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专利名称：具有多孔插入物的流量传感器装置的制作方法
技术领域：
本申请公开内容总体涉及流量传感器，更具体的，涉及用于为了提高精度和/或可靠性而减小流过流量传感器的流体流中的变化的方法和装置。
背景技术：
流量传感器通常用于感测流过流体通道的流体(例如，气体或液体)的流速。这种流量传感器通常用在较宽范围的应用中，包括，例如，医疗应用，飞行控制应用，工业工程应用，燃烧控制应用，气象监测应用，以及许多其他应用。某些情况下，流入流量传感器的流体流可能为湍流，这会导致流量传感器输出信号的噪声增加。该噪声会影响流量传感器测量的精度、可重复性和/或再现性。

发明内容
本申请公开内容总体涉及流量传感器，并且更具体的，涉及用于为了提高精度和/ 或可靠性而减小流过流量传感器的流体流中的变化的方法和装置。在一个示例性实施例中，流量传感器装置包括具有流入口和流出口的外壳。该外壳可限定在流入口和流出口之间延伸的流体通道，流量传感器位于外壳内并暴露在流体通道中。流量传感器可以感测与流过流体通道的流体的流速相关的测量值。多孔插入物可以位于流体通道内，有时在流量传感器的上游。当被如此配置，并在流量传感器装置工作过程中时，流体通过流入口，透过多孔插入物，经过流量传感器，然后穿过流出口。多孔插入物包括被配置成减少经过流量传感器的流体内湍流的多个孔。某些实例中，一个或多个多孔插入物的孔可被配置成有助于层流化流过流量传感器的流体流。某些情况下，一个或多个多孔插入物可配置为提供流体的预定压降，从而使其以给定流速流过外壳的流体通道。提供前述发明内容以有助于理解有别于现有技术的某些创新性特征，并不是作为全面的描述。对本申请公开内容的全面了解可以通过将整个具体实施方式
，权利要求，附图以及摘要作为一个整体来获得。


考虑了如下对本公开的不同实施例的参照附图的详细描述可以更完整的理解本申请，其中附图1为用于测量流过流体通道的流体流速的示例性流量传感器的示意图；附图2为用于测量流过流体通道的流体流速的示例性热式流量传感器装置的示意图；附图3为包括一个或多个多孔插入物的示例性流量传感器装置的部分分解透视图；附图4为附图3所示的示例性流量传感器装置的截面图，其在流入口和流出口均具有多孔插入物；附图5和附图6为附图3所示的示例性流量传感器装置的截面图，其仅在流入口和流出口其中之一具有多孔插入物；附图7表示具有多孔插入物的流量传感器输出变化的曲线图；附图8表示不具有多孔插入物的流量传感器输出变化的曲线图。
具体实施例方式如下描述应当参考附图解读，其中几幅附图中相同的附图标记始终表示相同的部件。说明和附图表示了若干实施例，这些实施例用了说明要求保护的公开内容。附图1为用于测量流过流体通道12的流体流14流体流速的示例性流量传感器10 的示意图。此处使用的术语“流体”可以根据应用的需要指气体流或者液体流。在说明性实施例中，流量传感器10可被暴露和/或设置于流体通道12内，用于测量流体流14的一个或者多个特性。例如，流量传感器10可以根据需要使用一个或多个热传感器(例如，参见附图2)，压力传感器，声学传感器，光学传感器，皮托管，和/或任何其他适当的传感器或传感器组合测量质量流量和/或流体流14的流速。某些情况下，流量传感器10可为微桥 (microbridge)或者Microbrick 传感器装置，可从本申请的受让人处获得，但这并不是强制的。被认为适于测量流体流14的质量流量和/或速度的某些示例性方法和传感器配置在例如美国专利号 4, 478, 076 ；4，478,077 ；4，501，144 ；4，581，928 ；4，651，564 ；4，683，159 ； 5，050，429 ；6，169，965 ；6，223，593 ；6，234，016 ；6，502，459 ；7，278，309 ；7，513，149 以及 7，647，842中公开。可以预料到，流量传感器10根据需要包括这些流量传感器配置和方法中的任一个。然而必须认识到流量传感器10可根据需要为任意适合的流量传感器。在示例性实施例中，流体通道12会经历流体流14的一定范围的流速。例如，流体通道12内可能包括大体积流体流，中等体积流体流，或者小体积流体流。流体流应用的实例包括但不限于呼吸器，流量计，速度计，飞行控制，工业生产用蒸汽，燃烧控制，气候监测，以及根据需要的其他适当的流体流应用。现在转向附图2，其是用于测量流过流体通道12的流体流14的流速的示例性热式流量传感器装置的示意图。在示例性实施例中，流量传感器装置包括一个或多个加热元件， 例如加热元件16，以及一个或多个传感器元件18和20，用于感测流体通道12内的流体28 的流速。如附图2所示，流量传感器装置也包括一个或多个多孔插入物22和24，置于流体通道12内，位于加热元件16以及一个或多个传感器元件18和20的上游和/或下游位置。 一个或多个多孔插入物22和/或24可包括被配置成减少流过流量传感器的流体内湍流的多个孔。某些实例中，一个或多个多孔插入物22和/或24的孔可被配置成有助于层流化流过流量传感器的流体通道12内的流体流。某些情况下，一个或多个多孔插入物22和/ 或24可被配置为提供流体的预定压降，从而使其以给定流速流过外壳的流体通道12。
某些示例中，一个或多个多孔插入物22和/或24会引起流过流量传感器的流体的更一致的流动。通过多个孔的流体一致流动会导致流动成为层流并且缓和当流体流过流量传感器时的流动湍流效应。某些情况下，层流能减轻流量传感器装置可识别的噪声，从而提供更为一致，可靠，可重复以及稳定的流量传感器装置输出。如图2所示，流量传感器装置包括加热元件16，置于加热元件16上游的第一传感器元件18，以及置于加热元件16下游的第二传感器元件20。虽然第一传感器元件18示于在加热元件16上游，第二传感器元件20示于在加热元件16下游并，这并不意味着局限于此。在某些实施例中，可以预料到，流体通道12可为双向流体通道，因此某些情况下，第一传感器元件18在加热元件16的下游，并且第二传感器元件20在加热元件16的上游。某些情况下，仅提供一个传感器元件，而另外一些实施例中，设有三个或更多个传感器元件。某些情况下，传感器元件18和20均位于加热元件16的上游(或下游)。某些情况下，第 一传感器元件18和第二传感器元件20为热敏电阻，其具有相对较大的正或负温度系数，从而使阻值会随温度变化。某些情况下，第一和第二感测元件18和 20为热敏电阻器。某些实施例中，第一传感器元件18，第二传感器元件20以及其他额外的传感器元件采用惠斯通电桥配置方式进行布置，但是并不要求所有实施例都如此。所示实施例中，流体通道12内没有出现流体流，并且加热元件16被加热到比流体流28内流体的环境温度高的温度，可以产生温度分布并且以关于加热元件16大致对称的分布将该温度分布传递到上游传感器元件18和下游传感器元件20。该实施例中，上游传感器元件18和下游传感器元件20会感测到相同或相似的温度(例如，25%以内，10%以内， 5%以内，以内，0. 001%以内等)。某些情况下，这会在第一传感器元件18和第二传感器元件20内产生相同或相似的输出电压。当流体流28出现在流体通道12内，并且加热元件16加热到一个比流体流28内流体的环境温度高的温度时，对称的温度分布受到扰动，并且扰动量与流体通道12内流体流28的流速相关。流体流28的流速会导致上游传感器元件18感应到比下游传感器元件 20相对更低的温度。换句话说，流体流28的流速会导致上游传感器元件18和下游传感器元件20之间的温差，该温差与流体通道12内流体流28的流速相关。上游传感器元件18 和下游传感器元件20之间的温差会导致上游传感器元件18和下游传感器元件20之间的输出电压差。在另一个示例性实施例中，通过在加热元件16内提供短暂升温状态来确定流体流28的质量流量和/或流速，其进而引起流体流28内的短暂升温状态(例如，热脉冲)。 当流体流28内的流速不为零时，上游传感器元件18迟于下游传感器元件20接收到短暂响应。然后利用上游传感器元件18与下游传感器元件20之间的时间延迟，或者加热器被激励与通过传感器中的一个，比如下游传感器20，感测到相应的升温状态(例如热脉冲)时之间的时间延迟，可以计算流体流28的流速。在示例性实施例中，一个或多个多孔插入物22和24能提供流过加热元件16和感测元件18及20的层流流体流28。例如，在某些情况下，相对不稳定或者湍流流体流26会进入流体通道12，并且一个或多个多孔插入物22和24有助于层流化流过加热元件16和感测元件18及20的流体流28。由于多孔插入物22和24导致的压降取决于多孔插入物22 和24的密度和长度。某些实施例中，多孔插入物22和24具有的多孔结构，根据需要而依据期望的压降和其他因素，可具有范围在几微米到几毫米范围内的孔尺寸。某些实施例中， 根据期望的压降，孔尺寸和其他因素，多孔插入物22和24具有小于1英寸，1英寸或者大于 1英寸的长度。某些情况下，多孔插入物22和24具有相同的孔尺寸和长度，或者其他情况下，根据需要，可具有不同的孔尺寸和长度。如所示地，多孔插入物22置于流体通道12内，位于加热元件16以及一个或多个传感器元件18和20的上游，多孔插入物24置于流体通道12内，位于加热元件16以及一个或多个传感器元件18和20的下游。然而某些实施例中，可以预料流体通道12内仅设有一个多孔插入物22或24。例如，流体通道12内仅设有多孔插入物22或仅设有多孔插入物 24。可以预料，如期望地，仅使用上游多孔插入物，仅使用下游多孔插入物，或者使用多个上游和/或下游多孔插入物。例如，在单向传感器中，上游多孔插入物22用于层流化流体流， 然而，双向流量传感器中，根据流动方向，上游多孔插入物22或下游多孔插入物24均可用于层流化流体流。 某些实施例中，多孔插入物22和24包括合适的多孔材料，例如，多孔聚合物和/ 或多孔纤维材料(例如，烧结聚合物颗粒)，泡沫(例如网状泡沫材料，开孔泡沫材料)，编织纤维(例如，精密织网)，非编织纤维(例如，毡)，聚氨酯，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙烯 (PE)，尼龙，聚对苯二酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)，聚丙烯(PP)，和/或其他任何能够例如，有助于层流化和/或引起流动通过流体通道12的流体内的期望压降的材料。多孔聚合物材料包括例如，热固性聚合物，热塑性聚合物，弹性体材料，有机或人造材料，以及任何其他期望的适当的聚合物材料。多孔材料的实例包括可由POREXTechnologies 获得的POREX多孔聚合物材料和POREX纤维介质。其他多孔材料为可从GenPore获得的超高分子量(UHMW)聚乙烯或聚乙烯共聚物。精密织网的实例为可由Sefar Filtration Incorporated提供的Sefar Tetex DLW。非编织纤维材料的实例为可由W. L Gore & Associates 提供的 Gore Acoustic 过滤器 GAff 102 可以理解，示例性的加热元件16和感测元件18和20仅为示例性的，并且在某些实施例中，可根据需要不出现。例如，可以预料，根据需要，多孔插入物22和24可以包含在用于感测与流体通道12内的流体流相关的测量值的一个或多个压力传感器，声学传感器， 光学传感器，皮托管和/或其他任何适当的传感器或传感器组合中。附图3为包括一个或多个多孔插入物22和/或24的示例性流量传感器装置30 的部分分解透视图。在示例性实施例中，流量传感器装置30包括具有顶部保护盖37和底部保护盖36的外部保护外壳。如图所示，顶部保护盖37可以插入到底部保护盖36的凹部内。采用这种配置，顶部和底部保护盖37和36能够保护流量感测元件(如图4中所示的 42)以及可能设置在外壳内的任何信号调整电路。某些情况下，顶部保护盖37和底部保护盖36由例如塑料制作。然而，可以预期可以根据需要使用其他任意合适的材料。在示例性实施例中，外部保护外壳包括形成为复合件的顶部保护盖37和底部保护盖36。然而，可以预料外部保护外壳可以根据设计要求模制为由塑料或其他适当材料制成的单件。例如，可以预料外部保护外壳采用注射成型法制成或者根据需要，由其他适当的方法和材料制成。如图3所示，外壳的顶部保护盖37包括第一流口 32和第二流口 34，流体通道在其之间延伸。流量感测元件暴露在流体通道的流体中。某些情况下，流口 32可为流入口，流口34可为流出口，但这并不是必须的。某些情况下，可以预料流量传感器装置30为双向流量传感器装置，并且这种情况下，根据流过流体通道的流体流的当前方向，流口 32和流口 34 可以作为流入口或流出口使用。尽管附图3中没有示出，流量传感器装置30包括一条或多条电引线(如图4中所示44)，这些引线与流量感测元件42电连接并且延伸到外部保护外壳的外侧。某些情况下， 一条或多条电引线44包括金属，然而，根据需要，可以使用任意适当的传导材料。

某些实施例中，外部保护外壳也包括一个或多个安装孔38。如图所示，底部保护外壳36包括两个安装孔38，然而可以如期望地使用任意适当数量的安装孔。安装孔38可以设置为容纳紧固件，例如螺钉，螺栓，或钉子，以将底部保护盖36安装到期望表面从而适应流量传感器装置30可能用于的特定设备。可以预料，根据需要，底部保护盖36或者顶部保护盖37包括其他安装孔38或者没有安装孔38。在示例性实施例中，多孔插入物22被插入，压入或者以其他的方式置于流口 32内或者与其邻接。多孔插入物24被插入，压入或者以其他的方式置于流口 34内或者与其邻接。某些实施例中，多孔插入物22和24通常为圆柱形。然而，可以预料根据待插入插入物的端口形状，使用任意合适的形状。其他情况下，可以预料多孔插入物22和24可为任意形状，并且当插入到流口 32和34时，多孔插入物22和24可以是可变形的，以便适应流口 32 和34的形状。多孔插入物22和24可被配置成具有使得能够以给定流速沿着流体通道产生期望的或预定的压降的形状和/或密度。例如，多孔插入物22和24的长度和/或密度增加 (例如，减小孔的尺寸)会增加通过流体通道的压降，而多孔插入物22和24的长度和密度的减少会减小压降。某些情况下，上游多孔插入物22的密度增加(例如，减小孔的尺寸) 和/或提供相对统一的孔尺寸有助于提供更为层流的流体流。可以预料，根据期望的压降和/或流体通道内流体流的层流化，多孔插入物能使用任意合适的长度和/或密度。附图4-6为附图3中流量传感器装置30的截面图。在附图4所示的示例性实施例中，流量传感器装置30可包括安装在封装基板40上的流量感测元件42。流量感测元件 42配置用于感测与流过流体通道46内的流体流速相关的测量值。封装基板40包括陶瓷材料，然而，根据需要，可以使用其他适当类型的材料。示例性实施例中，流量传感器装置30的外壳包括顶部外壳盖37和底部外壳盖36。 如图4-6所示，顶部外壳盖37和底部外壳盖36界定用于容纳安装有流量感测元件42的封装基板40的空腔。示例性实施例中，包含流量感测元件42的封装基板40的上表面以及顶部外壳盖37的内表面界定出流量传感器装置30的流体通道46。流体通道46从顶部外壳盖37的流口 32延伸出来，沿着流量感测元件42并到达顶部外壳盖37的流口 34。流体通道46将流量感测元件42暴露在液流中。如图4所示，流量传感器装置30包括置于流口 32内的多孔插入物22和/或置于流口 34内的多孔插入物24。多孔插入物22和24有助于层流化流过流量感测元件42的流体流，和/或控制压降。如图5和6所示，仅设有一个多孔插入物22和24。如图5所示，流口 32内设有多孔插入物22，而流口 34内没有多孔插入物。如图6所示，流口 34内设有多孔插入物，而流口 32内没有多孔插入物。尽管附图5和6所示的实施例中仅设有一个多孔插入物22或24，但是流量传感器装置仍然可以提供流过流量感测元件42的层流流动和/或受控的压降尽管所示多孔插入物22和24插入到它们相应的流口 32和34内，但是这并不意味着是限定性的。可以预料多孔插入物22和24可以安装在它们相应流口 32和34的上方或者与其邻接。另外，可以预料多孔插入物22和24能够置于任意合适的位置，从而根据需要例如，有助于层流化流体流和/或控制流体流内的压降。例如，多孔插入物22和24可以根据需要被置于封装基板40和顶部外壳盖37内表面之间的流体通道46内。示例性实施例中，流量传感器装置30包括一条或多条安装在封装基板40上的电引线44。通过设于封装基板40上的一条或多条轨迹，一条或多条电引线44配置为用于接收流量感应元件42发送的与流过流体通道42的流体流的流速测量值相对应的信号。某些情况下，一条或多条电引线44包括金属，然而，根据需要，可以使用任意适当的传导材料。附图7表示流口内具有多孔插入物的示例性流量传感器输出变化的曲线图表。示例性实施例中，多孔插入物包括聚乙烯材料，其孔的尺寸为每英寸45孔(PPI)，并且长度大约为6. 35毫米(0. 25英寸)。如图所示，曲线图表表示来自流量传感器数字输出的40个连续数据点或读数，该流量传感器具有流速为每分钟1000标准立方厘米(sccm)的流体流。 在示例性实施例中，数字输出以“计数(counts)”测量，其中每sccm有6. 55计数。以1毫秒间隔获得来自流量传感器的数据点或读数。为了有助于说明流量传感器数字输出中的变化，用第一读数将数字输出标准化。如图7所示，流量传感器的流口中具有多孔插入物时， 数字输出的变动范围从0到4计数。附图8表示流口中不具有多孔插入物的附图7中所使用示例性流量传感器输出变化的图表。与附图7中所示类似，图表表示来自流量传感器数字输出的40个连续数据点或读数，该流量传感器具有流速为lOOOsccm的流体流并且以1毫秒间隔获得数据点或读数。 没有多孔插入物，数字输出的变动(以第一读数标准化后)范围从大约-68计数到大约12 计数。将附图7和8中所示图表对比，附图7中所示图表的数字输出，在具有多孔插入物情况下，数字输出的变动更少，噪音更小。数字输出中数量减少的变动和噪声至少部分由于多孔插入物，其提供了与附图8中未使用多孔插入物的流量传感器相比，通过附图7中所使用的流量传感器的更层流化的流体流以及更少的湍流流体流。尽管已经参考多孔插入物22和24进行了前述说明，可以预料，根据需要，可以使用任何合适的，多孔的或者非多孔的，使得流体流在其中流动并且减少流体流不稳定性的插入物。至此已经描述了本申请的优选实施例，本领域技术人员也已经了解到可以设计并使用其他落入对此所附权利要求范围内的实施例。前述说明中已经提出多数本文件覆盖的公开内容的优点。然而应当理解，所公开内容大部分方面仅是示例性的。可以在不超过公开范围的情况下进行详细的改进，尤其是形状，尺寸以及部件的布置方式方面。当然，公开内容的范围以所附权利要求语言表达的内容进行确定。
权利要求
1.一种流量传感器装置(30)，包括外壳，其包括流入口(32)和流出口(32)，外壳限定在流入口(32)和流出口(32)之间延伸的流体通道(12)；流量传感器(10)，置于外壳内并暴露在流体通道(12)中，流量传感器(10)被配置成感测与流过流体通道(12)的流体(28)的流速相关的测量值；以及上游多孔插入物(22)，其位于流量传感器(10)上游的外壳的流体通道(12)内，其中上游多孔插入物(22)包括聚合物材料，其中在流量传感器装置(30)操作期间，流体(28)流过流入口(32)，穿过上游多孔插入物(22)，流经流量传感器(10)，然后流过流出口(32)，上游多孔插入物(22)被配置成增强流经流量传感器(10)的流体(28)层流剖面。
2.根据权利要求1的流量传感器装置(30)，其中流量传感器(10)包括加热元件(16)， 位于加热元件上游的第一感测元件，以及位于加热元件下游的第二感测元件。
3.根据权利要求1的流量传感器装置(30)，其中流量传感器(10)为基于压力的流量传感器(10)。
4.根据权利要求1到3的流量传感器装置(30)，进一步包括下游多孔插入物(24)，其位于流量传感器(10)下游的外壳的流体通道(12)内，其中下游多孔插入物(24)包括聚合物材料。
5.根据权利要求4的流量传感器装置(30)，其中上游多孔插入物(22)与流入口(32) 邻接，并且下游多孔插入物(24)与流出口(32)邻接。
6.根据权利要求1到5的流量传感器装置(30)，其中上游多孔插入物(22)包括泡沫、 编织网以及聚四氟乙烯材料中的一个或多个。
7.流量传感器装置(30)，包括外壳，其包括流入口(32)和流出口(32)，外壳限定在流入口(32)和流出口(32)之间延伸的流体通道(12)；流量传感器(10)，其置于外壳内并暴露在流体通道(12)中，流量传感器(10)被配置成感测与流过流体通道(12)的流体(28)的流速相关的测量值；上游多孔聚合物插入物，其位于流量传感器(10)上游的外壳的流体通道(12)内； 下游多孔聚合物插入物，其位于流量传感器(10)下游的外壳的流体通道(12)内；以及其中在流量传感器装置(30)操作期间，流体(28)流过流入口(32)，穿过上游多孔聚合物插入物，流经流量传感器(10)，流过下游多孔聚合物插入物，然后穿过流出口(32)，上游多孔聚合物插入物包括多个孔，这些孔被配置成增强流经流量传感器(10)的流体(28)的层流剖面。
8.根据权利要求7的流量传感器装置(30)，其中上游多孔聚合物插入物和下游多孔聚合物插入物每一个都包括泡沫、编织网、以及聚四氟乙烯材料中的一个或多个。
9.一种减少流经流量传感器(10)的流体流(14)中变化的方法，该方法包括 提供流量传感器装置(30)，该流量传感器装置(30)包括外壳，其包括第一流口(32)和第二流口(34)，外壳限定在第一流口(32)和第二流口 (34)之间延伸的流体通道(12)；流量传感器(10)，其暴露在流体通道(12)中，流量传感器(10)被配置成检测与流过流体通道(12)的流体(28)的流速相关的测量值；将第一聚合物插入物插入到流量传感器(10)上游的流体通道(12)内，第一聚合物插入物包括多个孔，这些孔的尺寸用于减少流经流量传感器(10)的流体流(14)剖面内的变化。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括将第二聚合物插入物插入到流量传感器(10) 下游的流体通道(12)内。
全文摘要
本申请公开内容总体涉及流量传感器，更具体的，涉及用于为了提高精度和/或可靠性而减小流过流量传感器(10)的流体流(14)内变化的方法和装置。在示例性实施例中，流量传感器装置(30)包括具有流入口(32)和流出口的外壳。该外壳限定在流入口和流出口之间延伸的流体通道，流量传感器位于外壳内并暴露在流体通道中。流量传感器被配置成感测与流过流体通道的流体(28)的流速相关的测量值。多孔插入物安装在流体通道内，有时在流量传感器的上游。这种配置的情况下，在流量传感器装置操作过程中，流体穿过流入口，透过多孔插入物，经过流量传感器，然后穿过流出口。多孔插入物包括多个被配置成减少经过流量传感器的流体内湍流的孔。
文档编号G01F15/02GK102261939SQ201110105689
公开日2011年11月30日 申请日期2011年3月21日 优先权日2010年3月22日
发明者J·斯佩尔德里奇, M·A·J·卡西米, R·C·索伦森 申请人:霍尼韦尔国际公司