專利名稱：用于測(cè)量流體速度的傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量流經(jīng)通道的流體速度的傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
US 2006/0144155A1公開(kāi)了一種流量傳感器系統(tǒng)，包括上游和下游壓力感測(cè)裝置， 用于檢測(cè)流動(dòng)中的差壓。每個(gè)壓力感測(cè)裝置都包括膜片、電容器和電感器，以形成LC諧振電路。電容器可以機(jī)械耦合到膜片，使得膜片響應(yīng)于施加到其上的流體壓力發(fā)生的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致LC諧振電路的諧振頻率的變化。US 2006/0144155 Al中公開(kāi)的傳感器系統(tǒng)的問(wèn)題在于，在不穩(wěn)定流體流(fluid flow)，即明確時(shí)間相關(guān)的流體流條件下，它不能測(cè)量流率。亦即，在US 2006/0144155A1 中，通過(guò)在針對(duì)不可壓縮液體流的公知伯努利方程中代入所測(cè)量的差壓來(lái)確定流率。這個(gè)方程對(duì)于空間上有變化的流體流確實(shí)成立，不過(guò)，對(duì)于隨時(shí)間變化的，即不穩(wěn)定的流體流它是不成立的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)開(kāi)篇段落所述的傳感器系統(tǒng)，在穩(wěn)定和不穩(wěn)定流體流條件下都能夠準(zhǔn)確地測(cè)量流經(jīng)通道的流體，即氣體或液體的速度。本發(fā)明的目的是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)包括用于加熱流體的加熱元件，其中在工作期間為加熱元件提供預(yù)定水平的功率。根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)還包括具有基本諧振頻率的基本電子電路，該基本諧振頻率與溫度相關(guān)，其中基本電子電路的至少一部分的溫度由從加熱元件向流經(jīng)通道的流體傳遞的熱決定，該部分負(fù)責(zé)(be responsible for)使基本諧振頻率與溫度相關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)還包括配置成產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的換能器裝置，測(cè)量信號(hào)表示流經(jīng)通道的流體的速度，其中測(cè)量信號(hào)基于基本諧振頻率。假設(shè)在工作期間向加熱元件提供已知水平，例如預(yù)定或恒定水平的功率，流經(jīng)通道的流體的速度增大導(dǎo)致加熱元件向流體傳遞的熱量增大。因此，流體流速增大導(dǎo)致加熱元件溫度的降低，相應(yīng)地導(dǎo)致被傳遞熱量的流體溫度的升高。通過(guò)定位傳感器系統(tǒng)的基本電子電路使其溫度受到從加熱元件傳遞的熱量的影響，基本電子電路的溫度為流體流速提供了間接度量。流體流速和溫度之間的上述關(guān)系對(duì)于穩(wěn)定和不穩(wěn)定流體流同樣成立。于是， 通過(guò)使基本電子電路的基本諧振頻率與溫度相關(guān)，基本諧振頻率為流體流速提供了度量， 就流經(jīng)通道的流體的與時(shí)間相關(guān)的速度特性(behavior)而言該度量是魯棒的。通過(guò)使表示流體速度的測(cè)量信號(hào)基于與溫度相關(guān)的諧振頻率，根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)能夠針對(duì)穩(wěn)定以及不穩(wěn)定流體流條件準(zhǔn)確測(cè)量流體的速度。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)尤其能夠成功應(yīng)用于呼吸系統(tǒng)中，例如與接近心臟的靜脈流體相通的霧化器和醫(yī)療可植入物，這些應(yīng)用的特征在于不穩(wěn)定流體流。亦即，在呼吸系統(tǒng)中，流體流根據(jù)當(dāng)前患者的呼吸模式反復(fù)改變方向，因此流體流具有不穩(wěn)定性質(zhì)。此外，與接近心臟的靜脈流體相通的醫(yī)療可植入物會(huì)經(jīng)受心動(dòng)周期導(dǎo)致的脈動(dòng)流體流，該流體流固有地是不穩(wěn)定的。此外，在用于靜脈注射療法的重力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，流體流通常從滴注室附近的不穩(wěn)定特性變?yōu)獒樓胺劫A存器中的穩(wěn)定特性，貯存器中累積了從滴注室釋放的液滴。因此，根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)有利地允許在沿著從滴注室到針延伸的通道的任何位置適當(dāng)應(yīng)用而無(wú)需為該目的采取預(yù)防措施。在本文中，流體被解釋為涵蓋液體、氣體以及液體和氣體的混合物，例如氣溶膠。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例中，換能器裝置包括柵陷振蕩器，用于確定基本電路的諧振頻率。柵陷振蕩器包括調(diào)諧電路，產(chǎn)生RF信號(hào)，RF信號(hào)由基本電路經(jīng)由電感耦合而吸收。柵陷振蕩器記錄(register)基本電路的吸收量。如果RF信號(hào)的頻率與基本電路的基本諧振頻率重合，所述吸收量將是最大的。本實(shí)施例是有利的，即其能夠以無(wú)線方式確定基本諧振頻率，因此能夠確定流經(jīng)通道的流動(dòng)速度，但沒(méi)有高度復(fù)雜性。亦即，使用柵陷振蕩器防止了一般與無(wú)線傳感器系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性。亦即，不需要將感興趣的物理信號(hào)變換到電域，以放大電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)采樣并將其變換到數(shù)字域，將數(shù)字信號(hào)作為數(shù)據(jù)包在RF載波信號(hào)上發(fā)送，在接收之后對(duì)RF載波信號(hào)進(jìn)行解碼，將解碼的RF信號(hào)與校準(zhǔn)曲線比較，并最終將其變換回感興趣的物理量。要指出的是如下出版物公開(kāi)了一種利用具有與溫度相關(guān)的諧振頻率的電子電路測(cè)量溫度的系統(tǒng)K. G. Ong, C. A. Grimes, C. L. Robbins 和 R. S. Singh, Design and application of a wireless, passive, resonance-circuit environmental monitoring system, Systems and Actuators A 93 Q001) 33-43。不過(guò)，后一種系統(tǒng)不能測(cè)量流體流速， 因?yàn)樗且环N用于測(cè)量溫度的系統(tǒng)，即后一種系統(tǒng)充當(dāng)?shù)氖菧囟扔?jì)。此外，上述出版物中論述的系統(tǒng)意在是無(wú)源的，即無(wú)需向其供電就工作。根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)被供以功率以在工作期間加熱流體。后一種電源導(dǎo)致根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)是有源的，與根據(jù)上述出版物的傳感器相反。除此之外，上述出版物中公開(kāi)的傳感器是利用一個(gè)或兩個(gè)天線查詢 (interrogate)的，其缺少柵陷振蕩器的上述優(yōu)點(diǎn)。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例中，加熱元件包括用于接收功率的電阻器，其中加熱元件包括用于經(jīng)由與柵陷振蕩器的電感耦合接收功率的電阻器。本實(shí)施例有利地將加熱元件和基本電路與換能器裝置物理隔離，即加熱元件和基本電路允許相對(duì)于換能器裝置進(jìn)行無(wú)線操作。由此，本實(shí)施例有利地能夠在遠(yuǎn)程位置測(cè)量流體流速，防止使用麻煩的線路。例如，測(cè)量人體中植入物中或附近的流體流將受益于這種線路的缺省。此外，本實(shí)施例是有利的，因?yàn)槠淠軌蛟谝ㄆ诟鼡Q通道的應(yīng)用中以經(jīng)濟(jì)上有吸引力的方式加以利用，這樣的應(yīng)用例如是無(wú)菌醫(yī)療應(yīng)用，例如靜脈內(nèi)灌注、麻醉流量控制、導(dǎo)尿管、呼吸控制和腸內(nèi)與靜脈營(yíng)養(yǎng)流量測(cè)定。在這樣的商務(wù)模型中，包括柵陷振蕩器(傳感器系統(tǒng)的最昂貴部分)的換能器裝置是可重復(fù)使用的，而加熱元件和基本電路與通道一起被丟棄。 為此目的，將加熱元件和基本電路并入通道壁之內(nèi)。顯然，不必丟掉基本電路和加熱元件， 即它們確實(shí)允許使用更長(zhǎng)時(shí)間。本實(shí)施例尤其適用于上述商務(wù)模型，因?yàn)閺膫鞲衅飨到y(tǒng)的一次性部件斷開(kāi)可重復(fù)使用的換能器裝置毫不費(fèi)力。在根據(jù)本發(fā)明的傳感器系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例中，基本電子電路包括串聯(lián)連接的電感器和電容器，其中電容器具有取決于溫度的電容。本實(shí)施例有效實(shí)現(xiàn)了 LC電路，即包括電容為C的電容器和電感為L(zhǎng)的電感器的電路，該LC電路特征在于與溫度相關(guān)的諧振頻率。亦即，可以用下式給出LC電路的諧振頻率: _ 權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量流經(jīng)通道(108，208，408，508)的流體(110，210，410，510)的速度的傳感器系統(tǒng)(102，202，302，402)，包括-用于加熱流體的加熱元件(104，204，304，404，504)，其中在工作期間為所述加熱元件提供已知水平的功率，-具有基本諧振頻率的基本電子電路(114，214，414，514)，所述基本諧振頻率與溫度相關(guān)，其中所述基本電子電路的至少一部分的溫度由從所述加熱元件傳遞到流經(jīng)所述通道的所述流體的熱量決定，所述部分負(fù)責(zé)使所述基本諧振頻率與溫度相關(guān)，-配置成產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)(128，228，424，524)的換能器裝置(126，226，422，522)，所述測(cè)量信號(hào)表示流經(jīng)所述通道的所述流體的速度，其中所述測(cè)量信號(hào)基于所述基本諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述換能器裝置包括柵陷振蕩器(130， 230，4)，用于確定所述基本電子電路(114，214，414，514)的基本諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述加熱元件(204)包括電阻器012)，所述電阻器用于經(jīng)由與所述柵陷振蕩器O30)的電感耦合接收功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述基本電子電路(114，214)包括串聯(lián)連接的電感器(118，218)和電容器(116，216)，且其中所述電容器的電容與溫度相關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述基本電子電路(114)與所述加熱元件 (104)熱相通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述加熱元件(104)包括所述電容器 (116)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，包括參考電子電路(120，420)，所述參考電子電路具有與溫度相關(guān)的參考諧振頻率，且其中配置所述換能器裝置(126)以基于所述基本諧振頻率和所述參考諧振頻率之間的數(shù)值差異產(chǎn)生所述測(cè)量信號(hào)(128)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述基本電子電路(114)和所述參考電子電路(120)基本相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，包括具有與溫度相關(guān)的輔助諧振頻率的輔助電子電路020)，其中所述基本電子電路和所述輔助電子電路沿分量平行于所述通道的縱軸的軸(22 而位于所述加熱元件O04)的相對(duì)側(cè)的預(yù)定位置，其中配置所述換能器裝置 (226)以基于所述基本諧振頻率和所述輔助諧振頻率之間的差異產(chǎn)生所述測(cè)量信號(hào)，且其中所述基本電子電路和所述輔助電子電路與所述流體(210)熱相通。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，包括具有與溫度相關(guān)的輔助諧振頻率的輔助電子電路020)，其中所述基本電子電路和所述輔助電子電路沿分量平行于所述通道的縱軸的軸(22 而位于所述加熱元件O04)的相對(duì)側(cè)的預(yù)定位置，其中配置所述換能器裝置 (226)以基于所述基本諧振頻率和所述輔助諧振頻率之間的差異產(chǎn)生所述測(cè)量信號(hào)，且其中所述基本電子電路和所述輔助電子電路與所述加熱元件O04)熱相通。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述基本電子電路(214)和所述輔助電子電路(220)基本相同。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，包括-與所述加熱元件(404)熱相通并具有參考諧振頻率的參考電子電路(120)，以及-與所述流體(410)熱相通并具有輔助諧振頻率的輔助電子電路020)，-與所述流體熱相通并具有另一諧振頻率的另一電子電路(414)，其中所述基本電子電路、輔助電子電路、另一電子電路和參考電子電路基本相同，其中所述輔助電子電路和所述另一電子電路沿分量平行于所述通道(408)的縱軸的軸(416)而位于所述加熱元件的相對(duì)側(cè)的預(yù)定位置，其中配置所述換能器裝置G22)以基于所述輔助諧振頻率和所述另一諧振頻率之間的數(shù)值差異與所述基本諧振頻率和所述參考諧振頻率之間的數(shù)值差異的比率產(chǎn)生所述測(cè)量信號(hào)GM)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，包括配置成為所述加熱元件(504)提供水平時(shí)變的功率的電源(512)，其中所述基本電子電路(514)沿著分量平行于所述通道(508)的縱軸的軸(520)而位于距所述加熱元件(504)預(yù)定的距離處，其中所述基本電子電路與所述流體(510)熱相通，且其中配置所述換能器裝置(522)以基于所述基本諧振頻率響應(yīng)于所述水平時(shí)變的功率而改變之前的持續(xù)時(shí)間來(lái)產(chǎn)生所述測(cè)量信號(hào)(524)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器系統(tǒng)，其中配置所述電源(512)以為所述加熱元件提供功率脈沖。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器系統(tǒng)，其中配置所述電源(512)以為所述加熱元件提供水平以正弦曲線方式改變的功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量流經(jīng)通道(108)的流體(110)速度的傳感器系統(tǒng)(102)，包括用于加熱流體的加熱元件(104)，其中在工作期間為所述加熱元件(104)提供預(yù)定水平的功率。傳感器系統(tǒng)(102)還包括基本電子電路(114)，其基本諧振頻率與溫度相關(guān)。在這里，由從加熱元件(104)向流經(jīng)通道(108)的流體(110)傳遞的熱決定所述基本電子電路(114)的溫度。此外，傳感器系統(tǒng)(102)包括配置成產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)(128)的換能器裝置(126)，測(cè)量信號(hào)表示流經(jīng)通道(108)的流體(110)的速度。在這里，測(cè)量信號(hào)(108)基于基本諧振頻率。
文檔編號(hào)G01F1/688GK102575954SQ201080047457
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者J·R·哈爾曾, M·克萊 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司