TW201643382A - 具有用於流體成份補償之微機電系統熱流感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於量測一流體之流率而不需要針對彼特定流體校準流量感測器之MEMS熱流感測器或熱流表。藉由針對已知熱擴散率之一校準流體繪製感測器輸出電壓與體積流率除以流體熱擴散率之關係曲線圖而判定一回應曲線，且將回應曲線資料儲存於記憶體中。採用一轉換因子來提供一未知流體之正確流率之一量測。自該校準流體之熱時間常數對該所量測流體之熱時間常數之比率導出此轉換因子，在零流量下量測該等時間常數。將此等時間常數儲存於記憶體中。由處理器利用此轉換因子連同回應曲線資料以產生該正確流率。本發明亦囊括一種用於量測不同性質之流體之流體流率而不需要針對每一流體進行一單獨流量校準的方法。

Description

具有用於流體成份補償之微機電系統熱流感測器
本發明係關於一種具有MEMS多樣性之熱質量流量表，其中流量感測器藉由微機械加工技術在一矽基板上經構造，且採用兩側為全部放置為與流動流體直接熱接觸之兩個或兩個以上上游及下游溫度偵測器使得流體流沿上游或下游方向之存在引起該等溫度偵測器中指示流體流率之一不平衡的一中央加熱器。該流量感測器製作於一矽晶體之表面上且然後作為載運該流體流之一流動通道之一內側壁之部分經安裝，或安裝於在內部橫跨該流動通道之一薄膜或橋結構上。
已知此等MEMS流量感測器具有對流動穿過感測器之流體之熱及機械性質(諸如流體質量密度、比熱、熱導率、黏度等)且亦對環境變數(諸如流體進入溫度及壓力)敏感之輸出。此等相依性限制一使用者關於不同流體及流體混合物操作流量感測器之能力，除非首先執行關於每一所關注流體的MEMS流量感測器之昂貴及耗時經驗校準。
因此，藉由在流量感測器自身內執行之相關流體性質之直接量測提供一種針對不同流體成份自動校正一MEMS熱流感測器之輸出的方法係合意且有用的。下文所揭示之本發明教示一種用於實現此流體成份校正從而使關於一已知流體經校準一次之一熱流感測器能夠在不具有進一步流量校準之情況下量測各種各樣之未知純流體及流體混合物(條件僅係首先在零流量下在流量感測器內量測表示未知流體或混 合物之一時間常數及熱導率)的方法。
注意，如此文件中所使用之「流體」表示能夠流動穿過一導管且經加熱或冷卻之任何材料介質，舉例而言氣體、液體、顆粒材料、懸浮液、混合物等。熱流感測之原理在此更寬廣意義上應用於所有流體。而且，用以闡述下文之特定實施方案之更多特定術語氣體、液體、混合物等之使用不應在一限制性意義上經解釋，而是作為「流體」之例項在更廣泛意義上經解釋。
先前技術中存在兩個其他種類之商業相關熱流量表。首先係大插入探針熱流量表，該等大插入探針熱流量表通常使用在管道之剖面區域上之一個點處量測流量之一宏觀插入探針且通常在紊流流態中操作。在此等設計中，熱偵測器不與流動流體直接接觸，而是駐留在自管道壁(金屬(通常為不銹鋼)探針所附接之處)徑向向內突出之金屬探針之保護壁後面。此等表必須關於使用者流體進行流量校準。該等表係主要用於流體流量研究之熱線流速計之一直接商業演進式開發，該等熱線流速計對於在工業應用中使用係太脆弱的。此等插入探針熱表不針對相同應用來使用，或在由MEMS多樣性之熱流感測器服務之層流流態中使用。本文中將不進一步論述該等插入探針熱表。然而，以參考文獻章節中所列出之兩個國際流量標準(一個來自ISO，且一個來自ASME)總結其特性及其使用規範。
此項技術中已知之另一種類之熱流量表係毛細管熱流量表，該毛細管熱流量表具有纏繞在一小毛細管之外側上之外部加熱及溫度電阻式感測線圈，該等感測線圈不與流動流體直接熱接觸，而是在管壁內側表面處量測與流動流體直接熱接觸之管壁之溫度。此等流量表亦具有對流體或氣體成份之敏感性，但其氣體成份相依性比MEMs熱流量表之氣體成份相依性更好地被理解。
毛細管熱質量流量感測器在低層流下展現以流體相依之一斜率 與所有流體之質量流率成正比之一回應。然而，在高層流率下，其回應變為質量流量之一非線性函數，該非線性函數具有對流體成份及性質之一更複雜相依性。如由布萊克特(P.M.S.Blackctt Proc.Roy Soc.1930,p.319 ff)首先建議，在針對流量之其線性回應範圍中，毛細管熱流量表與流動穿過管之每單位時間之熱容成正比地做出回應，且以其他方式獨立於流體成份。因此，若每單位質量之流體熱容係已知的，則毛細管表可經校準以在不要求知曉任何其他流體性質之情況下直接讀取質量流量。針對此技術，藉由將感測器流率讀數乘以一氣體或流體校正因子而將關於一種流體所量測之一流率轉換為關於通過同一經校準流量感測器之一第二流體所量測之一流率亦係一簡單事情。該氣體校正因子僅僅係流動區域中之兩種已知流體之熱容之比率，其中感測器回應關於兩種流體係線性的。因此，關於流體A經校準之一毛細管熱流感測器可用於在將讀數乘以聯繫流體A與B之恆定氣體校正因子之情況下量測任何已知流體B之流量。此等毛細管熱流量表不能夠量測任意未知純氣體或混合物之流量，其中氣體或氣體混合物比熱容係可變或未知的，儘管其仍將與(亦即)恆定成份之未知氣體之質量流率成比例地做出回應，但其表現得像未經校準之一流量表。由於其沒辦法區分一正改變流體比熱與一正改變流體質量流率(僅對兩個量之乘積敏感)，因此毛細管熱感測器無法直接用於量測具有時變成份之一流體混合物之流率。
如布萊克特亦指出，在充分高流量下，毛細管流量感測器回應變為流率之一非線性函數，該非線性函數現在亦對流率之立方而不僅對流量之一次冪做出回應。然而，立方項另外取決於流體熱導率，且因此在較高流量下藉由氣體熱容之簡單氣體轉換不再保持，且氣體轉換變得更加複雜。出於此原因，通常僅在毛細管熱流感測器之線性回應範圍中操作毛細管質量流量表及質量流量控制器，其中獨立於流量 之一恆定氣體校正因子對於已知固定比例之不同已知氣體或氣體混合物之流量之間的轉換係充分的。上文引用之熱流量表之ISO標準亦闡述在其流量回應之線性部分中操作之毛細管熱流量表及控制器之特徵及使用，包含氣體校正因子之例行使用以用於採用關於一種氣體經校準之一表來量測已知比熱容之其他氣體之質量流率，而不要求針對每一不同氣體或氣體混合物單獨重新校準儀器。塞拉儀器公司白皮書「Capillary Thermal Users Guide」提供在流量感測器管之線性回應中操作之毛細管熱感測器流量表及控制器之一全面總結。
針對毛細管熱流感測器亦存在教示甚至在感測器流量回應範圍之非線性部分中允許關於不同氣體之操作之一方法之一先前技術專利(Wang、Valentine及Lull，美國專利7,043,374，2006年5月9日)。可如下總結此專利。
有人斷言，針對毛細管感測器存在感測器輸出電壓S、體積流率Q、感測器長度L、導管剖面面積A、流體質量密度ρ、恆定壓力下之流體比熱Cp以及針對每一流體通常不同之兩個憑經驗判定之常數f及g之間的一獨特函數關係，使得
在此處，W代表針對所有流體及一特定設計之所有感測器相同之一獨特毛細管感測器回應函數。斷言若將在方程式(1)左邊之量視為一y座標，且將在方程式(1)右邊之小括弧中之量視為一x座標，則基於作為所量測體積流率Q之一函數之所量測感測器輸出S的y(x)之一曲線圖將給出獨立於氣體或氣體混合物物種之一獨特非線性曲線y(x)，而不管對比Q繪製之S(Q)針對不同氣體及混合物物種給出不同曲線之事實。為依據方程式(1)之關係判定已知成份之一氣體之流量，自所量測感測器電壓S開始，必須依據所量測S及兩個已知氣體性質f、k計算對應y，然後依據y找出先前判定之獨特曲線y(x)上之對應x座標， 且然後使用已知氣體及因次感測器性質g、ρ、k、Cp、L及A以依據曲線之x座標之數值找出適當體積流量Q。專利7,043,374不揭示針對函數W之特定分析函數形式或連續曲線；其明顯地僅由依據(S,Q)感測器輸出點(由關於特定已知氣體的流量感測器之校準產生)計算之一組相關聯離散(x,y)點組成。專利7043,374亦不教示用於判定經驗氣體性質f、g之方法，針對每一氣體需要經驗氣體性質f、g以應用該方法。此省略在係反應的因此其無法安全地用於生產校準中之程序氣體之情形中係尤其耀眼的，使得該等程序氣體由較安全代理氣體替換以用於製造流量校準。
總之，針對在感測器回應之線性部分中操作之先前技術毛細管熱流感測器，存在允許關於一種已知氣體經校準之一感測器之使用與恆定比例之諸多其他已知純氣體及氣體混合物一起使用(條件係氣體或混合物之相對比熱容全部係已知的)之一簡單氣體性質轉換。毛細管熱流感測器之此性質係眾所周知的，且舉例而言在2001年10月15日發佈且標題為「ISO-14511 Thermal Mass Flow Meters in Closed Conduits」之ISO標準中經闡述。
針對在感測器回應範圍之非線性部分中操作之毛細管感測器，氣體相依性係更複雜的，且涉及除流體比熱容之外的其他氣體性質。在美國專利中由Wang等人之US7043,374 B2闡述之先前技術教示在回應曲線之非線性部分中操作此一毛細管感測器之一方法，條件係知曉每一氣體之恆定壓力下之密度、熱導率及比熱，加上每一氣體之兩個憑經驗判定之氣體常數f及g，加上所採用之毛細管感測器之長度及剖面面積，且先前已針對具有已知性質之所有所關注氣體使用上述感測器量測「特性曲線」W。由於需要針對每一所關注氣體量測新氣體性質f及g，因此此方法僅對於具有完成必要預先流量測試所需要之資源之彼等人或可以利用含有此資訊之一製造商之資料庫之人係實際的。
相比之下，MEMS熱流感測器對氣體性質具有不同於毛細管流量感測器之一相依性，甚至在其中其對流體熱導率及質量密度以及熱容具有一相依性之線性回應範圍中。舉例而言，熟悉毛細管熱流量表之彼等人知曉，在感測器之線性流量回應範圍中，氫及空氣兩者皆具有幾乎相同斜率對標準化體積流率，使得「氣體校正因子」針對此等氣體接近於1。然而，針對具有在流導管內部之加熱及感測之一MEMS熱流感測器，氣體氫及空氣甚至在感測器回應之線性區域中具有顯著不同斜率。因此，相同無因次相關性不應用於兩種類型之熱流感測器，且在美國專利7,043,374之先前技術中教示之相關性(1)對於具有直接曝露至流動流體之加熱器及溫度感測器之MEMS熱流感測器並非有效的。
因此，使用具有浸沒於流動流體中之加熱器及溫度感測器之一MEMS熱流感測器以甚至在線性回應範圍中基於關於僅一種氣體之一單個流量校準而量測關於諸多氣體之流量在先前係不可能的，此乃因不知曉氣體轉換之準確且簡單方法。另外，校準MEMS流量感測器且在寬流量範圍內使用其已成為慣例，其中回應針對所使用之所有氣體或流體係高度非線性的。因此，迄今為止已有必要關於希望在一MEMS熱流量表中使用之每一氣體或流體執行一昂貴非線性校準，結果係，多個非線性校準之高成本已大大限制將基於MEMs之流量表用於最常見氣體混合物、空氣之流量。
本發明提供一種用於量測一流體之流率而不需要針對彼特定流體校準流量感測器之MEMS熱流感測器或熱流表。藉由針對已知熱擴散率之一校準流體繪製感測器輸出電壓與體積流率除以流體熱擴散率之關係曲線圖而判定一回應曲線，且將回應曲線資料儲存於記憶體中。採用一轉換因子來提供一未知流體之正確流率之一量測。自該校 準流體之熱時間常數對該所量測流體之熱時間常數之比率導出此轉換因子，在零流量下量測該等時間常數。將此等時間常數儲存於記憶體中。由處理器利用此轉換因子連同回應曲線資料以產生該正確流率。
本發明亦囊括一種用於量測不同性質之流體之流體流率而不需要針對每一流體進行之一單獨流量校準的方法。
該流量感測器提供體積流率之一量測。可根據本發明藉由使用一流體質量密度量測儀器提供質量流率之一量測。針對其中流體可被視為一理想氣體之情形，可採用與體積流率結合之氣體溫度及壓力之原位量測來產生與質量流率成正比之一流量信號。
申請人已發現，針對在一恆定溫度上升模式中操作之MEMS熱流感測器，存在流量感測器輸出(△T/Trise)與和體積流率Q除以一特性長度、進一步除以流體熱擴散率α成比例之一無因次流量變數之間的一無因次關係。在此處，△T係下游減上游流量誘發之溫度差，Trise係MEMS氣體加熱器高於熱基準(ground)之溫度升高，且A係流導管在內部感測器加熱器元件之位置處之剖面面積。當然，A針對一給定感測器設計係恆定的，且不取決於流率Q或氣體熱擴散率α，因此並非實質性的(惟在比較感測器設計之回應與不同A時除外)，且在僅同一感測器中之不同氣體之流量回應在考慮之中時可經丟棄以簡化分析。
在針對不同流體及混合物繪製感測器輸出電壓與體積流率除以流體熱擴散率Q/α之關係曲線圖時，產生針對所有流體實質上相同之一通用回應曲線。因此，一旦藉由一流量校準針對一特定MEMS感測器設計判定針對已知熱擴散率之一種流體之此曲線之形狀，可能預測作為已知熱擴散率之任何流體或混合物之體積流率之一函數而繪製之感測器流量回應曲線。
為將上文所闡述之方法亦用於任意及未知熱擴散率之流體，在流量感測器內原位量測表示流體熱擴散率之一量係充分的。由於僅需 要熱擴散率之比率以將一種氣體流轉換為另一氣體流，因此不必要量測任一氣體之絕對熱擴散率，而是僅量測兩種氣體或氣體混合物之相對熱擴散率。可藉由判定感測器體積內之流體當經受加熱器功率之一步進改變時在零流量下達到熱均衡之指數時間常數而量測表示流體熱擴散率之一量。實際上，針對通常熱流感測器設計，流體熱時間常數與流體熱擴散率成反比。另外，可在零流量下量測熱導率，從而比較均衡溫度。熱導率與溫度成比例。舉例而言，藉由不同氣體對氣體加熱器功率之一步進改變之溫度回應之CFD模擬且亦藉由感測器本體內之經耦合固體及流體部分之一簡單分析模型展示此。
因此，藉由一未知流體之熱時間常數之一零流量量測，與用於執行MEMS熱流感測器之流量校準之特定校準流體之對應零流量熱時間常數相比較，具有未知及已知流體之熱擴散率之比率之一量測，該量測足以依據通用感測器回應曲線圖判定未知流體之一體積流率軸上之正確位置(給定在一未知但恆定流率下之彼流體之感測器電壓輸出)。因此，方法允許依據關於以一未知流率流動之未知(或任意)流體量測之感測器輸出判定彼流體之正確體積流率，條件係已首先判定0流量下之未知流體之時間常數，且先前已量測針對至少一種流體之通用感測器回應曲線(藉由關於彼流體之實際流量校準)。
1‧‧‧流量表本體
2‧‧‧流動入口
3‧‧‧流動出口
4‧‧‧入口強制關閉閥/閥
5‧‧‧出口強制關閉閥/閥
6‧‧‧流分離器主體通道
7‧‧‧感測器或旁路流動通道/流量感測器通道/流動通道/感測器流動通道
8‧‧‧熱流感測器/熱感測器
9‧‧‧電子器件及計算模組或處理器/處理器
10‧‧‧上游流體溫度感測器/上游溫度感測器
11‧‧‧下游流體溫度感測器/下游溫度感測器
12‧‧‧微型橋流體加熱器/流體加熱器
13‧‧‧補充差動壓力感測器
14‧‧‧補充流體質量密度量測儀器
P‧‧‧壓力/氣體絕對壓力
T‧‧‧氣體溫度/氣體絕對溫度/絕對溫度
圖1展示未按比例之整個流量表之一示意性概觀，其展示流量表本體1、電子器件及電腦模組或處理器9、分流器及主體及感測器或旁路流動通道，及在熱感測器與計算模組之間通信之信號路徑(虛線)；圖2展示未按比例之感測器流動通道7之一部分之一放大示意圖，其展示流體加熱器以及量測上游及下游流體溫度之上游及下游溫度偵測器之相對空間位置，以及其在感測器流動通道中之大致相對位置； 圖3展示在感測器回應之線性範圍中所量測流量回應對一MEMS流量感測器之使空氣及然後H2流動之體積流率之一經組合曲線圖，其展示廣泛地不同之斜率，不同於具有幾乎相同斜率之針對相同兩種氣體之毛細管回應；圖4係在流量回應之非線性範圍中所量測流量回應對一流量表之針對5種不同氣體之體積流率之曲線圖；圖5係在其範圍之非線性部分中所量測流量回應對一流量表之針對5種不同氣體之經重新按比例調整流率[(體積流率)/(流體熱擴散率)，Q/α]之曲線圖；圖6係一MEMS流量表之經模擬熱時間常數對數種氣體之1/(氣體熱擴散率)之曲線圖，其展示時間常數與氣體熱擴散率成反比；圖7展示使用與感測器流動通道並聯裝設之一補充差動壓力感測器13來提供相對流體黏度之一量測連同相對熱擴散率及體積流率之原位量測，以在其中氣體黏度導致通用回應曲線中之較小分裂之情形中提供較高流量準確度；圖8展示使用一補充流體質量密度量測儀器14、結合藉助通用無因次回應曲線而進行的本發明之體積流率量測並藉助於對流體相對熱擴散率或熱時間常數之原位量測來達成對一未知流體之質量流率之量測；及圖9針對其中流體係一理想氣體之情形，可能與氣體溫度(T)及壓力(P)及體積流率Q之原位量測一起採用已知狀態方程式(9)以產生與氣體質量流率成正比且針對T、P變化進行補償之一流量信號。
圖1展示未按比例之整個流量表之一示意性概觀，其展示流量表本體1、流動入口2及流動出口3、入口強制關閉閥4及出口強制關閉閥5、流分離器主體通道6(通常載運經劃分總流量之較大部分)及感測器 或旁路流動通道7(通常載運經劃分總流量之較小部分)，其中熱流感測器自身8安裝於流量感測器通道7內。一流量感測室界定於閥4與5之間的流動通道7中。在流體進入且填充該室之後，關斷關閉閥以密封在其中量測流體熱時間常數之室內側之內部體積。強制關閉閥可在外部經連接且由表使用者供應，或其可由製造商建構至表中。不管怎樣，在正量測流體熱時間常數時之週期期間其必須在關閉位置中。一旦流體熱時間常數已經量測且儲存於記憶體中，且流量表已經調至零位，便敞開入口及出口閥以允許表使流通過。
圖1中之虛線指示流量表感測及致動組件(熱流感測器以及入口及出口關閉閥)與電子器件及計算模組或處理器9之間的資料通信連接及控制信號路徑，其中表操作程序及校準資料儲存於記憶體中。遠離處理器9指向之實線箭頭指示將表流量讀數傳遞至表使用者之資訊路徑。
處理器9通常係具有可操作以根據本文中之揭示內容提供既定計算之軟體或韌體之一微處理器。該微處理器自身可具有任何已知組態且可安裝於流量感測器本體中或與流量感測器本體相關聯地經安裝。
圖2展示其中定位熱感測器8之主動組件之感測器流動通道7(由虛線指示)之一部分，該等主動組件執行貢獻於表輸出流量信號(在由處理器處理之後)之基本量測。此等組件係跨越流動通道懸掛且與流動流體直接熱接觸之微型橋流體加熱器12、兩者亦藉由跨越流動流體流之微型橋懸掛且與該流動流體流直接熱接觸之上游流體溫度感測器10及下游流體溫度感測器11。
表達「直接熱接觸」意欲包含以其他方式浸沒於流體中之加熱器及溫度感測器上之一熱薄保護表面塗層。係為「熱薄的」，塗層必須相對於加熱器或溫度感測器自身之熱容具有可忽略熱容。
儘管(舉例而言)圖2中展示一矩形剖面感測器流動通道，但流量 感測器通道剖面形狀可係圓形、卵形、橢圓形、三角形、六角形或具有在沿著流動方向突出時將產生一廣義柱體(如與一圓形柱體不同)之任何恆定區域閉合之幾何形式。類似地，儘管將流體加熱器12以及上游溫度感測器10及下游溫度感測器11繪示為跨越感測器流動通道延伸之微型橋，但其可具有能夠充足地加熱流動流體且能夠偵測流體之流動誘發之下游-上游溫度差的任何幾何形式。
圖3係在感測器回應之大致線性範圍中一MEMS流量感測器關於空氣及H2之所量測流量回應之一曲線圖。在表中單獨量測兩種不同氣體之流量，然後在同一圖表上繪製關於不同氣體之兩個表流量回應以用於比較。由+及x標記之點係藉助流動穿過流量表之空氣引導之兩個流運行。由圓圈繪示之點係在同一表中關於流動穿過表之氫進行之量測。直接顯而易見的，針對空氣之輸出電壓斜率對體積流率不幾乎等於關於氫之斜率，而是大得多。此曲線圖上之+及x符號表示關於空氣之兩個單獨運行，且在每一流率下之其垂直分離給出量測誤差之一指示。圖3展示MEMS流量感測器具有關於氣體空氣及氫之顯著不同於基於流動氣體或混合物之比熱之眾所周知之毛細管相關性的一回應，其預示在流量回應之線性部分中針對空氣及H2之一幾乎相同回應。塞拉儀器公司(毛細管類型熱流量表之一已知製造商)將針對在其毛細管熱質量流量儀器中之H2之習用氣體校正因子(相對於空氣之K因子)給出為1.001。因此，當不同氣體在MEMS流量感測器中流動且遵守其自身之獨立氣體回應定律時，MEMS流量感測器以不同於毛細管感測器之方式作出回應。毛細管氣體轉換因子對於MEMS熱流感測器一般並非有效的。
圖4展示在回應之非線性範圍中原始感測器輸出對一MEMS流量表之針對5種不同氣體之體積流率之一曲線圖。儘管某些氣體(N2、空氣、CH4)具有幾乎獨立於氣體成份之接近回應，但其他氣體(如CO2及 H2)具有截然不同之回應。氣體CO2與氫之間存在一尤其大之差異。此圖亦展現針對氣體空氣及甲烷(CH4)之毛細管流量感測器與MEMS流量感測器之間的回應差異，氣體空氣及甲烷(CH4)對於MEMS流量感測器幾乎係相同的(如圖4中所展示)，但對於毛細管感測器斜率，氣體空氣及甲烷(CH4)相差約25%(塞拉儀器(在前文列舉的文獻)將相對於空氣之甲烷氣體校正因子給出為0.754)。提供一圖4以圖解說明與圖5之類似曲線圖之一前後比較，其中藉由將所量測體積流率除以所量測之每一氣體之熱擴散率而重新按比例調整流量軸。
圖5展示原始流量表輸出對針對在圖4中較早繪製(在流量重新按比例調整之前)之相同流量資料之Q/α之一曲線圖。在此處，Q係每一氣體之所量測體積流率，如在圖4中，且α係彼氣體之熱擴散率。根據本發明之相關性，此水平軸係經重新按比例調整流量軸。顯然，五個不同回應曲線已實質上摺疊並成幾乎重合曲線之一極緊密叢集。此與圖4形成鮮明對比，其中不採用相關性。儘管在圖4及圖5之測試中採用之流量表由於其設計而對於經重新按比例調整流量曲線圖之使用並非最佳的，但其仍展示使圖4之迥然不同曲線朝向一通用曲線收斂之一實質進程。其他經改良設計應產生關於不同氣體之甚至更佳收斂。
圖6展示氣體熱時間常數τ對1/α之一曲線圖，其展示廣泛不同熱擴散率之七種不同純氣體(H2、He、Ar、CO2、CH4、SF6、N2)加上其熱擴散率係已知之一種氣體混合物(空氣)之此等變數之間的一正比。此等時間常數來自Memsic公司熱流感測器之經耦合固體及流體部分之一理論模型，該熱流感測器考量經耦合固體及流體部分之相互熱作用。
因此針對任何兩種氣體1、2，可寫出
為判定正量測之一氣體之相對熱擴散率，有必要首先使上述氣體流動至流量感測室中且關斷入口及出口強制關閉閥。此等操作將阻止穿過感測體積之任何流動同時量測氣體熱時間常數。然後將加熱功率之一步進改變應用於加熱器，且將上游及下游溫度感測器之溫度讀數記錄為時間之一函數。然後由電子器件及計算模組(圖1中之9)處理此資訊以產生室中之氣體之指數熱時間常數。然後可敞開強制關閉閥且致使需要量測其流率之氣體流動穿過感測器流動室，且量測下游-上游溫度差以提供原始流量信號。
圖5中展示存在為如下形式的MEMS感測器輸出溫度差△T與流量變數Q/α之間的一關係：
其中R係上述MEMS熱感測器之一通用或氣體獨立感測器回應函數。因此，一所量測值△T一般對應於不同氣體之不同流量，使得針對具有相同△T之所有氣體，比率Q/α係恆定的。若已藉由關於一種氣體(由1標示)之流量校準判定通用函數R，則吾入可藉由反轉函數R而得出對應於任一特定△T之彼氣體之流量，亦即Q1=α1R-1(△T)。在此處，R-1係R之反函數。然後依據如下關係得出氣體2之對應流量
使用(2)依據τ’s之比率判定α’s之比率
因此，若氣體1係校準氣體(亦已量測其熱時間常數)，則可能量測任何其他氣體之流量(一旦量測該等其他氣體之在0流量下之時間常數)。實際上，可完全地跳過熱擴散率且以替代形式寫出通用回應函數△T=R(Q．τ) (6)
依據方程式(6)，顯然，給定由熱流感測器原位量測零流量τA下之其熱時間常數之任何未知氣體A，可反轉已知通用函數R以根據所量測流量感測器輸出△T對QA求解，如方程式(7)中所展示。
藉由此方法，每一相異流量感測器輸出值△T與氣體A之一獨特體積流率QA相關聯，即使從未關於氣體A直接校準流量感測器。類似地，若然後關於氣體2使用已關於氣體1經校準之一熱流量表，則根據如下簡單表達式依據流量表讀數Q1容易地計算正流動之氣體2之體積流率Q2，
亦即，依據方程式(2)，當流動穿過經校準以量測氣體1之一MEMs熱流量表之實際氣體係氣體2時用於轉換該MEMs熱流量表之讀數Q1之氣體轉換因子係比例τ1/τ2，或相等地比率α2/α1。
因此，當程序氣體之身份係已知且其相對於校準氣體之熱擴散率係製成表的時，可藉由相對於校準氣體直接量測程序氣體之熱時間常數而原位判定或依據氣體熱擴散率之一參考表判定將關於表校準氣體量測之體積流率轉換為關於任一其他氣體(藉助同一儀器所量測)量測之體積流率所需要之氣體轉換比率。假定校準氣體之身份係已知的，其熱擴散率係製成表的，且在流量校準時流量感測器中之其熱時間常數已經量測且儲存於流量表記憶體中。類似地，假定通用回應函數R(Q．τ)之反函數R-1(△T)已針對校準氣體經計算，且儲存於流量表機載記憶體中。
本發明教示已在一寬廣流動範圍內關於一已知流體準確地經校準一次之一MEMS熱流感測器可藉以用於量測任何其他流體或混合物之流量(甚至在彼其他流體之成份係未知時，條件係可在流量感測器 中量測其熱時間常數)之一新穎方法。
此係先前技術水平之一實質上進展，該先前技術水平在一MEMS流量感測器可用於量測關於不同氣體或流體混合物之流量之前要求關於每一氣體之一單獨且昂貴校準，甚至在該等氣體之成份係已知的，且其物理性質係製成表的時。
熟習流量感測器技術者將想到針對MEMS熱流感測器之本文中教示之基本技術之某些明顯擴展。本文中主張此等擴展以及已經闡述之最簡單實施例。舉例而言，很明顯，此技術除了能夠量測未知流體及混合物之外亦可藉由以下方式應用於已知熱擴散率之流體及混合物：提前計算流體及混合物之熱擴散率對已知校準流體之熱擴散率之比率且將該等比率連同通用無因次曲線一起儲存於儀器記憶體中。因此，可向使用者出售具有關於不同所關注氣體之任一集合之此類所儲存資訊之一儀器，此類所儲存資訊已儲存於儀器記憶體中以便准許關於彼等已知氣體之立即使用而不要求一原位時間常數判定所需要之額外時間。
熟習流量表技術者亦將顯見，亦可使用原位流體時間常數判定之能力及與通用無因次曲線之關係作為對其熱性質儲存於儀器記憶體中之已知流體進行自檢查之一手段。舉例而言，一新時間常數判定對照一先前時間常數判定或所儲存熱擴散率值之此一檢查可揭露流量感測器特性由於隨著使用之感測器耗損的微秒移位，該等微秒移位可指示對流量感測器之一重新校準之需要。
儘管流量感測器輸出與穿過感測器之無因次流量之間的基本無因次關係僅涉及單個流體性質熱擴散率，但可想到更多精確量測在未來將揭示亦對某一(些)額外流體性質之一較弱相依性，該較弱相依性可導致某些感測器設計之通用感測器回應曲線變成多個緊密隔開之曲線之一微秒分裂。此效應在原子光譜學(舉例而言)中係常見的，其中 針對氫之基本光學線頻率藉由巴耳末公式經給出為一第一約計，但微秒特殊相對論效應導致重合巴耳末線中之某些巴耳末線按一精細得多之波長尺度分裂成緊密隔開之多重譜線。因此，為獲得最高流量量測準確度，除相對熱時間常數或相對熱擴散率之外亦藉助流量感測器原位量測一或多個其他流體性質(諸如流體黏度)在未來可變得合意。舉例而言，可包含一差動壓力感測器以執行在流量感測器中發生之壓力降之一原位量測，以便估計流體黏度，且因此與僅僅使用熱擴散率相依性來重新按比例調整流量軸可達成相比提供流率之一更精確量測。因此，可變得合意之任何此類額外原位流體性質量測適當地應被視為在本發明之範疇內，僅係所揭示之基本技術至除熱擴散率以外之額外流體性質之一擴展。
圖7指示一感測器，其中藉由一差動壓力感測器之添加原位量測相對流體熱擴散率及相對流體黏度兩者以量測在感測器流動通道之長度內在一特定流率下發生之壓力降。
圖8展示使用一額外質量密度感測器來原位量測流動流體之質量密度。熟習此項技術者亦將顯見，由於已藉由使用通用MEMS流率回應曲線R(Q/α)並結合一已知或未知氣體之相對熱時間常數之一原位量測而準確地量測該已知或未知氣體或氣體混合物之體積流率，因此僅需要另外原位量測流體之質量密度以使得能夠判定氣體質量流率(經計算為質量密度乘以體積流率之乘積)。因此，本發明亦教示將以下各者相組合來達成一質量流量量測：一原位質量-密度量測裝置、及一原位氣體相對熱時間常數或相對熱擴散率量測、及本文中所揭示之使用通用回應曲線進行之一MEMS體積流率量測。
圖9在其中已知一流動氣體之化學身份之情形中，且亦在其中流動氣體之狀態方程式可藉由理想氣體定律(9)充足地約計之條件下P．V=n．Z．R．T (9)
(其中P=氣體絕對壓力，T=氣體絕對溫度，V=氣體體積，n=氣體之莫耳數，Z=氣體壓縮率，(在一小範圍之P、T內視為常數)R=通用氣體常數)，可藉由以下各項替換流體質量密度之原位量測：1)知曉在一個規定參考溫度T0及壓力P0下之氣體質量密度；2)在判定體積流率時流動氣體溫度及壓力之原位量測；3)藉由使用通用曲線及在壓力P及絕對溫度T下之流動氣體之相對熱時間常數而進行的已知氣體體積流率之量測。在此情形中，理想氣體定律(9)用於依據在條件(P、T)下之氣體之所量測體積流率Q判定在參考條件P0、T0下之氣體之相等體積流率Q0。質量流率然後係在參考條件下之已知質量密度ρ0與在彼等條件下之體積流率Q0之乘積。具體而言，用於依據在條件P、T下量測之Q計算Q0之方程式係(10)
且對應質量流率係ρ0Q0。
注意，方程式(10)之Q0與一理想氣體(或理想氣體混合物)之質量流率成正比，即使比例常數ρ0係未知的。因此，針對一未知但理想氣體之流量，P、T及氣體熱時間常數τ之原位量測與藉由關於一已知參考氣體之校準量測之通用MEMS流量感測器回應曲線之知曉組合提供用以計算未知氣體之Q0、參考溫度及壓力下之體積流率的資訊。此信號與未知氣體之質量流率成正比，針對氣體溫度及壓力改變進行補償。僅在參考條件下之未知氣體之質量密度保持未知，且阻止未知氣體之質量流率之一經校準量測。然而，出於某些目的，(針對溫度及壓力變化進行補償之質量流量控制)與質量流率成正比之一輸出信號可係充分的。舉例而言，可手動調整一關鍵成分之質量流率以平衡一化學反應，然後命令併入有作為一關鍵組件之一MEMS流量感測器之一流量控制器維持相同質量流量設定點(以保持反應平衡)而不管周圍 P及T條件之改變。在此應用中，不必要知曉以kg/sec.為單位之精確質量流率，僅校正與最佳質量流率設定之任何偏離或移位。圖9中圖解說明其中藉助MEMS熱流感測器輸出及通用回應函數之使用組合補充氣體入口P及T量測與在P、T下之體積流率Q及氣體熱時間常數τ量測以計算Q0及ρ0Q0之情形。
在其中流體已知係一理想氣體但以其他方式係未知的且其中質量密度在任何基準P0、T0下並非已知的之情形中，仍可應用圖9之組態以藉由計算Q0而產生在任何基準點P0、T0下與質量流量成正比之一流量輸出信號。此係針對流體溫度及壓力之變化進行補償而非以kg/sec為單位進行校準之一質量流量信號，此乃因氣體密度係未知的。仍可應用其以形成未經校準之一質量流量控制器。此一流量控制器在其中期望保持氣體質量流量穩定在可藉由其他手段(舉例而言藉由一氣相化學反應之完成)判定之一最佳值之情景中仍係有用的。因此，產生未經校準但經溫度及壓力補償之一質量流量感測器之此方法仍係有用的且在本發明之範疇內。
本發明不應限於已特定闡述之內容且將包含隨附申請專利範圍之精神及全部範疇。
1‧‧‧流量表本體
2‧‧‧流動入口
3‧‧‧流動出口
4‧‧‧入口強制關閉閥/閥
5‧‧‧出口強制關閉閥/閥
6‧‧‧流分離器主體通道
7‧‧‧感測器或旁路流動通道/流量感測器通道/流動通道/感測器流動通道
8‧‧‧熱流感測器/熱感測器
9‧‧‧電子器件及計算模組或處理器/處理器

Claims (9)

  1. 一種用於量測一流體之流率之MEMS熱流感測器，其包括：一本體，其具有一流體可流動穿過之一流動通道且具有一流量感測室；第一及第二閥，其在該流量感測室之各別入口端及出口端處，該等閥可在一敞開位置中操作以准許流體流穿過該室，且可在一關閉位置中操作以阻擋流體流穿過該室；一MEMS熱感測器，其安置於該流量感測室中，與其中之流體接觸且提供表示流體流率之一感測器信號；一處理器，其包含一記憶體且可操作以儲存表示一感測器回應曲線之資料，且儲存表示一校準流體之熱時間常數之資料；該處理器可操作以控制該等第一及第二閥之敞開及關閉且在關閉該等第一及第二閥時量測該流量感測室中之一所量測流體之熱時間常數且儲存彼所量測熱時間常數資料，且可操作以提供自該校準流體之該熱時間常數對該所量測熱時間常數之比率導出之一轉換因子，且可操作以根據該轉換因子及該感測器回應曲線調整該感測器信號之讀數以產生表示該所量測流體之正確流率之一輸出信號。
  2. 如請求項1之MEMS熱流感測器，其中該MEMS熱感測器包括：一流體加熱器；一第一溫度感測器，其安置於該加熱器上游；一第二溫度感測器，其安置於該加熱器下游。
  3. 如請求項2之MEMS熱流感測器，其中該等第一及第二溫度感測器分別在該流體加熱器上游及下游係等間隔的。
  4. 如請求項1之MEMS熱流感測器，其包含一流體質量密度量測儀 器，該流體質量密度量測儀器向該處理器提供質量密度資料以使該處理器能夠產生表示該所量測流體之質量流率之一輸出信號。
  5. 如請求項1之MEMS熱流感測器，其中該所量測流體可被視為一理想氣體，且該MEMS熱流感測器包含：一壓力感測器，其用於向該處理器提供表示該流動通道中之該所量測流體之壓力之資料；一溫度感測器，其用於向該處理器提供表示該流動通道中之該所量測流體之溫度之資料；藉此該處理器可產生表示該所量測流體之質量流率之一輸出信號。
  6. 如請求項2之MEMS熱流感測器，其中該處理器可操作以在關閉該等第一及第二閥之後藉由量測至該流體加熱器之功率而量測一所量測流體之熱時間常數。
  7. 如請求項1之MEMS熱流感測器，其中該本體中之該流動通道係與該本體中之一主體流動通道並聯之一旁路通道。
  8. 如請求項1之MEMS熱流感測器，其包含一差動壓力感測器，該差動壓力感測器用於量測在該流動通道中流動之流體之上游及下游壓力且向該處理器提供表示相對流體黏度之資料。
  9. 一種用於量測流動穿過一通道之一流體之流率之方法，在該通道中一MEMS熱流感測器經安置為與該流體接觸，該方法包括以下步驟：將一流體引入於該流動通道中；在該通道中捕獲一定量之流體以提供一零流量條件；量測該流體在其零流量條件中之熱時間常數；提供該流體之該所量測熱時間常數對儲存於記憶體中之一校 準流體之熱時間常數之一比率以產生一轉換因子；針對具有一已知熱時間常數之一流體提供一感測器回應曲線；根據該轉換因子及該感測器回應曲線調整感測器信號之讀數以產生表示該所量測流體之正確流率之一輸出信號。
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