CN111630360A - 用于确定流体的至少一个热特性,特别是体积热容和热导率的测量装置 - Google Patents

用于确定流体的至少一个热特性,特别是体积热容和热导率的测量装置 Download PDF

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Abstract

一种用于确定流体的至少一个热特性，特别是体积热容和热导率，的测量装置(1)，其中，所述测量装置包括热特性传感器(3)和评估单元(2)，其中，所述评估单元(2)适于根据由热特性传感器(1)确定的测量信号来确定所述热特性，其中，热特性传感器(3)包括加热器(4)、第一温度传感器(5)和第二温度传感器(6)；其中，热特性传感器(3)包括具有开口(8)的安装板(7)，其中，加热器(4)、第一温度传感器(5)和第二温度传感器(6)被布置在开口(8)上方或内部。

Description

用于确定流体的至少一个热特性，特别是体积热容和热导率 的测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体的至少一个热特性的测量装置。
背景技术
在WO 2015/074833 A1中特别描述了根据本发明的测量装置。该测量装置设置有第一和第二传感器元件。第二传感器元件是可用于确定粘度的悬臂，以及第一传感器元件是可以测量体积热容和热导率的热特性传感器。
热特性传感器设置有加热器和两个温度传感器，其中，一个温度传感器与加热器的距离比第二温度传感器大。测量装置包括支撑板，第一和第二传感器元件安装在该支撑板上。为了悬臂的振动，支撑板设置有开口。加热器以及第一和第二温度传感器被直接附接到支撑表面的闭合部分。
WO2016/202538A1，特别是在图6中公开了另一种测量装置。支撑板设置有开口，该开口也可被限定为窗口。加热器和第一温度传感器被放置在开口内部并且彼此间隔开。
要解决的问题是提供一种测量装置，与现有技术相比，该测量装置能够以更高的精度确定流体的至少一个热特性。
发明内容
本发明提供了一种利用具有权利要求1的特征的测量装置解决该问题的方案。
本发明的用于确定流体的至少一种热特性，特别是体积热容和热导率的测量装置，包括热特性传感器和评估单元。
评估单元适于根据由热特性传感器确定的测量信号来确定热特性。
传感器元件包括加热器、第一和第二温度传感器。
热传感器元件进一步包括具有开口的安装板。
根据本发明，加热器、第一温度传感器和第二温度传感器位于开口上方或内部。
根据本发明，以上内容应被限定为：上述加热器和两个温度传感器位于开口上方或下方。加热器和两个温度传感器可以优选地以这样的方式被定位到开口，使得一个温度传感器的至少一部分，加热器和第二温度传感器的至少一部分或这两个元件中的每一个元件的一部分基本上被流体包围，使得与WO2015/074833A1相比，提高了精度。
第一温度传感器位于距加热器的第一距离处，该第一距离至少为20μm，优选地至少为45μm，最优选地为50-200μm。
加热器和第二温度传感器被定位在一起。它们可以直接连接在一起。
它们可以优选地位于用于将加热器和第二温度传感器保持在开口上方或内部的支撑件上。这增强了这些元件的稳定性。优选地第一温度传感器与支撑件之间隔开。
由从属权利要求的主题公开了测量装置的其他优选实施例。
安装板可包括在第一平面上延伸的主表面，并且其中开口限定开口沿着第一平面的最大横截面宽度和开口垂直于第一平面的深度，其中，深度小于开口的宽度，优选地小至少3倍，最优选地小至少8倍。因此，安装板不能与测量管的设计相比较。
有利的是，安装板包括至少一个或多个闭合的侧表面，优选地在垂直于第一平面的方向上延伸。优选地，这可以意味着由侧表面限定的平面可以垂直于第一平面。根据本发明，在垂直方向上延伸也可以包括：侧表面相对于主表面以倾斜角度延伸，但仅一个矢量垂直于主表面。
安装板可优选地具有环形形状。根据本发明的环形形状可以具有圆形主表面，但也可以具有矩形主表面，所有的主表面都具有中心开口。
第一板10处的开口的表面小于安装板的主表面的60％，优选地小于40％。因此，在第一平面中安装板的主表面是环形的，并且形成框架和/或被开口的表面包围。
优选地，安装板包括在第一平面上延伸的所述主表面，并且其中，加热器、第一温度传感器和第二温度传感器都位于所述第一平面上或在平行于第一平面的平面上。
第一和第二温度传感器，优选地还有加热器，至少部分地彼此平行地延伸。至少第一和第二温度传感器以及优选地还有加热器可以是在开口上方或内部彼此平行延伸的导线。
第一和第二温度传感器被设置为加热器的框架状结构，其中，第二温度传感器被设置在围绕加热器的第二框架状设计中，并且其中，第一温度传感器被设置在围绕第二温度传感器的第一框架状设计中，其中，第一框架状设计与第二框架状设计之间隔开。
第一框架状设计和第二框架状设计之间的距离优选在框架的所有位置处是一致的。
第一和第二框架状设计可以具有矩形方形，特别是正方形或圆形形式。
附图说明
通过附图进一步详细说明本发明的有利实施例。下面描述的实施例的特定部分可以理解为单独的特征，该单独的特征也可以在本发明的测量装置的其它实施例中实现。由实施例描述的特征的组合不应理解为对本发明的限制：
图1：测量装置的第一实施例的示意图的俯视图；以及
图2：测量装置的第二实施例的示意图的俯视图；
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的测量装置1的示意图。其包括热特性传感器2和评估单元3。
测量装置1适于确定流体的至少一个热特性，特别是体积热容和热导率。这种热特性可以作为信息提供给用户，或者它可以用于进一步确定另外的值，诸如确定多组分混合物的浓度、体积分数、质量分数和/或分压，其中，流体是所述多组分混合物。多组分混合物可以优选地由2-6种组分组成。
其它可能性是基于所确定的热特性生成用于调节过程的诸如阀的控制机构的命令。
所确定的热特性值可以用于许多其它应用。
上述流体可以是液体或优选地是气体或蒸汽。
评估单元2适于根据由热特性传感器3确定的测量信号来确定热特性。热特性传感器3包括加热器4、第一温度传感器5和第二温度传感器6。
评估单元可以使用温度振荡技术(TOT)来操作加热器4。该刺激可以通过加热器4的谐波振荡来完成。
由第一和第二温度传感器1测量相位偏移和振幅作为测量信号。通过应用算法将第一温度传感器5的相位偏移和振幅与第二温度传感器6的相位偏移和振幅进行比较，该算法在评估单元2的存储装置(未示出)中被提供作为数据集。
热特性传感器3包括安装板7(也被称为传感器本体)，其具有在第一平面10上延伸的正方形主表面，该第一平面在图1中是图纸平面。安装板7可以是整体式本体。安装板设置有开口8，该开口8在图1和图2中位于安装板7的正方形表面的中心。
加热器、第一温度传感器和第二温度传感器可以被布置在开口8内部。可替选地，这些元件可以在开口上方。上述可以优选地意味着元件被设置在安装板7的主表面处，使得元件4-6利用其自身的传感器本体部分地覆盖开口。
传感器本体，即所谓的安装板7，包括在第一平面10上延伸的主表面。开口8限定了开口8沿着第一平面10的最大横截面宽度9和开口垂直于第一平面10的深度(未示出)，其中，该深度小于开口8的宽度9。
安装板7包括至少一个或多个闭合的侧表面11，优选地在垂直于第一平面10的方向上延伸。在一个侧表面的情况下，安装板8的主表面可以是圆形或椭圆形。闭合意味着侧表面11不具有像主表面的开口8那样的开口。
在图1中，示出了具有表示加热器、第一和第二温度传感器的独立导线的热特性传感器。中间的导线表示加热器，另外两个导线是温度传感器。
在图1所示的实施例中，温度传感器中的一个(第二温度传感器6)被附接在加热器上，而另一个温度传感器(第一温度传感器5)与加热器具有优选为50-200μm，最优选为80-120μm的较短距离。开口8是形成于传感器的本体中的腔，该传感器的本体也被称为安装板7，具有矩形形式，特别是优选尺寸为0.2-4mm2，最优选为0.5-2.0mm2。的正方形形式
传感器的工作原理被认为是温度振荡技术(TOT)，并且可以通过使用有限元法(FEM)研究响应。
由于每个温度传感器在温度振荡技术下的响应是振幅，因此可以从所述温度传感器的相位差(所谓的等振幅和等相位的响应)导出热特性(体积热容和热导率)，并且可以导出传感器元件的特性曲线。
令人惊讶地发现，使用图1和图2所示的热特性传感器，温度振幅和相位对每种流体热特性的灵敏度更高。此外，如果两个等曲线在多于一个位置彼此交叉，则甚至可以识别传感器响应的模糊性。此外，该信号可以用作通过从温度传感器5和6找到两条等曲线(振幅和相位)的交叉点来导出热导率和体积热容的图形方法。
所提出的第二种传感器设计还考虑了来自点源的球形热分布。它由较小的矩形加热器4′和两个矩形环、第二温度传感器6′和第一温度传感器5′组成。第二传感器6′被附接在加热器上。这种设计的一个优点是具有精确解析解的球形热分布。另一个优点是对传感器本体的热损失非常低，这在图1的线基设计中是重要的。加热器4′和第二温度传感器6′也被定在一起，并且第一温度传感器5′的距离优选50-200μm、最优选80-120μm。
如图2所示，加热器4′位于腔或开口8的中心。温度传感器5和6具有同心矩形的形状，但是它们也可以具有其他同心形式。
对于所提出的图2所示的第二种设计，两个测量概念呈现出良好的特性。首先，第二温度传感器6′在较低激励频率(例如188(rad/s))下的温度信号，振幅和相位等曲线两者显示出相对均匀的分布并且没有模糊性。
类似地，作为外部环的第一温度传感器5显示出两个等曲线的更均匀的分布。传感器在两个测量概念中的灵敏度被认为是可比较的，并且与其它传感器设计相比是优异的。
因此，热特性传感器可以非常灵敏地确定基于导线或基于环的设计中的热导率和体积热容(k，ρcp)。
如上所述，传感器可以在TOT原理下操作，但是可以用于任何已知的工作原理(稳态、TOT、瞬态)。
基于矩形环的传感器也可以具有其它形式，例如圆形。然而，环优选地应该彼此同心，意味着它们应该具有相同的中心。在优化设计中，加热器具有与环(圆形、矩形、三角形，...)相同的形式，但是不同的尺寸。
两个是基于导线的传感器设计的最有利的主测量量。对于来自170-200(rad/s)，最优选来自185-190(rad/s)的低激励频率的温度传感器的温度振幅和相位，以及对于中激励角频率为500-600(rad/s)，最优选地为550-570(rad/s)的振幅和第二温度传感器6和第一温度传感器5之间的相位差。
类似地，两个是基于环的传感器最有利的主测量量。
建模方法的方法可以从A.Bardalis，S.Stingelin和APfau的“Measurement ofGas Thermal Properties Using the Parametric Reduced-Order Modeling Approach(使用参数降阶建模方法测量气体热特性)”，IEEE传感器杂志，2016年6月，第12期，第16卷，第4704-4714页的文章中导出。
通常，图1和图2的特性传感器可以在至少两个不同的角激励频率(大约188rad/s的较低角激励频率和中角激励频率)下运行。
更一般地，第一角激励频率可以为150-200rad/s，并且第二角激励频率可以为所述第一角激励频率的至少两倍高，更优选地2.5-3.2倍高。
图3a提供了由图1的第二温度传感器6测量的主测量量温度的曲线图。激励角频率为188rad/s。
图3b提供了在188rad/s的激励角频率下的主测量量温度振幅和两个温度传感器5和6之间的相位差的曲线图。
从图3a可以导出第二温度传感器的响应，而在第二个图3b中，示出了振幅和图1的两个温度传感器5和6之间的相位差。两个主测量值(振幅和相位)都取决于两个特性(体积热容和热导率)，而对于此特性的范围，没有显示出任何模糊性。
图3a和3b中示出了呈现良好结果的两个测量概念。图3a和3b中的等高线图示出了等振幅和等相位相对于流体热特性的响应。它们是针对热导率和体积热容的不同组合模拟传感器而导出的。等高线图是在温度振荡技术下操作的传感器的一种特性曲线。该图显示了每个主测量量(温度振幅和相位)对每个流体热特性的依赖灵敏度。此外，如果两个等曲线正在多于一个位置彼此交叉，则甚至可以识别传感器响应的模糊性。此外，等高线图可用作通过找到两条等曲线(振幅和相位)的交叉点来导出热导率和体积热容的图形方法。
同样地，图4a示出了图2的第二温度传感器6′上的主测量量温度，激励角频率是188rad/s。
图4b描绘了主测量量温度振幅和图2的两个温度传感器5′和6′之间的相位差。激励角频率为188rad/s。
对于所提出的图2的第二种建议设计，两个测量概念呈现出图4a和4b的良好特性。首先，，通过使用第二温度传感器6′在188rad/s的较低激励频率下的温度，振幅和相位等曲线两者显示出相对均匀的分布并且没有模糊性。
类似地，作为外部环的第一温度传感器5′显示出两个等曲线更均匀的分布。传感器在两个测量概念中的灵敏度都被认为是可比较的。

Claims (14)

1.一种用于确定流体的至少一个热特性，特别是体积热容和热导率，的测量装置(1)，其中，所述测量装置包括热特性传感器(3)和评估单元(2)，其中，所述评估单元(2)适于根据由所述热特性传感器(1)确定的测量信号来确定所述热特性，
其中，所述热特性传感器(3)包括加热器(4、4′)、第一温度传感器(5、5′)和第二温度传感器(6、6′)；
其特征在于：所述热特性传感器(3)包括具有开口(8)的安装板(7)，
其中，所述加热器(4、4′)、所述第一温度传感器(5、5′)和所述第二温度传感器(6、6′)被布置在所述开口(8)上方或内部；
其中，加热器(4、4′)和第二温度传感器(6、6′)一起被定位于在所述开口上方或内部，以及
其中，所述第一温度传感器(5、5′)被定位成距所述加热器(4、4)第一距离，其中，所述第一距离为至少20μm。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述第一距离为至少45μm。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：所述第一距离为至少50-200μm。
4.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述安装板(7)包括在第一平面(10)上延伸的主表面，并且其中，所述开口(8)限定了所述开口(8)沿着所述第一平面(10)的最大横截面宽度(9)和所述开口(8)垂直于所述第一平面(10)的深度，其中，所述深度小于所述开口(8)的宽度(9)，优选地小至少3倍。
5.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述安装板(7)包括至少一个或多个闭合的侧表面(11)，优选地所述侧表面在垂直于所述第一平面(10)的方向上延伸。
6.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述安装板(7)具有环形形状。
7.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述开口(8)在所述第一平面(10)处的表面小于所述安装板(7)的所述主表面的所述表面的60％，优选小于40％。
8.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述热特性传感器(3)能够在至少两个角激励频率下运行，其中，第一角激励频率可以为150-200rad/s，并且第二角激励频率可以为所述第一角激励频率的至少两倍高，更优选地为2.5-3.2倍高。
9.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述安装板(7)包括在第一平面上方延伸的所述主表面，并且其中，所述加热器(4、4′)、所述第一温度传感器(5、5′)和所述第二温度传感器(6、6′)基本上在相同平面上，所述相同平面是所述第一平面(10)或与所述第一平面(10)平行的平面。
10.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述第一温度传感器(5、5′)和所述第二温度传感器(6、6′)，优选地还有所述加热器(4、4′)，至少部分地彼此平行地延伸。
11.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：至少所述第一温度传感器(5)和所述第二温度传感器(6)，以及优选地还有所述加热器(4)，是在所述开口(8)上方或内部彼此平行延伸的导线。
12.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述第一温度传感器(5′)和所述第二温度传感器(6′)被设置为所述加热器(4′)的框架结构，其中，所述第二温度传感器(6′)是围绕所述加热器(4′)的第二框架状设计，并且其中，所述第一温度传感器(5′)是围绕所述第二温度传感器(6′)的第一框架状设计，其中，所述第一框架状设计与所述第二框架状设计相距一定距离。
13.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述第一框架状设计和所述第二框架状设计之间的距离在所述框架的所有位置处是一致的。
14.根据前述权利要求中的一项所述的测量装置，其特征在于：所述第一框架状设计和所述第二框架状设计可以具有矩形形式，特别是正方形或者圆形形式。
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