CN100472182C - 流量测量装置 - Google Patents

Abstract

使用发热电阻(RH)及基准电阻(RR)和分别串联连接在这些发热电阻和基准电阻上的一对固定电阻(R1、R2)的桥式电路(1)平衡地控制其驱动电路。然后根据该桥式电路的驱动电压和该电桥的输出电压计算施加于所述基准电阻的周围温度(TQ)。根据该周围温度和与流量相应的传感器主体的每单位温度的变化率(ΔP)，修正传感器主体求得的流量，以此不受周围温度和立体流量影响地高精度地测定其流量。

Description

流量测量装置

技术领域

本发明涉及能够不受周围温度和流体流量影响地高精度地测量流量的结构简单的流量测量装置。

背景技术

作为热式流量计使用的流量传感器，具有基本上例如图6所示夹着在硅台上设置的发热电阻RH，在流体流通方向F上独立于该发热电阻RH设置一对测温电阻Ru，Rd的元件结构。而且是能够利用发热电阻RH发出的热的扩散程度(温度分布)随上述流体流通而变化的情况，根据上述测温电阻Ru，Rd的热引起的电阻值变化检测出上述流体的流量的结构。

也就是说，在上述构造的流量感应器中，上述发热电阻RH发出的热相应于流体的流量完全加到下游的测温电阻Rd上。于是下游侧的测温电阻Rd由热引起的电阻值变化比上游侧的测温电阻Ru大。流量传感器就是利用这样的测温电阻Ru，Rd的电阻值变化的差异来测量流体流量的。

使用这样的流量传感器进行流量测量时，使上述发热电阻RH不受周围温度变化的影响地保持一定的发热量是很重要的。因此以往通常如图7所示将发热电阻RH的发热量控制为一定值。即，用发热电阻RH和周围温度测量用基准电阻RR以及一对固定电阻R1，R2形成桥式电路1。然后通过晶体管Q将从电池等电源提供的电压Vcc施加于上述桥式电路1，同时由差动放大器2求得桥式电路1的电桥输出电压，对上述晶体管Q进行反馈控制，使该桥式电路的输出电压为零。也就是构成驱动电路，以调整加在上述桥式电路1上的电桥驱动电压(在发热电阻RH上施加的电压)，以此使该发热电阻RH的发热量为一定值。

另一方面，对于在上述发热电阻RH的两侧配置的一对测温电阻Ru，Rd，用一对固定电阻Rx、Ry形成流量测量用桥式电路3。然后，形成传感器的主体，使其能够通过差动放大器4检测与测温电阻Ru，Rd的电阻值变化相应的上述桥式电路3的电桥输出电压。特别是在利用上述驱动电路使发热电阻RH的发热量为一定值的条件下，流量计算5从通过上述差动放大器4检测出的传感器主体的输出(电桥输出电压)求得沿上述传感器主体通过的流体流量。

传感器主体的一对测温电阻Ru，Rd显示与流体温度变化相应的电阻值变化。而且沿测温电阻Ru、Rd流动的流体相应于该流量改变上述发热电阻RH发出的热对测温电阻Rd的影响量(热传递量)。这时上述热影响量相对于流体流量变化并不的均匀的。因此，传感器主体的输出显示了如图8所示的变化特性。而且，该变化特性因周围温度影响而变化。特别是该流量如果超过例如1小时5000L(升)，则相对于流量的传感器输出的变化特性自身会变化。

为了补偿这样的传感器主体与周围温度的相关性，考虑了设置例如温度传感器对周围温度进行测量，根据测量的周围温度修正传感器的输出的方法。而且考虑根据其周围温度修正相应于周围温度控制的发热电阻RH的驱动电压，以谋求改变发热电阻的发热量等对策。

但是，在考虑这些对策时，产生了其结构徒然复杂化的问题。而且，新设置温度传感器及修正电路等，导致相应增加耗电量等不良后果。

发明内容

本发明的目的是，提供不会招致上述不良后果，即不受周围温度和流体流量影响，能够高精度测量该流量的简易结构的流量测量装置。特别是提供即使流体流量很大，也能提供高精度测量该流量的流量测量装置。

能够达成上述目的的本发明的一种流量测量装置，具备发热电阻、以及夹着该发热电阻分别设置于流体的流通路径的上游侧和下游侧的第1和第2的测温电阻，该流量测量装置还具备：从使所述发热电阻以一定发热量发热时所述第1和第2的测温电阻的电阻值之差检测出所述流体的流量的传感器主体、使用所述发热电阻和测量周围温度用的基准电阻、及与所述发热电阻和基准电阻分别串联连接的一对固定电阻的桥式电路、在同时连接该桥式电路的所述发热电阻和基准电阻的一端与同时连接所述一对固定电阻的另一端之间施加规定的电桥驱动电压，同时控制所述电桥驱动电压，使该桥式电路的所述一对固定电阻上分别产生的电桥输出电压的差为零的发热电阻驱动电路、以及将在基准温度T下的上述基准电阻的电阻值设为Rref，该基准电阻的温度系数设为α，将上述固定电阻的电阻值设为Rconst时，根据上述电桥驱动电压Vin和电桥输出电压Vout，求在周围温度为TQ时的上述基准电阻的电阻值R，

R＝Rref[1+α(TQ—T)]

 ＝(Vin—Vout)/(Vout/Rconst)

从而算出加在上述基准电阻上的周围温度TQ，根据该周围温度TQ修正所述传感器主体求得的流量的运算装置。

而且，根据从上述电桥驱动电压Vin和电桥输出电压Vout求得的加在上述基准电阻上的周围温度TQ和上述传感器主体检测出的相对于流体流量每单位温度上的温度变化率ΔP，修正上述传感器主体检测出的流体流量。

附图说明

图1是本发明一实施形态的流量测量装置的传感器部的结构图。

图2是本发明一实施形态的流量测量装置的概略结构图。

图3是对应于传感器输出的流量的每单位温度的变化率ΔP。

图4表示输出变化率与传感器输出温度的关系。

图5表示运算处理部的传感器输出的温度进行修正的大致处理步骤。

图6是说明流量检测装置(流量传感器)的基本构造及其测量概念的说明图。

图7是已有的一般的流量测量装置的概略结构图。

图8表示相对于传感器主体的流量的输出变化特性。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明一实施形态的流量测量装置。

这种流量测量装置(流量传感器)是适合测量例如煤气供给量的装置。装置流量测量装置的传感器部如图1所示，是在1.7mm见方大小的硅片11的中央部13上隔开规定的间隔，从流体的流通方向的上游侧开始设置第1测温电阻Ru，发热电阻RH，以及第2测温电阻Rd构成的。这些电阻RH、Ru、R分别由白金(Pt)等薄膜电阻构成。然后提供流量测量的燃料(例如煤气)沿硅片11的表面流通，发热电阻RH的发热引起上述中央部13的周围温度分布发生变化。特别是流体，相应其流量给下游一侧的测温电阻Rd带来热影响。

且在上述硅片11的周边部，例如上述流体的流通方向F的上游一侧设置测量周围温度用的基准电阻RR。更在未图示的外部基板上分别设置有用于构成对上述发热电阻RH进行驱动的驱动电压控制用的桥式电路1的固定电阻R1、R2和用于构成对第1和第2测温电阻Ru、Rd进行流量测量用的桥式电路3的固定电阻Rx、Ry。

如上所述，利用硅片11上形成的多个电阻实现的流量测量装置，大致有如图2所示的结构。即，该实施形态的流量测量装置具备用在上述发热电阻RH的两侧配置的一对测温电阻Ru，Rd和一对固定电阻Rx、Ry形成的流量测量用的桥式电路3。然后利用差动放大器4检测与该桥式电路3的所述测温电阻Ru、Rd的电阻值变化相应的电桥输出电压。该差动放大器4和上述桥式电路3构成流量测量装置的传感器主体。

发热电阻RH的驱动电路具备同时连接发热电阻RH和周围温度测量用的基准电阻RR的一端，并且同时连接分别串联于上述发热电阻RH及基准电阻RR的另一端的一对固定电阻R1、R2的桥式电路1。电池等电源供给的电压Vcc通过晶体管Q施加到这个桥式电路1上。差动放大器2求得上述桥式电路1的电桥输出电压，这个差动放大器2的输出反馈给所述晶体管Q，以使上述电桥输出电压为0。利用该晶体管Q的反馈控制调整加在桥式电路1上的电桥驱动电压(发热电阻RH上施加的电压)。

更具体地说，上述桥式电路1上，发热电阻RH和基准电阻RR的同时连接的节点A通过上述晶体管Q连接于电源电压Vcc。而且，在桥式电路1上，同时连接一对固定电阻R1、R2的节点B接地。然后，发热电阻RH和固定电阻R1的连接点(节点C)及基准电阻RR和固定电阻R1的连接点(节点D)之间产生的电位差作为桥式电路1的电桥输出电压取出。

这种流量测量装置具备承担从上述电桥输出电压求沿上述传感器主体流动的流体流量的任务的，例如微型计算机构成的运算处理部(运算手段)20。

也就是说，这种运算处理部(运算手段)20基本上具备检测上述传感器主体(流量测量用的桥式电路3)的输出(差动放大器4的输出电压)，求沿该传感器主体流动的流体的流量的运算手段21。运算处理部20具备计算(检测)放置上述基准电阻RR的环境的温度TQ的周围温度运算手段22。这个周围温度运算手段22分别检测形成上述发热电阻RH的驱动电路的桥式电路1中的节点A的电压，即施加在桥式电路1上的电桥驱动电压Vin和上述发热电阻RH和固定电阻R1的连接点(节点C)上产生的电压Vout，根据这些的电压Vin、Vout如下所述计算出(检测出)环境温度TQ。

而且，上述运算处理部20具备根据周围温度运算手段22求的得的周围温度TQ用上述传感器主体检测出的流体流量的每单位温度的温度变化率ΔP，根据该温度变化率ΔP，对通过上述流量运算手段21求得的流量进行温度修正的流量修正手段23。

还有，上述运算部20对上述差动放大器4的输出(传感器输出电压V)和桥式电路1上的各节点A、C的电压Vin，Vout分别进行A/D变换然后取入进行上述规定的处理。具体来说，上述流量运算手段21根据上述图8所示的流体流量和传感器输出的关系，特别是参照记载有在基准温度T(例如作为标准的周围温度23℃)下的传感器输出特性的流量表24，计算出对应于上述差动放大器4的输出(传感器输出电压V)的概略的流量数据Pt。

而且，周围温度运算手段22根据预先求得的上述基准温度(T)下上述基准电阻RR的电阻值Rref和该基准电阻RR的温度系数α，从桥式电路1求得的节点A、C的电压Vin、Vout计算出周围温度TQ。即在周围温度为TQ时，上述基准电阻RR的电阻值R可以看作根据上述温度系数α从基准温度T下的电阻值Rref移动了相应于该温度差(TQ—T)大小的电阻值。所以基准电阻RR的电阻值R可以由

R＝Rref[1+α(TQ—T)]                         …(1)

表示。

另一方面，在周围温度为TQ时，利用晶体管Q使桥式电路1平衡，使其电桥输出电压为零。在这一条件下，基准电阻RR两端所加的电压等于上述节点A、C的电压Vin、Vout之差。这时基准电阻RR上流过的电流I等于电阻值为一定Rconst的固定电阻R2上流过的电流I。所以周围温度为TQ时，上述基准电阻RR的电阻值R可以由下式表示，即

R＝(Vin—Vout)/(Vout/Rconst)                   …(2)

所以根据上述(1)式和(2)式所示的关系，可以计算出基准电阻RR所在环境的周围温度TQ为

TQ＝T+{[(Vin—Vout)/(Vout/Rconst)Rref]—1}/α

上述基准温度T、基准电阻RR的温度系数α和基准温度T下的电阻值Rref、还有固定电阻R2电阻值Rconst是已知的。所以周围温度TQ可以通过上述公式所示的运算处理简单地求出。换言之，不用温度传感器也能求得周围温度TQ。

另一方面，着眼于上述图8所示的传感器输出和流量的关系，可以看出传感器输出的每单位温度(例如1℃)下的变化率ΔP对应于流量有如图3所示的倾向(特性)。例如着眼于与基准温度(例如23℃)下的流量对应的传感器输出的变化率，每1小时的流量为2000L(升)时，对应于传感器输出温度的变化率为零时，对应于周围温度的传感器输出的变化率如图4所示对应于流量变化。而且对应于这些流量的传感器的输出变化率显示出与周围温度变化大致成正比的特性。

所以着眼于每单位温度的传感器输出变化率ΔP时，当上述基准温度(T)下的传感器输出记为P，周围温度TQ时的传感器输出值记为PQ时，该变化率ΔP具有以下的关系，即

ΔP＝(PQ—P)/(TQ—T)

所以传感器变化率ΔP可以看出对于流量有如图3所示的特性。换言之，周围温度TQ下的传感器输出值PQ相对于基准温度T下的传感器输出值P表现出下述关系式所示的变化。

PQ＝P+ΔP(TQ—T)

立足于上述见解，在该流量测量装置中如图3所示具备存储每单位温度的传感器输出的变化率ΔP的输出变化率表25。而且在上述流量修正手段23中，根据概略求出的流量参照输出变化率表25，求出那时的传感器输出相当于温度的变化率ΔP有多大。然后对在上述周围温度TQ下求得的传感器输出值PQ，根据上述变化率ΔP和与基准温度T的温度差(TQ—T)，对其进行温度修正，修正为下式所示，即

P＝PQ—ΔP(T—TQ)

该流量测量装置通过这样的温度修正得到对传感器输出的温度特性进行了修正的输出值P，从而能够高精度地求得其流量。

在上述运算处理部20进行的处理中，大致按照图5所示的处理步骤通过软件执行。也就是说，首先对在发热电阻RH的驱动电路(桥式电路1)上的节点A、C的电压Vin，Vout进行A/D变换然后并取入[步骤S1]。然后根据上述电压Vin，Vout计算出加在基准电阻RR上的周围温度TQ[步骤S2]。

另一方面，对由上述桥式电路3组成的传感器主体的输出电压V进行A/D变换然后取入，然后参照上述流量表24求得对应于上述传感器输出的大概流量PQ[步骤S3]。然后，根据该大概流量PQ并参照输出变化率表25，求得该流量PQ下的传感器输出的每单位温度的变化率ΔP[步骤S4]。那样以后，根据该变化率ΔP和如上所述求得的周围温度TQ，对上述大概流量PQ进行温度修正，求得与温度和流量无关的真正的流量P[步骤S5]。

这样，本发明的流量测量装置具备如上述求得周围温度TQ，再求相应于流量的传感器输出的每单位温度的变化率ΔP，对传感器输出PQ进行温度修正的功能。从而，采用具备这样功能的流量测量装置，则不配备温度传感器等外部零部件就可以有效地修正传感器主体输出的与流量相关的温度变化，可以大大提高测量精度。而且形成能够有效利用计算传感器输出的流量的运算处理部20对传感器输出进行温度修正的结构。从而只要变更已有的流量测量装置通常配备的运算处理装置20的执行程序，就可以实现本发明的流量测量装置，起到不招致结构造成复杂化等的效果。

而且，本发明不局限于上述实施形态。例如在实施形态中，参照流量表24求相对于传感器输出值的流量PQ。但是也可以将传感器输出值和流量的关系以一次近似函数等提供，根据该函数计算流量PQ。又，在实施形态中，在桥式电路3的发热电阻RH和基准电阻RR的共同连接点(节点A)上施加电源电压Vin，将固定电阻R1、R2的共同连接点(节点B)接地进行驱动，但是当然也可将其关系反过来，在固定电阻R1、R2的一侧施加驱动电压。甚至因为是在桥式电路3平衡的状态下检测其驱动电压Vin和电桥输出电压Vout，所以当然也可以不检测发热电阻RH一侧的节点C的电压Vout，而检测基准电阻RR侧的节点D的电压Vout。

甚至对于传感器主体的流量测量范围等，也可以根据其测量对象的规格决定。又，运算处理部20输出的流量P的数据，可以是几位的数字数据，又可以是与流量相应的脉冲数的串行数据。此外，本发明可以在不不脱离其要旨的范围内进行种种变形实施。

工业上的利用可能性

采用如上说明的本发明，可在没有温度传感器等配置的情况下求得传感器主体的周围温度，根据该周围温度和相应于传感器主体输出的流量的每单位温度的变化率对上述传感器主体的输出进行温度修正，所以可方便有效地进行精度高的流量测量。所以本发明的流量测量装置在实用上是有很有利的。

Claims (2)

1.一种流量测量装置，具备发热电阻、以及夹着该发热电阻分别设置于流体的流通路径的上游侧和下游侧的第1和第2的测温电阻，其特征在于，具备

从使所述发热电阻以一定发热量发热时所述第1和第2的测温电阻的电阻值之差检测出所述流体的流量的传感器主体、

使用所述发热电阻和测量周围温度用的基准电阻、及与所述发热电阻和基准电阻分别串联连接的一对固定电阻的桥式电路、

在同时连接该桥式电路的所述发热电阻和基准电阻的一端与同时连接所述一对固定电阻的另一端之间施加规定的电桥驱动电压，同时控制所述电桥驱动电压，使该桥式电路的所述一对固定电阻上分别产生的电桥输出电压的差为零的发热电阻驱动电路、以及

在将基准温度T下的所述基准电阻的电阻值设为Rref，该基准电阻的温度系数设为α，所述固定电阻的电阻值设为Rconst时，根据所述电桥驱动电压Vin和电桥输出电压Vout，求在周围温度为TQ时的上述基准电阻的电阻值R，

R＝Rref[1+α(TQ—T)]

 ＝(Vin—Vout)/(Vout/Rconst)

从而算出加在上述基准电阻上的周围温度TQ，根据该周围温度TQ修正所述传感器主体求得的流量的运算装置。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述运算装置还具备根据从所述电桥驱动电压Vin和电桥输出电压Vout求得的加在所述基准电阻上的周围温度TQ和所述传感器主体检测出的相对于流体流量的每单位温度的温度变化率ΔP，修正所述传感器主体检测出的流体流量的流量修正装置。

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