CN220304598U - 一种气体流量的测量装置和流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种气体流量的测量装置和流量测量系统，涉及流量测量技术领域，包括设有气流道的壳体、流量芯片、转换单元、计算单元和存储单元，流量芯片包括恒温差加热电路和惠斯通电桥；流量芯片设置于气流道内，恒温差加热电路和惠斯通电桥均电连接转换单元，转换单元电连接计算单元，计算单元电连接存储单元；通过流量芯片获取恒温差加热电路的电压值信号和惠斯通电桥的电压差信号，计算单元根据电压差计算恒温差加热电路的功率，根据功率、电压差和计算参数分别计算流过气流道的第一气体流量和第一气体总量以及第二气体流量和第二气体总量，通过流量芯片无需温度和压力补偿即可直接输出气体流量，还可消除气体温度对流量测量的影响。

Description

一种气体流量的测量装置和流量测量系统

技术领域

本申请涉及流量测量领域，尤其涉及一种气体流量的测量装置和流量测量系统。

背景技术

目前，气体的流量测量通常采用传统机械式流量计来测量，如涡轮流量计、罗茨流量计和孔板流量计等。但是，采用传统机械式流量计存在流程范围窄、压损大和体积大等问题，并且只能实现工况流量测量，无法实现标况流量的测量。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种气体流量的测量装置和流量测量系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种气体流量的测量装置，所述气体流量的测量装置包括设有气流道的壳体、流量芯片、转换单元、计算单元和存储单元，所述流量芯片包括恒温差加热电路和惠斯通电桥；

所述流量芯片设置于所述气流道内，所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥均电连接所述转换单元，所述转换单元电连接所述计算单元，所述计算单元电连接所述存储单元；

所述流量芯片用于获取所述恒温差加热电路的电压值信号和所述惠斯通电桥的电压差信号，所述转换单元用于将所述电压值信号和所述电压差信号转换为电压值和电压差，所述存储单元用于存储计算参数，所述计算单元用于根据所述电压差计算所述恒温差加热电路的功率，根据所述功率和所述计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量，根据所述电压差和所述计算参数计算流过所述气流道的第二气体流量和第二气体总量。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述流量芯片还包括硅基平台、支撑层和测量层。

所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥设置于所述测量层上，所述硅基平台贴附于所述气流道内，所述测量层设置于所述支撑层正上方，所述测量层的正下方设置有空腔，所述支撑层设置于所述硅基平台与所述测量层的之间。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述惠斯通电桥包括第一测温元件和第二测温元件。

所述第一测温元件和所述第二测温元件设置于所述气流道内气体流动的下游。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述恒温差加热电路包括：开关管、第一电阻、第二电阻、参考元件、加热器、调节电阻和放大器。

所述开关管的集电极接入电源，所述开关管的基极电连接所述放大器的第三引脚，所述开关管的发射极分别电连接所述第一电阻和所述第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端电连接所述调节电阻的一端，所述调节电阻的另一端电连接所述参考元件，所述第二电阻的另一端电连接所述加热器，所述加热器和所述参考元件接地，所述放大器的第一引脚分别电连接所述第一电阻和所述调节电阻，所述放大器的第二引脚分别电连接所述第二电阻和所述加热器。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述第一测温元件和所述第二测温元件对称设置于所述加热器的两侧。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述恒温差加热电路设置于所述气流道内气体流动的上游。

所述恒温差加热电路用于在所述加热器热量变化时，维持所述恒温差加热电路的温度不变。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述转换单元包括模数转换器。

所述模数转换器的输入端分别电连接所述流量芯片和所述测温元件的输出端，所述模数转换器的输出端电连接所述计算单元。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述气体流量的测量装置还包括输入单元。

所述输入单元电连接所述计算单元。

所述输入单元用于接收用户输入的所述计算参数，并向所述计算单元传输所述计算参数。

根据本申请公开的一种具体实施方式，所述气体流量的测量装置还包括输出单元。

所述输出单元电连接所述计算单元。

所述输出单元用于输出流量数据。

第二方面，本申请实施例提供了一种流量测量系统，所述流量测量系统包括第一方面所述的气体流量的测量装置。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请提供一种气体流量的测量装置，包括设有气流道的壳体、流量芯片、转换单元、计算单元和存储单元，所述流量芯片包括恒温差加热电路和惠斯通电桥；所述流量芯片设置于所述气流道内，所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥均电连接所述转换单元，所述转换单元电连接所述计算单元，所述计算单元电连接所述存储单元；所述流量芯片用于获取所述恒温差加热电路的电压值信号和所述惠斯通电桥的电压差信号，所述转换单元用于将所述电压值信号和所述电压差信号转换为电压值和电压差，所述存储单元用于存储计算参数，所述计算单元用于根据所述电压差计算所述恒温差加热电路的功率，根据所述功率和所述计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量，根据所述电压差和所述计算参数计算流过所述气流道的第二气体流量和第二气体总量，通过采用流量芯片无需温度和压力补偿即可直接输出气体流量，还可消除气体温度对流量测量的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本申请实施例提供的一种气体流量的测量装置的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的功率和气体流量的比例关系示意图；

图3示出了本申请实施例提供的电压差和气体流量的比例关系示意图；

图4示出了本申请实施例提供的流量芯片的侧视图；

图5示出了本申请实施例提供的惠斯通电桥温度感知单元的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的温度场感知单元的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的恒温差加热电路的结构示意图。

主要元件符号说明：

壳体-10；流量芯片-20；转换单元-30；计算单元-40；存储单元-50。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下文中，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

参见图1，所述气体流量的测量装置包括设有气流道的壳体10、流量芯片20、转换单元30、计算单元40和存储单元50，所述流量芯片20包括恒温差加热电路201和惠斯通电桥202；

所述流量芯片20设置于所述气流道内，所述恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202均电连接所述转换单元30，所述转换单元30电连接所述计算单元40，所述计算单元40电连接所述存储单元50；

所述流量芯片20用于获取所述恒温差加热电路201的电压值信号和所述惠斯通电桥202的电压差信号，所述转换单元30用于将所述电压值信号和所述电压差信号转换为电压值和电压差，所述存储单元50用于存储计算参数，所述计算单元40用于根据所述电压差计算所述恒温差加热电路201的功率，根据所述功率和所述计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量，根据所述电压差和所述计算参数计算流过所述气流道的第二气体流量和第二气体总量。

具体地，参见图2和图3，所述计算参数是指图2和图3中所述恒温差加热电路201的功率与所述气流道内的气体流量的比例关系和所述惠斯通电桥202的电压差与所述气流道内的气体流量的比例关系。根据所述功率和所述计算参数即可获取所述气流道内任一时刻的第一气体流量，根据所述电压差和所述计算参数即可获取所述气流道内任一时刻的第二气体流量，通过积分即可获取所述气流道内任一时间段的第一气体总量和第二气体总量。所述惠斯通电桥202的温度差随流量的变化称为量热式流量测量法，所述量热式流量测量法是一种基于热传递原理的直接式质量流量的测量方法，具有压损低、量程范围大、精度高等优点。通过采用所述量热式流量测量法能够感知微小流量变化，适合小流量段的测量。因此，在获取所述第一气体流量和所述第二气体流量后，所述计算单元40可以判别所述第一气体流量和所述第二气体流量的大小范围，若所述第一气体流量和所述第二气体流量在大流程范围，则可选取适用于大流程范围测量的第一气体流量为最终气体流量，若所述第一气体流量和所述第二气体流量在小流程范围，则可选取适用于小流程范围测量的第二气体流量为最终气体流量。所述大流程范围和所述小流程范围可根据用户自定义，存储至所述存储单元50，通过针对不同的流程范围采用不同的测量计算方法，可以提高测量精度。

具体地，参见图4，所述流量芯片20还包括硅基平台203、支撑层204和测量层205；

所述恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202设置于所述测量层205上，所述硅基平台203贴附于所述气流道内，所述测量层205设置于所述支撑层204正上方，所述测量层205的正下方设置有空腔，所述支撑层204设置于所述硅基平台203与所述测量层205的之间。

具体而言，通过在所述测量层205的正下方设置空腔，可有效降低热传导和气体比热容的影响，同时所述空腔有两个通孔，可以消除所述气流道的压力对所述支撑层204的影响。

具体地，所述惠斯通电桥包括第一测温元件Ru和第二测温元件Rd；

所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd设置于所述气流道内气体流动的下游。

具体地，由于所述气流道内气体流量的变化，加热器Rh的温度生变化，因此，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd的温度不再相同，产生温度差，进而引起电压差。同时，所述第二测温元件Rd能够作为流量开关，能够实现功耗管理，降低气体流量的测量装置的功耗。

具体地，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd包括铂金属或热电堆。

在一实施方式中，参见图5，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd为铂金属，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd组成惠斯通电桥温度感知单元。

在另一实施方式中，参见图6，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd为热电堆，根据热电偶原理所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd组成温度场感知单元。所述热电偶原理是指将两种不同的导体连接成闭合回路，当两个结合点的温度不同时，回路中产生电动势。

具体地，参见图7，所述恒温差加热电路201包括：开关管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、参考元件Rr、加热器Rh、调节电阻Rc和放大器OA；

所述开关管Q1的集电极接入电源，所述开关管Q1的基极电连接所述放大器OA的第三引脚J3，所述开关管Q1的发射极分别电连接所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的一端，所述第一电阻R1的另一端电连接所述调节电阻Rc的一端，所述调节电阻Rc的另一端电连接所述参考元件Rr，所述第二电阻R2的另一端电连接所述加热器Rh，所述加热器Rh和所述参考元件Rr接地，所述放大器OA的第一引脚J1分别电连接所述第一电阻R1和所述调节电阻Rc，所述放大器OA的第二引脚J2分别电连接所述第二电阻R2和所述加热器Rh。

具体实施时，所述参考元件Rr用于感知所述气流道内的气体温度，所述加热器Rh用于加热，所述调节电阻Rc用于调节所述加热器升温温度并起到补充作用，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2的阻值成预设比例，所述参考元件Rr与所述加热器Rh的阻值同样为所述预设比例，所述预设比例包括R1：R2＝8。当所述开关管Q1饱和打通时，所述恒温差加热电路导通，由于所述第一电阻R1与所述参考元件Rr阻值较大，此时所述参考元件Rr内的电流较小，所述参考元件Rr不会升温。因此，所述参考元件Rr的阻值不会因所述恒温差加热电路的导通而发生改变，只有当所述气流道内的气体介质温度变化时，所述参考元件Rr的阻值才会改变。

所述加热器Rh的功率即为恒温差加热电路201的功率。由于所述第二电阻R2和所述加热器Rh的阻值较小，因此所述加热器Rh的电流较大，此时加热器Rh发热，阻值增大，此时U2也增大，所述U2即为所述放大器OA的反相输入端。当U2增大到大于所述放大器OA的同相输入端电压时，所述放大器OA输出低电平，所述开关管Q1关闭，所述恒温差加热电路停止供电，加热器Rh停止加热，温度降低，阻值减小，U2减小。反之，当所述U2减小到小于所述放大器OA的同相输入端电压时，所述放大器OA输出高电平，所述开关管Q1导通，所述恒温差加热电路上电，所述加热器Rh加热。

所述电压U1和U2接入所述转换单元30的输入端，所述计算单元40通过模数转换器获得加热电桥的参数，从而计算所述加热器Rh的加热功率。

所述加热器Rh的加热功率的计算公式如下：

I＝U1/R1；

P＝U2*U2/I。

具体地，所述第一测温元件Ru和所述第二测温元件Rd对称设置于所述加热器Rh的两侧。

具体地，所述恒温差加热电路201设置于所述气流道内气体流动的上游；

所述恒温差加热电路201用于在所述加热器Rh热量变化时，维持所述恒温差加热电路201的温度不变。

具体实施时，当气流道内的气体流量增大时，所述加热器Rh热量损失增加，所述恒温差加热电路201需要增加加热功率来维持温度差不变，所以所述加热器Rh的功率增加，参见图2，所述加热器Rh的加热功率与流过所述流量芯片20的流量成比例关系。所述恒温差加热电路201的U1和U2输入所述转换单元30的输入端，所述转换单元30将经过转换的所述U1和所述U2输出至所述计算单元40，所述计算单元40通过调取所述存储单元50内存储的计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量。

具体地，所述计算参数还包括所述加热器Rh功率的计算公式。

具体地，所述转换单元30包括模数转换器；

所述模数转换器的输入端分别电连接所述恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202的输出端，所述模数转换器的输出端电连接所述计算单元40。

具体而言，所述模数转换器即为ADC(analog to digital converter，A/D转换器)，将输入的电压信号转换为一个输出的数字信号。将所述模数转换器的输入端分别电连接所述恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202的输出端，同时可以采集恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202的电压信号，同时将所述恒温差加热电路201和所述惠斯通电桥202的电压信号转换为数字信号，所述模数转换器的输出端电连接所述计算单元40，将所述数字信号传输至所述计算单元40。

具体地，所述气体流量的测量装置还包括输入单元60；

所述输入单元60电连接所述计算单元40；

所述输入单元60用于接收用户输入的所述计算参数，并向所述计算单元40传输所述计算参数。

具体实施时，所述输入单元60包括按键和数据通信转换器。用户通过所述输入单元60向所述气体流量的测量装置输入计算参数，并可与通过采用传感器信号和气体流量特性用二元差值法拟合和离散生成所述校准数据，所述校准数据可用于快速计算气体流量的标况数据，并将所述校准数据输入所述计算单元40。

具体地，所述气体流量的测量装置还包括输出单元70；

所述输出单元70电连接所述计算单元40；

所述输出单元70用于输出流量数据。

具体实施时，所述输出单元70包括显示器和脉冲输出器，可以将所述气体流量的测量装置测量到的第一气体流量、第二气体流量、第一气体总量和第二气体总量实时反馈给用户。通过所述输出单元70还可直接查询校准数据，提高了实时流量的检测速度。

本申请提供一种气体流量的测量装置，包括设有气流道的壳体、流量芯片、转换单元、计算单元和存储单元，所述流量芯片包括恒温差加热电路和惠斯通电桥；所述流量芯片设置于所述气流道内，所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥均电连接所述转换单元，所述转换单元电连接所述计算单元，所述计算单元电连接所述存储单元；所述流量芯片用于获取所述恒温差加热电路的电压值信号和所述惠斯通电桥的电压差信号，所述转换单元用于将所述电压值信号和所述电压差信号转换为电压值和电压差，所述存储单元用于存储计算参数，所述计算单元用于根据所述电压差计算所述恒温差加热电路的功率，根据所述功率和所述计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量，根据所述电压差和所述计算参数计算流过所述气流道的第二气体流量和第二气体总量，通过采用流量芯片无需温度和压力补偿即可直接输出气体流量，还可消除气体温度对流量测量的影响。

本申请实施例还提供一种流量测量系统，包括上述实施例所示的气体流量的测量装置，为避免重复，在此不再赘述。

具体地，所述气体流量的测量装置附着于所述流量测量系统上。

所述流量测量系统通过采用流量芯片无需温度和压力补偿即可直接输出标况流量，还可消除气体温度对流量测量的影响，采用的惠斯通电桥法，自带温度补偿功能，可消除气体温度对流量测量的影响，所述流量芯片结合了两种流程的测量方法，实现了大流程范围的测量，所述流量测量系统带流量开关功能，实现低功耗管理和电池供电。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者终端中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (7)

1.一种气体流量的测量装置，其特征在于，所述气体流量的测量装置包括设有气流道的壳体、流量芯片、转换单元、计算单元和存储单元，所述流量芯片包括恒温差加热电路和惠斯通电桥；

所述流量芯片设置于所述气流道内，所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥均电连接所述转换单元，所述转换单元电连接所述计算单元，所述计算单元电连接所述存储单元；

所述流量芯片用于获取所述恒温差加热电路的电压值信号和所述惠斯通电桥的电压差信号，所述转换单元用于将所述电压值信号和所述电压差信号转换为电压值和电压差，所述存储单元用于存储计算参数，所述计算单元用于根据所述电压差计算所述恒温差加热电路的功率，根据所述功率和所述计算参数计算流过所述气流道的第一气体流量和第一气体总量，根据所述电压差和所述计算参数计算流过所述气流道的第二气体流量和第二气体总量；

其中，所述恒温差加热电路包括：开关管、第一电阻、第二电阻、参考元件、加热器、调节电阻和放大器；

所述开关管的集电极接入电源，所述开关管的基极电连接所述放大器的第三引脚，所述开关管的发射极分别电连接所述第一电阻和所述第二电阻的一端，所述第一电阻的另一端电连接所述调节电阻的一端，所述调节电阻的另一端电连接所述参考元件，所述第二电阻的另一端电连接所述加热器，所述加热器和所述参考元件接地，所述放大器的第一引脚分别电连接所述第一电阻和所述调节电阻，所述放大器的第二引脚分别电连接所述第二电阻和所述加热器；

所述惠斯通电桥包括第一测温元件和第二测温元件；

所述第一测温元件和所述第二测温元件设置于所述气流道内气体流动的下游；

所述转换单元包括模数转换器；

所述模数转换器的输入端分别电连接所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥的输出端，所述模数转换器的输出端电连接所述计算单元。

2.根据权利要求1所述的气体流量的测量装置，其特征在于，所述流量芯片还包括硅基平台、支撑层和测量层；

所述恒温差加热电路和所述惠斯通电桥设置于所述测量层上，所述硅基平台贴附于所述气流道内，所述测量层设置于所述支撑层正上方，所述测量层的正下方设置有空腔，所述支撑层设置于所述硅基平台与所述测量层的之间。

3.根据权利要求1所述的气体流量的测量装置，其特征在于，所述第一测温元件和所述第二测温元件对称设置于所述加热器的两侧。

4.根据权利要求1所述的气体流量的测量装置，其特征在于，所述恒温差加热电路设置于所述气流道内气体流动的上游；

所述恒温差加热电路用于在所述加热器热量变化时，维持所述恒温差加热电路的温度不变。

5.根据权利要求1所述的气体流量的测量装置，其特征在于，所述气体流量的测量装置还包括输入单元；

所述输入单元电连接所述计算单元；

所述输入单元用于接收用户输入的所述计算参数，并向所述计算单元传输所述计算参数。

6.根据权利要求1所述的气体流量的测量装置，其特征在于，所述气体流量的测量装置还包括输出单元；

所述输出单元电连接所述计算单元；

所述输出单元用于输出流量数据。

7.一种流量测量系统，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的气体流量的测量装置。