一種高精度流量計(jì)及測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度流量計(jì)及測(cè)量方法，所述流量計(jì)的測(cè)量電路主要包括單片機(jī)、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號(hào)放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。通過測(cè)量同一發(fā)熱傳感單元，在兩次不同功率下的輸出信號(hào)，來檢測(cè)流體質(zhì)量流量，省略了流體溫度測(cè)量，同時(shí)消除了信號(hào)放大單元溫度漂移的影響，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度高的特點(diǎn)。運(yùn)用于極早期報(bào)警領(lǐng)域，大大提高了氣流檢測(cè)的可靠性。
【專利說明】 一種高精度流量計(jì)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種高精度的熱耗散式流量計(jì)及測(cè)量方法。特別適合于極早期火災(zāi)報(bào)警中的氣流檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，基于金氏定律(King’s Law)熱耗散式流量測(cè)量原理有兩種方法:
1、功率測(cè)量法
保持發(fā)熱體與流體溫度差不變，通過測(cè)量加在發(fā)熱體上的功率，來測(cè)量流量。
[0003]2、溫差測(cè)量法
保持加在發(fā)熱體上的功率不變，通過測(cè)量發(fā)熱體與流體溫度差，來測(cè)量流量。
[0004]以上兩種方法均需測(cè)量發(fā)熱體、流體之間溫度差，以消除流體溫度波動(dòng)的影響。由于兩個(gè)溫度傳感器的線性度、安裝位置、引線長(zhǎng)短都不一樣，在流體溫度變化較大的情況下，發(fā)熱體與流體之間的溫差會(huì)有一個(gè)波動(dòng)范圍，導(dǎo)致一定的測(cè)量誤差。以美國(guó)專利號(hào)為4781065的發(fā)明為例，該發(fā)明采用兩只穩(wěn)壓二極管作為傳感器來測(cè)量發(fā)熱體與流體溫度之間的差值，由于不同穩(wěn)壓二極管之間的溫度系數(shù)不一樣，誤差會(huì)在20%以內(nèi)；雖然在生產(chǎn)過程中，對(duì)兩只穩(wěn)壓二極管進(jìn)行了匹配篩選，但依然受流體溫度波動(dòng)影響，無法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。而在極早期火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域，需要測(cè)量多達(dá)25個(gè)區(qū)域的采樣空氣，每個(gè)區(qū)域一個(gè)采樣孔；原則上，如果有一個(gè)孔被灰塵堵塞，氣流檢測(cè)模塊應(yīng)該能有效探測(cè)，才能防止火警漏報(bào)，但由于受氣流溫度以及管路流阻影響，探測(cè)相對(duì)精度只能達(dá)到20% — 30%，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15631-2008規(guī)定是50%，上述發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果也能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，但仍不能滿足實(shí)際探測(cè)需要。
[0005]有的技術(shù)方案采用單片機(jī)(微處理器)對(duì)兩個(gè)溫度傳感器進(jìn)行采樣處理，并校準(zhǔn)，減少了誤差，提高了測(cè)量精度；如國(guó)內(nèi)申請(qǐng)?zhí)枮?00710304552.1的發(fā)明，公開了一種熱耗散式質(zhì)量流量計(jì)及質(zhì)量流量測(cè)量方法，采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行查表計(jì)算；美國(guó)專利號(hào)為US7162374B2的發(fā)明，公開了一種測(cè)量流體的設(shè)備及方法，也是采用微處理器測(cè)量并計(jì)算溫度。上述兩個(gè)發(fā)明由于要準(zhǔn)確測(cè)量溫度值，實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要校準(zhǔn)，增加了生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是提供一種高精度流量計(jì)及測(cè)量方法，來解決上述問題。它不需要測(cè)量流體溫度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)容易，成本低的特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0008]一種高精度流量計(jì)，包括管道、測(cè)量電路，其特征在于:測(cè)量電路主要包括單片機(jī)、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號(hào)放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元；單片機(jī)與壓控功率單元連接，壓控功率單元與發(fā)熱傳感單元連接，發(fā)熱傳感單元與信號(hào)放大單元連接，信號(hào)放大單元與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元與單片機(jī)連接。
[0009]上述發(fā)熱傳感單元受熱后，輸出與溫度相關(guān)的電參數(shù)，如輸出電壓，可以是穩(wěn)壓二極管，如輸出電阻，可以是鉬電阻。
[0010]上述發(fā)熱傳感單元安裝在管道中，待測(cè)流體流經(jīng)管道。
[0011 ] 上述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元可以集成在單片機(jī)中。
[0012]上述信號(hào)放大單元包括信號(hào)放大器、參考電壓調(diào)整模塊，參考電壓調(diào)整模塊與單片機(jī)連接，與信號(hào)放大器連接。
[0013]上述參考電壓調(diào)整模塊可以是數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，該數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器可以集成在單片機(jī)中。
[0014]一種流量測(cè)量方法:單片機(jī)發(fā)出一控制信號(hào)，控制壓控功率單元，使其輸出功率P1加在發(fā)熱傳感單元，電流為Ip電壓為V1,經(jīng)信號(hào)放大單元放大后輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)過一段時(shí)間，發(fā)熱傳感單元與流體形成熱平衡，單片機(jī)讀取模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換結(jié)果；單片機(jī)依上述過程發(fā)出另一控制信號(hào)，加在發(fā)熱傳感單元的功率為P2，電流為12、電壓為V2，單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機(jī)通過I2、V2、IpV1計(jì)算出流體流量。 [0015]下面推導(dǎo)本發(fā)明用到的流量計(jì)量公式。
[0016]根據(jù)金氏定律，兩次測(cè)量流體帶走功率差為Λ H= (A+BXG1/n) X ΔΤ;
兩次測(cè)量加在發(fā)熱體上的功率差Λ Pd=P2-P1=I2XV2-11XV1 ；
達(dá)到熱平衡時(shí)，Λ Pd= Λ H ;于是得出質(zhì)量流量公式:
[公式 I] G= (Δ Pd / (ΔΤΧΒ)-Α/Β)η ,
其中η與雷諾系數(shù)有關(guān)，一般為2 ;Α、Β與發(fā)熱傳感單元的幾何形狀、被測(cè)流體物理參數(shù)有關(guān)。
[0017]1、發(fā)熱傳感單元為穩(wěn)壓二極管時(shí)，其溫度系數(shù)為Κζ。
[0018]令:Λ V=V2-V1，于是兩次測(cè)量的發(fā)熱傳感單元的溫度差Λ T=KzX Δ V ;根據(jù)[公式I]
得出發(fā)熱傳感單元為穩(wěn)壓二極管的流量計(jì)量公式:
[公式 2] G= CkX Λ Pv -b)n，其中 k=l/ (KzXB), b=A/B, Δ Pv= Δ Pd/ Δ V0
[0019]2、發(fā)熱單元為鉬電阻時(shí)，其溫度系數(shù)為Κκ，Λ T= KeX AR,AR=V2/I2- V1Zl1 ;根據(jù)[公式I]得出:
[公式 3] G= CkX Λ Pv -b)n，其中 k=l/ ( KKXB)，b=A/B。Λ Pv= Λ Pd/Λ R。
[0020]從[公式2]、[公式3]中可以看出，Κζ、Κκ、A、B是常數(shù)，測(cè)出Λ Ρν，就能測(cè)出質(zhì)量流量G。上述公式的推導(dǎo)，忽略了兩次測(cè)量之間流體溫度變化的影響，實(shí)際上在極早期火災(zāi)預(yù)警產(chǎn)品使用中，由于是多個(gè)區(qū)域測(cè)量，加上氣流管路較長(zhǎng)，氣流溫度變化是非常緩慢的，在國(guó)標(biāo)GB15631-2008溫度測(cè)試中，氣流溫度變化為0.5°C /分鐘，因此只要控制12、I1的值，使Λ T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩次測(cè)量之間氣流溫度變化，利用[公式2]或[公式3]就能精確檢測(cè)質(zhì)量流量。
[0021 ] 在極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝使用情況，特別采樣氣流開孔數(shù)目，來檢測(cè)氣流，需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)的氣流質(zhì)量流量為GK，正常檢測(cè)時(shí)的氣流質(zhì)量流量為G，一般用百分比P來檢測(cè)采樣氣流是否正常，P=G/GeX 100%。下面推導(dǎo)氣流百分比檢測(cè)公式。
[0022]抽氣泵停轉(zhuǎn)時(shí)，管道內(nèi)氣流G=0，測(cè)出APv值，記為APvtl，根據(jù)[公式2]或[公式3]得出:
[公式 4] k=b/ Δ Pvo。[0023]氣流標(biāo)定時(shí)，測(cè)出厶匕值，記為ΛΡνκ，根據(jù)[公式2]或[公式3]得出:
[公式 5] Ge= CkX ΔΡνΕ -b)n0
[0024]氣流正常檢測(cè)時(shí)，測(cè)出Λ Pv值，記為Λ PVN，根據(jù)[公式I]或[公式3]得出: [公式 6] G= (kX APVN-b)n。
[0025]根據(jù)[公式4]、[公式5]、[公式6]得出:
[公式 7] P= G / Ge X 100%= ( ( Δ Pvn- Δ Pvo) / (Δ Pve- Δ Pvo)) nX 100%。
[0026]從[公式7]中可以看出，在極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域的運(yùn)用中，氣流百分比與Kk、Kz、A、B無關(guān)，所以只要安裝現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定即可，標(biāo)定過程完全可以由單片機(jī)控制自動(dòng)完成，無需生產(chǎn)校準(zhǔn)就可以獲得高精度。由于極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域中的氣流檢測(cè)，其目的是監(jiān)測(cè)氣流是否正常，當(dāng)發(fā)生氣流故障時(shí)，其狀態(tài)是穩(wěn)定的，為了獲得更高精度，可以對(duì)多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)多次結(jié)果變化不大時(shí)，再確定是否發(fā)出氣流故障報(bào)警，以消除流體溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
[0027]本發(fā)明通過測(cè)量同一發(fā)熱傳感單元，在兩次不同功率下的輸出信號(hào)，來檢測(cè)流體質(zhì)量流量，省略了流體溫度測(cè)量，同時(shí)消除了信號(hào)放大單元溫度漂移的影響，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度高的特點(diǎn)。運(yùn)用于極早期報(bào)警領(lǐng)域，大大提高了氣流檢測(cè)的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的 技術(shù)方案結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖2、圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0030]在圖2中，單片機(jī)為芯片U9，型號(hào)為STM32F100R8T6，模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元由單片機(jī)中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；參考電壓調(diào)整模塊由單片機(jī)中的一路數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成。
[0031]在圖3中，放大器況8與電阻1?43、1?44、1?45、1?46、1?17以及PMOS管Q5構(gòu)成壓控功率單元；放大器U4D、U4C構(gòu)成信號(hào)放大單元；發(fā)熱傳感單元由穩(wěn)壓二極管D4組成。
[0032]上述模塊是這樣工作的:
1、單片機(jī)U9通過片上數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊輸出一控制電壓，壓控功率單元通過Q5輸出恒定電流I1至04，延時(shí)一段時(shí)間，D4輸出電壓V1，經(jīng)信號(hào)單元放大中的U4C放大后，輸入單片機(jī)中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，完成第一次采樣。
[0033]2、單片機(jī)U9通過片上數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊輸出另一控制電壓，壓控功率單元通過Q5輸出恒定電流I2至D4，其中12>11;使得兩次測(cè)量的溫度差Λ T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量期間的氣流溫度變化，AT可以為100°C ;延時(shí)一段時(shí)間，D4輸出電壓V2，經(jīng)信號(hào)單元放大后，輸入單片機(jī)中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，完成第二次采樣。
[0034]3、將上述結(jié)果輸入到[公式I]，即可得到質(zhì)量流量。
[0035]4、根據(jù)步驟1、步驟2求出:Λ Ρν，Λ Ρνκ，Λ Pvtl，根據(jù)[公式5]即可求出運(yùn)用于極早期火災(zāi)報(bào)警的氣流百分P。
[0036]5、流體在兩次測(cè)量的短時(shí)間內(nèi)，溫度變化比較緩慢，可以忽略，但流體長(zhǎng)期溫度變化的影響還是比較大的，如春夏秋冬等季節(jié)變化，這種影響會(huì)導(dǎo)致放大器U4C輸出較大或較小信號(hào)，超出了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的輸入信號(hào)范圍，使得單片機(jī)的轉(zhuǎn)換結(jié)果不可靠。為了消除這種影響，在步驟I第一次采樣時(shí)，單片機(jī)需要根據(jù)輸入信號(hào)大小，控制參考電壓調(diào)整模塊輸出一個(gè)參考電壓信號(hào)至放大器U4D，經(jīng)U4D調(diào)整后輸入U(xiǎn)4C，與發(fā)熱傳感單元D4形成差分放大。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度流量計(jì)，包括管道、測(cè)量電路，其特征在于:測(cè)量電路主要包括單片機(jī)、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號(hào)放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元；單片機(jī)與壓控功率單元連接，壓控功率單元與發(fā)熱傳感單元連接，發(fā)熱傳感單元與信號(hào)放大單元連接，信號(hào)放大單元與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元與單片機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計(jì)，其特征在于:發(fā)熱傳感單元受熱后，輸出與溫度相關(guān)的電參數(shù)，如輸出電壓，可以是穩(wěn)壓二極管，如輸出電阻，可以是鉬電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計(jì)，其特征在于:發(fā)熱傳感單元安裝在管道中，待測(cè)流體流經(jīng)管道。
4.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計(jì)，其特征在于:模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元可以集成在單片機(jī)中。
5.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計(jì)，其特征在于:信號(hào)放大單元包括信號(hào)放大器、參考電壓調(diào)整模塊，參考電壓調(diào)整模塊與單片機(jī)連接，與信號(hào)放大器連接。
6.如權(quán)利要求5所述的信號(hào)放大單元，其特征在于:參考電壓調(diào)整模塊可以是數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，該數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器可以集成在單片機(jī)中。
7.一種流量測(cè)量方法:單片機(jī)發(fā)出一控制信號(hào)，控制壓控功率單元，使其輸出功率P1加在發(fā)熱傳感單元，電流為I1、電壓為\，經(jīng)放大單元放大后輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)過一段時(shí)間，單片機(jī)讀取模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換結(jié)果；單片機(jī)依上述過程發(fā)出另一控制信號(hào)，加在發(fā)熱傳感單元的功率為P2，電流為I2、電壓為V2，單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機(jī)通過IyHV1計(jì)算出流體流量。
8.如權(quán)利要求6所述的流量測(cè)量方法，其特征在于:流量計(jì)量公式為G=(kXAPv-b)ηO
9.如權(quán)利要求6所述的流量測(cè)量方法，其特征在于:流量百分比計(jì)量公式為P=G /Ge X 100%= ( ( Δ Pvn- Δ Pvo) / (Δ Pve- Δ Pvo)) nX 100%。
【文檔編號(hào)】G01F1/86GK103837201SQ201210490134
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】樂志明 申請(qǐng)人:樂志明