具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，包括恒温差惠斯通桥式模块、电压跟随模块、AD转换模块、单片机模块、DA转换模块以及VI模块。本发明所提供的恒温热式空气质量流量变送器具有响应速度快、测量精确、可靠性高，硬件电路实现更为简单且不受环境温度影响等特点。并且，看门狗电路对单片机进行监控，以防止程序跑飞等特殊情况，实现对系统的可控保护。
【专利说明】
具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器
技术领域
[0001] 本发明属于气体流量计检测技术领域，给出具有环境温度补偿功能的热式空气流 量变送器。
【背景技术】
[0002] 热式空气质量流量计是一种常见的质量流量计，其工作原理是基于加热元件在空 气流动中的热传递，通过检测管道内空气与流量传感器之间的热量交换关系来测量空气流 量。它具有压损小，量程比宽，精度高，重复性好和可靠性高，可用于测量温度极低气体流量 等优点。
[0003] 目前，大多数热式空气质量流量计是保持加热元件表面温度恒定，根据电流的变 化来测量空气的流量，被称为恒温差热式空气质量流量计。该流量计采用两个金属铂电阻， 分布在惠斯通电桥的两臂，分别用于测量空气的温度（测温探头）和空气的速度（测速探 头）。在测量电路中，通过运算放大器的负反馈改变电桥中的电流以保证测速探头与测温探 头的温度差恒定。通过增大测速探头的电流以对其进行加热，使之与流经管道的空气产生 热交换，由于换热量与质量流量成正比，故可以测得空气的流速。测温探头则用于测量管道 空气环境温度，以实现环境温度补偿。
[0004] 传统的热式流量计在动态性能方面主要存在以下问题：（1)、电流负反馈通过运算 放大器和三极管实现，运算放大器输入的差分反馈量易于受外界因素干扰，导致出现反馈 电流量不准确的情况，从而使得电桥达到平衡的时间过长；（2)、测温探头使用的温度补偿 电阻阻值较大，在电桥平衡过程中，运放两端的电压差值较小，电桥的响应速度慢，动态性 能较差。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种具有环境温度补 偿功能的热式空气流量变送器。
[0006] 技术方案:一种具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，包括：
[0007]恒温差惠斯通桥式模块，用于检测气体流量信号，并对环境温度进行补偿；
[0008] 电压跟随模块，用于降低输出阻抗；
[0009] AD转换模块，用于对恒温差惠斯通桥式模块的电压信号进行采样；
[0010] 单片机模块，用于对AD转换模块输出的信号进行滤波和运算处理；
[0011] DA转换模块，用于将单片机模块输出的数字信号转换为模拟信号；
[0012] 以及VI模块，用于将DA转换模块输出的电压信号转换为电流信号；
[0013] 所述恒温差惠斯通桥式模块包括微型流量传感器，微型流量传感器内集成有测速 铂电阻和测温铂电阻。
[0014] 进一步的，所述单片机模块连接有看门狗电路。
[0015] 再进一步的，所述测速铂电阻和测温铂电阻分别串联一个基准电阻。
[0016] 更进一步的，所述微型流量传感器置于空气管道中。
[0017] 更进一步的，所述测温铂电阻选用PT1200。
[0018] 更进一步的，测速铂电阻选用PT45。
[0019]有益效果:本发明采用微型流量传感器并结合惠斯通反馈桥式电路，根据热力学 原理的功率消耗法测量管道空气的质量流量，有效的提高变送器的响应速度。控制部分采 用超低功耗的单片机MSP430,可以有效降低系统功耗。与传统的流量变送器相比，消去了环 境温度对流量测量的影响，提高了测量精度，其硬件电路实现更为简单。并且，看门狗电路 对单片机进行监控，以防止程序跑飞等特殊情况，实现对系统的可控保护。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的总体框架图；
[0021 ]图2是本发明中恒温差惠斯通桥式模块的原理图；
[0022]图3是本发明中微型流量传感器的结构示意图；
[0023]图4是本发明的具体电路图；
[0024]图5是本发明中AD输入电压-DA输出电压曲线图；
[0025]图6是本发明中DA输出电压-电流采样曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027] 如图1所示，一种具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，包括恒温差惠斯 通桥式模块、电压跟随模块、AD转换模块、单片机模块、DA转换模块以及VI模块。
[0028] 其中，恒温差惠斯通桥式模块用于检测气体流量信号，并对气体环境温度进行补 偿，其原理图如图2所示，恒温差惠斯通桥式模块包括微型流量传感器，微型流量传感器的 结构示意图如图3所示，微型流量传感器内集成有测速铂电阻和测温铂电阻，测温铂电阻选 用PT1200,测速铂电阻选用PT45,测速铂电阻和测温铂电阻分别串联一个基准电阻；电压跟 随模块用于降低输出阻抗;AD转换模块用于对恒温差惠斯通桥式模块的电压信号进行采 样;单片机模块用于对AD转换模块输出的信号进行滤波和运算处理，单片机模块连接有看 门狗电路;DA转换模块用于将单片机模块输出的数字信号转换为模拟信号;VI模块用于将 DA转换模块输出的电压信号转换为电流信号。
[0029] 微型流量传感器置于空气管道中，当气体流量发生变化时，惠斯通电桥失去平衡， 桥路的不平衡电压经运算放大器反馈到桥路，改变电桥的电流以实现电功率调节，使电桥 重新达到平衡。根据热力学原理，提供给测速铂电阻Rh的电功率等于空气所带走的热量，满 足式
[0030] liRn=hA(T-T〇) (1)
[0031]其中，Ih是通过测速铂电阻Rh的电流，Rh为测速铂电阻的电阻值，h为表面平均传热 系数，A表示测速探头的表面积，T是测速探头的温度，To表示测温探头所检测到的空气温 度，即管道内的空气环境温度。
[0032] hA与空气流量q满足下式
[0033] hA=k1+k2-s/q i2)
[0034] 其中，匕、1?为常数。
[0035] 联立式（1)和式(2)，得到空气流量q与测速探头电流Ih的关系式
[0037] 其中 AT = T_To。
[0038] 由式（3)可知，若保持测速电阻与测温电阻的温差AT不变，通过恒温差惠斯通桥 式模块保持测速电阻与测温电阻的温差A T不变，利用Ih计算气体流量q。
[0039] 恒温差惠斯通桥式模块能够实现对环境温度的自动补偿，从而准确地测量空气的 流量。
[0040] 本发明的具体电路图如图4所示，其中，由运算放大器构成的电压跟随模块，能够 降低输出阻抗，提高输出带负载能力。
[0041 ] 电源模块，采用直流24V供电，通过78M12BOJ6)输出12V电压，1117M30J1)输出3.3V 电压，电源通过电容进行必要的滤波处理。整个系统由模拟电路和数字电路组成，模拟地与 数字地需要进行隔离，采用零欧电阻串接，提高电路的抗干扰性能和稳定性。看门狗电路对 系统进行复位监控，提高系统的工作可靠性。
[0042]系统采用外部的AD转换模块对惠斯通桥式电路的电压信号进行采样。单片机模块 则采用3.3V供电的低功耗MSP430AFE253微处理器，可有效降低系统功耗。
[0043]单片机模块对外部的AD转换模块的数字信号进行滤波，以及一系列的算法处理， 得到流量q与电压U的对应关系。通过外部的DA转换模块，将标定后的数字信号转换为模拟 信号，并通过VI电路实现输出4~20mA电流信号。
[0044] AD输入电压-DA输出电压曲线如图5所示。图5可知，以AD采样作为输入电压，DA转 换电路能以1:1线性关系输出电压。
[0045] DA输出电压-电流采样曲线如图6所示。由于输出为4~20mA电流信号，故需用200 Q电阻对电流进行采样，以得到测试的电压信号。图6可知，VI电路呈线性关系。
[0046]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。
【主权项】
1. 一种具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于，包括： 恒温差惠斯通桥式模块，用于检测气体流量信号，并对气体环境温度进行补偿； 电压跟随模块，用于降低输出阻抗； AD转换模块，用于对恒温差惠斯通桥式模块的电压信号进行采样； 单片机模块，用于对AD转换模块输出的信号进行滤波和运算处理； DA转换模块，用于将单片机模块输出的数字信号转换为模拟信号； 以及VI模块，用于将DA转换模块输出的电压信号转换为电流信号； 所述恒温差惠斯通桥式模块包括微型流量传感器，微型流量传感器内集成有测速铂电 阻和测温铂电阻。2. 根据权利要求1所述的具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于， 所述单片机模块连接有看门狗电路。3. 根据权利要求1所述的具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于， 所述测速铂电阻和测温铂电阻分别串联一个基准电阻。4. 根据权利要求1所述的具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于， 所述微型流量传感器置于空气管道中。5. 根据权利要求1所述的具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于， 所述测温铂电阻选用PT1200。6. 根据权利要求1所述的具有环境温度补偿功能的热式空气流量变送器，其特征在于， 测速铂电阻选用PT45。
【文档编号】G01F1/698GK105910662SQ201610343485
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】翟军勇, 汪余景
【申请人】东南大学