CN215448066U - 基于数字驱动电路的热式气体质量流量计 - Google Patents
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Abstract
一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计,包括流速传感器、温度传感器、转换器,所述转换器由供电电源、单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路组成,所述供电电源的输入端用于连接市电,输出端分别与单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路、按键及显示电路的电源输入端连接,所述信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路分别与单片机电连接,所述信号采样电路与数字驱动电路电连接,所述流速传感器、温度传感器与数字驱动电路电连接,使单片机通过数字驱动电路精准调节流速传感器的加热功率。
Description
技术领域
本实用新型涉及热式气体质计量领域,具体涉及一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计。
背景技术
热式气体质量流量计(以下简称热质流量计)是利用热扩散原理测量气体流量的仪表,即利用气体流过发热物体时,发热物体的热量散失多少与气体的流量呈一定的比例关系。热质流量计一般由传感器和转换器两部分组成。传感器由两个基准级热电阻(RTD)组成,一个热电阻是流速传感器RH,当传感器置于被测气体中时,流速传感器RH被加热作为热源,一个热电阻是温度传感器RW,用于感应被测气体温度。这两个热电阻和流量计内的转换器组成一个温控系统,该温控系统保持流速传感器RH和温度传感器RW之间的温度值恒定。当气体流动时,随着被测气体流速的增加,冷却效应增大,气流带走更多热量,使需保持两个热电阻间恒温的电流也越大,供给的电流与气体质量流量对应的函数关系是线性关系,即流速传感器RH温度与温度传感器RW温度值两者之间的温度差与气体质量流量的大小成线性关系,则可以用流速传感器RH温度与温度传感器RW温度值两者之间的温度差来反映气体的流量,再通过微电子控制技术,将这种关系转换为测量流量信号的线性输出,即可计算出被测气流的质量流量,并且根据测量方式不同,热质流量计主要分为恒温差测量方式和恒功率测量方式。
目前常用的基于恒温差测量方式的热质流量计结构示意图如图1所示。其中传感器主要由流速传感器1和温度传感器2组成,转换器3由供电电源4、单片机5、信号采样电路6、驱动电路-电桥11、通讯电路8、电流输出电路9与按键及显示电路10组成,供电电源4为转换器3各部分功能模块提供工作电源,驱动电路-电桥11加热流速传感器1,将流速传感器1的温度记作TRH,温度传感,2的温度记作TRW,保持恒定的温度差ΔT。
当被测气体流速增加,气流带走更多热量,TRH降低,驱动电路-电桥11增加流速传感器1的加热功率,使TRH升高,维持TRH与TRW之间的恒温差ΔT。信号采样电路6测量流速传感器1的加热功率,转换成数字信号送入单片机5中,单片机5根据流速传感器1的加热功率,计算出当前被测气流的质量流量,并通过电流输出电路9输出。
转换器3中,目前常用的驱动电路-电桥11的电路图如图2所示。驱动电路-电桥11接上传感器后,电阻R1、R2、R3与流速传感器1、温度传感器2构成一个电桥。电桥输出信号经放大电路13放大后输入到V/I转换电路12的控制端。V/I转换电路12为该电桥提供工作电流并加热流速传感器1,调节电路参数,使电桥平衡,并且流速传感器1的电阻值和温度传感器2的电阻值之间的电阻差维持一个设定值ΔR。当被测气流流速变大时,从流速传感器1上带走的热量增多,引起流速传感器1温度降低,流速传感器1的阻值随之降低,电桥平衡被打破。此时电桥输出的信号发生改变,控制V/I转换电路12增大输出电流,流速传感器1的加热能量随之增大,提高流速传感器1的温度,使流速传感器1的阻值增加。当流速传感器1电阻值和温度传感器2的电阻值之间的电阻差恢复为ΔR时,电桥恢复平衡,以此实现传感器的恒温差控制。
由上述介绍可知,现有方案中用于维持恒温差的驱动电路是一个闭环的模拟驱动电路,电路复杂且影响因素很多,具有以下明显的缺点:
1.电路参数匹配复杂,调试复杂,精度易受影响。电阻R1、R2、R3的精度及温漂特性、放大电路13的放大倍数、V/I转换电路的参数等因素都会影响产品的精度和性能。
2.外界环境变化(如环境温度变化)对仪表精度影响大。
3.传感器制造难度大。传感器电阻是驱动电路电桥组成部分,当传感器特性与理想特性有差异时,电路将不能正常工作。
4.灵活性差。转换器只能适配特定的传感器。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术对应的不足,提供一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计,把驱动电路由驱动电桥改为数字驱动电路,可以通过单片机精准调节流速传感器的加热功率,微调流速传感器温度TRH,使流速传感器的温度值TRH与温度传感器的温度值TRW之间的温度差维持在预先设定的恒温差ΔT范围内。
本实用新型的目的是采用下述方案实现的:一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计,包括流速传感器、温度传感器、转换器,所述转换器由供电电源、单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路组成,所述供电电源的输入端用于连接市电,输出端分别与单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路、按键及显示电路的电源输入端连接,所述信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路分别与单片机电连接,所述信号采样电路与数字驱动电路电连接,所述流速传感器、温度传感器与数字驱动电路电连接,使单片机通过数字驱动电路精准调节流速传感器的加热功率。
所述数字驱动电路包括一恒流源、一数模转换器,所述恒流源、数模转换器的输入端与单片机电连接,所述恒流源的电流输出端与温度传感器的电流输入端电连接,所述数模转换器的输出端经放大电路通过一采样电阻与流速传感器的电压输入端电连接,所述恒流源与数模转换器的接地端接地,所述信号采样电路从温度传感器、采样电阻、流速传感器采样。
所述数模转换器的DIN引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SIMO引脚电连接,数模转换器的SCLK引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SCLK引脚电连接,数模转换器的SYNC引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的CS引脚电连接,数模转换器的GND引脚接地,所述数模转换器的第1引脚与供电电源的电源输入端电连接,第2引脚与2.5V基准源电连接,第3引脚、第4引脚均与放大电路的信号输入端电连接。
所述放大电路为常规的放大电路。
所述放大电路中的运算放大器为LM358。
所述恒流源的IH1、IH2引脚均与供电电源电连接,所述恒流源的第1引脚、第2引脚与温度传感器的电流输入端电连接。
所述数模转换器为DAC8551。
所述恒流源为REF200。
所述信号采样电路的信号采集端与采样电阻电连接,用于采集采样电阻的电压值。
所述信号采样电路的信号采集端与温度传感器电连接,用于采集温度传感器的电压值。
本实用新型包含如下有益效果:所述转换器由供电电源、单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路组成,所述供电电源的输入端用于连接市电,输出端分别与单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路、按键及显示电路的电源输入端连接,所述信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路分别与单片机电连接,所述信号采样电路与数字驱动电路电连接,所述流速传感器、温度传感器与数字驱动电路电连接,使单片机通过数字驱动电路精准调节流速传感器的加热功率。
所述数字驱动电路包括一恒流源、一数模转换器,所述恒流源、数模转换器的输入端与单片机电连接,所述恒流源的电流输出端与温度传感器的电流输入端电连接,所述数模转换器的输出端经放大电路通过一采样电阻与流速传感器的电压输入端电连接,所述恒流源与数模转换器的接地端接地,所述信号采样电路从温度传感器、采样电阻、流速传感器采样。
所述数模转换器的DIN引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SIMO引脚电连接,数模转换器的SCLK引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SCLK引脚电连接,数模转换器的SYNC引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的CS引脚电连接,数模转换器的GND引脚接地,所述数模转换器的第1引脚与供电电源的电源输入端电连接,第2引脚与2.5V基准源电连接,第3引脚、第4引脚均与放大电路的信号输入端电连接,数模转换器通过接收单片机的指令输出相应的电压,来对流速传感器的电压值进行精准控制。
本实用新型的优点如下:
1.无需改变转换器硬件参数即可适配各种不同的传感器,使用灵活性高。
2.大大降低了传感器制造难度,当传感器参数与设计值有偏差时,只需调整仪表参数即可正常使用。
3.可根据实际需要灵活调整恒温差ΔT,不需要改变转换器硬件参数。
4.数字驱动电路受外界环境变化影响小。
5.电路调试简单,大大降低的转换器的制作难度。
附图说明
图1为目前常用的基于恒温差测量方式的热质流量计结构示意图;
图2为目前常用的驱动电路图;
图3为本实用新型的结构示意图;
图4为本实用新型的数字驱动电路图。
具体实施方式
如图3至图4所示,一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计,包括流速传感器1、温度传感器2、转换器3,所述流速传感器1与温度传感器2均为基准级热电阻(RTD),所述转换器3由供电电源4、单片机5、信号采样电路6、数字驱动电路7、通讯电路8、电流输出电路9与按键及显示电路10组成,所述数字驱动电路7包括一恒流源U3、一数模转换器U1,所述恒流源U3、数模转换器U1的输入端与单片机5电连接,所述恒流源U3的电流输出端与温度传感器2的电流输入端电连接,所述数模转换器U1的输出端经放大电路U2通过一采样电阻RC与流速传感器1的电压输入端电连接,所述恒流源U3与数模转换器U1的接地端接地,所述信号采样电路6的信号采集端与采样电阻RC电连接,用于采集采样电阻RC的电压值。所述信号采样电路6的信号采集端与温度传感器2电连接,用于采集温度传感器2的电压值。所述信号采样电路6从温度传感器2、采样电阻RC、流速传感器1采样。所述放大电路U2为常规的放大电路。本实施例中,所述放大电路U2中的运算放大器为LM358。所述恒流源U3的IH1、IH2引脚均与供电电源4电连接,所述恒流源U3的第1引脚、第2引脚与温度传感器2的电流输入端电连接。本实施例中,所述恒流源U3为REF200。所述数模转换器U1的DIN引脚与单片机5的用于连接SPI总线接口的SIMO引脚电连接,数模转换器U1的SCLK引脚与单片机5的用于连接SPI总线接口的SCLK引脚电连接,数模转换器U1的SYNC引脚与单片机5的用于连接SPI总线接口的CS引脚电连接,数模转换器U1的GND引脚接地,所述数模转换器U1的第1引脚与供电电源4的电源输入端电连接,第2引脚与2.5V基准源电连接,第3引脚、第4引脚均与放大电路U2的信号输入端电连接。本实施例中,所述数模转换器U1为DAC8551。所述供电电源4的输入端用于连接市电,输出端分别与单片机5、信号采样电路6、数字驱动电路7、通讯电路8、电流输出电路9、按键及显示电路10的电源输入端连接,所述信号采样电路6、数字驱动电路7、通讯电路8、电流输出电路9与按键及显示电路10分别与单片机5电连接,所述信号采样电路6与数字驱动电路7电连接,所述流速传感器1、温度传感器2与数字驱动电路7电连接,使单片机5通过数字驱动电路7精准调节流速传感器1的加热功率。
在使用本实用新型对介质流量进行计算判断时,通电后的热式气体质量流量计中流速传感器1和温度传感器2的探头插入管道中接触被测介质,所述恒流源U3为REF200,输出一个恒定的电流I1,流过温度传感器2,信号采样电路6采集温度传感器2两端的电压值,除以电流I1后,得出温度传感器2的电阻值,据此即可计算出被测介质的温度为TRW,即温度传感器2测得被测介质温度TRW;而单片机5控制数模转换器U1DAC8551输出电压,经放大电路U2放大后施加在流速传感器1上,采样电阻RC与流速传感器1串联。单片机5控制信号采样电路6采集采样电阻RC两端的电压值VR1,除以R1电阻值,得到当前流速传感器1的电流IRH;信号采集电路采集流速传感器1两端电压VRH,除以IRH后,得到当前流速传感器1的电阻值,据此即可计算出当前流速传感器1的温度值TRH,即流速传感器1的温度为TRH,预设的恒温差△T=TRH-TRW恒定,其中TRH大于TRW。
当介质流过探头时,从流速传感器1带走热量,使TRH下降,为了使△T恒定,故单片机5通过以下方法来增加流速传感器1的加热功率,使TRH与TRW温度差与预设的恒温差ΔT相等:
当TRH与TRW的温度差小于设定的恒温差ΔT时,单片机5控制数模转换器U1,即本实施例中的DAC8551增大输出电压,流速传感器1的加热功率增大,TRH增高;若TRH与TRW的温度差大于设定的恒温差ΔT,CPU控制DAC8551减小输出电压,流速传感器1的加热功率降低,TRH降低。
设流速传感器1的加热功率为P,介质的质量流量为Q,根据介质流过流速传感器1带走的热量与对流速传感器1的加热功率相等的原理,得P=△T×(B+A×Q1/2)式中B、A为介质的物理常数。由于流速传感器1的热量是由介质中的分子带走的,故其测得的是介质的质量流速ρV,再乘以管道截面积就可以得到介质的质量流量。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例,并不用于限制本实用新型,本领域的技术人员在不脱离本实用新型的精神的前提提下,对本实用新型进行的改动均落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于数字驱动电路的热式气体质量流量计,包括流速传感器、温度传感器、转换器,其特征在于,所述转换器由供电电源、单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路组成,所述供电电源的输入端用于连接市电,输出端分别与单片机、信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路、按键及显示电路的电源输入端连接,所述信号采样电路、数字驱动电路、通讯电路、电流输出电路与按键及显示电路分别与单片机电连接,所述信号采样电路与数字驱动电路电连接,所述流速传感器、温度传感器与数字驱动电路电连接,使单片机通过数字驱动电路精准调节流速传感器的加热功率。
2.根据权利要求1所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述数字驱动电路包括一恒流源、一数模转换器,所述恒流源、数模转换器的输入端与单片机电连接,所述恒流源的电流输出端与温度传感器的电流输入端电连接,所述数模转换器的输出端经放大电路通过一采样电阻与流速传感器的电压输入端电连接,所述恒流源与数模转换器的接地端接地,所述信号采样电路从温度传感器、采样电阻、流速传感器采样。
3.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述数模转换器的DIN引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SIMO引脚电连接,数模转换器的SCLK引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的SCLK引脚电连接,数模转换器的SYNC引脚与单片机的用于连接SPI总线接口的CS引脚电连接,数模转换器的GND引脚接地,所述数模转换器的第1引脚与供电电源的电源输入端电连接,第2引脚与2.5V基准源电连接,第3引脚、第4引脚均与放大电路的信号输入端电连接。
4.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述放大电路为常规的放大电路。
5.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述放大电路中的运算放大器为LM358。
6.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述恒流源的IH1、IH2引脚均与供电电源电连接,所述恒流源的第1引脚、第2引脚与温度传感器的电流输入端电连接。
7.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述数模转换器为DAC8551。
8.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述恒流源为REF200。
9.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述信号采样电路的信号采集端与采样电阻电连接,用于采集采样电阻的电压值。
10.根据权利要求2所述的热式气体质量流量计,其特征在于:所述信号采样电路的信号采集端与温度传感器电连接,用于采集温度传感器的电压值。
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CN115406492A (zh) * | 2022-09-30 | 2022-11-29 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 一种带有保护电路的热扩散式开关 |
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- 2020-12-31 CN CN202023319716.8U patent/CN215448066U/zh active Active
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CN115406492B (zh) * | 2022-09-30 | 2024-06-11 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 一种带有保护电路的热扩散式开关 |
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