CN107407590A - 具有用于流体成分补偿的mems热式流量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于测量流体的流率而无需对该特定流体进行流量传感器校准的MEMS热式流量传感器或热式流量计。对于已知热扩散率的校准流体，通过绘制传感器输出电压对体积流率除以流体热扩散率的曲线来确定响应曲线，并将该响应曲线存储在存储器中。采用转换因子来提供未知流体的正确流率的测量。该转换因子来自校准流体的热时间常数与被测量流体的热时间常数的比率，在零流量下测量这些时间常数。这些时间常数被存储在存储器中。

Description

具有用于流体成分补偿的MEMS热式流量传感器
技术领域
本发明涉及一种MEMS(微机电***)类型的热式质量流量计，其中，流量传感器通过微型机械加工技术被构造在硅基板上，并且采用侧面设有全部放置成与流动流体直接热接触的两个或更多个上游和下游温度检测器的中央加热器，以使得存在于上游或下游方向上的流体流在温度检测器中引起指示流体流率的不平衡。流量传感器被制造在硅晶体的表面上，并随后安装为承载流体流的流动通道的内壁的一部分，或者安装在内部跨越流动通道的膜或桥结构上。
背景技术
已知这种MEMS流量传感器具有对流动穿过该传感器的流体的诸如流体质量密度、比热、热导率、粘度等的热和机械性质且对诸如流体流入温度和压力的环境变量敏感的输出。这些相关性限制了用户对不同的流体和流体混合物操作流量传感器的能力，除非首先对所关注的每种流体执行MEMS流量传感器的昂贵且耗时的经验校准。
因此，提出一种通过在流量传感器本身内所执行的对相关流体性质的直接测量而针对不同流体成分自动校正MEMS热式流量传感器的输出的方法是期望且有用的。下文所公开的本发明教导了一种用于实现该流体成分校正的方法，使得如果首先在零流量下在流量传感器内测量表示未知流体或混合物的时间常数和热导率，那么对于已知流体校准一次的热式流量传感器就能够测量各种未知纯流体和流体混合物，而无需进一步的流量校准。
请注意，本文件中所使用的“流体”表示能够流动穿过管道并被加热或冷却的任何材料介质，例如为气体、液体、颗粒材料、悬浮液、混合物等。热式流量感测原理广义上适用于所有流体。而且，为了描述下文的具体实施方式，气体、液体、混合物等更具体的术语的使用不应在限制性意义上加以理解，而应在更广泛的意义上理解为“流体”的实例。
现有技术中存在另外两种商业相关的热式流量计。首先是大型***式探针热式流量计，这种热式流量计通常使用在管道横截面区域上的一点处测量流量的大范围***探针，并且通常在湍流态下进行操作。在这些设计中，热检测器不与流动流体直接接触，而是位于金属(通常是不锈钢)探针的保护壁后面，该探针从其所附接的管道壁径向向内伸出。这些仪表必须通过用户流体进行流量校准。这些仪表是主要用于流体流研究但对于工业应用而言过于脆弱的热线风速仪的直接商业演进发展。这些***式探针热工仪表不用于相同的应用，也不用于由MEMS类型的热式流量传感器所服务的层流态。在此，将不再进一步进行讨论这些***式探针热式流量计。然而，在两个国际流量标准中总结了它们的特性和使用准则，这两个标准中的一个来自ISO，另一个来自ASME，它们均在参考文献部分列出。
本领域已知的另一种热式流量计是毛细管热式流量计，其具有缠绕在小毛细管的外侧上的外部加热和温度电阻感测线圈，感测线圈不与流动的流体直接热接触，而是测量在管壁内表面处与流动的流体直接热接触的管壁的温度。这些流量计还具有对流体或气体成分的敏感性，但是这些流量计的气体成分相关性比MEMS热式流量计的气体成分相关性更易于理解。
毛细管热式质量流量传感器在低层流中表现出与所有流体的质量流率成正比的响应，该响应具有与流体相关的斜率。然而，在高层流速率下，它们的响应变为质量流量的非线性函数，该非线性函数对流体成分和性质具有更复杂的相关性。如Blackett(P.M.S.Blackett Proc.Roy Soc.1930，p.319ff)首先提出的，在对于流量的线性响应范围内，毛细管热式流量计与每单位时间流动穿过该管的热容(heat capacity)成正比地响应，并且在其它方面与流体成分无关。因此，如果已知流体每单位质量的热容，则毛细管计可以被校准成直接读取质量流量，而无需获知任何其它流体性质。对于这种技术，通过将传感器流率读数乘以气体或流体校正因子，可以简单地将对一种流体所测量的流率转换为通过同一校准的流量传感器对第二流体所测量的流率。气体校正因子仅仅是在流动区域中两种已知流体的热容的比率，在该区域中传感器响应与这两种流体线性相关。因此，如果读数乘以联系流体A和B的恒定气体校正因子，则可以使用对流体A校准的毛细管热式流量传感器测量任何已知流体B的流量。尽管这些毛细管流量计仍与质量流率成比例地响应，但是这种毛细管热式流量计不能测量比热容是可变或未知的任何未知的纯净气体或气体混合物的流量，即，对于恒定成分的未知气体而言，这些流量计表现得像未经校准的流量计。由于这些流量计无法从变化的流体质量流率中区分变化的流体比热，而仅对两个量的乘积敏感，所以毛细管热式传感器不能直接用于测量具有时变成分的流体混合物的流率。
又如Blackett所指出的，在足够高的流量下，毛细管流量传感器响应变为流率的非线性函数，现在也响应于流率的立方而不仅仅响应于流量的一次方。然而，立方项还取决于流体热导率，并且因此在更高的流量下，按气体热容的简单气体转换不再成立，并且气体转换变得更加复杂。因此，仅在毛细管热式流量传感器的线性响应范围内毛细管质量流量计和质量流量控制器被正常地操作，在该范围内，不依赖于流量的恒定气体校正因子足以用于不同的已知气体或具有已知固定比例的气体的混合物的流量之间的转换。对于上述热式流量计的ISO标准也描述了在其流量响应的线性部分内进行操作的毛细管热式流量计和控制器的特征和使用，该标准包括气体校正因子的常规使用，以便采用对一种气体校准的仪表测量已知比热容的其它气体的质量流率，而无需对每种不同气体或气体的混合物分别重新校准仪器。Sierra Instruments Inc.的***“毛细管热学用户指南”提供了在流量传感器管的线性响应中进行操作的毛细管热式传感器流量计和控制器的深入总结。
还存在毛细管热式流量传感器的现有技术专利，其教导了即使在传感器流量响应范围的非线性部分内也允许对不同气体进行操作的方法(Wang,Valentine,&Lull，美国专利7,043,374号，于2006年5月9日)。该专利可概括如下。
据认为，对于毛细管传感器，在传感器输出电压S、体积流率Q、传感器长度L、管道横截面积A、流体质量密度ρ、恒压下的流体比热Cp、以及对于每种流体而言通常不同的两个经验确定的常数f和g之间存在唯一的函数关系，使得
在此，W表示唯一的毛细管传感器响应函数，该函数对于特定设计的所有流体和所有传感器是相同的。认为，如果将等式(1)左边的量认为是y坐标，并且将位于等式(1)右边的括号中的量认为是x坐标，则基于作为所测量的体积流率Q的函数的所测量的传感器输出S的y(x)的标绘图将给出与气体或气体混合物种类无关的唯一非线性曲线y(x)，尽管相对于Q所绘制的S(Q)对于不同气体和混合物种类给出了不同的曲线。为了从等式(1)的关系确定已知成分的气体的流量，从所测量的传感器电压S开始，必须根据所测量的S以及两个已知的气体性质f和k计算相应的y，随后根据y在先前确定的唯一曲线y(x)上找到对应的x坐标，并且随后使用已知气体和量纲的传感器性质g、ρ、k、Cp、L和A根据曲线的x坐标的数值找到适当的体积流量Q。专利7,043,374号未公开针对函数W的特定分析函数形式或连续曲线；其显而易见地仅由根据对特定已知气体的流量传感器的校准所产生的(S，Q)传感器输出点而计算出的一组相关联的离散(x，y)点组成。专利7,043,374号也没有教导用于对于每种气体确定所需的经验气体性质f和g以便应用该方法的方法。在如此易反应以至于无法安全地用于生产校准的过程气体的情况中，这种忽略是特别明显的，使得这些过程气体被更安全的替代气体所替换，以便用于进行流量校准。
总而言之，对于现有技术的在传感器响应的线性部分内进行操作的毛细管热式流量传感器而言，存在简单的气体性质转换，该气体性质转换允许对一种已知气体校准的传感器的使用与许多其它的已知纯气体和恒定比例的气体混合物一起使用，只要这些气体和混合物的相对比热容全为已知。毛细管热式流量传感器的这种性质是公知的，并且例如于2001年10月15日发布的题为“ISO-14511封闭管道中的热式质量流量计”的ISO标准中得以描述。
对于在传感器响应范围的非线性部分内进行操作的毛细管传感器，气体相关性更为复杂，并且除了流体比热容外还涉及其它气体性质。在Wang等人名下的美国专利US7,043,374B2号中所描述的现有技术教导了一种在响应曲线的非线性部分内操作这种毛细管传感器的方法，条件是已知每种气体在恒压下的密度、热导率和比热，加上已知对于每种气体的两个经验确定的气体常数f和g，加上已知所采用的毛细管传感器的长度和横截面积，并且先前已经对于具有已知性质的所有所关注的气体使用所讨论的传感器测量了“特性曲线”W。由于需要针对每种所关注的气体测量新的气体性质f和g，所以这种方法仅对具有完成必要预先流量测试所需要的资源的人员实用，或者对有权访问包含这些信息的制造商数据库的人员实用。
相比之下，即使在MEMS热式流量传感器对流体热导率和质量密度以及热容具有相关性的线性响应范围内，MEMS热式流量传感器对气体性质也具有与毛细管流量传感器不同的相关性。例如，熟悉毛细管热式流量计的人员已知，在传感器的线性流量响应范围内，氢气和空气都具有相对于标准体积流率几乎相同的斜率，使得对于这些气体而言“气体校正因子”接近于1。然而，对于具有在流体管道内部的加热和感测的MEMS热式流量传感器而言，即使在传感器响应的线性区域中，氢气和空气也具有显著不同的斜率。因此，相同的无量纲相关性不适用于两种类型的热式流量传感器，并且在美国专利7,043,374号的现有技术中所教导的相关性(1)对于具有直接暴露于流动流体的加热器和温度传感器的MEMS热式流量传感器并不有效。
因此，由于并不知晓气体转换的准确且简单的方法，即使在线性响应范围内，之前也不可能使用具有浸没在流动的流体中的加热器和温度传感器的MEMS热式流量传感器来基于仅对于一种气体的单次流量校准而测量多种气体的流量。此外，对MEMS流量传感器的常见做法是在宽流量范围内对其进行校准和使用，在该宽流量范围内对于所使用的所有气体或流体而言响应都是高度非线性的。因此，迄今为止，对于希望在MEMS热式流量计中使用的每种气体或流体进行昂贵的非线性校准是必要的，结果是多次非线性校准的高成本大大限制了基于MEMS的流量计对于最常见的气体混合物——空气的使用。
发明内容
本发明提供了一种用于测量流体的流率而无需对该特定流体进行流量传感器校准的MEMS热式流量传感器或热式流量计。对于已知热扩散率的校准流体，通过绘制传感器输出电压与体积流率除以流体热扩散率的曲线来确定响应曲线，并将该响应曲线存储在存储器中。采用转换因子来提供未知流体的正确流率的测量。该转换因子来自校准流体的热时间常数与被测量流体的热时间常数的比率，在零流量下测量这些时间常数。这些时间常数被存储在存储器中。该转换因子连同响应曲线数据一起被处理器用于产生正确的流率。
本发明还包括一种用于测量具有不同性质的流体的流体流率而无需对于每种流体进行分开流量校准的方法。
流量传感器提供了体积流率的测量。根据本发明，可以通过使用流体质量密度测量仪器来提供质量流率的测量。对于可以将流体视为理想气体的情况，可以采用气体温度和压力与体积流率结合的现场测量来产生与质量流率成正比的流量信号。
申请人已经发现，对于以恒定温度上升模式运行的MEMS热式流量传感器，在流量传感器输出(ΔT/Trise)和与体积流率Q除以特征长度并进一步除以流体热扩散率α成比例的无量纲流量变量之间存在无量纲关系。在此，ΔT是下游减去上游的流动导致的温度差，Trise是MEMS气体加热器高于热接地(thermal ground)的温度升高，A是位于内部传感器加热器元件的位置处的流动管道的横截面积。当然，对于给定的传感器设计，A是恒定的，并且不依赖于流率Q或气体热扩散率α，所以除了在比较具有不同的A的传感器设计的响应时之外，A是不重要的，并且可以将A舍弃以在仅考虑同一传感器中不同气体的流量响应时简化分析。
当对于不同的流体和混合物的传感器输出电压相对于体积流率除以流体热扩散率Q/α绘图时，对于所有流体结果而言，通用响应曲线大体上相同。因此，对于特定的MEMS传感器设计而言，一旦通过流量校准确定了一种热扩散率已知的流体的曲线的形状，则可以对于热扩散率已知的任何流体或混合物预测被绘制为体积流率的函数的传感器流量响应曲线。
为了将上述方法也用于未知热扩散率的任意流体，在流量传感器内现场测量表示流体热扩散率的量是足够的。因为仅需要热扩散率的比率来从一个气体流量转换到另一个气体流量，所以不需要测量任何气体的绝对热扩散率，而只需要测量两种气体或气体混合物的相对热扩散率。当传感器体积内的流体在零流量下经受加热器功率的阶跃变化时，可以通过确定该流体达到热平衡的指数时间常数来测量表示流体热扩散率的量。事实上，对于通常的热式流量传感器设计而言，流体热时间常数与流体热扩散率成反比。此外，可以在零流量下测量热导率，从而比较平衡温度。热导率与温度成比例。例如，通过不同气体对气体加热器功率的阶跃变化的温度响应的CFD模拟，并通过对传感器本体内耦合的固体和流体部分的简单分析模型示出。
因此，通过对未知流体的热时间常数的零流量测量，并与用于执行MEMS热式流量传感器的流量校准的特定校准流体的对应的零流量热时间常数相比较，从而获得未知和已知流体的热扩散率的比率的测量，如果给定该流体在未知但恒定流率下的传感器电压输出，则该测量足以根据通用传感器响应标绘图确定该未知流体在体积流率轴上的正确位置。因此，如果首先确定了未知流体在零流量下的时间常数，并且先前对至少一种流体(通过对该流体的实际流量校准)测量了通用传感器响应曲线，则该方法允许根据使用以未知流率流动的该流体所测得的传感器输出来确定未知(或任意)流体的正确体积流率。
附图说明
图1示出了整个流量计的未按比例的示意性概图，其示出了流量计本体1、电子装置和计算机模块或处理器9、分流主体通道和传感器或旁通流动通道、以及在热式传感器和计算模块之间通信的信号路径(虚线)；
图2示出了传感器流动通道6的一部分的未按比例的放大示意图，其示出了流体加热器与测量上游和下游流体温度的上游和下游温度检测器的相对空间位置、以及它们在传感器流动通道中的近似相对位置；
图3示出了流过空气并随后流过H2的MEMS流量传感器在传感器响应的线性范围内所测量的流量响应相对于体积流率的组合标绘图，不同于对于两种相同气体具有基本相同斜率的毛细管响应，其示出了广泛不同的斜率；
图4是流量计在流量响应的非线性范围内对五种不同气体测量的流量响应相对于体积流率的标绘图；
图5是流量计在其范围的非线性部分内对五种不同气体的测量的流量响应相对于重新调节流率[(体积流率)/(流体热扩散率)，Q/α]的标绘图；
图6是MEMS流量计的模拟热时间常数相对于几种气体的l/(气体热扩散率)的标绘图，其示出了时间常数与气体热扩散率成反比；
图7示出了使用平行于传感器流动通道安装的补充压差传感器13，以提供相对流体粘度的测量以及相对热扩散率和体积流率的现场测量，从而在气体粘度在通用响应曲线中导致轻微***的情况中提供更高的流量精度；
图8示出了通过流体相对热扩散率的现场测量或热时间常数结合本发明的体积流率测量的补充流体质量密度测量仪器14的使用，并利用通用无量纲响应曲线实现对未知流体的质量流率的测量；以及
图9是在流体是理想气体的情况中，可以采用使用气体温度(T)和压力(P)的现场测量与体积流率Q的已知的状态方程(9)来产生与气体质量流率成正比并对T和P变化进行补偿的流量信号。
具体实施方式
图1示出了整个流量计的未按比例的示意性概图，其示出了流量计本体1、流入口2和流出口3、入口强制截流阀4和出口强制截流阀5、分流器主体通道6(通常承载经分流的总流量的较大部分)以及传感器或旁通流动通道7(通常承载经分流的总流量的较小部分)，其中，热式流量传感器8本身安装在流量传感器通道7内。流量感测腔室被界定在阀4和5之间的流动通道7中。在流体进入并填充腔室后，关闭截流阀以密封在其中测量流体热时间常数的腔室内的内部体积。强制截流阀可以外部连接并由仪表用户提供，或者其可以由制造商内置在仪表中。无论哪种方式，在测量流体热时间常数的期间，它们必须处于关闭位置。一旦已经测量了流体热时间常数并将其存储在存储器中，并且流量计已经归零，则打开入口和出口截止阀，以允许流量计通过流量。
图1中的虚线表示在流量计感测和致动部件(热式流量传感器以及入口和出口截止阀)与电子装置和计算模块或处理器9之间的数据通信连接和控制信号路径，在该电子装置和计算模块或处理器中仪表操作程序和校准数据被存储在存储器中。从处理器9出射的实心箭头表示将仪表流量读数传送至仪表用户的信息通道。
根据本公开，处理器9通常是具有可操作为提供预期计算的软件或固件的微处理器。该微处理器本身可以是任何已知的构造并且可以安装在流量传感器本体中或安装为与流量传感器主体相关联。
图2示出了其中定位有热式传感器8的有源部件的传感器流动通道7(由虚线表示)的一部分，这些有源部件执行在处理器处理后对仪表输出流量信号产生影响的基本测量。这些部件是微桥流体加热器12、上游流体温度传感器10以及下游流体温度传感器11，微桥流体加热器12跨过流动通道悬挂，并且与流动的流体直接热接触；上游流体温度传感器10和下游流体温度传感器11也都通过跨过流动的流体流的微桥悬挂，并且与该流体流直接热接触。
术语“直接热接触”旨在包括位于加热器和温度传感器上的热薄(thermallythin)保护表面涂层，加热器和温度传感器否则被浸没在流体中。为了“热薄”，涂层必须具有相对于加热器或温度传感器本身的热容是可忽略的热容。
尽管例如在图2中示出了矩形横截面的传感器流动通道，但是流量传感器通道横截面形状可以是圆形、卵形、椭圆形、三角形、六边形，或者可以是当沿着流动方向投影时将产生广义柱体(与圆柱体不同)的任何恒定面积的闭合几何形式。类似地，尽管将流体加热器12以及上游温度传感器10和下游温度传感器11描绘为跨过传感器流动通道延伸的微桥，但是它们也可以是能够适当地加热流动流体并且能够检测流体的流动导致的下游-上游温度差的任何几何形式。
图3是MEMS流量传感器在传感器响应的近似线性范围内对于空气和H2的测量流量响应的标绘图。在仪表中分别测量两种不同气体的流量，随后将相对于不同气体的两个仪表流量响应绘制在同一图上，以便进行比较。由+和x标记的点是利用穿过流量计流动的空气进行的两个流量测量。由圆圈描绘的点是利用穿过仪表流动的氢气在同一台仪表中进行的测量。很明显，对于空气而言，输出电压相对于体积流率的斜率完全不等于氢气的斜率，而是要大得多。该标绘图上的+和x符号表示关于空气的两个分开的测量，并且其在每个流率下的垂直间隔给出了测量误差的指示。图3示出了MEMS流量传感器对于气体空气和氢气具有明显不同于基于流动的气体或混合物的比热的公知毛细管相关性的响应，公知毛细管相关性预示了在流量响应的线性部分内对于空气和H2而言几乎完全相同的响应。SierraInstruments Inc.是毛细管类型热式流量计的知名制造商，其给出了在其毛细管热式质量流量仪器中用于H2的常规气体校正因子(相对于空气的K因子)为1.001。因此，当不同的气体在MEMS流量传感器与毛细管传感器中流动时，MEMS流量传感器与毛细管传感器响应不同，并且遵守它们自有独立的气体响应定律。通常，毛细管气体转换因子对MEMS热式流量传感器并不有效。
图4示出了MEMS流量计在响应的非线性范围内对五种不同气体的原始传感器输出相对于体积流率的标绘图。尽管一些气体(N2、空气、CH4)具有几乎不依赖于气体成分的接近的响应，但诸如CO2和H2的其它气体则具有截然不同的响应。在气体CO2和氢气之间存在特别大的差异。该图还示出了毛细管流量传感器和MEMS流量传感器之间对于空气气体和甲烷(CH4)气体的响应差异，如图4所示，对于MEMS流量传感器而言，该响应差异几乎相同，但是对于毛细管传感器而言，斜率差异大约为25％(Sierra Instruments(同上)给出了甲烷气体相对于空气的校正因子为0.754)。提供图4以说明与图5的类似标绘图的前后比较，在图5中通过将每种被测量的气体的所测得体积流率除以热扩散率来重新调整流量轴。
图5示出了对于在图4中先前(在流量重新调整前)绘制的相同流量数据的原始流量计输出相对于Q/α的标绘图。如图4所示，在此Q是对每种气体测得的体积流率，α是该气体的热扩散率。该水平轴是根据本发明的相关性的重新调整的流量轴。显而易见的是，五个不同的响应曲线已经大体上重叠成几乎一致曲线的非常紧密的集束。这与其中未采用相关性的图4形成鲜明对比。尽管在图4和图5的测试中采用的流量计由于其设计而对于重新调整的流量标绘图的使用并不是最优的，但它仍然示出了使图4的迥异的曲线朝着通用曲线收敛的显著进步。其它改进的设计应该产生对不同气体的更好收敛。
图6示出了气体热时间常数τ相对于1/α的标绘图，其示出了在具有广泛不同的热扩散率的七种不同的纯气体(H2、He、Ar、CO2、CH4、SF6、N2)以及热扩散率已知的一种气体混合物(空气)的这些变量之间的正比。这些时间常数来自Memsic,Inc.的热式流量传感器的耦合的固体和流体部分的理论模型，该模型考虑了它们相互的热相互作用。
因此，对于任何两种气体1和2，可以写出：
为了确定正测量的气体的相对热扩散率，需要首先使所讨论的气体流入流量感测腔室并关闭入口强制截流阀和出口强制截流阀。当测量气体热时间常数时，这些操作将防止穿过感测体积的任何流动。随后将加热功率的阶跃变化施加到加热器，并且将上游温度传感器和下游温度传感器的温度读数记录为时间的函数。随后，将该信息通过电子装置和计算模块(图1中的9)进行处理，以产生腔室中的气体的指数热时间常数。随后可以打开强制截流阀，并使得需要被测量流率的气体流动穿过传感器流量腔室，并且测量下游-上游温度差，从而提供原始流量信号。
在图5中示出了在MEMS传感器输出温度差ΔT与流量变量Q/α之间存在具有如下形式的关系：
ΔT＝R(Q/α) (3)
其中，R是用于所讨论的MEMS热式传感器的通用或气体独立传感器响应函数。因此，测量值ΔT通常对应于不同气体的不同流量，使得对于具有相同ΔT的所有气体，比率Q/α是恒定的。随后，如果已经利用一种气体(标记为1)通过流量校准确定通用函数R，则可以通过逆推函数R，即Q1＝α1R-1(ΔT)来得出该气体对应于任何特定ΔT的流量。在此，R-1是R的反函数。随后根据以下关系得出气体2的对应的流量
使用(2)根据τ的比率确定α的比率
因此，如果气体1是校准气体(其热时间常数也已被测量)，则一旦测得任何其它气体在零流量下的时间常数，就可以测量所述其它气体的流量。实际上，可以完全跳过热扩散率并将通用响应函数以替代形式写出：
ΔT＝R(Q·τ) (6)
根据等式(6)，显而易见的是，给定由热式流量传感器现场测量在零流量下的热时间常数τA的任何未知气体A，可以根据测量的流量传感器输出ΔT来逆推已知的通用函数R，从而求解QA，如等式(7)所示。
通过这种方法，即使流量传感器从未直接相对于气体A进行校准，每个不同的流量传感器输出值ΔT也与气体A的唯一体积流率QA相关联。类似地，如果将已经对于气体1校准的热式流量计随后用于气体2，则根据以下简单的表达式，容易地根据流量计读数Q1计算正在流动的气体2的体积流率Q2
即，当流动穿过的实际气体是气体2时，用于转换校准为测量气体1的MEMS热式流量计的读数Q1的气体转换因子是比率τ1/τ2，或根据等式(2)等效为比率α2/α1。
因此，将用仪表校准气体测得的体积流率转换为用同一仪器所测量的任何其它气体的体积流率所需要的气体转换率可以通过直接测量过程气体相对于校准气体的热时间常数来现场确定，或者当过程气体的身份已知且其相对于校准气体的热扩散率被制成表时，可以根据气体热扩散率的参考表来现场确定。假设已知校准气体的身份、其热扩散率被制成表、并且其在流量传感器中的热时间常数已经在流量校准时被测量并存储在流量计存储器中。类似地，假设已经为校准气体计算了通用响应函数R(Q·τ)的反函数R-1(ΔT)，并将其存储在流量计机载存储器中。
本发明教导了一种新颖的方法，通过该方法，如果可以在流量传感器中测量其它流体的热时间常数，即使当其它流体的成分未知时，则已经在广泛流体范围上对于已知流体准确校准一次的MEMS热式流量传感器可以用于测量任何其它流体或混合物的流量。
这是现有技术状态中的显著进步，在现有技术中，在MEMS流量传感器可以用于测量不同气体或流体混合物的流量前，即使当气体的成分已知且气体的物理性质已制成表时，也仍需要对每种气体进行分开且昂贵的校准。
流量传感器领域的技术人员将想到，在此对于MEMS热式流量传感器所教导的基本技术的某些明显扩展。本文主张这些扩展以及已经描述的最简单的实施例。例如，显而易见的是，除了能够测量未知流体和混合物之外，通过预先计算已知热扩散率的流体和混合物的热扩散率对已知校准流体的热扩散率的比率，并将这些比率与通用无量纲曲线一起存储在仪器存储器中，该技术也可以应用于已知热扩散率的流体和混合物。因此，可以将仪器与已经存储在仪器的存储器中的关于所关注的不同气体的任何集合的这种存储信息一起出售给用户，以便允许对这些已知气体的立即使用，而无需确定现场时间常数所需的额外时间。
对于流量计领域的技术人员而言同样显而易见的是，也可以使用现场流体时间常数确定的能力和与通用无量纲曲线的关系作为对热学性质存储在仪器存储器中的已知流体进行自检的手段。例如，对照先前时间常数确定或被存储的热扩散率值而对新时间常数确定的这种检查可以显示随着使用由于传感器磨损和损耗而导致的流量传感器特性的微妙偏移，这可能表明需要重新校准流量传感器。
尽管流量传感器输出和通过传感器的无量纲流量之间的基本无量纲关系仅涉及单一的流体性质——热扩散率，但是可以想到，未来更精确的测量将公开对可能导致用于某些传感器设计的通用传感器响应曲线微妙地***成多个紧密间隔的曲线的一个或多个附加的流体性质的较弱的相关性。(这种效应在原子光谱学中是常见的，例如，在原子光谱学中氢气的基本光线频率由巴尔末公式给出第一近似，但是微妙的特殊相对论效应导致重合的巴尔末线中的一些在更精细的波长范围上***成紧密间隔的多重谱线。因此，为了获得最高的流量测量精度，除了相对热时间常数或相对热扩散率以外，在未来还可能需要使用流量传感器现场测量一种或多种其它流体性质(例如，流体粘度)。例如，为了估算流体粘度，可以包括差压传感器，以对流量传感器中发生的压降进行现场测量，并且因此可以提供比仅使用热扩散率相关性来重新调整流量轴而获得的测量更为精确的流率测量。因此，可变为需要的任何这种附加的现场流体性质测量应当适当地被视为在本发明的范围内、仅是所公开的基本技术向除热扩散率之外的其它流体性质的扩展。
图7示出了传感器，在该传感器中，相对流体热扩散率和相对流体粘度都通过添加用以测量在特定流率下出现的在传感器流动通道的长度上的压降的差压传感器而现场测量。
图8示出了使用附加的质量密度传感器来现场测量流动流体的质量密度。对于本领域的技术人员而言显而易见的是，由于已经通过使用与已知或未知气体的相对时间常数的现场测量结合的通用MEMS流率响应曲线R(Q/α)而精确测量了已知或未知气体或气体混合物的体积流率，仅需要额外现场测量该流体的质量密度，从而能够确定气体质量流率(计算为质量密度乘以体积流率的乘积)。因此，通过本发明还教导了现场质量-密度测量装置与现场气相对热时间常数或相对热扩散率测量、以及使用本文所公开的通用响应曲线的MEMS体积流率测量的组合以获得质量流量测量。
图9，在已知流动气体的化学特性的情况中，并且在流动气体的状态方程可以由理想气体定律(9)充分近似的条件下
P·V＝n·Z·R·T (9)
(其中，P＝气体绝对压力，T＝气体绝对温度，V＝气体体积，n＝气体摩尔数，Z＝气体压缩率(在P和T的小范围内被认为是常数)，R＝通用气体常数)，
流体质量密度的现场测量可以由以下各项替换：1)知晓在一个规定的参考温度T0和压力P0下气体质量密度；2)当确定体积流率时，流动气体温度和压力的现场测量；3)通过使用通用曲线和流动气体在压力P和绝对温度T下的相对热时间常数而对已知气体体积流率的测量。在这种情况中，理想气体定律(9)用于根据该气体在条件(P，T)下的测量体积流率Q来确定该气体在参考条件P0，T0下的等效气体体积流率Q0。随后，质量流率是在参考条件下的已知质量密度ρ0与该条件下的体积流率Q0的乘积。具体而言，用于根据在条件P和T下测量的Q来计算Q0的等式为(10)
并且对应的质量流率为ρ0Q0。
注意，即使如果比例常数ρ0未知，等式(10)的Q0与理想气体(或理想气体的混合物)的质量流率也成正比。因此，对于未知但理想气体的流量而言，与知晓通过利用已知参考气体进行校准而测量的通用MEMS流量传感器响应曲线结合的对P、T以及气体热时间常数τ的现场测量提供了对未知气体计算Q0的信息、以及在参考温度和压力下的体积流率。该信号与未知气体的质量流率成正比，并对气体温度和压力变化进行补偿。只有未知气体在参考条件下的质量密度仍然未知，并且阻止了未知气体的质量流率的校准测量。然而，出于某些目的，与质量流率成正比的输出信号(对温度和压力变化进行补偿的质量流量控制)是足够的。例如，可以手动调节关键成分的质量流率以平衡化学反应，随后操纵包含MEMS流量传感器作为关键部件的流量控制器，使得尽管环境条件P和T发生变化仍维持相同的质量流量设定点(从而保持反应平衡)。在本应用中，无需知晓以kg/sec为单位的确切的质量流率，仅需要根据最优质量流率设定来校正任何偏差或偏移。图9示出了利用MEMS热式流量传感器输出并使用用以计算Q0和ρ0Q0的通用响应函数将补充气体入口P和T测量与在P和T下的体积流率Q以及气体热时间常数τ测量结合的情况。
在已知流体为理想气体但否则是未知的，并且在任何基准点P0和T0处的质量密度未知的情况中，图9的配置仍可应用于通过计算Q0而产生流量输出信号，该流量输出信号与在任何基准点P0和T0处的质量流量成正比。这是对流体温度和压力变化进行补偿的质量流量信号，但是由于气体密度未知，因此该信号未以kg/sec为单位进行校准。该配置仍可以应用于制造未经校准的质量流量控制器。这种流量控制器在需要将气体质量流量稳定地保持在可以通过例如完成气相化学反应的其它方式确定的最优值处的情况中仍然是有用的。因此，这种生产未经校准但是经温度和压力补偿的质量流量传感器的方法仍然是有用的并且位于本发明的范围内。
本发明不限于所特别描述的内容，而是包含所附权利要求的精神和全部范围。

Claims (9)

1.一种用于测量流体的流率的MEMS热式流量传感器，包括：
本体，其具有流体能够流动穿过的流动通道并且具有流量感测腔室；
第一阀和第二阀，它们位于所述流量感测腔室的相应入口端和出口端处，所述第一阀和所述第二阀可操作处于打开位置以允许流体流穿过所述腔室，且可操作处于关闭位置以阻挡流体流穿过所述腔室；
MEMS热式传感器，其设置在所述流量感测腔室中并与所述腔室中的流体接触，并且提供表示流体流率的传感器信号；
处理器，其包括存储器并且可操作以存储表示传感器响应曲线的数据以及存储表示校准流体的热时间常数的数据；
所述处理器可操作以控制所述第一阀和所述第二阀的打开和关闭，并且当所述第一阀和所述第二阀被关闭时，所述处理器可操作以测量在所述流量感测腔室中的被测流体的热时间常数并存储所测量的热时间常数数据，所述处理器可操作以提供来自所述校准流体的所述热时间常数与所述所测量的热时间常数的比率的转换因子，以及所述处理器可操作以根据所述转换因子和所述传感器响应曲线调整所述传感器信号的读数，从而产生表示所述被测流体的正确流率的输出信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述MEMS热式传感器包括：
流体加热器；
设置在所述加热器上游的第一温度传感器；
设置在所述加热器下游的第二温度传感器。
3.根据权利要求2所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别在所述流体加热器上游和下游被等距间隔。
4.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述的MEMS热式流量传感器包括流体质量密度测量仪器，所述流体质量密度测量仪器给所述处理器提供质量密度数据，以使所述处理器能够产生表示所述被测流体的质量流率的输出信号。
5.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述被测流体能够被视为理想气体，并且所述MEMS热式流量传感器包括：
压力传感器，其用于给所述处理器提供表示所述流动通道中的所述被测流体的压力的数据；
温度传感器，其用于给所述处理器提供表示所述流动通道中的所述被测流体的温度的数据；
借此，所述处理器能够产生表示所述被测流体的质量流率的输出信号。
6.根据权利要求2所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，在所述第一阀和所述第二阀被关闭后，所述处理器可操作以通过测量给所述流体加热器的功率来测量被测流体的热时间常数。
7.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述本体中的所述流动通道是与所述本体中的主体流动通道平行的旁通通道。
8.根据权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述的MEMS热式流量传感器包括压差传感器，所述压差传感器用于测量在所述流动通道中流动的流体的上游和下游压力，并且给所述处理器提供表示相对流体粘度的数据。
9.一种用于测量流动穿过通道的流体的流率的方法，在所述通道中，MEMS热式流量传感器被设置为与所述流体接触，所述方法包括以下步骤：
将流体引入所述流动通道中；
将一定量的流体封闭在所述通道中，以提供零流量条件；
测量所述流体在其零流量条件下的热时间常数；
提供所述流体的所测得的热时间常数与存储在存储器中的校准流体的热时间常数的比率，以产生转换因子；
提供用于具有已知热时间常数的流体的传感器响应曲线；
根据所述转换因子和所述传感器响应曲线调整传感器信号的读数，以产生表示被测流体的正确流率的输出信号。
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