專利名稱：電阻型熱損失的壓力感應器的操作方法
相關申請這份申請是2005年6月7日申請的美國專利申請第11/146,721號的繼續(xù)申請，而美國專利申請第11/146,721號是2005年3月1日申請的美國專利申請第11/070,819號的繼續(xù)申請，而所述的美國專利申請第11/070,819號又是2004年7月28日申請的美國專利申請第10/900,504號的部分繼續(xù)申請。上述申請的全部教導在此通過引證被并入。
背景技術：
通過氣體的傳熱速率是氣體壓力的函數。因此，在某些情況下，來自受熱敏感元件的傳熱速率的測量結果在適當標定的情況下能用來確定氣體壓力。這個特征被用于眾所周知的皮拉尼壓力計。
許多皮拉尼壓力計包括在惠斯登電橋分開的橋臂中對溫度敏感的測知電阻和補償電阻。補償電阻是按照在通過這兩個電阻外加電流時使自加熱減到最少的原則確定大小的。在給測知電阻加熱的情況下合成電阻的差異是周圍環(huán)境壓力的指示。
在美國專利第6,658,941號所提出的較新的熱損失測量儀器的技術實現方面，敏感元件和補償元件有相似的尺寸，但是附加的加熱電流是加在敏感元件上的，為的是提高它的溫度。再者，敏感元件和補償元件的相對電阻用敏感元件溫度的增加指示周圍環(huán)境的壓力。一種技術實現依靠惠斯登電橋，而另一種技術實現依靠在響應被測知的電阻的反饋電路的控制之下流過敏感元件的電流的固定比率。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及對熱損失型測量儀器的改進，由于能力依靠精確度較低的元器件，該熱損失型測量儀器有潛力以較低的費用提供較高的性能。本發(fā)明的系統(tǒng)使用不對稱的切換技術控制給敏感元件和補償元件的功率，而不是如同6,658,941號專利的技術實現那樣控制電流源。
電源被連接以便在敏感元件和補償元件之間切換電流，優(yōu)選來自共用的電流源。相對于補償元件在較長的工作周期里將電流加到敏感元件上給敏感元件加熱。測定電路基于敏感元件和補償元件的電響應確定將元件暴露在其中的環(huán)境的氣體壓力。
在某些實施方案中，電流按照固定的工作周期加到敏感元件和補償元件上，而且電流水平是受控的。在其他的實施方案中，外加電流是固定的，而至少給敏感元件和補償元件之一電流的工作周期是受控的。在另外一些實施方案中，電流和工作周期兩者都是受控的。
氣體壓力可以基于通過敏感元件的加熱電流水平和/或橫跨敏感元件產生的電壓水平確定。
在各種不同的實施方案中，補償元件都與固定電阻元件串聯。電源將電流應用于把敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補償元件和固定電阻元件的組合電阻相匹配的溫度。在某些實施方案中，固定電阻元件僅僅與補償元件串聯，而且將橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓與橫跨敏感元件的電壓進行比較，以便控制被切換的電流。在另一些實施方案中，固定電阻元件與敏感元件和補償元件串聯，而且橫跨固定電阻元件的電壓被加到橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓上，與橫跨敏感元件和固定電阻元件的電壓進行比較。


本發(fā)明上述的和其它的目的、特征和利益從下面關于在以相似的參考符號在不同的視圖中處處表示相同的部分的附圖中舉例說明的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的更具體的描述將變得顯而易見。這些附圖不必依比例繪制，而是強調舉例說明本發(fā)明的原則。
圖1展示本發(fā)明的一個實施方案。
圖2更詳細地展示圖1的實施方案。
圖3舉例說明本發(fā)明為減少熱電效應使用同步探測技術設計的另一個實施方案。
圖4舉例說明在連接路徑中避免雜散電阻效應的另一個實施方案。
圖5舉例說明改變電流工作周期的另一個實施方案。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案描述如下。
圖1是體現本發(fā)明的控制和測定電路的單化圖。傳感器控制電路的目的是使敏感元件Rs的溫度維持比補償元件Rc的溫度高某個精確的固定數量。實現這個目的所需要的橫跨敏感元件的電壓和/或通過敏感元件的電流被測定，然后以通過引證被全部并入的第6,023,979號和第6,658,941號專利所描述的方式轉換成壓力。來自非獨立電流源I1的電流是使用開關S3切換的，交替地通過敏感元件Rs和補償元件Rc。在每個周期期間電流通過敏感元件Rs流動的時間是比較長的，與電流通過補償元件Rc流動的時間成比例。因此，在Rs中消耗的平均功率大于在Rc中消耗的，從而使Rs升溫到高于Rc的溫度。
在低壓下，熱量不同樣迅速地從電阻傳導到周圍環(huán)境。因此，在低壓下，電阻Rs將在給定的輸入下增加到較大的數量，或將需要較少的輸入功率增加到給定的電阻。電阻Rs增加超過電阻Rc的程度通過把與溫度無關的微分電阻Rd與Rc串聯地連接并驅使電阻Rs到Rs等于Rc加上Rd的水平被迅速地確定。然后，維持電阻相等所需要的電輸入能用來計算壓力。舉例來說，替代方法可能依靠Rs和Rc的被數字化并且在沒有串聯電阻Rd的情況下用微處理器處理的測量結果。
這個過程的循環(huán)周期保持比傳感器電線的熱時間常數短得多，以致元件的溫度和電阻不因為電流被來回切換而改變。
固定電阻Rd是與Rc串聯地插入的，以便形成與溫度有關的和與溫度無關的電阻之和。當開關S3使來自電流源I1的電流通過Rc的時候，S1閉合并且將電容器C1充電到出現在Rd頂端的峰值電壓V1(信號v1)。然后，當S3把電流切換到從I1到Rs的時候，S1斷開而S2閉合，把電容器C2充電到出現在Rs頂端的峰值電壓V2(信號v2)。因此，電壓V1和V2被充電到信號v1和v2的最高值。
由于Rs和Rc的低端連接在一起，所以V1在電阻Rs＝Rc+Rd的時候將等于V2。差值V1-V2在高增益積分放大器A1中被放大，驅使非獨立的電流源I1到適當的水平，維持電壓相等和電阻相等的條件。放大器A1的增益足夠高，以保持V1和V2之間的誤差可以忽略，而且放大器A1的時間響應足夠緩慢，以保證電流源I1在切換周期期間不能改變數值。
電流表Is測量敏感元件電流。對于測量儀器中的穩(wěn)定壓力，放大器A1在切換周期的兩個部分里保持電流相等，從而使通過電流表I1的電流是等于電流源I1的電流的穩(wěn)定的DC水平。因此，用電流表Is測量的電流等于敏感元件峰值電流Is，而該峰值電流等于電流源I1的電流。橫跨Rs的平均電壓是橫跨RC濾波器的C3產生的，其時間常數比電流切換周期的周期時間略微長一些。敏感元件的平均電壓Vs和電流Is都使用標準的A/D轉換技術轉換成數字格式。然后，數字處理器使用一種算法計算作為Vs和Is的函數的壓力，其中所述算法是使用6,023,979和6,658,941號專利所描述的三維表面經驗擬合技術研發(fā)的。
本發(fā)明的切換設計考慮到減少用在美國專利第6,658,941號的圖7的技術實現中的精密元器件。在早期設計中，兩個電流源有精確的電流比。為此目的，使用匹配的雙運算放大器和精密電阻。同時，精密電阻用來在控制電流源的反饋電路中提供精確的倍增比。在目前的設計中，單一電流源將電流加到該電路的兩個橋臂上。進一步說，電壓v1和v2都直接反饋給放大器A1，不需要有一個相對于另一個被分開。現在的設計依靠容易用低成本的數字電路控制的時間比，而不是精確控制電流比和電壓比。
真實的解算電路設計展示在圖2中。在這個電路中，定時電路產生數字定時信號B、C和D以保證S1在電流切換到補償元件之后閉合和在電流切換到敏感元件之前斷開而S2在電流切換到敏感元件之后閉合和在電流切換到補償元件之前斷開。
在這個電路中，電流源I1由FET Q1和電阻R1和R2組成。開關S3包括用各自的定時信號B和A驅動的FET Q2和Q3。人們從實驗數據發(fā)現，在3kHz以上的周期頻率消除熱時間常數問題，而且頻率被選定為10kHz。切換工作周期對于補償元件被設定在25％，而且對于敏感元件被設定在75％。雖然工作周期達到將近50％也將工作，但是較短的工作周期減少不受歡迎的補償元件自加熱。
在工作周期低于25％的情況下，補償元件溫度能保持接近該裝置的外殼周圍溫度，從而將不必要的功率消耗和殼體溫升減到最少。請注意補償元件的功率消耗和溫升比敏感元件的(補償器對傳感器的時間比)2的倒數略微小一些(大約80％)。舉例來說，如果敏感元件按70℃的溫升運行而且在20％的時間里給補償元件供電，則補償元件將在與敏感元件一樣長久的1/4時間里傳導電流，而且它的溫升將是大約0.8×(1/16)×70℃＝3.5℃。
在該傳感器和互連配線上的溫度梯度能在控制和測量電路中產生小的DC誤差，從而導致壓力測量誤差和不穩(wěn)定性。這些熱電效應是在圖3中作為電壓來源Vth-c和Vth-s舉例說明的。上述的方法能被這樣進一步改進，以致這些熱電效應能使用AC同步探測計劃消除。由于電流在兩個元件之間被交替地切換，所以橫跨每個元件的電壓能在每個相應的周期狀態(tài)期間探測。在兩個探測到的橫跨給定元件產生的電壓之間的差異提供更精確的電阻和加熱電壓測量結果，因為剩余的熱電誤差電壓出現在兩個讀數中并因此被抵消。
這個方法與圖1所描述的方法類似地工作，但是有下述的附加特征。在抽取并保存信號v1樣品的時間周期期間，把V1儲存在電容器C1上，同時抽取和保存信號v2樣品，把V3儲存在C3上。然后，在抽取并保存信號v2樣品的時候，把V2儲存在電容器C2上，同時抽取并保存信號v1樣品，把V4儲存在電容器C4上。儲存在四個電容器上的四個直流電壓代表信號v1和v2的下列瞬間電壓分量當電流流過補償元件的時候，V1＝橫跨Rc和Rd的電壓+Vth-c。
當電流流過敏感元件的時候，V2＝橫跨Rs的電壓+Vth-s。
當電流流過補償元件的時候，V3＝橫跨Rs的電壓+Vth-s。
當電流流過敏感元件的時候，V4＝橫跨Rc和Rd的電壓+Vth-c。
Vth-c是在測量補償元件上的電壓時發(fā)生的不受歡迎的熱電電壓，而Vth-s是在測量敏感元件上的電壓時發(fā)生的不受歡迎的熱電電壓。
儀表化的增益相等的放大器A2和A3產生分別與V1-V4和V2-V3成正比的輸出電壓。Vth-c和Vth-s的效應在這兩個放大器的輸出端都被消除。如同在先前描述的方法，兩個放大器的輸出通過使用高增益積分放大器A1和反饋環(huán)中的非獨立的電流源I1而保持相等。這保證Rs＝Rc+Rd。
敏感元件的加熱電壓是通過測量電壓差V2-V3(也消除Vth-s的效應)測知的。因此，熱電誤差是在控制和測量兩個函數中使用這個改進方法消除的。
一些設計出現這樣的問題，即固定電阻不能以這種在連接路徑中避免雜散電阻不受控制的后果的方式與補償元件串聯。這個問題是在6,658,941號專利的圖8中通過將進入積分放大器的三個電壓差而不是兩個電壓差相加解決的，而且所述方式能同樣用在這里。然而，目前的切換設計考慮到圖4的替代方式。圖4的電路導致把正確的電流以導致敏感元件增加恒定不變的歐姆數高于補償元件的電阻的方式加到兩個元件上。
在該切換設計中，激勵電流通過固定電阻，把橫跨這個固定電阻的電壓加到來自補償元件連接點的抽樣電壓上。這能以多種方式完成，但是圖4舉例說明的方法是使用“切換電容器”技術，其中未接地的電容器在電流工作周期的較長階段期間被充電到橫跨固定電阻的電壓。通過安排開關，這個電容器在電流工作周期的較短階段期間在補償元件上測知的電壓串聯地連接，為的是把用于補償元件電壓的抽樣保持電容器充電到兩個電壓品的總和。這是通過把三個模擬開關和一個電容器加到原來的電路上實現的。
這種新方法除了降低成本之外還有提供較高性能的潛力。先前的DC方法受制于小溫度梯度產生的熱電誤差。這種方法有產生較高的電壓信號水平的優(yōu)勢，從而使熱電誤差相對于信號水平變得比較小。除此之外，當功率比增加的時候，沒有采用先前的方法時存在的信號水平損失。因此，補償元件能在與敏感元件成比例的低得多的功率水平下操作，從而減少不受歡迎的熱消散。由于這種方法是按脈沖模式操作的，所以進一步的性能改進能通過使用圖4的AC測量技術來實現，消除所有的熱電不穩(wěn)定性。提高儀器性能的重大優(yōu)勢是能實現附加的壓力范圍。
在圖4中，固定電阻Rd與敏感元件Rs和補償元件Rc兩者串聯。因此，橫跨那個電阻的電壓有出現在兩個信號v2和v1中的共同的水平。另外，圖4的電路把橫跨Rd的電壓加到v1的抽樣峰值上，變成可與先前的設計比較的。為此目的，當電流流過Rs和Rd的時候，通過閉合開關S6和S7把橫跨Rd的電壓儲存在C4上。在該周期的后面部分，當電流流過Rc和Rd的時候，開關S6和S7被斷開，以致電容器C4與從v1到S1的電路串聯連接。因此，被儲存在C1上的電壓是v1和VC4的峰值的總和。
另外一個實施方案呈現在圖5中。圖5對應于圖1所示電路的修改，但是這種方法能適用于先前的任何實施方案。在這個電路中，可能以數字電路為主的開關定時控制STC響應電壓v1和v2確定適當的開關S3與敏感元件Rs和補償元件Rc連接的時間長度。在這個方法中，通過電流源I1的電流可以保持恒定不變，因為加到Rs和Rc上的脈沖的相對長度是受控的。
與給補償元件Rc的脈沖相比較，給敏感元件Rs的電流脈沖的時間長度是優(yōu)先把傳感器加熱到規(guī)定的電阻的控制參數。電流脈沖的幅度將是固定的，而且對于Rs和Rc將是相同的。給Rc的脈沖的時間長度通常將是固定的，但是可能是可變的。
在用從開關定時控制STC到電流源I1的斷裂線指出的另外一種技術實現中，通過電流源的電流水平是受控的，而且給Rs和Rc的脈沖長度是受控的。
盡管已經參照其優(yōu)選實施方案具體地展示和描述了這項發(fā)明，但是熟悉這項技術的人將理解在形式和細節(jié)方面各種不同的改變可以在不脫離權利要求書所囊括的本發(fā)明的范圍的情況下完成。舉例來說，雖然測知電阻元件和補償電阻元件通常幾乎是匹配的，但是一些故意的不匹配如同通過引證被全部并入的美國專利申請公開第US-2003-0097876-A1號所教導的那樣可能是有利的。
權利要求
1.一種用來測量環(huán)境氣體壓力的熱損失測量儀器，其中包括暴露于環(huán)境之下的電阻型敏感元件；在有敏感元件的電路中暴露于環(huán)境之下的電阻型補償元件；與敏感元件和補償元件之間切換電流相連接的電源，相對于補償元件在較長的工作周期里將電流加到敏感元件上以便給敏感元件加熱；以及測定電路，該測定電路基于敏感元件和補償元件的電響應確定敏感元件和補償元件暴露于其中的環(huán)境氣體壓力。
2.根據權利要求1的測量儀器，其中給敏感元件和補償元件的電流交替來自共用的電流源。
3.根據權利要求1的測量儀器，其中氣體壓力是基于通過敏感元件的加熱電流和/或橫跨敏感元件產生的電壓確定的。
4.根據權利要求1的測量儀器，其中補償元件與固定電阻元件串聯。
5.根據權利要求4的測量儀器，其中電源將電流應用于將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補償元件和固定電阻元件的組合電阻相匹配的溫度。
6.根據權利要求4的測量儀器，其中橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓與橫跨敏感元件的電壓進行比較，以便控制被切換的電流。
7.根據權利要求4的測量儀器，其中固定電阻元件與敏感元件和補償元件兩者串聯，而且橫跨固定電阻元件的電壓被加到橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓上與橫跨敏感元件和固定電阻元件的電壓比較，以便控制被切換的電流。
8.根據權利要求1的測量儀器，其中電源將電流應用于將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與固定電阻和補償元件的組合電阻相匹配的溫度。
9.根據權利要求1的測量儀器，其中電流是按固定的工作周期加到敏感元件和補償元件上的，而且電流水平是受控的。
10.根據權利要求1的測量儀器，其中外加電流是固定的，而且至少給敏感元件和補償元件之一電流的工作周期是受控的。
11.根據權利要求1的測量儀器，其中外加電流和至少敏感元件和補償元件的工作周期之一都是受控的。
12.一種測量環(huán)境氣體壓力的方法，該方法包括使電流在暴露于環(huán)境之中的電阻型敏感元件和電阻型補償元件之間切換，相對于補償元件在較長的工作周期里將電流加到敏感元件上以便給敏感元件加熱；以及基于敏感元件和補償元件的電響應確定環(huán)境氣體壓力。
13.根據權利要求12的方法，其中給敏感元件和補償元件的電流交替地來自共用的電流源。
14.根據權利要求12的方法，其中氣體壓力是基于通過敏感元件的加熱電流和/或橫跨敏感元件產生的電壓確定的。
15.根據權利要求12的方法，其中補償元件與固定電阻元件串聯。
16.根據權利要求15的方法，其中電源將電流應用于將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補償元件和固定電阻元件的組合電阻相匹配的溫度。
17.根據權利要求15的方法，其中橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓將與橫跨敏感元件的電壓進行比較，以便控制被切換的電流。
18.根據權利要求15的方法，其中固定電阻元件與敏感元件和補償元件兩者串聯，而且橫跨固定電阻元件的電壓被加到橫跨補償元件和固定電阻元件的電壓上與橫跨敏感元件和固定電阻元件的電壓比較以便控制被切換的電路。
19.根據權利要求12的方法，其中電源將電流應用于將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補償元件和固定電阻相加的組合電阻相匹配的溫度。
20.根據權利要求12的方法，其中電流是按固定的工作周期加到敏感元件和補償元件上的，而且電流水平是受控的。
21.根據權利要求12的方法，其中外加電流是固定的，而且至少給敏感元件和補償元件之一的電流的工作周期是受控的。
22.根據權利要求12的方法，其中外加電流和至少敏感元件和補償元件之一的工作周期都是受控的。
23.一種用來測量環(huán)境氣體壓力的熱損失測量儀器，該儀器包括用來在暴露于環(huán)境之中的電阻型敏感元件和電阻型補償元件之間切換電流的切換裝置，相對于補償元件在較長的工作周期里將電流加到敏感元件上給敏感元件加熱；以及基于敏感元件和補償元件的電響應確定環(huán)境氣體壓力的處理裝置。
全文摘要
在電阻加熱的熱損失壓力測量儀器中，電流是按在不同的工作周期在敏感元件和補償元件之間切換的。因此，敏感元件相對于補償元件是熱的。固定電阻至少與補償元件串聯。電流源將電流應用于將敏感元件加熱到敏感元件的電阻與補償元件和固定電阻元件的組合電阻相匹配的溫度。
文檔編號G01L21/00GK1993607SQ200580025130
公開日2007年7月4日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權日2004年7月28日
發(fā)明者邁克爾·D·博雷斯坦, 保羅·C·阿諾德 申請人:螺旋技術有限公司