專利名稱：一種高精度流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及流體流量測量領(lǐng)域，尤其是一種高精度的熱耗散式流量計。特別適合于極早期火災(zāi)報警中的氣流檢測。
背景技術(shù)：
目前，基于金氏定律(King’s Law)熱耗散式流量測量原理有兩種方法:1、功率測量法保持發(fā)熱體與流體溫度差不變，通過測量加在發(fā)熱體上的功率，來測量流量。2、溫差測量法保持加在發(fā)熱體上的功率不變，通過測量發(fā)熱體與流體溫度差，來測量流量。以上兩種方法均需測量發(fā)熱體、流體之間溫度差，以消除流體溫度波動的影響。由于兩個溫度傳感器的線性度、安裝位置、引線長短都不一樣，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有一個波動范圍，導致一定的測量誤差。以美國專利號為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，誤差會在20%以內(nèi)；雖然在生產(chǎn)過程中，對兩只穩(wěn)壓二極管進行了匹配篩選，但依然受流體溫度波動影響，無法實現(xiàn)高精度測量。而在極早期火災(zāi)探測領(lǐng)域，需要測量多達25個區(qū)域的采樣空氣，每個區(qū)域一個采樣孔；原則上，如果有一個孔被灰塵堵塞，氣流檢測模塊應(yīng)該能有效探測，才能防止火警漏報，但由于受氣流溫度以及管路流阻影響，探測相對精度只能達到20% — 30%，我國國家標準GB15631-2008規(guī)定是50%，上述發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，測量結(jié)果也能達到國標要求，但仍不能滿足實際探測需要。有的技術(shù)方案采用單片機(微處理器)對兩個溫度傳感器進行采樣處理，并校準，減少了誤差，提高了測量精度；如國內(nèi)申請?zhí)枮?00710304552.1的發(fā)明，公開了一種熱耗散式質(zhì)量流量計及質(zhì)量流量測量方法，采用單片機對溫度進行查表計算；美國專利號為US7162374B2的發(fā)明，公開了一種測量流體的設(shè)備及方法，也是采用微處理器測量并計算溫度。上述兩個發(fā)明由于要準確測量溫度值，實際生產(chǎn)過程中，需要校準，增加了生產(chǎn)成本。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是提供一種高精度流量計，來解決上述問題。它不需要測量流體溫度，具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)容易，成本低的特點。本實用新型的技術(shù)方案如下。一種高精度流量計，包括管道、測量電路，其特征在于:測量電路主要包括單片機、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元；單片機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)熱傳感單元與信號放大單元連接，信號放大單元與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元與單片機連接。上述發(fā)熱傳感單元可以是穩(wěn)壓二極管，也可以是鉬電阻。[0013]上述發(fā)熱傳感單元安裝在管道中，待測流體流經(jīng)管道。上述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元可以集成在單片機中。上述信號放大單元包括信號放大器、參考電壓調(diào)整模塊，參考電壓調(diào)整模塊與單片機連接，與信號放大器連接。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中。上述模塊是這樣工作的:單片機發(fā)出一控制信號，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)放大單元放大后輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)過一段時間，發(fā)熱傳感單元與流體形成熱平衡，單片機讀取模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換結(jié)果；單片機依上述過程發(fā)出另一控制信號，加在發(fā)熱傳感單元的功率為P2，電流為12、電壓為V2，單片機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機通過I2、V2、IpV1計算出流體流量。下面推導本實用新型用到的流量計量公式。根據(jù)金氏定律，兩次測量流體帶走功率差為Λ H= (A+BXG1/n) X ΔΤ;兩次測量加在發(fā)熱體上的功率差Λ Pd=P2-P1=I2XV2-11XV1 ；達到熱平衡時,Λ Pd= Δ H ;于是得出質(zhì)量流量公式:[公式I] G= (APd / (Λ ΤΧΒ) _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、被測流體物理參數(shù)有關(guān)。1、發(fā)熱傳感單元為穩(wěn)壓二極管時，其溫度系數(shù)為Κζ。令:Λ V=V2-V1，于是兩次測量的發(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)壓二極管的流量計量公式:[公式2] G= CkX Δ Pv -b)n，其中 k=l/ (KzXB), b=A/B, Δ Pv= Δ Pd/ Δ V02、發(fā)熱單元為鉬電阻時，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 Δ Pv -b)n，其中 k=l/ ( KKXB)，b=A/B。Λ Pv= Λ Pd/Λ R。從[公式2]、[公式3]中可以看出，Κζ、Κκ、A、B是常數(shù)，測出Λ Ρν，就能測出質(zhì)量流量G。上述公式的推導，忽略了兩次測量之間流體溫度變化的影響，實際上在極早期火災(zāi)預(yù)警產(chǎn)品使用中，由于是多個區(qū)域測量，加上氣流管路較長，氣流溫度變化是非常緩慢的，在國標GB15631-2008溫度測試中，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遠遠大于兩次測量之間氣流溫度變化，利用[公式2]或[公式3]就能精確檢測質(zhì)量流量。 在極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域，根據(jù)現(xiàn)場安裝使用情況，特別采樣氣流開孔數(shù)目，來檢測氣流，需要現(xiàn)場標定，標定時的氣流質(zhì)量流量為GK，正常檢測時的氣流質(zhì)量流量為G，一般用百分比P來檢測采樣氣流是否正常，P=G/GeX 100%。下面推導氣流百分比檢測公式。抽氣泵停轉(zhuǎn)時，管道內(nèi)氣流G=0，測出APv值，記為APvtl，根據(jù)[公式2]或[公式3]得出:[公式4] k=b/ Δ Pvo。氣流標定時，測出厶匕值，記為ΛΡνκ，根據(jù)[公式2]或[公式3]得出:[0035][公式5] Ge= CkX Δ Pve _b) η。氣流正常檢測時，測出Λ Pv值，記為Λ PVN，根據(jù)[公式I]或[公式3]得出:[公式6] G= CkX Δ PVN-b) n。根據(jù)[公式4]、[公式5]、[公式6]得出:[公式7] P= G / Ge Χ100%=( ( Δ Pvn- Δ Pvo) / (Λ Ρνκ_ Λ Pvtl)) nX 100%。從[公式7]中可以看出，在極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域的運用中，氣流百分比與Kk、Kz、A、B無關(guān)，所以只要安裝現(xiàn)場標定即可，標定過程完全可以由單片機控制自動完成，無需生產(chǎn)校準就可以獲得高精度。由于極早期火災(zāi)預(yù)警領(lǐng)域中的氣流檢測，其目的是監(jiān)測氣流是否正常，當發(fā)生氣流故障時，其狀態(tài)是穩(wěn)定的，為了獲得更高精度，可以對多次測量結(jié)果進行比較，當多次結(jié)果變化不大時，再確定是否發(fā)出氣流故障報警，以消除流體溫度變化對測量結(jié)果的影響。本實用新型通過測量同一發(fā)熱傳感單元，在兩次不同功率下的輸出信號，來檢測流體質(zhì)量流量，省略了流體溫度測量，同時消除了信號放大單元溫度漂移的影響，簡化了生產(chǎn)過程，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高的特點。運用于極早期報警領(lǐng)域，大大提高了氣流檢測的可靠性。

圖1是本實用新型的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)圖。圖2、圖3是本實用新型的一個實施例。
具體實施方式在圖2中，單片機為芯片U9，型號為STM32F100R8T6，模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元由單片機中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；參考電壓調(diào)整模塊由單片機中的一路數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成。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)成信號放大單元；發(fā)熱傳感單元由穩(wěn)壓二極管D4組成。上述模塊是這樣工作的:1、單片機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D4,延時一段時間,D4輸出電壓V1,經(jīng)信號單兀放大中的U4C放大后,輸入單片機中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，完成第一次采樣。2、單片機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;使得兩次測量的溫度差Λ T遠遠大于測量期間的氣流溫度變化，AT可以為100°C ;延時一段時間，D4輸出電壓V2，經(jīng)信號單元放大后，輸入單片機中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，完成第二次采樣。3、將上述結(jié)果輸入到[公式I]，即可得到質(zhì)量流量。4、根據(jù)步驟1、步驟2求出:Λ Ρν，Λ Ρνκ，Λ Pvtl，根據(jù)[公式5]即可求出運用于極早期火災(zāi)報警的氣流百分P。5、流體在兩次測量的短時間內(nèi)，溫度變化比較緩慢，可以忽略，但流體長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，這種影響會導致放大器U4C輸出較大或較小信號，超出了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元的輸入信號范圍，使得單片機的轉(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，單片機需要根據(jù)輸入信號大小，控制參考電壓調(diào)整模塊輸出一參考電壓信號至放大器U4D，經(jīng)U4D調(diào)整后輸入U4C，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，包括管道、測量電路，其特征在于:測量電路主要包括單片機、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元；單片機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)熱傳感單元與信號放大單元連接，信號放大單元與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元與單片機連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計，其特征在于:發(fā)熱傳感單元可以是穩(wěn)壓二極管，也可以是鉬電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計，其特征在于:發(fā)熱傳感單元安裝在管道中，待測流體流經(jīng)管道。
4.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計，其特征在于:模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元可以集成在單片機中。
5.如權(quán)利要求1所述的高精度流量計，其特征在于:信號放大單元包括信號放大器、參考電壓調(diào)整模塊，參考電壓調(diào)整模塊與單片機連接，與信號放大器連接。
6.如權(quán)利要求5所述的信號放大單元，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中。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度流量計，所述流量計的測量電路主要包括單片機、壓控功率單元、發(fā)熱傳感單元、信號放大單元、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。通過測量同一發(fā)熱傳感單元，在兩次不同功率下的輸出信號，來檢測流體質(zhì)量流量，省略了流體溫度測量，同時消除了信號放大單元溫度漂移的影響，簡化了生產(chǎn)過程，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高的特點。運用于極早期報警領(lǐng)域，大大提高了氣流檢測的可靠性。
文檔編號G01F1/86GK203037303SQ20122063530
公開日2013年7月3日 申請日期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 申請人:樂志明