带有具有一体旁通通道的多位置层流元件的流量传感器

摘要

本发明涉及带有具有一体旁通通道的多位置层流元件的流量传感器。流量传感器包括主流动本体、层流元件、和第一和第二旁通通道。第一旁通通道被形成在层流元件的外表面内并且至少部分地围绕该外表面延伸，并且与主流动通道流体连通并限定了在层流元件和主流动本体之间的第一旁通流道。第二旁通通道被形成在层流元件的外表面内并且至少部分地围绕该外表面延伸，并且与主流动通道流体连通并限定了在层流元件和主流动本体之间的第二旁通流道。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月20日提交的美国临时申请61/549,628的权益。

技术领域

本发明概括地涉及流量传感器，并且更具体地，涉及带有具有一体旁通通道的多位置层流元件的流量传感器。

背景技术

高流量传感器通常使用旁通流动通道和主流动通道的组合。层流元件（LFE）可被包含在主流动通道内。典型的LFE可包括多个平行的流动通道，这些通道带有相当小的横截面面积，从而使主流动层流化并且建立压力限制。旁通流动通道包括感测旁通流的装置并且与通过与主流动通道垂直地设置的龙头与主流动通道流体连通。该龙头可包括第一龙头和第二龙头，其中第一龙头被设置在LFE的上游而第二龙头被设置在LFE的下游。

龙头的垂直取向给出了在龙头处的静压。在第一和第二龙头之间的静压差驱动流动通过旁通流动通道。通过旁通流动通道的流动速度可通过旁通的特征来控制，例如长度和直径，或者小孔或管形的特征可被用于限制旁通流动速度。

相当长的旁通流动通道是可取的，以减少由旁通通道的横截面面积与层流元件中的分隔件之间的关系中的差别可能引起的小孔效应。还可取的是，以最小尺寸实施这种类型的流量传感器。还可取的是，实施带有可变长度旁通流动通道的流量传感器。这三种期望彼此相互作用。

因此，需要一种流量传感器，其解决了上述指出的提高。具体来说，是一种流量传感器，其具有相当长的旁通流动通道和/或可变长度旁通流动通道和/或可以最小尺寸实施。本发明至少解决了这些需要。

发明内容

在一个实施例中，流量传感器包括主流动本体、层流元件、第一旁通通道、和第二旁通通道。主流动本体具有第一主流动端口、第二主流动端口和在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道。层流元件被设置在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道内并且具有第一端、第二端和外表面。第一端面对第一主流动端口，第二端面对第二主流动端口。第一旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第一旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第一旁通流道。第二旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第二旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第二旁通流道。

在另一个实施例中，流量传感器包括主流动本体、层流元件、第一旁通通道、第二旁通通道、多个键连接特征、和旁通流动元件。主流动本体具有第一主流动端口、第二主流动端口和在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道。层流元件被设置在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道内并且具有第一端、第二端和外表面。第一端面对第一主流动端口，第二端面对第二主流动端口。第一旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第一旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第一旁通流道。第二旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第二旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第二旁通流道。键连接特征被形成在层流元件的外表面上，借此层流元件可被旋转到并被设置在主流动本体内的多个旋转位置中。旁通流动元件被设置成邻近主流动本体并具有旁通流动通道，该旁通流动通道与第一旁通流道和第二旁通流道流体连通。

在又一个实施例中，流量传感器包括主流动本体、层流元件、第一旁通通道、第二旁通通道、第一旁通龙头、第二旁通龙头、多个键连接特征、和旁通流动元件。主流动本体具有第一主流动端口、第二主流动端口和在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道。层流元件被设置在第一主流动端口和第二主流动端口之间的主流动通道内并且具有第一端、第二端和外表面。第一端面对第一主流动端口，第二端面对第二主流动端口。第一旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第一旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第一旁通流道。第二旁通通道被形成在层流元件的外表面内，并且至少部分地围绕该外表面延伸。第二旁通通道与主流动通道流体连通并且限定了在层流元件和主流动本体之间的第二旁通流道。第一旁通龙头延伸通过层流元件并且将第一旁通通道与主流动通道流体连通。第二旁通龙头延伸通过层流元件并且将第二旁通通道与主流动通道流体连通。键连接特征被形成在层流元件的外表面上，借此层流元件可被旋转到并被设置在主流动本体内的多个旋转位置中。旁通流动元件被联接到主流动本体并具有旁通流动通道，该旁通流动通道与第一旁通流道和第二旁通流道流体连通。第一和第二旁通通道每一个都具有有效长度，并且改变层流元件的旋转位置将改变第一和第二旁通通道的有效长度。

另外，流量传感器的其它令人满意的特征和特点将从下面的具体描述和所附的权利要求并结合附图以及前面的背景技术而变得易于理解。

附图说明

此后将结合下面的附图描述实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件；并且附图中：

图 1-4，每一个都描述了根据示例性实施例的流量传感器的实施例的简化横截面视图；

图5描述了可被用于实施图1-4的流量传感器的层流元件的一个实施例的平面图；

图 6和7描述了可被用于实施图1-4的流量传感器的层流元件的另一个实施例的平面图；

图8描绘了沿着图4中的线8-8截取的图1的流量传感器的部分剖视图；

图 9和10描述了可被用于实施图1-4的流量传感器的层流元件的另一个实施例的平面图； 

图 11和14描述了可被用于实施图1-4的流量传感器的层流元件的另一个实施例的平面图；

图 15和16描述了可被用于实施图1-4的流量传感器的层流元件的另一个实施例的平面图； 以及

图17描绘了流量传感器的另一实施例的一部分的简化剖视图。

具体实施方式

下面的具体描述本质上仅仅是示例性的，并非用于限定本发明、其应用或使用。在本文使用时，词语“示例性”表示“用作示例、例子或说明”。因此，本文描述的任何“示例性”实施例都不一定被理解为相比其它实施例是优选的或有利的。本文描述的所有实施例都是示例性实施例，它们被提供用于使本领域技术人员能够制造或使用本发明，并且不是用于限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求限定。而且，并不意在受在前面的技术领域、背景技术、发明内容或者后面的具体实施方式中出现的任何明示或暗示的理论的约束。

在图1-4中描绘了可被用于测量流体的流动速度的流量传感器100的各种实施例的简化剖视图， 并且该剖视图包括主流动本体102、旁通元件104和层流元件（LFE）106。在更具体地描述流量传感器100之前，应指出，流量传感器100可被用在多种系统的任一个中，这些系统中期望流动速度测量。一些非限定性示例包括通风机和呼吸器。

主流动本体102，其可使用一体结构或者多个部件来实施，包括内表面108，该内表面限定了主流动通道112，其具有第一主流动端口114和第二主流动端口116。取决于流量传感器100被如何实施，流体可流入第一主流动端口114，通过主流动通道112，并从第二主流动端口116流出。替换地，流体可流进第二主流动端口116，通过主流动通道112，从第一主流动端口114流出。在任一情况中，主流动通道112优选地具有与数个流动系统中的任一个兼容的横截面形状和尺寸。主流动本体102还包括第一旁通龙头122和第二旁通龙头124，它们两个都与主流动通道112流体连通并被优选地构造成与轴线110垂直。

旁通元件104被设置成邻近主流动本体102并具有与第一旁通龙头122和第二旁通龙头124流体连通的旁通流动通道118。因此，流过主流动通道112的流体的一部分进入旁通流动通道118。如可意识到的，在旁通流动通道118中的流体流动速度通常是在主流动通道112中的流体流动速度的几分之一。尽管所描述的流量传感器100包括第一旁通龙头122和第二旁通龙头124，但是应该意识到，流量传感器100可被实施为带有其它数量的旁通龙头。还可意识到，可使用将流动从主流动通道112传输到旁通流动通道118的其它方法。而且，旁通元件104可被与主流动本体102一体地形成，如在图1中描述的，其可与主流动本体102分开地形成并被联接到主流动本体102，如在图3和4中描述的， 或者其可以是一体的和分开的部件的组合，如在图2中描述的。

如图1-4中还描述的， 流量传感器105被联接到旁通元件104，并且被设置在旁通流动通道118内。流量传感器105可被以各种方式实施，但是在描述的实施例中，其被使用微桥传感器实施。流量传感器105可以各种方式被联接到旁通元件104。例如，在图1、2和4中描述的， 流量传感器105可被联接到或以其它方式被安装在电路板或板107上，电路板或板107接着被联接到旁通元件104。替换地，流量传感器105可被联接到或以其它方式被安装到电路板或板107上，电路板或板107被联接到单独的部分109，该部分109被单独地联接到旁通元件104的其余部分。在操作期间，当流体流动通过主流动通道112时，沿着第一方向126或第二方向128，流体的一部分流入并通过旁通流动通道118。流量传感器105因此间接地通过测量通过旁通流动通道118的流体部分测量在主流动通道112内的流体的流动速度。

LFE106被设置在主流动通道112内并且包括第一端132和第二端134。如通常所知，LFE106引起了在第一和第二主流动本体传感器龙头122、124之间的压差，其由此有利于流体流入旁通流动通道118。还如通查所知的，该压差取决于LFE106的几何形状，并且随着流动速度而增加。而且，在主流动通道112内流动的流体将在流动速度增加时湍流加剧。因此，LFE106，在建立了压差之外，还使主流动通道112内的流体流动笔直化和层流化，由此减少了湍流。LFE106通过迫使流体流过多个流动通道136而减少湍流。跨过LFE106的压降还可取决于这些流动通道136的尺寸和一致性。优选地，流动通道136是平行的，并且可以是圆环形的、栅格形的、蜂窝形的、或者是圆管形的。将意识到，LFE106可被集成在模制壳体内，或者其可以是单独的部件，例如蜂窝或模制部分。

为了进一步使在主流动通道112内的流体流笔直化并对其进行控制，流量传感器100可还包括在LFE106的任一侧或两侧的一个或多个筛网138。在所描述的实施例中，流量传感器100包括两个筛网－第一筛网138-1和第二筛网138-2。但是，应该意识到，在其它实施例中，流量传感器100可包括多于或少于这个数量的筛网138，如果需要或期望的话。

如图1-4中还描述的， 在一些实施例中，LFE106包括第一和第二旁通龙头122和第二流动元件传感器龙头124。如下面将更具体地描述的，在这些实施例中，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124延伸通过LFE106的外表面，并且将旁通流动通道118与LFE106的在第一端132和第二端134之间的LFE106的层流化区域流体连通。在这些实施例中，第一旁通龙头122被设置为更接近LFE106的第一端132，第二旁通龙头124被设置成更接近LFE106的第二端134。将第一旁通龙头122和第二旁通龙头124设置在这些位置确保了第一旁通龙头122和第二旁通龙头124被暴露给相对较低的雷诺数，并因此被暴露给更层流的流动。这种设置还辅助了在信号输出中的噪音减少并减少了气动非线性小孔效应，该效应可能由在LFE106中固有的进口和出口几何形状建立。而且，在第一旁通龙头122和第二旁通龙头124之间的距离与传统的旁通龙头位置相比更短，这由于更短的距离并通过消除了在LFE106的端部处的压力损失而减少了在这些旁通龙头122、124之间的压差。这对高灵敏度、快速响应时间传感器来说是有利的，例如微桥型传感器。

如图1-4中还描述的， 在一些实施例中，主流动本体102可包括第一旁通流动端口123和第二旁通流动端口123。在这些实施例中，第一旁通流动端口123将第一旁通龙头122与旁通流动通道118流体连通，而第二旁通流动端口125将第二旁通龙头124与旁通流动通道118流体连通。

如在图1-4中描述的实施例中所示， 一个或多个限流器142（示出了两个）可被设置在旁通流动通道118内，或者如虚线所示，一些实施例可被实施为不带有限流器142。限流器142，如果被包括，将进入旁通流动通道118的流体流限制到可接受的感测范围并且可以不同方式被实施。例如，每个限流器142可被实施为狭长形的管或被实施为小孔。无论具体的实施方式如何，限流器142可被设置在流量传感器105的上游，在流量传感器105的下游，或者在上游和下游。

现在参照图5，描述了LFE106的一个实施例。在这个实施例中，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的面积被扩大以减少提供给旁通流动通道118的流动速度。更具体地来说，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124每一个具有横截面面积，该横截面面积大于旁通流动通道118的典型的横截面面积。如在图8中更清楚地所示，所提及的横截面面积是垂直于在旁通流动通道118内的流动方向的横截面面积。在所描述的实施例中，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的形状使得其宽度相比其轴向长度是相对窄的。这种形状有助于避免扰乱在主流动通道112内的流动。这种窄形状还控制了第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的水力直径，这辅助对通过旁通流动通道118的流动的层流化。但是，所描述的LFE106还是圆柱形的，如在图6和7中的示例性实施例所示， 应该意识到，其还可以用各种不同的几何形状构造，如果需要或期望的话。

还将意识到的是，在图5中描述的第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的构造仅是示例性的，并且第一旁通龙头122和第二旁通龙头124可以不同的方式被构造。例如，如在图6和7中描述的实施例中所示， 流动元件传感器龙头123、125可被构造成带有各种不同的多边形几何形状。如还将在下面描述的，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124可被构造成带有多个圆形、矩形、或其它几何横截面形状。虽然旁通龙头122、124的横截面面积与LFE106和旁通流动通道118相比是不一致的，但是旁通龙头122、124的水力直径优选地等于（或近似等于）旁通流动通道118的水力直径，这有助于减少非线性气动效应。

现在参照图9和10， 描述了可用于实施流量传感器100的LFE106的另一实施例。这个LFE106包括一体的旁通通道902（例如，902-1、902-1）。具体来说，旁通通道902被构造成为在LFE106的外表面904中的凹部，这些凹部围绕LFE106的周长环绕并且将第一旁通龙头122和第二旁通龙头124与旁通流动通道118流体连通。利用这个构造，当LFE106被设置在主流动通道112内时，其实施了一对被捕获的旁通通道902，这些旁通通道902可相对较长，同时最小化了空间。应该意识到，旁通通道902可代替在图1-4中描述的旁通流动通道118的全部或一部分。

在图9和10中描述的LFE106 还被构造成包括键连接特征906，其允许LFE106被旋转到在主流动通道112内的多个不同的旋转位置。改变LFE106的旋转位置将改变旁通通道902的有效长度，并且由此改变通过旁通通道902的流体流动速度。例如，在高流量位置，旁通通道902的长度相对较长以限制旁通流动速度，这对于高流动速度产品是有用的。在低流量位置，旁通通道的长度相对较短，从而允许更多的流量通过旁通流动通道118，这对低流动速度产品是有用的。

在一个特定实施例中，当LFE106以高流量位置被设置在主流动通道112内时，流动通过LFE的流体的一部分将例如从第一旁通龙头122流出，横过第一旁通通道902-1的整个长度，并且此后进入旁通流动通道118。在旁通流动通道118内的流体将离开旁通流动通道118，横过第二旁通通道902-2的整个长度，并且此后通过第二旁通龙头124，返回到LFE106。相反，当LFE106以低流量位置被设置在主流动通道112内时，流动通过旁通流动通道118的流体的一部分例如将从第一旁通龙头122流出，并且此后直接进入旁通流动通道118而不横过第一旁通通道902-1。类似地，在旁通流动通道118内的流体将此后离开旁通流动通道118，流过第二旁通龙头124，并且返回到LFE106，而不横过第二旁通通道902-2。

在图9和10中描述的以及上述的LFE106 仅是示例性地给出了一个实施例的构造。还应该意识到LFE106可以不同方式被构造。例如，如在图11-14中描述的， LFE106可被实施为使得旁通通道902中的一个或全部两个可被实施为蛇形构造，由此提供了甚至更长的旁通流动通道902。应该意识到，所描述的蛇形构造仅是另一替换的旁通通道实施方式的示例。如图11-14中还描述的， 第一和第二旁通龙头122、124中的一个或全部两个可被设置在LFE106的的层流区域之外。

除了第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的设置的变化之外，且如前面已指出的，第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的构造也可被改变。例如，现在参照图15和16， 第一旁通龙头122和第二旁通龙头124可每一个都被实施为多个龙头122-1、122-2、122-3、……122-N、124 -1、124 -2、124 -3……124 –N。第一旁通龙头122和第二旁通龙头124的数量、尺寸和形状可改变，但是有效地被选择为维持通过第一和第二旁通通道902的近似连续的水力直径。尽管多个龙头被描述为与具有蛇形旁通通道902的LFE106一起实施，但是应该意识到，多个龙头也可被实施在在图5-7、9和10中描述的LFE106构造中。

现在参照图17，描述了流量传感器100的另一实施例的一部分的简化横截面视图。在这个实施例中，LFE106被构造成带有一种几何形状，该几何形状维持了在第一旁通龙头122和第二旁通龙头124处的基本上相等的流体速度。因此，流量传感器100展示出在两个流动方向126、128上的对称的流动灵敏性。由于在旁通龙头122、124处的相等流体速度，施加在这些龙头处的静压与速度的加速度无关（见伯努利方程）。为了这样实施，LFE106和/或主流动通道112被构造成使得在主流动通道112中的旁通龙头122、124之间有在面积1702和1703之间的一致的横截面。

本领域技术人员将意识到结合本文中公开的实施例被描述的各种说明性逻辑块、模块、电路、和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件、或它们两者的组合。上面在功能和/或逻辑块部件（或模块）和各种处理步骤方面描述了实施例和实施方式中的一些。但是，应该意识到这些块部件（或模块）可以任何数量的构造成执行具体说明的功能的硬件、软件和/或固件部件实现。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面基本上都是在功能方面对各种说明性部件、块、模块、电路和步骤进行描述。这种功能是否被实施为硬件或软件取决于加在整体系统上的特定的应用和设计约束。本领域技术人员可针对每个特定应用以各种方式实施所描述的功能，但是这种实施决定不应该被解释为导致脱离本发明的范围。例如，系统或部件的一个实施例可采用各种集成电路或软件部件，例如内存元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查询表、数学函数等，这可在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行多种功能。另外，本领域技术人员将意识到这里描述的实施例仅仅是示例性的实施方式。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路可利用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程的逻辑设备、分离的门或晶体管逻辑、分离的硬件部件、终端用户计算机或它们的设计成执行本文描述的功能的任意组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但是作为另一选择，该处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可被实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP芯联合的一个或多个微处理器、或者任何其它的此类构造。在本文使用时，词语“示例性”表示“用作示例、例子或说明”。因此，本文描述的任何示例性摂实施例都不一定被理解为相比其它实施例是优选的或有利的。

在本文中，关系术语例如第一和第二等可被单独使用以区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示在这些实体或动作之间有任何实际的这种关系或顺序。数字序数例如“第一”、“第二”、“第三”等仅指示多个中的不同的单个而不暗示任何的顺序或次序，除非由权利要求语言明确定义。任何权利要求的文字中的次序都不暗示必须根据这种次序以暂时的或逻辑的顺序执行过程步骤，除非在权利要求的语言中另有明确限定。过程步骤可以任意顺序互换而不脱离本发明的范围，只要这种互换不与权利要求的语言矛盾并且不是逻辑上无意义的。

而且，取决于上下文，用于描述不同元件之间关系的词语例如“连接”或“联接到”不暗示在这些元件之间必须进行直接物理连接。例如，两个元件可物理地、电子地、逻辑地或以任何其它方式，通过一个或多个额外的元件彼此连接。

虽然已经在本发明的前面的具体描述中给出了至少一个示例性实施例，但应当意识到存在大量的变型。还应意识到，一个或多个示例性实施例仅为示例，并且决不是用来限制本发明的范围、应用性、或构造。更确切地说，前面的具体描述将给本领域技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的方便的路线图。应当理解的是，可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面进行各种改变，而不超出由所附权利要求限定的本发明的范围。