CN101126653A - 低热阻热质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

一种质量流量测量设备，包括具有内表面和保护外表面的外壳。导热系数大于12w/(m·℃)的液体材料设置在该外壳中，与外壳的内表面接触。传感器元件，例如薄膜热电阻元件或者绕组热电阻元件至少部分沉浸在液体材料中。液体材料优选为液体金属，其降低了外壳的外表面和传感器元件之间的总的热阻。

Description

低热阻热质量流量传感器

技术领域

本发明总体上涉及流体流动测量传感器。特别是，本发明涉及热基流体流动测量传感器探测器，其使用液体金属将内热电阻传感器热连接到沉浸在流体中的外保护外壳。该结构最小化了传感器和被测流体之间的内热阻。

背景技术

传感器及其方法用于确定流过系统例如管路或者渠道的流体的流速，包括气体和液体。然而，如下面所要讨论的，有关这些确定流速的传感器及其方法有很多限制。

沉浸在流体中的热质量流量传感器探测器得自于由流体带走的热量而对该流体流速的测量。当热电阻传感器沉浸在外壳中时，该传感器所产生的热必须通过几个障碍到达流体。通常，热质量流量传感器探测器包括热电阻的发热和传感材料，其在结构上连接到氧化铝或其他合适的基板上并且由玻璃薄膜覆盖。在现有的探测器中，陶瓷材料典型地设置在传感器和金属外壳壁的内侧之间的区域中。传感器所产生的热流导致穿过每种材料的温度降，以导致其在金属管表面上的温度较低。总的温度降等于从传感器到金属外壳表面所传递的传导热乘以途经每种材料的热阻的总和。该温度降在此称为ΔT，表示如下：

$\mathrm{\ΔT}=T_H-T_S=q_C\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R}_T\left(i\right)$

其中，T_H＝热电阻传感器元件的温度(℃)；

T_S＝金属外壳表面的温度(℃)；

q_c＝通过材料传递的传导热(瓦特W)；和

R_T＝每种材料的热阻(℃/W)。

对于给定的热量，材料的热阻越高，穿越其的温度降越大。涂敷在热电阻传感器元件上的玻璃非常薄，以便其R_T较小。在传感器和金属外壳之间的区域中的材料经常遇到R_T很大的问题。

降低内部温度降是重要的，这是因为在金属外壳表面的温度和围绕流体的周围温度之间质量流量测量的驱动力是不同的。对流的热传递关系表示如下：

q_C＝hA_S(T_S-T_A)

其中h＝热传递系数(w/cm²℃)；和

T_A＝流体周围温度(℃)。

随着流体流动速度的增加，h增加，从而q_C通常将增加。但是，如果传感器探测器内部热阻很高，则内部ΔT随着q_C而增加，由此降低了T_S和关键的传感器测量值T_S-T_A。

在液体中由热装置对质量流量的测量要求是苛刻的，这是因为液体热传递特性通常远远高于气体流体。结果，要求额外的热流。加之金属外壳表面的温度T_S常常限定到在周围温度之上20℃左右，以防止不规则气泡的形成。因此非常希望限定传感器探测器内部的温度降，以最大化热传递并且保持高流速下较好的敏感性。

因此，所需要的是一种质量流量传感器，其中最小化了热电阻元件和传感器外表面之间的热阻。

发明内容

本发明在此所描述的适合于改善内部热电阻传感器与保护外壳之间的导热系数，该保护外壳围绕该传感器，并且其外表面与被测流速的流体接触。整个组件在此称为传感器探测器，其保持自身优点，而与传感器的激励方法、是否为常流、恒定功率、常ΔT或其他方式无关。

在一个优选实施例中，本发明提供一种热质量流量传感器，包括具有内表面和保护外表面的保护外壳。传感器元件设置在保护外壳内，并且液体材料设置在保护外壳的内表面和传感器元件之间的区域中。在更优选的实施例中，液体材料的导热系数大于约12w/(m℃)。

在另一个实施例中，本发明提供一种热质量流量传感器，包括具有内表面和保护外表面的不锈钢外壳。液体金属设置在不锈钢外壳内，并且在外壳之中设置了密封来容纳液体金属。传感器元件具有电连接其上的传感器引线，其部分地沉浸在该流体金属中。

在再一个实施例中，本发明提供一种热质量流量传感器，包括具有内表面和保护外表面的保护外壳。传感器元件设置在保护外壳中。在保护外壳的内表面和传感器元件之间所设置的区域是用来在传感器元件和保护外壳的内表面之间提供热通道的装置。在优选实施例中，热通道的导热系数大于约12w/(m℃)，在传感器元件和外壳的内表面之间基本上没有空气间隙。

附图说明

结合附图，参照详细描述本发明进一步的优点将更加明显易懂，其中各元件没有按比例绘示以便更清楚地显示细节，其中相同的参考数字在几个附图中通篇代表相同的元件，其中：

图1A展示了根据本发明第一实施例的热质量流量传感器的第一垂直截面图；

图1B展示了根据本发明第一实施例的热质量流量传感器的第二垂直截面图，其中第二垂直截面图垂直于第一垂直截面图；

图1C展示了图1A和1B的传感器沿着图1A中的截面线AA所剖取的水平截面图；

图2展示了图1B的传感器几何图形的温度图线；

图3A展示了根据本发明第二实施例的热质量流量传感器的第一垂直截面图；

图3B展示了根据本发明第二实施例的热质量流量传感器的第二垂直截面图，其中第二垂直截面垂直于第一垂直截面；

图3C展示了图3A和3B的传感器沿着图3A中的截面线AA所剖取的水平截面图；

图4展示了图3A-3C的传感器几何图形的温度图线；和

图5A-5C展示了传感器组件的插入件。

具体实施方式

圆柱管道的热电阻R_T可以表示为：

$R_T=\frac{\mathrm{\Δr}}{\mathrm{kA}}$ (公式1)

其中Δr＝热通道的平均长度(米)；

 A＝传导热流的平均面积(m²)；和

 k＝材料的导热系数(w/m℃)。

对于给定的传感器探测器几何形状，Δr和A是固定的，因此k是要优化的重要参数。为了最小化R_T，导热系数应该尽可能高。如下表所示，不同材料的典型导热系数可以跨过五个数量级。

材料	导热系数k，单位w/(m℃)
		金属	50-415
液体金属	12-120
		非金属液体	0.17-0.7
热绝缘体	0.03-0.17
		气体	0.007-0.17

基于高导热系数，金属是填充传感器元件和金属外壳内表面之间区域的最好的候选材料。然而，用固体金属填充传感器内部区域难于在传感器元件与金属填料之间和在金属填料与外壳内表面之间不留下空气间隙。因为空气的导热系数比金属低一万倍，所以空气间隙的存在大大增加了总的R_T。如果固体金属被压入密闭空气间隙的地方，则传感器元件可能被损坏，或者被压成电阻系数反倒受到影响的程度，因此放弃它不能用作流速传感器。

根据本发明的各种实施例，采用液体金属填充传感器元件和保护外壳内壁之间的间隙克服了这些限制。液体金属具有高导热系数和低热电阻，与现有填充材料相比显著减小了温度降。优选的液体金属填料为镓、铟、锡共熔合金(GIT)。然而，可以采用在探测器所有运行条件下保持液体状态的任何金属。其他的候选材料包括但不限于汞、钾、钠和钠激活钾(KNa)。

参照图1A和1B，热质量流量传感器10包括设置在保护外壳14中的传感器组件12。外壳14具有保护外表面14a和内表面14b。在优选实施例中，外壳14是由金属材料例如不锈钢组成的长圆柱。然而，可以采用其他材料构造外壳，例如石墨合成材料和耐高温材料。

传感器组件12包括传感器基板13、设置在基板13上的热电阻传感器元件16和电连接到传感器元件16的电引线18。传感器引线18用于传送电流通过传感器元件16，以加热传感器元件16并且探测传感器元件16的电阻。优选地，传感器引线18沿着热质量流量传感器10的中心延伸，并且穿过设置在保护外壳14中的低传导率密封22。在优选实施例中，低传导率密封22包括环氧材料。玻璃密封20设置在传感器基板13上。传感器元件16可以是大量不同类型热传感器中的任何一种。在示范性实施例中，传感器元件16是薄膜型热电阻发热器/传感器。然而，应该理解的是，本发明不限定任何特定类型的热传感器。

有一个内腔，设置在低传导密封22的下面以及传感器元件16和保护外壳14的内表面14b之间的区域中，其用填料材料24完全填充。在优选实施例中，填料材料24是导热系数大于约12w/(m℃)的液体。在一个优选实施例中，填料材料24是液体金属，例如镓、铟、锡共熔合金(GIT)。填料材料24的其他候选材料包括但不限于汞、钾、钠和钠激活钾(KNa)。

图1A-1C所示的薄膜型热电阻传感器组件12起到升高传感器元件16和围绕传感器元件16的填料材料24温度的作用。来自填料材料24的热通过保护外壳14消散到外围包括流动的流体材料的外部环境。从填料材料24到流动的流体的热传导与流体的质量流量成比例。因此，流体的质量流量将与薄膜型热电阻传感器元件16的感应温度成比例。

在传统的应用中，热质量流量传感器10还可以用来监控围绕流体的周围温度。在该应用中，传感器10在流体中，但是传感器产生非常少的热。该程序的其他讨论展现在美国专利6,450,024中，题目是“流动传感装置(FLOW SENSING DEVICE)”，在此全文引入参考。

在再一个本发明的实施例中，附加传感器提供在热质量流量传感器10的上面，以直接测量干流斜度(stem gradien)。该信息提供到补偿干流损失的计算法则中来改善传感器探测器的性能。如果需要，附加的传感器可以用于在热质量流量传感器10的基础上测量周围的温度。

参照图2，其展示了图1A-1C所示热质量流量传感器10的温度图线。在图2中，T_H代表传感器元件16的温度，其通过测量传感器元件16的电阻来确定。温度T_S是保护外壳14的外表面14a的温度(见图1B)。温度T_A是流体的周围温度，其中设置了热质量流量传感器10。因此，采用合适的标度曲线，T_H可以直接与流体的流速相关，并且通过测量T_H其可以确定流体的流速。

该类型的热质量流量传感器10的其他应用包括液位传感器。在液位传感器的应用中，热电阻发热器/传感器元件16典型地为细长的。通过观察T_H可以确定液位。如果传感器局部没有被覆盖，则T_H将升高。如果被完全覆盖，则将T_H在最小值。在全覆盖和全部不覆盖之间的各液位将显示出不同的T_H，其可以通过校准技术(calibration techniques)与液位相关。

图3A、3B和3C展示了本发明的第二实施例，其中热质量流量传感器10包括绕线热电阻传感元件32，设置在细长的保护外壳14中，如前面所描述的实施例，保护外壳14具有外表面14a和内表面14b，并且优选由金属材料组成，例如不锈钢。传感器组件12包括绕线热电阻传感器元件32和电引线18，他们电连接到传感元件32。该实施例的绕线热电阻传感器32通常执行与上面讨论的薄膜型热电阻传感器元件16相同的功能。优选地，传感器引线18沿着热质量流量传感器10的中心延伸，并且穿过设置在保护外壳14中的低传导率密封22。在优选实施例中，低传导率密封22包括环氧。

如在上面描述的第一实施例中一样，一个内腔设置在低传导率密封22的下面，并且在绕线热电阻传感器元件32和保护外壳14的内表面14a之间的区域中，其完全用导热系数大于约12w/(m℃)的填料材料24填充。在优选实施例中，填料材料24是液体金属，例如镓、铟、锡共熔合金(GIT)。填料材料24的其他候选材料包括但不限于汞、钾、钠和钠激活钾(KNa，sodium-activated potassium)。

参照图4，展示了带有绕线热电阻传感器元件32的热质量流量传感器10的温度图线图。该温度图线图解释成如上面所讨论的图2所示温度图线图。

应该理解的是，本发明不限于薄膜型热电阻传感器和绕组热电阻传感器。本发明也适合于热电阻调节器，以及任何的传感器或者可以对减少内部热电阻有益的传感器组合，例如热电阻传感器与单独发热器的结合。在元件上没有电绝缘材料的传感器，例如裸线绕组温度传感器(RTD)，必须涂敷保护层作为制造工艺的一部分。

该传感器的基本概念可以应用于任何要求从传感器到探测器外表面有小热传递的传感器。在该实施例中，采用了加热传感器，但是在其他实施例中，可以采用非加热传感器。

本发明的其他方面是材料和制造工艺的使用，其增加了在填料材料24上延伸的传感器探测器部分的热电阻，从而最小化了到达传感器探测器该部分的热损耗。传感器的该部分在填料材料24上延伸，在此还优选作为茎部(stem)，在探测器中热损耗的主要部分传导到外壳上。然而，因为外壳的表面在要被测量的流体中，所以热很快传递到流体，而不传导到茎部(stem)。

图5A-5C展示了传感器组件插入件40的优选实施例，其包括传感器探测器10的部件，该传感器探测器10设置在外壳14中。在图5A-5C中展示了外壳14，以简化传感器组件插入件40的展示。在传感器组件插入件40的茎部分的热损耗通过下面的方法被最小化：

(1)最大化茎长度对茎直径比率(L/d)；

(2)最小化在引线18中的导体截面面积；

(3)提供低传导率预制件44，优选由陶瓷制造，以包含引线18并且提供结构支撑；和

(4)在预制件44上提供套管46，由选聚酰亚胺薄膜制造，例如Kapton^TM，以在传感器的顶部提供袋部(pocket)，其以低导热封口材料42填充，例如环氧。

对于该结构，传感器组件插入件40可以独立于探测器10的其余部分单独组装。然后通过涂敷环氧装入外壳14中，以密封就位，并且盛放填料材料24。

为了图解和描述的目的已经呈现了本发明优选实施例的前述描述。所提供的实例不意味着是详尽的或者限制本发明到所揭示的精确形式。在上述技术的指引下显而易见的修改或变化是可能的。努力选择和描述这些实施例是为了提供本发明的原理及其实际应用的最好的说明，由此本领域的技术人员能够以各种实施例实现本发明，并且根据预期的特定使用而配合各种修改。根据公正、合法和公正授权的角度来解释，所有这样的修改和变化在所附权利要求所确定的本发明的范围内。

本申请要求2006年8月18日提交第60/822,807号标题为“低热阻插入式热质量流量传感器”的美国未审查专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。

Claims (24)

1.一种热质量流量测量设备，包括：

外壳，具有内表面和保护外表面；

液体材料，设置在该外壳中，并且接触其上的该内表面，

该液体材料的导热系数大于约12w/(m·℃)；

并且

传感器元件至少局部沉浸在该液体材料中。

2.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该外壳包括金属材料。

3.如权利要求2所述的热质量流量测量设备，其中该金属材料包括不锈钢。

4.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，还包括连接到该传感器元件的传感器引线，该传感器引线传送电流通过该传感器元件，用于加热该传感器元件并且探测该传感器元件的电阻。

5.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，还包括在用于在其内容放该液体材料的该外壳内的密封。

6.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该传感器元件包括薄膜型热电阻传感器。

7.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该传感器元件包括绕组热电阻传感器。

8.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该液体材料包括液体金属。

9.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该液体材料包括镓、铟和锡的合金。

10.如权利要求1所述的热质量流量测量设备，其中该液体材料包括选自于由汞、钾、钠和钠激活钾组成的组中的材料。

11.一种质量流量测量设备，包括：

不锈钢外壳，具有内表面和保护外表面；

液体金属，设置在该不锈钢外壳中，并且接触其上的该内表面；

密封，设置在用于容纳该液体金属的该不锈钢外壳中；

传感器元件，至少部分沉浸在该液体金属中；和

传感器引线，电连接到该传感器元件。

12.如权利要求11所述的热质量流量测量设备，其中该传感器元件包括薄膜型热电阻传感器。

13.如权利要求11所述的热质量流量测量设备，其中该传感器元件包括绕组热电阻传感器。

14.如权利要求11所述的热质量流量测量设备，其中该液体金属包括镓、铟和锡的合金。

15.如权利要求11所述的热质量流量测量设备，其中该液体材料包括选自于由汞、钾、钠和钠激活钾组成的组中的材料。

16.一种热质量流量测量设备，包括：

外壳，具有内表面和保护外表面；

传感器元件，设置在该外壳中；和

用于在该传感器元件和该外壳的该内表面之间提供热通道的装置，该装置用提供导热系数大于约12w/(m·℃)的热通道，并且在该传感器元件和该外壳的该内表面之间基本上没有间隙。

17.如权利要求16所述的热质量流量测量设备，其中该用于提供热通道的装置包括液体金属。

18.如权利要求16所述的热质量流量测量设备，其中该用于提供热通道的装置包括液体形式的镓、铟和锡的合金。

19.如权利要求16所述的热质量流量测量设备，其中该用于提供热通道的装置包括选自于由汞、钾、钠和钠激活钾组成的组中的材料。

20.一种热质量流量测量设备，包括：

外壳，具有内表面和保护外表面；

传感器组件插入件，至少部分地设置在该外壳中，该传感器组件插入件包括：

传感器元件，用于感测温度特性；

传感器引线，连接到该传感器元件；

细长的预制件，围绕并且支撑该传感器引线；

细长的保护套管，围绕该预制件；和

密封材料，设置在该保护套管和该保护套管一端的传感器引线之间，并且设置在该保护套管和该保护套管相反端的该传感器元件之间；

填料材料，设置在该传感器元件和该外壳的该内表面之间的该外壳中。

21.如权利要求20所述的热质量流量测量设备，其中该预制件由陶瓷材料构造。

22.如权利要求20所述的热质量流量测量设备，其中该保护套管由聚亚酰胺材料构造。

23.如权利要求20所述的热质量流量测量设备，其中该密封材料包括环氧。

24.如权利要求20所述的热质量流量测量设备，其中该填料材料包括导热系数大于12w/(m·℃)的液体。

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