CN112964322A - 一种热式质量流量新型测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量计设备技术领域，具体为一种热式质量流量新型测定装置，所述热式质量流量测定装置的内部设有数字滤波器对等模型，所述数字滤波器对等模型包括多个二阶带通滤波器的组合联通，对于更高阶的滤波器，可以根据要求，对二阶滤波器进行组合，即在软件程序中，先构造多个独立的二阶滤波器，然后在运算中进行组合运算。通过实际验证，数字滤波器很好地拟合了硬件模拟滤波器，并且通过采用软件算法的方式代替传统的硬件模拟的方式，能够很好的避免由于硬件自身的损耗问题导致整形信号的不准确的问题，能够保证信号的滤波整形的效果，精度以及重复性。

Description

一种热式质量流量新型测定装置

技术领域

本发明涉及流量计设备技术领域，具体为一种热式质量流量新型测定装置。

背景技术

热式质量流量计是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表，对在半导体，太阳能，工业精密镀膜等制造工艺中供给到腔室内的工艺气体的质量流量进行测定，对在气相色/质谱及环境检测制程中的检测气体的质量流量进行测定，对医疗设备在医疗应用中的过程气体的质量流量进行测定，对各行业工艺制程中所需要的精准气体输送进行测定。

在当前主流的热式质量流量计的设计当中，质量流量传感器的测量和滤波，普遍都是采用模拟运放器件来实现高阶滤波电路，所谓高阶滤波电路就是将流量传感器(传感器管和传感器线)的传感线电阻值经过桥电路变送为电压信号并放大，将放大的信号经过高阶滤波电路处理，形成与实际流通质量流量变动趋势匹配的电压信号，提供给CPU进行人机界面输出，反馈，控制等操作，这一硬件实现方式，导致了诸多制约性能的问题，采用硬件模拟滤波模型实现的高阶段滤波电路过程中，信号的滤波整形的效果，精度以及重复性均取决于滤波整形电路的硬件器件的特性，可靠性和品质，由于器件自身特性由产品批次产生差异时，会影响滤波整形电路的实际效果，且器件在长期运行当中产生不可预期的性能漂移时，将导致滤波整形的效果恶化并最终导致质量流量的测量偏差；且在质量流量计小型化同时还需要支持多种工业控制技术的趋势下，需要在原有的流量控制电路上加入更多复杂功能模块来实现，因此控制电路的效果由于各种元器件的加入，导致最终得到的性能体现会出现更多的不确定性，不能够更好的顺应技术的更新

同时对现有的硬件模拟滤波器实际是特定的带通滤波器，带通滤波器的作用是允许某些频率的输入信号基本无衰减的通过(增益为1，频域0dB)，同时对另外某些频率的信号起到抑制衰减作用，而通过对硬件模拟滤波器的原理研究，研判硬件等效为多个二阶带通滤波器的组合联通，为了解决这些问题，本发明提出基于硬件模拟滤波器的模型，研究出数字滤波器对等模型，从而实现计算机程序可应用的设计方式，由此我们提出一种热式质量流量新型测定装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热式质量流量新型测定装置，以解决上述背景技术中提出的在当前主流的热式质量流量计的设计当中，质量流量传感器的测量和滤波，普遍都是采用模拟运放器件来实现高阶滤波电路，所谓高阶滤波电路就是将流量传感器(传感器管和传感器线)的传感线电阻值经过桥电路变送为电压信号并放大，将放大的信号经过高阶滤波电路处理，形成与实际流通质量流量变动趋势匹配的电压信号，提供给CPU进行人机界面输出，反馈，控制等操作，这一硬件实现方式，导致了诸多制约性能的问题，采用硬件模拟滤波模型实现的高阶段滤波电路过程中，信号的滤波整形的效果，精度以及重复性均取决于滤波整形电路的硬件器件的特性，可靠性和品质，由于器件自身特性由产品批次产生差异时，会影响滤波整形电路的实际效果，且器件在长期运行当中产生不可预期的性能漂移时，将导致滤波整形的效果恶化并最终导致质量流量的测量偏差；且在质量流量计小型化同时还需要支持多种工业控制技术的趋势下，需要在原有的流量控制电路上加入更多复杂功能模块来实现，因此控制电路的效果由于各种元器件的加入，导致最终得到的性能体现会出现更多的不确定性，不能够更好的顺应技术的更新的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热式质量流量新型测定装置，所述热式质量流量测定装置的内部设有数字滤波器对等模型，所述数字滤波器对等模型包括多个二阶带通滤波器的组合联通，程序运算过程如下：

首先以二阶通用滤波器创建初始传递函数：

为了利用程序实现以上推导的二阶微分传递函数，首先需将传递函数转换为对应的时域微分表达式，此时时域微分表达式为：

其中，待定参数为：α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁，且y(t)为输出信号，x(t)为输入信号；

进一步地，要将时域微分表达式转换成对应离散时域差分方程，这一方程，可用于软件算法的编程实现，

首先假设离散时域采样周期为T_s，根据微分的数学定义，有：

由以上分析可知，T_s越小时，上述约等式越精确，

将连续量t分段，令t＝KT_s，k＝0,1,2……，则微分方程可化为近似离散形式:

将上述表达式代入到时域微分方程中，当T_s足够细微时，近似认为：

经整理后，得：

进一步简化，并略去T_s，将时域离散信号转变成序列信号，成为计算机能够运算的式子：

根据以上的公式，编写对应的计算机运算代码，即可实现通用二阶滤波器的功能,通过配置公式当中的α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁六个参数，即可调整通用二阶滤波器的性能。

优选地，对于更高阶的滤波器，可以根据要求，对二阶滤波器进行组合，即在软件程序中，先构造多个个独立的二阶滤波器，然后在运算中进行组合运算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过实际验证，数字滤波器很好地拟合了硬件模拟滤波器，并且通过采用软件算法的方式代替传统的硬件模拟的方式，能够很好的避免由于硬件自身的损耗问题导致得到的整形信号的不准确的问题，能够保证信号的滤波整形的效果，精度以及重复性；

2、同时通过采用数字滤波的方式代替传统的硬件模拟的方式，在实际的使用过程中，当需要调校滤波整形电路性能时，通过数字滤波器的方式仅仅只需要修改相关参数即可实现，而传统硬件模拟的方式，需要通过拆卸更换电路当中相关阻容器件来达成，过程较为繁琐，且制程的复杂度和控制难度，也对产品的可靠性带来了影响；

3、采用数字滤波的方式能够顺应技术的更新，通过修改不同的参数能够支持多种工业控制技术以适应发展的趋势，传统的硬件模拟滤波器为了满足更好的需求，需要在流量计控制电路上加入更多的复杂功能模块来加以实现，对现有的硬件模拟滤波器的要求更高，同时导致制造成本的增加，不利于技术的更新换代。

附图说明

图1为本发明的热式质量流量计的核心功能组件示意图；

图2为本发明中经过硬件模拟滤波整形后电压信号示意图；

图3为本发明的传统硬件模拟滤波模型多级运放电路示意图；

图4为本发明中经过数字滤波器整形后电压信号示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种实施例：

一种热式质量流量新型测定装置，所述热式质量流量测定装置的内部设有数字滤波器对等模型，所述数字滤波器对等模型包括多个二阶带通滤波器的组合联通，程序运算过程如下：

首先以二阶通用滤波器创建初始传递函数：

为了利用程序实现以上推导的二阶微分传递函数，首先需将传递函数转换为对应的时域微分表达式，此时时域微分表达式为：

其中，待定参数为：α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁，且y(t)为输出信号，x(t)为输入信号；

进一步地，要将时域微分表达式转换成对应离散时域差分方程，这一方程，可用于软件算法的编程实现，

首先假设离散时域采样周期为T_s，根据微分的数学定义，有：

由以上分析可知，T_s越小时，上述约等式越精确，

将连续量t分段，令t＝KT_s，k＝0,1,2……，则微分方程可化为近似离散形式:

将上述表达式代入到时域微分方程中，当T_s足够细微时，近似认为：

经整理后，得：

进一步简化，并略去T_s，将时域离散信号转变成序列信号，成为计算机能够运算的式子：

根据以上的公式，编写对应的计算机运算代码，即可实现通用二阶滤波器的功能,通过配置公式当中的α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁六个参数，即可调整通用二阶滤波器的性能。

进一步的，对于更高阶的滤波器，可以根据要求，对二阶滤波器进行组合，即在软件程序中，先构造多个独立的二阶滤波器，然后在运算中进行组合运算，构造的多个独立的二阶滤波器，也即是在最开始创建多个初始传递函数进行同步的程序的运行，同步计算得出结果。

根据图1，值得说明的是，流体通路：流体在该该通路中流动，由上游(入口)流至下游(出口)，旁路装置：设置于流体通路路的中途的分流机构，用于控制流体形成旁路分支并流入流量传感器，流量传感器:包含一路毛细管通路，以及一对(上下游)卷绕于其上的精细传感线，在上述结构中，当通过施加规定的电压(或流通规定的电流)来使一对传感器线发热时，从传感器线产生的热被毛细管中流动的流体夺走，导致传感器管中流动的流体被加热，在流体流通过传感器毛细管时，首先上游侧的传感器线的热被尚未加热的流体带走。下游侧的传感器线的热被已通过上游侧的传感器线加热的流体带走，因此，从上游侧的传感器线夺走的热，比从下游侧的传感器线夺走的热大，其结果，上游侧的传感器线的温度变得比下游侧的传感器线的温度低，因此，上游侧的传感器线的电阻值变得比下游侧的传感器线的电阻值低，传感器管中流动的流体的质量流量越大，则这样产生的因上游侧的传感器线与下游侧的传感器线之间的温度差引起的电阻值之差越大，由此，可使用桥电路等，将如上所述的上下游侧的传感器线的电阻值差异变送为对应的电压信号，即可方便地检测到流体质量流量相应的变化，并加以换算，测量及控制，并且将热式质量流量计中的传感器管和传感器线的部分称呼为“流量传感器”。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种热式质量流量新型测定装置，其特征在于：所述热式质量流量测定装置的内部设有数字滤波器对等模型，所述数字滤波器对等模型包括多个二阶带通滤波器的组合联通，程序运算过程如下：

首先以二阶通用滤波器创建初始传递函数：

为了利用程序实现以上推导的二阶微分传递函数，首先需将传递函数转换为对应的时域微分表达式，此时时域微分表达式为：

其中，待定参数为：α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁，且y(t)为输出信号，x(t)为输入信号；

进一步地，要将时域微分表达式转换成对应离散时域差分方程，这一方程，可用于软件算法的编程实现，

首先假设离散时域采样周期为T_s，根据微分的数学定义，有：

由以上分析可知，T_s越小时，上述约等式越精确，

将连续量t分段，令t＝KT_s，k＝0,1,2……，则微分方程可化为近似离散形式:

将上述表达式代入到时域微分方程中，当T_s足够细微时，近似认为：

经整理后，得：

进一步简化，并略去T_s，将时域离散信号转变成序列信号，成为计算机能够运算的式子：

根据以上的公式，编写对应的计算机运算代码，即可实现通用二阶滤波器的功能,通过配置公式当中的α₁，b₁，c₁，d₁，e₁，f₁六个参数，即可调整通用二阶滤波器的性能。

2.根据权利要求1所述的一种热式质量流量新型测定装置，其特征在于：对于更高阶的滤波器，可以根据要求，对二阶滤波器进行组合联通，即在软件程序中，先构造多个独立的二阶滤波器，然后在运算中进行组合运算。

Images