檢測傳感器的熱時間常數的風速計的制作方法

專利名稱：檢測傳感器的熱時間常數的風速計的制作方法
技術領域：
本發明涉及風速計，且尤其涉及固態風速計。
背景技術：
風速計測量流體(例如從其上經過的空氣)的流動。在含有熱產生電路的電氣柜或箱中，有時需要提供風扇冷卻。常規是在柜中提供儀表來監視溫度及空氣的流動。最常見的小巧風速計是熱線及熱電偶。熱線型包括具有已知的電阻溫度特性的線。在一種技術中，線由電流加熱以實現其上的目標電壓，且隨著空氣流越過線來使線冷卻，控制電流以維持恒定電壓。一旦校準風速計，電流的量因此就對應于空氣速率。也可使用其它技術，例如在被電流進行脈沖控制之后，測量使線冷卻所花費的時間。此類線昂貴、易脆、需要經常清洗，且需要校準。熱電偶是在兩個相異金屬之間的耦合，其中接合點生成隨溫度而變的電壓。為了用作風速計，正如熱線一樣，節點可由電流加熱，且測量電壓。與熱線一樣，此類熱電偶昂貴、易脆、需要經常清洗(如果外露的話)，且需要校準。熱線及熱電偶本質上是機械裝置，因為它們的特性很大程度上取決于它們的機械構造。使用真正是固態的常規的集成電路制造技術來制造風速計將會是合乎需要的，使得風速計便宜、堅固且不需要校準。第3，968，685號美國專利揭示一種風速計，其中將雙極型晶體管的基射級電壓降與跨越參考(或補償)二極管的電壓降進行比較。當晶體管經受空氣流時，提供可調節的電流以保持基射級電壓降等于二極管電壓降，且此電流等同于空氣速度。使用二極管來補償周圍環境溫度改變。使二極管電壓降免受空氣流的影響是困難的。此外，設計需要精確校準以抵消在周圍環境溫度下的電壓降。此外，晶體管通過其塑料封裝絕緣，使其基極發射極結較慢地響應于空氣速度的改變。需要的是不用遭受上文提及的缺點及相關缺點的固態風速計。

發明內容
在一個實施例中，揭示一種風速計，其包括雙極型晶體管，所述雙極型晶體管經封裝以具有熱耦合到晶體管的金屬墊。此金屬墊有時被稱作熱墊。金屬墊與晶體管電絕緣。封裝可安裝在印刷電路板(PCB)上，使得其金屬墊背朝PCB。金屬桿通過焊料或其它導熱粘合劑附接到熱墊。在一個實施例中，金屬桿約2-3cm長且直徑小于2_。桿可為圓柱體的，用于全方位空氣流測量。PCB還支撐用于風速計的所有或部分的控制電路，其操作不受溫度顯著影響。將電力施加到晶體管，從而形成顯著的集電極-發射極電流，其使基極發射極結溫度升高且使金屬桿的溫度升高。接著移除電力，且應用小常數的基極電流以形成基射極電壓降。所述電壓降以已知的方式對應于結的溫度，且此電壓降以精確的時間間隔(例如，以IOOms時間間隔)取樣持續一時間周期(例如，I分鐘)。讀數通過模/數轉換器(ADC)轉換成數字信號。所有的處理可在PCB上完成。隨著晶體管經由流動的空氣將熱從金屬桿移除而冷卻，從電壓降樣本導出的結溫度樣本存儲在存儲器中。冷卻速度是指數式衰減。衰減的速度實質上由封裝/桿的固定的熱電容及結與空氣之間的可變熱阻來決定。熱阻隨著增強的空氣流而降低，因為更快流動的空氣形成從結到空氣的增加的熱流，從而引起結更快速地冷卻。在完成冷卻循環之后(例如，在2分鐘之后)，使用(舉例來說)最小二乘算法對溫度衰減曲線執行最佳擬合曲線分析，且計算出最佳擬合曲線的時間常數(TC)。曲線將具有e_t/Te的一般型式，其中TC是熱時間常數。當時間常數等于t時，結的溫度已下降到最終溫度的約37%。時間常數由空氣速度決定。較低的時間常數等同于升高的空氣速度。導出的時間常數接著用在傳遞函數中以推導對應的空氣流速。所述速度可傳送到遠程監視器，或如果其在可接受范圍外，則可用于產生警報信號。上文提及的各種計算可壓縮成較少的計算，且為了闡釋的清晰，以上描述將各個轉換描繪為單獨的步驟。所述電路是穩健的，因為晶體管包在封裝內。所述電路不需要校準來實現適當操作，因為其構造是相當可重復的。所述電路比使用熱線或熱電偶的風速計便宜許多，且從電路到電路及時間到時間，結果大體上是一致的。還描述對上述技術及結構的變更。


圖1是上面安裝有風速計傳感器及控制電路的印刷電路板的透視圖。圖2是本發明的一個實施例的示意圖。圖3是根據本發明的一個實施例由圖2的電路執行以推導空氣流速的過程的流程圖。圖4是基極發射極結溫度對時間的圖表，其展示加熱及冷卻循環及所取的樣本。圖5是隨著傳感器冷卻，基射極電壓降(Vbe)對時間的圖表，及所進行的用以推導空氣流速的各個測量。圖6是說明最佳擬合溫度曲線的所導出的熱時間常數如何等同于空氣的流動速度的圖表。圖7是展示圖1所示的用于全方位空氣流檢測的圓柱體金屬桿散熱器的透視圖。圖8是用以提供空氣流感測的定向性的伸長的矩形金屬桿散熱器的透視圖。圖9說明包含風速計的風扇組合件。相同或等效的元件用相同數字標記。
具體實施方式
圖1說明其上安裝有風速計傳感器12及控制器14的簡化的印刷電路板(PCB) 10。在一個實施例中，PCB 10僅為3X3cm或更小。PCB 10可為常規的且優選為非導熱的。PCB10上的電路由銅跡線連接。PCB的電力及I/O引腳16可插入母板的插孔內或插入電纜連接器中。在一個實施例中，需要知道在電氣設備箱中各個位置處的空氣流，且相同的PCB 10可位于箱中的各個位置處。容納在封裝18內的雙極型晶體管安裝在PCB 10上。所述封裝可為具有三個或三個以上端子的表面安裝封裝。封裝18具有金屬墊20，硅裸片熱耦合到金屬墊20。金屬墊20面朝上。高導熱桿22附接到熱墊20且充當散熱器。在一個實施例中，桿22是銅的且其形狀是圓柱體的，用于空氣流的全方位檢測。在一個實施例中，桿22直徑小于2_且約2-3cm長。桿22可端接在矩形金屬底座中，所述矩形金屬底座焊接或以別的方法熱耦合(例如用導熱環氧樹脂)到金屬墊20。穿過PCB 10形成的槽23有效地使封裝18與PCB 10上的其它熱源絕熱。在一個實施例中，封裝18安裝在隔熱墊上或氣隙上以防止PCB 10充當晶體管的散熱器。這將改進系統間空氣流速測量的一致性，因為PCB 10的公差及其到其它熱源及散熱器的連接將不會影響風速計。將晶體管連接到PCB 10端子的線應盡量細以使晶體管與PCB 10之間的熱傳遞最小化。可選的溫度傳感器24也安裝在PCB 10上，用于確定PCB 10的溫度。當傳感器12不被用于檢測空氣流速時，周圍環境的空氣溫度可由傳感器12通過測量基射極電壓降而視情況檢測。風扇30通過過濾器從箱外吸收冷空氣31，且經加熱的空氣通過箱中的通風孔逃逸。傳感器12可放置在風扇30的正前方以檢測由風扇30產生的空氣流，或可位于箱內的其它位置以檢測是否有充足的空氣循環。冷卻效率是將熱從物體(例如晶體管)移除的能力，且隨越過它的空氣流、空氣溫度、物體溫度、濕度、氣壓、表面污染(灰塵)及其它因素而變。對于短時間周期，除了物體溫度外的所有的因素可假定為恒定的且可使用本文所描述的技術適宜地導出空氣流速。為實現更精確的測量，可考慮PCB 10的溫度以及任何檢測到的空氣溫度瞬態。因為雙極型晶體管裸片、封裝18及桿22可依據嚴格的公差及規格制造(經封裝的晶體管必須符合其數據表規格)，所以在無用戶任何校準的情況下，它們的性能可能是極易預見的。圖2是本發明的一個實施例的示意圖，其可完全包含在PCB 10上。圖2中的各個開關可為晶體管開關。圖3是根據本發明的一個實施例由圖2的電路執行以推導空氣流速的過程的流程圖。在實際實施例中，在圖3中指明的各個算法及步驟可壓縮成較少的算法以節省處理時間，但為了闡釋的清晰，在圖3中描繪所述算法。在圖3的步驟40中，開關42及44閉合以在某電流下驅動晶體管46持續一定時間以對其加熱。晶體管46可為具有金屬熱墊的適宜封裝中的任何雙極型晶體管，可向各種制造商購買。參考電壓源47將固定參考電壓提供到差動放大器48的一個輸入，且其另一輸入是在發射級電阻器50處的電壓。設置通過晶體管46的電流使得在電阻器50處的電壓等于參考電壓。最佳電流取決于所使用的晶體管46的類型且優選為相對高的(例如其額定電流的80%)以快速加熱晶體管。加熱的量由電流乘以跨越晶體管46(節點52與53之間)的電壓確定。在加熱循環期間，此電力由晶體管46消耗。計時器54(其包含時鐘及狀態機)控制各個開關及處理的定時。在步驟58中，晶體管46溫度上升到峰值溫度，由電力及計時器54確定。溫度不必趨平，且絕對溫度與空氣流速的確定不相關。圖4說明在從時間TO到Tl的加熱循環期間基極發射極結的溫度上升。在時間Tl處，計時器54斷開開關42及44且閉合開關60及62，從而導致基極及集電極短路，且來自電流源64的電流流過基極發射極結以形成Vbe 二極管電壓降。Vbe以眾所周知的方式取決于溫度。用于通過二極管的電流的標準等式是:I=Is* (exp (V/(n*k*T/q)) -1)等式 I其中:I是通過二極管的電流Is是反向飽和電流V是跨越二極管的電壓η是結常數(對于二極管通常大約是2，對于晶體管是1、憑經驗確定)
k是波爾茲曼常數，1.38E-23焦耳/開氏溫標T是開氏溫標的溫度，且q是電子電荷的量級，1.609E-19庫侖。子表達式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。等式I可用于針對正向電壓求解為:V=n*VT*ln[(I/Is)+l]等式 2因此，倘若電流源64的電流I是已知的，那么二極管電壓降V( BP,Vbe)通過測量是已知的，且對于特定晶體管常數是已知的(例如，由晶體管制造商提供或用別的方法憑經驗確定)，唯一未知的是結溫度T，其很容易計算出。在圖3的步驟66中，Vbe通過計時器54控制模/數轉換器(ADC) 68以依照一定時間間隔(例如以IOOms時間間隔)對Vbe取樣而測量。ADC 68可具有任何分辨率，例如從14到24位，這取決于所需的精確度。發射極電壓等于電流源64電流乘以電阻器50的值，且基極電壓經由閉合的開關62檢測。在步驟70中，ADC 68將Vbe測量值轉換為數字代碼以供數據處理電路72進行數字處理。圖5說明在超過20秒的冷卻循環期間測量Vbe值73的實例，其中Vbe具有在冷卻循環開始時的約0.6伏的初始值及在20秒處約0.7伏的電壓。在步驟74中，數據處理電路72使用等式2計算與每一 Vbe測量值相關聯的結溫度。這些溫度接著被存儲在作為數據處理電路72的一部分的存儲器中，且溫度值集合定義指數式衰減曲線。圖4說明從Vbe樣本導出且存儲在存儲器中的溫度值76。數據處理電路72可使用固件執行所有的計算或可使用經編程微處理器。如前所述，本文中描述的各個轉換可壓縮成較少的步驟，且為了闡釋的清晰，描繪圖3中的步驟。舉例來說，不需要執行從Vbe數據到溫度數據的轉換，且使用轉換算法(傳遞函數)將Vbe衰減的時間常數直接轉換為空氣流速。在步驟78中，在預定周期(例如，2分鐘)之后或在確定已發生充分的冷卻(例如，增量溫度或Vbe值近似為零)之后，數據處理電路72接著將眾所周知的算法(例如最小二乘算法)應用到溫度數據以形成具有e_t/Te指數式衰減屬性的最佳擬合曲線，其中TC是熱常數。可忽略使整體曲線向上或向下移動的任何其它常數，因為僅衰減的速度是相關的。當TC等于t時，結溫度已降低到峰值結溫度的約37%。在另一實施例中，曲線還可包含影響時間常數的計算的線性等式或多項式等式。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測量值相關聯的溫度。在步驟80中，數據處理電路72從最佳擬合曲線中計算熱時間常數TC。TC可為溫度曲線或Vbe曲線的時間常數。在步驟82中，數據處理電路72接著使用傳遞函數或查找表使TC等同于空氣流速。傳遞函數是使用實驗性數據使時間常數與空氣流速相互關聯而形成的算法。不同的傳遞函數可用于不同的應用或空氣特性。在一個實施例中，傳遞函數是四階傳遞函數。在另一實施例中，查找表可用于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的TC對空氣流圖表中所展示的值，其中空氣流以線性英尺/分鐘給定。在所述實例中，計算出時間常數約為11秒，對應于187線性英尺/分鐘的空氣流速。可使用任何單位，例如英里/小時等。圖6的圖表(以傳遞函數或查找表的形式)可由風速計制造商在測試空氣流腔室中的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。可存在存儲在系統中的各種傳遞函數或查找表，其用于將TC轉換為空氣流速，其中特定函數或查找表的選擇取決于所測得的周圍環境的空氣溫度(空氣吸入溫度)、濕度、氣壓等，其中此些變量在不同程度上影響基極發射極結的冷卻速度。舉例來說，較高濕度、較高氣壓或較高的周圍環境溫度可各自導致空氣流以不同速度使結冷卻。此些檢測器可遠離PCB 10(圖1)且經由I/O引腳16將數據饋送到數據處理電路72。空氣流速測量值的此精細調諧在不要求精確測量值的許多應用中并非必需的。如果在PCB 10與晶體管46之間存在熱耦合且PCB 10溫度在測量循環期間波動，那么PCB 10(圖1)的溫度還可影響TC對空氣流的值。溫度傳感器24可將此PCB 10溫度數據供應到數據處理電路72以校正此些瞬態。一旦確定空氣流速，所述空氣流速就可經由I/O引腳16輸出到外部監視器，或可與編程到數據處理電路72中的通過/失敗閾值進行比較。如果空氣流被確定在可接受范圍之外，那么數據處理電路72可發布警報信號，如在步驟84中展示。同樣預想其中導出熱時間常數以確定空氣流速的其它相關技術。盡管為了闡釋的清晰已在圖3中描繪所述計算，但可在沒有計算結溫度等的單獨步驟的情況下將Vbe值集合直接應用到推導熱時間常數及空氣流速的算法。所述算法的此壓縮在編程領域的技術人員的技能范圍之內。在另一實施例中，以下表達式可用于推導任何兩個Vbe樣本之間的衰減常數，且最小二乘技術用于推導對于整個Vbe樣本集合的曲線的最佳擬合衰減常數。接著使用最佳擬合衰減常數來使用適宜的查找表確定空氣流速。因此，與Vbe或溫度的衰減速度相關的時間常數用于推導空氣流速。Vbe (n+M) =Vbe (η) * (衰減常數)M+ 常數 2等式 4
其中，η是樣本(例如，1、2、3等。)且n+M 是 n+M 樣本(例如，2、3、4 等。)。可使用其它技術來使用圖1的基本風速計結構測量空氣流。在一個實施例中，電阻加熱器安裝在PCB 10上，緊挨著封裝18，在封裝18中，或在封裝18下面，且在基極發射極結的加熱循環(圖4)期間，將電流施加到加熱器以加熱封裝18。在另一實施例中，封裝18可最初由(舉例來說)位于封裝18下面的珀爾貼致冷器冷卻。結冷卻持續一時間周期以形成初始溫度，接著移除到珀爾貼致冷器的電力。接著使結到周圍環境溫度或任何其它溫度的加熱的速度與空氣流速相關，且使用類似與上文描述的技術的技術來計算此速度。在另一實施例中，在冷卻循環期間以周期性時間間隔在兩個已知電流下測量Vbe。可接著在每一時間間隔處計算結的溫度為:T=[q/(n*k) ] * [Vbe2_Vbel]/In (Id2/Idl) 等式 3其中Vbel及Vbe2分別是在電流Idl及Id2下的基射極電壓降。接著計算最佳擬合指數式衰減溫度曲線，且接著推導出熱時間常數TC (或Vbe時間常數)以確定空氣流速，如前所述。在另一技術中，通過控制電壓源48或電阻器50，將第一已知電力電平施加到晶體管46。在一定的延時以確保溫度已穩定之后,接著推導出基極發射極結的溫度。電力接著增高到第二已知電流電平，且在一定時間之后再次測量結溫度。等式增量P/增量T接著表達結與空氣之間的熱阻，同時抵消任何常數。熱阻以已知方式與空氣流速相關，因此可接著計算空氣流速。舉例來說，對于少量的或無空氣流，增高的電力將引起結溫度的大幅度的增力口，而高的空氣流將引起結溫度的較低增加。通過使用傳遞函數或查找表，溫度的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的技術(其中熱時間常數用于推導空氣流速)可靠，因為由于需要比較長的穩定時間，此替代性技術在測試時間期間對溫度瞬態較敏感。在相關實施例中，適宜的傳遞函數直接應用到Vbe的改變以推導空氣流速，其中傳遞函數考慮Vbe與結溫度之間的關系。可設計溫度曲線分析算法或Vbe曲線分析算法以識別指示熱或空氣流瞬態的異常測量值。如果檢測到此些異常，那么程序取消測量循環，且重復檢測過程。在無風速計的貴重設備系統中，在被灰塵或污垢堵塞的情況下，執行空氣過濾器的周期性更換。通過使用本風速計，不需要以預定義的時間間隔自動更換空氣過濾器，因為如果空氣流速在可接受范圍內，那么認為過濾器是勝任的。風扇的正確操作也由風速計來確定。另外，在設備箱(例如，服務器，投幣機等)的設計期間，數個風速計可分布在箱的各處電路定位的地方以確定所述位置周圍的空氣流是否適當。如果否，那么可改變風扇或電路位置以實現充分地冷卻。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確定冷卻系統的正確操作。然而，有價值的系統數據可通過將風速計的全部補充物留在最終廣品中而從場搜集。盡管空氣已在實例中用作流體，但風速計可用于測量任何流體(例如液體)的流動速度。
除了提供空氣流速的PCB 10電路外，溫度傳感器24或晶體管46的基射極電壓降也可用于表達空氣流速測量循環之間的周圍環境溫度，假定晶體管溫度已穩定。此周圍環境溫度可經由I/o引腳16發射到遠程監視器，或如果溫度在可接受范圍外則可產生警報信號。作為在不需要校準的情況下精確的空氣(流體)流速測量值的前提，風速計不應從一個風速計到下一個風速計顯著變化。晶體管46規格由制造商充分地控制且在數據表中規定。其它電路的精確度同樣必須充分地控制且不被周圍環境溫度顯著影響。由于周圍環境(PCB 10)溫度的變化而引起的電路性能的任何變化可通過測量PCB 10的溫度且對數據進行對應校正來校正。然而，因為周圍環境溫度被假定為針對空氣流速測量值以相對于冷卻周期較慢的速度改變，所以對于許多應用，歸因于周圍環境溫度的改變的校正認為是可選的。盡管由于制造公差，封裝18的大小及構造可變化，但可通過謹慎控制金屬桿22散熱器的尺寸及質量而使此類變化對晶體管46的冷卻的影響最小化。換句話說，可控制金屬桿22散熱器的特性以控制風速計的屬性。因為金屬桿22散熱器的尺寸顯著影響風速計的性能，所以金屬桿22的尺寸應謹慎控制以避免需要校準。在由發明者執行的實驗中，從一個風速計到下一個風速計所導出的熱時間常數TC的1%的變化(在相同條件下)引起線性英尺/分鐘空氣流速計算結果的約10%的變化，這是很顯著的。金屬桿22的特別重要的特性是直接與其體積相關的其質量。已展示其直徑的變化將比其高度的相同百分比的改變更顯著，因為桿22的熱質量的變化在某種程度上由桿22的表面積的相關變化抵消。桿的熱時間常數(熱TC)是桿22的質量除以桿22的表面積的函數。因此，桿22的直徑必須嚴格控制，因為它對桿22的熱TC的影響最大。在一個實例中，+/-0.25密耳的直徑公差及+/-1密耳的高度公差引起空氣流速測量值中的+/-3.1%的公差，這是可接受的。因為桿22的質量遠遠大于封裝18的金屬墊20的質量，所以熱墊20中的變化不是很顯著。桿22的公差可比金屬墊20的公差更嚴格地控制。圖7展示具有用于焊接到封裝18的金屬墊20(圖1)的金屬底座90的圖1的圓柱體桿22。桿22的形狀可變化以實現定向性，因為暴露到空氣流的有效表面積可定向控制。舉例來說，如圖8中所示，桿92可為矩形柱以增加其暴露到空氣流的表面積(如果桿92的較寬的平表面與空氣流的方向垂直而成角度)。多個桿22/92可附接到單一底座90，例如底座90的每個角一個桿，其中桿陣列的定向改變暴露到空氣流的表面積。如果金屬桿22散熱器的公差不是非常可控(例如，大于1%)，那么如果需要空氣流速測定的高精確性，那么可需要校準風速計。可用零空氣流速完成校準，然而，對于通過/失敗空氣流檢測器，不需要校準。因為具有較大熱TC的傳感器的溫度通常對空氣流中的改變反應更慢些，所以桿22的質量(及在較小程度上，其表面積)影響風速計響應于空氣流瞬態的能力。因此可為特定應用特別地設計桿22以控制風速計對空氣流瞬態的敏感度。與熱線相比，熱線的熱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，如果在加熱循環期間二極管或電阻器可由高電流充分地加熱，那么可使用二極管或電阻器替代晶體管46用做溫度傳感器。圖9說明包含風速計的風扇組合件96。風扇98具有經模制以為PCB 10及風速計提供支架臂100的框架。展示桿22散熱器。對風扇98供應電力及控制的電纜也電連接到PCB 10上的引腳16(圖1)。因此，PCB 10與其它設備隔熱且最佳地位于風扇98的前面以檢測在空氣進氣口處對空氣的任何障礙物或風扇的任何故障。可為風扇組合件96校準風速計算法及查找表，從而產生極其精確的空氣流速測量值。然而已展示及描述本發明的特定實施例，但對于所屬領域的技術人員將顯而易見的是，在不脫離本發明的更廣泛方面的情況下可作出改變及修改。所附權利要求書將在其范圍內涵蓋如落在本發明的真實精神及范圍內的所有此些改變及修改。
權利要求
1.一種用于分析流體流的方法，其包括: a.施加電力以導致二極管結的溫度從第一溫度改變到第二溫度； b.改變所述電力以導致所述二極管結的所述溫度以大體上指數式速度從所述第二溫度向所述第一溫度改變，所述速度對應于時間常數，其中所述時間常數與同所述二極管結相互作用的流體流相關； c.隨著所述溫度從所述第二溫度向所述第一溫度改變而在各個時間測量跨越所述二極管結的變化的電壓降 '及 d.使所述時間常數與流體流相互關聯。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述二極管結是雙極型晶體管的基極發射極結。
3.根據權利要求1所述的方法，其中步驟a包括施加電流通過包括所述二極管結的半導體裝置以將所述二極管結加熱到所述第二溫度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中步驟a包括將電流施加到熱耦合到所述二極管結的加熱器裝置以將所述二極管結加熱到所述第二溫度。
5.根據權利要求1所述的方法，其中步驟d包括執行最佳擬合曲線分析以計算所述溫度的改變速度。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述改變的電壓降的時間常數對應于從所述第二溫度到所述第一溫度的所述改變的所述時間常數，且其中步驟d包括使所述改變的電壓降的所述時間常數與流體速率相互關聯。
7.根據權利要求1所述的方法，其中步驟d包括使所述電壓降的改變速度與冷卻效率相互關聯。
8.根據權利要求1所述的方法，其中步驟d包括將傳遞函數應用到所述改變的電壓降的時間常數。
9.根據權利要求1所述的方法，其中步驟d包括將傳遞函數應用到所述改變的溫度的時間常數。
10.根據權利要求1所述的方法，其中散熱器熱耦合到所述二極管結，所述方法進一步包括使所述流體流過所述散熱器以將熱從所述二極管結移除。
11.根據權利要求10所述的方法，其進一步包括在不明顯地改變所述散熱器的表面積的情況下修整所述散熱器的質量，以控制所述散熱器的質量對表面積的比率。
12.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括以下步驟:分析所述電壓降的所述改變以確定所述電壓降的所述改變速度的任何變化是否在閾值之上，指示流體流瞬態，且如果這樣，取消所述溫度改變的所述時間常數作為流體流的精確指示。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述二極管結在封裝內，且所述封裝安裝到印刷電路板PCB上,所述方法進一步包括: 感測所述PCB的溫度； 檢測所述PCB的所述溫度中的瞬態；及 使用與所述PCB的所述溫度中的所述瞬態相關的數據校正步驟d中的流體流計算。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述感測所述PCB的所述溫度的步驟包括檢測跨越所述二極管結的電壓降。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述二極管結在封裝內，且所述封裝安裝到印刷電路板PCB上,所述方法進一步包括: 使用具有與所述二極管結的熱時間常數匹配的熱時間常數的溫度傳感器感測所述流體的溫度； 使用所述溫度傳感器檢測所述流體的所述溫度中的瞬態；及 使用與所述流體的所述溫度中的所述瞬態相關的數據校正步驟d中的流體流計算。
16.一種風速計，其包括: a.安裝在封裝內的二極管結，所述封裝包括與所述二極管結電絕緣的金屬熱墊； b.至少一個散熱器，其與所述熱墊熱接觸且從所述熱墊向外延伸，以用于使流體流過所述散熱器以將熱從所述二極管結移除； c.至少一個溫度控制開關，其耦合到電源； d.控制器，其用于在一時間間隔內控制所述至少一個溫度控制開關以將所述二極管結的溫度從第一溫度改變到第二溫度，接著允許所述二極管結的所述溫度以大體上指數式速度從所述第二溫度向所述第一溫度改變，所述速度對應于時間常數，其中所述時間常數與同所述二極管結相互作用的流體流相關； e.數字處理器，其經配置以隨著溫度從所述第二溫度向所述第一溫度改變而在各個時間測量跨越所述二極管結的改變的電壓降；且 f.所述數字處理器經配置以使所述時間常數與流體流相互關聯。
17.根據權利 要求16所述的風速計，其中所述二極管結是雙極型晶體管的基極發射極結。
18.根據權利要求16所述的風速計，其中所述二極管結是雙極型晶體管的基極發射極結，且其中所述至少一個溫度控制開關耦合在所述電源與所述晶體管的集電極之間以供應電流通過所述晶體管以將所述晶體管加熱到所述第二溫度。
19.根據權利要求18所述的風速計，其中所述至少一個溫度控制開關包括: 第一開關，其耦合在所述電源與所述晶體管的所述集電極之間以供應第一電流通過所述晶體管以將所述晶體管加熱到所述第二溫度；及 第二開關，其耦合在所述晶體管的基極與基極電壓源之間用于驅動所述晶體管以在所述晶體管的所述集電極與發射極之間傳導所述第一電流。
20.根據權利要求16所述的風速計，其進一步包括至少一個測量控制開關，所述測量控制開關由所述控制器控制以當將跨越所述二極管的所述電壓降耦合到模/數轉換器ADC時以一電流驅動所述二極管結，所述ADC的輸出耦合到所述數字處理器。
21.根據權利要求16所述的風速計，其中所述數字處理器經配置以執行最佳擬合曲線分析以計算所述溫度改變的所述時間常數。
22.根據權利要求16所述的風速計，其中所述至少一個溫度控制開關耦合在所述電源與熱耦合到所述二極管結的加熱器裝置之間以將所述二極管結加熱到所述第二溫度。
23.根據權利要求16所述的風速計，其中所述數字處理器經配置以通過確定所述電壓降的改變速度且使所述電壓降的所述改變速度與流體速度相互關聯而計算所述溫度改變的所述時間常數。
24.根據權利要求16所述的風速計，其中所述數字處理器經配置以將傳遞函數應用到所述改變的電壓降的時間常數以推導所述流體流。
25.根據權利要求16所述的風速計，其中所述數字處理器經配置以將傳遞函數應用到所述改變的溫度的時間常數以推導所述流體流。
26.根據權利要求16所述的風速計，其中所述散熱器包括從所述熱墊延伸的至少一個桿。
27.根據權利要求26所述的風速計，其中所述桿是圓柱體的。
28.根據權利要求26所述的風速計，其中所述桿是多面體的。
29.根據權利要求26所述的風速計，其中所述桿的長度大于1cm。
30.根據權利要求16所述的風速計，其中所述數字處理器經配置以分析所述電壓降的所述改變以確定所述電壓降的所述改變速度的任何變化是否在閾值之上，指示流體流瞬態，且如果這樣，取消所述溫度改變的所述時間常數作為流體流的精確指示。
31.根據權利要求16所述的風速計，其中所述二極管結封裝安裝在印刷電路板PCB上，所述風速計進一步包括用于感測所述PCB的溫度的溫度傳感器，所述數字處理器經配置以使用所述溫度傳感器檢測所述PCB的所述溫度中的瞬態，且使用與所述PCB的所述溫度中的所述瞬態相關的數據校正流體流計算。
32.根據權利要求16所述的風速計，其進一步包括與所述二極管結分離的溫度傳感器，所述溫度傳感器檢測所述流體的溫度，所述溫度傳感器的熱時間常數與所述二極管結的熱時間常數匹配，所述數字處理器被配置用于使用所述溫度傳感器檢測所述流體的所述溫度中的瞬態，且使用與所述流體的所述溫度中的所述瞬態相關的數據校正流體流計算。
33.根據權利要求16所述的風速計，其中所述二極管結封裝安裝在印刷電路板PCB上，所述PCB具有槽，所述槽至少部分圍繞所述封裝以增加所述PCB與所述二極管結之間的隔熱。`
34.根據權利要求16所述的風速計，其進一步包括形成風扇模塊的一部分的支撐部件以便將所述散熱器直接定位在所述風扇前面的空氣流路徑中。
35.一種風速計系統，其包括: 溫度傳感器，其具有隨溫度變化的電氣特性； 散熱器，其熱耦合到所述傳感器，所述散熱器包括從所述傳感器延伸的伸長金屬桿，所述桿具有質量； 所述桿位于用于將熱從所述桿移除的流體流中；及 控制器，其連接到所述傳感器以用于隨著熱從所述桿移除而檢測所述傳感器的所述電氣特性。
36.根據權利要求35所述的風速計系統，其中所述桿具有長度尺寸，其中所述長度尺寸大體上垂直于流體流的主要方向。
37.根據權利要求35所述的風速計系統，其中所述桿的所述質量經調節以選擇所述風速計對所述流體流中的瞬態的響應。
全文摘要
本發明描述一種用于分析流體流動的風速計及方法。在一個實施例中，晶體管傳感器通過施加電力以導致其基極發射極結從周圍環境第一溫度上升到第二溫度而加熱。移除所述電力，且隨著所述結冷卻以時間間隔測量Vbe。Vbe等同于所述結的溫度。所述溫度指數式地降低，且衰減的時間常數對應于所述流體流速。對溫度衰減曲線執行最佳擬合曲線分析，且由數據處理器導出所述指數式衰減的時間常數。傳遞函數使所述時間常數與所述流體流速相關。將晶體管熱耦合到從封裝延伸的金屬桿散熱器，且所述桿的特性經控制以調節所述風速計的性能。
文檔編號G01P5/10GK103105506SQ20121042534
公開日2013年5月15日 申請日期2012年10月30日 優先權日2011年11月14日
發明者杰弗里·林恩·希思, 哈利·約瑟夫·克里伯格, 希思·狄克遜·斯圖爾特 申請人:凌力爾特公司