专利名称：基于msp430的多传感器热式气体流量测量电路的制作方法
技术领域：
本发明属于流体检测技术领域，涉及一种基于MSP430的多传感器热式气体流量测量电路，适用于新型的低功耗热式气体质量流量检测仪表。
背景技术：
热式气体流量计是一种基于加热传感元件对流传热原理，直接式质量流量计，主要应用于气体质量流量的测量。该仪表具有压损小，无可动部件，高精度，宽量程比，高重复性和高可靠性，能够对极低流速进行检测和控制等优点。因而广泛应用于航天、航空、医学、能源、环保、汽车工业、电厂以及气体管道运输等行业。它的基本原理是在测量气体管道中放置由电流加热的发热元件，当气体流动时将会从发热元件上带走部分热量使得发热元件被冷却，其阻值随着气体流速的变化而发生变化。在电路中，阻值的变化反映了电流的变化。因此，通过对气体流速与电流建立的函数关系就可以实现对管道内气体流量的测量。 在大中型管道的传输中，测量管道内复杂的气体流场分布对测量结果会产生一定的影响，另外，为了使流场分布更加充分发展，检测仪表对表前直管段要求很高。针对上述问题，采用多传感器多路测量能有效解决该问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种热式气体流量测量电路。本发明解决技术问题所采取的技术方案为
本发明以组合热膜探头作为气体流量传感器，测量电路主要由四个部分组成，分别是反馈电路、四路传感元件连接而成的电桥传感器、电压转换电路和微处理器模块。反馈电路由运算放大器、限流电阻和三极管连接而成，电桥电路是由精密电阻、测温电阻和速度探头电阻连接的电桥电路，传感器的输出电压信号接入电压转换电路的差分模拟输入端，单片机的IO端口与AD芯片的接口相连。本发明通过结合测量气体管道内流场分布的特点，采用多传感器融合算法，消除了测量中的介质温度和流场分布不规则对测量结果的影响，实现温度的完全补偿，进而提高了测量精度；信号处理电路采用了集成芯片，有效减小了噪声干扰；利用此测量电路的流量计测量减小了直管段的长度，具有高精度、高量程比的优点。本发明的测量元件结合反馈电路，采用功率消耗测量法测量管道气体的质量流量。控制部分采用超低功耗的MSP430单片机，可以有效降低系统功耗。实验表明，使用本发明设计的气体流量计，其测量流量精度优于O. 8%FS，流量量程比可达120 :1，重复性小于1%。
图I是本发明的结构示意 图2是本发明的具体电路实例。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。如图I所示，本发明包括反馈电路I、由组合热膜探头及精密电阻连接成电桥构成的四路传感器2、由片外AD组成的电压转换电路3和单片机4。当四路传感器中电桥电路处于不平衡状态时，四路传感器与反馈电路信号连接，四路传感器的输出端与电压转换电路的输入端信号连接，电压转换电路与单片机信号连接；四路传感器的输出作为反馈电路的输入，反馈电路的输出作为四路传感器的电源输入，将四路传感器的输出电压信号V接入电压转换电路，通过单片机的软件编程驱动AD芯片采集并转换传感器的输出电压信号V。图2是本发明的具体电路实例，图例中，反馈电路由4个MJD122、4个限流电阻和一片LM324芯片组成。四个三极管MJD122的集电极连接+12V电源。第一三极管Ql的基极与第一限流电阻RU的一端相连，发射极与第一电桥A的电源输入端连接，第一限流电阻Rll的另一端连接第一放大器U4A的第I脚。第二三极管Q2的基极与第二限流电阻R12的一端连接，发射极与第二电桥B的电源输入端连接，第二限流电阻R12的另一端连接第二放·电桥C的电源输入端连接，第三限流电阻R13的另一端连接第三放大器U4C的第8脚。第四三极管Q4的基极与第四限流电阻R14的一端相连，发射极与第四电桥D的电源输入端连接，第四限流电阻R14的另一端连接第四放大器U4D的第14脚。第一放大器U4A的第3脚与第一电桥A中第一速度探头电阻Rhl的一端、第一精密电阻Rl的一端、第一 AD芯片Ul的第6脚相连,第2脚与第一电桥A中第一测温电阻Rtl的一端、第二精密电阻R2的一端连接。第二放大器U4B的第5脚与第二电桥B中第二速度探头电阻Rh2的一端、第三精密电阻R3的一端、第一 AD芯片Ul的第7脚相连，第6脚与第二电桥B中第二测温电阻Rt2的一端、第四精密电阻R4的一端相连。第三放大器U4C的第10脚与第三电桥C中第三速度探头电阻Rh3的一端、第五精密电阻R5的一端、第二 AD芯片U2的第6脚相连,第9脚与第三电桥C中第三测温电阻Rt3的一端、第六精密电阻R6的一端相连。第四放大器U4D的第12脚与第四电桥D中第四速度探头电阻Rh4的一端、第七精密电阻R7的一端、第二 AD芯片U2的第7脚相连，第13脚与第四电桥D中第四测温电阻Rt4的一端、第八精密电阻R8的一端相连。电桥A中第一测温电阻Rtl的另一端、第一速度探头电阻Rhl的另一端作为第一电桥A的电源输入端，第二测温电阻Rt2的另一端、第二速度探头电阻Rh2的另一端作为第二电桥B的电源输入端，第三测温电阻Rt3的另一端、第三速度探头电阻Rh3的另一端作为第三电桥C的电源输入端，第四测温电阻Rt4的另一端、第四速度探头电阻Rh4的另一端作为第四电桥D的电源输入端；第一精密电阻Rl的另一端与第二精密电阻R2的另一端连接并接地，第三精密电阻R3的另一端与第四精密电阻R4的另一端连接并接地，第五精密电阻R5的另一端与第六精密电阻R6的另一端连接并接地，第七精密电阻R7的另一端与第八精密电阻8的另一端连接并接地。电压转换电路中第一 AD芯片Ul和第二 AD芯片U2均采用AD7705芯片，该芯片具有高精度、低噪声等优点。第一 AD芯片Ul的第8脚接地，第11脚接地，第9脚接入2. 5V的基准电压，第10脚接地，第2脚与第一晶振Π的一端和第一电容C12的一端相连,第一电容C12的另一端与第二电容C13的一端连接并接地连接，第3脚接第一晶振Yl的另一端和第二电容C13的另一端相连；第4脚与单片机U3的P2.4脚相连；第5脚接第三电容C2的一端和第一电阻R9的一端相连,第一电阻R9的另一端连接VDD,第三电容C2的另一端与地相连，第I脚与单片机U3的Pl. 3脚相连；第14脚与单片机U3的Pl. 2脚相连；第13脚与单片机U3的Pl. I脚相连；第12脚与单片机U3的Pl. O脚相连；第15脚分别与第四电容Cl的一端和第九电容⑶I的一端连接并连接VDD，第四电容Cl的另一端与第九电容⑶I的另一端、第16脚相连并接地。第二 AD芯片U2的第8脚接地，第11脚接地，第9脚接入
2.5V的基准电压,第10脚接地，第2脚与第二晶振Y2的一端和第五电容C14的一端相连，第五电容C14的另一端和第六电容C15的一端连接并接地连接，第3脚接第二晶振Y2的另一端和第六电容C15的另一端相连；第4脚与单片机U3的P2. 5脚相连;第5脚接第七电容C4的一端和第二电阻RlO的一端相连，第二电阻RlO的另一端连接VDD，第七电容C4的另一端接地连接，第I脚与单片机U3的P2. O脚相连；第14脚与单片机U3的P2. I脚相连； 第13脚与单片机U3的P2. 2脚相连；第12脚与单片机U3的P2. 3脚相连；第15脚分别与第八电容C3的一端和第十电容CD2的一端连接并接VDD，第八电容C3的另一端与第十电容CD2的另一端、第16脚连接并接地。单片机U3采用MSP430F419芯片，单片机U3的第8脚分别与第三晶振Y3的一端和第九电容C5的一端连接，第九电容C5的另一端分别与第十电容C6的一端相连并接地；第9脚与第三晶振Y3的另一端和第十电容C6的另一端相连接，单片机U3的第I脚和第52脚与第i^一电容CD3的负极和第十二电容C7的一端连接3V电源，第79脚和第53脚与第i^一电容⑶3的正极、第十二电容C7的另一端连接并接地。第80脚分别与第十三电容⑶4的负极和第十四电容CS的一端连接至3V电源，单片机U3的第78脚分别和第十三电容⑶4的正极、第十四电容C8的另一端连接并接地。单片机U3的Pl. O、Pl. I、Pl. 2、Pl. 3、P2. 4分别与第一 AD芯片Ul的端口连接，单片机U3的P2. 0、P2. 1、P2. 2、P2. 3、P2. 5分别与第二AD芯片U2的端口连接。本发明的工作原理
将四个传感元件安装在不同的金属检测杆上，并按“面分布式”的分布方式插入测量管道内，检测杆的分布采用两两对称的形式，即在管道横截面上设置多个测量点来测量气体流量，使用的方法是速度面积法。当流体静止时，桥路处于平衡状态，速度探头电阻工作在某一恒定的温度。当流体流过速度探头电阻时，速度探头电阻的温度发生变化，其电阻值就会改变，使得电桥失去平衡，传感器输出的电压信号K经输入电压转换电路后，由单片机读取可以间接测量电桥中流过速度探头电阻和精密电阻R的电流/。电桥的输出信号作用于反馈电路使得电桥恢复平衡，速度探头的温度保持恒定；根据热力学第一定律，即速度探头电阻的电功率等于流体流动时对流传热所带走的热量，在结合传热理论可以求解得气体质量流速。
权利要求
1.基于MSP430的多传感器热式气体流量测量电路，其特征在于包括反馈电路、由组合热膜探头及精密电阻连接成电桥构成的四路传感器、由片外AD组成的电压转换电路和单片机； 反馈电路包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一限流电阻R11、第二限流电阻R12、第三限流电阻R13、第四限流电阻R14和一片LM324芯片；第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4的集电极均连接+12V电源，第一三极管Ql的基极与第一限流电阻Rll的一端相连，发射极与第一电桥A的电源输入端连接，第一限流电阻Rll的另一端连接第一放大器U4A的第I脚；第二三极管Q2的基极与第二限流电阻R12的一端连接，发射极与第二电桥B的电源输入端连接，第二限流电阻R12的另一端连接第二放大器U4B的第7脚；第三三极管Q3的基极与第三限流电阻R13的一端相连，发射极与第三电桥C的电源输入端连接，第三限流电阻R13的另一端连接第三放大器U4C的第8脚；第四三极管Q4的基极与第四限流电阻R14的一端相连，发射极与第四电桥D的电源输入端连接，第四限流电阻R14的另一端连接第四放大器U4D的第14脚；第一放大器U4A的第3脚与第一电桥A中第一速度探头电阻Rhl的一端、第一精密电阻Rl的一端、电压转换电路中第一 AD芯片Ul的第6脚相连,第2脚与第一电桥A中第一测温电阻Rtl的一端、第二精密电阻R2的一端连接；第二放大器U4B的第5脚与第二电桥B中第二速度探头电阻Rh2的一端、第三精密电阻R3的一端、电压转换电路中第一 AD芯片Ul的第7脚相连，第6脚与第二电桥B中第二测温电阻Rt2的一端、第四精密电阻R4的一端相连；第三放大器U4C的第10脚与第三电桥C中第三速度探头电阻Rh3的一端、第五精密电阻R5的一端、电压转换电路中第二 AD芯片U2的第6脚相连，第9脚与第三电桥C中第三测温电阻Rt3的一端、第六精密电阻R6的一端相连；第四放大器U4D的第12脚与第四电桥D中第四速度探头电阻Rh4的一端、第七精密电阻R7的一端、电压转换电路中第二 AD芯片U2的第7脚相连，第13脚与第四电桥D中第四测温电阻Rt4的一端、第八精密电阻R8的一端相连，所述的第一放大器U4A、第二放大器U4B、第三放大器U4C和第四放大器U4D集成在LM324芯片中； 电桥A中第一测温电阻Rtl的另一端、第一速度探头电阻Rhl的另一端作为第一电桥A的电源输入端，第二测温电阻Rt2的另一端、第二速度探头电阻Rh2的另一端作为第二电桥B的电源输入端，第三测温电阻Rt3的另一端、第三速度探头电阻Rh3的另一端作为第三电桥C的电源输入端，第四测温电阻Rt4的另一端、第四速度探头电阻Rh4的另一端作为第四电桥D的电源输入端；第一精密电阻Rl的另一端与第二精密电阻R2的另一端连接并接地，第三精密电阻R3的另一端与第四精密电阻R4的另一端连接并接地，第五精密电阻R5的另一端与第六精密电阻R6的另一端连接并接地，第七精密电阻R7的另一端与第八精密电阻8的另一端连接并接地； 电压转换电路中第一 AD芯片Ul和第二 AD芯片U2均采用AD7705芯片，第一 AD芯片Ul的第8脚接地，第一 AD芯片Ul的第11脚接地，第一 AD芯片Ul的第9脚接入2. 5V的基准电压，第一 AD芯片Ul的第10脚接地,第一 AD芯片Ul的第2脚与第一晶振Π的一端、第一电容C12的一端相连,第一电容C12的另一端与第二电容C13的一端连接并接地,第一AD芯片Ul的第3脚接第一晶振Π的另一端和第二电容C13的另一端相连；第一 AD芯片Ul的第4脚与单片机的P2. 4脚相连；第一 AD芯片Ul的第5脚接第三电容C2的一端、第一电阻R9的一端,第一电阻R9的另一端连接VDD,第三电容C2的另一端与地相连,第一 AD芯片Ul的第I脚与单片机的Pl. 3脚相连；第一 AD芯片Ul的第14脚与单片机的Pl. 2脚相连；第一 AD芯片Ul的第13脚与单片机的Pl. I脚相连；第一 AD芯片Ul的第12脚与单片机的Pl. O脚相连；第一 AD芯片Ul的第15脚分别与第四电容Cl的一端、第九电容⑶I的一端连接并连接VDD，第四电容Cl的另一端与第九电容⑶I的另一端、第16脚相连并接地 ’第二 AD芯片U2的第8脚接地，第二 AD芯片U2的第11脚接地，第二 AD芯片U2的第9脚接入2. 5V的基准电压，第二 AD芯片U2的第10脚接地，第二 AD芯片U2的第2脚与第二晶振Y2的一端和第五电容C14的一端相连,第五电容C14的另一端和第六电容C15的一端连接并接地连接，第二 AD芯片U2的第3脚接第二晶振Y2的另一端和第六电容C15的另一端；第二 AD芯片U2的第4脚与单片机的P2. 5脚相连；第二 AD芯片U2的第5脚接第七电容C4的一端、第二电阻RlO的一端，第二电阻RlO的另一端连接VDD，第七电容C4的另一端接地连接，第二 AD芯片U2的第I脚与单片机的P2. O脚相连；第二 AD芯片U2的第14脚与单片机的P2. I脚相连；第二 AD芯片U2的第13脚与单片机的P2. 2脚相连；第二 AD芯片U2的第12脚与单片机的P2. 3脚相连；第二 AD芯片U2的第15脚分别与第八电容C3的一端、第十电容⑶2的一端连接并接VDD，第八电容C3的另一端与第十电容⑶2的另一端、第16脚连接并接地；· 单片机采用MSP430F419芯片，单片机的第8脚分别与第三晶振Y3的一端、第九电容C5的一端连接，第九电容C5的另一端分别与第十电容C6的一端相连并接地；单片机的第9脚与第三晶振Y3的另一端、第十电容C6的另一端相连接，单片机的第I脚和第52脚、第十一电容⑶3的负极、第十二电容C7的一端连接3V电源，单片机的第79脚和第53脚与第i^一电容CD3的正极、第十二电容C7的另一端连接并接地；单片机的第80脚分别与第十三电容⑶4的负极、第十四电容C8的一端连接至3V电源，单片机的第78脚分别和第十三电容⑶4的正极、第十四电容C8的另一端连接并接地。
全文摘要
本发明涉及一种基于MSP430的多传感器热式气体流量测量电路，适用于新型的低功耗热式气体质量流量检测仪表。本发明以组合热膜探头作为气体流量传感器，测量电路主要由四个部分组成，分别是反馈电路、四路传感元件连接而成的电桥传感器、电压转换电路和单片机。本发明通过结合测量管道内流场分布的特点，采用多传感器融合算法，消除了测量中的介质温度和流场分布不规则对测量结果的影响，实现温度的完全补偿，进而提高了测量精度；信号处理电路采用了集成芯片，有效减小了噪声干扰；利用此测量电路可以减小了直管段的长度，具有高精度高量程比的优点。
文档编号G01F1/86GK102914336SQ20121041966
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者朱炜, 陈伟琪, 赵伟国, 赵雪松, 谈红伟, 黄浩 申请人:杭州市质量技术监督检测院, 中国计量学院