[发明专利]检测传感器的热时间常数的风速计

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案基于由本发明者于2011年11月14日申请的标题为“风速计”的第61/559,257号美国临时申请案且主张其优先权，所述临时申请案转让给本受让人且以引用的方式并入本文中。

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2mm。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100ms时间间隔)取样持续一时间周期(例如，1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/TC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。

附图说明

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。