用於測量一種介質的流動速度的方法
2023-05-06 08:01:06 2
專利名稱：用於測量一種介質的流動速度的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在一由磁場穿過的體積裡測量一種介質的流動速 度的方法，其中，在所述介質中通過其流動運動感應產生一電場。本發明特別涉及在磁感應流量傳感器(MID )中的信號耦合輸出(Auskopphmg)。
技術背景目前市場上可獲得的多數磁感應流傳感器或流量傳感器以電的信號耦 合輸出工作並要求介質具有一最低導電性(率)。這裡感應電壓的測量實際上就相當於電流測量，介質的內阻越高，電流測量就越困難。此外這種 類型的耦合還要求時間上變化的磁場，以消除導電的金屬電極上幹擾性的 電化學電勢。在市場上可獲得的、具有出於多種原因有利的電容式信號耦合輸出的 系統也不能放棄最低導電性(要求)，因為在這種系統中最終也是進行電 流測量。與電耦合的系統不同，在這種系統中，出於原理上的原因，需要 時間上變化的磁場，以產生持續的、交變的電流。但在DE10221677C1中介紹了一種替代的方案，其中，通過時間上變 化的耦合電容代替時間上變化的磁場。由此獲得了這樣的可能性，即，採 用永磁體，並由此將用於產生交變磁場的高的功率需求降低至零。但這種 替代系統和前面所述的系統一樣依賴於介質的最低導電性，因為這裡也要 測量由變化的電容引起的電流。為了在不導電的介質中應用磁感應測量方法，在DE19843808A1中記載了另外一種解決方案，在該文件中不是直接使用感應電壓作為測量參數, 而是釆用所形成的介電極化電荷。而且這裡不需要介質具有最低導電性。但是這種方法最終還是要回歸到由於時間上變化的極化電荷引起的位移電 流的測量上。由於這種極化電荷較低，這種方法比較難以實現。此外，作為現有技術，還應提及的有在DE19922311C2中記載的用 於在導電的液體中確定速度的空間分布的裝置、在日本專利公開文件 JP01178822A中公開的用於利用半導體器件測量流動速度的裝置、在 DE2401641A中示出的用於電磁流傳感器的電極布置結構、以及Tewodros Amare在Meas. Sci. Technol. 10 (1999)，第755-758頁中的文章"Design of electromagnetic flowmeter for insulating liquids"。除了上面最後一篇文件，(所有)相應的方法都毫無例外地只能利用 電流測量實現，電流測量在目前實際可獲得的系統中都是以介質的最低導 電性為前提的。因此現有的系統都局限於採用含水介質的應用場合。最後一篇文件一即Amare的文章一的前提在於，分別在一電極和一屏 蔽電極之間測量電阻或者說電流以確定其電容。這裡磁場頻率和靜電形成 的場難以控制/掌握。希望有這樣一種方法，該方法可利用感應產生的電場的作用/效果，而 不必依賴於介質中的電流。現在由電化學已知，最近在無功率(靜電)測量電化學信號方面實現 了實用中的重要進步。即，現在市場上可以購得具有用於測量液態介質的 電^ft學參數(例如pH值測量)的內置場效應電晶體的電極。由於這種進 步，不僅可以測量電化學地引起的電信號，而且也可以測量物理地引起的 電信號。發明內容本發明的目的是，提供一種在磁感應流量測量或流測量中用於電容式 信號耦合輸出的方法，這種方法可以克服目前已知的方法的上面說明的、 與作為前提條件的電流相關的缺點。一種具有權利要求l的、與該權利要求的前序部分相結合的、特徵部 分的特徵的方法用於實現本發明的目的。所述方法有利的實施形式在從屬權利要求中說明。根據本發明，為了測量一由磁場穿過的體積中介質的流動速度，在所 述體積的邊界面上存在至少一個在導電特性上可控制的半導體，在介質中由於介質的流動運動與磁場相互作用地感應產生的電場這樣作用在該半導 體上，即，理想地只由該電場、即無電流並因此無功率地控制半導體的電 荷載體濃度/密度。由與此相關的電阻變化可以得出感應的電場強度，並由 該強度得出介質的流動速度。已知可以在場效應電晶體(FET)中最好地實現對半導體導電特性接 近無功率的控制。在這裡只是示例性地採納的用於說明本發明的方法的特別簡單的布置 結構中，這種FET這樣安裝在介質的體積邊界面上，即，只有場效應晶體 管的柵極(Gate)通過位於其上的絕緣層直接與介質相接觸。這裡，該絕 緣層應具有儘可能小的介電常數，以儘可能使得對感應產生的場的屏蔽最 小化。通過介質的流動運動感應產生的電場電容式地通過柵極絕緣體作用在 FET的導電溝道(Leituiigskanal)上，並使其電阻發生改變，所述電阻可 在源極-漏極接線端上測量。由所述電阻的變化可以首先得出感應產生的電 場強度，並且由該電場強度可以得出流動速度。在根據本發明的方法的範圍內特別優選的是，針對所述示例性的布置 結構說明的、半導體溝道的電阻變化可通過單純的電場作用而無需電流實 現，從而可實現無功率的控制(裝置)。根據本發明，與這種對半導體電阻的無功率控制相關聯的、對感應產 生的電場強度的測量的優點是非常明顯的由於沒有對介質最低導電性的 要求，該方法和以前一樣也適用於具有最低導電性的介質，但附加地也適 用於導電性4艮弱的，甚至不導電的介質。特別有選的是用永磁體來實施所述方法。在這種情況下，在測量如由 於存在恆定的流動速度而存在的靜態狀態時，幾乎所有根據現有技術的方 法都無法實現電容式的信號耦合輸出，因為這些方法都是以電場的變化為前提條件的，這種變化只在流動速度變化時才出現。只有DE10221677C1 的方法設計成採用永磁體。但在該文件中，在由電容器不斷的再充電引起 強制改變耦合電容的情況下，作為電流測得測量信號。這會由於電感應同 時導致介質中持續的電荷轉移(Ladungsverschiebung)。因此，只有在介 質具有足夠的導電性的情況下，才能期望得到清晰的測量信號。根據現有技術的電容式方法對介質做功，以確定其流動狀態。與此不同，根據本發明的測量方法的特徵特別在於，由於按照該方法 對用於測量的、半導體中的電荷載體密度的調整/設置通過待測量的電場實 際上沒有延遲地跟隨流動速度的變化，並由此跟隨所述場的變化，這種方 法能夠測量整個測量系統的靜態狀態。根據本發明的方法在原理上不會(有目的地)產生應由介質感知到的 電場或磁場的變化。在測量期間不對介質做功。另 一個優點在於，位於介質中的測量段與半導體的導電溝道之間在電 上完全分離/脫離耦合(Entkopplung)。由於與此相關的阻抗耦合，通過 導電溝道獲得的輸出信號可以靈活地與外部分析電路的要求相匹配，並且 可以在較大的導線長度上傳輸。
下面根據附圖中的原理草圖舉例說明根據本發明的方法。
具體實施方式
唯一的附圖1示出一種可能的、具有兩個4皮此相對的FET (FET1、 FET2，在其尺寸上明顯放大地示出)布置結構，所述FET類型相同，並 且在其之間具有介質。源極(S)接線部和漏極(D)接線部分別與電源 UDS1或UDS2相連，從而有漏極電流ID1或ID2流過。源極區和漏極區 通過絕緣層IS與介質隔開。感應電壓U0由於基體接線段(圖中為Sub ) 的連接分別以一半分為FET的柵極絕緣體Gil和GI2上的柵極電壓，所6述感應電壓U0由於以速度v流動的介質與感應係數為B的》茲場相互作用 而產生。在該實施例中可以明顯地看出，柵極電壓在上部和下部相對於相 應的FET具有不同的極性，從而這種極性導致漏極電流彼此相反的變化， 所述變化的差是(衡量)電壓UO並由此是速度v的尺度。如上所述，圖1所示的布置結構只是一個示例。才艮據所採用的半導體 結構的類型、介質的特性、磁場的類型(時間上是恆定或變化的)以及測 量任務(流測量或流量測量)的不同，按照根據本發明的方法可以設想多 種測量結構布置，從而確保了靈活地與實際要求相適應。
權利要求
1.用於在一由磁場穿過的體積裡測量一種介質的流動速度的方法，其特徵在於，測量與所述體積相鄰設置的半導體的電阻，並利用計算機由所述電阻求得介質的流動速度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述體積是一管段的 內部空間，並且所述半導體設置管壁上。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，在管壁基本上分別成 對地彼此相對的部位上這樣設置至少兩個半導體，從而使兩個半導體之間 的連線垂直於介質的流動方向並基本上垂直於磁場的方向。
4. 根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述介質是不 導電的並且可電極化的。
5. 根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在半導體和介 質之間設置一絕緣層，所述絕緣層抑制介質和半導體之間的電荷交換。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述絕緣層具有盡可 能小的介電常數。
7. 根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，該方法採用永 磁場。
8. 根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述半導體設 計成一場效應電晶體(FET)的柵極，其中所述場效應電晶體設置在所述 體積的至少一個邊界面上。
9. 根據權利要求3或8所述的方法，其特徵在於，將至少兩個相對 設置的FET的基體置於相同的電勢。
10. 根據上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，由半導體的變 化的電阻確定的測量迴路與位於介質中的測量段在電上相互脫離，並將該 測量迴路用於與外部的測量及處理電路進行阻抗匹配。
全文摘要
本發明涉及一種用於在一由磁場穿過的體積裡測量一種介質的流動速度的方法，其中，測量一與所述體積相鄰設置的半導體的電阻，並利用計算機由所述電阻求得介質的流動速度。
文檔編號G01F1/58GK101263366SQ200680033708
公開日2008年9月10日 申請日期2006年9月5日 優先權日2005年9月13日
發明者G·斯坦格 申請人:齊魯姆專利Ⅱ有限及兩合公司