CN117980705A - 流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元和确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明从具有至少一个加热元件(12)的流体速度传感器单元(10)和/或流体体积流量传感器单元开始，加热元件可以布置在流体管路(14)中。本发明提出加热元件至少由第一晶体管(16)的一部分形成。

Description

流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元和确定 方法
背景技术
测量沿直线移动的流体的体积流量是已知的。
热电风速计也是已知的。在这方面，在热膜风速计或热线风速计中，发生流动的传感器表面或导线用作探头并被电加热。用于探针的材料具有随温度升高而升高的电阻(PTC电阻器)。电力供应的热功率部分通过流动作为热功率损失被带走。随着流速的增加，热损失也增加。因此，电功率被用作确定流速的可测量变量。已经建立了两种方法来测量流动致热功率损失：恒流风速测量法(CCA)和恒温风速测量法(CTA)。
恒温风速计的原理也是体积流量测量的公知技术，其中电加热元件(PTC电阻器)和温度相关的测量电阻器在管道的流动通道中彼此间隔一定距离布置。加热元件由金属丝或金属薄膜组成，通常由铂制成。加热元件和测量电阻器可以是芯片部件，加热和测量电阻器通过厚膜技术和厚膜方法施加到芯片部件。这些精密部件是昂贵的。电子控制器确保加热电阻器和温度测量电阻器之间维持限定的温度差。取决于流速，必须向加热元件提供或多或少的能量。供应的能量是管道中体积流量的量度。用于测量体积流量的替代方法例如是机械操作的椭圆形轮流量计或基于超声波测量的方法。
发明内容
本发明的目的特别地在于允许有效的流体速度测量或流体体积流量测量。根据本发明，该目的通过专利权利要求1的特征和专利权利要求10的特征来实现，而本发明的有利实施例和发展可以在从属权利要求中找到。
本发明从流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元开始，流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元具有至少一个可以布置在流体管路中的加热元件。
提出加热元件至少由第一晶体管的一部分形成。“流体速度传感器单元”应特别理解为能够确定至少一个变量的单元，从该变量可以确定流体速度，该单元优选地确定流体速度。“流体体积流量传感器单元”应特别理解为能够确定至少一个变量的单元，从该变量可以确定流体体积流量，该单元优选地确定流体体积流量。“流体”应特别理解为至少一种液体和/或至少一种气体。因此可以实现有效的流体速度测量或流体体积流量测量。特别是，精确的测量结果可以通过价格低廉的设计实现。
特别地，加热元件可以由晶体管的掺杂区和/或晶体管的npn结构和/或晶体管的pnp结构形成。
有利地，流体速度传感器单元或流体体积流量传感器单元具有至少一个电路，电路包括第一晶体管并且被提供来保持第一晶体管的温度和参考温度之间的差随时间恒定。“提供”应理解为特别设计和/或特别装备和/或特别编程的意思。“晶体管的温度”应特别理解为掺杂的晶体管区域的温度，该温度优选为晶体管阻挡层的温度。因此可以在不同的时间进行测量。
还提出该电路包括至少第二晶体管，第二晶体管具有形成参考温度的温度。因此可以实现价格低廉的设计。
特别地，处于操作状态的第二晶体管可以具有小于大约0.6伏的集电极-发射极电压。“大约0.6伏”应特别理解为偏离0.6V小于20％，优选地小于10％，特别优选地小于3％的电压。以这种方式，可以实现第二晶体管相对可忽略地发热，从而可以用作传感器。
有利地，电路包括至少一个放大器，放大器被提供用于调节第一晶体管的集电极电压，使得第一晶体管的温度和参考温度之间的差随时间恒定。“晶体管的集电极电压”应理解为晶体管的集电极和发射极之间的电压。因此可以为简单的测量创造条件。
另外提出，流体速度传感器单元或流体体积流量传感器单元包括至少一个控制单元，控制单元被提供用于确定第一晶体管的集电极电压的至少一个值，并且基于集电极电压的值确定流体速度的至少一个值和/或流体体积流量的至少一个值。“控制单元”应特别理解为包括至少一个处理器、至少一个存储器和至少一个存储在存储器中的操作程序的单元。因此，可以低成本实现测量。
有利地，控制单元被提供用于将所确定的集电极电压值与存储在控制单元中的至少一个值进行比较，并且通过比较来确定至少流体速度值和/或流体体积流量值。这样，可以确定流体速度或流体体积流量的准确结果。
还提出了一种具有上文所述的流体速度传感器单元或流体体积流量传感器单元的设备，所述设备具有流体管路，至少第一晶体管布置在流体管路中。因此可以实现有效的流体速度测量或流体体积流量测量。
有利地，流体速度传感器单元或流体体积流量传感器单元的电路的第二晶体管相对于流体管路中的流体流动方向布置在第一晶体管的上游和/或布置在第一晶体管的附近。因此可以避免第一晶体管对第二晶体管的加热。
有利地，提供该设备来确定已流过流体管路的流体的量。这样，可以以价格低廉的方式实现大范围的功能。
还提出了一种用于确定流体速度和/或确定流体体积流量和/或确定已流动的流体的量的方法，在该方法中，晶体管的至少一部分用作加热元件。因此可以实现有效的流体速度测量或流体体积流量测量。
附图说明
从附图的以下描述中，进一步的优点将变得显而易见。附图示出了本发明的示例性实施例。附图、说明书和权利要求书包含许多特征的组合。本领域技术人员也将方便地单独考虑这些特征并将它们组合起来以形成有意义的进一步组合。
图1示出了根据本发明的流体速度传感器单元的电路，
图2示出了通过流体管路中的流体速度传感器单元的电路板的示意性轴向截面图；
图3示出了流体速度传感器单元的晶体管的集电极电压与时间的关系，以及
图4示出了流体速度传感器单元的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的流体速度传感器单元10的电路18，流体速度传感器单元10在图4中示意性示出。流体速度传感器单元10另外是流体体积流量传感器单元，并且具有加热元件12，加热元件12在操作情况下布置在流体管路14中(图2)，并且是第一晶体管16的形式。电路18包括晶体管16和附加的第二晶体管20。在本示例性实施例中，晶体管16、20都是npn晶体管。此外，晶体管16、20具有相同的结构并表现出NTC特性，即负温度系数特性。第二晶体管20的集电极连接到电流源26的正极，电流源26是直流电源的形式。电流源26被设计成总是输送恒定的电流。电流源的负极还通过电阻器28连接到第二晶体管20的发射极。第二晶体管20的基极和第一晶体管16的基极同样导电连接到电流源26的正极。电流源26的负极通过电阻器30和电阻器32连接到第一晶体管16的发射极。第二晶体管20的发射极导电连接到电路18的放大器22的第二输入44。此外，路18的连接电阻器30和32的电线路部分导电连接到放大器22的第一输入。电阻器32远离电阻器30的一端导电连接到晶体管16的发射极。电阻器30远离电阻器32的一端导电连接到电流源26的负极。放大器的输出进一步导电连接到第一晶体管16的集电极。在运行状态下，回路18的一部分34布置在流体管路14中。
电路18被设计成保持第一晶体管16的掺杂区的温度和参考温度之间的差随时间恒定。参考温度是第二晶体管20的掺杂区的温度。在操作期间，放大器22调节第一晶体管16的集电极电压，使得第一晶体管16的掺杂区和参考温度之间的差随时间恒定。在操作期间，放大器22表现为使得其第一输入42和第二输入44之间的电压差总是为零。此外，电阻器28和电阻器30的尺寸相同。此外，电阻器32比电阻器30小得多。
当UBE显著大于UT时，以下公式适用于晶体管的集电极电流：近似IC＝IS×exp(UBE/UT)，其中IC是集电极电流，exp是指数函数，IS是与示例相关的饱和电流，UBE是基极-发射极电压，UT＝k×T/e。其中，k是玻尔兹曼常数，e是元电荷，其中在室温下UT＝25mV。硅晶体管的基极-发射极电压与温度的关系约为-2mV/K。集电极电流是在集电极和发射极之间流动的电流。因此，通过变换，UBE＝UT×ln(IC/IS)，其中ln是自然对数。因为电阻器28和电阻器30是相同的，所以晶体管16、20的集电极电流是相同的，因为电阻器28、30用于调节集电极电流。因为两个晶体管16、20具有相同的结构，所以它们的饱和电流是相同的。如果计算两个晶体管的基极-发射极电压之差，则发现晶体管20的掺杂区的温度和晶体管16的掺杂区的温度之差可以由两个晶体管16、20的基极-发射极电压之差确定。放大器22通过其输出作用于电路18，使得其输入42、44之间的电势差消失。电阻器32用于设定晶体管16、20的所述温度之间的恒定差。在本示例性实施例中，该差被选择为10K。
晶体管20用作电路18中的传感器，并且将尽可能少地发热。这是通过将晶体管20的集电极电压保持得非常低(例如大约为0.6V)来实现的。如上所述，晶体管16用作加热器。其集电极通过放大器22的反馈输出接收高电压。
流体速度传感器单元还包括控制单元24(图4)，控制单元24被提供和编程以确定第一晶体管16的集电极电压值及其对时间的依赖性，并且基于集电极电压值来确定流体管路14中的流体速度值及其对时间的依赖性，此外还确定流体的体积流量值及其对时间的依赖性。如果控制单元已确定了晶体管16的集电极电压值，则控制单元将该值与存储在控制单元中的一个或多个值进行比较。如果控制单元确定集电极电压的所确定值处于存储在控制单元中的两个相邻值之间，则控制单元借助于存储在控制单元中的集电极电压值以及分配给集电极电压并且同样存储在控制单元中的流体速度和流体体积流量的值，通过插值为集电极电压的所确定值确定流体速度和流体体积流量的值。在流体速度传感器单元开始操作之前，存储值已由其他测量仪器确定。
在流体管路14中(图2)，第一晶体管16和第二晶体管20彼此相邻布置。更具体地，部件34布置在流体管路14中的电路板40上，使得晶体管16相对于在流体管路14中流动的流体的流动方向38布置在晶体管20的下游。除了晶体管，电路板还具有端子36。
流体管路14与流体速度传感器单元一起形成单个设备。该设备用于确定流过流体管路的流体的量。活塞泵(未示出)将流体泵送通过流体管路14。特定量的流体通过泵的活塞的活塞冲程被输送通过流体管路14。图3示出了由控制单元确定的晶体管16的集电极电压随时间的变化。横坐标表示时间，纵坐标表示集电极电压。轴是线性缩放的。泵的活塞的活塞冲程由峰46示出。控制单元通过对电压相对于时间进行积分并通过已经存储在控制单元中的数据对其进行进一步处理来确定活塞冲程输送的流体的量。这样，控制单元能够确定在特定的时间段内流经流体管路14的流体的总量。
流体特别地可以是润滑油和/或润滑脂。流体特别地可以是液体或气体。此外，通过活塞冲程输送的流体的量可以特别是例如3mm3、30mm3、60mm3、100mm3、0.8cm3或100cm3。操作中的流体温度可以是例如0℃、25℃或40℃，或者本领域技术人员认为合适的另一温度。例如，峰46特别地可以位于大约30mV和大约255mV之间。
在所描述的用于确定流体速度、流体体积流量和已流动的流体的量的方法中，晶体管16的掺杂区被用作加热元件。加热元件的温度高于流体的温度。流动的流体因此试图冷却加热元件。为此，为了使加热元件的温度保持恒定，每单位时间必须提供给加热元件的能量可以用作流动流体的速度的量度。
在本发明的替代实施例中，电阻器28的值是电阻器30的值和电阻器32的值之和。
因为电路18中不需要昂贵的精密元件，所以可以非常便宜地生产。
附图标记列表：
10流体速度传感器单元
12发热元件
14流体管路
16晶体管
18电路
20晶体管
22放大器
24控制单元
26电流源
28电阻器
30电阻器
32电阻器
34部件
36端子
38流动方向
40电路板
42输入
44输入
46峰。

Claims (10)

1.一种流体速度传感器单元(10)和/或流体体积流量传感器单元，具有能够布置在流体管路(14)中的至少一个加热元件(12)，其特征在于，所述加热元件至少由第一晶体管(16)的一部分形成。
2.根据权利要求1所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于至少一个电路(18)，其包括所述第一晶体管(16)并且所述至少一个电路(18)被提供以保持所述第一晶体管的温度和参考温度之间的差随时间恒定。
3.根据权利要求2所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于，所述电路(18)包括至少一个第二晶体管(20)，所述第二晶体管(20)具有形成所述参考温度的温度。
4.根据权利要求2或3所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于，所述电路包括至少一个放大器(22)，所述放大器被提供以调节所述第一晶体管(16)的集电极电压，使得所述第一晶体管的温度和所述参考温度之间的差随时间恒定。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于，至少一个控制单元(24)被提供用于确定所述第一晶体管(16)的集电极电压的至少一个值，并且基于所述集电极电压的值来确定流体的速度的至少一个值和/或流体的体积流量的至少一个值。
6.根据权利要求5所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于，所述控制单元(24)被提供以将所确定的集电极电压的值与存储在所述控制单元中的至少一个值进行比较，并且通过比较来确定至少流体速度的值和/或流体体积流量的值。
7.一种设备，具有根据前述权利要求中任一项所述的流体速度传感器单元和/或流体体积流量传感器单元，其特征在于，所述流体管路(14)中布置有至少第一晶体管(16、20)。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述流体速度传感器单元(10)或流体体积流量传感器单元的电路(18)的第二晶体管(20)布置在所述第一晶体管(16)的附近和/或相对于所述流体管路(14)中的流体的流动方向(38)布置在所述第一晶体管(16)的上游。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备被提供以确定已流经所述流体管路(14)的流体的量。
10.一种用于确定流体速度和/或确定流体体积流量和/或确定已流动的流体的量的方法，其中晶体管(16、20)的至少一部分用作加热元件(12)。
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