一种低温流量测量仪及低温温度测量装置的制作方法

本发明属于低温流量及温度测量，具体涉及一种低温流量测量仪及低温温度测量装置。

背景技术：

1、流量测量是一门复杂、多样的技术，这不仅由于测量精确度的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到极低温的温度范围，从高压到低压的压力范围，既有低粘度的液体，也有粘度非常高的液体，而流量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。

2、差压式低温流量测量装置在航空、航天、化工、能源等领域中应用广泛，例如，在航空航天领域中，差压式低温流量测量装置用于测量火箭燃料和氧化剂的流量；在化工领域中，差压式低温流量测量装置用于测量低温液体在生产过程中的流量。

3、文丘里差压式低温流量测量装置需要采集压力、压差、温度来进行流量的计算，其中低温温度的监测是极其重要的。低温流体通常在液态状态下，其温度往往在-270℃到-150℃之间，在这种极低温度下，流体的物理特性会发生显著变化，如粘度增大，密度变化等，这会对流量的测量产生影响。

4、低温条件下，流体的物性(密度、焓、熵)随压力、温度等因素的变化对测量的流量有着一定的影响。在常温条件下设计的文丘里流量测量装置使用stm单片机结合传感器的方法，若在低温条件下，使用常温条件下设计的文丘里流量测量装置则需要将各种传感器信号参数传入计算机进行处理显示，不利于流体物性的动态采集。在大科学装置中，现今的基于文丘里的低温流量测量平台需要文丘里管、压力和压差传感器、低温温度采集装置、plc以及上位机系统。其中低温温度测量由低温电阻温度计和温控仪组成，如lake shore336温控仪或240系列温度监视器，将采集的低温温度传给plc以及上位机进行显示与控制，流量测量平台性能较稳定，但系统组成较为复杂，成本高，体积较大，不便于维护与开发。

技术实现思路

1、本发明的所要解决的技术问题在于如何设计一种精确度高、结构简单、成本低的低温流量测量仪。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、一种低温流量测量仪，包括：多路模拟量采集模块、rs485转usb通讯模块、低温温度测量装置、arm微处理器、触摸显示屏、低温电阻温度计、压力传感器、压差传感器；所述的低温温度测量装置用于给低温电阻温度计提供微安级恒流源激励电流，所述的多路模拟量采集模块用于采集低温电阻温度计、压力传感器、压差传感器的温度、压力以及压差信号，并将采集的信号传输至rs485转usb通讯模块，提供rs485转usb通讯模块转换后再输入到arm微处理器进行处理，最后在触摸显示屏上显示；

4、所述的低温温度测量装置包括：保护电路、供电电源、微安级恒流源、差分电压信号放大器、滤波电路、信号调理电路、a/d转换电路、微处理器和界面显示单元；所述的保护电路与供电电源连接，所述的供电电源分别与差分电压信号放大器、滤波电路、信号调理电路、a/d转换电路以及微处理器和界面显示单元连接，所述的微安级恒流源为电阻温度计提供激励电流，将电阻信号转换为电压信号，经差分电压信号放大器放大后，再通过滤波电路滤波后，将信号处理送至a/d转换电路，将电阻信号转换为电压信号，经差分电压信号放大器放大后通过信号处理送至a/d转换模块，微处理器根据标定“温度-电阻”的实验数据在不同温区进行相应阶次的曲线拟合，并对a/d转换后的数据进行处理，最终在ui界面显示单元实时显示温度值；

5、所述的微安级恒流源包括：电源模块、基准电压模块、反馈控制模块；所述的电源模块确保电路所需的电源电压和电流，基准电压模块提供一个稳定的参考电压作为基准，基准电压通过反馈控制模块被转换成一个与所需电流成比例的电压，反馈控制模块通过反馈回路不断调整输出，确保输出电流始终保持在10μa的水平。

6、进一步地，所述的电源模块包括：电阻r1，保险丝f1，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7，二极管d1、发光二极管d2，降压转换器u1、稳压器u2；二极管d1的阳极接+24v电源，电容c1与电容c2并联后的一个并联公共端与二极管d1的阳极连接，电容c1与电容c2的另一个并联公共端接地，二极管d1的阴极与保险丝f1的一端连接，保险丝f1的另一端与降压转换器u1的1#引脚连接，降压转换器u1的2#引脚接地，降压转换器u1的3#引脚与稳压器u2的3#引脚连接，降压转换器u1的3#引脚作为+12v电源输出端，电容c3、电容c4、电容c5并联后的一个并联公共端与稳压器u2的3#引脚连接，电容c3、电容c4、电容c5并联后的另一个并联公共端接地，稳压器u2的1#引脚接地，电阻r1的一端与稳压器u2的3#引脚连接，电阻r1的另一端与发光二极管d2的阳极连接，发光二极管d2的阴极接地，电容c6、电容c7并联后的一个并联公共端与稳压器u2的4#引脚连接，电容c6、电容c7并联后的另一个并联公共端接地，稳压器u2的4#引脚与2#引脚连接在一起后作为+5v电源输出端。

7、进一步地，所述的基准电压模块包括：电阻r2，电容c8、电容c9、电容c10，基准电压芯片u3；所述的基准电压芯片u3的4#引脚与2#引脚之间跨接电容c8，基准电压芯片u3的4#引脚与8#引脚之间跨接电容c9，基准电压芯片u3的2#引脚接+5v电源，基准电压芯片u3的4#引脚接地，电阻r2的一端与基准电压芯片u3的7#引脚连接，基准电压芯片u3的7#引脚作为基准电压模块输出端vout；电阻r2的另一端与电容c10的一端连接，电容c10的另一端接地。

8、进一步地，所述的反馈控制模块包括：电阻rg1、电阻rg2、电阻rf1、电阻rgf2，电阻r3、电阻rload、晶体管t1、第一运算放大器u4、第二运算放大器u5；电阻rg1的一端与第一运算放大器u4的反相输入端连接，电阻rg1的另一端接地；电阻rg2的一端与第一运算放大器u4的正相输入端连接，电阻rg2的另一端接基准电压模块的输出端vref；电阻rf1的一端与第一运算放大器u4的反相输入端连接，电阻rf1的另一端与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与电阻rload的一端连接，电阻rload的另一端作为低温电阻温度计的激励电流io的输出端，晶体管t1的基极与第一运算放大器u4的输出端连接，晶体管t1的集电极接电源，晶体管t1的发射极连接在电阻rf1与电阻r3的连接公共点，电阻rf2的一端与第一运算放大器u4的正相输入端连接，电阻rf2的另一端与第二运算放大器u5的输出端连接，第二运算放大器u5的反相输入端与输出端连接，第二运算放大器u5的正相输入端连接在电阻r3与电阻rload的连接公共点。

9、进一步地，所述的基准电压模块的输出端vref用于驱动第一运算放大器u4，反馈控制模块的输出即为低温电阻温度计的激励电流io，计算公式如下：

10、

11、如果rg1＝rg2＝rf1＝rf2，上式可简化为：

12、

13、其中，电阻r3为反馈电阻。

14、进一步地，所述的差分电压信号放大器包括：第三运算放大器u6、电阻r5、电阻r6、电阻r7、可变电阻rp，电容c11、电容c12、电容c13、电容c14；电阻r6的一端与低温电阻温度计的输出端连接，电阻r6的另一端与第三运算放大器u6的3#引脚连接，电容c11的一端与第三运算放大器u6的3#引脚连接，电容c11的另一端接地，电容c12的一端与第三运算放大器u6的4#引脚连接，电容c12的另一端接地，第三运算放大器u6的4#引脚接vee电源，第三运算放大器u6的2#引脚接地，电阻r5与可变电阻rp并联后的一个并联公共端与第三运算放大器u6的1#引脚连接、另一个并联公共端与第三运算放大器u6的8#引脚连接，电容c13的一端与第三运算放大器u6的7#引脚连接，电容c13的另一端接地，第三运算放大器u6的7#引脚接vdd电源，电阻r7的一端与第三运算放大器u6的6#引脚连接，电阻r7的另一端与电容c14的一端连接，电容c14的另一端与第三运算放大器u6的5#引脚连接，第三运算放大器u6的5#引脚接地。

15、进一步地，所述的滤波电路包括：第四运算放大器u7、电容c15、电阻r8、电阻r9；所述的电容c15的一端连接在差分电压信号放大器的电阻r7与电容c14的连接公共点，电容c15的另一端与第四运算放大器u7的正相输入端连接，电阻r8的一端与第四运算放大器u7的正相输入端连接，电阻r8的另一端接地，电阻r9的一端连接在第四运算放大器u7的输出端，电阻r9的另一端连接在电阻r7、电容c14、电容c15的连接公共点，第四运算放大器u7的反相输入端与第四运算放大器u7的输出端连接。

16、进一步地，所述的基准电压芯片u3的型号为ref5025。

17、一种低温温度测量装置，包括：保护电路、供电电源、微安级恒流源、差分电压信号放大器、滤波电路、信号调理电路、a/d转换电路、微处理器和界面显示单元；所述的保护电路与供电电源连接，所述的供电电源分别与差分电压信号放大器、滤波电路、信号调理电路、a/d转换电路以及微处理器和界面显示单元连接，所述的微安级恒流源为电阻温度计提供激励电流，将电阻信号转换为电压信号，经差分电压信号放大器放大后，再通过滤波电路滤波后，将信号处理送至a/d转换电路，将电阻信号转换为电压信号，经差分电压信号放大器放大后通过信号处理送至a/d转换模块，微处理器根据标定“温度-电阻”的实验数据在不同温区进行相应阶次的曲线拟合，并对a/d转换后的数据进行处理，最终在ui界面显示单元实时显示温度值；

18、所述的微安级恒流源包括：电源模块、基准电压模块、反馈控制模块；所述的电源模块确保电路所需的电源电压和电流，基准电压模块提供一个稳定的参考电压作为基准，基准电压通过反馈控制模块被转换成一个与所需电流成比例的电压，反馈控制模块通过反馈回路不断调整输出，确保输出电流始终保持在10μa的水平。

19、进一步地，所述的电源模块包括：电阻r1，保险丝f1，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7，二极管d1、发光二极管d2，降压转换器u1、稳压器u2；二极管d1的阳极接+24v电源，电容c1与电容c2并联后的一个并联公共端与二极管d1的阳极连接，电容c1与电容c2的另一个并联公共端接地，二极管d1的阴极与保险丝f1的一端连接，保险丝f1的另一端与降压转换器u1的1#引脚连接，降压转换器u1的2#引脚接地，降压转换器u1的3#引脚与稳压器u2的3#引脚连接，降压转换器u1的3#引脚作为+12v电源输出端，电容c3、电容c4、电容c5并联后的一个并联公共端与稳压器u2的3#引脚连接，电容c3、电容c4、电容c5并联后的另一个并联公共端接地，稳压器u2的1#引脚接地，电阻r1的一端与稳压器u2的3#引脚连接，电阻r1的另一端与发光二极管d2的阳极连接，发光二极管d2的阴极接地，电容c6、电容c7并联后的一个并联公共端与稳压器u2的4#引脚连接，电容c6、电容c7并联后的另一个并联公共端接地，稳压器u2的4#引脚与2#引脚连接在一起后作为+5v电源输出端；

20、所述的基准电压模块包括：电阻r2，电容c8、电容c9、电容c10，基准电压芯片u3；所述的基准电压芯片u3的4#引脚与2#引脚之间跨接电容c8，基准电压芯片u3的4#引脚与8#引脚之间跨接电容c9，基准电压芯片u3的2#引脚接+5v电源，基准电压芯片u3的4#引脚接地，电阻r2的一端与基准电压芯片u3的7#引脚连接，基准电压芯片u3的7#引脚作为基准电压模块输出端vout；电阻r2的另一端与电容c10的一端连接，电容c10的另一端接地；

21、所述的反馈控制模块包括：电阻rg1、电阻rg2、电阻rf1、电阻rgf2，电阻r3、电阻rload、晶体管t1、第一运算放大器u4、第二运算放大器u5；电阻rg1的一端与第一运算放大器u4的反相输入端连接，电阻rg1的另一端接地；电阻rg2的一端与第一运算放大器u4的正相输入端连接，电阻rg2的另一端接基准电压模块的输出端vref；电阻rf1的一端与第一运算放大器u4的反相输入端连接，电阻rf1的另一端与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与电阻rload的一端连接，电阻rload的另一端作为低温电阻温度计的激励电流io的输出端，晶体管t1的基极与第一运算放大器u4的输出端连接，晶体管t1的集电极接电源，晶体管t1的发射极连接在电阻rf1与电阻r3的连接公共点，电阻rf2的一端与第一运算放大器u4的正相输入端连接，电阻rf2的另一端与第二运算放大器u5的输出端连接，第二运算放大器u5的反相输入端与输出端连接，第二运算放大器u5的正相输入端连接在电阻r3与电阻rload的连接公共点；

22、所述的差分电压信号放大器包括：第三运算放大器u6、电阻r5、电阻r6、电阻r7、可变电阻rp，电容c11、电容c12、电容c13、电容c14；电阻r6的一端与低温电阻温度计的输出端连接，电阻r6的另一端与第三运算放大器u6的3#引脚连接，电容c11的一端与第三运算放大器u6的3#引脚连接，电容c11的另一端接地，电容c12的一端与第三运算放大器u6的4#引脚连接，电容c12的另一端接地，第三运算放大器u6的4#引脚接vee电源，第三运算放大器u6的2#引脚接地，电阻r5与可变电阻rp并联后的一个并联公共端与第三运算放大器u6的1#引脚连接、另一个并联公共端与第三运算放大器u6的8#引脚连接，电容c13的一端与第三运算放大器u6的7#引脚连接，电容c13的另一端接地，第三运算放大器u6的7#引脚接vdd电源，电阻r7的一端与第三运算放大器u6的6#引脚连接，电阻r7的另一端与电容c14的一端连接，电容c14的另一端与第三运算放大器u6的5#引脚连接，第三运算放大器u6的5#引脚接地；

23、所述的滤波电路包括：第四运算放大器u7、电容c15、电阻r8、电阻r9；所述的电容c15的一端连接在差分电压信号放大器的电阻r7与电容c14的连接公共点，电容c15的另一端与第四运算放大器u7的正相输入端连接，电阻r8的一端与第四运算放大器u7的正相输入端连接，电阻r8的另一端接地，电阻r9的一端连接在第四运算放大器u7的输出端，电阻r9的另一端连接在电阻r7、电容c14、电容c15的连接公共点，第四运算放大器u7的反相输入端与第四运算放大器u7的输出端连接。

24、本发明的优点在于：

25、本发明的基于嵌入式低温流量测试仪以采用arm内核、内部有mmu模块的可以运行linux的芯片为主要硬件平台并配合具有各种的i/o、a/d、d/a、通信处理和界面显示等功能扩展板来实现各种测控功能；微安级恒流源为实验室非标温度计提供稳定激励电流，通过曲线拟合与优化算法得到准确的低温温度，节约了成本与复杂度；ldo分立器件组合方式设计并搭建微安级恒流源电路为低温电阻温度计提供激励电流，经差分电压信号放大电路放大至适合采集卡电压采集量程内，经usb总线串口将信号传给linux单片机，并在程序中进行数据处理和曲线拟合，自动转换为数字温度测量，最后通过迭代与计算得到流体的质量流量；基于python与pyqt5完成工业数据采集、动态物性与数据处理、温度曲线拟合、界面ui设计，最终实现质量流量的实时输出显示。