TW201319575A - 偵測感測器之熱時間常數之風速計 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種用於分析流體流動之風速計及方法。在一個實施例中，一電晶體感測器係藉由施加電力以引起其基極射極接面自一周圍環境第一溫度上升至一第二溫度而加熱。移除該電力，且隨著該接面冷卻以若干時間間隔量測Vbe。Vbe等同於該接面之一溫度。該溫度指數式地降低，且衰減之時間常數對應於流體流速。對溫度衰減曲線執行一最佳擬合曲線分析，且由一資料處理器推導該指數式衰減之時間常數。一傳遞函數使該時間常數與該流體流速相互關聯。將電晶體熱耦合至自封裝延伸之一金屬桿散熱器，且該桿之特性經控制以調整該風速計之效能。

Description

偵測感測器之熱時間常數之風速計
本發明係關於風速計，且特定言之係關於一種固態風速計。
本申請案基於由本發明者於2011年11月14日申請之標題為「風速計」之美國臨時申請案第61/559,257號且主張其優先權，該臨時申請案讓與給本受讓人且以引用之方式併入本文中。
風速計量測流體(例如自其上經過之空氣)之流動。在含有熱產生電路之電櫃或箱中，有時需要提供一風扇供冷卻用。習知上在櫃中提供監測溫度及空氣流動的儀器。最常見之緊凑型風速計係熱線及熱電偶。
熱線型包括具有一已知電阻溫度特性之線。在一種技術中，線由電流加熱以達成跨越其之一目標電壓，且隨著空氣流動越過線以使線冷卻，控制電流以維持一恆定電壓。因此在風速計經校準時電流量對應於空氣速度。亦使用其他技術，例如量測在線受一電流脈衝作用之後線冷卻所花費之時間。此類線昂貴、易脆、需要經常清洗，且需要校準。
一熱電偶係在兩個相異金屬之間之耦合，其中接面產生一溫度相依之電壓。為了用作一風速計，如同熱線，節點可由一電流加熱，且量測電壓。如同熱線，此類熱電偶昂貴、易脆、需要經常清洗(若暴露)，且需要校準。
熱線及熱電偶本質上係機械裝置，此係因為其特性很大程度上取決於其機械構造。期望建立一種使用習知積體電路製造技術的真正為固態之風速計，使得風速計便宜、堅固且不需要校準。
美國專利第3,968,685號揭示一種風速計，其中將一雙極型電晶體之一基極射極電壓降與跨越一參考(或補償)二極體之一電壓降進行比較。當電晶體經受一空氣流時，提供一可調整之電流以保持基極射極電壓降等於二極體電壓降，且此電流等同於空氣速度。使用二極體以補償周圍環境溫度改變。防止二極體電壓降免受空氣流之影響係困難的。此外，設計需要精確校準以抵消在周圍環境溫度下之電壓降。此外，電晶體係藉由其塑膠封裝而絕緣，使其基極射極接面較慢地回應於空氣速度之改變。
需要一種不遭受上文提及之缺點及相關缺點之固態風速計。
在一個實施例中，揭示一種風速計，其包括一雙極型電晶體，該雙極型電晶體經封裝以使一金屬墊熱耦合至該電晶體。此一金屬墊有時被稱作一熱墊。該金屬墊與該電晶體電絕緣。該封裝可安裝在一印刷電路板(PCB)上，使得其金屬墊背朝該PCB。
一金屬桿係藉由焊料或其他導熱黏著劑黏接至該熱墊。在一個實施例中，金屬桿為約2 cm至3 cm長且直徑小於2 mm。桿可為圓柱體，用於全向空氣流量測。PCB亦支撐 風速計之控制電路之全部或一部分，該風速計之操作不受溫度明顯影響。
將電力施加至電晶體，從而產生一明顯之集極射極電流，其使基極射極接面溫度上升且使金屬桿之溫度上升。接著移除電力，且施加一小的恆定基極電流以產生一基極射極電壓降。該電壓降以一已知方式對應於接面之溫度，且此電壓降以精確之時間間隔(例如，以100 ms時間間隔)取樣持續一時間週期(例如，1分鐘)。讀數係藉由一類比至數位轉換器(ADC)轉換成數位信號。所有處理可在PCB上完成。
隨著電晶體經由流動之空氣將熱自金屬桿移除而冷卻，自電壓降樣本導出之接面溫度樣本儲存在一記憶體中。冷卻速度呈指數式衰減。衰減速度實質上由封裝/桿之固定之熱電容及接面與空氣之間之可變熱阻而決定。熱阻隨著增加之空氣流而降低，此係因為更快速流動之空氣使得自接面至空氣產生一增加之熱流，導致接面更快速地冷卻。
在完成冷卻循環之後(例如，在2分鐘之後)，使用(舉例而言)最小二乘演算法對溫度衰減曲線執行一最佳擬合曲線分析，且計算最佳擬合曲線之時間常數(TC)。曲線將具有e-t/TC之一般型式，其中TC係熱時間常數。當時間常數等於t時，接面之溫度已下降至最終溫度之約37%。時間常數由空氣速度決定。一較低之時間常數等同於一增加之空氣速度。
導出之時間常數接著用在一傳遞函數中以推導對應之空 氣流速。該速度可被傳送至一遠端監測器，或若其在一可接受範圍外，則可用於產生一警報信號。
上文提及之各種計算可壓縮成較少之計算，且為了清晰地解釋，以上描述將各個轉換描繪為分離步驟。
電路係穩健的，因為電晶體被包在一封裝內。該電路不需要校準來實現適當操作，此係因為其構造係相當可重複的。該電路比使用熱線或熱電偶之風速計便宜許多，且隨電路的不同及時間的不同，結果實質上係一致的。
亦描述對上述技術及結構之變型。
相同或等效之元件用相同數字標記。
圖1繪示上面安裝有風速計感測器12及一控制器14之一簡化印刷電路板(PCB)10。在一個實施例中，PCB 10僅為3×3 cm或更小。PCB 10可為習知的且較佳為非導熱的。PCB 10上之電路由銅跡線連接。PCB之電力及I/O接腳16可插入一母板之一插孔內或插入一電纜連接器中。在一個實施例中，需要知道在一電設備箱中各種位置處之空氣流，且相同之PCB 10可位於箱中之各種位置處。
容納在一封裝18中之一雙極型電晶體安裝在PCB 10上。該封裝可為具有三個或更多個終端之一表面安裝封裝。
封裝18具有一金屬墊20，矽晶粒熱耦合至該金屬墊20。金屬墊20面朝上。一高導熱桿22黏接至熱墊20且充當一散熱器。在一個實施例中，桿22係銅且其形狀為圓柱體，用於空氣流之全向偵測。在一個實施例中，桿22之直徑小於 2 mm且約2 cm至3 cm長。桿22可終止於一矩形金屬底座中，該矩形金屬底座經焊接或以其他方法熱耦合(例如用導熱環氧樹脂)至金屬墊20。
穿過PCB 10形成之槽23有效地使封裝18與PCB 10上之其他熱源絕熱。
在一個實施例中，封裝18安裝在一隔熱墊上或一氣隙上以防止PCB 10充當電晶體之一散熱器。此將改良系統間空氣流速量測之一致性，此係因為PCB 10之容限及其至其他熱源及散熱器之連接將不會影響風速計。將電晶體連接至PCB 10終端之線應儘量細以使電晶體與PCB 10之間之熱傳遞最小化。
一選用溫度感測器24亦安裝在PCB 10上，用於判定PCB 10之溫度。當感測器12不被用於偵測空氣流速時，可由感測器12藉由量測基極射極電壓降而視情況偵測周圍環境空氣溫度。
一風扇30經由一過濾器自箱外吸收冷空氣31，且經加熱之空氣經由箱中之通風孔逃逸。感測器12可放置在風扇30之正前方以偵測由風扇30產生之空氣流，或可位於箱內之其他位置以偵測是否有足夠之空氣循環。
冷卻效率係將熱自一物體(例如，一電晶體)移除之能力，且隨越過其之空氣流、空氣溫度、物體溫度、濕度、氣壓、表面污染(灰塵)及其他因素而變。對於短時間週期，除了物體溫度外之所有因素可假定為恆定且可使用本文所描述之技術適宜地推導空氣流速。為更精確之量測， 可考慮PCB 10之溫度以及任何經偵測之空氣溫度瞬態。
因為雙極型電晶體晶粒、封裝18及桿22可依據嚴格容限及規格製造(經封裝之電晶體必須符合其資料表規格)，所以在使用者未進行任何校準之情況下，其效能可能極易預見。
圖2係本發明之一個實施例之一示意圖，其可完全包含在PCB 10上。圖2中之各種開關可為電晶體開關。
圖3係由根據本發明之一個實施例之圖2之電路執行以推導空氣流速之一程序之一流程圖。在一實際實施例中，在圖3中指明之各種演算法及步驟可壓縮成較少之演算法以節省處理時間，但為了清晰地解釋，在圖3中描繪該等演算法。
在圖3之步驟40中，開關42及44閉合以在某一電流下驅動電晶體46持續某一時間以對其加熱。電晶體46可為具有一金屬熱墊之一適宜封裝中之任何雙極型電晶體，可自各種製造商購得。一參考電壓源47將一固定參考電壓提供至一差動放大器48之一個輸入，且其另一輸入係在射極電阻器50處之電壓。設定通過電晶體46之電流使得在電阻器50處之電壓等於參考電壓。最佳電流取決於所使用之電晶體46之類型且較佳為相對高(例如其額定電流之80%)以快速加熱電晶體。加熱之量由電流乘以跨越電晶體46(節點52與53之間)之電壓決定。在加熱循環期間，此電力由電晶體46消耗。一計時器54(其包含一時鐘及一狀態機)控制各種開關及處理之時序。
在步驟58中，電晶體46溫度上升至一峰值溫度，該峰值溫度由電力及計時器54決定。溫度不必趨平，且絕對溫度與空氣流速之判定不相關。圖4繪示在自時間T0至T1之加熱循環期間基極射極接面之溫度上升。
在時間T1處，計時器54斷開開關42及44且閉合開關60及62，從而引起基極及集極短路，且來自電流源64之電流流過基極射極接面以形成一Vbe二極體電壓降。Vbe以一眾所周知之方式取決於溫度。
通過二極體之電流之標準方程式係：I=Is*(exp(V/(n*k*T/q))-1) 方程式1
其中：I係通過二極體之電流Is係反向飽和電流V係跨越二極體之電壓n係一接面常數(對於二極體通常約為2，對於電晶體約為1，憑經驗判定)k係波爾茲曼常數，1.38E-23焦耳/開氏度T係開氏溫度，且q係一電子電荷之量值，1.609E-19庫侖。
子運算式k*T/q具有電壓單位且被稱為熱電壓VT。VT通常在室溫下約為26毫伏。
方程式1可用於針對正向電壓求解為：V=n*VT*ln[(I/Is)+1] 方程式2
因此，若電流源64之電流I係已知，則二極體電壓降V(即，Vbe)藉由量測而為已知，且對於特定電晶體而言常數係已知的(例如，由電晶體製造商提供或以其他方法憑經驗判定)，唯一未知者係接面溫度T，其很容易計算出。
在圖3之步驟66中，Vbe係藉由計時器54控制類比至數位轉換器(ADC)68以依照特定時間間隔(例如以100 ms時間間隔)對Vbe取樣而量測。ADC 68可具有任何解析度，例如自14位元至24位元，此取決於所需之精確度。射極電壓等於電流源64電流乘以電阻器50之值，且基極電壓經由閉合之開關62偵測。
在步驟70中，ADC 68將Vbe量測轉換為數位碼以供資料處理電路72進行數位處理。圖5繪示在超過20秒之冷卻循環期間量測Vbe值73之實例，其中Vbe在冷卻循環開始時具有約0.6伏之一初始值及在20秒處具有約0.7伏之一電壓。
在步驟74中，資料處理電路72使用方程式2計算與每一Vbe量測相關聯之接面溫度。此等溫度接著被儲存在作為資料處理電路72之一部分之一記憶體中，且溫度值集定義一指數式衰減曲線。圖4繪示自Vbe樣本推導且儲存在記憶體中之溫度值76。資料處理電路72可使用韌體執行所有計算或可使用一經程式化微處理器。如前所述，本文中描述之各種轉換可壓縮成較少步驟，且為了清晰地解釋，描繪圖3中之步驟。舉例而言，不需要執行自Vbe資料至溫度資料之轉換，且使用一轉換演算法(一傳遞函數)將Vbe衰減 之時間常數直接轉換為空氣流速。
在步驟78中，在一預定週期(例如，2分鐘)之後或在判定已發生充分之冷卻(例如，溫差或Vbe值近似為零)之後，資料處理電路72接著將眾所周知之一演算法(例如最小二乘演算法)應用至溫度資料以形成具有e-t/TC指數式衰減性質之一最佳擬合曲線，其中TC係熱常數。可忽略使整體曲線向上或向下移動之任何其他常數，因為僅衰減之速度係相關的。當TC等於t時，接面溫度已降低至峰值接面溫度之約37%。在另一實施例中，曲線亦可包含影響時間常數之計算之線性方程式或多項式方程式。在另一實施例中，直接對Vbe曲線執行最佳擬合曲線分析，從而避免需要計算與每一Vbe量測相關聯之溫度。
在步驟80中，資料處理電路72自最佳擬合曲線計算熱時間常數TC。TC可為溫度曲線或Vbe曲線之時間常數。
在步驟82中，資料處理電路72接著使用一傳遞函數或查找表使TC等同於一空氣流速。傳遞函數係使用實驗資料使時間常數與空氣流速相互關聯而建立之一演算法。不同傳遞函數可用於不同應用或空氣特性。在一個實施例中，傳遞函數係四階傳遞函數。在另一實施例中，一查找表可用於將時間常數與空氣流速進行交叉參考。傳遞函數或查找表可產生圖6之TC對空氣流圖表中所展示之值，其中空氣流以線性英尺/分鐘給定。在該實例中，計算出時間常數約為11秒，對應於187線性英尺/分鐘之一空氣流速。可使用任何單位，例如英里/小時等。圖6之圖表(以一傳遞函數 或查找表之形式)可由風速計製造商在測試一空氣流腔室中之一樣本風速計期間憑經驗產生。TC可為溫度衰減曲線或Vbe衰減曲線之TC。
可存在儲存在系統中之各種傳遞函數或查找表，其用於將TC轉換為空氣流速，其中特定函數或查找表之選擇取決於所量測之周圍環境空氣溫度(空氣吸入溫度)、濕度、氣壓等，其中此類變數在不同程度上影響基極射極接面之冷卻速度。舉例而言，較高濕度、較高氣壓或較高之周圍環境溫度可各自引起一空氣流以不同速度使接面冷卻。此類偵測器可遠離PCB 10(圖1)且經由I/O接腳16將資料饋送至資料處理電路72。在不需要一精確量測之許多應用中，空氣流速量測之此精細調諧並非是必需的。
若在PCB 10與電晶體46之間存在熱耦合且PCB 10溫度在一量測循環期間波動，則PCB 10(圖1)之溫度亦可影響TC對空氣流之值。溫度感測器24可將此PCB 10溫度資料供應至資料處理電路72以對此類瞬態進行校正。
一旦判定空氣流速，該空氣流速就可經由I/O接腳16輸出至一外部監測器，或可與程式化至資料處理電路72中之一通過/未通過臨限值進行比較。若判定空氣流速在可接受範圍之外，則資料處理電路72可發出一警報信號，如在步驟84中展示。
亦預想其中推導熱時間常數以判定空氣流速之其他相關技術。
儘管為了清晰地解釋已在圖3中描繪計算，但可在沒有 計算接面溫度等之分離步驟之情況下將Vbe值集直接應用至推導熱時間常數及空氣流速之一演算法。該等演算法之此壓縮在熟悉程式化領域之技術者之技能範圍之內。
在另一實施例中，以下運算式可用於推導任何兩個Vbe樣本之間之一衰減常數，且最小二乘技術用於推導整個Vbe樣本集之曲線之最佳擬合衰減常數。接著使用最佳擬合衰減常數以使用一適宜之查找表判定空氣流速。因此，與Vbe或溫度之一衰減速度相關之一時間常數用於推導空氣流速。
Vbe(n+M)=Vbe(n)*(衰減常數)M+常數2 方程式4
其中，n係一樣本(例如，1、2、3等)且n+M係n+M樣本(例如，2、3、4等)。
可使用其他技術以使用圖1之基本風速計結構量測空氣流。
在一個實施例中，一電阻加熱器安裝在PCB 10上，緊鄰於封裝18，在封裝18中，或在封裝18下面，且在基極射極接面之加熱循環(圖4)期間，將一電流施加至加熱器以加熱封裝18。
在另一實施例中，封裝18可最初由(舉例而言)位於封裝18下面之一帕耳帖(Peltier)冷卻器冷卻。接面冷卻持續一時間週期以形成一初始溫度，接著移除至帕耳帖冷卻器之電力。接著使加熱接面至周圍環境溫度或任何其他溫度之速度與空氣流速相關，且使用類似於上文描述之技術來計 算此速度。
在另一實施例中，在冷卻循環期間以週期性時間間隔在兩個已知電流下量測Vbe。可接著在每一時間間隔處計算接面之溫度為：T=[q/(n*k)]*[Vbe2-Vbe1]/ln(Id2/Id1) 方程式3
其中Vbe1及Vbe2分別係在電流Id1及Id2下之基極射極電壓降。
接著計算最佳擬合指數式衰減溫度曲線，且接著推導熱時間常數TC(或Vbe時間常數)以判定空氣流速，如前所述。
在另一技術中，藉由控制電壓源48或電阻器50，將一第一已知電力位準施加至電晶體46。在某一延遲以確保溫度已穩定之後，接著推導基極射極接面之溫度。接著電力增加至一第二已知電流位準，且在某一時間之後再次量測接面溫度。方程式△P/△T即表達接面與空氣之間之熱阻，同時抵消任何常數。熱阻以一已知方式與空氣流速相關，因此可接著計算空氣流速。舉例而言，對於少量空氣流或無空氣流，一增加之電力將導致接面溫度大幅增加，而一高空氣流將導致接面溫度較小幅增加。藉由使用一傳遞函數或查找表，溫度之改變可因此與空氣流速進行交叉參考。此替代性技術被認為不如圖3之技術(其中熱時間常數用於推導空氣流速)可靠，此係因為歸因於較長的穩定時間需求，此替代性技術在測試時間期間對溫度瞬態較敏感。在 一相關實施例中，將一適宜之傳遞函數直接應用至Vbe之改變以推導空氣流速，其中傳遞函數考慮Vbe與接面溫度之間之關係。
可設計溫度曲線分析演算法或替代地設計一Vbe曲線分析演算法以識別指示熱或空氣流瞬態之異常量測。若偵測到此類異常，則程式取消量測循環，且重複偵測程序。
在無風速計之貴重設備系統中，在空氣過濾器被灰塵或污垢堵塞之情況下，執行空氣過濾器之週期性更換。藉由使用本發明風速計，不需要以預定義時間間隔自動更換空氣過濾器，此係因為若空氣流速在可接受範圍內，則認為過濾器係適當的。風扇之恰當操作亦由風速計決定。
另外，在設備箱(例如，一伺服器、投幣機等)之設計期間，數個風速計可分佈在箱之各處電路定位之地方以判定該位置周圍之空氣流是否適當。若否，則可改變風扇或電路位置以達成充分冷卻。在最終產品中，可僅需要使用一個風速計接近風扇或空氣出口端以決定冷卻系統之恰當操作。然而，有價值之系統資料可藉由將全部風速計留在最終產品中而自現場搜集。
儘管空氣在實例中用作流體，但風速計可用於量測任何流體(例如液體)之流速。
除了提供空氣流速之PCB 10電路外，溫度感測器24或電晶體46之基極射極電壓降亦可用於表達空氣流速量測循環之間之周圍環境溫度，假定電晶體溫度已穩定。此周圍環境溫度可經由I/O接腳16傳輸至一遠端監測器，或若溫度 在一可接受範圍外則可產生一警報信號。
作為在不需要校準之情況下精確之空氣(流體)流速量測之前提，不同的風速計之間不應有明顯的不同。電晶體46規格由製造商適當地控制且在一資料表中指定。其他電路之精確度亦必須適當地控制且不受周圍環境溫度明顯影響。歸因於周圍環境(PCB 10)溫度變化之電路效能之任何變化可藉由量測PCB 10之溫度且對資料進行對應校正而校正。然而，因為周圍環境溫度被假定為針對空氣流速量測以相對於冷卻週期較慢之一速度改變，所以歸因於周圍環境溫度之改變之校正被認為可任選用於許多應用。
儘管封裝18之大小及構造可歸因於製造容限而變化，但可藉由謹慎控制金屬桿22散熱器之尺寸及質量而使此類變化對電晶體46之冷卻之影響最小化。換而言之，可控制金屬桿22散熱器之特性以管控風速計之性質。
因為金屬桿22散熱器之尺寸明顯影響風速計之效能，所以金屬桿22之尺寸應謹慎控制以避免需要校準。在由發明者執行之實驗中，不同的風速計之間所導出之熱時間常數TC之1%之變化(在相同條件下)導致線性英尺/分鐘空氣流速計算結果之約10%之變化，此係很明顯的。
金屬桿22之一特別重要之特性係其直接與其體積相關之質量。已展示其直徑之變化將比其高度之相同百分比之改變更明顯，此係因為桿22之熱質量之變化在某種程度上由桿22之表面積之相關變化抵消。桿之熱時間常數(熱TC)係桿22之質量除以桿22之表面積之一函數。因此，桿22之直 徑必須嚴格控制，因為其對桿22之熱TC之影響最大。在一個實例中，+/- 0.25密耳之一直徑容限及+/- 1密耳之一高度容限導致空氣流速量測之+/-3.1%之容限，此係可接受的。
因為桿22之質量遠遠大於封裝18之金屬墊20之質量，所以熱墊20之變化不是很明顯。桿22之容限可比金屬墊20之容限經更嚴格地控制。
圖7展示具有用於焊接至封裝18之金屬墊20(圖1)之一金屬底座90之圖1之圓柱體桿22。桿22之形狀可變化以實現定向性，因為暴露至空氣流之有效表面積可經定向控制。舉例而言，如圖8中所示，桿92可為一矩形柱以增加其暴露至空氣流之表面積(若桿92之較寬之平坦表面與空氣流方向垂直而成角度)。多個桿22/92可附接至一單一底座90，例如底座90之每個角一個桿，其中桿陣列之定向改變暴露至空氣流之表面積。
若金屬桿22散熱器之容限不是非常可控(例如，大於1%)，則在需要高度精確地判定空氣流速的情況下，可能需要校準風速計。可用零空氣流速進行校準，然而，對於一通過/未通過空氣流偵測器，不需要校準。
因為具有一較大熱TC之一感測器之溫度通常對空氣流之改變反應更慢些，所以桿22之質量(及在較小程度上，其表面積)影響風速計回應於空氣流瞬態之能力。因此可針對一特定應用特別地設計桿22以控制風速計對空氣流瞬態之敏感度。與一熱線相比，一熱線之熱TC非常小，因此 線對空氣流瞬態非常靈敏，從而需要電子平均技術以推導平均空氣流速。
在一個實施例中，若在加熱循環期間一二極體或電阻器可由一高電流充分地加熱，則可使用二極體或電阻器替代用作溫度感測器的一電晶體46。
圖9繪示包含風速計之一風扇總成96。一風扇98具有經模制以為PCB 10及風速計提供一支撐臂100之一框架。展示桿22散熱器。對風扇98供應電力及控制之一電纜亦電連接至PCB 10上之接腳16(圖1)。因此，PCB 10與其他設備隔熱且最佳地位於風扇98前面以偵測在空氣進氣口處對空氣之任何阻礙或風扇之任何故障。可為風扇總成96校準風速計演算法及查找表，從而產生極其精確之空氣流速量測。
雖然已展示及描述本發明之特定實施例，但對於熟悉此項技術者將顯而易見的是，在不脫離本發明之更廣泛態樣之情況下可作出改變及修改。隨附申請專利範圍將所有此類改變及修改涵蓋在其範疇內，如同該等改變及修改落在本發明之真實精神及範疇內。
10‧‧‧印刷電路板(PCB)
12‧‧‧風速計感測器
14‧‧‧控制器
16‧‧‧I/O接腳
18‧‧‧封裝
20‧‧‧金屬墊/熱墊
22‧‧‧高導熱桿/金屬桿/圓柱體桿
23‧‧‧槽
24‧‧‧溫度感測器
30‧‧‧風扇
31‧‧‧冷空氣
42‧‧‧開關
44‧‧‧開關
46‧‧‧電晶體
47‧‧‧參考電壓源
48‧‧‧差動放大器
50‧‧‧射極電阻器
52‧‧‧節點
53‧‧‧節點
54‧‧‧計時器
60‧‧‧開關
62‧‧‧開關
64‧‧‧電流源
68‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
72‧‧‧資料處理電路
73‧‧‧Vbe值
76‧‧‧溫度值
90‧‧‧金屬底座
92‧‧‧桿
96‧‧‧風扇總成
98‧‧‧風扇
100‧‧‧支撐臂
圖1係上面安裝有風速計感測器及控制電路之一印刷電路板之一透視圖。
圖2係本發明之一個實施例之一示意圖。
圖3係由根據本發明之一個實施例之圖2之電路執行以推導空氣流速之一程序之一流程圖。
圖4係基極射極接面溫度對時間之一圖表，其展示加熱及冷卻循環及所取之樣本。
圖5係隨著感測器冷卻，基極射極電壓降(Vbe)對時間之一圖表，及所進行之用以推導空氣流速之各種量測。
圖6係繪示最佳擬合溫度曲線之所導出之熱時間常數如何等同於空氣之流動速度之一圖表。
圖7係圖1所示之用於全向空氣流偵測之圓柱體金屬桿散熱器之一透視圖。
圖8係用以對空氣流感測提供定向性之一伸長矩形金屬桿散熱器之一透視圖。
圖9繪示包含風速計之一風扇總成。
10‧‧‧印刷電路板(PCB)
12‧‧‧風速計感測器
14‧‧‧控制器
16‧‧‧I/O接腳
18‧‧‧封裝
20‧‧‧金屬墊/熱墊
22‧‧‧高導熱桿/金屬桿/圓柱體桿
23‧‧‧槽
24‧‧‧溫度感測器
30‧‧‧風扇
31‧‧‧冷空氣

Claims (37)

  1. 一種用於分析流體流之方法，其包括：a.施加電力以引起一二極體接面之一溫度自一第一溫度改變至一第二溫度；b.改變該電力以引起該二極體接面之該溫度以一實質上指數式速率自該第二溫度向該第一溫度改變，該速率對應於一時間常數，其中該時間常數與同該二極體接面互動之一流體流相關；c.隨著該溫度自該第二溫度向該第一溫度改變而在各個時間量測跨越該二極體接面之一變化之電壓降；及d.使該時間常數與流體流相互關聯。
  2. 如請求項1之方法，其中該二極體接面係一雙極型電晶體之一基極射極接面。
  3. 如請求項1之方法，其中步驟a包括施加一電流通過包括該二極體接面之一半導體裝置以將該二極體接面加熱至該第二溫度。
  4. 如請求項1之方法，其中步驟a包括將一電流施加至熱耦合至該二極體接面之一加熱器裝置以將該二極體接面加熱至該第二溫度。
  5. 如請求項1之方法，其中步驟d包括執行一最佳擬合曲線分析以計算該溫度之改變速度。
  6. 如請求項1之方法，其中該改變之電壓降之一時間常數對應於自該第二溫度至該第一溫度之該改變之該時間常數，且其中步驟d包括使該改變之電壓降之該時間常數 與流體速度相互關聯。
  7. 如請求項1之方法，其中步驟d包括使該電壓降之改變速度與冷卻效率相互關聯。
  8. 如請求項1之方法，其中步驟d包括將一傳遞函數應用至該改變之電壓降之一時間常數。
  9. 如請求項1之方法，其中步驟d包括將一傳遞函數應用至該改變之溫度之一時間常數。
  10. 如請求項1之方法，其中一散熱器熱耦合至該二極體接面，該方法進一步包括使該流體流過該散熱器以將熱自該二極體接面移除。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括在不明顯地改變該散熱器之一表面積之情況下修整該散熱器之質量，以控制該散熱器之質量對表面積之一比率。
  12. 如請求項1之方法，其進一步包括以下步驟：分析該電壓降之該改變以判定該電壓降之該改變速度之任何變化是否大於一臨限值，指示流體流瞬態，且若如此，取消該溫度改變之該時間常數作為流體流之一精確指示。
  13. 如請求項1之方法，其中該二極體接面在一封裝中，且該封裝安裝至一印刷電路板(PCB)上，該方法進一步包括：感測該PCB之一溫度；偵測該PCB之該溫度之瞬態；及使用與該PCB之該溫度中之該等瞬態相關之資料校正步驟d中之一流體流計算。
  14. 如請求項13之方法，其中感測該PCB之該溫度之該步驟包括偵測跨越該二極體接面之一電壓降。
  15. 如請求項1之方法，其中該二極體接面在一封裝內，且該封裝安裝至一印刷電路板(PCB)上，該方法進一步包括：使用具有與該二極體接面之一熱時間常數匹配之一熱時間常數之一溫度感測器感測該流體之一溫度；使用該溫度感測器偵測該流體之該溫度之瞬態；及使用與該流體之該溫度中之該等瞬態相關之資料校正步驟d中之一流體流計算。
  16. 一種風速計，其包括：a.安裝在一封裝內之一二極體接面，該封裝包括與該二極體接面電絕緣之一金屬熱墊；b.至少一個散熱器，其與該熱墊熱接觸且自該熱墊向外延伸，以用於使一流體流過該散熱器以將熱自該二極體接面移除；c.至少一個溫度控制開關，其耦合至一電源；d.一控制器，其用於在一時間間隔內控制該至少一個溫度控制開關以將該二極體接面之一溫度自一第一溫度改變至一第二溫度，接著允許該二極體接面之該溫度以一實質上指數式速率自該第二溫度向該第一溫度改變，該速率對應於一時間常數，其中該時間常數與同該二極體接面互動之一流體流相關；e.一數位處理器，其經組態以隨著該溫度自該第二 溫度向該第一溫度改變而在各個時間量測跨越該二極體接面之一改變之電壓降；且f.該數位處理器經組態以使該時間常數與流體流相互關聯。
  17. 如請求項16之風速計，其中該二極體接面係一雙極型電晶體之一基極射極接面。
  18. 如請求項16之風速計，其中該二極體接面係一雙極型電晶體之一基極射極接面，且其中該至少一個溫度控制開關耦合在該電源與該電晶體之一集極之間以供應一電流通過該電晶體以將該電晶體加熱至該第二溫度。
  19. 如請求項18之風速計，其中該至少一個溫度控制開關包括：一第一開關，其耦合在該電源與該電晶體之該集極之間以供應一第一電流通過該電晶體以將該電晶體加熱至該第二溫度；及一第二開關，其耦合在該電晶體之一基極與一基極電壓源之間以用於驅動該電晶體以在該電晶體之該集極與一射極之間傳導該第一電流。
  20. 如請求項16之風速計，其進一步包括至少一個量測控制開關，該量測控制開關由該控制器控制以在將跨越該二極體之該電壓降耦合至一類比至數位轉換器(ADC)的同時以一電流驅動該二極體接面，該ADC之一輸出耦合至該數位處理器。
  21. 如請求項16之風速計，其中該數位處理器經組態以執行 一最佳擬合曲線分析以計算該溫度改變之該時間常數。
  22. 如請求項16之風速計，其中該至少一個溫度控制開關耦合在該電源與熱耦合至該二極體接面之一加熱器裝置之間以將該二極體接面加熱至該第二溫度。
  23. 如請求項16之風速計，其中該數位處理器經組態以藉由判定該電壓降之一改變速度且使該電壓降之該改變速度與流體速度相互關聯而計算該溫度改變之該時間常數。
  24. 如請求項16之風速計，其中該數位處理器經組態以將一傳遞函數應用至該改變之電壓降之一時間常數以推導該流體流。
  25. 如請求項16之風速計，其中該數位處理器經組態以將一傳遞函數應用至該改變之溫度之一時間常數以推導該流體流。
  26. 如請求項16之風速計，其中該散熱器包括自該熱墊延伸之至少一個桿。
  27. 如請求項26之風速計，其中該桿係圓柱體。
  28. 如請求項26之風速計，其中該桿係一多面體。
  29. 如請求項26之風速計，其中該桿之一長度大於1 cm。
  30. 如請求項16之風速計，其中該數位處理器經組態以分析該電壓降之該改變以判定該電壓降之該改變速度之任何變化是否大於一臨限值，指示流體流瞬態，且若如此，取消該溫度改變之該時間常數作為流體流之一精確指示。
  31. 如請求項16之風速計，其中該二極體接面封裝安裝在一 印刷電路板(PCB)上，該風速計進一步包括用於感測該PCB之一溫度之一溫度感測器，該數位處理器經組態以使用該溫度感測器偵測該PCB之該溫度之瞬態，且使用與該PCB之該溫度之該等瞬態相關之資料校正一流體流計算。
  32. 如請求項16之風速計，其進一步包括與該二極體接面分離之一溫度感測器，該溫度感測器偵測該流體之一溫度，該溫度感測器之一熱時間常數與該二極體接面之一熱時間常數匹配，該數位處理器經組態用於使用該溫度感測器偵測該流體之該溫度之瞬態，且使用與該流體之該溫度之該等瞬態相關之資料校正一流體流計算。
  33. 如請求項16之風速計，其中該二極體接面封裝安裝在一印刷電路板(PCB)上，該PCB具有若干槽，該等槽至少部分圍繞該封裝以增加該PCB與該二極體接面之間之熱隔離。
  34. 如請求項16之風速計，其進一步包括形成一風扇模組之一部分之一支撐部件以便將該散熱器直接定位在該風扇前面之一空氣流路徑中。
  35. 一種風速計系統，其包括：一溫度感測器，其具有隨溫度變化之電特性；一散熱器，其熱耦合至該感測器，該散熱器包括自該感測器延伸之一伸長金屬桿，該桿具有一質量；該桿位於用於將熱自該桿移除之一流體流中；及一控制器，其連接至該感測器以用於隨著熱自該桿移 除而偵測該感測器之該等電特性。
  36. 如請求項35之風速計系統，其中該桿具有一長度尺寸，其中該長度尺寸實質上垂直於流體流之一主要方向。
  37. 如請求項35之風速計系統，其中該桿之該質量經調整以選擇該風速計對該流體流之瞬態之一回應。
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