CN102575954B - 用于测量流体速度的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量流经通道(108)的流体(110)速度的传感器系统(102)，包括用于加热流体的加热元件(104)，其中在工作期间为所述加热元件(104)提供预定水平的功率。传感器系统(102)还包括基本电子电路(114)，其基本谐振频率与温度相关。在这里，由从加热元件(104)向流经通道(108)的流体(110)传递的热决定所述基本电子电路(114)的温度。此外，传感器系统(102)包括配置成产生测量信号(128)的换能器装置(126)，测量信号表示流经通道(108)的流体(110)的速度。在这里，测量信号(108)基于基本谐振频率。换能器装置包括栅陷振荡器(130，230，430)，用于确定所述基本谐振频率。

Description

用于测量流体速度的传感器系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量流经通道的流体速度的传感器系统。

背景技术

US2006/0144155A1公开了一种流量传感器系统，包括上游和下游压力感测装置，用于检测流动中的差压。每个压力感测装置都包括膜片、电容器和电感器，以形成LC谐振电路。电容器可以机械耦合到膜片，使得膜片响应于施加到其上的流体压力发生的偏转导致LC谐振电路的谐振频率的变化。

US2006/0144155A1中公开的传感器系统的问题在于，在不稳定流体流(fluidflow)，即明确时间相关的流体流条件下，它不能测量流率。亦即，在US2006/0144155A1中，通过在针对不可压缩液体流的公知伯努利方程中代入所测量的差压来确定流率。这个方程对于空间上有变化的流体流确实成立，不过，对于随时间变化的，即不稳定的流体流它是不成立的。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据开篇段落所述的传感器系统，在稳定和不稳定流体流条件下都能够准确地测量流经通道的流体，即气体或液体的速度。

本发明的目的是通过根据本发明的传感器系统实现的。根据本发明的传感器系统包括用于加热流体的加热元件，其中在工作期间为加热元件提供预定水平的功率。根据本发明的传感器系统还包括具有基本谐振频率的基本电子电路，该基本谐振频率与温度相关，其中基本电子电路的至少一部分的温度由从加热元件向流经通道的流体传递的热决定，该部分负责(beresponsiblefor)使基本谐振频率与温度相关。根据本发明的传感器系统还包括配置成产生测量信号的换能器装置，测量信号表示流经通道的流体的速度，其中测量信号基于基本谐振频率，且其中所述换能器装置包括栅陷振荡器，用于确定所述基本电子电路的基本谐振频率。

假设在工作期间向加热元件提供已知水平，例如预定或恒定水平的功率，流经通道的流体的速度增大导致加热元件向流体传递的热量增大。因此，流体流速增大导致加热元件温度的降低，相应地导致被传递热量的流体温度的升高。通过定位传感器系统的基本电子电路使其温度受到从加热元件传递的热量的影响，基本电子电路的温度为流体流速提供了间接度量。流体流速和温度之间的上述关系对于稳定和不稳定流体流同样成立。于是，通过使基本电子电路的基本谐振频率与温度相关，基本谐振频率为流体流速提供了度量，就流经通道的流体的与时间相关的速度特性(behavior)而言该度量是鲁棒的。通过使表示流体速度的测量信号基于与温度相关的谐振频率，根据本发明的传感器系统能够针对稳定以及不稳定流体流条件准确测量流体的速度。

结果，根据本发明的传感器系统尤其能够成功应用于呼吸系统中，例如与接近心脏的静脉流体相通的雾化器和医疗可植入物，这些应用的特征在于不稳定流体流。

亦即，在呼吸系统中，流体流根据当前患者的呼吸模式反复改变方向，因此流体流具有不稳定性质。此外，与接近心脏的静脉流体相通的医疗可植入物会经受心动周期导致的脉动流体流，该流体流固有地是不稳定的。此外，在用于静脉注射疗法的重力驱动系统中，流体流通常从滴注室附近的不稳定特性变为针前方贮存器中的稳定特性，贮存器中累积了从滴注室释放的液滴。因此，根据本发明的传感器系统有利地允许在沿着从滴注室到针延伸的通道的任何位置适当应用而无需为该目的采取预防措施。

在本文中，流体被解释为涵盖液体、气体以及液体和气体的混合物，例如气溶胶。

栅陷振荡器包括调谐电路，产生RF信号，RF信号由基本电路经由电感耦合而吸收。栅陷振荡器记录(register)基本电路的吸收量。如果RF信号的频率与基本电路的基本谐振频率重合，所述吸收量将是最大的。本实施例是有利的，即其能够以无线方式确定基本谐振频率，因此能够确定流经通道的流动速度，但没有高度复杂性。亦即，使用栅陷振荡器防止了一般与无线传感器系统相关联的复杂性。亦即，不需要将感兴趣的物理信号变换到电域，以放大电信号，对电信号采样并将其变换到数字域，将数字信号作为数据包在RF载波信号上发送，在接收之后对RF载波信号进行解码，将解码的RF信号与校准曲线比较，并最终将其变换回感兴趣的物理量。

要指出的是如下出版物公开了一种利用具有与温度相关的谐振频率的电子电路测量温度的系统：K.G.Ong，C.A.Grimes，C.L.Robbins和R.S.Singh，Designandapplicationofawireless，passive，resonance-circuitenvironmentalmonitoringsystem，SystemsandActuatorsA93(2001)33-43。不过，后一种系统不能测量流体流速，因为它是一种用于测量温度的系统，即后一种系统充当的是温度计。此外，上述出版物中论述的系统意在是无源的，即无需向其供电就工作。根据本发明的传感器系统被供以功率以在工作期间加热流体。后一种电源导致根据本发明的传感器系统是有源的，与根据上述出版物的传感器相反。除此之外，上述出版物中公开的传感器是利用一个或两个天线查询(interrogate)的，其缺少栅陷振荡器的上述优点。

在根据本发明的传感器系统的优选实施例中，加热元件包括用于接收功率的电阻器，其中加热元件包括用于经由与栅陷振荡器的电感耦合接收功率的电阻器。本实施例有利地将加热元件和基本电路与换能器装置物理隔离，即加热元件和基本电路允许相对于换能器装置进行无线操作。由此，本实施例有利地能够在远程位置测量流体流速，防止使用麻烦的线路。例如，测量人体中植入物中或附近的流体流将受益于这种线路的缺省。此外，本实施例是有利的，因为其能够在要定期更换通道的应用中以经济上有吸引力的方式加以利用，这样的应用例如是无菌医疗应用，例如静脉内灌注、麻醉流量控制、导尿管、呼吸控制和肠内与静脉营养流量测定。在这样的商务模型中，包括栅陷振荡器(传感器系统的最昂贵部分)的换能器装置是可重复使用的，而加热元件和基本电路与通道一起被丢弃。为此目的，将加热元件和基本电路并入通道壁之内。显然，不必丢掉基本电路和加热元件，即它们确实允许使用更长时间。本实施例尤其适用于上述商务模型，因为从传感器系统的一次性部件断开可重复使用的换能器装置毫不费力。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，基本电子电路包括串联连接的电感器和电容器，其中电容器具有取决于温度的电容。本实施例有效实现了LC电路，即包括电容为C的电容器和电感为L的电感器的电路，该LC电路特征在于与温度相关的谐振频率。亦即，可以用下式给出谐振频率ω₀：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left[1\right].$

通过使电容C与温度T相关，即C＝C(T)，根据下式针对基本电路获得了与温度相关的谐振频率：

${\mathrm{\ω}}_0={\mathrm{\ω}}_0\left(T\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}\left(T\right)}}---\left[2\right].$

在根据本发明的传感器系统的实际实施例中，基本电子电路与加热元件热相通，以便实现如下效果：负责基本谐振频率与温度相关的特性的部分的温度由从加热元件向流体传递的热决定。在本文中，对象之间热相通表示所述对象经由热传递而连接。后一种热传递导致对象的温度相互关联。在实践中，这意味着温度波动类似地继之以另一个温度。在对象之间安装的显著热阻(即热隔离)防止它们热相通。因此，对象之间的热相通需要其间没有较大的热阻。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，加热元件包括电容器。由于在加热元件中并入了电容器，所以加热元件和基本电路的至少热敏部分非常接近。因此，本实施例有利地实现了加热元件和电容器之间极好的热相通。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，传感器系统包括具有与温度相关的参考谐振频率的参考电子电路，其中布置换能器装置以基于基本谐振频率和参考谐振频率之间的数值差异而产生测量信号。本实施例的优势在于：其对于由于环境温度波动导致的干扰影响更加鲁棒。亦即，通过使测量信号基于基本谐振频率和参考谐振频率之间的数值差异，实现了差值测量，其补偿了所述环境温度波动。优选地，参考电子电路与加热元件热隔离。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，基本电子电路和参考电子电路基本等价。在这里，基本电子电路包括串联连接的基本电感器和基本电容器。因此，参考电子电路包括参考电感器和具有参考电容的参考电容器，如果基本电容器和参考电容器受到相等温度的作用，则参考电容等于基本电容。参考电子电路还包括参考电感器，参考电感器与参考电容器串联安装并具有等于基本电感的参考电感。结果，与参考电子电路相关联的谐振频率(即参考谐振频率)的与温度相关的特性是基本谐振频率与温度相关的特性的镜像(mirror)。本实施例有利地消除了对用作电容器中电介质的铁-电材料的居里温度的依从性(dependency)。亦即，与铁-电材料相关联的相对电容率ε_r显示了遵循居里-外斯定律的温度依从性：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}\left(T\right)=\frac{c}{T-T_c}---\left[3\right],$

其中c表示居里常数，T_c是居里温度。对于低于所述居里温度T_c的温度T，电介质的相对电容率随着温度降低而减小，其中在居里温度T_c发生相变。由此，根据以下关系，针对结合铁-电材料作为电介质的电容器的基本电容C_p获得了温度依从性：

$C_p\left(T\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γ}}\left(T\right){\mathrm{\ϵ}}_0{A}_p}{d_p}---\left[4\right],$

其中ε₀表示真空电容率，A_p是基本电容器面积，d_p是基本电容器板之间的距离。结果，可以用下式给出与温度相关的基本谐振频率ω_p：

${\mathrm{\ω}}_p={\mathrm{\ω}}_p\left(T_p\right)=\frac{1}{\sqrt{L_p{C}_p\left(T_p\right)}}=\sqrt{\frac{d_p(T_p-T_c)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_p{L}_p}}---\left[5\right],$

其中T_p表示基本电子电路的温度。优选地，这个温度等于加热元件自身的温度。同样地，从下式得出与温度相关的参考谐振频率ω_ref：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{ref}}{C}_{\mathrm{ref}}\left(T_{\mathrm{ref}}\right)}}=\sqrt{\frac{d_{\mathrm{ref}}(T_{\mathrm{ref}}-T_c)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_{\mathrm{ref}}{L}_{\mathrm{ref}}}}---\left[6\right].$

现在，通过使测量信号基于基本谐振频率和参考谐振频率之间的数值差异，例如通过使测量信号与差别相关，测量信号有利地与当前铁电材料的居里温度不相关。亦即，由于基本电子电路和参考电子电路基本相同，所以下式成立：

${\mathrm{\ω}}_p^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2=\frac{d_p(T_p-T_c)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_p{L}_p}-\frac{d_{\mathrm{ref}}(T_{\mathrm{ref}}-T_C)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_{\mathrm{ref}}{L}_{\mathrm{ref}}}=\frac{d(T_p-T_{\mathrm{ref}})}{C{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{AL}}---\left[7\right],$

其中如果忽略制造公差，d＝d_p＝d_ref，A＝A_p＝A_ref且L＝L_p＝L_ref。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，传感器系统包括与加热元件热相通、具有与温度相关的辅助谐振频率的辅助电子电路，其中基本和辅助电子电路沿分量平行于通道纵轴的轴而位于加热元件相对侧上的预定位置，其中布置换能器装置以基于基本谐振频率和辅助谐振频率之间的差异产生测量信号，其中基本电子电路和辅助电子电路与流经通道的流体热相通。本实施例的优势在于：其对于环境温度的变化是鲁棒的。亦即，有效地消除了环境温度波动的干扰影响，因为测量信号基于基本和辅助谐振频率的差别，该频率同样受到环境温度波动的影响。此外，本实施例的优势在于：其能够记录流体流经通道的方向上的变化。亦即，如果流体流改变方向，则测量信号相应地改变符号。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，传感器系统包括与加热元件热相通、具有与温度相关的辅助谐振频率的辅助电子电路，其中基本和辅助电子电路沿分量平行于通道纵轴的轴而位于加热元件相对侧上的预定位置，其中布置换能器装置以基于基本谐振频率和辅助谐振频率之间的差异而产生测量信号，其中基本电子电路和辅助电子电路与加热元件热相通。本实施例的优点是对于环境温度变化是鲁棒的。亦即，通过使测量信号基于基本谐振频率和参考谐振频率之间的差异，消除了环境温度的干扰影响，因为所述频率同等地受到环境温度波动的影响。此外，本实施例的优势在于：其能够记录流体流经通道的方向上的变化。亦即，如果流体流改变方向，则测量信号相应地改变符号。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，基本电子电路包括基本电感器和具有取决于温度的基本电容的基本电容器，其中参考电子电路基本与基本电子电路相同。除了记录流体流向之外，本实施例还有利地消除了测量信号对基本电容器和辅助电容器中用作电介质的铁-电材料的居里温度的依从性。亦即，通过使测量信号与基本谐振频率ω_p和参考谐振频率ω_s之间的数值差异相关，例如使测量信号与差别相关，使得测量信号不取决于当前铁电材料的居里温度。亦即，由于基本电子电路和参考电子电路基本相同，通过类似地将方程[7]应用于当前的基本和辅助电子电路的配置，得到下式：

${\mathrm{\ω}}_p^2-{\mathrm{\ω}}_s^2=\frac{d_p(T_p-T_c)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_p{L}_p}-\frac{d_s(T_s-T_c)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0{A}_s{L}_s}=\frac{d(T_p-T_s)}{C{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{AL}}---\left[8\right],$

其中T_p和T_s分别是基本电路和辅助电路的温度，而且如果忽略实践中存在的制造公差，d＝d_p＝d_s，A＝A_p＝A_s且L＝L_p＝L_s。

可以利用常规分立元件实现电子电路中包括的优选可调的电容器和电感器。也可以用分立元件制造传感器系统中存在的其他部件，例如加热元件。对于例如静脉中血流检测的应用，强烈优选小的传感器系统。为此目的，集成电子电路可能非常有益，例如所述集成电子电路包括集成在硅衬底上的铁-电电容器和电感器，所述铁-电电容器包括与电隔离层交替的导电层的堆叠。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，传感器系统包括与加热元件热相通并具有辅助谐振频率的辅助电子电路，具有参考谐振频率的参考电子电路，以及与加热元件热相通并具有另一谐振频率的另一电子电路。在这里，基本电路包括基本电感器和基本电容器，基本电容器的基本电容取决于温度。此外，基本、辅助、另一和参考电子电路基本相同。辅助和另一电子电路沿分量平行于通道纵轴的轴而位于加热元件相对侧上的预定位置。在本实施例中，配置换能器装置，以基于辅助和另一谐振频率，即ω_s和ω_f之间的数值差异，与基本谐振频率和参考谐振频率，即ω_p和ω_ref之间的数值差异的比率来产生测量信号。通过使测量信号与这种比率相关，例如本实施例有利地能够产生独立于电子电路各种参数的测量信号。亦即，测量信号既不取决于电容器极板之间的宽度d、电容器的面积A、电感L，也不取决于居里温度T_c。由于测量信号与各个电子电路之间的处理变化无关，所以有效消除了校准每个信号电子电路的需求。此外，测量信号与供应给加热元件或由加热元件消耗的实际功率量无关，这种性质允许电源和加热元件之间的物理距离不恒定但不会影响测量信号。除此之外，有效消除了由于电源和电容器之间距离的可能变化导致的电场强度变化造成的电容器电容的波动。亦即，由于本实施例中包括的电子电路相同，通过类似地采用方程[7]，获得下式：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}^2}{{\mathrm{\ω}}_s^2-{\mathrm{\ω}}_f^2}=\frac{T_p-T_{\mathrm{ref}}}{T_s-T_f}---\left[9\right],$

其中T_p表示基本电子电路的温度，T_ref是参考电子电路的温度，T_s表示辅助电子电路的温度，而T_f表示另一电子电路的温度。可以同样成功地采用方程[9]给出的比率的倒数，即

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，传感器系统包括配置成为加热元件提供预定的水平时变的功率的电源，其中基本电子电路沿着分量平行于通道纵轴的轴而位于距加热元件预定距离处，且其中配置换能器装置以基于基本谐振频率响应于水平时变的功率而变化之前的持续时间产生测量信号。在本实施例中，测量信号与频移的时刻相关，而非与频移的值相关。因此，在这一实施例中，有利地消除了由于例如处理变化、相对电容率对电场的依从性、基本电子电路的消耗功率量和参数变化导致的干扰效应。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，配置电源以为加热元件提供功率脉冲。本实施例尤其适于预计流体流速高的应用。

在根据本发明的传感器系统的另一优选实施例中，配置电源以为加热元件提供水平以正弦曲线方式变化的功率。本实施例的优势在于：其能够测量水平以正弦曲线方式变化的功率和响应于其而以正弦曲线方式变化的基本谐振频率之间的相移。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得显而易见并参考下文描述的实施例加以阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的传感器系统的实施例，包括距加热元件相当远的参考电子电路。

图2示意性示出了根据本发明的传感器系统的实施例，其中基本电子电路和辅助电子电路位于加热元件的相对位置，且其中基本电子电路辅助电子电路与流体热相通。

图3示意性示出了根据本发明的传感器系统的实施例，其类似于图2所示的实施例，不过，其中基本电子电路和辅助电子电路与加热元件热相通。

图4示意性示出了根据本发明的传感器系统的实施例，包括基本电子电路、辅助电子电路、参考电子电路和另一电子电路。

图5示意性示出了根据本发明的传感器系统的实施例，包括配置成向加热元件提供预定的水平时变的功率的电源。

在上述附图中相似的附图标记指代相同或相似的部件。

具体实施方式

图1示意性示出了用于测量流经通道108的流体110，即气体或液体的速度的传感器系统102。传感器系统102包括用于加热流体110的加热元件104，在工作期间为加热元件104提供预定、因此已知水平的功率。传感器系统102还包括基本电子电路114，其具有与温度相关的基本谐振频率。在这里，通过从加热元件104向流体110传导的热确定负责基本谐振频率的温度相关特性的基本电子电路114的一部分的温度。

加热元件的温度取决于工作期间电源112向加热元件104供应的功率的量以及从加热元件104向其周围(包括流体110)转移的热量。通过流体110流经通道108的速度确定从加热元件104向流体110转移的热量。在零流动条件下，热量仅通过传导从加热元件104转移到流体110。对于非零流量条件，热传递主要由强制对流决定。流体流速的增加将增大基于对流的热传递。因此，流体流速以反比的方式影响加热元件的温度。因此，如果有零流体流，则不论涉及何种流体，即气体或液体，加热元件的温度都将获得最大值。假设在工作期间向加热元件104供应已知功率，加热元件的温度直接与流体流速相关。亦即，除了由于供应给加热元件104的功率量的可能波动导致的波动之外，加热元件温度的波动可归因于流体110流向通道108的速度波动。由此，加热元件的温度为流体流速提供了间接度量。

因为基本电子电路114中负责使基本谐振频率与温度相关的至少一部分的温度由从加热元件104向流体110传递的热决定，基本电子电路114所述部分的温度同样受流体流速影响。因此，基本电子电路114的基本谐振频率是流体110流经通道108的速度的指示。

传感器系统102包括换能器装置126，用于基于与基本电子电路114相关联的基本谐振频率产生表示流体108的速度的测量信号128。

在传感器系统102的实施例中，在流体110流经的通道108的壁106中安装加热元件104。优选地，在加热元件104和流体110之间存在很小的热阻。配置公知的电源112本身，例如电池，用于在工作条件期间向加热元件104提供已知水平的功率。

在传感器系统102的实施例中，基本电子电路114包括基本电容器116和基本电感器118，基本电容器具有与温度相关的基本电容，基本电感器具有基本电感。为了增大基本电子电路114中负责使基本谐振频率与温度相关的部分，即基本电容器116，与从加热元件104传递到流体110的热之间的相关性，基本电容器116与加热元件104热相通。在这里，将基本电容器116包括在加热元件104中，以确保基本电容器116和加热元件104之间的极好地热相通。结果，至少基本电容器116的温度近似于加热元件104的温度，即至少基本电容器116的温度基本等于加热元件104的温度。为了方便的缘故，还在壁106中安装基本电子电路114。不过，假设至少基本电容器116与加热元件104热相通，同样可以在通道108外部或远离通道208很好地安装它。

传感器系统102的具体实施例包括参考电子电路120。在这里，参考电子电路120与加热元件104热隔离。因此，参考电子电路120和加热元件104不是热相通的。结果，参考电子电路120的温度近似于环境温度而非近似于加热元件的温度。在这一特定范例中，为了方便起见，也在通道108的壁106中安装参考电子电路120。不过，假设与基本电子电路114相比，它受到相等的环境温度作用，它也同样可以远离通道108设置。为了使参考电子电路120与加热元件104热隔离，参考电子电路与加热元件104相离很远设置。在这一具体范例中，根据方程[7]，测量信号128基于基本谐振频率和参考谐振频率之间的数值差异。

在传感器系统102的具体实施例中，换能器装置124包括本身公知用于以无线方式确定基本谐振频率和参考谐振频率的栅陷振荡器130。例如，在工作期间，以交替方式对基本谐振频率和参考谐振频率进行采样。信号132代表基本谐振频率，而另一信号134代表栅陷振荡器130确定的参考谐振频率。换能器装置126与传感器系统102的其余部分物理上分离。在图1中仔细示出了这种分离。利用例如比较器136产生测量信号128，其涉及基本谐振频率和参考谐振频率之间的数值差异。由此，对于环境温度的波动，测量信号128是鲁棒的，因为通过将测量信号128与参考谐振频率相关而补偿了这些波动。

在被考虑的传感器系统102的具体实施例中，基本电子电路和参考电子电路114和120基本相同。亦即，参考电子电路120包括具有参考电容的参考电容器122，如果基本和参考电容器116和122经受相等的温度，则参考电容等于基本电容，在本实施例中该相等温度一般不是这种情况。参考电子电路120还包括参考电感器124，其参考电感等于基本电感。结果，与参考电子电路120相关联的谐振频率(即参考谐振频率)的与温度相关的特性是基本谐振频率的与温度相关的特性的镜像。

图2示意性示出了传感器系统202，包括加热元件204，其安装在流体210流经的通道208的壁206中。传感器系统202还包括基本电子电路214。在这一特定范例中，基本电子电路214包括具有与温度相关的基本电容的基本电容器216和具有基本电感的基本电感器218。因此，基本电子电路214的特征在于与温度相关的基本谐振频率，参见方程[2]。在这个具体实施例中，传感器系统202还包括辅助电子电路220。在这个具体实施例中，基本和辅助电子电路214和220基本相同。因此，辅助电子电路220包括辅助电容器222，如果基本和辅助电容器216和222受到相等的温度作用，则辅助电容器222具有等于基本电容的辅助电容。辅助电子电路220还包括辅助电感器224，辅助电感器224具有等于基本电感的辅助电感。结果，与辅助电子电路220相关联的谐振频率(即辅助谐振频率)的与温度相关的特性等于基本谐振频率的与温度相关的特性。

基本电子电路214和辅助电子电路220沿轴225位于加热元件204的相对侧上的预定位置，所述轴225具有至少一个平行于通道208的纵向、因此平行于流体流经通道208的方向的分量。在这里，基本电子电路214和加热元件204之间的距离d₁未必等于辅助电子电路220和加热元件之间的距离d₂。给定在本范例中由箭头表示的流向，基本电子电路214位于加热元件204的下游，辅助电子电路220相对于加热元件204位于上游位置。

在这个具体实施例中，基本和辅助电子电路214和220分别与流体210热相通。为此目的，在相对接近流体210的壁206中安装基本和辅助电子电路214和220。结果，采用这个范例的流向，基本电路214的温度近似于加热元件204下游的流体温度，而辅助电路220的温度基本等于加热元件204上游的流体温度。优选地，在这个具体范例中，基本和辅助电子电路214和220与加热元件204热隔离。

在零流动条件下，通过传导发生从加热元件204向流体210的热传递，这导致流体210在相对于加热元件204的纵向上有对称的温度分布。对于非零流动条件，热传递主要由强制对流决定。强制对流导致流体210的温度分布沿着流体210的流向是不对称的。亦即，流体210在加热元件的下游将比在加热元件上游具有更高温度，因为已经向沿加热元件202流动的流体210传递了热量。流体流速增加导致基于对流的热传递增大，由此增强了上述温度分布的不对称性。因为流体210与分别位于加热元件204下游和上游的基本和辅助电子电路214和220之间是热相通的，与温度相关的基本和辅助电容将反映上述温度不对称性，例如参见方程[4]。同样地，基本谐振频率和辅助谐振频率将根据上述不对称的温度分布而变化。因此，基本谐振频率和辅助谐振频率之间的数值差异表示流体210流经通道208的速度。

传感器系统202包括换能器装置226，用于产生表示流体208的速度的测量信号228。在这个具体范例中，换能器装置226包括本身公知用于在传感器系统202工作期间以无线方式确定基本和辅助谐振频率的栅陷振荡器230。信号232代表基本谐振频率，而另一信号234代表栅陷振荡器230确定的辅助谐振频率。在这个具体范例中，根据方程[8]，例如利用比较器236，使测量信号228基于基本和辅助谐振频率之间的数值差异。由此，测量信号228的符号能够确定流体流向。栅陷振荡器230以无线方式经由与电阻器212的电感耦合向加热元件204提供功率，电阻器212电连接到加热元件204。在这个具体范例中，电阻器212安装在加热元件204顶部。

图3示意性示出了传感器系统302，包括加热元件304，其安装在流体210流经的通道208的壁206中。传感器系统202还包括基本电子电路214。配置电连接到加热元件304的电源212以向所述加热元件304提供预定水平的功率。可以布置电源212以经由电磁辐射而以无线方式接收功率。在这一特定范例中，基本电子电路214包括具有与温度相关的基本电容的基本电容器216和具有基本电感的基本电感器218。因此，基本电子电路214的特征在于与温度相关的基本谐振频率，参见方程[2]。在这个具体实施例中，传感器系统202还包括辅助电子电路220。在这个具体实施例中，基本和辅助电子电路214和220基本相同。因此，辅助电子电路220包括辅助电容器222，如果基本和辅助电容器216和222受到相等的温度作用，则辅助电容器222具有等于基本电容的辅助电容。辅助电子电路220还包括辅助电感器224，辅助电感器具有等于基本电感的辅助电感。结果，与辅助电子电路220相关联的谐振频率(即辅助谐振频率)的与温度相关的特性等于基本谐振频率的与温度相关的特性。

基本电子电路214和辅助电子电路220沿轴225位于加热元件304的相对侧上的预定位置，所述轴225具有至少一个平行于通道208的纵向、因此平行于流体流经通道208的方向的分量。给定在本范例中由箭头表示的流向，基本电子电路214位于加热元件304的下游，辅助电子电路220相对于加热元件304位于上游位置。在这个具体实施例中，基本和辅助电子电路214和220与加热元件304热相通。为此目的，在相对接近加热元件304处安装基本和辅助电子电路214和220。亦即，采用本范例的流向，基本电子电路214位于加热元件304的下游侧306附近，辅助电子电路220安装在加热元件304的上游侧308附近。结果，基本电路214的温度近似于加热元件304的下游温度，而辅助电路220的温度基本等于加热元件304的上游温度。优选地，为了提高测量精度，在平行于通道208纵向的方向上为加热元件304提供较大尺寸，以便使流体210能够流经加热元件304以导致加热元件304两端的热梯度显著不对称。进一步优选地，基本和辅助电子电路214和220与加热元件304热隔离。

类似于图2中所示的实施例，在零流动条件下，通过传导发生从加热元件304到流体210的热传递，这导致包括、但不限于通道208的纵向的加热元件上的温度分布对称。对于非零流动条件，热传递主要由强制对流决定。强制对流导致加热元件304的温度分布不对称。亦即，加热元件304的下游侧306将比加热元件304的上游侧308具有更高温度，因为已经向流经加热元件304的流体210传递了热量。流体流速增加导致基于对流的热传递增大，由此增大了上述温度分布的不对称性。因为加热元件304与基本和辅助电子电路214和220之间是热相通的，与温度相关的基本和辅助电容将根据例如方程[4]反映所述温度的不对称性。因此，基本和辅助谐振频率之间的数值差异表示流体210流经通道208的速度。

传感器系统202包括换能器装置226，用于产生表示流体208的速度的测量信号228。在这个具体范例中，换能器装置226包括本身公知用于在传感器系统202工作期间以无线方式确定基本和辅助谐振频率的栅陷振荡器230。信号232代表基本谐振频率，而另一信号234代表栅陷振荡器230确定的辅助谐振频率。在这个具体范例中，根据方程[8]，例如利用比较器236，使测量信号228基于基本和辅助谐振频率之间的数值差异。由此，测量信号228的符号能够用于确定流体流向。

图4示意性示出了传感器系统402，包括安装在工作期间流体410流经的通道408的壁406中的加热元件404。配置加热元件404用于经由电磁辐射接收功率。在本范例中，加热元件与吸收器412热相通，配置吸收器412以吸收特定波长的电磁辐射，例如可见光。传感器系统404还包括也位于壁406中的基本电子电路114。在这一特定范例中，基本电子电路114包括具有与温度相关的基本电容的基本电容器116和具有基本电感的基本电感器118。因此，基本电子电路114的特征在于与温度相关的基本谐振频率。至少电子电路114中包括的基本电容器416与加热元件404热相通。

在这个具体范例中，传感器系统402还包括参考电子电路120、辅助电子电路220和另一电子电路414。在这里，参考电子电路120与加热元件404热隔离，类似于图1中所示的实施例，例如通过将参考电子电路120定位得与加热元件404较远。在这个具体实施例中，辅助电子电路214和另一电子电路414位于加热元件404沿轴416的相对侧的预定位置，所述轴416具有至少一个与通道408的纵轴平行的分量。辅助电子电路214和另一电子电路414与流体410热相通。为此目的，优选在相对接近流体210的壁406中安装辅助电子电路214和另一电子电路414。结果，采用这个范例的流向，另一电子电路414的温度近似于加热元件404下游的流体温度，而辅助电路220的温度基本等于加热元件404上游的流体温度。优选地，为了提高传感器系统的测量精度，辅助电子电路214和另一电子电路414与加热元件404热隔离。

上述电子电路均与基本电子电路114基本相同。因此，另一电子电路414同样包括具有与温度相关的另一电容的另一电容器418和具有另一电感的另一电感器420。结果，与基本、参考、辅助和另一电子电路相关联的谐振频率表现出类似的与温度相关的特性。

传感器系统402包括换能器装置422，用于产生测量信号424，表示流经通道408的流体410的速度。在本范例中，换能器装置422包括本身公知的用于以无线方式确定与基本电子电路114、参考电子电路120、辅助电子电路220和另一电子电路414相关联的谐振频率的栅陷振荡器426。第一信号428表示工作期间栅陷振荡器424确定的基本谐振频率；第二信号430类似地表示参考谐振频率，第三信号432类似地表示辅助谐振频率，第四信号434表示另一谐振频率。在这个具体范例中，测量信号424基于测量信号128和228之间的比率。亦即，根据方程[9]，测量信号424涉及基本与参考谐振频率之间的数值差异以及辅助与另一谐振频率之间的数值差异之间的比率。为此目的，配置第一比较器436以产生测量信号128，而布置第二比较器438以产生测量信号228。配置换能器装置422中包括的处理器440以基于测量信号128和228计算测量信号424。

图5示意性示出了传感器系统502，包括加热元件504，用于加热流经通道508的流体510。为此目的，加热元件504可以位于通道508的壁506中。传感器系统502包括电源512，电源512被配置成为加热元件504提供预定的水平时变的功率。传感器系统502还包括基本电子电路514。在这一特定范例中，基本电子电路514包括具有与温度相关的基本电容的基本电容器516和具有基本电感的基本电感器518。因此，基本电子电路514的特征在于与温度相关的基本谐振频率，参见方程[2]。在这里，至少基本电子电路中包括的基本电容器516与流体510热相通。为此目的，基本电容器516优选位于接近流体510的壁506中。

在这里，基本电子电路514位于沿轴520测量的距加热元件预定距离d处，所述轴520具有至少一个平行于通道508的纵向的分量。结果，至少基本电容器516的温度基本等于在距加热元件504所述预定距离d处的流体的温度。

因为工作期间供应给加热元件504的功率水平是时变的，所以加热元件504向流体510传递的热量响应于其也将是时变的。在零流动条件下，飞行时间(timeofflight)完全取决于流体510和壁506两者的热扩散系数，飞行时间即为将电源的变化记录到基本电子电路514位置处的加热元件504所花的时间。对于非零流动条件，飞行时间主要由流体510流经通道508的速度决定。显然，在流体流速和上述飞行时间之间存在反比关系。在这个具体实施例中，通过测量基本谐振频率响应于供应给加热元件504的功率水平的变化而变化之前的持续时间来观测飞行时间。

传感器系统502包括换能器装置522，用于产生测量信号524，表示流经通道508的流体510的速度。在这个具体实施例中，换能器装置522包括本身公知的用于以无线方式确定基本谐振频率栅的陷振荡器524。以适当的采样率，例如1Hz到1kHz范围中的采样率来对基本谐振频率进行采样。在工作期间，比较器526比较表示作为时间的函数的基本谐振频率的信号528与表示作为时间的函数的供应给加热元件504的功率水平的信号530，以便计算测量信号524。

可以配置电源512以通过一系列功率脉冲向加热元件504提供水平时变的功率。在这里，相继功率脉冲之间的时间可以是变化的。或者，配置电源512以为加热元件504提供水平以正弦曲线方式改变的功率。

尽管已经在附图和前面的描述中详细例示和描述了本发明，但例示和描述被认为是例示性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。要指出的是，可以通过应用本身公知的工艺和材料来制造根据本发明的传感器和控制单元以及其所有部件。在这一组权利要求和说明书中，“包括”一词不排除其他元件，不定冠词不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。进一步要指出，该组权利要求中定义的特征的所有可能组合都是本发明的部分。

Claims (14)

1.一种用于测量流经通道(108，208，408，508)的流体(110，210，410，510)的速度的传感器系统(102，202，302，402)，包括：

-用于加热流体的加热元件(104，204，304，404，504)，其中在工作期间为所述加热元件提供已知水平的功率，

-具有基本谐振频率并且能够经由电感耦合吸收RF信号的基本电子电路(114，214，414，514)，所述基本谐振频率与温度相关，其中所述基本电子电路的至少一部分的温度由从所述加热元件传递到流经所述通道的所述流体的热量决定，所述部分负责使所述基本谐振频率与温度相关，

-配置成产生测量信号(128，228，424，524)的换能器装置(126，226，422，522)，所述测量信号表示流经所述通道的所述流体的速度，其中所述测量信号基于所述基本谐振频率，且其中所述换能器装置包括栅陷振荡器(130，230，430)，用于确定所述基本电子电路(114，214，414，514)的基本谐振频率，利用所述栅陷振荡器中所包含的调谐电路产生由所述基本电子电路吸收的RF信号。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述加热元件(204)包括电阻器(212)，所述电阻器用于经由与所述栅陷振荡器(230)的电感耦合接收功率。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述基本电子电路(114，214)包括串联连接的电感器(118，218)和电容器(116，216)，且其中所述电容器的电容与温度相关。

4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述基本电子电路(114)与所述加热元件(104)热相通。

5.根据权利要求3所述的传感器系统，其中所述加热元件(104)包括所述电容器(116)。

6.根据权利要求4所述的传感器系统，包括参考电子电路(120，420)，所述参考电子电路具有与温度相关的参考谐振频率，且其中配置所述换能器装置(126)以基于所述基本谐振频率和所述参考谐振频率之间的数值差异产生所述测量信号(128)。

7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中所述基本电子电路(114)和所述参考电子电路(120)基本相同。

8.根据权利要求4所述的传感器系统，包括具有与温度相关的辅助谐振频率的辅助电子电路(220)，其中所述基本电子电路和所述辅助电子电路沿轴(225)位于所述加热元件(204)的相对侧的预定位置，所述轴(225)具有平行于所述通道的纵轴的分量，其中配置所述换能器装置(226)以基于所述基本谐振频率和所述辅助谐振频率之间的差异产生所述测量信号，且其中所述基本电子电路和所述辅助电子电路与所述流体(210)热相通。

9.根据权利要求4所述的传感器系统，包括具有与温度相关的辅助谐振频率的辅助电子电路(220)，其中所述基本电子电路和所述辅助电子电路沿轴(225)位于所述加热元件(204)的相对侧的预定位置，所述轴(225)具有平行于所述通道的纵轴的分量，其中配置所述换能器装置(226)以基于所述基本谐振频率和所述辅助谐振频率之间的差异产生所述测量信号，且其中所述基本电子电路和所述辅助电子电路与所述加热元件(204)热相通。

10.根据权利要求8所述的传感器系统，其中所述基本电子电路(214)和所述辅助电子电路(220)基本相同。

11.根据权利要求4所述的传感器系统，包括：

-与所述加热元件(404)热相通并具有参考谐振频率的参考电子电路(120)，以及

-与所述流体(410)热相通并具有辅助谐振频率的辅助电子电路(220)，

-与所述流体热相通并具有另一谐振频率的另一电子电路(414)，

其中所述基本电子电路、辅助电子电路、另一电子电路和参考电子电路基本相同，其中所述辅助电子电路和所述另一电子电路沿轴(416)位于所述加热元件的相对侧的预定位置，所述轴(416)具有平行于所述通道(408)的纵轴的分量，其中配置所述换能器装置(422)以基于所述辅助谐振频率和所述另一谐振频率之间的数值差异与所述基本谐振频率和所述参考谐振频率之间的数值差异的比率产生所述测量信号(424)。

12.根据权利要求1所述的传感器系统，包括配置成为所述加热元件(504)提供水平时变的功率的电源(512)，其中所述基本电子电路(514)沿着轴(520)位于距所述加热元件(504)预定的距离处，所述轴(520)具有平行于所述通道(508)的纵轴的分量，其中所述基本电子电路与所述流体(510)热相通，且其中配置所述换能器装置(522)以基于所述基本谐振频率响应于所述水平时变的功率而改变之前的持续时间来产生所述测量信号(524)。

13.根据权利要求12所述的传感器系统，其中配置所述电源(512)以为所述加热元件提供功率脉冲。

14.根据权利要求12所述的传感器系统，其中配置所述电源(512)以为所述加热元件提供水平以正弦曲线方式改变的功率。