CN102985802B - 流量计探头 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于流量计的探头，所述流量计能够在利用了半导体或陶瓷热敏电阻的各种流量测量装置中使用。本发明包括一种用于确定通过由具有低的热传导性的材料所制成的导管的液体的流体流速的设备，所述设备包括：探头，其至少部分地置于所述导管的壁内，所述探头的一部分与所述壁的内表面实质上对齐，所述探头被可操作地连接到控制和显示单元。所述探头包括印刷电路板（PCB），在所述印刷电路板上安装有至少两个热敏电阻；上游热敏电阻，其用于基线测量；以及被间隔开的下游自加热的热敏电阻。所述控制和显示单元重复测量所述热敏电阻的电阻，以便生成要由所述控制和显示单元来电子处理以指示流速的信号。

Description

流量计探头

技术领域

本发明涉及流量计。

更具体地，本发明提出了一种用于流量计的探头，所述流量计能够在利用了半导体或陶瓷热敏电阻的各种流量测量装置中使用。本说明书不涉及基于电磁波的其他类型的流量计。

背景技术

多年来，热流体的流速测量技术（基于对温度敏感的电阻元件的响应的原理）是公知的并且已经是现成可利用的。目前，此种类型的测量的实现是通过：其中将仪器的探头置于流体通过其流动的导管以内或以外。

通过将感测元件放置在导管以外来测量流体的流速的设备，其在美国专利申请US2004/0000196和US2003/0049877中有所描述。此种设备具有保护探头不受所测量的流体的影响的优势。然而，此种类型的探头要求开发和生产专门的基于基底的感测芯片。因为导管壁是热阻性的，所以在传感器对流体流速的改变的响应中有延迟，并且更进一步地，此种类型的设备需要在测量能够开始之前有长的稳定时间。

通过将探头或感测元件放置在导管以内来测量流体的流速的设备，其在许多美国专利和专利申请中都有所描述。例如US3,085,431、US4,028,689、US7,302,844和美国专利申请US2006/0080050、US2008/0080588和US2009/0071244。此类现有技术中的基于热敏电阻的流量探头，其由直接或间接加热的热敏电阻所组成，具有通过金属管状物所覆盖的引线。管状物将热敏电阻与该管状物以外的流体分隔开，这是因为陶瓷热敏电阻（甚至在气体流量测量中）容易吸收会对热敏电阻的性能造成不利影响的水蒸汽。在测量液体流时，必须要防止液体与热敏电阻或与其电子电路的直接接触。

管状物的内容积需要大得足以容纳被封装到热传导性树脂中的热敏电阻和两条电线。管状物被直接定位到流体的流中。在管状物以内的热敏电阻改变其电阻，这是对在管状物以外通过的流体带走一定量的热进行的响应，其中由于在管状物以外的流体温度与在管状物以内的热敏电阻温度之间存在温度梯度所以在时间上会有一些延迟。

虽然提供了比置于导管以外的探头更快的响应，此种热敏电阻探头有大量的缺点。在现有技术的热敏电阻探头中，热敏电阻主体被隔离在金属管状物内部，其与流测量点足够远以便在热敏电阻与管状物以外的介质之间产生温度梯度。此外，在流路径以内存在管状物会改变流的模式和速度，因为其构成了对导管中的流体流的障碍。当测量在小的导管中低流速的非纯净的或油腻的液体时，探头除了其对流经导管的流体的流模式和速度的影响之外，在其暴露的表面上积累的物质覆盖该探头，这将影响测量的精度并且强加了要拆卸固定装置以进行清理的需求。最后，此种热敏电阻探头的制造成本相对较高，因为其需要复杂的机械固定装置来将管状物保持在正确的位置上。

发明内容

因此，本发明的目标之一是消除现有技术的流量计的缺点并且提供一种能够迅速响应的探头。

本发明的另一个目标是提供一种连续工作而无需维护的探头。

本发明对上述目标的实现是通过：提供用于确定通过由具有低的热传导性的材料所制成的导管的液体的流体流速的设备，所述设备包括：

探头，其至少部分地置于所述导管的壁内，作为所述探头一部分的封装组件的突出表面与所述壁的内表面实质上对齐，所述探头被可操作地连接到

控制和显示单元，

所述探头包括印刷电路板（PCB），在该印刷电路板上安装有至少两个热敏电阻；

上游热敏电阻，其用于基线测量（baselinemeasurement），以及

被间隔开的下游自加热的热敏电阻，其用于测量所述下游热敏电阻的表面由流经所述导管的所述液体冷却所导致的温度上的改变，

所述控制和显示单元重复测量所述热敏电阻的电阻，以便生成要由所述控制和显示单元来电子处理以指示流速的信号。

在本发明的一个优选实施方式中提供了一种设备，该设备还包括用于储存所述设备的校准数据的存储器组件。

在本发明的又一个优选实施方式中提供了一种设备，其中要与所述流体接触的所述热敏电阻被封装到热传导性的、电绝缘的复合物中。

在本发明的另一个优选实施方式中提供了一种低电压设备，其中所述下游热敏电阻的自加热是其值微不足道的自加热，所述探头还包括加热元件，其被置为热接近所述下游热敏电阻，并且其中所述下游热敏电阻具有高于1KΩ（在25℃下）的电阻，并且所述电阻器具有低于100Ω的电阻。

在本发明的又一个优选实施方式中提供了一种低电压设备，其中所述加热元件与所述热敏电阻安装在PCB的相同的表面上，所述加热元件毗邻所述下游热敏电阻，并且通过共地的、铜制的焊盘，以及通过所述热传导复合物热耦合到所述下游热敏电阻。

在本发明的又一个优选实施方式中提供了一种低电压设备，其中所述加热元件安装在背向所述流体的所述PCB表面上，毗邻所述第二下游热敏电阻，并且通过共地的、铜制的焊盘来热耦合到所述第二下游热敏电阻，所述焊盘连接柔性PCB的两个表面。

而在本发明的又一个优选实施方式中提供了一种设备，其中所述探头可操作地连接到所述控制和显示单元，这是通过包括连接电缆、电子电路和电磁发射机/接收机的组中的一个的方式来实现的；

在本发明最优选的实施方式中提供了一种设备，其中所述PCB是柔性的，并且组件通过表面安装技术安装到该PCB上。

探头能够以多种配置来装配，并且可通过控制单元以三种模式中的一种或者这些模式的组合来激活，例如，给探头提供恒定的功率，维持在流体和热敏电阻中的一个之间的恒定的温度差，或者生成来自加热元件的、要在热敏电阻中的一个里感测的热脉冲（“飞行时间”）。控制单元中的微控制器随后将来自探头的取决于流速的信号转换成流速，并且有选择地计算积累的流体量。

柔性PCB的使用消除了为每个电子组件布线的需求，并且消除了对于将电子组件定位在其所需要的位置上的额外机械固定装置的需求。其还消除了对于为达到同样目的而开发专门的基于基底的感测芯片的需求，并因此允许使用可商业购买到的现成的电子组件。柔性的印刷电路板还允许为包覆成型（over-molding）柔性PCB，设计由聚合物或弹性体所制成的导管。

SMD组件（其特征在于有非常小的热质量）的使用允许迅速加热和冷却组件，并因此对流量改变进行快速响应。出于对本发明进一步发展的目的，SMD热敏电阻。

因为在探头14的生产过程中会发生轻微的变化，并且因为在探头中的每个电子组件在本质上是有差异的，为了获得最佳精度需要校准设备。存储器组件36（例如EPROM）可被用于储存校准数据。该校准数据代表了探头中的组件的真实电阻-温度数据。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明，所述附图通过举例方式来表示本发明的优选实施方式。仅仅以为了基本上理解本发明所必需的程度示出了结构上的细节。所描述的例子与附图一起，将使得本领域中的技术人员了解本发明的其他形式可如何实现。

在附图中：

图1是根据本发明的设备的优选实施方式的示意性的不详细的视图；

图2是显示出被定位在流体导管壁中的热敏电阻的细节截面图；

图3是包括了EPROM芯片的探头的示意性的正视图；

图4是显示出被定位在流体导管壁中的被封装的热敏电阻的细节截面图；

图5是显示出热敏电阻和加热元件的细节截面图；

图6与图5相同，除了加热元件是在PCB的相反面看到的之外；

图7是设备的实施方式的示意性的不详细的视图，其中探头以及控制和显示单元通过射频链路互联；并且

图8是控制和显示单元的示意性视图，所述控制和显示单元被布置成记录在用户所选择的时间周期内经过探头的流体的体积。

具体实施方式

在图1中可见用于确定通过导管12的液体的流体流速的设备10，导管12优选地由具有低的热传导特性的材料制成。

如在图2中更清楚地看到的，探头14部分地置于导管12的壁内。被封装的热敏电阻20、22的突出表面16是探头14的一部分，并且与导管12的内表面24实质上对齐。

探头14通过电缆18可操作地连接到控制和显示单元26。探头14包括印刷电路板（PCB）28，在该印刷电路板上安装有两个热敏电阻20、22。上游热敏电阻20用于基线测量，而被间隔开的下游的自加热的热敏电阻22用于测量所述下游热敏电阻的表面由流经导管的液体30冷却所导致的温度上的改变。当流量较高时，冷却效果较大，并且下游热敏电阻22相对于无流量条件改变其电阻。而改变的方向则依赖于热敏电阻是NTC类型还是PCT类型的热敏电阻。可以使用任一类的热敏电阻。

控制和显示单元32重复测量热敏电阻20、22的电阻。这些值被电子处理以便生成要由控制和显示单元32接收以指示流速的信号。

关于剩余的附图，相似的参考数字被用于识别相似的部件。

现在转向图3，其中可见探头34，设备还包括存储器组件36，如所示其能够有选择地置于探头34中，或者在图1中所见的控制和显示单元26中，用于储存设备的校准数据。

在探头34的生产过程中不可避免地会发生轻微的改变，这是因为在任何批次的电子组件中的每个电子组件都与通常标记在组件上的标称值有一些偏差。需要在发货之前在工厂中执行对此类设备的校准以便提供必需的精确程度。这是存储器组件36的主要任务，存储器组件36可能适当地为EPROM类型的存储器组件。校准数据代表在每个特定探头中以及在探头本身的组合中所使用的特定组件的真实的电阻-温度关系。

图4示出了探头的细节，其中热敏电阻20（该附图中可见这些热敏电阻中的一个）暴露在由导管12所运送的流体30中。

所见的热敏电阻20被封装在热传导性的、电绝缘的保护性复合物38中。正如已知的，好的热导体通常也导电，但是用于此目的的特定形式的环氧树脂和硅的粘合剂（满足当前需要的）可商业购买到。

在图5中所见的是低电压设备40的一部分，所述低电压通常小于15伏特。在本实施方式中，下游热敏电阻42的自加热是其值微不足道的自加热。然而，在本实施方式中提供加热是通过将电阻器组件44布置为热接近下游热敏电阻42。在本实施方式中，下游热敏电阻42具有高于1KΩ（在25℃下）的电阻，并且电阻器44具有低于100Ω的电阻。

电阻器44与热敏电阻42、48一样安装在PCB28的相同的表面46上，毗邻下游热敏电阻42，并且通过共地的、铜制的焊盘50，以及通过热传导复合物38热耦合到下游热敏电阻42。SMD组件（其特征在于有非常小的热质量）的使用允许迅速加热和冷却组件，并因此对流量改变进行快速响应。出于进一步发展本发明的原型的目的，所使用的SMD热敏电阻是按照0603和0402的尺寸的，33ΚΩ（MurataElectronicsNorthAmerica的PNNCP18WB333J03RB）或（Panasonic-ECG的PNERT-J0EV473J或ERT-J1VV473J）的NTC热敏电阻，其相应的Β_25/50值为4050K和4700K。所使用的电阻器是按照0805的尺寸的，10Ω或20Ω，250mW的电阻器（分别为RohmSemiconductor的PNESR10EZPJ100和ESR10EZPJ200）。

现在参考图6，其中描绘了另一个流体计的细节，显示了探头54。热电阻器58安装在背向流体30的PCB60的表面56上。电阻器58被排列，毗邻第二下游热敏电阻62，并且通过共地的、铜制的焊盘64来热耦合到第二下游热敏电阻62，所述焊盘64连接柔性电路板60的两个表面56、66。

图7显示了设备68的实施方式，其中探头70通过电磁的发射机74/接收机76的方式可操作地连接到控制和显示单元72。这种布置为定位控制和显示单元72赋予了更大的自由，但是要求探头包括电池78作为电源。

图8示出了一种可选择的布置，其中设备80被变成使得控制和显示单元82也对流体积进行积分、计算和显示。从由用户按下在控制和显示单元82上的“计算体积”按钮84来选定的时间开始对通过导管的流体积进行计算和显示。可供选择地，还能够通过定义“开始”条件来使用软件自动开始。

在单元82的侧面处可见电源输入电缆86。

用户可通过使用键盘88来输入额外的数据，例如“醋酸，批次739”用于之后识别被传输的流体。

所描述的发明的范围旨在包括来自以下权利要求的意思表达的所有实施方式。上述示例示出了本发明的有用的形式，但是不被视为是对其范围的限制，因为本领域中的技术人员将会认识到可容易地构想出本发明的额外变化或修正而不偏离以下权利要求的意思表达。

Claims (9)

1.一种用于确定通过由具有低的热传导性的材料所制成的导管的液体的流体流速的设备，所述设备包括：

探头，其至少部分地置于所述导管的壁内，作为所述探头的一部分的封装组件的突出表面与所述壁的内表面实质上对齐，所述探头被可操作地连接到

控制和显示单元，

所述探头包括印刷电路板(PCB)，在所述印刷电路板上

安装有至少两个热敏电阻；

上游热敏电阻，其用于基线测量；以及

被间隔开的下游自加热的热敏电阻，其用于测量所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻的表面由流经所述导管的所述液体冷却所导致的温度上的改变，

所述控制和显示单元重复测量所述至少两个热敏电阻的电阻，以便生成要由所述控制和显示单元来电子处理以指示流速的信号；

存储器组件，其被置于所述探头中或者所述控制和显示单元中，用于储存所述设备的校准数据，其中所述校准数据代表在每个特定探头中以及在探头本身的组合中所使用的特定组件的真实的电阻-温度关系。

2.如权利要求1所述的设备，其中要与所述流体接触的所述至少两个热敏电阻被封装到热传导性的、电绝缘的复合物中。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻的自加热是其值微不足道的自加热，所述探头还包括加热元件，所述加热元件被置为热接近所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻，并且其中所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻具有在25℃下高于1KΩ的电阻，并且所述加热元件具有低于100Ω的电阻。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述加热元件与所述至少两个热敏电阻安装在PCB的相同的表面上，所述加热元件毗邻所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻，并且通过共地的、铜制的焊盘，以及通过所述热传导复合物热耦合到所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻。

5.如权利要求3所述的设备，其中所述加热元件安装在背向所述流体的所述PCB的表面上，毗邻所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻，并且通过共地的、铜制的焊盘来热耦合到所述被间隔开的下游自加热的热敏电阻，所述焊盘连接所述PCB的两个表面。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述探头通过包括连接电缆、电子电路和电磁发射机/接收机的组中的一个可操作地连接到所述控制和显示单元。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述控制和显示单元被布置为从由用户按下在所述控制和显示单元上的“计算体积”按钮来选定的时间开始对流体积进行积分、计算和显示。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述控制和显示单元被布置为通过定义“开始”条件来使用软件自动开始对流体积进行积分、计算和显示。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述PCB是柔性的并且使用表面安装技术将组件安装在所述PCB上。