CN101042359B - 导热率传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于确定流体导热率的传感器，包括定位在壳体中的感应模块，所述壳体具有在测试时用于流体的入口和出口，所述感应模块包括基准底座表面和与所述基准底座表面分开的感应元件，感应元件包括保持在实质上相同的环境内的测试区和基准区，所述测试区和所述基准底座表面之间的热梯度不同于所述基准区和所述基准底座表面之间的热梯度，传感器具有提供电能的装置以及控制测试区和基准区分别相对于所述基准底座表面的温度的装置，并且提供有监测装置，所述监测装置用于监测提供到测试区和基准区的各自的能量，从而产生表示由通过流体的热传导而导致的提供到测试区和基准区能量值之间的差的信号。

Description

导热率传感器

技术领域

本发明涉及一种用来确定流体导热率的传感器。

背景技术

用于由导热率为K的介质分开的区域A的两个表面之间的导热率的基本时间独立方程式，由下述公式(1)给出：

$K=\frac{P}{A\left(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}\right)}---\left(1\right)$

这里P是通过热传导而散失的能量，以及dT/dx是两个表面之间的距离的热梯度。

因此确定流体的导热率的简单方法是在A已知并且其他机件损失设定好的情况下测量保持定义好的热梯度所需要的能量。也可以在热梯度随时间而改变的时域内来测量K。假设不同成份拥有不同的导热率、而且系统已被校准后或成份的导热率是已知的情况下，对于二元或伪二元混合物，流体合成物的导热率的改变也可以用来确定成份含量。

这种简单的配置可用于测量导热率，但是灵敏度会因为诸如室温波动和对流或流量的影响而受局限。通过设计可完全扩散的从动系统使对流的影响最小化的努力存在时间响应差的缺陷。在稳定的介质(通常是0校准气体)中使用密封的基准元件可以用作消除壳内温度变化的影响，但是这就必须与测量元件精确的匹配在一起并且无法对测量元件所经历的对流或流动的影响进行补偿。

发明内容

本发明采用传感器设计，从而使元件的测试区和对比区保持在实质上相同的环境内，这样流体内除开流体本身的导热率属性外的所有变化对于测量区及对比区都是一致的。这样允许针对背景干扰的共态抑制，从而提高传感器的性能。

为使本发明更容易被理解，下面将参照附图通过举例的方式对其实施例进行描述。

附图说明

图1是本发明实施例的部分概略图；

图2是图1中所示本发明实施例的部分概略图，一起示出了印在圆盘上的薄膜的平面图；以及

图3是用于实施例的针对导热率的能量差的曲线图。

具体实施方式

传感器的优选实施例包括倒置的杯状的壳体1，壳体1具有定位在底座部件2上的开放式末端。管式套管3定位在壳体1内，因此在套管3的外壁和壳体的内壁之间形成环形空间4。套管3的高度小于壳体的高度并且套管顶部是开放式的。

被监测的流体通过壳体中的入口5引入空间4并通过出口6从壳体1的封闭式末端排出。封闭式末端的形状被形成为促进通过与壳体1的末端隔开的管套的开放式末端7流入管式套管内部的那部分流体的扩散。

扩散元件8可以被提供为更精确地控制通过套管的开放式末端7的流体的扩散率，并从而使任何滞留的流动影响最小化。

感应模块9定位在管式套管内并且连接到模块9的电连接10通过底座部件2中的孔来完成。

空间4中的流体利用加热器11而保持在其稳定的温度下，该加热器11如图所示定位在空间4的区域内的壳体的外部。温度传感器12设置成用于监测流入空间4中的流体的温度。

壳体1被设计为提前加热流体，如果需要，还保持均匀的温度，并提供在流体到达感应模块9的时间内被驱动的基本上扩散的流动环境。感应模块包括距底座14规定高度被安装的圆盘13，该圆盘13还保持在稳定温度下。圆盘13保持在圆柱形加热室内，该圆柱形加热室的对称性进一步增强圆盘的测试区和基准区之间的共态环境。

图2示出了感应模块的特写。感应元件如图所示为薄膜印刷的圆盘13，该圆盘13包括装配在为陶瓷基板17结构的公用平面平台上的测试区和对比区15，16(同为铂电阻器)，但是良好地等同于包括多个元件、薄膜结构、精密电阻器、热敏电阻或其他热能元件。阻热件18设置在测试区15和基准区16之间的基板中。

圆盘测试区15和底座14的距离(x)与圆盘基准区16和底座14的距离(x+d)之间操作差值d。可通过圆盘或底座表面中的台阶或外部下凹和/或通过内部下凹或通过其他方式形成这种差值。通过使电流流过印刷在基板材料上的相同的电阻元件，而使圆盘的两个等分部分保持在处于基本温度之上的相同温度下，因此这样可使测试区15和基准区16之间的热量泄漏最小。通过选择具有低导热率基板材料和使用阻热件18，可将由于任何残留的温度不均衡而造成的两个等分部分之间的任何热量泄漏进一步最小化。

导热率K可以使用下述公式1来确定：

$K=\frac{(P_M-P_R)x(x+d)}{A(T_D-T_D)d}---\left(2\right)$

这里P_M是流体由于热传导在通过测试区时消耗的能量，P_R是流体由于热传导在通过基准区时消耗的能量，A是圆盘的测试区和基准区(各占圆盘的一半)的表面面积，T_D是圆盘(包括测试区和基准区)的温度，T_B是底座的温度，x是测试元件到底座的距离，以及d是底座中台阶的高度。相对于圆盘半径，距离x保持很小，以提高通过介质到底座的热传导消耗而产生的灵敏度并保持小的扩散量。同样的，台阶高度d应足够高以提供所需的灵敏度，同时仍然维持与经历的测试区相似的环境。

图3图示了测量结果，该测量结果使用上述实施例，而且在基于氧化铱稳定的氧化锆圆盘上印刷了铂电阻迹线，该圆盘具有热槽。该曲线表明对于氢气/氮气混合物信号(能量差)与氢浓度成比例。由于纯氢气和氮气的导热率基本上不同(氢气大一些)，因此氢气的提高水平增加了流体混合物的导热率，从而如果已采用公知的标准校准了传感器，就可产生混合物中的氢的浓度。

由于除了通过流体到电阻的热传导消耗不同之外，测试区和基准区经历了实质上相同的环境，因此现在可将仅通过使用单个测试元件而经历的大部分干扰与基准一起抑制成共态。当流体组合物发生改变时，圆盘之上的开放式结构和圆盘之下的少量扩散量允许快速的相互交换时间，并由此产生快速流动时间时。这个概念可以与多个测量元件和基准元件一起使用以便获得平均信号，而且测量本身还可以作为稳态测量而执行，或在温度和/或圆盘到底座的距离随时间改变而改变情况下进行所述测量，还可使用所述测量同时例如通过电阻元件增加热量或例如通过珀耳帖(Peltier)效应的冷却装置带走的热量。

如果圆盘的测试区和基准区在平坦底座上方保持在同样的温度下，但是底座的两个相应的平分部分保持在不同温度下，可以得到相似的结果。也利用保持在不同温度下的圆盘的两个区得到可供选择的实施例，该不同的温度是通过维持在受控温度下的平坦或台阶式的底座而保持的，从而在圆盘的测试区和基准区以及底座之间产生不同的热梯度。这种结果也可通过使用多个元件和/或在稳定状态下或时域情况下实现。

感应元件可以敷设成惠斯登(Wheatstone)电桥。在这种情况下，可以如上所述使用该优选实施例，但此时，可使用两个外置电阻器产生全电桥。圆盘的测试区和基准区用作电桥的一个臂，而外置基准电阻作为另一个臂。全惠斯登电桥也可以印刷在圆盘上，而测量电阻器和基准电阻器或者布置在圆盘的四分之一区域上或者布置在圆盘的各个半边上。电桥内流动的电流使圆盘加热到室温以上。圆盘的测试区和基准区的温度不再相等，并且与通过介质朝底座上的热传导消耗相关。与圆盘的测试区和基准区之间的温差有关的输出电压信号也因此与介质的导热率有关。两个等分区域之间的热能泄漏会降低灵敏度，可通过选择具有低导热率的薄基板材料并使用阻热件而使热能泄漏最小化。惠斯登电桥可以在恒定电压、恒定电流或恒定电阻模式下工作。也可以在改进的惠斯电桥模式下工作，施加在测量元件和/或基准元件上来保持固定的电压偏移量的额外能量可用于确定介质的导热率。

惠斯登电桥可以在直流模式下或交流模式下工作，进行或不进行同步检测。测试区和基准区也可以保持在固定温度下或允许他们的温度和/或离底座的距离随时间的改变而变化。同以前一样，可以使用分开的而不是相同圆盘上的测量元件和基准元件并且使用可供选择的热源和/或检测器进行等同的测量。

另外可选择的配置可以是通过一个或多个薄膜印刷电阻加热圆盘基板，并使用与一个或多个加热器电阻电绝缘的低能量薄膜印刷惠斯登电桥，以感应因为通过介质产生的热传导损耗而在测试区和基准区之间产生的局部热量差。

也可以将电桥设计成用于测试区和基准区的阻值故意地不平衡，因此可以在测试区、基准区和平坦或台阶式底座之间产生温差。不平衡的阻值也可以用于在与底座的距离不同的测试区和基准区之间看到的任何温差最小化。这样有助于提高灵敏度和共态抑制(common mode rejection)。

Claims (12)

1.一种用于确定流体导热率的传感器，包括定位在壳体中的感应模块，所述壳体具有在测试时用于流体的入口和出口，所述感应模块包括基准底座表面和与所述基准底座表面分开的感应元件，感应元件包括保持在实质上相同的环境内的测试区和基准区，所述测试区和所述基准底座表面之间的热梯度不同于所述基准区和所述基准底座表面之间的热梯度，传感器具有提供电能的装置以及控制测试区和基准区分别相对于所述基准底座表面的温度的装置，并且提供有监测装置，所述监测装置用于监测提供到测试区和基准区的各自的能量，从而产生表示由通过流体的热传导而导致的提供到测试区和基准区能量值之间的差的信号。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述控制测试区和基准区分别相对于所述基准底座表面的温度的装置用于将所述测试区和基准区保持在基准底座表面的温度之上的相同温度，其中所述测试区和基准区在所述测试区和基准区之下距离所述基准底座表面以不同的距离定位。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述基准底座表面为台阶式基准底座表面。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述基准底座表面为平坦式基准底座表面，并且在所述测试区之下的基准底座表面的区域与在所述基准区之下的基准底座表面的区域之间保持温度差。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述感应元件为其上印刷测试电阻和基准电阻的薄膜印刷圆盘。

6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述监测装置包括惠斯登电桥，所述惠斯登电桥的输出构成产生所述信号。

7.根据权利要求1所述的传感器，其中使用扩散性元件控制到感应元件上的流体扩散率。

8.根据权利要求5所述的传感器，其中所述感应元件包括基板，所述基板具有低导热率的基板材料。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述感应元件设有位于测试区和基准区之间的阻热件。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中感应元件是薄膜元件。

11.根据权利要求1所述的传感器，其中热敏电阻或珀耳帖效应冷却器用作感应元件的测试区和基准区。

12.根据权利要求1所述的传感器，其中在所述感应元件中设有多个测试区和基准区。

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