CN210426649U - 一种集成式热式气体流量计 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种集成式热式气体流量计，该热式气体流量计包括壳体、温度传感器、通信接头以及处理模块，壳体内部形成有相邻分隔设置的安装腔室和气流通道，壳体外壁上开设有与安装腔室连通的安装口以及与气流通道连通的进气口和出气口；温度传感器包括安装于安装腔室内的主体和伸入气流通道内的探头，两温度传感器沿气流通道的延伸方向间隔布置；通信接头固定安装于安装口；处理模块固定安装于安装腔室内，并与温度传感器和通信接头电连接。本申请的集成化程度高，极大缩短连接线缆长度，有效规避连接线缆电阻对测量结果的影响，流量测量精度更高，降低硬件成本，结构简单，极大方便现场安装及使用，满足实际应用需求，实用性强。

Description

一种集成式热式气体流量计

技术领域

本申请涉及一种气体流量计，尤其涉及一种集成式热式气体流量计。

背景技术

热式气体流量计是气体流量计的一种，其基于热扩散原理，采用恒温差法或恒功率法对气体流量进行准确测量，即利用外部热源实时加热管道内的被测流体，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动而造成的温度变化或功率变化来反映流体的流量、质量等的变化。

热式气体流量计通常由探头、检测控制电路和连接线缆三部分组成。探头是流量计的传感器部分，包括置于介质中的两温度传感器，其中一个传感器被加热到环境温度以上的温度，用于加热气体，另一个温度传感器用于感应介质温度以测温，介质流速增加，介质带走的热量增多，两个温度传感器的温度差将随介质的流速变化而变化，两者温度差与外部介质流速间存在比例关系；检测控制电路用于控制温度传感器加热及进行阻值-温度之间的数据换算，以得出流体流量；连接线缆用于连接探头和检测控制电路。热式气体流量计具有量程宽，低流速敏感，直接质量流量测量等特点，在气体测量领域得到广泛应用。

现有的热式气体流量计通常采用分体设计，探头与检测控制电路分开，中间通过连接线缆连接，由于连接线缆连接在探头与检测控制电路之间，与探头等效为串联关系，而温度传感器的阻值变化反应了温度的变化，在外部温度、湿度等环境变化下，连接线缆本身阻值的波动会造成很大的测量误差，导致流量测量精度低；而且检测控制电路必须安装在监测终端附近，对于一些监测终端和气体管路距离较远的场所，必须要增加连接线缆长度，连接线缆过长，测量结果极易受连接线缆影响，会进一步导致误差变大。对于连接线缆的电阻误差，一般通过四线制接法消除，但会导致检测控制电路结构复杂、体积较大、硬件成本高，客户及生产厂家负担大。另外，连接线缆还导致热式流量计的现场安装环境受限，不可自由增加距离，难以适配各种安装环境。对于易燃易爆等危险环境的气体流量测量，探头和检测控制电路间必须要增加电阻元件限流元件，会直接影响到温度的测定，进而影响流量测量。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

实用新型内容

为了解决上述问题，本申请的目的是提供一种集成式热式气体流量计，集成化程度高，极大缩短连接线缆长度，有效规避连接线缆电阻对测量结果的影响，流量测量精度更高，而且不需要设计复杂电路抵消连接线缆电阻，降低硬件成本，结构简单，极大方便现场安装及使用，满足实际应用需求，实用性强。

为实现上述目的，本申请提出了一种集成式热式气体流量计，其特征在于，所述热式气体流量计包括：壳体，所述壳体内部形成有相邻分隔设置的安装腔室和气流通道，所述壳体外壁上开设有与所述安装腔室连通的安装口以及与所述气流通道连通的进气口和出气口；温度传感器，所述温度传感器包括安装于所述安装腔室内的主体和伸入所述气流通道内的探头，两所述温度传感器沿所述气流通道的延伸方向间隔布置；通信接头，所述通信接头固定安装于所述安装口；以及处理模块，所述处理模块固定安装于所述安装腔室内，并与所述温度传感器和所述通信接头电连接。

在一个示例中，所述处理模块为处理电路板，所述处理电路板上设置有第一插件和至少两个第二插件，所述通信接头通过通信插头与所述第一插件可拆卸连接，所述温度传感器通过传感器插头与所述第二插件可拆卸连接。

在一个示例中，所述安装腔室内设置有卡槽，所述处理电路板通过所述卡槽固定安装于所述安装腔室内。

在一个示例中，所述安装腔室内还灌封有灌封胶。

在一个示例中，所述气流通道为直通管道，所述探头沿所述气流通道的径向伸入所述气流通道内。

在一个示例中，还包括固定安装于所述进气口和所述出气口的管路接头，所述管路接头内部设置有限位台阶。

在一个示例中，所述通信接头为RS-485通讯接口、HART通讯接口或can总线通讯接口。

在一个示例中，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体为一侧具有敞口的中空腔体，所述安装口开设于所述第一壳体的外壁上；所述第二壳体内形成所述气流通道；所述第二壳体平行于所述气流通道的一外侧壁与所述第一壳体固定连接，并封闭所述敞口，所述第一壳体与所述第二壳体共同围成所述安装腔室。

在一个示例中，还包括设置于所述第一壳体与所述第二壳体之间的密封件。

在一个示例中，所述处理模块包括控制单元、恒流源控制及输出电路、RTD连接电路、高精度ADC采样电路和通信接口电路；其中，所述控制单元与所述恒流源控制及输出电路、所述高精度ADC采样处理电路和所述通信接口电路连接；所述恒流源控制及输出电路与所述RTD连接电路连接，所述RTD连接电路与所述温度传感器和所述高精度ADC采样电路连接。

通过本申请提出的一种集成式热式气体流量计能够带来如下有益效果：

1.将温度传感器、通信接头和处理模块通过壳体集成到一起，集成化程度更高，极大缩短连接线缆的长度，有效规避连接线缆电阻对测量结果的影响，不需设计复杂电路抵消连接线缆电阻，气体流量测量无需温度和压力补偿，降低设备硬件成本，结构简单，生产成本低；提高温度传感器的精度，能够进行高精度的测量，气体流量测量的精准度高，性能稳定可靠，使用方便；抗污染能力增强，提高稳定性和可靠性，使用寿命长；可以任意设计对外输出信号形式，整机对外线缆长度可以自由延长，极大方便现场安装及使用，满足实际应用需求，实用性强，易推广应用。

2.灌封胶整体灌封在安装腔室中，可以将处理模块与外部水汽或其他杂质隔离，抗污染能力增强，密封效果更好，进一步提高稳定性和可靠性，使用寿命更长，实用性更强。

3.气流通道采用直通加工设计，保证气体流畅通过，提高温度传感器的精度，气体流量测量精准度更高，性能稳定可靠，使用方便，易推广应用。

4.限位台阶对外部气管进行限位，避免安装时外部气管深入气流通道内过长而顶到温度传感器的探头，避免探头被损坏，结构简单合理，现场使用方便可靠，实用性强。

5.通信接头可快速、精准地将所测得的流量信息传输，进而进行监控管理；通过RS-485通讯接口、HART通讯接口或CAN总线通讯接口与外部进行通信，可以实现工厂自动化，稳定性高，对于有多个管道测量的场合，方便现场布线改造；而且通信距离长，对于监测终端离热式气体流量计距离远的场合，其铺设线缆可以任意加长，更适合于现场安装；对于一些危险场所，通信方式适应性强，接入限流设备后也不会影响通信信号的传输，性能稳定可靠，使用方便，实用性强，易推广应用

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的集成式热式气体流量计的立体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的集成式热式气体流量计的主视图；

图3为本申请实施例提供的集成式热式气体流量计的俯视图；

图4为本申请实施例提供的集成式热式气体流量计的左视图；

图5为本申请实施例提供的第一壳体的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的第二壳体的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的温度传感器的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的处理模块的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的电源处理电路的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。

如图1～图7所示，本申请的实施例提出了一种集成式热式气体流量计，其包括壳体1、温度传感器2、通信接头3和处理模块4。其中，壳体1内部形成有相邻分隔设置的安装腔室11和气流通道12，壳体1外壁上开设有与安装腔室11连通的安装口13，以及与气流通道12连通的进气口14和出气口15。温度传感器2包括安装于安装腔室11内的主体和伸入气流通道12内的探头21，且两个温度传感器2沿气流通道12的延伸方向间隔布置。通信接头3固定安装于安装口13，用于与外部监控终端连接通信。处理模块4固定安装于安装腔室11内，并与温度传感器2和通信接头3电连接，处理模块4用于控制探头21的加热和测温、数据处理以及与监控终端通信等。

本申请的集成式热式气体流量计，将温度传感器2、通信接头3和处理模块4通过壳体1集成到一起，集成化程度更高，极大缩短连接线缆的长度，有效规避连接线缆电阻对测量结果的影响，不需设计复杂电路抵消连接线缆电阻，气体流量测量无需温度和压力补偿，降低设备硬件成本，结构简单，生产成本低；提高温度传感器2的精度，能够进行高精度的测量，气体流量测量的精准度高，性能稳定可靠，使用方便；处理模块4采用微处理信号控制模块，整体数字化电路测量，抗污染能力增强，提高稳定性和可靠性，使用寿命长；可以任意设计对外输出信号形式，整机对外线缆长度可以自由延长，极大方便现场安装及使用，满足实际应用需求，实用性强，易推广应用。

本申请的集成式热式气体流量计在使用时，进气口14和出气口15与外部气管连通，以测量外部气管内的气体流量。利用恒温差或恒功率原理测量气体流量时，温度传感器2与气流通道12的相对固定位置极为重要；两个温度传感器2沿气流通道12的延伸方向间隔布置，即两个探头21沿气流通道12内气体流动方向一前一后布置。正常工作时，前端的探头21用于加热及测量加热后的气体温度，后端的探头21用于测量气体流经两探头21之间距离后的温度，二者的差值即与气体流速呈比例关系，处理模块4通过测温后处理即可得到气体流量，结构更合理，气体流量测量精准度更高。

具体地，处理模块4为处理电路板，处理电路板上设置有第一插件41和至少两个第二插件42，通信接头3通过通信插头31与第一插件41可拆卸连接，温度传感器2通过传感器插头22与第二插件42可拆卸连接；结构简单，使用方便，安装拆卸简便快捷，方便维修维护，生产成本低，实用性强。

在一个具体实施例中，第一插件41为四针插件，通信插头31为四针航空插头。温度传感器2为三线制铂电阻，包括探头21、传感器插头22和对外引线23；探头21包括铂电阻和外壳，铂电阻封装在不锈钢外壳内部；传感器插头22为三针插头，对应地，第二插件42为三针插件；对外引线23材质为特氟龙线缆，具有良好的抗腐蚀性和耐高温性。安装腔室11与气流通道12相邻的侧壁上还开设有探头孔10，温度传感器2通过外螺纹24固定到探头孔10内，探头21由探头孔10伸入气流通道12内。

具体地，安装腔室11内设置有卡槽16，处理电路板通过卡槽16固定安装于安装腔室内；卡槽16的结构简单，生产成本低，处理模块4通过插入卡接的方式可拆卸安装于安装腔室11内，拆装维修简便快捷，实用性强。

具体地，安装腔室11内还灌封有灌封胶(图中未示出)，处理模块4经卡槽16固定后使用灌封胶整体灌封在安装腔室11中，可以将处理模块4与外部水汽或其他杂质隔离，抗污染能力增强，密封效果更好，进一步提高稳定性和可靠性，使用寿命更长，实用性更强。其中，灌封胶可选用环氧胶(例如环氧树脂)、聚氨酯胶、有机硅胶及其他有机胶。

具体地，气流通道12为直通管道，探头21沿气流通道12的径向伸入气流通道12内。再一个具体实施例中，气流通道12为圆管状气体通路，直通加工设计，保证气体流畅通过，提高温度传感器2的精度，气体流量测量精准度更高，性能稳定可靠，使用方便，易推广应用。

具体地，本申请的集成式热式气体流量计还包括固定安装于进气口14和出气口15的管路接头5，通过管路接头5与外部气管连接；管路接头5内部设置有限位台阶51，对外部气管进行限位，避免安装时外部气管深入气流通道12内过长而顶到温度传感器2的探头21，避免探头21被损坏，结构简单合理，现场使用方便可靠，实用性强。在一个具体实施例中，管路接头5为对丝结构，4分公制外螺纹，一端固定安装于进气口14或出气口15，另一端连接外部气管，实现气流通道12与外部气管的串联连接。

具体地，通信接头3为RS-485通讯接口、HART通讯接口或CAN总线通讯接口，可快速、精准地将所测得的流量信息传输，进而进行监控管理。通过RS-485通讯接口、HART通讯接口或CAN总线通讯接口与外部进行通信，可以实现工厂自动化，稳定性高，使温度传感器2既能满足总线制也能满足非总线接法，对于有多个管道测量的场合，方便现场布线改造；而且通信距离长，对于监测终端离热式气体流量计距离远的场合，其铺设线缆可以任意加长，更适合于现场安装；对于一些危险场所，通信方式适应性强，接入限流设备后也不会影响通信信号的传输，性能稳定可靠，使用方便，实用性强，易推广应用。

其中，RS-485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号，RS-485使得廉价本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能，实施简单方便，而且支持RS485的仪表很多。

HART是一个过度性总线标准，主要是在4-20mA电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能。

CAN，Controller Area Network，是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络，能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。

具体地，壳体1包括第一壳体17和第二壳体18，第一壳体17为一侧具有敞口19的中空腔体，安装口13开设于第一壳体17的外壁上；第二壳体18内形成气流通道12；第二壳体18平行于气流通道12的一外侧壁与第一壳体17固定连接，并封闭敞口19，第一壳体17与第二壳体18共同围成安装腔室11。结构简单合理，生产方便成本低，安装拆卸简便快捷，装配维修效率高，实用性强，易推广应用。在一个具体实施例中，第一壳体17与第二壳体19通过4个M3*40内六角螺钉紧固连接。

优选地，壳体1采用耐腐蚀金属合金材质制成，例如304、316等不锈钢或铝合金等，同时采用整体机加工设计，加工精度高，强度高，耐腐蚀，具有很好的抗腐蚀和耐磨损性能，使用寿命长，成本低，适用范围更广，满足用户使用需求，实用性强，易推广应用。

具体地，本申请的集成式热式气体流量计还包括设置于第一壳体17与第二壳体18之间的密封件6，密封件6用于第一壳体17与第二壳体18连接时的密封，保证正常安装后外部水汽或其他杂质不会进入安装腔室11内部，抗污染能力增强，密封效果更好，进一步提高稳定性和可靠性，使用寿命更长，实用性更强。在一个具体实施例中，第一壳体17围绕敞口19设置有密封槽171，密封件6为装入密封槽171内的橡胶密封垫。

具体地，如图8所示，处理模块4包括控制单元、恒流源控制及输出电路、RTD连接电路、高精度ADC采样电路和通信接口电路，其中，控制单元与恒流源控制及输出电路、高精度ADC采样处理电路、通信接口电路连接；恒流源控制及输出电路与RTD连接电路连接，RTD连接电路与两个铂电阻和高精度ADC采样电路连接。

控制单元为处理模块4的核心，本实施例中控制单元为单片微型计算机(即MCU，Microcontroller Unit，微控制单元)；控制单元内部程序设计架构基于RTOS(Real TimeOperating System)实时操作系统，响应及时，处理迅速，保证了可靠性和安全性，最大程度上利用MCU的系统资源。在一个具体实施例中，控制单元采用意法半导体STM32系列的32位ARM架构MCU，具有运算速度快、浮点数运算能力强的特点。当然，控制单元除32位ARM架构MCU外，还可使用FPGA，或其他8位、16位MCU等，其中，FPGA(Field Programmable GateArray)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

控制单元通过设置恒流源控制及输出电路中DA芯片的不同输出来调整流经两个铂电阻的电流值，进而控制加热气源的温度，保证了加热温度的恒定和测温的准确，最终实现温度-电阻-电压的线性转换；最终的电压信号经高精度ADC采样电路采样后被控制单元读取，控制单元采集到温度差之后经运算处理，利用对应比例关系即可得到外部气体流量；控制单元通过通信接口电路与外部进行通信，将所测得的外部气体流量信息传输。

RTD，Resistance Temperature Detector，电阻温度探测器，简称热电阻；RTD的误差和电阻较小。恒流源控制及输出电路包括高精度DA芯片，RTD连接电路利用了惠斯通电桥，通过恒流源控制及输出电路和RTD连接电路，实现利用恒流源控制铂电阻(自身阻值与温度呈线性关系)的方式进行测温，从而实现对于温度的测量，测量精度更高。

ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器，是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

控制单元采用闭环控制整个温度控制检测过程，通过PID算法实时调整DA芯片输出，从而精确控制加热温度，进而精确获得两铂电阻的温度差值；闭环控制温度传感器加热及测温的运算处理方式精度更高，测量结果更准确。

热式气体流量计唯一地址及RS485地址可设置，便于现场调试安装。每个热式气体流量计都可以设置成一个单独地址，地址数据存储在控制单元的内部存储器中，配合RS485的通信方式，可以实现集成化安装，同时地址可以通过特定协议修改设置，方便现场调整。

如图9所示，处理模块4还包括电源处理电路，电源处理电路的输入端与供电电压为12V的电源连接，输出端与恒流源及ADC采样电源和通信电源连接，通过电源处理电路将12V电源输入降压成不同电压给不同芯片供电。

在未示出的实施例中，热式气体流量计处理模块4也可采用恒功率方法，指示软件流程不同，硬件方式一致，适用于恒温差法和恒功率法两种热式气体流量计。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种集成式热式气体流量计，其特征在于，所述热式气体流量计包括：

壳体，所述壳体内部形成有相邻分隔设置的安装腔室和气流通道，所述壳体外壁上开设有与所述安装腔室连通的安装口以及与所述气流通道连通的进气口和出气口；

温度传感器，所述温度传感器包括安装于所述安装腔室内的主体和伸入所述气流通道内的探头，两所述温度传感器沿所述气流通道的延伸方向间隔布置；

通信接头，所述通信接头固定安装于所述安装口；以及

处理模块，所述处理模块固定安装于所述安装腔室内，并与所述温度传感器和所述通信接头电连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述处理模块为处理电路板，所述处理电路板上设置有第一插件和至少两个第二插件，所述通信接头通过通信插头与所述第一插件可拆卸连接，所述温度传感器通过传感器插头与所述第二插件可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述安装腔室内设置有卡槽，所述处理电路板通过所述卡槽固定安装于所述安装腔室内。

4.根据权利要求1所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述安装腔室内还灌封有灌封胶。

5.根据权利要求1所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述气流通道为直通管道，所述探头沿所述气流通道的径向伸入所述气流通道内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

还包括固定安装于所述进气口和所述出气口的管路接头，所述管路接头内部设置有限位台阶。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述通信接头为RS-485通讯接口、HART通讯接口或can总线通讯接口。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体为一侧具有敞口的中空腔体，所述安装口开设于所述第一壳体的外壁上；所述第二壳体内形成所述气流通道；

所述第二壳体平行于所述气流通道的一外侧壁与所述第一壳体固定连接，并封闭所述敞口，所述第一壳体与所述第二壳体共同围成所述安装腔室。

9.根据权利要求8所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

还包括设置于所述第一壳体与所述第二壳体之间的密封件。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的一种集成式热式气体流量计，其特征在于，

所述处理模块包括控制单元、恒流源控制及输出电路、RTD连接电路、高精度ADC采样电路和通信接口电路；

其中，所述控制单元与所述恒流源控制及输出电路、所述高精度ADC采样处理电路和所述通信接口电路连接；所述恒流源控制及输出电路与所述RTD连接电路连接，所述RTD连接电路与所述温度传感器和所述高精度ADC采样电路连接。

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