen. Unter Verwendung eines FFT-Algorithmus und/oder eines Kreuzkorrelationsverfahrens kann die Phasenverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal und dem Heizvorrichtungsausgabesignal bestimmt werden. Aus der Phasenverzögerung kann die Temperatur, der Druck und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Fluids von Interesse berechnet werden.
Um andere Fluideigenschaften, wie zum Beispiel thermische Diffusionsfähigkeit, spezifische Wärme und/oder Fluidgeschwindigkeit zu bestimmen, werden sowohl das Heiz- als auch das Messaufnehmerelement verwendet. Gemäß der Erfindung stellt der Frequenzgenerator dem Heizelement und dem Messaufnehmerelement auswählend ein zeitabhängiges Eingangssignal bereit. Vorzugsweise ist der Frequenzgenerator zunächst über eine Wheatstone-Brücke auswählend mit dem Heizelement gekoppelt, wobei unter Verwendung eines FFT-Algorithmus eine Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung bestimmt wird. Um die Auswirkungen der internen Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements auf die Durchgangszeit zu verringern, wird eine Phasenverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal, das dem Messaufnehmerelement bereitgestellt wird, und dem Messaufnehmerausgabesignal ermittelt. Dies wird erreicht, indem der Frequenzgenerator vom Heizelement entkoppelt wird, bevor der Frequenzgenerator mit dem Messaufnehmerelement gekoppelt wird. Dann ermittelt der Prozessor die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements ohne irgendeine störende Beeinflussung, die sich durch eine vom Heizelement verursachte Temperaturstörung im Fluid ergeben könnte.
Dann kann die Durchgangszeit vom Heizelement zum Messaufnehmerelement ermittelt werden, indem man die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements von der Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung subtrahiert. Weist das Fluid von Interesse eine Strömung von praktisch Null auf, kann dann die thermische Diffusionsfähigkeit bestimmt werden. Steht das Fluid von Interesse unter Strömungsbedingungen, kann nach vorheriger Kalibrierung die Fluidgeschwindigkeit bestimmt werden.
Es wird erwägt, dass auch ein zweites Messaufnehmerelement bereitgestellt werden kann. Unter Verwendung des oben beschriebenen Ansatzes kann eine zweite Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement und dem zweiten Messaufnehmerelement ermittelt werden. Desgleichen kann die interne Phasenverzögerung des zweiten Messaufnehmerelements bestimmt werden. Durch Subtraktion der internen Phasenverzögerung des zweiten Messaufnehmerelements von der entsprechenden Heizvorrichtungsphasenverzögerung kann eine zweite Durchgangszeit ermittelt werden. Unter Verwendung der ersten und der zweiten Durchgangszeit kann die Fluidgeschwindigkeit ohne vorherige Kalibrierung relativ unabhängig vom Fluid von Interesse bestimmt werden.
In einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Frequenzgenerator dem Heizelement und einem oder beiden Messaufnehmerelement/en entweder nacheinander oder gleichzeitig zwei oder mehr feststehende Frequenzen bereitstellen. Die Frequenzen sind vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie einer idealen Frequenz nahe kommen, wobei die ideale Frequenz bewirken würde, dass der Wärmeimpuls im Fluid zur selben Zeit am Messaufnehmerelement ankommt, zu der das Messaufnehmerelement durch das zeitabhängige Eingangssignal erregt wird. Die ideale Frequenz hängt typischerweise von einer Reihe von Faktoren ab, darunter unter anderem vom Abstand zwischen dem Heizelement und dem Messaufnehmerelement, ausgewählten Eigenschaften des Fluids, der ausgewählte Phasenverzögerung zwischen Heizvorrichtungs- und dem Messaufnehmereingang, der Geschwindigkeit des Fluids, etc.
Die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements kann für jede der feststehenden Frequenzkomponenten ermittelt werden, indem ein FFT-Algorithmus und/oder ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet wird/werden, wie oben beschrieben ist. Die ideale Frequenz kann dann zum Beispiel ermittelt werden, indem man von den internen Phasenverzögerungen bei den feststehenden Frequenzen eine ideale Frequenz extrapoliert, die eine interne Phasenverzögerung ergeben würde, welche gleich der internen Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements im Vakuumzustand ist. Im Vakuumzustand wird keine Wärme zu oder vom Messaufnehmerelement zum oder vom Fluid von Interesse übertragen, wodurch die Temperatur des Messaufnehmerelements im Wesentlichen der Temperatur des Fluids folgen würde. Ein vorheriger Kalibriervorgang kann durchgeführt werden, um die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements im Vakuumzustand bei verschiedenen Frequenzen zu ermitteln. Sobald die ideale Frequenz festgestellt worden ist, kann die Durchgangszeit der Temperaturstörung im Fluid bestimmt werden.
Es wird erwägt, dass die Amplitude des Eingangssignals, das dem Messaufnehmerelement bereitgestellt wird, derart angepasst werden kann, dass sich die Temperatur des Messaufnehmerelements der Amplitude des Wärmeimpulses im Fluid beim Messaufnehmerelement annähert. Durch das Ausgleichen der Amplitude des Signals kann die ideale Frequenz exakter ermittelt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile sind leicht zu erkennen, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verstanden wird, wobei in sämtlichen Figuren dieselben Bezugsziffern immer dieselben Teile bezeichnen, und wobei:
1, 2 und 3 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines Mikrobrückendurchflussmessaufnehmers nach dem Stand der Technik sind;
4 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Fluideigenschaft- und Durchflussmessaufnehmersystems basierend auf thermischen Mikrobrücken- oder Mikromembranmessaufnehmer ist;
5 eine erste veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der zwei nachgeschaltete Messaufnehmerelemente aufweist;
6 eine zweite veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der ein vorgeschaltetes und ein nachgeschaltetes Messaufnehmerelement aufweist;
7 eine dritte veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der mehr als zwei nachgeschaltete Messaufnehmerelemente aufweist;
8 eine vierte veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung ist, der eine Anzahl nachgeschalteter und vorgeschalteter Messaufnehmerelemente aufweist;
9 eine schematische Darstellung einer ersten veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 ein Schaubild ist, das eine ideale Frequenz für eine Heizvorrichtungs-/Messaufnehmerkombination und zwei feststehende Frequenzen, die vom Frequenzgenerator von 9 bereitgestellt werden, zeigt;
11 eine graphische Darstellung ist, die ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung einer idealen Frequenz aus den gemessenen internen Phasenverzögerungen des Messaufnehmerelements bei zwei feststehenden Frequenzen zeigt;
12 eine graphische Darstellung ist, die ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung einer idealen Frequenz aus den gemessenen internen Phasenverzögerungen des Messaufnehmerelements bei zwei feststehenden Frequenzen unter Verwendung der graphischen Darstellung der idealen Leistungsamplitude von 13 zeigt;
13 eine graphische Darstellung ist, die ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung einer idealen Leistungsamplitude für das zeitabhängige Eingangssignal, das dem Messaufnehmerelement bereitgestellt wird, zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, das ausgewählte Fluideigenschaften, welche die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme, die thermische Diffusionsfähigkeit und die Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse umfassen, unter Verwendung eines gemeinsamen Frequenzgenerators für die Heiz- und/oder Messaufnehmerelemente bestimmt. Des Weiteren wird erwägt, dass eine FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Analyse verwendet werden kann, um verschiedene Frequenzkomponenten voneinander zu trennen, falls solche bereitgestellt sind, und/oder um die gewünschten Phasenverzögerungen zwischen ausgewählten Signalen zu ermitteln.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erwägen das Halten eines mikroskopisch kleinen Heizelements in eine Probe des Fluids von Interesse. Ohne dass dies eine Einschränkung darstellt, wird das Mikromembran- oder Mikromessaufnehmersystem, oder die „Mikrobrücke", wie es hierin bezeichnet wird, derzeit aus mehreren Gründen bevorzugt. Das System reagiert extrem schnell, ist sehr exakt, sehr empfindlich aufgrund seiner vorteilhaften Kopplung an das Fluid von Interesse, sowie klein und anpassungsfähig an eine Vielzahl von Anordnungen.
Beispielsweise kann der Mikrobrückenhalbleiterchipmessaufnehmer, der in bestimmten Ausführungsformen für die Erfindung bevorzugt ist, der Form eines oder mehrerer der Mikrobrückensysteme ähneln, die in US-Patentschrift Nr. 4,478,076 , US-Patentschrift Nr. 4,478,077 , US-Patentschrift Nr. 4,501,144 , US-Patentschrift Nr. 4,651,564 , US-Patentschrift Nr. 4,683,159 , und US-Patentschrift Nr. 4,944,035 , alle vom selben Bevollmächtigen wie die vorliegende Erfindung, erläutert sind.
Ein solches System ist durch 1–3, entnommen aus US-Patentschrift Nr. 4,944,035 von Aagard et al., veranschaulicht. Dieses Beispiel ist in der Folge erörtert, da diese Erörterung für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist. Obwohl die vorliegende Erörterung im erforderlichen Umfang für ausreichend erachtet wird, gilt jegliches zusätzliche Material, das in den genannten Patentschriften in Zusammenhang mit der Mikrobrücke enthalten ist, mittels Verweis als hierin aufgenommen.
Das System nach dem Stand der Technik in den 1–3 erwägt ein Paar von Dünnschicht-Temperaturmessaufnehmern 22 und 24, eine Dünnschicht-Heizvorrichtung 26 und ein Trägerelement 20, das die Messaufnehmer und die Heizvorrichtung außerhalb des Kontakts mit dem Grundträgermaterial hält. Die Messaufnehmer 22 und 24 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Heizvorrichtung 26 angeordnet gezeigt. Das Trägerelement 20 ist ein nicht leitendes Isoliermaterial oder ein halbleitendes Material. Aufgrund seiner Verwendbarkeit für Präzisionsätzverfahren und der einfachen Herstellbarkeit elektronischer Chips wurde hier ein Silizium gewählt. Die Ausführungsform weist zwei identische Temperaturerfassungswiderstandsgitter 22 und 24, welche als Dünnschicht-Wärmemessaufnehmer dienen, und ein mittig angeordnetes Heizgitter 26, das als Dünnschicht-Heizvorrichtung dient, auf.
Die Messaufnehmer 22 und 24 sowie die Heizvorrichtung 26 können aus jedweder geeigneten, beständigen Metall- oder Legierungsschicht hergestellt sein. Das verwendete Metall kann eine Platin- oder Nickel-Eisen-Legierung, die auch als Permalloy bezeichnet wird, mit einer Zusammensetzung von 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Eisen sein. Die Messaufnehmer- und Heizgitter sind von einer dünnen Schicht aus einem elektrisch nicht leitendem Material, das typischerweise die Schichten 28 und 29 und vorzugsweise Siliziumnitrid, Si₃N₄, zur Bildung der Schichtelemente aufweist, umhüllt. Andere Dünnschichtmaterialien können SiO₂, MgO, SiC, Al₂O₃, etc. enthalten.
In 1 und 2 weisen die Messaufnehmer zwei Dünnschichtelemente 32 und 34 auf, wobei das Element 32 den Messaufnehmer 22 und das Element 34 den Messaufnehmer 24 aufweist, jedes der Elemente eine Hälfte der Heizvorrichtung 26 und das bevorzugte Maß einer Breite von 150 Mikrometern und einer Länge von 400 Mikrometern aufweist. Die Heizvorrichtung 26 kann jedoch die geringe Größe einer Breite von 10 Mikrometern und einer Länge von 30 Mikrometern aufweisen.
Des Weiteren beschreibt das System einen genau definierten Fluidraum (Flüssigkeit oder Gas) 30, der die Elemente 22, 24 und 26 wirksam umschließt, und der erzielt wird, indem die Anordnung auf der Siliziumfläche 36 hergestellt wird. Die Dünnschichtelemente 22, 24 und 26 weisen Dicken von ungefähr 0,08 bis 0,12 Mikrometern mit Linienbreiten im Bereich von 5 Mikrometern und Zwischenräume zwischen den Linien im Bereich von 5 Mikrometern auf. Die von der Siliziumnitridschicht umhüllten Elemente weisen vorzugsweise eine Gesamtdicke von ungefähr 0,8 Mikrometern oder weniger auf. Der Fluidraum 30 kann hergestellt werden, indem anschließend neben den Elementen 32 und 34 eine genau definierte siliziumfreie Vertiefung mit einer Tiefe von ungefähr 100 Mikrometern in den Siliziumkörper 20 geätzt wird.
Die Elemente 32 und 34 sind an einer oder mehreren Kanten der geätzten Vertiefung 30 mit der oberen Fläche 36 des Halbleiterkörpers 20 verbunden. Wie in 3 abgebildet, können die Elemente 32 und 34 in Brücke über der Vertiefung 30 geschaltet sein; alternativ dazu können die Elemente 32 und 34 fliegend über der Vertiefung 30 angeordnet, oder ein Teil einer durchgehenden oberen Membranfläche, die nach dem Wegätzen des Siliziums von der Rückseite gebildet wurde, sein.
Im gezeigten System strömt die Wärme sowohl mittels massiver als auch flüssiger Kopplungen von der Heizvorrichtung zum Messaufnehmer. Zu beachten ist die Tatsache, dass Siliziumnitrid (Si₃N₄) nicht nur ein guter elektrischer Isolator, sondern auch ein wirksamer Wärmeisolator ist. Aufgrund der wirksamen Wärmeisolierung beherrscht der Wärmedurchgang durch das massive Siliziumnitrid innerhalb der Elemente 32 und 34 nicht die Ausbreitung der Wärme von der Heizvorrichtung 26. Dies ermöglicht des Weiteren, dass eine relativ große Wärmemenge vom Heizwiderstand 26 durch Übertragung durch das umgebende Fluid anstatt durch die tragende Nitridschicht zu den Messwiderständen 22 und 24 geleitet wird. Darüber hinaus weist die tragende Siliziumnitridschicht eine Wärmeleitfähigkeit auf, die niedrig genug ist, sodass die Messwiderstandsgitter 22 und 24 unmittelbar neben oder angrenzend an das Heizwiderstandsgitter 26 angeordnet sein können. Somit sind die Messwiderstandsgitter 22 und 24 im Wesentlichen fest im Fluidraum in der Nähe des Heizwiderstands 26 aufgehängt und wirken als Wärmesonden zur Messung der Temperatur des Fluids in der Nähe und in der Ebene des Heizwiderstandsgitters 26.
4 ist eine Teilansicht eines Durchflussmessaufnehmersystems basierend auf Wärmemikromessaufnehmern, die in einer Reihe mit einer Strömungsleitung angeordnet sind. Ein Hauptströmungskanal 200, der eine mittige Bohrung 202 aufweist, ist mit der Leitung, welche den größten Teil des Fluids von Interesse führt, verbunden. Eine erste Kammer 204 steht durch eine einzige Bohrung 206 in Fluidverbindung mit der mittigen Bohrung 202 des Hauptströmungskanals 200. Ein Sockel 208, der einen ersten Mikrobrücken- oder Mikromembranmessaufnehmer 210, der daran befestigt ist, aufweist, wird in die erste Kammer 204 eingeführt und am Hauptströmungskanal 200 befestigt, wie abgebildet. Bei dieser Anordnung ist der erste Mikrobrückenmessaufnehmer einem Anteil des Fluids von Interesse, der im Wesentlichen keine Strömung aufweist, ausgesetzt. Der erste Mikrobrückenmessaufnehmer 210 wird typischerweise verwendet, um Fluideigenschaften wie zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit, thermische Diffusionsfähigkeit, spezifische Wärme, Temperatur und Druck zu messen.
Ein zweiter Messaufnehmer 222 ist in einem Umgehungskanal 214 angeordnet. Bei dieser Anordnung ist der zweite Mikrobrückenmessaufnehmer 222 der Strömung des Fluids von Interesse ausgesetzt. Der zweite Mikrobrückenmessaufnehmer 222 wird typischerweise verwendet, um die Fluidgeschwindigkeit zu messen.
5 ist eine erste veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers, der zwei nachgeschaltete Messaufnehmerelemente aufweist. Bei Verwendung von Kalibrierdaten zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, der thermischen Diffusionsfähigkeit, der spezifischen Wärme und/oder der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse, kann nur ein Heizelement oder ein Heizelement und ein Messaufnehmerelement erforderlich sein. Dennoch weisen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement 224 und mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Messaufnehmerelemente 226 und 228 auf, wie im Folgenden ausführlicher erörtert ist. Zum Beispiel können zur Messung der Fluidgeschwindigkeit mindestens zwei Messaufnehmerelemente 226 und 228 bereitgestellt sein, wobei vorzugsweise jedes davon in einem unterschiedlichen Abstand vom Heizelement 224 angeordnet ist. In der veranschaulichenden Darstellung ist der Messaufnehmer 226 in einem ersten Abstand „d₁" vom Heizelement 224, und der Messaufnehmer 228 in einem zweiten Abstand „d₂" vom Heizelement 224 angeordnet. Beide Messaufnehmer 226 und 228 sind dem Heizelement 224 nachgelagert abgebildet.
Es ist ein Heizelement 224 gezeigt, das ein Trägerelement 228, welches das Heizelement 230 außerhalb des Kontakts mit dem Grundträgermaterial 232 hält, aufweist. Zusammen bilden das Heizelement 224 und das Trägerelement 230 ein Heizschichtelement. Ebenso ist ein Messaufnehmerelement 226 gezeigt, das ein Trägerelement 234, welches das Messaufnehmerelement 226 außerhalb des Kontakts mit dem Grundträgermaterial 230 hält, aufweist. Zusammen bilden das Messaufnehmerelement 226 und das Trägerelement 234 ein erstes Messaufnehmerschichtelement. Schließlich ist ein Messaufnehmerelement 228 gezeigt, das ein Trägerelement 236, welches das Messaufnehmerelement 228 außerhalb des Kontakts mit dem Grundträgermaterial 230 hält, aufweist. Zusammen bilden das Messaufnehmerelement 228 und das Trägerelement 236 ein zweites Messaufnehmerschichtelement.
Das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 können aus jedweden geeigneten, beständigen Metall oder jedweder, beständigen Legierung, wie zum Beispiel Platin, Nickel, Eisen-Nickel, etc., hergestellt sein. Das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 können irgendein Widerstandselement, zum Beispiel auch ein Draht, vorzugsweise jedoch eine Schicht, sein. Des Weiteren können das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 jedwede Form aufweisen, zum Beispiel auch ein Gittermuster, wie oben beschrieben ist, oder einfach eine Linie. Wie oben angegeben, sind das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 vorzugsweise von einer dünnen Schicht eines elektrisch nicht leitenden Materials, wie zum Beispiel Si₃N₄, SiO₂, MgO, SiC, Al₂O₃, umhüllt, um die Trägerelemente 230, 234 und 236 zu bilden.
Vorzugsweise ist ein genau definierter Fluidraum 240, der das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 wirksam umschließt, und der erzielt wird, indem die Anordnung auf der Siliziumfläche 242 hergestellt wird, bereitgestellt. Das Heizelement 224 und die Messaufnehmerelemente 226 und 228 weisen vorzugsweise Dicken von ungefähr 0,08 bis 0,12 Mikrometern mit Linienbreiten im Bereich von 5 Mikrometern und, falls ein Gitter benützt wird, Zwischenräumen zwischen den Linien im Bereich von 5 Mikrometern auf. Der Fluidraum 240 kann hergestellt werden, indem anschließend neben dem Heizelemente 224 und den Messaufnehmerelementen 226 und 228 eine genau definierte Vertiefung mit einer Tiefe von ungefähr 100 Mikrometern in die Siliziumträgerschicht 232 geätzt wird. Ein anderes Verfahren kann die Bildung einer Membranstruktur durch Herausätzen des Siliziums aus der Rückseite der Siliziumträgerschicht 232 umfassen.
Das Trägerelement 230 und das Heizelement 224 sind vorzugsweise an einer oder an mehreren Kanten der herausgeätzten Vertiefung 240 mit der oberen Fläche 242 der Halbleiterträgerschicht 232 verbunden. Das Trägerelement 230 und das Heizelement 224 können in Brücke über der Vertiefung 240 geschaltet sein, wie abgebildet, oder sie können fliegend über der Vertiefung 240 angeordnet sein. Die Messaufnehmerelemente 234, 226 und 228 sind vorzugsweise ebenso gestaltet. Es versteht sich, dass jegliche Anzahl von Heiz- und Messaufnehmerelementen auf dieselbe Weise bereitgestellt sein kann. Zum Zweck der Veranschaulichung sind in 5 jedoch nur ein Heizelement 224 und zwei Messaufnehmerelemente 226 und 228 gezeigt.
Das Heizelement 224 erzeugt eine thermische Störung im Fluid. Jedes der Messaufnehmerelemente 226 und 228 kann das Eintreffen der thermischen Störung an seiner jeweiligen Position erfassen. Von Interesse sind die Durchgangszeiten, welche die Temperaturstörung benötigt, um vom Heizelement 224 zu jedem der Messaufnehmerelemente 226 und 228 zu wandern. Da die Messaufnehmerelemente 226 und 228 in unterschiedlichen Abständen vom Heizelement angeordnet sind, kann die Fluidgeschwindigkeit relativ unabhängig von den Fluideigenschaften ermittelt werden, insbesondere wenn die Abstände im Vergleich zu den durch Diffusion bestimmten Verlagerungen groß sind, wie in der Folge ausführlicher beschrieben ist.
Anstatt beide Messaufnehmer stromabwärts vom Heizelement bereitzustellen, wie in 5 gezeigt ist, wird erwägt, dass ein Messaufnehmerelement 250 dem Heizelement 254 vorgelagert, und ein anderer Messaufnehmer 252 dem Heizelement nachgelagert angeordnet sein kann, wie in 6 gezeigt ist.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf ausgewählte Fluidgeschwindigkeitsmessungen, und um die möglichen negativen Auswirkungen der thermischen Diffusionsfähigkeit und anderer Eigenschaften des Fluids bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zu verringern, wird erwägt, dass ein erster Satz von Messaufnehmerelementen zur Messung von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und ein weiterer Satz für höhere Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden kann. Wie in 7 können zum Beispiel jene Messaufnehmer, die am nächsten beim Heizelement angeordnet sind, wie zum Beispiel die Messaufnehmerelemente 280 und 282, zur Messung von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten benützt werden, da die thermische Diffusionsfähigkeitskomponente bei geeigneter Amplitude und Frequenz sogar bei den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten vernachlässigbar sein kann. Desgleichen können Messaufnehmerelemente, wie zum Beispiel der Messaufnehmer 284, die weiter entfernt vom Heizelement angeordnet sind, benützt werden, um die höheren Strömungsgeschwindigkeiten zu messen. Bei Verwendung dieses Ansatzes kann die Auswirkung der thermischen Diffusionsfähigkeitskomponente auf die Strömungsgeschwindigkeitsmessung minimiert werden.
Zusätzlich dazu wird erwägt, dass bei der Messung hoher Strömungsgeschwindigkeiten ein Heizvorrichtungseingangssignal höherer Amplitude, und umgekehrt bei der Messung niedriger Strömungsgeschwindigkeiten ein Heizvorrichtungseingangssignal niedrigerer Amplitude, bereitgestellt werden kann. Eine Temperaturstörung höherer Amplitude kann leichter erfasst werden, wobei sie jedoch die Geschwindigkeit der thermischen Diffusionsfähigkeitskomponente im Fluid erhöhen kann. Dementsprechend kann eine niedrigere Amplitude des Heizvorrichtungseingangssignals die Geschwindigkeit der thermischen Diffusionsfähigkeitskomponente verringern und bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten exaktere Ergebnisse bereitstellen.
8 ist eine vierte veranschaulichende Querschnittdarstellung eines Mikrobrückenmessaufnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine Anzahl nachgeschalteter und vorgeschalteter Messaufnehmerelemente aufweist. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere Paare von Messaufnehmerelementen im jeweils selben Abstand vom Heizelement sowohl vorgelagert als auch nachgelagert angeordnet. Bei Verwendung von Kalibrierdaten zur Messung der Wärmeleitfähigkeit, der thermischen Diffusionsfähigkeit, der spezifischen Wärme und/oder der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse, können nur ein Heizelement und ein Messaufnehmerelement erforderlich sein. Wie in der Folge ausführlicher erörtert ist, weisen jedoch manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement und mindestens zwei in Abständen davon angeordnete Messaufnehmerelemente 300 und 302 auf, wobei nur die Ausgaben ausgewählter Messaufnehmerelemente, die in unterschiedlichen Abständen vom Heizelement angeordnet sind, ausgewählt werden können. Damit kann es möglich sein, die Fluidgeschwindigkeit relativ unabhängig von den übrigen Fluideigenschaften zu ermitteln, wie in der Folge ausführlicher erörtert ist.
9 ist eine schematische Darstellung einer ersten veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein gemeinsamer Frequenzgenerator 400 stellt einem Heizelement 402, einem ersten Messaufnehmerelement 404 und einem zweiten Messaufnehmerelement 406 über die Wheatstone-Brückenschaltungen 408, 410 beziehungsweise 412 ein zeitabhängiges Eingangssignal bereit. Differentialverstärker 416, 418 und 420 stellen ein Heizvorrichtungsausgabesignal 422, ein erstes Messaufnehmerausgabesignal 424 beziehungsweise ein zweites Messaufnehmerausgabesignal 426 bereit. Die Ausgabesignale entsprechen dem Widerstand, und somit der Temperatur, des entsprechenden Elements.
Ein Prozessor 430 empfängt das zeitabhängige Eingangssignal, das vom Frequenzgenerator 400 bereitgestellt wird, zusammen mit dem Heizvorrichtungsausgabesignal 422, dem ersten Messaufnehmerausgabesignal 424 und dem zweiten Messaufnehmerausgabesignal 426. In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Prozessor 430 ausgewählte Phasenverzögerungen zwischen diesen Signalen unter Verwendung einer FFT- und/oder einer Kreuzkorrelationsanalyse, wie in der Folge ausführliche beschrieben ist.
Um die Wärmeleitfähigkeit, den Druck und/oder die Temperatur eines Fluids von Interesse zu bestimmen, wird erwägt, dass nur das Heizelement 402 verwendet werden muss. Da das Heizelement 402 eng an das Fluid von Interesse gekoppelt ist, beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit, k, des Fluids die zeitlich veränderliche Temperaturreaktion des Heizelements 402 direkt. Des Weiteren hängt die Wärmeleitfähigkeit des Fluids typischerweise vom Druck und/oder der Temperatur des Fluids ab. Somit hat man herausgefunden, dass die Wärmeleitfähigkeit, der Druck und/oder die Temperatur des Fluids von Interesse bestimmt werden kann, indem man eine veränderliche Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal, das dem Heizelement 402 bereitgestellt wird, und einer darauf folgenden vorübergehenden Temperaturreaktion des Heizelements 402 im Fall einer Messung mit einer Fluidströmung von praktisch Null untersucht.
Um die veränderliche Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal 432 und dem Heizvorrichtungsausgabesignal 422 zu bestimmen, wird erwägt, dass der Prozessor 430 ein bekanntes FFT-Analyse- und/oder Kreuzkorrelationsverfahren benützen kann. Bei Verwendung eines FFT-Analyse- und/oder eines Kreuzkorrelationsverfahrens kann die Phasenverzögerung zwischen dem veränderlichen Eingangssignal 432 und dem Heizvorrichtungsausgabesignal 422 bestimmt werden. Unter Verwendung der folgenden Formel kann aus der Phasenverzögerung zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit, k, des Fluids von Interesse berechnet werden: k = {–2fcpvt/tan(γ) – h3}L1 (1)wobei,

c_pv: = die spezifische Wärme pro Volumeneinheit für die Heizschicht und das Trägerelement (10 % Platin, 90% Mikrobrückenzusammensetzung Si₃N₄, J/(cm³k);
t: = die Dicke der Heizschicht, cm
h₃: = der Koeffizient der Wärmeleitungsübertragung auf die Trägerschicht, W/cm³; und
L₁: = die Bezugslänge der Wärmeleitfähigkeit vom Heizelement in die Fluidphase, cm, ist.

Die Herleitung der Gleichung (1) und eine weitere Erörterung derselben ist in der oben angegebenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,156 , eingereicht am 31. Dezember 1998 unter dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SELECTED PROPERTIES OF A FLUID OF INTEREST USING A SINGLE HEATER ELEMENT", die mittels Verweis hierin aufgenommen worden ist, zu finden.
Um andere Fluideigenschaften, wie zum Beispiel thermische Diffusionsfähigkeit, spezifische Wärme und/oder Fluidgeschwindigkeit zu bestimmen, können das Heizelement 402 und ein Messaufnehmerelement 404 verwendet werden. Vorzugsweise ist der Frequenzgenerator 400 zunächst über die Wheatstone-Brücke 408 auswählend mit dem Heizelement 402 gekoppelt. Dies bewirkt eine Temperaturstörung im Fluid von Interesse, die durch das Messaufnehmerelement 404 erfasst werden kann. Dadurch kann der Prozessor 430 vorzugsweise unter Verwendung einer FFT-Analyse und/oder eines Kreuzkorrelationsverfahrens eine Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem Messaufnehmerelement 404 ermitteln.
Um die Auswirkungen der internen Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements 404 auf die Durchgangszeit zu verringern, wird der Frequenzgenerator 400 durch den Schalter 440 vom Heizelement entkoppelt, und dann durch den Schalter 442 mit dem Messaufnehmerelement 404 gekoppelt. Dann wird ohne durch das Heizelement 402 verursachten störenden Einfluss durch eine Temperaturstörung im Fluid eine interne Phasenverzögerung zwischen dem zeitabhängigen Eingangssignal, das dem Messaufnehmerelement 404 bereitgestellt wird, und dem Messaufnehmerausgabesignal 424 ermittelt.
Dann kann eine erste Durchgangszeit 425 vom Heizelement 402 zum Messaufnehmerelement 404 ermittelt werden, indem man die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements 404 von der Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung subtrahiert. Steht das Fluid von Interesse unter Strömungsbedingungen, kann nach einer vorherigen Kalibrierung die Fluidgeschwindigkeit aus der ersten Durchgangszeit 425 bestimmt werden. Weist das Fluid von Interesse eine Strömung von praktisch Null auf, kann dann die thermische Diffusionsfähigkeit, D_t, mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: Dt = d2/4Δz (2)wobei,

d: = der tatsächliche Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem Messaufnehmerelement 404; und
Δz: = die Durchgangszeit zwischen dem Heizelement 402 und dem Messaufnehmerelement 404 bei einer Strömung von praktisch Null ist.

Die volumenspezifische Wärme, c_pv, des Fluids von Interesse kann dann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: cpv = k/Dt (3)wobei,

k: = die Wärmeleitfähigkeit des Fluids von Interesse,
D_t: = die oben bestimmte thermische Diffusionsfähigkeit ist.

Die Herleitung der Gleichungen (2) und (3) und eine weitere Erörterung derselben ist in der oben angegebenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,156 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel „TIME LAG APPROACH FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND SPECIFIC HEAT", die mittels Verweis hierin aufgenommen worden ist, zu finden.
Demgemäß kann ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung einer ausgewählten Eigenschaft eines Fluids von Interesse die folgenden Schritte aufweisen: das Bereitstellen eines zeitabhängigen Eingangssignals; das Koppeln des Eingangssignals an das Heizelement; das Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch das Messaufnehmerelement; das Bestimmen einer Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizelement zum Messaufnehmerelement wandert; das Entkoppeln des Eingangssignals vom Heizelement; das Koppeln des Eingangssignals an das Messaufnehmerelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturänderung im Messaufnehmerelement hervorruft; das Bestimmen einer Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im Messaufnehmerelement; das Subtrahieren der Messaufnehmerphasenverzögerung von der Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zur Bereitstellung einer Laufzeitphasenverzögerung; und das Bestimmen der ausgewählten Eigenschaft des Fluids von Interesse unter Verwendung der Laufzeitphasenverzögerung.
Es wird erwägt, dass auch ein zweites Messaufnehmerelement 406 bereitgestellt werden kann. Unter Verwendung des oben beschriebenen Ansatzes kann eine zweite Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Messaufnehmerelement 406 ermittelt werden. Ebenso kann die interne Phasenverzögerung des zweiten Messaufnehmerelements 406 bestimmt werden. Durch Subtraktion der internen Phasenverzögerung des zweiten Messaufnehmerelements 406 von der entsprechenden Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung kann eine zweite Durchgangszeit 427 ermittelt werden. Unter Verwendung der ersten und der zweiten Durchgangszeit kann die Fluidgeschwindigkeit ohne vorherige Kalibrierung mit der folgenden Formel relativ unabhängig vom Fluid von Interesse bestimmt werden: v = {(d1 2/Δz1 – d2 2/Δz2)/(Δz1 – Δz2)}0,5 (4)wobei,

d₁: = der Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem ersten Messaufnehmerelement 404;
d₂: = der Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Messaufnehmerelement, wobei |d₁| ≠ |d₂|;
Δz₁: = der erste Zeitverzögerungswert; und
Δz₂: = der zweite Zeitverzögerungswert ist.

Die Herleitung der Gleichung (4) und eine weitere Erörterung derselben ist in der oben angegebenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/002,157 , eingereicht am 31. Dezember 1997 unter dem Titel „TIME LAG APPROACH FOR MEASURING FLUID VELOCITY", die mittels Verweis hierin aufgenommen worden ist, zu finden.
Demgemäß kann ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse die folgenden Schritte aufweisen: das Bereitstellen eines zeitabhängigen Eingangssignals; das Koppeln des Eingangssignals an das Heizelement; das Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer ersten Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch ein erstes Messaufnehmerelement; das Bestimmen einer ersten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizelement zum ersten Messaufnehmerelement wandert; das Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer zweiten Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch ein zweites Messaufnehmerelement; das Bestimmen einer zweiten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizelement zum zweiten Messaufnehmerelement wandert; das Entkoppeln des Eingangssignals vom Heizelement; das Koppeln des Eingangssignals an das erste Messaufnehmerelement; das Bestimmen einer ersten Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im ersten Messaufnehmerelement; das Subtrahieren der ersten Messaufnehmerphasenverzögerung von der ersten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer- Phasenverzögerung zur Bereitstellung einer ersten Laufzeitphasenverzögerung; das Koppeln des Eingangssignals an das zweite Messaufnehmerelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturänderung im zweiten Messaufnehmerelement hervorruft; das Bestimmen einer zweiten Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im zweiten Messaufnehmerelement; das Subtrahieren der zweiten Messaufnehmerphasenverzögerung von der zweiten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zur Bereitstellung einer zweiten Laufzeitphasenverzögerung; und das Bestimmen der Geschwindigkeit des Fluids von Interesse unter Verwendung der ersten Laufzeitphasenverzögerung und der zweiten Laufzeitphasenverzögerung.
In einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Frequenzgenerator dem Heizelement 402 und einem oder beiden Messaufnehmerelement/en 404 und 406 entweder nacheinander oder gleichzeitig zwei oder mehr feststehende Frequenzen bereitstellen. Werden die Frequenzen gleichzeitig bereitgestellt, sind die Schalter 440, 442 und 444 vorzugsweise so eingestellt, dass den entsprechenden Heiz- und Messaufnehmerelementen das zeitabhängige Eingangssignal 432 bereitgestellt wird.
Die feststehenden Frequenzen sind vorzugsweise so ausgewählt, dass sie einer idealen Frequenz nahe kommen. Eine ideale Frequenz ist als jene Frequenz definiert, die bewirkt, dass die Temperaturstörung im Fluid zum Beispiel am Messaufnehmerelement 404 zur selben Zeit eintrifft, zu der das Messaufnehmerelement 404 durch das zeitabhängige Eingangssignal erregt wird. Unter Bezugnahme auf 10 sind bei 500 eine ideale Frequenz und Scheitelwerte sowohl am Heizelement 402 als auch am ersten Messaufnehmerelement 404 gezeigt. Wie offensichtlich ist, hängt die ideale Frequenz typischerweise von einer Reihe von Faktoren ab, darunter unter anderem vom Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem Messaufnehmerelement 404, ausgewählten Eigenschaften des Fluids, der ausgewählten Phasenverzögerung zwischen Heizvorrichtungs- und dem Messaufnehmereingang, der Geschwindigkeit des Fluids, etc.
Die Amplitude des Eingangssignals, das dem Messaufnehmerelement 404 bereitgestellt wird, kann unter Verwendung des Widerstands 450 derart angepasst werden, dass die Temperatur des Messaufnehmerelements 404 der Amplitude der Temperaturstörung im Fluid nahe kommt. In einem idealen Fall bewirken die Frequenz und die Amplitude des Eingangssignals 452, das dem Messaufnehmerelement 404 bereitgestellt wird, dass die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements der internen Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements im Vakuumzustand entspricht. Im Vakuumzustand wird keine Wärme vom Messaufnehmerelement zum oder vom Fluid von Interesse übertragen, wodurch die Temperatur des Messaufnehmerelements 404 im Wesentlichen der Temperatur des Fluids folgt. Sobald die ideale Frequenz festgestellt worden ist, kann die Durchgangszeit der Temperaturstörung im Fluid bestimmt werden.
Um die ideale Frequenz zu ermitteln, wird erwägt, dass sowohl dem Heizelement 402 als auch zum Beispiel dem Messaufnehmerelement 404 zwei oder mehr feststehende Frequenzen bereitgestellt werden. Dann wird die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements 404 für jede der Frequenzkomponenten ermittelt, indem der Prozessor 430 zum Beispiel eine FFT-Analyse und/oder ein Kreuzkorrelationsverfahren verwendet, wie oben beschrieben ist. Die ideale Frequenz kann dann zum Beispiel ermittelt werden, indem man von den internen Phasenverzögerungen bei den feststehenden Frequenzen eine ideale Frequenz extrapoliert, die eine interne Phasenverzögerung, die gleich der internen Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements 404 im Vakuumzustand ist, ergeben würde. Während eines Kalibriervorgangs kann die interne Phasenverzögerung der Messaufnehmerelemente 404 und 406 im Vakuumzustand ermittelt werden. Während des Kalibriervorgangs können die Messaufnehmerelemente 404 und 406 einem Vakuumzustand ausgesetzt, und deren interne Phasenverzögerungen durch den Prozessor 430 ermittelt werden.
Unter besonderer Bezugnahme auf 11 ist eine Kurve 550 gezeigt, welche die interne Phasenverzögerung des ersten Messaufnehmerelements 404 im Vakuumzustand über der Frequenz darstellt. Vorzugsweise wird eine der feststehenden Frequenzkomponenten (f1), die vom Frequenzgenerator 400 bereitgestellt wird, (siehe 9–10) so ausgewählt, dass sie niedriger als die erwartete ideale Frequenz (fb) ist. Ebenso wird eine der feststehenden Frequenzkomponenten (f2), die vom Frequenzgenerator 400 bereitgestellt wird, so ausgewählt, dass sie höher als die erwartete ideale Frequenz (fb) ist. Dann kann die ideale Frequenz (fb) ermittelt werden, indem zwischen den internen Phasenverzögerungen bei den feststehenden Frequenzen interpoliert wird, um die Frequenz zu ermitteln, welche die Kurve 550 kreuzt. Diese Frequenz stellt die ideale Frequenz für das Heizvorrichtungs-Messaufnehmer- Paar dar. Aus der idealen Frequenz kann die Durchgangszeit vom Heizelement zum Messaufnehmerelement berechnet werden, wie oben beschrieben worden ist.
Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme können durch Verwendung der Durchgangszeit bei einer Strömung des Fluids von praktisch Null berechnet werden. Gleichermaßen kann die Geschwindigkeit des Fluids aus der Durchgangszeit ermittelt werden, sofern eine vorherige Kalibrierung durchgeführt worden ist.
Es versteht sich, dass die Amplitude des Eingangssignals die interne Phasenverzögerung des Messaufnehmerelements sogar im Vakuumzustand beeinflussen kann. In 12 ist zum Beispiel eine Anzahl von Phasenverzögerungskurven 600–604 im Vakuumzustand gezeigt, wobei jede der Kurven einem Eingangssignal mit unterschiedlicher Amplitude entspricht. Daher kann es wünschenswert sein, über die Amplitude des Eingangssignals 452 Rechenschaft abzulegen, um die ideale Frequenz für das erste Messaufnehmerelement 406 genauer zu ermitteln.
13 zeigt drei Kurven 650, 652 und 654, welche die Temperaturreaktion des Messaufnehmerelements 406 über der Amplitude des Eingangssignals 452 im Vakuumzustand bei drei Frequenzen f1, f2 und f3 darstellen. Des Weiteren sind auch noch drei Kurven 666, 668 und 670 gezeigt, welche die Temperaturreaktion des Messaufnehmerelements 406 über der Amplitude des Eingangssignals 452 im Nicht-Vakuumzustand bei denselben drei Frequenzen F1, F2 und F3 darstellen. Die ideale Amplitude des Eingangssignals 452 entspricht dem Schnittpunkt einer Amplitudenkurve im Nicht-Vakuumzustand und einer Amplitudenkurve im Vakuumzustand bei der idealen Frequenz Fb (siehe 12). Die ideale Amplitude für das Eingangssignal kann verwendet werden, um die ideale Frequenz Fb zu ermitteln, wie oben unter Bezugnahme auf 12 erörtert worden ist. Da es zwei Unbekannte, nämlich die ideale Frequenz (Fb) und die ideale Amplitude des Eingangssignals (Pb), und zwei Sätze von Kurven, nämlich jene, die in 12 und 13 gezeigt sind, gibt, können die ideale Frequenz (Fb) und die ideale Amplitude des Eingangssignals (Pb) unter der Voraussetzung, dass das Problem für Änderungen von A und P, die ausreichend klein sind, mit linearen Gleichungen gelöst werden kann, durch Verwendung herkömmlicher Verfahren ermittelt werden.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 9 wird erwägt, dass eine zweite Durchgangszeit vom Heizelement 402 zum zweiten Messaufnehmerelement 406 in derselben Weise ermittelt werden kann. Benützt man die erste und die zweite Durchgangszeit, kann die Geschwindigkeit des Fluids von Interesse unter Verwendung der Beziehung von Gleichung (4) relativ unabhängig von den Eigenschaften des Fluids bestimmt werden.
Dementsprechend kann ein veranschaulichendes Verfahren zur Bestimmung einer ausgewählten Eigenschaft eines Fluids von Interesse die folgenden Schritte aufweisen: Erregen eines Heizelements und eines ersten Messaufnehmerelements mit mindestens zwei zeitabhängigen Eingangssignalen, die jeweils eine unterschiedliche Frequenz aufweisen; Erfassen der Widerstandsänderung des ersten Messaufnehmerelements; Ermitteln einer Verzögerung zwischen ausgewählten der mindestens zwei zeitabhängigen Eingangssignale und der entsprechenden Widerstandsänderung des ersten Messaufnehmerelements; und Bestimmen einer ersten idealen Eingangsfrequenz, die eine Phasenverzögerung zwischen einem idealen zeitabhängigen Eingangssignal und der Widerstandsänderung des ersten Messaufnehmerelements erzeugen würde, und die im Wesentlichen gleich einem ersten kalibrierten Phasenverzögerungswert ist.
Ein Verfahren zur Bereitstellung von Kalibrierphasenverzögerungsdaten für das erste Messaufnehmerelement kann die folgenden Schritte aufweisen: Aufbauen eines Vakuumzustands am ersten Messaufnehmerelement; Erregen des ersten Messaufnehmerelements mit einem oder mehreren ersten Messaufnehmereingangssignalen, wobei jedes dieser Signale eine andere Frequenz aufweist; und Bestimmen einer Anzahl erster kalibrierten Phasenverzögerungswerte zwischen den ersten Messaufnehmereingangssignalen und der entsprechenden Widerstandsänderung des ersten Messaufnehmerelements.
Entsprechende Verfahren können für ein zweites Messaufnehmerelement verwendet werden.
Nachdem somit die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, werden Fachleute ohne weiteres erkennen, dass die hierin dargelegten Lehren auf weitere Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der dieser Beschreibung angehängten Ansprüche angewandt werden können.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer ausgewählten Eigenschaft eines Fluids von Interesse, aufweisend: Heizvorrichtungsmittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das Heizvorrichtungsmittel einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur ändert; Heizvorrichtungsausgabemittel zum Bereitstellen eines Heizvorrichtungsausgabesignals, das sich auf den Widerstand der Heizvorrichtungsmittel bezieht; Messaufnehmermittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das Messaufnehmermittel einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur ändert; Messaufnehmerausgabemittel zum Bereitstellen eines Messaufnehmerausgabesignals, das sich auf den Widerstand des Messaufnehmermittels bezieht; Erregermittel zum Bereitstellen eines regelmäßigen zeitabhängigen Eingangssignals; erstes Schaltmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Heizvorrichtungsmittel; zweites Schaltmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Messaufnehmermittel; und Bestimmungsmittel, das zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Heizvorrichtungsmittel mit dem ersten Schaltmittel gekoppelt ist, und das des Weiteren zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Messaufnehmermittel mit dem zweiten Schaltmittel gekoppelt ist. wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizvorrichtungsausgabesignal und dem Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem Heizvorrichtungsmittel verbunden ist, und wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und dem Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem Messaufnehmermittel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und dem Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem Heizvorrichtungsmittel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bestimmungsmittel Laufzeitphasenverschiebung zwischen dem Heizvorrichtungsmittel und dem Messaufnehmermittel ermittelt, indem es die Messaufnehmerphasenverzögerung von der Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung subtrahiert.
Verfahren zur Bestimmung einer ausgewählten Eigenschaft eines Fluids von Interesse, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines zeitabhängigen Eingangssignals; Koppeln des Eingangssignals mit einem Heizvorrichtungselement, das thermisch mit dem Fluid von In teresse gekoppelt ist, wodurch das Eingangssignal eine Temperaturänderung im Heizvorrichtungselement und im Fluid von Interesse hervorruft; Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch ein Messaufnehmerelement; Ermitteln einer Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizvorrichtungselement zum Messaufnehmerelement wandert; Entkoppeln des Eingangssignals vom Heizvorrichtungselement; Koppeln des Eingangssignals mit dem Messaufnehmerelement, wodurch das Eingangssignal eine Temperaturänderung im Messaufnehmerelement hervorruft; Ermitteln einer Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im Messaufnehmerelement; Subtrahieren der Messaufnehmerphasenverzögerung von der Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer Laufzeitphasenverschiebung; und Ermitteln der ausgewählten Eigenschaft des Fluids von Interesse durch Verwendung der Laufzeitphasenverschiebung.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung durch eine FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Analyse ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Messaufneh mer-Phasenverzögerung durch eine FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Analyse ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ausgewählte Eigenschaft die thermische Diffusionsfähigkeit ist.
Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse, aufweisend: Heizvorrichtungsmittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das Heizvorrichtungsmittel einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur ändert; Heizvorrichtungsausgabemittel zum Bereitstellen eines Heizvorrichtungsausgabesignals, das sich auf den Widerstand des Heizvorrichtungsmittels bezieht; erstes Messaufnehmermittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das erste Messaufnehmermittel in einem ersten Abstand vom Heizvorrichtungsmittel angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur ändert; erstes Messaufnehmerausgabemittel zum Bereitstellen eines ersten Messaufnehmerausgabesignals, das sich auf den Widerstand des ersten Messaufnehmermittels bezieht; zweites Messaufnehmermittel in thermischer Verbindung mit dem Fluid von Interesse, wobei das zweite Messaufnehmermittel in einem zweiten Abstand vom Heizvorrichtungsmittel angeordnet ist und einen Widerstand aufweist, der sich mit der Temperatur verändert; zweites Messaufnehmerausgabemittel zum Bereitstellen eines zweiten Messaufnehmerausgabesignals, das sich auf den Widerstand des zweiten Messaufnehmermittels bezieht; Erregermittel zum Bereitstellen eines regelmäßigen zeitabhängigen Eingangssignals; erstes Schaltmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Heizvorrichtungsmittel; und zweites Schaltmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem ersten Messaufnehmermittel; drittes Schaltmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem zweiten Messaufnehmermittel; und Bestimmungsmittel, das zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem Heizvorrichtungsmittel mit dem ersten Schaltmittel gekoppelt ist, und das des Weiteren zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem ersten Messaufnehmermittel mit dem zweiten Schaltmittel gekoppelt ist, wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine erste Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizvorrichtungsausgabesignal und dem ersten Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem Heizvorrichtungsmittel verbunden ist, und wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine erste Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und dem ersten Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem ersten Messaufnehmermittel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine zweite Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Heizvorrichtungsausgabesignal und dem zweiten Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem Heizvorrichtungsmittel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Bestimmungsmittel eine erste Laufzeitphasenverschiebung zwischen dem Heizvorrichtungsmittel und dem ersten Messaufnehmermittel ermittelt, indem es die erste Messaufnehmerphasenverzögerung von der ersten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung subtrahiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Bestimmungsmittel zum auswählenden Verbinden des Erregermittels mit dem zweiten Messaufnehmermittel des Weiteren mit dem dritten Schaltmittel gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Bestimmungsmittel des Weiteren eine zweite Messaufnehmer-Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und dem zweiten Messaufnehmerausgabesignal ermittelt, wenn das Erregermittel auswählend mit dem zweiten Messaufnehmermittel verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Bestimmungsmittel eine zweite Laufzeitphasenverschiebung zwischen dem Heizvorrichtungsmittel und dem zweiten Messaufnehmermittel ermittelt, indem es die zweite Messaufnehmerphasenverzögerung von der zweiten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung subtrahiert.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Bestimmungsmittel durch Verwendung der ersten Laufzeitphasenverschiebung und der zweiten Laufzeitphasenverschiebung die Geschwindigkeit des Fluids von Interesse ermittelt.
Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Fluids von Interesse, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines zeitabhängigen Eingangssignals; Koppeln des Eingangssignals mit einem Heizvorrichtungselement, das thermisch mit dem Fluid von Interesse gekoppelt ist, wodurch das Eingangssignal eine Temperaturänderung im Heizvorrichtungselement und im Fluid von Interesse hervorruft; Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer ersten Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch ein erstes Messaufnehmerelement; Ermitteln einer ersten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizvorrichtungselement zum ersten Messaufnehmerelement wandert; Erfassen der Temperaturänderung im Fluid von Interesse an einer zweiten Stelle, die in einem Abstand angeordnet ist, durch ein zweites Messaufnehmerelement; Ermitteln einer zweiten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung für die Temperaturänderung im Fluid, die vom Heizvorrichtungselement zum zweiten Messaufnehmerelement wandert; Entkoppeln des Eingangssignals vom Heizvorrichtungselement; Koppeln des Eingangssignals mit dem ersten Messaufnehmerelement, wodurch das Eingangssignal eine Temperaturänderung im ersten Messaufnehmerelement hervorruft; Ermitteln einer ersten Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im ersten Messaufnehmerelement; Subtrahieren der ersten Messaufnehmerphasenverzögerung von der ersten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer ersten Laufzeitphasenverschiebung; Koppeln des Eingangssignals mit dem zweiten Messaufnehmerelement, wodurch das Eingangssignal eine Temperaturänderung im zweiten Messaufnehmerelement hervorruft; Ermitteln einer zweiten Messaufnehmerphasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturänderung im zweiten Messaufnehmerelement; Subtrahieren der zweiten Messaufnehmerphasenverzögerung von der zweiten Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung zum Bereitstellen einer zweiten Laufzeitphasenverschiebung; und Ermitteln der Geschwindigkeit des Fluids von Interesse durch Verwendung der ersten Laufzeitphasenverschiebung und der zweiten Laufzeitphasenverschiebung.
Verfahren nach Anspruch 15, des Weiteren aufweisend den Schritt des Entkoppelns des Eingangssig nals vom ersten Messaufnehmerelement vor dem Koppeln des Eingangssignals mit dem zweiten Messaufnehmerelement.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung und die zweite Heizvorrichtung-zu-Messaufnehmer-Phasenverzögerung durch eine FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Analyse ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Messaufnehmer-Phasenverzögerung und die zweite Messaufnehmer-Phasenverzögerung durch eine FFT-(schnelle Fourier-Transformations-)Analyse ermittelt werden.