CN100480660C - 电阻型热损失的压力感应器及操作方法 - Google Patents

Abstract

在电阻加热的热损失压力测量仪器中，电流是按在不同的工作周期在敏感元件和补偿元件之间切换的。因此，敏感元件相对于补偿元件是热的。固定电阻至少与补偿元件串联。电流源将电流应用于将敏感元件加热到敏感元件的电阻与补偿元件和固定电阻元件的组合电阻相匹配的温度。

Description

电阻型热损失的压力感应器及操作方法

相关申请

这份申请是2005年6月7日申请的美国专利申请第11/146,721号的继续申请，而美国专利申请第11/146,721号是2005年3月1日申请的美国专利申请第11/070,819号的继续申请，而所述的美国专利申请第11/070,819号又是2004年7月28日申请的美国专利申请第10/900,504号的部分继续申请。上述申请的全部教导在此通过引证被并入。

背景技术

通过气体的传热速率是气体压力的函数。因此，在某些情况下，来自受热敏感元件的传热速率的测量结果在适当标定的情况下能用来确定气体压力。这个特征被用于众所周知的皮拉尼压力计。

许多皮拉尼压力计包括在惠斯登电桥分开的桥臂中对温度敏感的测知电阻和补偿电阻。补偿电阻是按照在通过这两个电阻外加电流时使自加热减到最少的原则确定大小的。在给测知电阻加热的情况下合成电阻的差异是周围环境压力的指示。

在美国专利第6,658,941号所提出的较新的热损失测量仪器的技术实现方面，敏感元件和补偿元件有相似的尺寸，但是附加的加热电流是加在敏感元件上的，为的是提高它的温度。再者，敏感元件和补偿元件的相对电阻用敏感元件温度的增加指示周围环境的压力。一种技术实现依靠惠斯登电桥，而另一种技术实现依靠在响应被测知的电阻的反馈电路的控制之下流过敏感元件的电流的固定比率。

发明内容

本发明涉及对热损失型测量仪器的改进，由于能力依靠精确度较低的元器件，该热损失型测量仪器有潜力以较低的费用提供较高的性能。本发明的系统使用不对称的切换技术控制给敏感元件和补偿元件的功率，而不是如同6,658,941号专利的技术实现那样控制电流源。

电源被连接以便在敏感元件和补偿元件之间切换电流，优选来自共用的电流源。电源被加到敏感元件上的电流要经历比被加到补偿元件上的电流长的工作周期，从而相对于补偿元件加热敏感元件。测定电路基于敏感元件和补偿元件的电响应确定将元件暴露在其中的环境的气体压力。

在某些实施方案中，电流按照固定的工作周期加到敏感元件和补偿元件上，而且电流水平是受控的。在其他的实施方案中，外加电流是固定的，而至少给敏感元件和补偿元件之一电流的工作周期是受控的。在另外一些实施方案中，电流和工作周期两者都是受控的。

气体压力可以基于通过敏感元件的加热电流水平和横跨敏感元件产生的电压水平确定。

在各种不同的实施方案中，补偿元件都与固定电阻元件串联。电源将电流应用于把敏感元件加热到敏感元件的电阻与补偿元件和固定电阻元件的组合电阻相匹配的温度。在某些实施方案中，固定电阻元件仅仅与补偿元件串联，而且将横跨补偿元件和固定电阻元件的电压与横跨敏感元件的电压进行比较，以便控制被切换的电流。在另一些实施方案中，固定电阻元件与敏感元件和补偿元件串联，而且横跨固定电阻元件的电压被加到横跨补偿元件和固定电阻元件的电压上，与横跨敏感元件和固定电阻元件的电压进行比较。

附图说明

本发明上述的和其它的目的、特征和利益从下面关于在以相似的参考符号在不同的视图中处处表示相同的部分的附图中举例说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得显而易见。这些附图不必依比例绘制，而是强调举例说明本发明的原则。

图1展示本发明的一个实施方案。

图2更详细地展示图1的实施方案。

图3举例说明本发明为减少热电效应使用同步探测技术设计的另一个实施方案。

图4举例说明在连接路径中避免杂散电阻效应的另一个实施方案。

图5举例说明改变电流工作周期的另一个实施方案。

具体实施方式

本发明的优选实施方案描述如下。

图1是体现本发明的控制和测定电路的单化图。传感器控制电路的目的是使敏感元件Rs的温度维持比补偿元件Rc的温度高某个精确的固定数量。实现这个目的所需要的横跨敏感元件的电压和/或通过敏感元件的电流被测定，然后以通过引证被全部并入的第6,023,979号和第6,658,941号专利所描述的方式转换成压力。来自非独立电流源I1的电流是使用开关S3切换的，交替地通过敏感元件Rs和补偿元件Rc。在每个周期期间电流通过敏感元件Rs流动的时间是比较长的，与电流通过补偿元件Rc流动的时间成比例。因此，在Rs中消耗的平均功率大于在Rc中消耗的，从而使Rs升温到高于Rc的温度。

在低压下，热量不同样迅速地从电阻传导到周围环境。因此，在低压下，电阻Rs将在给定的输入下增加到较大的数量，或将需要较少的输入功率增加到给定的电阻。电阻Rs增加超过电阻Rc的程度通过把与温度无关的微分电阻Rd与Rc串联地连接并驱使电阻Rs到Rs等于Rc加上Rd的水平被迅速地确定。然后，维持电阻相等所需要的电输入能用来计算压力。举例来说，替代方法可能依靠Rs和Rc的被数字化并且在没有串联电阻Rd的情况下用微处理器处理的测量结果。

这个过程的循环周期保持比传感器电线的热时间常数短得多，以致元件的温度和电阻不因为电流被来回切换而改变。

固定电阻Rd是与Rc串联地插入的，以便形成与温度有关的和与温度无关的电阻之和。当开关S3使来自电流源I1的电流通过Rc的时候，S1闭合并且将电容器C1充电到出现在Rd顶端的峰值电压V1(信号v1)。然后，当S3把电流切换到从I1到Rs的时候，S1断开而S2闭合，把电容器C2充电到出现在Rs顶端的峰值电压V2(信号v2)。因此，电压V1和V2被充电到信号v1和v2的最高值。

由于Rs和Rc的低端连接在一起，所以V1在电阻Rs＝Rc+Rd的时候将等于V2。差值V1-V2在高增益积分放大器A1中被放大，驱使非独立的电流源I1到适当的水平，维持电压相等和电阻相等的条件。放大器A1的增益足够高，以保持V1和V2之间的误差可以忽略，而且放大器A1的时间响应足够缓慢，以保证电流源I1在切换周期期间不能改变数值。

电流表Is测量敏感元件电流。对于测量仪器中的稳定压力，放大器A1在切换周期的两个部分里保持电流相等，从而使通过电流表I1的电流是等于电流源I1的电流的稳定的DC水平。因此，用电流表Is测量的电流等于敏感元件峰值电流Is，而该峰值电流等于电流源I1的电流。横跨Rs的平均电压是横跨RC滤波器的C3产生的，其时间常数比电流切换周期的周期时间略微长一些。敏感元件的平均电压Vs和电流Is都使用标准的A/D转换技术转换成数字格式。然后，数字处理器使用一种算法计算作为Vs和Is的函数的压力，其中所述算法是使用6,023,979和6,658,941号专利所描述的三维表面经验拟合技术研发的。

本发明的切换设计考虑到减少用在美国专利第6,658,941号的图7的技术实现中的精密元器件。在早期设计中，两个电流源有精确的电流比。为此目的，使用匹配的双运算放大器和精密电阻。同时，精密电阻用来在控制电流源的反馈电路中提供精确的倍增比。在目前的设计中，单一电流源将电流加到该电路的两个桥臂上。进一步说，电压v1和v2都直接反馈给放大器A1，不需要有一个相对于另一个被分开。现在的设计依靠容易用低成本的数字电路控制的时间比，而不是精确控制电流比和电压比。

真实的解算电路设计展示在图2中。在这个电路中，定时电路产生数字定时信号B、C和D以保证S1在电流切换到补偿元件之后闭合和在电流切换到敏感元件之前断开而S2在电流切换到敏感元件之后闭合和在电流切换到补偿元件之前断开。

在这个电路中，电流源I1由FET Q1和电阻R1和R2组成。开关S3包括用各自的定时信号B和A驱动的FET Q2和Q3。人们从实验数据发现，在3kHz以上的周期频率消除热时间常数问题，而且频率被选定为10kHz。切换工作周期对于补偿元件被设定在25％，而且对于敏感元件被设定在75％。虽然工作周期达到将近50％也将工作，但是较短的工作周期减少不受欢迎的补偿元件自加热。

在工作周期低于25％的情况下，补偿元件温度能保持接近该装置的外壳周围温度，从而将不必要的功率消耗和壳体温升减到最少。请注意：补偿元件的功率消耗和温升比敏感元件的(补偿器对传感器的时间比)²的倒数略微小一些(大约80％)。举例来说，如果敏感元件按70℃的温升运行而且在20％的时间里给补偿元件供电，则补偿元件将在与敏感元件一样长久的1/4时间里传导电流，而且它的温升将是大约0.8×(1/16)×70℃＝3.5℃。

在该传感器和互连配线上的温度梯度能在控制和测量电路中产生小的DC误差，从而导致压力测量误差和不稳定性。这些热电效应是在图3中作为电压来源V_th-c和V_th-s举例说明的。上述的方法能被这样进一步改进，以致这些热电效应能使用AC同步探测计划消除。由于电流在两个元件之间被交替地切换，所以横跨每个元件的电压能在每个相应的周期状态期间探测。在两个探测到的横跨给定元件产生的电压之间的差异提供更精确的电阻和加热电压测量结果，因为剩余的热电误差电压出现在两个读数中并因此被抵消。

这个方法与图1所描述的方法类似地工作，但是有下述的附加特征。在抽取并保存信号v1样品的时间周期期间，把V1储存在电容器C1上，同时抽取和保存信号v2样品，把V3储存在C3上。然后，在抽取并保存信号v2样品的时候，把V2储存在电容器C2上，同时抽取并保存信号v1样品，把V4储存在电容器C4上。储存在四个电容器上的四个直流电压代表信号v1和v2的下列瞬间电压分量：

当电流流过补偿元件的时候，V1＝横跨Rc和Rd的电压+V_th-c。

当电流流过敏感元件的时候，V2＝横跨Rs的电压+V_th-s。

当电流流过补偿元件的时候，V3＝横跨Rs的电压+V_th-s。

当电流流过敏感元件的时候，V4＝横跨Rc和Rd的电压+V_th-c。

V_th-c是在测量补偿元件上的电压时发生的不受欢迎的热电电压，而Vth-s是在测量敏感元件上的电压时发生的不受欢迎的热电电压。

仪表化的增益相等的放大器A2和A3产生分别与V1-V4和V2-V3成正比的输出电压。V_th-c和V_th-s的效应在这两个放大器的输出端都被消除。如同在先前描述的方法，两个放大器的输出通过使用高增益积分放大器A1和反馈环中的非独立的电流源I1而保持相等。这保证Rs＝Rc+Rd。

敏感元件的加热电压是通过测量电压差V2-V3(也消除V_th-s的效应)测知的。因此，热电误差是在控制和测量两个函数中使用这个改进方法消除的。

一些设计出现这样的问题，即固定电阻不能以这种在连接路径中避免杂散电阻不受控制的后果的方式与补偿元件串联。这个问题是在6,658,941号专利的图8中通过将进入积分放大器的三个电压差而不是两个电压差相加解决的，而且所述方式能同样用在这里。然而，目前的切换设计考虑到图4的替代方式。图4的电路导致把正确的电流以导致敏感元件增加恒定不变的欧姆数高于补偿元件的电阻的方式加到两个元件上。

在该切换设计中，激励电流通过固定电阻，把横跨这个固定电阻的电压加到来自补偿元件连接点的抽样电压上。这能以多种方式完成，但是图4举例说明的方法是使用“切换电容器”技术，其中未接地的电容器在电流工作周期的较长阶段期间被充电到横跨固定电阻的电压。通过安排开关，这个电容器在电流工作周期的较短阶段期间在补偿元件上测知的电压串联地连接，为的是把用于补偿元件电压的抽样保持电容器充电到两个电压品的总和。这是通过把三个模拟开关和一个电容器加到原来的电路上实现的。

这种新方法除了降低成本之外还有提供较高性能的潜力。先前的DC方法受制于小温度梯度产生的热电误差。这种方法有产生较高的电压信号水平的优势，从而使热电误差相对于信号水平变得比较小。除此之外，当功率比增加的时候，没有采用先前的方法时存在的信号水平损失。因此，补偿元件能在与敏感元件成比例的低得多的功率水平下操作，从而减少不受欢迎的热消散。由于这种方法是按脉冲模式操作的，所以进一步的性能改进能通过使用图4的AC测量技术来实现，消除所有的热电不稳定性。提高仪器性能的重大优势是能实现附加的压力范围。

在图4中，固定电阻Rd与敏感元件Rs和补偿元件Rc两者串联。因此，横跨那个电阻的电压有出现在两个信号v2和v1中的共同的水平。另外，图4的电路把横跨Rd的电压加到v1的抽样峰值上，变成可与先前的设计比较的。为此目的，当电流流过Rs和Rd的时候，通过闭合开关S6和S7把横跨Rd的电压储存在C4上。在该周期的后面部分，当电流流过Rc和Rd的时候，开关S6和S7被断开，以致电容器C4与从v1到S1的电路串联连接。因此，被储存在C1上的电压是v1和V_C4的峰值的总和。

另外一个实施方案呈现在图5中。图5对应于图1所示电路的修改，但是这种方法能适用于先前的任何实施方案。在这个电路中，可能以数字电路为主的开关定时控制STC响应电压v1和v2确定适当的开关S3与敏感元件Rs和补偿元件Rc连接的时间长度。在这个方法中，通过电流源I1的电流可以保持恒定不变，因为加到Rs和Rc上的脉冲的相对长度是受控的。

与给补偿元件Rc的脉冲相比较，给敏感元件Rs的电流脉冲的时间长度是优先把传感器加热到规定的电阻的控制参数。电流脉冲的幅度将是固定的，而且对于Rs和Rc将是相同的。给Rc的脉冲的时间长度通常将是固定的，但是可能是可变的。

在用从开关定时控制STC到电流源I1的断裂线指出的另外一种技术实现中，通过电流源的电流水平是受控的，而且给Rs和Rc的脉冲长度是受控的。

尽管已经参照其优选实施方案具体地展示和描述了这项发明，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的改变可以在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下完成。举例来说，虽然测知电阻元件和补偿电阻元件通常几乎是匹配的，但是一些故意的不匹配如同通过引证被全部并入的美国专利申请公开第US-2003-0097876-A1号所教导的那样可能是有利的。

Claims (23)

1.一种用来测量环境气体压力的热损失测量仪器，其中包括：

暴露于环境之下的电阻型敏感元件；

在有敏感元件的电路中暴露于环境之下的电阻型补偿元件；

与敏感元件和补偿元件之间切换电流相连接的电源，其中被加到敏感元件上的电流要经历比被加到补偿元件上的电流长的工作周期，从而相对于补偿元件加热敏感元件；以及

测定电路，该测定电路基于敏感元件和补偿元件的电响应确定敏感元件和补偿元件暴露于其中的环境气体压力。

2.根据权利要求1的测量仪器，其中给敏感元件和补偿元件的电流交替来自共用的电流源。

3.根据权利要求1的测量仪器，其中气体压力是基于通过敏感元件的加热电流和横跨敏感元件产生的电压确定的。

4.根据权利要求1的测量仪器，其中补偿元件与固定电阻元件串联。

5.根据权利要求4的测量仪器，其中电源将电流应用于将敏感元件加热到敏感元件的电阻与补偿元件和固定电阻元件的组合电阻相匹配的温度。

6.根据权利要求4的测量仪器，其中横跨补偿元件和固定电阻元件的电压与横跨敏感元件的电压进行比较，以便控制被切换的电流。

7.根据权利要求4的测量仪器，其中固定电阻元件与敏感元件和补偿元件两者串联，而且横跨固定电阻元件的电压被加到横跨补偿元件和固定电阻元件的电压上与横跨敏感元件和固定电阻元件的电压比较，以便控制被切换的电流。

8.根据权利要求1的测量仪器，其中电源将电流应用于将敏感元件加热到敏感元件的电阻与固定电阻和补偿元件的组合电阻相匹配的温度。

9.根据权利要求1的测量仪器，其中电流是按固定的工作周期加到敏感元件和补偿元件上的，而且电流水平是受控的。

10.根据权利要求1的测量仪器，其中外加电流是固定的，而且至少给敏感元件和补偿元件之一电流的工作周期是受控的。

11.根据权利要求1的测量仪器，其中外加电流和至少敏感元件和补偿元件的工作周期之一都是受控的。

12.一种测量环境气体压力的方法，该方法包括：

使电流在暴露于环境之中的电阻型敏感元件和电阻型补偿元件之间切换，其中被加到敏感元件上的电流要经历比被加到补偿元件上的电流长的工作周期，以相对于补偿元件加热敏感元件；以及

基于敏感元件和补偿元件的电响应确定环境气体压力。

13.根据权利要求12的方法，其中给敏感元件和补偿元件的电流交替地来自共用的电流源。

14.根据权利要求12的方法，其中气体压力是基于通过敏感元件的加热电流和横跨敏感元件产生的电压确定的。

15.根据权利要求12的方法，其中补偿元件与固定电阻元件串联。

16.根据权利要求15的方法，其中电源将电流应用于将敏感元件加热到敏感元件的电阻与补偿元件和固定电阻元件的组合电阻相匹配的温度。

17.根据权利要求15的方法，其中横跨补偿元件和固定电阻元件的电压将与横跨敏感元件的电压进行比较，以便控制被切换的电流。

18.根据权利要求15的方法，其中固定电阻元件与敏感元件和补偿元件两者串联，而且横跨固定电阻元件的电压被加到横跨补偿元件和固定电阻元件的电压上与横跨敏感元件和固定电阻元件的电压比较以便控制被切换的电路。

19.根据权利要求12的方法，其中电源将电流应用于将敏感元件加热到敏感元件的电阻与补偿元件和固定电阻相加的组合电阻相匹配的温度。

20.根据权利要求12的方法，其中电流是按固定的工作周期加到敏感元件和补偿元件上的，而且电流水平是受控的。

21.根据权利要求12的方法，其中外加电流是固定的，而且至少给敏感元件和补偿元件之一的电流的工作周期是受控的。

22.根据权利要求12的方法，其中外加电流和至少敏感元件和补偿元件之一的工作周期都是受控的。

23.一种用来测量环境气体压力的热损失测量仪器，该仪器包括：

用来在暴露于环境之中的电阻型敏感元件和电阻型补偿元件之间切换电流的切换装置，其中被加到敏感元件上的电流要经历比被加到补偿元件上的电流长的工作周期，以相对于补偿元件加热敏感元件；以及

基于敏感元件和补偿元件的电响应确定环境气体压力的处理装置。

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