自振荡流体传感器制造技术

利用自振荡流体传感器确定所述流体性质的方法和设备。在优选实施例中，提供一传感器，使其工作在与流经流体的温度扰动的渡越时间有关的频率处。基于该渡越时间，可以确定流体的所选流体性质。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于确定流体的性质，具体地是所测流体的热导率，热扩散率，比热和流体速度。
技术介绍
已经设计了一些方法测量流体热导率，热扩散率，比热和流体速度。典型地，通过使用各种类型的探测器包括电阻桥型传感器测量这些特性。确定热导率的一个方法，即将惠斯登电桥一臂上的加热元件放置在所测流体样品通过的一个空腔内，已在U.S专利4735082中做了叙述。通过交变电流、电压或功率改变输入电压，以使加热的元件将一系列不同量的热能引进到所测的流体中。这样由于周围流体热性能改变引起的消耗功率的变化作为电压、电流或电阻变化的信号可以被探测到。测量流体的一个性质是流体的热导率。对於电阻热感应变化的测量，下面将详细讨论，特别是图1-5中介绍的现有技术，描述了支持小而精密的“微电桥”或“微薄膜”半导体片的传感器，这些微元件通常用作加热器和传感器。这样的传感器包括测量流速用的靠近薄膜加热器元件的薄片传感器对。这类半导体片传感器在U.S专利NO4478076，U.S专利NO4478077，U.S专利NO4501，144，U.S专利NO4651564，U.S专利NO4683159和本专利技术的受让人专利中作了更详细的论述。测量流体的热导率、热扩散率和比热的另一个方法阐明在Aagard等人申请U.S专利NO4944035中。Agard等人揭示了包含一个加热器膜和至少一个传感器膜的微电桥结构，电能的脉冲在一个水平和时间段内持续提供给加热器，致使在传感器上出现瞬间的变化和实质稳态温度。在传感器稳态温度下根据传感器输出和热导率之间的已知关系可以确定所测流体的热导率。根据热导率、在瞬间温度改变时传感器输出变化率、热扩散率和比热之间的已知关系可以确定所测流体的比热和热扩散率。决定所测流体速度的典型方法是确定热波从一个源加热器元件传播到目标传感器元件所须的时间。知道加热器元件和传感器元件之间的距离可以计算流体的速度。这一方法已在Lamber申请的U.S专利NO4576050中提出。Lamber用一个振荡的加热器输入信号激励加热器使其在流体里发射出热波。热波通过流体以一定的速度传播，该速率取决于垂直加热器流动的流体速度。在加热器一边或两边放置的热电探测器自动检测热波并提供相应探测器输出信号。根据加热器输入信号和探测器输出信号之间的时间差分可以确定流体的速度，精度至少为一级近似。上述现有技术方法的局限是需要大量的支持硬件和/或软件。例如，在许多现有技术的方法里，频率发生器给加热器元件提供频率输入信号。就硬件和能量消耗两者而言，频率发生器相对比较贵。同样，在现有技术的许多方法里，需要一个或多个高频计时器来测量加热器输入信号和流体里相应的温度扰动之间时间和相位的延迟。而固定频率发生器，高频计时器，就硬件和能量消耗所需都是相当昂贵。
技术实现思路
本专利技术提供的自振荡流体传感器克服了现有技术许多不利因素，自振荡流体传感器在确定所测的流体性质时不需要频率发生器或高频计时器。当然，传感器自振荡在与通过流体温度扰动的渡越时间相关的一个频率下。从所测量的频率，可以确定流体的某些性质。因为本专利技术通过振荡频率的改变自动检测流体性质的变化，而微电阻加热器和传感器变化仅有二阶影响，又因为与参考流体已知和恒定的热特性有密切的关系，也减小了温度补偿调节变化的影响。在本专利技术第一实施方案中，加热器元件和传感器元件被放在流体中并与所测流体〔流体或气体〕介质紧密耦合。传感器的输出通过反馈回路耦合到加热器的输入。在传感器的输出和加热器的输入之间产生了所期望的相移，使得传感器振荡在与通过流体温度扰动的渡越时间相关的一个频率。正如下面进一步描述的，流体的热导率，热扩散率，比热，和速度可以由传感器振荡频率来确定。更具体地，加热器和传感器在所测流体中进行热交换。加热器激励单元连接到加热单元以激励加热器单元。反馈单元与传感器和加热器激励单元耦合使得传感器阻抗在改变一个预定数值后的预定时间或相移，加热器激励单元激励加热器。这种结构，加热器激励单元、加热器、传感器和反馈单元形成了振荡在与加热器的激励和传感器的阻抗变化之间时间延迟相关频率的一个闭环。这个振荡频率可以用来确定所测流体的某些特性。为了确定所测流体的热导率、热扩散率和比热，传感器最好置于实质为零流量的流体中。在一个实施方案中，储存了选择的校准信息以联系振荡频率(或相应的时间延迟)和需要测量的流体性质。正如在Aagard等人申请的US专利No.4944035中所描述的，当传感器上出现实质上为稳态温度时，可以最有效地确定所测流体的热导率，当传感器上出现瞬间温度变化时，可以最有效地确定所测流体的热扩散率。由此考虑到可以控制由反馈单元引进的相位延迟，使得确定流体热导率时，振荡频率相对低，确定流体热扩散率时，振荡频率相对高。不论那种情况，都要提供适当的校准信息以联系振荡频率和被测流体需测的性质。至于流体的速度的测量，我们发现传感器的振荡频率与流体的速度有关。提供适当的校准信息，所测流体的速度可由传感器振荡频率确定。在另一实施方案中，可以在两个传感器元件之间确定相位延迟(或相应的时间延迟)，而不是在加热器和传感器元件之间。在这个实施方案中，加热器单元在所测流体中的进行热交换。加热器激励单元连接到加热器上以激励加热器，并且在所测流体里提供一个温度扰动。与流体进行热交换过程中，至少有两个传感器。至少两个传感器中的每一个最好放置在距加热器不同距离处。温度扰动从第一个传感器传输到第二个传感器所需的第一渡越时间可以通过下述方法确定。在第一个实施方案中，这是由确定在加热器输入信号(或加热器温度响应)和第一传感器相应的阻抗变化之间的第一时间延迟来完成的。第一延迟可以使用在加热器和第一传感器之间反馈环中的任意数量的单元以及振荡频率和时间延迟之间的关系或使用高频计时器确定。以同样的方式来确定在加热器输入信号(或加热器温度响应)和第二传感器相应阻抗变化之间的第二延迟。第一渡越时间由第二延迟减去第一延迟求得。这种方法的优点是在相位差分的测量中，一些潜在的误差源在相减的过程中被抵消，因此提高了测量的精确度。一个这样的误差源是在加热器输入信号和加热器(即流体)温度升高响应之间典型存在的非零加热器时间延迟。另一个潜在的误差源是在传感器元件温度扰动的到来和传感器响应之间典型存在的非零传感器时间延迟。这是典型的，传感器元件的温度对流体温度的变化没有立刻响应，主要原因是传感器的非零热质量。通过从加热器输入信号(或加热器温度响应)和第二传感器相应阻抗变化之间的第二延迟减去在加热器输入信号(或加热器温度响应)和第一传感器的相应阻抗变化之间的第一延迟，有效地抵消了许多潜在的误差源，获得更精确的时间延迟的测量值。在另一个实施方案中，第一传感器元件包含在第一反馈回路中，第二传感器元件包含在第二反馈回路中。第一和第二反馈回路可以包含共有的加热器元件或分离的加热器元件。由第一和第二反馈回路的振荡频率可以确定拍频。从第一传感器元件到第二传感器元件的渡越时间可以由拍频来确定。而在另一个实施方案中，有两个类似结构的自振荡加热器/传感器对，一个在实质为零流量条件，另一个在非零流量条件下。第一振荡频率为在实质为零流量条件下的加热器/传感器对确定。第二振荡频率为在流量条件下的加热器和传感器对确定。因为结构和本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于确定所测流体选定特性的设备包括：加热器单元（４００），同所测流体进行热交换，该单元（４００）有随温度变化的阻抗；加热器激励单元（４１２），连接到所述加热器单元（４００）上，用于激励所述加热器单元（４００）在所测流体中提供 温度扰动；同所测流体进行热交换中的至少两个传感器单元（５０２，５２０），所说至少两个传感器单元（５０２，５２０）中的每一个与所述加热器单元（４００）距离不同，并都有随温度改变的阻抗；第一时间延迟单元，用于确定温度扰动从加热器 单元（４００）传输到第一传感器单元（５０２）的第一时间延迟；第二时间延迟单元，用于确定温度扰动从加热器单元（４００）传输到第二传感器单元（５２０）的第二时间延迟；计算单元（５３６），用于通过从第二时间延迟中减去第一时间延迟， 计算温度扰动从第一传感器单元（５０２）传输到第二传感器单元（５２０）的第一渡越时间，其中，所述第一传感器单元和所述第二传感器单元之间的距离为第一距离；以及决定单元（５３６），用于利用第一渡越时间确定所测流体的选定特性。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D库比西尔克，B乌尔利希，
申请(专利权)人：霍尼韦尔有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]