CN111801486A - 快速响应温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本文提供了一种温差传感器，其利用多个温度传感器以减少的响应时间而快速且准确地计算周边流体温度。所提供的系统和方法利用第一流体温度传感器和第二探头温度传感器来解决装置对周围流体温度的热影响以及装置内的热量或者探头与流体温度之间的温差对流体传感器测量的影响。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月18日提交的申请号为62/619,009的美国临时专利的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
流体监测和分析在包括水产养殖、石油和天然气、采矿、环境分析的各种行业或流体参数在设计或运营中发挥作用的任何行业中都起着关键作用。温度通常是各种应用和分析的重要参数。
当浸入流体中时，传感器本身的热效应常常使流体主体的精确温度测量复杂化。例如，从炎热的环境取出的仪器(例如，在温暖的一天中在车内进入相对冷的水中)最初将产生非常不准确的温度测量。为了补偿传感器和流体之间的热差以及仪器本身造成的任何影响，必须为温度提供用于稳定的时间，这称为温度响应时间。通常，取决于温度、传感器尺寸和所需的温度读数精度，温度响应时间可以高达20分钟或更高。高响应时间会导致效率低下，包括由于等待温度稳定而增加的操作时间。
当前，一些常规的探测器设计在某种程度上减少了温度响应时间。例如，探测器可能会使用一个细长的温度传感器，该传感器延伸到水中，因此周围水的热传递要远大于从仪器热质量的热传递。这样可以提供良好的结果，并将温度稳定降低到几分钟，但是这种常规的探测器温度传感器占用大量空间，并且更容易弯曲和折断。细长的温度传感器也很难与现代雨刷器清洁系统一起使用。
其他已知的探测器可以采用预测温度测量。在这样的已知系统和方法中，预测温度测量涉及随时间获取多个温度读数并使用预测算法来确定稳态温度。该方法使用随时间变化的顺序读数，并查看一个读数与另一个读数之间的差异，以预测温度稳定后的读数。这些探测器具有一个温度传感器，该温度传感器嵌入探测器的端部，并且与周围的水没有金属到流体的接触。
从前述内容可以看出，在本领域中仍然需要具有改进的响应时间的温度传感器，以允许更频繁和有效地获取准确的读数。
发明内容
本文提供了具有减少的温度响应时间的温度探头，从而迅速获得准确而可靠的温度。这是通过对温度传感器的特殊定位来实现的，该温度传感器可测量液体温度，而热障则可将温度传感器热隔离于温度探头的其余部分。多温度传感器配置可实现进一步的改进，从而以减少的响应时间来快速准确地计算环境流体温度。系统和方法可以利用第一流体温度传感器来测量流体(例如，液态水)的温度，并且利用第二装置温度传感器来解决设备或探头对周围流体温度的热影响以及装置内的热量对流体传感器测量的影响。该配置通常可以被称为温差传感器。
与探头的其余部分或装置热隔离的液体温度传感器(“第一温度传感器”)具有许多优点。温度传感器可以与相对较小的热质量相关联，从而使温度的热经历最小化。温度传感器可以在几何上构造成最大化暴露于周围流体的表面积，从而进一步增加响应时间。热隔离还最大程度地减少了探头的其他部分(包括电源、电子器件)对温度测量的热影响，并且将测量装置温度的第二温度传感器热隔离于第一温度传感器。第二温度传感器可进一步改善温度响应时间。
所描述的探头和传感器是通用的，并且可以在包括地表、深水、含水层、井或其他应用的一系列应用中与包括水在内的多种流体一起使用。该系统和方法在静止和流动的流体主体中都是可使用的，包括从固定位置浸入静止或流动的水中，或从诸如船的运动交通工具拖曳到水中。
本文提供的任何探头都可以是独立装置，也可以并入另一个装置中。例如，探头可以是传感器的一部分，例如探测器传感器或具有多个传感器的多参数探测器，其中至少一个传感器是对应于本文提供的任何探头的温度传感器。在以下任何一项或多项中提供了探测器传感器和多参数探测器的具体示例：美国专利9,689,855、2016/0146777、9,835,554、9,778,180、2017/0176183和D755655，其通过引用特别地并入本文以用于探测器传感器、探测器基部、多参数探测器以及相关部件的参考。
本文提供了一种具有用于测量水温度的快速响应时间的温度探头，包括：i)形成内部容积并具有远端的仪器壳体；ii)第一温度传感器，其位于所述仪器壳体的远端或从所述仪器壳体的远端延伸；iii)位于所述仪器壳体内部容积内的第二温度传感器；iv)热障，其热定位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以使所述第一温度传感器热隔离于仪器热质量。
绝缘层可以包括超轻超绝缘材料，超轻超绝缘材料由陶瓷、聚合物、碳、金属、碳化物中的一种或多种形成，例如气凝胶、包括
气凝胶(Aerogel Technologieswww.airloy.com)。
本文还提供了使用本文描述的任何装置或探头来确定流体温度的方法。例如，该方法可以包括以下步骤：a)将温度探头浸没在流体中，其中，所述探头包括：i)位于温度探头的远端的第一流体温度传感器；以及ii)位于探头内部容积内的第二仪器温度传感器；b)确定第一温度传感器与周围流体之间的热阻(R1)与第二温度传感器和第一温度传感器之间的热阻(R2)的比率(R1/R2)；c)用第一温度传感器测量第一温度；d)用第二温度传感器测量温度探头的温度；e)根据所测得的第一温度、所测得的仪器温度以及比率R1/R2来确定流体温度。比率R1/R2可以凭经验确定，包括由制造商针对各种条件在使用前或使用中由用户或由仪器确定。
还提供了一种具有用于测量水温度的快速响应时间的温度探头，包括：i)形成内部容积并具有远端的仪器壳体；ii)第一温度传感器，其位于仪器壳体的远端或从仪器壳体的远端延伸；iii)热障，其热定位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以将第一温度传感器与仪器热质量热隔离。
本文提供了示例性权利要求，其包括但不限于以下特定的非限制性实施例：
1.一种用于测量流体温度的具有快速响应时间的温度探头，包括：形成内部容积并具有远端的仪器壳体；第一温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述远端或从所述仪器壳体的所述远端延伸；第二温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述内部容积内；和热障，其热定位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以使所述第一温度传感器热隔离于仪器热质量。
2.根据实施例1所述的温度探头，还包括：具有远端和近端的传感器平台，其中，所述第一温度传感器位于所述传感器平台的所述远端，并且所述传感器平台的所述近端连接至或穿过所述仪器壳体的所述远端。
3.根据实施例2所述的温度探头，其中，所述仪器壳体包括探测器基部，并且所述传感器平台包括探测器传感器，所述探测器传感器被配置为能够操作地连接至所述探测器基部。
4.根据实施例2或3所述的温度探头，其中，所述第二温度传感器位于所述传感器平台内或位于所述探测器基部内。
5.根据实施例1-4中任一项所述的温度探头，其中，所述热障包括位于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的绝缘层，从而将所述第二温度传感器热隔离于所述第一温度传感器。
6.根据实施例1-5所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器是传感器平台的一部分，所述传感器平台具有用于感测流体温度的远端和连接至所述仪器壳体的近端，其中，所述绝缘层至少部分地围绕所述传感器平台的所述近端。
7.根据实施例1-6所述的温度探头，其中，所述绝缘层包括刚性气凝胶。
8.根据实施例1-7所述的温度探头，其中，所述绝缘层包括由陶瓷、聚合物、含碳材料、金属、碳化物或它们的任意组合中的一种或多种形成的超轻超绝缘材料。
9.根据实施例1-8中任一项所述的温度探头，其中，所述热障的热导率在18-35mW/m-K之间。
10.根据实施例1-9所述的温度探头，还包括电子组件和位于所述内部容积中的灌装材料，其中，所述第二温度传感器位于所述灌装材料中。
11.根据实施例10所述的温度探头，其中，所述灌装材料包括固体和/或凝胶状化合物，例如热固性塑料和/或硅橡胶凝胶。
12.根据实施例1-11所述的温度探头，其中，所述第二温度传感器沿着所述仪器壳体的所述内部容积的中心线轴线而定位。
13.根据实施例3或4所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器与所述探测器基部的分离距离大于或等于1cm并且小于或等于50cm。
14.根据实施例1-14中任一项所述的温度探头，其中，所述快速温度响应时间的特征在于，当浸入流体中少于2分钟时，其达到最终温度值的90％或更优并且所述温度探头具有为±0.2℃或更优的精度温度。
15.根据实施例1-14所述的温度探头，其中，当浸入流体中少于20秒时，其温度响应时间为最终值的90％或更优，并且所述温度探头的温度精度为±0.2℃或更优。
16.根据实施例1-15所述的温度探头，还包括：处理器，所述处理器能够操作地连接到所述第一温度传感器和所述第二温度传感器，其中，在液体环境中的使用期间，所述处理器接收来自所述第一温度传感器的第一温度输出和来自所述第二温度传感器的第二温度输出，并确定周围液体环境的液体温度。
17.根据实施例16所述的温度探头，其中，所述处理器基于以下公式确定流体温度：
其中：
T流体是流体温度，
T1是来自所述第一温度传感器的所述第一温度输出，
T2是来自所述第二温度传感器的所述第二温度输出，
R1是所述第一温度传感器和所述流体之间的热阻；并且
R2是所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的热阻。
18.根据实施例17所述的温度探头，其中，R1/R2是在使用前凭经验确定的。
19.根据实施例17-18中任一项所述的温度探头，其中，R1/R2的值大于或等于0.05且小于或等于0.5。
20.根据实施例1-19中任一项所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器以分离距离分离于所述仪器壳体，所述分离距离由高表面积和薄壁热导体形成。
21.根据实施例20所述的温度探头，其中，所述薄壁热导体的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1cm。
22.根据实施例20-21所述的温度探头，其中，所述薄壁热导体包括钛。
23.根据实施例3所述的温度探头，其是多参数探测器的一部分，所述多参数探测器包括多个独立的探测器传感器，每个所述探测器传感器能够操作地连接到所述探测器基部。
24.一种确定流体温度的方法，包括以下步骤：将温度探头浸入流体中，其中所述探头包括：位于所述温度探头的远端的第一温度传感器；位于所述探头的内部容积内的第二温度传感器；确定所述第一温度传感器与周围流体之间的热阻(R1)和所述第二温度传感器与所述第一温度传感器之间的热阻(R2)的比率(R1/R2)；用所述第一温度传感器来测量第一温度；用所述第二温度传感器来测量探头温度；和根据测得的所述第一温度、测得的所述探头温度以及所述比率R1/R2来确定所述流体温度。
25.根据实施例24所述的方法，其中，使用以下公式来执行确定所述流体温度的步骤：
其中，T流体是所述流体温度，T1是所述第一温度，并且T2是所述探头温度。
26.根据实施例24-25中任一项所述的方法，还包括：将所述第一温度传感器热隔离于所述第二温度传感器的步骤。
27.根据实施例24-26中任一项所述的方法，其特征在于，浸入时间小于或等于20秒且温度精度在0.2℃以内，所述温度探头的温度响应时间为最终值的90％。
28.一种用于测量流体温度的具有快速响应时间的温度探头，包括：形成内部容积并具有远端的仪器壳体；第一温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述远端或从所述仪器壳体的所述远端延伸；和热障，其至少部分地位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以将所述第一温度传感器热隔离于所述仪器壳体。
29.根据实施例28所述的温度探头，还包括：具有远端和近端的传感器平台，其中，所述第一温度传感器位于所述传感器平台的所述远端，并且所述传感器平台的所述近端连接至所述仪器壳体的所述远端。
30.根据实施例28-29所述的温度探头，其中，所述热障至少部分地围绕所述传感器平台的所述近端。
31.根据实施例28-30中任一项所述的温度探测头，其中，所述热障包括刚性气凝胶。
32.根据实施例28-31中任一项所述的温度探头，其中，所述热障包括超轻超绝缘材料，所述超轻超绝缘材料由陶瓷、聚合物、含碳材料、隔热金属、碳化物或它们的组合中的一种或多种形成，并且热导率在18-35mW/m-K之间。
不希望受任何特定理论的束缚，本文中可能存在对与本文所公开的装置和方法有关的基本原理的信念或理解的讨论。需要认识到，不管任何机械学解释或假设的最终正确性如何，本发明的实施例仍然可以是有效的和有用的。
附图说明
图1是具有两个温度传感器的温度探头的截面图，其中第一温度传感器(例如，传感器热敏电阻)用于测量探头周围的液体中的温度，第二温度传感器(例如，仪器热敏电阻)用于测量探头仪器的温度。温度传感器彼此热隔离。
图2是双温度探头的示意性截面图。
图3是示出图1-2中所示的双温度探头的热回路模型的示意图。
图4是图3的简化热回路模型。
图5是来自图4的回路的对应数学模型。
图6A是具有多个传感器的多参数探测器的立体图，所述多个传感器包括本文所述的任意快速响应温度探头。图6B是图6A的快速响应温度探头的温度传感器(“第一”温度传感器)的远端的近视图。改编自美国专利9,835,554。
图7是根据本公开的实施例的用于确定流体的温度的方法的流程图。
具体实施方式
通常，本文所使用的术语和短语具有其本领域公认的含义，其可以通过参考本领域技术人员已知的标准文本、期刊参照物和上下文来找到。提供以下定义以阐明其在本发明的上下文中的特定用途。
“远”和“近”是指朝向或远离仪器主体的方向。例如，用于测量液体温度(例如水温)的温度传感器位于远端、在远端传感端上或朝向远端传感端。用于测量探头温度的温度传感器位于流体测量温度传感器的近端。
“热障”是指作为绝热材料并且被定位成以减少从一个区域到第二区域的热流的材料。“热隔离”是指部件之间的热障的位置，以阻止部件之间的热传递。例如，热障可以使热导率降低约50％、75％、90％、95％、99％或更大。本发明与任何数量的热障材料兼容，包括具有约18至35mW/M-K的热导率的那些，例如气凝胶、陶瓷、聚合物、含碳材料、碳化物及其任意组合。
“探测器”是指测量一种或多种水性质的仪器。探测器可以是具有多个独立探测器传感器的多参数探测器，包括与本文描述的任何装置和方法一起使用，包括与在美国专利号9,689,855、9,835,554、9,778,180和D755,655中描述的任何探测器和部件一起使用，在与本文不矛盾的范围内，将这些申请通过引用整体并入本文。这种多参数探测器的多个独立探测器传感器可以包括至少一个具有温度传感器的探测器传感器，该温度传感器与本文所述的任何系统相结合以实现用于液体温度测量的快速响应时间。通常，用于测量液体温度的第一温度传感器在探测器传感器的远端感测端。用于测量仪器温度的第二温度传感器可以放置在具有第一温度传感器的同一探测器传感器内，或者可以放置得更远，例如在探测器的另一部分中，例如与探测器传感器可操作地连接的基部单元。
“快速响应时间”是指：与不具有即时双温度传感器设计和配置的常规温度探头，例如没有热隔离和/或没有第二个温度传感器来测量探头主体温度的仅具有单个温度传感器的等效传感器相比，本发明的温度探头的温度测量响应时间改善了至少50％、至少70％、至少90％以及高达至少98％。
“温度传感器”是指测量温度的部件。本文提供的系统和方法与各种传感器类型兼容，例如热敏电阻、热电偶、电阻温度计(例如铂电阻温度计)、硅带隙温度传感器等。
参照图1-3、6A和图6B，其示出并描述了与用于测量流体温度的常规温度探头相比具有更快的响应时间的温度探头(2)以及用于测量流体温度的相关方法。温度探头(2)包括形成内部容积(6)的仪器壳体(4)。仪器壳体(4)具有远端(8)。温度探头(2)包括第一温度传感器(10)，其具有图示为热敏电阻(48)的有源感应元件，其位于仪器壳体(4)的远端(8)处和/或从远端(8)延伸。温度探头(2)包括第二温度传感器(12)，第二温度传感器(12)位于仪器壳体(4)的内部容积(6)中。热障(14)被热定位在第一温度传感器(10)和在仪器壳体(4)中的第二温度传感器(12)之间。热障(14)将第一温度传感器(10)与其余的“热重”仪器热质量(例如，温度探头(2)的热质量，包括在内部产生和/或沿其传导的热量，内部容积(6))进行热隔离。例如，热障(14)的热导率可以在18-35mW/m-K之间。可选地，仪器壳体可以包括覆盖热障并确保仪器壳体和探头的温度感测部分周围的水密密封的远侧表面。远端表面本身可以是绝热的，从而最小化从壳体(4)和内部容积(6)到温度传感器(10)的热传导。根据需要，覆盖温度传感器(10)的表面可以由热导体(对于那些暴露于液体的表面)和热绝缘体(对于与仪器壳体(4)和/或热障(14)接触的那些表面)形成。
温度探头(2)可以包括延伸纵向距离Dsen的传感器平台(16)，该传感器平台具有远端(18)和近端(20)。第一温度传感器(10)，特别是有源传感器部件(48)，可以朝向传感器平台(16)远端(18)定位，并且传感器平台(16)的近端(20)连接到，如所示的，包括穿过仪器壳体(4)的远端(8)。参照图6A和6B，平台本身可以是传感器壳体的一部分，例如探测器传感器(24)壳体，其具有对应于远端(18)的平台以支撑远离探测器定位的温度传感器(10)和传感器主体并朝向流体。本文提供的探头(2)可以整体结合在探测器传感器(24)中，或者部分(例如，第一温度传感器)结合在探测器传感器(24)中，而另一部分(例如第二温度传感器和相关的电子器件)结合在探测器基部(22)中。
根据所关注的应用，第二温度传感器(12)可以位于各种位置。例如，参考图6A和6B，第二温度传感器可以位于探测器基部(22)中，并且传感器平台(16)包括探测器传感器(24)，该探测器传感器(24)被配置为可操作地连接到探测器基部(22)。第二温度传感器(12)也可以位于探测器传感器壳体内。换句话说，图1中所示的探头可以整体结合在探测器传感器(24)内，或者，第二传感器可以进一步从第一传感器上移除并放置在探测器基部(22)中。这示出了术语“仪器壳体”(4)旨在被广泛地使用，并且可以指代探测器传感器(24)的壳体和/或探测器基部(22)。共同的方面是将热障放置成将第一温度传感器(10)与探头的其余部分、装置或系统热隔离，包括与第二温度传感器(12)热隔离，其中第二温度传感器(12)测量与第一温度传感器热隔离的其余探头/装置的温度。温度传感器T1和T2的不同相对位置由R1/R2的相应不同值反映。
温度探头(2)的热障(14)可以包括位于第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)之间的绝缘层(26)。将热障(14)放置在第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)之间，可以将两个温度传感器(10、12)彼此热隔离，包括测量液体温度的第一温度传感器(1)和测量探头的其余部分的温度(例如，仪器壳体(4)的内部容积(6)中的温度)的第二温度传感器(12)。绝缘层(26)可以围绕温度传感器(10)和/或传感器平台(16)的近端(20)。
作为一个示例，绝缘层(26)可以包括刚性气凝胶。作为另一示例，绝缘层(26)可以包括超轻超绝缘材料。超轻超绝缘材料可以由陶瓷、聚合物、碳、金属、碳化物或其任意组合中的一种或多种形成。
温度探头(2)可以包括电子组件(28)和位于所述内部容积(6)中的灌装材料(30)(由图1中的虚线示意性地示出)。第二温度传感器(12)可以作为电子组件(28)的组成部分或作为与电子组件(28)分开的部件而定位在灌装材料(30)中。第二温度传感器(12)可以沿着仪器壳体(4)的内部容积(6)的中心线轴线(32)定位。例如，灌装材料(30)可以包括固体化合物、凝胶状化合物或这两种类型的材料。这种灌装材料(30)可以包括热固性塑料和硅橡胶凝胶中的一种或两种。
第一温度传感器(10)可以与第二温度传感器(12)纵向地(例如，沿着中心线轴线(32))分开一段分离距离(34)。例如，分离距离(34)可以大于或等于1cm并且小于或等于50cm。第一温度传感器(10)可以与仪器壳体(4)中的开口(54)和/或传感器平台(16)侧向地或径向地(例如，垂直于中心线轴线(32))分开分离距离(42)。例如，分离距离(42)可以在0.1mm和1cm之间。分离距离(42)可以由薄壁热导体(44)的结构材料的提供，其至少覆盖长度(56)的一部分和第一温度探头(10)的探头端部区域(58)。薄壁热导体(44)的厚度可以等于或大约等于分离距离(42)。例如，薄壁热导体(44)的厚度可以在0.1mm和1cm之间。薄壁热导体(44)的厚度可以在第一温度探头(10)的长度(56)和/或探头端部区域(58)上变化。薄壁热导体(44)可以由包括钛的导热材料形成，并且可选地，可以具有近端，其由热绝缘材料形成，诸如塑料，包括那些在仪器壳体中并且在使用过程中不暴露于液体的部分。
以图2所示的方式覆盖第一温度探头(10)的长度(56)和探头端部区域(58)，可以有效地增加第一温度探头(10)的表面积。除了薄壁热导体(44)提供的高表面积之外，以这种方式覆盖第一温度探头(10)还可以为第一温度探头(10)以及与第一温度探头(10)连接和/或附接的温度探头(2)的其他部件提供保护和结构稳定性。
温度探头(2)可以包括可操作地连接到第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)的处理器(36)。在液体环境中的第一温度传感器的使用期间(例如，浸没在诸如水的流体中)，处理器(36)从第一温度传感器(10)接收第一温度输出(38)。另外，在使用温度探头(2)期间，处理器(36)从第二温度传感器(12)接收第二温度输出(40)。第一温度输出(38)和第二温度输出(40)可以包括与从第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)感测到的温度线性或非线性相关的模拟信号(例如，电压或电流)，并且，处理器(36)可以包括模数(ADC)转换功能。例如，温度探头(2)可以包括数据存储装置、例如存储器(60)和/或发送器，用于存储和/或发送所测量的温度作为对应于感测到第一温度输出(38)和第二温度输出(40)的第二电压和/或电流的数字数值。
处理器(36)能够确定与第一温度传感器(10)相邻的周围液体环境的液体温度，包括水。例如，处理器(36)包括具有算术逻辑单元(ALU)的中央处理单元(CPU)(62)，以执行数值计算，包括使用存储在存储器(60)中和/或由发送器(包括可能是CPU一部分的无线发送器模块、例如蓝牙模块)发送的上述数字数值输入值。这样的数值计算的结果本身可以与原始输入值和/或感测到的模拟电压和/或电流一起存储在存储器(60)中，以向所公开的温度探头(2)的用户进一步操作、显示、编目、分析、报告、传输、存储和任何其他有用的目的。在这样的实施例中，存储器(60)可以包括非瞬态处理器(36)可读介质(64)，其存储有处理器可执行指令以执行和/或以其他方式促进实现所公开的方法(例如，图7中所示的方法(100))，以使用温度探头(2)确定流体的温度。
在一示例中，处理器(36)可以定位在电子组件(28)之上或之中，包括例如作为印刷电路板(PCB)的一部分。替代地，处理器(36)可以用其他数字和/或模拟电路代替或增强，包括例如专用集成电路(ASIC)以及本领域普通技术人员已知的其他电子部件。
可替代地，或者除了由处理器(36)执行的ADC功能和/或数值计算之外，从第一温度传感器(10)和/或第二温度传感器(12)感测到的模拟电压和/或电流可以传输到其他地方(例如，通过有线和/或无线数据通信协议)，以进行进一步的操作和/或存储。例如，如图6A所示，温度探头(2)可以是具有多个独立的探测器传感器(24)的多参数探测器(46)的一部分，每个探测器传感器(24)均独立且可操作地连接到探测器基部(22)。这样的多参数探测器(46)可以包括所公开的温度探头(2)。多参数探测器(46)可以包括其自身的处理器和/或存储器，其如上所述执行处理器(36)和存储器(60)的功能，包括在基部部分(22)内。
温度探头(2)的处理器(36)可以基于以下等式来确定流体温度：
其中：
T流体是被探测流体(例如水)的温度；
T1是来自第一温度传感器(10)的第一温度输出(38)(图3的T传感器)；
T2是来自第二温度传感器(12)的第二温度输出(40)(图3的T仪器)；
R1是第一温度传感器(10)与被探测流体之间的热阻(图3的R传感器)；和
R2是第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)之间的热阻(图3的R仪器)。
在一个实施例中，在方法(100)的确定(110)步骤中确定流体温度(T流体)，如下面参考图7所示和所述。在一实施例中，比率R1/R2是在温度探头(2)的使用之前凭经验确定的(例如用于浸入液体中的部署)。比率R1/R2的值可以在0.05至0.5之间。在一实施例中，比率R1/R2的值在方法(100)的确定(104)步骤中确定，如以下参考图7所示和所述的。
在所公开的使用温度探头(2)的方法(100)的实践中，当温度探头(2)浸入流体中时，在不到2分钟的时间内即可实现最终温度值90％或更优的温度响应时间，并且温度精度为±0.2℃。例如，使用温度探头(2)来实践所公开的方法(100)使得对于流体浸没的温度探头(2)而言，能够在不到20秒的时间内实现最终温度值的90％或更优的温度响应时间，且温度精度为±0.2℃。与传统的温度传感器(包括探测器中使用的温度传感器)相比，具有相应的高精度温度读数的这种快速响应时间是一项重大改进。
现在参考图7，一种用于确定流体温度的方法(100)包括将所公开的温度探头(2)浸入(102)在流体中。方法(100)包括确定(104)第一温度传感器(10)与周围流体的热阻(R1)和第二温度传感器(12)与第一温度传感器(12)之间的热阻的比率(例如，R1/R2)的值。该值可以凭经验预先确定，也可以在测量之前或之中确定。方法(100)包括利用第一温度传感器(10)测量(106)第一温度(例如，T1)。方法(100)包括利用第二温度传感器(12)测量探头(2)的温度(T2)。方法(100)包括基于所测量的第一温度(T1)、所测量的探头(2)的温度(T2)和比率R1/R2来确定(110)流体温度(T流体)。方法(100)可以包括将第一温度传感器(10)热隔离(112)于第二温度传感器(12)。
示例：快速响应温差传感器：本文描述的是一种独特的快速响应温度探头(2)，其使用两个温度传感器(例如，第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12))基于有策略地放置的温度感测元件之间的差来确定流体温度。与常规温度传感器相比，这种配置提供了在相对更快的时间内准确而可靠地测量流体温度的能力。
水质传感器的一个常见问题是温度响应时间慢。对于从一个点移到另一个点的常规温度探头而言，这可能是一个大问题，因为用户必须等待温度传感器稳定后才能收集数据。对于某些仪器，温度读数最多可能需要20分钟才能稳定下来。在一天的工作过程中，这可能会导致数小时的延迟。本文所述的装置和方法将温度传感器的响应时间减少高达98％，包括从80％到98％，例如，将响应时间从20分钟减少到20秒或更短。
本文所述的改进的设计大大改善了温度响应时间。改进的设计可以包括例如由绝缘材料形成的热障(14)，该绝缘材料被称为“airloy”，是气凝胶的更刚性的版本。这种材料具有极好的隔热性能，这是以前无法获得的。该材料可用于将温度探头(2)的其余部分的热质量与第一温度传感器(10)隔离开。绝缘材料阻止从温度探头(2)的热质量到第一温度传感器(10)的温度传感元件(例如热敏电阻)的热传递。第一温度传感器(10)的温度感测元件也被进一步定位在流体样本中，因此具有更大的表面积和更薄的壁部分。这增加了从流体到第一温度传感器(10)的温度感测元件的热传递。至少部分地，由于采用了新的绝缘材料，并且通过将第一温度传感器(10)的温度传感元件进一步延伸到了流体样本中，该设计显著缩短了响应时间，包括从20分钟到2分钟。
尽管比传统的探测器温度传感器改进成了两分钟，但通过引入第二温度传感器(12)可以进一步缩短响应时间，其中第二温度传感器(12)放置在位于温度探头(2)的仪器壳体(4)的内部容积(6)内的灌装材料(30)内。第二温度传感器(12)用于测量内部容积(6)内的灌装材料(30)的温度，其保持大量的热质量。由于有两个温度传感器-第一传感器(10)和第二传感器(12)-可以确定温度探头(2)内部容积(6)的热质量如何影响第一温度传感器(10)(紧邻水样本)的测量。这样可以将响应时间从2分钟缩短到几秒钟，例如20秒或更短。
技术说明和实验结果
图2是示出根据本公开的实施例的双温度探头(2)的截面图的示意图。图3-5是示出图1-2所示的双温度探头(2)的热回路模型的示意图。使用傅立叶定律对图4中所示的温度探头(2)的热传递进行建模，如图5所示。在以下讨论中，对图5的热力学系统进行了一些电路类比，以简化分析。
表1–电子和热力系统之间的可变类比
| 电子系统 | 热传递系统 |
| 电压(V) | 温度差(T<sub>1</sub>-T<sub>2</sub>) |
| 电流(I) | 热通量(热流率) |
| 电阻(R) | 热阻(R) |
图5描绘了将电子/热模拟应用于图4所示的设计。使用类比，可以串联建模一简单的电阻来表示热传递。
传导热传递由等式1描述：
其中：Q＝每单位时间的热传递
k＝热导率
A＝面积
T1＝第一温度传感器(10)报告的温度值
T2＝第二温度传感器(20)报告的温度
d＝第一热敏电阻(48)和第二热敏电阻(50)之间的距离(72)。
传导热传递的电阻分量如等式2所示：
其中：R1＝第一温度传感器(10)和温度为T流体的被探测流体之间的热阻；
R2＝第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)之间的热阻
通过代入
将等式2与等式1结合以形成等式3：
图5是串联的第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)的热模型，如等式3所述。热通量类似于电流，因此就像通过串联电阻的电流相等时一样，热传递中两个热阻(R1和R2)的热通量都相等，如等式4所述。
Q1＝Q2 (等式4)
如图5所示，将等式4应用于等式3，得出等式5：
对于等式6的T流体结果的求解，为双温度传感器系统中水温度的计算提供了基础：
T1和T2分别用第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)测量(例如，使用热敏电阻作为感测元件)。
是一个常数，其可以通过测试在已知T流体的值的情况下温度探头(2)对温度变化的响应来凭经验确定。如果使用的C值太大，则T流体的响应可能会过冲。如果使用的C值太小，则响应会变慢。
傅立叶定律和等式6的应用包括理想系统的许多假设。例如，傅立叶定律假设温度探头(2)的内部壳体(6)中没有内部热量产生，并且材料是均质且各向同性的(在所有方向上都具有相同的热梯度)。
第二温度传感器(12)和/或在温度探头(2)的内部容积(6)中的其相应的感测元件(例如，第二热敏电阻(50))的放置位置可以调节，以提供与第一温度传感器(10)和/或其相应的感测元件(例如，第一热敏电阻(48))的放置位置的分离，从而给出更快或更慢的温度响应时间。例如，增加第一热敏电阻(10)到被探测流体的距离会导致响应变慢(例如，增加温度响应时间)，而减小第一热敏电阻(10)到被探测流体的距离会导致响应更快(例如，减少温度响应时间)。然而，在实践所公开的装置、系统和方法时，有效地对温度探头(2)的热力学建模有效地更少地依赖于温度响应时间，而更多地依赖于温度传感器(10和/或12)和/或它们在温度探头(2)内或其上的相应的热敏电阻的放置位置。
将第二温度传感器(12)和/或其第二热敏电阻(50)移近第一温度传感器(10)和/或其第一热敏电阻(48)将具有增加C值的效果，而移动第二温度传感器(12)和/或其第二热敏电阻(50)远离第一温度传感器(10)和/或其第一热敏电阻(48)将具有降低C值的效果。当由于第二温度传感器(12)和/或其第二热敏电阻(50)的放置位置而导致C项较大时，第一温度传感器(10)和第二温度传感器(12)和/或其相应的热敏电阻的温度测量精度将由于温度差成倍增加而对流体温度测量的总精度产生更大的影响。在实施所公开的装置、系统和方法时，C的值可能在0.05到1.0之间，其中值1表示被探测流体和第一热敏电阻(48)(R1)之间的热阻相等，并且分别在第一热敏电阻(48)和第二热敏电阻(50)之间。
为了解决理论上理想假设的一些变化，例如内部热量的产生，所公开的温度探头(2)被设计为在操作期间耗散最小量的能量以减少任何自热效应。为了解决趋于偏离理想傅立叶模型的其他小变化，下面等式7、8和9的形式的改进引入了提供用于对第一温度传感器(10)和/或其相应的热敏电阻(48)的第一温度输出(38)进行过滤、以及对第二温度传感器(12)和/或其相应的热敏电阻(50)的第二温度输出(40)进行过滤的项。综上所述，这些与过滤相关的项可以使所公开的温度探头(2)的用户、设计人员和程序员能够优化温度响应时间，从而以最小的过冲误差给出更快的总体响应。例如但不限于：
T流体(n)＝T1(n)+C*(T1(n)-T2(n))+y(n)+z(n) (等式9)
其中，上述T1、T2和C是参考等式1和6定义的；a(i)和b(i)是第一温度输出(38)的过滤系数；c(i)和d(i)是第二温度输出(40)的过滤系数；并且Σ(b(i))＝Σ(d(i))＝0。
第一温度输出(38)和第二温度输出(40)上的过滤器(52)可以具有高通或带通过滤器类型的响应，每个过滤器在DC处的增益＝0。过滤器(52)可以包括用于实现所公开的过滤方案的模拟过滤电路。可替代地，所公开的过滤方案可以由处理器(36)数字地实现。当测量值T1和T2的时间变化很快时，则y(n)和z(n)项将对等式9中的总和有所贡献。系数b(i)和d(i)之和分别设置为零，以在稳定状态下将y(n)和z(n)项强制为零。
可以使用运用不同度量的各种方法来确定过滤器系数a(i)、b(i)、c(i)和d(i)的最优值和/或值的范围。例如，当a(i)＝c(i)＝0(其定义了FIR(有限脉冲响应)过滤器)时，最小二乘解可用于确定过滤器系数b(i)和d(i)的值和/或值的范围。可替代地，在一些实施例中，非线性优化方法可以用于优化更通用的IIR(无限脉冲响应)过滤器系数值。因此，本文所述的任何探头或方法可使用一个或多个过滤器。
可以将本文提供的任何探头装载/压入探测器中，包括例如美国专利号9,689,855、9,835,554、9,778,180和D755,655中所述的那些。温度传感器(可选地包括整个温度探头)可以可移除地连接到探测器，包括用于多参数探测器的探测器。参见例如图6A-6B。可以利用包括热障材料在内的各种不同的材料和配置来热隔离用于测量液体温度的第一温度传感器。如所述的，可以根据比率R1/R2来表征不同的配置。可以根据达到最终温度一定百分比所需的时间来量化性能特征。下表2总结了带有过冲的各种R1/R2在时间上达到63％(t63)，90％(t90)和95％(t95)的性能特征。传感器响应时间的一个很好的度量标准是t90值。等式(6)用于生成数据，其中，增益(R1/R2)为0对应于仅来自T1且最慢的结果。对于过大的R1/R2，信号可能会过冲，从而导致性能特性下降。响应速度提高了约7.6倍，如增益＝0.25与0相比(将增益＝0的5分4秒的t90与增益＝0.25的40秒的t90比较)。
表2：各种增益配置的响应时间特性
| 增益＝R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub> | t63 | t90 | t95 | 过冲(C) |
| 0 | 0分9秒 | 5分4秒 | 10分46秒 | 0 |
| 0.125 | 0分14秒 | 1分57秒 | 4分20秒 | 0 |
| 0.250 | 0分4秒 | 0分40秒 | 1分16秒 | 0.164 |
| 0.325 | 0分4秒 | 0分13秒 | 0分36秒 | 0.492 |
| 0.375 | 0分4秒 | 0分9秒 | 0分18秒 | 0.726 |
| 0.425 | 0分4秒 | 0分9秒 | 0分9秒 | 0.991 |
| 0.475 | 0分4秒 | 0分9秒 | 0分9秒 | 1.266 |
| 0.525 | 0分4秒 | 0分9秒 | 0分9秒 | 1.540 |
关于通过引用合并的声明和变化
本申请通篇的所有参考文献，例如专利文件，包括已发布或已授予的专利或等同文件；专利申请出版物；非专利文献文件或其他原始资料；都通过引用整体并入本文，就如通过引用单独地并入本文一样，其程度是每个参考文献至少部分地与本申请中的公开内容不一致(例如，通过引用并入部分不一致的参考，除了该引用的部分不一致的部分。)。
本文已采用的术语和表述用作描述性术语，而不是限制性的，并且不打算使用这样的术语和表述来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式，但是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应该理解，尽管本发明已经通过优选实施例、示例性实施例和可选特征进行了特定地公开，本领域技术人员仍可以对本文公开的概念进行修改和变型，并且认为这些修改和变型在所附权利要求书所限定的本发明的范围内。这里提供的特定实施例是本发明的有用实施例的示例，并且对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以使用在本说明书中所阐述的装置、装置部件、方法步骤的大量变型来实施本发明。对于本领域技术人员将显而易见的是，可用于本方法的方法和装置可以包括大量可选的组成以及处理元素和步骤。
当本文公开一组取代基时，应理解该组的所有单独成员和所有子组分开地公开。当在本文中使用马库什组或其他分组时，该组的所有单个成员以及该组的所有可能的组合和子组合旨在单独地包括在本公开中。
除非另有说明，否则本文描述或例示的每种制剂或成分的组合均可用于实施本发明。
每当在说明书中给定范围时，例如温度范围、比率范围、时间范围或电阻范围，所有中间范围和子范围以及包括在给定范围内的所有单个值均旨在为包含在本公开中。应当理解的是，本文的描述中包括的任何范围或子范围内的子范围或单个值可以从本文的权利要求中排除。
说明书中提到的所有专利和出版物指示了本发明所属领域的技术人员的技术水平。本文引用的参考文献通过引用整体并入本文，以指示截至其发表或提交日期的最新技术水平，并且如果需要，旨在在此采用该信息以排除现有技术中的特定实施方式。
如本文所用，“包括”与“包含”、“含有”或“由...表征”同义，并且是包括性的或开放式的，并且不排除其他未叙述的元素或方法步骤。如本文所用，“由...组成”不包括未在权利要求元素中指定的任何元素、步骤或成分。如本文所用，“基本上由...组成”不排除不会实质性影响权利要求的基本和新颖特征的材料或步骤。在本文的每个示例中，术语“包括”、“基本上由...组成”和“由...组成”中的任何一个都可以用其他两个术语中的任一个代替。本文说明性地描述的本发明可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元素、一个或多个限制的情况下适当地实践。
任何这样的材料和方法的所有本领域已知的功能等同物都旨在包括在本发明中。已经采用的术语和表述用作描述性术语，而不是限制性的，并且不意图在使用这样的术语和表述时排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同形式，但是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，尽管已经通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以对本文公开的概念进行修改和变型，并且认为这样的修改和变型在由所附权利要求书所限定的本发明的范围内。
Claims (32)
1.一种用于测量流体温度的具有快速响应时间的温度探头，包括：
形成内部容积并具有远端的仪器壳体；
第一温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述远端或从所述仪器壳体的所述远端延伸；
第二温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述内部容积内；和
热障，其热定位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以使所述第一温度传感器热隔离于仪器热质量。
2.根据权利要求1所述的温度探头，还包括：
具有远端和近端的传感器平台，其中，所述第一温度传感器位于所述传感器平台的所述远端，并且所述传感器平台的所述近端连接到或穿过所述仪器壳体的所述远端。
3.根据权利要求2所述的温度探头，其中，所述仪器壳体包括探测器基部，并且所述传感器平台包括探测器传感器，所述探测器传感器被配置为能够操作地连接至所述探测器基部。
4.根据权利要求3所述的温度探头，其中，所述第二温度传感器位于所述传感器平台内或位于所述探测器基部内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的温度探头，其中，所述热障包括位于所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的绝缘层，从而将所述第二温度传感器热隔离于所述第一温度传感器。
6.根据权利要求5所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器是传感器平台的一部分，所述传感器平台具有用于感测流体温度的远端和连接至所述仪器壳体的近端，其中，所述绝缘层至少部分地围绕所述传感器平台的所述近端。
7.根据权利要求5所述的温度探头，其中，所述绝缘层包括刚性气凝胶。
8.根据权利要求5所述的温度探头，其中，所述绝缘层包括由陶瓷、聚合物、含碳材料、金属、碳化物或其任意组合中的一种或多种形成的超轻超绝缘材料。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的温度探头，其中，所述热障的热导率在18-35mW/m-K之间。
10.根据权利要求1所述的温度探头，还包括电子组件和位于所述内部容积中的灌装材料，其中，所述第二温度传感器位于所述灌装材料中。
11.根据权利要求10所述的温度探头，其中，所述灌装材料包括固体和/或凝胶状化合物，例如热固性塑料和/或硅橡胶凝胶。
12.根据权利要求1所述的温度探头，其中，所述第二温度传感器沿着所述仪器壳体的所述内部容积的中心线轴线而定位。
13.根据权利要求3或4所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器与所述探测器基部的分离距离大于或等于1cm并且小于或等于50cm。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的温度探头，其中，所述快速温度响应时间的特征在于，当浸入流体中少于2分钟时，其达到最终温度值的90％或更优，并且所述温度探头具有为±0.2℃或更优的精度温度。
15.根据权利要求1所述的温度探头，其中，当浸入流体中少于20秒时，其温度响应时间为最终值的90％或更优，并且所述温度探头的温度精度为±0.2℃或更优。
16.根据权利要求1所述的温度探头，还包括：处理器，所述处理器能够操作地连接到所述第一温度传感器和所述第二温度传感器，其中，在液体环境中的使用期间，所述处理器接收来自所述第一温度传感器的第一温度输出和来自所述第二温度传感器的第二温度输出，并确定周围液体环境的液体温度。
17.根据权利要求16所述的温度探头，其中，所述处理器基于以下公式来确定流体温度：
其中：
T流体是流体温度，
T1是来自所述第一温度传感器的所述第一温度输出，
T2是来自所述第二温度传感器的所述第二温度输出，
R1是所述第一温度传感器和所述流体之间的热阻；并且
R2是所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的热阻。
18.根据权利要求17所述的温度探头，其中，R1/R2是在使用前凭经验确定的。
19.根据权利要求17-18中任一项所述的温度探头，其中，R1/R2的值大于或等于0.05且小于或等于0.5。
20.根据权利要求1-4中任一项所述的温度探头，其中，所述第一温度传感器以分离距离分离于所述仪器壳体，所述分离距离由高表面积和薄壁热导体形成。
21.根据权利要求20所述的温度探头，其中，所述薄壁热导体的厚度大于或等于0.1mm且小于或等于1cm。
22.根据权利要求20所述的温度探头，其中，所述薄壁热导体包括钛。
23.根据权利要求3所述的温度探头，其是多参数探测器的一部分，所述多参数探测器包括多个独立的探测器传感器，每个所述探测器传感器能够操作地连接到所述探测器基部。
24.一种确定流体温度的方法，包括以下步骤：
将温度探头浸入流体中，其中，所述探头包括：
位于所述温度探头的远端的第一温度传感器；
位于所述探头的内部容积内的第二温度传感器；
确定所述第一温度传感器与周围流体之间的热阻(R1)和所述第二温度传感器与所述第一温度传感器之间的热阻(R2)的比率(R1/R2)；
用所述第一温度传感器来测量第一温度；
用所述第二温度传感器来测量探头温度；和
根据测得的所述第一温度、测得的所述探头温度以及所述比率R1/R2来确定所述流体温度。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，使用以下公式来执行确定所述流体温度的步骤：
其中，T流体是所述流体温度，T1是所述第一温度，并且T2是所述探头温度。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，还包括：将所述第一温度传感器热隔离于所述第二温度传感器的步骤。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其特征在于，浸入时间小于或等于20秒且温度精度在0.2℃以内，所述温度探头的温度响应时间达最终值的90％。
28.一种用于测量流体温度的具有快速响应时间的温度探头，包括：
形成内部容积并具有远端的仪器壳体；
第一温度传感器，其位于所述仪器壳体的所述远端或从所述仪器壳体的所述远端延伸；和
热障，其至少部分地位于所述第一温度传感器和所述仪器壳体之间，以将所述第一温度传感器热隔离于所述仪器壳体。
29.根据权利要求28所述的温度探头，还包括：具有远端和近端的传感器平台，其中，所述第一温度传感器位于所述传感器平台的所述远端，并且所述传感器平台的所述近端连接至所述仪器壳体的所述远端。
30.根据权利要求29所述的温度探头，其中，所述热障至少部分地围绕所述传感器平台的所述近端。
31.根据权利要求30-31中任一项所述的温度探测头，其中，所述热障包括刚性气凝胶。
32.根据权利要求30-31中任一项所述的温度探头，其中，所述热障包括超轻超绝缘材料，所述超轻超绝缘材料由陶瓷、聚合物、含碳材料、隔热金属、碳化物或其组合中的一种或多种形成，并且热导率在18-35mW/m-K之间。
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