DE10224637A1

DE10224637A1 - Massenstromraten-Messverfahren und Massenstromraten-Steuervorrichtung

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Publication number: DE10224637A1
Application number: DE10224637A
Authority: DE
Inventors: Toru Horiuchi; Kenji Shinozaki
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP2002372443A; JP3604354B2; DE10224637B4; US6671584B2; US20020193911A1

Abstract

Die reale Massenstromrate wird für eine Vielzahl von Gasen berechnet. Die Vielzahl von Gasen wird in einer Vielzahl von Klassen (A bis D) klassifiziert und repräsentative Auslasskoeffizienten (Cda bis Cde) werden vorab für die jeweiligen Klassen bestimmt. Wenn ein stromaufwärtsseitiger Druck (Pu) und eine Temperatur (T) für ein bestimmtes Gas stromaufwärts einer schallblockierten Düse (12) erfasst werden, wird eine theoretische Massenstromrate (Qth) berechnet. Nach der Berechnung der theoretischen Massenstromrate (Qth) wird Bezug auf eine theoretische Massenstromrate-Auslasskoeffizienten-Korrespondenztabelle (52) genommen, die in einem Speicher (36) korrespondierend zu der Klassifikation (A bis E) des Gases gespeichert wurde, um einen gewünschten Auslasskoeffizienten (Cd) auszuwählen. Nach Auswahl des Auslasskoeffizienten (Cd) wird eine reale Massenstromrate (Qtr) durch ein Produkt des ausgewählten Auslasskoeffizienten (Cd) und der theoretischen Massenstromrate (Qth) bestimmt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Massenstromraten- Messverfahren und eine Massenstromraten-Steuervorrichtung mit Öffnung (Blende), welche als schallblockierte Düse dient.

Stand der Technik

Grundsätzlich ist es ausgesprochen schwierig, mit einer Blende eine sehr kleine Durchflussrate eines gasförmigen Fluides zu messen. Insbesondere besteht ein Unterschied zwischen der realen Massenstromrate (nachfolgend als "Qtr") und der theoretischen Massenstromrate (nachfolgend als "Qth" bezeichnet), die aus den jeweiligen Zustandsmengen errechnet wird.

Dementsprechend wird bei einer herkömmlichen Massenstromraten- Steuervorrichtung, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-335117 beschrieben wird, der Auslasskoeffizient Cd, der Qtr = Qth × Cd verwenden muss, vorab als Korrespondenztabelle Cd = f(Rth) festgelegt. Rth steht für die theoretische Reynoldszahl.

Tatsächlich werden die theoretische Reynoldszahl Rth und die theoretische Massenstromrate Qth durch Feststellen des Druckes und der Temperatur stromaufwärts der Blende berechnet. Der Auslasskoeffizient Cd, der mit der theoretischen Reynoldszahl Rth korrespondiert, wird mit Bezug auf die Korrespondenztabelle festgelegt. Die reale Massenstromrate wird durch die Gleichung Qtr = Qth × Cd bestimmt.

Der Erfinder dieser Anmeldung hat jedoch herausgefunden, dass der Wert des Auslasskoeffizienten Cd in Abhängigkeit von der Art des Gases differiert.

Daher ist es zum Steuern der Massenstromrate entsprechend einer Vielzahl von Gasarten bei Verwendung der herkömmlichen Massenstromraten- Steuervorrichtung notwendig, vorab in dem Speicher eine Korrespondenztabelle für den Auslasskoeffizienten Cd jeder der Vielzahl von Gasarten abzuspeichern. Als Folge hiervon wird die Speicherkapazität zum Abspeichern der Korrespondenztabelle erhöht.

Wenn die herkömmliche Massenstromraten-Steuervorrichtung die Temperatur des Gases misst, berührt ein Temperaturerfassungselement direkt das Gas in dem Durchflussdurchgang. Das Temperaturerfassungselement kann aber durch Korrosion oder dgl. beschädigt sein, was es abhängig von der Art des Gases unmöglich macht, die Massenstromraten-Steuervorrichtung zu verwenden. Das Temperaturerfassungselement, das in dem Durchflussdurchgang angeordnet ist, kann auch den Gasstrom stören.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Massenstromraten- Messverfahren und eine Massenstromraten-Steuervorrichtung vorzuschlagen, welche die Speicherkapazität zum Abspeichern einer Korrespondenztabelle nicht so stark erhöht, auch wenn eine große Zahl von Gasarten eingesetzt wird. Außerdem soll die Massenstromraten-Steuervorrichtung ein Temperaturerfassungselement nicht korrodieren und den Gasstrom in einem Durchflussdurchgang nicht stören.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden vorab die Korrespondenzbeziehungen einer Vielzahl von Auslasskoeffizienten, die über eine physikalische Eigenschaft jedes der Gase klassifiziert sind, relativ zu den theoretischen Massenstromraten festgelegt. Daher kann eine identische Korrespondenzrelation für Gasarten verwendet werden, deren physikalische Eigenschaften einander ähnlich sind. Dementsprechend ist es auch dann, wenn die Zahl der Gasarten zunimmt, nicht notwendig, die Speicherkapazität zum Speichern einer Korrespondenztabelle so stark zu vergrößern, um eine reale Massenstromrate festzulegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung speichert eine Speichereinrichtung vorab bestimmte Korrespondenzrelationen einer Vielzahl von Auslasskoeffizienten, die über physikalische Eigenschaften jedes der Gase klassifiziert sind, relativ zu theoretischen Massenstromraten.

Ein Gastemperatur-Feststellmittel erfasst erfindungsgemäß eine Oberflächentemperatur eines metallischen Elementes, das einen Teil eines Durchflussdurchganges aufweist. Dementsprechend ist es nicht notwendig, die Temperatur eines Fluides direkt zu messen. Ein Temperaturerfassungselement des Temperaturfeststellmittels wird nicht korrodiert und der Gasstrom in dem Durchflussdurchgang wird nicht gestört, wenn die Temperatur erfasst wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer gastypische physikalische Eigenschaft- Klassifikations-Korrespondenztabelle.
Fig. 3 zeigt eine theoretische Massenstromraten-Auslasskoeffizient- Korrespondenztabelle.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, die dazu verwendet wird, die theoretische Massenstromraten-Auslasskoeffizient- Korrespondenztabelle zu erstellen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel der praktischen Messung des Auslasskoeffizienten.
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der beispielhaften Anordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer Massenstromraten- Steuervorrichtung 10 zur Durchführung eines Massenstromraten- Messverfahrens gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Massenstromraten-Steuervorrichtung 10 hat einen Durchflussdurchgang 14. Eine Öffnung (Blende) 12 ist in den Durchflussdurchgang 14 eingesetzt und dient als feste Drossel, die als schallblockierte Düse wirkt. Die Blende 12 der vorliegenden Ausführungsform ist eine Blende für einen Strom von 100 [cc/min] mit einem Durchmesser von 0,18 mm.
Ein Steuerventil 16, das als Druckvariationsmittel dient, ist in dem Durchflussdurchgang 14 stromaufwärts der Blende 12 angeordnet. Das Steuerventil 16 steht über einen Einlassanschluss 18, der stromaufwärts angeordnet ist, mit einer Gaszufuhrquelle 20 in Verbindung.
Stromabwärts der Blende 12 ist der Durchflussdurchgang 14 über einen Ausgangsanschluss 22 mit einer Vakuumpumpe 24 verbunden.
Ein Drucksensor 26 als stromaufwärtsseitiges Druckfeststellmittel zur Erfassung des stromaufwärtsseitigen Druckes Pu und ein Temperatursensor 28 als Gastemperaturerfassungsmittel zur Erfassung der Gastemperatur T sind in dem Durchflussdurchgang 15 stromaufwärts der Blende 12 angeordnet. Der Ausgang des Drucksensors 26 und des Temperatursensors 28 wird einem Mikrocomputer 30 als Steuereinrichtung zugeführt.
Ein Drucksensor 32 als stromabwärtsseitiges Druckerfassungsmittel zur Erfassung des stromabwärtsseitigen Druckes Pd ist stromabwärts der Blende 12 in dem Durchflussdurchgang 14 angeordnet. Der Ausgang des Drucksensors 32 wird ebenfalls dem Mikrocomputer 30 zugeführt.
Der Mikrocomputer 30 ist eine Rechenmaschine. Der Mikrocomputer 30 umfasst eine CPU (Zentraleinheit) 34, einen ROM-Speicher (nur Lesespeicher, einschließlich EEPROM) 36 als Speichermittel, einen RAM-Speicher (random access memory) 38, eine Schnittstelle (I/F) 40 mit bspw. einem A/D-Wandler (Analog-/Digitalwandler), einem D/A-Wandler (Digital-/Analogwandler) und I/O (Input/Output) und andere Komponenten mit bspw. einem Timer als Zeitmesseinrichtung. Der Mikrocomputer 30 dient bspw. als Steuereinheit, Recheneinheit und Verarbeitungseinheit.
Der Ausgang der Drucksensoren 26, 32 und des Temperatursensors 28 werden in den stromaufwärtsseitigen Druck Pu, den stromabwärtsseitigen Druck Pd und die Gastemperatur T unter Verwendung des A/D-Wandlers der Schnittstelle 40 des Mikrocomputers 30 als digitale Daten umgewandelt, die in dem RAM- Speicher 38 gespeichert werden.
Ein Setup/Input-Abschnitt 42 für die Eingabe/das Einstellen der Gasart und der Zielmassenstromrate (nachfolgend als "Qta") bezeichnet, ist mit dem Mikrocomputer 30 verbunden.
Der Mikrocomputer 30 vollzieht eine vorgeschriebene Verarbeitung, die später beschrieben wird, auf der Basis der eingegebenen Gasart, der Zielmassenstromrate Qta, des festgestellten stromaufwärtsseitigen Druckes Pu, der Gastemperatur und des stromabwärtsseitigen Druckes Pd. Der Mikrocomputer 30 variiert den Öffnungsgrad des Steuerventils 16 über einen Antrieb 44 und den D/A-Wandler der Schnittstelle 40 auf der Basis der durch die Datenverarbeitung erhaltenden Ergebnisse. Daher entspricht die reale Massenstromrate Qtr des durch den Durchflussdurchgang 14 fließenden Gases der Zielmassenstromrate Qta.
Ein Steuerprogramm sowie eine "gastypische physikalische-Eigenschaft"- Klassifikations-Korrespondenztabelle 50, die in Fig. 2 gezeigt ist, und eine theoretische Massenstromrate-Auslasskoeffizient-Korrespondenztabelle 52, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind vorab in dem ROM-Speicher 36 so gespeichert, dass sie aktualisiert werden können.
Die in Fig. 2 gezeigte gastypische physikalische-Eigenschaft-Klassifikations- Korrespondenztabelle 50 speichert die Gasarten einschließlich bspw. Luft (LUFT), Stickstoff (N₂), Argon (Ar) und Tetrafluorethylen (CF₄), das spezifische Wärmeverhältnis k (Verhältnis zwischen der spezifischen Wärme bei konstantem Druck und der spezifischen Wärme bei konstanten Volumen) als der physikalischen Eigenschaft jedes dieser Gase, und die Klassifikation α (α = A bis D, . . .), die die Korrespondenzrelation relativ zu jeder der Klassen A, B, C, D, E anzeigt, die in der in Fig. 3 gezeigten theoretischen Massenstromrate- Auslasskoeffizient-Korrespondenztabelle 52 dargestellt sind.
Die in Fig. 3 gezeigte theoretische Massenstromrate-Auslasskoeffizient- Korrespondenztabelle 52 speichert (registriert) die Klassifikationen α (α = A bis D, . . .) als Klassenseparation, und die Charakteristiken der Auslasskoeffizienten Cda bis Cde als repräsentative Charakteristiken der jeweiligen Klassen A, B, C, D, E. Die Klassifikationen α und die Auslasskoeffizienten Cda bis Cde können auch mit angenäherten Ausdrücken von Polynomgleichungen gespeichert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Klassifikation α die fünf Klassen. Die Zahl der Klassen kann aber nach Bedarf geändert werden. Die Auslasskoeffizienten Cda bis Cde als repräsentative Charakteristiken bestehen aus Kurven, die entlang zentraler Werte der jeweiligen Klassifikationen A bis E dargestellt werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren erläutert, mit dem die in Fig. 2 gezeigte gastypische physikalische-Eigenschaft-Klassifikations-Korrespondenztabelle 50 und die theoretische Massenstromrate-Auslasskoeffizient-Korrespondenztabelle 52 gemäß Fig. 3 erstellt werden. Mit anderen Worten werden die Schritte der Festlegung der Korrespondenzrelationen der Vielzahl von Auslasskoeffizienten Cd relativ zu den theoretischen Massenstromraten Qth erläutert, wobei die Vielzahl von Auslasskoeffizienten Cd durch die physikalische Eigenschaft des durch den Durchflussdurchgang 14, in welchem die Blende 12 als schallblockierte Düse mit bekannter Querschnittsfläche in Reihe angeordnet ist, klassifiziert werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind eine Massenstromsteuerung 60 und ein Massenstrommesser 62 in Reihe zwischen der Gaszufuhrquelle 20 für die Zufuhr des Gases als dem Messgegenstand und dem Einlassanschluss 18 angeschlossen.
Anschließend werden die Durchflussraten mit der Massenstromsteuerung 60 für jedes der zu messenden Gase nacheinander innerhalb eines Messbereiches eingestellt. Beispielsweise werden nacheinander die Durchflussraten von 10%, 20%, 30%, . . ., 80%, 90%, 100% eingestellt.
Das zu messende Gas umfasst bspw. Luft (LUFT), Stickstoff (N₂), Argon (Ar), Tetrafluorethylen (CF₄) und Kohlendioxid (CO₂).
Wenn der Wert des Massenstrommessers 62 sich während des Einstellens jeder der Durchflussraten des jeweiligen Gases stabilisiert, werden anschließend die nachfolgenden Zustandsmengen gemessen:
Die reale Massenstromrate Qtr wird mit dem Massenstrommesser 62 gemessen, der stromaufwärtsseitige Druck Pu wird mit dem Drucksensor 26 gemessen, die stromaufwärtsseitige Gastemperatur T wird mit dem Temperatursensor 28 gemessen und der stromabwärtsseitige Druck Pd wird mit dem Drucksensor 32 gemessen.
Anschließend wird die theoretische Massenstromrate Qth an jedem Messzeitpunkt aus den gemessenen Daten mit folgender Gleichung (1) berechnet.

Qth = A.Pu.(2/(k+1))^1/(k-1).[(k/(k+1)).(2/(R.T))^S (1)
A steht für die wirksame Querschnittsfläche [m²] der Blende 12, k steht für das spezifische Wärmeverhältnis und R steht für die Gaskonstante (J/kg.K].
Anschließend wird mit der folgenden Gleichung (2) der Auslasskoeffizient Cd als der Wert berechnet, der durch Division der realen Massenstromrate Qtr, welche mit dem Massenstrommesser 62 gemessen wurde, durch die theoretische Massenstromrate Qth an jedem Messzeitpunkt erhalten wird.

Cd = Atr/Qth (2)
Fig. 5 zeigt beispielhafte Charakteristiken der theoretischen Massenstromrate Qth und des Auslasskoeffizienten Cd für die Vielzahl von Gasen, die mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung bestimmt wurden.
In Fig. 5 ergibt sich, dass Tetrafluorethylengas CF₄ in der Klassifikation A, Luft (LUFT) und Stickstoffgas N₂ in der Klassifikation C, und Argongas Ar in der Klasse D klassifiziert wurde. Wie oben beschrieben wurde, werden die in Fig. 2 gezeigte gastypische-physikalische-Eigenschaft-Klassifikations-Korrespondenztabelle 50 und die theoretische Massenstromrate-Ausslasskoeffizient-Korrespondenztabelle 52 aus dem festgelegten Auslasskoeffizienten Cd und der Klassifikation α erstellt und in dem ROM-Speicher 36 gespeichert. Das spezifische Wärmeverhältnis k ist bekannt, soweit die Gasart bekannt ist.
Die Betriebsweise der Ausführungsform wird nachfolgend im Detail auf der Basis des Fließdiagrammes eines Anwendungsprogrammes erläutert, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Die Steuereinheit ist die CPU 34, wenn nicht anders angegeben.
In Schritt S1, wird die Gasart, deren Durchflussrate gesteuert wird, von dem Setup/Input-Abschnitt 42 gemäß Fig. 1 eingegeben. Außerdem wird die Zielmassenstromrate Qta eingegeben. Dementsprechend werden die eingegebenen Daten in dem festgelegten Bereich in dem RAM-Speicher 38 gespeichert.
Im Schritt S2 stellt die CPU 34 mit Hilfe des Antriebs 44 den Öffnungsgrad des Steuerventils 16 auf einen Wert nahe der Zielmassenstromrate Qta ein. Dementsprechend wird das Gas, welches durch den Setup/Input-Abschnitt 42 eingestellt wurde, von der Gaszufuhrquelle 20 zu dem Einlassanschluss 18 in der Massenstromraten-Steuereinrichtung 10 geführt.
Das Gas, das der Massenstromraten-Steuervorrichtung 10 zugeführt wurde, wird dem Durchflussdurchgang 14 an der stromabwärtsseitigen Seite über den Zufuhranschluss 18, das Steuerventil 16, den Durchflussdurchgang 14 an der stromaufwärtsseitigen Seite und die Blende 12 zugeführt. Das Gas wird über den Ausgangsanschluss 22 der Vakuumpumpe 24 zugeführt, die an der Ausgangsseite der Massenstromraten-Steuervorrichtung 10 angeordnet ist.
In Schritt S3 werden der stromaufwärtsseitige Druck Pu, der stromabwärtsseitige Druck Pd und die stromaufwärtsseitige Gastemperatur T durch die jeweiligen Drucksensoren 26, 32 und den Temperatursensor 26 gemessen, und die gemessenen Werte werde in dem RAM-Speicher 38 gespeichert, unter der Bedingung, dass der stromaufwärtsseitige Druck Pu und der stromabwärtsseitige Druck Pd, die über die Drucksensoren 26, 32 überwacht werden, stabilisiert sind.
In Schritt S4 wird überprüft, dass der Wert, der durch Dividieren des stromabwärtsseitigen Druckes Pd durch den stromaufwärtsseitigen Druck Pu erhalten wird, nicht größer ist als das kritische Druckverhältnis (um zu überprüfen, ob die Massenstromraten-Steuervorrichtung 10 normal arbeitet oder nicht). Unter der Bedingung, dass der Wert nicht größer ist als das kritische Druckverhältnis, d. h. unter der Bedingung, dass die Blende 12 als schallblockierte Düse arbeitet, wird die theoretische Massenstromrate Qth mit der Gleichung (1) (zuvor in dem ROM-Speicher 36 gespeichert) berechnet. Das spezifische Wärmeverhältnis k in der Gleichung (1) ist bekannt durch Bezugnahme auf die gastypische-physikalische-Eigenschaft-Klassifikations-Korrespondenztabelle 50 auf der Basis der Gasart, die in Schritt S1 eingestellt und eingegeben wurde. Der zuvor in dem ROM-Speicher 36 gespeicherte Wert kann als Gaskonstante R verwendet werden.
Im Schritt S5 kann der Wert des Auslasskoeffizienten Cd, welcher mit der theoretischen Massendurchflussrate Qth korrespondiert, die durch Berechnung aus der Charakteristik des korrespondierenden Auslasskoeffizienten Cd der fünf Auslasskoeffizienten Cca bis Cde bestimmt wurde, durch Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigte theoretische Massenstromrate-Auslasskoeffizient-Korrespondenztabelle 52 festgelegt werden, wobei die Parameter der bestimmten theoretischen Massendurchflussrate Qth und der Klassifikation α auf der physikalischen Eigenschaft des durch den Durchflussdurchgang 14 fließenden Gases basieren (die Klassifikation α ist bekannt durch Bezugnahme auf die gastypische physikalische Eigenschaft-Klassifikations-Korrespondenztabelle 50 und die eingestellte und eingegebene Gasart). Das heißt, dass dann wenn die Gasart in der Klasse A klassifiziert wird, Bezug genommen wird auf die Charakteristik des Auslasskoeffizienten Cda in Fig. 3, um den Wert des Auslasskoeffizienten Cd abzuleiten, der entlang der vertikalen Achse abgetragen wird, entsprechend der theoretischen Massenstromrate Qth, die entlang der horizontalen Achse abgetragen wird.
Die gegenwärtige reale Massenstromrate Qtr des durch den Durchflussdurchgang 14 fließenden Gases wird mit folgender Gleichung (3) bestimmt, die durch Bearbeiten der Gleichung (2) mit dem abgeleiteten Auslasskoeffizienten Cd und der theoretischen Massenstromrate Qth erhalten wird, d. h. gemäß dem Produkt aus Auslasskoeffizient Cd und theoretischer Massenstromrate Qth.

Qtr = Cd.Qth (3)
In Schritt S7 wird beurteilt, ob die wie oben bestimmte gegenwärtige reale Massenstromrate Qtr mit der Zielmassenstromrate Qta übereinstimmt. Stimmt die gegenwärtige reale Massenstromrate Qtr nicht mit der Zielmassenstromrate Qta überein, so wird die Verarbeitung einschließlich der Regulierung des Steuerventiles 16 und der nachfolgenden Schritte S2 bis S4 durchgeführt bis die gegenwärtige reale Massenstromrate Qtr mit der Zielmassenstromrate Qta übereinstimmt.
Nachdem die Beurteilung in Schritt S7 das gewünschte Ergebnis ergibt, wird der Beurteilungsvorgang in Schritt S7 in Intervallen mit bestimmten Zeitabständen wiederholt, um zu überwachen, dass die reale Massenstromrate Qtr mit der Zielmassenstromrate Qta übereinstimmt. Weichen diese beiden voneinander ab, werden die Bearbeitungsschritte S2 ff. durchgeführt.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform, wie in Fig. 3 gezeigt, werden die Korrespondenzrelationen der Vielzahl von Auslasskoeffizienten Cda bis Cde, welche durch die physikalische Eigenschaft (bspw. das spezifische Wärmeverhältnis k) des Gases klassifiziert (α, die fünf Klassen bei dieser Ausführungsform) sind, relativ zu den theoretischen Massenstromraten Qth vorbestimmt. Daher kann die gleiche Korrespondenzrelation für die Gasarten verwendet werden, deren physikalische Eigenschaften einander ähnlich sind. Auch wenn die Zahl der Gasarten erhöht wird, reicht es aus, dass die geeignete Klasse, welche das Gas umfasst, in der Klassenspalte der in Fig. 2 gezeigten gastypischephysikalische-Eigenschaft-Klassifikations-Korrespondenztabelle 50 gespeichert wird. Es ist nicht notwendig, eine neue Charakteristik des Auslasskoeffizienten Cd entsprechend dem zugeführten Gas zu besitzen. Dadurch ist es nicht notwendig, die Speicherkapazität zum Speichern der Korrespondenztabelle, die erforderlich ist, um die reale Massenstromrate Qtr festzulegen, so stark zu erhöhen wie beim Stand der Technik.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung einer Massenstromratensteuervorrichtung 10a gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Massenstromratensteuervorrichtung 10a unterscheidet sich von der Massenstromratensteuervorrichtung 10 gemäß Fig. 1 dahingehend, dass ein Teil des Durchflussdurchgangs 14 stromaufwärts der Blende 12 ein metallisches Element 54 aufweist, das auf einem Block aus rostfreiem Stahl oder dergleichen basiert. Das metallische Element 54 hat eine hohe Wärmekapazität und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Nachdem die Temperatur einmal den Gleichgewichtszustand erreicht hat, ist daher die Oberflächentemperatur gleich der Temperatur des durch den in dem Metallelement 54 ausgebildeten Durchflussdurchgang 14 fließenden Gases.
Wenn die Oberflächentemperatur des Metallelementes 54 durch den Temperatursensor 28 erfasst wird, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, kann daher die Temperatur des Gases gemessen werden.
Es ist daher nicht notwendig, die Temperatur des Gases mit Hilfe des Temperatursensors 28 direkt zu erfassen, wodurch eine Korrosion des Temperaturerfassungselementes des Temperatursensors 28 vermieden und eine Störung des Gasstromes in dem Durchflussdurchgang 14 vermieden wird.
Mit der vorliegenden Erfindung kann die reale Massenstromrate mit geringer Speicherkapazität gemessen werden, auch wenn die Gasart variiert.
Wenn die repräsentativen Auslasskoeffizienten registriert sind, kann außerdem die reale Massenstromrate effizient mit hoher Genauigkeit für eine Vielzahl von Gasarten berechnet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Massenstromraten-Steuervorrichtung wird auch bei einem korrosiven Gas das Temperaturerfassungselement des Temperaturfeststellmittels nicht korrodiert und der Gasstrom in dem Durchflussdurchgang nicht gestört.

Claims

1. Massenstromraten-Messverfahren zum Messen der realen Massenstromrate eines durch einen Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases, wobei in dem Durchflussdurchgang (14) eine Düse (12) mit bekannter Querschnittsfläche in Reihe angeordnet ist, und wobei das Massenstromraten-Messverfahren folgende Schritte aufweist:
vorab Festlegung von Korrespondenzrelationen einer Vielzahl von Auslasskoeffizienten, die durch eine physikalische Eigenschaft jedes der Gase klassifiziert sind, relativ zu theoretischen Massenstromraten,
Messen eines Druckes und einer Temperatur des Gases stromaufwärts der Düse (12), wenn die reale Massenstromrate des durch den Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases gemessen wird,
Festlegen der theoretischen Massenstromrate auf der Basis der physikalischen Eigenschaft des durch den Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases und des gemessenen Druckes und der Temperatur,
Festlegen des Auslasskoeffizienten durch Bezugnahme auf die Korrespondenzrelation mit Parametern der festgelegten theoretischen Massenstromrate und der Klassifikation auf der Basis der physikalischen Eigenschaft des durch den Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases und
Festlegen der realen Massenstromrate durch Bilden eines Produktes des bestimmten Auslasskoeffizienten und der theoretischen Massenstromrate.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikatische Eigenschaft des Gases ein spezifisches Wärmeverhältnis ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas wenigstens zwei Gase aus der Gruppe Luft, Stickstoff, Argon und Kohlendioxid enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrespondenzrelation in dem Auslasskoeffizienten als repräsentativer Charakteristik jeder der Klassen besteht.

5. Massenstromraten-Steuervorrichtung mit
einer Blende (12) mit bekannter Querschnittsfläche in einem Durchflussdurchgang (14) für die Zufuhr eines von einer Gaszufuhrquelle (20) über eine Druckvariationseinrichtung (16), eine stromaufwärtsseitige Druckfeststelleinrichtung (26) und eine Gastemperaturfeststelleinrichtung (28), die stromaufwärts der Blende (12) angeordnet sind, und eine stromabwärtsseitige Druckfeststelleinrichtung (32), die stromabwärts der Öffnung (12) angeordnet ist, zu einem Ziel zugeführten Gases,
Speichermitteln (36) zum Speichern vorab festgelegter Korrespondenzrelationen einer Vielzahl von Auslasskoeffizienten, die durch eine physikalische Eigenschaft jedes der Gase klassifiziert sind, relativ zu theoretischen Massenstromraten und
einer Steuereinrichtung (30) zum Variieren der Druckvariationseinrichtung (16) auf der Basis einer Gasart, einer Zielmassenstromrate sowie eines stromaufwärtsseitigen Druckes, einer Gastemperatur und eines stromabwärtsseitigen Druckes, welche durch die jeweiligen Feststelleinrichtung erfasst wurden, um die Steuerung so durchzuführen, dass eine reale Massenstromrate des durch den Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases mit der Zielmassenstromrate übereinstimmt,
wobei die theoretische Massenstromrate durch die Steuereinrichtung (30) festgelegt wird, wenn an der Blende (12) ein Verhältnis von nicht mehr als einem kritischen Druckverhältnis herrscht, wenn die Gasart und die Zielmassenstromrate gegeben sind, wobei der Auslasskoeffizient durch Bezugnahme auf die Korrespondenzrelation in der Speichereinrichtung (36) mit Parametern der bestimmten theoretischen Massenstromrate und der Klassifikation auf der Basis der physikalischen Eigenschaft des durch den Durchflussdurchgang (14) fließenden Gases bestimmt wird, wobei die reale Massenstromrate durch ein Produkt des bestimmten Auslasskoeffizienten und der bestimmten theoretischen Massenstromrate festgelegt wird, und wobei die Druckvariationsmittel (16) so feedback-gesteuert sind, dass die bestimmte reale Massenstromrate mit der Zielmassenstromrate übereinstimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastemperaturerfassungsmittel (28) eine Oberflächentemperatur eines Metallelementes (54) erfassen, welches einen Teil des Durchflussdurchgangs (14) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Eigenschaft des Gases ein spezifisches Wärmeverhältnis ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas wenigstens zwei Gase aus der Gruppe Luft, Stickstoff, Argon und Kohlendioxid umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrespondenzrelation in dem Auslasskoeffizienten als einer repräsentativen Charakteristik jeder der Klassen besteht.