CN108713133A - 声波共振压力与温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器(2)被提供，其具有用于容纳流体(例如空气)的声波谐振器(18)和换能器(22，24)，换能器(22，24)被布置为响应于由电子单元(4)提供给换能器(22，24)的激励信号而将声波信号发射至声波谐振器(18)。电子单元(4)从至少一个换能器(22，24)接收响应信号，且处理激励信号和响应信号以得出声波谐振器的声波信号响应。流体的温度和/或压力可以从声波信号响应得出。更具体地，电子单元(4)能够通过获得声波谐振器(18)中的声波信号的谐振频率得出在声波谐振器(18)中的流体的温度，或者能够从基频及其谐频附近的声波信号响应得出气压。

Description

声波共振压力与温度传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量气压或更一般地流体压力和/或温度的传感器。
背景技术
通过检测气体中的声波信号的传播时间来测量气体温度的温度计是已知的。这种温度计能够快速且准确地响应气体中的温度变化，因为它们的传感元件包括气体本身。此外，这种温度计测量在声波信息的路径中的气体体积的平均温度，不同于在更局部的区域或体积中测量温度的其他温度计类型。
本发明力图提供一种用于测量空气和其他流体的气压和/或温度的新型传感器。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种传感器，包括一谐振器单元，所述谐振单元包括一容纳流体的声波谐振器，所述声波谐振器可实施为促成驻波声波，所述谐振器单元可实施为将电激励信号转换为在所述声波谐振器中的声波信号以建立所述驻波声波，且可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为一电响应信号，以及一耦合至所述谐振器单元的电子单元，所述电子单元可实施为将所述电激励信号提供给所述谐振器单元，且从所述谐振器单元处接收所述电响应信号，处理所述电激励信号和所述电响应信号以确定声波信号响应，且根据所述声波信号响应得出在所述声波谐振器中的所述流体的所述压力和所述温度的一个或多个。
根据本发明的第二方面，提供了一种测量流体的温度和/或压力的方法，包括将一电激励信号应用于至少一个换能器，所述换能器可实施为将所述电激励信号转换为在一声波谐振器中的一声波信号以在所述声波谐振器中建立驻波声波，所述声波谐振器容纳流体，从至少一换能器接收一电响应信号，所述换能器可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为一电响应信号，处理所述电激励信号和所述电响应信号以确定一声波信号响应，以及根据所述声波信号响应确定在所述声波谐振器中的所述流体的所述压力和所述温度中的一个或多个。
根据本发明的第三方面，提供了一种传感器，包括一谐振器单元，所述谐振器单元包括一容纳流体的声波谐振器，所述声波谐振器可实施为促成驻波声波，所述谐振器单元可实施为将电激励信号转换为在所述声波谐振器中的声波信号以建立所述驻波声波，且可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为电响应信号，以及一耦合至所述谐振器单元的电子单元，所述电子单元将所述电激励信号提供给所述谐振器单元，且从所述谐振器单元接收所述电响应信号，所述电子单元包括处理器和存储器，所述存储器包括指令，所述指令由所述处理器执行以执行所要求的方法。
本发明的实施例提供了一种传感器，其可以以紧凑、坚固、有成本效益且易于使用的形式制造，适用于广泛的应用。
本发明的实施例可具有以下特性中的一个或多个：可在非常高和非常低的温度下工作；快速、敏感且准确；几乎不需要定期维护；耗散最小功率；对被测流体造成可忽略的干扰；并在极端环境条件下工作。
本发明的实施例可以集成在欧洲专利公开EP0801311B1中描述的声波共振流体流量计中，其复杂性的增加最小并且具有最小的额外成本。
下面参考附图，仅通过举例的方式，描述具体实施例。
附图说明
图1是本发明的一实施例的传感器的示意性剖视图。
图2是图1中所示的传感器在截面AA或截面BB处的示意图。
图3是本发明的第二实施例的传感器的示意性剖视图。
图4是图3所示的传感器在截面CC处的示意图。
图5是示出声波谐振器的示例性频域信号响应的示图。
具体实施方式
参考图1至图5，用于测量流体的压力和/或温度的传感器2包括电子单元4和谐振器单元6。在该实施例中，所述流体为空气。然而，所述传感器可以利用其他流体进行工作，并且本发明适用范围扩及用于测量一般流体的压力和/或温度的传感器。
电子单元4耦合到谐振器单元6并且被布置成使得谐振器单元6产生在一定频率范围内的声波信号。电子单元4还被布置成利用谐振器单元6的声波信号响应来得出谐振器单元6中的空气的压力和/或温度。在该实施例中，电子单元4包括处理器和具有使得处理器执行下述方法的指令的存储器(未示出)。
谐振器单元6设置有第一反射器10和第二反射器12。反射器10，12为彼此平行布置的圆形板，并且彼此由多个隔开件14间隔一定距离，多个隔开件14围绕反射器10，12的周边间隔设置。四个隔开件14示出在所公开的实施例中。在该实施例中，反射器10，12还彼此同轴，以便定位在假想圆筒的端部。其他形状的反射器10，12也可被提供，且反射器10，12可以以不同的方式(例如通过外部支撑结构或通过附接到容纳有空气的容器或管道的相对侧)间隔。反射器10，12的尺寸不超过建立声波驻波所需的一些最小尺寸，如下所述，因此传感器2的紧凑设计可以容易地实现。
声波谐振器18限定在反射器10，12之间。声波谐振器18在第一方向上被反射器10，12限制，并且声谐振器18在平行于反射器10，12并垂直于第一方向的第二方向上不被限制。在第二方向中，声波谐振器18通常是开放的，并且声波谐振器18的范围由反射器10，12的外周边或边缘有效地限定，尽管声波信号在声波谐振器18的限定范围内不受约束。在图1中，第一方向是垂直的，第二方向是水平的。
声波谐振器18在第二方向上对气流开放并且在任意第二方向上被自由地流过声波谐振器18的空气占据。
谐振器单元6设置有两个换能器22，24。换能器22，24是电声换能器，其响应于所接收的电信号发射声波信号和/或响应于所接收的声波信号输出电信号。换能器22，24可以是任意已知的类型，例如压电、电感或静电换能器。由换能器执行的从电信号到声波信号(反之亦然)的转换基本上是线性的，并且信号本质上是对等的。
换能器22，24中的至少一个作为激励换能器工作。在该实施例中，安装在第一反射器10上的换能器22被布置为作为激励换能器工作，且通过连接引线26耦合到电子单元4。作为激励换能器工作的换能器22被布置为响应于从电子单元4接收的电激励信号而将声波信号发射到声波谐振器18中。所发射的声波信号的频谱成分与电激励信号的频谱成分基本相同。
换能器22，24中的至少一个作为响应换能器工作。在该实施例中，安装在第二反射器12上的换能器24被布置为响应换能器工作，且通过连接引线28耦合到电子单元4。作为响应换能器工作的换能器24被布置为响应于出现在声波谐振器18中的声波信号的接收而向电子单元4输出电响应信号。电响应信号的频谱内容与所接收的声波信号的频谱内容基本相同。
实施例扩展至具有一个或多个换能器22，24的传感器，换能器22，24可以安装在一个或另一个反射器10，12上，或者以任意形式在反射器10，12之间被共享，从而允许传感器2的设计具有相当大的灵活性。在一实施例中，如图3和图4所示，除了上述的两个换能器22，24之外还提供第三换能器30，并且所有三个换能器22，24，30安装在第一反射器10上，使得电子单元4可以直接安装在反射器10的下方，且连接引线26和28(图3中未示出)可以完全封闭在容纳电子单元4的外壳32中。这种布置提供了紧凑、坚固、独立的仪器。
在传感器2的工作过程中，电子单元4给作为激励换能器工作的换能器22提供激励信号且从至少作为响应换能器工作的换能器24接收响应信号。电子单元4根据频率范围内的电激励信号和电响应信号确定声波谐振器18的声波信号响应，电激励信号和电响应信号同时或依次被应用。
由作为激励换能器工作的换能器22发射的在声波谐振器18中的声波信号在反射器10，12处经历多次连续反射，并且基于反射器10，12的距离与声波信号的波长之间的关系，表现出连续反射的相长的或相消的叠加。
在某些频率，声波信号的连续反射相长地叠加，导致声波信号的增强和谐振条件的建立，其中在声波谐振器18的第一方向上形成驻波声波。
多次连续反射的叠加意味着声波信号在共振条件下的有效传播路径比反射器10，12之间的间隙长得多。该路径的放大发生在基频及其谐频上，并提供了一种用于测量声音在宽频率范围内通过空气的传播特性的灵敏机制，其原本在紧凑的仪器中很难获得。
驻波声波发生在声波谐振器18的第一方向上，而不是在没有反射器的第二方向上。因此，建立谐振条件的频率取决于反射器10，12之间的距离，而不取决于声波谐振器18的任何其他尺寸。
图5中示出了谐振器单元6的示例性频域声波信号响应34，其中电响应信号的振幅被绘制为振幅响应36，并且电响应信号相对于电激励信号的相位被绘制为相位响应38，其针对于电激励信号的频率的增加。为了简洁和清楚起见，图5示出了单个谐振频率fr，即固有谐振频率，并且省略了在基频的谐频处发生的谐振的重复模式。在不同实施例中，振幅响应36和/或相位响应38可以用作声波信号响应34。在一些实施例中，时域声波信号响应可等效地用作声波信号响应34。
如图5所示，声波信号响应34通常在谐振频率fr附近显示振幅响应36和相位响应38的突然变化，使得即使在共振条件中的激励信号的频率的最小变化也引起在声波谐振器18的声波信号响应34中的容易检测的变化。通常用于描述频率选择性的度量是品质因子(Q因子)。声波谐振器18的Q因子可以容易地超过200。这个大的Q因子意味着声波谐振器18具有高选择性，并且有效地作为前端窄带滤波器工作，其提供对噪声的抗扰度并提高测量精度。
如下所述，空气的压力和/或温度可以根据谐振器单元6的声波信号响应34确定。
广义地说，空气的气压影响谐振器单元6的振幅响应36，并且实际上对谐振器单元6的谐振频率没有影响。空气的气压可以利用数值的校准曲线或表从所测量的声波信号响应34便利地确定，数值的校准曲线或表把在基频fr和/或基频的谐频fr处的声波信号的振幅与空气的气压联系起来。
更详细地，谐振峰值处的局部最大值(其发生在与基频及其谐频相关联的每个谐振峰值处)可以从振幅响应36识别出，并且局部最大值的大小用于表示在该频率处的声波信号的振幅。
将一个或多个谐振频率处的声波信号的振幅与压力联系起来的数值校准曲线或表可以通过实验得出。校准表中的将在谐振频率及其谐频中的一个或多个处的局部最大信号振幅与压力联系起来的数值暂时设置为统一或任何其他方便的默认值，并保存在传感器的程序存储器中。传感器2放置在高压室(可变压力室)中，其允许压力由操作者精确地设定。高压室中的压力在感兴趣的范围内逐渐改变，并且由传感器2使用校准表确定的压力值和由高压室显示的真实压力在多个不同的压力处记录。从由传感器显示的压力值中减去真实压力，得出误差值，其可用于调整校准表中的数值。该过程重复以调整校准表中的数值以将误差值减小到可接受的限度以下。
空气的温度影响谐振器单元6的谐振频率。空气的温度可以方便地由一谐振频率确定，该谐振频率通常是固有谐振频率fr的低次谐频或者基频fr本身。
更详细地，空气的绝对温度T，以开尔文为单位，可以通过以下表达式以良好的精确度确定：
T＝{(2*D*fr(n)/n)2+ua 2}*k
其中
D是声波谐振器18的反射器10，12之间的距离，单位为米(m)
fr(n)是声波谐振器18的谐波nth的频率，单位为赫兹(Hz)。应理解，fr(1)表示基频，即fr(1)＝fr。
n是谐波指数，一大于0的无量纲整数
ua是在垂直于驻波的第二方向上的空气速度，单位为米/秒(m/s)
k为一常数。
k的值取决于被测流体的组分，且在空气的情况下，该值还受湿度的影响。
对于任何流体，合适的k值可以通过实验得出，如下所述，k暂时设置为统一或任何其他方便的默认值并保存在传感器的程序存储器中。传感器2放置在容纳流体的环境室(可变温度和湿度室)中，其允许温度和湿度由操作者精确地设定。环境室中的温度在感兴趣的范围内逐渐改变，并且由传感器2使用上述表达式计算的温度值和环境室显示的环境的真实温度在多个不同的温度处记录。从由传感器2提供的温度值中减去真实温度，得出误差值，其可用于调整存储在程序存储器中的k值。如果误差值为正，则k减小必要量以将误差值降低到可接受的限度以下。相反，如果误差值为负，则k相应地增加。
在整个实验过程中，湿度在任意所需值处保持恒定。
该实验可以在不同的湿度值下重复，以便得出适用于不同湿度环境以及干燥空气的k值表。然后空气湿度的测量可以用来选择要使用的k的恰当值。或者，传感器2可以仅使用单一k值，该单一k值例如基于传感器2将被用于的环境中的预期湿度来选择。
因此，在本发明的实施例中，所测量的空气速度ua用于计算空气的温度T。该测量可以由能够测量空气速度的任何传感器执行：在欧洲专利公开EP0801311A中描述了一种这样的装置。
在一些实施例中，传感器2可以设计有挡板或其他结构，其降低第二方向上的空气速度，以使空气速度对所计算的温度T的影响最小化。
为了简化计算，并且为了避免测量空气速度的需要，在一些实施例中，空气速度ua的估计值可用于计算温度T。在一些实施例中，所估计的空气速度为零。这可能是合适的，例如，在空气静止或主要静止的情况下，例如在房间内或封闭的容器内，或者可以接纳的减小精确度。
本发明利用欧洲专利公开EP0801311A中公开的流量计所使用的相同的声波共振的物理现象。实施例可以使用与欧洲专利公开EP0801311A中公开的上反射器和下反射器以及相同的换能器相同的布置。
此外，实现所公开的传感器2所需的电子电路可以在同一仪器中容易地实现。因此，欧洲专利公开EP0801311A中公开的流量计的实施例和本发明的传感器2可以组合并共享在一个仪器中的所有硬件，因此，其以较小的额外成本和复杂性测量流体流速以及流体的温度和/或压力。
其他变化和修改对于技术人员将是明显的。这些变化和修改可以涉及已知的等效和其他特征以及可以代替这里描述的特征，或者除了这里描述的特征之外。在单独实施例的上下文中描述的特征可以以单个实施例的组合提供。相反，在单个实施例的上下文中描述的特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。
应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件，术语“一”或“一个”不排除多个，单个特征可以实现权利要求中记载的多个特征的功能，且权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。还应注意的是，附图不一定按比例绘制；相反，重点通常放在说明本发明的原理上。

Claims (11)

1.一种传感器，包括：
一谐振器单元，所述谐振单元包括一容纳流体的声波谐振器，所述声波谐振器可实施为促成驻波声波，所述谐振器单元可实施为将电激励信号转换为在所述声波谐振器中的声波信号以建立所述驻波声波，且可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为一电响应信号，以及
一耦合至所述谐振器单元的电子单元，所述电子单元可实施为将所述电激励信号提供给所述谐振器单元，且从所述谐振器单元处接收所述电响应信号，处理所述电激励信号和所述电响应信号以确定声波信号响应，且根据所述声波信号响应得出在所述声波谐振器中的所述流体的压力和温度的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电子单元可实施为根据所述声波信号响应确定所述驻波声波的谐振频率，且根据所述谐振频率确定所述流体的所述温度。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述电子单元可实施为确定在所述电激励信号的一频率范围内的所述声波信号响应，且根据所述声波信号响应确定所述驻波声波的所述谐振频率，所述谐振频率为一具有最大局部振幅响应的频率。
4.根据上述权利要求中的任意一项权利要求所述的传感器，其特征在于，所述电子单元可实施为利用通过所述声波谐振器的所述流体的流速的值来确定所述流体的所述温度。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述电子单元可实施为测量通过所述声波谐振器的所述流体的所述流速，且将所测量的所述流体的流速用作所述流体的所述流速的值。
6.根据上述权利要求中的任意一项所述的传感器，其特征在于，所述声波谐振器包括一第一反射器和与所述第一反射器间隔的一第二反射器，其中所述第一反射器和第二反射器限定了所述声波谐振器的边界，使得所述声波谐振器可实施为在所述第一反射器和第二反射器之间促成所述驻波声波。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述电子单元可实施为利用所述驻波声波的谐振频率和所述第一反射器和所述第二反射器之间的距离确定所述流体的所述温度。
8.根据上述权利要求中的任意一项所述的传感器，其特征在于，所述声波谐振器包含一气体，且所述电子单元可实施为确定在所述电激励信号的一频率范围内的所述声波信号响应以及根据所述声波信号在所述基频及其谐频的一个或多个处的振幅确定所述气体的所述压力，所述在所述基频及其谐频的一个或多个处的振幅从所述声波信号响应得出。
9.根据上述权利要求中的任意一项所述的传感器，其特征在于，所述谐振器单元包括一个或多个换能器，每个换能器可实施为将所述电激励信号转换为在所述声波谐振器中的所述声波信号，和/或可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为电响应信号。
10.一种测量流体的温度和/或压力的方法，包括：
将一电激励信号应用于至少一个换能器，所述换能器可实施为将所述电激励信号转换为在一声波谐振器中的一声波信号以在所述声波谐振器中建立驻波声波，所述声波谐振器容纳流体，
从至少一换能器接收一电响应信号，所述换能器可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为一电响应信号，
处理所述电激励信号和所述电响应信号以确定一声波信号响应，以及
根据所述声波信号响应确定在所述声波谐振器中的所述流体的所述压力和所述温度中的一个或多个。
11.一种传感器，包括：
一谐振器单元，所述谐振器单元包括一容纳流体的声波谐振器，所述声波谐振器可实施为促成驻波声波，所述谐振器单元可实施为将电激励信号转换为在所述声波谐振器中的声波信号以建立所述驻波声波，且可实施为将在所述声波谐振器中的所述声波信号转换为电响应信号，以及
一耦合至所述谐振器单元的电子单元，所述电子单元将所述电激励信号提供给所述谐振器单元，且从所述谐振器单元接收所述电响应信号，所述电子单元包括处理器和存储器，所述存储器包括指令，所述指令由所述处理器执行以执行权利要求10所述的方法。
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