具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，包括恒溫差惠斯通橋式模塊、電壓跟隨模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊以及VI模塊。本發(fā)明所提供的恒溫?zé)崾娇諝赓|(zhì)量流量變送器具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精確、可靠性高，硬件電路實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單且不受環(huán)境溫度影響等特點(diǎn)。并且，看門(mén)狗電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，以防止程序跑飛等特殊情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可控保護(hù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于氣體流量計(jì)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，給出具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流 量變送器。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱式空氣質(zhì)量流量計(jì)是一種常見(jiàn)的質(zhì)量流量計(jì)，其工作原理是基于加熱元件在空 氣流動(dòng)中的熱傳遞，通過(guò)檢測(cè)管道內(nèi)空氣與流量傳感器之間的熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量空氣流 量。它具有壓損小，量程比寬，精度高，重復(fù)性好和可靠性高，可用于測(cè)量溫度極低氣體流量 等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 目前，大多數(shù)熱式空氣質(zhì)量流量計(jì)是保持加熱元件表面溫度恒定，根據(jù)電流的變 化來(lái)測(cè)量空氣的流量，被稱(chēng)為恒溫差熱式空氣質(zhì)量流量計(jì)。該流量計(jì)采用兩個(gè)金屬鉑電阻， 分布在惠斯通電橋的兩臂，分別用于測(cè)量空氣的溫度（測(cè)溫探頭）和空氣的速度（測(cè)速探 頭）。在測(cè)量電路中，通過(guò)運(yùn)算放大器的負(fù)反饋改變電橋中的電流以保證測(cè)速探頭與測(cè)溫探 頭的溫度差恒定。通過(guò)增大測(cè)速探頭的電流以對(duì)其進(jìn)行加熱，使之與流經(jīng)管道的空氣產(chǎn)生 熱交換，由于換熱量與質(zhì)量流量成正比，故可以測(cè)得空氣的流速。測(cè)溫探頭則用于測(cè)量管道 空氣環(huán)境溫度，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度補(bǔ)償。
[0004] 傳統(tǒng)的熱式流量計(jì)在動(dòng)態(tài)性能方面主要存在以下問(wèn)題：（1)、電流負(fù)反饋通過(guò)運(yùn)算 放大器和三極管實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算放大器輸入的差分反饋量易于受外界因素干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)反饋 電流量不準(zhǔn)確的情況，從而使得電橋達(dá)到平衡的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；（2)、測(cè)溫探頭使用的溫度補(bǔ)償 電阻阻值較大，在電橋平衡過(guò)程中，運(yùn)放兩端的電壓差值較小，電橋的響應(yīng)速度慢，動(dòng)態(tài)性 能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種具有環(huán)境溫度補(bǔ) 償功能的熱式空氣流量變送器。
[0006] 技術(shù)方案:一種具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，包括：
[0007]恒溫差惠斯通橋式模塊，用于檢測(cè)氣體流量信號(hào)，并對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償；
[0008] 電壓跟隨模塊，用于降低輸出阻抗；
[0009] AD轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；
[0010] 單片機(jī)模塊，用于對(duì)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和運(yùn)算處理；
[0011] DA轉(zhuǎn)換模塊，用于將單片機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；
[0012] 以及VI模塊，用于將DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；
[0013] 所述恒溫差惠斯通橋式模塊包括微型流量傳感器，微型流量傳感器內(nèi)集成有測(cè)速 鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻。
[0014] 進(jìn)一步的，所述單片機(jī)模塊連接有看門(mén)狗電路。
[0015] 再進(jìn)一步的，所述測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻分別串聯(lián)一個(gè)基準(zhǔn)電阻。
[0016] 更進(jìn)一步的，所述微型流量傳感器置于空氣管道中。
[0017] 更進(jìn)一步的，所述測(cè)溫鉑電阻選用PT1200。
[0018] 更進(jìn)一步的，測(cè)速鉑電阻選用PT45。
[0019]有益效果:本發(fā)明采用微型流量傳感器并結(jié)合惠斯通反饋橋式電路，根據(jù)熱力學(xué) 原理的功率消耗法測(cè)量管道空氣的質(zhì)量流量，有效的提高變送器的響應(yīng)速度?？刂撇糠植?用超低功耗的單片機(jī)MSP430,可以有效降低系統(tǒng)功耗。與傳統(tǒng)的流量變送器相比，消去了環(huán) 境溫度對(duì)流量測(cè)量的影響，提高了測(cè)量精度，其硬件電路實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。并且，看門(mén)狗電路 對(duì)單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，以防止程序跑飛等特殊情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可控保護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的總體框架圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明中恒溫差惠斯通橋式模塊的原理圖；
[0022]圖3是本發(fā)明中微型流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明的具體電路圖；
[0024]圖5是本發(fā)明中AD輸入電壓-DA輸出電壓曲線(xiàn)圖；
[0025]圖6是本發(fā)明中DA輸出電壓-電流采樣曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027] 如圖1所示，一種具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，包括恒溫差惠斯 通橋式模塊、電壓跟隨模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊以及VI模塊。
[0028] 其中，恒溫差惠斯通橋式模塊用于檢測(cè)氣體流量信號(hào)，并對(duì)氣體環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ) 償，其原理圖如圖2所示，恒溫差惠斯通橋式模塊包括微型流量傳感器，微型流量傳感器的 結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，微型流量傳感器內(nèi)集成有測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻，測(cè)溫鉑電阻選 用PT1200,測(cè)速鉑電阻選用PT45,測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻分別串聯(lián)一個(gè)基準(zhǔn)電阻；電壓跟 隨模塊用于降低輸出阻抗;AD轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號(hào)進(jìn)行采 樣;單片機(jī)模塊用于對(duì)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和運(yùn)算處理，單片機(jī)模塊連接有看 門(mén)狗電路;DA轉(zhuǎn)換模塊用于將單片機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào);VI模塊用于將 DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。
[0029] 微型流量傳感器置于空氣管道中，當(dāng)氣體流量發(fā)生變化時(shí)，惠斯通電橋失去平衡， 橋路的不平衡電壓經(jīng)運(yùn)算放大器反饋到橋路，改變電橋的電流以實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)，使電橋 重新達(dá)到平衡。根據(jù)熱力學(xué)原理，提供給測(cè)速鉑電阻Rh的電功率等于空氣所帶走的熱量，滿(mǎn) 足式
[0030] liRn=hA(T-T〇) (1)
[0031]其中，Ih是通過(guò)測(cè)速鉑電阻Rh的電流，Rh為測(cè)速鉑電阻的電阻值，h為表面平均傳熱 系數(shù)，A表示測(cè)速探頭的表面積，T是測(cè)速探頭的溫度，To表示測(cè)溫探頭所檢測(cè)到的空氣溫 度，即管道內(nèi)的空氣環(huán)境溫度。
[0032] hA與空氣流量q滿(mǎn)足下式
[0033] hA=k1+k2-s/q i2)
[0034] 其中，匕、1?為常數(shù)。
[0035] 聯(lián)立式（1)和式(2)，得到空氣流量q與測(cè)速探頭電流Ih的關(guān)系式
[0037] 其中 AT = T_To。
[0038] 由式（3)可知，若保持測(cè)速電阻與測(cè)溫電阻的溫差A(yù)T不變，通過(guò)恒溫差惠斯通橋 式模塊保持測(cè)速電阻與測(cè)溫電阻的溫差A(yù) T不變，利用Ih計(jì)算氣體流量q。
[0039] 恒溫差惠斯通橋式模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，從而準(zhǔn)確地測(cè)量空氣的 流量。
[0040] 本發(fā)明的具體電路圖如圖4所示，其中，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨模塊，能夠 降低輸出阻抗，提高輸出帶負(fù)載能力。
[0041 ] 電源模塊，采用直流24V供電，通過(guò)78M12BOJ6)輸出12V電壓，1117M30J1)輸出3.3V 電壓，電源通過(guò)電容進(jìn)行必要的濾波處理。整個(gè)系統(tǒng)由模擬電路和數(shù)字電路組成，模擬地與 數(shù)字地需要進(jìn)行隔離，采用零歐電阻串接，提高電路的抗干擾性能和穩(wěn)定性。看門(mén)狗電路對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位監(jiān)控，提高系統(tǒng)的工作可靠性。
[0042]系統(tǒng)采用外部的AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)惠斯通橋式電路的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣。單片機(jī)模塊 則采用3.3V供電的低功耗MSP430AFE253微處理器，可有效降低系統(tǒng)功耗。
[0043]單片機(jī)模塊對(duì)外部的AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，以及一系列的算法處理， 得到流量q與電壓U的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)外部的DA轉(zhuǎn)換模塊，將標(biāo)定后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬 信號(hào)，并通過(guò)VI電路實(shí)現(xiàn)輸出4~20mA電流信號(hào)。
[0044] AD輸入電壓-DA輸出電壓曲線(xiàn)如圖5所示。圖5可知，以AD采樣作為輸入電壓，DA轉(zhuǎn) 換電路能以1:1線(xiàn)性關(guān)系輸出電壓。
[0045] DA輸出電壓-電流采樣曲線(xiàn)如圖6所示。由于輸出為4~20mA電流信號(hào)，故需用200 Q電阻對(duì)電流進(jìn)行采樣，以得到測(cè)試的電壓信號(hào)。圖6可知，VI電路呈線(xiàn)性關(guān)系。
[0046]上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于，包括： 恒溫差惠斯通橋式模塊，用于檢測(cè)氣體流量信號(hào)，并對(duì)氣體環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償； 電壓跟隨模塊，用于降低輸出阻抗； AD轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣； 單片機(jī)模塊，用于對(duì)AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和運(yùn)算處理； DA轉(zhuǎn)換模塊，用于將單片機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)； 以及VI模塊，用于將DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)； 所述恒溫差惠斯通橋式模塊包括微型流量傳感器，微型流量傳感器內(nèi)集成有測(cè)速鉑電 阻和測(cè)溫鉑電阻。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述單片機(jī)模塊連接有看門(mén)狗電路。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻分別串聯(lián)一個(gè)基準(zhǔn)電阻。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述微型流量傳感器置于空氣管道中。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述測(cè)溫鉑電阻選用PT1200。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補(bǔ)償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 測(cè)速鉑電阻選用PT45。
【文檔編號(hào)】G01F1/698GK105910662SQ201610343485
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】翟軍勇, 汪余景
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)