CN219223837U - 一种新型热式气体质量流量计 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种新型热式气体质量流量计，包括：第一热源传感器、第二热源传感器、流量测量单元、A/D转换单元、处理单元、D/A转换单元、流量调整单元以及电源单元，其中，第一热源传感器用于采集当前在加热环境下的第一温度值；第二热源传感器用于采集当前外界环境下的第二温度值；流量测量单元用于根据第一温度值以及第二温度值确定当前温度差值并通过A/D转换单元输入至处理单元；处理单元根据温度差值与要维持的设定温度差的差值生成相应的控制信号，以调整第一热源传感器的电流来保持所述温度差值为恒定值，再通过检测变化的电流来获得流量的变化值。本公开的气体质量流量计结构简单、测量准确度高且稳定可靠。

Description

一种新型热式气体质量流量计

技术领域

本公开涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种新型热式气体质量流量计。

背景技术

随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各类型的流量计相继问世。

热式气体质量流量计采用热扩散原理，设有置于介质中的两个温度传感器，其中一个传感器被加热到环境温度以上的温度，另一个温度传感器用于感应介质温度。当介质流速增加，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，根据温度差与介质流速的比例关系，可得出流体的流量Q。然而现有的热式气体质量流量计其流量调节范围小，不利于控制和调节微小气体的流量，也没办法对微小气体的流量进行精确控制。

因此，急需设计出一种结构简单、测量准确度高且稳定可靠的新型热式气体质量流量计。

实用新型内容

本公开提供了一种新型热式气体质量流量计，其结构简单、测量准确度高、可有效满足测量需要。

为实现上述目的，本公开提供了一种新型热式气体质量流量计，包括：第一热源传感器、第二热源传感器、流量测量单元、A/D转换单元、处理单元、D/A转换单元、流量调整单元以及电源单元，其中，所述第一热源传感器用于采集当前在加热环境下的第一温度值；所述第二热源传感器用于采集当前外界环境下的第二温度值；所述第一热源传感器和所述第二热源传感器与所述流量测量单元连接，所述流量测量单元用于根据所述第一温度值以及所述第二温度值确定当前温度差值并将所述温度差值输出至所述A/D转换单元；所述A/D转换单元与所述处理单元连接，用于将所述流量测量单元输出的模拟温度信号转换成数字信号，并输入至所述处理单元；所述处理单元根据所述温度差值与要维持的设定温度差的差值生成相应的控制信号，以调整所述第一热源传感器的电流来保持所述温度差值为恒定值，再通过检测变化的电流来获得流量的变化值；所述D/A转换单元与所述处理单元连接，用于将处理单元输出的控制信号转换成模拟信号，并输入至所述流量调整单元；所述流量调整单元用于在所述控制信号的控制下输出用于加热所述第一热源传感器的输出电流，以使所述第一温度值和所述第二温度值之间的所述温度差值为恒定值。

优选地，还包括分别与所述处理单元连接的电源单元、显示单元以及信号输出单元，其中，所述电源单元与外部供电装置连接，用于为所述处理单元供电；所述显示单元用于显示测量数据；所述信号输出单元用于将所述处理单元处理的数据发送至外部设备。

优选地，所述流量测量单元，包括：第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器，其中，所述第一热源传感器的一端经由电阻R8连接至所述第一运算放大器的正输入端，所述第一热源传感器的另一端经由电阻R5连接至所述第一运算放大器的负输入端，所述第一运算放大器的输出端经由电阻R6连接至所述第三运算放大器的正输入端；对应地，所述第二热源传感器的一端经由电阻R9连接至所述第二运算放大器的正输入端，所述第二热源传感器的另一端经由电阻R10连接至所述第二运算放大器的负输入端，所述第二运算放大器的输出端经由电阻R11连接至所述第三运算放大器的负输入端；所述第三运算放大器的输出端通过电阻R1连接至所述A/D转换单元。

优选地，所述流量调整单元包括：第四运算放大器以及三级管，其中，所述D/A转换单元的输出端通过电阻R13连接至所述第四运算放大器的正输入端，所述第四运算放大器的输出端连接至三级管的B端，所述三级管的C端与所述第一热源传感器连接，所述三级管的E端反馈至所述第四运算放大器的负输入端。

优选地，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及第四运算放大器为LM4562型号的运算放大器。

在本公开实施例的上述实现方式中，加热元件的温差变化由热源传感器通过A/D转换单元反馈到处理单元，处理单元调整D/A转换单元电流的输入来实现两个热源传感器的温度差恒定，本实施例可记录微小的两端电量变化，通过电流变化可计算出两个热源传感器温度变化，依据温度差与介质流速的比例关系，得到管道内流体的流量。通过采用数字化恒温加热方法，具有响应速度快，抗干扰能力强，计量准确度高的优点，可保证运行稳定可靠。

附图说明

图1为本实施例提供的一种新型热式气体质量流量计的电路结构图；

图2为本实施例提供的一种新型热式气体质量流量计的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，为了便于描述，使用的方位词如“上、下”通常是指相应部件处于使用状态时沿Z方向上的“上、下”。另外，使用的方位词“内、外”是相对于对应的部件自身轮廓而言的“内、外”。此外，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。

热式气体质量流量计是一种直接式质量流量计，用于测量质量流量，当流体静止时，管道内加热元件的上下游温度对称分布，元件指示温度相等。当介质流动时，下游温度比上游的温度高。伴随着流速增加，温差增大，当流速增加到某一界限值之后，两元件的温差将随流速的增加而逐渐减小。为了得到仪表的单值性，一般测小流量用温差增大的特性，测大流量用温差减小的特性。

本公开通过调整上下游加热元件的电流，实现上下游加热元件的温差恒定，通过计算上下游加热元件的输入电流来采集管道内的流量变化。

参阅图1至图2，本实施例中一种新型热式气体质量流量计，包括：第一热源传感器、第二热源传感器、流量测量单元、A/D转换单元、处理单元、D/A转换单元、流量调整单元、显示单元、信号输出单元、电源单元以及健值处理单元。其中，第一热源传感器用于采集当前在加热环境下的第一温度值；第二热源传感器用于采集当前外界环境的第二温度值；第一热源传感器和第二热源传感器与流量测量单元连接，流量测量单元用于根据第一温度值以及第二温度值确定二者当前的温度差并将温度差输出至A/D转换单元；A/D转换单元用于将流量测量单元输出的模拟温度信号转换成数字信号，并输入至所述处理单元；所述处理单元根据当前的温度差与要维持的设定温度差的差值生成相应的控制信号，通过D/A转换单元和流量调整单元反馈至第一热源传感器，以使所述第一温度值和所述第二温度值之间的温度差可以始终维持在设定温度差；也就是说，处理单元是依据这种变化来调整被加热的第一热源传感器的电流来保持其温差为恒定值，再通过检测变化的电流来获得流量的变化值。D/A转换单元用于将处理单元输出的控制信号转换成模拟信号，并输入至流量调整单元；流量调整单元用于在控制信号的控制下输出用于加热所述第一热源传感器的输出电流，以使所述第一温度值和所述第二温度值之间维持在设定温度差。

进一步地，处理单元还与电源单元、显示单元、健值处理单元以及信号输出单元连接，其中，电源单元与外部供电装置连接，用于将供电装置输出的电压转换为低压电源输出，用于为显示单元和处理单元供电。本实施例中的电源单元可以由整流桥以及降压变换器组成，例如MP2315GJ型号的降压变换器或RT9193-33GB型号的稳压器等。显示单元用于显示流量测量单元输出的测量值，例如第一温度值、第二温度值和/或温度差以及处理单元确定的流量值等。本实施例中的显示单元可以采用LCD1602型号的LCD液晶显示屏。信号输出单元可以采用RS485通讯串口，用于将处理单元处理的数据发送至外部设备，健值处理单元用于向处理单元输入操作信息。

在具体应用中，本实施例中的第一热源传感器，作为检测热源与流量测量单元的输入端相连，用于采集当前自身在加热环境影响下的第一温度值。本实施例中，第一热源传感器可以为热敏电阻，例如可为铂电阻PT10。第二热源传感器作为基准热源，与流量测量单元的输入端相连，用于采集当前外界环境的第二温度值。本实施例中，第二热源传感器也可以为热敏电阻，例如可为铂电阻PT100。可以理解的是，第一热源传感器为了实现与第二热源传感器所处外界环境温度之间产生设定的温度差，第一热源传感器需要被加热。一般的，第一热源传感器被加热后的温度要高于注入介质的温度，以便于当有介质注入时，可将加热后的第一热源传感器上的热量带走，从而降低了第一热源传感器的温度，如此，通过测试介质流带走的热量即可得到气体流量的大小。

所述流量测量单元包括：第一运算放大器IC1、第二运算放大器IC2以及第三运算放大器IC3，其中，第一热源传感器的一端经由电阻R8连接至第一运算放大器IC1的正输入端，第一热源传感器的另一端经由电阻R5连接至第一运算放大器IC1的负输入端，第一运算放大器IC1的输出端经由电阻R6连接至第三运算放大器IC3的正输入端；对应地，第二热源传感器的一端经由电阻R9连接至第二运算放大器IC2的正输入端，第二热源传感器的另一端经由电阻R10连接至第二运算放大器IC2的负输入端，第二运算放大器IC2的输出端经由电阻R11连接至第三运算放大器IC3的负输入端；第三运算放大器IC3的输出端通过电阻R1连接至A/D转换单元。

可以理解的是，本实施例中第一运算放大器IC1和第二运算放大器IC2用于将对应的热源传感器输出的温度信号即第一温度值和第二温度值放大后输出至第三运算放大器IC3；第三运算放大器IC3起差动放大作用，用于比较第一温度值以及第二温度值确定二者的温度差并将温度差输出至A/D转换单元。具体地，第一运算放大器IC1、第二运算放大器IC2和第三运算放大器IC3可以采用LM4562型号的运算放大器。

进一步地，A/D转换单元可以采用AD7794BRUZ的A/D转换器，处理单元可以为一中央处理器CPU或者单片机等，例如可以是型号为PIC16F883-E/SS的单片机或STM32F030K6的中央处理器，本实施例的所述处理单元，用于根据第一温度值和所述第二温度值生成控制信号，并根据控制信号确定注入介质的流量并通过信号输出单元输出。在本申请实施例中，在第一热源传感器将其采集的第一温度值以及第二热源传感器将其第二温度值反馈给处理单元后，处理单元可确定二者当前的温度差，从而可以确定二者当前的温度差与要维持的设定温度差的差值，而根据这个差值，处理单元可生成相应的控制信号，以使所述第一温度值和所述第二温度值之间的温度差可以始终维持在设定温度差。

可以理解的是，本实施例通过A/D转换单元可获取流量测量单元的输出电压信号，通过曲线拟合得到输出电压和流量的关系曲线，通过拟合出的曲线计算得出实时的流量值。本实施例的流量计设有两个热源传感器，第一热源传感器作为检测热源，第二热源传感器作为基准热源，通过维持恒定热源传感器加热电流的输入，实现两个传感器温差的恒定，相较于恒流式测量，恒温差式测量响应速度更快，电路构成简单，更便于实现。

本实施例中处理单元，与流量测量单元连接，用于将流量测量单元输出的温度信号进行运算处理，最后将计算到流量值通过显示单元显示。例如，本实施例中的处理单元采用STM32F030K6型号的中央处理器U1，该中央处理器是一款32位M0系列LQFP-48单片机，中央处理U1的外围电路包括复位单元、振荡单元以及供电滤波单元(未示出)，其中，中央处理器U1的VDD端连接电源单元，PF0端和PF1端连接振荡单元，PB0端连接A/D转换单元的输出端，中央处理器U1的输出端PA0至PA7端连接显示单元，本实施例中的显示单元可以采用LCD1602型号的LCD液晶显示屏，显示单元的输入端D0至D7与中央处理器U1的输出端PA0至PA7端对应连接。

进一步地，本实施例中的处理单元的输出端还连接D/A转换单元的输入端，D/A转换单元的输出端通过流量调整单元连接第一热源传感器，处理单元通过D/A转换单元和流量测量单元调整被第一热源传感器的电流来保持其温差为恒定值，再通过检测变化的电流来获得流量的变化值。具体地，中央处理器U1的PB1端连接D/A转换单元的输入端，D/A转换单元可以采用DAC6573IPW型号的D/A转换器，D/A转换单元的输出端连接流量调整单元。

本实施例中的流量调整单元，包括：第四运算放大器IC4以及第三级管Q1，其中，D/A转换单元的输出端通过电阻R13连接至第四运算放大器IC4的正输入端，第四运算放大器IC4的输出端连接至三级管Q1的B端，三级管Q1的C端与第一热源传感器连接，三级管Q1的E端反馈至第四运算放大器IC4的负输入端。可以理解的是，本实施例中第四运算放大器IC4用于将D/A转换单元输出的控制信号放大后输出至三级管Q1，第四运算放大器IC4可以采用LM4562型号的运算放大器。

应说明的是，本实施例中的处理单元、显示单元、A/D转换单元、运算放大器以及三级管可采用现有技术中任何适宜的数字化芯片，例如，处理单元可采用高速CPU，运算放大器可以为高精度运算放大器，分辨率可达到1/60000，CPU每0.1s可完成一次数据采集处理，仪表响应时间只需0.1s，响应速度快，抗干扰能力强，计量准确度高。A/D转换单元和D/A转换单元可采用16位高精度的A/D转换单元和D/A转换单元，从而实现仪表响应速度快、测量准确度高和运行稳定可靠。本实施例不对其具体型号进行限定，可根据生产需要自行设定。

本实施例的新型热式气体质量流量计采用数字化恒温加热方法，适时动态闭环检测，加热元件的温差变化由热源传感器通过A/D转换单元反馈到处理单元，处理单元调整D/A转换单元电流的输入来实现两个热源传感器的温度差恒定。A/D转换单元通过电流变化计算出两个热源传感器的温度变化，再依据温度差与介质流速的比例关系，得到管道内流体的流量。此外，整体电路的热源驱动和信号反馈等全部采用数字化处理芯片，实现了仪表响应速度快、测量准确度高和运行稳定可靠。

以上对本公开所提供的一种新型热式气体质量流量计进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新型热式气体质量流量计，其特征在于，包括：第一热源传感器、第二热源传感器、流量测量单元、A/D转换单元、处理单元、D/A转换单元、流量调整单元以及电源单元，其中，所述第一热源传感器用于采集当前在加热环境下的第一温度值；所述第二热源传感器用于采集当前外界环境下的第二温度值；所述第一热源传感器和所述第二热源传感器与所述流量测量单元连接，所述流量测量单元用于根据所述第一温度值以及所述第二温度值确定当前温度差值并将所述温度差值输出至所述A/D转换单元；所述A/D转换单元与所述处理单元连接，用于将所述流量测量单元输出的模拟温度信号转换成数字信号，并输入至所述处理单元；所述处理单元根据所述温度差值与要维持的设定温度差的差值生成相应的控制信号，以调整所述第一热源传感器的电流来保持所述温度差值为恒定值，再通过检测变化的电流来获得流量的变化值；所述D/A转换单元与所述处理单元连接，用于将处理单元输出的控制信号转换成模拟信号，并输入至所述流量调整单元；所述流量调整单元用于在所述控制信号的控制下输出用于加热所述第一热源传感器的输出电流，以使所述第一温度值和所述第二温度值之间的温度差值为恒定值。

2.如权利要求1所述的一种新型热式气体质量流量计，其特征在于，还包括分别与所述处理单元连接的电源单元、显示单元以及信号输出单元，其中，所述电源单元与外部供电装置连接，用于为所述处理单元供电；所述显示单元用于显示测量数据；所述信号输出单元用于将所述处理单元处理的数据发送至外部设备。

3.如权利要求1所述的一种新型热式气体质量流量计，其特征在于，所述流量测量单元，包括：第一运算放大器、第二运算放大器以及第三运算放大器，其中，所述第一热源传感器的一端经由电阻R8连接至所述第一运算放大器的正输入端，所述第一热源传感器的另一端经由电阻R5连接至所述第一运算放大器的负输入端，所述第一运算放大器的输出端经由电阻R6连接至所述第三运算放大器的正输入端；对应地，所述第二热源传感器的一端经由电阻R9连接至所述第二运算放大器的正输入端，所述第二热源传感器的另一端经由电阻R10连接至所述第二运算放大器的负输入端，所述第二运算放大器的输出端经由电阻R11连接至所述第三运算放大器的负输入端；所述第三运算放大器的输出端通过电阻R1连接至所述A/D转换单元。

4.如权利要求1所述的一种新型热式气体质量流量计，其特征在于，所述流量调整单元包括：第四运算放大器以及三级管，其中，所述D/A转换单元的输出端通过电阻R13连接至所述第四运算放大器的正输入端，所述第四运算放大器的输出端连接至三级管的B端，所述三级管的C端与所述第一热源传感器连接，所述三级管的E端反馈至所述第四运算放大器的负输入端。

5.如权利要求3所述的一种新型热式气体质量流量计，其特征在于，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器以及第四运算放大器为LM4562型号的运算放大器。

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