DE69814474T2 - Messung von eigenschaften eines fluids mittels eines gemeinsamen frequenzgenerators und fast fouriertransformation (fft) - Google Patents

Messung von eigenschaften eines fluids mittels eines gemeinsamen frequenzgenerators und fast fouriertransformation (fft) Download PDF

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung von Fluideigenschaften und insbesondere die Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit, des thermischen Diffusionsvermögens, der spezifischen Wärme und der Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Zahlreiche Vorgehensweisen sind unternommen worden, um die thermische Leitfähigkeit, das thermische Diffusionsvermögen, die spezifische Wärme und die Fluidgeschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids zu messen. Typischerweise werden diese und andere Eigenschaften durch die Verwendung unterschiedlicher Typen von Wärmesensoren erfasst, wobei Widerstandssensoren mit thermisch isolierten Antriebs- und Sensorelementen eingeschlossen sind, die auf nicht unterstützten Dünnfilmbrücken- oder Membranmikrokonstruktionen angeordnet werden.
  • Eine Vorgehensweise zum Bestimmen von thermischer Leitfähigkeit ist in der US-Patentschrift Nr. 4,735,082 beschrieben, wobei eine wheatstone-Brückenschaltung mit einem beheizten Element in einem Zweig der Brücke angeordnet oder in einem Hohlraum angeordnet ist und mit dem in Betracht kommenden Probefluid in Kontakt ist. Das beheizte Element wird verwendet, um eine Reihe von Wärmeenergiemengen auf das in Betracht kommende Fluid bei unterschiedlichen Pegeln zu übertragen, indem die Eingangsspannung für das Heizelement periodisch verändert wird, welche ihrerseits an einem Sensor in einem anderen Zweig, als Signal für Spannungsunterschied an der Brücke erfasst wird. Die Integration der Verände rungen des Wertes des aufeinander folgenden Stroms von. Signalen ergibt ein Signal, das auf die Wärmeableitung durch das Fluid, und demzufolge auf die thermische Leitfähigkeit des Fluids hinweist.
  • Zusätzlich zu der Messung von thermisch induzierten Veränderungen im elektrischen Widerstand, wie nachstehend noch ausführlicher insbesondere mit Bezugnahme auf den Stand der Technik in 1 bis 5 erläutert wird, sind sehr kleine und äußerst genaue „Mikrobrücken"-Halbleiterchip-Sensoren beschrieben worden, in welchen solche Mikroelemente als Heizer und Sensoren verwendet werden. Zu derartigen Sensoren können beispielsweise ein Paar Dünnfilmsensorelemente um ein dünnes Folienheizelement herum zum Messen von Strömungsmengen gehören. Halbleiterchip-Sensoren der beschriebenen Klasse werden ausführlicher in einem oder mehreren der Patente wie US-Patentschrift Nr. 4,478,076, US-Patentschrift Nr. 4,478,077, US-Patentschrift Nr. 4,501,144, US-Patentschrift Nr. 4,651,564 und US-Patentschrift Nr. 4,683,159 behandelt, die alle den gemeinsamen Patentinhaber wie die vorliegende Erfindung haben.
  • Eine andere Vorgehensweise zum Messen der thermischen Leitfähigkeit, des thermischen Diffusionsvermögens und der spezifischen Wärme eines Fluids ist in US-Patentschrift Nr. 4,944,035 von Aagard et al. offenbart. Aagard et al. offenbart die Verwendung einer Mikrobrückenkonstruktion, die einen Heizfilm und mindestens einen beabstandeten Sensorfilm umfasst. Ein elektrischer Energieimpuls wird an den Heizer mit einem Pegel und einer Dauer so angelegt, dass sowohl eine vorübergehende Veränderung als auch eine im Wesentlichen eingeschwungene Temperatur an dem Sensor vorhanden sind. Die thermische Leitfähigkeit des in Betracht kommenden Fluids wird auf der Grundlage einer bekannten Beziehung zwischen dem Sensorausgang und der thermischen Leitfähigkeit bei eingeschwungenen Sensortemperaturen be stimmt. Die spezifische Wärme und das thermische Diffusionsvermögen des in Betracht kommenden Fluids werden auf der Grundlage einer bekannten Beziehung zwischen der thermischen Leitfähigkeit, der Änderungsgeschwindigkeit des Sensorausganges während einer vorübergehenden Temperaturveränderung in dem Sensor, und des thermischen Diffusionsvermögens und der spezifischen Wärme bestimmt.
  • Eine typische Vorgehensweise zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids besteht darin, die Zeit zu bestimmen, die eine thermische Schwingung benötigt, um die Strecke von einem Quellenheizelement zu einem Bestimmungssensorelement zurückzulegen. Dadurch, dass der Abstand zwischen dem Heizelement und dem Sensorelement bekannt ist, wie auch der Beitrag des thermischen Diffusionsvermögens, kann die Geschwindigkeit des Fluids berechnet werden. Diese Vorgehensweise ist in US-Patentschrift Nr. 4,576,050 von Lambert vorgeschlagen worden. Lambert erregt einen Heizstreifen mit einem oszillierenden Eingangssignal des Heizers, um thermische Schwingungen in dem Fluid auszusenden. Die thermischen Schwingungen breiten sich durch das Fluid mit einer Geschwindigkeit aus, die von der Fluidgeschwindigkeit abhängt, welche senkrecht zu dem Heizstreifen verläuft. Ein thermoelektrischer Detektor, der von einer oder von beiden Seiten des Heizers beabstandet ist, erfasst die thermische Schwingung und stellt ein entsprechendes Ausgangssignal des Detektors zur Verfügung. Die Geschwindigkeit des Fluids wird zumindest in erster Näherung durch den zeitlichen Unterschied zwischen dem Eingangssignal des Heizers und dem Ausgangssignal des Detektors. bestimmt.
  • Eine Einschränkung bei vielen der vorstehend bekannten Vorgehensweisen besteht darin, dass eine beachtliche Menge an Unterstützungshardware und/oder. Software erforderlich ist. In vielen bekannten Vorgehensweisen werden beispielsweise mehrere Frequenzgeneratoren ver-
  • wendet, um ein Frequenzeingangssignal für das Heizelement zur Verfügung zu stellen. Frequenzgeneratoren können verhältnismäßig teuer sein, sowohl in Bezug auf Hardware als auch auf Leistung. Viele der bekannten Vorgehensweisen erfordern gleichfalls einen oder mehrere Hochfrequenzzeitmesser, um die Zeit oder die Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal des Heizers und einer entsprechenden Temperaturabweichung in dem Fluid zu messen. Genauso wie Festfrequenzgeneratoren können Hochfrequenzzeitmesser verhältnismäßig teuer sein, sowohl in Bezug auf Hardware als auch auf Leistung. Schließlich sind viele bekannte Vorgehensweisen anfällig für Fehler, die durch Abweichungen der Widerstandselemente hervorgerufen werden.
  • DE 19 619 133 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen von thermischer Leitfähigkeit oder Temperatur eines Fluids, das das Erregen eines Heizers mittels einer Wheatstone-Brücke mit einem Eingangssignal umfasst, welches in einer Ausführungsform die Gestalt einer nicht periodischen, pseudozufälligen Abfolge von Impulsen aufweist. Das zeitabhängige Brückensignal wird gemessen. Kreuzkorrelationsanalyse wird verwendet, um von dem Eingangssignal und dem Brückensignal die Übertragungsfunktion zu berechnen, welche die Abschwächung und Phasenverschiebung aller Frequenzen des Eingangssignales repräsentiert. Die Fourier-Rücktransformation der Übertragungsfunktion ergibt die Funktion des Impulsansprechverhaltens, welche schließlich verwendet wird, um die thermische Leitfähigkeit zu bestimmen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft viele der Nachteile ab, die mit dem Stand der Technik im Zusammenhang stehen, indem ein Fluidsensor zur Verfügung gestellt wird, der einen gemeinsamen Frequenzgenerator für die Heizund/oder Sensorelemente verwendet. Der Frequenzgenera tor kann nacheinander und/oder gleichzeitig Eingangssignale für ausgewählte Heiz- und Sensorelemente zur Verfügung stellen. Zwei oder mehr Frequenzkomponenten werden durch den gemeinsamen Frequenzgenerator angewendet, um auf wirkungsvollere Weise Zeit- und/oder Phasenverzögerungen bei unterschiedlichen Frequenzen zu erhalten. Ferner wird ein FFT-Algorithmus verwendet, um die Frequenzkomponenten zu trennen und um die Phasenverzögerungen von ausgewählten Eingangs- und Ausgangssignalen zu bestimmen. Aus den Phasenverzögerungen können ausgewählte Fluideigenschaften bestimmt werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Da die vorliegende Erfindung beabsichtigt, Phasenverzögerungen oder Frequenzen zu verwenden, um -die Fluideigenschaften zu bestimmen, wobei die Veränderlichkeit der beteiligten Widerstandselemente des Mikroheizers nur einen zweitrangigen Einfluss ausübt, können die thermischen Eigenschaften des Fluids genauer bestimmt werden als in vielen bekannten Vorgehensweisen.
  • In einer ersten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Frequenzgenerator ein zeitlich veränderliches Eingangssignal mit mindestens zwei Frequenzkomponenten für ein Heizelement und ein Sensorelement oder für beide zur Verfügung. Das Heizelement und die Sensorelemente sind vorzugsweise in einem Zweig einer entsprechenden wheatstone-Brückenschaltung zur Verfügung gestellt. Ein Ausgangssignal des Heizers und ein Ausgangssignal des Sensors geben den Widerstand und demzufolge die Temperatur des Heizelementes beziehungsweise des Sensorelementes an.
  • Da das Heizelement eng mit dem in Betracht kommenden Fluid verbunden ist, beeinflusst die thermische Leitfähigkeit „k" des Fluids direkt das zeitlich veränderliche Temperaturansprechverhalten des Heizelementes. Ferner hängt die thermische Leitfähigkeit des Fluids typischerweise von dem Druck und/oder der Temperatur des Fluids ab. Demzufolge wurde herausgefunden, dass die thermische Leitfähigkeit, der Druck und/oder die Temperatur des in Betracht kommenden Fluids, wenn die Fluidströmung bei im Wesentlichen null gemessen wird, durch Untersuchen einer veränderlichen Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das dem Heizelement zur Verfügung gestellt wird, und einem anschließenden, vorübergehenden Temperaturansprechverhalten des Heizelementes, bestimmt werden kann.
  • Um die gewünschten Phasenverzögerungen zu bestimmen, beabsichtigt die vorliegende Erfindung, einen Prozessor zu verwenden, der einen FFT-Algorithmus implementiert. Der hier verwendete Formelprozessor umfasst irgendeine Hardware- oder Softwareimplementierung. Der Prozessor kann beispielsweise verwendet werden, um die Phasenverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Heizers während der vorübergehend erhöhten Temperaturbedingung zu bestimmen. Der Prozessor kann sowohl das durch den Frequenzgenerator zur Verfügung gestellte zeitlich veränderliche Eingangssignal als auch das Ausgangssignal des Heizers empfangen. Unter Verwendung eines FFT-Algorithmus, welcher eine Kreuzkorrelationsanalyse umfassen kann, wird die Phasenverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Heizers bestimmt. Die Temperatur, der Druck und/oder die thermische Leitfähigkeit des in Betracht kommenden Fluids können aus der Phasenverzögerung berechnet werden.
  • Um andere Fluideigenschaften wie das thermische Diffusionsvermögen, die spezifische Wärme und/oder die Fluidgeschwindigkeit zu bestimmen, können sowohl das Heizelement als auch das Sensorelement verwendet werden. In einer erläuternden Ausführungsform stellt der Frequenzgenerator dem Heizelement und dem Sensorelement selektiv ein zeitlich veränderliches Eingangssignal zur Verfügung. Der Frequenzgenerator wird durch eine Wheat- stone-Brücke, vorzugsweise zuerst mit dem Heizelement selektiv verbunden, wobei eine Heizer-zu-Sensor Phasenverzögerung unter Verwendung eines FFT-Algorithmus bestimmt wird. Um die Auswirkungen der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes auf die Durchgangszeit zu reduzieren, kann eine Phasenverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das dem Sensorelement zur Verfügung gestellt wird, und dem Ausgangssignal des Sensors bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass der Frequenzgenerator zunächst von dem Heizelement entkoppelt wird und der Frequenzgenerator dann mit dem Sensorelement verbunden wird. Der Prozessor kann dann die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes bestimmen, ohne dass irgendeine Störung durch eine Temperaturabweichung in dem Fluid hervorgerufen wird, die durch das Heizelement verursacht wird.
  • Die Durchgangszeit von dem Heizelement zu dem Sensorelement kann dann bestimmt werden, indem die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes von der Heizerzu-Sensor-Phasenverzögerung subtrahiert wird. Wenn das in Betracht kommende Fluid im Wesentlichen null Strömung aufweist, dann kann das thermische Diffusionsvermögen bestimmt werden. Wenn das in Betracht kommende Fluid unter Strömungsbedingungen steht, kann die Fluidgeschwindigkeit nach vorheriger Kalibrierung bestimmt werden.
  • Es wird beabsichtigt, dass außerdem ein zweites Sensorelement zur Verfügung gestellt wird. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise kann eine zweite Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement und dem zweiten Sensorelement bestimmt werden. Gleichfalls kann die interne Phasenverzögerung des zweiten Sensorelementes bestimmt werden. Indem die interne Phasenverzögerung des zweiten Sensorelementes von der entsprechenden Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung subtrahiert wird, kann eine zweite Durchgangszeit be stimmt werden. Unter Verwendung der ersten und zweiten Durchgangszeit kann die Fluidgeschwindigkeit des in Betracht kommenden Fluids verhältnismäßig unabhängig, ohne vorherige Kalibrierung, bestimmt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt der Frequenzgenerator zwei oder mehr feste Frequenzen, entweder nacheinander oder gleichzeitig, für das Heizelement und ein oder beide Sensorelemente zur Verfügung. Die Frequenzen werden vorzugsweise so ausgewählt, dass sie einer idealen Frequenz nahe kommen, wobei die ideale Frequenz veranlassen würde, dass der Wärmeimpuls in dem Fluid zu demselben Zeitpunkt an dem Sensorelement ankommt, zu dem das Sensorelement durch das zeitlich veränderliche Eingangssignal erregt wird. Die ideale Frequenz hängt typischerweise von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich des Abstandes zwischen dem Heizelement und dem Sensorelement, den ausgewählten Eigenschaften des Fluids, der ausgewählten Phasenverzögerung zwischen Heizer- und Sensoreingängen, der Geschwindigkeit des Fluids usw.
  • Die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes kann für jede der festen Frequenzkomponenten unter Verwendung eines FFT-Algorithmus bestimmt werden, welcher. eine Kreuzkorrelationsanalyse umfassen kann, wie vorstehend beschrieben. Die ideale Frequenz kann dann bestimmt werden, indem beispielsweise von den internen Phasenverzögerungen bei den festen Frequenzen auf eine ideale Frequenz extrapoliert wird, welche eine interne Phasenverzögerung ergeben würde, die der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes unter Vakuumbedingungen gleichkommt. Unter Vakuumbedingungen wird keine Wärme von dem Sensorelement zu dem in Betracht kommenden Fluid oder von ihm übertragen, und demzufolge würde die Temperatur des Sensorelementes im Wesentlichen der Temperatur des Fluids folgen. Eine vorhergehende Kalibrierungsprozedur kann durchgeführt werden, um die interne Phasenvexzögerung des Sensorelementes unter Vaku- umbedingungen bei unterschiedlichen Frequenzen zu bestimmen. Sobald die ideale Frequenz identifiziert ist, kann die Durchgangszeit der Temperaturabweichung in dem Fluid bestimmt werden.
  • Es ist beabsichtigt, dass die Amplitude des Eingangssignales, das dem Sensorelement bereitgestellt wird, so eingestellt werden kann, dass die Temperatur des Sensorelementes der Amplitude des Wärmeimpulses in dem Fluid an dem Sensorelement nahe kommt. Durch Kompensieren der Amplitude des Eingangssignales kann die ideale Frequenz genauer bestimmt werden.
  • In einer anderen erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die internen Phasenverzögerungen des Heiz- und/oder Sensorelementes gezwungenermaßen negativ sein, während die Phasenverzögerung des Sensorwiderstandes im Vergleich zu einem Eingangssignal, das durch einen Frequenzgenerator zur Verfügung gestellt wird, im Wesentlichen null ist. Der spannungsabhängige Widerstand, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET), ist vorzugsweise in einem Zweig einer entsprechenden Wheatstone-Brücke zur Verfügung gestellt. In dieser Ausführungsform stellt der Frequenzgenerator dem spannungsabhängigen Widerstand ein zeitlich veränderliches Eingangssignal zur Verfügung. Ein Differenzverstärker erfasst jegliche Unausgeglichenheit in der Wheatstone-Brücke und stellt die notwendige Leistung zur Verfügung, damit die Wheatstone-Brücke mittels eines Leistungseingangssignales ausgeglichen wird. Auf diese Weise werden der Widerstand und die Temperatur des Heiz- und/oder Sensorelementes gezwungen, im Wesentlichen dem Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandes zu folgen, oder in diesem Fall, dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal. Dementsprechend werden die Phasenverzögerungen zwischen den Heizund/oder Sensorelementen durch den Differenzverstärker gezwungenermaßen im Wesentlichen null betragen.
  • Die Durchgangszeit, welche die Temperaturabweichung benötigt, um die Strecke von dem Heizelement zu dem Sensorelement zurückzulegen, kann durch Abtasten der Phasenverschiebung des Leistungseingangssignales erfasst werden, das durch den Differenzverstärker zum Ausgleichen der Wheatstone-Brücke des Sensors zur Verfügung gestellt wird. Gemäß der Erfindung werden den Heiz- und Sensorelementen zwei oder mehr Frequenzen durch den Frequenzgenerator zur Verfügung gestellt. Ein Prozessor, der einen FFT-Algorithmus implementiert, bestimmt dann die Phasenverschiebung des Leistungseingangssignales, das der Wheatstone-Brücke des Sensorelementes für jede der Frequenzkomponenten zur Verfügung gestellt wird. Eine ideale Frequenz kann dann, beispielsweise durch Extrapolieren der gemessenen Phasenverschiebungen in dem Leistungseingangssignal auf eine Phasenverschiebung, die einer idealen Bedingung entspricht, bestimmt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele der einhergehenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres erkennbar, sobald sie unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung besser verstanden wird, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in allen ihren Figuren bezeichnen. Es zeigen:
  • 1, 2 und 3 unterschiedliche Ansichten einer Ausführungsform vom Stand der Technik eines Strömungssensors einer Mikrobrücke;
  • 4 eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Fluideigenschaft- und Strömungssensorsystems, das auf thermalen Mikrobrücken- oder Mikromembransensoren beruht;
  • 5 eine erste erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei stromabwärts gelegenen Sensorelementen;
  • 6 eine zweite erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem stromaufwärts gelegenen und einem stromabwärts gelegenen Sensorelement;
  • 7 eine dritte erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehr als zwei stromabwärts gelegenen Sensorelementen;
  • 8 eine vierte erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit zahlreichen stromabwärts gelegenen und stromaufwärts gelegenen Sensorelementen;
  • 9 ein schematisches Diagramm einer ersten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 10 ein Diagramm, das eine ideale Frequenz für eine Heizer/Sensorkombination und zwei feste Frequenzen darstellt, die durch den Frequenzgenerator von 9 zur Verfügung gestellt werden;
  • 11 eine graphische Darstellung, die ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Frequenz aus den gemessenen internen Phasenverschiebungen des Sensorelementes bei zwei festen Frequenzen darstellt;
  • 12 eine graphische Darstellung, die ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Frequenz aus den gemessenen internen Phasenverschiebungen des Sensorelementes bei zwei festen Frequenzen unter Verwendung der graphischen Darstellung, der idealen Leistungsamplitude von 13 darstellt;
  • 13 eine graphische Darstellung, die ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen einer idealen Leistungsamplitude für das zeitlich veränderliche Eingangssignal darstellt, das dem Sensorelement zur Verfügung gestellt wird;
  • 14 ein schematisches Diagramm einer. zweiten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die internen Phasenverschiebungen der Heiz- und Sensorelemente gezwungenermaßen im Wesentlichen nu11 betragen;
  • 15 ein ausführlicheres schematisches Diagramm von einer der Wheatstone-Brücken- und -Verstärkerschaltungen von 14; und
  • 16 ein Diagramm, das eine ideale Frequenz für eine Heizer/Sensorkombination darstellt, zwei feste Frequenzen, die durch den Frequenzgenerator von 14 zur Verfügung gestellt werden, und die daraus resultierende Phasenverschiebung des Leistungseingangssignales, das durch den Differenzverstärker der Sensorschaltanordnung zur Verfügung gestellt wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft demnach also ein System, das ausgewählte Fluideigenschaften bestimmt, darunter die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme, das thermische Diffusionsvermögen und die Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung eines gemeinsamen Frequenzgenerators für die Heiz- und/oder Sensorelemente. Ferner wird eine FFT-Analyse verwendet, um verschiedene Frequenzkomponerten zu trennen und um die gewünschten Phasenverzögerungen zwischen ausgewählten Signalen zu bestimmen.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beabsichtigen, ein mikroskopisch klein bemessenes Heizelement in eine Probe des in Betracht kommenden Fluids zu halten. Das Mikromembran- oder Mikrosensorsystem oder die „Mikrobrücke" wie es, allerdings nicht einschränkend, hier bezeichnet werden wird, wird derzeit aus verschiedenen Gründen bevorzugt. Das System spricht äußerst schnell an, ist sehr genau und sehr empfindlich aufgrund seiner vorteilhaften Verbindung mit dem in Betracht kommenden Fluid, und es ist klein und lässt sich an eine Vielfalt von Konfigurationen anpassen.
  • Der Mikrobrücken-Halbleiterchip-Sensor, der beispielsweise für einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beabsichtigt wird, kann der Gestalt von einem oder mehreren der Mikrobrückensysteme ähnlich sein, die in US-Patentschrift Nr. 4,478,076, US-Patentschrift Nr. 4,478,077, US-Patentschrift Nr. 4,501,144, US-Patentschrift Nr. 4,651,564, US-Patentschrift Nr. 4,683,159 und US-Patentschrift Nr. 4,944,035 dargestellt sind, die alle den gemeinsamen Patentinhaber wie die vorliegende Erfindung haben.
  • Ein derartiges System ist durch 1 bis 3 beispielhaft veranschaulicht, die aus US-Patentschrift Nr. 4;944,035 von Aagard et al. stammen. Eine Erläuterung dieses Beispiels wird nun vorgestellt, da sie zum Verständnis der vorliegenden Erfindung beiträgt. Während angenommen wird, dass die vorliegende Erläuterung in dem notwendigen Umfang ausreicht, wird erachtet, dass jegliche zusätzlichen Bestandteile in den zitierten Patenten bezüglich Mikrobrücken hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
  • Das System vom Stand der Technik in 1 bis 3 sieht ein Paar Dünnfilmtemperatursensoren 22 und 24, einen Dünnfilmheizer 26 und ein Basiselement 20 vor, das die Sensoren und den Heizer ohne Kontakt zu dem Basissubstrat abstützt. Die Sensoren 22 und 24 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Heizers 26 angeordnet dargestellt. Das Basiselement 20 ist ein nicht leitendes, isolierendes oder halbleitendes Material. Hier wurde ein Silizium wegen seiner Anpassfähigkeit an Präzisionsätztechniken und wegen der einfachen Herstellmöglichkeit von elektronischen Chips gewählt. Die Ausführungsform umfasst zwei identische Temperatursensor-Widerstandsgitter 22 und 24, die als die Dünnfilmwärmesensoren funktionieren, und ein zentral angeordnetes Heizwiderstandsgitter 26, das als der Dünnfilmheizer funktioniert.
  • Die Sensoren 22 und 24 und der Heizer 26 können aus irgendeinem geeigneten, stabilen Metall oder einem Legierungsfilm hergestellt werden. Das verwendete Metall kann eine Platin- oder Nickel-Eisenlegierung sein, auch mit Permalloy bezeichnet, mit einer Zusammensetzung aus 80% Nickel und 20% Eisen. Die Sensor- und Heizgitter sind in einem Dünnfilm aus einem Dielektrikum eingekapselt, der typischerweise Schichten 28 und 29 und vorzugsweise Siliziumnitrid, Si3N4, umfasst, um die Filmelemente zu bilden. Andere Dünnfilmmaterialen können SiO2, MgO, SiC, Al2O3, usw. umfassen.
  • Der Sensor in 1 und 2 umfasst zwei Dünnfilmelemente 32 und 34, wobei Element 32 einen Sensor 22 umfasst, und Element 34 einen Sensor 24 umfasst, wobei jedes Element eine Hälfte eines Heizers 26 umfasst und eine bevorzugte Abmessung von 150 Mikrometer in der Breite und 400 Mikrometer in der Länge aufweist. Der Heizer 26 kann jedoch so klein wie 10 Mikrometer in der. Breite und 30 Mikrometer in der Länge sein.
  • Das System beschreibt ferner einen genau definierten Fluidraum (Flüssigkeit oder Gas) 30, welcher die Elemente 22, 24 und 26 wirkungsvoll umschließt und durch Herstellung der Struktur auf der Siliziumoberfläche 36 ausgeführt wird. Die Dünnfilmelemente 22, 24 und 26 weisen eine Dicke von ungefähr 0,08 bis 0,12 Mikrometer auf, wobei die Breite der Leiterbahnen in der Größenordnung von bis zu 5 Mikrometer und die Abstände zwischen den Leiterbahnen in der Größenordnung von 5 Mikrometer liegen. Die in den Siliziumnitridfilm eingekapselten Elemente weisen vorzugsweise eine Gesamtdicke von ungefähr 0,8 Mikrometer oder weniger auf. Der Fluidraum 30 kann durch nachträgliche Ätzung einer genau definierten, siliziumfreien Vertiefung, von ungefähr 100 Mikrometer Tiefe in den Silizumkörper 20 unterhalb der Elemente 32 und 34 hergestellt werden.
  • Die Elemente 32 und 34 sind mit der Oberfläche 36 des Halbleiterkörpers 20 an einem oder mehreren Rändern von der Ätzgrube oder der Vertiefung 30 verbunden. Wie in 3 dargestellt, können die Elemente 32 und 34 die Vertiefung 30 überbrücken, alternativ könnten die Elemente 32 und 34 beispielsweise freitragend über der Vertiefung 30 liegen oder könnten Teil einer durchgehenden oberen Membranfläche sein, die nach dem Wegätzen des Siliziums von der Rückseite gebildet wird.
  • In dem dargestellten System fließt Wärme von dem Heizer zu dem Sensor sowohl mittels fester als auch fluidischer Kopplung zwischen ihnen. Die Tatsache sollte erwähnt werden, dass Siliziumnitrid (Si3N4), außer dass es ein guter elektrischer Isolator ist, ein wirkungsvoller thermischer Festkörperisolator ist. Wegen der wirkungsvollen thermischen Isolierung dominiert die Wärmeübertragung durch das Festkörper-Siliziumnitrid innerhalb der Elemente 32 und 34 nicht über die Ausbreitung der Wärme des Heizers 26. Dies ermöglicht ferner, dass eine verhältnismäßig hohe Menge der Wärme von dem Heizwiderstand 26 zu den Sensorwiderständen 22 und 24 eher durch Übertragung durch das umgebende Fluid als durch den ab- stützenden Nitridfilm geleitet wird. Darüber hinaus weist der abstützende Siliziumnitridfilm eine thermische Leitfähigkeit auf, die niedrig genug ist, um die Sensorwiderstandsgitter 22 und 24 in unmittelbarer Nähe des oder neben dem heizenden Widerstandsgitter 26 anordnen zu können. Auf diese Weise sind die Sensorwiderstandsgitter 22 und 24 tatsächlich starr in dem Fluidraum in der Nähe des Heizwiderstandes 26 aufgehängt und funktionieren als thermische Sonden, um die Temperatur des Fluids in der Nähe und in der Ebene des Heizwiderstandsgitters 26 zu messen.
  • 4 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Strömungssensorsystems, welches auf thermischen Mikrosensoren beruht, die in einer Linie mit einem Strömungsrohr angeordnet sind. Ein Hauptströmungskanal 200 mit einer zentralen Bohrung 202 ist mit dem Rohr verbunden, das den größten Teil des in Betracht kommenden Fluids befördert. Eine erste Kammer 204 ist mit der zentralen Bohrung 202 des Hauptströmungskanales 200 über eine Einzelbohrung 206 in Fluidverbindung. Ein Kopfstück 208 mit einer daran angebrachten ersten Mikrobrücke oder einem Mikromembransensor 210 ist in die erste Kammer 204 eingesetzt und, wie gezeigt, an dem Hauptströmungskanal 200 sicher befestigt. In dieser Konfiguration ist der erste Mikrobrückensensor einem gewissen Anteil des in Betracht kommenden Fluids bei im Wesentlichen null Strömung ausgesetzt. Der erste Mikrobrückensensor 210 wird typischerweise dazu verwendet, Fluideigenschaften wie thermische Leitfähigkeit, ther- misches Diffusionsvermögen, spezifische Wärme, Temperatur und Druck zu messen.
  • Ein zweiter Sensor 222 ist in einem Bypasskanal 214 angeordnet. In dieser Konfiguration ist der zweite Mikrobrückensensor 222 der Strömung des in Betracht kommenden Fluids ausgesetzt. Der zweite Mikrobrückensensor 222 wird typischerweise dazu verwendet, die Fluidgeschwindigkeit zu messen.
  • 5 ist eine erste erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors mit zwei stromabwärts gelegenen Sensorelementen. Wenn die Kalibrierungsdaten verwendet werden, um die thermische Leitfähigkeit, das thermische Diffusionsvermögen, die spezifische Wärme und/oder die Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids zu messen, können nur ein Heizelement oder ein Heizelement und ein Sensorelement erforderlich sein. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, umfassen jedoch einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement 224 und mindestens zwei beabstandet angeordnete Sensorelemente 226 und 228. Wenn die Fluidgeschwindigkeit gemessen wird, können beispielsweise mindestens zwei Sensorelemente 226 und 228 zur Verfügung gestellt werden, wobei jedes vorzugsweise mit einem unterschiedlichen Abstand von dem Heizelement 224 beabstandet angeordnet ist. Der Sensor 226 ist in dem erläuternden Diagramm mit einem ersten Abstand „d1" von dem Heizelement 224 beabstandet angeordnet und der Sensor 228 ist mit einem zweiten Abstand „d2" von dem Heizelement 224 beabstandet angeordnet. Sowohl Sensor 226 als auch 228 sind von dem Heizelement 224 stromabwärts gelegen dargestellt.
  • Das Heizelement 224 ist mit einem Basiselement 230 dargestellt, welches das Heizelement 224 ohne Kontakt zu dem Basissubstrat 232 abstützt. Zusammen bilden das Heizelement 224 und das Basiselement 230 ein Heizfilmelement. Das Sensorelement 226 ist gleichfalls mit einem Basiselement 234 dargestellt, welches das Sensorelement 226 ohne Kontakt zu dem Basissubstrat 232 abstützt. Zusammen bilden das Sensorelement 226 und das Basiselement 234 ein erstes Sensorfilmelement. Das Sensorelement 228 ist schließlich mit einem Basiselement 236 dargestellt, welches das Sensorelement 228 ohne Kontakt zu dem Basissubstrat 232 abstützt. Zusammen bilden das Sensorelement 228 und das Basiselement 236. ein zweites Sensorfilmelement.
  • Das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 können aus irgendeinem geeigneten, stabilen Metall oder einer Legierung wie Platin, Nickel oder Eisennickel, usw., hergestellt sein. Das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 können irgendein Widerstandselement, einschließlich Draht sein, allerdings bestehen sie vorzugsweise aus einem Film. Außerdem können das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 irgendeine Gestalt aufweisen, einschließlich eines Gittermusters, wie vorstehend beschrieben, oder können einfach eine Leiterbahn sein. Wie vorstehend angegeben, sind das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 vorzugsweise in einem Dünnfilm aus Dielektrikum wie Si3N4, SiO2, MgO, SiC, Al2O3 eingekapselt, um die Basiselemente 230, 234 und 236 zu bilden.
  • Ein genau definierter Fluidraum 240 ist vorzugsweise zur Verfügung gestellt, welcher das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 wirkungsvoll umschließt, und wird durch Herstellen der Struktur auf einer Siliziumoberfläche 242 erreicht. Das Heizelement 224 und die Sensorelemente 226 und 228 weisen vorzugsweise Dicken von ungefähr 0,08 bis 0,12 Mikrometer auf, wobei die Breiten der Leiterbahn in der Größenordnung von bis zu 5 Mikrometer liegen und die Abstände zwischen den Leiterbahnen liegen in der Größenordnung von 5 Mikron, wenn ein Gitter verwendet wird. Der Fluidraum 240 kann durch nachträgliches Ätzen einer genau definierten Vertiefung von ungefähr 100 Mikrometer Tiefe in das Siliziumsubstrat 232 unter dem -Heizelement 224 und den Sensorelementen 226 und 228 hergestellt werden. Ein anderes Verfahren kann die Bildung einer Membranstruktur einschließen, indem das Silizium von der Rückseite des Siliziumsubstrates 232 weggeätzt wird.
  • Das Basiselement 230 und das Heizelement 224 sind vorzugsweise mit der Oberseite 242 des Halbleitersubstrates 232 an einem oder mehreren Rändern von der Ätzgrube oder der Vertiefung 240 verbunden. Das Basiselement 230 und das Heizelement 224 können, wie dargestellt, die Vertiefung 240 überbrücken oder sie können alternativ freitragend über der Vertiefung 240 liegen. Die Sensorelemente 226 und 228 sind vorzugsweise ähnlich konstruiert. Es wird erkannt, dass irgendeine Anzahl von Heizund Sensorelementen auf ähnliche Weise zur Verfügung gestellt werden kann. Zu Erläuterungszwecken sind jedoch nur ein Heizelement 224 und zwei Sensorelemente 226 und 228 in 5 dargestellt.
  • Das Heizelement 224 erzeugt in dem Fluid eine Temperaturabweichung. Jedes der Sensorelemente 226 und 228 kann das Eintreffen der Temperaturabweichung an ihren entsprechenden Standorten erfassen. Von Interesse sind die Durchgangszeiten, welche die Temperaturabweichung benötigt, um die Strecke von dem Heizelement 224 zu jedem der Sensorelemente 226 und 228 zurückzulegen. Da die Sensorelemente 226 und 228, wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, in unterschiedlichen Abständen von dem Heizelement beabstandet angeordnet sind, kann die Fluidgeschwindigkeit verhältnismäßig unabhängig von den Fluideigenschaften bestimmt werden, insbesondere wenn die Beabstandungen im Vergleich zu den von der Diffusion beherrschten Verlagerungen groß sind.
  • Anstatt beide Sensoren stromabwärts des Heizelementes gelegen anzuordnen, wie in 5 dargestellt, wird beabsichtigt, dass ein Sensorelement 250 stromaufwärrts und ein anderer Sensor 252 stromabwärts des Heizelementes 254, wie in 6 dargestellt ist, angeordnet wird.
  • Indem nochmals auf die ausgewählten Fluidgeschwindigkeitsmessungen Bezug genommen wird und um die möglichen negativen Auswirkungen des thermischen Diffusionsvermögens und anderer Eigenschaften des Fluids bei niedrigen Strömungsmengen zu begrenzen, wird beabsichtigt, dass ein erster Satz Sensorelemente dazu verwendet werden kann, die niedrigen Strömungsmengen zu messen, und dass ein weiterer Satz für höhere Strömungsmengen verwendet werden kann. In 7 können beispielsweise jene Sensoren, die dem Heizelement am nächsten liegen, wie die Sensorelemente 280 und 282, dazu verwendet werden, niedrige Strömungsmengen zu messen, da die Komponente des thermischen Diffusionsvermögens sogar bei den niedrigen Strömungsmengen bei der geeigneten Amplitude und Frequenz unbedeutend sein kann. Gleichfalls können die Sensorelemente, einschließlich Sensor 284, die weiter von dem Heizelement entfernt angeordnet sind, dazu verwendet werden, die höheren Strömungsmengen zu messen. Indem diese Vorgehensweise angewendet wird, kann die Auswirkung der Komponente des thermischen Diffusionsvermögens auf die Strömungsmengenmessung minimiert werden.
  • Darüber hinaus wird in Betracht gezogen, dass ein Heizer-Eingangssignal mit höherer Amplitude zur Verfügung gestellt werden kann, wenn große Strömungsmengen gemessen werden und umgekehrt kann ein Heizer-Eingangssignal mit niedrigerer Amplitude zur Verfügung gestellt werden, wenn niedrige Strömungsmengen gemessen werden. Eine höhere Temperaturabweichungsamplitude kann einfacher erfasst werden, kann allerdings die Geschwindigkeitskomponente des thermischen Diffusionsvermögens in dem Fluid erhöhen. Demzufolge kann ein Heizer-Eingangssignal mit niedrigerer Amplitude die Geschwindigkeitskomponente des thermischen Diffusionsverrögens reduzieren und genauere Ergebnisse bei niedrigeren Strömungsmengen liefern.
  • 8 ist eine vierte erläuternde Querschnittsansicht eines Mikrobrückensensors gemäß der vorliegenden Erfindung mit zahlreichen stromabwärts und stromaufwärts ge legenen Sensorelementen. In dieser Ausführungsform sind mehrere Paare von Sensorelementen gleichmäßig von dem Heizelement sowohl in eine stromaufwärts als auch in eine stromabwärts gelegene Richtung beabstandet angeordnet. Wenn Kalibrierungsdaten zum Messen der thermischen Leitfähigkeit, des thermischen Diffusionsvermögens, der spezifischen Wärme und/oder der Fluidgeschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids verwendet werden, kann nur ein Heizelement und ein Sensorelement erforderlich sein. Wie jedoch nachstehend ausführlicher erläutert wird, umfassen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Heizelement und mindestens zwei beabstandet angeordnete Sensorelemente 300 und 302. Wenn beispielsweise die Fluidgeschwindigkeit gemessen wird, wobei mindestens zwei beabstandet angeordnete Sensorelemente 300 und 302 verwendet werden, werden nur die Ausgänge der ausgewählten Sensorelemente ausgewählt, die mit unterschiedlichen Abständen von dem Heizelement beabstandet angeordnet sind. Dies kann es ermöglichen, dass die Fluidgeschwindigkeit verhältnismäßig unabhängig von den anderen Fluideigenschaften erhalten wird, wie ausführlicher nachstehend erläutert wird.
  • 9 ist ein schematisches Diagramm einer ersten erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein gemeinsamer Frequenzgenerator 400 stellt einem Heizelement 402, einem ersten Sensorelement 404. und einem zweiten Sensorelement 406 jeweils mittels Wheatstone-Brückenschaltungen 408, 410 und 412 ein zeitlich veränderliches Eingangssignal zur Verfügung. Die Differenzverstärker 416, 418 und 420 stellen jeweils ein Ausgangssignal 422 des Heizers, ein Ausgangssignal 424 des ersten Sensors und ein Ausgangssignal 426 des zweiten Sensors zur Verfügung, Die Ausgangssignale stellen den Widerstand dar und demzufolge die Temperatur des entsprechenden Elementes.
  • Ein Prozessor 430 empfängt das durch den Frequenzgenerator 400 bereitgestellte, zeitlich veränderliche Eingangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal 422 des Heizers, dem Ausgangssignal 424 des ersten Sensors und dem Ausgangssignal 426 des zweiten Sensors. In einer bevorzugten Ausführungsform bestimmt der Prozessor 430 ausgewählte Phasenverzögerungen zwischen diesen Signalen unter Verwendung einer FFT, die eine Kreuzkorrelationsanalyse umfassen kann, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • Zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit, des Drucks und/oder der Temperatur eines in Betracht kommenden Fluids, wird in Betracht gezogen, dass nur das Heizelement 402 verwendet werden muss. Da das Heizelement 402 eng mit dem in Betracht kommenden Fluid gekoppelt ist, beeinträchtigt die thermische Leitfähigkeit, k, des Fluids direkt das zeitlich veränderliche Temperaturansprechverhalten des Heizelementes 402. Ferner hängt die thermische Leitfähigkeit des Fluids typischerweise von dem Druck und/oder der Temperatur des Fluids ab. Demzufolge ist herausgefunden worden, dass die thermische Leitfähigkeit, der Druck und/oder die Temperatur des in Betracht kommenden Fluids durch Untersuchen einer veränderlichen Phasenverzögerung oder Zeitverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das dem Heizelement 402 zur Verfügung gestellt wird, und einem darauf folgenden vorübergehenden Temperaturansprechverhalten des Heizelementes 402 bestimmt. werden kann, wenn bei im Wesentlichen null Fluidströmung gemessen wird.
  • Zum Bestimmen der veränderlichen Phasenverzögerung oder. Zeitverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal 432 und dem Ausgangssignal 422 des Heizers, wird in Betracht gezogen, dass der Prozessor 430 eine bekannte FFT-Analyse verwenden kann, welche eine Kreuzkorrelationsanalyse umfassen kann. Indem eine FFT-Analyse verwendet wird, kann die Phasenverzögerung zwi sehen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal 432 und dem Ausgangssignal 422 des Heizers bestimmt werden. Die thermische Leitfähigkeit, k, des in Betracht kommenden Fluids kann beispielsweise aus der Phasenverzögerung unter Verwendung folgender Beziehung berechnet werden: K = {-Zfcpvt/tan(γ)-h3}L1 (1) wobei CpV = die spezifische Wärme pro Volumeneinheit für den Heizfilm und das Basiselement (10% Platin, 90% Si3N4, Mikrobrückenzusammensetzung, J/(cm3k) ; t = die Dicke des Heizfilms, cm; h3 = der Koeffizient leitender Wärmeübertragung auf das Substrat, W/cm3; und L1 = die kennzeichnende Länge der Wärmeleitung von dem Heizelement in die Fluidphase, cm.
  • Die Ableitung von Gleichung (1) und deren weitere Erläuterung kännen in der vorstehend aufgeführten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/002,156, angemeldet am 31. Dezember 1998, mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SELECTED PROPERTIES OF A FLUID OF INTEREST USING A SINGLE HEATER ELEMENT" (Verfahren und Vorrichtung zum Messen ausgewählter Eigenschaften eines in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung eines einzelnen Heizelementes) gefunden werden, die hierin durch Bezugname aufgenommen wird.
  • Zum Bestimmen anderer Fluideigenschaften wie das thermische Diffusionsvermögen, die spezifische Wärme und/oder die Fluidgeschwindigkeit kann das Heizelement 402. und ein Sensorelement 404 verwendet werden. Vor zugsweise wird der Frequenzgenerator 400 durch die Wheatstone-Brücke 408 zuerst selektiv mit dem Heizelement 402 verbunden. Dies verursacht eine Temperaturabweichung in dem in Betracht kommenden Fluid, welche durch das Sensorelement 404 erfasst werden kann. Auf diese Weise kann der Prozessor 430 eine Heizer-zu-Sensor Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404 unter Verwendung einer FFT-Analyse bestimmen.
  • Zur Reduzierung der Auswirkungen der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes 404 auf die Durchgangszeit kann der Frequenzgenerator 400 von dem Heizelement mittels Schalter 440 entkoppelt werden und dann mit dem Sensorelement 404 mittels Schalter 442 verbunden werden. Eine interne Phasenverzögerung zwischen dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das dem Sensorelement 404 zur Verfügung gestellt wird, und dem Ausgangssignal 424 des Sensors kann dann ohne Störung durch eine Temperaturabweichung in dem Fluid, die durch das Heizelement 402 verursacht wird, bestimmt werden.
  • Eine erste Durchgangszeit 425 von dem Heizelement 402 zu dem Sensorelement 404 kann dann durch Subtrahieren der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes 404 von der Heizer-zu-Sensor Phasenverzögerung bestimmt werden. Wenn das in Betracht kommende Fluid unter Strömungsbedingungen steht, kann die Fluidgeschwindigkeit, nach vorheriger Kalibrierung, aus der ersten Durchgangszeit 425 bestimmt werden. Wenn das in Betracht kommende Fluid im Wesentlichen null Strömung aufweist, dann kann das thermische Diffusionsvermögen, Dt, unter Verwendung folgender Beziehung bestimmt werden: Dt = d2/4Δz (2) wobei d = der tatsächliche Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404; und Δz = die Durchgangszeit zwischen dem Heizelement 402 zu dem Sensorelement 404 bei im Wesentlichen null Strömung.
  • Die volumetrische spezifische Wärme, Cpv, des in Betracht kommenden Fluids kann dann unter Verwendung folgender Beziehung bestimmt werden Cpv = k/Dt (3) wobei k = die thermische Leitfähigkeit des in Betracht kommenden Fluids; Dt = das vorstehend bestimmte thermische Diffusionsvermögen.
  • Die Ableitung der Gleichungen (2) und (3) und deren weitere Erläuterung kann in der vorstehend aufgeführten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/002,156, angemeldet am 31. Dezember 1997, mit dem Titel.„TIME LAG APPROACH FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND SPECIFIC HEAT" (Zeitverzögerungsvorgehensweise zum Messen der thermischen Leitfähigkeit und der spezifischen Wärme) gefunden werden, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Dementsprechend kann ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenscha ft eines in Betracht kommenden Fluids die folgenden Schritte umfassen: Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignales; Verbinden des Eingangssignales mit dem Heizelement; Erfassen der Temperaturveränderung in dem in Betracht kommenden Fluid an einer beabstandeten Stelle mittels des Sensorelementes; Bestimmen einer Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, welche die Temperaturveränderung in dem Fluid benötigt, um die Strecke von dem Heizelement zu dem Sensorelement zurückzulegen; Entkoppeln des Eingangssignales von dem Heizelement; Verbinden des Eingangssignales mit dem Sensorelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturveränderung in dem Sensorelement verursacht; Bestimmen einer Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturveränderung in dem Sensorelement; Subtrahieren der Sensor-Phasenverzögerung von der Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, um eine Durchgangs-Phasenverzögerung zur Verfügung zu stellen; und Bestimmen der ausgewählten Eigenschaft des in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung der Durchgangs-Phasenverzögerung.
  • Es wird in Betracht gezogen, dass außerdem ein zweites Sensorelement 406 zur Verfügung gestellt werden kann. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise kann eine zweite Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement 406 bestimmt werden. Gleichfalls kann die interne Phasenverzögerung des zweiten Sensorelementes 406 bestimmt werden. Durch Subtrahieren der internen Phasenverzögerung des zweiten Sensorelementes 406 von der entsprechenden Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung kann eine zweite Durchgangszeit 427 bestimmt werden. Unter Verwendung der ersten und zweiten Durchgangszeit kann die Fluidgeschwindigkeit des in Betracht kommenden Fluids verhältnismäßig unabhängig ohne vorherige Kalibrierung unter Verwendung folgender Beziehung bestimmt werden: v = { (d1 2/Δz1 – d2 2/Δz2)/(Δz1 – Δz2) }0,5 (4) wobei d1 = der Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem ersten Sensorelement 404; d2 = der Abstand zwischen dem Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement, wobei |d1| ≠ |d2|; Δz1 der erste Zeitverzögerungswert; und Δz2 der zweite Zeitverzögerungswert.
  • Die Ableitung der Gleichung (4) und deren weitere Erläuterung kann in der vorstehend aufgeführten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 09/002,157, angemeldet am 31. Dezember 1997, mit dem Titel „TIME LAG APPROACH FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND SPECIFIC HEAT" (Zeitverzögerungsvorgehensweise zum Messen der thermischen Leitfähigkeit und der spezifischen Wärme) gefunden werden, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Dementsprechend kann ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids die folgenden Schritte umfassen: Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignales; Verbinden des Eingangssignales mit einem Heizelement; Erfassen der Temperaturveränderung in dem in Betracht kommenden Fluid an einer ersten beabstandeten Stelle mittels eines ersten Sensorelementes; Bestimmen einer ersten Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, welche die Temperaturveränderung in dem Fluid benötigt, um die Strecke von dem Heizelement zu dem ersten Sensorelement zurückzulegen; Erfassen der Temperaturveränderung in dem in Betracht kommenden Fluid an einer zweiten beabstandeten Stelle mittels eines zweiten Sensorelementes; Be- stimmen einer zweiten Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, welche die Temperaturveränderung in dem Fluid benötigt, um die Strecke von dem Heizelement zu dem zweiten Sensorelement zurückzulegen; Entkoppeln des Eingangssignales von dem Heizelement; Verbinden des Eingangssignales mit dem ersten Sensorelement; Bestimmen einer ersten Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturverände rung in dem ersten Sensorelement; Subtrahieren der ersten Sensor-Phasenverzögerung von der ersten Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, um eine erste Durchgangs-Phasenverzögerung zur Verfügung zu stellen; Verbinden des Eingangssignales mit dem zweiten Sensorelement, wobei das Eingangssignal eine Temperaturveränderung in dem zweiten Sensorelement verursacht; Bestimmen einer zweiten Sensor-Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der entsprechenden Temperaturveränderung in dem zweiten Sensorelement; Subtrahieren der zweiten Sensor-Phasenverzögerung von der zweiten Heizer-zu-Sensor-Phasenverzögerung, um eine zweite Durchgangs-Phasenverzögerung zur Verfügung zu stellen; und Bestimmen der Geschwindigkeit des in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung der ersten Durchgangs-Phasenverzögerung und der zweiten Durchgangs-Phasenverzögerung.
  • In einer anderen erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Frequenzgenerator. dem Heizelement 402 und einem oder beiden Sensorelementen 404 und 406 zwei oder mehr feste Frequenzen, entweder nacheinander oder gleichzeitig, zur Verfügung stellen. Wenn die Frequenzen gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden, sind die Schalter 440, 442 und 444 vorzugsweise so eingestellt, dass sie dem entsprechenden Heizer und den entsprechenden Sensorelementen das zeitlich veränderliche Eingangssignal 432 zur Verfügung stellen.
  • Die festen Frequenzen sind vorzugsweise so ausgewählt, dass sie einer idealen Frequenz nahe kommen. Eine ideale Frequenz ist als die Frequenz definiert, welche die Temperaturabweichung in dem Fluid verursacht, um beispielsweise an einem Sensorelement 404 zu demselben Zeitpunkt anzukommen, zu dem dieses Sensorelement 404 durch das zeitlich veränderliche Eingangssignal erregt wird. Eine ideale Frequenz ist mit Bezugnahme auf 10 bei 500 dargestellt und Spitzen bei sowohl dem Heizelement 402 als auch dem ersten Sensorelement 404. Es ist offensichtlich, dass die ideale Frequenz typischer weise von einer Anzahl Faktoren abhängt, darunter der Abstand zu dem Heizelement 402 und dem Sensorelement 404, die ausgewählten Eigenschaften des Fluids, die ausgewählte Phasenverzögerung zwischen den Heizer- und den Sensoreingängen, die Geschwindigkeit des Fluids, usw.
  • Die Amplitude des Eingangssignales, die dem Sensorelement 404 zur Verfügung gestellt wird, kann unter Verwendung des Widerstandes 450 so eingestellt werden, dass die Temperatur des Sensorelementes 404 der Amplitude der Temperaturabweichung in dem Fluid nahe kommt. Im Idealfall veranlassen die Frequenz und die Amplitude des Eingangssignales 452, die dem Sensorelement 404 zur Verfügung gestellt wird, dass die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes unter Vakuumbedingungen entspricht. Unter Vakuumbedingungen wird keine Wärme von dem Sensorelement zu dem in Betracht kommenden Fluid oder von ihm weg transportiert, und somit folgt die Temperatur des Sensorelementes 404 im Wesentlichen der Temperatur des Fluids. Wenn die ideale Frequenz identifiziert ist, kann die Durchgangszeit der Temperaturabweichung in dem Fluid bestimmt werden, Zum Bestimmen der idealen Frequenz wird in Betracht gezogen, dass sowohl dem Heizelement 402 als auch beispielsweise dem Sensorelement 404 zwei oder mehr feste Frequenzen zur Verfügung gestellt werden. Die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes 404 für jede der Frequenzkomponenten wird dann durch den Prozessor 430 unter Verwendung einer FFT-Analyse bestimmt, welche eine Kreuzkorrelationsanalyse, wie vorstehend beschrieben, enthalten kann. Die ideale Frequenz kann dann beispielsweise durch Extrapolieren der internen Phasenverzögerungen bei den festen Frequenzen auf eine ideale Frequenz bestimmt werden, die eine interne Phasenverzögerung ergeben würde, die gleich der internen Phasenverzögerung des Sensorelementes 404 unter Vakuumbe dingungen gleichkommt. Die interne Phasenverzögerung der Sensorelemente 404 und 406 unter Vakuumbedingungen kann während einer Kalibrierungsprozedur bestimmt werden. Die Sensorelemente 404 und 406 können während der Kalibrierungsprozedur einer Vakuumbedingung ausgesetzt werden, und ihre interne Phasenverzögerung kann durch den Prozessor 430 bestimmt werden.
  • Unter Bezugnahme insbesondere auf 11 ist eine Kurve 550 gezeigt, welche die interne Phasenverzögerung des ersten Sensorelementes 404 unter Vakuumbedingungen im Vergleich zur Frequenz darstellt. Vorzugsweise wird eine der festen Frequenzkomponenten (f1), die durch den Frequenzgenerator 400 (siehe 9 bis 10) bereitgestellt werden, so ausgewählt, dass sie niedriger als die erwartete ideale Frequenz (fb) ist. Gleichfalls wird eine der festen Frequenzkomponenten (f2), die durch den Frequenzgenerator 400 bereitgestellt werden, so ausgewählt, dass sie höher als die erwartete ideale Frequenz (fb) ist. Die ideale Frequenz (fb) kann dann durch Interpolieren zwischen den internen Phasenverzögerungen bei den festen Frequenzen bestimmt werden, um die Frequenz zu bestimmen, die die Kurve 550 schneidet. Diese Frequenz repräsentiert die ideale Frequenz für das Heizer-Sensor Paar. Die Durchgangszeit von dem Heizelement zu dem Sensorelement kann aus der idealen Frequenz, wie vorstehend beschrieben, berechnet werden.
  • Die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme können unter Verwendung der Durchgangszeit berechnet werden, wenn das Fluid im Wesentlichen null Strömung aufweist. Gleichfalls kann die Geschwindigkeit des Fluids von der Durchgangszeit bestimmt werden, wenn zuvor eine Kalibrierung durchgeführt worden ist.
  • Es ist offensichtlich, dass die Amplitude des Eingangssignales die interne Phasenverzögerung des Sensorelementes beeinflussen kann, wobei Vakuumbedingungen eingeschlossen sind. In 12. sind. beispielsweise eine Anzahl von Phasenverzögerungskurven 600 bis 604 unter Vakuumbedingungen dargestellt, wobei jede einer unterschiedlichen Amplitude des Eingangssignales entspricht. Um die ideale Frequenz für das erste Sensorelement 406 genauer zu bestimmen, kann es somit wünschenswert sein, die Amplitude des Eingangssignales 452 mit zu berücksichtigen.
  • 13 zeigt drei Kurven 650, 652 und 654, die das Temperaturansprechverhalten des Sensorelementes 406 im Vergleich zu der Amplitude des Eingangssignales 452 unter Vakuumbedingungen bei drei Frequenzen f1, f2 und f3 darstellen. Außerdem werden drei Kurven 666, 668 und 670 gezeigt, die das Temperaturansprechverhalten des Sensorelementes 406 im Vergleich zu der Amplitude des Eingangssignales 452 unter Nicht-Vakuumbedingungen bei denselben drei Frequenzen f1, f2 und f3 darstellen. Die ideale Amplitude des Eingangssignales 452 entspricht dem Schnittpunkt einer Amplitudenkurve unter Nicht-Vakuumbedingungen und einer Amplitudenkurve unter Vakuumbedingungen bei der idealen Frequenz fb (siehe 12). Die ideale Amplitude für das Eingangssignal kann dazu verwendet werden, die ideale Frequenz fb zu bestimmen, wie vorstehend mit Bezugnahme auf 12 erläutert. Da es zwei Unbekannte gibt, nämlich die ideale Frequenz (fb) und die ideale Amplitude des Eingangssignales (Pb), und zwei Kurvensätze, nämlich diejenigen, die in 12 und 13 gezeigt sind, können die ideale Frequenz (fb) und die ideale Amplitude des Eingangssignales (Pb) unter Verwendung herkömmlicher Verfahren bestimmt werden, wobei angenommen wird, dass bei ausreichend geringen Veränderungen in A und P das Problem mit linearen Gleichungen gelöst werden kann.
  • Indem wieder auf 9 Bezug genommen wird, wird in Betracht gezogen, dass eine zweite Durchgangszeit von dem Heizelement 402 und dem zweiten Sensorelement 406 auf eine ähnliche Weise bestimmt werden kann. Unter Verwendung sowohl der ersten als auch der zweiten Durchgangszeit, kann die Geschwindigkeit des in Be- tracht kommenden Fluids verhältnismäßig unabhängig von den Eigenschaften des Fluids unter Verwendung der Beziehung von Gleichung (4) bestimmt werden.
  • Dementsprechend kann ein erläuterndes Verfahren zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines in Betracht kommenden Fluids die folgenden Schritte umfassen: Erregen eines Heizelementes und eines ersten Sensorelementes mit mindestens zwei zeitlich veränderlichen Eingangssignalen, wobei jedes eine unterschiedliche Frequenz aufweist; Erfassen der Widerstandsveränderung des ersten Sensorelementes; Bestimmen einer Verzögerung zwischen den ausgewählten der mindestens zwei zeitlich veränderlichen Eingangssignale und der entsprechenden Widerstandsveränderung des ersten Sensorelementes; und Bestimmen einer ersten idealen Eingangsfrequenz, die eine Phasenverzögerung zwischen einem idealen zeitlich veränderlichen Eingangssignal und der Widerstandsveränderung des ersten Sensorelementes erzeugen würde, die im Wesentlichen einem ersten kalibrierten Phasenverzögerungswert gleichkommt.
  • Ein Verfahren zum Bereitstellen von Phasenverzögerungsdaten zur Kalibrierung für das erste Sensorelement kann den Schritt umfassen, das erste Sensorelement einer Vakuumbedingung auszusetzen; das erste Sensorelement mit einem oder mehreren Eingangssignalen des ersten Sensors zu erregen, wobei jedes eine unterschiedliche Frequenz aufweist; und eine Anzahl von ersten kalibrierten Phasenverzögerungswerten zwischen den Eingangssignalen des ersten Sensors und der entsprechenden Widerstandsveränderung des ersten Sensorelementes zu bestimmen. Ahnliche Verfahren können für ein zweites Sensorelement verwendet werden.
  • Eine weitere erläuternde Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 14 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die internen Phasenverzögerungen des Heiz- und/oder Sensorelementes im Wesentlichen gezwungenermaßen auf null gesetzt, und die Durchgangszeit von dem Heizelement zu einem Sensorelement wird von einer Phasenverzögerung in dem Leistungssignal bestimmt, das den jeweiligen Sensorelementen zur Verfügung gestellt wird.
  • Insbesondere mit Bezugnahme auf 14 ist ein Heizelement 702 in einem Zweig einer modifizierten Wheatstone-Brücke 704 eingeschlossen. Die modifizierte Wheatstone-Brücke umfasst einen spannungsabhängigen Widerstand 706 in dem Zweig gegenüber dem Heizelement 702, welcher durch ein zeitlich veränderliches Eingangssignal 712 gesteuert wird, das durch den Frequenzgenerator 700 zur Verfügung gestellt wird. Ein Differenzverstärker 708 erfasst jegliche Unausgeglichenheit in der Wheatstone-Brücke. 704 und stellt die notwendige Leistung zur Verfügung, um die Wheatstone-Brücke 704 mittels eines Leistungseingangssignales 710 auszugleichen. In dieser Konfiguration ist der Widerstand und deswegen die Temperatur des Heizelementes 702 im Wesentlichen gezwungen, dem Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandes 706 zu folgen, oder in diesem Fall dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal 712. Dann beträgt laut Definition die Phasenverzögerung zwischen der Temperatur des Heizelementes 702 und dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal zwingend im Wesentlichen null.
  • Zum Bestimmen der thermischen Leitfähigkeit des in Betracht kommenden Fluids kann der Prozessor 740 die Phasenverschiebung in dem Leistungseingangssignal 710 im Verhältnis zu einer vorbestimmten Referenz- oder Kalibrierungsfunktion wie Gleichung (1) bestimmen. Der Prozessor 740 kann dann die Phasenverschiebung in dem Leistungseingangssignal 710 zu der thermischen Leitfähigkeit des in Betracht kommenden Fluids in Beziehung setzen.
  • Zum Bestimmen des thermischen Diffusionsvermögens, der spezifischen Wärme und der Geschwindigkeit eines in Betracht kommenden Fluids kann ein erstes Sensorelement 720 in einem Zweig einer zweiten modifizierten Wheatstone-Brücke 722 enthalten sein. Die zweite Wheatstone-Brücke 722 umfasst in dem Zweig gegenüber dem ersten Sensorelement 720 einen spannungsabhängigen Widerstand 724, welcher durch das zeitlich veränderliche Eingangssignal gesteuert wird. Die Amplitude des zeitlich veränderlichen Eingangssignales wird vorzugsweise durch den Widerstand 726 reduziert, bevor es dem spannungsabhängigen Widerstand 724 der zweiten modifizierten Wheatstone-Brücke 722 zur Verfügung gestellt wird, so dass die Temperatur des ersten Sensorelementes 720 im Wesentlichen der Temperaturabweichung in dem Fluid folgt. Der Betrag, um den die Amplitude reduziert wird, kann durch vorherige Kalibrierung bestimmt werden.
  • Wie vorstehend bemerkt wurde, erfasst ein Differenzverstärker 728 jegliche Unausgeglichenheit in der zweiten Wheatstone-Brücke 722, und stellt die notwendige Leistung zur Verfügung, um die Brücke 722 mittels eines Leistungseingangssignales 730 auszugleichen. In dieser Konfiguration sind der Widerstand und die Temperatur des ersten Sensorelementes 720 gezwungen, im Wesentlichen dem Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandes 724 zu folgen, oder in diesem Fall dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal 712, das eine reduzierte Amplitude aufweist. Laut Definition beträgt dann die Phasenverzögerung zwischen der Temperatur des ersten Sensorelementes 720 und dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das durch den Frequenzgenerator zur Verfügung gestellt wird, gezwungenermaßen im Wesentlichen null. Die Durchgangszeit, die eine Temperaturabweichung benötigt, um die Strecke von dem Heizelement 702 zu dem ersten Sensorelement 720 zurückzulegen, wird von der Phasenverschiebung des Leistungseingangssignales 730 bestimmt, wie weiter nachstehend beschrieben.
  • Gemäß der Erfindung werden dem Heizelement 702 und dem ersten Sensorelement 720 zwei oder mehr feste Frequenzen durch den Frequenzgenerator 700 zur Verfügung gestellt. Die festen Frequenzen werden vorzugsweise ausgewählt, um einer idealen Frequenz nahe zu kommen. Die ideale Frequenz ist als die Frequenz definiert, die veranlasst, dass die Temperaturabweichung in dem Fluid beispielsweise zu demselben Zeitpunkt an dem Sensorelement 720 ankommt, zu dem das Sensorelement 720 erregt wird. Dies ist deutlich in 16 dargestellt. Die ideale Frequenz ist bei 900 gezeigt, die sowohl für das Heizelement 702 als auch für das erste Sensorelement 720 den Scheitelpunkt erreicht. Die ideale Frequenz hängt typischerweise von einer Anzahl Faktoren ab, darunter der Abstand. zwischen dem Heizelement 702 und dem Sensorelement 720, die ausgewählten Eigenschaften des Fluids, die ausgewählte Phasenverzögerung zwischen den Heizer- und Sensoreingängen, die Geschwindigkeit des Fluids, usw.
  • Eine erste feste Frequenzkomponente „f1" ist bei 902 dargestellt und eine zweite feste Frequenzkomponente „f2" ist bei 904 dargestellt. Die erste feste Frequenzkomponente veranlasst den Differenzverstärker 728, der Wheatstone-Brücke 722 in der Nullphase ein erstes Leistungseingangssignal zur Verfügung zu stellen. Das erste Leistungseingangssignal ist bei 906 dargestellt. Gleichfalls veranlasst die zweite feste Frequenzkomponente den Differenzverstärker 728, der Wheatstone-Brücke 722 in der Nullphase ein zweites Leistungseingangssignal zur Verfügung zu stellen. Das zweite Leistungseingangssignal ist bei 910 dargestellt.
  • Der Prozessor 740 implementiert vorzugsweise eine FFT-Analyse, schafft und bestimmt die Phasenverschiebung des Leistungseingangssignales 730, das der zweiten modifizierten Wheatstone-Brücke 722 für jede der Frequenzkomponenten zur Verfügung gestellt wird. Zum Beispiel ist eine erste Phasenverschiebung für das erste Leistungseingangssignal 906 bei 908 dargestellt, und eine zweite Phasenverschiebung für das zweite Leistungseingangssignal 910 ist bei 912 dargestellt. Für die erläuternde Ausführungsform ist ein beliebiges Bezugszeichen 915 gewählt worden. Die Bestimmung einer idealen Frequenz geschieht dann vorzugsweise durch beispielsweise Interpolieren zwischen den gemessenen Phasenverschiebungen in dem Leistungseingangssignal 730 bei den zwei oder mehr Eingangsfrequenzen zu einer idealen Phasenverschiebung, die der idealen Frequenz 900 entspricht. Diese Frequenz ist ideal, weil sie die nachfolgend beschriebenen Anforderungen erfüllt. Die ideale Phasenverschiebung kann durch vorherige Kalibrierung bestimmt werden. Wie vorstehend beschrieben, kann eine erste Durchgangszeit aus der idealen Frequenz berechnet werden, und ausgewählte Eigenschaften des in Betracht kommenden Fluids können von der ersten Durchgangszeit bestimmt werden, einschließlich des thermischen Diffusionsvermögens (vorausgesetzt die Fluidgeschwindigkeit ist bekannt oder zu vernachlässigen) und der Fluidgeschwindigkeit.
  • Die Amplitude der festen Frequenzeingangssignale kann unter Verwendung des Widerstandes 726 so angepasst werden, dass die Temperatur des Sensorelementes 720 der Amplitude der Temperaturabweichung in dem Fluid nahe kommt. Im Idealfall veranlassen die Frequenz und die Amplitude des Eingangssignales das Sensorelement 720, im Wesentlichen der Temperaturabweichung in dem Fluid zu folgen.
  • Außerdem kann ein zweites Sensorelement 750 zur Verfügung gestellt werden. Unter Verwendung des zweiten Sensorelementes 750 kann eine zweite ideale Frequenz bestimmt werden. Von der zweiten idealen Frequenz kann eine zweite Durchgangszeit bestimmt werden. Unter Verwendung der ersten und zweiten Durchgangszeit kann die Geschwindigkeit des in Betracht kommenden Fluids verhältnismäßig unabhängig von den Eigenschaften des Fluids unter Verwendung der Gleichung (4), wie vorste- hend beschrieben wird, bestimmt werden.
  • 15 ist ein ausführlicheres schematisches Diagramm einer der Wheatstone-Brücken- und Verstärkerschaltungen von 14. Die Wheatstone-Brückenschaltung von 15 enthält ein Mikrobrückenelement 800 (Heizer oder Sensor) in einem Zweig und einen spannungsabhängigen Widerstand 802 in einem gegenüberliegenden Zweig. Der spannungsabhängige Widerstand 802 ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor (FET) und wird durch ein zeitlich veränderliches Eingangssignal gesteuert, das einem VIN-Anschluss 804 zur Verfügung gestellt wird. Beide Seiten der Wheatstone-Brücke sind, wie gezeigt, mit einem Differenzverstärker 806 verbunden. Der Differenzverstärker 806 erfasst jegliche Unausgeglichenheit in der Wheatstone-Brücke und stellt die notwendige Leistung zur Verfügung, um die Brücke mittels eines Leistungseingangssignales 810 auszugleichen. In dieser Konfiguration ist der Widerstand und deswegen die Temperatur des Mikrobrückenelementes 800 gezwungen, im Wesentlichen dem Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandes 802 zu folgen, oder in diesem Fall dem zeitlich veränderlichen Eingangssignal, das dem VIN-Anschluss 804 zur Verfügung gestellt wird.
  • Nachdem hiermit die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, werden die Fachleute ohne weiteres erkennen, dass die hier festgestellten Lehren in noch weiteren Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der hier beigefügten Ansprü- che angewendet werden können.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines in Betracht kommenden Fluids, umfassend: Heizmittel in thermischer Verbindung mit dem in Betracht kommenden Fluid, wobei die Heizmittel einen Widerstand aufweisen, der sich temperaturabhängig verändert; Erregermittel, die mit den Heizmitteln zum Erregen der Heizmittel verbunden sind, wobei die Erregermittel den Heizmitteln ein zeitlich veränderliches Eingangssignal zur Verfügung stellen, um eine vorübergehend erhöhte Temperaturbedingung in die Heizmittel zu induzieren, wobei das Eingangssignal zwei oder mehr diskrete periodische Signale enthält, die jedes eine diskrete Frequenz aufweisen; Ausgangsmittel zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das mit dem Widerstand der Heizmittel in Beziehung steht; Mittel zum Bestimmen einer Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal für jedes der periodischen Signale, welche die diskrete Frequenz während der vorübergehend erhöhten Temperaturbedingung aufweisen, unter Verwendung einer FFT-Analyse; und Bestimmungsmittel zum Bestimmen der ausgewählten Eigenschaft des in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung der Phasenverzögerung.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die FFT-Analyse eine Kreuzkorrelationsanalyse zum Kreuzkorrelieren des Eingangssignals und des Ausgangssignals während der vorübergehend erhöhten Temperaturbedingung umfasst, um die dazwischenliegende Phasenverzögerung zu bestimmen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die ausgewählte Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Temperatur, Druck und Wärmeleitfähigkeit besteht.
  4. Verfahren zum Bestimmen einer ausgewählten Eigenschaft eines in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung eines Heizelements, wobei das Heizelement einen Widerstand aufweist, der sich temperaturabhängig verändert und in thermischer Verbindung mit dem in Betracht kommenden Fluid steht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines zeitlich veränderlichen Eingangssignals für das Heizelement, wobei das Eingangssignal zwei oder mehr diskrete periodische Signale enthält, die jedes eine diskrete Frequenz aufweisen, wobei das Eingangssignal. eine Temperaturveränderung und eine entsprechende Widerstandsveränderung in dem Heizelement verursacht; Erfassen der Widerstandsveränderung des Heizelements; Bestimmen einer Phasenverzögerung zwischen dem Eingangssignal und der erfassten Widerstandsveränderung des Heizelements für jedes der periodischen Signale, welche die diskrete Frequenz aufweisen, unter Verwendung einer FFT-Analyse; Bestimmen der ausgewählten Eigenschaft des in Betracht kommenden Fluids unter Verwendung der Phasenverzögerung.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ausgewählte Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Temperatur, Druck und Wärmeleitfähigkeit besteht.
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