基于可调恒流源的热式气体质量流量计用传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型属于流量测量技术领域，涉及一种气体质量流量计。
【背景技术】
[0002] 热式气体质量流量计为直接式质量流量计，具有测量范围宽、压损小、可靠性高、 可测量混合气体、适用于各种管道和过载无损害等诸多优点，得到了广泛应用 [1]。当前，热 式气体质量流量计的研究主要集中在四个方面:一是温度技术补偿研究；二是传感器设计 研究，采用不同的材料和加工工艺来保证测量的准确性和可靠性;三是测量方法与数据处 理研究 [2]，在保证测量分辨率和精度的前提下，对采集的数据进行处理；四是传感器建模研 究，若能得到传感器的对应模型，则可有效地提高测量精度且减小测量难度。
[0003] 综上所述，人们更多的是关注传感器的设计以及软件算法的补偿，而测量方式大 部分是基于恒温差式或者恒功率式。恒温差式主要有两个缺点:一是采用惠斯通电桥结构， 环境温度发生变化时就会影响电桥平衡，表现为零点不稳以及小流量精度无法保证，必须 附加相应的温度补偿电路;二是流量上限受到限制，随着流量的不断增大，加热功率也相应 增大，加热功率过大时就会增加电路设计的难度同时影响电路的稳定性。恒功率式的主要 缺点在于测量小流量时采用较大的加热功率，测温探头和测速探头之间的自然对流换热不 能忽略，无法保证小流量的测量精度，同时功率控制算法具有一定的滞后性，影响测量的灵 敏度。
[0004] 热式质量流量计是根据传热原理进行流量测量的，其热量的主要传递方式为热对 流。热对流指的是流体在流动的过程中，由于冷热分布存在差异，冷热流体相互接触而产生 热量传递的过程。对流传热又分为自然对流和强制对流两大类，由于流体内部各部分密度 不同而引起的流动为自然对流;流体在外力作用下产生的流动为强制对流。当流体流速较 大时，自然对流、热辐射、热传导都可以忽略不计。但是当流体流速较小时，自然对流传热就 不能忽略了。对流传热的基本公式为牛顿冷却公式：
[0005] Q = hA(Tw-Tc) (1)
[0006] Q为单位时间内的热流量，W;h为表面传热系数，W/(m2*k);A为换热面积，m2;T w为物 体壁面的温度，在热式流量计中为测速探头温度，K; TC为流体温度，K。
[0007] 热式流量计对测速探头加热，其发热量为：
[0008] Q = 4i?w m
[0009] IW表示测速探头的加热电流，A;RW表示测速探头的电阻值，Ω。
[0010] Roger C Baker在《Flow measurement handbook》一书中给出式（1)中hA可以表不 为：
[0011] hA=Ai+Bi(qm)0·5 (3)
[0012] 则可得流量计算公式：
[0013]
[0014] 式中:Ai、为常数，由流量实验装置标定得出。
[0015] 热式质量流量计主要分为恒温差式和恒功率式。当流体流量较小或者为零时，如 果加热电流过大就会导致测速探头过热，进而使周围环境温度明显上升，那么测速探头和 测温探头之间的自然对流传热就不可忽略；当流体流量较大时，如果加热电流过小，流体带 走热量过多，使得测温探头和测速探头之间的温差很小，导致探头对流量的变化不敏感。针 对以上问题，要忽略自然对流传热的影响，在保证一定量程比的前提下不涉及复杂的控制 算法，并且适当提高仪表的反应速度。
[0016] 专利申请CN201410301881.0给出了一种恒流法热式气体质量流量计并给出了其 测量方法。
[0017] 参考文献
[0018] [ 1 ]王利恒，李昌禧.热式气体流量计温度补偿研究[J].传感技术学报.2008，21 (8):1379-1382
[0019] [2]文小玲，刘翠梅，易先军，等.铂电阻测温的非线性补偿算法分析[J].传感器与 微系统.2009,28(8) :33-36 【实用新型内容】
[0020 ]本实用新型对现有技术进行改进，提出一种可以拓宽热式质量流量计流量计量范 围的传感器。
[0021 ]本实用新型的技术方案如下：
[0022] -种基于可调恒流源的热式气体质量流量计用传感器，包括恒流源模块、传感器 信号输出模块，所述的传感器信号输出模块包括测速探头铂热电阻Rw、测温探头铂热电阻 Rc、与测速探头铂热电阻Rw串联的基准电阻与测温探头铂热电阻Rc串联的基准电阻Rb， 根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，其特征在于，所述的恒流 源模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流I。恒流源和一个为测速探头提供可调 驱动电流I w的可调恒流源。
[0023] 可调恒流源可以采用美国Burr-Brown公司推出的XTR110芯片，将引脚8外接一个 可调电阻，通过调节此电阻得到所需的电流。
[0024]本实用新型采用对测速探头恒流供电的方式进行流量测量而且不同流速点下对 测速探头设定不同的加热电流来进行流量测量，以使流量计工作在更宽的流量范围。
【附图说明】
[0025]图1本实用新型的传感器适用的热式气体质量流量计的整机电路原理框图。
[0026] 图2典型应用电路图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本实用新型进行说明。
[0028] 采用本实用新型的传感器的质量流量计，其整机电路原理如图1所示。
[0029]整机分为传感器信号输出模块、恒流源模块、电压源模块、主控单元及其外围模 块、A/D模块、信号调理模块。Re为测温探头的阻值，由此可知气体介质温度Tc;Rw为测速探头 的阻值，由此可知测速探头温度Tw; Ra、Rb为基准电阻，阻值100 Ω，精度0.01 %，温漂5ppm。
[0030]
[0031]
[0032] 基准电阻的设定有效地减小了恒流源波动对实验结果的影响。采用24位的AD7193 芯片进行模数转换，其分辨率为〇. 298μν，通过SPI通讯将采样结果传递给430单片机，充分 保证了采样精度。在单片机内实现信号处理、参数设定、模型计算等任务，最终通过液晶、 485以及脉冲信号三种方式进行输出。同时考虑抗干扰和电路的稳定性，加入了看门狗保护 电路和掉电保护电路。
[0033] 整机的关键是为测速探头供电的可调恒流源。
[0034]本实用新型采用美国Burr-Brown公司推出的XTR110。该芯片内部由电压电流转换 模块、电流/电流变换模块、精密电阻网络模块和精密+ 10V电压基准模块等组成。图2为其典 型应用电路，其输出电流为：
[0035]
(7)
[0036] 将引脚8外接一个可调电阻，通过调节此电阻得到所需的电流。
[0037] 实验标定结果如表1所示，量程比达到100,精度满足基本1.0%，只在最小流量点 时精度为1.5%。
[0038]表1各段加热电流下的标定数据
[0039] Tab 1 The calibration data under different heating current
[0040]
【主权项】
1. 一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计用传感器，包括恒流源模块和传感器信 号输出模块，所述的传感器信号输出模块包括测速探头铂热电阻Rw、测温探头铂热电阻Rc、 与测速探头铂热电阻Rw串联的基准电阻与测温探头铂热电阻Rc串联的基准电阻R b，根 据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，其特征在于，所述的恒流源 模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流I。恒流源和一个为测速探头提供可调驱 动电流I w的可调恒流源。2. 根据权利要求1所述的热式气体质量流量计用传感器，其特征在于，可调恒流源采用 美国Burr-Brown公司推出的XTR110芯片，将引脚8外接一个可调电阻，通过调节此电阻得到 所需的电流。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计用传感器，包括恒流源模块和传感器信号输出模块，所述的传感器信号输出模块由测速探头铂热电阻、测温探头铂热电阻、与测速探头铂热电阻串联的基准电阻及与测温探头铂热电阻串联的基准电阻，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，所述的恒流源模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流恒流源和一个为测速探头提供可调驱动电流的可调恒流源。采用本实用新型的流量计具有测量准确，计量范围广的特点。
【IPC分类】G01F1/86
【公开号】CN205175478
【申请号】CN201520741791
【发明人】张涛, 徐英, 吴海涛
【申请人】天津大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年9月21日