CN116046090A - 热式气体流量传感器控制电路 - Google Patents

Abstract

一种热式气体流量传感器控制电路，包括：信号采集电路及对所述信号采集电路采集到的信号处理的处理电路；其中，所述信号采集电路用于对流过密封腔体的气体加热，并且检测气体流动时的感应电阻上的电压，包括：用于产生预定热量的加热电阻、用于感应的感应电阻；所述加热电阻的一端接地，另一端串接主分压电阻；所述感应电阻的一端接地，另一端串接分压电阻；所述处理电路具有模数转换器及与所述模数转换器的输出端连接的数据计算单元。

Description

热式气体流量传感器控制电路

技术领域

本发明属于传感器测量技术领域，具体涉及一种热式流量传感器，更具体涉及一种控制电路，用于控制所述热式流量传感器。

背景技术

在工业领域中，热式流量传感器是常见的检测容器内气体流量的传感器，其基于流体的流动转移热量从而改变气体流向上的两个测温元件的温度分布的原理而工作。

热式流量传感器由一个加热元件和两个测温元件构成。加热元件布置在管道中间位置并以恒定功率加热，两个测温元件布置在加热元件的上下游，以便测量对应位置的温度。当气体流动时，气流将上游管壁的热量传输到下游管壁，从而改变了管壁温度的分布关系。

通过测量两个测温元件之间的温差可经过转换而获得对应的气体流量。具体来说，测温元件通常由热敏电阻实现，因此当气体流动时，热敏电阻自身的温度分布发生了改变，因此其电阻也相应发生了改变，对应地，施加在热敏电阻两端的电压也会发生变化，通过测量电压变化，并且经过转换计算可以获得气体的流量(流速)。

上述电压变化的检测和转换是实现高精度气体流量测量的关键步骤。现有技术中，热式流量传感器无法敏锐探测到微弱的测温元件和加热元件的电压变化，因此最后转换获得的气体流量的精度就很低。

因此，业界实用必要提供一种热式气体流量传感器控制电路，以克服上述现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种热式气体流量传感器控制电路，其能够检测到微弱的电压变化信号，并且将电压变化信号精确转换为数字信号，进而通过转换处理而实现高精度的气体流量测量。

为满足本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种热式气体流量传感器控制电路，包括：信号采集电路及对所述信号采集电路采集到的信号处理的处理电路；其中，

所述信号采集电路用于对流过密封腔体的气体加热，并且检测气体流动时的感应电阻上的电压，包括：用于产生预定热量的加热电阻、用于感应的感应电阻；所述加热电阻的一端接地，另一端串接主分压电阻；所述感应电阻的一端接地，另一端串接分压电阻；所述处理电路具有模数转换器及与所述模数转换器的输出端连接的数据计算单元。

优选地，所述感应电阻包括第一感应电阻和第二感应电阻，其中第一感应电阻用于感应气流上游位置温度，一端串接第一分压电阻；第二感应电阻用于感应气流下游位置温度，一端串接第二分压电阻；所述第一分压电阻和第一感应电阻的两端及所述第二分压电阻和第二感应电阻的两端施加参考电压。。

进一步优选地，所述主分压电阻和加热电阻的两端施加工作电压，以便让电流流过所述加热电阻，导致加热电阻发热产生预定功率的热量。

优选地，所述第一感应电阻与所述第一分压电阻之间的节点及所述第二感应电阻与所述第二分压电阻之间的节点分别连接所述模数转换器的两个电压信号输入端；所述第一分压电阻和第一感应电阻的两端及所述第二分压电阻和第二感应电阻的两端施加的参考电压由所述处理单元的参考电压输出端提供。

再进一步优选地，所述信号采集电路进一步包括与副分压电阻串联连接的气体温度检测电阻。

优选地，所述气体温度检测电阻和副分压电阻的两端施加所述工作电压，并且所述气体温度检测电阻和副分压电阻之间的节点连接所述处理单元的温度信号输入端。

优选地，进一步包括与所述处理电路连接的电平转换电路，其包括其一端与串行时钟信号线连接的第一电阻、其一端与串行时钟信号线连接的第二电阻、其一端与串行数据信号线连接的第三电阻、其一端与串行数据信号线连接的第四电阻、所述串行时钟信号线在所述第一电阻与第二电阻之间串接第一场效应管，所述串行数据信号线在所述第三电阻与第四电阻之间串接第二场效应管，所述第一电阻的另一端与所述第一场效应管连接，所述第三电阻的另一端与所述第二场效应管连接，所述第一电阻的两端及所述第三电阻的两端均施加第一电压，第二电阻的两端及所述第四电阻的两端均施加第二电压。

优选地，所述处理电路具有与所述左侧串行时钟信号端连接的串行时钟信号处理端，及与所述左侧串行数据信号端连接的串行数据信号处理端。

优选地，进一步包括为所述信号采集电路、处理电路及电平转换电路提供电源输入的电源电压转换电路。

优选地，所述电源电压转换电路包括：

具有正极输入端和负极输入端的外部端子；

自恢复保险丝，其左端与所述正极输入端连接；

二极管,其正极与所述负极输入端连接，负极与自恢复保险丝的右端连接；并联在二极管的负极与正极之间并且位于所述二极管右侧的第一电容；及

分别与所述第一电容的两端连接的稳压器

相对于现有技术，本发明的优势如下：

在本发明提供的热式气体流量传感器控制电路中，采用了由模数转换器和数据计算单元构成的处理电路，所述模数转换器能够接收两个感应电阻的微弱差分电压信号，并且以该差分电压信号作为输入信号，对其高精度模数转换，从而转换为数字信号，并且通过数据计算单元的处理运算获得高精度的气体流量测量值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的热式气体流量传感器控制电路的整体模块图。

图2为图1所示的热式气体流量传感器控制电路的电源电压转换电路的详细结构图。

图3为图1所示的热式气体流量传感器控制电路的电平转换电路的详细结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是实例性的，仅用于解释本发明而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供了一种热式气体流量传感器控制电路，其采用了由模数转换器和数据计算单元构成的处理电路，所述模数转换器能够接收两个感应电阻的微弱差分电压信号，并且以该差分电压信号作为输入信号，对其进行高精度模数转换，从而转换为数字信号，并且通过数据计算单元的处理运算获得高精度的气体流量测量值，因此相对于现有技术，其具有较高的微弱电压信号检测能力，从而提供了较高的流量测量精度。

在本发明的一个实施例中，参考图1-3，一种热式气体流量传感器控制电路100包括：

信号采集电路20及对所述信号采集电路20采集到的信号处理的处理电路40；其中，

所述信号采集电路20用于对流过密封腔体的气体加热，并且检测气体流动时的两个感应电阻上的电压，包括：用于产生预定热量的加热电阻22、用于感应气流上游位置温度的第一感应电阻24及用于感应气流下游位置温度的第二感应电阻26；所述加热电阻22的一端接地，另一端串接主分压电阻R10,所述主分压电阻R10和加热电阻22的两端施加工作电压，以便让电流流过所述加热电阻22，导致加热电阻22发热产生预定功率的热量；所述第一感应电阻24的一端接地，另一端串接第一分压电阻R1；所述第二感应电阻26的一端接地，另一端串接第二分压电阻R2；所述第一分压电阻R1和第一感应电阻24的两端及所述第二分压电阻R2和第二感应电阻26的两端施加参考电压；

所述处理电路40具有模数转换器42及与所述模数转换器42的输出端连接的数据计算单元44；

所述第一感应电阻24与所述第一分压电阻R1之间的节点及所述第二感应电阻26与所述第二分压电阻R2之间的节点分别连接所述模数转换器42的两个电压信号输入端462、464；所述第一分压电阻R1和第一感应电阻24的两端及所述第二分压电阻R2和第二感应电阻26的两端施加的参考电压由所述处理单元40的参考电压输出端468提供。

在上述实施例中，当工作电压比如3.3V的工作电压作用于所述加热电阻22时，所述加热电阻22上通过电流，从而导致加热电阻22发热产生预定功率的热量。由于两个感应电阻24、26分别位于气体流动方向的上下游(假设第一感应电阻24位于上游位置，而第二感应电阻26位于下游位置)，因此，流动的气体从上游位置流经位于所述第一、二感应电阻24、26之间的加热电阻22，然后流到下游位置，流动的气体把加热电阻22上的热量带到下游位置，从而使得两个感应电阻24、26的温度产生差异(在没有气体流动时，由于两个感应电阻分别等距位于加热电阻两侧，因此两个感应电阻的温度相同)，这种温度差异导致两个感应电阻(热敏电阻)的阻值随着温度的改变而发生变化，相应地，施加在第一感应电阻24上的第一电压V1和施加在第二感应电阻26上的第二电压V0相应发生变化。所述第一电压V1和第二电压V0作为所述处理电路40的模数转换器42的两个输入信号，经由模数转换器42的处理后，被转换为数字信号后，经由数据计算单元44的处理后获得精确的气体流量数值。由于采用了由模数转换器和数据计算单元构成的处理电路，所述模数转换器能够接收两个感应电阻的微弱差分电压信号(第一电压V1和第二电压V0)，并且以该差分电压信号作为输入信号，对其高精度模数转换为数字信号，通过数据计算单元的处理运算获得高精度的气体流量测量值，因此具有较高的微弱电压信号检测能力，提供了较高的流量测量精度。

优选地，所述信号采集电路20进一步包括与副分压电阻R11串联连接的气体温度检测电阻28。

进一步优选地，所述气体温度检测电阻28和副分压电阻R11的两端施加所述工作电压，并且所述气体温度检测电阻28和副分压电阻R11之间的节点连接所述处理单元40的温度信号输入端466。通过上述电路结构，具有一定温度的气体导致与其接触的气体温度检测电阻28(热敏电阻)的阻值发生变化，从而导致作用于所述气体温度检测电阻28上的第三电压V2发生变化，以该第三电压V2的信号作为输入信号，对其高精度模数转换为数字信号，通过数据计算单元的处理运算获得高精度的气体温度测量值。

优选地，进一步包括与所述处理电路40连接的电平转换电路50，其可将IIC通讯时内部的3.3V电平信号转换为外部5V电平，避免单片机(处理单元40)直接接受外部高压电平信号导致通讯异常。

进一步优选地，所述电平转换电路50包括其一端与串行时钟信号线连接的第一电阻R5、其一端与串行时钟信号线连接的第二电阻R6、其一端与串行数据信号线连接的第三电阻R8、其一端与串行数据信号线连接的第四电阻R7、所述串行时钟信号线在所述第一电阻R5与第二电阻R6之间串接第一场效应管Q1，所述串行数据信号线在所述第三电阻R8与第四电阻R7之间串接第二场效应管Q2，所述第一电阻R5的另一端与所述第一场效应管Q1连接，所述第三电阻R8的另一端与所述第二场效应管Q2连接，所述第一电阻R5的两端及所述第三电阻R8的两端均施加第一电压，第二电阻R6的两端及所述第四电阻R7的两端均施加第二电压。当左侧串行时钟信号端SCL_A输入高电平时，第一场效应管Q1不导通，右侧串行时钟信号端SCL_B被第二电阻R6上拉为高电平(5V)；当左侧串行数据信号端SCL_A是输入低电平时，第二场效应管Q2处于导通状态，右侧串行数据信号端SCL_B被下拉至与左侧串行数据信号端SCL_A相同的低电平。

再进一步优选地，所述处理电路40具有与所述左侧串行时钟信号端SCL_A连接的串行时钟信号处理端461，及与所述左侧串行数据信号端SCL_A连接的串行数据信号处理端463。

在上述电平转换电路50的结构中，所述第一电压可以为比如3.3V，而所述第二电压可以为5V。

优选地，进一步包括为所述信号采集电路20、处理电路40及电平转换电路50提供电源输入的电源电压转换电路30。

进一步优选地，所述电源电压转换电路30包括：

具有正极输入端3和负极输入端2的外部端子U1；

自恢复保险丝F1，其左端与所述正极输入端3连接；

二极管D1,其正极与所述负极输入端2连接，负极与所述自恢复保险丝F1的右端连接；

并联在所述二极管D1的负极与正极之间并且位于所述二极管D1右侧的第一电容C1；及

分别与所述第一电容C1的两端连接的稳压器U3。

上述电源电压转换电路30具有反接保护功能，比如当用户将外部端子U1上的正极输入端3和负极输入端2接反时，能够对整个电路起到保护作用，比如反向电流损坏电路器件。具体来说，此电路通过外部端子U1输入5V电源，电流经过自恢复保险丝F1流入稳压器U3的引脚3，通过U3转换芯片将电压转换成3.3V。反接保护原理：当电流从U1的3号引脚(正极输入端)流入并经过自恢复保险丝F1时，二极管D1反向负端电压高，由二极管原理可知，二极管D1反向截止，二极管D1不导通，电流正常到达稳压器U3；当外部电路反接时，电流从外部端子U1的2号引脚(负极输入端)流入到达二极管D1的正极，此时二极管D1导通，电流从自恢复保险丝F1的2号引脚(右端)到达自恢复保险丝F1的1号引脚(左端)，直接到达外部端子U1的3号引脚(正极输入端)，此时流过自恢复保险丝F1电流过大，导致自恢复保险丝F1阻值急剧上升到接近断路状态，切断电流通路，起到反接保护作用。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种热式气体流量传感器控制电路，其特征在于包括：信号采集电路及对所述信号采集电路采集到的信号处理的处理电路；其中，

所述信号采集电路用于对流过密封腔体的气体加热，并且检测气体流动时的感应电阻上的电压，包括：用于产生预定热量的加热电阻、用于感应的感应电阻；所述加热电阻的一端接地，另一端串接主分压电阻；所述感应电阻的一端接地，另一端串接分压电阻；所述处理电路具有模数转换器及与所述模数转换器的输出端连接的数据计算单元。

2.根据权利要求1所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于:所述感应电阻包括第一感应电阻和第二感应电阻，其中第一感应电阻用于感应气流上游位置温度，一端串接第一分压电阻；第二感应电阻用于感应气流下游位置温度，一端串接第二分压电阻；所述第一分压电阻和第一感应电阻的两端及所述第二分压电阻和第二感应电阻的两端施加参考电压。

3.根据权利要求1所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于:所述主分压电阻和加热电阻的两端施加工作电压，以便让电流流过所述加热电阻，导致加热电阻发热产生预定功率的热量。

4.根据权利要求2所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于:所述第一感应电阻与所述第一分压电阻之间的节点及所述第二感应电阻与所述第二分压电阻之间的节点分别连接所述模数转换器的两个电压信号输入端；所述第一分压电阻和第一感应电阻的两端及所述第二分压电阻和第二感应电阻的两端施加的参考电压由所述处理单元的参考电压输出端提供。

5.根据权利要求1所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：所述信号采集电路进一步包括与副分压电阻串联连接的气体温度检测电阻。

6.根据权利要求2所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：所述气体温度检测电阻和副分压电阻的两端施加所述工作电压，并且所述气体温度检测电阻和副分压电阻之间的节点连接所述处理单元的温度信号输入端。

7.根据权利要求2所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：进一步包括与所述处理电路连接的电平转换电路，其包括其一端与串行时钟信号线连接的第一电阻、其一端与串行时钟信号线连接的第二电阻、其一端与串行数据信号线连接的第三电阻、其一端与串行数据信号线连接的第四电阻、所述串行时钟信号线在所述第一电阻与第二电阻之间串接第一场效应管，所述串行数据信号线在所述第三电阻与第四电阻之间串接第二场效应管，所述第一电阻的另一端与所述第一场效应管连接，所述第三电阻的另一端与所述第二场效应管连接，所述第一电阻的两端及所述第三电阻的两端均施加第一电压，第二电阻的两端及所述第四电阻的两端均施加第二电压。

8.根据权利要求7所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：所述处理电路具有与所述左侧串行时钟信号端连接的串行时钟信号处理端，及与所述左侧串行数据信号端连接的串行数据信号处理端。

9.根据权利要求1所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：进一步包括为所述信号采集电路、处理电路及电平转换电路提供电源输入的电源电压转换电路。

10.根据权利要求9所述的热式气体流量传感器控制电路，其特征在于：所述电源电压转换电路包括：

具有正极输入端和负极输入端的外部端子；

自恢复保险丝，其左端与所述正极输入端连接；

二极管,其正极与所述负极输入端连接，负极与自恢复保险丝的右端连接；

并联在二极管的负极与正极之间并且位于所述二极管右侧的第一电容；及

分别与所述第一电容的两端连接的稳压器。

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