CN102084226A - 具有气体特定校准能力的多气体流量传感器 - Google Patents

Abstract

利用特定介质校准能力的多-气体/-气体混合物或液体流量传感器装置。该流量传感器可以耦合到包括信号调节器和存储器模块的专用集成电路(ASIC)。所述信号调节器为来自所述传感器的流量信号提供高阶校准和信号处理，以产生表示该流量的经处理的信号输出。所述经处理的信号输出可以存储在存储器模块中。校正系数可以响应于所述经处理的信号输出的存储值进行计算并存储在存储器模块中，其倾向于使得流量和测量系统的经处理的信号输出之间的关系线性化。所述校正系数和/或由信号调节器提供的所述经处理的信号输出可以被所述测量系统利用。

Description

具有气体特定校准能力的多气体流量传感器

技术领域

实施例总体涉及传感器方法和系统。实施例也涉及用于测量多个被测变量的复合传感器。实施例还涉及多气体流量传感器。

背景技术

流量传感器用于多种流体传感应用以检测流体运动，该流体可以是气态(比如空气)或液态。气体质量流量传感器是流量传感器的一个例子。使用气体质量流量传感器的气体传感应用的例子包括用于医学应用的麻醉气体混合器，用于工业应用的高端焊接装备，和用于仪表应用的气体层析法检测器和控制器。用于上述应用的典型的传感器装置包括，例如一个或多个同时的被测变量以为传感器测量进行计算。当前使用具有不同地址的多个传感器，或者使用具有复杂的系统水平校准选择的单一传感器，来实现这一点，该单一传感器使用调节微控制器或PLC(可编程逻辑控制器)。

流量传感器响应于通过该传感器的气体流或液体流固有地产生非线性输出信号。这种非线性输出信号取决于许多因素，比如与使用的传感元件有关的电阻的温度系数，被测量的介质和换能器的介质的热传递特性，和流路径的机械尺寸。

信号调节电路通常用作信号调节单元的接口，以将从数据源接收的基本流量信号转化成更有用的输出信号。信号调节电路可以与流量传感器结合使用以接收非线性流量信号，并通过控制系统将所述基本流量信号转化成输出电压。已经开发了专用集成电路(ASIC)部件用于调节传感器输入信号，这些ASIC提供可专门设计成匹配特定传感器技术的特性的各种编程选择。

现有技术的传感应用大多数具有有限的传感和信号调节能力。这些传感应用使用多个传感器、复合校准例程(routine)和昂贵的微控制器/PLC调节来自传感器的基本流量信号，而不管传感器正测量的量(quantity)如何。该方法导致了复杂的系统校准，这种复杂的系统校准致使处理时间的增加，而且经常产生不准确结果。此外，对于上述应用，用于封装各个传感器的安装成本增加，这进一步加大了最终传感器封装体的尺寸。

基于上述情况，确实需要如下所进一步详述的使用具有气体校准能力的复合传感器的改进的多气体流量传感器。也需要能够调节从不同类型传感器输出的基本流量信号的改进的信号调节电路。

发明内容

提供以下概述以便于理解所公开实施例特有的一些创新的特征，该概述并非完全的描述。所述实施例的各个方面的全面了解可以通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体来获得。

因此，本发明一方面提供一种改进的传感器方法和装置。

本发明另一方面提供一种用于在公共的封装体中测量多个被测变量的改进的复合传感器装置。

本发明又一方面提供一种使用具有气体特定校准能力的复合传感器的改进的多气体流量传感器。

前述各方面和其他目的和优点现在可以如本文所描述地实现。本文公开多气体流量传感器装置和方法，其包括具有气体校准能力的复合传感器的使用。所述复合传感器可以耦合到包括信号调节器和存储器模块的调节微控制器。所述信号调节器为来自所述复合传感器的流量信号提供高阶校准和信号处理，以产生表示该流量的经处理的信号输出。所述经处理的信号输出可以存储在存储器模块中。校正系数可以响应于所述经处理的信号输出的存储值进行计算并存储在存储器模块中，其倾向于使测量系统的经处理的信号输出和流量之间的关系线性化。所述校正系数和/或由信号调节器提供的所述经处理的信号输出可以被测量系统利用。

所述复合传感器包括许多不同类型的传感器，它们提供多个传感被测变量用于传感操作。所述ASIC存储器和信号调节器可以连接到多个不同类型的传感器。所述ASIC利用存储器为每一个所连接的被测变量换能器存储校准数据和传感器相关信息。

可以根据测量系统使用经处理的信号输出的附加校正系数，在气体类型变化时这些系数也需要变化。用于准确计算不同气体的质量流量的重要被测变量是：流通道中的是哪种气体，绝对温度和大气压。湿度也可以被处理并用于气体质量流量的进一步计算。所述复合传感器输出提供给调节微控制器，在调节微控制器处该信息可以被处理成特定气体输出的准确输出信号。因而，此处公开的具有气体特定校准的所述多气体流量传感器可以为各种已知气体提供校准的经过粗略调节的信号。

附图说明

附图进一步描述实施例，并且连同具体实施方式一起用于解释此处公开的实施例，贯穿不同的视图相同的附图标记指的是相同的或功能类似的元件，附图包括在说明书中并作为说明书的一部分。

图1示出根据优选实施例的多气体流量传感器的框图，该多气体流量传感器可以用于提供校准的且准确调节的输出；和

图2示出了操作流程图，该流程图示出根据优选实施例的用于提供所述多气体流量传感器输出信号的高阶校准和信号处理的方法的操作步骤。

具体实施方式

在这些非限制性例子中讨论的特定值和配置可以变化，并且只是引用来说明至少一个实施例而并不意图限制其范围。

图1示出了根据优选实施例的流量传感器装置110的框图100，该流量传感器装置110可以用于提供校准的特定于气体/气体混合物或液体的经调节的输出。该流量传感器装置110连接到一个或多个位于所传感的参数125内的流量传感器并且具有传感器处理能力。所述流量传感器装置110也连接到终端用户设备160。在一个实施例中，所述流量传感器装置110可以实现为专用集成电路(ASIC)“复合传感器”装置120和包括信号调节器140和非易失存储器150的调节微控制器130。然而，特别要注意的是，复合传感器仅仅表示一种可能的实现方式。为了讨论和提供说明性示例，所述公开的实施例给出了组合传感器的例子。注意，此处使用的术语“复合传感器”一般指的是组合传感器，其通常结合了一个或多个传感器换能器，举例来说，比如质量流量、压力、温度和湿度。

所述流量传感器装置120可以配置为包括多个不同类型的传感器125，所述不同类型的传感器125由针对每个被测变量122，124，126和128的功能补偿块内的复合传感器ASIC 120处理，所述功能补偿块可以为用于传感操作的多个传感被测变量提供补偿输出。所述调节微控制器130进一步包括信号调节器140和相关联的存储器150。所述复合传感器ASIC 120感测环境参数125，比如气流、压力、温度和湿度以提供补偿的被测变量信号132，每一个补偿的被测变量信号132都处于对通过所述复合传感器125的气体/气体混合物或液体质量流量有非线性响应的情况下。这样的输出信号取决于许多因素，比如温度系数、被测介质的热传递特性和换能器的介质的热传递特性以及流路径的机械尺寸。所述基本流量信号可以通过与所述ASIC 130关联的信号调节器140进行调节和校准。

补偿的被测变量信号一般对应于由复合传感器120感测到的参数125。所述调节微控制器130基于关于被感测的气体/气体混合物或液体的信息将系数反馈给所述复合传感器120。所述信号调节器140使用来自复合传感器120的已调节被测变量并使用计算来提供经处理的输出信号160。用于产生所述经处理的输出信号160的系数也可以存储在存储器150中。所述与气体/气体混合物或液体流相关的信息一般由终端用户设备160提供。校正系数可以基于所述经处理的信号输出160的存储值进行计算并存储在所述存储器150中，其趋向于使测量系统的经处理的信号输出160和流量之间的关系线性化。

所述存储器150包括可重写非易失存储器，EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)或闪EPROM；当然，其他可重写ROM也可以使用。所述调节微控制器130可以利用EEPROM 150存储流特定系数134和有关的传感器相关信息并且将其提供给传感器122，124，126和128中的一个或多个。总之，所述调节微控制器130可以实现为ASIC，该ASIC基本上从零开始地为特定应用而设计。ASIC IC可以代替通用的商用微控制器IC，其集成了数个功能或逻辑模块于单个芯片上，降低了制造成本，简化了电路板设计。可以理解，根据设计考虑，其他类型的ASIC装置也可以用于实现信号调节ASIC130。

所述存储器150存储由终端用户为执行特定任务而从终端用户设备160提供的流特定信息164。终端用户设备160可以包括，例如，被终端用户利用以分析、存储和以其他方式使用来自流量传感器装置的数据的微处理器。所述微处理器可以专门用于上述目的，更典型的是，所述微处理器作为更大的测量系统的一部分，该更大的测量系统将经分析的数据用于一些其他目的，(比如，用于监控医院病人的呼吸、温度和心率的病人监护仪)。所述流特定信息164或经处理的信号输出162可以根据测量系统而使用，当气体/气体混合物或液体类型改变时它们也需要改变。

图2示出了高级操作流程图，该流程图示出了根据优选实施例的方法200的操作步骤，所述方法200用于提供所述多气体或液体流量传感器输出信号的高阶校准和信号处理。注意，在图1-2中，相同或相似的块一般用相同的附图标记表示。如块210所描述的，所述复合传感器120可以通过特定于被测变量的系数134基于气体/气体混合物或液体流信息164进行配置。输入到具有补偿模块122，124，126和128的复合传感器ASIC 120的环境参数125中的不同类型的传感器可以包括下面类型的传感器中的一个或多个：流量传感元件，压力传感元件，温度传感元件和/或湿度传感元件。

在至少一个与复合传感器120关联的传感器-换能器感测导致高度非线性输出的参数的情况下，比如感测气体/气体混合物或液体流的传感器换能器，本发明尤其有用。所述复合传感器ASIC使用从所述调节微控制器130提供的被测变量系数134。此后，所述复合传感器120电连接到包括信号调节器140和存储器150的调节微控制器130，如块220所示。然后，所述基本流量信号和环境参数132可以如块230所述利用复合传感器120从所感测的参数125来获取，并存储于存储器240中。

校正系数可以基于经补偿的参数信号132进行计算250和存储于存储器260中，所述经补偿的参数信号132存储在所述存储器中并通过所述调节微控制器130进一步处理和校准。所述流量输出信号162通过使用所有的经补偿的被测变量信号和校正系数产生，如模块270所述。经处理的流量输出信号通过所述调节微控制器280提供给终端用户设备。可以认为，通过使用此处描述的多气体/气体混合物或液体流量传感器装置110，可以利用尺寸非常小且成本有效的单个封装体调节所感测的参数以提供良好的且经过处理的输出。

可以理解，上述公开的各种变形和其他特征及功能或其替换，可以按需要组合到许多其他不同的系统或应用中。此外，各种可能后来被本领域技术人员提出而当前无法预料或不曾预料到的替换、修改、变形或其中的改进都落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多气体流量传感器装置，包括：

复合传感器模块，用于以高准确性和低响应时间感测至少一个环境参数，其中所述复合传感器模块提供与所述至少一个环境参数相对应的至少一个基本流量信号；

与信号调节器关联的ASIC，用于接收所述至少一个基本流量信号以便调节和校准所述至少一个基本流量信号并产生该至少一个基本流量信号的经处理的信号；和

与所述信号调节器耦合的存储器模块，用于存储所述经处理的信号和校正系数，其中所述校正系数对应于所述经处理的信号，以便使流量和其测量系统的所述经处理的信号之间的关系线性化。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括与所述复合传感器模块关联的多个传感器，其中所述多个传感器检测所述至少一个环境参数。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述存储器包括EEPROM。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述ASIC包括与所述存储器关联的所述信号调节器。

5.如权利要求1所述的装置，其中

所述存储器包括EEPROM；

所述ASIC包括与所述存储器关联的所述信号调节器；并且

所述ASIC耦合到终端用户设备。

6.一种流量传感器方法，包括：

使用流量传感器模块产生与至少一个环境参数相对应的至少一个基本流量信号，该流量传感器模块用于以高准确性和低响应时间感测所述至少一个环境参数；

使用与信号调节器关联的ASIC接收所述至少一个基本流量信号，其中与所述信号调节器关联的所述ASIC调节和校准所述至少一个基本流量信号以产生所述至少一个基本流量信号的经处理的信号；和

将所述经处理的信号和校正系数存储在耦合到所述信号调节器的存储器模块中，其中所述校正系数对应于所述经处理的信号以便使流量和其测量系统的所述经处理的信号之间的关系线性化。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括将多个流量传感器与所述流量传感器模块相关联，其中所述多个流量传感器辅助检测所述至少一个环境参数。

8.如权利要求6所述的方法，进一步包括将多个传感器与所述复合传感器模块关联，其中所述多个传感器检测所述至少一个环境参数。

9.如权利要求6所述的方法，进一步包括将所述存储器配置为EEPROM。

10.如权利要求6所述的方法，进一步包括：

将所述ASIC配置为包括与所述存储器关联的所述信号调节器；和

将所述ASIC耦合到终端用户设备。

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