專利名稱：寬量程氣體流量計(jì)積算儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體流量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種寬量程氣體流量計(jì)積算儀。
背景技術(shù)：
目前，世界上主流的流量儀表廠家所生產(chǎn)的各種氣體流量計(jì)量儀表，由于測(cè)量原理上的原因，單臺(tái)儀表流量測(cè)量范圍的局限性。一般量程都在I : 30左右，只有熱式氣體流量計(jì)和羅茨流量計(jì)的量程范圍比較寬，一般在I : 200左右。而且，由于氣體管道內(nèi)的氣流流速經(jīng)常出現(xiàn)過快和過慢的情況發(fā)生，超過儀表所能計(jì)量的流速范圍，超出計(jì)量范圍的氣流一般都不能被流量儀表準(zhǔn)確的記錄下來，尤其是小于量程下限的情況，甚至有時(shí)根本就記錄不到流量數(shù)值。為了解決上述問題，人們一直在研究寬量程的流量儀表，研究方向主要是通過合理的技術(shù)手段對(duì)現(xiàn)有儀表量程下限以下的低速氣流進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，到目前為止還沒有妥善的解決辦法。正因?yàn)槿绱?，目前在氣流流量的測(cè)量方面，往往在同一管道上將不同口徑的儀表并聯(lián)使用，利用控制閥來控制不同口徑的儀表來適應(yīng)不同的流速。此辦法雖然部分解決了現(xiàn)有計(jì)量儀表存在的問題，但由于儀表的流量信號(hào)輸出和控制閥的動(dòng)作均需要一個(gè)緩沖時(shí)間，這給氣流流量的精確計(jì)量帶來了問題，進(jìn)而為氣流的供給方和使用方造成了諸多不便，更造成了原材料和安裝場地上的極大浪費(fèi)，這和世界主流的節(jié)能環(huán)保理念相沖突。在傳感器領(lǐng)域出現(xiàn)了一種高靈敏度的熱加速度傳感器為上述問題的解決提供了可能性。傳統(tǒng)的熱加速度計(jì)是基于電容或壓電技術(shù)，用于測(cè)量微機(jī)械質(zhì)量結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這種技術(shù)在許多方面有一定的局限性，如表面粘附(稱為黏附)、滯后、機(jī)械震動(dòng)、電磁干擾(EMI)。昂貴而復(fù)雜的制造過程也面臨一些與微機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相關(guān)問題的挑戰(zhàn)，為了解決這些問題，MEMSIC開發(fā)出一種獨(dú)特的技術(shù)，該技術(shù)解決了與傳統(tǒng)基于MEMS的加速度計(jì)相關(guān)的問題，利用熱對(duì)流技術(shù)，是全球第一家使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝的單芯片集成混合信號(hào)處理電路的熱對(duì)流MEMS慣性傳感器。其測(cè)量原理如下一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在這個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的“熱氣團(tuán)”，同時(shí)四個(gè)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。在未受到加速度或水平放置時(shí)，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對(duì)稱的。此時(shí)，所有的四個(gè)熱電偶組均因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生的電壓是相同的。上面是一個(gè)空腔氣室，因無加速度的外力作用，熱氣團(tuán)位于正中央的中央熱源之上。當(dāng)受到一個(gè)加速度的作用，熱氣團(tuán)偏移，原來四個(gè)熱電偶組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而向右發(fā)生Λ的偏量。由于自由對(duì)流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對(duì)稱，此時(shí)四個(gè)熱電偶組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而這熱電偶組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部，有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑，一條是用于測(cè)量X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則是用于測(cè)量Y軸上所感應(yīng)的加速度。熱對(duì)流式加速度傳感器的內(nèi)部還包含傳感器的模擬信號(hào)后處理電路。來自同一軸、兩個(gè)方向的熱電偶組信號(hào)經(jīng)差分放大、溫度比較、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、低通濾波和緩沖，輸出已經(jīng)放大了的模擬信號(hào)；或經(jīng)差分放大、溫度比較和模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接將信號(hào)處理成I2C接口界面。因此，熱對(duì)流式加速度傳感器是一個(gè)多芯片的片上系統(tǒng)，即SOC或MCM。器件測(cè)量由加速度產(chǎn)生內(nèi)在熱傳遞中的變化提供較傳統(tǒng)固態(tài)校對(duì)更具有質(zhì)量優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵贛EMSIC傳感器設(shè)計(jì)中是利用氣體分子校對(duì)質(zhì)量，所以運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)在加速度計(jì)內(nèi)會(huì)被消除，MEMSIC加速度計(jì)可承受的理論撞擊極限超過50000g，是傳統(tǒng)加速度計(jì)的5倍之多，同時(shí)也消除了與表面粘附相連的問題。另外，MEMSIC加速度計(jì)不在要求特殊處理和測(cè)試，可大幅減少OEM的成本，MEMSIC標(biāo)準(zhǔn)的CMOS兼容工藝具備高質(zhì)量的制備能力。故障率比傳統(tǒng)的加速度計(jì)減少數(shù)千倍，這樣的技術(shù)和制造能力，從根本上消除了故障率和其他的相關(guān)制造成本。 正是因?yàn)樵搨鞲衅骶邆渖鲜鰞?yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到氣體流量儀表中可以很好地解決存在的測(cè)量量程問題。結(jié)合當(dāng)前主流各種氣體流量計(jì)，應(yīng)用上述熱加速度傳感器可派生出多種復(fù)合式寬量程氣體流量計(jì)，如寬量程旋進(jìn)旋渦氣體流量計(jì)、寬量程氣體渦輪流量計(jì)、寬量程渦街式氣體流量計(jì)、寬量程動(dòng)差式氣體流量計(jì)、寬量程V錐式氣體流量計(jì)等。為了配合上述的新型寬量程氣體流量計(jì)，需要一種與之對(duì)應(yīng)的寬量程氣體流量計(jì)積算儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種適用于寬量程氣體流量計(jì)的積算儀。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是寬量程氣體流量計(jì)積算儀包括微處理器、信號(hào)采集單元和顯示單元，所述信號(hào)采集單元包括放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，所述放大器的輸入端同時(shí)連接至安裝在氣體流量計(jì)上的溫度傳感器和壓力傳感器，所述A/D轉(zhuǎn)換器位于放大器和所述微處理器之間；所述顯示單元為通過液晶驅(qū)動(dòng)電路連接至所述微處理器的液晶顯示屏；所述信號(hào)采集單元還包括一個(gè)直接連接至所述微處理器的選通電路，其輸入端為兩個(gè)，分別通過各自的前置放大器連接至安裝在氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器；還包括連接至所述微處理器的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行永久保存。本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)方案所述微處理器為MCU。所述存儲(chǔ)器為電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPR0M。還包括連接至所述微處理器的用戶接口單元，所述用戶接口單元包括可與用戶計(jì)算機(jī)或儀表連接的RS485通訊接口、D/A轉(zhuǎn)換器和脈沖放大器。還包括連接至所述微處理器的輸入設(shè)置單元。還包括內(nèi)置電源單元。所述內(nèi)置電源單元包括鋰離子電池。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明通過設(shè)置與微處理器直接相連的選通電路，將安裝于氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器整合到一起，通過微處理器的判斷與控制，根據(jù)不同情況選通不同傳感器工作，即氣體流速在流量傳感器的量程范圍內(nèi)時(shí)選通流量傳感器，低于其量程范圍的下限時(shí)選通熱加速度傳感器，也就是拓展了原流量傳感器的范圍，解決了現(xiàn)有技術(shù)中多表并聯(lián)帶來的問題。存儲(chǔ)器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，系統(tǒng)掉電重啟后數(shù)據(jù)自動(dòng)重新載入。顯示單元、用戶接口和輸入設(shè)置單元實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，操作簡單、穩(wěn)定可靠。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下請(qǐng)參見圖1，本發(fā)明包括MCU微處理器、信號(hào)采集單元和顯示單元。微處理器中設(shè)置處理程序，接收來自信號(hào)采集單元的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行高速監(jiān)控處理；對(duì)管路中的工況進(jìn)行判斷并選通相應(yīng)傳感器；對(duì)計(jì)算得到的數(shù)值進(jìn)行顯示處理并控制外置其它單元。信號(hào)采集單元包括放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，放大器的輸入端同時(shí)連接至安裝在氣體流量計(jì)上的溫度傳感器和壓力傳感器收集兩者產(chǎn)生的模擬信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器位于放大器和微處理器之間，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。顯示單元為通過液晶驅(qū)動(dòng)電路連接至微處理器的液晶顯示屏，集中顯示氣體流量計(jì)中的溫度、壓力、工況、標(biāo)況和累計(jì)氣體總量等信息。信號(hào)采集單元還包括一個(gè)直接連接至微處理器的選通電路，其輸入端為兩個(gè)，分別通過各自的前置放大器連接至安裝在氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器，該選通電路在微處理器的控制下選通一個(gè)傳感器、斷開另一個(gè)。根據(jù)熱加速度傳感器的工作原理，在芯片中央產(chǎn)生一個(gè)懸浮的“熱氣團(tuán)”，同時(shí)四個(gè)由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。為了實(shí)現(xiàn)用該熱加速度傳感器進(jìn)行對(duì)氣流速度的測(cè)量，需要經(jīng)過精確的數(shù)學(xué)建模來得到氣流速度與各熱電偶測(cè)量溫度值的關(guān)系曲線。由于氣流在管路中均勻流動(dòng)，可以將其假想為均一介質(zhì)，將熱加速度傳感器的四個(gè)熱電偶中的兩個(gè)設(shè)置在流量計(jì)的中心線上，一個(gè)靠近入口一個(gè)靠近出口。當(dāng)流量計(jì)中沒有氣流流過時(shí)，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對(duì)稱的。此時(shí)，所有的四個(gè)熱電偶組均因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。當(dāng)氣流以一定的速度流過時(shí)，“熱氣團(tuán)”沿氣體流向有一個(gè)Λ的偏量，即擾亂了熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對(duì)稱，此時(shí)流量計(jì)中心線上的兩個(gè)熱電偶的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而該電壓的差異是直接與所感應(yīng)的氣流速度成比例的。由此建立了氣流速度與熱電偶間電壓差的關(guān)系模型。還包括連接至微處理器的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行永久保存，存儲(chǔ)器選取為電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPR0M。還包括連接至微處理器的用戶接口單元，該用戶接口單元包括可與用戶計(jì)算機(jī)或儀表連接的RS485通訊接口、D/A轉(zhuǎn)換器和脈沖放大器，用戶可以通過該接口單元將該積算 儀連接至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、分析，也可連接其它儀表進(jìn)行顯示以及深度處理等操作。還包括連接至微處理器的輸入設(shè)置單元，包括鍵盤、觸摸屏等設(shè)備，用戶由此對(duì)積算儀進(jìn)行設(shè)置。
還包括內(nèi)置電源單元，其中采用鋰離子電池，電量由液晶顯示屏進(jìn)行顯示。 該系統(tǒng)將安裝于氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器整合到一起，其等效為雙傳感器輸入，單微處理器來無觸點(diǎn)執(zhí)行切換。通過選通電路利用I2C總線同微處理芯片相連接，由軟件程序在內(nèi)部做實(shí)時(shí)高速監(jiān)控處理，來判斷當(dāng)前管道內(nèi)的氣流流速，根據(jù)結(jié)果選通是該由流量傳感器電路工作還是由熱加速度傳感器電路工作，總運(yùn)算反應(yīng)時(shí)間為2ns-10ns之間，通過無觸點(diǎn)快速切換，來自動(dòng)執(zhí)行量程切換功能。同時(shí)，由微處理器經(jīng)過質(zhì)量和體積轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏進(jìn)行顯示，并且由EEPROM實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，來永久保存。當(dāng)系統(tǒng)初次上電，執(zhí)行自檢，完畢后默認(rèn)熱加速度傳感器工作，并且執(zhí)行間歇掃描，當(dāng)檢測(cè)到流速后根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算結(jié)果來決定是否選通切換常規(guī)傳感器，或者在用戶了解流量的前提下直接人工設(shè)置默認(rèn)傳感器狀態(tài)。然后由儀表自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)選通。電氣性能指標(biāo)(I)工作電源外電源(8 24)VDC，紋波彡50mV,當(dāng)接入外電源時(shí)內(nèi)電源自動(dòng)斷開，整機(jī)由外電源供電工作。內(nèi)電源一節(jié)3.6V DC鋰電池，屏幕實(shí)時(shí)顯示電池電量，并有電池欠壓報(bào)警，以提示用戶及時(shí)更換。(2)整機(jī)功耗外電源整機(jī)功耗彡Iff ；內(nèi)電源平均功耗彡O. 8mff,處于休眠狀態(tài)時(shí)，功耗彡O. 2mW。(3)輸入信號(hào) 流量信號(hào)(O 2) kHz脈沖信號(hào)，Vpp = 2. 5V ；溫度信號(hào)由溫度傳感器輸出的阻值信號(hào)；壓力信號(hào)由壓力傳感器輸出的mV級(jí)的信號(hào)。(4)輸出信號(hào)輸出信號(hào)(三線制)直接將流量傳感器檢測(cè)的工況脈沖信號(hào)放大輸出，傳輸距離(50m,由外電源+24VDC供電工作；(4 20)mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)(4 20)mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)線性對(duì)應(yīng)于(O Qmax)m3/h標(biāo)準(zhǔn)體積流量，流量范圍由儀表參數(shù)設(shè)定，傳輸距離< 200m，接線方式為兩線制或三線制，由外電源+24VDC供電工作；標(biāo)準(zhǔn)流量信號(hào)以脈沖信號(hào)串方式輸出，周期分別為5ms、500ms,脈沖幅值約為3V,常態(tài)為低電平,傳輸距離< 50m,每一個(gè)脈沖分別代表O. Im3Um3,適用與IC卡系統(tǒng)配套使用；RS485接口信號(hào)直接與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可遠(yuǎn)傳被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力、瞬時(shí)流量、標(biāo)準(zhǔn)體積總量等儀表有關(guān)參數(shù)、故障代碼、運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。與專用MODEM配套使用，可實(shí)現(xiàn)電話通訊，一臺(tái)專用MODEM可帶16臺(tái)流量計(jì)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為滿足數(shù)據(jù)管理的需要，儀表具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，包括a)最近400次流量計(jì)的啟停時(shí)間和對(duì)應(yīng)累積流量值；b)最近48個(gè)月內(nèi)每個(gè)月的累積流量值；c)最近300次的狀態(tài)記錄數(shù)(包括時(shí)間、溫度、壓力、瞬時(shí)流量、累積流量值等)，間隔時(shí)間可設(shè)定為(Imin 999min)；以上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可利用筆記本電腦或臺(tái)式計(jì)算機(jī)通過RS485接口進(jìn)行讀取，根據(jù)用戶需要形成數(shù)據(jù)表或曲線圖以供分析。電話通訊網(wǎng)絡(luò)及通訊管 理軟件流量計(jì)與專用MODEM配套，通過電話線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)流量計(jì)的歷史數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)進(jìn)行讀取并能遠(yuǎn)程設(shè)置各種流量計(jì)有關(guān)參數(shù)，電話通訊管理軟件可根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理功能。
權(quán)利要求
1.一種寬量程氣體流量計(jì)積算儀，包括微處理器、信號(hào)采集單元和顯示單元，其特征在于: 所述信號(hào)采集單元包括放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，所述放大器的輸入端同時(shí)連接至安裝在氣體流量計(jì)上的溫度傳感器和壓力傳感器，所述A/D轉(zhuǎn)換器位于放大器和所述微處理器之間； 所述顯示單元為通過液晶驅(qū)動(dòng)電路連接至所述微處理器的液晶顯示屏； 所述信號(hào)采集單元還包括一個(gè)直接連接至所述微處理器的選通電路，其輸入端為兩個(gè)，分別通過各自的前置放大器連接至安裝在氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器； 還包括連接至所述微處理器的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行永久保存。
2.按照權(quán)利要求I所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于所述微處理器為MCU。
3.按照權(quán)利要求I所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于所述存儲(chǔ)器為電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM。
4.按照權(quán)利要求I所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于還包括連接至所述微處理器的用戶接口單元，所述用戶接口單元包括可與用戶計(jì)算機(jī)或儀表連接的RS485通訊接口、D/A轉(zhuǎn)換器和脈沖放大器。
5.按照權(quán)利要求I所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于還包括連接至所述微處理器的輸入設(shè)置單元。
6.按照權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于還包括內(nèi)置電源單元。
7.按照權(quán)利要求6所述的寬量程氣體流量計(jì)積算儀，其特征在于所述內(nèi)置電源單元包括鋰離子電池。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣體流量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種寬量程氣體流量計(jì)積算儀。包括微處理器、信號(hào)采集單元和顯示單元，所述信號(hào)采集單元包括放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，所述放大器的輸入端同時(shí)連接至安裝在氣體流量計(jì)上的溫度傳感器和壓力傳感器，所述A/D轉(zhuǎn)換器位于放大器和所述微處理器之間；所述顯示單元為通過液晶驅(qū)動(dòng)電路連接至所述微處理器的液晶顯示屏；所述信號(hào)采集單元還包括一個(gè)直接連接至所述微處理器的選通電路，其輸入端為兩個(gè)，分別通過各自的前置放大器連接至安裝在氣體流量計(jì)上的流量傳感器和熱加速度傳感器；還包括連接至所述微處理器的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行永久保存。
文檔編號(hào)G01F15/06GK102620789SQ201210082119
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者郭慶博 申請(qǐng)人:天津市勝武儀表技術(shù)有限公司