CN214224225U - 热差压流量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热差压流量传感器，其包括壳体、传感集成组件以及层流元件；壳体内设有导气道，导气道的两端分别对应连通进气道和出气道，进气道的另一端连通用于输气的管道，以将管道内流通的气流引入导气道；出气道另一端与管道连通，以将导气道内的气体排出至管道；层流元件设置于管道内，用于改变该管道气体流通路径上的部分气体的流向，将该部分气体导入进气道；传感集成组件设置于导气道内，其包括两个沿导气道流通路径顺次设置的、用于检测气体温度的热敏电阻，该传感集成组件将该两个热敏电阻之间的温度差值转换为气压信息输出。热差压流量传感器通过导气道、进气道及出气道从管道内引入和回输气体，传感集成组件检测管道气体气压。

Description

热差压流量传感器

技术领域

本实用新型属于传感测量技术领域，具体涉及一种热差压流量传感器。

背景技术

随着传感技术的急速的发展，对管道气流的准确检测是输气技术的指标。目前，大多使用差压传感器检测管道内的气流流量，实现对管道气流流量的检测。但是，现有的差压传感器主要通过两个压力芯片，采集其两端的压力数据，通过处理芯片对采集的数据进行处理，转化输出气体流量或压力信息。但是，由于压力芯片的测量量程通常偏高，无法测量微小压差的变化。且，差压传感器波动度通常较大，在测量微小压力差时波动干扰比传感器信号还大，从而使得普通的差压传感器无法应用于微小的压力差的应用场景。

但是，在某些场景需要对微小的管道气流压差测量，以实现精确的控制。例如，为病人的输气、精密制造和化学实验等等场景中需要精确的检测气流压差，以实现精确控制。

由此，业内亟需一种可精确测量管道压差的流量传感器，以精确测量微小压差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用精准测量气流压差的热差压流量传感器。

适应于本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

适于本实用新型的目的而提供一种热差压流量传感器，其包括壳体、传感集成组件以及层流元件；

壳体内设有导气道，导气道的两端分别对应连通进气道和出气道，进气道的另一端连通用于输气的管道，以将管道内流通的气流引入导气道；出气道另一端与管道连通，以将导气道内的气体排出至管道；

层流元件设置于管道内，用于改变该管道气体流通路径上的部分气体的流向，将该部分气体导入进气道；

传感集成组件设置于导气道内，其包括两个沿导气道流通路径顺次设置的、用于检测气体温度的热敏电阻，该传感集成组件将该两个热敏电阻之间的温度差值转换为气压信息输出。

进一步的，所述传感集成组件还包括惠斯通电桥，所述惠斯通电桥用于检测所述两个热敏电阻的电压输出差压信号。

进一步的，所述两个热敏电阻分别为第一热敏电阻和第二热敏电阻，第一热敏电阻和第二热敏电阻并联设置。

具体的，所述传感集成组件还包括与第一热敏电阻和第二热敏电阻并联的加热电阻，该加热电阻用于加热流入导气道的气体温度，以为第一热敏电阻和第二热敏电阻提供高温工作环境。

进一步的，所述进气道对应在管道上开设有导气口，所述出气道对应在管道上开设有排气口，管道内的气体从导气口方向流向排气口方向。

进一步的，所述层流元件设置于管道的内圆周上，所述层流元件设置于导气口和排气口之间。

较佳的，所述层流元件呈圆环状或栅栏状或导气槽状。

优选的，所述导气道包括与进气道连通的进气口和与出气道连通的出气口，导气道包括在靠近其进气口和出气口处分别设置的迂回部以及连通两个迂回部的直通部，整个导气道对称设置。

进一步的，所述迂回部设置一拐角，该拐角至少一个截面的面积大于所述直通部的任意截面的面积。

具体的，所述直通部居于进气口与出气口的连线的一侧，所述迂回部自进气口/出气口向远离出气口/进气口的方向延伸后向直通部所在一侧方向继续延伸至超过所述直通部所处位置后，折返与所述直通部连通。

进一步的，所述导气道被设计为所述迂回部处的气体平均流速小于所述直通部的平均流速。

具体的，所述传感集成组件还包括处理芯片，处理芯片接收所述差压信号，将所述差压信号转换为气压信息。

进一步的，所述传感集成组件设置于所述导气道的中部。

进一步的，所述导气道、进气道及出气道为密闭气道。

相对于现有技术，本实用新型的优势如下：

首先，本实用新型的热差压流量传感器的设置于壳体内的导气道通过其两端分别对应连通的进气道和出气道分别与管道连通，并通过设置于管道内的层流元件将管道内的部分气体引导至进气道中，该部分气体经进气道进入导气道，最终经出气道回输至管道内，形成了一个完整的气流回路，以便于传感集成组件实时检测管道的气压。

其次，本实用新型的热差压流量传感器的传感集成组件设置导气道内，传感集成组件的两个热敏电阻沿导气道的流通路径顺次间隔设置，以分别检测流通至不同位置的气体的温度，该两个热敏电阻因受热不同而产生不同的电压值形成电压差，通过转换计算电压差获取管道内的气压信息。两个热敏电阻可感应到微小的温度变化，从而反映至电压上，进而使得热差压流量传感器可检测管道气体的微小气压变化。

本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/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为本实用新型的热差压流量传感器和管道的结构示意图。

图2为本实用新型的热差压流量传感器的剖面图。

图3为本实用新型的热差压流量传感器的壳体的结构示意图。

图4为本实用新型的热差压流量传感器的传感集成组件的检测电路示意图。

图5为本实用新型的热差压流量传感器的传感集成组件的第一电平转换电路。

图6为本实用新型的热差压流量传感器的传感集成组件的第二电平转换电路。

图7为本实用新型的热差压流量传感器的传感集成组件的稳压电路。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型而不能解释为对本实用新型的限制。

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，本实用新型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)，具有与本实用新型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。

本实用新型提供了一种热差压流量传感器10，该热差压流量传感器10用于精准测量管道50气体微小压差的变化。

在本实用新型的典型实施例中，结合图1，所述热差压流量传感器10包括壳体30、传感集成组件以及层流元件20。本实用新型的热差压流量传感器10可设置于用于输气的管道50上，以检测管道50内的气体的微小的压差变化。

结合图2，所述壳体30包括设置于其内的导气道31，该导气道31的两端分别与管道50相连通，以从管道50流通的气体中获取部分气流，该部分气流从导气道31的一端流入，并从导气道31的另一端重新流回至管道50内。所述传感集成组件设置于导气道31内，以检测管道50内的气体的压差变化。

具体言之，导气道31包括分别设置于其两端端部的进气口32和出气口33，其中进气口32用于将管道50内的部分气体导入导气道31，出气口33用于将导入导气道31内的气体导回管道50中。

导气道31还包括迂回部34和直通部35，迂回部34和直通部35组成整个导气道31，迂回部34和直通部35均弯折设置，以延长导气道31的长度。

迂回部34弯折设置，且迂回部34包括至少一个拐角，该拐角的至少一个截面的面积大于直通部35的面积，以扩大导气道31于迂回部34处的体积，延长导气道31的长度，降低流入导气道31的气体的流速。在本实施例中，迂回部34具有两个拐角。优选迂回部34呈U形。

在本实用新型的典型实施中，导气道31包括两个迂回部34，该两个迂回部34分别对应靠近进气口32和出气口33设置。其中，对应进气口32设置的迂回部34为第一迂回部341，相对应出气口33设置的迂回部34为第二迂回部342。

直通部35设置于第一迂回部341和第二迂回部342之间，直通部35的两端分别与第一迂回部341和第二迂回部342相连通。直通部35沿进气口32和出气口33之间的虚设连线方向延伸。

在一个实施例中，直通部35包括两个直通段，该两个直通段分别为第一直通段351和第二直通段352，第一直通段351和第二直通段352相连接处为导气道31的延伸路径的中点，第一直通段351和第二直通段352相对于穿过该中点且与所述虚设连线相垂直的中线相对称，且第一迂回部341和第二迂回部342也相对于该中线对称，也即是说，导气道31关于该导气道31对称。优选，直通段具有一个拐角，该拐角的角度在90-180度之间。

具体言之，第一直通段351的另一端与第一迂回部341连通，第一直通段351自进气口32向远离出气口33方向延伸后向第一直通段351所在一侧方向继续延伸至超过第一直通部35所在位置后，折返与第一直通部35连通。第二直通段352的另一端与第二迂回部342连通，第二直通段352自出气口33向远离进气口32方向延伸后向第二直通段352所在一侧方向继续延伸至超过第二直通段352所在位置后，折返与第二直通部35连通。

由此，迂回部34的拐角的数量和角度均大于直通部35的拐角的数量和角度，从而使得进入导气道31的气体，在迂回部34的平均流速小于在直通部35的平均流速。

结合1和图3，所述导气道31还延伸于壳体30之外的进气道40和出气道42，以使得导气道31的两端分别连通管道50。所述导气道31、进气道40及出气道42均为密闭气道。

所述进气道40呈管状，其凸设于壳体30上，进气道40的一端与导气道31的进气口32连通，另一端与管道50连通，且进气道40对应在管道50上开设有导气口43，以使得进气道40可在导气口43处与管道50连通。

所述出气道42呈管状，其凸设于壳体30上，出气道42的一端与导气道31的出气口33连通，另一端与管道50连通，且出气道42对应在管道50上开设排气口44，以使得出气道42可在排气口44出与管道50连通。

在一个实施例中，进气道40和出气道42具有相同内径、相同大小。且进气道40和出气道42的轴向方向和管道50的轴向方向相垂直。优选进气道40和出气道42相对于所述中线对称。

由此，导气道31的两端可通过进气道40和出气道42分别与管道50相连通，形成管道50的一个导气支路，使得管道50内的部分气体可流入导气道31和流出导气道31，在导气道31内实现了气体的流通。

所述层流元件20设置于管道50内部，用于改变管道50内的气体流通路径上的部分气体的流向，将该部分气体引导流入进气道40中，进而流入导气道31中。

层流元件20设置于导气口43和排气口44之间所对应的管道50段内，管道50内的气体的流向为从导气口43方向流向排气口44方向。层流元件20用于缩小管道50的截面的面积，使得当气体流至层流元件20所处位置处时，部分气体因层流元件20的阻挡作用而折返朝向导气口43方向流动，使得该部分气体可从管道50内从导气口43流入至进气道40，在流入至导气道31中。具体言之，该层流元件20利用伯努利原理而作用，管道50内的气体流经层流元件20时，在层流元件20两端产生压力差，使得部分气体折返朝导气道31流动。

层流元件20呈圆环状，该圆环状的层流元件20用于缩小环绕管道50设置，以缩小管道50的流通路径的大小，将部分气体引导至导气口43。在一个实施例中，层流元件20还可呈栅栏状或导气槽状。

所述传感集成组件设置于导气道31内，以检测流入导气道31的气体的气压。所述传感集成组件包括检测电路，结合图4，该检测电路包括两个相并联的热敏电阻，该两个热敏电阻沿导气道31的气体流通路径顺次设置。具体言之，该两个热敏电阻分别为第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2，第一热敏电阻S1较第二热敏电阻S2靠近第一迂回部341，第二热敏电阻S2较第一热敏电阻S1靠近第二迂回部342。优选，第一热敏电阻S1的阻值和第二热敏电阻S2的阻值相同。

因，导气道31的设置于管道50外，使得导气道31内的温度和管道50内的温度不同，一般而言，导气道31内的温度低于管道50内的温度。流入导气道31的气体因迂回部34和直通部35上拐角将降低气体的流速和温度，且第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2之间具有一定距离，使得流经第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2的气体的温度不同，从而使得第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2的压力不同。

传感集成组件还包括惠斯通电桥，惠斯通电桥与第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2电性连接，采集第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2的电压值，获取第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2的电压差，并将该电压差以差分信号的方式输出。具体言之，惠斯通电桥包括与第一热敏电阻S1串联的第一电阻R1和与第二热敏电阻S2串联的第二电阻R2。

所述传感集成组件还包括处理芯片，该处理芯片获取惠斯通电桥输出的差分信号，处理芯片根据该差分信号计算获取气压值，从而实现了对管道50内气体的气压的检测。

所述检测电路还包括加热电阻S4和气体温度检测电阻S3，加热电阻S4和气体温度检测电阻S3分别与第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2并联。所述加热电阻S4用于为第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2提供高温的工作环境，使得气体流经第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2时，放大气体在第一热敏电阻S1和第二热敏电阻S2之间的温度差。所述气体温度检测电阻S3，气体温度检测电阻S3用于检测导气道31内的温度，辅助压力计算。

检测电路还包括分压匹配电阻R3和限流电阻R4。所述分压匹配电阻R3与气体温度检测电阻S3串联，用于是接入处理芯片引脚的信号便于检测。所述限流电阻R4与加热电阻S4串联，该限流电阻R4用于限制加热电阻S4的电流，避免加热电阻S4避免被大电流烧坏，保护加热电阻S4。

传感集成组件还包括场效应管Q1，该场效应管Q1与所述检测电路串接，以维持检测电路的稳定。

结合图7，所述传感集成组件还包括稳压电路U4，该稳压电路U4包括稳压芯片和与稳压芯片串接的两个电容，该稳定压电路用于将检测电路的5V供电电压稳压到3.3V电源。

所述传感集成组件还包括两个电平转换电路，该两个电平转换电路用于将3.3V处理芯片的通信IO转换为5V信号电平。结合图5和图6，该两个电平转换电路分别为第一电平转换电路U3和第二电平转换电路U4。

在一个实施例中，所述传感集成组件可集成于同一芯片上。

在一个实施例中，所述传感集成组件的检测电路集成于同一芯片上，而场效应管Q1、稳压电路U4及两个电平转换电路则集成与同一块电路板上，且检测电路所集成的芯片设置于该电路板上。

所述壳体30呈长方体状，长方体状的壳体30上开设一个槽，所述导气道31设置于该槽的槽底，导气道31在槽底所对的一面上设有进气口32和出气口33，用于进气道40和出气道42的连接。所述电路板设置于所述导气道31之上以密闭所述导气道31。

在一个实施例中，所述壳体30和进气道40以及出气道42一体成型设置。

综上所述，本实用新型的热差压流量传感器通过其设置于壳体上的导气道以及设置于导气道两端的进气道和出气道与用于输气的管道连通，进气道从管道内引入部分气流，该部分气流经导气道和出气道重新回输至管道内，且设置于管道内的层流元件将所述部分气流从管道中引导至进气道内，以便于进气道获取该部分气流。设置于导气道内的传感集成组件通过其两个热敏电阻分别检测导气道内不同路径位置上气体温度，获取温度差值，转换获取管道气压信息

以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中实用新型的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (14)

1.一种热差压流量传感器，其特征在于，其包括壳体、传感集成组件以及层流元件；

壳体内设有导气道，导气道的两端分别对应连通进气道和出气道，进气道的另一端连通用于输气的管道，以将管道内流通的气流引入导气道；出气道另一端与管道连通，以将导气道内的气体排出至管道；

层流元件设置于管道内，用于改变该管道气体流通路径上的部分气体的流向，将该部分气体导入进气道；

传感集成组件设置于导气道内，其包括两个沿导气道流通路径顺次设置的、用于检测气体温度的热敏电阻，该传感集成组件将该两个热敏电阻之间的温度差值转换为气压信息输出。

2.如权利要求1所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述传感集成组件还包括惠斯通电桥，所述惠斯通电桥用于检测所述两个热敏电阻的电压输出差压信号。

3.如权利要求2所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述两个热敏电阻分别为第一热敏电阻和第二热敏电阻，第一热敏电阻和第二热敏电阻并联设置。

4.如权利要求3所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述传感集成组件还包括与第一热敏电阻和第二热敏电阻并联的加热电阻，该加热电阻用于加热流入导气道的气体温度，以为第一热敏电阻和第二热敏电阻提供高温工作环境。

5.如权利要求1所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述进气道对应在管道上开设有导气口，所述出气道对应在管道上开设有排气口，管道内的气体从导气口方向流向排气口方向。

6.如权利要求5所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述层流元件设置于管道的内圆周上，所述层流元件设置于导气口和排气口之间。

7.如权利要求6所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述层流元件呈圆环状或栅栏状或导气槽状。

8.如权利要求1所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述导气道包括与进气道连通的进气口和与出气道连通的出气口，导气道包括在靠近其进气口和出气口处分别设置的迂回部以及连通两个迂回部的直通部，整个导气道对称设置。

9.如权利要求8所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述迂回部设置一拐角，该拐角至少一个截面的面积大于所述直通部的任意截面的面积。

10.如权利要求8所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述直通部居于进气口与出气口的连线的一侧，所述迂回部自进气口/出气口向远离出气口/进气口的方向延伸后向直通部所在一侧方向继续延伸至超过所述直通部所处位置后，折返与所述直通部连通。

11.如权利要求8至10任意一项所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述导气道被设计为所述迂回部处的气体平均流速小于所述直通部的平均流速。

12.如权利要求2所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述传感集成组件还包括处理芯片，处理芯片接收所述差压信号，将所述差压信号转换为气压信息。

13.如权利要求1所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述传感集成组件设置于所述导气道的中部。

14.如权利要求1所述的热差压流量传感器，其特征在于，所述导气道、进气道及出气道为密闭气道。

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