专利名称：测温式流速流量测量的方法和测温式流速流量计电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对流体的测温式流速流量测量的方法和测温式流速流量计电路，特别适用于煤气、天然气、自来水等用智能化控制的流速和流量的测量。
随着人们在生活和工作中，对水、气等流体控制的智能化水平的提高，流量计的要求随之也不断增加，出现了多种用电阻的温度感应变化采集流体的流量和流速的数据的流量计。如目前广泛应用于汽车行业中的铂丝流量传感器，利用电源对铂丝加热后，气流通过铂丝致使铂丝温度降低，铂丝组成的电桥失衡，为保证电桥的平衡不断地对铂丝增大电流，再通过对电流的数据采集、换算得到气流的流量和流速。在北京理工大学出版社2000年7月出版的《汽车用传感器》(作者董光军)中，第53页第三章的3.3“空气流量传感器”一节介绍的一种“热丝式空气流量传感器”就是属于上述的流量传感器技术。
另外1989年3月22日公告的CN2034684U的中国实用新型专利说明书就公开了一种“全电子气体流量计”，它采用旁热式热敏电阻在气流中的温度变化，引起电路电桥失衡，从而对气体的温度进行检测。采用这种流量计在测量过程中需要对热敏电阻不断加一个电流，才能保证电桥的平衡，因此耗电量很大，成本高。
为克服以上缺点，本发明的目的在于提供一种利用热物体温度下降与流体流速之间的规律，对流体的流速和流量进行测量的方法，同时还提供了实现该方法的电路。
本发明是这样实现的测温式流速流量测量的方法，包括测量电阻，利用时间记数电路测量出经加温后的测温电阻在流体中的温度下降的降温曲线，从而确定流体的流速和流量。
测温电阻的加热方式为周期性间断加热和周期性测量。
测温式流速流量测量的方法，包括以下步骤(1)、通过电源对测量电阻R4加热，使R4的温度高于流体温度；(2)、对R4-C电路的C进行充电，直至C充满，C的电压UC＝电源U0；(3)、R4-C电路进行放电，同时时间记数电路进行时间记数，测得C的电压UC从某一设定值降到另一设定值所需的时间t；
(4)、根据UC/U0＝e(-t/RC)的函数关系，求得R4的电阻值R，通过T＝f1(R)的函数关系得到R4的瞬间温度T；(5)、间隔一定时间Δt1后重复上述步骤，得到R4在另一时间的温度，从而得到R4的温度T随时间t的变化曲线；(6)、根据流体流速V＝f2(ΔT)的函数关系，求得流体的流速和流量。
在上述的测温式流速流量测量的方法中，还可以包括以下步骤(1)、对R3-C电路的C进行充电，直至C充满，C的电压UC＝电源U0；(2)、C通过R3-C电路的进行放电，同时时间记数电路进行时间记数，测得C的电压UC从某一设定值降到另一设定值所需的时间t；(3)、根据UC/U0＝e(-t/RC)的函数关系，求得R3的电阻值R，通过T＝f1(R)或R3的电阻值与流体的湿度的函数关系得到R3的瞬间温度T或湿度参数；(4)、通过测得的R3温度或湿度参数对R4的冷却曲线进行修正补偿。
一种采用上述方法的测温式流速流量计电路，其特征在于由一个单片机组成的测温式流速流量计电路，电源联结在单片机的电源输入端口，测量电阻R4的一端联结在单片机的端口上，测量电阻R4的另一端联结在标定电容C的一端，标定电容C的另一端接地，R4和C组成R4-C测量电路。
还可以将补偿电阻R3的一端联结在单片机的端口上，R3的另一端同R4的一端相连并共同接在标定电容C的一端，R3和C组成R3-C补偿电路。补偿电阻R3为温敏电阻或/和湿敏电阻，每个补偿电阻一端联结在标定电容C上而另一端分别接在单片机上的相应端口上。
另外标定电阻R2的一端联结在单片机的端口(21)上，R2的另一端同R4、R3的一端相连并共同接在标定电容C的一端，R2和C组成R2-C电路。
测温电阻R4采用旁热式加热或直热式加热。
采用本发明的测温式流速流量计，由于当无流体流过时，电路处于休眠状态，加热电阻处于间断式的加热，因此耗电量很小，节约大量电能。而且测温电阻采用高灵敏度热敏电阻，可以大幅度提高测量精度，其精度可达到1％-1‰。本发明的还具有结构简单、成本低、不易损坏、安全可靠的优点。
另外采用本发明的流量计因为具有小温差测量的特点，因此可以采用干电池作为电源，具有防雷、抗干扰、便于携带、安装使用方便的优点。
下面结合附图和测量方法对本发明进行详细说明。
图1是本发明测温式流速流量计实施例的结构示意图，图2是图1的I-I的局部放大图，图3是本发明测温式流速流量计的电路方框图，图4是采用本发明测温式流速流量测量的方法的测量电阻R4温度变化曲线，图5是采用本发明测温式流速流量测量的方法的另一种测量电阻R4温度变化曲线，图6是补偿电阻R3温度变化曲线。
本发明的原理是流体流过热物体时，带走热物体的热量，使它冷却，温度降低，流体速度越大物体冷却的越快。通过测出热物体随时间的冷却规律，也就是测得了流体流速的大小，再经过电脑处理，就可以得到流体流速的具体值，当管道内径截面积不变时，流体的流速和流量成正比，由此就可以测得流体的流速和流量。而在本发明中热物体为高灵敏度测量电阻R4，R4的温度变化受流体流速大小的影响而具有一定的规律。通过对R4-C电路的C放电过程中瞬间电压UC与放电时间t的测定，由UC/U0＝e(-t/RC)的公式经单片机数字处理计算出R4的电阻值，在间隔一定的时间Δt后反复多次测量R4的电阻值，根据T＝f1(R)得到其温度T的变化曲线，流体的流速V又与R4的温度T变化成函数关系，即V＝f2(ΔT)，通过流速再计算出流量，从而达到本发明的计量目的。
图1是本发明的测温式流速流量计的一种实施例的结构图。流体的管道通路由进口管1、出口管3和中间管5组成。在进口管1上配置有控制阀2。控制阀2采用手动阀、电磁阀等，对整个管道的流体开启、关闭和流量进行控制。在中间管5的管道密封内径中，设置有一个补偿电阻8，补偿电阻8与外接的控制系统的的单片机联结；在中间管5的管道内径中，还设置有一个测温组件6，该测温组件6如图2所示，由前端的加热电阻9和测量电阻10构成并被可靠的封装成一个组件，而且测温组件与控制系统的的单片机联结。其中补偿电阻8和测量电阻10采用高灵敏度热敏电阻，单片机可以采用美国德克萨斯仪器公司的MSP430F-1121系列的单片机。电源采用电池7，另外在流量计上还配置有显示器4。
在图3所示的电路中，R1-加热电阻、R2-标定电阻、R3-补偿电阻、R4-测量电阻、R5-电源回路电阻、R6-排阻、C-标定电容、4-显示器、7-电源、11-晶振、12-单片机。
由图3所示，单片机12具有多个输入、输出接口；电源7联结在单片机12的电源接口上，电源回路电阻R5的一端联结在电源7上，R5的另一端联结在单片机12的另一接口上；LCD的DATA、WR、CS三个接头分别接在单片机12的三个输出接口上；R1的一端接在单片机12的接口上，另一端接地；R2、R3、和R4的一端分别联结在单片机12的相应接口上，R2、R3和R4的另一端共同联结在C的一端，C的另一端接地；R2和C组成的R2-C电路为测量电压的标定电路，R3和C组成的R3-C电路为补偿电路，R4和C组成的R4-C电路为测量电路。晶振11的两端分别接在单片机的相应端口上，利用晶振11稳定、精确的振荡频率作为测量时间的时间记数电路，也可以采用其他具有震振荡、脉冲功能的电路作为时间计数电路。另外单片机还可以留有信号输出端口13、阀门控制端口14等。C是稳定的电容。R2采用精密电阻。R6是单片机12应用中常见的排阻。
在没有流体流过管道时，单片机12处于休眠状态。当流体由进口管1通过控制阀2进入管道，由其它另设的检测元件获得信号后唤醒单片机12，单片机系统进入工作状态。其具体的测量步骤和作用为1、由电源经单片机提供的电压U0使R1加热，从而使R4的温度上升到TR，TR＞T0，(其中T0为流体的温度)电源断电。
2、当R1断电后，由电源经单片机提供的电压对R4-C电路的C进行充电，直到C的电容电压达到U0，然后对R4-C的电路断电。
3、当R4-C电路断电后，C在R4-C电路放电，C的电压UC由U0开始下降，根据单片机自身的数字处理功能，当UC1/U0＝A时，单片机开始记数，直到UC2/U0＝B时为止，单片机测出UC/U0的比值从A到B的时间t0，C继续放电直到放电完成，整个C的放电过程极短。(UC1和UC2为UC下降过程中的实际电压，A、B的值根据需要由单片机确定，可以按A＝0.75 B＝0.25)4、根据UC/U0＝e(-t/RC)的关系，经单片机数字处理采集得到的数据求出R4的电阻值R，再通过T＝f1(R)的函数关系测得如图4中所示的R4的瞬间温度T1。
5、在间隔一定的时间Δt1，如2秒后，重复上述的2、3、4步骤又求得R4的另一瞬间温度T2，如此循环的测量，又可以不断的求的R4的瞬间温度T3、T4、T5……，直到R4的温度降到T0或设定的温度界限Tc，从而得到如图4所示的R4的温度曲线。
6、根据V＝f2(ΔT)的函数关系，就可以求得流体在R4第一次加温-冷却周期内的流速和流量，完成对流体流速和流量的测量。
7、当R4的温度降到T0或设定的温度界限Tc后一定的时间Δt2，重新按以上的步骤对R4的电阻值和温度进行测量，第二次求得R4的温度曲线，并求得流体的流速和流量。如此循环重复就可以在流体流动的整个过程中不断的测量其流速和流量，还可以检测到流体流速和流量的波动，监控流体流速和流量的变化。
采用以上的测量方法，由于放电时间只与电容C上的电压UC比值有关，而同电源电压U0大小无关，所以排除了因电源电压U0的波动引起的误差。
本发明的测温式流速流量测量的方法，还可以采用另一种测量方法和步骤得到如图5所示的R4降温曲线1、由电源经单片机提供的电压U0使R1加热，从而使R4的温度上升到TR，TR＞T2＞T1＞T0(其中T2为设定检测上限温度，T1为设定检测下限温度，T0为流体温度)，电源断电。
2、由电源提供的电压U0加在R2-C电路上，对C充电，当C充满即UC＝U0后断电，再通过C在R2-C电路放电，单片机开始记数，直到C放完，单片机计数终止。由于R2和C为已知的标定值，以及晶振得到的时间记数t，根据UC/U0＝e(-t/RC)，测出实际的电压值为U。
3、当R2-C电路断电后，由电源经单片机提供的电压对R4-C电路的C进行充电，直到C的电容电压达到U，然后对R4-C的电路断电。
4、当流体流过R4的表面时，由于TR＞T0的原因，致使R4的温度下降到T2时，单片机开始进行时间记数，此时R4-C电路的C开始放电，C的电压为UC＝U，当C放完电后，C的电压UC＝0，由单片机的时间记数得到C的放电时间t。
5、根据UC/U＝e(-t/RC)的关系，通过已知的C的电容值和时间t，经单片机数字处理得到采集的数据求出R4的电阻值R，再通过T＝f1(R)的函数关系测得如图5中所示的R4的瞬间温度T2。
6、在经过设定的时间Δt1，如3秒后，重复上述的3、4、5步骤又求得R4的另一瞬间温度T3。如此循环的测量，又可以不断的求的R4的瞬间温度T4、T5、T6……，直到R4的温度到T1，从而得到如图5所示的R4的温度曲线。
7、根据V＝f2(ΔT)的函数关系，就可以求得流体的流速和流量，完成对流体流速和流量的测量。
8、当R4的温度降到T0或在设定的间隔时间Δt2后，重新按以上的步骤第二次求得R4的温度曲线，并对流体的流速和流量进行的测量。如此循环重复也可以在流体流动的整个过程中不断的测量其流速和流量。
在上述的两种实施方法中，R4采用的是R1的旁热式加热方法，也可以取消R1，而通过电源电压直接对R4进行直热式加热，也能满足本发明的测量方法。
为了消除在整个测量过程中由于流体温度、湿度变化对测量精度的影响，加设的补偿电阻R3可以不断的提供其修正补偿值。R3由于处在流体中，而且R3采用的是温敏电阻，因此R3的温度与流体的温度密切相关，具体的步骤如下在上述两种测量方法中，当每一次R4-C电路中的C放电完毕，测量结束后与下一次测量的间隔时间Δt1内(如图5和图6所示)，由电源经单片机提供的电压对R3-C电路的C进行充电，根据UC/U0＝e(-t/RC)的关系，采用与R4-C电路测量R4的电阻值相同的方法，只是不对R3进行加热，经单片机数字处理得到采集的数据求出R3的电阻值R，再通过T＝f1(R)的函数关系测得如图6中所示的R3的瞬间温度T，通过R3的温度可以测得在不同时间流体的温度变化，再通过单片机在对R4的温度进行数字处理时不断修正补偿。根据同样的原理，R3也可以采用湿敏电阻，测出R3的电阻值R后，按R与流体湿度的相关函数关系，求得流体的湿度变化值并对R4的温度进行补偿。R3还可以同时采用温敏电阻和湿敏电阻对R4进行补偿。
当然R3-C的补偿电路也可以在R4-C测量电路进行测量前对流体的温度和湿度前期测量，其测量值作为R4的测量值的补偿值。
采用本发明的方法和电路，由于在R4测量过程中与电源电压的波动无关，同时采用了补偿电阻R3，共同使用了同一个测量电容C，因此测量精度极高，经实验检测可达到1％-1‰，甚至更高。
权利要求
1.一种测温式流速流量测量的方法，包括测量电阻，其特征在于利用时间记数电路测量出经加温后的测温电阻在流体中的温度下降的降温曲线，从而确定流体的流速和流量。
2.如权利要求1所述的测温式流速流量测量的方法，其特征在于测温电阻的加热方式为周期性间断加热和周期性测量。
3.如权利要求1所述的测温式流速流量测量的方法，包括以下步骤(1)、通过电源对测量电阻R4加热，使R4的温度高于流体温度；(2)、对R4-C电路的C进行充电，直至C充满，C的电压UC＝电源电压U0；(3)、R4-C电路进行放电，同时时间记数电路进行时间记数，测得C的电压UC从某一设定值降到另一设定值所需的时间t；(4)、根据UC/U0＝e(-t/RC)的函数关系，求得R4的平均电阻值R，通过T＝f1(R)的函数关系得到R4的瞬间温度T；(5)、间隔一定时间Δt1后重复上述步骤，得到R4在另一时间的温度，从而得到R4的温度T随时间t的变化曲线；(6)、根据流体流速V＝f2(ΔT)的函数关系，求得流体的流速和流量。
4.如权利要求2所述的测温式流速流量测量的方法，还包括以下步骤(1)、对R3-C电路的C进行充电，直至C充满，C的电压UC＝电源电压U0；(2)、C通过R3-C电路的进行放电，同时时间记数电路进行时间记数，测得C的电压UC从某一设定值降到另一设定值所需的时间t；(3)、根据UC/U0＝e(-t/RC)的函数关系，求得R3的电阻值R，通过T＝f1(R)或R3的电阻值与流体的湿度的函数关系得到R3的瞬间温度T或湿度参数；(4)、通过测得的R3温度或湿度参数对R4的冷却曲线进行修正补偿。
5.一种测温式流速流量计电路，其特征在于由一个单片机组成的测温式流速流量计电路，电源联结在单片机的电源输入端口(11、12)，测量电阻R4的一端联结在单片机的端口(18)上，测量电阻R4的另一端联结在标定电容C的一端，标定电容C的另一端接地，R4和C组成R4-C测量电路。
6.如权利要求4所述的测温式流速流量计电路，其特征在于补偿电阻R3的一端联结在单片机的端口上，R3的另一端同R4的一端相连并共同接在标定电容C的一端，R3和C组成R3-C补偿电路。
7.如权利要求5所述的测温式流速流量计电路，其特征在于补偿电阻R3为温敏电阻或/和湿敏电阻，每个补偿电阻一端联结在标定电容C上而另一端分别接在单片机上的相应端口上。
8.如权利要求4所述的测温式流速流量计电路，其特征在于标定电阻R2的一端联结在单片机的端口(21)上，R2的另一端同R4、R3的一端相连并共同接在标定电容C的一端，R2和C组成R2-C电路。
9.如权利要求5所述的测温式流速流量计电路，其特征在于测温电阻R4采用旁热式加热或直热式加热。
全文摘要
本发明公开了一种对流体的测温式流速流量测量的方法和测温式流速流量计电路，特别适用于煤气、天然气、自来水等用智能化控制的流速和流量的测量。该方法包括测量电阻，并利用时间记数电路测量出经加温后的测温电阻在流体中的温度下降的降温曲线，从而确定流体的流速和流量。同时还提供了实现该方法的电路。采用本发明的流量计，耗电量很小，节约大量电能，其精度可达到1％－1‰，还具有防雷、抗干扰、安装使用方便的优点。
文档编号G01F1/68GK1392393SQ0110854
公开日2003年1月22日 申请日期2001年6月19日 优先权日2001年6月19日
发明者张彰 申请人:张彰, 刘浩军