专利名称：燃气表的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械系统(Micro-Electro& Mechanical System,简称 MEMS)领域，尤其涉及一种燃气表。
背景技术：
家用燃气表领域，现有的燃气表有机械式燃气表和电子式燃气表。机械式燃气表以机械膜式燃气表为代表；电子式燃气表以超声波燃气表为代表。对于机械膜式燃气表，当流动的燃气经过燃气表时，受到管道摩擦及机构的阻挡，内部的燃气会在燃气表进出口两端产生压力差。该压力差推动膜式燃气表的膜片在计量腔内运动，并且带动配气机构进行协调配气，使得膜片的运动能够连续往复的进行，膜式燃气表通过内部的机械结构，把直线往复运动转变成圆周运动，再通过圆周运动带动机械滚轮 计数器转动；膜片每往复一次，就排出一定量燃气，最终滚轮转过一个技术单元，实现滚轮旋转计量显示效果。由于采用机械传动原理，机械膜式燃气表计量精度依赖于零件制造和装配微调，计量精度不高，离散性较大；机械部件随着时间推移有磨损，导致计量精度随时间下降，时间越长误差越明显；由于燃气体积随温度变化，温度引起的测量误差大。对于超声波燃气表，多采用时差法进行测量。图I为本发明现有技术超声波燃气流量测量原理的示意图。如图I所示，在超声波燃气流量测量当中，利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。超声波燃气表对直管段要求严格(前20D，后OT)，否则离散性大，测量精度差；安装的不确定性会给流量测量带来较大误差；测量管道结垢会严重影响测量准确度；使用寿命短，精度一般只能保持一年。此外，超声波收发器成本较贵。在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷现有燃气表测量精度差、成本高、体积大。
发明内容
(一 )要解决的技术问题针对上述问题，本发明提出一种燃气表，以提高测量精度、降低成本、减小体积。( 二 )技术方案本发明公开了一种燃气表。该装置包括燃气流速传感单元、模数转换单元和主控单元；其中燃气流速传感单元，用于采用硅晶振膜方式将燃气流速转换为电压信号；模数转换单元，与燃气流速传感单元相连接，用于采集燃气流速传感单元转换的电压信号，并对该电压信号进行模数转换；主控单元，与模数转换单元相连接，用于根据模数转换单元转换后的电压信号还原燃气流速，并根据还原后的燃气流速和电压信号采集间隔时间，获取累计燃气流量。优选地，本技术方案中，燃气表还包括温度传感单元，该温度传感单元用于将燃气环境的温度转换为电信号；静压力传感单元，该气压传感单元用于将燃气环境的静压力转换为电信号；模数转换单元，与温度传感单元相连接，用于定时采集电信号，并对该电信号进行模数转换，电信号包括反映温度的电信号和反映静压力的电信号；主控单元，用于根据模数转换单元转换的电信号，获得燃气环境的温度信息和静压力信息，并根据温度信息、静压力信息对燃气流速进行校准。优选地，本技术方案中，所述燃气表还包括模拟开关；该模拟开关位于所述模数转换单元的前端，用于按照预设时段进行选择性开/闭，供所述模数转换单元按照预设时段分别与燃气流速传感单元、温度传感单元、静压力传感单元相连通。优选地，本技术方案中，燃气流速传感单元，设置于传感器杆的迎风方向；温度传感单元和静压力传感单元，设置于传感器杆的空腔内，空腔通过传感器杆背气面的通气孔与燃气环境相连通。优选地，本技术方案中，温度传感单元为热敏电阻；静压力传感单元为MEMS压力传感器。
优选地，本技术方案中，燃气流速传感单元包括电容式硅麦克风和分压电路子单元，其中电容式硅麦克风，分别与分压电路子单元和模数转换单元相连接，用于采用硅晶振膜将燃气流速转换为对应的阻抗信号；分压电路子单元，与电容式硅麦克风相连接，用于将阻抗信号通过分压的方式转换为电压信号。优选地，本技术方案中，电容式娃麦克风，用于通过直流稱合方式将燃气流速转换为对应的阻抗信号。电容式硅麦克风的漏极接地，源极与分压电路子单元和模数转换单元相连接。(三)有益效果本发明具有以下有益效果(I)硅麦克风对外界压力的变化非常敏感且稳定，因此本发明采用硅麦克风作为传感单元将极大地提高燃气表的精度；(2)采用微电子机械制造工艺的硅麦克风，体积小，MEMS技术已经非常成熟，本发明实现成本低；(3)本发明燃气表增加了温度和静压力的补偿机制，进一步提高了燃气表的精度。
图I为本发明现有技术超声波燃气流量测量原理的示意图；图2为本发明娃麦克风中娃晶振动膜的放大图；图3为本发明半导体硅麦克风的剖面示意图；图4为本发明半导体硅麦克风的电路图；图5为本发明实施例燃气表的示意图；图6为本发明实施例燃气表采用直流耦合方式的硅麦克风传感单元的示意图；图7为本发明实施例燃气表的结构不意图；图8a为本发明实施例燃气表相关传感器杆的背面图；图Sb为本发明实施例燃气表相关传感器杆的剖面图；图Sc为本发明实施例燃气表相关传感器杆的侧面图；图9为本发明实施例燃气表的工作流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。以下将对本发明采用硅麦克风进行气体流速感应的原理进行详细阐述。根据伯努利方程得出的气体流速一风压关系，气体流速产生的动压为Wp = O. 5 · r0 · V2(2)其中wp为风压[kN/m2]，r。为气体密度[kg/m3]，V为气体流速[ m/s]。由式⑵可知，当气体密度r0已知时,风压Wp就只与气体流速V有关。图2为本发明硅麦克风中硅晶振动膜的放大图。如图2所示，当硅晶振膜受到压力时产生形变，形变的大小程度与所受压力的大小呈单调关系。结合本发明的硅晶振膜，硅晶振膜的形变与承受的风压有关，即是与气体流速有关，且单调。图3为本发明半导体娃麦克风的剖面不意图。图4为本发明半导体娃麦克风的电路图。如图3和图4所示，当硅晶振膜产生形变时，硅晶振膜两端的电压产生变化，且电压的变化与形变呈单调关系。电压变化引起MOS管(图中FET)导通程度的变化，即阻抗Rds的变化，电压变化和阻抗变化呈单调关系。如此实现了物理量(气体流速)到电气量(阻抗)的转换。本发明正是根据上述原理，来进行燃气流量计量。在本发明的一示例性实施例中，燃气表包括燃气流速传感单元、模数转换单元和主控单元。其中，燃气流速传感单元，用于采用硅晶振膜方式将燃气流速转换为电压信号；模数转换单元，与燃气流速传感单元相连接，用于采集燃气流速传感单元的电压信号，并对该电压信号进行模数转换；以及主控单元，与模数转换单元相连接，用于根据模数转换单元进行模数转换后的电压信号还原燃气流速，并根据还原后的燃气流速和电压信号采集间隔时间，获取累计燃气流量。优选地，该硅晶振膜为硅晶漂浮式(free-floating)振膜。根据电压信号还原燃气流速的方式可以采用查表的方式，根据燃气流速和采集间隔时间获取燃气流量的方式可以采用积分的方式。本实施例中，燃气流速传感单元包括电容式硅麦克风和分压电路子单元，其中电容式硅麦克风，分别与分压电路子单元和模数转换单元相连接，用于采用硅晶振膜将燃气流速转换为对应的阻抗信号；以及分压电路子单元，与电容式硅麦克风相连接，用于将阻抗信号通过分压的方式转换为电压信号。由于硅麦克风对外界压力的变化非常敏感且稳定，因此采用硅麦克风作为传感单元将极大地提高燃气表的精度。此外，硅麦克风基本上不消耗能量，因此本发明燃气表相比与现有燃气表的功耗低。硅麦克风的制造工艺已经相当成熟，其体积可以做到很小，并且其成本较低，具有现有燃气表所不具有的小体积、低成本的优势。在实际使用的麦克风中，声波也可以引起空气压力的变化,硅晶振膜用于感知燃气流动引起的压力变化。其中，声波是一种交流波，即麦克风需要感知的是这种交流变化，最后麦克风所产生的信号中的直流成分对还原声波是没有意义(甚至是有害的)，所以麦克风做声音采集时使用交流耦合。而根据上述的伯努利方程得出的风一压关系，由于燃气流动产生的压力变化是不区分直流和交流的，因此在本实施例中，硅麦克风通过直流耦合方式将燃气流速转换为对应的阻抗信号。优选地，硅麦克风的漏极接地，两个源极分别与分压电路子单元和模数转换单元相连接。在本发明的一个优选实施例中，燃气表还可以包括温度传感单元，该温度传感单元用于将燃气环境的温度转换为电信号；静压力传感单元，该气压传感单元用于将燃气环境的静压力转换为电信号；模数转换单元，与温度传感单元相连接，用于定时采集电信号，并对该电信号进行模数转换，电信号包括反映温度的电信号和反映静压力的电信号；主控单元，用于根据模数转换单元转换的电信号，获得燃气环境的温度信息和静压力信息，并根据温度信息、静压力信息对燃气流速进行校准。为了实现模数转换单元分别采集流速传感单元、温度传感单元和静压力传感单元的信号，本实施例中需要对模数转换单元的采集时段、频率或电信号的幅度值进行限定，最简单的采用分时段开关的方法，即燃气表还包括模拟开关；该模拟开关位于模数转换单元的前端，用于按照预设时段进行选择性开/闭，供模数转换单元按照预设时段分别与燃气流速传感单元、温度传感单元、静压力传感单元相连通。为了实现精确的测量效果，需要对燃气流速传感单元、温度传感单元、静压力传感单元的位置进行设置。本实施例中，燃气流速传感单元，设置于传感器杆的迎风方向；温度·传感单元和静压力传感单元，设置于传感器杆的空腔内，空腔通过传感器杆背气面的通气孔与燃气环境相连通。优选地，温度传感单元为热敏电阻；静压力传感单元为MEMS压力传感器。以下将结合具体的应用场景-家用燃气表，对本发明燃气表进一步说明。实施例一图5为本发明实施例燃气表的示意图。本实施例包括燃气流速传感单元、高频滤波单元、模数转换单元(Analog to Digital Converter,简称ADC)、主控制单元(MainControl Unit,简称MCU)和存储器单兀。其中，采用硅麦克风的燃气流速传感器部分实现流速到阻抗的转换，再通过一个分压电路将阻抗变化转换成电压变化。如上，当硅麦克风用于声音的采集时，采用的是交流耦合方式，但是这种方式不能实现对电压与流速的一一对应，本发明采用直流耦合方式。图6为本发明实施例燃气表采用直流耦合方式的硅麦克风传感单元的示意图。高频滤波单元用于消除电路中的一些高频噪声，因燃气流速的变化较缓慢，滤波电路对有用信号不会造成损伤。模数转换单元用于采样，并进行模拟电压信号的数字化，方便后端的MCU进行非线性补偿和流量计算等。上述MCU实际上为一可以实现计算功能的单片机。存储器单元采用传统的固态存储器，用于记录并保存燃气表用户的累积用气量信息，方便燃气运营商进行计费和各种管理。实施例二众所周知，燃气的多个参数与所处环境的温度和静压力有关。为了更加准确的测量燃气流速，本发明还设置了根据温度和静压力，对燃气流速进行补偿的机制。图7为本发明实施例燃气表的结构示意图。如图7所示,在本发明优选的实施例中,燃气表还包括温度传感单元，该温度传感单元用于将燃气环境的温度转换为电信号；静压力传感单元，该气压传感单元用于将燃气环境的静压力转换为电信号；模数转换单元ADC，与温度传感单元和静压力传感单元相连接，用于定时采集电信号，并对该电信号进行模数转换，电信号包括反映温度的电信号和反映静压力的电信号；主控单元MCU，用于根据模数转换单元转换的电信号，获得燃气环境的温度信息和静压力信息，并根据温度信息、静压力信息对燃气流速进行校准。优选地，温度传感单元为热敏电阻；静压力传感单元为MEMS压力传感器。此夕卜，压力传感器可以不用MEMS压力传感器而用离散器件替代，温度传感器可以不用热敏电阻而用其他形式温度感应电路替代。为了实现各种信号的有序采集，如图7所示，燃气表还包括模拟开关；该模拟开关位于模数转换单元的前端，用于按照预设时段进行选择性开/闭，供模数转换单元按照预设时段分别与燃气流速传感单元、温度传感单元、静压力传感单元相连通。此外，为了提高信号的精度和强度，在模拟开关和模数转换单元之间设置高频滤波单元和可编程增益放大器。高频滤波单元，用于滤除各传感器探测信号中的高频干扰部分。可编程增益放大器，用于可选择性的对传感器探测信号进行增益放大，从而利于后端器件对信号的处理。在实际场景中，燃气表气流腔体中包括气体整流通道和传感器杆，传感器杆安装在气体整流通道中，杆的下部位于整流通道的中部，杆背面的导气孔位于整流通道的顶部。 图8a为本发明实施例燃气表相关传感器杆的背面图；图8b为本发明实施例燃气表相关传感器杆的剖面图；图8c为本发明实施例燃气表相关传感器杆的侧面图。如图8a、8b、8c所示，在传感器杆中部的背气面有导气孔(e);导气孔往里在传感器杆内部有一个空腔，该空腔的上部用密封材料进行密封。一 PCB板(d)部分的位于空腔内，处于空腔内的PCB板中部安装有MEMS静气压传感器(b)、温度传感器(c)和配合各种传感器正常工作的前端电路。处于空腔外的PCB板下部伸入传感器杆的下方细部，在其上面安装有MEMS硅麦传感器，该MEMS硅麦传感器直接朝向燃气流入的方向。传感器杆上部设置有5个金属触点(f)，其通过穿过上述密封材料的引线和PCB板进行电气连接，5个触点分别对应MEMS硅麦传感器、静气压传感器和温度传感器的电压输出信号以及电源和地信号。各传感器输出信号从上述5个金属触点传送到外部的模数转换单元、主控单元，进行信号的采集、模数转换和计算处理。由于导气孔和空腔处在传感器杆的背气面，当气体流动时，由于传感器杆的阻挡作用，导气孔附近和空腔内部的气流速度近似为零，因此空腔内外的压力相同，温度一致。在主控单元上有一非易失性存储器，里面保存了一张气压/温度-密度对照表(见表I)，用于获取测量过程中气体密度的变化信息，通过空腔内的压力和温度传感器以及压力/温度-密度表实时对流速的补偿，极大提高了电容式麦克电子燃气表的精度。表I气压/温度-密度对照表
权利要求
1.一种燃气表，其中，包括 燃气流速传感单元，用于采用硅晶振膜方式将燃气流速转换为电压信号； 模数转换单元，与所述燃气流速传感单元相连接，用于采集所述燃气流速传感单元转换的电压信号，并对该电压信号进行模数转换； 主控单元，与所述模数转换单元相连接，用于根据所述模数转换单元转换后的电压信号还原燃气流速，并根据还原后的燃气流速和电压信号采集间隔时间，获取累计燃气流量。
2.根据权利要求I所述的燃气表，其中， 所述燃气表还包括温度传感单元，该温度传感单元用于将所述燃气环境的温度转换为电信号；静压力传感单元，该气压传感单元用于将所述燃气环境的静压力转换为电信号; 所述模数转换单元，与所述温度传感单元相连接，用于定时采集所述电信号，并对该电信号进行模数转换，所述电信号包括反映温度的电信号和反映静压力的电信号； 所述主控单元，用于根据所述模数转换单元转换的电信号，获得所述燃气环境的温度信息和静压力信息，并根据所述温度信息、静压力信息对燃气流速进行校准。
3.根据权利要求2所述的燃气表，其中，所述主控单元包括 存储子单元，用于存储燃气的静压力/温度-密度对照表； 校准子单元，与所述模数转换单元和所述存储子单元相连接，用于根据所述温度信息、静压力信息和所述静压力/温度-密度对照表，对燃气流速进行校准。
4.根据权利要求2所述的燃气表，其中，所述燃气表还包括模拟开关； 该模拟开关位于所述模数转换单元的前端，用于按照预设时段进行选择性开/闭，供所述模数转换单元按照预设时段分别与燃气流速传感单元、温度传感单元、静压力传感单元相连通。
5.根据权利要求2所述的燃气表，其中， 所述燃气流速传感单元，设置于传感器杆的迎风方向； 所述温度传感单元和静压力传感单元，设置于所述传感器杆的空腔内，所述空腔通过所述传感器杆背气面的通气孔与所述燃气环境相连通。
6.根据权利要求2所述的燃气表，其中，所述温度传感单元为热敏电阻；所述静压力传感单元为MEMS压力传感器。
7.根据权利要求I所述的燃气表，其中，所述燃气流速传感单兀包括电容式娃麦克风和分压电路子单元； 所述电容式硅麦克风，与所述模数转换单元相连接，用于采用硅晶振膜通过直流耦合方式将所述燃气流速转换为对应的阻抗信号； 分压电路子单元，与所述电容式硅麦克风相连接，用于将所述阻抗信号通过分压的方式转换为电压信号。
8.根据权利要求7所述的燃气表，其中， 所述硅晶振膜为硅晶漂浮式振膜； 所述硅晶漂浮式振膜的漏极接地，源极通过分压电阻接至工作电源，并通过模拟开关直流耦合到可编程增益放大器，可编程增益放大器的后端连接在模数转换单元。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的燃气表，其中，还包括高频滤波单元，连接于所述燃气流速传感单元，用于滤除所述燃气流速传感单元转换的电压信号中的高频噪声； 可编程增益放大器，连接于所述高频滤波单元和所述模数转换单元之间，用于可选择性的对传感器探测信号进行增益放大。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的燃气表，其中， 还包括存储器单元，连接于所述主控单元，用于存储燃气流量信息； 所述主控单元包括更新子单元，连接于所述存储器单元，用于当所述累计燃气流量到达预设流量值时，更新所述存储器单元中记录的燃气流量信息。
全文摘要
本发明公开了一种燃气表。该燃气表包括燃气流速传感单元、模数转换单元和主控单元；其中燃气流速传感单元，用于采用硅晶振膜方式将燃气流速转换为电压信号；模数转换单元，与燃气流速传感单元相连接，用于采集燃气流速传感单元转换的电压信号，并对该电压信号进行模数转换；主控单元，与模数转换单元相连接，用于根据模数转换单元转换后的电压信号还原燃气流速，并根据还原后的燃气流速和电压信号采集间隔时间，获取累计燃气流量。本发明的燃气表采用硅麦克风的传感单元，由于硅麦克风对外界压力的变化非常敏感且稳定，因此采用硅麦克风作为传感单元将极大地提高燃气表的精度。
文档编号G01F15/075GK102809400SQ201110157459
公开日2012年12月5日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者黄忠, 董胜龙 申请人:新奥科技发展有限公司