CN102353409B

CN102353409B - 热流体流量设备

Info

Publication number: CN102353409B
Application number: CN201110154191.3A
Authority: CN
Inventors: 马丁·洛佩斯; 詹姆斯·霍比; 盖瑞·罗伯特·阿尔沃德; 巴赫拉姆·阿里扎德
Original assignee: Servomex Group Ltd
Current assignee: Servomex Group Ltd
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: US20110296910A1; GB2480881B; GB2480881A; CN102353409A; GB2480881A9; US8650947B2; EP2392901A1; GB201009444D0; EP2392901B1

Abstract

本发明提供了一种用于测量流体流量的紧凑型设备。所述设备包括受热测量元件和受热参考元件，它们处于测量单元内的大致相同的热学环境中，除测量元件处于冷却流体流动路径中而参考元件被与该直接流体流动屏蔽之外。这些元件布置为平行且同心的平面元件，所述平面元件实质上彼此相同，且具有匹配的热学特性。所述元件电连接在惠斯顿电桥布置中。在参考元件和测量元件之间的热交换用于优化由于共模背景热效应导致的噪声抑制。从电桥测量到的参数可以用于得出流体流量。

Description

热流体流量设备

技术领域

本发明提供了用于通过测量在测量元件和参考元件上的流体流动的差分效应来测量流体流量的设备。

背景技术

稳定状态热流体流量仪是主要基于质量流的装置，其中被测量的热传递的速率(dQ/dt)将依赖于流体的质量流与时间的比(dM/dt)以及在恒定压力下的比热容(C_p)，因此：

流体的体积流量(dV/dt)和质量流量可以通过密度(ρ)来相关联，从而：

许多热质量流量仪基于热示踪器(heat tracer)原理。简单的形式的示出如图1所示。在该示例中，上游元件(1)和下游元件(2)是围绕薄壁管(3)缠绕的温度敏感电阻器，其构成了惠斯顿电桥(4)的一个臂，另一个臂由两个参考电阻器(5)构成。当电压施加在所述电桥上时，上游和下游电阻元件通过焦耳加热而升温。当不存在流动时，上游和下游元件的热损失是匹配的，可以看到电桥的偏移电压(6)为零伏特。当存在流体流动时，下游电阻器的热损失小于上游电阻器，这是由于通过上游传感器将热量传递给流体。电桥偏移电压给出与质量流量相关的电压信号。该构思也可以与浸没在样本流体中的电阻器元件一起使用，也可以与薄或厚的膜形式的电阻器元件一起使用。这种类型的流量传感器的示例可以在专利US2006/0101907，US5461913，US4984460和US4548075中找到。

在图2中示出了该方案的更复杂的变体。在该示例中，加热器线圈(10)中心地围绕待测流体流过的薄壁管(11)缠绕。两个温度传感器(12)和(13)与中心的加热器元件等距地安装。在没有流动的条件下，至两个温度传感器的热传递将相同，且看不到温差。在有流动的条件下，至下游温度传感器(13)的热传递将大于至上游传感器(12)的热传递，这是因为流体将随着通过其下游路径上的加热器部而被升温。在下游(T_d)和上游(T_u)传感器之间的温差可以针对流量进行校准，即：

该温差典型地通过使用惠斯顿电桥电路(14)来测量，其中热变电阻器(temperature dependent resistor)用于测量所述电桥的一个臂中的T_d和T_u，外部参考电阻器(15)用在所述电桥的另一臂中，跨所述电桥(16)测量的输出电压与流体流量相关。该设计和之前的形式经常与用于质量流量控制器的螺线管阀一起使用。

然而，对于之前所述的方法，其并非测量流量的能量有效的方式，且主要用于低流量的气体，经常在旁路布置中。具有更高灵敏度的该设计的可替代的机械布置是将加热和感测元件安装在所述管内的样本流中，然而，精确地和可重复地将所述元件定位在所述管孔内要困难得多，且所述元件的性能可能显著地受到高样本流速度、微粒或凝结出的曳出流体影响。这也可以以薄或厚的膜形式使用。使用这种方法的示例在专利US4651564和US7255001中示出。这种示例也可以用于通过使中心加热器元件产生脉动和测量热脉冲到达下游元件的飞行时间或相移来测量流体流动的速度，在需要时，上游元件用作参考来抵消共模热效应。该速度可以通过加热器与感测元件之间的距离除以飞行时间得出。这种装置的一示例可以在专利US6169965中找到，用于经由热脉冲测量流体中的飞行时间的一般装置在US5347876中示出。

该流动速度可以与流体流量相关，也可以通过借助于在热元件或丝导线(例如热导线)风力计上的流体流动来冷却而被测量，其的视图被在图3中示出。在这种情况下，位于管(21)内的热测量元件(20)通过流过其的流体而被对流冷却，维持同样的工作温度所需要的元件温度的减小或功率上的增加构成该信号。惠斯顿电桥(22)可以用于输出该信号，其中热元件由热变电阻器构成，参考电阻器(23)构成另一电桥电阻。跨所述电桥(24)的偏移电压与流体流量相关联。该类型的装置经常与浸没在样品流体中的参考温度传感器结合使用，以便维持主动式测量电阻元件相对于周围流体温度的固定的升温。示例在专利US2008/0271545，US2005/0150310和US5780737中示出。

细丝导线或薄膜装置，在与更厚的导线相比时，将给出快速的时间响应和大信号，但是它们易碎，且如果有可能沉积在所述导线上的气体混合物中的颗粒或曳出流体，将遭受误差。它们也具有有限的流量范围，除非用在旁路模式中。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于测量流体流量的装置，所述装置包括：

测量单元，具有至少一个流体流动入口和至少一个流体流动出口并提供在所述入口和出口之间的流体流动路径；

受热测量元件，布置在所述测量单元中，以便暴露于流过所述流体流动路径的流体的热传递效应；

受热参考元件，布置在所述测量单元中，以便于与所述测量元件相比，减少了对流过流体流动路径的流体的暴露，其中所述测量元件和参考元件对称地或等同地布置在所述测量单元内，以使得它们除去由于流过所述流体流动路径的流体所造成的热传递效应之外，经受等同的热传递环境；

至少一个测量部件，连接至所述测量元件和参考元件中的至少一个，用于测量指示流过所述流体流动路径的流体的热传递效应的至少一个参数；和

用于根据所述至少一个被测量的参数得出指示流体流量的信号的装置。

在一个实施例中，所述测量元件和参考元件的对称布置具有相等的几何构型，包括与测量单元的侧壁的距离相等。在一个实施例中，所述测量元件和参考元件具有相等的尺寸、导电性和导热率。在一个实施例中，热交换器布置在所述测量元件和参考元件之间，以能够实现在所述测量元件和参考元件之间的热交换。在一个实施例中，所述测量元件和参考元件具有平面的几何构型。这能够实现紧凑的设计和在所述测量元件和参考元件之间的有效的热交换的相对大的表面积。

本发明的一实施例提供一种用于使用受热测量元件和受热参考元件测量流体流量的紧凑型传感器，所述受热测量元件和受热参考元件基本上处于相同的热学环境中，除了测量元件位于冷却流体流动路径中而参考元件基本上被与该流体流/流体流动屏蔽之外。在一个实施例中，所述测量元件和参考元件被保持在测量单元中，并被电连接在惠斯顿电桥或分压器形式中，而在另一实施例中，它们的温度使用热电偶或其它温度感测装置来直接测量。在一个实施例中，输入流体与测量单元热平衡，情况可能需要通过热交换器或其它合适的装置来预加热或冷却输入流体。在一个实施例中，电路用于驱动所述电桥或分压器，由此从所述电桥或分压器测量的参数可以被校准以指示流体流量。

在一个实施例中，所述测量元件和参考元件实质上相同，且具有匹配的热学特性，以使得所述元件的形状、尺寸、导热率和导电率、辐射发射特性和热质量是无差别的。所述测量元件和参考元件是平面的，并可以是厚膜、薄膜、电阻器导线或类似结构。使用平面的测量元件和参考元件能够实现紧凑设计和用于在测量元件和参考元件之间以及另外在测量元件和输入流体之间的有效的热交换的大的表面积，并促进以可重复方式进行量产。在参考元件和测量元件之间的热交换用于优化由于共模背景热效应导致的噪声抑制。单元设计、材料和尺寸以及流动入口和流动出口装置可以针对于所需的应用(例如针对于特殊的气体成分)进行优化，以给出所需的灵敏度和流量范围。

可以在所述测量元件中设置一附加的加热电阻器，由所述加热电阻器将额外的热量施加于测量元件，以便在有流体流动的条件下将电桥偏移电压维持在固定值，所述额外的热量与流体流量相关。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量流体流量的装置，所述装置包括：

受冷却的测量元件，布置在所述测量单元中，以便暴露于流过所述流体流动路径的流体的热传递效应；

受冷却的参考元件，布置在所述测量单元中，以便与所述测量元件相比，减少对流过所述流体流动路径的流体的暴露，其中所述测量元件和参考元件对称地或等同地布置在所述测量单元内，以使得它们除去由于流过所述流体流动路径的流体所造成的所述效应之外，经受等同的热传递环境；

用于根据所述至少一个被测量的参数来得出指示所述流体流量的信号的装置。

附图说明

下面将参照附图通过举例的方式更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1-3是用于使用热质量传递来测量流体流动的现有技术方案的示例图，且在本说明书的背景技术部分进行了描述。

图4是本发明的一实施例的视图，其中所述测量元件和参考元件是印刷在陶瓷盘上的厚膜电阻器，所述陶瓷盘安装在圆柱形测量单元内。

图5是图4的实施例的变体，包括可选的特征，所述可选的特征包括在测量元件和参考元件之间的扩散元件，用于增加参考元件与直接流效应的热屏蔽，所述可选的特征还包括用于在入口管上的流调整元件。其还通过将该情形中的所述测量元件和参考元件显示为矩形厚膜基底而不是盘来示出所述测量元件和参考元件可以具有不同的形式。

图6示出另一变体，其中测量元件和参考元件被包含在同一厚膜基底中，但是在这一情形中，它们之间的热交换由它们之间的连接基底的热学性质所支配。

图7-10是可以用于以恒电流、恒电压、恒电阻或恒功率模式来驱动所述电桥的模拟电路的示意性图。

图11示出具有以图7-10中示出的任一种模式驱动所述电桥的能力的数字电路。

图12示出用于将电桥偏移电压维持在固定偏移量的模拟反馈电路的示例。

图13-16示出图4中示出的实施例的用于使用恒定的电桥电阻模式来测量氮气和丁烷的气体混合物的理论和试验结果之间的基本相关性。

图17示出对于氮气的恒电流、恒电压、恒电阻和恒功率形式的相关性对比。

图18-27是使用电桥测量参数来测量流体流量的多项式拟合的结果的视图，所述参数例如是电桥偏移电压、电桥电压、电桥电流、电桥电阻和电桥功率。

图28示出加到测量元件上的附加热功率，用于将惠斯顿电桥在具有流动的情况下保持在固定的(零)偏移电压。

图29示出在多项式拟合被应用的情况下，对于更高的流量，流量与附加功率的关系。

图30示出对于氮气，针对于实际流量、使用附加功率项计算的流量。

具体实施方式

第一实施例的视图在图4a和4b中示出，尽管可以构造包含相同实质特征的替代设计。测量单元(30)包含测量元件(31)和参考元件(32)，所述测量元件(31)和参考元件(32)都是在陶瓷盘上的厚膜印刷的电阻器。所述测量元件和参考元件具有印刷在基底上的至少一个电阻器。以分立的“球”放大图示出的图4中的物件显示为陶瓷盘(33)，在所述陶瓷盘上印刷两个铂电阻器轨迹(34)。细的铂或铂/铱导线(35)用于通过焊接将这些电阻器连接至电极(36)。这些元件的精确定位对于该实施例是重要的，且这通过使用精确安装设备或其它合适的装置来实现。在一些实施例中，所述元件具有保护釉质层。所述测量盘和参考盘与电阻器轨迹相互垂直地对准，使得所述测量电阻器和参考电阻器被电连接以形成惠斯顿电桥。完整的电桥，在其中测量元件和参考元件在每个基底上具有两个电阻器，具有优于半电桥的优点，这是因为所述信号被加倍且因为可以精确地匹配所述元件电阻器的任何温度系数或固有漂移特性。然而，本发明包括一实施例，在该实施例中仅仅一个电阻器被印刷在每个测量元件和参考元件盘上，且它们之后被连接作为半个惠斯顿电桥，使用外部参考电阻器来平衡电桥的输出，或者成分压器形式，其中中点电压可以经由ADC(模拟数字转换器)直接记录在软件中，并可以实施软件偏移值。所述电桥或分压器可以使用AC或DC驱动，以恒电压模式、恒电流模式、恒功率模式或恒电阻模式运行，所得出的用于指示流体流量的信号可以是电桥偏移电压(或分压器中点电压)、电桥电流或分压器电流、电压、电阻、功率或其组合。

该实施例的测量单元的设计被选择成使得其实质上是对称的或以其它方式从测量元件和参考元件的角度来看提供等同环境，所述测量元件和参考元件基本上相同并由电极保持在合适位置上。在包含测量元件和参考元件的测量单元的两个部分之间的差异是流体流动入口(37)和出口(38)。在图4a和图4b的实施例中，设置有单个入口和单个出口，而另外的实施例设置有多于一个这样的入口和出口。电极是充分刚性的以将所述盘精确地保持在合适位置上，具有足够的导电性，以不对电桥电阻产生贡献或导致输出信号的压降，具有足够的导热率以使得由测量盘和参考盘通过连接导线的所被看到的热损失实质上相同。输入流体位于周围环境(测量单元)温度处，且这通过使用热交换器来预加热或冷却流体或使用所需的其它合适的方式来实现。

在本实施例中，测量元件将参考元件与直接流屏蔽，且另外，这允许极为紧凑的结构以及在较冷的输入流体和较热的测量元件之间的高效热交换效率。在参考元件周围的体积中的流体主要通过扩散与测量元件周围的体积中的流体进行交换。该流体交换确保通过流体的良好的共模热损失。然而，在一些实施例中，一部分流体流可以被引导通过参考元件和参考元件附近的流体体积。这可以增加参考元件周围的流体的交换速率和/或如果需要，通过降低被引导到测量元件的所述一部分流来扩展测量范围。在任一情况中，所述流体流中的大部分仍旧流过测量元件。返回到上述实施例，所述盘的中心位于同一轴线上，且它们彼此平行。在下列符号中，在测量元件和测量单元壁之间的距离以及在参考元件和测量单元壁之间的距离是y，在测量元件和参考元件之间的距离是x。对于一给定的流体成分，y可以被选择以针对于由于到测量单元壁的热传导和自然对流所导致的热损失来优化参数。距离y以及流体入口和出口的形状和尺寸也将确定流体从测量元件带走热量的效率。距离x可以被选择以便优化在测量元件和参考元件之间的热交换。与盘的直径相比所述盘的厚度很小。这意味着通过流体从盘的热损失将由盘的上下表面来支配而不是由侧面来支配。

当电流或电压施加于电桥或分压器时，所述电阻器将通过焦尔加热进行加热，使得测量元件和参考元件相对于周围环境更热。所述元件所到达的温度将依赖于所提供的电功率和经由电连接至测量单元的热损失以及经由传导、对流和辐射通过气体的热损失。由于所述设计的对称属性，在不存在流体流动的情况下，测量元件和参考元件的热损失大致地匹配，并因此它们处于同一温度，看不到电桥偏移电压。然而，当存在流体流动时，测量元件的温度将通过将热量损失到所述流中而降低，同时从所述流离开的参考元件将维持比测量元件更高的温度。可以看到偏移电压，其将与测量元件和参考元件之间的温度差相关并因此与流量相关。流动入口和流动出口与测量元件的距离以及内部孔的直径或存在于流动入口和/或出口中的任何流调整元件将改变入射到测量元件上的流体流轮廓，包括所述流是否是层流或湍流。这些装置参数因此将在有流动的情况下与装置的灵敏度和性能相关。偏移电压(或分压器中点电压)、电桥电流或分压器电流、电压、电阻和功率与流的关系将依赖于单元设计、流体入口和出口的设计以及流体性质(例如导热率和热容量)以及在流体温度和测量元件之间的温差。

在有流动的条件下，测量元件和参考元件的热损失不再匹配。考虑随着x变化同时维持y恒定而出现的一些情况。如果x极大时，将实质上在测量元件和参考元件之间不存在热能交换，且该系统像在没有热连接的情况下所述元件并排地安装到同一平面中且测量元件将被输入流体迅速地冷却的方式相类似的方式工作。然而，如果x很小，将存在从温度较高的参考元件经由通过流体的热传导、自然对流和辐射到温度较低的测量元件的大的净热传递。该热传递的结果将是测量元件相对于参考元件的冷却将在有流动的情况下不会改变太多，正如对于大x的情况那样。由于对于小的x，相对于周围环境更大的温差被维持，所以可用的流量测量范围被扩展(但是灵敏度被降低)。所选择的x的优化值将依赖于所述单元的流动几何构型、流体成分、所期望的流量范围以及惠斯顿电桥或分压器的驱动方式。

通过流体的交换热传递将不仅依赖于x，而且依赖于与参考元件平行和对准的平面测量元件的面积，还依赖于样本流体的热传导性质。在此描述的大的表面积、小的间隔距离、平面布置促使在测量元件和参考元件之间的热交换，比例如常规导线、珠或线圈结构更加有效率。x的近极限出现在测量元件和参考元件处于同一基底的两侧且所述元件之间的热交换和温度梯度由基底材料的热传导性质及其厚度来确定的情形。

如果需要增加额外的加热至与反馈电路一起使用的测量元件以将电桥偏移电压(或分压器中点电压)维持在固定的零位值，则附加的电阻器可以被厚膜印刷(或采用其它合适的方式)以将额外的热量增加到测量元件盘。该附加的电阻器可以与同一基底层上的其它电阻器相互叉合(inter-digitated)，或被印刷到与第一电桥电阻器分离的、电绝缘层上，只要存在充分的热传导以用于在所述元件上出现的所有电阻器之间发生的热平衡。所供给的额外的热量将与流体流量相关，且在该形式中，存在优化的共模噪声抑制，这是因为所述测量元件和参考元件被在有流动的情况下保持实质上相同的温度下，因此保持了热对称性，质量流效应除外。在测量元件和参考元件之间的热交换还将降低由于元件中的热匹配的小缺陷导致的任何残余温差。

由于测量元件和参考元件交换热量，所以供给至系统的总能量将例如小于测量元件和参考元件，其相互热隔离且从上下表面损失热量。所施加的功率的降低对于电池供电的便携式单元或本质安全型仪器尤其有利，其中可获得的功率被限制以避免在易爆的气氛中形成点火源。

温度传感器(39)可以位于测量单元壁内以监测周围环境温度，这可以用于对信号的温度系数效应进行校正。这可以通过使用数学算法来实现，例如线性回归拟合或涉及所测量的温度项的多项式。可选地，所述电桥的电阻可以被调整以维持所述测量电阻器和参考电阻器相对于周围环境的温升相同。

单元体也可以包含周围环境温度传感器和加热器(40)，以使得测量单元可以在周围环境温度不稳定的情况下维持恒温。

流动入口(50)可以相对于测量元件(在图5a和5b中示出的可选实施例所表示)具有任意的入口角、形状或距离，以相对于流来调整其性能。本发明的一些实施例包括位于流动入口、流动出口(52)或测量单元内的一个或更多个流调整元件(51)，设计成调整流灵敏度和性能。元件基底(53)还可以具有各种形状，只要它们基本上相同，且在图5b中示为矩形而不是盘形式。还可以包括扩散流隔离元件(54)，以增强参考元件与直接入口流的屏蔽，同时允许发生扩散。

然而，尽管平行布置、同心布置具有上述优势，但是测量元件和参考元件也可以是位于同一平面或在等同的热条件下的不同平面中的两个元件，且具有装置以优先地允许流体流过测量元件同时保护参考元件免受流的影响。在一些优选的实施例中，在它们之间具有热交换机构。测量元件(60)和参考元件(61)还都可以被包含在同一基底上(图6a和6b)，在测量元件和参考元件之间的热交换通过提供热突变区(62)和通过对基底材料和物理参数的合适的选择或修改来改变。这具有简化元件的制造工艺和定位以及热损失匹配的优势。也可以具有多个测量元件和参考元件和/或电阻器，它们之中的每一个对于总信号有贡献。

用于驱动电桥或分压器的不同的方法的相对优点将在下面部分中进行讨论。尽管对于全电桥进行描述，但是也可在以外部电阻器构成电桥的另一臂的半电桥形式中看到类似的行为。

该装置可以容易地适用于薄膜或其它形式，所述元件形状可以是盘形、矩形或其它任意设计，只要测量元件和参考元件都具有有效的相同形式即可。在测量元件和参考元件之间的温差也可以使用安装在所述元件上的温度感测装置(例如热电偶、热敏电阻、电阻式温度计或其它合适的装置)来独立地确定。其也可以设计成通过帕耳帖(Peltier)冷却器或其它装置冷却测量元件和参考元件，且较热的样本流体然后相对于参考元件加热测量元件。流量之后与温差、所施加的功率或其它系统参数以与标准的受热系统相类似的方式相关联。

另外，代替使用惠斯顿电桥或分压器形式，测量元件和参考元件可以都由合适的电路或多个独立的电路以基本上恒定的和基本上相同的功率、电流或电压来驱动，且然后在测量元件和参考元件之间的温差如果合适也可以通过测量元件和参考元件的电阻来确定，或通过独立地使用安装在所述元件上的温度感测装置(例如热电偶、热敏电阻、电阻式温度计或其它合适的装置)来确定，所述温差与流体流量相关联。附加的、独立的、加热电阻器或提供热量的其它合适的装置可以设置在测量元件上，由此提供用于将测量元件和参考元件维持在基本上相同的温度下的附加的功率将与流体流量相关联。

测量元件和参考元件也可以使用对于元件电阻器的恒定的电阻驱动装置或施加热量的其它合适的装置以及根据需要安装在所述元件上的温度感测装置(例如热电偶、热敏电阻、电阻式温度计或其它合适的装置)、由合适的独立电路相对于周围环境维持在基本上相同的、升高的温度。信号是从在存在流动和不存在流动的情况下测量功率和参考功率之和之间的功率差获得，或者从用于将所述元件维持在所需的温度处的测量元件和参考元件之间的功率差获得，所述功率差与流体流量相关联。

驱动电路的描述

下面将要描述的图7-10的电路示意图给出了可以用于以上述驱动模式驱动流量传感器的驱动电路的示例。

图7和图8示出用于分别以恒电流和恒电压模式驱动流量传感器(70)的电路的简单示意图，其中I_ref是恒流源，V_ref是恒压源，I_b是电桥电流，V_b是电桥电压，S是电桥偏移电压。

在图9的恒电阻电路中，所述电路将流量传感器(70)的整体电阻控制在固定值。具有电阻R_b的传感器被连接在具有电阻器R_f、R₁和R₂的惠斯顿电桥布置中。R_f是用于与所述传感器一起形成惠斯顿电桥的左臂的小的串联电阻。所述电桥的右臂由R₁和R₂形成，R₁和R₂的值与R_b和R_f与增益因子G的乘积成比例。与R_b相比R_f应当小，以便避免通过R_f中的热耗散浪费掉电功率。相反地，R₁和R₂必须大以通过转向大部分电流沿着惠斯顿电桥的左手臂流下，避免耗散比自身加热所必需的更多的功率。所述电桥经由R_bias由V_bias提供的小电流而偏压，以便使控制电路启动。电桥的失衡被馈送至误差放大器，所述误差放大器以足够的电流驱动电桥以使R_b∶R_f的比例与比例R₁∶R₂相同。

在恒功率电路中(图10)，电路以恒功率驱动传感器。电阻R_b的流量传感器(70)与小的感测电阻器R_sense串联连接。所述电路测量传感器电压(V_b)和电流(I_b)。这些信号被一起相乘，以给出传感器功率的测量。误差放大器将传感器功率控制成与设定点值相同。所述传感器经由R_bias由V_bias提供的小电流而偏压，以便使控制电路启动。

数字电路(图11)可以用于以恒电压、恒电流、恒功率或恒电阻模式来驱动流量传感器(70)。所述电路测量电桥电压V_b和电流I_b以及周围环境的温度T_a。微控制器可以被编程以控制电桥的电压、电流、功率或电阻。可以施加温度补偿。PID控制算法用于优化传感器对于气流变化的响应。所述微控制器通过PWM输出来控制对电桥的驱动，所述PWM输出被滤波以将DC电压驱动提供给用作可变电阻器的FET。当驱动FET关断时，R_bias提供通过传感器的小电流。R_bias被设定成通过该传感器给出足够小的电流，以使得所述传感器不耗散足以造成任何可觉察的自加热的功率。以这种方式，所述传感器的“冷”电阻可以由电路测量。该“冷”电阻测量用于自动地校准控制电路以考虑传感器电阻的制造可变性。周围环境温度使用惠斯顿电桥布置中的铂电阻温度计(PRT)来测量。可以使用其它的温度感测方法，但是PRT与流量传感器中的铂元件的温度系数相匹配，从而给出最精确的温度补偿。电桥参数可以被数字化地输出。例如，电桥偏移电压S_b由流量传感器的不平衡得出。其可以从ADC直接得出，或可以被反馈到微控制器中用于进一步处理。由微控制器测量或计算出的传感器参数(V_b，I_b，P_b，R_b)可以与传感器信号S_b一起使用，以提供流量指示。

附加的功率反馈电路(图12)与之前描述的控制电路中的任一种一起工作。辅助电阻器R_aux被印刷到测量盘上。误差放大器测量电桥偏移电压S_b，并将功率施加至R_aux，以便恢复电桥的平衡。被施加至R_aux的功率是流体流动的测量。

如果随着测量元件的冷却，电子电路提供跨电桥或分压器的恒定电压，则参考元件将开始将热量提供给测量元件。尽管参考元件温度将由于到测量元件上的热损失而降低，但是这通过放慢测量元件的冷却速率来相比于两个热隔离元件扩展了测量流量的范围。参考元件损失温度的速率通过以下事实而被放缓：随着测量元件的冷却，更大的电压被设置成横跨参考元件而不是测量元件，作为热量所耗散的电功率由电压的平方除以电阻给出。

在恒电流模式中，所述系统以类似于恒电压模式的方式操作，在于随着测量元件的冷却，所以参考元件将开始将热量提供给测量元件。尽管参考元件温度将由于到测量元件上的热损失而降低，但是这也相比于两个热隔离元件扩展了测量流量的范围。然而在这种情况下，由于参考元件的温度通过将能量送给测量元件而下降，所以由参考元件耗散的电功率将减小。该耗散的功率由电流的平方(其是恒定的)与该元件的电阻(其是正在下降)的乘积给出。

恒定的电桥功率具有在恒定电压和恒定电流驱动之间的中间效应，再次，随着测量元件被冷却，由参考元件所提供的额外的热量使测量元件的冷却放慢，从而扩展了测量范围。

然而，如果电桥或分压器以恒电阻模式运行，则由于测量元件在具有流体流动的情况下使得温度下降，参考元件不仅开始将热量送给测量元件，而且自身也升温。这具有双重效应，即增加测量元件和参考元件之间的温差，这给出更大的偏移电压(或分压器的中点电压)和功率，并且还使得由于从参考元件的热传递增强而导致的测量元件的冷却放慢，并因此扩展了流量测量范围。所述功率将在具有流动的情况下实质地增加以维持恒定的电阻。

如果附加的加热反馈电路用于维持电桥零位电压或分压器中点值，则其将给出与供给至测量盘的额外的热量相关联的信号，且这将与流体流量相关联。该净效应将维持测量元件和参考元件实质上没有温差。在恒电阻模式中，测量电阻器和参考电阻器都将如在没有流动的情况下那样维持在相同的温升。在其它的驱动模式中，可以将所述元件的温度在对称性有缺陷或流泄漏到参考元件的情况下近似相等地下降。

然而，如果流体成分改变，在上述所有的电驱动电路中，对于固定的周围环境温度，仅有恒定电阻电路将总是在零流量的情况下维持测量元件和参考元件的相同的开始温度。这是因为热损失机制将受待测流体的导热率、比热容和密度的影响。测量元件和参考元件相对于周围环境的温升的改变将影响灵敏度和范围。

在有流动的情况下的理论描述和预测行为

下述数学处理被设计用于示出该设计构思所遵循的基本理论。其从测量元件和参考元件的角度，对物理对称或等同系统做了简化假定，而不是流体流动路径，以便预测传感器在一优选实施例中的一般行为，例如在图4所显示的。其假定从测量元件流体体积到参考元件流体体积没有可觉察的直接的流体流动。如果任何这种直接的流体流动确实以显著地程度发生，则一部分流动项可以被包括以改变所述行为，但是将看到类似的定性的行为。使用这种设计的实际的传感器将以已知的流量来校准以确保输出与流量相符，且其性能和流量范围将取决于机械设计和流体性质。实际上，实际的而不是理论数学拟合也可以应用于输出以将获得对试验结果的最佳拟合。以下表示针对于全惠斯顿电桥，但是类似的结果可以使用半惠斯顿或分压器形式获得。

电桥电阻R_b将由下式给出：

其中R_m和R_r分别是测量电阻和参考电阻，由下式给出：

R_m＝R_a(1+αT_m) (2)

和

R_r＝R_a(1+αT_r) (3)

其中R_a是周围环境温度下的电桥电阻，α是电阻器的电阻温度系数，T_m和T_r分别是在有流动的情况下测量元件和参考元件的高于周围环境温度的温度。

测量元件和参考元件高于周围环境的温度将由下式给出：

T_m＝T_av+ΔT+ΔT_o (4)

T_r＝T_av-ΔT-ΔT_o (5)

其中T_av是测量元件和参考元件高于周围环境温度的平均温度(T_av＝0.5(T_m+T_r))，ΔT是温度改变项，其是流量的函数，ΔT_o是恒定的，等于在零流量下由于有缺陷的元件匹配而导致的温度不平衡值的一半，理想地，对于完美的系统，ΔT_o＝0。

根据上述方程1-5：

R_b＝R_a(1+αT_av) (6)

且通过重新布置，平均温度的温升可以通过测量R_b来得出：

在热对称环境的稳态的周围环境温度以及流动条件下，测量元件的主要功率损失P_m将由下式给出：

P_m＝T_m(K_c+K_e+K_r+K_n)+K_x(T_m-T_r)+K_calFT_m-P_a (8)

其中K_c是与通过流体到测量单元壁的传导损失相关联的常数，K_e是与经由导线到连接电极的传导损失相关联的常数，K_r是与辐射损失相关联的常数，K_n是与牛顿自然对流冷却相关联的常数，K_x是与在测量元件和参考元件之间的热交换相关联的交换常数，F是流量系数，其依赖于流量。校准流量效率常数K_cal出现在流量系数的前面，用于给出由流过测量元件的流体流量所产生的热冷却效应的效率。直观地，将期望其为近似1/2，因为限定在测量元件和测量单元壁之间的平均流体温升将近似为1/2T_m。实际上，测量单元和测量元件与参考元件的间隔的尺寸足够小，以至于通过流体的导热率通常与辐射损失和自然对流损失相比是主要的。P_a是经由额外的加热器电阻器(当其存在时)或用于维持限定的电桥偏移电压的其他装置供给至测量元件的附加的功率。P_a也是依赖于流量的。

假定热质量流是主要的冷却机制和存在用于有效地热量相互交换的充足时间以产生热平衡，所述流量系数将由下式给出：

其中ρ是流体密度，C_p是在恒压下的流体的比热容，dV/dt是流体体积流量。常数c_o是考虑待建立的稳定的流动机制所需要的任何最小流量水平，其又将依赖于测量单元的内部几何构型和流体性质。理想地，对于所有流体，c_o将等于零，然而如果需要，其值可以经由校准来优化。通过忽略该常数偏移所造成的任何测量不确定性将在较高的流量时被相对地降低。

热损失常数将由下式给出：

针对于小T_m (12)，

K_n＝hA (13)，

和

针对于小T_m，T_r (14)

其中K_f是流体的导热率，A是测量元件(或参考元件)的平面面积，y是测量元件(或参考元件)与测量单元壁之间的距离，K_w是元件导线的导热率，A_w是导线的横截面面积，1_w是在周围环境温度下元件导线在到达电极支撑件之前的长度，ε是基底表面的辐射发射率，σ是斯台范(Stefan)-玻耳兹曼常数，T_a是周围环境温度，h是与在测量元件和参考元件与测量单元壁之间的自然对流热交换相关联的恒定的热传递系数，x是在测量元件和参考元件之间的间隔距离，h_x是与在测量元件与参考元件之间的自然对流热交换相关联的恒定的热传递系数。

为简化起见，总损失常数K_L将被限定成使得：

K_L＝K_c+K_e+K_r+K_n (15)

这意味着等式(8)可以被改写为：

P_m＝K_LT_m+K_x(T_m-T_r)+K_calFT_m-P_a (16)

以类似的方式，参考元件功率P_r将由下式给出：

P_r＝K_LT_r-K_x(T_m-T_r) (17)

利用方程(6)和(7)，方程(16)和(17)可改写成：

P_m＝K_L(T_av+ΔT+ΔT_o)+2K_x(ΔT+ΔT_o)+K_calF(T_av+ΔT+ΔT_o)-P_a (18)

和

P_r＝K_L(T_av-ΔT-ΔT_o)-2K_x(ΔT+ΔT_o) (19)

由于ΔT是负的而K_x是正的，所以测量元件的功率损失由于从参考元件送给的热量而下降，且因此在有流动的情况下测量元件的温度下降速率也降低，这又增强了共模噪声抑制和扩展了工作流量范围。

由两个元件生成的功率差异由方程(18)与方程(19)相减而给出：

P_m-P_r＝2K_L(ΔT+ΔT_o)+4K_x(ΔT+ΔT_o)+K_calF(T_av+ΔT+ΔT_o)-P_a (20)

和在零流量下(F＝0，ΔT＝0，P_a＝0)，

(P_m-P_r)_o＝2ΔT_o(K_L+2K_x) (21)

其中在括号后的下标“0”表示在零流量情况下的那些值。

理想地，对于完美的、同相的、共模噪声抑制情形，应当在零流量下没有净功率差，即，测量元件和参考元件应当总是处于相同的温度。然而，如果元件温度不是完全匹配的(例如由于元件电阻器值的小差异)，则交换系数将试图将它们带入热量等式，即随着K_x增加，ΔT_o减小。

限定两个比例，交换/损失比：

和交换/流量比：

对于经由热对称的良好的共模噪声抑制而言，R_x的高值是期望的(优选地R_x≥1)，以使得在所述元件之间的净交换功率项不由到测量单元壁的其它的热损失来支配。然而，R_F应当不太高(优选地R_F≤1)，另外在所述元件之间的净热交换将支配由于流体流动而导致的到测量元件的功率改变，且对流量的灵敏度将被过多地减小。

返回到方程(18)和(19)，电桥功率P_b将由它们的和给出：

P_b＝P_m+P_r＝2K_LT_av+K_calF(T_av+ΔT+ΔT_o)-P_a (24)

然而，在没有流动/流量的情况下(F＝0，ΔT＝0，P_a＝0)，P_b＝P_o和T_av＝T_o，因此K_L可以由方程(24)确定：

方程(24)可以被重新布置以求解F和根据方程(25)将K_L代入：

体积流量可以由方程(9)和(26)求出。

其中在括号后的下标“0”表示在零流量下的那些值。

注意，方程(27)对与在示例性实施例的详细描述中所描述的任何替代的实施例仍然有效，最后一句中描述的除外，其使用了在P_m和P_r之间的功率差，并因此要求方程(27)中的(P_m+P_r)项被(P_m-P_r)项代替，且P_a＝0。

电桥偏移电压S_b由下式给出：

S_b＝αI_bR_b(ΔT+ΔT_o) (28)

其中I_b是通过电桥的电流。通过重新布置，在任何流量下的ΔT+ΔT_o由下式给出：

并因此根据方程(7)和(29)，方程(27)为：

该方程应当对于所有的工作形式都适用。依赖于在零流量下的固有电压偏移的原点，在下列方程中，S_b可以由(S_b-S_o)替代，其中S_o是零流量下的电压偏移。

通常，在上述方程中或下列方程中I_b可以通过欧姆定律(V_b＝I_bR_b)由电桥电压来代替。在此将考虑一些特定的情况。如果没有附加的功率被供给至测量元件(P_a＝0)，则方程(30)为：

该方程可以用于恒电阻、恒电流、恒电压和恒功率电桥形式。

对于恒电阻驱动的特定情况(R_b＝R_o)，则方程(31)为：

然而，如将理论与试验结果比对所显示的，在一定的形式下由于分母中的项之和在有流动的情况下是近似恒定的，则对于特定的固定的流体成分，方程(32)可以被简化成：

其中常数K_R以下式给出：

然而，如果不施加附加的热量(P_a＝0)，则流量也可以通过实际的方法(例如通过使用多项式、(多)指数或其它合适的拟合，使用最小二乘法或类似的用于求出合适的系数的方法)仅仅根据偏移电压或电桥电压、电流、电阻或功率项计算出。方程系数可以经由校准程序来设定。例如，流体流量(dV/dt)可以经由以下形式的n阶多项式方程与所测量的惠斯顿电桥的参数相关联：

或

其中，a_n和b_n的值是在校准时确定的常数，J是在所测量的流量下的测量参数，其可以由电桥电压、电流、偏移电压、功率或电阻来代替，J_o表示在零流量下的同一参数的值。典型地，对于气体，三阶或四阶多项式将足以满足合理的拟合。

如果反馈电路用于将电桥偏移量维持在固定值，通常为零流量值(S_b＝0或者在所有流量下S_b＝S_o)，则方程(30)简化为：

这对于任何电桥驱动模式都是有效的，然而，在恒定电桥电阻电路的特定情形中(R_b＝R_o，P_b＝P_o)，其简化成：

于是，对于固定的流体成分：

其中P_a可以从反馈电路直接测量，K_Ra是校准常数，由下式给出：

于是，流体流量将与所施加的附加热量成正比。

如前所述，实际的方法也可以应用于使用反馈电路的不同的驱动模式所遇到的任何非线性情形，且方程(36)可以被使用，其中在该情况下，J由P_a替代。方程(35)也可以使用，其中在零流量下，J_o由P_a的值所替代，其中P_a用于朝向固定值驱动电桥偏移，而不是在零流量下维持其固有的偏移值。

根据方程(17)，参考元件功率由下式给出：

其中

K_LL＝(K_e+K_r+K_n) (42)

和

方程(41)可以被重新布置以便求出流体传导率的表达式K_f，为：

该表达式对于在示例性实施例的详细描述中所述的所有形式都是有效的。

返回到惠斯顿电桥布置，如果反馈用于在零流量下将偏移电压维持在零位值，则近似相等的功率将由测量元件和参考元件通过惠斯顿电桥电路来耗散，于是：

这意味着方程(44)可以被改写成：

对于小的ΔT_o，根据方程(46)，K_f可以被近似为：

在任意情况下，方程(46)可以被化简成：

其中β是常数，由下式给出：

和L_o＝K_LL(T_o-ΔT_o)-2ΔT_oK_xx (50)

应当注意，在通过导线至电极的传导损失和辐射损失对于通过流体的自然对流损失占支配地位时，L_o将近似为常数。

当I_bR_b＞＞S_o时，方程(48)近似为：

在恒电阻驱动(R_b＝Ro)的情况下，方程(51)近似为

于是，所测量的K_f的变化仅仅依赖于I_b的值。β和L_o的值可以通过借助于已知的流体导热率的校准来确定。

K_f也可以在没有附加的加热添加到测量盘(P_a＝0)的情况下被计算。返回到方程(44)并利用方程(19)给出：

利用方程(7)、(28)和(29)，方程(53)可以被改写成：

于是，K_f可以如上所述针对于不同的驱动形式来计算。注意到，对于固定的流体成分，K_f为常数，且方程(54)可以用于例如对于恒电阻驱动电路以I_b项求出S，并因此流动行为可以是仅仅从测量电桥电流而获知。

导热率是所具有的有用的参数，这是因为其可以给出关于流体成分的信息，尤其是在二元或伪二元流体混合物情况中(其中在三个或更多种组分混合中的两种或更多种组分具有非常类似的导热率和质量流性质)更是如此。由N种组分构成的流体混合物的总体导热率由以下方程给出(例如，如以下文献所述的：Brokaw，R.S.的″Approximate formulasfor viscosity and thermal conductivity of gas mixture″，NASA technical reportnumber NASA-TN-D-2502，November 1964)：

其中c_i是具有导热率K_i的第i个组分的分浓度，c_j是第j个组分的分浓度。B_ij是常数，对于i和j的任何两元流体混合物是固定的，并可以通过试验来确定。

考虑由流体1和2构成的简单的二元系统：

由于

c₂＝1-c₁ (57)

方程(56)可以被重新布置成给出以c₁的降幂排列的二次方程：

且其中，通过求解该方程，c₁是在0和1之间的实数解，其具有根：

其中

c＝B₁₂(K₂-K_f) (62)

K₁₂和K₂₁的值可以通过校准得到。

替代地，多项式或其它合适的数学函数可以例如用于计算该形式的c₁的值：

其中，d_n是通过校准确定的常数。

对于某种流体混合物，B₁₂＝B₂₁＝1，因此方程(56)可以采用一种特别简单的形式，其中：

在任何情况下，如果导热率是已知的且假定K₁和K₂是充分不同的，则组分1和2的分浓度可以被确定。例如，使用方程(52)和(64)，在二元混合物中的组分1的浓度为：

β和L_o的值可以通过以已知的混合物成分的校准来得出。

一旦c₁根据上述K_f或根据使用合适的测量装置的独立的测量是已知的，则这意味着由于气体成分改变而导致的流量误差可以对于二元或伪二元混合物自动地补偿，这是由于根据方程(9)，质量流灵敏度与流体密度和在恒压下的比热容的乘积(ρC_p)成比例。该乘积将由以下表达式给出：

ρC_p＝δ₁c₁ρ₁C_p1+(1-c₁)δ₂ρ₂C_p2 (66)

其中，δ₁和δ₂是校准常数，其对于简单的小气体分子将近似等于1，且ρ₁和ρ₂以及C_p1和C_p2分别是组分1和2的流体密度和比热容。

如果流体成分经由独立的测量针对多个组分而确定，则方程(66)可以被扩展成包括以下这些项：

ρC_p＝δ₁c₁ρ₁C_p1+c₂δ₂ρ₂C_p2+....+c_nδ_nρ_nC_pn (67)

其中δ_n是针对于第n个组分的校准常数，其对于简单的小气体分子将近似等于1，且ρ_n和C_pn分别是第n个组分的流体密度和比热容。

理论与试验结果之间的相关性

下面图表示出用于在室温常压下使用具有铂电阻器的10mm直径的印刷有厚膜的陶瓷盘形元件测量气体的典型装置，在测量元件和参考元件之间以及在这些元件与测量单元壁之间的间隔距离维持在2mm以下，容装在不锈钢测量单元内，所述元件高于周围环境的初始温升在零流量下是15℃。该流量传感器以惠斯顿全电桥形式来驱动。

对于恒定电阻电桥驱动(R_b＝R_o)和无附加功率(P_a＝0)的情况，可以看到，如果将方程(32)改写成：

其中

流量dV/dt对ZI_b(I_b ²-I_o ²)的图线应当是一直线，且具有(1/Kcal)的斜率，c_o可以从y轴的截距获得。图13示出对于氮气、50％丁烷/50％氮气以及丁烷的结果，不包括零流量的结果。可以看出，它们都是完好的直线拟合，根据线性回归得到的值表示，对于氮气、其中有50％丁烷的氮气以及丁烷，K_cal分别为0.58±0.02，0.56±0.02和0.50±0.06，c_o分别是18±18，-23±10和-6±24ml/min，其中所引用的不确定性是95％置信极限。这示出与理论良好的相关性(期望K_cal≈0.5，理想地c_o≈0)，由于依赖于气体的c_o所导致的流量测量中的任何不确定性对于超过几百ml/min的流量而言是相对小的，尽管还可以看到在c_o的值中存在大的不确定性。如果c_o被固定为零，则对于氮气、其中有50％丁烷的氮气以及丁烷，所获得的K_cal值分别是：0.56±0.01，0.60±0.01和0.52±0.02，其中所引用的不确定性是95％置信极限。对应的直线拟合如图14所示。由于得出的c_o的任意值都是很小，所以为描述方便起见，所有之后描述都将c_o考虑成零。所计算的流量对实际流量的示例使用对于恒定的电桥电阻的电路如上文所引用的K_cal值在图15中示出。如所期望的，表现出良好的相关性。在恒定的电桥电阻模式的情形中，流量也可以使用方程(33)仅仅通过使用电桥电流值来得出。这在图16中通过使用项I_b(I_b ²-I_o ²)与一常数相乘来示出。可以看到，获得了良好的相关性。

用于替代的电桥驱动模式的方程(31)的一般适用性如图17所示，其中在所有的情况下都看到良好的相关性。用在这一情形中的用于计算的K_cal值是：对于恒电压模式为0.49，对于恒功率模式为0.50，对于恒电流模式是0.52，对于恒电阻模式是0.56(如上所述)。恒定的电桥电压、功率和电流模式相比于恒定的电桥电阻模式，信号变化小得多，所述恒定的电桥电阻模式在流量增加的情况下将显著大的额外功率加到所述系统中，因此对于其它的驱动模式来说，在更高的流量下信号噪声更大。

电桥偏移电压也可以直接地用作测量流量的途径。图18示出对于氮气，在不同的驱动电路机制下，偏移电压随着流量的变化。可以看出，在500ml/min以上，对于除恒电阻模式之外的所有驱动模式的信号已经被调平(level off)。三阶多项式拟合可以从偏移电压针对于流量导出。如果所拟合的多项式用于导出流量，则获得良好的相关性。这在图19中针对于在不同的流动模式的氮气示出。

电桥电压、电流、电阻和功率都可以用于获得多项式，所述流量可以从所述多项式得出，这些如图20-27所示。尽管对于除去恒电阻模式之外的模式可应用的流量范围更小，但是在所有的情况下都获得了良好的相关性。

使用恒偏移电压反馈电路的装置的行为也使用测量元件上的额外的电阻器进行研究。附加的功率P_a相对于流量应当给出直线图，根据方程(38)，其的斜率等于这在图28中针对于不同的驱动模式示出。对于恒电阻模式，其中获得直线图，所计算的K_cal值在c_o＝0且置信极限为95％的情况下为0.49±0.02。对于使用反馈的其它驱动模式，流量的响应与P_a不成很好的线性，这是由于尽管所述元件相对于彼此保持在相同的相对温差，但是所述元件的总体平均温度未被主动地维持，这可以导致在有流动的情况下的温度的总体偏移，尤其是关于共模热损失的任何不均匀性或泄漏到参考元件的流量，从而造成该元件的冷却。在所有的情况下，包括恒电阻模式，在高流量下(在该构造中对于氮气在800ml/min以上)，所述行为由于流泄漏到参考元件而成为非线性，而改变在流体流动和测量元件之间的流动相互作用，然后通过使用由方程(35)和(36)所描述的多项式拟合而获得的更好的拟合。图29示出在更高的流量下的行为以及使用方程(36)的三阶多项式的拟合。所述多项式拟合可以用于如图30中可见的那样精确地计算流量。

Claims

1.一种用于测量流体流量的装置，所述装置包括：

测量单元，具有至少一个流体流动入口和至少一个流体流动出口并提供在所述流体流动入口和流体流动出口之间的流体流动路径；

测量元件和参考元件，所述测量元件布置在所述测量单元中，以便暴露于流过所述流体流动路径的流体，所述参考元件布置在同一所述测量单元中，以便与所述测量元件相比，减少对流过所述流体流动路径的流体的暴露，其中所述测量元件和参考元件每个设置有加热装置以相对于流过所述流体流动路径的流体升高它们的温度，和/或设置有冷却装置以相对于流过所述流体流动路径的流体降低它们的温度；

其中所述测量元件和参考元件的布置使得在所述测量元件和参考元件之间进行热交换并且使得在参考元件周围的体积中的流体主要通过扩散与测量元件周围的体积中的流体进行交换，并且其中所述布置使得所述测量元件和参考元件除去由于流过所述流体流动路径的流体所造成的热传递效应和由于所述测量元件和参考元件之间的热交换所造成的热传递效应之外，经受等同的热传递环境；

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：用于维持所述测量单元与流过所述流体流动路径的流体的热平衡的装置。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述用于维持热平衡的装置是热交换器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括：用于预加热输入流体的加热器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件和参考元件具有基本上相等的热性质。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述测量元件和参考元件具有相等的尺寸、导电率和导热率。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件和参考元件由将所述测量元件和参考元件电互连的电极刚性地保持在合适的位置上。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件被布置在所述测量单元中，以基本上将所述参考元件与所述流体流动路径内的直接流体流动相屏蔽。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件和参考元件中的每个包括位于电绝缘体上的一个或更多个印刷电阻器导线。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件和参考元件包括一对平行且同心的平面基底，在所述基底上具有一个或更多个电阻器。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括布置在所述测量元件和参考元件之间以能够在所述测量元件和参考元件之间进行热交换的热交换器。

12.根据权利要求11所述的装置，包括热交换控制器，用于调整在所述测量元件和参考元件之间的热交换的热阻，以调整装置的灵敏度。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量元件和参考元件相互电连接在惠斯顿电桥布置或分压器布置中。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述测量元件和参考元件在分压器布置中相互电连接，所述装置还包括处理器和用于控制所述处理器计算所述分压器的输出电压的程序代码。

15.根据权利要求13或14所述的装置，其中，所述惠斯顿电桥或分压器布置包括电路，所述电路包括用于测量惠斯顿电桥或分压器的电流、电压、偏移电压，和分压器的中点电压、功率和电阻中的至少一个的至少一个测量部件。

16.根据权利要求13或14所述的装置，包括：

反馈电路，用于使用惠斯顿电桥偏移电压或分压器中点电压来电激发附加的加热装置，用于将附加的热量添加到所述测量元件以将偏移电压或分压器中点电压维持在恒定值；和

用于测量由所述附加的加热装置供给的热功率来作为流量的指示的装置。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述附加的加热装置是形成在所述测量元件上的电阻器。

18.根据权利要求13或14所述的装置，包括：

用于以恒电压模式、恒电流模式、恒功率模式或恒电阻模式驱动惠斯顿电桥或分压器的驱动电路。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，在测量元件和参考元件上的加热元件由一个或更多个电路以基本上相同的功率、电流或电压来驱动，且在测量元件和参考元件之间的温差用作流量的指示。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述测量元件和参考元件是电阻器，且测量元件和参考元件的温度在有流动的情况下由它们的电阻值来确定。

21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述测量元件和参考元件的温度使用安装在所述元件上的温度感测装置来确定。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述温度感测装置是热电偶、热敏电阻和电阻式温度计中的任一个。

23.根据权利要求20-22中任一项所述的装置，其中，在所述测量元件上设置附加的、独立的加热部件，由此所述加热部件提供用于将测量元件和参考元件维持在相同温度的附加的功率，所述附加的功率与所述流体流量相关联。

24.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述测量元件和参考元件设置有用于控制所述加热装置的独立控制电路，以保持所述测量元件和参考元件在基本上相同的相对于测量单元壁的周围环境温度更高的温度，由此，得出的所述信号与将所述测量元件和参考元件中的每一个维持在所需的温度所需要的功率之间的差相关联，所述功率之间的差与所述流体流量相关联。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述测量元件和参考元件是电阻器，且所述测量元件和参考元件的温度由它们的电阻值来确定。

26.根据权利要求25所述的装置，还包括安装在所述测量元件和参考元件上的温度感测装置，用于确定所述测量元件和所述参考元件的温度。

27.根据权利要求26所述的装置，其中，所述温度感测装置是热电偶、热敏电阻和电阻式温度计中的任一个。

28.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，还包括：用于确定流过所述流体流动路径的流体的导热率的装置，其中，参考元件的功率用于确定流体的导热率。

29.根据权利要求28所述的装置，还包括：用于利用所述流体的导热率来确定二元或伪二元流体混合物的流体组分的装置。

30.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括：用于通过改变测量元件和参考元件之间的热阻来控制测量元件和参考元件之间的热交换的装置。

31.根据权利要求30所述的装置，其中所述测量元件和参考元件被同心且平行地对准，其中所述测量元件将参考元件与流体流动屏蔽，且其中在测量元件和参考元件之间的热阻通过改变测量元件和参考元件之间的间隔距离来调整。

32.根据权利要求30所述的装置，其中在测量元件和参考元件之间的热阻通过改变热连接测量元件和参考元件的材料的导热率和尺寸来调整。

33.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件和参考元件都包含在同一平面基底上，所述基底在测量部和参考部之间设置有热突变区，用于针对于所需的装置性能来优化测量元件和参考元件之间的热阻。

34.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括：热敏电阻和/或帕耳帖冷却器，用于提供给对测量元件和参考元件的加热和/或冷却。

35.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括：温度传感器，用于独立地测量所述测量元件和参考元件的温度；以及用于生成指示测量元件和参考元件之间的温差的信号的装置，所述温差指示流体流量。

36.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，包括：多个测量元件和参考元件。

37.根据权利要求36所述的装置，包括：用于平均使用所述多个测量元件和参考元件得出的信号的装置。

38.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量单元被加热或冷却到固定的温度。

39.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量单元装备有用于信号的温度补偿的周围环境温度传感器。

40.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量单元装备有周围环境温度传感器和用于测量单元的主动温度控制的加热器带。

41.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量单元、流体流动入口或流体流动出口中的至少一个包括：流调整元件，用于改变从测量元件到输入流体流的热传递效率。

42.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量单元包括流隔离元件，用于提供参考元件与直接流体流动的隔离，所述流隔离元件适用于允许流体扩散出现。

43.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述测量元件与测量单元壁之间的距离是可调整的，用于实现具有所需的流量范围和灵敏度的测量。