具有環(huán)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有環(huán)境溫度補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、測量精確、可靠性高，硬件電路實現(xiàn)更為簡單且不受環(huán)境溫度影響等特點。并且，看門狗電路對單片機進(jìn)行監(jiān)控，以防止程序跑飛等特殊情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的可控保護(hù)。
【專利說明】
具有環(huán)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于氣體流量計檢測技術(shù)領(lǐng)域，給出具有環(huán)境溫度補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)量流量計是一種常見的質(zhì)量流量計，其工作原理是基于加熱元件在空 氣流動中的熱傳遞，通過檢測管道內(nèi)空氣與流量傳感器之間的熱量交換關(guān)系來測量空氣流 量。它具有壓損小，量程比寬，精度高，重復(fù)性好和可靠性高，可用于測量溫度極低氣體流量 等優(yōu)點。
[0003] 目前，大多數(shù)熱式空氣質(zhì)量流量計是保持加熱元件表面溫度恒定，根據(jù)電流的變 化來測量空氣的流量，被稱為恒溫差熱式空氣質(zhì)量流量計。該流量計采用兩個金屬鉑電阻， 分布在惠斯通電橋的兩臂，分別用于測量空氣的溫度（測溫探頭）和空氣的速度（測速探 頭）。在測量電路中，通過運算放大器的負(fù)反饋改變電橋中的電流以保證測速探頭與測溫探 頭的溫度差恒定。通過增大測速探頭的電流以對其進(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，故可以測得空氣的流速。測溫探頭則用于測量管道 空氣環(huán)境溫度，以實現(xiàn)環(huán)境溫度補償。
[0004] 傳統(tǒng)的熱式流量計在動態(tài)性能方面主要存在以下問題：（1)、電流負(fù)反饋通過運算 放大器和三極管實現(xiàn)，運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)到平衡的時間過長；（2)、測溫探頭使用的溫度補償 電阻阻值較大，在電橋平衡過程中，運放兩端的電壓差值較小，電橋的響應(yīng)速度慢，動態(tài)性 能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對上述現(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 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，用于檢測氣體流量信號，并對環(huán)境溫度進(jìn)行補償；
[0008] 電壓跟隨模塊，用于降低輸出阻抗；
[0009] AD轉(zhuǎn)換模塊，用于對恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號進(jìn)行采樣；
[0010] 單片機模塊，用于對AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行濾波和運算處理；
[0011] DA轉(zhuǎn)換模塊，用于將單片機模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號；
[0012] 以及VI模塊，用于將DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；
[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)集成有測速 鉑電阻和測溫鉑電阻。
[0014] 進(jìn)一步的，所述單片機模塊連接有看門狗電路。
[0015] 再進(jìn)一步的，所述測速鉑電阻和測溫鉑電阻分別串聯(lián)一個基準(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，所述測溫鉑電阻選用PT1200。
[0018] 更進(jìn)一步的，測速鉑電阻選用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。控制部分采 用超低功耗的單片機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) 境溫度對流量測量的影響，提高了測量精度，其硬件電路實現(xiàn)更為簡單。并且，看門狗電路 對單片機進(jìn)行監(jiān)控，以防止程序跑飛等特殊情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)的可控保護(hù)。
【附圖說明】
[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輸出電壓曲線圖；
[0025]圖6是本發(fā)明中DA輸出電壓-電流采樣曲線圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027] 如圖1所示，一種具有環(huán)境溫度補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氣體流量信號，并對氣體環(huán)境溫度進(jìn)行補 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)集成有測速鉑電阻和測溫鉑電阻，測溫鉑電阻選 用PT1200,測速鉑電阻選用PT45,測速鉑電阻和測溫鉑電阻分別串聯(lián)一個基準(zhǔn)電阻；電壓跟 隨模塊用于降低輸出阻抗;AD轉(zhuǎn)換模塊用于對恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號進(jìn)行采 樣;單片機模塊用于對AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行濾波和運算處理，單片機模塊連接有看 門狗電路;DA轉(zhuǎn)換模塊用于將單片機模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號;VI模塊用于將 DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。
[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，惠斯通電橋失去平衡， 橋路的不平衡電壓經(jīng)運算放大器反饋到橋路，改變電橋的電流以實現(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，提供給測速鉑電阻Rh的電功率等于空氣所帶走的熱量，滿 足式
[0030] liRn=hA(T-T〇) (1)
[0031]其中，Ih是通過測速鉑電阻Rh的電流，Rh為測速鉑電阻的電阻值，h為表面平均傳熱 系數(shù)，A表示測速探頭的表面積，T是測速探頭的溫度，To表示測溫探頭所檢測到的空氣溫 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，若保持測速電阻與測溫電阻的溫差A(yù)T不變，通過恒溫差惠斯通橋 式模塊保持測速電阻與測溫電阻的溫差A(yù) T不變，利用Ih計算氣體流量q。
[0039] 恒溫差惠斯通橋式模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境溫度的自動補償，從而準(zhǔn)確地測量空氣的 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78M12BOJ6)輸出12V電壓，1117M30J1)輸出3.3V 電壓，電源通過電容進(jìn)行必要的濾波處理。整個系統(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?？撮T狗電路對 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)換模塊對惠斯通橋式電路的電壓信號進(jìn)行采樣。單片機模塊 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]單片機模塊對外部的AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號進(jìn)行濾波，以及一系列的算法處理， 得到流量q與電壓U的對應(yīng)關(guān)系。通過外部的DA轉(zhuǎn)換模塊，將標(biāo)定后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬 信號，并通過VI電路實現(xiàn)輸出4~20mA電流信號。
[0044] AD輸入電壓-DA輸出電壓曲線如圖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線性關(guān)系輸出電壓。
[0045] DA輸出電壓-電流采樣曲線如圖6所示。由于輸出為4~20mA電流信號，故需用200 Q電阻對電流進(jìn)行采樣，以得到測試的電壓信號。圖6可知，VI電路呈線性關(guān)系。
[0046]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(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】
1. 一種具有環(huán)境溫度補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，用于檢測氣體流量信號，并對氣體環(huán)境溫度進(jìn)行補償； 電壓跟隨模塊，用于降低輸出阻抗； AD轉(zhuǎn)換模塊，用于對恒溫差惠斯通橋式模塊的電壓信號進(jìn)行采樣； 單片機模塊，用于對AD轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進(jìn)行濾波和運算處理； DA轉(zhuǎn)換模塊，用于將單片機模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號； 以及VI模塊，用于將DA轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號； 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)集成有測速鉑電 阻和測溫鉑電阻。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述單片機模塊連接有看門狗電路。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述測速鉑電阻和測溫鉑電阻分別串聯(lián)一個基準(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)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 所述測溫鉑電阻選用PT1200。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有環(huán)境溫度補償功能的熱式空氣流量變送器，其特征在于， 測速鉑電阻選用PT45。
【文檔編號】G01F1/698GK105910662SQ201610343485
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】翟軍勇, 汪余景
【申請人】東南大學(xué)