CN111323091A - 热释电流量传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供热释电流量传感器，设置在流体通过的管道内，包括热释电元件探测器，用于探测流体温度；控制器，用于计算流体的瞬时流量。还提供了一种热释电流量传感器的工作方法，包括以下步骤：采集热释电片阵列输出的信号H1、H2、H3…Hn；(n为正整数)选择热释电片，根据选择的热释电片之间的间距以及对应输出信号之间的间隔时间，计算出流体流速；根据流体的流速和管道的横截面积计算出管道内的瞬时流量。本发明填充了国际上传感器或流量计领域的空白，根据热释电器件的良好检测特性，具备高可靠性、低功耗性、低成本性的优点。

Description

热释电流量传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地说是一种热释电流量传感器及其工作方法。

背景技术

目前存在很多种多样的用于测量流体流量的流量计或传感器，流量检测尽管是几百年的传统应用，但是仍然存在很多问题，比如：机械式的精度低、老化寿命短；超声波流量计存在精度低、容易被污染；超声波气体流量计存在超声波探头制造困难、驱动困难、实现起来技术难度大、成本高的缺点。目前应用量最大的流量计仍然是机械式流量计，以燃气计量为例，目前90％以上的燃气表为膜式燃气表，该种燃气表存在膜老化、机械减速计数装置老化的问题，因此使用寿命较短。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种热释电流量传感器及其工作方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种热释电流量传感器，设置在流体通过的管道内，包括热释电元件探测器，用于探测流体温度；控制器，用于计算流体的瞬时流量。

结合第一方面，在第一方面第一种可能实现的方式中，所述的热释电元件探测器通过支架安装在管道内，包括基底、按照不同的方向极化后的多个热释电片；所述的热释电片埋入基底的表层，通过引出线与控制器和电源相连。

结合第一方面，在第一方面第二种可能实现的方式中，热释电片的安装方式可包括用密封材料密封固定；热释电片通过一导热材料穿过密封材料与流体接触。

结合第一方面，在第一方面第三种可能实现的方式中，所述的控制器包括单片机。

结合第一方面，在第一方面第四种可能实现的方式中，多个热释电片按照一定矩阵排列。

结合第一方面，在第一方面第五种可能实现的方式中，热释电流量传感器还可以包括热扰动源，用于加热热扰动源附近的气体的温度或充分混合后液体的温度。

本发明第二方面提供了一种热释电流量传感器的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

采集热释电片阵列输出的信号H1、H2、H3…Hn；(n为正整数)

选择热释电片，根据选择的热释电片之间的间距以及对应输出信号之间的间隔时间，计算出流体流速；

根据流体的流速和管道的横截面积计算出管道内的瞬时流量。

结合第二方面，在第二方面第一种可能实现的方式中，计算出流体流速具体包括：

v＝Lmn/t；式中，(m、n为正整数，Lmn为热释电片m与热释电片n之间的距离，t为对应输出信号之间的间隔时间，v为流体流速)。

结合第二方面，在第二方面第二种可能实现的方式中，瞬时流量的计算方法包括：Vt＝S*v；(式中，S为管道的横截面积，Vt为瞬时流量)。

由以上技术方案可知，本发明热释电元件是最灵敏的温度探测元件，只需要在流体中产生很小的温度扰动，就可以实现探测。因此极大减小了流量测量的功率消耗，是一种低功耗流量计，可以采用电池供电。

流量计中没有机械转动部件，因此不存在磨损老化问题。解决了膜式燃气表存在膜老化、机械减速计数装置老化的问题。

热释电流量传感器寿命长，其热释电探测元件可以制造在一个坚固的基底上，并且密封在基底上，只需要留出向里传热的导热片就可以工作，因此传感器寿命长，解决了超声波换能器需要在表面粘接阻抗匹配层，在长时间的热胀冷缩过程中，超声波换能器表面粘接的阻抗匹配层可能会产生脱落，最终会导致超声波换能器损坏的问题。

测量精度高，用于流量检测的热释电探测器可以采用阵列式制造，在计算流量时可以用阵列中不同元件产生的信号来计算流量，因此可以制造宽量程流量计，可以在很宽的流量范围内保持高精度，这是超声波流量计、机械式流量计无法实现的优点。

造价低廉，相比超声波流量计，热释电元件的成本远远低于超声波元件，并且热释电器件的驱动要比超声波换能器简单。

本发明为目前国际上传感器或流量计领域的空白，根据热释电器件的良好检测特性，具备高可靠性、低功耗性、低成本性的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为热释电流量传感器结构示意图；

图2为热释电流量传感器的工作方法流程示意图；

图中：1、支架，2、基底，3、热释电片，4、管道。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，热释电流量传感器，设置在流体通过的管道4内，包括热释电元件探测器，用于探测流体温度；控制器，用于计算流体的瞬时流量。所述的热释电元件探测器通过支架1安装在管道内，包括基底2、按照不同的方向极化后的多个热释电片3，所述的热释电片埋入基底的表层，通过引出线与控制器和电源相连，所述热释电片的安装方式可包括用密封材料密封固定；为了把热量快速的传递到热释电片上，热释电片的一个电极面应通过一个导热性能很好的材料穿过密封材料，做到与被测介质良好的热接触。控制器可以是单片机。单片机可以采用ARM-M0系列单片机，其他类型的单片机也可以，只需要能实现计算功能即可。

为了防止流体对热释电片的侵蚀，基底可以采用耐腐蚀材料制造，比如：不锈钢、陶瓷、塑料等，根据测量介质的不同，可以选择不同的基底材料。同时，为了防止流体腐蚀热释电片，还需要对热释电片进行密封，较为简单的密封方法是环氧树脂涂缝。

管道可以用金属制造也可以用陶瓷、玻璃、塑料等材料制造。在不同的应用中可以根据被测介质来决定制造流量计管道的材料，比如用于天然气的计量可以用：铝、钢、高强度尼龙等材料制造的管道，水的计量可以用黄铜、不锈钢、高强度尼龙等材料制造的管道。

多个热释电片按照一定矩阵排列。

热释电片阵列的极化规律决定着流量计的性能，极化方式，决定了热释电片之间的信号差动关系，热释电片的极化规律可以决定从哪些热释电片输出有用信号，这些热释电片的距离、极化距离，决定了流量计可以适用的量程范围，低速流量范围可以选择更近的热释电片排列距离，高速流量检测范围可以选择排列更远的热释电片距离；为了提高检测精度，可以排列更多的热释电片。

热释电流量传感器还可以包括热扰动源，用于加热热扰动源附近的气体的温度或充分混合后液体的温度。在液体介质中由于液体的比热较大，液体中细微的温度差很难混合均匀，因此可以用液体内部的温度不均匀作为热扰动源。如果液体充分混合，内部没有温度不均匀性，则必须采用热扰动源。热扰动源是一个电加热的装置，可以用不锈钢丝制造，具体制造材料要根据被测介质的特性而定，在天然气和水的测量中可以采用不锈钢丝制造。

如图2所示，热释电流量传感器的工作方法，包括以下步骤：

S1、采集热释电片阵列输出的信号H1、H2、H3…Hn；(n为正整数)

S2、选择热释电片，根据选择的热释电片之间的间距以及对应输出信号之间的间隔时间，计算出流体流速；

S3、根据流体的流速和管道的横截面积计算出管道内的瞬时流量。

温度上升的流体随着周围其他流体一块漂移到热释电流量传感器的导热材料上，首先到达热释电片阵列的第一个热释电片上，该热释电片与参比热释电片之间会产生一个电压；流体继续往下游漂移，依次到达第二、第三、…第n片热释电片，这样热释电片阵列就会输出一系列信号H1、H2、H3…Hn，由于热释电片阵列上热释电片之间的距离是一定的，根据信号H1、H2、H3…Hn之间的时间关系，就能计算出流体的流动速度。

计算出流体流速具体包括：

v＝Lmn/t；式中，(m、n为正整数，Lmn为热释电片m与热释电片n之间的距离，t为对应输出信号之间的间隔时间，v为流体流速)。

瞬时流量的计算方法包括：Vt＝S*v；(式中，S为管道的横截面积，Vt为瞬时流量)。

本发明可根据流量的大小来调节精度。当流量较大时，流体速度较快，为了提高检测精度，可以用阵列中距离较远的两片热释电片之间的信号来计算流速；当流量较小时流体速度较慢，温度较高的一团热扰动流体容易被扩散，因此可以用距离较近的两片热释电片之间的信号来计算流速。

本发明实施例与一般的温度探测元件相比，热释电元件探测器可以降低对热扰动源的功率要求。以气体流量计为例，做以下计算：

假设热扰动源加热的气体(按空气计算)体积为：1mL，以气体比热1000J/Kg，空气密度按照1.3g/L，空气的加热温升为0.2度计算。那么一次加热需要的能量为：(1*1.3/1000000)*1000*0.2＝0.00026J。如果加热源采用3000mA.h 3.6V的锂电池供电，可以支持加热次数为：1.49亿次，如果流量计每隔5秒测量一次数据，则可以支持：23.7年。即使把加热温升上升到0.5度，也可以支持：9.4年。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.热释电流量传感器，其特征是，设置在流体通过的管道内，包括热释电元件探测器，用于探测流体温度；控制器，用于计算流体的瞬时流量。

2.根据权利要求1所述的热释电流量传感器，其特征是，所述的热释电元件探测器通过支架安装在管道内，包括基底、按照不同的方向极化后的多个热释电片；所述的热释电片埋入基底的表层，通过引出线与控制器和电源相连。

3.根据权利要求2所述的热释电流量传感器，其特征是，热释电片的安装方式可包括用密封材料密封固定；热释电片通过一导热材料穿过密封材料与流体接触。

4.根据权利要求2所述的热释电流量传感器，其特征是，所述的控制器包括单片机。

5.根据权利要求2所述的热释电流量传感器，其特征是，多个热释电片按照一定矩阵排列。

6.根据权利要求1所述的热释电流量传感器，其特征是，热释电流量传感器还可以包括热扰动源，用于加热热扰动源附近的气体的温度或充分混合后液体的温度。

7.热释电流量传感器的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

采集热释电片阵列输出的信号H1、H2、H3…Hn；(n为正整数)

选择热释电片，根据选择的热释电片之间的间距以及对应输出信号之间的间隔时间，计算出流体流速；

根据流体的流速和管道的横截面积计算出管道内的瞬时流量。

8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征是，计算出流体流速具体包括：

v＝Lmn/t；式中，(m、n为正整数，Lmn为热释电片m与热释电片n之间的距离，t为对应输出信号之间的间隔时间，v为流体流速)。

9.根据权利要求6所述的工作方法，其特征是，瞬时流量的计算方法包括：Vt＝S*v；(式中，S为管道的横截面积，Vt为瞬时流量)。

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