CN102695944B - 用于测量流体流动速度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量流经流动通道（106）的流体（104）的速度的系统（102）。该系统包括加热元件（108），配置为响应于提供至加热元件（108）的预定时变的水平的功率，在所述流体（104）中产生热标记物。该系统（102）还包括传感器装置（110），用于产生指示流经流动通道（106）的流体（104）的速度的测量信号（112）。在此，传感器装置（110）配置为测量预定的初级位置处的流体（104）的初级温度（114）的时间序列。初级位置和加热元件（108）位于至少具有平行于流动通道（106）的纵轴（119）的分量的轴上。测量信号（112）基于响应于热标记物的初级温度（114）的时间序列的最大值（120）。

Description

用于测量流体流动速度的系统

技术领域

本发明涉及用于测量流经流动通道的流体的速度的系统。

背景技术

US-A2009/0173166A1公开了用于测量流体流率的设备，该设备包括流动通道和用于在流动通道中的引入位置处引入至少一个标记的至少一个标记沉积器（mark depositor），从而造成流体的变化，该标记尤其是热标记。该设备还包括配置为探测由至少一个标记的引入而造成的流体变化的多个标记探测传感器，诸如位于标记沉积器的上游和下游的温度传感器。

以相对时间基本离散的方式产生热标记物以便使其可观察。然而，由于流体和流动通道中的热扩散，热标记物随着时间的推移变得较少离散。考虑到所述的热扩散，热标记物将失去其能够使热标记物被清楚辨识的特性。即，标记探测传感器在热标记物经过时，仅观察到平缓而不是陡峭的温度增长。因此，确定标记物实际跨过标记物探测传感器的时间点是相对困难的，从而造成显著的误差。因此，在US-A2009/0173166 A1中公开的设备无法精确测量流体流经流动通道的速度。

发明内容

本发明的目的在于提高测量流经流动通道的流体的速度的精度。

通过根据本发明的系统实现该目的，该系统包括：加热元件，配置为响应于提供至所述加热元件的预定时变的水平的功率，在所述流体中产生热标记物；以及还包括传感器装置，用于产生指示流经所述通道的所述流体的速度的测量信号，所述传感器装置配置为测量预定的初级位置处的所述流体的初级温度的时间序列，其中所述初级位置和所述加热元件位于至少具有平行于流动通道的纵轴的分量（component）的轴上，并且其中所述测量信号基于响应于所述热标记物的所述初级温度的时间序列的最大值。

本发明的优点在于避免了热扩散对于由传感器装置进行的热标记物的探测能力的不利影响。通过考虑初级位置处的初级温度的时间序列的最大值而获得这一优点。

由于考虑了所述最大值，因此能够有效规避对于确定热标记物跨过初级位置的时间点，即初级温度超过某个预定阈值的时间点的需要。确定所述最大值本质上比确定所述时间序列超过预定值的时间点更加精确。

“确定所述最大值本质上比确定所述时间序列超过预定值的时间点更加精确”这一陈述能够按以下方式来解释。如前所解释的，由于热传导，初级温度相比于热标记物将较少随着时间而离散。假定初级温度的时间序列响应于热标记物而表现出逐渐的增加并且随后逐渐的减小，则时间序列的最大值由其中相对于时间的导数等于或接近零的坪区（plateau）围绕。因此，通过考虑在相对接近但不同于与最大值相关联的时间点的时间点处的初级温度而引入的测量误差可以忽略。然而，通过考虑相对接近但不同于与最大值相关联的时间点的前述时间点而引入的测量误差是显著的。

因此，通过考虑初级温度的时间序列的最大值，测量信号的精度不会受到由于热扩散而造成的热标记物的探测能力降低的影响。因此，关于热标记物的分散，由传感器装置产生的测量信号的精度是鲁棒的。

如前所述，在非零流体流动速度下由加热元件产生的热量，即热标记物，通过附加于传导上的强制对流传递。基于对流的热传递跟随流体的整体（bulk）运动，并且因此仅增加自加热元件下游的流体的温度，然而热传导原理上是全方向的并且由此增加了自加热元件的上游和下游两者的流体的温度。在零流体流动下，热传递的传导组件依然存在。更具体地，在零流体流动下，假定热阻不随空间变化，基于传导的热传递造成相对于加热元件的对称温度分布。流体流经流动通道的速度越大，从加热元件经由强制对流传递的热量也就越大。该陈述由佩克莱特（péclet）数正式表达，该佩克莱特数提供了将流体流动的水平对流，即强制对流与其热扩散速率，即传导相关联的无因次数。超过1的佩克莱特数指示强制对流相对于传导占据主导地位的情况。假定恒定水平的功率提供至加热元件，流体流动速度的增加造成相对于加热元件的温度不对称地增加。因此，无论自加热元件的下游还是上游测量，响应于热标记物的初级温度的时间序列的最大值是对于流体流动速度的直接度量。如果在下游测量初级温度的时间序列，其最大值将随着流体流动速度的增加而增加。类似地，如果在上游测量初级温度的时间序列，其最大值将随着流体流动速度的增加而减小。由于初级位置和加热元件位于至少具有平行于流动通道的纵向的分量的轴上，因此确保热标记物跨过初级位置。然而，时变的水平的功率和初级位置被预先确定，测量信号允许相对于流经流体通道的流体速度的合适校准。

热标记物的分散量随着流体流动速度的减小而增大。因此，根据本发明的系统的另一优点在于测量信号能够实现精确确定流经流体通道的流体速度的速度范围的增大。更具体地，根据本发明的系统能够精确确定相对低水平的流体流动速度。

如前所解释的，测量信号基于响应于热标记物的初级温度的时间序列的最大值，而不是基于流体温度超过某个阈值水平的时间点。逻辑上，所述阈值水平需要限定在超过破坏测量信号的噪声的水平上。前述要求暗示提供至加热元件的水平的功率应显著超过与阈值相关联的最小水平的功率。通过考虑初级温度的时间序列的最大值，信噪比在本质上被最优化。在本文中，将信噪比定义为测量信号的功率与破坏该测量信号的噪声的功率之比。因此，根据本发明的系统能够有利地更加精确地测量初级温度的时间序列而不增加提供至加热元件的水平的功率。可替换地，根据本发明的系统在不牺牲信噪比的情况下，能够减少提供至加热元件的功率量。因此，根据本发明的系统有利地允许流体加热受到限制的应用；所给出的示例并不限于对患者的静脉给药。

在根据本发明的系统的优选实施例中，传感器装置配置为测量预定的次级位置处的次级温度的时间序列，该次级位置并非初级位置，其中所述次级位置和所述加热元件位于至少具有平行于所述流动通道的纵向的分量的另一轴上，并且其中，所述测量信号基于在响应于热标记物的初级温度的时间序列的最大值与响应于所述热标记物的次级温度的时间序列的最大值之间的数值差异。通过使测量信号基于初级温度的时间序列的最大值与次级温度的时间序列的最大值之间的数值差异，获得补偿环境温度波动的差分测量。因此，有利地，该实施例在由于环境温度波动而造成的干扰影响方面更加鲁棒。而且，在该特定实施例中，测量信号根据流体流动方向的改变而改变符号。因此，该实施例进一步的有利之处在于能够记录流体流经通道的方向的改变。此外，通过记录初级温度的时间序列的最大值和次级温度的时间序列的最大值，增大了与测量信号相关联的信噪比。针对流体流动速度的高低两种状态，获得该增大。因此，该实施例有利地提高了对于相对宽范围的流体流动速度的测量精度。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，所述传感器装置配置为测量预定的次级位置处的次级温度的时间序列，该次级位置并非初级位置，其中所述次级位置和所述加热元件位于至少具有平行于所述流动通道的纵向的分量的另一轴上，并且其中，所述测量信号基于响应于热标记物的初级温度的时间序列与响应于所述热标记物的次级温度的时间序列之间的数值差异的最大值。通过使测量信号基于初级温度的时间序列与次级温度的时间序列之间的数值差异的最大值，该实施例相对于测量信号的信噪比，进一步最优化了该测量信号。因此，该实施例具有进一步提高测量精度的优点。而且，由于针对低流体流动速度以及高流体流动速度，获得提高的信噪比，因此该实施例的进一步优点在于，增大了由根据本发明的系统能够实现精确测量的流体流动速度的范围。

根据本发明的系统的另一优选实施例包括用于测量相对于次级温度的时间序列的初级温度的时间序列的热电堆。热电堆，即串联连接的热电偶产生与局部温度梯度成比例的信号。因此，从本质上规避对于算术上导出相对温度的需要。因此，该实施例的优点在于，限制了根据本发明的系统的复杂度，从而减少其成本。该实施例的进一步的优点在于减少了相对于测量信号的时间的漂移。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，初级位置和次级位置位于加热元件的相对侧。在相对于加热元件的上游和下游位置处，流体响应于热标记物的产生，将经历温度的增加。对于上游位置，所述温度增加完全归因于热扩散。由于在该特定实施例中，初级位置或者次级位置位于加热元件的下游，因此下游温度的增加是可测量的。下游温度的增加将由于流体流动速度的减少而增加。通过使用差分测量，即通过使测量信号基于初级温度的时间序列与次级温度的时间序列之间的数值差异，至少部分地补偿了由于热扩散而造成的温度增加。因此，本实施例具有尤其是对于相对小水平的流体流动速度能够提高测量精度的优点。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，初级位置和次级位置相对于所述加热元件对称设置。由于相对于加热元件的对称配置，在测量信号中将不出现偏移量。该偏移量或者将禁止在流动方向重复改变或未知的应用中的成功使用，或者需要在流体流动改变方向的情况下对所述偏移量进行补偿。因此，该实施例的优点在于，其尤其适合于流动重复改变方向的应用，或者预先并没有关于流动方向的可用信息的应用。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，初级位置位于加热元件相距沿着流动通道的纵轴测量的初级距离处，而次级位置位于与加热元件相距沿着流动通道的纵轴测量的次级距离处，其中初级距离和次级距离不相等。在该特定实施例中，初级距离和次级距离的不相等在根据本发明的系统的设计中增加了重要的自由度。即，通过修改初级距离和次级距离，可以对于流体流动的特定方向，优化测量信号的灵敏度。因此，该实施例有利地提高了在流体流动的特定方向占据主导地位的应用中或在流体流动方向完全不改变的应用中测量流体流动速度的精度。这样的应用存在于但并不限于通过导管的静脉给药。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，传感器装置配置为测量参考位置处的参考温度，其中测量信号基于相对于参考温度的、响应于热标记物的初级温度的时间序列的最大值。通过使测量信号基于相对于参考温度的时间序列的初级温度的时间序列的最大值，获得补偿环境温度波动的差分测量。因此，该实施例具有对于由于环境温度波动而造成的干扰影响更加鲁棒的优点。

根据本发明的系统的另一优选实施例包括用于测量相对于参考温度的初级温度的时间序列的热电堆。热电堆，即串联连接的热电偶产生与局部温度梯度成比例的信号。因此，规避了对于算术上导出相对温度的需要。因此，该实施例的优点在于限制了复杂度。

在根据本发明的系统的实际实施例中，测量信号基于初级温度的时间序列与校准数据之间的比较，该校准数据建立了初级温度的时间序列与流经流动通道的流体速度之间的关系。

在根据本发明的系统的另一优选的实施例中，校准数据基于实验校准。在此，实验校准经由使用根据本发明的系统并使用流体的实验来获得。这样的实验提供了初级温度的时间序列的最大值与流体流动速度之间的映射。通过根据实验校准导出校准数据，不会引入由于诸如流动通道的几何形状和流体的热性能的相关特性近似而造成的误差。因此，该实施例有利地增加了测量流体流动速度的精度。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，数值校准基于方程的解析解，该方程建立了初级温度的时间序列与流经流动通道的流体的速度之间的关系。通过使数值校准基于所述解，有效地避免了对于宽范围的流体流动速度执行实验或数值仿真的需要。即，对于方程的解为流体流动速度的整个域提供校准数据，该方程适用于流体流动速度的整个域，即该方程为流体流动速度的整个域提供了对于现实的精确近似。因此，作为解决宽范围的流速流体的单个参考点进行对于方程的解。因此，该实施例能够有利地实现根据本发明的系统的省时高效的校准。

在根据本发明的系统的另一优选实施例中，校准数据基于数值校准。在此，经由对根据本发明的系统进行建模来获得数值校准，例如，通过有限元方法，考虑诸如流体通道的几何形状的参数、初级位置和可选的次级位置、以及流体的诸如密度、导热率以及特定热容量的特性。这样的建模提供了初级温度的时间序列的最大值与流体流动速度之间的映射。通过根据数值校准导出校准数据，能够规避实验地校准流动通道的劳动密集且耗时的过程。因此，该实施例具有提供根据本发明的系统的省时高效的校准的优点。此外，数值校准的优点在于，如果没有导出建立初级温度的时间序列与流体流动速度之间关系的方程，或者如果证实所述方程不可能解析求解，该数值校准仍然能够有效地校准系统。

根据本发明的系统实现了以下典型情况中的成功应用：诸如监控静脉给药的小流体流动速度的情况；诸如榨汁器和净水器的中间水平的流体流动速度的情况；以及诸如用于测量肺活量的肺活量计的高流体流动速度的情况，在测量肺活量中，将测量高达1000l/min的气流。

附图说明

图1示意性示出根据本发明的包括加热元件和传感器装置的系统的实施例，其中测量信号与初级温度的时间序列的最大值有关。

图2示意性示出根据本发明的配置为测量次级位置处的次级温度的时间序列的系统的实施例。

图3示出如在图2和图5中所示的实施例的数值校准中使用的热标记物。

图4示出表示经由用于图2中所示实施例的数值校准而获得的校准数据的三个曲线。

图5示意性示出根据本发明的系统的实施例，其中测量信号与初级温度的时间序列与次级温度的时间序列之间的数值差异的最大值有关。

图6示出表示经由用于图5中所示实施例的数值校准而获得的校准数据的三个曲线。

图7示意性示出根据本发明的配置为测量参考位置处的参考温度的系统的实施例。

具体实施方式

图1示意性示出用于测量流经流动通道106的流体104的速度的系统102。该系统102包括用于在流体104中产生热标记物的加热元件108。在此，在操作状况期间通过本身已知的电源将预定时变的水平的功率供应至加热元件108。系统102还包括传感器装置110，用以产生指示流经流动通道106的流体104的速度的测量信号112。

在该实施例中，传感器装置110配置为测量初级位置处的流体104的初级温度114的时间序列，例如通过将温度传感器116安装在所述初级位置处。在系统102的实施例中，加热元件108和传感器装置110安装在流动通道106的壁118中。优选地，在加热元件108与流体104之间以及传感器装置110与流体104之间几乎不存在热阻。初级位置和加热元件108位于具有平行于流动通道106的纵轴119的分量的虚轴上。

测量信号112基于响应于热标记物的初级温度114的时间序列的最大值120。通过CPU 122中实施的本身已知的方法来确定初级温度114的时间序列的所述最大值120。这样的方法的示例为以下算法：确定初级温度的时间序列相对于时间的导数等于或至少接近零，例如，0.001K/s，0.01K/s或者0.1K/s的时间点，初始假定所述导数为正值，并且随后确定处于特定时间点的初级温度的时间序列的值。可替换地，通过计算初级温度114的时间序列中的数据点与其在前的数据点之间的数值差异，来确定最大值120，其中由所述数值差异的符号改变来特性化该最大值。

在系统102的实施例中，测量信号112基于经由比较器126与存储在存储器124中的校准数据123的比较。经由查找表可使用校准数据123。在系统102的实施例中，校准数据基于实验校准。即，对于预定流体流动速度范围，经由测量响应于热标记物的初级温度的时间序列的最大值，获得初级温度的时间序列的最大值至感兴趣的变量，即流体104流经流动通道106的速度的转换。

可替换地，校准数据123可以基于解析校准。在特定情况下，该校准数据根据在初级温度114的时间序列与流经流动通道106的流体104的速度之间建立关系的方程的解析解而得到。

在流动通道106中，原则上全Navier-Stokes方程将被求解以确定流体流动速度和初级温度的时间序列两者作为地点和时间的函数。然而，对于圆形流动通道中的充分流动而言，相对于纵轴获得旋转对称。因此，对于在具有半径R的圆形流动通道中的充分流动而言，可以有效地假定以下具有平均轴向速度的Poiseulle剖面，以用于轴向方向上的速度

$\stackrel{\→}{u}\left(y\right)=2\stackrel{\‾}{u}(1-{\left(\frac{y}{R}\right)}^2)$ 【1】，

其中x是轴向坐标，并且其中y表示相对于流动通道106的纵轴119的径向距离。在流体104中，能量方程保持如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fl}}{c}_{p,\mathrm{fl}}\frac{{\∂T}_{\mathrm{fl}}}{\∂t}+\▿\·(-k_{\mathrm{fl}}\▿T_{\mathrm{fl}})=-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fl}}{c}_{p,\mathrm{fl}}\stackrel{\→}{u}\·\▿T_{\mathrm{fl}}$ 【2】，

其中ρ_fl表示流体密度，c_p，fl表示恒压下流体的热容量，T_fl表示流体的温度，t表示时间，以及k_fl表示流体的导热率。在此，给出用于方程【2】的初始条件如下：

T_fl(x,y,t＝0)＝T_周围环境    【3】。

即，流体104的初始温度等于环境温度。由下式得出用于方程【2】的边界条件：

T_fl(x=±∞,y,t)=T_周围环境    【4】，

其中x表示轴向坐标。因此，边界条件暗示流体104在远离加热元件108的位置处的温度也等于环境温度。在流动通道106的壁118中，给出能量方程如下：

${\mathrm{\ρ}}_w{c}_{p,w}\frac{\∂T}{\∂t}+\▿\·(-k_w\▿T_w)=Q$ 【5】。

其中ρ_w表示壁的密度，c_p，w表示恒压下的壁的热容量，T_w表示壁的温度，t表示时间，以及k_w表示壁的导热率。而且，Q[W.m^-3]是加热器中的能量消耗，这些能量消耗相当于产生热标记物。由于加热器尺寸小，因此可以使用delta函数：Q=P(t)δ(x)δ(y)δ(z)在数学上描述该消耗，其中P(t)[W]是加热元件108中的与时间相关的功率消耗。

由下式给出用于方程【5】的初始条件：

T_w(x,y,t＝0)＝T_周围环境    【6】。

由下式得出用于方程【5】的边界条件：

T_w(x ＝±∞，y,t)=T_周围环境    【7】。

方程【5】经由以下方程代入方程【2】：

T_fl(x,y=R,t)＝T_w(x,y=R,t)    【8】，

以及

$k_{\mathrm{fl}}\frac{\∂T_{\mathrm{fl}}(x,y=R,t)}{\∂y}(x,y=R,t)=k_w\frac{\∂T_w(x,y=R,t)}{\∂y}$ 【9】。

方程【8】表示流体104的温度和流动通道106的壁118的温度在所述流体104和所述壁118之间的界面处彼此相等，而方程【9】表示在垂直于界面方向上的热传导在所述界面处是连续的。

在假定以上识别的初始和边界条件以及考虑经由方程【8】和【9】的代入，解析校准相当于求解联合的方程【2】和【5】。对于方程【2】和【5】的求解提供了作为时间和空间坐标的函数的流体104的温度和流体104流经流动通道106的速度。根据对于初级位置处的预定速度范围估算所述解析解，并且随后确定初级温度的时间序列的最大值，得出校准数据123。

图2示意性示出用于测量流经流动通道206的流体的速度的系统202。该系统202包括用于在流体204中产生热标记物的加热元件208。在此，在操作状况期间通过本身已知的电源，将预定时变的水平的功率提供至加热元件208。系统202还包括传感器装置210，用以产生指示流经流动通道206的流体204的速度的测量信号212。

在该实施例中，传感器装置210配置为测量初级位置处的流体204的初级温度214的时间序列，并且测量次级位置处的流体204的次级温度216的时间序列，次级位置并非初级位置。在系统202的实施例中，通过将温度传感器218和220安装在初级位置和次级位置处，测量初级温度214的时间序列和次级温度216的时间序列。初级位置和加热元件208位于具有平行于流动通道206的纵轴219的分量的虚轴上。次级位置和加热元件208也位于具有平行于流动通道206的纵轴219的分量的另一虚轴上。在该特定实施例中，初级位置和次级位置以距离d₁和d₂位于加热元件208的相对侧，沿着流动通道的纵轴来测量这些距离。在该特定实施例中，初级位置和次级位置相对于加热元件对称设置，即d₁=d₂。因此，该实施例尤其适合于其中流体流动规则地改变方向的应用。在系统202的另一实施例中，为了相对于流体流动的特定的占主导地位的方向来优化该系统202，选择d₁和d₂以使得d₁≠d₂。

在系统202的实施例中，加热单元208和传感器装置210安装在流动通道206的壁222中。

在该特定的实施例中，测量信号212基于响应于热标记物的初级温度214的时间序列的最大值226与响应于所述热标记物的次级温度216的时间序列的最大值228之间的数值差异224。在该实施例中，经由CPU230实施的本身已知的方法，确定所述最大值。

在系统202的实施例中，测量信号212基于经由比较器234与存储在存储器232中的校准数据231的比较。在系统202的实施例中，校准数据231基于数值校准。即，经由针对预定流体流动速度的范围计算所述数值差异，获得初级温度的时间序列的最大值与次级温度的时间序列的最大值之间的数值差异至流体流动速度的转换。在该特定实施例中，对于预定流体流动速度的范围，通过有限元方法经由对方程【2】和【5】进行数值求解，获得数值校准。在该特定情况中，为此目的使用12236个三角元素。

在该特定实施例中，对于流体是水并且流动通道由PVC制造的情况，执行数值校准。该特定数值校准假定水具有0.6W/mK的导热率、1000kg/m³的密度、以及4200J/kgK的热容量。同样，即将进行的数值校准假定PVC具有0.1W/mK的导热率、1760kg/m³的密度、以及385J/kgK的热容量。在该具体实施例中，流动通道206是具有直径等于2.5mm并且壁厚等于2.0mm的圆形管道。该数值校准通过相应地调节前述的参数设定，可以对于任意流体类型以及任意流动通道配置应用数值校准。

数值校准假定热标记物根据以下高斯分布方程来产生：

$Q={1.10}^{10}{e}^{-{1.10}^4{(t-0.5)}^2}$ 【10】。

这里，Q[W.m^-3]是加热器中的能量消耗，这些能量消耗相当于产生热标记物。图3示出作为时间的函数的热标记物。应当注意作为时间的函数的分布仅用作示例；数值校准允许任意类型的热标记物。

根据针对流体流动速度的范围执行数值校准，并且随后通过确定初级温度214的时间序列的相应最大值226与次级温度216的时间序列的相应最大值228之间的数值差异，得出校准数据231。

表1包含对于d₁=d₂=75μm,d₁=d₂=100μm以及d₁=d₂=125μm的系统的实施例而获得的校准数据。在此，相对于Q的最大值，来表示该校准数据。

图4示出表示包含在表1中的校准数据的三个曲线。即，第一曲线表示在d₁=d₂=75μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号212；第二曲线表示在d₁=d₂=100μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号212；而第三曲线表示在d₁=d₂=125μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号212。显然，通过有意地选择d₁和d₂，系统202的灵敏度允许相对于流体流动速度的特定范围进行优化。可替换地，可以经由实验校准或通过解析求解方程【2】和【5】来获得校准数据。

图5示意性示出用于测量流经流动通道306的流体304的速度的系统。该系统302包括用于在流体304中产生热标记物的加热元件308。在此，在操作状况期间通过本身已知的电源，将预定时变的水平的功率提供至加热元件308。系统302还包括传感器装置310，用以产生指示流经流动通道306的流体304的速度的测量信号312。

表1

在该实施例中，传感器装置310配置为测量初级位置处的流体304的初级温度的时间序列，并且测量次级位置处的流体304的次级温度的时间序列，次级位置并非初级位置。初级位置和加热元件308位于具有平行于流动通道306的纵轴313的分量的虚轴上。次级位置和加热元件308也位于具有平行于流动通道306的纵轴313的分量的另一虚轴上。在该特定实施例中，初级位置和次级位置以距离d₁和d₂位于加热元件308的相对侧，沿着流动通道306的纵轴313来测量这些距离。在该特定实施例中，初级位置和次级位置相对于加热元件对称设置，即d₁=d₂。因此，该实施例尤其适合于其中流体流动规则地改变方向的应用。在系统302的另一实施例中，为了相对于流体流动的主导方向优化该系统302，选择d₁和d₂以使得d₁≠d₂。

在系统302的实施例中，加热元件308和传感器装置310附接至流动通道306的壁315。

在该特定的实施例中，测量信号312基于响应于热标记物的初级温度的时间序列与响应于所述热标记物的次级温度的时间序列之间的数值差异316的最大值314。在该实施例中，经由CPU 318实施的本身已知的方法，确定所述最大值。在该特定实施例中，包括热电堆320，该热电堆320配置为测量相对于次级温度的时间序列的初级温度的时间序列，即产生数值差异316。在系统302的另一实施例中，通过替换的方式，通过将温度传感器安装在初级位置和次级位置处，测量初级温度的时间序列和次级温度的时间序列。

在系统302的实施例中，测量信号312基于经由比较器324与存储在存储器322中的校准数据321的比较。在系统302的实施例中，校准数据321基于数值校准。即，对于预定流体流动速度的范围，经由计算响应于热标记物的初级温度的时间序列与次级温度的时间序列之间的数值差异的最大值，获得相对于次级温度时间序列的初级温度时间序列的最大值至流体304流经流动通道306的速度的转换。在该特定实施例中，对于预定流体流动速度的范围，通过有限元方法经由对方程【2】和【5】进行数值求解，获得数值校准。

在该特定实施例中，对于流体是水并且流动通道由PVC制造的情况，执行数值校准。该特定数值校准假定水具有0.6W/mK的导热率、1000kg/m³的密度以及4200J/kgK的热容量。同样，即将进行的数值校准假定PVC具有0.1W/mK的导热率、1760kg/m³的密度以及385J/kgK的热容量。在该特定实施例中，流动通道206是具有直径等于2.5mm并且壁厚等于2.0mm的圆形管道。通过相应地调节前述的参数设定，该数值校准可以应用于任意流体类型以及任意流动通道配置。通过示例的方式，数值校准假定根据方程【10】产生热标记物。

根据对于流体流动速度的范围执行数值校准，并且随后通过确定初级温度的时间序列的相应最大值与次级温度的时间序列的相应最大值之间的数值差异，来得出校准数据321。

表2包含对于其中d₁=d₂=75μm,d₁=d₂=100μm以及d₁=d₂=125μm的系统的实施例而获得的校准数据。在此，相对于最大值Q，来表示该校准数据。

表2

图6示出表示包含在表2中的校准数据321的三个曲线。即，第一曲线表示在d₁=d₂=75μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号321；第二曲线表示在d₁=d₂=100μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号321；而第三曲线表示在d₁=d₂=125μm的情况下，作为流体流动速度的函数的测量信号321。显然，通过有意地选择d₁和d₂，系统302的灵敏度允许相对流体流动速度的特定范围进行优化。可替换地，可以经由实验校准或通过对方程【2】和【5】进行解析求解来获得校准数据。

图7示意性示出用于测量流经流动通道106的流体404的速度的系统402。该系统402包括用于在流体404中产生热标记物的加热元件408。在此，在操作状况期间通过本身已知的电源，将预定时变的水平的功率提供至加热元件408。系统402还包括传感器装置410，用以产生指示流经流动通道406的流体404的速度的测量信号412。

在该实施例中，传感器装置410配置为测量初级位置处的流体404的初级温度的时间序列，并且测量参考位置处的流体404的参考温度，参考位置并非初级位置。初级位置和加热元件408位于具有平行于流动通道406的纵轴419的分量的虚轴上。参考位置和加热元件408也位于具有平行于流动通道406的纵轴419的分量的另一虚轴上。在该特定实施例中，初级位置和参考位置以距离d₁和d₂分别位于加热元件408的同一侧，沿着流动通道406的纵轴419来测量这些距离。在该特定实施例中，参考位置相比于初级位置基本上更远离加热元件408，即d₂>>d₁。因此,热标记物对参考温度影响的程度明显更小。因而，该参考温度确切地用作仅考虑环境温度波动的参考。

在系统402的实施例中，加热元件408和传感器装置410结合在流动通道406的壁420中。可替换地，加热元件408和传感器装置410可以附接至所述壁420的外侧。

在该特定实施例中，测量信号412基于响应于热标记物的初级温度的时间序列与参考温度之间的数值差异424的最大值422。在该实施例中，所述最大值经由本身已知的方法来确定，这些方法，即算法，处于CPU 426中。在该特定实施例中，包括热电堆428，该热电堆428配置为测量相对于参考温度的初级温度的时间序列，即产生数值差异424。在系统402的另一实施例中，通过可替换的方式，通过将温度传感器安装在初级位置和次级位置处，测量初级温度的时间序列和次级温度的时间序列。

在系统402的实施例中，测量信号412是基于经由比较器430与存储在存储器428中的校准数据426的比较。可以经由解析校准，即通过对方程【2】和【5】进行解析求解、通过数值校准，即通过对方程【2】和【5】进行数值求解、以及通过实验校准，获得所述校准数据426。

尽管在附图和前述描述中已详细描述和说明本发明，然而该说明和描述应理解为说明性或示例性，而非限制性的。并非将本发明限制于该公开的实施例。应当注意，通过使用本身已知的处理过程和材料能够做出根据本发明的系统和其所有的组件。在多组权利要求及其描述中，用词“包括”并不排除其它元件，并且“一”或“一个”并不排除多个。权利要求中任何附图标记不应当理解为对范围的限制。还应当注意限定在多组权利要求中的特征的所有可能的组合均属于本发明的一部分。

Claims (13)

1.一种用于测量流经流动通道（106、206、306、406）的流体（104、204、304、404）的速度的系统（102、202、302、402），包括：

-加热元件（108、208、308、408），配置为响应于提供至所述加热元件的预定时变的水平的功率，在所述流体中产生热标记物；以及

-传感器装置（110、210、310、410），用于产生指示流经所述流动通道的所述流体的所述速度的测量信号（112、212、312、412），所述传感器装置配置为测量预定的初级位置处的所述流体的初级温度（114、214）的时间序列，其中所述初级位置和所述加热元件位于至少具有平行于所述流动通道的纵轴（119、219、315、419）的分量的轴上，并且其中所述测量信号基于响应于所述热标记物的所述初级温度的时间序列的最大值（120、226）。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器装置（210）配置为测量预定的次级位置处的次级温度（216）的时间序列，所述次级位置并非所述初级位置，其中所述次级位置和所述加热元件（208）位于至少具有平行于所述流动通道（206）的所述纵轴（219）的分量的另一轴上，并且其中，所述测量信号（212）基于响应于所述热标记物的所述初级温度（214）的所述时间序列的最大值（226）与响应于所述热标记物的所述次级温度（216）的所述时间序列的最大值（228）之间的数值差异（224）。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器装置（310）配置为测量预定次级位置处的次级温度的时间序列，所述次级位置并非所述初级位置，其中所述次级位置和所述加热元件（308）位于至少具有平行于所述流动通道（306）的所述纵轴（315）的分量的另一轴上，并且其中，所述测量信号（312）基于响应于所述热标记物的所述初级温度的所述时间序列与响应于所述热标记物的所述次级温度的所述时间序列之间的数值差异（320）的最大值（318）。

4.根据权利要求3所述的系统，包括热电堆（320），用于测量相对于所述次级温度的所述初级温度的时间序列。

5.根据权利要求2或3所述的系统，其中所述初级位置和次级位置位于所述加热元件（208、308）的相对侧。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述初级位置和所述次级位置相对于所述加热元件（208、308）对称设置。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述初级位置位于与所述加热元件（208、308）相距沿着所述流动通道（206、306）的所述纵轴测量的初级距离处，其中所述次级位置位于与所述加热元件相距沿着所述流动通道的所述纵轴（219、315）测量的次级距离处，并且其中所述初级距离和所述次级距离彼此不相等。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器装置（410）配置为测量参考位置处的参考温度，并且其中所述测量信号（412）基于相对于参考温度的时间序列的、响应于所述热标记物的所述初级温度的所述时间序列的所述最大值。

9.根据权利要求8所述的系统，包括热电堆（428），其用于测量相对于参考温度的所述时间序列的所述初级温度的所述时间序列。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述测量信号（112、212、312、412）基于所述初级温度（114、214、314、414）的所述时间序列与校准数据（123、231、321、426）的比较，所述校准数据（123、231、321、426）建立所述初级温度（114、214、314、414）的所述时间序列与流经所述流动通道（106、206、306、406）的所述流体（104、204、304、404）的所述速度之间的关系。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述校准数据（123、231、321、426）基于实验校准。

12.根据权利要求10所述的系统，其中所述校准数据（123、231、321、426）基于建立所述初级温度的所述时间序列与流经所述流动通道的所述流体的所述速度之间的关系的方程的解析解。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述校准数据（123、231、321、426）基于数值校准。