一种可实现响应时间补偿的热式微流量计信号处理电路的制作方法

本发明属于传感器技术领域，具体地讲，是涉及一种可实现响应时间补偿 的热式微流量计信号处理电路。

背景技术：

热式气体微流量计主要用于中小型管道中的微小流量流体测量，其原理是 利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布，从而实现流速测量。典型热分 布式气体质量流量计如图1所示，在一根小口径薄壁测量管的外壁上，绕制两 对具有高温度系数的电阻丝，组成惠斯顿电桥。电桥输入为直流恒定电流。通 电后，电阻丝所产生的热量加热测量管和其内部的气体，气体流过时，热量通 过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体，导致上游温度下降， 下游温度上升，电桥不平衡，从而引起输出信号变化，测量变化值并推算管内 气体流动速率。

由于管内流速微小，惠斯顿电桥输出的差分信号比较幅度较小，因而需要 设计差分信号前置放大电路，并且进行噪声滤波。

当恒定流速和温度的流体经过热分布式质量流量计时，流量计电桥的原温 度平衡将被打破，建立新的平衡，新平衡态建立所需时间即为流量计稳态响应 时间。流量计内流体运动状态一般为层流，流体与电阻丝之间的热平衡主要靠 热传导完成，平衡时间较长，一般在数十秒量级，往往难以满足实时响应的需 求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可实现响应时间补偿的热式微流量计信号处理 电路，主要解决现有技术中存在的流量计平衡时间较长，一般在数十秒量级， 很难满足实时响应的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可实现响应时间补偿的热式微流量计信号处理电路，包括流量计电桥 输出电路，与流量计电桥输出电路连接的比例微分电路，与比例微分电路连接 的模数转换电路，与模数转换电路连接的数据处理电路，以及与数据处理电路 连接的RS422通信电路；所述流量计电桥输出电路包括仪表放大器芯片U1，一 端与芯片U1第1引脚连接、另一端接信号输入PCB连接器P1第3引脚连接的 电阻R1，一端与芯片U1第2引脚连接、另一端与芯片U1第3引脚连接的电阻 R3，一端与芯片U1第4引脚连接、另一端接信号输入PCB连接器P1第2引脚 连接的电阻R2，一端与芯片U1第1引脚连接、另一端接芯片U1第4引脚的电 容C4，一端与芯片U1第1引脚连接、另一端接地的电容C3，一端与芯片U1 第4引脚连接、另一端接地的电容C5，以及同时一端与+5V电源连接、另一端 接地的电源去耦滤波电容C1和C2，其中，芯片U1的第5引脚接-5V电源、第 6引脚接地、第8引脚接+5V电源。

进一步地，所述比例微分电路包括一端与芯片U1第7引脚连接的电阻R4， 负输入端与电阻R4另一端连接的运输放大器U2，一端与运算放大器U2的负输 入端连接、另一端与运算放大器U2的输出端连接的电阻R5，一端与运算放大 器正输入端正输入端连接、另一端接地的电阻R6，串联后一端与运算放大器U2 的输出端连接、另一端接地的电阻R10和电容C7，一端与芯片U1第7引脚连 接的电阻R7，一端与电阻R7另一端连接的电容C6，负输入端与电容C6另一 端连接的运算放大器U3，一端与运算放大器U3负输入端连接、另一端与运算 放大器U3的输出端连接的电阻R8，一端与运算放大器U3输出端连接、另一端 同时与电阻R10和电容C7连接的电阻R11，一端与运算放大器U3正输入端连 接、另一端接地的电阻R9，一端同时与电阻R10和电容C7连接的电阻R13， 负输入端与电阻R13另一端连接的运算放大器U4，一端同时与电阻R10和电容 C7连接、另一端与运算放大器U4输出端连接的电阻R12，一端与运算放大器 U4负输入端连接、另一端与运算放大器U4输出端连接的电容C8，一端与运算 放大器U4正输入端连接、另一端接2.5V电源的电阻R14，以及一端与运算放 大器U4正输入端连接、另一端接地的电阻R15，其中，电容C7一端与电阻R10 连接、另一端接地，同时运算放大器U2、U3和U4的第4引脚接-5V电源。

进一步地，所述模数转换电路包括ADS1255模数转换芯片U5，一端与运 算放大器U4输出端连接、另一端与芯片U5第7引脚连接的电阻R21，一端与 2.5V电源连接、另一端与芯片U5第6引脚连接的电阻R20，并联后一端与芯片 U5第6引脚连接、另一端与芯片U5第7引脚连接的电容C12和电容C13，一 端与2.5V电源连接、另一端与芯片U5第4和5引脚连接的电阻R9，并联后一 端同时与芯片U5第4和5引脚连接、另一端经电阻R17接地的电容C9、电容 C10和电容C11，一端分别同时与芯片U5第8、9、10引脚连接、另一端接地 的电容C14和电容C15，一端与芯片U5第12引脚连接、另一端与芯片U5第 13引脚连接的晶振Y1，一端与晶振Y1一端连接、另一端接地的电容C19，一 端与晶振Y1另一端连接、另一端接地的电容C18，第5、6、7、8引脚分别与 芯片U5第18、17、16、15引脚连接的电阻阵列R16，以及并联后一端接5V电 源、另一端接地的电容C16和电容C17，其中，芯片U5的第10引脚接3.3V电 源，并且芯片U 5的第11和14引脚接地。

进一步地，所述数据处理电路包括第26、27、28、29引脚分别与电阻阵列 R16第1、2、3、4引脚连接的STM32系列单片机U6，第2引脚与单片机U6 第34引脚连接、第3引脚与单片机U6第37引脚连接的连接器P2，一端与单 片机U6第7引脚连接、另一端接地的电容C20，以及一端与单片机U6第5引 脚连接、另一端与单片机U6第6引脚连接且同时与两个电容封装在一起的晶振 Y2，其中，连接器P2的第1引脚和单片机U6的第1、9、24、26和48引脚接 3.3V电源，连接器P2的第4引脚和单片机U6的第8、20、23、35、44和47 引脚接地。

进一步地，所述晶振Y2为8M晶振。

具体地，所述RS422通信电路第2、3引脚分别与单片机U6第31和30引 脚连接的MAX3490数据芯片U7，一端与芯片U7第5引脚连接、另一端与芯 片U7第6引脚连接的电阻R23，一端与芯片U7第7引脚连接、另一端与芯片 U7第8引脚连接的电阻R22，第1、2、3、4引脚分别与芯片U7第8、7、6、5 引脚连接的连接器P3，以及一端与3.3V电源连接、另一端接地的电容C21，其 中，芯片U7第1引脚接3.3V电源、第4引脚接地。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的热式微流量计，前端设置流量计电桥输出电路和比例微分 电路，可以有效实现μV级的流量计电桥输出信号放大，相对于将现有流量计 的响应时间缩短了90％，因此可以有效地增强热分布式气体流量计时间响应速 度，满足实时响应的需求，从而改善其动态测量特性。

附图说明

图1为本发明现有技术的电路原理图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本发明流量计电桥输出电路的电路原理图。

图4为本发明比例微分电路的电路原理图。

图5为本发明模数转换电路的电路原理图。

图6为本发明数据处理电路的电路原理图。

图7为本发明RS422通信电路的电路原理图。

图8为本发明前置放大和比例微分电路的仿真效果图。

图9为本发明前置放大和比例微分电路的实物实验响应曲线图。

图10为现有比例微分电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但 不限于下列实施例。

实施例

如图2至图7所示，一种可实现响应时间补偿的热式微流量计信号处理电 路，包括流量计电桥输出电路，与流量计电桥输出电路连接的比例微分电路， 与比例微分电路连接的模数转换电路，与模数转换电路连接的数据处理电路， 以及与数据处理电路连接的RS422通信电路。

如图3所示，流量计电桥输出电路的差分信号经过PCB连接器P1的2、3 引脚(In+、In-)输入，并且电阻R1、R2和电容C3、C4、C5组成的低通滤波 网络，对输入信号低通滤波，然后再输入到放大器芯片U1的正负信号输入引脚 (1、4引脚)，放大器芯片U1的第2、3引脚串联电阻R3，用于调节仪表放大 器的放大倍率，经过放大器芯片U1后的信号转变为放大后的单端信号，由放大 器芯片U1的第7引脚输出(标志为SigOut)。流量计电桥输出电路由于电桥输 出的信号在-10mV～+10mV之间，且信号带宽较小，通常不超过100Hz。因而 本申请中采用仪表放大器芯片U1结合低通滤波网络将电桥输出的差分电压信 号放大100倍，即放大为-1V～+1V之间的模拟信号，其中电容C1、C2为仪表 放大器芯片U1的电源去耦电容，电阻R3为仪表放大器芯片U1增益控制电阻， 同时电阻R1、R2和电容C3、C4、C5构成了低通滤波网络，用于抑制电桥输入 的高频噪声。

放大器芯片U1的输出信号分别输入到反向放大电路和微分电路中，如图4 所示，反向放大电路由运算放大器U2和电阻R4、R5、R6组成；微分电路由运 算放大器U3、电容C6和电阻R7、R8、R9组成。反向放大电路的输出信号和 微分电路的输出信号经过由运算放大器U4和电阻R10、R11、R12、R13、R14、 R15组成的反向加法电路后，得到比例微分之后的输出信号(标志为Vout)，由 于模数转换芯片的输入范围通常为正向电压，因而在反向加法电路中增加了一 个2.5V基准电平，叠加到比例微分电路输出结果中，以便更好的适应模数转换 芯片。

比例微分电路输出信号Vout经过芯片U5、电阻R17、R19、R20、R21、 R16、电容C9、C10、C11、C12、C13、C16、C17、C18、C19和晶振Y1组成 的模数转换电路，如图5所示，转变为SPI协议的数字信号，该模数转换电路 输出为电阻阵列R16的第1、2、3、4引脚，其对应的SPI输出信号标志分别为： DRDY、MISO、MOSI、SCLK。

模数转换电路输出的SPI协议数字信号输入图6所示的基于数据处理电路 中进行数字运算，运算之后的结果通过单片机U6的第30、31引脚，以UART 串行通信协议输出到图7所示的RS422通信电路中。

图7所示的RS422通信电路将UART信号转变为负载能力更强，传输距离 可达100米以上的RS422协议信号，以便与上位机连接。

实验仿真

(1)仿真实验：利用美国国家仪器公司(National Instruments)开发的电路 仿真软件Multisim 14.0对设计的电路的前置放大和响应时间补偿等模拟电路部 分进行了仿真分析。仿真中，输入指数变化的电压信号，其初始状态为0mV， 稳态状态为10mV，时间常数为43s，如图8中的虚线所示。将前置放大电路的 放大倍数设定为100倍。响应补偿后的信号时间常数设定为1.3s。即设定 C6＝43μF，R7＝30kΩ，R8＝1MΩ。仿真得到的响应曲线如图8中的实线，可以明 显看到，经过前置放大和比例微分电路之后，输出信号的响应时间明显缩短。 假定实际输出达到理论输出的90％所需要的时间为响应时间，则原始输入信号 的响应时间为102.05s，而经过电路之后的输出信号响应时间为5.65s。表明本电 路能够有实现响应时间的补偿。

(2)实物验证实验：流量测量验证实验中，利用空气发生器结合流量控制 器搭建了一套流量控制系统，用于生成稳定流量的气流，然后将固定流量的空 气通入所设计的热式微流量计中，分别测量在无补偿情况下和带响应补偿电路 情况下流量计输出信号的阶跃响应情况。为固定输入3L/h流量情况下，无补偿 响应和带补偿响应的电路输出曲线，从图中可以看出，无补偿响应情况下，输 出信号要达到稳态响应值的90％需要经过88.8s(100.8s-12.0s)；而带补偿情况 下，仅需要8.1s(20.1s-12.0s)，证明本报告所设计的带时间响应补偿的热式微 流量计前置放大电路能够有效实现前置放大和时间响应补偿的功能。

比例微分电路可以构造一个响应时间常数更短的比例微分电路实现响应时 间的补偿，其原理为：流量计传感器输出瞬态流量信号E(t)可等效为一个指数 变化过程：

其中，E0表示稳态输出信号，τ0表示输出响应时间常数。输出信号E(t)趋 近于E0的时间直接由τ0决定。可以构造一个比例微分电路，如图10所示，缩短 响应时间常数对输出结果的影响。相关推导过程如下：

根据基尔霍夫电流定律

U31＝-Ui (2)

根据式(3)可得：

对式(5)进行拉普拉斯变换可得：

结合式(2)、(4)和(6)可得该电路的传递函数：

对于本课题研究对象，其拉普拉斯变换为：

将式(8)带入(7)得：

如图所示，R33C31＝1s，当τ0＝R34C31+R33C31时，系统响应可以等价于：

因而其实该系统响应变为时间常数为R33C31的指数响应，即相当于将指数响 应型输入的时间常数由τ0变为R33C31。通过合理配置R3和C1的值，即可有效 减少时间常数。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但 凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化， 均应属于本发明的保护范围之内。