流量传感器、流量计及流量检测方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体来说，涉及一种检测被测介质流量的流量传感器、流量计及流量检测方法。

背景技术：

在流量计量过程中，常用的流量检测方法一般是基于温度差的检测方法。温度差检测方法的工作原理是在流量传感器的中间设置一个加热元件，通过温控电路来控制加热元件以保持与被测介质的温度差恒定。还在加热元件的上游和下游设置一对对称的检测电阻。当被测介质(例如气体)从加热元件上方以层流状态经过时，由于受到被测介质的流动方向的影响，上游检测电阻的温度会有所降低，而下游检测电阻的温度会有所升高，即：温度场会发生迁移，导致两个检测电阻之间形成温度差ΔT。对应于不同种类和不同流量的被测介质，检测电阻之间所形成的温度差ΔT不同。利用在不同温度下检测电阻对应的电阻值不同的特性，可以用两个检测电阻的电阻值的差值变化来体现检测电阻之间的温度差ΔT，两个检测电阻电阻值的差值变化又可以转化为差分电压的形式输出，从而实现将被测介质流量所引起的两个检测电阻产生的温度差转化为一个差分电压输出，此差分电压与被测介质的流量为一一对应关系，如图1所示，即可通过此差分电压得出相对应的被测介质的质量流量。

在实际应用中，如图2所示，通常采用惠斯通电桥电路测量传感器的上述差分电压ΔU来代表两个检测电阻R1和R2的温度差ΔT。但是，采用惠斯通电桥存在的一个问题是，除了由被测介质的流动方向所引起的两个检测电阻R1和R2温度不同使得二者的电阻值会发生变化之外，被测介质本身温度的不同也会引起两个检测电阻R1和R2的电阻值变化。由于惠斯通电桥中的固定电压U0不变，因此两个检测电阻R1和R2的电阻值变化会使得流经检测电阻R1和R2的电流发生变化，进而会引起差分电压ΔU的改变，即当被测介质的温度不同时，所输出的差分电压ΔU中还包括了由被测介质的温度所引起的变化，因此使差分电压ΔU并不能真正的代表被测介质的流量。

一般可以采用温度补偿系数的方法来消除被测介质的温度对流量检测所带来的影响，但是温度补偿系数的方法比较复杂，且不能满足流量计量过程中对计量精度的要求。

针对相关技术中被测介质的温度影响流量检测结果、进而影响计量精度的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中被测介质的温度影响流量检测结果、进而影响计量精度的问题，本发明提出一种检测被测介质流量的流量传感器、流量计及流量检测方法，能够避免被测介质的温度影响流量检测结果的问题，从而保证流量计量的精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种流量传感器，包括：加热元件以及一个或多个检测单元；其中，检测单元包括：上游检测电阻、下游检测电阻、与上游检测电阻串联连接的第一恒流源、和与下游检测电阻串联连接的第二恒流源；上游检测电阻和下游检测电阻分别设置于被测介质的流通路径的上游侧和下游侧，加热元件设置于上游检测电阻和下游检测电阻之间。

根据本发明的一个实施例，检测单元还包括：差分电压输出端口，用于输出差分电压；其中，差分电压输出端口的第一输出节点连接至上游检测电阻Ru的第一端，差分电压输出端口的第二输出节点连接至下游检测电阻Rd的第一端，上游检测电阻Ru的第二端和下游检测电阻Rd的第二端连接至接地端。

根据本发明的一个实施例，检测单元还包括：上拉电阻器，上拉电阻器为低温度漂移电阻，上游检测电阻和下游检测电阻均经由上拉电阻器连接至接地端。

根据本发明的一个实施例，第一恒流源输出的第一恒定电流与第二恒流源输出的第二恒定电流的电流值相等。

根据本发明的一个实施例，流量传感器为MEMS传感器。

根据本发明的一个实施例，第一恒流源输出的第一恒定电流与第二恒流源输出的第二恒定电流的电流值均在100μA-300μA以内。

根据本发明的一个实施例，上拉电阻器的电阻值在500Ω-2000Ω以内。

根据本发明的另一方面，提供了一种流量计，包括：上述流量传感器；以及处理模块，与流量传感器连接，用于根据差分电压得到被测介质流量。

根据本发明的又一个方面，提供了一种流量检测方法，包括：为上游检测电阻和下游检测电阻提供恒定电流；利用恒定电流生成与被测介质流量相关的差分电压；根据差分电压得到被测介质流量。

根据本发明的一个实施例，根据差分电压得到被测介质流量包括：获取差分电压与被测介质流量的对应关系；根据对应关系和差分电压得到被测介质流量。

根据本发明的一个实施例，获取差分电压与被测介质流量的对应关系包括：获取多个确定被测介质流量下对应的多个标定差分电压；根据被测介质流量和标定差分电压得到对应关系，其中对应关系为线性关系。

本发明通过设置恒流源为检测电阻提供恒定电流，能够避免被测介质的温度对流量检测结果产生的影响，保证了流量计量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中检测电阻间的差分电压与被测介质的质量流量的对应关系的示意图；

图2是现有技术采用惠斯通电桥电路测量差分电压的原理图；

图3是根据本发明实施例的流量传感器的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的流量传感器的检测单元的电路示意图；

图5是根据本发明另一个实施例的流量传感器的检测单元的电路示意图；

图6是根据本发明实施例的流量检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种流量传感器。

同时参考图3、图4和图5所示，根据本发明实施例的流量传感器包括：加热元件Rh以及一个或多个检测单元100；其中，检测单元100包括：上游检测电阻Ru、下游检测电阻Rd、串联连接于上游检测电阻Ru的第一恒流源Is1、和串联连接于下游检测电阻Rd的第二恒流源Is2；上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd分别设置于被测介质的流通路径的上游侧和下游侧，加热元件设置于上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd之间。

第一恒流源Is1和第二恒流源Is2用于为上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd分别提供恒定的电流，以得到上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd利用恒定电流生成的与被测介质流量相关的差分电压。恒流源是指能够提供恒定电流的电路，恒流源的特点是不因环境温度变化而发生变化，能够保证输出的电流稳定。因此上述差分电压中不包括由被测介质的温度所引起的变化，即能够使被测介质的温度不对流量检测结果产生影响，保证了流量计量的精度。

具体地，如图3所示，当管道200中有被测介质按照图中箭头所示的方向流动时，由于被测介质流经加热元件Rh时带走了加热元件Rh产生的热量并传递给下游检测电阻Rd，因此能够导致加热元件Rh的上游检测电阻Ru的电阻值减小，下游检测电阻Rd的电阻值增大；而由于高精度低温漂的第一恒流源Is1和第二恒流源Is2分别施加在上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd上的第一恒定电流I_u和第二恒定电流I_d不变，则根据欧姆定律得到对应的电压值u_u和u_d，进而能够得到上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd之间的差分电压Δu。

根据本发明的一个实施例，同时参考图4和图5，检测单元100还包括差分电压输出端口，用于输出差分电压；其中，差分电压输出端口的第一输出节点连接至上游检测电阻Ru的第一端，差分电压输出端口的第二输出节点连接至下游检测电阻Rd的第一端，上游检测电阻Ru的第二端和下游检测电阻Rd的第二端连接至接地端。

根据本发明的一个实施例，第一恒流源Is1输出的第一恒定电流I_u与第二恒流源Is2输出的第二恒定电流I_d的电流值相等。

根据本发明的一个实施例，第一恒流源Is1输出的第一恒定电流I_u与第二恒流源Is2输出的第二恒定电流I_d的电流值均在100μA-300μA以内。

优选地，第一恒定电流I_u和第二恒定电流I_d的电流值均为200μA。

通过高精度低温漂的第一恒流源Is1和第二恒流源Is2分别对上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd提供恒定的电流，为了避免因电流过大而导致上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd自身发热、从而不能真实地反映流动的被测介质传递的温度，因此需要对上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd均施加电流值较小的电流。根据上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd的不同，施加的电流也会有所不同。具体地，当上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd的电阻值较大时，可以施加电流值相对较小的电流；而当上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd的电阻值较小时，则可以施加电流值相对较大的电流。否则，电流太大，可能会引起上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd本身发热；电流太小，则可能又会使得检测单元100输出的差分电压Δu过小，影响测量精准度。因此可对上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd施加电流值均在100μA-300μA以内的第一恒定电流I_u和第二恒定电流I_d。优选地，第一恒定电流I_u和第二恒定电流I_d的电流值均为200μA。

根据本发明的一个实施例，流量传感器为MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器。

根据本发明的一个实施例，还包括：模数转换模块，连接于一个或多个检测单元100，用于将差分电压由模拟量转换为数字量。可选地，模数转换模块为24位AD采样模块。通过高精度的24位AD采样模块来进行模数转换，进而可得到输出的差分电压Δu与被测介质流量的对应关系。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，检测单元100还包括：上拉电阻器Rs，上拉电阻器Rs为低温度漂移电阻，上游检测电阻Ru和下游检测电阻Rd均经由上拉电阻器Rs连接至接地端。低温漂电阻指电阻值随温度变化小的电阻。上拉电阻器Rs的主要目的是为了抬高输出的差分电压Δu，以便于满足某些24位AD采样模块对最低采样输入电压的要求。若使用的AD采样模块没有最低采样输入电压的要求，则不需要设置上拉电阻器Rs。

根据本发明的一个实施例，上拉电阻器Rs的电阻值在500Ω-2000Ω以内。

优选地，上拉电阻器Rs的电阻值为1000Ω。具体地，可根据差分电压Δu需要被太高的需求，设置上拉电阻器Rs的电阻值。例如，当上拉电阻器Rs为1000Ω、第一恒定电流I_u和第二恒定电流I_d的电流值均为200μA时，可以将差分电压Δu的对地电压抬高400mV左右。

根据本发明的实施例，还提供了一种流量计，包括：上述流量传感器以及处理模块；处理模块与流量传感器连接，可以用于根据差分电压得到被测介质流量。通过处理模块可以使流量计直接输出被测介质的流量。

可选地，处理模块可以包括获取模块，用于获取差分电压与被测介质流量的对应关系；以及生成与输出模块，用于根据对应关系和差分电压得到并输出被测介质流量。

进一步地，上述获取模块可以包括：第一子模块，用于获取多个确定被测介质流量下对应的多个标定差分电压；以及第二子模块，用于根据被测介质流量和标定差分电压得到对应关系，其中对应关系为线性关系。

如图6所示，根据本发明的实施例，又提供了一种流量检测方法，包括以下步骤：

步骤S110，为上游检测电阻和下游检测电阻提供恒定电流；

步骤S120，利用恒定电流生成与被测介质流量相关的差分电压；

步骤S130，根据差分电压得到被测介质流量。

在步骤S110中，可以分别通过第一恒流源和第二恒流源为上游检测电阻和下游检测电阻提供恒定电流；在步骤S120中上游检测电阻和下游检测电阻利用此恒定电流生成与被测介质流量相关的差分电压，因此该差分电压中不包括由被测介质的温度所引起的变化，即能够使被测介质的温度不对流量检测结果产生影响，保证了流量计量的精度。

根据本发明的一个实施例，步骤S130可包括以下步骤：

步骤S131，获取差分电压与被测介质流量的对应关系；

步骤S132，根据对应关系和差分电压得到被测介质流量。

进一步地，步骤S131可包括以下步骤：

获取多个确定被测介质流量下对应的多个标定差分电压；

根据被测介质流量和标定差分电压得到对应关系，其中对应关系为线性关系。

下面对步骤S130进行具体说明。可通过不同气体质量流量下的q_m对应的Δu的关系完成标定，可以发现利用恒流源，差分电压信号Δu和被测介质流量q_m成线性关系。

根据欧姆定律，可推导出差分电压Δu的表达式为：

Δu＝u_d－u_u＝(I_dR_d－I_uR_u)

优选地，设定I_u＝I_d＝I，差分电阻ΔR＝R_d－R_u，则有：

Δu＝u_d－u_u＝I(R_d－I_u)＝IΔR，

因此有：

ΔR＝Δu/I

进一步地，上游检测电阻的电阻值R_u和上游检测电阻的温度T_u的关系、下游检测电阻的电阻值R_d和下游检测电阻的温度T_d的关系可分别表示为：

R_u＝R_u0(1+a_uT_u)；R_d＝R_d0(1+a_dT_d)

其中，R_u0和R_d0分别为上游检测电阻和下游检测电阻在零摄氏度时的电阻值，a_u和a_d分别为上游检测电阻和下游检测电阻的温度系数；所以上述表达式又可推导为：

Δu＝I(R_d0+R_d0a_dT_d－R_u0－R_u0a_uT_u)

又因为R_u＝R_d＝R₀、a_d＝a_u＝a，故：

R_u＝R_u0(1+aT_u)，R_d＝R_d0(1+aT_d)；

加热元件的上游检测电阻和下游检测电阻的温度差T_d－T_u＝ΔT，则：

Δu＝IR₀a(T_d－T_u)＝IR₀aΔT；(1)

其中，I、R₀、a均为固定常数，可设定k＝IR₀a，则将ΔT＝Δu/IR₀a代入关系式(1)可得质量流量q_m为：

由此可以看出通过理论推导，证明采用恒流源电路的方法得到的差分电压Δu只与被测量介质的质量流量qm对应相关，而与测量介质的温度变化无关。

进一步地，对G4型MEMS家用表进行的试验验证也证实了本发明的正确性。如表1所示，为采用现有技术中的惠斯通电桥电路的G4型MEMS家用表的测试数据，表2所示为采用本发明的流量传感器的G4型MEMS家用表的测试数据。

由表1和表2中数据可以看出，当环境温度为20℃时，采用现有技术与采用本发明的流量传感器得到的检测结果的误差均较小，但是当环境温度较低(例如0℃)或者较高(例如40℃)时，采用本发明的流量传感器得到的检测结果的误差明显低于采用现有技术得到的检测结果的误差。进一步说明，本发明能够避免现有技术中被测介质的温度对流量检测结果产生的影响，提高了计量精度。

表1

表2

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。