CN101529214A - 用于从质量气体流量和/或液体流量传感器提供线性信号的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从流量传感器提供线性信号的方法和系统。从质量流量传感器中可获得非线性原始信号。随后，可从非线性原始信号中减去包含增加了变量和可选择的奥米加值的离散正弦函数的近似误差，以便于提供减去后的结果并减小它的误差范围。随后，从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于流量传感器的原始输出线性化。从而，允许用户调整与所述变量和可选择的奥米加值相关联的频率增量以减小其误差范围。因此，通过允许用户根据用户的用于减小误差的流量范围自主调整频率增量，可对气体流量和液体流量传感器输出进行线性化。
Description
技术领域
具体实施方式一般涉及流量传感器。具体实施方式也涉及质量气体流量传感器(mass airflow transducer)和液体流量传感器(liquid flow transducer)。具体实施方式另外涉及用于从质量气体流量和/或液体流量传感器提供线性信号的技术和装置。
背景技术
质量流量传感器被用于多种行业以量化物质的流率。已知各种类型的质量流量传感器。例如，质量气体流量传感器和液体流量传感器在许多商用、消费者和医学的应用中被使用。在医学行业中，例如采用质量流量传感器来监控和控制病人的呼吸。感测质量流量的一种常用技术涉及在与流向平行的加热元件的每一侧上使用多个电阻温度检测器。当诸如流体或者气体流经电阻器时，设置在加热元件上游的电阻器被冷却，而设置在加热元件下游的电阻器被加热。当在这些电阻器上施加电压时，产生电信号。利用多个电阻温度检测器来产生的信号为高度非线性的且对于在大部分“高精度”控制系统中使用是不理想的。
当前两种类型的方法被用于将非线性质量流量信号近似(approximate)成线性输出：分段线性函数或者多项式近似。在分段线性函数中，线性信号由分布于整个信号范围的多个线性方程来近似。在多项式近似中采用多项式表达式来描述信号。已经实现另一种用于通过减去增加了奥米加(omega)(频率增量)的离散正弦函数来线性化质量流量信号的方法，该离散正弦函数描述了信号的原误差(original error)(或非线性)。
存在用较少的作为质量流量传感器一部分的系数和数学步骤改进线性信号产生的精度的需要。据信，如本文中更详细描述的，此问题的解决方案涉及用于对质量气体流量和/或液体流量传感器的原始输出(raw output)进行线性化的改进方法和系统的实施。
发明内容
提供下面的概述以便于理解只有所公开的实施方式才有的一些创新的特征，并且不意在完整的描述。实施方式的各个方面的完整理解可以通过把整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体来获得。
因此，本发明的一个方面在于提供一种改进的流量传感器的方法与系统。
本发明的另一个方面在于提供一种用于从质量气体流量传感器和/或流体流量传感器中产生线性信号的方法和系统。
本发明的另一个方面在于提供一种用于对来自于质量流量传感器的原始输出信号进行线性化的方法和系统。
本发明的再一方面提供一种用于从质量气体流量和液体流量传感器中提供线性信号的方法和系统。
如此处所描述的，现在可实现上述的方面和其它的目的及优点。公开了一种用于从流量传感器提供线性信号的方法和系统。从质量流量传感器中获得非线性原始信号。从所述非线性原始信号中减去近似出的误差以便于提供减去后的结果并减小其中的误差范围，近似出的误差包括增加了变量和可选择的奥米加值的离散正弦函数。随后，可从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于流量传感器的原始输出线性化。从而，允许用户调整与所述变量和可选择的奥米加值相关联的频率增量以减小其误差范围。从而，通过允许用户根据用户的用于减小误差的流量范围自主调整频率增量，可产生经线性化的气体流量和液体流量传感器输出。
通常来说，可以实现用于从流量传感器提供线性信号的系统，其包括数据处理装置；由所述数据处理装置执行的模块，所述模块和所述数据处理装置可相互相结合地操作以从流量传感器中获得非线性原始信号；对来自所述非线性原始信号的非线性误差进行近似；从所述非线性原始信号中减去近似出的误差，以便于提供减去后的结果并减小其中的误差范围，近似出的误差包括增加了变量和可选择的值的离散正弦函数；以及从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于所述流量传感器的原始输出线性化。
所述变量和可选择的值包括奥米加变量。所述数据处理装置和所述模块还可相互相结合地操作，以允许用户调整与所述变量和可选择的值相关联的频率增量以减小其中的误差范围。数据处理装置可以被提供作为特定用途集成电路(ASIC)，该集成电路与质量流量传感器和/或上下文的计算机关联，它包括诸如存储器、处理器等部件。数据处理装置或ASIC可被配置成包括用于存储多个存储器储存系数的存储器、放大器、用于执行近似计算的近似机构，其中所述近似机构从所述存储器接收所述多个存储器储存系数以及从所述放大器接收输出信号，且其中，所述近似机构对来自所述非线性原始信号的所述非线性误差进行近似。这样的ASIC还可被配置成包括用于产生离散正弦函数的电路，其中所述电路提供所述离散正弦函数给所述近似机构；以及减法器，从所述放大器接收输出信号以及从所述近似机构接收输出信号，其中所述减法器从所述非线性信号中减去所述近似出的误差以产生减去后的结果。
附图说明
附图进一步阐述了具体实施方式并结合详细的说明用来解释此处公开的具体实施方式，其中，在全部单独的附图中相同的参考标记代指相同或者功能类似的元件，且其与说明书结合在一起并形成说明书的一部分。
图1根据优选实施例阐明了可适于与质量气体流量传感器和/或液体流量传感器一起使用的温度感测惠斯通电桥电路(Wheatstone bridge circuit)的示意图；
图2根据优选实施例阐明了用于对非线性、原始的质量流量信号进行线性化的过程示意图；
图3根据优选实施例阐明了描述电压信号与未经补偿的以及经过补偿的(所期望的)信号的气体流量的关系的图；
图4根据优选实施例阐明了示出采用ASIC使非线性信号线性化的过程的框图；
图5根据优选实施例阐明了描述用于质量流量传感器的线性化方法的操作的高级别流程图；
图6根据优选实施例阐明了描述百分比误差(percentage error)与用于质量流量传感器的经线性化输出的归一化(normalized)流量的关系的图；
图7(a)和图7(b)阐明了示例方程，其可根据优选实施例执行；
图8根据优选实施例阐明了描述百分比误差与用于质量气体流量传感器或者液体流量传感器的经线性化输出的归一化流量的关系的图；以及
图9根据优选实施例阐明了描述百分比误差与用于质量气体流量传感器或者液体流量传感器的经线性化输出的归一化流量的关系的图。
具体实施方式
在这些非限定的示例中所论述的特定的值和配置可改变且仅仅被引用来阐明至少一个实施例而不意味着限定它的范围。
图1根据优选实施例阐明了可适于与质量气体流量传感器和/或液体流量传感器一起使用的电桥电路100或系统的示意图。电路100的系统通常包括一组电阻器104、106、108、110，这组电阻器连接到激励电压120和放大器115。电阻器104、106、108、110设置成惠斯通电桥电路并在节点V1和V2处连接到放大器115。电路100可在上下文中的ASIC(Application Specific IntegratedCircuit)(特定用途集成电路)中实施。
当质量流经该组电阻器104、106、108、110时，处于电阻器109(例如加热器)上游的电阻器106和电阻器110被冷却，而处于加热器或电阻器109下游的电阻器104和电阻器108被加热。注意，电阻器109连接至激励电压130。当激励电压120施加到该组电阻器104、106、108、110上时可产生电信号。由流经加热器109以及随后流经电阻器104与108的液体流产生温度差。这个温度差使电桥不平衡引起电压差，该电压差利用放大器115被放大并随后校准成质量流率(mass flow rate)。从放大器115获得的信号通常构成与流体流量相关的非线性原始信号。
图2根据最优实施例阐明了对从放大器115获得的非线性原始信号进行线性化的系统200的示意图。注意，在图1-2中，相同的或相似的部分或元件通常用相同的参考标记表示。例如在图1中描述过的电阻器104、106、108、110通常代表在图2中描述的电阻器组207。电桥电路100的放大器115与加热器109也被在图2中描述，并可适于与电连接到ASIC 201的质量流量传感器202一起使用。ASIC 201通常包括了放大器115，该放大器115提供电信号给近似机构(approximation mechanism)225。ASIC 201还包括存储器240，该存储器240可储存描述在校准期间所获得的误差的系数。存储器240和放大器115电连接到近似机构225。
来自于电路100的输出信号可提供给放大器115，并且由放大器115进行放大。来自于储存描述在校准期间获得的误差的系数的存储器的输出信号存储在存储器240中。存储器240中储存的数据以及来自于放大器115的放大的非线性信号可作为输入信号提供给近似机构225。这样的近似方法使用用于产生离散的正弦函数的电路220对来自原非线性原始信号的误差进行近似。随后，减法器(subtractor)230可用于从原非线性原始信号中减去所近似的误差以获得线性信号235。因此，此处所描述的实施例可利用与原始质量流量传感器202配合的ASIC 201(特定用途集成电路)实施。
图3根据优选实施例阐明了描述电压的变化与非线性、未经补偿的信号305以及线性的所期望信号235的液体流量的关系的图300。如在图300中所显示的，作为图2中所描述的操作的结果并且与图1中所描述的电路100相关联地，从质量流量传感器202中得到的非线性原始信号305转换成线性信号235。使信号线性化的方法将包含在ASIC 201中。
图4根据优选实施例阐明了示出利用ASIC 201来线性化非线性信号的过程的框图400。注意，在图1-3中，相同的或相似的部分或元件通常用相同的参考标记表示。正如先前关于图2和图3所描述的，图4阐述了电阻器组207、激励电压120、用于改变质量流量的功能性348、放大器115、非线性信号350、ASIC201、产生离散正弦函数的电路220、减法器230、近似机构225和线性信号235。注意，改变质量流量的功能性348用于创建非线性信号。
图5根据优选实施例阐明了描述用于质量流量传感器202的线性化方法500的操作的高级别流程图。如在块505处所表示的，可从图2中描述的质量流量传感器202中获得线性信号。接着，如在块510处所表示的，可利用由图2中所描述的电路220产生的离散正弦函数对从由图1中所描述的电路100产生的原始输出信号中获得的非线性误差进行近似。接着，如在块520处所表示的，可通过从原原始信号中减去(例如，采用图2中描述的减法器230)所近似的误差来获得线性信号，如先前在块515处所描述的。
图6根据优选实施例阐明了描述百分比误差与用于质量流量传感器的经线性化输出的归一化流量的关系的图。如图600所述，优化的7阶多项式近似610和10段分段线性近似605可与减去7个优化的正弦曲线615的误差图(ErrorPlot)进行比较，该正弦曲线615用于对来自原始信号的原误差进行近似。然而，要注意，代替对质量流量信号进行近似，可采用离散正弦函数从对来自原来的原始信号的误差进行近似，并从原来的原始信号中减去该误差以对其进行线性化。该方法允许使用较少的系数与数学步骤来改进线性信号的精度。对于用于描述信号的较少的系数(较少的数学计算提供了总传感器响应时间的降低)来说由于误差的减小(精度增加)，对质量流量传感器的原始输出进行线性化的该方法优于目前的行业方法。这样的方法基于操作描述原传感器的误差的正弦表达式的频率增量的能力。
图7(a)和图7(b)阐明了如在块700处所示的示例方程702，其可根据优选实施例施行。图7(a)和图7(b)表述了同一个方程702。然而，提供在图7(b)中呈现的例示以证明以下事实，即奥米加(ω)，频率增量优选地是可以为最佳结果而调整(tune)以描述在特定用户所要求的范围内的信号原误差的数字ASIC 100内的变量。
在用户希望在小于传感器的机械(mechanical)流量范围的流量范围中使用气体流量(或者液体流量)传感器的情况下，频率增量可被“调整”到用户将用于传感器的特定范围。例如，用户可能希望在-200sccm到100sccm的范围中使用+/-200sccm(表示在每个方向上，200sccm(标准立方厘米/分))的气体流量传感器。在这种情况下，通过提供调整频率增量的自由给用户，用户可以“数字地”将传感器“调整”到该特定范围，代替使用+/-200sccm的范围。例如，参考在图8和图9中分别描述的利用具有不同频率增量的同样的原始传感器信号数据的经投影误差图。
图8根据优选实施例阐明了描述百分比误差与用于质量气体流量传感器或者液体流量传感器的经线性化输出的归一化流量的关系的图800。图9根据优选实施例阐明了描述百分比误差与用于质量气体流量传感器或者液体流量传感器的经线性化输出的归一化流量的关系的图900。图800通常在-200sccm到+200sccm范围内绘制。另一方面，图900通常在-200sccm到+100sccm范围内绘制。图9表示频率增量可在整个机械范围中为特定客户范围而“调整”。这样，可以理解，奥米加(ω)不是如在现有技术中一样的常量，而是作为可调整的变量而实施以便于根据质量气体流量和/或液体流量的范围来数字地调节(tweak)操作过程。
注意，此处所公开的具体实施方式可在上下文的主操作系统和一个或多个模块中实施。在计算机程序设计艺术中，软件模块通常可作为执行特定的任务或实施特定的抽象数据类型的程序和/或数据结构的集合来执行。软件模块通常包括可储存在数据处理装置的存储器位置的指令介质，并且其典型地由两部分构成。首先，软件模块会列出可由其它的模块或程序存取的常量、数据类型、变量、程序等等。其次，软件模块可被配置成实现(implementation)，其可以是专用的(即，或许仅对于该模块可存取)，并且其包含实际执行模块所基于的程序或子程序的源代码。这里所使用的术语模块因此可涉及软件模块或者其实现。这样的模块或指令介质可以单独地或者结合地使用，以形成可通过信号承载介质(signal-bearing media)执行的程序产品，信号承载介质包括传输介质和可记录介质。例如，这样的一个或多个模块可用于执行图5所述的方法。
经由此处所描述的ASIC 201或者经由诸如计算机的另一个数据处理装置可提供数据处理装置以执行特定的任务或系列任务。可选择地，ASIC 201可与计算机联合作用以提供此处所描述的功能性。虽然这样的数据处理装置可实现在上下文的全功能数据处理装置的中，本领域技术人员将理解本发明的机构可以各种形式作为程序产品分配，而且不管用于实际执行分配的信号承载介质的具体类型，本发明平等地适用。信号承载介质的示例包括但不限于，诸如软盘或CD ROM的可记录型介质和诸如模拟或数字通信链路的传输型介质。
诸如磁带盒(magnetic cassette)、闪存卡、数字通用光盘(DVD)、伯努力编码磁带(Bernoulli cartridge)、随机存取存储器(RAM)以及只读存储器(ROM)的、可储存可由计算机存取的数据的任何类型计算机可读介质可与本具体实施方式关联使用。
应当理解，上面所公开的变型和其它的特征及功能，或者它的替换，可期望地组合到许多其它不同的系统或应用中。同样，各种目前无法预见与不曾预料到的其中的替换、更改、变化或改良可能由本领域技术人员随后作出，这些也意在由所附权利要求来包含。
Claims (10)
1、一种用于从流量传感器中提供线性信号的方法，包括：
从流量传感器中获得非线性原始信号；
对来自所述非线性原始信号的非线性误差进行近似；
从所述非线性原始信号中减去近似出的误差以便于提供减去后的结果并减小其中的误差范围，近似出的误差包括增加了变量和可选择的值的离散正弦函数；以及
从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于所述流量传感器的原始输出线性化。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述变量和可选择的值包括奥米加变量。
3、如权利要求1所述的方法，进一步包括：
允许用户调整与所述变量和可选择的值相关联的频率增量以减小其中的所述误差范围；以及
将所述质量流量传感器与特定用途集成电路(ASIC)相关联。
4、如权利要求3所述的方法，进一步包括配置所述ASIC以包括：
用于储存多个存储器储存系数的存储器；
放大器；
用于执行近似计算的近似机构，其中，所述近似机构从所述存储器接收所述多个存储器储存系数以及从所述放大器接收输出信号，且其中所述近似机构对来自所述非线性原始信号的所述非线性误差进行近似；
用于产生所述离散正弦函数的电路，其中所述电路提供所述离散正弦函数给所述近似机构；以及
减法器，从所述放大器接收输出信号以及从所述近似机构接收输出信号，其中，所述减法器从所述非线性信号中减去所述近似出的误差以产生所述减去后的结果。
5、一种用于从流量传感器中提供线性信号的方法，包括：
从流量传感器中获得非线性原始信号；
对来自所述非线性原始信号的非线性误差进行近似；
从所述非线性原始信号中减去近似出的误差以便于提供减去后的结果并减小其中的误差范围，近似出的误差包括增加了变量和可选择的值的离散正弦函数，其中，所述变量和可选择的值包括奥米加变量；
从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于所述流量传感器的原始输出线性化；以及
允许用户调整与所述变量和可选择的值相关联的频率增量以减小其中的误差范围。
6、如权利要求5所述的方法，进一步包括将所述质量流量传感器与特定用途集成电路(ASIC)相关联，特定用途集成电路包括：
用于存储多个存储器储存系数的存储器；
放大器；
用于执行近似计算的近似机构，其中，所述近似机构从所述存储器接收所述多个存储器储存系数以及从所述放大器接收输出信号，且其中所述近似机构对来自所述非线性原始信号的所述非线性误差进行近似；
用于产生所述离散正弦函数的电路，其中所述电路提供所述离散正弦函数给所述近似机构；以及
减法器，从所述放大器接收输出信号以及从所述近似机构接收输出信号，其中，所述减法器从所述非线性信号中减去所述近似出的误差以产生减去后的结果。
7、一种用于从流量传感器中提供线性信号的系统，包括：
数据处理装置；
由所述数据处理装置执行的模块，所述模块和所述数据处理装置可相互相结合地操作以：
从流量传感器中获得非线性原始信号；
对来自所述非线性原始信号的非线性误差进行近似；
从所述非线性原始信号中减去近似出的误差，以便于提供减去后的结果并减小其中的误差范围，近似出的误差包括增加了变量和可选择的值的离散正弦函数；以及
从所述减去后的结果中获得线性信号以使来自于所述流量传感器的原始输出线性化。
8、如权利要求7所述的系统，其中，所述变量和可选择的值包括奥米加变量。
9、如权利要求7所述的系统，其中，所述数据处理装置和所述模块进一步可相互相结合地操作，以允许用户调整与所述变量和可选择的值相关联的频率增量以减小其中的误差范围。
10、如权利要求14所述的系统，其中，所述数据处理装置包括与所述质量流量传感器相关联的特定用途集成电路(ASIC)，其中所述ASIC进一步包括：
用于存储多个存储器储存系数的存储器；
放大器；
用于执行近似计算的近似机构，其中所述近似机构从所述存储器接收所述多个存储器储存系数以及从所述放大器接收输出信号，且其中，所述近似机构对来自所述非线性原始信号的所述非线性误差进行近似；
用于产生所述离散正弦函数的电路，其中所述电路提供所述离散正弦函数给所述近似机构；以及
减法器，从所述放大器接收输出信号以及从所述近似机构接收输出信号，其中所述减法器从所述非线性信号中减去所述近似出的误差以产生所述减去后的结果。
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