CN115468615A - 流量传感器及其整定方法、整定设备 - Google Patents

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CN115468615A CN202211066903.0A CN202211066903A CN115468615A CN 115468615 A CN115468615 A CN 115468615A CN 202211066903 A CN202211066903 A CN 202211066903A CN 115468615 A CN115468615 A CN 115468615A
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Abstract

本发明提供一种流量传感器，包括环境温度测量模块、加热模块、流量感应模块和输出控制模块，环境温度测量模块包括第一测温元件，加热模块包括发热元件，流量感应模块包括两个第二测温元件；环境温度测量模块用于响应于第一测温元件的阻值变化生成第一信号，流量感应模块用于响应于两个第二测温元件的阻值之差的变化生成第二信号；输出控制模块用于基于第二信号确定流体的流速，还用于基于第一信号确定流体的温度值，并根据温度值与流速控制加热模块调节发热元件的发热功率，以使其温度值与流体的温度值之间的差值保持为预设温差。本发明提供的流量传感器能够避免温度漂移，保证流量检测精度。本发明还提供一种流量传感器的整定方法及整定设备。

Description

流量传感器及其整定方法、整定设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种流量传感器、一种流量传感器的整定方法以及一种用于实现该整定方法的流量传感器的整定设备。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)传感器是一种通过半导体工艺和材料制造而成的微型传感器，其特点是体积小、成本低、高度集成化。微机电系统技术于20世纪60年代中期问世，一直发展到今天，始终受到传感技术领域的高度重视，并推动了诸多行业的发展，例如物联网、生命科学、航空航天及工业制造等。基于微机电系统技术的气体质量流量传感器与传统热式气体质量流量传感器相比，具有体积小、成本低、响应速度快等优势，因此得到了广泛的应用。
微机电系统热式气体质量流量传感器(以下简称“MEMS传感器”)工作时需考虑环境温度变化对其造成的影响，当环境温度与芯片温度差发生变化时，传感器内部上下游检测到的温度差也会随之改变，此时系统在处理温度差数据时会引入误差。因此MEMS传感器通常使用恒温差(Constant Temperature Difference,CTD)电路原理驱动，该原理可显著改善传感器的温度漂移现象，提高流量测量的准确性。
目前绝大多数MEMS传感器仅通过改造电路硬件实现恒温差，例如，在申请文件US4566320A中，为避免热源电阻R15与环境温度之间的温差发生变化而导致MEMS传感器出现温漂，该电路通过电阻R20等电阻实时检测环境温度并反馈至加载在热源电阻R15的电压值，从而使热源电阻R15的温度值随环境温度升高而升高，在一定程度上保证了热源电阻R15的温度值与环境温度之间温差的稳定性，然而，该方案需要保证热源电阻和环境测量电阻的温度系数一致，且电阻R26、R27、R31、R32阻值需保证不受环境温度影响，对元器件的要求较高，对热源电阻R15的温度补偿精度较低。
因此，如何进一步降低环境温度变化对流量传感器精度的影响，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种流量传感器、一种流量传感器的整定方法以及一种用于实现该整定方法的流量传感器的整定设备，该流量传感器的流量检测精度高。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种流量传感器，包括环境温度测量模块、加热模块、流量感应模块和输出控制模块，所述环境温度测量模块包括第一测温元件，所述加热模块包括发热元件，所述流量感应模块包括两个第二测温元件；其中，所述第一测温元件、所述发热元件和所述第二测温元件均用于与待测流体接触；
所述环境温度测量模块用于响应于所述第一测温元件的阻值变化生成第一信号，所述流量感应模块用于响应于两个所述第二测温元件的阻值之差的变化生成第二信号；所述加热模块用于响应于所述输出控制模块的控制信号调节所述发热元件的发热功率；所述输出控制模块用于基于所述第二信号确定流经所述流量传感器的的感应区域的流体的流速，还用于基于所述第一信号确定所述流体的温度值，并根据所述温度值与所述流速控制所述加热模块调节所述发热元件的发热功率，以使所述发热元件的温度值与所述流体的温度值之间的差值保持为预设温差。
可选地，所述加热模块还包括电压调整元件和恒压源，所述电压调整元件具有第一端、第二端和调节端，所述第一端与所述第二端分别与所述恒压源的两端电连接，以使所述第一端与所述第二端之间存在第一预设电位差，所述电压调整元件具有连接在所述第一端与所述第二端之间的内阻，所述发热元件的两端分别与所述电压调整元件的第二端和所述电压调整元件的调节端连接，所述加热模块用于响应于所述控制信号调节所述电压调整元件与所述发热元件并联的内阻的大小，以改变所述发热元件的功率。
可选地，所述电压调整元件为数字电位器，且具有255个档位，所述发热元件两端的电压差随所述电压调整元件档位值的增大而增大。
可选地，所述输出控制模块用于根据所述流体的温度值与所述流体的流速控制所述加热模块调节所述电压调整元件的档位，以使所述电压调整元件的档位满足计算式：
Figure BDA0003828723800000031
其中，i为所述电压调整元件的档位值，Tr为所述流体的温度值，v为所述流体的流速，f(Tr)为关于所述流体的温度值的第一预设函数，g(v)为关于所述流体的流速的第二预设函数，T0为预设常温温度，Rh0为所述发热元件在所述预设常温温度下的阻值，C为所述预设温差，Vb为所述预设电位差，α为预设常数。
可选地，所述流量感应模块还包括第一差分放大器、第一电阻和第二电阻，两个所述第二测温元件串联在两个具有第二预设电位差的预设电位点之间，所述第一电阻和所述第二电阻串联在相同的两个所述预设电位点之间，所述第一差分放大器的正输入端连接在两个所述第二测温元件之间，所述第一差分放大器的负输入端连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间，所述第一差分放大器的输出端用于输出所述第二信号。
可选地，所述环境温度测量模块还包括恒流源与第二差分放大器，所述第一测温元件的两端与所述恒流源的输入端和输出端电连接，所述第二差分放大器的正输入端和负输入端连接在所述第一测温元件的两端，所述第二差分放大器的输出端用于输出所述第一信号。
可选地，所述发热元件包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿所述流体流向间隔的多个第一延伸部，多个所述第一延伸部的端部首位相接串联形成所述发热元件，且位于两侧的两个所述第一延伸部的自由端形成为所述发热元件的两端；
所述第二测温元件包括连接部和多个第二延伸部，所述连接部沿垂直于所述流体流向方向延伸，多个所述第二延伸部沿所述流体流向延伸且沿垂直于所述流体流向方向间隔，多个所述第二延伸部的端部首位相接串联，与所述发热元件的端部位于所述感应区域同一侧的所述第二延伸部的自由端形成为所述第二测温元件的第一端，另一侧的所述第二延伸部的自由端与所述连接部的第一端连接，所述连接部的第二端形成为所述第二测温元件的第二端，所述第二测温元件两端之间的电阻随其所处环境温度的变化而变化。
可选地，所述第一测温元件包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿所述流体流向间隔的多个第三延伸部，多个所述第三延伸部的端部首位相接串联形成所述发热元件，且位于两侧的两个所述第三延伸部的自由端形成为所述第一测温元件的两端，所述第一测温元件两端之间的电阻随其所处环境温度的变化而变化；
所述环境温度测量模块还包括恒流源与第二差分放大器，所述第一测温元件的两端与所述恒流源的输入端和输出端电连接，所述第二差分放大器的正输入端和负输入端连接在所述第一测温元件的两端，所述第二差分放大器的输出端用于输出所述第一信号。
可选地，所述输出控制模块用于根据所述第一信号，基于公式Tr＝k1Vd+k2确定所述流体的温度值，其中，Tr为所述流体的温度值，Vd为所述第一信号，k1、k2为预设常数。
作为本发明的第二个方面，提供一种流量传感器的整定方法，所述流量传感器的整定方法用于整定前面所述的流量传感器，所述方法包括：
控制所述流量传感器的感应区域无流体流动，获取所述流量传感器在不同环境温度下，满足所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差的第一预设函数f(Tr)；
将所述流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度，获取所述流量传感器在流体的不同流速下，满足所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差的第二预设函数g(v)；
使所述控制模块基于第一预设函数f(Tr)和第二预设函数g(v)的预设关系控制所述加热模块调节所述发热元件的发热功率，以使所述发热元件的温度值与所述流体的温度值之间的差值保持为预设温差。
可选地，，所述流量传感器为权利要求4所述的流量传感器，所述方法具体包括：
确定第一预设函数f(Tr)的步骤，包括：
控制流经所述流量传感器的感应区域的流体停止流动，依次将所述流量传感器所处环境温度调节至不同温度值；
在每次改变所述流量传感器所处环境温度后，检测流经所述发热元件的电流，基于公式
Figure BDA0003828723800000051
确定所述发热元件的温度，并调节所述电压调整元件的档位值，使所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差；
根据各个环境温度的温度值与对应的所述电压调整元件的档位值，基于公式
Figure BDA0003828723800000052
确定第一预设函数f(Tr)；
其中，T(Rhj)为所述发热元件的温度，IRhj为每次检测到的流经所述发热元件的电流，Tr为所述流量传感器所处环境温度每次改变后的温度值；
还包括确定第二预设函数g(v)的步骤，包括：
将所述流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度，依次将流经所述流量传感器的感应区域的流体调节至不同流速；
在每次改变所述流体的流速后，确定所述发热元件的温度，并调节所述电压调整元件的档位值，使所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差；
根据各流速与对应的所述电压调整元件的档位值，基于公式
Figure BDA0003828723800000053
确定第二预设函数g(v)；
其中，f(T0)为关于所述温度值的第一预设函数f(Tr)对应于所述预设常温温度的函数值。
作为本发明的第三个方面，提供一种流量传感器的整定设备，包括控制器、流体通路、质量流量控制器、温度控制装置和电流检测装置，所述流体通路上具有传感器安装位，用于安装前面所述的流量传感器，所述质量流量控制器用于控制所述流体通路中的流体流量，以改变流经所述流量传感器的感应区域的流体的流速，所述电流检测装置用于检测流经所述流量传感器的发热元件的电流，以确定所述发热元件的温度，所述温度控制装置用于控制所述传感器安装位所处的环境温度，所述控制器用于执行权利要求8或9所述的流量传感器的整定方法。
可选地，所述温度控制装置为高低温烘箱。
在本发明提供的流量传感器、流量传感器的整定方法和整定设备中，流量传感器(的输出控制模块)能够根据温度值Tr与流速v调节发热元件Rh的发热功率，使发热元件Rh的发热功率随温度值Tr的增大而增大，且随流速v的增大而增大，即，在环境温度升高时增大发热元件Rh的发热功率，以保证发热元件Rh向流体散射热量的效果，在流体的流速v增大时增大发热元件Rh的发热功率，以避免流体带走发热元件Rh热量的速率过快使发热元件Rh降温，本发明提供的流量传感器的输出控制模块能够根据流体的温度值Tr(即环境温度)和流速v实时调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件Rh的温度与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C，从而避免流量传感器的温度检测结果出现温度漂移，保证了流量传感器的流量检测精度。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例提供的流量传感器的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的流量传感器的传感器底座上的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的流量传感器的整定设备的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的流量传感器确定流体流速的流程示意图。
附图标记说明：
10：流量传感器 11：传感器底座
12：控制单元 13：第一差分放大器
14：第二差分放大器 15：模数转换器
100：感应区域 Rt：第一测温元件
Rh：发热元件 Ru：上游测温元件
Rd：下游测温元件 110：第三延伸部
120：第一延伸部 131：连接部
132：第二延伸部 210：第一电极
220：第二电极 230：第三电极
20：温度控制装置 30：截止阀
40：电流检测装置
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种流量传感器，如图1所示，该流量传感器包括环境温度测量模块1、加热模块2、流量感应模块3和输出控制模块4，环境温度测量模块1包括第一测温元件Rt，加热模块包括发热元件Rh，流量感应模块包括两个第二测温元件(上游测温元件Ru、下游测温元件Rd)。其中，第一测温元件Rt、发热元件Rh和第二测温元件均用于与待测流体接触。
环境温度测量模块1用于响应于第一测温元件Rt的阻值变化生成第一信号，流量感应模块3用于响应于两个第二测温元件的阻值之差的变化生成第二信号；加热模块2用于响应于输出控制模块4的控制信号调节发热元件Rh的发热功率；输出控制模块用于基于第二信号确定流经流量传感器的感应区域的流体的流速v，还用于基于第一信号确定流体的温度值Tr，并根据温度值Tr与流速v控制加热模块调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件Rh的温度值与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C。
需要说明的是，第一测温元件Rt、发热元件Rh和第二测温元件均用于与待测流体接触，具体为将流量传感器的这些元件所在的部位与流体通路对接，使流体流经该部位，第一测温元件Rt、发热元件Rh和第二测温元件的组织均随温度变化而改变。具体地，如图2所示，流量传感器还可以包括传感器底座11，第一测温元件Rt、发热元件Rh和两个第二测温元件(上游测温元件Ru、下游测温元件Rd)均设置在传感器底座11的感应区域100，两个第二测温元件分别位于发热元件Rh的上游侧和下游侧(即沿流体流动方向的两侧)，第一测温元件Rt位于两个第二测温元件的上游侧，以防止第一测温元件Rt的测温结果受到其他元件散热的干扰。现有的流量传感器仅根据上游测温元件Ru与下游测温元件Rd的阻值之差即可确定流体的流速v，具体地，发热元件Rh的发热量不变，流体流经发热元件Rh的流速越慢，则发热元件Rh上下游之间的流体温差就越大，使上游测温元件Ru与下游测温元件Rd的阻值之差增大，同理流体流速越快，则发热元件Rh上下游之间的流体温差就越大，使上游测温元件Ru与下游测温元件Rd的阻值之差增大，从而可以基于预先确定的关系式根据该阻值之差确定流体的流速v。
而本发明的发明人在研究中发现，发热元件Rh的温度与流体的温度值Tr之间的差值不仅受流体的温度值Tr(即发热元件Rh所处的环境温度)的变化影响，还受流体的流速v的影响，具体地，环境温度上升时，发热元件Rh表面的热量散射减弱，温度缓慢升高，使检测结果产生正向温度漂移，当环境温度下降时，发热元件Rh表面的热量散射加强，温度缓慢降低，使检测结果产生负向温度漂移；而在气流等流体通过感应区域100时，流体会带走发热元件Rh表面的部分热量，发热元件Rh的热量损失会随着流量的增大而增大，即，发热元件Rh的温度随着流量的增大而降低。
因此，在本发明提供的流量传感器中，流量传感器(的输出控制模块4)能够根据温度值Tr与流速v调节发热元件Rh的发热功率，使发热元件Rh的发热功率随温度值Tr的增大而增大，且随流速v的增大而增大，即，在环境温度升高时增大发热元件Rh的发热功率，以保证发热元件Rh向流体散射热量的效果，在流体的流速v增大时增大发热元件Rh的发热功率，以避免流体带走发热元件Rh热量的速率过快使发热元件Rh降温，本发明提供的流量传感器的输出控制模块能够根据流体的温度值Tr(即环境温度)和流速v实时调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件Rh的温度与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C，从而避免流量传感器的温度检测结果出现温度漂移，保证了流量传感器的流量检测精度。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，加热模块2还包括电压调整元件R3和恒压源U，电压调整元件R3具有第一端、第二端和调节端，第一端与第二端分别与恒压源U的两端电连接，以使第一端与第二端之间存在第一预设电位差Vb，电压调整元件R3具有连接在第一端与第二端之间的内阻(公式中表示为R3)，发热元件Rh的两端分别与电压调整元件R3的第二端和电压调整元件R3的调节端连接，加热模块2用于响应于控制信号调节电压调整元件R3与发热元件Rh并联的内阻的大小，以改变发热元件Rh两端的电位差，进而调节发热元件Rh的功率。
为便于对发热元件Rh并联的内阻的大小进行调节，优选地，电压调整元件R3为数字电位器，且具有255个档位，发热元件Rh两端的电压差随电压调整元件R3档位值i的增大而增大。
如图1所示，发热元件Rh的两端分别与电压调整元件R3的抽头(即调节端，图1中所示指向电压调整元件R3内阻的箭头)与接地端(即第二端)之间，即，如将电压调整元件R3的抽头与第二端之间的电阻表示为R3-2，则加载在发热元件Rh两端的电压Va为Vb(R3-2/R3)，而根据数字电位器原理，在数字电位器调节至i(i∈[1,255])档位时，Va即为(i/255)*Vb。
可选地，输出控制模块4在调节发热元件Rh的功率时，具体用于根据流体的温度值Tr与流体的流速v控制加热模块2调节电压调整元件R3的档位，以使电压调整元件R3的档位i满足计算式：
Figure BDA0003828723800000101
其中，i为电压调整元件R3的档位值，Tr为流体的温度值，v为流体的流速，f(Tr)为关于温度值Tr的第一预设函数，g(v)为关于流速v的第二预设函数，T0为预设常温温度，Rh0为发热元件Rh在预设常温温度T0下的阻值，C为预设温差，Vb为预设电位差，α为预设常数(具体为发热元件Rh的电阻温度系数)。
可选地，预设常温温度T0为25℃。
具体地，根据电阻的发热特性，在无气流通过时，发热元件Rh的温度T(Rh)与发热元件Rh的功率P1成正比关系，其表达式为：
Figure BDA0003828723800000102
而在有气流通过时，气流会带走发热元件Rh表面的部分热量，其热量损失的功率P2会随着流体的流速的增大而增大，其对应关系符合King定律公式：
Figure BDA0003828723800000103
其中，A为与热传导产生的热量损耗有关的参数，B为与对流效应产生的热量损耗有关的参数。
一般情况下，发热元件Rh的功率P1即等于发热元件Rh的散热功率P2，即P1＝P2。要使发热元件Rh的温度T(Rh)与流体的温度值Tr之间保持预设差值，即保持T(Rh)-Tr＝C，则将上述公式联立并简化后可得，在T(Rh)-Tr＝C的条件下，电压调整元件R3的档位i需满足：
Figure BDA0003828723800000104
考虑到参数A会随着环境温度(即流体的温度值Tr)变化而改变，参数B会随着流体的流速v变化而改变，以下将A表示为关于温度值Tr的第一预设函数A＝f(Tr)，将B表示为关于流速v的第二预设函数B＝g(v)。
即得到该用于确定电压调整元件R3的档位i的计算式：
Figure BDA0003828723800000111
需要说明的是，参数A、参数B需要通过实验进行整定(具体整定方法见下文)。
作为本发明的一种可选实施方式，如图1所示，流量感应模块3还包括第一差分放大器13、第一电阻R1和第二电阻R2，两个第二测温元件Ru、Rd串联在两个具有第二预设电位差的预设电位点之间，第一电阻R1和第二电阻R2串联在相同的两个预设电位点之间，第一差分放大器13的正输入端连接在两个第二测温元件Ru、Rd之间，第一差分放大器13的负输入端连接在第一电阻R1与第二电阻R2之间，第一差分放大器13的输出端用于输出第二信号。
可选地，如图1所示，输出控制模块4包括控制单元12和模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)15，控制单元12用于执行上述根据温度值Tr与流速v调节发热元件Rh的发热功率的功能，模数转换器15用于接收差分放大器输出的电信号并将模拟量信号转换为数字信号，以供控制单元12计算。
可选地，控制单元12为微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)。
在本发明实施例中，两个第二测温元件Ru、Rd与第一电阻R1、第二电阻R2连接形成惠斯通电桥，电桥差分信号经过第一差分放大器13放大后作为电压Vc输出至模数转换器15，并在转换为数字信号后送入控制单元12。其测速原理为：当流体的流速发生变化时，因发热元件Rh的加热作用而产生的上下游温差随之发生变化，从而使位于上游的第二测温元件Ru、Rd的阻值Ru与位于下游的第二测温元件Ru、Rd的阻值Rd之间的比例发生变化，进而导致惠斯通电桥上Ru与Rd的分压发生变化，使惠斯通电桥上与第一差分放大器13连接的左侧节点与右侧节点的电位之间的电位差值发生变化，该差值经第一差分放大器13放大以及模数转换器15模数转换后，发送至控制单元12从而计算出与该电位差值对应的流速v。
优选地，第一电阻R1与第二电阻R2均为低温度系数精密电阻，以降低环境温度对第一电阻R1及第二电阻R2阻值的影响。
为简化电路结构，作为本发明的一种优选实施方式，流量感应模块3可以与加热模块2共用恒压源U，即，第二预设电位差大于第一预设电位差，两个第二测温元件Ru、Rd以及第一电阻R1和第二电阻R2两端连接的两个预设电位点可以为恒压源U的两端，从而共用恒压源U提供的Vb电压。
可选地，第一测温元件Rt采用开尔文接线法，即，由一个恒流源驱动，并通过差分放大器检测第一测温元件Rt两端的电压信号，最终由控制单元12分析并确定对应的温度值Tr。
具体地，如图1所示，输出控制模块还包括恒流源I与第二差分放大器14，第一测温元件Rt的两端与恒流源的输入端和输出端电连接，第二差分放大器14的正输入端和负输入端连接在第一测温元件Rt的两端，第二差分放大器14的输出端用于输出第一信号。
可选地，第一测温元件Rt的材质为线性度良好的铂材料，即，第一测温元件Rt的阻值Rt随其所处环境的温度线性变化。
可选地，输出控制模块4(具体为控制单元12)用于根据第二差分放大器14的输出端输出的第一信号，基于公式Tr＝k1Vd+k2确定流体的温度值Tr，其中，Tr为流体的温度值，Vd为第二差分放大器14的输出端输出的第一信号(转换成数字量信号后的数值)，k1、k2为预设常数。
可选地，如图2所示，发热元件Rh包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿流体流向间隔的多个第一延伸部120，多个第一延伸部120的端部首位相接串联形成发热元件Rh，且位于两侧的两个第一延伸部120的自由端形成为发热元件Rh的两端(即图2中两个第一延伸部120的与对应的第二电极220连接的端部)。
可选地，如图2所示，第一延伸部120的数量为两个。
作为本发明的一种可选实施方式，如图2所示，第二测温元件Ru、Rd包括连接部131和多个第二延伸部132，连接部131沿垂直于流体流向方向延伸，多个第二延伸部132沿流体流向延伸且沿垂直于流体流向方向间隔，多个第二延伸部132的端部首位相接串联，与发热元件Rh的端部位于感应区域100同一侧的第二延伸部132的自由端形成为第二测温元件Ru、Rd的第一端，另一侧的第二延伸部132的自由端与连接部131的第一端连接，连接部131的第二端形成为第二测温元件Ru、Rd的第二端(第二测温元件Ru、Rd的第一端及第二端即为图2中与对应的两个第三电极230连接的端部)。
可选地，如图2所示，第一测温元件Rt包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿流体流向间隔的多个第三延伸部110，多个第三延伸部110的端部首位相接串联形成发热元件Rh，且位于两侧的两个第三延伸部110的自由端形成为第一测温元件Rt的两端(即图2中与两个第一电极210连接的端部)。
可选地，如图2所示，第三延伸部110的数量为两个。
可选地，传感器底座11还具有焊盘区，焊盘区焊接有多个电极，例如，可以包括第一电极210、第二电极220和第三电极230，第一测温元件Rt、发热元件Rh和第二测温元件Ru、Rd的两端均通过对应的电极与输出控制模块连接。
如图4所示为本发明实施例提供的流量传感器检测流体流速v的流程示意图，在流量传感器接入流体通路(例如管路)并开启后，输出控制模块4的控制单元12系统初始化、模数转换器15初始化(这里初始化是指加载预先确定的参数)，控制单元12(微控制单元)上电后会初始化其各端口，使端口数据传输开启。输出控制模块4将电压调整元件R3的档位i调节至中间档位，即i＝128。
随后流量传感器开始实时检测流量，即，输出控制模块4实时基于环境温度测量模块1生成的第一信号确定流经感应区域的流体的温度值Tr，基于流量感应模块3生成的第二信号确定流体的流速v，并输出流速v。同时，实时根据温度值Tr与流速v实时确定当前对应的参数A、参数B(即当前温度值Tr与流速v对应的第一预设函数A＝f(Tr)以及第二预设函数B＝g(v)的函数值)，并基于当前确定的参数A、参数B实时确定当前电压调整元件R3对应的档位i，从而调节发热元件Rh的发热功率，使其温度值与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C，进而消除温漂。
作为本发明的第二个方面，提供一种流量传感器的整定方法，用于整定本发明实施例提供的流量传感器该方法包括：
控制流量传感器的感应区域100无流体流动，获取流量传感器在不同环境温度Tr1，Tr2，Tr3，…Trj，…Trn(n∈N)下，满足发热元件Rh的温度与流量传感器当前所处环境温度的温度值Trj之间的差值为预设温差C的第一预设函数f(Tr)；
将流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度T0，获取流量传感器在流体的不同流速v1，v2，v3，…vk，…vm(m∈N)下，满足发热元件的温度与流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为预设温差C的第二预设函数g(v)；
使控制模块基于第一预设函数f(Tr)和第二预设函数g(v)的预设关系控制加热模块2调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件的温度值与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C。
在本发明提供的流量传感器的整定方法中，通过控制变量法分别在流体流速v不变的情况下确定不同环境温度Trj与满足要求的发热元件Rh的发热功率之间的对应关系，以及在温度值Tr不变的情况下确定不同流体流速vk与满足要求的发热元件Rh的发热功率之间的对应关系，从而求出关于温度值的第一预设函数f(Tr)和关于流速v的第二预设函数g(v)，进而实现对本发明实施例提供的流量传感器的整定。
作为本发明的一种可选实施方式，确定关于温度值Tr的第一预设函数f(Tr)的步骤，包括：
控制流经流量传感器的感应区域100的流体停止流动，依次将流量传感器所处环境温度调节至不同温度值Tr1，Tr2，Tr3，…Trj，…Trn(n∈N)；
在每次改变流量传感器所处环境温度后，检测流经发热元件Rh的电流，基于公式
Figure BDA0003828723800000141
确定发热元件Rh的温度，并调节电压调整元件R3的档位值i，使发热元件Rh的温度与流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为预设温差C；
根据各个环境温度的温度值与对应的电压调整元件R3的档位值i，基于公式
Figure BDA0003828723800000142
确定关于温度值的预设函数f(Tr)；
其中，T(Rhj)为发热元件Rh的温度，IRhj为每次检测到的流经发热元件Rh的电流，Tr为流量传感器所处环境温度每次改变后的温度值；
确定关于流速v的第二预设函数g(v)的步骤，包括：
将流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度，依次将流经流量传感器的感应区域100的流体调节至不同流速v1，v2，v3，…vk，…vm(m∈N)；
在每次改变流体的流速后，确定发热元件Rh的温度，并调节电压调整元件R3的档位值i，使发热元件Rh的温度与流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为预设温差C；
根据各流速与对应的电压调整元件R3的档位值i，基于公式
Figure BDA0003828723800000151
确定关于流速v的第二预设函数g(v)；
其中，f(T0)为关于温度值Tr的第一预设函数f(Tr)对应于预设常温温度的函数值。
需要说明的是，在输出控制模块包括控制单元12的情况下，该方法还包括在确定第一预设函数f(Tr)和第二预设函数g(v)的参数后，将得到的函数中的参数写入控制单元12中的步骤。
利用本发明提供的流量传感器的整定方法所整定的流量传感器中(的输出控制模块4)能够根据温度值Tr与流速v调节发热元件Rh的发热功率，使发热元件Rh的发热功率随温度值Tr的增大而增大，且随流速v的增大而增大，即，在环境温度升高时增大发热元件Rh的发热功率，以保证发热元件Rh向流体散射热量的效果，在流体的流速v增大时增大发热元件Rh的发热功率，以避免流体带走发热元件Rh热量的速率过快使发热元件Rh降温，本发明提供的流量传感器的输出控制模块能够根据流体的温度值Tr(即环境温度)和流速v实时调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件Rh的温度与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C，从而避免流量传感器的温度检测结果出现温度漂移，保证了流量传感器的流量检测精度。
作为本发明的第三个方面，提供一种流量传感器的整定设备，如图3所示，该流量传感器的整定设备包括控制器(图中未示出)、流体通路、质量流量控制器MFC、温度控制装置20和电流检测装置40，流体通路上具有传感器安装位，用于安装本发明实施例提供的流量传感器10，质量流量控制器用于控制流体通路中的流体流量，以改变流经流量传感器10的感应区域100的流体的流速；电流检测装置40用于检测流经流量传感器的发热元件Rh的电流，以确定发热元件Rh的温度；温度控制装置20用于控制传感器安装位所处的环境温度，控制器用于执行本发明实施例提供的流量传感器的整定方法。
利用本发明提供的流量传感器的整定设备所整定的流量传感器(的输出控制模块4)能够根据温度值Tr与流速v调节发热元件Rh的发热功率，使发热元件Rh的发热功率随温度值Tr的增大而增大，且随流速v的增大而增大，即，在环境温度升高时增大发热元件Rh的发热功率，以保证发热元件Rh向流体散射热量的效果，在流体的流速v增大时增大发热元件Rh的发热功率，以避免流体带走发热元件Rh热量的速率过快使发热元件Rh降温，本发明提供的流量传感器的输出控制模块能够根据流体的温度值Tr(即环境温度)和流速v实时调节发热元件Rh的发热功率，以使发热元件Rh的温度与流体的温度值Tr之间的差值保持为预设温差C，从而避免流量传感器的温度检测结果出现温度漂移，保证了流量传感器的流量检测精度。
作为本发明的一种可选实施方式，电流检测装置40可以为电流表，电流检测装置40具体通过与发热元件Rh串接的方式检测流经发热元件Rh的电流。例如，可以在整定开始前将电流检测装置40(电流表)串接在发热元件Rh的一端与电压调整元件R3之间，在整定完成后拆下电流检测装置40以备下次整定使用，并将发热元件Rh对应的端部重新与电压调整元件R3连接。
可选地，温度控制装置为高低温烘箱，电流检测装置40为电流表。
可选地，如图3所示，流体通路上还设置有截止阀30，用于控制流体通路的通断。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种流量传感器，其特征在于，包括环境温度测量模块、加热模块、流量感应模块和输出控制模块，所述环境温度测量模块包括第一测温元件，所述加热模块包括发热元件，所述流量感应模块包括两个第二测温元件；其中，所述第一测温元件、所述发热元件和所述第二测温元件均用于与待测流体接触；
所述环境温度测量模块用于响应于所述第一测温元件的阻值变化生成第一信号，所述流量感应模块用于响应于两个所述第二测温元件的阻值之差的变化生成第二信号；所述加热模块用于响应于所述输出控制模块的控制信号调节所述发热元件的发热功率；所述输出控制模块用于基于所述第二信号确定流经所述流量传感器的感应区域的流体的流速，还用于基于所述第一信号确定所述流体的温度值，并根据所述温度值与所述流速控制所述加热模块调节所述发热元件的发热功率，以使所述发热元件的温度值与所述流体的温度值之间的差值保持为预设温差。
2.根据权利要求1所述的流量传感器，其特征在于，所述加热模块还包括电压调整元件和恒压源，所述电压调整元件具有第一端、第二端和调节端，所述第一端与所述第二端分别与所述恒压源的两端电连接，以使所述第一端与所述第二端之间存在第一预设电位差，所述电压调整元件具有连接在所述第一端与所述第二端之间的内阻，所述发热元件的两端分别与所述电压调整元件的第二端和所述电压调整元件的调节端连接，所述加热模块用于响应于所述控制信号调节所述电压调整元件与所述发热元件并联的内阻的大小，以改变所述发热元件的功率。
3.根据权利要求2所述的流量传感器，其特征在于，所述电压调整元件为数字电位器，且具有255个档位，所述发热元件两端的电压差随所述电压调整元件档位值的增大而增大。
4.根据权利要求3所述的流量传感器，其特征在于，所述输出控制模块用于根据所述流体的温度值与所述流体的流速控制所述加热模块调节所述电压调整元件的档位，以使所述电压调整元件的档位满足计算式：
Figure FDA0003828723790000021
其中，i为所述电压调整元件的档位值，Tr为所述流体的温度值，v为所述流体的流速，f(Tr)为关于所述流体的温度值的第一预设函数，g(v)为关于所述流体的流速的第二预设函数，T0为预设常温温度，Rh0为所述发热元件在所述预设常温温度下的阻值，C为所述预设温差，Vb为所述预设电位差，α为预设常数。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的流量传感器，其特征在于，所述流量感应模块还包括第一差分放大器、第一电阻和第二电阻，两个所述第二测温元件串联在两个具有第二预设电位差的预设电位点之间，所述第一电阻和所述第二电阻串联在相同的两个所述预设电位点之间，所述第一差分放大器的正输入端连接在两个所述第二测温元件之间，所述第一差分放大器的负输入端连接在所述第一电阻与所述第二电阻之间，所述第一差分放大器的输出端用于输出所述第二信号。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的流量传感器，其特征在于，所述环境温度测量模块还包括恒流源与第二差分放大器，所述第一测温元件的两端与所述恒流源的输入端和输出端电连接，所述第二差分放大器的正输入端和负输入端连接在所述第一测温元件的两端，所述第二差分放大器的输出端用于输出所述第一信号。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的流量传感器，其特征在于，所述发热元件包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿所述流体流向间隔的多个第一延伸部，多个所述第一延伸部的端部首位相接串联形成所述发热元件，且位于两侧的两个所述第一延伸部的自由端形成为所述发热元件的两端；
所述第二测温元件包括连接部和多个第二延伸部，所述连接部沿垂直于所述流体流向方向延伸，多个所述第二延伸部沿所述流体流向延伸且沿垂直于所述流体流向方向间隔，多个所述第二延伸部的端部首位相接串联，与所述发热元件的端部位于所述感应区域同一侧的所述第二延伸部的自由端形成为所述第二测温元件的第一端，另一侧的所述第二延伸部的自由端与所述连接部的第一端连接，所述连接部的第二端形成为所述第二测温元件的第二端，所述第二测温元件两端之间的电阻随其所处环境温度的变化而变化。
8.根据权利要求6所述的流量传感器，其特征在于，所述第一测温元件包括沿垂直于流体流向方向延伸且沿所述流体流向间隔的多个第三延伸部，多个所述第三延伸部的端部首位相接串联形成所述发热元件，且位于两侧的两个所述第三延伸部的自由端形成为所述第一测温元件的两端，所述第一测温元件两端之间的电阻随其所处环境温度的变化而变化；
所述环境温度测量模块还包括恒流源与第二差分放大器，所述第一测温元件的两端与所述恒流源的输入端和输出端电连接，所述第二差分放大器的正输入端和负输入端连接在所述第一测温元件的两端，所述第二差分放大器的输出端用于输出所述第一信号。
9.根据权利要求8所述的流量传感器，其特征在于，所述输出控制模块用于根据所述第一信号，基于公式Tr＝k1Vd+k2确定所述流体的温度值，其中，Tr为所述流体的温度值，Vd为所述第一信号，k1、k2为预设常数。
10.一种流量传感器的整定方法，其特征在于，所述流量传感器的整定方法用于整定权利要求1至9中任意一项所述的流量传感器，所述整定方法包括：
控制所述流量传感器的感应区域无流体流动，获取所述流量传感器在不同环境温度下，满足所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差的第一预设函数f(Tr)；
将所述流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度，获取所述流量传感器在流体的不同流速下，满足所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差的第二预设函数g(v)；
使所述控制模块基于第一预设函数f(Tr)和第二预设函数g(v)的预设关系控制所述加热模块调节所述发热元件的发热功率，以使所述发热元件的温度值与所述流体的温度值之间的差值保持为预设温差。
11.根据权利要求10所述的流量传感器的整定方法，其特征在于，所述流量传感器为权利要求4所述的流量传感器，所述整定方法具体包括：
确定第一预设函数f(Tr)的步骤，包括：
控制流经所述流量传感器的感应区域的流体停止流动，依次将所述流量传感器所处环境温度调节至不同温度值；
在每次改变所述流量传感器所处环境温度后，检测流经所述发热元件的电流，基于公式
Figure FDA0003828723790000041
确定所述发热元件的温度，并调节所述电压调整元件的档位值，使所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差；
根据各个环境温度的温度值与对应的所述电压调整元件的档位值，基于公式
Figure FDA0003828723790000042
确定第一预设函数f(Tr)；
其中，T(Rhj)为所述发热元件的温度，IRhj为每次检测到的流经所述发热元件的电流，Tr为所述流量传感器所处环境温度每次改变后的温度值；
还包括确定第二预设函数g(v)的步骤，包括：
将所述流量传感器所处环境温度调节至预设常温温度，依次将流经所述流量传感器的感应区域的流体调节至不同流速；
在每次改变所述流体的流速后，确定所述发热元件的温度，并调节所述电压调整元件的档位值，使所述发热元件的温度与所述流量传感器当前所处环境温度的温度值之间的差值为所述预设温差；
根据各流速与对应的所述电压调整元件的档位值，基于公式
Figure FDA0003828723790000051
确定第二预设函数g(v)；
其中，f(T0)为关于所述温度值的第一预设函数f(Tr)对应于所述预设常温温度的函数值。
12.一种流量传感器的整定设备，其特征在于，包括控制器、流体通路、质量流量控制器、温度控制装置和电流检测装置，所述流体通路上具有传感器安装位，用于安装权利要求1至9中任意一项所述的流量传感器，所述质量流量控制器用于控制所述流体通路中的流体流量，以改变流经所述流量传感器的感应区域的流体的流速，所述电流检测装置用于检测流经所述流量传感器的发热元件的电流，以确定所述发热元件的温度，所述温度控制装置用于控制所述传感器安装位所处的环境温度，所述控制器用于执行权利要求8或9所述的流量传感器的整定方法。
13.根据权利要求12所述的流量传感器的整定设备，其特征在于，所述温度控制装置为高低温烘箱。
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