Устройство измерения скорости или расхода газа
Изобретение относится к устройству измерения скорости или расхода газа (102) при температуре, отличной от температуры окружающей среды. Устройству измерения скорости или расхода газа содержит первую платформу (202), подвешенную на первых плечах (204P, 204N) над опорой (208), причем первая платформа лишена нагревательного элемента и приспособлена (303) для ее поддержания при температуре окружающей среды. Первые плечи включают в себя термоэлектрические дорожки (214P, 214N), выполненные с возможностью выдачи первого напряжения на основании разности между температурами первой платформы и опоры. Устройство также включает блок обработки, приспособленный для выдачи измерения скорости или расхода на основании первого напряжения, температуры газа и температуры окружающей среды. Технический результат – снижение потребления электроэнергии. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящая заявка относится к измерительному прибору, в частности к устройству измерения скорости или расхода газа.
Предшествующий уровень техники
В различных промышленных системах, или, например, в устройствах отопления или кондиционирования воздуха, желательно измерять скорость или расход газа. Газ циркулирует, например, по трубопроводу.
Фигура 1 соответствует фигуре 8 патента США 6871538 и изображает устройство 100 измерения расхода текучей среды 102, циркулирующей слева направо.
Устройство 100 содержит, на опоре, например, кремниевой подложке 104, изолирующий слой 106, образующий мембрану 107, ограниченную на фигуре пунктиром, которая покрывает углубление 108, образованное в подложке. В центральной части мембраны расположен нагревательный элемент 110. Симметрично справа и слева от нагревательного элемента расположены два сочетания чередующихся термоэлектрических дорожек из алюминия 112 и кремния 114, соединенные электрически последовательно. Спаи между термоэлектрическими дорожками каждого последовательного сочетания расположены поочередно на мембране 107 (спаи 122) и на слое 106 вне мембраны (спаи 120). Термоэлектрические дорожки каждого последовательного сочетания выдают напряжение VR между клеммами 116R и 118R, VL между клеммами 116L и 118L, в результате разности между температурой спаев 120 и температурой спаев 122. Устройство 100 содержит также датчик 124 температуры опоры.
Измеряемый расход получается на основании разности между напряжениями VR и VL, выдаваемыми двумя последовательностями термоэлектрических дорожек. Измерение следует из разности температуры между сторонами мембраны. Действительно, в отсутствие расхода газа, мембрана имеет симметричные температуры справа и слева от нагревательного элемента. Расход газа слева направо создает асимметрию температур мембраны.
Устройства измерения скорости или расхода с нагревательным элементом, например, такие как устройство 100, имеют недостаток большого потребления энергии нагревательным элементом, обычно более 1 мВт, и даже до 100 мВт. Другие известные типы устройств измерения скорости или расхода имеют различные недостатки, например, наличие движущихся деталей или возвышение, которое может оказаться препятствием для потока газа.
Сущность изобретения
Один вариант осуществления предусматривает устройство измерения скорости или расхода газа, позволяющее устранить полностью или частично описанные выше недостатки.
Вариант осуществления предусматривает устройство измерения скорости или расхода газа, обладающее особенно низким потреблением энергии.
Вариант осуществления предусматривает устройство измерения скорости или расхода газа, автономное по энергии.
Таким образом, вариант осуществления предусматривает устройство измерения скорости или расхода газа при температуре, отличной от температуры окружающей среды, содержащее: первую платформу, подвешенную на первых плечах над опорой, приспособленную для ее поддержания при температуре окружающей среды, причем первые плечи включают в себя термоэлектрические дорожки, выполненные с возможностью выдачи первого напряжения на основании разности между температурами первой платформы и опоры; и блок обработки, приспособленный для выдачи измерения скорости или расхода на основании первого напряжения, температуры газа и температуры окружающей среды.
В соответствии с вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит датчик температуры окружающей среды.
В соответствии с вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит датчик температуры газа.
В соответствии с вариантом осуществления, устройство дополнительно содержит вторую платформу, подвешенную на вторых плечах над опорой, причем вторые плечи включают в себя термоэлектрические дорожки, выполненные с возможностью выдачи второго напряжения на основании разности между температурами второй платформы и опоры, первые и вторые плечи имеют различные термические сопротивления и/или первая и вторая платформы имеют различные размеры, и блок обработки приспособлен для выдачи температуры газа на основании первого и второго напряжений.
В соответствии с вариантом осуществления, платформы имеют одинаковые размеры, первые плечи, установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности K, и вторые плечи, установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности K', и блок обработки приспособлен для: вычисления температуры Tp первой платформы на основании первого напряжения и температуры окружающей среды, а также температуры Tp' второй платформы на основании второго напряжения и температуры окружающей среды; и вычисления температуры Tg газа в соответствии с соотношением:
где P и P' удовлетворяют соотношениям
P=K*(Tp–Tamb) и
P'=K'*(Tp'–Tamb),
Tamb – температура окружающей среды.
В соответствии с вариантом осуществления, для каждой платформы, плечи, установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности, составляющий между 1 и 1000 нВт/K, а платформа имеет размер между 5 и 200 мкм по сторонам.
В соответствии с вариантом осуществления, устройство содержит множество первых платформ, подвешенных над опорой на плечах, включающих в себя термоэлектрические дорожки, причем термоэлектрические дорожки различных первых платформ соединены последовательно.
В соответствии с вариантом осуществления, блок обработки запитывается термоэлектрическим устройством питания, приспособленным для выработки мощности на основании разности между температурой газа и температурой окружающей среды.
В соответствии с вариантом осуществления, термоэлектрическое устройство питания представляет собой матрицу третьих платформ, подвешенных над опорой на плечах, включающих в себя термоэлектрические дорожки, причем термоэлектрические дорожки третьих платформ одного и того же ряда соединены параллельно, а ряды соединены последовательно.
В соответствии с вариантом осуществления, каждая платформа расположена над каналом, причем каждое из двух плеч включает в себя термоэлектрическую дорожку первого типа, связывающую одну сторону платформы с одним из краев канала, и каждое из двух плеч включает в себя термоэлектрическую дорожку второго типа, связывающую противоположную сторону платформы с другим краем канала.
В соответствии с вариантом осуществления, плечи содержат электроизолирующие полоски под термоэлектрическими дорожками.
В соответствии с вариантом осуществления, термоэлектрические дорожки выполнены из легированного теллурида висмута.
В соответствии с вариантом осуществления, опора расположена в трубе для циркуляции газа.
Краткое описание чертежей
Эти характеристики и преимущества, также как и другие, будут показаны подробно в нижеследующем описании конкретных вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничивающих и в связи с сопроводительными чертежами, на которых:
Фигура 1, описанная ранее, изображает устройство измерения расхода текучей среды;
Фигуры 2A и 2B – схематические виды соответственно сверху и в разрезе варианта осуществления датчика скорости газа;
Фигура 3 – схематический вид в разрезе варианта осуществления устройства измерения расхода, использующего датчик по фигурам 2A и 2B;
Фигура 4 – схематический вид сверху двух датчиков такого типа, как на фигурах 2A и 2B; и
Фигура 5 – схематический вид термоэлектрического устройства, содержащего матрицу датчиков такого типа, как на фигурах 2A и 2B.
Подробное описание
Одинаковые элементы обозначены одними и теми же позициями на различных чертежах, и, кроме того, различные чертежи приведены не в масштабе. Для ясности представлены и подробно описываются только те элементы, которые полезны для понимания раскрытых вариантов осуществления.
В нижеследующем описании, при качественном указании на абсолютное положение, таком как указание терминами "левое", "правое" и т.д., предполагается соответственная ориентация элемента на соответственных фигурах, и при этом очевидно, что на практике описанные устройства могут быть ориентированы по–другому. Если четко не указано иное, то термин "по существу" означает с точностью в пределах 10%, преимущественно – в пределах 5%.
На фигурах 2A и 2B показаны схематические виды соответственно сверху и в разрезе варианта осуществления датчика 200 скорости газа 102. Газ 102 находится в движении, слева направо на фигуре 2A и перпендикулярно плоскости фигуры 2B. Датчик 200 предназначен для его использования в устройстве измерения скорости или расхода, такого как описывается ниже в связи с фигурой 3.
Датчик 200 содержит платформу 202, например, прямоугольную, подвешенную на плечах 204P и 204N над каналом 206, проделанным в передней поверхности подложки 208, например из кремния. В качестве примера, два плеча 204P связывают одну сторону платформы с краем канала, и два плеча 204N связывают противоположную сторону платформы с другим краем канала. Канал 206 проходит в направлении течения газа.
Каждое плечо 204P или 204N содержит термоэлектрическую дорожку 214P, 214N, например, из легированного теллурида висмута типа P в плечах 204P и типа N в плечах 204N. Дорожки простираются на платформе и на краях канала. Металлические островки 216, расположенные на платформе, соединяют дорожки последовательно, двумя парами 214P–214N. Пары 214P–214N связывают параллельно два металлических контакта 218 и 220, соединенных соответственно с клеммами 222 и 224.
Платформа 202 представляет собой, например, часть изолирующего слоя 226, который также покрывает подложку 208 вне канала 206. В качестве примера, изолирующий слой 226 может быть из оксида кремния, из нитрида кремния или из оксида алюминия. В качестве примера, в каждом из плеч полоска изолирующего слоя 226 поддерживает термоэлектрическую дорожку плеча. Канал 206 может проходить под частью 228 изолирующего слоя вблизи краев канала, в зависимости от используемого технологического процесса.
При функционировании газ обтекает платформу 202. Подложка поддерживается при температуре, отличной от температуры газа. В качестве примера, разница температуры газ–подложка выше чем 0,5°C. Например, подложка поддерживается при температуре окружающей среды, а газ находится при температуре, отличной от температуры окружающей среды. Между клеммами 222 и 224 появляется напряжение, связанное с разницей между температурами платформы и подложки. Это напряжение связано со скоростью газа.
Действительно, в отсутствие движения газа, вследствие теплопроводности плеч температура платформы приближается к температуре подложки, и напряжение между клеммами 222 и 224 значительно не отличается от нуля. Когда скорость газа увеличивается, вследствие термического сопротивления плеч температура платформы отдаляется от температуры подложки, приближаясь к температуре газа, и напряжение между клеммами 222 и 224 увеличивается.
Термическое сопротивление плеч и размеры платформы преимущественно выбираются для получения по существу однородной температуры платформы. Термическое сопротивление плеч и размеры платформы выбираются, например, так, чтобы температура платформы, которая составляет между температурами подложки и газа, существенно отличалась от температуры подложки и от температуры газа, например, отличалась более чем на 10% разницы температур газ–подложка, когда скорость газа имеет значение, например, между 0,1 и 10 м/с. В качестве примера, платформа имеет размер между 5 и 200 мкм по сторонам. Предпочтительно, коэффициент теплопроводности у всех плеч, расположенных параллельно между платформой и подложкой, составляет между 1 и 1000 нВт/K.
Плечи имеют, в качестве примера, отношение длины к ширине, составляющее между 10 и 50. Ширина плеч, например, составляет между 0,5 и 3 мкм. Изолирующий слой 226, например, имеет толщину, составляющую между 50 и 500 нм. Термоэлектрические дорожки, например, имеют толщины, составляющие между 100 и 300 нм. В качестве примера, металлические островки 216 и металлические контакты 218 и 220 выполнены из никеля, палладия или из титана–золота. В качестве примера, металлические островки 216 и металлические контакты 218 и 220 имеют толщину, составляющую между 50 и 500 нм.
В соответствии с одним преимуществом, платформа 202 датчика 200 лишена нагревательного элемента, в отличие от мембраны 107 устройства 100 на фигуре 1, и поэтому датчик 200 не потребляет энергии.
Частное преимущество датчика 200 следует из того, что он выдает единственное напряжение, возникающее из-за температуры платформы 202, в отличие от устройства 100 по фигуре 1, которое выдает два напряжения VR и VL, возникающие из-за различных температур двух сторон мембраны. Датчик 200 позволяет, таким образом, осуществлять весьма точное измерение, в отличие от устройства 100 по фигуре 1, в котором результат разности между напряжениями VR и VL не может обеспечить достаточно высокое для точного измерения значение, и на практике оказывается необходимым очень сильный нагрев, обычно до температур, доходящих до 150°C, для получения достаточной для измерения разности напряжений.
На фигуре 3 показан схематический вид в разрезе примера устройства 300 измерения расхода газа 102, использующего датчик 200 по фигурам 2A и 2B.
Устройство 300 содержит трубу 302, по которой циркулирует газ 102. Датчик 200 термически связан с источником тепла при температуре окружающей среды, например, с ребристым радиатором 303 в контакте с окружающим воздухом через отверстие 304, выполненное в стенке трубы. Труба 302 предназначена, например, для соединения с трубопроводом для циркуляции газа непредставленными элементами, такими как соединения с конусом или с оливкой, или с фланцами. Трубопровод является, например, частью большой системы, такой как промышленная система или система кондиционирования воздуха.
Клеммы 222 и 224 (не видны на фигуре 3) датчика 200 связаны с блоком 306 обработки (PROC), питаемым источником 308 питания. В качестве примера, блок обработки содержит запоминающее устройство и процессор, предусмотренные для выполнения программы.
При функционировании, как отмечено выше, температура газа отличается от температуры окружающей среды. В примере устройства 300, температура окружающей среды, температура газа, так же как и свойства газа, связанные с его природой и его давлением, такие как его объемная масса, его удельная по массе теплоемкость, его теплопроводность или его вязкость, подаются в блок 306 обработки пользователем, например, с помощью блока управления всей системой. В качестве подварианта, устройство 300 может быть оснащено дополнительными датчиками, предназначенными для измерения температуры окружающей среды и/или температуры газа и/или свойств газа. Дополнительный датчик температуры окружающей среды и/или температуры газа может быть, например, термистором, таким как платиновое сопротивление, или термоэлектрическим устройством, таким как датчик с термопарой. Пример дополнительного датчика температуры газа будет описан далее в связи с фигурой 4.
Блок обработки выдает измеренное значение F расхода газа на основании напряжения, выдаваемого датчиком 200, температуры газа и температуры окружающей среды, и на основании свойств газа. Измеренное значение F может быть передано пользователю с помощью проводной связи или с помощью беспроводной связи.
В соответствии с одним преимуществом, вследствие того, что датчик 200 не потребляет энергии, источник 308 питания предоставляет только мощность, необходимую для функционирования блока обработки. Устройство измерения расхода, таким образом, особенно экономично по энергии и, например, потребление энергии может составлять ниже 100 мкВт. Устройство 300 может при этом запитываться батарейкой, и устройство измерения расхода может функционировать несколько лет без замены батарейки.
В соответствии с другим преимуществом, вследствие малых размеров платформы, изменение расхода газа выражается, в частности, в быстром изменении температуры платформы. Получается особенно быстродействующее устройство, например, способное обнаруживать изменение расхода менее чем за 1 с.
В соответствии с другим преимуществом, потеря напора, порождаемая устройством, особенно мала вследствие того, что датчик 200 имеет особенно малые размеры и его присутствие не влияет существенно на течение газа в трубе.
Перед измерением расхода предпочтительно выполняют стадию калибровки. Эта стадия калибровки заключается в том, чтобы запустить циркуляцию в трубе 302 газа той же природы и при том же давлении, что и измеряемый газ. Введенный газ имеет некую данную температуру калибровки Tg0, отличную от температуры окружающей среды Tamb0, например, выше температуры окружающей среды. Изменяют расход Fg0 газа и измеряют напряжение Vth0, выдаваемое датчиком 200. Значения напряжения Vth0 тем самым калибруются в зависимости от расхода газа Fg0 и могут быть сохранены в запоминающем устройстве блока 306 обработки.
Можно измерять расход газа, когда температура газа и окружающая температура те же, что и во время стадии калибровки. Для этого блок обработки измеряет напряжение Vth датчика 200 и выдает в качестве измеренного значения F значение, для которого калиброванное значение Vth0 равно измеренному значению Vth. При этом можно предусмотреть различные температуры калибровки для различных температур газа.
Можно также измерять расход газа, когда его температура Tg и температура Tamb окружающей среды отличаются от температур Tg0 и Tamb0 стадии калибровки. Для этого, после измерения напряжения Vth, выданного датчиком, блок обработки выдает в качестве измеренного значения F значение, для которого калиброванное значение напряжения Vth0 соответствует соотношению:
.
Таким образом, можно измерять расходы газа при различных температурах с единственной температурой калибровки, что упрощает операцию калибровки.
Кроме того, калибровка может быть общей для подобных устройств, у которых датчики скорости имеют платформы тех же размеров и различные плечи. Эти датчики имеют разные чувствительности к скорости газа, соответствующие, например, различным пределам измерения. Калибровку выполняют с использованием датчика, плечи которого имеют коэффициент теплопроводности K0, необязательно отличный от коэффициента теплопроводности K плеча датчика 200. Здесь рассматривается теплопроводность, представленная плечами, расположенными параллельно между платформой и подложкой. Для каждого значения расхода Fg0, на основании значения напряжения Vth0, вычисляют тепловую мощность P0, подводимую плечами платформы к подложке во время калибровки, в соответствии с соотношением:
где Snp – коэффициент Зеебека термопар 214N–214P. Также вычисляют температуру Tp0 платформы во время калибровки посредством соотношения:
Tp0=Vth0*Snp+Tamb.
Из этого выводят значения h0 коэффициента теплообмена между платформой и газом, задаваемые соотношением:
Где S площадь платформы. Таким образом получаем значения h0 коэффициента теплообмена, калиброванные в зависимости от расхода Fg0. Во время стадии измерения расхода измеряют напряжение Vth, выдаваемое датчиком, и определяют мощность P, подведенную плечами платформы к подложке во время измерения, определяемую соотношением:
Вычисляют измеренную температуру Tp платформы по соотношению:
Tp0=Vth*Snp+Tamb.
Из этого выводят измеренный коэффициент теплообмена h между платформой и газом, задаваемый соотношением:
Тогда измеренное значение F расхода – это значение, для которого калиброванное значение h0 равно измеренному значению h. Тем самым можно измерить расход, поскольку устройство калибровки и устройство измерения имеют платформы одних и тех же размеров, и тогда у этих устройств коэффициенты теплообмена между газом и платформой считаются равными. Тем самым, можно после единственной операции калибровки использовать различные устройства, такие как устройство 300, имеющие различные пределы измерения и/или различные чувствительности.
В качестве подварианта, значения h0, вместо того, чтобы определять их калибровкой, могут быть получены теоретически на основании свойств газа и размеров платформы. Для этого определяют число Прандтля Pr газа. Для каждого значения расхода Fg0 определяют скорость газа на уровне платформы, затем число Рейнольдса Re течения газа вокруг платформы, и вычисляют, на основании чисел Pr и Re и известного специалисту в данной области техники соответствия, число Нуссельта Nu, которое характеризует теплообмен. В качестве примера, можно использовать соответствие:
Nu=0,42*Pr1/5+0,57*Pr1/3Re1/2
Затем выводят значение h0 классическим образом, исходя из числа Nu, размеров платформы и теплопроводности газа. Тем самым, можно измерять расходы без операции калибровки, в пределах справедливости использованного соответствия, подавая в блок обработки значения Tg и Tamb.
На Фигуре 4 показан схематический вид сверху датчика 200 по фигурам 2A и 2B и дополнительного датчика 200' той же конструкции, что и датчик 200. Датчики 200 и 200' расположены на одной и той же подложке 208 и имеют свои плечи и свои платформы, расположенные над тем же самым каналом 206. Датчики 200 и 200' имеют платформы тех же размеров. Датчики 200 и 200' различаются размерами их соответственных плеч 204P, 204N и 204P', 204N', и поэтому плечи датчиков 200 и 200' имеют соответствующие различные коэффициенты теплопроводности K и K'.
Оба датчика 200 и 200' могут быть использованы в устройстве 300 по фигуре 3. Тогда датчик 200' имеет свои клеммы 222' и 224', связанные с блоком 306 обработки.
При функционировании, датчики 200 и 200' выдают между своими клеммами 222, 224 и 222', 224' различные напряжения Vth и Vth' вследствие разницы в теплопроводности плеч. Блок обработки вычисляет температуру Tg газа, определяемую соотношением:
где P и P' – тепловые мощности, проводимые плечами и определяющиеся соотношениями:
и Tp и Tp' – температуры платформы, определяющиеся соотношениями Tp=Vth*Snp+Tamp и Tp'=Vth'*Snp+Tamb.
Таким образом, оба датчика 200 и 200' составляют датчик температуры Tg газа, автономный по энергии и особенно простой в реализации, как и датчик 200.
На фигуре 5 показана матрица 500 датчиков того типа, как датчик 200 на фигурах 2A и 2B, на общей подложке 208. Матрица предназначена для ее использования в устройстве, таком как устройство по фигуре 3, на месте датчика 200.
В каждом ряду матрицы 500 платформы расположены над тем же самым каналом 206, ориентированным в направлении ряда, и подвергаются обтеканию газом.
Датчики 200' первого столбца (слева) и датчики 200 второго столбца имеют, так же, как и датчики 200' и 200 на фигуре 4, платформы одинаковых размеров и плечи различной теплопроводности. Платформы первого столбца соединены последовательно между клеммами 502' и 504' металлическими контактами 501', общими для соседних датчиков. Платформы второго столбца соединены последовательно между клеммами 502 и 504 металлическими контактами 501, общими для соседних датчиков.
В правой части матрицы платформы каждого ряда соединены параллельно между металлическими контактами 505, общими для датчиков ряда. Ряды соединены последовательно между клеммами 506 и 508, и контакты 505 являются общими для соседних рядов.
В устройстве такого типа, как на фигуре 3, матрица 500 заменяет датчик 200 и источник 308 питания. Клеммы 502, 504 и 502', 504' соединены с блоком 306 обработки. Клеммы 506 и 508 соединены с клеммами питания блока 306 обработки.
При функционировании, правая часть матрицы выдает между клеммами 506 и 508 достаточную мощность для питания блока обработки, например, мощность порядка сотни мкВт. Действительно, вследствие того, что ряды правой части последовательны, произведенные напряжения суммируются, а вследствие того, что платформы параллельны в каждом ряду, их токи суммируются. Кроме того, в случае нарушения работы элемента между клеммами 506 и 508, высвобожденная мощность остается достаточной для питания блока обработки вследствие того, что нарушена работа единственного из датчиков, и вследствие того, что других датчиков достаточно для питания блока обработки.
Блок обработки определяет измеренное значение F расхода газа на основании напряжений n*Vth между клеммами 502 и 504 и n*Vth' между клеммами 502' и 504', где n – число датчиков первого и второго столбцов. Для этого, в качестве примера, блок обработки определяет, исходя из напряжений n*Vth и n*Vth', напряжения Vth и Vth' выдаваемые в среднем соответствующими датчиками второго и первого столбцов, определяет температуру Tg газа на основании напряжений Vth и Vth' так, как описано в связи с фигурой 4, затем определяет расход газа на основании среднего напряжения Vth так, как описано в связи с фигурой 3, например, после стадии калибровки среднего напряжения Vth в зависимости от расхода газа.
В соответствии с одним преимуществом, полученное таким образом устройство измерения расхода образует свой собственный источник энергии. Кроме того, различные элементы матрицы 500 особенно легко реализовать одновременно и применить их в устройстве.
Выше были описаны конкретные варианты осуществления. Различные подварианты и модификации будут очевидны специалисту в данной области техники. В частности, хотя выше описаны устройства измерения расхода газа, можно получить подобные устройства измерения скорости газа, в которых блок обработки использует, например, очевидное специалисту в данной области техники соотношение между расходом газа и скоростью газа вокруг датчика 200, датчиков 200 и 200', или матрицы 500. В качестве подварианта, труба 302 может быть исключена в устройстве измерения скорости. В устройстве измерения скорости можно предусмотреть стадию калибровки напряжения, выдаваемого датчиком 200 в зависимости от скорости газа, соответствующую стадии калибровки, описанной выше в связи с фигурой 3, на которой различные значения расхода Fg0 заменяются значениями скорости газа.
В связи с фигурой 4 описаны датчики 200 и 200', различающиеся теплопроводностью их плеч. Можно использовать два датчика, которые различаются другими характеристиками, такими как, например, размеры их платформ. В качестве примера, во время стадии калибровки получают калиброванные значения Vth0 и Vth0' напряжений, выдаваемых обоими датчиками в зависимости от соответствующих расходов Fg0 и Fg0' газа. В ходе стадии измерения блок обработки измеряет напряжения Vth и Vth'. Тогда на основании значений Vth и Vth' можно определить температуру газа. В качестве примера, определяют температуру газа среди всех значений Tgtest. Для каждого значения Tgtest определяют для каждого из двух датчиков значение измеренного расхода, соответственно F и F', так, как описано в связи с фигурой 3, предполагая, что газ находится при температуре Tgtest. Тогда измеренная температура газа Tg – это значение Tgtest, для которого значения расхода F и F' равны.
Кроме того, хотя выше описана стадия калибровки с тем же газом и при том же давлении, что и для измеряемого газа, можно калибровать устройство с газом, отличным от измеряемого газа и/или при отличном давлении. В частности, можно калибровать устройство с газом, число Прандтля которого является по существу тем же, что и для измеряемого газа. Для этого можно получить калиброванные значения Vth0 в зависимости от числа Рейнольдса для потока вместо расхода Fg0. Напряжение Vth, полученное в ходе стадии измерения, позволяет определить измеренное число Рейнольдса, подобно тому, что описано в связи с фигурой 3 для определения измеренного значения F. Затем определяют измеренное значение F известным образом на основании измеренного числа Рейнольдса, свойств газа и размеров устройства.
Хотя в описанных вариантах осуществления использовался датчик скорости, в частности того типа, как на фигуре 2, можно использовать любой тип термоэлектрического устройства, содержащего платформу, подвешенную на плечах над опорой, с первыми плечами, включающими в себя термоэлектрические дорожки, выполненные с возможностью выдачи напряжения на основании разности между температурами первой платформы и опоры. Тем самым платформа может содержать более четырех плеч, включающих в себя термоэлектрические дорожки чередующихся типов, соединенные последовательно и образующие спаи, расположенные последовательно на платформе и на подложке.
Кроме того, хотя, описанные датчики содержат две пары 214N–214P, соединенные параллельно, датчики могут содержать единственное последовательное сочетание по меньшей мере двух термоэлектрических дорожек чередующихся типов, или более двух таких последовательных сочетаний, соединенных параллельно.
Кроме того, хотя была описана пара конкретных термоэлектрических материалов для термоэлектрических дорожек, можно использовать любую пару, пригодную в качестве термоэлектрических материалов.
Более того, хотя в описанных датчиках платформа была расположена над каналом, платформа может быть расположенной над любой полостью, позволяющей термически изолировать платформу от подложки.
Кроме того, хотя описанные платформы были прямоугольными, каждая платформа может иметь любую другую форму, приспособленную для ее подвески, в частности, может содержать одно или более отверстий, предназначенных для улучшения теплообмена между платформой и газом и для облегчения способа изготовления полости под платформой.
Более того, хотя описанные плечи содержат участки изолирующего слоя, несущего термоэлектрические дорожки, такой участок изолирующего слоя может быть исключен. Хотя, в описанных вариантах осуществления каждое плечо включает в себя единственную термоэлектрическую дорожку, возможны другие варианты осуществления, в которых плечи не имеют термоэлектрической дорожки и/или плечи содержат несколько термоэлектрических дорожек.
Кроме того, хотя в описанном в связи с фигурой 5 варианте осуществления конкретное термоэлектрическое устройство запитывает блок обработки, для питания блока обработки можно использовать любой тип термоэлектрического устройства, приспособленного для выработки мощности питания на основании разности между температурой газа и температурой окружающей среды. В частности, можно использовать любое последовательное/параллельное сочетание датчиков, таких как датчик 200, например, матрицу, датчики каждого столбца которой последовательны и столбцы которой параллельны.
Выше были описаны различные варианты осуществления с различными подвариантами. Следует отметить, что специалист в данной области техники сможет скомбинировать различные элементы этих различных вариантов осуществления и подвариантов, не прибегая к изобретательной деятельности. В частности, можно заменить датчик по фигуре 2 первым или вторым столбцом матрицы 500 по фигуре 5, или матрицей, содержащей несколько рядов параллельных датчиков, соединенных последовательно, или матрицей, содержащей любое последовательное/параллельное сочетание датчиков, таких как датчик 200. Присутствие столбца позволяет увеличить выдаваемое напряжение и, тем самым, улучшить отношение сигнал–шум. Присутствие нескольких столбцов позволяет увеличить надежность устройства в случае выхода из строя элемента столбца.
Кроме того, можно заменить тот и/или другой из датчиков по фигуре 4 одним из столбцов матрицы 500 по фигуре 5 или матрицей датчиков.
1. Устройство измерения скорости или расхода газа (102) при температуре (Tg), отличной от температуры окружающей среды, содержащее:
первую платформу (202), подвешенную на первых плечах (204Р, 204N) над опорой (208), причем первая платформа лишена нагревательного элемента и приспособлена (303) для ее поддержания при температуре окружающей среды, причем первые плечи включают в себя термоэлектрические дорожки (214Р, 214N), выполненные с возможностью выдачи первого напряжения на основании разности между температурами первой платформы и опоры; и
блок (306) обработки, приспособленный для выдачи измерения (F) скорости или расхода на основании первого напряжения, температуры газа и температуры окружающей среды.
2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее датчик температуры окружающей среды.
3. Устройство по п. 1 или 2, дополнительно содержащее датчик температуры газа.
4. Устройство по п. 1 или 2, дополнительно содержащее вторую платформу (202'), подвешенную на вторых плечах (204Р', 204N') над опорой (208), причем
вторые плечи включают в себя термоэлектрические дорожки (214Р', 214N'), выполненные с возможностью выдачи второго напряжения на основании разности между температурами второй платформы и опоры,
первые (204Р, 204N) и вторые (204Р', 204N') плечи имеют различные термические сопротивления и/или первая (202) и вторая (202') платформы имеют различные размеры, и
блок (306) обработки приспособлен для выдачи температуры газа на основании первого и второго напряжений.
5. Устройство по п. 4, в котором платформы (202, 202') имеют одинаковые размеры, первые плечи (204N, 204Р), установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности K, и вторые плечи (204N', 204Р'), установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности K', и блок (306) обработки приспособлен для:
вычисления температуры Тр первой платформы на основании первого напряжения и температуры окружающей среды, а также температуры Тр' второй платформы на основании второго напряжения и температуры окружающей среды; и
вычисления температуры Tg газа в соответствии с соотношением:
где Р и Р' удовлетворяют соотношениям
P=K*(Tp-Tamb) и P'=K'*(Tp'-Tamb),
Tamb - температура окружающей среды.
6. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором для каждой платформы (202, 202') плечи, установленные параллельно, имеют коэффициент теплопроводности, составляющий между 1 и 1000 нВт/K, и платформа имеет размер между 5 и 200 мкм по сторонам.
7. Устройство по любому из пп. 1-6, содержащее множество (500) первых платформ (202), подвешенных над опорой на плечах, включающих в себя термоэлектрические дорожки, при этом термоэлектрические дорожки различных первых платформ соединены последовательно.
8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором блок (306) обработки запитывается термоэлектрическим устройством (500) питания, приспособленным для выработки мощности на основании разности между температурой газа и температурой окружающей среды.
9. Устройство по п. 8, в котором термоэлектрическое устройство питания представляет собой матрицу (500) третьих платформ (202), подвешенных над опорой (208) на плечах, включающих в себя термоэлектрические дорожки, причем термоэлектрические дорожки третьих платформ одного и того же ряда соединены параллельно, а ряды соединены последовательно.
10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором каждая платформа (202) расположена над каналом (206), каждое из двух плеч (204Р) включает в себя термоэлектрическую дорожку (214Р) первого типа, связывающую одну сторону платформы с одним из краев канала, и каждое из двух плеч (204N) включает в себя термоэлектрическую дорожку (214N) второго типа, связывающую противоположную сторону платформы с другим краем канала.
11. Устройство по любому из пп. 1-10, в котором плечи (204Р, 204N) содержат электроизолирующие полоски (226) под термоэлектрическими дорожками (214Р, 214N).
12. Устройство по любому из пп. 1-11, в котором термоэлектрические дорожки (214Р, 214N) выполнены из легированного теллурида висмута.
13. Устройство измерения расхода по любому из пп. 1-12, в котором опора (208) расположена в трубе (302) для циркуляции газа (102).
