基于忆阻器的气体累积流量测量系统的制作方法

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种基于忆阻器的气体累积流量测量系统。

背景技术

气体累积流量测量系统是一种能够计量在一定时间段内流经管道某横截面积的气体体积的累积量的测量系统。目前根据测量原理与结构的不同，气体累积流量测量系统主要有：差压式、速度式和容积式。

然而，现有的气体累积流量测量系统也存在着一些问题，一定程度上阻碍了累积流量测量精度其的提高和应用范围的扩大。目前所存在的主要问题有：第一，差压式和速度式累积流量测量系统得到的都是瞬时流量，然后还通过运算电路或者处理器完成从瞬时流量到累积流量的转换，但大部分情况下，气体流动很不稳定，通过测量瞬时流量来得到累积流量难免出现误差，因此，差压式和速度式测量方法很难适应流速不稳定情况、长时间持续的测量，测量范围小，而且结构复杂；第二，容积式流量测量系统虽能直接测量累积流量，但体积大、口径局限性大、且短时间内大气体累积流量的测量很难适应，不能得到大范围的应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于忆阻器的气体累积流量测量系统，解决现有气体累积流量测量系统必须附加运算电路或处理器、且测量范围小、无法对气体流速不稳定、大累积流量及长时间累积流量体积测量的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于忆阻器的气体累积流量测量系统，包括气体流速换能器、忆阻器模块、忆阻器电压取值放大模块和换能器阻值稳定模块；所述气体流速换能器依次与忆阻器模块、换能器阻值稳定模块组成回路，所述忆阻器电压取值放大模块与忆阻器模块相连接；

所述忆阻器模块包括正向忆阻器组mf和负向忆阻器组mr，所述正向忆阻器组mf和负向忆阻器组mr串联连接，所述正向忆阻器组mf包括n个忆阻器mf1，所述n个忆阻器mf1串联连接，所述负向忆阻器组mr包括n个忆阻器mr1，所述n个忆阻器mr1串联连接，n为大于等于1的自然数。

进一步地，所述气体流速换能器为热线电阻rw，所述热线电阻rw的一端与正向忆阻器组mf串联连接，热线电阻rw的另一端接地。

进一步地，所述换能器阻值稳定模块包括运算放大器a1、运算放大器a2、可调电阻r1、可调电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、直流电压源u1、直流电压源u2、单刀双掷开关s；

其中，所述运算放大器a1的输出端out1通过电阻r14与运算放大器a2的正向输入端a2+相连接，运算放大器a1的正向输入端a1+通过电阻r5接地，运算放大器a1的正向输入端a1+与电阻r5之间引出一点a，点a依次通过电阻r3、可调电阻r1与负向忆阻器组mr串联连接，电阻r3与可调电阻r1之间引出一点b，点b通过可调电阻r2接地，运算放大器a1的负向输入端a1-通过电阻r6与运算放大器a1的输出端out1相连接，运算放大器a1的负向输入端a1-与电阻r6之间引出一点c，正向忆阻器组与热线电阻rw之间引出一点d，点c通过电阻r4与点d相连接；

所述运算放大器a2的正向输入端a2+与电阻r14之间引出一点g，点g通过电阻r16接地，运算放大器a2的输出端out2与负向忆阻器组mr相连接，运算放大器a2的输出端out2与负向忆阻器组mr之间引出一点e，点e与通过电阻r17与运算放大器a2的负向输入端a2-相连接，电阻r17与运算放大器a2的负向输入端a2-之间引出一点f，点f通过电阻r15与单刀双掷开关s相连接；当单刀双掷开关s中的s1接通时，点f通过电阻r15与直流电压源u1相连接；当单刀双掷开关s中的s2接通时，点f通过电阻r15与直流电压源u2相连接。

进一步地，所述正向忆阻器组mf与负向忆阻器组mr之间引出一点h，正向忆阻器组mf与热线电阻rw之间引出一点i，所述忆阻器电压取值放大模块包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与点h相连接，第二输入端与点i相连接。

进一步地，所述忆阻器电压取值放大模块包括运算放大器a3、运算放大器a4、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12和电阻r13；

其中，运算放大器a3的正向输入端a3+通过r7与第一输入端相连接，运算放大器a3的负向输入端a3-通过r8与第二输入端相连接，运算放大器a3的正向输入端a3+与电阻r7之间引出一点j，点j通过电阻r10接地，运算放大器a3的负向输入端a3-与电阻r8之间引出一点k，点k通过电阻r9与运算放大器a3的输出端out3相连接；运算放大器a3的输出端out3通过电阻r11与运算放大器a4的正向输入端a4+相连接；

所述运算放大器a4的正向输入端a4+与电阻r11之间引出一点l，点l通过电阻r18接地，运算放大器a4的负向输入端a4-通过电阻r12接地，运算放大器a4的负向输入端a4-与r12之间引出一点m，点m通过电阻r13与运算放大器a4的输出端out4相连接。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明通过使用忆阻器的记忆效应来实现气体累积流量的测量。本发明根据热平衡原理，热线电流产生的热量应与气体流动带走的热量相等。流经热线电阻气体流速的变化，引起流过热线和忆阻器的电流的变化，从而热线电阻能将气体流速信息转换成电流信息，测量系统中的电流随着气体流速的变化而变化，另外基于忆阻器的记忆效应，忆阻器的阻值能反应流过自身的电流从过去到当前时刻的积分情况，将忆阻器应用到气体累积流量测量系统中，从而实现了对气体累积流量的测量，且能完成不稳定流速情况下长时间的持续测量；

(2)本发明利用忆阻器的阻值变化实现了对气体累积流量的测量，不需要后期的运算电路或者处理器，忆阻器是一种无源器件，因此功耗低，且结构简单；

(3)本发明中的忆阻器关态与开态电阻差值很大，而且增加忆阻器的数量，能使气体累积流量测量系统具有更大的测量范围和更高的灵敏度。

附图说明

图1为气体累积流量测量系统的系统框图；

图2为气体流速换能器阻值稳定电路示意图；

图3为忆阻器电压取值放大电路示意图；

图4为气体累积流量测量系统的整体电路示意图；

图5为气体累积流量与忆阻器mf阻值的关系曲线；

图6为气体累积流量与电压取值放大电路中放大器a3输出端out3输出电压的关系曲线；

图7为气体累积流量与电压取值放大电路中放大器a4输出端out4输出电压的关系曲线。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明根据热平衡原理，热线电流产生的热量应与气体流动带走的的热量相等，气体流速的变化，引起流过热线和忆阻器的电流的变化，忆阻器的阻值能反应流过自身电流的变化情况，因此可利用其阻值来表征气体流速在一段时间内的积分值，结合管道的横截面积，从而实现了对气体累积流量的测量。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例提供了一种基于忆阻器的气体累积流量测量系统，如图1所示，包括气体流速换能器、忆阻器模块、忆阻器电压取值放大模块和换能器阻值稳定模块；所述气体流速换能器依次与忆阻器模块、换能器阻值稳定模块组成回路，所述忆阻器电压取值放大模块与忆阻器模块相连接；

忆阻器模块包括正向忆阻器组mf和负向忆阻器组mr，所述正向忆阻器组mf和负向忆阻器组mr串联连接，所述正向忆阻器组mf包括n个忆阻器mf1，所述n个忆阻器mf1串联连接，所述负向忆阻器组mr包括n个忆阻器mr1，所述n个忆阻器mr1串联连接，n为大于等于1的自然数。

本实施例中n个忆阻器mr的工作状态相同，n个忆阻器mf的工作状态相同，但正向忆阻器组和反向忆阻器组的工作状态相反。

另外，本实施例总的所有忆阻器均为电阻型忆阻器。

在一种实施方式中，气体流速换能器为热线电阻rw，热线电阻rw的一端与正向忆阻器组串联连接，热线电阻rw的另一端接地。

在一种实施方式下，换能器阻值稳定模块包括运算放大器a1、运算放大器a2、可调电阻r1、可调电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、直流电压源u1、直流电压源u2、单刀双掷开关s；

其中，所述运算放大器a1的输出端out1通过电阻r14与运算放大器a2的正向输入端a2+相连接，运算放大器a1的正向输入端a1+通过电阻r5接地，运算放大器a1的正向输入端a1+与电阻r5之间引出一点a，点a依次通过电阻r3、可调电阻r1与负向忆阻器组串联连接，电阻r3与可调电阻r1之间引出一点b，点b通过可调电阻r2接地，运算放大器a1的负向输入端a1-通过电阻r6与运算放大器a1的输出端out1相连接，运算放大器a1的负向输入端a1-与电阻r6之间引出一点c，正向忆阻器组与热线电阻rw之间引出一点d，点c通过电阻r4与点d相连接；

所述运算放大器a2的正向输入端a2+与电阻r14之间引出一点g，点g通过电阻r16接地，运算放大器a2的输出端out2与负向忆阻器组相连接，运算放大器a2的输出端out2与负向忆阻器组之间引出一点e，点e与通过电阻r17与运算放大器a2的负向输入端a2-相连接，电阻r17与运算放大器a2的负向输入端a2-之间引出一点f，点f通过电阻r15与单刀双掷开关s相连接；当单刀双掷开关s中的s1接通时，点f通过电阻r15与直流电压源u1相连接；当单刀双掷开关s中的s2接通时，点f通过电阻r15与直流电压源u2相连接。

在本实施例中，当气体累积流量测量系统处于测量模式时，如图2所示，单刀双掷开关s通过接s1端与直流电源u1相连；当气体累积流量测量系统处于重置模式时，如图2所示，单刀双掷开关s通过接s2端与直流电源u2相连。本实施例中通过单刀双掷开关s来切换直流电压源u1和直流电压源u2。

本实施例中正向忆阻器组mf与负向忆阻器组mr之间引出一点h，正向忆阻器组mf与热线电阻rw之间引出一点i，所述忆阻器电压取值放大模块包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与点h相连接，第二输入端与点i相连接。

所述忆阻器电压取值放大模块包括运算放大器a3、运算放大器a4、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12和电阻r13；

其中，运算放大器a3的正向输入端a3+通过r7与第一输入端相连接，运算放大器a3的负向输入端a3-通过r8与第二输入端相连接，运算放大器a3的正向输入端a3+与电阻r7之间引出一点j，点j通过电阻r10接地，运算放大器a3的负向输入端a3-与电阻r8之间引出一点k，点k通过电阻r9与运算放大器a3的输出端out3相连接；运算放大器a3的输出端out3通过电阻r11与运算放大器a4的正向输入端a4+相连接；

所述运算放大器a4的正向输入端a4+与电阻r11之间引出一点l，点l通过电阻r18接地，运算放大器a4的负向输入端a4-通过电阻r12接地，运算放大器a4的负向输入端a4-与r12之间引出一点m，点m通过电阻r13与运算放大器a4的输出端out4相连接。

本实施例中可调电阻r1的阻值与忆阻器单元总阻值相等，电阻r2为可调电阻，其阻值为热线电阻rw的阻值乘以过热比，电阻r3与电阻r4的阻值相等，电阻r5与电阻r6的阻值相等，电阻r7与电阻r8的阻值相等，电阻r9与电阻r10的阻值相等，电阻r14与电阻r15的阻值相等，电阻r16与电阻r17的阻值相等，电阻r11与电阻r12的阻值相等，电阻r13与电阻r18的阻值相等。

气体流速换能器的单刀双掷开关s接直流电压源u1，测量系统处于测量模式，气体累积流量的测量开始。根据热平衡原理，热线电流产生的热量应与气体流动带走的热量相等。气体流速的变化，引起流过热线和忆阻器的电流的变化。忆阻器单元中所有忆阻器的阻值随着流过电流和时间的变化而变化，其中，忆阻器mf阻值逐渐增大，忆阻器mr阻值逐渐减小，因为忆阻器mf和忆阻器mr工作状态相反，忆阻器单元总阻值保持不变。断开开关s，气体累积流量的测量结束。节点3与节点4之间的电压差即为忆阻器mf的电压，忆阻器电压取值放大电路将此差值放大，通过out4的输出电压，即可得到测量过程中，管道内流过的气体累积流量的值。

将单刀双掷开关s直流电压源u2相连，测量系统处于重置模式，忆阻器mf的阻值逐渐减小，mr的阻值逐渐增大，直到它们的阻值恢复到初始状态，断开单刀双掷开关s，就完成了忆阻器的重置。直流电压源u2的输出电压大于u1的输出电压，使得忆阻器的重置能够很快完成。

本实施例中的热线电阻rw为镀铂钨丝，半径为10um、长度为2cm，考虑误差后，阻值为22ω。本实例中，测量系统电路中的忆阻器选择tio2/tio2-n忆阻器，忆阻器数量n为1，即忆阻器mf只包含mf1，mr只包含mr1。tio2/tio2-n忆阻器开态电阻ron为100ω，关态电阻roff为16kω，活动区厚度d为10nm，掺杂物平均迁移率μ为10-14m2/(v·s)。本实施例中，u1为2v，u2为6v。r1为16.1kω，r2为30ω。r3、r4、r7、r8、r11、r12、r14、r15、r16和r17为1kω，r9、r10、r13和r18为5kω，r5和r6为50kω。

气体累积流量测量系统的测量环境为内径为0.6m的圆管道，管道内横截面积s为1.1304m²。气体为温度为300k的空气。热线电阻rw放置于管中心轴线上，并与气流方向垂直。

气体累积流量测量过程中，忆阻器mf的阻值从3.28kω到16.00kω，a3输出电压out3为1.04v到5.08v，a4输出电压out4为5.21v到25.44v。当管中心气体流速为20m/s时，气体累积流量测量系统的测量范围为0～270m3，out4的输出电压为最终输出，则测量系统的灵敏度为74.9mv/(lx·s)如图5-7所示。

工作原理：

根据热平衡原理，热线电流产生的热量应与气体流动带走的的热量相等。气体流速的变化，引起流过热线和忆阻器的电流的变化。热线电流与流经热线的气体流速之间的关系为

式中，iw为流过热线的电流，a和b是与热线电阻有关的参数，rw为热线的实际电阻，rf为气体温度为tf时热线的电阻值，ɑf为电阻温度系数。

忆阻器单元与热线电阻串联，流经忆阻器单元的电流亦为iw。忆阻器的阻值能反应流过自身电流的变化情况，因此可利用其阻值来表征气体流速在一段时间内的积分值，结合管道的横截面积，从而实现了对气体累积流量的测量。

气体累积流量测量过程中，忆阻器mf的阻值不断增大，mr的阻值不断减小，流经热线电阻和忆阻器单元的电流随着管中心气体流速的变化而变化，节点i电压vi为

vi＝iwrw

式中，iw为流经热线电阻和忆阻器的电流。

节点h电压vh为

ron为忆阻器的开态电阻，roff为忆阻器的关态电阻，μ为忆阻器中掺杂物的平均迁移率，d为忆阻器中掺杂区和非掺杂区的总厚度，iw为流经热线电阻和忆阻器的电流。

经由运算放大器a3，电阻r7、r8、r9和r10组成的信号取差信号单元电路的处理，输出的电压out3为节点电压vh与vi的差值的5数，及忆阻器mf上电压的倍数。在图2中，其中忆阻器mf的阻值增大，使得vh显著增大，而vi基本不变，从而增大了电压信号的反应灵敏度。

由运算放大器a4，电阻r11、r12、r13和r18，将a3的输出电压out3放大为out4，以方便后续对电压差信号的处理，放大倍数为r18/r12。

气体累积流量的测量开始后，节点电压vi小于vh，信号取差单元输出的电压信号out3节点电压为vh与vi电压差的5倍，从约1.04v增加到5.08v。经过信号放大单元电路的放大，设忆阻器mf上的电压为vmf，最终输出电压信号out4为

由上式可以看出，忆阻器mf上的电压经过了两次放大，每次放大5倍，out4的输出电压为忆阻器mf电压的25倍，这样有利于放大mf阻值信息的变化情况，提高测量系统的灵敏度。

综上所述，基于热平衡原理和忆阻器的记忆效应，使用忆阻器的阻值变化表征气体累积流量的大小，并将忆阻器阻值信号转变为电压信号，并进行了两次放大，利于输出信号的处理，提高气体累积流量测量的精度和灵敏度。