CN117007144B - 一种高精度热式气体质量流量计及其调零方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度热式气体质量流量计及其调零方法，涉及热式气体质量流量计技术领域，解决了由于温度导致的零点漂移引起流量计测量误差增大的问题，其技术方案要点是：包括：上毛细管固定部件、下毛细管固定部件、毛细管和多个加热丝，上毛细管固定部件和下毛细管固定部件配合连接，内部形成密闭腔体，毛细管置于密闭腔体的一段表面套设第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝；其中，第一加热丝和第二加热丝用于测量一级流量信号，第三加热丝用测量温度信号，第四加热丝用于测量二级流量信号，提高流量测量精度；通过置于密闭腔体的第三加热丝进行温度测量，通过第四加热丝作为流量测量精度辅助丝，提高温度、流量的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及热式气体质量流量计技术领域，更具体地说，它涉及一种高精度热式气体质量流量计及其调零方法。
背景技术
由于热式气体质量流量计本身工作原理的关系，导致环境温度对热式气体质量流量计的测量结果会产生较大的影响。其中最明显的现象就是流量计的零点会发生温度漂移，也就是零漂现象。
目前国内外对此现象的解决方案多是采用性能更好的金属材料来制作传感器或是在靠近流量传感器的地方安装一个温度传感器，以此来控制零点的漂移。但是这种方法的缺点在于需要更昂贵的材料或需要长时间反复的去做温度实验，而且由于温度传感器的读数无法反应真实的流量传感器温度的读数（温度实验的滞后性以及温度传感器的安装位置导致），导致温度补偿效果往往不尽人意。
为此，发明一种高精度热式气体质量流量计及其调零方法从而提高流量计的测量精度。
发明内容
本申请的目的是解决由于温度导致的零点漂移引起流量计测量误差增大的问题，提供一种高精度热式气体质量流量计及其调零方法，通过改造传统的热式气体质量流量计，改进调零方法，实现测量精度的提高。
本申请首先提供一种高精度热式气体质量流量计，包括：上毛细管固定部件、下毛细管固定部件、毛细管和多个加热丝，加热丝包括第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝；所述毛细管置于所述上毛细管固定部件和所述下毛细管固定部件之间，所述上毛细管固定部件和所述下毛细管固定部件配合连接，内部形成密闭腔体，所述毛细管表面套设第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝，所述第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝位于密闭腔体内；其中，所述第一加热丝和所述第二加热丝用于测量一级流量信号，所述第三加热丝用于测量温度信号，所述第四加热丝用于测量二级流量信号。
传统热式气体质量流量计集成的温度芯片由于体积原因无法放到加热丝所在的腔体内部，导致温度芯片读出的温度值和实际加热丝的温度值始终存在误差，且受到环境温度影响，误差并不固定。另外，进行温度实验时由于改变的是环境温度，热丝温度和环境温度要达到热平衡需要很长的时间。而本方案的装置进行温度补偿实验时，由于第三加热丝取代了集成的温度传感器芯片并且和第一加热丝、第二加热丝处于同一密闭腔室，故第三加热丝测得的温度数据和第一加热丝、第二加热丝的实际温度误差几乎没有，解决了因为安装位置导致的温度误差问题；而且在进行温度实验时由于腔室密闭且足够小，各个加热丝会很快的达到热平衡，从而解决了温度补偿的滞后性问题。另外，本装置在调零时第四加热丝作为流量精度辅助丝同时也会开始工作，与第一、第二加热丝采集的一级流量信号进行数据融合，提高调零和温度补偿时的测量精度。
在一种可能的实施方式中，所述第三加热丝组成桥电路，所述桥电路的差分信号通过仪表放大器和放大电路放大，输出电压值，根据所述电压值计算所述第三加热丝的电阻值，根据所述第三加热丝的电阻值计算所述第三加热丝的温度。
在一种可能的实施方式中，所述第四加热丝组成恒温桥电路，当所述恒温桥电路处于平衡状态时，输出电信号为二级流量信号，所述第四加热丝由MCU控制开断。
在一种可能的实施方式中，在调零状态时，所述MCU控制所述第四加热丝开启，开始测量二级流量信号，在非调零状态时，所述MCU控制所述第四加热丝断开，停止测量二级流量信号。
在一种可能的实施方式中，多个所述加热丝按照第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝排序。
本申请还提供一种高精度热式气体质量流量计的调零方法，基于上述的一种高精度热式气体质量流量计，方法包括：装置正常工作时，MCU发起预调零信号，开启第四加热丝；MCU发起调零信号，判断当前流量信号是否在可调范围内，如在则通过第一加热丝和第二加热丝采集一级流量信号，通过第三加热丝采集温度信号，通过第四加热丝采集二级流量信号；根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；调零完成后关闭第四加热丝。
在一种可能的实施方式中，根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；包括：根据所述第一加热丝和所述第二加热丝测量一级流量信号，根据所述第四加热丝测量第二流量信号；根据所述一级流量信号和所述二级流量信号进行一阶同类数据融合，得到流量估计值；根据所述流量估计值和所述第三加热丝测量的温度信号进行二阶非同类数据融合，得到最优流量估计值。
在一种可能的实施方式中，根据所述一级流量信号和所述二级流量信号进行一阶同类数据融合，得到流量估计值；包括：计算所述一级流量信号和所述二级流量信号的误差和方差，根据所述误差和方差计算流量估计值。
在一种可能的实施方式中，所述流量估计值通过如下公式计算：
x=x1+k(x2-x1)
其中，x为流量估计值，x1为一级流量信号，x2为二级流量信号，k为根据方差求解的最优值，置于0-1之间。
在一种可能的实施方式中，根据所述流量估计值和所述第三加热丝测量的温度信号进行二阶非同类数据融合，得到最优流量估计值；包括：计算所述流量估计值和所述温度信号各自的方差和协方差，列出流量估计值和温度信号的协方差矩阵，分析温度信号和流量信号的相关性，根据温度信号和流量信号的相关性对所述流量估计值进行校正，得到最优流量估计值。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
本方案在结构上，采用第三加热丝取代传统的温度传感器芯片，第三加热丝与第一加热丝、第二加热丝处于同一密闭腔室，测得的温度数据和第一加热丝、第二加热丝的实际温度误差几乎没有，解决了因为安装位置导致的温度误差问题；且在进行温度实验时由于腔室密闭且足够小，各个加热丝会很快的达到热平衡，从而解决了温度补偿的滞后性问题。另外，本方案还采用第四加热丝作为流量测量精度辅助丝，辅助提高流量测量精度。
本方案在调零方法上，利用第四加热丝测得的二级流量信号与第一、第二加热丝测得的一级流量信号进行融合，利用同类数据提高数据准确性；另外，采用第三加热丝测得的温度信号对融合后的数据进行校正，利用非同类的相关数据进行数据校正，进一步提高数据准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为传统热式气体质量流量计的结构图；
图2为本发明提供的高精度热式气体质量流量计的结构图；
图3为本发明提供的第三加热丝的驱动原理图；
图4为本发明提供的第四加热丝的驱动原理图；
图5为本发明提供的高精度热式气体质量流量计的调零方法流程图；
图6为本发明提供的调零处理的算法逻辑图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、上毛细管固定部件；2、下毛细管固定部件；3、毛细管；4、温度传感器芯片；51、第一加热丝；52、第二加热丝；53、第三加热丝；54、第四加热丝。
实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。
请参见图1所示，图1为传统热式气体质量流量计的结构图。图1可见，传统的热式气体质量流量计使用的温度补偿方法是在靠近加热丝的地方增加一个温度传感器芯片4，使用这个温度传感器做温度实验，从而对流量信号进行修正和补偿。
其存在的缺点是：集成的温度芯片由于体积原因无法放到加热丝所在的腔体内部，故导致温度芯片读出的温度值和实际加热丝的温度值始终会存在误差，并且由于环境温度的影响，这种误差并不是固定的。并且温度实验时由于改变的是环境温度，热丝温度和环境温度要达到热平衡需要很长的时间。
有鉴于此，本发明提供一种高精度热式气体质量流量计及方法。
请参见图2所示，图2为高精度热式气体质量流量计的结构图。装置包括：上毛细管固定部件1、下毛细管固定部件2、毛细管3和多个加热丝，加热丝包括第一加热丝51、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54；
所述毛细管3置于所述上毛细管固定部件1和所述下毛细管固定部件2之间，所述上毛细管固定部件1和所述下毛细管固定部件2配合连接，内部形成密闭腔体，所述毛细管3表面套设第一加热丝51、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54，所述第一加热丝51、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54位于密闭腔体内；
其中，所述第一加热丝51和所述第二加热丝52用于测量一级流量信号，所述第三加热丝53用于测量温度信号，所述第四加热丝54用于测量二级流量信号。
需要说明的是，与传统流量计传感结构相比，本装置在加热丝所处的密闭腔体内增设两组加热丝，其中第一加热丝51和第二加热丝52仍用于测量流量信号，称其测得的流量信号为一级流量信号，以便与其他流量信号进行区分。第三加热丝53代替传统的温度传感器测量温度信号，第四加热丝54作为流量测量精度辅助丝，同样用于测量流量信号，称其测得的流量信号为二级流量信号。利用本装置进行温度补偿实验时，由于第三加热丝53取代了集成的温度传感器芯片4并且和第一加热丝51、第二加热丝52处于同一密闭腔室，故第三加热丝53测得的温度数据和第一加热丝51、第二加热丝52的实际温度误差几乎没有，解决了因为安装位置导致的温度误差问题；而且在进行温度实验时由于腔室密闭且足够小，各个加热丝会很快的达到热平衡，从而解决了温度补偿的滞后性问题。而在调零时第四加热丝54作为流量精度辅助丝同时也会开始工作，测量二级流量信号，然后和一级流量信号进行数据融合，提高调零和温度补偿时的测量精度。
可以理解的是，本装置设置第三加热丝53和第四加热丝54，且与第一、第二加热丝置于同一密闭腔体的结构设计可以有效的解决传统温度补偿低效和零点值精度不够高的问题。
请参见图3所示，图3为第三加热丝53的驱动原理图。所述第三加热丝53组成桥电路，所述桥电路的差分信号通过仪表放大器和放大电路放大，输出电压值，根据所述电压值计算所述第三加热丝53的实时电阻值，根据所述第三加热丝53的实时电阻值计算所述第三加热丝53的实时温度，当热丝阻值发生变化时温度值也会随之变化。
请参见图4所示，图4为第四加热丝54的驱动原理图。所述第四加热丝54作为二级流量传感器，和其他电阻共同组成恒温桥电路，当气体流过带走热丝热量使电阻减小，加热电流增大，当恒温桥电路达到平衡状态时输出的电信号就是二级流量信号。
进一步的，第四加热丝54可以通过MCU的IO口来控制其开断。可以在调零时开启，采集二级流量信号提升测量精度，在调零结束后关闭，减小功率并降低多传感器的测量误差。
需要说明的是，本装置是在传统流量计传感器的基础上增加了第三加热丝53和第四加热丝54，删除了原有的温度传感器芯片4，故第一加热丝51和第二加热丝52沿用传统电路结构，在此不多加赘述。
在一种可能的实施方式中，多个所述加热丝按照第一加热丝51、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54排序。如图2所示，从左至右分别为：第一加热丝51、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54。亦或者从右至左：第一加热机、第二加热丝52、第三加热丝53和第四加热丝54。
需要说明的是，本装置对加热丝的排列顺序不做限定，但将第三加热丝53尽量靠近第一、第二加热丝52，将使得第三加热丝53测得的温度更贴近第一、第二加热丝52的实际温度。
上述内容详细地说明了提高热式气体质量流量计测量精度的装置的具体结构，接下来对基于装置执行的提高热式气体质量流量计测量精度的方法进行说明。
请参见图5所示，图5为高精度热式气体质量流量计的调零方法流程图。本方法提高测量精度的原理是进行多数据融合调零。方法包括：
S1、装置正常工作时，MCU执行预调零程序，开启第四加热丝54；
S2、MCU发起调零信号，判断当前流量信号是否在可调范围内，如在则通过第一加热丝51和第二加热丝52采集一级流量信号，通过第三加热丝53采集温度信号，通过第四加热丝54采集二级流量信号；
S3、根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；
S4、调零完成后关闭第四加热丝54。
具体地，MCU内置预调零程序和调零程序。在装置正常工作时，给装置一个预调零信号，装置会开启第四加热丝54。等待调零信号发出后程序判断当前流量信号是否在可调范围内，即零点是否可调，若可调则开始采集信号，如不可调则进行报警。然后经过设计的算法进行调零处理，得出最优流量估计值，用于当前的零点，然后结束调零，关闭第四加热丝54。
需要说明的是，在调零阶段，第一、第二加热丝和第四加热丝54均工作，因此测得的流量信号分为一级流量信号和二级流量信号，非调零阶段第四加热丝54关闭，仅第一、第二加热丝测得流量信号。上述的当前流量信号，是调零前测得的一级流量信号；上述的可调范围是由使用的传感器以及调节电路决定的。
请参见图6所示，图6为调零处理的算法逻辑图。S3、根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；包括：
S31、根据所述第一加热丝51和所述第二加热丝52测量一级流量信号，根据所述第四加热丝54测量第二流量信号；
S32、根据所述一级流量信号和所述二级流量信号进行一阶同类数据融合，得到流量估计值；
S33、根据所述流量估计值和所述第三加热丝53测量的温度信号进行二阶非同类数据融合，得到最优流量估计值。
进一步的，S32、根据所述一级流量信号和所述二级流量信号进行一阶同类数据融合，得到流量估计值；包括：计算所述一级流量信号和所述二级流量信号的误差和方差，根据所述误差和方差计算流量估计值。
具体地，假设估计流量值为x，x1为一级流量信号，x2为二级流量信号，那么估计值x=x1+k(x2-x1)，k在0-1之间取值，利用方差求解出最优k，带入公式则得到最优估计值，此时的x是最接近真实流量信号的估计值。
需要说明的是，一阶同类数据融合还可以采用其他融合方式，上述的估计值公式仅为一种可实施的示例，凡本领域所熟知的同类数据融合方式均属于本申请的保护范围之内。本步骤的目的在于通过同类型的多组数据融合，减小单一数据组存在的误差。
进一步的，S33、根据所述流量估计值和所述第三加热丝53测量的温度信号进行二阶非同类数据融合，得到最优流量估计值；包括：计算所述流量估计值和所述温度信号各自的方差和协方差，列出流量估计值和温度信号的协方差矩阵，分析温度信号和流量信号的相关性，根据温度信号和流量信号的相关性对所述流量估计值进行校正，得到最优流量估计值。
具体地，利用x和采集到的温度信号计算出各自的方差和协方差，然后列出协方差矩阵观察判断温度信号和流量信号的相关关系，进而继续二次数据融合，二阶非同类数据融合是通过采集到的温度信号来校准第一次融合后的流量估计值，此处首先做高低温实验得出零点漂移函数f(x,temp)，然后在此函数中输入流量信号x以及温度信号temp，最后函数的运算结果就是最优流量估计值，最优流量估计值就是最接近真实值的流量值。
需要说明的是，二阶非同类数据融合同样可以采用其他的融合方式，例如各自求平均值，观察相关性等。本步骤的目的是在于利用存在相关性的温度信号和流量信号进行非同类数据校验，利用温度信号的变化校验流量信号的变化。
可以理解的是，本方法利用在结构和电路及算法上的独特设计可以有效的解决传统温度补偿低效和零点值精度不够高的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度热式气体质量流量计，其特征在于，包括：
上毛细管固定部件、下毛细管固定部件、毛细管和多个加热丝，加热丝包括第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝；
所述毛细管置于所述上毛细管固定部件和所述下毛细管固定部件之间，所述上毛细管固定部件和所述下毛细管固定部件配合连接，内部形成密闭腔体，所述毛细管表面套设第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝，所述第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝位于密闭腔体内；
其中，所述第一加热丝和所述第二加热丝用于测量一级流量信号，所述第三加热丝用于测量温度信号，所述第四加热丝用于测量二级流量信号；
装置正常工作时，MCU发起预调零信号，开启第四加热丝；MCU发起调零信号，判断当前流量信号是否在可调范围内，如在则通过第一加热丝和第二加热丝采集一级流量信号，通过第三加热丝采集温度信号，通过第四加热丝采集二级流量信号；根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；调零完成后关闭第四加热丝；
根据所述二级流量信号和温度信号对所述一级流量信号进行调零处理，得到最优流量估计值；包括：根据所述第一加热丝和所述第二加热丝测量一级流量信号，根据所述第四加热丝测量第二流量信号；根据所述一级流量信号和所述二级流量信号进行一阶同类数据融合，得到流量估计值；根据所述流量估计值和所述第三加热丝测量的温度信号进行二阶非同类数据融合，得到最优流量估计值。
2.根据权利要求1所述的一种高精度热式气体质量流量计，其特征在于，所述第三加热丝组成桥电路，所述桥电路的差分信号通过仪表放大器和放大电路放大，输出电压值，根据所述电压值计算所述第三加热丝的电阻值，根据所述第三加热丝的电阻值计算所述第三加热丝的温度。
3.根据权利要求1所述的一种高精度热式气体质量流量计，其特征在于，所述第四加热丝组成恒温桥电路，当所述恒温桥电路处于平衡状态时，输出电信号为二级流量信号，所述第四加热丝由MCU控制开断。
4.根据权利要求1所述的一种高精度热式气体质量流量计，其特征在于，在调零状态时，所述MCU控制所述第四加热丝开启，开始测量二级流量信号，在非调零状态时，所述MCU控制所述第四加热丝断开，停止测量二级流量信号。
5.根据权利要求1所述的一种高精度热式气体质量流量计，其特征在于，多个所述加热丝按照第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝和第四加热丝排序。
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