专利名称：自振荡流体传感器的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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和本发明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。
发明内容
本发明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。
因为本发明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。
在本发明第一实施方案中，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。因为结构和间距对于加热器和传感器对有很好的一致性，第一渡越时间可由第一和第二频率的拍频来确定。
正如下面更详细的描述那样，如果流体是在实质为零流量条件下，从第一传感器到第二传感器的第一渡越时间通常用来计算所测流体的热导率、热扩散率和比热。如果流体是在流量条件下，第一渡越时间通常用来计算所测流体的速度。
最好按上述方法确定第一传感器和第三传感器之间的第二渡越时间。这就是说，可以确定在加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第三传感器之间的第三延迟。在第一传感器和第三传感器之间的第二渡越时间可以由加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第三传感器相应阻抗变化之间的第三延迟减去在加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第一传感器相应阻抗变化之间的第一延迟来确定。
在另一实施方案中，第一和第三传感器包含在分离的反馈回路中。第二渡越时间可由第一和第三传感器的振荡频率之间的拍频来确定。从该拍频可以确定第二渡越时间。
最后，考虑提供有不同加热器到传感器间距的两个自振荡加热器和传感器对，并且置于实质为零流量条件下。两个类似结构的自振荡加热器和传感器对置于流量条件下。因为加热器和传感器对的结构和间距有很好的一致性，所以第一和第二渡越时间可以由非零流量和零流量条件下相应振荡频率的拍频来确定。
第一和第二渡越时间一经确定，使用下面的关系式可以计算流体的速度，它相对独立於流体的性质。
通过下面详细的描述及相应的插图(图中以数字标明各个部分)，本发明的其它部件和伴随的优点将更好地被理解。
图1，2，3是微电桥流量传感器现有技术实施方案的不同剖面图；图4是微电桥传感器系统的部分剖面图；图5是根据本发明，有两个下游传感器元件的微电桥传感器第一交叉截面图；图6是根据本发明，有一个上游，一个下游传感器元件的微电桥传感器第二交叉截面图；图7是根据本发明，有两个以上的下游传感器元件的微电桥传感器第三交叉截面图；图8是根据本发明，有若干上游和下游传感器元件的微电桥传感器第四交叉截面图；图9是根据本发明优选实施方案自振荡传感器装置原理图；图10使用图9中传感器装置，表示振荡频率和四种气体流速的关系曲线；图11根据本发明的另一实施方案自振荡传感器装置原理图；
图12是两个自振荡传感器装置的振荡频率时间标记图，每一个都有不同的加热器到传感器的间距和拍频。传感器之间的渡越时间可由拍频来确定；图13是两个附加传感器元件的原理图，最好使用在与图11结合的实施方案中；图14表示由图13的实施方案测得延迟的时间标记图；图15是第一自振荡传感器装置原理图，该装置仅有一个用于确定被测流体热导率的加热器元件；图16是第二自振荡传感器装置原理图，该装置仅有一个用于确定被测流体热导率的加热器元件。
具体实施例方式
本发明是针对自振荡流体传感器，它用于确定流体某些性质但不需要频率发生器。传感器自振荡在与通过该流体温度扰动的渡越时间相关的一个频率。使用这个渡越时间，可以确定流体的某些性质。
在本发明的至少一个实施方案中，为了测定选择的延迟时间或频率，需要提供一个或多个高频计时器。然而在这些实施方案中，加热器元件和第一传感器元件很好地形成一个在所选频率下振荡的闭合回路。因此这个结构不需要频率发生器。
最后，考虑了由频率和两个或多个传感器元件之间的渡越时间确定所选的流体性质，而不是由加热器元件和选择的传感器元件之间的延迟时间。这有利于减少从加热器元件到传感器元件常规的渡越时间测量中所存在的几种误差源。此外，使用渡越时间或频率(例如拍频)的差分，可以提供高级自动检测的方法。
例如，在本发明的某些优选实施方案里的微电桥半导体传感器，可能类似于下列专利中描述的某一个或多个微电桥系统，这些专利包括US专利 No.4478076、US专利 No.4478077、US专利 No.4501144、US专利 No.4651564、US专利 No.4683159、US专利 No.4994035和本发明的共同受让人的所有专利。
这样一个系统举例表示在图1-3中，该图取自Aagard等人的US专利No.4994035。这个例子的讨论将有益于对本发明的理解。而现有的讨论相信是覆盖了必要的部分，其它包含在微电桥相关专利中的附加材料已通过参考文献结合到本文中。
图1-3的现有技术系统考虑一对薄膜温度传感器22和24，薄膜加热器26和支撑件20，该件支撑传感器和加热器使其不接触基础的底层。传感器22，24放置在加热器26的反面。支撑件20最好是非导体绝缘材料或者半导体材料。这里选用硅，因为它能适应精密蚀刻技术并且易于电子基片的加工。该实施方案包括两个相同的温度灵敏电阻器栅网22和24作为薄膜加热传感器和放置在中心处作为薄膜加热器的加热器电阻栅网26。
传感器22、24和加热器26可以由任何适合的、稳定的金属或合金膜制造。使用的金属可以是白金或镍铁合金(含80％镍和20％铁，有时也被称为透磁合金)。传感器和加热器的栅网被压缩在一个电介质薄膜内，典型的是由层28和29或者更好的硅氮化物Si3N4组成。其它薄膜材料有SiO2，MgO，Si3N4，N2O3等。
图1和图2中的传感器包含两个薄膜32和34，薄膜32包含传感器22，薄膜34包含传感器24，每个薄膜包含加热器26的一半，每个薄膜的尺寸最好为宽150微米、长400微米。
进一步阐述了该系统的一个精确制造的流体(液体或气体)空间30，它有效地环绕着元件22、24、26，它是在硅表面36上加工而成的。薄膜元件22、24、26的厚度约为0.08到0.12微米，线宽为5微米量级，线间的距离为5微米量级。压装在硅氮化物膜内的元件最好厚度约0.8微米或小于0.8微米。流体空间30是在元件32和元件34下面，在硅体20上接着向下蚀刻的一个约100微米深的无硅凹槽。
元件32和34在蚀刻槽30的一个或多个边连接到半导体20的顶面36。如图3所示，元件32和34可以横过凹槽30连接起来，在可选的方案中，元件32和34也可以在凹槽30的上方呈悬臂状结构。
在所示的系统中，热量通过耦合加热器和传感器的固体和流体，从加热器传输到传感器，值得指出的是，硅氮化物(Si3N4)除了是好的电绝缘体外，也是一个有效的固体热绝缘体。因为在元件32和34里面的连结硅氮化物膜是相当好的热绝缘体，所以来自加热器26的热量传播中通过固体的热传播不占主要部分。这就能够使来自加热器电阻26的总的热量通过周围的流体而不是支撑的氮化物膜传播到传感电阻器22和24。此外，支持的硅氮化物薄膜有足够低的热导性，使传感电阻器栅网22和24能够紧靠着热电阻栅网26或与之并排放置。这样，传感电阻器栅网22、24实际上牢固地悬在流体空间内靠近加热电阻26处，象一个热探头一样测量附近流体和加热电阻栅网26平面内的温度。
图4是与一个与流体管道成直线放置的微电桥传感器系统的部分剖面图。有一中心腔202的主流体管道200连到载有所测流体的管子上。第一室204通过单腔206同主流管道200的中心腔202作流体交换。具有第一微电桥或装有微膜片传感器210的头208插入第一腔204中对如图所示的主流管道200是安全的。在这种结构中，第一微电桥传感器暴露到实质为零流量的所测流体中。第一微电桥传感器210用来测量流体性质，如热导率、热扩散率、比热、温度和压强。
第二传感器222放置在旁路214里。在这种结构中，第二微电桥传感器222暴露到所测流体中。第二微电桥传感器222用来测量流体速度。
图5是根据本发明有两个下游传感器元件的微电桥传感器的第一剖面图。当使用校正数据测量流体的热导率、热扩散率、比热和/或速度时，仅需一个加热元件和一个传感器元件。然而，如下面详细讨论的，本发明的某些实施方案中包含一个加热元件224和至少两个分开的传感器元件226和228。例如，当测量流体速度时，至少提供两个传感器元件226和228，每个放置在距加热元件224不同距离处。在该示意图中，传感器226与加热元件224距离为d1，传感器228与加热器元件224距离为d2。传感器226和228在加热器元件224的下游。
加热元件224有一个支撑件228，它支持加热元件230，使之不触及底座232。加热元件224和支撑件230组成了加热膜结构。同样，传感器元件226有一个支撑件234，它支持传感器元件226，使之不触及底座232。传感器元件226和支撑件234组成了第一传感器膜结构。最后，传感器元件228有一个支撑件236，它支持传感器228，使之不触及底座232。传感器元件228和支撑件236组成了第二传感器膜结构。
加热器元件224、传感器元件226和228可以由任何适合的、稳定的金属或合金(如白金、镍、铁镍等)制成。加热器元件224和传感器元件226和228可以是包含金属导线的任何电阻性元件，但最好是薄膜。而且加热器元件224和传感器元件226和228可以是包含栅网的任何形状或简单的线形。如上所述，加热器元件224和传感器元件226和228最好是压制在电介质(像SiO2，MgO，Si3N4，N2O3等)的薄膜内，以形成支撑件230、234和236。
精确限定的流体空间240有效地环绕着加热器元件224、传感器元件226和228，该空间是在硅表面242加工得到的。加热器元件224和传感器元件226、228最好有约为0.08到0.12微米的厚度，线宽在5微米的量级。如果使用栅网，线间距离在5微米的量级。流体空间240是在加热器元件224和传感器元件226和228下面、在硅衬底232上接着向下蚀刻加工而成的约100微米深的凹槽。在另一种方法中可以从硅衬底232的背面向内蚀刻以形成一个薄膜结构。
支撑件230和加热器元件224最好在蚀刻槽或凹槽240的一边或多边，连到半导体衬底232的顶面242。支撑件230和加热器元件224可以横过凹陷240连接，或者在凹陷240上方呈悬臂状态。传感器元件234、226、228最好是类似结构。很清楚，以同样的方式可提供任何数量的加热器和传感器元件。为了用图解说明，在图5中仅显示了一个加热器元件224和两个传感器元件226、228。
加热元件224在流体里产生一个热量扰动。226、228的每一个传感器可以在它们各自位置上自动检测到来的温度扰动。我们感兴趣的是温度扰动从加热器元件224传输到每个传感器元件226、228的渡越时间。正如下面更全面的描述，因为传感器元件226、228放置在距加热器元件不同距离处，所以流体的速度相对独立于流体的性质可被确定，特别是与扩散支配的位移相比该间距是大的。
不是把两个传感器都放置在下游如图5，考虑了一个传感器250放置在加热器254的上游，另一个传感器252放在下游如图6。
关于流体速度的测量，为减小在低流速下温度扩散系数和流体其它性能可能的负面效应，考虑第一套传感器元件用于测量低流速，另一个用于测量高流速。如图7，靠近加热器元件放置的传感器280282可用于测量低流速，因为，在适当的频率，即使流速低也可以忽略热扩散率。同样，远离加热器元件放置的传感器元件用来测量高流速，包括传感器284。使用这种方法，热扩散率分量在低流速测量中的影响可以减至最小。
此外，考虑了当测量高流速时，提供高幅度加热器输入信号，相反地，当测量低流速时，提供低幅度加热器输入信号。高幅度温度扰动更容易探测，但可能增加流体内热扩散率分量的速度。这样，较低幅度加热器输入信号可以减小扩散率分量的速度，提供在低流速下更精确的结果。
图8是根据本发明有若干个下游和上游传感器元件的微电桥传感器第四剖面图。在这个实施方案中，几对传感器元件在加热器的上游和下游两个方向等间距地放置。当使用校正的数据来测量流体的热导率 热扩散率 比热和/或流体速度时，仅需要一个加热器和一个传感器元件。然而，正如下面详细讨论的，在本发明的一些实施方案中，包括一个加热器和至少两个分开的传感器元件300和302。例如当至少使用两个传感器元件300和302，测量流速时，仅仅选择使用放置在距发热元件不同距离的传感器的输出。这使得流体速度相对独立于流体其它性质，下面将详细讨论。
图9根据本发明的优选实施方案的自振荡传感器装置原理图。在这个实施方案中，确定所测流体某些特性时自振荡传感器不需要频率发生器和高频计时器。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。从这个渡越时间可以确定流体有关的特性。
特别提到图9，加热元件400和传感器元件402与所测流体介质(液体或气体)放置在近耦合的位置上。传感器402作为惠斯登电桥404的一臂自动检测传感器元件402阻抗的变化。
惠斯登电桥404的差分输出提供给反相差分放大器406，反向差分放大器406产生一个180度的相移加到传感器输出信号上。该结果送到移相器408产生一个附加的相移加到传感器输出信号上，比如移相器提供一个135度的相移，于是在图示的实施方案中，反相放大器406和移相器408向传感器输出信号提供一个315度的相移。
相移的传感器输出信号加到放大器410，该放大器是为保持回路增益为1的自动增益控制回路411的一部分。放大器410的输出提供给加热器激励放大器412，放大器412提供加热器输入信号给加热器元件400。齐纳二级管414给加热器输入信号提供一个DC偏置以消除如果AC电压允许过零伏时可能出现的任何频率倍增现象。
反相放大器406，移相器408和放大器410提供一个从传感器的惠斯登电桥404的输出到加热器激励放大器412的反馈通路。当回路的总相位移是360度并且增益大于或等于1时回路将发生振荡。在图示的实施方案中，当频率使得在传感器元件402和加热器元件400之间产生45度相移时，这个条件得到满足。这就是说，传感器振荡在与温度扰动从加热器元件400通过流体传播到传感器402的渡越时间相关的一个频率。
为了确定所测流体的热导率，热扩散率，比热，传感器最好暴露在实质为零流量的流体中。在优选的实施方案中，联系传感器驱动的振荡频率(或相应的时间延迟)和所测流体性质的校正信息储存到存储器420。处理器426通过接口424接收振荡频率并且使用储存在存储器420的以前产生的校正信息确定所测流体的性质。
正如Aagard等人在U.S专利NO.4944035所建议的，在传感器上出现了实质上稳态温度时(忽略由热微对流引起的影响)，可以最有效地测出流体的热导率。当传感器上出现瞬变温度时，可以最有效地测出(由K输入)流体的热扩散率。因此，考虑可由控制信号422来控制由移相器408引进的相位延迟，使得在确定流体的导热率时振荡频率相对低，而确定流体的热扩散率时振荡频率比较高。
关于流体的速度，我们发现传感器的振荡频率与流体的流速有关。通过给存储器420提供一个适当的校正信息，流体的速度可由传感器的振荡频率来确定。
图10中给出了使用图9传感器装置时振荡率和四种已知气体的流速的关系曲线。所测流体的热导率、热扩散率，可通过确定在实质上为零流量条件下的振荡频率来得到。测量这些性质，必须使用从已知气体校准信息得到的预定关系把振荡频率和所测流体的热导率联系起来。对图示的实施方案，所测流体的热导率k可用近似关系确定k=0.36f---(1)]]>或更一般用f=(kk0)n(CpCp0)m---(2)]]>这里f是实质为零流量条件下的振荡频率，K是所测流体的热导率，K0是校准流体的热导率，Cp是所测流体的比热，Cp0是校准流体的比热，热扩散率Dt与K和Cp之间由关系式Dt＝K CpV表达，这里CpV＝Cp×VmVm是克分子体积。
在校准过程中通过测量四种已知气体N2，CO2，CH4，C2H6在实质为零流量条件下的振荡频率导出公式(1)。四种已知气体的频率值在图10以Y坐标轴表示，这些频率与四种气体的已知热导率K拟合可以得到公式(1)。这些关系最好储存在存储器420中以便处理器用来确定未知流体的热导率。
同样地，当传感器置于实质为零流量条件下的所测流体中，使用传感器的振荡频率可以确定流体的热扩散率。如上所述，然而使用控制信号422可以减小移相器408引进的相位延迟，所以确定热扩散率时振荡频率应比较高。如上所述，通过校准程序可以得到关系式(2)。这些关系可以储存在存储器420中以便处理器426用来确定所测流体的热扩散率。
热导率和比热一经确定，使用公式(3)可以确定所测流体的热扩散率Dt。
Dt＝k/cpv(3)可以通过确定一特定流速下的振荡频率，根据振荡频率与未知流体速度的关系并使用一个预定的校正因子来得到未知流体的速度。校正因子最好在校正过程中确定。校正程序最好包括对若干已知的流体产生一系列流速和振荡频率的关系曲线。例如，图10显示了四种已知气体N2、CO2、CH4和C2H6的一系列关系曲线。
在一特定的振荡频率下，CH4的流速比CO2的低。为了简化计算，最好把已知流体的曲线作为参考曲线。参考曲线储存在存储器中420作为校准信息。随后，传感器置于流量条件下的所测流体中并振荡在一个相应的频率下。由参考曲线可以确定未校准的流速。为了得到所测流体的真实的流速，使用校正因子对未校准的流速进行校正。对图10的数据，校正因子Cv如公式(4)所示。
Cv=(kk0)-2.119(CpCp0)-1.188---(4)]]>这里，K和Cp是未知流体的热导率和比热，其值由上文所述方式确定。K0和Cp0是是参考流体的热导率和比热。被校准流速可由公式(5)确定。
Vc＝Vu/CV(5)这里Vc是校正过的流速，Vu是未校正的流速，Cv是公式(4)的校正因子。
通过数学处理，在Y方向平移N2，CH4，C2H6曲线使其重迭到参考气体CO2曲线以得到校正因子。每个曲线平移的总量与相应流体的热导率和比热有关。这样，得到公式(4)的校正因子。由公式(5)计算的流速精确到±0.7％。
此外，也考虑了通过数学处理，在X方向平移N2，CH4和C2H6曲线使其重迭到参考气体CO2曲线以得到校正因子，如图10顶部所示，每种情况，都可以得到相应的校正因子。
图11是根据本发明的另一实施方案的自振荡传感器装置的原理图。加热元件500和传感器元件502如图所示。传感器元件502置于惠斯登电桥503的一臂，如上所述。加热元件由一个加热激励放大器510激励。包括倒相放大器504，移相器506，放大器508的反馈通路使传感器装置振荡在与加热元件500和传感器元件502之间相位或时间延迟相关的一个频率上。使用振荡频率和在加热元件500和传感器元件502之间的相位延迟可以确定在加热元件和传感器元件之间的时间延迟。如上所述，这种结构可以取消为运行传感器的所需频率发生器。
在图9所示的实施方案中，所测流体的热导率、热扩散率、比热和流体速度可以由加热元件和传感器元件之间相位或时间延迟来确定。然而在图11所示的实施方案中，考虑用第一个和第二个传感器之间的相位延迟(或相应的渡越时间或频率)来确定所测流体的热导率、热扩散率、比热和速度。
也考虑了第二传感器元件也可以装在与图11类似的第二个反馈回路，只是加热器到传感器之间的距离不同。第一和第二反馈回路可以使用公用的加热器元件或分离的加热器元件。因为加热器元件到传感器的间距不同，第一反馈回路可以自振荡在第一频率512(f1)，第二反馈回路可以自振荡在第二频率514(f2)，如图12所示。第一频率512和第二频率514通过加法、乘法或其他方法合成频率曲线512和514从而可以确定拍频。一个求和曲线516表示在图12中，它是由第一频率512和第二频率514进行加法得到的。该拍频由求和曲线516确定。在图12中，拍频是由频率为f2-f1的正弦波518表示。从第一传感器元件到第二传感器的渡越时间由拍频确定。
在另一个实施方案中，提供两个相似的自振荡加热器/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。例如，一个加热器/传感器对放置在图4的传感器210处，另一个在传感器222处。第一振荡频率由在实质为零流量下的加热器/传感器对确定，第二振荡频率由在流量条件下的加热器/传感器对确定。因为对于2个加热器/传感器对结构和间距实际上是相等，从第一传感器到第二传感器元件的相对精确的渡越时间可由第一和第二振荡频率的拍频来确定。
也考虑了最好以上述的方法确定第一传感器和第三传感器之间的第二渡越时间。例如第一和第三传感器元件可以包括在分离的反馈回路中。第二渡越时间可由第一和第三传感器元件振荡频率之间的拍频来确定。由此拍频可以确定第二渡越时间。
同样考虑了，例如在图4传感器210处设置两个有不同的加热器到传感器间距的自振荡加热器/传感器对，并且在实质为零流量条件下。两个自振荡加热器/传感器对可以有共用加热器装置或分离的加热器装置。两个相同结构的自振荡加热器/传感器对设置在例如图4传感器222处，并且置于流量条件。因为相应的加热器/传感器对的结构和间距实际上完全相同，第一和第二渡越时间可由在流量和零流量条件下相应的振荡频率的拍频来确定。
更具体地，可以在图4传感器210设置两个自振荡加热器/传感器对，每个加热器/传感器对有不同的加热器到传感器的间距，因此每个加热器/传感器对振荡在相应实质为零流量条件下的不同频率(如fa和fb)。可以在图4传感器222设置两个结构相同的自振荡加热器/传感器对。每个加热器/传感器对振荡在相应流量条件下的两个不同的频率(如fc和fd)。从第一传感器到第二传感器的第一渡越时间由关系式(公式)来确定。同样，从第一传感器到第三传感器的第二渡越时间由关系式(公式)来确定。
还可以在图4传感器210处仅放置一个自振荡加热器/传感器对。通过改变移相器408的相位延迟，在实质为零流量条件下可以得到两个不同的振荡频率fd-fb。同样地，在图4传感器元件222设置另一个自振荡加热器/传感器对。通过改变相应的移相器的相位延迟，可以得到在流量条件下的两个不同振荡频率fc-fd。如上所述，这些频率可用来计算所测流体的热导率、热扩散率、比热和速度。
图13是用于确定第一和/或第二渡越时间的另一实施方案有两个附加传感器元件的原理图，最好同图11实施方案结合使用。第二传感器元件520连到惠斯登电桥522的一臂。第二传感器元件最好热耦合到所测流体中，并且与图11中的第一传感器元件分隔开。温度扰动从第一传感器502传播到第二传感器520形成的第一渡越时间通过确定加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第一传感器元件502相应阻抗变化之间的第一延迟以及确定加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第二传感器元件相应阻抗变化之间的第二延迟，并且二者相减而得到。
第一延迟可以使用上述加热器元件500和第一传感器元件502之间的反馈回路中任意数目的元件，利用振荡频率和它们之间的时间延迟关系或由高频计时器(未显示)来确定。第二延迟由加热器输入信号540(或加热器的温度响应)和第二个传感器元件520相应的阻抗变化之间的时间延迟来确定。第二延迟可以使用任意数目的元件，在本实施方案中使用高频计时器526。然后，用第二延迟减去第一延迟确定第一渡越时间。
第一渡越时间的计算详细地表示在图14中。加热器元件(RA)500在流体中引进一个温度扰动，通常以530表示。第一传感器元件(RB)502在第一延迟时间532后自动检测温度扰动，第二传感器元件(RC)520在第二延迟时间534后自动检测温度扰动。在第一传感器元件(RB)502和第二传感器元件(RC)520之间的第一渡越时间536可以从第二延迟534减去第一延迟532来确定。
这一方法的优点是在相位差分测量中，若干潜在的误差源可以在测量中抵消，因此提高了测量的精度。其中一个这样的误差源典型存在于加热器输入信号和加热器温度升高的响应之间非零加热时间的延迟。加热时间延迟存在于加热激励放大器510提供的加热器激励信号(PA)540和图14的流体温度曲线530之间。
另一个潜在的误差源是传感器非零时间延迟，这典型地存在于温度扰动到达传感器元件和传感器元件相应的阻抗响应之间。也就是说，传感器元件的温度不立即对流体内温度变化作出响应，这主要是由于传感器非零热质量的原因。传感器时间延迟表示在图14的流体温度曲线530和传感器阻抗响应542之间。从第二延迟534减去第一延迟532，许多潜在的误差源有效地抵消了，因此得到更精确的渡越时间的测量结果。
如果流体是在实质为零流量下，第一渡越时间534可用来计算所测流体的热导率、热扩散率和/或比热。这可以通过提供一个联系第一渡越时间和流体性质关系的校准信息来完成。当确定所测流体的热扩散率时，为了增加传感器的振荡频率，使用控制信号507可以减少由移相器506引进的相位延迟。
由移相器506提供的相移通过接口507提供给处理器536。通过知道由反相放大器504引进的相移(在所示例子中为180度)和由移相器506引进的相移，加热元件500和第一传感器元件502之间的相移可由处理器536确定。同样，输出信号BOUT532(见图11)也可提供给处理器536，传感器的振荡频率可由处理器确定。使用在加热器元件500和第一传感器元件502之间的相移、振荡频率，处理器536可以确定加热元件500和传感器元件502之间的延迟。最后，由高频计时器526提供的加热器元件500和第二传感器元件520之间的延迟通过接口534提供给处理器536。
为了提供从第一传感器元件502到第二传感器元件520的第一渡越时间，处理器536最好用加热元件500和第二传感器元件520之间的第二延迟减去加热器元件500和第一传感器元件502之间的第一延迟。使用第一渡越时间和所测流体的热导率和/或热扩散率的关系(如上所述)可以确定热导率和/或热扩散率。正如在US专利申请系列号No.09/001,530，1997年12月31日归档，题为“测量热导率和比热的时间延迟方法”全面描述的，热扩散率Dt用下式确定Dt＝d2/4Δz(6)这里d是第一传感器元件和第二传感器元件之间的距离ΔZ是第一渡越时间公式(6)假定由传感器提供的振荡频率足够高以引起在第二传感器元件上瞬时升高的温度扰动。
在流量条件下，通过导出第一渡越时间和流体速度之间的关系可以用第一渡越时间计算所测流体的速度。这最好使用先前产生的校正信息，然后处理器536使用这些信息以给出流体的速度。
在第一传感器元件502和第三传感器元件528之间的第二渡越时间按同样的方法确定。也就是说，在加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第三传感器元件528之间使用高频计时器550来确定第三延迟。在第一传感器元件520和第三传感器元件528之间的第二渡越时间最好由加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第三传感器元件528之间第三延迟减去加热器输入信号(或加热器的温度响应)和第一传感器元件502之间的第一延迟来确定。
第二渡越时间的计算详细地表示在图14中。加热器元件(RA)500在流体中引进一个温度扰动，用530表示。第一传感器元件(RB)502在第一延迟时间532后自动检测出温度扰动，第三传感器元件(RD)528在第三延迟时间541后自动检测出温度扰动。在第一传感器元件(RB)502和第三传感器元件(RC)528之间的第二渡越时间545由第三延迟541减去第一延迟532来确定。所测流体的速度(相对独立的流体性质)使用第一渡越时间536和第二渡越时间545按下列关系确定。
V＝{(d12/Δz1-d22/Δz2)/(Δz1-Δz2)}(7)其中d1＝第一传感器元件和第二传感器元件之间的距离；d2＝第二传感器装置和第三传感器元件之间的距离；这里1/2d11/211/2d21/2；Z1＝从第一传感器元件到第二传感器元件的第一渡越时间；Z2＝从第一传感器到第三传感器元件传播的第二渡越时间；进一步讨论和公式(7)的推导可查阅共同未决的US专利申请No.09/002,157 1997年12月31日归档，题为“测量流体速度的时间延迟方法”，已通过参考文献结合到本文中。
图15是第一自振荡传感器装置原理图。该装置仅用单个传感器元件即一个加热器元件确定所测流体的热导率。正如在US专利申请系列号No.09/002156，题为“使用单个加热器元件测量流体某些特性的方法”中进一步讨论的，热耦合到所测流体的一个加热器元件在加热器元件的功率输入信号和加热元件相应的温度响应之间有典型的非零加热器时间延迟。至少在微电桥结构中，加热器时间延迟典型由所测流体的热导率K控制。因此所测流体的热导率K可由单个的加热器元件的相位或时间延迟得到。
使用类似图9的回路测量加热器元件的相位延迟，这里仅用单个的加热器元件600。加热器元件600与所测流体或气体介质紧密耦合。在图15所示的实施方案中，加热器元件600置于惠斯登电桥604的一臂。惠斯登电桥604允许功率加到加热器元件600，同时自动检测加热器元件600上的阻抗(进而是温度)的变化。
惠斯登电桥604的差分输出提供给反相差分放大器606。反相差分放大器606使差分输出信号产生180度相移。该结果提供给移相器608，它给差分输出信号提供一个附加的相移。例如，移相器608产生135度的相移。于是，在图示的实施方案中，反相放大器606和移相器608使差分输出信号产生315度的相移。
偏移的差分输出信号供给自动增益控制回路中的放大器610。放大器610输出供给加热器激励放大器612，该放大器通过惠斯登电桥604把加热器输入信号加到加热器元件600。齐纳二极管614把DC偏置加到加热器输入信号以消除如果AC电压允许过零伏时可能出现的任何频率倍增现象。
倒相放大器606、移相器608和放大器610构成了从惠斯登电桥604的差分输出到加热器激励放大器612的一个反馈回路。当回路的总相移是360度时，回路发生振荡且增益大于或等于1。在图示的实施方案中，当频率使加到惠斯登电桥604的功率信号和加热器元件600的阻抗(温度)响应之间产生45度相移(360-180-135＝45)时，这个条件得以满足。也就是说，该回路将振荡在与加热器元件600的固有相位相关的一个频率下。
为了确定热导率，加热器元件600最好置于实质为零流量的流体中。处理器626通过接口624可以接收回路的振荡频率并且计算与加热器元件600的固有相位延迟相关的时间延迟。使用下式根据时间延迟，可以确定所测流体的热导率。
k＝(-2πfcpvt/tan(γ)-h3)L1(8)这里，f＝振荡频率，Cpv＝加热器膜和支撑膜结合体的单位体积比热，
t＝加热器膜的厚度，h-3＝到基底的导热传输系数，L1＝从加热器到流体面热传导的特征长度，γ＝输入功率信号和加热器预定的阻抗变化之间的相位延迟(γ＝ΔZ·2πf)，ΔZ＝输入功率信号和加热器预定阻抗变化之间的时间延迟。
公式8的推导可查阅US专利申请，系列号No.09/992156，1997年12月31日归档，题为“使用单个加热器元件测量流体的某些特性的方法和装置”，它通过参考文献结合到本文中。
表示回路的振荡频率(或相应的时间延迟)和流体热导率的关系校准信息也可以储存在存储器620。处理器626通过接口624接收振荡频率并使用存储器620储存的以前产生的校准信息确定所测流体的热导率K。
图16显示另一个仅有一个加热器元件668的自振荡传感器装置。在这个实施方案中，加热激励放大器612提供的功率输入信号不通过惠斯登电桥直接加到加热器元件668上。放大器670自动检测和放大通过加热器元件668的电流并给移相器608提供相应的一个电压。因此，这个实施方案取消了图15中的惠斯登电桥。相对图15的实施方案，减少了电器元件的数目，同时还提供了振荡在与所测流体热导率相关频率的一个回路。
至此为止，已经描述了本发明的优选实施方案，本领域的技术人员将很容易地理解，本文也可以应用到隶属于本发明范围的其它实施方案中。
权利要求
1.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。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所测流体的所述的选定特性是选自包括热导率、热扩散率、比热、流体速度的一组特性。
3.根据权利要求1的设备，其特征在于，选定特性是指所测流体的流速V。
4.根据权利要求3的设备，其特征在于，所述决定单元(536)使用先前产生的流体速度的校准信息与标定流体的第一渡越时间确定所测流体的速度V。
5.根据权利要求1的设备，还包括同所测流体进行热交换中的第三传感器单元(528)，该单元有随温度改变的阻抗，第三传感器单元(528)跟第一传感器单元(502)隔开一个第二距离；第三渡越时间延迟单元(550)用于确定温度扰动从加热器单元(400)传输到第三传感器单元(528)的第三渡越时间延迟；所述计算单元(536)通过从第三时间延迟中减去第一时间延迟来计算温度扰动从第一传感器单元(502)传输到第三传感器单元(528)的第二渡越时间；以及所述决定单元(536)使用第一渡越时间与第二渡越时间确定所测流体的选定特性。
6.根据权利要求5的设备，其中所述决定单元(536)使用下列关系式确定所测流体的速度Vv＝((d12/Δz1-d22/Δz2)/(Δz1-Δz2)}0.5这里d1＝第一距离，d2＝第二距离，ΔZ1＝第一渡越时间，ΔZ2＝第二渡越时间。
7.确定所测流体的选定特性的方法包括以下步骤通过激励与所测流体热耦合的加热器单元，在所测流体中提供一个温度扰动；确定温度扰动从加热器单元(500)传输到第一传感器单元(502)的第一时间延迟；确定温度扰动从加热器单元(500)传输到第二传感器单元(520)的第二时间延迟，其中，所述第一传感器单元(502)与所述第二传感器单元(520)之间的距离为第一距离；通过从第二时间延迟中减去第一时间延迟来确定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；并且使用第一渡越时间确定所测流体的选定特性。
8.根据权利要求7的方法，按关系式所述确定步骤确定所测流体的热扩散率DtDt＝d2/4Δz这里d＝第一距离，ΔZ＝第一渡越时间。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于，使用先前生成的表示流体速度和第一渡越时间的校准曲线确定所测流体的速度V。
10.根据权利要求7的方法，还包括以下步骤确定温度扰动从加热器单元(500)传输到第三传感器单元(528)的第三时间延迟，其中所述第三传感器单元(528)与所述第一传感器单元(502)之间的距离为第二距离；通过从第三时间延迟中减去第一时间延迟来计算温度扰动从第一传感器单元(502)传输到第三传感器单元(528)的第二渡越时间。
11.根据权利要求10的方法，还包括使用第一渡越时间和第二渡越时间确定所测流体的速度V的步骤。
12.根据权利要求11的方法，还包括使用下列关系式确定所测流体的速度V的步骤v＝{(d12/Δz1-d22/Δz2)/(Δz1-Δz2)}0.5这里d1＝第一距离，d2＝第二距离，ΔZ1＝第一渡越时间，ΔZ2＝第二渡越时间。
全文摘要
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。
文档编号G01F1/698GK1611932SQ200410095658
公开日2005年5月4日 申请日期1998年12月18日 优先权日1997年12月31日
发明者D·库比西尔克, B·乌尔利希 申请人:霍尼韦尔有限公司