专利名称：检测传感器的热时间常数的风速计的制作方法
技术领域：
本发明涉及风速计，且尤其涉及固态风速计。
背景技术：
风速计测量流体(例如从其上经过的空气)的流动。在含有热产生电路的电气柜或箱中，有时需要提供风扇冷却。常规是在柜中提供仪表来监视温度及空气的流动。最常见的小巧风速计是热线及热电偶。热线型包括具有已知的电阻温度特性的线。在一种技术中，线由电流加热以实现其上的目标电压，且随着空气流越过线来使线冷却，控制电流以维持恒定电压。一旦校准风速计，电流的量因此就对应于空气速率。也可使用其它技术，例如在被电流进行脉冲控制之后，测量使线冷却所花费的时间。此类线昂贵、易脆、需要经常清洗，且需要校准。热电偶是在两个相异金属之间的耦合，其中接合点生成随温度而变的电压。为了用作风速计，正如热线一样，节点可由电流加热，且测量电压。与热线一样，此类热电偶昂贵、易脆、需要经常清洗(如果外露的话)，且需要校准。热线及热电偶本质上是机械装置，因为它们的特性很大程度上取决于它们的机械构造。使用真正是固态的常规的集成电路制造技术来制造风速计将会是合乎需要的，使得风速计便宜、坚固且不需要校准。第3，968，685号美国专利揭示一种风速计，其中将双极型晶体管的基射级电压降与跨越参考(或补偿)二极管的电压降进行比较。当晶体管经受空气流时，提供可调节的电流以保持基射级电压降等于二极管电压降，且此电流等同于空气速度。使用二极管来补偿周围环境温度改变。使二极管电压降免受空气流的影响是困难的。此外，设计需要精确校准以抵消在周围环境温度下的电压降。此外，晶体管通过其塑料封装绝缘，使其基极发射极结较慢地响应于空气速度的改变。需要的是不用遭受上文提及的缺点及相关缺点的固态风速计。
发明内容
在一个实施例中，揭示一种风速计，其包括双极型晶体管，所述双极型晶体管经封装以具有热耦合到晶体管的金属垫。此金属垫有时被称作热垫。金属垫与晶体管电绝缘。封装可安装在印刷电路板(PCB)上，使得其金属垫背朝PCB。金属杆通过焊料或其它导热粘合剂附接到热垫。在一个实施例中，金属杆约2-3cm长且直径小于2_。杆可为圆柱体的，用于全方位空气流测量。PCB还支撑用于风速计的所有或部分的控制电路，其操作不受温度显著影响。将电力施加到晶体管，从而形成显著的集电极-发射极电流，其使基极发射极结温度升高且使金属杆的温度升高。接着移除电力，且应用小常数的基极电流以形成基射极电压降。所述电压降以已知的方式对应于结的温度，且此电压降以精确的时间间隔(例如，以IOOms时间间隔)取样持续一时间周期(例如，I分钟)。读数通过模/数转换器(ADC)转换成数字信号。所有的处理可在PCB上完成。随着晶体管经由流动的空气将热从金属杆移除而冷却，从电压降样本导出的结温度样本存储在存储器中。冷却速度是指数式衰减。衰减的速度实质上由封装/杆的固定的热电容及结与空气之间的可变热阻来决定。热阻随着增强的空气流而降低，因为更快流动的空气形成从结到空气的增加的热流，从而引起结更快速地冷却。在完成冷却循环之后(例如，在2分钟之后)，使用(举例来说)最小二乘算法对温度衰减曲线执行最佳拟合曲线分析，且计算出最佳拟合曲线的时间常数(TC)。曲线将具有e_t/Te的一般型式，其中TC是热时间常数。当时间常数等于t时，结的温度已下降到最终温度的约37%。时间常数由空气速度决定。较低的时间常数等同于升高的空气速度。导出的时间常数接着用在传递函数中以推导对应的空气流速。所述速度可传送到远程监视器，或如果其在可接受范围外，则可用于产生警报信号。上文提及的各种计算可压缩成较少的计算，且为了阐释的清晰，以上描述将各个转换描绘为单独的步骤。所述电路是稳健的，因为晶体管包在封装内。所述电路不需要校准来实现适当操作，因为其构造是相当可重复的。所述电路比使用热线或热电偶的风速计便宜许多，且从电路到电路及时间到时间，结果大体上是一致的。还描述对上述技术及结构的变更。
图1是上面安装有风速计传感器及控制电路的印刷电路板的透视图。图2是本发明的一个实施例的示意图。图3是根据本发明的一个实施例由图2的电路执行以推导空气流速的过程的流程图。图4是基极发射极结温度对时间的图表，其展示加热及冷却循环及所取的样本。图5是随着传感器冷却，基射极电压降(Vbe)对时间的图表，及所进行的用以推导空气流速的各个测量。图6是说明最佳拟合温度曲线的所导出的热时间常数如何等同于空气的流动速度的图表。图7是展示图1所示的用于全方位空气流检测的圆柱体金属杆散热器的透视图。图8是用以提供空气流感测的定向性的伸长的矩形金属杆散热器的透视图。图9说明包含风速计的风扇组合件。相同或等效的元件用相同数字标记。
具体实施方式
图1说明其上安装有风速计传感器12及控制器14的简化的印刷电路板(PCB) 10。在一个实施例中，PCB 10仅为3X3cm或更小。PCB 10可为常规的且优选为非导热的。PCB10上的电路由铜迹线连接。PCB的电力及I/O引脚16可插入母板的插孔内或插入电缆连接器中。在一个实施例中，需要知道在电气设备箱中各个位置处的空气流，且相同的PCB 10可位于箱中的各个位置处。容纳在封装18内的双极型晶体管安装在PCB 10上。所述封装可为具有三个或三个以上端子的表面安装封装。封装18具有金属垫20，硅裸片热耦合到金属垫20。金属垫20面朝上。高导热杆22附接到热垫20且充当散热器。在一个实施例中，杆22是铜的且其形状是圆柱体的，用于空气流的全方位检测。在一个实施例中，杆22直径小于2_且约2-3cm长。杆22可端接在矩形金属底座中，所述矩形金属底座焊接或以别的方法热耦合(例如用导热环氧树脂)到金属垫20。穿过PCB 10形成的槽23有效地使封装18与PCB 10上的其它热源绝热。在一个实施例中，封装18安装在隔热垫上或气隙上以防止PCB 10充当晶体管的散热器。这将改进系统间空气流速测量的一致性，因为PCB 10的公差及其到其它热源及散热器的连接将不会影响风速计。将晶体管连接到PCB 10端子的线应尽量细以使晶体管与PCB 10之间的热传递最小化。可选的温度传感器24也安装在PCB 10上，用于确定PCB 10的温度。当传感器12不被用于检测空气流速时，周围环境的空气温度可由传感器12通过测量基射极电压降而视情况检测。风扇30通过过滤器从箱外吸收冷空气31，且经加热的空气通过箱中的通风孔逃逸。传感器12可放置在风扇30的正前方以检测由风扇30产生的空气流，或可位于箱内的其它位置以检测是否有充足的空气循环。冷却效率是将热从物体(例如晶体管)移除的能力，且随越过它的空气流、空气温度、物体温度、湿度、气压、表面污染(灰尘)及其它因素而变。对于短时间周期，除了物体温度外的所有的因素可假定为恒定的且可使用本文所描述的技术适宜地导出空气流速。为实现更精确的测量，可考虑PCB 10的温度以及任何检测到的空气温度瞬态。因为双极型晶体管裸片、封装18及杆22可依据严格的公差及规格制造(经封装的晶体管必须符合其数据表规格)，所以在无用户任何校准的情况下，它们的性能可能是极易预见的。图2是本发明的一个实施例的示意图，其可完全包含在PCB 10上。图2中的各个开关可为晶体管开关。图3是根据本发明的一个实施例由图2的电路执行以推导空气流速的过程的流程图。在实际实施例中，在图3中指明的各个算法及步骤可压缩成较少的算法以节省处理时间，但为了阐释的清晰，在图3中描绘所述算法。在图3的步骤40中，开关42及44闭合以在某电流下驱动晶体管46持续一定时间以对其加热。晶体管46可为具有金属热垫的适宜封装中的任何双极型晶体管，可向各种制造商购买。参考电压源47将固定参考电压提供到差动放大器48的一个输入，且其另一输入是在发射级电阻器50处的电压。设置通过晶体管46的电流使得在电阻器50处的电压等于参考电压。最佳电流取决于所使用的晶体管46的类型且优选为相对高的(例如其额定电流的80%)以快速加热晶体管。加热的量由电流乘以跨越晶体管46(节点52与53之间)的电压确定。在加热循环期间，此电力由晶体管46消耗。计时器54(其包含时钟及状态机)控制各个开关及处理的定时。在步骤58中，晶体管46温度上升到峰值温度，由电力及计时器54确定。温度不必趋平，且绝对温度与空气流速的确定不相关。图4说明在从时间TO到Tl的加热循环期间基极发射极结的温度上升。在时间Tl处，计时器54断开开关42及44且闭合开关60及62，从而导致基极及集电极短路，且来自电流源64的电流流过基极发射极结以形成Vbe 二极管电压降。Vbe以众所周知的方式取决于温度。用于通过二极管的电流的标准等式是:I=Is* (exp (V/(n*k*T/q)) -1)等式 I其中:I是通过二极管的电流Is是反向饱和电流V是跨越二极管的电压η是结常数(对于二极管通常大约是2，对于晶体管是1、凭经验确定)
k是波尔兹曼常数，1.38E-23焦耳/开氏温标T是开氏温标的温度，且q是电子电荷的量级，1.609E-19库仑。子表达式k*T/q具有电压单位且被称为热电压VT。VT通常在室温下约为26毫伏。等式I可用于针对正向电压求解为:V=n*VT*ln[(I/Is)+l]等式 2因此，倘若电流源64的电流I是已知的，那么二极管电压降V( BP,Vbe)通过测量是已知的，且对于特定晶体管常数是已知的(例如，由晶体管制造商提供或用别的方法凭经验确定)，唯一未知的是结温度T，其很容易计算出。在图3的步骤66中，Vbe通过计时器54控制模/数转换器(ADC) 68以依照一定时间间隔(例如以IOOms时间间隔)对Vbe取样而测量。ADC 68可具有任何分辨率，例如从14到24位，这取决于所需的精确度。发射极电压等于电流源64电流乘以电阻器50的值，且基极电压经由闭合的开关62检测。在步骤70中，ADC 68将Vbe测量值转换为数字代码以供数据处理电路72进行数字处理。图5说明在超过20秒的冷却循环期间测量Vbe值73的实例，其中Vbe具有在冷却循环开始时的约0.6伏的初始值及在20秒处约0.7伏的电压。在步骤74中，数据处理电路72使用等式2计算与每一 Vbe测量值相关联的结温度。这些温度接着被存储在作为数据处理电路72的一部分的存储器中，且温度值集合定义指数式衰减曲线。图4说明从Vbe样本导出且存储在存储器中的温度值76。数据处理电路72可使用固件执行所有的计算或可使用经编程微处理器。如前所述，本文中描述的各个转换可压缩成较少的步骤，且为了阐释的清晰，描绘图3中的步骤。举例来说，不需要执行从Vbe数据到温度数据的转换，且使用转换算法(传递函数)将Vbe衰减的时间常数直接转换为空气流速。在步骤78中，在预定周期(例如，2分钟)之后或在确定已发生充分的冷却(例如，增量温度或Vbe值近似为零)之后，数据处理电路72接着将众所周知的算法(例如最小二乘算法)应用到温度数据以形成具有e_t/Te指数式衰减属性的最佳拟合曲线，其中TC是热常数。可忽略使整体曲线向上或向下移动的任何其它常数，因为仅衰减的速度是相关的。当TC等于t时，结温度已降低到峰值结温度的约37%。在另一实施例中，曲线还可包含影响时间常数的计算的线性等式或多项式等式。在另一实施例中，直接对Vbe曲线执行最佳拟合曲线分析，从而避免需要计算与每一 Vbe测量值相关联的温度。在步骤80中，数据处理电路72从最佳拟合曲线中计算热时间常数TC。TC可为温度曲线或Vbe曲线的时间常数。在步骤82中，数据处理电路72接着使用传递函数或查找表使TC等同于空气流速。传递函数是使用实验性数据使时间常数与空气流速相互关联而形成的算法。不同的传递函数可用于不同的应用或空气特性。在一个实施例中，传递函数是四阶传递函数。在另一实施例中，查找表可用于将时间常数与空气流速进行交叉参考。传递函数或查找表可产生图6的TC对空气流图表中所展示的值，其中空气流以线性英尺/分钟给定。在所述实例中，计算出时间常数约为11秒，对应于187线性英尺/分钟的空气流速。可使用任何单位，例如英里/小时等。图6的图表(以传递函数或查找表的形式)可由风速计制造商在测试空气流腔室中的样本风速计期间凭经验产生。TC可为温度衰减曲线或Vbe衰减曲线。可存在存储在系统中的各种传递函数或查找表，其用于将TC转换为空气流速，其中特定函数或查找表的选择取决于所测得的周围环境的空气温度(空气吸入温度)、湿度、气压等，其中此些变量在不同程度上影响基极发射极结的冷却速度。举例来说，较高湿度、较高气压或较高的周围环境温度可各自导致空气流以不同速度使结冷却。此些检测器可远离PCB 10(图1)且经由I/O引脚16将数据馈送到数据处理电路72。空气流速测量值的此精细调谐在不要求精确测量值的许多应用中并非必需的。如果在PCB 10与晶体管46之间存在热耦合且PCB 10温度在测量循环期间波动，那么PCB 10(图1)的温度还可影响TC对空气流的值。温度传感器24可将此PCB 10温度数据供应到数据处理电路72以校正此些瞬态。一旦确定空气流速，所述空气流速就可经由I/O引脚16输出到外部监视器，或可与编程到数据处理电路72中的通过/失败阈值进行比较。如果空气流被确定在可接受范围之外，那么数据处理电路72可发布警报信号，如在步骤84中展示。同样预想其中导出热时间常数以确定空气流速的其它相关技术。尽管为了阐释的清晰已在图3中描绘所述计算，但可在没有计算结温度等的单独步骤的情况下将Vbe值集合直接应用到推导热时间常数及空气流速的算法。所述算法的此压缩在编程领域的技术人员的技能范围之内。在另一实施例中，以下表达式可用于推导任何两个Vbe样本之间的衰减常数，且最小二乘技术用于推导对于整个Vbe样本集合的曲线的最佳拟合衰减常数。接着使用最佳拟合衰减常数来使用适宜的查找表确定空气流速。因此，与Vbe或温度的衰减速度相关的时间常数用于推导空气流速。Vbe (n+M) =Vbe (η) * (衰减常数)M+ 常数 2等式 4
其中，η是样本(例如，1、2、3等。)且n+M 是 n+M 样本(例如，2、3、4 等。)。可使用其它技术来使用图1的基本风速计结构测量空气流。在一个实施例中，电阻加热器安装在PCB 10上，紧挨着封装18，在封装18中，或在封装18下面，且在基极发射极结的加热循环(图4)期间，将电流施加到加热器以加热封装18。在另一实施例中，封装18可最初由(举例来说)位于封装18下面的珀尔贴致冷器冷却。结冷却持续一时间周期以形成初始温度，接着移除到珀尔贴致冷器的电力。接着使结到周围环境温度或任何其它温度的加热的速度与空气流速相关，且使用类似与上文描述的技术的技术来计算此速度。在另一实施例中，在冷却循环期间以周期性时间间隔在两个已知电流下测量Vbe。可接着在每一时间间隔处计算结的温度为:T=[q/(n*k) ] * [Vbe2_Vbel]/In (Id2/Idl) 等式 3其中Vbel及Vbe2分别是在电流Idl及Id2下的基射极电压降。接着计算最佳拟合指数式衰减温度曲线，且接着推导出热时间常数TC (或Vbe时间常数)以确定空气流速，如前所述。在另一技术中，通过控制电压源48或电阻器50，将第一已知电力电平施加到晶体管46。在一定的延时以确保温度已稳定之后,接着推导出基极发射极结的温度。电力接着增高到第二已知电流电平，且在一定时间之后再次测量结温度。等式增量P/增量T接着表达结与空气之间的热阻，同时抵消任何常数。热阻以已知方式与空气流速相关，因此可接着计算空气流速。举例来说，对于少量的或无空气流，增高的电力将引起结温度的大幅度的增力口，而高的空气流将引起结温度的较低增加。通过使用传递函数或查找表，温度的改变可因此与空气流速进行交叉参考。此替代性技术被认为不如图3的技术(其中热时间常数用于推导空气流速)可靠，因为由于需要比较长的稳定时间，此替代性技术在测试时间期间对温度瞬态较敏感。在相关实施例中，适宜的传递函数直接应用到Vbe的改变以推导空气流速，其中传递函数考虑Vbe与结温度之间的关系。可设计温度曲线分析算法或Vbe曲线分析算法以识别指示热或空气流瞬态的异常测量值。如果检测到此些异常，那么程序取消测量循环，且重复检测过程。在无风速计的贵重设备系统中，在被灰尘或污垢堵塞的情况下，执行空气过滤器的周期性更换。通过使用本风速计，不需要以预定义的时间间隔自动更换空气过滤器，因为如果空气流速在可接受范围内，那么认为过滤器是胜任的。风扇的正确操作也由风速计来确定。另外，在设备箱(例如，服务器，投币机等)的设计期间，数个风速计可分布在箱的各处电路定位的地方以确定所述位置周围的空气流是否适当。如果否，那么可改变风扇或电路位置以实现充分地冷却。在最终产品中，可仅需要使用一个风速计接近风扇或空气出口端以确定冷却系统的正确操作。然而，有价值的系统数据可通过将风速计的全部补充物留在最终广品中而从场搜集。尽管空气已在实例中用作流体，但风速计可用于测量任何流体(例如液体)的流动速度。
除了提供空气流速的PCB 10电路外，温度传感器24或晶体管46的基射极电压降也可用于表达空气流速测量循环之间的周围环境温度，假定晶体管温度已稳定。此周围环境温度可经由I/o引脚16发射到远程监视器，或如果温度在可接受范围外则可产生警报信号。作为在不需要校准的情况下精确的空气(流体)流速测量值的前提，风速计不应从一个风速计到下一个风速计显著变化。晶体管46规格由制造商充分地控制且在数据表中规定。其它电路的精确度同样必须充分地控制且不被周围环境温度显著影响。由于周围环境(PCB 10)温度的变化而引起的电路性能的任何变化可通过测量PCB 10的温度且对数据进行对应校正来校正。然而，因为周围环境温度被假定为针对空气流速测量值以相对于冷却周期较慢的速度改变，所以对于许多应用，归因于周围环境温度的改变的校正认为是可选的。尽管由于制造公差，封装18的大小及构造可变化，但可通过谨慎控制金属杆22散热器的尺寸及质量而使此类变化对晶体管46的冷却的影响最小化。换句话说，可控制金属杆22散热器的特性以控制风速计的属性。因为金属杆22散热器的尺寸显著影响风速计的性能，所以金属杆22的尺寸应谨慎控制以避免需要校准。在由发明者执行的实验中，从一个风速计到下一个风速计所导出的热时间常数TC的1%的变化(在相同条件下)引起线性英尺/分钟空气流速计算结果的约10%的变化，这是很显著的。金属杆22的特别重要的特性是直接与其体积相关的其质量。已展示其直径的变化将比其高度的相同百分比的改变更显著，因为杆22的热质量的变化在某种程度上由杆22的表面积的相关变化抵消。杆的热时间常数(热TC)是杆22的质量除以杆22的表面积的函数。因此，杆22的直径必须严格控制，因为它对杆22的热TC的影响最大。在一个实例中，+/-0.25密耳的直径公差及+/-1密耳的高度公差引起空气流速测量值中的+/-3.1%的公差，这是可接受的。因为杆22的质量远远大于封装18的金属垫20的质量，所以热垫20中的变化不是很显著。杆22的公差可比金属垫20的公差更严格地控制。图7展示具有用于焊接到封装18的金属垫20(图1)的金属底座90的图1的圆柱体杆22。杆22的形状可变化以实现定向性，因为暴露到空气流的有效表面积可定向控制。举例来说，如图8中所示，杆92可为矩形柱以增加其暴露到空气流的表面积(如果杆92的较宽的平表面与空气流的方向垂直而成角度)。多个杆22/92可附接到单一底座90，例如底座90的每个角一个杆，其中杆阵列的定向改变暴露到空气流的表面积。如果金属杆22散热器的公差不是非�？煽�(例如，大于1%)，那么如果需要空气流速测定的高精确性，那么可需要校准风速计。可用零空气流速完成校准，然而，对于通过/失败空气流检测器，不需要校准。因为具有较大热TC的传感器的温度通常对空气流中的改变反应更慢些，所以杆22的质量(及在较小程度上，其表面积)影响风速计响应于空气流瞬态的能力。因此可为特定应用特别地设计杆22以控制风速计对空气流瞬态的敏感度。与热线相比，热线的热TC非常小，因此线对空气流瞬态非常灵敏，从而需要电子平均技术以推导平均空气流速。在一个实施例中，如果在加热循环期间二极管或电阻器可由高电流充分地加热，那么可使用二极管或电阻器替代晶体管46用做温度传感器。图9说明包含风速计的风扇组合件96。风扇98具有经模制以为PCB 10及风速计提供支架臂100的框架。展示杆22散热器。对风扇98供应电力及控制的电缆也电连接到PCB 10上的引脚16(图1)。因此，PCB 10与其它设备隔热且最佳地位于风扇98的前面以检测在空气进气口处对空气的任何障碍物或风扇的任何故障。可为风扇组合件96校准风速计算法及查找表，从而产生极其精确的空气流速测量值。然而已展示及描述本发明的特定实施例，但对于所属领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛方面的情况下可作出改变及修改。所附权利要求书将在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神及范围内的所有此些改变及修改。
权利要求
1.一种用于分析流体流的方法，其包括: a.施加电力以导致二极管结的温度从第一温度改变到第二温度； b.改变所述电力以导致所述二极管结的所述温度以大体上指数式速度从所述第二温度向所述第一温度改变，所述速度对应于时间常数，其中所述时间常数与同所述二极管结相互作用的流体流相关； c.随着所述温度从所述第二温度向所述第一温度改变而在各个时间测量跨越所述二极管结的变化的电压降 '及 d.使所述时间常数与流体流相互关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述二极管结是双极型晶体管的基极发射极结。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a包括施加电流通过包括所述二极管结的半导体装置以将所述二极管结加热到所述第二温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤a包括将电流施加到热耦合到所述二极管结的加热器装置以将所述二极管结加热到所述第二温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d包括执行最佳拟合曲线分析以计算所述温度的改变速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述改变的电压降的时间常数对应于从所述第二温度到所述第一温度的所述改变的所述时间常数，且其中步骤d包括使所述改变的电压降的所述时间常数与流体速率相互关联。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d包括使所述电压降的改变速度与冷却效率相互关联。
8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d包括将传递函数应用到所述改变的电压降的时间常数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d包括将传递函数应用到所述改变的温度的时间常数。
10.根据权利要求1所述的方法，其中散热器热耦合到所述二极管结，所述方法进一步包括使所述流体流过所述散热器以将热从所述二极管结移除。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在不明显地改变所述散热器的表面积的情况下修整所述散热器的质量，以控制所述散热器的质量对表面积的比率。
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤:分析所述电压降的所述改变以确定所述电压降的所述改变速度的任何变化是否在阈值之上，指示流体流瞬态，且如果这样，取消所述温度改变的所述时间常数作为流体流的精确指示。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述二极管结在封装内，且所述封装安装到印刷电路板PCB上,所述方法进一步包括: 感测所述PCB的温度； 检测所述PCB的所述温度中的瞬态；及 使用与所述PCB的所述温度中的所述瞬态相关的数据校正步骤d中的流体流计算。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述感测所述PCB的所述温度的步骤包括检测跨越所述二极管结的电压降。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述二极管结在封装内，且所述封装安装到印刷电路板PCB上,所述方法进一步包括: 使用具有与所述二极管结的热时间常数匹配的热时间常数的温度传感器感测所述流体的温度； 使用所述温度传感器检测所述流体的所述温度中的瞬态；及 使用与所述流体的所述温度中的所述瞬态相关的数据校正步骤d中的流体流计算。
16.一种风速计，其包括: a.安装在封装内的二极管结，所述封装包括与所述二极管结电绝缘的金属热垫； b.至少一个散热器，其与所述热垫热接触且从所述热垫向外延伸，以用于使流体流过所述散热器以将热从所述二极管结移除； c.至少一个温度控制开关，其耦合到电源； d.控制器，其用于在一时间间隔内控制所述至少一个温度控制开关以将所述二极管结的温度从第一温度改变到第二温度，接着允许所述二极管结的所述温度以大体上指数式速度从所述第二温度向所述第一温度改变，所述速度对应于时间常数，其中所述时间常数与同所述二极管结相互作用的流体流相关； e.数字处理器，其经配置以随着温度从所述第二温度向所述第一温度改变而在各个时间测量跨越所述二极管结的改变的电压降；且 f.所述数字处理器经配置以使所述时间常数与流体流相互关联。
17.根据权利 要求16所述的风速计，其中所述二极管结是双极型晶体管的基极发射极结。
18.根据权利要求16所述的风速计，其中所述二极管结是双极型晶体管的基极发射极结，且其中所述至少一个温度控制开关耦合在所述电源与所述晶体管的集电极之间以供应电流通过所述晶体管以将所述晶体管加热到所述第二温度。
19.根据权利要求18所述的风速计，其中所述至少一个温度控制开关包括: 第一开关，其耦合在所述电源与所述晶体管的所述集电极之间以供应第一电流通过所述晶体管以将所述晶体管加热到所述第二温度；及 第二开关，其耦合在所述晶体管的基极与基极电压源之间用于驱动所述晶体管以在所述晶体管的所述集电极与发射极之间传导所述第一电流。
20.根据权利要求16所述的风速计，其进一步包括至少一个测量控制开关，所述测量控制开关由所述控制器控制以当将跨越所述二极管的所述电压降耦合到模/数转换器ADC时以一电流驱动所述二极管结，所述ADC的输出耦合到所述数字处理器。
21.根据权利要求16所述的风速计，其中所述数字处理器经配置以执行最佳拟合曲线分析以计算所述温度改变的所述时间常数。
22.根据权利要求16所述的风速计，其中所述至少一个温度控制开关耦合在所述电源与热耦合到所述二极管结的加热器装置之间以将所述二极管结加热到所述第二温度。
23.根据权利要求16所述的风速计，其中所述数字处理器经配置以通过确定所述电压降的改变速度且使所述电压降的所述改变速度与流体速度相互关联而计算所述温度改变的所述时间常数。
24.根据权利要求16所述的风速计，其中所述数字处理器经配置以将传递函数应用到所述改变的电压降的时间常数以推导所述流体流。
25.根据权利要求16所述的风速计，其中所述数字处理器经配置以将传递函数应用到所述改变的温度的时间常数以推导所述流体流。
26.根据权利要求16所述的风速计，其中所述散热器包括从所述热垫延伸的至少一个杆。
27.根据权利要求26所述的风速计，其中所述杆是圆柱体的。
28.根据权利要求26所述的风速计，其中所述杆是多面体的。
29.根据权利要求26所述的风速计，其中所述杆的长度大于1cm。
30.根据权利要求16所述的风速计，其中所述数字处理器经配置以分析所述电压降的所述改变以确定所述电压降的所述改变速度的任何变化是否在阈值之上，指示流体流瞬态，且如果这样，取消所述温度改变的所述时间常数作为流体流的精确指示。
31.根据权利要求16所述的风速计，其中所述二极管结封装安装在印刷电路板PCB上，所述风速计进一步包括用于感测所述PCB的温度的温度传感器，所述数字处理器经配置以使用所述温度传感器检测所述PCB的所述温度中的瞬态，且使用与所述PCB的所述温度中的所述瞬态相关的数据校正流体流计算。
32.根据权利要求16所述的风速计，其进一步包括与所述二极管结分离的温度传感器，所述温度传感器检测所述流体的温度，所述温度传感器的热时间常数与所述二极管结的热时间常数匹配，所述数字处理器被配置用于使用所述温度传感器检测所述流体的所述温度中的瞬态，且使用与所述流体的所述温度中的所述瞬态相关的数据校正流体流计算。
33.根据权利要求16所述的风速计，其中所述二极管结封装安装在印刷电路板PCB上，所述PCB具有槽，所述槽至少部分围绕所述封装以增加所述PCB与所述二极管结之间的隔热。`
34.根据权利要求16所述的风速计，其进一步包括形成风扇�？榈囊徊糠值闹С挪考员憬錾⑷绕髦苯佣ㄎ辉谒龇缟惹懊娴目掌髀肪吨�。
35.一种风速计系统，其包括: 温度传感器，其具有随温度变化的电气特性； 散热器，其热耦合到所述传感器，所述散热器包括从所述传感器延伸的伸长金属杆，所述杆具有质量； 所述杆位于用于将热从所述杆移除的流体流中；及 控制器，其连接到所述传感器以用于随着热从所述杆移除而检测所述传感器的所述电气特性。
36.根据权利要求35所述的风速计系统，其中所述杆具有长度尺寸，其中所述长度尺寸大体上垂直于流体流的主要方向。
37.根据权利要求35所述的风速计系统，其中所述杆的所述质量经调节以选择所述风速计对所述流体流中的瞬态的响应。
全文摘要
本发明描述一种用于分析流体流动的风速计及方法。在一个实施例中，晶体管传感器通过施加电力以导致其基极发射极结从周围环境第一温度上升到第二温度而加热。移除所述电力，且随着所述结冷却以时间间隔测量Vbe。Vbe等同于所述结的温度。所述温度指数式地降低，且衰减的时间常数对应于所述流体流速。对温度衰减曲线执行最佳拟合曲线分析，且由数据处理器导出所述指数式衰减的时间常数。传递函数使所述时间常数与所述流体流速相关。将晶体管热耦合到从封装延伸的金属杆散热器，且所述杆的特性经控制以调节所述风速计的性能。
文档编号G01P5/10GK103105506SQ20121042534
公开日2013年5月15日 申请日期2012年10月30日 优先权日2011年11月14日
发明者杰弗里·林恩·希思, 哈利·约瑟夫·克里伯格, 希思·狄克逊·斯图尔特 申请人:凌力尔特公司
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