CN115452080B - 热式气体质量流量计信号线性化电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热式气体质量流量计信号线性化电路及方法，所述热式气体质量流量计信号线性化电路包括差分放大模块、温度补偿模块、非线性放大模块及线性修正模块，先通过差分放大模块对第一热电阻与第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，并通过温度补偿模块进行温度补偿调节，再通过非线性放大模块进行非线性放大，将原本与气体质量流量呈非线性关系的温差信号变转换成近似与气体质量流量呈线性关系，极大地提升了温差信号的线性度；最后通过线性修正模块对信号进行分段线性修正，在不同区间段内对线性关系进行修正微调，进一步提升了最终输出的目标温差信号的线性度。

Description

热式气体质量流量计信号线性化电路及方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，特别是涉及一种热式气体质量流量计信号线性化电路及方法。

背景技术

通常，气体流量计采用的是机械式的手段进行测量，它属于被动的流量检测方法。其缺点是过于机械，容易受磨损、破裂的影响，传感器接触测量介质的密封处，受到腐蚀或高压影响容易发生泄漏，同时高粘度的介质以及介质中的微粒可能造成元件的污损，从而造成产生较大的测量误差，不仅影响产品的使用寿命，而且造成严重的资源浪费。近年来，热扩散技术的发展使得气体流量计的测量精度、测量范围以及产品可靠性有了极大的提高。热扩散式气体质量流量计，实现主动的流量检测技术，不仅克服了上述机械式的缺点，而且可精确测量气体的质量流量。

热式气体质量流量计利用热扩散技术原理，其传感器部分核心为两个温度传感元件(一般使用铂电阻)，工作时对其中一个元件进行加热，另一元件检测环境温度。两个元件之间的温差与介质质量流量及介质的性质有关，使用恒定功率加热时，两温度传感元件的温度差与质量流量成函数关系。通过电路处理可以由温差信号得到气体质量流量。

但是，基于热扩散技术原理设计的热式气体质量流量计，其传感器输出的温差信号与质量流量信号一般为非线性关系，且当气体质量流量越大时传感器输出信号分辨率越低，使得温差信号的线性化处理变得越发困难，在高流量区间受到电路电压限制纯硬件电路将无法实现信号的线性修正。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热式气体质量流量计信号的线性化技术方案，用于解决现有技术中热式气体质量流量计直接输出的与气体质量流量为非线性关系的温差信号线性修正困难这一技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种热式气体质量流量计信号线性化电路，所述热式气体质量流量计包括恒流驱动电路和传感器，所述传感器包括第一热电阻和第二热电阻，所述恒流驱动电路对所述第一热电阻和所述第二热电阻进行驱动，所述热式气体质量流量计信号线性化电路包括：

差分放大模块，其输入端接所述恒流驱动电路的输出端，对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到并输出第一温差信号；

温度补偿模块，其输入端接所述差分放大模块的输出端，对所述第一温差信号进行温度补偿，得到并输出第二温差信号；

非线性放大模块，其输入端接所述温度补偿模块的输出端，对所述第二温差信号进行非线性放大，得到并输出第三温差信号；

线性修正模块，其第一输入端接所述非线性放大模块的输出端，对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到并输出目标温差信号，所述目标温差信号与所述热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关。

可选地，所述热式气体质量流量计信号线性化电路还包括：

零点修正模块，其输出端接所述线性修正模块的第二输入端，为所述线性修正模块提供可调节修正的零点电压信号。

可选地，所述差分放大模块包括：

仪表放大单元，对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到初始温差信号；

翻转单元，对所述初始温差信号进行翻转反相，得到翻转温差信号；

跟随输出单元，对所述翻转温差信号进行跟随输出，得到所述第一温差信号。

可选地，所述温度补偿模块包括：

补偿调节单元，提供可调节的温度补偿电压；

温度补偿单元，接所述第一温差信号与所述温度补偿电压，根据所述温度补偿电压对所述第一温差信号进行温度补偿，得到所述第二温差信号。

可选地，所述非线性放大模块包括：

非线性运算单元，对所述第二温差信号进行非线性运算，得到第一中间温差信号和第二中间温差信号；

放大输出单元，对所述第一中间温差信号和所述第二中间温差信号中的一个进行选择接入并放大输出，得到所述第三温差信号。

可选地，所述非线性运算包括幂函数运算、指数函数运算、对数函数运算中的至少一种。

可选地，所述线性修正模块包括：

第一放大单元，同时接所述第三温差信号和所述零点电压信号，对所述第三温差信号和所述零点电压信号的叠加和进行放大，得到第三中间温差信号；

第二放大单元，接所述第三中间温差信号，对所述第三中间温差信号进行可调节放大，得到所述目标温差信号。

可选地，所述零点修正模块包括：

运放单元，接第一工作电压信号，对所述第一工作电压信号进行分压截取并跟随输出，得到第一参考电压信号；

放大输出单元，接所述第一参考电压信号和第二参考电压信号，对所述第一参考电压信号和所述第二参考电压信号的叠加和进行可调节放大，得到所述零点电压信号。

一种热式气体质量流量计信号线性化方法，所述热式气体质量流量计包括恒流驱动电路和传感器，所述传感器包括第一热电阻和第二热电阻，所述恒流驱动电路对所述第一热电阻和所述第二热电阻进行驱动，所述热式气体质量流量计信号线性化方法包括：

对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到第一温差信号；

对所述第一温差信号进行温度补偿，得到第二温差信号；

对所述第二温差信号进行非线性放大，得到第三温差信号；

对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号，所述目标温差信号与所述热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关。

可选地，所述对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号的步骤，包括：

提供可调节修正的零点电压信号，并将所述零点电压信号叠加到所述第三温差信号上，得到第三中间温差信号；

对所述第三中间温差信号进行放大，得到第四中间温差信号；

按照所述第三温差信号的预设划分区间，在各个区间内，调节所述第三中间温差信号的放大倍数和所述零点电压信号的大小，对所述第四中间温差信号进行线性修正；

其中，分段线性修正完成后的所述第四中间温差信号构成所述目标温差信号。

如上所述，本发明的热式气体质量流量计信号线性化电路及方法，具有以下有益效果：

先通过差分放大模块对第一热电阻与第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，并通过温度补偿模块进行温度补偿调节，再通过非线性放大模块进行非线性放大，将原本与气体质量流量呈非线性关系的温差信号变转换成近似与气体质量流量呈线性关系，极大地提升了温差信号的线性度；最后通过线性修正模块对信号进行分段线性修正，在不同区间段内对线性关系进行修正微调，进一步提升了最终输出的目标温差信号的线性度。

附图说明

图1显示为本发明中热式气体质量流量计信号线性化电路的结构示意图。

图2显示为热式气体质量流量计内部恒流驱动电路的电路图。

图3显示为本发明一实施例中差分放大模块的电路图。

图4显示为本发明一实施例中温度补偿模块的电路图。

图5显示为本发明一实施例中非线性放大模块的电路图。

图6显示为本发明一实施例中线性修正模块的电路图。

图7显示为本发明一实施例中零点修正模块的电路图。

图8显示为本发明中热式气体质量流量计信号线性化方法的步骤示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如前述在背景技术中所述的，基于热扩散技术原理设计的热式气体质量流量计的传感器输出的温差信号与质量流量信号一般为非线性关系，且当气体质量流量越大时传感器输出信号分辨率越低，使得温差信号的线性化处理变得越来越困难，同时在高流量区间受到单个电路电压的限制，单个硬件电路已经无法实现信号的线性修正。

基于此，本发明提出一种模块化组合的温差信号线性修正技术方案：先对热式气体质量流量计传感器输出的温差信号进行差分放大，再进行非线性放大，将原本与气体质量流量呈非线性关系的温差信号变转换成近似与气体质量流量呈线性关系，最后进行分段线性修正，在不同区间段内对线性关系进行修正微调，以进一步提升最终输出的目标温差信号的线性度。

首先，如图1所示，本发明提供一种热式气体质量流量计信号线性化电路，所述热式气体质量流量计包括恒流驱动电路和传感器，传感器包括第一热电阻R_A和第二热电阻R_T，恒流驱动电路对第一热电阻R_A和第二热电阻R_T进行驱动，所述热式气体质量流量计信号线性化电路包括：

差分放大模块，其输入端接恒流驱动电路的输出端，对第一热电阻R_A和第二热电阻R_T之间的温差信号进行差分放大，得到并输出第一温差信号V₁；

温度补偿模块，其输入端接差分放大模块的输出端，对第一温差信号V₁进行温度补偿，得到并输出第二温差信号V₂；

非线性放大模块，其输入端接温度补偿模块的输出端，对第二温差信号V₂进行非线性放大，得到并输出第三温差信号V₃；

线性修正模块，其第一输入端接非线性放大模块的输出端，对第三温差信号V₃进行分段线性修正，得到并输出目标温差信号V₄，目标温差信号V₄与所述热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关。

可选地，如图1所示，所述热式气体质量流量计信号线性化电路还包括：

零点修正模块，其输出端接线性修正模块的第二输入端，为线性修正模块提供可调节修正的零点电压信号V_Z。

其中，如图2所示，恒流驱动电路包括运算放大器U1、NPN三极管Q1、电阻R01～R02、电容C01～C03，运算放大器U1的同相输入端接第一工作电压VCC1，运算放大器U1的反相输入端经串接的电阻R02后接地GND，运算放大器U1的输出端经串接的电阻R01后接NPN三极管Q1的基极，NPN三极管Q1的集电极接第二工作电压VCC2，NPN三极管Q1的发射极经串接的第一热电阻R_A(或者第二热电阻R_T)后接运算放大器U1的反相输入端。此外，还设置有对运算放大器U1的电源端、输入端及输出端进行滤波的电容C01～C03，在此不再叙述，详情可见图2。

详细地，如图1-图2所示，恒流驱动电路分别对第一热电阻R_A(或者第二热电阻R_T)进行恒流驱动，第一热电阻R_A与第二热电阻R_T的恒流驱动电路结构一样，NPN三极管Q1的发射极电压为第一热电阻R_A上的电压信号V_A(或者第二热电阻R_T上的电压信号V_T)与电阻R02上的电压之和，第一热电阻R_A上的电压信号V_A与第二热电阻R_T上的电压信号V_T之差等于对应的两个NPN三极管Q1的发射极电压之差，即为第一热电阻R_A与第二热电阻R_T之间的温差信号(V_A-V_T)等于对应的两个NPN三极管Q1的发射极电压之差。

详细地，如图3所示，差分放大模块包括：

仪表放大单元，对第一热电阻R_A与第二热电阻R_T之间的温差信号(V_A-V_T)进行差分放大，得到初始温差信号V00；

翻转单元，对初始温差信号V00进行翻转反相，得到翻转温差信号V01；

跟随输出单元，对翻转温差信号V01进行跟随输出，得到第一温差信号V₁。

更详细地，如图3所示，仪表放大单元主要由仪表放大器N1构成，仪表放大器N1的输入负端12经串接的电阻R03后接第一热电阻R_A上的电压信号V_A，仪表放大器N1的输入正端13经串接的电阻R04后接第二热电阻R_T上的电压信号V_T，仪表放大器N1的负电源端14接第三工作电压VCC3，仪表放大器N1的正电源端16接第四工作电压VCC4，仪表放大器N1的输出端17输出初始温差信号V00，仪表放大器N1的参考电压端18接参考电压V_ref0，仪表放大器N1的增益电阻端11与增益电阻端15之间串设有电阻R05。此外，仪表放大器N1的外围还设有滤波用的电容C04～C08。

其中，仪表放大器N1可以是INA128U、INA128及INA129等仪表放大器。INA128U是一款低功耗、高精度的仪表放大器，通用的3运算放大器设计和小巧的体积，使得这款放大器成为多种应用的理想选择。电流反馈输入电路即使在高增益(G＝100时为200kHz)情况下，也能提供宽带宽。使用单个外部电阻器可将其增益设置为1至10000。

如图3所示，在仪表放大单元中，通过仪表放大器N1即可对第一热电阻R_A与第二热电阻R_T之间的温差信号(V_A-V_T)进行差分放大，得到初始温差信号V00。

更详细地，如图3所示，翻转单元包括运算放大器U2、电阻R06、电阻R07、电阻R08及电阻R09，运算放大器U2的同相输入端接地GND，运算放大器U2的反相输入端经串接的电阻R09后接第五工作电压VCC5，运算放大器U2的反相输入端还经依次串接的电阻R07、电阻R06后接仪表放大器N1的输出端17，运算放大器U2的反相输入端还经串接的电阻R08后接运算放大器U2的输出端。同时，运算放大器U2的电源端还设有滤波用的电容C09～C10。

如图3所示，在翻转单元中，根据理想运放的虚短和节点电流恒定原则，有公式：

进行公式变换，得到：

在电阻R06～R09的阻值固定、且第五工作电压VCC5一定时，翻转温差信号V01随着初始温差信号V00的增大而减小，转温差信号V01随着初始温差信号V00的减小而增大，也就是说，该翻转单元对初始温差信号V00进行了翻转反相，得到翻转温差信号V01。

更详细地，如图3所示，跟随输出单元包括运算放大器U3及电阻R10，运算放大器U3的同相输入端接翻转温差信号V01，运算放大器U3的反相输入端接运算放大器U3的输出端，运算放大器U3的输出端经串接的电阻R10后输出第一温差信号V₁。

如图3所示，在跟随输出单元中，翻转温差信号V01跟随传递到运算放大器U3的输出端，再经电阻R10后对外输出，对外输出的信号即为第一温差信号V₁。

更详细地，如图3所示，经过差分放大模块的差分放大作用后，得到第一温差信号V₁与第一热电阻R_A上的电压信号V_A、第二热电阻R_T上的电压信号V_T满足关系式：

V₁＝A×(V_A-V_T)；

其中，A为与所述差分放大模块的电路参数相关的常数。

详细地，如图4所示，温度补偿模块包括：

补偿调节单元，提供可调节的温度补偿电压V02；

温度补偿单元，接第一温差信号V₁与温度补偿电压V02，根据温度补偿电压V02对第一温差信号V₁进行温度补偿，得到第二温差信号V₂。

更详细地，如图4所示，补偿调节单元包括运算放大器U4～U8、电阻R11～R30以及电容C11～C16：运算放大器U4与电阻R11、电阻R12及电阻R13构成可调分压及跟随输出网络，通过调节电阻R13的阻值即可调节第一中间补偿电压V001的大小；运算放大器U5与电阻R14、电阻R15、电阻R16及电阻R17构成初始叠加输出网络，输出的第二中间补偿电压V002的大小与第一中间补偿电压V001的大小及第一热电阻R_A上的电压信号V_A的大小相关；运算放大器U6与电阻R18、电阻R19、电阻R20及电阻R21构成可调输出网络，输出的第三中间补偿电压V003的大小与第二中间补偿电压V002的大小及电阻R21的阻值大小相关；运算放大器U7与电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27及电阻R28构成叠加输出网络，输出的第四中间补偿电压V004的大小与第三中间补偿电压V003的大小、第五工作电压VCC5的大小及第一工作电压VCC1的大小相关；运算放大器U8与电阻R29及电阻R30构成放大输出网络，输出的温度补偿电压V02的大小与第四中间补偿电压V004的大小相关。此外，电容C11～C16主要在外围起滤波作用。

更详细地，如图4所示，温度补偿单元主要由乘法器N2构成，乘法器N2的差动输入端21经串接的电阻R31后接第一温差信号V₁，乘法器N2的差动输入端22、分母电压控制端23、分母电压控制端24及分母电压控制端25分别接地GND，乘法器N2的差动输入端26经串接的电阻R32后接温度补偿电压V02，乘法器N2的差动输入端27接地GND，乘法器N2的正电源端28接第四工作电压VCC4，乘法器N2的电压控制使能端29悬空，乘法器N2的输出端210经串接的电阻R33后输出第二温差信号V₂，乘法器N2的差动输入端211接乘法器N2的输出端210，乘法器N2的差动输入端212接地GND，乘法器N2的参考电压端213悬空，乘法器N2的负电源端214接第三工作电压VCC3，电容C17接在乘法器N2的正电源端28与地GND之间，电容C18接在乘法器N2的负电源端214与地GND之间。

其中，乘法器N2可以是AD538adz、AD734等乘法器芯片，在此不作限定。

如图4所示，在温度补偿模块中，补偿调节单元提供可调节的温度补偿电压V02，温度补偿单元将温度补偿电压V02叠加补偿到第一温差信号V₁上，根据温度补偿电压V02对第一温差信号V₁进行温度补偿，得到第二温差信号V₂：

V₂＝V₁×(1+a)；

其中，a为与温度补偿模块的电路参数相关的常数，可通过调节电阻R13的阻值来调节a的具体数值。

详细地，如图5所示，非线性放大模块包括：

非线性运算单元，对第二温差信号V₂进行非线性运算，得到第一中间温差信号V005和第二中间温差信号V006；

放大输出单元，对第一中间温差信号V005和第二中间温差信号V006中的一个进行选择接入并放大输出，得到第三温差信号V₃。

其中，所述非线性运算包括幂函数运算、指数函数运算、对数函数运算中的至少一种。

更详细地，如图5所示，非线性运算单元主要由级联的乘法器N3与乘法器N4构成：乘法器N3的差动输入端31接第二温差信号V₂，乘法器N3的差动输入端32、分母电压控制端33、分母电压控制端34及分母电压控制端35分别接地GND，乘法器N3的差动输入端36接第二温差信号V₂，乘法器N3的差动输入端37接地GND，乘法器N3的正电源端38接第四工作电压VCC4，乘法器N3的电压控制使能端39悬空，乘法器N3的输出端310输出第一中间温差信号V005，乘法器N3的差动输入端311接乘法器N3的输出端310，乘法器N3的差动输入端312接地GND，乘法器N3的参考电压端313悬空，乘法器N3的负电源端314接第三工作电压VCC3，电容C19接在乘法器N3的正电源端38与地GND之间，电容C20接在乘法器N3的负电源端314与地GND之间；乘法器N4的差动输入端41经串接的电阻R35后接第二温差信号V₂，乘法器N4的差动输入端42、分母电压控制端43、分母电压控制端44及分母电压控制端45分别接地GND，乘法器N4的差动输入端46经串接的电阻R34后接第一中间温差信号V005，乘法器N4的差动输入端47接地GND，乘法器N4的正电源端48接第四工作电压VCC4，乘法器N4的电压控制使能端49悬空，乘法器N4的输出端410输出第二中间温差信号V006，乘法器N4的差动输入端411接乘法器N4的输出端410，乘法器N4的差动输入端412接地GND，乘法器N4的参考电压端413悬空，乘法器N4的负电源端414接第三工作电压VCC3，电容C21接在乘法器N4的正电源端48与地GND之间，电容C22接在乘法器N4的负电源端414与地GND之间。

其中，乘法器N3～N4可以是AD538adz、AD734等乘法器芯片，在此不作限定。

更详细地，如图5所示，放大输出单元包括运算放大器U9～U10、电阻R36～R41、开关K1～K2、电容C23～C25，具体地：运算放大器U9、电阻R36～R40、开关K1～K2构成一个选择放大输出网络，根据外界需求通过开关K1～K2选择第一中间温差信号V005和第二中间温差信号V006中的一个进行放大输出；运算放大器U10、电阻R41构成一个跟随输出网络，对运算放大器U9的输出信号进行跟随输出，在运算放大器U10的输出端得到第三温差信号V₃。

如图5所示，在非线性放大模块中，非线性运算单元的乘法器N3对第二温差信号V₂与第二温差信号V₂进行乘法运算(第二温差信号V₂平方运算)，得到第一中间温差信号V005，非线性运算单元的乘法器N4对第二温差信号V₂与第一中间温差信号V005进行乘法运算(第二温差信号V₂立方运算)，得到第二中间温差信号V006，放大输出单元选择第一中间温差信号V005和第二中间温差信号V006中的一个进行放大输出，得到第三温差信号V₃：

V₃＝b×V₂ ^c；

其中，b为与放大输出单元的电路参数相关的常数，c为2～3的常数，可根据实际需求选择。

需要说明的是，图5中所示的非线性运算是指2～3次幂的幂运算，为了适应不同气体质量流量的实际信号采集需求，图5中非线性运算单元的非线性运算还可以是更高次幂的幂函数运算或者指数函数运算、对数函数运算等非线性运算，在此不作限定。

详细地，如图6所示，线性修正模块包括：

第一放大单元，同时接第三温差信号V₃和零点电压信号V_Z，对第三温差信号V₃和零点电压信号V_Z的叠加和进行放大，得到第三中间温差信号V007；

第二放大单元，接第三中间温差信号V007，对第三中间温差信号V007进行可调节放大，得到目标温差信号V₄。

更详细地，如图6所示，第一放大单元包括运算放大器U11、电阻R42～R45及电容C26～C27，运算放大器U11与电阻R42～R45构成叠加放大输出网络，对第三温差信号V₃和零点电压信号V_Z的叠加和进行放大，在运算放大器U11的输出端得到第三中间温差信号V007；第二放大单元包括运算放大器U12、电阻R46～R51及电容C28～C29，运算放大器U12与电阻R46～R51构成可调放大输出网络，对第三中间温差信号V007进行可调节放大，在运算放大器U12的输出端得到目标温差信号V₄：

V₄＝k×V₃+V_Z；

其中，k为与线性修正模块电路参数相关的常数，k的数值调节及零点电压信号V_Z的调节均可改变调节目标温差信号V₄的大小，调节电阻R51的阻值即可对k的数值进行调节。

详细地，如图7所示，零点修正模块包括：

运放单元，接第一工作电压信号VCC1，对第一工作电压信号VCC1进行分压截取并跟随输出，得到第一参考电压信号V_ref1；

放大输出单元，接第一参考电压信号V_ref1和第二参考电压信号V_ref2，对第一参考电压信号V_ref1和第二参考电压信号V_ref2的叠加和进行可调节放大，得到零点电压信号V_Z。

更详细地，如图7所示，运放单元包括运算放大器U13、电阻R52～R53，运算放大器U13与电阻R52～R53构成分压跟随输出网络，对第一工作电压信号VCC1进行分压截取并跟随输出，在运算放大器U13的输出端得到第一参考电压信号V_ref1；放大输出单元包括算放大器U14、电阻R54～R57、电容C30～C31，运算放大器U14与电阻R54～R57构成叠加放大输出网络，对第一参考电压信号V_ref1和第二参考电压信号V_ref2的叠加和进行可调节放大，在运算放大器U14的输出端得到零点电压信号V_Z，第二参考电压信号V_ref2的电压值可调，调节第二参考电压信号V_ref2的电压值即可调节零点电压信号V_Z的电压值。

最终，结合图1-图7所示，本发明提供的热式气体质量流量计信号线性化电路，先通过差分放大模块对第一热电阻R_A和第二热电阻R_T之间的温差信号进行差分放大，得到第一温差信号V₁，后通过温度补偿模块对第一温差信号V₁进行温度补偿，得到第二温差信号V₂，再通过非线性放大模块对第二温差信号V₂进行非线性放大，得到第三温差信号V₃，该非线性放大将原本与气体质量流量呈非线性关系的温差信号变转换成近似与气体质量流量呈线性关系，最后通过线性修正模块对第三温差信号V₃进行分段线性修正，得到并输出目标温差信号V₄，在不同区间段内对线性关系进行修正微调，进一步提升了最终输出的目标温差信号V₄的线性度。

此外，基于与上述热式气体质量流量计信号线性化电路同样的设计思路，本发明还提供一种热式气体质量流量计信号线性化方法，所述热式气体质量流量计信号线性化方法包括步骤：

S1、对第一热电阻与第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到第一温差信号；

S2、对第一温差信号进行温度补偿，得到第二温差信号；

S3、对第二温差信号进行非线性放大，得到第三温差信号；

S4、对第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号，目标温差信号与热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关。

可选地，步骤S3中的非线性放大至少可以采取幂函数运算、指数函数运算、对数函数运算中的至少一种来实现。

可选地，对第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号的步骤S4，进一步包括：

S41、提供可调节修正的零点电压信号，并将零点电压信号叠加到第三温差信号上，得到第三中间温差信号；

S42、对第三中间温差信号进行放大，得到第四中间温差信号；

S43、按照第三温差信号的预设划分区间，在各个区间内，调节第三中间温差信号的放大倍数和零点电压信号的大小，对第四中间温差信号进行线性修正，分段线性修正完成后的第四中间温差信号构成目标温差信号。

综上所述，本发明实施例所提供的热式气体质量流量计信号线性化电路及方法，先通过差分放大模块对第一热电阻与第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，并通过温度补偿模块进行温度补偿调节，再通过非线性放大模块进行非线性放大，将原本与气体质量流量呈非线性关系的温差信号变转换成近似与气体质量流量呈线性关系，极大地提升了温差信号的线性度；最后通过线性修正模块对信号进行分段线性修正，在不同区间段内对线性关系进行修正微调，进一步提升了最终输出的目标温差信号的线性度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种热式气体质量流量计信号线性化电路，所述热式气体质量流量计包括恒流驱动电路和传感器，所述传感器包括第一热电阻和第二热电阻，所述恒流驱动电路对所述第一热电阻和所述第二热电阻进行驱动，其特征在于，所述热式气体质量流量计信号线性化电路包括：

差分放大模块，其输入端接所述恒流驱动电路的输出端，对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到并输出第一温差信号；

所述差分放大模块包括：

仪表放大单元，对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到初始温差信号；

翻转单元，对所述初始温差信号进行翻转反相，得到翻转温差信号；

跟随输出单元，对所述翻转温差信号进行跟随输出，得到所述第一温差信号；

温度补偿模块，其输入端接所述差分放大模块的输出端，对所述第一温差信号进行温度补偿，得到并输出第二温差信号；

所述温度补偿模块包括：

补偿调节单元，提供可调节的温度补偿电压；

温度补偿单元，接所述第一温差信号与所述温度补偿电压，根据所述温度补偿电压对所述第一温差信号进行温度补偿，得到所述第二温差信号；

非线性放大模块，其输入端接所述温度补偿模块的输出端，对所述第二温差信号进行非线性放大，得到并输出第三温差信号；

所述非线性放大模块包括：

非线性运算单元，对所述第二温差信号进行非线性运算，得到第一中间温差信号和第二中间温差信号；

放大输出单元，对所述第一中间温差信号和所述第二中间温差信号中的一个进行选择接入并放大输出，得到所述第三温差信号；

线性修正模块，其第一输入端接所述非线性放大模块的输出端，对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到并输出目标温差信号，所述目标温差信号与所述热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关；

所述热式气体质量流量计信号线性化电路还包括：

零点修正模块，其输出端接所述线性修正模块的第二输入端，为所述线性修正模块提供可调节修正的零点电压信号；

所述线性修正模块包括：

第一放大单元，同时接所述第三温差信号和所述零点电压信号，对所述第三温差信号和所述零点电压信号的叠加和进行放大，得到第三中间温差信号；

第二放大单元，接所述第三中间温差信号，对所述第三中间温差信号进行可调节放大，得到所述目标温差信号。

2.根据权利要求1所述的热式气体质量流量计信号线性化电路，其特征在于，所述非线性运算包括幂函数运算、指数函数运算、对数函数运算中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的热式气体质量流量计信号线性化电路，其特征在于，所述零点修正模块包括：

运放单元，接第一工作电压信号，对所述第一工作电压信号进行分压截取并跟随输出，得到第一参考电压信号；

放大输出单元，接所述第一参考电压信号和第二参考电压信号，对所述第一参考电压信号和所述第二参考电压信号的叠加和进行可调节放大，得到所述零点电压信号。

4.一种热式气体质量流量计信号线性化方法，用于如权利要求1-3任一项所述的热式气体质量流量计信号线性化电路，所述热式气体质量流量计包括恒流驱动电路和传感器，所述传感器包括第一热电阻和第二热电阻，所述恒流驱动电路对所述第一热电阻和所述第二热电阻进行驱动，其特征在于，所述热式气体质量流量计信号线性化方法包括：

对所述第一热电阻与所述第二热电阻之间的温差信号进行差分放大，得到第一温差信号；

对所述第一温差信号进行温度补偿，得到第二温差信号；

对所述第二温差信号进行非线性放大，得到第三温差信号；

对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号，所述目标温差信号与所述热式气体质量流量计中的气体质量流量线性正相关。

5.根据权利要求4的热式气体质量流量计信号线性化方法，其特征在于，所述对所述第三温差信号进行分段线性修正，得到目标温差信号的步骤，包括：

提供可调节修正的零点电压信号，并将所述零点电压信号叠加到所述第三温差信号上，得到第三中间温差信号；

对所述第三中间温差信号进行放大，得到第四中间温差信号；

按照所述第三温差信号的预设划分区间，在各个区间内，调节所述第三中间温差信号的放大倍数和所述零点电压信号的大小，对所述第四中间温差信号进行线性修正；

其中，分段线性修正完成后的所述第四中间温差信号构成所述目标温差信号。