專利名稱：諧振式熱式流量/流速傳感器及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體測量技術(shù)領(lǐng)域的一種流量/流速傳感器，特別是一種熱式流量/流速傳感器及其測量方法。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)氣體流量測量及家庭生活的氣流測量。
流量、流速測量從傳感器角度看實際上是相同的，流量測量只不過測量出流動介質(zhì)通過固定截面速度的時間積累效應(yīng)。在實際應(yīng)用中流量測量較為常見。
現(xiàn)有的熱電式流量計中較經(jīng)典的是熱線式風速儀和熱膜式風速儀。前者的原理性實驗是1902年由Shakepear在伯明翰完成的，1914年King提出了無限長線和流體之間的熱對流理論，推出了著名的King公式，奠定了熱線風速計的理論基礎(chǔ)。針對熱線敏感元件存在的強度低易損壞的缺點，六十年代發(fā)展了熱膜敏感元件。后者的基本原理是任何時候發(fā)熱體在流場中的能量損失與流體帶走的熱量成比例，通過測量發(fā)熱體參數(shù)便可測量流體的流速或流量。前后兩者在測量中的傳感器分為熱線式和熱膜式。熱線式結(jié)構(gòu)為焊接在兩支柱上的熱絲(鉑絲或鎢絲，工作溫度高為300℃以上)和支桿組成。這種熱線探頭(測量頭)強度低、使用壽命短、價格較高，多用于氣體測量。熱膜式結(jié)構(gòu)由熱膜、襯底(常用石英或硼硅玻璃)、絕緣層和導(dǎo)線幾部分構(gòu)成，其熱膜是噴濺在石英襯底上一層很薄的鉑金膜(通常只有1×10E-4mm--10×10E-4mm厚)。工作時在熱膜上通以加熱電流，當流體流過探頭時，流體與探頭進行熱交換，流量的變化引起熱膜電阻值的變化通過測量線路檢測出變化值就能測得流量的變化。這種熱膜探頭由于結(jié)構(gòu)強度高、應(yīng)用范圍比熱線探頭廣(不僅用于常規(guī)氣流速度/流量測量，而且在電噴汽車油、氣量控制中也得到大量應(yīng)用)。但是，這兩種熱電式傳感器對環(huán)境溫度變化引起的誤差較難進行修正，而且在工業(yè)上應(yīng)用也受到一些限制。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和需要提高，國外一些大公司如KURZ、FCI、SIERRA等公司，相繼開發(fā)出熱式質(zhì)量流量測量技術(shù)，并將其成功地用于工業(yè)氣體流量測量。目前，象FCI、SIERRA等公司的這類熱質(zhì)式傳感器已經(jīng)在我國流量傳感器市場上登陸。以美國SIERRA公司的640系列STEELTRAK工業(yè)插入式氣體質(zhì)量流量計為例，它的熱式質(zhì)量流量計傳感器的基本原理是用電對探頭加熱，當介質(zhì)流動時就會產(chǎn)生熱量的變化，測得這一變化即可得到質(zhì)量流量。這種傳感器的結(jié)構(gòu)參見

圖1、圖2(圖1是Sierra熱式質(zhì)量流量探頭示意圖，圖2為圖1的俯視示意圖)所示。它是由基座1及其上的兩個檢測元件A、B(即敏感元件，也稱探頭A、B)構(gòu)成。檢測元件A、B是由內(nèi)部用鉑電阻絲繞在陶瓷棒上，外面用不銹鋼套封裝而成。元件A用來測量流體介質(zhì)的溫度，元件B用來測量流體介質(zhì)的速度，測量電路參見圖3(該圖為電阻式熱式流量、流速測量電路原理圖)。測量過程中，元件B中的鉑絲被儀表電路饋入的加熱電流加熱至高于被測氣體溫度，并保持元件B的溫度與被測氣體溫度(即元件A溫度)之差為一恒定值；通常當流體介質(zhì)不流動時，加熱電流的供電電橋電壓為3.084V；當流體流速增加時，因熱交換緣故，元件B溫度降低，電阻降低，電橋輸出誤差信號；經(jīng)控制電路作用，電路供給的加熱電流增加(電橋輸出電壓升高)使兩元件A、B溫度差保持恒定；這時，電流的加熱功率與元件B被氣體帶走的熱量處于平衡狀態(tài)，測出電橋輸出電壓的變化值，便可獲得氣體流速。另外，HP公司推出的手持式風速儀和瑞士SAUTER公司推出的RLE100型流量控制器所使用的測量探頭也采用了所述類似的結(jié)構(gòu)。這類熱式流量/流速計典型的測量電路原理圖見圖3。電阻式熱質(zhì)式傳感器雖然克服了熱線式、熱膜式傳感器對環(huán)境溫度變化引起的誤差較難進行修正的缺點，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種傳感器在流體測量時的輸出信號fo僅是模擬電信號，而且與流速成非線性關(guān)系。因此，在流量/流速儀表中需要對敏感元件輸出信號進行放大、A/D轉(zhuǎn)換、線性化等，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出與計算機接口相容這就增加了測量線路的復(fù)雜性，提高了儀器成本。
本發(fā)明根據(jù)當前流量/流速測量技術(shù)現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，針對上述熱電式、熱質(zhì)式傳感器存在的不足，從滿足測量精度和與計算機連接方便的要求，同時降低整個測量系統(tǒng)成本的目的出發(fā)，提供了一種新型諧振式熱式流量/流速傳感器及其測量方法。
本發(fā)明的目的是以這樣的技術(shù)方案來實現(xiàn)根據(jù)石英晶體材質(zhì)純、內(nèi)耗小、機械品質(zhì)因素高、彈性儲能比大、滯后和蠕變極小，有極其穩(wěn)定的機械和化學性能，采用石英晶體作為測量流量/流速傳感器的材料，即傳感器的敏感元件為石英晶體。利用石英晶體諧振頻率隨溫度變化而變化的特性制作本諧振式傳感器(也稱內(nèi)函式傳感器)應(yīng)用在微機處理技術(shù)中。本傳感器結(jié)構(gòu)主要由石英晶體和加熱器組成，分為熱膜式和熱絲式兩種形式。在使用時，對加熱器通以適度的電流，對探頭加熱使溫度高于流體溫度，由石英晶體振蕩電路測量出探頭在流體熱交換過程中的溫度變化來確定流量/流速值。
本傳感器的熱膜式結(jié)構(gòu)在絕緣基座上的石英晶體、加熱器及導(dǎo)線組成的探頭封裝在金屬外殼中。其石英晶體一面的熱膜(鉑金膜或鎢金膜)既作加熱器又兼作石英晶振一個電極、石英晶體另一面的金屬膜作為石英晶振的另一個電極，石英晶振電極和加熱電極經(jīng)導(dǎo)線引出基座外。
本傳感器的熱絲式結(jié)構(gòu)在絕緣基座上的石英晶體、加熱器及導(dǎo)線組成的探頭封裝在金屬外殼中。其石英晶體與金屬外殼之間置有熱絲(鉑金絲或鎢絲)作為加熱器，石英晶振電極和加熱電極獨立分開，石英晶振電極和加熱電極經(jīng)導(dǎo)線引出基座外。
本傳感器的諧振式結(jié)構(gòu)包括殼體、絕緣底座、支架、探頭及導(dǎo)線構(gòu)成(即由殼體、絕緣底座、支架、檢測元件及導(dǎo)線構(gòu)成的本諧振式探頭)。在內(nèi)裝有振蕩器、混頻器電路的底座上面的支架上具有普通石英晶振探頭和帶加熱器的石英晶振探頭(也稱兩個測量元件)，其加熱器引線、電源線、地線、信號輸出線分別經(jīng)導(dǎo)線引出底座外。
帶加熱器的石英晶振探頭為上述熱膜式或熱絲式傳感器。
本傳感器的測量線路包括一個普通石英晶振、一個帶加熱器的石英晶振分別連接的振蕩器電路、再經(jīng)一個混頻器電路。
本傳感器的測量方法將普通石英晶振探頭作為流體溫度測量(環(huán)境溫度測量)，將帶有加熱器的石英晶振探頭作為與流體熱交換過程中溫度變化的測量，流量/流速的變化引起探頭溫度變化致使石英晶體的諧振頻率的變化，將探頭兩石英晶振頻率經(jīng)混頻得到的差頻為數(shù)字量信號，該信號直接輸入到微處理器進行處理后，即得到流量/流速變化值。
本傳感器的測量電路分為恒流式和恒溫式，可根據(jù)測量對象不同選用其測量電路。
本傳感器的測量原理與熱式質(zhì)量傳感器一樣，也是應(yīng)用熱平衡原理。不同的是現(xiàn)有的熱式質(zhì)量傳感器在熱交換過程中利用溫度的變化引起探頭內(nèi)阻變化，進而引起電流或電壓的變化。通過對這些變量的測量處理以獲得所需要的流量/流速值。石英晶體流量/流速傳感器盡管也是基于熱平衡原理，并且在測量方式和傳感器結(jié)構(gòu)上吸取了目前熱式質(zhì)量流量/流速傳感器的優(yōu)點。但是，本傳感器中溫度變化的測量是利用石英晶體諧振器的輸出頻率隨溫度變化而發(fā)生變化這一特性加以應(yīng)用。其優(yōu)越性在于用石英晶體諧振器測溫度靈敏度可高達1kHz/℃(LC，Y切型)，可獲得很高的精度。
如果希望得到更高的精度，可選用聲表面波(SAW)傳感器組成諧振式熱式流量/流速傳感器，從理論上講聲表面波傳感器可分辯10u℃的溫度變化，但價格高；在對價格和精度要求不是很高的場合，也可選用壓電陶瓷組成諧振式熱式流量/流速傳感器(壓電陶瓷諧振器的溫度系數(shù)高達0.4％)。
本發(fā)明與現(xiàn)有的熱電式、熱質(zhì)式傳感器的最大區(qū)別在于傳感器的敏感元件為石英晶體，利用石英晶體諧振特性將傳感器特性提高到一個新的水平。特別是利用石英晶體諧振頻率隨溫度而變化的特性制作的諧振式傳感器滿足了測量精度和與計算機連接方便的要求。本發(fā)明與美國Sierra公司的640系列STEELTRAK工業(yè)插入式氣體質(zhì)量流量計探頭性能相比，在靈敏度、功耗、輸出信號、產(chǎn)品價格等方面具有的顯著效果如下1、靈敏度STEELTRAK探頭是由鉑金絲做成，鉑的溫度系數(shù)為3980ppm左右。若探頭電阻為1kΩ，電橋電壓為5V，溫度變化1℃時電橋輸出電壓也只有10mV左右。這種輸出靈敏度在16位A/D轉(zhuǎn)換下也只能達到探頭溫度變化1℃輸出131個字左右的數(shù)字量。而本發(fā)明由于采用了石英晶體作為測量流量/流速傳感器的材料，石英晶振探頭靈敏度最高可達到1/1000℃量級，即探頭溫度變化1℃可輸出1000個字左右的數(shù)字量變化(相當于10位A/D轉(zhuǎn)換器的精度)。所以一般情況下，本諧振式熱式流量/流速傳感器的靈敏度是電阻式熱式質(zhì)量流量/流速傳感器靈敏度的十倍左右。
2、功耗STEELTRAK這類電阻式熱式質(zhì)量流量探頭為達到一定的分辯率必定要使探頭溫度高于環(huán)境(在恒溫式熱線式探頭的溫度一般高于環(huán)境溫度20℃)。而石英晶振探頭加熱體僅為石英晶振幾何尺寸(6×3×0.1mm3)同量級大小，而且由于石英晶振探頭靈敏度高，僅需測量探頭溫度高于環(huán)境溫度1-3℃便可達到測量精度。因此，電路供給加熱體的功率是微量的，這樣一方面可避免探頭熱效應(yīng)對流場的擾動，另一方面可滿足探頭微功率的要求。同時，可將探頭微型化，有利提高傳感器的響應(yīng)速度和應(yīng)用范圍。
3、輸出信號STEELTRAK這類電阻式熱式質(zhì)量流量傳感器輸出信號是模擬量，因此需要后續(xù)信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換后才能將信號輸送到微處理器進行處理。而石英晶振探頭輸出信號就是數(shù)字量，只需簡單進行放大整形便可直接將輸出信號輸入微處理器。這極大地簡化了儀器電路，降低了二次儀表的價格。
4、產(chǎn)品價格本石英晶振探頭的生產(chǎn)工藝與常規(guī)石英晶振生產(chǎn)工藝基本相同，不同的是只比常規(guī)石英晶振多出加熱絲或加熱膜和引線。而且，這種探頭所要求的只是石英晶振頻率在溫度變化時的相對變化量，對其絕對量值是不重要的。因此，從生產(chǎn)工藝上看可以預(yù)測本石英晶振探頭大批量生產(chǎn)價格可定位在常規(guī)石英晶振同量級價位上。又因本發(fā)明的測量電路省掉了線性放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，這樣因線性放大器噪聲干擾、零漂和A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差等不利因素在諧振式熱式流量/流速計測量系統(tǒng)中可不予考慮，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度，同時也降低了測量系統(tǒng)的價格。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明圖4為本發(fā)明熱膜式傳感器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明熱絲式傳感器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明熱絲式傳感器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明諧振式探頭(也稱諧振式傳感器)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為圖7的A-A橫向剖視示意圖。
圖9為圖7的外形示意圖。
圖10為本發(fā)明應(yīng)用的恒流式測量原理圖。
圖11為本發(fā)明應(yīng)用的恒溫式測量原理圖。
圖12為本發(fā)明應(yīng)用實例IC卡煤氣表原理圖。
參見圖4本熱膜式傳感器包括由石英晶體、加熱器、基座、導(dǎo)線組成的探頭封裝在金屬外殼中。在圓形陶瓷基座3上具有在LC或Y切割的石英晶體1(選fn＝3MHz---20MHz石英晶振)；石英晶體1的一面噴濺一層厚約0.5um的鉑金膜或鎢金膜(通常石英晶振電極鍍膜的厚度為0.1-1.0um)，該熱膜7的兩端經(jīng)兩導(dǎo)線引出基座3外作為加熱電極4；這層熱膜7一是作為加熱元件(即加熱器)、另一個作用是作為石英諧振器一個電極2；石英晶體1另一面按通常的要求鍍上0.5um左右厚的金屬膜作為石英諧振器的另一個電極并經(jīng)導(dǎo)線5從基座3引出；將探頭用環(huán)氧樹脂封裝在充入一個大氣壓氮氣的不銹鋼或銅外殼6中；為避免低速時流體繞探頭發(fā)生分離而影響測量，一般將金屬外殼6橫截面做成類流線型外形。也可在基座3設(shè)導(dǎo)線引出端，各導(dǎo)線經(jīng)引出端置基座3外。
參見圖5本熱絲式傳感器包括石英晶體、加熱器、基座、導(dǎo)線組成的探頭封裝在金屬外殼中。它與上述熱膜式傳感器不同的是在石英晶體1與金屬外殼6之間置一鉑金絲7(或鎢絲)作為加熱器，在鉑金絲7的兩端經(jīng)導(dǎo)線從基座3引出作為加熱電極4；石英晶體1兩端的電極6經(jīng)導(dǎo)線引出基座3外，兩電極5作為石英諧振器電極；這種熱絲式傳感器與熱膜式傳感器相比，不同的是不象熱膜式直接將加熱器鍍在石英晶體上同時兼作電極，其它與上述熱膜式結(jié)構(gòu)相同。
參見圖6圖6與圖5不同的是鉑金絲7(或鎢絲)呈螺旋狀置石英晶體1與金屬外殼6之間，而圖5的鉑金絲7(或鎢絲)呈直線狀置石英晶體1與金屬外殼6之間，其它結(jié)構(gòu)相同。
參見圖7-圖9本諧振式探頭(也稱諧振式傳感器)包括殼體、絕緣底座、支架、探頭及導(dǎo)線構(gòu)成。陶瓷底座4(也稱基座)內(nèi)設(shè)有兩個振蕩器電路、一個混頻器電路；在底座4上的支架1上安裝(焊接或粘接)有兩個探頭(即檢測元件)，一個為普通石英晶振探頭3、另一個為帶加熱器的石英晶振探頭2(為圖4、圖5、圖6所示的熱膜式或熱絲式傳感器)；加熱器引線8、電源線5、地線6和信號輸出線7均引出底座4外(可在底座4設(shè)導(dǎo)線引出端，各線經(jīng)引出端置底座4外)，在底座4上封裝有金屬殼體9；本諧振式探頭的外形采用瑞典RLE100型流量控制器相似的外觀結(jié)構(gòu)，或者其它外形結(jié)構(gòu)。
本傳感器的測量方法在實際應(yīng)用中，將普通石英晶振探頭3作為流體溫度測量(環(huán)境溫度測量)，將帶有加熱器的石英晶振2作為與流體熱交換過程中溫度的測量，流量/流速的變化引起探頭溫度變化致石英晶體的諧振頻率的變化，將探頭兩石英晶振頻率經(jīng)混頻得到的差頻為數(shù)字量信號，該信號直接或經(jīng)簡單整形濾波電路后作為測量信號輸出，輸入到微處理器進行處理后得到流量/流速變化值并送顯示器顯示。
本傳感器的恒流式測量電路(參見圖10)包括一個普通石英晶振探頭(測溫晶振)、一個帶加熱器的石英晶振(測速晶振)分別接有振蕩器電路和經(jīng)一個混頻電路、再經(jīng)整形濾波電路構(gòu)成。這種電路是對加熱器通以恒定的電流，使探頭溫度高于流體溫度。探頭的頻率(溫度)變化與流量/流速成單值函數(shù)關(guān)系，測量出探頭輸出頻率的變化便可求得流量/流速值。
本傳感器的恒溫式測量電路(參見圖11)包括一個普通石英晶振探頭(測溫晶振)、一個帶加熱器石英晶振探頭(測速晶振)分別接有振蕩器電路和經(jīng)一個混頻電路、整形濾波電路及脈沖調(diào)寬電路構(gòu)成。這種電路是保持加熱器溫度高于流場一個定值(石英晶體諧振式探頭靈敏度很高，可選為1-2℃)。由于流量/流速變化引起探頭溫度變化而輸出一誤差信號fo(頻率變化量)，fo信號經(jīng)整形濾波后，經(jīng)微處理器后輸出一脈沖調(diào)寬信號(PWM)饋至加熱器使探頭溫度保持恒定。顯然，PWM的寬度與流量/流速成單值函數(shù)關(guān)系，只要測得脈沖調(diào)寬信號的寬度就可以得到流量/流速值。恒溫式測量電路的溫度只比流場溫度高1-2℃，因此，這種測量方法可以用于易燃易爆炸物質(zhì)流量/流速測量。
流量/流速計量無論作為控制還是作為商品計量越來越普遍，現(xiàn)已從工業(yè)應(yīng)用逐步參入普通百姓日常生活中。例如應(yīng)用于煤氣IC表中及加油機、汽車電噴進氣量控制等等。
本發(fā)明應(yīng)用于先付費后使用的煤氣流量計系統(tǒng)中(煤氣IC表中)，采用石英晶振探頭作為煤氣IC表傳感器，能使煤氣IC表滿足煤氣行業(yè)的要求(計量精度優(yōu)于2％，壓損與普通煤氣表相同，低功耗及掉電數(shù)據(jù)保存等)和將價格降低到市場可接受的程度。應(yīng)用實例參見圖12煤氣流量信號經(jīng)石英晶振探頭感受輸出一信號fs，這一信號與測溫晶振輸出信號ft經(jīng)混頻后輸出fo＝fs-ft。將fo直接輸入到微處理器At89c51進行處理，處理后輸出PWM信號。該信號一方面作為控制加熱信號使石英晶振溫度保持恒定、另一方面作為流量測量信號(PWM信號周期與流量值成比例)，通過測量脈沖寬度(PWM)，將此信號經(jīng)微處理器處理后得到流量/流速值并送顯示器顯示。
權(quán)利要求
1.一種諧振式熱式流量/流速傳感器，在絕緣基座上的敏感元件、加熱器及導(dǎo)線組成的探頭封裝在金屬外殼中，其特征在于敏感元件為石英晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振式熱式流量/流速傳感器，其特征在于石英晶體一面的熱膜既作加熱器又兼作石英晶振一個電極、石英晶體另一面的金屬膜作為石英晶振的另一個電極構(gòu)成熱膜式傳感器，其加熱電極和石英晶振電極經(jīng)導(dǎo)線引出基座外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振式熱式流量/流速傳感器，其特征在于石英晶體與金屬外殼之間的熱絲作為加熱器構(gòu)成熱絲式傳感器，其石英晶振電極和加熱電極經(jīng)導(dǎo)線引出基座外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振式熱式流量/流速傳感器，其特征在于探頭封裝在充入一個大氣氮氣的金屬外殼中，該外殼橫截面呈類流線型外形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振式熱式流量/流速傳感器，其特征在于敏感元件可以是聲表面波、壓電陶瓷中的一種。
6.一種諧振式熱式流量/流速傳感器，包括殼體、絕緣底座、支架、探頭及導(dǎo)線，其特征在于在內(nèi)裝有振蕩器、混頻器電路的底座上面的支架上具有普通石英晶振探頭和帶加熱器的石英晶振探頭，其加熱器引線、電源線、地線、信號輸出線分別經(jīng)導(dǎo)線引出底座外。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的諧振式熱式流量/流速傳感器，其特征在于帶加熱器的石英晶振探頭為上述權(quán)利要求2、3所述的熱膜式、熱絲式任一種。
8.一種諧振式熱式流量/流速傳感器的測量方法，其特征在于普通石英晶振探頭作為流體溫度測量，帶加熱器的石英晶振探頭作為與流體熱交換過程中溫度的測量，流量/流速的變化引起兩探頭溫度變化使兩石英晶振的諧振頻率變化，將探頭兩石英晶振頻率經(jīng)混頻得到的差頻為數(shù)字量信號，該信號直接輸入到微處理器進行處理后即得到流量/流速變化值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的諧振式熱式流量/流速傳感器的測量方法，其特征在于包括普通石英晶振探頭、帶加熱器的石英晶振探頭分別接有振蕩電路再經(jīng)混頻電路構(gòu)成傳感器的恒流式測量電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的諧振式熱式流量/流速傳感器的測量方法，其特征在于包括普通石英晶振探頭、帶加熱器的石英晶振探頭分別接有振蕩電路再經(jīng)混頻電路及脈沖調(diào)寬電路構(gòu)成傳感器的恒溫式測量電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及飲用水及其制造方法。旨在解決已有的飲用水中有益元素的品種和含量不足,和制造方法不能控制添加量的問題。本營養(yǎng)水中含有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、鋅、鍶、鋰、鍺、碘、氧、鈷、硒、溴、偏硅酸中的至少5種。制法是將天然水經(jīng)過濾、離子交換、臭氧混合制得純凈水,再與人工礦化石或天然礦化石接觸溶解添加有益元素,再經(jīng)碳精過濾去除異味殘物而制成。本營養(yǎng)水適用于作為飲用水、培植植物的原料水、動物的飼料水。
文檔編號G01F1/68GK1243242SQ9911488
公開日2000年2月2日 申請日期1999年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月22日
發(fā)明者陳忻, 陳悝, 陳怡 , 陳慈 申請人:陳悝