CN101263366A - 用于测量一种介质的流动速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在一由磁场穿过的体积里测量一种介质的流动速度的方法，其中，测量一与所述体积相邻设置的半导体的电阻，并利用计算机由所述电阻求得介质的流动速度。

Description

用于测量一种介质的流动速度的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在一由磁场穿过的体积里测量一种介质的流动速度的方法，其中，在所述介质中通过其流动运动感应产生一电场。本发明特别涉及在磁感应流量传感器(MID)中的信号耦合输出(Auskopplung)。

背景技术

目前市场上可获得的多数磁感应流传感器或流量传感器以电的信号耦合输出工作并要求介质具有一最低导电性(率)。这里感应电压的测量实际上就相当于电流测量，介质的内阻越高，电流测量就越困难。此外这种类型的耦合还要求时间上变化的磁场，以消除导电的金属电极上干扰性的电化学电势。

在市场上可获得的、具有出于多种原因有利的电容式信号耦合输出的***也不能放弃最低导电性(要求)，因为在这种***中最终也是进行电流测量。与电耦合的***不同，在这种***中，出于原理上的原因，需要时间上变化的磁场，以产生持续的、交变的电流。

但在DE10221677C1中介绍了一种替代的方案，其中，通过时间上变化的耦合电容代替时间上变化的磁场。由此获得了这样的可能性，即，采用永磁体，并由此将用于产生交变磁场的高的功率需求降低至零。但这种替代***和前面所述的***一样依赖于介质的最低导电性，因为这里也要测量由变化的电容引起的电流。

为了在不导电的介质中应用磁感应测量方法，在DE19843808A1中记载了另外一种解决方案，在该文件中不是直接使用感应电压作为测量参数，而是采用所形成的介电极化电荷。而且这里不需要介质具有最低导电性。但是这种方法最终还是要回归到由于时间上变化的极化电荷引起的位移电流的测量上。由于这种极化电荷较低，这种方法比较难以实现。

此外，作为现有技术，还应提及的有：在DE19922311C2中记载的用于在导电的液体中确定速度的空间分布的装置、在日本专利公开文件JP01178822A中公开的用于利用半导体器件测量流动速度的装置、在DE2401641A中示出的用于电磁流传感器的电极布置结构、以及TewodrosAmare在Meas.Sci.Technol.10(1999)，第755-758页中的文章“Design ofelectromagnetic flowmeter for insulating liquids”。

除了上面最后一篇文件，(所有)相应的方法都毫无例外地只能利用电流测量实现，电流测量在目前实际可获得的***中都是以介质的最低导电性为前提的。因此现有的***都局限于采用含水介质的应用场合。

最后一篇文件-即Amare的文章-的前提在于，分别在一电极和一屏蔽电极之间测量电阻或者说电流以确定其电容。这里磁场频率和静电形成的场难以控制/掌握。

希望有这样一种方法，该方法可利用感应产生的电场的作用/效果，而不必依赖于介质中的电流。

现在由电化学已知，最近在无功率(静电)测量电化学信号方面实现了实用中的重要进步。即，现在市场上可以购得具有用于测量液态介质的电化学参数(例如pH值测量)的内置场效应晶体管的电极。由于这种进步，不仅可以测量电化学地引起的电信号，而且也可以测量物理地引起的电信号。

发明内容

本发明的目的是，提供一种在磁感应流量测量或流测量中用于电容式信号耦合输出的方法，这种方法可以克服目前已知的方法的上面说明的、与作为前提条件的电流相关的缺点。

一种具有权利要求1的、与该权利要求的前序部分相结合的、特征部分的特征的方法用于实现本发明的目的。所述方法有利的实施形式在从属权利要求中说明。

根据本发明，为了测量一由磁场穿过的体积中介质的流动速度，在所述体积的边界面上存在至少一个在导电特性上可控制的半导体，在介质中由于介质的流动运动与磁场相互作用地感应产生的电场这样作用在该半导体上，即，理想地只由该电场、即无电流并因此无功率地控制半导体的电荷载体浓度/密度。由与此相关的电阻变化可以得出感应的电场强度，并由该强度得出介质的流动速度。

已知可以在场效应晶体管(FET)中最好地实现对半导体导电特性接近无功率的控制。

在这里只是示例性地采纳的用于说明本发明的方法的特别简单的布置结构中，这种FET这样安装在介质的体积边界面上，即，只有场效应晶体管的栅极(Gate)通过位于其上的绝缘层直接与介质相接触。这里，该绝缘层应具有尽可能小的介电常数，以尽可能使得对感应产生的场的屏蔽最小化。

通过介质的流动运动感应产生的电场电容式地通过栅极绝缘体作用在FET的导电沟道(Leitungskanal)上，并使其电阻发生改变，所述电阻可在源极-漏极接线端上测量。由所述电阻的变化可以首先得出感应产生的电场强度，并且由该电场强度可以得出流动速度。

在根据本发明的方法的范围内特别优选的是，针对所述示例性的布置结构说明的、半导体沟道的电阻变化可通过单纯的电场作用而无需电流实现，从而可实现无功率的控制(装置)。

根据本发明，与这种对半导体电阻的无功率控制相关联的、对感应产生的电场强度的测量的优点是非常明显的：由于没有对介质最低导电性的要求，该方法和以前一样也适用于具有最低导电性的介质，但附加地也适用于导电性很弱的，甚至不导电的介质。

特别有选的是用永磁体来实施所述方法。在这种情况下，在测量如由于存在恒定的流动速度而存在的静态状态时，几乎所有根据现有技术的方法都无法实现电容式的信号耦合输出，因为这些方法都是以电场的变化为前提条件的，这种变化只在流动速度变化时才出现。只有DE10221677C1的方法设计成采用永磁体。但在该文件中，在由电容器不断的再充电引起强制改变耦合电容的情况下，作为电流测得测量信号。这会由于电感应同时导致介质中持续的电荷转移(Ladungsverschiebung)。因此，只有在介质具有足够的导电性的情况下，才能期望得到清晰的测量信号。

根据现有技术的电容式方法对介质做功，以确定其流动状态。

与此不同，根据本发明的测量方法的特征特别在于，由于按照该方法对用于测量的、半导体中的电荷载体密度的调整/设置通过待测量的电场实际上没有延迟地跟随流动速度的变化，并由此跟随所述场的变化，这种方法能够测量整个测量***的静态状态。

根据本发明的方法在原理上不会(有目的地)产生应由介质感知到的电场或磁场的变化。在测量期间不对介质做功。

另一个优点在于，位于介质中的测量段与半导体的导电沟道之间在电上完全分离/脱离耦合(Entkopplung)。由于与此相关的阻抗耦合，通过导电沟道获得的输出信号可以灵活地与外部分析电路的要求相匹配，并且可以在较大的导线长度上传输。

附图说明

下面根据附图中的原理草图举例说明根据本发明的方法。

具体实施方式

唯一的附图1示出一种可能的、具有两个彼此相对的FET(FET1、FET2，在其尺寸上明显放大地示出)布置结构，所述FET类型相同，并且在其之间具有介质。源极(S)接线部和漏极(D)接线部分别与电源UDS1或UDS2相连，从而有漏极电流ID1或ID2流过。源极区和漏极区通过绝缘层IS与介质隔开。感应电压U0由于基体接线段(图中为Sub)的连接分别以一半分为FET的栅极绝缘体GI1和GI2上的栅极电压，所述感应电压U0由于以速度v流动的介质与感应系数为B的磁场相互作用而产生。在该实施例中可以明显地看出，栅极电压在上部和下部相对于相应的FET具有不同的极性，从而这种极性导致漏极电流彼此相反的变化，所述变化的差是(衡量)电压U0并由此是速度v的尺度。

如上所述，图1所示的布置结构只是一个示例。根据所采用的半导体结构的类型、介质的特性、磁场的类型(时间上是恒定或变化的)以及测量任务(流测量或流量测量)的不同，按照根据本发明的方法可以设想多种测量结构布置，从而确保了灵活地与实际要求相适应。

Claims (10)

1.用于在一由磁场穿过的体积里测量一种介质的流动速度的方法，其特征在于，测量与所述体积相邻设置的半导体的电阻，并利用计算机由所述电阻求得介质的流动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述体积是一管段的内部空间，并且所述半导体设置管壁上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在管壁基本上分别成对地彼此相对的部位上这样设置至少两个半导体，从而使两个半导体之间的连线垂直于介质的流动方向并基本上垂直于磁场的方向。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述介质是不导电的并且可电极化的。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在半导体和介质之间设置一绝缘层，所述绝缘层抑制介质和半导体之间的电荷交换。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述绝缘层具有尽可能小的介电常数。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，该方法采用永磁场。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述半导体设计成一场效应晶体管(FET)的栅极，其中所述场效应晶体管设置在所述体积的至少一个边界面上。

9.根据权利要求3或8所述的方法，其特征在于，将至少两个相对设置的FET的基体置于相同的电势。

10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，由半导体的变化的电阻确定的测量回路与位于介质中的测量段在电上相互脱离，并将该测量回路用于与外部的测量及处理电路进行阻抗匹配。

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