專利名稱：導熱率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來確定流體導熱率的傳感器。
背景技術(shù)：
用于由導熱率為K的介質(zhì)分開的區(qū)域A的兩個表面之間的導熱率的基本時間獨立方程式，由下述公式(1)給出K=PA(dTdx)---(1)]]>這里P是通過熱傳導而散失的能量，以及dT/dx是兩個表面之間的距離的熱梯度。
因此確定流體的導熱率的簡單方法是在A已知并且其他機件損失設(shè)定好的情況下測量保持定義好的熱梯度所需要的能量。也可以在熱梯度隨時間而改變的時域內(nèi)來測量K。假設(shè)不同成份擁有不同的導熱率、而且系統(tǒng)已被校準后或成份的導熱率是已知的情況下，對于二元或偽二元混合物，流體合成物的導熱率的改變也可以用來確定成份含量。
這種簡單的配置可用于測量導熱率，但是靈敏度會因為諸如室溫波動和對流或流量的影響而受局限。通過設(shè)計可完全擴散的從動系統(tǒng)使對流的影響最小化的努力存在時間響應(yīng)差的缺陷。在穩(wěn)定的介質(zhì)(通常是0校準氣體)中使用密封的基準元件可以用作消除殼內(nèi)溫度變化的影響，但是這就必須與測量元件精確的匹配在一起并且無法對測量元件所經(jīng)歷的對流或流動的影響進行補償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用傳感器設(shè)計，從而使元件的測試區(qū)和對比區(qū)保持在實質(zhì)上相同的環(huán)境內(nèi)，這樣流體內(nèi)除開流體本身的導熱率屬性外的所有變化對于測量區(qū)及對比區(qū)都是一致的。這樣允許針對背景干擾的共態(tài)抑制，從而提高傳感器的性能。
為使本發(fā)明更容易被理解，下面將參照附圖通過舉例的方式對其實施例進行描述。


圖1是本發(fā)明實施例的部分概略圖；圖2是圖1中所示本發(fā)明實施例的部分概略圖，一起示出了印在圓盤上的薄膜的平面圖；以及圖3是用于實施例的針對導熱率的能量差的曲線圖。
具體實施例方式
傳感器的優(yōu)選實施例包括倒置的杯狀的殼體1，殼體1具有定位在底座部件2上的開放式末端。管式套管3定位在殼體1內(nèi)，因此在套管3的外壁和殼體的內(nèi)壁之間形成環(huán)形空間4。套管3的高度小于殼體的高度并且套管頂部是開放式的。
被監(jiān)測的流體通過殼體中的入口5引入空間4并通過出口6從殼體1的封閉式末端排出。封閉式末端的形狀被形成為促進通過與殼體1的末端隔開的管套的開放式末端7流入管式套管內(nèi)部的那部分流體的擴散。
擴散元件8可以被提供為更精確地控制通過套管的開放式末端7的流體的擴散率，并從而使任何滯留的流動影響最小化。
感應(yīng)模塊9定位在管式套管內(nèi)并且連接到模塊9的電連接10通過底座部件2中的孔來完成。
空間4中的流體利用加熱器11而保持在其穩(wěn)定的溫度下，該加熱器11如圖所示定位在空間4的區(qū)域內(nèi)的殼體的外部。溫度傳感器12設(shè)置成用于監(jiān)測流入空間4中的流體的溫度。
殼體1被設(shè)計為提前加熱流體，如果需要，還保持均勻的溫度，并提供在流體到達感應(yīng)模塊9的時間內(nèi)被驅(qū)動的基本上擴散的流動環(huán)境。感應(yīng)模塊包括距底座14規(guī)定高度被安裝的圓盤13，該圓盤13還保持在穩(wěn)定溫度下。圓盤13保持在圓柱形加熱室內(nèi)，該圓柱形加熱室的對稱性進一步增強圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)之間的共態(tài)環(huán)境。
圖2示出了感應(yīng)模塊的特寫。感應(yīng)元件如圖所示為薄膜印刷的圓盤13，該圓盤13包括裝配在為陶瓷基板17結(jié)構(gòu)的公用平面平臺上的測試區(qū)和對比區(qū)15，16(同為鉑電阻器)，但是良好地等同于包括多個元件、薄膜結(jié)構(gòu)、精密電阻器、熱敏電阻或其他熱能元件。阻熱件18設(shè)置在測試區(qū)15和基準區(qū)16之間的基板中。
圓盤測試區(qū)15和底座14的距離(x)與圓盤基準區(qū)16和底座14的距離(x+d)之間操作差值d?？赏ㄟ^圓盤或底座表面中的臺階或外部下凹和/或通過內(nèi)部下凹或通過其他方式形成這種差值。通過使電流流過印刷在基板材料上的相同的電阻元件，而使圓盤的兩個等分部分保持在處于基本溫度之上的相同溫度下，因此這樣可使測試區(qū)15和基準區(qū)16之間的熱量泄漏最小。通過選擇具有低導熱率基板材料和使用阻熱件18，可將由于任何殘留的溫度不均衡而造成的兩個等分部分之間的任何熱量泄漏進一步最小化。
導熱率K可以使用下述公式1來確定K=(PM-PR)x(x+d)A(TD-TB)d---(2)]]>這里PM是流體由于熱傳導在通過測試區(qū)時消耗的能量，PR是流體由于熱傳導在通過基準區(qū)時消耗的能量，A是圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)(各占圓盤的一半)的表面面積，TD是圓盤(包括測試區(qū)和基準區(qū))的溫度，TB是底座的溫度，x是測試元件到底座的距離，以及d是底座中臺階的高度。相對于圓盤半徑，距離x保持很小，以提高通過介質(zhì)到底座的熱傳導消耗而產(chǎn)生的靈敏度并保持小的擴散量。同樣的，臺階高度d應(yīng)足夠高以提供所需的靈敏度，同時仍然維持與經(jīng)歷的測試區(qū)相似的環(huán)境。
圖3圖示了測量結(jié)果，該測量結(jié)果使用上述實施例，而且在基于氧化銥穩(wěn)定的氧化鋯圓盤上印刷了鉑電阻跡線，該圓盤具有熱槽。該曲線表明對于氫氣/氮氣混合物信號(能量差)與氫濃度成比例。由于純氫氣和氮氣的導熱率基本上不同(氫氣大一些)，因此氫氣的提高水平增加了流體混合物的導熱率，從而如果已采用公知的標準校準了傳感器，就可產(chǎn)生混合物中的氫的濃度。
由于除了通過流體到電阻的熱傳導消耗不同之外，測試區(qū)和基準區(qū)經(jīng)歷了實質(zhì)上相同的環(huán)境，因此現(xiàn)在可將僅通過使用單個測試元件而經(jīng)歷的大部分干擾與基準一起抑制成共態(tài)。當流體組合物發(fā)生改變時，圓盤之上的開放式結(jié)構(gòu)和圓盤之下的少量擴散量允許快速的相互交換時間，并由此產(chǎn)生快速流動時間時。這個概念可以與多個測量元件和基準元件一起使用以便獲得平均信號，而且測量本身還可以作為穩(wěn)態(tài)測量而執(zhí)行，或在溫度和/或圓盤到底座的距離隨時間改變而改變情況下進行所述測量，還可使用所述測量同時例如通過電阻元件增加熱量或例如通過珀耳帖(Peltier)效應(yīng)的冷卻裝置帶走的熱量。
如果圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)在平坦底座上方保持在同樣的溫度下，但是底座的兩個相應(yīng)的平分部分保持在不同溫度下，可以得到相似的結(jié)果。也利用保持在不同溫度下的圓盤的兩個區(qū)得到可供選擇的實施例，該不同的溫度是通過維持在受控溫度下的平坦或臺階式的底座而保持的，從而在圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)以及底座之間產(chǎn)生不同的熱梯度。這種結(jié)果也可通過使用多個元件和/或在穩(wěn)定狀態(tài)下或時域情況下實現(xiàn)。
感應(yīng)元件可以敷設(shè)成惠斯登(Wheatstone)電橋。在這種情況下，可以如上所述使用該優(yōu)選實施例，但此時，可使用兩個外置電阻器產(chǎn)生全電橋。圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)用作電橋的一個臂，而外置基準電阻作為另一個臂。全惠斯登電橋也可以印刷在圓盤上，而測量電阻器和基準電阻器或者布置在圓盤的四分之一區(qū)域上或者布置在圓盤的各個半邊上。電橋內(nèi)流動的電流使圓盤加熱到室溫以上。圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)的溫度不再相等，并且與通過介質(zhì)朝底座上的熱傳導消耗相關(guān)。與圓盤的測試區(qū)和基準區(qū)之間的溫差有關(guān)的輸出電壓信號也因此與介質(zhì)的導熱率有關(guān)。兩個等分區(qū)域之間的熱能泄漏會降低靈敏度，可通過選擇具有低導熱率的薄基板材料并使用阻熱件而使熱能泄漏最小化?；菟沟请姌蚩梢栽诤愣妷?、恒定電流或恒定電阻模式下工作。也可以在改進的惠斯電橋模式下工作，施加在測量元件和/或基準元件上來保持固定的電壓偏移量的額外能量可用于確定介質(zhì)的導熱率。
惠斯登電橋可以在直流模式下或交流模式下工作，進行或不進行同步檢測。測試區(qū)和基準區(qū)也可以保持在固定溫度下或允許他們的溫度和/或離底座的距離隨時間的改變而變化。同以前一樣，可以使用分開的而不是相同圓盤上的測量元件和基準元件并且使用可供選擇的熱源和/或檢測器進行等同的測量。
另外可選擇的配置可以是通過一個或多個薄膜印刷電阻加熱圓盤基板，并使用與一個或多個加熱器電阻電絕緣的低能量薄膜印刷惠斯登電橋，以感應(yīng)因為通過介質(zhì)產(chǎn)生的熱傳導損耗而在測試區(qū)和基準區(qū)之間產(chǎn)生的局部熱量差。
也可以將電橋設(shè)計成用于測試區(qū)和基準區(qū)的阻值故意地不平衡，因此可以在測試區(qū)、基準區(qū)和平坦或臺階式底座之間產(chǎn)生溫差。不平衡的阻值也可以用于在與底座的距離不同的測試區(qū)和基準區(qū)之間看到的任何溫差最小化。這樣有助于提高靈敏度和共態(tài)抑制(common mode rejection)。
權(quán)利要求
1.一種用于確定流體導熱率的傳感器，包括定位在殼體中的感應(yīng)模塊，所述殼體具有在測試時用于流體的入口和出口，所述感應(yīng)模塊包括基準底座表面和與所述基準底座表面分開的感應(yīng)元件、并包括測試區(qū)和基準區(qū)，并且提供有電能監(jiān)測裝置，所述電能監(jiān)測裝置用于監(jiān)測通過測試區(qū)和基準區(qū)的能量，從而產(chǎn)生表示因為通過流體的熱傳導熱而導致的能量差的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述傳感元件為其上印刷測試電阻和基準電阻的薄膜印刷圓盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述監(jiān)測裝置包括惠斯登電橋，所述惠斯登電橋的輸出構(gòu)成所述信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中使用擴散性元件控制到感應(yīng)元件上的流體擴散率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4所述的傳感器，其中所述感應(yīng)元件是一種薄膜印刷圓盤，所述薄膜印刷圓盤的厚度和基板材料的導熱率被選擇成使所述感應(yīng)元件的靈敏度和響應(yīng)時間最優(yōu)化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述圓盤設(shè)有位于測試區(qū)和基準區(qū)之間以便提高靈敏度的阻熱件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中感應(yīng)元件是薄膜元件。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的傳感器，其中熱敏電阻或珀耳帖效應(yīng)冷卻器用作感應(yīng)元件的測試區(qū)和基準區(qū)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的傳感器，其中使用多個測試區(qū)和基準區(qū)獲得大信號或平均信號。
全文摘要
一種用于確定流體導熱率的傳感器，包括定位在殼體中的感應(yīng)模塊，所述殼體具有在測試時用于流體的入口和出口，所述感應(yīng)模塊包括基準底座表面和與所述基準底座表面分開的感應(yīng)元件、并具有測試區(qū)和基準區(qū)，并且提供有電能監(jiān)測裝置，所述電能監(jiān)測裝置用于監(jiān)測通過測試區(qū)和基準區(qū)的能量，從而產(chǎn)生表示因為通過流體的熱傳導熱而導致的能量差的信號。
文檔編號G01N25/20GK101042359SQ200710087899
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者馬丁·洛佩斯, 詹姆斯·霍比, 巴赫拉姆·阿里扎德, 理查德·P·科瓦奇基 申請人:仕富梅集團公司