用于确定天然气热容量的传感器制造技术

本公开涉及一种用于确定天然气的热容量的传感器装置。该传感器装置包括基板(1)、设置在基板(1)中的凹部或开口(2)、第一加热部件(11)和第一感测部件(31)。第一加热部件(11)包括第一加热结构(21)和温度传感器，并且第一感测部件(31)包括温度传感器。该传感器装置被配置成在第一测量温度处以及在第二测量温度处测量天然气的热导率。该传感器装置被配置成确定热导率的温度依赖函数的第一温度系数(特别地是恒定温度系数)和第二温度系数(特别地是线性温度系数)，以及基于拟合函数确定天然气的热容量。该拟合函数依赖于第一温度系数、第二温度系数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定天然气热容量的传感器
本专利技术涉及一种用于确定天然气的热容量的传感器装置。本专利技术的另外的方面涉及一种传感器系统，该传感器系统包括气体流量传感器和用于确定天然气的热容量的传感器装置。其他方面涉及用于操作传感器装置的相应方法和相应的计算机程序产品。
技术介绍
US2014/0208830描述了一种气体传感器，该气体传感器具有跨越硅基板中的开口的膜。该膜形成热板并具有集成的钨加热器。此外，通过介电层与钨加热器隔开的铂层形成电极，所述电极用于测量感测材料贴片的电阻。使用热膜传感器测量流体的热导率，例如为在WO0118500A1或在EP1426740B1中所述。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于测量天然气的热性质的传感器。根据本专利技术的第一方面的实施例，提供了一种用于确定天然气的热容量的传感器装置。该传感器装置包括：基板；设置在基板中的凹部或开口；第一加热部件和第一感测部件，这两者都延伸跨过所述凹部或开口；以及控制电路。第一加热部件包括第一加热结构和温度传感器，并且第一感测部件包括温度传感器。传感器装置被配置成：在第一测量步骤，将第一加热结构加热至第一加热温度，并在第一测量步骤，通过第一感测部件的温度传感器来测量第一感测部件处的与第一加热结构的加热有关的温度变化，从而在第一测量温度处对天然气的热导率进行测量。传感器装置还被配置成：在第二测量步骤，将第一加热结构加热至第二加热温度，并在第二测量步骤，通过第一感测部件的温度传感器来测量第一感测部件处的与第一加热结构的加热有关的温度变化，从而在第二测量温度处对天然气的热导率进行测量。第二加热温度不同于第一加热温度。传感器装置被配置成：确定热导率的温度依赖函数的第一温度系数，第一温度系数特别地是恒定温度系数，特别地是非零恒定温度系数。传感器装置被配置成：确定热导率的温度依赖函数的第二温度系数，第二温度系数特别地是线性温度系数。传感器装置还被配置成：基于拟合函数来确定天然气的热容量。拟合函数依赖于第一温度系数和第二温度系数。这样的传感器装置提供了一种改进的热容量测量的准确性。本专利技术的实施例基于专利技术人的发现，不仅通过测量热导率，还测量热导率的温度依赖性的参数，即温度依赖函数的至少第一温度系数和第二温度系数，可大大提高热容量的测量准确性。更特别地，传感器装置使用拟合函数，该拟合函数将至少第一温度系数和第二温度系数作为输入，并提供天然气的相应的热容量作为输出。换句话说，拟合函数提供了所测量的第一温度系数和第二温度系数与热容量之间的映射。拟合函数可以例如通过数值方法从以下数据库导出：该数据库包含天然气的热导率的第一温度系数和第二温度系数与相应的热容量的多个输入数据对。例如，可以使用最小均方法。可以针对天然气的各种成分来确定拟合函数。拟合函数也可以表示为相关函数。基板可以是例如硅基板，并且该基板形成传感器的机械框架。该基板可以可选地包括集成在基板上的电路，特别地是CMOS电路，并且更特别地是适于控制加热结构并适于读出传感器的CMOS电路。这种实施的传感器装置具有至少一个加热部件和至少一个感测部件，其中，至少一个加热部件加热该加热部件周围，特别地是加热第一加热部件和第一感测部件之间的间隙。这增加了间隙中的，特别地是感测部件处的流体/气体的温度。该装置随后用两个不同的加热温度执行至少两次测量，并在第一感测部件处感测相应的温度变化。各自的温度变化是间隙中的天然气在间隙的各自温度处的热导率的度量。应当注意的是，间隙中天然气的温度通常不是恒定的，但是在加热部件和感测部件之间将存在温度梯度。因此，在第一测量步骤和第二测量步骤中测量的热导率被优选地分配给在感测部件处的各自的加热温度和相应的感测温度之间的中间温度。根据实施例，加热温度和相应的感测温度之间的平均温度可以被认为是在各自的测量期间的天然气的(平均)温度。根据这些在两个不同的测量温度处测量的至少两个热导率，可以确定热导率的温度依赖函数的第一温度系数和第二温度系数。天然气特别地可以是天然存在的碳氢化合物气体混合物，主要包含甲烷，特别地是80％以上的甲烷。另外，天然气可以包括不同量的其他组分。这样的其他组分可以包含其他高级烷烃、二氧化碳或氮气。根据实施例，传感器装置被配置成：在第三测量步骤，将第一加热结构加热至第三加热温度，并在第三测量步骤，通过第一感测部件的温度传感器来测量第一感测部件处的与第一加热结构的加热有关的温度变化，从而在第三测量温度处对天然气的热导率进行测量。传感器装置被配置成：根据第一测量步骤、第二测量步骤和第三测量步骤来确定热导率的温度依赖函数的第一温度系数、第二温度系数以及第三温度系数，第三温度系数特别地是二次温度系数。根据该实施例，拟合函数依赖于第一温度系数、第二温度系数和第三温度系数。这进一步提高了热容量测量的准确性。根据实施例，传感器装置被配置成通过对第一加热部件的温度传感器的温度测量来补偿第一加热结构的漂移。通过测量第一加热结构处的温度，可以补偿第一加热结构的漂移。这提高了测量的准确性。另外，可以抑制和/或补偿部件的支撑结构的材料参数漂移。根据实施例，第一加热部件和第一感测部件布置在覆盖凹部或开口的膜上，特别地是薄膜膜上。根据实施例，该膜为封闭的膜。根据其它实施例，该膜可包括从膜的一侧延伸到膜的另一侧的一个或更多个通孔，例如为了在膜的两个侧面之间建立流体连通。根据实施例，第一加热部件是锚定(anchor)在基板中的第一加热桥，并且第一感测部件是锚定在基板中的第一感测桥。与薄膜相比，通过借助这样的桥来跨过凹部或开口，可以降低桥与基板之间的热传导。此外，可以减小热质量。这允许快速改变第一加热桥的温度。温度传感器适用于测量桥的温度并用于控制桥的温度。根据实施例，传感器装置还被配置成：在第三测量步骤处，将第一加热结构加热至第三加热温度，并在第三测量步骤处，通过第一感测桥的温度传感器来测量第一感测桥处的与将第一加热结构加热到第三加热温度有关的温度变化。第一加热温度、第二加热温度和第三加热温度彼此不同。所实施的传感器装置还被配置成根据第一测量步骤、第二测量步骤和第三测量步骤来确定热导率的温度依赖函数的第一温度系数、第二温度系数以及第三温度系数。这进一步提高了测量的准确性。根据实施例，传感器装置包括第二加热桥，该第二加热桥包括第二加热结构和温度传感器。第一感测桥布置在第一加热桥和第二加热桥之间。利用这种实施的传感器装置，可以将所测量的相关气体体积的温度加热到更高的绝对温度。因此，例如3个不同的加热器温度的温度跨度可以被扩大。这导致较大的测量信号跨度。此外，这种第二加热结构改善了加热桥和感测桥之间的温度分布的均匀性。更具体地，第一感测桥周围的气体从两侧被加热。这可以减小靠近加热桥的气体与靠近感测桥的气体之间的温度差。根据实施例，第一感测桥居中地布置在第一加热桥和第二加热桥之间。这导致气体的对称加热和天然气温度的对称温度曲线。根据实施例，传感器装置包括第二感测桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定天然气的热容量的传感器装置，所述传感器装置包括：/n基板(1)；/n设置在所述基板(1)中的凹部或开口(2)；/n延伸跨过所述凹部或开口(2)的第一加热部件(11)和第一感测部件(31)；和/n控制电路(4a、4b)；其中，/n所述第一加热部件(11)包括第一加热结构(21)和温度传感器(TS1)；以及/n所述第一感测部件(31)包括温度传感器(TS2)；其中，/n所述传感器装置被配置成：/n在第一测量步骤处，将第一加热结构(21)加热到第一加热温度；/n在所述第一测量步骤处，通过所述第一感测部件(31)的所述温度传感器(TS2)来测量在所述第一感测部件(31)处的与所述第一加热结构(21)的加热有关的温度变化，从而在第一测量温度处对所述天然气的热导率进行测量；/n在第二测量步骤处，将所述第一加热结构(21)加热到第二加热温度，所述第二加热温度不同于所述第一加热温度；/n在所述第二测量步骤处，通过所述第一感测部件(31)的所述温度传感器(TS2)来测量在所述第一感测部件处的与所述第一加热结构(21)的加热有关的温度变化，从而在第二测量温度处对所述天然气的热导率进行测量；/n确定所述热导率的温度依赖函数的第一温度系数和第二温度系数，所述第一温度系数特别地是恒定温度系数，所述第二温度系数特别地是线性温度系数；以及/n基于拟合函数来确定所述天然气的热容量，其中，所述拟合函数依赖于所述第一温度系数和所述第二温度系数。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180430 EP 18170159.01.一种用于确定天然气的热容量的传感器装置，所述传感器装置包括：
基板(1)；
设置在所述基板(1)中的凹部或开口(2)；
延伸跨过所述凹部或开口(2)的第一加热部件(11)和第一感测部件(31)；和
控制电路(4a、4b)；其中，
所述第一加热部件(11)包括第一加热结构(21)和温度传感器(TS1)；以及
所述第一感测部件(31)包括温度传感器(TS2)；其中，
所述传感器装置被配置成：
在第一测量步骤处，将第一加热结构(21)加热到第一加热温度；
在所述第一测量步骤处，通过所述第一感测部件(31)的所述温度传感器(TS2)来测量在所述第一感测部件(31)处的与所述第一加热结构(21)的加热有关的温度变化，从而在第一测量温度处对所述天然气的热导率进行测量；
在第二测量步骤处，将所述第一加热结构(21)加热到第二加热温度，所述第二加热温度不同于所述第一加热温度；
在所述第二测量步骤处，通过所述第一感测部件(31)的所述温度传感器(TS2)来测量在所述第一感测部件处的与所述第一加热结构(21)的加热有关的温度变化，从而在第二测量温度处对所述天然气的热导率进行测量；
确定所述热导率的温度依赖函数的第一温度系数和第二温度系数，所述第一温度系数特别地是恒定温度系数，所述第二温度系数特别地是线性温度系数；以及
基于拟合函数来确定所述天然气的热容量，其中，所述拟合函数依赖于所述第一温度系数和所述第二温度系数。


2.根据权利要求1所述的传感器装置，所述传感器装置被配置成：
在第三测量步骤处，将所述第一加热结构(21)加热到第三加热温度；
在所述第三测量步骤处，通过所述第一感测部件(31)的所述温度传感器(TS2)来测量在所述第一感测部件处的与所述第一加热结构(21)的加热有关的温度变化，从而在第三测量温度处对所述天然气的热导率的进行测量；以及
根据所述第一测量步骤、所述第二测量步骤和所述第三测量步骤来确定所述热导率的所述温度依赖函数的所述第一温度系数、所述第二温度系数和第三温度系数，所述第三温度系数特别地是二次温度系数，其中，所述拟合函数依赖于所述第一温度系数、所述第二温度系数和所述第三温度系数。


3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，所述传感器装置还被配置成：
通过对所述第一加热部件(11)的所述温度传感器(TS1)的温度测量来补偿所述第一加热结构(21)的漂移。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其中，所述第一加热部件(11)是锚定在所述基板(2)中的第一加热桥，并且所述第一感测部件(31)是锚定在所述基板(1)中的第一感测桥。


5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述传感器装置包括第二加热桥(12)，所述第二加热桥包括第二加热结构(22)和温度传感器(TS4)，其中，所述第一感测桥(31)布置在所述第一加热桥(11)和所述第二加热桥(12)之间，特别地，所述第一感测桥(31)居中地布置在所述第一加热桥和所述第二加热桥之间。


6.根据权利要求4或权利要求5所述的传感器装置，其中，所述传感器装置包括第二感测桥(32)，所述第二感测桥包括温度传感器(TS3)，其中，所述第二感测桥(32)被布置在距所述第一加热桥(11)的一距离处，其中所述第二感测桥(32)距所述第一加热桥(11)的距离不同于距所述第一感测桥(31)的距离。


7.根据权利要求5所述的传感器装置，所述传感器装置还包括第三加热桥(13)，所述第三加热桥包括第三加热结构(23)和温度传感器(TS5)；以及
第二感测桥(32)，所述第二感测桥包括温度传感器(TS3)；其中，所述第二感测桥(32)布置在所述第二加热桥(12)和所述第三加热桥(13)之间。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器装置包括壳体(50)，并且其中，所述壳体(50)包括排放介质(51)，所述排放介质(51)被构造成允许与所述传感器装置的周围环境进行扩散流体交换。


9.根据权利要求4至8中的任一项所述的传感器装置，其中，所述第一感测桥(31)的所述温度传感器和/或所述第二感测桥(32)的所述温度传感器被实施为热电堆元件或电阻元件；和/或
所述第一加热桥(11)的所述温度传感器、所述第二加热桥(12)的所述温度传感器和/或所述第三加热桥(13)的所述温度传感器被实施为电阻元件或热电堆元件；并且特别地其中，所述第一加热桥的所述温度传感器、所述第二加热桥的所述温度传感器和/或所述第三加热桥的所述温度传感器、以及/或者所述第一感测桥的所述温度传感器和所述第二感测桥的所述温度传感器是相同的类型。


10.根据权利要求4至9中的任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器装置被配置成执行校准过程，所述校准过程包括：
使所述拟合函数适于所述第一加热桥(11)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·霍尔农，安德烈亚斯·吕埃格，大卫·基利亚尼，尼古拉斯·穆勒，
申请(专利权)人：盛思锐股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH